CN102911411A - 一种抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及橡胶技术领域，具体地说是一种抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料及其制备方法。其特征是：配合比例以重量份计，溶聚丁苯橡胶40-90份，聚丁二烯橡胶10-60份，白炭黑50-90份，硅烷偶联剂4-8份，石墨烯0.5-3份，白炭黑分散剂1-3份，芳烃油10-37.5份，氧化锌2-5份，硬脂酸1-3份，防老剂2-4份，促进剂2-4份，硫磺1-3份。胶料采用密炼机混炼，控制转子转速，胶料混炼时间和温度，通过四段混炼的方法制备复合材料。本发明可以降低轮胎的滚动阻力，更重要的是通过使用石墨烯材料解决了白炭黑填充胎面复合材料静电积累的问题，同时提高乘用车轮胎胎面的抗湿滑性能和耐磨性能。

Description

一种抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及橡胶技术领域，具体地说是一种抗静电低滚动阻力胎面橡胶复合材料的制备方法。 
背景技术
随着汽车向高速、安全、节能、舒适化方向的发展，对轮胎高性能化的要求也逐年提高， 
众所周知，提高轮胎胎面材料的抗湿滑性能，同时降低其滚动阻力性能最有效的方法是使用白炭黑替代炭黑作为橡胶的补强填料。 
CN 101792545 B（公开日：2012年4月11日）公开了一种低滚动阻力轮胎的胎面橡胶材料。从材料组成看，这种胎面材料的特征是使用溶聚丁苯橡胶与顺丁橡胶或天然橡胶的并用胶作为基体材料；填料以白炭黑为主，并用部分炭黑，同时使用硅烷偶联剂来改善白炭黑与橡胶之间的相互作用。该专利中强调这种胎面材料具有低的滚动阻力同时具有较高的抗湿滑性能。其胎面胶料的60℃的tan δ值一般在0.11-0.14之间，另外其0℃的tan δ高于0.35。然而，由于发明中橡胶基体为溶聚丁苯橡胶与顺丁橡胶或天然橡胶并用，这种并用方式有效降低了胎面的滚动阻力，但是并用顺丁橡胶后，复合材料的抗湿滑性能会有所下降，而并用天然橡胶以后复合材料的磨耗性能会有所下降。本发明中我们发现，使用乙烯基含量为70%-82%的聚丁二烯橡胶取代顺丁橡胶或天然橡胶可以很好的平衡胎面材料的滚动阻力与抗湿滑性能及磨耗性能之间的矛盾。 
从填料选择的角度来看，与炭黑填充橡胶相比，填充白炭黑的胎面材料具有更低的滚动阻力以及更高的抗湿滑性能。然而，橡胶材料中只填充白炭黑也会带来新的问题。由于白炭黑自身并不具有导电性，而橡胶本身也是绝缘体，因此白炭黑填充橡胶的静电聚集效应会严重影响轮胎的使用。具体表现是静电积累过程会对车载收音机信号产生影响；而当积累在轮胎和车辆上的静电与导电体瞬间接触时会发生放电，放电过程产生的电火花可能导致汽车的油箱着火；如果汽车在加油站中，过多的静电释放容易引起油罐爆炸。国际标准ASTM D991对轮胎胎面的抗静电性能提出了具体要求，具有抗静电性能的胎面橡胶材料的体积电阻率要求在106-1010Ω·cm。一般来说，橡胶的固有电阻率为1014-1015Ω·cm，炭黑的固有电阻率为10-1-102Ω·cm，而白炭黑的固有电阻率为1013-1015Ω·cm。对于全白炭黑 填充橡胶的体积电阻率为1015-1016Ω·cm。因此，有效地将白炭黑填充橡胶中的积累静电导出是白炭黑填充橡胶作为胎面材料的一个必要条件。以往的报道通常是从轮胎结构的角度来解决这一问题的。 
CN 1253084A（公开日：2000年5月17日）公开了一种具有导电线结构的轮胎胎面，其特征是：所述胎面具有导电的丝状、柔性的缝纫线，其穿过整个胎面结构，因此赋予了胎面抗静电累积特性。 
CN 101746219A（公开日：2010年6月23日）公开了一种含导电胶条的轮胎胎面，该胎面含有从胎基橡胶层延伸出来的导电胶条，该胶条从胎基橡胶层径向向外延伸，经过胎冠橡胶层形成接地，由此提供胎面与路面间的导电路径。 
然而，通过引入导电缝纫线和导电胶条形成胎面导电通道的方式，均会不同程度的影响轮胎的结构设计，如果能够通过配方的调整，在胎面橡胶配合材料设计过程中改善高填充白炭黑橡胶复合材料的导电性能将更加有利于白炭黑填充橡胶在轮胎胎面材料中的应用。本发明中使用白炭黑填充溶聚丁苯橡胶与聚丁二烯橡胶的并用胶，同时使用了石墨烯材料（石墨烯材料的固有电阻率约为10-6Ω·cm），在降低胎面橡胶滚动阻力，提高其抗湿滑性能的同时，很好的解决了白炭黑填充橡胶复合材料的静电积累问题。 
发明内容：
本发明提供了一种抗静电低滚动阻力胎面橡胶复合材料的制备方法。本发明的目的是提供一种低滚动阻力的乘用车轮胎胎面胶材料，该胎面胶材料可以降低轮胎的滚动阻力，更重要的是通过添加石墨烯材料解决了白炭黑填充胎面复合材料静电积累的问题，同时提高乘用车轮胎胎面的抗湿滑性能和耐磨性能。 
为了实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案： 
一种抗静电低滚动阻力胎面橡胶复合材料，其配合比例按重量份数计，具体如下：
溶聚丁苯橡胶40-90份，聚丁二烯橡胶10-60份，白炭黑50-90份，硅烷偶联剂4-8份，石墨烯0.5-3份，白炭黑分散剂1-3份，芳烃油10-37.5份，氧化锌2-5份，硬脂酸1-3份，防老剂2-4份，促进剂2-4份，硫磺1-3份。 
所述溶聚丁苯橡胶中乙烯基含量为30%-63%；聚丁二烯橡胶中的乙烯基含量为70%-82%；通过工艺控制白炭黑中的含水率为5%-10%。 
抗静电低滚动阻力胎面橡胶复合材料制备过程分为以下四段。 
第一段混炼：密炼机转子转速40-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，首先将溶聚丁苯橡胶， 聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼30-40秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼100-120秒，胶料温度达到120-130℃，提砣5-10秒，调整转子转速为30-40rpm，压砣混炼80-100秒，胶料温度为145-155℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速35-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼80-100秒，胶料温度达到120-130℃，提砣5-10秒，调整转子转速为25-35rpm，压砣混炼120-180秒，胶料温度达到145-155℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速35-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼100-120秒，胶料温度达到120-130℃，提砣5-10秒，压砣混炼80-100秒，胶料温度为145-155℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第四段混炼：密炼机转子转速35-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼40-60秒，提砣5-10秒，压砣混炼30-50秒，胶料温度为85-100℃，排胶，得到终炼胶。 
作为优选，上述胎面橡胶复合材料制备中使用的芳烃油中稠环芳烃（PAHs）总含量应低于10 mg/kg。 
作为优选，上述胎面橡胶复合材料制备中使用的密炼机为啮合型密炼机。 
本发明的有益效果是，可以降低轮胎的滚动阻力，更重要的是通过添加石墨烯材料解决了白炭黑填充胎面复合材料静电积累的问题，同时提升乘用车轮胎胎面抗湿滑性能和耐磨性能。 
具体实施方式：
对比例：低滚动阻力胎面胶，配合比例以重量份计的配方，见表1： 
表1 对比例配方 
Figure 2012104232511100002DEST_PATH_IMAGE001
复合材料的具体混炼工艺： 
第一段混炼：密炼机转子转速45rpm，压砣压力0.6MPa，首先将溶聚丁苯橡胶和顺丁橡胶投到密炼机密炼室，混炼30s，再将白炭黑，硅烷偶联剂和芳烃油投入密炼室，继续混炼100秒，胶料温度达到120℃，提砣5秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼90秒，胶料温度为150℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速45rpm，压砣压力0.6MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，加入氧化锌，硬脂酸，防老剂及芳烃油，压砣混炼110秒，胶料温度达到130℃，提砣5秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼90秒，胶料温度为150℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速35rpm，压砣压力0.6MPa，将二段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼60秒，提砣10秒，压砣混炼50秒，胶料温度为85℃，排胶，得到终炼胶。 
实施例1：抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料配合比例以重量份计的配方，见表2： 
表2. 实施例1的配方 
Figure 2012104232511100002DEST_PATH_IMAGE002
复合材料的具体混炼工艺： 
第一段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.7MPa，首先将溶聚丁苯橡胶，聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼40秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼120秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼90秒，胶料温度为150℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.7MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼90秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，调整转子转速为35rpm，压砣混炼150秒，胶料温度达到155℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.7MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼120秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，压砣混炼100秒，胶料温度为155℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第四段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.7MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼60秒，提砣5秒，压砣混炼30秒，胶料温度为95℃，排胶，得到终炼胶。 
实施例2：抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料配合比例以重量份计的配方，见表3： 
表3 实施例2的配方 
Figure 2012104232511100002DEST_PATH_IMAGE003
复合材料的具体混炼工艺： 
第一段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.6MPa，首先将溶聚丁苯橡胶，聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼35秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼110秒，胶料温度达到130℃，提砣5秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼90秒，胶料温度为145℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.6MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼80秒，胶料温度达到130℃，提砣5秒，调整转子转速为35rpm，压砣混炼120秒，胶料温度达到155℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.6MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼110秒，胶料温度达到130℃，提砣5秒，压砣混炼80秒，胶料温度为150℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第四段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.6MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼50秒，提砣5秒，压砣混炼50秒，胶料温度为95℃，排胶，得到终炼胶。 
实施例3：抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料配合比例以重量份计的配方，见表4： 
表4实施例3的配方 
复合材料的具体混炼工艺： 
第一段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.7MPa，首先将溶聚丁苯橡胶，聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼40秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼110秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼100秒，胶料温度为150℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速35rpm，压砣压力0.7MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼100秒，胶料温度达到130℃，提砣10秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼180秒，胶料温度达到150℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速35rpm，压砣压力0.7MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼120秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，压砣混炼90秒，胶料温度为150℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混 炼胶在空气中冷却至室温。 
第四段混炼：密炼机转子转速35rpm，压砣压力0.7MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼40秒，提砣5秒，压砣混炼50秒，胶料温度为85℃，排胶，得到终炼胶。 
实施例4：抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料配合比例以重量份计的配方，见表5： 
表5实施例4的配方 
Figure 2012104232511100002DEST_PATH_IMAGE005
复合材料的具体混炼工艺： 
第一段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.6MPa，首先将溶聚丁苯橡胶，聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼30秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼120秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，调整转子转速为30rpm，压砣混炼95秒，胶料温度为150℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速45rpm，压砣压力0.6MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼80秒，胶料温度达到130℃，提砣10秒，调整转子转速为35rpm，压砣混炼 150秒，胶料温度达到150℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.6MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼110秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，压砣混炼80秒，胶料温度为150℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第四段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.6MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼60秒，提砣5秒，压砣混炼30秒，胶料温度为100℃，排胶，得到终炼胶。 
实施例5：抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料配合比例以重量份计的配方，见表6： 
表6实施例5的配方 
Figure 2012104232511100002DEST_PATH_IMAGE006
复合材料的具体混炼工艺： 
第一段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.7MPa，首先将溶聚丁苯橡胶，聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼30秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼110秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，调整转子转速为30rpm，压 砣混炼90秒，胶料温度为150℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第二段混炼：密炼机转子转速45rpm，压砣压力0.7MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼80秒，胶料温度达到130℃，提砣10秒，调整转子转速为35rpm，压砣混炼150秒，胶料温度达到150℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第三段混炼：密炼机转子转速40rpm，压砣压力0.7MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼100秒，胶料温度达到120℃，提砣10秒，压砣混炼100秒，胶料温度为150℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混炼胶在空气中冷却至室温。 
第四段混炼：密炼机转子转速50rpm，压砣压力0.7MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼50秒，提砣10秒，压砣混炼30秒，胶料温度为100℃，排胶，得到终炼胶。 
对制备好的混炼胶，我们采用模具压制并在151℃下硫化制得硫化橡胶，其力学性能，抗湿滑性能，滚动阻力，磨耗性能以及体积电阻检测结果分别示于表7。其中，胎面材料的抗湿滑性能和滚动阻力我们分别采用0℃和60℃的tan δ值来表征，轮胎行业已经证明，胎面胶0℃下tan δ值越高则轮胎抗湿滑性能越好，而60℃下的tan δ值越低轮胎滚动阻力则越低。 
表7. 硫化橡胶各项物理性能 

Claims (5)

1. 一种抗静电低滚动阻力轮胎胎面材料，其特征是：配合比例以重量份计，溶聚丁苯橡胶40-90份，聚丁二烯橡胶10-60份，白炭黑50-90份，硅烷偶联剂4-8份，石墨烯0.5-3份，白炭黑分散剂1-3份，芳烃油10-37.5份，氧化锌2-5份，硬脂酸1-3份，防老剂2-4份，促进剂2-4份，硫磺1-3份。
2.根据权利要求1所述材料，其特征在于使用的溶聚丁苯橡胶是乙烯基含量为30%-63%的溶聚丁苯橡胶。
3.根据权利要求1所述材料，其特征在于聚丁二烯橡胶中的乙烯基含量为70%-82%。
4.根据权利要求1所述材料，其特征在于补强填料为沉淀法白炭黑，且白炭黑中的含水率为5%-10%。
5.根据权利要求1所述材料，其特征在于，制备过程分为以下四段；
第一段混炼：密炼机转子转速40-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，首先将溶聚丁苯橡胶，聚丁二烯橡胶投入密炼机混炼室，混炼30-40秒，将白炭黑，硅烷偶联剂以及白炭黑分散剂投入密炼室，继续混炼100-120秒，胶料温度达到120-130℃，提砣5-10秒，调整转子转速为30-40rpm，压砣混炼80-100秒，胶料温度为145-155℃，排胶，得到一段混炼胶，一段混炼胶在空气中冷却至室温；
第二段混炼：密炼机转子转速35-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，将一段混炼胶投入密炼机混炼室，混炼80-100秒，胶料温度达到120-130℃，提砣5-10秒，调整转子转速为25-35rpm，压砣混炼120-180秒，胶料温度达到145-155℃，排胶，得到二段混炼胶，二段混炼胶在空气中冷却至室温；
第三段混炼：密炼机转子转速35-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，将二段混炼胶投入密炼机混炼室，加入石墨烯，氧化锌，硬脂酸，防老剂，芳烃油，压砣混炼100-120秒，胶料温度达到120-130℃，提砣5-10秒，压砣混炼80-100秒，胶料温度为145-155℃，排胶，得到三段混炼胶，三段混炼胶在空气中冷却至室温；
第四段混炼：密炼机转子转速35-50rpm，压砣压力0.6-0.7MPa，将三段混炼胶，促进剂和硫磺投入密炼机混炼室，混炼40-60秒，提砣5-10秒，压砣混炼30-50秒，胶料温度为85-100℃，排胶，得到终炼胶。
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