巨型工程机械子午线轮胎高强度低生热胎面基部胶配方开发

2020-07-28张恩华

轮胎工业 2020年1期

高利，刘娟，张恩华，曲淼

（三角轮胎股份有限公司，山东威海 264200）

随着全球经济复苏与采矿业发展，大型运输矿用车尤其是载重180 t以上自卸卡车的需求愈发旺盛，轮辋直径为1 448 mm（57英寸）及以上规格的巨型工程机械子午线轮胎也更受青睐，而直径1 448 mm以上的巨型工程机械子午线轮胎是国内品牌面临的技术瓶颈，即便是国外三大品牌产品，其轮胎胎冠刺扎和生热导致的脱层问题也屡见不鲜，影响轮胎的使用寿命[1-3]。

本工作通过分析国外某品牌37.00R57和40.00R57规格巨型工程机械子午线轮胎胎面基部胶物理性能和生热，对现有轮胎胎面基部胶配方进行优化，改进后胶料物理性能达到竞品水平，动态生热明显降低，成品轮胎TKPH（Ton Kilometer per Hour，每小时吨千米）提高13.6%，且耐高温性能明显提升。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），STR20，泰国进口产品；炭黑N330，卡博特化工（天津）有限公司产品。

1.2 主要设备和仪器

GK400型和GK255型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；Roell Z010型拉力机，德国Zwick公司产品；DMTS EPLEXOR 500N型动态热机械分析（DMA）仪，德国GABO公司产品；Dyn THERM HP型热重分析仪，美国TA公司产品；6800型原子吸收光谱仪，日本岛津公司产品；JNMECZR型NMR核磁共振仪，日本电子株式会社产品；BLH-II型橡胶无转子硫化仪，扬州市天发试验机械有限公司产品；TJR-1-OR（Y）型轮胎耐久试验机，天津久荣车轮技术有限公司产品。

1.3 性能测试

胶料含胶率、炭黑和灰分质量分数采用热重分析仪测定；氧化锌质量分数采用原子吸收光谱仪测定；有机硅烷质量分数采用NMR核磁共振仪测定；炭黑类型通过将炭黑提取后进行氮吸附测定。

成品轮胎TKPH按照GB/T 30197—2013《工程机械轮胎作业能力测试方法转鼓法》进行测试，测温孔位置在胎冠中心与胎肩花纹块几何中心，深度约5 mm，位于相应位置最上层带束层表面，测试速度按15，18，21，24，27和30 km·h-1六个阶段进行。

DMA动态生热测试采用拉伸模式，温度扫描范围为0～110 ℃，振幅为5%，频率为10 Hz，升温速率为2 ℃·min-1。其他性能按相应国家标准测试。

2 结果与讨论

2.1 竞品剖析

对国外某公司37.00R57和40.00R57规格巨型工程机械子午线轮胎胎面基部胶进行分析，2个规格轮胎胎面基部胶的密度分别为1.117和1.118 Mg·m-3。配方主要组分分析结果如表1所示，胎面基部胶物理性能测试结果如表2所示。

表1 胎面基部胶组分用量分析结果

表2 胎面基部胶物理性能测试结果

从表1可以看出：2个规格轮胎胎面基部胶配方组成相似，均使用全NR及炭黑/白炭黑补强体系，溶剂抽出物含量仅为4～6份，氧化锌用量约为4.5份，防老剂选择4020与RD并用，均无特别之处；配方炭黑氮吸附值均为75 m2·kg-1左右，判断为高耐磨系列炭黑，这是考虑胶料生热及强度；配方中均使用约10份的白炭黑，同时有质量分数为0.04～0.06的有机硅烷，目的是提高白炭黑在胶料中的分散性，降低胶料生热并提高抗刺扎性能。

从表2可以看出，竞品轮胎基部胶具有高强度、高模量、中等伸长率和低生热特点，配方优化时需要作为重点参照。

2.2 配方开发

试样采用4段工艺混炼，母胶混炼使用GK400型密炼机，终炼胶混炼使用GK255型密炼机。

一段混炼转子转速为52 r·min-1，工艺为：加入生胶、炭黑、氧化锌、硬脂酸和防老剂混炼至135℃，提压砣，继续混炼至155 ℃，排胶。二段混炼转子转速为42 r·min-1，工艺为：加入一段混炼胶、白炭黑、有机硅烷混炼至130 ℃，提压砣，继续混炼至150 ℃，排胶。三段混炼转子转速为35 r·min-1，工艺为：加入二段混炼胶混炼35 s，提压砣，继续混炼至140 ℃，排胶。终炼转子转速为20 r·min-1，工艺为：加入三段混炼胶、硫黄、促进剂和防焦剂，混炼30 s，提压砣，然后继续混炼40 s，提压砣，继续混炼至105 ℃，排胶，总混炼时间为150～165 s。

通过大料试验优选出如下配方：NR 100，炭黑N330 33，白炭黑 10，有机硅烷 1，氧化锌5，硬脂酸 2，防焦剂 CTP 0.3，防老剂4020 2，防老剂RD 1.5，硫黄 1.225，促进剂TBBS 1.35，促进剂DPG-80 0.3。

2.3 半成品性能

优化前后胎面基部胶半成品性能如表3所示。

表3 优化前后胎面基部胶半成品性能

从表3可以看出，优化后胎面基部胶半成品的定伸应力、拉伸强度和回弹性均有所提高，压缩生热降低，60 ℃动态损耗因子由0.105 5降至0.065 5，降低37.9%，胶料硫化速率加快。

2.4 成品胶料性能

成品轮胎胎面基部胶性能如表4所示。

从表4可以看出，优化后胶料300%定伸应力和拉伸强度明显提升，拉断伸长率有所降低，60℃动态损耗因子由0.065 0降至0.047 7，降低了26.6%，优化后成品轮胎基部胶的物理性能和动态生热均达到国外品牌水平。

表4 成品轮胎胎面基部胶性能

2.5 TKPH测试

因40.00R57规格巨型轮胎成本较高，为节约生产成本，TKPH测试选取小规格24.00R35进行对比验证，生产轮胎与试验轮胎分别使用优化前后胎基部胶配方，其他配方和硫化工艺等均相同。表5所示为TKPH测试各速度阶段轮胎平衡后温度，作出TKPH与温度线性回归曲线并计算TKPH数值。

TKPH测试过程中在速度阶段为30 km·h-1时，生产轮胎始终无法达到平衡状态，温度一直处于上升状态，运行8 h后胎冠生热脱层失效，而试验轮胎运行8 h后温度达到稳定的平衡状态，继续按30 km·h-1测试8 h后胎冠脱层失效，说明试验轮胎耐高温性能更为优异。

从表5可以看出，试验轮胎平衡后温度明显降低。对TKPH和平衡后温度作线性回归拟合，得到生产轮胎回归方程为y＝4.622 4x－209.88，试验轮胎回归方程为y＝4.961 5x－209.88。按110 ℃计算成品轮胎TKPH，再按38 ℃环境温度折算后，试验轮胎TKPH为309，生产轮胎TKPH为272，提高了13.6%。