碳纳米管在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用

陈家辉，黄 黔，黄 凯

（杭州朝阳橡胶有限公司，浙江 杭州 310018）

碳纳米管又称为巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约为0.34 nm，直径一般为2～20 nm。碳纳米管作为一维纳米材料，质量小，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。

近年来国内外市场对轮胎的耐磨性能提出了更高要求，尤其是全高速路况下使用的全钢载重子午线轮胎。为了实现高耐磨的目标，本工作主要研究碳纳米管在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），20#标准胶，泰国产品；炭黑N234，卡博特（中国）投资有限公司产品；氧化锌，浙江联华锌品有限公司产品；防老剂4020和RD，中国石化集团南京化工厂产品；硬脂酸，杭州油脂化工有限公司产品；硫黄，宁波市镇海大方硫黄厂产品；促进剂NS，山东尚舜化工有限公司产品；碳纳米管，山东大展纳米材料有限公司产品。

1.2 配方

基本配方：NR 100，炭黑N234 55，氧化锌4，硬脂酸 2，防老剂4020 2，防老剂RD 1，硫黄 1.5，促进剂NS 1.2，其他 4.5。

在基本配方的基础上，1#—5#配方分别加入0，0.5，1，1.5和2份碳纳米管，其中1#配方为生产配方。

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机，无锡市第一橡塑机械设备厂产品；3 L密炼机，佰弘机械（上海）有限公司产品；GK255型和GK400型密炼机，益阳双龙橡塑机械有限公司产品；XLB-D型平板硫化机，湖州宏侨橡胶机械有限公司产品；MDR2000型橡胶硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；A1-3000-ND型拉力机，高铁检测仪器有限公司产品；Y3000E型压缩升热试验机，北京友深电子仪器有限公司产品；MZ-4061型阿克隆磨耗试验机，江都市明珠试验机械厂产品；轮胎耐久性试验机，天津久荣车轮技术有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 小配合试验

胶料采用两段混炼工艺，一段混炼在3 L密炼机中进行，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：生胶和小料→压压砣30 s→碳纳米管和炭黑→压压砣→125 ℃提压砣→155 ℃排胶；二段混炼在开炼机上加入硫黄和促进剂。

1.4.2 大配合试验

胶料采用三段混炼工艺，一段混炼在GK400型密炼机中进行，转子转速为55 r·min-1，混炼工艺为：生胶、氧化锌、硬脂酸、防老剂、2/3炭黑和碳纳米管→压压砣→125 ℃提压砣→160 ℃排胶；二段混炼在GK400型密炼机中进行，转子转速为50 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶、其他小料、剩余1/3炭黑→压压砣→160 ℃排胶；三段混炼在GK255型密炼机中进行，转子转速为25 r·min-1，混炼工艺为：二段混炼胶、硫黄和促进剂→压压砣50 s→提压砣→压压砣100 s→提压砣→102 ℃排胶。

1.5 性能测试

各项性能均按相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 混炼工艺试验

由于碳纳米管密度小，因此在混炼过程中的加入顺序会对混炼胶性能产生较大影响。选取5#配方，针对不同的碳纳米管加入顺序进行物理性能对比评价，结果见表1。

从表1可以看出，由于工艺A中多了一步开炼机塑炼，因此胶料的门尼粘度较低，硫化胶的物理性能差别不大，其中工艺C硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率最大。综合考虑混炼工艺效率和物理性能，碳纳米管的加入顺序宜采用工艺C，因此后续试验均采用此混炼工艺。

表1 碳纳米管加入顺序对胶料性能的影响

2.2 小配合试验

小配合试验结果见表2。

表2 小配合试验结果

由表2可以看出，与未加碳纳米管的胶料相比，加入碳纳米管的胶料硫化速度基本相当，硫化胶的硬度、定伸应力和拉伸强度增大，拉断伸长率总体减小，压缩疲劳温升总体增加，阿克隆磨耗量减小。

综合来看，随着碳纳米管用量的增大，硫化胶的耐磨性能提高，但压缩疲劳温升呈增加趋势，另外由于碳纳米管成本较高，不可能大量应用，因此选取4#配方进行后续试验。

2.3 大配合试验

大配合试验结果见表3。

表3 大配合试验结果

从表3可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的硫化速度基本一致，硫化胶的硬度、定伸应力、拉伸强度和撕裂强度均增大，拉断伸长率减小，压缩疲劳温升增加，阿克隆磨耗量减小。

2.4 工艺性能

采用试验配方胶料进行295/80R22.5 AZ670规格胎面挤出试验，试验配方胶料的门尼粘度略高，挤出膨胀率大于生产配方胶料，在正常生产工艺条件下，挤出胎面的宽度和厚度略大于生产配方胶料，调整挤出参数确保尺寸一致，胎面型胶外观平整光洁。

2.5 成品性能

2.5.1 耐久性试验

采用试验配方胶料生产295/80R22.5 AZ670轮胎，并按GB/T 4501—2008进行耐久性试验。试验条件为：标准气压 900 kPa，额定负荷3 550 kg，试验速度 48 km·h-1，分别在65%，85%，100%，110%，120%，130%，140%，150%和160%的负荷率下运行7，16，24，10，10，10，10，10和10 h，负荷率为170%时运行至轮胎损坏。

试验轮胎和生产轮胎的累计行驶时间分别为104.80和107.48 h，累计行驶里程分别为5 030.4和5 159.2 km，轮胎损坏形式均为肩部裂口。由于试验配方胶料在耐磨性能提高的同时，压缩疲劳温升略有增加，因此试验轮胎的耐久性能略有降低，但在可接受范围内，随后进行轮胎实际道路试验。

2.5.2 实际道路试验

采用试验配方胶料生产295/80R22.5 AZ670轮胎，并发往安徽和浙江用于城际巴士汽车进行实际道路试验。试验轮胎在车辆上正常使用了一年半后，胎面磨损均匀，表面平整，未出现异常损坏，其花纹平均单位磨耗量行驶里程由原来的14 062.5 km·mm-1增加到14 637.3 km·mm-1，耐磨性能提高。

3 结论

在全钢载重子午线轮胎胎面胶配方中加入碳纳米管，硫化胶的硬度、定伸应力和拉伸强度增大，压缩疲劳温升略有增加，耐磨性能提高，可延长高速标载下全钢载重子午线轮胎的使用寿命。