低滾動阻力全鋼載重子午線輪胎的配方開發與應用

牛 飛，李 偉，李愛嬌，牟成乾，胡 源，邱新新，晉 琦，高 明

（1.華勤橡膠工業集團，山東 濟寧 272100；2.通力輪胎有限公司，山東 濟寧 272100；3.山東華勤橡膠科技有限公司，山東 濟寧 272100；4.濟寧齊魯檢測技術有限公司，山東 濟寧 272000）

2021年全國兩會首次將“碳達峰、碳中和”寫入政府工作報告，其由此成為我國新時代產業發展的核心戰略。在面向“3060”目標的低碳新時代，輪胎工業已從關注“綠色輪胎”（組分優化）走向綠色低碳產業化生產技術（工藝技術革新），實現從原材料到生產工藝再到輪胎使用全鏈條綠色節能、清潔低碳。

眾所周知，汽車在行駛過程中主要受到阻力、驅動力的作用。其中行駛阻力主要包括滾動阻力、空氣阻力、內部摩擦力，地面有坡度時還需克服重力。輪胎滾動阻力的產生原因主要有3個：輪胎變形時其構成部件的能量損失、輪胎與路面摩擦產生的阻力和輪胎受到的空氣阻力。輪胎與路面接觸會產生變形，由于輪胎具有彈性復原力，復原力越大，則滾動阻力越小，如果沒有彈性復原力，而能量卻有所損失，則滾動阻力會增大，因此能量損失與輪胎構成部件的滯后損失緊密相關[1-2]。其中，變形能量損失引起的阻力占輪胎行駛阻力的90%。為減小輪胎變形而導致的構成部件能量損失，可以采用減小輪胎接地變形量、減小變形部件的體積或使用能量損失小的原材料等方法。一般認為，輪胎滾動阻力油耗占整車油耗的14%～17%，輪胎滾動阻力每降低10%，可以使燃料消耗降低1%～2%[3-4]。據推算，輪胎的滾動阻力由胎冠膠貢獻50%，胎側膠貢獻13%，上三角膠貢獻10%，其他部件貢獻27%。

膠料在動態往復變形過程中會產生滯后損失，通常用60 ℃下膠料的損耗因子（tanδ）表征輪胎的滾動阻力，tanδ小可降低輪胎的滾動阻力。在設計低滾動阻力膠料配方時，主要通過選擇膠種、填料及調整各組分配比實現。通過選擇天然橡膠（NR）與低玻璃化溫度（Tg）的橡膠并用或者選擇高導熱的碳納米管，或者引入新型炭黑偶聯劑，以進一步改善炭黑在橡膠中的分散性并加強其與橡膠的相互作用，此外還可應用白炭黑替代炭黑補強等，以開發低滾動阻力膠料。

本工作研究低滾動阻力全鋼載重子午線輪胎胎面膠、胎側膠和上三角膠配方的開發及應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

NR，STR20，廣東省廣墾橡膠集團有限公司產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化集團北京燕山石油化工有限公司產品；高順式聚丁二烯橡膠，阿朗新科新加坡私人有限公司產品；炭黑N234、炭黑N375和炭黑N550，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；白炭黑，確成硅化學股份有限公司產品；硅烷偶聯劑Si69，湖北江瀚新材料股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

胎面膠、胎側膠和上三角膠的配方見表1。

表1 胎面膠、胎側膠和上三角膠配方 份

1.3 主要設備和儀器

X（S）M-1.5型智能密煉機，青島科高橡塑機械技術裝備有限公司產品；GK400N型和GK255N型密煉機，德國克虜伯公司產品；HZ-7015型和XK-810型雙螺桿擠出機，南京瑞寶利擠出設備有限公司產品；XLH-Q600×600×X4/1400型平板式硫化機，青島高策橡膠工程有限公司產品；Premier MDR型無轉子硫化儀、RPA2000橡膠加工分析儀（RPA）和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產品；AI-7000S型電子拉力試驗機和RH2000N型壓縮生熱試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品；2-PC（Y）型輪胎高速試驗機，天津久榮工業技術有限公司產品；滾動阻力試驗機，美國MTS系統公司產品。

1.4 混煉工藝

胎面膠采用3段混煉工藝，母煉和終煉分別在GK400N型和GK255N型密煉機中進行。一段混煉工藝為：加入生膠、2/3炭黑、全部白炭黑和硅烷偶聯劑以及氧化鋅、硬脂酸等助劑，使炭黑充分分散，使白炭黑與硅烷偶聯劑充分反應，排膠溫度為155～160 ℃；二段混煉加入一段混煉膠、1/3炭黑等進行混煉，排膠溫度為145～150 ℃；三段混煉加入二段混煉膠、硫黃、促進劑和防焦劑等，排膠溫度為100～105 ℃。

胎側膠采用2段混煉工藝，一段和二段混煉分別在GK400N型和GK255N型密煉機中進行。一段混煉加入生膠、全部炭黑、白炭黑和硅烷偶聯劑以及氧化鋅、硬脂酸、防老劑和芳烴油等小料，排膠溫度為155～160 ℃；二段混煉加入一段混煉膠、硫黃、促進劑和防焦劑等，排膠溫度為100～105 ℃。

上三角膠采用2段混煉工藝，一段和二段混煉分別在GK400N型和GK255N型密煉機中進行。一段混煉加入生膠、全部炭黑、白炭黑、硅烷偶聯劑以及氧化鋅和硬脂酸等小料，使白炭黑與硅烷偶聯劑充分反應，排膠溫度為155～160 ℃；二段混煉加入一段混煉膠、硫黃、促進劑和防焦劑等，排膠溫度為100～105 ℃。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。按照GB/T 16584—1996進行測試，測試條件為150 ℃×60 min。

（2）物理性能。按照GB/T 528—2009和GB/T 531.1—2008分別測試硫化膠的拉伸性能和邵爾A型硬度，采用4 mm試樣，硫化條件為150 ℃×30 min。

（3）RPA分析。試驗條件為頻率 1.67 Hz，應變 7%，溫度 151 ℃，達到條件后穩定5 min，將試樣放入模腔硫化60 min，再將溫度降低至60 ℃，在頻率 10 Hz、應變 7%條件下測試。

（4）壓縮疲勞溫升。采用直徑為18 mm、高度為24 mm的實心圓柱形試樣，按照ASTM D623—2007進行測試，條件為：恒溫室溫度 55 ℃，預熱時間 30 min，試驗時間 25 min，負荷 245 N，頻率 30 Hz，沖程 4.45 mm。

（5）輪胎耐久性能。按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行測試，充氣壓力以單胎最大額定負荷對應的充氣壓力為準，充氣后的試驗輪胎和輪輞組合體在（38±3）℃的環境下至少停放3 h。

（6）滾動阻力系數。依據ECE R117進行測試，試驗條件為：輪輞 9.00，熱平衡時間 ≥6 h，溫度修正因數 0.006。

2 結果與討論

2.1 胎面膠

2.1.1 硫化特性

胎面膠的硫化特性見表2。

從表2可以看出，與對照配方胎面膠相比，試驗配方胎面膠的FL，Fmax和Fmax－FL增大，ts1和t90縮短，說明試驗配方胎面膠的交聯密度大，硫化時間短，硫化速度提高，硫化安全性下降。

表2 胎面膠的硫化特性

2.1.2 物理性能

胎面膠的物理性能見表3。

表3 胎面膠的物理性能

從表3可以看出：與對照配方胎面膠相比，試驗配方胎面膠的100%定伸應力增大，300%定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率減小；撕裂強度和耐磨性能相當；壓縮疲勞溫升和60 ℃時的tanδ明顯減小，表明試驗配方胎面膠的滾動阻力降低、生熱減小。

一般認為，膠料的動態壓縮生熱一方面主要與膠料內部填料間摩擦、填料與橡膠大分子鏈間摩擦以及橡膠大分子鏈摩擦有關；另一方面與膠料的粘彈滯后性有關[5-6]。試驗配方胎面膠具有較低的壓縮疲勞溫升及低滯后損失，主要原因是配方采用NR與稀土BR并用，并增大BR用量，同時調整其他組分的用量。

2.1.3 Payne效應

Payne效應是指填充橡膠在小形變動態機械性能加載過程中，其儲能模量（G′）隨動態應變的增大而急劇減小的現象。通常用ΔG′（G′在低應變下與高應變下的差值）表征填料的聚集程度和填料網絡化的程度。ΔG′越小，Payne效應越弱，填料的分散性越好。本研究定義ΔG′為應變為1.84%時的G′與應變為40%時的G′的差值。

胎面膠的G′-應變曲線如圖1所示，損耗模量（G″）-應變曲線如圖2所示。

圖1 胎面膠的G′-應變曲線

圖2 胎面膠的G″-應變曲線

從圖1和2可以看出：隨著應變的增大，對照配方與試驗配方膠料的G′均減小，有明顯的Payne效應；試驗配方和對照配方胎面膠的ΔG′分別為437和659 kPa，試驗配方胎面膠的ΔG′明顯小于對照配方胎面膠，表明試驗配方胎面膠的填料聚集程度和網絡化程度減弱；G″與G′呈現相似的規律。這是因為炭黑偶聯劑的加入，使得填料與橡膠間的結合力增強，填料在基體中的分散性得到明顯改善，從而使填料-填料和填料-橡膠間的摩擦減小，這與60 ℃時的tanδ變化趨勢一致。

2.2 胎側膠

2.2.1 硫化特性

胎側膠的硫化特性見表4。

從表4可以看出，與對照配方胎側膠相比，試驗配方胎側膠的Fmax增大，ts1相當，t90略有縮短，這與填料種類以及硫化體系有關。

表4 胎側膠的硫化特性

2.2.2 物理性能

胎側膠物理性能見表5。

表5 胎側膠的物理性能

從表5可以看出：與對照配方胎側膠相比，試驗配方胎側膠的300%定伸應力增大，拉斷伸長率減小，其他性能相當；壓縮疲勞溫升和60 ℃時的tanδ明顯減小，表明試驗配方胎側膠的滾動阻力降低。這是因為試驗配方中炭黑用量減小且以白炭黑替代部分炭黑，聚合物基體中形成的炭黑粒子聚集體是可旋轉的橢圓體形狀，以此作為基本單位，形成了不小于20 μm的分維構造。而白炭黑在聚合物基體中是形成了幾百納米的分維性結構的白炭黑聚集體。白炭黑填充膠料易隨變形而分布，在變形過程中，白炭黑聚集體之間不易產生摩擦，故可減小橡膠復合材料的滯后損失[7-8]。

2.2.3 Payne效應

胎側膠的G′-應變曲線和G″-應變曲線分別如圖3和4所示。

從圖3和4可以看出：試驗配方和對照配方胎側膠的ΔG′分別為96和190 kPa，試驗配方胎側膠的ΔG′明顯小于對照配方胎側膠，這表明試驗配方填料的聚集程度減弱，網絡化程度減小；G″與G′呈現相似的規律。這是因為試驗配方中炭黑用量減小、以白炭黑替代部分炭黑，白炭黑與硅烷偶聯劑Si69進行硅烷化反應后與橡膠發生反應形成結合膠，以及Si69分子中硫與橡膠分子鏈反應形成少量的單硫、雙硫、多硫或多硫共價鍵，二者共同作用阻止了填料的聚集和填料網絡結構的生成。

圖3 胎側膠的G′-應變曲線

圖4 胎側膠的G″-應變曲線

2.3 上三角膠

2.3.1 硫化特性

上三角膠的硫化特性見表6。

從表6可以看出，與對照配方上三角膠相比，試驗配方上三角膠的Fmax略有增大，ts1延長，t90相差不大，說明試驗配方上三角膠的硫化安全性提高，這可能與填料種類有關。

表6 上三角膠的硫化特性

2.3.2 物理性能

上三角膠的物理性能見表7。

表7 上三角膠的物理性能

從表7可以看出：與對照配方上三角膠相比，試驗配方上三角膠的拉伸強度略減小，其他性能相當；壓縮疲勞溫升和60 ℃時的tanδ明顯下降，說明試驗配方上三角膠的滾動阻力小、生熱低。

由上三角膠對滾動阻力的貢獻率可知，減小上三角膠60 ℃時的tanδ對降低輪胎滾動阻力是非常重要的。在上三角膠試驗配方設計中，主要從填充體系考慮，一方面填料的選擇發生改變；另一方面減小炭黑用量，采用白炭黑替代部分炭黑。白炭黑替代部分炭黑可以達到降低滾動阻力的目的。此外，炭黑的改變對膠料的滯后損失影響是非常復雜的。一般認為，炭黑的結構在混煉過程中會被部分破壞，所形成的反應性表面可與橡膠發生相互作用，從而使膠料中聚合物與填料之間發生強相互作用。高結構度的炭黑形成的填料-填料網絡相對較少。在恒定應力下，使用較高結構度的炭黑會降低膠料的滯后損耗。此外，在膠料恒定負載、形變或能量的情況下，減小炭黑的比表面積也可減小膠料的滯后損失[9-10]。從試驗結果看，試驗配方上三角膠60 ℃時的tanδ降低非常明顯，與理論相符。

2.3.3 Payne效應

上三角膠的G′-應變曲線和G″-應變曲線分別如圖5和6所示。

從圖5和6可以看出：試驗配方和對照配方上三角膠的ΔG′分別為84和142 kPa，試驗配方上三角膠的ΔG′明顯小于對照配方上三角膠，說明試驗配方上三角膠的填料聚集程度和網絡化程度減弱；G″與G′呈現相似的規律，即與對照配方上三角膠相比，試驗配方上三角膠的G″減小，表明填料在膠料中分散性提高。

圖5 上三角膠的G′-應變曲線

圖6 上三角膠的G″-應變曲線

3 成品輪胎性能

將上述試驗配方與對照配方制備12R22.5 18PR全鋼載重子午線輪胎[花紋為線性花紋（針對行駛面寬240 mm，花紋深度17～18 mm）]，并進行輪胎滾動阻力和耐久性測試。

3.1 滾動阻力

對照輪胎和試驗輪胎的滾動阻力系數分別為6.43和4.92 N·kN-1，與對照輪胎相比，試驗輪胎的滾動阻力系數減小23.5%；根據ISO 28580：2009測試方法進行的室內滾動阻力性能測試結果表明，試驗輪胎滾動阻力系數可達B級水平。

3.2 耐久性能

輪胎耐久性試驗結果表明，對照輪胎和試驗輪胎累計行駛時間分別為104.33和110．13 h，與對照輪胎相比，試驗輪胎的累計行駛時間延長約6%，耐久性能較好。這可能與試驗輪胎的胎面膠、胎側膠、上三角膠具有低生熱性能有關。

4 結論

（1）與對照配方相比，試驗配方胎面膠的100%定伸應力增大，300%定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率減小，其他性能相當；試驗配方胎側膠的300%定伸應力增大，拉斷伸長率減小，其他性能相當；試驗配方上三角膠的拉伸強度略減小，其他性能相當。

（2）與對照配方相比，試驗配方胎面膠、胎側膠和上三角膠的壓縮疲勞溫升、60 ℃時的tanδ和ΔG′都明顯減小，表明其滾動阻力低、生熱小、填料聚集程度減弱。

（3）成品輪胎性能測試結果表明，與對照輪胎相比，試驗輪胎的滾動阻力系數減小23.5%，可達B級水平，耐久性能提高約6%。