王銀竹，王傳鑄，趙 君，郭 震，張燕龍

[泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100]

在傳統(tǒng)的礦山工程機械輪胎中，為保證輪胎具有良好的耐磨和抗切割性能，通常會在胎面膠中填充大量的白炭黑。高填充量白炭黑能夠改善膠料的抗切割和抗撕裂性能，但因白炭黑難以均勻分散于橡膠基體中[1]，極易團聚而出現(xiàn)膠料的門尼粘度過高問題[2]。為保證白炭黑在膠料中的分散均勻性、降低膠料的門尼粘度，膠料往往需要進行多段混煉，這導致了膠料的混煉能耗高，混煉時間長[3]，同時造成了膠料的物理性能下降。雖然通過加入硅烷偶聯(lián)劑可以提高白炭黑與橡膠的相容性[4]，但硅烷偶聯(lián)劑的加入易導致膠料的抗切割和抗撕裂性能下降[5]。

白炭黑濕法混煉母膠采用液相濕法混煉工藝制得，即天然膠乳與白炭黑漿液通過化學絮凝而使白炭黑均勻分散于天然橡膠（NR）中[6]。該混煉工藝很好地提高了白炭黑的分散均勻性，進而解決了膠料的門尼粘度偏高問題，在膠料獲得優(yōu)異的抗切割和抗撕裂性能的同時，減少了膠料的混煉段數(shù)，大大降低了混煉能耗[7]。

本工作采用全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠配方，對比研究白炭黑濕法混煉母膠的混煉膠和硫化膠（分別簡稱白炭黑濕法混煉膠和硫化膠）與傳統(tǒng)白炭黑干法混煉膠和硫化膠的性能差異，同時制造14.00R25試驗輪胎進行礦山實地測試對比。

1 實驗

1.1 主要原材料

白炭黑濕法混煉母膠（NR/白炭黑質量比為100/15），國內某橡膠廠定制產(chǎn)品；NR，STR20，泰國進口產(chǎn)品；炭黑N115，卡博特化工（天津）有限公司產(chǎn)品；白炭黑BET-175，福建省三明正元化工有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，揚州振中鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，泰柯棕化（張家港）有限公司產(chǎn)品；防老劑RD，科邁化工股份有限公司產(chǎn)品；防老劑4020，圣奧化學科技有限公司產(chǎn)品；微晶蠟，江蘇銳巴新材料科技有限公司產(chǎn)品；抗撕裂樹脂，上海三斯助劑制品有限公司產(chǎn)品；硫黃，安慶市華城硫磺有限公司產(chǎn)品；促進劑CZ，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

試驗配方如表1所示。

表1 試驗配方 份Tab.1 Experimental formulas phr

1.3 主要設備和儀器

1.5 L實驗室密煉機，軟控股份有限公司產(chǎn)品；F270型和F370型密煉機，大連橡膠塑料機械有限公司產(chǎn)品；XK-150型開煉機，廣東湛江機械廠產(chǎn)品；XK-660型開煉機，雙星集團橡塑機械公司產(chǎn)品；XLB-D 350×350×2 25T型平板硫化機，杭州蘇橋佳邁機械設備有限公司產(chǎn)品；HD-10型厚度計，上海六菱儀器廠產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度計和Premier MDR型無轉子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GS-709N型邵爾A硬度計、AI-7000S型電子拉力試驗機、GT-7012-A型阿克隆磨耗試驗機、動態(tài)切割試驗機和RH2000N型壓縮生熱試驗機，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；DMA 861E型動態(tài)熱機械分析儀（DMA），瑞士梅特勒-托利多公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

（1）小配合試驗膠料在1.5 L密煉機中進行混煉，在開煉機上薄通下片。

膠料混煉分兩段進行。一段混煉工藝為：先加入生膠/濕法混煉母膠和炭黑、白炭黑，在轉子轉速為55 r·min-1下混煉30 s，然后加入硬脂酸、氧化鋅、防老劑、防護蠟、抗撕裂樹脂，繼續(xù)混煉40 s，提壓砣，清掃后壓壓砣，轉子轉速降為45 r·min-1，當膠料溫度達到155 ℃時排膠，膠料放置4 h冷卻；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠和硫黃、促進劑、防焦劑，在轉子轉速為35 r·min-1下混煉30 s，提壓砣，清掃后壓壓砣，混煉20 s，提壓砣5 s后壓壓砣，繼續(xù)混煉，當膠料溫度達到100 ℃時排膠至XK-150型開煉機上，開煉機輥溫為（60±5）℃，膠料包輥后打包、薄通4次下片。終煉膠放置12 h后進行性能測試。

（2）大配合試驗膠料采用F370型密煉機（一、二和三段混煉）和F270型密煉機（終煉）進行混煉，白炭黑干法混煉膠采用傳統(tǒng)混煉工藝，即采用4段混煉工藝混煉，白炭黑濕法混煉膠采用3段混煉工藝混煉。膠料在開煉機上薄通、下片。

膠料混煉工藝如下：一段混煉先加入生膠/濕法混煉膠和白炭黑、1/2炭黑、硬脂酸、氧化鋅、防護蠟、抗撕裂樹脂，在轉子轉速為36 r·min-1下混煉30 s，提壓砣后壓壓砣，繼續(xù)混煉30 s，提壓砣后壓壓砣，當膠料溫度達到160 ℃時排膠，膠料放置4 h冷卻；二段混煉加入一段混煉膠和剩余炭黑、防老劑，在轉子轉速為29 r·min-1下混煉，每30 s提壓砣1次，當膠料溫度達到155 ℃時排膠，膠料放置4 h冷卻；干法混煉增加三段混煉（混煉工藝除加入二段混煉膠、不加入炭黑和防老劑外，其余同二段混煉工藝）；終煉將二段或三段混煉膠和硫黃、促進劑、防焦劑加入密煉機中，轉子轉速為20 r·min-1，進行兩次提壓砣、壓壓砣，當膠料溫度達到100 ℃時排膠至XK-660型開煉機上，開煉機輥溫為（60±5）℃，膠料包輥后打包、薄通5次下片。終煉膠放置12 h后進行性能測試。

1.5 性能測試

（1）抗切割性能[8]。使用動態(tài)切割試驗機，采用特定刀頭，以一定的能量反復沖擊粘貼在旋轉的圓輪上的試樣，模擬輪胎胎面在實際使用過程中被石塊撞擊、切割出現(xiàn)的崩花掉塊情形，試驗結果以試樣被沖擊、切割后的質量來表征，其值越小，抗切割性能越好。測試條件為：負荷475 g，切刀頻率 110 r·min-1，圓輪轉速 200 r·min-1，試驗時間 60 min。（2）壓縮生熱。將標準高度為25 mm的圓柱形試樣放入55 ℃的恒溫測試箱中，預熱30 min，測試條件為：試驗時間 25 min，沖程 4.5 mm，負荷25 kg。

（3）動態(tài)力學性能。采用DMA測試硫化膠的損耗因子（tanδ）。應變掃描測試條件為溫度 60℃，頻率 1 Hz，應變范圍 0.28%～40%；溫度掃描測試條件為頻率 10 Hz，位移 200 μm（應變?yōu)?.33%），溫度范圍－10～65 ℃，升溫速率 5℃·min-1。（4）其他性能按相應國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 小配合試驗

2.1.1 硫化特性

小配合試驗膠料的硫化特性如表2所示。

表2 小配合試驗膠料的硫化特性Tab.2 Vulcanization characteristics of compounds in laboratory test

從表2可以看出：在相同的混煉工藝下，白炭黑濕法混煉膠的門尼粘度明顯小于白炭黑干法混煉膠，這是因為白炭濕法混煉膠中白炭黑的分散性較好，填料阻礙性較弱[9]，導致門尼粘度降低，可見白炭黑濕法混煉膠的混煉段數(shù)可以減少，從而降低能耗；白炭黑濕法混煉膠的硫化速度比白炭黑干法混煉膠略低，但總體來看兩種膠料的硫化特性相差不大。

2.1.2 物理性能

小配合試驗硫化膠的物理性能如表3所示。

從表3可以看出，與白炭黑干法混煉硫化膠相比，白炭黑濕法混煉硫化膠的硬度和拉伸性能變化不大，但耐磨、抗撕裂和抗切割性能提高。分析認為，白炭黑濕法混煉膠的白炭黑分散更均勻，即白炭黑粒子之間的距離相對更均勻，從而促進了硫化膠的耐磨、抗撕裂和抗切割性能的提升。

表3 小配合試驗硫化膠的物理性能Tab.3 Physical properties of vulcanizates in laboratory test

2.2 大配合試驗

2.2.1 硫化特性

大配合試驗膠料的硫化特性如表4所示。

從表4可以看出，大配合試驗結果與小配合試驗結果基本吻合。

表4 大配合試驗膠料的硫化特性Tab.4 Vulcanization characteristics of compounds in workshop test

2.2.2 物理性能

大配合試驗硫化膠的物理性能如表5所示。

表5 大配合試驗硫化膠的物理性能Tab.5 Physical properties of vulcanizates in workshop test

從表5可以看出：與白炭黑干法混煉硫化膠相比，白炭黑濕法混煉硫化膠的硬度不變，300%定伸應力增大，補強因數(shù)較大，說明濕法混煉膠中白炭黑的分散性及其對硫化膠的補強性改善；白炭黑濕法混煉硫化膠的耐磨、抗撕裂和抗切割性能提高，壓縮生熱降低，這是由于在傳統(tǒng)干法混煉膠中白炭黑的分散性差，團聚效應明顯，而在濕法混煉膠中白炭黑更好的分散性減小了填料間的摩擦作用，進而降低了硫化膠的壓縮生熱。

2.3 動態(tài)力學性能

硫化膠的應變掃描和溫度掃描曲線分別如圖1和2所示。

對于輪胎用橡膠材料，一般以7%應變下的tanδ表征動態(tài)滯后損失，其值越小，滯后損失越小[10-12]。從圖1可以看出，白炭黑濕法混煉硫化膠在7%應變下的tanδ小于白炭黑干法混煉硫化膠，說明白炭黑濕法混煉硫化膠的滯后損失小于白炭黑干法混煉硫化膠。

一般認為，0 ℃時的tanδ越大，硫化膠的抗?jié)窕阅茉胶?，?0 ℃時的tanδ越小，硫化膠的滯后損失越小，生熱和滾動阻力越低。從圖2可以看出，白炭黑濕法混煉硫化膠的滯后損失小于白炭黑干法混煉硫化膠，生熱和滾動阻力更低，可以認為濕法混煉工藝增強了橡膠分子鏈與填料之間的相互作用，白炭黑具有更好的分散性，使硫化膠具有更低的Payne效應，tanδ減小[5]。

2.4 成品試驗

分別采用1#和2#配方混煉膠各試制10條14.00R25全鋼工程機械子午線輪胎，并于2021年7月在內蒙古某礦山進行實地裝車試驗（地表溫度高于40 ℃），定期跟蹤試驗輪胎的使用情況。

圖3所示為2021年9月中旬（使用2個月后）的試驗輪胎照片。

從圖3可以看出，白炭黑濕法混煉膠的試驗輪胎胎面的磨損程度明顯小于白炭黑干法混煉膠的試驗輪胎胎面，且白炭黑濕法混煉膠的試驗輪胎胎面的花紋磨面較光滑，花紋磨損量為每月3.4 mm，而干法混煉膠試驗輪胎胎面的花紋磨損量為每月3.8 mm。由此可見，采用白炭黑濕法混煉膠比采用傳統(tǒng)干法混煉膠生產(chǎn)的輪胎在改善耐磨和抗崩花掉塊性能上具有一定的優(yōu)勢。

3 結論

與傳統(tǒng)白炭黑干法混煉膠和硫化膠相比，白炭黑濕法混煉膠的白炭黑的分散性良好，混煉段數(shù)減少而不影響混煉效果，門尼粘度完全可以滿足工藝性能要求，生產(chǎn)能耗明顯降低；白炭黑濕法混煉硫化膠的耐磨、抗撕裂和抗切割性能提高，壓縮生熱降低。采用白炭黑濕法混煉膠的成品輪胎在使用中后期胎面磨損量減小和抗崩花掉塊性能改善。