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利用粘弹性评估强化轮胎质量控制

来源网: 发布者:庄又青* 仪尊科技有限公司,中国,Hugues R. BAURIER Metravib 法国

2014年06月26日

1, 引言
在轮胎生产过程中,大部分制造商不仅监测不含/含填充料的胶料性能(材料测试),而且还监测轮胎或轮胎一部分的各种行为(部件测试),这是轮胎生产过程中质量控制的两个不同的最重要方面,也提供了控制信息的两个不同反馈闭环。然而各控制闭环独立的性能以及相互关联和交互作用是控制轮胎最终质量的主要影响因素。目前,国际上大部分领先的轮胎制造厂商都把动态热机械分析仪(DMA)作为提高轮胎(尤其是胶料,包括填充料)质量的最主要预估手段之一。下面的照片为法国米其林公司的一个质量检测和控制实验室中拥有多台法国麦特韦伯(Metravib)公司生产的全自动动态热机械分析仪(DMA)就是一个很好的例子。在这个实验室中,每台全自动动态热机械分析仪(DMA)都在每天24小时不间断的进行测试。
 
在本文中,作者着重阐述为加强轮胎质量控制的材料测试部分。主要是应用动态热机械分析仪(DMA)进行的相关分析和结论。
2, 滚动阻力和抓地性能的相互关系(1)

在道路上,轮胎的变形取决于材料弹性指标以及适应不同的路面粗糙度(压痕现象)的性能。从上图可以看出, 滚动阻力和抓地性能的形变过程、微观结构变化机理以及频率敏感范围等都有很大的区别,这就为我们研究轮胎的这两种性能奠定了基础。利用降低滚动阻力来减少轮胎对油料消耗的比例,也就是降低在轮胎每次转动中的能量消耗。这个指标在欧洲消费者需求的调查中排列第一:(2)

为了达到在任何天气和路面情况下良好的抓地性能,轮胎必须保证一定的压痕性能;也就是说,在任何温度下保持较低的弹性模量,选择耗能型轮胎胶料(高粘弹滞后性能)。尽管抓地性能和滚动阻力都具有高粘弹滞后特性能, 但它们体现在不同的频率范围,如图3 所示。通常,低频部分对应于滚动阻力,而高频部分对应于轮胎的抓地性能,这也是米其林公司经过多年的研究得出的结论。理想的胶料应该是低滚动阻力和高抓地性能的有机结合,而这两种性能可以很容易地从胶料的粘弹性能随测试频率变化的依赖关系中区分开来。

3, 在不同温度和动态应变下利用DMA评估轮胎(纯胶料和含填充料)各种性能(3)
通常,轮胎整体性能和不同激励频率及动态应变的交互作用下胶料的粘弹性能相关联。因此,在60°C0°C-10°C温度下的胶料损耗因子Tan δ已经成为了评估轮胎滚动阻力、抗湿滑性能和抗冰滑性能的主要评判手段之一。在具体试验中通常用10Hz(约对应于80 km/h速度)做为测试的激励频率。图4所表征的是国际领先轮胎企业通常采用的测试方法。

轮胎的典型使用范围涵盖了很大的动态应变范围(0,1% 10 %)。当填充料加入橡胶基体后,模量(呈现非线性 – Payne效应)随着动态应变的提高(0,1% 10 %)而减小,并在该区间呈现一个最大损耗因子峰值 - Tan δ max。下面的玻璃化转变曲面图显示了利用法国Metravib公司生产的DMA10Hz时平面剪切模式下的测试结果。弹性模量对应变的依赖性(叫做Payne效应)与下面的机理有关:
(1) 填充料交结网络结构的破坏和重组也包括胶料和填充料之间的键合/交联过程(填料/胶料/填料相互间的作用)
(2) 高分子链的界面处的吸热和放热行为
(3) 高分子基体的键合破坏,并产生新表面。
(4) 颗粒(第二相)周围玻璃化高分子层的应变软化效应
(5) 或者是上列几种机理的综合及交互作用

4,结论
利用轮胎(纯胶料/含有填充料)粘弹性能随频率、温度和动态应变的变化的测试结果,轮胎生产厂商对滚动阻力、抓地性能、抗湿滑和冰滑性能、以及噪音释放现象等很容易进行分级和评估,这也是国际领先轮胎生产厂商研发和质保部门普遍应用的方法。也是普遍认知的轮胎质量评估手段之一。
 
参考资料:
1, Michelin/4th Dresden Tire Workshop « Green » Tire concepts May 6th, 2011
2, Goodyear: Tire Technology congress, Germany 2010
3, « The key to rolling resistance is a property called Tan δ! » Avraam I. Isayev, the University of Akron (USA)
4, Rhodia (L. Guy) KHK- 8th Fall Rubber Colloquium 2008