白炭黑在全鋼載重子午線輪胎胎面基部膠中的應(yīng)用

胡 源，牟成乾，李建勛，李 偉，孔德魯，林紀(jì)祥

（通力輪胎有限公司，山東 兗州 272000）

隨著輪胎工業(yè)的快速發(fā)展，沉淀法白炭黑在全鋼載重子午線輪胎中已得到廣泛應(yīng)用[1-5]。對各大品牌的全鋼載重子午線輪胎胎冠部位配方進(jìn)行剖析發(fā)現(xiàn)，雙層胎面基部膠配方中白炭黑的用量在0～15份，其中炭黑用量在30～42份，未發(fā)現(xiàn)全部采用白炭黑作為補強填料的輪胎胎面基部膠配方設(shè)計。

白炭黑在全鋼載重子午線輪胎中主要應(yīng)用于胎冠配方，以提高胎面的抗撕裂性能，降低膠料生熱和損耗因子。載重輪胎在極端條件使用過程中易產(chǎn)生肩空和冠空問題，本工作通過采用沉淀法白炭黑全部替代炭黑的胎面基部膠配方設(shè)計思路來降低載重輪胎的肩冠部生熱和滾動阻力，提高輪胎的耐久性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；炭黑N330，山西安侖化工有限公司產(chǎn)品；白炭黑，牌號175MP，福建三明正元化工有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑HP-699，江西宏柏新材料有限公司產(chǎn)品；環(huán)保油VIVATEC600，寧波漢圣化工有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，泰柯棕化（張家港）有限公司產(chǎn)品；防老劑4020和促進(jìn)劑TBBS，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；分散劑吡咯烷酮（NOP），德國Brenntag公司產(chǎn)品；高比表面積氧化鋅，美國洛克伍德公司產(chǎn)品；分散劑FS-200，武漢涇河化工有限公司產(chǎn)品；不溶性硫黃70P，歐米亞精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品；防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

正常生產(chǎn)配方：NR 100，炭黑N330 34，白炭黑 15，硅烷偶聯(lián)劑HP-699 3，環(huán)保油 1.3，氧化鋅 4.5，硬脂酸 1，防老劑4020 2，防焦劑0.1，分散劑FS-200 1.5，不溶性硫黃 2.57，促進(jìn)劑TBBS 1.3。

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

X（S）M-1.5型智能密煉機，青島科高橡塑機械技術(shù)裝備有限公司產(chǎn)品；GK400N型和GK255N型密煉機，德國克虜伯公司產(chǎn)品；XLHQ600×600×X4/1400型平板式硫化機，青島高策橡膠工程有限公司產(chǎn)品；Premier MDR型無轉(zhuǎn)子硫化儀、RPA2000橡膠加工分析儀（RPA）和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；AI-7000S型電子拉力試驗機和RH 2000N型壓縮生熱試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；2-PC（Y）型輪胎高速試驗機，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品；1station型滾動阻力試驗機，美國Akron公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗

小配合試驗?zāi)z料在X（S）M-1.5型智能密煉機中進(jìn)行，采用兩段混煉工藝。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70 r·min-1，混煉工藝為：生膠→壓壓砣30 s→炭黑或白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑HP-699和硬脂酸→壓壓砣50 s→其他小料→壓壓砣→提壓砣30 s（135℃）→壓壓砣→排膠（155 ℃）；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑和防焦劑→壓壓砣50 s→提壓砣5 s→壓壓砣→排膠（105 ℃）。

1.4.2 大配合試驗

大配合試驗?zāi)z料采用三段混煉工藝，前兩段均在GK400N型密煉機中進(jìn)行。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：塑煉膠、炭黑、白炭黑和小料（偶聯(lián)劑、環(huán)保油、NOP、氧化鋅、防老劑、硬脂酸、分散劑）→壓壓砣35 s→提壓砣→轉(zhuǎn)速變?yōu)?5 r·min-1→壓壓砣→排膠（155 ℃）；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1，將一段混煉膠進(jìn)行返煉，排膠溫度為150 ℃。終煉在GK255N型密煉機中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑和防焦劑→反復(fù)提壓砣和壓壓砣→排膠（101 ℃）。

1.5 測試分析

1.5.1 硫化特性

按照GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定硫化特性》進(jìn)行測試，測試條件為151℃×60 min。

1.5.2 物理性能

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》和GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》分別測試硫化膠的邵爾A型硬度和拉伸性能，采用4 mm試樣，硫化條件為151 ℃×40 min。

1.5.3 壓縮溫升

按照ASTM D 623—2007《橡膠性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法.壓縮發(fā)熱和彎曲疲勞試驗》進(jìn)行測試。在恒定應(yīng)變條件下，恒溫室溫度為55 ℃，預(yù)熱時間為30 min，試驗時間為25 min，負(fù)荷為245 N，頻率為30 Hz，沖程為4.45 mm。試樣為直徑18 mm、高24 mm的實心圓柱。

1.5.4 RPA分析

試驗條件為溫度 60 ℃，頻率 10 Hz，應(yīng)變7%。

1.5.5 耐久性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》進(jìn)行測試，輪輞符合GB/T 2977—2016規(guī)定的尺寸，充氣壓力以單胎最大額定負(fù)荷對應(yīng)的充氣壓力為準(zhǔn)，充氣后的試驗輪胎和輪輞組合體在（38±3） ℃的環(huán)境下至少停放3 h。

1.5.6 滾動阻力系數(shù)

依據(jù)歐盟ECE R117輪胎法規(guī)進(jìn)行測試，試驗輪輞為9.00，熱平衡時間不短于6 h，溫度修正系數(shù)為0.006，正向升溫180 min，反向升溫30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)擬合

試驗配方膠料物理性能測試結(jié)果見表2。

表2 試驗配方膠料物理性能

按照最小二乘法進(jìn)行預(yù)測值與實際值擬合，結(jié)果如圖1—6所示。

圖1 邵爾A型硬度擬合曲線

結(jié)果表明，膠料邵爾A型硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度、壓縮溫升和損耗因子擬合曲線的P值（用來判定假設(shè)檢驗結(jié)果的參數(shù)）分別為0.000 9，0.021 7，0.028 2，0.003 5，0.006 9，0.005 3，擬合結(jié)果較為準(zhǔn)確（P≤0.05可以定為擬合程度優(yōu)）。

2.2 炭黑-白炭黑性能等高線

根據(jù)實際值與預(yù)測值的擬合繪制炭黑-白炭黑性能等高線，結(jié)果如圖7所示。

圖7 炭黑-白炭黑性能等高線

圖2 拉伸強度擬合曲線

圖3 拉斷伸長率擬合曲線

圖4 撕裂強度擬合曲線

圖5 壓縮溫升擬合曲線

圖6 損耗因子擬合曲線

根據(jù)性能指標(biāo)期望值[邵爾A 型硬度（64～68）度，拉伸強度 ≥28.0 MPa，拉斷伸長率480%～540%，壓縮溫升 ≤15 ℃，撕裂強度≥110 kN·m-1，損耗因子 ≤0.080]在等高線中得出期望值范圍。

圖7中黑色線條陰影部分為白炭黑與炭黑用量的期望范圍，最大期望值為配方中使用40份白炭黑和0份炭黑。

2.3 NOP-白炭黑性能等高線

基于補強填充材料分析結(jié)果，根據(jù)實際值與預(yù)測值的擬合繪制NOP-白炭黑性能等高線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 NOP-白炭黑性能等高線

圖8中黑色線條陰影部分為白炭黑與NOP用量的期望范圍，最大期望值為配方中使用40份白炭黑和3.5份NOP。

2.4 優(yōu)選試驗配方與正常生產(chǎn)配方對比分析

2.4.1 硫化特性和物理性能

優(yōu)選試驗配方和正常生產(chǎn)配方膠料的硫化特性和物理性能如表3所示。

從表3可以看出，與正常生產(chǎn)配方膠料相比，優(yōu)選試驗配方膠料的硫化速率和撕裂強度增大，壓縮溫升和損耗因子明顯降低，其他性能相近。

表3 優(yōu)選試驗配方和正常生產(chǎn)配方膠料的硫化特性和物理性能

2.4.2 成品性能

2.4.2.1 耐久性能

采用優(yōu)選試驗配方和正常生產(chǎn)配方試制12.00R20混合型花紋輪胎，進(jìn)行室內(nèi)耐久性試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 12.00R20混合型花紋輪胎室內(nèi)耐久性試驗結(jié)果

從表4可以看出，采用優(yōu)選試驗配方試制的12.00R20混合型花紋輪胎，耐久時間延長15.4%，耐久性能提升。

2.4.2.2 滾動阻力系數(shù)

采用優(yōu)選試驗配方和正常生產(chǎn)配方試制12R22.5線性花紋輪胎，進(jìn)行滾動阻力試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 12R22.5線性花紋輪胎滾動阻力系數(shù)N·kN-1

由表5可見，采用優(yōu)選試驗配方試制的12R22.5線性花紋輪胎的滾動阻力系數(shù)降低6.58%。

3 結(jié)論

在全鋼載重子午線輪胎胎面基部膠配方中采用全白炭黑設(shè)計能有效降低胎冠部位的動態(tài)生熱和滯后損失。成品輪胎的耐久性能提高，滾動阻力下降。在滿足性能指標(biāo)期望值的前提下，優(yōu)選出白炭黑用量為40份，NOP用量為3.5份。