钠基蒙脱土对工程机械轮胎胎面胶性能的影响

2021-07-21张清玉李遵陕

橡胶科技 2021年1期

张清玉，李遵陕

（1.浙江励德有机硅材料有限公司，浙江杭州 311600；2.新安化工集团股份有限公司，浙江杭州 311607）

轮胎使用寿命除了与其自身性能有关，与路况、气候条件和车辆载荷等也有密切的关系。工程机械轮胎使用条件比较苛刻，路面崎岖不平或有尖锐石子都容易划伤轮胎胎面；工程车辆一般需要通宵作业，昼夜温差大，载荷大，轮胎长期处于重压下[1]，严重影响轮胎的寿命。

粘土因其独特的片层结构而具有阻碍裂纹扩展和耐热氧老化性能好的优点[2]。何少剑等[3]在工程机械轮胎胎面胶中加入粘土纳米复合材料，提高了胎面胶的定伸应力和撕裂强度。霍柱辉[4]在挖掘机轮胎胎面胶中添加少量粘土/天然橡胶（NR）复合材料，胶料的拉伸性能，尤其是抗切割和抗崩花性能提高。

钠基蒙脱土吸水性强，吸水后膨胀率大，阳离子交换容量大，且在温度较高的条件下，仍能保持其特性，胶体悬浮液的pH值和粘度较大，触变性和热稳定性较好。本工作将钠基蒙脱土用于工程机械轮胎胎面胶中，研究其对胶料性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然胶乳（NRL），固形物质量分数为0.618；NR，1#标准胶，泰国产品；丁苯橡胶（SBR），牌号1502，中国石油吉林化学工业公司产品；炭黑N330，天津海豚炭黑厂产品；钠基蒙脱土，牌号CEC-78，杭州临安黑川膨润土有限公司产品。

1.2 配方

试验配方如表1所示。

表1 试验配方份

1.3 主要设备和仪器

XK160×320型两辊开炼机，广东湛江橡塑机械厂产品；P3555B2型盘式硫化仪，北京环峰机械制造厂产品；XQLB-350×350型平板硫化机，上海橡胶机械制造厂产品；XSH型邵氏硬度计，北京沃威科技有限公司产品；CMT4104型万能拉力试验机，江苏巨邦机械制造有限公司产品；MH-74型阿克隆磨耗试验机，长沙仪表机床厂产品；DF205型电热鼓风干燥箱，北京京通仪器厂产品；JEM-3010型透射电子显微镜（TEM），日本日立公司产品。

1.4 试样制备

为了避免机械共混法混炼不均导致钠基蒙脱土在橡胶基体中出现团聚、结块的现象，先采用乳液共沉法[5]制备钠基蒙脱土/NR纳米复合母胶，再在开炼机上混炼。

将一定量的钠基蒙脱土与去离子水混合，强力搅拌6～8 h，静置至少24 h后进行杂质处理，配制成固形物质量分数为0.02的钠基蒙脱土悬浮液；量取天然胶乳，加入钠基蒙脱土悬浮液和双亲性高分子界面剂（界面剂/钠基蒙脱土质量比为5∶10），用搅拌机（转速500 r·min-1）搅拌20 min以上，加入絮凝剂（pH值为1左右的稀硫酸），将试样放入干燥箱，在70 ℃下烘16 h至质量恒定，得到钠基蒙脱土/NR纳米复合母胶。

在开炼机上将钠基蒙脱土/NR橡胶纳米复合母胶与NR和SBR混合均匀，加入炭黑混炼一定时间，然后加入其他配合剂，混炼均匀，下片，胶料停放2 h以上，在1.6 mm辊距下薄通数次，辊距调至2.0 mm，下片。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为150℃/15 MPa×t90。试样停放16 h后进行性能测试。

1.5 性能测试

胶料性能按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 钠基蒙脱土/NR纳米复合母胶的TEM分析

钠基蒙脱土在橡胶基体中的分布形态和分散均匀程度与胶料的性能等有直接的关系。采用比较直观的TEM法观察钠基蒙脱土在橡胶基体中的分散状态。

图1为钠基蒙脱土/NR纳米复合母胶的TEM照片，其中钠基蒙脱土用量为4份，NR为80份，细长的黑线表示钠基蒙脱土片层，浅色区域表示橡胶基体。

图1 钠基蒙脱土/NR纳米复合母胶的TEM照片

由图1可以看出，采用乳液共沉法制备钠基蒙脱土/NR纳米复合母胶，钠基蒙脱土在橡胶基体中分散比较均匀。

2.2 钠基蒙脱土用量对胶料性能的影响

2.2.1 硫化特性

钠基蒙脱土用量对胶料硫化特性的影响如表2所示，其中硫化速率指数（Vc）＝100/（t90－t10）。

表2 钠基蒙脱土用量对胶料硫化特性（150 ℃）的影响

从表2可以看出：与未添加钠基蒙脱土的1#配方胶料相比，添加4份钠基蒙脱土的2#配方胶料Fmax提高，ts1，t10，t90缩短，Vc增大，这说明钠基蒙脱土在橡胶基体中达到纳米级均匀分散，并且钠基蒙脱土表面的活性基团参与了硫化反应，起到促进硫化的作用，提高了硫化速率；在钠基蒙脱土和炭黑总用量相同的情况下，随着钠基蒙脱土用量的增大，FL变化不大，Fmax提高，t90逐渐缩短，Vc逐渐增大。

2.2.2 物理性能和耐热老化性能

钠基蒙脱土用量对硫化胶物理性能和耐热老化性能的影响如表3所示。

表3 钠基蒙脱土用量对硫化胶物理性能和耐热老化性能的影响

从表3可以看出，与1#配方胶料相比，加入少量钠基蒙脱土的2#—6#配方胶料的邵尔A型硬度、300%定伸应力、拉伸强度、撕裂强度均有一定程度的提高。分析原因，钠基蒙脱土均匀分散在橡胶基体中且与橡胶的相容性非常好，钠基蒙脱土片层与橡胶分子之间的结合力较强，从而形成比较稳定的网状结构[6]，橡胶分子链的自由移动能力和变形能力受到牵制，使胶料的拉伸强度和撕裂强度明显提高。加入少量钠基蒙脱土后，胶料的拉断伸长率虽然有所降低，但仍满足胎面胶的性能指标要求。加入4份钠基蒙脱土的3#配方胶料拉伸强度提高11.8%，撕裂强度提高33.3%，综合性能较好。

从表3还可以看出：胶料100 ℃×48 h老化后的拉伸强度、拉断伸长率以及拉断永久变形均不同程度地降低，这是因为老化后橡胶大分子链会出现不同程度的断裂，橡胶结构被严重破坏；加入少量钠基蒙脱土的2#—6#配方胶料的耐老化性能明显优于未添加钠基蒙脱土的1#配方胶料；3#配方胶料老化后的综合性能最佳，与1#配方胶料相比，3#配方胶料老化后的邵尔A型硬度提高5度，300%定伸应力提高了19.0%，拉伸强度提高了45.7%。这说明在3#配方胶料中，钠基蒙脱土在橡胶基体中的分散均匀性和阻隔效果更好，有利于减缓胶料老化过程中热量传递和分子链的降解进程，从而显著提高耐热氧老化性能。

2.2.3 耐磨性能

钠基蒙脱土用量对硫化胶耐磨性能的影响如表4所示。

表4 钠基蒙脱土用量对硫化胶耐磨性能的影响

从表4可以看出：与1#配方胶料相比，2#—6#配方胶料的阿克隆磨耗量明显减小，其中3#配方胶料的阿克隆磨耗量最小，耐磨性能显著提高；在钠基蒙脱土和炭黑总用量相同的情况下，随着钠基蒙脱土用量的增大，胶料的阿克隆磨耗量呈减小趋势。

在阿克隆磨耗试验中，橡胶轮与砂轮摩擦产生磨粒磨损，胶料表面不断受到摩擦、切割和扯断作用从而脱落为微小的颗粒。胶料的强度越高，抵抗应力切割的能力越强，耐磨性能也越好。由于钠基蒙脱土片层以纳米级均匀分散在橡胶基体中，能够与橡胶基体以较强的作用力结合在一起，橡胶分子链插入钠基蒙脱土片层中，形成稳定的网状交联结构，能够阻碍胶料裂纹的扩展，使胶料的硬度、定伸应力和撕裂强度明显提高，摩擦系数减小，同时钠基蒙脱土片层能够吸收摩擦产生的热量，胶料表面不易因摩擦破坏而脱落，磨耗量减小，耐磨性能提高。