關于炭黑與白炭黑在胎面膠中并用的研究

江畹蘭 編譯

（華南理工大學材料學院 廣東 廣州 510641）

在以往發表的論文中曾經指出過，填充白炭黑的輪胎胎面，對潮濕路面的抓著性（0 ℃～45 ℃）相當優越。在該溫度范圍內，胎面的抓著力最均衡。胎面膠中炭黑與白炭黑的并用比例為50:30，即100份生膠中含有80份填充劑（炭黑+白炭黑）。

文中研究了含不同比例的炭黑白炭黑的轎車子午線輪胎，對結冰路面的抓著性能。冰面溫度（-5）～（-25） ℃。文獻上公布了膠料配方。實驗在LAT 100試驗裝置（VMI公司產）上進行，作用于試樣的負荷5 N～150 N，輪胎在結冰路面上的滾動速度為0.1～2.0 km/h。由5 N到10 N的負荷區為極低負荷區，15 N～25 N為低負荷區，30 N～70 N為中等負荷區；75 N～150 N則為高負荷區。

圖1上，а、б、в示出了在溫度分別為-5 ℃、-15 ℃及-25 ℃及滾動速度為0.6 km/h條件下，橡膠與結冰路面的抓著性能等高線。含68.75份炭黑的對照用胎面膠的抓著性能為100%。在等同于試驗的條件下，測定了對照用橡膠的抓著性。以0.6 km/h的速度模擬輪胎在結冰路面上的中等滾動速度。

從圖1，а上可劃分出兩個在冰面上的高抓著性區域。第一個區域包含了炭黑與白炭黑的并用比例為80:0～50:30，于高負荷條件下進行試驗的試樣。在這一區域，抓著性隨炭黑含量增多及負荷增加而得以提高。第二個不大的區域由白炭黑含量高（炭黑:白炭黑=10:70及0:80）的試樣繪成。這些試樣在極低負荷到低負荷范圍內，其抓著性比對照用橡膠的高。在這一區域，炭黑含量高的試樣的抓著性較低。當試樣承載中等負荷時，其對冰面的抓著力與炭黑跟白炭黑的并用比例的關系不大，抓著性比值在90%～105%范圍內。

當汽車于-5 ℃下行駛時，在路面與胎面之間極有可能形成一層水分層。隨著負荷加大，生成該水分層的可能性也會增大，故在-15 ℃下進行試驗的結果，應明顯有別于在-5 ℃下的試驗結果，圖1，б證實了這一推測。的確，高炭黑含量（80:0～60:20）的試樣，在高負荷區域的抓著性能較低。在極低負荷～低負荷區域，白炭黑含量較多（20:60～0:80）的試樣具有極高的抓著性能，這同以前的試驗結果一樣。如果增加白炭黑的含量，抓著性比值亦會迅速增大。與圖1a相比，在中等負荷區域圖形實際上沒有變化。

在-25 ℃下接受試驗的胎面膠的抓著性數據頗有意義（見圖1в）。如果說，以前在-5 ℃；-15 ℃溫度下，白炭黑含量高的胎面膠僅在極低負荷及低負荷區域對冰面的抓著性增高，那么于-25 ℃下，在所有負荷區域抓著系數都很大。而炭黑含量高（80:0；70:0）的試樣的情況則相反，在所有負荷區域內其抓著系數均小于對比試樣。

以前曾推測過，輪胎在結冰的路面上滾動速度發生變化，不應當對其抓著性有嚴重的影響。圖1г.д示出了在-5 ℃及-15 ℃條件下滾動速度為2.0 km/h時，輪胎對冰面的抓著性比值等高線。這一滾動速度高出中等速度（0.6 km/h）3倍以上，足以模擬輪胎在冰面上的快速滾動狀態。

在-25 ℃及滾動速度為2.0 km/h的條件下試驗失敗，原因在于，輪胎高速滾動時難以保持如此低的溫度。對比分析圖1г及圖1а表明，在-5 ℃下將輪胎滾動速度從0.6 km/h提高到2.0 km/h，大大提高了主要填充白炭黑的胎面膠的優越性。從炭黑與白炭黑的使用比例40:40開始，在極低負荷及中等負荷區域內，胎面膠對冰面的抓著性能，較之對照用膠料的抓著性能要高得多。

這一點在極低負荷及低負荷區域表現得特別明顯。在中等及高負荷區域，高炭黑含量（80:0；70:10；60:20）的胎面膠便失去了優越性。此時，在所有的負荷區域，胎面膠的抓著性都比對照用胎面膠的差。

輪胎胎面試樣在低溫（-15 ℃）下，以高速（2.0 km/h）在結冰的路面上滾動時，得到的試驗結果卻令人詫異（見圖1д）。經查明，原來在極低負荷區域～中負荷區域抓著性能比值等高線幾乎都與橫坐標平行。這表明，在該溫度及速度條件下，輪胎在冰面上滾動，胎面膠中填充劑的種類對抓著性的影響并不太大。如果填充劑在胎面膠中的含量為80份對100份生膠，則在極低負荷～中等負荷區域胎面對冰面的抓著性，比含68.75份炭黑的對照用胎面要高，而與填充劑的種類無關。在極低負荷區域抓著性提高了3倍。盡管如此，在高負荷區域對照用胎面的冰面抓著性仍然較高。

圖1 胎面對冰面的抓著力計分等高線圖(在不同溫度T與不同滾動速度V條件下負荷P與炭黑和白炭黑使用比例的相關性曲線)

輪胎在冰面上滾動，就地起步時的力矩是很重要的參數，即不打滑。圖1е、ж、з示出了在-5 ℃～-25 ℃及非常低速的滾動（0.1 km/h條件下模擬滾動起步）時的抓著性比值等高線。

在很低的溫度條件下，白炭黑含量高（炭黑:白炭黑=10:70；0:80）的胎面膠，在所有負荷區域內均有較高的冰面抓著性（見圖1е）。炭黑含量高的胎面膠僅在高負荷區域具有較高的抓著性。與此相反，在低溫條件下，含炭黑的胎面膠只是在極低和低負荷情況下，對冰面的抓著性才是最好的（見圖1ж），而白炭黑含量高的胎面膠，只是在高負荷區域對冰面的抓著性才較高。

從圖1з可以看出，低溫和慢速滾動保持了這一趨勢。與此同時，高炭黑含量的胎面膠的高抓著性區域擴大到中等負荷區域。而高白炭黑含量的胎面膠的圖形卻并未發生變化，它們僅在高負荷區域才表現出高抓著性。

根據以上研究結果，可以作出以下建設性結論：輪胎在冰面上低速滾動及在接近冰雪融解的溫度（-5 ℃）下滾動，為了防止其在所有負荷區域內打滑，最好采用高白炭黑含量（10:70；0:80）的胎面膠。在極低溫度（-25 ℃）下，在高負荷區域白炭黑含量很高（10:70；0:80）的輪胎會有少許打滑，而在其他負荷區域，填充少量白炭黑（60:20；50:30）的輪胎胎面也會有少許打滑。輪胎中速滾動，及在溫度不很低[（-5）～（-15）℃]的條件下滾動，在極低負荷～中等負荷區域，最好使用白炭黑含量高（10:70；0:80）的胎面（輪胎）；在高負荷區域則宜采用僅含炭黑（80:0）或含少量白炭黑[（70:10）—（50:30）]的胎面（輪胎）。輪胎在極低溫度（-25 ℃）下中速滾動時，需要使用白炭黑含量很高的胎面（輪胎），它適用于所有負荷區域。當輪胎在-5 ℃下高速滾動時（在極低負荷及中等負荷區），最好使用白炭黑含量中等的胎面（輪胎）。如在高負荷區域，最好使用炭黑含量低于68份的胎面（輪胎）。上述結論同樣適用于在較低溫度下（-15 ℃）使用的輪胎，只是在極低負荷——中等負荷區域，填充劑的種類已無關緊要。

綜合以上研究結果，即輪胎于0 ℃到40 ℃范圍內在潮濕路面上的抓著性、側向偏性和在干燥路面上的摩擦系數，可以得出如下概括性結論：從對潮濕路面與結冰路面的抓著性來看，中等及高含量白炭黑的胎面膠的抓著性能，較之含炭黑的胎面膠要優越得多。

[1] ЗОТОВ А.Л等. Изучение совместного использования технического углерода и диоксида кремния в протекторе шин[J]каучук и резина 2014(04)32-34.