高耐磨性、低滯后性和良好抗撕裂性的炭黑
由于全**范圍內(nèi)對(duì)公路運(yùn)輸和對(duì)其它載重車胎使用的依賴性在穩(wěn)步增加，載重子午線輪胎工藝的更新設(shè)計(jì)將對(duì)**經(jīng)濟(jì)的很多領(lǐng)域產(chǎn)生越來(lái)越大的影響。近年來(lái)，雖然載重子午線輪胎的許多性能都有很大的提高，但是還需要在輪胎設(shè)計(jì)和研發(fā)配合材料方面進(jìn)一步提高在苛刻使用條件下輪胎的抗早期破損性和抗胎面加速磨損性。輪胎行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到，必須提高胎面膠料的抗破損性和其它性能(包括更高的胎面耐磨性、更好的抗撕裂性、更低的生熱性和更小的滾動(dòng)阻力)，但這個(gè)問(wèn)題還是沒(méi)有得到*終的解決。
炭黑是元素碳的一種形式，它被廣泛用于輪胎橡膠中。無(wú)論是天然橡膠、合成橡膠還是兩者的共混膠都適用。炭黑的物理特征(如粒徑和結(jié)構(gòu))會(huì)影響膠料的各種性能特征，如胎面耐磨性、滾動(dòng)阻力、生熱性和抗撕裂性。
本發(fā)明介紹的是一種新型炭黑(在此稱為“炭黑A”)。據(jù)預(yù)測(cè)，這種新型炭黑能提高車胎胎面橡膠質(zhì)量，包括更高的胎面耐磨性、更小的滾動(dòng)阻力和更低的生熱性和更優(yōu)良的抗撕裂性。這種改良炭黑屬于N100系列，用在橡膠中時(shí)，既有N121炭黑那樣的高胎面耐磨性和低生熱性的優(yōu)點(diǎn)，又具有N115炭黑那樣良好的抗撕裂性。本發(fā)明的炭黑對(duì)提高載重及載客汽車的鋼絲簾線子午胎(TBS/RT)和高性能轎車車胎的質(zhì)量特別有用。中型或重型載重和載客汽車鋼絲簾線子午線車胎(TBS/RT)在市場(chǎng)上可劃分為公路載重車和載客車車胎、建筑/農(nóng)用車胎、越野/公路混用車胎、市區(qū)用車胎和節(jié)油型車胎。
日前，在TBS/RT及其翻新膠料中采用的是N100和N200系列的胎面用炭黑(如ASTMD1765中規(guī)定的)。這些胎面用炭黑的特點(diǎn)是，既具有大比表面積，又具有高結(jié)構(gòu)。
炭黑的結(jié)構(gòu)是指炭黑粒子聚集的程度。高結(jié)構(gòu)炭黑和低結(jié)構(gòu)炭黑相比，有更多的粒子，聚集成隨機(jī)的結(jié)構(gòu)。炭黑的結(jié)構(gòu)可用鄰苯二甲酸二丁酯吸收值(DBPA)來(lái)量度。DBPA值越大，炭黑的結(jié)構(gòu)就越高。炭黑的比表面積可以通過(guò)吸碘值來(lái)測(cè)定。吸碘值和粒徑之間成反比關(guān)系。吸碘值越大，粒徑就越小。
炭黑的粒徑和結(jié)構(gòu)對(duì)其填充的橡膠的多種性能，如輪胎胎面的耐磨性、滾動(dòng)阻力、生熱性和抗撕裂性都有影響。因此，根據(jù)輪胎具體的使用要求，不同的胎面要采用不同的炭黑。
例如，在公路上行駛的載重車胎由于路面較為平整，要求車胎承受更大的負(fù)荷和更快的速度。在這種使用條件下，歐洲和北美都主要選用N121、N110和N234炭黑做胎面炭黑。這里，考慮使用性能時(shí)主要顧及到胎面耐磨性。
但是，在全**范圍內(nèi)，滾動(dòng)阻力正在成為一個(gè)需要認(rèn)真對(duì)待的非常重要的使用性能。在TBS/RT中，胎面對(duì)滾動(dòng)阻力的調(diào)控起著*重要的作用。
上述這三種胎面炭黑(N121、N110和N234)都具有較高的滯后性(和coarserN200和N300系列的同類炭黑相比，具有更高的生熱溫度和更大的滾動(dòng)阻力)，其中，N110的滯后性*高，其后是N121和N234。如果把這些品種的炭黑互相比較，就可知N121的胎面耐磨性能*好，其次是N234，*后是N110。這些胎面炭黑可用于新胎面和翻新胎面膠料中。
對(duì)于越野/公路混用載重車胎來(lái)說(shuō)，當(dāng)高負(fù)荷車胎在越野條件下使用時(shí)，和公路條件下相比，通常速度慢、路面更粗糙和彎道更多。但是，當(dāng)車胎又回到公路上行駛時(shí)，它遇到的又是和公路用車胎一樣的高速度和生熱溫度。
在這種情況下，歐洲和北美一般都采用N110、N115和N220做胎面炭黑。在考慮車胎的使用性能時(shí)，更多關(guān)注的是胎面使用壽命，而不是胎面磨耗壽命。車胎的使用條件越苛刻，車胎的抗破損性，特別是胎面的抗破損性就越重要。這三種炭黑比N121和N234的定伸應(yīng)力小，而抗撕裂性則更好。N110和N115的生熱溫度和滾動(dòng)阻力比N220(或N121和N234)更高，但抗撕裂性也更好。
歐洲采用的是N115和N110作越野/公路用胎面，但N115在北美用于越野/公路用胎面的情況沒(méi)有歐洲多。這兩種胎面炭黑的主要區(qū)別在于N115的著色強(qiáng)度、吸碘值和氮吸附比表面積都比N110高。但是，這兩種炭黑在橡膠中的作用基本相同。
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TBS/RT通常都由炭黑補(bǔ)強(qiáng)橡膠做成。該橡膠的主要成分為天然橡膠(NR)或天然橡膠與合成橡膠[乳聚丁苯膠(SBR)和聚丁二烯橡膠(BR)]的共混膠。
NR通常能提供較大的抗撕裂強(qiáng)度、在合成橡膠上的成型粘性和較低的滯后性。這都?xì)w因于在NR變形時(shí)內(nèi)部能量損失較低。另外，NR和BR并用具有更好的耐割傷性、耐疲勞性和耐磨性。SBR用在這些共混膠中主要是改善其濕路面牽引性。
在不太苛刻行駛條件下，和NR/BR共混膠相比，NR胎面耐磨性*好。在較為苛刻行駛條件下，尤其是NR含量較高時(shí)，NR/BR共混膠胎面耐磨性則會(huì)更好。在載重車胎中，NR還具有降低滾動(dòng)阻力所需的較低滯后性。
TBS/RT所需要的性能改進(jìn)包括提高胎面耐磨性和降低胎面滯后性，*重要的是減少其在使用過(guò)程中的胎面損壞，尤其是由滯后性、胎面耐磨性和抗撕裂性不好而導(dǎo)致的胎面損壞。為了滿足這些要求，車胎中的各種成分必須具有高抗撕裂強(qiáng)度、高拉伸強(qiáng)度和低生熱性。因此，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可在載重車胎的胎面膠料中使用具有更高補(bǔ)強(qiáng)性和更低滯后性的N100系列炭黑，但還沒(méi)有*終解決這個(gè)難題。
本發(fā)明涉及N100系列中的一種炭黑，它具有較低的結(jié)構(gòu)，其平均粒徑為16.0-19.0nm(以17.0-18.Onm為宜)，其DBPA測(cè)量值為，100-115cc/100g(以105-110cc/100g為宜)。用電子顯微鏡以及通過(guò)自動(dòng)圖象分析聚集體的骨架，確定聚集體具有不同的形狀分布。炭黑聚集體形狀有四種(1-圓形、2-橢圓形、3-線條形和4-分支形)。和其它的胎面用炭黑N115和N121相比，本發(fā)明的炭黑是具有低結(jié)構(gòu)橢圓形聚集體的改良炭黑。而且，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，就分支聚集體的體積加權(quán)分布*頻值而言，本發(fā)明炭黑的體積加權(quán)的分支聚集體比較少。這種*頻值的較窄分布用△B50表征?！鰾50等于體積加權(quán)分支形聚集體分布曲線的半高寬度。
本發(fā)明還介紹了含上述改良炭黑的膠料。這種改良膠料用于客車子午胎的天然橡膠胎面時(shí)，其胎面磨耗指數(shù)是107.2%，而含N110炭黑的膠料則是100%，其tanδ是0.131，而含N100炭黑的是0.137，含N115炭黑的是0.145。膠料的褲形撕裂強(qiáng)度是82.6kN/m，而含N115炭黑的膠料是81.3kN/m，含N121炭黑的則是49.3kN/m。也就是說(shuō)，和N110或N115炭黑相比，含改良炭黑的膠料的耐磨性要高出5%-10%左右，而其滯后性則要低4%-11%，它們的抗撕裂性則相當(dāng)。具體地說(shuō)，如胎面磨耗指數(shù)和tanδ測(cè)試值所示，改良膠料的耐磨性(胎面耐磨性)比其它的高山7%-10%，而其滯后性則要低5%-10%。
本發(fā)明改良炭黑的DBPA值較低，約在105-110cc/100g之間，其抗撕裂性比N110炭黑和N115炭黑好，約在80-85kN/m之間。
上述數(shù)據(jù)介紹了新型胎面用炭黑(炭黑A)的特征。該炭黑適用于載重/載客汽車的鋼絲子午胎胎面，能滿足更高的胎面耐磨性、更小的滾動(dòng)阻力、更低的生熱性和更好的抗撕裂性等要求。這種胎面用炭黑具有和N100炭黑相當(dāng)?shù)牧Ｗ蛹?xì)度，其表面微孔率和DBPA結(jié)構(gòu)都比N110炭黑或N115炭黑低。
在以下的實(shí)驗(yàn)中，用兩種不同的載重車胎胎面膠料[NR和NR/BR(65/35)]與N100和N200系列的常規(guī)胎面炭黑相比較評(píng)價(jià)了炭黑A。在未充油NR膠料中，炭黑A(以N110、N115或N121為準(zhǔn))按50份(以膠料為100份)的填充量加入。在充油(25份)NR/BR膠料中，相對(duì)于N110、N115、N121或N234，炭黑A則按60份的填充量加入。不過(guò)，在并用膠中，胎面炭黑優(yōu)先分布在NR相內(nèi)(多達(dá)49.5份)。通過(guò)制備以及隨后共混單獨(dú)母煉膠可以達(dá)到這個(gè)比例。
在這兩種胎面膠料中，炭黑A(同N110、N115和N121相比較)都能使其具有較好的抗撕裂強(qiáng)度、較小的滾動(dòng)阻力和較低的生熱性以及較低的門(mén)尼粘度等改良性能，同時(shí)還使其應(yīng)力-應(yīng)變和硬度等特性保持在正常水平。
在對(duì)NR胎面膠料的胎面耐磨性的測(cè)試中，炭黑A的胎面磨耗指數(shù)優(yōu)于N110，和N121的相等。和N110、N115、N121和N234相比較，炭黑A在NR/BR胎面膠料中的抗疲勞性和耐割口增長(zhǎng)性都更好。在NB/BR膠料中，就預(yù)測(cè)的相對(duì)潮濕路面牽引性而言，炭黑A優(yōu)于N110，和N115和N234相當(dāng)，并接近N121。而就干燥路面的牽引性而言，炭黑A則優(yōu)于N121，和N234相當(dāng)，不及N110和N115。
盡管本發(fā)明介紹的是含NR或NR和BR的胎面膠料，但是預(yù)期在其它合成橡膠中使用炭黑A仍可獲得類似的優(yōu)良性能。與N110、N115和N121相比，炭黑A特有的性能證明它適用于使用條件更苛刻的載重車胎胎面以及越野車胎胎面。在這里，低生熱性、高抗撕裂強(qiáng)度、優(yōu)良的抗疲勞性和耐割口增長(zhǎng)性都將使輪胎具有更優(yōu)良的使用性能。
炭黑A的其它用途包括高性能客車車胎、賽車車胎和載重車車胎翻新膠料。
Ⅰ、炭黑A的生產(chǎn)
采用喉管直徑為8英寸(203mm)的CATII反應(yīng)爐(4927607號(hào)美國(guó)**)來(lái)生產(chǎn)炭黑A。按該**來(lái)操作反應(yīng)爐，其空氣流量和霧化噴油位置如表1所示。
表1 生產(chǎn)炭黑A的反應(yīng)爐操作條件
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空氣流量，標(biāo)準(zhǔn)英尺^(guò)3/小時(shí)(m^3/h) 290(8.2)
空氣溫度，°F(℃) 1325(718)
天然氣流量，標(biāo)準(zhǔn)英尺^(guò)3/小時(shí)(m^3/h) 17.1(0.48)
低熱值天然氣，英熱單位/標(biāo)準(zhǔn)英尺^(guò)3(×10^6MJ/m^3) 954(35.55)
氧氣流量，標(biāo)準(zhǔn)英尺^(guò)3/小時(shí)(m^3/h) 11.4(0.32)
油流量，英磅/小時(shí)(kg/h) 5725(2597)
油壓，英磅/英寸^2(MPa) 160(1.1)
油槍數(shù)量，個(gè) 4
油槍位置：
#1，英寸(mm) -20(-508)
#2，英寸(mm) -16(-406)
#3，英寸(mm) -20(-508)
#4，英寸(mm) -16(-406)
結(jié)構(gòu)控制添加劑：
種類 K2CO3
在油中含量，×10^-6 48
反應(yīng)爐壓力，英磅/英寸^2(MPa) 5.9(0.041)
急冷位置①，英寸(mm) 40(1016)
急冷水流量，加侖/分(m^3/h) 10(2.7)
反應(yīng)爐容積②，英尺^(guò)3(m^3) 5.9(1.67)
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①：所有位置都從反應(yīng)爐喉管出口起測(cè)量，以反應(yīng)爐喉管出口的下游為正。
②：喉管出口和急冷點(diǎn)之間的反應(yīng)爐容積
生產(chǎn)炭黑A用的是炭黑廠生產(chǎn)胎面炭黑通常所采用的原料油。
生產(chǎn)炭黑A的反應(yīng)爐裝置和生產(chǎn)N100系列炭黑的相同(見(jiàn)反應(yīng)爐操作條件)。生產(chǎn)炭黑A時(shí)，結(jié)構(gòu)控制劑鉀可采用不同的濃度和用量來(lái)滿足對(duì)其不同DBPA的要求。鉀在原料油中的濃度為48ppm。
Ⅱ、與常規(guī)的胎面炭黑相比，炭黑A的膠態(tài)性質(zhì)和用電子顯微鏡測(cè)定的形態(tài)參數(shù)。
表2和表3列出的是和常規(guī)的胎面炭黑相比，炭黑A的膠態(tài)性質(zhì)和用電子顯微鏡(EM)測(cè)定的形態(tài)參數(shù)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)(DBPA和24M4DBPA)和各種比表面積，炭黑A可劃分為中高結(jié)構(gòu)N100系列，胎面炭黑。
表2 炭黑A的膠態(tài)性質(zhì)
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炭黑A N110 N115 N121 N234 N220
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著色強(qiáng)度，%ITRB 124 120 123 121 123 115
DBPA，cm^3/100g 107 113 111 132 125 115
24M4DBPA，cm^3/100g 97 100 98 109 103 106
吸碘值，g/kg 120 145 152 120 121 122
CTAB，m^2/g 126 128 128 118 121 109
NSA，m^2/g① 125 131 147 123 122 118
STSA，m^2/g② 122 117 126 118 113 109
NSA-STSA，m^2/g③ 3 14 21 5 9 9
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①多點(diǎn)法測(cè)量的總面積(包括微孔間隙)。
②統(tǒng)計(jì)盡厚度法比表面積(外比表面積)。
③微孔率(表面微孔率)的示值。
就平均粒徑和重均粒徑以及粒徑分布特點(diǎn)而言，炭黑A和常規(guī)的N100系列胎面炭黑相似。尺寸分布的測(cè)量結(jié)果用表3中的不均勻性指數(shù)表示，用重均粒徑除以平均粒徑就可得到。所得數(shù)值越大，說(shuō)明尺寸分布越寬。
由表3可見(jiàn)，炭黑A、N115和N121的聚集體平均粒徑和重均粒徑以及尺寸分布都互不相同。炭黑A的這些不同的聚集體特性介于N115和N121之間。其聚集體的平均粒徑也比N234或N220的小。炭黑A的聚集體的吸留容量比較小，這點(diǎn)可通過(guò)較低的V'/V看出來(lái)。這是聚集體在聚集體分支之間包容橡膠能力的量度。這一能力將影響其補(bǔ)強(qiáng)性能和抗破壞性能。
骨架測(cè)量表明，炭黑A的分支聚集體(重量百分比)的平均數(shù)量比N115稍低，而比N121低得多。聚集體形狀類別的特點(diǎn)說(shuō)明炭黑A的低吸留容量的橢球形聚集體所占百分比更大。炭黑A的分支形聚集體的百分比相對(duì)更低。至于在△B50，炭黑A比N115稍低，但這兩種炭黑比N121都大得多。
表3 電子顯微鏡(EM)形態(tài)參數(shù)
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用CAB(醋酸丁酸纖維素)漆片分散體進(jìn)行粒子分析
(ASTMD3849)
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炭黑A N115 N121
平均粒徑，nm 17.4 17.5 18.5
重均粒徑，nm 26.8 28.1 28.8
不均勻性指數(shù) 1.54 1.56 1.56
EM比表面積，m^2/g 141 136 124
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干態(tài)下的聚集體尺寸分析
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平均粒徑，nm 71.3 63.0 84.2
重均粒徑，nm 139 135 181
不均勻性指數(shù) 1.95 2.14 2.16
聚集體內(nèi)吸留值V'/V 1.85 2.12 2.50
干態(tài)下的結(jié)構(gòu)骨架分析
平均聚集體分支，wt% 11.2 11.6 26.2
ΔB50* 11.1 12.9 31.0
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聚集體形狀類別的重量百分比
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1-圓形 0.8 0.6 0.4
2-橢球形 17.2 13.6 8.8
3-線條形 41.8 48.8 28.7
4-分支形 40.2 37.0 62.1
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*：分支聚集體的分布曲線半高寬度(以重量百分比為準(zhǔn))。
Ⅲ、炭黑A在TBS/RT胎面膠料中與常規(guī)炭黑相比的性能優(yōu)點(diǎn)
為了證明炭黑A在TBS/RT胎面膠料中與常規(guī)炭黑相比的性能優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。**個(gè)是用采用傳統(tǒng)混煉工藝的NR載重車胎胎面膠料(表4)，將炭黑A跟N121、N115和N110相比較。胎面炭黑的加入量固定在50份。該胎面膠料不充油。
表4 實(shí)驗(yàn)1-天然橡膠胎面膠料
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成分 份數(shù)
────────────
NR① 100
炭黑 50
氧化鋅 4
硬脂酸 1.5
微晶石蠟 1
抗降解劑② 2
抗氧化劑③ 1
促進(jìn)劑④ 1.6
硫磺 1.2
總計(jì) 162.3
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①：SMR-CV60；②：N-苯基-N'(1,3-二甲基丁基)-對(duì)苯二胺；③：辛基化二苯胺；④：N-叔丁基-2-苯并噻唑亞磺酰胺。
**個(gè)實(shí)驗(yàn)以NR/BR(65/35)胎面膠料(表5)為基料。其中每種胎面炭黑的聚合物相分布由上述的NR和BR各自的炭黑母煉膠組成的混煉膠來(lái)控制。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，胎面炭黑(炭黑A、N110、N115、N121和N234)在NR相中加入的量更多，這樣就可獲得抗撕裂強(qiáng)度、抗疲勞性、生熱性和滯后性等性能的*佳平衡。**種膠料中胎面炭黑的加入量和充油量分別為60份和25份(以膠料為100份)。
表5 實(shí)驗(yàn)2-NR/BR胎面膠料
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成分 份數(shù)
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NR① 65
BR1207 35
炭黑 60
芳香油② 25
氧化鋅 3.75
硬脂酸 2.5
抗降解劑③ 2
促進(jìn)劑④ 1.2
硫磺 2.5
總計(jì) 196.95
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①：SMR-CV60；②：ASTM102；③：N-苯基-N'(1,3-二甲基丁基)-對(duì)苯二胺；④：2(嗎啉基硫代)苯并噻唑。
實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中所有的NR和NR/BR膠料都分別用BR班佰里密煉機(jī)根據(jù)W.M.Hess等人所介紹[橡膠化學(xué)工藝，58，350(1985)]的程序制備母煉膠。在實(shí)驗(yàn)2中，NR母煉膠和BR母煉膠在用班佰里密煉機(jī)混煉前都分別冷卻了一整夜。實(shí)驗(yàn)1中的母煉膠在冷卻了一整夜之后，通過(guò)雙輥開(kāi)煉機(jī)加入硫化劑，然后立即混煉實(shí)驗(yàn)2的兩種母煉膠。所有的這些膠料的分散指數(shù)都能達(dá)到95以上。
實(shí)驗(yàn)2中的NR母煉膠含76.2份(以橡膠為100份)胎面炭黑，BR母煉膠中含30份同樣的胎面炭黑。母煉膠的制備過(guò)程限制了胎面炭黑在混煉過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，這樣就減少了胎面炭黑的相間轉(zhuǎn)移。在加入硫化劑之前，加入適量的硬脂酸和抗降解劑，然后混合兩種母煉膠以達(dá)到65/35的NR/BR共混膠。胎面炭黑在*終共混膠中的含量是：NR中為49.5份(82.5%)，BR中為10.5份(17.5%)。
預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)
用英斯特郎1332型非共振動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定用于預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)1和2的胎面膠料的滾動(dòng)阻力和牽引性等動(dòng)態(tài)性能(表6)。
表6 預(yù)測(cè)車胎性能的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)條件
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車胎滾動(dòng)阻力的 車胎牽引性的
預(yù)測(cè)條件 預(yù)測(cè)條件
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頻率，Hz 10 0
溫度，℃ 50 0
應(yīng)變振幅，DSA,% 7.5 25
相關(guān)的性能 tanδ 損耗柔量
(D")-干路面牽引性
損耗模量
(E")-濕路面牽引性
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滾動(dòng)阻力預(yù)測(cè)值是基于在50℃壓縮條件下的tanδ測(cè)量值，并與N220比較進(jìn)行了說(shuō)明。濕、干路面牽引性預(yù)測(cè)值分別以損耗模量(E)和損耗柔量(D")的測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)；在0℃壓縮條件下測(cè)得。
胎面耐磨性試驗(yàn)
胎面耐磨性試驗(yàn)只采用了實(shí)驗(yàn)1中的NR胎面膠料，在德克薩斯試車跑道上進(jìn)行，并和比較炭黑N110相比較。單胎面膠料翻新胎冠用在新的轎車子午胎的胎體(P195-R75-14)上。總磨耗率為7600km/mm(120英里/密耳)，車胎的壽命估計(jì)為14500km(9000英里)。雖然未必能反應(yīng)在載重車胎使用時(shí)的實(shí)際性能，但這些胎面耐磨性的測(cè)量結(jié)果卻能為這些胎面炭黑提供性能好壞的相對(duì)比。
撕裂試驗(yàn)
采用改進(jìn)的褲形撕裂試驗(yàn)測(cè)定了撕裂能。在100℃和8.5mm/s的條件下，每種膠樣要試驗(yàn)8個(gè)試樣。
測(cè)定了兩種抗撕裂性：抗撕裂強(qiáng)度和不連續(xù)撕裂指數(shù)?？顾毫褟?qiáng)度定義為平均負(fù)荷值除以試樣厚度之商。不連續(xù)撕裂指數(shù)是平均撕裂負(fù)荷和平均負(fù)荷之差沿預(yù)定路徑的撕裂擴(kuò)大終止處。
疲勞試驗(yàn)/割口增長(zhǎng)試驗(yàn)
這兩個(gè)試驗(yàn)是在孟山都疲勞破壞試驗(yàn)機(jī)上恒定應(yīng)變周期下進(jìn)行的。在疲勞試驗(yàn)中，每個(gè)胎面膠料(沒(méi)有中間割口)在0-90%的應(yīng)變條件下使用了8個(gè)啞鈴形的試樣。疲勞數(shù)據(jù)是63.2%試樣失效時(shí)的千次數(shù)(特征疲勞壽命)，根據(jù)威布爾分布函數(shù)來(lái)確定。割口增長(zhǎng)試驗(yàn)中，每個(gè)胎面膠料需要8個(gè)啞鈴形疲勞試驗(yàn)試樣，每個(gè)試樣有一個(gè)0.5mm(0.2英寸)的中間割口。采用了一個(gè)提供0-68%應(yīng)變的凸輪。每個(gè)胎面膠料的8個(gè)試樣的平均失效千次數(shù)可用來(lái)評(píng)價(jià)其性能。
實(shí)驗(yàn)1-NR胎面
表7列出與3種傳統(tǒng)胎面炭黑相比，炭黑A在NR胎面橡膠內(nèi)的性能和預(yù)測(cè)的車胎性能。和N110和N115相比，炭黑A能達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)強(qiáng)水平(相同的靜態(tài)模量、彈性模量、拉伸強(qiáng)度和硬度)。還發(fā)現(xiàn)和N110和N115相比，炭黑A具有稍高的回彈性和更低的預(yù)定滾動(dòng)阻力。這說(shuō)明炭黑A具有優(yōu)良的低滯后性能。
表7 炭黑在NR胎面膠料中的性能
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炭黑A N115 N110 N121
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應(yīng)力-應(yīng)變
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300%定伸應(yīng)力，MPa 14.1 13.4 14.0 16.5
拉伸強(qiáng)度，MPa 32.5 31.8 31.5 32.3
伸長(zhǎng)率，% 591 607 596 560
肖氏硬度 59 60 59 60
門(mén)尼粘度， 69.6 76 70 73
ML1+4，100℃
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滯后性能，Goodyear-HEALEY
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回彈率，% 67.6 66.0 67.3 67.3
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動(dòng)態(tài)性能-滾動(dòng)阻力條件
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E'，MPa 8.27 9.13 8.20 8.53
E"，MPa 1.08 1.32 1.12 1.04
預(yù)定滾動(dòng)阻力，% 82.7 85.8 84.0 80.8
tanδ 0.131 0.145 0.137 0.122
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改進(jìn)VEITH褲形撕裂
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撕裂強(qiáng)度，kN/M 82.6 81.3 49.3
不連續(xù)撕裂指數(shù)， 27.5 26.0 23.6
kN/M
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耐磨性能
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胎面磨耗率，%N110 107.2 100 107.4
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已發(fā)現(xiàn)，載重子午線車胎胎面的生熱性主要與其損耗模量(E)有關(guān)。由此可知，炭黑A在這種膠料中的預(yù)測(cè)生熱性與N121和N110相同，比N115稍低。這些補(bǔ)強(qiáng)性和滯后性和先前已討論過(guò)的炭黑A的結(jié)構(gòu)-細(xì)度-空隙率關(guān)系相一致。
這些胎面炭黑的伸長(zhǎng)率在560%-607%的范圍內(nèi)，炭黑A的伸長(zhǎng)率為591%，和N110相同。這四種胎面炭黑在165℃下的流變儀硫化速率測(cè)定值(T90)都相同。
就門(mén)尼粘度這一特性而言，觀察到炭黑A在此膠料中達(dá)到了*低程度(69.6單位)。這個(gè)較低的門(mén)尼粘度特性意味著，用這種新胎面炭黑替代常規(guī)品種的胎面炭黑也不會(huì)負(fù)面影響胎面膠料的加工特性。
和N121相比較，炭黑A具有更低的模量(靜態(tài)模量和彈性模量)、稍高的滯后性和相近的拉伸強(qiáng)度，其硬度也稍低。而且還觀察到，炭黑A在橡膠內(nèi)的兩個(gè)相關(guān)特性即抗撕裂強(qiáng)度和胎面耐磨特性都有所改善。還用NR胎面膠料的抗撕裂強(qiáng)度對(duì)炭黑A、N115和N121進(jìn)行了比較。炭黑A的抗撕裂強(qiáng)度和N115的相同，同時(shí)大大地高于N121。就不連續(xù)撕裂指數(shù)而言，我們可以看到一個(gè)差別不大的相似結(jié)果。在胎面耐磨性方面，炭黑A和N121相同，但比N110好得多。
由上述情形明顯可見(jiàn)，在TBS/RT中炭黑A的性能比常規(guī)胎面炭黑優(yōu)越。這些改進(jìn)的性能是：抗撕裂強(qiáng)度更大、胎面耐磨性更高、生熱性更低和滾動(dòng)阻力更小。
實(shí)驗(yàn)2-NB/BR胎面
表8列出了在NR/BR胎面中炭黑A與N110、N115、N121以及N234的橡膠性能和預(yù)測(cè)輪胎性能。就補(bǔ)強(qiáng)性和回彈性而言，炭黑A的性能優(yōu)勢(shì)和它在實(shí)驗(yàn)1的NR膠料中的性能優(yōu)勢(shì)是一致的。正如預(yù)期的一樣，與N234相比，炭黑A具有稍低的定伸應(yīng)力、相同的硬度、稍高的拉伸強(qiáng)度和更低的回彈性。
表8 炭黑在NR/BR胎面膠料中的特性
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炭黑A N115 N110 N121 N234
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應(yīng)力-應(yīng)變持性
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300%定伸應(yīng)力，MPa 9.43 7.53 8.69 12.07 10.26
拉伸強(qiáng)度，MPa 23.11 21.66 21.61 22.83 22.06
伸長(zhǎng)率，% 593 616 634 519 556
肖氏硬度 55 53 54 56 55
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滯后性
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ZWICK回彈率，% 53.0 51.5 50.2 52.5 51.8
生熱性，℃ 49.5 52.2 50.6 49.4 48.3
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破壞試驗(yàn)
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割口增長(zhǎng)，KG 97.2 61.8 86.0 78.8 55.2
疲勞，焦燒壽命，KC 706 636 673 607 692
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動(dòng)態(tài)性能-滾動(dòng)阻力條件
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E'，MPa 7.88 6.89 6.97 8.10 7.17
E"，MPa 1.25 1.18 1.19 1.25 1.10
預(yù)定滾動(dòng)阻力，% 88.3 91.4 91.4 8.77 8.77
tanδ 0.159 0.171 0.171 0.154 0.153
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動(dòng)態(tài)特性-牽引性條件
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E"，MPa 1.26 1.23 1.18 1.32 1.26
D"，1/MPa 0.0295 0.0325 0.0304 0.0257 0.0295
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改進(jìn)VEITH褲形撕裂特性
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撕裂強(qiáng)度，kN/M 62.3 56.6 57.0 39.0 61.1
不連續(xù)撕裂指數(shù)， 18.5 18.1 17.9 10.3 22.2
kN/M
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這些胎面炭黑的伸長(zhǎng)率在519%-634%的范圍內(nèi)，炭黑A(593%)的伸長(zhǎng)率比N110(634%)和N115(616%)的小(見(jiàn)表8)。這些胎面炭黑在這種胎面膠料中的流變儀硫化速率都相同。炭黑A表現(xiàn)出來(lái)的生熱性和預(yù)定滾動(dòng)阻力和N121相等。炭黑A的生熱性稍高于N234，其預(yù)定滾動(dòng)阻力幾乎和N234的相等。
和N110相比較，炭黑A在這個(gè)膠料中的彈性模量比在實(shí)驗(yàn)1的NR胎面膠料中的高，其性能接近N121的性能。在E"中N234的特性接近于N110和N115。NR/BR膠料的各種模量特性比NR膠料更相似。炭黑A的E"值比N110和N115稍高，與N121的E"值不相上下，而高于N234。炭黑A濕路面牽引性與N121相當(dāng)。而比N110、N115或N234稍高。炭黑A的干路面牽引性稍低于N110和N234，不及N115，而高于N121。
在實(shí)驗(yàn)2中，疲勞和割口增長(zhǎng)特性是通過(guò)孟山都疲勞破壞試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定的。疲勞數(shù)據(jù)和胎面炭黑的滯后性并沒(méi)有關(guān)系。炭黑A疲勞特征壽命與N110和N234相當(dāng)，而比N115和N121長(zhǎng)。就抗割口增長(zhǎng)性而言，炭黑A是實(shí)驗(yàn)2中所有這些胎面炭黑中*好的，其次是N110。就褲形而撕裂特性而言，炭黑A的抗撕裂強(qiáng)度稍高于N110和N115，但比N121大得多。不連續(xù)撕裂指數(shù)也是一樣。
