白炭黑分散劑FNS-22W在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

孫茂忠，李紅衛(wèi)，劉華僑，朱家順

[特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266061]

隨著歐盟標(biāo)簽法的實(shí)施，綠色輪胎的概念逐漸普及[1]。白炭黑是制造綠色輪胎的主要原材料之一，其與溶聚丁苯橡膠（SSBR）配合生產(chǎn)的胎面膠具有較好的抗?jié)窕阅芎洼^低的滾動(dòng)阻力[2]。白炭黑粒徑小，表面有大量硅羥基基團(tuán)，極性強(qiáng)，易團(tuán)聚，因而增大了煉膠難度，膠料需要多段混煉，耗能高。白炭黑分散劑主要由鋅皂、酯類(lèi)和表面活性劑等制備而成，具有良好的潤(rùn)滑作用，有助于提高膠料的流動(dòng)性[3-5]。加入白炭黑分散劑，可以大大提高混煉效率，降低膠料門(mén)尼粘度，有利于膠料的擠出加工。

本工作主要研究白炭黑分散劑FNS-22W在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號(hào)STR20，泰國(guó)產(chǎn)品；SSBR，牌號(hào)2557，充油37.5份，中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司產(chǎn)品；炭黑N234，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；白炭黑，牌號(hào)115，確成硅化學(xué)有限公司產(chǎn)品；環(huán)保油，牌號(hào)V500，德國(guó)漢圣化工集團(tuán)產(chǎn)品；白炭黑分散劑，牌號(hào)FNS-22W，青島福諾化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

1#配方：NR 35，SSBR 89.38，炭黑N234 20，白炭黑 65，環(huán)保油 13，硫化體系 3.6，其他 21.4。

2#和3#配方是在1#配方的基礎(chǔ)上分別加入2和3份白炭黑分散劑FNS-22W。

1.3 主要設(shè)備和儀器

BB430型密煉機(jī)，日本神戶(hù)制鋼公司產(chǎn)品；MV-3000型門(mén)尼粘度計(jì)、M-3000AS型流變儀、AI-7000M型拉力機(jī)和RH-000型壓縮生熱測(cè)試儀，高特威爾檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析（RPA）儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；150N型動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析（DMA）儀，德國(guó)高寶公司產(chǎn)品；VMA2000型膠料流動(dòng)性分析儀，特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

母膠和終煉膠均采用BB430型密煉機(jī)進(jìn)行混煉。1#配方母膠采用三段混煉工藝，其中第3段為返煉；2#和3#配方母膠僅采用前兩段混煉工藝；3種配方膠料的終煉工藝均相同，即加入硫化劑和促進(jìn)劑。

一段混煉工藝為：加生膠、除氧化鋅外的小料、白炭黑和1/2炭黑N234，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，壓壓砣保持22 s→加環(huán)保油，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1，壓壓砣保持20 s至溫度達(dá)到122 ℃→提壓砣，清掃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，壓壓砣保持15 s→提壓砣，清掃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，壓砣壓力降至0.4 MPa，壓壓砣保持15 s→提壓砣，清掃→壓壓砣進(jìn)入恒溫?zé)捘z，溫度為150 ℃，時(shí)間為30 s→排膠（150 ℃）。

二段混煉工藝為：加一段混煉膠和氧化鋅，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1，壓砣壓力為0.5 MPa，壓壓砣保持15 s→加剩余炭黑N234，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，壓壓砣保持15 s→提壓砣，清掃→壓壓砣保持10 s→排膠（142 ℃）。

1.5 性能測(cè)試

（1）物理性能。各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，其中壓縮生熱的測(cè)試條件為：沖程（4.45±0.03）mm，負(fù)荷（1.00±0.06）MPa，溫度（55±1）℃。

（2）加工性能。采用RPA儀進(jìn)行應(yīng)變掃描，測(cè)試條件為：頻率 1 Hz，溫度 60 ℃，應(yīng)變范圍0.28%～40%。

（3）流動(dòng)性。通過(guò)等體積取樣裝置獲得相同體積的試樣，采用膠料流動(dòng)性分析儀測(cè)定試樣在恒定的時(shí)間、溫度和壓力下通過(guò)一個(gè)固定口模擠出的體積量，其值越大，膠料的流動(dòng)性越好。由于測(cè)試模腔的截面積恒定，活塞的位移量與流動(dòng)性正相關(guān)，為方便工程應(yīng)用，直接將活塞位移量每0.01 mm定為1個(gè)流動(dòng)值。

（4）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。采用DMA儀進(jìn)行溫度掃描，測(cè)試條件為：溫度范圍－65～65 ℃，升溫速率 2 ℃·min-1，頻率 10 Hz，靜態(tài)形變 7%，動(dòng)態(tài)形變 0.25%。

2 結(jié)果與討論

2.1 混煉工藝性能

1#—3#配方膠料的一段混煉曲線見(jiàn)圖1—3。

從圖1—3可以看出，在相同的工藝條件下，加入白炭黑分散劑FNS-22W的膠料混煉功率（電流）明顯降低，升溫速度變慢，在最后的恒溫混煉階段密煉機(jī)自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速（功率上升）才能達(dá)到設(shè)定的排膠溫度。說(shuō)明白炭黑分散劑FNS-22W具有較好的內(nèi)潤(rùn)滑作用，降低了混煉過(guò)程中的生熱。

圖1 1#配方膠料的一段混煉曲線

圖2 2#配方膠料的一段混煉曲線

圖3 3#配方膠料的一段混煉曲線

2.2 硫化特性

白炭黑分散劑FNS-22W對(duì)膠料硫化特性的影響如表1所示。

從表1可以看出，與未加白炭黑分散劑的膠料相比，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料門(mén)尼粘降低。據(jù)此推斷白炭黑分散劑FNS-22W具有一定的內(nèi)潤(rùn)滑作用，可以顯著降低膠料的門(mén)尼粘度，減少1段混煉工藝即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的粘度要求。

表1 白炭黑分散劑FNS-22W對(duì)膠料硫化特性的影響

從表1還可以看出，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料的t10縮短，即起硫點(diǎn)提前，因此膠料的門(mén)尼焦燒時(shí)間有所縮短，而t90變化不大。

2.3 物理性能

白炭黑分散劑FNS-22W對(duì)硫化膠物理性能的影響如表2所示。

表2 白炭黑分散劑FNS-22W對(duì)硫化膠物理性能的影響

從表2可以看出，與未加白炭黑分散劑的膠料相比，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料的300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度稍有下降，降幅在正常波動(dòng)范圍內(nèi)，其他性能相近，說(shuō)明白炭黑分散劑FNS-22W對(duì)硫化膠的物理性能影響較小。

2.4 RPA分析

Payne效應(yīng)表征填料-填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相互作用，在循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用下，填料網(wǎng)絡(luò)的破壞方式及外部反應(yīng)程度直接表征填料的分散程度，在應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)作用過(guò)程中打破填料間的相互作用，剪切儲(chǔ)能模量（G′）降低即為Payne效應(yīng)。填料分散越好，Payne效應(yīng)越低。

膠料的G′與應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 膠料的G′-應(yīng)變曲線

從圖4可以看出，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料Payne效應(yīng)略大于未添加白炭黑分散劑的膠料，這是因?yàn)榘滋亢诜稚〧NS-22W在門(mén)尼粘度降低上屬于內(nèi)潤(rùn)滑作用，在膠料加工或門(mén)尼粘度測(cè)試中加工流動(dòng)性較好，但填料分散性仍不如采用更多段混煉工藝的膠料。

2.5 流動(dòng)性

1#—3#配方膠料的流動(dòng)值分別為197，200和207?？梢钥闯?，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料初始流動(dòng)性?xún)?yōu)于未加白炭黑分散劑的膠料，在特定溫度及壓力作用下單位時(shí)間的膠料流動(dòng)擠出量較大。因此，在縮減了1段混煉工藝的條件下，仍能滿(mǎn)足胎面擠出的工業(yè)化性能要求。

2.6 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

對(duì)于轎車(chē)子午線輪胎胎面膠，其抗?jié)窕阅芎蜐L動(dòng)阻力是兩個(gè)重要的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。通常以0 ℃時(shí)的損耗因子（tanδ）表征抗?jié)窕阅?，其值越大，膠料的抗?jié)窕阅茉胶?；而?0 ℃時(shí)的tanδ表征滾動(dòng)阻力，其值越小，膠料的滾動(dòng)阻力越低[6]。

膠料的儲(chǔ)能模量（E′）和tanδ與溫度的關(guān)系曲線分別如圖5和6所示，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能見(jiàn)表3，表中Tg為玻璃化溫度。

從圖5和6可以看出，3種配方膠料的DMA曲線差別較小。

圖5 膠料的E′-溫度曲線

從表3可以看出：加入白炭黑分散劑FNS-22W的膠料的Tg下降2 ℃，這是因?yàn)榘滋亢诜稚〧NS-22W的內(nèi)潤(rùn)滑作用提高了分子鏈的柔順性；0℃時(shí)的tanδ相當(dāng)，即膠料的抗?jié)窕阅芟喈?dāng)；60 ℃時(shí)的tanδ有所減小，膠料的滾動(dòng)阻力降低。

表3 膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

圖6 膠料的tan δ-溫度曲線

2.7 成本分析

按照工廠年產(chǎn)胎面質(zhì)量為2.6 kg的300萬(wàn)條單胎核算，每年可節(jié)約膠料7 800 t，膠料成本按300元·t-1核算，可直接節(jié)約膠料成本約234萬(wàn)元。

3 結(jié)論

在半鋼子午線輪胎胎面膠中加入2或3份白炭黑分散劑FNS-22W，膠料的門(mén)尼粘度減小，門(mén)尼焦燒時(shí)間縮短，t90變化不大，流動(dòng)性提高；硫化膠的物理性能和抗?jié)窕阅茏兓淮?，滾動(dòng)阻力降低；同時(shí)因減少了1段混煉工藝，能耗可大幅降低且可節(jié)約膠料加工成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。