王 強(qiáng)，齊曉杰，王云龍，姜 莉

（黑龍江工程學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

近年來(lái)，礦山開(kāi)采、建筑施工等行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)工程機(jī)械輪胎的需求量與日俱增。工程機(jī)械輪胎通常在土石方等露天礦采區(qū)作業(yè)，承載大、頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)、受凸起物沖擊力大，廢舊輪胎的產(chǎn)生較快且量較大[1-2]。因此，提高工程機(jī)械輪胎的翻新率，可有效提高廢舊工程機(jī)械輪胎的利用率，有利于節(jié)約橡膠資源和促進(jìn)綠色環(huán)保。目前，相關(guān)研究主要集中在輪胎翻新行業(yè)狀況和相關(guān)政策分析以及載重輪胎翻新方面[3-5]。翻新工程機(jī)械輪胎由于基礎(chǔ)技術(shù)缺乏，在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)胎面不耐磨、易崩花掉塊，甚至出現(xiàn)胎面脫層、輪胎爆破等問(wèn)題，嚴(yán)重影響其推廣應(yīng)用。

本工作以26.5R25翻新工程機(jī)械輪胎胎面膠為例，研究添加炭黑和白炭黑補(bǔ)強(qiáng)劑對(duì)胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)效果，以期為翻新工程機(jī)械輪胎性能的提高、翻新工藝的優(yōu)化和使用推廣提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

胎面翻新用主要原材料由哈爾濱惠良輪胎翻新有限公司提供。

1.2 基本配方

天然橡膠（NR） 65，丁苯橡膠（SBR1500）35，氧化鋅 5，硬脂酸 2，防老劑WH-02 2，防臭氧蠟 0.4，芳烴油X-140 3，加工助劑HNZ 1.6，增粘劑C501 2，促進(jìn)劑NS 1.6，抗硫化返原劑WK-901 1.5，硫黃 1.6，補(bǔ)強(qiáng)劑 變品種、變量。

1.3 主要設(shè)備和儀器

YS160D型開(kāi)煉機(jī)和YS20T-S型平板硫化機(jī)，上海冶帥精密科技有限公司產(chǎn)品；TH-5000型橡膠拉力試驗(yàn)機(jī)、TH-7102型阿克隆磨耗機(jī)和TH-901型邵爾硬度計(jì)，江蘇天惠試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品；YH3600型炭黑分散度儀，上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行混煉，混煉溫度為120℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r min-1。膠料混煉加料順序如下[6-8]。

單一品種炭黑補(bǔ)強(qiáng)膠料：生膠→防老劑、氧化鋅、硬脂酸→炭黑和增粘劑C501→防臭氧蠟、加工助劑HNZ→芳烴油和抗硫化返原劑WK-901→防老劑、促進(jìn)劑、硫黃→薄通3次下片。

炭黑N330與其他品種炭黑（或白炭黑）并用補(bǔ)強(qiáng)膠料：生膠→防老劑、氧化鋅、硬脂酸→炭黑N330→防臭氧蠟、加工助劑HNZ→并用炭黑（或白炭黑）、增粘劑C501→芳烴油、抗硫化返原劑WK-901→防老劑、促進(jìn)劑、硫黃→薄通3次下片。

膠料采用平板硫化機(jī)硫化，硫化條件為130℃ 20 min。

1.5 性能測(cè)試

邵爾A型硬度按GB/T 531—2008測(cè)定；300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度按GB/T 528—2009測(cè)定；撕裂強(qiáng)度按GB/T 529—2008測(cè)定；阿克隆磨耗量按GB/T 1689—1998測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一品種炭黑的影響

單一品種炭黑的用量對(duì)翻新胎面膠物理性能的影響如表1所示。

表1 單一品種炭黑的用量對(duì)翻新胎面膠物理性能的影響

從表1可以看出：隨著炭黑N330，N231和N151用量的增大，胎面膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度均出現(xiàn)先提高后下降的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的炭黑用量分別為50，60和40份；隨著炭黑N660用量的增大，胎面膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯；炭黑N151補(bǔ)強(qiáng)胎面膠的撕裂強(qiáng)度最高，且拉伸強(qiáng)度與炭黑N231補(bǔ)強(qiáng)胎面膠接近。

從表1還可以看出：炭黑N231補(bǔ)強(qiáng)胎面膠的300%定伸應(yīng)力和拉斷伸長(zhǎng)率變化趨勢(shì)與炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)胎面膠相同，均是先提高后降低，轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別出現(xiàn)在炭黑N231用量為60份、炭黑N330用量為50份時(shí)；炭黑N151補(bǔ)強(qiáng)胎面膠和炭黑N660補(bǔ)強(qiáng)胎面膠的300%定伸應(yīng)力的變化規(guī)律不明顯；關(guān)于阿克隆磨耗量，炭黑N151補(bǔ)強(qiáng)胎面膠在炭黑用量為40份時(shí)最小，炭黑N330補(bǔ)強(qiáng)胎面膠在炭黑用量為50份時(shí)最小，炭黑N231和炭黑N660補(bǔ)強(qiáng)胎面膠均在炭黑用量為60份時(shí)最??；炭黑N151補(bǔ)強(qiáng)胎面膠的硬度最大值出現(xiàn)在炭黑用量為40份時(shí)，炭黑N231，N330和N660補(bǔ)強(qiáng)胎面膠的硬度最大值均出現(xiàn)在炭黑用量為60份時(shí)。

綜 上 分 析 可 知：炭黑N151，N231，N330和N660用量分別為40，60，50和60份時(shí)，對(duì)胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)效果較佳；炭黑N151補(bǔ)強(qiáng)胎面膠的各項(xiàng)物理性能更為理想，可以優(yōu)先選擇作為胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)劑。

2.2 炭黑N330與其他品種炭黑并用的影響

炭黑N330（用量為40份）與其他品種炭黑并用對(duì)翻新胎面膠物理性能的影響如表2所示。

從表2可以看出：隨著并用炭黑N231和N660用量的增大，胎面膠的300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度均出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)均位于并用炭黑用量為20份時(shí)；隨著并用炭黑N151用量的增大，胎面膠的300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

從表2還可以看出：隨著并用炭黑N231用量的增大，胎面膠的阿克隆磨耗量先減小后增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在炭黑用量為20份時(shí)；隨著并用炭黑N151用量的增大，胎面膠的阿克隆磨耗量呈增大趨勢(shì)；隨著并用炭黑N660用量的增大，胎面膠的阿克隆磨耗量先增大后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在炭黑用量為30份時(shí)；隨著并用炭黑N231用量的增大，胎面膠的邵爾A型硬度先增大后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在炭黑用量為30份時(shí)；隨著并用炭黑N151用量的增大，胎面膠的邵爾A型硬度呈減小趨勢(shì)；隨著并用炭黑N660用量的增大，胎面膠的邵爾A型硬度呈增大趨勢(shì)。

表2 炭黑N330與其他炭黑并用對(duì)翻新胎面膠物理性能的影響

綜上分析可知，并用炭黑N151，N231和N660用量均為20份時(shí)，對(duì)胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)效果最佳。

2.3 炭黑N330與白炭黑并用的影響

炭黑N330（用量為40份）與白炭黑并用對(duì)翻新胎面膠物理性能的影響如表3所示。

從表3可以看出：隨著并用白炭黑用量的增大，胎面膠的300%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率和撕裂強(qiáng)度均出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在白炭黑用量為20份時(shí)；阿克隆磨耗量先減小后增大，白炭黑用量為20份時(shí)阿克隆磨耗量最小。

表3 炭黑N330與白炭黑并用對(duì)翻新胎面膠物理性能的影響

綜上分析可知，白炭黑用量為20份時(shí)，炭黑N330/白炭黑并用對(duì)胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)效果最佳，且胎面膠的各項(xiàng)物理性能優(yōu)于炭黑N330與炭黑N151，N231和N660并用補(bǔ)強(qiáng)胎面膠，可以優(yōu)先選擇白炭黑作為胎面膠的補(bǔ)強(qiáng)劑。

2.4 耐磨性能實(shí)車(chē)測(cè)試

哈爾濱惠良汽車(chē)輪胎翻新有限公司分別以炭黑N151（用量為40份）和炭黑N330（用量為40份）/白炭黑（用量為20份）作為胎面膠補(bǔ)強(qiáng)劑，制備兩種胎面膠并應(yīng)用于26.5R25翻新工程機(jī)械輪胎。兩種翻新工程機(jī)械輪胎在哈爾濱市帽兒山礦石區(qū)域使用，使用時(shí)間為2015年3月—2016年12月，其耐磨性能、抗崩花掉塊性能與普通翻新工程機(jī)械輪胎的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 耐磨和抗崩花掉塊性能對(duì)比

由表4可知，與普通翻新工程機(jī)械輪胎相比，試驗(yàn)翻新工程機(jī)械輪胎的磨耗高度減小了5～6 mm，抗崩花掉塊性能也得到了較大改善，補(bǔ)強(qiáng)劑起到有效的補(bǔ)強(qiáng)作用。

2.5 補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理

炭黑對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)效果與炭黑顆粒大小和吸附比表面積等參數(shù)有關(guān)，試驗(yàn)所用炭黑和白炭黑的物理參數(shù)如表5所示[9]。

表5 炭黑和白炭黑的物理參數(shù)

理論上炭黑顆粒越小，對(duì)橡膠的補(bǔ)強(qiáng)效果越好，但前提是炭黑用量適宜且具有良好的分散度，從而真正起到補(bǔ)強(qiáng)作用[6-7]。

圖1和2分別示出了炭黑N151（用量為40份）和炭黑N330（用量為40份）/白炭黑（用量為20份）在胎面膠中的分散情況。

圖1 炭黑N151在胎面膠中的分散情況

圖2 白炭黑在胎面膠中的分散情況

從圖1和2可以看出，炭黑N151用量為40份時(shí)在橡膠中的分散度較高，補(bǔ)強(qiáng)效果較為理想；白炭黑用量為20份時(shí)在橡膠中的分散度較高，橡膠分子鏈與白炭黑顆粒充分吸附，補(bǔ)強(qiáng)效果較為理想。

炭黑補(bǔ)強(qiáng)胎面膠機(jī)理應(yīng)用分子鏈滑動(dòng)理論來(lái)解釋，炭黑顆粒與橡膠分子鏈的吸附模型如圖3所示。炭黑顆粒與橡膠分子進(jìn)行混合時(shí)，由于炭黑顆粒表面具有一定的吸附化學(xué)能，長(zhǎng)短不等的橡膠分子鏈吸附在炭黑表面上，橡膠分子鏈具有一定的活動(dòng)能力；當(dāng)載荷作用時(shí)，整個(gè)橡膠分子會(huì)連接成鏈條狀吸附在炭黑顆粒的表面并慢慢蠕動(dòng)。當(dāng)炭黑含量較低時(shí)，應(yīng)力主要靠橡膠分子鏈承受，隨著應(yīng)力的增大，橡膠分子鏈會(huì)繼續(xù)在炭黑顆粒表面滑動(dòng)，并形成一定的滑動(dòng)取向，導(dǎo)致應(yīng)力重新平衡分布，所承擔(dān)的應(yīng)力增大。當(dāng)炭黑顆粒達(dá)到一定的含量時(shí)，其與橡膠分子鏈的吸附力不斷增大，當(dāng)吸附力與橡膠分子鏈滑動(dòng)力達(dá)到平衡時(shí)，會(huì)使炭黑顆粒間的橡膠分子鏈長(zhǎng)度重新分布，并且通過(guò)橡膠分子的熱運(yùn)動(dòng)與炭黑顆粒之間形成了一個(gè)新的吸附平衡。炭黑含量需要有一個(gè)最佳值，炭黑含量過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致炭黑顆粒間空隙大，橡膠分子鏈不能緊密融合；炭黑含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致炭黑顆粒間空隙小，同樣橡膠分子鏈不能有效融合。炭黑顆粒與橡膠分子鏈之間需保持一個(gè)合適的吸附比表面積，橡膠分子鏈與炭黑顆粒之間的有效融合吸附阻止了橡膠分子鏈發(fā)生形變和拉伸，從而對(duì)橡膠起到補(bǔ)強(qiáng)作用。

圖3 炭黑粒子與橡膠分子鏈吸附模型

3 結(jié)論

（1）單一品種炭黑補(bǔ)強(qiáng)胎面膠時(shí)，炭黑N151用量為40份時(shí)補(bǔ)強(qiáng)效果較佳；炭黑N330與其他品種炭黑并用補(bǔ)強(qiáng)胎面膠時(shí)，炭黑N330用量為40份、其他品種炭黑用量為20份時(shí)補(bǔ)強(qiáng)效果較佳；炭黑N330與白炭黑并用補(bǔ)強(qiáng)胎面膠時(shí)，炭黑N330用量為40份、白炭黑用量為20份時(shí)補(bǔ)強(qiáng)效果較為理想，胎面膠的耐磨性能和抗崩花掉塊性能均提高。

（2）炭黑補(bǔ)強(qiáng)胎面膠機(jī)理可應(yīng)用分子鏈滑動(dòng)理論解釋，胎面膠中炭黑含量有最佳值，炭黑含量過(guò)低，橡膠分子鏈不能緊密融合，補(bǔ)強(qiáng)效果不佳；炭黑含量過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致炭黑顆粒間空隙小，橡膠分子鏈也不能有效融合，補(bǔ)強(qiáng)效果不理想；橡膠分子鏈與炭黑顆粒之間的有效融合吸附阻止了橡膠分子鏈發(fā)生形變和拉伸，從而對(duì)橡膠起到補(bǔ)強(qiáng)作用。