何 燕,张方良,马连湘(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061)
作者简介:何燕(1973-),女,山东青州人,青岛科技大学讲师,华中科技大学在读博士研究生,主要从事轮胎温度场及材料热物理性能的分析研究。
轮胎的滚动阻力和轮胎与干湿路面的抓着性能有特别重要的意义。滚动阻力与轮胎胎面胶料的滞后生热有直接关系,低滞后的胶料有利于降低油耗;轮胎与干湿路面的抓着性能关系到轮胎的磨耗和使用安全。这些性能在很大程度上决定了轮胎的使用寿命。炭黑是一种有效的补强剂,多年来国内外学者从不同方面就其对胶料性能的影响进行了广泛的研究[1~3],但很少有资料就炭黑对胶料滞后损失的影响及其填充胎面胶与干湿路面的抓着性能进行直接研究。
本工作探讨炭黑品种和用量对胶料动态力学性能的影响,研究炭黑填充胎面胶的滞后损失、湿抓着性能和冰面抓着性能。
1 实验
1.1 主要原材料
BR(牌号9000)和SBR(牌号1502和1712),中国石化齐鲁石油化工股份有限公司产品;炭黑N339,N351和N375,天津海豚炭黑有限公司产品。
1.2 基本配方
SBR1502/SBR1712/BR 100,芳烃油 16,氧化锌 2. 2,防老剂 5. 5,硬脂酸 1. 7,促进剂 1.15,防焦剂 0.43,炭黑 变品种、变量。
1.3 主要仪器与设备
DMA242/1/F型动态力学分析仪,德国耐驰公司产品;本伯里1.7 L密炼机,益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品;X(S)K-160型开炼机,上海双翼橡胶机械有限公司产品;HS-100T-FT-MO-2RT型平板硫化机,佳鑫电子设备科技有限公司产品。
1.4 胶料制备
胶料混炼分两段进行,一段在密炼机中进行,二段在开炼机上进行。防老剂和芳烃油在一段混炼时加入,硫黄和促进剂在二段混炼时加入,胶料混炼均匀后压片。
混炼胶停放48 h后在平板硫化机上硫化,硫化条件为160℃×15 min。硫化胶用模具压成标准试样以进行动态力学性能试验。
1.5 性能测试
动态力学性能测试温度范围为- 100 ~100℃,频率为10 Hz,应变振幅为120μm,升温速率为3℃·min-1。
2 结果与讨论
2.1 炭黑品种
炭黑品种(用量均为80份)对胎面胶动态力学分析(DMA)曲线的影响如图1所示。
从图1可以看出,不同品种炭黑填充的胎面胶均只有一个玻璃化温度(Tg),说明3种并用橡胶SBR1502,SBR1712和BR的相容性较好;炭黑品种对胎面胶Tg的影响不大且变化趋势基本相同;不同品种炭黑填充胎面胶的损耗因子(tanδ)峰值却明显不同,这与炭黑的结构和比表面积有关。
通常用1~110 Hz下,-20℃左右胎面胶的tanδ值表征轮胎在冰路面上的抓着性能,0℃左右胎面胶的tanδ值表征轮胎的抗湿滑性能,50~80℃胎面胶的tanδ值表征轮胎的滚动阻力[4,5]。本研究在试验条件下分别用-20,0和60℃下胎面胶的tanδ值来表征轮胎的冰面抓着性能、抗湿滑性能和滚动阻力。
在试验条件下,炭黑品种对胎面胶冰面抓着性能、抗湿滑性能和滚动阻力的影响如图2所示。从图2可以看出,在3种炭黑填充的胎面胶中,炭黑N351填充胎面胶的冰面抓着和抗湿滑性能较好,其滚动阻力也最小。
综合图1和2可以看出,不同品种炭黑填充胎面胶tanδ峰值越大,滚动阻力越小,而抗湿滑和冰面抓着性能越好。
tanδ也是橡胶材料滞后性能的衡量指标。在20~80℃的温度范围内,不同品种炭黑填充胎面胶的tanδ值和储能模量(E′)的关系如图3所示。
从图3可以看出,炭黑N351和N375填充胎面胶的tanδ值和E′的关系变化趋势基本一致,但在相同的温度下,炭黑N351填充胎面胶的E′大于炭黑N375填充胎面胶,而tanδ值却与之相反;在相同的E′下,炭黑N351填充胎面胶的tanδ值小于其它2种炭黑填充胎面胶。炭黑N339填充的胎面胶在同样的E′下的tanδ值比其它2种炭黑填充的胎面胶大很多,说明炭黑N339填充胎面胶的粘性最大,其滞后损失也最为严重。在同样的E′下,3种炭黑填充胎面胶在低温时tanδ值的变化均小于高温时的变化,说明随着温度的升高,胎面胶的粘性越来越高。
2.2 炭黑用量
炭黑N351用量对胎面胶DMA曲线的影响如图4所示。
从图4可以看出,随着炭黑N351用量的增大,胎面胶的玻璃化转变区域逐渐变窄,tanδ峰值逐渐变小,且Tg也逐渐降低。
在不同温度下,炭黑N351用量对胎面胶tanδ值的影响如图5所示。从图5可以看出,随着炭黑N351用量的增大,-20和0℃胎面胶的tanδ值逐渐降低,说明轮胎的冰面抓着和抗湿滑性能均随炭黑N351用量的增大逐渐降低;而60℃下胎面胶的tanδ值先增大后减小,说明轮胎滚动阻力随炭黑N351用量的增大呈现先增大后减小的趋势。
炭黑N351用量为75份时,胎面胶的Tg最高,其干湿路面抓着性能最好,滞后损失也最小。炭黑N351用量对20~80℃下胎面胶的tanδ值和E′的影响如图6所示。
从图6可以看出,随着温度的升高,胎面胶的tanδ值和E′均呈下降的趋势,即胎面胶的性能呈下降趋势。但随着炭黑N351用量的改变,胎面胶性能下降的幅度不同:炭黑N351用量越大,胎面胶性能下降的幅度越小,说明随着炭黑N351用量的减小,胎面胶滞后性能的变化趋势比E′明显。
3 结论
(1)炭黑品种对胎面胶Tg的影响不大,但不同炭黑填充胎面胶的tanδ峰值却明显不同;炭黑N351填充胎面胶的滚动阻力较小,冰、湿路面抓着性能也较好。
(2)炭黑N339填充胎面胶的粘性较大,其滞后损失也较为严重。在同样的E′下,3种炭黑填充的胎面胶在低温时tanδ值的变化均小于高温时的变化。
(3)炭黑N351填充胎面胶的tanδ峰值随其用量的增大而降低,其位置也随炭黑N351用量的增大而向低温方向移动。
(4)75份炭黑N351填充胎面胶的干湿路面抓着性能较好,滚动阻力也较小。
(5)在20~80℃的温度范围内,随着温度的升高,胎面胶的E′和tanδ值均表现出下降的趋势,但随着炭黑N351用量的不同降幅也不同,炭黑用量越大,降幅越小。
参考文献:
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