石墨烯导静电轮胎性能研究

郭洪云，王福山，吴春艳

(青岛华高墨烯科技股份有限公司，山东 青岛 266106)

静电[1]的产生与存在是一种存在于物体和人体上的客观的自然现象。汽车行驶过程中内部零部件的摩擦，车体表面与干燥空气摩擦，轮胎与路面间的摩擦都会产生静电，短时间内会聚集大量的静电，静电聚集到一定程度会产生高电位差，瞬间放电，对易燃易爆品运输车、装有大量电子元器件的新能源汽车和无人驾驶汽车、搭载众多高精密设备的军警用特种车辆，导静电功能尤为重要，高电位静电能引起车辆自燃或爆燃，影响电子设备正常运行，导致车体失稳，造成生命安全及财产安全隐患。

目前汽车静电的解决方法无法实现全时段、连续消除车体静电，安全隐患依然存在。如拖曳式防静电带或防静电铁链，由于磨损或脱落都会造成导静电的中断，而且，金属材料的防静电带和铁链与地面摩擦会产生火花，存在引燃车载易燃易爆物品的隐患。轮胎是汽车与地面的唯一接触零件，不管在汽车行进还是在停止过程中，都可以保持全时段接地，如果可以实现轮胎的导静电功能，则可以彻底解决这一问题。

随着石油燃料的枯竭和温室效应的加剧，节约能源与保护环境越来越得到各国人民的关注，“绿色轮胎”的呼声越来越高，一方面具有超低的滚动阻力，另一方面具有其他方面的高性能。而轮胎配方的“魔三角”效应一直制约着“绿色轮胎”的发展，“魔三角”效应是磨耗、湿滑、滚动阻力三者的平衡关系[2-7]，在传统材料体系之下，强化其中之一，必然会导致其他一到两项的下降，很难制造出各方面性能均突出的轮胎。

石墨烯是一种导电导热性好、强度高的二维纳米材料[8-9]，优异的导电性赋予轮胎导静电功能，可实现汽车的全路况、全时段、连续、可靠导静电，独特的二维蜂巢状结构对于橡胶的特殊补强作用会优化橡胶的整个填料网络结构，改变橡胶形变过程中，分子链间的相对运动，影响轮胎性能。文中将橡胶轮胎复合石墨烯，对轮胎的导静电性、抗湿滑性、耐磨性、滚动阻力性能进行测试与分析。

1 试验

1.1 试验原材料

轮胎配方中涉及到的所有原材料，由青岛森麒麟轮胎股份有限公司提供；石墨烯(HG01S，层数3-5)，由青岛华高墨烯科技股份有限公司提供。

1.2 主要仪器与设备

ZS-401CE双滚筒混合机(开炼机)，东莞市卓胜机械设备有限公司；BP-8172-B密闭式密炼机，东莞市宝品精密仪器有限公司；、XLB-1400*3200硫化机、INJ-500(500 Ton)成型机、XJW-90挤出机，大连华韩橡塑机械有限公司；SS-766DIN 磨耗试验机，东莞市松恕检测仪器有限公司；WDW-100D电子万能试验机，山东亿宸试验仪器有限公司。

1.3 试验配方

轮胎的胎面、胎侧及子口部位复合石墨烯材料，石墨烯质量份分别为3.5、1和0.5，其他部位未复合石墨烯材料。胎面胶、胎侧胶、子口胶及轮胎其他部位配方均采用青岛森麒麟轮胎股份有限公司现有生产配方。

1.4 试样制备

生产工艺采用通用轮胎生产工艺，具体工艺流程为密炼工艺-压出工艺-压延工艺-裁断工艺-钢丝圈缠绕-三角胶贴合-成型工艺-硫化工艺。

1.5 性能测试

1.5.1 导电性能测试

根据国标GB/T26277-2010测试，选取石墨烯导静电轮胎245/45ZR18与同规格普通UHP轮胎进行对比测试，委托青岛科标化工分析检测有限公司(CNAS)进行对比测试。

图1 导电性能实测图

1.5.2 操稳及制动测试

选取石墨烯导静电轮胎245/45ZR18与同规格普通UHP轮胎进行对比测试，委托安徽德技汽车检测中心有限公司进行对比测试，主要测试项目有噪音、制动、操稳。

1.5.3 磨耗测试

磨耗测试由出租车辅助完成测试，选取出租车配套轮胎规格195/65R15LS388 91V。

分别选取8条石墨烯导静电轮胎与8条对应规格的普通轮胎，装配4辆出租车进行磨耗测试；测试同时进行，以防天气等自然环境引起的磨耗影响；行驶路面包括市内水泥路、高速、沙石路以及石子路，每天约行驶200～300km；大约行驶里程每达到1万公里时，进行一次测试，以此监控轮胎的磨耗情况。磨耗计算说明如下：

(1)每次测量时各花纹沟隔段取值4-5个后，计算平均值；

(2)整体取平均值后，与初始花纹沟深相减，得磨耗掉的毫米数；

(3)每次磨耗掉的毫米数与花纹沟总深度和安全深度之差相除，得到的百分比，即为磨耗百分比。

(4)行驶的里程除以相应的花纹沟深减少量，即为每毫米磨耗量。

1.5.4 滚阻测试

选取石墨烯导静电轮胎195/65R15和同规格普通轮胎，委托国家橡胶轮胎质量监督检验中心(北京橡胶工业研究设计院)进行轮胎滚动阻力测试。

2 结果与讨论

2.1 导静电

图2 石墨烯导静电轮胎导静电机理示意图

由于石墨烯比表面积大，片层薄，粒径小，在橡胶中分散可实现彼此连接，构成电子迁移通路，因此表现出突出的导电性及散热性。车体静电电荷通过子口与金属轮毂嵌合，通过胎侧、胎面接地全时段、连续、可靠导出车体静电，杜绝静电灾害。

2.2 导电性能分析

测试结果显示，石墨烯导静电轮胎的电阻值为1.0×105Ω，而未复合石墨烯材料的对比轮胎电阻值为∞，石墨烯导静电轮胎能够安全的释放电荷，具备了良好的导静电性能。

2.3 操稳及制动性能分析

测试结果显示，石墨烯导静电轮胎在保持噪音不变，干/湿地操稳及干地制动性能(缩短0.18m)提高的条件下，其湿地制动性能大幅提高，缩短1.82m。

分析原因，一方面可能是石墨烯片层纳米材料的加入，提高了胶质的致密性，与形成水膜的路面之间引力作用增强，提高了惯性力化解效果；另一方面可能是由于石墨烯自身的高强度，微观硬粒子作用使得其胎面胶料在制动过程中能够刺破水膜，抗湿滑性能由此增强。

表2 石墨烯导静电轮胎245/45ZR18测试结果

2.4 磨耗性能分析

4辆出租车的行驶里程达均到5万公里左右，对两种轮胎的耐磨性能进行分析，如图3所示。根据磨耗趋势图，拟合出相应的磨耗曲线，最终得出一个磨耗数据(每毫米磨耗量)以评价轮胎的耐磨性，如表3所示。由最终的拟合数据可以看出，石墨烯导静电轮胎的耐磨性没有比普通轮胎差，反而略优于普通轮胎。

图3 磨耗趋势图

表3 普通轮胎/石墨烯导静电轮胎耐磨性计算结果

2.5 滚阻性能分析

测试结果显示，同规格石墨烯导静电轮胎相较于普通轮胎，滚阻系数降低7.39%，说明石墨烯的应用，对轮胎的滚动阻力起到了极大的降低作用，分析原因，可能是由于石墨烯复合材料的应用，使得整个轮胎的刚性得到提高(模量提高)，同等外力作用下，形变量减小，从而降低了轮胎内耗，表现在宏观上，轮胎的滚动阻力降低，从而油耗因此降低。检测结果如表4。

表4 195/65R15滚阻测试结果

3 结论

(1)石墨烯优异的导电性能，使石墨烯导静电轮胎的电阻值达到1.0×105Ω，能够安全的释放电荷，具备良好的导静电电性能。

(2)石墨烯的高强度和高比表面积，使抗湿滑性能大幅提高。

(3)石墨烯自身的高强度，其耐撕裂性，韧度增强，保证了轮胎的耐磨性。

(4)石墨烯独特的二维蜂巢状结构，优化了橡胶大分子网络结构与填料网络结构，使复合胶料的网络结构更加均一密实，在一定外力形变下，胶料的滞后程度降低，从而内部耗能减少，滚动阻力减小。

总之，石墨烯导静电轮胎在实现良好的导静电性能，保证其耐磨性不降低的前提条件下，其低滚阻和抗湿滑性能大大提高，打破了“魔三角”效应。