关于炭黑与白炭黑在胎面胶中并用的研究

江畹兰 编译

（华南理工大学材料学院 广东 广州 510641）

在以往发表的论文中曾经指出过，填充白炭黑的轮胎胎面，对潮湿路面的抓着性（0 ℃～45 ℃）相当优越。在该温度范围内，胎面的抓着力最均衡。胎面胶中炭黑与白炭黑的并用比例为50:30，即100份生胶中含有80份填充剂（炭黑+白炭黑）。

文中研究了含不同比例的炭黑白炭黑的轿车子午线轮胎，对结冰路面的抓着性能。冰面温度（-5）～（-25） ℃。文献上公布了胶料配方。实验在LAT 100试验装置（VMI公司产）上进行，作用于试样的负荷5 N～150 N，轮胎在结冰路面上的滚动速度为0.1～2.0 km/h。由5 N到10 N的负荷区为极低负荷区，15 N～25 N为低负荷区，30 N～70 N为中等负荷区；75 N～150 N则为高负荷区。

图1上，а、б、в示出了在温度分别为-5 ℃、-15 ℃及-25 ℃及滚动速度为0.6 km/h条件下，橡胶与结冰路面的抓着性能等高线。含68.75份炭黑的对照用胎面胶的抓着性能为100%。在等同于试验的条件下，测定了对照用橡胶的抓着性。以0.6 km/h的速度模拟轮胎在结冰路面上的中等滚动速度。

从图1，а上可划分出两个在冰面上的高抓着性区域。第一个区域包含了炭黑与白炭黑的并用比例为80:0～50:30，于高负荷条件下进行试验的试样。在这一区域，抓着性随炭黑含量增多及负荷增加而得以提高。第二个不大的区域由白炭黑含量高（炭黑:白炭黑=10:70及0:80）的试样绘成。这些试样在极低负荷到低负荷范围内，其抓着性比对照用橡胶的高。在这一区域，炭黑含量高的试样的抓着性较低。当试样承载中等负荷时，其对冰面的抓着力与炭黑跟白炭黑的并用比例的关系不大，抓着性比值在90%～105%范围内。

当汽车于-5 ℃下行驶时，在路面与胎面之间极有可能形成一层水分层。随着负荷加大，生成该水分层的可能性也会增大，故在-15 ℃下进行试验的结果，应明显有别于在-5 ℃下的试验结果，图1，б证实了这一推测。的确，高炭黑含量（80:0～60:20）的试样，在高负荷区域的抓着性能较低。在极低负荷～低负荷区域，白炭黑含量较多（20:60～0:80）的试样具有极高的抓着性能，这同以前的试验结果一样。如果增加白炭黑的含量，抓着性比值亦会迅速增大。与图1a相比，在中等负荷区域图形实际上没有变化。

在-25 ℃下接受试验的胎面胶的抓着性数据颇有意义（见图1в）。如果说，以前在-5 ℃；-15 ℃温度下，白炭黑含量高的胎面胶仅在极低负荷及低负荷区域对冰面的抓着性增高，那么于-25 ℃下，在所有负荷区域抓着系数都很大。而炭黑含量高（80:0；70:0）的试样的情况则相反，在所有负荷区域内其抓着系数均小于对比试样。

以前曾推测过，轮胎在结冰的路面上滚动速度发生变化，不应当对其抓着性有严重的影响。图1г.д示出了在-5 ℃及-15 ℃条件下滚动速度为2.0 km/h时，轮胎对冰面的抓着性比值等高线。这一滚动速度高出中等速度（0.6 km/h）3倍以上，足以模拟轮胎在冰面上的快速滚动状态。

在-25 ℃及滚动速度为2.0 km/h的条件下试验失败，原因在于，轮胎高速滚动时难以保持如此低的温度。对比分析图1г及图1а表明，在-5 ℃下将轮胎滚动速度从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胶的优越性。从炭黑与白炭黑的使用比例40:40开始，在极低负荷及中等负荷区域内，胎面胶对冰面的抓着性能，较之对照用胶料的抓着性能要高得多。

这一点在极低负荷及低负荷区域表现得特别明显。在中等及高负荷区域，高炭黑含量（80:0；70:10；60:20）的胎面胶便失去了优越性。此时，在所有的负荷区域，胎面胶的抓着性都比对照用胎面胶的差。

轮胎胎面试样在低温（-15 ℃）下，以高速（2.0 km/h）在结冰的路面上滚动时，得到的试验结果却令人诧异（见图1д）。经查明，原来在极低负荷区域～中负荷区域抓着性能比值等高线几乎都与横坐标平行。这表明，在该温度及速度条件下，轮胎在冰面上滚动，胎面胶中填充剂的种类对抓着性的影响并不太大。如果填充剂在胎面胶中的含量为80份对100份生胶，则在极低负荷～中等负荷区域胎面对冰面的抓着性，比含68.75份炭黑的对照用胎面要高，而与填充剂的种类无关。在极低负荷区域抓着性提高了3倍。尽管如此，在高负荷区域对照用胎面的冰面抓着性仍然较高。

图1 胎面对冰面的抓着力计分等高线图(在不同温度T与不同滚动速度V条件下负荷P与炭黑和白炭黑使用比例的相关性曲线)

轮胎在冰面上滚动，就地起步时的力矩是很重要的参数，即不打滑。图1е、ж、з示出了在-5 ℃～-25 ℃及非常低速的滚动（0.1 km/h条件下模拟滚动起步）时的抓着性比值等高线。

在很低的温度条件下，白炭黑含量高（炭黑:白炭黑=10:70；0:80）的胎面胶，在所有负荷区域内均有较高的冰面抓着性（见图1е）。炭黑含量高的胎面胶仅在高负荷区域具有较高的抓着性。与此相反，在低温条件下，含炭黑的胎面胶只是在极低和低负荷情况下，对冰面的抓着性才是最好的（见图1ж），而白炭黑含量高的胎面胶，只是在高负荷区域对冰面的抓着性才较高。

从图1з可以看出，低温和慢速滚动保持了这一趋势。与此同时，高炭黑含量的胎面胶的高抓着性区域扩大到中等负荷区域。而高白炭黑含量的胎面胶的图形却并未发生变化，它们仅在高负荷区域才表现出高抓着性。

根据以上研究结果，可以作出以下建设性结论：轮胎在冰面上低速滚动及在接近冰雪融解的温度（-5 ℃）下滚动，为了防止其在所有负荷区域内打滑，最好采用高白炭黑含量（10:70；0:80）的胎面胶。在极低温度（-25 ℃）下，在高负荷区域白炭黑含量很高（10:70；0:80）的轮胎会有少许打滑，而在其他负荷区域，填充少量白炭黑（60:20；50:30）的轮胎胎面也会有少许打滑。轮胎中速滚动，及在温度不很低[（-5）～（-15）℃]的条件下滚动，在极低负荷～中等负荷区域，最好使用白炭黑含量高（10:70；0:80）的胎面（轮胎）；在高负荷区域则宜采用仅含炭黑（80:0）或含少量白炭黑[（70:10）—（50:30）]的胎面（轮胎）。轮胎在极低温度（-25 ℃）下中速滚动时，需要使用白炭黑含量很高的胎面（轮胎），它适用于所有负荷区域。当轮胎在-5 ℃下高速滚动时（在极低负荷及中等负荷区），最好使用白炭黑含量中等的胎面（轮胎）。如在高负荷区域，最好使用炭黑含量低于68份的胎面（轮胎）。上述结论同样适用于在较低温度下（-15 ℃）使用的轮胎，只是在极低负荷——中等负荷区域，填充剂的种类已无关紧要。

综合以上研究结果，即轮胎于0 ℃到40 ℃范围内在潮湿路面上的抓着性、侧向偏性和在干燥路面上的摩擦系数，可以得出如下概括性结论：从对潮湿路面与结冰路面的抓着性来看，中等及高含量白炭黑的胎面胶的抓着性能，较之含炭黑的胎面胶要优越得多。

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