節(jié)能型輪胎胎面膠料的結(jié)構(gòu)與性能及靜電性研究.pdf

1、近年來，隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，汽車安全、舒適、節(jié)能的要求逐年提高，與其配套的輪胎要求具有優(yōu)異的抗?jié)窕阅?、耐磨性、低滾動(dòng)阻力特性等，但這三項(xiàng)性能難以同時(shí)改善，往往其中的一項(xiàng)或兩項(xiàng)性能改進(jìn)的同時(shí)會(huì)引起另一項(xiàng)或兩項(xiàng)性能的損失，人們常將這三項(xiàng)性能稱為“魔鬼三角”。為平衡該三種性能，必須在橡膠的分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改性以及填料補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)上有新的突破。眾所周知，橡膠分子間的內(nèi)摩擦損耗和松弛特性是制約其低滾阻和高抗?jié)窕阅艿闹饕蛩?，因此?jié)能橡膠

2、的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)施是研究的熱點(diǎn)課題之一。在輪胎工業(yè)中，大量白炭黑用于補(bǔ)強(qiáng)胎面，收到了顯著的節(jié)能和高抗?jié)窕Ч?，但帶來的另一問題是易積蓄靜電。因此，通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和納米填料增強(qiáng)以及添加其他導(dǎo)電填料，來提高填料分散性及復(fù)合材料的抗靜電性，并平衡輪胎的“魔鬼三角”性能的目標(biāo)是本論文致力研究的方向。
　　 論文的第一部分，主要研究了五種胎面用丁苯橡膠/炭黑復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能及防靜電特性。結(jié)果表明，四種溶聚丁苯橡膠的力學(xué)性能和濕抓著

3、性能與乳聚丁苯橡膠相近，但生熱性和低滾動(dòng)阻力特性明顯優(yōu)于乳聚丁苯橡膠；四種溶聚丁苯橡膠相比，星形SSBR的力學(xué)性能優(yōu)異，內(nèi)摩擦損失最低，抗?jié)窕院们覞L動(dòng)阻力低，其次為SL552，2305和YL950，表明偶聯(lián)結(jié)構(gòu)的SSBR具有顯著的節(jié)能特征。但YL950的門尼粘度低，加工性能優(yōu)異，硫化時(shí)間短，且膠料的防靜電性能優(yōu)異。還研究了高分子量充油SSBR膠料的結(jié)構(gòu)-性能及防靜電性，充油SSBR表現(xiàn)出良好的炭黑分散性和較低的滾動(dòng)阻力特性。對(duì)于50份

4、炭黑填充上述丁苯膠料的電阻率均能滿足防靜電性要求，說明分子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化和端基改性技術(shù)對(duì)SSBR膠料的防靜電性能影響不大。根據(jù)本章的結(jié)論，有助于選擇新型胎面用丁苯橡膠，并對(duì)本論文后幾章研究具有指導(dǎo)意義。
　　 論文的第二部分，研究了節(jié)能，高性能且防靜電胎面用膠的配方。首先研究了炭黑及白炭黑填充SSBR膠料的防靜電性和白炭黑填充膠料的加工工藝，發(fā)現(xiàn)50份炭黑可使膠料具有抗靜電性和良好的力學(xué)性能，而SSBR/SiO2膠料則表現(xiàn)出絕緣特

5、性。其次，分別研究了SiO2/CB不同并用比填充SSBR YL950和ESBR1500復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系及防靜電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在填充量為70 phr的橡膠基體中，炭黑由約30 nm的較透明的球狀顆粒形成珠鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該膠料的Payne效應(yīng)高，動(dòng)態(tài)損耗高，但具有優(yōu)異的抗靜電性能；SiO2粉體在橡膠中為黑色20～40 nm的不規(guī)則顆粒，膠料表現(xiàn)出優(yōu)異的濕抓著性能，低的內(nèi)摩擦損耗，但靜電積累量大。SiO2/CB并用填充SSBR復(fù)

6、合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)“協(xié)同效應(yīng)”，尤其當(dāng)SiO2/CB并用比為20/50時(shí)，復(fù)合材料的物理機(jī)械性能、低生熱性、磨耗性能、抗?jié)窕院蜐L動(dòng)阻力均達(dá)到較佳水平，且滿足防靜電性要求。而SiO2/CB(35/35)為復(fù)合材料防靜電性的渝滲閾值，而當(dāng)填料總量變化，SiO2/CB(1/1)填充SSBR膠料，由于粒子間距較遠(yuǎn)或納米填料的分散性差，均未達(dá)到防靜電要求。接著研究了導(dǎo)電炭黑部分取代炭黑和四針狀氧化鋅晶須填充SSBR/SiO2/CB復(fù)合材料的防

7、靜電性，力學(xué)性能及生熱性等，得出導(dǎo)電炭黑用量增加，防靜電性能提高，但力學(xué)性能降低，填料的分散性變差，且生熱高的結(jié)果，對(duì)于SiO2/CB并用比為40/30時(shí)，滿足防靜電性的導(dǎo)電炭黑最小用量為3 phr；而防靜電氧化鋅晶須，雖然具有獨(dú)特立體四針狀顯微結(jié)構(gòu)，但在加工過程中，易折斷，不利于導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成，而且填充補(bǔ)強(qiáng)效果差，所以在加工工藝上還有待改善。此外，硫化膠的不同停放時(shí)間對(duì)復(fù)合材料的電阻率的影響不大，高芳油加入對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和生熱性有

8、所改善，但對(duì)防靜電性能的不利。
　　 論文的第三部分，研究了端基改性SSBR的結(jié)構(gòu)與性能及其與炭黑的相互作用。其一，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，在陰離子活性聚合反應(yīng)末期加入大體積官能團(tuán)，叔丁基二苯基氯硅烷進(jìn)行封端改性，制備出分子鏈末端可以吸附炭黑，并起到鈍化大分子鏈自由末端作用的溶聚丁苯橡膠，通過核磁技術(shù)證明了端基改性溶聚丁苯橡膠的反應(yīng)結(jié)果，并根據(jù)核磁譜圖中相關(guān)特征峰的峰面積計(jì)算了封端效率(即帶有大體積官能團(tuán)的大分子鏈末端數(shù)與總的分

9、子鏈末端數(shù)之比)。大體積官能團(tuán)封端后的膠料經(jīng)過炭黑補(bǔ)強(qiáng)，填料-聚合物作用大大增強(qiáng)，填料分散性也顯著提高，分子鏈自由末端明顯減少，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能和回彈性提高，生熱和滯后損失明顯降低，高抗?jié)窕偷蜐L動(dòng)阻力等特性也得到明顯的改善，并將其與星形溶聚丁苯橡膠和普通溶聚丁苯橡膠進(jìn)行對(duì)比，由于大體積官能團(tuán)可以鈍化分子鏈末端(減少內(nèi)摩擦損耗和增加在外立場(chǎng)中的取向度)和吸附炭黑的作用，其綜合性能優(yōu)異，適合作為節(jié)能型胎面膠料應(yīng)用到輪胎工業(yè)中。其二，

10、還研究了用對(duì)苯醌做模型化合物，來模擬Sn-C鍵向炭黑表面的鍵接反應(yīng)機(jī)理，采用DSC，F(xiàn)TIR，GPC-UV聯(lián)用等技術(shù)，追蹤自合成的模型化合物-錫偶聯(lián)聚丁二烯與對(duì)苯二醌的反應(yīng)過程，并鑒定了反應(yīng)產(chǎn)物，研究發(fā)現(xiàn)偶聯(lián)型SSBR在空氣和氮?dú)鈿夥罩蟹謩e于180和198℃出現(xiàn)化學(xué)鍵的斷裂吸熱峰，Sn-C鍵鍵能比C-C鍵弱，在熱、力或化學(xué)催化作用下易斷裂生成自由基，之后被醌基捕捉，形成端部帶完整苯環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物。從而揭示了Sn偶聯(lián)SSBR的Sn-C鍵向