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橡膠的磨耗是個(gè)比較復(fù)雜的力學(xué)過程,影響因素也很多。橡膠的磨耗有如下三種形式:一是磨損磨耗:橡膠以較高的摩擦系數(shù)與粗糙表面相接觸時(shí),摩擦表面上的尖銳粒子不斷的切割、扯斷橡膠表面層的結(jié)果。二是卷曲磨耗:橡膠與光滑的表面接觸時(shí),由于摩擦力的作用使橡膠撕裂,撕裂的橡膠小片成卷的脫落。三是疲勞磨耗:橡膠表面層在周期應(yīng)力作用下產(chǎn)生的表面疲勞而帶來的磨損。
橡膠的耐磨性從本質(zhì)上說取決于它的強(qiáng)度、彈性、滯后性質(zhì)、疲勞性和摩擦性等。拉伸強(qiáng)度是決定橡膠耐磨性的重要性能之一。通常,耐磨性隨拉伸強(qiáng)度提高而增強(qiáng),特別是在粗糙的橡膠表面上摩擦?xí)r,耐磨性主要取決于強(qiáng)度值。定伸應(yīng)力對耐磨性的影響視不同的磨耗形式而異,就磨損磨耗和卷曲磨耗而言,提高定伸應(yīng)力對耐磨性的影響有利,但對疲勞磨耗則有不利影響。同時(shí),增加橡膠的彈性也會使耐磨耗性提高。
Tg低的橡膠的耐磨性好,橡膠的耐磨性隨其Tg的降低而提高,如BR。當(dāng)生膠分子結(jié)構(gòu)中有共軛體系存在時(shí),可使橡膠的耐磨性提高,如SBR。
PU由于其主鏈有較強(qiáng)的極性,并含有較多的苯環(huán),因此在常溫下,它的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性在所有的橡膠中是最好的。但是它的耐熱性能差,在提高溫度時(shí)它的耐磨性將急劇下降并且它的生熱大,對制造高速制品不利。CR和NR的機(jī)械強(qiáng)度高,也有較好的耐磨性。
填充補(bǔ)強(qiáng)劑的品種、用量和分散程度對橡膠的耐磨性都有很大的影響。耐磨性與結(jié)合膠的含量有直接關(guān)系,凡是能夠使結(jié)合膠增加的因素,均對耐磨性有利。所以,硫化膠的耐磨耗性隨炭黑粒徑減小、表面活性和分散性的增加而提高,而且有一合適的用量。炭黑的分散性對膠料的磨耗性影響最大。在苛刻的條件下,炭黑的結(jié)構(gòu)性影響顯著。偶聯(lián)劑處理過的填料有利于提高耐磨性。耐磨耗性好的硫化膠,一般硫化膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均較好。適量加入有自潤滑作用的填料,如云母、聚四氟乙烯粉末,也有利于提高硫化膠的耐磨耗性能。
隨交聯(lián)密度的增加,耐磨性有一個(gè)最佳值。輪胎實(shí)際使用實(shí)驗(yàn)證明,使硫化膠含較多單硫鍵可提高輪胎在光滑路面上的耐磨性。使用合適的防老劑可以提高耐磨性,特別是在疲勞磨耗的條件下尤為重要。較有效的防老劑有4010、4010NA、4020等。
橡膠的摩擦與磨耗
橡膠已被大量用于汽車輪胎、膠帶、膠輥、密封件、膠鞋等制品受摩擦和磨耗的部位。橡膠的摩擦和磨耗確保了汽車和機(jī)械等設(shè)備的性能,而且與安全性、經(jīng)濟(jì)性等問題有著密切關(guān)系。
產(chǎn)生摩擦的地方必然伴隨著磨耗,而該現(xiàn)象一般比較復(fù)雜,受多種因素支配。因此,關(guān)于摩擦還有許多方面沒有統(tǒng)一的解釋。但人們對摩擦學(xué)(有關(guān)摩擦、磨耗、潤滑的學(xué)問)和摩擦磨耗體系的理解在不斷加深。
橡膠的摩擦系數(shù)一般比金屬大,通過填充炭黑提高其強(qiáng)度和彈性模量,因此,其耐磨耗性也得到提高。此外,橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬材料小,表現(xiàn)出粘彈性性能,因此,當(dāng)溫度稍有變化時(shí)其機(jī)械性能就會顯著改變。再者,與金屬相比,橡膠容易產(chǎn)生老化現(xiàn)象。
對摩擦系數(shù)出現(xiàn)峰值的問題有幾種解釋,其中最簡單的解釋就是接觸面積A和剪切強(qiáng)度S隨滑動速度v而變化,摩擦力F取決于A和S的乘積(見圖),并由此出現(xiàn)摩擦系數(shù)峰值。
橡膠的磨耗形態(tài)橡膠的磨耗形態(tài)可分為以下幾種類型:
(1)磨蝕磨耗(abrasive wear):硬而尖的突起部刮擦橡膠表面產(chǎn)生的磨耗。
(2)附著磨耗(adhesive wear):橡膠表面與平滑面摩擦產(chǎn)生的磨耗。
(3)疲勞磨耗(fatigue wear):由橡膠表面疲勞引起的磨耗。
(4)卷曲磨耗(wear by rollformation):產(chǎn)生卷曲狀磨耗粉的磨耗。
(5)油污磨耗(oily wear):摩擦面被由摩擦產(chǎn)生的低分子量橡膠所覆蓋,與相對的另一面發(fā)生相互移動的磨耗,表現(xiàn)出低磨耗率的磨耗。
(6)圖紋磨耗(pattern wear):橡膠表面一邊生成磨損圖紋,一邊進(jìn)行磨耗的一種磨耗形態(tài)。橡膠在磨蝕磨耗和疲勞磨耗中也產(chǎn)生這種磨耗。
磨耗形態(tài)大致就分為以上六種,對橡膠來說,在磨蝕磨耗(1)中往往會產(chǎn)生上述(4)以及(6),幾種磨耗復(fù)合的情況。