【集团新闻】住友橡胶高耐久性橡胶材料技术获突破

发布时间:2019-02-25 14:22:18

近期,住友橡胶工业株式会社(以下简称“住友橡胶”)发布了一项其与莱布尼茨高分子研究所(德国•德累斯顿)※共同探索的一项科研成果。该项成果查明了之前人类所未知的橡胶分子内部一种被称为“void”孔洞(橡胶破裂的根源)的现象从其产生到最终导致橡胶分子破裂的原理。基于这一研究成果,住友橡胶期待能够开发出比以往产品更具耐磨性的橡胶材料,同时也期望着能够开发出“性能更持久”的高性能轮胎产品。

 

※该研究所成立于1948年,最初是纺织厂的纤维研究所。目前是德国最大的高分子材料研究所之一,正在与世界主要的研究团队进行联合研究。

 

随着汽车产业环境的日益变化,住友橡胶此前曾提出了“Smart Tyre Concept”(即:智能轮胎理念)的轮胎技术开发新概念,以实现轮胎“更高的安全性能”和“更优异的环保性能”。该项研究成果正好对其“智能轮胎”开发理念的方向之一即轮胎“性能持久技术”的推进起到了重要作用。

 

橡胶失效是轮胎出现磨损的诱因之一,而橡胶的失效被认为是橡胶内部的分子断裂和微观层面“孔洞”所引起的橡胶破裂逐渐增多而导致,但人类一直没能查明“孔洞”产生的根本原因。在这一背景下,住友橡胶开始观察合成橡胶中“孔洞”产生的机理。2015年,住友橡胶充分运用新型材料开发技术“ADVANCED 4D NANO DESIGN(4D创新纳米级设计)”技术,通过模拟分子层面的结构,明确了“孔洞”产生的原因,并研究出了抑制“孔洞”产生的技术。这项研究是基于两种不同的实验所开展,目前已经可以直接观察到合成橡胶内部结构的变化和分子运动的机制,这使得通过控制橡胶的弹性进而开发出高耐久性的材料成为可能。

 

实验1.通过CT扫描分析橡胶试验品的受力、变形量和体积变化

 

■ 实验方法:

把圆片形合成橡胶试验品夹在同样形状的金属板中间,并将其固定在金属板上,通过用垂直于金属板方向的力来拉伸橡胶试验品来观察其发生形变时的受力与体积变化的关系。同时,通过橡胶试验品的CT来观察橡胶内部“孔洞”的形成情况。 

■  结果

如果合成橡胶试验品在受到垂直于金属板方向上的拉伸力时,根据橡胶自身的特性,橡胶试验品会向垂直于受力的方向收缩。然而,由于试验品是被粘贴固定在金属板上,所以受力时却又无法自行收缩,结果致使橡胶膨胀,进而可以使我们通过CT直接观察到橡胶内部及其“孔洞”形成的过程。

另外,通过这项实验我们也发现“孔洞”形成的环境也是有差异的,尤其是含有填充材料(例如二氧化硅、炭黑)的合成橡胶,其橡胶失效是由填充材料聚合物之间形成的“孔洞”所引起的;而对于不含填充材料的合成橡胶,其橡胶失效则是由橡胶分子移动时所形成的“孔洞”所导致。

 

《合成橡胶的拉伸应力应变(变形量)曲线》

通过研究含有填充材料的合成橡胶与不含填充材料的合成橡胶的拉伸应力、体积应变及应变之间的关系,我们发现,不论是否含有填充材料,随着合成橡胶的应变增大,其体积应变也会随之明显增加。由此可以看出,由于约束应变,橡胶内部产生了孔洞。

 

《含有填充材料(二氧化硅和炭黑)的合成橡胶“孔洞”形成的观察》

 

含有填充材料的合成橡胶,其“孔洞”在聚合物之间产生,而这些“孔洞”相互连接在一起导致了橡胶分子的破裂。而随着填充材料补强作用的增强,会抑制“孔洞”继续变大。

 

<通过CT观察橡胶的破裂>

《不含填充材料的合成橡胶“孔洞”形成的观察》

 

不含有填充材料的合成橡胶,由于橡胶分子的移动产生了“孔洞”,“孔洞”不断增加、增大最终引发了橡胶破裂。

 

<通过CT观察橡胶的破裂>

实验2.通过X射线小角散射法确认橡胶断裂的特性

 

■  实验方法

将带有凹口的片状合成橡胶试验品沿水平方向拉伸,用X射线小角散射法观察凹口顶点处橡胶内部“孔洞”的形成和增大情况。

■  结果

通过使用X射线小角散射法对片状合成橡胶试验品凹口处橡胶密度变化的观测,我们发现凹口顶点处的橡胶密度要低于距离该顶点较远其他部位,这表明凹口顶点处的橡胶内部产生了很多“孔洞”。由此可以判断出,当在水平方向上拉伸橡胶试验品时,凹口顶点处也即橡胶被撕裂的部分出现了“孔洞”,而且该“孔洞”与橡胶失效有直接关系。

住友橡胶希望能够借助这项研究成果开发出比以往更加耐用的橡胶。今后,住友橡胶也将继续加快材料开发的速度,建立“性能持久”的橡胶技术,为实现“Smart Tyre Concept(智能轮胎理念)”而不懈努力。

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