Włókna aramidowe stosuje się w oponach rowerowych, aby zapewnić oponie wytrzymałość przy jednoczesnej lekkości.
1. Projekt konstrukcyjny opon z warstwą zabezpieczającą przed przebiciem wykonaną z krótkich włókien aramidowych
Dodanie warstwy z krótkich włókien aramidowych odpornej na przebicie pomiędzy warstwą kordu a gumą bieżnika opon rowerowych może skutecznie zwiększyć odporność opony na przebicie. Chociaż ostre przedmioty, takie jak gwoździe, przebiją gumę bieżnika opony, gdy wejdą w kontakt z warstwą z krótkich włókien aramidowych odpornych na przebicie, warstwa odporna na przebicie może skutecznie zapobiec wnikaniu ciał obcych pod wpływem wewnętrznego ciśnienia opony, zapobiegając tym samym przebiciu dętki.
2. Zastosowanie krótkich włókien aramidowych w warstwie zabezpieczającej przed przebiciem
Biorąc pod uwagę wykonalność produkcji opon rowerowych z warstwą zabezpieczającą przed przebiciem z krótkich włókien aramidowych, podstawowa formuła warstwy zabezpieczającej przed przebiciem wykorzystuje formułę gumy bieżnika opony rowerowej, która jest szeroko stosowana w produkcji opon, a na podstawie podstawowej formuły zbadano wpływ zastosowania różnych dawek krótkich włókien aramidowych.
2.1 Analiza efektu wzmacniającego krótkich włókien aramidowych
Do powszechnie stosowanych krótkich włókien wzmacniających w mieszankach gumowych należą włókna celulozowe, bawełniane, poliestrowe, nylonowe i aramidowe itp., które mogą zwiększyć wytrzymałość mieszanki gumowej.
Na nim znajdują się mikrofibryle
pulpa aramidowa . Z trójwymiarowej analizy morfologicznej wynika, że mikrofibryle masy aramidowej mogą zwiększać siłę wiązania masy aramidowej z matrycą gumową.
Trudno jest równomiernie rozproszyć niekarbowane, pocięte krótkie włókna aramidowe o długości mniejszej niż 6 mm podczas mieszania. Pulpa aramidowa o dużej powierzchni właściwej (7-9 m2·g-1) jest stosunkowo puszysta, podatna na elektryczność statyczną i niełatwa do wymieszania z mieszanką gumową, co skutkuje nierównomierną dyspersją. Aby lepiej rozproszyć pulpę aramidową w matrycy gumowej, pulpę aramidową można mieszać w formie dyspersji lub masterbatcha. Firma DuPont opracowała powiązaną opatentowaną technologię, która może lepiej rozproszyć pulpę aramidową w matrycy gumowej. Produkt wytworzony w ten sposób nazywa się Kevlar®EE.
Eksperymenty wykazały, że moduł sprężystości kompozytu gumy wzmocnionej pulpą aramidową Kevlar®EE wzrasta wraz ze wzrostem zawartości pulpy aramidowej, dlatego w niniejszym badaniu wykorzystano pulpę aramidową Kevlar®EE.
2.2 Wpływ dawkowania pulpy aramidowej na przyczepność międzyfazową gumy
W miarę zwiększania dawki pulpy aramidowej, wytrzymałość na rozciąganie i rozdzieranie mieszanki gumowej wzrasta, wydłużenie poślizgu międzyfazowego maleje, a względna energia poślizgu międzyfazowego nie ulega zmianie.
W miarę jak zewnętrzna siła rozciągająca stopniowo wzrasta, między włóknem aramidowym a mieszanką gumową w warstwie antyprzebiciowej następuje poślizg międzyfazowy, a ostatecznie następuje poślizg międzyfazowy, co skutkuje punktem przegięcia na krzywej naprężenie-odkształcenie. Względna energia poślizgu międzyfazowego mieszanki gumowej z włókna aramidowego jest wyrażona na krzywej naprężenie-odkształcenie mieszanki gumowej, która jest równoważna obszarowi przybliżonej figury trójkąta zamkniętej przez krzywą i oś poziomą. Zastosowanie względnej energii poślizgu międzyfazowego może bardziej intuicyjnie odzwierciedlać energię mieszanki gumowej w celu wytworzenia poślizgu międzyfazowego. Naprężenie mieszanki gumowej wypełnionej różnymi dawkami pulpy aramidowej. Z tej analizy można również wnioskować, że dawka pulpy aramidowej ma niewielki wpływ na względną energię poślizgu międzyfazowego mieszanki gumowej warstwy antyprzebiciowej.
3. Przygotowanie warstwy antyprzebiciowej z pulpy aramidowej
Proces przygotowania warstwy antyprzebiciowej z pulpy aramidowej w oponach rowerowych obejmuje uplastycznienie gumy → formowanie arkuszy → ponowne rafinowanie arkuszy → dodawanie środka wiążącego → laminowanie arkuszy antyprzebiciowych → chłodzenie → cięcie.
Poprzez analizę można ustalić, że głównymi czynnikami wpływającymi na wydajność warstwy antyprzebiciowej z pulpy aramidowej są dawka pulpy aramidowej, grubość warstwy antyprzebiciowej i czas wulkanizacji opony. Po wymieszaniu gumy z warstwy antyprzebiciowej z pulpy aramidowej jest ona cięta na arkusze gumy z warstwą antyprzebiciową o różnych grubościach i szerokościach za pomocą prasy do arkuszy i noża zgodnie z parametrami procesu produkcyjnego opon rowerowych o różnych specyfikacjach do użytku w trybie gotowości.
4. Analiza czynników wpływających na wydajność opon
4.1 Dawkowanie pulpy aramidowej
Wpływ dozowania pulpy aramidowej w gumowej warstwie antyprzebiciowej na wytrzymałość korpusu opony i siłę wiązania.
Wraz ze wzrostem dawki pulpy aramidowej, wytrzymałość korpusu opony ulega znacznej poprawie, co może poprawić odporność opony na przebicie. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem dawki pulpy aramidowej, moduł kompozytowy gumy wzrasta, co zwiększa wytrzymałość korpusu opony.
Wraz ze wzrostem ilości pulpy aramidowej przyczepność korpusu opony maleje, co powoduje zmniejszenie trwałości opony. Dzieje się tak głównie dlatego, że wraz ze wzrostem ilości pulpy aramidowej przyczepność gumy maleje, co powoduje znaczne zmniejszenie przyczepności między warstwą odporną na przebicie a warstwą kordu.
4.2 Grubość warstwy antyprzebiciowej
Wpływ grubości warstwy antyprzebiciowej na wytrzymałość i przyczepność korpusu opony.
Wraz ze wzrostem grubości warstwy antyprzebiciowej wzrasta wytrzymałość korpusu opony, a odporność opony na przebicie ulega znacznej poprawie; wpływ grubości warstwy antyprzebiciowej na przyczepność korpusu opony nie jest oczywisty. Im grubsza warstwa antyprzebiciowa, tym lepsza odporność opony na przebicie, ale zwiększy to wagę opony, co nie sprzyja lekkości opony; zwiększenie grubości warstwy antyprzebiciowej zwiększy również koszt opony; zbyt gruba warstwa antyprzebiciowa nie sprzyja odprowadzaniu ciepła z opony i łatwo jest powodować inne problemy podczas jazdy na oponie.
4.3 Czas wulkanizacji
Temperatura, ciśnienie i czas to trzy elementy wulkanizacji opon, wśród których temperatura i ciśnienie są zwykle pewne, więc czas wulkanizacji jest kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność opony. Czas wulkanizacji ma znaczący wpływ na wydajność produktów gumowych.
Wpływ czasu wulkanizacji na wytrzymałość opony i siłę wiązania.
W normalnym zakresie wulkanizacji opon (8,5–9,5 min) wytrzymałość opony i jakość wiązania nieznacznie się wahają; ale gdy opona jest niedowulkanizowana i nadmiernie wulkanizowana, wytrzymałość opony i jakość wiązania znacznie spadają wraz ze wzrostem niedowulkanizacji i nadmiernej wulkanizacji.
Aby szybko określić dodatni czas wulkanizacji opon przy różnych dawkach pulpy aramidowej i grubościach warstwy zabezpieczającej przed przebiciem, można zastosować metodę punktu krytycznego pęcherzyków. Najpierw wyjaśniono dwie definicje. Jedna to czas punktu pęcherzyków, czyli czas, w którym pęcherzyki pojawiają się w oponie po wulkanizacji w określonej temperaturze i ciśnieniu; druga to czas punktu krytycznego pęcherzyków, czyli czas, w którym pęcherzyki znikają po wulkanizacji w określonej temperaturze i ciśnieniu. Na przykład: sytuacja pęcherzyków opony o określonej specyfikacji przy różnych czasach wulkanizacji w istniejącej temperaturze i ciśnieniu jest pokazana na rysunku 7 i można wnioskować, że czas punktu pęcherzyków opony o tej specyfikacji wynosi 8,5 min, a czas punktu krytycznego pęcherzyków wynosi 9,0 min.
Początkowy krytyczny czas pęcherzyka może być ustawiony na podstawie podobnych specyfikacji, aby wstępnie określić czas punktu krytycznego pęcherzyka opony tej specyfikacji, to znaczy tymczasowy czas wulkanizacji minus czas bezpieczeństwa. Rzeczywista metoda czasu punktu krytycznego pęcherzyka polega na wulkanizacji opony zgodnie z początkowym czasem punktu krytycznego pęcherzyka. Jeśli nie pojawią się żadne pęcherzyki, czas wulkanizacji jest odpowiednio skracany (zmniejszany o 15 do 60 sekund za każdym razem zgodnie ze szczegółowymi specyfikacjami), aż do znalezienia czasu punktu krytycznego pęcherzyka; jeśli pojawią się pęcherzyki, czas wulkanizacji jest odpowiednio wydłużany (zwiększany zgodnie z lokalizacją i rozmiarem pęcherzyków), aż do znalezienia czasu punktu krytycznego pęcherzyka. Podczas potwierdzania punktu pęcherzyka opony należy przeciąć oponę na gorąco, aby sprawdzić, czy sekcja opony (w tym bieżnik górnej i dolnej formy, między warstwami kordu, obręczami opony itp.) ma pęcherzyki i je oznaczyć. Dodatni czas wulkanizacji jest sumą czasu punktu krytycznego pęcherzyka, czasu bezpieczeństwa i czasu, na który wpływają czynniki sezonowe. Doświadczenie pokazuje, że gdy czas krytyczny pęcherzyków wynosi ≤5, 5 do 7, 8 do 14, 15 do 18 i ≥18 min, czas bezpieczeństwa wynosi odpowiednio 1, 2, 3, 4 min i 20% czasu krytycznego pęcherzyków.
Wniosek
Przeanalizowano i porównano wzmacniające działanie włókien aramidowych i pulpy aramidowej na gumę, a pulpa aramidowa Kevlar®EE została użyta do przygotowania warstwy odpornej na przebicie opon rowerowych. Zbadano wpływ dawki pulpy aramidowej, grubości warstwy odpornej na przebicie i czasu wulkanizacji na wytrzymałość korpusu opony i właściwości przyczepności. Wnioski są następujące:
- Wraz ze zwiększeniem dawki pulpy aramidowej wytrzymałość korpusu opony znacznie wzrosła, lecz zmniejszyła się przyczepność.
- Wraz ze wzrostem grubości warstwy zabezpieczającej przed przebiciem wzrosła wytrzymałość korpusu opony, a tendencja zmian wytrzymałości przyczepności była nierównomierna.
- W normalnym zakresie wulkanizacji opon wytrzymałość korpusu opony i przyczepność ulegały niewielkim wahaniom; jednak gdy opona miała zbyt małą lub zbyt dużą zawartość siarki, wraz ze wzrostem stopnia niedoboru lub nadmiaru siarki wytrzymałość korpusu opony i przyczepność znacznie spadały.
