橡胶磨耗及表面形貌的研究

周省委

（青岛科技大学， 山东 青岛 266061）

关键字：橡胶；磨耗性能；扫描电镜；固体核磁共振

众所周知, 磨耗性能是橡胶制品的一项重要指标, 与材料失效和制品的使用安全性密切相关。对橡胶磨耗的研究是当今材料摩擦学研究的热点之一[1]。倪春霞[2]研究了橡胶结构对磨耗性能的影响，研究表明分子量与磨耗成反比关系、橡胶的支化程度低有利于磨耗的降低、回弹性高的橡胶产品磨耗值也相应会降低以及橡胶的抗湿滑性能好，其滚动阻力就会大，滚动阻力越小，耐磨性能越好，滑动阻力越大，耐磨性能越差。

通过以上的叙述，我们了解到前人对橡胶磨耗机理做了大量的研究，也取得了不错的成就，但由于橡胶磨耗是一个极其复杂的过程，因此磨耗问题还需要大量的研究。在本文中，主要通过行程（转数）、温度的改变来探索橡胶磨耗过程中表面结构变化，以此来研究橡胶磨耗的机理，为模拟磨耗行为、提高耐磨性作出合理的支持。

1 实验部分

1.1 原材料与仪器

天然橡胶（NR），牌号SCR5，海南天然橡胶产业集团产品；炭黑N220，硬脂酸（SA），氧化锌（ZnO），防老剂4020，防老剂RD，防护蜡，芳烃油，促进剂NOBS，硫黄均为市售工业级产品。

密炼机，XSM-500 型，上海科创橡塑机械设备有限公司；开炼机，XK-16O 型，上海双翼橡塑机械有限公司；平板硫化仪，VC-150TFTMO-3RT 型，佳鑫电子设备有限公司；阿克隆磨耗机（添加了加热和控温系统），GT-7012-A型，台湾高铁科技股份有限公司。

1.2 实验配方

天然橡胶NR 100，炭黑N220 50，硬脂酸2，氧化锌4，防老剂4020 1，防老剂RD 1，防护蜡1，芳烃油6，促进剂NOBS 0.8，硫磺1.2。

1.3 试样制备

混炼方法采用传统一段混联法，混炼参数为温度90℃，转速50r/min。在平板硫化机上硫化，硫化参数145℃×20min（由之前的硫化曲线确定）。

1.4 性能测试

通过改变不同的转数，对试样进行阿克隆魔耗测试，转数分别为1000、1500、2000、2500、3000r/min。通过电加热和数字控温，对试样进行阿克隆魔耗测试，温度分别为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃。利用扫描电子显微镜，通过表面喷金，观察微观表面，获取适合倍数的SEM图像；利用固体核磁，通过魔角旋转和交叉极化获得试样的谱图。

2 结果与讨论

2.1 温度及转数与磨耗体积的关系

室温下，转数与磨耗体积的关系见图1。

图1 温度及转数与磨耗体积关系图Fig.1 Relation Diagram of Temperature and Rotation to Abrasion Volume

从图1 中看出，随着磨耗转数的增加，磨耗体积不断增大，而且基本呈线性上升的趋势。因为阿克隆磨耗是一种低速且周期性的摩擦运动，因此作用过程并不剧烈，变化基本保持线性状态。

2.2 SEM 对磨耗表面形貌分析

图2 为放大10 万倍的SEM 图像。

图2 不同放大倍数下磨耗表面的SEM 图像Fig.2 SEM image of wear surface under different magnification

从图2 看到胶体表面微小的纹路，这就是微裂纹。当存在力学或热学作用时，缺陷和裂纹处就会成为引发点，导致此处的应力集中或局部热效应。在放大2000 倍的SEM 图像中[图2（b）]，能发现山脊处呈层状堆积，类似沉积岩的结构，这是因为阿克隆磨耗是一种低速且呈周期性的转动的运动过程，而橡胶又是一种粘弹性材料，在应力和高温作用下，会体现出很大的粘性，在阿克隆磨耗过程，胶体表面会在作用下发生形变和迁移，当作用消失的时候，形变和迁移会因为弹性而恢复一部分，但是有一部分会因为黏性而无法恢复，直到下个作用周期，如此不断反复作用就会形成有层次（对应周期性作用） 且黏附堆积的表面。

在高温和应力的作用下，橡胶基体表面的微裂纹会产生应力集中，导致微裂纹发展扩大，裂纹两侧的胶体会随着应力作用形变、迁移，同时由于橡胶粘弹性的特点和阿克隆磨耗的特点，形变、迁移过程中，还会存在恢复，黏附作用，导致山脊呈层状黏附堆积状态。磨耗过程不断进行，山脊堆积越来越高，山脊上某些相对独立胶粒会因为与胶体的作用力不足，被摩擦力剥离下来，成为试验的磨屑。

2.3 固体核磁共振对结构变化的分析

图3 为NMR 谱图。

图3 磨耗前后的固体核磁13C 谱图Fig.3 Solid state 13C NMR spectra before and after wear

从图3 的NMR 谱图上来看，134 和124 左右处的峰为=C-，31 和25 左右处的峰为CH2，22左右处的峰为CH3，下面标注的为吸收峰的积分。对比磨耗前和磨耗后固体核磁共振13C 谱图，可以看出，吸收峰的位置并没有明显的变化，对应吸收峰的积分面积也没有明显变化，因此可以得知天然橡胶的基本结构并没有改变，并且没有发生明显的化学反应。由此可以推断磨耗过程中，结构上的变化只是物理性变化，没有发生大量的热氧化反应。

3 结论

本论文使用了天然橡胶作为混合体系的胶种，以此来研究高温阿克隆磨耗性能。有如下研究结论：

1） 随温度的升高，磨耗体积有加剧变大的趋势，转数与磨耗体积成线性关系。

2） 通过对不同放大倍数扫描电子显微镜图像分析,表明橡胶表面磨纹是从微裂纹开始，在周期性应力和温度作用下，不断迁移黏附堆积而成。

3） 通过固体核磁共振谱图的分析，可以得知磨耗过程主要以物理变化为主，化学变化可以忽略，这有利于分析磨耗问题的模型简化。