低滾動(dòng)阻力胎面膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 琦，孫學(xué)紅，李文東，李 輝

（1.青島科技大學(xué) 高分子材料與工程學(xué)院，山東 青島 266042；2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院，北京 100143；3.寧夏神州輪胎有限公司，寧夏 平羅 753400）

近年來(lái)，人們對(duì)汽車安全、舒適、節(jié)能的要求逐年提高，相應(yīng)對(duì)輪胎性能的要求也趨于苛刻。高抗?jié)窕阅堋⒊湍バ阅芎偷蜐L動(dòng)阻力被稱為輪胎性能的“魔鬼三角”，同時(shí)三者之間相互影響、相互制約[1-2]。輪胎的滾動(dòng)阻力是車輛在行駛過(guò)程中輪胎受到的空氣阻力、胎面與地面接觸時(shí)的摩擦阻力以及組成胎面膠各種聚合物大分子鏈間的摩擦阻力總和。阻礙車輛行駛的阻力中，輪胎的滾動(dòng)阻力占總阻力的20%～30%，油耗量占車輛總油耗量的約14%。研究發(fā)現(xiàn)[3-5]，輪胎的滾動(dòng)阻力降低30%，車輛可節(jié)約油耗量4.5%～6.0%；由胎面膠產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力占輪胎總滾動(dòng)阻力的40%～50%，由此直接造成的油耗量占車輛總油耗量的約7%。隨著歐洲和美國(guó)對(duì)輪胎性能要求的提高，輪胎制造商需不斷創(chuàng)新來(lái)提高輪胎的三大行駛性能。

本工作通過(guò)分析胎面膠滾動(dòng)阻力的影響因素，根據(jù)低滾動(dòng)阻力胎面膠配方的設(shè)計(jì)要求[6-10]對(duì)低滾動(dòng)阻力胎面膠配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SMR20，馬來(lái)西亞產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石油化工股份有限公司產(chǎn)品；炭黑N234，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；白炭黑175GR，山西同德化工股份有限公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑Si69，景德鎮(zhèn)宏柏化學(xué)科技有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，揚(yáng)州振中鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；促進(jìn)劑NS和CZ，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

3種不同低滾動(dòng)阻力胎面膠配方如表1所示。

表1 3種不同低滾動(dòng)阻力胎面膠配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開(kāi)煉機(jī)和XLB-800型平板硫化機(jī)，青島先銳機(jī)電有限公司產(chǎn)品；XK-660型開(kāi)煉機(jī)和GN255型密煉機(jī)，益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；BB430型密煉機(jī)、BB-2小型密煉機(jī)和輪胎均勻性試驗(yàn)機(jī)，日本神戶制鋼公司產(chǎn)品；門(mén)尼粘度儀、無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、炭黑分散儀和RPA2000橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；DIN磨耗儀、阿克隆磨耗儀和輪胎強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī)，青島高校測(cè)控技術(shù)有限公司產(chǎn)品；X光檢測(cè)儀，德國(guó)依科視朗國(guó)際射線有限公司產(chǎn)品；動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)阿克隆公司產(chǎn)品；輪胎氣泡試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)斯泰茵必西勒公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)設(shè)備選用BB-2型密煉機(jī)、XK-160型開(kāi)煉機(jī)和XLB-800型平板硫化機(jī)。

膠料混煉分兩段，均在密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉壓力為2.5 MPa，工藝為：生膠、1/2炭黑和小料（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1）→壓壓砣50 s→1/2炭黑、環(huán)保芳烴油（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1）→壓壓砣30 s→提壓砣、清掃10 s（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1）→壓壓砣60 s→提壓砣10 s（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1）→排膠（壓壓砣300 s或145 ℃）。一段混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上包輥[輥筒溫度為（50±5） ℃]，下片，停放8 h。二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，壓力為2.5 MPa，工藝為：一段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣50 s→提壓砣、清掃10 s→壓壓砣60 s→提砣10 s→排膠（壓壓砣200 s或溫度為105 ℃）。二段混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上包輥，左右各均勻割刀5次[輥筒溫度為（40±5） ℃]，下片，停放24 h。

混煉膠在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)設(shè)備選用XK-660型開(kāi)煉機(jī)、BB430和GN255型密煉機(jī)以及膠片冷卻線。

（1）塑煉工藝。膠料塑煉在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，壓力為13 MPa，超排溫度為175 ℃，超排時(shí)間為180 s，工藝為：生膠→壓壓砣60 s→加入20份炭黑→壓壓砣40 s→清掃5 s→排膠（壓壓砣80 s或溫度為170 ℃），停放2 h。

（2）混煉工藝。膠料混煉分3段。一段混煉在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行，混煉壓力為13 MPa，超排溫度為160 ℃，超排時(shí)間為200 s，工藝為：炭黑母膠和小料（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1）→壓壓砣30 s→部分炭黑（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，壓壓砣50 s或120 ℃）→提壓砣、清掃5 s→環(huán)保芳烴油（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1）→壓壓砣20 s→提壓砣（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1）→排膠（壓壓砣80 s或溫度為155 ℃），停放2 h。二段混煉在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，壓力為12 MPa，超排溫度為160 ℃，超排時(shí)間為160 s，工藝為：一段混煉膠和剩余炭黑→壓壓砣 30 s→提壓砣、清掃5 s→壓壓砣30 s→提壓砣→排膠（壓壓砣60 s或溫度為155 ℃），停放4 h。三段混煉在GN255型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，壓力為12 MPa，超排溫度為120 ℃，超排時(shí)間為180 s，工藝為：二段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣40 s→提壓砣、清掃5 s→壓壓砣40 s→提壓砣→排膠（壓壓砣60 s或溫度為105 ℃），停放4 h。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：1#和2#配方膠料60 ℃時(shí)的損耗因子（tanδ）相對(duì)較低，表明其滾動(dòng)阻力較小；1#配方膠料的密度、壓縮永久變形和溫升較小，說(shuō)明其成品輪胎質(zhì)量較小，在行駛過(guò)程中的能耗較低。分析認(rèn)為，BR具有較低的滾動(dòng)阻力；炭黑N220的結(jié)構(gòu)度相對(duì)炭黑N234低，而低結(jié)構(gòu)炭黑在確保胎面膠耐磨性能的同時(shí)可最大限度降低輪胎滾動(dòng)阻力；添加油料有利于提高胎面膠的加工性能，降低膠料混煉過(guò)程中的能量損耗。

綜上所述，1#配方膠料的綜合性能較好。

2.2 大配合試驗(yàn)

大配合試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

2.3 成品試驗(yàn)

采用1#配方試制規(guī)格為295/75R22.5的低滾動(dòng)阻力試驗(yàn)輪胎，并對(duì)其進(jìn)行耐久性能和高速性能測(cè)試。

耐久性試驗(yàn)條件如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果為：試驗(yàn)結(jié)束時(shí)速度 90.3 km·h-1，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)負(fù)荷率 150%，通過(guò)試驗(yàn)階段 9，累計(jì)行駛時(shí)間 87.3 h，累計(jì)行駛里程 6 188.6 km，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎狀

況 胎冠起鼓。

表2 小配合試驗(yàn)結(jié)果

表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

表4 成品輪胎耐久性試驗(yàn)條件和結(jié)果

高速性能試驗(yàn)條件如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果為：試驗(yàn)結(jié)束時(shí)速度 120 km·h-1，達(dá)到試驗(yàn)階段 7，累計(jì)行駛時(shí)間 16.6 h，累計(jì)行駛里程 1 352 km，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎狀況 胎冠脫層。

綜上可知，試驗(yàn)輪胎的耐久性能和高速性能非常優(yōu)異，達(dá)到我公司對(duì)低滾動(dòng)阻力輪胎胎面膠的技術(shù)要求。

表5 成品輪胎高速性能試驗(yàn)條件和結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)大小配合試驗(yàn)，確定最優(yōu)低滾動(dòng)阻力胎面膠配方。按照最優(yōu)配方試制10條成品輪胎并隨機(jī)抽取4條送國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行低滾動(dòng)阻力試驗(yàn)，抽檢輪胎全部通過(guò)有關(guān)美國(guó)輪胎法規(guī)對(duì)低滾動(dòng)阻力輪胎的技術(shù)要求，同時(shí)我公司順利拿到出口美國(guó)的SmartWay認(rèn)證證書(shū)。該配方輪胎在我公司通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后現(xiàn)已進(jìn)入量產(chǎn)階段，其優(yōu)異的行駛性能和較低的生產(chǎn)成本給消費(fèi)者和企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。