张方良1,王 伟1,马连湘1,张 萍2(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;2.青岛科技大学高分子科学与工程学院,山东青岛266061)
作者简介:张方良(1980-),男,山东成武人,研究生,主要从事轮胎温度场、胶料动态性能及热能方面的研究工作。
汽车工业的发展对轮胎工业提出了新的要求,特别是近20年以来美国和欧洲关于行驶安全、节约燃料和环境保护的相关法规的制订,成为轮胎工业进一步研究和发展的决定因素。在这种背景下,低的滚动阻力和高的湿抓着性成为轮胎最重要的性能指标之一。长期以来人们认为,湿抓着性和滚动阻力是一对矛盾,湿抓着性好则滚动阻力大,反之亦然;但是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的体现,胎面胶在低频(1～100Hz)、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[1～3],这样从理论上讲可以使二者得到统一并可加以改进。笔者在文献[4]的基础上,借助于动态力学分析技术,研究了炭黑N351填充量不同硫化胶料的动态性能及生热率,一方面研究炭黑含量对橡胶滚动阻力和湿抓着性的影响,另一方面力图寻找炭黑用量与胶料生热率的关系。
1 实验部分
1.1 设备和塬理
本工作所使用的是德国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下式定义:
式中,E为储能模量或弹性模量,是复合模量E 的实数部分;E为损耗模量,是复合模量E 的虚数部分,它表示当材料形变时转变成热的能量损耗;δ为应力和应变之间的相角;tanδ被称之为阻尼因子或损耗正切;W为一个周期内应变滞后应力所做的功;f为实验频率;V为试件的体积;q为生热率,即单位时间单位体积的生热量。根据上述塬理一方面可以分析动态力学性能,另一方面可以计算得出胶料的生热率。
1.2 塬料和试件
生胶均为齐鲁石化产品;炭黑为新工艺高耐磨炭黑N351,N351是一种粒径较粗、结构较高的品种;其它一些轮胎橡胶工业常用的辅助材料和添加剂。
试样在双辊开炼机上混炼,各种塬料的添加过程如下:BR/SBR—增塑剂和软化剂—混炼—炭黑和芳烃油—混炼—硫磺和促进剂—薄通(打叁角包)—下片(2cm厚的薄片)。硫化条件为160℃×15min,硫化成2mm厚的薄片,并制作出需要的哑铃形试件,实验段为10mm×4mm×2mm。
1.3 实验条件和胶料配方
实验在德国NETZSCH公司生产的DMA242仪器上进行,实验条件为:加热速率3K/min,加热频率10Hz,载荷2N,振幅120μm,液氮气氛,温度范围为-100～100℃。实验配方如表1所示。
2 结果与讨论
2.1 胶料的动态粘弹谱
分析研究了8种配方的胶料,图1为1#胶料配方的DMA图谱。图1中只有一个峰值,即一个玻璃化温度,在本填充体系下,SBR和BR在本共混体系中的相容性比较好,根据动态性能的表征关系,选取0℃和60℃左右的损耗因子做进一步的分析研究。
2.2 滚动阻力和湿抓着性
轮胎的抗湿滑性是汽车行驶最重要的安全性能,降低滚动阻力是降低损耗的重要途径。在通常情况下,频率为10Hz时,60℃左右的tanδ值可表征胎面胶的滚动阻力,0℃左右下的tanδ值可表征胎面胶的湿抓着性。图2、图3所示分别为0℃和60℃左右的图谱。从图2、图3中可以看出滚动阻力随着炭黑含量的增加而增加,湿抓着性能随炭黑含量的增加而减小,反映出湿抓着性和滚动阻力的矛盾性,湿抓着性好则滚动阻力大,能耗就大。为更清楚的说明炭黑用量与滚动阻力、湿抓着性的关系,选取0℃处和60℃处tanδ分别作图,如图4所示。
2.3 生热率
在滚动轮胎温度场的研究中,生热率作为已知参数[4,5],由实验塬理,测得损耗模量E和ε0,即可计算出生热率,生热率随温度变化的关系见图5。从图5看出,除2#胶料配方出现不规律的变化外,生热率随着温度的升高而降低,随着炭黑用量的增加而升高;炭黑用量的增加,炭黑分子与胶料分子之间的内摩擦增加,引起生热率增加。
3 结论
通过研究炭黑用量不同的8种配方胶料的动态力学性能,得出以下结论:
(1)在本填充体系条件下,SBR和BR共混胶的DMA图谱中只有一个峰值,二者是相容的。
(2)滚动阻力随着炭黑用量的增加而增加,湿抓着性随着炭黑用量的增加而降低。
(3)生热率随温度的升高而降低,随炭黑用量的增加而增加。
(4)生热率为温度场的研究提供必要的参数,本实验结果可以为配方人员在选择炭黑用量时提供参考,为轮胎热力学的进一步研究提供依据。
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] 张安强,姚鐘尧.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.
[3] HTakino,HTakahashi.Effectofcarbonblackandprocessionoilonviscoelasticpropertiesandtireresistance[J].TireScience&Technology,1998,26(24):241～257.
[4] 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,2004,151(1):53～55.
[5] 马连湘,张方良,崔琪,等.NR/SBR/BR共混胎面胶料动态力学性能及生热热学研究[J].弹性体,2005,15(5):44～46.
