本研究针对不同的轮胎制品,沿用目前工业最为成熟的生产配方及制备方法,以纳米高岭土(NK)、炭黑和白炭黑为填料,制备了一系橡胶复合材料。以NK、炭黑、白炭黑的杂化填料网络为出发点,研究了填料配合对矿用轮胎、子午线轮胎气密层、胎侧、胎冠的加工性能、机械力学性能、耐久性、气密性能等应用性能的影响,建立相关填料网络结构模型,探讨了影响机理。在研究过程中,取得如下认识:(1)研究所用改性高岭土中,高岭石含量较高,结晶度较低,活性点多,是一种优秀的的纳米二维纳米填料;实验所用炭黑、白炭黑、改性高岭土均在橡胶基体中达到了纳米级分散,得到了一系列纳米橡胶复合材料;三者配合比例不同时,呈现出不同的杂化填料网络。(2)在胎侧橡胶中,当炭黑、白炭黑填充份数较低时(<45 phr),填料网络对橡胶分子的圈闭作用较弱。在添加少量NK(5phr)之后,板状高岭石穿插到到炭黑、白炭黑补强单元之间,原先处于自由态的橡胶分子其运动受限,但仍未被填料网络完全圈闭,处于高弹态与玻璃态之间的过渡态。自由态的橡胶是运动受限,导致复合材料的储能模量增大,但并未完全转变成玻璃态,因此复合材料的溶解度系数变化不大。杂化填料网络在循环应变过程中不断被打散-重组,所消耗的能量更大,因此复合材料的Tanθ和耗能模量都有所升高。NK填充份数较低,气体的扩散路径变化不大,所以复合材料的气体扩散系数基本不变。(3)在矿卡轮胎胎面、气密层、胎冠橡胶中,炭黑填充份数较大(>50phr),此时炭黑在橡胶基体内构成完备的填料网络,对橡胶基体具有较好的圈闭效应。而添加少量NK(5phr)后,高岭石打破了炭黑聚集体的聚集,减弱了炭黑对橡胶分子的圈闭作用减弱,填料网络中的吸留胶被释放出来,由玻璃态转变成高弹态。基体中高弹态的橡胶体积份数增大,导致了复合材料溶解度系数的上升。但此时原炭黑的填料网络整体上保持良好,NK的加入也有效延长了气体扩散路径,因此复合材料的扩散系数有所下降。复合材料基体中,玻璃态橡胶的体积份数降低,导致复合材料的储能模量降低。与纯炭黑的填料网络相比,杂化填料网络在应变中的填料网络打散-重建循环中耗能更多,因此复合材料的耗能模量增大。(4)在矿卡轮胎胎面及胎冠橡胶中,随着NK用量继续增大(>15 phr),在局部区域出现高岭石板状颗粒之间的接触,新的高岭石网络开始形成,因此复合材料的吸留胶体积分数有所回升。局部区域出现的高岭石“面-边”接触方式,反而更易于气体分子的扩散,因此复合材料的扩散系数有所增大。原有的炭黑填料网络被破坏,新的高岭石网络尚未组建完备,复合材料的力学性能、耐久性、气密性、动态性能均未出现较大的提升。(5)当nk用量超过20份时,高岭石颗粒在复合材料基体中建立起愈加成熟的填料网络结,同时炭黑颗粒嵌入高岭石填料网络其中,再次延长了气体在复合材料中的扩散路径,因此复合材料的扩散系数显著下降,轮胎的其他性能也有所提升。在气密层及胎冠橡胶中,nk和炭黑的总填充份数超过80份时,炭黑堵塞相邻高岭石颗粒之间的缝隙,对橡胶分子链起到良好的圈闭效应,两种填料相互配合,构成耦合良好的杂化填料网络,导致复合材料中吸留胶、结合胶等玻璃态橡胶体积份数的剧烈增大,显著提高了橡胶纳米复合材料的各项性能。(6)在矿卡轮胎胎面及胎冠橡胶中,nk与白炭黑配合填充,板状高岭石不仅会打破先前白炭黑网络对橡胶基体的圈闭效应,同时白炭黑会与高岭石表面发生结合力较弱的物理吸附,形成核壳结构,导致裂纹极易在此处发生扩展,复合材料的撕裂强度因而恶化严重。白炭黑填料网络的破坏,导致复合材料的吸留胶释放出来,溶解度系数和储能模量降低。这一现象在炭黑、白炭黑、nk共同填充时有所改善。但同时,填料网络被破坏,导致应力循环中填料网络的打散-重建过程消耗的能量也降低,所以耗能模量也有所降低。(7)添加nk之后,混炼胶的加工性能得到明显优化。板状的高岭石将炭黑、白炭黑的聚集体彼此隔绝开来,减弱了聚集体之间的摩擦和碰撞。同时,炭黑白炭黑填料网络节点上的高岭石,破坏了整个填料网络的应力传递,填料网络骨架因而变得松散。这两方面的原因造成了混炼胶的门尼粘度均降低,使得混炼胶在压延中易于流动充模。板状高岭石阻止了外部热量向内部流动,因此减慢了前期硫化,提高了生产操作安全性。硫化反应是一个放热反应,板状高岭石在硫化后期同样减慢了硫化自生热向复合材料外部流动,因此加快了后期硫化速度,提高了生产效率。(8)扫描电镜分析表明,nk填充份数较低时,橡胶基体良好包裹住高岭石颗粒,复合材料具有平整的表面,相邻颗粒之间的橡胶会起到很好的缓冲作用,避免颗粒之间发生直接的接触碰撞,复合材料因此具有良好的耐磨耗性能。nk填充份数增大时,复合材料出现层叠的阶梯状,大量的高岭石颗粒从橡胶基体中裸露出来,并且高岭石颗粒构成填料孔洞,显著降低复合材料的耐磨耗性能。(9)在老化过程中,原先柔性的大分子链变成刚性的小分子链,并再次发生重组。经老化之后,复合材料的定伸应力增大而拉伸和撕裂强度降低。红外光谱分析显示,除天然橡胶之外,nk对橡胶分子链具有较强的吸附作用,限制了其中不饱和键的自由振动,同时板状高岭石阻止了氧气向复合材料内部流动。在这两方面的作用下,降低了橡胶分子链与氧气的反应活性,减小了基体中的氧气浓度,因此提高了复合材料的耐老化性能,复合材料的拉伸及撕裂强度保持率有所增加。在天然橡胶中,应酌情增大防老剂的用量。(10)本研究所使用纳米高岭土,在矿卡轮胎胎面、气密层、胎侧、胎冠中具有优秀的应用前景。在适当的填充份数下,能改善产品的加工性能,提高耐久性、抗湿滑性能及气密性能,降低轮胎的动态生热。但在矿卡轮胎及胎冠橡胶中,NK与白炭黑配合填充时,会导致复合材料的抗撕裂性能恶化。