汽車輪胎氣體微泄漏解析

　　一個汽車輪胎，在充足氣以后，使用6～12個月，會出現(xiàn)不同程度的胎壓下降，對輪胎進(jìn)行檢查，一般也不會發(fā)現(xiàn)有泄漏點。這樣的微泄漏，通常并不是輪胎胎體、氣門受到了損傷，而是由于完好無損的輪胎材料本身氣體滲透所造成的。標(biāo)準(zhǔn)集團(tuán)（香港）有限公司研發(fā)技術(shù)工程師從微觀上對造成汽車輪胎微泄漏的一些原因進(jìn)行分析，希望對汽車輪胎的生產(chǎn)和使用者能有所幫助。

　　氣體穿過輪胎橡膠層的過程分析：

　　汽車輪胎內(nèi)的氣體壓力一般為0.2～0.25MPa，也就是說輪胎內(nèi)氣體分子的密度是輪胎外氣體分子密度的2～2.5倍，這樣在輪胎內(nèi)外就形成了氣體分子的濃度差。從微觀的角度來看氣體分子穿過輪胎橡膠層如圖1所示：

　　圖1. 氣體分子滲透過程示意圖

　　氣體滲透的影響因素：

　　（一） 輪胎材料本身的的影響

　　如圖1所示氣體穿過橡膠層的幾個步驟中，擴(kuò)散是氣體滲透過程中最慢又是最關(guān)鍵的步驟，當(dāng)同一種氣體透過不同的材料時，氣體滲透量主要取決于氣體在材料中的擴(kuò)散系數(shù)。氣體的擴(kuò)散現(xiàn)象遵循Fick Law（費克定律）：

　　式中，J ——擴(kuò)散量，單位為g/s

　　A ——擴(kuò)散發(fā)生的截面積，單位為m2

　　D——擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/s

　　c1——濃度，單位為g/m3

　　z——距離，單位為m。

　　這是費克定律的一種形式。費克稱其中的D為“決定于物體本性的常數(shù)”，這就是擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)D取決于氣體和材料之間的分配系數(shù)。不同橡膠材料的D是不同的，即使是同一種橡膠材料，由于原料、生產(chǎn)工藝的不同，其物性常數(shù)D也會有所差異。需要強(qiáng)調(diào)的是，橡膠材料在使用過程中，會逐漸老化，其常數(shù)D也會隨之變化。

　　（二）溫度的影響

　　擴(kuò)散系數(shù)D與溫度有關(guān)，溫度越高，高分子鏈運動越劇烈，氣體分子擴(kuò)散越容易，擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度的升高而增加。擴(kuò)散系數(shù)D和溫度的關(guān)系遵循Arrhenius公式：

　　式中，T ——溫度，單位為K

　　△E0——擴(kuò)散活化能，單位為J/mol

　　D0——無限稀釋情況下滲透組分的擴(kuò)散系數(shù)，單位為m2/s

　　R——普適氣體常數(shù)，數(shù)值為8.3143J/K·mol

　　（三）胎內(nèi)充填氣體的影響

　　汽車輪胎充填的氣體為壓縮空氣時，氣體內(nèi)通常含有水分、油，會使輪圈電鍍層被空氣中的氧氣氧化，而導(dǎo)致密封不嚴(yán)密，造成胎內(nèi)氣體外泄。同時由于水分、油、氧氣的存在，也會加劇輪胎橡膠的老化，而加速氣體的滲透。

　　在Arrhenius公式中，ΔED表示擴(kuò)散活化能，它隨氣體分子直徑的增加而增大，分子直徑的微小變化，會引起ΔE0的迅速增加，而導(dǎo)致分子擴(kuò)散困難。表1中列舉了空氣中含量比較高的幾種氣體分子的直徑。經(jīng)試驗驗證，對于同一種橡膠，氧氣的滲透量約是氮氣4倍，二氧化碳的滲透量約是氮氣的8倍。這就是為什么輪胎總是選擇充氮氣的原因。

　　表1.氣體分子尺寸