炭黑NC803在全钢子午线轮胎胎肩垫胶中的应用

陈新中，陈嘉璇，李慎永，丁利虎

（山东耐斯特炭黑有限公司，山东 东营 257500）

全钢子午线轮胎胎肩垫胶因厚度较大，在轮胎高速行驶时生热快、散热慢，而且补强剂大多采用炭黑N375，为了解决生热问题，一般在配方中加入白炭黑，但是白炭黑不易分散，需加入硅烷偶联剂对白炭黑进行改性，导致生产成本和混炼能耗提高[1-5]。炭黑NC803是一种新开发的高结构度、较低比表面积、较大粒径的非标准炭黑，其粒径约为36 nm，大粒径炭黑能赋予胶料更低的生热。

本工作主要研究炭黑NC803在全钢子午线轮胎胎肩垫胶中的应用，探索炭黑NC803替代炭黑N375的可行性。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），1#标准胶，泰国进口产品；炭黑NC803和N375，山东耐斯特炭黑有限公司产品；白炭黑，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；偶联剂Si69，南京曙光硅烷化工有限公司产品；防老剂RD和4020，山东尚舜化工有限公司产品；氧化锌、硬脂酸、不溶性硫黄和促进剂TBBS，宁波艾克姆新材料有限公司产品。

1.2 试验配方

炭黑鉴定标准配方（用量/份）：NR 100，炭黑（变品种） 50，氧化锌 5，硬脂酸 3，硫黄2.5，促进剂MBTS 0.6。Q1和Q2配方分别采用炭黑N375和NC803，其余组分及用量相同。

胎肩垫胶生产配方（用量/份）：NR 100，炭黑（变品种） 22.5，白炭黑 15，偶联剂Si69 3，氧化锌 3.5，硬脂酸 2，防老剂RD 1，防老剂4020 1.5，不溶性硫黄 1.9，促进剂TBBS 1.9。Q3和Q4配方分别采用炭黑N375和NC803，其余组分及用量相同。

1.3 主要设备和仪器

XSM-500型橡塑实验密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；Brabender C型吸油计，德国布拉本达公司产品；TriStar Ⅱ型氮吸附仪，美国麦克公司产品；炭黑粒径分析仪，德国Brookhaven公司产品；MDR2000型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；XL-800×800×2型平板硫化机，青岛光越橡胶机械制造有限公司产品；TD-401A型热老化试验机，江都市腾达试验仪器厂产品；GT-TCS-2000型电子拉力机和GT-RH-2000型压缩生热试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；DMAQ800型动态热机械分析（DMA）仪，美国TA公司产品。

1.4 试样制备

采用密炼机按照GB/T 3780.18—2017《炭黑第18部分：在天然橡胶（NR）中的鉴定方法》制备标准配方混炼胶。

生产配方胶料按常规工艺进行混炼。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为145℃/10 MPa×30 min。

1.5 性能测试

动态力学性能采用DMA仪进行测试，测试条件为：拉伸模式，应变 0.25%，频率 10 Hz，升温速率 3 ℃·min-1，温度范围 －60～80 ℃。

胶料其他性能均按照相应的国家标准测试。

2 结果与讨论

2.1 炭黑的化学性能

两种炭黑的化学性能对比如表1所示。

表1 两种炭黑的化学性能对比

从表1可以看出，与炭黑N375相比，炭黑NC803的吸碘值低31.9%（粒径较大），DBP吸油值（结构度）高15.9%，压缩样吸油值高5.9%，氮吸附比表面积低20.5%，但单从数值来看，氮吸附比表面积比吸碘值高17%，这是炭黑NC803不同于炭黑N375的主要特性，表明炭黑NC803表面较炭黑N375表面有更多的官能团，能与橡胶产生更多的交联，增强胶料的性能，同时其滞后性能更低。

2.2 炭黑粒径分布

对炭黑的微观结构进行分析，采用离心沉降法分析炭黑聚集体分布结构。两种炭黑的粒径分布参数对比如表2所示。

表2 两种炭黑的粒径分布参数对比 μm

从表2可以看出，两种炭黑的D10差异不大，但D50和D90有较大差异，表明炭黑NC803的粒径分布比炭黑N375更宽，粒径稍大。

2.3 标准配方试验

两种炭黑对标准配方胶料性能的影响如表3所示。

表3 标准配方胶料的物理性能

从表3可以看出：在标准配方试验中，与炭黑N375胶料相比，老化前炭黑NC803胶料的邵尔A型硬度、拉伸强度和撕裂强度相差不大，定伸应力略高，拉断伸长率略低，压缩生热降低11.9%，DIN磨耗指数较大，其原因可能是炭黑NC803的结构度较高，分散性更好；老化后炭黑NC803胶料的定伸应力、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度均比炭黑N375胶料略高。

2.4 生产配方试验

2.4.1 物理性能

在相同的配方及工艺条件下，用炭黑NC803等量替代炭黑N375，胶料物理性能如表4所示。

表4 生产配方胶料的物理性能

从表4可以看出：在生产配方试验中，与炭黑N375胶料相比，老化前炭黑NC803胶料的定伸应力和拉伸强度有所提高，拉断伸长率、撕裂强度和DIN磨耗指数基本一致，压缩生热略降低，这应该是由于加入白炭黑改善了胶料的压缩生热性能，使两种炭黑胶料的压缩生热差异减小；老化后炭黑NC803胶料的定伸应力和拉伸强度较高，其他性能在同一水平。

2.4.2 动态力学性能

两种炭黑胶料的动态力学性能如图1—4和表5所示，其中tanδ为损耗因子，E′为弹性模量，Tg为玻璃化转变温度。

图3 Q4配方胶料的E′-温度曲线

图4 Q4配方胶料的tanδ-温度曲线

表5 两种炭黑胶料的动态力学性能

从图1—4和表5可以看出，炭黑NC803胶料0℃时的tanδ比炭黑N375胶料大，60 ℃时的tanδ比炭黑N375胶料小，这表明炭黑NC803具有较低的滞后性，可满足全钢子午线轮胎胎肩垫胶的低生热需求。

2.5 效益分析

炭黑NC803的吨产品油消耗量（1.65 t）低于炭黑N375（1.80 t），日产量提升，电、水及蒸汽用量相对减少，碳排放量明显降低，炭黑NC803的生产成本比炭黑N375约低10%。

3 结论

（1）炭黑NC803是一种高结构度、较低比表面积和较大粒径的非标准炭黑，其独特之处是炭黑表面的官能团较多，能与橡胶发生更多的交联，有利于提高胶料的性能。

（2）在全钢子午线轮胎胎肩垫胶配方中，采用22.5份炭黑NC803等量替代炭黑N375，可以提高胶料的定伸应力和拉伸强度，同时降低生热。

（3）相较于炭黑N375，炭黑NC803具有更低的滞后性，同时生产成本低，碳排放量更小。

综上所述，炭黑NC803完全可以替代炭黑N375应用于全钢子午线轮胎胎肩垫胶中，解决胎肩垫胶的生热问题。