崔 曉，董凌波，顧高照，叢明輝

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

隨著汽車物流及運輸行業(yè)的快速發(fā)展，全鋼載重子午線輪胎的需求量逐漸增大，行業(yè)競爭日趨激烈，歐盟輪胎標(biāo)簽法和國內(nèi)各大配套廠對全鋼載重子午線輪胎的性能要求越來越高。目前全鋼輪胎不再只專注高行駛里程性能，降低輪胎滾動阻力也逐漸成為行業(yè)研究的重點。技術(shù)人員在胎面膠配方設(shè)計時普遍采用白炭黑替代炭黑，以降低輪胎滾動阻力，提高抗?jié)窕阅躘1-3]。然而，由于白炭黑表面富含強極性的硅羥基，與聚合物之間作用力小，白炭黑之間極易團聚，導(dǎo)致膠料的加工性能差[4-6]。隨著白炭黑在全鋼輪胎胎面膠中的用量增大，混煉膠在胎面擠出過程中經(jīng)常出現(xiàn)撕邊問題，因而限制了高填充白炭黑在全鋼輪胎胎面膠中的廣泛應(yīng)用。

白炭黑分散劑ST的主要成分為烴類、鋅皂及填料的混合物，可弱化白炭黑之間的團聚效應(yīng)，降低膠料的門尼粘度，提高白炭黑在胎面膠中的分散性，使膠料具有優(yōu)異的流動性，從而改善胎面擠出的撕邊問題。

本工作主要研究白炭黑分散劑ST在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國進口產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化齊魯石化分公司產(chǎn)品；白炭黑，牌號1165MP，索爾維白炭黑（青島）有限公司產(chǎn)品；炭黑N234，山西安侖化工有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑TESPT，威海市和諧硅業(yè)有限公司產(chǎn)品；白炭黑分散劑ST，萊茵化學(xué)（青島）有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：NR 80，BR 20，白炭黑 30，炭黑N234 25，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，硅烷偶聯(lián)劑TESPT 6.5，防老劑4020 2，防老劑TMQ 1.5，防護蠟 2，硫黃（S-80） 2，促進劑TBBS-80 1.8。

試驗配方中加入2份白炭黑分散劑ST，其余組分及用量均同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

GK320E/GK550ET型串聯(lián)型密煉機，德國克虜伯公司產(chǎn)品；XK-160型開煉機，無錫益聯(lián)有限公司產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度儀、MDR2000型無轉(zhuǎn)子硫化儀和RPA2000橡膠加工分析儀（RPA），美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；RH2200型毛細(xì)管流變儀，英國馬爾文有限公司產(chǎn)品；Instron 3367型電子拉力試驗機，美國英斯特朗公司產(chǎn)品；動態(tài)粘彈性分析（DMA）儀，德國GABO公司產(chǎn)品；TJR-2-TB（Y）型輪胎高速耐久試驗機，天津賽象科技股份有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

膠料混煉均在串聯(lián)型密煉機中進行，上密煉機混煉工藝（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1）為：生膠、氧化鋅、白炭黑分散劑ST、防老劑等小料→壓壓砣20 s→加炭黑和白炭黑→壓壓砣40 s→提壓砣清掃10 s→壓壓砣（150 ℃）→排膠；下輔機混煉工藝為：溫度保持在150 ℃，混煉2 min→排膠，擠出至開煉機；在開煉機上進行終煉膠混煉，混煉工藝為：排膠→搗膠→1/2硫黃和促進劑→搗膠→剩余1/2硫黃和促進劑→搗膠均勻→排膠。

1.5 性能測試

（1）硫化特性。采用無轉(zhuǎn)子硫化儀測試膠料的硫化特性，測試條件為150 ℃×60 min。

（2）物理性能。按相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)測試硫化膠的物理性能，試樣硫化條件為150 ℃×30 min。

（3）動態(tài)力學(xué)性能。采用DMA儀測試硫化膠的動態(tài)力學(xué)性能，測試條件為：靜態(tài)應(yīng)變 10%，動態(tài)應(yīng)變 5%，頻率 10 Hz，溫度范圍 30～80 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

白炭黑分散劑ST的理化分析結(jié)果見表1。

表1 白炭黑分散劑ST的理化分析結(jié)果

從表1可以看出，白炭黑分散劑ST的各項理化性質(zhì)均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 硫化特性

膠料的硫化特性如表2所示。

表2 膠料的硫化特性

從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度明顯減小，應(yīng)力松弛時間縮短，F(xiàn)L略低，說明填料-填料之間的相互作用較弱，膠料流動性較好；t90縮短，硫化速度加快，這是由于白炭黑分散劑ST作為白炭黑表面活性劑覆蓋在白炭黑粒子表面，減小了白炭黑表面極性基團對促進劑的吸附量，因此加快了硫化速度。

2.3 物理性能

硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 硫化膠的物理性能

從表3可以看出：與生產(chǎn)配方硫化膠相比，老化前試驗配方硫化膠的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度增大，耐磨性能提高；老化后試驗配方硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率增大。分析認(rèn)為，由于白炭黑在膠料中的分散性提高，橡膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)密度增大，因此硫化膠的物理性能提高。

2.4 流變性能

膠料的剪切粘度與剪切速率的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 膠料的剪切粘度-剪切速率關(guān)系曲線

在100 ℃時，隨著剪切速率的增大，膠料的剪切粘度不斷下降，呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象。從圖1可以看出，在相同的剪切速率下，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的剪切粘度減小，且剪切變稀程度增大。說明在試驗配方中加入白炭黑分散劑ST，可以顯著減弱填料-填料之間的相互作用，白炭黑分散劑ST在膠料擠出過程中起到內(nèi)潤滑作用，有利于改善膠料的加工性能。

2.5 RPA分析

膠料的儲能模量（G′）與應(yīng)變（ε）的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 膠料的G′-lgε關(guān)系曲線

研究表明，膠料的G′隨著應(yīng)變增大而呈典型的非線性下降，這種現(xiàn)象稱為Payne效應(yīng)。這是由于在大應(yīng)變下，填料與填料之間的網(wǎng)絡(luò)破壞是引起G′變化的主要原因[7]，用ΔG′表征，ΔG′越大，說明填料-填料之間的相互作用越大，Payne效應(yīng)越強，尤其是在高填充白炭黑膠料中網(wǎng)絡(luò)聚集表現(xiàn)得更加明顯。

從圖2可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的G′減小，且隨著應(yīng)變的增大，試驗配方膠料的ΔG′明顯小于生產(chǎn)配方膠料。分析認(rèn)為，由于白炭黑分散劑ST減弱了白炭黑的極性，提高了聚合物與白炭黑界面的乳化分散作用，使白炭黑與聚合物之間的接觸面積增大，弱化了填料網(wǎng)絡(luò)的形成，降低了Payne效應(yīng)，提高了白炭黑在膠料中的分散性。

2.6 動態(tài)力學(xué)性能

硫化膠的動態(tài)力學(xué)性能如表4所示，G″為損耗模量，tanδ為損耗因子。

表4 硫化膠的動態(tài)力學(xué)性能

根據(jù)溫度-時間等效原理，應(yīng)用與粘彈性的相互關(guān)系來表征輪胎的抗?jié)窕阅芎蜐L動阻力。0和60 ℃時的tanδ分別表征輪胎的抗?jié)窕阅芎蜐L動阻力，0 ℃時tanδ越大，表明輪胎的抗?jié)窕阅茉胶茫?0 ℃時tanδ越小，表明輪胎的滾動阻力越低[8-10]。

從表4可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料在60 ℃時的tanδ減小14%。說明白炭黑分散劑ST提高了白炭黑的分散性，使輪胎的滾動阻力略有改善。

2.7 胎面擠出性能

胎面擠出外觀如圖3所示。

圖3 胎面擠出外觀

從圖3可以看出，生產(chǎn)配方膠料在胎面擠出時存在明顯的撕邊問題，而試驗配方膠料在胎面擠出時表面光滑，撕邊問題得到了解決。這主要是由于采用白炭黑分散劑ST降低了橡膠分子的內(nèi)摩擦力，提高了膠料經(jīng)過螺桿擠出機的塑化效果，從而提高了膠料的流動性。

2.8 成品輪胎性能

分別采用生產(chǎn)配方和試驗配方膠料試制245/75R19.5 16PR TR689A輪胎，并對成品輪胎的耐久性能和滾動阻力進行測試，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 成品輪胎性能

從表5可以看出，與生產(chǎn)輪胎相比，試驗輪胎的耐久性試驗累計行駛時間延長，滾動阻力系數(shù)減小。這是由于在胎面膠中添加白炭黑分散劑ST，提高了白炭黑的分散性，降低了膠料的生熱，因而提高了輪胎的耐久性能，降低了滾動阻力。

3 結(jié)論

在高填充白炭黑的全鋼載重子午線輪胎胎面膠中加入2份白炭黑分散劑ST，膠料的門尼粘度減小，應(yīng)力松弛時間縮短；膠料的流動性提高，解決了胎面擠出撕邊問題；減少了白炭黑之間的團聚，增強了白炭黑與聚合物之間的相互作用，提高了白炭黑分散性，降低了Payne效應(yīng)，改善了硫化膠的物理性能；成品輪胎的耐久性能提高，滾動阻力降低。