炭黑品種對缺氣保用輪胎支撐膠性能的影響

顧培霜，趙相帥，劉華僑

[特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266100]

近年來，為了追求更低的滾動阻力和材料成本，輪胎產品無論是輪廓設計還是材料分布設計都向著更加輕量化的方向發展[1]。盡管輪胎輕量化設計的前提是將安全性能放在首位，必須通過各項室內外測試，但是諸如胎側減薄設計等仍然不可避免地在一定程度上降低了胎側的防撞擊性能[2]。

缺氣保用輪胎是在輪胎胎側部位加裝具有強支撐作用的補強支撐膠，保證輪胎在爆胎、漏氣等情況下可以正常行駛，用以消除猛然的操作失衡帶來的安全隱患[3]。缺氣保用輪胎因加裝支撐膠的緣故質量比相同規格產品大很多。缺氣保用加輕量化設計既可以減小傳統缺氣保用輪胎產品的質量，又可以提高輕量化輪胎的安全性，因此成為輪胎發展方向之一。現今，很多大型輪胎廠也上市或配套了缺氣保用輪胎產品，但并不在胎側上體現“蝸牛”（零氣壓法規要求的1 h）標識，能夠在突發情況下保證行車安全而不考慮爆胎后的繼續行駛距離，這種設計也體現了平衡成本、兼顧安全的設計方向[4-5]。

本工作研究炭黑品種對缺氣保用輪胎支撐膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），3#煙膠片，泰國產品；釹系順丁橡膠（BR），牌號CB24，朗盛化學（中國）有限公司產品；炭黑N330和N550，上海卡博特化工有限公司產品；炭黑S204，德國歐勵隆公司產品。

炭黑技術參數如表1所示。其中炭黑S204為爐法炭黑，根據ASTM D1765《橡膠用炭黑分類命名系統》命名規則，前綴S代表該品種炭黑硫化速度緩慢，炭黑N330和N550為爐法炭黑。

表1 炭黑技術參數

1.2 配方

試驗配方如表2所示。

1.3 主要設備和儀器

BB430型密煉機，日本神戶制鋼所產品；XM270型密煉機，大連橡膠塑料機械股份有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀和UT-2060型萬能拉力機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；Eplexor?型動態力學分析（DMA）儀，德國GABO公司產品。

1.4 試樣制備

膠料采用三段混煉工藝混煉。

一段混煉在BB430型密煉機中進行，壓砣壓力為0.5 MPa，轉子轉速為50 r·min-1，混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣保持20 s→提壓砣→炭黑→壓壓砣至115 ℃→提壓砣→壓壓砣至135 ℃→提壓砣→壓壓砣至165 ℃，排膠，停放4 h以上。

二段混煉在BB430型密煉機中進行回車返煉，壓砣壓力為0.5 MPa，轉子轉速為40 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣保持25 s→提壓砣→壓壓砣保持20 s→提壓砣→壓壓砣至155 ℃，排膠，停放4 h以上。

三段混煉在XM270型密煉機中進行，壓砣壓力為0.4 MPa，轉子轉速為25 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠和硫化劑→1次壓壓砣保持30 s→2次壓壓砣保持30 s→提壓砣至105 ℃排膠。

1.5 測試分析

（1）DMA分析。采用Eplexor?型DMA儀進行DMA測試，使用拉伸模式，溫度掃描，預拉伸5%，頻率 10 Hz，振幅 0.25%，溫度范圍－60～80 ℃。

（2）其他性能。均按相應國家標準或化工行業標準測定。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

膠料的硫化特性如表3所示。

表3 膠料的硫化特性

從表3可以看出：采用炭黑N330和N550的膠料硫化速度較快，t10和t90短；采用炭黑S204的膠料硫化速度較慢。這主要是由炭黑生產工藝不同導致炭黑顆粒的表面化學性質不同決定的。

2.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表4所示。

表4 硫化膠的物理性能

1#配方硫化膠采用補強能力較強的炭黑N330，硬度大，可提供強支撐作用；生膠以BR為主，彌補硫化膠的耐屈撓性能。2#配方硫化膠采用耐屈撓性能較好的炭黑N550；生膠以NR為主，增強硫化膠的機械強度。3#和4#配方硫化膠采用特種炭黑S204，生膠以BR為主，整體考慮硫化膠的耐屈撓性能。

從表4可以看出：4種配方硫化膠的物理性能實測結果與配方設計預期相符，1#配方硫化膠的邵爾A型硬度最大；2#配方硫化膠的拉伸強度較大，達到18.9 MPa，而1#配方硫化膠因硬度大和BR占生膠體系比重大、3#和4#配方硫化膠因炭黑S204本身補強不足和BR占生膠體系比重大，相應硫化膠的拉伸強度均較低，為13 MPa左右；1#—4#配方硫化膠的回彈值依次增大，表明生熱降低[6]。

2.3 不同溫度下的拉伸性能

硫化膠不同溫度下的拉伸性能如圖1所示。

圖1 硫化膠不同溫度下的拉伸性能

從圖1可以看出：4種硫化膠不同溫度下的拉伸性能表現出與常溫下相同的變化趨勢；隨著溫度的升高，各硫化膠的定伸應力和拉伸強度降幅明顯，其中溫度從25 ℃增大到140 ℃，4種硫化膠的拉伸強度分別下降48%，57%，54%和50%。值得注意的是，1#配方硫化膠在140 ℃時的拉斷伸長率不足100%。

2.4 DMA分析

硫化膠的儲能模量（E′）-溫度曲線和損耗因子（tanδ）-溫度曲線分別如圖2和3所示。

圖2 硫化膠的E′-溫度曲線

從圖2可以看出：1#配方硫化膠的E′隨著溫度的升高下降趨勢明顯；3#和4#配方硫化膠的E′保持率較好，且有輕微翹頭的表現。

從圖3可以看出：1#配方硫化膠因使用補強性能較強的炭黑N330，tanδ最大；2#配方硫化膠次之；3#和4#配方硫化膠因采用了小粒徑高結構度的炭黑S204，具有極小的tanδ，且隨著溫度的升高，tanδ的下降趨勢也更為緩和。

圖3 硫化膠的tanδ-溫度曲線

2.5 成品性能

采用4種配方膠料制備缺氣保用輪胎支撐膠用于試制245/45R18 96W輪胎，其零氣壓耐久性能測試結果如表5所示。

表5 成品輪胎的零氣壓耐久性能

從表5可以看出，采用1#—4#配方支撐膠的成品輪胎零氣壓耐久性能測試結果與相應配方膠料的硬度和剛性相符，膠料硬度越高，相應輪胎的零氣壓耐久性能越好。與1#配方相比，硬度較小、偏重于耐屈撓性能且生熱較低的2#配方并沒有使成品輪胎的零氣壓耐久性能得到明顯提升，且破壞分析結果均為支撐膠斷裂。3#和4#配方采用炭黑S204，追求極致的低生熱和耐屈撓性能，但零氣壓耐久性能下降明顯，尤其是相對于3#配方，4#配方炭黑S204用量僅降低了10份，相應硫化膠的硬度和生熱進一步下降，相應成品輪胎的零氣壓耐久性能也下降。

3 結論

采用3種不同牌號的炭黑分別搭配不同并用比的NR/BR，從硫化膠的機械強度、耐屈撓性能和生熱性能方面設計4組缺氣保用輪胎支撐膠試驗配方，探討其對成品輪胎零氣壓耐久性能的影響。結果顯示：成品輪胎的零氣壓耐久性能與支撐膠硬度和剛性相關性良好，支撐膠越硬，成品輪胎的零氣壓耐久性能越好；支撐膠的耐屈撓性能和生熱性能在本輪試驗中并沒有表現出對成品輪胎零氣壓耐久性能的增益效果。

本次試驗研究膠料的剛性和生熱設計為單一梯度，未有剛性相同或較大但生熱較低的試驗比較，結果及結論僅為支撐膠的設計提供一定的參考，今后的研究將擴展設計思路，在相同膠料硬度水平下開展生熱性能的試驗對比。