無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20在高性能輪胎胎面膠中的應(yīng)用

劉 濤

（上海誠(chéng)懋化學(xué)有限公司，上海 200127）

近年來(lái)，隨著日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)和汽車工業(yè)的發(fā)展，世界輪胎產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷變革。歐盟標(biāo)簽法規(guī)提出“燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性和耐久性”等輪胎新標(biāo)識(shí)，要求汽車在安全的基礎(chǔ)上兼具低碳排放。綠色輪胎因?yàn)樵跐L動(dòng)阻力、濕地抓著和噪聲三大性能等級(jí)上具有優(yōu)異的表現(xiàn)，全球銷售份額快速增長(zhǎng)，成為未來(lái)輪胎行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。隨著世界輪胎行業(yè)向節(jié)能高效方面的發(fā)展，新型橡膠材料在未來(lái)占據(jù)主導(dǎo)地位，在輪胎工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。具體到目前就是類似中高乙烯基的溶聚丁苯橡膠（SSBR）以及高填充量的高分散性白炭黑的應(yīng)用。但同時(shí)也帶來(lái)填料的分散困難以及混煉膠門尼粘度較高等不利影響，這就需要輪胎生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)調(diào)整配方來(lái)克服。

S20是應(yīng)用于橡膠塑料工業(yè)的淺色、非石油基納米級(jí)無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑，具有納米粒度、中等結(jié)構(gòu)和高表面化學(xué)活性的特點(diǎn)。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上講，無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20屬于人工合成層狀結(jié)晶硅酸鹽，是以天然含硅礦物材料為基礎(chǔ)，經(jīng)微細(xì)化處理、化學(xué)分解、晶體可控生長(zhǎng)、粒子分離、表面修飾和噴霧干燥處理的半合成納米級(jí)無(wú)機(jī)硅礦物粉末材料。與填料分散劑不同，S20本身是一種半補(bǔ)強(qiáng)材料，因此使用它降低門尼粘度的實(shí)質(zhì)是部分替代高分散性白炭黑，基于其補(bǔ)強(qiáng)性稍差，要達(dá)到相同的物理性能，宜采用增量替代的方式，即以稍高的比例替代白炭黑。

本工作研究無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20部分替代白炭黑在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用，并與常用填料分散劑進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

SSBR，牌號(hào)2466，臺(tái)橡股份有限公司產(chǎn)品；白炭黑，牌號(hào)MP1165，羅地亞白炭黑（青島）有限公司產(chǎn)品；環(huán)保芳烴油，牌號(hào)V500，寧波漢圣化工有限公司產(chǎn)品；無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑，牌號(hào)S20，片層粒徑（500±200）nm，白度 72%～78%，pH值6.5～7.5，密度（2.5±0.05）Mg·m-3，325目篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù) ≤0.000 2，粒徑小于1 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ≥0.98，上海誠(chéng)懋化學(xué)有限公司產(chǎn)品；白炭黑分散劑W255和T78，國(guó)內(nèi)某公司產(chǎn)品。

1.2 配方

配方如表1所示，1#配方為對(duì)比基礎(chǔ)配方，2#—4#配方為添加填料分散劑或無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20部分替代白炭黑的試驗(yàn)配方。

表1 配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開(kāi)煉機(jī)，東莞市利拿實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn)品；1.57 L本伯里密煉機(jī)，英國(guó)法雷爾公司產(chǎn)品；M200E型門尼粘度計(jì)和C200E型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；RSS-Ⅱ型橡膠滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)和炭黑分散測(cè)試儀，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；EXPLORER 500N動(dòng)態(tài)粘彈譜分析儀，德國(guó)GABO公司產(chǎn)品；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。

1.4 試樣制備

膠料采用三段混煉工藝，一段和二段混煉均在密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉初始溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，將生膠加入密煉機(jī)中，破膠0.5 min→加入填料、分散劑和偶聯(lián)劑Si69，混煉3 min，中間提壓砣1次→加入炭黑和油，混煉1.5 min，保持溫度在155 ℃以下→加入氧化鋅和硬脂酸，混煉1.5 min，165 ℃ 以下排膠；二段混煉初始溫度為80 ℃，轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，加入一段混煉膠，混煉1 min→加入防老劑和石蠟，混煉3 min→溫度控制在140 ℃以下排膠；三段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，加入二段混煉膠至包輥→加入硫黃和促進(jìn)劑，不割刀至吃粉完全，左右各割刀1次→調(diào)小輥距薄通打三角包6次，按規(guī)定厚度下片。

1.5 性能測(cè)試

滾動(dòng)阻力性能采用橡膠滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，測(cè)試條件：負(fù)荷 15 kg，轉(zhuǎn)速 400 r·min-1。

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能采用動(dòng)態(tài)粘彈譜分析儀測(cè)定，測(cè)試條件：頻率 10 Hz，應(yīng)變 0.25%，溫度范圍－80～+100 ℃。

其他性能按相應(yīng)國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混煉膠性能

在混煉過(guò)程中，4個(gè)配方膠料的密煉機(jī)排膠結(jié)團(tuán)性和開(kāi)煉機(jī)包輥性均良好。混煉膠的門尼粘度與硫化特性如表2所示。

從表2可以看出，4個(gè)配方膠料的硫化特性相差不大，但門尼粘度差異較大。2#配方膠料的門尼粘度最小，說(shuō)明無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20對(duì)混煉膠的加工性能改善效果最好；加入填料分散劑的兩種膠料門尼粘度也有小幅降低，但是改善不大。從最小轉(zhuǎn)矩來(lái)看，相對(duì)于1#配方，3個(gè)試驗(yàn)配方膠料的流動(dòng)性較好。

表2 混煉膠的門尼粘度與硫化特性

2.2 硫化膠性能

2.2.1 填料分散性

1#—4#配方膠料的填料分散等級(jí)分別為5.3，7.1，7.0和6.8。從檢測(cè)結(jié)果看，3個(gè)試驗(yàn)配方膠料的分散性明顯好于對(duì)比配方膠料；3個(gè)試驗(yàn)配方硫化膠的填料分散性相差不大，其中2#試驗(yàn)配方膠料的填料分散性相對(duì)稍好，這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20是化學(xué)合成后經(jīng)表面改性的納米硅酸鋁，其分散性較好。

2.2.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表3所示。

從表3可以看出，S20雖然本身只具有相當(dāng)于炭黑N550的補(bǔ)強(qiáng)水平，相對(duì)于高分散性白炭黑雖然其補(bǔ)強(qiáng)性稍差，但是由于其可以顯著改善填料的分散性，硫化膠的物理性能與使用分散劑的試驗(yàn)配方硫化膠類似。與1#配方膠料相比，2#—4#試驗(yàn)配方膠料的拉斷伸長(zhǎng)率有所增大，壓縮生熱略有降低，硬度和定伸應(yīng)力稍有減小，拉伸強(qiáng)度和其他性能相差不大。

表3 硫化膠的物理性能

2.2.3 滾動(dòng)阻力和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

硫化膠的滾動(dòng)阻力和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能如表4所示，tanδ為損耗因子。

從表4可以看出，與1#配方膠料相比，2#—4#膠料分散性的改善，使得硫化膠的滾動(dòng)阻力有所減小，填料與橡膠分子鏈間的化學(xué)鍵合有所增大，即增加了交聯(lián)密度，從而使硫化膠的玻璃化溫度向高溫方向偏移，因此試驗(yàn)配方膠料在0 ℃時(shí)的tanδ較高，即抗?jié)窕阅茌^好。3個(gè)試驗(yàn)配方膠料的抗?jié)窕阅芎蜐L動(dòng)阻力均相差不大，且均優(yōu)于對(duì)比配方膠料。

表4 硫化膠的滾動(dòng)阻力和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）與未加填料分散劑相比，加入無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20可顯著降低混煉膠門尼粘度并提升混煉膠流動(dòng)性，改善填料分散性，提高硫化膠的拉斷伸長(zhǎng)率，明顯改善硫化膠的抗?jié)窕阅芎蜐L動(dòng)阻力性能，提升胎面膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；與填料分散劑相比，無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20可降低混煉膠門尼粘度，提升加工性能，其他性能相差不大。

（2）無(wú)機(jī)硅補(bǔ)強(qiáng)劑S20的價(jià)格低于白炭黑，且僅為常見(jiàn)脂肪酸鹽填料分散劑價(jià)格的1/3左右，可降低生產(chǎn)成本。