巨型工程機(jī)械子午線輪胎高強(qiáng)度低生熱胎面基部膠配方開發(fā)

高 利，劉 娟，張恩華，曲 淼

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

隨著全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇與采礦業(yè)發(fā)展，大型運(yùn)輸?shù)V用車尤其是載重180 t以上自卸卡車的需求愈發(fā)旺盛，輪輞直徑為1 448 mm（57英寸）及以上規(guī)格的巨型工程機(jī)械子午線輪胎也更受青睞，而直徑1 448 mm以上的巨型工程機(jī)械子午線輪胎是國(guó)內(nèi)品牌面臨的技術(shù)瓶頸，即便是國(guó)外三大品牌產(chǎn)品，其輪胎胎冠刺扎和生熱導(dǎo)致的脫層問題也屢見不鮮，影響輪胎的使用壽命[1-3]。

本工作通過分析國(guó)外某品牌37.00R57和40.00R57規(guī)格巨型工程機(jī)械子午線輪胎胎面基部膠物理性能和生熱，對(duì)現(xiàn)有輪胎胎面基部膠配方進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后膠料物理性能達(dá)到競(jìng)品水平，動(dòng)態(tài)生熱明顯降低，成品輪胎TKPH（Ton Kilometer per Hour，每小時(shí)噸千米）提高13.6%，且耐高溫性能明顯提升。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品；炭黑N330，卡博特化工（天津）有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

GK400型和GK255型密煉機(jī)，益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；Roell Z010型拉力機(jī)，德國(guó)Zwick公司產(chǎn)品；DMTS EPLEXOR 500N型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品；Dyn THERM HP型熱重分析儀，美國(guó)TA公司產(chǎn)品；6800型原子吸收光譜儀，日本島津公司產(chǎn)品；JNMECZR型NMR核磁共振儀，日本電子株式會(huì)社產(chǎn)品；BLH-II型橡膠無轉(zhuǎn)子硫化儀，揚(yáng)州市天發(fā)試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品；TJR-1-OR（Y）型輪胎耐久試驗(yàn)機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.3 性能測(cè)試

膠料含膠率、炭黑和灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用熱重分析儀測(cè)定；氧化鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用原子吸收光譜儀測(cè)定；有機(jī)硅烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用NMR核磁共振儀測(cè)定；炭黑類型通過將炭黑提取后進(jìn)行氮吸附測(cè)定。

成品輪胎TKPH按照GB/T 30197—2013《工程機(jī)械輪胎作業(yè)能力測(cè)試方法 轉(zhuǎn)鼓法》進(jìn)行測(cè)試，測(cè)溫孔位置在胎冠中心與胎肩花紋塊幾何中心，深度約5 mm，位于相應(yīng)位置最上層帶束層表面，測(cè)試速度按15，18，21，24，27和30 km·h-1六個(gè)階段進(jìn)行。

DMA動(dòng)態(tài)生熱測(cè)試采用拉伸模式，溫度掃描范圍為0～110 ℃，振幅為5%，頻率為10 Hz，升溫速率為2 ℃·min-1。其他性能按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 競(jìng)品剖析

對(duì)國(guó)外某公司37.00R57和40.00R57規(guī)格巨型工程機(jī)械子午線輪胎胎面基部膠進(jìn)行分析，2個(gè)規(guī)格輪胎胎面基部膠的密度分別為1.117和1.118 Mg·m-3。配方主要組分分析結(jié)果如表1所示，胎面基部膠物理性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 胎面基部膠組分用量分析結(jié)果

表2 胎面基部膠物理性能測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出：2個(gè)規(guī)格輪胎胎面基部膠配方組成相似，均使用全NR及炭黑/白炭黑補(bǔ)強(qiáng)體系，溶劑抽出物含量?jī)H為4～6份，氧化鋅用量約為4.5份，防老劑選擇4020與RD并用，均無特別之處；配方炭黑氮吸附值均為75 m2·kg-1左右，判斷為高耐磨系列炭黑，這是考慮膠料生熱及強(qiáng)度；配方中均使用約10份的白炭黑，同時(shí)有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04～0.06的有機(jī)硅烷，目的是提高白炭黑在膠料中的分散性，降低膠料生熱并提高抗刺扎性能。

從表2可以看出，競(jìng)品輪胎基部膠具有高強(qiáng)度、高模量、中等伸長(zhǎng)率和低生熱特點(diǎn)，配方優(yōu)化時(shí)需要作為重點(diǎn)參照。

2.2 配方開發(fā)

試樣采用4段工藝混煉，母膠混煉使用GK400型密煉機(jī)，終煉膠混煉使用GK255型密煉機(jī)。

一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為52 r·min-1，工藝為：加入生膠、炭黑、氧化鋅、硬脂酸和防老劑混煉至135℃，提壓砣，繼續(xù)混煉至155 ℃，排膠。二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為42 r·min-1，工藝為：加入一段混煉膠、白炭黑、有機(jī)硅烷混煉至130 ℃，提壓砣，繼續(xù)混煉至150 ℃，排膠。三段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1，工藝為：加入二段混煉膠混煉35 s，提壓砣，繼續(xù)混煉至140 ℃，排膠。終煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，工藝為：加入三段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑和防焦劑，混煉30 s，提壓砣，然后繼續(xù)混煉40 s，提壓砣，繼續(xù)混煉至105 ℃，排膠，總混煉時(shí)間為150～165 s。

通過大料試驗(yàn)優(yōu)選出如下配方：NR 100，炭黑N330 33，白炭黑 10，有機(jī)硅烷 1，氧化鋅5，硬脂酸 2，防焦劑 CTP 0.3，防老劑4020 2，防老劑RD 1.5，硫黃 1.225，促進(jìn)劑TBBS 1.35，促進(jìn)劑DPG-80 0.3。

2.3 半成品性能

優(yōu)化前后胎面基部膠半成品性能如表3所示。

表3 優(yōu)化前后胎面基部膠半成品性能

從表3可以看出，優(yōu)化后胎面基部膠半成品的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和回彈性均有所提高，壓縮生熱降低，60 ℃動(dòng)態(tài)損耗因子由0.105 5降至0.065 5，降低37.9%，膠料硫化速率加快。

2.4 成品膠料性能

成品輪胎胎面基部膠性能如表4所示。

從表4可以看出，優(yōu)化后膠料300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度明顯提升，拉斷伸長(zhǎng)率有所降低，60℃動(dòng)態(tài)損耗因子由0.065 0降至0.047 7，降低了26.6%，優(yōu)化后成品輪胎基部膠的物理性能和動(dòng)態(tài)生熱均達(dá)到國(guó)外品牌水平。

表4 成品輪胎胎面基部膠性能

2.5 TKPH測(cè)試

因40.00R57規(guī)格巨型輪胎成本較高，為節(jié)約生產(chǎn)成本，TKPH測(cè)試選取小規(guī)格24.00R35進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，生產(chǎn)輪胎與試驗(yàn)輪胎分別使用優(yōu)化前后胎基部膠配方，其他配方和硫化工藝等均相同。表5所示為TKPH測(cè)試各速度階段輪胎平衡后溫度，作出TKPH與溫度線性回歸曲線并計(jì)算TKPH數(shù)值。

TKPH測(cè)試過程中在速度階段為30 km·h-1時(shí)，生產(chǎn)輪胎始終無法達(dá)到平衡狀態(tài)，溫度一直處于上升狀態(tài)，運(yùn)行8 h后胎冠生熱脫層失效，而試驗(yàn)輪胎運(yùn)行8 h后溫度達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，繼續(xù)按30 km·h-1測(cè)試8 h后胎冠脫層失效，說明試驗(yàn)輪胎耐高溫性能更為優(yōu)異。

從表5可以看出，試驗(yàn)輪胎平衡后溫度明顯降低。對(duì)TKPH和平衡后溫度作線性回歸擬合，得到生產(chǎn)輪胎回歸方程為y＝4.622 4x－209.88，試驗(yàn)輪胎回歸方程為y＝4.961 5x－209.88。按110 ℃計(jì)算成品輪胎TKPH，再按38 ℃環(huán)境溫度折算后，試驗(yàn)輪胎TKPH為309，生產(chǎn)輪胎TKPH為272，提高了13.6%。

表5 TKPH測(cè)試各速度階段溫度數(shù)值和TKPH計(jì)算值

3 結(jié)論

（1）對(duì)國(guó)外某知名品牌巨型工程機(jī)械子午線輪胎胎面基部膠物理性能和生熱進(jìn)行分析，對(duì)我公司巨型工程機(jī)械子午線輪胎胎面基部膠配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，新開發(fā)配方半成品和成品膠料動(dòng)態(tài)損耗因子分別降低37.9%和26.6%，膠料半成品與成品物理性能達(dá)到競(jìng)品水平。

（2）使用優(yōu)化后胎面基部膠配方生產(chǎn)成品輪胎進(jìn)行TKPH測(cè)試，整胎TKPH提升13.6%，同時(shí)該配方基部膠具有更加優(yōu)異的耐高溫性能。