用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用性能

1、1,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,隨著科技的發(fā)展，輪胎制造業(yè)不斷提高輪胎的安全性、降低滾動(dòng)阻力、改善操縱性和乘坐舒適性、延長(zhǎng)使用壽命。安全性要求輪胎具有更好的濕滑/牽引性、耐久性和使用壽命(提高胎面耐磨性)。 為滿足技術(shù)要求，橡膠生產(chǎn)商開發(fā)出特種聚合物。例如：為降低輪胎滾動(dòng)阻力和提高耐磨性開發(fā)出溶聚丁苯橡膠(S-SBR)和化學(xué)改性溶聚丁苯橡膠等。,2,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,橡膠助劑生產(chǎn)商不斷努力開發(fā)新的硫化體系

2、。消除促進(jìn)劑中的亞硝胺，有利于環(huán)保。使用新型抗氧劑和抗臭氧劑，改善輪胎老化性能。炭黑和其它填充劑生產(chǎn)商者也努力開發(fā)出性能得到改善的補(bǔ)強(qiáng)材料。以提高耐磨性并降低滾動(dòng)阻力。 上述進(jìn)展離不開輪胎試驗(yàn)，商業(yè)化生產(chǎn)前的最終優(yōu)化評(píng)價(jià)仍需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際評(píng)價(jià)。輪胎現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)很昂貴且評(píng)價(jià)周期長(zhǎng)。用動(dòng)態(tài)粘彈性能可預(yù)測(cè)輪胎的耐磨性、操縱性、乘坐舒適性、滾動(dòng)阻力、干/濕牽引性、冰牽引性、生熱及耐久性等使用性能。動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)可減少為獲得最佳性能而進(jìn)行現(xiàn)

3、場(chǎng)實(shí)際評(píng)價(jià)的時(shí)間和資金。,3,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,基本理論原理： 硫化橡膠等彈性體有兩個(gè)突出的特性：彈性和粘性。 彈性理論研究的是應(yīng)力與應(yīng)變成正比而與應(yīng)變率無關(guān)的理想彈性體的機(jī)械性能。  虎克定律： 應(yīng)力=虎克定律彈性系數(shù)× 應(yīng)變 在應(yīng)力的作用下，彈性體產(chǎn)生形變儲(chǔ)存能量。去除應(yīng)力，彈性體恢復(fù)原狀釋放能量。 彈性有利于輪胎承受

4、周期性形變后保持形狀，儲(chǔ)存和釋放周期性形變中輸入的能量，降低滾動(dòng)阻力，進(jìn)而提高燃油經(jīng)濟(jì)效率，降低生熱、改善屈撓龜裂性等。,4,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,基本理論原理（續(xù)）： 粘性理論研究的是應(yīng)力與應(yīng)變率成正比而與應(yīng)變無關(guān)的理想粘性流體。  牛頓定律： 應(yīng)力=粘度或粘性常數(shù)× 應(yīng)變率 在應(yīng)力的作用下，粘性體產(chǎn)生形變，去除應(yīng)力，形變的粘性體不能恢復(fù)原狀，輸入的能量

5、化為熱能或摩擦能消散。 粘性有利于輪胎消除噪音和震動(dòng)。提供轉(zhuǎn)彎時(shí)防滑以及制動(dòng)時(shí)將動(dòng)能傳給制動(dòng)閘所要求的摩擦力等。 橡膠在受力變形時(shí)既有彈性響應(yīng)也有粘性行為，屬于粘彈體。 不同組合的四元件模型,5,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,粘彈性能的重要參數(shù)： 動(dòng)態(tài)粘彈性預(yù)測(cè)輪胎使用性能的常用基本參數(shù)如下： 剪切方法：G* 復(fù)數(shù)剪切模量 G* = G′+ G″(矢量和)

6、G′: 與彈性和能量?jī)?chǔ)存有關(guān)。彈性剪切模量、儲(chǔ)能剪切模量 G″: 與粘性能量耗散有關(guān)。損耗剪切模量 拉伸方法：E* 復(fù)數(shù)法向模量 復(fù)數(shù)楊氏模量 E* = E′+ E″(矢量和) 損耗角正切（損耗因子）：Tanδ= G″/ G′= E″/ E′ 柔量定義為：1/G(模量倒數(shù)) J* 復(fù)合柔量 J′儲(chǔ)存柔量 J″損耗柔量,6,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,粘彈譜儀

7、又稱動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)，是一種熱分析儀。常用熱分析儀有：①熱重儀(TG)②差熱分析儀(DTA)和差式掃描分析儀(DSC)③高壓DTA儀④動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)⑤膨脹計(jì)等。 研究高分子材料性能、膠料配方時(shí)常用此儀器。北京化工大學(xué)，北京紡織學(xué)院，科學(xué)院化學(xué)所，北京橡膠設(shè)計(jì)研究院等有此儀器。 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀是在程序溫度下，測(cè)量物質(zhì)在振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量和阻尼與溫度的關(guān)系的技術(shù)。它能測(cè)出材料的粘彈性能和玻

8、璃化轉(zhuǎn)變等，這些數(shù)值對(duì)輪胎配方的研究是非常重要的。 橡膠粘彈性測(cè)試的儀器很多,如強(qiáng)迫震動(dòng)非共振類:日本產(chǎn)DDV-III型粘彈譜儀，頻率0.01-110赫茲，溫度-150- +250 ℃，試樣受拉伸變形。美國(guó)PE公司DMA7e：測(cè)試頻率范圍0.01—51赫茲，溫度-170- +500 ℃ 。下面以胎冠膠為例進(jìn)行應(yīng)用介紹。,7,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,滾動(dòng)阻力： 科學(xué)家指出50-100 ℃下的Tanδ與滾

9、動(dòng)阻力有關(guān)。 Tanδ值越小，耗散能越小，滾動(dòng)阻力越低。,選P195/75R14輪胎，制備不同Tanδ值的胎冠膠(結(jié)構(gòu)和硫化相同)，在1.7m輪鼓上用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定滾動(dòng)阻力。 試驗(yàn)結(jié)果表明： 75℃下的Tanδ值與滾動(dòng)阻力成正比，值越小滾動(dòng)阻力越低。,8,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,濕牽引性能和濕操作性能： 輪胎75 ℃下滾動(dòng)變形頻率約為10-100HZ，由于路面不平整輪胎滑動(dòng)中決定抗?jié)窕妮喬ケ砻嬖谑覝叵?/p>

10、的微觀變形頻率105～106HZ，高頻無法測(cè)實(shí)際粘彈性，用0 ℃下10-100HZ頻率下測(cè)的Tanδ值與室溫106HZ頻率下的計(jì)算值相關(guān)?？捎? ℃下的Tanδ值或損耗模量G″預(yù)測(cè)濕牽引性。,不同Tanδ值的胎冠膠制作P175/70R14輪胎，用ASTM濕牽引法測(cè)量裝車后輪胎的實(shí)際濕牽引性和操縱性。 提高0 ℃下Tanδ值或損耗模量G″，使?jié)駰l件下產(chǎn)生摩擦作用的耗散能增大，改善濕牽引性和濕操縱性。,9,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用

11、特性,干牽引性： 干路面條件下的摩擦力約為濕路面條件下的3倍。60℃溫度條件下的干路面上滑動(dòng)時(shí)胎面表面的微觀變形頻率為105～106HZ，高頻無法測(cè)其實(shí)際粘彈性，室溫下低頻的損耗因子值與60℃高頻的損耗因子值相關(guān)。,用不同值得的胎冠膠制作P175/70R14輪胎，在84km/h測(cè)量4組輪胎的干牽引性。他與室溫下的Tanδ或損耗柔量相關(guān)， Tanδ或損耗柔量越大，干牽引性越好。,10,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,干操作性

12、能和乘坐舒適性： 高性能輪胎須具備更優(yōu)異的耐熱性、耐久性、耐氧化龜裂性，同時(shí)具有更好的抗滑牽引性及操作性。 改善操縱性應(yīng)提高子午胎胎冠的剛性，以增大轉(zhuǎn)彎系數(shù)。方法1：減少鋼絲帶束層的角度，但可能降低乘坐舒適性。方法2：提高胎冠膠的動(dòng)態(tài)模量或硬度，以增大轉(zhuǎn)彎系數(shù)。 胎冠膠料：增大膠料在室溫下的動(dòng)態(tài)模量或復(fù)合模量，可增大轉(zhuǎn)彎系數(shù)即改善輪胎的操縱性。而改善乘坐舒適性，應(yīng)降低室溫下動(dòng)態(tài)模

13、量或復(fù)合模量。 改善操縱性 ←======→ 改善乘坐舒適性,11,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,冰雪路面牽引性能： 雪地輪胎已采用NR和BR并用配方，以獲得低溫的低動(dòng)態(tài)模量。也有采用海綿膠胎冠降低輪胎動(dòng)態(tài)模量或復(fù)合模量。,通過Futamura研究發(fā)現(xiàn)，冰面牽引性能隨聚合物類型和碳黑用量不同而不同。炭黑用量的影響與聚合物類型一樣大。 低Tg聚合物與較低用量炭黑相結(jié)合可降低低溫下的動(dòng)態(tài)模量。冰面牽

14、引性能與動(dòng)態(tài)柔量關(guān)系如圖。,12,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,耐久性和生熱性： 輪胎的耐久性與輪胎的結(jié)構(gòu)、均勻性、簾布和膠料的粘合性能、膠料的物理性能和滯后作用有關(guān)，我們僅討論膠料的滯后作用。 輪胎破壞通常發(fā)生在溫度較高的部位,如帶束層邊緣脫層或胎側(cè)較低部位的脫空（胎圈部位）等。 因此滯后作用小的膠料降低輪胎在行駛中的生熱量是至關(guān)重要的。在50-100℃溫度下膠料的損耗因子較小，則在逐步加

15、速和逐步加載試驗(yàn)中輪胎的耐久性得到改善。 用75℃溫度下的膠料的損耗因子Tanδ值表征輪胎的生熱性和高速性，損耗因子小輪胎的生熱低耐久性好。,13,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,胎冠磨耗： 胎冠磨耗可從幾個(gè)方面改善。最重要的是聚合物的種類，聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是預(yù)測(cè)磨耗的關(guān)鍵參數(shù)。聚合物的分子量也是一個(gè)重要參數(shù)。 碳黑生產(chǎn)商試圖提供高結(jié)構(gòu)和小粒子碳黑來改善胎冠耐磨性。設(shè)計(jì)人員試圖從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

16、上改善胎冠耐磨性。低溫破壞能與粘彈性能有很好的相關(guān)性。降低動(dòng)態(tài)模量或復(fù)合模量可增大低溫破壞能。,,隨著玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的提高，膠料的磨耗上升、濕抓著力也上升。,14,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,新型聚合物的設(shè)計(jì)： 根據(jù)現(xiàn)有聚合物的粘彈譜圖與使用性能的關(guān)系，設(shè)計(jì)胎冠膠用新型聚合物-組合橡膠。這是八十年代典型的高分子設(shè)計(jì)的范例。,15,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,其他應(yīng)用： 曾對(duì)不同公司生產(chǎn)的炭黑生產(chǎn)的

17、胎冠膠料進(jìn)行了分析，進(jìn)口炭黑為卡博特公司的N234炭黑,國(guó)產(chǎn)炭黑為天津炭黑廠生產(chǎn)的N234炭黑。,,從圖中可以觀察到不同廠商生產(chǎn)的同品種炭黑的差異。這些差異是無法在化學(xué)分析和常規(guī)物性檢測(cè)中得到的。,16,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,試驗(yàn)條件的設(shè)定： 根據(jù)各公司發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)得知其實(shí)驗(yàn)所用儀器和試驗(yàn)條件。 不同公司/使用儀器 試驗(yàn)條件

18、 拜爾公司 12HZ拉伸1% 三菱化工公司 10HZ拉伸1% 橫濱橡膠公司 20HZ拉伸2% 通用輪胎公司 20-100HZ拉伸0.1-4% 助友橡膠公司

19、 10HZ拉伸1% 橋石公司 50HZ拉伸1% 北京橡膠院 11HZ拉伸2% 北京輪胎廠 10HZ拉伸1%,17,用動(dòng)態(tài)粘彈性能預(yù)測(cè)輪胎使用特性,研究結(jié)論： 輪胎使用性能

20、 試驗(yàn)室粘彈性能預(yù)測(cè)參數(shù) 參數(shù)的期望方向 濕牽引性能 0℃溫度下的G″或Tanδ 高 濕操縱性能 0℃溫度下的G″或Tanδ 高 干牽引性能 室溫下的J″或Tanδ 高 干操縱性能 室溫下的G*

21、 高 滾動(dòng)阻力 75℃溫度下的Tanδ 低 生熱性和高速性 75℃溫度下的Tanδ 低 冰雪地面牽引性能 -25℃溫度下的G″或G* 低 轉(zhuǎn)彎系數(shù) 室溫度下的G″或G* 高