成品胶料高温下的耐疲劳性能研究

陈水良，周慧卿，毛建清，程 刚

（1.杭州朝阳橡胶有限公司，浙江 杭州 310018；2.中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018；3.杭州言志机械制造有限公司，浙江 杭州 311400）

橡胶是轮胎各部件的重要组成材料，轮胎寿命与其各部件材料的耐疲劳性能有着直接的关系[1-4]，在实际车辆运行过程中轮胎各部件因受周期性的变形（拉伸、压缩、剪切）和生热老化，其胶料物理性能会有明显的下降[5-11]。

本工作研究成品胶料在高温下经过反复伸缩变形后的耐疲劳性能。检测了成品轮胎胎面胶的基本物理性能，着重分析了胎面胶、基部胶、胎肩垫胶和三角胶疲劳拉伸性能、老化后的拉伸性能变化情况，并对断裂后的样品断口进行了微观剖析。

1 实验

1.1 样品制备

在胎面胶、基部胶、胎肩垫胶和三角胶等关键部件按标准切取（2±0.2） mm的试片，按橡胶物理试验方法和通用程序进行样品制备和调节。为避免胶料之间防老剂的迁移，每个部件制作4个样品，各试样均选取各部件中间层位置、采用哑铃形二型裁刀进行取样，具体试样尺寸按公司内部技术要求制作。

1.2 主要设备和仪器

AB320G型切片机，德国FORTUNA公司产品；拉力机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；橡胶高温拉伸疲劳试验机，中国台湾（松恕）检测仪器有限公司产品；SZX16型体视显微镜，日本Olympus公司产品；JSM-7500型扫描电子显微镜（SEM）和JEM-2100型透射电子显微镜（TEM），日本电子株式会社产品。

1.3 性能测试

（1）胶料物理性能按照GB/T 528—2009进行测试。

（2）高温疲劳测试按照GB/T 1688—2008进行。

2 结果与讨论

2.1 基本物理性能

按公司技术要求测试胎面胶的物理性能，结果如表1和图1所示，其中，tanδ为损耗因子。

在样品制备中发现境内外各厂家成品轮胎胶料中均存在木屑、砂石、塑料、助剂结晶体、炭黑团聚体和塑料纸等各种杂质。由于胶料中潜在的缺陷会作为应力集中点引发材料发生疲劳损坏，胶料的疲劳寿命部分依赖于胶料的交联密度及力学性能，杂质位置没有分子交联、力学性能降低与周围部分强力不匹配，拉伸时产生剪切疲劳。

从表1和图1可以看出，胎面胶老化前物理性能比较理想，但老化后的拉伸性能急剧下降。

表1 胎面胶的物理性能

2.2 高温疲劳拉伸

胎面胶、基部胶、胎肩垫胶和三角胶的高温疲劳拉伸测试数据如表2所示。各部件胶料高温疲劳拉伸测试后断口体视显微镜照片、SEM照片和TEM照片分别如图2—4所示（均选疲劳次数最低的情况）。

表2 各部件胶料高温疲劳拉伸次数

图2 各部件胶料高温疲劳拉伸测试后断口体视显微镜照片

图3 各部件胶料高温疲劳拉伸测试后断口SEM照片

图4 各部件胶料高温疲劳拉伸测试后断口TEM照片

胎面胶、基部胶、胎肩垫胶和三角胶胶料中的杂质如图5所示。

从表2可以看出：正常胎面胶疲劳拉伸次数最高为754 925，最低为528 789；基部胶疲劳拉伸次数最高为589 371，最低为93 793；胎肩垫胶疲劳拉伸次数最高为43 366，最低为13 261；三角胶疲劳拉伸次数最高为609 379，最低为411 713；因杂质影响，胎面胶、基部胶、胎肩垫胶和三角胶的疲劳拉伸次数分别降低了226 136，495 578，30 105和197 666；胶料高温老化后疲劳拉伸性能变化更大，胎面胶耐疲劳性能下降91%，基部胶耐疲劳性能下降87%，胎肩垫胶耐疲劳性能上升29%，三角胶耐疲劳性能下降90%。

由图2—5可以发现，胶料中存在明显的杂质、助剂结晶和炭黑分散不均结团等情况，导致胶料疲劳损坏。结块物或杂质一方面是由原材料混炼加工和环境因素造成，另一方面由胶料混炼中无机填料及炭黑未分散均匀产生的结团造成。胶料与结块物或杂质在轮胎行驶中受周期性应力作用，因硬度不匹配导致的早期蠕动、剪切撕裂效应会使胶料快速破坏，形成微裂，一旦裂纹产生，胶料受到剪切力的作用，性能会加倍损失。

综上可知，胶料中的杂质对其耐疲劳性能危害严重，老化后各胶料的拉伸性能急剧下降，常温下胶料的疲劳寿命显著依赖其力学性能，高温老化后胶料性能随交联情况变化而变化，更会受到潜在杂质引起的缺陷大小的影响。

3 结语

通过疲劳拉伸试验可以发现，因内部杂质的存在，成品胶料的耐疲劳性能有潜在的不稳定因素。因此，成品轮胎在使用中产生的早期损坏、同批产品质量不稳定与胶料中的杂质缺陷有密切关系。在实际生产中，原材料杂质、现场工艺和胶料运输需要严格控制把关，做到生胶、混炼胶和半成品胶料不落地，避免杂质进入胶料，从而影响产品质量。