Исследование теплообразования при динамическом нагружении резин

В ряде публикаций подробно рассмотрены вопросы влияния смеси фуллеренов как на тепловое старение каучуков [1, 2], так и на динамическую выносливость резин с различными наполнителями [3], однако данных, позволяющих провести корреляционную связь между теплообразованием и изменением физикомеханических свойств резин в процессе эксплуатации изделий, практически нет. Таким образом, целью нашего исследования было натурное моделирование процесса деформации образцов покровных шинных резин с целью выявления зон упрочнения и термомеханической деструкции путем замера температуры в режиме реального времени.

В качестве объектов исследования были выбраны: углеродный наномодификатор – смесь фуллеренов фракции С 50 – С 92 , состава: С 50 – С 58 (14,69 %), С 60 (63,12 %), С 62 - С 68 (5,88 %), С 70 (13,25 %), С 72 – С 92 (3,06 %) и синтетические каучуки различной структуры, а именно: товарный полибутадиен СКД следующего состава – содержание цис- 1,4 звеньев 93 %, содержание транс 1,4 звеньев 5 %, 1,2 звеньев 2 %; натуральный каучук (НК) RSS (ГОСТ ИСО 1795-96), с содержанием 1,4 циc-звеньев, 98 %; синтетический бутадиенстирольный каучук (ГОСТ 15628-79) с содержанием транс -1,4 звеньев 71,8 %, цис-1,4-10,3 %, 1,2-звеньев – 15,8 %.

На основе этих каучуков была изготовлены и далее свулканизованы резиновые смеси для покровной резины шин. Модификация полимеров смесью фуллеренов указанного состава проводилась путем внесения необходимой концентрации смеси фуллеренов на носителе (техническом углероде) на первой стадии смешения резиновой смеси.

Динамическое нагружение образцов проводили на установке для циклического многократного растяжения при степени деформации 50 % растяжения рабочей зоны согласно стандартной методике. План эксперимента предусматривал периодическую релаксацию (отдых) образцов длительностью не менее 72 часов для более точного моделирования процесса эксплуатации конструкционного изделия.

Визуализацию и оцифровку тепловых эффектов при динамических испытаниях резин выполняли с использованием тепловизора марки «testo 880». Методика измерений температуры на этом приборе основана на конвертации инфракрасного излучения в электрические сигналы и их визуализации в виде термографических картинок. Тепловизор позволяет в режиме реального времени выделить точки с наибольшим риском разогрева, аномалиями или зону с тепловым эффектом. Прибор выпол- няет сканирование поверхности материалов или компонентов без какого-либо повреждения и показывает проблемные участки [4, 5].

По результатам математической обработки термоизображений можно определить наличие зон значительной концентрации механических напряжений, оценить напряженно-деформированное состояние конструкционного изделия в условиях эксплуатации и при необходимости рассчитать коэффициенты концентрации напряжений.

Обычная термограмма показывает только среднюю температуру в каждом концентрическом слое покрышки, в результате чего положение области перегрева не может быть локализовано. Применяя тепловизор «testo880», можно наблюдать тепловое изображение и измерять температуру в реальном времени, фиксировать динамику смещения участков перегрева через определенные промежутки времени и моделировать кинетику механодеструкции.

На рисунке 1 представлены результаты измерений в виде гистограммы распределения температуры по десяти образцам, подвергшимся динамическому нагружению в количестве 3000 циклов.

Рисунок 1. Термограммы образцов а) с наномодификатором б) контрольный

Для резин с наномодификатором (рисунок 1) наблюдается расширение температурного интервала реакции от минимального значения до максимального на два градуса, что связано также с ростом средней температуры реакции по гистограмме также на 2-3 градуса при одинаковых условиях деформации и уровня циклического нагружения.

На кривых зависимости температуры образца от количества циклов суммарного нагружения (рисунок 2) показано, что скорость теплообразования в образцах с наномодификатором выше, чем у контрольного и соответ- ственно достижение максимума температуры происходит при нагружении в два раза меньше. Однако минимум температуры в образцах обоих типов достигается практически одновременно, при этом температура в образцах с фуллеренами выше, чем у контрольных, почти на два градуса. Обе кривые удовлетворительно описываются линиями тренда с одинаковыми коэффициентами аппроксимации R2=0,9154. Для образца с наномодификатором полином имеет вид: у=0,0016x6-0,0547х5+0,7069х4-4,3299х3+12,381х2-14,238х+3,297,     соответ ственно для контрольного образца: у=0,0023х6-0,0855х5+1,1935х4-7,9255х3+25,219х2-34,995х+46,953

количество циклов нагружения, 10-3

Рисунок 2. Зависимость температуры образца от количества циклов суммарного нагружения: 1-образец с ФТУ, 2-контрольный образец