炭黑NC803在全鋼子午線輪胎胎肩墊膠中的應用

陳新中，陳嘉璇，李慎永，丁利虎

（山東耐斯特炭黑有限公司，山東 東營 257500）

全鋼子午線輪胎胎肩墊膠因厚度較大，在輪胎高速行駛時生熱快、散熱慢，而且補強劑大多采用炭黑N375，為了解決生熱問題，一般在配方中加入白炭黑，但是白炭黑不易分散，需加入硅烷偶聯劑對白炭黑進行改性，導致生產成本和混煉能耗提高[1-5]。炭黑NC803是一種新開發的高結構度、較低比表面積、較大粒徑的非標準炭黑，其粒徑約為36 nm，大粒徑炭黑能賦予膠料更低的生熱。

本工作主要研究炭黑NC803在全鋼子午線輪胎胎肩墊膠中的應用，探索炭黑NC803替代炭黑N375的可行性。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），1#標準膠，泰國進口產品；炭黑NC803和N375，山東耐斯特炭黑有限公司產品；白炭黑，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；偶聯劑Si69，南京曙光硅烷化工有限公司產品；防老劑RD和4020，山東尚舜化工有限公司產品；氧化鋅、硬脂酸、不溶性硫黃和促進劑TBBS，寧波艾克姆新材料有限公司產品。

1.2 試驗配方

炭黑鑒定標準配方（用量/份）：NR 100，炭黑（變品種） 50，氧化鋅 5，硬脂酸 3，硫黃2.5，促進劑MBTS 0.6。Q1和Q2配方分別采用炭黑N375和NC803，其余組分及用量相同。

胎肩墊膠生產配方（用量/份）：NR 100，炭黑（變品種） 22.5，白炭黑 15，偶聯劑Si69 3，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑RD 1，防老劑4020 1.5，不溶性硫黃 1.9，促進劑TBBS 1.9。Q3和Q4配方分別采用炭黑N375和NC803，其余組分及用量相同。

1.3 主要設備和儀器

XSM-500型橡塑實驗密煉機，上海科創橡塑機械設備有限公司產品；Brabender C型吸油計，德國布拉本達公司產品；TriStar Ⅱ型氮吸附儀，美國麥克公司產品；炭黑粒徑分析儀，德國Brookhaven公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；XL-800×800×2型平板硫化機，青島光越橡膠機械制造有限公司產品；TD-401A型熱老化試驗機，江都市騰達試驗儀器廠產品；GT-TCS-2000型電子拉力機和GT-RH-2000型壓縮生熱試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；DMAQ800型動態熱機械分析（DMA）儀，美國TA公司產品。

1.4 試樣制備

采用密煉機按照GB/T 3780.18—2017《炭黑第18部分：在天然橡膠（NR）中的鑒定方法》制備標準配方混煉膠。

生產配方膠料按常規工藝進行混煉。

膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為145℃/10 MPa×30 min。

1.5 性能測試

動態力學性能采用DMA儀進行測試，測試條件為：拉伸模式，應變 0.25%，頻率 10 Hz，升溫速率 3 ℃·min-1，溫度范圍 －60～80 ℃。

膠料其他性能均按照相應的國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 炭黑的化學性能

兩種炭黑的化學性能對比如表1所示。

表1 兩種炭黑的化學性能對比

從表1可以看出，與炭黑N375相比，炭黑NC803的吸碘值低31.9%（粒徑較大），DBP吸油值（結構度）高15.9%，壓縮樣吸油值高5.9%，氮吸附比表面積低20.5%，但單從數值來看，氮吸附比表面積比吸碘值高17%，這是炭黑NC803不同于炭黑N375的主要特性，表明炭黑NC803表面較炭黑N375表面有更多的官能團，能與橡膠產生更多的交聯，增強膠料的性能，同時其滯后性能更低。

2.2 炭黑粒徑分布

對炭黑的微觀結構進行分析，采用離心沉降法分析炭黑聚集體分布結構。兩種炭黑的粒徑分布參數對比如表2所示。

表2 兩種炭黑的粒徑分布參數對比 μm

從表2可以看出，兩種炭黑的D10差異不大，但D50和D90有較大差異，表明炭黑NC803的粒徑分布比炭黑N375更寬，粒徑稍大。

2.3 標準配方試驗

兩種炭黑對標準配方膠料性能的影響如表3所示。

表3 標準配方膠料的物理性能

從表3可以看出：在標準配方試驗中，與炭黑N375膠料相比，老化前炭黑NC803膠料的邵爾A型硬度、拉伸強度和撕裂強度相差不大，定伸應力略高，拉斷伸長率略低，壓縮生熱降低11.9%，DIN磨耗指數較大，其原因可能是炭黑NC803的結構度較高，分散性更好；老化后炭黑NC803膠料的定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均比炭黑N375膠料略高。

2.4 生產配方試驗

2.4.1 物理性能

在相同的配方及工藝條件下，用炭黑NC803等量替代炭黑N375，膠料物理性能如表4所示。

表4 生產配方膠料的物理性能

從表4可以看出：在生產配方試驗中，與炭黑N375膠料相比，老化前炭黑NC803膠料的定伸應力和拉伸強度有所提高，拉斷伸長率、撕裂強度和DIN磨耗指數基本一致，壓縮生熱略降低，這應該是由于加入白炭黑改善了膠料的壓縮生熱性能，使兩種炭黑膠料的壓縮生熱差異減小；老化后炭黑NC803膠料的定伸應力和拉伸強度較高，其他性能在同一水平。

2.4.2 動態力學性能

兩種炭黑膠料的動態力學性能如圖1—4和表5所示，其中tanδ為損耗因子，E′為彈性模量，Tg為玻璃化轉變溫度。

圖3 Q4配方膠料的E′-溫度曲線

圖4 Q4配方膠料的tanδ-溫度曲線

表5 兩種炭黑膠料的動態力學性能

從圖1—4和表5可以看出，炭黑NC803膠料0℃時的tanδ比炭黑N375膠料大，60 ℃時的tanδ比炭黑N375膠料小，這表明炭黑NC803具有較低的滯后性，可滿足全鋼子午線輪胎胎肩墊膠的低生熱需求。

2.5 效益分析

炭黑NC803的噸產品油消耗量（1.65 t）低于炭黑N375（1.80 t），日產量提升，電、水及蒸汽用量相對減少，碳排放量明顯降低，炭黑NC803的生產成本比炭黑N375約低10%。

3 結論

（1）炭黑NC803是一種高結構度、較低比表面積和較大粒徑的非標準炭黑，其獨特之處是炭黑表面的官能團較多，能與橡膠發生更多的交聯，有利于提高膠料的性能。

（2）在全鋼子午線輪胎胎肩墊膠配方中，采用22.5份炭黑NC803等量替代炭黑N375，可以提高膠料的定伸應力和拉伸強度，同時降低生熱。

（3）相較于炭黑N375，炭黑NC803具有更低的滯后性，同時生產成本低，碳排放量更小。

綜上所述，炭黑NC803完全可以替代炭黑N375應用于全鋼子午線輪胎胎肩墊膠中，解決胎肩墊膠的生熱問題。