碳纳米管在矿用斜交轮胎胎面胶中的应用

马 涛，邢利宁，刘 滨，廖亚梅

（1.威海中威橡胶有限公司，山东 威海 264200；2.山东晶石大展纳米科技有限公司，山东 淄博 255022）

碳纳米管是一种具有结晶管状结构、直径几纳米、空心并呈两端封闭碳原子六边形排列的一维纳米材料[1]，凭其高导热、高强度、高导电的特点成为近年来材料领域研究的热点[2-5]。将碳纳米管应用于橡胶中得到的橡胶复合材料具有高强度、高耐磨性能、高抗撕裂性能、高导电性能和高热导率。

本工作将碳纳米管加入矿用斜交轮胎胎面胶配方中，考察碳纳米管用量对胎面胶加工性能和物理性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

天然橡胶（NR），STR20，泰国产品；丁苯橡胶（SBR），牌号1502，中国石化齐鲁石化公司产品；碳纳米管，山东晶石大展纳米科技有限公司产品；其他材料均为正常生产的原材料。

1.2 配方

正常生产配方：NR/SBR 100，炭黑N220 58，氧化锌 4，硬脂酸 3，软化增粘剂 6，其他9.4。

1#—3#试验配方：在正常生产配方的基础上分别添加1，2和3份碳纳米管，其他组分和用量不变。

1.3 主要设备和仪器

GK-270型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；1.5 L密炼机，德国克虏伯公司产品；XL-160型开炼机，青岛科技大学机械厂产品；50 t平板硫化机，烟台橡胶机械厂产品；DXLL-5000型电子拉力试验机，上海登杰机械设备有限公司产品；GS-719N型邵氏硬度计，日本得乐公司产品；401A型老化试验机，上海市试验仪器总厂产品；阿克隆磨耗试验机，山东德瑞克仪器有限公司产品；MV-3000型门尼粘度仪、M-3000A型无转子硫化仪和RH-2000N型橡胶压缩生热试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；RCC-1型动态耐切割试验机，北京万汇一方科技发展有限公司产品。

1.4 试样制备

小配合试验胶料混炼采用二段混炼工艺，一段混炼在1.5 L密炼机中进行，转子转速为65 r·min-1，混炼工艺为：生胶和小料→压压砣30 s→炭黑和碳纳米管→压压砣30 s→升温至110 ℃→芳烃油→压压砣→排胶（150 ℃）；二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→硫黄和促进剂→薄通6次→混炼均匀后下片。

大配合试验胶料采用三段混炼工艺，均在GK-270型密炼机中进行，一段混炼转子转速为40 r·min-1，混炼工艺为：生胶和小料→压压砣30 s→炭黑和碳纳米管→压压砣40 s→升温至110 ℃→芳烃油→升温至130℃→提压陀→压压砣→排胶（150 ℃）；二段混炼转子转速为40 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶→压压砣30 s→提压陀→压压砣40 s→提压陀→压压砣→排胶（150 ℃）；三段混炼转子转速为20 r·min-1，混炼工艺为：二段混炼胶和硫黄、促进剂→压压砣20 s→提压陀→压压砣30 s→提压陀→压压砣→排胶（100 ℃）。

胶料采用平板硫化机硫化，硫化条件为143℃×60 min。

1.5 性能测试

胶料各项性能均按照相应国家标准测定。

2 结果与讨论

2.1 小配合试验

2.1.1 硫化特性

小配合试验胶料的门尼粘度和硫化特性见表1。从表1可以看出：与正常生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度和转矩增大；随着碳纳米管用量的增大，胶料的门尼粘度和Fmax略有提高，硫化速率变化不大。由此可知，胎面胶中添加碳纳米管后，胶料的加工性能变化不大。

表1 小配合试验胶料的门尼粘度和硫化特性

2.1.2 物理性能

小配合试验硫化胶的物理性能见表2。从表2可以看出：加入碳纳米管后，硫化胶的拉伸强度、定伸应力、撕裂强度、耐磨性能和抗切割性能都得到提高；随着碳纳米管用量的增大，硫化胶的硬度、300%定伸应力、拉伸强度、撕裂强度和压缩疲劳温升基本呈增大趋势，拉断伸长率、阿克隆磨耗量、抗切割体积百分比基本呈减小趋势。

表2 小配合试验硫化胶的物理性能

碳纳米管用量为2～3份时，硫化胶的综合物理性能提升较明显，考虑到成本因素，选取2#试验配方进行大配合试验。

2.2 大配合试验

2.2.1 硫化特性

大配合试验胶料的门尼粘度和硫化特性见表3。从表3可以看出，与正常生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度增大，FL和Fmax略有提高，硫化速率变化不大，大配合试验结果与小配合试验结果一致。

表3 大配合试验胶料的门尼粘度和硫化特性

2.2.2 物理性能

大配合试验硫化胶的物理性能见表4。从表4可以看出：与正常生产配方硫化胶相比，试验配方硫化胶的硬度、300%定伸应力、拉伸强度、撕裂强度和压缩疲劳温升增大；拉断伸长率、阿克隆磨耗量、抗切割体积百分比减小，大配合试验结果与小配合试验结果一致。

表4 大配合试验硫化胶的物理性能

2.3 工艺性能

采用2#试验配方生产14.00-25工矿系列轮胎胎面胶时，缠绕挤出机挤出的胶条表面光滑，边缘整齐，尺寸符合工艺要求，缠绕工艺正常，硫化后的轮胎外观无质量缺陷。

2.4 成品性能

采用2#试验配方生产14.00-25工矿系列轮胎，并进行成品性能测试。

2.4.1 物理性能

试验成品轮胎物理性能测试结果见表5。从表5可以看出，试验成品轮胎的各项物理性能良好，满足国家标准要求。

表5 试验成品轮胎的物理性能测试结果

2.4.2 实际路试

将试验轮胎和正常生产轮胎发往内蒙古某煤矿进行装车试验（试验轮胎和正常生产轮胎进行同轴并装）。结果表明，正常生产轮胎累计使用了6个月，试验轮胎累计使用了7个月，两者使用过程中均无其他异常情况。试验轮胎使用寿命较正常生产轮胎延长了16.7%，效果显著。

正常生产轮胎和试验轮胎在使用过程中行驶面情况如图1所示。

图1 正常生产轮胎和试验轮胎在使用过程中行驶面

3 结论

在矿用斜交轮胎胎面胶中添加1～3份碳纳米管后，胶料的门尼粘度增大，Fmax略有提高，硫化速率变化不大，加工性能基本不变；硫化胶的硬度、300%定伸应力、拉伸强度、撕裂强度、耐磨性能和抗切割性能均提高；在矿用斜交轮胎胎面胶中添加2份碳纳米管时，成品轮胎的物理性能改善，实际使用寿命大幅延长。