抗切割輪胎胎面膠的配方優(yōu)化

呂 強(qiáng)，鄧 旺，王麗娥，茍登峰

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

礦用工程機(jī)械輪胎主要在礦區(qū)作業(yè)，使用條件苛刻，不可避免地會(huì)接觸碎石和尖利的礦石塊，輪胎胎面易被切割損傷，出現(xiàn)崩花掉塊現(xiàn)象。大型農(nóng)業(yè)輪胎主要配套大型拖拉機(jī)，由于耕地收割后殘留的農(nóng)作物根部茬子異常尖銳，胎面也易遭受刺傷和扎傷。因此，提升礦用工程機(jī)械輪胎和大型農(nóng)業(yè)輪胎質(zhì)量的重點(diǎn)就是提高輪胎胎面膠的抗切割和抗刺扎性能。

一般而言，硫化膠的滯后性能和模量對(duì)其抗切割性能具有一定影響，但這兩個(gè)指標(biāo)互相矛盾，在配方設(shè)計(jì)時(shí)只能尋求這兩個(gè)指標(biāo)的平衡點(diǎn)。

本工作通過正交試驗(yàn)，以對(duì)模量和滯后性能影響較大的硫黃、炭黑和芳烴油用量作為因子，對(duì)抗切割輪胎胎面膠配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)1500E，中國石油蘭州石化分公司產(chǎn)品；硫黃，貴陽航怡橡塑輔料有限公司產(chǎn)品；炭黑N375，曲靖眾一精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品；芳烴油，貴陽遠(yuǎn)宏石油化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：SBR1500E100，炭黑N37555，白炭黑20，偶聯(lián)劑Si69（載體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5）4，氧化鋅4，硬脂酸1，防老劑RD2，防老劑4020 1.5，微晶蠟 2，松香 3，芳烴油 9，硫黃1.85，促進(jìn)劑NS1.4。

試驗(yàn)配方：除炭黑N375、芳烴油和硫黃用量為變量外，其他組分和用量與生產(chǎn)配方相同。

1.3 主要設(shè)備與儀器

3 L密煉機(jī)，英國法雷爾公司產(chǎn)品；254 mm（10英寸）開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；M2000E型門尼粘度儀、R100E型硫化儀和T2000E型電子拉力機(jī)，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；XLB-Q500×500×250 t平板硫化機(jī)，青島巨融機(jī)械技術(shù)有限公司產(chǎn)品；抗切割性能試驗(yàn)機(jī)，自制。

1.4 試樣制備

膠料混煉分兩段進(jìn)行。一段混煉在3 L密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，混煉工藝為：生膠60s小料80s炭黑和芳烴油170s提壓砣→壓壓砣240s提壓砣→排膠（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1）。二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，一段混煉膠→硫黃和促進(jìn)劑→薄通→打三角包6次→下片，混煉膠停放24 h。

膠料在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為145℃/25 MPa×80 min。硫化膠在室溫下停放16 h后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.5 性能測(cè)試

（1）抗切割性能：在抗切割性能試驗(yàn)機(jī)上加載負(fù)荷的切刀從設(shè)定高度自由下落，切入試樣，用切口深度來表征試樣的抗切割性能，切口深度越小，試樣抗切割性能越好?？骨懈钤嚇訛?00 mm（長）×40 mm（寬）×20 mm（高）的長方體。試樣200 mm×20 mm的一面與操作面接觸，且與切刀刀刃方向垂直，刀刃寬度大于50 mm。

（2）膠料其他性能按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)表科學(xué)地安排試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。正交試驗(yàn)具有均衡分散性和整齊可比性，用部分試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，大大地減少了試驗(yàn)次數(shù)，由正交試驗(yàn)得到的最佳條件接近于全面試驗(yàn)的最佳條件[1]。

2.1.1 因子與水平

與硫化膠抗切割性能相關(guān)的滯后性能和模量主要受硫化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑和增塑劑的影響。本工作以硫黃用量（份）為因子A、炭黑N375用量（份）為因子B、芳烴油用量（份）為因子C進(jìn)行兩水平正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因子及水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因子及水平

2.1.2試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)因子與水平，并考慮交互作用，構(gòu)建L8（27）正交試驗(yàn)表，將因子A，B，C依次安排在正交表的第1，第2，第4列，交互作用A×B，A×C，B×C分別安排在第3，第5，第6列。試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2采用直觀分析法可以得出各因子對(duì)硫化膠割口切口深度的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A×C，A，B×C，A×B。雖然直觀分析法簡單易懂、計(jì)算量小，但它不能區(qū)分某因子不同水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果差異究竟是由因子水平引起的，還是由試驗(yàn)誤差引起的，也不能作為考察和判斷各因子的影響是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)。方差分析法盡管計(jì)算較為復(fù)雜，但由于可以彌補(bǔ)直觀分析法在這方面的不足，因此在正交試驗(yàn)中得到較為廣泛的應(yīng)用，為了評(píng)估各因子的影響程度，本研究還進(jìn)行了方差分析的F檢驗(yàn)。

表2 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 方差分析

正交試驗(yàn)的方差分析關(guān)注的是誤差偏差平方和與因子偏差平方和。誤差偏差平方和反映了由試驗(yàn)技術(shù)和儀器引起的性能波動(dòng)情況，因子偏差平方和反映了由因子水平改變而引起的指標(biāo)波動(dòng)，方差分析結(jié)論具有很高的可信度和精確度。結(jié)合直觀分析法結(jié)果，計(jì)算各因子、交互作用、誤差的離差平方和（S）、自由度（f）、均方（M）（如表3所示）。

從表3可以看出，MA×B，MB×C小于M0（空列對(duì)應(yīng)），即A×B和B×C對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，可以歸入誤差考慮。重新計(jì)算M，進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表3 方差分析計(jì)算結(jié)果

鑒于F0.05（1，3）＝5.54，F(xiàn)0.01（1，3）＝34.12，根據(jù)表4的方差分析F值可以得出：因子B，C，A×C對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，影響從大到小的順序?yàn)锽，C，A×C；因子A水平改變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響程度不顯著。

表4 F檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 優(yōu)化配方

由于切口深度越小越好，結(jié)合直觀分析和方差分析結(jié)果，B水平選B1，A×C對(duì)性能有顯著影響，因此A和C的優(yōu)化水平應(yīng)依據(jù)A和C水平搭配表（見表5）選取A1C2。最終確定優(yōu)選方案為A1B1C2，即硫黃用量為1.8份，炭黑N375用量為58份，芳烴油用量為7份。

表5 因子A和C水平搭配表

最終確定的優(yōu)化配方為：SBR1500E100，炭黑N37558，白炭黑20，偶聯(lián)劑Si69（載體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5）4，氧化鋅4，硬脂酸1，防老劑RD2，防老劑40201.5，微晶蠟2，松香3，芳烴油7，硫黃1.8，促進(jìn)劑NS1.4。

2.3 優(yōu)化配方膠料性能

優(yōu)化配方膠料性能如表6所示。從表6可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，優(yōu)化配方膠料的門尼粘度增大，但不影響對(duì)胎面纏繞工藝性能；壓縮疲勞溫升增大，但由于礦用工程機(jī)械輪胎和大型農(nóng)業(yè)輪胎的行駛速度較低，對(duì)輪胎使用壽命影響不大，撕裂強(qiáng)度降低，切口深度減小9%；膠料其他物理性能有所提高。

表6 優(yōu)化配方膠料性能

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)對(duì)抗切割輪胎胎面膠配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化配方胎面膠的抗切割性能較大幅度提高，其他性能滿足輪胎生產(chǎn)和使用要求。