เส้นใยอะรามิดถูกนำมาใช้ในยางจักรยานเพื่อให้มั่นใจถึงความแข็งแรงของยางในขณะที่ยังมีน้ำหนักเบาอีกด้วย
1. การออกแบบโครงสร้างของยางอะรามิดไฟเบอร์สั้นป้องกันการเจาะ
การเพิ่มชั้นป้องกันการเจาะทะลุที่ทำจากเส้นใยสั้นอะรามิดระหว่างชั้นคอร์ดและยางดอกยางของยางจักรยานสามารถช่วยเพิ่มความทนทานต่อการเจาะทะลุของยางได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ว่าวัตถุมีคมอย่างเช่นตะปูจะเจาะทะลุยางดอกยางได้ แต่เมื่อสัมผัสกับชั้นป้องกันการเจาะทะลุที่ทำจากเส้นใยสั้นอะรามิด ชั้นป้องกันการเจาะทะลุนี้สามารถป้องกันสิ่งแปลกปลอมที่อยู่ภายใต้แรงดันภายในยางได้เป็นอย่างดี จึงช่วยป้องกันยางในไม่ให้ถูกเจาะทะลุได้
2. การประยุกต์ใช้เส้นใยสั้นอะรามิดในชั้นป้องกันการเจาะ
เมื่อพิจารณาถึงความเป็นไปได้ในการผลิตยางจักรยานด้วยชั้นป้องกันการเจาะที่ทำจากเส้นใยอะรามิดสั้น สูตรพื้นฐานของชั้นป้องกันการเจาะจะใช้สูตรดอกยางของยางจักรยานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตยาง และมีการศึกษาผลของการใช้เส้นใยอะรามิดสั้นในปริมาณต่างๆ บนพื้นฐานของสูตรพื้นฐาน
2.1 การวิเคราะห์ผลการเสริมแรงของเส้นใยอะรามิดสั้น
วัสดุเสริมแรงเส้นใยสั้นทั่วไปในสารประกอบยาง ได้แก่ เส้นใยเซลลูโลส เส้นใยฝ้าย เส้นใยโพลีเอสเตอร์ เส้นใยไนลอน และเส้นใยอะรามิด เป็นต้น ซึ่งทั้งหมดนี้สามารถปรับปรุงความแข็งแรงของสารประกอบยางได้
มีไมโครไฟบริลอยู่บน
เยื่ออะรามิด - จากการวิเคราะห์สัณฐานวิทยาสามมิติ พบว่าไมโครไฟบริลของเยื่ออะรามิดสามารถทำให้พันธะระหว่างเยื่ออะรามิดและเมทริกซ์ของยางแน่นหนายิ่งขึ้น
การผสมเส้นใยอะรามิดสับสั้นที่ไม่ได้จีบและมีความยาวน้อยกว่า 6 มม. ให้กระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอนั้นเป็นเรื่องยาก เยื่ออะรามิดที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง (7-9 m2·g-1) ค่อนข้างฟู มีแนวโน้มที่จะเกิดไฟฟ้าสถิต และผสมเข้ากับส่วนผสมของยางได้ยาก ทำให้การกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ เพื่อให้เยื่ออะรามิดกระจายตัวในเมทริกซ์ยางได้ดีขึ้น สามารถผสมเยื่ออะรามิดในรูปแบบดิสเพอร์ชันหรือมาสเตอร์แบทช์ได้ บริษัทดูปองท์ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องซึ่งได้รับการจดสิทธิบัตร ซึ่งสามารถกระจายตัวเยื่ออะรามิดลงในเมทริกซ์ยางได้ดีขึ้น ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตด้วยวิธีนี้เรียกว่า Kevlar®EE
การทดลองแสดงให้เห็นว่าโมดูลัสเชิงประกอบของยางเสริมเยื่ออะรามิด Kevlar®EE เพิ่มขึ้นตามปริมาณเยื่ออะรามิดที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น การศึกษานี้จึงใช้เยื่ออะรามิด Kevlar®EE
2.2 ผลของปริมาณเยื่ออะรามิดต่อการยึดเกาะของส่วนต่อประสานยาง
เมื่อปริมาณเยื่ออะรามิดเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงในการดึงและความแข็งแรงในการฉีกของสารประกอบยางจะเพิ่มขึ้น การยืดตัวของการลื่นของส่วนเชื่อมต่อจะลดลง และพลังงานการลื่นของส่วนเชื่อมต่อที่สัมพันธ์กันจะไม่เปลี่ยนแปลง
เมื่อแรงดึงภายนอกเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จะเกิดการลื่นไถลของส่วนต่อประสานระหว่างเส้นใยอะรามิดและสารประกอบยางในชั้นป้องกันการแทง และในที่สุดจะเกิดการลื่นไถลของส่วนต่อประสาน ส่งผลให้เกิดจุดเปลี่ยนในเส้นโค้งความเค้น-ความเครียด พลังงานการลื่นไถลสัมพัทธ์ของส่วนต่อประสานของสารประกอบยางเส้นใยอะรามิดแสดงในเส้นโค้งความเค้น-ความเครียดของสารประกอบยาง ซึ่งเทียบเท่ากับพื้นที่ของรูปสามเหลี่ยมโดยประมาณที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งและแกนนอน การใช้พลังงานการลื่นไถลสัมพัทธ์ของส่วนต่อประสานสามารถสะท้อนพลังงานของสารประกอบยางเพื่อสร้างการลื่นไถลได้อย่างชัดเจนยิ่งขึ้น แรงเค้นของสารประกอบยางที่บรรจุด้วยเยื่ออะรามิดในปริมาณที่แตกต่างกัน จากการวิเคราะห์นี้ สามารถสรุปได้ว่าปริมาณของเยื่ออะรามิดมีผลเพียงเล็กน้อยต่อพลังงานการลื่นไถลสัมพัทธ์ของส่วนต่อประสานของสารประกอบยางในชั้นป้องกันการแทง
3. การเตรียมชั้นป้องกันการเจาะเยื่ออะรามิด
ขั้นตอนการเตรียมชั้นป้องกันการเจาะทะลุของเยื่ออะรามิดของยางจักรยานประกอบด้วย การทำให้ยางเป็นพลาสติก → การทำแผ่น → การทำให้แผ่นละเอียดขึ้นใหม่ → การเติมสารผสม → แผ่นลามิเนตป้องกันการเจาะ → การทำความเย็น → การตัด
จากการวิเคราะห์พบว่าปัจจัยหลักที่มีผลต่อประสิทธิภาพของชั้นป้องกันการเจาะเยื่ออะรามิด ได้แก่ ปริมาณเยื่ออะรามิด ความหนาของชั้นป้องกันการเจาะ และระยะเวลาการวัลคาไนซ์ยาง หลังจากผสมยางชั้นป้องกันการเจาะเยื่ออะรามิดแล้ว ยางจะถูกตัดเป็นแผ่นยางชั้นป้องกันการเจาะที่มีความหนาและความกว้างต่างกันโดยใช้เครื่องรีดแผ่นและเครื่องตัดตามพารามิเตอร์กระบวนการผลิตยางจักรยานที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน เพื่อใช้งานสำรอง
4. การวิเคราะห์ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของยาง
4.1 ปริมาณเยื่ออะรามิด
ผลของปริมาณเยื่ออะรามิดในยางชั้นป้องกันการเจาะทะลุต่อความแข็งแรงของตัวยางและความแข็งแรงในการยึดเกาะ
การเพิ่มปริมาณเยื่ออะรามิดทำให้ความแข็งแรงของตัวยางเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการเจาะทะลุของยางได้ เนื่องจากการเพิ่มปริมาณเยื่ออะรามิดทำให้โมดูลัสของยางคอมโพสิตเพิ่มขึ้น จึงส่งผลให้ความแข็งแรงของตัวยางเพิ่มขึ้นตามไปด้วย
เมื่อปริมาณเยื่ออะรามิดเพิ่มขึ้น การยึดเกาะของตัวยางจะลดลง ส่งผลให้ความทนทานของยางลดลง สาเหตุหลักมาจากเมื่อปริมาณเยื่ออะรามิดเพิ่มขึ้น การยึดเกาะของยางจะลดลง ส่งผลให้การยึดเกาะระหว่างชั้นป้องกันการเจาะและชั้นเส้นใยลดลงอย่างมาก
4.2 ความหนาของชั้นป้องกันการเจาะ
ผลของความหนาของชั้นป้องกันการเจาะต่อความแข็งแรงและการยึดเกาะของตัวยาง
เมื่อความหนาของชั้นกันรั่วซึมเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงของตัวยางก็จะเพิ่มขึ้น และความต้านทานต่อการเจาะของยางก็ดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ผลของความหนาของชั้นกันรั่วซึมต่อการยึดเกาะของตัวยางยังไม่ชัดเจน ยิ่งชั้นกันรั่วซึมหนาขึ้นเท่าไหร่ ความต้านทานต่อการเจาะของยางก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น แต่จะทำให้ยางมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น ซึ่งไม่เอื้อต่อน้ำหนักของยาง นอกจากนี้ ความหนาของชั้นกันรั่วซึมที่เพิ่มขึ้นยังทำให้ราคายางสูงขึ้นอีกด้วย ชั้นกันรั่วซึมที่หนาเกินไปจะไม่เอื้อต่อการระบายความร้อนของยาง และอาจทำให้เกิดปัญหาอื่นๆ ระหว่างการขับขี่ได้ง่าย
4.3 เวลาในการวัลคาไนเซชัน
อุณหภูมิ แรงดัน และเวลา เป็นองค์ประกอบสามประการของการวัลคาไนซ์ยาง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วอุณหภูมิและแรงดันจะมีความแน่นอน ดังนั้นระยะเวลาการวัลคาไนซ์จึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของยาง ระยะเวลาการวัลคาไนซ์มีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ยาง
ผลของระยะเวลาการวัลคาไนเซชันต่อความแข็งแรงของยางและความแข็งแรงในการยึดเกาะ
ในช่วงการวัลคาไนเซชันปกติของยาง (8.5-9.5 นาที) ความแข็งแรงของยางและประสิทธิภาพการยึดเกาะจะผันผวนเล็กน้อย แต่เมื่อยางมีการวัลคาไนเซชันน้อยเกินไปและมากเกินไป ความแข็งแรงของยางและประสิทธิภาพการยึดเกาะจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อการวัลคาไนเซชันน้อยเกินไปและมากเกินไปเพิ่มขึ้น
เพื่อให้สามารถระบุเวลาการวัลคาไนซ์เชิงบวกของยางได้อย่างรวดเร็วภายใต้ปริมาณเยื่ออะรามิดและความหนาของชั้นป้องกันการเจาะที่แตกต่างกัน จึงสามารถใช้วิธีการหาจุดวิกฤตของฟองอากาศได้ ประการแรก อธิบายความหมายได้สองประการ ประการแรกคือเวลาจุดวิกฤตของฟองอากาศ นั่นคือ เวลาที่ฟองอากาศปรากฏในยางเมื่อวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด และประการที่สองคือเวลาจุดวิกฤตของฟองอากาศ นั่นคือ เวลาที่ฟองอากาศหายไปเมื่อวัลคาไนซ์ที่อุณหภูมิและความดันที่กำหนด ตัวอย่างเช่น สถานการณ์ฟองอากาศของยางที่มีคุณสมบัติเฉพาะ ณ เวลาวัลคาไนซ์ที่แตกต่างกันภายใต้อุณหภูมิและความดันที่กำหนด แสดงไว้ในรูปที่ 7 และสามารถสรุปได้ว่าเวลาจุดวิกฤตของยางที่มีคุณสมบัติเฉพาะนี้คือ 8.5 นาที และเวลาจุดวิกฤตของฟองอากาศคือ 9.0 นาที
เวลาวิกฤตของจุดฟองอากาศเริ่มต้นสามารถตั้งค่าตามข้อกำหนดที่คล้ายคลึงกัน เพื่อกำหนดเวลาวิกฤตของจุดฟองอากาศเบื้องต้นของยางตามข้อกำหนดนี้ นั่นคือ เวลาการวัลคาไนซ์ชั่วคราวลบด้วยเวลาปลอดภัย วิธีการกำหนดเวลาวิกฤตของจุดฟองอากาศที่แท้จริงคือการวัลคาไนซ์ยางตามเวลาวิกฤตของจุดฟองอากาศเริ่มต้น หากไม่มีฟองอากาศปรากฏขึ้น เวลาวัลคาไนซ์จะถูกลดให้สั้นลงอย่างเหมาะสม (ลดลงครั้งละ 15 ถึง 60 วินาทีตามข้อกำหนดเฉพาะ) จนกว่าจะพบเวลาวิกฤตของจุดฟองอากาศ หากพบฟองอากาศ ให้ยืดเวลาวัลคาไนซ์ออกไปอย่างเหมาะสม (เพิ่มขึ้นตามตำแหน่งและขนาดของฟองอากาศ) จนกว่าจะพบเวลาวิกฤตของจุดฟองอากาศ เมื่อยืนยันจุดฟองอากาศของยาง ควรตัดยางขณะที่ยังร้อนอยู่ เพื่อสังเกตว่ามีฟองอากาศบนและล่างของแม่พิมพ์ยาง ระหว่างชั้นเส้นใย ขอบยาง ฯลฯ หรือไม่ และทำเครื่องหมายไว้ เวลาวัลคาไนเซชันเชิงบวกคือผลรวมของเวลาจุดวิกฤตของฟอง เวลาความปลอดภัย และเวลาที่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยตามฤดูกาล จากประสบการณ์พบว่า เมื่อเวลาจุดวิกฤตของฟองมีค่า ≤5, 5 ถึง 7, 8 ถึง 14, 15 ถึง 18 และ ≥18 นาที เวลาความปลอดภัยจะเท่ากับ 1, 2, 3, 4 นาที และ 20% ของเวลาจุดวิกฤตของฟองตามลำดับ
บทสรุป
ได้มีการวิเคราะห์และเปรียบเทียบผลการเสริมแรงของเส้นใยอะรามิดสเตเปิลและเยื่ออะรามิดต่อยาง และใช้เยื่ออะรามิด Kevlar®EE ในการเตรียมชั้นป้องกันการเจาะของยางจักรยาน ศึกษาผลของปริมาณเยื่ออะรามิด ความหนาของชั้นป้องกันการเจาะ และระยะเวลาการวัลคาไนเซชันต่อความแข็งแรงของตัวยางและประสิทธิภาพการยึดเกาะ สรุปได้ดังนี้
- เมื่อเพิ่มปริมาณเยื่ออะรามิด ความแข็งแรงของตัวยางก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ แต่ประสิทธิภาพการยึดเกาะลดลง
- เมื่อความหนาของชั้นป้องกันการเจาะเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงของตัวยางก็เพิ่มขึ้น และแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงของความแข็งแรงการยึดเกาะก็ไม่สม่ำเสมอ
- ภายในช่วงการวัลคาไนเซชันปกติของยาง ความแข็งแรงของตัวยางและประสิทธิภาพการยึดเกาะจะผันผวนเล็กน้อย แต่เมื่อยางอยู่ในสถานะกำมะถันต่ำหรือกำมะถันสูง เมื่อระดับกำมะถันต่ำและกำมะถันสูงเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงของตัวยางและประสิทธิภาพการยึดเกาะจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
