雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機濾網孔徑對胎側膠性能的影響

隋志華，郝英杰，孫作棟，邱 健，閆理智，朱東林，李 利，汪傳生，邊慧光

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

輪胎胎側膠是指胎側外簾布層上的膠層，其作用是防止胎體受機械損傷、氧化及潮濕[1-2]。為了降低胎側膠的龜裂等級，常用的方法是在胎側膠中并用順丁橡膠及加入環保芳烴油[3]和防護蠟[4]等助劑，但這也在不同程度上提高了輪胎的成本，因此需要一種低成本并且可以用于規模化生產的方法來提高胎側膠的性能。

清除膠料中的雜質可以有效改善膠料的性能，傳統的橡膠濾膠機利用螺桿的推擠和輸送作用去除膠料中的雜質[5]。橡膠濾膠機中常見的過濾裝置有以下幾種：帶磁性的裝置可以有效去除膠料中的金屬顆粒雜質[6]，在出料口兩側分別設置的可自動更換過濾機頭的裝置可以有效過濾膠料，帶有扭力彈簧的過濾裝置適用于硅橡膠膠料的過濾[7]。雖然上述濾膠方法都取得了一定的進展，但經過過濾的膠料的性能仍有待提高。

齒輪泵是由兩個齒輪、泵體與前后蓋組成的兩個封閉空間，齒輪轉動時，齒輪脫開側的空間體積增大，形成真空，將物料吸入，齒輪嚙合側的空間體積減小，將物料擠入管路中，從而給物料施加壓力[8-9]。

本工作設計一種雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機（見圖1），借助齒輪泵的增壓原理對胎側膠進行擠出和過濾，并研究濾網孔徑對胎側膠性能的影響。

圖1 雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機Fig.1 Double drive synchronous rubber gear pump rubber filter

1 實驗

1.1 原材料

充油溶聚丁苯橡膠（SSBR，牌號1205）和順丁橡膠（BR，牌號2000），日本旭化成化學有限公司產品；白炭黑，索爾維（中國）化工有限公司產品；氧化鋅、促進劑CBS和促進劑DPG，阿拉丁試劑（上海）有限公司產品；硬脂酸，國藥集團化學試劑有限公司產品；防老劑4020，上海成錦化工有限公司產品；偶聯劑Si69，連云港銳巴化工有限公司產品；硫黃，巴斯夫（中國）有限公司產品；國標304不銹鋼濾網，上海嘉羽五金篩網有限公司產品。

1.2 主要設備和儀器

X（S）0.3型密煉機，青島科技大學產品；SK-168型開煉機，上海雙翼橡塑機械有限公司產品；QLB-400×400×2型平板硫化機，青島亞東橡機有限公司產品；MM4130C型無轉子硫化儀，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；UM-2050型門尼粘度儀和TS2005b型拉力試驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；LX-A型橡膠硬度計，上海六菱儀器廠產品；RPA2000型橡膠加工分析（RPA）儀，美國阿爾法科技有限公司產品；GABOMETER-150型動態力學分析（DMA）儀，德國GABO公司產品；DH-2050QZ型德墨西亞屈撓龜裂試驗機，弘浦儀器（中國）有限公司產品。

1.3 試驗配方

膠料的試驗配方（用量/份）為：SSBR 103，BR 25，白炭黑 80，偶聯劑Si69 12.5，氧化鋅2.5，硬脂酸 2，防老劑4020 2，硫黃 1.4，促進劑CBS 1.7，促進劑DPG 2。

1.4 試樣制備

混煉膠采用兩段混煉工藝。一段混煉在密煉機中進行，冷卻水溫度為40 ℃，轉子轉速為65 r·min-1，填充因數為 0.65，壓砣壓力為0.65 MPa，混煉工藝為：加入SSBR，塑煉25 s；加入BR，混煉40 s；加入2/3白炭黑，混煉30 s；加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑4020、偶聯劑Si69和剩余1/3白炭黑，混煉45 s，混煉膠溫度到達150 ℃時排膠。二段混煉在開煉機上進行，輥溫為（50±5） ℃，混煉工藝為：加入一段混煉膠、促進劑CBS、促進劑DPG和硫黃，將輥距調至最小，薄通5次，在4 mm輥距下出片。

混煉膠停放24 h后，將其裁剪成寬度約為5 cm的膠條，在齒輪泵式濾膠機中進行過濾，螺桿轉速為30 r·min-1，齒輪泵轉速為25 r·min-1，機筒溫度為70 ℃，齒輪泵溫度為70 ℃，膠料經過濾網一次過濾，將未經過過濾的膠料和經過孔徑為0.250 mm（60 目），0.150 mm（100 目），0.100 mm（150目），0.075 mm（200目）和0.050 mm（300目）的濾網過濾的膠料分別記為1#—6#膠料，1#—6#膠料對應的齒輪泵的出口壓力分別為10，13，16，20和25 MPa。

混煉膠在平板硫化機上進行硫化，硫化條件為160 ℃/10 MPa×3t90。

1.5 測試分析

（1）門尼粘度。按照GB/T 1232.1—2016進行測試，測試3個平行樣，取平均值。

（2）硫化特性。按照GB/T 16584—1996進行測試，測試溫度為150 ℃。

（3）物理性能。硬度按照GB/T 531.1—2008進行測試，拉伸性能和撕裂強度分別按照GB/T 528—2009和GB/T 529—2008進行測試，測試5個平行樣，取平均值。

（4）RPA分析。應變掃描溫度為60 ℃，應變掃描頻率為0.01 Hz，應變范圍為0.28%～40%，測試3個平行樣，取中值。

（5）DMA分析。采用拉伸模式，掃描頻率為10 Hz，靜態應變為5%，靜態應力為70 N，動態應變為0.25%，動態應力為60 N，溫度范圍為－65～65℃，升溫速率為2 ℃·min-1。

（6）耐屈撓性能。按照GB/T 13934—2006進行測試，屈撓10萬次，測試10個平行樣，記錄斷裂試樣的數量及未斷裂試樣的平均龜裂等級。

2 結果與討論

2.1 門尼粘度和硫化特性

混煉膠的門尼粘度和硫化特性見表1。

表1 混煉膠的門尼粘度和硫化特性Tab.1 Mooney viscosities and vulcanization characteristics of compounds

從表1可以看出：與未經過過濾的1#混煉膠相比，經過過濾的2#—6#混煉膠的門尼粘度增大，t10延長，t90縮短，Fmax－FL增大；隨著濾網孔徑的增大，t10先延長后縮短，t90先縮短后延長，Fmax－FL先增大后減小；采用0.070 mm孔徑濾網過濾的5#混煉膠的t10最長，加工安全性最好，t90最短，硫化反應速度最快，Fmax－FL最大，交聯程度最高。這說明經過0.070 mm孔徑濾網過濾的5#混煉膠的橡膠大分子鏈排布更加均勻，有助于支鏈之間的結合，提高了硫化膠的交聯密度，而0.050 mm孔徑濾網的孔徑過小，在過濾膠料時會打亂橡膠大分子鏈排布，減小交聯網絡密度，降低混煉膠的硫化特性。

2.2 物理性能

硫化膠的物理性能見表2。

表2 硫化膠的物理性能Tab.2 Physical properties of vulcanizates

從表2可以看出：與未經過過濾的1#硫化膠相比，經過過濾的2#—6#硫化膠的物理性能顯著提高；隨著濾網孔徑的增大，硫化膠的100%定伸應力、300%定伸應力、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度均先增大后減小；與1#硫化膠相比，采用0.070 mm孔徑濾網過濾的5#硫化膠的拉伸強度達到14.9 MPa，提高了33.0%，撕裂強度達到52 kN·m-1，提高了33.3%；與0.070 mm孔徑濾網過濾的5#硫化膠相比，采用0.050 mm孔徑濾網過濾的6#硫化膠的拉伸強度和撕裂強度減小，但仍高于未經過過濾的硫化膠。這是因為采用0.070 mm孔徑濾網過濾時，膠料中的雜質與團聚的填料和小料等均被濾出，有利于提升硫化膠的物理性能，同時橡膠大分子鏈排布更加均勻，橡膠大分子鏈之間的范德華力增大，鏈段不易滑動，這也使硫化膠的拉伸強度和撕裂強度等在不同程度上增大；采用0.050 mm孔徑濾網也可以過濾掉膠料中的雜質與團聚的填料和小料等，但由于濾網的孔徑太小，過濾膠料的橡膠大分子鏈排布被打亂，導致硫化膠的拉伸強度和撕裂強度減小。

2.3 RPA分析

硫化膠的儲能模量（G′）-應變曲線見圖2。

圖2 硫化膠的G′-應變曲線Fig.2 G′-strain curves of vulcanizates

從圖2可以看出：經過過濾的2#—6#硫化膠形成的填料網絡比未經過過濾的1#硫化膠更發達；隨著應變的增大，硫化膠的G′呈下降趨勢，這一結果符合Payne效應。Payne效應與填料網絡中橡膠大分子鏈的纏結相關，由于未經過過濾的硫化膠的橡膠大分子鏈分布雜亂且填料分布不均，所以其初始模量最高，而經過過濾的硫化膠的初始模量顯著降低，這說明經過過濾的硫化膠的橡膠大分子網絡為有序排布，這也有助于提高硫化膠的結構強度，且采用0.070 mm孔徑濾網過濾的5#硫化膠的初始模量最低，填料網絡化程度最高，Payne效應最弱。

2.4 DMA分析

硫化膠在不同溫度范圍內的損耗因子（tanδ）-溫度曲線如圖3所示。

圖3 硫化膠的tan δ-溫度曲線Fig.3 tan δ-temperature curves of vulcanizates

圖3 中曲線的峰值所對應的溫度為硫化膠的玻璃化溫度（Tg）。從圖3（b）可以看出，采用0.070 mm孔徑濾網過濾的硫化膠的曲線峰值最高，即Tg最高，這在于該硫化膠的橡膠大分子堆積緊密。

0 ℃時的tanδ可以用來表征硫化膠的抗濕滑性能，tanδ越大，硫化膠的抗濕滑性能越好；60 ℃時的tanδ可以用來表征硫化膠的滾動阻力，tanδ越小，硫化膠的滾動阻力越小。實際生產中，輪胎的滾動阻力、抗濕滑性能和耐磨性能被稱為“魔鬼三角”，即對于一個輪胎而言，這3個性能不能同時改善，如果要改善其中1或2個性能，另一個性能必然變差。從圖3（c）和（d）可以看出，0和60 ℃時的tanδ從大到小均依次為1#，2#，3#，5#，6#和4#硫化膠，即采用0.070 mm孔徑濾網過濾的5#硫化膠的抗濕滑性能和滾動阻力均較好。這是因為采用0.070 mm孔徑濾網過濾的硫化膠的橡膠大分子鏈展開，橡膠大分子鏈由伸展恢復到蜷曲的過程中，其粘彈性增加，表現出較好的抗濕滑性能，同時由于過濾掉膠料中的雜質與團聚的填料和小料增強了橡膠基體與填料之間的相互作用，從而降低了滾動阻力。而采用0.050 mm孔徑濾網過濾的6#硫化膠的橡膠大分子鏈排布被打亂，加劇了橡膠大分子鏈的蜷曲，導致硫化膠的粘彈性下降和橡膠基體與填料之間的相互作用減弱。

2.5 耐屈撓性能

硫化膠的耐屈撓性能見表3。

表3 硫化膠的耐屈撓性能Tab.3 Flexibility resistance of vulcanizates

從表3可以看出，采用0.070 mm 孔徑濾網過濾的5#硫化膠的斷裂試樣最少，未斷裂試樣的平均龜裂等級與采用0.100 mm 孔徑濾網過濾的4#硫化膠相同，且最低，這是因為采用0.070 mm孔徑濾網過濾的5#硫化膠的橡膠大分子鏈分布更均勻，橡膠大分子鏈之間的范德華力更大，硫化膠內的雜質與團聚的填料和小料較少，從而提高了硫化膠的耐屈撓性能。

3 結論

（1）采用雙驅同步橡膠齒輪泵式濾膠機過濾胎側膠，經過過濾的膠料的性能優于未經過過濾的膠料，且采用0.070 mm孔徑濾網過濾的膠料的硫化特性、物理性能和耐屈撓性能最優，Payne效應最弱，動態力學性能較好。

（2）與未經過過濾的硫化膠相比，采用0.070 mm孔徑濾網過濾的硫化膠的拉伸強度提高33.0%，撕裂強度提高33.3%，平均龜裂等級降低3級。