抗切割輪胎胎面膠的配方優化

呂 強，鄧 旺，王麗娥，茍登峰

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

礦用工程機械輪胎主要在礦區作業，使用條件苛刻，不可避免地會接觸碎石和尖利的礦石塊，輪胎胎面易被切割損傷，出現崩花掉塊現象。大型農業輪胎主要配套大型拖拉機，由于耕地收割后殘留的農作物根部茬子異常尖銳，胎面也易遭受刺傷和扎傷。因此，提升礦用工程機械輪胎和大型農業輪胎質量的重點就是提高輪胎胎面膠的抗切割和抗刺扎性能。

一般而言，硫化膠的滯后性能和模量對其抗切割性能具有一定影響，但這兩個指標互相矛盾，在配方設計時只能尋求這兩個指標的平衡點。

本工作通過正交試驗，以對模量和滯后性能影響較大的硫黃、炭黑和芳烴油用量作為因子，對抗切割輪胎胎面膠配方進行優化設計。

1 實驗

1.1 主要原材料

丁苯橡膠（SBR），牌號1500E，中國石油蘭州石化分公司產品；硫黃，貴陽航怡橡塑輔料有限公司產品；炭黑N375，曲靖眾一精細化工有限公司產品；芳烴油，貴陽遠宏石油化工有限公司產品。

1.2 配方

生產配方：SBR1500E100，炭黑N37555，白炭黑20，偶聯劑Si69（載體質量分數為0.5）4，氧化鋅4，硬脂酸1，防老劑RD2，防老劑4020 1.5，微晶蠟 2，松香 3，芳烴油 9，硫黃1.85，促進劑NS1.4。

試驗配方：除炭黑N375、芳烴油和硫黃用量為變量外，其他組分和用量與生產配方相同。

1.3 主要設備與儀器

3 L密煉機，英國法雷爾公司產品；254 mm（10英寸）開煉機，上海橡膠機械廠產品；M2000E型門尼粘度儀、R100E型硫化儀和T2000E型電子拉力機，北京友深電子儀器有限公司產品；XLB-Q500×500×250 t平板硫化機，青島巨融機械技術有限公司產品；抗切割性能試驗機，自制。

1.4 試樣制備

膠料混煉分兩段進行。一段混煉在3 L密煉機中進行，轉子轉速為80 r·min-1，混煉工藝為：生膠60s小料80s炭黑和芳烴油170s提壓砣→壓壓砣240s提壓砣→排膠（轉子轉速為60 r·min-1）。二段混煉在開煉機上進行，一段混煉膠→硫黃和促進劑→薄通→打三角包6次→下片，混煉膠停放24 h。

膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為145℃/25 MPa×80 min。硫化膠在室溫下停放16 h后進行性能測試。

1.5 性能測試

（1）抗切割性能：在抗切割性能試驗機上加載負荷的切刀從設定高度自由下落，切入試樣，用切口深度來表征試樣的抗切割性能，切口深度越小，試樣抗切割性能越好?？骨懈钤嚇訛?00 mm（長）×40 mm（寬）×20 mm（高）的長方體。試樣200 mm×20 mm的一面與操作面接觸，且與切刀刀刃方向垂直，刀刃寬度大于50 mm。

（2）膠料其他性能按相應國家標準或企業標準測試。

2 結果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗采用正交試驗表科學地安排試驗，并進行試驗數據分析。正交試驗具有均衡分散性和整齊可比性，用部分試驗代替全面試驗，大大地減少了試驗次數，由正交試驗得到的最佳條件接近于全面試驗的最佳條件[1]。

2.1.1 因子與水平

與硫化膠抗切割性能相關的滯后性能和模量主要受硫化劑、補強劑和增塑劑的影響。本工作以硫黃用量（份）為因子A、炭黑N375用量（份）為因子B、芳烴油用量（份）為因子C進行兩水平正交試驗。正交試驗因子及水平如表1所示。

表1 正交試驗因子及水平

2.1.2試驗方案與結果

根據因子與水平，并考慮交互作用，構建L8（27）正交試驗表，將因子A，B，C依次安排在正交表的第1，第2，第4列，交互作用A×B，A×C，B×C分別安排在第3，第5，第6列。試驗方案和試驗結果如表2所示。

根據表2采用直觀分析法可以得出各因子對硫化膠割口切口深度的影響從大到小的順序為：B，C，A×C，A，B×C，A×B。雖然直觀分析法簡單易懂、計算量小，但它不能區分某因子不同水平所對應的試驗結果差異究竟是由因子水平引起的，還是由試驗誤差引起的，也不能作為考察和判斷各因子的影響是否顯著的標準。方差分析法盡管計算較為復雜，但由于可以彌補直觀分析法在這方面的不足，因此在正交試驗中得到較為廣泛的應用，為了評估各因子的影響程度，本研究還進行了方差分析的F檢驗。

表2 正交試驗方案與試驗結果

2.1.3 方差分析

正交試驗的方差分析關注的是誤差偏差平方和與因子偏差平方和。誤差偏差平方和反映了由試驗技術和儀器引起的性能波動情況，因子偏差平方和反映了由因子水平改變而引起的指標波動，方差分析結論具有很高的可信度和精確度。結合直觀分析法結果，計算各因子、交互作用、誤差的離差平方和（S）、自由度（f）、均方（M）（如表3所示）。

從表3可以看出，MA×B，MB×C小于M0（空列對應），即A×B和B×C對試驗結果的影響較小，可以歸入誤差考慮。重新計算M，進行方差分析，結果如表4所示。

表3 方差分析計算結果

鑒于F0.05（1，3）＝5.54，F0.01（1，3）＝34.12，根據表4的方差分析F值可以得出：因子B，C，A×C對試驗結果影響顯著，影響從大到小的順序為B，C，A×C；因子A水平改變對試驗結果影響程度不顯著。

表4 F檢驗結果

2.2 優化配方

由于切口深度越小越好，結合直觀分析和方差分析結果，B水平選B1，A×C對性能有顯著影響，因此A和C的優化水平應依據A和C水平搭配表（見表5）選取A1C2。最終確定優選方案為A1B1C2，即硫黃用量為1.8份，炭黑N375用量為58份，芳烴油用量為7份。

表5 因子A和C水平搭配表

最終確定的優化配方為：SBR1500E100，炭黑N37558，白炭黑20，偶聯劑Si69（載體質量分數為0.5）4，氧化鋅4，硬脂酸1，防老劑RD2，防老劑40201.5，微晶蠟2，松香3，芳烴油7，硫黃1.8，促進劑NS1.4。

2.3 優化配方膠料性能

優化配方膠料性能如表6所示。從表6可以看出：與生產配方膠料相比，優化配方膠料的門尼粘度增大，但不影響對胎面纏繞工藝性能；壓縮疲勞溫升增大，但由于礦用工程機械輪胎和大型農業輪胎的行駛速度較低，對輪胎使用壽命影響不大，撕裂強度降低，切口深度減小9%；膠料其他物理性能有所提高。

表6 優化配方膠料性能

3 結論

通過正交試驗對抗切割輪胎胎面膠配方進行優化設計，優化配方胎面膠的抗切割性能較大幅度提高，其他性能滿足輪胎生產和使用要求。