[发明专利]一种汽车轮胎用橡胶纳米短纤维复合材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种汽车轮胎用橡胶纳米短纤维复合材料及其制备方法，应用于汽车轮胎的三角胶，可以明显提高三角胶的硬度和模量。

背景技术：

当前我国汽车轮胎，特别是轿车轮胎全部为子午线轮胎，在使用过程中所受应力颇为复杂，要求胎圈部位具有极高的强度和耐疲劳性能。三角形状芯胶(简称三角胶)是胎圈部位重要的部件，起着填充、定位、承受应力的作用，其硬度直接影响胎圈部位的刚性。三角胶位于钢丝圈上端，起填充和加强胎圈的作用，不但对改善子午线轮胎侧向刚性分布起重要作用，同时与胎侧区刚柔过渡要均匀和屈挠性好。良好的刚性(高硬度、高模量)是轮胎三角胶的必要性能要求。

为了确保三角胶具有较高模量和硬度，现有技术方法是在橡胶中添加：(1)高用量的硬质炭黑和软质炭黑，(2)酚醛树脂、高苯乙烯树脂、钴盐等增硬剂，(3)短纤维，或(4)高硫黄用量来提高材料的硬度和模量。

高用量使用炭黑仍然是三角胶制备领域的主流方法，然而高用量的炭黑虽然可以有效地提高三角胶的弹性模量，但也会明显提高材料的损耗角正切值，这样在汽车行驶过程中，三角胶容易发热，其热疲劳会严重影响轮胎的耐久性，减少轮胎的使用寿命。另外，炭黑提高橡胶模量的范围有限，单独使用炭黑无法满足轮胎三角胶所需要的高模量性能。又由于石油资源有限以及环境问题，石油的供给量逐年减少，价格逐年提高，那么炭黑等来自石油资源的原材料必将受到严重的限制。

与炭黑补强橡胶模量较低相比，短纤维增强橡胶复合材料既具有橡胶的弹性，同时又保持了纤维的强度和刚度，制品具有高强度、高模量、耐撕裂等优良性能。然而微米短纤维，如尼龙、聚酯、涤纶、芳沦短纤维等，虽然可以使复合材料的模量大幅度提高，但由于其长度较长，纤维难以均匀的分散在橡胶基体中，加工性能较差，且动态生热后复合材料的模量会下降，所以依然不能很好的满足轮胎三角胶所需要的性能要求。

Koji Ishiguchi的专利(CODEN：JKXXAF JP 07330962 A 19951219Heisei)公开了一种技术，这种技术并未使用炭黑，而是采用聚烯烃纤维制备了低门尼粘度的三角胶复合材料，制备的纤维增强的热塑性复合材料包括聚烯烃、硫化橡胶、含有酰胺基的热塑性树脂、聚烯烃纤维，材料的拉伸强度可高达283kg/cm²，但其加工性能、动态生热性能、驾驶稳定性等性能没有得到充分改善。

纳米短纤维不但具有纤维特有的强度和刚度，还具有易分散、加工性能优良等特点。针状硅酸盐是一种内含纳米短纤维的天然层状含水富镁铝硅酸盐矿物，在我国江、浙、皖地区蕴藏丰富。其化学结构为：Mg₅Si₈O₂₀(HO)₂(OH₂)₄·4H₂O。田明等人在“一种纳米硅酸盐纤维与橡胶复合材料的制备方法”(公开号CN1775836A)中公开了一种制备橡胶/针状硅酸盐复合材料的方法，使用该方法制备的橡胶/针状硅酸盐复合材料可使针状硅酸盐达到纳米分散的级别，起到纳米短纤维增强的作用。表面改性后的针状硅酸盐在橡胶基体中能均匀分散，并且与橡胶表面结合良好，从而使橡胶/针状硅酸盐复合材料具有良好的力学性能和各向异性性能。然而该发明方法对针状硅酸盐的改性不够充分，在高用量的情况下，针状硅酸盐不能完全解离为纳米纤维，会存在较多的聚集体，以致复合材料的拉伸强度和定伸应力提高较低，大大降低了针状硅酸盐的增强效果。

发明内容：

本发明的目的是提供一种汽车轮胎用橡胶纳米短纤维复合材料及其制备方法，通过CO₂超临界法对针状硅酸盐进行改性，在与橡胶基体的混合过程中被解离成纳米短纤维，同时添加软质炭黑，制备出高硬度和高模量的复合材料。

本发明提供的一种汽车轮胎用橡胶纳米短纤维复合材料，其组成和质量份数为：

二烯系橡胶基体100份，

改性针状硅酸盐30～100份，

平均粒径为31～200nm的软质炭黑20～60份，

石蜡油0～10份，

活性剂6～10份，

防老剂0.5～4份，

硫化促进剂1～4份，

硫黄1～5份；