(五)滯后性能

眾所周知，橡膠存在滯后損失。滯后實際上是指能量吸收。實際使用中膠料在周期性變化的應力(或應變)作用下均有黏彈性，也就是說橡膠貯存并返回了能量(彈性行為)，然后吸收相對小部分能量并轉化為熱(黏性行為)。在輪胎實際應用中,橡膠吸收能量轉化為熱是十分有害的，它會導致輪胎較大的滾動損失，使汽車消耗更多的燃料。但因為較高的能量吸收會產生良好的牽引力和高速制動性，所以對賽車及高速輪胎又是非常重要的.

橡膠吸收能量可用多種方法檢測，溫度的升高可以直接用各種生熱實驗測得。彈性實驗可以直接測量輸入能量和返回能量。動態力學實驗是膠料滯后性比較準確的表征，它是給樣品施加固定周期的應力應變，橡膠在周期性變化的應力作用下由于其自身的黏阻力，造成變形滯后于應力,應力和應變有相位差δ。作用于橡膠上的應力或動態模量可以分解為兩部分，實數部分E’相當于靜態變形時的彈性模量，與變形同相位，其承受的相變能是不損耗的，稱為貯能模量或彈性模量;虛數部分E’’用于克服橡膠的黏性，是完全損耗并化為熱能的，稱為損耗模量。橡膠的動態模量和損耗因子具有如下關系式:

E*=E′ +iE″

tanδ=E″/E′

式中，E*為復合模量;tanδ為損耗因子。

橡膠分子結構本身的松弛時間譜決定了其動態力學性能強烈地依賴于測試條件，如溫度、頻率和變形等。在低頻時橡膠纏結點間鏈段有機會進行重排、消除內應力,彈性模量和損耗模量都很低損耗因子也很小。隨著頻率升高,松弛時間大的鏈段因時間周期縮短來不及進行構象重排，一部分鏈段不能運動，使彈性模量增大;而能運動的鏈段將會產生內摩擦，使損耗模量和損耗因子增大。頻率更高時，作用周期比橡膠分子鏈中所有的松弛時間都小，分子鏈來不及改變構象而量玻璃態。此時彈性模量很高而損耗模量和損耗因子很低。所以在玻璃態和高彈態之間，損耗因子和損耗模量出現峰值，即橡膠在過渡區損耗最大。溫度的作用與頻率相似，低溫時分子鏈被凍結而成玻璃態，這相當于高頻;高溫時分子運動自如，表現為高彈態，與低頻相當。變形的影響與補強體系有關，純膠的動態力學性能幾乎與形變無關，但炭黑填充膠具有顯著的振幅效應，炭黑含量越高振幅效應越明顯，損耗因子和模量都對應變顯示出強烈的依賴關系。但在振幅很小(低于0.1%)和很大(大于10%)的情況下，炭黑網絡未曾破壞或完全破壞，也不存在振幅效應。因此，不同實驗條件下測得的動態力學性能沒有可比性。對于輪胎胎面膠通常采用頻率為10Hz、變形為0.25%~0.5%、溫度范圍為---100~100C的實驗條件進行比較。

對于給定的聚合物，通常硫化膠的滯后損失和模量對溫度的依賴關系主要取決于埴料。但填料在不同溫度范圍的影響受不同機理支配，低溫下tanδ隨埴料用量增大而減小。而高溫下則剛好相反。在橡膠中加入填料都會提高膠料的各種模量，填充膠彈性模星隨應變增大而下降,損耗模量則在中等應變下出現峰值。

在輪胎產品中動態力學性能與輪胎的多項重要的使用性能相關，如滾動阻力和抗濕滑性等。高溫下(60~80°C) 損耗因子tanδ與輪胎的滾動阻力有良好的相關性。而汽車在啟動、轉彎、剎車的時候變形頻率高達104~106,低溫下(-20~0°C)的tanδ也非常重要，常常被用來表征抗濕滑性。高溫下tanδ較低，而低溫下tanδ 較高的膠料具有較低滾動阻力和較高抗濕滑。但是隨著白炭黑和新型炭黑的涌現，人們發現抗濕滑性能所涉及的機理遠復雜手動態力學性能的模擬，目前又開始用較為直觀的方法表征抗濕滑性能。損耗模量是在恒定變形條件下測定的，因而特別適合于表征輪胎胎側性能。

炭黑結構不會影響恒定能量滯后，如tan8或簡單的回彈性。但炭黑結構會影響模量，因此在恒定應力或恒定應變形式的實驗中，結構會起重要作用。例如在恒定應變實驗中，模量高的膠料應力值高，即在應力-應變曲線下有較大面積。這些膠料比相同tanδ而模量低的膠料吸收更多的能量，生熱也更高。相反在恒定應力務件下，模量高的膠料變形小，吸收的能量少。在測試中應用恒定應力、應變,模量和炭黑結構就有很大關系。

在能量測試中比表面積對恒定能量測試很重要，而且對恒定應力應變滯后性實驗有很大影響。炭黑埴充橡膠的滯后遠遠大于純膠，事實上炭黑填充量越大其滯后越大。膠料滯后性與填充量的平方成正比，而與比表面積呈線性關系。在炭黑填充量過大的情況下，膠料滯后性大于最佳填充量膠料，而且補強作用降低。

表面活性對滯后的影響較小，理論上較高的表面活性使炭黑與橡膠相互作用更強，橡膠分子與炭黑表面之間的滑移較少，因而其滯后損失較小。然而在正常的表面活性范圍內，這-影響很小。

綜上所述，對于炭黑補強胎面膠,降低滯后性應選擇比表面積小的炭黑和相對低的填充量，但是這些與提高耐磨性相矛盾，因此優化最佳炭黑用量十分關鍵。另外一種減小滯后的方法是避免使用高結構炭黑，使膠料具有較高拉斷強度和較低模量。但是如果綜合考慮耐磨性、滾動阻力和牽引性，就會發現傳統的炭黑補強技術無法協調上述三項性能之間的矛盾。近年來在高性能轎車輪胎中普遍使用高分散白炭黑，是因為它可以在一定程度上協調滾動阻力和抗濕滑性,但其耐磨性不夠理想;而以炭黑-白炭黑雙向埴料為代表的炭黑改性技術致力于在保證或改善耐磨性的同時降低其滯后性。