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(tài)性能及熱能方面的研究工作。
汽車工業(yè)的發(fā)展對輪胎工業(yè)提出了新的要求,特別是近20年以來美國和歐洲關(guān)于行駛安全、節(jié)約燃料和環(huán)境保護的相關(guān)法規(guī)的制訂,成為輪胎工業(yè)進一步研究和發(fā)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(tài)行為的體現(xiàn),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(tǒng)一并可加以改進。筆者在文獻[4]的基礎(chǔ)上,借助于動態(tài)力學分析技術(shù),研究了炭黑N351填充量不同硫化膠料的動態(tài)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(guān)系。
1 實驗部分
1.1 設(shè)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(tài)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(shù)部分;E?為損耗模量,是復合模量E 的虛數(shù)部分,它表示當材料形變時轉(zhuǎn)變成熱的能量損耗;δ為應(yīng)力和應(yīng)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(nèi)應(yīng)變滯后應(yīng)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(jù)上述塬理一方面可以分析動態(tài)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(chǎn)品;炭黑為新工藝高耐磨炭黑N351,N351是一種粒徑較粗、結(jié)構(gòu)較高的品種;其它一些輪胎橡膠工業(yè)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(chǎn)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(jié)果與討論
2.1 膠料的動態(tài)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(jù)動態(tài)性能的表征關(guān)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?jié)窕允瞧囆旭傋钪匾陌踩阅?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(guān)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(shù)[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(guān)系見圖5。從圖5看出,除2#膠料配方出現(xiàn)不規(guī)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(nèi)摩擦增加,引起生熱率增加。
3 結(jié)論
通過研究炭黑用量不同的8種配方膠料的動態(tài)力學性能,得出以下結(jié)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(shù),本實驗結(jié)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(jù)。
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(yè),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?jié)窕缘挠绊慬J].世界橡膠工業(yè),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(yè),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(tài)力學性能及生熱熱學研究[J].彈性體,2005,15(5):44～46.
