二氧化硅微粉(简称微硅粉) 是在硅铁冶炼过程中产生的“三废”物品,通过干法吸尘设备从冶炼烟尘中收集而得,具有二氧化硅含量高、活性高、细度高的优良性能,且用途广泛。本研究对微硅粉作为填充补强剂的特性及微硅粉在轮胎配方中的应用进行试验。

        本文对微硅粉与其它无机填料进行比较试验, 并在轮胎胎面胶、胎体胶配方中使用微硅粉进行半成品、成品应用试验。结果表明,二氧化硅微粉作为无机填料具有较好的补强性能,完全可以满足轮胎胎面和胎体的性能要求,而且可以降低成本,改善生态环境。

1 　实验
1.1 　原材料
微硅粉(性能指标见表1) ,泉州市威林特实业有限公司微硅粉产品;其它原材料均为生产常用原材料。

1.2 　主要试验设备

主要试验设备为:XK-160 型开炼机, F270型密炼机,XJ 200 型热喂料挤出机,25 t 平板硫化机,120 t 平板硫化机, R100E 橡胶硫化仪,T10强力试验机,XP-16 橡胶疲劳试验机,阿克隆磨耗试验机,XJ Y-TTM-T/ P01 轮胎耐久性试验机。

1.3 　试样制备
小配合试验胶料在XK21 6 0型开炼机上进行混炼,大料混炼分二段在F270 密炼机中进行,成品试验胎面用XJ 200 型热喂料挤出机挤出, 120 t 平板硫化机硫化。

1.4 　性能测试
胶料的物理性能均按相应国家标准测试;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 标准测试;部分原材料检测项目委托惠利实公司实验室进行测试。

2 　结果与讨论

2.1 　微硅粉与其它填充补强剂的小配合对比试验
微硅粉与其它填充补强剂的胶料小配合对比试验结果见表2 。

注:试验配方:NR 　100 ;活性剂　8 ;填充补强剂(变品种) 　50 ;硫黄　2. 5 ;促进剂　0. 6 。

由表2 可以看出,微硅粉的300 %定伸应力明显低于半补强炭黑,说明这类填充补强剂粒子表面与橡胶反应的活性低,与橡胶的化学交联弱。微硅粉的强伸性能和抗撕裂性能与半补强炭黑相似,明显高于其它填充剂。硫化仪测试数据显示,与半补强炭黑相比,在正硫化时间基本相同的情况下,微硅粉的加工安全性和模内流动时间更长,优于其它填充剂。试验结果说明,微硅粉是部分或全部替代半补强炭黑的理想材料,但应注意300 %定伸应力的调整。

2.2 　微硅粉与白炭黑的性能对比及配方小配合对比试验
由于微硅粉与白炭黑的主要成分均是二氧化硅,为了解二者的性能差异,对微硅粉和白炭黑进行了微观粒子分析,并选用典型的胎面配方,采用白炭黑和微硅粉部分代替炭黑进行小配合对比试验。
微硅粉和对比白炭黑的CTAB 比表面积分别为2416 和14610 m2·g - 1 。微硅粉和白炭黑的颗粒形态见图1 ,粒径大小及其分布见图2 。硫化胶的物理性能试验结果见表3 。

(a) 微硅粉　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　       (b) 白炭黑

图1 　微硅粉和白炭黑电子显微镜下的颗粒形态

 图2 　微硅粉和白炭黑的粒径比较  1 —白炭黑;2 —微硅粉

由图1 和2 可以看出,微硅粉的比表面积明显低于白炭黑,粒径大且分布较宽。电子显微镜下,微硅粉呈连续的光滑小圆球颗粒状,而白炭黑呈蓬松的无定型絮状,说明微硅粉与白炭黑的比表面积和粒径大小均不处在同一档次上,微硅粉的结构简单、分散性优于白炭黑。

 注:试验基本配方:NR 　70 ;BR 　30 ;活性剂　7 ;硫黄　1. 5 ;促进剂　0. 8 ;防老剂　3 ;其它　9 。

从表3 可以看出, 配方中未添加偶联剂Si69 时,1 号配方硫化胶的性能最好,2 和3 号配方硫化胶的定伸应力低于1 号配方,3 号配方硫化胶的强伸性能和抗撕裂性能略优于2 号配方,其它性能基本相似,其主要原因是微硅粉的粒子结构简单、光滑,在配方中的分散性优于白炭黑。加入偶联剂Si69 后,4 号配方硫化胶的物理性能明显提高,各项性能达到了1 号配方的水平,而5 号配方硫化胶的物理性能基本没有改变。造成这种差异的主要原因是微硅粉和白炭黑虽然主要成分均是二氧化硅,但二者由于加工环境不同,其表面活性不同,白炭黑颗粒表面含有许多硅氧烷基和硅烷醇基等活性官能团,而偶联剂Si69 是一种双官能团的硅烷改性剂,一个官能团可与白炭黑表面的活性官能团反应生成Si —O —Si 键,另一个官能团又可与橡胶大分子产生化学结合,偶联剂Si69 起到橡胶与白炭黑的交联作用,且在混炼中因偶联剂Si69 与白炭黑的反应提高了橡胶对白炭黑的浸润性从而改善了白炭黑的分散性;微硅粉是经高温煅烧后生成的,粒子表面不含硅氧烷基和硅烷醇基等可与双官能团硅烷改性剂反应的活性基团,因此,在配方中加入偶联剂Si69对微硅粉不起作用。

2.3 　微硅粉在轮胎配方中的应用试验
经室内各项性能试验后进行了车间大料试验,按正常生产工艺进行,混炼中微硅粉吃粉快,分散性好,胶料的物理性能测试结果见表4和5 。由表4 和5 可以看出,添加微硅粉的胎面配方完全能够达到正常生产配方的水平;胎体配方用微硅粉等量替代活性钙, 硫化胶的300 %定伸应力、强伸性能和抗撕裂性能有所提高,其它物理性能与活性钙相似;随着微硅粉用量增大,强伸性能逐渐下降,其它性能基本保持不变。

注:试验基本配方为:NR 　25 ;SR 　75 ;炭黑　60 ;硫化活性剂　616 ;其它　16 。生产配方为:NR 　30 ;SR 　70 ;炭黑　60 ;硫化活性剂　910 ;其它 17 。

注:试验基本配方:NR 　50 ;SR 　50 ;炭黑　45 ;硫化活性剂　8 ;其它　12 。

2.4 　微硅粉应用于胎面胶的成品试验
采用表4的试验配方制造轮胎成品,成品轮胎胶料挤出工艺正常,胎面尺寸稳定性好,成型、硫化工艺正常。成品轮胎性能试验结果见表6 。

注: 3 A 为试验结果达到国家标准后正常停机;B 和C 为试验结果达到国家标准后,由于设备原因停机。轮胎规格:A为6. 00 - 14 8PR ;B 为6. 50 - 14 8PR ;C 为7. 50 - 16 8PR。

由表6 可以看出,使用微硅粉后,试验轮胎成品性能完全能达到正常生产轮胎的水平,满足各项使用要求。

2.5 　存在的问题
微硅粉的密度偏大,直接使用将导致体积成本增加,为此应注意从配方上调整胶料密度,在满足各项物理性能的条件下,尽量降低胶料密度。

3 　结论
(1) 微硅粉是部分或全部替代半补强炭黑的理想材料。
(2) 微硅粉与白炭黑的比表面积和粒径大小均不在同一档次上,微硅粉结构简单,分散性好。
(3) 胎面配方采用微硅粉、胎体胶配方采用微硅粉等量替代活性钙后,成品轮胎完全能达到正常生产配方的各项性能水平和使用要求。
(4) 微硅粉单价为1. 60 元·kg ,活性钙单价为1. 30 元·kg - 1 ,二者密度一致,但微硅粉性能优于活性钙;与其它填充补强剂相比,无论是性能还是价格,微硅粉都具有很大的优势。另一方面,由于微硅粉是冶金行业的“三废”回收产品,开发利用这类产品,对改善生态环境,提高人民健康水平,是十分有利的。