粘土/丁苯橡膠納米復合材料在半鋼子午線輪胎氣密層膠中的應用

張清玉 ，徐建州

（1.中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 311607；2.哈爾濱工業大學航天學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

半鋼子午線輪胎以質量小、散熱性能和減震性能好、滾動阻力小、承載能力強的特點深受市場歡迎。半鋼子午線輪胎多為無內胎輪胎，其氣密層的主要作用是保持胎壓。氣密層膠一般采用鹵化丁基橡膠作為主體材料，成本較高，如果在氣密層膠中并用部分天然橡膠（NR），雖然可以降低成本，但同時也會降低膠料氣密性。

高秋英等[1]用10份改性氯磺化聚乙烯橡膠（MCSM）代替溴化丁基橡膠（BIIR）用于全鋼載重子午線輪胎氣密層膠中，膠料氣密性較好，但原材料成本仍較高。

采用粘土/丁苯橡膠（SBR）納米復合材料不僅可以保證氣密層膠的氣密性，還可以大幅降低原材料成本。研究表明[2-4]，在橡膠中均勻分散的納米層狀硅酸鹽能顯著提高膠料物理性能，使膠料具有良好的氣密性、阻燃性和抗裂紋擴展性。乳液復合法制備的粘土/SBR納米復合材料成本較低，且易于工業化。

本工作用粘土/SBR納米復合材料等量代替BIIR用于半鋼子午線輪胎氣密層膠中，研究粘土/SBR復合材料氣密層膠及成品輪胎的性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

粘土/SBR納米復合材料，吉林省四平市劉房子礦業有限公司產品；BIIR，北京燕山勝利橡塑有限公司產品。

1.2 主要設備與儀器

F370型密煉機，大連冰山橡塑有限公司產品；GK255型密煉機，上海橡膠機械廠產品；C200E型硫化儀，北京友深電子儀器有限公司產品；MV2000型門尼粘度計，美國阿爾法科技有限公司產品；50 t平板硫化機和XY-3F1120型三輥壓延機及其聯動裝置，廣東湛江機械廠產品；UT-2620型電子拉力試驗機，臺灣優肯科技股份有限公司產品；輪胎耐久高速試驗機，天津久榮車輪技術有限公司產品。

1.3 配方

生產配方：BIIR，100；氧化鋅80，4；硬脂酸，2；防老劑4020/RD，3；硫黃和促進劑TB710/CZ，4.2；其他，2；合計，115.2。

試驗配方：粘土/SBR納米復合材料等量替代BIIR，其他同生產配方。

1.4 混煉工藝

膠料混煉分2段進行。一段混煉在F370型密煉機中進行，轉子轉速55 r·min-1，混煉工藝為：生膠、炭黑和小料二段混煉在GK255型密煉機中進行，轉子轉速30 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠和硫化體系→壓壓砣提壓砣→壓壓砣提壓砣→壓壓砣提壓砣→排膠。

1.5 性能測試

膠料物理性能和成品輪胎性能均按照相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 物理性能

膠料物理性能見表1。從表1可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料（MH-ML）較大，硫化速度較快，硬度、定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度較大，自粘性較好，透氣率明顯減小，但密度較大。試驗配方氣密層膠交聯密度較大，說明與胎體膠的共硫化性較好，粘土對膠料無硫化延遲作用；但密度較大，會增大輪胎質量，導致燃油消耗量增大。

表1 膠料物理性能

2.2 外觀

膠料壓延在三輥壓延機上進行，擠出機螺桿轉速25 r·min-1，壓延速度10~30 m·min-1，冷卻輥速10.5 m·min-1，冷卻水壓力≥0.2 MPa，擠出溫度75~85 ℃，卷取溫度45~50 ℃。壓延膠片厚度不大于12 mm，膠片停放4 h后，收縮率小于1.5%。

壓延膠片外觀見圖1。從圖1可以看出：與生產配方膠片相比，試驗配方膠片表面更光亮，且無氣泡、冷斑、熟膠和粘輥現象。

圖1 壓延膠片外觀

2.3 炸胎率

半鋼子午線輪胎在胎坯成型二段充氣時容易炸胎，因此常在胎坯接頭部位加貼一層固定尺寸的氣密層膠，該方法可以在一定程度上降低炸胎率，但炸胎率仍然較高。采用試驗配方氣密層膠的半鋼子午線輪胎在胎坯接頭部位加貼氣密層膠，可以將炸胎率減小至1%以下。

胎坯成型二段充氣時的炸胎率見圖2。從圖2可以看出，與生產輪胎相比，試驗輪胎的炸胎率明顯減小。

圖2 胎坯成型二段充氣時的炸胎率

2.4 成品輪胎性能

2.4.1 氣壓保持率

成品輪胎在25 ℃下放置20 d，達到內外溫度平衡。輪胎初始氣壓220 kPa，每隔10 d自動記錄輪胎氣壓。成品輪胎氣壓保持率見圖3。其中2條試驗輪胎的氣密層膠厚度分別為2 mm（2#試驗輪胎）和1.2 mm（1#試驗輪胎），生產輪胎的氣密層膠厚度為2 mm。

圖3 成品輪胎氣壓保持率

從圖3可以看出：與生產輪胎相比，1#和2#試驗輪胎的氣壓保持率均較大；與2#試驗輪胎相比，氣密層膠厚度較小的1#試驗輪胎氣壓保持率并未明顯下降，說明適當減小氣密層膠厚度對氣密性影響不大。

2.4.2 速度性能

2#試驗輪胎速度性能見表2。從表2可以看出：成品輪胎的最高速度可達135 km·h-1，符合企業標準最高速度不低于120 km·h-1的要求。

表2 成品輪胎速度性能

2.4.3 耐久性能

2#試驗輪胎耐久性能見表3。從表3可以看出：成品輪胎累計行駛時間達到64 h，負荷率達到140%，試驗結束時胎肩脫層，符合企業標準累計行駛時間不小于60 h的要求。

表3 成品輪胎耐久性能

3 結論

（1）與BIIR氣密層膠相比，粘土/SBR納米復合材料氣密層膠交聯密度大，與胎體膠的共硫化性較好，物理性能提高，氣密性明顯改善；但密度較大，會增大輪胎質量，導致燃油消耗量增大。

（2）與采用BIIR氣密層膠的半鋼子午線輪胎相比，采用BIIR粘土/SBR納米復合材料替代BIIR的氣密層膠的半鋼子午線輪胎胎坯成型二段充氣時的炸胎率明顯減小。

（3）采用粘土/SBR納米復合材料氣密層膠的半鋼子午線輪胎氣壓保持率大，減小氣密層膠厚度對輪胎氣壓保持率影響不大。

（4）采用粘土/SBR納米復合材料氣密層膠的半鋼子午線輪胎速度性能和耐久性能均符合企業標準要求。

總的來看，與BIIR膠料相比，粘土/SBR納米復合材料成本較低，用其作主體材料的氣密層膠物理性能改善，氣密性顯著提高，但密度較大，厚度可以適當減小。