炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦差異性分析

徐召來，劉 震，孔祥朋，吉欣宇，李漢華

（怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045）

輪胎的抗濕滑性能一直是輪胎技術人員、汽車廠技術人員和性能測試人員重點關注的對象。自歐盟輪胎標簽法規實施以來，消費者對輪胎的抗濕滑性能也越來越關注。因此設計開發高抗濕滑性能輪胎成為輪胎技術人員的一個重要課題。以溶聚丁苯橡膠（SSBR）和白炭黑配合技術為基礎的綠色輪胎被發明以來，技術人員普遍認識到填充白炭黑胎面膠相比填充炭黑胎面膠輪胎具有更加優異的抗濕滑性能[1-2]。目前市場上開發的抗濕滑輪胎胎面膠配方都涉及到白炭黑的應用。雖然有研究者提出較高的0 ℃損耗因子（tanδ）和模量等[3-5]是白炭黑胎面膠具有優異抗濕滑性能的原因，但在不同測試條件下填充炭黑和白炭黑硫化膠濕摩擦規律性的相關研究很少。

王夢蛟等[6-7]在研究新型補強材料——雙相炭黑的抗濕滑性能時，提出了輪胎與路面接觸分為3個區（即水潤滑區、水潤滑區與界面潤滑區的過渡區和界面潤滑區），并指出負荷、硬度、tanδ、路面粗糙度和花紋形狀等因素與抗濕滑性能的相關性。

本工作利用綜合摩擦試驗機（RTM）模擬特定濕路面條件，研究炭黑和白炭黑填充硫化膠在不同測試條件下濕摩擦因數的變化規律，同時利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對硫化膠的磨損表面進行表征，并引用王夢蛟濕滑三區理論分析導致炭黑和白炭黑填充硫化膠濕摩擦因數在不同條件下變化規律差異的原因。

1 實驗

1.1 主要原材料

SSBR，牌號2246，臺橡股份有限公司產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化齊魯石化公司產品；氧化鋅，大連氧化鋅廠產品；炭黑N234，上海卡博特化工有限公司產品；白炭黑1165MP，確成硅化學股份有限公司產品；偶聯劑Si69，南京曙光化工集團有限公司產品。

1.2 配方

炭黑填充硫化膠配方：SSBR2466 75，BR9000 25，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，炭黑N234變量，防老劑4020 2，防護蠟 2，硫黃 1.4，促進劑CBS 2。

白炭黑填充硫化膠配方：SSBR2466 75，BR9000 25，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，白炭黑1165MP 變量，偶聯劑Si69 白炭黑用量的8%，防老劑4020 2，防護蠟 2，硫黃 1.4，促進劑CBS 2，促進劑DPG 2.1。

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；XK-160型開煉機，青島光越橡膠機械制造有限公司產品；MDR2000型無轉子流變儀，美國阿爾法科技有限公司產品；XLB-D600×600型平板硫化機，浙江湖州東方機械有限公司產品；RTM，日本上島制作所產品；邵氏硬度計，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉工藝

炭黑填充膠料采用3段混煉工藝。一段和二段混煉轉子轉速為90 r·min-1，密煉機溫度為90℃，一段混煉工藝為：加生膠塑煉30 s→加2/3炭黑，混煉1 min→加剩余1/3炭黑混煉2 min→排膠（溫度超過130 ℃時開通冷卻水）；二段混煉工藝為：加一段混煉膠（30 s）→加氧化鋅和硬脂酸，混煉1 min→排膠（溫度超過120 ℃時開通冷卻水）；三段混煉密煉機溫度為60 ℃，轉子轉速為60 r·min-1，混煉工藝為：加入二段混煉膠，混煉30 s→加硫黃和促進劑CBS，混煉1 min→排膠（溫度超過100 ℃時開通冷卻水）。終煉膠在XK-160型開煉機上薄通3次，下片備用。

白炭黑填充膠料采用3段混煉工藝。一段混煉密煉機溫度為100 ℃，轉子轉速為90 r·min-1，混煉工藝為：加生膠塑煉30 s→加2/3白炭黑和2/3偶聯劑Si69，混煉1 min→加剩余1/3白炭黑和1/3偶聯劑Si69，溫度達到150 ℃→排膠，開煉機薄通3次后停放2 h以上；二段混煉密煉機溫度為100 ℃，轉子轉速為85 r·min-1，混煉工藝為：加入一段混煉膠，混煉30 s→加氧化鋅、硬脂酸、防老劑和防護蠟，混煉2 min→清掃→2.5 min后排膠，開煉機薄通3次后停放2 h以上；三段混煉密煉機溫度為60 ℃，轉子轉速為50 r·min-1，混煉工藝為：加入二段混煉膠，混煉30 s→加入硫黃和促進劑，混煉1 min→清掃→2 min后排膠。終煉膠在XK-160型開煉機上薄通3次，下片備用。

1.4.2 硫化工藝

將混煉膠停放24 h后在平板硫化機上硫化出厚度為16 mm、直徑為80 mm的圓形試樣。硫化條件為165 ℃/10 MPa×（t90＋10 min）。

1.5 性能測試

采用RTM對膠料的濕摩擦因數進行測試，條件為：濕路面（路面150目磨砂玻璃），水流量恒定，滑移率為20%，以速度和負荷為試驗變量，常溫測試。

2 結果與討論

2.1 速度對硫化膠濕摩擦因數的影響

負荷為40 N時不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的變化曲線如圖1所示。

圖1 負荷為40 N時不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的變化曲線

從圖1可以看出，隨著速度的增大，炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數均呈下降趨勢，但炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的增大呈線性下降，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的增大呈非線性下降。

邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的變化曲線如圖2所示。

圖2 邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的變化曲線

從圖2可以看出，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的增大呈線性下降趨勢，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數則隨速度的增大呈非線性下降趨勢。

根據三區理論，膠料的濕摩擦因數由三區相對大小和各區摩擦因數共同決定[6-7]（見圖3）。其中水潤滑區的摩擦力取決于水的剪切力，其非常小可以忽略不計；界面潤滑區摩擦因數較大，其面積和摩擦因數共同決定了濕摩擦因數的大小。在速度增大的條件下，水潤滑區和過渡區面積增大，界面潤滑區面積減小，進而導致濕摩擦因數降低。炭黑填充硫化膠過渡區的摩擦因數接近于零，其濕摩擦因數取決于界面潤滑區面積，而界面潤滑區面積與速度呈線性關系，因此其濕摩擦因數隨速度的增大而線性降低；白炭黑填充硫化膠的過渡區摩擦因數不等于零，隨著速度的增大，其過渡區面積增大，過渡區的濕摩擦因數增大，同時隨著速度的增大，界面潤滑區面積線性減小，界面區的濕摩擦因數線性下降，在過渡區和界面區濕摩擦因數共同作用下，隨著速度的增大，呈非線性下降。

圖3 潤濕條件下滾動輪胎與路面接觸的三區示意

2.2 負荷對硫化膠濕摩擦因數的影響

速度為30 km·h-1時不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨負荷的變化曲線如圖4所示。

圖4 速度為30 km·h-1時不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的變化曲線

從圖4可以看出，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨著負荷的增大呈線性下降，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨著負荷的增大先快速下降再緩慢下降。

邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨速度的變化曲線如圖5所示。

圖5 邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨負荷的變化曲線

從圖5可以看出，隨著負荷的增大，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數呈線性下降，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數先快速下降后緩慢下降。根據三區理論，過渡區面積的大小與橡膠的彈性模量（E′）和表面粗糙度有關，與負荷無關。在硫化膠和路面表面粗糙度不變的條件下，負荷增大，過渡區的面積不變。過渡區摩擦力取決于過渡區中彈性體與路面直接接觸面的摩擦因數和硫化膠的E′，如圖6所示。

圖6 潤濕條件下滾動輪胎與路面接觸過渡區的壓力及實際接觸區域示意

其中E′和彈性體與路面直接接觸面的摩擦因數僅取決于路面和膠料，因此在路面和硫化膠都固定的情況下，過渡區的摩擦力不受負荷影響，為常數。過渡區摩擦因數μG＝fG/N（fG為過渡區摩擦力，N為負荷），當fG恒定時，N增大，則μG降低。炭黑填充硫化膠的fG非常小，基本等于零，隨著N的增大，μG基本不變；而白炭黑填充硫化膠的fG不等于零，隨著N的增大，μG呈非線性下降。fG不同造成炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨著負荷變化呈現不同的變化規律[8-9]。

2.3 硫化膠的TEM和SEM分析

炭黑和白炭黑填充硫化膠摩擦面的TEM照片如圖7所示。由圖7可見，相比白炭黑填充硫化膠，炭黑填充硫化膠摩擦面的橡膠膜厚度較大；通用橡膠模量在室溫下較低，厚橡膠膜不利于微觀尺度上刺穿水膜，容易形成水膜的壓力楔，進而降低摩擦力。

圖7 炭黑（左）和白炭黑（右）填充硫化膠磨耗面的TEM照片

炭黑和白炭黑填充硫化膠摩擦之后表面的SEM照片如圖8所示。由圖8可見，白炭黑填充硫化膠的摩擦表面裸露大量的白炭黑，但是炭黑填充硫化膠的摩擦表面不存在裸露的炭黑，其表層被橡膠膜覆蓋。這種裸露填料粒子的膠膜模量高，在微觀尺度可以快速刺穿水膜。

圖8 硫化膠摩擦后表面的SEM照片

TEM和SEM分析結果表明，白炭黑填充硫化膠的表層橡膠膜更薄，表面裸露白炭黑粒子，有利于微觀尺度的水膜破壞。微觀尺度的水膜破壞是影響μG的重要因素，因此白炭黑填充硫化膠的μG不等于零，fG不可忽視；而炭黑填充硫化膠的摩擦面橡膠膜較厚，未有裸露的填料粒子，在微觀尺度很難破壞水膜，因此fG很小，μG接近于零。

3 結論

根據橡膠塊接地的三區理論研究炭黑和白炭黑填充硫化膠濕摩擦因數隨速度和負荷的變化規律，結合TEM和SEM照片的形貌觀察，得出以下結論。

（1）在一定測試條件下，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨著速度的增大呈線性下降，隨著負荷的增大略有下降；白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數隨著速度的增大呈非線性下降，隨著負荷的增大呈現先快速后緩慢下降。

（2）TEM和SEM照片顯示，炭黑填充硫化膠的摩擦面的橡膠膜覆蓋填料，橡膠膜厚度較大，而白炭黑填充硫化膠的摩擦面裸露填料粒子，有較薄的橡膠膜。炭黑填充硫化膠的過渡區摩擦力較小，可以忽略；白炭黑填充硫化膠的過渡區摩擦力較大，不能忽略。