高分散性白炭黑在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

劉曉慶，張俊偉，唐德全，李 冬，王廷華，熊國華

[四川輪胎橡膠（集團）股份有限公司，四川 簡陽 641402]

白炭黑膠料可以在不降低輪胎濕地抓著力的前提下，降低輪胎的滾動阻力，有助于提高燃油效率。受歐盟REACH法規(guī)和輪胎標簽法規(guī)的影響，白炭黑膠料在輪胎中的應(yīng)用越來越廣泛，白炭黑在配方中的用量也越來越大，這要求白炭黑具有良好的分散性。

與普通白炭黑相比，高分散性白炭黑具有較窄的孔徑分布，孔徑為7.5～27.5 nm的孔構(gòu)成的孔體積占孔徑不大于40 nm的孔構(gòu)成的孔體積的60%以上。高分散性白炭黑與普通白炭黑的主要差別在于其使用效果，高分散性白炭黑具有高分散性、粒徑小的特點，適用于硅橡膠、涂料、綠色輪胎等對白炭黑性能要求較高的產(chǎn)品[1-5]。

本工作研究高分散性白炭黑在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實驗

1.1 主要原材料

順丁橡膠（BR），牌號9000；溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號RC2564S，中國石油化工股份有限公司產(chǎn)品。丁苯橡膠（SBR），牌號1763，申華化學(xué)工業(yè)有限公司產(chǎn)品。炭黑N234，曲靖眾一精細化工有限公司產(chǎn)品。高分散性白炭黑HengSil-933MP，無錫恒亨白炭黑有限責(zé)任公司產(chǎn)品。硅烷偶聯(lián)劑JH-S69C，南京曙光硅烷化工有限公司產(chǎn)品。普通白炭黑，國內(nèi)某公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：BR 25，SSBR（RC2564S）75，SBR（1763）30，炭黑N234 30，普通白炭黑50，硅烷偶聯(lián)劑JH-S69C 8，防老劑TMQ 2，防老劑6PPD 2，防護蠟RW211 1.5，環(huán)保油 4，硫化體系 5.2，其他 11.5。

試驗配方用高分散性白炭黑HengSil-933MP等量代替普通白炭黑，其余同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XM-1.5L型實驗室密煉機，青島億朗橡膠裝備有限公司產(chǎn)品；DT-6037型開煉機，寧夏青山試驗機有限公司產(chǎn)品；GK400N和GK255N型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產(chǎn)品；XK-660型開煉機，四川亞西機器有限公司產(chǎn)品；MDR2000型無轉(zhuǎn)子硫化儀和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；XLB-400型平板硫化機，湖州宏僑橡膠機械有限公司產(chǎn)品；UT-2060型萬能材料試驗機，優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；Y401A型熱老化試驗箱，江蘇天源試驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品；輪胎高速性能試驗機和輪胎耐久性試驗機，天津車輪實驗中心產(chǎn)品；輪胎滾動阻力試驗機，天津久榮車輪技術(shù)有限公司產(chǎn)品；EPLEXOR 500N型全自動粘彈性分析（DMA）儀，德國耐馳公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗

小配合試驗?zāi)z料采用兩段混煉工藝，一段混煉在XM-1.5L型實驗室密煉機中進行，二段混煉在DT-6037型開煉機上進行。一段混煉膠加料順序為：生膠（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1）→白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑、防老劑、防護蠟等（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1）→炭黑、環(huán)保油（根據(jù)溫升情況轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在20～35 r·min-1范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）→（155±5）℃排膠。一段混煉膠在開煉機上打卷停放4 h后進行二段混煉。二段混煉加料順序為：一段混煉膠→硫黃和促進劑→排膠，二段混煉膠成片（膠片厚度約為2.0 mm），室溫下停放8 h后硫化。

1.4.2 大配合試驗

大配合試驗采用時間、溫度與能量聯(lián)合控制的自動混煉工藝，分4段混煉。一段混煉在GK400N型密煉機中進行，混煉工藝為：生膠、1/2炭黑、白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑等（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1）→壓壓砣（35 s）→環(huán)保油→壓壓砣（25 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→（145±5）℃排膠。二段混煉在GK400N型密煉機中進行，混煉工藝為：一段混煉膠、剩余1/2炭黑、防老劑等（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1）→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（10 s）→提壓砣→壓壓砣（10 s）→提壓砣→（135±5）℃排膠。三段混煉在GK400N型密煉機中進行，混煉工藝為：二段混煉膠（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1）→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（25 s）→提壓砣→壓壓砣（15 s）→提壓砣→（135±5）℃排膠。四段混煉在GK255N型密煉機中進行，混煉工藝為：三段混煉膠、硫化體系（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1）→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（25 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→排膠，排膠溫度（95±5）℃。終煉膠在一臺XK-660型開煉機包輥成片后劃膠送至另一臺XK-660型開煉機，搗煉3次后割膠出片。各段膠料的停放時間不短于4 h，存膠溫度不高于40 ℃。

由于高分散性白炭黑HengSil-933MP在煉膠過程中生熱較快，為了防止出現(xiàn)早期凝膠，延長了提壓砣保持時間，縮短了壓壓砣保持時間，其余工藝未發(fā)生變化。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按照相應(yīng)國家標準或行業(yè)標準進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

高分散性白炭黑HengSil-933MP的理化分析結(jié)果如表1所示。

表1 高分散性白炭黑HengSil-933MP的理化分析結(jié)果

從表1可以看出，高分散性白炭黑HengSil-933MP的各項理化性能均達到了標準要求。

2.2 小配合試驗

小配合試驗結(jié)果見表2。

從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼焦燒時間稍長，加工安全性好，膠料的門尼粘度與生產(chǎn)配方膠料基本一致；t90稍長，硫化速度稍有差異；硫化膠的300%定伸應(yīng)力下降約3.4%，DIN磨耗量減小約10.9%，生熱稍有降低，其余物理性能基本一致；老化后試驗配方硫化膠性能保持好。

表2 小配合試驗結(jié)果

2.3 大配合試驗

大配合試驗結(jié)果見表3。

從表3可以看出，大配合試驗結(jié)果與小配合試驗結(jié)果基本一致。

表3 大配合試驗結(jié)果

2.4 動態(tài)性能

2.4.1 動態(tài)力學(xué)分析結(jié)果

膠料的DMA結(jié)果見表4，Tg為玻璃化溫度，tanδ為損耗因子，G′為彈性模量。0 ℃時的tanδ反映膠料的抗?jié)窕阅埽渲翟酱螅z料的抗?jié)窕阅茉胶茫荒z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。

從表4可以看出，使用高分散性白炭黑等量代替普通白炭黑后，膠料的抗?jié)窕阅芴嵘?.4%，滾動阻力降低了6.7%。

表4 膠料的DMA結(jié)果

2.4.2 RPA分析

委托北京彤程研發(fā)中心進行膠料的RPA分析。膠料的RPA分析結(jié)果見表5。人們將膠料G′隨著應(yīng)變的增大而急劇下降的現(xiàn)象稱為Payne效應(yīng)。ΔG′越小，Payne效應(yīng)越弱，表明補強體系分散越好。

從表5可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的ΔG′均較小，表明膠料的Payne效應(yīng)較弱，高分散性白炭黑在膠料中的分散性較好。

表5 膠料的RPA分析結(jié)果 MPa

2.5 成品性能

分別采用試驗配方和生產(chǎn)配方膠料生產(chǎn)235/45ZR18 98W轎車子午線輪胎，依據(jù)GB/T4502—2016《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》和ISO 28580：2018《轎車、卡車和客車輪胎——測試滾動阻力方法——單點試驗和測量結(jié)果對照》進行性能測試，成品輪胎室內(nèi)性能測試結(jié)果見表6。

表6 成品輪胎的室內(nèi)性能測試結(jié)果

從表6可以看出：試驗輪胎的耐久性能和高速性能均滿足國家標準要求，且與生產(chǎn)輪胎相當(dāng)；試驗輪胎的滾動阻力系數(shù)明顯低于生產(chǎn)輪胎，輪胎的節(jié)油性能更好。

3 結(jié)論

在半鋼子午線輪胎胎面膠配方中用高分散性白炭黑等量代替普通白炭黑后，膠料的焦燒時間延長，加工安全性更好；膠料物理性能相當(dāng)，老化后性能保持率高；膠料的Payne效應(yīng)減弱，白炭黑分散性更好；成品輪胎高速性能和耐久性能均滿足國家標準要求，且與生產(chǎn)輪胎相當(dāng)，滾動阻力系數(shù)明顯降低，輪胎的節(jié)油性能更好。