硅格粉在全钢子午线轮胎胎圈护胶中的应用

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。