馬連湘,郭劍鋒,何　燕(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島　266061)

作者簡介:馬連湘(1962-),男,河北南宮人,博士生導(dǎo)師,主要從事強(qiáng)化傳熱、輪胎熱學(xué)及高等學(xué)校教育方面的研究。

目前,輪胎的發(fā)展方向要求輪胎不僅要具有強(qiáng)濕抓著性而且具有較低滾動(dòng)阻力。由于濕抓著性和滾動(dòng)阻力是橡膠材料在不同頻率下的動(dòng)態(tài)行為體現(xiàn),膠料在低頻(10Hz)、60℃左右的tanδ值可表征胎面膠的滾動(dòng)阻力,0℃左右的tanδ值可表征胎面膠濕抓著性[1]。文獻(xiàn)[2,3]利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究了輪胎各個(gè)部位膠料的生熱率,為輪胎溫度場的研究提供已知參數(shù)的生熱率。華南理工大學(xué)寧凱軍[4]等將Si69應(yīng)用于炭黑增強(qiáng)NR/BR/NBR共混物體系,研究是否可以降低硫化膠的滾動(dòng)阻力,以RPA法測定硫化膠在1.7Hz和65℃下tanδ,相對(duì)比較Si69用量對(duì)硫化膠滾動(dòng)阻力的影響,其中Si69為4份時(shí)tanδ最小,相應(yīng)滾動(dòng)阻力最小。

本文利用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析技術(shù)(DMA),對(duì)偶聯(lián)劑Si69、白炭黑的不同填充量的硫化膠料進(jìn)行研究,一方面得出tanδ值隨溫度和Si69、白炭黑用量變化的關(guān)系,另一方面研究偶聯(lián)劑Si69、白炭黑用量的改變對(duì)橡膠滾動(dòng)阻力和濕抓著性的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　原材料

SMR20,進(jìn)口; Si69,武進(jìn); CTP,陽谷; NS,淄博;充油硫黃,上海;硬脂酸,進(jìn)口;納米氧化鋅,宜興;白炭黑,無錫;其他一些輔助材料和添加劑為常用工業(yè)品。

1.2　配方

膠料配方(質(zhì)量份):

(1)天然橡膠100;活性劑4.5;偶聯(lián)劑1.5;防老劑2.5;增塑劑3.0;硫化體系1.98;促進(jìn)劑1.3;防焦劑0.08;白炭黑變量。

(2)將白炭黑改為白炭黑/Si69變量;其他同配方(1)。

1.3　實(shí)驗(yàn)條件

氣氛:氮?dú)?溫度范圍:-45℃~100℃,實(shí)驗(yàn)頻率為10Hz,應(yīng)變振幅為120μm,加熱速率為3℃/min,載荷為2N。

1.4　實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原理

本實(shí)驗(yàn)所使用的是德國NETZSCH公司的DMA242實(shí)驗(yàn)儀,由計(jì)算機(jī)控制可直接得到tanδ隨溫度的變化曲線,在此種正弦變形情況下,動(dòng)態(tài)模量和損耗因子可由公式定義[5],其中δ表征應(yīng)力和應(yīng)變之間的夾角,tanδ表征損耗因子。

1.5　試樣制備

常溫下按照傳統(tǒng)工藝條件進(jìn)行密煉、開煉,放置一段時(shí)間后將膠料放入平板硫化機(jī)硫化成2mm厚的薄片。硫化時(shí)間根據(jù)t90設(shè)置,硫化溫度為160℃。將硫化好的試片進(jìn)行沖切制作出需要的啞鈴形試樣,試樣尺寸:10mm×4mm×2mm。

2　結(jié)果與討論

2.1　白炭黑、Si69用量對(duì)橡膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

從圖1可以看出在白炭黑填充量為15份時(shí),膠料具有低的滾動(dòng)阻力和高的濕抓著性能。滾動(dòng)阻力在15份時(shí)最小,但整體上滾動(dòng)阻力較大。

從圖2(d)可以看出:當(dāng)白炭黑/Si69為20/4時(shí),出現(xiàn)了較大的濕抓著性能和較小的滾動(dòng)阻力。比較圖1(d)和圖2(d)可以看出:經(jīng)過Si69改性的白炭黑使得滾動(dòng)阻力整體上變化平緩且處于相對(duì)較小范圍內(nèi),明顯比單獨(dú)使用白炭黑的滾動(dòng)阻力小。

2.2　討論

白炭黑是極性填料,與橡膠分子鏈的結(jié)合程度低,白炭黑之間相互作用強(qiáng),容易聚集形成填料網(wǎng)絡(luò)。隨著變形振幅的增大,填料網(wǎng)絡(luò)的破壞和再生成,使膠料滯后加大,使得tanδ較大。所以從整體趨勢來看滾動(dòng)阻力比較大,能耗較大。只有在白炭黑15份時(shí),滾動(dòng)阻力相對(duì)較小且濕抓著性能較高。

填料網(wǎng)絡(luò)解體和重組過程中的能量消耗對(duì)膠料的滯后作用十分有利[6,7]。用硅烷偶聯(lián)劑Si69增強(qiáng)白炭黑性能[8],它含有能在硫化過程中與橡膠連接的官能團(tuán),使硅烷分子一端的白炭黑與另一端的聚合物產(chǎn)生化學(xué)“偶聯(lián)”,最終產(chǎn)生較多的填料/聚合物鍵。對(duì)白炭黑表面進(jìn)行改性,也改善填充劑的浸潤性和分散性,分散性的提高可增大白炭黑與橡膠間的實(shí)際接觸面積,并減弱其吸附硫化體系配合劑的趨勢。同時(shí)降低膠料粘度,也可降低相鄰白炭黑顆粒的親和力,幾乎完全可以消除白炭黑/白炭黑網(wǎng)絡(luò)的形成趨勢[9,10]。實(shí)驗(yàn)中改性白炭黑的滾動(dòng)阻力平均偏小,當(dāng)白炭黑/Si69為20/4時(shí)能夠在不影響輪胎濕滑性的條件下改善輪胎節(jié)油性能,在動(dòng)態(tài)力學(xué)相應(yīng)方面的優(yōu)勢是白炭黑和硅烷偶聯(lián)劑的作用所在,這與國內(nèi)其他相關(guān)研究有共性。Si69用量為4份時(shí),改善了全鋼基部膠體系中白炭黑的分布。測試方法是DMA法,測量范圍寬且更準(zhǔn)確,測試條件是10Hz,符合輪胎運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際工況,并以0℃和60℃分別表征輪胎的濕抓著性能和滾動(dòng)阻力,所研究膠料是針對(duì)輪胎的全鋼基部膠,對(duì)實(shí)際輪胎生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。硅烷偶聯(lián)劑改性白炭黑在“綠色輪胎”膠料中的應(yīng)用證明了其獨(dú)特的動(dòng)態(tài)性能[11]。

3　結(jié)論

(1)在白炭黑為15份時(shí),膠料具有高濕抓著性能和低滾動(dòng)阻力。

(2)當(dāng)白炭黑/Si69為20/4份時(shí),膠料具有較大的濕抓著性能和較小的滾動(dòng)阻力。加入改性白炭黑的全鋼基部膠的滾動(dòng)阻力明顯小于只加入未改性白炭黑的全鋼基部膠滾動(dòng)阻力。

致謝:

在研究工作進(jìn)行的過程中,筆者得到了青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室辛振祥教授和鄧濤副教授的幫助,表示衷心的感謝!

參考文獻(xiàn):

[1]　薛虎軍,陳志宏,方昭芬,等.新型胎面用橡膠的滾動(dòng)阻力和濕滑性能[J].橡膠工業(yè),1990,37(6):196-198.

[2]　何燕,馬連湘,黃素逸,等.輪胎橡膠材料生熱率的測定及分析[J].橡膠工業(yè),2004, 51(1):53-55.

[3]　何燕,崔琦,馬連湘.SBR/BR共混物的動(dòng)態(tài)特性研究[J]世界橡膠工業(yè),2006, 33(8):15-17.

[4]　寧凱軍,賈德民,等.Si69對(duì)炭黑增強(qiáng)NR/BR/NBR共混物性能的影響[J].合成橡膠工業(yè),2001,24(4): 222-224.

[5]　張方良,王偉,馬連湘,等.炭黑N351填充硫化膠動(dòng)態(tài)性能及生熱率的實(shí)驗(yàn)研究[J].彈性體,2006, 16(2):28-30.

[6]　張安強(qiáng),姚鐘堯·炭黑和操作油對(duì)粘彈性能和輪胎抗?jié)窕缘挠绊慬J].世界橡膠工業(yè),2003,30(1):23-28.

[7]　H Takino,H Takahashi·Effect of carbon black and proces-sion oil on viscose elastic properties and tire resistance[J]Tire Science & Technology, 1998,26(24):241-257.

[8]　John T B.用硅烷偶聯(lián)劑增強(qiáng)白炭黑性能[J].輪胎工業(yè)2000, 20:411-413.

[9]　王進(jìn)文.高性能的白炭黑/硅烷補(bǔ)強(qiáng)體系[J].橡膠參考資料,2000,31(10):30-31.

[10]　于蕾,于寶林·炭黑對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力的影響[J].炭黑工業(yè),2003,(5):16-20.

[11]　王作齡編譯.白炭黑和炭黑及其與橡膠的配合[J].世界橡膠工業(yè),2001,28(5):46-53.