鈉基蒙脫土對工程機械輪胎胎面膠性能的影響

張清玉，李遵陜

（1.浙江勵德有機硅材料有限公司，浙江 杭州 311600；2.新安化工集團股份有限公司，浙江 杭州 311607）

輪胎使用壽命除了與其自身性能有關，與路況、氣候條件和車輛載荷等也有密切的關系。工程機械輪胎使用條件比較苛刻，路面崎嶇不平或有尖銳石子都容易劃傷輪胎胎面；工程車輛一般需要通宵作業，晝夜溫差大，載荷大，輪胎長期處于重壓下[1]，嚴重影響輪胎的壽命。

粘土因其獨特的片層結構而具有阻礙裂紋擴展和耐熱氧老化性能好的優點[2]。何少劍等[3]在工程機械輪胎胎面膠中加入粘土納米復合材料，提高了胎面膠的定伸應力和撕裂強度。霍柱輝[4]在挖掘機輪胎胎面膠中添加少量粘土/天然橡膠（NR）復合材料，膠料的拉伸性能，尤其是抗切割和抗崩花性能提高。

鈉基蒙脫土吸水性強，吸水后膨脹率大，陽離子交換容量大，且在溫度較高的條件下，仍能保持其特性，膠體懸浮液的pH值和粘度較大，觸變性和熱穩定性較好。本工作將鈉基蒙脫土用于工程機械輪胎胎面膠中，研究其對膠料性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然膠乳（NRL），固形物質量分數為0.618；NR，1#標準膠，泰國產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1502，中國石油吉林化學工業公司產品；炭黑N330，天津海豚炭黑廠產品；鈉基蒙脫土，牌號CEC-78，杭州臨安黑川膨潤土有限公司產品。

1.2 配方

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

XK160×320型兩輥開煉機，廣東湛江橡塑機械廠產品；P3555B2型盤式硫化儀，北京環峰機械制造廠產品；XQLB-350×350型平板硫化機，上海橡膠機械制造廠產品；XSH型邵氏硬度計，北京沃威科技有限公司產品；CMT4104型萬能拉力試驗機，江蘇巨邦機械制造有限公司產品；MH-74型阿克隆磨耗試驗機，長沙儀表機床廠產品；DF205型電熱鼓風干燥箱，北京京通儀器廠產品；JEM-3010型透射電子顯微鏡（TEM），日本日立公司產品。

1.4 試樣制備

為了避免機械共混法混煉不均導致鈉基蒙脫土在橡膠基體中出現團聚、結塊的現象，先采用乳液共沉法[5]制備鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠，再在開煉機上混煉。

將一定量的鈉基蒙脫土與去離子水混合，強力攪拌6～8 h，靜置至少24 h后進行雜質處理，配制成固形物質量分數為0.02的鈉基蒙脫土懸浮液；量取天然膠乳，加入鈉基蒙脫土懸浮液和雙親性高分子界面劑（界面劑/鈉基蒙脫土質量比為5∶10），用攪拌機（轉速500 r·min-1）攪拌20 min以上，加入絮凝劑（pH值為1左右的稀硫酸），將試樣放入干燥箱，在70 ℃下烘16 h至質量恒定，得到鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠。

在開煉機上將鈉基蒙脫土/NR橡膠納米復合母膠與NR和SBR混合均勻，加入炭黑混煉一定時間，然后加入其他配合劑，混煉均勻，下片，膠料停放2 h以上，在1.6 mm輥距下薄通數次，輥距調至2.0 mm，下片。

膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為150℃/15 MPa×t90。試樣停放16 h后進行性能測試。

1.5 性能測試

膠料性能按照相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠的TEM分析

鈉基蒙脫土在橡膠基體中的分布形態和分散均勻程度與膠料的性能等有直接的關系。采用比較直觀的TEM法觀察鈉基蒙脫土在橡膠基體中的分散狀態。

圖1為鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠的TEM照片，其中鈉基蒙脫土用量為4份，NR為80份，細長的黑線表示鈉基蒙脫土片層，淺色區域表示橡膠基體。

圖1 鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠的TEM照片

由圖1可以看出，采用乳液共沉法制備鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠，鈉基蒙脫土在橡膠基體中分散比較均勻。

2.2 鈉基蒙脫土用量對膠料性能的影響

2.2.1 硫化特性

鈉基蒙脫土用量對膠料硫化特性的影響如表2所示，其中硫化速率指數（Vc）＝100/（t90－t10）。

表2 鈉基蒙脫土用量對膠料硫化特性（150 ℃）的影響

從表2可以看出：與未添加鈉基蒙脫土的1#配方膠料相比，添加4份鈉基蒙脫土的2#配方膠料Fmax提高，ts1，t10，t90縮短，Vc增大，這說明鈉基蒙脫土在橡膠基體中達到納米級均勻分散，并且鈉基蒙脫土表面的活性基團參與了硫化反應，起到促進硫化的作用，提高了硫化速率；在鈉基蒙脫土和炭黑總用量相同的情況下，隨著鈉基蒙脫土用量的增大，FL變化不大，Fmax提高，t90逐漸縮短，Vc逐漸增大。

2.2.2 物理性能和耐熱老化性能

鈉基蒙脫土用量對硫化膠物理性能和耐熱老化性能的影響如表3所示。

表3 鈉基蒙脫土用量對硫化膠物理性能和耐熱老化性能的影響

從表3可以看出，與1#配方膠料相比，加入少量鈉基蒙脫土的2#—6#配方膠料的邵爾A型硬度、300%定伸應力、拉伸強度、撕裂強度均有一定程度的提高。分析原因，鈉基蒙脫土均勻分散在橡膠基體中且與橡膠的相容性非常好，鈉基蒙脫土片層與橡膠分子之間的結合力較強，從而形成比較穩定的網狀結構[6]，橡膠分子鏈的自由移動能力和變形能力受到牽制，使膠料的拉伸強度和撕裂強度明顯提高。加入少量鈉基蒙脫土后，膠料的拉斷伸長率雖然有所降低，但仍滿足胎面膠的性能指標要求。加入4份鈉基蒙脫土的3#配方膠料拉伸強度提高11.8%，撕裂強度提高33.3%，綜合性能較好。

從表3還可以看出：膠料100 ℃×48 h老化后的拉伸強度、拉斷伸長率以及拉斷永久變形均不同程度地降低，這是因為老化后橡膠大分子鏈會出現不同程度的斷裂，橡膠結構被嚴重破壞；加入少量鈉基蒙脫土的2#—6#配方膠料的耐老化性能明顯優于未添加鈉基蒙脫土的1#配方膠料；3#配方膠料老化后的綜合性能最佳，與1#配方膠料相比，3#配方膠料老化后的邵爾A型硬度提高5度，300%定伸應力提高了19.0%，拉伸強度提高了45.7%。這說明在3#配方膠料中，鈉基蒙脫土在橡膠基體中的分散均勻性和阻隔效果更好，有利于減緩膠料老化過程中熱量傳遞和分子鏈的降解進程，從而顯著提高耐熱氧老化性能。

2.2.3 耐磨性能

鈉基蒙脫土用量對硫化膠耐磨性能的影響如表4所示。

表4 鈉基蒙脫土用量對硫化膠耐磨性能的影響

從表4可以看出：與1#配方膠料相比，2#—6#配方膠料的阿克隆磨耗量明顯減小，其中3#配方膠料的阿克隆磨耗量最小，耐磨性能顯著提高；在鈉基蒙脫土和炭黑總用量相同的情況下，隨著鈉基蒙脫土用量的增大，膠料的阿克隆磨耗量呈減小趨勢。

在阿克隆磨耗試驗中，橡膠輪與砂輪摩擦產生磨粒磨損，膠料表面不斷受到摩擦、切割和扯斷作用從而脫落為微小的顆粒。膠料的強度越高，抵抗應力切割的能力越強，耐磨性能也越好。由于鈉基蒙脫土片層以納米級均勻分散在橡膠基體中，能夠與橡膠基體以較強的作用力結合在一起，橡膠分子鏈插入鈉基蒙脫土片層中，形成穩定的網狀交聯結構，能夠阻礙膠料裂紋的擴展，使膠料的硬度、定伸應力和撕裂強度明顯提高，摩擦系數減小，同時鈉基蒙脫土片層能夠吸收摩擦產生的熱量，膠料表面不易因摩擦破壞而脫落，磨耗量減小，耐磨性能提高。

3 結論

（1）采用乳液共沉法制備鈉基蒙脫土/NR納米復合母膠，鈉基蒙脫土在橡膠基體中分散比較均勻。

（2）與未添加鈉基蒙脫土的膠料相比，加入少量鈉基蒙脫土的膠料FL變化不大，Fmax提高，ts1，t10，t90縮短，硫化速率提高，硬度、300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度增大，耐熱老化性能提高，磨耗量明顯減小。

（3）以4份鈉基蒙脫土等量替代炭黑，膠料的磨耗量減小33.8%，綜合性能較好。