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橡胶/轮胎 |
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高分散性白炭黑与“绿色轮胎” |
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newmaker |
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自20世纪90年代，米其林公司使用罗地亚公司的专利产品——高分散性白炭黑，推出了高性能的“绿色轮胎”后，“绿色轮胎”以其舒适安全、环保节能的特点，逐渐被大众接受。据统计，最近几年，使用高分散性白炭黑的“绿色轮胎”保持着10%～20%的年增长率，而且越来越多的原配胎指标中开始指定添加白炭黑。
影响轮胎滚动阻力的因素
轮胎的滚动阻力占轿车前进阻力的18%～30%。国外资料显示，如果发动机的能量消耗占整车能量消耗的40.6%，那么因滚动阻力而消耗的燃油大约占到14%～17%。也就是说，若滚动阻力降低30%，则降低油耗约4.5%，最多可达6%。因此，有效降低轮胎的滚动阻力，不仅可以节约燃油，对减少温室气体排放也会起到重要作用。
粘弹性的帘线橡胶体引起的滞后作用是滚动损失最大的影响因素，占总损耗的85%～95%。因此，改善轮胎材料的粘弹性是降低滚动阻力的有效途径。此外，轮胎在地面滑动引起的损耗、轮胎与空气的摩擦损耗以及轮胎胎面花纹的设计也会消耗一定能量。
大量研究表明，当轮胎胎面使用白炭黑作为填料后，轮胎的滚动阻力可以得到有效降低。
罗地亚高分散性白炭黑
在大多数情况下，沉淀法白炭黑(二氧化硅)是由硅酸钠溶液和硫酸溶液中和反应生产的。它具有丰富的特性，可以用于许多不同的领域，在橡胶中可起到优良的补强作用，特别是应用于一些浅色橡胶配方中，可使产品具有良好的机械性能。
根据不同应用领域的需求，白炭黑可以被制成许多不同的形状：粒状、微珠状或粉末状。微珠状白炭黑（Mircopearl）是罗地亚公司生产的一种独特的白炭黑，兼有高流动性和在橡胶基体中高分散性的特点，被广泛用于欧洲和北美的轮胎工业。
在橡胶工业领域，分散性高低是评价白炭黑的重要指标之一。如果采用超声波对白炭黑颗粒进行处理，从处理后得到的激光粒径分布图（见图1）可以清楚地看出：与有着相同物化性质(比表面积、pH值、水份等) 的普通沉淀法白炭黑相比，高分散性白炭黑（Zeosil 1165MP）最终粒径更小，而且还有较小的平均粒径D50值(2.5μm相对于9～10μm)，多数粒子粒径小于1μm，很少有超过20μm的粒子，而普通白炭黑则正好相反。
图1 高分散性白炭黑和普通白炭黑的粒径分布图（经超声处理后）
高分散性白炭黑在轮胎中的作用
1.吸附作用
白炭黑在橡胶中会有一种附加的吸附，首先是白炭黑表面羟基的吸附作用，另外是小孔隙引起的对小分子助剂的吸附。这两种作用(化学作用与物理作用)结合在一起，减少了橡胶基体中促进剂的活性浓度，从而降低了硫化速度和橡胶网络的交联度。因此，相对于炭黑配方，白炭黑配方中需要在基本配方的基础上增加硬脂酸和促进剂。如果不需要高的补强性和较低的门尼粘度，上述调整即可达到良好的硫化特性，而在物理性能方面，扯断伸长率和抗撕裂性变好。若要达到更优异的补强性和优化所有性能，则需在配方中增加一定量的偶联剂，因为它可以使弹性体和白炭黑分子间真正形成牢固的结合，同时由于填料和橡胶间没有了相对滑移，可以获得较低的滞后性能。
研究发现，使用白炭黑取代炭黑，可以有效降低胶料的潘恩效应以及高温下损耗角正切tanδ，进而改善轮胎的滚动阻力。而使用全白炭黑的胎面胶料，可降低20%的滚动阻力及约50%的胎面滞后性能，从而节约3%以上的燃油。
2.高分散性
白炭黑的结构特点决定了其分散性。在轮胎胎面胶配方中，普通白炭黑由于分散性的限制，使用比例很难超过50%（白炭黑/填料），而且耐磨性相对炭黑有所下降，这就限制了轮胎性能的进一步提高。
罗地亚专利技术的高分散性白炭黑系列产品的推出，使得用白炭黑制造高性能轮胎成为了可能。通过添加高比例白炭黑（>50%），轮胎的各项性能都有显著的提高。特别是在轮胎的主要参数，如耐磨耗性、湿牵引力和滚动阻力的平衡性方面取得了重大突破。对于耐磨耗性和湿牵引力的改善，一方面是由于填料的高分散性使橡胶基体获得更好的补强效果，另一方面由于特殊聚合体（常用溶聚丁苯橡胶）和白炭黑/偶联剂体系的应用提高了低温下的tanδ。
通过三个胶料试验，我们比较了炭黑、普通白炭黑和高分散性白炭黑在轮胎中的表现。与炭黑相比，虽然普通白炭黑在抗湿滑性和滚动阻力方面有了很大提高，但是其加工性和磨耗性能明显下降。而高分散性白炭黑的引入，不仅保持了白炭黑优异的滚动阻力和抗湿滑性，而且改善了白炭黑胶料的磨耗和加工性能，达到或接近炭黑的水平，进一步提高了轮胎的综合性能。
应用范围进一步扩展
除了高性能轮胎，高分散性白炭黑的应用领域也扩展到其他类型的轮胎，如雪地轮胎。目前，全球轮胎厂商已经普遍使用了白炭黑，冬季轮胎中至少2/3的填料是沉淀法白炭黑，使用沉淀法白炭黑可使轮胎获得非常高的雪地牵引力。
研究轮胎在湿地、雪地和冰上的牵引力，常用的表征是低温下的粘弹性。在这方面，白炭黑与炭黑之间的粘弹性确实存在着巨大的差异：使用高分散性白炭黑可以获得更好的抓地力，这可从tanδ最大值的升高得到确证，也可从橡胶的刚性对温度的关系方面得到证实；用高分散白炭黑可以在更宽的温度范围内获得稳定的动态模量和粘性模量；并且，在-20℃下的损耗柔量，沉淀法白炭黑胶料也比炭黑胶料有显著的改善。
雪地轮胎对耐磨性要求不高，因此可以考虑使用较低比表面积的高分散白炭黑（Zeosil 115），因为这样可获得较好的胶料混炼和挤出性能，这得益于白炭黑的高分散性和较低的胶料粘度。而且，由于低比表面积可得到相对低的胶料门尼粘度，我们可以向配方中添加更高分数的白炭黑来获得更好的动态性能。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(2/28/2009) |
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