氧化石墨烯在工程橡膠履帶花紋側(cè)膠中的應(yīng)用

于宗南

（天津萬達(dá)輪胎集團(tuán)有限公司，天津 300402）

氧化石墨烯是石墨烯的一種衍生物，作為新型碳材料，氧化石墨烯具有超薄片層結(jié)構(gòu)和大比表面積，表面含有大量羧基、羥基和環(huán)氧基等含氧官能團(tuán)，其物化性能優(yōu)異，納米尺寸效應(yīng)、分散性和吸附性良好。作為特種填料，氧化石墨烯可以提高橡膠材料的強(qiáng)度性能、氣體阻隔性能、耐磨性能和導(dǎo)電性能等[1]。

氧化石墨烯以粉體制劑和水分散體形態(tài)使用，近年來在橡膠、塑料、纖維等復(fù)合材料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在高性能輪胎中的應(yīng)用更受到關(guān)注[2]。工程橡膠履帶行駛面直接接觸地面，在工程機(jī)械設(shè)備中起到承受載荷、減緩沖擊、傳遞驅(qū)動力和制動力、提供轉(zhuǎn)向操縱性的作用，其功能與輪胎相似，要求強(qiáng)度性能、耐磨性能、抗切割性能、制動性能和散熱性能好，滾動阻力低。

借鑒氧化石墨烯在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用成果，本課題探討了氧化石墨烯在工程橡膠履帶花紋側(cè)膠中的應(yīng)用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SCRWF，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），牌號1502，中國石化齊魯石化分公司產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號9000LD，中國石化茂名石化分公司產(chǎn)品；炭黑N220、炭黑N330和沉淀法白炭黑，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；氧化鋅，安徽省含山縣錦華氧化鋅廠產(chǎn)品；增粘樹脂RT-45F，江蘇銘德高分子材料有限公司產(chǎn)品；芳烴油，道達(dá)爾石油（上海）有限公司產(chǎn)品；熱穩(wěn)定劑YG-638，臺州市黃巖東?；び邢薰井a(chǎn)品；微晶蠟，百瑞美特殊化學(xué)品（蘇州）有限公司產(chǎn)品；防老劑6PPD和TMO，中國石化南京化學(xué)工業(yè)有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑TBBS，山東陽谷華泰化工股份有限公司產(chǎn)品；氧化石墨烯水性漿料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.003），牌號OBO-GO-W2，山東歐鉑新材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：NR/SBR/BR 100，炭黑N220/炭黑N330/沉淀法白炭黑 63.6，氧化鋅 5，硬脂酸 2，增粘樹脂RT-45F 2，芳烴油 9，熱穩(wěn)定劑YG-638 2，微晶蠟 1.5，防老劑6PPD/TMO/BLE-W 5，硫黃 1.4，促進(jìn)劑TBBS 1.5，其他 3.627，合計 196.627。

試驗配方A：除添加凈含0.05份氧化石墨烯的水性漿料外，其余組分和用量與生產(chǎn)配方相同。

試驗配方B：除添加凈含0.1份氧化石墨烯的水性漿料外，其余組分和用量與生產(chǎn)配方相同。

1.3 主要設(shè)備和儀器

LN-1L型實驗室密煉機(jī)，廣東利拿實業(yè)有限公司產(chǎn)品；Φ150 mm×320 mm開煉機(jī)和BL-6170-D型平板硫化機(jī)，東莞市寶輪精密檢測儀器有限公司產(chǎn)品；GK90E型密煉機(jī)，益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；M2000E型門尼粘度儀和C2000E型無轉(zhuǎn)子橡膠硫化儀，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；MZ-5001D1型電子拉力機(jī)、MZ-4003型橡膠疲勞龜裂試驗機(jī)、MZ-4061型阿克隆磨耗試驗機(jī)和401A型熱老化試驗箱，江蘇明珠試驗機(jī)械有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合試驗?zāi)z料在LN-1L型實驗室密煉機(jī)中混煉，在Φ150 mm×320 mm開煉機(jī)上下片，混煉工藝為：NR，SBR和BR→小料、炭黑、氧化石墨烯水性漿料和芳烴油→促進(jìn)劑和硫黃→開煉機(jī)，下片。

大配合試驗?zāi)z料分兩段混煉，均在GK90E型密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，密煉室初始溫度為室溫，混煉工藝為：塑煉NR、SBR、BR和小料（40 s）→炭黑（50 s）→氧化石墨烯水性漿料和芳烴油（10 s）→壓壓砣→排膠（150 ℃）；二段混煉的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，密煉室初始溫度為室溫，混煉工藝為：一段混煉膠（緩慢加入）→促進(jìn)劑和硫黃（10 s）→壓壓砣→提壓砣（60 s）→壓壓砣→排膠（110 ℃）。

為保證操作環(huán)境、設(shè)備和工藝條件相同，試驗配方膠料與生產(chǎn)配方膠料混煉和成品制備在相同設(shè)備上先后銜接進(jìn)行。

1.5 性能測試

膠料各項性能測試均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化測試

氧化石墨烯的理化性能測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，氧化石墨烯的理化性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 氧化石墨烯的理化性能

2.2 小配合試驗

小配合試驗?zāi)z料的物理性能如表2所示。從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方A膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度和300%定伸應(yīng)力降低，拉伸強(qiáng)度、拉斷永久變形和耐屈撓性能相當(dāng)，拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度增大，阿克隆磨耗量減小，耐熱老化性能改善；試驗配方B膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度和300%定伸應(yīng)力降低，拉伸強(qiáng)度、耐屈撓性能和阿克隆磨耗量相當(dāng)，拉斷伸長率降低，拉斷永久變形增大，耐熱老化性能改善。

表2 小配合試驗?zāi)z料的物理性能

總體而言，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方A膠料的性能顯著改善，試驗配方B膠料的性能優(yōu)勢不明顯。

2.3 大配合試驗

2.3.1 物理性能

大配合試驗?zāi)z料的物理性能如表3所示。從表3可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方A膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度降低，300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和耐屈撓性能相當(dāng)，拉斷伸長率、拉斷永久變形和撕裂強(qiáng)度增大，阿克隆磨耗量減小，耐熱老化性能改善；試驗配方B膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度和300%定伸應(yīng)力降低，拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐屈撓性能、阿克隆磨耗量和耐熱老化性能相當(dāng)，拉斷伸長率和拉斷永久變形增大。

表3 大配合試驗?zāi)z料的物理性能

總體而言，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方A膠料的性能較好，試驗配方B膠料則相當(dāng)。

2.3.2 工藝性能

大配合試驗混煉膠的快速檢驗結(jié)果如表4所示（混煉膠在40 ℃室溫下停放24 h后測試）。從表4可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度降低，門尼焦燒時間縮短（應(yīng)注意操作的安全性），邵爾A型硬度降低。

表4 大配合試驗混煉膠的快檢結(jié)果

2.4 成品試驗

采用試驗配方A膠料和生產(chǎn)配方膠料各制備4條230×48×70規(guī)格工程橡膠履帶進(jìn)行裝機(jī)試驗，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，采用試驗配方A膠料制備的成品工程橡膠履帶平均累計行駛時間比采用生產(chǎn)配方膠料制備的成品工程橡膠履帶延長200 h。

表5 成品工程橡膠履帶裝機(jī)試驗結(jié)果 h

3 結(jié)論

在工程橡膠履帶花紋側(cè)膠中添加凈含0.05份氧化石墨烯的水性漿料，膠料的拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度增大，阿克隆磨耗量減小，耐熱老化性能改善，成品工程橡膠履帶的使用壽命明顯延長。