芳綸短纖維在輪胎胎面膠中應(yīng)用初探

杜少忠，戰(zhàn)之明，高 聳，張 華，李益萬(wàn)

(青島耐克森輪胎有限公司技術(shù)研究所，山東 青島 266603)

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芳綸短纖維在輪胎胎面膠中應(yīng)用初探

杜少忠，戰(zhàn)之明，高 聳，張 華，李益萬(wàn)

(青島耐克森輪胎有限公司技術(shù)研究所，山東 青島 266603)

芳綸短纖維是近年來興起的一種新型填料，跟橡膠混合后能夠提高補(bǔ)強(qiáng)耐磨等性能。也有一些研究結(jié)果表明紡輪短切纖維能夠降低混煉膠料的佩恩效應(yīng),從而降低輪胎的滾動(dòng)阻力。本文將國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口的芳綸短纖維加入到胎面膠中，同時(shí)調(diào)整膠料配方，對(duì)比國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和國(guó)外生產(chǎn)的芳綸短纖維用于膠料中，對(duì)膠料性能的影響。結(jié)果表明，加入芳綸短纖維可以提高膠料的拉伸強(qiáng)度，一定程度的降低滾動(dòng)阻力。

芳綸短纖維；拉伸性能；撕裂性能；動(dòng)態(tài)性能；SEM

短纖維補(bǔ)強(qiáng)橡膠的研究始于20 世紀(jì)60 年代。短纖維橡膠基復(fù)合材料(SFRC) 將高彈性、低模量和分子鏈柔順的橡膠與彈性相對(duì)較低而模量較高的短纖維復(fù)合在一起,使復(fù)合材料既保持橡膠的高彈性,又具有短纖維的高模量,從而提高橡膠制品的物理性能,使制品具有高模量、高硬度、高強(qiáng)度、耐磨、抗切割和尺寸穩(wěn)定等性能[1]。

用纖維補(bǔ)強(qiáng)的彈性體可以兼有橡膠的彈性與補(bǔ)強(qiáng)纖維的強(qiáng)度和剛性,用長(zhǎng)纖維增強(qiáng)彈性體已為人熟知,但是這種復(fù)合物主要限用于輪胎特定部位(如胎體、帶束層或冠帶層) 、膠帶和膠管[2]。

在膠料中添加少量芳綸短纖維可使膠料改性,適用于改善膠料的屈撓疲勞性能、耐磨性能、滯后損失和生熱。膠料改性方法包括在配方中添加短纖維、減小炭黑用量；上述變化導(dǎo)致滾動(dòng)阻力明顯下降,從而對(duì)節(jié)省燃油做出了重大貢獻(xiàn)[3-4]。

本文中，首先我們先選定一種胎面膠，然后選定三種配方，即炭黑和芳綸短纖維的不同使用量，對(duì)比測(cè)試國(guó)內(nèi)和國(guó)外生產(chǎn)的芳綸短纖維用于此配方，找出不同廠家生產(chǎn)芳綸短纖維作為填充物時(shí)胎面膠滾動(dòng)阻力的差異性。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要材料

白炭黑，索爾為白炭黑有限公司；炭黑N234，江西黑貓股份有限公司；硅烷偶聯(lián)劑Si69，南京曙光硅烷化工有限公司；芳綸短纖維aramid，國(guó)內(nèi)某公司和國(guó)外廠家TEIJIN；其他橡膠，碳黑，防老劑，促進(jìn)劑等原材料為常見一般原材料。

1.2 主要測(cè)試設(shè)備

密煉機(jī)，青島科高；開煉機(jī)，莊河市橡膠塑料機(jī)械廠；平板硫化劑，WOOSUNG ENGINE；流變儀，DAEKYUNG；穆尼粘度計(jì)，DAEKYUNG；穆尼焦燒機(jī)，DAEKYUNG；萬(wàn)能力學(xué)拉伸機(jī)，DAEKYUNG；動(dòng)態(tài)粘彈性試驗(yàn)機(jī)(DMTA)，Gabo；掃描電鏡JSM-6610，日本島津。

1.3 配方、試樣制備及測(cè)試要求

1.3.1 混煉膠料的制備

實(shí)驗(yàn)配方見表1，因?yàn)榉季]短纖維會(huì)延遲硫化，因此我們對(duì)促進(jìn)劑進(jìn)行了適量調(diào)整。詳細(xì)配方在此略去。密煉分為三段進(jìn)行。第一段，密煉機(jī)溫度壓力穩(wěn)定后，先加入橡膠，40 s以后加入炭黑，再過40 s以后加入防老劑分散劑等，再240 s以后排除混煉膠，排出的混煉膠打包過滾分別6次。第二段，將第一段的混煉膠加入密煉機(jī)，40 s后再加入芳綸短纖維，再160 s后，排膠開練與第一段相同。第三段，在開煉機(jī)上加磺，至硫磺促進(jìn)劑分散均勻，下片備用。

表1 配方

1.3.2 試樣制備及測(cè)試要求

實(shí)驗(yàn)室配合實(shí)驗(yàn)完成后，采用平板硫化機(jī)，在160 ℃硫化15 min，根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不同，采用不同的模具制備各種樣品，并且，注意使樣品的測(cè)試受力方向與開練下片方向一致，也就是與芳綸短纖維在橡膠中的排列取向一致。然后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制樣測(cè)試門尼粘度、門尼焦燒、硫化特性、拉伸性能、撕裂性能等。

動(dòng)態(tài)粘彈性試驗(yàn)(DMTA)采用Gabo公司生產(chǎn)的EPLEXOR-2000 N型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[5]。試樣長(zhǎng)40 mm，寬6 mm，厚2 mm，硫化條件與拉伸性能試樣一致。實(shí)驗(yàn)條件，震動(dòng)頻率分為: 20 Hz，溫度掃描范圍：-50～150 ℃，控溫精度: ± 0.1 ℃，空氣壓力: 0.6～0.8 MPa。

短纖維在橡膠基體中分散和拉伸斷裂后的形態(tài)采用日本島津JSM-6610掃描電鏡實(shí)驗(yàn)SEM按照公司內(nèi)部規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。樣品采用拉伸試驗(yàn)的斷裂面真空噴金以后進(jìn)行。試驗(yàn)電壓20 kV，物鏡距離12.6 mm，放大220倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)室配合基本測(cè)試結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)室配合膠料測(cè)試結(jié)果

從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，芳綸短纖維加入后，膠料的穆尼粘度略有降低，硬度稍微升高。膠料的100%定伸強(qiáng)度明顯提高，200%，300%定伸強(qiáng)度變化不明顯。這是由于芳綸短纖維的加入改變了材料的力學(xué)特性。使材料由韌性材料變成硬而韌的材料，并且有了明顯的屈服點(diǎn)，如圖1所示(以國(guó)外芳綸力學(xué)性能圖片為例)。隨著芳綸短纖維的量的增加，膠料的伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度有所降低。國(guó)外產(chǎn)品比國(guó)內(nèi)產(chǎn)品稍微好一點(diǎn)。

圖1 硫化混煉膠拉伸強(qiáng)度曲線

粘彈性是指高分子在受到外力作用時(shí)，既具有彈性形變，也具有粘性流動(dòng)的現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)粘彈性試驗(yàn)機(jī)(DMTA)可以在試樣在一定運(yùn)動(dòng)頻率時(shí)，溫度從高到低測(cè)試試樣的損失模量和貯能模量，進(jìn)而計(jì)算評(píng)價(jià)tanδ，并且可以根據(jù)tanδ值的大小預(yù)測(cè)輪胎的滾動(dòng)阻力[6]。一般認(rèn)為，60 ℃的tanδ越小，滾動(dòng)阻力越小，0 ℃的tanδ越大，輪胎的抗?jié)窕栽胶谩MTA測(cè)試結(jié)果表明，芳綸短纖維添加8份時(shí)，膠料的佩恩效應(yīng)開始出現(xiàn)，60 ℃的tanδ明顯降低，因此芳綸短纖維能夠改善膠料的動(dòng)態(tài)性能。從而降低輪胎的滾動(dòng)阻力。

從掃描電鏡照片可以看出，國(guó)內(nèi)產(chǎn)的芳綸短纖維填充到膠料后，大部分芳綸短纖維是被從橡膠基體中拔出來的，也就是材料在屈服點(diǎn)時(shí)，芳綸短纖維被從橡膠基體中拔出，所以提高芳綸與橡膠之間的粘合力是改變膠料力學(xué)性能的關(guān)鍵[7]。也正因?yàn)槿绱耍尤攵汤w維后，材料的伸長(zhǎng)率和撕裂性能下降。國(guó)外產(chǎn)芳綸短纖維使用后，從SEM照片上可以看出，芳綸分散的要好于國(guó)內(nèi)產(chǎn)的，而且其直徑較小。纖維從橡膠基體抽出后，殘留的小孔較小而且少。在今后的研究中，我們會(huì)研究適合芳綸短纖維和橡膠粘合的粘合劑的應(yīng)用，從而改善橡膠與添加劑的界面關(guān)系，提高膠料的綜合性能。

2.2 SEM分析結(jié)果

圖2 SEM圖像

3 結(jié) 論

芳綸短纖維可以影響膠料的佩恩效應(yīng)，從而降低膠料的滯后損失，有利于降低輪胎的滾動(dòng)阻力。力學(xué)性能損失不大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過適當(dāng)手段補(bǔ)償。另外，國(guó)外芳綸短纖維產(chǎn)品，其直徑比國(guó)產(chǎn)的要小，分散性更好一些。纖維從橡膠基體抽出后，殘留的小孔較少，而且孔徑較小。通過優(yōu)化密煉工藝并適當(dāng)調(diào)整配方，芳綸短纖維可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用到輪胎中。

[1] 張志成,鄭元鎖,劉英倫.聚酯短纖維/ CR復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理的研究[J].橡膠工業(yè),2003,50(5):266-270.

[2] 王維相,翁亞棟.芳綸在橡膠制品中的應(yīng)用概況[J].橡膠工業(yè),2004,51(7):436-439.

[3] R Datta, M Peters. 用芳綸短纖維降低載重輪胎胎面膠的滯后損失[J].輪胎工業(yè),2004,24(11):680-683.

[4] 張之兵,范東育,曹威琦,等.對(duì)位芳綸漿粕預(yù)分散體補(bǔ)強(qiáng)SBR的研究[J].橡膠工業(yè),2008,55(5):268-274.

[5] 范世玉,張屹,杜少忠,等. 硅酸鎂填料對(duì)乘用車胎胎面橡膠性能的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(8):2291-2294.

[6] 鄧友娥,章文貢.動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析技術(shù)在高聚物性能研究中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2002,21(1):38-40.

[7] 張海潮,許耀東,張秀娥,等.SEM/EDS聯(lián)用技術(shù)在橡膠行業(yè)的應(yīng)用[J].橡膠工業(yè),2016(10): 49-52.

Study on Difference of Application of Aramid Short Fiber in Tire Tread Compound

DUShao-zhong,ZHANZhi-ming,GAOSong,ZHANGHua,LIYi-wan

(Qingdao NEXEN Tire Technical Center, Shandong Qingdao 266603, China)

The aramid short fiber is a new kind filler to improve compound abrasion property. Some research shows that aramid fiber can reduce Payne effect and tire rolling resistance. The aramid fiber was added to the tread rubber, at the same time the recipe of the rubber compound was adjusted. The influence of the aramid short fiber used in the domestic production and the foreign production were studied. The results showed that the tensile strength of the compound can be improved by adding aramid fiber. At the same time, rolling resistance of test compound was improved by DMTA.

aramid short fiber; tensile strength; tear strength; dynamic performance; SEM

杜少忠( 1980-)，男，碩士，主要從事環(huán)保原材料的研究與開發(fā)。

TQ330 38

A

1001-9677(2016)024-0045-04