硅格粉在全鋼子午線輪胎胎圈護膠中的應用

黃仙紅，蘇忠鐵，呂志文，陸一鳴，胡善軍，章阿偉

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

全鋼子午線輪胎胎圈護膠可提高胎圈的剛性，除了需具備高硬度外，耐老化和耐疲勞性能也同等重要[1-6]。胎圈護膠與輪輞接觸應力集中容易造成熱量積累導致性能變化，使得胎圈易損壞，全鋼子午線輪胎胎圈護膠具有低生熱性能可有效減緩胎圈的損壞。

要使高性能輪胎具備低滾動阻力特性，除胎面外的其余各部件對滾動阻力影響也應當予以考慮。胎圈護膠屬于高填充膠料，生熱較高，降低其生熱的相關研究較少。輪胎行業通常使用白炭黑來降低膠料的生熱[7-11]，但白炭黑易團聚，需同時使用硅烷偶聯劑，以降低膠料的佩恩效應和生熱，因此成本較高，尋求一種價廉質優的低生熱填料成為行業目標。

硅格粉以天然礦物質及秸稈灰等為原料，采用生物構筑技術，經深度純化、復合而成，具有低生熱特性[12]。本工作主要研究硅格粉在全鋼子午線輪胎胎圈護膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

硅格粉，哈爾濱硅格新材料有限公司產品；天然橡膠（NR），STR20，泰國產品；高順式順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石油大慶石化分公司產品；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司產品；防老劑4020，圣奧化學科技有限公司產品；防老劑RD，中國石化集團南京化學工業有限公司產品；防護蠟，山東陽谷華泰化工股份有限公司產品；硫黃，無錫華盛橡膠新材料科技股份有限公司產品；促進劑TBBS，山東戴瑞克新材料有限公司產品。

1.2 配方

1.2.1 小配合試驗

生產配方：NR 50，BR 50，炭黑N330 74，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑4020和RD 4，硫黃 2，促進劑TBBS 0.8，其他 6。

試驗配方：NR 50，BR 50，炭黑N330 58，硅格粉 20，硅烷偶聯劑Si69 2，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑4020和RD 4，硫黃 1.5，促進劑TBBS 2，其他 6。

1.2.2 大配合試驗

生產配方同小配合生產配方。

試驗配方：NR 40，BR 60，炭黑N330 45，硅格粉 25，硅烷偶聯劑Si69 2，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑4020和RD 4，硫黃 1.9，促進劑TBBS 2.2，其他 6。

1.3 主要設備和儀器

2.5 L密煉機，佰弘機械（上海）有限公司產品；F370型和F270型密煉機，桂林橡膠機械有限公司產品；XK-160型開煉機，無錫第一橡塑機械有限公司產品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；XLB-D型平板硫化機，湖州宏僑橡膠機械有限公司產品；GT-TCS-2000-G型電子拉力試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品；動態熱機械分析（DMA）儀，德國耐馳儀器公司產品。

1.4 試樣制備

小配合試驗采用兩段混煉工藝，一段混煉在2.5 L密煉機中進行，混煉工藝如下：生膠（30 s）→炭黑N330、硅格粉以及其他小料→壓壓砣（50 s）→提壓砣清掃→壓壓砣（150 ℃）→排膠；二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝如下：一段混煉膠→硫黃和促進劑TBBS→左右割刀各3次→薄通、打三角包各3次→出片。

大配合試驗采用3段混煉工藝，一段和二段混煉在F370型密煉機中進行，三段混煉在F270型密煉機中進行，一段混煉工藝如下：生膠、2/3炭黑N330以及小料→壓壓砣（40 s）→提壓砣（125 ℃）→壓壓砣（30～35 s）→提壓砣→壓壓砣至（155±5） ℃→排膠；二段混煉工藝如下：一段混煉膠、剩余1/3炭黑N330和硅格粉→壓壓砣（30～35 s）→提壓砣（125℃）→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣至（160±5）℃→排膠；三段終煉工藝如下：二段混煉膠、硫黃和促進劑TBBS→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（35 s）→提壓砣→壓壓砣至（105±5） ℃→排膠。

混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為151℃×30 min。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按相應國家或行業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化性能

硅格粉的理化性能見表1。由表1可知，硅格粉的各項理化性能均達到企業標準要求。

表1 硅格粉的理化性能

2.2 小配合試驗

小配合試驗結果見表2。

從表2可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的Fmax－FL減小，表明硅格粉替代部分炭黑膠料形成的交聯網絡較差；與生產配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠的拉伸強度下降8.7%，50%定伸應力下降4%，邵爾A型硬度減小，但仍保持在70度以上，拉斷永久變形減小，表明硅格粉對NR膠料的補強性差于炭黑；在100 ℃高溫下，試驗配方硫化膠的50%和100%定伸應力保持率提升。

表2 小配合試驗結果

從表2還可以看出，與生產配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠60 ℃時的tanδ顯著降低，降幅超過30%，表明試驗配方硫化膠的滾動阻力小，生熱低。

2.3 大配合試驗

大配合試驗結果見表3。

從表3可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的FL和Fmax減小，Fmax－FL亦減小；試驗配方硫化膠的拉伸強度下降22%，50%和100%定伸應力下降40%～50%，邵爾A型硬度減小，耐屈撓疲勞性能略優，原因可能是硅格粉為球形粒子，屬于多微孔結構，抵抗變形能力和形變恢復能力強；熱空氣老化后，硫化膠的50%和100%定伸應力變化率小，有利于解決胎圈護膠在后期硬化快，導致發脆、掉塊病象；100 ℃高溫下硫化膠的50%和100%定伸應力保持率提升，有利于胎圈在高溫下的剛性支撐；試驗配方硫化膠60 ℃時的tanδ顯著降低，降幅超過60%。為保證胎圈護膠的剛性支撐，高硬度性能要求前提下，建議硅格粉的用量不超過25份，同時總填料的用量不低于70份。

表3 大配合試驗結果

2.4 工藝性能

采用大配合試驗膠料進行工藝性能評價。壓出胎圈護膠表面出現輕微破邊，原因可能是硅格粉補強性差造成膠料的彈性形變大，導致制品收縮率大、易破邊；同時硅格粉的表面含有少量羥基、易吸水，容易導致混煉工藝的波動，壓出制品的質量出現波動性，建議對硅格粉及混煉膠進行保溫處理，并縮短停放時間，從而降低混煉工藝及壓出制品質量的波動性。

3 結論

（1）與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的Fmax－FL減小，表明硅格粉替代部分炭黑膠料形成的交聯網絡較差。

（2）與生產配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠的邵爾A型硬度、拉伸強度、50%和100%定伸應力下降；熱空氣老化后，試驗配方硫化膠的50%和100%定伸應力變化率小，有利于解決胎圈護膠在后期硬化快，導致發脆、掉塊病象；高溫下硫化膠的100%定伸應力保持率提升，有利于胎圈在高溫下的剛性支撐；試驗配方硫化膠60 ℃時的tanδ顯著降低，可降低生熱。

（3）大配合試驗膠料的工藝性能表明，需對硅格粉及混煉膠進行保溫處理，并縮短停放時間，從而降低混煉工藝及壓出制品質量的波動性。

硅格粉來源于自然，價格優勢明顯，在輪胎中應用具有超高性價比。