無機硅補強劑S20在高性能輪胎胎面膠中的應用

劉 濤

（上海誠懋化學有限公司，上海 200127）

近年來，隨著日益嚴格的環保法規和汽車工業的發展，世界輪胎產業正在經歷變革。歐盟標簽法規提出“燃油經濟性、安全性和耐久性”等輪胎新標識，要求汽車在安全的基礎上兼具低碳排放。綠色輪胎因為在滾動阻力、濕地抓著和噪聲三大性能等級上具有優異的表現，全球銷售份額快速增長，成為未來輪胎行業發展的趨勢。隨著世界輪胎行業向節能高效方面的發展，新型橡膠材料在未來占據主導地位，在輪胎工業中的應用也越來越廣泛。具體到目前就是類似中高乙烯基的溶聚丁苯橡膠（SSBR）以及高填充量的高分散性白炭黑的應用。但同時也帶來填料的分散困難以及混煉膠門尼粘度較高等不利影響，這就需要輪胎生產企業通過調整配方來克服。

S20是應用于橡膠塑料工業的淺色、非石油基納米級無機硅補強劑，具有納米粒度、中等結構和高表面化學活性的特點。從化學結構上講，無機硅補強劑S20屬于人工合成層狀結晶硅酸鹽，是以天然含硅礦物材料為基礎，經微細化處理、化學分解、晶體可控生長、粒子分離、表面修飾和噴霧干燥處理的半合成納米級無機硅礦物粉末材料。與填料分散劑不同，S20本身是一種半補強材料，因此使用它降低門尼粘度的實質是部分替代高分散性白炭黑，基于其補強性稍差，要達到相同的物理性能，宜采用增量替代的方式，即以稍高的比例替代白炭黑。

本工作研究無機硅補強劑S20部分替代白炭黑在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應用，并與常用填料分散劑進行對比。

1 實驗

1.1 主要原材料

SSBR，牌號2466，臺橡股份有限公司產品；白炭黑，牌號MP1165，羅地亞白炭黑（青島）有限公司產品；環保芳烴油，牌號V500，寧波漢圣化工有限公司產品；無機硅補強劑，牌號S20，片層粒徑（500±200）nm，白度 72%～78%，pH值6.5～7.5，密度（2.5±0.05）Mg·m-3，325目篩余物質量分數 ≤0.000 2，粒徑小于1 μm的質量分數 ≥0.98，上海誠懋化學有限公司產品；白炭黑分散劑W255和T78，國內某公司產品。

1.2 配方

配方如表1所示，1#配方為對比基礎配方，2#—4#配方為添加填料分散劑或無機硅補強劑S20部分替代白炭黑的試驗配方。

表1 配方 份

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機，東莞市利拿實業有限公司產品；1.57 L本伯里密煉機，英國法雷爾公司產品；M200E型門尼粘度計和C200E型無轉子硫化儀，北京友深電子儀器有限公司產品；RSS-Ⅱ型橡膠滾動阻力試驗機和炭黑分散測試儀，北京萬匯一方科技發展有限公司產品；EXPLORER 500N動態粘彈譜分析儀，德國GABO公司產品；阿克隆磨耗試驗機，江蘇明珠試驗機械有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料采用三段混煉工藝，一段和二段混煉均在密煉機中進行。一段混煉初始溫度為80 ℃，轉速為80 r·min-1，將生膠加入密煉機中，破膠0.5 min→加入填料、分散劑和偶聯劑Si69，混煉3 min，中間提壓砣1次→加入炭黑和油，混煉1.5 min，保持溫度在155 ℃以下→加入氧化鋅和硬脂酸，混煉1.5 min，165 ℃ 以下排膠；二段混煉初始溫度為80 ℃，轉速為90 r·min-1，加入一段混煉膠，混煉1 min→加入防老劑和石蠟，混煉3 min→溫度控制在140 ℃以下排膠；三段混煉在開煉機上進行，加入二段混煉膠至包輥→加入硫黃和促進劑，不割刀至吃粉完全，左右各割刀1次→調小輥距薄通打三角包6次，按規定厚度下片。

1.5 性能測試

滾動阻力性能采用橡膠滾動阻力試驗機測定，測試條件：負荷 15 kg，轉速 400 r·min-1。

動態力學性能采用動態粘彈譜分析儀測定，測試條件：頻率 10 Hz，應變 0.25%，溫度范圍－80～+100 ℃。

其他性能按相應國家或行業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 混煉膠性能

在混煉過程中，4個配方膠料的密煉機排膠結團性和開煉機包輥性均良好。混煉膠的門尼粘度與硫化特性如表2所示。

從表2可以看出，4個配方膠料的硫化特性相差不大，但門尼粘度差異較大。2#配方膠料的門尼粘度最小，說明無機硅補強劑S20對混煉膠的加工性能改善效果最好；加入填料分散劑的兩種膠料門尼粘度也有小幅降低，但是改善不大。從最小轉矩來看，相對于1#配方，3個試驗配方膠料的流動性較好。

表2 混煉膠的門尼粘度與硫化特性

2.2 硫化膠性能

2.2.1 填料分散性

1#—4#配方膠料的填料分散等級分別為5.3，7.1，7.0和6.8。從檢測結果看，3個試驗配方膠料的分散性明顯好于對比配方膠料；3個試驗配方硫化膠的填料分散性相差不大，其中2#試驗配方膠料的填料分散性相對稍好，這是因為無機硅補強劑S20是化學合成后經表面改性的納米硅酸鋁，其分散性較好。

2.2.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表3所示。

從表3可以看出，S20雖然本身只具有相當于炭黑N550的補強水平，相對于高分散性白炭黑雖然其補強性稍差，但是由于其可以顯著改善填料的分散性，硫化膠的物理性能與使用分散劑的試驗配方硫化膠類似。與1#配方膠料相比，2#—4#試驗配方膠料的拉斷伸長率有所增大，壓縮生熱略有降低，硬度和定伸應力稍有減小，拉伸強度和其他性能相差不大。

表3 硫化膠的物理性能

2.2.3 滾動阻力和動態力學性能

硫化膠的滾動阻力和動態力學性能如表4所示，tanδ為損耗因子。

從表4可以看出，與1#配方膠料相比，2#—4#膠料分散性的改善，使得硫化膠的滾動阻力有所減小，填料與橡膠分子鏈間的化學鍵合有所增大，即增加了交聯密度，從而使硫化膠的玻璃化溫度向高溫方向偏移，因此試驗配方膠料在0 ℃時的tanδ較高，即抗濕滑性能較好。3個試驗配方膠料的抗濕滑性能和滾動阻力均相差不大，且均優于對比配方膠料。

表4 硫化膠的滾動阻力和動態力學性能

3 結論

（1）與未加填料分散劑相比，加入無機硅補強劑S20可顯著降低混煉膠門尼粘度并提升混煉膠流動性，改善填料分散性，提高硫化膠的拉斷伸長率，明顯改善硫化膠的抗濕滑性能和滾動阻力性能，提升胎面膠的動態力學性能；與填料分散劑相比，無機硅補強劑S20可降低混煉膠門尼粘度，提升加工性能，其他性能相差不大。

（2）無機硅補強劑S20的價格低于白炭黑，且僅為常見脂肪酸鹽填料分散劑價格的1/3左右，可降低生產成本。