生物基白炭黑和生物基油在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

樊斌斌，劉豫皖，呂國(guó)正，岳艷妮，葛永亮

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

在“雙碳”政策背景下，在輪胎中使用可循環(huán)、可再生的材料成為國(guó)家和輪胎行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)[1-2]。目前，工業(yè)發(fā)展中礦砂硅的過(guò)渡消耗造成了極大的硅資源短缺，而從稻谷中提取的可再生植物硅可以代替不可再生的礦砂硅，不僅解決了稻谷加工廢棄物污染環(huán)境的問(wèn)題，而且還為工業(yè)發(fā)展提供了可再生的硅資源。生物基白炭黑來(lái)源于稻殼灰，屬于綠色可再生材料。同時(shí)，為響應(yīng)綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，用綠色可再生材料代替石油系材料也越發(fā)重要，在輪胎中用生物基油代替石油系的增塑油，已被越來(lái)越多的輪胎企業(yè)所重視[3-6]。

本工作主要研究生物基白炭黑和生物基油在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國(guó)產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石化北京燕山石油化工有限公司產(chǎn)品；沉淀法白炭黑，青州聯(lián)科白炭黑有限公司產(chǎn)品；生物基白炭黑，益海糧油工業(yè)有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑，江西宏柏新材料股份有限公司產(chǎn)品；環(huán)烷油，鄭州市中龍橡膠增塑劑廠產(chǎn)品；生物基油，滄州興達(dá)化工有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方如表1所示。其中，與1#配方相比，2#配方使用生物基油等量代替環(huán)烷油，其他組分相同，3#配方使用生物基油和生物基白炭黑分別等量代替環(huán)烷油和沉淀法白炭黑，其他組分相同。

表1 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

BR1.6 L型密煉機(jī)，英國(guó)法雷爾公司產(chǎn)品；XK-160型開煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠有限公司產(chǎn)品；HCM型平板硫化機(jī)，凱統(tǒng)工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品；MDR2000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GT-AI-7000M-GD型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；MZ-4061型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品；LAT-100型抗?jié)窕ズ脑囼?yàn)機(jī)，荷蘭VMI公司產(chǎn)品；Ultimate型全自動(dòng)壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)都利公司產(chǎn)品；RCC-I型橡膠耐切割試驗(yàn)機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；DSC1型差示掃描量熱儀，梅特勒托利多科技（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

膠料采用兩段混煉工藝。

一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，密煉工藝為：生膠、加壓（1 min，80 r·min-1）→提壓砣→白炭黑、炭黑、小料→加壓（1.5 min，80 r·min-1）→提壓砣，加壓（1.5 min，80 r·min-1）→排膠。

二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，在一段混煉膠中加充油硫黃、促進(jìn)劑（前后輥速比為1.14∶1，輥筒溫度為50 ℃，輥距為2 mm），左右搗膠4次，下片。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能

生物基白炭黑和生物基油的理化性能分別如表2和3所示。

表2 生物基白炭黑的理化性能

表3 生物基油的理化性能

從表2和3可以看出：與沉淀法白炭黑相比，生物基白炭黑的氮吸附表面積較小；環(huán)烷油主要成分為飽和環(huán)烷烴，還有少量不飽和環(huán)烷烴，生物基油的不飽和程度高，碘值高。

2.2 小配合試驗(yàn)

2.2.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表4所示。

表4 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

從表4可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的硫化速度加快，這是因?yàn)槠涫褂玫纳锘椭泻写罅坎伙柡玩I，對(duì)硫化有一定的促進(jìn)作用；3#配方與2#配方膠料的硫化特性差異不大。

2.2.2 拉伸性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的拉伸性能見(jiàn)表5。

表5 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的拉伸性能

從表5可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的300%定伸應(yīng)力降低，這與生物基油中的不飽和鍵消耗部分硫黃有關(guān)；與1#和2#配方膠料相比，3#配方膠料疲勞后的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率降幅較大，這可能與生物基白炭黑的粒徑和表面羥基含量有關(guān)[7]，其他性能差異不大。

2.2.3 生熱性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的生熱性能見(jiàn)表6，tanδ-溫度曲線見(jiàn)圖1。

圖1 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的tan δ-溫度曲線

表6 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的生熱性能

從表6和圖1可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的生熱略增大；與2#配方膠料相比，3#配方膠料的生熱性能基本無(wú)差異。

2.2.4 耐磨性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐磨性能如表7所示。

表7 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐磨性能

從表7可以看出，3種配方膠料的耐磨性能差異不大。

2.2.5 耐切割性能

試驗(yàn)條件為：輪速720 r·min-1，打擊速度120次·min-1，時(shí)間20 min。

1#—3#配方膠料的切割減量依次為1.354，1.265，1.206 g。由此可知：與1#配方膠料相比，2#和3#配方膠料的耐切割性能略有提高；與2#配方膠料相比，3#配方膠料的耐切割性能差異不大，因此，生物基白炭黑與沉淀法白炭黑對(duì)膠料的耐切割性能影響差異不大。

2.2.6 耐低溫性能和耐遷移性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐低溫性能和耐遷移性能如表8所示。

表8 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐低溫和耐遷移性能

從表8可以看出：與1#配方膠料相比，2#和3#配方膠料的Tg降低，耐低溫性能提高，這與生物基油本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)；2#和3#配方膠料的耐溶劑抽出性能即耐遷移性能略優(yōu)于1#配方膠料，這與含酯基的極性增塑劑不易被溶劑抽出有關(guān)[6]。

2.2.7 交聯(lián)密度

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的交聯(lián)密度如圖2所示。

圖2 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的交聯(lián)密度

從圖2可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的多硫鍵占比略有降低，3#配方膠料的多硫鍵占比明顯降低，從而造成3#配方膠料的耐疲勞性能明顯下降，這與表5結(jié)果一致。

3 結(jié)論

（1）使用生物基油等量代替環(huán)烷油后，膠料的硫化速度略加快，300%定伸應(yīng)力降低，耐切割、耐低溫和耐遷移性能提高，生熱略增大、耐磨性能基本相當(dāng)。

（2）在同樣采用生物基油的情況下，使用生物基白炭黑等量代替沉淀法白炭黑，膠料的硫化特性、生熱、耐磨和耐切割性能相當(dāng)，但耐疲勞性能明顯降低，故應(yīng)用生物基白炭黑時(shí)需注意優(yōu)化配方，以彌補(bǔ)其性能短板。