Page 60 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 宋淑媛, 等: 水介质中丁腈橡胶溶胀机理及其对磨粒磨损行为影响 57

rubber mass and the formation of the swelling layer. The nitrile rubber hardness decreased with the increasing swelling
time. The friction coefficient and abrasion increased after swelling and the wear degree of the sharp type abrasive
particle were higher than the smooth type under the same particle size. The sharp type abrasive wear can be more
affected by swelling, and the maximum wear increase was 1.56 times of the smooth type after swelling. During the wear
process under smooth type abrasive particle, the abrasive particles entered the friction pair mainly in rolling, which led to
the pit-like press indentation. While under the sharp type abrasive wear process, the main entry form was sliding, which
led to the sharp embedded indentation instead. Since the sharp type abrasive particle was not conducive to the formation
of the lubricating film, a large amount of abrasive debris remained on the worn surface. The loosened and softened
rubber tissue after swelling caused the deeper indentation and the ridge pattern formation. The acrylonitrile content
effect degree of the swollen abrasive wear of the smooth type was larger than the sharp type, which had the greater wear
variation multiples among the three different acrylonitrile content nitrile rubber. In general, the swelling degree and its
effect on the abrasive wear behavior of the nitrile rubber under water conditions decreased with the increase of the
acrylonitrile content.
Key words: nitrile rubber; water; swelling; aging; abrasive wear

丁腈橡胶(NBR)以其出色的高弹、耐溶剂和耐磨 这项研究中，首先讨论了基于浸泡时间的NBR溶胀行
性能被用作密封或耐磨材料广泛应用于各种工程设 为和机理，基于溶胀量、NMR和SEM评估了溶胀对丁
备 [1-2] . 在橡胶材料的使用过程中，磨损是导致部件失 腈橡胶物理和结构性能的影响. 其次通过硬度测试对
[3]
效问题的关键原因，在设计和应用中应予以重点考虑 . 溶胀影响下NBR的力学性能进行了分析. 最后，通过
同时，丁腈橡胶及丁腈橡胶基复合材料的最新发展也 分析NBR样品的摩擦系数、磨损量变化和SEM形貌，
需要对NBR橡胶进行更深入的研究 [4-5] . 因此，许多学 比较分析水介质中溶胀前后不同粒型磨粒作用下丁

者致力于丁腈橡胶材料的磨损机理研究. 腈橡胶的磨损行为及机理.
众所周知，水作为润滑剂具有清洁环保的特点并
1 试验材料与方法
且可以有效延长橡胶材料的使用寿命. 在一些应用
中，例如机械密封、轴承和船舶动力系统，橡胶摩擦副 1.1 溶胀试验
在由水直接作为润滑剂的水介质中运行 [6-7] . 当NBR材 溶胀测试在常温常压下通过浸入式悬挂测试装
料应用于存在料浆的机器中时，在磨粒作用下橡胶材 置在去离子水(工业级)中进行. 为了对不同丙烯腈含
[10]
料磨损，进而引起设备故障 [8-9] . 沈等 通过试验研究 量类型丁腈橡胶进行比较和定性分析，在本研究中，
了不同粒径下水介质中NBR的磨粒磨损行为. 结果表 结合工程和应用实际选用结合丙烯腈质量百分比分
明：NBR的磨粒磨损行为受砂粒尺寸影响显著并存在 别为18%、26%和41%的三种丁腈橡胶 [20-22] (N18、N26
[11]
75和12.5 μm两个临界尺寸. 董等 通过试验对NBR 和N41，硬度(Shore A)值分别为71、73和74). 样品配方
橡胶在含砂和纯水润滑条件下的磨粒磨损行为进行 主要成分质量份数的信息列于表1中(每种成分市售).
了研究. 结果表明：磨损量和表面粗糙度随着滑动速 试样的尺寸为40 mm×25 mm×6 mm，分别用于溶胀试
度、载荷和砂粒质量分数的增加而增加. 砂粒破坏了 验和磨粒磨损试验. 烧杯中的水容积为1 L，液面到浸
摩擦副间的水膜，从而降低了它们的摩擦学性能. 入样品顶部的距离为50 mm. 每种测试方法均测试3个
当橡胶于使用寿命期间在外力作用下与液体介 样品，以获得测试结果的平均数据. 测试时间分别设
质接触时，不可避免地会发生溶胀和磨损 [12-13] . 目前关 为0、24、48、72、120、168和 240 h，溶胀试验后使用滤
于橡胶溶胀的研究主要针对油 [14-16] 和化学 [17-19] 介质. 但 纸将NBR样品表面擦干处理. 通过电子分析天平分别
不容忽视的是，水具有与腈基相似的极性特点. 因此， 测量溶胀试验前后的样本质量，测量精度为0.1 mg. 通
水与丁腈橡胶之间的相互作用及其对橡胶弹性体的 过游标卡尺对样品3个方向中线分别进行3次测量并
机械性能和磨损行为的影响在橡胶性能分析中起着 通过其平均值来计算体积(精度0.01 mm).
样品溶胀前后的质量及体积变化定义为溶胀度.
重要作用，对其进行系统研究是十分必要的.
溶胀试验前后样品的质量变化度(Q )和体积变化度
目前对橡胶水溶胀作用的研究主要针对吸水橡 wa
胶的溶胀应用，然而尚未系统研究丁腈橡胶在水介质 (Q )可以通过公式(1)和(2)计算.
v
中的溶胀行为及其对磨粒磨损行为的影响. 因此，在 Q wa = (m n −m 0 )/m 0 ×100% (1)