侯曉倩，蘇 近，楊文真

（1.青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042；賽輪金宇集團股份有限公司，山東 青島 266500）

汽車工業(yè)的發(fā)展對輪胎工業(yè)提出了新的要求，特別是近20年，美國和歐洲關(guān)于行駛安全、節(jié)約燃料和環(huán)境保護的相關(guān)法規(guī)，規(guī)定了滾動阻力、抓著力、環(huán)境噪聲等輪胎指標限值。2016年4月，中國汽車綠色輪胎等級認證開始實施。輪胎滾動阻力與輪胎胎面膠的滯后損失有直接關(guān)系，低滯后損失的膠料有利于降低輪胎滾動阻力，從而降低油耗，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。在此背景下，膠料滯后損失成為輪胎最重要的性能指標之一[1-4]。

膠料滯后生熱的來源主要為聚合物分子鏈粘性變形產(chǎn)生的滯后損失，以及填充劑與聚合物分子鏈之間的摩擦。本工作選取天然橡膠（NR）、乳聚丁苯橡膠（ESBR）和溶聚丁苯橡膠（SSBR）作為基體膠，通過橡膠加工分析儀（RPA）與動態(tài)熱力學分析儀（DMA）測試使用不同粒徑和結(jié)構(gòu)度炭黑的膠料滯后損失，并對其相關(guān)性進行研究。

1 實驗

1.1 基體材料的選擇

NR，SCR20，非極性通用橡膠，具有優(yōu)良的加工性能和物理性能，廣泛應用于橡膠工業(yè)中。

ESBR，牌號1502，其大分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，動態(tài)變形時滯后損失較大。

SSBR，牌號2557S，充油量為37.5份，其相對分子質(zhì)量較大且分布較窄，分子鏈特性優(yōu)越，具有較低的滯后損失，廣泛應用于低滾動阻力轎車輪胎胎面膠中。

1.2 試驗配方

NR膠料配方：NR 100，炭黑（變品種） 45，氧化鋅 5，硬脂酸 3，環(huán)保芳烴油 6，硫黃2.2，促進劑NZ 0.8。

ESBR膠料配方：除NR改為ESBR，促進劑NZ用量改為1份外，配方其他組分和用量同NR膠料配方。

SSBR膠料配方：SSBR 137.5，炭黑（變品種） 68.75，氧化鋅 5，硬脂酸 3，硫黃 1.75，促進劑NZ 1.5。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開煉機和XLB500-30型平板硫化機，青島科高橡塑機械裝備有限公司產(chǎn)品；XSM-1/10-120型1 L密煉機，上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；RPA2000型RPA，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；VR-7130型DMA，日本島津公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料混煉分兩段。一段混煉在密煉機中進行，加入生膠、氧化鋅、硬脂酸和環(huán)保芳烴油混煉均勻。二段混煉在開煉機上進行，加入硫黃和促進劑混煉均勻，下片，停放時間不少于2 h。

1.5 RPA和DMA的測試程序和工作原理

RPA和DMA測試程序和工作原理分別如表1和2所示。

表1 RPA和DMA的測試程序

表2 RPA和DMA的工作原理

2 膠料滯后損失的表征方式

2.1 成品輪胎滾動阻力表征

利用室內(nèi)輪胎滾動阻力試驗機或室外實車測試相關(guān)力值參數(shù)，通過計算得出滾動阻力系數(shù)，評價輪胎的滯后特性。目前常用的輪胎滾動阻力測試方法有測力法、減速度法、扭矩法和功率法。

采用制造成品輪胎方式評價膠料滯后特性的周期長，且耗費人力財力。因此，在配方試驗中評價半成品膠料的滯后損失對輪胎產(chǎn)品開發(fā)尤為重要。

2.2 半成品膠料滯后損失表征

（1）tanδ。橡膠在受到周期性正弦波變化的應力狀態(tài)下，會發(fā)生周期性的正弦波。由于橡膠具有粘性特征，因此橡膠的形變落后于應力形變。應力按照矢量規(guī)律分解為兩部分，一部分應力與應變同相位，橡膠表現(xiàn)出彈性特征，與能量的儲存有關(guān)；另一部分應力與應變相位差90°，橡膠表現(xiàn)出粘性特征，與能量的損耗相關(guān)。tanδ為粘性模量與彈性模量的比值，是評價膠料滯后損失的重要參數(shù)。

輪胎每滾動一次，形變一次，滾動變形頻率為10～100 Hz。通過WLF方程換算可知，一般與滾動阻力相當?shù)臏髶p失測試溫度為60 ℃左右。彈性模量相當時，粘性模量越大，tanδ值越大，能量的消耗也越大，滯后損失值也相應增大。

（2）回彈值。當用端點為球狀物體沖擊一塊加緊又可自由突起的平整試樣時，輸出能量與輸入能量之比（回彈值）一定程度上可間接表征膠料的滯后損失。

3 結(jié)果與討論

3.1 NR膠料

NR膠料滯后損失測試結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，通過RPA與DMA測得的tanδ表征膠料滯后損失的趨勢一致，即隨著炭黑粒徑增大，膠料滯后損失呈減小趨勢，回彈值呈增大趨勢，這是因為炭黑粒徑越小，比表面越大，與橡膠和其他材料的摩擦力越大。

對表3中數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，結(jié)果見圖1。

圖1 RPA與DMA測得NR膠料60 °C 下tan δ值的相關(guān)性

表3 NR膠料滯后損失測試結(jié)果

從圖1可以看出，通過RPA和DMA得到膠料60℃下的tanδ值相關(guān)性良好，相關(guān)因數(shù)為0.91。

3.2 ESBR膠料

ESBR膠料滯后損失測試結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，通過RPA與DMA測得的tanδ表征膠料滯后損失的趨勢一致。

對表4中數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，結(jié)果見圖2。

表4 ESBR膠料滯后損失測試結(jié)果

從圖2可以看出，通過RPA和DMA得到膠料60℃下的tanδ值相關(guān)性良好，相關(guān)因數(shù)為0.88。這與NR膠料的試驗結(jié)果基本一致。

圖2 RPA與DMA測得ESBR膠料60 °C 下tanδ值的相關(guān)性

3.3 SSBR膠料

SSBR膠料滯后損失測試結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，通過RPA與DMA測得的tanδ表征膠料滯后損失的趨勢一致。

對表5中數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，結(jié)果見圖3。

表5 SSBR膠料滯后損失測試結(jié)果

從圖3可以看出，通過RPA和DMA得到膠料60℃下的tanδ值相關(guān)性良好，相關(guān)因數(shù)為0.94。

圖3 RPA與DMA測得SSBR膠料60 °C 下tan δ值的相關(guān)性

3.4 相同種類炭黑，不同膠料

對比相同種類炭黑，不同膠料的滯后損失結(jié)果可知，炭黑種類相同時，采用SSBR作為主體材料的膠料滯后損失比采用NR和ESBR作為主體材料的膠料大，這是因為SSBR膠料中炭黑含量較大，生熱大。

3.5 不同種類炭黑，不同膠料

對所有配方膠料滯后損失測試結(jié)果進行分析，結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，RPA與DMA的測試結(jié)果高度吻合，且與回彈試驗機測試膠料回彈值的結(jié)果一致，滯后損失減小，其相應回彈值增大。

圖4 全部配方膠料滯后損失測試結(jié)果

對全部測試結(jié)果進行線性回歸相關(guān)性分析，結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，RPA與DMA測得膠料60 ℃下的tanδ值相關(guān)性良好，相關(guān)因數(shù)為0.90。

圖5 RPA與DMA測得膠料60 °C 下tan δ值的相關(guān)性

4 結(jié)論

（1）對于相同膠料，隨著炭黑粒徑增大，通過DMA與RPA測試膠料60 ℃下的tanδ值呈減小趨勢。

（2）DMA與RPA測試3種膠料滯后損失的大小順序為SSBR膠料、ESBR膠料、NR膠料。

（3）DMA與RPA測試3種膠料60 ℃下tanδ值的相關(guān)性因數(shù)的大小順序為SSBR膠料、NR膠料、ESBR膠料。

（4）RPA評價膠料滯后損失與DMA評價膠料滯后損失的結(jié)果具有較強相關(guān)性。在某些特定情況下，可用RPA替代DMA來評價膠料的滯后損失，節(jié)省硫化和停放時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。