配合白炭黑和炭黑的SBR磨耗机理之研究

周海滨 编译

配合白炭黑和炭黑的SBR磨耗机理之研究

周海滨 编译

将白炭黑和三种不同粒径的炭黑分别配合在SBR中作磨耗试验，比较了在不锈钢网上滑移的橡胶的磨耗量，研究摩擦力和拉断能密度的关系。

白炭黑;SBR;炭黑;磨耗

0 前言

在胎面胶中配合了白炭黑的轮胎，比以前只配合炭黑的轮胎的耗油量低，抗湿滑性能优异，所以其产量稳步上升。研究的第一步是将配合了炭黑和白炭黑的橡胶与金属网进行摩擦，比较摩擦的粘附性和滞后性能。结果表明，配合了白炭黑的橡胶比配合炭黑的橡胶摩擦粘附性强，说明前者具有较高的摩擦力。轮胎胎面用橡胶不但要求有较高的摩擦力，还要求有较高的耐磨性。关于配合了白炭黑的橡胶的耐磨耗性能在许多研究报告中已有阐述，但对其磨耗机理详细的研究却很少。特别是磨耗机理与摩擦机理的关系十分密切，将两者进行对比，论述白炭黑胶料和炭黑胶料磨耗性能的研究论文几乎是零。

文中将分别配合了白炭黑及三种不同粒径炭黑的SBR与金属丝网进行摩擦、磨耗试验，通过橡胶与金属丝网的摩擦理论来推测磨耗机理，比较配合白炭黑和配合炭黑的橡胶的耐磨性。

1 实验

1.1 摩擦、磨耗试验

把橡胶置于带有突起部的硬质表面上并滑动，以此种形式作为模型，测定橡胶在干燥的金属丝网上滑移时的摩擦力以及磨耗量。橡胶试样的摩擦力和磨耗量采用销钉式圆柱型摩擦磨耗试验机测定，示意图见图1所示。在销钉式圆柱型摩擦磨耗试验机的圆柱上缠绕金属丝网，使之与橡胶试样进行摩擦。摩擦力由设置在圆柱和皮带轮间的扭矩仪测定，磨耗量通过橡胶试样在垂直方向上的变化由差动互感器测定。橡胶试样是如图2所示的厚度3 mm、底面直径6 mm的圆柱体。事先在试验机圆柱上缠绕防水研磨纸cc#1500，将它绕成马鞍形。试验在23℃的室内进行，试样上加载的负荷为7N，滑移速度为0.1 m/s。在对面缠绕JISG355中规定的TW-S，绕上由不锈钢丝制成的金属丝网。由于金属丝网上排列着有规则的突起部，所以，容易观察到橡胶的变形状态和接触状态。另外，由于金属丝网的突起部是圆形的，所以不仅会有像研磨纸那样有尖锐的突起部，导致橡胶被削去的所谓磨料，这里还包括了疲劳磨耗的要素。不锈钢丝的直径是40 μm，在25.4 mm距离间有250个格栅。金属丝网以与格栅纵摩擦方向相平行的方式缠绕。因此，在金属丝网上滑移的橡胶的变形频率ω为1 000 Hz，此时，滑移速度0.1 m/s，格栅间隔0.1 mm。

图1 销钉圆柱型摩擦测量仪

图2 橡胶试样模型

1.2 橡胶试样

表1所示的4种橡胶试样供摩擦、磨耗试验和粘弹性试验用。把粒径不同的 N110(SAF)、N339(HAF)、N660(GPF)各等级炭黑及白炭黑分别以50份的量混入(相对于100质量份SBR)。白炭黑系采用东松炭黑厂生产的Nipsil AQ(BET比表面积为212 m2/g)。SBR为乳聚丁苯橡胶1502，其玻璃化温度(Tg)为-50℃。在配合了白炭黑的橡胶中采用的硅烷偶联剂是双(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫化物，其用量为白炭黑质量份的8wt%。为了使各试样的邵尔A硬度大致相同，可调整操作油的量。为了调节硫化速率，在配合了白炭黑的橡胶中多添加0.5质量份的硫化促进剂。

表1 橡胶配方(质量份)

1.3 粘弹性试验

粘弹性试验采用粘弹性光谱仪(东洋精机株式会社制造)，在拉伸形变10%的条件下，以20 Hz的频率给予±0.5%的动态变形。测量温度从-50℃到60℃，使之以5℃/min的速率变更，每间隔2℃进行测定，然后用从式(1)的WLF公式中求得的变动因子αT把温度换算成频率，求出粘弹性与频率的相关性。

试验中以所用的SBR的Tg+50℃为基础温度Ts，换算成在23℃时的频率。

2 结果

由粘弹性试验得到各试样的储存弹性模量Ε'和损耗角正切tan δ，然后对频率作图(图3、4)。配合了SAF的橡胶的E'最高，配合GPF的橡胶的E'最低。tan δ位于1 000 Hz附近，与橡胶摩擦时的频率相当，配合GPF的橡胶的tan δ最低，而配合SAF的橡胶的tan δ最高。

图3 储存弹性模量E'与频率的相关性

图4 损耗角正切tan δ与频率的相关性

各橡胶试样的磨耗曲线见图5下部所示，摩擦系数μ见图5上部所示。随着摩擦距离的增加，磨耗深度几乎以一定的比例增大。根据磨耗曲线的斜率可以求得比磨耗量K。如表2所示，比磨耗量K是单位负荷、单位摩擦距离的近似磨耗量，可用下式(2)表示。式中V为磨耗体积，W为载荷量，另外，磨耗系数μ列于表2中。

配合SAF的橡胶的K值很小，说明耐磨性良好，配合白炭黑与配合GPF的橡胶的K值大。另一方面，配合SAF的橡胶和配合白炭黑的橡胶摩擦系数μ值较高，配合GPF的μ值最低。

磨耗试验结束后的橡胶试片及摩擦对象的扫描式电子显微镜(SEM)照片见图6所示。不论哪个橡胶试片都用磨蚀图来表示，至于磨蚀图纹间隔，配合SAF的橡胶和配合白炭黑的橡胶的较小，而配合HAF的和配合GPF的橡胶的较大。配合HAF的橡胶试样的摩擦对象表面上可以看到有磨耗粉末，而橡胶几乎没有移动。

图5 磨耗深度h与滑移距离L及摩擦系数μ的相关性

表2 各试样比磨耗量K和磨耗系数μ

图6 磨耗试验后被磨损橡胶表面的电子图像(图上部)和与之相接触的金属丝网表面(图下部)

3 讨论

在#250不锈钢丝网上滑移的摩擦力F用已报道过的式(3)来表示:式中，A为接触面积，s为接触面上的剪切力，k为常数(k=3N4/3mm-2/3)，式(3)右边第1项为粘附项FA，第二项为滞后项FH。粘附项与橡胶的接触界面的强度有很大的关系。如果材料强度较弱，则与橡胶的剪切强度相关联。由于摩擦的缘故界面被破坏，破坏力成为摩擦力的一部分，可以把它看作为对橡胶磨耗的补偿。另一方面，滞后项乃起源于橡胶变形及回复时产生的滞后损失。橡胶生热有抵制破坏的作用，但这并不是直接导致橡胶磨耗的因素。因此，可以用相当于单位摩擦能消耗量的磨耗量K/μ除以滞后项，即把摩擦系数的粘附项写成μA，则

如图7所示，界面上的剪切层橡胶的厚度用d表示，拉断时的剪切变形量用δsb表示，式(4)可以改写成下式:

式中A·d为摩擦一次的磨耗体积，L/δsb为摩擦试验中橡胶被破坏的次数，假定A·d·L/δsb等于磨耗体积V，那么式(4)、(5)可以写成式(6):

S·δsb表示抗张积，它与破坏能密度U有关联，这与Grosch和Schallamach的报告中的内容是一致的，报告中认为 K/μ与1/U相关联。为此，进行了与Grosch相同的拉伸试验，求出破坏能密度U，并与K/μA作了比较。

为测定破坏能密度U，有必要使摩擦界面上的剪切变形速度和拉伸速度保持相同。改变式(3)得到式(7)，用式(7)并根据摩擦试验结果求得剪切强度S与滑移速度的相关性，这与已有报告中称拉伸强度与拉伸速度的相关性的变化十分相似。

图7 磨耗层

其概略大致见图8所示，图8(a)为采用了与本文相同的，在金属丝网上进行摩擦试验所求得的剪切强度S和摩擦试验滑移速度的关系图。图8(b)为从拉伸试验中得到的在23℃下拉伸强度与伸长速度的关系。从这些图的比较中可以认为，文中磨耗、摩擦试验的滑移速度0.1 m/s与23℃下拉伸试验中约为100 m/s时的滑移速度相当。用式(1)的WLF式换算时间-温度，此时，伸长速度为100 m/s的23℃下的拉伸试验与伸长速度为8.33 m/s的-10℃下的拉伸试验是等价的。因此，在日本标准JIS K6251中把伸长速度定为 500 mm/min，在-10℃下进行拉伸试验测定破坏能密度U。在-10℃下拉伸试验中测定的拉伸强度、拉断伸长率以及破坏能密度U值列于表1。另外，将1 000 Hz下的E'以及表2中所列示的摩擦系数μ代入式(8)，求得摩擦系数的粘附项μA:

图8 (a)配合炭黑与白炭黑的SBR在23℃下以不同的滑移速度所得的典型剪切强度的变化，(b)配合炭黑与白炭黑的SBR 23℃时不同伸长率下的典型拉伸强度的变化

图9所示为K/μA与1/U的关系。配合炭黑的橡胶其K/μA—1/U曲线大约在同一条直线上，与该直线相比，用于文中测定的配合了白炭黑的橡胶的K/μA比值要大一些。即用配合白炭黑的橡胶与配合炭黑的橡胶相比，在破坏能密度与单位摩擦能大小比例方面消耗相当的磨耗量较大。另外，K/μA的值约为 1/U的1/1 000。由于金属丝网的突起部引起的橡胶破坏和磨耗不仅是一次变形引起的，而是在反复变形中产生的。我们知道，橡胶试样受到摩擦时，其每个样品底部的龟裂都会扩展。另外，还有报道称，试样的间隔越窄，耐磨性越好。在文中的试验中，配合白炭黑的橡胶磨蚀图形间隔与配合SAF的橡胶的相同，比配合HAF和GPF的要窄。尽管配合白炭黑的橡胶的耐磨性比配合炭黑的要差，但也不能推断图形下部龟裂扩展的的速度比炭黑胶料大。有学者提出了龟裂扩展的速度与磨耗体积的比例关系。有学者还提出了1/U比例的大小与撕裂强度这两个因素会导致耐磨性发生变化。该文作者仔细研究了配合白炭黑与配合炭黑的橡胶磨蚀图形进行的速度，提出了在正常情况下，配合白炭黑的橡胶比配合炭黑的橡胶的磨蚀图形进行速度要快。因此，尽管配合白炭黑的橡胶磨蚀图形的间隔与配合SAF的橡胶的相当，但由于磨蚀图形行进速度快，因此耐磨性差。

图9 K/μA与1/U的相互关系

4 结语

采用白炭黑及三种粒径不同的炭黑分别配合在SBR中作了试验，比较在不锈钢丝网上滑移橡胶的磨耗量及摩擦力和破坏能密度的关系，得出以下的结论。

(1)与配合炭黑的橡胶的单位摩擦能消耗量相当的K/μA，跟在-10℃下进行的拉伸试验中的破坏能密度的倒数1/U成直线关系，粒径越小的炭黑其耐磨性越好。

(2)研究中所用的配合白炭黑的橡胶的K/μA与1/U曲线与配合炭黑的橡胶所得到的直线相反，K/μA比值较大。也就是说，与配合炭黑的橡胶相比，文中配合白炭黑的橡胶在破坏能密度大小的比例方面，与单位摩擦能消耗量相当的磨耗量大。

TQ 330.1+1

B

1671-8232(2011)11-0021-05

［实习编辑:邹瑾芬］

［责任编辑:张启跃］

2009-03-05