濕磨法超細絹云母在全鋼子午線輪胎氣密層膠中的應用

陳思奎，熊衛紅，蔣松濤，李 鍵，付波濤

（合肥萬力輪胎有限公司，安徽 合肥 231100）

橡膠補強填料主要有炭黑、白炭黑、絹云母、石墨等，其中炭黑和白炭黑屬于鏈枝狀或圓球狀高補強填料，絹云母和石墨屬于片層狀填料，具有獨特的理化性質。

絹云母是一種硅酸鹽材料，具有二維片狀結構，徑厚比大，對橡膠具有一定的補強性[1-7]，其補強膠料的耐熱性能、耐酸堿性能、耐磨性能和氣密性良好。絹云母與炭黑并用時，可顯著提高膠料的導熱性能、阻尼性能和電絕緣性能[8-10]。然而，絹云母易堆砌聚集，與橡膠基體的界面性質存在差異，互不浸潤，不易分散，需通過表面改性來提高其與橡膠基體的相容性[11-15]。

本工作研究濕磨法超細絹云母在全鋼子午線輪胎氣密層膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

溴化丁基橡膠（BIIR），山東京博中聚新材料有限公司產品；天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞進口產品；炭黑N660，山西安侖化工有限公司產品；濕磨法超細絹云母，粒度為3.25 μm（4 000目），厚徑比大于80，安徽格銳新材料科技有限公司產品；偶聯劑Si69，常州新策高分子材料有限公司產品。

1.2 試驗配方

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

XSM-1/10-120型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；XK-160型開煉機，無錫市第一橡塑機械有限公司產品；HS-RTMO型平板硫化機，佳鑫電子設備科技有限公司產品；GH-10型高速混合機，北京澤島機械有限公司產品；MDR2000型硫化儀和RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；EK-RON型門尼粘度儀，上海育肯儀器有限公司產品；邵爾A型硬度計，北京時代銳達科技有限公司產品；GT-AI-7000S型電子拉力機和GT-XB320M型疲勞試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；VAC-V1型氣密性測試儀，濟南蘭光機電技術有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 改性絹云母

濕磨法超細絹云母部分替代炭黑用于全鋼子午線輪胎氣密層膠時，為提高其與橡膠的界面結合力和相容性，選用偶聯劑Si69對濕磨法超細絹云母進行表面改性。將高速混合機升溫至90 ℃，保持恒溫，依次加入濕磨法超細絹云母和偶聯劑Si69，攪拌30 min，制得改性絹云母（以下簡稱絹云母）。

1.4.2 混煉膠

一段混煉在密煉機中進行，加入生膠、炭黑、絹云母、均勻劑、環烷油等，混煉均勻；二段混煉在XK-160型開煉機上進行，加入一段混煉膠、硫化劑和促進劑，混煉均勻，下片后停放48 h以上備用。

1.4.3 硫化膠

混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為160℃×t90。

1.5 測試分析

（1）門尼粘度。按照GB/T 1232.1—2016進行測試。

（2）硫化特性。按照GB/T 16584—1996進行測試。

（3）物理性能。邵爾A型硬度、拉伸性能和撕裂強度分別按照GB/T 531.1—2008，GB/T 528—2009和GB/T 529—2008進行測試。

（4）動態力學性能。采用RPA2000橡膠加工分析儀進行應變掃描，測試條件為：溫度 60 ℃，頻率 1 Hz，應變范圍 0.27%～98%。

（5）耐疲勞性能。按照GB/T 13934—2006進行測試，屈撓頻率為300次·min-1。

（6）氣密性（差壓法）。按照GB/T 1038.1—2022進行測試，每組試驗選取5個代表性圓形試樣，確保試樣無痕跡或無可見缺陷，試樣厚度為2 mm。試樣在（23±2） ℃的干燥器中干燥48 h以上，計算透氣系數，取值為去除最大值和最小值后的平均值。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

混煉膠的硫化特性如表2所示。

表2 混煉膠的硫化特性

從表2可以看出：隨著絹云母用量的增大，混煉膠的門尼粘度變化不大；焦燒時間呈延長趨勢，加工安全性提高；t90呈延長趨勢，硫化速率呈減小趨勢，這可能是因為絹云母表面的弱酸性抑制了硫化體系中自由基的反應，使其活性降低，延緩了硫化；Fmax－FL變化不大，說明絹云母用量對混煉膠的交聯密度影響不大。

2.2 動態力學性能

混煉膠的動態力學性能如圖1和2所示，其中G′為儲能模量，tanδ為損耗因子。

圖1 混煉膠的G′-應變曲線

圖2 混煉膠的tan δ-應變曲線

從圖1和2可以看出：隨著應變的增大，混煉膠的G′減小，tanδ增大，這是因為在小應變下，體系內填料網絡未被破壞，此時G′較大，隨著應變的增大，填料網絡被破壞，G′減小[16]；在小應變下，絹云母用量越大，混煉膠的G′越小，說明絹云母形成的填料網絡較炭黑弱，這可能是因為絹云母為片層狀結構，活性較弱，所形成的結合膠少；絹云母的用量越大，混煉膠小應變下的tanδ越小，說明絹云母不易形成團聚網絡，而大應變下的tanδ幾乎不變，表明絹云母與炭黑形成了復合填料網絡，且絹云母在大應變時發生滑移，起到潤滑作用，降低膠料力學損耗。

2.3 物理性能

硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 硫化膠的物理性能

從表3可以看出，隨著絹云母用量的增大，硫化膠的邵爾A型硬度和拉伸強度變化不大，100%定伸應力、300%定伸應力和撕裂強度呈增大趨勢，拉斷伸長率呈減小趨勢，耐疲勞性能下降。這可能是因為絹云母中的偶聯劑Si69屬于兩性物質，在絹云母與橡膠之間起到橋梁作用，增強了兩者之間的結合，提高了膠料的交聯密度，因此硫化膠的定伸應力和撕裂強度增大；但絹云母為片層結構，在橡膠基體中易產生應力集中，因此絹云母補強硫化膠的拉斷伸長率較炭黑補強硫化膠小，耐疲勞性能差。綜上所述，耐疲勞性能是全鋼子午線輪胎氣密層膠的關鍵性能，決定了其使用壽命，因此絹云母用量不應超過20份。

2.4 氣密性

硫化膠的透氣系數如表4所示。

表4 硫化膠的透氣系數 cm2·Pa-1·s-1

從表4可以看出，隨著絹云母用量的增大，硫化膠的透氣系數減小，氣密性提高，當絹云母用量為20份時，硫化膠的透氣系數降低31%。這是因為絹云母具有片層狀結構，徑厚比較大，一定程度上阻斷了氣體的滲透路徑，使得硫化膠的透氣系數減小，氣密性提高。

2.5 成本分析

絹云母資源豐富、價格低，部分替代炭黑用于全鋼子午線輪胎氣密層膠時，可有效降低生產成本。使用20份絹云母替換炭黑N660后，膠料每千克成本降低0.27元，可產生較大的經濟收益。

3 結論

（1）采用絹云母部分替代炭黑N660后，混煉膠的加工安全性提高，t90延長，力學損耗降低。

（2）隨著絹云母用量的增大，硫化膠的邵爾A型硬度和拉伸強度變化不大，100%定伸應力、300%定伸應力和撕裂強度呈增大趨勢，拉斷伸長率呈減小趨勢，耐疲勞性能下降，氣密性提高。

（3）綜合考慮氣密層膠的性能要求，絹云母用量宜為20份，同時可大幅降低生產成本。