硫化溫度對白炭黑填充胎面膠性能的影響

邊慧光，田曉龍，汪傳生，楊洪于

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

歐洲輪胎標簽法規和美國“雙反”政策使我國輪胎企業舉步維艱，我國輪胎企業要在國際市場占得一席之地，必須要提高輪胎質量。研發人員除了在配方和生產工藝上有所突破外，還應對硫化過程進行改進[1-3]。硫化是輪胎生產中的最后一個流程，也是輪胎加工中最主要的化學反應過程[4-7]，硫化溫度、時間和壓力對膠料和輪胎的性能具有重要影響。為提高輪胎生產效率與硫化均勻性，輪胎企業一般都采用高溫短時間硫化，而低溫長時間硫化一直未被深入探究。

本工作研究硫化溫度對白炭黑填充胎面膠性能的影響，為優化輪胎硫化工藝提供依據。

1 實驗

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號1723和RC2557-S，中國石油獨山子石化公司產品；天然橡膠（NR），STR20，詩董橡膠股份有限公司產品；炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；白炭黑，牌號1115MP，龍星化工股份有限公司產品。

1.2 配方

SSBR1723 13.75，SSBR RC2557-S 103.125，NR 15，炭黑N234 20，白炭黑 65，偶聯劑Si69 9.6，環保油 8，硫黃 1.2，促進劑 2.1，其他 8.5。

1.3 主要設備和儀器

XM-1.7Y型同步轉子密煉機，青島科技大學機電學院自制產品；XK-160型開煉機，青島科高橡塑裝備有限公司產品；QLB-400×400×2型平板硫化機，青島亞東橡膠機械廠產品；M-2000-AN型無轉子硫化儀，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；UT-2060型拉力試驗機，優肯科技股份有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；動態熱力學分析（DMA）儀，德國GABO公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉

膠料分兩段混煉。一段混煉在密煉機中進行，二段混煉在開煉機上進行。

一段混煉工藝為：生膠→小料（30 s）→2/3白炭黑（45 s）→炭黑和剩余白炭黑→環保油（110 ℃）→提壓砣（130 ℃）→清掃→壓壓砣→提壓砣（140 ℃）→清掃→壓壓砣→提壓砣（150 ℃）→排膠（160 ℃）。

二段混煉工藝為：一段混煉膠→硫黃和促進劑→薄通→下片→停放12 h。

1.4.2 硫化

為模擬輪胎的過硫狀態，將不同硫化溫度下的硫化時間設為（1.2～1.3）t90。硫化方案見表1。

表1 硫化方案

1.5 性能測試

（1）膠料性能按照相應國家標準進行測試。

（2）用RPA2000橡膠加工分析儀對膠料進行應變掃描。測試條件為：應變（ε） 0.27%～40%，頻率 1 Hz，溫度 60 ℃。

（3）用DMA儀測試膠料動態力學性能。測試條件為：頻率 10 Hz，靜態應變 5%，靜態應力 70 N，動態應變 0.25%，動態應力 60 N，溫度 －65～+65 ℃，升溫速率 2 ℃·min-1，拉伸模式。

2 結果與討論

2.1 物理性能

膠料的物理性能見表2。

表2 膠料的物理性能

從表2可以看出：隨著硫化溫度降低，硫化時間延長，膠料的定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率總體提高；但當硫化溫度降低到140 ℃時，膠料定伸應力降低。一般來說，硫化中前期以硫鍵（單硫鍵、雙硫鍵、多硫鍵）生成為主，硫化后期硫鍵生成與多硫鍵斷裂同時存在。在低溫長時間硫化過程中，硫化中后期仍以硫鍵生成為主；而在高溫短時間硫化過程中，交聯速度與多硫鍵斷裂速度均加快，硫化后期以多硫鍵斷裂為主，同時高溫下橡膠分子鏈本身斷裂還原，膠料交聯密度減小，物理性能降低。

從表2還可以看出：隨著硫化溫度降低，硫化時間延長，膠料的E增大。膠料的物理性能可以用E來表征，E用應力-應變曲線的積分面積表示。E越大，膠料的硫化網絡結構越好，物理性能越好。一般來說，多硫鍵的鍵能較小，雙硫鍵的鍵能較大，單硫鍵的鍵能最大。高溫硫化時，可能在多硫鍵斷裂的同時單硫鍵和雙硫鍵也被破壞，因此E較小。

總的來看，硫化溫度越高，硫化網絡結構越差；但硫化溫度過低，也會影響膠料物理性能和生產效率。本工作中，硫化溫度為150～160 ℃的膠料物理性能較好。

2.2 應變掃描

用RPA2000橡膠加工分析儀對膠料進行應變掃描，膠料的損耗因子（tanδ）-ε曲線見圖1。

從圖1可以看出：在相同硫化方案下，隨著應變增大，tanδ先快速增大后緩慢減小；當應變為5%～40%時，隨著硫化溫度升高，膠料tanδ總體增大，當溫度高于170 ℃時，tanδ有所減小；低溫硫化膠料的tanδ總體較小，生熱較低。

圖1 膠料的tanδ-應變曲線

2.3 動態力學性能

用DMA儀測試膠料在不同溫度下的tanδ、彈性模量（E′）和粘性模量（E″），分別見圖2—4和表3。

表3 0和60 °C時的tanδ

圖2 膠料的tanδ-溫度曲線

圖4 膠料的lgE″-溫度曲線

從圖2和表3可以看出：隨著硫化溫度升高，膠料在0和60 ℃時的tanδ先增大后減小。一般來說，0 ℃的tanδ越大，膠料的抗濕滑性能越好；60 ℃的tanδ越小，膠料的滾動阻力越低。綜合來看，低溫硫化的膠料抗濕滑性能較差，但滾動阻力較低。

從圖3和4可以看出：在測試溫度為0～60 ℃時，隨著硫化溫度升高，膠料E′總體降低，E″總體提高，硫化溫度提高到180 ℃時，E″有所降低。這是因為硫化過程中，硫黃與硬脂酸鋅（氧化鋅和硬脂酸絡合物）生成的硫載體在高溫下容易脫硫，未充分裂解的多硫基團與分子鏈活性自由基相連。同時，多硫鍵在高溫下極不穩定，易斷裂產生單分子鏈，從而失去硫化交聯作用。因此，隨著硫化溫度降低，膠料的彈性總體提高，粘性總體降低。

圖3 膠料的lgE′-溫度曲線

3 結論

（1）隨著硫化溫度降低、硫化時間延長，膠料的物理性能總體提高。硫化溫度為150～160 ℃的膠料物理性能較好。

（2）隨著硫化溫度降低，在應變掃描中，膠料的tanδ總體減小，生熱降低。

（3）低溫硫化的膠料抗濕滑性能較差，但滾動阻力較低。

（4）隨著硫化溫度降低，膠料的彈性總體提高，粘性總體降低。