硫化温度对白炭黑填充胎面胶性能的影响

边慧光，田晓龙，汪传生，杨洪于

（青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061）

欧洲轮胎标签法规和美国“双反”政策使我国轮胎企业举步维艰，我国轮胎企业要在国际市场占得一席之地，必须要提高轮胎质量。研发人员除了在配方和生产工艺上有所突破外，还应对硫化过程进行改进[1-3]。硫化是轮胎生产中的最后一个流程，也是轮胎加工中最主要的化学反应过程[4-7]，硫化温度、时间和压力对胶料和轮胎的性能具有重要影响。为提高轮胎生产效率与硫化均匀性，轮胎企业一般都采用高温短时间硫化，而低温长时间硫化一直未被深入探究。

本工作研究硫化温度对白炭黑填充胎面胶性能的影响，为优化轮胎硫化工艺提供依据。

1 实验

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡胶（SSBR），牌号1723和RC2557-S，中国石油独山子石化公司产品；天然橡胶（NR），STR20，诗董橡胶股份有限公司产品；炭黑N234，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；白炭黑，牌号1115MP，龙星化工股份有限公司产品。

1.2 配方

SSBR1723 13.75，SSBR RC2557-S 103.125，NR 15，炭黑N234 20，白炭黑 65，偶联剂Si69 9.6，环保油 8，硫黄 1.2，促进剂 2.1，其他 8.5。

1.3 主要设备和仪器

XM-1.7Y型同步转子密炼机，青岛科技大学机电学院自制产品；XK-160型开炼机，青岛科高橡塑装备有限公司产品；QLB-400×400×2型平板硫化机，青岛亚东橡胶机械厂产品；M-2000-AN型无转子硫化仪，中国台湾高铁科技股份有限公司产品；UT-2060型拉力试验机，优肯科技股份有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；动态热力学分析（DMA）仪，德国GABO公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 混炼

胶料分两段混炼。一段混炼在密炼机中进行，二段混炼在开炼机上进行。

一段混炼工艺为：生胶→小料（30 s）→2/3白炭黑（45 s）→炭黑和剩余白炭黑→环保油（110 ℃）→提压砣（130 ℃）→清扫→压压砣→提压砣（140 ℃）→清扫→压压砣→提压砣（150 ℃）→排胶（160 ℃）。

二段混炼工艺为：一段混炼胶→硫黄和促进剂→薄通→下片→停放12 h。

1.4.2 硫化

为模拟轮胎的过硫状态，将不同硫化温度下的硫化时间设为（1.2～1.3）t90。硫化方案见表1。

表1 硫化方案

1.5 性能测试

（1）胶料性能按照相应国家标准进行测试。

（2）用RPA2000橡胶加工分析仪对胶料进行应变扫描。测试条件为：应变（ε） 0.27%～40%，频率 1 Hz，温度 60 ℃。

（3）用DMA仪测试胶料动态力学性能。测试条件为：频率 10 Hz，静态应变 5%，静态应力 70 N，动态应变 0.25%，动态应力 60 N，温度 －65～+65 ℃，升温速率 2 ℃·min-1，拉伸模式。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

胶料的物理性能见表2。

表2 胶料的物理性能

从表2可以看出：随着硫化温度降低，硫化时间延长，胶料的定伸应力、拉伸强度和拉断伸长率总体提高；但当硫化温度降低到140 ℃时，胶料定伸应力降低。一般来说，硫化中前期以硫键（单硫键、双硫键、多硫键）生成为主，硫化后期硫键生成与多硫键断裂同时存在。在低温长时间硫化过程中，硫化中后期仍以硫键生成为主；而在高温短时间硫化过程中，交联速度与多硫键断裂速度均加快，硫化后期以多硫键断裂为主，同时高温下橡胶分子链本身断裂还原，胶料交联密度减小，物理性能降低。

从表2还可以看出：随着硫化温度降低，硫化时间延长，胶料的E增大。胶料的物理性能可以用E来表征，E用应力-应变曲线的积分面积表示。E越大，胶料的硫化网络结构越好，物理性能越好。一般来说，多硫键的键能较小，双硫键的键能较大，单硫键的键能最大。高温硫化时，可能在多硫键断裂的同时单硫键和双硫键也被破坏，因此E较小。

总的来看，硫化温度越高，硫化网络结构越差；但硫化温度过低，也会影响胶料物理性能和生产效率。本工作中，硫化温度为150～160 ℃的胶料物理性能较好。

2.2 应变扫描

用RPA2000橡胶加工分析仪对胶料进行应变扫描，胶料的损耗因子（tanδ）-ε曲线见图1。

从图1可以看出：在相同硫化方案下，随着应变增大，tanδ先快速增大后缓慢减小；当应变为5%～40%时，随着硫化温度升高，胶料tanδ总体增大，当温度高于170 ℃时，tanδ有所减小；低温硫化胶料的tanδ总体较小，生热较低。

图1 胶料的tanδ-应变曲线

2.3 动态力学性能

用DMA仪测试胶料在不同温度下的tanδ、弹性模量（E′）和粘性模量（E″），分别见图2—4和表3。

表3 0和60 °C时的tanδ

图2 胶料的tanδ-温度曲线

图4 胶料的lgE″-温度曲线

从图2和表3可以看出：随着硫化温度升高，胶料在0和60 ℃时的tanδ先增大后减小。一般来说，0 ℃的tanδ越大，胶料的抗湿滑性能越好；60 ℃的tanδ越小，胶料的滚动阻力越低。综合来看，低温硫化的胶料抗湿滑性能较差，但滚动阻力较低。

从图3和4可以看出：在测试温度为0～60 ℃时，随着硫化温度升高，胶料E′总体降低，E″总体提高，硫化温度提高到180 ℃时，E″有所降低。这是因为硫化过程中，硫黄与硬脂酸锌（氧化锌和硬脂酸络合物）生成的硫载体在高温下容易脱硫，未充分裂解的多硫基团与分子链活性自由基相连。同时，多硫键在高温下极不稳定，易断裂产生单分子链，从而失去硫化交联作用。因此，随着硫化温度降低，胶料的弹性总体提高，粘性总体降低。

图3 胶料的lgE′-温度曲线

3 结论

（1）随着硫化温度降低、硫化时间延长，胶料的物理性能总体提高。硫化温度为150～160 ℃的胶料物理性能较好。

（2）随着硫化温度降低，在应变扫描中，胶料的tanδ总体减小，生热降低。

（3）低温硫化的胶料抗湿滑性能较差，但滚动阻力较低。

（4）随着硫化温度降低，胶料的弹性总体提高，粘性总体降低。