白炭黑輪胎胎面膠動態(tài)力學(xué)性能的研究

延 威，楊文真

（賽輪金宇集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，山東 東營 257300）

近年來，隨著汽車安全性能和環(huán)保性能要求的日益提高，輪胎胎面膠的抗?jié)窕阅?、耐磨性能和滾動阻力研究越來越受重視，而胎面膠的這3種性能可用其動態(tài)力學(xué)性能表征[1-4]。本工作對3種牌號白炭黑胎面膠的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 實驗

1.1 主要原材料

白炭黑，牌號Ultrasil 5000GR，Ultrasil 7500GR和Ultrasil 9000GR，德國贏創(chuàng)德固賽公司產(chǎn)品；天然橡膠（NR），越南產(chǎn)品；溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號2557S，中國石油獨山子石化公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備與儀器

XKR-150型開煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；XLB-D 100T型平板硫化機(jī)，湖州雙力自動化裝備科技有限公司產(chǎn)品；DMA/SDTA861型動態(tài)力學(xué)性能分析儀，瑞士梅特勒-托利多利公司產(chǎn)品。

1.3 試驗配方

試驗所用輪胎胎面膠配方見表1。

表1 試驗配方 份

1.4 試樣制備

膠料先用密煉機(jī)混煉，混煉工藝為：NR和SSBR混煉1 min后加入氧化鋅、硬脂酸、偶聯(lián)劑Si69、2/3白炭黑和C5樹脂混煉1.5 min，再加入剩余1/3白炭黑，混煉1.5 min，混煉溫度不超過155℃；膠料排出后在開煉機(jī)上過輥2次，將輥距調(diào)至2.2 mm，出片。膠料停放至室溫后再在開煉機(jī)上終煉，終煉工藝為：將輥距調(diào)至2.5 mm，膠料包輥均勻后加入硫黃和促進(jìn)劑，薄通6遍，將輥距調(diào)至2.2 mm，出片。膠料停放1.5 h后硫化，硫化條件為168℃×10 min，硫化膠停放16 h后進(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度掃描

3種白炭黑胎面膠損耗因子（tanδ）與溫度的關(guān)系如圖1和表2所示。

從圖1可以看出，隨著溫度升高，3種膠料的tanδ均先增大后減小。3種膠料在玻璃化溫度（Tg）時的tanδ由大到小的順序為白炭黑Ultrasil 5000GR膠料、白炭黑Ultrasil 7500GR膠料和白炭黑Ultrasil 9000GR膠料，這是由于白炭黑Ultrasil 5000GR在膠料中分散較均勻，膠料在玻璃態(tài)時能夠有效運動的橡膠分子鏈段較多，因此其tanδ較大；3種膠料的Tg相差（-5 ℃左右）不大，在冬季低溫條件下3種膠料均會由橡膠態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致成品輪胎操縱性能降低，因此這3種白炭黑適用于夏季輪胎胎面膠。

圖1 3種膠料的tanδ與溫度的關(guān)系曲線

從表2可以看出，白炭黑Ultrasil 5000GR膠料0 ℃時的tanδ最大，60 ℃時的tanδ最小，即3種膠料中白炭黑Ultrasil 5000GR膠料的抗?jié)窕阅茏詈?，滾動阻力最低。

表2 3種膠料0 ℃和60 ℃時的tanδ

2.2 應(yīng)變掃描

3種白炭黑胎面膠損耗模量（G″）和生熱（Q）與應(yīng)變（ε）的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出：3種膠料的G″均是先增大后減小，這是因為橡膠分子鏈段之間的阻力較大，分子鏈段開始運動較難，G″較大，而當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定程度后，橡膠分子鏈段間的阻力降低，G″減??；3種膠料的G″和Q由小到大的順序均為白炭黑Ultrasil 5000GR膠料、白炭黑Ultrasil 7500GR膠料和白炭黑Ultrasil 9000GR膠料，說明白炭黑Ultrasil 5000GR適用于在粗糙路面上行駛的輪胎的胎面膠。

圖2 3種膠料G″和Q與ε的關(guān)系曲線

2.3 頻率掃描

掃描頻率是試樣在測試過程中單位時間內(nèi)受到周期性剪切應(yīng)力的次數(shù)。車輛在路面上行駛，速度加快，其輪胎胎面與地面接觸的頻率隨之增大，設(shè)輪胎直徑61 cm，則輪胎周長為1.92 m，當(dāng)汽車行駛速度為200 km·h-1時，胎面與地面接觸的頻率為29 Hz，為此本研究測試了3種膠料在0～30 Hz下的tanδ，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出：隨著頻率升高，3種膠料的tanδ增大，說明用這3種胎面膠制備的輪胎速度提高，滾動阻力增大；在0～30 Hz頻率范圍內(nèi)，3種膠料tanδ由小到大的順序為白炭黑Ultrasil 5000GR膠料、白炭黑Ultrasil 7500GR膠料和白炭黑Ultrasil 9000GR膠料，即白炭黑Ultrasil 5000GR作補(bǔ)強(qiáng)填充劑的胎面膠滾動阻力較小，油耗較低。

圖3 3種膠料掃描頻率與tanδ的關(guān)系曲線

2.4 變溫變頻下白炭黑Ultrasil 5000GR填充胎面膠的動態(tài)熱力學(xué)性能

以上試驗表明白炭黑Ultrasil 5000GR更適合用作胎面膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑。白炭黑Ultrasil 5000GR膠料在不同掃描頻率下tanδ與溫度的關(guān)系如圖4和表3所示。其中，頻率10 Hz，20 Hz和30 Hz分別對應(yīng)車輛行駛速度60 km·h-1，130 km·h-1和200 km·h-1。

從圖4和表3可以看出，隨著頻率升高，白炭黑Ultrasil 5000GR膠料的抗?jié)窕阅苡兴岣?，滾動阻力略有增大，Tg由-6.86 ℃上升為-5.27 ℃。由此說明，用白炭黑Ultrasil 5000GR胎面膠制作的輪胎轉(zhuǎn)速提高，抗?jié)窕阅苡兴岣?，油耗量略有增大，操縱性有所下降，但下降并不明顯。

圖4 白炭黑Ultrasil 5000GR膠料在不同掃描頻率下tanδ與溫度的關(guān)系曲線

表3 白炭黑Ultrasil 5000GR膠料在不同掃描頻率下0 ℃和60 ℃時的tanδ

3 結(jié)論

（1）在白炭黑Ultrasil 5000GR膠料、白炭黑Ultrasil 7500GR膠料和白炭黑Ultrasil 9000GR膠料中，白炭黑Ultrasil 5000GR膠料Tg和0 ℃時的tanδ較大，60 ℃時的tanδ較小，即膠料分散性能和抗?jié)窕阅茌^好，滾動阻力較低；G″和Q較小。白炭黑Ultrasil 5000GR適合用作輪胎胎面膠補(bǔ)強(qiáng)填充劑。

（2）用白炭黑Ultrasil 5000GR胎面膠制作的輪胎轉(zhuǎn)速提高，抗?jié)窕阅苡兴岣?，滾動阻力略有增大。