关键词:
天然橡胶
轮胎胶料
拉伸疲劳
定伸应力
疲劳破坏
相关性
摘要:
橡胶材料疲劳破坏是导致轮胎发生早期损坏的主要原因之一,探究轮胎胶料疲劳破坏与材料及其他性能的相关性,进而揭示轮胎胶料疲劳破坏的原因及演变机理,对提高轮胎的行驶安全性及使用寿命具有重要的意义。本文以规定型号载重轮胎胎面胶配方为基础,通过改变配方组成及混炼工艺等制备了不同胶料试样,对试样进行不同程度的拉伸疲劳,疲劳结束后对疲劳试样进行拉伸性能测试,得到拉伸强度、定伸应力、拉断伸长率和断裂能密度与疲劳次数的关系曲线,并结合动态力学性能分析仪(DMA)、橡胶加工分析仪(RPA)、炭黑分散度仪、扫描电子显微镜(SEM)等测试手段,分析了不同疲劳程度下胶料的力学性能及微观结构的变化,研究了轮胎胶料的疲劳破坏与生胶体系、炭黑用量、炭黑/白炭黑并用、炭黑偏析及拉伸性能的相关性,研究结果如下:生胶和炭黑作为用量最大的两种组分,对轮胎胶料的疲劳破坏有重要影响,本文首先通过改变胶料中炭黑的用量及胶料的硫化程度,考察了胶料的疲劳破坏与基体橡胶和炭黑的相关性。结果表明,炭黑分散不均产生的富集炭黑-橡胶附聚颗粒是硫化胶疲劳微破坏点的主要诱发原因,炭黑填充量越大,分散均匀性越差,疲劳初期产生的微破坏点越多,疲劳寿命越低;t硫化对胶料的耐疲劳破坏性能改善不大;不同炭黑用量及硫化程度硫化胶的300%定伸应力-疲劳次数关系曲线具有相似的变化规律,与胶料疲劳破坏发展历程具有较好的相关性。炭黑用量确定后,其分散性对轮胎胶料的疲劳破坏有重要影响,本文通过改变密炼机转子转速和开炼机下片薄通次数改变胶料中炭黑的分散度,考察了胶料的疲劳破坏与炭黑分散效果的相关性。结果表明,低转子转速及高薄通次数有利于提高炭黑的分散性,硫化胶的耐疲劳性能最佳;微破坏点在疲劳初期基本形成,富集炭黑-橡胶附聚颗粒的数量越多、尺寸越大,微破坏点的数量越多;疲劳破坏速度除了与微破坏程度有关外,还强烈依赖于胶料本身的定伸应力和强度,定伸应力越低、强度越高,胶料的耐疲劳破坏性能越好。通过合适的生胶并用可改善橡胶材料的耐疲劳破坏性能,本文在NR为单一生胶组分的配方中并用不同用量的BR,考察了胶料的疲劳破坏与生胶并用的相关性。结果表明,与未添加BR的胶料相比,添加BR对胶料的力学性能具有一定的影响,可以提高胶料的回弹性及耐磨性,但对其他力学性能的影响不大;并且并用BR会降低炭黑的分散效果,对橡胶加工性能不利;此外添加BR胶料的抗裂纹扩展能力增强,且随着BR并用量的增加其疲劳寿命明显提高。生胶并用体系中,炭黑在不同橡胶中会发生偏析,本文设计了三种混炼加料顺序控制炭黑在不同橡胶中的分散,考察了胶料的疲劳破坏与炭黑偏析的相关性。结果表明,改变橡胶基体与炭黑的的加料顺序,对胶料力学性能具有一定的影响;炭黑的偏析效果会影响胶料的疲劳寿命,常规混炼工艺炭黑分散均匀性最好,胶料的耐疲劳破坏性能最佳;SEM测试结果表明NR/CB+BR工艺有利于减少微破坏点的产生。此外,考虑到轮胎的绿色发展理念及炭黑和白炭黑对胶料性能存在各自优势特性,本文通过在单一炭黑补强体系中添加不同用量的白炭黑,考察了胶料的疲劳破坏与炭黑/白炭黑并用的相关性。结果表明:白炭黑的并用对硫化胶的力学性能影响较小;白炭黑并用量的增大有利于降低轮胎胶料的滚动阻力及生热,并且适量提高白炭黑的并用比可提高填料的分散效果,胶料疲劳初期的微观破坏点较少,从而提高胶料的疲劳寿命。综合分析发现,轮胎胶料的疲劳破坏与材料的定伸应力有良好的相关性,由定伸应力与疲劳次数的关系曲线可以揭示橡胶材料疲劳破坏的微观发展历程。