低滾動(dòng)阻力半鋼子午線輪胎胎體配方開(kāi)發(fā)

徐從升，張建軍，任會(huì)明，陳 生，劉 玄

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018）

2012年歐盟輪胎標(biāo)簽法的實(shí)施促使輪胎制造商開(kāi)發(fā)更低滾動(dòng)阻力等級(jí)的輪胎以參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，近幾年的汽車(chē)電動(dòng)化也促進(jìn)了配套市場(chǎng)低滾動(dòng)阻力輪胎的進(jìn)一步發(fā)展。低滾動(dòng)阻力輪胎在降低汽車(chē)油耗和電耗等減少用戶(hù)用車(chē)成本的同時(shí)還可減少二氧化碳的排放，具有顯著的環(huán)保意義[1-3]。

滾動(dòng)阻力由輪胎變形、路面變形和輪胎與路面的摩擦3部分組成。車(chē)輪在硬路面上滾動(dòng)時(shí)，絕大部分滾動(dòng)阻力會(huì)損失在輪胎的能量消耗中，主要表現(xiàn)在橡膠、簾布等材料內(nèi)的分子摩擦損失，以及輪胎各組成件間（如內(nèi)胎與外胎、輪胎與輪輞、橡膠與簾布層等）的機(jī)械摩擦損失上。

目前從配方方面降低輪胎滾動(dòng)阻力的研究較多，但以研究胎面和胎側(cè)等在輪胎中質(zhì)量占比較大的配方部件為主[3-8]，而從胎體配方方面進(jìn)行改善的研究較少。本工作的研究?jī)?nèi)容是在胎體配方中引用大粒徑、低結(jié)構(gòu)度、低比表面積的炭黑N660替代高耐磨炭黑N330，用低玻璃化溫度（Tg）的錫偶聯(lián)溶聚丁苯橡膠（SSBR）代替?zhèn)鹘y(tǒng)乳聚丁苯橡膠（ESBR），同時(shí)通過(guò)調(diào)整油、粘合劑和硫黃用量等開(kāi)發(fā)出一種具有良好物理性能和加工性能的低滾動(dòng)阻力半鋼子午線輪胎胎體配方。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），越南進(jìn)口產(chǎn)品；非充油ESBR，牌號(hào)1500，中國(guó)石油吉林石化公司產(chǎn)品；非充油錫偶聯(lián)SSBR（Tg為－59 ℃，苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1，乙烯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4），臺(tái)橡股份有限公司產(chǎn)品；炭黑N660，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品；環(huán)保型橡膠油V700，寧波漢圣化工有限公司產(chǎn)品；間苯二酚-甲醛縮合樹(shù)脂SL3020，彤程化工（張家港）有限公司產(chǎn)品；不溶性硫黃IS7020，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

配方如表1所示。

表1 配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

S（X）K-160型開(kāi)煉機(jī)，上海市拓林輕化機(jī)械廠產(chǎn)品；PHM-2.2型1.8 L密煉機(jī)，璧宏機(jī)械工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品；F370型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械有限公司產(chǎn)品；M200E型門(mén)尼粘度儀，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；GT-2000A型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，上海諾甲儀器儀表有限公司產(chǎn)品；VR-7120型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，日本UESHIMA公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗(yàn)

采用兩段混煉工藝。一段混煉在1.8 L密煉機(jī)中進(jìn)行，填充因數(shù)為0.65，混煉工藝為：生膠→塑煉15 s（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為52 r·min-1）→炭黑、操作油和小料→壓壓砣混煉50 s→提壓砣清掃→壓壓砣混煉至125 ℃→提壓砣保持5 s（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)至45 r·min-1）→壓壓砣混煉至155 ℃→排膠。在開(kāi)煉機(jī)過(guò)輥2次后下片，停放8 h后進(jìn)行二段混煉。

二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，混煉工藝為：加入一段混煉膠薄通5次，加入硫黃、促進(jìn)劑等，打三角包5次，再打卷5次后下片。停放16 h后，樣品在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為160 ℃×15 min。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

采用兩段混煉工藝。一段混煉在F370型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：加入生膠、炭黑和小料→壓壓砣混煉25 s→提壓砣保持5 s→壓壓砣混煉至125 ℃→加操作油→壓壓砣混煉至155 ℃→排膠。在開(kāi)煉機(jī)下片，停放8 h后進(jìn)行二段混煉。

二段混煉在F370型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，混煉工藝為：加入一段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣保持25 s→提壓砣保持5 s→壓壓砣保持20 s→提壓砣保持5 s→壓壓砣升溫至103℃→排膠。

1.5 性能測(cè)試

DMA的測(cè)試條件為：溫度范圍 30～80 ℃，溫升速率 2 ℃·min-1，頻率 10 Hz，靜態(tài)應(yīng)變7%，動(dòng)態(tài)應(yīng)變 2%。

其他性能均按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗(yàn)

2.1.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表2所示。

從表2可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的門(mén)尼粘度略有升高、焦燒時(shí)間略有縮短，F(xiàn)max和t90接近。

表2 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

2.1.2 物理性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能如表3所示。

從表3可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，2#試驗(yàn)配方采用炭黑N326替代炭黑N330后，膠料300%定伸應(yīng)力有所下降，不符合胎體簾布需要較高定伸應(yīng)力提高輪胎操縱性能等要求；而1#試驗(yàn)配方在采用炭黑N326替代炭黑N330后，通過(guò)增大硫黃用量達(dá)到與生產(chǎn)配方相接近的水平；3#試驗(yàn)配方通過(guò)減小炭黑N326用量同時(shí)減小橡膠油用量，膠料應(yīng)力也保持了與生產(chǎn)配方接近的水平；4#試驗(yàn)配方為全NR配方，除定伸應(yīng)力略低外，其他綜合物理性能最優(yōu)；5#和6#試驗(yàn)配方采用炭黑N660后，通過(guò)調(diào)整硫黃、油和粘合劑用量后，膠料的定伸應(yīng)力、H抽出力等關(guān)鍵性能與生產(chǎn)配方膠料相當(dāng)，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度略有下降。

表3 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能

2.1.3 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

通常以DMA測(cè)試的損耗因子（tanδ）來(lái)表征硫化膠的動(dòng)態(tài)性能，60 ℃下的tanδ越小，膠料摩擦生熱越低，對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力下降越有利[4-5]。小配合試驗(yàn)?zāi)z料的DMA測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的DMA測(cè)試結(jié)果

從圖1可以看出，5#和6#試驗(yàn)配方膠料的60 ℃下的tanδ均有較大程度的減小，這是由于2個(gè)試驗(yàn)配方都采用了炭黑N660。炭黑N660是大粒徑、低結(jié)構(gòu)度炭黑，在膠料中更易分散，硫化膠中炭黑粒子之間摩擦比炭黑N330小，因此生熱低。另外，與生產(chǎn)配方膠料相比，6#試驗(yàn)配方采用錫偶聯(lián)親炭黑的SSBR，錫偶聯(lián)減少了橡膠分子末端數(shù)量，也會(huì)減小膠料滯后損失，使生熱進(jìn)一步降低。

2.2 大配合試驗(yàn)

通過(guò)小配合優(yōu)選試驗(yàn)，5#和6#試驗(yàn)配方膠料的粘彈性表征最低，含錫偶聯(lián)SSBR的6#試驗(yàn)配方膠料的物理性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能更優(yōu)，因此選取生產(chǎn)配方和6#試驗(yàn)配方進(jìn)行大配合試驗(yàn)和成品輪胎性能驗(yàn)證。

2.2.1 硫化特性

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表4所示。

表4 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

從表4可以看出，6#試驗(yàn)配方膠料的門(mén)尼粘度、門(mén)尼焦燒時(shí)間和硫化特性與生產(chǎn)配方膠料相當(dāng)。

2.2.2 物理性能

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能如表5所示。

表5 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能

從表5可以看出，通過(guò)增大硫黃和粘合樹(shù)脂用量，同時(shí)減小橡膠油V700的用量，6#試驗(yàn)配方膠料的硬度和300%定伸應(yīng)力達(dá)到與生產(chǎn)配方膠料同等水平。但基于補(bǔ)強(qiáng)材料性質(zhì)，炭黑N660等量替代炭黑N330后，膠料的拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度都有一定程度下降。

2.2.3 粘合性能

為了完整評(píng)估試驗(yàn)配方膠料的粘合性能，分別進(jìn)行了單根簾線H抽出、胎體壓延后聚酯簾布剝離以及胎圈網(wǎng)孔布的粘合性能評(píng)估試驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，胎體簾布剝離后覆膠率基本在100%水平（如圖2所示），故無(wú)法對(duì)試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方覆膠水平進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。而網(wǎng)孔布是由單絲組成，且經(jīng)緯線直徑一致，覆膠率一般不會(huì)達(dá)到100%，故可以通過(guò)放大剝離后網(wǎng)孔布上的覆膠情況評(píng)估膠料覆膠水平，結(jié)果如圖3所示。

圖2 簾布剝離后覆膠情況對(duì)比

圖3 網(wǎng)孔布剝離覆膠情況對(duì)比（放大50倍）

從圖3可以看出，6#試驗(yàn)配方膠料雖采用補(bǔ)強(qiáng)效果略弱的炭黑N660，但在配方中增大了粘合樹(shù)脂和硫黃用量，因此試驗(yàn)配方膠料的剝離覆膠率沒(méi)有受到影響。

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的粘合性能如表6所示。

從表6可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，6#試驗(yàn)配方膠料的簾線H抽出力和簾布剝離強(qiáng)度都略有下降但幅度不大。簾線H抽出力和簾布剝離強(qiáng)度均受膠料抗撕裂性能影響，抗撕裂性能越好，簾線H抽出力和簾布剝離強(qiáng)度越高。為降低滾動(dòng)阻力，6#試驗(yàn)配方中采用炭黑N660替代炭黑N330，由于炭黑N660補(bǔ)強(qiáng)性能弱于炭黑N330，因此6#試驗(yàn)配方膠料撕裂強(qiáng)度略有下降，導(dǎo)致簾線H抽出力和簾布剝離強(qiáng)度略有下降，屬于正常規(guī)律，但相對(duì)降幅不大，可以看做比較接近的水平。

表6 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的粘合性能

2.2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的DMA測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的DMA測(cè)試結(jié)果

從圖4可以看出，6#試驗(yàn)配方膠料60 ℃的tanδ較生產(chǎn)配方減小約57%，這應(yīng)該是大粒徑、低結(jié)構(gòu)度的炭黑N660降低了形變時(shí)粒子間摩擦，同時(shí)錫偶聯(lián)SSBR可提高炭黑分散效果、減少分子末端數(shù)量、降低苯乙烯含量從而降低試驗(yàn)配方膠料內(nèi)摩擦生熱，進(jìn)而總體大幅度降低膠料的tanδ。

2.3 成品性能

將生產(chǎn)配方和6#試驗(yàn)配方膠料作為胎體膠料，輪胎所用其他部件的材料都相同，用同一種工藝進(jìn)行225/60R17規(guī)格輪胎制備，并進(jìn)行成品輪胎室內(nèi)高速和耐久性能以及滾動(dòng)阻力測(cè)試，結(jié)果分別如表7和8所示。

從表7可以看出，采用生產(chǎn)配方和6#試驗(yàn)配方的胎體膠料試制的成品輪胎耐久性能相當(dāng)，試驗(yàn)配方輪胎高速性能略有提高。

表7 成品輪胎高速和耐久性能

從表8可以看出，采用6#試驗(yàn)配方的胎體膠料試制的成品輪胎滾動(dòng)阻力平均值較生產(chǎn)配方制備的成品輪胎下降4.56%，說(shuō)明通過(guò)對(duì)胎體簾布膠配方的優(yōu)化，達(dá)到了降低輪胎滾動(dòng)阻力的目的。當(dāng)然低滾動(dòng)阻力胎體膠對(duì)滾動(dòng)阻力下降貢獻(xiàn)的幅度還與輪胎結(jié)構(gòu)有關(guān)，本工作沒(méi)有進(jìn)一步討論。

表8 成品輪胎滾動(dòng)阻力測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了低滾動(dòng)阻力半鋼子午線輪胎胎體配方，采用大粒徑、低結(jié)構(gòu)度的炭黑N660替代炭黑N330可減少填料摩擦，采用低Tg錫偶聯(lián)SSBR替代ESBR以減小分子末端滯后損失，并通過(guò)調(diào)整粘合增進(jìn)劑、橡膠油和硫黃用量等措施保證膠料模量和粘合性能。結(jié)果表明，配方優(yōu)化后胎體膠料的硬度和定伸應(yīng)力相當(dāng)，拉伸性能和粘合性能略有下降，動(dòng)態(tài)粘彈滯后損失明顯減小，輪胎滾動(dòng)阻力下降。