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(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室儀器，用于表征CC行為，它具有多個(gè)可以獨(dú)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(duì)胎面化合物的實(shí)驗(yàn)室測試來預(yù)測輪胎實(shí)際CC排名。
實(shí)驗(yàn)細(xì)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(bǔ)強(qiáng)填料為N339級(jí)炭黑（CB）。所有其他成分均是橡膠級(jí)化學(xué)品。橡膠配方在表1中給出。
表1、橡膠配方
在兩個(gè)混合階段制備了橡膠化合物。第一混合階段，除了CBS促進(jìn)劑和硫外，其它所有成份在密煉機(jī)（來自臺(tái)灣頡懋公司的SYD-2L密煉機(jī)）以50 rpm轉(zhuǎn)速和腔壁溫度80℃混合了5分鐘；第二個(gè)混合階段，在60℃溫度下，將CBS和硫添加到雙輥開煉機(jī)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(jī)（荷蘭方泰納壓力機(jī)公司的LaBEcon 300）上硫化，在160℃下根據(jù)每1毫米厚度硫化時(shí)間 t90+1分鐘（試樣厚度為13毫米共計(jì)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(shí)驗(yàn)室切割和崩花測試是在橡膠樣本上使用一個(gè)儀表化的切割和崩花分析儀 （ICCATM）進(jìn)行檢測（圖2），該分析儀由德國科埃斯費(fèi)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(jìn)一步描述。對(duì)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(dòng)時(shí)間為30毫秒。
圖3、ICCA測量原理示意圖，包括：氣動(dòng)裝置（1），兩軸負(fù)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(dòng)氣缸產(chǎn)生沖擊力，其對(duì)橡膠表面的撞擊正向力、頻率和接觸（滑動(dòng)）時(shí)間都可以單獨(dú)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(gè)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(qiáng)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(píng)價(jià)的一個(gè)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(dòng)與受損表面的粗糙度、多個(gè)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(gè)很好的預(yù)測實(shí)際輪胎切割和崩花現(xiàn)場測試結(jié)果，這些實(shí)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(xì)節(jié)無法分享。
圖5、顯示ICCA測量的一個(gè)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(duì)NR/BR 50CB和NR/BR 65CB兩種混合化合物（見表1中的配方）進(jìn)行比較。結(jié)果如圖6與圖7所示。P對(duì)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(shí)現(xiàn)增強(qiáng)，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?fù)浣Y(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(fù)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)中，利用P參數(shù)進(jìn)行量化，從而允許在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)橡膠化合物的CC趨勢進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(duì)P的影響
橡膠的磨損包括機(jī)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(jī)進(jìn)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(huì)橡膠分會(huì)第192次會(huì)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(jìn)行的又一個(gè)研究領(lǐng)域。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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