全钢工程机械子午线轮胎胎面胶配方的优化

王晓雷，王 坤，张明香

[双钱集团（新疆）昆仑轮胎有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400]

据统计，中国市场轿车轮胎子午化率已达100%，载重轮胎子午化率为70%～80%，而工程机械轮胎子午化率仅为4%左右，相比欧美国家50%～70%的工程机械轮胎子午化率，中国工程机械子午线轮胎拥有广阔的市场前景[1-3]。工程机械子午线轮胎主要用于井下、矿山等恶劣路面环境下使用的铲运车和自卸车[4-7]。由于路面条件苛刻、车辆载荷量大且连续作业等使用条件，因此要求工程机械子午线轮胎胎面胶具有良好的耐热、耐疲劳、耐老化、抗切割和抗崩花掉块性能[8-10]。

我公司于2019年年底成功开发了14.00R20全钢工程机械子午线轮胎，经过2020年上半年的市场验证，使用40 d后胎面崩花掉块严重（见图1），大大缩短了轮胎的使用寿命。本工作对全钢工程机械子午线轮胎胎面胶的配方进行优化，通过增大丁苯橡胶（SBR）用量，减小天然橡胶（NR）用量，同时调整硫化体系，最终解决了胎面崩花掉块问题，从而延长了轮胎的使用寿命。

图1 使用40 d后的全钢工程机械子午线轮胎胎面

1 实验

1.1 主要原材料

NR，STR20复合胶，市售工业品；SBR，牌号1500E，中国石油兰州石化公司产品；炭黑N234和N326，新疆峻新化工有限公司产品；白炭黑，牌号975MP，无锡恒亨白炭黑有限公司产品；氧化锌，新疆科库金属有限公司产品；芳烃油，新疆金雪驰科技股份有限公司产品。

1.2 配方

全钢工程机械子午线轮胎胎面胶配方见表1。

表1 全钢工程机械子午线轮胎胎面胶配方 份

1.3 主要设备和仪器

XK-150型开炼机，广东湛江机械厂产品；F270型和F370型密炼机，大连橡胶塑料机械股份有限公司产品；VSMV-100B型门尼粘度计，上海诺甲仪器仪表有限公司产品；MDR2000E型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；T2000型电子拉力机，美国英斯特朗公司产品；RH-2000型橡胶压缩生热试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品。

1.4 混炼工艺

1.4.1 小配合试验

胶料混炼全部在XK-150型开炼机上进行。混炼工艺为：加NR复合胶和SBR破胶过辊→加氧化锌、防老剂、树脂等配合剂→加炭黑、白炭黑→下片→调整辊距→加硫黄和促进剂→下片停放。

1.4.2 大配合试验

NR塑炼及胶料混炼均在F370型密炼机中进行，终炼在F270型密炼机中进行。密炼机三区温控，密炼室、转子和卸料门的温度均为（25±4） ℃，F370型密炼机的压砣压力为0.6 MPa，F270型密炼机的压砣压力为0.4 MPa，混炼工艺如下。

（1）NR的塑炼：加NR复合胶（转子转速为55 r·min-1）→压压砣（80 s）→提压砣（转子转速为27 r·min-1，保持35 s）→压压砣→排胶（172 ℃），停放2 h。

（2）一段混炼：加NR塑炼胶、SBR、炭黑、氧化锌、防老剂和树脂（转子转速为55 r·min-1）→压压砣（19 s）→提压砣（保持5 s）→压压砣（150 ℃）→提压砣（转子转速为20 r·min-1，保持30 s）→压压砣→排胶（生产配方和试验配方胶料的排胶温度分别为155和160 ℃），停放6 h。

（3）终炼：加一段混炼胶、普通硫黄和促进剂CBS（转子转速为37 r·min-1）→保持10 s→压压砣（40 s）→提压砣（转子转速为32 r·min-1）→压压砣（50 s）→提压砣（转子转速为15 r·min-1，保持10 s）→压压砣→排胶（120 ℃）。

1.5 性能测试

各项性能均按相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 小配合试验

小配合试验结果如表2和3所示。

表2 小配合试验胶料的硫化特性（145 ℃）

表3 小配合试验硫化胶的物理性能

从表2和3可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的Fmax减小，t90延长；硫化胶的定伸应力和拉伸强度减小，撕裂强度明显增大。这主要是由于试验配方中使用了更多的SBR，从而提高了硫化胶的抗撕裂性能。

2.2 大配合试验

大配合试验结果如表4和5所示。

表4 大配合试验胶料的硫化特性

表5 大配合试验硫化胶的物理性能

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粘度减小，门尼焦烧时间延长。这主要是由于试验配方中使用了芳烃油，且使用的软化剂类物质较多，胶料的硫化特性与小配合试验结果一致。

从表5可以看出，与生产配方硫化胶相比，试验配方硫化胶的定伸应力和拉伸强度减小，撕裂强度明显增大，压缩生热略高。这主要是由于试验配方中SBR用量增大，因此硫化胶的生热较高。

2.3 成品性能

采用试验配方胶料生产50条14R22.5 KT701全钢工程机械子午线轮胎进行路试。经跟踪，试验轮胎在使用70 d后，胎面磨面平整，无崩花掉块现象，即使有切割的裂口，也没有出现沿裂口撕裂胶料的现象（见图2）。经后续跟踪，试验轮胎使用5个月后逐步因其他病象而损坏，胎面整体磨面平整，无崩花掉块现象，说明试验配方胶料的抗撕裂和抗刺扎性能明显提高，满足了市场对产品质量的要求。

图2 使用70 d后的试验配方全钢工程机械子午线轮胎胎面

2.4 成本分析

根据2021年1月合成橡胶和NR价格，结合配方配合比例，试验配方比生产配方的含胶率低，经计算，试验配方胶料的成本比生产配方胶料低0.4元·kg-1，每月可为公司节约成本约40万元。

3 结论

对全钢工程机械子午线轮胎胎面胶的配方进行优化，通过增大SBR用量，减小NR用量，同时调整硫化体系，提高了胶料的抗撕裂性能，使成品轮胎在使用过程中不容易被石子等割伤胎面，从而延长了轮胎的使用寿命。