炭黑N339在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應用

金玉龍，寧振威，向 嬋，馬浩

[中策橡膠（建德）有限公司，浙江 杭州 311607]

炭黑是芳烴在高溫下不完全燃燒形成，其層狀六邊形碳環傾向于堆疊成3—4層晶體結構，層面邊緣主要由氫、自由基以及含氧官能團組成[1-4]。在輪胎行業中，炭黑是用量最大的填料。目前，原料煤焦油價格不斷上漲，國內炭黑市場價格穩步走高。中超耐磨炭黑作為輪胎用量較大的炭黑品種之一，價格漲幅超過高耐磨炭黑，因此對于高耐磨系列炭黑的應用研究增加[5-7]。

輪胎行駛過程中胎面膠直接接觸地面，抵抗路面沖擊，胎面膠磨損主要是由粘附和磨粒磨損以及疲勞磨損而形成[8]，耐磨性能是評價胎面膠性能的重要指標之一。炭黑N339是采用新工藝生產的高結構、高耐磨炭黑，結構度高、粒徑小，耐磨性能較好，適用于輕卡全鋼載重子午線輪胎。

本工作主要研究炭黑N339在全鋼載重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），TSR10，科特迪瓦產品；炭黑N220，山西安侖化工有限公司產品；炭黑N339，杭州中策清泉實業有限公司產品；氧化鋅，杭州貝興新型環保材料有限公司產品。

1.2 配方

膠料的配方見表1，其中配方1為生產配方。

表1 膠料的配方 份

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機，廣東湛江機械廠產品；F270型密煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產品；一次法混煉機組，青島軟控股份有限公司產品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；50 t平板硫化機，湖州宏僑橡膠機械有限公司產品；WGJ-2500BⅡ型電子拉力機，桂林奧峰電器制造有限公司產品；GT-7017型老化箱、阿克隆磨耗機和DIN磨耗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品；Y3000E型壓縮生熱試驗機，北京友深電子儀器有限公司產品；VR-7120型動態力學機械分析（DMA）儀，日本上島株式會社產品。

1.4 混煉工藝

1.4.1 小配合試驗

小配合試驗膠料在XK-160型開煉機上混煉。

混煉工藝為：加入NR熱煉→加入2/3炭黑→左右各割刀1次→加氧化鋅、硬脂酸→加剩余炭黑和其他小料→左右各割刀1次→加硫黃和促進劑DM→薄通、打3次三角包、下片，混煉總時長約為20 min。

1.4.2 大配合試驗

大配合試驗在一次法混煉機組上進行，一次法生產線工藝布局：F270型密煉機排膠→0#開煉機→1#—6#開煉機（并聯方式）→壓片機。

F270型密煉機混煉工藝：轉子轉速為42 r·min-1，壓力為5 MPa，加入生膠、炭黑、小料→壓壓砣（25 s）→提壓砣（轉子轉速降為38 r·min-1）→壓壓砣（20 s）→提壓砣（轉子轉速降為35 r·min-1）→壓壓砣（108 s）→148 ℃排膠。

0#開煉機混煉工藝：將輥距設為3 mm，進料→冷卻（22 s）→成環（26 s）→拉斷→排膠。

1#—6#開煉機混煉工藝：進料（輥距為4 mm，10 s）→成環（輥距為2 mm，15 s）→冷卻（輥距為3 mm，150 s）→擺膠（輥距為2 mm，20 s）→擺膠（輥距為1.2 mm，130 s）→擺膠（輥距為2 mm，20 s）→擺膠（輥距為1.2 mm，130 s）→擺膠（輥距為2 mm，20 s）→冷卻（輥距為3 mm，20 s）→加硫黃和促進劑（輥距為3.5 mm，130 s）→擺膠（輥距為2.5 mm，40 s）→擺膠（輥距為2 mm，160 s）→擺膠（輥距為2.5 mm，20 s）→冷卻（輥距為3.5 mm，45 s）→拉斷→排膠。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按相應國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 基本配方試驗

按照GB/T 3780.18—2017測試炭黑N220和N339填充基本配方膠料的物理性能，結果如表2所示。

表2 基本配方膠料的物理性能

從表2可以看出，與配方J1硫化膠相比，配方J2硫化膠的邵爾A型硬度和300%定伸應力增大，拉伸強度和拉斷伸長率減小，壓縮生熱明顯降低，耐磨性能相當。由于炭黑的結構度主要與膠料的耐磨性能相關，這表明炭黑N339的結構度達到了輪胎胎面膠對耐磨性能的要求。

2.2 小配合試驗

2.2.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性如表3所示。

表3 小配合試驗膠料的硫化特性（151 °C×60 min）

從表3可以看出，與配方1混煉膠相比，配方2和3混煉膠的t10延長，t90縮短，硫化速率增大，tR97和tR95縮短。

2.2.2 物理性能

小配合試驗膠料的物理性能如表4所示。

表4 小配合試驗膠料的物理性能

從表4可以看出：隨著炭黑N339用量的增大，硫化膠的硬度和300%定伸應力增大；拉伸強度和拉斷伸長率減小，這可能與膠料的tR97和tR95縮短有關；阿克隆磨耗量、DIN磨耗量和壓縮生熱減小。

從表4還可以看出，與配方1硫化膠相比，配方2和3硫化膠的硬度和300%定伸應力增大，壓縮生熱分別降低3.8和4.5 ℃，阿克隆磨耗量相當，DIN磨耗量減小，這說明炭黑N339硫化膠的耐磨性能達到了中超耐磨炭黑硫化膠的水平。根據炭黑在橡膠中的分散熱力學理論[9-10]，炭黑N339的表面能與橡膠更接近，炭黑N339比炭黑N220更易在橡膠中分散，膠料動態生熱和耐磨性能更優。熱空氣老化后硫化膠的物理性能變化趨勢與老化前基本一致。

綜上所述，配方2和3硫化膠的壓縮生熱均較配方1硫化膠減小。配方3硫化膠的300%定伸應力最大，相對而言不適宜用于輕卡全鋼載重子午線輪胎冠部。故選擇配方1和2進行大配合試驗對比。

2.3 大配合試驗

大配合試驗結果如表5所示。

表5 大配合試驗結果

從表5可以看出，大配合試驗膠料的硫化特性和物理性能與小配合試驗膠料基本一致。

2.4 動態力學性能

采用DMA儀對大配合試驗硫化膠（151 ℃×30 min）進行應變掃描，測試條件：靜態應變為10%，頻率為10 Hz。大配合試驗硫化膠的動態力學性能如表6所示，其中tanδ為損耗因子，G′為儲能模量，G″為損耗模量。輪胎行業一般使用60 ℃時的tanδ評價膠料的生熱性能和滾動阻力。

表6 大配合試驗硫化膠的動態力學性能

從表6可以看出，與配方1硫化膠相比，配方2硫化膠60 ℃時的tanδ減小2.76%，表明炭黑N339和N220用量比為1/1的硫化膠的滾動阻力和動態生熱降低。

2.5 成品性能

采用大配合試驗配方1和2胎面膠制作7.50R16 6PR成品輪胎，其耐久性能和高速性能分別見表7和8。

表7 成品輪胎耐久性能試驗結果

表8 成品輪胎高速性能試驗結果

從表7和8可以看出，與生產輪胎相比，試驗輪胎的耐久性能更佳，高速性能相當。

3 結論

與填充炭黑N220的配方1膠料相比，用炭黑N330部分或全部替代炭黑N220的配方2和3膠料的t10延長，t90縮短，硫化速率增大，硫化膠的硬度和300%定伸應力增大，壓縮生熱分別降低3.8和4.5℃，DIN磨耗量減小；當炭黑N339和N220用量比為1/1時，硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率相當，60 ℃時的tanδ減小2.76%，滾動阻力和動態生熱降低，成品輪胎的耐久性能更佳，高速性能相當。