白炭黑濕法混煉母膠在全鋼工程機(jī)械子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用

王銀竹，王傳鑄，趙 君，郭 震，張燕龍

[泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100]

在傳統(tǒng)的礦山工程機(jī)械輪胎中，為保證輪胎具有良好的耐磨和抗切割性能，通常會在胎面膠中填充大量的白炭黑。高填充量白炭黑能夠改善膠料的抗切割和抗撕裂性能，但因白炭黑難以均勻分散于橡膠基體中[1]，極易團(tuán)聚而出現(xiàn)膠料的門尼粘度過高問題[2]。為保證白炭黑在膠料中的分散均勻性、降低膠料的門尼粘度，膠料往往需要進(jìn)行多段混煉，這導(dǎo)致了膠料的混煉能耗高，混煉時(shí)間長[3]，同時(shí)造成了膠料的物理性能下降。雖然通過加入硅烷偶聯(lián)劑可以提高白炭黑與橡膠的相容性[4]，但硅烷偶聯(lián)劑的加入易導(dǎo)致膠料的抗切割和抗撕裂性能下降[5]。

白炭黑濕法混煉母膠采用液相濕法混煉工藝制得，即天然膠乳與白炭黑漿液通過化學(xué)絮凝而使白炭黑均勻分散于天然橡膠（NR）中[6]。該混煉工藝很好地提高了白炭黑的分散均勻性，進(jìn)而解決了膠料的門尼粘度偏高問題，在膠料獲得優(yōu)異的抗切割和抗撕裂性能的同時(shí)，減少了膠料的混煉段數(shù)，大大降低了混煉能耗[7]。

本工作采用全鋼工程機(jī)械子午線輪胎胎面膠配方，對比研究白炭黑濕法混煉母膠的混煉膠和硫化膠（分別簡稱白炭黑濕法混煉膠和硫化膠）與傳統(tǒng)白炭黑干法混煉膠和硫化膠的性能差異，同時(shí)制造14.00R25試驗(yàn)輪胎進(jìn)行礦山實(shí)地測試對比。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

白炭黑濕法混煉母膠（NR/白炭黑質(zhì)量比為100/15），國內(nèi)某橡膠廠定制產(chǎn)品；NR，STR20，泰國進(jìn)口產(chǎn)品；炭黑N115，卡博特化工（天津）有限公司產(chǎn)品；白炭黑BET-175，福建省三明正元化工有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，揚(yáng)州振中鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，泰柯棕化（張家港）有限公司產(chǎn)品；防老劑RD，科邁化工股份有限公司產(chǎn)品；防老劑4020，圣奧化學(xué)科技有限公司產(chǎn)品；微晶蠟，江蘇銳巴新材料科技有限公司產(chǎn)品；抗撕裂樹脂，上海三斯助劑制品有限公司產(chǎn)品；硫黃，安慶市華城硫磺有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑CZ，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方如表1所示。

表1 試驗(yàn)配方 份Tab.1 Experimental formulas phr

1.3 主要設(shè)備和儀器

1.5 L實(shí)驗(yàn)室密煉機(jī)，軟控股份有限公司產(chǎn)品；F270型和F370型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XK-150型開煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠產(chǎn)品；XK-660型開煉機(jī)，雙星集團(tuán)橡塑機(jī)械公司產(chǎn)品；XLB-D 350×350×2 25T型平板硫化機(jī)，杭州蘇橋佳邁機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；HD-10型厚度計(jì)，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度計(jì)和Premier MDR型無轉(zhuǎn)子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GS-709N型邵爾A硬度計(jì)、AI-7000S型電子拉力試驗(yàn)機(jī)、GT-7012-A型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)、動態(tài)切割試驗(yàn)機(jī)和RH2000N型壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；DMA 861E型動態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA），瑞士梅特勒-托利多公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

（1）小配合試驗(yàn)?zāi)z料在1.5 L密煉機(jī)中進(jìn)行混煉，在開煉機(jī)上薄通下片。

膠料混煉分兩段進(jìn)行。一段混煉工藝為：先加入生膠/濕法混煉母膠和炭黑、白炭黑，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1下混煉30 s，然后加入硬脂酸、氧化鋅、防老劑、防護(hù)蠟、抗撕裂樹脂，繼續(xù)混煉40 s，提壓砣，清掃后壓壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降為45 r·min-1，當(dāng)膠料溫度達(dá)到155 ℃時(shí)排膠，膠料放置4 h冷卻；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠和硫黃、促進(jìn)劑、防焦劑，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1下混煉30 s，提壓砣，清掃后壓壓砣，混煉20 s，提壓砣5 s后壓壓砣，繼續(xù)混煉，當(dāng)膠料溫度達(dá)到100 ℃時(shí)排膠至XK-150型開煉機(jī)上，開煉機(jī)輥溫為（60±5）℃，膠料包輥后打包、薄通4次下片。終煉膠放置12 h后進(jìn)行性能測試。

（2）大配合試驗(yàn)?zāi)z料采用F370型密煉機(jī)（一、二和三段混煉）和F270型密煉機(jī)（終煉）進(jìn)行混煉，白炭黑干法混煉膠采用傳統(tǒng)混煉工藝，即采用4段混煉工藝混煉，白炭黑濕法混煉膠采用3段混煉工藝混煉。膠料在開煉機(jī)上薄通、下片。

膠料混煉工藝如下：一段混煉先加入生膠/濕法混煉膠和白炭黑、1/2炭黑、硬脂酸、氧化鋅、防護(hù)蠟、抗撕裂樹脂，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為36 r·min-1下混煉30 s，提壓砣后壓壓砣，繼續(xù)混煉30 s，提壓砣后壓壓砣，當(dāng)膠料溫度達(dá)到160 ℃時(shí)排膠，膠料放置4 h冷卻；二段混煉加入一段混煉膠和剩余炭黑、防老劑，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為29 r·min-1下混煉，每30 s提壓砣1次，當(dāng)膠料溫度達(dá)到155 ℃時(shí)排膠，膠料放置4 h冷卻；干法混煉增加三段混煉（混煉工藝除加入二段混煉膠、不加入炭黑和防老劑外，其余同二段混煉工藝）；終煉將二段或三段混煉膠和硫黃、促進(jìn)劑、防焦劑加入密煉機(jī)中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20 r·min-1，進(jìn)行兩次提壓砣、壓壓砣，當(dāng)膠料溫度達(dá)到100 ℃時(shí)排膠至XK-660型開煉機(jī)上，開煉機(jī)輥溫為（60±5）℃，膠料包輥后打包、薄通5次下片。終煉膠放置12 h后進(jìn)行性能測試。

1.5 性能測試

（1）抗切割性能[8]。使用動態(tài)切割試驗(yàn)機(jī)，采用特定刀頭，以一定的能量反復(fù)沖擊粘貼在旋轉(zhuǎn)的圓輪上的試樣，模擬輪胎胎面在實(shí)際使用過程中被石塊撞擊、切割出現(xiàn)的崩花掉塊情形，試驗(yàn)結(jié)果以試樣被沖擊、切割后的質(zhì)量來表征，其值越小，抗切割性能越好。測試條件為：負(fù)荷475 g，切刀頻率 110 r·min-1，圓輪轉(zhuǎn)速 200 r·min-1，試驗(yàn)時(shí)間 60 min。（2）壓縮生熱。將標(biāo)準(zhǔn)高度為25 mm的圓柱形試樣放入55 ℃的恒溫測試箱中，預(yù)熱30 min，測試條件為：試驗(yàn)時(shí)間 25 min，沖程 4.5 mm，負(fù)荷25 kg。

（3）動態(tài)力學(xué)性能。采用DMA測試硫化膠的損耗因子（tanδ）。應(yīng)變掃描測試條件為溫度 60℃，頻率 1 Hz，應(yīng)變范圍 0.28%～40%；溫度掃描測試條件為頻率 10 Hz，位移 200 μm（應(yīng)變?yōu)?.33%），溫度范圍－10～65 ℃，升溫速率 5℃·min-1。（4）其他性能按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗(yàn)

2.1.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表2所示。

表2 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性Tab.2 Vulcanization characteristics of compounds in laboratory test

從表2可以看出：在相同的混煉工藝下，白炭黑濕法混煉膠的門尼粘度明顯小于白炭黑干法混煉膠，這是因?yàn)榘滋繚穹ɑ鞜捘z中白炭黑的分散性較好，填料阻礙性較弱[9]，導(dǎo)致門尼粘度降低，可見白炭黑濕法混煉膠的混煉段數(shù)可以減少，從而降低能耗；白炭黑濕法混煉膠的硫化速度比白炭黑干法混煉膠略低，但總體來看兩種膠料的硫化特性相差不大。

2.1.2 物理性能

小配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能如表3所示。

從表3可以看出，與白炭黑干法混煉硫化膠相比，白炭黑濕法混煉硫化膠的硬度和拉伸性能變化不大，但耐磨、抗撕裂和抗切割性能提高。分析認(rèn)為，白炭黑濕法混煉膠的白炭黑分散更均勻，即白炭黑粒子之間的距離相對更均勻，從而促進(jìn)了硫化膠的耐磨、抗撕裂和抗切割性能的提升。

表3 小配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能Tab.3 Physical properties of vulcanizates in laboratory test

2.2 大配合試驗(yàn)

2.2.1 硫化特性

大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表4所示。

從表4可以看出，大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

表4 大配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性Tab.4 Vulcanization characteristics of compounds in workshop test

2.2.2 物理性能

大配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能如表5所示。

表5 大配合試驗(yàn)硫化膠的物理性能Tab.5 Physical properties of vulcanizates in workshop test

從表5可以看出：與白炭黑干法混煉硫化膠相比，白炭黑濕法混煉硫化膠的硬度不變，300%定伸應(yīng)力增大，補(bǔ)強(qiáng)因數(shù)較大，說明濕法混煉膠中白炭黑的分散性及其對硫化膠的補(bǔ)強(qiáng)性改善；白炭黑濕法混煉硫化膠的耐磨、抗撕裂和抗切割性能提高，壓縮生熱降低，這是由于在傳統(tǒng)干法混煉膠中白炭黑的分散性差，團(tuán)聚效應(yīng)明顯，而在濕法混煉膠中白炭黑更好的分散性減小了填料間的摩擦作用，進(jìn)而降低了硫化膠的壓縮生熱。

2.3 動態(tài)力學(xué)性能

硫化膠的應(yīng)變掃描和溫度掃描曲線分別如圖1和2所示。

對于輪胎用橡膠材料，一般以7%應(yīng)變下的tanδ表征動態(tài)滯后損失，其值越小，滯后損失越小[10-12]。從圖1可以看出，白炭黑濕法混煉硫化膠在7%應(yīng)變下的tanδ小于白炭黑干法混煉硫化膠，說明白炭黑濕法混煉硫化膠的滯后損失小于白炭黑干法混煉硫化膠。

一般認(rèn)為，0 ℃時(shí)的tanδ越大，硫化膠的抗?jié)窕阅茉胶?，?0 ℃時(shí)的tanδ越小，硫化膠的滯后損失越小，生熱和滾動阻力越低。從圖2可以看出，白炭黑濕法混煉硫化膠的滯后損失小于白炭黑干法混煉硫化膠，生熱和滾動阻力更低，可以認(rèn)為濕法混煉工藝增強(qiáng)了橡膠分子鏈與填料之間的相互作用，白炭黑具有更好的分散性，使硫化膠具有更低的Payne效應(yīng)，tanδ減小[5]。

2.4 成品試驗(yàn)

分別采用1#和2#配方混煉膠各試制10條14.00R25全鋼工程機(jī)械子午線輪胎，并于2021年7月在內(nèi)蒙古某礦山進(jìn)行實(shí)地裝車試驗(yàn)（地表溫度高于40 ℃），定期跟蹤試驗(yàn)輪胎的使用情況。

圖3所示為2021年9月中旬（使用2個(gè)月后）的試驗(yàn)輪胎照片。

從圖3可以看出，白炭黑濕法混煉膠的試驗(yàn)輪胎胎面的磨損程度明顯小于白炭黑干法混煉膠的試驗(yàn)輪胎胎面，且白炭黑濕法混煉膠的試驗(yàn)輪胎胎面的花紋磨面較光滑，花紋磨損量為每月3.4 mm，而干法混煉膠試驗(yàn)輪胎胎面的花紋磨損量為每月3.8 mm。由此可見，采用白炭黑濕法混煉膠比采用傳統(tǒng)干法混煉膠生產(chǎn)的輪胎在改善耐磨和抗崩花掉塊性能上具有一定的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

與傳統(tǒng)白炭黑干法混煉膠和硫化膠相比，白炭黑濕法混煉膠的白炭黑的分散性良好，混煉段數(shù)減少而不影響混煉效果，門尼粘度完全可以滿足工藝性能要求，生產(chǎn)能耗明顯降低；白炭黑濕法混煉硫化膠的耐磨、抗撕裂和抗切割性能提高，壓縮生熱降低。采用白炭黑濕法混煉膠的成品輪胎在使用中后期胎面磨損量減小和抗崩花掉塊性能改善。