高性能輪胎用橡膠納米復合材料的制備與性能

孫成林 王剛 王金帥

【摘要】根據現今世界汽車輪胎的發展趨勢來看，節油以及高性能是它的主要發展方向，制造輪胎所需的復合材料中，關鍵的節油性納米復合材料有胎面膠、氣密內襯層膠和鋼絲圈墊膠等。胎面膠是輪胎與路面直接接觸的部分，它必須具備低滾動阻力和高抗濕滑性能，并且耐磨性也要高。氣密內襯層膠位于輪胎的內表面，它的作用是讓輪胎的氣壓保持平穩，鋼絲圈墊膠的位置在鋼絲圈上端，它能加強胎圈，也助于填充輪胎。本文主要介紹了橡膠納米復合材料的制備方法以及性能。

【關鍵詞】高性能輪胎;橡膠納米復合材料;制備;性能

引言

在1904年，橡膠工業中就開始使用炭黑這種納米材料，炭黑是一種納米粉體，直到今天，炭黑仍然是橡膠工業中使用最廣泛的一種增強劑。在汽車輪胎制造方面，橡膠的消耗量最大，炭黑用量也是最大的。輪胎是由許多不同的半部件經過成型機加工制作成胎胚，然后再進行硫化制備的。不同的部位，對于復合材料的要求也不一樣。將新型的彈性體復合材料應用在輪胎中，利于輪胎保持高性能。本文主要論述高性能輪胎使用橡膠納米符合材料的制備及性能，以供參考。

1胎面復合材料

胎面部分直接與地面接觸，胎面部分不僅會對輪胎的干濕度產生影響，也會影響雨雪天氣輪胎的抓著性，并且對輪胎的滾動阻力產生影響，這些都和輪胎的安全性能以及油耗有直接的關系。高性能的胎面膠有三個特點，即高抗濕滑性、低滾動阻力和較好的耐磨性，但是這三個方面很難做到平衡，所以，這三個方面被人們戲稱為“魔三角”[1]。究其原因，首先，純橡膠的強度比較低，所以要將大量的納米填料添加進去，以提高橡膠的強度和耐磨性，輪胎在滾動時，會有一個周期性的形變，在填補了大量的納米材料后，胎面橡膠如果發生周期性形變以后，材料內部形成的滯后生熱會因為填料與填料間和填料與橡膠間產生的摩擦而增加，輪胎的滾動阻力也會因此而增加。當橡膠材料通過納米進行增強以后變成復合材料，它的模量和硬度也就隨之增強了，當路面濕滑時，這種材料和地面的接觸面積會比之前小，因此，也就降低了它的抗濕滑性能。對于設計者來說，做好抗濕滑、滾動阻力和耐磨性三個方面的關系平衡，一直是他們追求的設計目標。根據相關研究證實，橡膠和橡膠間的界面作用以及大量填料在橡膠中的分散，這些都是平衡胎面“魔三角”的關鍵因素。增強橡膠使用的是一種傳統填料，叫做炭黑，它已經有150年的應用歷史，早在20世紀90年代初，白炭黑開始應用在胎面膠中，在輪胎行業中，將白炭黑用來增強納米復合材料，用它來制備低滾阻胎面膠料，這已經是行業內的共識。如何把極性白炭黑均勻地分散在非極性橡膠中，使界面能有一個良好的結合，這還是當前胎面設計者正在關注和解決的問題。要解決這些問題，首先，在制備橡膠混煉膠時，在橡膠基體中同時加入白炭黑和硅烷偶聯劑，讓白炭黑形成原位改性分散，和預先改性白炭黑相比，這種方式經濟性更強，更容易受到工業界青睞。

2三角膠復合材料

在輪胎的鋼絲圈上，有一種墊膠，它的硬度較高，是三角形的芯膠，所以人們又叫它三角膠。墊膠的位置在鋼絲圈上面，它的作用有兩，一個是填充圈胎，一個是加強圈胎。它可以改善子午胎的側向剛性分布，并與胎側區域能夠形成均勻的過渡。三角膠需要具備以下性能：較好的表面黏附性能、良好的剛性等。三角膠具有較高的硬度，一般在傳統的三角膠中，它的基體大多都是天然橡膠，將高用量炭黑與它配合起來，再將大量硫磺加入，能夠提升橡膠的交聯密度，最終提高橡膠的硬度及模量。坡縷石是硅酸鹽礦物，它的形狀是針狀的，組成成分是納米單晶短纖維，直徑在20-30mm，利用偶聯劑預先改性FS，或者利用原位改性的方法對技術進行分散，將FS進行解離，形成納米短纖維并分散在SBR，可以制備出一種高模量、高硬度的橡膠，能夠滿足三角橡膠的性能。

相比傳統的增強填料，FS橡膠復合材料的長徑較高，采用FS形成的復合材料，它則具有和短纖維復合材料相同的力學特征。在低應變情況下，這種復合材料的撕裂強度高，硬度高，并且定伸較高。而且它還具備明顯的各向異性[2]。在材料用量相同的情況下，比較FS復合材料以及炭黑復合材料，前者的定伸應力比較高，硬度也較高，而后者則相對較低。在傳統的炭黑以及橡膠界面中，主要應用物理作用。而FS表面的羥基含量豐富且比較活潑，在改性時，使用硅烷偶聯劑，在FS和橡膠間會形成較強的化學反應，能夠提高彈性模量，使動態生熱降低。這時對炭黑和硫黃都不需要高量添加，在材料表面，它的黏著性明顯有了改善。納米短纖維它的絕對長度小，所以，在加工黏度方面，FS橡膠復合材料的黏度要低于短纖維復合材料，并且具備良好的加工性能。

3氣密內襯層復合材料

氣密內襯層位于輪胎的內面，它能夠保持輪胎的氣壓，主要性能有：優異的氣密性、能夠和外胎實現良好黏合，并且具有良好的耐疲勞性，不容易開裂。早在1950年，就已經有了無內胎輪胎，它主要利用鹵化丁基橡膠材料制成，這種橡膠具有優異的氣密性，很長一段時間內，在輪胎的內襯層膠料中，它占據主導地位，而它的形式和組分都未曾發生過明顯變化。在科學技術的持續進步下，納米復合材料的應用范圍越來越廣，例如黏土、層狀硅酸鹽、累托石等。把納米片層分散在橡膠中，這樣制備出來的復合材料，它的強度較高而且氣密性好，符合氣密內襯層中對于膠料的標準要求[3]。在制備黏土聚合物的納米復合材料時，可以使用好幾種方法，例如采用原位聚合的方法、有機改性的混合方法、聚合物融體共混的方法等。使用這些方法時，黏土在聚合物基體中可以實現納米級分散，但是，這種方法具有較高的成本，工藝復雜且難以形成工業化。有課題組發明了一種乳液復合法，這種方法利用了黏土層間的陽離子可以強烈水化的，最終，水分散體就形成了，這種散體即硅酸鹽納米片層水分散體。一般情況下，許多橡膠的乳液形式都有自身特點，在水中把它們混合起來，再利用共凝聚的方法來固定分散結構，等到脫水以后，納米復合材料就形成了。

4結束語

綜上所述，利用原位改性的技術來制備白炭黑橡膠納米復合材料，這方面人們已經有所了解。在今后，研究的主要方向是探索安全性更強的高分散白炭黑，對新型的帶功能的基團橡膠品種進行研究。另外，還需要對炭黑橡膠母膠的成本以及它的穩定性與基本性能進行深入研究，以保證它的分散性較好、性能更優質并且能耗更低。

參考文獻

[1]何少劍， 吳友平， 賈清秀，等. 工程輪胎胎面膠用黏土/炭黑/天然橡膠納米復合材料的性能[J]. 合成橡膠工業， 2009， 32（3）：215-218.

[2]吳友平， 張立群， 王益慶，等. 層狀硅酸鹽/橡膠納米復合材料的結構、性能、工業化及其在輪胎工業中的應用[J]. 橡膠工業， 2008， 55（12）：709-715.

[3]張清玉， 徐建州. 粘土/丁苯橡膠納米復合材料在半鋼子午線輪胎氣密層膠中的應用[J]. 橡膠科技， 2015， 13（7）：23-26.