綠色輪胎用低滯后炭黑性能的研究

李 健，梁智彪，汪國(guó)棟，陳翌斌，胡 琪，何宗霖

（江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰?，江?景德鎮(zhèn) 333000）

綠色輪胎是節(jié)能、減排、有利于環(huán)保的新一代輪胎，其特點(diǎn)是滾動(dòng)阻力低、抗?jié)窕阅芎涂贡┗阅芎?，同時(shí)耐磨性能較好。綠色輪胎的應(yīng)用極大地降低了車輛行駛所需的能耗，滾動(dòng)阻力下降5%～6%，可降低車輛燃料消耗1%左右[1-4]。近年來，隨著對(duì)低能耗和低滾動(dòng)阻力輪胎需求的不斷增大以及國(guó)家對(duì)超載超速的限制，人們對(duì)輪胎的耐磨性能和安全性越來越重視。為平衡輪胎滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅艿摹澳恰标P(guān)系，輪胎行業(yè)對(duì)原材料的要求越來越高，特別是對(duì)胎面用炭黑的要求，既要求其填充補(bǔ)強(qiáng)性好，又要求其生熱低。

基于當(dāng)前市場(chǎng)的變化尤其是電動(dòng)汽車發(fā)展迅速的情況，低滯后炭黑的研發(fā)越來越迫切。本工作對(duì)我公司自主研發(fā)的X系列低滯后炭黑性能進(jìn)行分析，并與胎面膠用傳統(tǒng)炭黑N234進(jìn)行對(duì)比，探討炭黑對(duì)輪胎低滯后性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，中昊黑元化工研究設(shè)計(jì)院有限公司提供；炭黑N234、低滯后炭黑X2008和X2009，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：NR 100，炭黑N234 50，氧化鋅 4，硬脂酸 2，防老劑4020 2，硫黃 0.85，促進(jìn)劑TBBS 1.4。

試驗(yàn)配方分別以低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234，其他組分及用量同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XSM-1/10-120型密煉機(jī)，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；XKL-150型開煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；XLB-D400×400×2型平板硫化機(jī)，湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；MDR Premier硫化儀和2020-DC型拉力試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GT-RH-2000N型壓縮生熱機(jī)、GT-7042-RE型回彈機(jī)和GT-7012-A型阿克隆磨耗機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；EXP 500N型動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析（DMA）儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料采用常規(guī)混煉工藝混煉，一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，密煉室初始溫度為90 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70 r·min-1；二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行（加硫黃和促進(jìn)劑）。

膠料采用平板硫化機(jī)硫化，硫化條件為150℃×30 min。

1.5 測(cè)試分析

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。炭黑透射電子顯微鏡（TEM）分析委托四川輕化工大學(xué)進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 低滯后炭黑的性能表征

2.1.1 理化性能

X系列低滯后炭黑與炭黑N234的主要理化性能如表1所示。由表1可知，與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009的粒徑更大，結(jié)構(gòu)更高，著色強(qiáng)度更低。

表1 X系列低滯后炭黑與炭黑N234的主要理化性能

2.1.2 聚集體尺寸分布

X系列低滯后炭黑與炭黑N234的聚集體尺寸分布分析結(jié)果如圖1和表2所示。

由圖1可知，與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009有較明顯的“拖尾”現(xiàn)象。

圖1 X系列低滯后炭黑與炭黑N234的聚集體尺寸分布分析結(jié)果

由表2可知，低滯后炭黑X2008和X2009的跨距（S）分別為0.970和0.984，炭黑N234的S為0.898，低滯后炭黑X2008和X2009的聚集體尺寸分布比炭黑N234寬。

表2 X系列低滯后炭黑與炭黑N234的粒徑分布

2.1.3 TEM分析

低滯后炭黑X2008和X2009與炭黑N234的TEM照片如圖2所示。

圖2 低滯后炭黑X2008和X2009與炭黑N234的TEM照片

從圖2可以看出：與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009的表面有較明顯的大小不一的微晶結(jié)構(gòu)嵌在炭黑粒子表面，這些微晶體即為反應(yīng)生成的小聚集體，正是這些小顆粒的存在使得炭黑顆粒表面更為粗糙、凹凸不平，形成更多的活性點(diǎn)，增大了炭黑的表面活性。

2.2 膠料性能

2.2.1 物理性能

生產(chǎn)配方和試驗(yàn)配方硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 添加低滯后炭黑X2008和X2009與炭黑N234的硫化膠物理性能對(duì)比

由表3可以看出：在胎面膠配方中用低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234后，硫化膠的300%定伸應(yīng)力提高，拉伸強(qiáng)度略有提高，這可能與低滯后炭黑的結(jié)構(gòu)較高有關(guān)；拉斷伸長(zhǎng)率減小，撕裂強(qiáng)度變化不大，回彈值增大，壓縮疲勞溫升和阿克隆磨耗量減小。分析認(rèn)為，低滯后炭黑X2008和X2009具有較高的表面活性，其表面與聚合物分子結(jié)合更牢固，炭黑粒子間吸引力降低，從而有效地減少了炭黑網(wǎng)絡(luò)形成，改善了炭黑的分散，且避免了橡膠分子的滑動(dòng)，從而使膠料物理性能提高[5]。

2.2.2 DMA

采用DMA儀對(duì)生產(chǎn)配方和試驗(yàn)配方硫化膠進(jìn)行溫度掃描，結(jié)果如圖3和表4所示。

圖3 NR硫化膠的tanδ-溫度曲線

0 ℃時(shí)的損耗因子（tanδ）反映膠料的抗?jié)窕阅?，其值越大，膠料的抗?jié)窕阅茉胶茫荒z料的滾動(dòng)阻力可以用60 ℃時(shí)的tanδ來表征，tanδ越小，則滾動(dòng)阻力越低[6]。從圖3和表4可以看出，添加低滯后炭黑X2008和X2009的試驗(yàn)配方硫化膠在0 ℃時(shí)的tanδ與添加炭黑N234的生產(chǎn)配方硫化膠基本相同，表明抗?jié)窕阅芟喈?dāng)；但60 ℃時(shí)添加低滯后炭黑X2008和X2009的試驗(yàn)配方硫化膠tanδ明顯減小，且添加低滯后炭黑X2009的試驗(yàn)配方硫化膠tanδ較添加炭黑N234的生產(chǎn)配方硫化膠下降了10%左右。分析認(rèn)為，滾動(dòng)阻力的高低與橡膠分子的分子鏈間摩擦有關(guān)，低滯后炭黑的表面具有微晶體，增加了炭黑的表面活性，使得其與橡膠分子結(jié)合得更牢固，從而使60 ℃時(shí)的tanδ降低，即滾動(dòng)阻力降低。

3 結(jié)論

（1）與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009的粒徑更大，結(jié)構(gòu)更高，著色強(qiáng)度更低，具有較寬的聚集體尺寸分布和較高的表面活性。

（2）在胎面膠中以低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234，硫化膠的綜合性能改善，生熱降低，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的，提升產(chǎn)品的附加值。

（3）在胎面膠中以低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234，硫化膠0 ℃時(shí)的tanδ相當(dāng)，60 ℃時(shí)的tanδ降低，即抗?jié)窕阅芟喈?dāng)，滾動(dòng)阻力降低。