一種仿生胎面膠料及其制備方法與流程

本發明屬于橡膠輪胎制造領域，特別是涉及一種仿生胎面膠料及其制備方法。

背景技術：

隨著國家經濟實力的不斷增強，汽車產業得到迅猛的發展，汽車已經成為人們生活中必不可少的重要交通工具，而汽車產業的發展也推動著輪胎行業的不斷創新與進步。近年來，由于人們環保和節能意識的提高，而且國家出臺了多種有關限制汽車燃料消耗法規，因此人們對輪胎要求日益提高，低耗能輪胎-低滾動阻力輪胎逐漸走進人們的視線中，這種輪胎的能耗低，減少了對環境的污染，“綠色輪胎”的概念由此誕生。20世紀90年代人們已經認可了綠色輪胎這種說法。當時的輪胎工作者對白炭黑進行表面硅烷處理后，取代傳統補強填料炭黑，輪胎的滾動阻力變小。該概念問世以來，對輪胎行業的發展起著戰略意義，是各國爭相開發的目標。

輪胎胎面是汽車唯一與地面直接接觸部件，承受外界應力最苛刻，受到來自外部各種惡劣環境的沖擊，包括與地面之間的摩擦，外界尖銳物質的刺穿，粗糙路面對它的震動以及沖擊等等，這就要求輪胎具有優良的耐磨、耐切割、耐撕裂、抗濕滑性以及低滾阻、低生熱和耐老化性能等。但是輪胎各種性能之間往往是相互矛盾的，難以同時提高性能，提高一種或兩種性能的同時，第三種性能往往會降低，輪胎的耐磨性、滾動阻力和抗濕滑(抓地性)三大性能被稱為“魔鬼三角”，因此發展“綠色輪胎”降低輪胎的滾動阻力，保證耐磨、抓地等性能的不降低是我們要研究的重點也是難點。提高輪胎胎面三種性能研究是對我國輪胎企業做大做強的技術支持和保障，同時對于節能減排、降低排放、保護環境等方面都具有戰略性的意義。

技術實現要素：

本發明的目的是解決上述背景技術中現有技術對輪胎胎面膠滾動阻力、耐磨性及抓地性三種主要性能很難同時提升的問題，而提供一種仿生胎面膠料及其制備方法。

本發明所述胎面膠料由超低滾動阻力仿生單元和高抓地性能仿生單元組成，兩種仿生結構單元由不同配方的胎面膠料組成，按照一定的膠料制備方法完成；超低滾動阻力仿生單元結構以圓形和六邊形為節點按照一定的網絡結構進行仿生耦合，高抓地性能仿生單元結構形狀與其互補，最后將兩個仿生單元進行組合，模壓加熱硫化成型實現輪胎胎面膠的制作。

一種仿生胎面膠料，是由超低滾動阻力仿生單元和高抓地性能仿生單元組成，其具體組成成分如下：

所述超低滾動阻力仿生單元各組成成分及其份數如下：

天然橡膠：30-50份；

順丁橡膠br9000：40-60份；

丁苯橡膠1502：10-30份；

炭黑n330：50-80份；

高分散白炭黑：60-80份；

白炭黑分散劑：4-8份；

硅烷偶聯劑：4-8份；

硬脂酸：2-3份；

防老化劑4020：2-4份；

環保芳烴油：2-5份；

防焦劑ctp：0.1-0.3份；

氧化鋅：3.5-4.5份；

高耐磨材料：3-10份；

促進劑nobs：1.0-2份；

促進劑dtdm：0.3-0.6份；

硫化劑：1.3-2.6份；

上述的高耐磨材料由玻璃微珠和超高分子量聚乙烯組成，其中玻璃微珠占總質量5-10％，超高分子量聚乙烯占總質量的90-95％；

所述高抓地性能仿生單元各組成成分及其份數如下：

天然橡膠：20-40份；

順丁橡膠br9000：10-30份；

丁苯橡膠1502：50-70份；

炭黑n330：10-20份；

高分散白炭黑：40-60份；

白炭黑分散劑：2-5份；

硅烷偶聯劑：4-6份；

氧化鋅：3.5-4.5份；

硬脂酸：2-3份；

防老化劑4020：2-4份；

防焦劑ctp：0.1-0.3份；

促進劑nobs：1.0-2份；

促進劑dtdm：0.3-0.6份；

環保芳烴油：10-15份；

硫化劑：1.3-2.6份；

抓地增強樹脂：5-10份；

上述的抓地增強樹脂由聚合松香改性辛基酚樹脂和酚醛樹脂組成，其中聚合松香改性辛基酚樹脂占總質量70-75％，酚醛樹脂占總質量的25-30％。

一種仿生胎面膠料的制備方法，具體步驟如下：

一、制備所述超低滾動阻力仿生單元，具體制備方法如下：

1)控制密煉機轉子速度80rpm，溫度120-140℃，上頂栓壓力50n/cm2，加入天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠壓上頂栓，保持在密煉機中塑煉60-90秒；

2)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑，壓上頂栓保持60-80秒；

3)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑、硬脂酸、防老化劑、防焦劑ctp，壓上頂栓保持90-120秒；

4)升上頂栓加入氧化鋅、高耐磨材料、環保芳烴油，壓上頂栓保持420-480秒，制成混煉膠；

5)將制成的混煉膠室溫停放12-24小時后，在開煉機上加入促進劑nobs、促進劑dtdm、硫化劑即可制成所需輪胎膠料，要求開煉機溫度在75-85℃；

二、制備所述高抓地性能仿生單元2，具體制備方法如下：

1)控制密煉機轉子速度80rpm，溫度120-140℃，上頂栓壓力50n/cm2，加入天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠壓上頂栓，保持在密煉機中塑煉60-90秒；

2)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑，壓上頂栓保持60-80秒、；

3)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑、硬脂酸、防老化劑、1/2硅烷偶聯劑、防焦劑ctp，壓上頂栓保持90-120秒；

4)升上頂栓加入氧化鋅、抓地增強樹脂、環保芳烴油，壓上頂栓保持420-480秒，制成混煉膠；

5)將制成的混煉膠室溫停放12-24小時后，在開煉機上加入促進劑nobs、促進劑dtdm、硫化劑即可制成所需輪胎膠料，要求開煉機溫度在75-85℃；

三、制備仿生結構的輪胎胎面膠，具體制備方法如下：

1)首先，將超低滾動阻力仿生單元的特征在仿生單元以圓形和六邊形為節點，按照一定的網絡結構進行仿生耦合；

上述圓形節點的半徑r為3-10mm，六邊形節點的邊長l1為2-10mm；

上述網絡結構按照中心線o對稱分布；網絡中有三條與o平行的主干，在主干上設有六邊形節點，兩個節點的距離h2為10-60mm，主干的寬度l4與六邊形的邊長l1相等，上下主干與中間主干采用z字形支干相連，支干寬l6與l1相等為2-10mm，連接兩條主干之間z字形支干的長度h1為20-120mm；z字形支干與三條主干的夾角α為60度；上下兩條主干上的每個六邊形節點上分別延伸出一條具有4個圓形節點的分支，圓形節點分支與主干(輪胎前進方向)的夾角α為60度，寬度l5與l1相等為2-10mm，六邊形節點與圓形節點的距離l2為30-80mm，第1、2兩個圓形節點的距離、第2、3兩個圓形節點的距離和第3、4兩個圓形節點的距離l3相等為10-30mm；

2)高抓地性能仿生單元2與超低滾動阻力仿生單元1結構互補；

3)根據超低滾動阻力仿生單元1和高抓地性能仿生單元2的特點制作模具，將超低滾動阻力膠料、高抓地性能膠料制作成相應的仿生單元，并組合，加壓，壓力為15-20mp，加溫硫化，加熱溫度為150-155℃；硫化時間為40-50分鐘；最終制備成具有仿生結構的輪胎胎面膠；

成型后胎面膠的厚度δ為100-300mm，寬度k為150-300mm。

本發明的有益效果和工作原理：

本發明制備超低滾動阻力仿生單元胎面膠料的有益效果是由于橡膠滯后損失是輪胎產生滾動阻力最大的影響因素，因此改善輪胎材料的粘彈性是降低滾動阻力的有效途徑，本發明合理的配比了天然橡膠、順丁橡膠和丁苯橡膠的比例，同時加入適量高分散白炭黑、炭黑和高耐磨材料，在密煉機中，通過硅烷化反應，使白炭黑、炭黑與橡膠分子鏈產生化學鍵合作用，提高填料在橡膠基體中的分散性，降低填料效應和膠料滯后損失，最終得到一種低滾動阻力、高耐磨的輪胎胎面配方，制備高抓地性能仿生單元胎面膠料的有益效果是加大輪胎材料的粘彈性是提高抓地性的有效途徑，發明合理的配比了天然橡膠、順丁橡膠和丁苯橡膠的比例，提高了環保芳烴油的加入量，同時加入了抓地增強樹脂，這不但增加了膠料組合物粘彈性而且提高了硫化性能和炭黑的分散性能，合理分配了高分散白炭黑和炭黑的加入量，在密煉機中，通過硅烷化反應，使白炭黑、炭黑與橡膠分子鏈產生化學鍵合作用，提高填料在橡膠基體中的分散性，最終得到一種抓地性能突出其他性能良好的輪胎胎面膠配方；

制備的具有仿生結構的輪胎胎面膠兼具超低滾動阻力和高抓地性能，在輪胎磨損后因超低滾動阻力仿生單元1耐磨性好會形成凸起，這致使胎面膠接觸面積變小其滾動阻力降低，有凸包結構和六邊形結構又增加了胎面膠的耐磨性和抗濕滑性能，最終使輪胎胎面膠的耐磨性、滾動阻力和抓地性能同時得到了提升。

附圖說明

圖1是本發明超低滾動阻力仿生單元結構的平面示意圖。

圖2是本發明胎面膠料的立體結構示意圖。

其中，o：中心對稱軸；r：圓形節點半徑；l1：六邊形的邊長；l2：六邊形節點與圓形節點的距離；l3：兩個圓形節點間的距離；l4：主干寬度；l5：具有圓形節點的支干寬度；l6：z字形支干寬度；h1：連接兩條主干之間z字形支干的長度；h2：兩個六邊形節點的距離；δ：胎面膠的厚度；k：胎面膠的寬度。

具體實施方式

請參閱圖1和圖2所示：

實施例1

一種仿生胎面膠料，是由超低滾動阻力仿生單元1和高抓地性能仿生單元2組成，其具體組成成分如下：

所述超低滾動阻力仿生單元1各組成成分及其份數如下：

天然橡膠：30份；順丁橡膠br9000：60份；丁苯橡膠1502：10份；炭黑n330：50份；高分散白炭黑：60份；白炭黑分散劑：4份；硅烷偶聯劑：4份；硬脂酸：2份；防老化劑4020：2份；環保芳烴油：2份；防焦劑ctp：0.1份；氧化鋅：3.5份；高耐磨材料：3份；促進劑nobs：1.0份；促進劑dtdm：0.3份；硫化劑：1.3份；

所述高耐磨材料：玻璃微珠占總質量5％，超高分子量聚乙烯占總質量的95％；

所述高抓地性能仿生單元2各組成成分及其份數如下：

天然橡膠：20份；順丁橡膠br9000：10份；丁苯橡膠1502：70份；炭黑n330：10份；高分散白炭黑：40份；白炭黑分散劑：4份；硅烷偶聯劑：4份；氧化鋅：3.5份；硬脂酸：2份；防老化劑4020：2份；防焦劑ctp：0.1份；促進劑nobs：1.0份；促進劑dtdm：0.3份；環保芳烴油：10份；硫化劑：1.3份；抓地增強樹脂：5份；

所述抓地增強樹脂，聚合松香改性辛基酚樹脂占總質量70％，酚醛樹脂占總質量的30％。

一種仿生胎面膠料及其制備方法，具體步驟如下：

一、制備所述超低滾動阻力仿生單元1，具體制備方法如下：

1)控制密煉機轉子速度80rpm，溫度140℃，上頂栓壓力50n/cm2，加入天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠壓上頂栓，保持在密煉機中塑煉90秒；

2)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑，壓上頂栓保持80秒；

3)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑、硬脂酸、防老化劑、防焦劑ctp，壓上頂栓保持120秒；

4)升上頂栓加入氧化鋅、高耐磨材料、環保芳烴油，壓上頂栓保持420-480秒，制成混煉膠；

5)將制成的混煉膠室溫停放12小時后，在開煉機上加入促進劑nobs、促進劑dtdm、硫化劑即可制成所需輪胎膠料，要求開煉機溫度在75℃。

二、制備所述高抓地性能仿生單元2，具體制備方法如下：

1)控制密煉機轉子速度80rpm，溫度140℃，上頂栓壓力50n/cm2，加入天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠壓上頂栓，保持在密煉機中塑煉90秒；

2)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑，壓上頂栓保持80秒；

3)升上頂栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散劑、1/2硅烷偶聯劑、硬脂酸、防老化劑、1/2硅烷偶聯劑、防焦劑ctp，壓上頂栓保持120秒；

4)升上頂栓加入氧化鋅、抓地增強樹脂、環保芳烴油，壓上頂栓保持480秒，制成混煉膠；

5)將制成的混煉膠室溫停放12小時后，在開煉機上加入促進劑nobs、促進劑dtdm、硫化劑即可制成所需輪胎膠料，要求開煉機溫度在75℃；

第三步實施例1

三、制備仿生結構的輪胎胎面膠，具體制備方法如下：

1)超低滾動阻力仿生結構圓形節點的半徑r為3mm，六邊形節點的邊長l1為2mm；網絡結構按照中心線o對稱分布；網絡中有三條與o平行的主干，在主干上設有六邊形節點，兩個節點的距離h2為10mm，主干的寬度l4與六邊形的邊長l1相等，上下主干與中間主干采用z字形支干相連，支干寬l6與l1相等為2mm，連接兩條主干之間z字形支干的長度h1為20mm；z字形支干與三條主干的夾角α為60度；上下兩條主干上的每個六邊形節點上分別延伸出一條具有4個圓形節點的分支，圓形節點分支與主干(輪胎前進方向)的夾角α為60度，寬度l5與l1相等為2mm，六邊形節點與圓形節點的距離l2為30mm，第1、2兩個圓形節點的距離、第2、3兩個圓形節點的距離和第3、4兩個圓形節點的距離l3相等為10mm；

2)高抓地性能仿生單元2的結構特征在于與超低滾動阻力仿生單元1結構互補；

3)根據超低滾動阻力仿生單元1和高抓地性能仿生單元2的特點制作模具，將超低滾動阻力膠料和高抓地性能膠料制作成相應的仿生單元，加壓壓力為15mp，加溫硫化，加熱溫度為150℃，硫化時間為40分鐘，最終制備成具有仿生結構的輪胎胎面膠；

成型后胎面膠的厚度δ為100mm，寬度k為150mm；

第三步實施例2

三、制備仿生結構的輪胎胎面膠，具體制備方法如下：

1)超低滾動阻力仿生結構圓形節點的半徑r為10mm，六邊形節點的邊長l1為10mm；網絡結構按照中心線o對稱分布；網絡中有三條與o平行的主干，在主干上設有六邊形節點，兩個節點的距離h2為60mm，主干的寬度l4與六邊形的邊長l1相等，上下主干與中間主干采用z字形支干相連，支干寬l6與l1相等為10mm，連接兩條主干之間z字形支干的長度h1為120mm；z字形支干與三條主干的夾角α為60度；上下兩條主干上的每個六邊形節點上分別延伸出一條具有4個圓形節點的分支，圓形節點分支與主干(輪胎前進方向)的夾角α為60度，寬度l5與l1相等為10mm，六邊形節點與圓形節點的距離l2為80mm，第1、2兩個圓形節點的距離、第2、3兩個圓形節點的距離和第3、4兩個圓形節點的距離l3相等為30mm；

2)高抓地性能仿生單元2的結構特征在于與超低滾動阻力仿生單元1結構互補；

3)根據超低滾動阻力仿生單元1和高抓地性能仿生單元2的特點制作模具，將超低滾動阻力膠料、高抓地性能膠料制作成相應的仿生單元，加壓壓力為15mp，加溫硫化，加熱溫度為150℃，硫化時間為40分鐘，最終制備成具有仿生結構的輪胎胎面膠；

成型后胎面膠的厚度δ為300mm，寬度k為300mm。

由此獲得的輪胎胎面膠相關參數如下：

從表1中，我們可以看出超低滾動阻力仿生單元1膠料組合物實例的耐磨性和滾動阻力性能遠遠優與普通輪胎胎面膠，抓地性能也和普通輪胎胎面膠接近高抓地性能仿生單元2膠料組合物實例的抓地性能好于普通輪胎胎面膠，耐磨、滾動阻力性能與普通輪胎胎面膠接近，但是仿生結構輪胎胎面膠繼承了兩種胎面膠的優點使其各種性能得到了提高。