傅 愷，劉俊霞，和富金

（怡維怡橡膠研究院，山東 青島 266045）

巨型工程機械輪胎（簡稱巨胎）是工程機械輪胎中的高端產(chǎn)品，一般是指規(guī)格為27.00R49以上、在載質(zhì)量為90 t以上的自卸車及大型裝載機上使用的輪胎。隨著礦山采掘和大型工程建設(shè)在我國以及“一帶一路”沿線國家和地區(qū)的快速發(fā)展，大型工程機械車輛的需求量逐年增加，其配套使用的巨胎的用量也與日俱增，對巨胎的使用性能和壽命也提出了更高的要求。

巨胎的載質(zhì)量大，工作環(huán)境苛刻，行駛路面不平且有尖銳的碎石塊等雜物，受硬物沖擊大，并且胎體各部位厚度較大，行駛中產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)，溫度上升較快，輪胎易產(chǎn)生割傷、刺穿、崩花掉塊和熱剝離等損壞問題。而胎面膠作為輪胎直接與地面接觸的部位，常見的損傷形式都與其密切相關(guān)。與其他工程機械類輪胎相比，巨胎尤其是超大規(guī)格輪胎對胎面膠性能的要求更高，主要表現(xiàn)在低生熱、高耐磨、抗切割和抗崩花掉塊等方面。

目前行業(yè)內(nèi)普遍認為[1-4]，切割是輪胎受到鋒利物體的沖擊時所產(chǎn)生的足夠大的力使橡膠表面被刺破或切破；掉塊發(fā)生在切割之后，由于車輛啟動、制動以及駛過粗糙表面或鋒利物體時輪胎受到?jīng)_擊，從而被撕裂或剝落小塊的橡膠，其方向通常與切割方向垂直；崩花則是輪胎被撕裂或較大塊或成片的橡膠脫離。研究表明，這些損傷形式通常與輪胎的物理性能如硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、定伸應(yīng)力和彈性等密切相關(guān)，而胎面膠配方則是決定上述物理性能以及生熱、耐磨等性能的關(guān)鍵。

本文從巨胎胎面膠的主要性能要求出發(fā)，重點介紹國內(nèi)外巨胎胎面膠配方的研究進展，對提高胎面膠性能的方法進行了探討。

1 橡膠

天然橡膠（NR）和丁苯橡膠（SBR）是目前在巨胎胎面膠中應(yīng)用最多的膠種[1-6]。NR具有較好的抗撕裂和抗裂口增長性能，同時具有相對較低的滯后損失，可有效減少膠料內(nèi)部熱量的產(chǎn)生和積累，提升輪胎的耐熱性能。SBR的耐磨性能和抗切割性能都優(yōu)于NR，但是SBR生熱較高，易產(chǎn)生裂口，且裂口增長較快。因此目前在大規(guī)格或超大規(guī)格巨胎胎面膠配方中以NR為主，或者并用部分SBR提升胎面膠的耐磨和抗切割性能，以適應(yīng)其復(fù)雜的使用環(huán)境。全SBR或以SBR為主的配方僅在部分路面環(huán)境苛刻且車輛行駛速度較低的工況中使用。而在全鋼載重輪胎中普遍使用的順丁橡膠（BR）雖然具有較為優(yōu)異的耐磨和低生熱性能，但是由于其抗崩花掉塊性能較差，因此在工程機械輪胎胎面膠中較少使用。

B.H.PARK等[5]對比了炭黑或白炭黑填充的NR，SBR和BR體系配方的抗切割掉塊、抗撕裂、抗裂口增長、耐磨和生熱等性能。結(jié)果表明，由于不同膠種分子結(jié)構(gòu)的差異，不同膠種配方在上述性能方面各有側(cè)重，其中NR/BR并用體系具有高耐磨和低生熱特性，但是耐疲勞和抗崩花掉塊性能較差，因此僅適合于路況較好的鋪裝路面使用，與大多數(shù)工程機械輪胎的使用環(huán)境不符；全NR配方體系在耐磨、抗切割、耐疲勞和生熱等方面具有較好的綜合性能，在大規(guī)格或超大規(guī)格巨胎胎面膠中使用較多；NR/SBR并用或全SBR配方體系具有較高的耐磨和抗切割性能，但是由于SBR生熱較高，因此只適用于路面條件苛刻且車速較低的使用環(huán)境。從米其林、普利司通和固特異等知名巨胎生產(chǎn)企業(yè)公開的專利[6-9]來看，非公路輪胎胎面膠，尤其是超大規(guī)格巨胎胎面膠中NR仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，僅有較少部分為NR/SBR并用配方且其中SBR用量基本都在30份以下，而含有BR的配方則更為少見。

雖然目前SBR在巨胎胎面膠中的用量小于NR，但是由于SBR具有較好的耐磨和抗切割性能，能夠延長輪胎在苛刻路面條件下的使用壽命，因此這仍是巨胎胎面膠配方研發(fā)的一個重要方向。由于SBR是丁二烯與苯乙烯兩種單體的共聚產(chǎn)物，可針對不同使用環(huán)境對胎面膠性能的要求，調(diào)整和選擇合適的苯乙烯和乙烯基含量，使SBR在巨胎胎面膠配方中有更強的適用性。例如，中國石油蘭州石化分公司開發(fā)了SBR1576和SBR1586兩種高苯乙烯含量SBR，其苯乙烯質(zhì)量分數(shù)分別為30.4%和41.0%[10]。與傳統(tǒng)的SBR1500（苯乙烯質(zhì)量分數(shù)為23.5%）相比，高苯乙烯含量SBR的拉伸強度和拉斷伸長率基本保持一致，而隨著苯乙烯含量的提高，硫化膠的300%定伸應(yīng)力和硬度增大，滯后損失提高，均有利于提升抗切割性能，但是同時也導(dǎo)致膠料的撕裂強度和耐磨性能降低。米其林公開的一份專利[7]顯示，其使用一種苯乙烯質(zhì)量分數(shù)為15.5%的功能化SBR開發(fā)非公路輪胎胎面膠，與全NR配方相比，并用40份功能化SBR后，硫化膠的模量提高20%以上，滯后損失降低15%，膠料在耐磨、抗切割和低生熱等方面性能達到了較好的平衡，為巨胎胎面膠配方的開發(fā)提供了更多的選擇。

近年來，輪胎用新型橡膠的開發(fā)已有不少報道。這些與傳統(tǒng)NR，SBR以及BR微觀結(jié)構(gòu)不同或經(jīng)過改性的橡膠品種，由于其突出的性能特點而越來越受到研發(fā)人員的重視。H.Y.LI等[11]使用一種功能化合成橡膠材料，即反式-1，4-丁二烯-異戊二烯共聚橡膠（TBIR），替代非公路輪胎胎面膠常用的NR/SBR并用體系中的SBR。結(jié)果表明，TBIR能夠更多地參與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成，提高膠料的交聯(lián)密度，其分子鏈在橡膠基體中的片層纖維結(jié)構(gòu)能夠阻止填料聚集，從而改善填料在橡膠中的分散，提高聚合物與填料的相互作用，同時其片層纖維結(jié)構(gòu)還能阻止橡膠表面裂口的產(chǎn)生，延緩裂口增長速度。這些協(xié)同效應(yīng)對膠料的生熱、耐磨和耐疲勞性能都有顯著的改善作用，有利于延長輪胎的使用壽命。

2 填料

炭黑和白炭黑是目前巨胎胎面膠中應(yīng)用最多的補強填料。填料自身的理化性能如比表面積、結(jié)構(gòu)度和著色強度等以及混煉工藝都會對填料在橡膠基體中的宏觀或微觀分散形式以及聚合物與填料之間的相互作用產(chǎn)生影響，從而最終影響硫化膠的生熱、耐磨、抗切割和抗裂口增長等性能。

在工程機械輪胎胎面膠研究領(lǐng)域，目前大多數(shù)的研究[6-12]都表明，大比表面積炭黑更有利于提高膠料的耐磨性能，尤其是大比表面積、高結(jié)構(gòu)度炭黑填充膠料的耐磨性能更優(yōu)，而適當(dāng)降低大比表面積炭黑的結(jié)構(gòu)度，則有利于改善膠料的抗崩花掉塊和抗裂口增長性能。在炭黑填充膠料中并用少量白炭黑（通常為10～15份），利用聚合物與白炭黑之間相對較弱的相互作用，橡膠分子鏈未被完全束縛，在填料表面可進行一定的滑移，從而改善膠料的抗崩花掉塊和抗裂口增長性能。若進一步提高白炭黑的用量，由于聚合物與白炭黑相互作用較弱，白炭黑分散性較差，會影響其補強效果，對膠料的生熱、耐磨和抗切割等性能都有不利影響。因此當(dāng)白炭黑的用量較大時，配方中需要加入偶聯(lián)劑對白炭黑進行表面改性，增強橡膠與白炭黑之間的相互作用，改善白炭黑在橡膠基體中的分散性。目前巨胎胎面膠中仍以大比表面積的填料為主，其中炭黑主要為1系或更大比表面積品種，2系以上炭黑使用較少，用量為30～40份；白炭黑比表面積基本都在160 m2·g-1以上，部分甚至達到200 m2·g-1以上，用量為15～20份，不用或者少用偶聯(lián)劑[6-9]。

傳統(tǒng)大比表面積的炭黑粒徑較小，在橡膠基體中不易分散，對硫化膠的物理性能及生熱影響較大。針對上述問題，新型特種炭黑應(yīng)運而生。例如，黃晶晶等[13]以炭黑N115為參比，研究了特種炭黑BL104在全鋼巨胎胎面膠中的應(yīng)用。特種炭黑BL104具有與炭黑N115相近的比表面積和結(jié)構(gòu)度，但是與炭黑N115相比粒徑分布較窄，著色強度和定伸應(yīng)力較高，其補強的硫化膠具有優(yōu)異的耐磨性能和抗崩花掉塊性能。研究結(jié)果表明，與炭黑N115相比，特種炭黑BL104在膠料中的分散性較好；與炭黑N115補強硫化膠相比，特種炭黑BL104補強硫化膠的生熱較低，工藝性能、耐磨性能和耐熱老化性能較好，成品輪胎連續(xù)行駛后的胎面溫升較低，使用壽命更長。

但是上述研究也從另一個方面表明傳統(tǒng)的混煉工藝已經(jīng)難以滿足更大比表面積炭黑的使用要求。而卡博特公司開發(fā)的彈性體復(fù)合材料（CEC）是解決上述問題的有效途徑[14]。CEC是一種采用獨特的連續(xù)液相混合凝固工藝制備的NR炭黑母煉膠，其關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)是快速混合、凝固及高溫短時間干燥，這樣可以較好地保持橡膠與炭黑的混合形態(tài)，有效避免橡膠分子降解。同時該工藝極大地提高了填料在橡膠中的分散程度，可大幅度提高膠料中的填料用量，將可使用填料的種類擴展到那些采用傳統(tǒng)干法混煉工藝無法分散的大比表面積低結(jié)構(gòu)度炭黑品種。T.WANG等[15-16]研究了CEC在工程機械輪胎胎面膠中的應(yīng)用。結(jié)果表明，與干法混煉膠料相比，使用CEC的試驗配方膠料的拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度和耐屈撓裂口性能明顯提高，同時滯后損失較低；使用CEC試制的抗切割工程機械輪胎在礦區(qū)裝車試用，其胎面磨損較為均勻、裂口深度較小、無掉塊現(xiàn)象，輪胎的使用壽命大幅度延長。

此外，近幾年國內(nèi)外研究者通過在配方中添加無機填料，特別是利用功能性無機填料在橡膠基體中與炭黑或白炭黑不同的結(jié)構(gòu)特性，改善橡膠材料的抗切割或耐磨性能。R.N.DATTA等[17]介紹了使用荷蘭Teijin公司的芳綸短纖維改善橡膠材料抗切割和抗崩花掉塊性能的新方法。在典型的工程機械輪胎胎面膠中添加1～3份芳綸短纖維，可以顯著降低胎面膠的滯后損失和生熱，同時提高輪胎的抗切割和抗崩花掉塊性能。實際路試結(jié)果表明，使用芳綸短纖維胎面膠的工程機械輪胎耐久性可提升18%～20%。吳曉輝等[18]利用一種獨創(chuàng)的乳液復(fù)合技術(shù)，實現(xiàn)了粘土在橡膠基體中的納米級分散，粘土與炭黑并用產(chǎn)生協(xié)同補強效應(yīng)，提高了NR和SBR配方體系的抗切割性能。在全SBR胎面膠中引入納米粘土，可以顯著提高膠料的抗切割性能，同時降低裂紋增長速度和定伸應(yīng)力，增大拉斷伸長率和撕裂強度，提高耐老化和耐拉伸疲勞性能，從而延長工程機械輪胎的使用壽命。

3 硫化體系

硫化體系能夠決定硫化膠的交聯(lián)密度和交聯(lián)鍵類型，從而影響硫化膠的強度、動態(tài)力學(xué)性能、耐磨性能和生熱性能。目前巨胎胎面膠使用的是有促進劑的硫黃硫化體系[6-9]，其中促進劑以次磺酰胺類為主，以獲得較長的焦燒時間和較為平坦的硫化曲線；部分含白炭黑的配方中還會并用少量堿性的胍類促進劑，以減少白炭黑對促進劑的吸附，提高硫化效率。總體硫化體系以近似半有效硫化體系為主，硫黃用量稍大于促進劑用量，且與轎車或載重輪胎胎面膠相比，巨胎胎面膠硫化膠中既有適量的多硫鍵，又有一定數(shù)量的單雙硫交聯(lián)鍵，使硫化膠既具有較好的動態(tài)性能，又具有一定程度的耐熱氧老化性能和耐疲勞性能。K.ELANGOVAN等[19]使用實驗室動態(tài)切割設(shè)備，考察了硫化交聯(lián)密度對工程機械輪胎胎面膠抗切割掉塊性能的影響。結(jié)果表明：在試驗范圍內(nèi)，降低硫化交聯(lián)密度和硫化膠模量、增大拉斷伸長率，有利于提高膠料的抗切割掉塊性能；與減少硫黃用量相比，減少促進劑用量對膠料拉斷伸長率的影響更為顯著。在不同硫化體系配方中，高模量、低拉斷伸長率膠料的抗切割掉塊性能較差，耐磨性能較好；低模量、高拉斷伸長率膠料則具有較好的抗切割掉塊性能，耐磨性能較差。

胎面膠以NR為主的大規(guī)格或超大規(guī)格巨胎還要解決的一個重要問題就是胎面膠的硫化返原。巨胎是典型的厚橡膠制品，輪胎硫化過程中為保證升溫最慢的胎肩部位達到正硫化，通常采用延長硫化時間的方法，這會造成胎面外層嚴重過硫，發(fā)生硫化返原現(xiàn)象，橡膠基體中的交聯(lián)鍵發(fā)生降解或環(huán)化，使胎面膠物理性能下降，影響成品輪胎的使用壽命。針對上述問題，目前常用的方法是在配方中添加抗硫化返原劑，其中檸糠酰亞胺類抗硫化返原劑對改善NR配方的硫化返原效果較好。I.H.FRED等[20-21]考察了檸糠酰亞胺類抗硫化返原劑Perkalink 900在工程機械輪胎胎面膠中的應(yīng)用。結(jié)果表明，在NR體系胎面膠中加入該類抗硫化返原劑，在正硫化條件下，膠料的硫化特性和物理性能變化不大；在過硫化條件下，抗硫化返原劑通過雙烯加成反應(yīng)補償多硫鍵的斷裂損失，提高交聯(lián)密度，硫化膠的物理性能、耐磨性能和耐疲勞性能都有所提高，滯后損失和生熱降低，試驗輪胎的使用壽命也得以延長。

4 加工助劑

目前巨胎胎面膠中的加工助劑主要為功能性樹脂，在改善膠料加工性能的同時，可有針對性地改善硫化膠的強度、動態(tài)、耐磨和抗崩花掉塊等性能，而傳統(tǒng)的芳烴油、環(huán)烷油、石蠟油等油類增塑劑則很少使用[6-9]。米其林公開的專利[22]顯示，使用一種功能性萜烯/苯乙烯共聚樹脂分別代替胎面膠中的芳烴油和石蠟油，胎面膠的抗崩花掉塊性能可提高14%和35%。

近幾年，國內(nèi)工程機械輪胎生產(chǎn)企業(yè)對抗撕裂樹脂的研究和使用較多，這些樹脂大都含有雙環(huán)戊二烯或苯酚-雙環(huán)戊二烯結(jié)構(gòu)，能夠在一定程度上改善膠料的加工性能，提高硫化膠的拉斷伸長率，降低定伸應(yīng)力，同時保持硫化膠的硬度和生熱在合理范圍內(nèi)，使胎面膠在耐磨、抗切割和低生熱等方面性能達到較好的平衡。黃黔等[23]研究了改性雙環(huán)戊二烯樹脂CSR200在全鋼工程機械子午線輪胎胎面膠中的應(yīng)用。結(jié)果表明：添加CSR200樹脂的胎面膠門尼粘度降低，硬度和定伸應(yīng)力提高，耐磨性能和抗切割性能明顯提高，生熱和滾動阻力略有升高；胎面纏繞膠條擠出穩(wěn)定；成品輪胎的室內(nèi)耐久性能略有降低，道路試驗使用壽命延長。

5 結(jié)語

隨著礦山采掘和大型工程建設(shè)的快速發(fā)展，大型工程機械車輛配套使用的巨胎的需求量與日俱增。巨胎載質(zhì)量大，工作環(huán)境苛刻，對其胎面膠在低生熱、高耐磨、抗切割和抗崩花掉塊性能等方面都有較高的要求。通過在橡膠品種、填料和硫化體系等方面的研究，以及功能性材料和新型混煉工藝的開發(fā)和使用，巨胎胎面膠在耐磨、抗切割、低生熱等方面性能達到了較好的平衡。隨著用戶對巨胎性能的要求提高，一些具有獨特分子結(jié)構(gòu)和功能化分子鏈的新型橡膠、高分散性白炭黑、新型偶聯(lián)劑以及以卡博特CEC為代表的新型混煉工藝都將得到更深入的研究和更為廣泛的應(yīng)用。