石墨烯導靜電輪胎性能研究

郭洪云，王福山，吳春艷

(青島華高墨烯科技股份有限公司，山東 青島 266106)

靜電[1]的產生與存在是一種存在于物體和人體上的客觀的自然現象。汽車行駛過程中內部零部件的摩擦，車體表面與干燥空氣摩擦，輪胎與路面間的摩擦都會產生靜電，短時間內會聚集大量的靜電，靜電聚集到一定程度會產生高電位差，瞬間放電，對易燃易爆品運輸車、裝有大量電子元器件的新能源汽車和無人駕駛汽車、搭載眾多高精密設備的軍警用特種車輛，導靜電功能尤為重要，高電位靜電能引起車輛自燃或爆燃，影響電子設備正常運行，導致車體失穩，造成生命安全及財產安全隱患。

目前汽車靜電的解決方法無法實現全時段、連續消除車體靜電，安全隱患依然存在。如拖曳式防靜電帶或防靜電鐵鏈，由于磨損或脫落都會造成導靜電的中斷，而且，金屬材料的防靜電帶和鐵鏈與地面摩擦會產生火花，存在引燃車載易燃易爆物品的隱患。輪胎是汽車與地面的唯一接觸零件，不管在汽車行進還是在停止過程中，都可以保持全時段接地，如果可以實現輪胎的導靜電功能，則可以徹底解決這一問題。

隨著石油燃料的枯竭和溫室效應的加劇，節約能源與保護環境越來越得到各國人民的關注，“綠色輪胎”的呼聲越來越高，一方面具有超低的滾動阻力，另一方面具有其他方面的高性能。而輪胎配方的“魔三角”效應一直制約著“綠色輪胎”的發展，“魔三角”效應是磨耗、濕滑、滾動阻力三者的平衡關系[2-7]，在傳統材料體系之下，強化其中之一，必然會導致其他一到兩項的下降，很難制造出各方面性能均突出的輪胎。

石墨烯是一種導電導熱性好、強度高的二維納米材料[8-9]，優異的導電性賦予輪胎導靜電功能，可實現汽車的全路況、全時段、連續、可靠導靜電，獨特的二維蜂巢狀結構對于橡膠的特殊補強作用會優化橡膠的整個填料網絡結構，改變橡膠形變過程中，分子鏈間的相對運動，影響輪胎性能。文中將橡膠輪胎復合石墨烯，對輪胎的導靜電性、抗濕滑性、耐磨性、滾動阻力性能進行測試與分析。

1 試驗

1.1 試驗原材料

輪胎配方中涉及到的所有原材料，由青島森麒麟輪胎股份有限公司提供；石墨烯(HG01S，層數3-5)，由青島華高墨烯科技股份有限公司提供。

1.2 主要儀器與設備

ZS-401CE雙滾筒混合機(開煉機)，東莞市卓勝機械設備有限公司；BP-8172-B密閉式密煉機，東莞市寶品精密儀器有限公司；、XLB-1400*3200硫化機、INJ-500(500 Ton)成型機、XJW-90擠出機，大連華韓橡塑機械有限公司；SS-766DIN 磨耗試驗機，東莞市松恕檢測儀器有限公司；WDW-100D電子萬能試驗機，山東億宸試驗儀器有限公司。

1.3 試驗配方

輪胎的胎面、胎側及子口部位復合石墨烯材料，石墨烯質量份分別為3.5、1和0.5，其他部位未復合石墨烯材料。胎面膠、胎側膠、子口膠及輪胎其他部位配方均采用青島森麒麟輪胎股份有限公司現有生產配方。

1.4 試樣制備

生產工藝采用通用輪胎生產工藝，具體工藝流程為密煉工藝-壓出工藝-壓延工藝-裁斷工藝-鋼絲圈纏繞-三角膠貼合-成型工藝-硫化工藝。

1.5 性能測試

1.5.1 導電性能測試

根據國標GB/T26277-2010測試，選取石墨烯導靜電輪胎245/45ZR18與同規格普通UHP輪胎進行對比測試，委托青島科標化工分析檢測有限公司(CNAS)進行對比測試。

圖1 導電性能實測圖

1.5.2 操穩及制動測試

選取石墨烯導靜電輪胎245/45ZR18與同規格普通UHP輪胎進行對比測試，委托安徽德技汽車檢測中心有限公司進行對比測試，主要測試項目有噪音、制動、操穩。

1.5.3 磨耗測試

磨耗測試由出租車輔助完成測試，選取出租車配套輪胎規格195/65R15LS388 91V。

分別選取8條石墨烯導靜電輪胎與8條對應規格的普通輪胎，裝配4輛出租車進行磨耗測試；測試同時進行，以防天氣等自然環境引起的磨耗影響；行駛路面包括市內水泥路、高速、沙石路以及石子路，每天約行駛200～300km；大約行駛里程每達到1萬公里時，進行一次測試，以此監控輪胎的磨耗情況。磨耗計算說明如下：

(1)每次測量時各花紋溝隔段取值4-5個后，計算平均值；

(2)整體取平均值后，與初始花紋溝深相減，得磨耗掉的毫米數；

(3)每次磨耗掉的毫米數與花紋溝總深度和安全深度之差相除，得到的百分比，即為磨耗百分比。

(4)行駛的里程除以相應的花紋溝深減少量，即為每毫米磨耗量。

1.5.4 滾阻測試

選取石墨烯導靜電輪胎195/65R15和同規格普通輪胎，委托國家橡膠輪胎質量監督檢驗中心(北京橡膠工業研究設計院)進行輪胎滾動阻力測試。

2 結果與討論

2.1 導靜電

圖2 石墨烯導靜電輪胎導靜電機理示意圖

由于石墨烯比表面積大，片層薄，粒徑小，在橡膠中分散可實現彼此連接，構成電子遷移通路，因此表現出突出的導電性及散熱性。車體靜電電荷通過子口與金屬輪轂嵌合，通過胎側、胎面接地全時段、連續、可靠導出車體靜電，杜絕靜電災害。

2.2 導電性能分析

測試結果顯示，石墨烯導靜電輪胎的電阻值為1.0×105Ω，而未復合石墨烯材料的對比輪胎電阻值為∞，石墨烯導靜電輪胎能夠安全的釋放電荷，具備了良好的導靜電性能。

2.3 操穩及制動性能分析

測試結果顯示，石墨烯導靜電輪胎在保持噪音不變，干/濕地操穩及干地制動性能(縮短0.18m)提高的條件下，其濕地制動性能大幅提高，縮短1.82m。

分析原因，一方面可能是石墨烯片層納米材料的加入，提高了膠質的致密性，與形成水膜的路面之間引力作用增強，提高了慣性力化解效果；另一方面可能是由于石墨烯自身的高強度，微觀硬粒子作用使得其胎面膠料在制動過程中能夠刺破水膜，抗濕滑性能由此增強。

表2 石墨烯導靜電輪胎245/45ZR18測試結果

2.4 磨耗性能分析

4輛出租車的行駛里程達均到5萬公里左右，對兩種輪胎的耐磨性能進行分析，如圖3所示。根據磨耗趨勢圖，擬合出相應的磨耗曲線，最終得出一個磨耗數據(每毫米磨耗量)以評價輪胎的耐磨性，如表3所示。由最終的擬合數據可以看出，石墨烯導靜電輪胎的耐磨性沒有比普通輪胎差，反而略優于普通輪胎。

圖3 磨耗趨勢圖

表3 普通輪胎/石墨烯導靜電輪胎耐磨性計算結果

2.5 滾阻性能分析

測試結果顯示，同規格石墨烯導靜電輪胎相較于普通輪胎，滾阻系數降低7.39%，說明石墨烯的應用，對輪胎的滾動阻力起到了極大的降低作用，分析原因，可能是由于石墨烯復合材料的應用，使得整個輪胎的剛性得到提高(模量提高)，同等外力作用下，形變量減小，從而降低了輪胎內耗，表現在宏觀上，輪胎的滾動阻力降低，從而油耗因此降低。檢測結果如表4。

表4 195/65R15滾阻測試結果

3 結論

(1)石墨烯優異的導電性能，使石墨烯導靜電輪胎的電阻值達到1.0×105Ω，能夠安全的釋放電荷，具備良好的導靜電電性能。

(2)石墨烯的高強度和高比表面積，使抗濕滑性能大幅提高。

(3)石墨烯自身的高強度，其耐撕裂性，韌度增強，保證了輪胎的耐磨性。

(4)石墨烯獨特的二維蜂巢狀結構，優化了橡膠大分子網絡結構與填料網絡結構，使復合膠料的網絡結構更加均一密實，在一定外力形變下，膠料的滯后程度降低，從而內部耗能減少，滾動阻力減小。

總之，石墨烯導靜電輪胎在實現良好的導靜電性能，保證其耐磨性不降低的前提條件下，其低滾阻和抗濕滑性能大大提高，打破了“魔三角”效應。