湿磨法超细绢云母在全钢子午线轮胎气密层胶中的应用

陈思奎，熊卫红，蒋松涛，李 键，付波涛

（合肥万力轮胎有限公司，安徽 合肥 231100）

橡胶补强填料主要有炭黑、白炭黑、绢云母、石墨等，其中炭黑和白炭黑属于链枝状或圆球状高补强填料，绢云母和石墨属于片层状填料，具有独特的理化性质。

绢云母是一种硅酸盐材料，具有二维片状结构，径厚比大，对橡胶具有一定的补强性[1-7]，其补强胶料的耐热性能、耐酸碱性能、耐磨性能和气密性良好。绢云母与炭黑并用时，可显著提高胶料的导热性能、阻尼性能和电绝缘性能[8-10]。然而，绢云母易堆砌聚集，与橡胶基体的界面性质存在差异，互不浸润，不易分散，需通过表面改性来提高其与橡胶基体的相容性[11-15]。

本工作研究湿磨法超细绢云母在全钢子午线轮胎气密层胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

溴化丁基橡胶（BIIR），山东京博中聚新材料有限公司产品；天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚进口产品；炭黑N660，山西安仑化工有限公司产品；湿磨法超细绢云母，粒度为3.25 μm（4 000目），厚径比大于80，安徽格锐新材料科技有限公司产品；偶联剂Si69，常州新策高分子材料有限公司产品。

1.2 试验配方

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

XSM-1/10-120型密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；XK-160型开炼机，无锡市第一橡塑机械有限公司产品；HS-RTMO型平板硫化机，佳鑫电子设备科技有限公司产品；GH-10型高速混合机，北京泽岛机械有限公司产品；MDR2000型硫化仪和RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；EK-RON型门尼粘度仪，上海育肯仪器有限公司产品；邵尔A型硬度计，北京时代锐达科技有限公司产品；GT-AI-7000S型电子拉力机和GT-XB320M型疲劳试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；VAC-V1型气密性测试仪，济南兰光机电技术有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 改性绢云母

湿磨法超细绢云母部分替代炭黑用于全钢子午线轮胎气密层胶时，为提高其与橡胶的界面结合力和相容性，选用偶联剂Si69对湿磨法超细绢云母进行表面改性。将高速混合机升温至90 ℃，保持恒温，依次加入湿磨法超细绢云母和偶联剂Si69，搅拌30 min，制得改性绢云母（以下简称绢云母）。

1.4.2 混炼胶

一段混炼在密炼机中进行，加入生胶、炭黑、绢云母、均匀剂、环烷油等，混炼均匀；二段混炼在XK-160型开炼机上进行，加入一段混炼胶、硫化剂和促进剂，混炼均匀，下片后停放48 h以上备用。

1.4.3 硫化胶

混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为160℃×t90。

1.5 测试分析

（1）门尼粘度。按照GB/T 1232.1—2016进行测试。

（2）硫化特性。按照GB/T 16584—1996进行测试。

（3）物理性能。邵尔A型硬度、拉伸性能和撕裂强度分别按照GB/T 531.1—2008，GB/T 528—2009和GB/T 529—2008进行测试。

（4）动态力学性能。采用RPA2000橡胶加工分析仪进行应变扫描，测试条件为：温度 60 ℃，频率 1 Hz，应变范围 0.27%～98%。

（5）耐疲劳性能。按照GB/T 13934—2006进行测试，屈挠频率为300次·min-1。

（6）气密性（差压法）。按照GB/T 1038.1—2022进行测试，每组试验选取5个代表性圆形试样，确保试样无痕迹或无可见缺陷，试样厚度为2 mm。试样在（23±2） ℃的干燥器中干燥48 h以上，计算透气系数，取值为去除最大值和最小值后的平均值。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

混炼胶的硫化特性如表2所示。

表2 混炼胶的硫化特性

从表2可以看出：随着绢云母用量的增大，混炼胶的门尼粘度变化不大；焦烧时间呈延长趋势，加工安全性提高；t90呈延长趋势，硫化速率呈减小趋势，这可能是因为绢云母表面的弱酸性抑制了硫化体系中自由基的反应，使其活性降低，延缓了硫化；Fmax－FL变化不大，说明绢云母用量对混炼胶的交联密度影响不大。

2.2 动态力学性能

混炼胶的动态力学性能如图1和2所示，其中G′为储能模量，tanδ为损耗因子。

图1 混炼胶的G′-应变曲线

图2 混炼胶的tan δ-应变曲线

从图1和2可以看出：随着应变的增大，混炼胶的G′减小，tanδ增大，这是因为在小应变下，体系内填料网络未被破坏，此时G′较大，随着应变的增大，填料网络被破坏，G′减小[16]；在小应变下，绢云母用量越大，混炼胶的G′越小，说明绢云母形成的填料网络较炭黑弱，这可能是因为绢云母为片层状结构，活性较弱，所形成的结合胶少；绢云母的用量越大，混炼胶小应变下的tanδ越小，说明绢云母不易形成团聚网络，而大应变下的tanδ几乎不变，表明绢云母与炭黑形成了复合填料网络，且绢云母在大应变时发生滑移，起到润滑作用，降低胶料力学损耗。

2.3 物理性能

硫化胶的物理性能如表3所示。

表3 硫化胶的物理性能

从表3可以看出，随着绢云母用量的增大，硫化胶的邵尔A型硬度和拉伸强度变化不大，100%定伸应力、300%定伸应力和撕裂强度呈增大趋势，拉断伸长率呈减小趋势，耐疲劳性能下降。这可能是因为绢云母中的偶联剂Si69属于两性物质，在绢云母与橡胶之间起到桥梁作用，增强了两者之间的结合，提高了胶料的交联密度，因此硫化胶的定伸应力和撕裂强度增大；但绢云母为片层结构，在橡胶基体中易产生应力集中，因此绢云母补强硫化胶的拉断伸长率较炭黑补强硫化胶小，耐疲劳性能差。综上所述，耐疲劳性能是全钢子午线轮胎气密层胶的关键性能，决定了其使用寿命，因此绢云母用量不应超过20份。

2.4 气密性

硫化胶的透气系数如表4所示。

表4 硫化胶的透气系数 cm2·Pa-1·s-1

从表4可以看出，随着绢云母用量的增大，硫化胶的透气系数减小，气密性提高，当绢云母用量为20份时，硫化胶的透气系数降低31%。这是因为绢云母具有片层状结构，径厚比较大，一定程度上阻断了气体的渗透路径，使得硫化胶的透气系数减小，气密性提高。

2.5 成本分析

绢云母资源丰富、价格低，部分替代炭黑用于全钢子午线轮胎气密层胶时，可有效降低生产成本。使用20份绢云母替换炭黑N660后，胶料每千克成本降低0.27元，可产生较大的经济收益。

3 结论

（1）采用绢云母部分替代炭黑N660后，混炼胶的加工安全性提高，t90延长，力学损耗降低。

（2）随着绢云母用量的增大，硫化胶的邵尔A型硬度和拉伸强度变化不大，100%定伸应力、300%定伸应力和撕裂强度呈增大趋势，拉断伸长率呈减小趋势，耐疲劳性能下降，气密性提高。

（3）综合考虑气密层胶的性能要求，绢云母用量宜为20份，同时可大幅降低生产成本。