孫成林 王剛 王金帥

【摘要】根據(jù)現(xiàn)今世界汽車輪胎的發(fā)展趨勢(shì)來看，節(jié)油以及高性能是它的主要發(fā)展方向，制造輪胎所需的復(fù)合材料中，關(guān)鍵的節(jié)油性納米復(fù)合材料有胎面膠、氣密內(nèi)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(dòng)阻力和高抗?jié)窕阅?，并且耐磨性也要高。氣密?nèi)襯層膠位于輪胎的內(nèi)表面，它的作用是讓輪胎的氣壓保持平穩(wěn)，鋼絲圈墊膠的位置在鋼絲圈上端，它能加強(qiáng)胎圈，也助于填充輪胎。本文主要介紹了橡膠納米復(fù)合材料的制備方法以及性能。

【關(guān)鍵詞】高性能輪胎;橡膠納米復(fù)合材料;制備;性能

引言

在1904年，橡膠工業(yè)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(yè)中使用最廣泛的一種增強(qiáng)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(jīng)過成型機(jī)加工制作成胎胚，然后再進(jìn)行硫化制備的。不同的部位，對(duì)于復(fù)合材料的要求也不一樣。將新型的彈性體復(fù)合材料應(yīng)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(fù)合材料

胎面部分直接與地面接觸，胎面部分不僅會(huì)對(duì)輪胎的干濕度產(chǎn)生影響，也會(huì)影響雨雪天氣輪胎的抓著性，并且對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力產(chǎn)生影響，這些都和輪胎的安全性能以及油耗有直接的關(guān)系。高性能的胎面膠有三個(gè)特點(diǎn)，即高抗?jié)窕?、低滾動(dòng)阻力和較好的耐磨性，但是這三個(gè)方面很難做到平衡，所以，這三個(gè)方面被人們戲稱為“魔三角”[1]。究其原因，首先，純橡膠的強(qiáng)度比較低，所以要將大量的納米填料添加進(jìn)去，以提高橡膠的強(qiáng)度和耐磨性，輪胎在滾動(dòng)時(shí)，會(huì)有一個(gè)周期性的形變，在填補(bǔ)了大量的納米材料后，胎面橡膠如果發(fā)生周期性形變以后，材料內(nèi)部形成的滯后生熱會(huì)因?yàn)樘盍吓c填料間和填料與橡膠間產(chǎn)生的摩擦而增加，輪胎的滾動(dòng)阻力也會(huì)因此而增加。當(dāng)橡膠材料通過納米進(jìn)行增強(qiáng)以后變成復(fù)合材料，它的模量和硬度也就隨之增強(qiáng)了，當(dāng)路面濕滑時(shí)，這種材料和地面的接觸面積會(huì)比之前小，因此，也就降低了它的抗?jié)窕阅?。?duì)于設(shè)計(jì)者來說，做好抗?jié)窕?、滾動(dòng)阻力和耐磨性三個(gè)方面的關(guān)系平衡，一直是他們追求的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)相關(guān)研究證實(shí)，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(guān)鍵因素。增強(qiáng)橡膠使用的是一種傳統(tǒng)填料，叫做炭黑，它已經(jīng)有150年的應(yīng)用歷史，早在20世紀(jì)90年代初，白炭黑開始應(yīng)用在胎面膠中，在輪胎行業(yè)中，將白炭黑用來增強(qiáng)納米復(fù)合材料，用它來制備低滾阻胎面膠料，這已經(jīng)是行業(yè)內(nèi)的共識(shí)。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(gè)良好的結(jié)合，這還是當(dāng)前胎面設(shè)計(jì)者正在關(guān)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(shí)，在橡膠基體中同時(shí)加入白炭黑和硅烷偶聯(lián)劑，讓白炭黑形成原位改性分散，和預(yù)先改性白炭黑相比，這種方式經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)，更容易受到工業(yè)界青睞。

2三角膠復(fù)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(gè)是填充圈胎，一個(gè)是加強(qiáng)圈胎。它可以改善子午胎的側(cè)向剛性分布，并與胎側(cè)區(qū)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(tǒng)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(lián)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(lián)劑預(yù)先改性FS，或者利用原位改性的方法對(duì)技術(shù)進(jìn)行分散，將FS進(jìn)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(tǒng)的增強(qiáng)填料，F(xiàn)S橡膠復(fù)合材料的長(zhǎng)徑較高，采用FS形成的復(fù)合材料，它則具有和短纖維復(fù)合材料相同的力學(xué)特征。在低應(yīng)變情況下，這種復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)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(fù)合材料以及炭黑復(fù)合材料，前者的定伸應(yīng)力比較高，硬度也較高，而后者則相對(duì)較低。在傳統(tǒng)的炭黑以及橡膠界面中，主要應(yīng)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(shí)，使用硅烷偶聯(lián)劑，在FS和橡膠間會(huì)形成較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，能夠提高彈性模量，使動(dòng)態(tài)生熱降低。這時(shí)對(duì)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(duì)長(zhǎng)度小，所以，在加工黏度方面，F(xiàn)S橡膠復(fù)合材料的黏度要低于短纖維復(fù)合材料，并且具備良好的加工性能。

3氣密內(nèi)襯層復(fù)合材料

氣密內(nèi)襯層位于輪胎的內(nèi)面，它能夠保持輪胎的氣壓，主要性能有：優(yōu)異的氣密性、能夠和外胎實(shí)現(xiàn)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(jīng)有了無內(nèi)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(yōu)異的氣密性，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在輪胎的內(nèi)襯層膠料中，它占據(jù)主導(dǎo)地位，而它的形式和組分都未曾發(fā)生過明顯變化。在科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步下，納米復(fù)合材料的應(yīng)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(fù)合材料，它的強(qiáng)度較高而且氣密性好，符合氣密內(nèi)襯層中對(duì)于膠料的標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。在制備黏土聚合物的納米復(fù)合材料時(shí)，可以使用好幾種方法，例如采用原位聚合的方法、有機(jī)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(shí)，黏土在聚合物基體中可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分散，但是，這種方法具有較高的成本，工藝復(fù)雜且難以形成工業(yè)化。有課題組發(fā)明了一種乳液復(fù)合法，這種方法利用了黏土層間的陽離子可以強(qiáng)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(diǎn)，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(jié)構(gòu)，等到脫水以后，納米復(fù)合材料就形成了。

4結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

[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(fù)合材料的性能[J]. 合成橡膠工業(yè)， 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(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、性能、工業(yè)化及其在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 橡膠工業(yè)， 2008， 55（12）：709-715.

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