在SSBR中采用高分散性白炭黑優(yōu)化轎車輪胎胎面膠性能

1、第10期譚向東摘譯1在SSBR中采用高分散性白炭黑優(yōu)化轎車輪胎胎面膠性能603在SSBR中采用高分散性白炭黑優(yōu)化轎車輪胎胎面膠性能CochetL等著摘要,主要是為了降低輪胎的滾動(dòng)阻力。輪胎生產(chǎn)廠已成功地將高分散性沉淀法,獲得了低滾動(dòng)阻力和高濕滑及磨耗性能。高分散性沉淀法白炭黑及硅烷偶聯(lián)劑對(duì)這種新的胎面配合技術(shù)所起的作用。高分散性沉淀法白炭黑和偶聯(lián)劑一起使用是溶聚乙烯基丁苯橡膠最適宜的補(bǔ)強(qiáng)填充劑。輪胎生產(chǎn)廠花費(fèi)了大量精力研制低滾動(dòng)阻力轎車輪胎。下面幾種做法是可供選擇的:降低高寬比、提高充氣壓力、輕量化、采用新結(jié)構(gòu)和新材料。其中,修改輪胎材料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)似乎在獲得低滾動(dòng)阻力和高濕滑性能方面是可行的。

2、為了降低滯后損失,修改了胎面膠配方。通常,如果降低胎面膠的滯后損失,那么濕路面抓著性能也將降低。然而,已發(fā)現(xiàn)采用高分散性沉淀法白炭黑、特種溶液聚合物、硅烷偶聯(lián)劑和優(yōu)化混煉工藝,可使配方設(shè)計(jì)者克服這些不足之處。正如AgostiniG等所解釋的,新的胎面配合技術(shù)的主要特征之一是使用一種分散性比普通品級(jí)白炭黑高得多的新特種白炭黑。沉淀法白炭黑的分散性取決于它們的制造方法:第一種,沉淀法;第二種,干燥成型法。羅納普朗克公司的微粒技術(shù)可使白炭黑在沉淀階段獲得的高分散性得到保持。膠料的tan曲線的變化說(shuō)明溶液聚合物、高分散性沉淀法白炭黑和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)這種新的胎面配合技術(shù)所起的作用。1實(shí)驗(yàn)111膠料劑和不同

3、的乳液或溶液聚合物對(duì)胎面膠性能的影響,采用了SBR/BR并用配方(見(jiàn)表1)。在文獻(xiàn)中可查到所用沉淀法白炭黑的特性。白炭黑C是羅納普朗克公司工業(yè)化生產(chǎn)的高分散性沉淀法白炭黑。白炭黑A是一家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手生產(chǎn)的普通沉淀法白炭黑。表1試驗(yàn)配方組分SBRBR用量/份7525Q1Q2f(Q1)沉淀法白炭黑炭黑N347偶聯(lián)劑(X50S)環(huán)烷油氧化鋅硬脂酸抗臭氧/抗氧劑6PPD硫黃促進(jìn)劑CBS促進(jìn)劑DPG27181151211511251125112混煉投料順序?qū)δz料內(nèi)的改性是至關(guān)重要的。所有的膠料均采用二段混煉法混煉。表2所示為一段混煉時(shí)配合劑在密煉機(jī)中的投料順序。硫黃和促進(jìn)劑二段混煉時(shí)在開(kāi)煉機(jī)上加入。113硫

4、化為了研究炭黑、沉淀法白炭黑、硅烷偶聯(lián)按照ASTMD22084方法,采用M100S橡膠工業(yè)1997年第44卷604表2一段混煉程序t/min/55015165配料橡膠2/3白炭黑或2/3炭黑N347+X50S1/3白炭黑或1/3炭黑N347+硬脂酸+氧化鋅+6PPD輪胎胎面有幾種不同的磨損機(jī)理。采用DIN磨耗試驗(yàn)機(jī)(DIN53516)測(cè)定磨耗性能,因?yàn)檎J(rèn)為DIN方法測(cè)定的只是簡(jiǎn)單的磨耗磨損。2的硫化特性。能試驗(yàn)114性能11411加工特性,從而減小滾動(dòng)阻力。例如,合理地配合并加工沉淀法白炭黑可以改善滾動(dòng)阻力?？墒?如果胎面膠的滯后損失降低了,那么濕滑性通常也會(huì)降低。用表3和4(配方1和7)對(duì)比

5、加以說(shuō)明。211乙烯基丁苯橡膠和乙烯基順丁橡膠的按照ASTMD21646采用孟山都門尼粘度儀在100下測(cè)定加工性能。11412硫化膠性能作用通過(guò)改變生膠的玻璃化溫度,能夠提高或降低硫化膠0下的tan。在這種條件下滯后損失與聚合物化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)所需要的能量有關(guān)。在BR分子鏈上接入苯乙烯和乙烯基降低了分子鏈移動(dòng)性,提高了玻璃化溫度。當(dāng)玻璃化溫度保持不變時(shí),苯乙烯或乙烯基含量不影響輪胎的滾動(dòng)阻力和濕路面牽引力。一種獲得濕路面高牽引力的方法是使用具有較高玻璃化溫度的聚合物或者提高tan的峰值范圍。實(shí)際上,高乙烯基聚丁二烯或溶聚乙烯基丁苯橡膠能夠提高0下全填充白炭黑膠料(表3)或全填充炭黑膠料(表4)的ta

6、n。苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持恒定。乙烯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,0下的tan越高。但是也發(fā)現(xiàn)在含炭黑的膠料中,70下及磨耗量越低,0的tan下的tan也越低(見(jiàn)表3)。212填充劑用量的影響按照ASTMD22240在硫化15s后測(cè)定硬度(邵爾A型硬度)。11413與輪胎性能有關(guān)的特性采用InstronV1E11342型試驗(yàn)機(jī)在恒定的頻率(10Hz)和形變(4%DSA)下,測(cè)定柱形固特里奇屈撓試樣的動(dòng)態(tài)牽引2壓縮性能。本文中所報(bào)道的數(shù)據(jù)采用的平均水平是-10%。這是恒定形變法。通常用在3080,1030Hz,5%10%應(yīng)變條件下測(cè)得的tan來(lái)預(yù)測(cè)輪胎胎面對(duì)滾動(dòng)阻力的影響。已公布的研究結(jié)果示出了在-20(高速

7、、低粗糙度)20,110Hz條件下,濕路面牽引性能與tan、損耗柔量D或損耗模量E的關(guān)系。通常都采用在0下所測(cè)得的tan。0下的tan越高,濕路面牽引性能越好。采用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件(頻率10Hz、形變4%DSA)測(cè)定tan曲線。在低溫下硬度(或復(fù)合模量E3)增高小可以改善在冰雪路面上的防滑性。因此,我們采用0下的復(fù)合模量來(lái)評(píng)價(jià)冰路面上的牽引性能。對(duì)于任何給定的輪胎結(jié)構(gòu),滿足輪胎性能,特別是操縱性能要求的膠料定伸應(yīng)力應(yīng)有一定的范圍。因此,需要探討填充劑用量變化的影響,從而使膠料的定伸應(yīng)力基本保持不變。為了使炭黑N347和高分散性沉淀法白第10期譚向東摘譯1在SSBR中采用高分散性白炭黑優(yōu)化轎車輪胎

8、胎面膠性能605表3橡膠性能對(duì)全部填充白炭黑的膠料tan曲線的影響項(xiàng)目SBR配方編號(hào)1ESBR15002SSBR3ESBR15004SSBRNS21145SSBRNS21166SSBRBR乙烯基17%BunaVSL苯乙烯2315%1924S25乙烯基33%苯乙烯25%BR12201220乙烯基3214%乙烯基6318%VSL25%73%25%1220BR1220/度tan-50-40-30-20-1001020305070)/E3(0MPa7070%6371717201604015800146401376015940161301496013890165401529013850131501603

9、016230150101663014800163301561013900127901304012480120201461013420125501276012660123401192012280116001177012120118001165011240120701166011800113701118011281416611514601516711619542011772713117DIN磨耗量/mm3注:Q1=70份;白炭黑是羅納普朗克公司生產(chǎn)的高分散性沉淀法白炭黑C(8);X50S用量為1112份;Q2=0份。炭黑膠料獲得相同的硬度,我們改變了耐濕路面抓著膠料配方中填充劑的用量(見(jiàn)表5)。我

10、們觀察到炭黑和沉淀法白炭黑填充量的影響。填充劑用量越高,滾動(dòng)阻力越大(70下tan高),這可能是由于生成了更緊密的填充劑交聯(lián)網(wǎng)(Payne效應(yīng))的緣故。令人驚異的是,填充劑用量越低,濕路面抓著力越大(0下tan高)?？雌饋?lái)填充劑用量低的比較好。但是,只有定伸應(yīng)力在一定范圍內(nèi)的膠料才是合格的。在我們的配方中,65份沉淀法白炭黑(+516份炭黑)的膠料(配方17)必須和80份炭黑膠料(配方13)相當(dāng);60份沉淀法白炭黑(+516份炭黑)的膠料(配方18)必須和70份炭黑膠料(配方13)相當(dāng)。觀察到使用沉淀法白炭黑總的優(yōu)點(diǎn)是滾)大大降低。此外,配合動(dòng)阻力(70下tan時(shí)加入白炭黑看起來(lái)可以使輪胎技術(shù)

11、人員降低填充劑用量,這意味著胎面質(zhì)量將減小,這是一種降低滾動(dòng)損失的有效方法。使用高分散性沉淀法白炭黑可以同時(shí)獲得低胎面磨耗(磨耗量小)、濕路面高牽引力(0)和低滾動(dòng)阻力。下tan213白炭黑/炭黑并用比例的選擇但是,有沒(méi)有必要將膠料中的填充劑全部改變?yōu)榘滋亢趤?lái)獲得這些性能呢?表6說(shuō)明了填充劑逐步由炭黑轉(zhuǎn)變?yōu)榘滋亢跁r(shí)不同溫度下的tan所發(fā)生的變化。被白炭黑所替代的炭黑量越多,高溫下的tan越低,而橡膠工業(yè)1997年第44卷606表4橡膠性能對(duì)全部填充炭黑N347的膠料tan曲線的影響項(xiàng)目SBR配方編號(hào)7ESBR15008SSBRBunaVSL1924S259SSBRNS211410SSBRNS2

12、11611SSBRBR乙烯基17%苯乙烯2315%BR1220乙烯基33%苯乙烯25%乙烯基3214%乙烯基6318%VSL苯乙烯25苯乙烯73%25%BR1220性能邵爾A度tan-40-30-20-1001020305070)/MPaE3(0DIN磨耗量/mm375757401558015460146301340013200129401258012052013880155701542014710135201329013020127101226251293015320155201497013590131201306012580122423179901592014630138701338012

13、8501249291012501592015580141101337012923013147注:Q1=0;Q2=8812份。表5炭黑N347和沉淀法白炭黑C(8)用量對(duì)SSBRBunaVSL1924S25與BRBunaVI1969并用膠料tan曲線的影響項(xiàng)目Q1/份Q2/份配方編號(hào)12088120130800140700150600167001112176501410141860018916X50S用量/份性能邵爾A型硬度/度tan-5010203070)/E(70MPa37470646073706401671017000158701465013860126301769017350158801

14、4510136701260017810177401609014530135901232131414191713181013501865018360162101402013130118761518501740017310152001363012500112901795017590152901347012460112501869018380153601309011970109211191241015119718114DIN磨耗量/mm3低溫時(shí)的tan越高。基于這些結(jié)果,采用高白炭黑/炭黑并用比是必要的。214偶聯(lián)劑的作用新的胎面配合技術(shù)的主要特征之一是使第10期譚向東摘譯1在SSBR中采用高分散性

15、白炭黑優(yōu)化轎車輪胎胎面膠性能607表6炭黑N347與沉淀法白炭黑C(8)并用比對(duì)SSBRBunaVSL1924S25與BRVI1969并用膠料性能的影響項(xiàng)目Q1/份Q2/份配方編號(hào)130800191612560216203215405122148175181765144X50S用量/份性能邵爾A型硬度/度tan070DIN/mm37069700010126013100135401216126017330130001175120017510126901162115017590124601125119用硅烷偶聯(lián)劑,特別是TESPT。TESPT起相容劑作用,使沉淀法白炭黑和橡膠結(jié)合在一起,從而降低了

16、填充劑之間的相互作用。表7所示的結(jié)果清楚地說(shuō)明了這種化合物的作用。在這些膠料中CPTES是一種相容劑而不是偶聯(lián)劑。它可以減小填充劑之間的相互)較作用,因此邵爾A型硬度和彈性模量(E)高,低溫低(配方24)。高溫時(shí)損耗模量(E時(shí)損耗模量低。如果不加相容劑,填充劑/填充劑的相互作用會(huì)提高邵爾A型硬度和彈性模量(配方23)。高E值表示存在著由白炭黑所形成的穩(wěn)定的填充劑網(wǎng)絡(luò)。填充劑之間的相互作用也提高了E值。盡管如此,與炭黑膠料(配方12)相比,沉淀法白炭黑膠料(配方23)的低E值、高E值伴隨著在高溫下的低tan值。表7硅烷偶聯(lián)劑對(duì)SSBRBunaVSL1924S25與BRBunaVI1969并用膠料

17、性能的影響項(xiàng)目Q1/份Q2/份配方編號(hào)120881200167001112022702185160237051600247051605X50S用量/份CPTES用量/份性能邵爾A型硬度/度tan03070E/MPa03070E/MPa03070DIN磨耗量/mm3747376826801700013860126340171811131028157103142141017310125001129281616191118201941221152124017490125401133291219111310211941851172132016950125401167331422111816231251

18、61311118701895013090121521101118818181831651189218橡膠工業(yè)1997年第44卷608偶聯(lián)提高了邵爾A型硬度和彈性模量(配方16和24相比)。必須加入偶聯(lián)劑來(lái)獲得低磨耗量。低溫時(shí)損耗模量提高,高溫時(shí)損耗模量降低。當(dāng)硅烷用量不足時(shí),一些粒子之間存在著相互作用,彈性及損耗模量提高(配方22和16相比)。作用,從而降低了高溫(低頻率)區(qū)域內(nèi)的tan,使彈性模量提高。在高溫范圍內(nèi),填充劑之間的相互作用是滯后損失的另一根源。硫化膠的濕路面牽引性能取決于玻璃化區(qū)域內(nèi)球狀粘彈材料的性質(zhì)。白炭黑2橡膠鍵使聚合物硬化;偶聯(lián)程度越高,自由旋轉(zhuǎn)的聚合物鍵越少,低溫下滯后損失越大。因此,白炭黑2橡膠高鍵合作用、白炭黑粒子間低相互作用是獲得低滾動(dòng)阻力、濕路面高抓著力和低胎面磨耗的必要條件。215高分散性沉淀法白炭黑的作用采用高分散性沉淀法白炭黑除了主要改善胎面磨耗(DIN磨耗量)和濕路面抓著力),還可以獲得較低外(0或-10下的tan的粘度(見(jiàn)表8)。在膠料中,良好的分散性可以提高白炭黑/填充劑的接觸面積,改善填充劑分散的均勻性。填充劑及其它配合劑與自由聚合物的接觸面積減小,因此,有更多的聚合物硬化