芳綸短纖維在泥地輪胎胎面膠中的應用

張 勇，董 康，徐 偉，馬 潔，劉文國

（青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400）

當輪胎胎面反復沖擊尖銳物體且承載壓力集中于胎面時，輪胎受到過高沖擊力導致胎面被切割、刺扎[1]。由于垂直切割方向存在牽引力、剎車力和其他作用力，胎面會發生撕裂，形成碎屑脫落，因此要求胎面膠具有優異的抗刺扎性能、抗裂口增長性能以及較小的滯后損失和較低的生熱等[2]。芳綸短纖維具有高模量、高強度以及優異的耐高溫性能、抗切割性能和耐化學腐蝕性能，采用預分散芳綸短纖維可以提高泥地輪胎胎面膠的抗切割、抗刺扎和抗撕裂性能[3-6]。

本工作研究芳綸短纖維在半鋼泥地輪胎胎面膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1723，充油量為37.5份，申華化學工業有限公司產品；炭黑N234，上?？ú┨鼗び邢薰井a品；白炭黑LK975GR，青州聯科化工有限公司產品；預分散芳綸短纖維，牌號P91-40/NR，德國萊茵化學公司產品。

1.2 試驗配方

試驗配方見表1。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

BB-L1600IM型1.8 L密煉機，日本神戶制鋼公司產品；XM370和XM270型剪切型密煉機，大連橡膠塑料機械有限公司產品；XLB-D500×500×2型平板硫化機，湖州東方機械有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀、MV型門尼粘度儀和MDR型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；5965型拉力機，美國英斯特朗公司產品；GT-7012-D型DIN磨耗試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；RCC-I型橡膠動態耐切割試驗機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品；Digi Test Ⅱ型高低溫回彈試驗機，德國博銳公司產品；邵氏A型硬度計，英國華萊士公司產品；RLH-225型換氣老化箱，無錫蘇南試驗設備有限公司產品；高速耐久試驗機床，天津久榮工業技術有限公司產品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗

膠料分兩段混煉，均在1.8 L密煉機中進行。一段混煉溫度為150～160 ℃，轉子轉速為90 r·min-1，混煉工藝為：生膠→壓壓砣45 s→炭黑、白炭黑、芳綸短纖維、氧化鋅和硬脂酸→壓壓砣60 s→剩余小料→壓壓砣40 s→提壓砣→壓壓砣至155 ℃排膠，在開煉機上下片，停放4 h。二段混煉溫度為100～110 ℃，轉子轉速為40 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣20 s→硫黃和促進劑→壓壓砣35 s→提壓砣→壓壓砣至105 ℃排膠，在開煉機上下片。

1.4.2 大配合試驗

膠料分兩段混煉。一段混煉在XM370型密煉機中進行，轉子轉速為45 r·min-1，混煉工藝為：生膠→壓壓砣30 s→炭黑、白炭黑、芳綸短纖維、氧化鋅、硬脂酸和其他小料→壓壓砣40 s→提壓砣→壓壓砣40 s→提壓砣→壓壓砣至155 ℃排膠，在開煉機上下片，停放4 h。二段混煉在XM270型密煉機中進行，混煉溫度為100～110 ℃，轉子轉速為20 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣20 s→硫黃和促進劑→壓壓砣35 s→提壓砣→壓壓砣至105 ℃排膠，在開煉機上下片。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按相應國家標準或企業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 小配合試驗

2.1.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性如表2所示。

表2 小配合試驗膠料的硫化特性

從表2可以看出：隨著芳綸短纖維用量的增大，膠料的門尼粘度和FL略有減小，流動性有所提高，且FL時的損耗因子（tanδFL）略有減小，說明未硫化膠在加工過程中對形變的恢復能力有所提高；門尼焦燒時間和ts2稍有延長，加工安全性略有提高；t90稍有延長，最大硫化速率略有減小，且最大硫化速率出現的時間變化不大；Fmax呈減小趨勢，說明在161 ℃、7%應變下，1份芳綸短纖維對提高膠料轉矩的影響不及1份炭黑N234，但從Fmax時的損耗因子呈減小趨勢來看，在161 ℃、7%應變下，可粗略預測膠料的滯后損失略有減小，生熱降低；tR3和tR5呈縮短趨勢，抗硫化返原性能略有下降。綜上可知，芳綸短纖維對膠料硫化特性略有影響。

2.1.2 物理性能

小配合試驗硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 小配合試驗硫化膠的物理性能

從表3可以看出：添加芳綸短纖維的硫化膠硬度與未添加芳綸短纖維的硫化膠相當；隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的100%定伸應力明顯增大，但增幅略有下降；300%定伸應力呈增大趨勢；拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度與芳綸短纖維用量無明顯相關性，但與未添加芳綸短纖維的硫化膠相比，添加芳綸短纖維的硫化膠的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均略有減??；回彈值略有增大，DIN耐磨指數與芳綸短纖維用量無明顯相關性。

2.1.3 耐老化性能

小配合試驗硫化膠的耐老化性能如表4所示。

表4 小配合試驗硫化膠的耐老化性能

從表4可以看出：老化后硫化膠的硬度、100%定伸應力、300%定伸應力和回彈值增大，拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度減小，耐磨性能下降；隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的硬度變化、拉伸強度變化率、拉斷伸長率變化率、撕裂強度變化率、回彈值變化率和DIN磨耗指數變化率無明顯變化規律；100%定伸應力變化率和300%定伸應力變化率先減小后增大。

2.1.4 動態力學性能

小配合試驗硫化膠的溫度掃描結果如表5所示。

表5 小配合試驗硫化膠的溫度掃描結果

從表5可以看出：在40～120 ℃溫度范圍內，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的tanδ呈減小或先減小后略有增大變化趨勢；小應變（1.4%）下硫化膠的儲能模量明顯減小。

小配合試驗硫化膠的頻率掃描結果如表6所示。

表6 小配合試驗硫化膠的頻率掃描結果

從表6可以看出：在0.1～30 Hz頻率范圍內，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的tanδ呈先減小后略有增大變化趨勢；小應變（1.4%）下硫化膠的儲能模量明顯減小。

小配合試驗硫化膠的動態剪切生熱如表7所示。

表7 小配合試驗硫化膠的動態剪切生熱 ℃

從表7可以看出，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的溫升先降低后略有升高。

小配合試驗硫化膠的耐動態老化性能如表8所示。

從表8可以看出，芳綸短纖維用量與膠料的耐動態老化性能無明顯相關性。

小配合試驗硫化膠的動態切割損失體積如表9所示。

表9 小配合試驗硫化膠的動態切割損失體積

由表9可見，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的抗動態切割性能先提高后降低，當芳綸短纖維用量為3份時，硫化膠的抗動態切割性能最佳。

2.2 大配合試驗

2.2.1 硫化特性

大配合試驗膠料的硫化特性如表10所示。

表10 大配合試驗膠料的硫化特性

從表10可以看出：隨著芳綸短纖維用量的增大，膠料的門尼粘度、FL和Fmax略有減??；ts2，t10，t50和t90略有延長；tR3和tR5縮短；tanδFmax明顯減小，這說明膠料在形變小于7%的定形變下，生熱隨芳綸短纖維用量增大而減小。

總體來看，相較于小配合試驗膠料，大配合試驗膠料的各項數據均略有增大，這主要是因為大配合試驗混煉階段的密煉設備和工藝對橡膠大分子鏈的剪切程度以及填料和配合劑的分散程度的作用較小配合試驗稍弱；大配合試驗膠料的各項性能整體變化趨勢均與小配合試驗膠料一致。

2.2.2 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能如表11所示。

表11 大配合試驗硫化膠的物理性能

從表11可以看出，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的硬度略有減小；100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率、DIN耐磨指數的變化與芳綸短纖維用量無明顯相關性；回彈值略有增大；撕裂強度先增大后減小（當芳綸短纖維用量為3份時最大），這表明添加3份芳綸短纖維的硫化膠抗損壞和抗撕裂性能最佳。

2.2.3 耐老化性能

大配合試驗硫化膠的耐老化性能如表12所示。

表12 大配合試驗硫化膠的耐老化性能

從表12可以看出：老化后硫化膠的硬度、100%定伸應力、300%定伸應力和回彈值增大，拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度減小，耐磨性能下降；隨著芳綸短纖維用量增大，硫化膠的硬度變化、拉伸強度變化率、拉斷伸長率變化率、回彈值變化率和DIN耐磨指數變化率無明顯變化規律；撕裂強度變化率減小。

與小配合試驗硫化膠相比，大配合試驗硫化膠老化前后的各項物理性能變化趨勢相似，均無明顯規律，這主要是因為混煉工藝和設備對膠料物理性能的影響因素較復雜?？傮w而言，當芳綸短纖維用量不超過3份時，大配合試驗硫化膠老化前后的撕裂強度隨芳綸短纖維用量增大而增大，這說明膠料的抗損壞和抗撕裂性能提高。

2.2.4 動態力學性能

大配合試驗硫化膠的溫度掃描結果如表13所示。

表13 大配合試驗硫化膠的溫度掃描結果

從表13可以看出：在40～120 ℃溫度范圍內，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的tanδ先減小后增大，當芳綸短纖維用量為4份時，tanδ有所增大；小應變（1.4%）下硫化膠的儲能模量減小。

大配合試驗硫化膠的頻率掃描結果如表14所示。

表14 大配合試驗硫化膠的頻率掃描結果

從表14可以看出：在0.1～30 Hz頻率范圍內，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的tanδ先減小后增大，當芳綸短纖維用量為4份時，tanδ有所增大；小應變（1.4%）下硫化膠的儲能模量減小。

大配合試驗硫化膠的動態剪切生熱見表15。

表15 大配合試驗硫化膠的動態剪切生熱 ℃

從表15可以看出，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的溫升先降低后升高（當芳綸短纖維用量為3份時最小）。

與小配合試驗硫化膠相比，大配合試驗硫化膠的儲能模量和tanδ較大，且在大形變下的動態剪切溫升較高，這可能是因為大配合試驗膠料中填料的分散程度弱于小配合試驗膠料，即Payne效應強于小配合試驗膠料；隨著芳綸短纖維用量的增大，大配合試驗硫化膠的動態剪切性能變化趨勢與小配合試驗硫化膠基本一致。

大配合試驗硫化膠的動態切割損失體積如表16所示。

表16 大配合試驗硫化膠的動態切割損失體積

從表16可以看出，隨著芳綸短纖維用量的增大，硫化膠的抗動態切割性能明顯提高，且當芳綸短纖維用量為3份時達到最佳，這與小配合試驗硫化膠的測試結果一致。

2.3 成品輪胎耐久性能

采用大配合試驗膠料試制33×12.50R20泥地輪胎，并分別進行4組室內耐久性測試，結果如表17所示。

表17 成品輪胎的耐久性能

從表17可以看出，隨著芳綸短纖維用量的增大，成品輪胎的耐久性能明顯提高，這與硫化膠的動態生熱性能變化趨勢基本一致，這可能是由于硫化膠的動態生熱隨芳綸短纖維用量增大而降低，因此成品輪胎在耐久性測試過程中胎冠部位的溫升降低，耐久性能提高。

3 結論

與未添加芳綸短纖維的膠料相比，添加芳綸短纖維的膠料焦燒時間和正硫化時間略有延長，硫化返原時間呈縮短趨勢；硫化膠的抗切割和抗刺扎性能明顯提高，tanδ減小，剪切溫升明顯降低，當芳綸短纖維用量為3份時性能最佳；成品輪胎的耐久性能隨著芳綸短纖維用量增大而提高，且與膠料的動態生熱性能變化趨勢具有密切相關性。致謝：本工作得到青島雙星輪胎工業有限公司檢測中心的大力協助，在此表示感謝！