李志濤，林國(guó)陣，陳 偉

（廈門(mén)力達(dá)威化工科技有限公司，福建 廈門(mén) 361021）

鋼絲簾線/硫化膠復(fù)合材料的性能是由橡膠基體、粘合界面及鋼絲增強(qiáng)相共同決定的[1-2]，因此復(fù)合材料的疲勞壽命取決于三者最薄弱的環(huán)節(jié)[3]。復(fù)合材料的破壞發(fā)生在橡膠相歸因于橡膠基體的物理性能和耐疲勞性能差；破壞發(fā)生在界面層則是由于粘合界面的強(qiáng)度低，粘合穩(wěn)定性不足[4-6]。二者最終都將導(dǎo)致鋼絲簾線/硫化膠復(fù)合材料失效，直接影響制品的應(yīng)用價(jià)值和使用安全性[7-8]。因此綜合研究粘合橡膠基體物理性能和粘合界面粘合強(qiáng)度，對(duì)抑制故障會(huì)產(chǎn)生更有效的作用。然而，同時(shí)研究橡膠物理性能和粘合強(qiáng)度性能，將涉及到多變量及其相互影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）可以以較少的試驗(yàn)次數(shù)，快速實(shí)現(xiàn)多變量的綜合選優(yōu)，并可模擬優(yōu)選方案的性能數(shù)據(jù)。

本工作借助Minitab軟件、采用DOE中的田口設(shè)計(jì)，分析各變量的相互作用，選用鈷鹽粘合體系配方，提升胎體膠的物理性能及其與鋼絲簾線界面的粘合強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國(guó)產(chǎn)品；炭黑N326，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；癸酸鈷，美國(guó)SHEPHERD公司產(chǎn)品；不溶性硫黃HDOT20，無(wú)錫華盛橡膠新材料科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方及DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用全鋼載重子午線輪胎胎體膠配方進(jìn)行試驗(yàn)，確定DOE試驗(yàn)為4因子3水平，因子A—D分別為氧化鋅、癸酸鈷、不溶性硫黃和防老劑RD用量，見(jiàn)表1，DOE試驗(yàn)L934正交設(shè)計(jì)表見(jiàn)表2。

表1 DOE分析設(shè)計(jì)因子和水平 份

表2 DOE試驗(yàn)正交設(shè)計(jì)表

1.3 主要設(shè)備和儀器

XSK-150型開(kāi)煉機(jī)，莊河橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；KD-1-5型1.61L密煉機(jī)，利拿機(jī)械工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品；MV2000型門(mén)尼粘度計(jì)、MDR2000型硫化儀和RPA2000橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；XLB-Q型平板硫化機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；AI-2000M型拉力試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；壓縮生熱試驗(yàn)儀，德國(guó)DOLI公司產(chǎn)品；401A型熱空氣老化箱，江都市新真威試驗(yàn)機(jī)械有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

膠料采用兩段混煉工藝，一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：生膠→加壓1 min→炭黑→加壓1 min→小料→加壓1 min→提壓砣，加壓（1.5 min）→排膠；二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，混煉工藝為：一段母煉膠→薄通2次→硫黃和促進(jìn)劑→薄通2次→搗膠2次→下片。

1.5 性能測(cè)試

膠料的各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中粘合力測(cè)試采用T抽出法。

表3 小配合試驗(yàn)結(jié)果

2.2 最值歸一化

選擇膠料的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、粘合力和壓縮疲勞溫升為影響橡膠與鋼絲簾線界面破壞的4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行最值歸一化處理，結(jié)果如表4所示。

表4 最值歸一化結(jié)果

2.3 綜合指標(biāo)轉(zhuǎn)化

將拉伸強(qiáng)度、粘合力、拉斷伸長(zhǎng)率和壓縮疲勞溫升分別賦予權(quán)重為2∶2∶1∶1，并將其最值歸一化數(shù)據(jù)合并為膠料綜合性能的質(zhì)量指數(shù)（以下簡(jiǎn)稱綜合性能指數(shù)），從而將多指標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)問(wèn)題的綜合優(yōu)化[9]。試驗(yàn)方案1—9的綜合性能指數(shù)分別為11.07，10.55，10.32，11.35，10.69，10.90，11.57，10.83和9.98。

2.4 DOE優(yōu)化

應(yīng)用Minitab軟件對(duì)試驗(yàn)方案1—9的綜合性能指數(shù)進(jìn)行分析，綜合性能指數(shù)效應(yīng)圖如圖1所示。

圖1 綜合性能指數(shù)效應(yīng)圖

從圖1可以得出以下結(jié)論。

（1）4個(gè)影響因子對(duì)膠料綜合性能的影響由大到小的順序?yàn)橐蜃覥、因子D、因子A和因子B。

（2）隨著氧化鋅和不溶性硫黃用量的增大，膠料綜合性能指數(shù)呈下降趨勢(shì)；隨著防老劑RD用量的增大，膠料綜合性能指數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，這可能與防老劑RD對(duì)膠料熱空氣老化有較好的抑制作用有關(guān)；隨著癸酸鈷用量的增大，膠料綜合性能指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這可能是由于影響因素交互作用導(dǎo)致的。

綜上，選擇氧化鋅、不溶性硫黃和防老劑RD用量分別為6.5，5和1.5份（分別對(duì)應(yīng)水平1，1和2）。

應(yīng)用Minitab軟件制作因子B與因子A，C，D的交互作用圖，分別如圖2—4所示。

圖2 因子B與因子A的交互作用圖

圖3 因子B與因子C的交互作用圖

圖4 因子B與因子D的交互作用圖

從圖2—4可以看出，當(dāng)不溶性硫黃的用量為5份時(shí)，膠料的綜合性能質(zhì)量指數(shù)隨著癸酸鈷用量的增大而增大，因此選擇癸酸鈷的用量為0.9份（水平3）。

2.5 優(yōu)化方案驗(yàn)證

軟件模擬最優(yōu)水平因子組合的綜合性能指數(shù)為11.76，優(yōu)于所有試驗(yàn)方案，同時(shí)進(jìn)行最優(yōu)水平因子組合膠料的性能測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

表5 最優(yōu)水平因子組合膠料的性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)DOE優(yōu)化結(jié)果，選擇最優(yōu)水平因子組合配方、鈷鹽體系配方和間甲鈷體系配方（配方1—3）同時(shí)試制小配合混煉膠，配方和膠料性能測(cè)試結(jié)果分別如表6和7所示。

表6 試驗(yàn)配方 份

從表7可以看出：配方1膠料的硫化速度加快，邵爾A型硬度和定伸應(yīng)力降低；與配方2膠料相比，配方1膠料的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和粘合力大幅度提升，溫升降低；與配方3膠料相比，配方1膠料老化后的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率有所提升。

表7 試驗(yàn)配方膠料性能測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

在本工作的研究因子水平范圍內(nèi)，減小硫黃和氧化鋅用量同時(shí)增大鈷鹽和防老劑RD的用量，可以提升膠料與鋼絲界面的粘合強(qiáng)度，同時(shí)提升膠料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率等，但會(huì)降低邵爾A型硬度和定伸應(yīng)力。