郭洪云，王福山，吳春艷

(青島華高墨烯科技股份有限公司，山東 青島 266106)

靜電[1]的產(chǎn)生與存在是一種存在于物體和人體上的客觀的自然現(xiàn)象。汽車(chē)行駛過(guò)程中內(nèi)部零部件的摩擦，車(chē)體表面與干燥空氣摩擦，輪胎與路面間的摩擦都會(huì)產(chǎn)生靜電，短時(shí)間內(nèi)會(huì)聚集大量的靜電，靜電聚集到一定程度會(huì)產(chǎn)生高電位差，瞬間放電，對(duì)易燃易爆品運(yùn)輸車(chē)、裝有大量電子元器件的新能源汽車(chē)和無(wú)人駕駛汽車(chē)、搭載眾多高精密設(shè)備的軍警用特種車(chē)輛，導(dǎo)靜電功能尤為重要，高電位靜電能引起車(chē)輛自燃或爆燃，影響電子設(shè)備正常運(yùn)行，導(dǎo)致車(chē)體失穩(wěn)，造成生命安全及財(cái)產(chǎn)安全隱患。

目前汽車(chē)靜電的解決方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、連續(xù)消除車(chē)體靜電，安全隱患依然存在。如拖曳式防靜電帶或防靜電鐵鏈，由于磨損或脫落都會(huì)造成導(dǎo)靜電的中斷，而且，金屬材料的防靜電帶和鐵鏈與地面摩擦?xí)a(chǎn)生火花，存在引燃車(chē)載易燃易爆物品的隱患。輪胎是汽車(chē)與地面的唯一接觸零件，不管在汽車(chē)行進(jìn)還是在停止過(guò)程中，都可以保持全時(shí)段接地，如果可以實(shí)現(xiàn)輪胎的導(dǎo)靜電功能，則可以徹底解決這一問(wèn)題。

隨著石油燃料的枯竭和溫室效應(yīng)的加劇，節(jié)約能源與保護(hù)環(huán)境越來(lái)越得到各國(guó)人民的關(guān)注，“綠色輪胎”的呼聲越來(lái)越高，一方面具有超低的滾動(dòng)阻力，另一方面具有其他方面的高性能。而輪胎配方的“魔三角”效應(yīng)一直制約著“綠色輪胎”的發(fā)展，“魔三角”效應(yīng)是磨耗、濕滑、滾動(dòng)阻力三者的平衡關(guān)系[2-7]，在傳統(tǒng)材料體系之下，強(qiáng)化其中之一，必然會(huì)導(dǎo)致其他一到兩項(xiàng)的下降，很難制造出各方面性能均突出的輪胎。

石墨烯是一種導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高的二維納米材料[8-9]，優(yōu)異的導(dǎo)電性賦予輪胎導(dǎo)靜電功能，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的全路況、全時(shí)段、連續(xù)、可靠導(dǎo)靜電，獨(dú)特的二維蜂巢狀結(jié)構(gòu)對(duì)于橡膠的特殊補(bǔ)強(qiáng)作用會(huì)優(yōu)化橡膠的整個(gè)填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，改變橡膠形變過(guò)程中，分子鏈間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，影響輪胎性能。文中將橡膠輪胎復(fù)合石墨烯，對(duì)輪胎的導(dǎo)靜電性、抗?jié)窕?、耐磨性、滾動(dòng)阻力性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

輪胎配方中涉及到的所有原材料，由青島森麒麟輪胎股份有限公司提供；石墨烯(HG01S，層數(shù)3-5)，由青島華高墨烯科技股份有限公司提供。

1.2 主要儀器與設(shè)備

ZS-401CE雙滾筒混合機(jī)(開(kāi)煉機(jī))，東莞市卓勝機(jī)械設(shè)備有限公司；BP-8172-B密閉式密煉機(jī)，東莞市寶品精密儀器有限公司；、XLB-1400*3200硫化機(jī)、INJ-500(500 Ton)成型機(jī)、XJW-90擠出機(jī)，大連華韓橡塑機(jī)械有限公司；SS-766DIN 磨耗試驗(yàn)機(jī)，東莞市松恕檢測(cè)儀器有限公司；WDW-100D電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，山東億宸試驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 試驗(yàn)配方

輪胎的胎面、胎側(cè)及子口部位復(fù)合石墨烯材料，石墨烯質(zhì)量份分別為3.5、1和0.5，其他部位未復(fù)合石墨烯材料。胎面膠、胎側(cè)膠、子口膠及輪胎其他部位配方均采用青島森麒麟輪胎股份有限公司現(xiàn)有生產(chǎn)配方。

1.4 試樣制備

生產(chǎn)工藝采用通用輪胎生產(chǎn)工藝，具體工藝流程為密煉工藝-壓出工藝-壓延工藝-裁斷工藝-鋼絲圈纏繞-三角膠貼合-成型工藝-硫化工藝。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1 導(dǎo)電性能測(cè)試

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T26277-2010測(cè)試，選取石墨烯導(dǎo)靜電輪胎245/45ZR18與同規(guī)格普通UHP輪胎進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，委托青島科標(biāo)化工分析檢測(cè)有限公司(CNAS)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

圖1 導(dǎo)電性能實(shí)測(cè)圖

1.5.2 操穩(wěn)及制動(dòng)測(cè)試

選取石墨烯導(dǎo)靜電輪胎245/45ZR18與同規(guī)格普通UHP輪胎進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，委托安徽德技汽車(chē)檢測(cè)中心有限公司進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，主要測(cè)試項(xiàng)目有噪音、制動(dòng)、操穩(wěn)。

1.5.3 磨耗測(cè)試

磨耗測(cè)試由出租車(chē)輔助完成測(cè)試，選取出租車(chē)配套輪胎規(guī)格195/65R15LS388 91V。

分別選取8條石墨烯導(dǎo)靜電輪胎與8條對(duì)應(yīng)規(guī)格的普通輪胎，裝配4輛出租車(chē)進(jìn)行磨耗測(cè)試；測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，以防天氣等自然環(huán)境引起的磨耗影響；行駛路面包括市內(nèi)水泥路、高速、沙石路以及石子路，每天約行駛200～300km；大約行駛里程每達(dá)到1萬(wàn)公里時(shí)，進(jìn)行一次測(cè)試，以此監(jiān)控輪胎的磨耗情況。磨耗計(jì)算說(shuō)明如下：

(1)每次測(cè)量時(shí)各花紋溝隔段取值4-5個(gè)后，計(jì)算平均值；

(2)整體取平均值后，與初始花紋溝深相減，得磨耗掉的毫米數(shù)；

(3)每次磨耗掉的毫米數(shù)與花紋溝總深度和安全深度之差相除，得到的百分比，即為磨耗百分比。

(4)行駛的里程除以相應(yīng)的花紋溝深減少量，即為每毫米磨耗量。

1.5.4 滾阻測(cè)試

選取石墨烯導(dǎo)靜電輪胎195/65R15和同規(guī)格普通輪胎，委托國(guó)家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院)進(jìn)行輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)靜電

圖2 石墨烯導(dǎo)靜電輪胎導(dǎo)靜電機(jī)理示意圖

由于石墨烯比表面積大，片層薄，粒徑小，在橡膠中分散可實(shí)現(xiàn)彼此連接，構(gòu)成電子遷移通路，因此表現(xiàn)出突出的導(dǎo)電性及散熱性。車(chē)體靜電電荷通過(guò)子口與金屬輪轂嵌合，通過(guò)胎側(cè)、胎面接地全時(shí)段、連續(xù)、可靠導(dǎo)出車(chē)體靜電，杜絕靜電災(zāi)害。

2.2 導(dǎo)電性能分析

測(cè)試結(jié)果顯示，石墨烯導(dǎo)靜電輪胎的電阻值為1.0×105Ω，而未復(fù)合石墨烯材料的對(duì)比輪胎電阻值為∞，石墨烯導(dǎo)靜電輪胎能夠安全的釋放電荷，具備了良好的導(dǎo)靜電性能。

2.3 操穩(wěn)及制動(dòng)性能分析

測(cè)試結(jié)果顯示，石墨烯導(dǎo)靜電輪胎在保持噪音不變，干/濕地操穩(wěn)及干地制動(dòng)性能(縮短0.18m)提高的條件下，其濕地制動(dòng)性能大幅提高，縮短1.82m。

分析原因，一方面可能是石墨烯片層納米材料的加入，提高了膠質(zhì)的致密性，與形成水膜的路面之間引力作用增強(qiáng)，提高了慣性力化解效果；另一方面可能是由于石墨烯自身的高強(qiáng)度，微觀硬粒子作用使得其胎面膠料在制動(dòng)過(guò)程中能夠刺破水膜，抗?jié)窕阅苡纱嗽鰪?qiáng)。

表2 石墨烯導(dǎo)靜電輪胎245/45ZR18測(cè)試結(jié)果

2.4 磨耗性能分析

4輛出租車(chē)的行駛里程達(dá)均到5萬(wàn)公里左右，對(duì)兩種輪胎的耐磨性能進(jìn)行分析，如圖3所示。根據(jù)磨耗趨勢(shì)圖，擬合出相應(yīng)的磨耗曲線，最終得出一個(gè)磨耗數(shù)據(jù)(每毫米磨耗量)以評(píng)價(jià)輪胎的耐磨性，如表3所示。由最終的擬合數(shù)據(jù)可以看出，石墨烯導(dǎo)靜電輪胎的耐磨性沒(méi)有比普通輪胎差，反而略優(yōu)于普通輪胎。

圖3 磨耗趨勢(shì)圖

表3 普通輪胎/石墨烯導(dǎo)靜電輪胎耐磨性計(jì)算結(jié)果

2.5 滾阻性能分析

測(cè)試結(jié)果顯示，同規(guī)格石墨烯導(dǎo)靜電輪胎相較于普通輪胎，滾阻系數(shù)降低7.39%，說(shuō)明石墨烯的應(yīng)用，對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力起到了極大的降低作用，分析原因，可能是由于石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用，使得整個(gè)輪胎的剛性得到提高(模量提高)，同等外力作用下，形變量減小，從而降低了輪胎內(nèi)耗，表現(xiàn)在宏觀上，輪胎的滾動(dòng)阻力降低，從而油耗因此降低。檢測(cè)結(jié)果如表4。

表4 195/65R15滾阻測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能，使石墨烯導(dǎo)靜電輪胎的電阻值達(dá)到1.0×105Ω，能夠安全的釋放電荷，具備良好的導(dǎo)靜電電性能。

(2)石墨烯的高強(qiáng)度和高比表面積，使抗?jié)窕阅艽蠓岣摺?/p>

(3)石墨烯自身的高強(qiáng)度，其耐撕裂性，韌度增強(qiáng)，保證了輪胎的耐磨性。

(4)石墨烯獨(dú)特的二維蜂巢狀結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了橡膠大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使復(fù)合膠料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加均一密實(shí)，在一定外力形變下，膠料的滯后程度降低，從而內(nèi)部耗能減少，滾動(dòng)阻力減小。

總之，石墨烯導(dǎo)靜電輪胎在實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)靜電性能，保證其耐磨性不降低的前提條件下，其低滾阻和抗?jié)窕阅艽蟠筇岣撸蚱屏恕澳恰毙?yīng)。