碳納米管在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應用

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，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，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成數層到數十層的同軸圓管，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，質量小，六邊形結構連接完美，具有許多優異的力學、電學和化學性能。

近年來國內外市場對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。為了實現高耐磨的目標，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用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），20#標準膠，泰國產品；炭黑N234，卡博特（中國）投資有限公司產品；氧化鋅，浙江聯華鋅品有限公司產品；防老劑4020和RD，中國石化集團南京化工廠產品；硬脂酸，杭州油脂化工有限公司產品；硫黃，寧波市鎮海大方硫黃廠產品；促進劑NS，山東尚舜化工有限公司產品；碳納米管，山東大展納米材料有限公司產品。

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，促進劑NS 1.2，其他 4.5。

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

1.3 主要設備和儀器

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

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗

膠料采用兩段混煉工藝，一段混煉在3 L密煉機中進行，轉子轉速為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；二段混煉在開煉機上加入硫黃和促進劑。

1.4.2 大配合試驗

膠料采用三段混煉工藝，一段混煉在GK400型密煉機中進行，轉子轉速為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型密煉機中進行，轉子轉速為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型密煉機中進行，轉子轉速為25 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠、硫黃和促進劑→壓壓砣50 s→提壓砣→壓壓砣100 s→提壓砣→102 ℃排膠。

1.5 性能測試

各項性能均按相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 混煉工藝試驗

由于碳納米管密度小，因此在混煉過程中的加入順序會對混煉膠性能產生較大影響。選取5#配方，針對不同的碳納米管加入順序進行物理性能對比評價，結果見表1。

從表1可以看出，由于工藝A中多了一步開煉機塑煉，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硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率最大。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，因此后續試驗均采用此混煉工藝。

表1 碳納米管加入順序對膠料性能的影響

2.2 小配合試驗

小配合試驗結果見表2。

表2 小配合試驗結果

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，硫化膠的硬度、定伸應力和拉伸強度增大，拉斷伸長率總體減小，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，另外由于碳納米管成本較高，不可能大量應用，因此選取4#配方進行后續試驗。

2.3 大配合試驗

大配合試驗結果見表3。

表3 大配合試驗結果

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

2.4 工藝性能

采用試驗配方膠料進行295/80R22.5 AZ670規格胎面擠出試驗，試驗配方膠料的門尼粘度略高，擠出膨脹率大于生產配方膠料，在正常生產工藝條件下，擠出胎面的寬度和厚度略大于生產配方膠料，調整擠出參數確保尺寸一致，胎面型膠外觀平整光潔。

2.5 成品性能

2.5.1 耐久性試驗

采用試驗配方膠料生產295/80R22.5 AZ670輪胎，并按GB/T 4501—2008進行耐久性試驗。試驗條件為：標準氣壓 900 kPa，額定負荷3 550 kg，試驗速度 48 km·h-1，分別在65%，85%，100%，110%，120%，130%，140%，150%和160%的負荷率下運行7，16，24，10，10，10，10，10和10 h，負荷率為170%時運行至輪胎損壞。

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

2.5.2 實際道路試驗

采用試驗配方膠料生產295/80R22.5 AZ670輪胎，并發往安徽和浙江用于城際巴士汽車進行實際道路試驗。試驗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、定伸應力和拉伸強度增大，壓縮疲勞溫升略有增加，耐磨性能提高，可延長高速標載下全鋼載重子午線輪胎的使用壽命。