改性錦綸短纖維在高性能轎車(chē)子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

成 妹，王志遠(yuǎn)，李 鍵，岑 蘭

（1.萬(wàn)力輪胎股份有限公司，廣東 廣州 510940；2.廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，滾動(dòng)阻力小、耗油低、安全耐用的高性能輪胎已成為輪胎發(fā)展的主流趨勢(shì)，輪胎制備技術(shù)的升級(jí)有助于全球的節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境。國(guó)內(nèi)外許多研究表明，輪胎中加入短纖維，可以有效降低輪胎的滾動(dòng)阻力、生熱性能、噪聲和質(zhì)量[1]。從而實(shí)現(xiàn)輪胎高性能化、低油耗的主要技術(shù)路線之一。

目前各大輪胎公司如米其林、固特異、大陸等均推出了系列含短纖維的高性能輪胎，而國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)到關(guān)于短纖維在輪胎胎面中的工業(yè)化應(yīng)用報(bào)道。如何在降低輪胎滾動(dòng)阻力的同時(shí)提升其抗?jié)窕阅埽悄壳案咝阅茌喬サ闹饕夹g(shù)瓶頸。萬(wàn)力輪胎股份有限公司與廣東工業(yè)大學(xué)在輪胎三角膠中使用預(yù)處理短纖維進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：對(duì)于高負(fù)荷、頻繁制動(dòng)和高速行駛的綠色輪胎來(lái)說(shuō)，錦綸短纖維對(duì)改善胎圈耐久和操控性能有效[2]。

本工作研究改性短纖維對(duì)轎車(chē)輪胎胎面膠性能的影響，以嘗試制備高性能輪胎。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)SBR1712（充油量為27.3%）和SBR1502，申華化學(xué)工業(yè)有限公司產(chǎn)品；白炭黑，無(wú)錫確成硅化學(xué)股份有限公司產(chǎn)品；炭黑N339，龍星化工股份有限公司產(chǎn)品；硅烷，南京曙光硅烷化工有限公司產(chǎn)品；改性短纖維，廣東工業(yè)大學(xué)提供。

改性錦綸短纖維是采用特殊的工藝對(duì)所回收的廢舊錦綸短纖維進(jìn)行細(xì)微化處理，再經(jīng)過(guò)丙烯酸腰果油表面接枝粘合改性。改性短纖維的斷面直徑為150 μm，長(zhǎng)徑比為100左右。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方具體組分及用量如表1所示。

表1 改性短纖維試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-150型開(kāi)煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械制造集團(tuán)公司產(chǎn)品；BTM-2型1 L密煉機(jī)，廣州華工百川自控科技有限公司產(chǎn)品；GK270型密煉機(jī)，益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；F270型密煉機(jī)，美國(guó)法雷爾公司產(chǎn)品；復(fù)合壓出機(jī)組，德國(guó)KRUPP公司產(chǎn)品；KLDZ-600型平板硫化機(jī)，西北橡膠廠機(jī)械分廠產(chǎn)品；T-10型拉力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)孟山都公司產(chǎn)品；MV2000型門(mén)尼粘度儀和RPA2000型橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；DG1000型炭黑分散儀，瑞典DG公司產(chǎn)品；EPLEXOR 500N型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA），德國(guó)GABO公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合試驗(yàn)?zāi)z料采用兩段混煉工藝，一段混煉在1 L密煉機(jī)中進(jìn)行，加料順序?yàn)椋篠BR及改性短纖維→壓壓砣20 s→加2/3炭黑及母煉小料→壓壓砣70 s→加操作油及1/3炭黑→壓壓砣50 s→清掃，壓壓砣→壓至140 ℃→出片；二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，加料順序?yàn)椋阂欢文笩捘z→終煉小料→薄通6次→出片。硫化條件為150 ℃×25 min。

1.5 性能測(cè)試

膠料及輪胎各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗(yàn)

2.1.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表2所示。

表2 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

從表2可以看出：與0#配方相比，1#—3#配方膠料的焦燒時(shí)間呈現(xiàn)明顯縮短的趨勢(shì)，且該變化隨著改性短纖維用量的增大而增大；硫化速度提高，且隨著改性短纖維用量的增大，硫化速度加快。焦燒時(shí)間縮短一方面是改性錦綸短纖維中改性劑對(duì)混煉膠有一定的活化作用，提前促使絡(luò)合物的生成，從而發(fā)生了焦燒；另一方面減少炭黑用量對(duì)縮短焦燒時(shí)間也有一定的影響。

2.1.2 物理性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能如表3所示。

表3 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能

從表3可以看出，與0#配方相比，2#配方膠料的100%定伸應(yīng)力提高約20%，200%定伸應(yīng)力下降5%，撕裂強(qiáng)度增大約7%，硬度基本不變，拉伸強(qiáng)度減小，但伸長(zhǎng)率變化不大。這是因?yàn)槎汤w維的加入，纏結(jié)點(diǎn)增多，有利于與橡膠膠基體的粘合，當(dāng)在低定伸應(yīng)力下，纏結(jié)結(jié)構(gòu)阻礙橡膠基體分子鏈間的相對(duì)滑移，從而使定伸應(yīng)力增大[3]；然而隨著應(yīng)變的增大，一方面纏結(jié)點(diǎn)被破壞，粘合強(qiáng)度下降，另一方面短纖維的長(zhǎng)徑比較大，混煉難度增大，分散性變差，所以高定伸應(yīng)力減小。

從表3還可以看出，加入短纖維后，膠料的壓縮生熱和密度呈減小趨勢(shì)，彈性提高，但耐磨性能變差，且這些變化趨勢(shì)隨著短纖維用量的增大而增大。這是因?yàn)橐环矫娓男远汤w維具有高模量特性，對(duì)橡膠抗壓縮性能有一定的幫助，阻礙橡膠分子鏈的運(yùn)動(dòng)，降低了熱量的產(chǎn)生；另一方面有可能是炭黑用量減少導(dǎo)致壓縮變形時(shí)生熱變低[4]。而膠料的生熱降低、密度減小有利于實(shí)現(xiàn)輪胎的輕量化、低滾動(dòng)阻力。

2.1.3 RPA分析

硫化膠的溫度掃描曲線如圖1所示。

圖1 硫化膠tanδ與溫度的變化曲線

從圖1可以看出，隨著溫度的升高，硫化膠的損耗因子（tanδ）減小，這是橡膠的一般特性，而0#配方膠料曲線異常應(yīng)該是數(shù)據(jù)測(cè)試誤差導(dǎo)致。當(dāng)短纖維部分替代炭黑后，2#與3#配方膠料的tanδ曲線明顯低于0#配方膠料，tanδ值更低，這與壓縮生熱的結(jié)果一致，說(shuō)明短纖維替代炭黑有助于進(jìn)一步降低膠料在高溫下的生熱，提高膠料的耐高溫性能。同時(shí)，2#和3#配方膠料在60 ℃下的tanδ值明顯減小，通常認(rèn)為60 ℃下的tanδ值越小，膠料的滾動(dòng)阻力越低[5]，從而對(duì)生產(chǎn)低滾動(dòng)阻力輪胎有利。

2.2 大配合試驗(yàn)

2.2.1 物理性能

根據(jù)小配合試驗(yàn)結(jié)果，選取2#試驗(yàn)配方進(jìn)行大配合試驗(yàn)，并與未加改性短纖維的生產(chǎn)配方進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 大配合試驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出：與生產(chǎn)配方相比，試驗(yàn)配方膠料的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率及永久變形減小，撕裂強(qiáng)度增大，壓縮生熱和密度下降，耐磨性能降低，其他性能相當(dāng)，大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合基本一致；硫化性能與正常生產(chǎn)配方相當(dāng)，差別不大。

2.2.2 工藝性能

試驗(yàn)配方膠料在煉膠過(guò)程中，混煉周期與生產(chǎn)配方膠料基本一致，終煉出片略為粗糙，但從斷面放大照片來(lái)看，纖維分散均勻；部件擠出尺寸正常，外觀比較粗糙，每米質(zhì)量偏小；成型外觀較粗糙，尺寸穩(wěn)定，但硫化外觀正常。部件外觀粗糙方面可通過(guò)調(diào)整工藝及優(yōu)化短纖維性能來(lái)進(jìn)一步改善，故2#試驗(yàn)配方試制輪胎通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。

2.3 成品性能

采用2#試驗(yàn)配方膠料小批量試制225/45ZR17輪胎，并進(jìn)行成品性能測(cè)試。

2.3.1 里程試驗(yàn)

取兩條試驗(yàn)輪胎分別進(jìn)行高速性能和低氣壓耐久性能試驗(yàn)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 里程試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，試驗(yàn)輪胎的高速性能較正常輪胎有明顯提升，耐久性能試驗(yàn)通過(guò)。這主要是因?yàn)樵囼?yàn)配方膠料的壓縮生熱減少、彈性增大，使輪胎內(nèi)耗損失降低，能在一定程度上提升輪胎高速性能。

2.3.2 滾動(dòng)阻力

選取225/45ZR17 S-1063成品輪胎按照ISO 28580—2009進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)輪胎和生產(chǎn)輪胎的滾動(dòng)阻力因數(shù)分別為9.4和9.7。試驗(yàn)輪胎的滾動(dòng)阻力比正常生產(chǎn)輪胎低，說(shuō)明改性短纖維的加入降低了膠料生熱與密度，降低了滯后損失和輪胎滾動(dòng)阻力。試驗(yàn)結(jié)果與膠料性能檢測(cè)結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

胎面膠中添加改性錦綸短纖維并適當(dāng)調(diào)整炭黑用量后，硫化膠的密度和壓縮生熱降低，60 ℃的tanδ值減小，撕裂強(qiáng)度增大，但拉伸強(qiáng)度減小和耐磨性能有所下降，且變化趨勢(shì)隨著改性短纖維用量的增大而增大。采用6份改性短纖維替代4份炭黑用于胎面膠配方，硫化膠的生熱降低，60 ℃的tanδ值減小；成品輪胎的高速和耐久性能均提高，滾動(dòng)阻力降低約3%。