白炭黑分散劑FNS-22W在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應用

孫茂忠，李紅衛，劉華僑，朱家順

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266061]

隨著歐盟標簽法的實施，綠色輪胎的概念逐漸普及[1]。白炭黑是制造綠色輪胎的主要原材料之一，其與溶聚丁苯橡膠（SSBR）配合生產的胎面膠具有較好的抗濕滑性能和較低的滾動阻力[2]。白炭黑粒徑小，表面有大量硅羥基基團，極性強，易團聚，因而增大了煉膠難度，膠料需要多段混煉，耗能高。白炭黑分散劑主要由鋅皂、酯類和表面活性劑等制備而成，具有良好的潤滑作用，有助于提高膠料的流動性[3-5]。加入白炭黑分散劑，可以大大提高混煉效率，降低膠料門尼粘度，有利于膠料的擠出加工。

本工作主要研究白炭黑分散劑FNS-22W在半鋼子午線輪胎胎面膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號STR20，泰國產品；SSBR，牌號2557，充油37.5份，中國石油獨山子石化公司產品；炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；白炭黑，牌號115，確成硅化學有限公司產品；環保油，牌號V500，德國漢圣化工集團產品；白炭黑分散劑，牌號FNS-22W，青島福諾化工有限公司產品。

1.2 試驗配方

1#配方：NR 35，SSBR 89.38，炭黑N234 20，白炭黑 65，環保油 13，硫化體系 3.6，其他 21.4。

2#和3#配方是在1#配方的基礎上分別加入2和3份白炭黑分散劑FNS-22W。

1.3 主要設備和儀器

BB430型密煉機，日本神戶制鋼公司產品；MV-3000型門尼粘度計、M-3000AS型流變儀、AI-7000M型拉力機和RH-000型壓縮生熱測試儀，高特威爾檢測儀器有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析（RPA）儀，美國阿爾法科技有限公司產品；150N型動態力學性能分析（DMA）儀，德國高寶公司產品；VMA2000型膠料流動性分析儀，特拓（青島）輪胎技術有限公司產品。

1.4 混煉工藝

母膠和終煉膠均采用BB430型密煉機進行混煉。1#配方母膠采用三段混煉工藝，其中第3段為返煉；2#和3#配方母膠僅采用前兩段混煉工藝；3種配方膠料的終煉工藝均相同，即加入硫化劑和促進劑。

一段混煉工藝為：加生膠、除氧化鋅外的小料、白炭黑和1/2炭黑N234，轉子轉速為55 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，壓壓砣保持22 s→加環保油，轉子轉速為45 r·min-1，壓壓砣保持20 s至溫度達到122 ℃→提壓砣，清掃，轉子轉速為20 r·min-1，壓壓砣保持15 s→提壓砣，清掃，轉子轉速為20 r·min-1，壓砣壓力降至0.4 MPa，壓壓砣保持15 s→提壓砣，清掃→壓壓砣進入恒溫煉膠，溫度為150 ℃，時間為30 s→排膠（150 ℃）。

二段混煉工藝為：加一段混煉膠和氧化鋅，轉子轉速為45 r·min-1，壓砣壓力為0.5 MPa，壓壓砣保持15 s→加剩余炭黑N234，轉子轉速為40 r·min-1，壓壓砣保持15 s→提壓砣，清掃→壓壓砣保持10 s→排膠（142 ℃）。

1.5 性能測試

（1）物理性能。各項性能均按相應的國家標準測試，其中壓縮生熱的測試條件為：沖程（4.45±0.03）mm，負荷（1.00±0.06）MPa，溫度（55±1）℃。

（2）加工性能。采用RPA儀進行應變掃描，測試條件為：頻率 1 Hz，溫度 60 ℃，應變范圍0.28%～40%。

（3）流動性。通過等體積取樣裝置獲得相同體積的試樣，采用膠料流動性分析儀測定試樣在恒定的時間、溫度和壓力下通過一個固定口模擠出的體積量，其值越大，膠料的流動性越好。由于測試模腔的截面積恒定，活塞的位移量與流動性正相關，為方便工程應用，直接將活塞位移量每0.01 mm定為1個流動值。

（4）動態力學性能。采用DMA儀進行溫度掃描，測試條件為：溫度范圍－65～65 ℃，升溫速率 2 ℃·min-1，頻率 10 Hz，靜態形變 7%，動態形變 0.25%。

2 結果與討論

2.1 混煉工藝性能

1#—3#配方膠料的一段混煉曲線見圖1—3。

從圖1—3可以看出，在相同的工藝條件下，加入白炭黑分散劑FNS-22W的膠料混煉功率（電流）明顯降低，升溫速度變慢，在最后的恒溫混煉階段密煉機自動提高轉速（功率上升）才能達到設定的排膠溫度。說明白炭黑分散劑FNS-22W具有較好的內潤滑作用，降低了混煉過程中的生熱。

圖1 1#配方膠料的一段混煉曲線

圖2 2#配方膠料的一段混煉曲線

圖3 3#配方膠料的一段混煉曲線

2.2 硫化特性

白炭黑分散劑FNS-22W對膠料硫化特性的影響如表1所示。

從表1可以看出，與未加白炭黑分散劑的膠料相比，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料門尼粘降低。據此推斷白炭黑分散劑FNS-22W具有一定的內潤滑作用，可以顯著降低膠料的門尼粘度，減少1段混煉工藝即可達到標準的粘度要求。

表1 白炭黑分散劑FNS-22W對膠料硫化特性的影響

從表1還可以看出，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料的t10縮短，即起硫點提前，因此膠料的門尼焦燒時間有所縮短，而t90變化不大。

2.3 物理性能

白炭黑分散劑FNS-22W對硫化膠物理性能的影響如表2所示。

表2 白炭黑分散劑FNS-22W對硫化膠物理性能的影響

從表2可以看出，與未加白炭黑分散劑的膠料相比，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料的300%定伸應力和拉伸強度稍有下降，降幅在正常波動范圍內，其他性能相近，說明白炭黑分散劑FNS-22W對硫化膠的物理性能影響較小。

2.4 RPA分析

Payne效應表征填料-填料網絡結構的相互作用，在循環應力或應變作用下，填料網絡的破壞方式及外部反應程度直接表征填料的分散程度，在應力或應變循環作用過程中打破填料間的相互作用，剪切儲能模量（G′）降低即為Payne效應。填料分散越好，Payne效應越低。

膠料的G′與應變的關系曲線如圖4所示。

圖4 膠料的G′-應變曲線

從圖4可以看出，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料Payne效應略大于未添加白炭黑分散劑的膠料，這是因為白炭黑分散劑FNS-22W在門尼粘度降低上屬于內潤滑作用，在膠料加工或門尼粘度測試中加工流動性較好，但填料分散性仍不如采用更多段混煉工藝的膠料。

2.5 流動性

1#—3#配方膠料的流動值分別為197，200和207。可以看出，添加白炭黑分散劑FNS-22W的膠料初始流動性優于未加白炭黑分散劑的膠料，在特定溫度及壓力作用下單位時間的膠料流動擠出量較大。因此，在縮減了1段混煉工藝的條件下，仍能滿足胎面擠出的工業化性能要求。

2.6 動態力學性能

對于轎車子午線輪胎胎面膠，其抗濕滑性能和滾動阻力是兩個重要的動態力學性能。通常以0 ℃時的損耗因子（tanδ）表征抗濕滑性能，其值越大，膠料的抗濕滑性能越好；而以60 ℃時的tanδ表征滾動阻力，其值越小，膠料的滾動阻力越低[6]。

膠料的儲能模量（E′）和tanδ與溫度的關系曲線分別如圖5和6所示，動態力學性能見表3，表中Tg為玻璃化溫度。

從圖5和6可以看出，3種配方膠料的DMA曲線差別較小。

圖5 膠料的E′-溫度曲線

從表3可以看出：加入白炭黑分散劑FNS-22W的膠料的Tg下降2 ℃，這是因為白炭黑分散劑FNS-22W的內潤滑作用提高了分子鏈的柔順性；0℃時的tanδ相當，即膠料的抗濕滑性能相當；60 ℃時的tanδ有所減小，膠料的滾動阻力降低。

表3 膠料的動態力學性能

圖6 膠料的tan δ-溫度曲線

2.7 成本分析

按照工廠年產胎面質量為2.6 kg的300萬條單胎核算，每年可節約膠料7 800 t，膠料成本按300元·t-1核算，可直接節約膠料成本約234萬元。

3 結論

在半鋼子午線輪胎胎面膠中加入2或3份白炭黑分散劑FNS-22W，膠料的門尼粘度減小，門尼焦燒時間縮短，t90變化不大，流動性提高；硫化膠的物理性能和抗濕滑性能變化不大，滾動阻力降低；同時因減少了1段混煉工藝，能耗可大幅降低且可節約膠料加工成本，經濟效益明顯。