高比表面积白炭黑在轿车子午线轮胎胎面胶中的应用

2021-07-21徐文龙宫亭亭于海洋孙世悦

橡胶科技 2021年1期

徐文龙，宫亭亭，于海洋，孙世悦，徐旗

[浦林成山（山东）轮胎有限公司，山东威海 264300]

白炭黑是橡胶工业重要的补强材料，主要成分为二氧化硅，其多孔、轻质、易飞扬。轮胎行业多使用沉淀法白炭黑，目前白炭黑已发展到第3代产品——高分散性白炭黑[1-3]。自1992年米其林绿色轮胎诞生至今，经过多年的发展，溶聚丁苯橡胶（SSBR）/白炭黑/硅烷偶联剂体系在胎面中广泛使用[4]。2017年以来，国家相继出台《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分平行管理办法》等多项汽车相关政策[5]。在油耗积分合规的促进下，新能源汽车产业发展迅猛，各种节油、节能技术被研发与应用。欧盟于2020年6月5日正式发布的EU2020/740将从2021年5月1日起取代EC1222/2009成为新的轮胎标签法规，我国也在加紧落实轮胎标签等级的相关标准。在这种形势下，高性能白炭黑的研发和应用也显得越来越重要。

20世纪90年代初，法国索尔维集团公司（前罗地亚公司）开发了白炭黑HDS Zeosil 1165MP（简称白炭黑1165MP）。经过几十年的研发和应用，白炭黑1165MP与同类产品的性能潜力得到释放。高用量白炭黑虽然可以提高轮胎的抗湿滑性能，但也会增大轮胎的滚动阻力，降低耐磨性能[6-7]。为平衡白炭黑用量、轮胎抗湿滑性能和滚动阻力的关系，同时提高耐磨性能，CTAB比表面积高达200 m2·g-1的白炭黑越来越受到轮胎行业的重视。

本工作选取一种高比表面积、高分散性白炭黑200MP，与白炭黑1165MP对比，研究其对轿车子午线轮胎胎面胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

SSBR，牌号SLR4602，盛禧奥有限公司产品；钕系顺丁橡胶（NdBR），牌号CB24，阿朗新科高性能弹性体（常州）有限公司产品；乳聚丁苯橡胶（ESBR），牌号1739，充油量为37.5份，普利司通（惠州）合成橡胶有限公司产品；白炭黑1165MP和200MP，国外某公司产品；炭黑N234，金能科技股份有限公司产品；抗湿滑树脂，牌号Sylvatraxx4401，美国科腾公司产品。

1.2 主要设备和仪器

GK1.5N型密炼机，德国克虏伯公司产品；XK-160型实验室开炼机，青岛科高橡塑机械技术装备有限公司产品；MDR2000型无转子硫化仪和MV2000型门尼粘度仪，美国阿尔法科技有限公司产品；DKD-K-16801型自动硬度计，德国博锐公司产品；Eplexor500N型动态热机械分析（DMA）仪，德国GABO公司产品；CMT-4503型电子拉力试验机，深圳新三思材料检测有限公司产品；D-RPA3000型橡胶加工分析（RPA）仪，德国MonTech公司产品。

1.3 配方

采用轿车子午线轮胎胎面胶配方，考察高比表面积白炭黑的影响，配方见表1。

表1 配方份

1.4 试样制备

胶料混炼分3段进行。一段和二段混炼在密炼机中进行。一段混炼密炼机转子转速为75 r·min-1，混炼工艺为：生胶（30 s）→1/2白炭黑和炭黑、偶联剂、硬脂酸、环保芳烃油、抗湿滑树脂（60 s）→剩余1/2白炭黑和炭黑、防老剂、微晶蜡（120 s）→调整转子转速，升温至150～155 ℃（90 s）→排胶。胶料在开炼机上过辊（辊距为3 mm）45 s→下片，停放24 h。

二段混炼密炼机转子转速为70 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶（120 s）→调整转子转速，保持温度为150 ℃（180 s）→排胶。胶料在开炼机上过辊（辊距为4 mm）45 s→下片，停放24 h。

终炼在开炼机上进行，混炼工艺为：二段混炼胶→硫黄和促进剂→混炼均匀→下片。

1.5 性能测试

胶料性能测试按照相应国家标准进行。

2 结果与讨论

2.1 白炭黑的理化性能

两种白炭黑的理化性能对比见表2。

表2 两种白炭黑的理化性能

从表2可以看出，白炭黑200MP的比表面积比1165MP大，水分质量分数小，其他理化性能基本相当。

2.2 混炼胶性能

混炼胶性能见表3。

表3 混炼胶性能

从表3可以看出：当白炭黑品种相同时，用量较大的白炭黑胶料的门尼粘度较高，FL和Fmax较高，t90较长；在相同白炭黑用量下，添加高比表面积白炭黑200MP的胶料门尼粘度较高，FL和Fmax较高，t90较长；这是由于高比表面积白炭黑分散较困难；经计算，配方A和C胶料中的白炭黑200MP的CTAB比表面积相等，添加高比表面积白炭黑200MP的配方C胶料的门尼粘度仍大于配方A胶料；当白炭黑用量相同时，偶联剂用量比例越大，胶料的门尼粘度越小。总的来看，添加高比表面积白炭黑会造成终炼胶的门尼粘度较高，对下道工序加工不利。高比表面积白炭黑还会延迟胶料的硫化速率，在配方设计时，可考虑适当增大促进剂用量。综合分析，可以采用减小高比表面积白炭黑用量、增大偶联剂用量，提高胶料的加工性能。

2.3 物理性能

硫化胶的物理性能见表4。

表4 硫化胶的物理性能

从表4可以看出：在相同白炭黑用量下，添加高比表面积白炭黑胶料的硬度、100%和300%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度较高，补强性能较好；配方A和C胶料的硬度、100%和300%定伸应力、拉伸强度基本相当，说明在等CTAB比表面积下，可以采用用量小、高比表面积的白炭黑替代用量大、低比表面积的白炭黑；增大偶联剂用量对于胶料的硬度、定伸应力、拉伸强度和撕裂强度无明显影响，但胶料拉断伸长率降低。

2.4 RPA分析

胶料的RPA分析结果见表5，测试温度为60℃，频率为1 Hz，G′为储能模量，ΔG′为应变10%的G′与应变100%的G′之差。

表5 胶料的RPA分析结果 kPa

从表5可以看出，采用用量大、高比表面积白炭黑及偶联剂用量小的胶料的ΔG′较大。ΔG′较大，说明高比表面积白炭黑之间的相互作用强，分散困难。分析认为，减小高比表面积白炭黑用量或适当增大偶联剂用量，都有利于改善填料的分散。

2.5 DMA分析

DMA温度扫描可以较好地表征胶料的玻璃化转变温度（Tg）、滚动阻力和抗湿滑性能。通常认为，胶料60 ℃时的损耗因子（tanδ）越小，表明滚动阻力越小；0 ℃时的tanδ越大，表明胶料的抗湿滑性能越好。胶料的DMA分析结果见表6。

表6 胶料的DMA分析结果

从表6可以看出：添加高比表面积白炭黑胶料的Tg较高，这是由于高比表面积白炭黑胶料的填料之间作用较强；tanδ最大值较小，表明高比表面积白炭黑的分散性较差；在相同用量下，高比表面积白炭黑胶料60 ℃时的tanδ较大，表明其生热和滚动阻力较高；增大偶联剂用量可降低60 ℃时的tanδ。总的来看，减小高比表面积白炭黑用量的同时适当增大偶联剂用量，可以达到抗湿滑性能和滚动阻力的平衡。