A fibra de aramida é usada em pneus de bicicleta para garantir a resistência do pneu e, ao mesmo tempo, ser leve.
1. Projeto estrutural de pneus de camada antiperfuração de fibra curta de aramida
Adicionar uma camada de fibra curta de aramida à prova de furos entre a camada de corda e a borracha da banda de rodagem dos pneus de bicicleta pode aumentar efetivamente a resistência do pneu a furos. Embora objetos pontiagudos, como pregos, perfurem a borracha da banda de rodagem do pneu, ao entrarem em contato com a camada de fibra curta de aramida à prova de furos, esta camada pode impedir a penetração de objetos estranhos sob a pressão interna do pneu, evitando assim que a câmara de ar seja perfurada.
2. Aplicação de fibra curta de aramida em camada antiperfuração
Considerando a viabilidade de produzir pneus de bicicleta com camada antiperfuração de fibra curta de aramida, a fórmula básica da camada antiperfuração adota a fórmula de borracha de rodagem de pneu de bicicleta amplamente utilizada na produção de pneus, e o efeito da aplicação de diferentes dosagens de fibra curta de aramida é investigado com base na fórmula básica.
2.1 Análise do efeito de reforço da fibra curta de aramida
Materiais comuns de reforço de fibras curtas em compostos de borracha incluem fibra de celulose, fibra de algodão, fibra de poliéster, fibra de náilon e fibra de aramida, etc., que podem melhorar a resistência do composto de borracha.
Existem microfibrilas em
polpa de aramida . A partir da análise morfológica tridimensional, pode-se constatar que as microfibrilas da polpa de aramida podem tornar a ligação entre a polpa de aramida e a matriz de borracha mais firme.
É difícil dispersar uniformemente as fibras curtas de aramida não onduladas, cortadas e com comprimento inferior a 6 mm, durante a mistura. A polpa de aramida com alta área superficial específica (7-9 m²·g-1) é relativamente fofa, propensa à eletricidade estática e difícil de misturar ao composto de borracha, resultando em dispersão irregular. Para melhor dispersar a polpa de aramida na matriz de borracha, a polpa de aramida pode ser misturada na forma de dispersão ou masterbatch. A DuPont desenvolveu uma tecnologia patenteada relacionada que pode dispersar melhor a polpa de aramida na matriz de borracha. O produto obtido dessa maneira é denominado Kevlar®EE.
Experimentos mostraram que o módulo composto da borracha reforçada com polpa de aramida Kevlar®EE aumenta com o aumento do teor de polpa de aramida, portanto, este estudo utiliza polpa de aramida Kevlar®EE.
2.2 Efeito da dosagem de polpa de aramida na adesão interfacial da borracha
À medida que a dosagem de polpa de aramida aumenta, a resistência à tração e a resistência ao rasgo do composto de borracha aumentam, o alongamento do deslizamento interfacial diminui e a energia de deslizamento interfacial relativa não muda.
À medida que a força de tração externa aumenta gradualmente, ocorre deslizamento interfacial entre a fibra de aramida e o composto de borracha na camada anti-faca, e eventualmente ocorre deslizamento interfacial, resultando em um ponto de inflexão na curva tensão-deformação. A energia de deslizamento interfacial relativa do composto de borracha de fibra de aramida é expressa na curva tensão-deformação do composto de borracha, que é equivalente à área da figura triangular aproximada delimitada pela curva e pelo eixo horizontal. O uso da energia de deslizamento interfacial relativa pode refletir mais intuitivamente a energia do composto de borracha para produzir deslizamento interfacial. Tensão do composto de borracha preenchido com diferentes dosagens de polpa de aramida. A partir desta análise, também pode-se concluir que a dosagem de polpa de aramida tem pouco efeito na energia de deslizamento interfacial relativa do composto de borracha da camada anti-faca.
3. Preparação da camada antiperfurante da polpa de aramida
O processo de preparação da camada antifuro de polpa de aramida do pneu de bicicleta inclui plastificação da borracha → laminação → rerrefino da folha → adição de agente de composição → folha laminada antifuro → resfriamento → corte.
Por meio da análise, pode-se determinar que os principais fatores que afetam o desempenho da camada antifuro de polpa de aramida são a dosagem de polpa de aramida, a espessura da camada antifuro e o tempo de vulcanização do pneu. Após a mistura da borracha da camada antifuro de polpa de aramida, ela é cortada em folhas de borracha da camada antifuro de diferentes espessuras e larguras por uma prensa de chapas e uma cortadora, de acordo com os parâmetros do processo de produção de pneus de bicicleta com diferentes especificações para uso em espera.
4. Análise dos fatores que afetam o desempenho dos pneus
4.1 Dosagem de polpa de aramida
Efeito da dosagem de polpa de aramida na camada de borracha antifuro na resistência da carroceria e na resistência de ligação do pneu.
Com o aumento da dosagem de polpa de aramida, a resistência da carroceria do pneu é significativamente melhorada, o que pode aumentar a resistência à perfuração do pneu. Isso ocorre porque, com o aumento da dosagem de polpa de aramida, o módulo de elasticidade da borracha aumenta, aumentando assim a resistência da carroceria do pneu.
Com o aumento da quantidade de polpa de aramida, a aderência da carroceria diminui, resultando em uma redução na durabilidade do pneu. Isso ocorre principalmente porque, com o aumento da quantidade de polpa de aramida, a aderência da borracha diminui, resultando em uma redução significativa na aderência entre a camada antifuro e a camada de corda.
4.2 Espessura da camada anti-perfuração
Efeito da espessura da camada antifuro na resistência e aderência do corpo do pneu.
Com o aumento da espessura da camada antifuro, a resistência da carroceria do pneu aumenta e a resistência à perfuração do pneu é significativamente melhorada; o efeito da espessura da camada antifuro na aderência da carroceria do pneu não é óbvio. Quanto mais espessa a camada antifuro, melhor a resistência à perfuração do pneu, mas aumentará o peso do pneu, o que não contribui para a sua leveza; o aumento da espessura da camada antifuro também aumentará o custo do pneu; uma camada antifuro muito espessa não contribui para a dissipação de calor do pneu e é fácil causar outros problemas durante a condução do pneu.
4.3 Tempo de vulcanização
Temperatura, pressão e tempo são os três elementos da vulcanização de pneus. Entre eles, temperatura e pressão são geralmente determinados, portanto, o tempo de vulcanização é o fator-chave que afeta o desempenho do pneu. O tempo de vulcanização tem um efeito significativo no desempenho dos produtos de borracha.
Efeito do tempo de vulcanização na resistência do pneu e na resistência de ligação.
Na faixa normal de vulcanização de pneus (8,5-9,5 min), a resistência do pneu e o desempenho de ligação flutuam ligeiramente; mas quando o pneu é subvulcanizado e supervulcanizado, a resistência do pneu e o desempenho de ligação diminuem significativamente com o aumento da subvulcanização e supervulcanização.
Para determinar rapidamente o tempo de vulcanização positivo de pneus sob diferentes dosagens de polpa de aramida e espessuras de camada à prova de perfuração, o método do tempo do ponto crítico de bolha pode ser usado. Primeiro, duas definições são esclarecidas. Uma é o tempo do ponto de bolha, ou seja, o tempo em que as bolhas aparecem no pneu quando vulcanizado a uma determinada temperatura e pressão; a outra é o tempo do ponto crítico de bolha, ou seja, o tempo em que as bolhas desaparecem quando vulcanizado a uma determinada temperatura e pressão. Por exemplo: A situação de bolha de um pneu de determinada especificação em diferentes tempos de vulcanização sob a temperatura e pressão existentes é mostrada na Figura 7, e pode-se concluir que o tempo do ponto de bolha do pneu desta especificação é de 8,5 min e o tempo do ponto crítico de bolha é de 9,0 min.
O tempo crítico inicial da bolha pode ser definido com base em especificações semelhantes para determinar preliminarmente o tempo crítico da bolha do pneu desta especificação, ou seja, o tempo de vulcanização provisório menos o tempo de segurança. O método real do tempo crítico da bolha é vulcanizar o pneu de acordo com o tempo crítico inicial da bolha. Se não aparecerem bolhas, o tempo de vulcanização é adequadamente encurtado (reduzido de 15 a 60 segundos a cada vez, de acordo com as especificações específicas) até que o tempo crítico da bolha seja encontrado; se aparecerem bolhas, o tempo de vulcanização é adequadamente estendido (aumentado de acordo com a localização e o tamanho das bolhas) até que o tempo crítico da bolha seja encontrado. Ao confirmar o ponto de bolha do pneu, o pneu deve ser cortado enquanto quente para observar se a seção do pneu (incluindo a banda de rodagem dos moldes superior e inferior, entre as camadas de corda, aros do pneu, etc.) tem bolhas e marcá-las. O tempo positivo de vulcanização é a soma do tempo crítico da bolha, o tempo de segurança e o tempo afetado por fatores sazonais. De acordo com a experiência, quando o tempo do ponto crítico da bolha é ≤5, 5 a 7, 8 a 14, 15 a 18 e ≥18 min, o tempo de segurança é 1, 2, 3, 4 min e 20% do tempo do ponto crítico da bolha, respectivamente.
Conclusão
Os efeitos de reforço da fibra de aramida e da polpa de aramida na borracha foram analisados e comparados, e a polpa de aramida Kevlar®EE foi utilizada para preparar a camada antiperfuração de pneus de bicicleta. Os efeitos da dosagem de polpa de aramida, da espessura da camada antiperfuração e do tempo de vulcanização na resistência da carroceria e no desempenho de adesão do pneu foram estudados. As conclusões são as seguintes:
- Com o aumento da dosagem de polpa de aramida, a resistência da carroceria do pneu aumentou significativamente, mas o desempenho de adesão diminuiu.
- Com o aumento da espessura da camada à prova de perfurações, a resistência da carroceria do pneu aumentou e a tendência de mudança da resistência da adesão foi irregular.
- Dentro da faixa normal de vulcanização dos pneus, a resistência da carroceria e o desempenho de adesão flutuaram ligeiramente; mas quando o pneu estava em um estado com pouco ou muito enxofre, com o aumento do grau de pouco ou muito enxofre, a resistência da carroceria e o desempenho de adesão diminuíram significativamente.
