最新橡胶工艺原理(二十六)

　第32卷第5期王作龄.最新橡胶工艺原理(二十六)　　　　　　 47

最新橡胶工艺原理(二十六)

王作龄　编译

中图分类号:TQ330.1　　　文献标识码:E　　　文章编号:167128232(2005)0520047207　　

11.3.2　硬度试验(JISK6253)

硬度试验是一种与橡胶弹性模量有关的试验方法,因该法操作简单等原因,在性能评价项目中成为必然提出的试验方法之一。

图1129为硬度试验机的示意图。该图以模式化方式展示了A。胶中。,施加与弹簧变形相符的负荷。如果压针没有从金属面上下落,则硬度为100;如果试样柔软压针处在下落状态,则硬度为零。硬度计的刻度在0～100之间分成100个等分。用A型硬度计测定硬度时,施加在弹簧上的力W与硬度H

A之间存在如下关系,即:

HA=

抗撕裂试验的目的是向橡胶施加应力,使该应力局部集中,并研究其强度。试验方法和拉伸试验一样,多半使用。试J所示的圆弧。11211(b)所示的。圆弧形和直角形试样1mm深的割口,而裤形试样是切开一个40mm深的割口。直角形试样分为有割口和无割口两种。关于试样的拉伸方向,圆弧形、直角形和长方形试样沿纵向拉伸,而裤形试样,如图11211(

a)所示,对包括割口的部分进行上下拉伸,或者垂直于如图11211(b)所示与长方形相同割口的方向进行拉伸。这样,具有裂口橡胶的变形试样可分为如图11212所示的三种。对此进行比较可知,图11211(a)的裤形撕裂试样与图11212(c)相对应,其它形状试样与图11212(a)相对应。

75

(11225)

式中,W的单位为mN,硬度为无因次。

图1129　A型弹簧式硬度计的示意图

硬度试验方法比较简单,但要注意试样的厚度和光滑性、加压面的加压方法和速度、从对加压面加压到读到数值的时间等。试样不厚时因受试样座的影响会出现高值。此外,加压面倾斜接触试样时,在试样和加压面之间出现间隙,压针不能充分恢复,结果出现低硬度值。对加压面的加压速度太快时,冲击力增加,硬度有可能增高。再者,由于橡胶的松驰速度较快和硬度逐渐降低,所以必须进行快速测定。

此外,软橡胶试样可用E型硬度测定,而硬橡胶试样用D型硬度计测定比较适宜。11.3.3　抗撕裂试验(JISK6252)

图11210　抗撕裂试验用试样形状

抗撕裂试验时因试样形状复杂,所以伸长

率不能简单地定义。除了特殊目的以外,测定的项目只是撕裂强度。撕裂强度T由试样厚度t除以试样断裂时的最大负荷f得出,即:

T=

t

(11226)

在求取断裂强度的问题上,可以说抗撕裂试验所研究的物理性能接近于拉伸试验的断裂强度。但是,对试样所施加的力即应力分布两者之间却不尽一致。对于拉伸试验,从垂直于拉伸方向的截面看,应力分布被认为是均匀的;对于撕裂试验,如图11213所示,在应力集中点

48 　

　世　界　橡　胶　工　业

σf=

γEa

2005　

附近应力较大,随着远离应力集中点而变小。因此,抗撕裂试验的破坏机理和拉伸试验的不同。即,对于通常的拉伸试验,当拉伸至整个试样变成再也不能伸长的状态时,极小缺陷就会成为诱因,进而断裂;对于抗撕裂试验,试样从一开始就存在很大缺陷,即存在着应力集中点,所以首先在此处断裂,而后裂口逐步扩大到试样的对面。这样,根据应力分布不均匀状况,用式(11226)求取撕裂强度时不用截面积,而用厚度除以负荷

。

(11227)

式中,E为杨氏模量;γs为表面能;a为晶格间距。这是假定断裂所需的能全部变成断裂面的表面能而引入的方程。对此Griffith认为,如果该力施加在裂口端部破坏时,则导出下式:

σf=

γc

(11228)

式中,C为裂口长度的一半值。在此需要注意

的是,式(11228)Ca,此外Griffith考虑到具有单位厚度的材料中存在着长度为2C的裂口,从而引起了能量变化,即:

γ(11229)W=U+4γs式中,第一项表示裂口引起的弹性变形能的减少值,而第二项表示裂口引起的表面能的增加

值。因此认为,当该能量相对于裂口长度的增加,变为负值时产生了破坏,即:

(11230)-≥4γs

在此,所表达的观点也适用于橡胶。但是,橡胶是可进行大变形的材料,其滞后损失大,难以假定断裂所需的能全部变成断裂面的表面

图11212　

试样撕裂式样

图11211　

试样的撕裂方向

能,因此有必要对考虑了若干因素的方程进行

修正。

11.3.4　压缩试验(JISK6254)

压缩试验基本上如同由拉伸试验求取应力值那样,是为求得压缩状态下的应力值的试验。但是,压缩试验通常使用如图11214所示的圆柱形试样。拉伸试验系采用光学读取标线间数值以求取变形的方法,而压缩变形多数根据十字头的移动量来求取变形。压缩试验时一般位

图11213　抗撕裂试验试样割口端部的变形状态

抗撕裂试验与橡胶材料的破坏现象有密切关系,为此进行了大量的研究。其基本思路是依据Griffith的理论。

若简单叙述,则首先对结晶的理想断裂破坏强度σf规定如下:

移量较小而且负荷较大,所以要求试样的夹具

和十字头的伸长计等要有适宜的精度。　　此外,使用圆柱形试样时,试样需稍呈鼓状变形。夹持试样的夹具与橡胶间的摩擦过大时,与拉伸试验一样,会变成不能满足力学变形的状态,因此需要注意。即,拉伸试验的变形是单轴拉伸试验,假定拉伸方向的伸长比为下式:

λ(11231)1=λ

　第32卷第5期王作龄.最新橡胶工艺原理(二十六)　　　　　　 49

则拉伸方向与垂直方向的伸长比,在拉伸方向不加外力而体积不变时可写作下式:

λ(11232)2=λ3=

但是,当上述摩擦等因素起作用时,在λ2和λ3的方向上受到力的作用,则式(11232)有可能不

成立。

不是大变形,则力学松弛非常小。但是,现实中使用的各种交联密度的橡胶,加之还大量添加

填充剂和增塑剂等,所以即使伸长低也需要注意永久变形这一问题。

图11216列示的麦克斯韦模型是用于说明力学上最简单永久变形的模型。即,当粘性项串联施加一定伸长时,应力缓慢松弛,粘性部分的位移逐渐上升。这样,经过一定时间,外力变为零时,粘性部分的位移便原样保留,成为永久变形。

2　　　图112152mm厚

的片状和圆柱形试样的拉伸试验及压缩试验测定结果合并为一条曲线的曲线图。

图中拉伸试验取拉伸至50%的数据,压缩试验取压缩至25%的数据。两种数据处于同一力学变形状

图11216　麦克斯韦模型与永久变形

松弛虽然随时间的变化而变,但也有必要

从复合结构的变化这方面进行研究。因为橡胶中的炭黑结构等并不能追随变形,或者变形破坏,或者分子链缠结解开或断裂,可以认为,这是妨碍负荷除去变形恢复,成为永久变形的原因。

拉伸永久变形试验使用的试样有长方形试验样、Ⅰ字形试样或者环形试样等。另外,拉伸永久变形T(%)由下式求出,即:

T=

×100

l1-l0

态,这是由于使用了由以上两个方程式导出的门尼2里夫林方程并进行了配合的结果。在实际的压缩试验中,被压破的上、下面未必呈现充分水平的状态。可认为这与低压缩区试验的解析式不相符。

(11233)

式中,l0为拉伸前的标线间距离;l1为拉伸时的标线间距离;l2为收缩后的标线间距离。试验结束后将处于拉伸状态的试样于室温下停放(30235)min,而后取出试样,测定其30min后的长度。11.3.6　摩擦试验

图11215　压缩试验和拉伸试验结果■—试验值;—门尼2里夫林方程

摩擦试验和磨耗试验被列为橡胶的重要物理性能试验项目之一。橡胶是易磨耗材料,而摩擦力是造成橡胶磨耗的原因之一。摩擦和磨耗现象存在于轮胎、胶辊、胶带、鞋底等各种橡胶制品中,它们对橡胶制品是十分重要的性能。

摩擦试验的目的是测定材料与其它物料接触并进行相对运动时所受的力。如图

11217所示,测定一个按一定速率牵引、与试样接触、负荷为W的试验体需多大程度的力F。此时F与

11.3.5　拉伸永久变形试验(JISK6262)

橡胶是一种容易力学松驰的材料。例如,向未硫化胶施加一定伸长并保持一段时间,而后即使去除外力也不能恢复到原来的形状。胶料硫化后这种性能还有某种程度的存在。当然,如果高分子链不能扩散、交联密度高,而且

50

W之间存在以下关系,即:

F=μW

世　界　橡　胶　工　业2005　

(11234

)

粘合摩擦,滞后摩擦也称为变形摩擦。

粘附摩擦力Fadh和金属摩擦一样,可用下式表示,即:

Fadh=As

(11238)

图11217　负荷与摩擦力的关系

式中μ,为摩擦系数,由该值表示两表面间的互

相作用。摩擦系数μ一般分为静摩擦系数和动摩擦系数,其值与负荷和速率等有关系。

对金属而言,摩擦力F与垂直负荷成正比。即,在式(11234)中μ为常数,静摩擦力比动摩擦力还大,摩擦力与表观接触面积无关系。将此性质称为阿蒙顿2库仑(Amonton2Coulomb)擦定律。

A,而表观,即:

A=

pf

式中,A为真实接触面积;s为剪切强度。对真实接触面积A,一般成立下式,与负荷不是单纯成正比,即:

n

(11239)A=aW式中,a和n为决定于材料和接触状态的参数。

合2Π31,时,若仅仅粘附,则粘附摩擦力可由式(112)和式(11219)表示如下:

Fadh=

1-nWW1-nW

(11240)

而摩擦系数由下式求出,

即:

μ=

(11241)

(11235)

式中,pf为塑性流动压力,施加可使材料塑性流动的压力材料开始流动。即,真接触面被负荷W压破达到该压力,产生变形,变成了真实接触面积A,如图11218所示。此外,设定该接触部分的剪切强度,即材料被破坏的剪切应力为S时,摩擦力F可由下式表示,即

:

F=sA=

spf

μ为1-n>0,负荷增加时　　根据试验结果,

摩擦系数减小。图11219为周边10mm四方形橡胶试样与干燥玻璃表面的摩擦系数和接触压力的关系。图中的接触压力是单纯用橡胶试样的表观接触面积除以负荷得出的,在此与负荷W相对应。由图可知,摩擦系数随着负荷,即接触压力的增加而减小,

这有利于粘附摩擦。

(11236)

摩擦系数μ根据式(11234)和(11236)可表示为:

μ=pf

(11237)

图11218　多点接触模型

由式(11236)可知,摩擦力F与垂直负荷成

正比;由式(11237)可知,材料为金属时摩擦力与表观接触面积无关。当材料为金属时,式(11237)中的塑性流动压力pf和剪切强度为S的比值大致一定,摩擦系数为0.4～0.6。

橡胶的摩擦和金属不同,其摩擦机理可分为粘附摩擦和滞后摩擦。其中粘附摩擦也称为

图11219　接触压力与摩擦系数的关系

另一方面,滞后摩擦力Fdef是硬球等物体在橡胶表面上滑动时因橡胶变形所受到的摩擦力。该摩擦力是因橡胶的滞后在球的前方和后方受力不同引起的。如图19220(a)所示,对橡胶施加一定的变形后恢复原来状态时,应力因

　第32卷第5期王作龄.最新橡胶工艺原理(二十六)

a　吉曼扭转试验(JISK6261)

51

滞后损失而减小。因此,如图11220(b)所示,在球的前进方向的前后所加力的大小不同从而变成了摩擦力

。

吉曼扭转试验是以测定剪切弹性模量与温度的相关性作为低温性能指标的试验。测定原理如图11222所示,对直线排列安装在橡胶试样上的钢丝扭转180度,根据扭力测定橡胶扭转多少角度,才使温度发生变化。橡胶扭转θ角度时,根据力的平衡下式成立:

θ=K(180-θ)G′

(11242)

图11220　

滞后摩擦的原理示意图

式中,G′为橡胶的表观剪切弹性模量;K为钢丝

的扭转常数,G′()θ:

G′=

θ

(11243

)

图11221　油润滑的摩擦系数

此外,摩擦试验也有各种不同方法,可参考

有关文献。

以上是关于物体之间在无润滑剂时的摩擦现象,即干燥摩擦和固体摩擦的叙述。当物体间存在着具有分子大小厚度的吸附油膜时出现了边界摩擦和边界润滑现象;而物体间存在着充分厚度的油膜时出现了流体摩擦和流体润滑现象。此外,在物体间的相对速度和负荷一定时,边界润滑和流体润滑对于油的粘度η分别产生如图11221所示领域的现象

。11.3.7　低温性能试验

橡胶制品通常在其玻璃化温度以上范围内使用,而低温性能试验是判断橡胶制品在多少低温下可使用的试验。在此提出吉曼扭转试验和T2R试验,而低温压缩永久变形试验和硬度试验,以及后述的低温冲击脆性试验等也常用于低温性能的评价。

当然,在低温性能试验的范畴中,粘弹性试验也是重要的评价手段。但是,低温性能试验时玻璃化温度与频率有关,一般频率降低而玻璃化温度也下降。此外,由于低温性能试验是微小变形试验,因此,对于橡胶材料来说没有承受大变形的试验未必就是完整的。在此提出的两种低温性能试验,虽然引入了松驰的时间因素,但这两种试验都是静态大变形试验。

图11222　吉曼扭转试验模式图

试样被浸渍于作为制冷剂的酒精、干冰浴

中,加力扭转10s后测出试样头部的扭转角度。温度与扭转角度的相关曲线如图11223所示。在极低温度下,橡胶成为玻璃状而变硬,因此变形角度较小。另外,试样随着温度上升而变软,因此测定角度增加

。

图11223　温度与扭转角度的关系

作为橡胶材料的耐寒性指标,经常提出的

是被称为T10的比弹性模量为10的温度。比弹性模量RM可以23℃下的表观弹性模量为基础

52 求出,即:

RM=

世　界　橡　胶　工　业2005

(180-θθ0)Π0

(11244)

式中θ,0为23℃下的角度θ,为测定温度下的角度。在感觉上该温度可称为表示橡胶弹性的

极限温度。此外,求出T2、T5和T100就可对橡胶材料进行全面评价。这是因为橡胶材料所表现的扭转角度对于温度的相关性按橡胶的配方不同而有各种图形。

b　T2R试验(JISK6261)

T2R试验(低温弹性回复试验)是预先将试

变成橡胶状态时测定值中才会出现那种情况。但是,在进行T2R试验时,还存在着变成橡胶状态的那一部分克服玻璃状态的阻力,以及分子运动在较低的温度下回复到室温状态所需要的时间这些因素。即,T2R试验比吉曼扭转试验更为严格。11.3.8　应力松弛试验(JISK6263)

松驰是橡胶材料力学性质的特征之一。应力松驰是在一定变形下,应力随时间延长而降低的现象。拉伸试验时应力2,,而应力J中规定了拉伸和收缩两种类型的应力松驰试验,而应力松驰模量RT(t)可由下式求出,即:

RT(t)=

()

×100f0

样拉伸一定长度后直接置于低温下,然后除去负荷,测定长度随温度上升的变化,J-70℃。测定-l1和随着温度上升试样的长度l2。测定值可以收缩率表示

。

(11246)

式中,f0为初始应力;f(t)是时间为t时的应力。通常用形变ε除f(t)作为松驰弹性模量G(t)来

表示的也很多

。

图11224　温度与收缩率的关系

图11224为测定值的模式图。收缩率γ定义如下:

γ=

l1-l2

×100

l0-l1

(11245)

图11225　压缩应力松驰与时间的关系

式中,l0为试样拉伸前的长度。JIS规定,读取收缩率为10%、30%、50%、70%时的温度并分别将它们设定为TR10、TR30、TR50、TR70。

在T2R试验中因试样在拉伸时变为骤冷的状态,所以随着温度上升,即使部分试样恢复橡胶弹性,部分仍处于玻璃化状态,依据这些相对的量,确定试样长度恢复的程度。此外,TR10与TR70的温差大时,存在着易结晶倾向,这也可用

松驰受分子链微观布朗运动和侧链热运动等因素的支配。特别是在高分链的粘弹性松驰时,应力松驰曲线呈现图11225所示的时间相关性。该曲线表示了将圆柱状硫化胶压缩25%时的应力变化。由此可知,应力松驰与时

间的相关性成立下式:

-n

(11247)f(t)=f′t

式中,f′和n为常数。该应力松驰与时间的相关性和松驰弹性模量总曲线上出现的楔形段与时间的相关性相同。11.3.9　粘弹性试验(JISK6294)

作评价拉伸结晶性的简易方法。

吉曼扭转试验时,为测定弹性模量,只有在

　第32卷第5期王作龄.最新橡胶工艺原理(二十六)　　　　　　 53

粘弹性试验也称为动态粘弹性试验。该试验也是橡胶材料不可缺少的试验之一。

JIS中规定使用圆柱形试样,但也常用长方形试样进行测定。在拉伸方向上给长方形试样施加振动时需要注意的是,如图11226所示,在赋予平均应变,即应变振幅之前,若不给予一定程度的拉伸试样就会松驰

。

因此,动态弹性模量也表现出与此相称的差异。

通常,试验时一般系采用强迫振动法。该方法是对试样一端进行强迫振动,而在另一端检测振幅的比和相位差。此时,从励振一侧给予的振动必须在成为纵波且不传播的条件下进行测定。

此外,温度变化时弹性模量变化大,所以用于测定的检测设备需要有充分的动态量程。在温度上升的同时进行测定时,化定,快,应控制在Π使用2。

,粘弹性试验多数性,和被称为二次结构或多次结构的分子链集合体的结构方面起基础作用。

(未完待续)

图11226　　　此外,。假定泊松比为0.5,则静态剪切弹性模量G和杨氏模量E之间存在以下关系,即:

(11248)E=3G

[责任编辑:邬宜梁]

(上接34页)

该方法进行测试时,其数值也是高的。两组数

值的递增(递减)情况基本上是一致的。

表2　

序号

1#2#3#4#5#6#7#8#9

##

3　结语

鞋类之防滑性能试验方法研究在国内仍处于探索阶段,本文所提出的试验方法具有较好精密度和较高准确度,检测的摩擦系数可反应不同材质大底与瓷砖、木板、PVC板的防滑性能,对本方法的研究将有利于防滑材料的生产、检测,为鞋类穿着健康提供保障。

ASTMF1677本方法干式

0.6140.9510.6340.6900.7420.9620.8280.6921.1171.095

干式

0.6390.7890.6500.7570.7480.8810.7840.7570.9640.963

湿式

0.6860.7000.7380.6320.5050.6780.7330.6460.7110.755

湿式

0.7530.7530.7670.7580.5400.6750.7950.7190.7700.828

参考文献:

[1]　GB12623290《防护鞋通用技术条件》.

[2]　PAYLESSSHOESOURCETESTMETHOD《大底防滑

性能测试方法》.

[3]　ISOΠTR11220:1993(E)《Footwearforprofessional

use———Determinationofslipresistance》.

[4]　ASTMF1677296《StandardTestMethodforUsinga

PortableInclineableArticulatedStrutSlip

(PIAST)》.

[5]　ASTMF489296《StandardTestMethodforUsinga

JamesMachine》.

[6]　ASTMF609296《StandardTestMethodforUsinga

HorizontalPullSlipmeter(HPS)》.[7]　中国鞋号及鞋楦设计.

Tester

10

2.7　不确定度的确定

通过对同种试样进行多次测量,根据试验过程中的影响因素,计算其不确定度。例如,一

个试样其检测结果为μ0=1.105,分析其检测过程中的影响因素,通过计算得出:μ0=1.105±0.0036,Veff=7,P=95%。

[责任编辑:张启跃]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/89kj.html