劉華僑，王中江，李紅衛(wèi)，顧培霜，朱家順

[1.特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266061；2.山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300]

輪胎在負(fù)荷條件下在路面上滾動(dòng)，受到了負(fù)荷作用及路面的反作用，使輪胎在行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)形變和磨耗很復(fù)雜。在輪胎產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用中，除了需要考慮輪胎本身的高速性能、耐久性能、壓穿強(qiáng)度、水壓爆破性能等外，行駛環(huán)境（路面狀態(tài)和氣候條件等）以及銷(xiāo)售市場(chǎng)也需要在研發(fā)初期綜合考慮。例如米其林的高端產(chǎn)品Primacy 3輪胎因在抗?jié)窕阅芎挽o音方面表現(xiàn)優(yōu)異而名聲大噪，然而進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)后卻因復(fù)雜路面環(huán)境和行車(chē)習(xí)慣等，凸顯出耐磨性能差等問(wèn)題，在胎面膠性能改善后推出的Primacy 3ST輪胎則兼顧了耐磨性能，成為為中國(guó)市場(chǎng)量身打造的產(chǎn)品。

本工作以出租車(chē)輪胎胎面膠開(kāi)發(fā)為例，針對(duì)多瀝青路面為主道路的常規(guī)市場(chǎng)和多山多石板道路的攀枝花市場(chǎng)，研究胎面膠的耐磨性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號(hào)RC2557S，中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司產(chǎn)品；天然橡膠（NR），STR20，泰國(guó)進(jìn)口產(chǎn)品；乳聚丁苯橡膠（ESBR），牌號(hào)SBR1723，中國(guó)石化齊魯石化公司產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國(guó)石化四川石油化工有限公司產(chǎn)品；炭黑N234，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；白炭黑，牌號(hào)Silica 115MP，青島羅地亞白炭黑有限公司產(chǎn)品；環(huán)保型芳烴油，牌號(hào)V500，德國(guó)漢圣公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

配方A：SSBR 55，NR 15，BR 45，炭黑N234 70，白炭黑 10，環(huán)保型芳烴油 10，活化體系 4.5，防老體系 2，硫化體系 3.4。

配方B：BR 40，ESBR 82.5，炭黑N234 70，白炭黑 10，環(huán)保型芳烴油 11，活化體系5，防老體系 3，硫化體系 3.4。

配方C：BR 40，ESBR 82.5，炭黑N234 70，環(huán)保型芳烴油 3，活化體系 5，防老體系3，硫化體系 3.4。

1.3 主要設(shè)備和儀器

F305型和F370型密煉機(jī)，大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司產(chǎn)品；EKT-2000S型硫化儀，曄中科技有限公司產(chǎn)品；拉伸試驗(yàn)機(jī)和阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵科技股份有限公司產(chǎn)品；RCC-1型橡膠動(dòng)態(tài)切割試驗(yàn)機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

膠料采用常規(guī)三段混煉工藝，一段和二段混煉在F370型密煉機(jī)中進(jìn)行，設(shè)定填充系數(shù)為72%。

一段混煉壓砣壓力為0.6 MPa，初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1。混煉工藝為：生膠和小料→壓壓砣（5 s）→部分炭黑→壓壓砣→提壓砣（112 ℃）→油→壓壓砣→提壓砣（25 r·min-1，112 ℃，8 s）→壓壓砣→提壓砣（155 ℃，排膠）。

二段混煉壓砣壓力為0. 6 MPa，初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1。混煉工藝為：一段混煉膠→壓壓砣（10 s）→剩余炭黑→壓壓砣→提壓砣（30 r·min-1，135 ℃）→壓壓砣（15 s）→提壓砣（152℃，排膠）→壓壓砣（40 r·min-1）→提壓砣→關(guān)卸料門(mén)。

終煉在F305型密煉機(jī)中進(jìn)行，設(shè)定填充系數(shù)為70%。終煉壓砣壓力為0.4 MPa，初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為22 r·min-1?；鞜捁に嚍椋憾位鞜捘z加硫化體系→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（30 s）→提壓砣→壓壓砣（20 s）→提壓砣→壓壓砣（25 s）→提壓砣→排膠。

1.5 性能測(cè)試

膠料性能均按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

配方性能是由配方所用生膠體系、填料種類(lèi)和用量及硫化體系決定的[1-2]，若填料和硫化體系相同，僅更換單一膠種，即可測(cè)定膠料的硫化速率水平。表1示出了本研究涉及到的幾種生膠的硫化速率。若以t10判定膠料的初始硫化速率，以t90判定膠料的總硫化時(shí)間，從表1可以看出，各膠種硫化速率由快到慢依次為：NR，BR，SSBR和ESBR。

表1 各膠種的硫化速率

試驗(yàn)配方膠料的硫化儀數(shù)據(jù)（150 ℃）如表2所示。由表2可以看出：配方A使用了SSBR，NR和BR，膠料的硫化速率最大，總硫化時(shí)間最短；相對(duì)于配方A，配方B使用了硫化速率較小的ESBR替代硫化速率較大的SSBR和NR，且BR用量減小5份，導(dǎo)致配方B膠料的初始硫化速率減小，總硫化時(shí)間延長(zhǎng)；配方C與配方B相比僅減少10份白炭黑，膠料的硫化速率稍有減小，總硫化時(shí)間略微延長(zhǎng)，但差別不大。

表2 試驗(yàn)配方膠料的硫化儀數(shù)據(jù)

因此，若進(jìn)行配方切換試驗(yàn)，需要對(duì)輪胎硫化工藝進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)延長(zhǎng)硫化時(shí)間，保證胎面膠達(dá)到正硫化。

2.2 物理性能

試驗(yàn)配方硫化膠的物理性能如表3所示。

表3 試驗(yàn)配方硫化膠的物理性能

由表3可見(jiàn)：配方A使用SSBR，搭配45份BR，硫化膠的邵爾A型硬度較高，定伸應(yīng)力較大，為常規(guī)高耐磨胎面膠配方設(shè)計(jì)；配方B使用ESBR，搭配40份BR，相對(duì)于配方A硫化膠，配方B硫化膠的邵爾A型硬度降低了4度左右，定伸應(yīng)力減小，拉斷伸長(zhǎng)率增大；配方C在配方B的基礎(chǔ)上減小10份白炭黑用量，調(diào)整油用量保證硬度相同，因填料用量減小，硫化膠的定伸應(yīng)力降低，但拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率稍有增大。

此外，試驗(yàn)得到配方B硫化膠的耐老化性能最優(yōu)，這是因?yàn)橄鄬?duì)于配方A，配方B使用ESBR替換了SSBR和耐老化性能最差的NR；相對(duì)于配方B硫化膠，配方C硫化膠的耐老化性能下降，可以推斷配方B中10份白炭黑不但可以提升硫化膠的抗撕裂性能，也能夠顯著提升硫化膠的耐老化性能。

阿克隆磨耗試驗(yàn)接近輪胎在柏油路面的磨耗狀態(tài)。由表3還可以看出，配方A硫化膠的耐磨性能最好，配方C硫化膠的耐磨性能最差。這是因?yàn)榕浞紸使用分子鏈規(guī)整的SSBR，同時(shí)硬度設(shè)計(jì)水平較高，所以硫化膠的阿克隆磨耗表現(xiàn)最佳。而配方B雖然使用了ESBR替換SSBR，但設(shè)計(jì)硬度降低了4度左右，不利于減小硫化膠的普通磨耗量。配方C在配方B的基礎(chǔ)上減小10份白炭黑用量，填料用量減小，設(shè)計(jì)硬度與配方B在相同水平，硫化膠的耐磨性能最差。

如果評(píng)價(jià)輪胎在苛刻路面條件下的耐磨性能，例如多山多石路面條件，通常進(jìn)行抗切割試驗(yàn)，抗切割指數(shù)越大，抵抗非正常磨耗的性能越佳。由表3可知，相對(duì)于配方A，配方B和配方C硫化膠的抗切割指數(shù)均提高，這是因?yàn)橄鄬?duì)于配方A使用的SSBR分子鏈規(guī)整性好，輪胎產(chǎn)品在常規(guī)環(huán)境下的耐磨性能和彈性、生熱和滯后損失較ESBR占有優(yōu)勢(shì)，然而規(guī)整的分子鏈結(jié)構(gòu)及較小的相對(duì)分子質(zhì)量和較窄的分布不利于輪胎產(chǎn)品在苛刻環(huán)境下的抗切割性能。配方B和C中的ESBR相對(duì)分子質(zhì)量較大且分布較寬，有利于提高硫化膠的抗切割性能。相對(duì)于配方B硫化膠，配方C硫化膠的抗切割指數(shù)下降，說(shuō)明白炭黑的加入能夠顯著提升配方體系的抗撕裂和抗切割性能。

2.3 成品性能

根據(jù)膠料性能分析，決定使用配方A和B進(jìn)行成品輪胎試制，輪胎規(guī)格為195/65R15。使用2個(gè)配方試制的輪胎均通過(guò)工廠研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)貨進(jìn)入市場(chǎng)驗(yàn)證實(shí)車(chē)磨耗性能。采用與出租車(chē)公司合作的方式，向兩個(gè)具有典型路況的市場(chǎng)分別發(fā)送195/65R15輪胎，每1萬(wàn)km反饋記錄胎面異常磨耗狀態(tài)，綜合打分情況如表4所示。

表4 試驗(yàn)輪胎的耐磨性能

圖1示出了配方A輪胎在苛刻地區(qū)（攀枝花市場(chǎng)）的磨耗狀態(tài)。

圖1 配方A輪胎在苛刻路面地區(qū)的胎面膠磨耗狀態(tài)

從表4及圖1可以看出，使用配方A的出租車(chē)輪胎在攀枝花出現(xiàn)了魚(yú)鱗狀不正常磨耗，屬非常規(guī)磨耗形式，經(jīng)過(guò)售后技術(shù)小組趕赴現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察，分析表面魚(yú)鱗狀磨耗系該地區(qū)石板路（似搓衣板形狀）切割所致。出租車(chē)輪胎胎面膠配方A的邵爾A型硬度為67度左右。對(duì)于柏油路況，胎面膠硬度高可提升耐磨性能，但對(duì)于多山多石路況，胎面膠硬度偏高導(dǎo)致剛性過(guò)大，在路面多棱峰、鈍銳角等復(fù)雜情況，輪胎與其硬碰硬導(dǎo)致切割磨損。而配方B胎面膠正好相反，在苛刻路況下具有優(yōu)異的耐磨性能，在普通柏油路況下表現(xiàn)合格，這是因?yàn)榕浞紹胎面膠的硬度降低，犧牲了柏油路況的磨耗性能而通過(guò)膠種替換提升了抗切割性能。

3 結(jié)論

輪胎胎面膠開(kāi)發(fā)過(guò)程中，針對(duì)不同的使用路況有針對(duì)性地進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，市場(chǎng)不同，性能偏重方向不同。SSBR和ESBR因分子設(shè)計(jì)規(guī)整度、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布不同，在耐磨性能上有不同的表現(xiàn)，SSBR胎面膠輪胎在普通路面上的耐磨性能較好，而ESBR胎面膠輪胎在避免不正常磨耗方面表現(xiàn)更佳。白炭黑能夠顯著提升胎面膠的抗撕裂性能和抗切割性能。在瀝青路面為主的使用環(huán)境，出租車(chē)輪胎胎面膠設(shè)計(jì)主要側(cè)重于普通磨耗，高硬度和高定伸應(yīng)力的胎面膠配方能夠顯著改善輪胎的耐磨性能；在山路和苛刻路面為主的使用環(huán)境，胎面膠設(shè)計(jì)則應(yīng)更加側(cè)重于苛刻磨耗，硬度稍低和抗切割性能高的胎面膠能夠顯著延長(zhǎng)輪胎的使用壽命和行駛里程。