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增强填料对胎侧胶性能的影响

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: M. Brindha, D. Mahap 点击:
胎侧胶是采用一种被挤出到特定模具中的全复合物制成的。人们研制此种复合物用以提高材料的抗臭氧性、耐候性以及抗磨损性,以此来保护主体部件不受影响。在一定的温度范围内剧烈扭曲胎侧时,此种复合物必须保持弹性而不会产生裂化。

通常说来,胎侧胶是由包括天然橡胶、顺丁橡胶和炭黑以及其它化学试剂组成的复合物,用以保护部件不受风化、臭氧、磨损、切割、裂化等的影响。这些年来胎侧外形已经发生巨大的变化以适应不断增加的性能需求,比方说更大的牵引力和滚动阻力,更长的行车里程以及高速下的操控等。随着柔韧性部分逐步集中于更小的区域,这些性能需求使得人们对胎侧胶的需求量大增。

人们正在研究能够延长使用寿命以及降低滞后现象的胎侧胶配方,该配方包括不同的炭黑等级、实验性炭黑以及在不同充填量下用硬质炭黑取代软质炭黑。为了测量或者预测耐疲劳橡胶复合物的使用寿命,我们采用DeMattia实验(裂纹萌生和裂纹扩展)这个行之有效的方法。测试中所看到的裂纹生长情况反映了橡胶复合物铸模成的产品的实际使用寿命。在硫化橡胶上切开的一个精密设计的切口将在循环力学张力测试中不断生长。

在本研究中, 我们在NR/ high 顺式聚丁二烯(50/50 共混物)配方中分别使用N550、N650、N660、N683、N326、实验性炭黑I、实验性炭黑II这7种炭黑进行共混,分别研究了各种橡胶复合物的硫化特性,物理性能,动态力学性能,扩散率,裂纹生长和裂纹萌生状态。通过应变诱导结晶,我们根据不同的自我增强弹性体来选择高分子体系。该高分子体系展示出各种机械性能的有效结合:包括非常高的断裂伸长率、在强力拉伸下迅速增加的模量、低滞后性能、高强度以及良好的抗疲劳性能和抗撕裂性能。

在本文中,我们需要了解炭黑性能与橡胶复合物性能之间的关系,以此来理解胎侧胶复合物表现出来的性能。详细配方列于表1,其配方化合物混合条件如下:开始温度 50℃,每分钟70转,混合步聚见表1a与表1b。

实验部分

我们根据普通轮胎侧胶的配方,选择NR (ISNR CV60)和BR 1220复合物做为实验配方。

详细配方在表1中给出,混合条件在表1 a与表1b中给出。我们分别将橡胶促进剂和终炼胶加入到1.5升容量的密炼机中。最后使用开放式二辊轧机完成切片(6"直径×13"宽)。

复合物的硫化过程是按照ASTMD412(经过8小时室温冷却以后)在容量为180mt的硫化机中用硬镀铬模型(规格为152×152×1.90毫米)完成。

在该研究中使用的炭黑分别是实验性炭黑I、N550、N326、N650、N660、N683和实验性炭黑II。通过ASTM标准方法,我们分析了这7种炭黑的物理化学性能。表2给出了实验中使用的这7种炭黑的具体性能。

用于测定炭黑和硫化橡胶物理化学性能以及复合物特性的仪器包括: OAN或者DBPA (使用来自Hitech 公司DADS软件的布拉班德尔DBP E模型机器)、氮气比表面积(Quantachrome)、色彩(Erichsen色彩测试)、门尼粘度计(阿尔法科技公司MDR-2000)、硬度(Wallace国际橡胶硬度等级)、拉伸实验(Zwick Z010)、色散度(炭黑分散度检测仪 1000 GT, Optigrade AB)、耐磨损性能(Zwick Abrader 6102)、回弹性(Zwick 5109)不同温度条件下的净增强和tan δ(Goodrich Flexometer, Model II)以及在不同温度条件下的裂纹生长和切口萌生(DeMattia Flex, Gibitre Italy)。

总而言之,我们分别用了16种配方来研究胎侧胶复合物的特性。

实验结果和讨论

因为N660填料广泛应用于胎侧胶复合物中,所以我们用它作为对照组炭黑来进行比较。

◆ 粘度(ASTM D 1646)

观察发现使用N326的复合物具有更高的粘度。在使用软质炭黑作填料的复合物中,N683显示出更高的粘度。与N550 和 N660相比,在复合物中分别加入5份量,10份量,20份量的实验性炭黑I(EB I)填料后,复合物显示出更高的粘度值。以N326代替N550的复合物也遵循同样的趋势。粘度图表在图1列出。因此,在不同填料用量下我们用EBI和N326代替软质炭黑能够提高橡胶复合物的粘度。

◆ 门尼焦烧(ASTM D 1646,138℃)以及T90最佳硫化时间(ASTM D 6204,145℃)

与使用N660的复合物相比,其它复合物都具有更低的门尼焦烧。在硬质炭黑组中,EB I的t5和t35值是最低的,其次是EB II和N326。而软质炭黑各组的t5和t35值没有明显差别。用EB I和N326代替N550进一步缩短了焦烧时间(见图2)。与普通橡胶相比,试验组橡胶的t90 最佳硫化时间普遍缩短。其中最短的最佳硫化时间来自使用EB I的复合物。在较多的填料用量中(20份量)用软质炭黑代替硬质炭黑进一步延长了t90最佳硫化时间(图3)。

◆ 硬度— 国际橡胶标准硬度(ASTM D 1415)

使用EB I的复合物具有高硬度。与普通橡胶相比,使用N550和N683的橡胶具有更高的硬度。如图4所示,与软质炭黑相比,硬质炭黑在不同的填料用量下显示出更高的硬度系数。

◆ 磨耗量(ASTM D 5963)

值得我们关注的是:与实验组复合物相比,普通复合物的磨耗量非常高,326的磨耗量是最低的,其次分别是EB II和EBI,这可能与N326具备模量高和焦烧时间短的特征有关。在软质炭黑中, N550的磨耗量最低。而用EB I代替N550和N660后,能够显著降低磨耗量。EB I的磨耗量随着填料的增加而降低,磨耗量的降低当然会对轮胎侧胶复合物大有裨益。

◆ 回弹性(ASTM D 1054)

图4绘制了回弹性数据。我们从图中可以看出,与普通复合物相比,N683具有更高的回弹性。在实验组各复合物中,EB I的回弹性是非常低的。用 N326来代替N550能够增加回弹性。即使注入更多的填料(20份量),N550和N660的回弹性仍比EB I低。

◆ 拉伸性能(ASTM D 412)

我们研究了所有复合物未经过陈化和经过陈化后的拉伸性能。陈化过程分别在70℃下持续72小时、一星期、两星期,在100℃下持续24小时。

◆ 300%模量

通过观察发现,与实验组复合物相比,普通复合物的模量值非常低。而在实验组复合物中,使用N683的复合物模量最高。图5显示了温度、陈化以及模量的变化。在70℃下持续陈化72小时能够得到300%模量。陈化后使用N550的复合物模量值最高。在室温(RT)及陈化条件下,填料添加量为10份量,使用EB I 的复合物比使用N660的复合物模量值高。

◆ 抗拉强度

以N660和N550替换EB I在完全填充的复合物方面不显示重大差异,尽管EB I 10份量与N550 40份量的综合物抗老化性能相比基料要好。与室温下的其它复合物相比,使用N550的复合物具有很高的抗拉强度(见图6)。在填料充足的复合物中,用EB I代替N660和N550并不能显著提高复合物的抗拉强度。但即使这样,与普通复合物相比,混合使用10份量EB I和40份量N550的复合物陈化性能更好。

◆ 断裂伸长率

在室温下使用EB I的复合物具有很高的断裂伸长率。如果用20份量EB I的复合物和30份量N660的复合物来代替,无论是未经陈化还是经过陈化,复合物的断裂伸长率都相当高(见图7)。

◆ 撕裂强度(ASTM D 624)

无论是未经陈化还是经过陈化,使用N550的复合物撕裂强度在所有复合物中是最高的。与室温下普通复合物相比,使用20份量EB I和30份量N660混合的复合物在陈化条件下具有更高的撕裂强度。详情如图8所示。

◆ tan δ(ASTM D 623,10 Hz,10% 应力)

如图9所示,我们发现,具有较大滚动阻力的普通复合物损耗因子(tan δ)偏低。置换掉5份量EB I后,损耗因子进一步降低,这一结果与注入20份量填料后相比,对比非常明显。

◆ 热增强(ASTM D 623)

普通复合物的热增强偏低,然而在100℃高温下,使用EB I的复合物热增强更低。用EB I代替N550和N660能够提高热增强率。然而在加温条件下,20份量EB I和30份量N660的复合物的热增强降低。在不同试验条件下HBU的变化如图10所示。

◆ 裂纹萌生(ASTM D 813)与裂纹生长(ASTM D 813)

在300 cpm、200千周下,我们没有观察到任何复合物有针孔出现。而裂纹生长的图如图11所示。实验中,我们在样品上割一个18毫米的切口,各千周数也一一记录。图11中的抗裂纹生长数据是三个样品的测试平均结果。直到70℃,普通复合物的抗裂纹生长能力都较高。而EB l 和EB 11通过加温也开始出现抗裂纹生长能力。无论在室温还是加温条件下,20份量EB I的复合物和使用N660的复合物都产生鲜明对比。

结论

经过观察发现,使用N326的复合物具有更高的粘度值。这是因为更为精细的炭黑颗粒能在材料中构建更为完善的网络结构。而使用N683的复合物由于自身的二级结构也具有较高粘度值。使用EB I的复合物甲苯褪色低,所以硫化特性是所有复合物中最低的。又因为其焦烧时间短,因此EB I的硬度值高,而正是甲苯褪色低,故最佳硫化时间短。硬质炭黑具有精细的炭黑颗粒和更好的结构,所以用硬质炭黑代替软质炭黑能够提高材料的硬度值。

我们发现一个有趣的现象:因为N660表面积小,所以使用N660的复合物具有高磨耗量。而从目前的研究看来,用更高剂量的硬质炭黑EB I来代替原有炭黑,复合物的耐磨性能得到显著升高。N326因为其高着色强度而显示出高耐磨性能。从图中我们可以看出:复合物的磨耗量与回弹性能成反比,回弹性能与比表面积成正比。

就抗拉强度而言,因为N683的二级结构和低甲苯褪色,所以N683具有高模量值。无论经过陈化还是未经过陈化,使用20份量EB I和30份量N660混合填料的硫化橡胶复合物,抗拉强度和撕裂强度都相当大。这表明该复合物中低比表面积和高比表面积炭黑的分散程度很好。

普通复合物从室温到70℃都显示出较高的生热率和损耗因子,而使用20份量EB I和30份量N660混合的复合物热增强率较低。我们发现一个较为有趣的现象是:在200千周下裂纹萌生现象并不是所有硫化橡胶复合物都会产生。使用20份量EB I和30份量N660混合的复合物在升温条件下抗裂纹生长的能力较强。

总之,我们通过提高胎侧胶复合物各种性能,包括高抗切割和裂纹生长性、抗磨损性和低滚动阻力等特性以延长复合物的使用寿命,降低滞后现象。使用20份量EB I和30份量N660混合的复合物较好的平衡了各方面的性能。(end)

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