綠色輪胎用低滯后炭黑性能的研究

李 健，梁智彪，汪國棟，陳翌斌，胡 琪，何宗霖

（江西黑貓炭黑股份有限公司，江西 景德鎮 333000）

綠色輪胎是節能、減排、有利于環保的新一代輪胎，其特點是滾動阻力低、抗濕滑性能和抗冰雪滑性能好，同時耐磨性能較好。綠色輪胎的應用極大地降低了車輛行駛所需的能耗，滾動阻力下降5%～6%，可降低車輛燃料消耗1%左右[1-4]。近年來，隨著對低能耗和低滾動阻力輪胎需求的不斷增大以及國家對超載超速的限制，人們對輪胎的耐磨性能和安全性越來越重視。為平衡輪胎滾動阻力、抗濕滑性能和耐磨性能的“魔三角”關系，輪胎行業對原材料的要求越來越高，特別是對胎面用炭黑的要求，既要求其填充補強性好，又要求其生熱低。

基于當前市場的變化尤其是電動汽車發展迅速的情況，低滯后炭黑的研發越來越迫切。本工作對我公司自主研發的X系列低滯后炭黑性能進行分析，并與胎面膠用傳統炭黑N234進行對比，探討炭黑對輪胎低滯后性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，中昊黑元化工研究設計院有限公司提供；炭黑N234、低滯后炭黑X2008和X2009，江西黑貓炭黑股份有限公司產品。

1.2 配方

生產配方：NR 100，炭黑N234 50，氧化鋅 4，硬脂酸 2，防老劑4020 2，硫黃 0.85，促進劑TBBS 1.4。

試驗配方分別以低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234，其他組分及用量同生產配方。

1.3 主要設備和儀器

XSM-1/10-120型密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；XKL-150型開煉機，廣東湛江機械廠產品；XLB-D400×400×2型平板硫化機，湖州東方機械有限公司產品；MDR Premier硫化儀和2020-DC型拉力試驗機，美國阿爾法科技有限公司產品；GT-RH-2000N型壓縮生熱機、GT-7042-RE型回彈機和GT-7012-A型阿克隆磨耗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；EXP 500N型動態熱力學分析（DMA）儀，德國GABO公司產品。

1.4 試樣制備

膠料采用常規混煉工藝混煉，一段混煉在密煉機中進行，密煉室初始溫度為90 ℃，轉子轉速為70 r·min-1；二段混煉在開煉機上進行（加硫黃和促進劑）。

膠料采用平板硫化機硫化，硫化條件為150℃×30 min。

1.5 測試分析

膠料各項性能均按照相應國家標準測定。炭黑透射電子顯微鏡（TEM）分析委托四川輕化工大學進行。

2 結果與討論

2.1 低滯后炭黑的性能表征

2.1.1 理化性能

X系列低滯后炭黑與炭黑N234的主要理化性能如表1所示。由表1可知，與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009的粒徑更大，結構更高，著色強度更低。

表1 X系列低滯后炭黑與炭黑N234的主要理化性能

2.1.2 聚集體尺寸分布

X系列低滯后炭黑與炭黑N234的聚集體尺寸分布分析結果如圖1和表2所示。

由圖1可知，與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009有較明顯的“拖尾”現象。

圖1 X系列低滯后炭黑與炭黑N234的聚集體尺寸分布分析結果

由表2可知，低滯后炭黑X2008和X2009的跨距（S）分別為0.970和0.984，炭黑N234的S為0.898，低滯后炭黑X2008和X2009的聚集體尺寸分布比炭黑N234寬。

表2 X系列低滯后炭黑與炭黑N234的粒徑分布

2.1.3 TEM分析

低滯后炭黑X2008和X2009與炭黑N234的TEM照片如圖2所示。

圖2 低滯后炭黑X2008和X2009與炭黑N234的TEM照片

從圖2可以看出：與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009的表面有較明顯的大小不一的微晶結構嵌在炭黑粒子表面，這些微晶體即為反應生成的小聚集體，正是這些小顆粒的存在使得炭黑顆粒表面更為粗糙、凹凸不平，形成更多的活性點，增大了炭黑的表面活性。

2.2 膠料性能

2.2.1 物理性能

生產配方和試驗配方硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 添加低滯后炭黑X2008和X2009與炭黑N234的硫化膠物理性能對比

由表3可以看出：在胎面膠配方中用低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234后，硫化膠的300%定伸應力提高，拉伸強度略有提高，這可能與低滯后炭黑的結構較高有關；拉斷伸長率減小，撕裂強度變化不大，回彈值增大，壓縮疲勞溫升和阿克隆磨耗量減小。分析認為，低滯后炭黑X2008和X2009具有較高的表面活性，其表面與聚合物分子結合更牢固，炭黑粒子間吸引力降低，從而有效地減少了炭黑網絡形成，改善了炭黑的分散，且避免了橡膠分子的滑動，從而使膠料物理性能提高[5]。

2.2.2 DMA

采用DMA儀對生產配方和試驗配方硫化膠進行溫度掃描，結果如圖3和表4所示。

圖3 NR硫化膠的tanδ-溫度曲線

0 ℃時的損耗因子（tanδ）反映膠料的抗濕滑性能，其值越大，膠料的抗濕滑性能越好；膠料的滾動阻力可以用60 ℃時的tanδ來表征，tanδ越小，則滾動阻力越低[6]。從圖3和表4可以看出，添加低滯后炭黑X2008和X2009的試驗配方硫化膠在0 ℃時的tanδ與添加炭黑N234的生產配方硫化膠基本相同，表明抗濕滑性能相當；但60 ℃時添加低滯后炭黑X2008和X2009的試驗配方硫化膠tanδ明顯減小，且添加低滯后炭黑X2009的試驗配方硫化膠tanδ較添加炭黑N234的生產配方硫化膠下降了10%左右。分析認為，滾動阻力的高低與橡膠分子的分子鏈間摩擦有關，低滯后炭黑的表面具有微晶體，增加了炭黑的表面活性，使得其與橡膠分子結合得更牢固，從而使60 ℃時的tanδ降低，即滾動阻力降低。

3 結論

（1）與炭黑N234相比，低滯后炭黑X2008和X2009的粒徑更大，結構更高，著色強度更低，具有較寬的聚集體尺寸分布和較高的表面活性。

（2）在胎面膠中以低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234，硫化膠的綜合性能改善，生熱降低，可以達到節能減排的目的，提升產品的附加值。

（3）在胎面膠中以低滯后炭黑X2008和X2009等量替代炭黑N234，硫化膠0 ℃時的tanδ相當，60 ℃時的tanδ降低，即抗濕滑性能相當，滾動阻力降低。