Katedra Technologii Polimerów

INŻYNIERIA POLIMERÓW

Lab. nr 1. Ścieralność elastomerów

Prowadzący: mgr inż. Adam Matkowski

1. Wstęp

Odporność gumy na ścieranie jest bardzo ważną własnością wulkanizatu, ponieważ

charakteryzuje ona okres eksploatacji wyrobu. Szczególnie duże znaczenie ma ona w
przypadku takich wyrobów gumowych, jak opony, taśmy przenośnikowe i obuwie. Jak
wiadomo ocena każdego zjawiska spotykanego w przyrodzie może być przeprowadzona
prawidłowo jedynie po zbadaniu mechanizmu danego procesu. Podobnie jest w przypadku
ścieralności gumy [1].

Poznając mechanizm ścierania gumy, można m. in. określić odporność gumy na

ścieranie, a ponadto dokonać prawidłowego wyboru metody badania i przeprowadzić
krytyczną ocenę uzyskanych wyników. Ścieranie jest zjawiskiem bardzo złożonym, po-
nieważ występuje tu jednocześnie działanie różnych czynników i sił tworzących rysy i
'nacięcia, rozdzierających, ściskających, rozciągających itp. Ta złożoność procesu utrudnia
dokładne określenie zależności ścierania od jednej czy kilku własności gumy.

W literaturze różni autorzy rozpatrują związek odporności gumy na ścieranie z jej

twardością, wytrzymałością na rozciąganie, rozdziernością, podchodząc do tego zagadnienia
z czysto mechanicznego punktu widzenia.

Inni autorzy zaś, traktując ścieralność jako chemiczny i mechaniczno-chemiczny proces,

twierdzą, że duże znaczenie ma tutaj degradacja polimeru kauczukowego pod działaniem
temperatury lub tlenu i widzą związek ścieralności z odpornością na różnego rodzaju
starzenie zarówno chemiczne, jak i mechaniczne.

Dotychczas jednak poza wzorami empirycznymi, wyrażającymi zależność ścieralności

gumy od jej własności fizykochemicznych, dla niektórych rodzajów gumy nie udało się
opracować ogólnej zależności ustalającej wpływ składu mieszanki gumowej, a więc
określającej jej własności fizyczne i chemiczne na odporność gumy na ścieranie. Ponieważ
podczas ścierania działa jednocześnie wiele czynników, których wpływ na gumę zależy od
warunków badania, wykonywanie pomiarów ścieralności wymaga bardzo ścisłego
przestrzegania ustalonych warunków.

Wyniki badania mogą być porównywane tylko w przypadku uzyskania ich przy użyciu

tego samego typu aparatu pomiarowego i tej samej metody badania. Szczególnie, co
podkreśla wielu autorów, nie można porównywać wyników badania ścieralności gumy
uzyskanych laboratoryjnie z wynikami uzyskanymi w badaniach doświadczalnych.
Laboratoryjne metody badania odporności gumy na ścieranie polegają głównie na tarciu
powierzchni próbki gumowej o materiał ścierający, jak papier ścierny, tkanina ścierna, lub
tarcza ścierna .

Najczęściej stosowane sposoby przeprowadzania ścierania są następujące:

a) ścieranie próbek gumowych nieruchomych na obracających się tarczach pokrytych

materiałem ściernym;

b) ścieranie próbek gumowych przesuwających się po obracających się walcach pokrytych

materiałem ściernym;

c) ścieranie próbek gumowych obracających się i przesuwających się po obracających się

walcach pokrytych materiałem ściernym;

d) ścieranie próbek gumowych na tarczy pokrytej materiałem ściernym i wykonującej

ruchy wahadłowe.

Jak już wspomniano, na wynik badania ścieralności ma wpływ wiele czynników, z których

najważniejsze są:

a) rodzaj materiału ściernego
b) wielkość docisku próbki do materiału ściernego
c) prędkość przesuwania się próbki w stosunku do materiału ściernego
d) dokładność usuwania cząstek startej gumy z powierzchni materiału ściernego
e) wielokrotność ścierania badanej gumy tą samą powierzchnią materiału ściennego
f) dokładność ważenia badanych próbek
g) kształt, wymiary, sposób i dokładność przygotowania próbek gumowych
h) temperatura badania
i) wilgotność

W przemyśle gumowym stosuje się wiele metod laboratoryjnego badania odporności

gumy na ścieranie.

We wszystkich metodach wynik badania przedstawia się jako

a) stratę objętości badanej gumy cm

3

w odniesieniu do wykonywanej pracy kW·h;

b) stratę objętości badanej gumy (cm

3

) wywołaną jej ścieraniem w określonych

warunkach (czas, liczba obrotów tarczy ściernej);

c) zmniejszenie grubości badanej gumy (mm) w stosunku do liczby obrotów tarczy

ściernej.

Ścieralność gumy można również wyrazić w procentach w stosunku do ścieralności

gumy wzorcowej. Należy tu podkreślić, że dla każdej metody badania ścieralności guma
wzorcowa i badana mogą dawać różne wyniki. Wynika stąd konieczność doboru takiej
metody badania, aby warunki ścierania były możliwie najbardziej zbliżone do warunków
eksploatacji wyrobu, który ma być wykonany z badanej gumy.

W związku z dużym znaczeniem ścieralności gumy opracowano wiele aparatów i metod

badania odporności gumy na ścieranie. Ponieważ trudno jest opisać wszystkie konstrukcje
aparatów i metody badania ścieralności stosowane ma świecie, poniżej omówiono dwie
najbardziej rozpowszechnione metody badania oraz przedstawiono niektóre aparaty
stosowane w Polsce.

2. Oznaczenie ścieralności za pomocą aparatu Schoppera-Schlobacha
Jedną z dwóch metod badania odporności gumy na ścieranie opisaną w PN-75/C-04235 jest
oznaczanie ścieralności za pomocą aparatu Schoppera-Schlobacha (rys.1) (PN-69/C-89081).
Metodę tę zalecają również normy: DIN-53516 (1964), RWPG PC 3100-71 oraz ISO TC-45
2845 — 1975.

Zasada tej metody polega na pomiarze ubytku objętości próbki gumy wywołanego
ścieraniem jej o odpowiednie płótno ścierne, pokrywające obracający się bęben aparatu, przy
czym próbka jest przesuwana wzdłuż osi bębna. W ten sposób próbka ściera się stale na
nowej części płótna ściernego.

Rys.1. Aparat typu Schopper-Schlobach do badania ścieralności

Rys. 2. Schemat aparatu typu Schopper-Schlobach

1— bęben, 2 — płótno ścierne, 3 — listwa, 4 — koło pasowe, 5 — przekładnia ślimakowa, 6

— prowadnica, 7 — śruba pociągowa, 8 — dźwignica, 9— przekładnia ślimakowa, 10 —
uchwyt, 11 — ramka, 12 — krzywka, 13 — listwa zębata, 14 — koło zębate, 15 — próbka

Aparat do badania ścieralności przedstawiono na rys. 2. Na obracającym się bębnie, o
średnicy 150 mm i długości ok. 560 mm, za pomocą listwy jest zamocowany arkusz płótna
ścier go o wymiarach 450x475 mm. Bęben napędzany silnikiem elektrycznym przez koło
pasowe i przekładnię ślimakową obraca z prędkością 40 ± l obr/min. Nad bębnem,
równolegle do jego osi jest zamocowana prowadnica, po której za pomocą śruby pociągowej
jest przesuwana dźwignia. Śruba pociągowa jest napędzi silnikiem elektrycznym przez
przekładnię ślimakową 9. P jednym obrocie bębna śruba pociągowa przesuwa dźwignię
wzdłuż osi bębna o 4,2 mm. Na jednym końcu dźwigni znajduje się uchwyt dla próbki gumy.
Masa uchwytu i wymiary dźwigni są tak dobrane, aby próbka dociskana była siłą 10 N (ok. l
kG). Sposób ustawienia próbki względem bębna przedstawiono na rys 3. Podczas każdego
przejścia nad listwą uchwyt jest podnoszony na pewną wysokość, a następnie opuszczany
dzięki temu że tylny koniec dźwigni ślizga się wzdłuż krawędzi ramki sterowanej krzywką.
Krzywka ta jest tak dobrana, aby droga ścierania na jeden obrót bębna wynosiła 400 ± 8 mm.
Nowsze typy aparatów Schoppera-Schlobacha są wyposażone w urządzenia do obracania
próbki wokół osi (rys. 4). Urządzenie to składa się z listwy zębatej oraz koła zębatego
umocowanego na uchwycie. W te sposób podczas całego ścierania próbka wykonuje 2,75
obrót wokół własnej osi. Całkowita droga ścierania próbki wynosi 40 ± 0,8 m, co odpowiada
100 obrotom bębna. W badaniu tym stosuje się próbki o .kształcie walca, średnicy 16 ± 0,2
mm i wysokości 6—12 mm. Próbki te przygotowuje się przez zwulkanizowanie w
odpowiedniej formie lub wycięcie z wyrobu gotowego. Normy dopuszczają również klejenie
kilku warstw gumy z takim ograniczeniem, że grubość jednej warstwy nie jest mniejsza niż 2
mm.

Rys. 3. Sposób ustawienia próbki względem bębna (fragment rys. III-72)
1 — bęben, 2 — płótno ścierne, 3 — listwa, 8 dźwignia, 10 — uchwyt, 11 — ramka,
14 — kc zębate, 15 — próbka

Badanie ścieralności próbki gumy wykonuje się na płótnie ściernym, określonym w
normach. Na ogół używa się płótno ścierne o ziarnistości zapewniającej stratę masy próbki
wzorcowej wynoszącą 200 ± 20 mg po ścieraniu na drodze 40 m (100 obr bębna). W
Polsce stosuje się płótno ścierne korundowe Nr 60.

W związku z powyższym, przed badaniem należy wykonać mieszankę wzorcową i

określić przy jej użyciu współczynnik intensywności ścierania płótna ściernego. Po
oznaczeniu współczynnika intensywności ścierania płótna ściernego wykonuje się
oznaczenie ścieralności badanej gumy, stosując co najmniej 3 próbki.

Rys. 4. Urządzenie do obracania próbki 13 — listwa zębata,

14 — koło zębate

Ścieralność próbki gumowej oblicza się wg zależności

w

m

m

m

V

Δ

⋅

⋅

−

=

ρ

2

,

0

)

(

2

1

, cm

3

gdzie:
m

1

— masa próbki przed ścieraniem, g;

m

2

— masa próbki po ścieraniu, g;

0,2 — teoretyczna strata masy mieszanki wzorcowej, g;
ρ — gęstość (masa właściwa) badanej gumy, g/cm

3

;

Δm

w

— średnia arytmetyczna straty masy trzech próbek mieszanki wzorcowej, g.

Wynikiem końcowym badania jest średnia arytmetyczna co najmniej trzech próbek.

3. Oznaczenie ścieralności na aparacie Grasselli typ Du Pont Croydon

Drugą metodą oznaczania ścieralności, jedną z najbardziej rozpowszechnionych w Polsce,

jest oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli typu Du Pont Croydon, którego widok
przedstawiono na rys. 5. Metoda badania przy użyciu tego aparatu jest zalecana przez PN-
57/C-04233; NF-T 42-012 — 1965; BS 903 P.A 9 : 1965 oraz ASTM D 394 — 1975 Metoda
A.

Rys. 5. Aparat do badania ścieralności Grasselliego typu Du Pont Croydon

Rys. 6. Próbki do badania ścieralności przy użyciu aparatu Grasselli typu Du Pont Croydon

Oznaczanie odporności na ścieranie polega na ścieraniu jednocześnie dwóch próbek

gumy przyciśniętych z określoną siłą do wirującej tarczy ściernej i oznaczaniu zmiany
objętości tych próbek oraz pracy zużytej na ścieranie.

W badaniu tym stosuje się próbki o specjalnym kształcie i wymiarach przedstawionych

na rys. 6. Próbki przygotowuje się przez zwulkanizowanie w odpowiedniej formie lub
wycięcie z wyrobów gotowych. W drugim przypadku normy dopuszczają przyklejanie
próbek do podkładek z warunkiem, że próbki będą miały grubość nie mniejszą niż 4 mm.
Zasadę pracy aparatu przedstawiono na rys. 7, Na tarczę uzyskującą napęd od silnika
elektrycznego przez sprzęgło i przekładnię zakłada się krążek papieru ściernego Nr 00 i
dociska go płytką dociskową. Tarcza jest założona na drążony wał i obraca się w
płaszczyźnie pionowej z prędkością 37—45 obr/min. Próbki są zamocowane na dźwigni
nierównoramiennej za pomocą ramek dociskowych. Między ramkami znajduje się sworzeń,
który przechodzi przez otwór w wydrążonym wale i dociska dźwignię z próbkami do tarczy
za pomocą zawieszonego na mim obciążnika. Obciążenie całkowite dźwigni wynosi ok. 36
N (3,62 kG).

Dłuższe ramię dźwigni jest połączone z dynamometrem i amortyzatorem. W czasie

badania na końcu ramienia dźwigni zawiesza się naczynie obciążające ze śrutem lub wodą.
Do pracującej części tarczy są doprowadzone przewody ze sprężonym powietrzem w celu
oczyszczania i chłodzenia powierzchni ścieranej gumy. Ciśnienie powietrza w czasie badania
wynosi ok. l·10

-1

MPa (l atm). Badanie próbek przeprowadza się w dwóch etapach.

Pierwszym etapem jest docieranie powierzchni ściernych tak, aby próbki dokładnie
przylegały do tarczy ściernej. Drugim etapem badania jest właściwe ścieranie. Czas badania
powinien odpowiadać 200 obr tarczy ściernej. W ciągu wykonywania oznaczenia dźwignia

musi mieć położenie poziome, co można regulować przez zawieszenie naczynia
obciążającego i dosypywanie śrutu lub dolewanie wody. W badaniu tym stosuje się co
najmniej 6 próbek.

Ścieralność na aparacie Grasselli typu Du Pont Croydon oblicza się wg wzoru:

4900

)

(

2

1

⋅

−

⋅

−

=

t

M

G

G

K

sGr

ρ

, cm

3

/(kW·h)

gdzie:
G

1

– łączna masa dwóch próbek po wstępnym docieraniu, g

G

2

– łączna masa dwóch próbek po zakończeniu ścierania, g

ρ— gęstość badanej gumy, g/cm

3

t — czas ścierania, s
M – moc obliczona wg wzoru M = 1,294 • 10

-5

s+ 1,941 • l0

-5

P

S — średnia odczytów na dynamometrze, g
P — masa naczynia ze śrutem lub wodą, g

Rys. 7. Zasada pracy aparatu Grasselli typu Du Pont Croydon l — tarcza, 2 — płytka

dociskowa, 3 — dźwignia nierównoramienna, 4 — ramka dociskowa, 5 — sworzeń, 6 —

naczynie obciążające, 7 — dynamometr, 8 — amortyzator, 9 — przewody

Na rys. 8 przedstawiono schemat aparatu Grasselli typu Metallist. Badanie ścieralności

przy użyciu tego aparatu zaleca PN-57/C-04273 oraz GOST 426-41. Aparat ten w
niewielkim stopniu różni się od opisanego wyżej aparatu typu Du Pont Croydon. Różnica
polega na wielkości siły docisku masy ciężarka dociskającego dźwignię, która wynosi tu 325
g/cm

2

, powierzchni próbek gumowych oraz braku amortyzatora i dynamometru. Badanie

przeprowadza się w sposób podany wyżej, a ścieralność oblicza się wg wzoru:

)

(

001455

,

0

2

1

2

1

Q

Q

G

G

K

sGr

+

⋅

⋅

−

=

ρ

, cm

3

/(kW·h)

gdzie:
G

1

— łączna masa dwóch próbek po wstępnym dotarciu, g;

G

2

— łączna masa dwóch próbek po zakończeniu ścierania, g;

ρ

— gęstość badanej gumy, g/cm

3

;

0,001455 — współczynnik przeliczeniowy;
Q

1

— masa ciężarka równoważącego, kg

Q

2

— stała aparatu, kg.

Rys. 8. Schemat aparatu Grasselli typu Metallist

1 — podstawa aparatu, 2 — silnik, 3 — sprzęgło, 4 — tarcza, 5 — płytka dociskowa, 6

dźwignia, 7 — śruby mocujące, 8 — sworzeń, 9 — odważnik, 10 — obciążnik, 11 —

przewody doprowadzające sprężone powietrze

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ścieralności elastomerów za pomocą aparatu Schoppera
oraz aparatu Grasselli.


Wykonanie ćwiczenia:

Aparat Schoppera-Schlobacha:

1. Wyznaczyć gęstości badanego materiału

2. Wyciąć krążki z badanych elastomerów za pomocą wykrojnika wbudowanego w aparat
Schoppera lub za pomocą odpowiedniego korkoboru

3. Ponumerować krążki i zważyć je na wadze analitycznej

4. Umieścić zważone uprzednio krążki w uchwycie aparatu i rozpocząć pomiar

5. Po zakończeniu pomiaru starte krążki zważyć ponownie na wadze analitycznej

Aparat Grasselli:

1. Zamocować wcześniej przygotowane próbki (2 sztuki jednocześnie) do aparatu Grasselli w
celu wstępnego ich dotarcia
2. Zważyć na wadze analitycznej obie próbki
3. Ponownie zamocować dwie próbki do aparatu Grasselli w celu rozpoczęcia ścierania
właściwego
4. Po zakończeniu pomiaru starte próbki ponownie zważyć na wadze analitycznej

W sprawozdaniu należy umieścić:

1. Obliczenia ścieralności dla poszczególnych próbek oraz wyliczyć średnie arytmetyczne dla
poszczególnych materiałów
2. Wnioski dotyczące uzyskanych wyników


Literatura:

1) D. Jaroszyńska, R. Gaczyński, B. Felczak, „ Metody badań właściwości fizycznych

gumy”, WNT, Warszawa 1978

2) Norma PN-69/C-89081, „Oznaczanie ścieralności za pomocą papieru ściernego”
3) Norma PN-57/C-04273, „Oznaczanie ścieralności na aparacie Grasselli, typu

Metallist”