芳纶短纤维在轮胎胎面胶中应用初探

杜少忠，战之明，高 耸，张 华，李益万

(青岛耐克森轮胎有限公司技术研究所，山东 青岛 266603)



芳纶短纤维在轮胎胎面胶中应用初探

杜少忠，战之明，高 耸，张 华，李益万

(青岛耐克森轮胎有限公司技术研究所，山东 青岛 266603)

芳纶短纤维是近年来兴起的一种新型填料，跟橡胶混合后能够提高补强耐磨等性能。也有一些研究结果表明纺轮短切纤维能够降低混炼胶料的佩恩效应,从而降低轮胎的滚动阻力。本文将国产及进口的芳纶短纤维加入到胎面胶中，同时调整胶料配方，对比国内生产和国外生产的芳纶短纤维用于胶料中，对胶料性能的影响。结果表明，加入芳纶短纤维可以提高胶料的拉伸强度，一定程度的降低滚动阻力。

芳纶短纤维；拉伸性能；撕裂性能；动态性能；SEM

短纤维补强橡胶的研究始于20 世纪60 年代。短纤维橡胶基复合材料(SFRC) 将高弹性、低模量和分子链柔顺的橡胶与弹性相对较低而模量较高的短纤维复合在一起,使复合材料既保持橡胶的高弹性,又具有短纤维的高模量,从而提高橡胶制品的物理性能,使制品具有高模量、高硬度、高强度、耐磨、抗切割和尺寸稳定等性能[1]。

用纤维补强的弹性体可以兼有橡胶的弹性与补强纤维的强度和刚性,用长纤维增强弹性体已为人熟知,但是这种复合物主要限用于轮胎特定部位(如胎体、带束层或冠带层) 、胶带和胶管[2]。

在胶料中添加少量芳纶短纤维可使胶料改性,适用于改善胶料的屈挠疲劳性能、耐磨性能、滞后损失和生热。胶料改性方法包括在配方中添加短纤维、减小炭黑用量；上述变化导致滚动阻力明显下降,从而对节省燃油做出了重大贡献[3-4]。

本文中，首先我们先选定一种胎面胶，然后选定三种配方，即炭黑和芳纶短纤维的不同使用量，对比测试国内和国外生产的芳纶短纤维用于此配方，找出不同厂家生产芳纶短纤维作为填充物时胎面胶滚动阻力的差异性。

1 实 验

1.1 主要材料

白炭黑，索尔为白炭黑有限公司；炭黑N234，江西黑猫股份有限公司；硅烷偶联剂Si69，南京曙光硅烷化工有限公司；芳纶短纤维aramid，国内某公司和国外厂家TEIJIN；其他橡胶，碳黑，防老剂，促进剂等原材料为常见一般原材料。

1.2 主要测试设备

密炼机，青岛科高；开炼机，庄河市橡胶塑料机械厂；平板硫化剂，WOOSUNG ENGINE；流变仪，DAEKYUNG；穆尼粘度计，DAEKYUNG；穆尼焦烧机，DAEKYUNG；万能力学拉伸机，DAEKYUNG；动态粘弹性试验机(DMTA)，Gabo；扫描电镜JSM-6610，日本岛津。

1.3 配方、试样制备及测试要求

1.3.1 混炼胶料的制备

实验配方见表1，因为芳纶短纤维会延迟硫化，因此我们对促进剂进行了适量调整。详细配方在此略去。密炼分为三段进行。第一段，密炼机温度压力稳定后，先加入橡胶，40 s以后加入炭黑，再过40 s以后加入防老剂分散剂等，再240 s以后排除混炼胶，排出的混炼胶打包过滚分别6次。第二段，将第一段的混炼胶加入密炼机，40 s后再加入芳纶短纤维，再160 s后，排胶开练与第一段相同。第三段，在开炼机上加磺，至硫磺促进剂分散均匀，下片备用。

表1 配方

1.3.2 试样制备及测试要求

实验室配合实验完成后，采用平板硫化机，在160 ℃硫化15 min，根据实验项目不同，采用不同的模具制备各种样品，并且，注意使样品的测试受力方向与开练下片方向一致，也就是与芳纶短纤维在橡胶中的排列取向一致。然后按照国家标准制样测试门尼粘度、门尼焦烧、硫化特性、拉伸性能、撕裂性能等。

动态粘弹性试验(DMTA)采用Gabo公司生产的EPLEXOR-2000 N型进行实验[5]。试样长40 mm，宽6 mm，厚2 mm，硫化条件与拉伸性能试样一致。实验条件，震动频率分为: 20 Hz，温度扫描范围：-50～150 ℃，控温精度: ± 0.1 ℃，空气压力: 0.6～0.8 MPa。

短纤维在橡胶基体中分散和拉伸断裂后的形态采用日本岛津JSM-6610扫描电镜实验SEM按照公司内部规定进行实验。样品采用拉伸试验的断裂面真空喷金以后进行。试验电压20 kV，物镜距离12.6 mm，放大220倍。

2 结果与讨论

2.1 实验室配合基本测试结果

表2 实验室配合胶料测试结果

从表2测试结果可以看出，芳纶短纤维加入后，胶料的穆尼粘度略有降低，硬度稍微升高。胶料的100%定伸强度明显提高，200%，300%定伸强度变化不明显。这是由于芳纶短纤维的加入改变了材料的力学特性。使材料由韧性材料变成硬而韧的材料，并且有了明显的屈服点，如图1所示(以国外芳纶力学性能图片为例)。随着芳纶短纤维的量的增加，胶料的伸长率和撕裂强度有所降低。国外产品比国内产品稍微好一点。

图1 硫化混炼胶拉伸强度曲线

粘弹性是指高分子在受到外力作用时，既具有弹性形变，也具有粘性流动的现象。动态粘弹性试验机(DMTA)可以在试样在一定运动频率时，温度从高到低测试试样的损失模量和贮能模量，进而计算评价tanδ，并且可以根据tanδ值的大小预测轮胎的滚动阻力[6]。一般认为，60 ℃的tanδ越小，滚动阻力越小，0 ℃的tanδ越大，轮胎的抗湿滑性越好。DMTA测试结果表明，芳纶短纤维添加8份时，胶料的佩恩效应开始出现，60 ℃的tanδ明显降低，因此芳纶短纤维能够改善胶料的动态性能。从而降低轮胎的滚动阻力。

从扫描电镜照片可以看出，国内产的芳纶短纤维填充到胶料后，大部分芳纶短纤维是被从橡胶基体中拔出来的，也就是材料在屈服点时，芳纶短纤维被从橡胶基体中拔出，所以提高芳纶与橡胶之间的粘合力是改变胶料力学性能的关键[7]。也正因为如此，加入短纤维后，材料的伸长率和撕裂性能下降。国外产芳纶短纤维使用后，从SEM照片上可以看出，芳纶分散的要好于国内产的，而且其直径较小。纤维从橡胶基体抽出后，残留的小孔较小而且少。在今后的研究中，我们会研究适合芳纶短纤维和橡胶粘合的粘合剂的应用，从而改善橡胶与添加剂的界面关系，提高胶料的综合性能。

2.2 SEM分析结果

图2 SEM图像

3 结 论

芳纶短纤维可以影响胶料的佩恩效应，从而降低胶料的滞后损失，有利于降低轮胎的滚动阻力。力学性能损失不大，实际应用时，可以通过适当手段补偿。另外，国外芳纶短纤维产品，其直径比国产的要小，分散性更好一些。纤维从橡胶基体抽出后，残留的小孔较少，而且孔径较小。通过优化密炼工艺并适当调整配方，芳纶短纤维可以在短时间内实现工业化应用到轮胎中。

[1] 张志成,郑元锁,刘英伦.聚酯短纤维/ CR复合材料补强机理的研究[J].橡胶工业,2003,50(5):266-270.

[2] 王维相,翁亚栋.芳纶在橡胶制品中的应用概况[J].橡胶工业,2004,51(7):436-439.

[3] R Datta, M Peters. 用芳纶短纤维降低载重轮胎胎面胶的滞后损失[J].轮胎工业,2004,24(11):680-683.

[4] 张之兵,范东育,曹威琦,等.对位芳纶浆粕预分散体补强SBR的研究[J].橡胶工业,2008,55(5):268-274.

[5] 范世玉,张屹,杜少忠,等. 硅酸镁填料对乘用车胎胎面橡胶性能的影响[J].科学技术与工程,2013,13(8):2291-2294.

[6] 邓友娥,章文贡.动态机械热分析技术在高聚物性能研究中的应用[J].实验室研究与探索,2002,21(1):38-40.

[7] 张海潮,许耀东,张秀娥,等.SEM/EDS联用技术在橡胶行业的应用[J].橡胶工业,2016(10): 49-52.

Study on Difference of Application of Aramid Short Fiber in Tire Tread Compound

DUShao-zhong,ZHANZhi-ming,GAOSong,ZHANGHua,LIYi-wan

(Qingdao NEXEN Tire Technical Center, Shandong Qingdao 266603, China)

The aramid short fiber is a new kind filler to improve compound abrasion property. Some research shows that aramid fiber can reduce Payne effect and tire rolling resistance. The aramid fiber was added to the tread rubber, at the same time the recipe of the rubber compound was adjusted. The influence of the aramid short fiber used in the domestic production and the foreign production were studied. The results showed that the tensile strength of the compound can be improved by adding aramid fiber. At the same time, rolling resistance of test compound was improved by DMTA.

aramid short fiber; tensile strength; tear strength; dynamic performance; SEM

杜少忠( 1980-)，男，硕士，主要从事环保原材料的研究与开发。

TQ330 38

A

1001-9677(2016)024-0045-04