胎面膠抗切割性能的研究

趙江華，朱健鵬,張洪學

(江蘇通用科技股份有限公司 研發中心，江蘇 無錫 214000)

根據輪胎的行駛路面不同，胎面膠對抗切割、抗掉塊性能的要求不同。全鋼中短途承載輪胎、礦山胎的行駛路面通常為含有沙石的苛刻路面，對胎面膠的抗切割、抗掉塊性能要求較高。由于這種路面對胎面有嚴重的破壞作用，極大地限制了輪胎的使用壽命，因此，研究配方的抗切割性能具有重要意義。

目前，張勛民等[1]報道了N326炭黑替代N234炭黑應用于礦山胎面膠的研究，膠料的拉伸強度、撕裂強度、拉斷伸長率以及成品胎的耐久性能有了顯著的提升。郭明明等[2]報道了TYC-0500抗撕裂樹脂在工程子午胎中的應用，膠料的硬度、拉斷伸長率和耐切割性能明顯地提升。王虎等[3]通過在配方中增加丁苯橡膠并用量，采用N231炭黑替代N220炭黑提高了膠料的抗掉塊、抗崩花性能，延長了輪胎的使用壽命。李克萌等[4]通過增大配方中白炭黑用量、減少Si69含量，提高膠料的硬度、定伸應力以及抗掉塊性。值得注意的是，到目前為止，沒有系統地從生膠體系、填料體系、硫化體系等方面研究并解釋胎面膠抗切割性能的報道。

胎面膠的抗切割性能屬于高分子材料抗沖擊破壞性能[5-8]。高分子材料的沖擊破壞包含兩個過程：裂紋引發階段和裂紋擴展階段。裂紋引發能與高分子材料的主價鍵力、內聚強度、疲勞性能相關，裂紋擴展能與高分子材料的結晶、裂紋尖端塑彈形變相關。因此，凡是能夠影響高分子材料引發能和擴展能的因素都會影響胎面膠的抗切割性能。

本文從配方設計的角度系統地研究了生膠體系、填料體系、樹脂以及硫化體系對膠料抗切割以及其它物理、機械加工性能的影響，對于未來抗掉塊配方設計具有鋪墊作用。

1 實驗部分

1.1 原料

天然橡膠：泰國小煙片；丁苯橡膠1502：中國石化上海高橋分公司；順丁橡膠 BR9000：上海雪標公司；RT260樹脂:臺州黃巖東海化工有限公司；白炭黑：山東聯科公司；N330、N234、N115炭黑:卡博特公司；Si69、防老劑、氧化鋅、硬脂酸、促進劑NS、硫黃等均為市售工業品。

1.2 儀器設備

雙輥開煉機：D160×320，無錫后宅振興機械有限公司；小型密煉機：1.5 L，利拿機械廠；平板硫化機：湖州順力橡膠機械有限公司；DIN/Akron磨耗機：高鐵公司；拉伸實驗機：英斯特朗有限公司；門尼/流變/橡膠加工分析儀：美國Alpha技術公司； RCC-I型動態試驗切割機：北京萬匯一方科技發展公司。

1.3 試樣制備

所有配方的基本性能評價均按照國標制備試樣，具體配方見表1、表3、表5、表7。所有配方均采用一段混煉法完成。按照配方要求，將橡膠、填料、小料等依次放入小型密煉機中，煉膠10 min，155 ℃排膠，得到母膠。將母膠放入輥溫為(75±5)℃的開煉機上并加入硫化體系粉料，薄通6次，打三角包6次下片并控制厚度為4 mm，得到混煉膠。混煉膠的硫化條件為151 ℃×35 min。

1.4 性能測試

混煉膠的硫化特性根據GB/T 16584—1996進行評價；門尼黏度按GB/T 1232—2000測定；焦燒硫化特性按GB/T 1233—2008測定；拉伸性能按GB/T528—92測定；邵爾A 型硬度按GB/T 531—92測定；撕裂性能采用直角形試樣按GB/T 529—2008測定；回彈性按GB/T 1681—2008測定；Akron磨耗性能按GB/T 1689—2014測定；DIN磨耗按GB/T 9867—2008測定。

2 結果與討論

2.1 橡膠種類對切割性能的影響

為了研究橡膠種類對胎面膠抗切割性能的影響，分別設計了含有天然橡膠、丁苯橡膠、天然/順丁橡膠并用的三個配方，如表1所示。同時對其物理、機械加工性能進行了測試，實驗結果如表2所示。從表2可以看出，與1#配方相比，2#配方的體積切割量降低了一半左右，說明丁苯橡膠的耐切割性能、拉斷伸長率顯著優于天然橡膠。其主要的原因是與天然橡膠相比，丁苯橡膠的主價鍵力強，鏈段滯后損失大、耐疲勞性好，能夠通過內摩擦以生熱的形式緩解應力對材料的破壞。值得注意的是，與1#天然橡膠配方相比，基于丁苯橡膠2#配方的耐磨性更為優秀。高分子材料的耐磨性也屬于材料的破壞，只是破壞的方式不同。與天然橡膠配方相比，丁苯橡膠鏈段內摩擦大、內聚強度高，能夠抑制裂紋的形成。此外，苯乙烯基團提高了主鏈的強度，又能夠穩定熱氧、力化學反應造成的自由基連鎖反應，減少材料力化學破壞速度。與1#配方相比，3#配方的抗切割能力顯著下降。說明順丁橡膠的加入顯著地降低了膠料的抗切割能力，其原因是順丁橡膠分子鏈柔順，分子內聚強度低，不能有效地分散應力，而天然橡膠的拉伸結晶作用對抑制裂口增長有重要貢獻。

表1 含不同橡膠種類的耐切割配方(質量份)

表2 1#～3#膠料的物理機械性能1)

1) 硫化條件為151 ℃×35 min。

2.2 填料類型對切割性能的影響

高分子材料通過增韌改性能夠顯著提高抗沖擊破壞性能。輪胎膠料中最常用的填料就是炭黑和白炭黑。炭黑按照結構性和比表面積不同補強性能不同。如表3所示，設計了含有炭黑N330、N234、N115以及N234和白炭黑并用的配方，并對其物理、機械加工性能進行了測試。結果表明，隨著炭黑比表面積和結構度的增加，膠料的抗切割性能逐漸增加。此外，膠料的生熱、拉伸、撕裂性能等都有不同程度的增加。炭黑比表面積和結構度的增加能夠增加結合橡膠的含量，提高補強性能。受到周期性沖擊變形時，橡膠基體、填料之間以及屈服形變吸收大量變形能。炭黑橫跨在剪切帶上能夠起到傳遞、分散應力、終止裂紋擴展的作用，補強效果越好，這種作用越突出。值得注意的是，與1#配方相比，6#配方并用白炭黑后，拉伸強度、拉斷伸長率都有所下滑，但抗切割性能顯著提升。并用白炭黑提高抗切割性能的原因是與炭黑相比，白炭黑表面能高，變形過程中能夠消耗更多的變形能，抑制裂口的增長。

表3 含不同種類填料的膠料配方(質量份)

表4 含不同填料種類膠料的物理機械性能1)

1) 硫化條件為151 ℃×35 min。

2.3 抗裂口樹脂對抗切割性能的影響

為了研究抗裂口樹脂對膠料抗切割性能的影響，設計了7#、8#配方，如表5所示，測試結果如表6所示。抗裂口樹脂是一種能夠顯著增加膠料韌性的環戊二烯衍生物。該類材料能夠提高膠料韌性的原因是樹脂在應力作用下的塑性流動，與橡膠、填料黏結在一起，起到分散應力、抑制裂口形成與擴張的作用。與含有1份抗裂口樹脂的1#配方相比，不含有該樹脂的7#配方抗切割性能顯著下降。從表6可以發現，抗裂口樹脂的加入降低了膠料的硬度、300%定伸應力。而磨耗量則有一定程度的增加，原因是樹脂的增塑作用降低了橡膠分子的內聚強度，導致膠料耐磨性的下降。與1#配方相比，8#配方的耐切割性能有了小幅度的提升，其它物理機械性能沒有顯著的變化。

表5 不同含量抗裂口樹脂的膠料配方(質量份)

表6 不同含量抗裂口樹脂的膠料物理機械性能1)

1) 硫化條件為151 ℃×35 min。

2.4 硫化體系對抗切割性能的影響

為了研究硫化體系對膠料抗切割性能的影響，設計了9#～11#配方，如表7所示，測試結果如表8所示。硫化體系與交聯密度、交聯鍵類型直接相關。交聯密度和交聯鍵類型決定了高分子材料的脆韌類型。通常采用破壞能來描述高分子材料破壞時吸收能量大小。與1#配方相比，9#配方的硬度、300%定伸應力顯著地降低。膠料的拉斷伸長率的增加表明膠料的韌性有了一定程度的提升，膠料韌性的提高有利于抗切割性能的提升。促進劑用量由1.5份降低為1份時，硫化膠的多硫鍵含量增加，交聯密度可能會有一定程度的降低。多硫鍵含量的增加能夠更好地分散沖擊能量，抑制裂口的形成和增長。與1#配方相比，10#配方的硫黃量由1.0份降低到0.8份，其切割量由5.9%降低到4.65%，而其它性能沒有顯著變化。原因是硫黃量的減少造成交聯密度的降低，交聯密度的降低能夠減少應力集中對材料破壞。此外，11#配方的實驗結果進一步支持了該推斷。

表7 含不同硫化體系的膠料配方(質量份)

1) 硫化條件為151 ℃×35 min。

3 結 論

(1) 在同樣的條件下，丁苯橡膠的抗切割性能優于天然橡膠。與天然橡膠相比，順丁橡膠的抗切割性能最差。

(2) 填料種類對膠料抗切割性能研究表明，隨著炭黑結構度和比表面積的增加，膠料的抗切割性能提高。抗裂口樹脂的加入能提高膠料的抗切割性能，但會在一定程度上降低磨耗。

(3) 硫化體系對膠料抗切割性能的影響表明，促進劑和硫黃量的增加不利于膠料抗切割性能的提升。

參 考 文 獻：

[1] 張勛民,蔣化學.炭黑N326 在礦山用輪胎胎面膠中的應用[J].輪胎工業,2010,30(10):619-621.

[2] 郭明明,何 躍,張文濤.抗撕裂樹脂TYC-0500在工程機械子午線輪胎胎面膠中的應用[J].橡膠科技，2014(10):27-32.

[3] 王虎，劉樂.冷喂料胎面擠出斷面氣孔原因分析及解決措施[J].輪胎工業,2007,27(9):552-554.

[4] 李可萌,張洪.改進胎面膠配方提高工程機械輪胎抗切割性能[J].輪胎工業,2007,9(27):552-554.

[5] 李明遠,任亮,郭麗春,等.橡膠粒子粒徑對ABS樹脂結構與性能的影響[J].彈性體,2012,22(3):22-26.

[6] 李海東,程鳳梅,王宇明，等.EPDM增韌聚丙烯及其脆韌轉變機理的研究[J].彈性體,2005,15(5):23-25.

[7] 杜思瑩，杜遙雪，徐百平，等.同向非對稱雙螺桿混合石墨增強導熱高分子材料性能研究[J].中國塑料,2015,29(7):86-91.

[8] 于占昌. 抗沖擊高分子合金[J].世界橡膠工業,2011,38(1):17-23.