橡膠加工分析儀與動態熱力學分析儀測試膠料滯后損失的相關性研究

2017-07-22 13:55:50侯曉倩楊文真

輪胎工業 2017年11期

侯曉倩，蘇近，楊文真

（1.青島科技大學高分子科學與工程學院，山東青島 266042；賽輪金宇集團股份有限公司，山東青島 266500）

汽車工業的發展對輪胎工業提出了新的要求，特別是近20年，美國和歐洲關于行駛安全、節約燃料和環境保護的相關法規，規定了滾動阻力、抓著力、環境噪聲等輪胎指標限值。2016年4月，中國汽車綠色輪胎等級認證開始實施。輪胎滾動阻力與輪胎胎面膠的滯后損失有直接關系，低滯后損失的膠料有利于降低輪胎滾動阻力，從而降低油耗，實現節能環保。在此背景下，膠料滯后損失成為輪胎最重要的性能指標之一[1-4]。

膠料滯后生熱的來源主要為聚合物分子鏈粘性變形產生的滯后損失，以及填充劑與聚合物分子鏈之間的摩擦。本工作選取天然橡膠（NR）、乳聚丁苯橡膠（ESBR）和溶聚丁苯橡膠（SSBR）作為基體膠，通過橡膠加工分析儀（RPA）與動態熱力學分析儀（DMA）測試使用不同粒徑和結構度炭黑的膠料滯后損失，并對其相關性進行研究。

1 實驗

1.1 基體材料的選擇

NR，SCR20，非極性通用橡膠，具有優良的加工性能和物理性能，廣泛應用于橡膠工業中。

ESBR，牌號1502，其大分子結構中含有苯環，動態變形時滯后損失較大。

SSBR，牌號2557S，充油量為37.5份，其相對分子質量較大且分布較窄，分子鏈特性優越，具有較低的滯后損失，廣泛應用于低滾動阻力轎車輪胎胎面膠中。

1.2 試驗配方

NR膠料配方：NR 100，炭黑（變品種） 45，氧化鋅 5，硬脂酸 3，環保芳烴油 6，硫黃2.2，促進劑NZ 0.8。

ESBR膠料配方：除NR改為ESBR，促進劑NZ用量改為1份外，配方其他組分和用量同NR膠料配方。

SSBR膠料配方：SSBR 137.5，炭黑（變品種） 68.75，氧化鋅 5，硬脂酸 3，硫黃 1.75，促進劑NZ 1.5。

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機和XLB500-30型平板硫化機，青島科高橡塑機械裝備有限公司產品；XSM-1/10-120型1 L密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；RPA2000型RPA，美國阿爾法科技有限公司產品；VR-7130型DMA，日本島津公司產品。

1.4 試樣制備

膠料混煉分兩段。一段混煉在密煉機中進行，加入生膠、氧化鋅、硬脂酸和環保芳烴油混煉均勻。二段混煉在開煉機上進行，加入硫黃和促進劑混煉均勻，下片，停放時間不少于2 h。

1.5 RPA和DMA的測試程序和工作原理

RPA和DMA測試程序和工作原理分別如表1和2所示。

表1 RPA和DMA的測試程序

表2 RPA和DMA的工作原理

2 膠料滯后損失的表征方式

2.1 成品輪胎滾動阻力表征

利用室內輪胎滾動阻力試驗機或室外實車測試相關力值參數，通過計算得出滾動阻力系數，評價輪胎的滯后特性。目前常用的輪胎滾動阻力測試方法有測力法、減速度法、扭矩法和功率法。

采用制造成品輪胎方式評價膠料滯后特性的周期長，且耗費人力財力。因此，在配方試驗中評價半成品膠料的滯后損失對輪胎產品開發尤為重要。

2.2 半成品膠料滯后損失表征

（1）tanδ。橡膠在受到周期性正弦波變化的應力狀態下，會發生周期性的正弦波。由于橡膠具有粘性特征，因此橡膠的形變落后于應力形變。應力按照矢量規律分解為兩部分，一部分應力與應變同相位，橡膠表現出彈性特征，與能量的儲存有關；另一部分應力與應變相位差90°，橡膠表現出粘性特征，與能量的損耗相關。tanδ為粘性模量與彈性模量的比值，是評價膠料滯后損失的重要參數。

輪胎每滾動一次，形變一次，滾動變形頻率為10～100 Hz。通過WLF方程換算可知，一般與滾動阻力相當的滯后損失測試溫度為60 ℃左右。彈性模量相當時，粘性模量越大，tanδ值越大，能量的消耗也越大，滯后損失值也相應增大。

（2）回彈值。當用端點為球狀物體沖擊一塊加緊又可自由突起的平整試樣時，輸出能量與輸入能量之比（回彈值）一定程度上可間接表征膠料的滯后損失。