Efficium白炭黑在高性能绿色轮胎中的应用

王丹灵，陈 生，沈国利, 承齐明

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

Efficium白炭黑在高性能绿色轮胎中的应用

王丹灵，陈 生，沈国利, 承齐明

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

随着绿色轮胎的发展，轮胎的滚动阻力和湿地抓地力越来越受到关注。一般认为，胎面配方中随着白炭黑使用比例的增加，轮胎滚动阻力会随之降低，湿地抓地力会随之提高。但由于白炭黑属于极性物质，不易分散于非极性的橡胶中。为了使两者相容，需要使用如分散剂等加工助剂，并且在混炼阶段使用多段工艺加工生产，这都增加了轮胎的成本。相较于1165MP高分散白炭黑，Effcium高分散白炭黑由于具有更好的加工性，能降低生产过程的能耗。

白炭黑；胎面胶料；加工性；能耗

0 前 言

从材料研发的角度看，为了降低轮胎滚动阻力、提高轮胎湿地抓地力，目前已知的公认方法是在胎面配方中使用新型改性丁苯橡胶代替原有橡胶体系或使用高分散白炭黑代替炭黑[1,2]用作填料。前者增加了轮胎配方的成本，后者则由于白炭黑与橡胶极性不同，不易分散，需添加加工助剂并使用多段混炼工艺进行加工，亦使成本增加。

将1165MP高分散白炭黑与Efficium新型改性白炭黑进行对比，研究它们在高性能绿色轮胎中的应用。性顺丁橡胶Nd24EZ，朗盛化学化工产品；普通镍系顺丁橡胶BR9000，大庆石化产品；N330炭黑，卡博特产品；TDAE油，汉圣化工产品；液体Si69，宏柏化学产品；充油10%硫磺粉，无锡华盛产品。其余原材料均为市售工业级产品。

表1为1165MP和Efficium白炭黑特征值数据对比。由数据可知，两者孔隙率等主要理化指标数值相同，仅仅在pH和氮吸附比表面积（BET）上有细小差别，并且Effcium白炭黑中存在有0.3%的炭黑 。

1 试 验

1.1 主要原材料

1165MP白炭黑、Effcium白炭黑，索尔维化工产品；溶聚丁苯橡胶HPR850，JSR化工产品；溶聚丁苯橡胶E581，旭化成化工产品；钕系改

表1 1165MP、Effcium白炭黑特征值数据

1.2 主要设备和仪器

PHM-2.2型小密炼机，璧宏机械工业股份有限公司产品；SK-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品；GK320-E550串联型密炼机，德国HF股份有限公司产品；F270型密炼机，大连橡胶塑料机械股份有限公司产品；M200E型门尼黏度仪，北京友深电子仪器有限公司产品；GT-2000 A型无转子流变仪，上海诺甲仪器仪表有限公司产品；TS-2000M型拉力试验机，台湾高铁检测仪器有限公司产品；H-X627阿克隆磨耗机，扬州华辉检测仪器有限公司产品；VR-7120型动态热机械分析仪，日本UESHIMA公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法公司产品。

1.3 工艺

1.3.1 小试工艺

为横向对比两种白炭黑的分散性，在1.8L密炼机中，采用不同段数工艺进行小试。

一段混炼（密炼机）∶转子转速50 r/min，加胶，降上顶栓混炼20 s，升上顶栓→加药品、炭黑、白炭黑、油，降上顶栓混炼120 s，升上顶栓，清扫→降上顶栓，混炼200 s→排胶；

二段混炼（密炼机）∶转子转速50 r/min，加一段母胶，降上顶栓混炼120 s，升上顶栓→降上顶栓，混炼120 s→排胶；

三段混炼（密炼机）∶转子转速50 r/min，加二段母胶，降上顶栓混炼120 s，升上顶栓→降上顶栓，混炼120 s→排胶；

四段加硫（开炼机）∶母胶在辊筒上混炼均匀，加硫磺、促进剂→左右各切割3次, 手动交替打卷5次、三角包5次后薄通拉出。

1.3.2 大试工艺

采用德国克虏伯GK320-E550型串联密炼机并联开炼机，进行混炼。一段工艺即可将胶料分散得很好，直接用于加硫。

一段混炼工艺步骤详见表2。

加硫工艺（F370）∶转子转速25 r/min→加入一段母胶、硫磺、促进剂→压砣保持20 s→提砣保持1s→压砣保持25 s→提砣保持1 s→压砣升温至100 ℃排胶。

表2 大试混炼工艺步骤

1.4 性能测试与表征

各项性能均按相应国家或企业标准测试。

2 结果与讨论

2.1 1165MP与Effcium白炭黑在高白炭黑胎面配方中小试性能对比

在高白炭黑胎面配方中对1165M P和Efficium白炭黑进行小试对比，试验配方如表3所示。

各方案胶料外观如图1所示（三段胶料指混炼二段，加硫一段；四段胶料指混炼三段，加硫一段）。从图1中可以看出，使用同种白炭黑，随着段数增加，胶料表面变得光滑，胶料破边现象减少；相同混炼段数，Efficium白炭黑胶料表面更加光滑，破边现象更少。表明Efficium白炭黑胶料的加工性能优于1165MP白炭黑的。

表3 1165MP、Effcium白炭黑胶料小试试验配方

图1 1165MP、Effcium白炭黑各方案胶料外观

使用RPA2000在60 ℃、1.67 Hz下进行应变扫描，其0.56%～10%的弹性模量G'的下降值ΔG'表征了橡胶中填料的分散情况。ΔG'的值越小，填料的分散越好[3]。表4是各方案胶料的加工性能数据。由数据可知，混炼相同段数后，Efficium白炭黑胶料的门尼值和ΔG'更低，表明Efficium白炭黑胶料的分散性优于1165MP白炭黑的；Efficium三段方案和1165MP四段方案胶料的门尼值和ΔG'相近，表明为得到相同的加工性能，使用Efficium白炭黑可以减少混炼段数，降低能耗。

由于Efficium三段方案和1165MP四段方案的门尼值和ΔG'差异不大，分散程度相近，因此选取这两组方案作性能对比。

表5是1165MP四段方案和Efficium三段方案的流变数据。由数据可知，两方案胶料的流变性能相近。

表6和表7是1165MP四段方案和Efficium三段方案老化前后的物理性能数据。由数据可知，相比1165MP白炭黑胶料，Efficium白炭黑胶料的定伸应力略有下降；拉伸强度、拉断伸长率略有上升；硬度下降；撕裂强度略有提高。总体来讲，两者物理性能差异不大。

表4 1165MP、Effcium白炭黑胶料小试配方的加工性能数据

表5 1165MP、Effcium胶料小试配方的流变数据

表6 1165MP、Effcium胶料小试配方的物理性能数据

表8是1165MP四段方案和Efficium三段方案动态性能对比数据。根据DMA动态性能结果显示，两者0 ℃下的tan δ数值相近；60 ℃下的tan δ数值，Efficium胶料的较1165MP胶料的下降10%左右。表明使用Efficium高分散白炭黑在减少了一段混炼工艺的情况下，白炭黑分散得更好，轮胎滚动阻力有所下降。

表7 1165MP、Effcium胶料小试配方的老化后物理性能数据

表8 1165MP、Effcium胶料小试配方的动态性能数据

综上所述，Effcium白炭黑的分散性更好，为得到相同的加工性能，使用Efficium高分散白炭黑可以缩减混炼段数，降低能耗。但是由于1.8L小密炼机容量较小，误差较大，且无恒温系统，混炼过程中无法对胶料进行恒温控制，白炭黑胶料无法进行很好的硅烷化反应，对高白炭黑配方胶料结果的影响较大。因此采用带有恒温控制系统的GK320-E550型串联密炼机并联开炼机对Effcium胶料进行了扩试。2.2 1165MP与Effcium白炭黑在高白炭黑配方中的大试性能对比

在高白炭黑配方中对1165MP和Efficium进行大试对比，扩试试验配方如表9所示。

表9 1165MP、Effcium白炭黑胶料大试配方

图2是1165MP和Efficium白炭黑胶料的混炼工艺时间-温度曲线。对比两工艺曲线可知，在相同的工艺条件下，Efficium白炭黑升温更快，可以缩短混炼时间，降低混炼成本。

图2 1165MP、Effcium白炭黑胶料扩试试验混炼工艺曲线

表10是1165MP白炭黑胶料和Efficium白炭黑胶料的加工性能数据。从数据可知，相同工艺条件下，Efficium白炭黑胶料门尼下降得更多，加工性能更好；放置24 h和96 h后，Effcium白炭黑胶料的门尼上升幅度小于1165MP白炭黑胶料的，抗白炭黑聚集性能更好。

表10 1165MP、Efficium白炭黑胶料扩试试验加工性能数据

表11是1165MP白炭黑胶料和Efficium白炭黑胶料流变数据。由数据可知，两方案胶料流变性能相近。

表11 1165MP、Efficium白炭黑胶料扩试试验流变数据

表12和表13是Efficium和1165MP白炭黑胶料老化前后的物理性能数据。由数据可知，相比1165MP白炭黑胶料，Efficium白炭黑胶料硬度较低，拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度略高，回弹性好，其余物理性能差异不大。

表12 1165MP、Effcium白炭黑胶料扩试试验物理性能数据

表13 1165MP、Efficium白炭黑胶料扩试试验老化后物理性能数据

表14是Efficium和1165MP白炭黑胶料动态性能数据。动态性能结果显示，0 ℃下的tan δ数据，Efficium白炭黑胶料较1165MP白炭黑胶料的提高5%；60 ℃下的tan δ数据，Effcium白炭黑胶料较1165MP白炭黑胶料的下降16%左右。表明相比于使用1165MP白炭黑，使用Effcium白炭黑的湿地抓地力和滚动阻力皆有所改善。

表14 1165MP、Effcium白炭黑胶料扩试试验动态性能数据

分别采用1165MP胶料和Efficium胶料试制一批205/55R15规格轮胎，进行轮胎整胎试验，试验结果如表15所示。数据表明Efficium白炭黑胶料的湿地抓地力和滚动阻力皆优于1165MP白炭黑的。

表15 1165MP、Effcium白炭黑胶料整胎机床性能数据

3 结 论

Efficium和1165MP白炭黑外形皆为微珠状，生产输送过程无差异；两者对胶料的补强作用也几乎相同，但是相较于1165MP，Efficium白炭黑的分散性更好，相同工艺条件下胶料的佩恩效应值更低，使得胶料的滚动阻力更低；为得到相同的加工性能，Efficium白炭黑可以缩短混炼段数，从而降低轮胎成本。

参考文献：

[1] Wolff S. Silanes in Tire Compounding after Ten Years—A Review[J]. Tire Sci Technol, 1987(15):276.

[2] 王梦蛟.填料对轮胎抗湿滑性能的影响[J]. 世界橡胶工业, 2013,40(2):1.

[3] Payne A R. Strainwork Dependence of Filler-Loaded Vulcanizates[J]. JAppl Polym Sci, 1964(8):2661.

[责任编辑：朱 胤]

Effcium Silica for High-Performance Green Tires Applications

Wang Danling, Chen Sheng, Shen Guoli, Cheng Qiming
(Zhongce Rubber Group Company Limited, Hangzhou 310018, China)

With the development of Green Tires, the rolling resistance and wet grip of tires become more and more important. It is generally acknowledged, rolling resistance decreases and wet grip increases when the ratio of silica increases in the tread compound. However, polar silica is incompatible with non-polar rubber. Dispersing agent must be put in the recipe and the mixing process need more energy consumption. Compare to the traditional high dispersion silica 1165MP, a new silica Effcium has a better processibility and reduces energy consumption.

Silica; Tread Compound; Processibility; Energy Consumption

TQ 330.38+3

A

1671-8232(2015)12-0021-06

王丹灵（1984—），男，浙江杭州人，硕士，工程师，主要从事半钢子午线轮胎配方及新材料的研发工作。

2016-11-04