碳短纖維改性劑在載重子午線輪胎胎面膠中的應用研究

禤文權，蔡奕濤，鄒明清

（廣州華工百川科技股份有限公司，廣東 廣州 510640）

短纖維-橡膠復合材料是近年來倍受關注的一種新型聚合物基復合材料。用短纖維-橡膠復合材料制備的橡膠制品硬度和定伸應力高，抗切割性能、抗撕裂性能、抗刺扎性能和耐疲勞性能好，生熱低，壓縮永久變形小。研究發現，在輪胎胎面膠中加入適量短纖維，輪胎滾動阻力明顯降低，抗濕滑性能、抗撕裂性能、抗崩花掉塊性能、耐磨性能、剛性提高，行駛噪聲減小，平衡操縱性和乘坐舒適性改善，使用壽命延長，并可使輪胎輕量化[1]。20 世紀80 年代，國外已將短纖維-橡膠復合材料成功應用于輪胎生產。近年來，國內在短纖維-橡膠復合材料領域也開展了廣泛研究[2-4]，對尼龍、聚酯、碳纖維和芳綸等短纖維進行表面改性處理，并進行了應用研究，但短纖維-橡膠復合材料在輪胎批量生產中的應用尚未見報道。開發了一種新型改性劑，其主要成分為碳短纖維（長度2～3 mm，直徑10～20 μm）、表面改性劑和白炭黑等，它可以使碳短纖維良好地分散在橡膠基材中，起補強作用。本工作研究其對載重子午線輪胎胎面膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號RSS3#，泰國產品；炭黑N234，卡博特化工有限公司產品；沉淀法白炭黑233，連云港連吉化學工業有限公司產品；氧化鋅（質量分數為0.997），廣州市東民化工有限公司產品；新型改性劑1、改性劑2、改性劑3（碳短纖維質量分數分別為0.02，0.05，0.08），常州市五洲化工有限公司提供；增塑劑A、硬酯酸、偶聯劑Si69（有效含量50%）、促進劑NS，廣州金昌盛科技有限公司產品；芳烴油，廣州大港石油科技有限公司產品。

1.2 配方

試驗配方見表1。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備與儀器

1 L 密煉機及密煉機智能控制系統，廣州華工百川科技股份有限公司產品；XK-160A 型開煉機，上海橡膠機械廠產品；XLB-L500×500 平板硫化機，廣州番禺橡膠機械廠產品；GT-M 2000A 型無轉子硫化儀、GT-7080S2 型門尼粘度試驗機，高鐵檢測儀器(東莞)有限公司產品；CMT 4104 型微機控制電子萬能試驗機，深圳新三思材料檢測有限公司產品；MH-74 型阿克隆磨耗機，上海化工機械四廠產品；101 型熱空氣老化箱，上海市實驗儀器總廠產品。

1.4 試樣制備

膠料混煉分2 段進行。一段混煉在1 L 小密煉機中進行，密煉機轉子轉速40 r·min-1，混煉工藝為：生膠→加壓50 s →小料→加壓90 s →炭黑→加壓120 s →白炭黑、偶聯劑Si69、改性劑→加壓90 s →芳烴油→加壓90 s →排膠。二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝為：一段混煉膠熱煉（輥距1.8 mm、包輥并留有1～2 cm 高度余膠）→促進劑NS和硫黃→兩邊各做4 次3/4 割刀搗膠→輥距調至0.5 mm →打三角包4 次→輥距調至3 mm →下片，停放。在平板硫化機上硫化試樣，硫化條件為143℃×30 min。

1.5 性能測試

膠料性能測試按相應國家標準進行。

2 結果與討論

2.1 膠料加工性能和硫化特性

膠料加工性能和硫化特性見表2。從表2 可以看出：使用含有碳短纖維的改性劑替代5 份白炭黑，一段混煉膠的排膠溫度上升4～10 ℃，膠料門尼粘度增大，但排膠溫度和門尼粘度仍在合理的加工要求范圍內；膠料ML和MH增大，tS2，t10和t90變化不大，這說明碳短纖維對膠料焦燒性能和正硫化時間影響不大。

表2 膠料加工性能和硫化特性 份

2.2 物理性能

膠料物理性能見表3。從表3 可以看出：加入適量碳短纖維的改性劑后，膠料的定伸應力、拉伸強度和撕裂強度提高，阿克隆磨耗量總體減小，耐磨性能提高，拉斷伸長率稍有下降，這說明碳短纖維起到了很好的補強作用；隨著碳短纖維含量增大，膠料的拉伸強度和撕裂強度先提高后降低，這說明碳短纖維用量在適當范圍內，碳短纖維能起到很好的補強作用，碳短纖維用量過大，其補強效應反而會下降，這可能是因為碳短纖維含量較大時，碳短纖維在膠料中分散相對困難，碳短纖維易團聚，無法起補強作用，反而成為膠料中的“脆弱點”；1#配方和2#配方、3#配方膠料熱老化后的拉伸強度和撕裂強度下降幅度比0#配方膠料大，這是因為在熱氧條件下碳短纖維與橡膠的粘合強度降低，在拉伸過程中起補強作用的碳短纖維減少，拉伸強度和撕裂強度下降較快。綜合來看，2#配方膠料的性能優于1#配方膠料，3#配方膠料性能最差。

表3 膠料物理性能

2.3 炭黑分散度

對膠料中炭黑分散度進行測定，觀察碳短纖維對膠料分散的影響。0#配方、1#配方、2#配方和3#配方膠料的炭黑分散度依次為8.6，8.1，8.0 和7.8 級，都達到了7 級以上。從測定結果可以看出，加入含有碳短纖維的改性劑后，膠料的炭黑分散度下降，而且隨著碳短纖維含量增大，炭黑分散度呈下降趨勢，這說明碳短纖維對膠料分散產生一定的影響，但影響不大。

2.4 斷面顯微鏡觀察

在顯微鏡下觀察試樣拉伸斷面（放大50 倍），如圖1 所示。從圖1 可以看出，0#配方試樣的拉伸斷面較光滑平整，1#配方、2#配方和3#配方試樣的拉伸斷面相對粗糙，這是膠料中的碳短纖維受拉伸斷裂造成的。由于碳短纖維的直徑和長度較小，顯微鏡放大倍數有限，因此未能在試樣拉伸斷面上清楚地觀察到碳短纖維的斷裂狀態。

圖1 試樣拉伸斷面顯微鏡照片

3 結論

（1）在載重子午線輪胎胎面膠中加入適量碳短纖維改性劑，膠料的門尼粘度稍增大，硫化特性變化不大。

（2）加入適量碳短纖維改性劑，膠料的定伸應力、拉伸強度、撕裂強度及耐磨性能提高。

（3）加入碳短纖維改性劑后，膠料的耐老化性能下降，但變化不大。

（4）含有改性劑2（碳短纖維質量分數為0.05）的膠料綜合性能較好。