硅格粉在全鋼載重子午線輪胎胎肩墊膠中的應(yīng)用

王鵬君，張進(jìn)生，劉立杰，張 晨，王 洋，李 慧，高緒風(fēng)，王桂林，薛 霖

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

輪胎在行駛過(guò)程產(chǎn)生的熱量積累在胎肩內(nèi)部，容易導(dǎo)致肩空脫層，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。為避免上述問(wèn)題，應(yīng)在帶束層端部加入胎肩墊膠[1-3]。目前，常采用在胎肩墊膠中加入白炭黑來(lái)降低其生熱。但白炭黑粒徑小，極易團(tuán)聚，很難在橡膠中分散[4]。為促進(jìn)白炭黑在橡膠基體中的分散，提升加工性能，白炭黑改性成為熱點(diǎn)研究方向[5-7]。

硅格粉是一種新型的改性二氧化硅（SiO2），以非結(jié)晶SiO2為主要成分，不僅具有優(yōu)異的低生熱特性，還可以有效解決白炭黑在橡膠中難以分散的問(wèn)題，因此在橡膠領(lǐng)域中可替代白炭黑使用。張林峰等[8]將炭黑和硅格粉進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，由自動(dòng)水射流器分散混合形成懸濁液噴入炭黑反應(yīng)爐，形成新型的雙相炭黑，并將其用于膠料中，提高了膠料的物理性能，降低了滾動(dòng)阻力的同時(shí)又不損失抗?jié)窕阅堋?/p>

本工作將硅格粉應(yīng)用于全鋼載重子午線輪胎胎肩墊膠中，研究其對(duì)膠料性能和輪胎使用性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來(lái)西亞產(chǎn)品；炭黑N330和白炭黑，山東聯(lián)科科技股份有限公司產(chǎn)品；硅格粉，哈爾濱硅格新材有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

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

1.5 L BB-1600IM型密煉機(jī)，日本株式會(huì)社神戶制鋼所產(chǎn)品；GK400N型密煉機(jī)，德國(guó)克虜伯公司產(chǎn)品；GK270N型密煉機(jī)，益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；BL-6175-AL型高低溫開(kāi)煉機(jī)，寶輪精密檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；XLB-D500×500×2型平板硫化機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；PREMIER MV型門(mén)尼粘度儀和PREMIER MDR型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；5965型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)Instron公司產(chǎn)品；WAH17A型邵氏A型硬度計(jì)，美國(guó)Wallace儀器有限公司產(chǎn)品；Digi test Ⅱ型高低溫回彈試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)博銳儀器有限公司產(chǎn)品；GT-70120D型DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合試驗(yàn)采用2段混煉工藝。一段混煉在1.5 L BB-1600IM型密煉機(jī)中進(jìn)行，初始溫度為60 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，混煉工藝為：生膠、炭黑等填料及小料→恒溫混煉→排膠。二段混煉工藝為：加入一段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→恒溫混煉→排膠，在BL-6175-AL型開(kāi)煉機(jī)上薄通，下片。膠料停放8 h后，在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

大配合試驗(yàn)采用2段混煉工藝，均執(zhí)行自動(dòng)混煉工藝。一段混煉在GK400N型密煉機(jī)中進(jìn)行，二段混煉在GK270N型密煉機(jī)中進(jìn)行。

1.5 性能測(cè)試

（1）硫化特性。按照 GB/T 16584—1996測(cè)定膠料硫化曲線，擺動(dòng)弧度范圍為±1°，頻率為1.67 Hz，每隔12 s自動(dòng)記錄轉(zhuǎn)矩值。

（2）物理性能。膠料的硬度測(cè)試按照GB/T 531.1—2008進(jìn)行；拉伸性能按照GB/T 528—2009進(jìn)行，采用啞鈴形試樣；撕裂性能按照GB/T 529—2008進(jìn)行，采用直角形試樣。

（3）生熱性能。壓縮生熱測(cè)試按照GB/T 1687.3—2016進(jìn)行。

（4）動(dòng)態(tài)性能。采用動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，按照GB/T 9870.1—2006進(jìn)行。溫度掃描條件為：溫度范圍 —20～80 ℃，升溫速率 2℃·min-1，應(yīng)變 7%±0.25%。

（5）成品輪胎室內(nèi)性能。輪胎耐久和高速性能按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；滾動(dòng)阻力按照ISO 28580：2018《乘用車、載重汽車和客車輪胎 滾動(dòng)阻力測(cè)量法 單點(diǎn)試驗(yàn)和測(cè)量結(jié)果的相關(guān)性》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

硅格粉的理化性能如表2所示。

表2 硅格粉的理化分析結(jié)果

從表2可以看出，硅格粉的各項(xiàng)理化分析結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從氮吸附比表面積上看，其與高分散115型白炭黑相似，但加熱減量較高，這是由于硅格粉中存在大量官能團(tuán)。

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

從表3可以看出：1#—3#配方膠料的門(mén)尼焦燒時(shí)間變化不大，說(shuō)明添加硅格粉不影響膠料的加工安全性能；與1#配方膠料相比，2#和3#配方膠料的門(mén)尼粘度均略有提高，且2#配方膠料的門(mén)尼粘度高于3#配方膠料，這是由于白炭黑表面含有羥基基團(tuán)，其與橡膠的作用力大于硅格粉與橡膠之間的作用力[9]。

從表3還可以看出，1#和2#配方膠料的FL和Fmax基本相同，而3#配方膠料的FL和Fmax較低，說(shuō)明3#配方膠料的流動(dòng)性優(yōu)于1#和2#配方膠料，其交聯(lián)程度稍低于1#和2#配方。t90和CRI表征膠料的硫化速度，t90越短，CRI越大，表明膠料的硫化速度越快。由表3可知，t90由短到長(zhǎng)的膠料配方排序?yàn)?#，3#，2#，CRI指數(shù)由大到小的膠料配方排序?yàn)?#，3#，2#。說(shuō)明1#配方膠料硫化速度最快，2#配方膠料硫化速度最慢，3#配方膠料硫化速度居中。這是因?yàn)榘滋亢趯?duì)促進(jìn)劑的吸附作用要高于硅格粉，導(dǎo)致膠料中的促進(jìn)劑含量減小，使硫化速度降低。添加硅格粉能夠緩解白炭黑加工性能差、硫化效率低的問(wèn)題，不易產(chǎn)生焦燒[6，10]。

2.2.2 物理性能

小配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能如表4所示。

表4 小配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能

從表4可以看出：2#和3#配方硫化膠的密度均大于1#配方硫化膠；與1#配方硫化膠相比，2#配方硫化膠的定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度略有下降，撕裂強(qiáng)度和回彈值略高；與2#配方硫化膠相比，3#配方硫化膠的邵爾A型硬度相同，定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度略有下降，回彈值略有提高。

2.2.3 生熱性能

生熱性能分析主要分為壓縮生熱分析和DMA分析。壓縮生熱能夠反應(yīng)橡膠在壓縮屈撓后的溫升情況[11]，而DMA可以較好地表征硫化膠的滾動(dòng)阻力性能，硫化膠在60 ℃時(shí)的損耗因子（tanδ）越小，表明膠料的滾動(dòng)阻力越小，滯后損失越少，生熱越低。

小配合試驗(yàn)硫化膠的生熱性能如表5所示。

表5 小配合試驗(yàn)硫化膠的生熱性能

從表5可以看出，與1#配方硫化膠相比，2#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降6.52%和10.20%，3#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降9.99%和17.35%。3#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ較2#配方硫化膠明顯下降。這是因?yàn)楣韪穹鄣哪承┕倌軋F(tuán)與橡膠內(nèi)部大分子形成了作用力，限制了橡膠內(nèi)部大分子的運(yùn)動(dòng)，減少了橡膠分子的內(nèi)摩擦，從而使得膠料的生熱下降，滯后損失降低，滾動(dòng)阻力減小。

2.3 大配合試驗(yàn)

2.3.1 硫化特性

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表6所示。

表6 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

從表6可以看出，2#和3#配方膠料的門(mén)尼粘度、門(mén)尼焦燒時(shí)間、t90和CRI的變化趨勢(shì)基本與小配合試驗(yàn)?zāi)z料相同，兩者具有較好的相關(guān)性，說(shuō)明3#配方膠料在生產(chǎn)中的加工安全性高，可用于批量化生產(chǎn)。

2.3.2 物理性能

大配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能如表7所示。

表7 大配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能

從表7可以看出，大配合試驗(yàn)硫化膠的各項(xiàng)物理性能與小配合試驗(yàn)相差不大。與2#配方硫化膠相比，3#配方硫化膠的邵爾A型硬度、定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度略有下降，回彈值略有提高。

2.3.3 生熱性能

大配合試驗(yàn)硫化膠的生熱性能如表8所示。

表8 大配合試驗(yàn)硫化膠的生熱性能

從表8可以看出，與1#配方硫化膠相比，2#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降6.72%和10.78%，3#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降10.01%和17.65%，3#配方硫化膠的生熱水平明顯低于2#配方硫化膠，變化趨勢(shì)與小配合試驗(yàn)相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了硅格粉具有降低生熱的作用。

2.4 工藝性能

試驗(yàn)輪胎在生產(chǎn)過(guò)程中工藝性能正常，壓出膠料表面光滑平整，無(wú)異?，F(xiàn)象出現(xiàn)；壓出半成品尺寸正常，符合工藝要求，各工序均未見(jiàn)不良問(wèn)題出現(xiàn)。

2.5 成品輪胎室內(nèi)性能

為驗(yàn)證硅格粉在成品輪胎中的實(shí)際使用性能，選擇在12R22.5 18PR規(guī)格的輪胎中以1#配方膠料作為正常生產(chǎn)輪胎，以3#配方膠料作為試驗(yàn)輪胎，進(jìn)行了輪胎室內(nèi)性能測(cè)試，具體結(jié)果如表9所示。

表9 成品輪胎室內(nèi)性能對(duì)比

從表9可以看出，正常生產(chǎn)輪胎和試驗(yàn)輪胎的高速和耐久性能均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，耐久性能測(cè)試?yán)塾?jì)行駛時(shí)間均在65 h左右，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（≥47 h）要求。

正常生產(chǎn)輪胎和試驗(yàn)輪胎25 ℃時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù)分別為6.10和6.05 N·kN-1，與硫化膠的壓縮生熱和tanδ測(cè)試結(jié)果相一致。

以上結(jié)果說(shuō)明加入硅格粉的輪胎高速和耐久性能滿足使用要求，同時(shí)可降低輪胎的滾動(dòng)阻力。

3 結(jié)論

（1）在全鋼載重子午線輪胎胎肩墊膠中加入硅格粉，其焦燒時(shí)間基本不變，門(mén)尼粘度和硫化速度適中，添加硅格粉不影響膠料的加工安全性，適合大批量生產(chǎn)。

（2）通過(guò)小配合和大配合試驗(yàn)結(jié)果可知，加入硅格粉膠料的邵爾A型硬度基本不變，定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度略有降低，回彈值提高，壓縮生熱和tanδ均下降。

（3）通過(guò)輪胎室內(nèi)性能測(cè)試結(jié)果可知，使用硅格粉的輪胎不僅能夠滿足高速和耐久性能的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且其滾動(dòng)阻力系數(shù)小于正常生產(chǎn)輪胎，可以節(jié)約燃油費(fèi)用，提高品牌競(jìng)爭(zhēng)力。