生物基纳米颗粒在工程机械轮胎胎面中的应用研究

1、生物基纳米颗粒在工程机械轮胎胎面中的应用研究丁树强 肖立军天津国际联合轮胎橡胶股份有限公司，天津 摘要：本文研究了生物基纳米颗粒sl6096在工程机械轮胎胎面胶料配方中的应用性能，研究结果表明：sl6096可以赋予胶料更好的加工性能，提高胶料的机械强度，具有更低的生热；显著改善了老化后胶料的撕裂强度，对于工程胎的性能有重要意义。关键词：生物基，纳米颗粒，工程胎，抗撕裂工程机械轮胎（简称工程胎）指用于公路、矿山、港口、电站等大型基础工程建设场地的工程机械及运输车辆上使用的轮胎品种，广泛用于矿山翻斗、特种车辆、装载机、推土机、挖掘机、平整土地机、压路机和石方作业机等。多在施工现场使用，载荷大，路面

2、情况复杂，崎岖不平，同时有大量的表面锋利的石子等异物。由于需要应对非常复杂的路况，工程胎在行驶过程中胎面形变大，因而对工程胎胎面胶的各方面性能有非常高的要求。近年来，随着纳米材料的研究不断深入，利用纳米材料改善橡胶、轮胎的性能也越来越受到重视。利用纳米材料改善轮胎性能也是目前的研究热点，包括碳纳米管、石墨烯等在轮胎中的应用获得了广泛的关注。1-2北京化工大学也利用黏土制备的纳米橡胶复合材料应用到工程轮胎胎面中进行了研究。3然而，由于纳米材料具有非常高的比表面积，团聚的现象非常严重，在复合材料基体中也往往以聚集体状态呈现，不能体现纳米材料本身的优异性能。因此，能在橡胶中保持良好分散性的纳米材料才

3、是真正适用于橡胶轮胎领域的纳米材料。为了适应轮胎工业对高性能轮胎功能材料的需求，华奇公司推出了新一代牌号为sl6096的生物基纳米颗粒。该材料使用生物基为原料，粒径在1050nm之间，材料内部为高度交联的有机硬核，具有极高强度，表面覆盖大量的烷基链，保证了与橡胶基体的良好相容性。该生物基纳米材料具有较好的增塑、补强及分散能力，可以用在轮胎各个部位胶料中。本文尝试了在工程轮胎胎面中添加生物基纳米颗粒sl6096，考察对其加工及物理性能的影响，加入了同等用量的市售抗撕裂树脂a作为对比。1实验1.1 主要原材料nr（str20）,泰国同泰公司产品；生物基纳米颗粒（牌号sl6096）,华奇(中国)化工

4、有限公司产品；中超耐磨炭黑，龙星化工股份有限公司产品;硅烷偶联剂x50s,白炭黑vn3,赢创德固赛公司产品；其它原材料均为橡胶工业常用助剂。1.2试验配方1#配方：nr 100，炭黑 40，白炭黑vn3 15，抗撕裂树脂a 5，x50s 2.5，其它助剂14.5。2#配方：以5份sl6096等量替代抗撕裂树脂a，其它均同配方1#。1.3主要设备和仪器xk-160开炼机，广东湛江机械厂产品；btm-2密炼机，广州华工百川自控科技有限公司产品；600×600型平板硫化机，湖州宏侨橡胶机械有限公司产品；mv2000门尼粘度仪、mdr2000硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；拉力机,美国英

5、斯特朗公司产品；动态性能，瑞士梅特勒-托利多公司dma861e1.4 试样制备 胎面胶的小配合试验分两段进行。 母炼胶混炼在小密炼机中进行，混炼工艺：生胶投入60r.min/60s小药60r.min/40s炭黑、白炭黑和硅烷偶联剂60r.min/80s提砣清扫压砣40r.min/70s排胶称量。称量的胶料重量合格后，下片停放4h；继续进密炼机中加入树脂、其它功能助剂，混合均匀，排料。 终炼胶混炼在开炼胶上进行，混炼工艺：母炼胶过辊3次薄通3次加硫化剂、促进剂左右割刀各3次过辊3次薄通5次下片。1.5性能测试胶料性能测试按照相应的国家标准进行测试。2 结果与讨论2.1树脂对胶料工艺性能的影响 为

6、了对比各方面性能，在1#胶样中加入了同等数量的抗撕裂树脂a作为参比样。作为一种改善工程胎胎面性能的助剂，抗撕裂树脂可以有效改善胶料的抗撕裂性能，在加工过程中起到软化、增塑的作用。从表1对比两种配方胶料的门尼粘度特性可以看出，加入sl6096可以对胶料起到更好的软化效果，降低胶料的加工能耗。从表2的焦烧数据可以看出，2#胶料与加入抗撕裂树脂a的1#胶料相比焦烧时间有所延长，提高了加工的安全性。表1树脂产品对胶料门尼粘度的影响项目配方编号1#2#初始粘度 /mu82 99 l(1+4)100 /mu49 47表2树脂产品对胶料焦烧时间的影响项目配方编号1#2#初始粘度 / mu58.45 52.5

7、4 ts5 /min16.05 18.72 ts35 /min21.02 23.88 2.2树脂对胶料硫化特性的影响从表3的硫化性能数据可以观察到，2#配方胶料mh值均明显高于1#配方胶料。mh为试样充分硫化的剪切模量，由于生物基纳米颗粒内核具有非常强的刚性，具有良好的补强效果，因此使用了sl6096的2#胶料的mh值明显高于1#胶料。与焦烧时间相一致的是，2#胶料的硫化速度略慢。表3 树脂对胶料硫化性能的影响项目配方编号1#2#硫化仪数据（160×30min）ml /(dn.m)1.70 1.61 mh /(dn.m)13.17 14.23 t10 / min3.80 4.47 t

8、50 / min5.89 6.36 t90 /min10.03 10.31 t90-t10 /min5.84 6.23 mh-ml /dn.m11.47 12.62 2.3树脂对胶料动态性能的影响从图一的数据可以观察到，在0到80温度范围以内，使用了sl6096的硫化胶具有更高的动态模量，这一数据与前面硫化性能测试过程中的mh值是匹配的。表明了sl6096对胶料的动态模量有明显的贡献，起到了提高橡胶强度的性能。同时损耗因子（tan ）曲线观察到使用了sl6096的硫化胶损耗因子明显低于参比样品，表明胶料的动态生热较低。对于工程胎而言，工作的环境恶劣，低的动态生热意味着更少的能量被转化为温度，对

9、橡胶的性能保持有一定益处。图一、胶料老化前后动态性能对比2.3树脂对硫化胶物理性能的影响从表4可以看出，与1#配方相比，2#配方具有相对高的小定伸应力，同时具有较高的硬度，表明了sl6096对于材料具有优异的补强作用，主要是有其独特的纳米结构及良好的分散带来的。老化前后在10%，30%，100%，300%形变下的定伸应力和拉伸强度对比显示，添加了sl6096的配方都更高，表现了良好的力学性能，对于起到的胶料有重要意义。同时，2#配方具有更高断裂伸长率，表明sl6096不仅赋予了材料强度，同时保持了橡胶原有的弹性。对于工程胎胎面的物理性能有显著的提高。表4树脂对胶料物理性能的影响项目配方编号1#

10、2#硫化时间（160）/min202010%定伸应力/mpa0.911.0130%定伸应力/mpa1.591.76100%定伸应力/mpa2.632.82300%定伸应力/mpa11.6011.81拉伸强度 /mpa24.5325.11断裂伸长率 / %559568邵尔a型硬度/度6971100×24h热空气老化后10%定伸应力/mpa1.11.430%定伸应力/mpa2.32.7100%定伸应力/mpa4.24.8300%定伸应力/mpa14.916.2拉伸强度 /mpa20.622.8断裂伸长率 /%431456邵尔a型硬度/度74762.4树脂对硫化胶撕裂性能的影响由于工程胎使

11、用环境恶劣，往往存在胎面裂口，裂口快速扩展，导致崩花掉块的现象。而这种物理破坏与胶料的抗撕裂性能有明显的相关性，因此提高胎面的抗撕裂性能对于工程胎的质量有重要意义。4 为此，我们针对使用了sl6096的胶料与使用了抗撕裂树脂a的胶料的抗撕裂性能进行了详细对比，分别在老化前，老化24h，48h和72h测试胶料的抗撕裂强度，对比数据如图二所示。从图二的数据可以观察到，老化前，两个硫化胶的撕裂强度几乎是一致的，但是随着老化的进行，使用了抗撕裂树脂a的样品撕裂强度快速下降。而使用了sl6096的硫化胶在48h老化前，撕裂强度的下降明显较慢，使得撕裂强度具有更好的保持。当天然橡胶老化到72h时，由于橡胶

12、的强度下降，两个样品的撕裂强度又接近。橡胶在使用过程中是不断老化的，因此老化后橡胶的撕裂强度对于工程胎而言有重要意义，可以改善轮胎使用过程中的抗撕裂性能。图二、不同老化条件下撕裂强度对比3 结论尝试了在工程胎胎面配方中加入新型的生物基纳米颗粒sl6096，与添加了抗撕裂树脂的对比胶料相比，添加了sl6096后具有如下特点：（1） 在工程胎胎面配方中加入生物基纳米颗粒sl6096，胶料具有更低的门尼粘度，有利于加工。焦烧时间有所延长，具有更好的加工安全性，胶料硫化速度略有减慢，剪切模量更高。（2） 添加sl6096的胶料力动态模量更高，同时具有更低的损耗因子，对于长期处于运动状态且结构较厚的胶料而言，可以降低动能向热能的转换，提高能量利用效率，降低胎面的温度。（3） sl6096可以使工程胎胎面胶料具有更优异的力学性能，包括更高的定伸应力，硬度，撕裂强度和断裂伸长率同时获得提高。尤其是老化后的撕裂强度可以得到更好的保持，对于工程胎有重要意义。参考文献：1, 王伟 ,于雅琳, 李卫国 ,陈建军.  碳纳米管在白炭黑补强半钢子午线轮胎胎面胶中的应用j.轮胎工业，2016, 36(7):419-423.2, 杨宏辉. 石墨烯材料带来轮胎技术新变革 j.中国橡胶,2016(19):4-6.3,