碳纳米管在全钢载重子午线轮胎包边胶中的应用

第 5 期樊学锋等．碳纳米管在全钢载重子午线轮胎包边胶中的应用291碳纳米管在全钢载重子午线轮胎包边胶中的应用
樊学锋，邢冬华*
（双钱轮胎集团有限公司，上海　200025）
摘要：研究碳纳米管在全钢载重子午线轮胎包边胶中的应用。

结果表明：采用2份碳纳米管替代6份炭黑N375，胶料的门尼焦烧时间延长，硫化速度减慢，硫化胶的定伸应力、拉伸强度和撕裂强度增大，压缩生热相当；成品轮胎耐久性能
和胎圈耐久性能试验后的损坏程度减轻，轮胎耐久性能和胎圈耐久性能显著提高。

关键词：碳纳米管；全钢载重子午线轮胎；包边胶；压缩生热；耐久性能
中图分类号：TQ336.1；TQ330.38＋3 文章编号：1006-8171（2024）05-0291-04
文献标志码：A DOI：10.12135/j.issn.1006-8171.2024.05.0291
碳纳米管为管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是sp2杂化，形成六边形平面的圆柱面。

碳纳米管自1991年被日本科学家SUMIO IIJIMA[1]发现以来，因其优异的电学、力学、热学、化学稳定性能等成为材料领域的热门研究方向[2-6]。

碳纳米管在轮胎中的应用已有大量的研究报道。

王伟等[7]研究了碳纳米管在半钢子午线轮胎胎面胶中的应用，结果表明，在胎面胶中加入碳纳米管，胶料的定伸应力、拉伸强度和撕裂强度增大，耐磨性能提高，当碳纳米管用量为4份时，胶料的电阻率减小，抗湿滑性能提高。

郑涛等[8]研究了碳纳米管在雪地轮胎胎面胶中的应用，结果表明，在胎面胶中加入碳纳米管，胶料的拉伸强度和回弹值增大，阿克隆磨耗量减小，耐磨性能和抗湿滑性能提高，且成品轮胎的雪地和冰面制动距离缩短，车辆操控性能和行驶安全性提高。

目前，国内研究主要集中于碳纳米管在轮胎胎面胶中的应用方面，通过提高胶料的物理性能来改善胎面胶的耐磨和抗湿滑性能。

本工作研究碳纳米管部分替代炭黑[9-12]在全钢载重子午线轮胎包边胶中的应用。

1　实验
1.1　主要原材料
天然橡胶（NR），牌号TSR9710，西双版纳中化橡胶有限公司产品；碳纳米管，牌号GT-300，山东大展纳米材料有限公司产品；炭黑N375，江西黑猫炭黑股份有限公司产品。

1.2　配方
生产配方（用量/份）：NR　100，炭黑N375　46，白炭黑　8，氧化锌　9，硬脂酸　0.2，防老剂4020　1.2，防老剂DTPD　0.7，间苯二酚-甲醛树脂　2，硼酰化钴　0.8，其他　7.1。

试验配方A和B：分别采用2份碳纳米管替代4和6份炭黑N375，其余组分及用量均同生产配方。

1.3　主要设备和仪器
XK-160型开炼机，无锡双象橡胶机械有限公司产品；BB430型密炼机和TSR450型双螺杆挤出机，日本神户制钢公司产品；GK300型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；XLB-Q型平板硫化机，上海第一橡胶机械厂产品；MV2000型门尼粘度仪和MDR2000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；LX-A型硬度计，上海化工机械四厂产品；H10 KS型电子拉力机，英国Hounsfield 公司产品；GT-RH2000型压缩生热试验机，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；101A-1型烘箱，上海实验仪器厂有限公司产品。

作者简介：樊学锋（1975—），男，陕西澄城人，双钱轮胎集团有限公司高级工程师，硕士，长期从事轮胎研究开发和管理工作。

*通信联系人（xingdonghua@）OSID开放科学标识码
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292 轮　胎　工　业2024年第44卷
1.4　混炼工艺
1.4.1　小配合试验
胶料在开炼机上按照常规工艺进行混炼，生胶经过塑炼，依次加入炭黑、碳纳米管、白炭黑、活性剂、防老剂，待生胶吃粉结束后，加入间苯二酚-甲醛树脂及促进剂和硫化剂，混炼均匀后薄通8次备用。

1.4.2　大配合试验
胶料采用3段混炼工艺。

一段混炼在BB430型密炼机中进行，转子转速为50 r·min-1，加料顺序为：NR→3/4炭黑、白炭黑、碳纳米管及防老剂、氧化锌等小料→排胶[（160±2）℃]。

二段混炼在BB430型密炼机中进行，转子转速为40 r·min-1，加料顺序为：一段混炼胶→剩余1/4炭黑及间苯二酚-甲醛树脂→排胶[（148±2）℃]。

三段混炼在GK300型密炼机中进行，转子转速为25 r·min-1，加料顺序为：二段混炼胶→促进剂、硫化剂→排胶[（102±2）℃]。

1.5　性能测试
各项性能均按照相应的国家标准进行测试。

2　结果与讨论
2.1　理化性能
碳纳米管的理化性能如表1所示。

表1　碳纳米管的理化性能
项 目实测结果企业标准
外观合格黑色粉末，无结块或杂质水分质量分数/%0.25≤1.0
灰分质量分数/% 2.48≤2.5
比表面积/（m2·g-1）261.7230～270
平均粒径/μm 5.9≤10
从表1可以看出，碳纳米管的理化性能符合企业标准要求。

2.2　小配合试验
小配合试验结果如表2和3所示。

从表2和3可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方A胶料的门尼焦烧时间缩短，硫化速度加快，硫化胶的硬度、50%和100%定伸应力、拉伸强
表2　小配合试验胶料的硫化特性
项 目
试验配方
生产配方
A B
门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]828174
门尼焦烧时间（125 ℃）/min
　t516.118.917.7
　t3520.023.222.4
硫化仪数据（150 ℃）
　F L/（dN·m） 5.47 5.39 4.98
　F max/（dN·m）35.31 33.94 31.25 t10/min 3.45 3.75 3.77
　t50/min 6.17 6.71 6.44
　t90/min11.64 12.09 11.72
表3　小配合试验硫化胶的物理性能
项 目
试验配方
生产配方A B
硫化时间（150 ℃）/min253025302530邵尔A型硬度/度777876777677 50%定伸应力/MPa 2.35 2.42 2.34 2.39 2.20 2.22 100%定伸应力/MPa 4.35 4.38 4.28 4.18 4.15 4.09 300%定伸应力/MPa16.9016.5616.7815.7917.1316.83拉伸强度/MPa23.4124.7123.9023.8722.7822.35拉断伸长率/%406426419425383389拉断永久变形/%182019201616撕裂强度/（kN·m-1）484565764746压缩温升1）/℃31.528.728.5 100 ℃×24 h老化后
　50%定伸应力/MPa 3.19 3.24 3.13 3.18 3.13 3.03　100%定伸应力/MPa 5.97 5.99 5.87 5.89 5.81 5.73　300%定伸应力/MPa———19.64——　拉伸强度/MPa18.9018.7520.5021.0018.9519.51　拉断伸长率/%275272296322280289　拉断永久变形/%101213161110　撕裂强度/（kN·m-1）394541453536注：1）冲程　4.45 mm，预应力　1.0 MPa，恒温室温度　55 ℃。

第 5 期樊学锋等．碳纳米管在全钢载重子午线轮胎包边胶中的应用293
度增大，压缩生热升高；试验配方B胶料的门尼焦烧时间延长，硫化速度减慢，硫化胶的50%和100%定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度增大，压缩生热相当。

2.3　大配合试验
根据小配合试验结果，优选试验配方B进行大配合试验，试验结果如表4所示。

表4　大配合试验结果
项 目试验配方B生产配方
门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]7975
门尼焦烧时间（125 ℃）/min
　t519.416.7
　t3523.320.4
硫化仪数据（150 ℃）
　F L/（dN·m） 5.39 4.98
　F max/（dN·m）39.3037.85
　t10/min 3.63 3.10
　t50/min 5.96 5.19
　t90/min10.69 9.99
硫化时间（150 ℃）/min25302530
邵尔A型硬度/度76777677 50%定伸应力/MPa 2.47 2.35 2.11 2.12 100%定伸应力/MPa 5.04 4.82 4.39 4.09 300%定伸应力/MPa19.5318.9719.3318.30拉伸强度/MPa27.1027.2926.7625.90拉断伸长率/%411431412418拉断永久变形/%20242020
撕裂强度/（kN·m-1）71686563
压缩温升1）/℃26.626.3 100 ℃×24 h老化后
　50%定伸应力/MPa 3.30 3.27 3.09 3.14　100%定伸应力/MPa 6.677.28 6.42 6.46　拉伸强度/MPa20.1221.1420.0919.41　拉断伸长率/%252254255252　拉断永久变形/%816810
　撕裂强度/（kN·m-1）52514646注：同表3。

从表4可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼焦烧时间延长，硫化速度减慢，硫化胶的定伸应力、拉伸强度和撕裂强度增大，压缩生热相当，这与小配合试验结果基本一致。

2.4　成品性能
采用试验配方B胶料生产包边胶，应用于13R22.5 20PR D568全钢载重子午线轮胎的带束层包边、胎体包边及胎圈钢丝包布包边，测试成品轮胎耐久性能和胎圈耐久性能，并与生产轮胎进行对比。

2.4.1　耐久性能
成品轮胎的耐久性能按照GB/T 4501—2023进行测试。

结果显示，试验轮胎和生产轮胎的累计行驶时间分别为113.67和106.05 h，累计行驶里程分别为5 745.0和5 355.8 km。

轮胎耐久性能试验后的损坏病象如图1
所示。

（a）
试验轮胎
（b）生产轮胎
图1　轮胎耐久性能试验后的损坏病象
从图1可以看出，试验轮胎通过耐久性能试验后带束层端点处的损坏程度明显小于生产轮胎。

2.4.2　胎圈耐久性能
胎圈耐久性能试验条件为：成品轮胎打磨胎面胶至与花纹沟底平齐，75%单胎充气压力，200%最大单胎负荷，试验速度为30 km·h-1，直至轮胎损坏为止。

结果显示，试验轮胎和生产轮胎的胎圈耐久时间分别为171.67和62.34 h，累计行驶里程分别为5 246.3和1 883.7 km。

胎圈耐久性能试验后的损坏病象如图2所示。

从图2可以看出，试验轮胎和生产轮胎的损坏病象均为胎圈起鼓，试验轮胎的胎体帘布外端点及钢丝包布外端点的损坏程度均明显小于生产轮胎。

3　结论
在全钢载重子午线轮胎包边胶中采用2份碳纳米管替代6份炭黑N375，胶料的门尼焦烧时间延长，硫化速度减慢，硫化胶的定伸应力、拉伸强度
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胎体帘布外端点及钢丝包布外端点的损坏程度 减轻。

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（2）：149-153.收稿日期：2024-01-
26
（a ）
试验轮胎
（b ）生产轮胎
图2　胎圈耐久性能试验后的损坏病象
和撕裂强度增大，压缩生热相当。

采用该胶料生产的13R22.5 20PR D568轮胎的耐久性能提高，带束层端点的损坏程度减轻，胎圈耐久性能提高，
Application of Carbon Nanotubes in Tie -in Strip of
Truck and Bus Radial Tire
FAN Xuefeng ，XING Donghua
（Doublecoin Tire Group Co.，Ltd ，Shanghai 200025，China
）Abstract ：The application of carbon nanotubes in the tie -in strip of truck and bus radial tires was studied.The results showed that by replacing 6 phr carbon black N375 with 2 phr carbon nanotubes ，the Mooney scorch time of the compound was prolonged ，the vulcanization rate was slowed down ，the tensile stress ，tensile strength and tear strength of the vulcanizate were increased ，and the compression heat build -up was comparable.After the durability test and bead durability test of the finished tire ，the degree of damages was reduced and the tire durability and bead durability were significantly improved.
Key words ：carbon nanotube ；truck and bus radial tire ；tie -in strip ；compression heat build -up ；durability。