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【集團新聞】住友橡膠高耐久性橡膠材料技術獲突破

發布時間：2019-02-21 17:25:24

近期，住友橡膠工業株式會社（以下簡稱“住友橡膠”）發布了一項其與萊布尼茨高分子研究所（德國•德累斯頓）※共同探索的一項科研成果。該項成果查明了之前人類所未知的橡膠分子內部一種被稱為“void”孔洞（橡膠破裂的根源）的現象從其產生到最終導致橡膠分子破裂的原理。基于這一研究成果，住友橡膠期待能夠開發出比以往產品更具耐磨性的橡膠材料，同時也期望著能夠開發出“性能更持久”的高性能輪胎產品。

※該研究所成立于1948年，最初是紡織廠的纖維研究所。目前是德國最大的高分子材料研究所之一，正在與世界主要的研究團隊進行聯合研究。

隨著汽車產業環境的日益變化，住友橡膠此前曾提出了“Smart Tyre Concept”（即：智能輪胎理念）的輪胎技術開發新概念，以實現輪胎“更高的安全性能”和“更優異的環保性能”。該項研究成果正好對其“智能輪胎”開發理念的方向之一即輪胎“性能持久技術”的推進起到了重要作用。

橡膠失效是輪胎出現磨損的誘因之一，而橡膠的失效被認為是橡膠內部的分子斷裂和微觀層面“孔洞”所引起的橡膠破裂逐漸增多而導致，但人類一直沒能查明“孔洞”產生的根本原因。在這一背景下，住友橡膠開始觀察合成橡膠中“孔洞”產生的機理。2015年，住友橡膠充分運用新型材料開發技術“ADVANCED 4D NANO DESIGN（4D創新納米級設計）”技術，通過模擬分子層面的結構，明確了“孔洞”產生的原因，并研究出了抑制“孔洞”產生的技術。這項研究是基于兩種不同的實驗所開展，目前已經可以直接觀察到合成橡膠內部結構的變化和分子運動的機制，這使得通過控制橡膠的彈性進而開發出高耐久性的材料成為可能。

實驗1．通過CT掃描分析橡膠試驗品的受力、變形量和體積變化

■ 實驗方法：

把圓片形合成橡膠試驗品夾在同樣形狀的金屬板中間，并將其固定在金屬板上，通過用垂直于金屬板方向的力來拉伸橡膠試驗品來觀察其發生形變時的受力與體積變化的關系。同時，通過橡膠試驗品的CT來觀察橡膠內部“孔洞”的形成情況。

■ 結果

如果合成橡膠試驗品在受到垂直于金屬板方向上的拉伸力時，根據橡膠自身的特性，橡膠試驗品會向垂直于受力的方向收縮。然而，由于試驗品是被粘貼固定在金屬板上，所以受力時卻又無法自行收縮，結果致使橡膠膨脹，進而可以使我們通過CT直接觀察到橡膠內部及其“孔洞”形成的過程。

另外，通過這項實驗我們也發現“孔洞”形成的環境也是有差異的，尤其是含有填充材料（例如二氧化硅、炭黑）的合成橡膠，其橡膠失效是由填充材料聚合物之間形成的“孔洞”所引起的；而對于不含填充材料的合成橡膠，其橡膠失效則是由橡膠分子移動時所形成的“孔洞”所導致。

《合成橡膠的拉伸應力應變（變形量）曲線》

通過研究含有填充材料的合成橡膠與不含填充材料的合成橡膠的拉伸應力、體積應變及應變之間的關系，我們發現，不論是否含有填充材料，隨著合成橡膠的應變增大，其體積應變也會隨之明顯增加。由此可以看出，由于約束應變，橡膠內部產生了孔洞。

《含有填充材料（二氧化硅和炭黑）的合成橡膠“孔洞”形成的觀察》

含有填充材料的合成橡膠，其“孔洞”在聚合物之間產生，而這些“孔洞”相互連接在一起導致了橡膠分子的破裂。而隨著填充材料補強作用的增強，會抑制“孔洞”繼續變大。

＜通過CT觀察橡膠的破裂＞

《不含填充材料的合成橡膠“孔洞”形成的觀察》

不含有填充材料的合成橡膠，由于橡膠分子的移動產生了“孔洞”，“孔洞”不斷增加、增大最終引發了橡膠破裂。

＜通過CT觀察橡膠的破裂＞

實驗2．通過X射線小角散射法確認橡膠斷裂的特性

■ 實驗方法

將帶有凹口的片狀合成橡膠試驗品沿水平方向拉伸，用X射線小角散射法觀察凹口頂點處橡膠內部“孔洞”的形成和增大情況。

■ 結果

通過使用X射線小角散射法對片狀合成橡膠試驗品凹口處橡膠密度變化的觀測，我們發現凹口頂點處的橡膠密度要低于距離該頂點較遠其他部位，這表明凹口頂點處的橡膠內部產生了很多“孔洞”。由此可以判斷出，當在水平方向上拉伸橡膠試驗品時，凹口頂點處也即橡膠被撕裂的部分出現了“孔洞”，而且該“孔洞”與橡膠失效有直接關系。