何　燕,張方良,馬連湘(青島科技大學機電工程學院,山東青島　266061)

作者簡介:何燕(1973-),女,山東青州人,青島科技大學講師,華中科技大學在讀博士研究生,主要從事輪胎溫度場及材料熱物理性能的分析研究。

輪胎的滾動阻力和輪胎與干濕路面的抓著性能有特別重要的意義。滾動阻力與輪胎胎面膠料的滯后生熱有直接關系,低滯后的膠料有利于降低油耗;輪胎與干濕路面的抓著性能關系到輪胎的磨耗和使用安全。這些性能在很大程度上決定了輪胎的使用壽命。炭黑是一種有效的補強劑,多年來國內外學者從不同方面就其對膠料性能的影響進行了廣泛的研究[1~3],但很少有資料就炭黑對膠料滯后損失的影響及其填充胎面膠與干濕路面的抓著性能進行直接研究。

本工作探討炭黑品種和用量對膠料動態力學性能的影響,研究炭黑填充胎面膠的滯后損失、濕抓著性能和冰面抓著性能。

1　實驗

1.1　主要原材料

BR(牌號9000)和SBR(牌號1502和1712),中國石化齊魯石油化工股份有限公司產品;炭黑N339,N351和N375,天津海豚炭黑有限公司產品。

1.2　基本配方

SBR1502/SBR1712/BR　100,芳烴油　16,氧化鋅　2. 2,防老劑　5. 5,硬脂酸　1. 7,促進劑　1.15,防焦劑　0.43,炭黑　變品種、變量。

1.3　主要儀器與設備

DMA242/1/F型動態力學分析儀,德國耐馳公司產品;本伯里1.7 L密煉機,益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品;X(S)K-160型開煉機,上海雙翼橡膠機械有限公司產品;HS-100T-FT-MO-2RT型平板硫化機,佳鑫電子設備科技有限公司產品。

1.4　膠料制備

膠料混煉分兩段進行,一段在密煉機中進行,二段在開煉機上進行。防老劑和芳烴油在一段混煉時加入,硫黃和促進劑在二段混煉時加入,膠料混煉均勻后壓片。

混煉膠停放48 h后在平板硫化機上硫化,硫化條件為160℃×15 min。硫化膠用模具壓成標準試樣以進行動態力學性能試驗。

1.5　性能測試

動態力學性能測試溫度范圍為- 100 ~100℃,頻率為10 Hz,應變振幅為120μm,升溫速率為3℃·min-1。

2　結果與討論

2.1　炭黑品種

炭黑品種(用量均為80份)對胎面膠動態力學分析(DMA)曲線的影響如圖1所示。

從圖1可以看出,不同品種炭黑填充的胎面膠均只有一個玻璃化溫度(Tg),說明3種并用橡膠SBR1502,SBR1712和BR的相容性較好;炭黑品種對胎面膠Tg的影響不大且變化趨勢基本相同;不同品種炭黑填充胎面膠的損耗因子(tanδ)峰值卻明顯不同,這與炭黑的結構和比表面積有關。

通常用1~110 Hz下,-20℃左右胎面膠的tanδ值表征輪胎在冰路面上的抓著性能,0℃左右胎面膠的tanδ值表征輪胎的抗濕滑性能,50~80℃胎面膠的tanδ值表征輪胎的滾動阻力[4,5]。本研究在試驗條件下分別用-20,0和60℃下胎面膠的tanδ值來表征輪胎的冰面抓著性能、抗濕滑性能和滾動阻力。

在試驗條件下,炭黑品種對胎面膠冰面抓著性能、抗濕滑性能和滾動阻力的影響如圖2所示。從圖2可以看出,在3種炭黑填充的胎面膠中,炭黑N351填充胎面膠的冰面抓著和抗濕滑性能較好,其滾動阻力也最小。

綜合圖1和2可以看出,不同品種炭黑填充胎面膠tanδ峰值越大,滾動阻力越小,而抗濕滑和冰面抓著性能越好。

tanδ也是橡膠材料滯后性能的衡量指標。在20~80℃的溫度范圍內,不同品種炭黑填充胎面膠的tanδ值和儲能模量(E′)的關系如圖3所示。

從圖3可以看出,炭黑N351和N375填充胎面膠的tanδ值和E′的關系變化趨勢基本一致,但在相同的溫度下,炭黑N351填充胎面膠的E′大于炭黑N375填充胎面膠,而tanδ值卻與之相反;在相同的E′下,炭黑N351填充胎面膠的tanδ值小于其它2種炭黑填充胎面膠。炭黑N339填充的胎面膠在同樣的E′下的tanδ值比其它2種炭黑填充的胎面膠大很多,說明炭黑N339填充胎面膠的粘性最大,其滯后損失也最為嚴重。在同樣的E′下,3種炭黑填充胎面膠在低溫時tanδ值的變化均小于高溫時的變化,說明隨著溫度的升高,胎面膠的粘性越來越高。

2.2　炭黑用量

炭黑N351用量對胎面膠DMA曲線的影響如圖4所示。

從圖4可以看出,隨著炭黑N351用量的增大,胎面膠的玻璃化轉變區域逐漸變窄,tanδ峰值逐漸變小,且Tg也逐漸降低。

在不同溫度下,炭黑N351用量對胎面膠tanδ值的影響如圖5所示。從圖5可以看出,隨著炭黑N351用量的增大,-20和0℃胎面膠的tanδ值逐漸降低,說明輪胎的冰面抓著和抗濕滑性能均隨炭黑N351用量的增大逐漸降低;而60℃下胎面膠的tanδ值先增大后減小,說明輪胎滾動阻力隨炭黑N351用量的增大呈現先增大后減小的趨勢。

炭黑N351用量為75份時,胎面膠的Tg最高,其干濕路面抓著性能最好,滯后損失也最小。炭黑N351用量對20~80℃下胎面膠的tanδ值和E′的影響如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著溫度的升高,胎面膠的tanδ值和E′均呈下降的趨勢,即胎面膠的性能呈下降趨勢。但隨著炭黑N351用量的改變,胎面膠性能下降的幅度不同:炭黑N351用量越大,胎面膠性能下降的幅度越小,說明隨著炭黑N351用量的減小,胎面膠滯后性能的變化趨勢比E′明顯。

3　結論

(1)炭黑品種對胎面膠Tg的影響不大,但不同炭黑填充胎面膠的tanδ峰值卻明顯不同;炭黑N351填充胎面膠的滾動阻力較小,冰、濕路面抓著性能也較好。

(2)炭黑N339填充胎面膠的粘性較大,其滯后損失也較為嚴重。在同樣的E′下,3種炭黑填充的胎面膠在低溫時tanδ值的變化均小于高溫時的變化。

(3)炭黑N351填充胎面膠的tanδ峰值隨其用量的增大而降低,其位置也隨炭黑N351用量的增大而向低溫方向移動。

(4)75份炭黑N351填充胎面膠的干濕路面抓著性能較好,滾動阻力也較小。

(5)在20~80℃的溫度范圍內,隨著溫度的升高,胎面膠的E′和tanδ值均表現出下降的趨勢,但隨著炭黑N351用量的不同降幅也不同,炭黑用量越大,降幅越小。

參考文獻:

[1] Caruthers J M,Cohen R E.Effect of carbon black on hystere-sis of rubber vulcanizates: equivalence of surface area andloading[J].Rubber Chemistry and Technology,1976,49(4):1 076-1 094.

[2] Nakajima N,Bowerman H H,Collins E A.Nonlinear viscoe-lastic behavior of butadiene-acrylonitrile copolymers filledwith carbon black[J].Rubber Chemistry and Technology,1978,51(2):322-334.

[3]方慶紅,譚惠豐,張大山.輪胎胎面膠耐磨性能的研究[J].橡膠工業,2002,49(7):397-399.

[4]趙旭升,賈德民,羅遠芳,等.NR/NBR共混物動態力學性能研究[J].橡膠工業,1999,46(2):75-77.

[5]佚　名.按胎面膠動態試驗確定充氣輪胎的滾動阻力和抓著性能[J].畢蓮英譯.世界橡膠工業,2001,28(1):44-49.