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橡胶的耐切割和抗崩花性能表征
  浏览次数:3156  发布时间:2018年11月09日 15:50:21
[导读] 在越野或恶劣的道路条件下,轮胎接触砂砾、岩石和凹凸不平的路面,胎面橡胶的切割和崩花(CC)是一个很重要的问题。一些切割和崩花损伤轮胎胎面的例子如图1所示。
在越野或恶劣的道路条件下,轮胎接触砂砾、岩石和凹凸不平的路面,胎面橡胶的切割和崩花(CC)是一个很重要的问题。一些切割和崩花损伤轮胎胎面的例子如图1所示。由于从橡胶化合物的实验室测试中预测轮胎胎面的耐切割和耐崩花性能通常是很困难的,因此常常有必要借助涉及轮胎反复设计的昂贵开发程序和新胎面候选化合物的现场测试。
 
图1、对胎面胶不同程度的崩花和切割损伤的示例:全钢/重型载重汽车轮胎(a)和(b);工程车辆轮胎(c);泥泞地形轻型卡车轮胎(d)
 
CC现象是复杂的,然而传统的CC测试方法只是在橡胶实验室使用仅仅测量样品重量损失的既简单而又无仪表显示的装置。本文介绍了一种新的实验室仪器,用于表征CC行为,它具有多个可以独立控制的测试状态。在橡胶试样测试过程中,测量了多种力和位移的数据通道。讨论了轮胎胎面应用中典型橡胶类化合物的测试原理和典型结果。特别是,该方法可以通过对胎面化合物的实验室测试来预测轮胎实际CC排名。
 
实验细节
 
本研究中使用的聚合物为天然橡胶(NR:马来西亚恒粘胶SMR CV60标准胶)和高顺丁二烯橡胶(BR:来自阿朗新科的BUNA CB24钕系稀土顺丁橡胶)。补强填料为N339级炭黑(CB)。所有其他成分均是橡胶级化学品。橡胶配方在表1中给出。
 
表1、橡胶配方
 
在两个混合阶段制备了橡胶化合物。第一混合阶段,除了CBS促进剂和硫外,其它所有成份在密炼机(来自台湾颉懋公司的SYD-2L密炼机)以50 rpm转速和腔壁温度80℃混合了5分钟;第二个混合阶段,在60℃温度下,将CBS和硫添加到双辊开炼机处理。
 
表2、仪表化的切割和崩花分析仪(ICCA)的参数列表
 
硫化性能是用无转子流变仪(德国蒙泰克MDR 3000 Basic流变仪)根据ASTM 6204在160℃下测定。外径为55毫米,厚度为13毫米的橡胶试样(见图2所示的几何图形)在热压机(荷兰方泰纳压力机公司的LaBEcon 300)上硫化,在160℃下根据每1毫米厚度硫化时间 t90+1分钟(试样厚度为13毫米共计13分钟)。
 
图2、仪表化的崩花和切割分析仪(ICCA)的照片显示撞击装置和样品的展开图(左)和55毫米外径和13毫米厚度的橡胶样品几何图(右)
 
实验室切割和崩花测试是在橡胶样本上使用一个仪表化的切割和崩花分析仪 (ICCATM)进行检测(图2),该分析仪由德国科埃斯费尔德公司制造,并由美国Endurica公司在美洲分销。ICCA设备和测试方法将在下一节作进一步描述。对于不同的周期数,样品测试的转速为150rpm,正向力为125N,冲击频率为5 Hz,滑动时间为30毫秒。
 
图3、ICCA测量原理示意图,包括:气动装置(1),两轴负载单元(2),固定架加撞击器(3)和圆形橡胶试样(4)
 
结果与讨论
 
仪表化的切割和崩花分析仪的测量原理包括以选定转速旋转圆形橡胶试样,并在给定频率下用不锈钢撞击器撞击试样。使用气动气缸产生冲击力,其对橡胶表面的撞击正向力、频率和接触(滑动)时间都可以单独控制。图3显示了撞击装置的示意图,图4描述了撞击器几何外形,并给出了每个撞击事件生成的数据示例,如图5所示。表2概述了输入和输出的参数类型以及它们的范围,强调了测试设备的高度仪表化和灵活特性。
 
图4、不锈钢撞击器具的几何形状。撞击器的宽度是6.35毫米,撞击13毫米厚的橡胶样品的中间
 
从多通道数据采集中评价的一个关键特征因子是切割和崩花倾向P。参数P是通过将摩擦力的波动与受损表面的粗糙度、多个撞击周期相结合来确定的。胎面化合物的P值被证明是一个很好的预测实际轮胎切割和崩花现场测试结果,这些实际轮胎包括各种农用轮胎、卡车和公共汽车载重子午线轮胎(TBR)和轻型卡车轮胎。由于与主要轮胎制造商的保密考虑,细节无法分享。
 
图5、显示ICCA测量的一个撞击加载周期收集的多通道数据的通用图
 
将切割和崩花行为作为撞击周期数的函数对NR/BR 50CB和NR/BR 65CB两种混合化合物(见表1中的配方)进行比较。结果如图6与图7所示。P对n数据的斜率显示了两种材料非常不同的值。较大的斜率与较低的CC抗性有关。橡胶试样表面的检测和P的平面响应随着NR/BR 65CB化合物的循环周期次数增加,两者都表明,这种材料没有明显的橡胶剥落,它采用高量的炭黑来实现增强,而较低炭黑的NR/BR 50CB化合物则显示出明显的CC损伤。
 
图6、使用文中描述的加载条件,以指定的撞击周期数测试后,NR/BR 65CB和NR/BR 50CB化合物的磨损表面的拓扑结构
 
橡胶表面切割样式的发展,以及随之而来的材料的剥落,显示出不同的特性,取决于正常负载 (此处未显示)、撞击周期数、特别是橡胶配方(图6)。随着P值的变化,这种周期冲击所致的可视化损伤响应不同表明,ICCA可以有效地区分不同橡胶化合物的CC行为。
 
结论
 
仪表化的切割和崩花分析仪是橡胶实验室的一种新的测试装置,用于控制和记录周期冲击过程中的多个应用载荷和位移,以模拟和量化轮胎胎面化合物在粗糙路面所经历的切割和崩花损伤。橡胶试样的表面粗糙度特征是由重复撞击过程产生的,在摩擦力产生的波动中,利用P参数进行量化,从而允许在实验室中对橡胶化合物的CC趋势进行评价,用于预测轮胎踏面在服役中的CC行为。
 
图7、使用文中描述的条件,NR/BR 65CB和 NR/BR 50CB化合物撞击周期数对P的影响
 
橡胶的磨损包括机械断裂和热氧化效应(老化/降解)。考虑到后者,在ICCA测试过程中,橡胶的冲击引起的局部温度的增加是有意义的,并用高速、热成像相机进行了研究。这些初步结果在2017年10月召开的美国化学学会橡胶分会第192次会议上作了介绍。
 
除了周期冲击外,ICCA还可作为摩擦磨损测量装置,在完全接触模式下使用。这是用这一灵活的仪器正在进行的又一个研究领域。(文章来源于网络)