馬連湘,郭劍鋒,何 燕(青島科技大學機電工程學院,山東青島 266061)
作者簡介:馬連湘(1962-),男,河北南宮人,博士生導師,主要從事強化傳熱、輪胎熱學及高等學校教育方面的研究。
目前,輪胎的發展方向要求輪胎不僅要具有強濕抓著性而且具有較低滾動阻力。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行為體現,膠料在低頻(10Hz)、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]。文獻[2,3]利用動態力學分析技術實驗研究了輪胎各個部位膠料的生熱率,為輪胎溫度場的研究提供已知參數的生熱率。華南理工大學寧凱軍[4]等將Si69應用于炭黑增強NR/BR/NBR共混物體系,研究是否可以降低硫化膠的滾動阻力,以RPA法測定硫化膠在1.7Hz和65℃下tanδ,相對比較Si69用量對硫化膠滾動阻力的影響,其中Si69為4份時tanδ最小,相應滾動阻力最小。
本文利用動態力學分析技術(DMA),對偶聯劑Si69、白炭黑的不同填充量的硫化膠料進行研究,一方面得出tanδ值隨溫度和Si69、白炭黑用量變化的關系,另一方面研究偶聯劑Si69、白炭黑用量的改變對橡膠滾動阻力和濕抓著性的影響。
1 實驗部分
1.1 原材料
SMR20,進口; Si69,武進; CTP,陽谷; NS,淄博;充油硫黃,上海;硬脂酸,進口;納米氧化鋅,宜興;白炭黑,無錫;其他一些輔助材料和添加劑為常用工業品。
1.2 配方
膠料配方(質量份):
(1)天然橡膠100;活性劑4.5;偶聯劑1.5;防老劑2.5;增塑劑3.0;硫化體系1.98;促進劑1.3;防焦劑0.08;白炭黑變量。
(2)將白炭黑改為白炭黑/Si69變量;其他同配方(1)。
1.3 實驗條件
氣氛:氮氣,溫度范圍:-45℃~100℃,實驗頻率為10Hz,應變振幅為120μm,加熱速率為3℃/min,載荷為2N。
1.4 實驗設備和原理
本實驗所使用的是德國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,動態模量和損耗因子可由公式定義[5],其中δ表征應力和應變之間的夾角,tanδ表征損耗因子。
1.5 試樣制備
常溫下按照傳統工藝條件進行密煉、開煉,放置一段時間后將膠料放入平板硫化機硫化成2mm厚的薄片。硫化時間根據t90設置,硫化溫度為160℃。將硫化好的試片進行沖切制作出需要的啞鈴形試樣,試樣尺寸:10mm×4mm×2mm。
2 結果與討論
2.1 白炭黑、Si69用量對橡膠動態力學性能的影響
從圖1可以看出在白炭黑填充量為15份時,膠料具有低的滾動阻力和高的濕抓著性能。滾動阻力在15份時最小,但整體上滾動阻力較大。
從圖2(d)可以看出:當白炭黑/Si69為20/4時,出現了較大的濕抓著性能和較小的滾動阻力。比較圖1(d)和圖2(d)可以看出:經過Si69改性的白炭黑使得滾動阻力整體上變化平緩且處于相對較小范圍內,明顯比單獨使用白炭黑的滾動阻力小。
2.2 討論
白炭黑是極性填料,與橡膠分子鏈的結合程度低,白炭黑之間相互作用強,容易聚集形成填料網絡。隨著變形振幅的增大,填料網絡的破壞和再生成,使膠料滯后加大,使得tanδ較大。所以從整體趨勢來看滾動阻力比較大,能耗較大。只有在白炭黑15份時,滾動阻力相對較小且濕抓著性能較高。
填料網絡解體和重組過程中的能量消耗對膠料的滯后作用十分有利[6,7]。用硅烷偶聯劑Si69增強白炭黑性能[8],它含有能在硫化過程中與橡膠連接的官能團,使硅烷分子一端的白炭黑與另一端的聚合物產生化學“偶聯”,最終產生較多的填料/聚合物鍵。對白炭黑表面進行改性,也改善填充劑的浸潤性和分散性,分散性的提高可增大白炭黑與橡膠間的實際接觸面積,并減弱其吸附硫化體系配合劑的趨勢。同時降低膠料粘度,也可降低相鄰白炭黑顆粒的親和力,幾乎完全可以消除白炭黑/白炭黑網絡的形成趨勢[9,10]。實驗中改性白炭黑的滾動阻力平均偏小,當白炭黑/Si69為20/4時能夠在不影響輪胎濕滑性的條件下改善輪胎節油性能,在動態力學相應方面的優勢是白炭黑和硅烷偶聯劑的作用所在,這與國內其他相關研究有共性。Si69用量為4份時,改善了全鋼基部膠體系中白炭黑的分布。測試方法是DMA法,測量范圍寬且更準確,測試條件是10Hz,符合輪胎運轉的實際工況,并以0℃和60℃分別表征輪胎的濕抓著性能和滾動阻力,所研究膠料是針對輪胎的全鋼基部膠,對實際輪胎生產有重要的指導意義。硅烷偶聯劑改性白炭黑在“綠色輪胎”膠料中的應用證明了其獨特的動態性能[11]。
3 結論
(1)在白炭黑為15份時,膠料具有高濕抓著性能和低滾動阻力。
(2)當白炭黑/Si69為20/4份時,膠料具有較大的濕抓著性能和較小的滾動阻力。加入改性白炭黑的全鋼基部膠的滾動阻力明顯小于只加入未改性白炭黑的全鋼基部膠滾動阻力。
致謝:
在研究工作進行的過程中,筆者得到了青島科技大學橡塑材料與工程教育部重點實驗室辛振祥教授和鄧濤副教授的幫助,表示衷心的感謝!
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,1990,37(6):196-198.
[2] 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,2004, 51(1):53-55.
[3] 何燕,崔琦,馬連湘.SBR/BR共混物的動態特性研究[J]世界橡膠工業,2006, 33(8):15-17.
[4] 寧凱軍,賈德民,等.Si69對炭黑增強NR/BR/NBR共混物性能的影響[J].合成橡膠工業,2001,24(4): 222-224.
[5] 張方良,王偉,馬連湘,等.炭黑N351填充硫化膠動態性能及生熱率的實驗研究[J].彈性體,2006, 16(2):28-30.
[6] 張安強,姚鐘堯·炭黑和操作油對粘彈性能和輪胎抗濕滑性的影響[J].世界橡膠工業,2003,30(1):23-28.
[7] H Takino,H Takahashi·Effect of carbon black and proces-sion oil on viscose elastic properties and tire resistance[J]Tire Science & Technology, 1998,26(24):241-257.
[8] John T B.用硅烷偶聯劑增強白炭黑性能[J].輪胎工業2000, 20:411-413.
[9] 王進文.高性能的白炭黑/硅烷補強體系[J].橡膠參考資料,2000,31(10):30-31.
[10] 于蕾,于寶林·炭黑對輪胎滾動阻力的影響[J].炭黑工業,2003,(5):16-20.
[11] 王作齡編譯.白炭黑和炭黑及其與橡膠的配合[J].世界橡膠工業,2001,28(5):46-53.
