不同煉膠工藝對半鋼輪胎磨耗性能的影響

龍飛飛，劉鵬，郭志鋼，張聰，李海艷

(山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300)

伴隨著一帶一路戰略的推進，中國經濟正在不斷騰飛，如翱翔在天際的巨龍，中國的汽車行業正經歷著翻天覆地的變化，輪胎在歐美等發達國家都是作為重要的安全部件，并進行PPAP/APQP/DFMEA等程序和過程控制。輪胎是乘用車最重要的安全配件、關鍵零部件，輪胎的各項性能也越來越多的被關注、重視，中央電視臺等主流媒體也多次對國內外輪胎進行對比采樣分析。在評價成品輪胎性能優劣的眾多性能中，胎面的耐磨程度是一項重要指標，胎面的耐磨性的好壞，從機理上分析，可分析到輪胎表層的機械性能、分子結構等，涉及到物理及深層的化學變化，但其中影響最關鍵的因素還是由生產胎面的膠料的混煉工藝和胎面膠料所使用的配方體系構成。

輪胎胎面膠料的耐磨耗性能，是表征胎面膠料硫化后在抵抗摩擦力的作用下因胎面表面破壞而導致膠料損耗的能力。磨耗性能屬于力學性能范疇，表現為以下三種形式：

（1）輪胎胎面產生的疲勞磨耗，是指行駛中的輪胎胎面在路面上反復運動的過程中受周期性的剪切、壓縮、拉伸等變形作用，輪胎的表面產生疲勞，輪胎的胎面逐漸產生微裂紋進而造成胎面表面的剝落（微觀）。隨著胎面膠料拉伸強度的降低，疲勞磨耗隨之增大，因此輪胎胎面需要提升膠料的拉伸強度進而降低疲勞磨耗。

（2）輪胎胎面產生的磨損磨耗，是指行駛中的輪胎胎面與路面上的尖銳的粗糙物在不斷地發生切割、摩擦的過程中，導致輪胎胎面表面的接觸點被一步步切割、扯斷成微小的顆粒，進而從輪胎表面脫落下來的過程就形成了磨耗。磨耗強度與拉伸強度成反比，因此輪胎胎面需要提升膠料的拉伸強度進而降低磨耗強度。

（3） 輪胎胎面產生的卷曲磨耗，是指行駛中的輪胎胎面由于磨擦力的作用，輪胎胎面的表面出現凹凸不平并發生形變進而被撕裂破壞，最后胎面表層成卷的脫落。胎面的卷曲磨耗與斷裂伸長率成反比，因此輪胎胎面需要提升膠料的斷裂伸長率進而降低卷曲磨耗。

我們綜合考慮上述條件和因素，可以發現如何降低輪胎磨耗性能仍然是需要深入研究的的任務。

本文主要對比分析豐源輪胎推行的“SSM低溫一步法混煉工藝”與傳統煉膠工藝，發現其對煉膠工藝的提升，進而驗證“SSM低溫一步法混煉工藝”所生產的胎面膠料對于胎面耐磨性的提升。

1 胎面膠料生產

1.1 配方使用的主要原材料

丁苯橡膠SBR,牌號1723，中國石化齊魯股份有限公司橡膠廠產品；溶聚丁苯橡膠RC2557S，中國石油獨山子石化公司產品；白炭黑1115MP，卡博特化工有限公司；炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司；環保油牌號V700，德國漢圣公司產品；氧化鋅ZnO，安丘恒山鋅業；硬脂酸SAD，青島旭謙進出口公司；防老劑，山東圣奧化工有限公司；促進劑NS、促進劑CZ、硫磺S，山東尚舜化工有限公司；防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工股份有限公司。

1.2 膠料的基本配方

基本配方（單位:份）充油丁苯橡膠SBR（充油量37.5%） 41.25；充油溶聚丁苯橡膠RC2557S（充油量37.5%） 96.25；高分散性沉淀法白炭黑1115MP 55；炭黑N234 20；環保型芳烴油V700 5.0；微晶蠟 2.3；硅烷偶聯劑 10.0；硬脂酸SAD 2.2；促進劑NS(N-叔丁基-2-苯并噻唑次黃酰胺) 0.6；氧化鋅ZnO 2.1；促進劑CZ( N-環己基-2-苯并噻唑次磺酰胺)、硫磺S、防焦劑 CTP 合計 5.5。

1.3 膠料制備及檢測設備

XM370型密煉機、XM305型開煉機組合的傳統法混煉設備，青島軟控股份有限公司生產；XM-270型密煉機和XKR-660型開煉機為1:5配置，大連橡塑、青島軟控等廠家生產；拉伸強度測試設備，Zwick Z010拉力試驗機，德國Zwick/Roell集團生產；抗撕裂強度實驗設備，Zwick Z010拉力試驗機，德國Zwick/Roell集團生產；橡膠流動性測試設備，VMA1000膠料流動性分析儀，特拓（青島）輪胎技術有限公司；阿克隆磨耗機型號JC-1076,江都市精誠測試儀器有限公司。其余設備：均為常規輪胎廠使用測試設備，膠料的各項性能均按相應國家標準進行測試。

1.4 胎面試樣膠料制備

胎面膠試樣的制備，分別采用以下兩種煉膠工藝進行煉制：傳統法煉膠、SSM低溫一步法煉膠，胎面試樣膠料制備完成后，再對制備的終煉膠樣進行相關的性能測試、對比分析其優劣與差異性。

傳統法混煉工藝和SSM低溫一步法混煉工藝，生產胎面膠的詳細工藝步驟，參見表1、表2。

從表1可以看出，傳統法煉膠工藝生產胎面終煉膠需經過多段才能完成，每進行下一段的混煉之前，前一段生產的母煉膠需在料場停放至少8 h，此過程需經過多次運轉才能制備完成胎面的終煉膠。

細化分析表2中各步驟的工藝條件，可以看出，工藝采用SSM低溫一步法煉膠，從膠料等原材料投入到生產出胎面終煉膠，僅需一段即可完成，中間無需進行倒垛停放，大大節省了生產時間，提高了生產效率。SSM低溫一步法混煉工藝，包含的密煉機與開煉機是5:1配置后進行塑煉的，丁苯橡膠SBR/溶聚丁苯橡膠RC2557S與硬脂酸SAD、環保油V700、促進劑和氧化鋅、促進劑NS、硫磺S等小料在XM-270型密煉機中初步混煉均勻后，排放到XKR-660型開煉機上，開煉機將膠料壓制成片后分流給4組全自動開煉機，膠料在每組混煉開煉機上實現自動混煉，補充混煉、膠冷，打卷后，單獨收取。SSM低溫一步法混煉工藝實現了從原材料投入到胎面終煉膠產出的高度自動化[1～7]。

表1 傳統法煉膠工藝生產胎面試樣膠

表2 SSM低溫一步法混煉工藝生產胎面試樣膠

2 結果與討論

對不同生產工藝生產的胎面膠料性能，進行對比分析，詳細結果如下。

2.1 對胎面膠料中炭黑的分散性分析

通過表3的數據我們可以發現，SSM低溫一步法煉膠工藝生產的胎面膠料，在顯微鏡下展現的膠料的分散性指數、炭黑的分散度等級、白點面積與整體面積的比值等數據，與傳統法煉膠工藝相比均有不同程度的改善。胎面膠料在白炭黑和炭黑分散度提升的同時，推理而知，胎面膠料的流動性會有所改善，流動性向好，當我們使用VMA流動性檢測設備進行測試驗證發現，SSM低溫一步法混煉工藝生產的胎面膠流動性檢測得到的數值比傳統法混煉工藝生產的胎面膠流動性的檢測數值大近一倍；在半部件生產車間，胎面半部件在擠出出型的時候，我們發現，SSM低溫一步法混煉工藝生產的胎面膠出型性能提升，胎面破邊等小工藝問題減少，降低了成品輪胎的外觀缺陷（花紋圓角、胎冠缺膠等）出現的幾率，公司輪胎成品的外觀質量水平得到提升，提高了生產效率，降低了返修率。

表3 胎面膠料中炭黑的分散度對比

2.2 測試拉伸性能

2.2.1 測試所用儀器及檢測機理

輪胎的胎面膠測定拉伸性能使用的是拉力試驗機，拉力試驗設備的核心構成包含測力機構、加荷機構、緩沖裝置、記錄裝置等，本次拉力測試所用的設備如圖1所示。

圖1 拉力測試儀

a.拉伸試驗中定伸應力和拉伸強度的計算

式中：

σ——拉伸試驗的定伸應力或拉伸強度，MPa或kgf/cm3；

F——測試樣品所受到的作用力，N或kgf；

d——測試樣品工作部分的厚度，mm；

b——測試樣品工作部分的寬度，mm。

b. 拉伸試驗中定應力伸長率和拉斷伸長率的計算

式中：

ε——拉伸試驗的定應力伸長率或拉斷伸長率，%；

L0——測試樣品的初始標距，mm；

L1——測試樣品達到規定應力/扯斷的標距，mm。

c.拉伸試驗中拉伸永久變形的計算

式中：

H——拉伸試驗的扯斷永久變形，%；

L0——測試樣品的初始標距，mm；

L2——測試樣品扯斷后停放3 min，對起來的標距，mm。

2.2.2 拉伸試驗的測試結果及分析

SSM低溫一步法混煉工藝和傳統法混煉工藝，分別生產胎面終煉膠3車，總計6車，總計制作6個試樣，然后逐個對試樣進行拉伸性能測試，得到的數據，對比做圖如下，詳見圖2。

圖2 兩種工藝對比下的胎面膠的拉伸性能

從圖2的折線圖及數據，我們可以看出，兩種煉膠工藝生產的胎面膠的拉伸強度、拉斷伸長率，其中SSM低溫一步法混煉工藝整體較傳統法混煉工藝有較大提升。因此輪胎胎面的疲勞磨耗、胎面的磨損磨耗會相應的降低，伴隨著拉斷伸長率的提升也會降低胎面的卷曲磨耗。

2.3 測試膠料的磨耗性能

2.3.1 測試所用儀器及檢測機理

測定磨耗所用的裝置為阿克隆磨耗試驗機，如圖3所示，阿克隆磨耗試驗機由電機、旋轉軸、減速箱、重砣和砂輪等部件組成。檢測時我們將待檢測試樣膠輪夾持于旋轉軸上，試樣與砂輪之間存在一個傾斜角度（約為15°），同時負載2.72 kgf的重力下進行摩擦檢測，測量試樣在通過（1.61 km）里程內磨損掉落的膠的體積。測試設備自動控制試驗里程，磨損掉落的膠料體積，由磨下的膠料質量除以膠料檢測得到的密度，計算后得到。測試試樣的磨損質量等于試樣磨損之前的質量減去摩擦規定里程后試樣的質量，密度通過常規快檢檢測。

阿克隆磨耗試驗機使用的砂輪，其直徑為15 cm，砂輪的厚度為25 mm，砂輪的中心直徑為3.2 cm，砂輪表面使用的磨料為氧化鋁材料，砂輪使用的粘合劑為陶土材料，粒度為36#，硬度為中硬2。

待檢測試樣的規格：長度取值的測算方法π（D+寬度的取值為12.7±0.2 mm，厚度的取值為3.2±0.2 mm，膠輪的直徑是D，待檢測的試樣厚度是h，常數π取值≈3.14。

圖3 阿克隆磨耗試驗機

首先分別選取兩種工藝（SSM低溫一步法混煉工藝和傳統法混煉工藝）生產的胎面終煉膠，各3車制作試樣，總計6個試樣進行磨耗測定。

2.3.2 測試結果及分析

測試試樣的磨耗體積V=(m1-m2）/ρ，計量單位是cm3。測試中磨耗體積越小，表明被測試胎面膠料的耐磨性越好。測量及計算結果整理數據形成表4，展示如下：

表4 不同混煉工藝生產胎面膠的阿克隆磨耗對比

通過表4中的數據，我們可以看出，胎面膠的磨耗體積量，一次法工藝較傳統法工藝整體有大幅度降低，與2.2中的實驗的測試結論互為佐證。表4對比分析了SSM低溫一步法混煉工藝和傳統法混煉工藝分別生產胎面膠的耐磨性，結論為，SSM低溫一步法混煉工藝相比傳統法提升量大約為52%。

3 結論

通過對比分析SSM低溫一步法混煉工藝與傳統煉膠工藝的工藝過程，并對其生產的胎面膠進行測試分析形成以下結論：

（1）磨耗性能數據，SSM低溫一步法混煉工藝較傳統煉膠工藝的工藝生產膠料提升較大，磨耗性能約提升52%。

（2）SSM低溫一步法混煉工藝生產的胎面膠料的定伸應力、斷裂伸長率等均較優；SSM低溫一步法混煉工藝生產的炭黑、白炭黑的分散度優，與胎面膠料耐磨性有較大提升可進行相互佐證。

（3）SSM低溫一步法混煉工藝生產的胎面膠料在磨耗性能、拉伸性能、流動性等方面的提升，保證了成品輪胎的胎面的穩定性，輪胎外觀及胎面整體的耐磨性能得到保證，提高了成品輪胎的市場競爭力。