不同材料對缺氣保用輪胎支撐膠性能的影響

張 靜，王 君，黃義鋼，王巧平，李治韜

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

自體支撐型缺氣保用輪胎是用于正常充氣狀態(tài)下行駛，且在缺氣狀態(tài)下無需其他任何附屬配件，仍能以一定速度行駛一定距離的充氣輪胎[1-5]，是目前市場上缺氣保用輪胎的主流類型。自體支撐型缺氣保用輪胎主要是在輪胎原本較軟的胎側(cè)內(nèi)側(cè)加入高硬度的支撐膠，從而減小輪胎失壓后的變形，以維持一定的行駛能力。缺氣保用輪胎失壓后，車輛大部分負(fù)荷被支撐膠所承擔(dān)，這就要求支撐膠不僅要有較高的硬度，還要有較低的滯后損失和生熱，從而降低高負(fù)荷下的動態(tài)溫升，同時應(yīng)具有應(yīng)對較大變形的耐屈撓等性能[6-9]。

近年來，為滿足汽車行業(yè)節(jié)能減排、安全環(huán)保的發(fā)展需求，汽車生產(chǎn)企業(yè)開始采用缺氣保用輪胎取代T型輪胎（備胎）開發(fā)高端乘用車。因此，許多輪胎企業(yè)紛紛開展了對缺氣保用輪胎支撐膠性能的研究。倪海超等[10]研究了高順式聚丁二烯復(fù)合橡膠（VCR）對支撐膠性能的影響，結(jié)果表明VCR替代稀土順丁橡膠具有較好的補(bǔ)強(qiáng)增硬效果，支撐膠的硬度和100%定伸應(yīng)力增大，生熱相近。馮友林等[11]研究了補(bǔ)強(qiáng)樹脂SP6701對支撐膠性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用6份補(bǔ)強(qiáng)樹脂SP6701替代10份炭黑N375，支撐膠的硬度和拉伸強(qiáng)度增大，100%定伸應(yīng)力相近，壓縮疲勞溫升降低。任福君等[12]研究發(fā)現(xiàn)，采用炭黑改性低順式聚丁二烯橡膠替代順丁橡膠，支撐膠的定伸應(yīng)力增大，生熱明顯降低，試驗輪胎的零氣壓耐久性能提高。上述文獻(xiàn)雖然研究了不同材料對支撐膠硬度、生熱等性能的影響，但并未對比研究支撐膠硬度相同時，不同材料對硫化膠物理性能和動態(tài)力學(xué)性能的影響[13-14]。

本工作對比研究VCR、炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、硫黃和促進(jìn)劑對支撐膠性能的影響，以期為缺氣保用輪胎支撐膠配方的設(shè)計和研發(fā)提供參考。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；釹系高順式聚丁二烯橡膠（NdBR），牌號CB24，阿朗新科高性能彈性體（常州）有限公司產(chǎn)品；VCR，牌號617，日本宇部興產(chǎn)株式會社產(chǎn)品；炭黑N660，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；環(huán)烷油，牌號Nytex4700，瑞典尼納斯公司產(chǎn)品；補(bǔ)強(qiáng)樹脂，牌號SL2101，彤程新材料集團(tuán)有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

試驗配方見表1。

1.3 主要設(shè)備和儀器

BL-6175-AL型開煉機(jī)，寶輪精密檢測儀器有限公司產(chǎn)品；BB-1600IM型密煉機(jī)，日本神鋼株式會社產(chǎn)品；XLB-D 500×500×2型平板硫化機(jī)，湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；PREMIER MV型門尼粘度儀和PREMIER MDR型無轉(zhuǎn)子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；INSTRON 5965型萬能材料試驗機(jī)，美國Instron公司產(chǎn)品；WAH17A型邵爾A硬度計，英國Wallace儀器公司產(chǎn)品；Precisa XB220A型自動比重計和GT-7011-DHD型高低溫德墨西亞屈撓試驗機(jī)，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；Digi test Ⅱ型回彈試驗機(jī)，德國博銳儀器公司產(chǎn)品；GABOMETER 4000型動態(tài)壓縮生熱試驗機(jī)和EPLEXOR 500N型動態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）儀，德國耐馳儀器公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝，在密煉機(jī)中進(jìn)行混煉。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，循環(huán)水溫度為60 ℃，加料順序為：生膠→炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、活性劑、防老劑等小料→環(huán)烷油→排膠（155 ℃）；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，循環(huán)水溫度為60 ℃，混煉工藝為：一段混煉膠、硫化劑→排膠（105 ℃）。

試樣硫化溫度為161 ℃，2 mm試片硫化時間為20 min，其他試樣硫化時間為30 min。

1.5 性能測試

（1）DMA。溫度掃描測試條件為：溫度范圍－60～80 ℃，升溫速率 2 ℃·min-1，應(yīng)變7%±0.25%。

（2）壓縮疲勞性能。測試條件為：預(yù)應(yīng)力 2 MPa，沖程 4.45 mm，壓縮頻率 30 Hz，恒溫箱溫度 100 ℃，測試時間 60 min。

（3）其他性能均按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

不同材料對膠料硫化特性的影響見表2。

從表2可以看出：與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的門尼粘度明顯增大，說明隨著炭黑用量的增大，膠料的加工流動性變差，這與炭黑用量增大，結(jié)合膠和包容膠數(shù)量增加有關(guān)，其他材料的用量變化對膠料門尼粘度的影響不大；5#—7#配方膠料的門尼焦燒時間縮短，說明炭黑和補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量的增大會對膠料的加工安全性產(chǎn)生不利影響，實際應(yīng)用時可適當(dāng)調(diào)整防焦劑用量；4#和5#配方膠料的交聯(lián)密度（Fmax－FL）明顯增大，這主要是因為隨著炭黑用量的增大，橡膠-填料及填料-填料間的網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，11#配方膠料的交聯(lián)密度也明顯增大，這是由于其硫黃用量較大；膠料FL和t10的變化趨勢與膠料門尼粘度和門尼焦燒時間的變化趨勢基本一致。

2.2 物理性能

不同材料對硫化膠物理性能的影響見表3。

表3 不同材料對硫化膠物理性能的影響

從表3可以看出：與1#配方硫化膠相比，3#—7#，10#和11#配方硫化膠的硬度和定伸應(yīng)力均有所增大；與8#配方硫化膠相比，9#配方硫化膠的硬度和定伸應(yīng)力也有所增大，說明VCR、炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、硫黃及促進(jìn)劑H-80用量的增大均能提高硫化膠抵抗變形的能力，有利于提高膠料的支撐性；與1#配方硫化膠相比，4#和5#配方硫化膠的拉伸強(qiáng)度增大，10#和11#配方硫化膠的拉伸強(qiáng)度減小，說明在一定范圍內(nèi)，炭黑用量的增大有利于提高膠料抗破壞的能力，但硫黃用量增大導(dǎo)致的較高交聯(lián)密度阻礙了分子鍵的定向排列，妨礙了分子鏈結(jié)晶，從而導(dǎo)致硫化膠的拉伸強(qiáng)度減小，其他材料對硫化膠拉伸強(qiáng)度的影響不大。

2.3 動態(tài)性能

不同材料對硫化膠動態(tài)性能的影響見表4，E′為彈性模量，E″為損耗模量，tanδ為損耗因子。

采用DMA測試70 ℃時的tanδ及壓縮疲勞溫升來表征硫化膠的動態(tài)生熱[15]。從表4可以看出：與1#配方膠料相比，3#—7#配方膠料70 ℃時的tanδ和壓縮疲勞溫升呈增大趨勢，說明VCR、炭黑及補(bǔ)強(qiáng)樹脂在提高膠料硬度的同時均會導(dǎo)致膠料的生熱增大；與8#配方膠料相比，6#和9#配方膠料70 ℃時的tanδ和壓縮疲勞溫升呈下降趨勢；與1#配方膠料相比，10#和11#配方膠料的生熱也呈下降趨勢，說明促進(jìn)劑H-80和硫黃在提高膠料硬度的同時可兼顧較低的滯后損失和生熱。

不同材料對硫化膠硬度和70 ℃時tanδ的影響如圖1所示。通過對比分析5種材料在提高硫化膠硬度的同時對其生熱的影響，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到回歸方程曲線，相關(guān)因數(shù)（R2）在0.9左右，具有一定的參考性。

圖1 不同材料對硫化膠硬度和70 °C時tan δ的影響

從圖1可以看出，在提高相同硬度下，VCR和炭黑N660具有相近的回歸因數(shù)（b≈0.002 3），但補(bǔ)強(qiáng)樹脂的回歸因數(shù)則明顯較大（b≈0.003 7），說明VCR和炭黑在提高膠料硬度的同時可兼顧較低的滯后損失和生熱，而補(bǔ)強(qiáng)樹脂的生熱較高；促進(jìn)劑H-80及硫黃的回歸因數(shù)相近（b≈－0.003 1），說明這兩種材料在降低膠料生熱方面具有相近的作用，壓縮疲勞溫升表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

不同材料對硫化膠硬度和終動壓縮率的影響如圖2所示。

圖2 不同材料對硫化膠硬度和終動壓縮率的影響

終動壓縮率是指壓縮疲勞試驗中試樣終動壓縮變形量與試樣原高度的百分比，可表征試樣在周期性載荷作用下抵抗變形的能力。從圖2可以看出，隨著硫黃或促進(jìn)劑H-80用量的增大，膠料的終動壓縮率呈明顯減小趨勢，說明硫黃和促進(jìn)劑用量的增大有利于提高膠料在動態(tài)載荷下抵抗變形的能力，提高膠料的支撐性。高用量VCR（3#配方）或炭黑N660（5#配方）的使用同樣有利于減小膠料的終動壓縮率，提高膠料的支撐性。隨著補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量的增大，膠料的終動壓縮率呈顯著增大趨勢，在相同硬度下，補(bǔ)強(qiáng)樹脂膠料的終動壓縮率明顯大于VCR或炭黑膠料，這可能與周期性壓縮疲勞變形作用下補(bǔ)強(qiáng)樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞有關(guān)。

結(jié)合表4還可以看出：與2#配方膠料相比，1#和3#配方膠料的耐屈撓疲勞性能提高；與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的屈撓斷裂次數(shù)相近，6#和7#配方膠料的耐屈撓疲勞性能提高，10#和11#配方膠料的耐屈撓疲勞性能下降；與8#配方膠料相比，6#和9#配方膠料的耐屈撓疲勞性能下降。上述結(jié)果表明，在一定硬度范圍內(nèi)，增大VCR和炭黑的用量不會對膠料的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響，增大補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量可以提高膠料的耐屈撓疲勞性能，但增大促進(jìn)劑H-80和硫黃的用量則會對膠料的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

（1）在支撐膠配方中增大炭黑用量，膠料的門尼粘度和交聯(lián)密度增大，加工流動性變差；增大硫黃用量，膠料的交聯(lián)密度增大，其他材料的用量變化對膠料加工性能的影響不大。

（2）VCR、炭黑、補(bǔ)強(qiáng)樹脂、促進(jìn)劑和硫黃用量的增大均可提高硫化膠的硬度和定伸應(yīng)力；在一定范圍內(nèi)，炭黑用量的增大提高了硫化膠的拉伸強(qiáng)度和抗破壞能力，但硫黃用量的增大則對硫化膠的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

（3）VCR、炭黑及補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量增大在提高硫化膠硬度的同時均導(dǎo)致生熱增大，但在提高相同硬度時，VCR和炭黑膠料的生熱明顯低于補(bǔ)強(qiáng)樹脂膠料，且具有更小的終動壓縮率；促進(jìn)劑和硫黃用量增大在提高硬度的同時可降低生熱，減小終動壓縮率。

（4）在一定的硬度范圍內(nèi)，增大VCR、炭黑用量不會對硫化膠的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響，增大補(bǔ)強(qiáng)樹脂用量可提高硫化膠的耐屈撓疲勞性能，但增大促進(jìn)劑和硫黃用量則會對硫化膠的耐屈撓疲勞性能產(chǎn)生不利影響。