不同比表面积白炭黑并用对胶料性能的影响

刘 辉，董兴旺，陈 立，王丹灵，任福君

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

随着人们对环保和乘车安全性要求的提高，白炭黑凭借其优异的低滚动阻力和抗湿滑性能广泛应用于轮胎生产中。白炭黑是一种亲水性物质，它的表面存在硅羟基基团，具有高度极性，导致其在橡胶中分散困难[1-2]。轮胎技术人员采用许多方法改善白炭黑的分散性，如使用硅烷偶联剂（如TESPD或TESPT）对白炭黑的表面进行改性、使用分散剂降低白炭黑表面的亲水性、优化混炼工序（防老剂和活化剂的加料顺序）和在硅烷化过程中添加硅烷化促进剂等。

近年来，为了改善轮胎的抗湿滑性能，白炭黑在轮胎胎面配方中的用量逐渐增大，上述诸多措施虽能改善白炭黑的分散性，但是胶料60 ℃时的损耗因子（tanδ）随着填料总量的增大而增大。

有研究[3]表明，白炭黑BET比表面积越大，填充硫化胶的硫化时间越长，但对常规物理性能无明显影响，白炭黑CTAB比表面积越大，硫化胶物理性能越好。

本工作研究高填充白炭黑配方体系中，不同比表面积白炭黑并用对胶料各项性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号SVR3L，越南进口产品；溶聚丁苯橡胶（SSBR），牌号VSL2438-2HM，阿朗新科新加坡有限公司产品；炭黑N234，上海卡博特化工有限公司产品；白炭黑，牌号1115MP和1165MP（基本参数见表1），索尔维精细化工添加剂（青岛）有限公司产品；硅烷偶联剂，牌号Si75，浙江金茂橡胶助剂品有限公司产品。

表1 白炭黑的基本参数

1.2 配方

NR 20，SSBR 110，炭黑N234 5，白炭黑变量，硅烷偶联剂Si75 8.2，其他 23.8。

其中1#试验配方采用102份白炭黑1165MP，2#试验配方采用92份白炭黑1165MP和10份白炭黑1115MP。

1.3 主要设备和仪器

1.5 L切线型密炼机，青岛测控科技有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪（RPA），美国阿尔法科技有限公司产品；GT-M2000型硫化仪、GTTS-2000-M型电子拉力机和GT-7012-D型DIN磨耗试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；VR-7120型动态热机械分析（DMA）仪，日本上岛制作所产品；RCC-I型耐切割性能试验机，北京万汇一方科技发展有限公司产品。

1.4 试样制备

1#和2#试验配方均采用3段混炼工艺。采用1.5 L切线型密炼机，填充因数为0.65，转子转速为55 r·min-1。

一段混炼工艺如下：加入NR和SSBR塑炼30 s→加入白炭黑、硅烷偶联剂Si75等→压压砣至110℃→提压砣→清扫→压压砣至155 ℃→恒温100 s→排胶→在开炼机上出片后停放24 h。

二段混炼工艺如下：加入一段混炼胶→压压砣→130 ℃提压砣→清扫→压压砣至155 ℃→排胶→在开炼机上出片后停放24 h。

三段混炼工艺如下：加入二段混炼胶和硫化体系→压压砣至95 ℃→提压砣→清扫→压压砣至105 ℃→排胶→在开炼机上出片后停放24 h待用。

终炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为150℃×15 min。

1.5 性能测试

胶料各项性能按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

混炼胶的硫化特性如表2所示。

表2 混炼胶的硫化特性

从表2可以看出，相较于1#试验配方胶料，2#试验配方胶料的焦烧时间延长，硫化速率增大。即采用白炭黑1115MP/1165MP并用时，有利于提高胶料的硫化速率。

2.2 Payne效应

采用RPA对胶料进行应变扫描，测量弹性剪切模量（G′）在0.28%～42%应变下的值以及差值（ΔG′），以表征胶料的Payne效应，结果见图1。

从图1提取数据计算可得，1#和2#试验配方胶料的ΔG′分别为5 376和3 772 MPa，ΔG′越小，胶料的Payne效应越弱。由此说明采用白炭黑1115MP/1165MP并用时，有利于降低胶料的Payne效应，改善白炭黑的分散性。

图1 胶料的Payne效应

2.3 白炭黑的絮凝

采用RPA，在60℃下，分别在0.28%和42%应变下对胶料进行时间扫描，所得曲线分别如图2和3所示。

图2 0.28%应变下的时间扫描曲线

在0.28%应变下的时间扫描曲线表征了白炭黑的絮凝，转矩越小表明白炭黑的聚集网络越小。从图2可以看出，在0.28%应变下，2#试验配方胶料的时间扫描曲线低于1#试验配方胶料，这说明通过采用白炭黑1115MP/1165MP并用能够降低白炭黑的絮凝，改善白炭黑在胶料中的分散性。

在42%应变下白炭黑的聚集网络被破坏，此时的时间扫描转矩曲线表征橡胶与橡胶和橡胶与填料之间的交联网络强度。从图3可以看出，1#和2#试验配方胶料的时间扫描曲线基本重合，两个配方的橡胶与橡胶和橡胶与填料之间的交联网络强度相当。虽然2#试验配方胶料中并用的白炭黑1115MP的比表面积小、补强性能差，然而其与高比表面积的白炭黑1165MP并用改善了白炭黑在胶料中的分散，与前面Payne效应和白炭黑絮凝的试验结果一致。

图3 42%应变下的时间扫描曲线

2.4 物理性能

硫化胶的物理性能如表3所示。

表3 硫化胶的物理性能

从表3可以看出，1#和2#试验配方胶料老化前后的物理性能相当。

2.5 动态力学性能

硫化胶的DMA温度扫描测试条件如下：频率20 Hz，预应变 7%，动应变 0.25%（－50～10℃）和2%（10～80 ℃），结果如图4所示。

0 ℃时的tanδ越大，轮胎的湿地抓着性能越好；60 ℃时的tanδ越小，轮胎滚动阻力越小。从图4可以看出：与1#试验配方胶料相比，2#试验配方胶料0 ℃时的tanδ较小，轮胎湿地抓着性能略有下降；60 ℃时的tanδ略有减小，轮胎滚动阻力降低。综上，采用不同比表面积白炭黑并用体系的胶料能够降低轮胎滚动阻力。

图4 硫化胶的DMA温度扫描曲线

2.6 DIN磨耗和抗切割性能

硫化胶的DIN磨耗和抗切割性能试验结果如表4所示。

表4 硫化胶的DIN磨耗和抗切割性能

从表4可以看出，2#试验配方胶料的DIN磨耗量低于1#试验配方胶料，抗切割性能也较优。说明虽然2#试验配方胶料中并用的白炭黑1115MP的比表面积小、补强性能差，然而其与高比表面积的白炭黑1165MP并用后，改善了白炭黑在胶料中的分散性，从而改善了轮胎的耐磨性能和抗切割性能。

3 结论

在高填充白炭黑的配方体系中，通过低比表面积白炭黑与高比表面白炭黑的并用，胶料的硫化速率得到提升，胶料的Payne效应降低，白炭黑的絮凝减少，轮胎滚动阻力降低，耐磨性能和抗切割性能提高。