汽车轮胎橡胶高分子材料老化试验中热氧老化对耐磨性影响

汽车轮胎的核心材料是橡胶高分子，其性能衰退直接影响轮胎寿命与行车安全。热氧老化是橡胶材料面临的主要老化形式——热与氧共同作用下，橡胶分子链断裂或交联，引发力学性能衰退；而耐磨性作为轮胎关键指标，直接关联使用寿命与使用成本。通过老化试验研究热氧老化对耐磨性的影响，能为轮胎材料优化、寿命预测及维护提供科学依据，是轮胎研发的重要课题。

热氧老化的基本原理

热氧老化是橡胶在热与氧共同作用下的自由基链式反应，分为引发、增长、终止三阶段。橡胶分子链的薄弱环节（如双键、叔碳原子）在热作用下均裂产生初始自由基；自由基与氧结合成过氧自由基，攻击相邻分子链夺取氢原子，形成氢过氧化物并产生新自由基，使反应持续“增长”；最终，两个自由基结合或与防老剂反应，完成“终止”。

热是“催化剂”——温度越高，分子链运动越剧烈，薄弱键断裂概率越高；氧是“反应物”，浓度直接影响自由基转化效率。不饱和橡胶（如天然橡胶）因双键易受攻击，热氧老化速度更快；饱和橡胶（如乙丙橡胶）无双键，老化速率相对较慢。

热氧老化结果具“双重性”：既可能导致分子链断裂（降解，材料变软），也可能引发交联（材料变硬），具体取决于橡胶类型、老化条件及助剂体系。

汽车轮胎橡胶的热氧老化过程

轮胎橡胶以天然橡胶、丁苯橡胶或顺丁橡胶为基体，含炭黑、硫化剂、防老剂等助剂，硫化形成三维交联网络，赋予弹性与耐磨性，但也成为热氧老化的“靶点”。

老化首先从“助剂消耗”开始：防老剂优先与自由基反应，延缓老化；但防老剂会逐渐失效（如受阻酚类氧化成醌类），老化速率随之加快。

随后是“硫化网络变化”：初期，热氧引发“后硫化”，交联密度增加，橡胶变硬、弹性下降；中期，分子链断裂主导，交联网络破坏，拉伸强度、撕裂强度显著下降；后期，链断裂加剧，橡胶表面出现裂纹、粉化等宏观老化。

实际使用中，轮胎摩擦生热（胎面温度超60℃）、高速/重载加剧热积累，使热氧老化成为性能衰退的“隐形推手”。

橡胶耐磨性的评价指标与试验方法

耐磨性的核心指标是“磨耗量”，以单位距离的质量/体积损失（如g/1000km、cm³/1.61km）表示；“磨耗指数”（对比标准试样的相对耐磨性）也常用，指数越高耐磨性越好。

经典方法是“阿克隆磨耗试验”：试样固定在转轮上，施加10N负荷与砂轮摩擦，运转1.61km后测损失量，适合快速筛选配方。

“兰伯恩磨耗试验”更接近实际：试样在金属鼓上做滑动摩擦，施加垂直负荷与侧向力，模拟轮胎“滚动+滑动”的复合摩擦，同时测磨耗量与摩擦系数。

“动态磨耗试验”模拟不同路况（干燥、砂石路），结合温度、压力变量，全面评估热氧老化的影响。所有试验需控温（23℃）、控湿（50%），避免条件偏差。

热氧老化对橡胶分子结构的影响

热氧老化本质是分子结构改变：一是“分子链长度变化”——主链断裂使分子量降低（如天然橡胶从100万降至几十万），分子缠结减少，弹性与强度下降；二是“交联密度波动”——初期交联增加（硬度上升），后期断裂主导（交联密度降低，材料变软但强度差）；三是“氧化官能团生成”——引入羰基、羟基等极性基团，改变表面性质（如极性增强，与磨料吸附加剧）。

炭黑等填充剂能吸附自由基延缓老化，但长期老化后，炭黑与橡胶的“结合橡胶”破坏，填充网络失效，加速结构衰退。

结构变化对耐磨性的传递机制

热氧老化通过“结构-力学性能-磨损行为”传递影响耐磨性。首先是“硬度与弹性变化”：初期交联增加使橡胶变硬、弹性下降，接触面积减小，单位压力增大，磨粒磨损加剧；弹性下降无法缓冲摩擦冲击，导致应力集中、表面裂纹。

其次是“强度与韧性下降”：后期链断裂使拉伸强度、撕裂强度降低（如丁苯橡胶从22MPa降至10MPa），摩擦时“微撕裂”加剧，磨屑增多；再者是“表面性质改变”：氧化官能团使表面粗糙、极性增强，摩擦系数上升（从0.6升至0.8），热积累加速老化，形成“恶性循环”；最后是“硫化网络破坏”：交联点断裂使分子链滑移，黏着磨损（分子链与磨料黏结撕裂）加剧。

老化试验中热氧老化的变量控制

准确研究需控制变量：一是“温度”——加速老化温度60-100℃（60℃接近夏季使用温度，100℃快速筛选），避免超120℃（导致纯热降解）；二是“氧气浓度”——用空气（21%氧）模拟实际，纯氧（100%）加速需校正（速率是空气的3-5倍）；三是“老化时间”——设0、24、48、72、96小时多组，分析“时间-性能”曲线；四是“材料变量”——保持橡胶种类、填充剂、硫化体系一致，明确单一变量的影响；五是“环境”——密封控湿（50%±5%），避免灰尘、湿度干扰。

热氧老化对耐磨性影响的试验结果分析

以某天然橡胶胎面材料为例，70℃空气老化0-96小时，阿克隆磨耗试验（10N、250r/min、1.61km）结果如下：

0小时：磨耗量0.14cm³/1.61km，拉伸强度26MPa，硬度68度（邵尔A），表面光滑、磨屑少；24小时：磨耗量0.18cm³，拉伸24MPa，硬度71度，交联增加使磨粒磨损略升；48小时：磨耗量0.30cm³，拉伸18MPa，硬度75度，弹性下降、表面微裂纹，磨屑明显增多；72小时：磨耗量0.45cm³，拉伸12MPa，硬度72度，链断裂主导，表面块状脱落；96小时：磨耗量0.62cm³，拉伸8MPa，硬度65度，分子链严重断裂，磨耗量达初始4倍以上。

结果显示，热氧老化对耐磨性的影响呈“三阶段”：0-24小时缓慢增长（交联初期），24-72小时快速增长（交联与断裂平衡），72小时以上急剧衰退（断裂主导）。

实际应用中的热氧老化与耐磨性关联

实验室结果指导实际应用：夏季高温（轮胎内部80℃以上）使热氧老化速率增2-3倍，耐磨性下降30%-50%，需避免长时间高速、定期检查气压（过高加剧热积累）；长途行驶持续高温使防老剂快速消耗，耐磨性多耗20%，需检查轮胎裂纹、定时休息降温。

材料优化方面，复配防老剂（受阻酚+胺类）延长有效时间，半有效硫化体系减少交联波动，乙丙橡胶（热氧稳定性好）使老化速率降为天然橡胶的1/3，耐磨性提40%。

使用维护中，当轮胎硬度升至75度（初始68度），耐磨性已降50%；胎面出现“龟裂纹”，耐磨性仅存30%，需及时更换，避免安全隐患。