张 蕾 编译
20世纪初期,天然橡胶是极其稀有和昂贵 的。这就是为什么部分天然橡胶被各种各样的填 料(如高岭土,白垩等)取代的原因。到了1912
年,炭黑的应用取代了惰性矿物填料,并展示了其 不同寻常的补强性能。现今,如果填料可以同时 提高大形变下的模量及拉伸永久变形,则我们称
之为补强填料。这样,在弹性体和炭黑间就有很 强的相互作用,而这种相互作用的来源和本质仍 是今天一个重要的研究课题,因为它对混炼胶的
力学性能很重要:模量和滞后。
滞后现象是轮胎尤其是胎面用材料的一项重 要性能,它决定着附着力和滚动阻力。这两种性 能是相互矛盾的。实际上,附着力与能量耗散有
关,而滚动阻力直接和轮胎滚动时能量的消耗有 关。然而,如果用一个频率-温度图来研究对材 料的要求,经过简单的分析就能发现,与粘附相关
的滞后对应于高频材料的要求(一般在MHz 级),而与滚动阻力相关的对应于低频要求(一般 是100Hz)。
从环保观点出发,降低滚动阻力尤为重要。 事实上,在轮胎使用过程中所消耗的能量远远高 于它们在制造过程中所消耗的能量。例如,
Michelin发明的“绿色轮胎”技术与普通轮胎相 比,滚动阻力可降低20%,净节能级相当于轿车 节油5%,相当于轮胎制造过程中所消耗的能量。
轮胎的滚动阻力与Payne效应相关。模量随 应变的变化是非常复杂的。在第一种方法中,可 以将Payne效应与填料聚集体之间的距离相关
联,而填料聚集体之间的距离可以通过炭黑填充 胶料的导电性来测量。胶料的导电性与混炼后测 得的结合橡胶的量(通过聚合物抽提试验测试)有
很好的相关性。减小Payne效应关键是增强弹性 体和填料间的相互作用,这个现象十分复杂,但可 以想象,填料和弹性体间强的结合力有助于改善
混炼过程中弹性体基体中填料的分散。
所以现在的问题是:我们应该怎样做才能使 填料和弹性体间产生强的结合呢?
对于该问题有几个答案:填料表面改性、新型 填料的应用、弹性体材料的官能化等都是一些解 决方法。
“绿色轮胎”胶料主要有四方面:白炭黑、溶聚 SBR、偶联剂及特殊的混炼过程。所用白炭黑是 高分散沉淀法白炭黑,偶联剂是含有硫官能团和
烷氧基硅烷官能团的硅烷,其中硫官能团在混炼 过程中与弹性体反应,而烷氧基硅烷官能团与白 炭黑的硅醇基反应。
上世纪90年代初期,橡胶中高度分散白炭黑 (HDS)的应用使其有可能实现轮胎附着力、滚动 阻力、耐磨损性等方面新的突破(图2)。
轮胎工业的世界领先企业米其林在与Rhod- ia公司的合作中实现了突破,在市场上推出了第 一个“绿色轮胎”(之所以这样叫是因为其滚动阻
力降低20%,从而可节油)。
而且在减振系统领域(AVS),米其林公司通 过其合资企业Woco Michelin AVS实现了含白 炭黑胶料从轮胎向AVS的技术转化,见图3
(略)。在车辆底盘的悬架装置中,出现了一种首 要功能是为确保降低驾驶员或乘客所感受振动强 度的减振部件。这些部件被置放在两个金属件的
结合部位,可以降低刚度(与金属相比),并滤去振 动(通过弹性体的粘弹性特性)。按照它们在悬架 装置中的位置,这些部件或多或少起着保证舒适
度和操纵性能的作用。就这些功能而言,其主要 性能是耐久性、舒适度和操纵性。
耐久性和AVS部件的使用寿命有关。OEM 希望部件与轿车的寿命一样长,这就是说AVS 部件不应该被换掉。舒适性的意思是材料刚性不
应过大,使驾驶座或车轮获得良好的隔音和减振 效果。对性能而言,位移约为几微米,频率从100 到30000Hz。低应变、高频率的刚度叫做kd。操
作性能的意思是部件必须把作用力从车轮传递到 轮胎,并且随车辆的运动而变(在转弯、刹车方面 的行为)。该性能通常和在准静止条件(称为ks)
下部件的刚性约束有关。ks一定的情况下,kd 和ks的比值与Payne效应有关。
利用零件的几何形状可以控制零件各个轴向 上的ks值。在形状一定时,只有通过胶料来调节 零件总的静态刚度和一定静态刚度下的动态刚 度。
现在,OEM的要求主要是减小kd和ks的比 值(ks一定时)。我们可以把减小Payne效应看 成与“绿色轮胎”是同样的问题。
利用“绿色轮胎”研究及开发过程中获取的知 识,现在我们已经使用高分散白炭黑来开发新型 AVS胶料。
采用含有高分散白炭黑的胶料可以减小 Payne效应,同时延长AVS零件寿命。这些新型 胶料在Woco Michelin AVS结构体系中被称为
Sil@nd,因此与含有白炭黑的低动态硬化胶料相 比,这些新型的低动态硬化胶料有较好的耐久性 能(如图4)。
这些新型白炭黑填充AVS胶料在传统的耐 久性、舒适度及操作性能之间的折衷问题上取得 了突破。
现代白炭黑体系有四个方面:高分散白炭黑、 弹性体、有效偶联剂和特殊的混炼过程。该体系 的主要特点是降低了Payne效应,改善了填料在
胶料中的分散。这些现代白炭黑体系所赋予的性 能在解决传统折衷问题方面取得了突破:附着性/滚动阻力/耐磨性以及AVS工业中舒适性/操纵性/耐久性。
