改性凯孚碳素在工程机械轮胎胎体帘布胶中的应用

翁国文，杨 柳，徐明政，陈忠生，韦邦风

（1.徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140；2.江苏凯孚碳素科技有限公司，江苏 徐州 221000；3.徐州徐轮橡胶有限公司，江苏 徐州 221000）

凯孚碳素是一种干燥精细层片状结构的粉体，粒度在8.8 μm以上，由低挥发沥青质煤炭制造而成，制造方法主要有干法和湿法2种。凯孚碳素可以明显提高胶料的气密性。像其他填料一样[1]，凯孚碳素可用表面活性剂、偶联剂等进行改性，改性凯孚碳素具有较好的补强性能，可部分替代炭黑N660或炭黑N770系列。改性凯孚碳素是一种低密度（密度小于1.08 Mg·m-3）填料，其密度比炭黑（密度为1.80 Mg·m-3）和轻质碳酸钙、高岭土等无机填料（密度为2.6～2.8 Mg·m-3）小，有利于降低胶料体积成本。改性凯孚碳素中含有质量分数为0.2左右的特性油物质（非芳烃油），该特性油物质可以起到分散剂的作用，有助于改性凯孚碳素在胶料中的分散，同时可以缩短混炼时间。

本工作主要研究改性凯孚碳素在工程机械轮胎胎体帘布胶中的应用情况。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号SCR5，海南省农垦投资控股集团有限公司产品；炭黑N660和N774，上海卡博特化工有限公司产品；改性凯孚碳素，江苏凯孚碳素科技有限公司产品。

1.2 试验配方

选择工程机械轮胎胎体帘布胶配方为基础试验配方，配方组分及用量为NR 100，炭黑N330 20，氧化锌 5，硬脂酸 1.5，防老剂RD 1，防老剂4010NA 1，松香油 7，古马隆树脂 4，促进剂CBS 0.9，促进剂TMTD 0.05，硫黄 2.4，试验填料（变品种）20。

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机，无锡市第一橡塑机械有限公司产品；YXE-25D型平板硫化机，上海西玛伟力橡塑机械有限公司产品；GT-M2000A型无转子硫化仪、GT-7080-S2型门尼粘度计、GT-7017型老化试验箱、RH-2000N型压缩生热机和GT-7042-RE型弹性冲击试验仪，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品。

1.4 性能测试

按照GB/T 1232.1—2016测定胶料门尼粘度，按照GB/T 16584—1996测定胶料硫化曲线，按 照GB/T 531.1—2008 测定胶料邵尔A型硬度，按照GB/T 528—2009测定胶料拉伸性能，按照GB/T 529—2008测定胶料抗撕裂性能，按照GB/T 1681—2009测定胶料冲击弹性，按照GB/T 1687.3—2016测定胶料压缩疲劳温升，按照GB/T 3512—2014测定胶料耐老化性能。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

考察干法和湿法改性凯孚碳素、炭黑N660、炭黑N774和炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用（并用比为1/1，后表中简称炭黑/碳素并用）在工程机械轮胎胎体帘布胶中的应用，在143 ℃下测定胶料硫化特性。填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶硫化特性的影响如表1所示。

从表1可以看出：湿法改性凯孚碳素填充胶料的FL和Fmax比干法改性凯孚碳素填充胶料大，表明湿法改性凯孚碳素结构性略高、粒径略小，但无论是干法还是湿法改性凯孚碳素填充胶料的FL和Fmax均小于炭黑N660和炭黑N774填充胶料，这与改性凯孚碳素在结构性和表面活性方面不如炭黑N660和炭黑N774有关；4种胶料的t10和t90基本相近，说明改性凯孚碳素对胶料的焦烧特性和硫化速率影响不大；炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的硫化特性介于两并用组分分别填充胶料之间。

表1 填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶硫化特性的影响

2.2 物理性能

填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶物理性能的影响如表2所示。

表2 填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶物理性能的影响

从表2可以看出：湿法改性凯孚碳素填充胶料的拉伸强度比干法改性凯孚碳素填充胶料略高一些，但均比炭黑N774填充胶料略小，炭黑N660填充胶料的拉伸强度最大，补强效果最好；改性凯孚碳素填充胶料的拉断伸长率比炭黑填充胶料大，拉断永久变形比炭黑填充胶料小；炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的拉伸性能基本介于两并用组分分别填充胶料之间；改性凯孚碳素填充胶料的回弹值比炭黑N660填充胶料大，但比炭黑N774填充胶料小。综上所述，炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的物理性能与炭黑N774填充胶料相近，炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用可以完全替代或部分替代炭黑N774。

从表2还可以看出，改性凯孚碳素填充胶料的密度比炭黑填充胶料小，可降低胶料体积成本，具有较好的经济效益。

2.3 耐老化性能

填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶耐老化（100 ℃×24 h）性能的影响如表3所示。

从表3可以看出：热老化后改性凯孚碳素填充胶料的定伸应力和拉伸强度不如炭黑N660和炭黑N774填充胶料，拉断伸长率大于炭黑填充胶料，炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的耐老化性能介于炭黑填充胶料和改性凯孚碳素填充胶料之间。几种填料填充胶料老化后的性能变化趋势相同，老化类型为结构化老化，表现为硬度和拉伸强度增大，拉断伸长率下降；湿法改性凯孚碳素填充胶料的耐老化性能稍好于干法改性凯孚碳素填充胶料，这与湿法改性凯孚碳素中杂质含量小有关。炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的耐老化性能接近炭黑N774填充胶料。

表3 填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶耐老化性能的影响

2.4 压缩生热性能

压缩生热性能是轮胎胎体帘布胶的一个重要性能指标[2-4]，填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶压缩生热性能的影响如表4所示。

表4 填料及组合对工程机械轮胎胎体帘布胶压缩生热性能的影响 °C

从表4可以得出，干法改性凯孚碳素和湿法改性凯孚碳素填充胶料的温升比炭黑N660和炭黑N774填充胶料小，其中干法改性凯孚碳素填充胶料的温升最小，炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的温升基本与炭黑N774填充胶料相近。

2.5 应用试验

采用某工厂中工程机械轮胎胎体帘布胶配方为原配方，配方组分及用量为NR 100，炭黑N330

15，炭黑N774 35，氧化锌 5，硬脂酸 1，增粘剂BN 1，防老剂RD 4，防老剂4010NA 1.5，松焦油 7，硫黄 2.4，促进剂CBS 0.9，促进剂TMTD 0.05。试验配方采用炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用（并用比为1/1）等量完全替代原配方中的炭黑N774。

胶料性能对比如表5所示。

表5 胶料性能对比

从表5可以看出，试验配方胶料的性能比原配方胶料略低，但基本接近，且符合企业的控制指标要求。

3 结论

（1）改性凯孚碳素填充胶料的硫化特性中FL和Fmax都小于炭黑N660和炭黑N774填充胶料，t10和t90基本相近。

（2）改性凯孚碳素填充胶料的拉伸强度比炭黑N660填充胶料小，与炭黑N774填充胶料相近，拉断伸长率大，拉断永久变形小。

（3）炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用填充胶料的性能与炭黑N774填充胶料基本相同。

（4）湿法改性凯孚碳素填充胶料的物理性能和耐老化性能比干法改性凯孚碳素填充胶料略好。

（5）改性凯孚碳素填充胶料的压缩疲劳温升比炭黑N660和炭黑N774填充胶料小。

（6）改性凯孚碳素填充胶料的密度比炭黑填充胶料小。

（7）改性凯孚碳素填充胶料的弹性比炭黑N660填充胶料好。

（8）采用炭黑N660/干法改性凯孚碳素并用（并用比为1/1）等量完全替代工程机械轮胎胎体帘布胶原生产配方中的炭黑N774，胶料的性能与原配方胶料基本接近，且符合企业的控制指标。