用于提高卡车轮胎耐磨性的窄聚集体尺寸分布炭黑

殷 茜, 张兰波 编译

（中国石油兰州化工研究中心, 甘肃 兰州 730060）

用于提高卡车轮胎耐磨性的窄聚集体尺寸分布炭黑

殷 茜, 张兰波 编译

（中国石油兰州化工研究中心, 甘肃 兰州 730060）

采用炭黑制备新技术制备了卡车轮胎用窄聚集体尺寸分布（ASD）炭黑，并与目前ASTM标准炭黑N134进行了对比。结果表明，与N134炭黑相比，含窄ASD炭黑胶料制备的轮胎胎面胶，在保持滚动阻力基本不变的情况下，耐磨性能提高了8%，它是滚动阻力和耐磨性能达到平衡的卡车轮胎用理想增强剂。

炭黑；胎面胶；耐磨性能；聚集体尺寸分布

0 前 言

炭黑是卡车轮胎最重要的一种增强填料。为了满足轮胎的耐磨性需求，研究人员已研发出很多牌号的炭黑（如图1所示）。过去用于提高卡车轮胎耐磨性能的方法是加入高比表面积炭黑。然而，炭黑的比表面积越大，就越难达到好的分散效果。当炭黑的比表面积增大到一定程度时，轮胎的耐磨性能就不能进一步提高。以ASTM标准炭黑N134为例，其用于轮胎时，轮胎的耐磨性能在达到最大值后开始下降。此外，随着炭黑比表面积的增大，出现了显著的填料-填料网络结构，这会对橡胶的滞后作用产生不利影响。虽然生产商能够生产出较细粒子的炭黑，但较细的炭黑难以达到适度的分散及增加滞后作用，因而将其用于卡车轮胎并无实际的益处。

新的目标是在保持胎面胶滞后水平和加工性能的基础上，通过调整炭黑的形态以达到显著提高胎面胶耐磨性能的目的。保持参比炭黑特有的比表面积水平，以聚集体尺寸分布（ASD）为指标制备炭黑。为了生产窄ASD炭黑，通过采用现代计算机模拟技术，研发出了高难度的炭黑生产技术，生产窄ASD炭黑。以下将集中介绍采用这些新技术研制出新炭黑牌号EB262对卡车轮胎性能的影响。

图1 炭黑的比表面积对胎面胶磨损率的影响

1 窄ASD炭黑

表1列出了N134炭黑和EB262炭黑主要性能的对比。可以看出，两种炭黑具有相同的比表面积和相似的结构水平，但窄ASD牌号炭黑的着色性明显增大，而着色性在轮胎工业中常被用于表征耐磨性能。着色性由特定的ASD差异所造成。

表1 EВ 262炭黑和N134炭黑的主要性能对比

图2 EВ262和N134炭黑的АSD

图2示出了两种炭黑的ASD。可以看出，窄ASD的EB 262在STSA和COAN恒定的条件下，中等尺寸聚集体增多，大尺寸和非常小尺寸的聚集体明显减少。尤其是小尺寸的炭黑聚集体在工业规模的混炼中很难分散，经常会成为大的炭黑团聚体，与大的炭黑团聚体一样都对橡胶增强没有贡献，而提高材料的耐磨性能只能通过使小炭黑聚集体更好地分散来实现。

2 窄ASD对橡胶性能的影响

当高比表面积炭黑用于卡车轮胎胎面胶时，其ASD曲线对橡胶的最终性能有很大影响。由于炭黑的分散效果对材料的耐磨性至关重要，目前的研究开始更多地关注于炭黑的分散混炼工艺。现有橡胶密炼机的主要区别在于转子的形状和尺寸。市场上有切向式（N型）和啮合式（E型）两种密炼机。N型密炼机具有价格低廉和产量高的特点，使其成为轮胎工业炭黑混炼的先进设备。相比之下，E型密炼机混炼技术则多用于客车轮胎胎面胶硅-硅烷体系的混炼，其较高的冷却能力使其可精确地控制所需的硅烷化反应。在相同的混炼条件下，E型密炼机能使N220系列炭黑具有更好的分散性能。在对高比表面积的N134炭黑及EB262炭黑分别所做的密炼研究，证实了这一相关性的正确性。这一研究结果可用于密炼周期的优化，以进一步评估窄ASD炭黑。

在容积为1.5 L、转子为交叉式实验室型E型密炼机上（GK1.5E）进行新型窄ASD炭黑的性能试验。在天然橡胶卡车轮胎配方中加入52份炭黑（见表2）。采用两步法进行混合，炭黑在第1阶段混炼中分2次加入。炭黑聚集体的分散状态可以通过每次混炼阶段后刀片切成样品的表面形状测量来表征。该方法是基于含未分散炭黑聚集体橡胶的模量高于炭黑聚集体分散均匀的橡胶的模量这一事实。生成胶料表面的粗糙度与其下的炭黑分散直接相关。根据总缺陷面积，评估出具有2～30 µm高的缺陷面积，表3列出了相应的橡胶性能对比。可以看出，橡胶混炼胶中总缺陷面积低于2%，表明聚集体的分散效果优异。值得注意的是，窄ASD牌号的炭黑都具有较低的表面形状测量平均值，因而在相同的密炼条件下具有更高的分散性。就橡胶的静态和动态性能而言，则表现出很大的差异。较高的模量和动态刚度表明橡胶已获得较高的补强作用。但是较高的模量，并未伴随应变行为的大幅降低或较高的滞后损失。无论是拉断伸长率还是损耗因子（tan δ）均处在相同的水平。可以看出，与通用的ASTM标准N134炭黑相比，窄ASD的EB262炭黑制得的橡胶产品具有优异的综合性能，在保持滚动阻力恒定的情况下，可改善卡车胎面胶胶料的耐磨性能。

耐磨性能根据ISO 23233标准采用LAT100磨耗试验机在实验室中进行测试。在严格的条件下，耐磨性提高了7%～11%（平均提高为8%）。为了证实实验室的数据，将翻新后的卡车轮胎安装在驱动轴上进行了轮胎磨损测试。在运行60 000 km后，轮胎的耐磨性能提高了9%，而在测试鼓上测得的滚动阻力值基本保持不变（如图3所示）。

表2 天然橡胶新型胎面胶配方

表3 含N134炭黑和EВ262炭黑轮胎胎面胶性能对比

3 结 语[1]

结果表明，与通用的ASTM标准N134炭黑相比，采用新技术研制的EB262炭黑具有窄的ASD，其可显著提高轮胎的耐磨性能。关于对炭黑分散性影响的设想由填充橡胶数据、实验室耐磨数据以及轮胎测试结果所证实。在保持拉断伸长率、滞后作用不变的情况下，动态刚度和300%定伸应力增大，这就是窄ASD炭黑的主要作用。EB262炭黑具有高耐磨损性能，而对轮胎的滚动阻力并不产生影响的一种炭黑牌号。

理想的卡车轮胎需要同时具有低滚动阻力和高耐磨性能。目前标准ASTM炭黑等级不能同时兼顾两种性能，无论是优化滚动阻力还是优化耐磨性能，均以损失其他一些关键性能为代价（如图4所示）。

图3 长期使用后轮胎性能测试结果(驱动轴)

图4 窄АSD炭黑是平衡卡车轮胎性能的较优选择

相比而言，由于窄ASD炭黑可以增强橡胶，不固定比表面积范围，因而窄ASD炭黑被当作减小性能损失的一种方案。低比表面积炭黑(如比表面积和结构与N234炭黑相似的EB237)除了具有最好的耐磨性能（如EB262），还具有低滚动阻力和高耐磨性能之间的平衡。

[1] Florian Diehl, Werner Niedermeier, Lin Bradley. Narrow Aggregate Size Distribution Blacks for Wear Improvement of Truck Tires[J]. Rubber World,2016,253(5):34-36.

[责任编辑：翁小兵]

TQ 330.38+1

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1671-8232(2017)02-0005-03

2016-10-20

殷茜（1972— ），女，江苏镇江人，硕士，高工，主要从事石油化工编辑工作。