橡膠磨耗及表面形貌的研究

周省委

（青島科技大學， 山東 青島 266061）

關(guān)鍵字：橡膠；磨耗性能；掃描電鏡；固體核磁共振

眾所周知, 磨耗性能是橡膠制品的一項重要指標, 與材料失效和制品的使用安全性密切相關(guān)。對橡膠磨耗的研究是當今材料摩擦學研究的熱點之一[1]。倪春霞[2]研究了橡膠結(jié)構(gòu)對磨耗性能的影響，研究表明分子量與磨耗成反比關(guān)系、橡膠的支化程度低有利于磨耗的降低、回彈性高的橡膠產(chǎn)品磨耗值也相應會降低以及橡膠的抗?jié)窕阅芎茫錆L動阻力就會大，滾動阻力越小，耐磨性能越好，滑動阻力越大，耐磨性能越差。

通過以上的敘述，我們了解到前人對橡膠磨耗機理做了大量的研究，也取得了不錯的成就，但由于橡膠磨耗是一個極其復雜的過程，因此磨耗問題還需要大量的研究。在本文中，主要通過行程（轉(zhuǎn)數(shù)）、溫度的改變來探索橡膠磨耗過程中表面結(jié)構(gòu)變化，以此來研究橡膠磨耗的機理，為模擬磨耗行為、提高耐磨性作出合理的支持。

1 實驗部分

1.1 原材料與儀器

天然橡膠（NR），牌號SCR5，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團產(chǎn)品；炭黑N220，硬脂酸（SA），氧化鋅（ZnO），防老劑4020，防老劑RD，防護蠟，芳烴油，促進劑NOBS，硫黃均為市售工業(yè)級產(chǎn)品。

密煉機，XSM-500 型，上海科創(chuàng)橡塑機械設備有限公司；開煉機，XK-16O 型，上海雙翼橡塑機械有限公司；平板硫化儀，VC-150TFTMO-3RT 型，佳鑫電子設備有限公司；阿克隆磨耗機（添加了加熱和控溫系統(tǒng)），GT-7012-A型，臺灣高鐵科技股份有限公司。

1.2 實驗配方

天然橡膠NR 100，炭黑N220 50，硬脂酸2，氧化鋅4，防老劑4020 1，防老劑RD 1，防護蠟1，芳烴油6，促進劑NOBS 0.8，硫磺1.2。

1.3 試樣制備

混煉方法采用傳統(tǒng)一段混聯(lián)法，混煉參數(shù)為溫度90℃，轉(zhuǎn)速50r/min。在平板硫化機上硫化，硫化參數(shù)145℃×20min（由之前的硫化曲線確定）。

1.4 性能測試

通過改變不同的轉(zhuǎn)數(shù)，對試樣進行阿克隆魔耗測試，轉(zhuǎn)數(shù)分別為1000、1500、2000、2500、3000r/min。通過電加熱和數(shù)字控溫，對試樣進行阿克隆魔耗測試，溫度分別為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃。利用掃描電子顯微鏡，通過表面噴金，觀察微觀表面，獲取適合倍數(shù)的SEM圖像；利用固體核磁，通過魔角旋轉(zhuǎn)和交叉極化獲得試樣的譜圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度及轉(zhuǎn)數(shù)與磨耗體積的關(guān)系

室溫下，轉(zhuǎn)數(shù)與磨耗體積的關(guān)系見圖1。

圖1 溫度及轉(zhuǎn)數(shù)與磨耗體積關(guān)系圖Fig.1 Relation Diagram of Temperature and Rotation to Abrasion Volume

從圖1 中看出，隨著磨耗轉(zhuǎn)數(shù)的增加，磨耗體積不斷增大，而且基本呈線性上升的趨勢。因為阿克隆磨耗是一種低速且周期性的摩擦運動，因此作用過程并不劇烈，變化基本保持線性狀態(tài)。

2.2 SEM 對磨耗表面形貌分析

圖2 為放大10 萬倍的SEM 圖像。

圖2 不同放大倍數(shù)下磨耗表面的SEM 圖像Fig.2 SEM image of wear surface under different magnification

從圖2 看到膠體表面微小的紋路，這就是微裂紋。當存在力學或熱學作用時，缺陷和裂紋處就會成為引發(fā)點，導致此處的應力集中或局部熱效應。在放大2000 倍的SEM 圖像中[圖2（b）]，能發(fā)現(xiàn)山脊處呈層狀堆積，類似沉積巖的結(jié)構(gòu)，這是因為阿克隆磨耗是一種低速且呈周期性的轉(zhuǎn)動的運動過程，而橡膠又是一種粘彈性材料，在應力和高溫作用下，會體現(xiàn)出很大的粘性，在阿克隆磨耗過程，膠體表面會在作用下發(fā)生形變和遷移，當作用消失的時候，形變和遷移會因為彈性而恢復一部分，但是有一部分會因為黏性而無法恢復，直到下個作用周期，如此不斷反復作用就會形成有層次（對應周期性作用） 且黏附堆積的表面。

在高溫和應力的作用下，橡膠基體表面的微裂紋會產(chǎn)生應力集中，導致微裂紋發(fā)展擴大，裂紋兩側(cè)的膠體會隨著應力作用形變、遷移，同時由于橡膠粘彈性的特點和阿克隆磨耗的特點，形變、遷移過程中，還會存在恢復，黏附作用，導致山脊呈層狀黏附堆積狀態(tài)。磨耗過程不斷進行，山脊堆積越來越高，山脊上某些相對獨立膠粒會因為與膠體的作用力不足，被摩擦力剝離下來，成為試驗的磨屑。

2.3 固體核磁共振對結(jié)構(gòu)變化的分析

圖3 為NMR 譜圖。

圖3 磨耗前后的固體核磁13C 譜圖Fig.3 Solid state 13C NMR spectra before and after wear

從圖3 的NMR 譜圖上來看，134 和124 左右處的峰為=C-，31 和25 左右處的峰為CH2，22左右處的峰為CH3，下面標注的為吸收峰的積分。對比磨耗前和磨耗后固體核磁共振13C 譜圖，可以看出，吸收峰的位置并沒有明顯的變化，對應吸收峰的積分面積也沒有明顯變化，因此可以得知天然橡膠的基本結(jié)構(gòu)并沒有改變，并且沒有發(fā)生明顯的化學反應。由此可以推斷磨耗過程中，結(jié)構(gòu)上的變化只是物理性變化，沒有發(fā)生大量的熱氧化反應。

3 結(jié)論

本論文使用了天然橡膠作為混合體系的膠種，以此來研究高溫阿克隆磨耗性能。有如下研究結(jié)論：

1） 隨溫度的升高，磨耗體積有加劇變大的趨勢，轉(zhuǎn)數(shù)與磨耗體積成線性關(guān)系。

2） 通過對不同放大倍數(shù)掃描電子顯微鏡圖像分析,表明橡膠表面磨紋是從微裂紋開始，在周期性應力和溫度作用下，不斷遷移黏附堆積而成。

3） 通過固體核磁共振譜圖的分析，可以得知磨耗過程主要以物理變化為主，化學變化可以忽略，這有利于分析磨耗問題的模型簡化。