不同使用路況的出租車輪胎胎面膠耐磨性能研究

劉華僑，王中江，李紅衛，顧培霜，朱家順

[1.特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266061；2.山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300]

輪胎在負荷條件下在路面上滾動，受到了負荷作用及路面的反作用，使輪胎在行駛過程中的動態形變和磨耗很復雜。在輪胎產品的研發與應用中，除了需要考慮輪胎本身的高速性能、耐久性能、壓穿強度、水壓爆破性能等外，行駛環境（路面狀態和氣候條件等）以及銷售市場也需要在研發初期綜合考慮。例如米其林的高端產品Primacy 3輪胎因在抗濕滑性能和靜音方面表現優異而名聲大噪，然而進入中國市場后卻因復雜路面環境和行車習慣等，凸顯出耐磨性能差等問題，在胎面膠性能改善后推出的Primacy 3ST輪胎則兼顧了耐磨性能，成為為中國市場量身打造的產品。

本工作以出租車輪胎胎面膠開發為例，針對多瀝青路面為主道路的常規市場和多山多石板道路的攀枝花市場，研究胎面膠的耐磨性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號RC2557S，中國石油獨山子石化分公司產品；天然橡膠（NR），STR20，泰國進口產品；乳聚丁苯橡膠（ESBR），牌號SBR1723，中國石化齊魯石化公司產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化四川石油化工有限公司產品；炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；白炭黑，牌號Silica 115MP，青島羅地亞白炭黑有限公司產品；環保型芳烴油，牌號V500，德國漢圣公司產品。

1.2 試驗配方

配方A：SSBR 55，NR 15，BR 45，炭黑N234 70，白炭黑 10，環保型芳烴油 10，活化體系 4.5，防老體系 2，硫化體系 3.4。

配方B：BR 40，ESBR 82.5，炭黑N234 70，白炭黑 10，環保型芳烴油 11，活化體系5，防老體系 3，硫化體系 3.4。

配方C：BR 40，ESBR 82.5，炭黑N234 70，環保型芳烴油 3，活化體系 5，防老體系3，硫化體系 3.4。

1.3 主要設備和儀器

F305型和F370型密煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產品；EKT-2000S型硫化儀，曄中科技有限公司產品；拉伸試驗機和阿克隆磨耗試驗機，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；RCC-1型橡膠動態切割試驗機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品。

1.4 混煉工藝

膠料采用常規三段混煉工藝，一段和二段混煉在F370型密煉機中進行，設定填充系數為72%。

一段混煉壓砣壓力為0.6 MPa，初始轉子轉速為55 r·min-1。混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣（5 s）→部分炭黑→壓壓砣→提壓砣（112 ℃）→油→壓壓砣→提壓砣（25 r·min-1，112 ℃，8 s）→壓壓砣→提壓砣（155 ℃，排膠）。

二段混煉壓砣壓力為0. 6 MPa，初始轉子轉速為40 r·min-1。混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣（10 s）→剩余炭黑→壓壓砣→提壓砣（30 r·min-1，135 ℃）→壓壓砣（15 s）→提壓砣（152℃，排膠）→壓壓砣（40 r·min-1）→提壓砣→關卸料門。

終煉在F305型密煉機中進行，設定填充系數為70%。終煉壓砣壓力為0.4 MPa，初始轉子轉速為22 r·min-1。混煉工藝為：二段混煉膠加硫化體系→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（25 s）→提壓砣→排膠。

1.5 性能測試

膠料性能均按照相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

配方性能是由配方所用生膠體系、填料種類和用量及硫化體系決定的[1-2]，若填料和硫化體系相同，僅更換單一膠種，即可測定膠料的硫化速率水平。表1示出了本研究涉及到的幾種生膠的硫化速率。若以t10判定膠料的初始硫化速率，以t90判定膠料的總硫化時間，從表1可以看出，各膠種硫化速率由快到慢依次為：NR，BR，SSBR和ESBR。

表1 各膠種的硫化速率

試驗配方膠料的硫化儀數據（150 ℃）如表2所示。由表2可以看出：配方A使用了SSBR，NR和BR，膠料的硫化速率最大，總硫化時間最短；相對于配方A，配方B使用了硫化速率較小的ESBR替代硫化速率較大的SSBR和NR，且BR用量減小5份，導致配方B膠料的初始硫化速率減小，總硫化時間延長；配方C與配方B相比僅減少10份白炭黑，膠料的硫化速率稍有減小，總硫化時間略微延長，但差別不大。

表2 試驗配方膠料的硫化儀數據

因此，若進行配方切換試驗，需要對輪胎硫化工藝進行調整，適當延長硫化時間，保證胎面膠達到正硫化。

2.2 物理性能

試驗配方硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 試驗配方硫化膠的物理性能

由表3可見：配方A使用SSBR，搭配45份BR，硫化膠的邵爾A型硬度較高，定伸應力較大，為常規高耐磨胎面膠配方設計；配方B使用ESBR，搭配40份BR，相對于配方A硫化膠，配方B硫化膠的邵爾A型硬度降低了4度左右，定伸應力減小，拉斷伸長率增大；配方C在配方B的基礎上減小10份白炭黑用量，調整油用量保證硬度相同，因填料用量減小，硫化膠的定伸應力降低，但拉伸強度和拉斷伸長率稍有增大。

此外，試驗得到配方B硫化膠的耐老化性能最優，這是因為相對于配方A，配方B使用ESBR替換了SSBR和耐老化性能最差的NR；相對于配方B硫化膠，配方C硫化膠的耐老化性能下降，可以推斷配方B中10份白炭黑不但可以提升硫化膠的抗撕裂性能，也能夠顯著提升硫化膠的耐老化性能。

阿克隆磨耗試驗接近輪胎在柏油路面的磨耗狀態。由表3還可以看出，配方A硫化膠的耐磨性能最好，配方C硫化膠的耐磨性能最差。這是因為配方A使用分子鏈規整的SSBR，同時硬度設計水平較高，所以硫化膠的阿克隆磨耗表現最佳。而配方B雖然使用了ESBR替換SSBR，但設計硬度降低了4度左右，不利于減小硫化膠的普通磨耗量。配方C在配方B的基礎上減小10份白炭黑用量，填料用量減小，設計硬度與配方B在相同水平，硫化膠的耐磨性能最差。

如果評價輪胎在苛刻路面條件下的耐磨性能，例如多山多石路面條件，通常進行抗切割試驗，抗切割指數越大，抵抗非正常磨耗的性能越佳。由表3可知，相對于配方A，配方B和配方C硫化膠的抗切割指數均提高，這是因為相對于配方A使用的SSBR分子鏈規整性好，輪胎產品在常規環境下的耐磨性能和彈性、生熱和滯后損失較ESBR占有優勢，然而規整的分子鏈結構及較小的相對分子質量和較窄的分布不利于輪胎產品在苛刻環境下的抗切割性能。配方B和C中的ESBR相對分子質量較大且分布較寬，有利于提高硫化膠的抗切割性能。相對于配方B硫化膠，配方C硫化膠的抗切割指數下降，說明白炭黑的加入能夠顯著提升配方體系的抗撕裂和抗切割性能。

2.3 成品性能

根據膠料性能分析，決定使用配方A和B進行成品輪胎試制，輪胎規格為195/65R15。使用2個配方試制的輪胎均通過工廠研發標準，發貨進入市場驗證實車磨耗性能。采用與出租車公司合作的方式，向兩個具有典型路況的市場分別發送195/65R15輪胎，每1萬km反饋記錄胎面異常磨耗狀態，綜合打分情況如表4所示。

表4 試驗輪胎的耐磨性能

圖1示出了配方A輪胎在苛刻地區（攀枝花市場）的磨耗狀態。

圖1 配方A輪胎在苛刻路面地區的胎面膠磨耗狀態

從表4及圖1可以看出，使用配方A的出租車輪胎在攀枝花出現了魚鱗狀不正常磨耗，屬非常規磨耗形式，經過售后技術小組趕赴現場實際勘察，分析表面魚鱗狀磨耗系該地區石板路（似搓衣板形狀）切割所致。出租車輪胎胎面膠配方A的邵爾A型硬度為67度左右。對于柏油路況，胎面膠硬度高可提升耐磨性能，但對于多山多石路況，胎面膠硬度偏高導致剛性過大，在路面多棱峰、鈍銳角等復雜情況，輪胎與其硬碰硬導致切割磨損。而配方B胎面膠正好相反，在苛刻路況下具有優異的耐磨性能，在普通柏油路況下表現合格，這是因為配方B胎面膠的硬度降低，犧牲了柏油路況的磨耗性能而通過膠種替換提升了抗切割性能。

3 結論

輪胎胎面膠開發過程中，針對不同的使用路況有針對性地進行配方設計，市場不同，性能偏重方向不同。SSBR和ESBR因分子設計規整度、相對分子質量及其分布不同，在耐磨性能上有不同的表現，SSBR胎面膠輪胎在普通路面上的耐磨性能較好，而ESBR胎面膠輪胎在避免不正常磨耗方面表現更佳。白炭黑能夠顯著提升胎面膠的抗撕裂性能和抗切割性能。在瀝青路面為主的使用環境，出租車輪胎胎面膠設計主要側重于普通磨耗，高硬度和高定伸應力的胎面膠配方能夠顯著改善輪胎的耐磨性能；在山路和苛刻路面為主的使用環境，胎面膠設計則應更加側重于苛刻磨耗，硬度稍低和抗切割性能高的胎面膠能夠顯著延長輪胎的使用壽命和行駛里程。