宮亭亭，徐文龍，王慎平，徐 旗，吳居祥

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 威海 264300]

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of experiment，DOE）是一種安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過對(duì)試驗(yàn)的合理安排，能以較小的試驗(yàn)規(guī)模、較少的試驗(yàn)次數(shù)、較短的試驗(yàn)周期和較低的試驗(yàn)成本得到理想的試驗(yàn)結(jié)果和科學(xué)的結(jié)論[1-6]。Minitab軟件具有強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)功能以及簡(jiǎn)潔的操作界面，它的出現(xiàn)使DOE方法及試驗(yàn)結(jié)果分析變得更為簡(jiǎn)潔方便。為了提高工作質(zhì)量和效率，越來越多的各行業(yè)研究人員選擇Minitab軟件進(jìn)行輔助研究[7-10]。

目前，在輪胎膠料配方設(shè)計(jì)中，多為依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)輪胎某些性能制定膠料配方試驗(yàn)方案，進(jìn)行定性研究[11-15]，缺少較為全面的基礎(chǔ)研究。本工作基于DOE方法，以Minitab軟件為工具，對(duì)生膠體系、補(bǔ)強(qiáng)填充體系、增塑體系進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析各個(gè)因素對(duì)膠料硫化特性、物理性能和動(dòng)態(tài)疲勞性能的影響，建立各性能指標(biāo)的回歸方程，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號(hào)F2743，韓國LG公司產(chǎn)品；炭黑N234，金能科技股份有限公司產(chǎn)品；白炭黑，牌號(hào)ULTRASIL 7000GRR，贏創(chuàng)德固賽（中國）有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

不同試驗(yàn)方案如表1所示，基于胎面膠配方，采用四因子兩水平加3個(gè)中心點(diǎn)的方案制定正交試驗(yàn)方案，其中SSBR與順丁橡膠（BR）合計(jì)為100份，4個(gè)因子分別為SSBR用量、炭黑N234用量、白炭黑用量和環(huán)保芳烴油（TDAE）用量。

表1 不同試驗(yàn)方案

1.3 主要設(shè)備和儀器

GK1.5N型密煉機(jī)，德國克虜伯公司產(chǎn)品；MV2000型 門 尼 粘 度 儀 和MDR2000型 無轉(zhuǎn)子硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；DKD-K-16801型自動(dòng)硬度計(jì)，德國Bareiss公司產(chǎn)品；Eplexor500N型動(dòng)態(tài)粘彈譜分析儀，德國GABO公司產(chǎn)品；CMT-4503型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思材料有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

各試驗(yàn)配方膠料均采用3段混煉。

一段和二段混煉在GK1.5N型密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為75 r·min-1，混煉工藝如下：生膠（30 s）→1/2炭黑和白炭黑、偶聯(lián)劑、氧化鋅、硬脂酸、TDAE（60 s）→剩余1/2炭黑和白炭黑（60 s）→調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升溫至150～155 ℃（90 s）→排膠。膠料在開煉機(jī)上過輥（輥距3 mm）45 s，下片并停放24 h。

二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為70 r·min-1，混煉工藝如下：一段混煉膠（120 s）→調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速保持溫度為150 ℃→排膠。膠料在開煉機(jī)上過輥（輥距3 mm）45 s，下片，停放24 h。

三段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行，混煉工藝為：二段混煉膠→硫黃、促進(jìn)劑→混煉均勻→下片。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 門尼粘度和硫化特性

試驗(yàn)?zāi)z料的門尼粘度和硫化特性見表2。

表2 各試驗(yàn)配方膠料的門尼粘度和硫化特性

以膠料的門尼粘度分析為例，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)奇異性及環(huán)境穩(wěn)定性驗(yàn)證，膠料的門尼粘度直方圖及其隨運(yùn)行序變化的散點(diǎn)圖分別如圖1和2 所示。

由圖1可知，膠料的門尼粘度測(cè)定值沒有特別奇異的數(shù)據(jù)。

圖1 膠料的門尼粘度直方圖

由圖2可知，中心點(diǎn)處的門尼粘度測(cè)定值接近，而中心點(diǎn)處的因子水平設(shè)置都是相同的，因此，可認(rèn)為運(yùn)行的環(huán)境為穩(wěn)定的。對(duì)膠料的門尼粘度測(cè)定結(jié)果進(jìn)行回歸分析和方差分析，Pareto圖和殘差圖分別如圖3和4所示。

圖2 膠料的門尼粘度散點(diǎn)圖

由圖3可知，各因子的交互作用對(duì)膠料的門尼粘度影響不顯著。

圖3 膠料的門尼粘度分析Pareto圖

由圖4可知，膠料的門尼粘度測(cè)試結(jié)果殘差符合正態(tài)性分布。對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化后，各因子的主效應(yīng)圖見圖5。

圖4 膠料的門尼粘度殘差圖

由圖5可見，SSBR、炭黑N234和白炭黑用量增大均使膠料的門尼粘度增大，而TDAE用量對(duì)膠料的門尼粘度影響則相反。對(duì)膠料的門尼粘度影響的顯著性由大到小的排列順序?yàn)樘亢谟昧?、白炭黑用量、TDAE用量、SSBR用量。

圖5 膠料的門尼粘度主效應(yīng)圖

由圖3—5可以看出，白炭黑用量與SSBR用量、TDAE用量與SSBR用量之間存在一定程度交互作用，但比較弱，不構(gòu)成顯著因子，膠料的門尼粘度分析回歸方程為Y1＝0.235A＋1.203 75B＋0.986 25C-1.42D-0.607 89，統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)P值為0，模型整體有效，擬合優(yōu)度（R-sq）為96.31%，預(yù)測(cè)擬合優(yōu)度（R′-sq）為92.88%，調(diào)整擬合優(yōu)度（R″-sq）為 95.26%，R-sq與R″-sq接近，且較高，數(shù)學(xué)模型較理想。

使用相同的方法對(duì)膠料的t5和t95進(jìn)行分析。

膠料的t5分析結(jié)果表明：在硫化體系一致時(shí)，對(duì)膠料的t5影響由大到小的排列順序?yàn)樘亢谟昧?、TDAE用量、SSBR用量、白炭黑用量，其中SSBR、TDAE、白炭黑的用量增大，膠料的t5延長；炭黑用量增大，膠料的t5縮短，膠料的t5分析回歸方程為Y2＝0.050 906 3A-0.279 063B＋0.088 437 5C＋0.389 125E＋7.748 36，P值為0，說明模型整體上是有效的，R-sq為89.85%，R′-sq為82.05%，R″-sq為86.95%，擬合優(yōu)度略低，但是可以接受。

膠料的t95分析結(jié)果表明：在硫化體系一致時(shí)，SSBR和白炭黑用量對(duì)膠料的t95具有一定程度影響，其他因子幾乎無影響，而SSBR用量與白炭黑用量之間的交互作用也會(huì)對(duì)膠料的t95產(chǎn)生影響，膠料的t95分析回歸方程為Y3＝0.031 937 5C-AC-2.626 2×10-4，R-sq為98.19%。

2.2 物理性能

各方案膠料的物理性能測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 各方案膠料的物理性能

以相同的分析流程對(duì)膠料的物理性能進(jìn)行分析，結(jié)果匯總見表4。

由表4可知，膠料的拉伸強(qiáng)度擬合優(yōu)度較低，而回彈值和阿克隆磨耗量存在失擬的情況，說明試驗(yàn)誤差較大或者存在其他較重要因子未考慮進(jìn)去，其他性能擬合優(yōu)度較高。

表4 各方案膠料的物理性能與各配方組分用量因子的相關(guān)性分析

2.3 動(dòng)態(tài)性能

各方案膠料的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試結(jié)果見表5，tanδ為損耗因子。其中膠料的疲勞溫升分析Pareto圖如圖6所示。

表5 各方案膠料的動(dòng)態(tài)性能

由圖6可知，對(duì)膠料的疲勞溫升影響顯著的因子為CD的交互作用和C。由疲勞溫升方差分析結(jié)果可知，主效應(yīng)的P值為0.159，大于0.05，說明模型整體是無效的。R-sq僅為37.22%，模型擬合優(yōu)度也非常低。

圖6 膠料的疲勞溫升分析Pareto圖

膠料的0 ℃時(shí)tanδ分析Pareto圖和殘差圖分別如圖7和8所示。

由圖7和8可以看出，膠料的0 ℃時(shí)tanδ殘差不符合正態(tài)分布，因此，其擬合結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。

圖7 膠料的0 °C時(shí)tan δ分析Pareto圖

對(duì)膠料的25和60 ℃時(shí)tanδ分析結(jié)果見表6。

由表6可知，膠料的25和60 ℃時(shí)tanδ擬合結(jié)果較好。

表6 膠料的25和60 °C時(shí)tan δ與各配方組分用量因子相關(guān)性分析

由膠料的動(dòng)態(tài)性能分析結(jié)果可知，僅采用線性模型進(jìn)行擬合，結(jié)果不太理想，僅能建立25和60 ℃時(shí)tanδ數(shù)學(xué)模型，而對(duì)于疲勞生熱和0 ℃時(shí)tanδ擬合效果不理想。

圖8 膠料的0 °C時(shí)tan δ分析殘差圖

3 結(jié)論

（1）在硫化體系保持不變的條件下，建立了胎面膠配方中SSBR用量、炭黑N234用量、白炭黑用量和TDAE用量與膠料的硫化特性、物理性能及動(dòng)態(tài)性能相關(guān)性的回歸方程，明確各配方組分用量因子的顯著性及交互作用。

（2）膠料的硫化特性分析結(jié)果表明，對(duì)膠料的門尼粘度影響的顯著性由大到小的排列順序?yàn)樘亢谟昧?、白炭黑用量、TDAE用量、SSBR用量，膠料的門尼粘度擬合數(shù)學(xué)模型較理想；對(duì)膠料的t5影響由大到小的排列順序?yàn)樘亢谟昧俊DAE用量、SSBR用量、白炭黑用量，膠料的t5擬合優(yōu)度略低；白炭黑用量對(duì)膠料的t95具有一定程度的影響，其他因子幾乎無影響。

（3）膠料的物理性能分析結(jié)果顯示，膠料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果擬合優(yōu)度較低，而回彈值和阿克隆磨耗量測(cè)試結(jié)果存在失擬情況，其他性能擬合結(jié)果較好。

（4）膠料的動(dòng)態(tài)性能分析結(jié)果顯示，僅采用線性模型進(jìn)行擬合，結(jié)果不太理想，僅能建立25和60 ℃時(shí)tanδ數(shù)學(xué)模型，而對(duì)于疲勞生熱和0 ℃時(shí)tanδ擬合效果不理想。