試驗頻率和溫度對橡膠/纖維簾線復合材料動態粘合性能的影響

伍少海，陸恒玉，俞華英，唐竹弟，鹿忠昱，苑賓賓

（中國化工集團曙光橡膠工業研究設計院有限公司 廣西航空輪胎結構與材料重點實驗室，廣西 桂林 541007）

橡膠/纖維簾線復合材料以其高比強度、高比模量、優異的耐疲勞性能等廣泛應用于現代工業產品，如輪胎、輸送帶、膠帶等生產中[1-4]。為滿足航空輪胎高速、高載、高頻率、高應變的苛刻工作環境，保障飛機起飛和著陸時的安全性，輪胎的橡膠/簾線復合材料須具備良好的界面粘合性能，才能將外部載荷通過橡膠基體有效傳遞到簾線上，最大限度地發揮簾線作為骨架材料的承載作用，防止橡膠基體過載導致輪胎失效[5-9]。

為了衡量和優化橡膠/纖維簾線復合材料的界面結合，需要準確測試橡膠與纖維簾線的粘合強度，目前粘合強度的測試方法主要有靜態法和動態法。靜態法有剪切型強度（如H抽出力、T抽出力）和剝離型強度（如180°剝離強度）兩種測試方法。由于輪胎在行駛過程中承受反復壓縮、拉伸、彎曲等作用，其橡膠/纖維簾線復合材料的熱力學狀態復雜多變，靜態法測試結果只能反映初始粘合性能，對于模擬橡膠/纖維簾線復合材料在輪胎工作狀態下的真實粘合情況意義不大。動態法測試可模擬高溫、高載荷、屈撓剪切變形等狀態，測試結果能更真實地反映橡膠/纖維簾線復合材料的粘合性能及耐疲勞性能[10]。

考慮航空輪胎的高頻、高速、高載工作條件，本研究采用簾線動態粘合試驗機研究試驗頻率和溫度對橡膠/纖維簾線復合材料粘合性能的影響，從宏觀力學性能和材料形態兩方面研究橡膠/纖維簾線復合材料的動靜態性能變化。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），云南天然橡膠產業集團有限公司產品；丁苯橡膠（SBR），中國石油蘭州石化分公司產品；炭黑N330，美國卡博特公司產品；1400dtex/2錦綸66簾線，河南平頂山神馬簾子布有限公司產品。

1.2 配方

NR 80，SBR 20，炭黑N330 35，沉淀法白炭黑 8，硅烷偶聯劑KH560 1.5，氧化鋅 4，硬脂酸 1.5，芳烴油 4，粘合增進劑 3，防老劑3.5，硫化劑/促進劑 4.2。

1.3 主要設備和儀器

X（S）M-1.7型密煉機，大連嘉美達橡塑機械有限公司產品；XK-150型雙輥開煉機，廣東省湛江機械廠產品；50T型電熱平板硫化機，無錫市晨光橡塑機械廠產品；LDN-II型簾線動態粘合試驗機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品；ProX5型掃描電子顯微鏡（SEM），復納科學儀器（上海）有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉膠

在密煉機中進行一段混煉，加料順序為：生膠→白炭黑、硅烷偶聯劑→小料→炭黑、油→硫化劑/促進劑→排膠；一段混煉膠在開煉機上左右割刀翻煉、薄通、下片；終煉膠經冷卻、停放后使用。

1.4.2 橡膠/纖維簾線復合材料試樣

按照GB/T 39639—2020要求，將下片厚度為3 mm的混煉膠裁剪成與模具模腔尺寸相匹配的上、下膠片，先將下膠片放入模腔，以垂直于膠片方向將纖維簾線放入線槽，固定上端，并在每根簾線下端掛上200 g砝碼使其拉直，再在纖維簾線上覆上上膠片，如圖1（a）所示。采用平板硫化機進行硫化，硫化條件為138 ℃×50 min，硫化試樣如圖1（b）所示。硫化試樣在室溫下停放24 h后進行修剪，并逐個剪成單根簾線試樣，得到橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合性能測試試樣。

圖1 橡膠/纖維簾線復合材料動態粘合性能測試試樣Fig.1 Test sample for dynamic adhesion of rubber/fiber cord composites

1.5 性能測試

按照GB/T 39639—2020采用簾線動態粘合試驗機測試橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合性能。以試樣經過持續的往復剪切運動后纖維簾線與橡膠脫落所經過的試驗時間及脫落次數表征復合材料的動態粘合性能，測試裝置如圖2所示[11]。以5個試樣為一組，以測試平均值作為測試結果。

圖2 橡膠/纖維簾線復合材料動態粘合性能測試裝置示意Fig.2 Diagram of testing device for dynamic adhesion of rubber/fiber cord composites

采用SEM觀察經過動態粘合測試后的試樣的纖維簾線表面及橫截面形貌，在測試之前對試樣進行噴金處理。

2 結果與討論

2.1 試 驗頻率對橡膠/纖維簾線復合材料動態粘合性能的影響

為了提高試驗效果的顯著性，研究了高溫下試驗頻率對橡膠/纖維簾線復合材料動態粘合性能的影響，結果見表1。由表1可見，在不同試驗頻率的剪切作用下，隨著試驗頻率的增大，橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合試驗時間延長、脫落次數增大，且試驗頻率越高，試驗時間延長和脫落次數增大幅度越大。

表1 在不同試驗頻率下橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合性能Tab.1 Dynamic adhesions of rubber/fiber cord composites at different test frequencies

分析認為，在高頻剪切作用下，橡膠/纖維簾線復合材料的形變來不及跟上交變應力的變化，復合材料受到的剪切作用較小，失效所用時間相對較長；而在低頻率剪切作用下，應力與應變的滯后效應小，橡膠/纖維簾線復合材料的形變可以跟上交變應力的變化，受到的往復剪切作用明顯。

在不同試驗頻率下脫落纖維簾線的表面形貌如圖3所示。由圖3（a）可見，在高試驗頻率（16 Hz）下脫落的纖維簾線的表面被橡膠完全包覆，且表面較為光滑，說明橡膠/纖維簾線復合材料的橡膠基體容易在往復運動過程中脫開。分析認為，橡膠/纖維簾線復合材料在往復剪切運動時橡膠分子產生摩擦，在高頻剪切作用下復合材料的生熱速率高，而橡膠的熱導率低，橡膠基體內部熱量積聚，溫度升高，此時橡膠基體的軟化程度高，橡膠基體因自身結合力下降而破壞。

由圖3（b）—（d）可見，在低試驗頻率下脫落的纖維簾線的表面被橡膠包覆，但仍有一小部分簾線裸露出來，表明橡膠/纖維簾線復合材料的粘合失效是由橡膠基體與纖維簾線的界面脫粘、橡膠基體的破壞兩種形式引起的。隨著試驗頻率降低，橡膠沿纖維簾線延伸方向呈螺紋形狀的現象越明顯，表明橡膠基體受到的剪切作用力更強。

圖3 在不同試驗頻率下脫落的纖維簾線的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of shed fiber cords at different test frequencies

2.2 試 驗溫度對橡膠/纖維簾線復合材料動態粘合性能的影響

在不同試驗溫度下橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合性能見表2。從表2可見，隨著試驗溫度的升高，橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合試驗時間縮短、脫落次數減小，且試驗溫度越高，試驗時間縮短和脫落次數減小越明顯。

表2 在不同試驗溫度下橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合性能Tab.2 Dynamic adhesions of rubber/fiber cord composites at different test temperatures

不同試驗溫度下脫落纖維簾線的表面形貌如圖4所示。由圖4可見：在試驗溫度為80和100 ℃下脫落的纖維簾線的表面被橡膠基體覆蓋，表明復合材料的粘合失效是由橡膠基體的破壞引起的；而試驗溫度為120 ℃時，沿纖維簾線延伸方向包覆著階梯狀分布的橡膠，并有小部分表面完好的纖維簾線裸露出來，說明存在橡膠基體的破壞和橡膠基體與纖維簾線的界面脫粘兩種失效形式。

圖4 在不同試驗溫度下脫落的纖維簾線的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of shed fiber cords at different test temperatures

總結得出：動態粘合試驗過程中橡膠/纖維簾線復合材料要承受多次往復剪切形變，橡膠基體熱量積聚，內溫升高；高溫加速了橡膠分子鏈的軟化，引起橡膠的自身結合力下降，抵抗外部載荷的能力減弱，因此在多次剪切形變后橡膠基體發生破壞[12]。另一方面，橡膠與纖維簾線界面存在機械鎖合、氫鍵等相互作用，高溫（120 ℃）加劇了橡膠分子鏈的運動、提高了橡膠分子鏈的柔順性，減弱了橡膠與纖維簾線界面的相互作用。因此，在高溫及持續剪切作用下，橡膠/纖維簾線復合材料的橡膠基體被破壞，橡膠與纖維簾線的界面脫粘，復合材料的粘合失效。

3 結論

研究了在不同的試驗頻率和溫度下橡膠/纖維簾線復合材料的動態粘合性能，并觀察失效簾線的表面形貌。結果表明，由于橡膠/纖維簾線復合材料對外部環境的抵抗能力不同，復合材料存在不同的粘合失效模式，即橡膠基體的破壞和橡膠與纖維簾線的界面脫粘，且試驗頻率越低、試驗溫度越高，復合材料發生粘合失效越快。