книги из ГПНТБ / Восстановительный ремонт шин

ш иновосстановительного производства

Обеспечение высокой прочности связи между вновь наложен­ ным протектором и покрышкой (а также в зонах ремонта каркаса и покровных резин) является центральной проблемой при восста­ новительном ремонте. От ее решения зависит качество продукции шиновосстановительных заводов, а также сама возможность эффек­ тивного восстановления и ремонта шин.

При ремонте шин проблема прочности связи имеет специфиче­ ские особенности, связанные с необходимостью крепить сырую (невулканизованную) резину к ранее вулканизованной (ремонти­ руемой) поверхности. В данной главе на основе результатов работ, проведенных в последние годы, рассмотрены механизм и условия образования прочной адгезионной связи между указанными мате­ риалами.

Общие сведения об адгезии полимеров

Под адгезией (прилипанием или склеиванием) понимают сцепле­ ние между приведенными в контакт поверхностями различных по своей природе материалов. Принято говорить о двух типах адгезии: специфической, или собственно адгезии, представляющей собой силу сцепления адгезива (клеевой или другой вязкой прослойки) с субстратом (более жесткой подложкой) и зависящей главным обра­ зом от природы этих веществ, и механической адгезии, возникающей вследствие проникновения адгезива в поры и трещины на поверхно­ сти субстрата и удерживания в них затвердевшего (жесткого) адге­ зива благодаря механическому заклиниванию.

Для рассматриваемого случая соединения (с последующей совулканизацией) эластичного вулканизованного слоя со слоем упруго­ вязкой резиновой смеси основным типом адгезии является адгезия специфическая. Тем не менее и в этом случае чрезвычайно велика роль микрорельефа (площади и характера поверхности) ранее вул­ канизованного слоя.

Вводя понятие удельной адгезии, или давления адгезии а (силы сцепления, действующей на единице площади фактического кон­

где F — общее усилие сцепления (или отрыва) двух дублированных слоев разно­ родных материалов на некоторой площади, ограниченной определенным конту­ ром; .Уф — площадь фактического контакта.

Давление адгезии зависит от адсорбционно-диффузионного и химического взаимодействия резин, возрастает при активизации поверхности (например, при снятии поверхностного окисленного и загрубевшего слоя) и является резко специфичным для разных полимеров — полярных и неполярных, совместимых и несовме­

стимых .

Фактическая площадь контакта зависит от размера геометри­ ческой (полной) поверхности подложки Sr, определяемой ее микро­ рельефом (микрогеометрией) и степенью полноты покрытия этой поверхности адгезивом:

где К — коэффициент полноты соприкосновения, или коэффициент пластиче­ ского контакта.

Отсюда для величины адгезионного взаимодействия можно напи­ сать соотношение

причем, О <С К <С 1.

Таким образом, прочность сцепления в рассматриваемом случае зависит от микрогеометрии (величины поверхности на данной номи­ нальной площади), коэффициента пластического контакта и специ­ фического адгезивного взаимодействия.

Перейдем к рассмотрению влияния и механизма действия ука­ занных трех факторов.

Микрогеометрия механически обработанной поверхности резины и ее влияние на адгезию

Механическая обработка — шероховка резины, производимая в основном для повышения прочности склеивания, создает разви­ тый микрорельеф (шероховатость) на ее поверхности. В зависимости от способа механической обработки микрорельеф поверхности ре­ зины может быть различным. Геометрия, размеры, острота режу­ щих граней шероховального инструмента, его скорость и усилие прижима к обрабатываемой поверхности определяют характер раз­ рушения поверхностного слоя. В результате даже по внешнему виду поверхности, обработанные разными способами, резко отличаются друг от друга. Это хорошо видно на рис. IV. 1. При использовании инструментов с острыми режущими гранями, больших скоростях обработки и сильном прижатии на поверхности преобладают более или менее глубокие (по движению инструмента) полосы. Рельеф в продольном и поперечном направлениях заметно неоднороден. В других случаях на поверхности видна заметная волнистость в по­ перечном к движению инструмента направлении. Подобные различия в характере поверхности получаются и при истирании резины в раз­ ных условиях. Рисунок поверхности с четко выраженными продоль­ ными бороздами соответствует абразивному типу износа, а рисунок с поперечной волнистостью — усталостно-деформационному. В за­ висимости от типа применяемого инструмента и условий обработки преобладает тот или иной тип износа. Соответственно меняется и ха­

114

рактер отшерохованной поверхности. При этом наличие более или менее развитого микрорельефа приводит к увеличению площади поверхности, а, следовательно, и площади контакта при соединении резины с резиновой смесью.

Обычно количественно учесть увеличение поверхности контакта в результате шероховки вулканизованной резины невозможно. Поэтому экспериментально определяемое значение прочности связи при испытаниях на отрыв (давление адгезии по Б. В. Дерягину или при испытаниях на расслаивание (удельная работа адгезии

Рис. IV.1. Вид поверхности резины, отшерохованной различными ин­ струментами:

а — шероховальной фрезой с притупленными зубьями; б — дисковой проволочной щеткой.

относят к номинальной площади контакта, т. е. к площади попереч­ ного сечения испытываемого образца, например:

где F — нагрузка, вызывающая отрыв, кгс; S„ — номинальная площадь кон­ такта, см2; А — сопротивление отрыву (номинальное давление адгезии), кгс/см-.

Между тем адгезионное взаимодействие протекает на истинной поверхности контакта приведенных в соприкосновение материалов. Если соотношение между истинной и номинальной площадью кон­ такта характеризовать с помощью коэффициента

то сопротивление отрыву можно выразить, как

где а — истинное давление адгезии, определяемое природой контактирующих ма­ териалов.

Возможности увеличения поверхности контакта в результате механической обработки (шероховки) можно рассмотреть, моде­ лируя неровности отшерохованной поверхности набором одинаковых геометрически правильных тел (полусфер, конусов, пирамид, призм,

ности к одной из таких моделей может служить коэффициент увеличения геометрической площади поверхности К г — Sr/SH, причем К г > 1 и К г ^ Кф. Площадь модельной поверхности, образованной полуцилиндриче­ скими или полусферическими выступами в 1,6—1,9 раза больше номинальной. Однако можно получить еще большее увеличение геометрической поверхности, если предположить, что поверхность

Щ

Рис. IV.3. Модели отшерохованной поверхности вулканизата с неров­ ностями различных порядков:

а — неровности I порядка; б — неровности I и И порядков.

каждого из выступов (неровностей 1 порядка) образована более мелкими выступами той же или другой геометрической формы (неровностями II порядка), как схематически показано на рис. IV.3. В этом случае суммарная геометрическая площадь равна:

а размеры основания вторичных выступов намного меньше, чем

116

неоднократно. Если при этом геометрия выступов повторяется каждый раз, то полная геометрическая площадь поверхности опре­ деляется выражением

Рис. IV.4. Профилограммы поверхности вулкани­ зованной резины, отшерохованной различными инструментами (увеличение Х25):

а — проволочной дисковой щеткой; б — наборной фрезой из секторных пилок; в — наборной фрезой из секторных пилок и щеткой; г — гвоздевым рашпилем; 9 — лопастной фрезой.

соотношения (7) заключается в том, что оно указывает на целе­ сообразность создания за счет последовательной обработки (шеррховки) разными инструментами или другим путем грубого и тонкого рельефов поверхности.

На рис. IV.4 показаны профилограммы отшерохованных поверх­ ностей вулканизованной резины, а на рис. IV.5 — фотографии их поперечных и продольных срезов. Видно, что почти во всех случаях на поверхностях имеются неровности различных порядков

(I, II, III).

117

Из сказанного выше, следует что должна существовать пропор­ циональная зависимость или хотя бы корреляция между прочностью связи и удельной поверхностью отшерохованного слоя. В табл. IV. 1

Рис. IV.5. Микрофотографии поперечных (а) и продольных (б) срезов покрышек отшерохованных различными способами (увеличение Х5):

I — зубчатой фрезой; II — гвоздевым рашпилем; I II — лопастной фрезой; Л ' — наборной фрезой из секторных пилок; V — дисковой проволочной щеткой; V/ — последовательно на­

борной фрезой и проволочной щеткой.

характеристики микрорельефа, полученного при различных спосо­ бах шероховки, сопоставлены с прочностью между наложенным и «старым протектором в восстановленных шинах. Как видно из этих

118

еще недостаточно для обеспечения высоких значений истинной поверхности контакта. Площадь истинной поверхности контакта зависит не только от Sr, но и от свойств соприкасающихся материа­ лов и условий контакта — действующей нагрузки и времени (для несовершенно упругих материалов).

Известно, что при контакте двух твердых тел площадь контакта значительно меньше не только истинной (геометрической) площади поверхности соприкасающихся материалов, но и номинальной пло­

и упруго-вязким адгезивом (резиновой смесью) вследствие его пла­ стического течения может быть названо явлением пластического контакта.

Образование поверхности контакта, вероятно, можно разделить на два этапа. В первый момент при соприкосновении контактиру­ ющих поверхностей (их наиболее высоких неровностей) под дейст­ вием нормальной нагрузки N в адгезиве возникают упругие дефор­ мации и образуется какая-то начальная (относительно малая) по­ верхность контакта S0. Дальнейшее развитие пластического контакта определяется реологическими свойствами контактирующих материа­ лов и продолжительностью действия нормальной нагрузки.

Если считать выступы поверхности субстрата недеформиру­ емыми, процесс развития пластического контакта между вулканизатом и резиновой смесью можно рассматривать как погружение

в упруго-вязкий адгезив единичного выступа определенной геоме­ трической формы (полусфера, полуцилиндр, призма, конус, пира­ мида). Для получения приближенного решения этой задачи можно

121

воспользоваться методом, использованным И. В. Крагельским для анализа реологических явлений при трении, применив для описания свойств упруго-вязкого адгезива широко известное дифференци­ альное уравнение Максвелла:

где h — среднее значение прогиба, см; р — среднее значение контактного давле­ ния, кгс/см2; V — коэффициент упругости, кгс/смэ; t — время, с; р — коэффи­ циент вязкости, кгс • с/смэ.

Зависимость площади поверхности погруженной части единич­ ного выступа (поверхность контакта) от глубины его погружения можно выразить эмпирическим соотношением:

где Ь и п — коэффициенты, зависящие от геометрии выступа.

Среднее давление р в зоне контакта, обусловленное действием постоянной нагрузки N, изменяется обратно пропорционально площади контакта:

Решая уравнение Максвелла (8) при условиях (10) и (И), после интегрирования от 0 до t получаем для зависимости между коэф­ фициентом полноты соприкосновения и продолжительностью кон­ такта следующее выражение:

где Kt — коэффициент полноты соприкосновения, достигаемый за время t, причем 1 Kt К а\ К 0 — коэффициент полноты соприкосновения в началь­

ный момент, который зависит от упругих свойств среды и может быть определен

п

.г ( N \ п+ 1

из соотношения К 0 — \

Таким образом, коэффициент полноты соприкосновения является сложной функцией времени и действующей нормальной нагрузки. На рис. IV.8 и IV.9 представлены экспериментальные данные по зависимости прочности связи между вулканизатом и невулканизо­ ванной резиновой смесью от нагрузки при дублировании и продол­ жительности ее действия.

Можно показать, что приведенные на рис. IV.8 и IV.9 экспе­ риментальные данные приближенно описываются с помощью выра­

122