老化對輪胎及輪胎材料性能的影響

張又文，馬良清，李紅偉，金漢杰，肖凌云*，王 琰

（1.國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100143；2.國家質(zhì)檢總局缺陷產(chǎn)品管理中心，北京 100101）

輪胎作為機動車輛與路面接觸的唯一部件，在汽車安全性方面有著舉足輕重的作用。輪胎的老化是一種客觀存在、潛在危害巨大而又不易引起普遍重視的現(xiàn)象，每年發(fā)生的交通事故不計其數(shù)，其中不乏由于輪胎老化引起的。據(jù)統(tǒng)計，1998年5月至2000年6月的兩年間，由安裝在福特汽車上的兩款費爾斯通越野輪胎P235/75R15和P255/70R16引發(fā)的交通事故合計271起，其中死亡事故25起，喪生人員超過150人，引起了巨大的社會反響。隨后，費爾斯通前后兩次宣布召回事故輪胎，合計1 700多萬條，輪胎召回事件給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟和信譽損失。據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）對事故輪胎進行的分析，事故的起因是輪胎設(shè)計存在缺陷，在高速路上行駛時容易胎面脫層引起交通事故。從NHTSA現(xiàn)場報告得出，大約85%的人員受傷和大約90%的死亡發(fā)生在美國南方各州，其中68%的死亡事故發(fā)生在加利福尼亞州、亞利桑那州、德克薩斯州和佛羅里達州[1-2]，這些地方平均氣溫較高，更易引起輪胎老化。隨著民眾安全意識的逐步提高，國內(nèi)外輪胎、汽車企業(yè)和政府機構(gòu)對輪胎老化的研究也逐漸重視，輪胎耐老化性能作為一種新的評估指標也勢在必行。目前，關(guān)于輪胎整體老化的研究成果主要集中在國外，如NHTSA[3-6]、福特汽車公司[7-9]等，國內(nèi)涉及的較少。

輪胎老化是指隨著輪胎的使用因材料性能下降導(dǎo)致輪胎整體性能變差的現(xiàn)象。從微觀上看，化學反應(yīng)主要發(fā)生在橡膠分子及與其鍵接的化合物上，尤其在不同材料粘合層間、端點部位、應(yīng)力集中點。輪胎老化實際是熱-氧-機械老化綜合作用的結(jié)果。圖1簡單闡述了輪胎熱-氧-機械降解的循環(huán)作用。

圖1 輪胎熱-氧-機械降解的循環(huán)作用

影響輪胎降解的主要因素有：1）輪胎產(chǎn)生機械能時的形變（a.形變產(chǎn)生的循環(huán)屈撓致使龜裂紋產(chǎn)生與增長，b.形變會使輪胎部件生熱）；2）輪胎內(nèi)部化合物的氧化，而氧氣的首要來源是填充氣體從腔內(nèi)的擴散；3）形變能和從外環(huán)境吸收的熱會誘導(dǎo)產(chǎn)生化學自由基，其中，初始自由基來源包括高分子的氧化、高分子鍵間的反應(yīng)（例如C—C鍵的斷裂和重組）、與硫的反應(yīng)（例如硫鍵的重排和亞砜的生成）、部分添加劑的反應(yīng)；4）降解反應(yīng)直至氧氣的耗盡或者自由基被抗氧劑捕捉才會終止；5）輪胎材料性能的改變會影響輪胎的形變和耐屈撓性能[10]。

目前，通過實驗室加速輪胎老化試驗，將輪胎的潛在缺陷提前體現(xiàn)出來，提升輪胎安全性能，是研究輪胎老化的目的。輪胎實際使用中的老化是一種熱-氧-機械老化，可以通過提高實驗室溫度和氧氣濃度加速輪胎老化。研究表明，在65 ℃、氧體積分數(shù)0.5的條件下，老化的加速因子大約為36（即加速老化一周等效于實際使用36周）[5]。測定輪胎老化后的性能是研究成品輪胎耐老化性能的通用方法。本研究選定一定的輪胎加速老化條件，測試輪胎老化前后耐久性能和胎側(cè)膠材料性能的變化，對比各品牌輪胎在耐老化性能上的差異。

1 實驗

1.1 試驗樣品

選定產(chǎn)自中國的6條不同品牌的205/55R16規(guī)格輪胎作為本試驗的樣品輪胎，所選輪胎均從市場隨機購得。輪胎基本信息如表1所示。

表1 試驗輪胎基本信息

1.2 試驗流程

試驗流程簡圖如圖2所示。

圖2 試驗流程簡圖

1.3 主要設(shè)備和儀器

RL-T30A型內(nèi)循環(huán)老化房，上海融郎電子科技有限公司產(chǎn)品；MTS-860型高速耐久試驗機，美國MTS公司產(chǎn)品；5567EH/9976型電子萬能材料試驗機，美國INSTRON公司產(chǎn)品；T2000E型電子拉力機，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；PN3500系列氧含量測定儀（氮氧混合氣體，氧體積分數(shù)0.5，誤差±1%），深圳市鵬雷科技有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

（1）加速輪胎老化：將輪胎裝配在試驗輪輞上，用體積比為50/50的氮/氧混合氣充氣至240 kPa，置于65 ℃的老化房中進行加速老化試驗。每周更換輪胎腔內(nèi)的混合氣體，以保證氧氣濃度。

（2）測試試樣：拉伸試驗按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》制備Ⅱ型啞鈴狀試樣，在輪胎胎側(cè)周向上取樣；層間粘合強度測試按照GB/T 532—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠與織物粘合強度的測定》制備試樣，取樣部位為輪胎冠部的帶束層間。

1.5 測試分析

（1）將老化前后的輪胎在直徑為1.707 m的轉(zhuǎn)鼓上依次進行耐久試驗、低氣壓試驗和逐步增加負荷試驗（SUL）。耐久試驗和低氣壓試驗均按照FMVSS 139[6]標準的要求進行，SUL試驗充氣壓力為140 kPa，轉(zhuǎn)鼓運轉(zhuǎn)速度為120 km·h-1，每4 h增大10%最大負荷的負荷量，至輪胎失效為止。

（2）拉伸試驗和層間粘合強度測試均按照相應(yīng)國家標準進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 耐久性能

耐久性能評估是評測輪胎結(jié)構(gòu)整體性能的方法之一，能真實反映輪胎質(zhì)量優(yōu)劣。6個品牌新輪胎老化前和老化5周后的耐久試驗持續(xù)時間如表2所示。

從表2可以看出：老化前后的6個品牌輪胎均通過了FMVSS 139的耐久和低氣壓試驗（總歷時35.5 h，此時間段也是國家標準對轎車子午線輪胎的最低要求），但老化后輪胎的表現(xiàn)不容樂觀，如品牌E在SUL試驗中只持續(xù)了不足15 min；在耐久性試驗條件相同的前提下，各品牌老化后輪胎的持續(xù)時間普遍下降，且下降幅度差距較大；品牌C基本沒變，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐老化性能；品牌E下降幅度較大，耐老化性能最差。

表2 輪胎失效時間統(tǒng)計

2.2 拉伸性能

老化后輪胎胎側(cè)膠拉伸性能如表3所示。

從表3可以看出：6個品牌的輪胎在老化后均出現(xiàn)定伸應(yīng)力增大，拉伸強度、拉斷伸長率減小的變化趨勢，這與一般高分子材料的熱氧老化變化一致。在300%定伸應(yīng)力表征中，老化前的輪胎胎側(cè)膠均能到達要求的300%定伸應(yīng)力值；老化3周后品牌A的胎側(cè)膠失去了300%定伸應(yīng)力值；老化5周后，品牌A、D和E的胎側(cè)膠均失去了300%定伸應(yīng)力值。

表3 老化后輪胎胎側(cè)膠拉伸性能

2.3 層間粘合強度

老化時間對6個品牌輪胎帶束層層間粘合強度的影響如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著老化時間的延長，層間粘合強度減小；6個品牌新輪胎的層間粘合強度差異較大；大部分輪胎層間粘合強度的減小在老化3周前較為明顯，3周后較為平緩；雖然6個品牌輪胎帶束層的層間粘合強度差距較大，但是減小趨勢和幅度近似，且在老化5周后，層間粘合強度均處在初始值的50%～60%水平。

圖3 老化時間對層間粘合強度的影響

層間粘合強度對輪胎的安全性有著極大的影響，費爾斯通輪胎引起交通事故的直接原因就是輪胎胎面脫層。因此，輪胎老化后層間粘合強度的顯著下降應(yīng)引起足夠的重視。

3 結(jié)論

（1）在相同的老化條件下，不同輪胎品牌的耐老化性能差異明顯，在試驗的6個品牌中，品牌C最優(yōu)，品牌E最劣。部分品牌輪胎老化后有不能通過國家標準檢驗的趨勢。

（2）輪胎老化后，胎側(cè)膠的物理性能變差，定伸應(yīng)力增大，拉斷伸長率減小。隨著輪胎老化時間延長，變化趨勢越明顯。

（3）隨著輪胎整體老化時間延長，輪胎帶束層層間粘合強度減小，前3周減小明顯，老化5周后，層間粘合強度下降至初始值的50%～60%水平。