纳米粘土TNK在轿车轮胎气密层中的应用

李小光，翟文举，张倩茜

（风神轮胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

当前轮胎行业竞争愈加激烈，越来越多的轮胎制造企业开始研究与开发低成本配方。通过应用新型材料并对配方进行适当调整，在不降低轮胎性能的前提下降低制造成本，并满足法律法规要求，成为企业配方设计人员面临的重要课题。

纳米粘土TNK是由天然粘土原矿经粉碎、水洗、研磨、化学分解、活化处理等工艺精制而成的一种片层状硅酸盐补强填料，其晶片平均直径为800～1 200 nm，具有很高的径厚比，因经过特殊表面改性，晶体分散更容易。纳米粘土经良好分散后会有较强的补强作用，其片层效应可使橡胶具有良好的气体阻隔性能、阻燃性能和抗裂纹扩展性能[1]。

本工作主要研究纳米粘土TNK在轿车轮胎气密层中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚产品；溴化丁基橡胶（BIIR），牌号2030，德国朗盛化学公司产品；炭黑N660，邯郸黑猫炭黑有限责任公司产品；纳米粘土TNK，上海麒祥化工有限公司产品；环烷油N2，瑞典尼纳斯公司产品。

1.2 配方

配方如表1所示，其中1#配方为生产配方。

表1 配方 份

1.3 主要设备和仪器

Φ160 mm×320 mm开炼机，广东湛江机械厂产品；1.57 L密炼机，美国法雷尔有限公司产品；GK400型和GK255型密炼机，益阳益神橡胶机械有限公司产品；140 t平板硫化机，上海橡胶机械一厂产品；MDR 2000型无转子硫化仪、MV2000型门尼粘度仪和橡胶加工分析仪（RPA），美国阿尔法科技有限公司产品；万能材料试验机，美国英斯特朗有限公司产品；VAC-V2型压差法气体渗透测试仪，济南兰光机电技术有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 小配合试验

胶料采用两段混炼工艺，两段工艺转子转速均为80 r·min-1，且均在1.57 L密炼机中进行混炼。一段混炼工艺为：生胶→压压砣加入配合剂、炭黑和纳米粘土TNK→浮压砣压压砣提压砣、清扫→压压砣排胶；二段混炼工艺为：一段混炼胶→加入氧化锌、促进剂和硫黄→开炼机下片、冷却、停放8 h。

1.4.2 大配合试验

混炼工艺：NR塑炼→一段混炼胶→二段返炼→终炼加硫黄，纳米粘土TNK在一段混炼时加入。

1.5 性能测试

1.5.1 硫化特性

采用无转子硫化仪进行测试。

1.5.2 物理性能

各项性能均按照相应的国家标准进行测试，硫化条件为160 ℃×30 min。

1.5.3 气密性

采用气体渗透测试仪按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法》测试。

2 结果与讨论

2.1 小配合试验

2.1.1 硫化特性

胶料的硫化特性如表2所示。

表2 胶料的硫化特性

从表2可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度下降，焦烧时间延长，加工操作性及安全性得到改善。橡胶分子链在纳米粘土TNK的片层状结构中滑移更加容易，有利于橡胶挤出、压延、成型等工序生产。

2.1.2 物理性能

硫化胶的物理性能如表3所示。

从表3可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的邵尔A型硬度保持稳定，拉伸强度和拉断永久变形增大；老化后胶料的物理性能无明显变化，耐疲劳性能略有下降。

表3 硫化胶的物理性能

2.1.3 分散性

采用炭黑分散度仪及RPA测试胶料的分散性，结果如表4所示，ΔG′为弹性模量变化量。

从表4可以看出：试验配方胶料的炭黑分散度与生产配方胶料相差不大；但在RPA测试中，试验配方胶料的弹性模量变化更小，根据Payne效应理论说明填料或填料-聚集体之间的网络作用较弱，填料得到了更好的分散。

表4 胶料的分散性

2.1.4 气密性

胶料的气密性测试结果如表5所示。

表5 胶料的气密性

从表5可以看出，由于2#—4#配方减小了BIIR的用量，2#配方的渗透系数有所升高，但随着纳米粘土TNK用量的不断增大，胶料的气密性能逐步提升，最终优于1#配方。分析认为：由于纳米粘土TNK具有独特的纳米级片层结构，其在橡胶中因剪切流场作用而呈平行取向，一般气体无法穿过片层，必须绕过片层而在片的间隙扩散，大大延长了路径[2]，从而使胶料的气密性能得到提升；同时根据前面的分析，纳米粘土TNK可提高胶料的分散性，有利于提高气体的阻隔效率。

综合以上试验结果，认为4#配方综合性能较好且具有更大的成本优势，因此后续试验采用4#配方。

2.2 大配合试验

大配合试验结果如表6所示。

表6 大配合试验结果

从表6可以看出，大配合试验结果与小配合试验结果基本一致，减小BIIR用量且添加纳米粘土TNK后，胶料的各项性能保持稳定并略有提升。

2.3 成品试验

2.3.1 轮胎室内性能

跟踪使用试验配方气密层的压延、成型、硫化等后工序生产，试制若干条试验轮胎。结果表明：试验配方气密层压延生产正常，未出现尺寸、外观等问题；轮胎成型、硫化后外观检查气密层状态良好，未发现任何不良。

试制185/60R14T轮胎并按相应国家标准进行高速和耐久性测试。试验结果表明，轮胎高速测试运行1.7 h后胎冠爆（标准≥70 min），耐久测试运行39.5 h未损坏（标准≥39.5 h），均符合标准要求，且试验后轮胎气密层未破坏，无开裂、鼓包、脱层现象。

2.3.2 轮胎实车路试性能

为验证试验轮胎在长时间、远路程状况下的使用性能，进行了6个月的实车路试。其中2辆出租车分别运行52 937和52 726 km，1辆私家车（配备有胎压监测装置）运行4 646 km。

通过长时间路试跟踪反馈，各车辆驾驶感受正常。使用纳米粘土填充气密层的轮胎，胎压平稳、运行可靠，长时间、远距离耐久性测试未见气密层发生鼓包、开裂、脱层等问题；扎钉后未见扩展破坏；持续跟踪胎压监测数据，气压损失正常，与正常气密层轮胎保持了较好的一致性。

3 结论

（1）通过调整配方，在添加纳米粘土TNK的同时减小炭黑用量，可降低胶料门尼粘度、延长焦烧时间，提高胶料加工安全性；可使硫化胶的拉伸强度、硬度等指标保持稳定，综合物理性能略有提升，耐老化性能损失较小。

（2）在BIIR用量减小的情况下，使用20份以上纳米粘土可稳定并提升胶料的气密性。

（3）配方调整后，BIIR用量减小，整体含胶率下降，可大幅降低材料成本。