炭黑NC803在全鋼子午線輪胎胎肩墊膠中的應(yīng)用

陳新中，陳嘉璇，李慎永，丁利虎

（山東耐斯特炭黑有限公司，山東 東營(yíng) 257500）

全鋼子午線輪胎胎肩墊膠因厚度較大，在輪胎高速行駛時(shí)生熱快、散熱慢，而且補(bǔ)強(qiáng)劑大多采用炭黑N375，為了解決生熱問(wèn)題，一般在配方中加入白炭黑，但是白炭黑不易分散，需加入硅烷偶聯(lián)劑對(duì)白炭黑進(jìn)行改性，導(dǎo)致生產(chǎn)成本和混煉能耗提高[1-5]。炭黑NC803是一種新開(kāi)發(fā)的高結(jié)構(gòu)度、較低比表面積、較大粒徑的非標(biāo)準(zhǔn)炭黑，其粒徑約為36 nm，大粒徑炭黑能賦予膠料更低的生熱。

本工作主要研究炭黑NC803在全鋼子午線輪胎胎肩墊膠中的應(yīng)用，探索炭黑NC803替代炭黑N375的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），1#標(biāo)準(zhǔn)膠，泰國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品；炭黑NC803和N375，山東耐斯特炭黑有限公司產(chǎn)品；白炭黑，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；偶聯(lián)劑Si69，南京曙光硅烷化工有限公司產(chǎn)品；防老劑RD和4020，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；氧化鋅、硬脂酸、不溶性硫黃和促進(jìn)劑TBBS，寧波艾克姆新材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

炭黑鑒定標(biāo)準(zhǔn)配方（用量/份）：NR 100，炭黑（變品種） 50，氧化鋅 5，硬脂酸 3，硫黃2.5，促進(jìn)劑MBTS 0.6。Q1和Q2配方分別采用炭黑N375和NC803，其余組分及用量相同。

胎肩墊膠生產(chǎn)配方（用量/份）：NR 100，炭黑（變品種） 22.5，白炭黑 15，偶聯(lián)劑Si69 3，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑RD 1，防老劑4020 1.5，不溶性硫黃 1.9，促進(jìn)劑TBBS 1.9。Q3和Q4配方分別采用炭黑N375和NC803，其余組分及用量相同。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XSM-500型橡塑實(shí)驗(yàn)密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；Brabender C型吸油計(jì)，德國(guó)布拉本達(dá)公司產(chǎn)品；TriStar Ⅱ型氮吸附儀，美國(guó)麥克公司產(chǎn)品；炭黑粒徑分析儀，德國(guó)Brookhaven公司產(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；XL-800×800×2型平板硫化機(jī)，青島光越橡膠機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；TD-401A型熱老化試驗(yàn)機(jī)，江都市騰達(dá)試驗(yàn)儀器廠產(chǎn)品；GT-TCS-2000型電子拉力機(jī)和GT-RH-2000型壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；DMAQ800型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，美國(guó)TA公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

采用密煉機(jī)按照GB/T 3780.18—2017《炭黑第18部分：在天然橡膠（NR）中的鑒定方法》制備標(biāo)準(zhǔn)配方混煉膠。

生產(chǎn)配方膠料按常規(guī)工藝進(jìn)行混煉。

膠料在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為145℃/10 MPa×30 min。

1.5 性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能采用DMA儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為：拉伸模式，應(yīng)變 0.25%，頻率 10 Hz，升溫速率 3 ℃·min-1，溫度范圍 －60～80 ℃。

膠料其他性能均按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 炭黑的化學(xué)性能

兩種炭黑的化學(xué)性能對(duì)比如表1所示。

表1 兩種炭黑的化學(xué)性能對(duì)比

從表1可以看出，與炭黑N375相比，炭黑NC803的吸碘值低31.9%（粒徑較大），DBP吸油值（結(jié)構(gòu)度）高15.9%，壓縮樣吸油值高5.9%，氮吸附比表面積低20.5%，但單從數(shù)值來(lái)看，氮吸附比表面積比吸碘值高17%，這是炭黑NC803不同于炭黑N375的主要特性，表明炭黑NC803表面較炭黑N375表面有更多的官能團(tuán)，能與橡膠產(chǎn)生更多的交聯(lián)，增強(qiáng)膠料的性能，同時(shí)其滯后性能更低。

2.2 炭黑粒徑分布

對(duì)炭黑的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用離心沉降法分析炭黑聚集體分布結(jié)構(gòu)。兩種炭黑的粒徑分布參數(shù)對(duì)比如表2所示。

表2 兩種炭黑的粒徑分布參數(shù)對(duì)比 μm

從表2可以看出，兩種炭黑的D10差異不大，但D50和D90有較大差異，表明炭黑NC803的粒徑分布比炭黑N375更寬，粒徑稍大。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)配方試驗(yàn)

兩種炭黑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)配方膠料性能的影響如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)配方膠料的物理性能

從表3可以看出：在標(biāo)準(zhǔn)配方試驗(yàn)中，與炭黑N375膠料相比，老化前炭黑NC803膠料的邵爾A型硬度、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度相差不大，定伸應(yīng)力略高，拉斷伸長(zhǎng)率略低，壓縮生熱降低11.9%，DIN磨耗指數(shù)較大，其原因可能是炭黑NC803的結(jié)構(gòu)度較高，分散性更好；老化后炭黑NC803膠料的定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度均比炭黑N375膠料略高。

2.4 生產(chǎn)配方試驗(yàn)

2.4.1 物理性能

在相同的配方及工藝條件下，用炭黑NC803等量替代炭黑N375，膠料物理性能如表4所示。

表4 生產(chǎn)配方膠料的物理性能

從表4可以看出：在生產(chǎn)配方試驗(yàn)中，與炭黑N375膠料相比，老化前炭黑NC803膠料的定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度有所提高，拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度和DIN磨耗指數(shù)基本一致，壓縮生熱略降低，這應(yīng)該是由于加入白炭黑改善了膠料的壓縮生熱性能，使兩種炭黑膠料的壓縮生熱差異減?。焕匣筇亢贜C803膠料的定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度較高，其他性能在同一水平。

2.4.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

兩種炭黑膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能如圖1—4和表5所示，其中tanδ為損耗因子，E′為彈性模量，Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

圖3 Q4配方膠料的E′-溫度曲線

圖4 Q4配方膠料的tanδ-溫度曲線

表5 兩種炭黑膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

從圖1—4和表5可以看出，炭黑NC803膠料0℃時(shí)的tanδ比炭黑N375膠料大，60 ℃時(shí)的tanδ比炭黑N375膠料小，這表明炭黑NC803具有較低的滯后性，可滿足全鋼子午線輪胎胎肩墊膠的低生熱需求。

2.5 效益分析

炭黑NC803的噸產(chǎn)品油消耗量（1.65 t）低于炭黑N375（1.80 t），日產(chǎn)量提升，電、水及蒸汽用量相對(duì)減少，碳排放量明顯降低，炭黑NC803的生產(chǎn)成本比炭黑N375約低10%。

3 結(jié)論

（1）炭黑NC803是一種高結(jié)構(gòu)度、較低比表面積和較大粒徑的非標(biāo)準(zhǔn)炭黑，其獨(dú)特之處是炭黑表面的官能團(tuán)較多，能與橡膠發(fā)生更多的交聯(lián)，有利于提高膠料的性能。

（2）在全鋼子午線輪胎胎肩墊膠配方中，采用22.5份炭黑NC803等量替代炭黑N375，可以提高膠料的定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度，同時(shí)降低生熱。

（3）相較于炭黑N375，炭黑NC803具有更低的滯后性，同時(shí)生產(chǎn)成本低，碳排放量更小。

綜上所述，炭黑NC803完全可以替代炭黑N375應(yīng)用于全鋼子午線輪胎胎肩墊膠中，解決胎肩墊膠的生熱問(wèn)題。