基于DOE方法的胎面膠配方與性能相關性研究

宮亭亭，徐文龍，王慎平，徐 旗，吳居祥

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 威海 264300]

實驗設計（Design of experiment，DOE）是一種安排試驗和分析試驗數據的數理統計方法，通過對試驗的合理安排，能以較小的試驗規模、較少的試驗次數、較短的試驗周期和較低的試驗成本得到理想的試驗結果和科學的結論[1-6]。Minitab軟件具有強大的統計功能以及簡潔的操作界面，它的出現使DOE方法及試驗結果分析變得更為簡潔方便。為了提高工作質量和效率，越來越多的各行業研究人員選擇Minitab軟件進行輔助研究[7-10]。

目前，在輪胎膠料配方設計中，多為依據工作經驗，針對輪胎某些性能制定膠料配方試驗方案，進行定性研究[11-15]，缺少較為全面的基礎研究。本工作基于DOE方法，以Minitab軟件為工具，對生膠體系、補強填充體系、增塑體系進行正交試驗設計，分析各個因素對膠料硫化特性、物理性能和動態疲勞性能的影響，建立各性能指標的回歸方程，預測產品性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號F2743，韓國LG公司產品；炭黑N234，金能科技股份有限公司產品；白炭黑，牌號ULTRASIL 7000GRR，贏創德固賽（中國）有限公司產品。

1.2 試驗配方

不同試驗方案如表1所示，基于胎面膠配方，采用四因子兩水平加3個中心點的方案制定正交試驗方案，其中SSBR與順丁橡膠（BR）合計為100份，4個因子分別為SSBR用量、炭黑N234用量、白炭黑用量和環保芳烴油（TDAE）用量。

表1 不同試驗方案

1.3 主要設備和儀器

GK1.5N型密煉機，德國克虜伯公司產品；MV2000型 門 尼 粘 度 儀 和MDR2000型 無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；DKD-K-16801型自動硬度計，德國Bareiss公司產品；Eplexor500N型動態粘彈譜分析儀，德國GABO公司產品；CMT-4503型電子拉力試驗機，深圳新三思材料有限公司產品。

1.4 混煉工藝

各試驗配方膠料均采用3段混煉。

一段和二段混煉在GK1.5N型密煉機中進行。一段混煉轉子轉速為75 r·min-1，混煉工藝如下：生膠（30 s）→1/2炭黑和白炭黑、偶聯劑、氧化鋅、硬脂酸、TDAE（60 s）→剩余1/2炭黑和白炭黑（60 s）→調整轉子轉速升溫至150～155 ℃（90 s）→排膠。膠料在開煉機上過輥（輥距3 mm）45 s，下片并停放24 h。

二段混煉轉子轉速為70 r·min-1，混煉工藝如下：一段混煉膠（120 s）→調整轉子轉速保持溫度為150 ℃→排膠。膠料在開煉機上過輥（輥距3 mm）45 s，下片，停放24 h。

三段混煉在開煉機上進行，混煉工藝為：二段混煉膠→硫黃、促進劑→混煉均勻→下片。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按照相關國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 門尼粘度和硫化特性

試驗膠料的門尼粘度和硫化特性見表2。

表2 各試驗配方膠料的門尼粘度和硫化特性

以膠料的門尼粘度分析為例，首先進行數據奇異性及環境穩定性驗證，膠料的門尼粘度直方圖及其隨運行序變化的散點圖分別如圖1和2 所示。

由圖1可知，膠料的門尼粘度測定值沒有特別奇異的數據。

圖1 膠料的門尼粘度直方圖

由圖2可知，中心點處的門尼粘度測定值接近，而中心點處的因子水平設置都是相同的，因此，可認為運行的環境為穩定的。對膠料的門尼粘度測定結果進行回歸分析和方差分析，Pareto圖和殘差圖分別如圖3和4所示。

圖2 膠料的門尼粘度散點圖

由圖3可知，各因子的交互作用對膠料的門尼粘度影響不顯著。

圖3 膠料的門尼粘度分析Pareto圖

由圖4可知，膠料的門尼粘度測試結果殘差符合正態性分布。對模型進行優化后，各因子的主效應圖見圖5。

圖4 膠料的門尼粘度殘差圖

由圖5可見，SSBR、炭黑N234和白炭黑用量增大均使膠料的門尼粘度增大，而TDAE用量對膠料的門尼粘度影響則相反。對膠料的門尼粘度影響的顯著性由大到小的排列順序為炭黑用量、白炭黑用量、TDAE用量、SSBR用量。

圖5 膠料的門尼粘度主效應圖

由圖3—5可以看出，白炭黑用量與SSBR用量、TDAE用量與SSBR用量之間存在一定程度交互作用，但比較弱，不構成顯著因子，膠料的門尼粘度分析回歸方程為Y1＝0.235A＋1.203 75B＋0.986 25C-1.42D-0.607 89，統計學參數P值為0，模型整體有效，擬合優度（R-sq）為96.31%，預測擬合優度（R′-sq）為92.88%，調整擬合優度（R″-sq）為 95.26%，R-sq與R″-sq接近，且較高，數學模型較理想。

使用相同的方法對膠料的t5和t95進行分析。

膠料的t5分析結果表明：在硫化體系一致時，對膠料的t5影響由大到小的排列順序為炭黑用量、TDAE用量、SSBR用量、白炭黑用量，其中SSBR、TDAE、白炭黑的用量增大，膠料的t5延長；炭黑用量增大，膠料的t5縮短，膠料的t5分析回歸方程為Y2＝0.050 906 3A-0.279 063B＋0.088 437 5C＋0.389 125E＋7.748 36，P值為0，說明模型整體上是有效的，R-sq為89.85%，R′-sq為82.05%，R″-sq為86.95%，擬合優度略低，但是可以接受。

膠料的t95分析結果表明：在硫化體系一致時，SSBR和白炭黑用量對膠料的t95具有一定程度影響，其他因子幾乎無影響，而SSBR用量與白炭黑用量之間的交互作用也會對膠料的t95產生影響，膠料的t95分析回歸方程為Y3＝0.031 937 5C-AC-2.626 2×10-4，R-sq為98.19%。

2.2 物理性能

各方案膠料的物理性能測試結果見表3。

表3 各方案膠料的物理性能

以相同的分析流程對膠料的物理性能進行分析，結果匯總見表4。

由表4可知，膠料的拉伸強度擬合優度較低，而回彈值和阿克隆磨耗量存在失擬的情況，說明試驗誤差較大或者存在其他較重要因子未考慮進去，其他性能擬合優度較高。

表4 各方案膠料的物理性能與各配方組分用量因子的相關性分析

2.3 動態性能

各方案膠料的動態性能測試結果見表5，tanδ為損耗因子。其中膠料的疲勞溫升分析Pareto圖如圖6所示。

表5 各方案膠料的動態性能

由圖6可知，對膠料的疲勞溫升影響顯著的因子為CD的交互作用和C。由疲勞溫升方差分析結果可知，主效應的P值為0.159，大于0.05，說明模型整體是無效的。R-sq僅為37.22%，模型擬合優度也非常低。

圖6 膠料的疲勞溫升分析Pareto圖

膠料的0 ℃時tanδ分析Pareto圖和殘差圖分別如圖7和8所示。

由圖7和8可以看出，膠料的0 ℃時tanδ殘差不符合正態分布，因此，其擬合結果也是不準確的。

圖7 膠料的0 °C時tan δ分析Pareto圖

對膠料的25和60 ℃時tanδ分析結果見表6。

由表6可知，膠料的25和60 ℃時tanδ擬合結果較好。

表6 膠料的25和60 °C時tan δ與各配方組分用量因子相關性分析

由膠料的動態性能分析結果可知，僅采用線性模型進行擬合，結果不太理想，僅能建立25和60 ℃時tanδ數學模型，而對于疲勞生熱和0 ℃時tanδ擬合效果不理想。

圖8 膠料的0 °C時tan δ分析殘差圖

3 結論

（1）在硫化體系保持不變的條件下，建立了胎面膠配方中SSBR用量、炭黑N234用量、白炭黑用量和TDAE用量與膠料的硫化特性、物理性能及動態性能相關性的回歸方程，明確各配方組分用量因子的顯著性及交互作用。

（2）膠料的硫化特性分析結果表明，對膠料的門尼粘度影響的顯著性由大到小的排列順序為炭黑用量、白炭黑用量、TDAE用量、SSBR用量，膠料的門尼粘度擬合數學模型較理想；對膠料的t5影響由大到小的排列順序為炭黑用量、TDAE用量、SSBR用量、白炭黑用量，膠料的t5擬合優度略低；白炭黑用量對膠料的t95具有一定程度的影響，其他因子幾乎無影響。

（3）膠料的物理性能分析結果顯示，膠料的拉伸強度測試結果擬合優度較低，而回彈值和阿克隆磨耗量測試結果存在失擬情況，其他性能擬合結果較好。

（4）膠料的動態性能分析結果顯示，僅采用線性模型進行擬合，結果不太理想，僅能建立25和60 ℃時tanδ數學模型，而對于疲勞生熱和0 ℃時tanδ擬合效果不理想。