Efficium白炭黑在高性能綠色輪胎中的應(yīng)用

王丹靈，陳 生，沈國利, 承齊明

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

Efficium白炭黑在高性能綠色輪胎中的應(yīng)用

王丹靈，陳 生，沈國利, 承齊明

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

隨著綠色輪胎的發(fā)展，輪胎的滾動(dòng)阻力和濕地抓地力越來越受到關(guān)注。一般認(rèn)為，胎面配方中隨著白炭黑使用比例的增加，輪胎滾動(dòng)阻力會(huì)隨之降低，濕地抓地力會(huì)隨之提高。但由于白炭黑屬于極性物質(zhì)，不易分散于非極性的橡膠中。為了使兩者相容，需要使用如分散劑等加工助劑，并且在混煉階段使用多段工藝加工生產(chǎn)，這都增加了輪胎的成本。相較于1165MP高分散白炭黑，Effcium高分散白炭黑由于具有更好的加工性，能降低生產(chǎn)過程的能耗。

白炭黑；胎面膠料；加工性；能耗

0 前 言

從材料研發(fā)的角度看，為了降低輪胎滾動(dòng)阻力、提高輪胎濕地抓地力，目前已知的公認(rèn)方法是在胎面配方中使用新型改性丁苯橡膠代替原有橡膠體系或使用高分散白炭黑代替炭黑[1,2]用作填料。前者增加了輪胎配方的成本，后者則由于白炭黑與橡膠極性不同，不易分散，需添加加工助劑并使用多段混煉工藝進(jìn)行加工，亦使成本增加。

將1165MP高分散白炭黑與Efficium新型改性白炭黑進(jìn)行對(duì)比，研究它們在高性能綠色輪胎中的應(yīng)用。性順丁橡膠Nd24EZ，朗盛化學(xué)化工產(chǎn)品；普通鎳系順丁橡膠BR9000，大慶石化產(chǎn)品；N330炭黑，卡博特產(chǎn)品；TDAE油，漢圣化工產(chǎn)品；液體Si69，宏柏化學(xué)產(chǎn)品；充油10%硫磺粉，無錫華盛產(chǎn)品。其余原材料均為市售工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

表1為1165MP和Efficium白炭黑特征值數(shù)據(jù)對(duì)比。由數(shù)據(jù)可知，兩者孔隙率等主要理化指標(biāo)數(shù)值相同，僅僅在pH和氮吸附比表面積（BET）上有細(xì)小差別，并且Effcium白炭黑中存在有0.3%的炭黑 。

1 試 驗(yàn)

1.1 主要原材料

1165MP白炭黑、Effcium白炭黑，索爾維化工產(chǎn)品；溶聚丁苯橡膠HPR850，JSR化工產(chǎn)品；溶聚丁苯橡膠E581，旭化成化工產(chǎn)品；釹系改

表1 1165MP、Effcium白炭黑特征值數(shù)據(jù)

1.2 主要設(shè)備和儀器

PHM-2.2型小密煉機(jī)，璧宏機(jī)械工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品；SK-160型開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；GK320-E550串聯(lián)型密煉機(jī)，德國HF股份有限公司產(chǎn)品；F270型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；M200E型門尼黏度儀，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；GT-2000 A型無轉(zhuǎn)子流變儀，上海諾甲儀器儀表有限公司產(chǎn)品；TS-2000M型拉力試驗(yàn)機(jī)，臺(tái)灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；H-X627阿克隆磨耗機(jī)，揚(yáng)州華輝檢測儀器有限公司產(chǎn)品；VR-7120型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，日本UESHIMA公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法公司產(chǎn)品。

1.3 工藝

1.3.1 小試工藝

為橫向?qū)Ρ葍煞N白炭黑的分散性，在1.8L密煉機(jī)中，采用不同段數(shù)工藝進(jìn)行小試。

一段混煉（密煉機(jī)）∶轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速50 r/min，加膠，降上頂栓混煉20 s，升上頂栓→加藥品、炭黑、白炭黑、油，降上頂栓混煉120 s，升上頂栓，清掃→降上頂栓，混煉200 s→排膠；

二段混煉（密煉機(jī)）∶轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速50 r/min，加一段母膠，降上頂栓混煉120 s，升上頂栓→降上頂栓，混煉120 s→排膠；

三段混煉（密煉機(jī)）∶轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速50 r/min，加二段母膠，降上頂栓混煉120 s，升上頂栓→降上頂栓，混煉120 s→排膠；

四段加硫（開煉機(jī)）∶母膠在輥筒上混煉均勻，加硫磺、促進(jìn)劑→左右各切割3次, 手動(dòng)交替打卷5次、三角包5次后薄通拉出。

1.3.2 大試工藝

采用德國克虜伯GK320-E550型串聯(lián)密煉機(jī)并聯(lián)開煉機(jī)，進(jìn)行混煉。一段工藝即可將膠料分散得很好，直接用于加硫。

一段混煉工藝步驟詳見表2。

加硫工藝（F370）∶轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速25 r/min→加入一段母膠、硫磺、促進(jìn)劑→壓砣保持20 s→提砣保持1s→壓砣保持25 s→提砣保持1 s→壓砣升溫至100 ℃排膠。

表2 大試混煉工藝步驟

1.4 性能測試與表征

各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 1165MP與Effcium白炭黑在高白炭黑胎面配方中小試性能對(duì)比

在高白炭黑胎面配方中對(duì)1165M P和Efficium白炭黑進(jìn)行小試對(duì)比，試驗(yàn)配方如表3所示。

各方案膠料外觀如圖1所示（三段膠料指混煉二段，加硫一段；四段膠料指混煉三段，加硫一段）。從圖1中可以看出，使用同種白炭黑，隨著段數(shù)增加，膠料表面變得光滑，膠料破邊現(xiàn)象減少；相同混煉段數(shù)，Efficium白炭黑膠料表面更加光滑，破邊現(xiàn)象更少。表明Efficium白炭黑膠料的加工性能優(yōu)于1165MP白炭黑的。

表3 1165MP、Effcium白炭黑膠料小試試驗(yàn)配方

圖1 1165MP、Effcium白炭黑各方案膠料外觀

使用RPA2000在60 ℃、1.67 Hz下進(jìn)行應(yīng)變掃描，其0.56%～10%的彈性模量G'的下降值ΔG'表征了橡膠中填料的分散情況。ΔG'的值越小，填料的分散越好[3]。表4是各方案膠料的加工性能數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，混煉相同段數(shù)后，Efficium白炭黑膠料的門尼值和ΔG'更低，表明Efficium白炭黑膠料的分散性優(yōu)于1165MP白炭黑的；Efficium三段方案和1165MP四段方案膠料的門尼值和ΔG'相近，表明為得到相同的加工性能，使用Efficium白炭黑可以減少混煉段數(shù)，降低能耗。

由于Efficium三段方案和1165MP四段方案的門尼值和ΔG'差異不大，分散程度相近，因此選取這兩組方案作性能對(duì)比。

表5是1165MP四段方案和Efficium三段方案的流變數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，兩方案膠料的流變性能相近。

表6和表7是1165MP四段方案和Efficium三段方案老化前后的物理性能數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，相比1165MP白炭黑膠料，Efficium白炭黑膠料的定伸應(yīng)力略有下降；拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率略有上升；硬度下降；撕裂強(qiáng)度略有提高?？傮w來講，兩者物理性能差異不大。

表4 1165MP、Effcium白炭黑膠料小試配方的加工性能數(shù)據(jù)

表5 1165MP、Effcium膠料小試配方的流變數(shù)據(jù)

表6 1165MP、Effcium膠料小試配方的物理性能數(shù)據(jù)

表8是1165MP四段方案和Efficium三段方案動(dòng)態(tài)性能對(duì)比數(shù)據(jù)。根據(jù)DMA動(dòng)態(tài)性能結(jié)果顯示，兩者0 ℃下的tan δ數(shù)值相近；60 ℃下的tan δ數(shù)值，Efficium膠料的較1165MP膠料的下降10%左右。表明使用Efficium高分散白炭黑在減少了一段混煉工藝的情況下，白炭黑分散得更好，輪胎滾動(dòng)阻力有所下降。

表7 1165MP、Effcium膠料小試配方的老化后物理性能數(shù)據(jù)

表8 1165MP、Effcium膠料小試配方的動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)

綜上所述，Effcium白炭黑的分散性更好，為得到相同的加工性能，使用Efficium高分散白炭黑可以縮減混煉段數(shù)，降低能耗。但是由于1.8L小密煉機(jī)容量較小，誤差較大，且無恒溫系統(tǒng)，混煉過程中無法對(duì)膠料進(jìn)行恒溫控制，白炭黑膠料無法進(jìn)行很好的硅烷化反應(yīng)，對(duì)高白炭黑配方膠料結(jié)果的影響較大。因此采用帶有恒溫控制系統(tǒng)的GK320-E550型串聯(lián)密煉機(jī)并聯(lián)開煉機(jī)對(duì)Effcium膠料進(jìn)行了擴(kuò)試。2.2 1165MP與Effcium白炭黑在高白炭黑配方中的大試性能對(duì)比

在高白炭黑配方中對(duì)1165MP和Efficium進(jìn)行大試對(duì)比，擴(kuò)試試驗(yàn)配方如表9所示。

表9 1165MP、Effcium白炭黑膠料大試配方

圖2是1165MP和Efficium白炭黑膠料的混煉工藝時(shí)間-溫度曲線。對(duì)比兩工藝曲線可知，在相同的工藝條件下，Efficium白炭黑升溫更快，可以縮短混煉時(shí)間，降低混煉成本。

圖2 1165MP、Effcium白炭黑膠料擴(kuò)試試驗(yàn)混煉工藝曲線

表10是1165MP白炭黑膠料和Efficium白炭黑膠料的加工性能數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)可知，相同工藝條件下，Efficium白炭黑膠料門尼下降得更多，加工性能更好；放置24 h和96 h后，Effcium白炭黑膠料的門尼上升幅度小于1165MP白炭黑膠料的，抗白炭黑聚集性能更好。

表10 1165MP、Efficium白炭黑膠料擴(kuò)試試驗(yàn)加工性能數(shù)據(jù)

表11是1165MP白炭黑膠料和Efficium白炭黑膠料流變數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，兩方案膠料流變性能相近。

表11 1165MP、Efficium白炭黑膠料擴(kuò)試試驗(yàn)流變數(shù)據(jù)

表12和表13是Efficium和1165MP白炭黑膠料老化前后的物理性能數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，相比1165MP白炭黑膠料，Efficium白炭黑膠料硬度較低，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率和撕裂強(qiáng)度略高，回彈性好，其余物理性能差異不大。

表12 1165MP、Effcium白炭黑膠料擴(kuò)試試驗(yàn)物理性能數(shù)據(jù)

表13 1165MP、Efficium白炭黑膠料擴(kuò)試試驗(yàn)老化后物理性能數(shù)據(jù)

表14是Efficium和1165MP白炭黑膠料動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)性能結(jié)果顯示，0 ℃下的tan δ數(shù)據(jù)，Efficium白炭黑膠料較1165MP白炭黑膠料的提高5%；60 ℃下的tan δ數(shù)據(jù)，Effcium白炭黑膠料較1165MP白炭黑膠料的下降16%左右。表明相比于使用1165MP白炭黑，使用Effcium白炭黑的濕地抓地力和滾動(dòng)阻力皆有所改善。

表14 1165MP、Effcium白炭黑膠料擴(kuò)試試驗(yàn)動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)

分別采用1165MP膠料和Efficium膠料試制一批205/55R15規(guī)格輪胎，進(jìn)行輪胎整胎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表15所示。數(shù)據(jù)表明Efficium白炭黑膠料的濕地抓地力和滾動(dòng)阻力皆優(yōu)于1165MP白炭黑的。

表15 1165MP、Effcium白炭黑膠料整胎機(jī)床性能數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

Efficium和1165MP白炭黑外形皆為微珠狀，生產(chǎn)輸送過程無差異；兩者對(duì)膠料的補(bǔ)強(qiáng)作用也幾乎相同，但是相較于1165MP，Efficium白炭黑的分散性更好，相同工藝條件下膠料的佩恩效應(yīng)值更低，使得膠料的滾動(dòng)阻力更低；為得到相同的加工性能，Efficium白炭黑可以縮短混煉段數(shù)，從而降低輪胎成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] Wolff S. Silanes in Tire Compounding after Ten Years—A Review[J]. Tire Sci Technol, 1987(15):276.

[2] 王夢蛟.填料對(duì)輪胎抗?jié)窕阅艿挠绊慬J]. 世界橡膠工業(yè), 2013,40(2):1.

[3] Payne A R. Strainwork Dependence of Filler-Loaded Vulcanizates[J]. JAppl Polym Sci, 1964(8):2661.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Effcium Silica for High-Performance Green Tires Applications

Wang Danling, Chen Sheng, Shen Guoli, Cheng Qiming
(Zhongce Rubber Group Company Limited, Hangzhou 310018, China)

With the development of Green Tires, the rolling resistance and wet grip of tires become more and more important. It is generally acknowledged, rolling resistance decreases and wet grip increases when the ratio of silica increases in the tread compound. However, polar silica is incompatible with non-polar rubber. Dispersing agent must be put in the recipe and the mixing process need more energy consumption. Compare to the traditional high dispersion silica 1165MP, a new silica Effcium has a better processibility and reduces energy consumption.

Silica; Tread Compound; Processibility; Energy Consumption

TQ 330.38+3

A

1671-8232(2015)12-0021-06

王丹靈（1984—），男，浙江杭州人，碩士，工程師，主要從事半鋼子午線輪胎配方及新材料的研發(fā)工作。

2016-11-04