用于提高卡車輪胎耐磨性的窄聚集體尺寸分布炭黑

殷 茜, 張蘭波 編譯

（中國石油蘭州化工研究中心, 甘肅 蘭州 730060）

用于提高卡車輪胎耐磨性的窄聚集體尺寸分布炭黑

殷 茜, 張蘭波 編譯

（中國石油蘭州化工研究中心, 甘肅 蘭州 730060）

采用炭黑制備新技術制備了卡車輪胎用窄聚集體尺寸分布（ASD）炭黑，并與目前ASTM標準炭黑N134進行了對比。結果表明，與N134炭黑相比，含窄ASD炭黑膠料制備的輪胎胎面膠，在保持滾動阻力基本不變的情況下，耐磨性能提高了8%，它是滾動阻力和耐磨性能達到平衡的卡車輪胎用理想增強劑。

炭黑；胎面膠；耐磨性能；聚集體尺寸分布

0 前 言

炭黑是卡車輪胎最重要的一種增強填料。為了滿足輪胎的耐磨性需求，研究人員已研發出很多牌號的炭黑（如圖1所示）。過去用于提高卡車輪胎耐磨性能的方法是加入高比表面積炭黑。然而，炭黑的比表面積越大，就越難達到好的分散效果。當炭黑的比表面積增大到一定程度時，輪胎的耐磨性能就不能進一步提高。以ASTM標準炭黑N134為例，其用于輪胎時，輪胎的耐磨性能在達到最大值后開始下降。此外，隨著炭黑比表面積的增大，出現了顯著的填料-填料網絡結構，這會對橡膠的滯后作用產生不利影響。雖然生產商能夠生產出較細粒子的炭黑，但較細的炭黑難以達到適度的分散及增加滯后作用，因而將其用于卡車輪胎并無實際的益處。

新的目標是在保持胎面膠滯后水平和加工性能的基礎上，通過調整炭黑的形態以達到顯著提高胎面膠耐磨性能的目的。保持參比炭黑特有的比表面積水平，以聚集體尺寸分布（ASD）為指標制備炭黑。為了生產窄ASD炭黑，通過采用現代計算機模擬技術，研發出了高難度的炭黑生產技術，生產窄ASD炭黑。以下將集中介紹采用這些新技術研制出新炭黑牌號EB262對卡車輪胎性能的影響。

圖1 炭黑的比表面積對胎面膠磨損率的影響

1 窄ASD炭黑

表1列出了N134炭黑和EB262炭黑主要性能的對比。可以看出，兩種炭黑具有相同的比表面積和相似的結構水平，但窄ASD牌號炭黑的著色性明顯增大，而著色性在輪胎工業中常被用于表征耐磨性能。著色性由特定的ASD差異所造成。

表1 EВ 262炭黑和N134炭黑的主要性能對比

圖2 EВ262和N134炭黑的АSD

圖2示出了兩種炭黑的ASD。可以看出，窄ASD的EB 262在STSA和COAN恒定的條件下，中等尺寸聚集體增多，大尺寸和非常小尺寸的聚集體明顯減少。尤其是小尺寸的炭黑聚集體在工業規模的混煉中很難分散，經常會成為大的炭黑團聚體，與大的炭黑團聚體一樣都對橡膠增強沒有貢獻，而提高材料的耐磨性能只能通過使小炭黑聚集體更好地分散來實現。

2 窄ASD對橡膠性能的影響

當高比表面積炭黑用于卡車輪胎胎面膠時，其ASD曲線對橡膠的最終性能有很大影響。由于炭黑的分散效果對材料的耐磨性至關重要，目前的研究開始更多地關注于炭黑的分散混煉工藝。現有橡膠密煉機的主要區別在于轉子的形狀和尺寸。市場上有切向式（N型）和嚙合式（E型）兩種密煉機。N型密煉機具有價格低廉和產量高的特點，使其成為輪胎工業炭黑混煉的先進設備。相比之下，E型密煉機混煉技術則多用于客車輪胎胎面膠硅-硅烷體系的混煉，其較高的冷卻能力使其可精確地控制所需的硅烷化反應。在相同的混煉條件下，E型密煉機能使N220系列炭黑具有更好的分散性能。在對高比表面積的N134炭黑及EB262炭黑分別所做的密煉研究，證實了這一相關性的正確性。這一研究結果可用于密煉周期的優化，以進一步評估窄ASD炭黑。

在容積為1.5 L、轉子為交叉式實驗室型E型密煉機上（GK1.5E）進行新型窄ASD炭黑的性能試驗。在天然橡膠卡車輪胎配方中加入52份炭黑（見表2）。采用兩步法進行混合，炭黑在第1階段混煉中分2次加入。炭黑聚集體的分散狀態可以通過每次混煉階段后刀片切成樣品的表面形狀測量來表征。該方法是基于含未分散炭黑聚集體橡膠的模量高于炭黑聚集體分散均勻的橡膠的模量這一事實。生成膠料表面的粗糙度與其下的炭黑分散直接相關。根據總缺陷面積，評估出具有2～30 μm高的缺陷面積，表3列出了相應的橡膠性能對比。可以看出，橡膠混煉膠中總缺陷面積低于2%，表明聚集體的分散效果優異。值得注意的是，窄ASD牌號的炭黑都具有較低的表面形狀測量平均值，因而在相同的密煉條件下具有更高的分散性。就橡膠的靜態和動態性能而言，則表現出很大的差異。較高的模量和動態剛度表明橡膠已獲得較高的補強作用。但是較高的模量，并未伴隨應變行為的大幅降低或較高的滯后損失。無論是拉斷伸長率還是損耗因子（tan δ）均處在相同的水平。可以看出，與通用的ASTM標準N134炭黑相比，窄ASD的EB262炭黑制得的橡膠產品具有優異的綜合性能，在保持滾動阻力恒定的情況下，可改善卡車胎面膠膠料的耐磨性能。

耐磨性能根據ISO 23233標準采用LAT100磨耗試驗機在實驗室中進行測試。在嚴格的條件下，耐磨性提高了7%～11%（平均提高為8%）。為了證實實驗室的數據，將翻新后的卡車輪胎安裝在驅動軸上進行了輪胎磨損測試。在運行60 000 km后，輪胎的耐磨性能提高了9%，而在測試鼓上測得的滾動阻力值基本保持不變（如圖3所示）。

表2 天然橡膠新型胎面膠配方

表3 含N134炭黑和EВ262炭黑輪胎胎面膠性能對比

3 結 語[1]

結果表明，與通用的ASTM標準N134炭黑相比，采用新技術研制的EB262炭黑具有窄的ASD，其可顯著提高輪胎的耐磨性能。關于對炭黑分散性影響的設想由填充橡膠數據、實驗室耐磨數據以及輪胎測試結果所證實。在保持拉斷伸長率、滯后作用不變的情況下，動態剛度和300%定伸應力增大，這就是窄ASD炭黑的主要作用。EB262炭黑具有高耐磨損性能，而對輪胎的滾動阻力并不產生影響的一種炭黑牌號。

理想的卡車輪胎需要同時具有低滾動阻力和高耐磨性能。目前標準ASTM炭黑等級不能同時兼顧兩種性能，無論是優化滾動阻力還是優化耐磨性能，均以損失其他一些關鍵性能為代價（如圖4所示）。

圖3 長期使用后輪胎性能測試結果(驅動軸)

圖4 窄АSD炭黑是平衡卡車輪胎性能的較優選擇

相比而言，由于窄ASD炭黑可以增強橡膠，不固定比表面積范圍，因而窄ASD炭黑被當作減小性能損失的一種方案。低比表面積炭黑(如比表面積和結構與N234炭黑相似的EB237)除了具有最好的耐磨性能（如EB262），還具有低滾動阻力和高耐磨性能之間的平衡。

[1] Florian Diehl, Werner Niedermeier, Lin Bradley. Narrow Aggregate Size Distribution Blacks for Wear Improvement of Truck Tires[J]. Rubber World,2016,253(5):34-36.

[責任編輯：翁小兵]

TQ 330.38+1

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1671-8232(2017)02-0005-03

2016-10-20

殷茜（1972— ），女，江蘇鎮江人，碩士，高工，主要從事石油化工編輯工作。