氧化石墨烯在工程橡膠履帶花紋側膠中的應用

于宗南

（天津萬達輪胎集團有限公司，天津 300402）

氧化石墨烯是石墨烯的一種衍生物，作為新型碳材料，氧化石墨烯具有超薄片層結構和大比表面積，表面含有大量羧基、羥基和環氧基等含氧官能團，其物化性能優異，納米尺寸效應、分散性和吸附性良好。作為特種填料，氧化石墨烯可以提高橡膠材料的強度性能、氣體阻隔性能、耐磨性能和導電性能等[1]。

氧化石墨烯以粉體制劑和水分散體形態使用，近年來在橡膠、塑料、纖維等復合材料領域廣泛應用，在高性能輪胎中的應用更受到關注[2]。工程橡膠履帶行駛面直接接觸地面，在工程機械設備中起到承受載荷、減緩沖擊、傳遞驅動力和制動力、提供轉向操縱性的作用，其功能與輪胎相似，要求強度性能、耐磨性能、抗切割性能、制動性能和散熱性能好，滾動阻力低。

借鑒氧化石墨烯在輪胎工業中的應用成果，本課題探討了氧化石墨烯在工程橡膠履帶花紋側膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SCRWF，海南天然橡膠產業集團股份有限公司產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1502，中國石化齊魯石化分公司產品；順丁橡膠（BR），牌號9000LD，中國石化茂名石化分公司產品；炭黑N220、炭黑N330和沉淀法白炭黑，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；氧化鋅，安徽省含山縣錦華氧化鋅廠產品；增粘樹脂RT-45F，江蘇銘德高分子材料有限公司產品；芳烴油，道達爾石油（上海）有限公司產品；熱穩定劑YG-638，臺州市黃巖東海化工有限公司產品；微晶蠟，百瑞美特殊化學品（蘇州）有限公司產品；防老劑6PPD和TMO，中國石化南京化學工業有限公司產品；促進劑TBBS，山東陽谷華泰化工股份有限公司產品；氧化石墨烯水性漿料（質量分數為0.003），牌號OBO-GO-W2，山東歐鉑新材料有限公司產品。

1.2 配方

生產配方：NR/SBR/BR 100，炭黑N220/炭黑N330/沉淀法白炭黑 63.6，氧化鋅 5，硬脂酸 2，增粘樹脂RT-45F 2，芳烴油 9，熱穩定劑YG-638 2，微晶蠟 1.5，防老劑6PPD/TMO/BLE-W 5，硫黃 1.4，促進劑TBBS 1.5，其他 3.627，合計 196.627。

試驗配方A：除添加凈含0.05份氧化石墨烯的水性漿料外，其余組分和用量與生產配方相同。

試驗配方B：除添加凈含0.1份氧化石墨烯的水性漿料外，其余組分和用量與生產配方相同。

1.3 主要設備和儀器

LN-1L型實驗室密煉機，廣東利拿實業有限公司產品；Φ150 mm×320 mm開煉機和BL-6170-D型平板硫化機，東莞市寶輪精密檢測儀器有限公司產品；GK90E型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；M2000E型門尼粘度儀和C2000E型無轉子橡膠硫化儀，北京友深電子儀器有限公司產品；MZ-5001D1型電子拉力機、MZ-4003型橡膠疲勞龜裂試驗機、MZ-4061型阿克隆磨耗試驗機和401A型熱老化試驗箱，江蘇明珠試驗機械有限公司產品。

1.4 試樣制備

小配合試驗膠料在LN-1L型實驗室密煉機中混煉，在Φ150 mm×320 mm開煉機上下片，混煉工藝為：NR，SBR和BR→小料、炭黑、氧化石墨烯水性漿料和芳烴油→促進劑和硫黃→開煉機，下片。

大配合試驗膠料分兩段混煉，均在GK90E型密煉機中進行。一段混煉的轉子轉速為40 r·min-1，密煉室初始溫度為室溫，混煉工藝為：塑煉NR、SBR、BR和小料（40 s）→炭黑（50 s）→氧化石墨烯水性漿料和芳烴油（10 s）→壓壓砣→排膠（150 ℃）；二段混煉的轉子轉速為20 r·min-1，密煉室初始溫度為室溫，混煉工藝為：一段混煉膠（緩慢加入）→促進劑和硫黃（10 s）→壓壓砣→提壓砣（60 s）→壓壓砣→排膠（110 ℃）。

為保證操作環境、設備和工藝條件相同，試驗配方膠料與生產配方膠料混煉和成品制備在相同設備上先后銜接進行。

1.5 性能測試

膠料各項性能測試均按相應國家標準進行。

2 結果與討論

2.1 理化測試

氧化石墨烯的理化性能測試結果如表1所示。從表1可以看出，氧化石墨烯的理化性能達到企業標準要求。

表1 氧化石墨烯的理化性能

2.2 小配合試驗

小配合試驗膠料的物理性能如表2所示。從表2可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方A膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度和300%定伸應力降低，拉伸強度、拉斷永久變形和耐屈撓性能相當，拉斷伸長率和撕裂強度增大，阿克隆磨耗量減小，耐熱老化性能改善；試驗配方B膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度和300%定伸應力降低，拉伸強度、耐屈撓性能和阿克隆磨耗量相當，拉斷伸長率降低，拉斷永久變形增大，耐熱老化性能改善。

表2 小配合試驗膠料的物理性能

總體而言，與生產配方膠料相比，試驗配方A膠料的性能顯著改善，試驗配方B膠料的性能優勢不明顯。

2.3 大配合試驗

2.3.1 物理性能

大配合試驗膠料的物理性能如表3所示。從表3可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方A膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度降低，300%定伸應力、拉伸強度和耐屈撓性能相當，拉斷伸長率、拉斷永久變形和撕裂強度增大，阿克隆磨耗量減小，耐熱老化性能改善；試驗配方B膠料的FL和Fmax減小，t10和t90縮短，邵爾A型硬度和300%定伸應力降低，拉伸強度、撕裂強度和耐屈撓性能、阿克隆磨耗量和耐熱老化性能相當，拉斷伸長率和拉斷永久變形增大。

表3 大配合試驗膠料的物理性能

總體而言，與生產配方膠料相比，試驗配方A膠料的性能較好，試驗配方B膠料則相當。

2.3.2 工藝性能

大配合試驗混煉膠的快速檢驗結果如表4所示（混煉膠在40 ℃室溫下停放24 h后測試）。從表4可以看出，與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度降低，門尼焦燒時間縮短（應注意操作的安全性），邵爾A型硬度降低。

表4 大配合試驗混煉膠的快檢結果

2.4 成品試驗

采用試驗配方A膠料和生產配方膠料各制備4條230×48×70規格工程橡膠履帶進行裝機試驗，結果如表5所示。從表5可以看出，采用試驗配方A膠料制備的成品工程橡膠履帶平均累計行駛時間比采用生產配方膠料制備的成品工程橡膠履帶延長200 h。

表5 成品工程橡膠履帶裝機試驗結果 h

3 結論

在工程橡膠履帶花紋側膠中添加凈含0.05份氧化石墨烯的水性漿料，膠料的拉斷伸長率和撕裂強度增大，阿克隆磨耗量減小，耐熱老化性能改善，成品工程橡膠履帶的使用壽命明顯延長。