高分散性白炭黑在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

劉曉慶，張俊偉，唐德全，李 冬，王廷華，熊國(guó)華

[四川輪胎橡膠（集團(tuán)）股份有限公司，四川 簡(jiǎn)陽 641402]

白炭黑膠料可以在不降低輪胎濕地抓著力的前提下，降低輪胎的滾動(dòng)阻力，有助于提高燃油效率。受歐盟REACH法規(guī)和輪胎標(biāo)簽法規(guī)的影響，白炭黑膠料在輪胎中的應(yīng)用越來越廣泛，白炭黑在配方中的用量也越來越大，這要求白炭黑具有良好的分散性。

與普通白炭黑相比，高分散性白炭黑具有較窄的孔徑分布，孔徑為7.5～27.5 nm的孔構(gòu)成的孔體積占孔徑不大于40 nm的孔構(gòu)成的孔體積的60%以上。高分散性白炭黑與普通白炭黑的主要差別在于其使用效果，高分散性白炭黑具有高分散性、粒徑小的特點(diǎn)，適用于硅橡膠、涂料、綠色輪胎等對(duì)白炭黑性能要求較高的產(chǎn)品[1-5]。

本工作研究高分散性白炭黑在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000；溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號(hào)RC2564S，中國(guó)石油化工股份有限公司產(chǎn)品。丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)1763，申華化學(xué)工業(yè)有限公司產(chǎn)品。炭黑N234，曲靖眾一精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品。高分散性白炭黑HengSil-933MP，無錫恒亨白炭黑有限責(zé)任公司產(chǎn)品。硅烷偶聯(lián)劑JH-S69C，南京曙光硅烷化工有限公司產(chǎn)品。普通白炭黑，國(guó)內(nèi)某公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：BR 25，SSBR（RC2564S）75，SBR（1763）30，炭黑N234 30，普通白炭黑50，硅烷偶聯(lián)劑JH-S69C 8，防老劑TMQ 2，防老劑6PPD 2，防護(hù)蠟RW211 1.5，環(huán)保油 4，硫化體系 5.2，其他 11.5。

試驗(yàn)配方用高分散性白炭黑HengSil-933MP等量代替普通白炭黑，其余同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XM-1.5L型實(shí)驗(yàn)室密煉機(jī)，青島億朗橡膠裝備有限公司產(chǎn)品；DT-6037型開煉機(jī)，寧夏青山試驗(yàn)機(jī)有限公司產(chǎn)品；GK400N和GK255N型密煉機(jī)，益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；XK-660型開煉機(jī)，四川亞西機(jī)器有限公司產(chǎn)品；MDR2000型無轉(zhuǎn)子硫化儀和MV2000型門尼粘度儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；XLB-400型平板硫化機(jī)，湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；UT-2060型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；Y401A型熱老化試驗(yàn)箱，江蘇天源試驗(yàn)設(shè)備有限公司產(chǎn)品；輪胎高速性能試驗(yàn)機(jī)和輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī)，天津車輪實(shí)驗(yàn)中心產(chǎn)品；輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品；EPLEXOR 500N型全自動(dòng)粘彈性分析（DMA）儀，德國(guó)耐馳公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)?zāi)z料采用兩段混煉工藝，一段混煉在XM-1.5L型實(shí)驗(yàn)室密煉機(jī)中進(jìn)行，二段混煉在DT-6037型開煉機(jī)上進(jìn)行。一段混煉膠加料順序?yàn)椋荷z（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1）→白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑、防老劑、防護(hù)蠟等（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1）→炭黑、環(huán)保油（根據(jù)溫升情況轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在20～35 r·min-1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）→（155±5）℃排膠。一段混煉膠在開煉機(jī)上打卷停放4 h后進(jìn)行二段混煉。二段混煉加料順序?yàn)椋阂欢位鞜捘z→硫黃和促進(jìn)劑→排膠，二段混煉膠成片（膠片厚度約為2.0 mm），室溫下停放8 h后硫化。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)采用時(shí)間、溫度與能量聯(lián)合控制的自動(dòng)混煉工藝，分4段混煉。一段混煉在GK400N型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：生膠、1/2炭黑、白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑等（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1）→壓壓砣（35 s）→環(huán)保油→壓壓砣（25 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→（145±5）℃排膠。二段混煉在GK400N型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：一段混煉膠、剩余1/2炭黑、防老劑等（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1）→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（10 s）→提壓砣→壓壓砣（10 s）→提壓砣→（135±5）℃排膠。三段混煉在GK400N型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：二段混煉膠（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1）→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（25 s）→提壓砣→壓壓砣（15 s）→提壓砣→（135±5）℃排膠。四段混煉在GK255N型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉工藝為：三段混煉膠、硫化體系（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1）→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（25 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→排膠，排膠溫度（95±5）℃。終煉膠在一臺(tái)XK-660型開煉機(jī)包輥成片后劃膠送至另一臺(tái)XK-660型開煉機(jī)，搗煉3次后割膠出片。各段膠料的停放時(shí)間不短于4 h，存膠溫度不高于40 ℃。

由于高分散性白炭黑HengSil-933MP在煉膠過程中生熱較快，為了防止出現(xiàn)早期凝膠，延長(zhǎng)了提壓砣保持時(shí)間，縮短了壓壓砣保持時(shí)間，其余工藝未發(fā)生變化。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

高分散性白炭黑HengSil-933MP的理化分析結(jié)果如表1所示。

表1 高分散性白炭黑HengSil-933MP的理化分析結(jié)果

從表1可以看出，高分散性白炭黑HengSil-933MP的各項(xiàng)理化性能均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的門尼焦燒時(shí)間稍長(zhǎng)，加工安全性好，膠料的門尼粘度與生產(chǎn)配方膠料基本一致；t90稍長(zhǎng)，硫化速度稍有差異；硫化膠的300%定伸應(yīng)力下降約3.4%，DIN磨耗量減小約10.9%，生熱稍有降低，其余物理性能基本一致；老化后試驗(yàn)配方硫化膠性能保持好。

表2 小配合試驗(yàn)結(jié)果

2.3 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3可以看出，大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

2.4 動(dòng)態(tài)性能

2.4.1 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析結(jié)果

膠料的DMA結(jié)果見表4，Tg為玻璃化溫度，tanδ為損耗因子，G′為彈性模量。0 ℃時(shí)的tanδ反映膠料的抗?jié)窕阅?，其值越大，膠料的抗?jié)窕阅茉胶?；膠料的滾動(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。

從表4可以看出，使用高分散性白炭黑等量代替普通白炭黑后，膠料的抗?jié)窕阅芴嵘?.4%，滾動(dòng)阻力降低了6.7%。

表4 膠料的DMA結(jié)果

2.4.2 RPA分析

委托北京彤程研發(fā)中心進(jìn)行膠料的RPA分析。膠料的RPA分析結(jié)果見表5。人們將膠料G′隨著應(yīng)變的增大而急劇下降的現(xiàn)象稱為Payne效應(yīng)。ΔG′越小，Payne效應(yīng)越弱，表明補(bǔ)強(qiáng)體系分散越好。

從表5可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的ΔG′均較小，表明膠料的Payne效應(yīng)較弱，高分散性白炭黑在膠料中的分散性較好。

表5 膠料的RPA分析結(jié)果 MPa

2.5 成品性能

分別采用試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方膠料生產(chǎn)235/45ZR18 98W轎車子午線輪胎，依據(jù)GB/T4502—2016《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》和ISO 28580：2018《轎車、卡車和客車輪胎——測(cè)試滾動(dòng)阻力方法——單點(diǎn)試驗(yàn)和測(cè)量結(jié)果對(duì)照》進(jìn)行性能測(cè)試，成品輪胎室內(nèi)性能測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 成品輪胎的室內(nèi)性能測(cè)試結(jié)果

從表6可以看出：試驗(yàn)輪胎的耐久性能和高速性能均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且與生產(chǎn)輪胎相當(dāng)；試驗(yàn)輪胎的滾動(dòng)阻力系數(shù)明顯低于生產(chǎn)輪胎，輪胎的節(jié)油性能更好。

3 結(jié)論

在半鋼子午線輪胎胎面膠配方中用高分散性白炭黑等量代替普通白炭黑后，膠料的焦燒時(shí)間延長(zhǎng)，加工安全性更好；膠料物理性能相當(dāng)，老化后性能保持率高；膠料的Payne效應(yīng)減弱，白炭黑分散性更好；成品輪胎高速性能和耐久性能均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，且與生產(chǎn)輪胎相當(dāng)，滾動(dòng)阻力系數(shù)明顯降低，輪胎的節(jié)油性能更好。