纤维骨架材料的性能及测试方法

1、纤维骨架材料的性能及测试方法张燕轮胎、胶带、压力胶管及其它某些橡胶制品都是由几种化学性质及组织结构不尽相同的材料组合而成的复合体。简单地讲，凡是非纯胶制品，从使用材料方面看都可以看成是胶料（或热塑性弹性体）与骨架材料的复合体。 骨架材料在橡胶制品中起重要作用。从某种意义上讲，橡胶制品在结构、制造技术和产品性能方面的进步和新产品的开发都离不开新品种、新结构骨架材料的配合。骨架材料对橡胶制品的产品性能和工作寿命有决定性作用。 1.纤维骨架材料在橡胶制品中的作用概括地讲骨架材料在橡胶制品中主要起两点作用： （1）承受载荷：轮胎、胶带、胶管等橡胶制品在使用时都要受到载荷作用。轮胎承受车辆及所载货物的全

2、部载荷；动力传动胶带即V带承受拉力作用，输送带除受到拉力作用外，还要受到所载物料的重力作用；胶管则承受着因传输介质的压力（包括负压）而产生的周向拉力（在负压作用时是压缩力）的作用。橡胶制品所承受的各种作用力，绝大部分是由骨架材料承担的。不难想见，没有骨架材料，橡胶制品的承载能力将是何等低下，没有骨架材料，上述三种橡胶制品不可能发展为今天这样的局面。 （2）维持橡胶制品有固定的几何形状，保持橡胶制品的尺寸稳定性：多数橡胶制品在使用时都承受着载荷的作用，橡胶本身是一种高弹性、低模量材料，在外力作用下极易产生变形。要维持橡胶制品有固定的几何形状并保持橡胶制品的尺寸稳定性就不能不依赖骨架材料的支撑。其

3、尺寸稳定性决不仅与橡胶制品的外观质量有关，更主要的是它关系到橡胶制品的使用性能。如果橡胶制品的尺寸稳定性不好，就会劣化其使用性能而达不到最佳工作状态。对于轮胎来讲，其尺寸稳定性用周长变化和断面宽变化两项指标考核。周向变形过大易使轮胎产生平点现象即轮胎在车辆停驶期间 ，由于仍受车辆及货物的重力作用而使接地部位产生失圆（局部变平），影响轮胎的行驶平稳性；断面宽增加量过大，会使并装轮胎间的间隙变小，不利于散热，严重者会造成夹带石块，划伤胎侧。 胶带的尺寸稳定性是指在使用期间长度的变化。如长度变化过大甚至超过了带轮调节范围就将使胶带处于放松状态，V带就会降低其动力传动能力并加大主、从动带轮的不同步性；

4、输送带会降低其输送物料的能力。更为严重的是由于胶带处于放松状态，在工作期间与带轮发生相互摩擦，加速胶带的磨损而降低其使用寿命。胶管的尺寸稳定性表现在工作期间其断面直径的变化上。受内压作用的胶管在工作期间断面直径的增加值应控制在一定范围内，否则影响胶管的承压能力进而影响使用寿命。受外压作用的胶管（如真空胶管）其尺寸稳定性更重要。工作期间应使胶管不致受外压作用而压扁。要做到这一点除了胶管壁要有一定的厚度外更离不开骨架材料的支撑作用。总之，骨架材料对橡胶制品的性能和使用寿命有至关重要的影响。根据不同橡胶制品的使用条件和特定的工作条件选用不同的骨架材料对保证橡胶制品有良好的使用性能和延长使用寿命有决定

5、性作用。2. 纤维骨架材料的分类2.1按骨架材料所用的纺织材料分类 骨架材料如按所用的纺织材料分类包括天然纤维和化学纤维两大类。 2.1.1天然纤维是指植物、动物所产的纤维及无机矿物纤维或由无机材料制成的可用做纺织材料的纤维。骨架材料用植物纤维目前只有棉纤维。过去曾用麻纤维（亚麻或苎麻）的纱线做胶管的增强纱线。但由于麻纤维经深加工可制成中高档服装面料，加之资源丰富、物美价廉的合成纤维的出现，现在已不再用麻纤维做橡胶制品骨架材料的原料了。动物纤维系蛋白质纤维，是高档服装面料的纺织材料。在橡胶制品中除某些机械中专用部件有用到橡胶和毛毡的外一般不用动物纤维做骨架材料。矿物纤维用做橡胶骨架材料的是玻璃

6、纤维。 化学纤维是指以天然或合成的高分子聚合物经人工化学处理与纺丝加工而成的纤维。化学纤维按原料来源及相应的加工处理方法可分为人造纤维与合成纤维两大类。 人造纤维是以天然含纤维素的物质如木材、棉短绒等材料经化学处理与纺丝加工而制成的纤维，因此又被称为天然纤维素再生纤维。橡胶制品骨架材料中的粘胶人造丝纤维就是一种人造纤维。合成纤维是指以煤、石油、天然气和农副产品等天然低分子有机物为原料，经一系列的化学反应合成为高分子聚合物，再经不同的纺丝工艺而制成的纤维。现在橡胶制品骨架材料用纺织材料中，化学纤维已占绝对优势。 合成纤维还可以按不同的特定条件进行分类。通常按合成纤维的分子结构分为碳链纤维和杂链纤

7、维两类。前者包括维尼纶和丙纶（即聚丙烯纤维，因其耐热性不好，熔点低，所以不用做制造骨架材料。但丙纶是织造橡胶工业用垫布的理想材料），后者包括锦纶6、锦纶66（脂肪族聚酰胺纤维，亦称尼龙6、尼龙66）、聚酯（聚芳酯纤维）和芳纶（芳香族聚酰胺纤维）。综上所述，可以将目前橡胶制品骨架材料在用纺织材料分类用下述谱图表示：骨 植物纤维：棉纤维架 天然纤维材 矿物纤维：玻璃纤维料用 人造纤维：人造丝（粘胶纤维）纺织 维尼纶（聚乙烯醇缩甲醛纤维）材 化学纤维 碳链纤维料 丙纶（聚丙烯纤维） 合成纤维 锦纶6、锦纶66（脂肪族聚酰胺纤维） 杂链纤维 聚酯（聚苯基酯纤维）、PEN（聚萘基酯纤维） 芳纶（芳香族聚

8、酰胺纤维） 此外，按材料在高温下的热行为还可将纤维分为热塑性纤维和热固性纤维。前者指纤维有一定的熔限（因高分子材料聚合度不同，熔点不像低分子材料那样固定，而是有一个不大的温度范围），在一定的温度下会剧烈收缩、熔化。这类纤维包括锦纶、聚酯、维尼纶和丙纶。后者指纤维在高温下不熔化而直接分解炭化。这类纤维在高温下无明显的收缩现象，棉纤维、人造丝和芳纶属于此类纤维。 2.2 按骨架材料品种分类 2.2.1 轮胎用纤维骨架材料主要是帘子布，此外还有一些小部件骨架材料如子口布、胎圈包布（又称扎口布）和子口加强层用布等。子口布是经、纬线密度均较稀疏的平纹布，所用材料有锦纶、维尼纶、聚酯短纤维维尼纶短纤维混纺

9、纱、聚酯短纤维棉混纺纱、维尼纶短纤维棉混纺纱等。高档无内胎轮胎也有用无纺布做子口布的。胎圈包布一般用网眼织法的平纹布条，大型轮胎中也有用帘布条做胎圈包布的。子口加强层一般采用帘子布，大型轮胎也有用钢丝帘线的。2.2.2输送带一般用帆布或帘布做骨架材料。帆布的织物结构又可分为平纹帆布、牛津纺帆布、斜纹与破斜纹织物结构。 平纹帆布是由一根经线与一根纬线交织而成（结构示意图见图1），适用于中、轻量级别输送带。牛津纺帆布是由二根经线与一根（或两根）纬线交织而成（结构示意图见图2），这种织物适用于重量级别的输送带，由于两根经线（或纬线）一起织造，这种织物的抗撕裂强度高，可增强胶带的横向抗撕裂性能。 斜纹

10、组织帆布，经线和纬线仍然是两根两根地交替织造，与牛津织物不同之处在于相临的两根经线和纬线错位交织且每四根经纬线才重复一次形成一个组织单元（结构示意图见图3），故织物牢固，克服了合成纤维长丝织物由于纤维表面光滑而使经、纬线易滑动的缺点，也有抗撕裂强度高的优点。这种帆布一般织造成重量级织物，适用于制造重量级别输送带并减少所用帆布层数。 破斜纹组织帆布是为改善牛津与斜纹帆布的一个缺陷而设计的，牛津与斜纹帆布的组织特点是经线与纬线的浮长较长，经纬结点数较少，这种组织提高了织物的抗撕裂强度，但同时经纬结点的减少使得这种织物用机械紧固件接头的紧固强度大大降低，这对增大输送带的接头强度不利。破斜纹组织与斜纹

11、组织的不同之处在于每一个组织单元的第三、第四两根线的织法相反，使得每两根纬线中必有一根与经线都形成结点从而增多了结点数量，增强了织物的紧固强度（结构示意图见图4）。 织造帆布的材料很广泛，几乎目前橡胶行业在用的纺织材料包括一些合成纤维短纤维与棉或维尼纶短纤维的混纺纱及合成纤维棕丝都可织造帆布。 我国输送带用帆布目前绝大部分采用前两种结构的帆布。 用帘子布增强输送带在欧美使用较多，这种帘子布经、纬线线密度都比轮胎用帘子布大得多，经线相当于V带用线绳。国内目前还没有。近年来钢丝绳增强的输送带逐渐增多，为提高输送带的抗横向撕裂性能，采用了一种网眼式的专用布。这种布的纬向为高线密度的聚酯或锦纶线绳，经

12、向为较细的两股帘线，纬线穿过经线的两根股线间。这种结构可以克服因经、纬线密度稀疏而造成的易滑动变位的缺点。前边提到的轮胎胎圈用包布也属这种结构。它可以解决胎圈包布因割成窄条使用而使经、纬线容易飞散的问题。网眼式织物的结构示意图见图5。 煤矿巷道用输送带要求有良好的阻燃性能，现采用整体带芯为这种阻燃输送带的增强材料。将整体带芯用含阻燃剂的聚氯乙烯乳液处理可增强与橡塑带体的粘着和提高阻燃性能。整体带芯的组织结构很复杂，按带子的承力等级分为双层经线和三层经线。织造用材料多采用棉、维尼纶、锦纶、聚酯、芳纶。其中纬线也有用维尼纶短纤维纱的，经线也有用锦纶（或聚酯）短纤维棉（或维尼纶短纤维）混纺纱的。目前

13、已有的织造技术使其中的棉或维尼纶大部分处于带芯的表面以增进带芯与带体的粘着性能。整体带芯的结构示意图及实物图见图6。 国外有用直经直纬结构的织物制造输送带的。结构示意图及实物图见图7。这种结构的特点是两层纬线一层经线且经、纬线分别处于三个层面上，不相互交织，用连接经线（一般线密度远小于经线线密度，亦称吊线。）弯曲缠绕在处于经线上、下层的纬线上起连接作用。这种织物的特点是由于经、纬线伸直排列，没有织缩（crimp，又称弯缩），因而纤维的强度效率即织进织物后纤维的强度保持率很高。又因为没有弯缩，织物的尺寸稳定性好。织造这种织物一般用聚酯为经线，锦纶66为纬线，也有用芳纶为经线的。 动力传动带分平型

14、带、V带（包括演变的多楔带、连组带）和同步带 平型动带以帆布为骨架材料，在用的纤维材料有棉、维尼纶、人造丝及聚酯。帆布结构为平纹，可用纯纺帆布（经、纬线均用同一种纤维），也可用混纺纱织成混纺帆布或经、纬线材料不同的交织帆布。 包布式V带分帘布型和线绳型两种。前者属淘汰中的产品，后者属技术代表性产品，是V带的发展方向且至今尚没有更新的产品取而代之。V带用帘布国内为聚酯帘布和维尼纶帘布，但帘布密度和技术指标有别于轮胎用帘布。线绳为聚酯线绳。也有厂家用锦纶线绳，但受力后变形大，影响V带性能和使用寿命。农机用V带和油田钻机V带有以芳纶线绳作为骨架材料的产品。 切割式V带用聚酯硬线绳，国外也有用芳纶硬线

15、绳的。 60年代后出现的内齿型时规带（又称同步带）因要求带子尺寸精密，工作期间有极佳的尺寸稳定性，因此一般用变形量小的纤维的线绳为骨架材料，如芳纶线绳、玻璃纤维线绳。微型同步带（如打印机的打印头传动用同步带）也使用聚酯线绳。 V带的包布为轻型帆布，由棉纱或维尼纶短纤维纱织造。 同步带的齿面包布为高弹性化纤长丝织成的高弹布。2.2.3 胶管用增强材料一般根据胶管结构分为两种：帆布（适用于包布胶管）和胶管纱线（适用于织、缠绕和针织胶管）。从技术角度讲，包布胶管属淘汰产品，但国内目前还有一定的生产能。织造其所用帆布的材料多为棉纱，也有的用合成纤维或维尼纶短纤维，一般厚度较薄，为轻型帆布。胶管纱目前国

16、内多用聚酯纤维，也有的用维尼纶牵切纱或维尼纶短纤维。最近已有工厂为美国杜邦公司加工芳纶胶管纱线。国外也有用聚酯棕丝做胶管纱线的。 应当指出，橡胶制品用骨架材料选用的纺织材料除根据不同制品、不同使用部位的不同要求而有所区别外，还受资源、经济性等诸多因素影响。比如西欧尚有不小的人造丝生产能力，子午线轮胎、胶管和胶带骨架材料中不少是以人造丝为纺织材料的。发达国家中芳纶用做橡胶制品骨架材料也渐成气候，全世界（主要是西欧、北美地区）每年用在管、带类橡胶制品中的芳纶已达2500吨规模。 综上所述，若按纤维骨架材料品种分类，可用下图表示: 帘子布（棉、锦纶、聚酯、维尼纶、人造丝、芳纶） 轮胎 子口布、扎口布

17、等小部件（锦纶长丝子口布、维尼纶短纤维纱子口布、维尼纶短纤维棉混纺子口布、维尼纶短纤维聚酯短纤维混纺子口布或网眼扎口布） 平型带：帆布（棉，人造丝、聚酯短纤维棉或维尼纶短纤维混纺纱、 包布带：帘子布或软线绳（人造丝、维尼纶、V带（联组、多楔带） 聚酯、芳纶、锦纶） 胶带 动力传动带 切边带：硬线绳（聚酯、芳纶） 同步带：线绳（玻璃纤维线绳、芳纶硬线绳、聚酯线绳） 帆布或帘布增强输送带：各种织法的帆布（聚酯、锦纶、人造丝、棉或合成纤维短纤维与棉混纺纱 、合成纤维棕丝）或帘布（聚酯、芳纶） 输送带 直经直纬织物增强输送带：直经直纬织物（聚酯、锦纶、人造丝、芳纶） 巷道用阻燃输送带：整体带芯（聚酯、

18、锦纶、人造丝、芳纶、维尼纶长丝或棉及聚 酯、 锦纶、维尼纶短纤维） 钢丝绳增强的输送带：钢丝绳、防纬向撕裂网眼布（锦纶帘线与锦纶或聚酯线绳） 包布胶管: 棉、维尼纶或维尼纶棉混纺帆布 胶管 编织、缠绕、针织胶管：胶管纱线（聚酯、人造丝、芳纶，合成纤维短纤维与维尼纶短纤维或棉纤维混纺纱、聚酯棕丝） 3. 纤维骨架的性能及考核指标 3.1 轮胎用骨架材料的性能及测试 轮胎用纤维帘子布的性能包括多项考核指标，有文献可查的考核项目最多的是美国材料试验协会标准（ASTM），ASTM D88598中对29项技术指标的实验方法做了规定。其中物理机械性能方面21项，帘线及帘布组织规格方面指标7项，商业结算方法

19、一项。ASTM D88564 Appendix中还规定了帘线耐疲劳性能的四种试验方法，加上动态力学性能，仅物理机械性能方面，纤维骨架材料有近30项考核指标。但骨架材料的试验方法或产品标准（如JIS， 我国的国家标准及行业标准）及国际贸易合同中，一般考核物理性能11项，织物组织规格4项。 详细内容可参看GB/T9100-1988粘胶浸胶帘子布，GB/T9101-2002锦纶66浸胶帘子布，GB/T9102-2003锦纶6浸胶帘子布，GB/T19390-2003轮胎用聚酯浸胶帘子布。棉帘子线强力低，耐疲劳性能差，以棉帘子布增强的轮胎胎体厚，轮胎重，不利于散热及节油。由于优质棉帘子布要用优质长绒棉制

20、造，长绒棉是织造高支精纺棉纱再深加工为高档棉服装面料的原料，加之化纤资源丰富，因此，我国已很少生产棉帘子布。棉帘子布的组织规格和物理性能可查阅国家标准GB33094轮胎用棉帘子布。人造丝帘线强度比棉帘线高，拉伸变形率低，模量高，几乎不存在干热收缩，尺寸稳定性极佳，是制造高性能乘用子午胎的良好骨架材料，在欧洲仍拥有较大的用量。我国的工业用人造丝长丝因设备先天不足，产品质量欠佳，加之生产过程严重污染环境，自1996年开始已不再生产，目前只是通过边贸有少量俄罗斯的强力人造丝进口加工成帘子布或线绳供橡胶工业用，因此，国标中的指标值已相对滞后。表1 列出ENKA公司（德国）的人造丝帘子线的规格与物理性能

21、。 表2列出了前苏联人造丝帘子布国家标准规定的物理性能指标。 表1 ENKA 公司供子午线轮胎用人造丝帘线的规格与性能长 丝强力等级帘线规格初/复捻捻度， T/m粗 度mm断裂强力N，44N定伸%断裂伸长率， %二 超1830/3260/2600.802451.52.08.510.02440/2260/2600.70±0.032351.52.08.510.0三 超1830/2300/3000.53±0.031761.42.08.510.01220/2400/4000.45±0.031271.42.08.510.0表2 前苏联人造丝帘布的规格与性能帘 布牌 号帘线规

22、格束丝tex/2粗 度mm断裂强力N，断裂强力变异系数，%44N定伸%断裂伸长率， %17B1840.67±0.03169.85.03.5±0.514.5±1.5172B、173B1840.67±0.03169.85.03.5±0.514.5±1.522B、222B2440.770.82215.84.53.2±0.516.0±1.3172BP1840.58±0.03176.65.01.7±0.510.8±1.5232BP、233BP2440.67±0.03230.54.51.

23、5±0.512.0±1.5帘 布牌 号捻 度 T/m粘着强度N， 帘 布 密 度，根/10cm每平方米重量， g初 捻复 捻经 线纬 线17B480±20400±201569.694±110±1392±20172B480±20400±201569.675±112±1315±15173B480±20400±201569.647±115±1199±1022B420±20360±201716.789±1

24、10±1504±25222B420±20360±201716.772±112±1408±20172BP300±20300±201373.470±112±1290±15232BP260±20260±201716.775±112±1410±15233BP260±20260±201716.770±112±1380±15 注：牌号末位为“P”者为子午胎带束层粘胶帘布，“B”表示人造丝。

25、粘着强度试验方法不详。除国标中规定的性能外，纤维骨架材料还有其它许多性能，这些性能对橡胶制品的性能同样有重大影响。 轮胎帘子线的动态力学性能3.1.1.1线性粘弹行为内的动态力学性能动态模量有关纤维骨架材料产品标准中规定的各项物理性能均是静态力学性能。实际上多数橡胶制品是在动态下工作的，轮胎的情况最具代表性。行驶运转的轮胎，其骨架材料帘子线处于反复的拉伸、压缩、弯曲、扭转等多种应力的作用，有些作用还是周期性的。帘子线（合成纤维帘子线更具典型性）属于高分子材料，其力学行为属粘弹性，在线性粘弹行为范围内（对帘线施以低应变可保证帘线的粘弹行为为线性粘弹行为），粘弹性材料在各种动态应力的反复作用下表现

26、出两项与轮胎性能密切相关的主要性能动态模量E*和损耗因子tg。把帘线在行驶轮胎内的受力看作是频率为的周期变化的随时间成正弦变化的力，振幅为，那么在时刻t帘线受力为（t）=0sint，对粘弹性材料，应变滞后于应力；对线性粘弹性材料，滞后相角为常数，应变与时间变化关系可用（t）=0sin（t-）表征，0、0分别为最大应力与最大应变。帘线的动态力学性能动态模量与损耗因子与轮胎的滚动阻力和燃油消耗有直接关系，当然，作为橡胶帘子线复合体的轮胎，其滚动阻力与燃油消耗还与橡胶的动态力学性能及轮胎结构有关系，轮胎滚动阻力的95%来自粘弹损失。过去研究工作的结论是：与橡胶对轮胎滚动阻力的贡献相比，帘线对轮胎滚动

27、阻力的贡献较小，只占20%40%的比例，即帘线在造成轮胎滚动阻力的因素中只占不重要的位置。近2030年间，一些轮胎理论工作者对这个问题开展了新的研究工作，他们分别研究了三种结构的轮胎：斜交乘用胎、轻型载重子午胎和乘用子午胎的滚动阻力，得出的结论是：帘线在轮胎滚动阻力中的贡献率不象旧的理论那样低。在不同结构的轮胎中，帘线对轮胎滚动阻力的贡献可达20%80%，即帘子线在轮胎滚动阻力中起的作用也很重要且在不同结构轮胎中的贡献率大相径庭。他们还解释了自己研究成果修正了先前结论的原因，即先前的研究工作者无一例外都是在很小的应变幅度下研究帘线的动态力学行为，但实际使用的轮胎中的帘线的应变幅度都远大于他们研

28、究试验工作中所取的数值，这即是先前结论与实际不相吻和的原因。帘线对轮胎滚动阻力贡献大小受轮胎驱动状态、充气压力、轮胎结构的影响，这些因素均可改变帘线对轮胎滚动阻力的贡献率。通常较小规格的子午胎的滚动阻力低于斜交轮胎（但斜交乘用胎是个例外）。因为帘线对轮胎滚动阻力的贡献率是可变的，因此完全可以通过轮胎结构设计把滚动阻力设计为帘线与橡胶共同均担，并根据轮胎结构、最终用途及驱动状态来选择最佳适用的帘线。帘子线受动态应力作用时，损耗能量转变为热能。因此一种帘子线的损耗能量或损耗因子tg越大，这种帘子线的动态力学性能越差，表现为在轮胎行驶时生热多，这显然对轮胎的性能不利。测定帘线动态力学性能的仪器为粘弹

29、仪，试验时对试样施加低频率的交变应变，粘弹仪即自动绘出每一周期内帘线的应力应变曲线并自动用积分方法求出每个周期内的能量损耗进而求出试样的动态模量E*和损耗因子tg。图6图8分别是几种帘子线的动态模量E、损耗模量E的对数值与温度的关系和损耗因子tg与温度的关系。由图7、图8可以看到这样一个事实：每种帘子线都有一个使损耗模量E和损耗因子tg出现峰值的温度。显然，轮胎设计工作应避开选用此峰值温度与轮胎最高使用温度接近的帘线。广义地讲，帘子线的损耗模量E和损耗因子tg越小，出现峰值的温度越高，这种帘线的动态力学性能越好。图7 轮胎帘线损耗模量E的对数与温度的关系1、聚酯帘线；2、锦纶6帘线；3、锦纶6

30、6帘线；4、芳纶帘线图6 轮胎帘线贮存模量E的对数与温度的关系1、聚酯帘线；2、锦纶6帘线；3、锦纶66帘线；4、芳纶帘线图8 轮胎帘线损耗因子与温度的关系1、聚酯帘线；2、锦纶6帘线；3、锦纶66帘线；4、芳纶帘线3.1.1.2非线性粘弹行为下的动态力学行为滞后性轮胎在实际使用时其内部帘线的应变幅度远大于按线性粘弹行为处理所必备的条件应变幅度很小（一般为1%以下，此时帘线的动态模量E和损耗模量E为常数）。当应变幅度高于1%时，帘线表现为非线性粘弹行为。 通过对帘子线的非线性粘弹行为系统的研究工作，发现在应变幅度高于1%之后，帘线的非线性粘弹性对线性粘弹性的误差可超过100%。图9所示是聚酯帘

31、线的粘弹行为（生热速率）在应变幅度超过一定值（>0.5%）后与小应变幅度对线性粘弹行为相对比偏离了线性变化且变化速率极大。图10、图11表明：随应变幅度提高，帘线的动态模量明显降低而损耗因子大幅度增加。图9 聚酯帘线受周期性应变作用的幅度对生热速率的影响图11 聚酯帘线受周期性应变作用的幅度对动态模量E的影响图10 聚酯帘线受周期性应变作用的幅度对损耗因子tg的影响要更真实地考察帘子线的粘弹行为对轮胎性能的影响，应进行大应变幅度的粘弹行为试验。该试验有两种方法：一是利用大应变动态粘弹仪；二是利用能自动控制帘线拉伸回复并自动记录任意周期内拉伸、回复、损耗能量的CRE型材料试验机，这种试验机

32、在相应的厂家使用极为普及，因此用这种试验机更有现实意义。化纤帘线的滞后性是指作为粘弹性材料的化纤帘线在受到拉伸作用时其应变相对于应力的不同步性。在大应变下，帘线受到的应力即使是随时间呈正弦变化，其应变也是非正弦变化，这是非线性粘弹行为的表现。帘线的力学性能滞后性的宏观表现是生热，生热对轮胎的耐久性有不利影响。由于应变滞后于应力，帘线在受到周期性的拉伸回复作用时，其拉伸曲线与回复曲线并不重合（理想虎克弹性材料的拉伸回复曲线完全重合），而是形成一个封闭的月牙状的圈形，称之为滞后圈。从拉伸回复试验的应力应变曲线图（见图12）上，可以得出如下信息：帘线在动态下的塑性变形，在每一周期内，帘线回复到应力为

33、零时，其应变并不为零。这个应变就是帘线产生的塑性变形。在多周次试验中，每一周期相对于前一周期的塑性变形增加量呈逐渐减少之势，第一周期的塑性变形最大。每个拉伸回复周期内的拉伸功、回复功在数值上等于拉伸曲线、回复曲线下方至横坐标轴所形成图形的面积，这两块面积之差即滞后圈的面积在数值上就是帘线在该周期内的损耗功。生热速率，损耗功以生热形式散发，损耗功与拉伸回复的变化频率之积即为单位时间的生热。损耗因子：损耗功与拉伸功之比即为损耗因子。 图12 定负荷拉伸-回复曲线在实际操作中，拉伸回复试验可用两种方法进行：在一定的应力范围内或在一定的应变范围内。在一定的应力范围内，若通过足够多的周次的试验，可以发现

34、帘线的塑性变形逐步积累（每一周次内新增的塑性变形逐渐减小，而积累的塑性变形逐步增加，但增长速率逐渐减小，最后几乎达到平衡，即几乎不再产生新的塑性变形），最后因帘线由于多次拉伸作用破坏了其内部结构以至抵抗不了拉伸力的作用而被破坏。定伸长往复拉伸试验曲线如图13所示，这种试验的特点是每周次内变形相同，但拉伸应力随试验周次增加逐渐减小，损耗功也越来越小。到足够多的周次后，损耗功几近为零，类似弹性材料的行为。此时可以认为帘线几乎永远不会被破坏了，见图14。图13 定伸长往复拉伸曲线图14 定伸长往复拉伸试验应力与试验周次的关系轮胎胎肩部位的帘线比胎侧和胎冠部位帘线的应变幅度大，因此其粘弹性损失10倍于

35、后两个部位的帘线，胎肩部位帘线的生热情况亦如此。Y.D.Kwon等人研究了不同结构轮胎及轮胎不同部位帘线的滞后行为，结果汇总于表3。表3 不同结构轮胎、轮胎不同部位帘线的滞后损失部位轮 胎 类 别帘线应变幅度/橡胶应变幅度帘线对总生热的 贡 献轮 胎 负 荷 的 影 响轮胎速度的影响胎侧斜交乘用胎均很小89%轻型载重胎1/1050%负荷增加，帘线生热贡献率提高速度提高，帘线生热贡献率提高乘用子午胎>1/10负荷增加，帘线与橡胶的应变幅度均提高，帘线的生热高于橡胶胎冠斜交乘用胎1/585%，帘线生热速率七倍于橡胶负荷增加，帘线与橡胶的应变幅度均提高轻型载重胎<1/550%乘用子午胎二

36、倍于轻型载重子午胎10%帘线、橡胶的生热损失对负荷不敏感近年来，M.J.otto、E.Th.Steyn和F.Elkink对包括芳纶帘线在内的各种纤维帘线的滞后生热性能做了系统的研究，他们认为轮胎在使用中的温度取决于载荷和速度，也随轮胎种类而异。载重胎的胎肩部位温度可达130，多层胎体轮胎由于普遍存在的超载超速状况，实际温度可能还要超过这个温度。载重胎内帘线生热对轮胎温度升高的贡献率超过50%，乘用胎中这个比例稍低些。因此，研究高温状态下帘线的滞后生热性能对指导轮胎设计有意义。他们还研究了温度对滞后生热的影响，发现半结晶的锦纶和聚酯帘线的生热由于存在玻璃化转变而对温度有极强的依赖性，生热均在玻璃

37、化转变温度附近出现峰值， 水平大体相同，区别主要是峰值出现的温度和该峰的宽窄即出现峰值的温度范围。芳纶在整个试验温度范围内的生热接近恒定，低于聚酯和锦纶帘线生热的1/51/15。人造丝的生热稍有增加。尽管半结晶的纤维帘线在玻璃化转变温度之上生热降低，但帘线长度却有明显增加，这是由于分子的相互作用在温度提升时下变得更加薄弱，而帘线长度增加则使分子链取向度提高，并使动态模量变得更高和生热稍有降低，仅有部分的伸长是由于分子链的滑动而引起的，见图15。 图15 各种纤维轮胎帘线在动态载荷（常温断裂强力的7%-15%）下的生热图15 不同品种帘线在不同温度下的滞后损耗功荷兰AcordisAKZO公司的F

38、rits Elkink通过研究找到了不同品种纤维的帘线在不同温度下的损耗功的变化规律，结果见图16。发现热塑性纤维（有明显的玻璃化转变温度）帘线都有一使损耗功出现峰值的温度，玻璃化温度越低，峰值温度越低。热固性的人造丝、芳纶帘线在任何温度下其损耗功变化不大，这就是两种材料适宜作为高性能轮胎骨架材料的原因。图16 不同品种帘线在不同温度下的滞后损耗功.3纤维骨架材料的耐疲劳性能尽管采用常规的试验方法可以对纤维骨架材料的物理性能做出评价， 但在很多时候还不足以对纤维骨架材料在轮胎等橡胶制品内的性能做出准确、完整的评价。所以有时还需进行橡胶制品的试验，然而这种试验程序复杂，成本高且费时。因此人们多年

39、来一直在研究不同的试验方法以对橡胶制品内的纤维骨架材料的性能做出更有价值的评价，开发出了不同的帘线耐疲劳试验方法及相应的试验装置。这些试验方法及装置按被测帘线的状态可分为两类：一类是单纯检测帘线的耐疲劳性，即被测帘线处在空气介质中进行试验；另一类是被测帘线以橡胶为介质即制成帘线橡胶复合体试样进行试验。这两类评价帘线的耐疲劳行为的试验方法属动态试验方法。 由于纤维骨架材料的耐疲劳性能试验除受到纤维固有性能的影响，还受橡胶的影响。所以同许多破坏性试验方法相仿，纤维骨架材料的疲劳性能试验受多种因素影响，诸如捻度、浸渍材料的种类和附胶量及橡胶的性能等因素都会对纤维骨架材料的疲劳行为有重大影响。因此仅靠

40、某一种疲劳试验方法还不可能对纤维骨架材料在橡胶制品内出现的所有疲劳应力或疲劳应变做出评价。为此，人们发明了各种不同型式的纤维骨架材料疲劳性能试验机及其各自相应的试验程序。一种试验装置仅能对纤维骨架材料的压缩疲劳、拉伸疲劳、压缩拉伸复合疲劳、屈挠疲劳等行为中的某一种做出评价，要全面了解纤维骨架材料的耐疲劳性能，应进行不同试验方法的试验以对帘线的耐疲劳性能做出综合、全面评价。帘线的耐疲劳性能对橡胶制品的使用性能特别是使用寿命有直接影响。目前常用的评价帘线耐疲劳性能的试验方法为帘线弯曲疲劳试验机，其测试原理是使帘线（或线绳）在一定的负荷下，通过一对可自由转动的辊使之反复弯曲疲劳，试验的负荷及频率可在

41、一定范围内给定。试验可以进行到试样断裂，以试样断裂时的疲劳周期数表征帘线（或线绳）的疲劳性能；也可以在对试样进行一定次数的疲劳后，以试样的强力保持率表征帘线（或线绳）的疲劳性能。该试验机如图所示：图17. 往复式帘线弯曲疲劳试验机示意图 1. 上夹持器 2. 负荷检测机构 3. 试样弯曲辊 4. 下夹持器和负荷砝码 此外简单介绍几种帘线“在橡胶内”疲劳性能试验方法及相应的试验装置。Mallory胶管试验：该试验的试样为橡胶胶管，被测帘线沿与胶管轴平行的方向以一定的密度固定在胶管内并与内、外层橡胶硫化为一个整体。为阻止胶管充气后周向膨胀，沿周向缠绕低变形的帘线。图17 Mallory管性疲劳试验

42、机示意图该试验的装置及原理如图18所示，胶管两端被固定于方向互相垂直的两根轴上：一根为实心主动轴，另一根为空心从动轴，后者与一气泵相通以给胶管充气。试验时，胶管被弯成900并转动，胶管内的被测帘线每转动一周要经历拉伸压缩的交替作用，因此，帘线在这种疲劳试验机上试验时受到的是拉伸压缩疲劳作用。图18 Mallory管型疲劳试验机示意图U.S胶管试验： 这种试验的基本原理与Mallory胶管试验基本相同，不同之处是此种试验机的主动轴与气泵中心轴线处于直线状态，主动轴不是直接带动胶管而是带动一个转盘，被测胶管被固定在转盘的边缘。试验时主动轴旋转带动转盘进而带动胶管旋转。两种拉伸压缩疲劳试验机工作时胶

43、管的中心轴线都呈弯弧状，但Mallory法的胶管轴线位置是固定不变的，而U.S胶管法的胶管轴线弧线形状不变但在试验时以试验机轴线为轴旋转。U.S胶管式疲劳试验机的装置及工作原理见图19。图19 美国橡胶管型疲劳试验机示意图上述两种胶管法帘线耐疲劳性能试验方法中，被测帘线随胶管每转动一周都要经受一次拉伸压缩作用，由于合成纤维帘子线存在力学滞后行为，因此这种外界作用于帘线的反复拉伸压缩作用将使一部分作用于帘线的能量以热能形式散发，在固定胶料成分的前提下，测试帘线的温度生高情况，可对帘线的力学滞后性能做出相对评价。Goodrich盘形疲劳试验：这种试验的试样是一块矩形橡胶试片，中间夹着沿矩形长边方向

44、平行排列的被测帘线。试验机的中心是两块倾斜的盘，盘的中心分别连着一根主动轴和从动轴，主动轴与从动轴的轴线不在同一条直线而是互成一定角度。由于两根转动轴呈折线排列，所以当试验机主动轴转动时带动盘一起转动且两块盘在通过上、下位置时其之间的间距不同，从而对试样施加拉伸、压缩作用。试验时，将试验胶片的两条短边分别紧固在两个盘上，胶片内的被测帘线随试验机每转动一周要经历拉伸、压缩的交替作用。这种试验的装置及试验原理见图20。图20 Goodrich盘型疲劳试验机示意图由于此种试验中被测帘线只受拉伸、压缩的交替作用而不象前边两种试验中的试验条件那样苛刻（帘线被弯曲，胶管充内压），因此在此种试验中，被测帘线

45、不易断裂损坏。通常以经历一定拉伸压缩交替作用次数（试验机转轴总转数）后从胶片中解剖出帘线的强力保持率来对不同帘线的耐拉伸压缩疲劳性能作相对评价。图21 Firestone压缩疲劳试验机示意图Firestone压缩屈挠疲劳试验在该种试验方法中，试样为一两层平行排列的帘线组成的外面覆以橡胶的带状试片，两层帘线中一层为被测帘线，另一层为钢丝帘线。此种试验的原理是将试片绕过一根轴并将两端紧固，由于钢丝帘线在试验载荷下不能被拉伸而使橡胶层和处于橡胶内的被测帘线处于被压缩状态。试验装置及原理见图21。Dunlop疲劳试验图23 德墨西亚（De Mattia）屈挠疲劳试验机示意图图22 Dunlp疲劳试验机

46、示意图此种试验的装置及工作原理见图22。试片为一环形橡胶帘线复合体，试片内有五层包覆了橡胶的帘线，从内层开始计数第二层和第五层帘线为被测帘线。被测帘线在试验中沿环形试片的长度方向受拉伸作用，帘线的排列密度根据需要确定。环形试片在两个轮（主动轮与从动轮各一）间被拉伸。通常是将试片运转给定时间，之后取出两层被测帘线并测试其剩余强力，以剩余强力高低考核其耐疲劳性能。显然此种方法中被测帘线经受的是拉伸屈挠作用，试验后强力保持率越高的帘线，相对耐疲劳性能越好。德墨西亚（De Mattia）屈挠疲劳试验这种试验的试样是一橡胶块，被测帘线沿胶块长轴方向平行排列，胶块的两端牢牢固定于试验机上。这种试验方法考察

47、的是帘线耐曲屈挠疲劳性，试验后被测帘线的强力保持率越高，其相对耐屈挠疲劳性能越佳。这种试验方法的原理及相应的试验装置见图23。上述六种帘线耐疲劳性能试验方法中，第1、2、3种测试帘线的耐拉伸压缩疲劳性能，第4种测试帘线的耐压缩屈挠疲劳性能，第5种测试帘线的耐拉伸屈挠疲劳性能，最后一种方法主要反映帘线的耐屈挠疲劳性能。帘子线的耐疲劳性能实质是其高聚物结构（热固性还是热塑性纤维、刚性分子链还是柔性分子链）、粘弹性（滞后性）等性能在动态作用下的综合反映，对轮胎的耐久性有直接影响。帘子线的耐疲劳性能主要是纤维材料固有特性，由分子结构决定：分子链柔性越强，耐疲劳性越好；反之，分子链刚性越强，耐疲劳性越差

48、。人们可以做的改善其耐疲劳性能的工作有两点：第一是调节纤维单丝的线密度：耐疲劳性能好的纤维（如锦纶），其单丝线密度可增大，耐疲劳性能差的纤维（如芳纶、人造丝），应降低其单丝线密度；第二是调节帘子线的捻度：在一定的范围内提高捻度可以改善其耐疲劳性能， 通常耐疲劳性能好的纤维加工成帘线时，捻度可稍低，而耐疲劳性能差的纤维加工成帘线，捻度应较高。.4帘线弯曲刚度帘线受到横向力F作用产生弯曲变形，弯曲变形挠度与帘线E、I值之积成反比，E为纤维材料在弯曲作用下的弹性模量，N/tex，I为帘线或纤维的断面惯性矩，cm4，定义Rf=EI，称之为帘线或纤维的弯曲刚度。弯曲刚度与轮胎的胎面磨耗、操纵性能及滚动阻

49、力有关。帘线的弯曲刚度越强表明其抗弯曲性能越好。为便于比较定义1tex线密度的纤维材料的弯曲刚度为相对弯曲刚度。常用纤维材料的相对弯曲刚度（10-7N·cm2）为：人造丝31.2，聚酯58.2，维尼纶29.4，锦纶6-13.2，锦纶66-13.8。 轮胎帘子线的耐冲击性能高速行驶中的轮胎受到冲击作用会使帘子线遭到破坏引起轮胎的损坏。轮胎帘子线在高温、高速状态下的变形量、拉伸强力和断裂功等物理性能与常温、低速下的性能大不相同。用试验方法确定帘子线的耐冲击性能是现代高速轮胎设计的一项基础工作。帘子线的耐冲击性能是其强度、拉伸变形量与断裂功等性能的综合反映，试验室模拟冲击试验就是以极快的应

50、变速率检测帘线的力学性能来评价其耐冲击性能。与耐疲劳性能相仿，帘线的耐冲击性能实际也是它的纤维高聚物分子结构的表现。在宏观物理性能方面，断裂功能较全面地反映帘线的耐冲击性能。同样，通过调节帘线捻度等措施，可以在一定程度上改善帘线的耐冲击性能。帘线的断裂功系指帘线在被拉伸过程中，外力为拉断帘线对帘线所做的功，即帘线在被拉伸至断裂过程中吸收的能量。 帘线的断裂功取决于帘线的强伸性能强度与变形性能，也与帘线的长度、线密度成正比。为便于相互比较，引入了断裂比功的概念，即单位长度、单位线密度的帘线的断裂功。断裂比功单位为N/tex或cN/dtex。帘线的断裂功和断裂比功是其柔韧性的度量参数，美国ASTM

51、标准将断裂比功命名为韧度（toughness），可在一定意义上表征帘线的耐冲击性能，与轮胎的抗冲击性能和使用寿命相关。 帘线的耐热性轮胎等橡胶制品在制造和使用过程中受高温作用（硫化、运转时生热等），帘线在浸渍热处理过程中也受高温作用，因此，纤维骨架材料的耐热性能对橡胶制品的性能有直接影响。可以从两个方面考察帘线等纤维骨架材料的耐热性能：一是其干热收缩；二是受高温作用后帘线等纤维骨架材料物理性能（主要是强伸性能）的下降程度。 热塑性合成纤维受到热作用时，温度超过一定值后回产生收缩，这就是合成纤维的热收缩。热塑性合成纤维之所以有热收缩，是由于在纤维制造过程中，为使纤维获得良好的物理性能，曾在纺丝后

52、进行拉伸，即在玻璃化转变温度之上、软化点或熔点温度之下对纤维施加张力使之伸长，纤维高聚物分子链重新排列和取向，当温度冷却到玻璃化转变温度之下后，纤维分子链的排列状况稳定下来。但由于拉伸作用使纤维分子产生了回缩应力，一旦温度超过玻璃化转变温度、外力低于收缩应力作用时，纤维分子就会重新排列形成收缩。帘线的热收缩与下述几个因素有关： 纤维材料：热塑性纤维有明显的热收缩现象，而热固性纤维则基本没有或极低。 长丝纺丝工艺条件：牵伸比及纺丝牵伸的热历史。牵伸比越大，纤维的热收缩也越大；纺丝牵伸温度越低或作用时间越长，纤维的热收缩越低，反之亦然。 帘线浸渍热处理工艺条件：拉伸比大小及热定型温度高低、时间长短

53、对帘线的干热收缩率大小有影响，拉伸比大，干热收缩也大，反之亦然。 帘线的热收缩性能是其尺寸稳定性的主要指标之一。目前，考核纤维骨架材料的干热收缩性能主要通过干热收缩仪来测试。见图24。图24 干热收缩仪高温作用下的纤维骨架材料物理性能的下降程度取决于纤维材料、温度高低和作用时间长短三个因素。纤维材料的耐热性（指受热作用后强度下降）以芳纶和人造丝纤维为最好，芳纶受200作用48小时,强度仅损失10%；人造丝被加热到180,强度损失不大；聚酯纤维在150作用168小时后,强力保持率为70%；锦纶纤维的耐热性更差；维尼纶纤维的耐热性最差。纤维骨架材料受高温作用时，温度越高、作用时间越长，强度损失越大

54、；反之亦然。轮胎帘子线在用纤维材料耐热性（受热后强度损失）的顺序是：150以下，聚酯<芳纶<棉纤维<人造丝<锦纶<维尼纶。160以上时，芳纶的耐热性最好。3.1.5 轮胎帘子线的捻度对性能的影响捻度对帘线或线绳的多项物理性能有影响，因此，世界上众多的骨架材料制造商至今未对究竟给帘线（或线绳）加多大捻度才能使各项物理性能取得最佳结果得出一致意见。一般地讲，随捻度增加帘线（或线绳）的强力、初始模量、耐往复拉伸疲劳性能下降（强力在一定捻度内随捻度增加提高，超过一定捻度后再提高捻度会导致强力下降）；断裂伸长率、断裂功和耐压缩疲劳性能则随捻度增加而提高。对于不同纤维材料，分子链刚性越强的纤维（如芳纶、聚酯、人造丝）越应取较大捻度，而对柔性分子链的纤维（如锦纶、维尼纶）应取相对低的捻度。Kemmnitz等人在这方面做了广泛的研究试验工作，得出如下结论： 加捻程度与帘线强力的关