超高頻段輪胎橡膠電性能研究

宋廷強，張 偉，馬連湘

（1.青島科技大學 信息科學技術學院，山東 青島 266061；2.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

射頻標識（RFID）輪胎通常是把超高頻（UHF）RFID模塊和天線組成的電子標簽在硫化時植入輪胎內(nèi)部，用以記錄輪胎的標識信息[1]，植入RFID模塊的讀取距離受芯片所處介質(zhì)環(huán)境的影響[2]。

在UHF頻段，RFID天線與輪胎橡膠直接接觸。由于炭黑等組分的影響，輪胎不同橡膠部件所具有的導電與介電性能不同，而由橡膠、炭黑及其他原材料組成的復合材料的導電與介電性能會對植入其中的RFID天線產(chǎn)生影響，損耗射頻傳輸能量，改變射頻芯片與天線的匹配關系，縮短RFID電子標簽的讀取距離。為了實現(xiàn)植入橡膠復合材料中的RFID天線與芯片的阻抗匹配，需要獲得工作頻段下橡膠復合材料的導電性能與介電參數(shù)，用以設計及仿真RFID天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]。

UHF RFID的頻帶為860～960 MHz，不同的國家會稍有差異[4]，而在一些輪胎TPMS應用中，所用頻率會高達2.4 GHz[5]。炭黑是一種半導體，本征電阻率為0.01～0.1 Ω cm，它不僅資源豐富、導電性能持久穩(wěn)定，而且可以大幅調(diào)整材料的導電性能（1～1 106Ω cm），并能保持聚合物的特點[6]。由于橡膠復合材料的介電參數(shù)測量十分復雜，因此研究UHF頻段下炭黑用量與橡膠復合材料介電特性的關系顯得十分重要。

在高頻（一般小于10 MHz）范圍對橡膠復合材料的導電與介電性能的研究已有許多報道[7-11]，但目前少有文獻涉及UHF頻段。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，UHF RFID橡膠復合材料植入的應用會越來越廣泛[12]。本工作借助射頻阻抗分析儀，測試不同硫化膠的導電與介電參數(shù)，主要研究炭黑的種類和用量對橡膠復合材料介電參數(shù)的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號SMR10#，馬來西亞產(chǎn)品；炭黑N330和N660，上海卡博特化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

NR 100，硬脂酸 1.5，防老劑RD 2.5，增塑劑 3，防焦劑 0.08，硫黃 1.98，促進劑CZ 1.3，炭黑 變品種、變量，氧化鋅 變量。

1.3 試樣制備

將NR塑煉2 min，加入氧化鋅、硬脂酸、增塑劑和防焦劑，吃料后兩邊各三刀，打兩次三角包；緩慢加入炭黑，吃料后再兩邊各三刀，打兩次三角包；加入防老劑RD、促進劑CZ，兩邊各三刀，打兩次三角包；最后加硫黃，兩邊各三刀，打兩次三角包后薄通下片。

膠料采用硫化特性測定儀測試硫化曲線，采用XLB型平板硫化機進行硫化，硫化條件為160℃ 15 min。制得直徑為20 mm、厚度為2 mm的試樣。

1.4 性能測試

硫化膠的導電性能根據(jù)GB/T 1692—2008《硫化橡膠 絕緣電阻率的測定》，利用PC68型數(shù)字高阻計進行測定；介電參數(shù)采用安捷倫E4991A型射頻阻抗/材料分析儀進行測試，在頻率為3 GHz內(nèi)穩(wěn)定測量硫化膠的交流阻抗和阻抗角。

2 結(jié)果與討論

2.1 導電性能

2.1.1 炭黑種類和用量的影響

在氧化鋅用量為3份的情況下，橡膠復合材料的體積電阻率（ρv）和表面電阻率（ρs）與炭黑用量的關系曲線分別如圖1和2所示。

圖1 體積電阻率與炭黑用量的關系曲線

圖2 表面電阻率與炭黑用量的關系曲線

由圖1和2可以看出，在炭黑用量相同的情況下，炭黑N330與N660橡膠復合材料的體積電阻率和表面電阻率均接近，差別甚微，但炭黑用量對橡膠復合材料導電性能的影響明顯。當炭黑用量小于20份時，由于炭黑粒子較少，橡膠復合材料的體積電阻率及表面電阻率均較大。當炭黑用量增大到40份時，炭黑網(wǎng)絡形成趨于穩(wěn)定，導電性增強的趨勢減弱，因此電阻率的下降趨于平緩。

2.1.2 氧化鋅用量的影響

橡膠復合材料中的小料起促進硫化等作用。由于小料用量較小，通常認為其對橡膠復合材料的導電性能影響很小。但氧化鋅是橡膠硫化體系中重要的活性劑，可使促進劑活性增強，減小促進劑用量，縮短硫化時間。本工作在炭黑N330為15份、N660為35份的情況下，研究了氧化鋅用量對橡膠復合材料體積電阻率和表面電阻率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電阻率與氧化鋅用量的關系曲線

由圖3可以看出：當氧化鋅用量為零時，膠料硫化不充分，其體積電阻率和表面電阻率均很大；氧化鋅用量為2～8份時，其體積電阻率和表面電阻率均變化不大，說明氧化鋅作為活性劑，其用量對橡膠復合材料的電阻率影響不大。

2.2 介電性能

2.2.1 炭黑種類和用量的影響

在氧化鋅用量為3份的情況下，橡膠復合材料在不同炭黑N330用量下的介電常數(shù)（ε）和損耗因子（tanδ）隨頻率的變化曲線分別如圖4和5所示。

圖4 不同炭黑N330用量下ε與頻率的關系曲線

圖5 不同炭黑N330用量下tanδ與頻率的關系曲線

由圖4和5可以看出，隨著炭黑N330用量增大，ε和tanδ有增大的趨勢。在同一炭黑用量下，隨著頻率的增大，ε和tanδ逐漸減小。

隨著頻率的增大，ε呈下降趨勢，表明橡膠復合材料在外電場作用下極化程度隨著頻率的增大而降低，特別是在超高頻段下，該現(xiàn)象更明顯。tanδ同樣隨著頻率的升高呈下降趨勢。

橡膠復合材料在不同炭黑N660用量下的ε和tanδ隨頻率的變化曲線分別如圖6和7所示。

圖6 不同炭黑N660用量下ε與頻率的關系曲線

圖7 不同炭黑N660用量下tanδ與頻率的關系曲線

分別對比圖4與6及圖5與7可以發(fā)現(xiàn)，炭黑N660橡膠復合材料的ε和tanδ與炭黑N330橡膠復合材料具有相同的變化趨勢。由于炭黑N330和N660具有不同的粒徑和比表面積，在相同炭黑用量和相同頻率下，炭黑N660橡膠復合材料具有較低的ε和tanδ。

2.2.2 氧化鋅用量的影響

在炭黑N330用量為20份的情況下，氧化鋅用量對橡膠復合材料的ε和tanδ隨頻率變化的影響分別如圖8和9所示。

圖8 不同氧化鋅用量下ε與頻率的關系曲線

圖9 不同氧化鋅用量下tanδ與頻率的關系曲線

由圖8和9可以看出，當氧化鋅用量變化時，橡膠復合材料的ε和tanδ的差別不大，且當氧化鋅用量為2和8份時，膠料的ε和tanδ分別近似相等，而氧化鋅用量為4和6份時，膠料的ε和tanδ也分別近似相等，且微小于氧化鋅用量為2和8份時的數(shù)值。氧化鋅為活性劑，用量很低，起促進硫化的作用，在一定頻率下，由于氧化鋅用量不同，使橡膠的硫化程度不同，導致橡膠復合材料的ε和tanδ有一定的差別，但差別微小。

2.3 溫度的影響

本工作還研究了溫度對橡膠復合材料介電性能的影響。炭黑N330用量為60份，氧化鋅用量為3份，其他組分和用量不變。當改變溫度和頻率時，得到溫度和頻率對橡膠復合材料tanδ的影響，如圖10所示。

圖10 不同溫度下tanδ與頻率的關系曲線

由圖10可以看出，溫度對tanδ影響不大，但在相同溫度下，tanδ隨著頻率的增大呈下降趨勢。當頻率低于1.5 GHz時，tanδ受溫度影響較大，但在2 GHz以上頻段受影響較小，橡膠復合材料的tanδ值變得很小，在0.4以下。

3 結(jié)論

（1）炭黑種類和用量對橡膠復合介電性能的影響明顯，隨著炭黑用量的增大，橡膠復合材料的ε和tanδ有增大的趨勢。當炭黑用量不變時，隨著頻率的增大，橡膠復合材料的ε和tanδ逐漸減小。由此可以建立輪胎橡膠的ε和tanδ與頻率的對應關系，從而為UHF RFID天線設計提供基礎數(shù)據(jù)，并可以為輪胎RFID植入提供指導。

（2）炭黑種類對橡膠復合材料導電性能的影響不明顯，但其用量對導電性能的影響明顯。

（3）氧化鋅用量對橡膠復合材料的導電性能和介電性能影響不大，ε和tanδ隨著頻率的增大呈遞減趨勢。

（4）橡膠復合材料的介電性能也受溫度的影響。當頻率低于1.5 GHz時，tanδ受溫度影響較大，但頻率超過2 GHz時，溫度對tanδ的影響較小。