胎圈鋼絲表面形態對橡膠黏合性能的影響

商業帥，鄧濤

(青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

現在國內胎圈鋼絲供大于求，價格戰從國內蔓延到國外，無序競爭激烈。企業為了降低生產成本，使用便宜的原材料并且提高生產效率，以此來保證企業的生存。這就造成了產品質量下降，嚴重影響了輪胎的安全性能。胎圈鋼絲與橡膠的黏合性能至關重要，而影響因素也非常多[1～4]。本文僅對胎圈鋼絲表面形態進行分析，考察其對橡膠黏合性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

Φ5.5 mm77A盤條，濰坊特鋼有限公司；胎圈膠，賽輪集團；99%硫酸銅，金川集團銅業有限公司；99%硫酸錫，贛州白塔金屬材料有限公司。

1.2 主要設備與儀器

XK-160型煉膠機，青島亞華機械有限公司；XLB-D420型平板硫化機，上海齊才液壓機械有限公司；3367型萬能試驗機，英斯特朗（上海）試驗設備貿易有限公司；SEM，泰思肯貿易（上海）有限公司；ZSX-Primus型X射線熒光光譜儀，日本理學株式會社。

1.3 胎圈鋼絲試樣制備

以濰坊特鋼有限公司的Φ5.5 mm77A盤條為主要原材料進行樣品制備。首先將盤條進行機械除銹處理，將表面的氧化皮進行去除，并用鋼絲刷將松動后殘留的部分氧化皮再次進行去除。通過高壓水洗將盤條表面的浮銹沖洗干凈，為后面的電解硫酸酸洗做準備。盤條通過電解硫酸槽時，不斷轉換電極，當盤條為陰極時，盤條表面發生2H++2e→H2↑反應；當盤條為陽極時，盤條表面發生2H2O→O2↑+4H++4e反應。電解反應產生的氣體以及硫酸對盤條的腐蝕作用將盤條表面的氧化物及雜質徹底去除。隨后通過水洗將盤條表面殘留的酸液洗干凈，PH達到中性。并通過熱水洗提高盤條的溫度，為后續的磷化處理做準備。

磷化處理前，盤條需要先進行表面調節。盤條通過膠體鈦溶液，使其表面均勻分布膠體微粒，并形成大量微陰極區。在磷化過程中，膠體微粒成為磷酸鹽結晶的晶核，促進結晶快速均勻形成，并阻止了大片狀的結晶體成長。盤條表面得到致密均勻的磷化膜，有利于拉絲質量的提高。磷化后通過水洗調整PH值為中性，盤條再進行涂硼處理，使其表面再增加一層硼砂膜，有利于拉絲過程中潤滑粉的帶入。

選取1套1.30系列的模具，將其安裝在選定的一臺設備上。將潤滑粉全部更換，并確認冷卻水溫。穿線完成后，將前工程表面處理完成的盤條以7 m/s、9 m/s、11 m/s的拉絲速度進行生產，得到表面形態不同的Φ1.30 mmHT鋼絲樣品。

選擇一條低錫鍍銅生產線，將3種不同的樣品線同時進行鍍銅。首先將拉絲樣品進行直線調整，保證鋼絲的平直度，減少平直度對橡膠黏合力的影響。通過鋼絲球將拉絲樣品表面的潤滑劑以及殘留的磷化、硼砂膜進行初步去除。熱水洗將拉絲樣品表面的潤滑粉等雜質進一步去除。拉絲樣品通過電解堿洗槽時，極性交替轉換，將表面的雜質徹底去除。再通過水洗調整PH值為中性，并在干燥爐內烘干拉絲樣品。在加熱爐內將拉絲樣品升溫，并在冷卻水槽內降溫，得到合適的物理性能。再通過電解硫酸洗將表面產生的氧化皮去除，后面緊接著進行鹽酸酸洗，徹底將氧化皮去除。

鍍銅前，拉絲樣品先進行活化處理，以提高鍍層與基體的結合能力。3種樣品以相同的速度同時進入選定的低錫鍍銅槽，保證鍍銅環境的一致性，減少鍍銅工藝對樣品與橡膠黏合性能的影響。鍍銅完成后，經過水洗及中和槽調整PH值，并經過干燥爐烘干。烘干后的樣品再經過涂cumar處理，防止樣品線的氧化。

收線完成后，將樣品剪成35 cm并進行真空保管，準備開始進行黏合力試驗。

1.4 橡膠試樣制備

將從賽輪集團購置的膠片剪成均勻的小塊，以便開煉。打開開煉機，將水溫升至35～45 ℃；調節厚度閥，使厚度調節至適當位置，逐步投入剪切后的膠塊，并隨時調整厚度閥，使膠料充分混合。膠料需要連續進行11～13次煉制，之后調整厚度閥到標準尺寸，膠料寬度調整至模具寬度，最終將膠料煉制成試驗使用的規格尺寸。煉制完成后，需要將膠料用保鮮膜包住，防止灰塵污染以及橡膠氧化。橡膠存放在保鮮柜內，溫度設置為5 ℃左右。

1.5 測試

黏合力試驗標準：GB/T 3513—2018硫化橡膠與單根鋼絲黏合力的測定抽出法；抽出速度150 mm/min。

試驗條件：模具2”，硫化溫度160 ℃，硫化時間20 min，硫化壓力 10 MPa，冷卻時間2 h。

按照試驗條件設定平板硫化機參數，并將模具進行預熱處理。將橡膠按照模具尺寸切成橡膠塊，切割好的橡膠不能直接用手觸摸，必須戴干凈的皮手套。將預熱好的模具取下，放入1塊去除保鮮模的橡膠，并將樣品線依次擺放在模具的凹槽內，再將另一塊橡膠放在樣品線上，并用橡膠錘敲打幾下，使樣品線和橡膠緊密結合，最后蓋上模具上蓋放入硫化機內進行硫化。

硫化完成后，將橡膠塊取出，并將溢流膠去除干凈，在室溫下放置冷卻2 h。冷卻完成后，開始在萬能拉力機上進行黏合力抽出操作，并記錄黏合力以及附膠率。

2 結果與討論

2.1 試樣的表面形態對比

在不同的拉絲速度下，盤條組織纖維化狀態不同。通過SEM觀察，鋼絲的表面形態如圖1所示。

圖1 不同拉絲速度下鋼絲表面纖維組織形態

通過圖1可以發現在7 m/s的拉絲速度下，纖維組織間距較大，未出現扁平化的組織，比表面積較大。在9 m/s的拉絲速度下，纖維組織間距變小，纖維組織出現扁平化，比表面積變小。在11 m/s的拉絲速度下，纖維組織間距進一步變小，大量出現扁平化纖維組織，比表面積進一步減小。

鍍銅后鋼絲的鍍層量及錫含量檢測如表1所示。

表1 鋼絲鍍層量及錫含量檢測數據

試樣使用的鍍銅溶液為低錫溶液，3個樣品同時進行生產，保證鍍銅工藝的參數一致。通過X射線熒光光譜儀對樣品進行檢測，鍍層量基本一樣，錫含量保持在一個水平上。可以認為3個樣品的鍍銅工藝對黏合力的影響一致。

鍍銅后，鋼絲在SEM的觀察下表面形態如圖2所示。

圖2 不同拉絲速度下鋼絲鍍銅后的組織形態

如圖2所示，鍍銅后的鋼絲纖維組織變化不大，組織之間的間距因為酸洗將表面的雜質去除而略微增加。

2.2 表面形態對黏合力及附膠率的影響

對三種不同表面形態的胎圈鋼絲進行黏合力試驗，數據如表2所示。

表2 鋼絲黏合力試驗數據

通過表2分析可以得出，7 m/s生產的胎圈鋼絲的黏合力最高，9 m/s生產的胎圈鋼絲的黏合力次之，11 m/s生產的胎圈鋼絲的黏合力最低。說明不同形態的纖維組織對黏合力影響不同，纖維組織間距越大黏合力越高，纖維組織扁平化程度越高黏合力越低。這是因為鋼絲表面纖維組織經過拉拔時，組織變形較大，使其表面積增加，而組織間的距離被擠壓而逐漸減少造成的。細長纖維組織形態時，表層的纖維組織數量較多，組織之間的距離較大，鋼絲的比表面積較大，與橡膠接觸的面積也就越大。當纖維組織變形后，部分組織表面積變大，將其他纖維組織擠壓覆蓋，表面的纖維組織數量減少，組織之間的距離減小，鋼絲的比表面積變小，與橡膠接觸的面積也就變小。

黏合力抽出試驗結束后，對鋼絲表面的附膠率進行對比，數據如表3所示。

表3 鋼絲附膠率試驗數據

通過表3分析可以得出，7 m/s生產的胎圈鋼絲的附膠率最高，9 m/s生產的胎圈鋼絲的次之，11 m/s生產的胎圈鋼絲的最低。說明胎圈鋼絲的纖維組織形態對附膠率也有不同的影響。橡膠與鍍層之間的化學結合力對附膠率影響較大，比表面積大的鋼絲與橡膠接觸面積大，黏合力高，附膠率也高，比表面積小的鋼絲與橡膠接觸面積小，黏合力低，附膠率也低。另外纖維組織之間的間隙對附膠率也有一定的物理固定作用。對抽出后的鋼絲進行分析，在附膠率較低的位置殘留的硫化橡膠顆粒大部分都聚集在纖維組織間隙周圍，并且有部分硫化橡膠顆粒鑲嵌在纖維組織之間（圖3）。因此，鋼絲表面纖維組織越多，組織之間的間隙越多，鑲嵌在其中的硫化橡膠顆粒也就越多。

圖3 鋼絲抽出后殘留橡膠顆粒的掃描電鏡圖像

3 結論

（1）胎圈鋼絲表面纖維組織的形態對黏合力及附膠率影響顯著。低速拉絲時，鋼絲表面的纖維組織變形較小，表面纖維組織數量較多，組織之間的間隙也較多，比表面積較大，橡膠與鋼絲的結合面積也就越大，并且硫化橡膠顆粒鑲嵌在間隙中的數量多，因此黏合力較大，附膠率較高。反之，黏合力較低，附膠率也較低。

（2）在實際生產過程中，一定要以纖維組織形態為基準控制拉絲速度。因此，前工程的表面處理涂層以及拉絲工程的模具、潤滑劑、冷卻水等各個因素都需要重點管理。