功能型抗湿滑树脂对轿车子午线轮胎胎面胶“魔三角”性能的优化作用

2021-07-20张建军任会明董兴旺

轮胎工业 2021年5期

张建军，张典，任会明，董兴旺

（中策橡胶集团有限公司，浙江杭州 310018）

抗湿滑性能、滚动阻力和耐磨性能是轮胎的3个主要性能，也称为轮胎胎面胶的“魔三角”性能，它们都与胎面胶的动态性能有很大的相关性[1-2]。胶料60 ℃时的损耗因子（tanδ）越小，表明滚动阻力越低，0 ℃时的tanδ越大，表明抗湿滑性能越好[3-4]。抗湿滑性能和滚动阻力是胎面胶的两个矛盾主体，往往一项性能的提高会损失另一项性能。改性溶聚丁苯橡胶（SSBR）、白炭黑和硅烷偶联剂等的应用使这两项性能同时有较大提高[5]。很多应用机理不同的新型材料也一直在研究开发中，功能型树脂就是其中之一[6-9]。

本工作主要研究不同功能型树脂对轿车子午线轮胎胎面胶动态性能等的影响，验证功能型抗湿滑树脂对胎面胶“魔三角”性能的优化作用。

1 实验

1.1 主要原材料

SSBR1，苯乙烯质量分数为0.33，乙烯基质量分数为0.34，充油量为37.5份，日本旭化成公司产品；非充油改性SSBR2，苯乙烯质量分数为0.21，乙烯基质量分数为0.66，台橡股份有限公司产品；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石油独山子石化公司产品；环保油，牌号V700，德国汉圣化工有限公司产品；白炭黑，牌号1165MP，索尔维罗地亚白炭黑（青岛）有限公司产品；脂肪族C5石油增粘树脂，上海金森石油树脂有限公司产品；环脂二烯类抗撕裂树脂DCPD，艾科普新材料有限公司产品。4个功能型抗湿滑树脂：其中前两个为芳香烃纯单体树脂，也称AMS树脂，牌号Sylvatraxx4401（简称4401），亚利桑那化学有限公司产品；牌号SL6085（简称6085），华奇（张家港）化工有限公司产品；萜烯酚树脂，牌号Sylvatraxx4202（简称4202），亚利桑那化学有限公司产品；改性C5/C9共聚树脂，牌号Oppera PR373（简称373），埃克森美孚化工公司产品。

1.2 试验配方

试验配方见表1。

表1 试验配方份

1.3 主要设备和仪器

PHM-2.2型1.8 L密炼机，璧宏机械工业股份有限公司产品；F370型密炼机，大连橡胶塑料机械股份有限公司产品；GK320-E550串联型密炼机，德国HF股份有限公司产品；M200E型门尼粘度仪，北京友深电子仪器有限公司产品；MDR2000型无转子硫化仪和RPA2000橡胶加工分析仪（RPA），美国阿尔法科技有限公司产品；VR-7120型动态热机械分析（DMA）仪，日本上岛公司产品；TJRRR-PC（Y）滚动阻力试验机，天津久荣工业技术有限公司产品。

1.4 试样制备

（1）小配合试验胶料采用两段混炼工艺。一段混炼在1.8 L密炼机中进行，转子转速为50 r·min-1，生胶先预混30 s→加入炭黑、白炭黑和硅烷偶联剂等→加压升温到115 ℃→提压砣，清扫→再加压到150 ℃→改变转速，在150 ℃下恒温120 s→排胶。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶热炼包辊→加入硫化剂→左右割刀3次→打3个三角包，使硫黄和促进剂混合均匀→打卷通过5次后出片停放。

（2）大配合试验胶料采用两段混炼工艺。一段混炼在GK320-E550串联型密炼机中进行，改变转速，恒温混炼，150 ℃恒温硅烷化180 s。二段混炼在F370型密炼机中进行，转子转速为25 r·min-1，混炼工艺为：加入一段混炼胶和硫黄，加压30 s→提压砣，清扫→加压到105 ℃排胶→双螺杆挤出机出片。

（3）混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为160 ℃×15 min。

1.5 性能测试

DMA分析采用拉伸模式，测试条件：频率 20 Hz，预应变 7%，动应变 0.25%，温度范围－40～80 ℃。

胶料各项性能均按相应的国家标准测试。

2 结果与讨论

2.1 小配合试验

2.1.1 硫化特性

小配合试验胶料的硫化特性见表2。

表2 小配合试验胶料的硫化特性

从表2可以看出：在以12份树脂替代8份环保油中，DCPD树脂胶料的门尼粘度增大，其他树脂胶料的门尼粘度接近或减小；除4202树脂胶料的门尼焦烧时间相当外，其他树脂胶料的门尼焦烧时间略有延长；各树脂胶料的Fmax都略有减小；除DCPD树脂胶料的硫化速度略快外，其他树脂胶料的硫化速度差异不大；随着4401树脂用量的增大，胶料的门尼粘度减小，门尼焦烧时间和t90延长，Fmax减小。

2.1.2 物理性能

小配合试验硫化胶的物理性能见表3。

表3 小配合试验硫化胶的物理性能

从表3可以看出：在以12份树脂替代8份环保油中，C5树脂胶料的硬度最小，其他树脂胶料的硬度相当；各树脂胶料的100%和300%定伸应力减小，特别是4个抗湿滑树脂，理论上较低的定伸应力有利于白炭黑胎面胶与路面的嵌合作用，从而利于提高轮胎的制动性能；各树脂胶料的拉断伸长率均增大，这有利于提高白炭黑胎面胶的抗崩花掉块性能；除DCPD树脂外，其他树脂胶料的拉伸强度均增大；除C5树脂外，其他树脂胶料的耐磨性能均提高，其中4401树脂和6805树脂胶料的耐磨性能较好；随着4401树脂用量的增大，胶料的硬度、定伸应力和回弹值减小，拉断伸长率增大。

2.1.3 RPA分析

炭黑或白炭黑补强硫化胶的弹性模量（G′）随剪切应变增大而减小的现象称为Payne效应，可以反映填料在橡胶中的分散状态。Payne效应通常可用ΔG′（大应变与小应变下的G′之差）表征，ΔG′越小，说明填料的分散性越好，填料的应变剪切摩擦损耗越小。小配合试验胶料的ΔG′如图1所示，本研究ΔG′为应变42%与应变0.56%的G′之差。

图1 小配合试验胶料的ΔG′

从图1可以看出：在以12份树脂替代8份环保油中，除DCPD树脂胶料的ΔG′略有增大外，其他树脂胶料的ΔG′均减小，说明树脂提高了填料的分散性并减小了填料之间的摩擦；随着4401树脂用量的增大，胶料的Payne效应明显减小。

N.VIEUGELS等[10]认为树脂的结构和极性会对橡胶及其与填料之间的相容性产生影响，从而促进胶料的总体分散。

2.1.4 动态力学性能

不同树脂胶料的tanδ与温度的关系曲线如图2—4所示。从图2和3可以看出：与环保油胶料相比，4种抗湿滑树脂胶料在0 ℃时的tanδ明显增大，而60 ℃时的tanδ较为接近，表现出良好的抗湿滑性能与滚动阻力的平衡；抗湿滑树脂4401和6085胶料在60 ℃时的tanδ相对更低，说明AMS树脂的平衡性更好；C5树脂胶料在0和60 ℃时的tanδ同时明显增大，说明C5树脂可以改善抗湿滑性能但会劣化滚动阻力性能；DCPD树脂胶料在60 ℃时的tanδ明显增大，但0 ℃时tanδ没有明显变化，因此该树脂没有改善抗湿滑性能，且劣化了滚动阻力性能，说明其更倾向于提高胶料的抗撕裂性能。

图2 环保油和抗湿滑树脂胶料的tanδ-温度曲线

图3 环保油和3种功能型树脂胶料的tanδ-温度曲线

图4 环保油和不同用量抗湿滑树脂4401胶料的tanδ-温度曲线

从图4可以看出，随着4401树脂用量的增大，胶料在0 ℃时的tanδ增大，而60 ℃时的tanδ基本不变。0 ℃时的tanδ增大是由于抗湿滑树脂提高了胶料的玻璃化温度（Tg），这一点在胎面胶配方设计时需要平衡考虑，Tg偏高不利于轮胎冬季性能。

抗湿滑树脂可以较好地平衡胶料的动态力学性能，分析认为AMS树脂含有甲基苯乙烯，4202树脂具有萜烯结构，373树脂含质量分数约为0.12的芳香烃，这些都与含苯乙烯的SSBR胶料有较好的相容性，这些树脂能够渗透到橡胶大分子链之间，降低了分子链之间的作用力，增大了橡胶分子链的活动能力。而C5树脂是以脂肪族烷烃为主，与含苯乙烯的SSBR的相容性较差，DCPD树脂由于结构复杂且含较高环状立体结构，在SSBR中的分散性较差，影响了橡胶分子运动。树脂与橡胶的相容性好也可以提高胶料的拉伸性能，尤其是胶料的拉断伸长率。

2.2 大配合试验

根据小配合试验结果，明确了抗湿滑树脂在动态力学性能上的优势，尤其以AMS树脂的平衡性最好，而C5树脂和抗撕裂树脂DCPD在动态力学性能上不如环保油，因此大配合试验和成品试验均采用3#配方为试验配方，1#配方为生产配方。大配合试验结果见表4。

从表4可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼焦烧时间延长，硫化速度相当；硫化胶的硬度接近，100%和300%定伸应力略有减小，拉伸强度略有增大，而拉断伸长率明显增大，回弹值减小，耐磨性能提高，Tg升高6 ℃。

大配合试验胶料的G′-应变曲线如图5所示，tanδ和储能模量（E′）与温度的关系曲线分别如图6和7所示。

图5 大配合试验胶料的G′-应变曲线

图6 大配合试验胶料的tanδ-温度曲线

图7 大配合试验胶料的E′-温度曲线

2.3 成品性能

采用试验配方胶料生产205/60R16 RP58轿车子午线轮胎，并进行成品试验。滚动阻力系数按照GB/T 29040—2012测试，抗湿滑性能在第三方实验室南德TUV按照ECE R117法规进行测试，制动速度从80 km·h-1到20 km·h-1；干地制动性能测试条件为：充气压力230 kPa，半载状态，制动速度从100 km·h-1到0 km·h-1。成品轮胎性能测试结果见表5。