張 蕾 編譯
20世紀初期,天然橡膠是極其稀有和昂貴 的。這就是為什么部分天然橡膠被各種各樣的填 料(如高嶺土,白堊等)取代的原因。到了1912 年,炭黑的應用取代了惰性礦物填料,并展示了其 不同尋常的補強性能。現今,如果填料可以同時 提高大形變下的模量及拉伸永久變形,則我們稱 之為補強填料。這樣,在彈性體和炭黑間就有很 強的相互作用,而這種相互作用的來源和本質仍 是今天一個重要的研究課題,因為它對混煉膠的 力學性能很重要:模量和滯后。
滯后現象是輪胎尤其是胎面用材料的一項重 要性能,它決定著附著力和滾動阻力。這兩種性 能是相互矛盾的。實際上,附著力與能量耗散有 關,而滾動阻力直接和輪胎滾動時能量的消耗有 關。然而,如果用一個頻率-溫度圖來研究對材 料的要求,經過簡單的分析就能發現,與粘附相關 的滯后對應于高頻材料的要求(一般在MHz 級),而與滾動阻力相關的對應于低頻要求(一般 是100Hz)。
從環保觀點出發,降低滾動阻力尤為重要。 事實上,在輪胎使用過程中所消耗的能量遠遠高 于它們在制造過程中所消耗的能量。例如, Michelin發明的“綠色輪胎”技術與普通輪胎相 比,滾動阻力可降低20%,凈節能級相當于轎車 節油5%,相當于輪胎制造過程中所消耗的能量。
輪胎的滾動阻力與Payne效應相關。模量隨 應變的變化是非常復雜的。在第一種方法中,可 以將Payne效應與填料聚集體之間的距離相關 聯,而填料聚集體之間的距離可以通過炭黑填充 膠料的導電性來測量。膠料的導電性與混煉后測 得的結合橡膠的量(通過聚合物抽提試驗測試)有 很好的相關性。減小Payne效應關鍵是增強彈性 體和填料間的相互作用,這個現象十分復雜,但可 以想象,填料和彈性體間強的結合力有助于改善 混煉過程中彈性體基體中填料的分散。
所以現在的問題是:我們應該怎樣做才能使 填料和彈性體間產生強的結合呢?
對于該問題有幾個答案:填料表面改性、新型 填料的應用、彈性體材料的官能化等都是一些解 決方法。
“綠色輪胎”膠料主要有四方面:白炭黑、溶聚 SBR、偶聯劑及特殊的混煉過程。所用白炭黑是 高分散沉淀法白炭黑,偶聯劑是含有硫官能團和 烷氧基硅烷官能團的硅烷,其中硫官能團在混煉 過程中與彈性體反應,而烷氧基硅烷官能團與白 炭黑的硅醇基反應。
上世紀90年代初期,橡膠中高度分散白炭黑 (HDS)的應用使其有可能實現輪胎附著力、滾動 阻力、耐磨損性等方面新的突破(圖2)。
輪胎工業的世界領先企業米其林在與Rhod- ia公司的合作中實現了突破,在市場上推出了第 一個“綠色輪胎”(之所以這樣叫是因為其滾動阻 力降低20%,從而可節油)。
而且在減振系統領域(AVS),米其林公司通 過其合資企業Woco Michelin AVS實現了含白 炭黑膠料從輪胎向AVS的技術轉化,見圖3 (略)。在車輛底盤的懸架裝置中,出現了一種首 要功能是為確保降低駕駛員或乘客所感受振動強 度的減振部件。這些部件被置放在兩個金屬件的 結合部位,可以降低剛度(與金屬相比),并濾去振 動(通過彈性體的粘彈性特性)。按照它們在懸架 裝置中的位置,這些部件或多或少起著保證舒適 度和操縱性能的作用。就這些功能而言,其主要 性能是耐久性、舒適度和操縱性。
耐久性和AVS部件的使用壽命有關。OEM 希望部件與轎車的壽命一樣長,這就是說AVS 部件不應該被換掉。舒適性的意思是材料剛性不 應過大,使駕駛座或車輪獲得良好的隔音和減振 效果。對性能而言,位移約為幾微米,頻率從100 到30000Hz。低應變、高頻率的剛度叫做kd。操 作性能的意思是部件必須把作用力從車輪傳遞到 輪胎,并且隨車輛的運動而變(在轉彎、剎車方面 的行為)。該性能通常和在準靜止條件(稱為ks) 下部件的剛性約束有關。ks一定的情況下,kd 和ks的比值與Payne效應有關。
利用零件的幾何形狀可以控制零件各個軸向 上的ks值。在形狀一定時,只有通過膠料來調節 零件總的靜態剛度和一定靜態剛度下的動態剛 度。
現在,OEM的要求主要是減小kd和ks的比 值(ks一定時)。我們可以把減小Payne效應看 成與“綠色輪胎”是同樣的問題。
利用“綠色輪胎”研究及開發過程中獲取的知 識,現在我們已經使用高分散白炭黑來開發新型 AVS膠料。
采用含有高分散白炭黑的膠料可以減小 Payne效應,同時延長AVS零件壽命。這些新型 膠料在Woco Michelin AVS結構體系中被稱為 Sil@nd,因此與含有白炭黑的低動態硬化膠料相 比,這些新型的低動態硬化膠料有較好的耐久性 能(如圖4)。
這些新型白炭黑填充AVS膠料在傳統的耐 久性、舒適度及操作性能之間的折衷問題上取得 了突破。
現代白炭黑體系有四個方面:高分散白炭黑、 彈性體、有效偶聯劑和特殊的混煉過程。該體系 的主要特點是降低了Payne效應,改善了填料在 膠料中的分散。這些現代白炭黑體系所賦予的性 能在解決傳統折衷問題方面取得了突破:附著性/滾動阻力/耐磨性以及AVS工業中舒適性/操縱性/耐久性。
