超耐磨全钢载重子午线轮胎胎面胶配方的优化

2017-07-23李文东孙学红

轮胎工业 2017年10期

刘琦，李文东，李辉，孙学红

（1.青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛 266042；2.宁夏神州轮胎有限公司，宁夏平罗 753400；3.北京橡胶工业研究设计院，北京 100143）

车辆在行驶过程中，特别是刹车时由于轮胎胎面和路面的接触而产生摩擦，同时由于胶料的疲劳、老化等诸多因素导致了胎面的磨损。轮胎胎面胶的磨耗主要有磨损磨耗、卷曲磨耗和疲劳磨耗3种形式。胎面磨耗是指轮胎胎面与路面接触而产生摩擦，摩擦使胎面胶表面发生微观的局部变形破坏和掉渣，从而导致轮胎质量下降。按照橡胶碎片脱离的方式，其磨耗形式主要是磨损磨耗和疲劳磨耗。一般认为高速行驶轮胎的磨耗是磨损磨耗和疲劳磨耗的综合结果，低速行驶轮胎以疲劳磨耗为主[1]。当轮胎胎面磨损到一定程度时就需要考虑更换轮胎或翻新胎面。另外，轮胎胎面磨损所产生的胶粉对环境也会造成污染，因此从环保角度出发，提高轮胎胎面胶的耐磨性能具有积极的现实意义。本工作对超耐磨全钢载重子午线轮胎胎面胶配方进行优化，现将有关试验情况介绍如下。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚产品；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司产品；丁苯橡胶（SBR），牌号1500E，中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司产品；炭黑N134，新疆中碳科技有限责任公司产品；白炭黑175GR，山西同德化工股份有限公司产品；硅烷偶联剂TYC-Si69，江西宏柏化学科技有限公司产品；氧化锌，扬州振中锌业有限公司产品；促进剂NS，山东尚舜化工有限公司产品；塑解剂SJ-103，莱芜市瑞光橡塑助剂厂产品。

1.2 试验配方

超耐磨胎面胶配方如表1所示。

表1 超耐磨胎面胶配方份

1.3 主要设备和仪器

BB-2小型密炼机、BB430型密炼机和轮胎均匀性试验机，日本神户制钢公司产品；XK-660型和XK-710型开炼机、GN255型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；XK-160型开炼机和XLB-800型平板硫化机，青岛先锐机电有限公司产品；MV2000型门尼粘度仪、MDR2000型无转子硫化仪、DISPERGRADER炭黑分散仪和RPA2000型橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；DIN磨耗仪、AKRON磨耗仪和轮胎强度试验机，中国台湾高铁科技股份有限公司产品；轮胎耐久性试验机，青岛高校测控技术有限公司产品。

1.4 试样制备

小配合试验胶料在BB-2型密炼机中混炼，加料顺序为生胶、1/2炭黑、白炭黑、硅烷偶联剂、粘合树脂、防老剂，转子转速为60 r·min-1→1/2炭黑及除硫黄以外的其他小料，转子转速变为50 r·min-1至结束，排胶时间460 s或温度145 ℃，在XK-160型开炼机下片，停放8 h后加硫黄，下片，停放24 h。

大配合试验胶料分三段混炼，一段和二段混炼均在BB430型密炼机中进行，一段混炼加料顺序为生胶、白炭黑、硅烷偶联剂等，转子转速为45 r·min-1→2/3炭黑，转子转速为40 r·min-1→其他，排胶时间190 s或温度160 ℃，在XK-710型开炼机下片，停放2 h；二段混炼转子转速为35 r·min-1，将一段混炼胶、1/3炭黑和防老剂同时加入密炼机中，排胶时间130 s或温度155 ℃，在XK-710型开炼机下片，停放4 h；三段混炼在GN255型密炼机中进行，加入二段混炼胶和硫黄，在XK-660型开炼机下片，停放20 h。

试样在平板硫化机上硫化，硫化条件为151 ℃×30 min。

1.5 性能测试

各项性能均按相应的国家或企业标准测试。

2 结果与讨论

2.1 配方优化设计思路

（1）生胶体系。综合考虑到NR的物理性能、BR的超耐磨性能和SBR的抗湿滑性能，在设计超耐磨全钢载重子午线轮胎胎面胶配方时经常采用NR/BR/SBR并用或NR/BR并用[2]。此次超耐磨胎面胶配方设计经过多次小配合试验后确定NR用量为65～90份，BR用量为15～25份，SBR用量为5～15份时，硫化胶的物理性能尤其是耐磨性能非常好。

（2）补强体系。以1（N121和N134）开头的炭黑具有超强的耐磨性能，虽然加工工艺性能差，但在混炼过程中炭黑一旦吃入后分散性较好，考虑到提高胎面胶的耐磨性能，配方设计时仍采用炭黑N134作为补强填充材料。

白炭黑的补强效果虽然没有炭黑优异，但它可以提高胎面胶的低温抗湿滑性能，且对低滚动阻力性能也有很大贡献，因此在设计超耐磨胎面胶配方时，可考虑使用少量白炭黑，不使用硅烷偶联剂或使用少量硅烷偶联剂（一般白炭黑/硅烷偶联剂用量比为5/1）。

（3）防护体系。目前在轮胎配方的防护体系中应用最广泛的是防老剂4020，RD和3100，其用量一般根据轮胎部件的不同而改变。在胎面胶配方设计时，考虑到胎面胶的压缩疲劳和压缩生热等因素，通常采用防老剂RD/4020并用，一般防老剂RD用量为1～1.5份，防老剂4020用量为1.5～2份。另外，在胎面胶配方设计中，橡胶防护蜡用量一般为1份。

其他配合体系参照常规的胎面胶配方设计原则确定。

2.2 小配合试验

小配合试验结果如表2所示。

从表2可以看出，与1#配方胶料相比，4#和5#配方胶料的t90缩短，硫化胶的阿克隆磨耗量减小，其他物理性能均相对较好。

表2 小配合试验结果

2.3 大配合试验

根据小配合试验结果，优选出4#和5#配方进行大配合试验，试验结果如表3所示。

表3 大配合试验结果

从表3可以看出，与1#配方胶料相比，4#和5#配方胶料的t90缩短，硫化胶的耐磨性能提高，但5#配方硫化胶的综合物理性能优于4#配方硫化胶，而且5#配方硫化胶的密度小于1#和4#配方硫化胶。硫化胶的密度直接影响胎面自身质量，对于相同规格的轮胎，硫化胶的密度越小，则在行驶过程中胎面受到的滚动阻力越低，轮胎就更节能环保。