不同材料對(duì)缺氣保用輪胎支撐膠性能的影響

張 靜，王 君，黃義鋼，王巧平，李治韜

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

自體支撐型缺氣保用輪胎是用于正常充氣狀態(tài)下行駛，且在缺氣狀態(tài)下無需其他任何附屬配件，仍能以一定速度行駛一定距離的充氣輪胎[1-5]，是目前市場(chǎng)上缺氣保用輪胎的主流類型。自體支撐型缺氣保用輪胎主要是在輪胎原本較軟的胎側(cè)內(nèi)側(cè)加入高硬度的支撐膠，從而減小輪胎失壓后的變形，以維持一定的行駛能力。缺氣保用輪胎失壓后，車輛大部分負(fù)荷被支撐膠所承擔(dān)，這就要求支撐膠不僅要有較高的硬度，還要有較低的滯后損失和生熱，從而降低高負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)溫升，同時(shí)應(yīng)具有應(yīng)對(duì)較大變形的耐屈撓等性能[6-9]。

近年來，為滿足汽車行業(yè)節(jié)能減排、安全環(huán)保的發(fā)展需求，汽車生產(chǎn)企業(yè)開始采用缺氣保用輪胎取代T型輪胎（備胎）開發(fā)高端乘用車。因此，許多輪胎企業(yè)紛紛開展了對(duì)缺氣保用輪胎支撐膠性能的研究。倪海超等[10]研究了高順式聚丁二烯復(fù)合橡膠（VCR）對(duì)支撐膠性能的影響，結(jié)果表明VCR替代稀土順丁橡膠具有較好的補(bǔ)強(qiáng)增硬效果，支撐膠的硬度和100%定伸應(yīng)力增大，生熱相近。馮友林等[11]研究了補(bǔ)強(qiáng)樹脂SP6701對(duì)支撐膠性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用6份補(bǔ)強(qiáng)樹脂SP6701替代10份炭黑N375，支撐膠的硬度和拉伸強(qiáng)度增大，100%定伸應(yīng)力相近，壓縮疲勞溫升降低。任福君等[12]研究發(fā)現(xiàn)，采用炭黑改性低順式聚丁二烯橡膠替代順丁橡膠，支撐膠的定伸應(yīng)力增大，生熱明顯降低，試驗(yàn)輪胎的零氣壓耐久性能提高。上述文獻(xiàn)雖然研究了不同材料對(duì)支撐膠硬度、生熱等性能的影響，但并未對(duì)比研究支撐膠硬度相同時(shí)，不同材料對(duì)硫化膠物理性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響[13-14]。

本工作對(duì)比研究VCR、炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、硫黃和促進(jìn)劑對(duì)支撐膠性能的影響，以期為缺氣保用輪胎支撐膠配方的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；釹系高順式聚丁二烯橡膠（NdBR），牌號(hào)CB24，阿朗新科高性能彈性體（常州）有限公司產(chǎn)品；VCR，牌號(hào)617，日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社產(chǎn)品；炭黑N660，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；環(huán)烷油，牌號(hào)Nytex4700，瑞典尼納斯公司產(chǎn)品；補(bǔ)強(qiáng)樹脂，牌號(hào)SL2101，彤程新材料集團(tuán)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方見表1。

1.3 主要設(shè)備和儀器

BL-6175-AL型開煉機(jī)，寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；BB-1600IM型密煉機(jī)，日本神鋼株式會(huì)社產(chǎn)品；XLB-D 500×500×2型平板硫化機(jī)，湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；PREMIER MV型門尼粘度儀和PREMIER MDR型無轉(zhuǎn)子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；INSTRON 5965型萬能材料試驗(yàn)機(jī)，美國Instron公司產(chǎn)品；WAH17A型邵爾A硬度計(jì)，英國Wallace儀器公司產(chǎn)品；Precisa XB220A型自動(dòng)比重計(jì)和GT-7011-DHD型高低溫德墨西亞屈撓試驗(yàn)機(jī)，中國臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；Digi test Ⅱ型回彈試驗(yàn)機(jī)，德國博銳儀器公司產(chǎn)品；GABOMETER 4000型動(dòng)態(tài)壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)和EPLEXOR 500N型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，德國耐馳儀器公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝，在密煉機(jī)中進(jìn)行混煉。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，循環(huán)水溫度為60 ℃，加料順序?yàn)椋荷z→炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、活性劑、防老劑等小料→環(huán)烷油→排膠（155 ℃）；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，循環(huán)水溫度為60 ℃，混煉工藝為：一段混煉膠、硫化劑→排膠（105 ℃）。

試樣硫化溫度為161 ℃，2 mm試片硫化時(shí)間為20 min，其他試樣硫化時(shí)間為30 min。

1.5 性能測(cè)試

（1）DMA。溫度掃描測(cè)試條件為：溫度范圍－60～80 ℃，升溫速率 2 ℃·min-1，應(yīng)變7%±0.25%。

（2）壓縮疲勞性能。測(cè)試條件為：預(yù)應(yīng)力 2 MPa，沖程 4.45 mm，壓縮頻率 30 Hz，恒溫箱溫度 100 ℃，測(cè)試時(shí)間 60 min。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

不同材料對(duì)膠料硫化特性的影響見表2。

從表2可以看出：與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的門尼粘度明顯增大，說明隨著炭黑用量的增大，膠料的加工流動(dòng)性變差，這與炭黑用量增大，結(jié)合膠和包容膠數(shù)量增加有關(guān)，其他材料的用量變化對(duì)膠料門尼粘度的影響不大；5#—7#配方膠料的門尼焦燒時(shí)間縮短，說明炭黑和補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量的增大會(huì)對(duì)膠料的加工安全性產(chǎn)生不利影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)調(diào)整防焦劑用量；4#和5#配方膠料的交聯(lián)密度（Fmax－FL）明顯增大，這主要是因?yàn)殡S著炭黑用量的增大，橡膠-填料及填料-填料間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，11#配方膠料的交聯(lián)密度也明顯增大，這是由于其硫黃用量較大；膠料FL和t10的變化趨勢(shì)與膠料門尼粘度和門尼焦燒時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致。

2.2 物理性能

不同材料對(duì)硫化膠物理性能的影響見表3。

表3 不同材料對(duì)硫化膠物理性能的影響

從表3可以看出：與1#配方硫化膠相比，3#—7#，10#和11#配方硫化膠的硬度和定伸應(yīng)力均有所增大；與8#配方硫化膠相比，9#配方硫化膠的硬度和定伸應(yīng)力也有所增大，說明VCR、炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、硫黃及促進(jìn)劑H-80用量的增大均能提高硫化膠抵抗變形的能力，有利于提高膠料的支撐性；與1#配方硫化膠相比，4#和5#配方硫化膠的拉伸強(qiáng)度增大，10#和11#配方硫化膠的拉伸強(qiáng)度減小，說明在一定范圍內(nèi)，炭黑用量的增大有利于提高膠料抗破壞的能力，但硫黃用量增大導(dǎo)致的較高交聯(lián)密度阻礙了分子鍵的定向排列，妨礙了分子鏈結(jié)晶，從而導(dǎo)致硫化膠的拉伸強(qiáng)度減小，其他材料對(duì)硫化膠拉伸強(qiáng)度的影響不大。

2.3 動(dòng)態(tài)性能

不同材料對(duì)硫化膠動(dòng)態(tài)性能的影響見表4，E′為彈性模量，E″為損耗模量，tanδ為損耗因子。

采用DMA測(cè)試70 ℃時(shí)的tanδ及壓縮疲勞溫升來表征硫化膠的動(dòng)態(tài)生熱[15]。從表4可以看出：與1#配方膠料相比，3#—7#配方膠料70 ℃時(shí)的tanδ和壓縮疲勞溫升呈增大趨勢(shì)，說明VCR、炭黑及補(bǔ)強(qiáng)樹脂在提高膠料硬度的同時(shí)均會(huì)導(dǎo)致膠料的生熱增大；與8#配方膠料相比，6#和9#配方膠料70 ℃時(shí)的tanδ和壓縮疲勞溫升呈下降趨勢(shì)；與1#配方膠料相比，10#和11#配方膠料的生熱也呈下降趨勢(shì)，說明促進(jìn)劑H-80和硫黃在提高膠料硬度的同時(shí)可兼顧較低的滯后損失和生熱。

不同材料對(duì)硫化膠硬度和70 ℃時(shí)tanδ的影響如圖1所示。通過對(duì)比分析5種材料在提高硫化膠硬度的同時(shí)對(duì)其生熱的影響，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到回歸方程曲線，相關(guān)因數(shù)（R2）在0.9左右，具有一定的參考性。

圖1 不同材料對(duì)硫化膠硬度和70 °C時(shí)tan δ的影響

從圖1可以看出，在提高相同硬度下，VCR和炭黑N660具有相近的回歸因數(shù)（b≈0.002 3），但補(bǔ)強(qiáng)樹脂的回歸因數(shù)則明顯較大（b≈0.003 7），說明VCR和炭黑在提高膠料硬度的同時(shí)可兼顧較低的滯后損失和生熱，而補(bǔ)強(qiáng)樹脂的生熱較高；促進(jìn)劑H-80及硫黃的回歸因數(shù)相近（b≈－0.003 1），說明這兩種材料在降低膠料生熱方面具有相近的作用，壓縮疲勞溫升表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

不同材料對(duì)硫化膠硬度和終動(dòng)壓縮率的影響如圖2所示。

圖2 不同材料對(duì)硫化膠硬度和終動(dòng)壓縮率的影響

終動(dòng)壓縮率是指壓縮疲勞試驗(yàn)中試樣終動(dòng)壓縮變形量與試樣原高度的百分比，可表征試樣在周期性載荷作用下抵抗變形的能力。從圖2可以看出，隨著硫黃或促進(jìn)劑H-80用量的增大，膠料的終動(dòng)壓縮率呈明顯減小趨勢(shì)，說明硫黃和促進(jìn)劑用量的增大有利于提高膠料在動(dòng)態(tài)載荷下抵抗變形的能力，提高膠料的支撐性。高用量VCR（3#配方）或炭黑N660（5#配方）的使用同樣有利于減小膠料的終動(dòng)壓縮率，提高膠料的支撐性。隨著補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量的增大，膠料的終動(dòng)壓縮率呈顯著增大趨勢(shì)，在相同硬度下，補(bǔ)強(qiáng)樹脂膠料的終動(dòng)壓縮率明顯大于VCR或炭黑膠料，這可能與周期性壓縮疲勞變形作用下補(bǔ)強(qiáng)樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞有關(guān)。

結(jié)合表4還可以看出：與2#配方膠料相比，1#和3#配方膠料的耐屈撓疲勞性能提高；與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的屈撓斷裂次數(shù)相近，6#和7#配方膠料的耐屈撓疲勞性能提高，10#和11#配方膠料的耐屈撓疲勞性能下降；與8#配方膠料相比，6#和9#配方膠料的耐屈撓疲勞性能下降。上述結(jié)果表明，在一定硬度范圍內(nèi)，增大VCR和炭黑的用量不會(huì)對(duì)膠料的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響，增大補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量可以提高膠料的耐屈撓疲勞性能，但增大促進(jìn)劑H-80和硫黃的用量則會(huì)對(duì)膠料的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

（1）在支撐膠配方中增大炭黑用量，膠料的門尼粘度和交聯(lián)密度增大，加工流動(dòng)性變差；增大硫黃用量，膠料的交聯(lián)密度增大，其他材料的用量變化對(duì)膠料加工性能的影響不大。

（2）VCR、炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、促進(jìn)劑和硫黃用量的增大均可提高硫化膠的硬度和定伸應(yīng)力；在一定范圍內(nèi)，炭黑用量的增大提高了硫化膠的拉伸強(qiáng)度和抗破壞能力，但硫黃用量的增大則對(duì)硫化膠的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

（3）VCR、炭黑及補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量增大在提高硫化膠硬度的同時(shí)均導(dǎo)致生熱增大，但在提高相同硬度時(shí)，VCR和炭黑膠料的生熱明顯低于補(bǔ)強(qiáng)樹脂膠料，且具有更小的終動(dòng)壓縮率；促進(jìn)劑和硫黃用量增大在提高硬度的同時(shí)可降低生熱，減小終動(dòng)壓縮率。

（4）在一定的硬度范圍內(nèi)，增大VCR、炭黑用量不會(huì)對(duì)硫化膠的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響，增大補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量可提高硫化膠的耐屈撓疲勞性能，但增大促進(jìn)劑和硫黃用量則會(huì)對(duì)硫化膠的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響。