中長途耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方的優化

李再琴

（黃果樹輪胎有限公司，廣西 南寧 530000）

中長途輪胎行駛距離長，行駛道路不僅有路況良好的高速公路，也有路面凹凸不平的國道，因此要求胎面膠生熱低、耐磨性能好、抗撕裂和抗裂口增長性能良好。輪胎胎面的抗裂口和抗掉塊性能與胎面膠的性能密切相關，當胎面膠的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度足夠大時，局部受力產生大變形時不會被破壞，可延緩輪胎胎面在使用初期產生裂口[1]。

輪胎出現花紋溝底裂紋會影響其使用壽命。輪胎花紋溝底裂紋、裂口的根本原因是花紋溝底膠料疲勞破壞。橡膠疲勞破壞的機理很多[2]，目前通常認為胎面膠疲勞破壞是一個力化學變化過程，在力和溫度等作用下，一般分為3個階段，先是胎面膠開始軟化，然后在橡膠表面或內部開始出現微小裂紋，最后是微小裂紋不斷擴展，逐漸加快擴展直到橡膠斷裂破壞。胎面膠疲勞破壞歷程直接與配方設計中生膠體系、補強體系、防老化體系和硫化體系密切相關。輪胎破壞是疲勞破壞和熱氧老化共同作用的結果，花紋溝底裂紋除了與胎面膠配方設計有關外，更與輪胎花紋設計、結構設計和施工設計相關。

本研究主要從生膠體系和補強體系方面優化胎面膠配方設計，提高胎面膠的抗撕裂性能，從而延長輪胎的使用壽命。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20和3#煙膠片，泰國產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化齊魯石化公司產品；炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；炭黑N115，卡博特（中國）投資有限公司產品；白炭黑175GR，確成硅化學股份有限公司產品；硅烷偶聯劑TESPT，景德鎮宏柏化學科技有限公司產品。

1.2 配方

生產配方和小配合試驗配方如表1所示。

表1 生產配方和小配合試驗配方 份

大配合試驗配方：用85份3#煙膠片等量替代STR20，用19份炭黑N115等量替代炭黑N234，其余配方組分及用量同小配合試驗配方A2。

1.3 主要設備和儀器

F270型密煉機、F370型密煉機和Φ660型開煉機，大連橡膠塑料機械有限公司產品；X（S）K-230型開煉機和XLD-150T型平板硫化機，青島億朗橡膠裝備有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀和UR-2010SD型硫化儀，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；LX-A型邵氏A型硬度計，江都市騰達試驗儀器廠產品；3366型電子拉力機，英國英斯特朗公司產品；401A型老化箱，上海實驗儀器有限公司產品；DIN磨耗試驗機和GT-RH-2000型壓縮生熱試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品。

1.4 試樣制備

小配合試驗膠料采用兩段混煉工藝。一段混煉在X（S）K-230型開煉機上進行，輥溫控制在（70±5） ℃，混煉工藝為：加入NR和BR進行初步混煉，然后加入活性劑和防老劑等小料，待小料分散后，加入炭黑混煉直到混煉均勻后，打三角包3次、割膠3次，下片。一段混煉膠停放8 h后，采用X（S）K-230型開煉機進行二段混煉，輥溫控制在（60±5） ℃，混煉工藝為：加入一段混煉膠及硫黃和促進劑，打三角包薄通6次，使硫化劑分散均勻，下片，得到厚度大約為2 mm的膠片備用。

大配合試驗膠料采用4段混煉工藝，一段混煉采用F370型密煉機，壓力為0.6 MPa，轉子轉速為55 r·min-1，混煉工藝為：NR→壓壓砣（35 s）→部分小料和炭黑→壓壓砣（120 ℃）→提壓砣（調整轉子轉速為40 r·min-1）→壓壓砣（145 ℃）→提壓砣→排膠（160 ℃）。二段混煉采用F370型密煉機，轉子轉速為50 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、剩余小料和炭黑→壓壓砣（120 ℃）→提壓砣→壓壓砣（140 ℃）→提壓砣→排膠（160 ℃）。三段混煉采用F370型密煉機，轉子轉速為40 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（120 ℃）→提壓砣→壓壓砣（150 ℃）→提壓砣→排膠。終煉在F270型密煉機中進行，轉子轉速為25 r·min-1，壓力為0.5 MPa，混煉工藝為：三段混煉膠、硫黃和促進劑→壓壓砣（40 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（110 ℃）→提壓砣→排膠（采用Φ660型開煉機出片）。

膠料采用平板硫化機硫化，硫化條件為151℃×30 min。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按照相應國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 小配合試驗

2.1.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性見表2。

表2 小配合試驗膠料的硫化特性（151 °C）

從表2可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方A1膠料的Fmax最低，t90延長，硫化速率降低，這是由于增大白炭黑用量、減小炭黑N234用量所致，白炭黑補強效果低于炭黑N234，且白炭黑對膠料硫化速率有減慢作用；試驗配方A2膠料的Fmax提高了約1 dN·m，t90略有縮短，硫化速率略提高，這是由于減小BR用量、增大NR（STR20）用量所致；試驗配方A3膠料的Fmax提高約1 dN·m，這是由于3#煙膠片替代STR20所致，3#煙膠片性能明顯優于STR20；試驗配方A4膠料的Fmax略有降低，這是由于炭黑N115部分替代炭黑N234所致，炭黑N115的結構度低于炭黑N234、比表面積大于炭黑N234。

2.1.2 物理性能

小配合試驗硫化膠的物理性能見表3。

表3 小配合試驗硫化膠的物理性能

從表3可以看出：與生產配方硫化膠相比，試驗配方A1硫化膠的300%定伸應力和拉伸強度略有降低，撕裂強度和拉斷伸長率提高，說明增大白炭黑用量有利于提高硫化膠的撕裂強度，減小炭黑N234用量降低了其補強性能；試驗配方A2硫化膠的100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度都有所提高，耐屈撓性能略有下降，這是由于BR玻璃化溫度低，分子鏈柔順性優于NR，BR用量減小導致膠料分子鏈柔順性降低，而增大NR（STR20）用量可以明顯提高硫化膠的物理性能；試驗配方A3硫化膠的100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度提高，說明3#煙膠片性能優于STR20，可以明顯提高膠料的物理性能；試驗配方A4硫化膠的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度都有所提高，說明炭黑N115部分替代炭黑N234有利于提高硫化膠的強伸性能。

2.2 大配合試驗

2.2.1 門尼粘度和門尼焦燒時間

大配合試驗膠料的門尼粘度和門尼焦燒時間見表4。

表4 大配合試驗膠料的門尼粘度和門尼焦燒時間

從表4可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度提高，但在可控加工要求范圍內；門尼焦燒時間略長，試驗配方膠料能夠滿足加工要求。

2.2.2 硫化特性

大配合試驗膠料的硫化特性見表5。

表5 大配合試驗膠料的硫化特性（151 °C）

從表5可以看出，與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的FL和Fmax明顯提高，t90略有縮短，硫化速率略快，這是試驗配方生膠品種和炭黑品種發生變化所致。

2.2.3 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能見表6。

表6 大配合試驗硫化膠的物理性能

從表6可以看出：與生產配方硫化膠相比，試驗配方硫化膠的100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度明顯提高，疲勞溫升變化不大；DIN磨耗量略有增大；裂口等級稍高。分析認為：DIN磨耗試驗條件與輪胎實際使用條件差異較大，不能完全反映輪胎實際耐磨性能，且試驗數據相差較小，不會影響輪胎實際耐磨性能；生產配方BR用量比試驗配方大，裂口等級高一級，但撕裂強度和拉伸強度略低，對于胎面膠而言，要兼顧耐屈撓性能和強度。

2.3 工藝性能

通過調整混煉工藝，并根據膠料擠出過程中的膨脹比開發新口型[3]，試驗配方膠料的加工性能滿足要求，工藝性能良好，順利進入量產階段。

2.4 成品性能

采用試驗配方膠料試制12R22.5 18PR全鋼載重子午線輪胎，并按GB/T 4501—2008《載重汽車輪胎性能室內試驗方法》進行耐久性試驗，試驗速度為55 km·h-1，按國家標準規定行駛47 h后，每行駛10 h試驗負荷增大10%，直至輪胎損壞為止。成品輪胎的耐久性試驗結果如表7所示。從表7可以看出，試驗輪胎的耐久性能比生產輪胎略好，胎面溫度略高于生產配方輪胎，耐久性能明顯高于國家標準要求。

表7 成品輪胎的耐久性試驗結果

2.5 實際路試

使用正常生產配方和試驗配方膠料同期生產12R22.5 16PR輪胎各50條進行實際道路測試：行駛路線 江蘇宿遷至廣西南寧，路面狀況 85%高速路面＋15%國道路面，使用車型 某品牌1-2-3橋，單程距離 1 900 km，車貨總質量 49 t。結果表明，正常生產輪胎胎面花紋每磨耗1 mm的行駛距離為24 200 km，試驗輪胎胎面花紋每磨耗1 mm的行駛距離為24 700 km，試驗輪胎胎面耐磨性能略好，且未發現花紋溝底裂紋現象。將采用試驗配方進一步批量生產輪胎進行市場驗證。

3 結論

通過對中長途耐磨全鋼載重子午線輪胎胎面膠配方的生膠體系和補強體系進行優化設計，提高了胎面膠的定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度，平衡了胎面膠的綜合性能，使其更能夠適應高速公路兼國道路面。采用優化配方生產的成品輪胎耐久性能略好于生產輪胎，且實際路試過程中未發現輪胎胎面質量問題，產品品質改善，使用壽命延長。