论文推荐丨柳志浩等：热裂解炭黑在全钢载重子午线轮胎胎踵胶中的应用

作者简介

柳志浩（1989—），男，山东青岛人，浦林成山（山东）轮胎有限公司工程师，学士，主要从事轮胎配方设计开发工作。

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主要内容

近我国是橡胶制品消耗大国，尤其是汽车产业和公路运输业的蓬勃发展，对轮胎的需求量日益增大，但与此同时废旧轮胎大量产生。为了充分利用橡胶资源，实现经济可持续性发展，废旧资源再生利用日益受到重视，将废旧轮胎加工为裂解炭黑成为非常有前景的处理方式。

热裂解炭黑是轮胎橡胶裂解后的回收还原炭黑，尽管其对橡胶的补强性能不如原生炭黑，但可以通过与橡胶配方材料的合理搭配应用于轮胎胶料中。

本工作在全钢子午线轮胎胎踵胶中采用10份热裂解炭黑替代5份炭黑N330，研究热裂解炭黑对胶料和轮胎性能的影响。

1. 1　原材料

天然橡胶（NR），SMR20，马来西亚产品；顺丁橡胶（BR），牌号9000，浩普新材料科技股份有限公司产品；热裂解炭黑1^#，国内A公司产品；热裂解炭黑2^#，国产B公司产品；炭黑N330和其他原材料，均为国产市售产品。

1. 2　配方

对比配方（用量/份）：NR　50，BR　50，炭黑N330　75，其他　20。

1^#和2^#试验配方：分别采用10份热裂解炭黑1^#和热裂解炭黑2^#替代5份炭黑N330，其他组分和用量同对比配方。

1. 3　主要设备和仪器

X（S）M-1. 5×（10～118）型实验室密炼机、XK（S）-160型开炼机和XLB-400-2（D）型平板硫化机，青岛科高橡塑机械技术装备有限公司产品；GK400型密炼机和GK270型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；MV2000型门尼粘度仪和MDR2000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；粘性测试仪，日本东洋精机制作所产品；3365型拉伸试验机，美国Instron公司产品；臭氧试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；VR-7130型动态热机械分析（DMA）仪，日本株式会社上岛制作所产品。

1. 4　混炼工艺

1. 4. 1　小配合试验

小配合试验胶料在实验室密炼机中混炼，采用3段混炼工艺。

一段混炼工艺为：生胶（转子转速为80 r·min^-1）→压压砣30 s→炭黑、热裂解炭黑、小料（转子转速为55 r·min^-1）→压压砣25 s→提压砣（保持5 s）→压压砣→165 ℃排胶。

二段混炼工艺为：一段混炼胶（转子转速为60 r·min^-1）→压压砣30 s→提压砣（保持5 s）→压压砣（转子转速为50 r·min^-1）→165 ℃排胶。

三段混炼工艺为：二段混炼胶（转子转速为55 r·min^-1）→ 压压砣20 s→ 硫化剂和促进剂→压压砣25 s→提压砣（保持5 s）→压压砣→100 ℃排胶。

1. 4. 2　大配合试验

大配合试验胶料采用4段混炼工艺。

一段混炼在GK400型密炼机中进行，混炼工艺为：生胶、炭黑、热裂解炭黑、小料（转子转速为50 r·min^-1）→压压砣20 s→提压砣（保持5 s）→压压砣15 s→提压砣（保持5 s）→压压砣→165 ℃排胶。

二段和三段混炼在GK400型密炼机中进行，混炼工艺为：一段或二段混炼胶（转子转速为45 r·min^-1）→ 压压砣20 s→ 提压砣（保持5 s）→ 压压砣15 s→ 提压砣（保持5 s）→ 压压砣→165 ℃排胶。

终炼在GK270型密炼机中进行，混炼工艺为：三段混炼胶、硫化剂和促进剂（转子转速为25 r·min^-1）→压压砣25 s→提压砣（保持5 s）→压压砣20 s→提压砣（保持5 s）→压压砣→100 ℃排胶。

1. 5　性能测试

胶料的各项性能均按照相应国家标准进行测试。

2. 1　理化分析

热裂解炭黑和炭黑N330的理化性能测试结果见表1。

从表1可以看出，热裂解炭黑1^#和热裂解炭黑2^#的灰分质量分数和加热减量均大于炭黑N330，这与轮胎裂解后热裂解炭黑中含有氧化锌和白炭黑等无机物裂解残留物有关。

2. 2　小配合试验

2. 2. 1　硫化特性

小配合试验胶料的硫化特性参数见表2。

从表2可以看出，与对比配方胶料相比，1^#和2^#试验配方胶料的焦烧时间和硫化速率基本相当，表明其加工性能基本相当。

2. 2. 2　表面粘性

通过粘性测试仪测量胶料的表面粘性，结果表明：胶料未停放时，对比配方胶料的表面粘合力为6. 3 N，1^#试验配方胶料为6. 4 N，2^#试验配方胶料为6. 3 N；胶料停放3天后，对比配方胶料的表面粘合力为5. 8 N，1^#试验配方胶料为5. 8 N，2^#试验配方胶料为5. 7 N。可见，1^#和2^#试验配方胶料的表面粘性与对比配方胶料基本相当。

2. 2. 3　物理性能

小配合试验硫化胶的物理性能见表3。

从表3可以看出：与对比配方硫化胶相比，1^#和2^#试验配方硫化胶的密度增大，这是因为裂解炭黑中含有氧化锌和白炭黑等无机物裂解残留物，其密度较大；物理性能基本相当，虽然裂解炭黑的补强性能不如普通炭黑，但通过增量替代的方式应用到胶料中可以弥补强度的损失。

2. 2. 4　静态耐臭氧老化性能

小配合试验硫化胶经静态臭氧老化（臭氧体积分数　1×10^-4，温度　40 ℃，拉伸率　20%，测试时间　72 h）后的照片如图1所示。

从图1可以看出，1^#和2^#试验配方硫化胶静态臭氧老化后的表面状态与对比配方硫化胶基本一致，耐臭氧老化性能基本相当。

2. 2. 5　动态力学性能

小配合试验硫化胶的损耗因子（tanδ）-温度曲线和剪切模量（E′）-温度曲线分别如图2和3所示，动态力学性能参数如表4所示，60 ℃时的tanδ一定程度上可以反映硫化胶的生热性能。

从图2和3及表4可以看出：与对比配方硫化胶相比，1^#和2^#试验配方硫化胶60 ℃时的tanδ略有减小，生热略微降低。

2. 2.6　压缩永久变形

小配合试验硫化胶的压缩永久变形测试结果如表5所示。

从表5可以看出，1^#和2^#试验配方硫化胶的压缩永久变形均小于对比配方硫化胶，这是因为裂解炭黑增量替代普通炭黑使用，胶料中填料占比增大。

2. 3 大配合试验

根据小配合试验结果，优选1^#试验配方进行大配合试验。

2. 3. 1 硫化特性 

大配合试验胶料的硫化特性参数见表6。

从表6可以看出，大配合试验结果与小配合试验结果基本一致。

2. 3. 2　表面粘性

通过粘性测试仪测量胶料的表面粘性，结果表明：胶料未停放时，对比配方胶料的表面粘合力为7. 0 N，试验配方胶料为7. 1 N；胶料停放3天后，对比配方胶料的表面粘合力为6. 5 N，试验配方胶料为6. 5 N。可见，添加热裂解炭黑的试验配方胶料的表面粘性与对比配方胶料基本相当，与小配合试验结果一致。

2. 3. 3　物理性能

大配合试验硫化胶的物理性能见表7。

从表7可以看出，大配合试验硫化胶的物理性能变化趋势与小配合试验基本一致。

2. 3. 4　动态力学性能

大配合试验硫化胶的tanδ-温度曲线和E′ -温度曲线分别如图4和5所示，动态力学性能参数如表8所示。

从图4和5及表8可以看出：添加热裂解炭黑的试验配方硫化胶60 ℃时的tanδ减小，有利于降低滚动阻力，生热较对比配方硫化胶降低，大配合试验结果与小配合试验结果一致。

2. 4　成品轮胎性能

采用对比配方和试验配方胶料生产12. 00R20载重子午线轮胎，各抽取2 条轮胎按照GB/T4501—2023进行耐久性能测试。结果表明：2条对比配方轮胎的累计行驶时间分别为67和68 h，2条试验配方轮胎的累计行驶时间分别为68和69 h，两者的耐久性能相当，且均满足国家标准要求。

在全钢载重子午线轮胎胎踵胶配方中用10份热裂解炭黑替代5份炭黑N330，胶料的加工性能和物理性能基本相当，60 ℃时的tanδ和压缩永久变形减小；成品轮胎的耐久性能相当，且均满足国家标准要求；由于热裂解炭黑的价格低于炭黑N330，因此可以有效降低胎踵胶的成本。

Application of Pyrolytic Carbon Black in Bead Heel Compound of All-steel

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