碳納米管在雪地輪胎胎面膠中的應(yīng)用

鄭 濤，陳 強(qiáng)，馬研研，孔 芬，李海艷，李 新

（山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300)

隨著私家車車主群體的年輕化和冬季自駕游的興起，雪地輪胎的需求增長。雪地輪胎通常用于冰雪和濕滑路面，其在低溫下的硬化程度低于全天候輪胎。雪地輪胎胎面膠配方設(shè)計(jì)時需要增大天然橡膠（NR)和白炭黑的比例，以提高輪胎的耐寒性能和柔韌性能[1]，從而保證低溫狀態(tài)下輪胎有效的抓著力。雪地輪胎的胎面花紋有很多細(xì)小的溝槽，以提高輪胎在冰雪路面上的抓著力和在積水路面上的排水能力，降低冰濕路面滑胎風(fēng)險(xiǎn)。

碳納米管憑借其小尺寸效應(yīng)和獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)異的性能[2]。一維分子結(jié)構(gòu)及六邊形完美連接結(jié)構(gòu)使碳納米管具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。較大長徑比及sp2和sp3雜化使碳納米管具有優(yōu)良的彈性。研究表明[3]，改性碳納米管中的雙環(huán)戊二烯提高了橡膠基體與碳納米管的親和性，使兩者的物理結(jié)合增強(qiáng)，并且雙環(huán)戊二烯是一種可以在混煉和硫化過程中參與反應(yīng)的基團(tuán)，因此改性碳納米管與橡膠之間的化學(xué)結(jié)合也增強(qiáng)。

在橡膠基體中均勻分散的碳納米管與橡膠通過物理或/和化學(xué)鍵合形成很強(qiáng)的粘合體。橡膠材料受到外力作用而出現(xiàn)裂口并且裂口逐步增長，當(dāng)裂口達(dá)到碳納米管處時，因碳納米管的高斷裂強(qiáng)度足以克服外力作用從而阻止橡膠基體被進(jìn)一步破壞，因此碳納米管作補(bǔ)強(qiáng)劑可顯著提高膠料的物理性能[4]。

我公司堅(jiān)持以創(chuàng)新作為引領(lǐng)企業(yè)發(fā)展的第一動力，在開發(fā)高性能輪胎的同時積極探索新材料的應(yīng)用。為了充分利用碳納米管材料的獨(dú)特性質(zhì)，進(jìn)一步提高輪胎性能，如提高輪胎靜電釋放能力和車輛操控性能、縮短剎車距離、延長輪胎使用壽命等，公司開展了“碳納米管材料在輪胎的工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)”項(xiàng)目并已順利完成應(yīng)用研究工作。該技術(shù)提高了公司半鋼子午線輪胎的技術(shù)水平及市場競爭力，使其成為公司新的利潤增長點(diǎn)。

本工作主要研究碳納米管在雪地輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，STR20，泰國產(chǎn)品；溶聚丁苯橡膠（SSBR，牌號RC2557S，油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.24)和順丁橡膠（BR，牌號9000)，北京四聯(lián)創(chuàng)業(yè)化工有限公司產(chǎn)品；白炭黑，上海卡博特化工有限公司產(chǎn)品；炭黑N375，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；環(huán)保油，中國石化齊魯石化公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑Si69，南京曙光化工集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，安丘市恒山鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，上海嘉定振新助劑廠產(chǎn)品；微晶蠟，萊茵化學(xué)（青島)有限公司產(chǎn)品；防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工股份有限公司產(chǎn)品；硫黃和促進(jìn)劑CZ，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；碳納米管，牌號GT-300，山東大展納米材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方如表1所示。

表1 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

F305和XM-270型密煉機(jī)，軟控股份有限公司產(chǎn)品；XLB-400-400型四立柱平板硫化機(jī)，青島科高橡塑機(jī)械技術(shù)裝備公司產(chǎn)品；MV3000型門尼粘度儀，德國Montech公司產(chǎn)品；Zwick Z3130型硬度計(jì)和Z010型拉力試驗(yàn)機(jī)，德國Zwick公司產(chǎn)品；VMA橡膠流動性測試儀，特拓（青島)輪胎技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.4 膠料混煉

雪地輪胎胎面膠采用四段混煉工藝在密煉機(jī)中進(jìn)行混煉。傳統(tǒng)混煉工藝是在加入生膠并壓壓砣1 min后添加炭黑等填料。為了改善碳納米管在雪地輪胎胎面膠中的分散性能，對一段混煉工藝進(jìn)行了優(yōu)化，將碳納米管與生膠一起投入，添加炭黑、小料和環(huán)保油時密煉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高5～10 r·min-1，以提高密煉機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械剪切力，但由于剪切力提高，膠料溫升速度快，會縮短混煉時間，因此在一段混煉后期將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降至20 r·min-1，以保證混煉時間，使填料在膠料中均勻分散。膠料混煉工藝如表2所示（括號內(nèi)為優(yōu)化工藝參數(shù))。

表2 膠料混煉工藝

1.5 性能測試

膠料和成品輪胎的各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米管的理化性質(zhì)

根據(jù)碳納米管的相關(guān)研究結(jié)果，結(jié)合公司雪地輪胎胎面膠的性能要求，本工作選用碳納米管GT-300進(jìn)行試驗(yàn)。碳納米管GT-300為多壁碳納米管，采用改性催化碳?xì)庀喑练e法制得，具有比表面積和碳相純度高、外徑分布窄、長徑比超高的特點(diǎn)。

碳納米管GT-300的理化性質(zhì)如表3所示。

表3 碳納米管GT-300的理化性質(zhì)

從表3可以看出，與常用填料炭黑和白炭黑相比，改性碳納米管GT-300粒徑小，比表面積較大，堆積密度較小。

2.2 小配合試驗(yàn)

2.2.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料硫化特性如表4所示。

從表4可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，添加碳納米管的試驗(yàn)配方膠料門尼粘度略增大，ML提高11.1%，t90延長3.6%，其他性能相差不大。

表4 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

2.2.2 物理性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料物理性能如表5所示。

表5 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能

從表5可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，添加碳納米管的試驗(yàn)配方膠料拉伸強(qiáng)度提高9.6%，回彈值增大17.3%，阿克隆磨耗量減小6.5%，炭黑分散性提高1個等級，其他性能相差不大。試驗(yàn)配方膠料綜合物理性能提高。

2.3 大配合試驗(yàn)

2.3.1 硫化特性

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表6所示。

從表6可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，添加碳納米管的試驗(yàn)配方膠料ML提高11.1%，t90延長3.0%，硫化速度減慢，其他性能相差不大。

表6 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

2.3.2 物理性能

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能如表7所示（Tg為玻璃化溫度，tanδ為損耗因子)。

從表7可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，添加碳納米管的試驗(yàn)配方膠料拉伸強(qiáng)度提高7.9%，回彈值增大11.5%，阿克隆磨耗量減小7.8%，Tg降低，0 ℃時的tanδ增大，抗?jié)窕阅芴岣?，膠料綜合性能明顯提升。大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表7 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能

2.4 成品輪胎性能

采用試驗(yàn)配方膠料生產(chǎn)205/55R16 Farroad FRD76雪地輪胎，分別在雪面和冰面條件下測試成品輪胎的制動性能，結(jié)果如表8所示。

從表8可以看出，試驗(yàn)輪胎在雪面上的制動距離比生產(chǎn)輪胎縮短1.68%，在冰面上的制動距離比生產(chǎn)輪胎縮短1.32%，試驗(yàn)輪胎在冰雪路面上的制動性能均優(yōu)于生產(chǎn)輪胎。這說明將碳納米管應(yīng)用于雪地輪胎能夠改善車輛的操控性能，提高車輛行駛的安全性。

表8 成品輪胎的制動性能

3 結(jié)論

（1)在雪地輪胎胎面膠中添加碳納米管，膠料的拉伸強(qiáng)度提高，回彈值增大，耐磨性能和抗?jié)窕阅芴岣?，其他性能相差不大?/p>

（2)成品輪胎在冰雪路面上的制動距離縮短，可在一定程度上改善車輛的操控性能和行駛安全性，具有良好的社會效益。