白炭黑二次投料工艺对胶料加工性及物理性能的影响

陈 松, 郑 昆, 顾培霜, 袁金琪, 李民军

[1.特拓(青岛)轮胎技术有限公司, 山东 青岛 266061; 2.山东丰源轮胎制造股份有限公司, 山东 枣庄 277000]

白炭黑二次投料工艺对胶料加工性及物理性能的影响

陈 松1, 郑 昆1, 顾培霜1, 袁金琪1, 李民军2

[1.特拓(青岛)轮胎技术有限公司, 山东 青岛 266061; 2.山东丰源轮胎制造股份有限公司, 山东 枣庄 277000]

研究了GK400 密炼机中，白炭黑二次投料新型混炼工艺对胶料加工性能及物理性能的影响，通过对普通密炼机的工艺改进，采用白炭黑二次投料混炼工艺，可比普通混炼工艺胶料的炭黑分散度提升1～2个等级，胶料的物理性能有所提高，同时改善了后工序的混炼胶气孔。

白炭黑二次投料；炭黑分散度；物理性能；混炼工艺；Payne 效应；动态性能

0 前 言

随着欧洲标签等级的实施，使用白炭黑补强的胎面胶料能够提高轮胎的抗湿滑性、降低轮胎的滚动阻力已成为共识，故白炭黑被普遍运用于半钢轮胎的胎面中[1]。根据相关研究，在白炭黑的混炼过程中，若所有硅烷中的乙氧基都参与反应，则胶料所用的1 g硅烷就会生成约0.5 g乙醇[2]。在胶料加工过程中，累积的大量乙醇要么挥发掉，要么在胶料中再凝结。如果乙醇不能从密炼机中排出，就会推迟硅烷化反应。更有甚者，在胎面的挤出过程中，使胎面中存在少量气孔。因此白炭黑胶料的硅烷化反应程度对胶料物理性能及加工性能起着至关重要的作用。在各类密炼机中，啮合型密炼机具有良好的温度控制力，使白炭黑胶料的硅烷化反应更加完全[3]。但由于各种因素的限制，使用传统炭黑填充胶料的混炼设备来混炼白炭黑也是常有的做法。本文以普通密炼机为设备，通过白炭黑二次投料混炼工艺进行相关工艺研究。

1 实 验

1.1 主要原材料和设备

NR，STR20，泰国诗董橡胶；丁苯橡胶（SBR），RC2557-S,独山子石化分公司；炭黑，N234，江西黑猫炭黑有限公司；白炭黑, 1115MP，青岛罗地亚白炭黑有限公司；密炼机，XM-370X(6×60)、X-270X(4×40)，大连橡胶塑料机械股份有限公司。

1.2 配方

大配合生产配方（单位：份）：STR 20 25.0，RC2557-S 103.0，N234 10.0，1115MP 75.0，硅烷偶联剂Si69 10.0，防老剂4020[N-（1,3二甲基丁基）-N-苯基对苯二胺] 2.0，防老剂RD（2,2,4-三甲基-2-二氧化喹啉聚合体） 1.0 ，防护蜡 1.5，硫化剂1.6，其他 15.0。

1.3 混炼工艺

采用1.2中的配方进行工艺试验，设计了两种混炼工艺方案，方案1为正常混炼工艺，方案2为二次投料白炭黑混炼工艺，具体见表1。

表1 大配合混炼工艺对比

方案1和2的混炼工艺仅一段母胶混炼步骤有所不同，其他段数采用相同的工艺。按照此工艺设置进行混炼，两种方案的相关混炼参数如表2所示。

表2 大配合试验混炼参数对比

通过表2的混炼数据可以看出，两种不同工艺的生产效率与生产成本基本一致。

2 结果与讨论

2.1 大配合试验结果对比

对2种试验方案基本物理性能测试的结果如表3所示。

从表3可以看出：

（1）由于混炼工艺的差异，相比方案1，方案2的门尼黏度大了2.7%，密度大了0.25%，MH大了3.27% ，炭黑分散等级提高1个等级，但对产品加工性能的影响都在可以接受的范围内。

（2）与方案1相比，由于胶料的分散等级的差异，方案2的拉伸强度提高了8.2%，300%定伸应力与100%定伸应力之比提高了2.7% ，但胶料物理性能的影响都在可以接受的范围内。

表3 大配合试验结果

2.2 Payne 效应及动态性能

Payne 效应常用来定义橡胶胶料中填料与填料之间的相互作用的强度[2]，Payne效应与贮能模量G'有直接关系。随着应变的增加，填料网络逐渐被破坏。与破坏聚合物-聚合物所需的应变相比，填料网络破坏的绝对应变则较小，远低于100%。这种贮能模量随应变增加而降低的现象被称为Payne效应[4]。本文通过在恒定温度60 ℃下进行0.1%到45.0%的应变扫描，以贮能模量的降低水平来评价硅烷化反应程度，测试结果如图1所示。

从图1可知，方案1与方案2均显示出典型的非线性关系的Payne效应，但Payne效应的幅度为方案1大于方案2，因此方案2的白炭黑聚集程度低于方案1的，更有利于加工性及胶料性能的改善。

tan δ常被用来衡量胶料在动态形变作用下的能量损失，轮胎的滚动阻力及抗湿滑性可在一定程度上通过60 ℃及0 ℃时的tan δ进行分析评价[5]。测试结果如图2、3所示。

图1 60℃条件下贮能模量与单一应变幅度的关系

图2 在-10 ℃至10 ℃范围内tan δ与温度的关系

图3 在40 ℃至60 ℃范围内tan δ与温度的关系

由图2、3可知，在低温范围内（-10 ℃～10 ℃），方案2的tan δ大于方案1的tan δ，具有相对较好的轮胎抗湿滑性。在高温范围内（40 ℃～60 ℃），方案2的tan δ大于方案1的tan δ，具有相对较好的轮胎滚动阻力。

2.3 挤出状况

在白炭黑胶料的加工过程中，如果硅烷化反应程度不完全，乙醇在胶料中累积，会在下一步工序中再次挥发，从而影响胶料的气孔状况。通过方案2与方案1的对比（图4），发现方案2胶料的气孔明显减少，说明相比方案1，方案2的白炭黑胶料的硅烷化反应更加完全。

图4 挤出断面表观

3 结 论

白炭黑二次投料作为一种新型的混炼工艺，相比普通混炼工艺具有以下优点：

（1）通过混炼工艺的改进，胶料炭黑分散度提升1～2个等级。

（2）工艺改进后胶料的物理性能有所提高。

（3）对轮胎的抗湿滑性与滚动阻力有所贡献。

（4）硅烷化反应更完全，可减少挤出工序中胶料的气孔状况。

[1] 陈忠茂，罗吉良. 低滚动阻力轮胎的设计和开发探讨[J]. 中国橡胶, 2012(14):38-40.

[2] 高桂芝.改善白炭黑胶料的加工:混炼设备的优化[J]. 橡胶参考资料，2004,34(5):21-22.

[3] 马舒文.适用于白炭黑胶料混炼的密炼机[J]. 世界橡胶工业, 2003(3):35-39.

[4] 马建华.胎面橡胶复合材料的微观结构-黏弹性-使用性能关系的研究[D]. 北京:北京化工大学, 2013.

[5] 赵冬梅.逐步升级的欧盟轮胎技术法规[J]. 轮胎工业, 2011(7):387-393.

[责任编辑：朱 胤]

Infl uence of Two-Times-Silica-Feeding Mixing Technology on the Process and Physical Properties of Compounds

Chen Song1, Zheng Kun1, Gu Peishuang1, Yuan Jinqi1, Li Minjun2
[1.TTA(Qingdao) Tire Technology Co., Ltd., Qingdao 266061, China; 2.Shandong Fengyuan Tire Company, Zaozhuang 277000, China]

A kind of two-time-silica-feeding new mixing technology was introduced in this paper. The infhence of the technology on the processability and physical properties of compounds in GK400 mixer was studied. Through the improvement of the new mixer technology,the silica dispersion could beincreased by 1～2 grades, and the compounds' physical properties could be improved. Meanwhile it also optimized the air bubble of mixing compound for the next step.

Two-Times-Silica-Feeding; Silica Dispersion; Physical Properties; Mixing Technology; Payne Effect; Dynamic Properties

TQ 330.6+3

B

1671-8232(2015)10-0026-04

2015-05-22

陈松（1985— ），男，山东微山人，学士，主要从事橡胶加工和性能研究。