超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方的優化

劉 琦，李文東，李 輝，孫學紅

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

車輛在行駛過程中，特別是剎車時由于輪胎胎面和路面的接觸而產生摩擦，同時由于膠料的疲勞、老化等諸多因素導致了胎面的磨損。輪胎胎面膠的磨耗主要有磨損磨耗、卷曲磨耗和疲勞磨耗3種形式。胎面磨耗是指輪胎胎面與路面接觸而產生摩擦，摩擦使胎面膠表面發生微觀的局部變形破壞和掉渣，從而導致輪胎質量下降。按照橡膠碎片脫離的方式，其磨耗形式主要是磨損磨耗和疲勞磨耗。一般認為高速行駛輪胎的磨耗是磨損磨耗和疲勞磨耗的綜合結果，低速行駛輪胎以疲勞磨耗為主[1]。當輪胎胎面磨損到一定程度時就需要考慮更換輪胎或翻新胎面。另外，輪胎胎面磨損所產生的膠粉對環境也會造成污染，因此從環保角度出發，提高輪胎胎面膠的耐磨性能具有積極的現實意義。本工作對超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方進行優化，現將有關試驗情況介紹如下。

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北京燕山分公司產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1500E，中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司產品；炭黑N134，新疆中碳科技有限責任公司產品；白炭黑175GR，山西同德化工股份有限公司產品；硅烷偶聯劑TYC-Si69，江西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，山東尚舜化工有限公司產品；塑解劑SJ-103，萊蕪市瑞光橡塑助劑廠產品。

1.2 試驗配方

超耐磨胎面膠配方如表1所示。

表1 超耐磨胎面膠配方 份

1.3 主要設備和儀器

BB-2小型密煉機、BB430型密煉機和輪胎均勻性試驗機，日本神戶制鋼公司產品；XK-660型和XK-710型開煉機、GN255型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；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；MV2000型門尼粘度儀、MDR2000型無轉子硫化儀、DISPERGRADER炭黑分散儀和RPA2000型橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；DIN磨耗儀、AKRON磨耗儀和輪胎強度試驗機，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；輪胎耐久性試驗機，青島高校測控技術有限公司產品。

1.4 試樣制備

小配合試驗膠料在BB-2型密煉機中混煉，加料順序為生膠、1/2炭黑、白炭黑、硅烷偶聯劑、粘合樹脂、防老劑，轉子轉速為60 r·min-1→1/2炭黑及除硫黃以外的其他小料，轉子轉速變為50 r·min-1至結束，排膠時間460 s或溫度145 ℃，在XK-160型開煉機下片，停放8 h后加硫黃，下片，停放24 h。

大配合試驗膠料分三段混煉，一段和二段混煉均在BB430型密煉機中進行，一段混煉加料順序為生膠、白炭黑、硅烷偶聯劑等，轉子轉速為45 r·min-1→2/3炭黑，轉子轉速為40 r·min-1→其他，排膠時間190 s或溫度160 ℃，在XK-710型開煉機下片，停放2 h；二段混煉轉子轉速為35 r·min-1，將一段混煉膠、1/3炭黑和防老劑同時加入密煉機中，排膠時間130 s或溫度155 ℃，在XK-710型開煉機下片，停放4 h；三段混煉在GN255型密煉機中進行，加入二段混煉膠和硫黃，在XK-660型開煉機下片，停放20 h。

試樣在平板硫化機上硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

1.5 性能測試

各項性能均按相應的國家或企業標準測試。

2 結果與討論

2.1 配方優化設計思路

（1）生膠體系。綜合考慮到NR的物理性能、BR的超耐磨性能和SBR的抗濕滑性能，在設計超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方時經常采用NR/BR/SBR并用或NR/BR并用[2]。此次超耐磨胎面膠配方設計經過多次小配合試驗后確定NR用量為65～90份，BR用量為15～25份，SBR用量為5～15份時，硫化膠的物理性能尤其是耐磨性能非常好。

（2）補強體系。以1（N121和N134）開頭的炭黑具有超強的耐磨性能，雖然加工工藝性能差，但在混煉過程中炭黑一旦吃入后分散性較好，考慮到提高胎面膠的耐磨性能，配方設計時仍采用炭黑N134作為補強填充材料。

白炭黑的補強效果雖然沒有炭黑優異，但它可以提高胎面膠的低溫抗濕滑性能，且對低滾動阻力性能也有很大貢獻，因此在設計超耐磨胎面膠配方時，可考慮使用少量白炭黑，不使用硅烷偶聯劑或使用少量硅烷偶聯劑（一般白炭黑/硅烷偶聯劑用量比為5/1）。

（3）防護體系。目前在輪胎配方的防護體系中應用最廣泛的是防老劑4020，RD和3100，其用量一般根據輪胎部件的不同而改變。在胎面膠配方設計時，考慮到胎面膠的壓縮疲勞和壓縮生熱等因素，通常采用防老劑RD/4020并用，一般防老劑RD用量為1～1.5份，防老劑4020用量為1.5～2份。另外，在胎面膠配方設計中，橡膠防護蠟用量一般為1份。

其他配合體系參照常規的胎面膠配方設計原則確定。

2.2 小配合試驗

小配合試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的t90縮短，硫化膠的阿克隆磨耗量減小，其他物理性能均相對較好。

表2 小配合試驗結果

2.3 大配合試驗

根據小配合試驗結果，優選出4#和5#配方進行大配合試驗，試驗結果如表3所示。

表3 大配合試驗結果

從表3可以看出，與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的t90縮短，硫化膠的耐磨性能提高，但5#配方硫化膠的綜合物理性能優于4#配方硫化膠，而且5#配方硫化膠的密度小于1#和4#配方硫化膠。硫化膠的密度直接影響胎面自身質量，對于相同規格的輪胎，硫化膠的密度越小，則在行駛過程中胎面受到的滾動阻力越低，輪胎就更節能環保。

2.4 成品試驗

通過大配合試驗確定5#配方為最佳的超耐磨胎面膠配方，采用此配方試制了11R22.516PR試驗輪胎，抽檢1條試驗輪胎進行耐久和速度性能測試，并與正常輪胎（1#配方）進行對比。

耐久和速度性能試驗條件分別如表4和5所示，試驗結果如表6所示。從表6可以看出，試驗輪胎的耐久和速度性能均略優于正常輪胎。

表4 耐久性試驗條件和結果

表6 成品性能試驗結果

3 結論

通過調整超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方中的生膠體系、補強體系和防護體系等，膠料的t90縮短，硫化膠的耐磨性能改善，其他物理性能較好，成品輪胎的耐久和速度性能均提高。該優化配方已進入試生產階段。

表5 速度性能試驗條件和結果