炭黑N339在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用

金玉龙，宁振威，向 婵，马浩

[中策橡胶（建德）有限公司，浙江 杭州 311607]

炭黑是芳烃在高温下不完全燃烧形成，其层状六边形碳环倾向于堆叠成3—4层晶体结构，层面边缘主要由氢、自由基以及含氧官能团组成[1-4]。在轮胎行业中，炭黑是用量最大的填料。目前，原料煤焦油价格不断上涨，国内炭黑市场价格稳步走高。中超耐磨炭黑作为轮胎用量较大的炭黑品种之一，价格涨幅超过高耐磨炭黑，因此对于高耐磨系列炭黑的应用研究增加[5-7]。

轮胎行驶过程中胎面胶直接接触地面，抵抗路面冲击，胎面胶磨损主要是由粘附和磨粒磨损以及疲劳磨损而形成[8]，耐磨性能是评价胎面胶性能的重要指标之一。炭黑N339是采用新工艺生产的高结构、高耐磨炭黑，结构度高、粒径小，耐磨性能较好，适用于轻卡全钢载重子午线轮胎。

本工作主要研究炭黑N339在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），TSR10，科特迪瓦产品；炭黑N220，山西安仑化工有限公司产品；炭黑N339，杭州中策清泉实业有限公司产品；氧化锌，杭州贝兴新型环保材料有限公司产品。

1.2 配方

胶料的配方见表1，其中配方1为生产配方。

表1 胶料的配方 份

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机，广东湛江机械厂产品；F270型密炼机，大连橡胶塑料机械股份有限公司产品；一次法混炼机组，青岛软控股份有限公司产品；MDR2000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；50 t平板硫化机，湖州宏侨橡胶机械有限公司产品；WGJ-2500BⅡ型电子拉力机，桂林奥峰电器制造有限公司产品；GT-7017型老化箱、阿克隆磨耗机和DIN磨耗机，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；Y3000E型压缩生热试验机，北京友深电子仪器有限公司产品；VR-7120型动态力学机械分析（DMA）仪，日本上岛株式会社产品。

1.4 混炼工艺

1.4.1 小配合试验

小配合试验胶料在XK-160型开炼机上混炼。

混炼工艺为：加入NR热炼→加入2/3炭黑→左右各割刀1次→加氧化锌、硬脂酸→加剩余炭黑和其他小料→左右各割刀1次→加硫黄和促进剂DM→薄通、打3次三角包、下片，混炼总时长约为20 min。

1.4.2 大配合试验

大配合试验在一次法混炼机组上进行，一次法生产线工艺布局：F270型密炼机排胶→0#开炼机→1#—6#开炼机（并联方式）→压片机。

F270型密炼机混炼工艺：转子转速为42 r·min-1，压力为5 MPa，加入生胶、炭黑、小料→压压砣（25 s）→提压砣（转子转速降为38 r·min-1）→压压砣（20 s）→提压砣（转子转速降为35 r·min-1）→压压砣（108 s）→148 ℃排胶。

0#开炼机混炼工艺：将辊距设为3 mm，进料→冷却（22 s）→成环（26 s）→拉断→排胶。

1#—6#开炼机混炼工艺：进料（辊距为4 mm，10 s）→成环（辊距为2 mm，15 s）→冷却（辊距为3 mm，150 s）→摆胶（辊距为2 mm，20 s）→摆胶（辊距为1.2 mm，130 s）→摆胶（辊距为2 mm，20 s）→摆胶（辊距为1.2 mm，130 s）→摆胶（辊距为2 mm，20 s）→冷却（辊距为3 mm，20 s）→加硫黄和促进剂（辊距为3.5 mm，130 s）→摆胶（辊距为2.5 mm，40 s）→摆胶（辊距为2 mm，160 s）→摆胶（辊距为2.5 mm，20 s）→冷却（辊距为3.5 mm，45 s）→拉断→排胶。

1.5 性能测试

胶料各项性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 基本配方试验

按照GB/T 3780.18—2017测试炭黑N220和N339填充基本配方胶料的物理性能，结果如表2所示。

表2 基本配方胶料的物理性能

从表2可以看出，与配方J1硫化胶相比，配方J2硫化胶的邵尔A型硬度和300%定伸应力增大，拉伸强度和拉断伸长率减小，压缩生热明显降低，耐磨性能相当。由于炭黑的结构度主要与胶料的耐磨性能相关，这表明炭黑N339的结构度达到了轮胎胎面胶对耐磨性能的要求。

2.2 小配合试验

2.2.1 硫化特性

小配合试验胶料的硫化特性如表3所示。

表3 小配合试验胶料的硫化特性（151 °C×60 min）

从表3可以看出，与配方1混炼胶相比，配方2和3混炼胶的t10延长，t90缩短，硫化速率增大，tR97和tR95缩短。

2.2.2 物理性能

小配合试验胶料的物理性能如表4所示。

表4 小配合试验胶料的物理性能

从表4可以看出：随着炭黑N339用量的增大，硫化胶的硬度和300%定伸应力增大；拉伸强度和拉断伸长率减小，这可能与胶料的tR97和tR95缩短有关；阿克隆磨耗量、DIN磨耗量和压缩生热减小。

从表4还可以看出，与配方1硫化胶相比，配方2和3硫化胶的硬度和300%定伸应力增大，压缩生热分别降低3.8和4.5 ℃，阿克隆磨耗量相当，DIN磨耗量减小，这说明炭黑N339硫化胶的耐磨性能达到了中超耐磨炭黑硫化胶的水平。根据炭黑在橡胶中的分散热力学理论[9-10]，炭黑N339的表面能与橡胶更接近，炭黑N339比炭黑N220更易在橡胶中分散，胶料动态生热和耐磨性能更优。热空气老化后硫化胶的物理性能变化趋势与老化前基本一致。

综上所述，配方2和3硫化胶的压缩生热均较配方1硫化胶减小。配方3硫化胶的300%定伸应力最大，相对而言不适宜用于轻卡全钢载重子午线轮胎冠部。故选择配方1和2进行大配合试验对比。

2.3 大配合试验

大配合试验结果如表5所示。

表5 大配合试验结果

从表5可以看出，大配合试验胶料的硫化特性和物理性能与小配合试验胶料基本一致。

2.4 动态力学性能

采用DMA仪对大配合试验硫化胶（151 ℃×30 min）进行应变扫描，测试条件：静态应变为10%，频率为10 Hz。大配合试验硫化胶的动态力学性能如表6所示，其中tanδ为损耗因子，G′为储能模量，G″为损耗模量。轮胎行业一般使用60 ℃时的tanδ评价胶料的生热性能和滚动阻力。

表6 大配合试验硫化胶的动态力学性能

从表6可以看出，与配方1硫化胶相比，配方2硫化胶60 ℃时的tanδ减小2.76%，表明炭黑N339和N220用量比为1/1的硫化胶的滚动阻力和动态生热降低。

2.5 成品性能

采用大配合试验配方1和2胎面胶制作7.50R16 6PR成品轮胎，其耐久性能和高速性能分别见表7和8。

表7 成品轮胎耐久性能试验结果

表8 成品轮胎高速性能试验结果

从表7和8可以看出，与生产轮胎相比，试验轮胎的耐久性能更佳，高速性能相当。

3 结论

与填充炭黑N220的配方1胶料相比，用炭黑N330部分或全部替代炭黑N220的配方2和3胶料的t10延长，t90缩短，硫化速率增大，硫化胶的硬度和300%定伸应力增大，压缩生热分别降低3.8和4.5℃，DIN磨耗量减小；当炭黑N339和N220用量比为1/1时，硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率相当，60 ℃时的tanδ减小2.76%，滚动阻力和动态生热降低，成品轮胎的耐久性能更佳，高速性能相当。