二氧化硅微粉(簡(jiǎn)稱微硅粉) 是在硅鐵冶煉過程中產(chǎn)生的“三廢”物品,通過干法吸塵設(shè)備從冶煉煙塵中收集而得,具有二氧化硅含量高、活性高、細(xì)度高的優(yōu)良性能,且用途廣泛。本研究對(duì)微硅粉作為填充補(bǔ)強(qiáng)劑的特性及微硅粉在輪胎配方中的應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)。

本文對(duì)硅微粉與其它無機(jī)填料進(jìn)行比較試驗(yàn), 并在輪胎胎面膠、胎體膠配方中使用硅微粉進(jìn)行半成品、成品應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明,二氧化硅微粉作為無機(jī)填料具有較好的補(bǔ)強(qiáng)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(tài)環(huán)境。

1  實(shí)驗(yàn)
1.1  原材料
硅微粉(性能指標(biāo)見表1) ,貴州遵義鐵合金廠產(chǎn)品;其它原材料均為生產(chǎn)常用原材料。

1.2  主要試驗(yàn)設(shè)備

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

1.3  試樣制備
小配合試驗(yàn)?zāi)z料在XK21 6 0型開煉機(jī)上進(jìn)行混煉,大料混煉分二段在F270 密煉機(jī)中進(jìn)行,成品試驗(yàn)胎面用XJ 200 型熱喂料擠出機(jī)擠出, 120 t 平板硫化機(jī)硫化。

1.4  性能測(cè)試
膠料的物理性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)測(cè)試;部分原材料檢測(cè)項(xiàng)目委托惠利實(shí)公司實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

2  結(jié)果與討論

2.1  硅微粉與其它填充補(bǔ)強(qiáng)劑的小配合對(duì)比試驗(yàn)
微硅粉與其它填充補(bǔ)強(qiáng)劑的膠料小配合對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表2 。

注:試驗(yàn)配方:NR  100 ;活性劑 8 ;填充補(bǔ)強(qiáng)劑(變品種)  50 ;硫黃 2. 5 ;促進(jìn)劑 0. 6 。

由表2 可以看出,硅微粉的300 %定伸應(yīng)力明顯低于半補(bǔ)強(qiáng)炭黑,說明這類填充補(bǔ)強(qiáng)劑粒子表面與橡膠反應(yīng)的活性低,與橡膠的化學(xué)交聯(lián)弱。硅微粉的強(qiáng)伸性能和抗撕裂性能與半補(bǔ)強(qiáng)炭黑相似,明顯高于其它填充劑。硫化儀測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,與半補(bǔ)強(qiáng)炭黑相比,在正硫化時(shí)間基本相同的情況下,硅微粉的加工安全性和模內(nèi)流動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng),優(yōu)于其它填充劑。試驗(yàn)結(jié)果說明,硅微粉是部分或全部替代半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的理想材料,但應(yīng)注意300 %定伸應(yīng)力的調(diào)整。

2.2  硅微粉與白炭黑的性能對(duì)比及配方小配合對(duì)比試驗(yàn)
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(duì)硅微粉和白炭黑進(jìn)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(jìn)行小配合對(duì)比試驗(yàn)。
硅微粉和對(duì)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(tài)見圖1 ,粒徑大小及其分布見圖2 。硫化膠的物理性能試驗(yàn)結(jié)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(tài)

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(xù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分散性優(yōu)于白炭黑。

注:試驗(yàn)基本配方:NR  70 ;BR  30 ;活性劑 7 ;硫黃 1. 5 ;促進(jìn)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(lián)劑Si69 時(shí),1 號(hào)配方硫化膠的性能最好,2 和3 號(hào)配方硫化膠的定伸應(yīng)力低于1 號(hào)配方,3 號(hào)配方硫化膠的強(qiáng)伸性能和抗撕裂性能略優(yōu)于2 號(hào)配方,其它性能基本相似,其主要原因是硅微粉的粒子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光滑,在配方中的分散性優(yōu)于白炭黑。加入偶聯(lián)劑Si69 后,4 號(hào)配方硫化膠的物理性能明顯提高,各項(xiàng)性能達(dá)到了1 號(hào)配方的水平,而5 號(hào)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(huán)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(tuán),而偶聯(lián)劑Si69 是一種雙官能團(tuán)的硅烷改性劑,一個(gè)官能團(tuán)可與白炭黑表面的活性官能團(tuán)反應(yīng)生成Si —O —Si 鍵,另一個(gè)官能團(tuán)又可與橡膠大分子產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合,偶聯(lián)劑Si69 起到橡膠與白炭黑的交聯(lián)作用,且在混煉中因偶聯(lián)劑Si69 與白炭黑的反應(yīng)提高了橡膠對(duì)白炭黑的浸潤(rùn)性從而改善了白炭黑的分散性;硅微粉是經(jīng)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(tuán)硅烷改性劑反應(yīng)的活性基團(tuán),因此,在配方中加入偶聯(lián)劑Si69對(duì)硅微粉不起作用。

2.3  硅微粉在輪胎配方中的應(yīng)用試驗(yàn)
經(jīng)室內(nèi)各項(xiàng)性能試驗(yàn)后進(jìn)行了車間大料試驗(yàn),按正常生產(chǎn)工藝進(jìn)行,混煉中微硅粉吃粉快,分散性好,膠料的物理性能測(cè)試結(jié)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(dá)到正常生產(chǎn)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(yīng)力、強(qiáng)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(qiáng)伸性能逐漸下降,其它性能基本保持不變。

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

注:試驗(yàn)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(yīng)用于胎面膠的成品試驗(yàn)
采用表4的試驗(yàn)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(wěn)定性好,成型、硫化工藝正常。成品輪胎性能試驗(yàn)結(jié)果見表6 。

注: 3 A 為試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后正常停機(jī);B 和C 為試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后,由于設(shè)備原因停機(jī)。輪胎規(guī)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(yàn)輪胎成品性能完全能達(dá)到正常生產(chǎn)輪胎的水平,滿足各項(xiàng)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(dǎo)致體積成本增加,為此應(yīng)注意從配方上調(diào)整膠料密度,在滿足各項(xiàng)物理性能的條件下,盡量降低膠料密度。

3  結(jié)論
(1) 硅微粉是部分或全部替代半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的理想材料。
(2) 硅微粉與白炭黑的比表面積和粒徑大小均不在同一檔次上,微硅粉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分散性好。
(3) 胎面配方采用硅微粉、胎體膠配方采用硅微粉等量替代活性鈣后,成品輪胎完全能達(dá)到正常生產(chǎn)配方的各項(xiàng)性能水平和使用要求。
(4) 硅微粉單價(jià)為1. 60 元·kg – 1 ,活性鈣單價(jià)為1. 30 元·kg – 1 ,二者密度一致,但硅微粉性能優(yōu)于活性鈣;與其它填充補(bǔ)強(qiáng)劑相比,無論是性能還是價(jià)格,硅微粉都具有很大的優(yōu)勢(shì)。另一方面,由于硅微粉即微硅粉是冶金行業(yè)的“三廢”回收產(chǎn)品,開發(fā)利用這類產(chǎn)品,對(duì)改善生態(tài)環(huán)境,提高人民健康水平,是十分有利的。