刘 涛

（上海诚懋化学有限公司，上海 200127）

近年来，随着日益严格的环保法规和汽车工业的发展，世界轮胎产业正在经历变革。欧盟标签法规提出“燃油经济性、安全性和耐久性”等轮胎新标识，要求汽车在安全的基础上兼具低碳排放。绿色轮胎因为在滚动阻力、湿地抓着和噪声三大性能等级上具有优异的表现，全球销售份额快速增长，成为未来轮胎行业发展的趋势。随着世界轮胎行业向节能高效方面的发展，新型橡胶材料在未来占据主导地位，在轮胎工业中的应用也越来越广泛。具体到目前就是类似中高乙烯基的溶聚丁苯橡胶（SSBR）以及高填充量的高分散性白炭黑的应用。但同时也带来填料的分散困难以及混炼胶门尼粘度较高等不利影响，这就需要轮胎生产企业通过调整配方来克服。

S20是应用于橡胶塑料工业的浅色、非石油基纳米级无机硅补强剂，具有纳米粒度、中等结构和高表面化学活性的特点。从化学结构上讲，无机硅补强剂S20属于人工合成层状结晶硅酸盐，是以天然含硅矿物材料为基础，经微细化处理、化学分解、晶体可控生长、粒子分离、表面修饰和喷雾干燥处理的半合成纳米级无机硅矿物粉末材料。与填料分散剂不同，S20本身是一种半补强材料，因此使用它降低门尼粘度的实质是部分替代高分散性白炭黑，基于其补强性稍差，要达到相同的物理性能，宜采用增量替代的方式，即以稍高的比例替代白炭黑。

本工作研究无机硅补强剂S20部分替代白炭黑在半钢子午线轮胎胎面胶中的应用，并与常用填料分散剂进行对比。

1 实验

1.1 主要原材料

SSBR，牌号2466，台橡股份有限公司产品；白炭黑，牌号MP1165，罗地亚白炭黑（青岛）有限公司产品；环保芳烃油，牌号V500，宁波汉圣化工有限公司产品；无机硅补强剂，牌号S20，片层粒径（500±200）nm，白度 72%～78%，pH值6.5～7.5，密度（2.5±0.05）Mg·m-3，325目筛余物质量分数 ≤0.000 2，粒径小于1 μm的质量分数 ≥0.98，上海诚懋化学有限公司产品；白炭黑分散剂W255和T78，国内某公司产品。

1.2 配方

配方如表1所示，1#配方为对比基础配方，2#—4#配方为添加填料分散剂或无机硅补强剂S20部分替代白炭黑的试验配方。

表1 配方 份

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机，东莞市利拿实业有限公司产品；1.57 L本伯里密炼机，英国法雷尔公司产品；M200E型门尼粘度计和C200E型无转子硫化仪，北京友深电子仪器有限公司产品；RSS-Ⅱ型橡胶滚动阻力试验机和炭黑分散测试仪，北京万汇一方科技发展有限公司产品；EXPLORER 500N动态粘弹谱分析仪，德国GABO公司产品；阿克隆磨耗试验机，江苏明珠试验机械有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料采用三段混炼工艺，一段和二段混炼均在密炼机中进行。一段混炼初始温度为80 ℃，转速为80 r·min-1，将生胶加入密炼机中，破胶0.5 min→加入填料、分散剂和偶联剂Si69，混炼3 min，中间提压砣1次→加入炭黑和油，混炼1.5 min，保持温度在155 ℃以下→加入氧化锌和硬脂酸，混炼1.5 min，165 ℃ 以下排胶；二段混炼初始温度为80 ℃，转速为90 r·min-1，加入一段混炼胶，混炼1 min→加入防老剂和石蜡，混炼3 min→温度控制在140 ℃以下排胶；三段混炼在开炼机上进行，加入二段混炼胶至包辊→加入硫黄和促进剂，不割刀至吃粉完全，左右各割刀1次→调小辊距薄通打三角包6次，按规定厚度下片。

1.5 性能测试

滚动阻力性能采用橡胶滚动阻力试验机测定，测试条件：负荷 15 kg，转速 400 r·min-1。

动态力学性能采用动态粘弹谱分析仪测定，测试条件：频率 10 Hz，应变 0.25%，温度范围－80～+100 ℃。

其他性能按相应国家或行业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 混炼胶性能

在混炼过程中，4个配方胶料的密炼机排胶结团性和开炼机包辊性均良好。混炼胶的门尼粘度与硫化特性如表2所示。

从表2可以看出，4个配方胶料的硫化特性相差不大，但门尼粘度差异较大。2#配方胶料的门尼粘度最小，说明无机硅补强剂S20对混炼胶的加工性能改善效果最好；加入填料分散剂的两种胶料门尼粘度也有小幅降低，但是改善不大。从最小转矩来看，相对于1#配方，3个试验配方胶料的流动性较好。

表2 混炼胶的门尼粘度与硫化特性

2.2 硫化胶性能

2.2.1 填料分散性

1#—4#配方胶料的填料分散等级分别为5.3，7.1，7.0和6.8。从检测结果看，3个试验配方胶料的分散性明显好于对比配方胶料；3个试验配方硫化胶的填料分散性相差不大，其中2#试验配方胶料的填料分散性相对稍好，这是因为无机硅补强剂S20是化学合成后经表面改性的纳米硅酸铝，其分散性较好。

2.2.2 物理性能

硫化胶的物理性能如表3所示。

从表3可以看出，S20虽然本身只具有相当于炭黑N550的补强水平，相对于高分散性白炭黑虽然其补强性稍差，但是由于其可以显著改善填料的分散性，硫化胶的物理性能与使用分散剂的试验配方硫化胶类似。与1#配方胶料相比，2#—4#试验配方胶料的拉断伸长率有所增大，压缩生热略有降低，硬度和定伸应力稍有减小，拉伸强度和其他性能相差不大。

表3 硫化胶的物理性能

2.2.3 滚动阻力和动态力学性能

硫化胶的滚动阻力和动态力学性能如表4所示，tanδ为损耗因子。

从表4可以看出，与1#配方胶料相比，2#—4#胶料分散性的改善，使得硫化胶的滚动阻力有所减小，填料与橡胶分子链间的化学键合有所增大，即增加了交联密度，从而使硫化胶的玻璃化温度向高温方向偏移，因此试验配方胶料在0 ℃时的tanδ较高，即抗湿滑性能较好。3个试验配方胶料的抗湿滑性能和滚动阻力均相差不大，且均优于对比配方胶料。

表4 硫化胶的滚动阻力和动态力学性能

3 结论

（1）与未加填料分散剂相比，加入无机硅补强剂S20可显著降低混炼胶门尼粘度并提升混炼胶流动性，改善填料分散性，提高硫化胶的拉断伸长率，明显改善硫化胶的抗湿滑性能和滚动阻力性能，提升胎面胶的动态力学性能；与填料分散剂相比，无机硅补强剂S20可降低混炼胶门尼粘度，提升加工性能，其他性能相差不大。

（2）无机硅补强剂S20的价格低于白炭黑，且仅为常见脂肪酸盐填料分散剂价格的1/3左右，可降低生产成本。