超高頻段輪胎橡膠電性能研究

宋廷強(qiáng)，張 偉，馬連湘

（1.青島科技大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

射頻標(biāo)識(shí)（RFID）輪胎通常是把超高頻（UHF）RFID模塊和天線組成的電子標(biāo)簽在硫化時(shí)植入輪胎內(nèi)部，用以記錄輪胎的標(biāo)識(shí)信息[1]，植入RFID模塊的讀取距離受芯片所處介質(zhì)環(huán)境的影響[2]。

在UHF頻段，RFID天線與輪胎橡膠直接接觸。由于炭黑等組分的影響，輪胎不同橡膠部件所具有的導(dǎo)電與介電性能不同，而由橡膠、炭黑及其他原材料組成的復(fù)合材料的導(dǎo)電與介電性能會(huì)對(duì)植入其中的RFID天線產(chǎn)生影響，損耗射頻傳輸能量，改變射頻芯片與天線的匹配關(guān)系，縮短RFID電子標(biāo)簽的讀取距離。為了實(shí)現(xiàn)植入橡膠復(fù)合材料中的RFID天線與芯片的阻抗匹配，需要獲得工作頻段下橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電性能與介電參數(shù)，用以設(shè)計(jì)及仿真RFID天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]。

UHF RFID的頻帶為860～960 MHz，不同的國(guó)家會(huì)稍有差異[4]，而在一些輪胎TPMS應(yīng)用中，所用頻率會(huì)高達(dá)2.4 GHz[5]。炭黑是一種半導(dǎo)體，本征電阻率為0.01～0.1 Ω cm，它不僅資源豐富、導(dǎo)電性能持久穩(wěn)定，而且可以大幅調(diào)整材料的導(dǎo)電性能（1～1 106Ω cm），并能保持聚合物的特點(diǎn)[6]。由于橡膠復(fù)合材料的介電參數(shù)測(cè)量十分復(fù)雜，因此研究UHF頻段下炭黑用量與橡膠復(fù)合材料介電特性的關(guān)系顯得十分重要。

在高頻（一般小于10 MHz）范圍對(duì)橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電與介電性能的研究已有許多報(bào)道[7-11]，但目前少有文獻(xiàn)涉及UHF頻段。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，UHF RFID橡膠復(fù)合材料植入的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛[12]。本工作借助射頻阻抗分析儀，測(cè)試不同硫化膠的導(dǎo)電與介電參數(shù)，主要研究炭黑的種類和用量對(duì)橡膠復(fù)合材料介電參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號(hào)SMR10#，馬來(lái)西亞產(chǎn)品；炭黑N330和N660，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR 100，硬脂酸 1.5，防老劑RD 2.5，增塑劑 3，防焦劑 0.08，硫黃 1.98，促進(jìn)劑CZ 1.3，炭黑 變品種、變量，氧化鋅 變量。

1.3 試樣制備

將NR塑煉2 min，加入氧化鋅、硬脂酸、增塑劑和防焦劑，吃料后兩邊各三刀，打兩次三角包；緩慢加入炭黑，吃料后再兩邊各三刀，打兩次三角包；加入防老劑RD、促進(jìn)劑CZ，兩邊各三刀，打兩次三角包；最后加硫黃，兩邊各三刀，打兩次三角包后薄通下片。

膠料采用硫化特性測(cè)定儀測(cè)試硫化曲線，采用XLB型平板硫化機(jī)進(jìn)行硫化，硫化條件為160℃ 15 min。制得直徑為20 mm、厚度為2 mm的試樣。

1.4 性能測(cè)試

硫化膠的導(dǎo)電性能根據(jù)GB/T 1692—2008《硫化橡膠 絕緣電阻率的測(cè)定》，利用PC68型數(shù)字高阻計(jì)進(jìn)行測(cè)定；介電參數(shù)采用安捷倫E4991A型射頻阻抗/材料分析儀進(jìn)行測(cè)試，在頻率為3 GHz內(nèi)穩(wěn)定測(cè)量硫化膠的交流阻抗和阻抗角。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)電性能

2.1.1 炭黑種類和用量的影響

在氧化鋅用量為3份的情況下，橡膠復(fù)合材料的體積電阻率（ρv）和表面電阻率（ρs）與炭黑用量的關(guān)系曲線分別如圖1和2所示。

圖1 體積電阻率與炭黑用量的關(guān)系曲線

圖2 表面電阻率與炭黑用量的關(guān)系曲線

由圖1和2可以看出，在炭黑用量相同的情況下，炭黑N330與N660橡膠復(fù)合材料的體積電阻率和表面電阻率均接近，差別甚微，但炭黑用量對(duì)橡膠復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響明顯。當(dāng)炭黑用量小于20份時(shí)，由于炭黑粒子較少，橡膠復(fù)合材料的體積電阻率及表面電阻率均較大。當(dāng)炭黑用量增大到40份時(shí)，炭黑網(wǎng)絡(luò)形成趨于穩(wěn)定，導(dǎo)電性增強(qiáng)的趨勢(shì)減弱，因此電阻率的下降趨于平緩。

2.1.2 氧化鋅用量的影響

橡膠復(fù)合材料中的小料起促進(jìn)硫化等作用。由于小料用量較小，通常認(rèn)為其對(duì)橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電性能影響很小。但氧化鋅是橡膠硫化體系中重要的活性劑，可使促進(jìn)劑活性增強(qiáng)，減小促進(jìn)劑用量，縮短硫化時(shí)間。本工作在炭黑N330為15份、N660為35份的情況下，研究了氧化鋅用量對(duì)橡膠復(fù)合材料體積電阻率和表面電阻率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電阻率與氧化鋅用量的關(guān)系曲線

由圖3可以看出：當(dāng)氧化鋅用量為零時(shí)，膠料硫化不充分，其體積電阻率和表面電阻率均很大；氧化鋅用量為2～8份時(shí)，其體積電阻率和表面電阻率均變化不大，說(shuō)明氧化鋅作為活性劑，其用量對(duì)橡膠復(fù)合材料的電阻率影響不大。

2.2 介電性能

2.2.1 炭黑種類和用量的影響

在氧化鋅用量為3份的情況下，橡膠復(fù)合材料在不同炭黑N330用量下的介電常數(shù)（ε）和損耗因子（tanδ）隨頻率的變化曲線分別如圖4和5所示。

圖4 不同炭黑N330用量下ε與頻率的關(guān)系曲線

圖5 不同炭黑N330用量下tanδ與頻率的關(guān)系曲線

由圖4和5可以看出，隨著炭黑N330用量增大，ε和tanδ有增大的趨勢(shì)。在同一炭黑用量下，隨著頻率的增大，ε和tanδ逐漸減小。

隨著頻率的增大，ε呈下降趨勢(shì)，表明橡膠復(fù)合材料在外電場(chǎng)作用下極化程度隨著頻率的增大而降低，特別是在超高頻段下，該現(xiàn)象更明顯。tanδ同樣隨著頻率的升高呈下降趨勢(shì)。

橡膠復(fù)合材料在不同炭黑N660用量下的ε和tanδ隨頻率的變化曲線分別如圖6和7所示。

圖6 不同炭黑N660用量下ε與頻率的關(guān)系曲線

圖7 不同炭黑N660用量下tanδ與頻率的關(guān)系曲線

分別對(duì)比圖4與6及圖5與7可以發(fā)現(xiàn)，炭黑N660橡膠復(fù)合材料的ε和tanδ與炭黑N330橡膠復(fù)合材料具有相同的變化趨勢(shì)。由于炭黑N330和N660具有不同的粒徑和比表面積，在相同炭黑用量和相同頻率下，炭黑N660橡膠復(fù)合材料具有較低的ε和tanδ。

2.2.2 氧化鋅用量的影響

在炭黑N330用量為20份的情況下，氧化鋅用量對(duì)橡膠復(fù)合材料的ε和tanδ隨頻率變化的影響分別如圖8和9所示。

圖8 不同氧化鋅用量下ε與頻率的關(guān)系曲線

圖9 不同氧化鋅用量下tanδ與頻率的關(guān)系曲線

由圖8和9可以看出，當(dāng)氧化鋅用量變化時(shí)，橡膠復(fù)合材料的ε和tanδ的差別不大，且當(dāng)氧化鋅用量為2和8份時(shí)，膠料的ε和tanδ分別近似相等，而氧化鋅用量為4和6份時(shí)，膠料的ε和tanδ也分別近似相等，且微小于氧化鋅用量為2和8份時(shí)的數(shù)值。氧化鋅為活性劑，用量很低，起促進(jìn)硫化的作用，在一定頻率下，由于氧化鋅用量不同，使橡膠的硫化程度不同，導(dǎo)致橡膠復(fù)合材料的ε和tanδ有一定的差別，但差別微小。

2.3 溫度的影響

本工作還研究了溫度對(duì)橡膠復(fù)合材料介電性能的影響。炭黑N330用量為60份，氧化鋅用量為3份，其他組分和用量不變。當(dāng)改變溫度和頻率時(shí)，得到溫度和頻率對(duì)橡膠復(fù)合材料tanδ的影響，如圖10所示。

圖10 不同溫度下tanδ與頻率的關(guān)系曲線

由圖10可以看出，溫度對(duì)tanδ影響不大，但在相同溫度下，tanδ隨著頻率的增大呈下降趨勢(shì)。當(dāng)頻率低于1.5 GHz時(shí)，tanδ受溫度影響較大，但在2 GHz以上頻段受影響較小，橡膠復(fù)合材料的tanδ值變得很小，在0.4以下。

3 結(jié)論

（1）炭黑種類和用量對(duì)橡膠復(fù)合介電性能的影響明顯，隨著炭黑用量的增大，橡膠復(fù)合材料的ε和tanδ有增大的趨勢(shì)。當(dāng)炭黑用量不變時(shí)，隨著頻率的增大，橡膠復(fù)合材料的ε和tanδ逐漸減小。由此可以建立輪胎橡膠的ε和tanδ與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而為UHF RFID天線設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并可以為輪胎RFID植入提供指導(dǎo)。

（2）炭黑種類對(duì)橡膠復(fù)合材料導(dǎo)電性能的影響不明顯，但其用量對(duì)導(dǎo)電性能的影響明顯。

（3）氧化鋅用量對(duì)橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和介電性能影響不大，ε和tanδ隨著頻率的增大呈遞減趨勢(shì)。

（4）橡膠復(fù)合材料的介電性能也受溫度的影響。當(dāng)頻率低于1.5 GHz時(shí)，tanδ受溫度影響較大，但頻率超過(guò)2 GHz時(shí)，溫度對(duì)tanδ的影響較小。