炭黑N339在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用.pdf

原材料配合 434 2023 年第 21 卷橡胶科技炭黑N339在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用金玉龙，宁振威*，向婵，马浩中策橡胶（建德）有限公司，浙江 杭州 311607摘要：研究炭黑N339在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用。结果表明：与加入52份炭黑N220的胶料相比，采用炭黑N339替代50%或全部替代炭黑N220的胶料的硫化速率增大，硫化胶的硬度和300%定伸应力增大，压缩生热分别降低3.8和4.5，耐磨性能提高；当炭黑N339和炭黑N220用量比为1/1时，硫化胶的滚动阻力和动态生热低，成品轮胎的耐久性能优异，高速性能相当。关键词：高耐磨炭黑；全钢载重子午线轮胎；胎面胶；耐磨性能；滚动阻力；耐久性能；生热中图分类号：TQ330.381 文章编号：2095-5448（2023）09-0434-04文献标志码：A DOI：10.12137/j.issn.2095-5448.2023.09.0434炭黑是芳烃在高温下不完全燃烧形成，其层状六边形碳环倾向于堆叠成34层晶体结构，层面边缘主要由氢、自由基以及含氧官能团组 成1-4。在轮胎行业中，炭黑是用量最大的填料。目前，原料煤焦油价格不断上涨，国内炭黑市场价格稳步走高。中超耐磨炭黑作为轮胎用量较大的炭黑品种之一，价格涨幅超过高耐磨炭黑，因此对于高耐磨系列炭黑的应用研究增加5-7。轮胎行驶过程中胎面胶直接接触地面，抵抗路面冲击，胎面胶磨损主要是由粘附和磨粒磨损以及疲劳磨损而形成8，耐磨性能是评价胎面胶性能的重要指标之一。炭黑N339是采用新工艺生产的高结构、高耐磨炭黑，结构度高、粒径小，耐磨性能较好，适用于轻卡全钢载重子午线轮胎。本工作主要研究炭黑N339在全钢载重子午线轮胎胎面胶中的应用。1实验1.1主要原材料天然橡胶（NR），TSR10，科特迪瓦产品；炭黑N220，山西安仑化工有限公司产品；炭黑N339，杭州中策清泉实业有限公司产品；氧化锌，杭州贝兴新型环保材料有限公司产品。1.2配方胶料的配方见表1，其中配方1为生产配方。表1胶料的配方份组分基本配方试验配方J1J2123NR100100100100100炭黑N22050052260炭黑N33905002652氧化锌333.53.53.5硬脂酸55222芳烃油002.62.62.6硫黄和促进剂DM3.13.12.452.452.45其他006.56.56.51.3主要设备和仪器XK-160型开炼机，广东湛江机械厂产品；F270型密炼机，大连橡胶塑料机械股份有限公司产品；一次法混炼机组，青岛软控股份有限公司产品；MDR2000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；50 t平板硫化机，湖州宏侨橡胶机械有限公司产品；WGJ-2500B型电子拉力机，桂林奥峰电器制造有限公司产品；GT-7017型老化箱、阿克隆磨耗机和DIN磨耗机，高铁检测仪器（东莞）有限公作者简介：金玉龙（1967），男，浙江杭州人，中策橡胶（建德）有限公司总工程师，学士，主要从事轮胎配方、结构设计开发和工艺管理工作。*通信联系人（）OSID开放科学标识码(扫码与作者交流)原材料配合橡胶科技 435 第 9 期司产品；Y3000E型压缩生热试验机，北京友深电子仪器有限公司产品；VR-7120型动态力学机械分析（DMA）仪，日本上岛株式会社产品。1.4混炼工艺1.4.1小配合试验小 配 合 试 验 胶 料 在XK-160型 开 炼 机 上 混炼。混炼工艺为：加入NR热炼加入2/3炭黑左右各割刀1次加氧化锌、硬脂酸加剩余炭黑和其他小料左右各割刀1次加硫黄和促进剂DM薄通、打3次三角包、下片，混炼总时长约为20 min。1.4.2大配合试验大配合试验在一次法混炼机组上进行，一次法生产线工艺布局：F270型密炼机排胶0#开炼 机1#6#开炼机（并联方式）压片机。F270型 密 炼 机 混 炼 工 艺：转 子 转 速 为42 rmin-1，压力为5 MPa，加入生胶、炭黑、小料 压 压 砣（25 s）提 压 砣（转 子 转 速 降 为38 rmin-1）压压砣（20 s）提压砣（转子转速降为35 rmin-1）压压砣（108 s）148 排胶。0#开炼机混炼工艺：将辊距设为3 mm，进料冷却（22 s）成环（26 s）拉断排胶。1#6#开炼机混炼工艺：进料（辊距为4 mm，10 s）成环（辊距为2 mm，15 s）冷却（辊距为3 mm，150 s）摆胶（辊距为2 mm，20 s）摆胶（辊距为1.2 mm，130 s）摆胶（辊距为2 mm，20 s）摆胶（辊距为1.2 mm，130 s）摆胶（辊距为2 mm，20 s）冷却（辊距为3 mm，20 s）加硫黄和促进剂（辊距为3.5 mm，130 s）摆胶（辊距为2.5 mm，40 s）摆胶（辊距为2 mm，160 s）摆胶（辊距为2.5 mm，20 s）冷却（辊距为3.5 mm，45 s）拉断 排胶。1.5性能测试胶料各项性能均按相应国家标准进行测试。2结果与讨论2.1基本配方试验按照GB/T 3780.182017测试炭黑N220和N339填充基本配方胶料的物理性能，结果如表2 所示。表2基本配方胶料的物理性能项目配方J1配方J2硫化时间（145）/min3030密度/（Mgm-3）1.121.12邵尔A型硬度/度6970300%定伸应力/MPa14.715.1拉伸强度/MPa25.824.5拉断伸长率/%491472拉断永久变形/%3533撕裂强度/（kNm-1）10796阿克隆磨耗量/cm30.530.53DIN磨耗量/mm3126126压缩生热1）/43.639.0110 24 h热空气老化后邵尔A型硬度/度7071拉伸强度/MPa6.68.6拉断伸长率/%160157拉断永久变形/%1011注：1）冲程4.45 mm，预应力1.0 MPa，试验温度55。从表2可以看出，与配方J1硫化胶相比，配方J2硫化胶的邵尔A型硬度和300%定伸应力增大，拉伸强度和拉断伸长率减小，压缩生热明显降低，耐磨性能相当。由于炭黑的结构度主要与胶料的耐磨性能相关，这表明炭黑N339的结构度达到了轮胎胎面胶对耐磨性能的要求。2.2小配合试验2.2.1硫化特性小配合试验胶料的硫化特性如表3所示。表3小配合试验胶料的硫化特性（151 C60 min）项目配方1配方2配方3FL/（dNm）2.112.132.17Fmax/（dNm）14.8214.5714.55FmaxFL/（dNm）12.7112.4412.38t10/min4.044.484.74t50/min6.446.316.26t90/min12.2011.3411.84tR971）/min40.6538.4237.77tR952）/min52.6352.3350.23注：1）胶料硫化转矩达到Fmax后再下降至97%Fmax所对应的时间；2）胶料硫化转矩达到Fmax后再下降至95%Fmax所对应的时间。从表3可以看出，与配方1混炼胶相比，配方2和3混炼胶的t10延长，t90缩短，硫化速率增大，tR97和tR95缩短。2.2.2物理性能小配合试验胶料的物理性能如表4所示。从表4可以看出：随着炭黑N339用量的增大，原材料配合 436 2023 年第 21 卷橡胶科技表4小配合试验胶料的物理性能项目配方1配方2配方3硫化时间（151 ）/min304030403040密度/（Mgm-3）1.131.121.12邵尔A型硬度/度666667676868300%定伸应力/MPa11.3 10.7 12.1 11.2 14.0 14.8拉伸强度/MPa25.7 25.3 25.7 25.1 24.3 24.2拉断伸长率/%545551543531470457拉断永久变形/%323029293031撕裂强度/（kNm-1）126118131126119114回弹值/%363738阿克隆磨耗量/cm30.270.270.26DIN磨耗量/mm3124112107压缩生热1）/48.544.744.0110 24 h热空气老化后邵尔A型硬度/度717071707170300%定伸应力/MPa14.8 13.8 15.3 14.5 16.7 16.1拉伸强度/MPa19.6 19.8 19.9 19.1 18.2 18.6拉断伸长率/%352380364357302311拉断永久变形/%292828302526阿克隆磨耗量/cm30.540.550.52DIN磨耗量/mm3159156149注：1）同表2。硫化胶的硬度和300%定伸应力增大；拉伸强度和拉断伸长率减小，这可能与胶料的tR97和tR95缩短有关；阿克隆磨耗量、DIN磨耗量和压缩生热减小。从表4还可以看出，与配方1硫化胶相比，配方2和3硫化胶的硬度和300%定伸应力增大，压缩生热分别降低3.8和4.5，阿克隆磨耗量相当，DIN磨耗量减小，这说明炭黑N339硫化胶的耐磨性能达到了中超耐磨炭黑硫化胶的水平。根据炭黑在橡胶中的分散热力学理论9-10，炭黑N339的表面能与橡胶更接近，炭黑N339比炭黑N220更易在橡胶中分散，胶料动态生热和耐磨性能更优。热空气老化后硫化胶的物理性能变化趋势与老化前基本一致。综上所述，配方2和3硫化胶的压缩生热均较配方1硫化胶减小。配方3硫化胶的300%定伸应力最大，相对而言不适宜用于轻卡全钢载重子午线轮胎冠部。故选择配方1和2进行大配合试验对比。2.3大配合试验大配合试验结果如表5所示。从表5可以看出，大配合试验胶料的硫化特性和物理性能与小配合试验胶料基本一致。2.4动态力学性能采用DMA仪对大配合试验硫化胶（151 表5大配合试验结果项目配方1配方2硫化仪数据（151）FL/（dNm）2.282.33Fmax/（dNm）15.3215.51t10/min4.244.89t50/min6.416.28t90/min11.6910.92R97/min39.8537.66R95/min51.2450.89硫化时间（151）/min30403040密度/（Mgm-3）1.121.12邵尔A型硬度/度65666768300%定伸应力/MPa10.811.011.011.4拉伸强度/MPa26.125.325.625.2拉断伸长率/%566546559536拉断永久变形/%32303130撕裂强度/（kNm-1）122134132121回弹值/%3637阿克隆磨耗量/cm30.270.26DIN磨耗量/mm3128114压缩生热1）/47.945.3110 24 h热空气老化后邵尔A型硬度/度70707071300%定伸应力/MPa13.914.314.214.8拉伸强度/MPa19.619.319.219.5拉断伸长率/%381361376355拉断永久变形/%29293029阿克隆磨耗量/cm30.530.52DIN磨耗量/mm3142144注：1）同表2。30 min）进行应变扫描，测试条件：静态应变为10%，频率为10 Hz。大配合试验硫化胶的动态力学性能如表6所示，其中tan为损耗因子，G为储能模量，G为损耗模量。轮胎行业一般使用60 时的tan评价胶料的生热性能和滚动阻力。表6大配合试验硫化胶的动态力学性能项目配方1配方2tan（60）0.1810.176G/MPa9.4829.070G/MPa1.7161.599从表6可以看出，与配方1硫化胶相比，配方2硫化胶60 时的tan减小2.76%，表明炭黑N339和N220用量比为1/1的硫化胶的滚动阻力和动态生热降低。2.5成品性能采 用 大 配 合 试 验 配 方1和2胎 面 胶 制 作7.50R16 6PR成品轮胎，其耐久性能和高速性能分原材料配合橡胶科技 437 第 9 期别见表7和8。表7成品轮胎耐久性能试验结果项目生产轮胎试验轮胎累计行驶时间/h98.63101.13试验结束时轮胎状态胎肩破裂胎肩破裂注：充气压力770 kPa，标准负荷1 500 kg，行驶速度80 kmh-1。表8成品轮胎高速性能试验结果项目试验阶段123456行驶速度/（kmh-1）110110120130140150生产轮胎行驶时间/min10101030307试验轮胎行驶时间/min10101030303注：充气压力770 kPa，标准负荷1 500 kg，测试从起始到结束负荷率均为100%。从表7和8可以看出，与生产轮胎相比，试验轮胎的耐久性能更佳，高速性能相当。3结论与填充炭黑N220的配方1胶料相比，用炭黑N330部分或全部替代炭黑N220的配方2和3胶料的t10延长，t90缩短，硫化速率增大，硫化胶的硬度和300%定伸应力增大，压缩生热分别降低3.8和4.5，DIN磨耗量减小；当炭黑N339和N220用量比为1/1时，硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率相当，60 时的tan减小2.76%，滚动阻力和动态生热降低，成品轮胎的耐久性能更佳，高速性能相当。参考文献：1 CHEN X，FARBER M，GAO Y M，et al Mechanisms of surfactant adsorption on non-polar，air-oxidized and ozone-treated carbon surfacesJ.Carbon，2003，41（8）：1489-1500.2 DONNET J B，CUSTODRO E，WANG T K，et al.Energy site distribution of carbon black surface by inverse gas chromatography at finite concentration conditionsJ.Carbon，2002，40（2）：163-167.3 富有斌，吴晓辉，张立群，等.炭黑在橡胶中分散技术研究进展J.橡胶工业，2022，69（3）：228-233.4 王霞，张虽栓，王花丽.炭黑填充对聚偏二氟乙烯/磷酸银复合薄膜光催化性能的影响J.塑料科技，2022，50（4）：41-45.5 张雪.废轮胎热解残渣升级为商业炭黑的研究D.太原：太原理工大学，2018.6 吴崇光，马兴法.N-339炭黑填充天然橡胶与金属硫化粘接复合体剥离特性的研究J.化学世界，1996，37（1）：38-40.7 朱永康.炭黑结构对工业轮胎胶料机械性能的影响J.橡塑资源利用，2012（2）：1-4.8 唐源，张春华，田庆丰，等.高性能轮胎胎面胶“魔三角”性能平衡研究进展J.橡胶工业，2019，66（5）：388-394.9 DING W B，WANG L，YANG Q，et al.Progress on polymer grafted carbon black and its novel applicationsJ.Polymer Processing，2013，28（2）：134-142.10 郭巧静.国内外抗硫化返原剂的研究现状与展望J.聚合物与助剂，2021（2）：1-4，9.收稿日期：2023-04-27Application of Carbon Black N339 in Tread Compound ofAll-steel Truck and Bus Radial TireJIN Yulong，NING Zhenwei，XIANG Chan，MA HaoZhongce Rubber（Jiande）Co.，Ltd，Hangzhou311607，ChinaAbstract：The application of carbon black N339 in the tread compound of all-steel truck and bus radial tires was studied.The results showed that，compared with the compound filled with 52 phr carbon black N220，the vulcanization rate of the compounds in which 50%or all of carbon black N220 was replaced by carbon black N339 increased，the hardness and modulus at 300%elongation of the vulcanizates increased，the compression heat build-up decreased by 3.8 and 4.5，respectively，and wear resistance was improved.When the mass ratio of carbon black N339 to carbon black N220 was 1/1，the rolling resistance of the vulcanizate decreased，dynamic heat build-up decreased，and the durability of the finished tire was excellent，with similar high-speed performance compared with the finished tire having the tread compound with all carbon black N220.Key words：high wear-resistant carbon black；all-steel truck and bus radial tire；tread compound；wear resistance；rolling resistance；durability；heat build-up