短纤维的预处理及其在轮胎中的应用

勇盛

短纤维是相对于连续的编织长纤维增强材料而言的，一般长度为2～5mm，长径比为100～200，经过表面预处理后可以像无机粒状填料一样直接加入橡胶基体中，共混后采用适当的工艺进行取向即可获得最终产品。短纤维的补强性能良好，在一定范围内甚至可以取代常用的长纤维纺织物骨架材料，却无需复杂的加工工艺，因而可简化生产过程，提高自动化和连续化的程度。
一般认为，短纤维 — 胶复合材料（简称SFRC）的应用研究始于20世纪70年代。1972年，美国孟山都公司发表了第一个专利“纤维素短纤维补强弹性体”，并成功地将其应用于中、低压胶管等制品中。此后，不少国家相继投入大量人力、物力从事这方面的研究和开发，使得SFRC在较短的时间内发展很快。目前，短纤维的品种除了纤维素短纤维外，还有尼龙、聚酯、维纶、腈纶、芳纶、丙纶、麻、丝、碳纤维、金属短纤维、胶原纤维等。短纤维的应用范围已经覆盖了几乎所有的橡胶制品，包括轮胎、胶管、胶带、胶鞋、密封件以及坦克履带垫等等。
9 t4 \& `4 C* b. n$ g2 p3 U近年,短纤维在轮胎中的应用研究尤为活跃，已经应用到各种不同类型的轮胎，包括工程越野轮胎、载重轮胎、无销钉防滑轮胎以及高性能子午线轮胎等，其增强部位也几乎包括轮胎的所有部位，如胎面、胎肩、胎侧、胎体层及三角胶和内衬胶等。
1985年，Walker等将美国孟山都公司的处理过的纤维素短纤维（简称TCF）应用于工程越野轮胎（OTR tire 即off—the—road tire）胶面中经数百条轮胶试验表明，加入2.5份TCF便可大大改善胶料的抗撕裂性及提高抗崩花掉块能力、延长轮胎使用寿命。这是到目前为止短纤维在轮胎中应用所取得的效果比较显著的实例之一。
1987年日本人Takahashi等将10份短纤维加到载重轮胎三角胶中，以增大其动态模量，从而使转弯性能指数、胎圈耐用性和高速耐久性分别提高8%、18.6%和5.3%，使载重轮胎具有较高承载能力和耐久性。
( I0 o" U# m6 @" Q# e1991年日本人Ishida通过实验证实，短纤维的加入，可以提高胶料低温（0℃以下的冰面上）时的摩擦系数15%，以便用于防滑无销钉轮胎。
1996年以来，许多发达国家，特别是日本对颇具潜力的“短纤维在高性能轮胎中的应用”下了不少力气，形成了一些专利。
) r% D. _/ q: `我国在短纤维 — 橡胶复合材料研究应用方面起步较晚，20世纪80年代，一些工业研究院所和高校曾作过探索。周彦豪和他的同事及研究生们，从1986年起在周彦豪在美国Akron大学聚合物工程中心“纤维素短纤维 — 胶复合材料流变和加工特性”工作的基础上，先后在国家自然科学基金委员会、中国石化总公司、化工部的资助下，较系统地研究了尼龙、聚酯、维纶等多种短纤维的预处理方法，短纤维与丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、天然橡胶之间的界面粘合，短纤维在橡胶中的取向行为及其表征方法，流变性能及其测试方法，动态性能、力学性能预测，以及胶管胶带等SFRC制品的应用开发工作，不仅取得了一些国际先进水平的应用基础研究成果，而且结合国情开发了“短纤维预处理技术”，并与黑龙江省富锦市预处理短纤维厂（现称橡胶有限责任公司）联合开发，于1994年用我们的专利技术建立了国内第一家预处理短纤维厂，将尼龙短纤维DN（BF）系列产品（乌龙牌）投产，经近100家橡胶制品厂在胶带、胶管、密封件和胶辊以及汽车防滑网、海洋环保公司用的橡胶坝袋等制品中使用反映良好。
5 E5 D3 {& {. [1 Q5 f除了上述问题之外，还有一个很重要的问题——价格与进口的问题。我们的发明专利短纤维预处理剂中很重要的一个组分是丁吡胶乳，全部依靠进口，每吨3500～3800美元，约30000元人民币/吨，价格相当高，气味不良，又由于丁吡胶乳的后处理和管理有一定的专业性，有时会出现质量问题，如桶内漂浮物多、存放稳定性差、即使现在国内有少量丁吡胶乳生产，大部分仍靠进口，而且也有质量不稳定问题，所以想在我们原发明专利的基础上利用就近生产的价格便宜得多的（仅为进口丁吡胶乳的1/2）、较稳定的羧基丁苯胶乳代替丁吡胶乳，并对预处理体系进行改进，以达到优质、价廉之目的。根据上述研究背景的分析，我们的研究主要包括两部分工作：
1. 以价廉的、就近生产的、稳定的羧基丁苯胶乳等取代价高、进口的丁吡胶乳，并对短纤维预处理体系进行改进，以达到价廉、优质之目的（SFRC性能应与用丁吡胶乳处理的相当）。并研究各种新预处理体系对SFRC基体性能的影响；
( g: s, y& ?  A# [2. 短纤维在轮胎胎面胶料中的应用及其对动态力学性能等的影响。
此外，在研究新预处理体系及改性技术的基础上，结合载重汽车轮胎胎面胶胶料的实际需要，我们着重研究了尼龙短纤维（SF）的用量和长径比（L/D）对天然橡胶（NR）/丁苯橡胶（SBR）胎面胶基本力学性能影响的规律，并得出了一系列富有价值的成果。
: D7 n7 q& g; \6 P5 W& ^% X, I" z6 a较适宜的胎面胶配方和短纤维主要参数
* 较适宜的载重轮胎胎面胶配方
我们认为，填充尼龙短纤维的载重汽车轮胎胎面胶，以下述胶料配方为宜（重量份）：
8 T2 |3 y1 E8 K+ k# `/ L6 [  S4 YNR 70，SBR 30，氧化锌 5，硬脂酸 3，促进剂DM 0.5，促进剂CZ 0.7，防老剂4010-NA 1.5，防老剂DFC-34 2，HAF
50，芳烃油 10，石蜡 1，硫黄 2.5。
$ {" S# k: \( ~" p) I; ?* 尼龙短纤维主要参数
8 a1 m8 W2 S+ o7 a) H⑴自制预处理尼龙短纤维用量5份；
⑵短纤维长径比 L/D=100～150。
文章关键词： 短纤维、轮胎