徐召來，劉 震，孔祥朋，吉欣宇，李漢華

（怡維怡橡膠研究院有限公司，山東 青島 266045）

輪胎的抗?jié)窕阅芤恢笔禽喬ゼ夹g(shù)人員、汽車廠技術(shù)人員和性能測試人員重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。自歐盟輪胎標(biāo)簽法規(guī)實(shí)施以來，消費(fèi)者對(duì)輪胎的抗?jié)窕阅芤苍絹碓疥P(guān)注。因此設(shè)計(jì)開發(fā)高抗?jié)窕阅茌喬コ蔀檩喬ゼ夹g(shù)人員的一個(gè)重要課題。以溶聚丁苯橡膠（SSBR）和白炭黑配合技術(shù)為基礎(chǔ)的綠色輪胎被發(fā)明以來，技術(shù)人員普遍認(rèn)識(shí)到填充白炭黑胎面膠相比填充炭黑胎面膠輪胎具有更加優(yōu)異的抗?jié)窕阅躘1-2]。目前市場上開發(fā)的抗?jié)窕喬ヌッ婺z配方都涉及到白炭黑的應(yīng)用。雖然有研究者提出較高的0 ℃損耗因子（tanδ）和模量等[3-5]是白炭黑胎面膠具有優(yōu)異抗?jié)窕阅艿脑?，但在不同測試條件下填充炭黑和白炭黑硫化膠濕摩擦規(guī)律性的相關(guān)研究很少。

王夢蛟等[6-7]在研究新型補(bǔ)強(qiáng)材料——雙相炭黑的抗?jié)窕阅軙r(shí)，提出了輪胎與路面接觸分為3個(gè)區(qū)（即水潤滑區(qū)、水潤滑區(qū)與界面潤滑區(qū)的過渡區(qū)和界面潤滑區(qū)），并指出負(fù)荷、硬度、tanδ、路面粗糙度和花紋形狀等因素與抗?jié)窕阅艿南嚓P(guān)性。

本工作利用綜合摩擦試驗(yàn)機(jī)（RTM）模擬特定濕路面條件，研究炭黑和白炭黑填充硫化膠在不同測試條件下濕摩擦因數(shù)的變化規(guī)律，同時(shí)利用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對(duì)硫化膠的磨損表面進(jìn)行表征，并引用王夢蛟濕滑三區(qū)理論分析導(dǎo)致炭黑和白炭黑填充硫化膠濕摩擦因數(shù)在不同條件下變化規(guī)律差異的原因。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

SSBR，牌號(hào)2246，臺(tái)橡股份有限公司產(chǎn)品；順丁橡膠（BR），牌號(hào)9000，中國石化齊魯石化公司產(chǎn)品；氧化鋅，大連氧化鋅廠產(chǎn)品；炭黑N234，上海卡博特化工有限公司產(chǎn)品；白炭黑1165MP，確成硅化學(xué)股份有限公司產(chǎn)品；偶聯(lián)劑Si69，南京曙光化工集團(tuán)有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

炭黑填充硫化膠配方：SSBR2466 75，BR9000 25，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，炭黑N234變量，防老劑4020 2，防護(hù)蠟 2，硫黃 1.4，促進(jìn)劑CBS 2。

白炭黑填充硫化膠配方：SSBR2466 75，BR9000 25，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，白炭黑1165MP 變量，偶聯(lián)劑Si69 白炭黑用量的8%，防老劑4020 2，防護(hù)蠟 2，硫黃 1.4，促進(jìn)劑CBS 2，促進(jìn)劑DPG 2.1。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XSM-1/10-120型密煉機(jī)，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品；XK-160型開煉機(jī)，青島光越橡膠機(jī)械制造有限公司產(chǎn)品；MDR2000型無轉(zhuǎn)子流變儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；XLB-D600×600型平板硫化機(jī)，浙江湖州東方機(jī)械有限公司產(chǎn)品；RTM，日本上島制作所產(chǎn)品；邵氏硬度計(jì)，中國臺(tái)灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉工藝

炭黑填充膠料采用3段混煉工藝。一段和二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，密煉機(jī)溫度為90℃，一段混煉工藝為：加生膠塑煉30 s→加2/3炭黑，混煉1 min→加剩余1/3炭黑混煉2 min→排膠（溫度超過130 ℃時(shí)開通冷卻水）；二段混煉工藝為：加一段混煉膠（30 s）→加氧化鋅和硬脂酸，混煉1 min→排膠（溫度超過120 ℃時(shí)開通冷卻水）；三段混煉密煉機(jī)溫度為60 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，混煉工藝為：加入二段混煉膠，混煉30 s→加硫黃和促進(jìn)劑CBS，混煉1 min→排膠（溫度超過100 ℃時(shí)開通冷卻水）。終煉膠在XK-160型開煉機(jī)上薄通3次，下片備用。

白炭黑填充膠料采用3段混煉工藝。一段混煉密煉機(jī)溫度為100 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為90 r·min-1，混煉工藝為：加生膠塑煉30 s→加2/3白炭黑和2/3偶聯(lián)劑Si69，混煉1 min→加剩余1/3白炭黑和1/3偶聯(lián)劑Si69，溫度達(dá)到150 ℃→排膠，開煉機(jī)薄通3次后停放2 h以上；二段混煉密煉機(jī)溫度為100 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為85 r·min-1，混煉工藝為：加入一段混煉膠，混煉30 s→加氧化鋅、硬脂酸、防老劑和防護(hù)蠟，混煉2 min→清掃→2.5 min后排膠，開煉機(jī)薄通3次后停放2 h以上；三段混煉密煉機(jī)溫度為60 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：加入二段混煉膠，混煉30 s→加入硫黃和促進(jìn)劑，混煉1 min→清掃→2 min后排膠。終煉膠在XK-160型開煉機(jī)上薄通3次，下片備用。

1.4.2 硫化工藝

將混煉膠停放24 h后在平板硫化機(jī)上硫化出厚度為16 mm、直徑為80 mm的圓形試樣。硫化條件為165 ℃/10 MPa×（t90＋10 min）。

1.5 性能測試

采用RTM對(duì)膠料的濕摩擦因數(shù)進(jìn)行測試，條件為：濕路面（路面150目磨砂玻璃），水流量恒定，滑移率為20%，以速度和負(fù)荷為試驗(yàn)變量，常溫測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 速度對(duì)硫化膠濕摩擦因數(shù)的影響

負(fù)荷為40 N時(shí)不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線如圖1所示。

圖1 負(fù)荷為40 N時(shí)不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線

從圖1可以看出，隨著速度的增大，炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)均呈下降趨勢，但炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的增大呈線性下降，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的增大呈非線性下降。

邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線如圖2所示。

圖2 邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線

從圖2可以看出，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的增大呈線性下降趨勢，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)則隨速度的增大呈非線性下降趨勢。

根據(jù)三區(qū)理論，膠料的濕摩擦因數(shù)由三區(qū)相對(duì)大小和各區(qū)摩擦因數(shù)共同決定[6-7]（見圖3）。其中水潤滑區(qū)的摩擦力取決于水的剪切力，其非常小可以忽略不計(jì)；界面潤滑區(qū)摩擦因數(shù)較大，其面積和摩擦因數(shù)共同決定了濕摩擦因數(shù)的大小。在速度增大的條件下，水潤滑區(qū)和過渡區(qū)面積增大，界面潤滑區(qū)面積減小，進(jìn)而導(dǎo)致濕摩擦因數(shù)降低。炭黑填充硫化膠過渡區(qū)的摩擦因數(shù)接近于零，其濕摩擦因數(shù)取決于界面潤滑區(qū)面積，而界面潤滑區(qū)面積與速度呈線性關(guān)系，因此其濕摩擦因數(shù)隨速度的增大而線性降低；白炭黑填充硫化膠的過渡區(qū)摩擦因數(shù)不等于零，隨著速度的增大，其過渡區(qū)面積增大，過渡區(qū)的濕摩擦因數(shù)增大，同時(shí)隨著速度的增大，界面潤滑區(qū)面積線性減小，界面區(qū)的濕摩擦因數(shù)線性下降，在過渡區(qū)和界面區(qū)濕摩擦因數(shù)共同作用下，隨著速度的增大，呈非線性下降。

圖3 潤濕條件下滾動(dòng)輪胎與路面接觸的三區(qū)示意

2.2 負(fù)荷對(duì)硫化膠濕摩擦因數(shù)的影響

速度為30 km·h-1時(shí)不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨負(fù)荷的變化曲線如圖4所示。

圖4 速度為30 km·h-1時(shí)不同用量炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線

從圖4可以看出，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨著負(fù)荷的增大呈線性下降，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨著負(fù)荷的增大先快速下降再緩慢下降。

邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨速度的變化曲線如圖5所示。

圖5 邵爾A型硬度相同的炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨負(fù)荷的變化曲線

從圖5可以看出，隨著負(fù)荷的增大，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)呈線性下降，而白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)先快速下降后緩慢下降。根據(jù)三區(qū)理論，過渡區(qū)面積的大小與橡膠的彈性模量（E′）和表面粗糙度有關(guān)，與負(fù)荷無關(guān)。在硫化膠和路面表面粗糙度不變的條件下，負(fù)荷增大，過渡區(qū)的面積不變。過渡區(qū)摩擦力取決于過渡區(qū)中彈性體與路面直接接觸面的摩擦因數(shù)和硫化膠的E′，如圖6所示。

圖6 潤濕條件下滾動(dòng)輪胎與路面接觸過渡區(qū)的壓力及實(shí)際接觸區(qū)域示意

其中E′和彈性體與路面直接接觸面的摩擦因數(shù)僅取決于路面和膠料，因此在路面和硫化膠都固定的情況下，過渡區(qū)的摩擦力不受負(fù)荷影響，為常數(shù)。過渡區(qū)摩擦因數(shù)μG＝fG/N（fG為過渡區(qū)摩擦力，N為負(fù)荷），當(dāng)fG恒定時(shí)，N增大，則μG降低。炭黑填充硫化膠的fG非常小，基本等于零，隨著N的增大，μG基本不變；而白炭黑填充硫化膠的fG不等于零，隨著N的增大，μG呈非線性下降。fG不同造成炭黑和白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨著負(fù)荷變化呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律[8-9]。

2.3 硫化膠的TEM和SEM分析

炭黑和白炭黑填充硫化膠摩擦面的TEM照片如圖7所示。由圖7可見，相比白炭黑填充硫化膠，炭黑填充硫化膠摩擦面的橡膠膜厚度較大；通用橡膠模量在室溫下較低，厚橡膠膜不利于微觀尺度上刺穿水膜，容易形成水膜的壓力楔，進(jìn)而降低摩擦力。

圖7 炭黑（左）和白炭黑（右）填充硫化膠磨耗面的TEM照片

炭黑和白炭黑填充硫化膠摩擦之后表面的SEM照片如圖8所示。由圖8可見，白炭黑填充硫化膠的摩擦表面裸露大量的白炭黑，但是炭黑填充硫化膠的摩擦表面不存在裸露的炭黑，其表層被橡膠膜覆蓋。這種裸露填料粒子的膠膜模量高，在微觀尺度可以快速刺穿水膜。

圖8 硫化膠摩擦后表面的SEM照片

TEM和SEM分析結(jié)果表明，白炭黑填充硫化膠的表層橡膠膜更薄，表面裸露白炭黑粒子，有利于微觀尺度的水膜破壞。微觀尺度的水膜破壞是影響μG的重要因素，因此白炭黑填充硫化膠的μG不等于零，fG不可忽視；而炭黑填充硫化膠的摩擦面橡膠膜較厚，未有裸露的填料粒子，在微觀尺度很難破壞水膜，因此fG很小，μG接近于零。

3 結(jié)論

根據(jù)橡膠塊接地的三區(qū)理論研究炭黑和白炭黑填充硫化膠濕摩擦因數(shù)隨速度和負(fù)荷的變化規(guī)律，結(jié)合TEM和SEM照片的形貌觀察，得出以下結(jié)論。

（1）在一定測試條件下，炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨著速度的增大呈線性下降，隨著負(fù)荷的增大略有下降；白炭黑填充硫化膠的濕摩擦因數(shù)隨著速度的增大呈非線性下降，隨著負(fù)荷的增大呈現(xiàn)先快速后緩慢下降。

（2）TEM和SEM照片顯示，炭黑填充硫化膠的摩擦面的橡膠膜覆蓋填料，橡膠膜厚度較大，而白炭黑填充硫化膠的摩擦面裸露填料粒子，有較薄的橡膠膜。炭黑填充硫化膠的過渡區(qū)摩擦力較小，可以忽略；白炭黑填充硫化膠的過渡區(qū)摩擦力較大，不能忽略。