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碳纳米管在越野子午线轮胎胎面胶中的应用

2018-07-21苏长艳车永兴

橡胶科技 2018年12期
关键词:物理性能胎面胶料

苏长艳,车永兴

(1.三橡股份有限公司,辽宁 沈阳 110144;2.中国橡胶工业协会,北京 100107)

碳纳米管又称巴基管,1991年在日本正式被发现,分多壁碳纳米管和单壁碳纳米管两种。由于碳纳米管中碳原子主要为杂化碳原子,使碳纳米管具有高模量和高强度[1]。碳纳米管的力学性能十分突出,理论计算表明,其抗拉强度达到50~200 GPa,是钢的100倍,但是其密度却只有钢的1/6。碳纳米管的结构是比较完整的碳网格,且缺陷很少。理论计算表明,碳纳米管的弹性模量与其直径和螺旋角无关,弹性模量和剪切模量与金刚石相当。由于碳纳米管具有较大的长径比,较低的密度,很高的轴向强度和刚度,因此被看作理想的复合材料增强相。优良的力学性能使得碳纳米管具有广阔的应用前景[2]。

车辆行驶时轮胎胎面与地面直接接触,由于具有越野功能的车辆经常在地形复杂的路况行驶,这就对其轮胎性能,尤其是胎面胶的耐磨性能和抗刺扎性能提出了更加苛刻的要求[3-4]。

为进一步提高越野子午线轮胎胎面胶的性能,本工作研究碳纳米管对其胎面胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶(NR),SCR5,海南琼岛橡胶有限公司产品;炭黑N115,大石桥辽滨炭黑有限公司产品;碳纳米管,山东大展纳米材料有限公司产品。

1.2 配方

NR 100,炭黑N115 40,白炭黑 12,氧化锌 3.5,硬脂酸 2,偶联剂TESPT 3,防老剂4020 2,防护蜡 1,防老剂RD 1.5,芳烃油 5,防焦剂CTP 0.2,硫黄 1,促进剂TBBS 1.5,碳纳米管 变量。

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机,上海科达橡塑机械公司产品;XM-160型密炼机,软控股份有限公司产品;QLB350×350×2型25 t平板硫化机,上海第一橡胶机械厂有限公司产品;MV2-90E型门尼粘度仪,无锡蠡园电子化工设备有限公司产品;MD-3000AS型无转子硫化仪、GT-AI-7000S型电子拉力机、RH-2000型压缩生热试验机和GT-7012-A型阿克隆磨耗机,高铁检测仪器(东莞)有限公司产品;热空气老化试验箱,大连试验设备厂产品;LX-A型橡胶硬度计,上海险峰电影机械厂产品;轮胎耐久试验机,青岛高校测控技术有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 小配合试验

先将NR在开炼机上塑炼,再加入碳纳米管制成母胶,待母胶包辊后依次加入氧化锌、硬脂酸、防老剂等小料,待混合均匀后加入炭黑和白炭黑,左右各割胶3次,混炼均匀,加入芳烃油,左右割胶3次,混炼均匀,加入硫黄、促进剂、防焦剂,待混炼均匀后将辊距调至1 mm,薄通6次,打三角包,下片,停放8 h,制片硫化。

1.4.2 大配合试验

胶料采用两段混炼工艺进行混炼。一段混炼在密炼机中进行,转子转速为40 r·min-1,混炼工艺为:NR塑炼胶(含碳纳米管)、小料→压压砣→提压砣→炭黑和白炭黑→压压砣(40 s)→提压砣→芳烃油→压压砣(40 s)→提压砣→压压砣→排胶(160℃);二段混炼也在密炼机中进行,转子转速为20 r·min-1,混炼工艺为:一段混炼胶、硫黄、促进剂、防焦剂→压压砣(30 s)→提压砣→压压砣(30 s)→提压砣→排胶(105 ℃)。

1.5 性能测试

耐臭氧老化性能按照GB/T 7762—2014《硫化橡胶或热塑性橡胶 耐臭氧龟裂 静态拉伸试验》进行测试。温度为40 ℃,时间为72 h,臭氧体积分数为5×10-7,湿度为65%,试样伸长率为20%。

成品耐久性能按照GB/T 4501—2016《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行测试。试验温度为28~30 ℃,速度为48 km·h-1,充气压力为750 kPa,额定负荷为1 850 kg,达到47 h后,以每小时增加10%负荷继续进行试验,持续行驶直至轮胎损坏,测试时间至少达到77 h。

胶料其他性能按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

碳纳米管的理化性能见表1。

从表1可以看出,碳纳米管的各项理化性能均达到企业标准。

表1 碳纳米管的理化性能

2.2 小配合试验

2.2.1 门尼粘度和硫化特性

碳纳米管用量对胶料门尼粘度和硫化特性的影响如表2所示。

表2 碳纳米管用量对胶料门尼粘度和硫化特性的影响

由表2可以看出:随着碳纳米管用量增大,胶料的门尼粘度增大,加工性能变差;FL提高,表明胶料的初始粘度变大,这与门尼粘度的变化趋势一致;Fmax和Fmax-FL提高,表明胶料的交联密度增大;ts1和t90缩短,表明碳纳米管能够加快胶料的硫化速度。

2.2.2 物理性能

碳纳米管用量对胶料物理性能的影响见表3。

表3 碳纳米管用量对胶料物理性能的影响

由表3可以看出:随着碳纳米管用量增大,胶料的硬度和300%定伸应力均呈提高趋势;拉伸强度和撕裂强度先提高后降低,碳纳米管用量为1份时,胶料的拉伸强度和撕裂强度最高;碳纳米管用量小于3份时,胶料的拉断伸长率略有提高,当碳纳米管用量大于3份时,胶料的拉断伸长率显著降低。综合来看,当碳纳米管用量为1份时,胶料的物理性能较好。

2.2.3 耐老化性能

碳纳米管用量对胶料耐老化性能的影响见表4。

热氧老化可导致高分子材料分子链断裂、交联以及化学结构或侧链发生变化等。由表4可以看出,热空气老化后,加入与未加入碳纳米管的胶料硬度和300%定伸应力提高,拉伸强度和拉断伸长率降低,拉伸强度保持率和拉断伸长率保持率没有明显差别,这表明碳纳米管的加入对胶料的耐热空气老化性能没有明显影响。

表4 碳纳米管用量对胶料耐老化性能的影响

臭氧老化对高分子材料的影响不容忽视,主要表现为发生臭氧龟裂,尤其对于胎面胶而言,产生龟裂后将严重影响耐磨性能。由表4可见,加入与未加入碳纳米管的胶料臭氧老化后没有出现裂纹,表明碳纳米管对胶料的耐臭氧老化性能影响不大。

2.2.4 耐磨性能和生热

碳纳米管用量对胶料耐磨性能和生热的影响见表5。

表5 碳纳米管用量对胶料耐磨性能和生热的影响

从表5可以看出:随着碳纳米管用量增大,胶料的阿克隆磨耗量先减小后增大,胶料的生热提高;碳纳米管用量为1份的胶料耐磨性能最好,生热较低。

2.3 大配合试验

为进一步验证碳纳米管的实际使用效果,选用碳纳米管用量为1份的试验配方进行大配合试验,并与生产配方(未加碳纳米管的配方)进行对比,结果见表6。

从表6可以看出:与生产配方胶料相比,试验配方胶料的FL和Fmax相差不大,ts1和t90略有缩短;硬度、300%定伸应力和拉伸强度提高,拉断伸长率和拉断永久变形略有降低,撕裂强度提高显著;热空气老化后强伸性能仍较好,拉断永久变形仍较小。大配合试验与小配合试验结果趋势一致。

表6 大配合试验结果

2.4 成品性能

采用试验配方与生产配方胶料各生产一条14.00R20越野子午线轮胎,成型工艺和硫化工艺均与正常生产工艺相同,并分别对成品轮胎的胎面胶性能和耐久性能进行测试。

2.4.1 物理性能

胎面胶的物理性能见表7。

由表7可知,与生产轮胎胎面胶相比,试验轮胎胎面胶的硬度、300%定伸应力和拉伸强度均略高,拉断永久变形较小,物理性能优异。

表7 成品轮胎胎面胶物理性能

2.4.2 耐久性能

成品轮胎的耐久性能试验结果如表8所示。

从表8可以看出,与生产轮胎相比,试验轮胎的耐久性能较好。

表8 成品轮胎的耐久性能试验结果

3 结论

(1)随着碳纳米管用量增大,胶料的ts1和t90略有缩短,硬度、300%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度提高;碳纳米管用量为1份的胶料物理性能最好。

(2)随着碳纳米管用量增大,胶料耐热空气老化和耐臭氧老化性能没有明显变化,生热提高,碳纳米管用量为1份的胶料具有较好的耐磨性能和较低的生热。

(3)采用添加1份碳纳米管的胎面胶制备的越野子午线轮胎耐久性能较好。

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