碳纖維與工程車輛翻新輪胎復(fù)合強化模型及增強機理

王 強，齊曉杰，王云龍，王國田

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

碳纖維與工程車輛翻新輪胎復(fù)合強化模型及增強機理

王 強，齊曉杰，王云龍，王國田

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

為了有效提高工程車輛翻新輪胎質(zhì)量，以碳纖維作為增強體，工程翻新輪胎胎面作為基本體，通過設(shè)計復(fù)合材料的配方、黏合體系和混煉工藝，分析了經(jīng)改性處理的碳纖維對胎面橡膠基體力學(xué)性能的影響。構(gòu)建了碳纖維與胎面橡膠復(fù)合強化混合物理模型和分散物理模型。分析了碳纖維與胎面橡膠黏結(jié)狀態(tài)及黏結(jié)機理。為獲得高性能的碳纖維增強工程翻新輪胎奠定理論基礎(chǔ)。

車輛工程；碳纖維；工程車輛翻新輪胎；復(fù)合強化模型；黏合狀態(tài)；增強機理

工程車輛輪胎一般是在苛刻的環(huán)境下工作的，例如路面不平坦且有尖銳的碎石塊、巖石、釘子和碎玻璃等雜物，受硬物沖擊大，經(jīng)常是晝夜連續(xù)作業(yè)，或者雖在較平坦的路面上工作，但負荷大、運距短、轉(zhuǎn)彎多、速度較快。此外，各種工程車輛一般都是露天作業(yè)，冬、夏季溫差變化大，工程車輛輪胎要承受較寬的溫度變化范圍，而且受風(fēng)吹日曬雨淋。工程車輛輪胎的這些使用特點，對其使用壽命均會產(chǎn)生重要影響。輪胎壽命是輪胎最重要的性能之一，尤其是工程車輛輪胎，一條輪胎的價格在幾千甚至幾萬元人民幣，延長其壽命對工程車輛的經(jīng)濟性有直接影響[1]。近年來，我國工程車輛輪胎翻新行業(yè)發(fā)展較快，一些礦山企業(yè)工程車輛開始使用翻新輪胎，雖然輪胎總成本有所下降，但翻新輪胎質(zhì)量與新輪胎相比還存在一定差距，使用壽命低下，作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)崩花掉塊及不耐磨等問題。為了有效提高工程翻新輪胎質(zhì)量，將碳纖維作為增強體，工程翻新輪胎胎面作為基本體，設(shè)計二者復(fù)合材料的配方、黏合體系和混煉工藝，構(gòu)建碳纖維與胎面橡膠復(fù)合強化模型，分析碳纖維與胎面橡膠黏結(jié)狀態(tài)及黏結(jié)機理，為獲得高性能的碳纖維增強工程翻新輪胎奠定理論基礎(chǔ)[2-3]。

1 碳纖維與工程翻新輪胎胎面復(fù)合配方選擇及混煉過程

1.1 配方選擇

碳纖維增強工程翻新輪胎胎面橡膠試驗配方選擇如表1[4-5]，碳纖維增強體長度為6 mm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%,4%,7%,10%。

表1 碳纖維增強工程翻新輪胎胎面膠主要配方

1.2 碳纖維與胎面橡膠復(fù)合的黏合體系設(shè)計與共混工藝

碳纖維用5%聚二苯基甲烷二異氰酸酯的甲苯溶液浸漬后，碳纖維表面黏附2%的前處理劑，然后將經(jīng)過預(yù)混的增黏劑C501直接加入胎面配方中，并在一定溫度下與碳纖維混煉?；鞜挷僮髟?寸雙輥密煉機上進行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r/min，生橡膠加入密煉化機上硫化20 min，硫化溫度為140 ℃，硫化壓力為5 MPa。機中塑煉4 min，然后加壓延成2～4 mm厚薄片，然后下片在25 t電熱平板硫化機上硫化20 min，硫化溫度為140 ℃，硫化壓力為5 MPa[6-8]。

2 碳纖維與胎面膠復(fù)合強化模型

針對筆者研究的配方，碳纖維與胎面膠復(fù)合強化過程共分為兩個階段，第1個階段用混合物理模型來描述，第2個階段用分散物理模型來描述。

2.1 碳纖維與胎面膠復(fù)合強化混合物理模型

碳纖維與胎面膠復(fù)合強化混合物理模型可以用兩個互補等效的過程來描述：第1個過程是將碳纖維假設(shè)成許多棒狀物，在混合時碳纖維被擠入橡膠膠料，形成以橡膠膠料為主體的“骨架”復(fù)合強化混合物理模型，如圖1(a)；第2個過程是將碳纖維相互之間留有的空隙假設(shè)成許多小管或毛細管，在混合時橡膠膠料被擠入小管或毛細管中，形成以碳纖維為主體的“骨架”復(fù)合強化混合物理模型，如圖1(b)。從圖1中可知，橡膠膠料與碳纖維混煉過程能否順利進行主要取決于橡膠膠料的黏度，橡膠膠料的黏度越小，碳纖維擠入橡膠膠料或橡膠膠料擠入碳纖維之間留有的間隙就越容易，反之亦然。

圖1 碳纖維與胎面膠復(fù)合強化混合物理模型Fig.1 Compound strengthening mixed physical model of carbonfiber and tread rubber

2.2 碳纖維與胎面膠復(fù)合強化分散物理模型

碳纖維與胎面膠復(fù)合強化分散物理模型有4種情況，如圖2。第1種情況碳纖維所占比例較大，主要以附聚體存在于橡膠膠料中；第2種情況碳纖維所占比例較小，局部橡膠膠料中沒有碳纖維；第3種情況少量或極少量碳纖維黏附在橡膠膠料表面或以游離狀態(tài)存在；第4種情況碳纖維所占比例適中，以一個良好的分散過程均勻分布在整個橡膠膠料中。顯然，前3種碳纖維在橡膠膠料中分布不均勻，4種情況中第4種是最為理想的狀態(tài)。要使碳纖維混煉均勻，需保證混煉的橡膠膠料處于一種“最佳黏度”狀態(tài)。當(dāng)混煉膠料處于“最佳黏度”狀態(tài)時，則碳纖維混煉時更容易被分散到橡膠膠料中，且在較短的時間和較小的能量消耗下，碳纖維就能獲得較好的分散度。碳纖維附聚體破碎分散的物理模型如圖3。在混煉過程中，第一種情況碳纖維附聚體在剪切流場或拉伸流場作用下，當(dāng)碳纖維附聚體受到的剪切變形或拉伸變形力大于這一物理附聚力時，碳纖維附聚體會被破碎，同時，分散不均勻或游離狀態(tài)的碳纖維也會隨著剪切變形量的增加，逐漸均勻地分散到橡膠膠料中。

圖2 短切碳纖維與胎面膠復(fù)合強化分散物理模型Fig.2 Compound strengthening dispersed physical model of sortly-chopped carbon fiber and tread rubber

圖3 短切碳纖維附聚體破碎分散的物理模型Fig.3 Broken dispersed physical model of shortly-chopped carbon fiber agglomeration body

3 碳纖維對胎面橡膠基體力學(xué)性能的影響

碳纖維的用量、長度、表面處理、黏合體系以及共混工藝是決定碳纖維增強橡膠材料性能的關(guān)鍵[9]。將碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，4%，7%，10%的膠條試樣，分別在萬能拉伸試驗機上進行拉伸測試，其應(yīng)力-應(yīng)變對比曲線如圖4。

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變對比曲線Fig.4 Contrast curve of stress and strain

從圖4可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的碳纖維就能使橡膠基體的力學(xué)性能發(fā)生明顯變化。質(zhì)量分?jǐn)?shù)由4%增至7%時，拉伸強度隨碳纖維用量增加而增大。碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時，拉伸強度可提高40%左右，彈性模量提高1倍以上，但伸長率下降40%左右。當(dāng)碳纖維用量再繼續(xù)增加，拉伸強度將出現(xiàn)下降趨勢，碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到10%時，拉伸強度達到一定值后開始急速下降，但彈性模量始終隨碳纖維用量增加而成倍提高。這說明，高強度、高模量、低伸長率的碳纖維對胎面橡膠確實起到了補強作用，賦予了材料較高的抗形變能力，同時，在一定程度上也限制了胎面橡膠基體的變形[9-10]。

4 碳纖維與胎面橡膠黏結(jié)狀態(tài)形貌分析與增強機理分析

4.1 形貌分析

利用掃描電鏡將碳纖維與胎面橡膠復(fù)合體分別放大200倍，如圖5。掃描電鏡觀察結(jié)果表明：部分碳纖維在劇烈的混煉中變短，甚至被破碎，但碳纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)基本上保持不變，在橡膠膠料基體中分散基本均勻，二者界面的黏合狀態(tài)較好，碳纖維發(fā)揮了一定的增強作用。分析其原因：添加的增黏劑C501與橡膠基體的溶解度參數(shù)相近，在適當(dāng)?shù)幕鞜掁D(zhuǎn)速、混煉溫度及混煉時間條件下，充滿碳纖維的內(nèi)部空隙以及碳纖維與橡膠膠料之間的空隙，在碳纖維與橡膠基體間架起了“橋梁”作用。同時，碳纖維經(jīng)過5%聚二苯基甲烷二異氰酸酯的甲苯溶液浸漬后，其表面活性官能團增多，在增黏劑C501的促進下，與橡膠基體快速黏結(jié)并纏繞，由于應(yīng)力的作用，橡膠和增黏劑C501大分子產(chǎn)生形變，引發(fā)裂解，在生成大分子自由基的同時，產(chǎn)生自身力活化效應(yīng)，這種效應(yīng)會加速橡膠基體、增黏劑和碳纖維三者之間的交聯(lián)反應(yīng)，會大大提高碳纖維與胎面橡膠的黏合強度。

圖5 顯微鏡下碳纖維與胎面橡膠黏合狀態(tài)(放大200倍)

4.2 增強機理分析

當(dāng)胎面受力時，作用在胎面橡膠基體上的載荷，通過一定的方式傳遞到短切碳纖維上，使其受載。由于短切碳纖維存在末端效應(yīng)，導(dǎo)致短切碳纖維各部位受力不均，變形也不均勻，如圖6。

圖6 短切碳纖維受力前后橡膠基體變形示意Fig.6 Deformation diagram of rubber matrix before and after the force of shortly-chopped carbon fiber

從細觀上看，由于短切碳纖維的彈性模量比橡膠基體大，如果受到平行于短切碳纖維方向的力時，橡膠基體變形量將大于短切碳纖維變形量。由于短切碳纖維與橡膠基體緊密結(jié)合在一起，短切碳纖維將限制橡膠基體過大的變形，于是在二者界面上便產(chǎn)生了剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，并將所承受的載荷合理分配到短切碳纖維和橡膠基體這兩種組分上。短切碳纖維的微觀受力模型如圖7，設(shè)短切碳纖維的長度為l，與橡膠基體黏合較好，載荷作用在橡膠基體上，然后橡膠基體會將載荷通過橡膠基體與短切碳纖維界面上的剪應(yīng)力傳遞到短切碳纖維上。

圖7 短切碳纖維微觀受力模型Fig.7 Micro-stress model of shortly-chopped carbon fiber

對于圖7中短切碳纖維微元體，存在靜力平衡方程：

整理得

積分得

式中：σf為短切碳纖維軸向應(yīng)力，MPa；τ為界面上的剪應(yīng)力，MPa；rf為短切碳纖維半徑，m；σf 0為短切碳纖維末端正應(yīng)力，MPa。

短切碳纖維在胎面橡膠中為相互搭接狀態(tài)且隨機分布，其在橡膠中形成“加強筋”骨架，對周圍橡膠高分子鏈的滑動產(chǎn)生阻礙作用。隨著短切碳纖維長度及含量的提高，碳纖維之間的搭接點數(shù)目增加，在橡膠基體中形成交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并阻礙周圍橡膠高分子鏈的滑動。當(dāng)短切碳纖維復(fù)合胎面試樣受力時，主要是短切碳纖維周圍的橡膠基體產(chǎn)生變形，在短切碳纖維的兩端產(chǎn)生兩個應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)短切碳纖維含量較低時，這種應(yīng)力集中區(qū)密度較疏，被外力破壞的可能性較小。當(dāng)短切碳纖維之間的協(xié)同作用抵消甚至超過應(yīng)力集中區(qū)的破壞力時，短切碳纖維與胎面橡膠復(fù)合材料的拉伸強度和撕裂強度會有提高，彈性模量和硬度則明顯增大，伸長率也隨之下降。隨著短切碳纖維長度和用量的繼續(xù)增加，短切碳纖維端部的應(yīng)力集中區(qū)增密，出現(xiàn)區(qū)域性的重疊，這些部位容易引發(fā)破壞，致使拉伸強度下降，而彈性模量和硬度則始終呈上升趨勢，且成倍增加。理論上短切碳纖維在與橡膠基體混煉中會發(fā)生變短、變粗糙的變化現(xiàn)象，但金相顯微鏡的觀察結(jié)果表明：短切碳纖維基本上能夠保持其原有的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，因此能夠?qū)μッ嫦鹉z基體起到有效的增強效果。

5 結(jié) 論

1)碳纖維的用量、長度、表面處理、黏合體系以及共混工藝對工程翻新輪胎胎面橡膠的力學(xué)性能會產(chǎn)生不同程度的影響。

2)碳纖維對胎面橡膠確實起到了補強作用，補強效果隨碳纖維用量的增加出現(xiàn)先增強后下降的趨勢，質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%是補強效果的一個明顯分界點。

3)構(gòu)建了碳纖維與胎面膠復(fù)合強化模型，即分別用混合物理模型和分散物理模型來描述。

4)分析了碳纖維與胎面橡膠黏結(jié)狀及黏結(jié)機理，經(jīng)表面處理的碳纖維與胎面橡膠黏結(jié)狀態(tài)及黏合強度較好。

[1] 鄔玉林.輪胎在礦山使用狀況淺析[J].露天采礦技術(shù),2013(1):56-59. WU Yulin. Tires in mine using situations[J].OpencastMiningTechnology, 2013(1):56-59.

[2] 高升日,劉玉成,趙鵬飛,等.纖維增強胎面礦山型載重子午線輪胎的設(shè)計[J].輪胎工業(yè),2013,33(7):396-399. GAO Shengri, LIU Yucheng, ZHAO Pengfei, et al. Design of fiber reinforced tread for mining truck radial tire[J].TireIndustry, 2013,33(7):396-399.

[3] 侯美連,張德偉,孟光振,等.聚酯短纖維/橡膠復(fù)合材料及其在輪胎中的應(yīng)用概況[J].橡膠科技市場,2011,9(4):13-15. HOU Meilian, ZHANG Dewei,MENG Guangzhen,et al. Polyester short fiber/rubber composite material and its application in the tires situation[J].RubberScienceandTechnology, 2011,9(4):13-15.

[4] 林慶奇,郭歡歡,陳延.分散劑ZD-6在工程機械輪胎胎面膠中的應(yīng)用[J].輪胎工業(yè),2012,32(10):608-611. LIN Qingqi,GUO Huanhuan,CHEN Yan. Application of dispersing agent ZD-6 in tread compound of earth-mover tire[J].TireIndustry, 2012,32(10): 608-611.

[5] 張晨光.TPI在工程輪胎胎面膠中的應(yīng)用[J].橡塑資源利用,2012(6):5-8. ZHANG Chenguang. Application of TPI in tire tread compound of OTR tires[J].Rubber&PlasticsResourcesUtilization,2012(6):5-8.

[6] 田琳娜,崔善子.碳纖維布表面處理對酚醛樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].工程塑料應(yīng)用,2012,40(4):76-78. TIAN Linna,CUI Shanzi. Effects of surface treatment of carbon fiber cloth on mechanical properties of phenolic resin composites [J].EngineeringPlasticsApplication,2012,40(4):76-78.

[7] 張德偉,汪傳生,曾憲奎,等.短纖維-橡膠復(fù)合材料的混煉工藝[J].特種橡膠制品,2011,32(5):49-53. ZHANG Dewei,WANG Chuansheng,ZENG Xiankui,et al. Mixing technology of short fiber-rubber composite material[J].SpecialPurposeRubberProducts,2011,32(5):49-53.

[8] 汪傳生,張德偉,邊慧光.混煉參數(shù)對短纖維-橡膠復(fù)合材料性能的影響[J].功能材料,2011,42(8):1448-1451. WANG Chuansheng, ZHANG Dewei, BIAN Huiguang. Effects of mixing parameters on properties of short fiber-rubber composite material[J].JournalofFunctionalMaterials, 2011,42(8):1448-1451.

[9] 武衛(wèi)莉,張晶.廢輪胎粉/植物纖維復(fù)合材料的制備及性能[J].紙和造紙,2013,32(7):40-42. WU Weili, ZHANG Jing. Preparation of waste tire powder/plant fiber composites and its property[J].PaperandPaperMaking, 2013,32(7):40-42.

[10] 袁小紅.短纖維補強發(fā)泡橡膠復(fù)合材料的性能研究[J].橡膠工業(yè),2011,58(7):410-414. YUAN Xiaohong. Performance study of short fiber reinforcing foam rubber composites [J].ChinaRubberIndustry, 2011,58(7):410-414.

Strengthening Mechanism and Compound Strengthening Model of Carbon Fiber and Engineering Vehicle Retreaded Tire

WANG Qiang, QI Xiaojie, WANG Yunlong, WANG Guotian

(School of Automobile & Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, Heilongjiang, P.R.China)

In order to improve the quality of the retreaded tires of engineering vehicle, mixing physical model and distributed physical model of carbon fiber and tread rubber compound enhancement were established, which took the carbon fiber as the reinforcement and the engineering retreaded tire tread as the basic body. Through the design of formulation, adhesive system and mixing technology of composite material, the effect of modified carbon fiber on the basic mechanical properties of tread rubber was analyzed. And the bonding state and bonding mechanism of carbon fiber and tread rubber were analyzed, which provided a theoretical foundation to obtain the carbon fiber reinforced engineering retreaded tire with high performance.

vehicle engineering; carbon fiber; engineering vehicle retreaded tire; compound strengthening model; bonding state; strengthening mechanism

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.35

2014-08-20；

2015-10-13

黑龍江工程學(xué)院博士科研基金項目(2015BJ05)

王 強(1981—)，男，黑龍江哈爾濱人，副教授，工學(xué)博士，主要從事車輛輪胎及翻新輪胎技術(shù)方面的研究。E-mail：630702666@qq.com。

U464.341

A

1674-0696(2016)03-178-05