二氧化硅微粉(簡稱微硅粉) 是在硅鐵冶煉過程中產生的“三廢”物品,通過干法吸塵設備從冶煉煙塵中收集而得,具有二氧化硅含量高、活性高、細度高的優良性能,且用途廣泛。本研究對微硅粉作為填充補強劑的特性及微硅粉在輪胎配方中的應用進行試驗。

本文對硅微粉與其它無機填料進行比較試驗, 并在輪胎胎面膠、胎體膠配方中使用硅微粉進行半成品、成品應用試驗。結果表明,二氧化硅微粉作為無機填料具有較好的補強性能,完全可以滿足輪胎胎面和胎體的性能要求,而且可以降低成本,改善生態環境。

1  實驗
1.1  原材料
硅微粉(性能指標見表1) ,貴州遵義鐵合金廠產品;其它原材料均為生產常用原材料。

1.2  主要試驗設備

主要試驗設備為:XK-160 型開煉機, F270型密煉機,XJ 200 型熱喂料擠出機,25 t 平板硫化機,120 t 平板硫化機, R100E 橡膠硫化儀,T10強力試驗機,XP-16 橡膠疲勞試驗機,阿克隆磨耗試驗機,XJ Y-TTM-T/ P01 輪胎耐久性試驗機。

1.3  試樣制備
小配合試驗膠料在XK21 6 0型開煉機上進行混煉,大料混煉分二段在F270 密煉機中進行,成品試驗胎面用XJ 200 型熱喂料擠出機擠出, 120 t 平板硫化機硫化。

1.4  性能測試
膠料的物理性能均按相應國家標準測試;成品的物理性能、耐久性能和高速性能按GB/ T 528 —1998 , GB/ T 689 —1998 , GB/ T531 —92 , GB 4501 —84 和GB/ T 7035 —93 標準測試;部分原材料檢測項目委托惠利實公司實驗室進行測試。

2  結果與討論

2.1  硅微粉與其它填充補強劑的小配合對比試驗
微硅粉與其它填充補強劑的膠料小配合對比試驗結果見表2 。

注:試驗配方:NR  100 ;活性劑 8 ;填充補強劑(變品種)  50 ;硫黃 2. 5 ;促進劑 0. 6 。

由表2 可以看出,硅微粉的300 %定伸應力明顯低于半補強炭黑,說明這類填充補強劑粒子表面與橡膠反應的活性低,與橡膠的化學交聯弱。硅微粉的強伸性能和抗撕裂性能與半補強炭黑相似,明顯高于其它填充劑。硫化儀測試數據顯示,與半補強炭黑相比,在正硫化時間基本相同的情況下,硅微粉的加工安全性和模內流動時間更長,優于其它填充劑。試驗結果說明,硅微粉是部分或全部替代半補強炭黑的理想材料,但應注意300 %定伸應力的調整。

2.2  硅微粉與白炭黑的性能對比及配方小配合對比試驗
由于硅微粉與白炭黑的主要成分均是二氧化硅,為了解二者的性能差異,對硅微粉和白炭黑進行了微觀粒子分析,并選用典型的胎面配方,采用白炭黑和微硅粉部分代替炭黑進行小配合對比試驗。
硅微粉和對比白炭黑的CTAB 比表面積分別為2416 和14610 m2·g – 1 。硅微粉和白炭黑的顆粒形態見圖1 ,粒徑大小及其分布見圖2 。硫化膠的物理性能試驗結果見表3 。

(a) 硅微粉                         (b) 白炭黑

圖1  硅微粉和白炭黑電子顯微鏡下的顆粒形態

圖2  硅微粉和白炭黑的粒徑比較 1 —白炭黑;2 —硅微粉

由圖1 和2 可以看出,硅微粉的比表面積明顯低于白炭黑,粒徑大且分布較寬。電子顯微鏡下,硅微粉呈連續的光滑小圓球顆粒狀,而白炭黑呈蓬松的無定型絮狀,說明硅微粉與白炭黑的比表面積和粒徑大小均不處在同一檔次上,硅微粉的結構簡單、分散性優于白炭黑。

注:試驗基本配方:NR  70 ;BR  30 ;活性劑 7 ;硫黃 1. 5 ;促進劑 0. 8 ;防老劑 3 ;其它 9 。

從表3 可以看出, 配方中未添加偶聯劑Si69 時,1 號配方硫化膠的性能最好,2 和3 號配方硫化膠的定伸應力低于1 號配方,3 號配方硫化膠的強伸性能和抗撕裂性能略優于2 號配方,其它性能基本相似,其主要原因是硅微粉的粒子結構簡單、光滑,在配方中的分散性優于白炭黑。加入偶聯劑Si69 后,4 號配方硫化膠的物理性能明顯提高,各項性能達到了1 號配方的水平,而5 號配方硫化膠的物理性能基本沒有改變。造成這種差異的主要原因是微硅粉和白炭黑雖然主要成分均是二氧化硅,但二者由于加工環境不同,其表面活性不同,白炭黑顆粒表面含有許多硅氧烷基和硅烷醇基等活性官能團,而偶聯劑Si69 是一種雙官能團的硅烷改性劑,一個官能團可與白炭黑表面的活性官能團反應生成Si —O —Si 鍵,另一個官能團又可與橡膠大分子產生化學結合,偶聯劑Si69 起到橡膠與白炭黑的交聯作用,且在混煉中因偶聯劑Si69 與白炭黑的反應提高了橡膠對白炭黑的浸潤性從而改善了白炭黑的分散性;硅微粉是經高溫煅燒后生成的,粒子表面不含硅氧烷基和硅烷醇基等可與雙官能團硅烷改性劑反應的活性基團,因此,在配方中加入偶聯劑Si69對硅微粉不起作用。

2.3  硅微粉在輪胎配方中的應用試驗
經室內各項性能試驗后進行了車間大料試驗,按正常生產工藝進行,混煉中微硅粉吃粉快,分散性好,膠料的物理性能測試結果見表4和5 。由表4 和5 可以看出,添加硅微粉的胎面配方完全能夠達到正常生產配方的水平;胎體配方用硅微粉等量替代活性鈣, 硫化膠的300 %定伸應力、強伸性能和抗撕裂性能有所提高,其它物理性能與活性鈣相似;隨著硅微粉用量增大,強伸性能逐漸下降,其它性能基本保持不變。

注:試驗基本配方為:NR  25 ;SR  75 ;炭黑 60 ;硫化活性劑 616 ;其它 16 。生產配方為:NR  30 ;SR  70 ;炭黑 60 ;硫化活性劑 910 ;其它 17 。

注:試驗基本配方:NR  50 ;SR  50 ;炭黑 45 ;硫化活性劑 8 ;其它 12 。

2.4  硅微粉應用于胎面膠的成品試驗
采用表4的試驗配方制造輪胎成品,成品輪胎膠料擠出工藝正常,胎面尺寸穩定性好,成型、硫化工藝正常。成品輪胎性能試驗結果見表6 。

注: 3 A 為試驗結果達到國家標準后正常停機;B 和C 為試驗結果達到國家標準后,由于設備原因停機。輪胎規格:A為6. 00 – 14 8PR ;B 為6. 50 – 14 8PR ;C 為7. 50 – 16 8PR。

由表6 可以看出,使用硅微粉后,試驗輪胎成品性能完全能達到正常生產輪胎的水平,滿足各項使用要求。

2.5  存在的問題
硅微粉的密度偏大,直接使用將導致體積成本增加,為此應注意從配方上調整膠料密度,在滿足各項物理性能的條件下,盡量降低膠料密度。