炭黑品種對缺氣保用輪胎支撐膠性能的影響

顧培霜，趙相帥，劉華僑

[特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266100]

近年來，為了追求更低的滾動阻力和材料成本，輪胎產(chǎn)品無論是輪廓設(shè)計還是材料分布設(shè)計都向著更加輕量化的方向發(fā)展[1]。盡管輪胎輕量化設(shè)計的前提是將安全性能放在首位，必須通過各項室內(nèi)外測試，但是諸如胎側(cè)減薄設(shè)計等仍然不可避免地在一定程度上降低了胎側(cè)的防撞擊性能[2]。

缺氣保用輪胎是在輪胎胎側(cè)部位加裝具有強支撐作用的補強支撐膠，保證輪胎在爆胎、漏氣等情況下可以正常行駛，用以消除猛然的操作失衡帶來的安全隱患[3]。缺氣保用輪胎因加裝支撐膠的緣故質(zhì)量比相同規(guī)格產(chǎn)品大很多。缺氣保用加輕量化設(shè)計既可以減小傳統(tǒng)缺氣保用輪胎產(chǎn)品的質(zhì)量，又可以提高輕量化輪胎的安全性，因此成為輪胎發(fā)展方向之一?，F(xiàn)今，很多大型輪胎廠也上市或配套了缺氣保用輪胎產(chǎn)品，但并不在胎側(cè)上體現(xiàn)“蝸?！保銡鈮悍ㄒ?guī)要求的1 h）標識，能夠在突發(fā)情況下保證行車安全而不考慮爆胎后的繼續(xù)行駛距離，這種設(shè)計也體現(xiàn)了平衡成本、兼顧安全的設(shè)計方向[4-5]。

本工作研究炭黑品種對缺氣保用輪胎支撐膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國產(chǎn)品；釹系順丁橡膠（BR），牌號CB24，朗盛化學(xué)（中國）有限公司產(chǎn)品；炭黑N330和N550，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品；炭黑S204，德國歐勵隆公司產(chǎn)品。

炭黑技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中炭黑S204為爐法炭黑，根據(jù)ASTM D1765《橡膠用炭黑分類命名系統(tǒng)》命名規(guī)則，前綴S代表該品種炭黑硫化速度緩慢，炭黑N330和N550為爐法炭黑。

表1 炭黑技術(shù)參數(shù)

1.2 配方

試驗配方如表2所示。

1.3 主要設(shè)備和儀器

BB430型密煉機，日本神戶制鋼所產(chǎn)品；XM270型密煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產(chǎn)品；UM-2050型門尼粘度儀和UT-2060型萬能拉力機，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；Eplexor?型動態(tài)力學(xué)分析（DMA）儀，德國GABO公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料采用三段混煉工藝混煉。

一段混煉在BB430型密煉機中進行，壓砣壓力為0.5 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣保持20 s→提壓砣→炭黑→壓壓砣至115 ℃→提壓砣→壓壓砣至135 ℃→提壓砣→壓壓砣至165 ℃，排膠，停放4 h以上。

二段混煉在BB430型密煉機中進行回車返煉，壓砣壓力為0.5 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣保持25 s→提壓砣→壓壓砣保持20 s→提壓砣→壓壓砣至155 ℃，排膠，停放4 h以上。

三段混煉在XM270型密煉機中進行，壓砣壓力為0.4 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠和硫化劑→1次壓壓砣保持30 s→2次壓壓砣保持30 s→提壓砣至105 ℃排膠。

1.5 測試分析

（1）DMA分析。采用Eplexor?型DMA儀進行DMA測試，使用拉伸模式，溫度掃描，預(yù)拉伸5%，頻率 10 Hz，振幅 0.25%，溫度范圍－60～80 ℃。

（2）其他性能。均按相應(yīng)國家標準或化工行業(yè)標準測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

膠料的硫化特性如表3所示。

表3 膠料的硫化特性

從表3可以看出：采用炭黑N330和N550的膠料硫化速度較快，t10和t90短；采用炭黑S204的膠料硫化速度較慢。這主要是由炭黑生產(chǎn)工藝不同導(dǎo)致炭黑顆粒的表面化學(xué)性質(zhì)不同決定的。

2.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表4所示。

表4 硫化膠的物理性能

1#配方硫化膠采用補強能力較強的炭黑N330，硬度大，可提供強支撐作用；生膠以BR為主，彌補硫化膠的耐屈撓性能。2#配方硫化膠采用耐屈撓性能較好的炭黑N550；生膠以NR為主，增強硫化膠的機械強度。3#和4#配方硫化膠采用特種炭黑S204，生膠以BR為主，整體考慮硫化膠的耐屈撓性能。

從表4可以看出：4種配方硫化膠的物理性能實測結(jié)果與配方設(shè)計預(yù)期相符，1#配方硫化膠的邵爾A型硬度最大；2#配方硫化膠的拉伸強度較大，達到18.9 MPa，而1#配方硫化膠因硬度大和BR占生膠體系比重大、3#和4#配方硫化膠因炭黑S204本身補強不足和BR占生膠體系比重大，相應(yīng)硫化膠的拉伸強度均較低，為13 MPa左右；1#—4#配方硫化膠的回彈值依次增大，表明生熱降低[6]。

2.3 不同溫度下的拉伸性能

硫化膠不同溫度下的拉伸性能如圖1所示。

圖1 硫化膠不同溫度下的拉伸性能

從圖1可以看出：4種硫化膠不同溫度下的拉伸性能表現(xiàn)出與常溫下相同的變化趨勢；隨著溫度的升高，各硫化膠的定伸應(yīng)力和拉伸強度降幅明顯，其中溫度從25 ℃增大到140 ℃，4種硫化膠的拉伸強度分別下降48%，57%，54%和50%。值得注意的是，1#配方硫化膠在140 ℃時的拉斷伸長率不足100%。

2.4 DMA分析

硫化膠的儲能模量（E′）-溫度曲線和損耗因子（tanδ）-溫度曲線分別如圖2和3所示。

圖2 硫化膠的E′-溫度曲線

從圖2可以看出：1#配方硫化膠的E′隨著溫度的升高下降趨勢明顯；3#和4#配方硫化膠的E′保持率較好，且有輕微翹頭的表現(xiàn)。

從圖3可以看出：1#配方硫化膠因使用補強性能較強的炭黑N330，tanδ最大；2#配方硫化膠次之；3#和4#配方硫化膠因采用了小粒徑高結(jié)構(gòu)度的炭黑S204，具有極小的tanδ，且隨著溫度的升高，tanδ的下降趨勢也更為緩和。

圖3 硫化膠的tanδ-溫度曲線

2.5 成品性能

采用4種配方膠料制備缺氣保用輪胎支撐膠用于試制245/45R18 96W輪胎，其零氣壓耐久性能測試結(jié)果如表5所示。

表5 成品輪胎的零氣壓耐久性能

從表5可以看出，采用1#—4#配方支撐膠的成品輪胎零氣壓耐久性能測試結(jié)果與相應(yīng)配方膠料的硬度和剛性相符，膠料硬度越高，相應(yīng)輪胎的零氣壓耐久性能越好。與1#配方相比，硬度較小、偏重于耐屈撓性能且生熱較低的2#配方并沒有使成品輪胎的零氣壓耐久性能得到明顯提升，且破壞分析結(jié)果均為支撐膠斷裂。3#和4#配方采用炭黑S204，追求極致的低生熱和耐屈撓性能，但零氣壓耐久性能下降明顯，尤其是相對于3#配方，4#配方炭黑S204用量僅降低了10份，相應(yīng)硫化膠的硬度和生熱進一步下降，相應(yīng)成品輪胎的零氣壓耐久性能也下降。

3 結(jié)論

采用3種不同牌號的炭黑分別搭配不同并用比的NR/BR，從硫化膠的機械強度、耐屈撓性能和生熱性能方面設(shè)計4組缺氣保用輪胎支撐膠試驗配方，探討其對成品輪胎零氣壓耐久性能的影響。結(jié)果顯示：成品輪胎的零氣壓耐久性能與支撐膠硬度和剛性相關(guān)性良好，支撐膠越硬，成品輪胎的零氣壓耐久性能越好；支撐膠的耐屈撓性能和生熱性能在本輪試驗中并沒有表現(xiàn)出對成品輪胎零氣壓耐久性能的增益效果。

本次試驗研究膠料的剛性和生熱設(shè)計為單一梯度，未有剛性相同或較大但生熱較低的試驗比較，結(jié)果及結(jié)論僅為支撐膠的設(shè)計提供一定的參考，今后的研究將擴展設(shè)計思路，在相同膠料硬度水平下開展生熱性能的試驗對比。