硅格粉在全鋼載重子午線輪胎胎肩墊膠中的應用

王鵬君，張進生，劉立杰，張 晨，王 洋，李 慧，高緒風，王桂林，薛 霖

（青島雙星輪胎工業有限公司，山東 青島 266400）

輪胎在行駛過程產生的熱量積累在胎肩內部，容易導致肩空脫層，增加安全風險。為避免上述問題，應在帶束層端部加入胎肩墊膠[1-3]。目前，常采用在胎肩墊膠中加入白炭黑來降低其生熱。但白炭黑粒徑小，極易團聚，很難在橡膠中分散[4]。為促進白炭黑在橡膠基體中的分散，提升加工性能，白炭黑改性成為熱點研究方向[5-7]。

硅格粉是一種新型的改性二氧化硅（SiO2），以非結晶SiO2為主要成分，不僅具有優異的低生熱特性，還可以有效解決白炭黑在橡膠中難以分散的問題，因此在橡膠領域中可替代白炭黑使用。張林峰等[8]將炭黑和硅格粉進行化學結合，由自動水射流器分散混合形成懸濁液噴入炭黑反應爐，形成新型的雙相炭黑，并將其用于膠料中，提高了膠料的物理性能，降低了滾動阻力的同時又不損失抗濕滑性能。

本工作將硅格粉應用于全鋼載重子午線輪胎胎肩墊膠中，研究其對膠料性能和輪胎使用性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來西亞產品；炭黑N330和白炭黑，山東聯科科技股份有限公司產品；硅格粉，哈爾濱硅格新材有限公司產品。

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 BB-1600IM型密煉機，日本株式會社神戶制鋼所產品；GK400N型密煉機，德國克虜伯公司產品；GK270N型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；BL-6175-AL型高低溫開煉機，寶輪精密檢測儀器有限公司產品；XLB-D500×500×2型平板硫化機，浙江湖州東方機械有限公司產品；PREMIER MV型門尼粘度儀和PREMIER MDR型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；5965型電子萬能材料試驗機，美國Instron公司產品；WAH17A型邵氏A型硬度計，美國Wallace儀器有限公司產品；Digi test Ⅱ型高低溫回彈試驗機，德國博銳儀器有限公司產品；GT-70120D型DIN磨耗試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品。

1.4 試樣制備

小配合試驗采用2段混煉工藝。一段混煉在1.5 L BB-1600IM型密煉機中進行，初始溫度為60 ℃，轉子轉速為90 r·min-1，混煉工藝為：生膠、炭黑等填料及小料→恒溫混煉→排膠。二段混煉工藝為：加入一段混煉膠、硫黃和促進劑→恒溫混煉→排膠，在BL-6175-AL型開煉機上薄通，下片。膠料停放8 h后，在平板硫化機上硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

大配合試驗采用2段混煉工藝，均執行自動混煉工藝。一段混煉在GK400N型密煉機中進行，二段混煉在GK270N型密煉機中進行。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。按照 GB/T 16584—1996測定膠料硫化曲線，擺動弧度范圍為±1°，頻率為1.67 Hz，每隔12 s自動記錄轉矩值。

（2）物理性能。膠料的硬度測試按照GB/T 531.1—2008進行；拉伸性能按照GB/T 528—2009進行，采用啞鈴形試樣；撕裂性能按照GB/T 529—2008進行，采用直角形試樣。

（3）生熱性能。壓縮生熱測試按照GB/T 1687.3—2016進行。

（4）動態性能。采用動態熱機械分析（DMA）儀，按照GB/T 9870.1—2006進行。溫度掃描條件為：溫度范圍 —20～80 ℃，升溫速率 2℃·min-1，應變 7%±0.25%。

（5）成品輪胎室內性能。輪胎耐久和高速性能按照GB/T 4501—2016《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行測試；滾動阻力按照ISO 28580：2018《乘用車、載重汽車和客車輪胎 滾動阻力測量法 單點試驗和測量結果的相關性》進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化分析

硅格粉的理化性能如表2所示。

表2 硅格粉的理化分析結果

從表2可以看出，硅格粉的各項理化分析結果均符合標準要求。從氮吸附比表面積上看，其與高分散115型白炭黑相似，但加熱減量較高，這是由于硅格粉中存在大量官能團。

2.2 小配合試驗

2.2.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性如表3所示。

表3 小配合試驗膠料的硫化特性

從表3可以看出：1#—3#配方膠料的門尼焦燒時間變化不大，說明添加硅格粉不影響膠料的加工安全性能；與1#配方膠料相比，2#和3#配方膠料的門尼粘度均略有提高，且2#配方膠料的門尼粘度高于3#配方膠料，這是由于白炭黑表面含有羥基基團，其與橡膠的作用力大于硅格粉與橡膠之間的作用力[9]。

從表3還可以看出，1#和2#配方膠料的FL和Fmax基本相同，而3#配方膠料的FL和Fmax較低，說明3#配方膠料的流動性優于1#和2#配方膠料，其交聯程度稍低于1#和2#配方。t90和CRI表征膠料的硫化速度，t90越短，CRI越大，表明膠料的硫化速度越快。由表3可知，t90由短到長的膠料配方排序為1#，3#，2#，CRI指數由大到小的膠料配方排序為1#，3#，2#。說明1#配方膠料硫化速度最快，2#配方膠料硫化速度最慢，3#配方膠料硫化速度居中。這是因為白炭黑對促進劑的吸附作用要高于硅格粉，導致膠料中的促進劑含量減小，使硫化速度降低。添加硅格粉能夠緩解白炭黑加工性能差、硫化效率低的問題，不易產生焦燒[6，10]。

2.2.2 物理性能

小配合試驗硫化膠的物理性能如表4所示。

表4 小配合試驗硫化膠的物理性能

從表4可以看出：2#和3#配方硫化膠的密度均大于1#配方硫化膠；與1#配方硫化膠相比，2#配方硫化膠的定伸應力和拉伸強度略有下降，撕裂強度和回彈值略高；與2#配方硫化膠相比，3#配方硫化膠的邵爾A型硬度相同，定伸應力和拉伸強度略有下降，回彈值略有提高。

2.2.3 生熱性能

生熱性能分析主要分為壓縮生熱分析和DMA分析。壓縮生熱能夠反應橡膠在壓縮屈撓后的溫升情況[11]，而DMA可以較好地表征硫化膠的滾動阻力性能，硫化膠在60 ℃時的損耗因子（tanδ）越小，表明膠料的滾動阻力越小，滯后損失越少，生熱越低。

小配合試驗硫化膠的生熱性能如表5所示。

表5 小配合試驗硫化膠的生熱性能

從表5可以看出，與1#配方硫化膠相比，2#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降6.52%和10.20%，3#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降9.99%和17.35%。3#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ較2#配方硫化膠明顯下降。這是因為硅格粉的某些官能團與橡膠內部大分子形成了作用力，限制了橡膠內部大分子的運動，減少了橡膠分子的內摩擦，從而使得膠料的生熱下降，滯后損失降低，滾動阻力減小。

2.3 大配合試驗

2.3.1 硫化特性

大配合試驗膠料的硫化特性如表6所示。

表6 大配合試驗膠料的硫化特性

從表6可以看出，2#和3#配方膠料的門尼粘度、門尼焦燒時間、t90和CRI的變化趨勢基本與小配合試驗膠料相同，兩者具有較好的相關性，說明3#配方膠料在生產中的加工安全性高，可用于批量化生產。

2.3.2 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能如表7所示。

表7 大配合試驗硫化膠的物理性能

從表7可以看出，大配合試驗硫化膠的各項物理性能與小配合試驗相差不大。與2#配方硫化膠相比，3#配方硫化膠的邵爾A型硬度、定伸應力和拉伸強度略有下降，回彈值略有提高。

2.3.3 生熱性能

大配合試驗硫化膠的生熱性能如表8所示。

表8 大配合試驗硫化膠的生熱性能

從表8可以看出，與1#配方硫化膠相比，2#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降6.72%和10.78%，3#配方硫化膠的壓縮生熱和tanδ分別下降10.01%和17.65%，3#配方硫化膠的生熱水平明顯低于2#配方硫化膠，變化趨勢與小配合試驗相同，進一步驗證了硅格粉具有降低生熱的作用。

2.4 工藝性能

試驗輪胎在生產過程中工藝性能正常，壓出膠料表面光滑平整，無異常現象出現；壓出半成品尺寸正常，符合工藝要求，各工序均未見不良問題出現。

2.5 成品輪胎室內性能

為驗證硅格粉在成品輪胎中的實際使用性能，選擇在12R22.5 18PR規格的輪胎中以1#配方膠料作為正常生產輪胎，以3#配方膠料作為試驗輪胎，進行了輪胎室內性能測試，具體結果如表9所示。

表9 成品輪胎室內性能對比

從表9可以看出，正常生產輪胎和試驗輪胎的高速和耐久性能均達到國家標準要求，耐久性能測試累計行駛時間均在65 h左右，超過國家標準（≥47 h）要求。

正常生產輪胎和試驗輪胎25 ℃時的滾動阻力系數分別為6.10和6.05 N·kN-1，與硫化膠的壓縮生熱和tanδ測試結果相一致。

以上結果說明加入硅格粉的輪胎高速和耐久性能滿足使用要求，同時可降低輪胎的滾動阻力。

3 結論

（1）在全鋼載重子午線輪胎胎肩墊膠中加入硅格粉，其焦燒時間基本不變，門尼粘度和硫化速度適中，添加硅格粉不影響膠料的加工安全性，適合大批量生產。

（2）通過小配合和大配合試驗結果可知，加入硅格粉膠料的邵爾A型硬度基本不變，定伸應力和拉伸強度略有降低，回彈值提高，壓縮生熱和tanδ均下降。

（3）通過輪胎室內性能測試結果可知，使用硅格粉的輪胎不僅能夠滿足高速和耐久性能的國家標準要求，而且其滾動阻力系數小于正常生產輪胎，可以節約燃油費用，提高品牌競爭力。