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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(huì)社（以下簡(jiǎn)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(guó)•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。基于這一研究成果，住友橡膠期待能夠開(kāi)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(kāi)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(guó)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(kāi)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(duì)其“智能輪胎”開(kāi)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(méi)能查明“孔洞”產(chǎn)生的根本原因。在這一背景下，住友橡膠開(kāi)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(kāi)發(fā)技術(shù)“ADVANCED 4D NANO DESIGN（4D創(chuàng)新納米級(jí)設(shè)計(jì)）”技術(shù)，通過(guò)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(kāi)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(dòng)的機(jī)制，這使得通過(guò)控制橡膠的彈性進(jìn)而開(kāi)發(fā)出高耐久性的材料成為可能。

實(shí)驗(yàn)1．通過(guò)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(guò)用垂直于金屬板方向的力來(lái)拉伸橡膠試驗(yàn)品來(lái)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(guò)橡膠試驗(yàn)品的CT來(lái)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(huì)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(wú)法自行收縮，結(jié)果致使橡膠膨脹，進(jìn)而可以使我們通過(guò)CT直接觀察到橡膠內(nèi)部及其“孔洞”形成的過(guò)程。

另外，通過(guò)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(duì)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(dòng)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(guò)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?cè)龃?，其體積應(yīng)變也會(huì)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(huì)抑制“孔洞”繼續(xù)變大。

＜通過(guò)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(dòng)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(guò)CT觀察橡膠的破裂＞

實(shí)驗(yàn)2．通過(guò)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(guò)使用X射線小角散射法對(duì)片狀合成橡膠試驗(yàn)品凹口處橡膠密度變化的觀測(cè)，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。