碳纤维与工程车辆翻新轮胎复合强化模型及增强机理

王 强，齐晓杰，王云龙，王国田

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

碳纤维与工程车辆翻新轮胎复合强化模型及增强机理

王 强，齐晓杰，王云龙，王国田

(黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

为了有效提高工程车辆翻新轮胎质量，以碳纤维作为增强体，工程翻新轮胎胎面作为基本体，通过设计复合材料的配方、黏合体系和混炼工艺，分析了经改性处理的碳纤维对胎面橡胶基体力学性能的影响。构建了碳纤维与胎面橡胶复合强化混合物理模型和分散物理模型。分析了碳纤维与胎面橡胶黏结状态及黏结机理。为获得高性能的碳纤维增强工程翻新轮胎奠定理论基础。

车辆工程；碳纤维；工程车辆翻新轮胎；复合强化模型；黏合状态；增强机理

工程车辆轮胎一般是在苛刻的环境下工作的，例如路面不平坦且有尖锐的碎石块、岩石、钉子和碎玻璃等杂物，受硬物冲击大，经常是昼夜连续作业，或者虽在较平坦的路面上工作，但负荷大、运距短、转弯多、速度较快。此外，各种工程车辆一般都是露天作业，冬、夏季温差变化大，工程车辆轮胎要承受较宽的温度变化范围，而且受风吹日晒雨淋。工程车辆轮胎的这些使用特点，对其使用寿命均会产生重要影响。轮胎寿命是轮胎最重要的性能之一，尤其是工程车辆轮胎，一条轮胎的价格在几千甚至几万元人民币，延长其寿命对工程车辆的经济性有直接影响[1]。近年来，我国工程车辆轮胎翻新行业发展较快，一些矿山企业工程车辆开始使用翻新轮胎，虽然轮胎总成本有所下降，但翻新轮胎质量与新轮胎相比还存在一定差距，使用寿命低下，作业过程中经常出现崩花掉块及不耐磨等问题。为了有效提高工程翻新轮胎质量，将碳纤维作为增强体，工程翻新轮胎胎面作为基本体，设计二者复合材料的配方、黏合体系和混炼工艺，构建碳纤维与胎面橡胶复合强化模型，分析碳纤维与胎面橡胶黏结状态及黏结机理，为获得高性能的碳纤维增强工程翻新轮胎奠定理论基础[2-3]。

1 碳纤维与工程翻新轮胎胎面复合配方选择及混炼过程

1.1 配方选择

碳纤维增强工程翻新轮胎胎面橡胶试验配方选择如表1[4-5]，碳纤维增强体长度为6 mm，质量分数分别为2%,4%,7%,10%。

表1 碳纤维增强工程翻新轮胎胎面胶主要配方

1.2 碳纤维与胎面橡胶复合的黏合体系设计与共混工艺

碳纤维用5%聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍后，碳纤维表面黏附2%的前处理剂，然后将经过预混的增黏剂C501直接加入胎面配方中，并在一定温度下与碳纤维混炼。混炼操作在6寸双辊密炼机上进行，转子转速为40 r/min，生橡胶加入密炼化机上硫化20 min，硫化温度为140 ℃，硫化压力为5 MPa。机中塑炼4 min，然后加压延成2～4 mm厚薄片，然后下片在25 t电热平板硫化机上硫化20 min，硫化温度为140 ℃，硫化压力为5 MPa[6-8]。

2 碳纤维与胎面胶复合强化模型

针对笔者研究的配方，碳纤维与胎面胶复合强化过程共分为两个阶段，第1个阶段用混合物理模型来描述，第2个阶段用分散物理模型来描述。

2.1 碳纤维与胎面胶复合强化混合物理模型

碳纤维与胎面胶复合强化混合物理模型可以用两个互补等效的过程来描述：第1个过程是将碳纤维假设成许多棒状物，在混合时碳纤维被挤入橡胶胶料，形成以橡胶胶料为主体的“骨架”复合强化混合物理模型，如图1(a)；第2个过程是将碳纤维相互之间留有的空隙假设成许多小管或毛细管，在混合时橡胶胶料被挤入小管或毛细管中，形成以碳纤维为主体的“骨架”复合强化混合物理模型，如图1(b)。从图1中可知，橡胶胶料与碳纤维混炼过程能否顺利进行主要取决于橡胶胶料的黏度，橡胶胶料的黏度越小，碳纤维挤入橡胶胶料或橡胶胶料挤入碳纤维之间留有的间隙就越容易，反之亦然。

图1 碳纤维与胎面胶复合强化混合物理模型Fig.1 Compound strengthening mixed physical model of carbonfiber and tread rubber

2.2 碳纤维与胎面胶复合强化分散物理模型

碳纤维与胎面胶复合强化分散物理模型有4种情况，如图2。第1种情况碳纤维所占比例较大，主要以附聚体存在于橡胶胶料中；第2种情况碳纤维所占比例较小，局部橡胶胶料中没有碳纤维；第3种情况少量或极少量碳纤维黏附在橡胶胶料表面或以游离状态存在；第4种情况碳纤维所占比例适中，以一个良好的分散过程均匀分布在整个橡胶胶料中。显然，前3种碳纤维在橡胶胶料中分布不均匀，4种情况中第4种是最为理想的状态。要使碳纤维混炼均匀，需保证混炼的橡胶胶料处于一种“最佳黏度”状态。当混炼胶料处于“最佳黏度”状态时，则碳纤维混炼时更容易被分散到橡胶胶料中，且在较短的时间和较小的能量消耗下，碳纤维就能获得较好的分散度。碳纤维附聚体破碎分散的物理模型如图3。在混炼过程中，第一种情况碳纤维附聚体在剪切流场或拉伸流场作用下，当碳纤维附聚体受到的剪切变形或拉伸变形力大于这一物理附聚力时，碳纤维附聚体会被破碎，同时，分散不均匀或游离状态的碳纤维也会随着剪切变形量的增加，逐渐均匀地分散到橡胶胶料中。

图2 短切碳纤维与胎面胶复合强化分散物理模型Fig.2 Compound strengthening dispersed physical model of sortly-chopped carbon fiber and tread rubber

图3 短切碳纤维附聚体破碎分散的物理模型Fig.3 Broken dispersed physical model of shortly-chopped carbon fiber agglomeration body

3 碳纤维对胎面橡胶基体力学性能的影响

碳纤维的用量、长度、表面处理、黏合体系以及共混工艺是决定碳纤维增强橡胶材料性能的关键[9]。将碳纤维质量分数分别为2%，4%，7%，10%的胶条试样，分别在万能拉伸试验机上进行拉伸测试，其应力-应变对比曲线如图4。

图4 应力-应变对比曲线Fig.4 Contrast curve of stress and strain

从图4可以看出，加入质量分数2%的碳纤维就能使橡胶基体的力学性能发生明显变化。质量分数由4%增至7%时，拉伸强度随碳纤维用量增加而增大。碳纤维质量分数为7%时，拉伸强度可提高40%左右，弹性模量提高1倍以上，但伸长率下降40%左右。当碳纤维用量再继续增加，拉伸强度将出现下降趋势，碳纤维质量分数达到10%时，拉伸强度达到一定值后开始急速下降，但弹性模量始终随碳纤维用量增加而成倍提高。这说明，高强度、高模量、低伸长率的碳纤维对胎面橡胶确实起到了补强作用，赋予了材料较高的抗形变能力，同时，在一定程度上也限制了胎面橡胶基体的变形[9-10]。

4 碳纤维与胎面橡胶黏结状态形貌分析与增强机理分析

4.1 形貌分析

利用扫描电镜将碳纤维与胎面橡胶复合体分别放大200倍，如图5。扫描电镜观察结果表明：部分碳纤维在剧烈的混炼中变短，甚至被破碎，但碳纤维的结构形态基本上保持不变，在橡胶胶料基体中分散基本均匀，二者界面的黏合状态较好，碳纤维发挥了一定的增强作用。分析其原因：添加的增黏剂C501与橡胶基体的溶解度参数相近，在适当的混炼转速、混炼温度及混炼时间条件下，充满碳纤维的内部空隙以及碳纤维与橡胶胶料之间的空隙，在碳纤维与橡胶基体间架起了“桥梁”作用。同时，碳纤维经过5%聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍后，其表面活性官能团增多，在增黏剂C501的促进下，与橡胶基体快速黏结并缠绕，由于应力的作用，橡胶和增黏剂C501大分子产生形变，引发裂解，在生成大分子自由基的同时，产生自身力活化效应，这种效应会加速橡胶基体、增黏剂和碳纤维三者之间的交联反应，会大大提高碳纤维与胎面橡胶的黏合强度。

图5 显微镜下碳纤维与胎面橡胶黏合状态(放大200倍)

4.2 增强机理分析

当胎面受力时，作用在胎面橡胶基体上的载荷，通过一定的方式传递到短切碳纤维上，使其受载。由于短切碳纤维存在末端效应，导致短切碳纤维各部位受力不均，变形也不均匀，如图6。

图6 短切碳纤维受力前后橡胶基体变形示意Fig.6 Deformation diagram of rubber matrix before and after the force of shortly-chopped carbon fiber

从细观上看，由于短切碳纤维的弹性模量比橡胶基体大，如果受到平行于短切碳纤维方向的力时，橡胶基体变形量将大于短切碳纤维变形量。由于短切碳纤维与橡胶基体紧密结合在一起，短切碳纤维将限制橡胶基体过大的变形，于是在二者界面上便产生了剪应力和剪应变，并将所承受的载荷合理分配到短切碳纤维和橡胶基体这两种组分上。短切碳纤维的微观受力模型如图7，设短切碳纤维的长度为l，与橡胶基体黏合较好，载荷作用在橡胶基体上，然后橡胶基体会将载荷通过橡胶基体与短切碳纤维界面上的剪应力传递到短切碳纤维上。

图7 短切碳纤维微观受力模型Fig.7 Micro-stress model of shortly-chopped carbon fiber

对于图7中短切碳纤维微元体，存在静力平衡方程：

整理得

积分得

式中：σf为短切碳纤维轴向应力，MPa；τ为界面上的剪应力，MPa；rf为短切碳纤维半径，m；σf 0为短切碳纤维末端正应力，MPa。

短切碳纤维在胎面橡胶中为相互搭接状态且随机分布，其在橡胶中形成“加强筋”骨架，对周围橡胶高分子链的滑动产生阻碍作用。随着短切碳纤维长度及含量的提高，碳纤维之间的搭接点数目增加，在橡胶基体中形成交织的网状结构，并阻碍周围橡胶高分子链的滑动。当短切碳纤维复合胎面试样受力时，主要是短切碳纤维周围的橡胶基体产生变形，在短切碳纤维的两端产生两个应力集中区。当短切碳纤维含量较低时，这种应力集中区密度较疏，被外力破坏的可能性较小。当短切碳纤维之间的协同作用抵消甚至超过应力集中区的破坏力时，短切碳纤维与胎面橡胶复合材料的拉伸强度和撕裂强度会有提高，弹性模量和硬度则明显增大，伸长率也随之下降。随着短切碳纤维长度和用量的继续增加，短切碳纤维端部的应力集中区增密，出现区域性的重叠，这些部位容易引发破坏，致使拉伸强度下降，而弹性模量和硬度则始终呈上升趋势，且成倍增加。理论上短切碳纤维在与橡胶基体混炼中会发生变短、变粗糙的变化现象，但金相显微镜的观察结果表明：短切碳纤维基本上能够保持其原有的微观形态结构，因此能够对胎面橡胶基体起到有效的增强效果。

5 结 论

1)碳纤维的用量、长度、表面处理、黏合体系以及共混工艺对工程翻新轮胎胎面橡胶的力学性能会产生不同程度的影响。

2)碳纤维对胎面橡胶确实起到了补强作用，补强效果随碳纤维用量的增加出现先增强后下降的趋势，质量分数7%是补强效果的一个明显分界点。

3)构建了碳纤维与胎面胶复合强化模型，即分别用混合物理模型和分散物理模型来描述。

4)分析了碳纤维与胎面橡胶黏结状及黏结机理，经表面处理的碳纤维与胎面橡胶黏结状态及黏合强度较好。

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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

黑龙江工程学院博士科研基金项目(2015BJ05)

王 强(1981—)，男，黑龙江哈尔滨人，副教授，工学博士，主要从事车辆轮胎及翻新轮胎技术方面的研究。E-mail：630702666@qq.com。

U464.341

A

1674-0696(2016)03-178-05