不同硫化體系對(duì)載重輪胎胎面膠性能影響的正交試驗(yàn)分析

李?lèi)?ài)嬌，李 偉，李 鍵，蔣松濤

（1.山東華勤橡膠科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.合肥萬(wàn)力輪胎有限公司，安徽 合肥 231100）

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)高性能輪胎需求迫切。目前，安全輪胎、節(jié)能輪胎、冬季輪胎和全天候輪胎等各種新型輪胎已涌入市場(chǎng)，并深受大眾喜愛(ài)[1-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外輪胎行業(yè)對(duì)輪胎性能的研究重點(diǎn)不僅包含滾動(dòng)阻力、抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅埽瑢?duì)輪胎高性能及綜合性能方面也開(kāi)展了許多研究。

本工作主要利用正交試驗(yàn)分析法，研究在中長(zhǎng)途載重輪胎胎面膠配方中，300%定伸應(yīng)力、耐磨性能、抗切割性能等的主要影響因素和不同硫化體系對(duì)膠料各項(xiàng)性能的影響，對(duì)設(shè)計(jì)載重輪胎高性能配方或綜合性能配方具有指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

混合天然橡膠，泰國(guó)聯(lián)誼橡膠有限公司產(chǎn)品；炭黑N234，龍星化工股份有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，泰柯棕化有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

混合天然橡膠 100，炭黑N234 52，石蠟 1，氧化鋅 變量，硫黃 變量，促進(jìn)劑TBBS 變量。

1.3 主要設(shè)備

BTM-2型密煉機(jī)，廣州華工百川自控科技有限公司產(chǎn)品；XK-160型開(kāi)煉機(jī)，無(wú)錫市第一橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XLB-D600×600型平板硫化機(jī)，益陽(yáng)新華美機(jī)電科技有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料按常規(guī)工藝混煉，混煉膠停放24 h后硫化制樣。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)分析法確定硫黃、促進(jìn)劑TBBS和氧化鋅的最佳配比，以?xún)?yōu)化胎面膠配方。各試驗(yàn)因子與水平如表1所示，其中，因子A為硫黃，B為促進(jìn)劑TBBS，C為氧化鋅。

表1 正交試驗(yàn)因子與水平

考慮因子的交互作用A×B，B×C，選用L8（27）正交試驗(yàn)（見(jiàn)表2），其兩列間的交互作用見(jiàn)表3。

表2 L8（27）正交試驗(yàn)方案

表3 L8（27）兩列間的交互作用

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)果與討論

4.1 300%定伸應(yīng)力

4.1.1 極差分析

以300%定伸應(yīng)力為例，老化前正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示（R為極差，S為方差，f為自由度，下同）。

根據(jù)表5，采用直觀分析法（極差分析法）可以得出各因子對(duì)膠料300%定伸應(yīng)力的影響從大到小的順序?yàn)锳、B、A×B、C、B×C。極差越大，表明該因子對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也越重要。

對(duì)于老化前300%定伸應(yīng)力，C，B×C是次要因子，可忽略；A，B為重要因子；A×B為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表6所示。表6中，A1B1為A因子1水平與B因子1水平的300%定伸應(yīng)力均值，結(jié)合表5進(jìn)行計(jì)算得到，其他計(jì)算類(lèi)似。

表5 老化前300%定伸應(yīng)力正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

表6 老化前300%定伸應(yīng)力的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.1.2 方差分析

老化前300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)如表7所示，mS＝S/f。

表7 老化前300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)

雖然極差分析法簡(jiǎn)單易懂、計(jì)算量小，但它不能區(qū)分某因子不同水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果差異究竟是由因子水平引起的，還是由試驗(yàn)誤差引起的，也不能作為考察和判斷各因子的影響是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

方差分析法盡管復(fù)雜，但可以彌補(bǔ)極差分析法的不足。為了評(píng)估各因子的影響顯著性，本研究還進(jìn)行了方差分析的F檢驗(yàn)。

表5中第5和第7列為空列，視為誤差列，則誤差平方和及誤差自由度分別為0.020和2。

f1和f2分別表示因子和誤差的自由度。

ɑ 表征顯著性水平，ɑ 為0.005，0.01，0.025，0.05，0.10的置信幾率分別為99.5%，99.0%，97.5%，95.0%，90.0%。

Fɑ（f1，f2）（ɑ 取0.01，0.05，0.10）是F的臨界值。FA表示A因子的F值。當(dāng)FA≥F0.01（f1，f2）時(shí)，A因子水平變化影響高度顯著，表示為“***”（下同）；當(dāng)F0.01（f1，f2）＞FA≥F0.05（f1，f2）時(shí)，A因子水平變化影響顯著，表示為“**”（下同）；當(dāng)F0.05（f1，f2）＞FA≥F0.10（f1，f2）時(shí)，A因子水平變化有一定影響，表示為“*”（下同）；當(dāng)F0.10（f1，f2）＞FA時(shí)，A因子水平變化影響不顯著，表示為“－”[7]（下同）。

根據(jù)F值檢驗(yàn)表可知，F(xiàn)0.005（1，2）＝198.50，F(xiàn)0.01（1，2）＝98.49，F(xiàn)0.025（1，2）＝38.51，F(xiàn)0.05（1，2）＝18.51，F(xiàn)0.10（1，2）＝8.53。

由表7可知，A，B因子的F值大于F0.01（1，2），屬于高度顯著級(jí)別。由于A和B有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。

由表6可知，A1B2和B2C1或B2C2的300%定伸應(yīng)力較大，因此最佳組合為A1B2C1或A1B2C2，最佳用量為A1B2。C因子對(duì)300%定伸應(yīng)力的影響為不顯著，C的用量還無(wú)法確定，熱氧老化后的定伸應(yīng)力也影響制品的質(zhì)量，因此通過(guò)熱氧老化后的300%定伸應(yīng)力分析進(jìn)一步確定C。

老化后300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)如表8所示。

由表8可知：A和B對(duì)于老化后300%定伸應(yīng)力影響顯著；C有影響但不顯著；A×B、B×C影響不顯著。因此，C的最佳用量應(yīng)根據(jù)B和C有交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定。

表8 老化后300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)

老化后300%定伸應(yīng)力的B和C有交互作用的二元效應(yīng)如表9所示。

由表9可知，B和C的最佳組合為B2C1，結(jié)合前面的分析，老化后300%定伸應(yīng)力的最佳組合為A1B2C1。

表9 老化后300%定伸應(yīng)力的B和C有交互作用的二元效應(yīng)

4.2 撕裂強(qiáng)度

4.2.1 極差分析

老化前撕裂強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 老化前撕裂強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表10，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料撕裂強(qiáng)度的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，B×C，C，A×B。對(duì)于老化前撕裂強(qiáng)度，C，A×B是次要因子，可忽略；A為重要因子；B，B×C為較重要因子。老化前撕裂強(qiáng)度的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)如表11所示。

表11 老化前撕裂強(qiáng)度的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.2.2 方差分析

老化前撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)如表12所示。

由表12可知：A因子的F值大于F0.005（1，2），屬于高度顯著影響；B因子的F值大于F0.05（1，2）且小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；B×C的F值大于F0.1（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響。且B和A，C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。

表12 老化前撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)

由表11可知，A2B1和B1C1的老化前撕裂強(qiáng)度較大。通過(guò)熱氧老化后的撕裂強(qiáng)度分析進(jìn)一步確定最佳組合。

老化后撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)見(jiàn)表13。

由表13可知，A，B，C，A×B，B×C影響均不顯著。因此，撕裂強(qiáng)度的最佳組合為A2B1C1。

表13 老化后撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)

4.3 硬度

4.3.1 極差分析

硬度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表14 硬度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表14，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料硬度的影響從大到小的順序?yàn)椋築，A，C，A×B，B×C。對(duì)于硬度，C，A×B，B×C是次要因子，可忽略；B為重要因子；A為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表15所示。

表15 硬度的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.3.2 方差分析

硬度的F檢驗(yàn)如表16所示。

由表16可知：B因子的F值大于F0.10（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響級(jí)別；A和C因子對(duì)硬度的影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。

表16 硬度的F檢驗(yàn)

由表15可知，A1B2和B2C1的硬度較大，因此硬度最大的組合為A1B2C1。但是，胎面膠硬度并非越大越好，該配方胎面膠硬度要求在66度左右，根據(jù)表15可知，滿(mǎn)足硬度要求的組合為A2B2和B2C2。因此，硬度最佳組合為A2B2C2。

4.4 抗切割性能

4.4.1 極差分析

老化前抗切割性能正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表17所示。

表17 老化前抗切割性能正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表17，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料抗切割性能的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，C，B×C，A×B。對(duì)于抗切割性能，B×C，A×B是次要因子，可忽略；A，B為重要因子；C為較重要因子?？骨懈钚阅艿腂與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表18所示。

4.4.2 方差分析

抗切割性能的F檢驗(yàn)如表19所示。

由表19可知：A因子的F值大于F0.05（1，2），屬于顯著影響；B因子的F值大于F0.10（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響級(jí)別；C因子對(duì)抗切割性能影響為不顯著。由于B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表18可知，A2B1和B1C2的動(dòng)態(tài)切割體積較小，因此抗切割性能最佳組合為A2B1C2。相對(duì)來(lái)說(shuō)，硫黃、促進(jìn)劑、氧化鋅對(duì)膠料抗切割性能的影響不大。

表18 抗切割性能的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表19 抗切割性能的F檢驗(yàn)

4.5 溫升

4.5.1 極差分析

溫升正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表20所示。

根據(jù)表20，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料溫升的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A，A×B，B×C。對(duì)于溫升，A×B，B×C是次要因子，可忽略；B，C為重要因子；A為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表21所示。

表20 溫升正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表21 溫升的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.5.2 方差分析

溫升的F檢驗(yàn)如表22所示。

由表22可知：B因子的F值大于F0.10（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響級(jí)別；A和C因子對(duì)溫升影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表21可知，A1B2和B2C1的溫升較小，因此溫升最佳組合為A1B2C1。

表22 溫升的F檢驗(yàn)

4.6 t3

4.6.1 極差分析

t3的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表23所示。

根據(jù)表23，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料t3的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A，B×C，A×B。對(duì)于t3，A，B×C，A×B是次要因子，可忽略；B為重要因子；C為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表24所示。

表23 t3的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.6.2 方差分析

t3的F檢驗(yàn)如表25所示。

由表25可知：B因子的F值大于F0.005（1，2），屬于高度顯著影響；C因子的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；A，B×C，A×B的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表24可知，A1B1和B1C1的t3較長(zhǎng)，因此t3最佳組合為A1B1C1。

表24 t3的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表25 t3的F檢驗(yàn)

4.7 t90

4.7.1 極差分析

t90的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表26所示。

根據(jù)表26，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料t90的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A，B×C，A×B。對(duì)于t90，A，B×C，A×B是次要因子，可忽略；B為重要因子；C為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表27所示。

表26 t90的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.7.2 方差分析

t90的F檢驗(yàn)如表28所示。

由表28可知：B因子的F值大于F0.01（1，2），屬于高度顯著影響；C因子的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；A，B×C，A×B的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表27可知，A2B1和B1C1的t90較長(zhǎng)，因此，t90最佳組合為A2B1C1。

表27 t90的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表28 t90的F檢驗(yàn)

4.8 老化前磨耗指數(shù)

4.8.1 極差分析

老化前磨耗指數(shù)的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表29所示。

根據(jù)表29，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料耐磨性能的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，C，A×B，B×C。對(duì)于老化前磨耗指數(shù)，A，B，C為重要因子；A×B，B×C為較重要因子；B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表30所示。

表29 老化前磨耗指數(shù)正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.8.2 方差分析

老化前磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)如表31所示。

由表31可知：A，B因子的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；C因子的F值大于F0.10（1，2）小于F0.05（1，2），屬于有一定影響；A×B，B×C的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表30可知，A2B1和B1C2的老化前磨耗指數(shù)較大，因此老化前耐磨性能最佳組合為A2B1C2。

表30 老化前磨耗指數(shù)的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表31 老化前磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)

4.9 老化后磨耗指數(shù)

4.9.1 極差分析

老化后磨耗指數(shù)正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表32所示。

根據(jù)表32，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料老化后耐磨性能的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，B×C，C，A×B。對(duì)于老化后磨耗指數(shù)，A，B為重要因子；B×C，C為較重要因子；A×B可忽略。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表33所示。

表32 老化后磨耗指數(shù)正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.9.2 方差分析

老化后磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)如表34所示。

由表34可知：A，B因子的F值大于F0.01（1，2），屬于高度顯著影響；B×C的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；C因子的F值大于F0.01（1，2）小于F0.05（1，2），屬于有一定影響；A×B的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表33可知，A2B1和B1C1的老化后磨耗指數(shù)較大，因此，老化后耐磨性能最佳組合為A2B1C1。

表33 老化后磨耗指數(shù)的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表34 老化后磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)

4.10 回彈值

4.10.1 極差分析

回彈值正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表35所示。

根據(jù)表35，采用極差分析法可以得出各因子對(duì)膠料回彈值的影響從大到小的順序?yàn)椋築×C，B，A，C，A×B。對(duì)于回彈值，A，C，A×B是次要因子，可忽略；B×C為重要因子；B為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表36所示。

表35 回彈值正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表36 回彈值的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.10.2 方差分析

回彈值的F檢驗(yàn)如表37所示。

由表37可知，所有因子水平變化對(duì)膠料回彈值的影響均不顯著。

表37 回彈值的F檢驗(yàn)

B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過(guò)交互作用的二元效應(yīng)來(lái)確定最佳用量。由表36可知，A1B2和B2C1的回彈值較大，因此回彈值最佳組合為A1B2C1。

4.11 拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、老化系數(shù)

拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、老化系數(shù)的F檢驗(yàn)如表38—40所示。

由表38—40可知，各因子水平變化的影響均不顯著。

表38 拉伸強(qiáng)度的F檢驗(yàn)

表39 拉斷伸長(zhǎng)率的F檢驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，硫黃、促進(jìn)劑、氧化鋅對(duì)胎面膠各項(xiàng)性能的影響程度顯著性及最佳組合如表41所示。

由表41可知：硫黃用量對(duì)300%定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度、老化后耐磨性能影響高度顯著，對(duì)抗切割性能及老化前耐磨性能影響顯著；促進(jìn)劑TBBS用量對(duì)300%定伸應(yīng)力、t3、t90和老化后耐磨性能影響高度顯著，對(duì)老化前撕裂強(qiáng)度和磨耗性能影響顯著；氧化鋅用量對(duì)t3和t90影響顯著；另外，促進(jìn)劑和氧化鋅的交互作用對(duì)老化后耐磨性能影響顯著。

表40 老化系數(shù)的F檢驗(yàn)

表41 硫黃、促進(jìn)劑、氧化鋅對(duì)胎面膠各項(xiàng)性能的影響程度顯著性及最佳組合