關(guān)于炭黑與白炭黑在胎面膠中并用的研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學(xué)材料學(xué)院 廣東 廣州 510641）

在以往發(fā)表的論文中曾經(jīng)指出過(guò)，填充白炭黑的輪胎胎面，對(duì)潮濕路面的抓著性（0 ℃～45 ℃）相當(dāng)優(yōu)越。在該溫度范圍內(nèi)，胎面的抓著力最均衡。胎面膠中炭黑與白炭黑的并用比例為50:30，即100份生膠中含有80份填充劑（炭黑+白炭黑）。

文中研究了含不同比例的炭黑白炭黑的轎車(chē)子午線輪胎，對(duì)結(jié)冰路面的抓著性能。冰面溫度（-5）～（-25） ℃。文獻(xiàn)上公布了膠料配方。實(shí)驗(yàn)在LAT 100試驗(yàn)裝置（VMI公司產(chǎn)）上進(jìn)行，作用于試樣的負(fù)荷5 N～150 N，輪胎在結(jié)冰路面上的滾動(dòng)速度為0.1～2.0 km/h。由5 N到10 N的負(fù)荷區(qū)為極低負(fù)荷區(qū)，15 N～25 N為低負(fù)荷區(qū)，30 N～70 N為中等負(fù)荷區(qū)；75 N～150 N則為高負(fù)荷區(qū)。

圖1上，а、б、в示出了在溫度分別為-5 ℃、-15 ℃及-25 ℃及滾動(dòng)速度為0.6 km/h條件下，橡膠與結(jié)冰路面的抓著性能等高線。含68.75份炭黑的對(duì)照用胎面膠的抓著性能為100%。在等同于試驗(yàn)的條件下，測(cè)定了對(duì)照用橡膠的抓著性。以0.6 km/h的速度模擬輪胎在結(jié)冰路面上的中等滾動(dòng)速度。

從圖1，а上可劃分出兩個(gè)在冰面上的高抓著性區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域包含了炭黑與白炭黑的并用比例為80:0～50:30，于高負(fù)荷條件下進(jìn)行試驗(yàn)的試樣。在這一區(qū)域，抓著性隨炭黑含量增多及負(fù)荷增加而得以提高。第二個(gè)不大的區(qū)域由白炭黑含量高（炭黑:白炭黑=10:70及0:80）的試樣繪成。這些試樣在極低負(fù)荷到低負(fù)荷范圍內(nèi)，其抓著性比對(duì)照用橡膠的高。在這一區(qū)域，炭黑含量高的試樣的抓著性較低。當(dāng)試樣承載中等負(fù)荷時(shí)，其對(duì)冰面的抓著力與炭黑跟白炭黑的并用比例的關(guān)系不大，抓著性比值在90%～105%范圍內(nèi)。

當(dāng)汽車(chē)于-5 ℃下行駛時(shí)，在路面與胎面之間極有可能形成一層水分層。隨著負(fù)荷加大，生成該水分層的可能性也會(huì)增大，故在-15 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)明顯有別于在-5 ℃下的試驗(yàn)結(jié)果，圖1，б證實(shí)了這一推測(cè)。的確，高炭黑含量（80:0～60:20）的試樣，在高負(fù)荷區(qū)域的抓著性能較低。在極低負(fù)荷～低負(fù)荷區(qū)域，白炭黑含量較多（20:60～0:80）的試樣具有極高的抓著性能，這同以前的試驗(yàn)結(jié)果一樣。如果增加白炭黑的含量，抓著性比值亦會(huì)迅速增大。與圖1a相比，在中等負(fù)荷區(qū)域圖形實(shí)際上沒(méi)有變化。

在-25 ℃下接受試驗(yàn)的胎面膠的抓著性數(shù)據(jù)頗有意義（見(jiàn)圖1в）。如果說(shuō)，以前在-5 ℃；-15 ℃溫度下，白炭黑含量高的胎面膠僅在極低負(fù)荷及低負(fù)荷區(qū)域?qū)Ρ娴淖ブ栽龈撸敲从?25 ℃下，在所有負(fù)荷區(qū)域抓著系數(shù)都很大。而炭黑含量高（80:0；70:0）的試樣的情況則相反，在所有負(fù)荷區(qū)域內(nèi)其抓著系數(shù)均小于對(duì)比試樣。

以前曾推測(cè)過(guò)，輪胎在結(jié)冰的路面上滾動(dòng)速度發(fā)生變化，不應(yīng)當(dāng)對(duì)其抓著性有嚴(yán)重的影響。圖1г.д示出了在-5 ℃及-15 ℃條件下滾動(dòng)速度為2.0 km/h時(shí)，輪胎對(duì)冰面的抓著性比值等高線。這一滾動(dòng)速度高出中等速度（0.6 km/h）3倍以上，足以模擬輪胎在冰面上的快速滾動(dòng)狀態(tài)。

在-25 ℃及滾動(dòng)速度為2.0 km/h的條件下試驗(yàn)失敗，原因在于，輪胎高速滾動(dòng)時(shí)難以保持如此低的溫度。對(duì)比分析圖1г及圖1а表明，在-5 ℃下將輪胎滾動(dòng)速度從0.6 km/h提高到2.0 km/h，大大提高了主要填充白炭黑的胎面膠的優(yōu)越性。從炭黑與白炭黑的使用比例40:40開(kāi)始，在極低負(fù)荷及中等負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，胎面膠對(duì)冰面的抓著性能，較之對(duì)照用膠料的抓著性能要高得多。

這一點(diǎn)在極低負(fù)荷及低負(fù)荷區(qū)域表現(xiàn)得特別明顯。在中等及高負(fù)荷區(qū)域，高炭黑含量（80:0；70:10；60:20）的胎面膠便失去了優(yōu)越性。此時(shí)，在所有的負(fù)荷區(qū)域，胎面膠的抓著性都比對(duì)照用胎面膠的差。

輪胎胎面試樣在低溫（-15 ℃）下，以高速（2.0 km/h）在結(jié)冰的路面上滾動(dòng)時(shí)，得到的試驗(yàn)結(jié)果卻令人詫異（見(jiàn)圖1д）。經(jīng)查明，原來(lái)在極低負(fù)荷區(qū)域～中負(fù)荷區(qū)域抓著性能比值等高線幾乎都與橫坐標(biāo)平行。這表明，在該溫度及速度條件下，輪胎在冰面上滾動(dòng)，胎面膠中填充劑的種類(lèi)對(duì)抓著性的影響并不太大。如果填充劑在胎面膠中的含量為80份對(duì)100份生膠，則在極低負(fù)荷～中等負(fù)荷區(qū)域胎面對(duì)冰面的抓著性，比含68.75份炭黑的對(duì)照用胎面要高，而與填充劑的種類(lèi)無(wú)關(guān)。在極低負(fù)荷區(qū)域抓著性提高了3倍。盡管如此，在高負(fù)荷區(qū)域?qū)φ沼锰ッ娴谋孀ブ匀匀惠^高。

圖1 胎面對(duì)冰面的抓著力計(jì)分等高線圖(在不同溫度T與不同滾動(dòng)速度V條件下負(fù)荷P與炭黑和白炭黑使用比例的相關(guān)性曲線)

輪胎在冰面上滾動(dòng)，就地起步時(shí)的力矩是很重要的參數(shù)，即不打滑。圖1е、ж、з示出了在-5 ℃～-25 ℃及非常低速的滾動(dòng)（0.1 km/h條件下模擬滾動(dòng)起步）時(shí)的抓著性比值等高線。

在很低的溫度條件下，白炭黑含量高（炭黑:白炭黑=10:70；0:80）的胎面膠，在所有負(fù)荷區(qū)域內(nèi)均有較高的冰面抓著性（見(jiàn)圖1е）。炭黑含量高的胎面膠僅在高負(fù)荷區(qū)域具有較高的抓著性。與此相反，在低溫條件下，含炭黑的胎面膠只是在極低和低負(fù)荷情況下，對(duì)冰面的抓著性才是最好的（見(jiàn)圖1ж），而白炭黑含量高的胎面膠，只是在高負(fù)荷區(qū)域?qū)Ρ娴淖ブ圆泡^高。

從圖1з可以看出，低溫和慢速滾動(dòng)保持了這一趨勢(shì)。與此同時(shí)，高炭黑含量的胎面膠的高抓著性區(qū)域擴(kuò)大到中等負(fù)荷區(qū)域。而高白炭黑含量的胎面膠的圖形卻并未發(fā)生變化，它們僅在高負(fù)荷區(qū)域才表現(xiàn)出高抓著性。

根據(jù)以上研究結(jié)果，可以作出以下建設(shè)性結(jié)論：輪胎在冰面上低速滾動(dòng)及在接近冰雪融解的溫度（-5 ℃）下滾動(dòng)，為了防止其在所有負(fù)荷區(qū)域內(nèi)打滑，最好采用高白炭黑含量（10:70；0:80）的胎面膠。在極低溫度（-25 ℃）下，在高負(fù)荷區(qū)域白炭黑含量很高（10:70；0:80）的輪胎會(huì)有少許打滑，而在其他負(fù)荷區(qū)域，填充少量白炭黑（60:20；50:30）的輪胎胎面也會(huì)有少許打滑。輪胎中速滾動(dòng)，及在溫度不很低[（-5）～（-15）℃]的條件下滾動(dòng)，在極低負(fù)荷～中等負(fù)荷區(qū)域，最好使用白炭黑含量高（10:70；0:80）的胎面（輪胎）；在高負(fù)荷區(qū)域則宜采用僅含炭黑（80:0）或含少量白炭黑[（70:10）—（50:30）]的胎面（輪胎）。輪胎在極低溫度（-25 ℃）下中速滾動(dòng)時(shí)，需要使用白炭黑含量很高的胎面（輪胎），它適用于所有負(fù)荷區(qū)域。當(dāng)輪胎在-5 ℃下高速滾動(dòng)時(shí)（在極低負(fù)荷及中等負(fù)荷區(qū)），最好使用白炭黑含量中等的胎面（輪胎）。如在高負(fù)荷區(qū)域，最好使用炭黑含量低于68份的胎面（輪胎）。上述結(jié)論同樣適用于在較低溫度下（-15 ℃）使用的輪胎，只是在極低負(fù)荷——中等負(fù)荷區(qū)域，填充劑的種類(lèi)已無(wú)關(guān)緊要。

綜合以上研究結(jié)果，即輪胎于0 ℃到40 ℃范圍內(nèi)在潮濕路面上的抓著性、側(cè)向偏性和在干燥路面上的摩擦系數(shù)，可以得出如下概括性結(jié)論：從對(duì)潮濕路面與結(jié)冰路面的抓著性來(lái)看，中等及高含量白炭黑的胎面膠的抓著性能，較之含炭黑的胎面膠要優(yōu)越得多。

[1] ЗОТОВ А.Л等. Изучение совместного использования технического углерода и диоксида кремния в протекторе шин[J]каучук и резина 2014(04)32-34.