芳纶帘线性能及在轮胎中的应用研究

  摘要 进行了芳纶 ( Twaron) 帘线动态力学性能和疲劳性能的研究及其在轿车子午线轮胎 、 轻载子 午线轮胎 、 工程机械轮胎缓冲层中的应用试验 。根据结果得出 , 芳纶帘线具有动态模量高 、 滞后损失小的优 异性能 。芳纶增强轮胎具有轻量 、 高速及常规使用的寿命长等特点 。 关键词 芳纶帘线 ,动态力学性能 ,子午线轮胎 ,工程机械轮胎

  目前 ,子午线轮胎日益向高速 、 安全 、 低 滚动阻力 、 节省燃料 、 减少环境污染等高性能 方向发展 。轮胎骨架材料对轮胎性能的影响 至关重要 ,通过对各种骨架材料性能的综合 分析对比 ,认为芳纶将有可能成为高性能子 午线轮胎的最佳骨架材料 。 芳纶具有高强度 、 高模量 、 低滞后损失 、 耐高温性能好和密度低等特点 , 兼备了化纤 帘线与钢丝帘线的优异性能 ,但其价格昂贵 , 严重阻碍了其扩大应用 。在工业发达国家 , 高性能芳纶子午线轮胎 、 赛车轮胎 、 工程机械 轮胎等已逐渐商品化 , 这又促进了芳纶纤维 生产的发展 。 芳纶是目前高性能纤维中生产和应用能 力较大的品种 , 其生产基本上被美国杜邦公 司和荷兰阿克苏公司所垄断 。杜邦公司芳纶 的年生产能力为 2 万余吨 , 阿克苏公司约为

  滞后损失率小及耐疲劳性能较差等特性 。 ( 2) 芳纶帘线子午线轮胎具有质量轻 、 速 度高 、 滚动阻力小等性能 。 ( 3) 芳纶缓冲层工程机械轮胎具有突出 的耐刺扎性能 ,而且行驶里程高 ,社会和经济 效益显著 。 致谢 芳纶子午线轮胎 、 工程机械轮胎 试制及试验在山东荣成橡胶厂 、 河南轮胎厂 及北京橡胶工业研究设计院轮胎研究室合作 下完成 ,特此致谢 。 参考文献

  案为 4 层芳纶缓冲层 ; 2 号方案为 2 层芳纶 与 2 层尼龙帘布并用缓冲层 。试制的轮胎在 国家指定巨型工程机械轮胎里程试验点 — — — 本溪钢铁公司南芬露天铁矿进行实际使用试 验 ,根据结果得出 ,芳纶缓冲层工程机械轮胎具有

  克苏诺贝尔公司产品 。 112 试验仪器及试验条件 2EA 动态粘弹 采用 Rheovibron DDV2 Ⅱ 谱自动测量仪进行动态力学性能测试 , 频率 为 315 Hz ; 温度为常温～200 ℃; 升温速度为 3 ℃ ・ min - 1 。疲劳试验所用仪器及条件见参 考文献 [ 1 ] 。

  用芳纶替代钢丝作带束层试制 6150R16 10 PR 子午线轮胎 。根据结果得出 ,芳纶带束层子 午线 轮 胎 的 质 量 比 钢 丝 带 束 层 轮 胎 小

  分别取耐久试验行驶 120 h 的轮胎和实际里 程试验行驶 716 万 km 的轮胎中的芳纶帘 线 ,测定其强力保持率 。根据结果得出 ,耐久试验 行驶 120 h 后的轮胎中帘线 % ,实际里程试验行驶 716 万 km 的轮 胎中帘线 % , 各层帘布间 的粘合强力均较高 。这表明了芳纶帘线的耐 疲劳性能虽比其它帘线差 , 但还是能满足轮

  213 芳纶在轮胎中的应用 [ 2 ] 21311 芳纶轿车子午线 滞后损失率与拉伸速度的关系

  从图 5 能够准确的看出 , 滞后损失率随循环拉 伸速度的提高而降低 ,这一规律可用温度2时 间等效关系分析 。拉伸速度或频率增加与降 低温度的效应相似 , 也就是说 , 拉伸速度高 , 外力对高聚物作用时间短 , 纤维大分子形变 来不及响应 ,相当于作用温度低 ,大分子得到 的能量小 ,使高分子在同一应力作用下应变 小 ,因此 ,滞后损失率小 。这一特性对轮胎实 际使用非常有意义 。

  从事橡胶工业用骨架材料的基础及应用研究 。曾获得国家 科学大会奖和化学工业部科学技术进步三等奖 。已发表论文十 余篇 。

  轮胎生热速率的影响是不同的 。帘线大变形 条件下的动态力学性能对其在轮胎中的实际 应用更有意义 。循环往复拉伸试验测定的帘 线 芳纶轻载子午线) 芳纶带束层轻载子午线轮胎

  帘线疲劳试验方法很多 , 到目前为止尚 未形成标准试验方法 。根据芳纶不耐压缩 、 弯曲 、 剪切疲劳的最大弱点和帘线在轮胎行 驶过程中承受反复拉伸 、 压缩 、 剪切及弯曲疲 劳作用的受力特点 , 选用芳纶帘线与橡胶粘 合为一体的试样 , 进行弯曲 、 压缩 、 剪切疲劳 试验 ,然后测定帘线的强力保持率 。试验结 果表明 [ 1 ] ,芳纶帘线 循环往复拉伸滞后圈

  滞后损失率也最小 ,聚酯帘线塑性变形最大 , 滞后损失率最大 。塑性变形实质就是高分子 粘弹行为中粘性部分的宏观反应 。 两种试验得到同样的结论 , 即芳纶帘线 的动态模量高 ,弹性好 ,滞后损失率小 。滞后 损失率与循环拉伸速度关系见图 5 。

  将有较大的发展 ,届时其成本将大幅度下降 , 无疑将可在子午线轮胎 、 输送带 、 高压胶管等 橡胶制品中扩大应用 。

  3 参加本课题研究的人员还有 : 陈振宝 、 高称意 、 张燕 等。 作者简介 王同英 , 女 , 1936 年出生 。高级工程师 。

  近几年来 ,我们对芳纶帘线的结构 、 性能 及其在轮胎中的应用进行了系统的研究 , 为 了使人们能进一步认识芳纶 , 本文就芳纶的 动态力学性能 、 疲劳性能及芳纶轮胎性能进 行讨论 。

  刚性分子链结构所致 。 为了进一步探索芳纶帘线疲劳破坏机 理 ,进行了纤维疲劳破坏断裂形态分析 。选 用扫描电子显微镜 ( SEM ) 观察芳纶和尼龙 帘线拉伸破坏和疲劳破坏的形态 。发现尼龙 帘线拉伸和疲劳破坏的形态均为横向裂纹 , 且随着外力的增大 , 形成了 V 形槽的破坏 , 属于韧性破坏 。芳纶帘线由于大分子取向度 高 ,分子链本身强度也高 , 故在收到外部作用力作 用 ,纤维破坏发生在分子链间横向强度薄弱 处 ,导致纤维纵向裂开而破坏 ,另外疲劳后的 纤维表面还出现许多小球状凸起物 , 被称为 缠结带 。缠结带的形成被认为是大分子构象 变化和分子弯曲所致 。这仅为初步试验分 析 ,有待今后深入研究 。

  很好的耐刺扎性能 : 1 号方案轮胎的行驶里 程比同规格轮胎提高 65 % ,2 号方案轮胎的 行驶里程提高 18 % 。轮胎在行驶过程中未 发现肩空和脱层等缺陷 , 这不仅可减少换胎 次数 ,节省人力 , 且可减少相关成本 , 提高生产效 率。

  从图 3 能够准确的看出 , 芳纶帘线的滞后损失 率最低 ,而聚酯帘线最高 。滞后损失率与帘 线循环往复拉伸过程中的塑性变形有关 , 塑 性变形大 ,则滞后损失率高 ,这也可以从图 4 滞后圈分析 , 帘线在拉伸时为外力对帘线做 机械功 ,回缩时帘线对外做功 ,这部分功系帘 线释放出拉伸时储存的能量 。图 4 中 oab 面 积为滞后圈 , 这部分功为外力对帘线做的净 功 ,使材料产生局部破坏 , 生热等 , 通常称为 损耗功 。ob 为塑性变形 , 塑性变形越大 , 滞 后圈面积越大 ,则损耗功越大 。 试验证明了芳纶帘线 年毕业于华东纺织工学院 ( 现中国纺织大学 ) 。主要

  帘线的动态力学性能测试方法较多 , 本 文讨论粘弹谱和循环往复拉伸的试验结果 。 ( 1) 粘弹谱试验 粘弹谱试验帘线应变为小应变 , 属线性 粘弹行为 。芳纶帘线的动态模量 ( E) 及损耗 ) 与温度的关系见图 1 和 2 。 因子 ( tanδ 从图 1 和 2 能够准确的看出 , 芳纶帘线的动态 模量及损耗因子均不随试验温度的升高而变 化 , 基本平行于温度坐标轴 。 芳纶帘线 陈振宝 ,王同英 ,张清水 1 芳纶轮胎及同步齿形带的研

  态模量明显高于聚酯和尼龙帘线 , 而损耗因 子则比聚酯和尼龙低得多 。这充分表征了芳 纶具有高动态模量 、 低滞后损失的特性 ,非常 适宜用作低滚动阻力高性能轮胎的骨架材 料。 帘线的动态模量与损耗因子 , 由其储存 ) 和损耗模量 ( E″ ) 决定 。储存模量 模量 ( E′ 为材料的弹性贡献 , 损耗模量则为材料的粘 性作用结果 。弹性大的材料滞后损失小 , 即 阻尼小 ,理想的弹性材料是没有阻尼的 。 ( 2) 循环往复拉伸试验 循环往复拉伸试验方法更为直观 , 帘线 在大变形下进行循环往复拉伸2回缩试验 ,属 非线性粘弹行为 ,线性与非线性粘弹行为对

  胎使用要求的 。 ( 2) 芳纶单层胎体轻载子午线轮胎 我们选用进口浸胶芳纶 ( Twaron ) 帘布 替代 3 层聚酯帘布胎体试制 6150R16 10 PR 单层胎体子午线轮胎 。芳纶胎体轮胎的质量 比同规格聚酯胎体轮胎小 1414 % , 滚动阻力 比聚酯胎体轮胎小 413 % 。芳纶轮胎滚动阻 力低 ,这主要是芳纶帘线的滞后损失率较小 的缘故 。 芳纶单层胎体轮胎的帘布用量少 , 耗胶 量低 ,生产效率高 ,使芳纶胎体轮胎的成本明 显降低 。但由于芳纶帘线价格昂贵 、 进口关 税及聚酯帘布价格下调等因素的影响 ,目前 , 芳纶轮胎商品化仍有一定的难度 。 21313 芳纶缓冲层巨型工程机械轮胎 目前 ,国产巨型工程机械轮胎的质量及 常规使用的寿命有大幅度提高 , 但与世界名牌产品 相比 ,仍有耐刺扎性能差等不足 。芳纶帘线 具有耐切割的特性 , 在轮胎中应用可提高轮 胎耐刺扎性能 , 因此我们按两种方案试制了