白炭黑分散剂FNS-22W在半钢子午线轮胎胎面胶中的应用

孙茂忠，李红卫，刘华侨，朱家顺

[特拓（青岛）轮胎技术有限公司，山东 青岛 266061]

随着欧盟标签法的实施，绿色轮胎的概念逐渐普及[1]。白炭黑是制造绿色轮胎的主要原材料之一，其与溶聚丁苯橡胶（SSBR）配合生产的胎面胶具有较好的抗湿滑性能和较低的滚动阻力[2]。白炭黑粒径小，表面有大量硅羟基基团，极性强，易团聚，因而增大了炼胶难度，胶料需要多段混炼，耗能高。白炭黑分散剂主要由锌皂、酯类和表面活性剂等制备而成，具有良好的润滑作用，有助于提高胶料的流动性[3-5]。加入白炭黑分散剂，可以大大提高混炼效率，降低胶料门尼粘度，有利于胶料的挤出加工。

本工作主要研究白炭黑分散剂FNS-22W在半钢子午线轮胎胎面胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号STR20，泰国产品；SSBR，牌号2557，充油37.5份，中国石油独山子石化公司产品；炭黑N234，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；白炭黑，牌号115，确成硅化学有限公司产品；环保油，牌号V500，德国汉圣化工集团产品；白炭黑分散剂，牌号FNS-22W，青岛福诺化工有限公司产品。

1.2 试验配方

1#配方：NR 35，SSBR 89.38，炭黑N234 20，白炭黑 65，环保油 13，硫化体系 3.6，其他 21.4。

2#和3#配方是在1#配方的基础上分别加入2和3份白炭黑分散剂FNS-22W。

1.3 主要设备和仪器

BB430型密炼机，日本神户制钢公司产品；MV-3000型门尼粘度计、M-3000AS型流变仪、AI-7000M型拉力机和RH-000型压缩生热测试仪，高特威尔检测仪器有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析（RPA）仪，美国阿尔法科技有限公司产品；150N型动态力学性能分析（DMA）仪，德国高宝公司产品；VMA2000型胶料流动性分析仪，特拓（青岛）轮胎技术有限公司产品。

1.4 混炼工艺

母胶和终炼胶均采用BB430型密炼机进行混炼。1#配方母胶采用三段混炼工艺，其中第3段为返炼；2#和3#配方母胶仅采用前两段混炼工艺；3种配方胶料的终炼工艺均相同，即加入硫化剂和促进剂。

一段混炼工艺为：加生胶、除氧化锌外的小料、白炭黑和1/2炭黑N234，转子转速为55 r·min-1，压砣压力为0.6 MPa，压压砣保持22 s→加环保油，转子转速为45 r·min-1，压压砣保持20 s至温度达到122 ℃→提压砣，清扫，转子转速为20 r·min-1，压压砣保持15 s→提压砣，清扫，转子转速为20 r·min-1，压砣压力降至0.4 MPa，压压砣保持15 s→提压砣，清扫→压压砣进入恒温炼胶，温度为150 ℃，时间为30 s→排胶（150 ℃）。

二段混炼工艺为：加一段混炼胶和氧化锌，转子转速为45 r·min-1，压砣压力为0.5 MPa，压压砣保持15 s→加剩余炭黑N234，转子转速为40 r·min-1，压压砣保持15 s→提压砣，清扫→压压砣保持10 s→排胶（142 ℃）。

1.5 性能测试

（1）物理性能。各项性能均按相应的国家标准测试，其中压缩生热的测试条件为：冲程（4.45±0.03）mm，负荷（1.00±0.06）MPa，温度（55±1）℃。

（2）加工性能。采用RPA仪进行应变扫描，测试条件为：频率 1 Hz，温度 60 ℃，应变范围0.28%～40%。

（3）流动性。通过等体积取样装置获得相同体积的试样，采用胶料流动性分析仪测定试样在恒定的时间、温度和压力下通过一个固定口模挤出的体积量，其值越大，胶料的流动性越好。由于测试模腔的截面积恒定，活塞的位移量与流动性正相关，为方便工程应用，直接将活塞位移量每0.01 mm定为1个流动值。

（4）动态力学性能。采用DMA仪进行温度扫描，测试条件为：温度范围－65～65 ℃，升温速率 2 ℃·min-1，频率 10 Hz，静态形变 7%，动态形变 0.25%。

2 结果与讨论

2.1 混炼工艺性能

1#—3#配方胶料的一段混炼曲线见图1—3。

从图1—3可以看出，在相同的工艺条件下，加入白炭黑分散剂FNS-22W的胶料混炼功率（电流）明显降低，升温速度变慢，在最后的恒温混炼阶段密炼机自动提高转速（功率上升）才能达到设定的排胶温度。说明白炭黑分散剂FNS-22W具有较好的内润滑作用，降低了混炼过程中的生热。

图1 1#配方胶料的一段混炼曲线

图2 2#配方胶料的一段混炼曲线

图3 3#配方胶料的一段混炼曲线

2.2 硫化特性

白炭黑分散剂FNS-22W对胶料硫化特性的影响如表1所示。

从表1可以看出，与未加白炭黑分散剂的胶料相比，添加白炭黑分散剂FNS-22W的胶料门尼粘降低。据此推断白炭黑分散剂FNS-22W具有一定的内润滑作用，可以显著降低胶料的门尼粘度，减少1段混炼工艺即可达到标准的粘度要求。

表1 白炭黑分散剂FNS-22W对胶料硫化特性的影响

从表1还可以看出，添加白炭黑分散剂FNS-22W的胶料的t10缩短，即起硫点提前，因此胶料的门尼焦烧时间有所缩短，而t90变化不大。

2.3 物理性能

白炭黑分散剂FNS-22W对硫化胶物理性能的影响如表2所示。

表2 白炭黑分散剂FNS-22W对硫化胶物理性能的影响

从表2可以看出，与未加白炭黑分散剂的胶料相比，添加白炭黑分散剂FNS-22W的胶料的300%定伸应力和拉伸强度稍有下降，降幅在正常波动范围内，其他性能相近，说明白炭黑分散剂FNS-22W对硫化胶的物理性能影响较小。

2.4 RPA分析

Payne效应表征填料-填料网络结构的相互作用，在循环应力或应变作用下，填料网络的破坏方式及外部反应程度直接表征填料的分散程度，在应力或应变循环作用过程中打破填料间的相互作用，剪切储能模量（G′）降低即为Payne效应。填料分散越好，Payne效应越低。

胶料的G′与应变的关系曲线如图4所示。

图4 胶料的G′-应变曲线

从图4可以看出，添加白炭黑分散剂FNS-22W的胶料Payne效应略大于未添加白炭黑分散剂的胶料，这是因为白炭黑分散剂FNS-22W在门尼粘度降低上属于内润滑作用，在胶料加工或门尼粘度测试中加工流动性较好，但填料分散性仍不如采用更多段混炼工艺的胶料。

2.5 流动性

1#—3#配方胶料的流动值分别为197，200和207。可以看出，添加白炭黑分散剂FNS-22W的胶料初始流动性优于未加白炭黑分散剂的胶料，在特定温度及压力作用下单位时间的胶料流动挤出量较大。因此，在缩减了1段混炼工艺的条件下，仍能满足胎面挤出的工业化性能要求。

2.6 动态力学性能

对于轿车子午线轮胎胎面胶，其抗湿滑性能和滚动阻力是两个重要的动态力学性能。通常以0 ℃时的损耗因子（tanδ）表征抗湿滑性能，其值越大，胶料的抗湿滑性能越好；而以60 ℃时的tanδ表征滚动阻力，其值越小，胶料的滚动阻力越低[6]。

胶料的储能模量（E′）和tanδ与温度的关系曲线分别如图5和6所示，动态力学性能见表3，表中Tg为玻璃化温度。

从图5和6可以看出，3种配方胶料的DMA曲线差别较小。

图5 胶料的E′-温度曲线

从表3可以看出：加入白炭黑分散剂FNS-22W的胶料的Tg下降2 ℃，这是因为白炭黑分散剂FNS-22W的内润滑作用提高了分子链的柔顺性；0℃时的tanδ相当，即胶料的抗湿滑性能相当；60 ℃时的tanδ有所减小，胶料的滚动阻力降低。

表3 胶料的动态力学性能

图6 胶料的tan δ-温度曲线

2.7 成本分析

按照工厂年产胎面质量为2.6 kg的300万条单胎核算，每年可节约胶料7 800 t，胶料成本按300元·t-1核算，可直接节约胶料成本约234万元。

3 结论

在半钢子午线轮胎胎面胶中加入2或3份白炭黑分散剂FNS-22W，胶料的门尼粘度减小，门尼焦烧时间缩短，t90变化不大，流动性提高；硫化胶的物理性能和抗湿滑性能变化不大，滚动阻力降低；同时因减少了1段混炼工艺，能耗可大幅降低且可节约胶料加工成本，经济效益明显。