مدل‌سازی چندمقیاسی خواص مکانیکی آمیزه رویه تایر سبز

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمرو پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند پلیمرها، گروه لاستیک، صندوق پستی 112-14975

10.22063/jipst.2023.3410.2242

چکیده

فرضیه‌: در کامپوزیت‌های ‌الاستومری، پدیده‌های بین‌سطحی همچون اثر پرکننده تقویتی بر دینامیک مولکولی زنجیر لاستیکی در فاز میانی و چگونگی برهم‌کنش لاستیک-پرکننده منشأ تغییر انرژی کرنش یا اتلاف گران‌روکشسان کامپوزیت در آمیزه بسیار پرشده لاستیکی است. با هدف کسب تقریب اولیه از چگونگی اثرپذیری انرژی کرنش از پدیده‌های فصل مشترک شامل سفتی، اتلاف فاز میانی و کیفیت اتصال در فصل مشترک، در این پژوهش مدل ریزساختاری جزء محدود در حالت دوبعدی و سه‌بعدی ایجاد و مشخصه‌های مؤثر بر تغییرات خواص مکانیکی مطالعه شد. اثر تغییر در سفتی بین‌فازی و تغییر در ماهیت گران‌رو‌کشسان آن، تغییر در مقدار تماس لاستیک با پرکننده در حالت‌های کاملاً مقید و ترکیب آن با لغزش اصطکاکی مدل‌سازی شد.
روش‌ها: کامپوزیت‌های لاستیک استیرن بوتادی‌ان محلولی تقویت‌شده با سیلیکا با روش اختلاط مذاب تهیه شدند. بدین منظور لاستیک به‌همراه سیلیکا و جفت‌کننده سیلانی درون مخلوط‌کن داخلی مخلوط شد. ضریب پرشدگی، دما و سرعت چرخاننده مخلوط‌کن طوری تنظیم شد تا واکنش سیلانی‌شدن انجام شود. سپس پیمانه اصلی با سامانه پخت روی آسیاب دوغلتکی مخلوط و در نهایت نمونه زیر فشار در دمای 160 درجه سلسیوس پخت شد.
یافته‌ها: در توافق با نتایج مدل‌سازی، آزمون کشش کامپوزیت نشان داد، مهم‌ترین عامل کنترل‌کننده، نوع اتصال لاستیک-پرکننده در ناحیه بین‌فازی است. نتایج شبیه‌سازی بیانگر این بود که در نظرگرفتن لغزش اصطکاکی در ناحیه بین‌فازی سبب کاهش انتقال تنش از ماتریس به ذره شد. در حالی‌که در مدل‌های با ناحیه بین‌فازی کاملاً مقید، به‌دلیل انتقال کامل تنش از ذره به ماتریس، خواص مکانیکی انحراف شایان ‌توجهی نسبت به نتایج تجربی نشان داد. همچنین مدل سه‌بعدی پیش‌بینی‌های بهتری نسبت به مدل دوبعدی ارائه کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Multiscale Modeling of Mechanical Properties of Green Tire Tread Compound

نویسندگان [English]

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

Hypothesis: In elastomeric composites, interfacial phenomena such as the effect of reinforcing filler on molecular dynamics of the rubber chain in the interphase and the way of rubber-filler interaction are the source of strain energy change or viscoelastic loss of the composite in highly filled rubber compound. To obtain a preliminary approximation of how the strain energy is influenced by interfacial phenomena, including stiffness, loss and the quality of this region, in this research, the finite element microstructural model was created in two-dimensional and three-dimensional mode and the effective characteristic changes in mechanical properties were studied. The effect of the change in stiffness of the interphase and the change in viscoelastic nature, the amount of contact between the rubber-filler in completely bonded and frictional sliding states were modeled.
Methods: The solution styrene butadiene rubber composites reinforced with silica were prepared by melt mixing. For this purpose, rubber was mixed with silica and silane coupling agent in an internal mixer. Then the masterbatch was mixed with the curing system on a two-roll mill and finally the sample was cured under pressure at 160°C.
Findings: In agreement with the modeling results, the composite tensile test showed that the most important controlling parameter is the type of rubber-filler connection in the interphase. The simulation results showed that considering the interphase region with frictional sliding greatly reduces the stress transfer from the matrix to the particle. But in the case of the completely bonded interphase region, due to the complete transfer of stress from the particle to the matrix, the mechanical properties showed a significant deviation compared to the experimental results. Also, the 3D models provided better predictions than the 2D ones.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tire compound
  • Multiscale modeling
  • Finite element
  • Mechanical properties
  • Interphase

مراجع

  1. Ginzburg V.V. and Hall L.M., Theory and Modeling of Polymer Nanocomposites, Springer, 45-77, 2021.
  2. Azizli M.J., Mokhtary M., Barghamadi M., and Rezaeeparto K., Structure-Property Relationship of Graphene-Rubber Nanocomposite, CRC, 141-176, 2022.
  3. Mittal V., Modeling and Prediction of Polymer Nanocomposite Properties, John Wiley and Sons, ‌129-142, 2013.
  4. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., Development of a New Model Based on Ogden-Roxburgh Model for the Prediction of the Stress-Softening Behavior of Carbon Black-Filled Rubber Compounds, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 35, 69-82, 2022.
  5. Ghoreishy M.H.R. and Abbassi-Sourki F., Study the Hyper-Viscoelastic and Stress Softening Behaviors of Various SBR/CB Filled Compounds Using a Triple Model, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 33, 339-350, 2020.
  6. Barghamadi M., Ghoreishy M.H.R., Karrabi M., and Mohammadian-Gezaz S., Modeling of Nonlinear Hyper-viscoelastic and Stress Softening Behaviors of Acrylonitrile Butadiene Rubber/Polyvinyl Chloride Nanocomposites Reinforced by Nanoclay and Graphene, Compos., 42, 583-596, 2021.
  7. Barghamadi M., Karrabi M., Ghoreishy M.H.R., and Mohammadian-Gezaz S., Effects of Two Types of Nanoparticles on the Cure, Rheological, and Mechanical Properties of Rubber Nanocomposites Based on the NBR/PVC Blends, Appl. Polym. Sci., 136, 47550, 2019.
  8. Barghamadi M., Karrabi M., Ghoreishy M.H.R., and Mohammadian-Gezaz S., Effect of Graphene Nanoplatelets on Rheology, Tensile Properties and Curing Behavior of Nanocomposites Based on NBR/PVC Blends Prepared by Melt Intercalation Method, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 31, 289-301, 2018.
  9. Hammerand D.C., Seidel G.D., and Lagoudas D.C., Computational Micromechanics of Clustering and Interphase Effects in Carbon Nanotube Composites, Adv. Mater. Struct., 14, 277-294, 2007.
  10. Deng F. and Van Vliet K.J., Prediction of Elastic Properties for Polymer-Particle Nanocomposites Exhibiting an Interphase, Nanotechnology, 22, 165703, 2011.
  11. Pisano C., Priolo, P., and Figiel Ł., Prediction of Strength in Intercalated Epoxy–Clay Nanocomposites via Finite Element Modelling, Mater. Sci., 55, 10-16, 2012.
  12. Shojaei Dindarloo A., Karrabi M., Hamid M., and Ghoreishy R., Various Nano-Particles Influences on Structure, Viscoelastic, Vulcanization and Mechanical Behaviour of EPDM Nano-Composite Rubber Foam, Rubber Compos., 48, 218-225, 2019.
  13. Wan H., Delale F., and Shen L., Effect of CNT Length and CNT-Matrix Interphase in Carbon Nanotube (CNT) Reinforced Composites, Res. Commun., 32, 481-489, 2005.
  14. Alimardani M., Razzaghi-Kashani M., and Ghoreishy M.H.R., Prediction of Mechanical and Fracture Properties of Rubber Composites by Microstructural Modeling of Polymer-Filler Interfacial Effects, Des., 115, 348-354, 2017.
  15. Barghamadi M., Karrabi M., Ghoreishy M.H.R., and Naderi G., Effect of TESPT on Viscoelastic and Mechanical Properties with the Morphology of SSBR/BR Hybrid Nanocomposites, Appl. Polym. Sci., e53863, 2023.
  16. Samaei S., Ghoreishy M.H.R., and Naderi G., Effects of SBR Molecular Structure and Filler Type on the Hyper-Viscoelastic Behavior of SBR/BR Radial Tyre Tread Compounds Using a Combined Numerical/Experimental Approach, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 32, 65-78, 2019.
  17. Ghorashi M., Alimardani M., and Hosseini S.M., Comparative Performance and Modification of Rubber and Reinforcing Filler on the Tearing Resistance of Peroxide-Cured Natural Rubber/Silica Compounds, J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 35, 487-500, 2022.
  18. Alimardani M., Razzaghi-Kashani M., Karimi R., and Mahtabani A., Contribution of Mechanical Engagement and Energetic Interaction in Reinforcement of SBR-Silane–Treated Silica Composites, Rubber Chem. Technol., 89, 292-305, 2016.
  19. Alberola N.D., Benzarti K., Bas C., and Bomal Y., Interface Effects in Elastomers Reinforced by Modified Precipitated Silica, Compos., 22, 312-325, 2001.
  20. Dittanet P. and Pearson R.A., Effect of Bimodal Particle Size Distributions on the Toughening Mechanisms in Silica Nanoparticle Filled Epoxy Resin, Polymer, 54, 1832-1845, 2013.
  21. Yeoh O.H., Some Forms of the Strain Energy Function for Rubber, Rubber Chem. Technol., 66, 754-771, 1993.
  22. Drucker D.C., A Definition of Stable Inelastic Material,Appl. Mech., 26, 101-106, 1959.
  23. Hyttinen J., Österlöf R., Drugge L., and Jerrelind J., Constitutive Rubber Model Suitable for Rolling Resistance Simulations of Truck Tyres, Inst. Mech. Eng., Part D: J. Automob. Eng., 237, 174-192, 2023.
  24. Aldhufairi H.S., Olatunbosun O., and Essa K., Determination of a Tyre’s Rolling Resistance Using Parallel Rheological Framework, SAE Tech. Pap., 5069, 1-11, 2019.
  25. Dugdale D.S., Yielding of Steel Sheets Containing Slits, Mech. Phys. Solids, 8, 100-104, 1960.
  26. Mokhtari M., Schipper D.J., and Tolpekina T.V., On the Friction of Carbon Black-and Silica-Reinforced BR and S-SBR Elastomers, Lett., 54, 297-308, 2014.
  27. Geers M.G.D., Kouznetsova V.G., Matouš K., and Yvonnet J., Homogenization Methods and Multiscale Modeling: Nonlinear Problems, Comput. Mech. Second Ed., 1-34, 2017.
  28. Herrmann L.R., Finite-Element Bending Analysis for Plates, Eng. Mech. Div., 93, 13-26, 1967.
  29. Yin Z., Zhu P., and Li B., Study of Nanoscale Wear of SiC/Al Nanocomposites Using Molecular Dynamics Simulations, Lett., 69, 1-17, 2021.
  30. Atli A., Noyel J.-P., Hajjar A., Antouly K., Lemaire E., and Simon S., Exploring the Mechanical Performance of BaTiO3 Filled HDPE Nanocomposites: A Comparative Study of the Experimental and Numerical Approaches, Polymer, 254, 125063, 2022.
  31. Simulia D.S., Abaqus 2017, Documentation, Dassault Systemes: Waltham, MA, USA, 2017.
مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 36، شماره 2 - شماره پیاپی 184
خرداد و تیر 1402
صفحه 177-189

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار