鈉基蒙脫土對(duì)工程機(jī)械輪胎胎面膠性能的影響

張清玉，李遵陜

（1.浙江勵(lì)德有機(jī)硅材料有限公司，浙江 杭州 311600；2.新安化工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311607）

輪胎使用壽命除了與其自身性能有關(guān)，與路況、氣候條件和車輛載荷等也有密切的關(guān)系。工程機(jī)械輪胎使用條件比較苛刻，路面崎嶇不平或有尖銳石子都容易劃傷輪胎胎面；工程車輛一般需要通宵作業(yè)，晝夜溫差大，載荷大，輪胎長(zhǎng)期處于重壓下[1]，嚴(yán)重影響輪胎的壽命。

粘土因其獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)而具有阻礙裂紋擴(kuò)展和耐熱氧老化性能好的優(yōu)點(diǎn)[2]。何少劍等[3]在工程機(jī)械輪胎胎面膠中加入粘土納米復(fù)合材料，提高了胎面膠的定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度。霍柱輝[4]在挖掘機(jī)輪胎胎面膠中添加少量粘土/天然橡膠（NR）復(fù)合材料，膠料的拉伸性能，尤其是抗切割和抗崩花性能提高。

鈉基蒙脫土吸水性強(qiáng)，吸水后膨脹率大，陽(yáng)離子交換容量大，且在溫度較高的條件下，仍能保持其特性，膠體懸浮液的pH值和粘度較大，觸變性和熱穩(wěn)定性較好。本工作將鈉基蒙脫土用于工程機(jī)械輪胎胎面膠中，研究其對(duì)膠料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然膠乳（NRL），固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.618；NR，1#標(biāo)準(zhǔn)膠，泰國(guó)產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)1502，中國(guó)石油吉林化學(xué)工業(yè)公司產(chǎn)品；炭黑N330，天津海豚炭黑廠產(chǎn)品；鈉基蒙脫土，牌號(hào)CEC-78，杭州臨安黑川膨潤(rùn)土有限公司產(chǎn)品。

1.2 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

XK160×320型兩輥開煉機(jī)，廣東湛江橡塑機(jī)械廠產(chǎn)品；P3555B2型盤式硫化儀，北京環(huán)峰機(jī)械制造廠產(chǎn)品；XQLB-350×350型平板硫化機(jī)，上海橡膠機(jī)械制造廠產(chǎn)品；XSH型邵氏硬度計(jì)，北京沃威科技有限公司產(chǎn)品；CMT4104型萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)，江蘇巨邦機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；MH-74型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，長(zhǎng)沙儀表機(jī)床廠產(chǎn)品；DF205型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京京通儀器廠產(chǎn)品；JEM-3010型透射電子顯微鏡（TEM），日本日立公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

為了避免機(jī)械共混法混煉不均導(dǎo)致鈉基蒙脫土在橡膠基體中出現(xiàn)團(tuán)聚、結(jié)塊的現(xiàn)象，先采用乳液共沉法[5]制備鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠，再在開煉機(jī)上混煉。

將一定量的鈉基蒙脫土與去離子水混合，強(qiáng)力攪拌6～8 h，靜置至少24 h后進(jìn)行雜質(zhì)處理，配制成固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02的鈉基蒙脫土懸浮液；量取天然膠乳，加入鈉基蒙脫土懸浮液和雙親性高分子界面劑（界面劑/鈉基蒙脫土質(zhì)量比為5∶10），用攪拌機(jī)（轉(zhuǎn)速500 r·min-1）攪拌20 min以上，加入絮凝劑（pH值為1左右的稀硫酸），將試樣放入干燥箱，在70 ℃下烘16 h至質(zhì)量恒定，得到鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠。

在開煉機(jī)上將鈉基蒙脫土/NR橡膠納米復(fù)合母膠與NR和SBR混合均勻，加入炭黑混煉一定時(shí)間，然后加入其他配合劑，混煉均勻，下片，膠料停放2 h以上，在1.6 mm輥距下薄通數(shù)次，輥距調(diào)至2.0 mm，下片。

膠料在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150℃/15 MPa×t90。試樣停放16 h后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.5 性能測(cè)試

膠料性能按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠的TEM分析

鈉基蒙脫土在橡膠基體中的分布形態(tài)和分散均勻程度與膠料的性能等有直接的關(guān)系。采用比較直觀的TEM法觀察鈉基蒙脫土在橡膠基體中的分散狀態(tài)。

圖1為鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠的TEM照片，其中鈉基蒙脫土用量為4份，NR為80份，細(xì)長(zhǎng)的黑線表示鈉基蒙脫土片層，淺色區(qū)域表示橡膠基體。

圖1 鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠的TEM照片

由圖1可以看出，采用乳液共沉法制備鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠，鈉基蒙脫土在橡膠基體中分散比較均勻。

2.2 鈉基蒙脫土用量對(duì)膠料性能的影響

2.2.1 硫化特性

鈉基蒙脫土用量對(duì)膠料硫化特性的影響如表2所示，其中硫化速率指數(shù)（Vc）＝100/（t90－t10）。

表2 鈉基蒙脫土用量對(duì)膠料硫化特性（150 ℃）的影響

從表2可以看出：與未添加鈉基蒙脫土的1#配方膠料相比，添加4份鈉基蒙脫土的2#配方膠料Fmax提高，ts1，t10，t90縮短，Vc增大，這說明鈉基蒙脫土在橡膠基體中達(dá)到納米級(jí)均勻分散，并且鈉基蒙脫土表面的活性基團(tuán)參與了硫化反應(yīng)，起到促進(jìn)硫化的作用，提高了硫化速率；在鈉基蒙脫土和炭黑總用量相同的情況下，隨著鈉基蒙脫土用量的增大，F(xiàn)L變化不大，F(xiàn)max提高，t90逐漸縮短，Vc逐漸增大。

2.2.2 物理性能和耐熱老化性能

鈉基蒙脫土用量對(duì)硫化膠物理性能和耐熱老化性能的影響如表3所示。

表3 鈉基蒙脫土用量對(duì)硫化膠物理性能和耐熱老化性能的影響

從表3可以看出，與1#配方膠料相比，加入少量鈉基蒙脫土的2#—6#配方膠料的邵爾A型硬度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度均有一定程度的提高。分析原因，鈉基蒙脫土均勻分散在橡膠基體中且與橡膠的相容性非常好，鈉基蒙脫土片層與橡膠分子之間的結(jié)合力較強(qiáng)，從而形成比較穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[6]，橡膠分子鏈的自由移動(dòng)能力和變形能力受到牽制，使膠料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度明顯提高。加入少量鈉基蒙脫土后，膠料的拉斷伸長(zhǎng)率雖然有所降低，但仍滿足胎面膠的性能指標(biāo)要求。加入4份鈉基蒙脫土的3#配方膠料拉伸強(qiáng)度提高11.8%，撕裂強(qiáng)度提高33.3%，綜合性能較好。

從表3還可以看出：膠料100 ℃×48 h老化后的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率以及拉斷永久變形均不同程度地降低，這是因?yàn)槔匣笙鹉z大分子鏈會(huì)出現(xiàn)不同程度的斷裂，橡膠結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞；加入少量鈉基蒙脫土的2#—6#配方膠料的耐老化性能明顯優(yōu)于未添加鈉基蒙脫土的1#配方膠料；3#配方膠料老化后的綜合性能最佳，與1#配方膠料相比，3#配方膠料老化后的邵爾A型硬度提高5度，300%定伸應(yīng)力提高了19.0%，拉伸強(qiáng)度提高了45.7%。這說明在3#配方膠料中，鈉基蒙脫土在橡膠基體中的分散均勻性和阻隔效果更好，有利于減緩膠料老化過程中熱量傳遞和分子鏈的降解進(jìn)程，從而顯著提高耐熱氧老化性能。

2.2.3 耐磨性能

鈉基蒙脫土用量對(duì)硫化膠耐磨性能的影響如表4所示。

表4 鈉基蒙脫土用量對(duì)硫化膠耐磨性能的影響

從表4可以看出：與1#配方膠料相比，2#—6#配方膠料的阿克隆磨耗量明顯減小，其中3#配方膠料的阿克隆磨耗量最小，耐磨性能顯著提高；在鈉基蒙脫土和炭黑總用量相同的情況下，隨著鈉基蒙脫土用量的增大，膠料的阿克隆磨耗量呈減小趨勢(shì)。

在阿克隆磨耗試驗(yàn)中，橡膠輪與砂輪摩擦產(chǎn)生磨粒磨損，膠料表面不斷受到摩擦、切割和扯斷作用從而脫落為微小的顆粒。膠料的強(qiáng)度越高，抵抗應(yīng)力切割的能力越強(qiáng)，耐磨性能也越好。由于鈉基蒙脫土片層以納米級(jí)均勻分散在橡膠基體中，能夠與橡膠基體以較強(qiáng)的作用力結(jié)合在一起，橡膠分子鏈插入鈉基蒙脫土片層中，形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠阻礙膠料裂紋的擴(kuò)展，使膠料的硬度、定伸應(yīng)力和撕裂強(qiáng)度明顯提高，摩擦系數(shù)減小，同時(shí)鈉基蒙脫土片層能夠吸收摩擦產(chǎn)生的熱量，膠料表面不易因摩擦破壞而脫落，磨耗量減小，耐磨性能提高。

3 結(jié)論

（1）采用乳液共沉法制備鈉基蒙脫土/NR納米復(fù)合母膠，鈉基蒙脫土在橡膠基體中分散比較均勻。

（2）與未添加鈉基蒙脫土的膠料相比，加入少量鈉基蒙脫土的膠料FL變化不大，F(xiàn)max提高，ts1，t10，t90縮短，硫化速率提高，硬度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度增大，耐熱老化性能提高，磨耗量明顯減小。

（3）以4份鈉基蒙脫土等量替代炭黑，膠料的磨耗量減小33.8%，綜合性能較好。