陈 龙，赵 菲，赵树高(青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室，青岛 266042)
摘 要：研究了白炭黑175Gr分别与4种炭黑并用对轮胎胎面胶加工性能、物理机械性能和动态物理机械性能的影响。研究表明，随着炭黑粒径的增大和结构度的提高，白炭黑175Gr/炭黑填充的胶料正硫化时间都缩短;白炭黑175Gr/炭黑N234并用时，其胶料拉伸强度和拉断伸长率都最高;白炭黑175Gr分别与炭黑N220和炭黑N550并用时，两种胶料的回弹性和压缩疲劳性都较好;白炭黑175Gr/炭黑N220并用后，其胶料的Payne效应较小，滞后损耗因子最低。
关键词：白炭黑;炭黑;填料网络;物理机械性能
中图分类号：TQ333.2 文献标识码：A 文章编号：1005-4030(2013)01-0013-03
随着汽车工业的迅猛发展，轮胎正向绿色环保节能的方向发展。按其标准，相同规格的绿色轮胎比普通子午线轮胎的滚动阻力降低约20%;这就要求轮胎胎面胶必须达到耐磨性、滚动阻力和抗湿滑性三者的综合平衡[1-3];轮胎胎面胶的性能除了与其所使用的生胶种类有关外[4-5]，还与所使用的补强剂品种有关[6-7]。从提高胎面胶耐磨性方面研究，炭黑是其最有效的补强剂，但加入炭黑后能明显增大硫化胶的高温区滞后损耗，使滚动阻力增大[8]。从20世纪90年代开始，法国米其林轮胎公司推出了绿色轮胎新概念，通过加入白炭黑可有效降低轮胎生热和滚动阻力，同时还可提高胎面胶抗湿滑性，但耐磨性稍有下降。因炭黑和白炭黑对硫化胶性能的影响各不相同，所以炭黑与白炭黑的复合填充会对胶料产生重要影响。
1 实验部分
1.1 主要原材料
顺丁橡胶(BR)，齐鲁石化公司橡胶厂;溶聚丁苯橡胶，SSBR3830，韩国锦湖橡胶轮胎有限公司;溶聚丁苯橡胶，SSBR HP355，日本合成橡胶有限公司;炭黑N220，炭黑N234，炭黑N375和炭黑N550，均为青岛德固赛化学有限公司;白炭黑175Gr，青岛罗地亚白炭黑有限公司;其他助剂均为市售橡胶工业常用原材料。
基本配方(质量份)：BR/SSBR3830/SSBRHP355，20/30/50;白炭黑175Gr，40;炭黑，40，变品种(N220，N234，N375和N550);氧化锌，3;硬脂酸，2;环保芳烃油，30;微晶蜡，1.5;防4020，1.5;防RD，1;促CZ，1.7;促D，0.8;S，2。
1.2 主要仪器与设备
开炼机，BL-6175，宝轮精密检测仪器公司;密炼机，XSM-500，上海科创橡塑机械设备有限公司;密闭模无转子硫化仪，GT-M2000-A，美国Alpha 技术有限公司;橡胶加工分析仪，RPA2000，美国Alpha技术有限公司;门尼粘度测试仪，GT-M2000，美国Alpha技术有限公司;Zwick电子拉力机，德国Zwick公司;平板硫化机，HS-100T-RTMO，深圳佳鑫电子设备科技有限公司;阿克隆磨耗仪，MH-74，台湾高铁科技股份有限公司;压缩生热实验机，GT-RH-2000，台湾高铁科技股份有限公司。
1.3 试样制备
使用密炼机混炼，一段加入白炭黑和Si-69，转子转速55r/min，初始温度100℃，混炼时间240s;二段高温段，转子转速25r/min，初始温度140℃，混炼时间300s;三段加入炭黑、油和小料，转子转速55r/min，初始温度60℃，混炼时间300s。排胶到开炼机上，调整辊距、包辊后加入促进剂和硫黄，左右割胶各3刀，薄通5次，调整合适辊距下片，停放，备用。 使用平板硫化机硫化试样，硫化条件为160℃×t90。按照试样标准制备拉伸试样、撕裂试样、阿克隆磨耗试样和压缩生热试样。
1.4 性能测试
拉伸强度按GB/T528-2009测试，撕裂强度按GB/T529-2008测试，回弹性按GB/T530-1999测式，压缩生热按GB1687-1993测试，磨耗按GB/T1689-1998测试。
使用橡胶加工分析仪进行应变扫描实验。测试温度为100℃，频率为1Hz，应变扫描范围为0.28%～100%。
2 结果与讨论
2.1 白炭黑175Gr/炭黑填充胶的加工性能表1是4种炭黑的CTAB比表面积和DBP吸油值。
由表2可看出，在其他组分相同且混炼条件一定时，正硫化时间随炭黑粒径的增大和结构度的提高而缩短。其原因可能是随着炭黑粒径的减小，炭黑与橡胶的总接触面积变大，形成的结合胶的量增多，体系粘度增大，硫化时不利于硫黄分子的迁移和橡胶分子链的转移。
白炭黑175Gr/炭黑N234胶料的转矩差ΔM最大，白炭黑175Gr/其他炭黑的胶料转矩差大致相同。ΔM 的大小与硫化时形成的交联键数量、填料与橡胶形成的结合胶的量、包容胶的量及填料分散状态有关。炭黑N234的粒径最小、结构度最高，形成的结合胶的量和包容胶的量均最多，因此ΔM 最大。
混炼胶的门尼粘度除了与所用填料的粒径有关外，还与填料的结构度有关。在粒径相近的情况下，炭黑结构度越高，胶料中形成的包容橡胶的量越多，炭黑的有效填充体积增加，因此门尼粘度相应增大;炭黑的结构度增加，其分散性提高，填料网络减弱，可使混炼胶的门尼粘度降低。从表2中还可看出，白炭黑175Gr/炭黑N234胶料的门尼粘度最高，白炭黑175Gr/炭黑N550的最低，因此炭黑粒径对门尼粘度的影响还是主要的。
2.2 白炭黑175Gr/炭黑填充胶的物理机械性能
白炭黑175Gr/炭黑填充胶的物理机械性能见图1～图4。
从图1和图2可看出，炭黑N234的粒径小且结构度高，形成的结合胶的量多，高结构度可使炭黑在橡胶基体中的分散性较好，因此补强效果好，拉伸强度和拉断伸长率都最高;炭黑N220的粒径与炭黑N234的相差不大，但结构度低，其分散性受到影响，因此拉伸强度较低;随着炭黑粒径的增大，撕裂强度稍呈降低趋势。
从图3可看出，回弹性与炭黑粒径和结构度也有关系。实验证明，炭黑粒径越小且结构度越高，其硫化胶的回弹性就越差。本实验所选的几种炭黑的粒径和结构度综合平衡的结果是，粒径较小且结构度较低的炭黑N220和粒径较大且结构度较高的N550的硫化胶回弹性较好。
白炭黑175Gr分别与4种炭黑的填充胶磨耗性能表明，白炭黑175Gr/炭黑N375填充胶胎面胶的磨耗量最小，耐磨性最好。
白炭黑175Gr分别与4种炭黑(N220，N234，N375和N550)的填充胶压缩生热性能见表3。
从表3可看出，白炭黑175Gr与粒径较大且结构度较高的炭黑N550的填充胶动态压缩生热温升最小;与粒径小且补强性好的炭黑N234填充胶压缩生热较高。
2.3 白炭黑与炭黑填充胶胎面胶的动态性能
图5是白炭黑175Gr分别与4种炭黑填充胶的储能模量(G′)与应变之间的关系曲线。
由图5可看出，不论是与哪种炭黑的填充胶，其储能模量G′均随应变的增加而降低，即呈现出明显的Payne效应。
图6是白炭黑175Gr分别与4种炭黑的填充胶Payne效应。Payne效应可用来表征填料的分散性好坏，也可判断填料之间的相互作用力的大小。从图6中可看出，白炭黑175Gr/炭黑N234填充胶的Payne效应比较明显，说明填充胶中形成的填料网络较强。分析后认为，这主要是因炭黑N234的粒径小且结构度高，炭黑与橡胶间形成的包容胶的量增多，使得自由橡胶的量减少的原因。这就相当于增加了炭黑的有效体积，减小了填料粒子间的作用距离，使得填料网络更易形成，Payne效应比较明显。由于炭黑N220的结构度低，白炭黑175Gr/炭黑N220填充胶的包容胶的量少，Payne效应相对较低，动态损耗因子较低，见图7。
3·结论
(1)白炭黑175Gr/炭黑填充胶的正硫化时间随炭黑粒径的增大和结构度的提高而缩短。
(2)白炭黑175Gr/炭黑N234填充胶的综合物理机械性能最好;白炭黑175Gr/炭黑N220和白炭黑175Gr/炭黑N550填充胶的回弹性和压缩疲劳性能较好。
(3)白炭黑175Gr/炭黑N234填充胶的Payne效应最高，白炭黑175Gr/炭黑N220填充胶的动态滞后损失最小。
参考文献：略
