(五)滯后性能

眾所周知，橡膠存在滯后損失。滯后實(shí)際上是指能量吸收。實(shí)際使用中膠料在周期性變化的應(yīng)力(或應(yīng)變)作用下均有黏彈性，也就是說橡膠貯存并返回了能量(彈性行為)，然后吸收相對(duì)小部分能量并轉(zhuǎn)化為熱(黏性行為)。在輪胎實(shí)際應(yīng)用中,橡膠吸收能量轉(zhuǎn)化為熱是十分有害的，它會(huì)導(dǎo)致輪胎較大的滾動(dòng)損失，使汽車消耗更多的燃料。但因?yàn)檩^高的能量吸收會(huì)產(chǎn)生良好的牽引力和高速制動(dòng)性，所以對(duì)賽車及高速輪胎又是非常重要的.

橡膠吸收能量可用多種方法檢測，溫度的升高可以直接用各種生熱實(shí)驗(yàn)測得。彈性實(shí)驗(yàn)可以直接測量輸入能量和返回能量。動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)是膠料滯后性比較準(zhǔn)確的表征，它是給樣品施加固定周期的應(yīng)力應(yīng)變，橡膠在周期性變化的應(yīng)力作用下由于其自身的黏阻力，造成變形滯后于應(yīng)力,應(yīng)力和應(yīng)變有相位差δ。作用于橡膠上的應(yīng)力或動(dòng)態(tài)模量可以分解為兩部分，實(shí)數(shù)部分E’相當(dāng)于靜態(tài)變形時(shí)的彈性模量，與變形同相位，其承受的相變能是不損耗的，稱為貯能模量或彈性模量;虛數(shù)部分E’’用于克服橡膠的黏性，是完全損耗并化為熱能的，稱為損耗模量。橡膠的動(dòng)態(tài)模量和損耗因子具有如下關(guān)系式:

E*=E′ +iE″

tanδ=E″/E′

式中，E*為復(fù)合模量;tanδ為損耗因子。

橡膠分子結(jié)構(gòu)本身的松弛時(shí)間譜決定了其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能強(qiáng)烈地依賴于測試條件，如溫度、頻率和變形等。在低頻時(shí)橡膠纏結(jié)點(diǎn)間鏈段有機(jī)會(huì)進(jìn)行重排、消除內(nèi)應(yīng)力,彈性模量和損耗模量都很低損耗因子也很小。隨著頻率升高,松弛時(shí)間大的鏈段因時(shí)間周期縮短來不及進(jìn)行構(gòu)象重排，一部分鏈段不能運(yùn)動(dòng)，使彈性模量增大;而能運(yùn)動(dòng)的鏈段將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)摩擦，使損耗模量和損耗因子增大。頻率更高時(shí)，作用周期比橡膠分子鏈中所有的松弛時(shí)間都小，分子鏈來不及改變構(gòu)象而量玻璃態(tài)。此時(shí)彈性模量很高而損耗模量和損耗因子很低。所以在玻璃態(tài)和高彈態(tài)之間，損耗因子和損耗模量出現(xiàn)峰值，即橡膠在過渡區(qū)損耗最大。溫度的作用與頻率相似，低溫時(shí)分子鏈被凍結(jié)而成玻璃態(tài)，這相當(dāng)于高頻;高溫時(shí)分子運(yùn)動(dòng)自如，表現(xiàn)為高彈態(tài)，與低頻相當(dāng)。變形的影響與補(bǔ)強(qiáng)體系有關(guān)，純膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能幾乎與形變無關(guān)，但炭黑填充膠具有顯著的振幅效應(yīng)，炭黑含量越高振幅效應(yīng)越明顯，損耗因子和模量都對(duì)應(yīng)變顯示出強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。但在振幅很小(低于0.1%)和很大(大于10%)的情況下，炭黑網(wǎng)絡(luò)未曾破壞或完全破壞，也不存在振幅效應(yīng)。因此，不同實(shí)驗(yàn)條件下測得的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能沒有可比性。對(duì)于輪胎胎面膠通常采用頻率為10Hz、變形為0.25%~0.5%、溫度范圍為---100~100C的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行比較。

對(duì)于給定的聚合物，通常硫化膠的滯后損失和模量對(duì)溫度的依賴關(guān)系主要取決于埴料。但填料在不同溫度范圍的影響受不同機(jī)理支配，低溫下tanδ隨埴料用量增大而減小。而高溫下則剛好相反。在橡膠中加入填料都會(huì)提高膠料的各種模量，填充膠彈性模星隨應(yīng)變增大而下降,損耗模量則在中等應(yīng)變下出現(xiàn)峰值。

在輪胎產(chǎn)品中動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與輪胎的多項(xiàng)重要的使用性能相關(guān)，如滾動(dòng)阻力和抗?jié)窕缘?。高溫?60~80°C) 損耗因子tanδ與輪胎的滾動(dòng)阻力有良好的相關(guān)性。而汽車在啟動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、剎車的時(shí)候變形頻率高達(dá)104~106,低溫下(-20~0°C)的tanδ也非常重要，常常被用來表征抗?jié)窕?。高溫下tanδ較低，而低溫下tanδ 較高的膠料具有較低滾動(dòng)阻力和較高抗?jié)窕?。但是隨著白炭黑和新型炭黑的涌現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)抗?jié)窕阅芩婕暗臋C(jī)理遠(yuǎn)復(fù)雜手動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的模擬，目前又開始用較為直觀的方法表征抗?jié)窕阅?。損耗模量是在恒定變形條件下測定的，因而特別適合于表征輪胎胎側(cè)性能。

炭黑結(jié)構(gòu)不會(huì)影響恒定能量滯后，如tan8或簡單的回彈性。但炭黑結(jié)構(gòu)會(huì)影響模量，因此在恒定應(yīng)力或恒定應(yīng)變形式的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)會(huì)起重要作用。例如在恒定應(yīng)變實(shí)驗(yàn)中，模量高的膠料應(yīng)力值高，即在應(yīng)力-應(yīng)變曲線下有較大面積。這些膠料比相同tanδ而模量低的膠料吸收更多的能量，生熱也更高。相反在恒定應(yīng)力務(wù)件下，模量高的膠料變形小，吸收的能量少。在測試中應(yīng)用恒定應(yīng)力、應(yīng)變,模量和炭黑結(jié)構(gòu)就有很大關(guān)系。

在能量測試中比表面積對(duì)恒定能量測試很重要，而且對(duì)恒定應(yīng)力應(yīng)變滯后性實(shí)驗(yàn)有很大影響。炭黑埴充橡膠的滯后遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純膠，事實(shí)上炭黑填充量越大其滯后越大。膠料滯后性與填充量的平方成正比，而與比表面積呈線性關(guān)系。在炭黑填充量過大的情況下，膠料滯后性大于最佳填充量膠料，而且補(bǔ)強(qiáng)作用降低。

表面活性對(duì)滯后的影響較小，理論上較高的表面活性使炭黑與橡膠相互作用更強(qiáng)，橡膠分子與炭黑表面之間的滑移較少，因而其滯后損失較小。然而在正常的表面活性范圍內(nèi)，這-影響很小。

綜上所述，對(duì)于炭黑補(bǔ)強(qiáng)胎面膠,降低滯后性應(yīng)選擇比表面積小的炭黑和相對(duì)低的填充量，但是這些與提高耐磨性相矛盾，因此優(yōu)化最佳炭黑用量十分關(guān)鍵。另外一種減小滯后的方法是避免使用高結(jié)構(gòu)炭黑，使膠料具有較高拉斷強(qiáng)度和較低模量。但是如果綜合考慮耐磨性、滾動(dòng)阻力和牽引性，就會(huì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的炭黑補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)無法協(xié)調(diào)上述三項(xiàng)性能之間的矛盾。近年來在高性能轎車輪胎中普遍使用高分散白炭黑，是因?yàn)樗梢栽谝欢ǔ潭壬蠀f(xié)調(diào)滾動(dòng)阻力和抗?jié)窕?但其耐磨性不夠理想;而以炭黑-白炭黑雙向埴料為代表的炭黑改性技術(shù)致力于在保證或改善耐磨性的同時(shí)降低其滯后性。