在越野或惡劣的道路條件下，輪胎接觸砂礫、巖石和凹凸不平的路面，胎面橡膠的切割和崩花（CC）是一個很重要的問題。一些切割和崩花損傷輪胎胎面的例子如圖1所示。由于從橡膠化合物的實驗室測試中預(yù)測輪胎胎面的耐切割和耐崩花性能通常是很困難的，因此常常有必要借助涉及輪胎反復(fù)設(shè)計的昂貴開發(fā)程序和新胎面候選化合物的現(xiàn)場測試。
圖1、對胎面膠不同程度的崩花和切割損傷的示例：全鋼/重型載重汽車輪胎（a）和（b）；工程車輛輪胎（c）；泥濘地形輕型卡車輪胎（d）
CC現(xiàn)象是復(fù)雜的，然而傳統(tǒng)的CC測試方法只是在橡膠實驗室使用僅僅測量樣品重量損失的既簡單而又無儀表顯示的裝置。本文介紹了一種新的實驗室儀器，用于表征CC行為，它具有多個可以獨立控制的測試狀態(tài)。在橡膠試樣測試過程中，測量了多種力和位移的數(shù)據(jù)通道。討論了輪胎胎面應(yīng)用中典型橡膠類化合物的測試原理和典型結(jié)果。特別是，該方法可以通過對胎面化合物的實驗室測試來預(yù)測輪胎實際CC排名。
實驗細節(jié)
本研究中使用的聚合物為天然橡膠（NR：馬來西亞恒粘膠SMR CV60標(biāo)準(zhǔn)膠）和高順丁二烯橡膠（BR：來自阿朗新科的BUNA CB24釹系稀土順丁橡膠）。補強填料為N339級炭黑（CB）。所有其他成分均是橡膠級化學(xué)品。橡膠配方在表1中給出。
表1、橡膠配方
在兩個混合階段制備了橡膠化合物。第一混合階段，除了CBS促進劑和硫外，其它所有成份在密煉機（來自臺灣頡懋公司的SYD-2L密煉機）以50 rpm轉(zhuǎn)速和腔壁溫度80℃混合了5分鐘；第二個混合階段，在60℃溫度下，將CBS和硫添加到雙輥開煉機處理。
表2、儀表化的切割和崩花分析儀（ICCA）的參數(shù)列表
硫化性能是用無轉(zhuǎn)子流變儀（德國蒙泰克MDR 3000 Basic流變儀）根據(jù)ASTM 6204在160℃下測定。外徑為55毫米，厚度為13毫米的橡膠試樣（見圖2所示的幾何圖形）在熱壓機（荷蘭方泰納壓力機公司的LaBEcon 300）上硫化，在160℃下根據(jù)每1毫米厚度硫化時間 t90+1分鐘（試樣厚度為13毫米共計13分鐘）。
圖2、儀表化的崩花和切割分析儀（ICCA）的照片顯示撞擊裝置和樣品的展開圖（左）和55毫米外徑和13毫米厚度的橡膠樣品幾何圖（右）
實驗室切割和崩花測試是在橡膠樣本上使用一個儀表化的切割和崩花分析儀 （ICCATM）進行檢測（圖2），該分析儀由德國科埃斯費爾德公司制造，并由美國Endurica公司在美洲分銷。ICCA設(shè)備和測試方法將在下一節(jié)作進一步描述。對于不同的周期數(shù)，樣品測試的轉(zhuǎn)速為150rpm，正向力為125N，沖擊頻率為5 Hz,滑動時間為30毫秒。
圖3、ICCA測量原理示意圖，包括：氣動裝置（1），兩軸負載單元（2），固定架加撞擊器（3）和圓形橡膠試樣（4）
結(jié)果與討論
儀表化的切割和崩花分析儀的測量原理包括以選定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)圓形橡膠試樣，并在給定頻率下用不銹鋼撞擊器撞擊試樣。使用氣動氣缸產(chǎn)生沖擊力，其對橡膠表面的撞擊正向力、頻率和接觸（滑動）時間都可以單獨控制。圖3顯示了撞擊裝置的示意圖，圖4描述了撞擊器幾何外形，并給出了每個撞擊事件生成的數(shù)據(jù)示例，如圖5所示。表2概述了輸入和輸出的參數(shù)類型以及它們的范圍，強調(diào)了測試設(shè)備的高度儀表化和靈活特性。
圖4、不銹鋼撞擊器具的幾何形狀。撞擊器的寬度是6.35毫米，撞擊13毫米厚的橡膠樣品的中間
從多通道數(shù)據(jù)采集中評價的一個關(guān)鍵特征因子是切割和崩花傾向P。參數(shù)P是通過將摩擦力的波動與受損表面的粗糙度、多個撞擊周期相結(jié)合來確定的。胎面化合物的P值被證明是一個很好的預(yù)測實際輪胎切割和崩花現(xiàn)場測試結(jié)果，這些實際輪胎包括各種農(nóng)用輪胎、卡車和公共汽車載重子午線輪胎（TBR）和輕型卡車輪胎。由于與主要輪胎制造商的保密考慮，細節(jié)無法分享。
圖5、顯示ICCA測量的一個撞擊加載周期收集的多通道數(shù)據(jù)的通用圖
將切割和崩花行為作為撞擊周期數(shù)的函數(shù)對NR/BR 50CB和NR/BR 65CB兩種混合化合物（見表1中的配方）進行比較。結(jié)果如圖6與圖7所示。P對n數(shù)據(jù)的斜率顯示了兩種材料非常不同的值。較大的斜率與較低的CC抗性有關(guān)。橡膠試樣表面的檢測和P的平面響應(yīng)隨著NR/BR 65CB化合物的循環(huán)周期次數(shù)增加，兩者都表明，這種材料沒有明顯的橡膠剝落，它采用高量的炭黑來實現(xiàn)增強，而較低炭黑的NR/BR 50CB化合物則顯示出明顯的CC損傷。
圖6、使用文中描述的加載條件，以指定的撞擊周期數(shù)測試后，NR/BR 65CB和NR/BR 50CB化合物的磨損表面的拓撲結(jié)構(gòu)
橡膠表面切割樣式的發(fā)展，以及隨之而來的材料的剝落，顯示出不同的特性，取決于正常負載 (此處未顯示)、撞擊周期數(shù)、特別是橡膠配方（圖6）。隨著P值的變化，這種周期沖擊所致的可視化損傷響應(yīng)不同表明，ICCA可以有效地區(qū)分不同橡膠化合物的CC行為。
結(jié)論
儀表化的切割和崩花分析儀是橡膠實驗室的一種新的測試裝置，用于控制和記錄周期沖擊過程中的多個應(yīng)用載荷和位移，以模擬和量化輪胎胎面化合物在粗糙路面所經(jīng)歷的切割和崩花損傷。橡膠試樣的表面粗糙度特征是由重復(fù)撞擊過程產(chǎn)生的，在摩擦力產(chǎn)生的波動中，利用P參數(shù)進行量化，從而允許在實驗室中對橡膠化合物的CC趨勢進行評價，用于預(yù)測輪胎踏面在服役中的CC行為。
圖7、使用文中描述的條件，NR/BR 65CB和 NR/BR 50CB化合物撞擊周期數(shù)對P的影響
橡膠的磨損包括機械斷裂和熱氧化效應(yīng)（老化/降解）。考慮到后者,在ICCA測試過程中，橡膠的沖擊引起的局部溫度的增加是有意義的，并用高速、熱成像相機進行了研究。這些初步結(jié)果在2017年10月召開的美國化學(xué)學(xué)會橡膠分會第192次會議上作了介紹。
除了周期沖擊外，ICCA還可作為摩擦磨損測量裝置，在完全接觸模式下使用。這是用這一靈活的儀器正在進行的又一個研究領(lǐng)域。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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