非公路賽地賽車輪胎胎面膠配方的研發

韋春利，徐學強，蔣化學

（四川海大橡膠集團有限公司，四川 簡陽 641402）

為了拓展產品市場范圍，我公司針對東南亞等熱帶、亞熱帶市場進行了非公路賽地賽車輪胎開發，用于障礙越野和競技比賽。根據市場調查，客戶對該類產品要求較高，其不同于普通的競技輪胎和越野輪胎，具體要求為：（1）耐熱老化性能優異，可適應熱帶、亞熱帶氣候環境；（2）胎面花紋塊較大，胎面膠硬度較低，邵爾A型硬度控制在50度左右，在草泥地路面、碎石路面和崎嶇山路均具有優良的包覆性，不易空轉打滑；（3）具有優良的制動安全性和較低的滾動阻力，滿足環境友好的要求。

為滿足上述要求，在輪胎輪廓設計、花紋塊研究和膠料配方等方面做了一系列研究。本工作進行了胎面膠配方的研發。

1 實驗

1.1 原材料

天然橡膠（NR），STR20，印度尼西亞產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石油大慶石油化工總廠產品；充油溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號2564S，苯乙烯質量分數為0.25，乙烯基質量分數為0.64，充37.5份環烷油，中國石油獨山子石化有限公司產品；充油乳聚丁苯橡膠（ESBR），牌號1723，充37.5份環保芳烴油（TDAE），申華化學工業有限公司產品；高分散性白炭黑，牌號165MP，確成硅化學股份有限公司產品；炭黑N234和N220，山西三強新能源科技有限公司產品；硅烷偶聯劑Si69C，湖北江瀚新材料股份有限公司產品；其余材料均為市售產品。

1.2 配方

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

1.5 L實驗密煉機，青島億朗橡膠裝備有限公司產品；GK400N和GK255N型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；XK-160型開煉機，廣東湛江機械廠產品；0.5MN型平板硫化機，湖州宏僑橡膠機械有限公司產品；MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；UT-2060型電子拉力試驗機和DIN磨耗試驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；Y401A型熱老化試驗箱，江蘇天源試驗設備有限公司產品；EPLEXOR動態粘彈譜分析儀，德國GABO公司產品；輪胎耐久性試驗機和高速里程試驗機，天津車輪實驗中心產品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗

小配合試驗采用2段混煉工藝。一段混煉在1.5 L實驗密煉機中進行，初始溫度為60 ℃，轉子轉速為80 r·min-1。混煉工藝為：加入生膠和除硫黃、促進劑以外的助劑→壓壓砣（30 s）→炭黑和白炭黑→壓壓砣（120 ℃）→TDAE→壓壓砣（150 ℃）→提壓砣、清掃→轉子轉速降為25 r·min-1，恒溫（150 s）→排膠。

一段混煉膠停放8 h后在1.5 L實驗密煉機中進行二段混煉，初始溫度為50 ℃，轉子轉速為25 r·min-1。混煉工藝為：加入一段混煉膠、促進劑和硫黃→壓壓砣（40 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→排膠。膠料在XK-160型密煉機上出片，制成厚度為2 mm的膠片，停放至少8 h備用。

1.4.2 大配合試驗

大配合試驗采用剪切型轉子/恒溫混煉工藝，分為兩段混煉。一段混煉在GK400N型密煉機中進行，轉子轉速為50 r·min-1。混煉工藝為：加入生膠和除硫黃、促進劑以外的助劑→壓壓砣（30 s）→炭黑和白炭黑→壓壓砣（110 ℃）→TDAE→壓壓砣（145 ℃）→提壓砣（轉子轉速降為20 r·min-1）→壓壓砣（50 s）→提壓砣→壓壓砣（50 s）→提壓砣→壓壓砣（50 s）→排膠[（153±5）℃]。

一段混煉膠停放8 h后在GK255N型密煉機中進行二段混煉，轉子轉速為20 r·min-1。混煉工藝為：一段混煉膠、硫黃和促進劑→壓壓砣（30 s）→提壓砣，保持10 s→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→排膠[（100±5）℃]。膠料在常溫環境下存放。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。采用MV2000型門尼粘度儀和MDR2000型無轉子硫化儀測試，測試溫度分別為127和145 ℃。

（2）物理性能。膠料的各項物理性能均按相應的國家標準進行測試，硫化條件為145 ℃×（t90＋10 min）。

（3）動態性能。采用EPLEXOR動態粘彈譜分析儀測試，測試條件為：靜態應變 3%，動態應變 0.3%，頻率 10 Hz，溫度范圍－60～70℃，升溫速率 3 ℃·min-1。

（4）成品輪胎室內性能。高速性能按照GB/T 4501—2016 進行測試；滾動阻力按照ISO 28580：2018進行測試；縱向剛性按照GB/T 23663—2009（85%標準負荷）進行測試。

2 結果與討論

2.1 小配合試驗

2.1.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性如表2所示。

表2 小配合試驗膠料的硫化特性

從表2可以看出，4個配方由于大量使用SSBR或ESBR和TDAE，膠料的門尼粘度較低，混煉過程中膠料剪切力較小，影響填料和橡膠助劑的分散，因此需要針對性地制定混煉工藝，以提高填料的分散性。由于生膠和填料，尤其是白炭黑用量的差異，相同硫化體系下4個配方膠料的硫化速度差異較大，由于SSBR中的苯乙烯含量較ESBR高，其空間位阻作用大[1-7]，因此配方A和D膠料的硫化速度慢于配方B和C膠料。

2.1.2 物理性能

小配合試驗硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 小配合試驗硫化膠的物理性能

從表3可見：在配方中填充大量橡膠油，優化填料配比，可以降低膠料的硬度，其中配方D膠料的硬度基本滿足設計要求；老化前配方A，C和D膠料的300%定伸應力和拉伸強度差異不大，配方B膠料由于炭黑N220含量較大，因此其300%定伸應力和拉伸強度較高；由于合成橡膠的抗撕裂性能較差，4個配方生膠體系均以合成橡膠為主，因此撕裂強度均略低。

BR在很大程度上影響膠料的耐磨性能，膠料中BR的用量越大，其耐磨性能越好，但是用量過大會影響膠料的耐老化性能和抗濕滑性能。配方A和B中BR用量較大，因此其膠料的DIN磨耗指數較高，但是配方B膠料中含有ESBR，由于其分子結構特征，與白炭黑的結合較差，配方B膠料的DIN磨耗指數低于配方A膠料。配方C中的BR用量較小，且含大量ESBR，雖然加入更耐磨的炭黑N234，其膠料耐磨性能遠差于配方A膠料。配方D中的BR用量較小，但是SSBR用量較大，其分子鏈中含有大量乙烯基，可提供更多與白炭黑硅烷化反應的活性連接點[8-9]，有利于白炭黑的分散，因此其膠料DIN磨耗指數較高。

在100 ℃×48 h老化后，配方A，B和C膠料的300%定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率變化較大，老化性能保持率均小于配方D膠料，即配方D膠料的耐老化性能最優。這是由于在相同防老體系下，配方D中NR和BR用量最小，而SSBR用量大，因此其膠料耐老化性能優異。

2.1.3 動態性能

小配合試驗膠料的動態性能如表4所示。

表4 小配合試驗膠料的動態性能

生膠體系的種類及配比基本決定混煉膠的Tg。從表4可以看出，配方A、B和C膠料由于含有大量Tg較低的NR和BR，因此其Tg較低，配方D由于BR用量較小，且Tg較高的SSBR用量大，因此其膠料Tg較高，但可以滿足熱帶雨林環境使用要求。

從表4還可以看出，由于SSBR分子結構特點及白炭黑的用量影響，配方D膠料0 ℃時的tanδ最大，60 ℃時的tanδ最小，即配方D膠料的抗濕滑性能最優，滾動阻力最小[10]。

2.2 大配合試驗

選擇配方D，略調整炭黑N234和TDAE的用量后進行大配合試驗。

大配合試驗膠料的性能如表5所示。

表5 大配合試驗膠料的性能

從表5可以看出，大配合試驗膠料的試驗結果與小配合試驗結果吻合。

2.3 成品輪胎室內性能

用大配合試驗膠料生產成品輪胎AT24×12-10-8PR 69N，并與國際某品牌輪胎進行室內性能對比，結果如表6所示。

表6 成品輪胎室內性能

從表6可以看出，與競品輪胎相比，試驗輪胎高速性能更優異，其滾動阻力明顯低于競品輪胎，具有優異的燃油經濟性。縱向動摩擦因數體現輪胎對路面的抓著性能，其值越高，說明抓著性能越好。試驗輪胎的縱向動摩擦因數比競品輪胎提高了23.5%。

成品輪胎在東南亞某國進行了路試，客戶反饋該產品在不同路面包覆性強，具有很強的操控性和優異的抓著性能。相比競爭品牌，該產品節油5%以上。

3 結論

通過優化膠料中NR、BR、SBR、填料和橡膠油的配比，確定非公路賽地賽車輪胎胎面膠配方。該配方膠料的硬度滿足客戶要求，濕地抓著性能優異，且具有優異的耐老化性能。成品輪胎高速性能優異，具有較低的滾動阻力和較好的抓著性能。通過市場反饋，該產品較好地滿足非公路賽地路面要求。