張 蕾 編譯
20世紀(jì)初期,天然橡膠是極其稀有和昂貴 的。這就是為什么部分天然橡膠被各種各樣的填 料(如高嶺土,白堊等)取代的原因。到了1912 年,炭黑的應(yīng)用取代了惰性礦物填料,并展示了其 不同尋常的補(bǔ)強(qiáng)性能?，F(xiàn)今,如果填料可以同時(shí) 提高大形變下的模量及拉伸永久變形,則我們稱 之為補(bǔ)強(qiáng)填料。這樣,在彈性體和炭黑間就有很 強(qiáng)的相互作用,而這種相互作用的來(lái)源和本質(zhì)仍 是今天一個(gè)重要的研究課題,因?yàn)樗鼘?duì)混煉膠的 力學(xué)性能很重要:模量和滯后。
滯后現(xiàn)象是輪胎尤其是胎面用材料的一項(xiàng)重 要性能,它決定著附著力和滾動(dòng)阻力。這兩種性 能是相互矛盾的。實(shí)際上,附著力與能量耗散有 關(guān),而滾動(dòng)阻力直接和輪胎滾動(dòng)時(shí)能量的消耗有 關(guān)。然而,如果用一個(gè)頻率-溫度圖來(lái)研究對(duì)材 料的要求,經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的分析就能發(fā)現(xiàn),與粘附相關(guān) 的滯后對(duì)應(yīng)于高頻材料的要求(一般在MHz 級(jí)),而與滾動(dòng)阻力相關(guān)的對(duì)應(yīng)于低頻要求(一般 是100Hz)。
從環(huán)保觀點(diǎn)出發(fā),降低滾動(dòng)阻力尤為重要。 事實(shí)上,在輪胎使用過(guò)程中所消耗的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于它們?cè)谥圃爝^(guò)程中所消耗的能量。例如, Michelin發(fā)明的“綠色輪胎”技術(shù)與普通輪胎相 比,滾動(dòng)阻力可降低20%,凈節(jié)能級(jí)相當(dāng)于轎車 節(jié)油5%,相當(dāng)于輪胎制造過(guò)程中所消耗的能量。
輪胎的滾動(dòng)阻力與Payne效應(yīng)相關(guān)。模量隨 應(yīng)變的變化是非常復(fù)雜的。在第一種方法中,可 以將Payne效應(yīng)與填料聚集體之間的距離相關(guān) 聯(lián),而填料聚集體之間的距離可以通過(guò)炭黑填充 膠料的導(dǎo)電性來(lái)測(cè)量。膠料的導(dǎo)電性與混煉后測(cè) 得的結(jié)合橡膠的量(通過(guò)聚合物抽提試驗(yàn)測(cè)試)有 很好的相關(guān)性。減小Payne效應(yīng)關(guān)鍵是增強(qiáng)彈性 體和填料間的相互作用,這個(gè)現(xiàn)象十分復(fù)雜,但可 以想象,填料和彈性體間強(qiáng)的結(jié)合力有助于改善 混煉過(guò)程中彈性體基體中填料的分散。
所以現(xiàn)在的問(wèn)題是:我們應(yīng)該怎樣做才能使 填料和彈性體間產(chǎn)生強(qiáng)的結(jié)合呢?
對(duì)于該問(wèn)題有幾個(gè)答案:填料表面改性、新型 填料的應(yīng)用、彈性體材料的官能化等都是一些解 決方法。
“綠色輪胎”膠料主要有四方面:白炭黑、溶聚 SBR、偶聯(lián)劑及特殊的混煉過(guò)程。所用白炭黑是 高分散沉淀法白炭黑,偶聯(lián)劑是含有硫官能團(tuán)和 烷氧基硅烷官能團(tuán)的硅烷,其中硫官能團(tuán)在混煉 過(guò)程中與彈性體反應(yīng),而烷氧基硅烷官能團(tuán)與白 炭黑的硅醇基反應(yīng)。
上世紀(jì)90年代初期,橡膠中高度分散白炭黑 (HDS)的應(yīng)用使其有可能實(shí)現(xiàn)輪胎附著力、滾動(dòng) 阻力、耐磨損性等方面新的突破(圖2)。
輪胎工業(yè)的世界領(lǐng)先企業(yè)米其林在與Rhod- ia公司的合作中實(shí)現(xiàn)了突破,在市場(chǎng)上推出了第 一個(gè)“綠色輪胎”(之所以這樣叫是因?yàn)槠錆L動(dòng)阻 力降低20%,從而可節(jié)油)。
而且在減振系統(tǒng)領(lǐng)域(AVS),米其林公司通 過(guò)其合資企業(yè)Woco Michelin AVS實(shí)現(xiàn)了含白 炭黑膠料從輪胎向AVS的技術(shù)轉(zhuǎn)化,見(jiàn)圖3 (略)。在車輛底盤(pán)的懸架裝置中,出現(xiàn)了一種首 要功能是為確保降低駕駛員或乘客所感受振動(dòng)強(qiáng) 度的減振部件。這些部件被置放在兩個(gè)金屬件的 結(jié)合部位,可以降低剛度(與金屬相比),并濾去振 動(dòng)(通過(guò)彈性體的粘彈性特性)。按照它們?cè)趹壹?裝置中的位置,這些部件或多或少起著保證舒適 度和操縱性能的作用。就這些功能而言,其主要 性能是耐久性、舒適度和操縱性。
耐久性和AVS部件的使用壽命有關(guān)。OEM 希望部件與轎車的壽命一樣長(zhǎng),這就是說(shuō)AVS 部件不應(yīng)該被換掉。舒適性的意思是材料剛性不 應(yīng)過(guò)大,使駕駛座或車輪獲得良好的隔音和減振 效果。對(duì)性能而言,位移約為幾微米,頻率從100 到30000Hz。低應(yīng)變、高頻率的剛度叫做kd。操 作性能的意思是部件必須把作用力從車輪傳遞到 輪胎,并且隨車輛的運(yùn)動(dòng)而變(在轉(zhuǎn)彎、剎車方面 的行為)。該性能通常和在準(zhǔn)靜止條件(稱為ks) 下部件的剛性約束有關(guān)。ks一定的情況下,kd 和ks的比值與Payne效應(yīng)有關(guān)。
利用零件的幾何形狀可以控制零件各個(gè)軸向 上的ks值。在形狀一定時(shí),只有通過(guò)膠料來(lái)調(diào)節(jié) 零件總的靜態(tài)剛度和一定靜態(tài)剛度下的動(dòng)態(tài)剛 度。
現(xiàn)在,OEM的要求主要是減小kd和ks的比 值(ks一定時(shí))。我們可以把減小Payne效應(yīng)看 成與“綠色輪胎”是同樣的問(wèn)題。
利用“綠色輪胎”研究及開(kāi)發(fā)過(guò)程中獲取的知 識(shí),現(xiàn)在我們已經(jīng)使用高分散白炭黑來(lái)開(kāi)發(fā)新型 AVS膠料。
采用含有高分散白炭黑的膠料可以減小 Payne效應(yīng),同時(shí)延長(zhǎng)AVS零件壽命。這些新型 膠料在Woco Michelin AVS結(jié)構(gòu)體系中被稱為 Sil@nd,因此與含有白炭黑的低動(dòng)態(tài)硬化膠料相 比,這些新型的低動(dòng)態(tài)硬化膠料有較好的耐久性 能(如圖4)。
這些新型白炭黑填充AVS膠料在傳統(tǒng)的耐 久性、舒適度及操作性能之間的折衷問(wèn)題上取得 了突破。
現(xiàn)代白炭黑體系有四個(gè)方面:高分散白炭黑、 彈性體、有效偶聯(lián)劑和特殊的混煉過(guò)程。該體系 的主要特點(diǎn)是降低了Payne效應(yīng),改善了填料在 膠料中的分散。這些現(xiàn)代白炭黑體系所賦予的性 能在解決傳統(tǒng)折衷問(wèn)題方面取得了突破:附著性/滾動(dòng)阻力/耐磨性以及AVS工業(yè)中舒適性/操縱性/耐久性。
