最大化增強輪胎性能

ainet.cn 2009年03月02日

氧化硅增強材料與傳統(tǒng)的胎面聚合物的不相容性，這些化合物由此變得十分難以加工。不久，同歐洲現(xiàn)在如火如荼的情形一樣，北美也將興起一場與氧化硅增強胎面化合物有關的“運動”。

自從將氧化硅作為提升輪胎性能的增強材料后，輪胎化合物的混合及加工中出現(xiàn)了諸多變化。利用氧化硅增強技術取代傳統(tǒng)的碳黑增強技術后，非常重要的挑戰(zhàn)就是引起了設備、合成方法及混合技術上出現(xiàn)眾多創(chuàng)新的變化。其目標是使氧化硅增強輪胎面合成物達到預期的性能改善值，從而減輕因這種難以分散而與胎面橡膠結合所產(chǎn)生的問題，而直到最近依然被忽視的某種方法有可能是最節(jié)約成本的方法之一。

Rhein 化學公司設計了一種表達獨特的加工促進劑，尤其用于消除為達到合適的氧化硅擴散中的無效成分，從而幫助氧化硅在輪胎性能上將其有利因素最大化。本文詳述通過使用這種獨特的產(chǎn)品—GE1872，來改善氧化硅結合及擴散而達到的加工性能的改良。

背景

數(shù)年之前，人們發(fā)現(xiàn)氧化硅增強材料明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的碳黑增強胎面化合物。另據(jù)發(fā)現(xiàn)，添加一種偶合劑（如TESPT），使氧化硅與聚合物的化學結合更為緊密，從而進一步增強其性能。為了達到上述效果，必須采用獨特的混合技術將其擴散最大化以達到性能優(yōu)化。氧化硅增強材料，結合新式混合技術使用后，使得化合物不能簡單地以輪胎生產(chǎn)中的擠壓和模塑工序進行加工了。早期生產(chǎn)顯示：鋅皂能顯著降低門尼粘度，并能改善胎面化合物的擠出及模內流動性，而這些化合物將氧化硅作為其部分或全部增強材料。某些生產(chǎn)者將碳黑和氧化硅增強材料進行混合以試圖取得二者兼有的最佳效果。對于碳黑比例高于氧化硅的混合型增強材料化合物而言，鋅皂被證實是令人可接受的改善化合物加工性能的方法。對于較低滾動阻力的與日俱增的需求，將胎面化合物的增強方法向氧化硅材料主導的混合型增強材料轉變。如今，在歐洲，某些輪胎生產(chǎn)商已使用100%氧化硅增強材料，卻發(fā)現(xiàn)即使鋅皂依然使粘度有所降低，但在氧化硅主導的化合物中，它們并未達到所需的性能特性。

為了研制出一種更好的加工促進劑，Rhein化學開始對加工促進劑下了一個標準的定義：一種“量身定做”的添加劑，可使某種橡膠化合物產(chǎn)生均勻混合及加工。此添加劑在不對化合物的硫化特性產(chǎn)生負面影響的情況下，以改善化合物的混合、擠壓和模塑等工序。

運用此定義，問題也產(chǎn)生了：是否已為氧化硅增強型胎面化合物設計出了真正的加工促進劑？當然，針對氧化硅增強輪胎的其他應用曾研制并開發(fā)過某些產(chǎn)品，但它們顯示出的硫化特性，與同一種化合物不使用它們的數(shù)據(jù)相比較，讓人們感到大失所望。其中一些產(chǎn)品甚至不能使門尼粘度降低到一定程度以顯著改善氧化硅化合物的擠壓和模塑工序。一般而言，加工促進劑可分為內潤滑劑（均化器和減粘劑）和外用潤滑劑（耐磨劑）。先前的工作試圖運用100%內潤滑劑或100%外用潤滑劑為氧化硅增強型化合物設計一種加工促進劑，但證明其存在缺陷。內潤滑劑會干擾填充料/聚合物的反應，而外用潤滑劑并未使粘度足夠降低以便于加工。新產(chǎn)品GE 1872專為含氧化硅的胎面化合物而研制生產(chǎn)。GE 1872融合了內潤滑劑和外用潤滑劑各自的優(yōu)勢，在不影響填充料/聚合物反應的情況下，能達到所需的加工改良值。此項產(chǎn)品既保留了氧化硅增強型化合物的擠壓和模塑工序，又能夠改善硫化產(chǎn)品的性能特性。

目標

目標就是專門為改善胎面化合物的擠壓和模塑工序，同時又保留其物理特性而開發(fā)出一種加工促進劑。本文揭秘一種好的加工促進劑的基本設計，討論常規(guī)的方法選擇，并將它們與新開發(fā)出的GE 1872進行比較。本文還將顯示在達到所需的性能特性后，GE 1872能顯著改善氧化硅增強胎面化合物的加工操作性。

實驗數(shù)據(jù)：化合物開發(fā)

本項目的首要考慮是選擇一種化合物，它必須能夠為氧化硅增強材料顯示出最佳的加工促進劑類型。被選中的聚合物是75份量的芳烴油溶聚丁苯橡膠和25 份量的聚丁二烯橡膠的混合體及80份量的100%沉淀二氧化硅增強材料，37.5 份量的環(huán)保芳烴油和6.4 份量的TESPT偶合劑的混合物。本項目還用了4 份量抗氧劑/抗臭氧劑包，2.5份量氧化鋅和1 份量的硬脂酸。硫化方法較簡單：1.7 份量的TBBS，1.4 份量的硫磺和2 份量的橡膠硫化促進劑DPG。氧化鋅被人為降低，碳黑被清除以防止它們干擾多種加工促進劑被測試的活動。加工促進劑在第一遍被添加以讓它們各自顯現(xiàn)出自身最佳效果。

試驗選用的加工促進劑被脂肪酸混合物、鋅皂混合物及新品GE 1872。選用3份量的每種試驗品以確定它們各自在改善方面的差異?；旌喜襟E被建議在3-PASS系統(tǒng)中，而且在頭兩次走料之中，氧化硅被分成50-50，硫于第三次走料中被添加。實驗針對因此生成的化合物的加工及性能特性等進行了測試。表1所示為詳細的配方。

流變性Ⅰ（流變值）

圖1所示為四種化合物的流變值平面圖。有時候，同含硅化合物反應時，所有被選擇加工促進劑的模量都有所減少。同其它被測加工促進劑相比，GE 1872具有較高的最大轉矩和較好的限定范圍內硫化曲線。所有流變性均在160℃時做了時長為60分鐘的測試。

圖1

流變性Ⅱ（門尼燒焦值）

圖2中，脂肪酸加工促進劑和鋅皂的粘度都較低，卻顯著延長了焦化時間，使這兩種產(chǎn)品均可作為緩凝劑來使用。GE 1872顯示，它既能夠降低粘度，焦化變化最小，使它無須“犧牲”硫化率而比試驗品具有更好的擠壓速度。

圖2

流變性Ⅲ（蛛形流道模具）

我們可以從圖3中看出，GE 1872在蛛形流道模具中的多出的流量值基本同鋅皂相同，而比脂肪酸混合物要好許多。此試驗再次顯示出：在不對硫化率產(chǎn)生負面影響的情況下，使用GE 1872可使脂肪酸混合物及鋅皂產(chǎn)品具有改善效果。

圖3

物理特性

物理特性值（表2）取自標準強力試片及160℃時，硫化了t90%時間的其它測試樣品。在100℃時，熱空氣老化72個小時后也進行了特性測試。在此方法中，脂肪酸及鋅皂產(chǎn)品的較長硫化率沒有偏離正常值。結果顯示，GE1872沒有物理特性的損失，而脂肪酸和鋅皂產(chǎn)品均不能達到試驗品化合物的值。同試驗化合物相比，GE 1872的老化特性有所改善，這表明，這種新產(chǎn)品能保留，也許實際上是改善試驗品的性能，而同時也優(yōu)化了擠壓加工和模塑等工序。

100%模量

兩種常規(guī)加工促進劑和新產(chǎn)品GE 1872之間的主要差異之一是對100%模量的影響（圖4）。GE 1872在模量上沒有變化，而脂肪酸和鋅皂產(chǎn)品的100%模量都有明顯的減少。

圖4

動態(tài)：損耗模量

從圖5中可以看到不同加工促進劑的動態(tài)效果對硫化物的減震特性的影響。此項測試進行于一正常溫度掃描中，在一RPA 儀器中操作，試驗品被設置為10%應變及10Hz。結果顯示，高溫時，鋅皂增加了損耗模量，而這能帶走正常氧化硅增強型胎面化合物的部分滾動阻力改進值。無論溫度高低，脂肪酸與試驗品的值相差無幾。與其他兩種加工促進劑不同的是，在70～90℃的范圍內，GE 1872的損耗模量與試驗品比較低，而溫度降低時，其損耗模量卻比試驗品高出許多。這些紀錄均取自3份量送料，需要做進一步工作以確定這種趨勢是否會產(chǎn)生更大的差異。依靠這些新數(shù)據(jù)，通過加強抗?jié)窕裕墚a(chǎn)生一種改善氧化硅增強胎面化合物的新跟能夠特性的新穎方法，而其傳統(tǒng)的較低的滾動阻力也得以保留。

圖5

結論

GE 1872，因其在內潤滑劑和外用潤滑劑之間的最佳平衡，與傳統(tǒng)的脂肪酸和鋅皂加工促進劑相比，它顯著地提高了加工特性，且能夠保留氧化硅增強型化合物的性能和動態(tài)特性。這種新產(chǎn)品在不產(chǎn)生負面的延緩影響下，能匹配脂肪酸和鋅皂的較低粘度及有所改善的模內流動性，這些均在流變記錄中有所顯示。在硫化性能特性中，它保留了氧化硅增強材料的有利影響，不會引起物理特性的確實，這些物理特性通常用常規(guī)的操作助劑和耐磨性的交替使用為較低的滾動阻力創(chuàng)造有利條件。偶合劑送料的改變或是更好的與GE 1872結合的增強材料設計方案能夠進一步的提升氧化硅增強型輪胎的性能。

表1

化合物 1 2 3 4

Buna VSL 5025-0HM 75 75 75 75

Buna 碳黑24 25 25 25 25

沉淀二氧化硅 80 80 80 80

TESPT 6.4 6.4 6.4 6.4

環(huán)保芳烴油 37.5 37.5 37.5 37.5

抗臭氧劑石蠟 2 2 2 2

TMQ 1 1 1 1

強效抗氧劑 1 1 1 1

氧化鋅 2.5 2.5 2.5 2.5

硬脂酸 1 1 1 1