炭黑和白炭黑在胎面膠配方中的并用研究（二）：
——硫化橡膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能

王惠中　編譯

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炭黑和白炭黑在胎面膠配方中的并用研究（二）：
——硫化橡膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能

王惠中編譯

較系統(tǒng)地研究了胎面膠中炭黑與白炭黑并用的效果。研究認(rèn)為，白炭黑對(duì)胎面膠的強(qiáng)度性能和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)產(chǎn)生良好的積極的作用，當(dāng)炭黑與白炭黑的并用比例控制在60：20～30：50的范圍之內(nèi)，胎面膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的平衡最佳。

炭黑；白炭黑；胎面膠；硫化

在以前發(fā)表的報(bào)告中，談到了炭黑和白炭黑的含量對(duì)輪胎胎面膠料工藝和硫化性能的影響。為了對(duì)取決于炭黑和白炭黑比例的一系列指標(biāo)發(fā)生急劇變化這一現(xiàn)象進(jìn)行解析，假設(shè)膠料的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的重組和變革。

文中研究了炭黑與白炭黑的添加比例，對(duì)胎面膠靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響。圖1和圖2為橡膠基本力學(xué)性能指標(biāo)與炭黑和白炭黑的添加比例之間的相關(guān)性曲線。

圖1上列出了幾個(gè)強(qiáng)度的指標(biāo)。觀察該圖注意到，拉伸強(qiáng)度f(wàn)p和撕裂強(qiáng)度f(wàn)z的關(guān)系，系隨著炭黑含量的減少和白炭黑含量的相應(yīng)增加而相互對(duì)立。若fp值下降23%，撕裂強(qiáng)度可提高68%，前提是炭黑含量減少至20質(zhì)量份，白炭黑含量增加至60質(zhì)量份（對(duì)100質(zhì)量份生膠而言）。然后，其相關(guān)性曲線又變回來(lái)，即fp開(kāi)始增大，而fz卻有所下降，表征拉伸強(qiáng)度f(wàn)u真實(shí)值的相關(guān)性曲線比較清晰。該指標(biāo)經(jīng)常隨白炭黑含量的增加而增高，雖然炭黑與白炭黑的比例，在中等范圍內(nèi)隨著白炭黑含量的增加，fu增長(zhǎng)滯后的趨勢(shì)仍然可觀察到。盡管炭黑含量減少，拉伸強(qiáng)度f(wàn)p也下降，但由于拉斷伸長(zhǎng)率εp穩(wěn)定增長(zhǎng)，真實(shí)強(qiáng)度值fu仍然增大（圖1，Б）。

圖1　胎面膠拉伸強(qiáng)度假定值（fp）、真實(shí)值（fu）和撕裂強(qiáng)度（fz）（a），拉斷伸長(zhǎng)率（Ep）以及邵貝爾-什洛巴赫（ШОППЕР-ШЛОБАХ）耐磨性（w）（Б）與炭黑與白炭黑添加比例之間的相關(guān)性曲線

按照邵貝爾-什洛巴赫Ш О П П Е РШЛОБАХ方法測(cè)定的胎面膠的耐磨性變得復(fù)雜了（圖1，Б）。首先，隨著白炭黑含量增加，耐磨性急劇減弱，而后，當(dāng)白炭黑含量超過(guò)30質(zhì)量份時(shí)，卻開(kāi)始增高。當(dāng)白炭黑含相當(dāng)多（70質(zhì)量份或更多）時(shí)，耐磨性又開(kāi)始緩慢降低。耐磨性指標(biāo)的如此變化不定，乃與影響其數(shù)值大小的許多因素的存在有關(guān)。若改變膠料中炭黑與白炭黑的比例，則填充劑-填充劑型空間（立體）物理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)起變化。硫化后則應(yīng)該考慮到硫化網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)的存在這一情況，這些網(wǎng)絡(luò)是在橡膠大分子通過(guò)二硅烷與白炭黑粒子表面發(fā)生化學(xué)交聯(lián)后形成的。

圖2為胎面硫化橡膠的回彈性和邵爾硬度A的相關(guān)性曲線

圖2　在23 ℃和100 ℃下胎面膠中炭黑與白炭黑之比例跟回彈性（Э）（а）和邵爾硬度A（Б）的相關(guān)性曲線

由圖2可見(jiàn)，在室溫下回彈性隨著白炭黑含量的增加而逐漸地提高，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)便不再發(fā)生變化。在23℃下炭黑與白炭黑的比例為40:40，以及在100℃下其比例為30:50時(shí)，邵爾硬度A發(fā)生極值變化。

輪胎的胎面是在動(dòng)態(tài)負(fù)荷的苛刻條件下工作的。胎面膠的耐多次拉伸強(qiáng)度指標(biāo)（ε=150%，千次）和古德里奇生熱值均示于圖3。

分析一下圖3便可得出結(jié)論：含有大量白炭黑的胎面膠耐多次拉伸性能相當(dāng)高。雖然古德里奇生熱值增大，隨著白炭黑含量的增加，這個(gè)規(guī)律性仍可清晰地看出。

對(duì)于評(píng)估輪胎的使用壽命來(lái)說(shuō)，初次裂紋出現(xiàn)之前，胎面膠負(fù)荷次數(shù)（千次）和隨后的5000次負(fù)荷后，裂紋增長(zhǎng)值指標(biāo)十分重要（圖4）。

圖3　胎面膠中炭黑與白炭黑之比例和耐多次拉伸動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與古德里奇生熱值的相關(guān)性曲線

圖4　胎面膠中炭黑與白炭黑之比例與初次出現(xiàn)裂紋之前負(fù)荷次數(shù)和負(fù)荷的5000次后裂紋增長(zhǎng)之間的相關(guān)性曲線

從整體上講，雖然炭黑與白炭黑之比例在40:40～30:50范圍內(nèi)，初次裂紋出現(xiàn)之前的負(fù)荷次數(shù)這一指標(biāo)異常降低，但它和耐多次拉伸強(qiáng)度指標(biāo)卻是一致的。在增加白炭黑含量的情況下，不僅裂紋出現(xiàn)之前負(fù)荷次數(shù)增加，而且裂紋增長(zhǎng)大大減緩。

談到此處可以結(jié)尾了?？傊?，白炭黑對(duì)胎面膠的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有良好的作用，即當(dāng)白炭黑含量增加時(shí)，撕裂強(qiáng)度和真實(shí)強(qiáng)度都有所增長(zhǎng)，橡膠的多次拉伸耐久性提高，初次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間推遲，但裂紋卻增長(zhǎng)了。耐磨性和硬度指標(biāo)隨橡膠中炭黑與白灰黑之比例的改變，會(huì)發(fā)生極值性變化。當(dāng)炭黑與白炭黑之比例在60:20～30:50范圍之內(nèi)時(shí)，胎面膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可達(dá)到最佳平衡。

［1］Дорожкин ВП.Изучение совместного использования технинеского углерода и диоксида кремния в рецепуре протектора шин［J］.каучук и резина，2014（4）:26-27.

［責(zé)任編輯：張啟躍］

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2015-11-30