改性凱孚碳素在工程機械輪胎胎體簾布膠中的應用

翁國文，楊 柳，徐明政，陳忠生，韋邦風

（1.徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140；2.江蘇凱孚碳素科技有限公司，江蘇 徐州 221000；3.徐州徐輪橡膠有限公司，江蘇 徐州 221000）

凱孚碳素是一種干燥精細層片狀結構的粉體，粒度在8.8 μm以上，由低揮發瀝青質煤炭制造而成，制造方法主要有干法和濕法2種。凱孚碳素可以明顯提高膠料的氣密性。像其他填料一樣[1]，凱孚碳素可用表面活性劑、偶聯劑等進行改性，改性凱孚碳素具有較好的補強性能，可部分替代炭黑N660或炭黑N770系列。改性凱孚碳素是一種低密度（密度小于1.08 Mg·m-3）填料，其密度比炭黑（密度為1.80 Mg·m-3）和輕質碳酸鈣、高嶺土等無機填料（密度為2.6～2.8 Mg·m-3）小，有利于降低膠料體積成本。改性凱孚碳素中含有質量分數為0.2左右的特性油物質（非芳烴油），該特性油物質可以起到分散劑的作用，有助于改性凱孚碳素在膠料中的分散，同時可以縮短混煉時間。

本工作主要研究改性凱孚碳素在工程機械輪胎胎體簾布膠中的應用情況。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號SCR5，海南省農墾投資控股集團有限公司產品；炭黑N660和N774，上海卡博特化工有限公司產品；改性凱孚碳素，江蘇凱孚碳素科技有限公司產品。

1.2 試驗配方

選擇工程機械輪胎胎體簾布膠配方為基礎試驗配方，配方組分及用量為NR 100，炭黑N330 20，氧化鋅 5，硬脂酸 1.5，防老劑RD 1，防老劑4010NA 1，松香油 7，古馬隆樹脂 4，促進劑CBS 0.9，促進劑TMTD 0.05，硫黃 2.4，試驗填料（變品種）20。

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機，無錫市第一橡塑機械有限公司產品；YXE-25D型平板硫化機，上海西瑪偉力橡塑機械有限公司產品；GT-M2000A型無轉子硫化儀、GT-7080-S2型門尼粘度計、GT-7017型老化試驗箱、RH-2000N型壓縮生熱機和GT-7042-RE型彈性沖擊試驗儀，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品。

1.4 性能測試

按照GB/T 1232.1—2016測定膠料門尼粘度，按照GB/T 16584—1996測定膠料硫化曲線，按 照GB/T 531.1—2008 測定膠料邵爾A型硬度，按照GB/T 528—2009測定膠料拉伸性能，按照GB/T 529—2008測定膠料抗撕裂性能，按照GB/T 1681—2009測定膠料沖擊彈性，按照GB/T 1687.3—2016測定膠料壓縮疲勞溫升，按照GB/T 3512—2014測定膠料耐老化性能。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

考察干法和濕法改性凱孚碳素、炭黑N660、炭黑N774和炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用（并用比為1/1，后表中簡稱炭黑/碳素并用）在工程機械輪胎胎體簾布膠中的應用，在143 ℃下測定膠料硫化特性。填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠硫化特性的影響如表1所示。

從表1可以看出：濕法改性凱孚碳素填充膠料的FL和Fmax比干法改性凱孚碳素填充膠料大，表明濕法改性凱孚碳素結構性略高、粒徑略小，但無論是干法還是濕法改性凱孚碳素填充膠料的FL和Fmax均小于炭黑N660和炭黑N774填充膠料，這與改性凱孚碳素在結構性和表面活性方面不如炭黑N660和炭黑N774有關；4種膠料的t10和t90基本相近，說明改性凱孚碳素對膠料的焦燒特性和硫化速率影響不大；炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的硫化特性介于兩并用組分分別填充膠料之間。

表1 填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠硫化特性的影響

2.2 物理性能

填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠物理性能的影響如表2所示。

表2 填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠物理性能的影響

從表2可以看出：濕法改性凱孚碳素填充膠料的拉伸強度比干法改性凱孚碳素填充膠料略高一些，但均比炭黑N774填充膠料略小，炭黑N660填充膠料的拉伸強度最大，補強效果最好；改性凱孚碳素填充膠料的拉斷伸長率比炭黑填充膠料大，拉斷永久變形比炭黑填充膠料小；炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的拉伸性能基本介于兩并用組分分別填充膠料之間；改性凱孚碳素填充膠料的回彈值比炭黑N660填充膠料大，但比炭黑N774填充膠料小。綜上所述，炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的物理性能與炭黑N774填充膠料相近，炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用可以完全替代或部分替代炭黑N774。

從表2還可以看出，改性凱孚碳素填充膠料的密度比炭黑填充膠料小，可降低膠料體積成本，具有較好的經濟效益。

2.3 耐老化性能

填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠耐老化（100 ℃×24 h）性能的影響如表3所示。

從表3可以看出：熱老化后改性凱孚碳素填充膠料的定伸應力和拉伸強度不如炭黑N660和炭黑N774填充膠料，拉斷伸長率大于炭黑填充膠料，炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的耐老化性能介于炭黑填充膠料和改性凱孚碳素填充膠料之間。幾種填料填充膠料老化后的性能變化趨勢相同，老化類型為結構化老化，表現為硬度和拉伸強度增大，拉斷伸長率下降；濕法改性凱孚碳素填充膠料的耐老化性能稍好于干法改性凱孚碳素填充膠料，這與濕法改性凱孚碳素中雜質含量小有關。炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的耐老化性能接近炭黑N774填充膠料。

表3 填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠耐老化性能的影響

2.4 壓縮生熱性能

壓縮生熱性能是輪胎胎體簾布膠的一個重要性能指標[2-4]，填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠壓縮生熱性能的影響如表4所示。

表4 填料及組合對工程機械輪胎胎體簾布膠壓縮生熱性能的影響 °C

從表4可以得出，干法改性凱孚碳素和濕法改性凱孚碳素填充膠料的溫升比炭黑N660和炭黑N774填充膠料小，其中干法改性凱孚碳素填充膠料的溫升最小，炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的溫升基本與炭黑N774填充膠料相近。

2.5 應用試驗

采用某工廠中工程機械輪胎胎體簾布膠配方為原配方，配方組分及用量為NR 100，炭黑N330

15，炭黑N774 35，氧化鋅 5，硬脂酸 1，增粘劑BN 1，防老劑RD 4，防老劑4010NA 1.5，松焦油 7，硫黃 2.4，促進劑CBS 0.9，促進劑TMTD 0.05。試驗配方采用炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用（并用比為1/1）等量完全替代原配方中的炭黑N774。

膠料性能對比如表5所示。

表5 膠料性能對比

從表5可以看出，試驗配方膠料的性能比原配方膠料略低，但基本接近，且符合企業的控制指標要求。

3 結論

（1）改性凱孚碳素填充膠料的硫化特性中FL和Fmax都小于炭黑N660和炭黑N774填充膠料，t10和t90基本相近。

（2）改性凱孚碳素填充膠料的拉伸強度比炭黑N660填充膠料小，與炭黑N774填充膠料相近，拉斷伸長率大，拉斷永久變形小。

（3）炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用填充膠料的性能與炭黑N774填充膠料基本相同。

（4）濕法改性凱孚碳素填充膠料的物理性能和耐老化性能比干法改性凱孚碳素填充膠料略好。

（5）改性凱孚碳素填充膠料的壓縮疲勞溫升比炭黑N660和炭黑N774填充膠料小。

（6）改性凱孚碳素填充膠料的密度比炭黑填充膠料小。

（7）改性凱孚碳素填充膠料的彈性比炭黑N660填充膠料好。

（8）采用炭黑N660/干法改性凱孚碳素并用（并用比為1/1）等量完全替代工程機械輪胎胎體簾布膠原生產配方中的炭黑N774，膠料的性能與原配方膠料基本接近，且符合企業的控制指標。