橡胶材料的耐磨性和耐切割性.pdf

《橡胶材料的耐磨性和耐切割性.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《橡胶材料的耐磨性和耐切割性.pdf（7页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、橡胶材料的耐磨性和耐切割性李汉堂(中橡集团曙光橡胶工业研究设计院,广西 桂林541004)编译 摘要:工程车上的轮胎或履带,其耐磨性及耐切割性尤其重要。该文通过对八种橡胶试样试验与研究,发现耐磨性好的胶料耐切割性差,反之亦然。但将橡胶并用后(NRSBR,Hs=63),其综合平衡性能得到很大提高。关键词:耐磨性;耐切割性;橡胶试样 中图分类号:TQ332,TQ333 文献标识码:B 文章编号:167128232(2006)04200302070 前言从土方工程机械来看,其橡胶配件有自卸卡车轮胎和轮式装载车的越野轮胎。然而,近年来橡胶配件也用于小型控土机、小型推土机上的履带,其用途已越来越广。越野

2、轮胎的报废原因,除磨耗外,还有遭遇滚动石块和碎石割伤的情况。虽然轮胎被割伤是偶然发生的,但往往会导致越野轮胎使用寿命缩短。当然其他影响因素也很多。该文介绍了评价橡胶材料耐磨性和耐切割性的新试验装置和试验方法,同时,还介绍了耐磨性和耐切割性好的橡胶材料以及两种性能综合平衡好的橡胶材料。1 橡胶材料的耐磨性1.1 橡胶试样和试验路面1.1.1 橡胶试样土方工程机械的轮胎要求橡胶材料兼具耐磨性和耐切割性。一般来说,天然橡胶(NR)耐磨性好,但耐切割性差;而丁苯橡胶(SBR)耐切割性好,耐磨性差。因此,目前是凭经验将这两种橡胶混合并用。表1所示的8种耐磨橡胶材料作为橡胶试样。试样A1、A2和A3是以N

3、R为主,同时与SBR并用(NRSBR)。通过并用改变了橡胶硬度。橡胶试样B是以SBR为主,同时与NR并用(SBRNR)。试样C、D、E、F分别是天然橡胶、丁苯橡胶、异戊二烯橡胶(IR)和聚氨酯橡胶(U)。橡胶试样A1、B、C、D和E五种硬度非常接近(Hs=6263)。橡胶试样均为直径30mm、高300 mm的圆柱体。表1 橡胶试样的性能橡胶试样原材料HsEb(%)Tb(MPa)Tr(kNm)A1NRSBR6357320.864.4A2NRSBR5563523.540.2A3NRSBR7054122.069.6BSBRNR6362322.156.9CNR6357523.494.1DSBR6367

4、922.345.1EIR6269822.975.5FU9257346.095.4注:Hs 橡胶硬度;Eb 伸长率;Tb 拉伸强度;Tr 撕裂强度。1.1.2 试验路面制作了路面粗糙度不同的8种试验路面(边长为300 mm、高为130 mm的正方体)。一种试验路面是用水泥砂浆作表面,其它路面以水泥砂浆为基础,在上面铺设水泥砂石混凝土,体积的一半左右为结实路面。试验路面的特性见表2。碎石的节距值由半径为10.3 cm的滑动中心圆上的碎石数除以周长求得。路面1、2C、3、4作为一组,碎石节距固定(2 cm),碎石的粒径大小不一。路面2A、2B、2C、2D作为另一组,碎石的粒径固定,只改变节距。一般来

5、说,碎石粒径越大,节距越小,其路面越粗糙。由具有代表性的路面通过高速傅里叶变换求得的功率谱密度分布见图1。碎石粒径越大,节距越小,功率谱密度越大。但是,不管路面特性如何,其功率谱密度分布曲线的趋势大体上是一样的,没有看到显示高功率谱密度的路面频率。因此,求出与橡胶试样底面长度相03 世 界 橡 胶 工 业2006同的波长3 cm(路面频率=0.333cm)中的功率谱密度P1,将此作为路面粗糙度的指标。表2 试验路面的特性试验路面粒径d(mm)碎石节距(cm)P110-3(cm2cm)水泥砂浆0.3512.004.762.141.352C4.769.522.191.6739.5215.01.95

6、18.62415.019.11.9792.462A4.769.521.2125.172B4.769.521.6615.202D4.769.522.9210.05 注:P1为功率谱密度(=0.333cm)。图1 试验路面粗糙度的功率谱密度分布1.2 试验装置和试验方法1.2.1 试验装置过去各企业用各自的试验条件和试验方法来测定橡胶材料的耐磨性。为了适应标准化要求,日本橡胶协会从1981年开始进行了磨耗试验的标准化研究。1993年首次规定将“硫化胶的磨耗试验方法(JIS K626421993)”作为日本工业标准。但是,采用哪一种试验方法却没有明确的规定。6种室内试验机不能改变橡胶材料的接触面压力

7、,不能充分再现轮胎、橡胶履带与路面间的磨擦机理。因此,以耐磨耗钢用室内磨耗试验机为基准,使用针孔园盘型室内磨耗试验机进行一系列试验。试验装置的整体图见图2。这套装置用功率为7.5 kW的电动机驱动旋转直径为40cm的旋转台上的试验路面,用规定的压力将橡胶试样压向试验路面进行磨耗试验,橡胶试样压合试验采用最大容量为7.62 kN的气缸。橡胶试样的21 mm埋入夹具,即将橡胶试样伸出夹具9 mm进行试验。(1)汽缸(2)夹具(3)橡胶试样(4)试验路面(5)转台(6)三角皮带轮(7)齿轮箱(8)电机图2 橡胶试样磨耗试验机1.2.2 试验方法将橡胶试样固定在试验路面半径10.3 cm处,使橡胶试样

8、在干燥和浸水状态下滑动。以61 cms(2.2 kmh)的滑动速度进行试验,试验时间约为4 s,试验距离约220 cm。用灵敏度为0.1 mg的电子天平秤测量试验过程中橡胶试样的质量变化情况。每次试验都应将由磨耗产生的胶粉吸除干净。在浸水状态下,用端部口径为1.5 mm的喷嘴将流量约为40 mls的自来水喷到接触面上。第一组试验(试验橡胶材料除硬度以外的其它物理性能)以同一条件在二条路面(水泥砂浆路面和碎石路面)2A上对硬度6263的五种橡胶试样A1、B、C、D、E反复试验3次,求出磨耗量的平均值。为了详细研究接触面压力的影响,在0.119 MPa1.655 MPa范围内最多设定10级。第二组

9、试验(试验橡胶材料的硬度)在二条路面(水泥砂浆路面和碎石路面2A)上试验不同硬度的NRSBR橡胶试样A1、A2、A3,试验限度为50次,测定滑动距离和磨耗量。设定水泥砂浆路面的接触面压力为0.119 MPa、0.405 MPa,路面2A的为0.119MPa、0.303 MPa。13 第33卷第4期李汉堂.橡胶材料的耐磨性和耐切割性 第三组试验(路面粗糙度)在水泥砂浆和7种碎石路面等8种路面上试验较软的橡胶试样A1(NRSBR)和硬质聚氨酯橡胶试样F,在同一条件下反复试验5次,求出磨耗量平均值。接触面压力设定为0.119、0.405和0.631 MPa三级。2.3 接触面压力的影响单位磨耗量M与

10、接触面压力p的关系(第一组试验)见图3。这里,单位磨耗量M以单位平均接触面积单位平均滑动距离作为磨耗量,用gm2m表示。图3 单位磨耗量M与接触面压力p的关系 在碎石路面2A上进行试验时,除干燥橡胶试样E(IR)外,其它试样在达到某一接触面压力p之前不会产生磨耗;如果超过某一接触面压力,则单位磨耗量M随着p升高而大体上呈线性增加的趋势。橡胶试样在碎石路面2A上浸水状态时的磨耗量约为干燥状态时的一半左右。当接触面压力p在0.5 MPa以下时,浸水状态时的磨耗量也是干燥状态时的一半左右,随着接触面压力增高,其磨耗量的差异变小。这是因为水产生了冷却效果,以及水起到了润滑剂的作用,从而减小了橡胶与路面

11、间的摩擦系数。但是,当p为0.5 MPa以上的高接触面压力时,随着接触面压力升高,橡胶试样的接触面与路面之间的浸水状态变得微不足道,逐渐失去了水作为润滑剂的效果。对橡胶材料进行了比较,橡胶试样E(IR)的耐磨性稍好,而橡胶试样D(SBR)的磨耗量不管在什么条件下都比较大。加之,由于产生了被撕裂的小片使磨耗量剧增,这相当于夹具和碎石,所以有时候得不到p=0.5 MPa以上的试验数据。1.4 橡胶物理性能的影响单位磨耗量M与橡胶硬度Hs的关系(第二组试验)见图4。如在干燥路面上p=0.119MPa那样,虽然有时磨耗量会随着橡胶硬度Hs的增加而减少,但在本试验范围内,橡胶硬度对磨耗量的影响并不明显。

12、图4 单位磨耗量M与橡胶硬度Hs的关系 其次,关于除橡胶硬度以外的其它物理性能(第三组试验)所受的影响,文中具体描述了伸长率、拉伸强度、撕裂强度等与橡胶磨耗的关系。在研究中发现,撕裂强度Tr与磨耗性有较大的相关性,但这并不能说明在该试验范围内撕裂强度对磨耗量有显著的影响。1.5 路面粗糙度的影响单位磨耗量与功率谱密度P1的关系(相当于橡胶试样底面长度和波长相同的路面频率=0.333cm之间的关系)见图5。总之,在P1=1.510-2cm2cm附近有产生磨耗量峰值的趋势。将路面粗糙度(包括碎石粒径和节距的影响)作为指标,橡胶试样底面长度和相同波长的路面高低不平的程度对磨耗最有影响。从以上情况看,

13、在碎石路面上接触面压力对橡胶的磨耗量有很大影响。另外,天气条件(干、湿)对磨耗略有影响,而路面粗糙度的影响较小。23 世 界 橡 胶 工 业2006图5 单位磨耗量M与试验路面高低不平之功率谱密度P1的关系2 橡胶材料的耐切割性2.1 橡胶试样和切割刀具2.1.1 橡胶试样用表1所列的5种具有代表性的耐磨性橡胶(A1、A2、A3、C、D)作为橡胶试样。把橡胶试样裁切成50 mm100 mm(宽 长),厚度为t=10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm五种规格。2.1.2 切割刀具为了能基本上再现橡胶材料遭切割的情况,用钢制(SS400)的切割刀具当作流石和碎石。切割刀具刀口为

14、100 mm80 mm16 mm(宽 长 厚),刀的尖角度()有5种,分别为=6、4、3、5 6、2弧度(rad)。2.2 试验装置和试验方法2.2.1 静态切割试验日本工业标准中没有评价橡胶材料耐切割性的标准试验方法,为了测定橡胶材料的耐切割性,新近制作了基本上可以再现橡胶材料静态和动态切割状态的试验装置。图6是橡胶试样静态切断试验装置,试验机理是,通过提升阿姆斯勒试验机下部升降台,向刀口施加静态负荷以切断橡胶试样。图6 橡胶试样的静态切断试验装置为了保持刀口沿垂直方向切入和防止刀口旋转,装在刀口侧面的左右各两根不锈钢圆钢(直径8 mm)可沿侧导板的垂直沟滑动。橡胶试样的两端被固定。另外,在

15、橡胶试样的下部设有3层结构的木片,用于保护刀口。每次试验都要变换刀尖接触的部位(宽20 mm)。用装在阿姆斯勒试验机下部十字头与刀口之间的负荷传感器(20 kN)测定垂直负荷;用变位计测定刀口切入量。设定刀口切入速度约为0.2 mms。2.1.2 动态切断试验土方工程机械轮胎往往会因高低不平的路面、快速起动和突然加速而受到冲击。因此,橡胶材料由于受到这种冲击力而遭受切割的几率理所当然要比遭受静态外力作用产生切割的大。图7所示的是橡胶试样动态切断试验装置。其试验机理是,通过重锤自由落下时的冲击力切断橡胶试样。该装置包括机架在内的总高度约为4 m。在标准切入试验中将所用的机械手的绳子拉紧,则重锤(

16、质量M=20.9 kg,直径100 mm的钢制圆柱)就会从最高约2 m处自由落下。在9 mm厚的钢制台架上放置橡胶试样和刀具,动态切割试验装置的细窄部位与静态切割试验装置一样。为了确保向刀口传递冲击力,还要装上钢制圆盘(厚度10 mm,直径100mm)。在重锤落下处装有加强支柱,以保证重锤落下产生的冲击力,不致被缓冲。2.3 静态切割特性33 第33卷第4期李汉堂.橡胶材料的耐磨性和耐切割性 图7 橡胶试样的动态切割试验装置2.3.1 割口起始点的切入量垂直负荷Fs与切入量d的曲线形状大致可分为两种,一仅仅Fs增加的形状(1),二产生峰值的形状(2)。利用拍摄静态割口形状的录像和计时器求得割口

17、起始点,如果是形状1,其起始点相当于曲率最大点或两条直线的拐点;如果是形状2,则起始点相当于最大垂直负荷点。两种形状都是随着刀口切入而使橡胶试样上部受拉伸。待刀口正下方的橡胶试样受强力压缩后,橡胶试样产生少量的割痕,开始产生割口,在割痕处刀口像楔子一样切入,好像橡胶被撕裂一样。试验橡胶试样D时,割口起始点的切入量dsy与橡胶厚度t的关系见图8。图中的直线用下式表示:dsy=kt(1)图8 割口起始点的切入量dsy与橡胶厚度的关系在所有场合下,由于相关系数r较高,所以,可以说割口起始点的切入量dsy与橡胶厚度成正比。比例常数k在0.650.93范围内,随着刀尖角度增大,割口起始点的切入量有增加趋

18、势。2.3.2 割口起始点的负荷橡胶试样A1开始产生割口时的负荷Fsy与橡胶厚度t的关系见图9。橡胶厚度t=30mm或40 mm时,开始产生割口时的负荷Fsy为最大值。因此,增加橡胶厚度未必能提高耐静态切割性。至今还弄不清楚,为什么在t=30mm或40 mm时开始产生割口时的负荷Fsy为最大值。图9 割口起始点的负荷Fsy与橡胶厚度t的关系2.3.3 橡胶材料的影响在5种橡胶试样中,到底哪一种橡胶材料耐静态切割性好呢?该文作者对此进行了研究,作为具有代表性的实例,刀尖角度=5 12弧度、橡胶厚度t=40 mm时的垂直负荷Fs与切入比dt的关系见图10。在这种情况下,割口起始点等于最大垂直负荷点

19、(形状2)。图10 垂直负荷Fs与切入比dt的关系(橡胶材料的影响)43 世 界 橡 胶 工 业2006在5种橡胶试样中,橡胶试样A1(NRSBR,Hs=63)割口起始点的负荷Fsy最大,割口其切入量dsy排序第二。橡胶试样D(SBR)的Fsy最小,但其dsy最大。另外,橡胶试样A2(NRSBR,Hs=55)、试样A3(NRSBR,Hs=70)、试样C(NR)的Fsy和dsy均没有太大变化。橡胶材料割口起始点的切入量dsy与最大负荷Fsy并不一致。通过综合分析,可以说,在5种橡胶试样中,耐静态切割性最好的是橡胶试样A1(NRSBR,Hs=63)。2.4 耐动态切割性通过改变重锤落下的高度测定橡

20、胶割口的切入深度。在刀尖角=6弧度,橡胶厚度t=40 mm时割口深度dc与重锤落下高度h的关系见图11。割口深度大小顺序如下:橡胶试样D(SBR)A3(NRSBR,Hs=70)A1(NRSBR),Hs=63)A2(NRSBR,Hs=55)C(NR)。橡胶试样A2、C几乎没有什么变化。橡胶试样D的耐动态切割性最好。另外,对于同一原材料(NRSBR)的橡胶试样A1、A2和A3来说,其橡胶硬度Hs越大,割口深度越小,耐动态切割性越好。图11 割口深度dc与重锤落下高度h的关系(橡胶材料的影响)改变橡胶试样D的厚度时,割口深度dc与重锤落下高度h的关系见图12。从图12可以看到,橡胶厚度t越厚,割口深

21、度dc越小。因此,可以说,在一定范围内增加橡胶厚度可以提高其耐动态切割性。由于橡胶试样割口是由重锤落下、向刀具施加冲击力产生的,所以可以认为,割口深度与冲击力有关,冲击力Fd可以依据动量守恒定律和机械能守恒定律用下式算得:图12 割口深度dc与重锤落下高度h的关系(橡胶厚度的影响)Fd=MvT=M2ghT(2)式中:M为重锤质量;v为重锤冲击速度;T为冲击力作用的短暂时间;g为重力加速度。由于试验中的重锤质量M是一定的,所以仅以落下高度h作为函数,用下式对割口深度进行回归(c0,c1:试验常数)。dc=c0+c1h(3)因为图中所标,达到某一重锤落下高度时橡胶试样开始产生割口,所以(3)式中增

22、加了截距c0。由于在所有场合相关函数r均为0.97以上,所以割口深度dc等于重锤落下高度h的平方根,即它与冲击速度呈线性关系是成立的。开始产生割口时的重锤落下高度hy上式的h轴截距=(-c0c1)2因橡胶试样不同而各异,如果刀尖角度=6弧度,则重锤落下高度最高为20 cm左右,如果=6弧度,则最高为120 cm左右。橡胶试样D产生割口时的重锤落下高度hy最高。但是,在5种橡胶试样中橡胶试样D(SBR)的静态割口起始点的切入量dsy最大。可以认为,这种特性与橡胶试样D(SBR)的耐动态切割性最高有关。通常,变形特性因橡胶试样不同而不同,即使重锤从同一高度落下,作用于橡胶试样的冲击力也不一定相同。

23、如果是橡胶试样D(SBR),则如图10所看到的静态割口那样,在比较小的垂直负荷下会产生大的变形,因此对冲击来说,通过橡胶变形可以缓和冲击力。3 结束语橡胶试样A1(NRSBR,Hs=63)的耐静态53 第33卷第4期李汉堂.橡胶材料的耐磨性和耐切割性 切割性最好,其耐动态切割性仅次于橡胶试样D(SBR)和A3(NRSBR,Hs=70),而且耐磨性也不差。相比之下,橡胶试样D(SBR)的耐动态切割性最好,其耐静态切割性也不比橡胶试样A1(NRSBR,Hs=63)的差,但其耐磨性较差。因此,可以说NR与SBR并用的橡胶试样A1(NRSBR,Hs=63)的耐磨性与耐切割性能是良好地综合平衡。参考文献

24、:1 日本?协会,2003,76(2):40245.责任编辑:杨谷涌信息传真美国研制出新型廉价女用安全套位于美国芝加哥的女性健康产品公司(FHC)已经开发了第二代女用安全套(FC2),该产品将主要针对美国本土以外的市场。在此之前,该公司生产的第一代女用安全套(FC1)是采用聚氨酯为原料制成的,而新近推出的FC2则采用了丁腈胶乳。由于原料和生产工艺的改进,使得第二代女用安全套(FC2)售价大为降低。目前,第一代女用安全套(FC1)售价高达72美分,并且由于生产工艺的原因,即使是大量生产也难以降低单套FC1的生产成本。因此,难以大规模推广使用。由于第二代女用安全套(FC2)采用丁腈胶乳,并使用新的

25、生产工艺,生产成本大幅降低。特别是产量大幅提高时,FC2的单套生产成本也随之显著降低。目前,FC2的单套售价已经可以降至22美分,约合0.18欧元。因此,极大地提高了女用安全套在用户中的可接受程度。此前由于FC1价格太高,妨碍了通过采用女用安全套来防止爱滋病(HIV)这一工作的开展。新的FC2将极大地推进该项工作的进展。据FHC公司称,美国霍普金斯大学公共健康学院的戴维 霍特格瑞弗博士研究表明,仅在巴西和南非,即使在女用安全套使用率很低的情况下,每年因为使用了女用安全套至少可以减少2000例爱滋病(HIV)感染者,从而节约公共卫生资金140万美元以上。如果进一步提高女用安全套的使用率,则可以每

26、年减少32000例HIV感染事件的发生,从而节约高达6690万美元与HIV相关的医疗费用的支出。泰国安全套在美国受阻澳大利亚墨尔本消息,美国食品与药品管理局(FDA)已将Ansell(澳大利亚公司)设在泰国的安全套工厂定为2级滞留检查。这意味着从该工厂运往美国市场的安全套必须连续接受并通过十船次的检验才能放行。FDA随机抽检Ansell公司泰国工厂的两个安全套批次,发现其达不到FDA的相应标准后做出了上述决定。在美国,所有进入该国的医疗用品都必须经过FDA的相关检查,安全套属于二级医疗用品。为了尽快挽回市场影响,Ansell公司正在加速组织从其设在泰国的工厂发运安全套,以接受FDA的连续检验。

27、Ansell公司在美国设有安全套货物周转仓库。除了检查出问题的该公司泰国工厂外,Ansell公司还有另外两家工厂生产安全套供应美国市场。2005年Ansell公司共向美国市场发运了140船次 超过2000批次的安全套,均未发现问题。本次未能达到FDA标准的两批安全套是从最近7周发运的货物中抽检到的。如果此后发往美国的安全套还不能满足FDA标准要求,那么Ansell公司将被降至3级滞留检查,也就是说,该工厂必须重新进行认证,并不得不寻求别的货源以供应美国市场。固特异工程橡胶制品公司在巴西开设新厂巴西圣保罗消息,最近固特异工程橡胶制品公司在巴西圣保罗西北的圣塔纳德巴那伊巴开设了一家新工厂,生产海洋石油输送胶管。该工厂投资1300万美元,雇佣大约150名工作人员。它也是固特异工程橡胶制品公司在巴西开设的第五家工厂,主要生产浮式输油胶管和海底输油胶管。固特异公司表示,此举充分表明了该公司将致力于进一步提高其产品在工业胶管市场的份额。并声称,新工厂将以高技术和先进设施生产极具竞争力的产品。(以上均由谢立供稿)63 世 界 橡 胶 工 业2006