第三節(jié)炭黑對輪胎性能的影響

輪胎是種非常復(fù)雜的橡膠制品。輪胎產(chǎn)品規(guī)格品種繁多，部件復(fù)雜，每種產(chǎn)品都有其獨特的使用性能要求，相應(yīng)的每種部件都有各自不同的工藝性能和物理機(jī)械性能指標(biāo)。輪胎配方設(shè)計就是通過合理地選擇橡膠、補強劑和配合劑，使膠料性能達(dá)到產(chǎn)品要求的過程。

輪胎設(shè)計的出發(fā)點是輪胎的使用性能。輪胎的使用性能主要包括:耐磨性，滾動阻力、抗?jié)窕?、高速性、操縱性、乘坐舒適性等。不同規(guī)格品種的輪胎使用條件不同，對使用性能的要求也各有側(cè)重。輪胎的各項使用性能是通過才本身的輪廓、結(jié)構(gòu)和各部件的膠料性能得以體現(xiàn)的。對輪胎配方設(shè)計者來說，了解各部件膠料的性能要求，以及各種配合劑對這些性自

能的影響，并設(shè)法實現(xiàn)它是非常重要的。硫化膠料性能主要包括:力學(xué)性能、老化性能、黏彈性能等。輪胎是由多個部件組成的復(fù)合材料，每種膠料的性能必須在輪胎成品中體現(xiàn)，這就要求各部件膠料必須具有與工藝裝備相配合的工藝性能，確保輪胎制造過程穩(wěn)定、準(zhǔn)確、流暢，最終保證產(chǎn)品性能。炭黑作為輪胎中非常重要的補強劑，對輪胎的諸多性能具有影響。

　　一、膠料工藝性能

工藝性能是指生膠或混煉膠硫化前的可加工性，未硫化橡膠在加工過程中均呈現(xiàn)黏彈行為。膠料的工藝性能將影響產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，以及生產(chǎn)效率和能源消耗。工藝性能包括如下幾方面：膠料混煉特性、黏彈性能、黏性和硫化特性等。

(一)膠料混煉特性

混煉特性是膠料的基本性能，為保證后混煉膠必須具有良好的分散性和適宜的黏度。混煉膠必須具有良好的分散性和適宜的黏度。炭黑在橡膠中只有適當(dāng)充分的份數(shù)才能對硫化膠起到應(yīng)有的補強作用。由于混煉條件不同，分散程度不同，硫化膠的物理機(jī)械性能將有很大不同。分散性主要指各種配合劑應(yīng)在膠料中盡可能均勻分布，炭黑、白炭黑等補強劑只有均勻分散才能充分發(fā)揮作用，硫化劑也只有均勾分布在膠料中才能使硫化速度一致， 最終保證性能，各種配合劑的分散性是表征混煉性能的重要指標(biāo)。分散性好壞與混煉工藝和配合劑品種、用量相關(guān)。一般炭黑粒徑小、 結(jié)構(gòu)低、填充量大的膠料比較難于混煉均勻，含大量白炭黑的膠料則更加困難，這就需要合理的混煉工藝相配合，增加混煉段數(shù)、提高剪切力、適當(dāng)延長混煉時間都是改善分散性的有效方法。應(yīng)該注意的是，為保證炭黑對聚合物的補強作用，在混煉過程中應(yīng)首先使炭黑和聚合物相互作用，避免一些極性的、分子量較小的配合劑先與炭黑接觸，影響補強效果。

輪胎制造工藝要求混煉膠的黏度應(yīng)穩(wěn)定地控制在一定范圍內(nèi)，每種膠料因性能要求不同，加工工藝不同，控制的黏度也不同。一般炭黑粒徑小、結(jié)構(gòu)高、用量大，膠料黏度高。

以前輪胎廠用可塑度表征黏度，現(xiàn)在已改用更加推確的門尼黏度。含炭黑的混煉膠在剪切速率較低時，彈性體往往呈現(xiàn)牛頓流動，剪切速率較高時，由于鏈斷裂而導(dǎo)致黏度不可逆地下降。填充炭黑的混煉膠由于某些原因會轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD體系，如炭黑聚集體形成附聚體。彈性體鏈和炭黑粒子的相互作用可形成炭黑-彈性體三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過剪切作用會逐漸消失。顯然炭黑-彈性體復(fù)合體的大小和和形狀在不同剪切應(yīng)力下將發(fā)生變化，因此表現(xiàn)出復(fù)雜的流動性。

應(yīng)該注意的是，在膠料的加工過程要在保證分散的情況下，盡可能保持高黏度，減少在存放、

硫化過程中的填料附聚。

(二)膠料的壓延壓出性能

混煉膠必須經(jīng)過壓延壓出工序，成為具有一定形狀的半成品部件才能進(jìn)行成型。壓延是指通

過輥簡施加外力于熱煉膠，使之具有形狀的過程。輪胎制造過程中的壓延主要有鋼絲簾布壓延、纖維簾布壓延和膠片壓延三種。壓延膠料應(yīng)具有適宜的包輥性，良好的塑性變形能力和低收縮率，以及足夠的焦燒時間。這些特性與膠料的門尼黏度、成為松弛能力有關(guān)。影響壓延質(zhì)量的內(nèi)在因素是膠料配方，外在因素是設(shè)備及工藝條件。

炭黑用量增加可以在一定程度 上提高混煉膠強度，改善包輥性，減小收縮率，但會降低流動性。

壓出是指混煉膠通過擠出機(jī)作用成為各種形狀的輪胎部件的過程。壓出膠料應(yīng)具有良好的流動性和尺寸穩(wěn)定性，以保證壓出效率和壓出精度。這兩項性能取決于膠料的塑性變形能力和應(yīng)力松弛時間，與膠料配方關(guān)系較大，擠出設(shè)備和擠出工藝條件也有影響。

擠出口型膨脹是彈性體固有的現(xiàn)象，炭黑有填充和包容效應(yīng)，可以降低自由橡膠體積分?jǐn)?shù)。炭黑膠料的口型膨脹取決于炭黑的用量和炭黑結(jié)構(gòu)，而與其補強能力沒有關(guān)系。炭黑用量大、

結(jié)構(gòu)度高，壓出物尺寸穩(wěn)定性好，但流動性差，會帶來壓出困難。

(三)膠料的硫化性能

膠料的硫化性能包括焦燒性能、硫化速度及硫化返原性等，焦燒性能是指在膠料的的各種加工工藝過程中，由于溫度的作用使誘導(dǎo)期縮短，最終可能導(dǎo)致膠料早期硫化，使膠料不能使用，膠料所具有的抑制焦燒現(xiàn)象的能力即為焦燒性能，它可以反映膠料的加工安全性，是重要的工藝參數(shù)。

焦燒性能采用門尼黏度計測量，用t₅ ，t₃₅表示。t₅ 為黏度值從最低黏度上升5個單位所需的時間，t₃₅為黏度值從最低黏度上升35個單位所需的時間。輪胎配方設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)各企業(yè)的工藝及裝備情況，在配方設(shè)計時保證膠料有足夠的焦燒安全性。

硫化速度是指膠料在特定的硫化溫度或熱歷程下模量增大的速度。硫化時間是指在特定的硫化溫度或熱歷程下達(dá)到特定狀態(tài)所需的時間。用振蕩圓盤流變儀可測定硫化時間和硫化速度。輪胎業(yè)界通常用t90 (達(dá)到設(shè)定硫化狀態(tài)90%所需要的時間)表征硫化速度。

但實驗?zāi)z片的最佳硫化時間并不等同于輪胎產(chǎn)品的硫化時間，輪胎為較厚橡膠制品，其硫化過程為變溫?zé)釟v程，在確定輪胎各部件硫化性能時應(yīng)綜合考慮硫化條件、部件位置、膠料的導(dǎo)熱性、過硫穩(wěn)定性等請多因素，有效平衡硫化效率和物理性能，應(yīng)注意的是不同流變儀所測得的硫化速度是有差異的，傳統(tǒng)的有轉(zhuǎn)子流變儀因為難以排除轉(zhuǎn)子的影響，不是等溫硫化，所測結(jié)果長于無轉(zhuǎn)子流變儀，也長于實際硫化速度。

炭黑中含有來自原料油的硫，含量一般低于0.5%，主要以多環(huán)芳烴內(nèi)的結(jié)合硫形式存在。這些硫大多數(shù)鍵合到炭黑粒子內(nèi)部，不具備反應(yīng)性，也不影響硫化性能。當(dāng)炭黑中硫含量大于1.2%時，會使焦燒時間變短，但對其他性能影響較小。

炭黑表面含氧官能團(tuán)多，pH值低，焦燒時間變長，碗化速度變慢。新工藝炭黑粒子較小，分布較窄，結(jié)構(gòu)較高，表面活性大，因而焦燒時間短，硫化速度快。

應(yīng)該明確的是，與炭黑相比，合理選擇硫化促進(jìn)烈和適當(dāng)使用防焦劑對于控制硫化速度和焦繞時間是至關(guān)重要的，用遲效性或起效溫度較高的促進(jìn)劑，或并用防焦劑可改改善焦燒安全性。合理選擇促進(jìn)劑也可以實現(xiàn)制品所需要的硫化性能。在選擇炭黑是時應(yīng)重點關(guān)注其補強性，對硫化性能的影響可以靠精選硫化體系彌補。