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轮胎胎面胶抗湿滑性能及其机理的研究

作　者: 王元霞
导　师: 吴友平
学　校: 北京化工大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 抗湿滑动态粘弹性能表面粗糙度微观硬度硬粒子接触角
分类号: TQ330.7
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,人们对汽车安全、舒适、节能的要求逐年提高,相应的轮胎要求具有优异的抗湿滑性能、耐磨性能和低滚动阻力特性,这三项性能被人们称为“魔鬼三角”。新的欧洲法规标签将在2012年强制执行,主要内容是针对轮胎胎面的三大基本性能：滚动阻力、抗湿滑和噪声作为乘用车胎替换胎的硬性指标提出了限制。抗湿滑性能作为强制要求的性能之一,可见其是轮胎胎面胶最重要的性能之一,因此对其机理的研究是极其必要的。对于抗湿滑性能的机理,近二十年的关注越来越多,但同时又是充满挑战的,因为迄今没有得到系统的研究。到目前为止,还局限在用0℃的tanδ来表征抗湿滑性能,实际上当以白炭黑作为主要填料的绿色轮胎工业化之后,动态粘弹性能已经不能用来作为衡量抗湿滑性能的唯一指标,这对指导高性能轮胎胎面的配方设计是不利的。因此,研究动态粘弹性能对抗湿滑性能的贡献和不同填料填充胶的抗湿滑性能的关键影响因素和机理是本论文致力研究的方向。论文的第一部分,主要用LAT-100磨耗实验机测定了炭黑和白炭黑补强溶聚丁苯(SSBR)原位改性胶料的抗湿滑性能,用动态热分析仪(DMA)测定了胶料的动态粘弹性能,并分析了抗湿滑性能的影响因素。结果表明,在一定的温度和速度范围内,白炭黑SSBR胎面胶抗湿滑性能优于炭黑胎面胶；仅采用动态粘弹性能描述胶料的抗湿滑能是不全面的,抗湿滑性能受温度、速度和胶料硬度等的共同影响,随着温度的升高而降低,随着速度的增大呈现先增大后减小的趋势,这是润滑作用和动态粘弹性能等共同作用的结果。根据本章的结论,有助于指导抗湿滑性能影响的外因,并对本论文后几章研究具有指导意义。论文的第二部分,研究了动态粘弹性能对抗湿滑性能的影响。首先用DMA在拉伸和剪切两种模式下分别测定了0℃的tanδ随应变(0.7%-10%)的变化,在不同粒径炭黑补强体系中确定动态粘弹性参数tanδ表征抗湿滑性能的最佳条件,然后在炭黑和白炭黑补强不同丁苯胶体系中研究动态粘弹性能对抗湿滑的贡献。实验结果表明,对于相同硬度的不同粒径炭黑填充的SSBR/BR胶料,0℃的tanδ与抗湿滑性能的相关性系数高达0.98,此相关性系数下的tanδ的应变范围在拉伸模式下为4%-7%,在剪切模式下为0.7%-10%。因此接下来采用4%拉伸形变下的tanδ来表征动态粘弹性能与抗湿滑性能的相关性。对于炭黑和白炭黑填充不同的丁苯胶体系,炭黑和白炭黑胶料的tanδ分别与抗湿滑性能有很好的相关性,却没有统一的好的相关性。然而,对于未预磨的炭黑和白炭黑填充不同丁苯胶体系,可以得到统一的较好的相关性,此时胶料的抗湿滑性能可以直接用0-C的tanδ表征。以上充分说明了动态粘弹性能可用来对比同种填料补强炭胶料的抗湿滑性能,同时发现尽管炭黑胶料O℃的tanδ较高,所有白炭黑胶料的抗湿滑性能均优于炭黑胶料,故填料不同时,动态粘弹性能不再是抗湿滑性能的唯一决定因素,表面对抗湿滑性能的影响也需要考虑。炭黑和白炭黑粉末的纳米压痕硬度测试进一步说明了硬粒子的存在可能是白炭黑胶料抗湿滑性能优越的最重要的原因。根据本章的结论,有助于指导分析动态粘弹性能对抗湿滑性的贡献,同时引导我们去思考炭黑和白炭黑补强(不同种类填料补强)胶料抗湿滑性能差别的原因。论文的第三部分,探索了炭黑和白炭黑等不同种类填料补强胶料的抗湿滑性能机理。为了研究其机理我们进行了表面的表征,用白光干涉仪测定了胶料表面预磨后的表面粗糙度和三维表面形貌,用划痕实验对比了胶料的微观硬度。结果表明,在毛玻璃面和光滑玻璃面上白炭黑胶料的抗湿滑性能均优于炭黑胶料,但是动态粘弹性能不是白炭黑胶料抗湿滑性能优越的主要原因。进一步测定了胶料的表面粗糙度发现,胶料大的表面粗糙度有助于抗湿滑性能的改善,这可能是白炭黑填充胶料抗湿滑性能优于炭黑填充胶料的主要原因之一,XPS表面分析表明,白炭黑摩擦后表面的白炭黑粒子出现了脱落,无法证明摩擦后白炭黑粒子露在外面起到刺破水膜的作用；进而设计用胶料来摩擦玻璃的划痕实验进一步说明了白炭黑胶料的微观硬度远远高于炭黑胶料的微观硬度,这可能是白炭黑胶料抗湿滑性能优于炭黑胶料的又一重要原因。为了验证硬粒子对抗湿滑性能的改善作用,用金刚石部分等量代替炭黑和白炭黑补强胶料,抗湿滑性能的数据表明,加入金刚石之后,胶料的抗湿滑性能大幅度改善,进一步证明了硬粒子刺破水膜、改善抗湿滑这一结论的正确性,从而成功解决了白炭黑抗湿滑性能优越的原因这一难题——粗糙胶料表面和高的微观硬度对抗湿滑性能的改善作用。通过对比不同水膜厚度下炭黑、白炭黑、纳米金刚石胶料的抗湿滑性能,进一步验证了粗糙胶料表面和高的微观硬度在厚水膜时(约为50μm-1mm)对抗湿滑性能的改善作用。这对不同种类填料补强橡胶的抗湿滑性能机理研究和高抗湿滑性能轮胎胎面配方设计提供了指导。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-20
第一章绪论  20-48
  1.1 课题来源  20
  1.2 课题背景  20-21
  1.3 抗湿滑性能的定义及影响因素  21-36
    1.3.1 动态性能对抗湿滑性能的影响  22-26
    1.3.2 胎面胶基体的种类对抗湿滑性能的影响  26-27
    1.3.3 填料种类对抗湿滑性能的影响  27-28
    1.3.4 粗糙度对干湿摩擦性能的影响  28-33
    1.3.5 微观硬度的影响  33-34
    1.3.6 表面能的影响  34-35
    1.3.7 水膜厚度的影响  35-36
  1.4 湿摩擦系数的测定  36-38
  1.5 选题的立论、目的和意义  38-40
  1.6 本课题的创新之处  40
  1.7 本课题的主要研究内容  40-41
  参考文献  41-48
第二章实验部分  48-62
  2.1 实验原材料及实验配方  48-53
    2.1.1 原材料  48-49
    2.1.2 实验配方  49-53
  2.2 实验设备  53-54
  2.3 实验测试方法  54-59
    2.3.1 结构表征  54-55
    2.3.2 橡胶硫化胶的性能测试  55-59
  2.4. 研究方法及实施方案  59-61
    2.4.1 技术方案  59-60
    2.4.2 实施方案所需要的条件  60-61
  2.5 本课题难点分析  61-62
第三章温度和速度对炭黑和白炭黑补强胶料抗湿滑性能的影响  62-72
  引言  62
  3.1 基本力学性能  62-63
  3.2 动态粘弹性能  63-64
  3.3 抗湿滑性能  64-69
    3.3.1 速度对抗湿滑性能的影响  65-66
    3.3.2 温度对抗湿滑性能的影响  66-68
    3.3.3 温度和速度对抗湿滑性能的共同影响  68-69
  3.4 小结  69
  参考文献  69-72
第四章动态粘弹性能对抗湿滑性能的影响  72-100
  引言  72-73
  4.1 动态粘弹性能对炭黑填充胶料抗湿滑性能的影响  73-85
    4.1.1 由相同质量份数炭黑补强胶料的抗湿滑性能  73-77
    4.1.2 相同硬度炭黑填充胶料的动态性能与抗湿滑性能的关系  77-85
  4.2 动态粘弹性能对白炭黑填充胶料抗湿滑性能的影响  85-94
    4.2.1 基本力学性能  85-87
    4.2.2 动态粘弹性能  87-88
    4.2.3 抗湿滑性能  88-89
    4.2.4 抗湿滑性能与动态粘弹性能的关系  89-94
  4.3 动态粘弹性能对抗湿滑性能影响的验证  94-96
    4.3.1 动态粘弹性能  94-95
    4.3.2 抗湿滑性能  95-96
  4.4 小结  96
  参考文献  96-100
第五章不同种类填料补强胶料抗湿滑性能机理的探索—表面粗糙度和微观硬度的影响  100-136
  5.1 炭黑和白炭黑填料用量的确定  100-102
    5.1.1 基本力学性能  100-101
    5.1.2 动态粘弹性能  101-102
    5.1.3 抗湿滑性能  102
  5.2 相同炭黑和白炭黑体积分数下胶料的抗湿滑性能机理研究  102-120
    5.2.1 基本力学性能  102-103
    5.2.2 动态粘弹性能  103-104
    5.2.3 抗湿滑性能  104-107
    5.2.4 表面粗糙度和表面形貌对抗湿滑性能的影响  107-116
    5.2.5 填料粒子的纳米硬度对比  116-117
    5.2.6 胶料的微观硬度对比  117-120
  5.3 硬粒子的用量对抗湿滑性能的影响  120-123
    5.3.1 填料的硬粒子含量  121-122
    5.3.2 抗湿滑性能  122-123
  5.4 硬粒子改善抗湿滑性能机理  123-124
  5.5 不同水膜厚度下抗湿滑性能的影响因素  124-132
    5.5.1 硬粒子填充体系的抗湿滑性能与水膜厚度的关系  125-130
    5.5.2 不同硬度胶料的抗湿滑性能随水膜厚度的变化  130-132
  5.6 小结  132
  参考文献  132-136
第六章总结与展望  136-138
  6.1 总结  136-137
  6.2 后续工作展望  137-138
致谢  138-140
研究成果及发表的学术论文  140-142
作者和导师简介  142-144
附件  144-145

轮胎胎面胶抗湿滑性能及其机理的研究

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