碳短纤维改性剂在载重子午线轮胎胎面胶中的应用研究

禤文权，蔡奕涛，邹明清

（广州华工百川科技股份有限公司，广东 广州 510640）

短纤维-橡胶复合材料是近年来倍受关注的一种新型聚合物基复合材料。用短纤维-橡胶复合材料制备的橡胶制品硬度和定伸应力高，抗切割性能、抗撕裂性能、抗刺扎性能和耐疲劳性能好，生热低，压缩永久变形小。研究发现，在轮胎胎面胶中加入适量短纤维，轮胎滚动阻力明显降低，抗湿滑性能、抗撕裂性能、抗崩花掉块性能、耐磨性能、刚性提高，行驶噪声减小，平衡操纵性和乘坐舒适性改善，使用寿命延长，并可使轮胎轻量化[1]。20 世纪80 年代，国外已将短纤维-橡胶复合材料成功应用于轮胎生产。近年来，国内在短纤维-橡胶复合材料领域也开展了广泛研究[2-4]，对尼龙、聚酯、碳纤维和芳纶等短纤维进行表面改性处理，并进行了应用研究，但短纤维-橡胶复合材料在轮胎批量生产中的应用尚未见报道。开发了一种新型改性剂，其主要成分为碳短纤维（长度2～3 mm，直径10～20 μm）、表面改性剂和白炭黑等，它可以使碳短纤维良好地分散在橡胶基材中，起补强作用。本工作研究其对载重子午线轮胎胎面胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号RSS3#，泰国产品；炭黑N234，卡博特化工有限公司产品；沉淀法白炭黑233，连云港连吉化学工业有限公司产品；氧化锌（质量分数为0.997），广州市东民化工有限公司产品；新型改性剂1、改性剂2、改性剂3（碳短纤维质量分数分别为0.02，0.05，0.08），常州市五洲化工有限公司提供；增塑剂A、硬酯酸、偶联剂Si69（有效含量50%）、促进剂NS，广州金昌盛科技有限公司产品；芳烃油，广州大港石油科技有限公司产品。

1.2 配方

试验配方见表1。

表1 试验配方 份

1.3 主要设备与仪器

1 L 密炼机及密炼机智能控制系统，广州华工百川科技股份有限公司产品；XK-160A 型开炼机，上海橡胶机械厂产品；XLB-L500×500 平板硫化机，广州番禺橡胶机械厂产品；GT-M 2000A 型无转子硫化仪、GT-7080S2 型门尼粘度试验机，高铁检测仪器(东莞)有限公司产品；CMT 4104 型微机控制电子万能试验机，深圳新三思材料检测有限公司产品；MH-74 型阿克隆磨耗机，上海化工机械四厂产品；101 型热空气老化箱，上海市实验仪器总厂产品。

1.4 试样制备

胶料混炼分2 段进行。一段混炼在1 L 小密炼机中进行，密炼机转子转速40 r·min-1，混炼工艺为：生胶→加压50 s →小料→加压90 s →炭黑→加压120 s →白炭黑、偶联剂Si69、改性剂→加压90 s →芳烃油→加压90 s →排胶。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶热炼（辊距1.8 mm、包辊并留有1～2 cm 高度余胶）→促进剂NS和硫黄→两边各做4 次3/4 割刀捣胶→辊距调至0.5 mm →打三角包4 次→辊距调至3 mm →下片，停放。在平板硫化机上硫化试样，硫化条件为143℃×30 min。

1.5 性能测试

胶料性能测试按相应国家标准进行。

2 结果与讨论

2.1 胶料加工性能和硫化特性

胶料加工性能和硫化特性见表2。从表2 可以看出：使用含有碳短纤维的改性剂替代5 份白炭黑，一段混炼胶的排胶温度上升4～10 ℃，胶料门尼粘度增大，但排胶温度和门尼粘度仍在合理的加工要求范围内；胶料ML和MH增大，tS2，t10和t90变化不大，这说明碳短纤维对胶料焦烧性能和正硫化时间影响不大。

表2 胶料加工性能和硫化特性 份

2.2 物理性能

胶料物理性能见表3。从表3 可以看出：加入适量碳短纤维的改性剂后，胶料的定伸应力、拉伸强度和撕裂强度提高，阿克隆磨耗量总体减小，耐磨性能提高，拉断伸长率稍有下降，这说明碳短纤维起到了很好的补强作用；随着碳短纤维含量增大，胶料的拉伸强度和撕裂强度先提高后降低，这说明碳短纤维用量在适当范围内，碳短纤维能起到很好的补强作用，碳短纤维用量过大，其补强效应反而会下降，这可能是因为碳短纤维含量较大时，碳短纤维在胶料中分散相对困难，碳短纤维易团聚，无法起补强作用，反而成为胶料中的“脆弱点”；1#配方和2#配方、3#配方胶料热老化后的拉伸强度和撕裂强度下降幅度比0#配方胶料大，这是因为在热氧条件下碳短纤维与橡胶的粘合强度降低，在拉伸过程中起补强作用的碳短纤维减少，拉伸强度和撕裂强度下降较快。综合来看，2#配方胶料的性能优于1#配方胶料，3#配方胶料性能最差。

表3 胶料物理性能

2.3 炭黑分散度

对胶料中炭黑分散度进行测定，观察碳短纤维对胶料分散的影响。0#配方、1#配方、2#配方和3#配方胶料的炭黑分散度依次为8.6，8.1，8.0 和7.8 级，都达到了7 级以上。从测定结果可以看出，加入含有碳短纤维的改性剂后，胶料的炭黑分散度下降，而且随着碳短纤维含量增大，炭黑分散度呈下降趋势，这说明碳短纤维对胶料分散产生一定的影响，但影响不大。

2.4 断面显微镜观察

在显微镜下观察试样拉伸断面（放大50 倍），如图1 所示。从图1 可以看出，0#配方试样的拉伸断面较光滑平整，1#配方、2#配方和3#配方试样的拉伸断面相对粗糙，这是胶料中的碳短纤维受拉伸断裂造成的。由于碳短纤维的直径和长度较小，显微镜放大倍数有限，因此未能在试样拉伸断面上清楚地观察到碳短纤维的断裂状态。

图1 试样拉伸断面显微镜照片

3 结论

（1）在载重子午线轮胎胎面胶中加入适量碳短纤维改性剂，胶料的门尼粘度稍增大，硫化特性变化不大。

（2）加入适量碳短纤维改性剂，胶料的定伸应力、拉伸强度、撕裂强度及耐磨性能提高。

（3）加入碳短纤维改性剂后，胶料的耐老化性能下降，但变化不大。

（4）含有改性剂2（碳短纤维质量分数为0.05）的胶料综合性能较好。