樊斌斌，劉豫皖，呂國(guó)正，岳艷妮，葛永亮

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

在“雙碳”政策背景下，在輪胎中使用可循環(huán)、可再生的材料成為國(guó)家和輪胎行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)[1-2]。目前，工業(yè)發(fā)展中礦砂硅的過(guò)渡消耗造成了極大的硅資源短缺，而從稻谷中提取的可再生植物硅可以代替不可再生的礦砂硅，不僅解決了稻谷加工廢棄物污染環(huán)境的問(wèn)題，而且還為工業(yè)發(fā)展提供了可再生的硅資源。生物基白炭黑來(lái)源于稻殼灰，屬于綠色可再生材料。同時(shí)，為響應(yīng)綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，用綠色可再生材料代替石油系材料也越發(fā)重要，在輪胎中用生物基油代替石油系的增塑油，已被越來(lái)越多的輪胎企業(yè)所重視[3-6]。

本工作主要研究生物基白炭黑和生物基油在全鋼載重子午線(xiàn)輪胎胎面膠中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國(guó)產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石化北京燕山石油化工有限公司產(chǎn)品；沉淀法白炭黑，青州聯(lián)科白炭黑有限公司產(chǎn)品；生物基白炭黑，益海糧油工業(yè)有限公司產(chǎn)品；硅烷偶聯(lián)劑，江西宏柏新材料股份有限公司產(chǎn)品；環(huán)烷油，鄭州市中龍橡膠增塑劑廠(chǎng)產(chǎn)品；生物基油，滄州興達(dá)化工有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

試驗(yàn)配方如表1所示。其中，與1#配方相比，2#配方使用生物基油等量代替環(huán)烷油，其他組分相同，3#配方使用生物基油和生物基白炭黑分別等量代替環(huán)烷油和沉淀法白炭黑，其他組分相同。

表1 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

BR1.6 L型密煉機(jī)，英國(guó)法雷爾公司產(chǎn)品；XK-160型開(kāi)煉機(jī)，廣東湛江機(jī)械廠(chǎng)有限公司產(chǎn)品；HCM型平板硫化機(jī)，凱統(tǒng)工業(yè)股份有限公司產(chǎn)品；MDR2000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；GT-AI-7000M-GD型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；MZ-4061型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，江蘇明珠試驗(yàn)機(jī)械有限公司產(chǎn)品；LAT-100型抗?jié)窕ズ脑囼?yàn)機(jī)，荷蘭VMI公司產(chǎn)品；Ultimate型全自動(dòng)壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)都利公司產(chǎn)品；RCC-I型橡膠耐切割試驗(yàn)機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品；DSC1型差示掃描量熱儀，梅特勒托利多科技（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

膠料采用兩段混煉工藝。

一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，密煉工藝為：生膠、加壓（1 min，80 r·min-1）→提壓砣→白炭黑、炭黑、小料→加壓（1.5 min，80 r·min-1）→提壓砣，加壓（1.5 min，80 r·min-1）→排膠。

二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，在一段混煉膠中加充油硫黃、促進(jìn)劑（前后輥速比為1.14∶1，輥筒溫度為50 ℃，輥距為2 mm），左右搗膠4次，下片。

1.5 性能測(cè)試

膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能

生物基白炭黑和生物基油的理化性能分別如表2和3所示。

表2 生物基白炭黑的理化性能

表3 生物基油的理化性能

從表2和3可以看出：與沉淀法白炭黑相比，生物基白炭黑的氮吸附表面積較??；環(huán)烷油主要成分為飽和環(huán)烷烴，還有少量不飽和環(huán)烷烴，生物基油的不飽和程度高，碘值高。

2.2 小配合試驗(yàn)

2.2.1 硫化特性

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性如表4所示。

表4 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的硫化特性

從表4可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的硫化速度加快，這是因?yàn)槠涫褂玫纳锘椭泻写罅坎伙柡玩I，對(duì)硫化有一定的促進(jìn)作用；3#配方與2#配方膠料的硫化特性差異不大。

2.2.2 拉伸性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的拉伸性能見(jiàn)表5。

表5 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的拉伸性能

從表5可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的300%定伸應(yīng)力降低，這與生物基油中的不飽和鍵消耗部分硫黃有關(guān)；與1#和2#配方膠料相比，3#配方膠料疲勞后的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率降幅較大，這可能與生物基白炭黑的粒徑和表面羥基含量有關(guān)[7]，其他性能差異不大。

2.2.3 生熱性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的生熱性能見(jiàn)表6，tanδ-溫度曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的tan δ-溫度曲線(xiàn)

表6 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的生熱性能

從表6和圖1可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的生熱略增大；與2#配方膠料相比，3#配方膠料的生熱性能基本無(wú)差異。

2.2.4 耐磨性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐磨性能如表7所示。

表7 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐磨性能

從表7可以看出，3種配方膠料的耐磨性能差異不大。

2.2.5 耐切割性能

試驗(yàn)條件為：輪速720 r·min-1，打擊速度120次·min-1，時(shí)間20 min。

1#—3#配方膠料的切割減量依次為1.354，1.265，1.206 g。由此可知：與1#配方膠料相比，2#和3#配方膠料的耐切割性能略有提高；與2#配方膠料相比，3#配方膠料的耐切割性能差異不大，因此，生物基白炭黑與沉淀法白炭黑對(duì)膠料的耐切割性能影響差異不大。

2.2.6 耐低溫性能和耐遷移性能

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐低溫性能和耐遷移性能如表8所示。

表8 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的耐低溫和耐遷移性能

從表8可以看出：與1#配方膠料相比，2#和3#配方膠料的Tg降低，耐低溫性能提高，這與生物基油本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)；2#和3#配方膠料的耐溶劑抽出性能即耐遷移性能略?xún)?yōu)于1#配方膠料，這與含酯基的極性增塑劑不易被溶劑抽出有關(guān)[6]。

2.2.7 交聯(lián)密度

小配合試驗(yàn)?zāi)z料的交聯(lián)密度如圖2所示。

圖2 小配合試驗(yàn)?zāi)z料的交聯(lián)密度

從圖2可以看出：與1#配方膠料相比，2#配方膠料的多硫鍵占比略有降低，3#配方膠料的多硫鍵占比明顯降低，從而造成3#配方膠料的耐疲勞性能明顯下降，這與表5結(jié)果一致。

3 結(jié)論

（1）使用生物基油等量代替環(huán)烷油后，膠料的硫化速度略加快，300%定伸應(yīng)力降低，耐切割、耐低溫和耐遷移性能提高，生熱略增大、耐磨性能基本相當(dāng)。

（2）在同樣采用生物基油的情況下，使用生物基白炭黑等量代替沉淀法白炭黑，膠料的硫化特性、生熱、耐磨和耐切割性能相當(dāng)，但耐疲勞性能明顯降低，故應(yīng)用生物基白炭黑時(shí)需注意優(yōu)化配方，以彌補(bǔ)其性能短板。