CN107459676A - 一种石墨烯功能航空轮胎制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新材料轮胎制备技术领域，涉及一种石墨烯功能航空轮胎制备方法，工艺过程包括制备改性石墨烯、制备复合胎面胶与胎侧胶、制备复合胎面与胎侧、制备复合生胎以及制备航空轮胎共五个步骤，基于石墨烯材料特有的功能特性，以改性石墨烯与现有技术中的飞机轮胎基本配方为基础，分别在胎侧胶和胎面胶中添加0.1‑15质量份的改性石墨烯，采用塑/混炼和压延工艺，按照轮胎制造基础工艺与气密层、缓冲层、帘布层等功能层在高温条件下模压粘合成型，最后经硫化的后续工艺处理复合制备得到航空轮胎；其工艺简单易行，基本上利用现有生产设备，不需要进行大规模的技术改造，适用于各种型号航空轮胎的制备，便于推广应用。

Description

一种石墨烯功能航空轮胎制备方法
技术领域：
本发明属于新材料轮胎制备技术领域，涉及一种石墨烯功能航空轮胎制备方法，具体是采用改性石墨烯与胶质材料复合制备一种物理性能得到均衡提高的航空轮胎胶料。
背景技术：
航空轮胎是影响飞机综合性能和安全性的关键零部件，飞机在起飞和着陆的过程中轮胎相当于一个缓冲气垫，飞机在滑行和停泊时需要轮胎稳定的承载机体的全部载荷，特别是飞机在起飞和着陆过程中轮胎应该具备有效的化解撞击能量、吸收和导出摩擦及压力热能，同时还应该具有辅助制动力；航空轮胎的工作环境要求其具有负荷能力大、充气压力高、生热快、温升高、冲击速度高和允许滑行距离短等特点，所以，对航空轮胎的强度、耐磨性、散热性、抓地力、气密性和导静电性等综合功能指标提出了更高标准的要求；随着我国大型飞机、特别是军用飞机的发展，对航空轮胎的综合功能指标提出了更加严苛的要求，但是，现有技术中的航空轮胎存在耐磨性差、使用周期短、冲击摩擦掉块、散热差导致轮胎强度下降甚至爆胎、胎面抓地力弱，在雨雪天气时容易导致飞机侧滑或冲出跑道等问题，不能满足实际需求；航空轮胎还有导静电的强制性功能，飞机在起飞和降落过程中轮胎与地面摩擦、飞行中机体表面与空气摩擦、飞机操控电器设备运行产生电磁互感等，都会产生大量的电荷聚集并生成静电，高电位静电能够导致电器设备工作失稳，甚至击穿和烧毁电子元件，在加油时易发生火灾，静电对驾乘人员的身体也有极大的危害，特别是在智能化水平不断提高的前提下，静电危害会导致严重的安全事故，为了保证飞机设备特别是电子设备的正常运行，保护驾乘人员免受静电伤害，规定了飞机在着陆和起飞过程中必须通过轮胎导出机体静电。多年来，人们为提高飞机轮胎的导静电功能进行了不懈的研究，在现有航空轮胎的原材料配方中添加足够量的导电炭黑或其它导电介质，但是所添加的导静电介质，使航空轮胎在满足电导率指标的同时，大幅度降低了航空轮胎的强度、韧性、散热性、耐磨性、抗老化性、抓地力等物性指标，这就是材料功能的“魔三角”效应，其表现是在追求提高某一物性指标时，不得不牺牲另一项或多项物性指标；现有航空轮胎所使用的导静电介质，不仅导致了航空轮胎的综合功能指标的严重失衡，有些添加物还会对环境产生不良影响。
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角形、呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其厚度仅有0.335nm，比表面积可达2630m2/g；石墨烯具有超强的稳定性：石墨烯中的碳原子均由共价键相连接，C-C键强度比金刚石更加稳定；石墨烯具有突出的导电性：电子迁移率可达到15000cm2/v.s，是单晶硅中电子迁移率(1400cm2/v.s)的150倍以上，电子在石墨烯中的运动速度可达到光速的1/300(光速300000km/s)，其电导率可达到108S/m，电子迁移率基本不受温度影响；石墨烯具有突出的力学性能：石墨烯是已知强度最高的新材料，抗拉强度为125GPa，弹性模量1.1TPa，强度极限为42N/m2，其结构致密、具有很好的柔性，如用100nm的石墨烯膜制成包装袋可承受2T重物品压力；具有突出的导热性能：石墨烯在常温下热导率为5300W/m.k，是铜的13倍；并且石墨烯与高分子材料之间具有良好的理化互溶性。由此可见，功能强大而宽泛的石墨烯是航空轮胎导出静电的理想原材料，是既能满足导静电要求，又能有效克服材料功能“魔三角”效应，实现航空轮胎物性指标均衡提高的新材料，为制造一种功能性航空轮胎提供了可能。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的导电介质添加困难、不易分散和局部应力集中的缺点，结合航空轮胎的技术性能要求，寻求设计一种石墨烯功能航空轮胎制备方法，采用不仅能够实现航空轮胎的导静电功能，同时均衡提高航空轮胎的综合物性指标，消除材料功能“魔三角”效应的石墨烯与胶质复合制备航空轮胎。
为了实现上述目的，本发明涉及的石墨烯功能航空轮胎制备方法的工艺过程包括制备改性石墨烯、制备复合胎面胶与胎侧胶、制备复合胎面与胎侧、制备复合生胎以及制备航空轮胎共五个步骤：
(1)制备改性石墨烯：在反应釜中先后加入1-5质量份的石墨和1-20质量份的强氧化剂，石墨与强氧化剂形成混合物料，启动反应釜，当混合物料的颜色变为金黄色时，关闭反应釜，将混合物料取出并进行干燥和高温还原，得到改性石墨烯，完成改性石墨烯的制备；
(2)制备复合胎面胶和胎侧胶：分别将0.1-15质量份步骤(1)制备的改性石墨烯添加到分别采用现有技术制备的胎面胶与胎侧胶中后在密炼机中进行塑/混炼加工，分别得到复合胎面胶与复合胎侧胶，完成复合胎面胶和胎侧胶的制备；
(3)制备复合胎面与胎侧：将步骤(2)制备的胎面胶与胎侧胶分别置于辊筒挤出压出机中进行压延后通过后口型板压出，得到复合胎面与胎侧的半成品胶部件，完成复合胎面与胎侧的制备；
(4)制备复合生胎：将步骤(3)制备的复合胎面与胎侧分别置于成型机上进行成型操作并组装成复合生胎，完成复合生胎的制备；
(5)制备航空轮胎：将步骤(4)制备的复合生胎装载到硫化机上进行硫化，得到石墨烯功能航空轮胎的成品，完成航空轮胎的制备。
本发明所述的强氧化剂为浓硫酸和硝酸；步骤(1)制备的改性石墨烯的比表面积为500-2630m2/g、粒径为0.34nm-50μm、电导率为1×102-1×106S/m、pH值6.5-7，改性石墨烯的添加方便、易分散、与胶质复合后的应力均匀，无毒、无味，对环境友好；所述的胎面胶由80-100质量份的烟片胶、5-20质量份的丁苯胶、4-19质量份的白炭黑(沉淀)、0.1-2.5质量份的偶联剂WD-40、5-12质量份的芳烃油、1-9质量份的氧化锌、0.1-3.2质量份的硬脂酸、0.1-1.8质量份的RP-3防护蜡、0.1-2.1质量份的防老剂4020、0.1-1.6质量份的防老剂RD、0.1-2.5质量份的硫黄和0.1-1.9质量份的促进剂DZ组成；所述的胎侧胶由50-70质量份的烟片胶、30-50质量份的顺丁胶、2-7质量份的氧化锌、1-5质量份的硬脂酸、0.2-1.8质量份的防老剂RD、0.5-1.5质量份的防老剂BLE、35-55质量份的N660炭黑、5-15质量份的芳烃油、0.2-2.5质量份的硫黄和0.1-1.2质量份的促进剂DZ组成；步骤(2)制备的复合胎面胶和胎侧胶在常温下的电导率为4.8×10-5-1.8×10-4S/m、导热系数为0.9-1.1W/m.k、拉伸强度为23.5-28.5Mpa、拉断强度为29.8Mpa、扯断伸长率为470-520％、M100(拉伸模量，拉伸率100％)为4.17-4.19，复合胎面胶和胎侧胶的物性指标与现有技术中的非石墨烯复合胶料相比均有大幅提高，特别是导电性更加突出，导热率提高了3倍以上，并且完全克服了材料功能的“魔三角”效应。
本发明制备的石墨烯功能航空轮胎进行测试时，在常温下，将石墨烯功能航空轮胎通过胎缘与轮毂嵌合并充压和负重，经轮毂、胎侧壁、通过胎面接地导出，测得的电导率＞4.8×10-5S/m，满足导静电要求；经比较实验测试，石墨烯功能航空轮胎具有突出的抓地力，在同等条件下较同型号轮胎的100km/h-0干地制动距离缩短了0.18m，80km/h-0湿地制动距离缩短了1.82m，滚动阻力降低了6-8﹪，散热性、耐磨性和抗老化性均提高了50﹪以上。
本发明与现有技术相比，基于石墨烯材料特有的功能特性，以改性石墨烯与现有技术中的飞机轮胎基本配方为基础，分别在胎侧胶和胎面胶中添加0.1-15质量份的改性石墨烯，取代现有航空轮胎中添加的导静电介质，并通过增减相关添加剂的配比量，形成新的生产配方，采用塑/混炼和压延工艺，按照轮胎制造基础工艺与气密层、缓冲层、帘布层等功能层在高温条件下模压粘合成型，最后经硫化的后续工艺处理复合制备得到航空轮胎。在实现航空轮胎电导率≥1×10-5S/m的同时，均衡的提高了航空轮胎的各项物性指标，充分发挥了石墨烯的强大功能特性，完全克服了材料功能的“魔三角”效应，使航空轮胎的强度、韧性、气密性、散热性、耐磨性、抗老化性等综合物性指标均有大幅度提高，特别是轮胎的抓地性能进一步得到优化，有效减少爆胎，有效提高使用寿命和飞机地面操控性，即便是在雨雪天气，也能避免飞机在起降时发生侧滑，保证了飞机起降的安全性，具有绿色环保的特性；其工艺简单易行，基本上利用现有生产设备，不需要进行大规模的技术改造，适用于各种型号航空轮胎的制备，便于推广应用。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程框图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的石墨烯功能航空轮胎制备方法的工艺过程包括制备改性石墨烯、制备复合胎面胶与胎侧胶、制备复合胎面与胎侧、制备复合生胎以及制备航空轮胎共五个步骤：
(1)制备改性石墨烯：在反应釜中先后加入1质量份的石墨和1质量份的强氧化剂，石墨与强氧化剂形成混合物料，启动反应釜，当混合物料的颜色变为金黄色时，关闭反应釜，将混合物料取出并进行干燥和高温还原，得到改性石墨烯，完成改性石墨烯的制备；
(2)制备复合胎面胶和胎侧胶：分别将0.1质量份步骤(1)制备的改性石墨烯添加到分别采用现有技术制备的胎面胶与胎侧胶中后在密炼机中进行塑/混炼加工，分别得到复合胎面胶与复合胎侧胶，完成复合胎面胶和胎侧胶的制备；
(3)制备复合胎面与胎侧：将步骤(2)制备的胎面胶与胎侧胶分别置于辊筒挤出压出机中进行压延后通过后口型板压出，得到复合胎面与胎侧的半成品胶部件，完成复合胎面与胎侧的制备；
(4)制备复合生胎：将步骤(3)制备的复合胎面与胎侧分别置于成型机上进行成型操作并组装成复合生胎，完成复合生胎的制备；
(5)制备航空轮胎：将步骤(4)制备的复合生胎装载到硫化机上进行硫化，得到石墨烯功能航空轮胎的成品，完成航空轮胎的制备。
本实施例所述的强氧化剂为浓硫酸和硝酸；步骤(1)制备的改性石墨烯的比表面积为500m2/g、粒径为3μm、电导率为1×102S/m、pH值7；所述的胎面胶由90质量份的烟片胶、10质量份的丁苯胶、12质量份的白炭黑(沉淀)、2质量份的偶联剂WD-40、7质量份的芳烃油、5质量份的氧化锌、2质量份的硬脂酸、1质量份的RP-3防护蜡、1质量份的防老剂4020、1质量份的防老剂RD、1质量份的硫黄和1质量份的促进剂DZ组成；所述的胎侧胶由60质量份的烟片胶、40质量份的顺丁胶、5质量份的氧化锌、2质量份的硬脂酸、1质量份的防老剂RD、1质量份的防老剂BLE、45质量份的N660炭黑、10质量份的芳烃油、2质量份的硫黄和1质量份的促进剂DZ组成；步骤(2)制备的复合胎面胶和胎侧胶在常温下的电导率为4.8×10-5S/m、导热系数为0.9W/m.k、拉伸强度为23.5Mpa、拉断强度为29.8Mpa、扯断伸长率为470％、M100(拉伸模量，伸长率100％)为4.17。
实施例2：
本实施例涉及的石墨烯功能航空轮胎制备方法的工艺过程包括制备改性石墨烯、制备复合胎面胶与胎侧胶、制备复合胎面与胎侧、制备复合生胎以及制备航空轮胎共五个步骤：
(1)制备改性石墨烯：在反应釜中先后加入5质量份的石墨和20质量份的强氧化剂，石墨与强氧化剂形成混合物料，启动反应釜，当混合物料的颜色变为金黄色时，关闭反应釜，将混合物料取出并进行干燥和高温还原，得到改性石墨烯，完成改性石墨烯的制备；
(2)制备复合胎面胶和胎侧胶：分别将15质量份步骤(1)制备的改性石墨烯添加到分别采用现有技术制备的胎面胶与胎侧胶中后在密炼机中进行塑/混炼加工，分别得到复合胎面胶与复合胎侧胶，完成复合胎面胶和胎侧胶的制备；
(3)制备复合胎面与胎侧：将步骤(2)制备的胎面胶与胎侧胶分别置于辊筒挤出压出机中进行压延后通过后口型板压出，得到复合胎面与胎侧的半成品胶部件，完成复合胎面与胎侧的制备；
(4)制备复合生胎：将步骤(3)制备的复合胎面与胎侧分别置于成型机上进行成型操作并组装成复合生胎，完成复合生胎的制备；
(5)制备航空轮胎：将步骤(4)制备的复合生胎装载到硫化机上进行硫化，得到石墨烯功能航空轮胎的成品，完成航空轮胎的制备。
本实施例所述的强氧化剂为浓硫酸和硝酸；步骤(1)制备的改性石墨烯的比表面积为1200m2/g、粒径为1μm、电导率为1×106S/m、pH值6.5；所述的胎面胶和胎侧胶的组成同实施例1；步骤(2)制备的复合胎面胶和胎侧胶在常温下的电导率为1.8×10-4S/m、导热系数为1.1W/m.k、拉伸强度为28.5Mpa、拉断强度为29.8Mpa、扯断伸长率为520％、M100(拉伸模量，伸长率100％)为4.19。

Claims (3)

1.一种石墨烯功能航空轮胎制备方法，其特征在于工艺过程包括制备改性石墨烯、制备复合胎面胶与胎侧胶、制备复合胎面与胎侧、制备复合生胎以及制备航空轮胎共五个步骤：
(1)制备改性石墨烯：在反应釜中先后加入1-5质量份的石墨和1-20质量份的强氧化剂，石墨与强氧化剂形成混合物料，启动反应釜，当混合物料的颜色变为金黄色时，关闭反应釜，将混合物料取出并进行干燥和高温还原，得到改性石墨烯，完成改性石墨烯的制备；
(2)制备复合胎面胶和胎侧胶：分别将0.1-15质量份步骤(1)制备的改性石墨烯添加到分别采用现有技术制备的胎面胶与胎侧胶中后在密炼机中进行塑/混炼加工，分别得到复合胎面胶与复合胎侧胶，完成复合胎面胶和胎侧胶的制备；
(3)制备复合胎面与胎侧：将步骤(2)制备的胎面胶与胎侧胶分别置于辊筒挤出压出机中进行压延后通过后口型板压出，得到复合胎面与胎侧的半成品胶部件，完成复合胎面与胎侧的制备；
(4)制备复合生胎：将步骤(3)制备的复合胎面与胎侧分别置于成型机上进行成型操作并组装成复合生胎，完成复合生胎的制备；
(5)制备航空轮胎：将步骤(4)制备的复合生胎装载到硫化机上进行硫化，得到石墨烯功能航空轮胎的成品，完成航空轮胎的制备。
2.根据权利要求1所述的石墨烯功能航空轮胎制备方法，其特征在于所述强氧化剂为浓硫酸和硝酸；步骤(1)制备的改性石墨烯的比表面积为500-2630m2/g、粒径为0.34nm-50μm、电导率为1×102-1×106S/m、pH值6.5-7，改性石墨烯的添加方便、易分散、与胶质复合后的应力均匀，无毒、无味，对环境友好；所述的胎面胶由80-100质量份的烟片胶、5-20质量份的丁苯胶、4-19质量份的白炭黑、0.1-2.5质量份的偶联剂WD-40、5-12质量份的芳烃油、1-9质量份的氧化锌、0.1-3.2质量份的硬脂酸、0.1-1.8质量份的RP-3防护蜡、0.1-2.1质量份的防老剂4020、0.1-1.6质量份的防老剂RD、0.1-2.5质量份的硫黄和0.1-1.9质量份的促进剂DZ组成；所述的胎侧胶由50-70质量份的烟片胶、30-50质量份的顺丁胶、2-7质量份的氧化锌、1-5质量份的硬脂酸、0.2-1.8质量份的防老剂RD、0.5-1.5质量份的防老剂BLE、35-55质量份的N660炭黑、5-15质量份的芳烃油、0.2-2.5质量份的硫黄和0.1-1.2质量份的促进剂DZ组成；步骤(2)制备的复合胎面胶和胎侧胶在常温下的电导率为4.8×10-5-1.8×10- 4S/m、导热系数为0.9-1.1W/m.k、拉伸强度为23.5-28.5Mpa、拉断强度为29.8Mpa、扯断伸长率为470-520％、M100为4.17-4.19，复合胎面胶和胎侧胶的物性指标与现有技术中的非石墨烯复合胶料相比均有大幅提高，特别是导电性更加突出，导热率提高了3倍以上，能够克服材料功能的魔三角效应。
3.根据权利要求1所述的石墨烯功能航空轮胎制备方法，其特征在于所述石墨烯功能航空轮胎进行测试时，在常温下，将石墨烯功能航空轮胎通过胎缘与轮毂嵌合并充压和负重，经轮毂、胎侧壁、通过胎面接地导出，测得的电导率＞4.8×10-5S/m，满足导静电要求；经比较实验测试，石墨烯功能航空轮胎具有突出的抓地力，在同等条件下较同型号轮胎的100km/h-0干地制动距离缩短了0.18m，80km/h-0湿地制动距离缩短了1.82m，滚动阻力降低了6-8﹪，散热性、耐磨性和抗老化性均提高了50﹪以上。
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