改性短纖維FB-200在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

黃振華，施大全，黃晶晶，余團清，朱志鵬，王曉六

（福建省海安橡膠有限公司，福建 莆田 351254）

巨型全鋼工程機械子午線輪胎的載質(zhì)量大，工作環(huán)境苛刻，行駛路面不平且有尖銳的碎石塊等雜物，受硬物沖擊大，行駛速度較慢，經(jīng)常晝夜連續(xù)作業(yè)，胎面易被割傷、刺穿、出現(xiàn)崩花掉塊和熱剝離等現(xiàn)象。因此，巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠的性能要求是耐磨、抗切割、抗刺扎、抗崩花掉塊、耐熱、彈性好和硬度高等，這些性能要求在配方設(shè)計中很難同時滿足，因此應(yīng)根據(jù)輪胎的不同工況條件設(shè)計相應(yīng)的配方。

改性短纖維FB-200是一種功能性橡膠用新材料，微觀長徑比為1∶6~1∶10，在膠料中能增大長度方向的剛性，在降低膠料生熱的同時提高力學(xué)性能，改進膠料的耐磨性能和抗切割性能。由于改性短纖維FB-200表面的極性基團在混煉過程中產(chǎn)生的反應(yīng)中間體會與炭黑顆粒起化學(xué)反應(yīng)，降低填料-填料之間的相互作用（增強培恩效應(yīng)），減小膠料內(nèi)摩擦，因此能改善膠料的滯后性能。為得到最佳的膠料性能，本研究采用適合的煉膠工藝使改性短纖維FB-200與填料和橡膠分子充分反應(yīng)（在140 ℃下反應(yīng)一定時間）。

本工作主要研究改性短纖維FB-200在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國產(chǎn)品；氧化鋅，泉州中泰鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；炭黑N220，卡博特化工（天津）有限公司產(chǎn)品；改性短纖維FB-200，廈門寶橡橡塑材料有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑X50-S，贏創(chuàng)嵐星化學(xué)工業(yè)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

生產(chǎn)配方：NR，100；炭黑N220，40；白炭黑，10；B型防護蠟，1.5；硅烷偶聯(lián)劑X50-S，2；氧化鋅，3；防老劑4020/RD，3；增塑劑A50P，2；其他，8。

試驗配方：配方A除添加4份改性短纖維FB-200，配方B除添加6份改性短纖維FB-200外，其余與生產(chǎn)配方相同。

1.3 主要設(shè)備與儀器

X（S）M-1.5×（10～100）型智能實驗密煉機和XK-160開煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產(chǎn)品；GK-270N型密煉機和GK-400N型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產(chǎn)品；GTM2000A型無轉(zhuǎn)子硫化儀，高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；LX-A型硬度計和401A型熱老化試驗箱，江都精誠測試儀器廠產(chǎn)品；平板硫化機，泉州金鷹機械有限公司產(chǎn)品；UT-2080型拉力試驗機，臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；橡膠壓縮生熱試驗機，北京澳瑪琦科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；RCC-I型橡膠動態(tài)抗切割試驗機，北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合試驗?zāi)z料混煉分3段進行。一段和二段混煉在X（S）M-1.5×（10～100）型密煉機中進行，一段混煉（初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1）工藝為：生膠→部分炭黑、白炭黑及改性短纖維FB-200、部分小料→溫度達到140 ℃時轉(zhuǎn)速降至20 r·min-1→提壓砣90 s→轉(zhuǎn)速升至50 r·min-1→壓壓砣→排膠［（155±5） ℃］，最高膠溫不超過165 ℃；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，工藝為：一段混煉膠→剩余炭黑及小料→排膠［（140±5）℃］。三段混煉在開煉機上進行，工藝為：二段混煉膠→硫黃、促進劑→薄通→下片（輥距2.0 mm，輥溫25~40 ℃，膠溫不高于85 ℃）。各段混煉膠停放時間不少于8 h。

大配合試驗?zāi)z料混煉分4段進行。一段、二段、三段混煉在GK-400N型密煉機中進行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，一段混煉為塑煉，工藝為：3#煙膠片→塑煉→排膠（140~150 ℃）；二段、三段混煉工藝分別與小配合試驗一段、二段混煉工藝相同。四段混煉在GK-270N型密煉機中進行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，工藝為：三段混煉膠→硫黃、促進劑→排膠（90~105 ℃）。各段混煉膠停放時間不少于8 h。

1.5 性能測試

抗切割性能采用橡膠動態(tài)抗切割試驗機進行測試，按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，轉(zhuǎn)速720 r·min-1，沖擊頻率120 min-1，切割損失率用試驗前后試樣質(zhì)量損失率表征。膠料其它各項性能均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能

改性短纖維FB-200的理化性能如表1所示。從表1 可以看出，改性短纖維FB-200的理化性能均達到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 改性短纖維FB-200的理化分析結(jié)果

2.2 小配合試驗

2.2.1 硫化特性

小配合試驗?zāi)z料的硫化特性如表2所示。從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的ML和MH較大；改性短纖維用量增大，ML和MH增大；試驗配方膠料的焦燒時間比生產(chǎn)配方膠料長，加工安全性較好；試驗配方A膠料硫化速度比生產(chǎn)配方膠料慢，改性短纖維用量較大的試驗配方B膠料的焦燒時間較短，硫化速度略快。

表2 小配合試驗?zāi)z料的硫化特性（143 ℃）

2.2.2 物理性能

添加改性短纖維FB-200的膠料混煉到140 ℃并且至少繼續(xù)混煉90 s是為了使改性短纖維能夠更好地與填料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，填料的羧基自由基與橡膠分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，重新結(jié)合聚合物自由基和炭黑自由基，還可以使改性短纖維在膠料中更好地分散，使膠料達到最佳的物理性能。

小配合試驗?zāi)z料的物理性能如表3所示。從表3可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方A膠料的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強度增大，壓縮生熱降低，切割損失率和阿克隆磨耗量減小，分析認(rèn)為，添加的改性短纖維FB-200能提高長度方向的剛性，在混煉過程中產(chǎn)生的反應(yīng)中間體與炭黑顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使膠料交聯(lián)密度提高，物理性能改善，而且改性短纖維FB-200是經(jīng)過化學(xué)改性的產(chǎn)品，表面活性能大，與填料表面的相互作用降低了填料-填料之間的相互作用，因而減小了膠料內(nèi)部的摩擦，使膠料的滯后性能得以改善；改性短纖維用量較大的試驗配方B膠料的定伸應(yīng)力較大，但拉伸強度和拉斷伸長率較小、耐熱性能和抗切割性能較差，這可能與膠料含膠率降低以及短纖維分散性不好有關(guān)。

表3 小配合試驗?zāi)z料的物理性能

2.3 大配合試驗

為了進一步驗證改性短纖維FB-200在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用效果，選擇試驗配方A進行大配合試驗。

2.3.1 硫化特性

大配合試驗?zāi)z料的硫化特性如表4所示。從表4可以看出，大配合試驗結(jié)果與小配合試驗結(jié)果基本一致。

表4 大配合試驗?zāi)z料的硫化特性（143 ℃）

2.3.2 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能如表5所示。從表5可以看出，大配合試驗結(jié)果與小配合試驗結(jié)果基本一致。

表5 大配合試驗硫化膠的物理性能

2.4 工藝性能

3 結(jié)論

添加改性短纖維FB-200的試驗配方膠料擠出型膠表面光滑、邊緣齊整，擠出尺寸穩(wěn)定性好，工藝性能好。

在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中添加適當(dāng)（4份）改性短纖維FB-200，可以降低膠料生熱，提高輪胎抗切割和耐磨性能，延長輪胎使用壽命。