TWI797460B - 橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎 - Google Patents

橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎，橡膠組合物包含橡膠以及一橡膠補強劑，橡膠補強劑包括氧化石墨烯以及碳黑，氧化石墨烯之氧含量為1至10%，且氧化石墨烯的含量為5重量份以下，而本發明製作方法所獲得的橡膠組合物能進一步硫化形成輪胎，提供降低輪胎滾動阻力之效能，達到節省能源消耗的效果。

Description

橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎
本發明係關於一種輪胎技術領域，尤指一種橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎。
近年全球環保意識抬頭，許多國家漸漸重視傳統燃油機車排放廢氣的問題，而隨著電動機車的發展，國內積極推廣電動機車希望能減少交通運輸對石油的依賴，以達成改善廢氣汙染之目的。
對於輪胎相關業者來說，電動機車的整體重量大於傳統燃油機車，因此對於電動機車的專用輪胎在規格及性能更為要求，必須考量電動機車的驅動強度、耐磨性以及滾動阻力，以提高電動機車的續航力。
簡單來說，一般輪胎原料的開發通常係在天然橡膠或苯乙烯丁二烯橡膠等橡膠成分摻合碳黑以作為提升機械強度的效用，但是，傳統機車輪胎的性能無法承受電動機車的瞬間強大扭力，造成傳統機車輪胎容易產生磨耗而損壞，藉以降低電動機車行駛的安全性以及續航力。
本案之主要目的，在於解決習知輪胎性能無法承受電動機車的瞬間動力，進而產生降低電動機車續航力的問題，據以本發明提供一種橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎，其藉由摻合特定含量的氧化石墨烯，能適當地提高抓地性能，並能同時降低滾動阻力以及提升電動機車行駛的續航力的效能。
為達到上述目的，本發明提供一種橡膠組合物，其包含橡膠以及一橡膠補強劑，橡膠補強劑包括氧化石墨烯以及碳黑，氧化石墨烯之氧含量為1至10%，且氧化石墨烯的含量為5重量份以下。
本發明另一實施例提供一種橡膠組合物的製作方法，其包含步驟a、步驟b以及步驟c。步驟a：先將橡膠加入混煉機進行混煉；步驟b：再摻合一橡膠補強劑進行混煉，使橡膠補強劑中的氧化石墨烯及碳黑分散在橡膠中，且氧化石墨烯以及碳黑的含氧官能基團與橡膠的末端官能基進行偶聯；步驟c：再摻合氧化石墨烯以及軟化油進行混煉，且軟化油能將氧化石墨烯均勻分散在橡膠中，以獲得一橡膠組合物。
本發明又一實施例提供一種節能輪胎，其包含一胎體，其具有一胎面部，胎面部設有兩胎面端以及複數胎紋，兩胎面端分別設於胎面部之周緣兩側，胎紋設於兩胎面端間，且胎體具有橡膠以及一橡膠補強劑，橡膠補強劑包括氧化石墨烯以及碳黑，氧化石墨烯之氧含量為1至10%，且氧化石墨烯的含量為5重量份以下。
藉此，本發明橡膠補強劑藉由氧化石墨烯的調配以減少碳黑的使用，並證實氧化石墨烯以及碳黑的含氧官能基團與橡膠的末端官能基進行偶聯，進而適當地提高抓地性能，並能同時降低滾動阻力以及提升電動機車行駛的續航力的效能。
再者，本發明製作方法的混煉順序能有效提高橡膠補強劑中的氧化石墨烯及碳黑在橡膠中的分散度，進而增進氧化石墨烯對橡膠的補強性及分散性，使得硫化製成的輪胎成品具有優良的耐磨性及抓地力，以增進胎體的安全性及使用壽命，並能同時降低滾動阻力，達成節省電動機車能源消耗的功效。
請參閱圖1至圖6所示，本發明提供一種橡膠組合物及其製作方法以及節能輪胎100。
本實施例橡膠組合物包含橡膠以及一橡膠補強劑，橡膠補強劑包括氧化石墨烯以及碳黑，氧化石墨烯之氧含量為1至10%，且氧化石墨烯的含量為5重量份以下；在一較佳實施例中，氧化石墨烯之氧含量為3至5%，氧化石墨烯的含量範圍為1至3重量份，碳黑的含量範圍為30至50重量份，橡膠的含量為100重量份。
值得說明，石墨烯的氧化能提高比表面積，以達到最大暴露模式，本發明氧化石墨烯的表面仍能保有至少3%氧含量，增加氧化石墨烯之官能基與橡膠偶聯的效果，本發明氧化石墨烯依據氮氣吸附法(BET)測得比表面積相較於碳黑具有高補強性能，進而提升硫化後橡膠的拉力強度及拉伸模量，而且，氧化石墨烯能減少碳黑的使用量，提升輪胎耐磨性、抓地力，進而增進輪胎的安全性及使用壽命，並能同時降低輪胎的滾動阻力以節省電動機車能源消耗，達到節能減碳的目的。
但若氧化石墨烯的表面氧含量大於10%時，氧化石墨烯無法提供橡膠的補強效果；若氧化石墨烯的表面氧含量小於1%時，會影響氧化石墨烯與橡膠的結合效率。
碳黑的用量變化主要是調節硬度及胎面擠出加工性，若碳黑使用過量時，則降低胎面擠出尺寸變化，使得輪胎容易發熱而降低輪胎的安全性，其中，本發明橡膠組合物係用於調配成電動機車輪胎之配方，藉以碳黑係為N330碳黑，但不限於此，在一些實施例中，橡膠組合物亦能調配成汽車輪胎；此外，在一較佳實施例中，橡膠補強劑更包括無機物，無機物的含量範圍為0至20重量份。
橡膠的用量變化主要係調節胎面的抓地力以及發熱性，其中，橡膠可為天然橡膠(NR)、聚丁二烯橡膠(BR)、溶聚丁苯橡膠(S-SBR)及三元乙丙橡膠(EPDM)所組成之群組。
在一較佳實施例中，橡膠組合物更包含有機金屬觸媒、防老劑、表面改質劑以及軟化油。
有機金屬觸媒係為釹(neodymium)觸媒，釹(neodymium)觸媒能提高橡膠中溶聚丁苯橡膠(S-SBR)的線性度以及順式含量，使橡膠具有半補強性能，進而增進輪胎胎面的耐磨性。
防老劑可為酮-胺類、對苯二胺類、取代酚及微晶蠟所組成之群組，且防老劑的含量範圍為2至20重量份，其中，防老劑能避免輪胎的胎面產生裂痕，提高輪胎的安全性。
表面改質劑可為四氯化矽及四氯化錫，表面改質劑的含量範圍為10至50重量份，其中，表面改質劑能對橡膠中溶聚丁苯橡膠(S-SBR)的末端官能基進行改質，增加橡膠對氧化石墨烯的親和性，以使橡膠與氧化石墨烯能均質的混合，進而增進氧化石墨烯對橡膠的補強性及分散性，提供增加摩擦係數以達到具有優良耐磨性及抓地力的效用，並能同時降低滾動阻力以達成節省電動機車能源消耗的功效。
軟化油為芳香烴油，軟化油的含量範圍為5至20重量份，其中，軟化油主要功能是調節橡膠組合物的硬度，且改變軟化油的配方與比例可使得混煉過程隨著溫度上升而有更好的揉捻效果；進一步說明，本發明軟化油具分子內聚力、抗老化及熱安定性，流動性佳，室溫低於攝氏20度，不需加熱、保溫，便能提供良好的流動作業性，而且，烷化反應完全不含多環芳香烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons)成分，符合國際PAHs環保規範。
請配合圖1所示，係為本發明橡膠組合物的製作方法，係用於製備前述橡膠組合物，其中，本發明製作方法的混煉機係為密閉式混合機來調製，設定的溫度為80至170℃，且橡膠組合物在混煉機中係為固態混合，該製作方法包含步驟a、步驟b以及步驟c。
步驟a：先將橡膠加入混煉機進行混煉；進一步說明，在步驟a中，更摻合表面改質劑以及有機金屬觸媒進行混煉，使表面改質劑對橡膠的官能基進行改質，且有機金屬觸媒能提高橡膠中溶聚丁苯橡膠(S-SBR)的線性度及順式含量，其中，混煉機的轉動速度為30至60rpm，混煉時間為20至40秒。
步驟b：再摻合前述橡膠補強劑進行混煉，使橡膠補強劑中的氧化石墨烯及碳黑分散在橡膠中，且氧化石墨烯以及碳黑的含氧官能基團與橡膠的末端官能基進行偶聯；進一步說明，在步驟b中，橡膠補強劑係分兩次添加，其中一次橡膠補強劑與防老劑進行混煉，而另一次橡膠補強劑與增黏劑進行混煉，每次混煉的轉動速度皆為10至40rpm，混煉時間皆為40至60秒。
步驟c：再摻合氧化石墨烯以及軟化油進行混煉，且軟化油能將氧化石墨烯均勻分散在橡膠中，以獲得一橡膠組合物，其中，混煉機的轉動速度為10~40rpm，混煉時間為90至120秒；值得一提，本發明氧化石墨烯為片狀奈米級材料，在混煉前須將氧化石墨烯與軟化油作混合減積，透過適當的減積混合比例，提升氧化石墨烯在橡膠中的分散度。
另外，本發明再將前述橡膠組合物通過擠出成型和連續加硫的製程形成本發明節能輪胎100；請配合圖2及圖3所示，節能輪胎100包含一胎體10，胎體10具有一胎面部11，胎面部11設有兩胎面端111以及複數胎紋112，兩胎面端111分別設於胎面部11之周緣兩側，胎紋112設於兩胎面端111間，在一較佳實施例中，胎面部11設有一輪廓中心線113，輪廓中心線113位於兩胎面端111間並圍繞胎體10之軸心，且輪廓中心線113處不具有胎紋112，藉以提供適合的接觸面積及排水性能。
因此，本發明節能輪胎100係由前述橡膠組合物進行混煉、硫化所獲得，且本發明製作方法的混煉順序能使橡膠補強劑中的氧化石墨烯及碳黑在橡膠中的分散度高達99%以上，以致於氧化石墨烯以及碳黑的含氧官能基團與橡膠的末端官能基進行偶聯，進而增進氧化石墨烯對橡膠的補強性及分散性，使得硫化製成的節能輪胎100之胎面部11具有優良的耐磨性及抓地力，以增進胎體10的安全性及使用壽命，並能同時降低滾動阻力，達成節省電動機車能源消耗的功效。
為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲提供下述八個具體的實驗組，說明其橡膠組合物的配方，並針對橡膠組合物所製出的輪胎成品進行各項物性測試，以說明本發明橡膠組合物具有降低滾動阻力，藉以增進輪胎的安全性及使用壽命，達到節省能源消耗的要求。
橡膠組合物之成分及配方：
實驗組1：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)60重量份、天然橡膠(NR)20重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)20重量份、氧化石墨烯2重量份、碳黑40重量份、軟化油12重量份、表面改質劑40重量份。
實驗組2：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)40重量份、天然橡膠(NR)40重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)20重量份、氧化石墨烯2重量份、碳黑36重量份、軟化油17重量份、表面改質劑15重量份。
實驗組3：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)40重量份、天然橡膠(NR)40重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)20重量份、氧化石墨烯1重量份、碳黑36重量份、軟化油10重量份、表面改質劑15重量份。
實驗組4：聚丁二烯橡膠(BR)20重量份、天然橡膠(NR)80重量份、氧化石墨烯1重量份、碳黑45重量份、無機物20重量份、軟化油15重量份、表面改質劑5重量份。
實驗組5：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)60重量份、天然橡膠(NR)40重量份、氧化石墨烯1重量份、碳黑45重量份、軟化油10重量份、表面改質劑5重量份。
實驗組6：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)20重量份、聚丁二烯橡膠(BR)20重量份、天然橡膠(NR)40重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)20重量份、氧化石墨烯1重量份、碳黑40重量份、無機物20重量份、軟化油10重量份、表面改質劑5.5重量份。
實驗組7：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)60重量份、聚丁二烯橡膠(BR)20重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)20重量份、氧化石墨烯1重量份、碳黑40重量份、無機物10重量份、軟化油12重量份、表面改質劑4.5重量份。
實驗組8：溶聚丁苯橡膠(S-SBR)75重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)25重量份、氧化石墨烯1重量份、碳黑40重量份、軟化油8重量份、表面改質劑4.5重量份。
其中，本發明實驗組1~8之橡膠組合物中的氧化石墨烯之氧含量皆為5%。
表1.係為本發明實驗組1~8之橡膠組合物之配方統計表
項目 實驗組1 實驗組2 實驗組3 實驗組4 實驗組5 實驗組6 實驗組7 實驗組8
S-SBR 60 40 40 0 60 20 60 75
BR 0 0 0 20 0 20 20 0
NR 20 40 40 80 40 40 0 0
EPDM 20 20 20 0 0 20 20 25
氧化石墨烯 2 2 1 1 1 1 1 1
碳黑 40 36 40 45 45 40 40 40
無機物 0 0 0 20 0 20 10 0
軟化油 12 17 10 15 10 10 12 8
表面改質劑 40 15 15 5 5 5.5 4.5 4.5
機械性能測試及結果：
本發明將實驗組1~3各別藉由動態力學分析儀(Dynamic Mechanical Analyzer，DMA)檢測橡膠組合物的動態性能，其中，動態力學分析儀(DMA)的測試條件：測量溫度：-110~80℃；升溫速度：3℃/min，(2)應力應變：2.0%；測量頻率：10Hz。：1Hz，5℃/min，而測定儲能模量、Tg及阻尼值(Tanδ)。
表2.係為本發明實驗組1~3之儲能模量統計表
項目 儲能模量 (Storage modulus) Pa
-40℃ -20℃ -10℃ 0℃ 25℃ 60℃
實驗組1 2257.5 450.2 118.4 56.0 29.4 21.1
實驗組2 551.7 65.3 36.0 24.2 15.7 12.1
實驗組3 872.0 114.9 53.1 33.9 20.1 14.4
儲能模量測試結果如上述表2以及圖4所示，在各項測量溫度中顯示，實驗組1的儲能模量值均高於實驗組2、3，表示實驗組1的儲存彈性能力相較於實驗組2、3最為優異，進而提供較佳的彈性效能，其次為實驗組3。
表3.係為本發明實驗組1~3Tg及阻尼值(Tanδ)之統計表
項目 Tg1 (℃) Tg2 (℃) Tg3 (℃) Tanδ
-40℃ -20℃ -10℃ 0℃ 25℃ 60℃
實驗組1 - -58.2 -13.5 0.137 0.554 0.590 0.333 0.108 0.063
實驗組2 - -55.0 -26.4 0.430 0.547 0.364 0.206 0.076 0.041
實驗組3 - -57.8 -22.0 0.341 0.543 0.383 0.227 0.085 0.048
Tg及阻尼值(Tanδ)測試結果如上述表3以及圖5、6所示，其中，表3中0℃的阻尼值(Tanδ)表示濕地抓地力；25℃的阻尼值(Tanδ)表示乾地抓地力；60℃的阻尼值(Tanδ)表示滾動阻力。就以測量結果來說，實驗組1在0℃及25℃所測得阻尼值(Tanδ)均明顯高於實驗組2、3，表示實驗組1的抓地性能相較於實驗組2、3最為優異；但是，實驗組1在60℃所測得阻尼值(Tanδ)亦高於實驗組2、3，說明實驗組1產生的滾動阻力相較於實驗組2、3反而提高電動機車能源的消耗；值得一提，本發明經過成本以及性能評估後，認為實驗組3之測試結果確實適當地提高抓地性能，即使在潮濕的條件下也能保有高抓地力的表現，並能夠對應更強大的動力，進而降低輪胎磨耗以達到提升輪胎安全性及使用壽命，而且，實驗組3能同時降低滾動阻力以及提升電動機車行駛的續航力的效能，達到節省電動機車能源消耗的效益。
藉此，本發明具有下列功效：
1.本發明橡膠補強劑藉由氧化石墨烯的調配以減少碳黑的使用，並證實氧化石墨烯以及碳黑的含氧官能基團與橡膠的末端官能基進行偶聯，進而適當地提高抓地性能，並能同時降低滾動阻力以及提升電動機車行駛的續航力的效能。
2.本發明軟化油經烷化反應完全不含多環芳香烴成分，能降低環境汙染以達到符合環保規範的功效。
3.本發明製作方法的混煉順序能有效提高橡膠補強劑中的氧化石墨烯及碳黑在橡膠中的分散度，進而增進氧化石墨烯對橡膠的補強性及分散性，使得硫化製成的節能輪胎100具有優良的耐磨性及抓地力，以增進胎體10的安全性及使用壽命，並能同時降低滾動阻力，達成節省電動機車能源消耗的功效。
本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:節能輪胎 10:胎體 11:胎面部 111:胎面端 112:胎紋 113:輪廓中心線 a:步驟 b:步驟 c:步驟
圖1係為本發明實施例之步驟流程圖。 圖2係為本發明實施例節能輪胎之立體示意圖。 圖3係為本發明實施例節能輪胎之正面示意圖。 圖4係為本發明實施例儲能模量之檢測圖。 圖5係為本發明實施例損耗模量之檢測圖。 圖6係為本發明實施例Tanδ之檢測圖。
a:步驟
b:步驟
c:步驟

Claims (13)

  1. 一種橡膠組合物，其包含橡膠、軟化油、表面改質劑以及一橡膠補強劑，橡膠由溶聚丁苯橡膠(S-SBR)、天然橡膠(NR)以及三元乙丙橡膠(EPDM)所組成，溶聚丁苯橡膠(S-SBR)的含量為40重量份、天然橡膠(NR)的含量為40重量份、三元乙丙橡膠(EPDM)的含量為20重量份，軟化油的含量為10重量份，表面改質劑的含量為15重量份，該橡膠補強劑包括氧化石墨烯以及碳黑，氧化石墨烯之氧含量為3至5%，且氧化石墨烯的含量為1重量份，碳黑的含量為40重量份。
  2. 如請求項1所述之橡膠組合物，更包含有機金屬觸媒以及防老劑。
  3. 如請求項2所述之橡膠組合物，其中，防老劑的含量範圍為2至10重量份。
  4. 如請求項3所述之橡膠組合物，其中，有機金屬觸媒為釹觸媒，防老劑選自於由酮-胺類、對苯二胺類、取代酚及微晶蠟所組成之群組，表面改質劑為四氯化矽及四氯化錫，軟化油為芳香烴油。
  5. 一種如請求項1所述之橡膠組合物的製作方法，其包含下列步驟：步驟a：先將橡膠加入混煉機進行混煉；步驟b：再摻合一橡膠補強劑進行混煉，使該橡膠補強劑中的氧化石墨烯及碳黑分散在橡膠中，且氧化石墨烯以及碳黑的含氧官能基團與橡膠的末端官 能基進行偶聯；以及步驟c：再摻合氧化石墨烯以及軟化油進行混煉，且軟化油能將氧化石墨烯均勻分散在橡膠中，以獲得一橡膠組合物。
  6. 如請求項5所述之橡膠組合物的製作方法，其中，混煉機係為密閉式混合機，混煉溫度為80至170℃，且該橡膠組合物係為固態混合。
  7. 如請求項6所述之橡膠組合物的製作方法，其中，在該步驟a中，更摻合表面改質劑以及有機金屬觸媒進行混煉，轉動速度為30至60rpm，混煉時間為20至40秒。
  8. 如請求項6所述之橡膠組合物的製作方法，其中，在該步驟b中，該橡膠補強劑係分兩次添加，其中一次該橡膠補強劑與防老劑進行混煉，而另一次該橡膠補強劑與增黏劑進行混煉，每次混煉的轉動速度皆為10至40rpm，混煉時間皆為40至60秒。
  9. 如請求項6所述之橡膠組合物的製作方法，其中，在該步驟c中，轉動速度為10至40rpm，混煉時間為90至120秒。
  10. 一種節能輪胎，其包含：一胎體，其具有一胎面部，該胎面部設有兩胎面端以及複數胎紋，該兩胎面端分別設於該胎面部之周緣兩側，所述胎紋設於該兩胎面端間，且該胎體具有橡膠、軟化油、表面改質劑以及一橡膠補強劑，橡膠由溶聚丁苯橡膠(S-SBR)、天然橡膠(NR)以及三元乙丙橡膠(EPDM)所組成，溶聚丁苯橡膠(S-SBR)的含量為40重量份、天然橡膠(NR)的含量為40重量份、三元乙丙橡膠(EPDM) 的含量為20重量份，軟化油的含量為10重量份，表面改質劑的含量為15重量份，該橡膠補強劑包括氧化石墨烯以及碳黑，氧化石墨烯之氧含量為3至5%，且氧化石墨烯的含量為1重量份，碳黑的含量為40重量份。
  11. 如請求項10所述之節能輪胎，其中，該胎面部設有一胎面軸心線，該胎面軸心線位於該兩胎面端間，且該胎面軸心線處不具有所述胎紋。
  12. 如請求項10所述之節能輪胎，其中，該胎體更具有防老劑以及有機金屬觸媒。
  13. 如請求項12所述之節能輪胎，其中，有機金屬觸媒為釹觸媒，防老劑選自於由酮-胺類、對苯二胺類、取代酚及微晶蠟所組成之群組，表面改質劑為四氯化矽及四氯化錫，軟化油為芳香烴油。
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