高壓水射流破碎胎面膠的脆化效應(yīng)與膠粉形成

宋守許，唐 強(qiáng)，余德橋

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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高壓水射流破碎胎面膠的脆化效應(yīng)與膠粉形成

宋守許，唐 強(qiáng)，余德橋

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

采用霍布金森壓桿試驗(yàn)?zāi)M子午線輪胎胎面膠的破碎回收過程，分析高壓水射流沖擊下胎面膠材料受力及響應(yīng)狀態(tài)，試驗(yàn)表明材料存在韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生脆性斷裂。橡膠斷口與膠粉微觀形貌表明，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)典型的放射狀脆性斷面形貌，并形成大量與膠粉尺寸匹配的平整光滑區(qū)域，直接驗(yàn)證了脆性斷裂的存在并闡述其發(fā)生過程。然后利用應(yīng)力波傳播判據(jù)和脆斷力學(xué)分析解釋了胎面膠材料出現(xiàn)脆化效應(yīng)的原因。對材料韌脆轉(zhuǎn)變的影響因素進(jìn)行分析后可知，高壓水射流沖擊過程中，材料質(zhì)點(diǎn)變形速度遠(yuǎn)大于韌脆轉(zhuǎn)變臨界速度，在力學(xué)性能上表現(xiàn)為斷裂應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，致使材料發(fā)生脆性斷裂并形成精細(xì)膠粉。

高壓水射流； 胎面膠； Hopkinson壓桿； 脆化效應(yīng)； 膠粉形成

1 引 言

隨著我國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，我國廢舊輪胎的產(chǎn)量僅次于美國，因此廢舊輪胎橡膠的回收再利用十分重要，關(guān)系到環(huán)境保護(hù)與能源節(jié)約兩大問題。目前，廢舊橡膠的回收利用項(xiàng)目已被列為循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[1]，回收利用廢舊橡膠的辦法越來越多，如將廢舊橡膠與固體燃料(如油頁巖)共同處理的熱分解方法[2-3]，又如將廢舊橡膠制成膠粉后再利用等。

目前膠粉的生產(chǎn)主要有常溫粉碎法和低溫粉碎法兩類[4]。常溫粉碎法分為干法[5-6]與濕法，此方法最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前仍是國際上生產(chǎn)膠粉的主要方法。而低溫粉碎法[7]是指將廢舊橡膠經(jīng)低溫脆化后進(jìn)行機(jī)械粉碎的方法，相比常溫法可制得粒徑更小的膠粉，但是成本更高。

目前高壓水射流方法更多地在用于煤塊粉碎[8]和巖石粉碎[9-10]，若將高壓水射流直接沖擊輪胎橡膠材料，加工成膠粉，則可簡化粉碎工藝，降低能耗。關(guān)于水射流回收橡膠輪胎的機(jī)理正在研究之中[11]，但是由于射流破碎輪胎橡膠過程與機(jī)理比較復(fù)雜，對此進(jìn)行深入研究對膠粉生產(chǎn)效率的提高有指導(dǎo)作用，因此研究的空間與必要性還很大。

相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對不同應(yīng)力和應(yīng)變率下材料性能進(jìn)行了研究[12]，但是對于超高壓水射流下輪胎橡膠材料性能的研究還不足，本工作通過分離式霍布金森壓桿試驗(yàn)(SHPB)準(zhǔn)確分析高速沖擊狀態(tài)下胎面膠材料的動態(tài)響應(yīng)行為，從而模擬材料在超高壓水射流沖擊下的受力狀態(tài)，進(jìn)一步剖析材料的解離過程與機(jī)理。通過SHPB試驗(yàn)所得應(yīng)變率數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證材料在水射流破碎試驗(yàn)中的應(yīng)變硬化與脆韌轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，更進(jìn)一步解釋試驗(yàn)中制得精細(xì)膠粉的原因。

2 高速動態(tài)沖擊試驗(yàn)(SHPB)

2.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用直徑14.5mm分離式霍布金森壓桿，中科大材料動態(tài)性能實(shí)驗(yàn)室自制設(shè)備。考慮到壓桿材料與對象材料間強(qiáng)度差異過大，將影響到反射波的采集，從而影響試驗(yàn)信號的獲取，故選用500mm鋁制壓桿沖擊Φ8mm*5mm尺寸的圓柱體胎面膠樣件，該試驗(yàn)樣件則采用模具沖壓而成。

試驗(yàn)共選取2000/s～5400/s共四種高應(yīng)變率進(jìn)行SHPB試驗(yàn)，每組應(yīng)變率選擇6個橡膠樣件分析，樣件材料選用廢棄的米其林Primacy 3 ST系列汽車子午線輪胎胎面膠材料，型號為195/65R15(91H)，主要成分為天然橡膠與丁苯橡膠，并填充N110和N220系列炭黑，主要物理性能見表1。對于超軟材料的SHPB試驗(yàn)，獲得完整應(yīng)力-應(yīng)變曲線的試驗(yàn)應(yīng)變率一般都超過2000/s，所以本文采用波分離技術(shù)，利用后續(xù)加載波延長應(yīng)力-應(yīng)變曲線測量范圍，從而得到包含彈性階段、平臺屈服階段和壓實(shí)階段的完整應(yīng)力應(yīng)變過程。

表1 試驗(yàn)橡膠材料基本參數(shù)Table1 Rubber basic parameters

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1 應(yīng)變率-時間曲線Fig.1 Curves of Strain Rate-Time

圖2顯示的是四種應(yīng)變率情況下應(yīng)力應(yīng)變均值曲線，每條曲線由六個樣件取平均值。由圖分析可知，由于采用了波分離技術(shù)，每條曲線包含了平臺屈服階段和壓實(shí)階段，有效地延長了曲線測量范圍，相對于傳統(tǒng)SHPB試驗(yàn)只能得到平臺屈服階段，本試驗(yàn)效果提升較大。觀察平臺屈服階段可知，樣件存在應(yīng)變率效應(yīng)，隨應(yīng)變率升高，材料存在一定動態(tài)增強(qiáng)效果。并且材料在達(dá)到斷裂應(yīng)力點(diǎn)后存在卸載段，沒有明顯塑性變形區(qū)域，可以判斷材料在高速沖擊狀態(tài)下存在韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，脆性斷裂有助于形成精細(xì)橡膠粉末。

圖2 四種應(yīng)變率狀況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-Strain Curves under Four Kinds of Strain Rate 3 胎面膠材料脆性斷裂行為

3.1 脆性斷口與膠粉微觀形貌分析

圖3 200MPa射流壓力下胎面膠斷口形貌(SEM圖)Fig.3 Fracture Morphology of Tread Rubber under 200MPa Pressure(SEM)

材料破壞行為研究需要將材料力學(xué)性能與其微觀和細(xì)觀結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，而斷面形貌分析則是研究微觀結(jié)構(gòu)的有效方法。由圖2已初步判定超高壓水射流破碎胎面膠材料過程中存在脆性斷裂現(xiàn)象，直接驗(yàn)證了脆性斷裂行為的存在。根據(jù)水射流破碎試驗(yàn)及膠粉測試試驗(yàn)，200MPa壓力下破碎效率高且收集到的膠粉粒度可達(dá)到75μm，故選取200MPa作為分析參數(shù)。對橡膠斷口與膠粉微觀形貌進(jìn)行分析，圖3為200MPa壓力射流沖擊下的斷口微觀形貌，因?yàn)樘ッ婺z材料內(nèi)部不均質(zhì)，裂紋碰到任何阻礙都會改變擴(kuò)展方向，向薄弱處擴(kuò)張，直至斷裂，所以可將斷面分為起裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)。如圖3(a)所示，裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)典型的放射狀脆性斷面形貌，不相接的裂紋合體形成類似河流形狀的分布，圖3(b)顯示斷面存在較多平整光滑區(qū)域，尺寸大都介于50μm～100μm之間，與平均粒度75μm的膠粉尺寸一致，可知其為膠粉顆粒剝離面，因此胎面膠斷裂形成膠粉屬于脆性斷裂。但是由藍(lán)色標(biāo)線可知，剝離區(qū)域邊緣出現(xiàn)了具有韌性斷裂典型特征的瞬間斷裂區(qū)，產(chǎn)生一定塑性變形，使得斷面存在一定不平整度，但是斷面整體較為光滑，并沒有發(fā)生大規(guī)模剪切屈服，所以不能有效耗散能量，材料仍然表現(xiàn)為脆性斷裂。

圖4為200MPa壓力射流沖擊下膠粉微觀形貌，圖中標(biāo)記區(qū)域?yàn)閱蝹€膠粉形貌，與斷面形貌中光滑區(qū)域尺寸相匹配，且表面平整，同樣表現(xiàn)出脆性斷裂特征。

圖4 200MPa射流壓力下膠粉微觀形貌Fig.4 Micro Morphology of Powder under 200MPa Pressure

3.2 韌脆斷裂轉(zhuǎn)變因素

一般認(rèn)為脆性在本質(zhì)上總是與材料彈性響應(yīng)相關(guān)，斷裂點(diǎn)前形變是均勻的，指示試樣斷裂的裂紋迅速貫穿垂直于應(yīng)力方向的平面，斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷裂應(yīng)變值低于5%。而韌性斷裂通常有較大形變，形變可以是不均勻的，斷裂表面有塑性變形，需要較大能量。

高速射流沖擊試驗(yàn)中，材料斷裂時影響韌脆轉(zhuǎn)變的主要外界因素包括溫度，應(yīng)變速率和缺口情況。判斷材料脆斷與韌斷通常以屈服應(yīng)力和斷裂應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)，一定應(yīng)變速率或者溫度下，外加應(yīng)力達(dá)到二者中的較低值時，就會發(fā)生脆斷或者屈服?？紤]到本文試驗(yàn)過程中，材料在水介質(zhì)中破壞，射流沖擊可一定程度上升高水溫，但總體均勻，材料受溫度變化影響較小，故本文主要研究材料應(yīng)變率對韌脆轉(zhuǎn)變的影響。

3.3 應(yīng)力波傳播判據(jù)證明

高加載速率與高應(yīng)變率狀態(tài)下，材料變形與斷裂性質(zhì)發(fā)生較大改變。塑性變形階段中，塑性變形過程是比較緩慢的，為進(jìn)行充分的塑性變形，需要較多時間，當(dāng)加載速率高時，變形速度超過了進(jìn)行充分塑性變形所需時間的臨界變形速度，則塑性變形過程受到約束與限制，將使材料的屈服點(diǎn)升高，塑性降低，從而增加了材料的脆化傾向。因此，研究動態(tài)斷裂的規(guī)律就需要運(yùn)用應(yīng)力波傳播的波動性質(zhì)。本文從應(yīng)力波傳播角度給出子午線輪胎胎面膠材料在高速射流沖擊下的脆性斷裂判據(jù)。

3.3.1 沖擊載荷波動性質(zhì) 已知，波陣面?zhèn)鞑ニ俣扰c質(zhì)點(diǎn)變形速度一致稱為縱波，二者垂直稱為橫波。忽略泊松效應(yīng)的影響，本文主要分析一維縱波的傳播性質(zhì)。橡膠材料單元體受力分析如圖5。

圖5 單元體受力分析Fig.5 Force analysis of Unit Body

由單元體的受力分析可得表達(dá)式(1)：

(1)

將式(1)簡化并微分可得一維波動基本方程式

(2)

(3)

(4)

(5)

3.4 脆性斷裂的力學(xué)分析

高聚物的屈服行為是通過應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線來研究的，應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線是一種使用極廣的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，可通過分析試驗(yàn)曲線評價諸如楊氏模量、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率等指標(biāo)，在不同應(yīng)變速率范圍內(nèi)有助于判斷高聚物材料的強(qiáng)弱與韌脆。

如圖6所示，整個曲線以屈服點(diǎn)A為界，屈服點(diǎn)以前，材料處于彈性區(qū)域(OA段)，卸載后形變能完全恢復(fù)，屈服點(diǎn)A所對應(yīng)的應(yīng)力稱為材料的屈服應(yīng)力σy。屈服點(diǎn)以后材料進(jìn)入塑性區(qū)域，卸載后不可完全恢復(fù)，材料在塑性區(qū)域先經(jīng)一小段應(yīng)變軟化，即應(yīng)變增加，應(yīng)力反而稍有下跌(AB段)；又經(jīng)取向硬化，即應(yīng)力急劇增加(CD段)，最后在D點(diǎn)斷裂，D點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限或斷裂應(yīng)力。對圖7中胎面膠材料受高速沖擊時應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，曲線呈現(xiàn)較寬的彈性區(qū)域，并且具有高度非線性。對于高聚物材料，定義其真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)極大的位置為內(nèi)在屈服點(diǎn)，由圖可知，材料的應(yīng)變率由2000/s增大到4800/s后，屈服應(yīng)力由89MPa增加到236MPa，彈性區(qū)域平均斜率也隨應(yīng)變率增加，體現(xiàn)出了應(yīng)變率敏感性和高聚物的粘彈性能。對比發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)變率狀態(tài)下，胎面膠材料達(dá)屈服點(diǎn)以后并未出現(xiàn)明顯塑性變形區(qū)，達(dá)到斷裂應(yīng)力時直接進(jìn)入卸載段，應(yīng)力急劇減小，斷裂應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，最終斷裂，同時形變并未增加，甚至出現(xiàn)微小收縮，塑性伸長率幾乎為零。結(jié)合前面斷裂判據(jù)，可以判斷，胎面膠材料在高速射流沖擊狀態(tài)下，應(yīng)變率高，材料表現(xiàn)出脆性斷裂行為，以至于材料較容易形成精細(xì)橡膠粉末，與試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

圖6 普通應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Normal Curve of Stress-Strain

圖7 高應(yīng)變率沖擊下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Curves of Stress - Strain under High Strain Rate

4 結(jié) 論

通過SHPB模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輪胎橡膠在高壓水射流沖擊狀態(tài)下存在脆性斷裂現(xiàn)象，而橡膠斷口與膠粉的SEM圖中裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)典型放射狀脆性斷面形貌，且平整光滑的剝離面與膠粉顆粒尺寸一致，從而直接驗(yàn)證了材料的脆性斷裂行為。再通過應(yīng)力波傳播判據(jù)分析知道，最大壓應(yīng)力時材料質(zhì)點(diǎn)變形速度為2463.56m/s，遠(yuǎn)大于韌脆轉(zhuǎn)變臨界速度，說明材料發(fā)生了韌脆轉(zhuǎn)變過程。最后對SHPB試驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)分析，材料達(dá)到屈服點(diǎn)以后未出現(xiàn)明顯塑性變形區(qū)，斷裂應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，脆性特征明顯。因此，超高壓水射流工藝可以使橡膠材料在脆性狀態(tài)下形成75μm的超細(xì)膠粉，顯示出其他回收工藝所沒有的優(yōu)勢。

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Embrittlement Effect of High Pressure Water Jet Breaking Tread Rubber and Formation of Rubber Powder

SONG Shouxu， TANG Qiang， YU Deqiao

(School of Mechanical Engineering，Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

For analyzing the force and response state of tread material under high pressure water jet, Hopkinson pressure bar test was used to simulate the crushing and recycling process of radial tire tread rubber. The simulation shows that water jet impact makes the material exhibit ductile-brittle transition, and thus finally brittle fracture occurs. According to micro morphology of rubber fracture and powder, there are a large number of smooth regions matching with the size of powder in the crack propagation area with a typical radial brittle fracture morphology, and directly verifying the brittle fracture and explained its process. Then, the stress wave propagation criterion and the mechanics analysis of brittle fracture were used to explain the reason of the brittle effect of tread rubber. By analyzing the factors of ductile-brittle transition, the deformation rate of material particle is much higher than the critical speed of ductile-brittle transition under the high pressure water jet, which in mechanical properties reflect that the fracture stress is less than the yield stress, and finally result in the brittle fracture in material and the formation of very fine powder.

high pressure water jet； tread rubber； Hopkinson pressure bar； embrittlement effect； powder’s formation

1673-2812(2017)03-0427-05

2015-11-11；

2016-04-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175139)

宋守許，博士，教授， E-mail:shouxus@163.com。通訊作者：唐 強(qiáng)，碩士研究生， E-mail:tangqiang418@163.com。

X705

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.03.016