马连湘,郭剑锋,何 燕(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061)
作者简介:马连湘(1962-),男,河北南宫人,博士生导师,主要从事强化传热、轮胎热学及高等学校教育方面的研究。
目前,轮胎的发展方向要求轮胎不仅要具有强湿抓着性而且具有较低滚动阻力。由于湿抓着性和滚动阻力是橡胶材料在不同频率下的动态行为体现,胶料在低频(10Hz)、60℃左右的tanδ值可表征胎面胶的滚动阻力,0℃左右的tanδ值可表征胎面胶湿抓着性[1]。文献[2,3]利用动态力学分析技术实验研究了轮胎各个部位胶料的生热率,为轮胎温度场的研究提供已知参数的生热率。华南理工大学宁凯军[4]等将Si69应用于炭黑增强NR/BR/NBR共混物体系,研究是否可以降低硫化胶的滚动阻力,以RPA法测定硫化胶在1.7Hz和65℃下tanδ,相对比较Si69用量对硫化胶滚动阻力的影响,其中Si69为4份时tanδ最小,相应滚动阻力最小。
本文利用动态力学分析技术(DMA),对偶联剂Si69、白炭黑的不同填充量的硫化胶料进行研究,一方面得出tanδ值随温度和Si69、白炭黑用量变化的关系,另一方面研究偶联剂Si69、白炭黑用量的改变对橡胶滚动阻力和湿抓着性的影响。
1 实验部分
1.1 原材料
SMR20,进口; Si69,武进; CTP,阳谷; NS,淄博;充油硫黄,上海;硬脂酸,进口;纳米氧化锌,宜兴;白炭黑,无锡;其他一些辅助材料和添加剂为常用工业品。
1.2 配方
胶料配方(质量份):
(1)天然橡胶100;活性剂4.5;偶联剂1.5;防老剂2.5;增塑剂3.0;硫化体系1.98;促进剂1.3;防焦剂0.08;白炭黑变量。
(2)将白炭黑改为白炭黑/Si69变量;其他同配方(1)。
1.3 实验条件
气氛:氮气,温度范围:-45℃~100℃,实验频率为10Hz,应变振幅为120μm,加热速率为3℃/min,载荷为2N。
1.4 实验设备和原理
本实验所使用的是德国NETZSCH公司的DMA242实验仪,由计算机控制可直接得到tanδ随温度的变化曲线,在此种正弦变形情况下,动态模量和损耗因子可由公式定义[5],其中δ表征应力和应变之间的夹角,tanδ表征损耗因子。
1.5 试样制备
常温下按照传统工艺条件进行密炼、开炼,放置一段时间后将胶料放入平板硫化机硫化成2mm厚的薄片。硫化时间根据t90设置,硫化温度为160℃。将硫化好的试片进行冲切制作出需要的哑铃形试样,试样尺寸:10mm×4mm×2mm。
2 结果与讨论
2.1 白炭黑、Si69用量对橡胶动态力学性能的影响
从图1可以看出在白炭黑填充量为15份时,胶料具有低的滚动阻力和高的湿抓着性能。滚动阻力在15份时最小,但整体上滚动阻力较大。
从图2(d)可以看出:当白炭黑/Si69为20/4时,出现了较大的湿抓着性能和较小的滚动阻力。比较图1(d)和图2(d)可以看出:经过Si69改性的白炭黑使得滚动阻力整体上变化平缓且处于相对较小范围内,明显比单独使用白炭黑的滚动阻力小。
2.2 讨论
白炭黑是极性填料,与橡胶分子链的结合程度低,白炭黑之间相互作用强,容易聚集形成填料网络。随着变形振幅的增大,填料网络的破坏和再生成,使胶料滞后加大,使得tanδ较大。所以从整体趋势来看滚动阻力比较大,能耗较大。只有在白炭黑15份时,滚动阻力相对较小且湿抓着性能较高。
填料网络解体和重组过程中的能量消耗对胶料的滞后作用十分有利[6,7]。用硅烷偶联剂Si69增强白炭黑性能[8],它含有能在硫化过程中与橡胶连接的官能团,使硅烷分子一端的白炭黑与另一端的聚合物产生化学“偶联”,最终产生较多的填料/聚合物键。对白炭黑表面进行改性,也改善填充剂的浸润性和分散性,分散性的提高可增大白炭黑与橡胶间的实际接触面积,并减弱其吸附硫化体系配合剂的趋势。同时降低胶料粘度,也可降低相邻白炭黑颗粒的亲和力,几乎完全可以消除白炭黑/白炭黑网络的形成趋势[9,10]。实验中改性白炭黑的滚动阻力平均偏小,当白炭黑/Si69为20/4时能够在不影响轮胎湿滑性的条件下改善轮胎节油性能,在动态力学相应方面的优势是白炭黑和硅烷偶联剂的作用所在,这与国内其他相关研究有共性。Si69用量为4份时,改善了全钢基部胶体系中白炭黑的分布。测试方法是DMA法,测量范围宽且更准确,测试条件是10Hz,符合轮胎运转的实际工况,并以0℃和60℃分别表征轮胎的湿抓着性能和滚动阻力,所研究胶料是针对轮胎的全钢基部胶,对实际轮胎生产有重要的指导意义。硅烷偶联剂改性白炭黑在“绿色轮胎”胶料中的应用证明了其独特的动态性能[11]。
3 结论
(1)在白炭黑为15份时,胶料具有高湿抓着性能和低滚动阻力。
(2)当白炭黑/Si69为20/4份时,胶料具有较大的湿抓着性能和较小的滚动阻力。加入改性白炭黑的全钢基部胶的滚动阻力明显小于只加入未改性白炭黑的全钢基部胶滚动阻力。
致谢:
在研究工作进行的过程中,笔者得到了青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室辛振祥教授和邓涛副教授的帮助,表示衷心的感谢!
参考文献:
[1] 薛虎军,陈志宏,方昭芬,等.新型胎面用橡胶的滚动阻力和湿滑性能[J].橡胶工业,1990,37(6):196-198.
[2] 何燕,马连湘,黄素逸,等.轮胎橡胶材料生热率的测定及分析[J].橡胶工业,2004, 51(1):53-55.
[3] 何燕,崔琦,马连湘.SBR/BR共混物的动态特性研究[J]世界橡胶工业,2006, 33(8):15-17.
[4] 宁凯军,贾德民,等.Si69对炭黑增强NR/BR/NBR共混物性能的影响[J].合成橡胶工业,2001,24(4): 222-224.
[5] 张方良,王伟,马连湘,等.炭黑N351填充硫化胶动态性能及生热率的实验研究[J].弹性体,2006, 16(2):28-30.
[6] 张安强,姚钟尧·炭黑和操作油对粘弹性能和轮胎抗湿滑性的影响[J].世界橡胶工业,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.用硅烷偶联剂增强白炭黑性能[J].轮胎工业2000, 20:411-413.
[9] 王进文.高性能的白炭黑/硅烷补强体系[J].橡胶参考资料,2000,31(10):30-31.
[10] 于蕾,于宝林·炭黑对轮胎滚动阻力的影响[J].炭黑工业,2003,(5):16-20.
[11] 王作龄编译.白炭黑和炭黑及其与橡胶的配合[J].世界橡胶工业,2001,28(5):46-53.
