陳　龍，趙　菲，趙樹高(青島科技大學橡塑材料與工程教育部重點實驗室，青島　266042)

摘　要：研究了白炭黑175Gr分別與4種炭黑并用對輪胎胎面膠加工性能、物理機械性能和動態(tài)物理機械性能的影響。研究表明，隨著炭黑粒徑的增大和結(jié)構(gòu)度的提高，白炭黑175Gr/炭黑填充的膠料正硫化時間都縮短;白炭黑175Gr/炭黑N234并用時，其膠料拉伸強度和拉斷伸長率都最高;白炭黑175Gr分別與炭黑N220和炭黑N550并用時，兩種膠料的回彈性和壓縮疲勞性都較好;白炭黑175Gr/炭黑N220并用后，其膠料的Payne效應(yīng)較小，滯后損耗因子最低。

關(guān)鍵詞：白炭黑;炭黑;填料網(wǎng)絡(luò);物理機械性能

中圖分類號：TQ333.2 文獻標識碼：A　文章編號：1005-4030(2013)01-0013-03

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，輪胎正向綠色環(huán)保節(jié)能的方向發(fā)展。按其標準，相同規(guī)格的綠色輪胎比普通子午線輪胎的滾動阻力降低約20%;這就要求輪胎胎面膠必須達到耐磨性、滾動阻力和抗?jié)窕匀叩木C合平衡[1-3];輪胎胎面膠的性能除了與其所使用的生膠種類有關(guān)外[4-5]，還與所使用的補強劑品種有關(guān)[6-7]。從提高胎面膠耐磨性方面研究，炭黑是其最有效的補強劑，但加入炭黑后能明顯增大硫化膠的高溫區(qū)滯后損耗，使?jié)L動阻力增大[8]。從20世紀90年代開始，法國米其林輪胎公司推出了綠色輪胎新概念，通過加入白炭黑可有效降低輪胎生熱和滾動阻力，同時還可提高胎面膠抗?jié)窕裕湍バ陨杂邢陆?。因炭黑和白炭黑對硫化膠性能的影響各不相同，所以炭黑與白炭黑的復合填充會對膠料產(chǎn)生重要影響。

1　實驗部分

1.1　主要原材料

順丁橡膠(BR)，齊魯石化公司橡膠廠;溶聚丁苯橡膠，SSBR3830，韓國錦湖橡膠輪胎有限公司;溶聚丁苯橡膠，SSBR　HP355，日本合成橡膠有限公司;炭黑N220，炭黑N234，炭黑N375和炭黑N550，均為青島德固賽化學有限公司;白炭黑175Gr，青島羅地亞白炭黑有限公司;其他助劑均為市售橡膠工業(yè)常用原材料。

基本配方(質(zhì)量份)：BR/SSBR3830/SSBRHP355，20/30/50;白炭黑175Gr，40;炭黑，40，變品種(N220，N234，N375和N550);氧化鋅，3;硬脂酸，2;環(huán)保芳烴油，30;微晶蠟，1.5;防4020，1.5;防RD，1;促CZ，1.7;促D，0.8;S，2。

1.2　主要儀器與設(shè)備

開煉機，BL-6175，寶輪精密檢測儀器公司;密煉機，XSM-500，上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司;密閉模無轉(zhuǎn)子硫化儀，GT-M2000-A，美國Alpha 技術(shù)有限公司;橡膠加工分析儀，RPA2000，美國Alpha技術(shù)有限公司;門尼粘度測試儀，GT-M2000，美國Alpha技術(shù)有限公司;Zwick電子拉力機，德國Zwick公司;平板硫化機，HS-100T-RTMO，深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司;阿克隆磨耗儀，MH-74，臺灣高鐵科技股份有限公司;壓縮生熱實驗機，GT-RH-2000，臺灣高鐵科技股份有限公司。

1.3　試樣制備

使用密煉機混煉，一段加入白炭黑和Si-69，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速55r/min，初始溫度100℃，混煉時間240s;二段高溫段，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速25r/min，初始溫度140℃，混煉時間300s;三段加入炭黑、油和小料，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速55r/min，初始溫度60℃，混煉時間300s。排膠到開煉機上，調(diào)整輥距、包輥后加入促進劑和硫黃，左右割膠各3刀，薄通5次，調(diào)整合適輥距下片，停放，備用。 使用平板硫化機硫化試樣，硫化條件為160℃×t90。按照試樣標準制備拉伸試樣、撕裂試樣、阿克隆磨耗試樣和壓縮生熱試樣。

1.4　性能測試

拉伸強度按GB/T528-2009測試，撕裂強度按GB/T529-2008測試，回彈性按GB/T530-1999測式，壓縮生熱按GB1687-1993測試，磨耗按GB/T1689-1998測試。

使用橡膠加工分析儀進行應(yīng)變掃描實驗。測試溫度為100℃，頻率為1Hz，應(yīng)變掃描范圍為0.28%～100%。

2　結(jié)果與討論

2.1　白炭黑175Gr/炭黑填充膠的加工性能表1是4種炭黑的CTAB比表面積和DBP吸油值。

由表2可看出，在其他組分相同且混煉條件一定時，正硫化時間隨炭黑粒徑的增大和結(jié)構(gòu)度的提高而縮短。其原因可能是隨著炭黑粒徑的減小，炭黑與橡膠的總接觸面積變大，形成的結(jié)合膠的量增多，體系粘度增大，硫化時不利于硫黃分子的遷移和橡膠分子鏈的轉(zhuǎn)移。

白炭黑175Gr/炭黑N234膠料的轉(zhuǎn)矩差ΔM最大，白炭黑175Gr/其他炭黑的膠料轉(zhuǎn)矩差大致相同。ΔM 的大小與硫化時形成的交聯(lián)鍵數(shù)量、填料與橡膠形成的結(jié)合膠的量、包容膠的量及填料分散狀態(tài)有關(guān)。炭黑N234的粒徑最小、結(jié)構(gòu)度最高，形成的結(jié)合膠的量和包容膠的量均最多，因此ΔM 最大。

混煉膠的門尼粘度除了與所用填料的粒徑有關(guān)外，還與填料的結(jié)構(gòu)度有關(guān)。在粒徑相近的情況下，炭黑結(jié)構(gòu)度越高，膠料中形成的包容橡膠的量越多，炭黑的有效填充體積增加，因此門尼粘度相應(yīng)增大;炭黑的結(jié)構(gòu)度增加，其分散性提高，填料網(wǎng)絡(luò)減弱，可使混煉膠的門尼粘度降低。從表2中還可看出，白炭黑175Gr/炭黑N234膠料的門尼粘度最高，白炭黑175Gr/炭黑N550的最低，因此炭黑粒徑對門尼粘度的影響還是主要的。

2.2　白炭黑175Gr/炭黑填充膠的物理機械性能

白炭黑175Gr/炭黑填充膠的物理機械性能見圖1～圖4。

從圖1和圖2可看出，炭黑N234的粒徑小且結(jié)構(gòu)度高，形成的結(jié)合膠的量多，高結(jié)構(gòu)度可使炭黑在橡膠基體中的分散性較好，因此補強效果好，拉伸強度和拉斷伸長率都最高;炭黑N220的粒徑與炭黑N234的相差不大，但結(jié)構(gòu)度低，其分散性受到影響，因此拉伸強度較低;隨著炭黑粒徑的增大，撕裂強度稍呈降低趨勢。

從圖3可看出，回彈性與炭黑粒徑和結(jié)構(gòu)度也有關(guān)系。實驗證明，炭黑粒徑越小且結(jié)構(gòu)度越高，其硫化膠的回彈性就越差。本實驗所選的幾種炭黑的粒徑和結(jié)構(gòu)度綜合平衡的結(jié)果是，粒徑較小且結(jié)構(gòu)度較低的炭黑N220和粒徑較大且結(jié)構(gòu)度較高的N550的硫化膠回彈性較好。

白炭黑175Gr分別與4種炭黑的填充膠磨耗性能表明，白炭黑175Gr/炭黑N375填充膠胎面膠的磨耗量最小，耐磨性最好。

白炭黑175Gr分別與4種炭黑(N220，N234，N375和N550)的填充膠壓縮生熱性能見表3。

從表3可看出，白炭黑175Gr與粒徑較大且結(jié)構(gòu)度較高的炭黑N550的填充膠動態(tài)壓縮生熱溫升最小;與粒徑小且補強性好的炭黑N234填充膠壓縮生熱較高。

2.3　白炭黑與炭黑填充膠胎面膠的動態(tài)性能

圖5是白炭黑175Gr分別與4種炭黑填充膠的儲能模量(G′)與應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。

由圖5可看出，不論是與哪種炭黑的填充膠，其儲能模量G′均隨應(yīng)變的增加而降低，即呈現(xiàn)出明顯的Payne效應(yīng)。

圖6是白炭黑175Gr分別與4種炭黑的填充膠Payne效應(yīng)。Payne效應(yīng)可用來表征填料的分散性好壞，也可判斷填料之間的相互作用力的大小。從圖6中可看出，白炭黑175Gr/炭黑N234填充膠的Payne效應(yīng)比較明顯，說明填充膠中形成的填料網(wǎng)絡(luò)較強。分析后認為，這主要是因炭黑N234的粒徑小且結(jié)構(gòu)度高，炭黑與橡膠間形成的包容膠的量增多，使得自由橡膠的量減少的原因。這就相當于增加了炭黑的有效體積，減小了填料粒子間的作用距離，使得填料網(wǎng)絡(luò)更易形成，Payne效應(yīng)比較明顯。由于炭黑N220的結(jié)構(gòu)度低，白炭黑175Gr/炭黑N220填充膠的包容膠的量少，Payne效應(yīng)相對較低，動態(tài)損耗因子較低，見圖7。

3·結(jié)論

(1)白炭黑175Gr/炭黑填充膠的正硫化時間隨炭黑粒徑的增大和結(jié)構(gòu)度的提高而縮短。

(2)白炭黑175Gr/炭黑N234填充膠的綜合物理機械性能最好;白炭黑175Gr/炭黑N220和白炭黑175Gr/炭黑N550填充膠的回彈性和壓縮疲勞性能較好。

(3)白炭黑175Gr/炭黑N234填充膠的Payne效應(yīng)最高，白炭黑175Gr/炭黑N220填充膠的動態(tài)滯后損失最小。

參考文獻：略