碳纤维增强体对工程车辆翻新轮胎胎面橡胶的性能影响

王 强，齐英杰

(东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

碳纤维作为一种高性能纤维材料，具有高比模量、高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗辐射、导电、传热、减震和降噪等一系列优异性能，在先进复合材料的增强体中占据越来越重要的位置，被誉为21世纪最有生命力的新型材料.碳纤维通常不直接使用，大多是在复合材料中作增强材料.碳纤维可用来增强树脂、陶瓷、水泥、橡胶和金属等材料［1］.近年来，碳纤维增强高性能橡胶基复合材料的开发成为研究热点之一.张华知等［2］进行了螺旋纳米碳纤维对天然橡胶补强性能的研究，结果表明:螺旋纳米碳纤维与天然橡胶的结合胶质量分数较高，对橡胶具有较好的补强作用.陶慧等［3］进行了碳纤维的表面改性对导热顺丁橡胶性能的影响研究，结果表明经过高温氧化后的碳纤维填充橡胶复合材料的力学性能大大提高.大量文献资料表明:碳纤维增强橡胶复合材料的性能显著优于纯橡胶制品，但对碳纤维增强翻新轮胎胎面橡胶的性能研究，国内外目前未见成果发表.近年来，我国工程车辆轮胎翻新行业发展极其迅速，然而轮胎翻新质量参差不齐，且工程车辆翻新轮胎的工作环境比较苛刻，经常在路况较差的工矿区或山地上行驶，在作业过程中经常出现胎面橡胶崩花掉块、易被刺扎和磨耗快等问题，使用寿命低［4］.为了有效解决上述问题，笔者将碳纤维材料作为增强体，工程车辆翻新轮胎胎面橡胶材料作为基体，在胎面胶料中添加适当长度及适当质量分数的碳纤维，制备碳纤维/胎面橡胶复合材料，通过分析碳纤维与胎面橡胶界面的黏合状态及进行性能对比试验，研究碳纤维的不同长度规格、不同用量，对工程车辆翻新轮胎胎面橡胶材料性能影响规律，将碳纤维的刚性和橡胶胶料的柔性有机结合在一起，使其形成能够承受外力载荷的整体，使复合胎面既保持橡胶独特的高弹性，又显著提高复合胎面橡胶的物理机械性能.

1 试验部分

1.1 碳纤维增强工程车辆翻新轮胎胎面配方设计

纤维增强工程车辆翻新轮胎胎面配方组成［5-7］为:各配方组成按质量份计算，天然橡胶/丁苯橡胶质量份比例为65:35;白炭黑质量份为10.0;炭黑N231质量份为40.0;硬脂酸质量份为2.0;氧化锌ZnO质量份为5.0;防老剂WH-02质量份为2.0;助剂HNZ质量份为1.6;WK-901质量份为1.5;芳烃油X-140质量份为3.0;防臭氧蜡质量份为0.4;促进剂NS质量份为1.6;增黏剂C501质量份为2.0;碳纤维由南京纬达复合材料有限公司生产，长度分别为4，6，10 mm 3种不同规格，每种规格下其添加的质量份分别为3.5，7.1，12.7，18.9.为了后续不同含量下碳纤维的性能对比试验研究，碳纤维的质量份对应的质量分数分别为2%，4%，7%，10%.

1.2 碳纤维与翻新轮胎胎面橡胶复合的混炼工艺

碳纤维以5%环氧异氰酸酯的甲苯溶液浸渍，在200℃条件下干燥1 min，再用10%的橡胶糊进行涂层，并在160℃下干燥2 min，然后在110℃左右与加入增黏剂C501的胎面橡胶混炼.混炼操作在19.98 cm的双辊密炼机上进行，转子的转速为40 r·min-1，首先将生橡胶加入密炼机中塑炼4 min，然后加入包括短碳纤维的其他配合剂再混炼15 min，当混炼胶温度降至约60℃，压延成2～4 mm厚薄片，然后下片在25 t电热平板硫化机上硫化20 min，硫化温度为140℃，硫化压力为5 MPa，硫化深度应保证胎面中部达到正硫化点，其制备工艺流程如图1所示［8-10］.

图1 碳纤维增强胎面橡胶制备工艺流程

1.3 性能测试设备及标准

拉伸试验使用TH-5000系列电子万能试验机，按照GB/T 528—2009和 GB/T 529—2008标准测试;硬度试验使用LX-A邵尔硬度计，按照JJG 304—89标准测试;磨耗指数试验使用TH-7041阿克隆磨耗机，按照GB/T 1689标准测试;回弹性试验使用 TH-7044冲击弹性试验机，按照 GB/T 1681—2009标准进行测试.每个样品均测定3次取平均值.

2 试验结果与分析

2.1 碳纤维与胎面橡胶界面黏合状态分析

利用扫描电镜将碳纤维与胎面橡胶结合界面放大200倍，如图2所示.

图2 显微镜下碳纤维与胎面橡胶黏合状态

观察结果表明:部分碳纤维在剧烈的混炼中变短，甚至被破碎，但碳纤维的结构形态基本上保持不变，在橡胶胶料基体中分散基本均匀，二者界面的黏合状态较好，碳纤维发挥了一定的增强作用.分析其原因:添加的增黏剂C501与橡胶基体的溶解度参数相近，在适当的混炼转速、混炼温度及混炼时间条件下，充满碳纤维的内部空隙以及碳纤维与橡胶胶料之间的空隙，在碳纤维与橡胶基体间架起了“桥梁”作用，同时，碳纤维经过5%聚二苯基甲烷二异氰酸酯的甲苯溶液浸渍后，其表面活性官能团增多，在增黏剂C501的促进下，与橡胶基体快速黏结并缠绕，由于应力的作用，橡胶和增黏剂C501大分子产生形变，引发裂解，在生成大分子自由基的同时，产生自身力活化效应，这种效应会加速橡胶基体、增黏剂和碳纤维三者之间的交联反应，会大大提高碳纤维与胎面橡胶的黏合强度.

2.2 性能测试结果分析

长分别为4，6，10 mm的碳纤维增强胎面分别用4#试样、6#试样及10#试样代表.

1)碳纤维在质量分数分别为2%，4%，7%，10%时的抗拉强度及撕裂强度如图3，4所示.

图3 碳纤维不同质量分数下的抗拉强度

图4 碳纤维不同质量分数下的撕裂强度

从图3，4可以看出:4#试样、6#试样及 10#号试样随着碳纤维质量分数的增加其抗拉强度和撕裂强度均出现了先增大后减小的趋势，其先增大再减小的转折点基本位于碳纤维质量分数7%的位置.考察抗拉强度:其中4#试样，当碳纤维质量分数由2%增加到10%，其抗拉强度从17.12 MPa增至29.45 MPa，并未出现下降趋势;6#试样和10#试样，当碳纤维质量分数由2%增加到7%，其抗拉强度约从18.36 MPa增至36.16 MPa，随后当碳纤维质量分数由7%增加到10%时，其6#试样的抗拉强度约从36.16 MPa下降到34.28 MPa，而10#试样的抗拉强度约从36.12 MPa下降到32.13 MPa，下降幅度较大.考察撕裂强度:4#试样，当碳纤维质量分数由2%增加到7%，其撕裂强度从44.83 kN·m-1增至53.25 kN·m-1，然后再下降到 51.95 kN·m-1，6#试样和10#试样撕裂强度分别从44.26 kN·m-1增至56.13 kN·m-1，从44.45 kN·m-1增至54.56 kN·m-1，然后分别下降到55.28 kN·m-1和52.65 kN·m-1，其下降幅度不是很大.以上说明，不同长度的碳纤维增强体、不同质量分数时，对胎面橡胶抗拉强度和撕裂强度的影响程度是不同的，其中6#试样在碳纤维质量分数为7%时，其抗拉强度和撕裂强度均达到了1个较大值.分析其原因:碳纤维在橡胶基体中处于分散状态，当质量分数较低时，橡胶处于受力的主导地位.当碳纤维质量分数逐渐增加时，碳纤维相互搭接在一起，形成“加强筋”的骨架结构，对橡胶高分子起到了很好的阻碍作用，其橡胶的受力主导地位开始向碳纤维转移，并且在碳纤维骨架的两端与橡胶结合的部位产生应力集中区，碳纤维质量分数越高，其应力集中的重叠区域越大.因此，试样受到拉伸和撕裂时，容易在碳纤维与橡胶形成的应力集中部位引发破坏，导致拉伸强度和撕裂强度下降.此外，相互搭接的碳纤维数目越多，其整体与橡胶的黏结力越为削弱，同样会导致抗拉强度及撕裂强度会有所下降.

2)碳纤维在质量分数分别为2%，4%，7%，10%时的弹性模量及拉断伸长率如图5，6所示.

图5 碳纤维不同质量分数下的弹性模量

图6 碳纤维不同质量分数下的拉断伸长率

从图5，6可以看出:4#试样、6#试样及 10#试样都随着碳纤维质量分数的增加其弹性模量增加，增大趋势非常明显，碳纤维质量分数由2%增加到10%，3种试样的弹性模量增幅分别为5.92，7.93，8.72 MPa;4#试样、6#试样及10#试样都随着碳纤维质量分数的增加其拉断伸长率降低，碳纤维质量分数由2%增加到10%，3种试样的拉断伸长率降幅分别为51.27%，51.41%及36.23%;弹性模量和拉断伸长率的变化趋势具有一定的规律性.以上说明，不同长度的碳纤维增强体、不同质量分数时对胎面橡胶弹性模量和拉断伸长率的影响程度是不同的，其影响规律:6#试样及10#试样(即碳纤维长度在6，10 mm时)对胎面橡胶的弹性模量和拉断伸长率的影响比4#试样(碳纤维长度为4 mm)大.分析其原因:随着碳纤维长度的增加，碳纤维相互搭接成刚性体与橡胶黏合，其弹性模量的测试值主要取决于碳纤维搭接部分的强度，因此弹性模量会随着碳纤维质量分数的增加而增大.相反，碳纤维搭接成刚性体的程度越大，在拉伸时，其表现出的弹性越弱、刚性越明显，因此其拉断伸长率随着碳纤维质量分数的增加而减小.

3)碳纤维在质量分数分别为2%，4%，7%，10%时的回弹性、硬度和耐磨耗指数如图7-9所示.

图8 碳纤维不同质量分数下的硬度

图9 碳纤维不同质量分数下的耐磨耗指数

从图7-9可以看出:4#试样、6#试样及10#试样随着碳纤维质量分数的增加，其回弹性下降，但是下降规律不够明显，当碳纤维质量分数在7%左右时，6#试样的回弹值约为11.52%，为3种试样中最小值;随着碳纤维质量分数的增加，其硬度上升，但是3种试样的规律不同，其中4#试样的硬度当碳纤维质量分数较低时，对硬度的影响并不明显，随着碳纤维质量分数的增加，硬度开始近似线性地增大，而6#试样及10#试样随着碳纤维质量分数的增加其硬度近似线性地增大，但是当质量分数达到7%左右以后，其硬度增大趋势并不明显;4#试样、6#试样及10#试样随着碳纤维质量分数的增加，其耐磨耗指数均减小，减小趋势较明显，在碳纤维相同质量分数下，6#试样的耐磨耗指数最小，且6#试样及10#试样当碳纤维质量分数在7%左右以后耐磨耗指数开始上升.分析其原因:回弹性、硬度及耐磨耗指数测试均为测量胎面橡胶的表面，当碳纤维质量分数增加时，胎面橡胶表面层的碳纤维分布较多，由于碳纤维的高强度、高模量、高硬度及高耐磨，导致其回弹性降低、硬度增大及耐磨耗指数减小，当碳纤维的质量分数达到一定量时，其胎面表面的硬度受碳纤维的影响较大，因此硬度会维持到一定值而保持不变;当碳纤维质量分数达到7%以后，由于碳纤维结集在胎面表面部分的量较大，在阿克隆磨耗时，在摩擦力的作用下，相互搭接在一起的碳纤维更容易从橡胶基体中被剥离出来，因此会导致磨耗指数上升.

3 结论

1)不同长度、不同质量分数的碳纤维增强材料对工程轮胎胎面胶的性能会产生不同程度的影响，其总体上对胎面胶起到了很好的增强作用.

2)随着碳纤维质量分数的增加，工程轮胎胎面抗拉强度、撕裂强度出现先上升后下降的趋势，其中在碳纤维长度为6 mm、质量分数在7%的情况下，抗拉强度和撕裂强度达到最大值，说明碳纤维增强效果最为明显.

3)随着碳纤维质量分数的增加，工程轮胎胎面弹性模量一直增大，回弹性一直减少.当碳纤维质量分数为7%左右时，硬度能够达到一个稳定值而后基本保持不变.耐磨性会先减小而后增大，其转折点同样在碳纤维质量分数7%左右.

4)综上，当碳纤维长度在6 mm左右、质量分数在7%左右时，对工程翻新轮胎胎面橡胶的增强效果最为理想，碳纤维增强后的工程翻新轮胎使用寿命大大提高.

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