اثر ساختار مولکولی SBR و نوع پرکننده بر خواص ابرگرانروکشسان آمیزه‌های SBR/BR رویه تایرسواری با کمک روش ترکیبی عددی-تجربی

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند،گروه لاستیک، صندوق پستی 112-14975

چکیده

فرضیه: کاهش مقاومت غلتشی تایر نقش بسیار مهمی در دستیابی به کاهش CO2 و گرمایش جهانی دارد. از این‌رو، توجه ویژه‌ای برای پیش‌بینی اتلاف انرژی در آمیزه رویه توسط سازندگان تایر شده تا آمیزه‌هایی با اتلاف انرژی پایین طراحی و به‌کار گرفته شوند. در این پژوهش، مدل مکانیکی سه‌گانه متشکل از مدل ابرکشسان سه‌جمله‌ای Ogden، مدل گرانروکشسان غیرخطی Bergstrom-Boyce همراه با مدل نرم‌شدگی تنش Ogden-Rouxbrgh برای بیان رفتار مکانیکی نیرو-تغییر مکان لاستیک پیشنهاد شد.
روش‌ها: ابتدا دو مجموعه آمیزه لاستیکی بر پایه آمیخته کائوچوهای SBR/BR محلولی و امولسیونی تقویت‌شده با دو  نوع دوده و سیلیکای اصلاح‌شده سطحی ساخته شدند. مقدار کل پرکننده ثابت و برابر 80phr  درنظر گرفته شد. هر مجموعه شامل سه آمیزه با مقادیر مختلف از پرکننده‌ها بود. بدین‌ ترتیب که در آمیزه اول 80phr  دوده بدون سیلیکا و در آمیزه‌های دوم و سوم به ترتیب 20 و   40phr سیلیکا به‌جای دوده جایگزین شدند. رفتار مکانیکی کششی آمیزه‌های پخت‌شده روی نمونه نواری‌شکل با عرض  2cm که زیر بار رفت‌و‌برگشتی قرارگرفته بود و نیز آزمون کشش با استاندارد ASTM  D-412 C تعیین شدند. الگوریتم چرخه‌ای بهینه‌سازی‌شده بر اساس مدل اجزای محدود نمونه نواری‌شکل ساخته‌شده در نرم‌افزار Abaqus به همراه دو جزء انطباق نتایج و بهینه‌سازی (Nelder-Mead) در نرم‌افزار Isight طراحی شد. از این الگوریتم برای تعیین پارامترهای مدل مکانیکی استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی با داده‌های تجربی حاکی از دقت زیاد مدل پیشنهادی است. پیش‌بینی اثر نوع کائوچوی SBR (محلولی یا امولسیونی) و نوع و مقدار پرکننده (دوده و سیلیکا) به‌کمک پارامترهای پیش‌بینی‌شده مدل مطالعه شد. نشان داده شد، ارتباط بسیار خوبی بین تغییرات این پارامترها با ساختار کائوچو و نحوه عملکرد پرکننده‌ها وجود دارد. همچنین مشخص شد، کائوچوی  SBR‌ محلولی نسبت به نوع امولسیونی %50 عملکرد بهتری دارد و نیز افزودن سیلیکا موجب کاهش %25 تا %35 اتلاف انرژی می‌شود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effects of SBR Molecular Structure and Filler Type on the Hyper-Viscoelastic Behavior of SBR/BR Tread Compounds Using a Combined Numerical/Experimental Approach

نویسندگان [English]

  • Sedigheh Samaei
  • Mir Hamid Reza Ghoreishy
  • Ghasem Naderi
Department of Rubber Processing and Engineering, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Reduction of rolling resistance in tyres plays a crucial role in reducing global warming and CO2 emissions. Consequently, the prediction of energy dissipation in tyre tread compounds has received increasing interest from tyre manufacturers to design low dissipative compounds. In the present work, a triple model based on the Ogden hyperelastic equation, Bergstrom-Boyce nonlinear viscoelastic relationship in conjunction with a stress softening equation was proposed for the prediction of the force-displacement behavior of tread compounds.
Methods: Two series of rubber blends compounds based on SBR/BR solution and SBR/BR emulation reinforced by two carbon black (CB) grades and a surface-modified silica were prepared. Each series was comprised of three blends with different filler contents. The total part of filler in each compound was kept constant as 80 phr.  The first compound contained 80 phr of CB without any silica, while the second and third compounds were prepared using 20 and 40 phr silica as replacement. The mechanical behavior of the cured compounds was determined using a tensile test carried out on a ribbon type sample with 2X11 cm dimension and ATM D-412 C test specimens. An optimization loop was designed in Isight code using three Abaqus, data matching and optimization components. The developed algorithm was used for the determination of the parameters of the mentioned model.
Findings: It is shown that the proposed material model and the developed numerical algorithm can predict the mechanical behavior of the compounds during a loading/unloading cycle. The trends of the variations of the predicted parameters are in reasonable agreement with macro- and micro- structure of the SBR and filler type (CB or silica). It is also found that the addition of silica to rubber compound has 25-35% decreasing effect on energy dissipation. Moreover, solution SBR has approximately 50% more reduction effect on energy dissipation compared to emulsion SBR at equal filler type and content.

کلیدواژه‌ها [English]

  • SBR
  • BR
  • silica
  • hyper-viscoelastic
  • tyre tread
  • finite element method
  1. Heinrich G. and Vilgis T., Why Silica Technology Needs S-SBR in High Performance Tires?: The Physics of Confined Polymers in Filled Rubbers, KGK. Kautschuk, Gummi, Kunststoffe, 61, 368-376, 2008.
  2. Gent A.N., Engineering with Rubber: How to Design Rubber Components, 3rd ed., Hanser, Munich, Chapt. 9, 2012.
  3. Bergstrom J.S., Mechanics of Solid Polymers: Theory and Computational Modeling, Elsevier Science, London, Chapt. 5, 2015.
  4. Ghoreishy M.H.R., An Experimental and Numerical Verification of Different Hyperelastic Material Models for Rubbers under Tension and Compression Loads, Iran. J. Polym. Sci. Technol.(Persian), 22, 273-284, 2009.
  5. Ghoreishy M.H.R., Computer Simulations of Passenger Car Radial Tires Using the Finite Element Method, Pfeffer M.D. and Bachmeier E. (Eds.) Computer Simulations: Advances in Research and Applications, Nova Science, New York, 1-62, 2018.
  6. Yeoh O.H.,  Some Forms of the Strain Energy Function For Rubber, Rubber Chem. Technol., 66, 754-771, 1993.
  7. Arruda E.M. and Boyce M.C., A Three-Dimensional Constitutive Model for the Large Stretch Behavior of Rubber Elastic Materials, J. Mechanic. Phys. Solid., 41, 389-412, 1993.
  8. Harwood J., Mullins L., and  Payne A., Stress Softening in Rubbers: A Review, J. IRI, 1, 17-27, 1967.
  9. Mullins L., Softening of Rubber by Deformation, Rubber Chem. Technol.,42, 339-362, 1969.
  10. Ghoreishy M.H.R. and  Abbassi-Sourki F.,  Development of a New Combined Numerical/Experimental Approach for the Modeling of the Nonlinear Hyper-Viscoelastic Behavior of Highly Carbon Black Filled Rubber Compound, Polym. Test., 70, 135-143, 2018.
  11. Ghoreishy M.H.R., Alimardani M.,  Zafar Mehrabian R., and  Taghvaei Gangali S., Modeling the Hyperviscoelastic Behavior of a Tire Tread Compound Reinforced by Silica and Carbon Black, J. Appl. Polym. Sci., 128, 1725-1731, 2013.
  12. Ghoreishy M.H.R., Determination of the Parameters of The Prony Series in Hyper-Viscoelastic Material Models Using the Finite Element Method, Mater. Design, 35, 791-797, 2012.
  13. Ghoreishy M.H.R., Firouzbakht M., and Naderi G., Parameter Determination and Experimental Verification of Bergstrom-Boyce Hysteresis Model for Rubber Compounds Reinforced by Carbon Black Blends, Mater. Design, 53, 457-465, 2014.
  14. Hurtado J.A., Lapczyk I., and Govindarajan S.M., Parallel Rheological Framework to Model Non-Linear Viscoelasticity, Permanent Set, and Mullins Effect in Elastomers, in: Gil-Negrete N. and Alonso A. (Eds.) Proceedings of 8th European Conference on Constitutive Models for Rubbers, San Sebastian, Spain, 95-100, 2013.
  15. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., The Molecular Structure of SBR and Filler Type Effects on Thermal Diffusivity of SBR/BR Compounds Used in Tire Tread, Iran. J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 30, 139-149, 2017.
  16. Ogden R.W., Large Deformation Isotropic Elasticity-on the Correlation of Theory and Experiment for Incompressible Rubberlike Solids, Proceedings of the Royal  Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, The Royal Society, 326,  565-584, 1972.
  17. Bergström J. and Boyce M., Constitutive Modeling of the Large Strain Time-Dependent Behavior of Elastomers, J. Mechanic. Phys. Solid., 46, 931-954, 1998. 931-954.
  18. Ogden R.W. and Roxburgh D., A Pseudo-Elastic Model for theMullins Effect in Filled Rubber, Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 455, 2861-2877, 1988.
  19. Bose K., Hurtado J.A., Snyman M.F., Mars W., and Chen J.Q., Modelling of Stress Softening in Filled Elastomers, Busfield J. and Muhr A. (Eds.), Proceedings of the 3rd European Conference on the Constitutive Models for Rubber, Swets and Zeitlinger B.V., Lisse, The Netherlands, 223-230, 2003.
  20. Abaqus Analysis User’s Guide, Simulia Inc., 2016.
  21. Rao S.S., Engineering Optimization Theory and Practice, 4th ed., John Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey, Chapt. 6, 2009.
  22. Isight, Dassault Systemes Simulia Corp., 2017.
  23. Wang M.J., Effect of Polymer-Filler and Filler-Filler Interactions on Dynamic Properties of Filled Vulcanizates, Rubber Chem. Technol., 71, 520-589, 1998.
  24. Heinrich G., Klüppel M., and Vilgis T.A., Reinforcement of Elastomers, Curr. Opin. Solid State Materi. Sci., 6, 195-203, 2002.