納米粘土TNK在轎車輪胎氣密層中的應用

李小光，翟文舉，張倩茜

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

當前輪胎行業競爭愈加激烈，越來越多的輪胎制造企業開始研究與開發低成本配方。通過應用新型材料并對配方進行適當調整，在不降低輪胎性能的前提下降低制造成本，并滿足法律法規要求，成為企業配方設計人員面臨的重要課題。

納米粘土TNK是由天然粘土原礦經粉碎、水洗、研磨、化學分解、活化處理等工藝精制而成的一種片層狀硅酸鹽補強填料，其晶片平均直徑為800～1 200 nm，具有很高的徑厚比，因經過特殊表面改性，晶體分散更容易。納米粘土經良好分散后會有較強的補強作用，其片層效應可使橡膠具有良好的氣體阻隔性能、阻燃性能和抗裂紋擴展性能[1]。

本工作主要研究納米粘土TNK在轎車輪胎氣密層中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；溴化丁基橡膠（BIIR），牌號2030，德國朗盛化學公司產品；炭黑N660，邯鄲黑貓炭黑有限責任公司產品；納米粘土TNK，上海麒祥化工有限公司產品；環烷油N2，瑞典尼納斯公司產品。

1.2 配方

配方如表1所示，其中1#配方為生產配方。

表1 配方 份

1.3 主要設備和儀器

Φ160 mm×320 mm開煉機，廣東湛江機械廠產品；1.57 L密煉機，美國法雷爾有限公司產品；GK400型和GK255型密煉機，益陽益神橡膠機械有限公司產品；140 t平板硫化機，上海橡膠機械一廠產品；MDR 2000型無轉子硫化儀、MV2000型門尼粘度儀和橡膠加工分析儀（RPA），美國阿爾法科技有限公司產品；萬能材料試驗機，美國英斯特朗有限公司產品；VAC-V2型壓差法氣體滲透測試儀，濟南蘭光機電技術有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗

膠料采用兩段混煉工藝，兩段工藝轉子轉速均為80 r·min-1，且均在1.57 L密煉機中進行混煉。一段混煉工藝為：生膠→壓壓砣加入配合劑、炭黑和納米粘土TNK→浮壓砣壓壓砣提壓砣、清掃→壓壓砣排膠；二段混煉工藝為：一段混煉膠→加入氧化鋅、促進劑和硫黃→開煉機下片、冷卻、停放8 h。

1.4.2 大配合試驗

混煉工藝：NR塑煉→一段混煉膠→二段返煉→終煉加硫黃，納米粘土TNK在一段混煉時加入。

1.5 性能測試

1.5.1 硫化特性

采用無轉子硫化儀進行測試。

1.5.2 物理性能

各項性能均按照相應的國家標準進行測試，硫化條件為160 ℃×30 min。

1.5.3 氣密性

采用氣體滲透測試儀按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法》測試。

2 結果與討論

2.1 小配合試驗

2.1.1 硫化特性

膠料的硫化特性如表2所示。

表2 膠料的硫化特性

從表2可以看出，與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度下降，焦燒時間延長，加工操作性及安全性得到改善。橡膠分子鏈在納米粘土TNK的片層狀結構中滑移更加容易，有利于橡膠擠出、壓延、成型等工序生產。

2.1.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表3所示。

從表3可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的邵爾A型硬度保持穩定，拉伸強度和拉斷永久變形增大；老化后膠料的物理性能無明顯變化，耐疲勞性能略有下降。

表3 硫化膠的物理性能

2.1.3 分散性

采用炭黑分散度儀及RPA測試膠料的分散性，結果如表4所示，ΔG′為彈性模量變化量。

從表4可以看出：試驗配方膠料的炭黑分散度與生產配方膠料相差不大；但在RPA測試中，試驗配方膠料的彈性模量變化更小，根據Payne效應理論說明填料或填料-聚集體之間的網絡作用較弱，填料得到了更好的分散。

表4 膠料的分散性

2.1.4 氣密性

膠料的氣密性測試結果如表5所示。

表5 膠料的氣密性

從表5可以看出，由于2#—4#配方減小了BIIR的用量，2#配方的滲透系數有所升高，但隨著納米粘土TNK用量的不斷增大，膠料的氣密性能逐步提升，最終優于1#配方。分析認為：由于納米粘土TNK具有獨特的納米級片層結構，其在橡膠中因剪切流場作用而呈平行取向，一般氣體無法穿過片層，必須繞過片層而在片的間隙擴散，大大延長了路徑[2]，從而使膠料的氣密性能得到提升；同時根據前面的分析，納米粘土TNK可提高膠料的分散性，有利于提高氣體的阻隔效率。

綜合以上試驗結果，認為4#配方綜合性能較好且具有更大的成本優勢，因此后續試驗采用4#配方。

2.2 大配合試驗

大配合試驗結果如表6所示。

表6 大配合試驗結果

從表6可以看出，大配合試驗結果與小配合試驗結果基本一致，減小BIIR用量且添加納米粘土TNK后，膠料的各項性能保持穩定并略有提升。

2.3 成品試驗

2.3.1 輪胎室內性能

跟蹤使用試驗配方氣密層的壓延、成型、硫化等后工序生產，試制若干條試驗輪胎。結果表明：試驗配方氣密層壓延生產正常，未出現尺寸、外觀等問題；輪胎成型、硫化后外觀檢查氣密層狀態良好，未發現任何不良。

試制185/60R14T輪胎并按相應國家標準進行高速和耐久性測試。試驗結果表明，輪胎高速測試運行1.7 h后胎冠爆（標準≥70 min），耐久測試運行39.5 h未損壞（標準≥39.5 h），均符合標準要求，且試驗后輪胎氣密層未破壞，無開裂、鼓包、脫層現象。

2.3.2 輪胎實車路試性能

為驗證試驗輪胎在長時間、遠路程狀況下的使用性能，進行了6個月的實車路試。其中2輛出租車分別運行52 937和52 726 km，1輛私家車（配備有胎壓監測裝置）運行4 646 km。

通過長時間路試跟蹤反饋，各車輛駕駛感受正常。使用納米粘土填充氣密層的輪胎，胎壓平穩、運行可靠，長時間、遠距離耐久性測試未見氣密層發生鼓包、開裂、脫層等問題；扎釘后未見擴展破壞；持續跟蹤胎壓監測數據，氣壓損失正常，與正常氣密層輪胎保持了較好的一致性。

3 結論

（1）通過調整配方，在添加納米粘土TNK的同時減小炭黑用量，可降低膠料門尼粘度、延長焦燒時間，提高膠料加工安全性；可使硫化膠的拉伸強度、硬度等指標保持穩定，綜合物理性能略有提升，耐老化性能損失較小。

（2）在BIIR用量減小的情況下，使用20份以上納米粘土可穩定并提升膠料的氣密性。

（3）配方調整后，BIIR用量減小，整體含膠率下降，可大幅降低材料成本。