胎面胶抗切割性能的研究

2016-05-21赵江华朱健鹏张洪学

弹性体 2016年6期

赵江华，朱健鹏,张洪学

(江苏通用科技股份有限公司研发中心，江苏无锡 214000)

根据轮胎的行驶路面不同，胎面胶对抗切割、抗掉块性能的要求不同。全钢中短途承载轮胎、矿山胎的行驶路面通常为含有沙石的苛刻路面，对胎面胶的抗切割、抗掉块性能要求较高。由于这种路面对胎面有严重的破坏作用，极大地限制了轮胎的使用寿命，因此，研究配方的抗切割性能具有重要意义。

目前，张勋民等[1]报道了N326炭黑替代N234炭黑应用于矿山胎面胶的研究，胶料的拉伸强度、撕裂强度、拉断伸长率以及成品胎的耐久性能有了显著的提升。郭明明等[2]报道了TYC-0500抗撕裂树脂在工程子午胎中的应用，胶料的硬度、拉断伸长率和耐切割性能明显地提升。王虎等[3]通过在配方中增加丁苯橡胶并用量，采用N231炭黑替代N220炭黑提高了胶料的抗掉块、抗崩花性能，延长了轮胎的使用寿命。李克萌等[4]通过增大配方中白炭黑用量、减少Si69含量，提高胶料的硬度、定伸应力以及抗掉块性。值得注意的是，到目前为止，没有系统地从生胶体系、填料体系、硫化体系等方面研究并解释胎面胶抗切割性能的报道。

胎面胶的抗切割性能属于高分子材料抗冲击破坏性能[5-8]。高分子材料的冲击破坏包含两个过程：裂纹引发阶段和裂纹扩展阶段。裂纹引发能与高分子材料的主价键力、内聚强度、疲劳性能相关，裂纹扩展能与高分子材料的结晶、裂纹尖端塑弹形变相关。因此，凡是能够影响高分子材料引发能和扩展能的因素都会影响胎面胶的抗切割性能。

本文从配方设计的角度系统地研究了生胶体系、填料体系、树脂以及硫化体系对胶料抗切割以及其它物理、机械加工性能的影响，对于未来抗掉块配方设计具有铺垫作用。

1 实验部分

1.1 原料

天然橡胶：泰国小烟片；丁苯橡胶1502：中国石化上海高桥分公司；顺丁橡胶 BR9000：上海雪标公司；RT260树脂:台州黄岩东海化工有限公司；白炭黑：山东联科公司；N330、N234、N115炭黑:卡博特公司；Si69、防老剂、氧化锌、硬脂酸、促进剂NS、硫黄等均为市售工业品。

1.2 仪器设备

双辊开炼机：D160×320，无锡后宅振兴机械有限公司；小型密炼机：1.5 L，利拿机械厂；平板硫化机：湖州顺力橡胶机械有限公司；DIN/Akron磨耗机：高铁公司；拉伸实验机：英斯特朗有限公司；门尼/流变/橡胶加工分析仪：美国Alpha技术公司； RCC-I型动态试验切割机：北京万汇一方科技发展公司。

1.3 试样制备

所有配方的基本性能评价均按照国标制备试样，具体配方见表1、表3、表5、表7。所有配方均采用一段混炼法完成。按照配方要求，将橡胶、填料、小料等依次放入小型密炼机中，炼胶10 min，155 ℃排胶，得到母胶。将母胶放入辊温为(75±5)℃的开炼机上并加入硫化体系粉料，薄通6次，打三角包6次下片并控制厚度为4 mm，得到混炼胶。混炼胶的硫化条件为151 ℃×35 min。

1.4 性能测试

混炼胶的硫化特性根据GB/T 16584—1996进行评价；门尼黏度按GB/T 1232—2000测定；焦烧硫化特性按GB/T 1233—2008测定；拉伸性能按GB/T528—92测定；邵尔A 型硬度按GB/T 531—92测定；撕裂性能采用直角形试样按GB/T 529—2008测定；回弹性按GB/T 1681—2008测定；Akron磨耗性能按GB/T 1689—2014测定；DIN磨耗按GB/T 9867—2008测定。

2 结果与讨论

2.1 橡胶种类对切割性能的影响

为了研究橡胶种类对胎面胶抗切割性能的影响，分别设计了含有天然橡胶、丁苯橡胶、天然/顺丁橡胶并用的三个配方，如表1所示。同时对其物理、机械加工性能进行了测试，实验结果如表2所示。从表2可以看出，与1#配方相比，2#配方的体积切割量降低了一半左右，说明丁苯橡胶的耐切割性能、拉断伸长率显著优于天然橡胶。其主要的原因是与天然橡胶相比，丁苯橡胶的主价键力强，链段滞后损失大、耐疲劳性好，能够通过内摩擦以生热的形式缓解应力对材料的破坏。值得注意的是，与1#天然橡胶配方相比，基于丁苯橡胶2#配方的耐磨性更为优秀。高分子材料的耐磨性也属于材料的破坏，只是破坏的方式不同。与天然橡胶配方相比，丁苯橡胶链段内摩擦大、内聚强度高，能够抑制裂纹的形成。此外，苯乙烯基团提高了主链的强度，又能够稳定热氧、力化学反应造成的自由基连锁反应，减少材料力化学破坏速度。与1#配方相比，3#配方的抗切割能力显著下降。说明顺丁橡胶的加入显著地降低了胶料的抗切割能力，其原因是顺丁橡胶分子链柔顺，分子内聚强度低，不能有效地分散应力，而天然橡胶的拉伸结晶作用对抑制裂口增长有重要贡献。

表1 含不同橡胶种类的耐切割配方(质量份)

表2 1#～3#胶料的物理机械性能1)

1) 硫化条件为151 ℃×35 min。

2.2 填料类型对切割性能的影响

高分子材料通过增韧改性能够显著提高抗冲击破坏性能。轮胎胶料中最常用的填料就是炭黑和白炭黑。炭黑按照结构性和比表面积不同补强性能不同。如表3所示，设计了含有炭黑N330、N234、N115以及N234和白炭黑并用的配方，并对其物理、机械加工性能进行了测试。结果表明，随着炭黑比表面积和结构度的增加，胶料的抗切割性能逐渐增加。此外，胶料的生热、拉伸、撕裂性能等都有不同程度的增加。炭黑比表面积和结构度的增加能够增加结合橡胶的含量，提高补强性能。受到周期性冲击变形时，橡胶基体、填料之间以及屈服形变吸收大量变形能。炭黑横跨在剪切带上能够起到传递、分散应力、终止裂纹扩展的作用，补强效果越好，这种作用越突出。值得注意的是，与1#配方相比，6#配方并用白炭黑后，拉伸强度、拉断伸长率都有所下滑，但抗切割性能显著提升。并用白炭黑提高抗切割性能的原因是与炭黑相比，白炭黑表面能高，变形过程中能够消耗更多的变形能，抑制裂口的增长。

表3 含不同种类填料的胶料配方(质量份)

表4 含不同填料种类胶料的物理机械性能1)

1) 硫化条件为151 ℃×35 min。

2.3 抗裂口树脂对抗切割性能的影响

为了研究抗裂口树脂对胶料抗切割性能的影响，设计了7#、8#配方，如表5所示，测试结果如表6所示。抗裂口树脂是一种能够显著增加胶料韧性的环戊二烯衍生物。该类材料能够提高胶料韧性的原因是树脂在应力作用下的塑性流动，与橡胶、填料黏结在一起，起到分散应力、抑制裂口形成与扩张的作用。与含有1份抗裂口树脂的1#配方相比，不含有该树脂的7#配方抗切割性能显著下降。从表6可以发现，抗裂口树脂的加入降低了胶料的硬度、300%定伸应力。而磨耗量则有一定程度的增加，原因是树脂的增塑作用降低了橡胶分子的内聚强度，导致胶料耐磨性的下降。与1#配方相比，8#配方的耐切割性能有了小幅度的提升，其它物理机械性能没有显著的变化。

表5 不同含量抗裂口树脂的胶料配方(质量份)

表6 不同含量抗裂口树脂的胶料物理机械性能1)

1) 硫化条件为151 ℃×35 min。

2.4 硫化体系对抗切割性能的影响

为了研究硫化体系对胶料抗切割性能的影响，设计了9#～11#配方，如表7所示，测试结果如表8所示。硫化体系与交联密度、交联键类型直接相关。交联密度和交联键类型决定了高分子材料的脆韧类型。通常采用破坏能来描述高分子材料破坏时吸收能量大小。与1#配方相比，9#配方的硬度、300%定伸应力显著地降低。胶料的拉断伸长率的增加表明胶料的韧性有了一定程度的提升，胶料韧性的提高有利于抗切割性能的提升。促进剂用量由1.5份降低为1份时，硫化胶的多硫键含量增加，交联密度可能会有一定程度的降低。多硫键含量的增加能够更好地分散冲击能量，抑制裂口的形成和增长。与1#配方相比，10#配方的硫黄量由1.0份降低到0.8份，其切割量由5.9%降低到4.65%，而其它性能没有显著变化。原因是硫黄量的减少造成交联密度的降低，交联密度的降低能够减少应力集中对材料破坏。此外，11#配方的实验结果进一步支持了该推断。