翻新工程機械輪胎胎面膠補強劑的研究

王 強，齊曉杰，王云龍，姜 莉

（黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院，黑龍江 哈爾濱 150050）

近年來，礦山開采、建筑施工等行業發展迅速，對工程機械輪胎的需求量與日俱增。工程機械輪胎通常在土石方等露天礦采區作業，承載大、頻繁啟動和制動、受凸起物沖擊力大，廢舊輪胎的產生較快且量較大[1-2]。因此，提高工程機械輪胎的翻新率，可有效提高廢舊工程機械輪胎的利用率，有利于節約橡膠資源和促進綠色環保。目前，相關研究主要集中在輪胎翻新行業狀況和相關政策分析以及載重輪胎翻新方面[3-5]。翻新工程機械輪胎由于基礎技術缺乏，在使用過程中經常出現胎面不耐磨、易崩花掉塊，甚至出現胎面脫層、輪胎爆破等問題，嚴重影響其推廣應用。

本工作以26.5R25翻新工程機械輪胎胎面膠為例，研究添加炭黑和白炭黑補強劑對胎面膠的補強效果，以期為翻新工程機械輪胎性能的提高、翻新工藝的優化和使用推廣提供理論指導。

1 實驗

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，促進劑NS 1.6，抗硫化返原劑WK-901 1.5，硫黃 1.6，補強劑 變品種、變量。

1.3 主要設備和儀器

YS160D型開煉機和YS20T-S型平板硫化機，上海冶帥精密科技有限公司產品；TH-5000型橡膠拉力試驗機、TH-7102型阿克隆磨耗機和TH-901型邵爾硬度計，江蘇天惠試驗機械有限公司產品；YH3600型炭黑分散度儀，上海皆準儀器設備有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料在開煉機上進行混煉，混煉溫度為120℃，轉子轉速為40 r min-1。膠料混煉加料順序如下[6-8]。

單一品種炭黑補強膠料：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）并用補強膠料：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、促進劑、硫黃→薄通3次下片。

膠料采用平板硫化機硫化，硫化條件為130℃ 20 min。

1.5 性能測試

邵爾A型硬度按GB/T 531—2008測定；300%定伸應力和拉伸強度按GB/T 528—2009測定；撕裂強度按GB/T 529—2008測定；阿克隆磨耗量按GB/T 1689—1998測定。

2 結果與討論

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，胎面膠的拉伸強度和撕裂強度均出現先提高后下降的趨勢，轉折點出現時的炭黑用量分別為50，60和40份；隨著炭黑N660用量的增大，胎面膠的拉伸強度和撕裂強度變化規律不明顯；炭黑N151補強胎面膠的撕裂強度最高，且拉伸強度與炭黑N231補強胎面膠接近。

從表1還可以看出：炭黑N231補強胎面膠的300%定伸應力和拉斷伸長率變化趨勢與炭黑N330補強胎面膠相同，均是先提高后降低，轉折點分別出現在炭黑N231用量為60份、炭黑N330用量為50份時；炭黑N151補強胎面膠和炭黑N660補強胎面膠的300%定伸應力的變化規律不明顯；關于阿克隆磨耗量，炭黑N151補強胎面膠在炭黑用量為40份時最小，炭黑N330補強胎面膠在炭黑用量為50份時最小，炭黑N231和炭黑N660補強胎面膠均在炭黑用量為60份時最小；炭黑N151補強胎面膠的硬度最大值出現在炭黑用量為40份時，炭黑N231，N330和N660補強胎面膠的硬度最大值均出現在炭黑用量為60份時。

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，對胎面膠的補強效果較佳；炭黑N151補強胎面膠的各項物理性能更為理想，可以優先選擇作為胎面膠的補強劑。

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%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均出現先上升后下降的趨勢，轉折點均位于并用炭黑用量為20份時；隨著并用炭黑N151用量的增大，胎面膠的300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度呈下降趨勢。

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，轉折點出現在炭黑用量為20份時；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；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，轉折點出現在炭黑用量為30份時；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，轉折點出現在炭黑用量為30份時；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；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。

表2 炭黑N330與其他炭黑并用對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，對胎面膠的補強效果最佳。

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%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均出現先上升后下降的趨勢，轉折點出現在白炭黑用量為20份時；阿克隆磨耗量先減小后增大，白炭黑用量為20份時阿克隆磨耗量最小。

表3 炭黑N330與白炭黑并用對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，炭黑N330/白炭黑并用對胎面膠的補強效果最佳，且胎面膠的各項物理性能優于炭黑N330與炭黑N151，N231和N660并用補強胎面膠，可以優先選擇白炭黑作為胎面膠的補強劑。

2.4 耐磨性能實車測試

哈爾濱惠良汽車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）作為胎面膠補強劑，制備兩種胎面膠并應用于26.5R25翻新工程機械輪胎。兩種翻新工程機械輪胎在哈爾濱市帽兒山礦石區域使用，使用時間為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械輪胎的對比結果如表4所示。

表4 耐磨和抗崩花掉塊性能對比

由表4可知，與普通翻新工程機械輪胎相比，試驗翻新工程機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，補強劑起到有效的補強作用。

2.5 補強機理

炭黑對橡膠的補強效果與炭黑顆粒大小和吸附比表面積等參數有關，試驗所用炭黑和白炭黑的物理參數如表5所示[9]。

表5 炭黑和白炭黑的物理參數

理論上炭黑顆粒越小，對橡膠的補強效果越好，但前提是炭黑用量適宜且具有良好的分散度，從而真正起到補強作用[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份時在橡膠中的分散度較高，補強效果較為理想；白炭黑用量為20份時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，補強效果較為理想。

炭黑補強胎面膠機理應用分子鏈滑動理論來解釋，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行混合時，由于炭黑顆粒表面具有一定的吸附化學能，長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能力；當載荷作用時，整個橡膠分子會連接成鏈條狀吸附在炭黑顆粒的表面并慢慢蠕動。當炭黑含量較低時，應力主要靠橡膠分子鏈承受，隨著應力的增大，橡膠分子鏈會繼續在炭黑顆粒表面滑動，并形成一定的滑動取向，導致應力重新平衡分布，所承擔的應力增大。當炭黑顆粒達到一定的含量時，其與橡膠分子鏈的吸附力不斷增大，當吸附力與橡膠分子鏈滑動力達到平衡時，會使炭黑顆粒間的橡膠分子鏈長度重新分布，并且通過橡膠分子的熱運動與炭黑顆粒之間形成了一個新的吸附平衡。炭黑含量需要有一個最佳值，炭黑含量過低，會導致炭黑顆粒間空隙大，橡膠分子鏈不能緊密融合；炭黑含量過高，會導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生形變和拉伸，從而對橡膠起到補強作用。

圖3 炭黑粒子與橡膠分子鏈吸附模型

3 結論

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

（2）炭黑補強胎面膠機理可應用分子鏈滑動理論解釋，胎面膠中炭黑含量有最佳值，炭黑含量過低，橡膠分子鏈不能緊密融合，補強效果不佳；炭黑含量過高，會導致炭黑顆粒間空隙小，橡膠分子鏈也不能有效融合，補強效果不理想；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生形變和拉伸，從而對橡膠起到補強作用。