纤维骨架材料技术讲座第5讲纤维骨架材料对橡胶制品性能.pdf
纤维骨架材料技术讲座第5讲 纤维骨架材料对橡胶制品性能的影响高称意(北京橡胶工业研究设计院,北京 100039)中图分类号:TQ330138+9;TQ33612 文献标识码:E 文章编号:10002890X(2001)07204392041 纤维骨架材料对轮胎性能的影响111 动态模量和损耗因子在行驶运转的轮胎中,增强帘线经受反复的拉伸、压缩、弯曲和扭转等多种应力的作用,有些作用还是周期性的。合成纤维帘线是高分子材料,其力学行为属粘弹性。在线性粘弹行为范围内(帘线的应变幅度小于1%),轮胎的滚动阻力和燃油消耗与增强帘线的动态模量(E3)和损耗因子(tan)有直接关系。动态模量与贮存模量(或弹性模量,E)和损耗模量(E)的关系如下:E=E3cosE=E3sin式中为滞后相角。曾有研究认为,与橡胶对轮胎滚动阻力的贡献相比,增强帘线对轮胎滚动阻力的贡献较小,只占20%40%的比例。但最新的研究结果表明,增强帘线对轮胎滚动阻力有很大的影响,其对轮胎滚动阻力贡献的大小取决于驱动状态、充气压力、轮胎结构等因素,因此可根据轮胎结构、最终用途及驱动状态选择适宜的增强帘线。帘线受动态应力作用时,损耗的能量转变为热能。帘线的损耗能量或损耗因子越大,其动态力学性能越差,表现为在轮胎行驶时生热多,这显然对轮胎的性能有不利影响。帘线的动态力学性能可采用粘弹仪进行测定。试验时,对试样施加低频率的交变应变,粘弹仪即自动绘出每一周期内帘线的应力2应变曲线,并用积分方法计算出能量损耗,进而得出试样的动态模量和损耗因子。帘线贮存模量的对数、损耗模量的对数及损耗因子与温度的关系分别见图13。从图2和3可以看出,每种帘线都有一个使损耗模量和损耗因子出现峰值的温度。帘线的损耗模量和损耗因子越小,出现峰值的温度越高,动态力学性能越好。因此,在进行轮胎设计时,应避免选用峰值温度与轮胎最高使用温度接近的帘线。112 滞后性能在实际使用时,轮胎增强帘线的应变幅度大于1%,表现为非线性粘弹行为。为更真实地考察帘线的粘弹行为对轮胎性能的影响,通常应进行大应变幅度的粘弹行为试验。一般采图1 轮胎帘线贮存模量的对数与温度的关系1 聚酯;2 尼龙6;3 尼龙66;4 芳纶934第7期 高称意 1 纤维骨架材料技术讲座 第5讲 纤维骨架材料对橡胶制品性能的影响 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图2 轮胎帘线损耗模量的对数与温度的关系注同图1图3 轮胎帘线损耗因子与温度的关系注同图1用两种方法:(1)利用大应变动态粘弹仪;(2)利用能自动控制帘线拉伸2回复操作并自动记录任意周期内拉伸和回复损耗能量的CRE型材料试验机。帘线力学性能滞后性的宏观表现是生热,生热对轮胎的耐久性有不利影响。由于应变滞后于应力,帘线在受到周期性的拉伸2回复作用时,其拉伸与回复曲线并不重合(理想虎克弹性材料的拉伸2回复曲线完全重合),而是形成一个封闭的月牙状的圈形,称之为滞后圈。从帘线拉伸2回复试验的应力2应变曲线图上可以得出以下结论:(1)帘线在动态应力作用下的塑性变形。在每一周期内,帘线回复到应力为零时,其应变并不为零,此应变就是帘线产生的塑性变形。(2)每个拉伸2回复周期内的拉伸功和回复功在数值上等于拉伸曲线、回复曲线下方至横坐标轴所形成图形的面积,这两个面积之差即为滞后圈的面积,在数值上等于帘线在该周期内的损耗功。(3)损耗功以生热形式散发,损耗功与拉伸2回复的变化频率之积即为单位时间的生热。(4)损耗功与拉伸功之比即为损耗因子。拉伸2回复试验条件可分为在一定应力范围内和在一定应变范围内两种条件进行。在一定应力范围内,帘线的拉伸2回复试验结果见表1。从表1可以看出,随拉伸2回复周次的增多,所有帘线的拉伸功、回复功和损耗功都呈递减趋势,递减速率从大到小的顺序为:人造丝聚酯和芳纶尼龙6 尼龙66;帘线的塑性变形呈递增趋势,人造丝的塑性变形增大幅度最大,而芳纶的塑性变形最大;帘线的损耗因子呈递减趋势,递减速率从大到小的排列顺序是:人造丝芳纶尼龙6 聚酯尼龙66。人造丝帘线的滞后现象最不明显,即人造丝帘线在周期性动态应力作用下的生热最小,而且尺寸稳定性极佳,因此适宜制造高性能轿车子午线轮胎。帘线定伸长拉伸2回复试验的特点是在相同应变条件下,拉伸应力随拉伸2回复周次的增多而逐渐减小,损耗功也越来越小,当损耗功接近零时,表现出类似弹性材料的行为。此时可以认为帘线永远不会被破坏。在相同应变条件下,尼龙帘线的拉伸应力比人造丝帘线小。随试验周次的增多,人造丝帘线的滞后损失率始终大于尼龙帘线,且差别趋于稳定。可以把帘线在定应力往复拉伸试验中的应变变化理解为动态蠕变行为,把帘线在定伸长往复拉伸试验中的应力变化理解为动态应力松弛行为。聚酯帘线的拉伸2回复试验滞后性能表现为应变越大,损耗因子越大,生热速率也越大,在110140 内,损耗因子及生热速率出现峰044 橡 胶 工 业 2001年第48卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/表1 浸渍帘线的拉伸2回复试验结果拉伸2回复周次拉伸功/J回复功/J损耗功/J损耗因子塑性变形/mm2100/2尼龙66121006110290197701487515211596110330156301353617311529110230150601331715101140501997014080129091330113700199701373012721013501134001982013580126710191400/2尼龙611129301652016410149651220196201633013290134261230193601639012970131761710018580161501243012838133001823016030122001267913500181501603012120126010101100/3聚酯1019160144001476015201122017100143501275013872123016820144001242013522171001597014140118301307318300156801405011630128751050015500139601154012805141830/2人造丝1016970130601391015611102015170130101218014222113014690129201177013772181001381012600112101318416300133801262010760122561150013340127101063011896171680/3芳纶111571018060176501487116211163018160134701298210311132018350129701262212101104401818012260121621730019540176501189011983125001959017790118001188313值,应变越大,出现峰值的温度越低。高速行驶中的轮胎或承受大负荷作用的轮胎很容易达到这个温度,此时聚酯帘线的滞后现象最为严重。这就是聚酯帘线不适宜用作高速轿车轮胎或大中型载重轮胎增强材料的原因。人造丝和芳纶帘线的损耗因子及损耗功随温度升高变化不大,因此适宜制造高性能轮胎。轮胎胎肩部位帘线的应变幅度比胎侧和胎冠部位帘线大,因此胎肩帘线的粘弹性损失比胎侧和胎冠帘线高10倍。轮胎不同部位帘线的滞后损失见表2。轮胎在使用中的温度取决于载荷和速度,也随轮胎种类而异。载重轮胎的胎肩部位温度可达130,且多层胎体轮胎由于普遍存在的超载、超速的状况,实际温度可能还要超过这个温度。载重轮胎内帘线生热对轮胎温度升高的贡献率超过50%,轿车轮胎中这个比例稍低。为便于比较不同帘线在轮胎内的生热,对各种帘线在20 下的强度以芳纶为基准进行修正,即考虑了使用不同帘线所需质量不同这个因素,计算帘线在等强力状态下的生热情况,这种数据处理方式被称为归一化处理,结论是:(1)各种纤维材料可分为两类:结晶度较低、有明晰无定形区的柔性分子链的纤维(如尼龙和聚酯等,其滞后生热较高)和高结晶度的刚性分子链的纤维(如人造丝和芳纶等,滞后生热较低)。(2)尼龙和聚酯的滞后损耗功(生热)与试验应力范围的关系相似,但有别于芳纶和人造丝。表2 轮胎不同部位帘线的滞后损失部 位帘线应变幅度/橡胶应变幅度帘线生热所占比例/%负荷增大的影响速度提高的影响轿车斜交轮胎胎侧均很小89轻型载重轮胎胎侧1/1050帘线生热贡献率提高帘线生热贡献率提高轿车子午线轮胎胎侧 1/10帘线与橡胶的应变幅度均提高,帘线的生热高于橡胶轿车斜交轮胎胎冠1/585(帘线生热速率帘线与橡胶的应变7倍于橡胶)幅度均提高 轻型载重轮胎胎冠 1/550轿车子午线轮胎胎冠2倍于轻型载重10帘线、橡胶的生热子午线轮胎对负荷不敏感144第7期 高称意 1 纤维骨架材料技术讲座 第5讲 纤维骨架材料对橡胶制品性能的影响 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(3)人造丝的生热性比芳纶稍大,但温度依赖性远不像聚酯和尼龙帘线那样强。(4)芳纶在任何温度下的生热都很低,只及尼龙、聚酯的1/201/7。(5)不同结构芳纶帘线的生热性能基本相同。不同帘线在20和130 下的静态力学性能和相对生热见表3。表3 不同帘线在20和130 下的静态力学性能和相对生热项 目芳纶芳纶尼龙6尼龙66高模低缩聚酯普通聚酯人造丝密度/(Mgm-3)1144114411141114114011401153帘线结构1680/23360/31870/21870/21670/21670/21830/2捻度/(捻m-1)405230340340395395395断裂强度/(cNdtex-1)2013181314618471105127512731531301120111741905100318031803150定负荷伸长率1)/%1121158107112172181135归一化因子110110321021194216221623181相对生热2)5%断裂强力1101131515181511310%断裂强力1101131212151211315%断裂强力1101111011151211820%断裂强力110111810141321125%断裂强力11011071581512151115212 注:捻系数为205;1)20,15%断裂强力;2)以130,1680dtex/2芳纶为基准。尼龙和聚酯帘线的生热在玻璃化温度附近出现峰值,而峰值出现的温度和出现峰值的温度范围有所不同。芳纶在整个试验温度范围内的生热接近恒定,比聚酯和尼龙帘线低1/151/5。人造丝的生热稍有增加。人造丝和芳纶帘线在任何温度下的损耗功变化不大,因此适宜作为高速节能轮胎的骨架材料。113 耐疲劳性能轮胎帘线的耐疲劳试验方法及装置按被测帘线的状态可分为两类:一类是被测试样为帘线,另一类是被测试样为帘线2橡胶复合材料,后者更加接近帘线的真实使用情况,能更准确地反映帘线的耐疲劳性能,通常被称为“在橡胶内”帘线疲劳试验。纤维骨架材料的疲劳性能受捻度、浸渍材料、覆胶量及橡胶性能等因素的影响。仅靠某一种疲劳试验方法还不可能对帘线所有的疲劳应力或疲劳应变做出评价,人们发明了各种不同的纤维骨架材料疲劳性能试验机及其各自相应的试验程序。本节介绍“在橡胶内”帘线疲劳性能试验方法及相应的试验装置。(1)Mallory胶管试验Mallory胶管试验的试样为橡胶胶管,被测帘线沿与胶管轴平行的方向以一定的密度固定在胶管内,并与内、外层橡胶硫化为一个整体。为阻止胶管充气后周向膨胀,沿周向缠绕低变形的帘线。Mallory胶管疲劳试验的装置如图4所示。图4Mallory胶管疲劳试验装置(未完待续)244 橡 胶 工 业 2001年第48卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/
