碳納米管在礦用斜交輪胎胎面膠中的應(yīng)用

馬 濤，邢利寧，劉 濱，廖亞梅

（1.威海中威橡膠有限公司，山東 威海 264200；2.山東晶石大展納米科技有限公司，山東 淄博 255022）

碳納米管是一種具有結(jié)晶管狀結(jié)構(gòu)、直徑幾納米、空心并呈兩端封閉碳原子六邊形排列的一維納米材料[1]，憑其高導(dǎo)熱、高強度、高導(dǎo)電的特點成為近年來材料領(lǐng)域研究的熱點[2-5]。將碳納米管應(yīng)用于橡膠中得到的橡膠復(fù)合材料具有高強度、高耐磨性能、高抗撕裂性能、高導(dǎo)電性能和高熱導(dǎo)率。

本工作將碳納米管加入礦用斜交輪胎胎面膠配方中，考察碳納米管用量對胎面膠加工性能和物理性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），牌號1502，中國石化齊魯石化公司產(chǎn)品；碳納米管，山東晶石大展納米科技有限公司產(chǎn)品；其他材料均為正常生產(chǎn)的原材料。

1.2 配方

正常生產(chǎn)配方：NR/SBR 100，炭黑N220 58，氧化鋅 4，硬脂酸 3，軟化增粘劑 6，其他9.4。

1#—3#試驗配方：在正常生產(chǎn)配方的基礎(chǔ)上分別添加1，2和3份碳納米管，其他組分和用量不變。

1.3 主要設(shè)備和儀器

GK-270型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產(chǎn)品；1.5 L密煉機，德國克虜伯公司產(chǎn)品；XL-160型開煉機，青島科技大學(xué)機械廠產(chǎn)品；50 t平板硫化機，煙臺橡膠機械廠產(chǎn)品；DXLL-5000型電子拉力試驗機，上海登杰機械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；GS-719N型邵氏硬度計，日本得樂公司產(chǎn)品；401A型老化試驗機，上海市試驗儀器總廠產(chǎn)品；阿克隆磨耗試驗機，山東德瑞克儀器有限公司產(chǎn)品；MV-3000型門尼粘度儀、M-3000A型無轉(zhuǎn)子硫化儀和RH-2000N型橡膠壓縮生熱試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；RCC-1型動態(tài)耐切割試驗機，北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合試驗?zāi)z料混煉采用二段混煉工藝，一段混煉在1.5 L密煉機中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為65 r·min-1，混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣30 s→炭黑和碳納米管→壓壓砣30 s→升溫至110 ℃→芳烴油→壓壓砣→排膠（150 ℃）；二段混煉在開煉機上進(jìn)行，混煉工藝為：一段混煉膠→硫黃和促進(jìn)劑→薄通6次→混煉均勻后下片。

大配合試驗?zāi)z料采用三段混煉工藝，均在GK-270型密煉機中進(jìn)行，一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣30 s→炭黑和碳納米管→壓壓砣40 s→升溫至110 ℃→芳烴油→升溫至130℃→提壓陀→壓壓砣→排膠（150 ℃）；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣30 s→提壓陀→壓壓砣40 s→提壓陀→壓壓砣→排膠（150 ℃）；三段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠和硫黃、促進(jìn)劑→壓壓砣20 s→提壓陀→壓壓砣30 s→提壓陀→壓壓砣→排膠（100 ℃）。

膠料采用平板硫化機硫化，硫化條件為143℃×60 min。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗

2.1.1 硫化特性

小配合試驗?zāi)z料的門尼粘度和硫化特性見表1。從表1可以看出：與正常生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度和轉(zhuǎn)矩增大；隨著碳納米管用量的增大，膠料的門尼粘度和Fmax略有提高，硫化速率變化不大。由此可知，胎面膠中添加碳納米管后，膠料的加工性能變化不大。

表1 小配合試驗?zāi)z料的門尼粘度和硫化特性

2.1.2 物理性能

小配合試驗硫化膠的物理性能見表2。從表2可以看出：加入碳納米管后，硫化膠的拉伸強度、定伸應(yīng)力、撕裂強度、耐磨性能和抗切割性能都得到提高；隨著碳納米管用量的增大，硫化膠的硬度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強度、撕裂強度和壓縮疲勞溫升基本呈增大趨勢，拉斷伸長率、阿克隆磨耗量、抗切割體積百分比基本呈減小趨勢。

表2 小配合試驗硫化膠的物理性能

碳納米管用量為2～3份時，硫化膠的綜合物理性能提升較明顯，考慮到成本因素，選取2#試驗配方進(jìn)行大配合試驗。

2.2 大配合試驗

2.2.1 硫化特性

大配合試驗?zāi)z料的門尼粘度和硫化特性見表3。從表3可以看出，與正常生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度增大，F(xiàn)L和Fmax略有提高，硫化速率變化不大，大配合試驗結(jié)果與小配合試驗結(jié)果一致。

表3 大配合試驗?zāi)z料的門尼粘度和硫化特性

2.2.2 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能見表4。從表4可以看出：與正常生產(chǎn)配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠的硬度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強度、撕裂強度和壓縮疲勞溫升增大；拉斷伸長率、阿克隆磨耗量、抗切割體積百分比減小，大配合試驗結(jié)果與小配合試驗結(jié)果一致。

表4 大配合試驗硫化膠的物理性能

2.3 工藝性能

采用2#試驗配方生產(chǎn)14.00-25工礦系列輪胎胎面膠時，纏繞擠出機擠出的膠條表面光滑，邊緣整齊，尺寸符合工藝要求，纏繞工藝正常，硫化后的輪胎外觀無質(zhì)量缺陷。

2.4 成品性能

采用2#試驗配方生產(chǎn)14.00-25工礦系列輪胎，并進(jìn)行成品性能測試。

2.4.1 物理性能

試驗成品輪胎物理性能測試結(jié)果見表5。從表5可以看出，試驗成品輪胎的各項物理性能良好，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 試驗成品輪胎的物理性能測試結(jié)果

2.4.2 實際路試

將試驗輪胎和正常生產(chǎn)輪胎發(fā)往內(nèi)蒙古某煤礦進(jìn)行裝車試驗（試驗輪胎和正常生產(chǎn)輪胎進(jìn)行同軸并裝）。結(jié)果表明，正常生產(chǎn)輪胎累計使用了6個月，試驗輪胎累計使用了7個月，兩者使用過程中均無其他異常情況。試驗輪胎使用壽命較正常生產(chǎn)輪胎延長了16.7%，效果顯著。

正常生產(chǎn)輪胎和試驗輪胎在使用過程中行駛面情況如圖1所示。

圖1 正常生產(chǎn)輪胎和試驗輪胎在使用過程中行駛面

3 結(jié)論

在礦用斜交輪胎胎面膠中添加1～3份碳納米管后，膠料的門尼粘度增大，F(xiàn)max略有提高，硫化速率變化不大，加工性能基本不變；硫化膠的硬度、300%定伸應(yīng)力、拉伸強度、撕裂強度、耐磨性能和抗切割性能均提高；在礦用斜交輪胎胎面膠中添加2份碳納米管時，成品輪胎的物理性能改善，實際使用壽命大幅延長。