陳 龍，趙 菲，趙樹(shù)高(青島科技大學(xué)橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266042)
摘 要：研究了白炭黑175Gr分別與4種炭黑并用對(duì)輪胎胎面膠加工性能、物理機(jī)械性能和動(dòng)態(tài)物理機(jī)械性能的影響。研究表明，隨著炭黑粒徑的增大和結(jié)構(gòu)度的提高，白炭黑175Gr/炭黑填充的膠料正硫化時(shí)間都縮短;白炭黑175Gr/炭黑N234并用時(shí)，其膠料拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率都最高;白炭黑175Gr分別與炭黑N220和炭黑N550并用時(shí)，兩種膠料的回彈性和壓縮疲勞性都較好;白炭黑175Gr/炭黑N220并用后，其膠料的Payne效應(yīng)較小，滯后損耗因子最低。
關(guān)鍵詞：白炭黑;炭黑;填料網(wǎng)絡(luò);物理機(jī)械性能
中圖分類號(hào)：TQ333.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-4030(2013)01-0013-03
隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，輪胎正向綠色環(huán)保節(jié)能的方向發(fā)展。按其標(biāo)準(zhǔn)，相同規(guī)格的綠色輪胎比普通子午線輪胎的滾動(dòng)阻力降低約20%;這就要求輪胎胎面膠必須達(dá)到耐磨性、滾動(dòng)阻力和抗?jié)窕匀叩木C合平衡[1-3];輪胎胎面膠的性能除了與其所使用的生膠種類有關(guān)外[4-5]，還與所使用的補(bǔ)強(qiáng)劑品種有關(guān)[6-7]。從提高胎面膠耐磨性方面研究，炭黑是其最有效的補(bǔ)強(qiáng)劑，但加入炭黑后能明顯增大硫化膠的高溫區(qū)滯后損耗，使?jié)L動(dòng)阻力增大[8]。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，法國(guó)米其林輪胎公司推出了綠色輪胎新概念，通過(guò)加入白炭黑可有效降低輪胎生熱和滾動(dòng)阻力，同時(shí)還可提高胎面膠抗?jié)窕裕湍バ陨杂邢陆怠Ｒ蛱亢诤桶滋亢趯?duì)硫化膠性能的影響各不相同，所以炭黑與白炭黑的復(fù)合填充會(huì)對(duì)膠料產(chǎn)生重要影響。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要原材料
順丁橡膠(BR)，齊魯石化公司橡膠廠;溶聚丁苯橡膠，SSBR3830，韓國(guó)錦湖橡膠輪胎有限公司;溶聚丁苯橡膠，SSBR HP355，日本合成橡膠有限公司;炭黑N220，炭黑N234，炭黑N375和炭黑N550，均為青島德固賽化學(xué)有限公司;白炭黑175Gr，青島羅地亞白炭黑有限公司;其他助劑均為市售橡膠工業(yè)常用原材料。
基本配方(質(zhì)量份)：BR/SSBR3830/SSBRHP355，20/30/50;白炭黑175Gr，40;炭黑，40，變品種(N220，N234，N375和N550);氧化鋅，3;硬脂酸，2;環(huán)保芳烴油，30;微晶蠟，1.5;防4020，1.5;防RD，1;促CZ，1.7;促D，0.8;S，2。
1.2 主要儀器與設(shè)備
開(kāi)煉機(jī)，BL-6175，寶輪精密檢測(cè)儀器公司;密煉機(jī)，XSM-500，上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司;密閉模無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，GT-M2000-A，美國(guó)Alpha 技術(shù)有限公司;橡膠加工分析儀，RPA2000，美國(guó)Alpha技術(shù)有限公司;門尼粘度測(cè)試儀，GT-M2000，美國(guó)Alpha技術(shù)有限公司;Zwick電子拉力機(jī)，德國(guó)Zwick公司;平板硫化機(jī)，HS-100T-RTMO，深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司;阿克隆磨耗儀，MH-74，臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司;壓縮生熱實(shí)驗(yàn)機(jī)，GT-RH-2000，臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司。
1.3 試樣制備
使用密煉機(jī)混煉，一段加入白炭黑和Si-69，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速55r/min，初始溫度100℃，混煉時(shí)間240s;二段高溫段，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速25r/min，初始溫度140℃，混煉時(shí)間300s;三段加入炭黑、油和小料，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速55r/min，初始溫度60℃，混煉時(shí)間300s。排膠到開(kāi)煉機(jī)上，調(diào)整輥距、包輥后加入促進(jìn)劑和硫黃，左右割膠各3刀，薄通5次，調(diào)整合適輥距下片，停放，備用。 使用平板硫化機(jī)硫化試樣，硫化條件為160℃×t90。按照試樣標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣、撕裂試樣、阿克隆磨耗試樣和壓縮生熱試樣。
1.4 性能測(cè)試
拉伸強(qiáng)度按GB/T528-2009測(cè)試，撕裂強(qiáng)度按GB/T529-2008測(cè)試，回彈性按GB/T530-1999測(cè)式，壓縮生熱按GB1687-1993測(cè)試，磨耗按GB/T1689-1998測(cè)試。
使用橡膠加工分析儀進(jìn)行應(yīng)變掃描實(shí)驗(yàn)。測(cè)試溫度為100℃，頻率為1Hz，應(yīng)變掃描范圍為0.28%～100%。
2 結(jié)果與討論
2.1 白炭黑175Gr/炭黑填充膠的加工性能表1是4種炭黑的CTAB比表面積和DBP吸油值。
由表2可看出，在其他組分相同且混煉條件一定時(shí)，正硫化時(shí)間隨炭黑粒徑的增大和結(jié)構(gòu)度的提高而縮短。其原因可能是隨著炭黑粒徑的減小，炭黑與橡膠的總接觸面積變大，形成的結(jié)合膠的量增多，體系粘度增大，硫化時(shí)不利于硫黃分子的遷移和橡膠分子鏈的轉(zhuǎn)移。
白炭黑175Gr/炭黑N234膠料的轉(zhuǎn)矩差ΔM最大，白炭黑175Gr/其他炭黑的膠料轉(zhuǎn)矩差大致相同。ΔM 的大小與硫化時(shí)形成的交聯(lián)鍵數(shù)量、填料與橡膠形成的結(jié)合膠的量、包容膠的量及填料分散狀態(tài)有關(guān)。炭黑N234的粒徑最小、結(jié)構(gòu)度最高，形成的結(jié)合膠的量和包容膠的量均最多，因此ΔM 最大。
混煉膠的門尼粘度除了與所用填料的粒徑有關(guān)外，還與填料的結(jié)構(gòu)度有關(guān)。在粒徑相近的情況下，炭黑結(jié)構(gòu)度越高，膠料中形成的包容橡膠的量越多，炭黑的有效填充體積增加，因此門尼粘度相應(yīng)增大;炭黑的結(jié)構(gòu)度增加，其分散性提高，填料網(wǎng)絡(luò)減弱，可使混煉膠的門尼粘度降低。從表2中還可看出，白炭黑175Gr/炭黑N234膠料的門尼粘度最高，白炭黑175Gr/炭黑N550的最低，因此炭黑粒徑對(duì)門尼粘度的影響還是主要的。
2.2 白炭黑175Gr/炭黑填充膠的物理機(jī)械性能
白炭黑175Gr/炭黑填充膠的物理機(jī)械性能見(jiàn)圖1～圖4。
從圖1和圖2可看出，炭黑N234的粒徑小且結(jié)構(gòu)度高，形成的結(jié)合膠的量多，高結(jié)構(gòu)度可使炭黑在橡膠基體中的分散性較好，因此補(bǔ)強(qiáng)效果好，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率都最高;炭黑N220的粒徑與炭黑N234的相差不大，但結(jié)構(gòu)度低，其分散性受到影響，因此拉伸強(qiáng)度較低;隨著炭黑粒徑的增大，撕裂強(qiáng)度稍呈降低趨勢(shì)。
從圖3可看出，回彈性與炭黑粒徑和結(jié)構(gòu)度也有關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明，炭黑粒徑越小且結(jié)構(gòu)度越高，其硫化膠的回彈性就越差。本實(shí)驗(yàn)所選的幾種炭黑的粒徑和結(jié)構(gòu)度綜合平衡的結(jié)果是，粒徑較小且結(jié)構(gòu)度較低的炭黑N220和粒徑較大且結(jié)構(gòu)度較高的N550的硫化膠回彈性較好。
白炭黑175Gr分別與4種炭黑的填充膠磨耗性能表明，白炭黑175Gr/炭黑N375填充膠胎面膠的磨耗量最小，耐磨性最好。
白炭黑175Gr分別與4種炭黑(N220，N234，N375和N550)的填充膠壓縮生熱性能見(jiàn)表3。
從表3可看出，白炭黑175Gr與粒徑較大且結(jié)構(gòu)度較高的炭黑N550的填充膠動(dòng)態(tài)壓縮生熱溫升最小;與粒徑小且補(bǔ)強(qiáng)性好的炭黑N234填充膠壓縮生熱較高。
2.3 白炭黑與炭黑填充膠胎面膠的動(dòng)態(tài)性能
圖5是白炭黑175Gr分別與4種炭黑填充膠的儲(chǔ)能模量(G′)與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。
由圖5可看出，不論是與哪種炭黑的填充膠，其儲(chǔ)能模量G′均隨應(yīng)變的增加而降低，即呈現(xiàn)出明顯的Payne效應(yīng)。
圖6是白炭黑175Gr分別與4種炭黑的填充膠Payne效應(yīng)。Payne效應(yīng)可用來(lái)表征填料的分散性好壞，也可判斷填料之間的相互作用力的大小。從圖6中可看出，白炭黑175Gr/炭黑N234填充膠的Payne效應(yīng)比較明顯，說(shuō)明填充膠中形成的填料網(wǎng)絡(luò)較強(qiáng)。分析后認(rèn)為，這主要是因炭黑N234的粒徑小且結(jié)構(gòu)度高，炭黑與橡膠間形成的包容膠的量增多，使得自由橡膠的量減少的原因。這就相當(dāng)于增加了炭黑的有效體積，減小了填料粒子間的作用距離，使得填料網(wǎng)絡(luò)更易形成，Payne效應(yīng)比較明顯。由于炭黑N220的結(jié)構(gòu)度低，白炭黑175Gr/炭黑N220填充膠的包容膠的量少，Payne效應(yīng)相對(duì)較低，動(dòng)態(tài)損耗因子較低，見(jiàn)圖7。
3·結(jié)論
(1)白炭黑175Gr/炭黑填充膠的正硫化時(shí)間隨炭黑粒徑的增大和結(jié)構(gòu)度的提高而縮短。
(2)白炭黑175Gr/炭黑N234填充膠的綜合物理機(jī)械性能最好;白炭黑175Gr/炭黑N220和白炭黑175Gr/炭黑N550填充膠的回彈性和壓縮疲勞性能較好。
(3)白炭黑175Gr/炭黑N234填充膠的Payne效應(yīng)最高，白炭黑175Gr/炭黑N220填充膠的動(dòng)態(tài)滯后損失最小。
參考文獻(xiàn)：略
