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硅格粉在全钢子午线轮胎胎圈护胶中的应用

2022-09-01黄仙红苏忠铁吕志文陆一鸣胡善军章阿伟

轮胎工业 2022年8期
关键词:炭黑硫化配方

黄仙红,苏忠铁,吕志文,陆一鸣,胡善军,章阿伟

(中策橡胶集团股份有限公司,浙江 杭州 310018)

全钢子午线轮胎胎圈护胶可提高胎圈的刚性,除了需具备高硬度外,耐老化和耐疲劳性能也同等重要[1-6]。胎圈护胶与轮辋接触应力集中容易造成热量积累导致性能变化,使得胎圈易损坏,全钢子午线轮胎胎圈护胶具有低生热性能可有效减缓胎圈的损坏。

要使高性能轮胎具备低滚动阻力特性,除胎面外的其余各部件对滚动阻力影响也应当予以考虑。胎圈护胶属于高填充胶料,生热较高,降低其生热的相关研究较少。轮胎行业通常使用白炭黑来降低胶料的生热[7-11],但白炭黑易团聚,需同时使用硅烷偶联剂,以降低胶料的佩恩效应和生热,因此成本较高,寻求一种价廉质优的低生热填料成为行业目标。

硅格粉以天然矿物质及秸秆灰等为原料,采用生物构筑技术,经深度纯化、复合而成,具有低生热特性[12]。本工作主要研究硅格粉在全钢子午线轮胎胎圈护胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

硅格粉,哈尔滨硅格新材料有限公司产品;天然橡胶(NR),STR20,泰国产品;高顺式顺丁橡胶(BR),牌号9000,中国石油大庆石化分公司产品;炭黑N330,上海卡博特化工有限公司产品;防老剂4020,圣奥化学科技有限公司产品;防老剂RD,中国石化集团南京化学工业有限公司产品;防护蜡,山东阳谷华泰化工股份有限公司产品;硫黄,无锡华盛橡胶新材料科技股份有限公司产品;促进剂TBBS,山东戴瑞克新材料有限公司产品。

1.2 配方

1.2.1 小配合试验

生产配方:NR 50,BR 50,炭黑N330 74,氧化锌 3.5,硬脂酸 2,防老剂4020和RD 4,硫黄 2,促进剂TBBS 0.8,其他 6。

试验配方:NR 50,BR 50,炭黑N330 58,硅格粉 20,硅烷偶联剂Si69 2,氧化锌 3.5,硬脂酸 2,防老剂4020和RD 4,硫黄 1.5,促进剂TBBS 2,其他 6。

1.2.2 大配合试验

生产配方同小配合生产配方。

试验配方:NR 40,BR 60,炭黑N330 45,硅格粉 25,硅烷偶联剂Si69 2,氧化锌 3.5,硬脂酸 2,防老剂4020和RD 4,硫黄 1.9,促进剂TBBS 2.2,其他 6。

1.3 主要设备和仪器

2.5 L密炼机,佰弘机械(上海)有限公司产品;F370型和F270型密炼机,桂林橡胶机械有限公司产品;XK-160型开炼机,无锡第一橡塑机械有限公司产品;MDR2000型硫化仪,美国阿尔法科技有限公司产品;XLB-D型平板硫化机,湖州宏侨橡胶机械有限公司产品;GT-TCS-2000-G型电子拉力试验机,高铁检测仪器(东莞)有限公司产品;动态热机械分析(DMA)仪,德国耐驰仪器公司产品。

1.4 试样制备

小配合试验采用两段混炼工艺,一段混炼在2.5 L密炼机中进行,混炼工艺如下:生胶(30 s)→炭黑N330、硅格粉以及其他小料→压压砣(50 s)→提压砣清扫→压压砣(150 ℃)→排胶;二段混炼在开炼机上进行,混炼工艺如下:一段混炼胶→硫黄和促进剂TBBS→左右割刀各3次→薄通、打三角包各3次→出片。

大配合试验采用3段混炼工艺,一段和二段混炼在F370型密炼机中进行,三段混炼在F270型密炼机中进行,一段混炼工艺如下:生胶、2/3炭黑N330以及小料→压压砣(40 s)→提压砣(125 ℃)→压压砣(30~35 s)→提压砣→压压砣至(155±5) ℃→排胶;二段混炼工艺如下:一段混炼胶、剩余1/3炭黑N330和硅格粉→压压砣(30~35 s)→提压砣(125℃)→压压砣(30 s)→提压砣→压压砣至(160±5)℃→排胶;三段终炼工艺如下:二段混炼胶、硫黄和促进剂TBBS→压压砣(30 s)→提压砣→压压砣(35 s)→提压砣→压压砣至(105±5) ℃→排胶。

混炼胶在平板硫化机上硫化,硫化条件为151℃×30 min。

1.5 性能测试

胶料各项性能均按相应国家或行业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化性能

硅格粉的理化性能见表1。由表1可知,硅格粉的各项理化性能均达到企业标准要求。

表1 硅格粉的理化性能

2.2 小配合试验

小配合试验结果见表2。

从表2可以看出:与生产配方胶料相比,试验配方胶料的Fmax-FL减小,表明硅格粉替代部分炭黑胶料形成的交联网络较差;与生产配方硫化胶相比,试验配方硫化胶的拉伸强度下降8.7%,50%定伸应力下降4%,邵尔A型硬度减小,但仍保持在70度以上,拉断永久变形减小,表明硅格粉对NR胶料的补强性差于炭黑;在100 ℃高温下,试验配方硫化胶的50%和100%定伸应力保持率提升。

表2 小配合试验结果

从表2还可以看出,与生产配方硫化胶相比,试验配方硫化胶60 ℃时的tanδ显著降低,降幅超过30%,表明试验配方硫化胶的滚动阻力小,生热低。

2.3 大配合试验

大配合试验结果见表3。

从表3可以看出:与生产配方胶料相比,试验配方胶料的FL和Fmax减小,Fmax-FL亦减小;试验配方硫化胶的拉伸强度下降22%,50%和100%定伸应力下降40%~50%,邵尔A型硬度减小,耐屈挠疲劳性能略优,原因可能是硅格粉为球形粒子,属于多微孔结构,抵抗变形能力和形变恢复能力强;热空气老化后,硫化胶的50%和100%定伸应力变化率小,有利于解决胎圈护胶在后期硬化快,导致发脆、掉块病象;100 ℃高温下硫化胶的50%和100%定伸应力保持率提升,有利于胎圈在高温下的刚性支撑;试验配方硫化胶60 ℃时的tanδ显著降低,降幅超过60%。为保证胎圈护胶的刚性支撑,高硬度性能要求前提下,建议硅格粉的用量不超过25份,同时总填料的用量不低于70份。

表3 大配合试验结果

2.4 工艺性能

采用大配合试验胶料进行工艺性能评价。压出胎圈护胶表面出现轻微破边,原因可能是硅格粉补强性差造成胶料的弹性形变大,导致制品收缩率大、易破边;同时硅格粉的表面含有少量羟基、易吸水,容易导致混炼工艺的波动,压出制品的质量出现波动性,建议对硅格粉及混炼胶进行保温处理,并缩短停放时间,从而降低混炼工艺及压出制品质量的波动性。

3 结论

(1)与生产配方胶料相比,试验配方胶料的Fmax-FL减小,表明硅格粉替代部分炭黑胶料形成的交联网络较差。

(2)与生产配方硫化胶相比,试验配方硫化胶的邵尔A型硬度、拉伸强度、50%和100%定伸应力下降;热空气老化后,试验配方硫化胶的50%和100%定伸应力变化率小,有利于解决胎圈护胶在后期硬化快,导致发脆、掉块病象;高温下硫化胶的100%定伸应力保持率提升,有利于胎圈在高温下的刚性支撑;试验配方硫化胶60 ℃时的tanδ显著降低,可降低生热。

(3)大配合试验胶料的工艺性能表明,需对硅格粉及混炼胶进行保温处理,并缩短停放时间,从而降低混炼工艺及压出制品质量的波动性。

硅格粉来源于自然,价格优势明显,在轮胎中应用具有超高性价比。

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