改性短纖維FB-200在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應用

黃振華，施大全，黃晶晶，余團清，朱志鵬，王曉六

（福建省海安橡膠有限公司，福建 莆田 351254）

巨型全鋼工程機械子午線輪胎的載質量大，工作環境苛刻，行駛路面不平且有尖銳的碎石塊等雜物，受硬物沖擊大，行駛速度較慢，經常晝夜連續作業，胎面易被割傷、刺穿、出現崩花掉塊和熱剝離等現象。因此，巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠的性能要求是耐磨、抗切割、抗刺扎、抗崩花掉塊、耐熱、彈性好和硬度高等，這些性能要求在配方設計中很難同時滿足，因此應根據輪胎的不同工況條件設計相應的配方。

改性短纖維FB-200是一種功能性橡膠用新材料，微觀長徑比為1∶6~1∶10，在膠料中能增大長度方向的剛性，在降低膠料生熱的同時提高力學性能，改進膠料的耐磨性能和抗切割性能。由于改性短纖維FB-200表面的極性基團在混煉過程中產生的反應中間體會與炭黑顆粒起化學反應，降低填料-填料之間的相互作用（增強培恩效應），減小膠料內摩擦，因此能改善膠料的滯后性能。為得到最佳的膠料性能，本研究采用適合的煉膠工藝使改性短纖維FB-200與填料和橡膠分子充分反應（在140 ℃下反應一定時間）。

本工作主要研究改性短纖維FB-200在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國產品；氧化鋅，泉州中泰鋅業有限公司產品；炭黑N220，卡博特化工（天津）有限公司產品；改性短纖維FB-200，廈門寶橡橡塑材料有限公司產品；硅烷偶聯劑X50-S，贏創嵐星化學工業有限公司產品。

1.2 試驗配方

生產配方：NR，100；炭黑N220，40；白炭黑，10；B型防護蠟，1.5；硅烷偶聯劑X50-S，2；氧化鋅，3；防老劑4020/RD，3；增塑劑A50P，2；其他，8。

試驗配方：配方A除添加4份改性短纖維FB-200，配方B除添加6份改性短纖維FB-200外，其余與生產配方相同。

1.3 主要設備與儀器

X（S）M-1.5×（10～100）型智能實驗密煉機和XK-160開煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產品；GK-270N型密煉機和GK-400N型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；GTM2000A型無轉子硫化儀，高鐵檢測儀器有限公司產品；LX-A型硬度計和401A型熱老化試驗箱，江都精誠測試儀器廠產品；平板硫化機，泉州金鷹機械有限公司產品；UT-2080型拉力試驗機，臺灣優肯科技股份有限公司產品；橡膠壓縮生熱試驗機，北京澳瑪琦科技發展有限公司產品；RCC-I型橡膠動態抗切割試驗機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品。

1.4 試樣制備

小配合試驗膠料混煉分3段進行。一段和二段混煉在X（S）M-1.5×（10～100）型密煉機中進行，一段混煉（初始轉子轉速為50 r·min-1）工藝為：生膠→部分炭黑、白炭黑及改性短纖維FB-200、部分小料→溫度達到140 ℃時轉速降至20 r·min-1→提壓砣90 s→轉速升至50 r·min-1→壓壓砣→排膠［（155±5） ℃］，最高膠溫不超過165 ℃；二段混煉轉子轉速為40 r·min-1，工藝為：一段混煉膠→剩余炭黑及小料→排膠［（140±5）℃］。三段混煉在開煉機上進行，工藝為：二段混煉膠→硫黃、促進劑→薄通→下片（輥距2.0 mm，輥溫25~40 ℃，膠溫不高于85 ℃）。各段混煉膠停放時間不少于8 h。

大配合試驗膠料混煉分4段進行。一段、二段、三段混煉在GK-400N型密煉機中進行，轉子轉速為40 r·min-1，一段混煉為塑煉，工藝為：3#煙膠片→塑煉→排膠（140~150 ℃）；二段、三段混煉工藝分別與小配合試驗一段、二段混煉工藝相同。四段混煉在GK-270N型密煉機中進行，轉子轉速為20 r·min-1，工藝為：三段混煉膠→硫黃、促進劑→排膠（90~105 ℃）。各段混煉膠停放時間不少于8 h。

1.5 性能測試

抗切割性能采用橡膠動態抗切割試驗機進行測試，按企業標準執行，轉速720 r·min-1，沖擊頻率120 min-1，切割損失率用試驗前后試樣質量損失率表征。膠料其它各項性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化性能

改性短纖維FB-200的理化性能如表1所示。從表1 可以看出，改性短纖維FB-200的理化性能均達到企業標準要求。

表1 改性短纖維FB-200的理化分析結果

2.2 小配合試驗

2.2.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性如表2所示。從表2可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的ML和MH較大；改性短纖維用量增大，ML和MH增大；試驗配方膠料的焦燒時間比生產配方膠料長，加工安全性較好；試驗配方A膠料硫化速度比生產配方膠料慢，改性短纖維用量較大的試驗配方B膠料的焦燒時間較短，硫化速度略快。

表2 小配合試驗膠料的硫化特性（143 ℃）

2.2.2 物理性能

添加改性短纖維FB-200的膠料混煉到140 ℃并且至少繼續混煉90 s是為了使改性短纖維能夠更好地與填料發生化學反應，填料的羧基自由基與橡膠分子發生化學反應，重新結合聚合物自由基和炭黑自由基，還可以使改性短纖維在膠料中更好地分散，使膠料達到最佳的物理性能。

小配合試驗膠料的物理性能如表3所示。從表3可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方A膠料的硬度、定伸應力、拉伸強度增大，壓縮生熱降低，切割損失率和阿克隆磨耗量減小，分析認為，添加的改性短纖維FB-200能提高長度方向的剛性，在混煉過程中產生的反應中間體與炭黑顆粒發生化學反應，使膠料交聯密度提高，物理性能改善，而且改性短纖維FB-200是經過化學改性的產品，表面活性能大，與填料表面的相互作用降低了填料-填料之間的相互作用，因而減小了膠料內部的摩擦，使膠料的滯后性能得以改善；改性短纖維用量較大的試驗配方B膠料的定伸應力較大，但拉伸強度和拉斷伸長率較小、耐熱性能和抗切割性能較差，這可能與膠料含膠率降低以及短纖維分散性不好有關。

表3 小配合試驗膠料的物理性能

2.3 大配合試驗

為了進一步驗證改性短纖維FB-200在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應用效果，選擇試驗配方A進行大配合試驗。

2.3.1 硫化特性

大配合試驗膠料的硫化特性如表4所示。從表4可以看出，大配合試驗結果與小配合試驗結果基本一致。

表4 大配合試驗膠料的硫化特性（143 ℃）

2.3.2 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能如表5所示。從表5可以看出，大配合試驗結果與小配合試驗結果基本一致。

表5 大配合試驗硫化膠的物理性能

2.4 工藝性能

3 結論

添加改性短纖維FB-200的試驗配方膠料擠出型膠表面光滑、邊緣齊整，擠出尺寸穩定性好，工藝性能好。

在巨型全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中添加適當（4份）改性短纖維FB-200，可以降低膠料生熱，提高輪胎抗切割和耐磨性能，延長輪胎使用壽命。