石墨烯對(duì)車(chē)輛輪胎胎面的力學(xué)性能及抗滑性能影響研究

王強(qiáng)，王云龍，姜莉，齊曉杰，楊兆，王國(guó)田

（1.黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050；2.清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100084）

輪胎胎面的磨耗是輪胎為克服其滾動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力不斷做功的結(jié)果，在摩擦的同時(shí)產(chǎn)生熱量。摩擦表面溫度的高低與摩擦系數(shù)和摩擦速率成正比，而與接觸材料的導(dǎo)熱性成反比。目前圍繞著如何提高輪胎胎面橡膠的性能這一問(wèn)題，除了改進(jìn)輪胎胎面的花紋設(shè)計(jì)等措施外，在輪胎胎面膠配方中添加一些助劑也可以達(dá)到提高使用性能的效果，其中主要是以填充超硬、超細(xì)材料的手段來(lái)改善胎面膠的物理機(jī)械性能及耐磨性[1]。石墨烯是迄今為止發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)度最大、韌性最好、透光率最高、導(dǎo)電性能最好、最堅(jiān)硬且最輕、最薄的材料，被稱(chēng)為“新材料之王”[2-4]。石墨烯/橡膠復(fù)合強(qiáng)化是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，其在輪胎領(lǐng)域的應(yīng)用目前尚處于研究探索階段。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于石墨烯在輪胎上的應(yīng)用研究較少，米其林、固特異、普利司通等國(guó)外大品牌輪胎企業(yè)還未見(jiàn)石墨烯輪胎市場(chǎng)化產(chǎn)品。2015年9月，意大利品牌Vittoria發(fā)布了新款石墨烯自行車(chē)車(chē)胎Corsa Speed系列。我國(guó)在2014年就已經(jīng)開(kāi)始了石墨烯在橡膠及輪胎領(lǐng)域的應(yīng)用研究[5，6]，上海利物盛集團(tuán)有限公司殷小波工程師開(kāi)展了石墨烯對(duì)載重輪胎胎面膠性能的影響研究[1]；西南石油大學(xué)碩士生張釗開(kāi)展了氧化石墨烯改性丁腈橡膠的研究[7]；南京理工大學(xué)碩士生張旭敏開(kāi)展了氧化石墨烯在橡膠中的應(yīng)用研究[8]；2015年11月，四川大學(xué)在石墨烯橡膠納米復(fù)合材料領(lǐng)域獲得新突破，成功制備了含均勻分散石墨烯和石墨烯隔離網(wǎng)絡(luò)的橡膠納米復(fù)合材料[9]；2016年4月，山東玲瓏輪胎股份有限公司攜手北京化工大學(xué)開(kāi)展石墨烯輪胎研究；2016年8月，全國(guó)首個(gè)石墨烯輪胎實(shí)驗(yàn)室落戶(hù)青島雙星集團(tuán)；2016年8月，森麒麟輪胎與青島華高墨烯科技股份有限公司合作研發(fā)的導(dǎo)靜電輪胎智能化生產(chǎn)線在山東青島正式投產(chǎn)運(yùn)行。目前橡膠行業(yè)開(kāi)始探索、應(yīng)用的主要是石墨烯粉體，是由膨脹石墨、氧化石墨技術(shù)發(fā)展而來(lái)，為石墨微片的升級(jí)產(chǎn)品，它的層數(shù)在5-10層，嚴(yán)格意義上的石墨烯指單層石墨烯。本文將石墨烯作為車(chē)輛輪胎胎面增強(qiáng)體材料，通過(guò)石墨烯強(qiáng)化輪胎胎面的配方設(shè)計(jì)、制備工藝設(shè)計(jì)、試樣制備、強(qiáng)化性能測(cè)試，探索石墨烯對(duì)車(chē)輛輪胎胎面的性能影響及強(qiáng)化機(jī)理，為提高車(chē)輛輪胎耐磨性能和抗滑性能提供重要的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎胎面主要配方如表1所示。各配方組成按質(zhì)量份計(jì)算，天然橡膠、丁苯橡膠、白炭黑、炭黑N231及其他配合劑等均由哈爾濱惠良汽車(chē)輪胎翻新有限公司提供；石墨烯粉末選用蘇州碳豐石墨烯科技有限公司產(chǎn)品，純度為99%，平均厚度為3.0nm，片層直徑為5um，比表面積為1100m2/g，其添加到車(chē)輛輪胎胎面膠中的質(zhì)量份分別為3.5、7.1、12.7、18.9。為了后續(xù)對(duì)不同含量下石墨烯強(qiáng)化輪胎胎面的性能影響進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，將石墨烯的質(zhì)量份對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別換算為2%、4%、7%和10%[10]。

石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎胎面試樣制備工藝流程如圖1所示。先將生橡膠和適量的增粘劑C501在6寸開(kāi)煉機(jī)混合均勻并塑煉10min左右后停放20min，輥筒溫度設(shè)置為40℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為40r/min。采用兩段混煉工藝，首先在6寸開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行一次混煉，先加入石墨烯粉末混煉2min后，依次加入白炭黑和防老劑，輥筒溫度設(shè)置為50℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為50r/min，再繼續(xù)混煉10min。一次混煉后，在6寸開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行二次混煉，先加入炭黑混煉2min，然后加入其它配合劑，輥筒溫度設(shè)置為60℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為50r/min，再繼續(xù)混煉10min。當(dāng)二次混煉膠溫度降至約40℃，壓延成2～4mm厚薄片，然后下片在25t電熱平板硫化機(jī)上硫化15min，硫化溫度為130℃，硫化壓力為6MPa，然后利用沖片機(jī)沖切成待測(cè)試樣[8]。本文所用的開(kāi)煉機(jī)、硫化機(jī)、沖片機(jī)均由江蘇天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司生產(chǎn)。

圖1 試樣制備工藝流程

性能測(cè)試設(shè)備主要包括：橡膠拉力試驗(yàn)機(jī)，按照《硫化膠拉伸強(qiáng)度GB/T 528—2009》和《硫化膠撕裂強(qiáng)度GB/T 529—2008》規(guī)定測(cè)定，最大拉伸力設(shè)定為10000N，測(cè)力傳感器設(shè)定為5000N，拉伸速度設(shè)定為100mm/min，設(shè)定為大變形，主要用來(lái)測(cè)定橡膠的抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、斷裂伸長(zhǎng)率等，其試樣要求及測(cè)試過(guò)程如圖2所示；阿克隆磨耗機(jī)，按照《硫化橡膠耐磨性能GB/T 1689—1998》規(guī)定測(cè)定，試樣為條狀，寬為12.7±0.2mm，厚為3.2±0.2mm，其表面平整，無(wú)裂痕及雜質(zhì)，主要用來(lái)測(cè)定橡膠的耐磨指數(shù)，其測(cè)試過(guò)程如圖3所示；邵爾硬度計(jì)，按照《硬度標(biāo)準(zhǔn)GB/T 531—2008》規(guī)定測(cè)定，試樣標(biāo)準(zhǔn)為長(zhǎng)×寬×厚=40mm×20mm×6.38mm，主要用來(lái)測(cè)定橡膠的邵爾硬度值，其測(cè)試過(guò)程如圖4所示；耐疲勞試驗(yàn)機(jī)，按照《硫化橡膠曲繞龜裂GB/T13934》及《硫化橡膠裂口增長(zhǎng)GB/T13935》規(guī)定測(cè)定，設(shè)置兩夾持器之間最大距離為57+1mm，設(shè)定往復(fù)次數(shù)為10000次，主要用來(lái)測(cè)定橡膠的耐疲勞性能，其測(cè)試過(guò)程如圖5所示；沖擊彈性試驗(yàn)機(jī)，按照《硬質(zhì)橡膠抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)方法GB/T1681-2009》規(guī)定測(cè)定，采用位能為0.5J擺錘式?jīng)_擊彈性試驗(yàn)機(jī)，待測(cè)橡膠邵爾硬度值要求在30-85之間，主要用來(lái)測(cè)定橡膠的回彈值，其測(cè)試過(guò)程如圖6所示。以上試驗(yàn)設(shè)備均由江蘇天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司生產(chǎn)。

表1 石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎胎面主要配方

圖2 拉伸和撕裂測(cè)試

圖3 阿克隆磨耗測(cè)試

圖4 邵爾硬度測(cè)試

圖5 耐疲勞測(cè)試

圖6 耐沖擊測(cè)試

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同石墨烯含量下的車(chē)輛輪胎胎面物理機(jī)械性能如表2所示。石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、100%定伸應(yīng)力、300%定伸應(yīng)力、扯斷伸長(zhǎng)率、耐磨指數(shù)、耐疲勞次數(shù)、耐沖擊回彈性等對(duì)比曲線如圖7-圖14所示。從表2及圖7-圖14可知，當(dāng)石墨烯含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于4%時(shí)，其車(chē)輛輪胎胎面的抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度均降低，但變化幅度不大，當(dāng)石墨烯含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%時(shí)，其抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度均達(dá)到最大值，隨后又開(kāi)始下降；隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，100%定伸應(yīng)力及300%定伸應(yīng)力變化均不大，略微呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，扯斷伸長(zhǎng)率逐漸增大，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%時(shí)達(dá)到最大值，耐磨指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%時(shí)達(dá)到最大值，硬度耐呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%時(shí)達(dá)到最小值，耐疲勞次數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%時(shí)達(dá)到最大值，耐沖擊回彈性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。綜合試驗(yàn)各項(xiàng)物理機(jī)械性能結(jié)果分析可知，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%時(shí)，車(chē)輛輪胎胎面的力學(xué)特性、耐磨性能及抗滑性能會(huì)有較大提高。

表2 不同石墨烯含量下的車(chē)輛輪胎胎面物流機(jī)械性能

圖7 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的抗拉強(qiáng)度

圖8 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的撕裂強(qiáng)度

圖9 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的定伸應(yīng)力

圖10 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的扯斷伸長(zhǎng)率

圖11 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的耐磨指數(shù)

圖12 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的硬度

圖13 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的耐疲勞次數(shù)

圖14 石墨烯不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的回彈性

3 石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎冰雪路面抗滑性能實(shí)車(chē)測(cè)試

在哈爾濱惠良汽車(chē)輪胎翻新有限公司制備了石墨烯含量為7%的強(qiáng)化胎面膠并應(yīng)用到車(chē)輛翻新輪胎上，在冰路面上進(jìn)行抗滑性實(shí)車(chē)使用測(cè)試，如圖15所示，并與該翻新輪胎舊胎體同型號(hào)、胎面花紋同類(lèi)型的輪胎進(jìn)行對(duì)比，在同樣的冰雪路面工況下，石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎較普通車(chē)輛輪胎的制動(dòng)距離減小了10m左右，其冰雪路面的抗滑性能有了較大的提高。

圖15 冰路面抗滑性實(shí)車(chē)使用測(cè)試

4 石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎胎面機(jī)理分析

石墨烯強(qiáng)化車(chē)輛輪胎胎面機(jī)理應(yīng)用分子鏈滑動(dòng)理論來(lái)解釋?zhuān)┓勰╊w粒與橡膠分子鏈的吸附模型如圖16所示。胎面橡膠的力學(xué)性能、耐磨性能及抗滑性能均與橡膠基體和石墨烯增強(qiáng)體之間的作用力有關(guān)。石墨烯粉末顆粒與橡膠分子進(jìn)行混合時(shí)，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，石墨烯粉末顆粒在橡膠基體中呈團(tuán)簇狀而處于分散狀態(tài)，未能均勻分散且散亂無(wú)序地排列，橡膠處于受力的主導(dǎo)地位。在載荷力作用下，車(chē)輛輪胎胎面橡膠分子會(huì)連接成鏈條狀吸附在石墨烯粉末顆粒的表面并慢慢蠕動(dòng)。當(dāng)石墨烯含量較低時(shí)，應(yīng)力主要靠橡膠分子鏈承受，隨著應(yīng)力的增大，車(chē)輛輪胎胎面橡膠分子鏈會(huì)繼續(xù)在石墨烯粉末顆粒表面滑動(dòng)，并形成一定的滑動(dòng)取向，導(dǎo)致應(yīng)力重新平衡分布，由此車(chē)輛輪胎胎面所能承擔(dān)的應(yīng)力將增大。當(dāng)石墨烯粉末顆粒達(dá)到一定的含量時(shí)，其與車(chē)輛輪胎胎面橡膠分子鏈的吸附力不斷增大，當(dāng)吸附力與橡膠分子鏈滑動(dòng)力達(dá)到平衡時(shí)，會(huì)使石墨烯粉末顆粒間的橡膠分子鏈長(zhǎng)度重新分布，并且通過(guò)橡膠分子的熱運(yùn)動(dòng)，與石墨烯粉末顆粒之間形成了一個(gè)新的吸附平衡。因此，理論上需要石墨烯在車(chē)輛輪胎胎面橡膠中占有合適的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并具有良好的分散度，才能對(duì)車(chē)輛輪胎胎面橡膠起到真正的增強(qiáng)作用。通過(guò)測(cè)試可知，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，在橡膠中的分散度較高，如圖17所示。因此，石墨烯增強(qiáng)車(chē)輛輪胎胎面其含量需要有一個(gè)最佳值，石墨烯含量過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致石墨烯粉末顆粒間空隙大，橡膠分子鏈不能緊密融合，石墨烯含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致石墨烯粉末顆粒間空隙小，同樣橡膠分子鏈不能有效融合，因此要求石墨烯粉末顆粒與橡膠分子鏈之間保持一個(gè)合適的吸附比表面積，正是橡膠分子鏈與石墨烯粉末顆粒之間的有效融合吸附阻止了橡膠分子鏈發(fā)生形變和拉伸，從而對(duì)胎面橡膠起到一定的強(qiáng)化作用。

圖16 石墨烯粉末與橡膠分子鏈吸附模型

圖17 石墨烯為7%時(shí)在胎面橡膠中的分散圖像

5 結(jié)論

（1）不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯增強(qiáng)體對(duì)車(chē)輛輪胎胎面橡膠的物理機(jī)械性能會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，其總體上對(duì)胎面橡膠起到了很好的強(qiáng)化作用。

（2）隨著石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，車(chē)輛輪胎胎面橡膠抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨耗指數(shù)等出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%的情況下，抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，邵爾硬度達(dá)到最小值；石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%的情況下，耐磨指數(shù)達(dá)到最大值。

（3）綜合各項(xiàng)物理機(jī)械力學(xué)性能指標(biāo)，當(dāng)石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%左右時(shí)，對(duì)工程翻新輪胎胎面橡膠的強(qiáng)化效果較為理想，石墨烯強(qiáng)化后的車(chē)輛輪胎力學(xué)性能、耐磨性能和抗滑性能得到了較大提高。

（4）應(yīng)用分子鏈滑動(dòng)理論分析了石墨烯對(duì)車(chē)輛輪胎胎面的強(qiáng)化機(jī)理，為進(jìn)一步明確石墨烯對(duì)胎面橡膠的性能影響提供了理論基礎(chǔ)。