高分散性白炭黑與“綠色輪胎”的關系
2015-06-10
13440核心提示：橡膠機械網 “綠色輪胎”以其舒適安全、環保節能的特點，逐漸被大眾接受。據統計，最近幾年，使用高分散性白炭黑的“綠色輪胎”保持著10%～20%的年增長率，而且越來越多的原配胎指標中開始指定添加白炭黑。
中國橡膠機械網 “綠色輪胎”以其舒適安全、環保節能的特點，逐漸被大眾接受。據統計，最近幾年，使用高分散性白炭黑的“綠色輪胎”保持著10%～20%的年增長率，而且越來越多的原配胎指標中開始指定添加白炭黑。
影響輪胎滾動阻力的因素
輪胎的滾動阻力占轎車前進阻力的18%～30%。國外資料顯示，如果發動機的能量消耗占整車能量消耗的40.6%，那么因滾動阻力而消耗的燃油大約占到14%～17%。也就是說，若滾動阻力降低30%，則降低油耗約4.5%，最多可達6%。因此，有效降低輪胎的滾動阻力，不僅可以節約燃油，對減少溫室氣體排放也會起到重要作用。
粘彈性的簾線橡膠體引起的滯后作用是滾動損失最大的影響因素，占總損耗的85%～95%。因此，改善輪胎材料的粘彈性是降低滾動阻力的有效途徑。此外，輪胎在地面滑動引起的損耗、輪胎與空氣的摩擦損耗以及輪胎胎面花紋的設計也會消耗一定能量。
大量研究表明，當輪胎胎面使用白炭黑作為填料后，輪胎的滾動阻力可以得到有效降。
在大多數情況下，沉淀法白炭黑(二氧化硅)是由硅酸鈉溶液和硫酸溶液中和反應生產的。它具有豐富的特性，可以用于許多不同的領域，在橡膠中可起到優良的補強作用，特別是應用于一些淺色橡膠配方中，可使產品具有良好的機械性能。
根據不同應用領域的需求，白炭黑可以被制成許多不同的形狀：粒狀、微珠狀或粉末狀。微珠狀白炭黑（Mircopearl）是一種獨特的白炭黑，兼有高流動性和在橡膠基體中高分散性的特點.
在橡膠工業領域，分散性高低是評價白炭黑的重要指標之一。如果采用超聲波對白炭黑顆粒進行處理，從處理后得到的激光粒徑分布圖（見圖1）可以清楚地看出：與有著相同物化性質(比表面積、pH值、水份等)的普通沉淀法白炭黑相比，高分散性白炭黑（Zeosil1165MP）最終粒徑更小，而且還有較小的平均粒徑D50值(2.5μm相對于9～10μm)，多數粒子粒徑小于1μm，很少有超過20μm的粒子，而普通白炭黑則正好相反。
高分散性白炭黑在輪胎中的作用
1.吸附作用
白炭黑在橡膠中會有一種附加的吸附，首先是白炭黑表面羥基的吸附作用，另外是小孔隙引起的對小分子助劑的吸附。這兩種作用(化學作用與物理作用)結合在一起，減少了橡膠基體中促進劑的活性濃度，從而降低了硫化速度和橡膠網絡的交聯度。因此，相對于炭黑配方，白炭黑配方中需要在基本配方的基礎上增加硬脂酸和促進劑。如果不需要高的補強性和較低的門尼粘度，上述調整即可達到良好的硫化特性，而在物理性能方面，扯斷伸長率和抗撕裂性變好。若要達到更優異的補強性和優化所有性能，則需在配方中增加一定量的偶聯劑，因為它可以使彈性體和白炭黑分子間真正形成牢固的結合，同時由于填料和橡膠間沒有了相對滑移，可以獲得較低的滯后性能。
研究發現，使用白炭黑取代炭黑，可以有效降低膠料的潘恩效應以及高溫下損耗角正切tanδ，進而改善輪胎的滾動阻力。而使用全白炭黑的胎面膠料，可降低20%的滾動阻力及約50%的胎面滯后性能，從而節約3%以上的燃油。
2.高分散性
白炭黑的結構特點決定了其分散性。在輪胎胎面膠配方中，普通白炭黑由于分散性的限制，使用比例很難超過50%（白炭黑/填料），而且耐磨性相對炭黑有所下降，這就限制了輪胎性能的進一步提高。
通過添加高比例白炭黑（＞50%），輪胎的各項性能都有顯著的提高。特別是在輪胎的主要參數，如耐磨耗性、濕牽引力和滾動阻力的平衡性方面取得了重大突破。對于耐磨耗性和濕牽引力的改善，一方面是由于填料的高分散性使橡膠基體獲得更好的補強效果，另一方面由于特殊聚合體（常用溶聚丁苯橡膠）和白炭黑/偶聯劑體系的應用提高了低溫下的tanδ。
通過三個膠料試驗，我們比較了炭黑、普通白炭黑和高分散性白炭黑在輪胎中的表現。與炭黑相比，雖然普通白炭黑在抗濕滑性和滾動阻力方面有了很大提高，但是其加工性和磨耗性能明顯下降。而高分散性白炭黑的引入，不僅保持了白炭黑優異的滾動阻力和抗濕滑性，而且改善了白炭黑膠料的磨耗和加工性能，達到或接近炭黑的水平，進一步提高了輪胎的綜合性能。
除了高性能輪胎，高分散性白炭黑的應用領域也擴展到其他類型的輪胎，如雪地輪胎。目前，全球輪胎廠商已經普遍使用了白炭黑，冬季輪胎中至少2/3的填料是沉淀法白炭黑，使用沉淀法白炭黑可使輪胎獲得非常高的雪地牽引力。
研究輪胎在濕地、雪地和冰上的牽引力，常用的表征是低溫下的粘彈性。在這方面，白炭黑與炭黑之間的粘彈性確實存在著巨大的差異：使用高分散性白炭黑可以獲得更好的抓地力，這可從tanδ最大值的升高得到確證，也可從橡膠的剛性對溫度的關系方面得到證實；用高分散白炭黑可以在更寬的溫度范圍內獲得穩定的動態模量和粘性模量；并且，在-20℃下的損耗柔量，沉淀法白炭黑膠料也比炭黑膠料有顯著的改善。
雪地輪胎對耐磨性要求不高，因此可以考慮使用較低比表面積的高分散白炭黑（Zeosil115），因為這樣可獲得較好的膠料混煉和擠出性能，這得益于白炭黑的高分散性和較低的膠料粘度。而且，由于低比表面積可得到相對低的膠料門尼粘度，我們可以向配方中添加更高分數的白炭黑來獲得更好的動態性能.
影響輪胎滾動阻力的因素
輪胎的滾動阻力占轎車前進阻力的18%～30%。國外資料顯示，如果發動機的能量消耗占整車能量消耗的40.6%，那么因滾動阻力而消耗的燃油大約占到14%～17%。也就是說，若滾動阻力降低30%，則降低油耗約4.5%，最多可達6%。因此，有效降低輪胎的滾動阻力，不僅可以節約燃油，對減少溫室氣體排放也會起到重要作用。
粘彈性的簾線橡膠體引起的滯后作用是滾動損失最大的影響因素，占總損耗的85%～95%。因此，改善輪胎材料的粘彈性是降低滾動阻力的有效途徑。此外，輪胎在地面滑動引起的損耗、輪胎與空氣的摩擦損耗以及輪胎胎面花紋的設計也會消耗一定能量。
大量研究表明，當輪胎胎面使用白炭黑作為填料后，輪胎的滾動阻力可以得到有效降。
在大多數情況下，沉淀法白炭黑(二氧化硅)是由硅酸鈉溶液和硫酸溶液中和反應生產的。它具有豐富的特性，可以用于許多不同的領域，在橡膠中可起到優良的補強作用，特別是應用于一些淺色橡膠配方中，可使產品具有良好的機械性能。
根據不同應用領域的需求，白炭黑可以被制成許多不同的形狀：粒狀、微珠狀或粉末狀。微珠狀白炭黑（Mircopearl）是一種獨特的白炭黑，兼有高流動性和在橡膠基體中高分散性的特點.
在橡膠工業領域，分散性高低是評價白炭黑的重要指標之一。如果采用超聲波對白炭黑顆粒進行處理，從處理后得到的激光粒徑分布圖（見圖1）可以清楚地看出：與有著相同物化性質(比表面積、pH值、水份等)的普通沉淀法白炭黑相比，高分散性白炭黑（Zeosil1165MP）最終粒徑更小，而且還有較小的平均粒徑D50值(2.5μm相對于9～10μm)，多數粒子粒徑小于1μm，很少有超過20μm的粒子，而普通白炭黑則正好相反。
高分散性白炭黑在輪胎中的作用
1.吸附作用
白炭黑在橡膠中會有一種附加的吸附，首先是白炭黑表面羥基的吸附作用，另外是小孔隙引起的對小分子助劑的吸附。這兩種作用(化學作用與物理作用)結合在一起，減少了橡膠基體中促進劑的活性濃度，從而降低了硫化速度和橡膠網絡的交聯度。因此，相對于炭黑配方，白炭黑配方中需要在基本配方的基礎上增加硬脂酸和促進劑。如果不需要高的補強性和較低的門尼粘度，上述調整即可達到良好的硫化特性，而在物理性能方面，扯斷伸長率和抗撕裂性變好。若要達到更優異的補強性和優化所有性能，則需在配方中增加一定量的偶聯劑，因為它可以使彈性體和白炭黑分子間真正形成牢固的結合，同時由于填料和橡膠間沒有了相對滑移，可以獲得較低的滯后性能。
研究發現，使用白炭黑取代炭黑，可以有效降低膠料的潘恩效應以及高溫下損耗角正切tanδ，進而改善輪胎的滾動阻力。而使用全白炭黑的胎面膠料，可降低20%的滾動阻力及約50%的胎面滯后性能，從而節約3%以上的燃油。
2.高分散性
白炭黑的結構特點決定了其分散性。在輪胎胎面膠配方中，普通白炭黑由于分散性的限制，使用比例很難超過50%（白炭黑/填料），而且耐磨性相對炭黑有所下降，這就限制了輪胎性能的進一步提高。
通過添加高比例白炭黑（＞50%），輪胎的各項性能都有顯著的提高。特別是在輪胎的主要參數，如耐磨耗性、濕牽引力和滾動阻力的平衡性方面取得了重大突破。對于耐磨耗性和濕牽引力的改善，一方面是由于填料的高分散性使橡膠基體獲得更好的補強效果，另一方面由于特殊聚合體（常用溶聚丁苯橡膠）和白炭黑/偶聯劑體系的應用提高了低溫下的tanδ。
通過三個膠料試驗，我們比較了炭黑、普通白炭黑和高分散性白炭黑在輪胎中的表現。與炭黑相比，雖然普通白炭黑在抗濕滑性和滾動阻力方面有了很大提高，但是其加工性和磨耗性能明顯下降。而高分散性白炭黑的引入，不僅保持了白炭黑優異的滾動阻力和抗濕滑性，而且改善了白炭黑膠料的磨耗和加工性能，達到或接近炭黑的水平，進一步提高了輪胎的綜合性能。
除了高性能輪胎，高分散性白炭黑的應用領域也擴展到其他類型的輪胎，如雪地輪胎。目前，全球輪胎廠商已經普遍使用了白炭黑，冬季輪胎中至少2/3的填料是沉淀法白炭黑，使用沉淀法白炭黑可使輪胎獲得非常高的雪地牽引力。
研究輪胎在濕地、雪地和冰上的牽引力，常用的表征是低溫下的粘彈性。在這方面，白炭黑與炭黑之間的粘彈性確實存在著巨大的差異：使用高分散性白炭黑可以獲得更好的抓地力，這可從tanδ最大值的升高得到確證，也可從橡膠的剛性對溫度的關系方面得到證實；用高分散白炭黑可以在更寬的溫度范圍內獲得穩定的動態模量和粘性模量；并且，在-20℃下的損耗柔量，沉淀法白炭黑膠料也比炭黑膠料有顯著的改善。
雪地輪胎對耐磨性要求不高，因此可以考慮使用較低比表面積的高分散白炭黑（Zeosil115），因為這樣可獲得較好的膠料混煉和擠出性能，這得益于白炭黑的高分散性和較低的膠料粘度。而且，由于低比表面積可得到相對低的膠料門尼粘度，我們可以向配方中添加更高分數的白炭黑來獲得更好的動態性能.
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