低滚阻剂DS01在全丁苯橡胶矿用载重子午线轮胎胎面胶中的应用

丛明辉，吕丹丹，王婷婷，周鹏程，董凌波，徐海妮

（三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200）

矿用全钢载重子午线轮胎作业条件恶劣，轮胎的失效形式主要体现在两个方面:运行路面主要是非铺装碎石路面，轮胎胎面易被割伤或刺穿，出现崩花掉块；高负荷使轮胎生热较大，易出现肩空。这些问题导致矿用轮胎使用寿命缩短和安全性能大幅降低[1-2]。

丁苯橡胶（SBR）的分子链侧基是苯基和乙烯基，分子间作用力大，抗切割、抗刺扎性能优于天然橡胶（NR）[3]。为了提高矿用轮胎胎面胶抗切割、抗刺扎性能，一般会使用大量SBR，但SBR生热高于NR。因此提高矿用轮胎胎面胶的抗切割、抗刺扎性能，同时降低生热是目前亟待解决的问题。

本工作通过研究低滚阻剂DS01在全SBR矿用轮胎胎面胶中的应用，以期在提高胎面胶的抗切割、抗刺扎性能的同时降低生热。

1 实验

1.1 主要原材料

低滚阻剂DS01，日本大冢材料科技有限公司产品；乳聚丁苯橡胶（ESBR），牌号1502，中国石油吉林石化公司产品；环保芳烃油（TDAE），新疆独山子石油化工有限公司产品；白炭黑LK975和炭黑N220，山东联科科技股份有限公司产品。

1.2 配方

生产配方:ESBR 100，炭黑N220 53，白炭黑LK975 8，TDAE 12，氧化锌 5，硬脂酸3.5，防老剂4020 2.5，防老剂RD 1.5，硫黄和促进剂TBBS 3.5，其他 8。

试验配方1和2分别添加3和5份低滚阻剂DS01，其他组分和用量同生产配方。

1.3 主要设备和仪器

1.5 L实验室用小配合密炼机，德国克虏伯公司产品；XLB-500型电热平板硫化机和XK-160型开炼机，青岛先锐机电有限公司产品；BB620和BB270剪切型密炼机，日本神户制钢所产品；TS-2000M型拉力机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；Premier MDR型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；Q800型橡胶动态热机械分析（DMA）仪，美国热分析仪器公司产品。

1.4 试样制备

小配合试验胶料采用两段混炼工艺。一段混炼采用1.5 L密炼机，转子转速为50 r·min-1，混炼工艺为:低滚阻剂DS01、生胶和小料→压压砣混炼20 s→加入炭黑、白炭黑和TDAE→压压砣混炼30 s→提压砣→压压砣，在150～155 ℃下混炼2 min→排胶。二段混炼工艺为:一段混炼胶在开炼机上混炼至胶料包辊→依次加入硫黄和促进剂→混炼约4 min（期间左右各割刀2次进行捣胶）→打卷薄通5次→下片。

大配合试验胶料采用3段混炼工艺。一段和二段混炼在BB620剪切型密炼机中进行，转子转速为45 r·min-1，混炼工艺为:生胶、小料和低滚阻剂DS01→压压砣混炼20 s→加入炭黑和白炭黑→压压砣混炼30 s→加入TDAE→压压砣，在150～155 ℃下混炼2 min→排胶。二段混炼工艺为:一段混炼胶→压压砣混炼30 s→提压砣→压压砣混炼至150℃→排胶。终炼在BB270剪切型密炼机中进行，转子转速为20 r·min-1，混炼工艺为:二段混炼胶、硫黄和促进剂→压压砣混炼35 s→提压砣→压压砣混炼25 s→提压砣→压压砣混炼至110 ℃→排胶。

混炼胶在150 ℃×30 min条件下于平板硫化机上硫化。

1.5 性能测试

（1）物理性能。各项性能均按相应的国家标准进行测试。

（2）动态力学性能。在DMA仪拉伸模式下进行温度扫描，测试条件为:温度范围－60～80℃，频率 10 Hz，升温速率 3 ℃·min-1，静态应变 1%，动态应变 0.25%。

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1所示。

从表1可以看出，低滚阻剂DS01对胶料加工性能有一定影响。随着低滚阻剂DS01用量增大，胶料的门尼粘度增大，硫化速度加快，门尼焦烧时间比生产配方胶料缩短15%～35%，加工安全性降低。这可能是因为低滚阻剂DS01与SBR中的双键发生反应，消耗掉部分双键，硫化体系中硫黄和促进剂相对“过量”。

表1 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2所示。

表2 小配合试验胶料的物理性能

从表2可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的DIN磨耗量明显降低，而阿克隆磨耗量变化不大。这说明低滚阻剂DS01可有效提升较好铺装路面条件下胎面胶的耐磨性能，对较差路面条件下胎面胶的耐磨性能无不利影响。试验配方胶料的其他性能与生产配方胶料相当。

2.1.3 动态力学性能

轮胎胎面配方研究中，轮胎抗湿滑性能通常用0 ℃时的损耗因子（tanδ）进行预测，其值越高，轮胎的抗湿滑性能越好，反之越差；轮胎的滚动阻力或胶料生热性能用60 ℃时的tanδ进行预测，其值越低，轮胎的滚动阻力或胶料生热越低，反之越高[4-5]。小配合试验胶料的tanδ-温度曲线见图1。

从图1可以看出:试验配方和生产配方胶料0℃时的tanδ差异不大；而试验配方胶料60 ℃时的tanδ较生产配方胶料降幅达14%。这说明在胎面胶配方中加入低滚阻剂DS01，可以在不影响轮胎抗湿滑性能的前提下，大幅度降低胶料生热，进而降低轮胎滚动阻力，提升轮胎耐久性能。分析原因可能是低滚阻剂DS01一方面与SBR中的双键发生反应，接枝到橡胶分子主链上；另一方面低滚阻剂DS01上炭黑亲和基团与炭黑表面官能团作用，即低滚阻剂DS01在橡胶分子与炭黑之间起到“架桥”作用，增强了橡胶分子与炭黑间相互作用，减少了橡胶分子链自由移动，改善了炭黑在橡胶中的分散性。

图1 小配合试验胶料的tan δ-温度曲线

2.2 大配合试验

小配合试验结果显示，低滚阻剂DS01用量为3和5份时，胶料的物理性能和动态力学性能差异不大，为保障胶料加工安全性，选择低滚阻剂DS01用量3份的试验配方1进行大配合试验。

大配合试验结果如表3所示。

从表3可以看出:与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼焦烧时间和硫化时间缩短，可适当增大防焦剂的用量进行调整；定伸应力和拉伸强度增大；DIN磨耗量减小约17%；0 ℃时的tanδ基本不变，60 ℃时的tanδ减小约15%。大配合试验结果与小配合试验结果基本一致。

表3 大配合试验结果

2.3 工艺性能

2.3.1 密炼工艺

一段混炼胶的出片情况如图2所示。

从图2可以看出，试验配方1一段混炼胶胶片表面呈麻面状态，但其二段混炼胶和终炼胶的表面光滑平整，与生产配方无明显差异。

图2 一段混炼胶的出片情况

2.3.2 胎面挤出工艺

试验配方1胶料挤出胎面如图3所示。

从图3可以看出，试验配方1胶料挤出胎面表面光滑平整，未因胶料门尼焦烧时间缩短而出现熟胶的问题。

图3 试验配方1胶料挤出胎面

2.3.3 成型工序

试验配方1胶料胎面成型情况如图4所示。

图4 试验配方1胎面成型情况

从图4可以看出，试验配方1胶料胎面在成型时接头粘性较差，出现接头开裂问题，后续可对试验配方1粘合体系进行微调，加入增粘树脂，以增大胎面胶粘性，改善成型时胎面接头质量。

2.4 成品性能

为进一步考察低滚阻剂DS01对矿用轮胎耐久性能的影响，按照企业标准进行成品轮胎耐久性能测试。测试轮胎为我公司12.00R20 22PR TR691JS轮胎，胎面胶分别使用生产配方和试验配方1胶料，其他施工条件均相同。测试条件及结果如表4所示。

从表4可以看出，试验配方1轮胎累计行驶时间为73.8 h，生产配方轮胎累计行驶时间为65.8 h。试验配方1轮胎的耐久性能较生产配方轮胎提升约12%。

表4 成品轮胎的耐久性测试条件及结果

3 结论

（1）在全SBR矿区轮胎胎面胶中加入低滚阻剂DS01后，胶料的门尼焦烧时间缩短，硫化速度加快，DIN磨耗量减小约17%，60 ℃时的tanδ减小约15%，其他性能与未添加低滚阻剂DS01的胶料相当。

（2）添加低滚阻剂DS01的胎面在成型时，接头粘性较差，出现接头开裂问题，但可通过加入增粘树脂增大胎面胶粘性，改善成型时胎面接头质量。

（3）添加低滚阻剂DS01的胎面胶试制的12.00R20 22PR TR691JS轮胎耐久性能提升约12%。