張方良1,王 偉1,馬連湘1,張 萍2(1.青島科技大學機電工程學院,山東青島266061;2.青島科技大學高分子科學與工程學院,山東青島266061)
作者簡介:張方良(1980-),男,山東成武人,研究生,主要從事輪胎溫度場、膠料動態性能及熱能方面的研究工作。
汽車工業的發展對輪胎工業提出了新的要求,特別是近20年以來美國和歐洲關于行駛安全、節約燃料和環境保護的相關法規的制訂,成為輪胎工業進一步研究和發展的決定因素。在這種背景下,低的滾動阻力和高的濕抓著性成為輪胎最重要的性能指標之一。長期以來人們認為,濕抓著性和滾動阻力是一對矛盾,濕抓著性好則滾動阻力大,反之亦然;但是由于濕抓著性和滾動阻力是橡膠材料在不同頻率下的動態行為的體現,胎面膠在低頻(1～100Hz)、60℃左右的tanδ值可表征胎面膠的滾動阻力,0℃左右的tanδ值可表征胎面膠濕抓著性[1～3],這樣從理論上講可以使二者得到統一并可加以改進。筆者在文獻[4]的基礎上,借助于動態力學分析技術,研究了炭黑N351填充量不同硫化膠料的動態性能及生熱率,一方面研究炭黑含量對橡膠滾動阻力和濕抓著性的影響,另一方面力圖尋找炭黑用量與膠料生熱率的關系。
1 實驗部分
1.1 設備和塬理
本工作所使用的是德國NETZSCH公司的DMA242實驗儀,由計算機控制,可直接得到tanδ隨溫度的變化曲線,在此種正弦變形情況下,動態模量和損耗因子可由下式定義:
式中,E?為儲能模量或彈性模量,是復合模量E 的實數部分;E?為損耗模量,是復合模量E 的虛數部分,它表示當材料形變時轉變成熱的能量損耗;δ為應力和應變之間的相角;tanδ被稱之為阻尼因子或損耗正切;W為一個周期內應變滯后應力所做的功;f為實驗頻率;V為試件的體積;q為生熱率,即單位時間單位體積的生熱量。根據上述塬理一方面可以分析動態力學性能,另一方面可以計算得出膠料的生熱率。
1.2 塬料和試件
生膠均為齊魯石化產品;炭黑為新工藝高耐磨炭黑N351,N351是一種粒徑較粗、結構較高的品種;其它一些輪胎橡膠工業常用的輔助材料和添加劑。
試樣在雙輥開煉機上混煉,各種塬料的添加過程如下:BR/SBR—增塑劑和軟化劑—混煉—炭黑和芳烴油—混煉—硫磺和促進劑—薄通(打叁角包)—下片(2cm厚的薄片)。硫化條件為160℃×15min,硫化成2mm厚的薄片,并制作出需要的啞鈴形試件,實驗段為10mm×4mm×2mm。
1.3 實驗條件和膠料配方
實驗在德國NETZSCH公司生產的DMA242儀器上進行,實驗條件為:加熱速率3K/min,加熱頻率10Hz,載荷2N,振幅120μm,液氮氣氛,溫度范圍為-100～100℃。實驗配方如表1所示。
2 結果與討論
2.1 膠料的動態粘彈譜
分析研究了8種配方的膠料,圖1為1#膠料配方的DMA圖譜。圖1中只有一個峰值,即一個玻璃化溫度,在本填充體系下,SBR和BR在本共混體系中的相容性比較好,根據動態性能的表征關系,選取0℃和60℃左右的損耗因子做進一步的分析研究。
2.2 滾動阻力和濕抓著性
輪胎的抗濕滑性是汽車行駛最重要的安全性能,降低滾動阻力是降低損耗的重要途徑。在通常情況下,頻率為10Hz時,60℃左右的tanδ值可表征胎面膠的滾動阻力,0℃左右下的tanδ值可表征胎面膠的濕抓著性。圖2、圖3所示分別為0℃和60℃左右的圖譜。從圖2、圖3中可以看出滾動阻力隨著炭黑含量的增加而增加,濕抓著性能隨炭黑含量的增加而減小,反映出濕抓著性和滾動阻力的矛盾性,濕抓著性好則滾動阻力大,能耗就大。為更清楚的說明炭黑用量與滾動阻力、濕抓著性的關系,選取0℃處和60℃處tanδ分別作圖,如圖4所示。
2.3 生熱率
在滾動輪胎溫度場的研究中,生熱率作為已知參數[4,5],由實驗塬理,測得損耗模量E?和ε0,即可計算出生熱率,生熱率隨溫度變化的關系見圖5。從圖5看出,除2#膠料配方出現不規律的變化外,生熱率隨著溫度的升高而降低,隨著炭黑用量的增加而升高;炭黑用量的增加,炭黑分子與膠料分子之間的內摩擦增加,引起生熱率增加。
3 結論
通過研究炭黑用量不同的8種配方膠料的動態力學性能,得出以下結論:
(1)在本填充體系條件下,SBR和BR共混膠的DMA圖譜中只有一個峰值,二者是相容的。
(2)滾動阻力隨著炭黑用量的增加而增加,濕抓著性隨著炭黑用量的增加而降低。
(3)生熱率隨溫度的升高而降低,隨炭黑用量的增加而增加。
(4)生熱率為溫度場的研究提供必要的參數,本實驗結果可以為配方人員在選擇炭黑用量時提供參考,為輪胎熱力學的進一步研究提供依據。
參 考 文 獻:
[1] 薛虎軍,陳志宏,方昭芬,等.新型胎面用橡膠的滾動阻力和濕滑性能[J].橡膠工業,1990,37(6):196～198.
[2] 張安強,姚鐘堯.炭黑和操作油對粘彈性能和輪胎抗濕滑性的影響[J].世界橡膠工業,2003,30(1):23～28.
[3] HTakino,HTakahashi.Effectofcarbonblackandprocessionoilonviscoelasticpropertiesandtireresistance[J].TireScience&Technology,1998,26(24):241～257.
[4] 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,2004,151(1):53～55.
[5] 馬連湘,張方良,崔琪,等.NR/SBR/BR共混胎面膠料動態力學性能及生熱熱學研究[J].彈性體,2005,15(5):44～46.
