低滚动阻力半钢子午线轮胎胎体配方开发

徐从升，张建军，任会明，陈 生，刘 玄

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

2012年欧盟轮胎标签法的实施促使轮胎制造商开发更低滚动阻力等级的轮胎以参与市场竞争，近几年的汽车电动化也促进了配套市场低滚动阻力轮胎的进一步发展。低滚动阻力轮胎在降低汽车油耗和电耗等减少用户用车成本的同时还可减少二氧化碳的排放，具有显著的环保意义[1-3]。

滚动阻力由轮胎变形、路面变形和轮胎与路面的摩擦3部分组成。车轮在硬路面上滚动时，绝大部分滚动阻力会损失在轮胎的能量消耗中，主要表现在橡胶、帘布等材料内的分子摩擦损失，以及轮胎各组成件间（如内胎与外胎、轮胎与轮辋、橡胶与帘布层等）的机械摩擦损失上。

目前从配方方面降低轮胎滚动阻力的研究较多，但以研究胎面和胎侧等在轮胎中质量占比较大的配方部件为主[3-8]，而从胎体配方方面进行改善的研究较少。本工作的研究内容是在胎体配方中引用大粒径、低结构度、低比表面积的炭黑N660替代高耐磨炭黑N330，用低玻璃化温度（Tg）的锡偶联溶聚丁苯橡胶（SSBR）代替传统乳聚丁苯橡胶（ESBR），同时通过调整油、粘合剂和硫黄用量等开发出一种具有良好物理性能和加工性能的低滚动阻力半钢子午线轮胎胎体配方。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），越南进口产品；非充油ESBR，牌号1500，中国石油吉林石化公司产品；非充油锡偶联SSBR（Tg为－59 ℃，苯乙烯质量分数为0.1，乙烯基质量分数为0.4），台橡股份有限公司产品；炭黑N660，上海卡博特化工有限公司产品；环保型橡胶油V700，宁波汉圣化工有限公司产品；间苯二酚-甲醛缩合树脂SL3020，彤程化工（张家港）有限公司产品；不溶性硫黄IS7020，山东尚舜化工有限公司产品。

1.2 配方

配方如表1所示。

表1 配方 份

1.3 主要设备和仪器

S（X）K-160型开炼机，上海市拓林轻化机械厂产品；PHM-2.2型1.8 L密炼机，璧宏机械工业股份有限公司产品；F370型密炼机，大连橡胶塑料机械有限公司产品；M200E型门尼粘度仪，北京友深电子仪器有限公司产品；GT-2000A型无转子硫化仪，上海诺甲仪器仪表有限公司产品；VR-7120型动态热机械分析（DMA）仪，日本UESHIMA公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 小配合试验

采用两段混炼工艺。一段混炼在1.8 L密炼机中进行，填充因数为0.65，混炼工艺为：生胶→塑炼15 s（转子转速为52 r·min-1）→炭黑、操作油和小料→压压砣混炼50 s→提压砣清扫→压压砣混炼至125 ℃→提压砣保持5 s（转子转速调至45 r·min-1）→压压砣混炼至155 ℃→排胶。在开炼机过辊2次后下片，停放8 h后进行二段混炼。

二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：加入一段混炼胶薄通5次，加入硫黄、促进剂等，打三角包5次，再打卷5次后下片。停放16 h后，样品在平板硫化机上硫化，硫化条件为160 ℃×15 min。

1.4.2 大配合试验

采用两段混炼工艺。一段混炼在F370型密炼机中进行，转子转速为50 r·min-1，混炼工艺为：加入生胶、炭黑和小料→压压砣混炼25 s→提压砣保持5 s→压压砣混炼至125 ℃→加操作油→压压砣混炼至155 ℃→排胶。在开炼机下片，停放8 h后进行二段混炼。

二段混炼在F370型密炼机中进行，转子转速为25 r·min-1，混炼工艺为：加入一段混炼胶、硫黄和促进剂→压压砣保持25 s→提压砣保持5 s→压压砣保持20 s→提压砣保持5 s→压压砣升温至103℃→排胶。

1.5 性能测试

DMA的测试条件为：温度范围 30～80 ℃，温升速率 2 ℃·min-1，频率 10 Hz，静态应变7%，动态应变 2%。

其他性能均按照相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 小配合试验

2.1.1 硫化特性

小配合试验胶料的硫化特性如表2所示。

从表2可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度略有升高、焦烧时间略有缩短，Fmax和t90接近。

表2 小配合试验胶料的硫化特性

2.1.2 物理性能

小配合试验胶料的物理性能如表3所示。

从表3可以看出：与生产配方胶料相比，2#试验配方采用炭黑N326替代炭黑N330后，胶料300%定伸应力有所下降，不符合胎体帘布需要较高定伸应力提高轮胎操纵性能等要求；而1#试验配方在采用炭黑N326替代炭黑N330后，通过增大硫黄用量达到与生产配方相接近的水平；3#试验配方通过减小炭黑N326用量同时减小橡胶油用量，胶料应力也保持了与生产配方接近的水平；4#试验配方为全NR配方，除定伸应力略低外，其他综合物理性能最优；5#和6#试验配方采用炭黑N660后，通过调整硫黄、油和粘合剂用量后，胶料的定伸应力、H抽出力等关键性能与生产配方胶料相当，拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度略有下降。

表3 小配合试验胶料的物理性能

2.1.3 动态力学性能

通常以DMA测试的损耗因子（tanδ）来表征硫化胶的动态性能，60 ℃下的tanδ越小，胶料摩擦生热越低，对轮胎滚动阻力下降越有利[4-5]。小配合试验胶料的DMA测试结果如图1所示。

图1 小配合试验胶料的DMA测试结果

从图1可以看出，5#和6#试验配方胶料的60 ℃下的tanδ均有较大程度的减小，这是由于2个试验配方都采用了炭黑N660。炭黑N660是大粒径、低结构度炭黑，在胶料中更易分散，硫化胶中炭黑粒子之间摩擦比炭黑N330小，因此生热低。另外，与生产配方胶料相比，6#试验配方采用锡偶联亲炭黑的SSBR，锡偶联减少了橡胶分子末端数量，也会减小胶料滞后损失，使生热进一步降低。

2.2 大配合试验

通过小配合优选试验，5#和6#试验配方胶料的粘弹性表征最低，含锡偶联SSBR的6#试验配方胶料的物理性能和动态力学性能更优，因此选取生产配方和6#试验配方进行大配合试验和成品轮胎性能验证。

2.2.1 硫化特性

大配合试验胶料的硫化特性如表4所示。

表4 大配合试验胶料的硫化特性

从表4可以看出，6#试验配方胶料的门尼粘度、门尼焦烧时间和硫化特性与生产配方胶料相当。

2.2.2 物理性能

大配合试验胶料的物理性能如表5所示。

表5 大配合试验胶料的物理性能

从表5可以看出，通过增大硫黄和粘合树脂用量，同时减小橡胶油V700的用量，6#试验配方胶料的硬度和300%定伸应力达到与生产配方胶料同等水平。但基于补强材料性质，炭黑N660等量替代炭黑N330后，胶料的拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度都有一定程度下降。

2.2.3 粘合性能

为了完整评估试验配方胶料的粘合性能，分别进行了单根帘线H抽出、胎体压延后聚酯帘布剥离以及胎圈网孔布的粘合性能评估试验。根据经验，胎体帘布剥离后覆胶率基本在100%水平（如图2所示），故无法对试验配方和生产配方覆胶水平进行准确评估。而网孔布是由单丝组成，且经纬线直径一致，覆胶率一般不会达到100%，故可以通过放大剥离后网孔布上的覆胶情况评估胶料覆胶水平，结果如图3所示。

图2 帘布剥离后覆胶情况对比

图3 网孔布剥离覆胶情况对比（放大50倍）

从图3可以看出，6#试验配方胶料虽采用补强效果略弱的炭黑N660，但在配方中增大了粘合树脂和硫黄用量，因此试验配方胶料的剥离覆胶率没有受到影响。

大配合试验胶料的粘合性能如表6所示。

从表6可以看出，与生产配方胶料相比，6#试验配方胶料的帘线H抽出力和帘布剥离强度都略有下降但幅度不大。帘线H抽出力和帘布剥离强度均受胶料抗撕裂性能影响，抗撕裂性能越好，帘线H抽出力和帘布剥离强度越高。为降低滚动阻力，6#试验配方中采用炭黑N660替代炭黑N330，由于炭黑N660补强性能弱于炭黑N330，因此6#试验配方胶料撕裂强度略有下降，导致帘线H抽出力和帘布剥离强度略有下降，属于正常规律，但相对降幅不大，可以看做比较接近的水平。

表6 大配合试验胶料的粘合性能

2.2.4 动态力学性能

大配合试验胶料的DMA测试结果见图4。

图4 大配合试验胶料的DMA测试结果

从图4可以看出，6#试验配方胶料60 ℃的tanδ较生产配方减小约57%，这应该是大粒径、低结构度的炭黑N660降低了形变时粒子间摩擦，同时锡偶联SSBR可提高炭黑分散效果、减少分子末端数量、降低苯乙烯含量从而降低试验配方胶料内摩擦生热，进而总体大幅度降低胶料的tanδ。

2.3 成品性能

将生产配方和6#试验配方胶料作为胎体胶料，轮胎所用其他部件的材料都相同，用同一种工艺进行225/60R17规格轮胎制备，并进行成品轮胎室内高速和耐久性能以及滚动阻力测试，结果分别如表7和8所示。

从表7可以看出，采用生产配方和6#试验配方的胎体胶料试制的成品轮胎耐久性能相当，试验配方轮胎高速性能略有提高。

表7 成品轮胎高速和耐久性能

从表8可以看出，采用6#试验配方的胎体胶料试制的成品轮胎滚动阻力平均值较生产配方制备的成品轮胎下降4.56%，说明通过对胎体帘布胶配方的优化，达到了降低轮胎滚动阻力的目的。当然低滚动阻力胎体胶对滚动阻力下降贡献的幅度还与轮胎结构有关，本工作没有进一步讨论。

表8 成品轮胎滚动阻力测试结果

3 结论

开发了低滚动阻力半钢子午线轮胎胎体配方，采用大粒径、低结构度的炭黑N660替代炭黑N330可减少填料摩擦，采用低Tg锡偶联SSBR替代ESBR以减小分子末端滞后损失，并通过调整粘合增进剂、橡胶油和硫黄用量等措施保证胶料模量和粘合性能。结果表明，配方优化后胎体胶料的硬度和定伸应力相当，拉伸性能和粘合性能略有下降，动态粘弹滞后损失明显减小，轮胎滚动阻力下降。