上三角膠模量對(duì)全鋼載重子午線輪胎胎圈耐久性能的影響

吳會(huì)忠，余海群，徐小芬，徐 洋，李少波

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎是車輛的重要部件之一，車輛承載主要通過輪胎與路面的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，輪胎的性能直接影響駕乘人員和車輛的安全，也是主機(jī)廠和零售客戶選擇輪胎的主要參考因素。因此不斷提升輪胎性能是膠料配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)永恒的課題。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)低速、高載質(zhì)量的中短途載重輪胎的主要問題是胎圈脫空、胎圈脫層、胎圈裂以及胎肩脫空等，因此在輪胎設(shè)計(jì)投產(chǎn)時(shí)需要進(jìn)行胎圈和胎肩部位性能的評(píng)價(jià)。我公司采用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)模擬測(cè)試輪胎的耐久性能和胎圈耐久性能。

在輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以通過調(diào)整材料分布解決應(yīng)力集中問題，從而提升輪胎的耐久性能，同時(shí)膠料的模量（300%定伸應(yīng)力）、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和撕裂強(qiáng)度等也會(huì)很大程度地影響輪胎的耐久性能。

本工作選取12.00R20全鋼載重子午線輪胎，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)不變的條件下，通過調(diào)整上三角膠配方體系，改變膠料模量，研究上三角膠模量對(duì)輪胎胎圈耐久性能的影響，以改善胎圈耐久性能，從而進(jìn)一步降低市場(chǎng)使用輪胎胎圈病疵故障率[1-5]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國(guó)產(chǎn)品；硬脂酸，杭州油脂化工有限公司產(chǎn)品；間接法氧化鋅，石家莊志億鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；Koresin樹脂，德國(guó)巴斯夫公司產(chǎn)品；防老劑DTPD，揚(yáng)州市業(yè)昌助劑有限公司產(chǎn)品；防老劑4020，圣奧化學(xué)科技有限公司產(chǎn)品；防老劑RD，科邁化工股份有限公司產(chǎn)品；炭黑N326，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品；白炭黑，牌號(hào)175GR，確成硅化學(xué)股份有限公司產(chǎn)品；不溶性硫黃，牌號(hào)HD-OT-20，山東陽(yáng)谷華泰化工股份有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑DTDM和促進(jìn)劑TBBS，榮成市化工總廠有限公司產(chǎn)品；多功能交聯(lián)劑WY988，江蘇麒祥高新材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

通過調(diào)整促進(jìn)劑、硫黃和多功能助劑的用量來(lái)滿足不同的膠料性能要求，試驗(yàn)配方如表1所示。

表1 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

IM320E和IM550ET型串聯(lián)密煉機(jī)，德國(guó)HF公司產(chǎn)品；F270型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XLB-D型平板硫化機(jī)，浙江湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；MV200E型橡膠門尼粘度儀，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；LX-A型硬度儀，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；MDR2000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化

儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；ZBET-TC02型電子拉力機(jī)，德國(guó)Bareiss公司產(chǎn)品；GT-RH-2000型動(dòng)態(tài)壓縮生熱儀和GT-7060-SA型熱空氣老化箱，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；DMA/STDA861型動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析儀，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；TJR-2-TB（Y）型雙工位載重輪胎耐久試驗(yàn)機(jī)，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

大配合試驗(yàn)?zāi)z料混煉分4段進(jìn)行。

一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為48 r·min-1，混煉工藝為：生膠（30 s）→炭黑（20 s）→155 ℃排膠，雙螺桿擠出機(jī)下片，停放24 h。

二段混煉在串聯(lián)密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1，混煉工藝如下。上密煉機(jī)：一段混煉膠、炭黑、白炭黑、小料（25 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→150 ℃排膠；下密煉機(jī)：145 ℃恒溫（120 s）→排膠，雙螺桿擠出機(jī)下片，停放24 h。

三段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為27 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑（30 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→105 ℃排膠，開煉機(jī)下片，停放24 h。

四段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為33 r·min-1，混煉工藝為：三段混煉膠（25 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→105 ℃排膠，開煉機(jī)下片，停放24 h。

1.5 性能測(cè)試

膠料性能按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。輪胎胎圈耐久性能按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：充氣壓力 80%標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，轉(zhuǎn)鼓速度50 km·h-1，負(fù)荷 200%標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷，胎面打磨至磨耗標(biāo)志處。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

硫化膠的物理性能如表2所示。

表2 硫化膠的物理性能

從表2可以看出，在保持生膠和補(bǔ)強(qiáng)體系不變的情況下，通過調(diào)整由硫黃、硫黃給予體（促進(jìn)劑DTDM）和多功能交聯(lián)劑組成的硫化體系，促使交聯(lián)鍵類型轉(zhuǎn)化，硫化過程中多硫鍵發(fā)生斷裂，同時(shí)伴隨著雙硫鍵和單硫鍵的生成，硫化膠的總交聯(lián)密度增大，使硫化膠模量提升。

從配方B，C，D的硫化體系分析，在硫黃用量不變的情況下，適當(dāng)增大多功能交聯(lián)劑和促進(jìn)劑用量，可以促進(jìn)雙硫鍵和單硫鍵的生成，提升膠料模量。但同時(shí)隨著交聯(lián)密度增大，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和拉斷永久變形呈下降趨勢(shì)，撕裂強(qiáng)度基本保持不變。

100 ℃×48 h老化后硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 老化后硫化膠的物理性能

從表3可以看出：老化后各配方膠料模量都呈上升趨勢(shì)；對(duì)于硫黃用量較大的配方（配方A和E），硫黃用量越大，膠料老化后模量變化率越大，這主要是因?yàn)殡S著硫化時(shí)間的延長(zhǎng)，膠料中更多的多硫鍵逐漸轉(zhuǎn)化為鍵能更高的單硫鍵和雙硫鍵；而使用硫黃給予體和多功能交聯(lián)劑配方的膠料模量變化率較小，主要是因?yàn)槟z料老化前交聯(lián)鍵類型的轉(zhuǎn)化率高。從表3還可以看出：使用硫黃給予體和多功能交聯(lián)劑配方的膠料模量越高，拉斷永久變形越趨于減小。

2.2 胎圈耐久性能

采用5個(gè)試驗(yàn)配方膠料生產(chǎn)上三角膠的輪胎胎圈耐久性能按照企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，將成品輪胎胎面打磨到花紋溝底磨耗標(biāo)志位置，充80%標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力，在38 ℃的環(huán)境溫度下放置24 h后將充氣壓力重新調(diào)整至80%標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力。胎圈耐久性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 胎圈耐久性能測(cè)試時(shí)間 h

對(duì)比表2與4可以看出，上三角膠模量與輪胎胎圈耐久性能測(cè)試時(shí)間強(qiáng)相關(guān)，從初始模量約為9.0 MPa開始胎圈耐久性能大幅度提高，初始模量在12～12.5 MPa范圍內(nèi)胎圈耐久性能最佳，當(dāng)初始模量高于12.5 MPa后，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率減小，膠料的物理性能下降，引起胎體端點(diǎn)處的膠料早期損壞，降低了胎圈耐久性能。由此可見，上三角膠初始模量在12～12.5 MPa范圍內(nèi)可得到較好的胎圈耐久性能。

3 結(jié)論

從復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，子午線輪胎胎體實(shí)質(zhì)上是由作為增強(qiáng)相的鋼絲簾線在基體相橡膠中按子午線方向排列組成的剛?cè)嵯噍o的復(fù)合材料。從胎圈部位的材料分布看，上三角膠外側(cè)有胎體簾布端點(diǎn)和鋼絲圈包布端點(diǎn)，因此上三角膠作為柔相要有合適的模量與之匹配，既要起到增強(qiáng)作用，在輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，能有效減小胎圈部位的形變，又要有合適的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率，確保在形變過程中膠料不損壞。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，上三角膠模量與胎圈耐久性能強(qiáng)相關(guān)，隨著上三角膠模量的增大，胎圈耐久性能提高，但當(dāng)模量上升到一定值后，膠料的綜合性能下降，胎圈耐久性能也隨之下降。