白炭黑二次投料工藝對(duì)膠料加工性及物理性能的影響

陳 松, 鄭 昆, 顧培霜, 袁金琪, 李民軍

[1.特拓(青島)輪胎技術(shù)有限公司, 山東 青島 266061; 2.山東豐源輪胎制造股份有限公司, 山東 棗莊 277000]

白炭黑二次投料工藝對(duì)膠料加工性及物理性能的影響

陳 松1, 鄭 昆1, 顧培霜1, 袁金琪1, 李民軍2

[1.特拓(青島)輪胎技術(shù)有限公司, 山東 青島 266061; 2.山東豐源輪胎制造股份有限公司, 山東 棗莊 277000]

研究了GK400 密煉機(jī)中，白炭黑二次投料新型混煉工藝對(duì)膠料加工性能及物理性能的影響，通過對(duì)普通密煉機(jī)的工藝改進(jìn)，采用白炭黑二次投料混煉工藝，可比普通混煉工藝膠料的炭黑分散度提升1～2個(gè)等級(jí)，膠料的物理性能有所提高，同時(shí)改善了后工序的混煉膠氣孔。

白炭黑二次投料；炭黑分散度；物理性能；混煉工藝；Payne 效應(yīng)；動(dòng)態(tài)性能

0 前 言

隨著歐洲標(biāo)簽等級(jí)的實(shí)施，使用白炭黑補(bǔ)強(qiáng)的胎面膠料能夠提高輪胎的抗?jié)窕?、降低輪胎的滾動(dòng)阻力已成為共識(shí)，故白炭黑被普遍運(yùn)用于半鋼輪胎的胎面中[1]。根據(jù)相關(guān)研究，在白炭黑的混煉過程中，若所有硅烷中的乙氧基都參與反應(yīng)，則膠料所用的1 g硅烷就會(huì)生成約0.5 g乙醇[2]。在膠料加工過程中，累積的大量乙醇要么揮發(fā)掉，要么在膠料中再凝結(jié)。如果乙醇不能從密煉機(jī)中排出，就會(huì)推遲硅烷化反應(yīng)。更有甚者，在胎面的擠出過程中，使胎面中存在少量氣孔。因此白炭黑膠料的硅烷化反應(yīng)程度對(duì)膠料物理性能及加工性能起著至關(guān)重要的作用。在各類密煉機(jī)中，嚙合型密煉機(jī)具有良好的溫度控制力，使白炭黑膠料的硅烷化反應(yīng)更加完全[3]。但由于各種因素的限制，使用傳統(tǒng)炭黑填充膠料的混煉設(shè)備來(lái)混煉白炭黑也是常有的做法。本文以普通密煉機(jī)為設(shè)備，通過白炭黑二次投料混煉工藝進(jìn)行相關(guān)工藝研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料和設(shè)備

NR，STR20，泰國(guó)詩(shī)董橡膠；丁苯橡膠（SBR），RC2557-S,獨(dú)山子石化分公司；炭黑，N234，江西黑貓?zhí)亢谟邢薰?；白炭? 1115MP，青島羅地亞白炭黑有限公司；密煉機(jī)，XM-370X(6×60)、X-270X(4×40)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司。

1.2 配方

大配合生產(chǎn)配方（單位：份）：STR 20 25.0，RC2557-S 103.0，N234 10.0，1115MP 75.0，硅烷偶聯(lián)劑Si69 10.0，防老劑4020[N-（1,3二甲基丁基）-N-苯基對(duì)苯二胺] 2.0，防老劑RD（2,2,4-三甲基-2-二氧化喹啉聚合體） 1.0 ，防護(hù)蠟 1.5，硫化劑1.6，其他 15.0。

1.3 混煉工藝

采用1.2中的配方進(jìn)行工藝試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了兩種混煉工藝方案，方案1為正?；鞜捁に?，方案2為二次投料白炭黑混煉工藝，具體見表1。

表1 大配合混煉工藝對(duì)比

方案1和2的混煉工藝僅一段母膠混煉步驟有所不同，其他段數(shù)采用相同的工藝。按照此工藝設(shè)置進(jìn)行混煉，兩種方案的相關(guān)混煉參數(shù)如表2所示。

表2 大配合試驗(yàn)混煉參數(shù)對(duì)比

通過表2的混煉數(shù)據(jù)可以看出，兩種不同工藝的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本基本一致。

2 結(jié)果與討論

2.1 大配合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)2種試驗(yàn)方案基本物理性能測(cè)試的結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：

（1）由于混煉工藝的差異，相比方案1，方案2的門尼黏度大了2.7%，密度大了0.25%，MH大了3.27% ，炭黑分散等級(jí)提高1個(gè)等級(jí)，但對(duì)產(chǎn)品加工性能的影響都在可以接受的范圍內(nèi)。

（2）與方案1相比，由于膠料的分散等級(jí)的差異，方案2的拉伸強(qiáng)度提高了8.2%，300%定伸應(yīng)力與100%定伸應(yīng)力之比提高了2.7% ，但膠料物理性能的影響都在可以接受的范圍內(nèi)。

表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

2.2 Payne 效應(yīng)及動(dòng)態(tài)性能

Payne 效應(yīng)常用來(lái)定義橡膠膠料中填料與填料之間的相互作用的強(qiáng)度[2]，Payne效應(yīng)與貯能模量G'有直接關(guān)系。隨著應(yīng)變的增加，填料網(wǎng)絡(luò)逐漸被破壞。與破壞聚合物-聚合物所需的應(yīng)變相比，填料網(wǎng)絡(luò)破壞的絕對(duì)應(yīng)變則較小，遠(yuǎn)低于100%。這種貯能模量隨應(yīng)變?cè)黾佣档偷默F(xiàn)象被稱為Payne效應(yīng)[4]。本文通過在恒定溫度60 ℃下進(jìn)行0.1%到45.0%的應(yīng)變掃描，以貯能模量的降低水平來(lái)評(píng)價(jià)硅烷化反應(yīng)程度，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1可知，方案1與方案2均顯示出典型的非線性關(guān)系的Payne效應(yīng)，但Payne效應(yīng)的幅度為方案1大于方案2，因此方案2的白炭黑聚集程度低于方案1的，更有利于加工性及膠料性能的改善。

tan δ常被用來(lái)衡量膠料在動(dòng)態(tài)形變作用下的能量損失，輪胎的滾動(dòng)阻力及抗?jié)窕钥稍谝欢ǔ潭壬贤ㄟ^60 ℃及0 ℃時(shí)的tan δ進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[5]。測(cè)試結(jié)果如圖2、3所示。

圖1 60℃條件下貯能模量與單一應(yīng)變幅度的關(guān)系

圖2 在-10 ℃至10 ℃范圍內(nèi)tan δ與溫度的關(guān)系

圖3 在40 ℃至60 ℃范圍內(nèi)tan δ與溫度的關(guān)系

由圖2、3可知，在低溫范圍內(nèi)（-10 ℃～10 ℃），方案2的tan δ大于方案1的tan δ，具有相對(duì)較好的輪胎抗?jié)窕?。在高溫范圍?nèi)（40 ℃～60 ℃），方案2的tan δ大于方案1的tan δ，具有相對(duì)較好的輪胎滾動(dòng)阻力。

2.3 擠出狀況

在白炭黑膠料的加工過程中，如果硅烷化反應(yīng)程度不完全，乙醇在膠料中累積，會(huì)在下一步工序中再次揮發(fā)，從而影響膠料的氣孔狀況。通過方案2與方案1的對(duì)比（圖4），發(fā)現(xiàn)方案2膠料的氣孔明顯減少，說明相比方案1，方案2的白炭黑膠料的硅烷化反應(yīng)更加完全。

圖4 擠出斷面表觀

3 結(jié) 論

白炭黑二次投料作為一種新型的混煉工藝，相比普通混煉工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過混煉工藝的改進(jìn)，膠料炭黑分散度提升1～2個(gè)等級(jí)。

（2）工藝改進(jìn)后膠料的物理性能有所提高。

（3）對(duì)輪胎的抗?jié)窕耘c滾動(dòng)阻力有所貢獻(xiàn)。

（4）硅烷化反應(yīng)更完全，可減少擠出工序中膠料的氣孔狀況。

[1] 陳忠茂，羅吉良. 低滾動(dòng)阻力輪胎的設(shè)計(jì)和開發(fā)探討[J]. 中國(guó)橡膠, 2012(14):38-40.

[2] 高桂芝.改善白炭黑膠料的加工:混煉設(shè)備的優(yōu)化[J]. 橡膠參考資料，2004,34(5):21-22.

[3] 馬舒文.適用于白炭黑膠料混煉的密煉機(jī)[J]. 世界橡膠工業(yè), 2003(3):35-39.

[4] 馬建華.胎面橡膠復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)-黏彈性-使用性能關(guān)系的研究[D]. 北京:北京化工大學(xué), 2013.

[5] 趙冬梅.逐步升級(jí)的歐盟輪胎技術(shù)法規(guī)[J]. 輪胎工業(yè), 2011(7):387-393.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Infl uence of Two-Times-Silica-Feeding Mixing Technology on the Process and Physical Properties of Compounds

Chen Song1, Zheng Kun1, Gu Peishuang1, Yuan Jinqi1, Li Minjun2
[1.TTA(Qingdao) Tire Technology Co., Ltd., Qingdao 266061, China; 2.Shandong Fengyuan Tire Company, Zaozhuang 277000, China]

A kind of two-time-silica-feeding new mixing technology was introduced in this paper. The infhence of the technology on the processability and physical properties of compounds in GK400 mixer was studied. Through the improvement of the new mixer technology,the silica dispersion could beincreased by 1～2 grades, and the compounds' physical properties could be improved. Meanwhile it also optimized the air bubble of mixing compound for the next step.

Two-Times-Silica-Feeding; Silica Dispersion; Physical Properties; Mixing Technology; Payne Effect; Dynamic Properties

TQ 330.6+3

B

1671-8232(2015)10-0026-04

2015-05-22

陳松（1985— ），男，山東微山人，學(xué)士，主要從事橡膠加工和性能研究。