作者简介：刘艮春（1972-），男，江苏盐城人，硕士，主要从事工业车辆实心轮胎的研发工作。
收稿日期：2020-10-07
随着我国经济社会的高速发展，机动车的保有量不断增加，据公安部统计，截至2020年6月，全国机动车保有量达3.6亿辆，其中汽车2.7亿辆
[1]
，与
此同时，人们的环保意识日益提高，对轮胎提出了更高的要求，轮胎正向着绿环保节能的方向发展。
炭黑的主要成分是碳元素，是碳氢化合物在受控条件下不完全燃烧或分解得到的，是轮胎工业中常用的补强剂之一，可有效提高胶料的强度、耐磨性等性能。白炭黑是白粉末状的水合二氧化硅，其分子式为SiO 2•nH 2O ，属于无机补强剂。与传统的炭黑补强剂相比，白炭黑的生产不以化石资源作为主要原料，同时使用白炭黑作为补强体系的胶料具有较低的滞后损失。另一方面，当白炭黑的填充份数过多时，胶料的黏度会有较大升高，影响胶料的加工工艺性。所以，本文将白炭黑与炭黑并用作为复合补强体系，研究二者的配比对轮胎胎面胶性能的影响。
1 实验
1.1 实验材料与主要设备
天然橡胶NR ，牌号STR20，泰国产品；顺丁橡胶BR ，牌号BR9000，中国石油独山子石化分公司产品；炭黑，牌号N375，卡博特 (中国) 有限公司产品；白炭黑，牌号Z1115 MP ，罗地亚（青岛）白炭黑有限公司产品；硅烷偶联剂，牌号Si69，南京曙光化工集团有限公司产品；其他材料均为常见市售产品。
密炼机，型号X (S )M -500，上海科创橡塑机械设备有限公司；开炼机，型号X(S)K -160，上海橡胶机
白炭黑/炭黑填量对轮胎胎面胶性能
影响的实验研究
刘艮春，王恒宜，陈荣华
(江苏托普轮胎股份有限公司，江苏 盐城 224400)
摘要：研究了不同白炭黑/炭黑的填量配比对轮胎胎面胶性能的影响。实验结果表明，随着胶料中白炭黑/炭黑配比的提高，胶料的焦烧时间及硫化时间延长，硬度、100%定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度降低，而断裂伸长率提高；同时，胶料的抗湿滑性能及滚动阻力呈降低趋势。
关键词：白炭黑；炭黑；胎面；DMA ；滚动阻力法中图分类号：TQ336.1 文章编号：1009-797X(2021)03-0001-05文献标识码：B
DOI:10.13520/jki.rpte.2021.03.001
械厂；平板硫化机，型号QLB -400×400×2，上海第一橡胶机械厂；无转子硫化仪，型号M -2000AN ，台湾高铁科技股份有限公司；邵氏A 型橡胶硬度计，型号LX -A ，上海六菱仪器厂；拉力试验机，型号AI -7000，台湾高铁科技股份有限公司；DIN 磨耗试验机，型号GT -7012，台湾高铁科技股份有限公司；橡胶加工分析仪，型号RPA2000，美国阿尔法科技公司；动态热机械分析仪，型号EPLEXOR150N ，德国GABO 公司。
1.2 实验配方
实验配方见表1。
表1 实验配方 份
材料S/C 0/605/5510/5020/40天然橡胶STR2075757575顺丁橡胶BR900025252525炭黑N375
60555040白炭黑Z1115 MP 051020硅烷偶联剂Si69
00.40.8 1.6芳烃油10101010硬脂酸2222氧化锌4444微晶蜡2222防老剂RD 1111防老剂4020
1.5 1.5 1.5 1.5硫 1.5 1.5 1.5 1.5促进剂CZ
0.75
0.75
0.75
0.75
注：S/C 指白炭黑/炭黑并用比例。
第47卷 第3期
·2·
1.3 试样制备
采用密炼机进行混炼，两段混炼工艺。一段混炼6 min ，二段补充混炼5 min ，具体工艺为：将天然橡胶及顺丁橡胶投入密炼机后，塑炼40 s ，提栓加入所有小料，混炼30 s ，提栓加入所有白炭黑，混炼1 min ，提栓加入1/2炭黑，混炼30 s ，提栓加入剩余1/2炭黑，落下上顶栓混炼至规定时间，期间每隔1 min 提栓排气清扫。一段混炼时间到后排胶，并进行二段补充混炼，每隔一分钟提栓排气清扫，混炼至规定时间后，排胶至开炼机，包辊后加入硫磺及促进剂，左右割胶交替进行各3次，待吃料完毕后，薄通8次，打卷及三角包各4次交替进行，后调整辊距下片。
采用平板硫化机对测试样品进行硫化，硫化温度150 ℃，硫化时间t 90，硫化压力11 MPa 。
1.4 性能测试
用无转子硫化仪按照GB/T 16584—1996测定未硫化胶胶料的硫化特性；用邵氏A 型硬度计按照GB/
T 531.1—2008测定硫化胶的硬度；用拉力试验机按照GB/T528—2009测定硫化胶的定伸应力、拉伸强度、断裂伸长率；用DIN 磨耗试验机按照GB/T 9867—2008测定硫化胶的耐磨性能；用橡胶加工分析仪对未硫化胶进行应变扫描，温度为60 ℃，频率为1 Hz ，应变扫描范围为0.28%~40%；用动态热机械分析仪测试胶料的动态力学性能，温度扫描范围为-65~65 ℃，升温速率为2 ℃/min ，频率为10 Hz 。
2 结果与讨论
2.1 硫化特性
各试样的硫化特性如图1所示。
在胶料的硫化特性中，最小转矩M L 反映胶料在一定温度下的可塑性，最大转矩M H 反映硫化胶的模量，而最大转矩M H 与最小转矩M L 之差M H -M L 反映胶料的最大交联度
[2]
，焦烧时间t s2用以评估胶料的加
工安全性，工艺正硫化时间t 90
影响生产效率。
图1 各胶料的硫化特性
由图1可以看出，随着胶料中白炭黑配比份数的提高，胶料的最小转矩M L 总体呈上升趋势，而最大转矩M H 呈下降趋势，转矩差M H -M L 亦呈下降趋势，同时焦烧时间t s2及工艺正硫化时间t 90呈上升趋势。由此可以判断，在实验范围内，随着白炭黑/炭黑配比的提高，胶料的可塑性及流动性略有变差，模量及最大交联度均呈下降趋势。这可能是由于随着白炭黑
以及硅烷偶联剂用量份数的增加，使得白炭黑及天然橡胶基体之间形成了新的网络结构，进而导致胶料流动性变差。白炭黑表面存在大量的羟基，而这些羟基可以吸附胶料中一定的促进剂。而随着胶料中白炭黑用量份数的增加，胶料中被吸附的促进剂也会增加。另外，由于实验所用沉淀法白炭黑呈酸性，而酸性环境会降低橡胶硫磺硫化体系的硫化速度，延长硫化时
间[3]，进而使得焦烧时间t s2及工艺正硫化时间t 90增加，交联密度也随之降低。
2.2 物理机械性能
各胶料的物理机械性能如图2所示。
从图2中可以看出，随着胶料中白炭黑配比份数的提高，胶料的硬度略有下降，100%定伸应力、300%定伸应力，以及拉伸强度均呈现下降趋势，而断裂伸长率以及DIN 磨耗的体积磨耗量上升。一般来说，胶料的定伸应力和硬度与其交联密度成正比，随着交联密度的增加，定伸应力和硬度也随之直线增加，而断裂伸长率则随着定伸应力、硬度以及交联密度的增加而下降
[4]
。这是因为白炭黑表面存在大量羟基，
使其表现出较强的极性，而天然橡胶为非极性橡胶，这就导致白炭黑与天然橡胶大分子之间的界面结合强度降低，相容性降低。虽然在配方中添加了一定的硅烷偶联剂以对白炭黑表面进行改性，降低其极性，但补强效果仍不及炭黑，所以导致胶料的力学性能降低[5]。胶料的耐磨性能与其力学性能密切相关，拉伸强度是影响耐磨耗性能最为主要的力学性能指标，随着拉伸强度的提高，硫化胶的耐磨性能成正比的增加
[4]
。同
时，由于白炭黑与橡胶大分子的界面结合强度不如炭黑，所以随着胶料中白炭黑配比份数的增加，胶
料的
耐磨性能成下降趋势。
图2 各胶料的物理机械性能
2.3 动态特性
由于高分子材料本身所具有的黏弹特性，当对其施加一个交变应力时，其应变会有一定的滞后，滞后的相位角为δ。相位角δ的正切值tan δ为胶料的损耗因子，可用以表征胶料的阻尼特性。损耗因子tanδ为胶料的损耗模量G"与储能模量G ′的比值，即
tan δ=
G"
G ′
如图3所示为采用动态热机械分析仪测定的各胶料损耗因子tan δ的温度扫描曲线图。一般认为，胶料在0 ℃下的损耗因子tan δ可以用来预测胶料的抗湿滑
性能，0 ℃下tan δ越大，则胶料的抗湿滑性能越好；而胶料在60 ℃下的tan δ则可以用于预测胶料的滚动阻力，60 ℃下的tan δ越小，则胶料的滚动阻力越小。如图4及图5所示，分别为各胶料在0 ℃附近及60 ℃附近的tan δ温度扫描曲线，从图中可以看出，在实验范围内，随着胶料中白炭黑配比份数的提高，胶料的抗湿滑性能及滚动阻力均有所下降。
2.4 Payne 效应
胶料的Payne 效应是指胶料的储能模量随着应变的增大而下降的现象。这种现象与胶料中填料的网络结构密切相关，随着胶料应变的增大，胶料中的“填
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·4·
强，填料分散较差，而Payne 效应弱则说明填料之间相互作用弱，填料的分散情况较好。
如图6所示为不同白炭黑/炭黑配比未硫化胶的储能模量应变扫描曲线，从中可以看出，当胶料的应变增大时，胶料的储能模量快速减小，即表现出Payne 效应。此处以0.28%应变时胶料的储能模量G ′0.28与40%应变时胶料的储能模量G ′40的差值ΔG ′来表征各胶料Payne 效应的强弱如图7所示，为各胶料的储能模量差值ΔG ′。从图7中可以看出，当胶料中炭黑及白炭黑总的填料份数不变时，随着白炭黑配比份数的提高，胶料的ΔG ′呈现出先减小后增大的趋势。这是因为当用少量白炭黑替代等量炭黑时，“炭黑-炭黑”的网络结构被削弱，而白炭黑与炭黑的表面性质差异较大，难以形成“白炭黑-炭黑”的网络结构，所以Payne 效应较弱。而当胶料中白炭黑配比份数继续提高时，“炭黑-炭黑”网络结构继续被削弱，但与此同时，“白炭黑-白炭黑”的网络结构也开始形成，Payne
效应也因此开始增强。
图6 各未硫化胶储能模量的应变扫描曲线
3 结论
实验范围内，在白炭黑与炭黑总份数不变的情况下，随着白炭黑配比份数的提高：
(1) 胶料的焦烧时间及硫化时间均有所延长；(2) 硬度、100%定伸应力、300%定伸应力、拉伸强度、耐磨耗性能均有所下降，而断裂伸长率提高；
(3) 胶料的抗湿滑性能及滚动阻力均有所下降。(4) 胶料的Payne 效应呈先下降后上升的趋势，当添加10份白炭黑时，胶料的Payne 效应最小，胶
料中填料的分散效果最好。
图3 各胶料的tan δ随温度变化的曲线
图4 各胶料在0 ℃附近的tan δ曲线
图5 各胶料在60 ℃附近的tan δ曲线
料-填料”网络结构被破坏，造成胶料储能模量下降。一般认为，Payne 效应可用来表征胶料中填料的分散情况，Payne 效应强说明胶料中填料之间的相互作用
[1] 黄頔.2020年上半年全国机动车保有量达3.6亿辆[EB/OL].
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轮胎101网华南理工大学,2014.
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岛科技大学,2014.
图7 各胶料的储能模量差值ΔG’
Experimental sudy on the influence of silica/carbon black filling on the
performance of tire tread rubber
Liu Genchun, Wang Hengyi, Chen Ronghua
(Jiangsu Topower Tyre Co. LTD., Yancheng 224400, Jiangsu, China) Abstract: The effect of different Silica/carbon black filling ratios on the performance of tire tread rubber was studied. The experimental results show that with the increase of the silica/carbon black ratio in the rubber compound, the scorch time and vulcanization time of the rubber compound are prolonged, and the hardness, 100% tensile stress, 300% tensile stress and tensile strength decrease. The elongation at break increased; at the same time, the wet skid resistance and rolling resistance of the rubber compound showed a decreasing trend.
Key words: silica; carbon black; tread; DMA; rolling resistance
(R-03)
贵州轮胎获贵州省省长质量奖
Guizhou Tire won the governor's quality award of Guizhou province 2020年12月30日，在2020年贵州省质量发展大会上，云岩区企业贵州轮胎股份有限公司荣获第三届贵州省省长质量奖。
据悉，贵州省省长质量奖是经国家批准设立的省级最高质量工作荣誉奖，主要授予本省行政区域内发展质量和效益突出，对全省经济社会发展作出卓越贡献，具有显著行业标杆示范带动作用的优秀企业。
“近年来，云岩区一直深入开展政府质量奖培育和帮扶工作，通过广泛宣传、精准动员、实地走访、精准帮扶等举措，掌握有关企业的实际需求和申报意向，并从质量、标准、体系运行等方面进行政策指导，引导和推动广大企业提升质量品牌竞争力，树立质量标杆。”云岩区市场监管局局长蔡佳丽说。
为进一步提高培育质量，云岩区还在实地调查了解的基础上，建立了质量发展档案库，并将企业按照行业分类，综合资质、认证、专利、标准、荣誉、经济贡献等要素评定A、B、C类，作为分类指导分类提升的重要依据。同时，全面开展质量管理及提升行动，以“传播云岩品牌强音，讲好高质量发展故事”为主题，精心制作宣传微视频，提升辖区企业质量意识，助力经济高质量发展。
摘编自“轮胎世界网”
(R-03)
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