炭黑N339在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

金玉龍，寧振威，向 嬋，馬浩

[中策橡膠（建德）有限公司，浙江 杭州 311607]

炭黑是芳烴在高溫下不完全燃燒形成，其層狀六邊形碳環(huán)傾向于堆疊成3—4層晶體結(jié)構(gòu)，層面邊緣主要由氫、自由基以及含氧官能團(tuán)組成[1-4]。在輪胎行業(yè)中，炭黑是用量最大的填料。目前，原料煤焦油價(jià)格不斷上漲，國(guó)內(nèi)炭黑市場(chǎng)價(jià)格穩(wěn)步走高。中超耐磨炭黑作為輪胎用量較大的炭黑品種之一，價(jià)格漲幅超過(guò)高耐磨炭黑，因此對(duì)于高耐磨系列炭黑的應(yīng)用研究增加[5-7]。

輪胎行駛過(guò)程中胎面膠直接接觸地面，抵抗路面沖擊，胎面膠磨損主要是由粘附和磨粒磨損以及疲勞磨損而形成[8]，耐磨性能是評(píng)價(jià)胎面膠性能的重要指標(biāo)之一。炭黑N339是采用新工藝生產(chǎn)的高結(jié)構(gòu)、高耐磨炭黑，結(jié)構(gòu)度高、粒徑小，耐磨性能較好，適用于輕卡全鋼載重子午線輪胎。

本工作主要研究炭黑N339在全鋼載重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

天然橡膠（NR），TSR10，科特迪瓦產(chǎn)品；炭黑N220，山西安侖化工有限公司產(chǎn)品；炭黑N339，杭州中策清泉實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，杭州貝興新型環(huán)保材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

膠料的配方見(jiàn)表1，其中配方1為生產(chǎn)配方。

表1 膠料的配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開(kāi)煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；F270型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；一次法混煉機(jī)組，青島軟控股份有限公司產(chǎn)品；MDR2000型硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；50 t平板硫化機(jī)，湖州宏僑橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；WGJ-2500BⅡ型電子拉力機(jī)，桂林奧峰電器制造有限公司產(chǎn)品；GT-7017型老化箱、阿克隆磨耗機(jī)和DIN磨耗機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；Y3000E型壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；VR-7120型動(dòng)態(tài)力學(xué)機(jī)械分析（DMA）儀，日本上島株式會(huì)社產(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料在XK-160型開(kāi)煉機(jī)上混煉。

混煉工藝為：加入NR熱煉→加入2/3炭黑→左右各割刀1次→加氧化鋅、硬脂酸→加剩余炭黑和其他小料→左右各割刀1次→加硫黃和促進(jìn)劑DM→薄通、打3次三角包、下片，混煉總時(shí)長(zhǎng)約為20 min。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)在一次法混煉機(jī)組上進(jìn)行，一次法生產(chǎn)線工藝布局：F270型密煉機(jī)排膠→0#開(kāi)煉機(jī)→1#—6#開(kāi)煉機(jī)（并聯(lián)方式）→壓片機(jī)。

F270型密煉機(jī)混煉工藝：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為42 r·min-1，壓力為5 MPa，加入生膠、炭黑、小料→壓壓砣（25 s）→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降為38 r·min-1）→壓壓砣（20 s）→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降為35 r·min-1）→壓壓砣（108 s）→148 ℃排膠。

0#開(kāi)煉機(jī)混煉工藝：將輥距設(shè)為3 mm，進(jìn)料→冷卻（22 s）→成環(huán)（26 s）→拉斷→排膠。

1#—6#開(kāi)煉機(jī)混煉工藝：進(jìn)料（輥距為4 mm，10 s）→成環(huán)（輥距為2 mm，15 s）→冷卻（輥距為3 mm，150 s）→擺膠（輥距為2 mm，20 s）→擺膠（輥距為1.2 mm，130 s）→擺膠（輥距為2 mm，20 s）→擺膠（輥距為1.2 mm，130 s）→擺膠（輥距為2 mm，20 s）→冷卻（輥距為3 mm，20 s）→加硫黃和促進(jìn)劑（輥距為3.5 mm，130 s）→擺膠（輥距為2.5 mm，40 s）→擺膠（輥距為2 mm，160 s）→擺膠（輥距為2.5 mm，20 s）→冷卻（輥距為3.5 mm，45 s）→拉斷→排膠。

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 結(jié)果與討論

2.1 基本配方試驗(yàn)

按照GB/T 3780.18—2017測(cè)試炭黑N220和N339填充基本配方膠料的物理性能，結(jié)果如表2所示。

表2 基本配方膠料的物理性能

從表2可以看出，與配方J1硫化膠相比，配方J2硫化膠的邵爾A型硬度和300%定伸應(yīng)力增大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率減小，壓縮生熱明顯降低，耐磨性能相當(dāng)。由于炭黑的結(jié)構(gòu)度主要與膠料的耐磨性能相關(guān)，這表明炭黑N339的結(jié)構(gòu)度達(dá)到了輪胎胎面膠對(duì)耐磨性能的要求。

2.2 小配合試驗(yàn)

2.2.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表3所示。

表3 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性（151 °C×60 min）

從表3可以看出，與配方1混煉膠相比，配方2和3混煉膠的t10延長(zhǎng)，t90縮短，硫化速率增大，tR97和tR95縮短。

2.2.2 物理性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能如表4所示。

表4 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的物理性能

從表4可以看出：隨著炭黑N339用量的增大，硫化膠的硬度和300%定伸應(yīng)力增大；拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率減小，這可能與膠料的tR97和tR95縮短有關(guān)；阿克隆磨耗量、DIN磨耗量和壓縮生熱減小。

從表4還可以看出，與配方1硫化膠相比，配方2和3硫化膠的硬度和300%定伸應(yīng)力增大，壓縮生熱分別降低3.8和4.5 ℃，阿克隆磨耗量相當(dāng)，DIN磨耗量減小，這說(shuō)明炭黑N339硫化膠的耐磨性能達(dá)到了中超耐磨炭黑硫化膠的水平。根據(jù)炭黑在橡膠中的分散熱力學(xué)理論[9-10]，炭黑N339的表面能與橡膠更接近，炭黑N339比炭黑N220更易在橡膠中分散，膠料動(dòng)態(tài)生熱和耐磨性能更優(yōu)。熱空氣老化后硫化膠的物理性能變化趨勢(shì)與老化前基本一致。

綜上所述，配方2和3硫化膠的壓縮生熱均較配方1硫化膠減小。配方3硫化膠的300%定伸應(yīng)力最大，相對(duì)而言不適宜用于輕卡全鋼載重子午線輪胎冠部。故選擇配方1和2進(jìn)行大配合試驗(yàn)對(duì)比。

2.3 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 大配合試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出，大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性和物理性能與小配合試驗(yàn)?zāi)z料基本一致。

2.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

采用DMA儀對(duì)大配合試驗(yàn)硫化膠（151 ℃×30 min）進(jìn)行應(yīng)變掃描，測(cè)試條件：靜態(tài)應(yīng)變?yōu)?0%，頻率為10 Hz。大配合試驗(yàn)硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能如表6所示，其中tanδ為損耗因子，G′為儲(chǔ)能模量，G″為損耗模量。輪胎行業(yè)一般使用60 ℃時(shí)的tanδ評(píng)價(jià)膠料的生熱性能和滾動(dòng)阻力。

表6 大配合試驗(yàn)硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

從表6可以看出，與配方1硫化膠相比，配方2硫化膠60 ℃時(shí)的tanδ減小2.76%，表明炭黑N339和N220用量比為1/1的硫化膠的滾動(dòng)阻力和動(dòng)態(tài)生熱降低。

2.5 成品性能

采用大配合試驗(yàn)配方1和2胎面膠制作7.50R16 6PR成品輪胎，其耐久性能和高速性能分別見(jiàn)表7和8。

表7 成品輪胎耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

表8 成品輪胎高速性能試驗(yàn)結(jié)果

從表7和8可以看出，與生產(chǎn)輪胎相比，試驗(yàn)輪胎的耐久性能更佳，高速性能相當(dāng)。

3 結(jié)論

與填充炭黑N220的配方1膠料相比，用炭黑N330部分或全部替代炭黑N220的配方2和3膠料的t10延長(zhǎng)，t90縮短，硫化速率增大，硫化膠的硬度和300%定伸應(yīng)力增大，壓縮生熱分別降低3.8和4.5℃，DIN磨耗量減?。划?dāng)炭黑N339和N220用量比為1/1時(shí)，硫化膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率相當(dāng)，60 ℃時(shí)的tanδ減小2.76%，滾動(dòng)阻力和動(dòng)態(tài)生熱降低，成品輪胎的耐久性能更佳，高速性能相當(dāng)。