周海濱 編譯

配合白炭黑和炭黑的SBR磨耗機理之研究

周海濱 編譯

將白炭黑和三種不同粒徑的炭黑分別配合在SBR中作磨耗試驗，比較了在不銹鋼網上滑移的橡膠的磨耗量，研究摩擦力和拉斷能密度的關系。

白炭黑;SBR;炭黑;磨耗

0 前言

在胎面膠中配合了白炭黑的輪胎，比以前只配合炭黑的輪胎的耗油量低，抗?jié)窕阅軆?yōu)異，所以其產量穩(wěn)步上升。研究的第一步是將配合了炭黑和白炭黑的橡膠與金屬網進行摩擦，比較摩擦的粘附性和滯后性能。結果表明，配合了白炭黑的橡膠比配合炭黑的橡膠摩擦粘附性強，說明前者具有較高的摩擦力。輪胎胎面用橡膠不但要求有較高的摩擦力，還要求有較高的耐磨性。關于配合了白炭黑的橡膠的耐磨耗性能在許多研究報告中已有闡述，但對其磨耗機理詳細的研究卻很少。特別是磨耗機理與摩擦機理的關系十分密切，將兩者進行對比，論述白炭黑膠料和炭黑膠料磨耗性能的研究論文幾乎是零。

文中將分別配合了白炭黑及三種不同粒徑炭黑的SBR與金屬絲網進行摩擦、磨耗試驗，通過橡膠與金屬絲網的摩擦理論來推測磨耗機理，比較配合白炭黑和配合炭黑的橡膠的耐磨性。

1 實驗

1.1 摩擦、磨耗試驗

把橡膠置于帶有突起部的硬質表面上并滑動，以此種形式作為模型，測定橡膠在干燥的金屬絲網上滑移時的摩擦力以及磨耗量。橡膠試樣的摩擦力和磨耗量采用銷釘式圓柱型摩擦磨耗試驗機測定，示意圖見圖1所示。在銷釘式圓柱型摩擦磨耗試驗機的圓柱上纏繞金屬絲網，使之與橡膠試樣進行摩擦。摩擦力由設置在圓柱和皮帶輪間的扭矩儀測定，磨耗量通過橡膠試樣在垂直方向上的變化由差動互感器測定。橡膠試樣是如圖2所示的厚度3 mm、底面直徑6 mm的圓柱體。事先在試驗機圓柱上纏繞防水研磨紙cc#1500，將它繞成馬鞍形。試驗在23℃的室內進行，試樣上加載的負荷為7N，滑移速度為0.1 m/s。在對面纏繞JISG355中規(guī)定的TW-S，繞上由不銹鋼絲制成的金屬絲網。由于金屬絲網上排列著有規(guī)則的突起部，所以，容易觀察到橡膠的變形狀態(tài)和接觸狀態(tài)。另外，由于金屬絲網的突起部是圓形的，所以不僅會有像研磨紙那樣有尖銳的突起部，導致橡膠被削去的所謂磨料，這里還包括了疲勞磨耗的要素。不銹鋼絲的直徑是40 μm，在25.4 mm距離間有250個格柵。金屬絲網以與格柵縱摩擦方向相平行的方式纏繞。因此，在金屬絲網上滑移的橡膠的變形頻率ω為1 000 Hz，此時，滑移速度0.1 m/s，格柵間隔0.1 mm。

圖1 銷釘圓柱型摩擦測量儀

圖2 橡膠試樣模型

1.2 橡膠試樣

表1所示的4種橡膠試樣供摩擦、磨耗試驗和粘彈性試驗用。把粒徑不同的 N110(SAF)、N339(HAF)、N660(GPF)各等級炭黑及白炭黑分別以50份的量混入(相對于100質量份SBR)。白炭黑系采用東松炭黑廠生產的Nipsil AQ(BET比表面積為212 m2/g)。SBR為乳聚丁苯橡膠1502，其玻璃化溫度(Tg)為-50℃。在配合了白炭黑的橡膠中采用的硅烷偶聯劑是雙(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫化物，其用量為白炭黑質量份的8wt%。為了使各試樣的邵爾A硬度大致相同，可調整操作油的量。為了調節(jié)硫化速率，在配合了白炭黑的橡膠中多添加0.5質量份的硫化促進劑。

表1 橡膠配方(質量份)

1.3 粘彈性試驗

粘彈性試驗采用粘彈性光譜儀(東洋精機株式會社制造)，在拉伸形變10%的條件下，以20 Hz的頻率給予±0.5%的動態(tài)變形。測量溫度從-50℃到60℃，使之以5℃/min的速率變更，每間隔2℃進行測定，然后用從式(1)的WLF公式中求得的變動因子αT把溫度換算成頻率，求出粘彈性與頻率的相關性。

試驗中以所用的SBR的Tg+50℃為基礎溫度Ts，換算成在23℃時的頻率。

2 結果

由粘彈性試驗得到各試樣的儲存彈性模量Ε'和損耗角正切tan δ，然后對頻率作圖(圖3、4)。配合了SAF的橡膠的E'最高，配合GPF的橡膠的E'最低。tan δ位于1 000 Hz附近，與橡膠摩擦時的頻率相當，配合GPF的橡膠的tan δ最低，而配合SAF的橡膠的tan δ最高。

圖3 儲存彈性模量E'與頻率的相關性

圖4 損耗角正切tan δ與頻率的相關性

各橡膠試樣的磨耗曲線見圖5下部所示，摩擦系數μ見圖5上部所示。隨著摩擦距離的增加，磨耗深度幾乎以一定的比例增大。根據磨耗曲線的斜率可以求得比磨耗量K。如表2所示，比磨耗量K是單位負荷、單位摩擦距離的近似磨耗量，可用下式(2)表示。式中V為磨耗體積，W為載荷量，另外，磨耗系數μ列于表2中。

配合SAF的橡膠的K值很小，說明耐磨性良好，配合白炭黑與配合GPF的橡膠的K值大。另一方面，配合SAF的橡膠和配合白炭黑的橡膠摩擦系數μ值較高，配合GPF的μ值最低。

磨耗試驗結束后的橡膠試片及摩擦對象的掃描式電子顯微鏡(SEM)照片見圖6所示。不論哪個橡膠試片都用磨蝕圖來表示，至于磨蝕圖紋間隔，配合SAF的橡膠和配合白炭黑的橡膠的較小，而配合HAF的和配合GPF的橡膠的較大。配合HAF的橡膠試樣的摩擦對象表面上可以看到有磨耗粉末，而橡膠幾乎沒有移動。

圖5 磨耗深度h與滑移距離L及摩擦系數μ的相關性

表2 各試樣比磨耗量K和磨耗系數μ

圖6 磨耗試驗后被磨損橡膠表面的電子圖像(圖上部)和與之相接觸的金屬絲網表面(圖下部)

3 討論

在#250不銹鋼絲網上滑移的摩擦力F用已報道過的式(3)來表示:式中，A為接觸面積，s為接觸面上的剪切力，k為常數(k=3N4/3mm-2/3)，式(3)右邊第1項為粘附項FA，第二項為滯后項FH。粘附項與橡膠的接觸界面的強度有很大的關系。如果材料強度較弱，則與橡膠的剪切強度相關聯。由于摩擦的緣故界面被破壞，破壞力成為摩擦力的一部分，可以把它看作為對橡膠磨耗的補償。另一方面，滯后項乃起源于橡膠變形及回復時產生的滯后損失。橡膠生熱有抵制破壞的作用，但這并不是直接導致橡膠磨耗的因素。因此，可以用相當于單位摩擦能消耗量的磨耗量K/μ除以滯后項，即把摩擦系數的粘附項寫成μA，則

如圖7所示，界面上的剪切層橡膠的厚度用d表示，拉斷時的剪切變形量用δsb表示，式(4)可以改寫成下式:

式中A·d為摩擦一次的磨耗體積，L/δsb為摩擦試驗中橡膠被破壞的次數，假定A·d·L/δsb等于磨耗體積V，那么式(4)、(5)可以寫成式(6):

S·δsb表示抗張積，它與破壞能密度U有關聯，這與Grosch和Schallamach的報告中的內容是一致的，報告中認為 K/μ與1/U相關聯。為此，進行了與Grosch相同的拉伸試驗，求出破壞能密度U，并與K/μA作了比較。

為測定破壞能密度U，有必要使摩擦界面上的剪切變形速度和拉伸速度保持相同。改變式(3)得到式(7)，用式(7)并根據摩擦試驗結果求得剪切強度S與滑移速度的相關性，這與已有報告中稱拉伸強度與拉伸速度的相關性的變化十分相似。

圖7 磨耗層

其概略大致見圖8所示，圖8(a)為采用了與本文相同的，在金屬絲網上進行摩擦試驗所求得的剪切強度S和摩擦試驗滑移速度的關系圖。圖8(b)為從拉伸試驗中得到的在23℃下拉伸強度與伸長速度的關系。從這些圖的比較中可以認為，文中磨耗、摩擦試驗的滑移速度0.1 m/s與23℃下拉伸試驗中約為100 m/s時的滑移速度相當。用式(1)的WLF式換算時間-溫度，此時，伸長速度為100 m/s的23℃下的拉伸試驗與伸長速度為8.33 m/s的-10℃下的拉伸試驗是等價的。因此，在日本標準JIS K6251中把伸長速度定為 500 mm/min，在-10℃下進行拉伸試驗測定破壞能密度U。在-10℃下拉伸試驗中測定的拉伸強度、拉斷伸長率以及破壞能密度U值列于表1。另外，將1 000 Hz下的E'以及表2中所列示的摩擦系數μ代入式(8)，求得摩擦系數的粘附項μA:

圖8 (a)配合炭黑與白炭黑的SBR在23℃下以不同的滑移速度所得的典型剪切強度的變化，(b)配合炭黑與白炭黑的SBR 23℃時不同伸長率下的典型拉伸強度的變化

圖9所示為K/μA與1/U的關系。配合炭黑的橡膠其K/μA—1/U曲線大約在同一條直線上，與該直線相比，用于文中測定的配合了白炭黑的橡膠的K/μA比值要大一些。即用配合白炭黑的橡膠與配合炭黑的橡膠相比，在破壞能密度與單位摩擦能大小比例方面消耗相當的磨耗量較大。另外，K/μA的值約為 1/U的1/1 000。由于金屬絲網的突起部引起的橡膠破壞和磨耗不僅是一次變形引起的，而是在反復變形中產生的。我們知道，橡膠試樣受到摩擦時，其每個樣品底部的龜裂都會擴展。另外，還有報道稱，試樣的間隔越窄，耐磨性越好。在文中的試驗中，配合白炭黑的橡膠磨蝕圖形間隔與配合SAF的橡膠的相同，比配合HAF和GPF的要窄。盡管配合白炭黑的橡膠的耐磨性比配合炭黑的要差，但也不能推斷圖形下部龜裂擴展的的速度比炭黑膠料大。有學者提出了龜裂擴展的速度與磨耗體積的比例關系。有學者還提出了1/U比例的大小與撕裂強度這兩個因素會導致耐磨性發(fā)生變化。該文作者仔細研究了配合白炭黑與配合炭黑的橡膠磨蝕圖形進行的速度，提出了在正常情況下，配合白炭黑的橡膠比配合炭黑的橡膠的磨蝕圖形進行速度要快。因此，盡管配合白炭黑的橡膠磨蝕圖形的間隔與配合SAF的橡膠的相當，但由于磨蝕圖形行進速度快，因此耐磨性差。

圖9 K/μA與1/U的相互關系

4 結語

采用白炭黑及三種粒徑不同的炭黑分別配合在SBR中作了試驗，比較在不銹鋼絲網上滑移橡膠的磨耗量及摩擦力和破壞能密度的關系，得出以下的結論。

(1)與配合炭黑的橡膠的單位摩擦能消耗量相當的K/μA，跟在-10℃下進行的拉伸試驗中的破壞能密度的倒數1/U成直線關系，粒徑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膠的K/μA與1/U曲線與配合炭黑的橡膠所得到的直線相反，K/μA比值較大。也就是說，與配合炭黑的橡膠相比，文中配合白炭黑的橡膠在破壞能密度大小的比例方面，與單位摩擦能消耗量相當的磨耗量大。

TQ 330.1+1

B

1671-8232(2011)11-0021-05

［實習編輯:鄒瑾芬］

［責任編輯:張啟躍］

2009-03-05