超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方的優(yōu)化

劉 琦，李文東，李 輝，孫學(xué)紅

（1.青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.寧夏神州輪胎有限公司，寧夏 平羅 753400；3.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，北京 100143）

車輛在行駛過(guò)程中，特別是剎車時(shí)由于輪胎胎面和路面的接觸而產(chǎn)生摩擦，同時(shí)由于膠料的疲勞、老化等諸多因素導(dǎo)致了胎面的磨損。輪胎胎面膠的磨耗主要有磨損磨耗、卷曲磨耗和疲勞磨耗3種形式。胎面磨耗是指輪胎胎面與路面接觸而產(chǎn)生摩擦，摩擦使胎面膠表面發(fā)生微觀的局部變形破壞和掉渣，從而導(dǎo)致輪胎質(zhì)量下降。按照橡膠碎片脫離的方式，其磨耗形式主要是磨損磨耗和疲勞磨耗。一般認(rèn)為高速行駛輪胎的磨耗是磨損磨耗和疲勞磨耗的綜合結(jié)果，低速行駛輪胎以疲勞磨耗為主[1]。當(dāng)輪胎胎面磨損到一定程度時(shí)就需要考慮更換輪胎或翻新胎面。另外，輪胎胎面磨損所產(chǎn)生的膠粉對(duì)環(huán)境也會(huì)造成污染，因此從環(huán)保角度出發(fā)，提高輪胎胎面膠的耐磨性能具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。本工作對(duì)超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)將有關(guān)試驗(yàn)情況介紹如下。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來(lái)西亞產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司產(chǎn)品；丁苯橡膠（SBR），牌號(hào)1500E，中國(guó)石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司產(chǎn)品；炭黑N134，新疆中碳科技有限責(zé)任公司產(chǎn)品；白炭黑175GR，山西同德化工股份有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑TYC-Si69，江西宏柏化學(xué)科技有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，揚(yáng)州振中鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑NS，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；塑解劑SJ-103，萊蕪市瑞光橡塑助劑廠產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

超耐磨胎面膠配方如表1所示。

表1 超耐磨胎面膠配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

BB-2小型密煉機(jī)、BB430型密煉機(jī)和輪胎均勻性試驗(yàn)機(jī)，日本神戶制鋼公司產(chǎn)品；XK-660型和XK-710型開(kāi)煉機(jī)、GN255型密煉機(jī)，益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；XK-160型開(kāi)煉機(jī)和XLB-800型平板硫化機(jī)，青島先銳機(jī)電有限公司產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度儀、MDR2000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、DISPERGRADER炭黑分散儀和RPA2000型橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；DIN磨耗儀、AKRON磨耗儀和輪胎強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī)，青島高校測(cè)控技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

小配合試驗(yàn)?zāi)z料在BB-2型密煉機(jī)中混煉，加料順序?yàn)樯z、1/2炭黑、白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑、粘合樹(shù)脂、防老劑，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1→1/2炭黑及除硫黃以外的其他小料，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變?yōu)?0 r·min-1至結(jié)束，排膠時(shí)間460 s或溫度145 ℃，在XK-160型開(kāi)煉機(jī)下片，停放8 h后加硫黃，下片，停放24 h。

大配合試驗(yàn)?zāi)z料分三段混煉，一段和二段混煉均在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行，一段混煉加料順序?yàn)樯z、白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑等，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1→2/3炭黑，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1→其他，排膠時(shí)間190 s或溫度160 ℃，在XK-710型開(kāi)煉機(jī)下片，停放2 h；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1，將一段混煉膠、1/3炭黑和防老劑同時(shí)加入密煉機(jī)中，排膠時(shí)間130 s或溫度155 ℃，在XK-710型開(kāi)煉機(jī)下片，停放4 h；三段混煉在GN255型密煉機(jī)中進(jìn)行，加入二段混煉膠和硫黃，在XK-660型開(kāi)煉機(jī)下片，停放20 h。

試樣在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

1.5 性能測(cè)試

各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國(guó)家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

（1）生膠體系。綜合考慮到NR的物理性能、BR的超耐磨性能和SBR的抗?jié)窕阅埽谠O(shè)計(jì)超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方時(shí)經(jīng)常采用NR/BR/SBR并用或NR/BR并用[2]。此次超耐磨胎面膠配方設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)多次小配合試驗(yàn)后確定NR用量為65～90份，BR用量為15～25份，SBR用量為5～15份時(shí)，硫化膠的物理性能尤其是耐磨性能非常好。

（2）補(bǔ)強(qiáng)體系。以1（N121和N134）開(kāi)頭的炭黑具有超強(qiáng)的耐磨性能，雖然加工工藝性能差，但在混煉過(guò)程中炭黑一旦吃入后分散性較好，考慮到提高胎面膠的耐磨性能，配方設(shè)計(jì)時(shí)仍采用炭黑N134作為補(bǔ)強(qiáng)填充材料。

白炭黑的補(bǔ)強(qiáng)效果雖然沒(méi)有炭黑優(yōu)異，但它可以提高胎面膠的低溫抗?jié)窕阅?，且?duì)低滾動(dòng)阻力性能也有很大貢獻(xiàn)，因此在設(shè)計(jì)超耐磨胎面膠配方時(shí)，可考慮使用少量白炭黑，不使用硅烷偶聯(lián)劑或使用少量硅烷偶聯(lián)劑（一般白炭黑/硅烷偶聯(lián)劑用量比為5/1）。

（3）防護(hù)體系。目前在輪胎配方的防護(hù)體系中應(yīng)用最廣泛的是防老劑4020，RD和3100，其用量一般根據(jù)輪胎部件的不同而改變。在胎面膠配方設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到胎面膠的壓縮疲勞和壓縮生熱等因素，通常采用防老劑RD/4020并用，一般防老劑RD用量為1～1.5份，防老劑4020用量為1.5～2份。另外，在胎面膠配方設(shè)計(jì)中，橡膠防護(hù)蠟用量一般為1份。

其他配合體系參照常規(guī)的胎面膠配方設(shè)計(jì)原則確定。

2.2 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的t90縮短，硫化膠的阿克隆磨耗量減小，其他物理性能均相對(duì)較好。

表2 小配合試驗(yàn)結(jié)果

2.3 大配合試驗(yàn)

根據(jù)小配合試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選出4#和5#配方進(jìn)行大配合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，與1#配方膠料相比，4#和5#配方膠料的t90縮短，硫化膠的耐磨性能提高，但5#配方硫化膠的綜合物理性能優(yōu)于4#配方硫化膠，而且5#配方硫化膠的密度小于1#和4#配方硫化膠。硫化膠的密度直接影響胎面自身質(zhì)量，對(duì)于相同規(guī)格的輪胎，硫化膠的密度越小，則在行駛過(guò)程中胎面受到的滾動(dòng)阻力越低，輪胎就更節(jié)能環(huán)保。

2.4 成品試驗(yàn)

通過(guò)大配合試驗(yàn)確定5#配方為最佳的超耐磨胎面膠配方，采用此配方試制了11R22.516PR試驗(yàn)輪胎，抽檢1條試驗(yàn)輪胎進(jìn)行耐久和速度性能測(cè)試，并與正常輪胎（1#配方）進(jìn)行對(duì)比。

耐久和速度性能試驗(yàn)條件分別如表4和5所示，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，試驗(yàn)輪胎的耐久和速度性能均略優(yōu)于正常輪胎。

表4 耐久性試驗(yàn)條件和結(jié)果

表6 成品性能試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)調(diào)整超耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方中的生膠體系、補(bǔ)強(qiáng)體系和防護(hù)體系等，膠料的t90縮短，硫化膠的耐磨性能改善，其他物理性能較好，成品輪胎的耐久和速度性能均提高。該優(yōu)化配方已進(jìn)入試生產(chǎn)階段。

表5 速度性能試驗(yàn)條件和結(jié)果