侯晓倩，苏 近，杨文真

（1.青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042；赛轮金宇集团股份有限公司，山东 青岛 266500）

汽车工业的发展对轮胎工业提出了新的要求，特别是近20年，美国和欧洲关于行驶安全、节约燃料和环境保护的相关法规，规定了滚动阻力、抓着力、环境噪声等轮胎指标限值。2016年4月，中国汽车绿色轮胎等级认证开始实施。轮胎滚动阻力与轮胎胎面胶的滞后损失有直接关系，低滞后损失的胶料有利于降低轮胎滚动阻力，从而降低油耗，实现节能环保。在此背景下，胶料滞后损失成为轮胎最重要的性能指标之一[1-4]。

胶料滞后生热的来源主要为聚合物分子链粘性变形产生的滞后损失，以及填充剂与聚合物分子链之间的摩擦。本工作选取天然橡胶（NR）、乳聚丁苯橡胶（ESBR）和溶聚丁苯橡胶（SSBR）作为基体胶，通过橡胶加工分析仪（RPA）与动态热力学分析仪（DMA）测试使用不同粒径和结构度炭黑的胶料滞后损失，并对其相关性进行研究。

1 实验

1.1 基体材料的选择

NR，SCR20，非极性通用橡胶，具有优良的加工性能和物理性能，广泛应用于橡胶工业中。

ESBR，牌号1502，其大分子结构中含有苯环，动态变形时滞后损失较大。

SSBR，牌号2557S，充油量为37.5份，其相对分子质量较大且分布较窄，分子链特性优越，具有较低的滞后损失，广泛应用于低滚动阻力轿车轮胎胎面胶中。

1.2 试验配方

NR胶料配方：NR 100，炭黑（变品种） 45，氧化锌 5，硬脂酸 3，环保芳烃油 6，硫黄2.2，促进剂NZ 0.8。

ESBR胶料配方：除NR改为ESBR，促进剂NZ用量改为1份外，配方其他组分和用量同NR胶料配方。

SSBR胶料配方：SSBR 137.5，炭黑（变品种） 68.75，氧化锌 5，硬脂酸 3，硫黄 1.75，促进剂NZ 1.5。

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机和XLB500-30型平板硫化机，青岛科高橡塑机械装备有限公司产品；XSM-1/10-120型1 L密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；RPA2000型RPA，美国阿尔法科技有限公司产品；VR-7130型DMA，日本岛津公司产品。

1.4 试样制备

胶料混炼分两段。一段混炼在密炼机中进行，加入生胶、氧化锌、硬脂酸和环保芳烃油混炼均匀。二段混炼在开炼机上进行，加入硫黄和促进剂混炼均匀，下片，停放时间不少于2 h。

1.5 RPA和DMA的测试程序和工作原理

RPA和DMA测试程序和工作原理分别如表1和2所示。

表1 RPA和DMA的测试程序

表2 RPA和DMA的工作原理

2 胶料滞后损失的表征方式

2.1 成品轮胎滚动阻力表征

利用室内轮胎滚动阻力试验机或室外实车测试相关力值参数，通过计算得出滚动阻力系数，评价轮胎的滞后特性。目前常用的轮胎滚动阻力测试方法有测力法、减速度法、扭矩法和功率法。

采用制造成品轮胎方式评价胶料滞后特性的周期长，且耗费人力财力。因此，在配方试验中评价半成品胶料的滞后损失对轮胎产品开发尤为重要。

2.2 半成品胶料滞后损失表征

（1）tanδ。橡胶在受到周期性正弦波变化的应力状态下，会发生周期性的正弦波。由于橡胶具有粘性特征，因此橡胶的形变落后于应力形变。应力按照矢量规律分解为两部分，一部分应力与应变同相位，橡胶表现出弹性特征，与能量的储存有关；另一部分应力与应变相位差90°，橡胶表现出粘性特征，与能量的损耗相关。tanδ为粘性模量与弹性模量的比值，是评价胶料滞后损失的重要参数。

轮胎每滚动一次，形变一次，滚动变形频率为10～100 Hz。通过WLF方程换算可知，一般与滚动阻力相当的滞后损失测试温度为60 ℃左右。弹性模量相当时，粘性模量越大，tanδ值越大，能量的消耗也越大，滞后损失值也相应增大。

（2）回弹值。当用端点为球状物体冲击一块加紧又可自由突起的平整试样时，输出能量与输入能量之比（回弹值）一定程度上可间接表征胶料的滞后损失。

3 结果与讨论

3.1 NR胶料

NR胶料滞后损失测试结果如表3所示。

从表3可以看出，通过RPA与DMA测得的tanδ表征胶料滞后损失的趋势一致，即随着炭黑粒径增大，胶料滞后损失呈减小趋势，回弹值呈增大趋势，这是因为炭黑粒径越小，比表面越大，与橡胶和其他材料的摩擦力越大。

对表3中数据进行线性回归分析，结果见图1。

图1 RPA与DMA测得NR胶料60 °C 下tan δ值的相关性

表3 NR胶料滞后损失测试结果

从图1可以看出，通过RPA和DMA得到胶料60℃下的tanδ值相关性良好，相关因数为0.91。

3.2 ESBR胶料

ESBR胶料滞后损失测试结果如表4所示。

从表4可以看出，通过RPA与DMA测得的tanδ表征胶料滞后损失的趋势一致。

对表4中数据进行线性回归分析，结果见图2。

表4 ESBR胶料滞后损失测试结果

从图2可以看出，通过RPA和DMA得到胶料60℃下的tanδ值相关性良好，相关因数为0.88。这与NR胶料的试验结果基本一致。

图2 RPA与DMA测得ESBR胶料60 °C 下tanδ值的相关性

3.3 SSBR胶料

SSBR胶料滞后损失测试结果如表5所示。

从表5可以看出，通过RPA与DMA测得的tanδ表征胶料滞后损失的趋势一致。

对表5中数据进行线性回归分析，结果见图3。

表5 SSBR胶料滞后损失测试结果

从图3可以看出，通过RPA和DMA得到胶料60℃下的tanδ值相关性良好，相关因数为0.94。

图3 RPA与DMA测得SSBR胶料60 °C 下tan δ值的相关性

3.4 相同种类炭黑，不同胶料

对比相同种类炭黑，不同胶料的滞后损失结果可知，炭黑种类相同时，采用SSBR作为主体材料的胶料滞后损失比采用NR和ESBR作为主体材料的胶料大，这是因为SSBR胶料中炭黑含量较大，生热大。

3.5 不同种类炭黑，不同胶料

对所有配方胶料滞后损失测试结果进行分析，结果见图4。

从图4可以看出，RPA与DMA的测试结果高度吻合，且与回弹试验机测试胶料回弹值的结果一致，滞后损失减小，其相应回弹值增大。

图4 全部配方胶料滞后损失测试结果

对全部测试结果进行线性回归相关性分析，结果见图5。

从图5可以看出，RPA与DMA测得胶料60 ℃下的tanδ值相关性良好，相关因数为0.90。

图5 RPA与DMA测得胶料60 °C 下tan δ值的相关性

4 结论

（1）对于相同胶料，随着炭黑粒径增大，通过DMA与RPA测试胶料60 ℃下的tanδ值呈减小趋势。

（2）DMA与RPA测试3种胶料滞后损失的大小顺序为SSBR胶料、ESBR胶料、NR胶料。

（3）DMA与RPA测试3种胶料60 ℃下tanδ值的相关性因数的大小顺序为SSBR胶料、NR胶料、ESBR胶料。

（4）RPA评价胶料滞后损失与DMA评价胶料滞后损失的结果具有较强相关性。在某些特定情况下，可用RPA替代DMA来评价胶料的滞后损失，节省硫化和停放时间，缩短产品开发周期。