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【集團(tuán)新聞】住友橡膠高耐久性橡膠材料技術(shù)獲突破

發(fā)布時(shí)間：2019-02-21 17:25:24

近期，住友橡膠工業(yè)株式會社（以下簡稱“住友橡膠”）發(fā)布了一項(xiàng)其與萊布尼茨高分子研究所（德國•德累斯頓）※共同探索的一項(xiàng)科研成果。該項(xiàng)成果查明了之前人類所未知的橡膠分子內(nèi)部一種被稱為“void”孔洞（橡膠破裂的根源）的現(xiàn)象從其產(chǎn)生到最終導(dǎo)致橡膠分子破裂的原理?；谶@一研究成果，住友橡膠期待能夠開發(fā)出比以往產(chǎn)品更具耐磨性的橡膠材料，同時(shí)也期望著能夠開發(fā)出“性能更持久”的高性能輪胎產(chǎn)品。

 

※該研究所成立于1948年，最初是紡織廠的纖維研究所。目前是德國最大的高分子材料研究所之一，正在與世界主要的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行聯(lián)合研究。

 

隨著汽車產(chǎn)業(yè)環(huán)境的日益變化，住友橡膠此前曾提出了“Smart Tyre Concept”（即：智能輪胎理念）的輪胎技術(shù)開發(fā)新概念，以實(shí)現(xiàn)輪胎“更高的安全性能”和“更優(yōu)異的環(huán)保性能”。該項(xiàng)研究成果正好對其“智能輪胎”開發(fā)理念的方向之一即輪胎“性能持久技術(shù)”的推進(jìn)起到了重要作用。

 

橡膠失效是輪胎出現(xiàn)磨損的誘因之一，而橡膠的失效被認(rèn)為是橡膠內(nèi)部的分子斷裂和微觀層面“孔洞”所引起的橡膠破裂逐漸增多而導(dǎo)致，但人類一直沒能查明“孔洞”產(chǎn)生的根本原因。在這一背景下，住友橡膠開始觀察合成橡膠中“孔洞”產(chǎn)生的機(jī)理。2015年，住友橡膠充分運(yùn)用新型材料開發(fā)技術(shù)“ADVANCED 4D NANO DESIGN（4D創(chuàng)新納米級設(shè)計(jì)）”技術(shù)，通過模擬分子層面的結(jié)構(gòu)，明確了“孔洞”產(chǎn)生的原因，并研究出了抑制“孔洞”產(chǎn)生的技術(shù)。這項(xiàng)研究是基于兩種不同的實(shí)驗(yàn)所開展，目前已經(jīng)可以直接觀察到合成橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和分子運(yùn)動的機(jī)制，這使得通過控制橡膠的彈性進(jìn)而開發(fā)出高耐久性的材料成為可能。

 

實(shí)驗(yàn)1．通過CT掃描分析橡膠試驗(yàn)品的受力、變形量和體積變化

 

■ 實(shí)驗(yàn)方法：

把圓片形合成橡膠試驗(yàn)品夾在同樣形狀的金屬板中間，并將其固定在金屬板上，通過用垂直于金屬板方向的力來拉伸橡膠試驗(yàn)品來觀察其發(fā)生形變時(shí)的受力與體積變化的關(guān)系。同時(shí)，通過橡膠試驗(yàn)品的CT來觀察橡膠內(nèi)部“孔洞”的形成情況。 

■  結(jié)果

如果合成橡膠試驗(yàn)品在受到垂直于金屬板方向上的拉伸力時(shí)，根據(jù)橡膠自身的特性，橡膠試驗(yàn)品會向垂直于受力的方向收縮。然而，由于試驗(yàn)品是被粘貼固定在金屬板上，所以受力時(shí)卻又無法自行收縮，結(jié)果致使橡膠膨脹，進(jìn)而可以使我們通過CT直接觀察到橡膠內(nèi)部及其“孔洞”形成的過程。

另外，通過這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)我們也發(fā)現(xiàn)“孔洞”形成的環(huán)境也是有差異的，尤其是含有填充材料（例如二氧化硅、炭黑）的合成橡膠，其橡膠失效是由填充材料聚合物之間形成的“孔洞”所引起的；而對于不含填充材料的合成橡膠，其橡膠失效則是由橡膠分子移動時(shí)所形成的“孔洞”所導(dǎo)致。

 

《合成橡膠的拉伸應(yīng)力應(yīng)變（變形量）曲線》

通過研究含有填充材料的合成橡膠與不含填充材料的合成橡膠的拉伸應(yīng)力、體積應(yīng)變及應(yīng)變之間的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)，不論是否含有填充材料，隨著合成橡膠的應(yīng)變增大，其體積應(yīng)變也會隨之明顯增加。由此可以看出，由于約束應(yīng)變，橡膠內(nèi)部產(chǎn)生了孔洞。

 

《含有填充材料（二氧化硅和炭黑）的合成橡膠“孔洞”形成的觀察》

 

含有填充材料的合成橡膠，其“孔洞”在聚合物之間產(chǎn)生，而這些“孔洞”相互連接在一起導(dǎo)致了橡膠分子的破裂。而隨著填充材料補(bǔ)強(qiáng)作用的增強(qiáng)，會抑制“孔洞”繼續(xù)變大。

 

＜通過CT觀察橡膠的破裂＞

《不含填充材料的合成橡膠“孔洞”形成的觀察》

 

不含有填充材料的合成橡膠，由于橡膠分子的移動產(chǎn)生了“孔洞”，“孔洞”不斷增加、增大最終引發(fā)了橡膠破裂。

 

＜通過CT觀察橡膠的破裂＞

實(shí)驗(yàn)2．通過X射線小角散射法確認(rèn)橡膠斷裂的特性

 

■  實(shí)驗(yàn)方法

將帶有凹口的片狀合成橡膠試驗(yàn)品沿水平方向拉伸，用X射線小角散射法觀察凹口頂點(diǎn)處橡膠內(nèi)部“孔洞”的形成和增大情況。

■  結(jié)果

通過使用X射線小角散射法對片狀合成橡膠試驗(yàn)品凹口處橡膠密度變化的觀測，我們發(fā)現(xiàn)凹口頂點(diǎn)處的橡膠密度要低于距離該頂點(diǎn)較遠(yuǎn)其他部位，這表明凹口頂點(diǎn)處的橡膠內(nèi)部產(chǎn)生了很多“孔洞”。由此可以判斷出，當(dāng)在水平方向上拉伸橡膠試驗(yàn)品時(shí)，凹口頂點(diǎn)處也即橡膠被撕裂的部分出現(xiàn)了“孔洞”，而且該“孔洞”與橡膠失效有直接關(guān)系。

住友橡膠希望能夠借助這項(xiàng)研究成果開發(fā)出比以往更加耐用的橡膠。今后，住友橡膠也將繼續(xù)加快材料開發(fā)的速度，建立“性能持久”的橡膠技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)“Smart Tyre Concept（智能輪胎理念）”而不懈努力。