碳納米管在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

陳家輝，黃 黔，黃 凱

（杭州朝陽橡膠有限公司，浙江 杭州 310018）

碳納米管又稱為巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，層與層之間保持固定的距離，約為0.34 nm，直徑一般為2～20 nm。碳納米管作為一維納米材料，質(zhì)量小，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。

近年來國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)輪胎的耐磨性能提出了更高要求，尤其是全高速路況下使用的全鋼載重子午線輪胎。為了實(shí)現(xiàn)高耐磨的目標(biāo)，本工作主要研究碳納米管在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），20#標(biāo)準(zhǔn)膠，泰國(guó)產(chǎn)品；炭黑N234，卡博特（中國(guó)）投資有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，浙江聯(lián)華鋅品有限公司產(chǎn)品；防老劑4020和RD，中國(guó)石化集團(tuán)南京化工廠產(chǎn)品；硬脂酸，杭州油脂化工有限公司產(chǎn)品；硫黃，寧波市鎮(zhèn)海大方硫黃廠產(chǎn)品；促進(jìn)劑NS，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；碳納米管，山東大展納米材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

基本配方：NR 100，炭黑N234 55，氧化鋅4，硬脂酸 2，防老劑4020 2，防老劑RD 1，硫黃 1.5，促進(jìn)劑NS 1.2，其他 4.5。

在基本配方的基礎(chǔ)上，1#—5#配方分別加入0，0.5，1，1.5和2份碳納米管，其中1#配方為生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開煉機(jī)，無錫市第一橡塑機(jī)械設(shè)備廠產(chǎn)品；3 L密煉機(jī)，佰弘機(jī)械（上海）有限公司產(chǎn)品；GK255型和GK400型密煉機(jī)，益陽雙龍橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XLB-D型平板硫化機(jī)，湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；MDR2000型橡膠硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；A1-3000-ND型拉力機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；Y3000E型壓縮升熱試驗(yàn)機(jī)，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；MZ-4061型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，江都市明珠試驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品；輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗(yàn)

膠料采用兩段混煉工藝，一段混煉在3 L密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣30 s→碳納米管和炭黑→壓壓砣→125 ℃提壓砣→155 ℃排膠；二段混煉在開煉機(jī)上加入硫黃和促進(jìn)劑。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

膠料采用三段混煉工藝，一段混煉在GK400型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1，混煉工藝為：生膠、氧化鋅、硬脂酸、防老劑、2/3炭黑和碳納米管→壓壓砣→125 ℃提壓砣→160 ℃排膠；二段混煉在GK400型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、其他小料、剩余1/3炭黑→壓壓砣→160 ℃排膠；三段混煉在GK255型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣50 s→提壓砣→壓壓砣100 s→提壓砣→102 ℃排膠。

1.5 性能測(cè)試

各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混煉工藝試驗(yàn)

由于碳納米管密度小，因此在混煉過程中的加入順序會(huì)對(duì)混煉膠性能產(chǎn)生較大影響。選取5#配方，針對(duì)不同的碳納米管加入順序進(jìn)行物理性能對(duì)比評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，由于工藝A中多了一步開煉機(jī)塑煉，因此膠料的門尼粘度較低，硫化膠的物理性能差別不大，其中工藝C硫化膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率最大。綜合考慮混煉工藝效率和物理性能，碳納米管的加入順序宜采用工藝C，因此后續(xù)試驗(yàn)均采用此混煉工藝。

表1 碳納米管加入順序?qū)δz料性能的影響

2.2 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 小配合試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看出，與未加碳納米管的膠料相比，加入碳納米管的膠料硫化速度基本相當(dāng)，硫化膠的硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度增大，拉斷伸長(zhǎng)率總體減小，壓縮疲勞溫升總體增加，阿克隆磨耗量減小。

綜合來看，隨著碳納米管用量的增大，硫化膠的耐磨性能提高，但壓縮疲勞溫升呈增加趨勢(shì)，另外由于碳納米管成本較高，不可能大量應(yīng)用，因此選取4#配方進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的硫化速度基本一致，硫化膠的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均增大，拉斷伸長(zhǎng)率減小，壓縮疲勞溫升增加，阿克隆磨耗量減小。

2.4 工藝性能

采用試驗(yàn)配方膠料進(jìn)行295/80R22.5 AZ670規(guī)格胎面擠出試驗(yàn)，試驗(yàn)配方膠料的門尼粘度略高，擠出膨脹率大于生產(chǎn)配方膠料，在正常生產(chǎn)工藝條件下，擠出胎面的寬度和厚度略大于生產(chǎn)配方膠料，調(diào)整擠出參數(shù)確保尺寸一致，胎面型膠外觀平整光潔。

2.5 成品性能

2.5.1 耐久性試驗(yàn)

采用試驗(yàn)配方膠料生產(chǎn)295/80R22.5 AZ670輪胎，并按GB/T 4501—2008進(jìn)行耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：標(biāo)準(zhǔn)氣壓 900 kPa，額定負(fù)荷3 550 kg，試驗(yàn)速度 48 km·h-1，分別在65%，85%，100%，110%，120%，130%，140%，150%和160%的負(fù)荷率下運(yùn)行7，16，24，10，10，10，10，10和10 h，負(fù)荷率為170%時(shí)運(yùn)行至輪胎損壞。

試驗(yàn)輪胎和生產(chǎn)輪胎的累計(jì)行駛時(shí)間分別為104.80和107.48 h，累計(jì)行駛里程分別為5 030.4和5 159.2 km，輪胎損壞形式均為肩部裂口。由于試驗(yàn)配方膠料在耐磨性能提高的同時(shí)，壓縮疲勞溫升略有增加，因此試驗(yàn)輪胎的耐久性能略有降低，但在可接受范圍內(nèi)，隨后進(jìn)行輪胎實(shí)際道路試驗(yàn)。

2.5.2 實(shí)際道路試驗(yàn)

采用試驗(yàn)配方膠料生產(chǎn)295/80R22.5 AZ670輪胎，并發(fā)往安徽和浙江用于城際巴士汽車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)。試驗(yàn)輪胎在車輛上正常使用了一年半后，胎面磨損均勻，表面平整，未出現(xiàn)異常損壞，其花紋平均單位磨耗量行駛里程由原來的14 062.5 km·mm-1增加到14 637.3 km·mm-1，耐磨性能提高。

3 結(jié)論

在全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方中加入碳納米管，硫化膠的硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度增大，壓縮疲勞溫升略有增加，耐磨性能提高，可延長(zhǎng)高速標(biāo)載下全鋼載重子午線輪胎的使用壽命。