硅格粉在全钢载重子午线轮胎胎肩垫胶中的应用

王鹏君，张进生，刘立杰，张 晨，王 洋，李 慧，高绪风，王桂林，薛 霖

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

轮胎在行驶过程产生的热量积累在胎肩内部，容易导致肩空脱层，增加安全风险。为避免上述问题，应在带束层端部加入胎肩垫胶[1-3]。目前，常采用在胎肩垫胶中加入白炭黑来降低其生热。但白炭黑粒径小，极易团聚，很难在橡胶中分散[4]。为促进白炭黑在橡胶基体中的分散，提升加工性能，白炭黑改性成为热点研究方向[5-7]。

硅格粉是一种新型的改性二氧化硅（SiO2），以非结晶SiO2为主要成分，不仅具有优异的低生热特性，还可以有效解决白炭黑在橡胶中难以分散的问题，因此在橡胶领域中可替代白炭黑使用。张林峰等[8]将炭黑和硅格粉进行化学结合，由自动水射流器分散混合形成悬浊液喷入炭黑反应炉，形成新型的双相炭黑，并将其用于胶料中，提高了胶料的物理性能，降低了滚动阻力的同时又不损失抗湿滑性能。

本工作将硅格粉应用于全钢载重子午线轮胎胎肩垫胶中，研究其对胶料性能和轮胎使用性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚产品；炭黑N330和白炭黑，山东联科科技股份有限公司产品；硅格粉，哈尔滨硅格新材有限公司产品。

1.2 配方

试验配方如表1所示。

表1 试验配方 份

1.3 主要设备和仪器

1.5 L BB-1600IM型密炼机，日本株式会社神户制钢所产品；GK400N型密炼机，德国克虏伯公司产品；GK270N型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；BL-6175-AL型高低温开炼机，宝轮精密检测仪器有限公司产品；XLB-D500×500×2型平板硫化机，浙江湖州东方机械有限公司产品；PREMIER MV型门尼粘度仪和PREMIER MDR型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；5965型电子万能材料试验机，美国Instron公司产品；WAH17A型邵氏A型硬度计，美国Wallace仪器有限公司产品；Digi test Ⅱ型高低温回弹试验机，德国博锐仪器有限公司产品；GT-70120D型DIN磨耗试验机，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品。

1.4 试样制备

小配合试验采用2段混炼工艺。一段混炼在1.5 L BB-1600IM型密炼机中进行，初始温度为60 ℃，转子转速为90 r·min-1，混炼工艺为：生胶、炭黑等填料及小料→恒温混炼→排胶。二段混炼工艺为：加入一段混炼胶、硫黄和促进剂→恒温混炼→排胶，在BL-6175-AL型开炼机上薄通，下片。胶料停放8 h后，在平板硫化机上硫化，硫化条件为151 ℃×30 min。

大配合试验采用2段混炼工艺，均执行自动混炼工艺。一段混炼在GK400N型密炼机中进行，二段混炼在GK270N型密炼机中进行。

1.5 性能测试

（1）硫化特性。按照 GB/T 16584—1996测定胶料硫化曲线，摆动弧度范围为±1°，频率为1.67 Hz，每隔12 s自动记录转矩值。

（2）物理性能。胶料的硬度测试按照GB/T 531.1—2008进行；拉伸性能按照GB/T 528—2009进行，采用哑铃形试样；撕裂性能按照GB/T 529—2008进行，采用直角形试样。

（3）生热性能。压缩生热测试按照GB/T 1687.3—2016进行。

（4）动态性能。采用动态热机械分析（DMA）仪，按照GB/T 9870.1—2006进行。温度扫描条件为：温度范围 —20～80 ℃，升温速率 2℃·min-1，应变 7%±0.25%。

（5）成品轮胎室内性能。轮胎耐久和高速性能按照GB/T 4501—2016《载重汽车轮胎性能室内试验方法》进行测试；滚动阻力按照ISO 28580：2018《乘用车、载重汽车和客车轮胎 滚动阻力测量法 单点试验和测量结果的相关性》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

硅格粉的理化性能如表2所示。

表2 硅格粉的理化分析结果

从表2可以看出，硅格粉的各项理化分析结果均符合标准要求。从氮吸附比表面积上看，其与高分散115型白炭黑相似，但加热减量较高，这是由于硅格粉中存在大量官能团。

2.2 小配合试验

2.2.1 硫化特性

小配合试验胶料的硫化特性如表3所示。

表3 小配合试验胶料的硫化特性

从表3可以看出：1#—3#配方胶料的门尼焦烧时间变化不大，说明添加硅格粉不影响胶料的加工安全性能；与1#配方胶料相比，2#和3#配方胶料的门尼粘度均略有提高，且2#配方胶料的门尼粘度高于3#配方胶料，这是由于白炭黑表面含有羟基基团，其与橡胶的作用力大于硅格粉与橡胶之间的作用力[9]。

从表3还可以看出，1#和2#配方胶料的FL和Fmax基本相同，而3#配方胶料的FL和Fmax较低，说明3#配方胶料的流动性优于1#和2#配方胶料，其交联程度稍低于1#和2#配方。t90和CRI表征胶料的硫化速度，t90越短，CRI越大，表明胶料的硫化速度越快。由表3可知，t90由短到长的胶料配方排序为1#，3#，2#，CRI指数由大到小的胶料配方排序为1#，3#，2#。说明1#配方胶料硫化速度最快，2#配方胶料硫化速度最慢，3#配方胶料硫化速度居中。这是因为白炭黑对促进剂的吸附作用要高于硅格粉，导致胶料中的促进剂含量减小，使硫化速度降低。添加硅格粉能够缓解白炭黑加工性能差、硫化效率低的问题，不易产生焦烧[6，10]。

2.2.2 物理性能

小配合试验硫化胶的物理性能如表4所示。

表4 小配合试验硫化胶的物理性能

从表4可以看出：2#和3#配方硫化胶的密度均大于1#配方硫化胶；与1#配方硫化胶相比，2#配方硫化胶的定伸应力和拉伸强度略有下降，撕裂强度和回弹值略高；与2#配方硫化胶相比，3#配方硫化胶的邵尔A型硬度相同，定伸应力和拉伸强度略有下降，回弹值略有提高。

2.2.3 生热性能

生热性能分析主要分为压缩生热分析和DMA分析。压缩生热能够反应橡胶在压缩屈挠后的温升情况[11]，而DMA可以较好地表征硫化胶的滚动阻力性能，硫化胶在60 ℃时的损耗因子（tanδ）越小，表明胶料的滚动阻力越小，滞后损失越少，生热越低。

小配合试验硫化胶的生热性能如表5所示。

表5 小配合试验硫化胶的生热性能

从表5可以看出，与1#配方硫化胶相比，2#配方硫化胶的压缩生热和tanδ分别下降6.52%和10.20%，3#配方硫化胶的压缩生热和tanδ分别下降9.99%和17.35%。3#配方硫化胶的压缩生热和tanδ较2#配方硫化胶明显下降。这是因为硅格粉的某些官能团与橡胶内部大分子形成了作用力，限制了橡胶内部大分子的运动，减少了橡胶分子的内摩擦，从而使得胶料的生热下降，滞后损失降低，滚动阻力减小。

2.3 大配合试验

2.3.1 硫化特性

大配合试验胶料的硫化特性如表6所示。

表6 大配合试验胶料的硫化特性

从表6可以看出，2#和3#配方胶料的门尼粘度、门尼焦烧时间、t90和CRI的变化趋势基本与小配合试验胶料相同，两者具有较好的相关性，说明3#配方胶料在生产中的加工安全性高，可用于批量化生产。

2.3.2 物理性能

大配合试验硫化胶的物理性能如表7所示。

表7 大配合试验硫化胶的物理性能

从表7可以看出，大配合试验硫化胶的各项物理性能与小配合试验相差不大。与2#配方硫化胶相比，3#配方硫化胶的邵尔A型硬度、定伸应力和拉伸强度略有下降，回弹值略有提高。

2.3.3 生热性能

大配合试验硫化胶的生热性能如表8所示。

表8 大配合试验硫化胶的生热性能

从表8可以看出，与1#配方硫化胶相比，2#配方硫化胶的压缩生热和tanδ分别下降6.72%和10.78%，3#配方硫化胶的压缩生热和tanδ分别下降10.01%和17.65%，3#配方硫化胶的生热水平明显低于2#配方硫化胶，变化趋势与小配合试验相同，进一步验证了硅格粉具有降低生热的作用。

2.4 工艺性能

试验轮胎在生产过程中工艺性能正常，压出胶料表面光滑平整，无异常现象出现；压出半成品尺寸正常，符合工艺要求，各工序均未见不良问题出现。

2.5 成品轮胎室内性能

为验证硅格粉在成品轮胎中的实际使用性能，选择在12R22.5 18PR规格的轮胎中以1#配方胶料作为正常生产轮胎，以3#配方胶料作为试验轮胎，进行了轮胎室内性能测试，具体结果如表9所示。

表9 成品轮胎室内性能对比

从表9可以看出，正常生产轮胎和试验轮胎的高速和耐久性能均达到国家标准要求，耐久性能测试累计行驶时间均在65 h左右，超过国家标准（≥47 h）要求。

正常生产轮胎和试验轮胎25 ℃时的滚动阻力系数分别为6.10和6.05 N·kN-1，与硫化胶的压缩生热和tanδ测试结果相一致。

以上结果说明加入硅格粉的轮胎高速和耐久性能满足使用要求，同时可降低轮胎的滚动阻力。

3 结论

（1）在全钢载重子午线轮胎胎肩垫胶中加入硅格粉，其焦烧时间基本不变，门尼粘度和硫化速度适中，添加硅格粉不影响胶料的加工安全性，适合大批量生产。

（2）通过小配合和大配合试验结果可知，加入硅格粉胶料的邵尔A型硬度基本不变，定伸应力和拉伸强度略有降低，回弹值提高，压缩生热和tanδ均下降。

（3）通过轮胎室内性能测试结果可知，使用硅格粉的轮胎不仅能够满足高速和耐久性能的国家标准要求，而且其滚动阻力系数小于正常生产轮胎，可以节约燃油费用，提高品牌竞争力。