Ứng dụng bột aramid trong lớp chống thủng của lốp xe đạp

Việc thêm lớp chống thủng sợi ngắn aramid vào giữa lớp sợi và cao su gai lốp xe đạp có thể tăng cường hiệu quả khả năng chống thủng của lốp. Mặc dù các vật sắc nhọn như đinh có thể đâm thủng cao su gai lốp, nhưng khi tiếp xúc với lớp chống thủng sợi ngắn aramid, lớp chống thủng có thể ngăn chặn tốt sự xâm nhập của các vật lạ dưới áp lực bên trong lốp, từ đó ngăn ngừa thủng ruột.

Xét đến tính khả thi của việc sản xuất lốp xe đạp với lớp chống thủng sợi ngắn aramid, công thức cơ bản của lớp chống thủng áp dụng công thức cao su gai lốp xe đạp được sử dụng rộng rãi trong sản xuất lốp xe và hiệu quả ứng dụng của các liều lượng sợi ngắn aramid khác nhau được nghiên cứu trên cơ sở công thức cơ bản.

Các vật liệu gia cường sợi ngắn phổ biến trong hợp chất cao su bao gồm sợi cellulose, sợi bông, sợi polyester, sợi nylon và sợi aramid, v.v., tất cả đều có thể cải thiện độ bền của hợp chất cao su.

Có những sợi nhỏ trên bột giấy aramid . Từ phân tích hình thái ba chiều, có thể thấy rằng các sợi nhỏ bột aramid có thể làm cho liên kết giữa bột aramid và ma trận cao su bền chặt hơn.

Việc phân tán đều các sợi aramid cắt ngắn chưa uốn có chiều dài dưới 6 mm trong quá trình trộn rất khó khăn. Bột aramid có diện tích bề mặt riêng lớn (7-9 m·g-1) tương đối xốp, dễ bị tĩnh điện và khó trộn vào hỗn hợp cao su, dẫn đến phân tán không đều. Để phân tán bột aramid tốt hơn trong nền cao su, bột aramid có thể được trộn dưới dạng phân tán hoặc trộn theo mẻ. DuPont đã phát triển một công nghệ được cấp bằng sáng chế liên quan, có thể phân tán bột aramid tốt hơn vào nền cao su. Sản phẩm được sản xuất theo cách này có tên là Kevlar®EE.

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng mô đun tổng hợp của cao su gia cường bột giấy aramid Kevlar®EE tăng lên khi hàm lượng bột giấy aramid tăng, do đó nghiên cứu này sử dụng bột giấy aramid Kevlar®EE.

Khi liều lượng bột aramid tăng lên, độ bền kéo và độ bền xé của hợp chất cao su tăng lên, độ giãn dài trượt giao diện giảm xuống và năng lượng trượt giao diện tương đối không thay đổi.

Khi lực kéo bên ngoài tăng dần, hiện tượng trượt giao diện xảy ra giữa sợi aramid và hợp chất cao su trong lớp chống đâm, và cuối cùng hiện tượng trượt giao diện xảy ra, dẫn đến điểm uốn trên đường cong ứng suất-biến dạng. Năng lượng trượt giao diện tương đối của hợp chất cao su sợi aramid được biểu thị trên đường cong ứng suất-biến dạng của hợp chất cao su, tương đương với diện tích của hình tam giác gần đúng được bao quanh bởi đường cong và trục hoành. Việc sử dụng năng lượng trượt giao diện tương đối có thể phản ánh trực quan hơn năng lượng của hợp chất cao su để tạo ra hiện tượng trượt giao diện. Ứng suất của hợp chất cao su được lấp đầy bằng các liều lượng bột aramid khác nhau. Từ phân tích này, cũng có thể kết luận rằng liều lượng bột aramid có ít ảnh hưởng đến năng lượng trượt giao diện tương đối của hợp chất cao su lớp chống đâm.

Quy trình chế tạo lớp chống thủng bằng bột aramid cho lốp xe đạp bao gồm: Dẻo hóa cao su → cán màng → tinh chế lại màng → thêm chất phối liệu → cán màng chống thủng → làm nguội → cắt.

Qua phân tích, có thể xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của lớp chống thủng bột aramid là liều lượng bột aramid, độ dày lớp chống thủng và thời gian lưu hóa lốp. Sau khi trộn cao su chống thủng bột aramid, cao su được cắt thành các tấm cao su chống thủng có độ dày và chiều rộng khác nhau bằng máy ép và máy cắt theo các thông số quy trình sản xuất của lốp xe đạp có thông số kỹ thuật khác nhau để sử dụng dự phòng.

Ảnh hưởng của liều lượng bột aramid trong lớp cao su chống thủng đến độ bền thân lốp và độ bền liên kết.

Khi tăng liều lượng bột aramid, độ bền thân lốp được cải thiện đáng kể, có thể cải thiện khả năng chống thủng của lốp. Điều này là do khi tăng liều lượng bột aramid, mô đun tổng hợp của cao su tăng lên, từ đó tăng độ bền thân lốp tương ứng.

Khi hàm lượng bột aramid tăng lên, độ bám dính của thân lốp giảm đi, dẫn đến độ bền của lốp giảm. Nguyên nhân chủ yếu là do hàm lượng bột aramid tăng lên, độ bám dính của cao su giảm đi, dẫn đến độ bám dính giữa lớp chống đâm thủng và lớp sợi giảm đáng kể.

Ảnh hưởng của độ dày lớp chống thủng đến độ bền và độ bám dính của thân lốp.

Khi độ dày của lớp chống thủng tăng lên, độ bền của thân lốp cũng tăng lên, khả năng chống thủng của lốp được cải thiện đáng kể; ảnh hưởng của độ dày lớp chống thủng đến độ bám dính của thân lốp không rõ ràng. Lớp chống thủng càng dày thì khả năng chống thủng của lốp càng tốt, nhưng sẽ làm tăng trọng lượng của lốp, điều này không có lợi cho trọng lượng nhẹ của lốp; độ dày của lớp chống thủng cũng sẽ làm tăng giá thành của lốp; lớp chống thủng quá dày sẽ không có lợi cho việc tản nhiệt của lốp, và dễ gây ra các vấn đề khác trong quá trình vận hành của lốp.

Nhiệt độ, áp suất và thời gian là ba yếu tố của quá trình lưu hóa lốp xe, trong đó nhiệt độ và áp suất thường là cố định, do đó thời gian lưu hóa là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất của lốp xe. Thời gian lưu hóa có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của sản phẩm cao su.

Ảnh hưởng của thời gian lưu hóa đến độ bền và độ liên kết của lốp.

Trong phạm vi lưu hóa bình thường của lốp xe (8,5-9,5 phút), độ bền và hiệu suất liên kết của lốp xe dao động nhẹ; nhưng khi lốp xe lưu hóa dưới mức và lưu hóa quá mức, độ bền và hiệu suất liên kết của lốp xe giảm đáng kể khi độ lưu hóa dưới mức và lưu hóa quá mức tăng lên.

Để nhanh chóng xác định thời gian lưu hóa dương của lốp xe dưới các liều lượng bột aramid và độ dày lớp chống thủng khác nhau, có thể sử dụng phương pháp thời gian điểm tới hạn bong bóng. Trước tiên, cần làm rõ hai định nghĩa. Một là thời gian điểm bong bóng, tức là thời gian xuất hiện bong bóng trong lốp xe khi lưu hóa ở một nhiệt độ và áp suất nhất định; hai là thời gian điểm tới hạn bong bóng, tức là thời gian bong bóng biến mất khi lưu hóa ở một nhiệt độ và áp suất nhất định. Ví dụ: Hình 7 thể hiện trạng thái bong bóng của một lốp xe có thông số kỹ thuật nhất định ở các thời gian lưu hóa khác nhau dưới nhiệt độ và áp suất hiện tại, và có thể kết luận rằng thời gian điểm bong bóng của lốp xe thuộc thông số kỹ thuật này là 8,5 phút và thời gian điểm tới hạn bong bóng là 9,0 phút.

Thời gian tới hạn bong bóng ban đầu có thể được thiết lập dựa trên các thông số kỹ thuật tương tự để xác định sơ bộ thời gian tới hạn bong bóng của lốp xe theo thông số kỹ thuật này, tức là thời gian lưu hóa tạm thời trừ đi thời gian an toàn. Phương pháp thời gian tới hạn bong bóng thực tế là lưu hóa lốp xe theo thời gian tới hạn bong bóng ban đầu. Nếu không xuất hiện bong bóng, thời gian lưu hóa được rút ngắn một cách thích hợp (giảm từ 15 đến 60 giây mỗi lần theo thông số kỹ thuật cụ thể) cho đến khi tìm thấy thời gian tới hạn bong bóng; nếu xuất hiện bong bóng, thời gian lưu hóa được kéo dài một cách thích hợp (tăng theo vị trí và kích thước của bong bóng) cho đến khi tìm thấy thời gian tới hạn bong bóng. Khi xác nhận điểm bong bóng của lốp xe, lốp xe nên được cắt khi nóng để quan sát xem phần lốp xe (bao gồm cả gai của khuôn trên và dưới, giữa các lớp dây, vành lốp, v.v.) có bong bóng hay không và đánh dấu chúng. Thời gian lưu hóa dương là tổng của thời gian tới hạn bong bóng, thời gian an toàn và thời gian bị ảnh hưởng bởi các yếu tố theo mùa. Theo kinh nghiệm, khi thời gian tới hạn của bong bóng ≤5, 5 đến 7, 8 đến 14, 15 đến 18 và ≥18 phút thì thời gian an toàn lần lượt là 1, 2, 3, 4 phút và 20% thời gian tới hạn của bong bóng.

Hiệu quả gia cường của sợi aramid và bột aramid trên cao su đã được phân tích và so sánh, và bột aramid Kevlar®EE đã được sử dụng để chế tạo lớp chống đâm thủng cho lốp xe đạp. Ảnh hưởng của liều lượng bột aramid, độ dày lớp chống đâm thủng và thời gian lưu hóa đến độ bền thân lốp và hiệu suất bám dính đã được nghiên cứu. Kết luận như sau: