白炭黑轮胎胎面胶动态力学性能的研究

延 威，杨文真

（赛轮金宇集团股份有限公司技术中心，山东 东营 257300）

近年来，随着汽车安全性能和环保性能要求的日益提高，轮胎胎面胶的抗湿滑性能、耐磨性能和滚动阻力研究越来越受重视，而胎面胶的这3种性能可用其动态力学性能表征[1-4]。本工作对3种牌号白炭黑胎面胶的动态力学性能进行研究。

1 实验

1.1 主要原材料

白炭黑，牌号Ultrasil 5000GR，Ultrasil 7500GR和Ultrasil 9000GR，德国赢创德固赛公司产品；天然橡胶（NR），越南产品；溶聚丁苯橡胶（SSBR），牌号2557S，中国石油独山子石化公司产品。

1.2 主要设备与仪器

XKR-150型开炼机，广东湛江机械厂产品；XLB-D 100T型平板硫化机，湖州双力自动化装备科技有限公司产品；DMA/SDTA861型动态力学性能分析仪，瑞士梅特勒-托利多利公司产品。

1.3 试验配方

试验所用轮胎胎面胶配方见表1。

表1 试验配方 份

1.4 试样制备

胶料先用密炼机混炼，混炼工艺为：NR和SSBR混炼1 min后加入氧化锌、硬脂酸、偶联剂Si69、2/3白炭黑和C5树脂混炼1.5 min，再加入剩余1/3白炭黑，混炼1.5 min，混炼温度不超过155℃；胶料排出后在开炼机上过辊2次，将辊距调至2.2 mm，出片。胶料停放至室温后再在开炼机上终炼，终炼工艺为：将辊距调至2.5 mm，胶料包辊均匀后加入硫黄和促进剂，薄通6遍，将辊距调至2.2 mm，出片。胶料停放1.5 h后硫化，硫化条件为168℃×10 min，硫化胶停放16 h后进行动态力学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 温度扫描

3种白炭黑胎面胶损耗因子（tanδ）与温度的关系如图1和表2所示。

从图1可以看出，随着温度升高，3种胶料的tanδ均先增大后减小。3种胶料在玻璃化温度（Tg）时的tanδ由大到小的顺序为白炭黑Ultrasil 5000GR胶料、白炭黑Ultrasil 7500GR胶料和白炭黑Ultrasil 9000GR胶料，这是由于白炭黑Ultrasil 5000GR在胶料中分散较均匀，胶料在玻璃态时能够有效运动的橡胶分子链段较多，因此其tanδ较大；3种胶料的Tg相差（-5 ℃左右）不大，在冬季低温条件下3种胶料均会由橡胶态向玻璃态转变，从而导致成品轮胎操纵性能降低，因此这3种白炭黑适用于夏季轮胎胎面胶。

图1 3种胶料的tanδ与温度的关系曲线

从表2可以看出，白炭黑Ultrasil 5000GR胶料0 ℃时的tanδ最大，60 ℃时的tanδ最小，即3种胶料中白炭黑Ultrasil 5000GR胶料的抗湿滑性能最好，滚动阻力最低。

表2 3种胶料0 ℃和60 ℃时的tanδ

2.2 应变扫描

3种白炭黑胎面胶损耗模量（G″）和生热（Q）与应变（ε）的关系如图2所示。

从图2可以看出：3种胶料的G″均是先增大后减小，这是因为橡胶分子链段之间的阻力较大，分子链段开始运动较难，G″较大，而当应变达到一定程度后，橡胶分子链段间的阻力降低，G″减小；3种胶料的G″和Q由小到大的顺序均为白炭黑Ultrasil 5000GR胶料、白炭黑Ultrasil 7500GR胶料和白炭黑Ultrasil 9000GR胶料，说明白炭黑Ultrasil 5000GR适用于在粗糙路面上行驶的轮胎的胎面胶。

图2 3种胶料G″和Q与ε的关系曲线

2.3 频率扫描

扫描频率是试样在测试过程中单位时间内受到周期性剪切应力的次数。车辆在路面上行驶，速度加快，其轮胎胎面与地面接触的频率随之增大，设轮胎直径61 cm，则轮胎周长为1.92 m，当汽车行驶速度为200 km·h-1时，胎面与地面接触的频率为29 Hz，为此本研究测试了3种胶料在0～30 Hz下的tanδ，结果如图3所示。

从图3可以看出：随着频率升高，3种胶料的tanδ增大，说明用这3种胎面胶制备的轮胎速度提高，滚动阻力增大；在0～30 Hz频率范围内，3种胶料tanδ由小到大的顺序为白炭黑Ultrasil 5000GR胶料、白炭黑Ultrasil 7500GR胶料和白炭黑Ultrasil 9000GR胶料，即白炭黑Ultrasil 5000GR作补强填充剂的胎面胶滚动阻力较小，油耗较低。

图3 3种胶料扫描频率与tanδ的关系曲线

2.4 变温变频下白炭黑Ultrasil 5000GR填充胎面胶的动态热力学性能

以上试验表明白炭黑Ultrasil 5000GR更适合用作胎面胶补强填充剂。白炭黑Ultrasil 5000GR胶料在不同扫描频率下tanδ与温度的关系如图4和表3所示。其中，频率10 Hz，20 Hz和30 Hz分别对应车辆行驶速度60 km·h-1，130 km·h-1和200 km·h-1。

从图4和表3可以看出，随着频率升高，白炭黑Ultrasil 5000GR胶料的抗湿滑性能有所提高，滚动阻力略有增大，Tg由-6.86 ℃上升为-5.27 ℃。由此说明，用白炭黑Ultrasil 5000GR胎面胶制作的轮胎转速提高，抗湿滑性能有所提高，油耗量略有增大，操纵性有所下降，但下降并不明显。

图4 白炭黑Ultrasil 5000GR胶料在不同扫描频率下tanδ与温度的关系曲线

表3 白炭黑Ultrasil 5000GR胶料在不同扫描频率下0 ℃和60 ℃时的tanδ

3 结论

（1）在白炭黑Ultrasil 5000GR胶料、白炭黑Ultrasil 7500GR胶料和白炭黑Ultrasil 9000GR胶料中，白炭黑Ultrasil 5000GR胶料Tg和0 ℃时的tanδ较大，60 ℃时的tanδ较小，即胶料分散性能和抗湿滑性能较好，滚动阻力较低；G″和Q较小。白炭黑Ultrasil 5000GR适合用作轮胎胎面胶补强填充剂。

（2）用白炭黑Ultrasil 5000GR胎面胶制作的轮胎转速提高，抗湿滑性能有所提高，滚动阻力略有增大。