高性能轮胎用橡胶纳米复合材料的制备与性能

孙成林 王刚 王金帅

【摘要】根据现今世界汽车轮胎的发展趋势来看，节油以及高性能是它的主要发展方向，制造轮胎所需的复合材料中，关键的节油性纳米复合材料有胎面胶、气密内衬层胶和钢丝圈垫胶等。胎面胶是轮胎与路面直接接触的部分，它必须具备低滚动阻力和高抗湿滑性能，并且耐磨性也要高。气密内衬层胶位于轮胎的内表面，它的作用是让轮胎的气压保持平稳，钢丝圈垫胶的位置在钢丝圈上端，它能加强胎圈，也助于填充轮胎。本文主要介绍了橡胶纳米复合材料的制备方法以及性能。

【关键词】高性能轮胎;橡胶纳米复合材料;制备;性能

引言

在1904年，橡胶工业中就开始使用炭黑这种纳米材料，炭黑是一种纳米粉体，直到今天，炭黑仍然是橡胶工业中使用最广泛的一种增强剂。在汽车轮胎制造方面，橡胶的消耗量最大，炭黑用量也是最大的。轮胎是由许多不同的半部件经过成型机加工制作成胎胚，然后再进行硫化制备的。不同的部位，对于复合材料的要求也不一样。将新型的弹性体复合材料应用在轮胎中，利于轮胎保持高性能。本文主要论述高性能轮胎使用橡胶纳米符合材料的制备及性能，以供参考。

1胎面复合材料

胎面部分直接与地面接触，胎面部分不仅会对轮胎的干湿度产生影响，也会影响雨雪天气轮胎的抓着性，并且对轮胎的滚动阻力产生影响，这些都和轮胎的安全性能以及油耗有直接的关系。高性能的胎面胶有三个特点，即高抗湿滑性、低滚动阻力和较好的耐磨性，但是这三个方面很难做到平衡，所以，这三个方面被人们戏称为“魔三角”[1]。究其原因，首先，纯橡胶的强度比较低，所以要将大量的纳米填料添加进去，以提高橡胶的强度和耐磨性，轮胎在滚动时，会有一个周期性的形变，在填补了大量的纳米材料后，胎面橡胶如果发生周期性形变以后，材料内部形成的滞后生热会因为填料与填料间和填料与橡胶间产生的摩擦而增加，轮胎的滚动阻力也会因此而增加。当橡胶材料通过纳米进行增强以后变成复合材料，它的模量和硬度也就随之增强了，当路面湿滑时，这种材料和地面的接触面积会比之前小，因此，也就降低了它的抗湿滑性能。对于设计者来说，做好抗湿滑、滚动阻力和耐磨性三个方面的关系平衡，一直是他们追求的设计目标。根据相关研究证实，橡胶和橡胶间的界面作用以及大量填料在橡胶中的分散，这些都是平衡胎面“魔三角”的关键因素。增强橡胶使用的是一种传统填料，叫做炭黑，它已经有150年的应用历史，早在20世纪90年代初，白炭黑开始应用在胎面胶中，在轮胎行业中，将白炭黑用来增强纳米复合材料，用它来制备低滚阻胎面胶料，这已经是行业内的共识。如何把极性白炭黑均匀地分散在非极性橡胶中，使界面能有一个良好的结合，这还是当前胎面设计者正在关注和解决的问题。要解决这些问题，首先，在制备橡胶混炼胶时，在橡胶基体中同时加入白炭黑和硅烷偶联剂，让白炭黑形成原位改性分散，和预先改性白炭黑相比，这种方式经济性更强，更容易受到工业界青睐。

2三角胶复合材料

在轮胎的钢丝圈上，有一种垫胶，它的硬度较高，是三角形的芯胶，所以人们又叫它三角胶。垫胶的位置在钢丝圈上面，它的作用有两，一个是填充圈胎，一个是加强圈胎。它可以改善子午胎的侧向刚性分布，并与胎侧区域能够形成均匀的过渡。三角胶需要具备以下性能：较好的表面黏附性能、良好的刚性等。三角胶具有较高的硬度，一般在传统的三角胶中，它的基体大多都是天然橡胶，将高用量炭黑与它配合起来，再将大量硫磺加入，能够提升橡胶的交联密度，最终提高橡胶的硬度及模量。坡缕石是硅酸盐矿物，它的形状是针状的，组成成分是纳米单晶短纤维，直径在20-30mm，利用偶联剂预先改性FS，或者利用原位改性的方法对技术进行分散，将FS进行解离，形成纳米短纤维并分散在SBR，可以制备出一种高模量、高硬度的橡胶，能够满足三角橡胶的性能。

相比传统的增强填料，FS橡胶复合材料的长径较高，采用FS形成的复合材料，它则具有和短纤维复合材料相同的力学特征。在低应变情况下，这种复合材料的撕裂强度高，硬度高，并且定伸较高。而且它还具备明显的各向异性[2]。在材料用量相同的情况下，比较FS复合材料以及炭黑复合材料，前者的定伸应力比较高，硬度也较高，而后者则相对较低。在传统的炭黑以及橡胶界面中，主要应用物理作用。而FS表面的羟基含量丰富且比较活泼，在改性时，使用硅烷偶联剂，在FS和橡胶间会形成较强的化学反应，能够提高弹性模量，使动态生热降低。这时对炭黑和硫黄都不需要高量添加，在材料表面，它的黏着性明显有了改善。纳米短纤维它的绝对长度小，所以，在加工黏度方面，FS橡胶复合材料的黏度要低于短纤维复合材料，并且具备良好的加工性能。

3气密内衬层复合材料

气密内衬层位于轮胎的内面，它能够保持轮胎的气压，主要性能有：优异的气密性、能够和外胎实现良好黏合，并且具有良好的耐疲劳性，不容易开裂。早在1950年，就已经有了无内胎轮胎，它主要利用卤化丁基橡胶材料制成，这种橡胶具有优异的气密性，很长一段时间内，在轮胎的内衬层胶料中，它占据主导地位，而它的形式和组分都未曾发生过明显变化。在科学技术的持续进步下，纳米复合材料的应用范围越来越广，例如黏土、层状硅酸盐、累托石等。把纳米片层分散在橡胶中，这样制备出来的复合材料，它的强度较高而且气密性好，符合气密内衬层中对于胶料的标准要求[3]。在制备黏土聚合物的纳米复合材料时，可以使用好几种方法，例如采用原位聚合的方法、有机改性的混合方法、聚合物融体共混的方法等。使用这些方法时，黏土在聚合物基体中可以实现纳米级分散，但是，这种方法具有较高的成本，工艺复杂且难以形成工业化。有课题组发明了一种乳液复合法，這种方法利用了黏土层间的阳离子可以强烈水化的，最终，水分散体就形成了，这种散体即硅酸盐纳米片层水分散体。一般情况下，许多橡胶的乳液形式都有自身特点，在水中把它们混合起来，再利用共凝聚的方法来固定分散结构，等到脱水以后，纳米复合材料就形成了。

4结束语

综上所述，利用原位改性的技术来制备白炭黑橡胶纳米复合材料，这方面人们已经有所了解。在今后，研究的主要方向是探索安全性更强的高分散白炭黑，对新型的带功能的基团橡胶品种进行研究。另外，还需要对炭黑橡胶母胶的成本以及它的稳定性与基本性能进行深入研究，以保证它的分散性较好、性能更优质并且能耗更低。

参考文献

[1]何少剑， 吴友平， 贾清秀，等. 工程轮胎胎面胶用黏土/炭黑/天然橡胶纳米复合材料的性能[J]. 合成橡胶工业， 2009， 32（3）：215-218.

[2]吴友平， 张立群， 王益庆，等. 层状硅酸盐/橡胶纳米复合材料的结构、性能、工业化及其在轮胎工业中的应用[J]. 橡胶工业， 2008， 55（12）：709-715.

[3]张清玉， 徐建州. 粘土/丁苯橡胶纳米复合材料在半钢子午线轮胎气密层胶中的应用[J]. 橡胶科技， 2015， 13（7）：23-26.