一种仿生胎面胶料及其制备方法与流程

本发明属于橡胶轮胎制造领域，特别是涉及一种仿生胎面胶料及其制备方法。

背景技术：

随着国家经济实力的不断增强，汽车产业得到迅猛的发展，汽车已经成为人们生活中必不可少的重要交通工具，而汽车产业的发展也推动着轮胎行业的不断创新与进步。近年来，由于人们环保和节能意识的提高，而且国家出台了多种有关限制汽车燃料消耗法规，因此人们对轮胎要求日益提高，低耗能轮胎-低滚动阻力轮胎逐渐走进人们的视线中，这种轮胎的能耗低，减少了对环境的污染，“绿色轮胎”的概念由此诞生。20世纪90年代人们已经认可了绿色轮胎这种说法。当时的轮胎工作者对白炭黑进行表面硅烷处理后，取代传统补强填料炭黑，轮胎的滚动阻力变小。该概念问世以来，对轮胎行业的发展起着战略意义，是各国争相开发的目标。

轮胎胎面是汽车唯一与地面直接接触部件，承受外界应力最苛刻，受到来自外部各种恶劣环境的冲击，包括与地面之间的摩擦，外界尖锐物质的刺穿，粗糙路面对它的震动以及冲击等等，这就要求轮胎具有优良的耐磨、耐切割、耐撕裂、抗湿滑性以及低滚阻、低生热和耐老化性能等。但是轮胎各种性能之间往往是相互矛盾的，难以同时提高性能，提高一种或两种性能的同时，第三种性能往往会降低，轮胎的耐磨性、滚动阻力和抗湿滑(抓地性)三大性能被称为“魔鬼三角”，因此发展“绿色轮胎”降低轮胎的滚动阻力，保证耐磨、抓地等性能的不降低是我们要研究的重点也是难点。提高轮胎胎面三种性能研究是对我国轮胎企业做大做强的技术支持和保障，同时对于节能减排、降低排放、保护环境等方面都具有战略性的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述背景技术中现有技术对轮胎胎面胶滚动阻力、耐磨性及抓地性三种主要性能很难同时提升的问题，而提供一种仿生胎面胶料及其制备方法。

本发明所述胎面胶料由超低滚动阻力仿生单元和高抓地性能仿生单元组成，两种仿生结构单元由不同配方的胎面胶料组成，按照一定的胶料制备方法完成；超低滚动阻力仿生单元结构以圆形和六边形为节点按照一定的网络结构进行仿生耦合，高抓地性能仿生单元结构形状与其互补，最后将两个仿生单元进行组合，模压加热硫化成型实现轮胎胎面胶的制作。

一种仿生胎面胶料，是由超低滚动阻力仿生单元和高抓地性能仿生单元组成，其具体组成成分如下：

所述超低滚动阻力仿生单元各组成成分及其份数如下：

天然橡胶：30-50份；

顺丁橡胶br9000：40-60份；

丁苯橡胶1502：10-30份；

炭黑n330：50-80份；

高分散白炭黑：60-80份；

白炭黑分散剂：4-8份；

硅烷偶联剂：4-8份；

硬脂酸：2-3份；

防老化剂4020：2-4份；

环保芳烃油：2-5份；

防焦剂ctp：0.1-0.3份；

氧化锌：3.5-4.5份；

高耐磨材料：3-10份；

促进剂nobs：1.0-2份；

促进剂dtdm：0.3-0.6份；

硫化剂：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组成，其中玻璃微珠占总质量5-10％，超高分子量聚乙烯占总质量的90-95％；

所述高抓地性能仿生单元各组成成分及其份数如下：

天然橡胶：20-40份；

顺丁橡胶br9000：10-30份；

丁苯橡胶1502：50-70份；

炭黑n330：10-20份；

高分散白炭黑：40-60份；

白炭黑分散剂：2-5份；

硅烷偶联剂：4-6份；

氧化锌：3.5-4.5份；

硬脂酸：2-3份；

防老化剂4020：2-4份；

防焦剂ctp：0.1-0.3份；

促进剂nobs：1.0-2份；

促进剂dtdm：0.3-0.6份；

环保芳烃油：10-15份；

硫化剂：1.3-2.6份；

抓地增强树脂：5-10份；

上述的抓地增强树脂由聚合松香改性辛基酚树脂和酚醛树脂组成，其中聚合松香改性辛基酚树脂占总质量70-75％，酚醛树脂占总质量的25-30％。

一种仿生胎面胶料的制备方法，具体步骤如下：

一、制备所述超低滚动阻力仿生单元，具体制备方法如下：

1)控制密炼机转子速度80rpm，温度120-140℃，上顶栓压力50n/cm2，加入天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶压上顶栓，保持在密炼机中塑炼60-90秒；

2)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂，压上顶栓保持60-80秒；

3)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂、硬脂酸、防老化剂、防焦剂ctp，压上顶栓保持90-120秒；

4)升上顶栓加入氧化锌、高耐磨材料、环保芳烃油，压上顶栓保持420-480秒，制成混炼胶；

5)将制成的混炼胶室温停放12-24小时后，在开炼机上加入促进剂nobs、促进剂dtdm、硫化剂即可制成所需轮胎胶料，要求开炼机温度在75-85℃；

二、制备所述高抓地性能仿生单元2，具体制备方法如下：

1)控制密炼机转子速度80rpm，温度120-140℃，上顶栓压力50n/cm2，加入天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶压上顶栓，保持在密炼机中塑炼60-90秒；

2)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂，压上顶栓保持60-80秒、；

3)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂、硬脂酸、防老化剂、1/2硅烷偶联剂、防焦剂ctp，压上顶栓保持90-120秒；

4)升上顶栓加入氧化锌、抓地增强树脂、环保芳烃油，压上顶栓保持420-480秒，制成混炼胶；

5)将制成的混炼胶室温停放12-24小时后，在开炼机上加入促进剂nobs、促进剂dtdm、硫化剂即可制成所需轮胎胶料，要求开炼机温度在75-85℃；

三、制备仿生结构的轮胎胎面胶，具体制备方法如下：

1)首先，将超低滚动阻力仿生单元的特征在仿生单元以圆形和六边形为节点，按照一定的网络结构进行仿生耦合；

上述圆形节点的半径r为3-10mm，六边形节点的边长l1为2-10mm；

上述网络结构按照中心线o对称分布；网络中有三条与o平行的主干，在主干上设有六边形节点，两个节点的距离h2为10-60mm，主干的宽度l4与六边形的边长l1相等，上下主干与中间主干采用z字形支干相连，支干宽l6与l1相等为2-10mm，连接两条主干之间z字形支干的长度h1为20-120mm；z字形支干与三条主干的夹角α为60度；上下两条主干上的每个六边形节点上分别延伸出一条具有4个圆形节点的分支，圆形节点分支与主干(轮胎前进方向)的夹角α为60度，宽度l5与l1相等为2-10mm，六边形节点与圆形节点的距离l2为30-80mm，第1、2两个圆形节点的距离、第2、3两个圆形节点的距离和第3、4两个圆形节点的距离l3相等为10-30mm；

2)高抓地性能仿生单元2与超低滚动阻力仿生单元1结构互补；

3)根据超低滚动阻力仿生单元1和高抓地性能仿生单元2的特点制作模具，将超低滚动阻力胶料、高抓地性能胶料制作成相应的仿生单元，并组合，加压，压力为15-20mp，加温硫化，加热温度为150-155℃；硫化时间为40-50分钟；最终制备成具有仿生结构的轮胎胎面胶；

成型后胎面胶的厚度δ为100-300mm，宽度k为150-300mm。

本发明的有益效果和工作原理：

本发明制备超低滚动阻力仿生单元胎面胶料的有益效果是由于橡胶滞后损失是轮胎产生滚动阻力最大的影响因素，因此改善轮胎材料的粘弹性是降低滚动阻力的有效途径，本发明合理的配比了天然橡胶、顺丁橡胶和丁苯橡胶的比例，同时加入适量高分散白炭黑、炭黑和高耐磨材料，在密炼机中，通过硅烷化反应，使白炭黑、炭黑与橡胶分子链产生化学键合作用，提高填料在橡胶基体中的分散性，降低填料效应和胶料滞后损失，最终得到一种低滚动阻力、高耐磨的轮胎胎面配方，制备高抓地性能仿生单元胎面胶料的有益效果是加大轮胎材料的粘弹性是提高抓地性的有效途径，发明合理的配比了天然橡胶、顺丁橡胶和丁苯橡胶的比例，提高了环保芳烃油的加入量，同时加入了抓地增强树脂，这不但增加了胶料组合物粘弹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，在密炼机中，通过硅烷化反应，使白炭黑、炭黑与橡胶分子链产生化学键合作用，提高填料在橡胶基体中的分散性，最终得到一种抓地性能突出其他性能良好的轮胎胎面胶配方；

制备的具有仿生结构的轮胎胎面胶兼具超低滚动阻力和高抓地性能，在轮胎磨损后因超低滚动阻力仿生单元1耐磨性好会形成凸起，这致使胎面胶接触面积变小其滚动阻力降低，有凸包结构和六边形结构又增加了胎面胶的耐磨性和抗湿滑性能，最终使轮胎胎面胶的耐磨性、滚动阻力和抓地性能同时得到了提升。

附图说明

图1是本发明超低滚动阻力仿生单元结构的平面示意图。

图2是本发明胎面胶料的立体结构示意图。

其中，o：中心对称轴；r：圆形节点半径；l1：六边形的边长；l2：六边形节点与圆形节点的距离；l3：两个圆形节点间的距离；l4：主干宽度；l5：具有圆形节点的支干宽度；l6：z字形支干宽度；h1：连接两条主干之间z字形支干的长度；h2：两个六边形节点的距离；δ：胎面胶的厚度；k：胎面胶的宽度。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示：

实施例1

一种仿生胎面胶料，是由超低滚动阻力仿生单元1和高抓地性能仿生单元2组成，其具体组成成分如下：

所述超低滚动阻力仿生单元1各组成成分及其份数如下：

天然橡胶：30份；顺丁橡胶br9000：60份；丁苯橡胶1502：10份；炭黑n330：50份；高分散白炭黑：60份；白炭黑分散剂：4份；硅烷偶联剂：4份；硬脂酸：2份；防老化剂4020：2份；环保芳烃油：2份；防焦剂ctp：0.1份；氧化锌：3.5份；高耐磨材料：3份；促进剂nobs：1.0份；促进剂dtdm：0.3份；硫化剂：1.3份；

所述高耐磨材料：玻璃微珠占总质量5％，超高分子量聚乙烯占总质量的95％；

所述高抓地性能仿生单元2各组成成分及其份数如下：

天然橡胶：20份；顺丁橡胶br9000：10份；丁苯橡胶1502：70份；炭黑n330：10份；高分散白炭黑：40份；白炭黑分散剂：4份；硅烷偶联剂：4份；氧化锌：3.5份；硬脂酸：2份；防老化剂4020：2份；防焦剂ctp：0.1份；促进剂nobs：1.0份；促进剂dtdm：0.3份；环保芳烃油：10份；硫化剂：1.3份；抓地增强树脂：5份；

所述抓地增强树脂，聚合松香改性辛基酚树脂占总质量70％，酚醛树脂占总质量的30％。

一种仿生胎面胶料及其制备方法，具体步骤如下：

一、制备所述超低滚动阻力仿生单元1，具体制备方法如下：

1)控制密炼机转子速度80rpm，温度140℃，上顶栓压力50n/cm2，加入天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶压上顶栓，保持在密炼机中塑炼90秒；

2)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂，压上顶栓保持80秒；

3)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂、硬脂酸、防老化剂、防焦剂ctp，压上顶栓保持120秒；

4)升上顶栓加入氧化锌、高耐磨材料、环保芳烃油，压上顶栓保持420-480秒，制成混炼胶；

5)将制成的混炼胶室温停放12小时后，在开炼机上加入促进剂nobs、促进剂dtdm、硫化剂即可制成所需轮胎胶料，要求开炼机温度在75℃。

二、制备所述高抓地性能仿生单元2，具体制备方法如下：

1)控制密炼机转子速度80rpm，温度140℃，上顶栓压力50n/cm2，加入天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶压上顶栓，保持在密炼机中塑炼90秒；

2)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂，压上顶栓保持80秒；

3)升上顶栓加入1/2白炭黑、1/2炭黑、1/2白炭黑分散剂、1/2硅烷偶联剂、硬脂酸、防老化剂、1/2硅烷偶联剂、防焦剂ctp，压上顶栓保持120秒；

4)升上顶栓加入氧化锌、抓地增强树脂、环保芳烃油，压上顶栓保持480秒，制成混炼胶；

5)将制成的混炼胶室温停放12小时后，在开炼机上加入促进剂nobs、促进剂dtdm、硫化剂即可制成所需轮胎胶料，要求开炼机温度在75℃；

第三步实施例1

三、制备仿生结构的轮胎胎面胶，具体制备方法如下：

1)超低滚动阻力仿生结构圆形节点的半径r为3mm，六边形节点的边长l1为2mm；网络结构按照中心线o对称分布；网络中有三条与o平行的主干，在主干上设有六边形节点，两个节点的距离h2为10mm，主干的宽度l4与六边形的边长l1相等，上下主干与中间主干采用z字形支干相连，支干宽l6与l1相等为2mm，连接两条主干之间z字形支干的长度h1为20mm；z字形支干与三条主干的夹角α为60度；上下两条主干上的每个六边形节点上分别延伸出一条具有4个圆形节点的分支，圆形节点分支与主干(轮胎前进方向)的夹角α为60度，宽度l5与l1相等为2mm，六边形节点与圆形节点的距离l2为30mm，第1、2两个圆形节点的距离、第2、3两个圆形节点的距离和第3、4两个圆形节点的距离l3相等为10mm；

2)高抓地性能仿生单元2的结构特征在于与超低滚动阻力仿生单元1结构互补；

3)根据超低滚动阻力仿生单元1和高抓地性能仿生单元2的特点制作模具，将超低滚动阻力胶料和高抓地性能胶料制作成相应的仿生单元，加压压力为15mp，加温硫化，加热温度为150℃，硫化时间为40分钟，最终制备成具有仿生结构的轮胎胎面胶；

成型后胎面胶的厚度δ为100mm，宽度k为150mm；

第三步实施例2

三、制备仿生结构的轮胎胎面胶，具体制备方法如下：

1)超低滚动阻力仿生结构圆形节点的半径r为10mm，六边形节点的边长l1为10mm；网络结构按照中心线o对称分布；网络中有三条与o平行的主干，在主干上设有六边形节点，两个节点的距离h2为60mm，主干的宽度l4与六边形的边长l1相等，上下主干与中间主干采用z字形支干相连，支干宽l6与l1相等为10mm，连接两条主干之间z字形支干的长度h1为120mm；z字形支干与三条主干的夹角α为60度；上下两条主干上的每个六边形节点上分别延伸出一条具有4个圆形节点的分支，圆形节点分支与主干(轮胎前进方向)的夹角α为60度，宽度l5与l1相等为10mm，六边形节点与圆形节点的距离l2为80mm，第1、2两个圆形节点的距离、第2、3两个圆形节点的距离和第3、4两个圆形节点的距离l3相等为30mm；

2)高抓地性能仿生单元2的结构特征在于与超低滚动阻力仿生单元1结构互补；

3)根据超低滚动阻力仿生单元1和高抓地性能仿生单元2的特点制作模具，将超低滚动阻力胶料、高抓地性能胶料制作成相应的仿生单元，加压压力为15mp，加温硫化，加热温度为150℃，硫化时间为40分钟，最终制备成具有仿生结构的轮胎胎面胶；

成型后胎面胶的厚度δ为300mm，宽度k为300mm。

由此获得的轮胎胎面胶相关参数如下：

从表1中，我们可以看出超低滚动阻力仿生单元1胶料组合物实例的耐磨性和滚动阻力性能远远优与普通轮胎胎面胶，抓地性能也和普通轮胎胎面胶接近高抓地性能仿生单元2胶料组合物实例的抓地性能好于普通轮胎胎面胶，耐磨、滚动阻力性能与普通轮胎胎面胶接近，但是仿生结构轮胎胎面胶继承了两种胎面胶的优点使其各种性能得到了提高。