李愛嬌，李 偉，李 鍵，蔣松濤

（1.山東華勤橡膠科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272000；2.合肥萬力輪胎有限公司，安徽 合肥 231100）

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，市場對高性能輪胎需求迫切。目前，安全輪胎、節(jié)能輪胎、冬季輪胎和全天候輪胎等各種新型輪胎已涌入市場，并深受大眾喜愛[1-3]。近年來，國內(nèi)外輪胎行業(yè)對輪胎性能的研究重點(diǎn)不僅包含滾動阻力、抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅?，對輪胎高性能及綜合性能方面也開展了許多研究。

本工作主要利用正交試驗(yàn)分析法，研究在中長途載重輪胎胎面膠配方中，300%定伸應(yīng)力、耐磨性能、抗切割性能等的主要影響因素和不同硫化體系對膠料各項性能的影響，對設(shè)計載重輪胎高性能配方或綜合性能配方具有指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

混合天然橡膠，泰國聯(lián)誼橡膠有限公司產(chǎn)品；炭黑N234，龍星化工股份有限公司產(chǎn)品；硬脂酸，泰柯棕化有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)配方

混合天然橡膠 100，炭黑N234 52，石蠟 1，氧化鋅 變量，硫黃 變量，促進(jìn)劑TBBS 變量。

1.3 主要設(shè)備

BTM-2型密煉機(jī)，廣州華工百川自控科技有限公司產(chǎn)品；XK-160型開煉機(jī)，無錫市第一橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品；XLB-D600×600型平板硫化機(jī)，益陽新華美機(jī)電科技有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料按常規(guī)工藝混煉，混煉膠停放24 h后硫化制樣。

1.5 性能測試

膠料各項性能均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計

采用正交試驗(yàn)分析法確定硫黃、促進(jìn)劑TBBS和氧化鋅的最佳配比，以優(yōu)化胎面膠配方。各試驗(yàn)因子與水平如表1所示，其中，因子A為硫黃，B為促進(jìn)劑TBBS，C為氧化鋅。

表1 正交試驗(yàn)因子與水平

考慮因子的交互作用A×B，B×C，選用L8（27）正交試驗(yàn)（見表2），其兩列間的交互作用見表3。

表2 L8（27）正交試驗(yàn)方案

表3 L8（27）兩列間的交互作用

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)各項性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)各項性能數(shù)據(jù)

4 結(jié)果與討論

4.1 300%定伸應(yīng)力

4.1.1 極差分析

以300%定伸應(yīng)力為例，老化前正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示（R為極差，S為方差，f為自由度，下同）。

根據(jù)表5，采用直觀分析法（極差分析法）可以得出各因子對膠料300%定伸應(yīng)力的影響從大到小的順序?yàn)锳、B、A×B、C、B×C。極差越大，表明該因子對試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也越重要。

對于老化前300%定伸應(yīng)力，C，B×C是次要因子，可忽略；A，B為重要因子；A×B為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表6所示。表6中，A1B1為A因子1水平與B因子1水平的300%定伸應(yīng)力均值，結(jié)合表5進(jìn)行計算得到，其他計算類似。

表5 老化前300%定伸應(yīng)力正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

表6 老化前300%定伸應(yīng)力的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.1.2 方差分析

老化前300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)如表7所示，mS＝S/f。

表7 老化前300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)

雖然極差分析法簡單易懂、計算量小，但它不能區(qū)分某因子不同水平所對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果差異究竟是由因子水平引起的，還是由試驗(yàn)誤差引起的，也不能作為考察和判斷各因子的影響是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。

方差分析法盡管復(fù)雜，但可以彌補(bǔ)極差分析法的不足。為了評估各因子的影響顯著性，本研究還進(jìn)行了方差分析的F檢驗(yàn)。

表5中第5和第7列為空列，視為誤差列，則誤差平方和及誤差自由度分別為0.020和2。

f1和f2分別表示因子和誤差的自由度。

ɑ 表征顯著性水平，ɑ 為0.005，0.01，0.025，0.05，0.10的置信幾率分別為99.5%，99.0%，97.5%，95.0%，90.0%。

Fɑ（f1，f2）（ɑ 取0.01，0.05，0.10）是F的臨界值。FA表示A因子的F值。當(dāng)FA≥F0.01（f1，f2）時，A因子水平變化影響高度顯著，表示為“***”（下同）；當(dāng)F0.01（f1，f2）＞FA≥F0.05（f1，f2）時，A因子水平變化影響顯著，表示為“**”（下同）；當(dāng)F0.05（f1，f2）＞FA≥F0.10（f1，f2）時，A因子水平變化有一定影響，表示為“*”（下同）；當(dāng)F0.10（f1，f2）＞FA時，A因子水平變化影響不顯著，表示為“－”[7]（下同）。

根據(jù)F值檢驗(yàn)表可知，F(xiàn)0.005（1，2）＝198.50，F(xiàn)0.01（1，2）＝98.49，F(xiàn)0.025（1，2）＝38.51，F(xiàn)0.05（1，2）＝18.51，F(xiàn)0.10（1，2）＝8.53。

由表7可知，A，B因子的F值大于F0.01（1，2），屬于高度顯著級別。由于A和B有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。

由表6可知，A1B2和B2C1或B2C2的300%定伸應(yīng)力較大，因此最佳組合為A1B2C1或A1B2C2，最佳用量為A1B2。C因子對300%定伸應(yīng)力的影響為不顯著，C的用量還無法確定，熱氧老化后的定伸應(yīng)力也影響制品的質(zhì)量，因此通過熱氧老化后的300%定伸應(yīng)力分析進(jìn)一步確定C。

老化后300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)如表8所示。

由表8可知：A和B對于老化后300%定伸應(yīng)力影響顯著；C有影響但不顯著；A×B、B×C影響不顯著。因此，C的最佳用量應(yīng)根據(jù)B和C有交互作用的二元效應(yīng)來確定。

表8 老化后300%定伸應(yīng)力的F檢驗(yàn)

老化后300%定伸應(yīng)力的B和C有交互作用的二元效應(yīng)如表9所示。

由表9可知，B和C的最佳組合為B2C1，結(jié)合前面的分析，老化后300%定伸應(yīng)力的最佳組合為A1B2C1。

表9 老化后300%定伸應(yīng)力的B和C有交互作用的二元效應(yīng)

4.2 撕裂強(qiáng)度

4.2.1 極差分析

老化前撕裂強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 老化前撕裂強(qiáng)度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表10，采用極差分析法可以得出各因子對膠料撕裂強(qiáng)度的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，B×C，C，A×B。對于老化前撕裂強(qiáng)度，C，A×B是次要因子，可忽略；A為重要因子；B，B×C為較重要因子。老化前撕裂強(qiáng)度的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)如表11所示。

表11 老化前撕裂強(qiáng)度的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.2.2 方差分析

老化前撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)如表12所示。

由表12可知：A因子的F值大于F0.005（1，2），屬于高度顯著影響；B因子的F值大于F0.05（1，2）且小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；B×C的F值大于F0.1（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響。且B和A，C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。

表12 老化前撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)

由表11可知，A2B1和B1C1的老化前撕裂強(qiáng)度較大。通過熱氧老化后的撕裂強(qiáng)度分析進(jìn)一步確定最佳組合。

老化后撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)見表13。

由表13可知，A，B，C，A×B，B×C影響均不顯著。因此，撕裂強(qiáng)度的最佳組合為A2B1C1。

表13 老化后撕裂強(qiáng)度的F檢驗(yàn)

4.3 硬度

4.3.1 極差分析

硬度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表14所示。

表14 硬度正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表14，采用極差分析法可以得出各因子對膠料硬度的影響從大到小的順序?yàn)椋築，A，C，A×B，B×C。對于硬度，C，A×B，B×C是次要因子，可忽略；B為重要因子；A為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表15所示。

表15 硬度的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.3.2 方差分析

硬度的F檢驗(yàn)如表16所示。

由表16可知：B因子的F值大于F0.10（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響級別；A和C因子對硬度的影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。

表16 硬度的F檢驗(yàn)

由表15可知，A1B2和B2C1的硬度較大，因此硬度最大的組合為A1B2C1。但是，胎面膠硬度并非越大越好，該配方胎面膠硬度要求在66度左右，根據(jù)表15可知，滿足硬度要求的組合為A2B2和B2C2。因此，硬度最佳組合為A2B2C2。

4.4 抗切割性能

4.4.1 極差分析

老化前抗切割性能正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表17所示。

表17 老化前抗切割性能正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表17，采用極差分析法可以得出各因子對膠料抗切割性能的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，C，B×C，A×B。對于抗切割性能，B×C，A×B是次要因子，可忽略；A，B為重要因子；C為較重要因子?？骨懈钚阅艿腂與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表18所示。

4.4.2 方差分析

抗切割性能的F檢驗(yàn)如表19所示。

由表19可知：A因子的F值大于F0.05（1，2），屬于顯著影響；B因子的F值大于F0.10（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響級別；C因子對抗切割性能影響為不顯著。由于B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表18可知，A2B1和B1C2的動態(tài)切割體積較小，因此抗切割性能最佳組合為A2B1C2。相對來說，硫黃、促進(jìn)劑、氧化鋅對膠料抗切割性能的影響不大。

表18 抗切割性能的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表19 抗切割性能的F檢驗(yàn)

4.5 溫升

4.5.1 極差分析

溫升正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表20所示。

根據(jù)表20，采用極差分析法可以得出各因子對膠料溫升的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A，A×B，B×C。對于溫升，A×B，B×C是次要因子，可忽略；B，C為重要因子；A為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表21所示。

表20 溫升正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表21 溫升的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.5.2 方差分析

溫升的F檢驗(yàn)如表22所示。

由表22可知：B因子的F值大于F0.10（1，2）且小于F0.05（1，2），屬于有一定影響級別；A和C因子對溫升影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表21可知，A1B2和B2C1的溫升較小，因此溫升最佳組合為A1B2C1。

表22 溫升的F檢驗(yàn)

4.6 t3

4.6.1 極差分析

t3的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表23所示。

根據(jù)表23，采用極差分析法可以得出各因子對膠料t3的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A，B×C，A×B。對于t3，A，B×C，A×B是次要因子，可忽略；B為重要因子；C為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表24所示。

表23 t3的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.6.2 方差分析

t3的F檢驗(yàn)如表25所示。

由表25可知：B因子的F值大于F0.005（1，2），屬于高度顯著影響；C因子的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；A，B×C，A×B的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表24可知，A1B1和B1C1的t3較長，因此t3最佳組合為A1B1C1。

表24 t3的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表25 t3的F檢驗(yàn)

4.7 t90

4.7.1 極差分析

t90的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表26所示。

根據(jù)表26，采用極差分析法可以得出各因子對膠料t90的影響從大到小的順序?yàn)椋築，C，A，B×C，A×B。對于t90，A，B×C，A×B是次要因子，可忽略；B為重要因子；C為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表27所示。

表26 t90的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.7.2 方差分析

t90的F檢驗(yàn)如表28所示。

由表28可知：B因子的F值大于F0.01（1，2），屬于高度顯著影響；C因子的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；A，B×C，A×B的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表27可知，A2B1和B1C1的t90較長，因此，t90最佳組合為A2B1C1。

表27 t90的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表28 t90的F檢驗(yàn)

4.8 老化前磨耗指數(shù)

4.8.1 極差分析

老化前磨耗指數(shù)的正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表29所示。

根據(jù)表29，采用極差分析法可以得出各因子對膠料耐磨性能的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，C，A×B，B×C。對于老化前磨耗指數(shù)，A，B，C為重要因子；A×B，B×C為較重要因子；B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表30所示。

表29 老化前磨耗指數(shù)正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.8.2 方差分析

老化前磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)如表31所示。

由表31可知：A，B因子的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；C因子的F值大于F0.10（1，2）小于F0.05（1，2），屬于有一定影響；A×B，B×C的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表30可知，A2B1和B1C2的老化前磨耗指數(shù)較大，因此老化前耐磨性能最佳組合為A2B1C2。

表30 老化前磨耗指數(shù)的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表31 老化前磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)

4.9 老化后磨耗指數(shù)

4.9.1 極差分析

老化后磨耗指數(shù)正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表32所示。

根據(jù)表32，采用極差分析法可以得出各因子對膠料老化后耐磨性能的影響從大到小的順序?yàn)椋篈，B，B×C，C，A×B。對于老化后磨耗指數(shù)，A，B為重要因子；B×C，C為較重要因子；A×B可忽略。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表33所示。

表32 老化后磨耗指數(shù)正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4.9.2 方差分析

老化后磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)如表34所示。

由表34可知：A，B因子的F值大于F0.01（1，2），屬于高度顯著影響；B×C的F值大于F0.05（1，2）小于F0.01（1，2），屬于顯著影響；C因子的F值大于F0.01（1，2）小于F0.05（1，2），屬于有一定影響；A×B的F值小于F0.10（1，2），屬于影響不顯著。且B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表33可知，A2B1和B1C1的老化后磨耗指數(shù)較大，因此，老化后耐磨性能最佳組合為A2B1C1。

表33 老化后磨耗指數(shù)的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

表34 老化后磨耗指數(shù)的F檢驗(yàn)

4.10 回彈值

4.10.1 極差分析

回彈值正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表35所示。

根據(jù)表35，采用極差分析法可以得出各因子對膠料回彈值的影響從大到小的順序?yàn)椋築×C，B，A，C，A×B。對于回彈值，A，C，A×B是次要因子，可忽略；B×C為重要因子；B為較重要因子。B與A和C有交互作用，其二元效應(yīng)如表36所示。

表35 回彈值正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

表36 回彈值的B與A和C之間有交互作用的二元效應(yīng)

4.10.2 方差分析

回彈值的F檢驗(yàn)如表37所示。

由表37可知，所有因子水平變化對膠料回彈值的影響均不顯著。

表37 回彈值的F檢驗(yàn)

B與A和C有交互作用，因此應(yīng)通過交互作用的二元效應(yīng)來確定最佳用量。由表36可知，A1B2和B2C1的回彈值較大，因此回彈值最佳組合為A1B2C1。

4.11 拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、老化系數(shù)

拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、老化系數(shù)的F檢驗(yàn)如表38—40所示。

由表38—40可知，各因子水平變化的影響均不顯著。

表38 拉伸強(qiáng)度的F檢驗(yàn)

表39 拉斷伸長率的F檢驗(yàn)

5 結(jié)語

綜上，硫黃、促進(jìn)劑、氧化鋅對胎面膠各項性能的影響程度顯著性及最佳組合如表41所示。

由表41可知：硫黃用量對300%定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度、老化后耐磨性能影響高度顯著，對抗切割性能及老化前耐磨性能影響顯著；促進(jìn)劑TBBS用量對300%定伸應(yīng)力、t3、t90和老化后耐磨性能影響高度顯著，對老化前撕裂強(qiáng)度和磨耗性能影響顯著；氧化鋅用量對t3和t90影響顯著；另外，促進(jìn)劑和氧化鋅的交互作用對老化后耐磨性能影響顯著。

表40 老化系數(shù)的F檢驗(yàn)

表41 硫黃、促進(jìn)劑、氧化鋅對胎面膠各項性能的影響程度顯著性及最佳組合