白炭黑在全鋼載重子午線輪胎胎面基部膠中的應用

胡 源，牟成乾，李建勛，李 偉，孔德魯，林紀祥

（通力輪胎有限公司，山東 兗州 272000）

隨著輪胎工業的快速發展，沉淀法白炭黑在全鋼載重子午線輪胎中已得到廣泛應用[1-5]。對各大品牌的全鋼載重子午線輪胎胎冠部位配方進行剖析發現，雙層胎面基部膠配方中白炭黑的用量在0～15份，其中炭黑用量在30～42份，未發現全部采用白炭黑作為補強填料的輪胎胎面基部膠配方設計。

白炭黑在全鋼載重子午線輪胎中主要應用于胎冠配方，以提高胎面的抗撕裂性能，降低膠料生熱和損耗因子。載重輪胎在極端條件使用過程中易產生肩空和冠空問題，本工作通過采用沉淀法白炭黑全部替代炭黑的胎面基部膠配方設計思路來降低載重輪胎的肩冠部生熱和滾動阻力，提高輪胎的耐久性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；炭黑N330，山西安侖化工有限公司產品；白炭黑，牌號175MP，福建三明正元化工有限公司產品；硅烷偶聯劑HP-699，江西宏柏新材料有限公司產品；環保油VIVATEC600，寧波漢圣化工有限公司產品；硬脂酸，泰柯棕化（張家港）有限公司產品；防老劑4020和促進劑TBBS，山東尚舜化工有限公司產品；分散劑吡咯烷酮（NOP），德國Brenntag公司產品；高比表面積氧化鋅，美國洛克伍德公司產品；分散劑FS-200，武漢涇河化工有限公司產品；不溶性硫黃70P，歐米亞精細化工有限公司產品；防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工有限公司產品。

1.2 配方

正常生產配方：NR 100，炭黑N330 34，白炭黑 15，硅烷偶聯劑HP-699 3，環保油 1.3，氧化鋅 4.5，硬脂酸 1，防老劑4020 2，防焦劑0.1，分散劑FS-200 1.5，不溶性硫黃 2.57，促進劑TBBS 1.3。

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

X（S）M-1.5型智能密煉機，青島科高橡塑機械技術裝備有限公司產品；GK400N型和GK255N型密煉機，德國克虜伯公司產品；XLHQ600×600×X4/1400型平板式硫化機，青島高策橡膠工程有限公司產品；Premier MDR型無轉子硫化儀、RPA2000橡膠加工分析儀（RPA）和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產品；AI-7000S型電子拉力試驗機和RH 2000N型壓縮生熱試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品；2-PC（Y）型輪胎高速試驗機，天津久榮車輪技術有限公司產品；1station型滾動阻力試驗機，美國Akron公司產品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗

小配合試驗膠料在X（S）M-1.5型智能密煉機中進行，采用兩段混煉工藝。一段混煉轉子轉速為70 r·min-1，混煉工藝為：生膠→壓壓砣30 s→炭黑或白炭黑、硅烷偶聯劑HP-699和硬脂酸→壓壓砣50 s→其他小料→壓壓砣→提壓砣30 s（135℃）→壓壓砣→排膠（155 ℃）；二段混煉轉子轉速為30 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、硫黃、促進劑和防焦劑→壓壓砣50 s→提壓砣5 s→壓壓砣→排膠（105 ℃）。

1.4.2 大配合試驗

大配合試驗膠料采用三段混煉工藝，前兩段均在GK400N型密煉機中進行。一段混煉轉子轉速為50 r·min-1，混煉工藝為：塑煉膠、炭黑、白炭黑和小料（偶聯劑、環保油、NOP、氧化鋅、防老劑、硬脂酸、分散劑）→壓壓砣35 s→提壓砣→轉速變為35 r·min-1→壓壓砣→排膠（155 ℃）；二段混煉轉子轉速為35 r·min-1，將一段混煉膠進行返煉，排膠溫度為150 ℃。終煉在GK255N型密煉機中進行，轉子轉速為20 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠、硫黃、促進劑和防焦劑→反復提壓砣和壓壓砣→排膠（101 ℃）。

1.5 測試分析

1.5.1 硫化特性

按照GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉子硫化儀測定硫化特性》進行測試，測試條件為151℃×60 min。

1.5.2 物理性能

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》和GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》分別測試硫化膠的邵爾A型硬度和拉伸性能，采用4 mm試樣，硫化條件為151 ℃×40 min。

1.5.3 壓縮溫升

按照ASTM D 623—2007《橡膠性能的標準試驗方法.壓縮發熱和彎曲疲勞試驗》進行測試。在恒定應變條件下，恒溫室溫度為55 ℃，預熱時間為30 min，試驗時間為25 min，負荷為245 N，頻率為30 Hz，沖程為4.45 mm。試樣為直徑18 mm、高24 mm的實心圓柱。

1.5.4 RPA分析

試驗條件為溫度 60 ℃，頻率 10 Hz，應變7%。

1.5.5 耐久性能

按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行測試，輪輞符合GB/T 2977—2016規定的尺寸，充氣壓力以單胎最大額定負荷對應的充氣壓力為準，充氣后的試驗輪胎和輪輞組合體在（38±3） ℃的環境下至少停放3 h。

1.5.6 滾動阻力系數

依據歐盟ECE R117輪胎法規進行測試，試驗輪輞為9.00，熱平衡時間不短于6 h，溫度修正系數為0.006，正向升溫180 min，反向升溫30 min。

2 結果與討論

2.1 數據擬合

試驗配方膠料物理性能測試結果見表2。

表2 試驗配方膠料物理性能

按照最小二乘法進行預測值與實際值擬合，結果如圖1—6所示。

圖1 邵爾A型硬度擬合曲線

結果表明，膠料邵爾A型硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度、壓縮溫升和損耗因子擬合曲線的P值（用來判定假設檢驗結果的參數）分別為0.000 9，0.021 7，0.028 2，0.003 5，0.006 9，0.005 3，擬合結果較為準確（P≤0.05可以定為擬合程度優）。

2.2 炭黑-白炭黑性能等高線

根據實際值與預測值的擬合繪制炭黑-白炭黑性能等高線，結果如圖7所示。

圖7 炭黑-白炭黑性能等高線

圖2 拉伸強度擬合曲線

圖3 拉斷伸長率擬合曲線

圖4 撕裂強度擬合曲線

圖5 壓縮溫升擬合曲線

圖6 損耗因子擬合曲線

根據性能指標期望值[邵爾A 型硬度（64～68）度，拉伸強度 ≥28.0 MPa，拉斷伸長率480%～540%，壓縮溫升 ≤15 ℃，撕裂強度≥110 kN·m-1，損耗因子 ≤0.080]在等高線中得出期望值范圍。

圖7中黑色線條陰影部分為白炭黑與炭黑用量的期望范圍，最大期望值為配方中使用40份白炭黑和0份炭黑。

2.3 NOP-白炭黑性能等高線

基于補強填充材料分析結果，根據實際值與預測值的擬合繪制NOP-白炭黑性能等高線，結果如圖8所示。

圖8 NOP-白炭黑性能等高線

圖8中黑色線條陰影部分為白炭黑與NOP用量的期望范圍，最大期望值為配方中使用40份白炭黑和3.5份NOP。

2.4 優選試驗配方與正常生產配方對比分析

2.4.1 硫化特性和物理性能

優選試驗配方和正常生產配方膠料的硫化特性和物理性能如表3所示。

從表3可以看出，與正常生產配方膠料相比，優選試驗配方膠料的硫化速率和撕裂強度增大，壓縮溫升和損耗因子明顯降低，其他性能相近。

表3 優選試驗配方和正常生產配方膠料的硫化特性和物理性能

2.4.2 成品性能

2.4.2.1 耐久性能

采用優選試驗配方和正常生產配方試制12.00R20混合型花紋輪胎，進行室內耐久性試驗，結果如表4所示。

表4 12.00R20混合型花紋輪胎室內耐久性試驗結果

從表4可以看出，采用優選試驗配方試制的12.00R20混合型花紋輪胎，耐久時間延長15.4%，耐久性能提升。

2.4.2.2 滾動阻力系數

采用優選試驗配方和正常生產配方試制12R22.5線性花紋輪胎，進行滾動阻力試驗，結果如表5所示。

表5 12R22.5線性花紋輪胎滾動阻力系數N·kN-1

由表5可見，采用優選試驗配方試制的12R22.5線性花紋輪胎的滾動阻力系數降低6.58%。

3 結論

在全鋼載重子午線輪胎胎面基部膠配方中采用全白炭黑設計能有效降低胎冠部位的動態生熱和滯后損失。成品輪胎的耐久性能提高，滾動阻力下降。在滿足性能指標期望值的前提下，優選出白炭黑用量為40份，NOP用量為3.5份。