超高频段轮胎橡胶电性能研究

宋廷强，张 伟，马连湘

（1.青岛科技大学 信息科学技术学院，山东 青岛 266061；2.青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

射频标识（RFID）轮胎通常是把超高频（UHF）RFID模块和天线组成的电子标签在硫化时植入轮胎内部，用以记录轮胎的标识信息[1]，植入RFID模块的读取距离受芯片所处介质环境的影响[2]。

在UHF频段，RFID天线与轮胎橡胶直接接触。由于炭黑等组分的影响，轮胎不同橡胶部件所具有的导电与介电性能不同，而由橡胶、炭黑及其他原材料组成的复合材料的导电与介电性能会对植入其中的RFID天线产生影响，损耗射频传输能量，改变射频芯片与天线的匹配关系，缩短RFID电子标签的读取距离。为了实现植入橡胶复合材料中的RFID天线与芯片的阻抗匹配，需要获得工作频段下橡胶复合材料的导电性能与介电参数，用以设计及仿真RFID天线的结构参数[3]。

UHF RFID的频带为860～960 MHz，不同的国家会稍有差异[4]，而在一些轮胎TPMS应用中，所用频率会高达2.4 GHz[5]。炭黑是一种半导体，本征电阻率为0.01～0.1 Ω cm，它不仅资源丰富、导电性能持久稳定，而且可以大幅调整材料的导电性能（1～1 106Ω cm），并能保持聚合物的特点[6]。由于橡胶复合材料的介电参数测量十分复杂，因此研究UHF频段下炭黑用量与橡胶复合材料介电特性的关系显得十分重要。

在高频（一般小于10 MHz）范围对橡胶复合材料的导电与介电性能的研究已有许多报道[7-11]，但目前少有文献涉及UHF频段。随着物联网技术的发展，UHF RFID橡胶复合材料植入的应用会越来越广泛[12]。本工作借助射频阻抗分析仪，测试不同硫化胶的导电与介电参数，主要研究炭黑的种类和用量对橡胶复合材料介电参数的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号SMR10#，马来西亚产品；炭黑N330和N660，上海卡博特化工有限公司产品。

1.2 试验配方

NR 100，硬脂酸 1.5，防老剂RD 2.5，增塑剂 3，防焦剂 0.08，硫黄 1.98，促进剂CZ 1.3，炭黑 变品种、变量，氧化锌 变量。

1.3 试样制备

将NR塑炼2 min，加入氧化锌、硬脂酸、增塑剂和防焦剂，吃料后两边各三刀，打两次三角包；缓慢加入炭黑，吃料后再两边各三刀，打两次三角包；加入防老剂RD、促进剂CZ，两边各三刀，打两次三角包；最后加硫黄，两边各三刀，打两次三角包后薄通下片。

胶料采用硫化特性测定仪测试硫化曲线，采用XLB型平板硫化机进行硫化，硫化条件为160℃ 15 min。制得直径为20 mm、厚度为2 mm的试样。

1.4 性能测试

硫化胶的导电性能根据GB/T 1692—2008《硫化橡胶 绝缘电阻率的测定》，利用PC68型数字高阻计进行测定；介电参数采用安捷伦E4991A型射频阻抗/材料分析仪进行测试，在频率为3 GHz内稳定测量硫化胶的交流阻抗和阻抗角。

2 结果与讨论

2.1 导电性能

2.1.1 炭黑种类和用量的影响

在氧化锌用量为3份的情况下，橡胶复合材料的体积电阻率（ρv）和表面电阻率（ρs）与炭黑用量的关系曲线分别如图1和2所示。

图1 体积电阻率与炭黑用量的关系曲线

图2 表面电阻率与炭黑用量的关系曲线

由图1和2可以看出，在炭黑用量相同的情况下，炭黑N330与N660橡胶复合材料的体积电阻率和表面电阻率均接近，差别甚微，但炭黑用量对橡胶复合材料导电性能的影响明显。当炭黑用量小于20份时，由于炭黑粒子较少，橡胶复合材料的体积电阻率及表面电阻率均较大。当炭黑用量增大到40份时，炭黑网络形成趋于稳定，导电性增强的趋势减弱，因此电阻率的下降趋于平缓。

2.1.2 氧化锌用量的影响

橡胶复合材料中的小料起促进硫化等作用。由于小料用量较小，通常认为其对橡胶复合材料的导电性能影响很小。但氧化锌是橡胶硫化体系中重要的活性剂，可使促进剂活性增强，减小促进剂用量，缩短硫化时间。本工作在炭黑N330为15份、N660为35份的情况下，研究了氧化锌用量对橡胶复合材料体积电阻率和表面电阻率的影响，结果如图3所示。

图3 电阻率与氧化锌用量的关系曲线

由图3可以看出：当氧化锌用量为零时，胶料硫化不充分，其体积电阻率和表面电阻率均很大；氧化锌用量为2～8份时，其体积电阻率和表面电阻率均变化不大，说明氧化锌作为活性剂，其用量对橡胶复合材料的电阻率影响不大。

2.2 介电性能

2.2.1 炭黑种类和用量的影响

在氧化锌用量为3份的情况下，橡胶复合材料在不同炭黑N330用量下的介电常数（ε）和损耗因子（tanδ）随频率的变化曲线分别如图4和5所示。

图4 不同炭黑N330用量下ε与频率的关系曲线

图5 不同炭黑N330用量下tanδ与频率的关系曲线

由图4和5可以看出，随着炭黑N330用量增大，ε和tanδ有增大的趋势。在同一炭黑用量下，随着频率的增大，ε和tanδ逐渐减小。

随着频率的增大，ε呈下降趋势，表明橡胶复合材料在外电场作用下极化程度随着频率的增大而降低，特别是在超高频段下，该现象更明显。tanδ同样随着频率的升高呈下降趋势。

橡胶复合材料在不同炭黑N660用量下的ε和tanδ随频率的变化曲线分别如图6和7所示。

图6 不同炭黑N660用量下ε与频率的关系曲线

图7 不同炭黑N660用量下tanδ与频率的关系曲线

分别对比图4与6及图5与7可以发现，炭黑N660橡胶复合材料的ε和tanδ与炭黑N330橡胶复合材料具有相同的变化趋势。由于炭黑N330和N660具有不同的粒径和比表面积，在相同炭黑用量和相同频率下，炭黑N660橡胶复合材料具有较低的ε和tanδ。

2.2.2 氧化锌用量的影响

在炭黑N330用量为20份的情况下，氧化锌用量对橡胶复合材料的ε和tanδ随频率变化的影响分别如图8和9所示。

图8 不同氧化锌用量下ε与频率的关系曲线

图9 不同氧化锌用量下tanδ与频率的关系曲线

由图8和9可以看出，当氧化锌用量变化时，橡胶复合材料的ε和tanδ的差别不大，且当氧化锌用量为2和8份时，胶料的ε和tanδ分别近似相等，而氧化锌用量为4和6份时，胶料的ε和tanδ也分别近似相等，且微小于氧化锌用量为2和8份时的数值。氧化锌为活性剂，用量很低，起促进硫化的作用，在一定频率下，由于氧化锌用量不同，使橡胶的硫化程度不同，导致橡胶复合材料的ε和tanδ有一定的差别，但差别微小。

2.3 温度的影响

本工作还研究了温度对橡胶复合材料介电性能的影响。炭黑N330用量为60份，氧化锌用量为3份，其他组分和用量不变。当改变温度和频率时，得到温度和频率对橡胶复合材料tanδ的影响，如图10所示。

图10 不同温度下tanδ与频率的关系曲线

由图10可以看出，温度对tanδ影响不大，但在相同温度下，tanδ随着频率的增大呈下降趋势。当频率低于1.5 GHz时，tanδ受温度影响较大，但在2 GHz以上频段受影响较小，橡胶复合材料的tanδ值变得很小，在0.4以下。

3 结论

（1）炭黑种类和用量对橡胶复合介电性能的影响明显，随着炭黑用量的增大，橡胶复合材料的ε和tanδ有增大的趋势。当炭黑用量不变时，随着频率的增大，橡胶复合材料的ε和tanδ逐渐减小。由此可以建立轮胎橡胶的ε和tanδ与频率的对应关系，从而为UHF RFID天线设计提供基础数据，并可以为轮胎RFID植入提供指导。

（2）炭黑种类对橡胶复合材料导电性能的影响不明显，但其用量对导电性能的影响明显。

（3）氧化锌用量对橡胶复合材料的导电性能和介电性能影响不大，ε和tanδ随着频率的增大呈递减趋势。

（4）橡胶复合材料的介电性能也受温度的影响。当频率低于1.5 GHz时，tanδ受温度影响较大，但频率超过2 GHz时，温度对tanδ的影响较小。