汽車輪胎氣體微泄漏分析
摘要: 介紹了汽車輪胎微泄漏的整個微觀過程，以及影響氣體滲透的橡膠材料、溫度、充填氣體種類等三種因素，并給出了減少微泄漏的方法。
關鍵詞：微泄漏,滲透,擴散系數D
Keywords: toothful leak, permeability, diffusivity coefficient D, test
一、概述
一個汽車輪胎，在充足氣以后，使用6～12個月，會出現不同程度的胎壓下降，對輪胎進行檢查，一般也不會發現有泄漏點。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。本文將從微觀上對造成汽車輪胎微泄漏的一些原因進行分析，希望對汽車輪胎的生產和使用者能有所幫助。
二、氣體穿過輪胎橡膠層的過程分析
汽車輪胎內的氣體壓力一般為0.2～0.25MPa ，也就是說輪胎內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是按以下步驟進行的（如圖1所示）：
1 在輪胎內側，高壓高濃度的氣體原子或分子在熱運動過程中不斷碰撞到輪胎的內表面；
2 氣體原子或分子逐漸溶解到輪胎內側的橡膠材料內；
3 氣體分子在胎內側的橡膠表面達到溶解平衡；
4 由于濃度梯度的存在，氣體分子向輪胎外側的橡膠材料內擴散；
5 擴散到橡膠外側的氣體分子解吸至空氣中。
氣體分子不停地進行上述過程，zui后導致輪胎的壓力越來越低。這種滲透過程非常細微，用常規的檢
測方法無法檢測到。
圖1. 氣體分子滲透過程示意圖
三、影響氣體滲透的因素
㈠ 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，擴散是氣體滲透過程中zui慢又是zui關鍵的步驟，當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散系數。氣體的擴散現象遵循Fick Law（費克定律）：
式中，J ——擴散量，單位為g/s
A ——擴散發生的截面積，單位為m2
D——擴散系數，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”，這就是擴散系數，擴散系數D取決于氣體和材料之間的分配系數。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、生產工藝的不同，其物性常數D也會有所差異。
需要強調的是，橡膠材料在使用過程中，會逐漸老化，其常數D也會隨之變化。
㈡ 溫度的影響
擴散系數D與溫度有關，溫度越高，高分子鏈運動越劇烈，氣體分子擴散越容易，擴散系數D隨溫度的升高而增加。擴散系數D和溫度的關系遵循Arrhenius公式：
式中，T ——溫度，單位為K
△E0——擴散活化能，單位 為J/ mol
D0——無限稀釋情況下滲透組分的擴散系數，單位為m2/s
R——普適氣體常數，數值為8.3143J/K·mol
㈢ 胎內充填氣體的影響
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，而導致密封不嚴密，造成胎內氣體外泄。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，而導致分子擴散困難。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。
| 氣體種類 | N2 | O2 | CO2 |
| 動力學直徑（nm） | 0.364 | 0.346 | 0.33 |
表1 氣體分子尺寸
四、減少氣體微泄露的幾個辦法
對于汽車輪胎生產廠家來說，對于不同材料、不同工藝生產出來的橡膠材料，要加強檢測，并對測試結果進行比對，堅持檢測數據指導科研，檢測數據指導生產，針對檢測結果不斷調整工藝、配方，努力把輪胎橡膠材料的擴散系數D降下來。另外根據Fick Law，適當地增加輪胎橡膠材料的厚度，也可以降低氣體滲透量，再者選擇適合的大分子直徑氣體做為胎壓氣體。
對于使用者來說，汽車輪胎應盡量充填純凈的的氮氣，氮氣分子不僅直徑比較大，并且還有相當的惰性，在相同條件下，不僅其滲透量比較小，還可以減緩輪胎橡膠的老化。
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