17. 填料对轮胎胎面胶力学性能及摩擦性能的影响

填料对轮胎胎面胶力学性能及摩擦性能的影响

青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室刘伟田佰刚

橡胶摩擦性能，是橡胶制品非常重要的指标之一，随着橡胶材料的发展，和科研水平进步，人们对橡胶摩擦性能的研究也越来越重视。橡胶摩擦性能的影响因素是非常复杂的。目前，在橡胶摩擦机理方面尚缺少权威的、全面的理论。世界各科研团队对这一性能的研究还远未臻于成熟，至今仍在不懈努力。在世界环保口号的倡导下，橡胶摩擦性能的任何一点点提高都将会对能源的节约和环境污染的有效解决起到重要影响。例如，人们希望轮胎在滚动时要同时满足低能耗、优良的制动性和抗湿滑性能的要求。在轮胎的低能耗方面减缓滞后现象，即减小摩擦的变形项是很重要的。

丁苯橡胶(SBR)是产量最大的通用合成橡胶品种，具有优异的物理机械性能和良好的加工性能，是天然橡胶的最好代用品种之一，广泛应用于各种领域，目前大多采用乳液聚合法生产。SBR-1502是通用非污染型软丁苯橡胶的最典型品种，其性能与SBR-1500相当，有良好的拉伸强度、耐磨耗和屈挠性能。为了研究橡胶的摩擦性能，各种填充剂一直是橡胶科学研究的热点。

一、实验

1.原材料

天然橡胶（NR），牌号SCRWF，海南海胶集团生产；乳聚丁苯（ESBR），牌号1502，齐鲁石化公司生产；炭黑，牌号N234，卡博特炭黑有限公司生产；高岭土，牌号沪Q/HG12-382-63，上海市奉贤奉城试剂厂生产；Al2O3，牌号1344-28-1，江苏强盛化工有限公司生产；SiC，牌号F20100921，国药控股股份有限公司生产；TiO2，牌号津Q/HG3343-99，天津博迪化工股份有限公司生产；Zn粉，牌号津Q/HG3586-91，天津广成股份有限公司生产；其他助剂均为市售橡胶工业常用原材料。

2.基本配方

天然胶：40（质量份，下同）；丁苯橡胶（牌号SBR1502）60；N234，20；其他填充剂（高岭土，Al2O3，TiO2，SiC，Zn粉变种类）30；ZnO，5；SA，2.5；防4010NA，1；石蜡，1；促进剂DM，0.5；促进剂CZ，1；硫磺，1.5。

3.实验设备及测试仪器

橡胶试验密炼机，XSM-500型，上海科创橡胶机械设备有限公司生产；双辊开炼机，S(X)160A型，上海轻工机械技术研究所生产；无转子硫化仪，GT-M2000-FA型，高铁科技股份有限公司生产；平板硫化机，XLB型，青岛第三橡胶机械厂生产；橡胶硬度计，930096型，高铁科技股份有限公司生产；百分台式测厚仪，CH-10-ATNO型，上海六菱仪器厂生产；压缩生热试验机，GT-RH-2000型，高铁科技股份有限公司生产；动静摩擦系数试验机，GT-2012-AF型，高铁科技股份有限公司生产；橡胶回弹性试验机，GT-7042-RE型，高铁科技股份有限公司生产；拉力试验机，GT-AI-7000H型，高铁科技股份有限公司生产；磨耗试验机，GT-7012-A型，高铁科技股份有限公司生产；DMA，242型，德国Netzsch公司生产。

4.样品制备

混炼胶的制备采用二段混炼工艺混炼，一段混炼在XSM-500密炼机中进行，转子转速为77r?min-1，密炼温度为70℃，依次加入生胶、炭黑、其他填料、增塑剂和防老剂；二段混炼在密炼均匀后取出在S(X)160A开炼机上加入硫磺、促进剂CZ，再次混炼均匀后，薄通、打三角包、下片，停放24h后进行硫化，硫化温度150℃，压力10MPa，各试样由无

转子硫化仪得到硫化特性曲线，近而得到正硫化时间Tc90。分别制得强力片试样、阿克隆磨耗试样、回弹试样、压缩生热试样、抗湿滑试样、摩擦系数试样。

5.性能测试

硫化特性按GB/T16584-1996在GT-M2000-FA型无转子硫化仪上测定，拉伸性能按GB/T528-1998在GT-AI-7000M型电子拉力机上测定；邵尔A硬度按GB/T6031-1998测定。压缩生热在高铁科技股份有限公司生产的GT-RH-2000型压缩生热实验机上测定。阿克隆磨耗性能按GB/T1689-1998在高铁科技股份有限公司生产的GT-7012-A型阿克隆磨耗试验机上测试；摩擦系数按行业标准在高铁科技股份有限公司生产的GT-2012-AF型动静摩擦系数试验机上测试，实验速度为120（150）mm/min，滑动距离为130mm。动态力学性能分析(DMA)采用德国Netzsch公司生产的242型DMA仪进行分析。在双悬臂梁模式下进行温度扫描，扫描范围-80℃~80℃，升温速率3℃/min，频率10Hz。

二、结果与讨论

1.填料对力学性能的影响

填料的性质对橡胶的机械性能有着重要的影响，为了研究不同种类的填料对硫化胶的机械性能的影响，本实验选取了几种可以添加在橡胶中的填料，如高岭土、三氧化二铝、钛白粉、碳化硅、锌粉等进行比对，为了降低其他因素的影响，采用了炭黑234与不同填料的双组份填料。不同填充剂对橡胶体系机械性能的影响见表1。

表1

项目

邵尔A型硬度/度拉伸强度/Mpa100%定伸应力/Mpa300%定伸应力/Mpa拉伸永久变形/%回弹值/%压缩生热/℃压缩永久变形/%

不同填充剂对橡胶体系机械性能的影响

配方编号

1#5418.43.113.5194922.73.7

2#5215.12.212.8115423.14.2

3#5115.22.312.9125216.62.8

4#5012.72.2-115422.53.3

5#4716.32.313.165416.22.5

配方变量说明：1#高岭土；2#三氧化二铝；3#钛白粉；4#碳化硅；5#锌粉（以下同）。

从表1中看出，不同的填充材料对橡胶体系的硬度、拉伸性能、拉伸永久变形、压缩生热、压缩永久变形等都有着不同的影响。硬度与胶料的硫化程度、结合点密集度、结合链的刚性等因素有关。高岭土分散性能最好，与胶料结合较均匀，结合点较密集，试样表现出更大的刚性，硬度最大。硬度其次是三氧化二铝、钛白粉、碳化硅，最小的是锌粉。高岭土填充的共混体系硬度最大，拉伸强度也最高，但同时它所表现的拉伸永久变形最大，回弹最小。这是由于高岭土分散性能最好，与胶料结合较均匀，试样表现出更好的拉伸结晶性，拉伸强度最高，但是柔顺性较差，内能消耗较大致使回弹小、生热大。

锌粉填充的共混体系拉伸永久变形最小、压缩生热量最小、压缩变形也是最小，这与锌金属粉末的良好的导热性有关，粒径足够小，表面活性较高，表面活性点较多，与大分子结合点较密，加强了试样的拉伸结晶性，使其拉伸永久变形较小。压缩变形率与压缩生热、填料与大分子结合温度敏感性、胶料本身热性能等因素有关。碳化硅分散性能最差，与胶料结合不均匀，试样表现出较差的拉伸结晶性，拉伸强度最低。另外，三氧化二铝填充体系的压缩生热较大，钛白粉填充体系的压缩生热和压缩永久变形较小。

2.摩擦性能与磨耗

对天然橡胶/乳聚丁苯橡胶共混体系填充不同的填充材料，对该体系磨耗与摩擦性能的影响进行对比，其结果见表2。

表2项目

阿克隆磨耗/cm3·1.61km-1静摩擦系数/N静摩擦系数/N动摩擦系数/N动摩擦系数/N

(120mm/min)(150mm/min)(120mm/min)(150mm/min)

不同填充剂对橡胶体系磨耗及摩擦系数的影响

配方编号

1#0.492.9362.8692.1861.740

2#0.571.5781.5411.2881.265

3#0.432.8152.5502.2621.679

4#0.322.1131.8781.4971.099

5#0.182.6603.1011.8421.888

从表2可以看出，阿克拉磨耗量最小的是锌粉填充体系，这与其导热性好、粒径小、表面活性较高有关，和其压缩生热小、变形小等性能一致；而其他填充材料的磨耗量都比较大。

摩擦系数分别以120mm/min和150mm/min的速度进行测试，整体比较，在120mm/min的速度下测得的静摩擦系数值较大，在150mm/min的速度下测得的动摩擦系数值较小；填充材料方面，高岭土填充体系的静摩擦系数最大，动摩擦系数最大的是钛白粉填充的一组，其次是高岭土、碳化硅；且随着摩擦速度的增加，摩擦系数减小。只有锌粉填充体系随着摩擦速度的增加，摩擦系数增加。

3.动态力学性能

不同填充材料填充到天然橡胶/乳聚丁苯橡胶的共混体系中，对其的动态力学性能的影响结果见表3。

表3

项目

玻璃化温度/℃0℃损耗因子60℃损耗因子

不同填充剂对橡胶体系的动态力学性能影响

配方编号

1#-25.90.2490.148

2#-26.10.1980.112

3#-24.90.2270.101

4#-24.80.2360.101

5#-25.80.2060.104

从表3可以看出，5种填充体系中，添加高岭土、三氧化二铝、锌粉的橡胶体系的玻璃化温度较低，添加三氧化二铝和锌粉的0℃下tanδ值较小，60℃下tanδ值也较小。说明加入这些填充材料可以改善复合材料的抗湿滑性能，降低滚动阻力。

三、结论

1.在天然橡胶/乳聚丁苯橡胶体系中加入不同填料，其分散性、粒径大小、表面活性等均可影响试样的加工性能、机械性能、磨耗性能。

2.锌粉填充天然橡胶/乳聚丁苯橡胶体系的磨耗量最小。此外，其硬度小、压缩生热少、压缩永久变形率小、摩擦性能好、回弹性能好、拉伸强度不高、拉伸永久变形率小。

3.添加三氧化二铝和锌粉可以改善复合材料的抗湿滑性能，降低滚动阻力。