镀前酸洗与镀液配方对胎圈钢丝与橡胶黏合性能的影响

孙彬，辛振祥，张振秀*，姚利丽，倪自飞，苗为钢

(1.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；2.江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏 兴化 225721)

镀前酸洗与镀液配方对胎圈钢丝与橡胶黏合性能的影响

Effects of acid pickling and bath formulations on the adhesive performance of bead wire and rubber

孙彬1，辛振祥1，张振秀1*，姚利丽2，倪自飞2，苗为钢2

(1.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；2.江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏 兴化 225721)

以提高胎圈钢丝与胎圈橡胶的黏合性能为目的，通过实验调整镀前盐酸酸洗的浓度并用均匀设计法优化胎圈钢丝的镀液配方。结果表明：盐酸酸洗浓度在160～170 g/L范围内，镀层胎圈钢丝与橡胶的黏合性能较好。镀液配方中硫酸浓度在36～42 g/L范围内，硫酸亚锡浓度在0.86～1.00 g/L范围内，硫酸铜浓度在15～22 g/L范围内，镀层胎圈钢丝与橡胶的黏合性能较好。

酸洗；镀液；胎圈钢丝；黏合

胎圈钢丝的镀层质量直接影响胎圈钢丝与胎圈橡胶的黏合性能。胎圈钢丝回火处理后, 表面仍残留润滑剂、氧化层等[1]，如果不进行处理，会影响胎圈钢丝的镀层质量，进而影响胎圈钢丝与橡胶黏合性能。胎圈钢丝镀前一般进行酸洗处理，本文研究了不同浓度盐酸酸洗胎圈钢丝后对胎圈钢丝与橡胶黏合性能的影响。

胎圈钢丝的镀液成分主要是硫酸铜和硫酸亚锡[2]，镀液配方直接影响胎圈钢丝镀层的质量。本文采用均匀实验设计法，以镀液配方中硫酸、硫酸铜、硫酸亚锡的浓度为变量，以衡量胎圈钢丝与橡胶黏合性能的抽出力及附胶率为响应值，通过神经网络模型对实验数据进行处理，优化了胎圈钢丝的镀液配方。

1 实验部分

1.1 主要原材料

Φ0.95 mm HT回火胎圈钢丝，江苏兴达钢帘线股份有限公司；Φ0.95 mm HT酸洗胎圈钢丝，江苏兴达钢帘线股份有限公司；半钢子午线轮胎胎圈橡胶，某轮胎厂家提供；盐酸，硫酸，硫酸铜，硫酸亚锡均为市售分析纯试剂。

1.2 主要仪器与设备

X（S）K-160型开炼机，上海双翼橡塑机械有限公司；XLB-400型平板硫化机，青岛亚东橡机有限公司；万能实验机Z010，德国兹韦克公司；扫描电镜EVO18，德国蔡司公司。

1.3 试样制备

（1）胎圈钢丝酸洗处理：将Φ0.95 mm HT回火胎圈钢丝编号后，浸入不同浓度盐酸的酸洗槽中，处理3 s后马上取出，用80 ℃热水冲洗30 s，烘干。

（2）胎圈钢丝化镀处理：将不同浓度盐酸酸洗的胎圈钢丝同时浸入一定镀液配方的镀液槽中，处理5 s后马上取出，用80 ℃热水冲洗30 s，烘干。另取Φ0.95 mm HT酸洗胎圈钢丝编号后，浸入不同镀液配方的镀液槽中，处理5 s后马上取出，用80 ℃热水冲洗30 s，烘干。

（3）钢丝黏合试样制备：用开炼机将胎圈橡胶塑练，下片，裁剪。把处理好的胎圈橡胶与化镀后的胎圈钢丝一同放入特制的模具中，用平板硫化机加压硫化。硫化温度160 ℃，硫化时间20 min，硫化压力10 MPa，胎圈钢丝在橡胶中的包埋长度为5 cm。硫化后的试样放置24 h后做抽出实验。

1.4 实验测试

黏合性能测试：按照国家标准GB/T5755—2000，在万能实验机上对黏合试样进行抽出实验，抽出速度为50 mm/min，夹具抽出孔径为12.5 mm。肉眼观察抽出钢丝表面的附胶率。

使用扫描电子显微镜观察胎圈钢丝表面。

2 结果与讨论

2.1 镀前酸洗对胎圈钢丝与橡胶黏合性能的影响

使用不同浓度（表1）的盐酸酸洗胎圈钢丝，再对酸洗胎圈钢丝化镀，测试化镀胎圈钢丝与胎圈橡胶黏合试样的抽出力与附胶率。由图1的结果看出，胎圈钢丝经过酸洗后再化镀，抽出力与附胶率均明显提高。说明胎圈钢丝酸洗后再化镀，有利于提高胎圈钢丝的镀层质量，进而提升胎圈钢丝与橡胶黏合性能。随着盐酸浓度的提高，抽出力呈先上升后下降的趋势，在盐酸浓度为170 g/L时达到最大值，附胶率也大体呈现先上升后下降的趋势。综合来说盐酸酸洗浓度在160～170 g/L范围内对提升胎圈钢丝与橡胶的黏合性能效果较好。在胎圈钢丝实际生产中，除了盐酸浓度要控制在合适范围内，还要综合考虑酸洗时间、酸洗温度等工艺因素。

2.2 酸洗对胎圈钢丝表面微观形态的影响

由图2对比发现，胎圈钢丝酸洗之前，表面结构蓬松，部分区域呈絮状。原因应该是胎圈钢丝表面残余的氧化层、润滑剂等杂质所致。这种表面显然不利于镀液中的铜锡离子在胎圈钢丝基体表面的置换沉降。胎圈钢丝经过酸洗以后，胎圈钢丝表面残余的氧化层、润滑剂等杂质会被去除，表面变得平整洁净，有利于提高胎圈钢丝镀层的质量，从而提高胎圈钢丝与橡胶的黏合性能。

图1 试样的抽出力与附胶率

2.3 镀液配比对胎圈钢丝与橡胶黏合性能影响

采用均匀设计法优化胎圈钢丝镀液的配方，均匀设计法[3]的特点是能够以较少的试验点获得较多的信息。使用软件为RCAD2003配方优化系统，3个因子，13个水平，测试化镀胎圈钢丝与胎圈橡胶的抽出力与附胶率。使用人工神经网络模型进行数据处理分析。其中3个因子分别为硫酸铜、硫酸亚锡、硫酸，这三种物质为镀青铜胎圈钢丝化镀的镀液基本组分，浓度选取范围如下：

15 g/L≤硫酸铜≤45 g/L

0.6 g/L≤硫酸亚锡≤1.0 g/L

25 g/L≤硫酸≤55 g/L

图2 酸洗前后胎圈钢丝表面的扫描电镜图像

表2 均匀设计方案与实验结果

图3 抽出力与附胶率的等高线曲面图

通过分析图3中六张抽出力与附胶率的等高线曲面图（颜色越深代表抽出力与附胶率越高），得出以下结论：随着镀液配方中硫酸浓度的增加，黏合试样的抽出力与附胶率呈先上升后下降的趋势，其中硫酸浓度在37～47 g/L范围内抽出力较高，在30～41 g/L范围内附胶率较高。随着硫酸亚锡浓度的增加，黏合试样的抽出力与附胶率基本呈上升趋势，其中硫酸亚锡浓度在0.86～0.10 g/L范围内抽出力较高，在0.82～1.00 g/L范围内的附胶率较高。随着硫酸铜浓度的增加，黏合试样的抽出力与附胶率基本呈下降趋势，其中硫酸铜浓度在15～25 g/L范围内的抽出力较高，在15～22 g/L范围内的附胶率较高。

综合来看，胎圈钢丝镀液中硫酸浓度在36～42 g/L范围内，硫酸亚锡浓度在0.86～1.00 g/L范围内，硫酸铜浓度在15～22 g/L范围内，化镀后的胎圈钢丝与胎圈橡胶的黏合性能较好。

3 结论

酸洗能使胎圈钢丝表面变得平整洁净，有利于下一步胎圈钢丝的化镀。随着盐酸酸洗浓度的提高，胎圈钢丝与橡胶的黏合性能呈先上升后下降的趋势。酸洗浓度在160～170 g/L范围内对提升胎圈钢丝与橡胶的黏合性能效果最好。胎圈钢丝镀液中硫酸浓度在 36～42 g/L范围内，硫酸亚锡浓度在0.86～1.00 g/L范围内，硫酸铜浓度在15～22 g/L范围内，化镀后的胎圈钢丝与橡胶的黏合性能较好。

[1] 王宝玉，谢景，李晓煜. 回火胎圈钢丝的表面处理[J]. 金属制品，2001，28(4)：5 11～12.

[2] 周黄山，张江伟，曹小峰，汤为. 胎圈钢丝及其生产工艺发展[J]. 轮胎工业, 2010，30： 588～591.

[3] 辛振祥，刘莉，桂亮，管林舟，高立君. RCAD2003配方优化系统在NBR 密封制品配方研究中的应用[J]. 橡胶工业, 2004, 51(9)： 527～530.

(R-02)

TQ330.16

1009-797X(2016)07-0056 -04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.07.016

孙彬(1987-)，男，硕士研究生。

*为通信联系人，副教授、研究生导师。

2015-09-18

江苏省博士后科研资助计划（301078C)