提高載重輪胎耐磨性的窄聚集體尺寸分布炭黑

黃元昌

(全國(guó)橡塑機(jī)械信息中心，北京 100143)

眾所周知，炭黑是載重輪胎最重要的一種增強(qiáng)材料。為滿足輪胎的耐磨性要求，研究人員已研發(fā)出許多牌號(hào)的炭黑（圖1所示）。而以前用于提高載重汽車輪胎性能的方法是加入高比表面積炭黑。誠(chéng)然，炭黑的比表面積越大，則就越難達(dá)到好的分散效果。而當(dāng)炭黑的比表面積增加到一定程度時(shí)，則輪胎的耐磨性就不能進(jìn)一步提高。如以ASTM標(biāo)準(zhǔn)炭黑N134為實(shí)例，其用于輪胎時(shí)，輪胎的耐磨性能在達(dá)到最大值后開始下降。此外，隨著炭黑比表面積的增大出現(xiàn)了明顯的填料-填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這會(huì)對(duì)橡膠的滯后作用產(chǎn)生不利的影響。盡管生產(chǎn)商能夠生產(chǎn)出較細(xì)粒子的炭黑，但較細(xì)的炭黑難以達(dá)到適度的分散及增加滯后作用，故將其用于載重汽車輪胎并無實(shí)際的好處。

而新的目標(biāo)是在保持胎面膠滯后水平和加工性能的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整炭黑的形態(tài)以達(dá)到明顯提高胎面膠耐磨性的目的。而保持參比炭黑特有的比表面積水平，以聚集體尺寸分布（ASD）為指標(biāo)制備炭黑。為生產(chǎn)窄ASD炭黑，則通過采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，研發(fā)出高難度的炭黑生產(chǎn)技術(shù)，來生產(chǎn)窄ASD炭黑。下面將集中介紹采用這些新技術(shù)研制出新炭黑牌號(hào)EB262對(duì)載重汽車輪胎性能的影響。

1 窄ASD炭黑

表1列出N134炭黑和EB262炭黑主要性能的對(duì)比。由此可看出，兩種炭黑具有相同的比表面積和相似的結(jié)構(gòu)，而窄ASD牌號(hào)炭黑的著色性便顯著增大。著色性在輪胎工業(yè)中通常被用于表征耐磨性能。著色性由特定的ASD差異造成的。

圖1 炭黑的比表面積對(duì)胎面膠磨損率的影響

表1 EB262炭黑和N134炭黑的主要性能對(duì)比

而圖2表示出兩種炭黑的ASD，可看出，窄ASD的EB262在STSA和COAN恒定條件下，中等尺寸聚集體增多，而大尺寸和非常小的尺寸聚集體明顯減少。特別是小尺寸的炭黑聚集體在工業(yè)規(guī)模的混煉中很難分散，而經(jīng)常會(huì)成為大的炭黑團(tuán)聚體，與大的炭黑團(tuán)聚體一樣都對(duì)橡膠增強(qiáng)沒有貢獻(xiàn)，則提高材料的耐磨性能只能通過使小炭黑聚集體更好地分散來完成。

圖2 EB262和N134炭黑的ASD

2 窄ASD對(duì)橡膠性能的影響

一旦當(dāng)比表面積炭黑用于載重汽車輪胎胎面膠時(shí)，則其ASD曲線對(duì)橡膠的最終性能有很大的影響。由于炭黑的分散效果對(duì)材料的耐磨性十分重要，而目前的研究開始更多地關(guān)注于炭黑的分散混煉工藝?，F(xiàn)有橡膠密煉機(jī)的主要區(qū)別在于轉(zhuǎn)子的形狀和尺寸。市場(chǎng)上有切向型(N型)和嚙合型(E型）兩種密煉機(jī)。N型密煉機(jī)具有價(jià)格低廉和產(chǎn)量比較高的特點(diǎn)，使其成為輪胎工業(yè)炭黑混煉的先進(jìn)設(shè)備。而相比之下，E型密煉機(jī)混煉技術(shù)則多用于乘用車胎胎面膠硅-硅烷體系的混煉，其較高的冷卻能力使其可精確地控制所需的硅烷化反應(yīng)，在相同的混煉條件下，E型密煉機(jī)能使N220系列炭黑具有更佳的分散性能。在對(duì)高比表面積的N134炭黑及EB262炭黑分別所做的混煉研究，證實(shí)了這一相關(guān)性的正確性。這一研究結(jié)果可用于密煉周期的優(yōu)化，以便進(jìn)一步來評(píng)估窄ASD炭黑。

而在容積為1.5 L、轉(zhuǎn)子為交叉式實(shí)驗(yàn)室型E型密煉機(jī)上（GK1.5E）進(jìn)行新型窄ASD炭黑的性能試驗(yàn)。在天然橡膠載重汽車輪胎配方中加入52份炭黑（見表2）。采用兩步法進(jìn)行混煉，炭黑在第一階段混煉中分2次加入。炭黑聚集體的分散狀態(tài)可以通過每次混煉階段后刀片切成樣品的表面形狀測(cè)量來表征的。該方法是基于含未分散炭黑聚集體橡膠的模量高于炭黑聚集體分散均勻的橡膠的模量這一事實(shí)。生成膠料表面的粗糙度與其下的炭黑分散直接相關(guān)。按照總?cè)毕菝娣e，評(píng)估出具有2～30 μm高的缺陷面積，表3列出了相應(yīng)的橡膠性能對(duì)比，則可看出，橡膠混煉中總?cè)毕菝娣e低于2%，表明聚集體的分散效果優(yōu)異。而值得注意的是，窄ASD牌號(hào)的炭黑均具有較低的表面形狀測(cè)量平均值，因而在相同的混煉條件下具有更高的分散性。就橡膠的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能而言，則表現(xiàn)出很大的差異。而較高的模量和動(dòng)態(tài)剛度表明橡膠已獲得較高的補(bǔ)強(qiáng)作用。但較高的模量，并未伴隨應(yīng)變行為的大幅降低或較高的滯后損失。無論是扯斷伸長(zhǎng)率還是損耗因子（tanδ）均處于相同的水平。則可看出，與通用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)N134炭黑相比，窄ASD的EB262炭黑制得橡膠產(chǎn)品具有優(yōu)異的綜合性能，在保持滾動(dòng)阻力恒定的情況下，可改善載重汽車輪胎胎面膠料的耐磨性能。

而耐磨性能根據(jù)ISO23233標(biāo)準(zhǔn)采用LAT100磨耗試驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試。在嚴(yán)格的條件下，耐磨性提高了7%～11%（平均提高為8%），為證實(shí)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，將翻新后的載重汽車輪胎安裝在驅(qū)動(dòng)軸上進(jìn)行了輪胎磨耗測(cè)試。在運(yùn)行60 000 km后，輪胎的耐磨性提高了9%，而在測(cè)試鼓上測(cè)得的滾動(dòng)阻力值基本保持不變（如圖3所示）。

表2 天然橡膠新型胎膠配方

表3 含N134炭黑和EB262炭黑輪胎胎面膠性能比較

圖3 長(zhǎng)期使用后輪胎性能測(cè)試結(jié)果（驅(qū)動(dòng)軸）

3 結(jié)束語

結(jié)果表明，與通用的ASTM標(biāo)準(zhǔn)N134炭黑相比，采用新技術(shù)研制的EB262炭黑具有窄的ASD，其可明顯提高輪胎的耐磨性能。關(guān)于對(duì)炭黑分散性影響的設(shè)想由填充橡膠數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室耐磨數(shù)據(jù)以及輪胎測(cè)試結(jié)果所證實(shí)。在保持扯斷伸長(zhǎng)率、滯后作用不變情況下，動(dòng)態(tài)剛度和300%定伸應(yīng)力增大，這就是窄ASD炭黑的主要作用，EB262炭黑具有高耐磨損性能，而對(duì)輪胎的滾動(dòng)阻力并不產(chǎn)生影響。

而理想的載重汽車輪胎需要同時(shí)具有低滾動(dòng)阻力和高耐磨性能。目前標(biāo)準(zhǔn)ASTM炭黑等級(jí)不能同時(shí)兼顧兩種性能，無論是優(yōu)化滾動(dòng)阻力還是優(yōu)化耐磨性能，均以損失其他一些關(guān)鍵性能為代價(jià)（見圖4）。

圖4 窄ASD炭黑是平衡載重汽車輪胎性能的較優(yōu)選擇

相比而言，因窄ASD炭黑可以增強(qiáng)橡膠，不固定比表面積范圍，故窄ASD炭黑被當(dāng)作減少性能損失的一種方案。低比表面積炭黑（如比表面積和結(jié)構(gòu)與N234炭黑相似的EB237）除了具有最佳的耐磨性能（如EB262），還具有低滾動(dòng)阻力和高磨性能之間的平衡性。

編譯自《Rubber world》No.5/2016