低滾動阻力胎面膠配方優化設計

劉 琦，孫學紅，李文東，李 輝

（1.青島科技大學 高分子材料與工程學院，山東 青島 266042；2.北京橡膠工業研究設計院，北京 100143；3.寧夏神州輪胎有限公司，寧夏 平羅 753400）

近年來，人們對汽車安全、舒適、節能的要求逐年提高，相應對輪胎性能的要求也趨于苛刻。高抗濕滑性能、超耐磨性能和低滾動阻力被稱為輪胎性能的“魔鬼三角”，同時三者之間相互影響、相互制約[1-2]。輪胎的滾動阻力是車輛在行駛過程中輪胎受到的空氣阻力、胎面與地面接觸時的摩擦阻力以及組成胎面膠各種聚合物大分子鏈間的摩擦阻力總和。阻礙車輛行駛的阻力中，輪胎的滾動阻力占總阻力的20%～30%，油耗量占車輛總油耗量的約14%。研究發現[3-5]，輪胎的滾動阻力降低30%，車輛可節約油耗量4.5%～6.0%；由胎面膠產生的滾動阻力占輪胎總滾動阻力的40%～50%，由此直接造成的油耗量占車輛總油耗量的約7%。隨著歐洲和美國對輪胎性能要求的提高，輪胎制造商需不斷創新來提高輪胎的三大行駛性能。

本工作通過分析胎面膠滾動阻力的影響因素，根據低滾動阻力胎面膠配方的設計要求[6-10]對低滾動阻力胎面膠配方進行優化設計。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石油化工股份有限公司產品；炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；白炭黑175GR，山西同德化工股份有限公司產品；偶聯劑Si69，景德鎮宏柏化學科技有限公司產品；氧化鋅，揚州振中鋅業有限公司產品；促進劑NS和CZ，山東尚舜化工有限公司產品。

1.2 試驗配方

3種不同低滾動阻力胎面膠配方如表1所示。

表1 3種不同低滾動阻力胎面膠配方 份

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機和XLB-800型平板硫化機，青島先銳機電有限公司產品；XK-660型開煉機和GN255型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；BB430型密煉機、BB-2小型密煉機和輪胎均勻性試驗機，日本神戶制鋼公司產品；門尼粘度儀、無轉子硫化儀、炭黑分散儀和RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；DIN磨耗儀、阿克隆磨耗儀和輪胎強度試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；輪胎耐久性試驗機，青島高校測控技術有限公司產品；X光檢測儀，德國依科視朗國際射線有限公司產品；動平衡試驗機，美國阿克隆公司產品；輪胎氣泡試驗機，德國斯泰茵必西勒公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗

小配合試驗設備選用BB-2型密煉機、XK-160型開煉機和XLB-800型平板硫化機。

膠料混煉分兩段，均在密煉機中進行。一段混煉壓力為2.5 MPa，工藝為：生膠、1/2炭黑和小料（轉子轉速為60 r·min-1）→壓壓砣50 s→1/2炭黑、環保芳烴油（轉子轉速為60 r·min-1）→壓壓砣30 s→提壓砣、清掃10 s（轉子轉速為50 r·min-1）→壓壓砣60 s→提壓砣10 s（轉子轉速為50 r·min-1）→排膠（壓壓砣300 s或145 ℃）。一段混煉膠在開煉機上包輥[輥筒溫度為（50±5） ℃]，下片，停放8 h。二段混煉轉子轉速為40 r·min-1，壓力為2.5 MPa，工藝為：一段混煉膠、硫黃和促進劑→壓壓砣50 s→提壓砣、清掃10 s→壓壓砣60 s→提砣10 s→排膠（壓壓砣200 s或溫度為105 ℃）。二段混煉膠在開煉機上包輥，左右各均勻割刀5次[輥筒溫度為（40±5） ℃]，下片，停放24 h。

混煉膠在平板硫化機上進行硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

1.4.2 大配合試驗

大配合試驗設備選用XK-660型開煉機、BB430和GN255型密煉機以及膠片冷卻線。

（1）塑煉工藝。膠料塑煉在BB430型密煉機中進行，轉子轉速為50 r·min-1，壓力為13 MPa，超排溫度為175 ℃，超排時間為180 s，工藝為：生膠→壓壓砣60 s→加入20份炭黑→壓壓砣40 s→清掃5 s→排膠（壓壓砣80 s或溫度為170 ℃），停放2 h。

（2）混煉工藝。膠料混煉分3段。一段混煉在BB430型密煉機中進行，混煉壓力為13 MPa，超排溫度為160 ℃，超排時間為200 s，工藝為：炭黑母膠和小料（轉子轉速為45 r·min-1）→壓壓砣30 s→部分炭黑（轉子轉速為40 r·min-1，壓壓砣50 s或120 ℃）→提壓砣、清掃5 s→環保芳烴油（轉子轉速為40 r·min-1）→壓壓砣20 s→提壓砣（轉子轉速為40 r·min-1）→排膠（壓壓砣80 s或溫度為155 ℃），停放2 h。二段混煉在BB430型密煉機中進行，轉子轉速為30 r·min-1，壓力為12 MPa，超排溫度為160 ℃，超排時間為160 s，工藝為：一段混煉膠和剩余炭黑→壓壓砣 30 s→提壓砣、清掃5 s→壓壓砣30 s→提壓砣→排膠（壓壓砣60 s或溫度為155 ℃），停放4 h。三段混煉在GN255型密煉機中進行，轉子轉速為25 r·min-1，壓力為12 MPa，超排溫度為120 ℃，超排時間為180 s，工藝為：二段混煉膠、硫黃和促進劑→壓壓砣40 s→提壓砣、清掃5 s→壓壓砣40 s→提壓砣→排膠（壓壓砣60 s或溫度為105 ℃），停放4 h。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按照相應國家或企業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 小配合試驗

小配合試驗結果如表2所示。從表2可以看出：1#和2#配方膠料60 ℃時的損耗因子（tanδ）相對較低，表明其滾動阻力較小；1#配方膠料的密度、壓縮永久變形和溫升較小，說明其成品輪胎質量較小，在行駛過程中的能耗較低。分析認為，BR具有較低的滾動阻力；炭黑N220的結構度相對炭黑N234低，而低結構炭黑在確保胎面膠耐磨性能的同時可最大限度降低輪胎滾動阻力；添加油料有利于提高胎面膠的加工性能，降低膠料混煉過程中的能量損耗。

綜上所述，1#配方膠料的綜合性能較好。

2.2 大配合試驗

大配合試驗結果如表3所示。從表3可以看出，大配合試驗結果與小配合試驗結果具有較好的一致性。

2.3 成品試驗

采用1#配方試制規格為295/75R22.5的低滾動阻力試驗輪胎，并對其進行耐久性能和高速性能測試。

耐久性試驗條件如表4所示。試驗結果為：試驗結束時速度 90.3 km·h-1，試驗結束時負荷率 150%，通過試驗階段 9，累計行駛時間 87.3 h，累計行駛里程 6 188.6 km，試驗結束時輪胎狀

況 胎冠起鼓。

表2 小配合試驗結果

表3 大配合試驗結果

表4 成品輪胎耐久性試驗條件和結果

高速性能試驗條件如表5所示。試驗結果為：試驗結束時速度 120 km·h-1，達到試驗階段 7，累計行駛時間 16.6 h，累計行駛里程 1 352 km，試驗結束時輪胎狀況 胎冠脫層。

綜上可知，試驗輪胎的耐久性能和高速性能非常優異，達到我公司對低滾動阻力輪胎胎面膠的技術要求。

表5 成品輪胎高速性能試驗條件和結果

3 結語

通過大小配合試驗，確定最優低滾動阻力胎面膠配方。按照最優配方試制10條成品輪胎并隨機抽取4條送國家標準實驗室進行低滾動阻力試驗，抽檢輪胎全部通過有關美國輪胎法規對低滾動阻力輪胎的技術要求，同時我公司順利拿到出口美國的SmartWay認證證書。該配方輪胎在我公司通過試驗驗證后現已進入量產階段，其優異的行駛性能和較低的生產成本給消費者和企業帶來較好的經濟效益。