Введение
Для армирования резиновых деталей, таких как автомобильные шины, конвейерные ленты или клиновые ремни, используются шинные корды и/или сетчатые материалы. В процессе производства эти материалы вулканизируются, превращаясь в резиновую смесь. Однако интерес представляют не только динамико-механические свойства резиновой смеси или сетки. Также часто требуется информация об адгезии между шинным кордом и резиной, на которую в основном влияют температура, свойства материала, механическое напряжение и используемый прилипатель.
Прилипатель - это смесь, которая наносится на поверхность корда шины для повышения адгезионной прочности между резиновой смесью и кордом шины. Во время эксплуатации шины при вращении колеса, а также при торможении, старте или повороте возникают растягивающие, сдвиговые и сжимающие напряжения.
По этим причинам знания о сцеплении корда шины с резиновой матрицей необходимы для разработки продуктов с надежными и долговечными динамическими свойствами. Эти свойства зависят от характеристик клеящего вещества, которые можно определить с помощью системы DMTA с высоким усилием, такой как Eplexor® 500 N от NETZSCH GABO Instruments. Система Eplexor® 500 N не только позволяет проводить испытания на растяжение в соответствии со стандартом ASTM D4776 для определения максимального усилия вытягивания, но и позволяет глубже изучить свойства материалов, прикладывая к образцу колебательную силу. На рисунке 1 показана схема, используемая в так называемых Т- или Н-образных испытаниях (обозначение зависит от формы образца) для определения динамических свойств встроенных шинных кордов.
A) Влияние температуры
На рис. 2 показано усталостное испытание, проведенное на двух композитах корд-резина из одного и того же материала, чтобы охарактеризовать поведение адгезии при различных температурах.
Температура эксперимента составляла 100°C для образца 1 (красный) и 150°C для образца 2 (синий). Испытание проводилось в режиме силового контроля, т.е. при статическом усилии 20 Н и динамическом усилии 2 Н. Частота испытания составляла 60 Гц в течение 6000 с (360000 циклов). Увеличение комплексного модуля упругости образца 1 (красный) можно объяснить тем, что при температуре 100°C процесс отверждения продолжается. При 150°C комплексный модуль образца 2 (синий) уменьшается. Это связано с тем, что здесь уже началась деградация резиновой смеси.
На рисунке 3 показано поведение демпфирования (tanδ) двух образцов. Разные температуры приводят к разным демпфирующим свойствам.
Причины этого те же, что и в предыдущих случаях. По отношению к красной кривой (при 100°C) тангенс угла наклона уменьшается из-за сшивки (отверждения), а по отношению к синей кривой (при 150°C) - увеличивается из-за разложения.
Б) Определение предельных напряжений
На рисунке 4 представлены результаты анализа двух идентичных корд-резиновых композитов, но с различными прилипателями. Целью данного испытания было определение предельных динамико-механических напряжений.
При статико-динамической развертке в режиме с контролем деформации статическая и динамическая деформация увеличивается шаг за шагом: 0,5% статической нагрузки/0,05% динамической деформации; 1%/0,1%; 2%/0,2% ... 9%/0.9%.
Частота испытаний составляла 10 Гц. Для каждого шага нагрузки записывалось 20 точек данных, чтобы показать ожидаемое снижение силы после достижения максимального напряжения.
Синие линии показывают поведение композита корд-резина с хорошими адгезионными свойствами, в то время как красная кривая относится к материалу с недостаточной адгезией. Как видно из образца 1 (красная кривая), шинный корд начинает вытягиваться из резиновой матрицы уже при статической деформации 6% и динамической деформации 0,6%. Шаг нагрузки 6%/0,6% стат./динам. указывает на начало нелинейного поведения материала.
Зная предельные напряжения, можно проводить дальнейшие испытания для получения дополнительной информации о материале. На рисунке 5 представлена временная зависимость комплексного модуля упругости и tanδ во время испытания на усталость, проведенного на тех же образцах, что и на рисунке 2.
Испытание проводилось в режиме контроля деформации при статической нагрузке 5 % и динамической нагрузке 0,5 % при частоте 50 Гц. Условия были selectтаким образом, чтобы быть близкими к пределу разрушения 6%/0,6%, полученному из рисунка 4, с целью вызвать быструю деградацию образца 1. Испытание проводилось при комнатной температуре.
На рисунке 5 показаны ожидаемые результаты. Механическое старение образца 1 (красный) происходит быстрее, чем образца 2 (синий). Через 2300 секунд (115000 циклов) корд образца 1 начинает вытягиваться из резиновой смеси, что видно по уменьшению комплексного модуля упругости E*.
Комплексный модуль образца 2 (синий) уменьшается медленно во время измерения.
Заключение
Непрерывные динамические нагрузочные испытания (усталостные испытания) подходят для определения адгезии между кордом и резиновой матрицей при нанесении липких веществ на поверхность корда. Ввиду высоких усилий и амплитуд, необходимых для проведения испытаний, серия приборов Eplexor® от NETZSCH GABO Instruments, в частности Eplexor® 500 N, хорошо подходит для динамического нагружения образцов в течение тысяч циклов. Для анализа использовались образцы в форме T или H; они состояли из одного шинного корда и резинового материала на одном конце (T-тест) или на обоих концах (H-тест).