CN113444298A - 一种低生热轮胎胎面配方 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种低生热轮胎胎面配方，包括天然橡胶、硅灰石、炭黑、白炭黑、偶联剂、硬脂酸、氧化锌、防老剂、促进剂和硫磺，由于硅灰石可以使硫化制品在承受交变载荷时的表面温度和中心温度的温升较小，在降低混炼胶门尼黏度的同时，又可保证胶料良好的使用性能，所以其制备的复合材料的硫化制品在承受交变载荷时产生的热量较少，制品的表面温度和中心温度的温升较小，在混炼阶段，复合材料的混炼胶具有较低的门尼黏度，能够降低生产过程中的功耗，促进填料在橡胶体系中的分散，硫化制品具有较好的力学性能，能够保证最终制品的质量，同时还可减轻生产过程的中的环保问题，降低橡胶制品的生产成本，提高经济和社会效益。
Description
技术领域：
本发明属于复合材料技术领域，涉及一种低生热轮胎胎面配方，添加有硅灰石，能够降低轮胎在行驶过程中的生热，环保节能。
背景技术：
轮胎是现代汽车上重要的一部分，对车身起着承载、牵引、制动等重要作用。
橡胶是轮胎的基体材料。由于橡胶本身的黏弹性，在承受交变载荷时会由于滞后损失而产生热量。以常见的规格为205/55R16的乘用车轮胎为例，未承受负载时其外径约为630mm，在时速60公里的条件下，轮胎转速超过每秒8转，即8Hz，当轮胎安装完毕并承受负载后，轮胎会由于受压导致半径变小，故交变载荷的实际频率要大于8Hz。加之橡胶为热的不良导体，故轮胎在高速行驶过程中，随着热量的不断产生与积聚，会使轮胎内部温度不断升高，进而降低轮胎的气密性、与骨架材料的粘合强度等，同时还会增大轮胎的滚阻，增加油耗，降低安全性，甚至可能导致爆胎等严重后果。
炭黑是包括轮胎在内的众多橡胶制品的重要补强剂，其用量仅次于生胶。但轮胎中炭黑的加入会使得橡胶分子链与炭黑之间，以及炭黑与炭黑之间等的摩擦加剧，导致生热量提高，轮胎内部温度升高，同时还会加大轮胎的滚动阻力。另一方面，由于炭黑实际上是一种碳氢化合物经部分燃烧或受热分解而来的胶体颗粒，其生产高度依赖于石油、天然气等原料，这些原料不仅不可再生，而且在其生产加工过程中伴随着不可忽视的环保问题。为了改善生产环境，减轻对环境的破坏，炭黑生产企业每年需要在环保治理方面投入大量资金，用于改善环境质量和实施环境治理项目。
白炭黑是轮胎中另一种重要的补强剂。白炭黑实际上是以二氧化硅为主要成分的白色无定形粉末，由于其在橡胶中的作用与炭黑相似，且呈白色，故称为“白炭黑”。白炭黑的生产工艺主要有沉淀法和气相法两种。其中，沉淀法生产白炭黑的过程中需要用到硫酸、盐酸等酸类，存在诸多影响环境的因素，例如：反应过程中的酸雾，过滤洗涤过程中产生的大量废液等；气相法生产白炭黑的过程是四氯化硅等有机硅烷经高温水解，收集后脱酸，气相法制得的白炭黑，杂质少，纯度高，粒径小，补强性好，但工艺相对复杂，设备要求高，成本高。
现有技术中的胎面配方以炭黑和白炭黑为主要填料，例如：中国专利201910895495.1公开的一种高耐磨长里程的全钢胎面配方，按重量份计，包括如下组分：其中，所述基胶由天然橡胶10.0～30.0份、高顺式顺丁橡胶30.0～50.0份和溶聚丁苯橡胶30.0～50.0份组成；中国专利201910138731.5公开的一种全钢载重子午线轮胎胎面配方组成(质量份)为：天然胶:100份；高分散白炭黑：40.0～60.0份；高结构耐磨炭黑：1.0～10.0份；超级硅烷：3.0～7.0份；活性剂：1.5～4.0份；防老剂1：1.0～1.5份；防老剂2：0.5～2.0份；防老剂3:1.0～3.0份；增塑剂：2.0～3.0份；活性剂氧化锌：3.0～5.0份；硫化剂S:1.0～2.0份；促进剂:1.0～2.5份；增效剂：2.0～4.0份；防焦剂CTP：0.1～0.3份。所述超级硅烷SI-747的结构式如下：Si-747为长链烷基改性的巯基硅烷，该结构为单硫硅烷，形成更多的单硫键；而普通的SI-69、SI-75为多硫硅烷，多硫键容易断链；中国专利201610482941.2公开的一种用于全钢轮胎超耐磨的石墨烯材料的胎面配方，配比为：石墨烯1.5～2.5份、天然胶80份、顺丁胶10份、丁苯胶10份，炭黑45～55份；中国专利201410376336.8公开的一种耐低温农用水田胎胎面组合物，包括下列重量份数的组分：SMR20，40-60份；BR9000，40-60份；N220，45-55份；冬季胎低温料L-730，1-8份；硬脂酸，1-5份；氧化锌，1-8份；防老RD，0.5-3份；防老4020，0.5-3份；防护蜡，0.5-3份；芳烃油，3-9份；促进NS，0.5-2份；普通硫黄，1-2份；中国专利201410283717.1公开的一种节能轮胎胎面配方，重量份为：天然橡胶10～60份，新型改质溶聚丁苯橡胶30～70份，碳黑20～50份，奈米级硅化合物30～60份，软化油5～20份，老防剂3～5份，硫磺1～5份；中国专利201210174437.8公开的低滚动阻力抗湿滑耐磨轮胎胎面，包括如下组分，天然胶14-16％、顺丁胶8-12％、溶聚丁苯胶35-45％、高分散白碳黑28-32％和偶联剂Si695.5-6.5％；各组分含量之和为100％；中国专利201210174436.3公开的一种低滚动阻力轮胎胎面，包括如下组分，天然胶10-20％、顺丁胶10-20％、溶聚丁苯胶20-40％、高分散白碳黑20-40％、塑解剂A-80.5-1％、化学防老剂6PPD1-2％、物理防老剂微晶蜡1-2％、活性剂ZnO1-3％、活性剂SA1-3％、聚乙二醇PEG1-3％、硫化剂S-3251-3％、促进剂NS1-3％、特殊促进剂CTP0.1-0.8％和偶联剂Si694-8％；所述天然胶份数与所述顺丁胶份数之比大于等于1：1。存在影响环境和成本高昂的问题。
硅灰石是一种天然的硅酸盐矿物，其分子式为CaSiO3，颜色一般呈白色，且白度较高。由于硅灰石独特的结晶形态及解离结构，所以硅灰石通常为针状、纤维状、束状等几何体，其长径比约为3:1-20:1，长度约为2-40微米。硅灰石的密度较大，约为2.7-3.0g/cm3，具有许多优良的理化性质：如良好的电绝缘性、热稳定性、耐化学腐蚀和耐候性。相对于炭黑或者白炭黑而言，由于硅灰石为天然存在的矿物，所以硅灰石的加工工艺较为简单，主要分为破碎分选、粉碎研磨、筛分收集等几个工序，工艺路线短，设备要求低，且在加工过程中不会产生大量含酸废液，环保压力小，而且硅灰石的储量丰富，有着巨大的资源优势。因此，基于硅灰石，研发一种低生热轮胎胎面配方，有良好的社会和应用前景。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，研发设计一种低生热轮胎胎面配方，绿色环保，减少生热。
为了实现上述目的，本发明涉及的低生热轮胎胎面配方，按重量份计，包括以下组分：天然橡胶100份，硅灰石10-100份，炭黑0-100份，白炭黑0-100份，偶联剂0-20份，硬脂酸1-3份，氧化锌1-5份，防老剂1-3份，促进剂1-4份，硫磺1-3份。
本发明涉及的天然橡胶包括标准胶、烟片胶、绉片胶和风干胶；硅灰石的长径比为5-20：1，白度为50-90，中值粒径D50为1-20μm，结构包括针状、纤维状和束状；偶联剂包括硅烷偶联剂Si-69，即双-[3-(三乙氧基硅烷)丙基]-四硫化物；硬脂酸为十八烷酸；防老剂为防老剂4020、防老剂4010、防老剂4010NA、防老剂RD中的一种或几种的组合；促进剂为DPG、CZ、TMTD和DM中的一种或几种的组合。
本发明与现有技术相比，制备的复合材料的硫化制品在承受交变载荷时产生的热量较少，制品的表面温度和中心温度的温升较小，在混炼阶段，复合材料的混炼胶具有较低的门尼黏度，能够降低生产过程中的功耗，促进填料在橡胶体系中的分散，硫化制品具有较好的力学性能，能够保证最终制品的质量，同时还可减轻生产过程的中的环保问题，降低橡胶制品的生产成本，从原料成本来说，相对于橡胶工业中常用的炭黑和白炭黑，硅灰石储量丰富，价格低廉，可进一步降低企业生产成本，提高经济和社会效益，通过对比实验数据，发现较大长径比的针状结构硅灰石，可以使硫化制品在承受交变载荷时的表面温度和中心温度的温升较小，另外，由于硅灰石本身对橡胶具有补强作用，在降低混炼胶门尼黏度的同时，又可保证胶料良好的使用性能。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的低生热轮胎胎面配方，按重量份计，包括以下组分：天然橡胶STR20100份，硅灰石20份，白炭黑40份，硅烷偶联剂Si-695份，硬脂酸2.4份，氧化锌2份，防老剂40202份，促进剂DPG 1.3份，促进剂CZ 1.2份，硫磺1份。
本实施例涉及的低生热轮胎胎面配方制备复合材料的具体工艺过程如下：
一段混炼：将天然橡胶STR20通过开炼机薄通塑炼2次后投入密炼机中，落下上顶栓，40秒后，打开上顶栓，加入硅烷偶联剂Si-69、氧化锌、硬脂酸和防老剂4020，落下上顶栓；30秒后，打开上顶栓，加入2/3的白炭黑，落下上顶栓；30秒后，打开上顶栓，加入硅灰石和剩余的白炭黑，落下上顶栓，之后每隔一分钟提栓清扫漏胶，混炼时间为7分钟，排胶温度为145度，排出一段母胶，将一段母胶经开炼机下片冷却；
二段混炼：将一段母胶再次投入到密炼机中进行5分钟的二段混炼，每隔一分钟提栓清扫漏胶，排胶温度为145度，排出二段母胶，将二段母胶经开炼机下片冷却；
终炼：将二段母胶再次经开炼机薄通，胶料包辊后，加入促进剂DPG、促进剂CZ和硫磺，左右割刀两次，吃料完毕后，打卷与打三角包交替进行，各四次，下片；
硫化：通过无转子硫化仪测得胶料的硫化特性，设定硫化温度为150℃，硫化压力为11MPa，硫化时间为1.3×t90。
本实施例涉及低生热轮胎胎面配方制备的复合材料的性能测试，将实施例1配方中的硅灰石全部替换为白炭黑作为对比例1的配方：天然橡胶STR20100份，白炭黑60份，硅烷偶联剂Si-695份，硬脂酸2份，氧化锌2份，防老剂40202份，促进剂DPG 1.3份，促进剂CZ1.2份，硫磺1份，按照上述工艺过程将实施例1和对比例1分别制备成复合材料，进行测试，复合材料的测试结果如下表所示：
| 测试项目 | 对比例1 | 实施例1 |
| 门尼黏度/MU | 53.85 | 44.06 |
| 10％定伸应力/MPa | 0.72 | 0.54 |
| 50％定伸应力/MPa | 1.54 | 1.51 |
| 100％定伸应力/MPa | 2.46 | 2.65 |
| 200％定伸应力/MPa | 6.19 | 5.58 |
| 300％定伸应力/MPa | 10.87 | 9.43 |
| 拉伸强度/MPa | 26.71 | 26.05 |
| 断裂伸长率/％ | 628.3 | 600.7 |
| 回弹率/％ | 69.24 | 74.76 |
| ΔG'/kPa | 248.26 | 148.44 |
| tanδ@60℃ | 0.11 | 0.09 |
| 表面温升/℃ | 39.63 | 24.03 |
| 中心温升/℃ | 60.28 | 42.88 |
其中：ΔG’为胶料在0.28％低应变下的剪切模量与40％高应变下的剪切模量的差值，ΔG’作为胶料Payne效应的度量，能够表征胶料中填料粒子的分散情况，ΔG’越小，Payne效应越弱，填料在胶料中的分散情况越好；tanδ@60℃为胶料在60℃时的损耗因子，tanδ@60℃能够预测胶料用于轮胎胎面时的滚动阻力，tanδ@60℃越低，滚动阻力越小；表中表面温升和中心温升是指对测试样品施以交变压缩载荷时，测试样品表面和内部中心的温升；从表中可以看出：实施例1的门尼黏度较对比例1的门尼黏度下降了近10个单位；实施例1的定伸应力、拉伸强度和断裂伸长率与对比例1的定伸应力、拉伸强度和断裂伸长率均保持在同一水平；实施例1的门回弹率较对比例1的回弹率提高了5个百分点；实施例1的ΔG’明显小于对比例1的ΔG’，表明填料分散情况更好；实施例1的tanδ@60℃小于对比例1的tanδ@60℃，表明实施例1用于轮胎胎面时的滚动阻力更小；实施例1的表面温升和中心温升较对比例1的表面温升和中心温升分别下降了15.6℃和17.4℃，降幅分别达到39.4％和28.9％，表明温升降幅效果明显，由此可以说明实施例1在用于轮胎胎面承受交变载荷时，生热较低，利于保证轮胎的使用性能并延长使用寿命。
实施例2：
本实施例涉及的低生热轮胎胎面配方，按重量份计，包括以下组分：天然橡胶STR20100份，硅灰石10份，白炭黑90份，硅烷偶联剂Si-697.5份，硬脂酸2份，氧化锌2份，防老剂40202份，促进剂DPG 1.3份，促进剂CZ 1.2份，硫磺1份。
实施例3：
本实施例涉及的低生热轮胎胎面配方，按重量份计，包括以下组分：天然橡胶STR20100份，硅灰石20份，白炭黑80份，硅烷偶联剂Si-697.5份，硬脂酸2份，氧化锌2份，防老剂40202份，促进剂DPG 1.3份，促进剂CZ 1.2份，硫磺1份。
本实施例涉及低生热轮胎胎面配方制备的复合材料的性能测试，将实施例2和3配方中的硅灰石全部替换为白炭黑作为对比例2的配方：天然橡胶STR20100份，白炭黑100份，硅烷偶联剂Si-697.5份，硬脂酸2份，氧化锌2份，防老剂40202份，促进剂DPG 1.3份，促进剂CZ 1.2份，硫磺1份，按照实施例1所述工艺过程将实施例2、3和对比例2分别制备成复合材料，进行测试，复合材料的测试结构如下表所示：
| 测试项目 | 对比例2 | 实施例2 | 实施例3 |
| ML/dN·m | 6.25 | 5.20 | 4.11 |
| 10％定伸应力/MPa | 1.21 | 1.04 | 1.07 |
| 50％定伸应力/MPa | 2.42 | 2.31 | 2.29 |
| 100％定伸应力/MPa | 4.39 | 4.37 | 4.22 |
| 200％定伸应力/MPa | 11.81 | 11.28 | 9.86 |
| 300％定伸应力/MPa | 16.76 | 16.93 | 15.15 |
| 拉伸强度/MPa | 20.13 | 20.94 | 21.17 |
| 断裂伸长率/％ | 369.17 | 387.99 | 449.51 |
| 撕裂强度/N/mm | 73.11 | 78.95 | 76.59 |
| 硬度/HA | 76 | 75 | 74 |
| 回弹率/％ | 58.74 | 62.09 | 64.69 |
| ΔG’/kPa | 5327.37 | 4765.95 | 2687.46 |
| tanδ@60℃ | 0.11 | 0.08 | 0.09 |
| 表面温升/℃ | 55.77 | 44.21 | 36.23 |
| 中心温升/℃ | 74.05 | 64.42 | 53.46 |
其中：ML为无转子硫化仪在硫化测试过程中测得的的最小转矩，ML与胶料的门尼黏度呈正相关性，即胶料的ML小时，其门尼黏度也小；由于实施例2、实施例3和对比例2均为高填料份数配方，胶料的门尼黏度较大，超出了一般设备的测试范围，因而通过ML值间接推导胶料的门尼黏度值；
从表中可以看出：实施例2和实施例3的ML值均小于对比例2的ML，表明，实施例2和实施例3的门尼黏度均小于对比例2的门尼黏度；实施例2和实施例3的定伸应力和硬度与对比例2的定伸应力和硬度处于同一水平；实施例2和实施例3的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和回弹率均高于对比例2的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度和回弹率；实施例2和实施例3的ΔG’均小于对比例2的ΔG’，表明，实施例2和实施例3的填料的分散情况更好；实施例2和实施例3的tanδ@60℃均小于对比例2的tanδ@60℃，表明，当用于轮胎胎面时，实施例2和实施例3的滚动阻力更小；实施例2和实施例3的表面温升和中心温升较对比例2的表面温升和中心温升均有明显下降，且在实验范围内，随着硅灰石掺用比例的提高，温升下降愈发明显，表明，实施例2和实施例3在用于轮胎胎面承受交变载荷时，生热较低，利于保证轮胎的使用性能并延长使用寿命。
实施例4：
本实施例涉及的低生热轮胎胎面配方，按重量份计，包括以下组分：天然橡胶STR20100份，硅灰石20份，炭黑30份，白炭黑20份，硅烷偶联剂Si-693.5份，硬脂酸2.5份，氧化锌4份，防老剂RD 1份，防老剂40200.5份，促进剂DM 1.6份，促进剂TMTD 0.1份，硫磺2.2份。
本实施例涉及的低生热轮胎胎面配方制备复合材料的具体工艺过程如下：
一段混炼：将天然橡胶STR20通过开炼机薄通塑炼2次后投入密炼机中，落下上顶栓，40秒后，打开上顶栓，加入硅烷偶联剂Si-69、氧化锌、硬脂酸、防老剂RD和防老剂4020，落下上顶栓；40秒后，打开上顶栓，加入白炭黑和1/2的炭黑，落下上顶栓；30秒后，打开上顶栓，加入硅灰石和剩余的炭黑，落下上顶栓，之后每隔一分钟提栓清扫漏胶，混炼时间为7分钟，排胶温度为145度，排出一段母胶，将一段母胶经开炼机下片冷却；
二段混炼：将一段母胶再次投入到密炼机中进行5分钟的二段混炼，每隔一分钟提栓清扫漏胶，排出二段母胶，将二段母胶经开炼机下片冷却；
终炼：将二段母胶再次经开炼机薄通，胶料包辊后，加入促进剂DM、促进剂TMTD和硫磺，左右割刀两次，吃料完毕后，打卷与打三角包交替进行，各四次，下片
硫化：通过无转子硫化仪测得胶料的硫化特性，设定硫化温度为150℃，硫化压力为11MPa，硫化时间为1.3×t90。
本实施例涉及低生热轮胎胎面配方制备的复合材料的性能测试，以实施例4为参照，对比例3的配方为：天然橡胶STR20100份，白炭黑30份，炭黑40份，硅烷偶联剂Si-693.5份，硬脂酸2.5份，氧化锌4份，防老剂RD 1份，防老剂40200.5份，促进剂DM 1.6份，促进剂TMTD 0.1份，硫磺2.2份，按照实施例4所述工艺过程将实施例4和对比例3分别制备成复合材料，进行测试，复合材料的测试结构如下表所示：
| 测试项目 | 对比例3 | 实施例4 |
| 门尼黏度/MU | 47.71 | 40.98 |
| 10％定伸应力/MPa | 0.64 | 0.55 |
| 50％定伸应力/MPa | 1.33 | 1.30 |
| 100％定伸应力/MPa | 2.31 | 2.38 |
| 200％定伸应力/MPa | 5.79 | 5.28 |
| 300％定伸应力/MPa | 9.22 | 9.00 |
| 拉伸强度/MPa | 20.24 | 20.16 |
| 断裂伸长率/％ | 518.12 | 536.89 |
| 硬度/HA | 59 | 56 |
| 回弹率/％ | 42.4 | 50.6 |
| ΔG’/kPa | 223.9 | 190.86 |
| tanδ@60℃ | 0.12 | 0.09 |
| 表面温升/℃ | 26.94 | 18.59 |
| 中心温升/℃ | 48.91 | 37.75 |
从表中可以看出：实施例4的门尼黏度较对比例3的门尼黏度降低了6.7个单位；实施例4的定伸应力和拉伸强度与对比例3的定伸应力和拉伸强度均保持在相近水平；实施例4的断裂伸长率较对比例3的断裂伸长率提高了18.8个百分点；实施例4的硬度较对比例3的硬度稍有下降；实施例4的回弹率较对比例3的回弹率提高了8.2个百分点；实施例4的ΔG’小于对比例3的ΔG’，表明，实施例4中的填料分散情况更好；实施例4的tanδ@60℃小于对比例3的tanδ@60℃，表明，实施例4用于轮胎胎面时的滚动阻力较小；实施例4的表面温升和中心温升较对比例3的表面温升和中心温升分别下降了8.4℃和11.2℃，降幅分别达到31.2％和22.9％，温升下降效果明显，表明，实施例4在用于轮胎胎面承受交变载荷时，生热较低，利于保证轮胎的使用性能并延长使用寿命。
Claims (9)
1.一种低生热轮胎胎面配方，其特征在于，包括天然橡胶、硅灰石、炭黑、白炭黑、偶联剂、硬脂酸、氧化锌、防老剂、促进剂和硫磺。
2.根据权利要求1所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，按重量份计，天然橡胶为100份，硅灰石为10-100份，炭黑为0-100份，白炭黑为0-100份，偶联剂为0-20份，硬脂酸为1-3份，氧化锌为1-5份，防老剂为1-3份，促进剂为1-4份，硫磺为1-3份。
3.根据权利要求1或2所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，天然橡胶包括标准胶、烟片胶、绉片胶和风干胶。
4.根据权利要求1或2所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，硅灰石的结构包括针状、纤维状和束状。
5.根据权利要求4所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，硅灰石的长径比为5-20：1，白度为50-90，中值粒径D50为1-20μm。
6.根据权利要求1或2所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，偶联剂包括硅烷偶联剂Si-69。
7.根据权利要求1或2所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，硬脂酸为十八烷酸。
8.根据权利要求1或2所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，防老剂为防老剂4020、防老剂4010、防老剂4010NA、防老剂RD中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求1或2所述的低生热轮胎胎面配方，其特征在于，促进剂为DPG、CZ、TMTD和DM中的一种或几种的组合。
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