不同品種炭黑在載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

任夫云，張世鑫，魯 強(qiáng)

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

隨著輪胎行業(yè)的發(fā)展，對載重子午線輪胎的耐磨性能提出了更高的要求。填料的性能及用量對輪胎膠料的耐磨性能影響極大。對于載重輪胎，其胎面膠一般采用耐磨性能優(yōu)異的高比表面積炭黑，這是因?yàn)樘亢诒缺砻娣e越大，對膠料的補(bǔ)強(qiáng)作用越好，膠料的耐磨性能越優(yōu)異，但同時高比表面積炭黑存在分散性差的問題，反而會降低膠料的耐磨性能，因此優(yōu)異的耐磨性能需要平衡炭黑的比表面積與分散性問題[1-2]。目前越來越多的炭黑生產(chǎn)企業(yè)開始研發(fā)聚集體尺寸分布窄的炭黑，炭黑的小尺寸和大尺寸聚集體的占比減小、中間尺寸聚集體占比增大，有利于炭黑分散及對橡膠材料的補(bǔ)強(qiáng)作用，這是因?yàn)榇蟪叽缇奂w有利于分散但對補(bǔ)強(qiáng)無益，小尺寸聚集體由于難以分散，對橡膠材料的補(bǔ)強(qiáng)效果也差[3-5]。

本工作主要研究3種不同比表面積及聚集體尺寸分布的炭黑在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），SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；炭黑N134，山東貝斯特化工有限公司產(chǎn)品；炭黑EB262和HP130，德國Orion公司產(chǎn)品。

3種炭黑的基本參數(shù)如表1所示。

表1 3種炭黑的基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)配方

NR 100，炭黑（變品種） 50，氧化鋅 4，硬脂酸 2，石蠟 0.5，微晶蠟 1，防老劑RD 1，防老劑4020 2，防老劑DTPD 0.5，硫黃、促進(jìn)劑和防焦劑 3.1。

1#—3#配方分別加入 炭 黑EB262，N134和HP130。

1.3 主要設(shè)備和儀器

1.5L密煉機(jī)，德國克虜伯公司產(chǎn)品；XK-160型開煉機(jī)，上海橡塑機(jī)械廠產(chǎn)品；HS100TFTMO-90型平板硫化機(jī)，佳鑫電子設(shè)備科技（深圳）有限公司產(chǎn)品；TS-2000M型電子拉力機(jī)，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；動態(tài)力學(xué)分析（DMA）儀，美國TA公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝，均在1.5 L密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為100 r·min-1，混煉工藝為：生膠、小料→壓壓砣（30 s）→3/4炭黑→壓壓砣（70 s）→剩余炭黑和小料→壓壓砣（5 min）→排膠；二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑→壓壓砣（5 min）→排膠；終煉膠在開煉機(jī)上薄通6次，下片。

膠料在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為150℃×30 min。

1.5 性能測試

各項性能均按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

3種炭黑對膠料硫化特性的影響如表2所示。

表2 3種炭黑對膠料硫化特性的影響

從表2可以看出：3種配方膠料的門尼粘度相當(dāng)；1#配方膠料的門尼焦燒時間、t25和t90最長，硫化速度最慢，3#配方膠料的門尼焦燒時間、t25和t90最短，硫化速度最快，交聯(lián)密度（Fmax－FL）最小，這是由于炭黑HP130的比表面積最小，對膠料的補(bǔ)強(qiáng)作用最低；2#配方膠料的門尼焦燒時間、交聯(lián)密度和硫化速度介于1#與3#配方膠料之間。

2.2 物理性能

3種炭黑對硫化膠物理性能的影響如表3所示。

從表3可以看出：3種配方膠料的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率相當(dāng)；2#和3#配方膠料的300%定伸應(yīng)力比1#配方膠料增大約7%，說明炭黑N134和HP130在膠料中的分散性更好，在相同的混煉工藝下，炭黑EB262的分散性略差；從回彈值也可以看出，1#配方膠料的回彈值略低，生熱略高，同時DIN磨耗量比2#配方膠料增大約7%。分析認(rèn)為，炭黑EB262和N134的比表面積和吸油值相同，但是炭黑EB262的著色強(qiáng)度更高，從理論上講，當(dāng)炭黑

表3 3種炭黑對硫化膠物理性能的影響

EB262的分散性與炭黑N134達(dá)到同一水平時，炭黑EB262膠料的耐磨性能會更占優(yōu)勢，但在本試驗(yàn)中，炭黑EB262的耐磨性能優(yōu)勢并沒有表現(xiàn)出來，因此在應(yīng)用炭黑EB262時，需要進(jìn)一步調(diào)整混煉工藝，才能充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

炭黑HP130的比表面積最小，膠料的硬度和撕裂強(qiáng)度最小，回彈值最大，生熱最低，DIN磨耗量最小。填料對膠料耐磨性能的影響不僅在于其比表面積、結(jié)構(gòu)及聚集體尺寸分布，還與填料的分散性密切相關(guān)，在應(yīng)用不同比表面積及聚集體尺寸分布的炭黑時，需要調(diào)整混煉工藝，以達(dá)到最佳的分散狀況。在本試驗(yàn)中，采用相同的混煉工藝，聚集體尺寸分布窄的炭黑EB262沒有表現(xiàn)出明顯的耐磨性能優(yōu)勢，反而比表面積略小的炭黑HP130由于其良好的分散性而表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。

2.3 耐熱氧老化性能

3種炭黑對硫化膠耐熱氧老化性能的影響如表4所示。

從表4可以看出：與老化前膠料相比，熱氧老化后3種配方膠料的硬度、100%和300%定伸應(yīng)力增大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率減小；1#和2#配方膠料的拉伸性能保持率在同一水平，3#配方膠料經(jīng)過長時間高溫老化后拉伸強(qiáng)度的降幅較大，拉伸性能保持率較低。

表4 3種炭黑對硫化膠耐熱氧老化性能的影響

2.4 動態(tài)力學(xué)性能

采用DMA儀對硫化膠進(jìn)行應(yīng)變掃描，測試條件為：靜態(tài)應(yīng)變 10%，動態(tài)應(yīng)變范圍0.1%～5.0%，頻率 10 Hz。3種炭黑對硫化膠動態(tài)力學(xué)性能的影響如表5所示，其中tanδ為損耗因子，E′為儲能模量，ΔE′為應(yīng)變0.1%與應(yīng)變5.0%的E′之差。

表5 3種炭黑對硫化膠動態(tài)力學(xué)性能的影響

從表5可以看出，1#配方膠料在應(yīng)變?yōu)?.0%和5.0%時的tanδ最大，生熱最高。這是由于炭黑EB262的分散性略差，填料之間相互作用較大，雖然其聚集體尺寸分布比炭黑N134更窄，但大尺寸聚集體所占比例減小，而大尺寸聚集體有利于炭黑的分散，因此在與炭黑N134相同的混煉工藝下，炭黑EB262的分散性略差，膠料的生熱略高。1#配方膠料的ΔE′最大，說明炭黑EB262的分散性較差。

2#配方膠料的剛性（以應(yīng)變0.5%時的E′表征）最大，輪胎的操縱性能最佳，生熱性能介于1#與3#配方膠料之間，炭黑N134的分散性略優(yōu)于炭黑EB262。

3#配方膠料的剛性較低，但是與2#配方膠料相比，剛性降幅僅為6%，因此對輪胎的操縱性能影響較??；3#配方膠料應(yīng)變5.0%時的tanδ比2#配方膠料低8%，能夠大大降低輪胎的生熱，同時其ΔE′最小，說明炭黑HP130的分散性最好。

在相同的混煉工藝下，炭黑HP130的分散性最佳，膠料的生熱最低，綜合考慮輪胎的操縱性能和生熱性能，填充炭黑HP130的膠料綜合性能最佳。

3 結(jié)論

采用相同的混煉工藝，炭黑EB262的分散性最差，膠料的生熱最高，耐磨性能最差；炭黑HP130的分散性最好，膠料的耐磨性能最佳，生熱最低，綜合性能最佳；炭黑N134膠料的剛性最大，生熱和耐磨性能介于炭黑EB262與炭黑HP130膠料之間。因此可以根據(jù)實(shí)際配方對輪胎操縱性能和滾動阻力的不同要求，合理選擇炭黑品種。