CN117285762A - 一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物、混炼方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轮胎制造技术领域，尤其涉及一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物、混炼方法和在轮制备中的应用。一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，该橡胶组合物按生胶组分为100重量份由包括以下组分的原料混炼制备得到：生胶100份，白炭黑50.0‑70.0份，微硅粉8.0‑25.0份，炭黑1.0‑10.0份；以及适量的防老剂、活性剂、硅烷偶联剂和硫化剂；所述的白炭黑BET比表面积为120‑200m2/g，微硅粉的BET比表面积为15‑25m2/g。该组合物通过并用白炭黑和微硅粉作为填料，可改善胶料加工性能，且与轮胎滚动阻力关联的胶料关键指标有明显改善。
Description
技术领域
本发明涉及轮胎制造技术领域，尤其涉及一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物、混炼方法和在轮制备中的应用。
背景技术
目前市场研究表明绿色轮胎在欧洲主流市场已被广泛的推广和使用，统计的使用量约占全球轮胎总量的50%左右。绿色轮胎的优点非常明显，不仅轮胎滚动阻力能够降低，还能提高燃油的使用效率，降低了汽车尾气的排放量，有利于改善温室效应，改善生态环境，而且可以提升轮胎的抗湿滑性能，提高了车辆行驶的安全性，因此绿色轮胎不仅有性能上的优势，同时大大提升了经济效益，绿色轮胎是未来轮胎行业发展的一个趋势。
我国作为轮胎生产大国，轮胎总产量约占世界轮胎总产量的40%。国内轮胎生产现况，内资轮胎企业中高端产品生产量很低，主要以低端产品为主，因此国内的内资轮胎企业要积极实现产业升级，积极淘汰落后的高能耗低效率的老旧设备和传统工艺，积极响应国家的动能转换政策，提升能源利用率，减少环境的污染，提升高端产品的研发和制造能力。
橡胶作为高分子弹性体，自身的物理机械强度很低，需要使用如炭黑、白炭黑类的补强材料进行补强后才能使用，但是补强材料会和橡胶分子链摩擦，产生大量的能量损失，从而增加配方的滚动阻力，这就是轮胎的魔鬼三角不能突破的原因，即轮胎的物理性能（如磨耗性能）和轮胎的滚动阻力性能不能同时得到提升。
轮胎行驶过程中能量消耗占比分别为胎面胶约39%、三角胶约13%、带束层约8%胎侧约7%和基部胶约占 5%，通常情况下，胶料的滞后生热源于轮胎滚动时，材料内部的摩擦生热，并以热能的方式散发出去，因此通过减少轮胎变形及降低材料的滞后生热特性来降低轮胎的滚动阻力。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，该组合物通过并用白炭黑和微硅粉作为填料，可改善胶料加工性能，且与轮胎滚动阻力关联的胶料关键指标有明显改善。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，该橡胶组合物按生胶组分为100重量份由包括以下组分的原料混炼制备得到：
生胶 100份
白炭黑 50.0-70.0份
微硅粉 8.0-25.0份
炭黑 1.0-10.0份；
以及适量的防老剂、活性剂、硅烷偶联剂和硫化剂；所述的白炭黑BET比表面积为150-200m2/g，微硅粉的BET比表面积为15-25m2/g。
作为优选，该橡胶组合物按生胶组分为100重量份由包括以下组分的原料混炼制备得到：
生胶 100份
白炭黑 55.0-65.0份
微硅粉 10.0-20.0份
炭黑 3.0-8.0份
防老剂 1.0-4.0份
活性剂 2.0-5.0份
硅烷偶联剂 4.0-6.0份
硫化剂 2.0-5.0份。
作为优选，所述的白炭黑采用1165MP，微硅粉采用320U，诶肯化工产品。
作为优选，生胶选自天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶和聚丁二烯橡胶中的一种或多种混合；再优选，生胶选用溶聚丁苯橡胶和顺式丁二烯橡胶；最优选，溶聚丁苯橡胶，90.0-110.0份，顺式丁二烯橡胶，10.0-20.0份。
作为优选，顺式丁二烯橡胶为钴系催化剂催化的高顺式-1,4丁二烯橡胶，溶聚丁苯橡胶选用溶聚丁苯橡胶3824，LG产品。
作为优选，橡胶组合物还包括橡胶操作油4.0-10.0份。
作为优选，活性剂采用氧化锌和硬脂酸：氧化锌为2.0～4.0重量份，硬脂酸为1.0～3.0重量份；硫化剂采用硫磺、促进剂CZ和促进剂NS：硫磺为1.0-3.0份，促进剂CZ为0.2-1.0份，促进剂NS为0.5-1.0份。
进一步，本发明还公开了所述的胎面橡胶组合物的混炼方法，该方法采用密炼机转子速度40-60 rpm，密炼机冷却水温度30-40℃，包括以下的步骤：
1）加入橡胶，压下压坨保持55-65秒；
2）升起压坨，加入白炭黑、微硅粉、活性剂、硅烷偶联剂和防老剂压下压坨保持55-65秒；
3）升起压坨加入炭黑、橡胶操作油，压下压坨保持80-100秒；
4）升起压坨，清扫；
5）压下压坨使胶料升温至135-145℃保持110-150秒以上；
6）排胶至开炼机：将双辊开炼机辊距调到0.8-1.2mm，使密炼完的胶料包辊；依次加入促进剂和硫黄，左右割刀各三次；在辊距为 0.15-0.25mm 时打三角包薄通五次；辊距调到1.5-2.0mm，下片，停放。
进一步，本发明还公开了所述的胎面橡胶组合物在制备超低滚动阻力轮胎的胎面中的应用。
进一步，本发明还公开了一种超低滚动阻力轮胎，该轮胎的胎面采用所述的胎面橡胶组合物硫化制备得到。
采用上述技术方案的有益效果是：本发明中使用的二氧化硅作为主要的补强填充剂，采用沉淀法制备，微硅粉R320U采用气相法制备；R320U白炭黑粒子相比，微硅粉粒子的粒径较大。两种微硅粉全部都呈现为一个一个的形状规则的球状粒子，粒子表面光滑，较小的粒子之间易团聚在一起，较大的粒子基本呈独立状态。微球粒子的大小分布更均匀，粒子间的尺寸差异较大。微硅粉填料粒径大，比表面积小，无Si-OH，原生粒子为光滑球形，粒子之间接触面积小，相互作用力弱，在橡胶组合物中生热小，有效改善白炭黑在橡胶中的分散，提升橡胶组合物的加工性能；最终保证橡胶组合物制备的轮胎滚动阻力性能没有损失的同时，提升轮胎的湿地抓地力性能。
在本发明的橡胶组合物中，除了上述组分，可以混合不同的添加剂，例如通常用于轮胎和其他橡胶组合物中的其他填料，硫化剂，硫化促进剂，不同类型的油，抗氧剂，增塑剂等。这些添加剂以普通的方法混合以获得可以用于硫化的橡胶组合物。这些添加剂的量还可以是常规的通常的混合的量，前提是不反过来影响本发明的目的。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清查、完整的描述，进而进一步解释发明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。给予本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1-2具体如表1所示（重量份）。
表1 实施例1-4配方明细
| 对比例1 | 对比例2 | 对比例3 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
| 溶聚丁苯橡胶*1 | 110 | 110 | 110 | 110 | 110 | 110 | 82.5 |
| 顺式丁二烯橡胶*2 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 天然橡胶*3 | 20 | ||||||
| 炭黑*4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 白炭黑*5 | 70 | 60 | 55 | 50 | 55 | ||
| 白炭黑*6 | 70 | 55 | |||||
| 微硅粉*7 | 15 | 10 | 15 | 20 | 15 | ||
| 橡胶操作油*8 | 6.25 | 6.25 | 6.25 | 6.25 | 6.25 | 6.25 | 6.25 |
| 硅烷偶联剂*9 | 5.6 | 5.6 | 5.6 | 5.6 | 5.6 | 5.6 | 5.6 |
| 氧化锌*10 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| 硬脂酸*11 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 防老剂*12 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 促进剂*13 | 1.7 | 1.7 | 1.7 | 1.7 | 1.7 | 1.7 | 1.7 |
| 促进剂*14 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 充油硫磺*15 | 1.58 | 1.58 | 1.58 | 1.58 | 1.58 | 1.58 | 1.58 |
| 合计 | 228.63 | 228.63 | 228.63 | 228.63 | 228.63 | 228.63 | 221.13 |
| T10 min | 1.85 | 1.81 | 2.54 | 2.47 | 2.52 | 2.67 | 2.31 |
| 邵氏硬度 | 67 | 65 | 63 | 68 | 66 | 65 | 67 |
| M300定伸MPa | 10.6 | 9.2 | 8.3 | 11.8 | 10.9 | 10.9 | 11.9 |
| 断裂强度MPa | 18.8 | 18.0 | 17.5 | 18.4 | 18.0 | 17.7 | 18.6 |
| 断裂伸长率% | 446 | 473 | 480 | 429 | 482 | 441 | 501 |
| 抗张积 | 8359 | 8532 | 8400 | 7914 | 7914 | 7818 | 9319 |
| tanδ@60℃ | 0.130 | 0.121 | 0.087 | 0.096 | 0.063 | 0.051 | 0.060 |
表1脚注
*1：3824，LG产品；
*2：SCR20，海南中化产品；
*3：BR0150L，台橡宇部产品；
*4：N234，卡博特化工产品；
*5：1165MP，索尔维精细化工添加剂（青岛）有限公司产品，160m2/g；
*6：ULTRASIL VN3GR，Evonik公司产品，130 m2/g；
*7：320U，诶肯化工产品；
*8：V500，宁波汉盛有限公司产品；
*9：Si69，江西宏柏新材料股份有限公司产品；
*10：DPG，汉径河化工有限公司产品；
*11：氧化锌，青岛海燕化工有限公司产品；
*12：防老剂4020（6PPD），中国石化集团南京化学工业有限公司产品；
*13：促进剂CBS（CZ），山东尚舜化工有限公司产品；
*14：促进剂DPG(D)，山东尚舜化工有限公司产品；
*15：充油硫磺粉，无锡华盛橡胶新材料科技股份有限公司产品。
实施例1-2的制备：（本过程使用剪切型密炼机）
控制密炼机转子速度40-60 rpm，密炼机冷却水温度30-40℃，包括以下的步骤：
加入橡胶，压下压坨保持60秒；
升起压坨，加入白炭黑、微硅粉、硅烷偶联剂、氧化锌、硬脂酸、防老剂等压下压坨保持60秒；
升起压坨加入炭黑、橡胶操作油等，压下压坨保持90秒；
升起压坨，清扫；
压下压坨使胶料升温至140℃保持120秒以上；
排胶至开炼机：将双辊开炼机辊距调到1mm，使密炼完的胶料包辊。依次加入促进剂和硫黄，左右割刀各三次；在辊距为 0.2mm 时打三角包薄通五次；辊距调到1.8mm，下片，停放。
将混炼得到的橡胶组合物进行MDR测试，得到T90数据，在预先准备的模具中进行硫化，硫化的条件为160℃*T90+2min，压力为15 MPa。然后使用以下所示的测试方法对其测定硫化橡胶的各项性能，测定结果如表1所示。
用于评价橡胶性能的测试方法
物理性能 ：
基于GB/T 531.1-2008测定室温下的硬度，该值越大，硬度越高，与轮胎的刚性和舒适性相关。
基于GB/T 528-2009测定的拉伸强度显示为“拉伸强度”。此外，相同的测试期间断裂时的伸长率显示为“断裂伸长率”。拉伸强度与断裂伸长率的乘积显示为“抗张积”。该值越大，增强性越高，物理性能越好。
基于GB/T528-2009测定160℃下的T10数据，该值越大，焦烧时间长，橡胶在加工过程中混炼、挤出等过程的热积累效应对胶料在硫化定型之前胶料的流动性的影响低，有利于生产和加工的安全。
生热性能：
RSA-G2（RSA-G2 Dynamic Mechanical Analyzer (DMA)）：采用美国TA公司生产的RSA-G2型动态热机械分析仪测定。
测试模式和条件：
温度扫描：频率，1Hz；应变，0.1%；测试温度范围：-60℃-120℃，升温速度，5℃/min。
60℃下的tanδ值表征硫化橡胶的滞后损失，该值越小，硫化橡胶的滞后损失越低，制得轮胎的滚动阻力越低。
通过比较实施例1和实施例2可以看出，实施例2的超低滚动阻力配方的物理性能较实施例1普通配方有部分下降，但焦烧时间明显延长，且其生热性能也提升明显，这是由于实施例2配方使用了低比表面积的微硅粉320U，且填料表面无Si-OH，填料不团聚，提升了填料分散性，使得配方的滚阻下降。
通过比较实施例1和实施例3可以看出，实施例2的超低滚动阻力配方的物理性能较实施例1普通配方有明显下降，但焦烧时间明显延长，且其生热性能提升更加明显，这是由于实施例3配方使用了更高比例的低比表面积的微硅粉320U,进一步提升了填料分散性，使得配方的滚阻下降，但同时因为微硅粉320U比表面积下降，使得填料补强性变差。
综上，使用超低滚动阻力配方，胶料的物理性能由部分下降，但是焦烧时间延长，且胶料的生热性能提升明显，胶料生热下降达最多达61%。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，该橡胶组合物按生胶组分为100重量份由包括以下组分的原料混炼制备得到：
生胶 100份
白炭黑 50.0-70.0份
微硅粉 8.0-25.0份
炭黑 1.0-10.0份；
以及适量的防老剂、活性剂、硅烷偶联剂和硫化剂；所述的白炭黑BET比表面积为150-200m2/g，微硅粉的BET比表面积为15-25m2/g。
2.根据权利要求1所述的一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，该橡胶组合物按生胶组分为100重量份由包括以下组分的原料混炼制备得到：
生胶 100份
白炭黑 55.0-65.0份
微硅粉 10.0-20.0份
炭黑 3.0-8.0份
防老剂 1.0-4.0份
活性剂 2.0-5.0份
硅烷偶联剂 4.0-6.0份
硫化剂 2.0-5.0份。
3.根据权利要求1或2所述的一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，所述的白炭黑采用1165MP，微硅粉采用320U，诶肯化工产品。
4.根据权利要求1或2所述的一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，生胶选自天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶和聚丁二烯橡胶中的一种或多种混合；再优选，生胶选用溶聚丁苯橡胶和顺式丁二烯橡胶；最优选，溶聚丁苯橡胶，90.0-110.0份，顺式丁二烯橡胶，10.0-20.0份。
5.根据权利要求4所述的一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，顺式丁二烯橡胶为钴系催化剂催化的高顺式-1,4丁二烯橡胶，溶聚丁苯橡胶选用溶聚丁苯橡胶3824，LG产品。
6.根据权利要求1或2所述的一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，橡胶组合物还包括橡胶操作油4.0-10.0份。
7.根据权利要求1或2所述的一种超低滚动阻力轮胎的胎面橡胶组合物，其特征在于，活性剂采用氧化锌和硬脂酸：氧化锌为2.0～4.0重量份，硬脂酸为1.0～3.0重量份；硫化剂采用硫磺、促进剂CZ和促进剂NS：硫磺为1.0-3.0份，促进剂CZ为0.2-1.0份，促进剂NS为0.5-1.0份。
8.权利要求1-7任意一项权利要求所述的胎面橡胶组合物的混炼方法，其特征在于，该方法采用密炼机转子速度40-60 rpm，密炼机冷却水温度30-40℃，包括以下的步骤：
1）加入橡胶，压下压坨保持55-65秒；
2）升起压坨，加入白炭黑、微硅粉、活性剂、硅烷偶联剂和防老剂压下压坨保持55-65秒；
3）升起压坨加入炭黑、橡胶操作油，压下压坨保持80-100秒；
4）升起压坨，清扫；
5）压下压坨使胶料升温至135-145℃保持110-150秒以上；
6）排胶至开炼机：将双辊开炼机辊距调到0.8-1.2mm，使密炼完的胶料包辊；依次加入促进剂和硫黄，左右割刀各三次；在辊距为 0.15-0.25mm 时打三角包薄通五次；辊距调到1.5-2.0mm，下片，停放。
9.权利要求1-7任意一项权利要求所述的胎面橡胶组合物在制备超低滚动阻力轮胎的胎面中的应用。
10.一种超低滚动阻力轮胎，其特征在于，该轮胎的胎面采用权利要求1-7任意一项权利要求所述的胎面橡胶组合物硫化制备得到。
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