试验频率和温度对橡胶/纤维帘线复合材料动态粘合性能的影响

伍少海，陆恒玉，俞华英，唐竹弟，鹿忠昱，苑宾宾

（中国化工集团曙光橡胶工业研究设计院有限公司 广西航空轮胎结构与材料重点实验室，广西 桂林 541007）

橡胶/纤维帘线复合材料以其高比强度、高比模量、优异的耐疲劳性能等广泛应用于现代工业产品，如轮胎、输送带、胶带等生产中[1-4]。为满足航空轮胎高速、高载、高频率、高应变的苛刻工作环境，保障飞机起飞和着陆时的安全性，轮胎的橡胶/帘线复合材料须具备良好的界面粘合性能，才能将外部载荷通过橡胶基体有效传递到帘线上，最大限度地发挥帘线作为骨架材料的承载作用，防止橡胶基体过载导致轮胎失效[5-9]。

为了衡量和优化橡胶/纤维帘线复合材料的界面结合，需要准确测试橡胶与纤维帘线的粘合强度，目前粘合强度的测试方法主要有静态法和动态法。静态法有剪切型强度（如H抽出力、T抽出力）和剥离型强度（如180°剥离强度）两种测试方法。由于轮胎在行驶过程中承受反复压缩、拉伸、弯曲等作用，其橡胶/纤维帘线复合材料的热力学状态复杂多变，静态法测试结果只能反映初始粘合性能，对于模拟橡胶/纤维帘线复合材料在轮胎工作状态下的真实粘合情况意义不大。动态法测试可模拟高温、高载荷、屈挠剪切变形等状态，测试结果能更真实地反映橡胶/纤维帘线复合材料的粘合性能及耐疲劳性能[10]。

考虑航空轮胎的高频、高速、高载工作条件，本研究采用帘线动态粘合试验机研究试验频率和温度对橡胶/纤维帘线复合材料粘合性能的影响，从宏观力学性能和材料形态两方面研究橡胶/纤维帘线复合材料的动静态性能变化。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），云南天然橡胶产业集团有限公司产品；丁苯橡胶（SBR），中国石油兰州石化分公司产品；炭黑N330，美国卡博特公司产品；1400dtex/2锦纶66帘线，河南平顶山神马帘子布有限公司产品。

1.2 配方

NR 80，SBR 20，炭黑N330 35，沉淀法白炭黑 8，硅烷偶联剂KH560 1.5，氧化锌 4，硬脂酸 1.5，芳烃油 4，粘合增进剂 3，防老剂3.5，硫化剂/促进剂 4.2。

1.3 主要设备和仪器

X（S）M-1.7型密炼机，大连嘉美达橡塑机械有限公司产品；XK-150型双辊开炼机，广东省湛江机械厂产品；50T型电热平板硫化机，无锡市晨光橡塑机械厂产品；LDN-II型帘线动态粘合试验机，北京万汇一方科技发展有限公司产品；ProX5型扫描电子显微镜（SEM），复纳科学仪器（上海）有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 混炼胶

在密炼机中进行一段混炼，加料顺序为：生胶→白炭黑、硅烷偶联剂→小料→炭黑、油→硫化剂/促进剂→排胶；一段混炼胶在开炼机上左右割刀翻炼、薄通、下片；终炼胶经冷却、停放后使用。

1.4.2 橡胶/纤维帘线复合材料试样

按照GB/T 39639—2020要求，将下片厚度为3 mm的混炼胶裁剪成与模具模腔尺寸相匹配的上、下胶片，先将下胶片放入模腔，以垂直于胶片方向将纤维帘线放入线槽，固定上端，并在每根帘线下端挂上200 g砝码使其拉直，再在纤维帘线上覆上上胶片，如图1（a）所示。采用平板硫化机进行硫化，硫化条件为138 ℃×50 min，硫化试样如图1（b）所示。硫化试样在室温下停放24 h后进行修剪，并逐个剪成单根帘线试样，得到橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合性能测试试样。

图1 橡胶/纤维帘线复合材料动态粘合性能测试试样Fig.1 Test sample for dynamic adhesion of rubber/fiber cord composites

1.5 性能测试

按照GB/T 39639—2020采用帘线动态粘合试验机测试橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合性能。以试样经过持续的往复剪切运动后纤维帘线与橡胶脱落所经过的试验时间及脱落次数表征复合材料的动态粘合性能，测试装置如图2所示[11]。以5个试样为一组，以测试平均值作为测试结果。

图2 橡胶/纤维帘线复合材料动态粘合性能测试装置示意Fig.2 Diagram of testing device for dynamic adhesion of rubber/fiber cord composites

采用SEM观察经过动态粘合测试后的试样的纤维帘线表面及横截面形貌，在测试之前对试样进行喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 试 验频率对橡胶/纤维帘线复合材料动态粘合性能的影响

为了提高试验效果的显著性，研究了高温下试验频率对橡胶/纤维帘线复合材料动态粘合性能的影响，结果见表1。由表1可见，在不同试验频率的剪切作用下，随着试验频率的增大，橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合试验时间延长、脱落次数增大，且试验频率越高，试验时间延长和脱落次数增大幅度越大。

表1 在不同试验频率下橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合性能Tab.1 Dynamic adhesions of rubber/fiber cord composites at different test frequencies

分析认为，在高频剪切作用下，橡胶/纤维帘线复合材料的形变来不及跟上交变应力的变化，复合材料受到的剪切作用较小，失效所用时间相对较长；而在低频率剪切作用下，应力与应变的滞后效应小，橡胶/纤维帘线复合材料的形变可以跟上交变应力的变化，受到的往复剪切作用明显。

在不同试验频率下脱落纤维帘线的表面形貌如图3所示。由图3（a）可见，在高试验频率（16 Hz）下脱落的纤维帘线的表面被橡胶完全包覆，且表面较为光滑，说明橡胶/纤维帘线复合材料的橡胶基体容易在往复运动过程中脱开。分析认为，橡胶/纤维帘线复合材料在往复剪切运动时橡胶分子产生摩擦，在高频剪切作用下复合材料的生热速率高，而橡胶的热导率低，橡胶基体内部热量积聚，温度升高，此时橡胶基体的软化程度高，橡胶基体因自身结合力下降而破坏。

由图3（b）—（d）可见，在低试验频率下脱落的纤维帘线的表面被橡胶包覆，但仍有一小部分帘线裸露出来，表明橡胶/纤维帘线复合材料的粘合失效是由橡胶基体与纤维帘线的界面脱粘、橡胶基体的破坏两种形式引起的。随着试验频率降低，橡胶沿纤维帘线延伸方向呈螺纹形状的现象越明显，表明橡胶基体受到的剪切作用力更强。

图3 在不同试验频率下脱落的纤维帘线的表面形貌Fig.3 Surface morphologies of shed fiber cords at different test frequencies

2.2 试 验温度对橡胶/纤维帘线复合材料动态粘合性能的影响

在不同试验温度下橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合性能见表2。从表2可见，随着试验温度的升高，橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合试验时间缩短、脱落次数减小，且试验温度越高，试验时间缩短和脱落次数减小越明显。

表2 在不同试验温度下橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合性能Tab.2 Dynamic adhesions of rubber/fiber cord composites at different test temperatures

不同试验温度下脱落纤维帘线的表面形貌如图4所示。由图4可见：在试验温度为80和100 ℃下脱落的纤维帘线的表面被橡胶基体覆盖，表明复合材料的粘合失效是由橡胶基体的破坏引起的；而试验温度为120 ℃时，沿纤维帘线延伸方向包覆着阶梯状分布的橡胶，并有小部分表面完好的纤维帘线裸露出来，说明存在橡胶基体的破坏和橡胶基体与纤维帘线的界面脱粘两种失效形式。

图4 在不同试验温度下脱落的纤维帘线的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of shed fiber cords at different test temperatures

总结得出：动态粘合试验过程中橡胶/纤维帘线复合材料要承受多次往复剪切形变，橡胶基体热量积聚，内温升高；高温加速了橡胶分子链的软化，引起橡胶的自身结合力下降，抵抗外部载荷的能力减弱，因此在多次剪切形变后橡胶基体发生破坏[12]。另一方面，橡胶与纤维帘线界面存在机械锁合、氢键等相互作用，高温（120 ℃）加剧了橡胶分子链的运动、提高了橡胶分子链的柔顺性，减弱了橡胶与纤维帘线界面的相互作用。因此，在高温及持续剪切作用下，橡胶/纤维帘线复合材料的橡胶基体被破坏，橡胶与纤维帘线的界面脱粘，复合材料的粘合失效。

3 结论

研究了在不同的试验频率和温度下橡胶/纤维帘线复合材料的动态粘合性能，并观察失效帘线的表面形貌。结果表明，由于橡胶/纤维帘线复合材料对外部环境的抵抗能力不同，复合材料存在不同的粘合失效模式，即橡胶基体的破坏和橡胶与纤维帘线的界面脱粘，且试验频率越低、试验温度越高，复合材料发生粘合失效越快。