溴化丁基橡膠氣密層膠配方及透氣性能的研究

李明枝，巫 超，吳苡仁

（1.桂林倍利輪胎有限公司，廣西 桂林 541899；2.杭州中德化學工業有限公司，浙江 杭州 310024）

丁基橡膠（IIR）和鹵化丁基橡膠（XIIR）是繼丁苯橡膠、順丁橡膠之后的一個通用合成橡膠品種。眾所周知，IIR是異丁烯和少量異戊二烯共聚物，其突出的優點是具有極低的透氣性能。XIIR是對IIR進行氯化和溴化制得，氯和溴進入丁基橡膠分子鏈中形成一種叫烯丙基氯或烯丙基溴的結構，在每一個雙鍵伴有一個烯丙基氯或烯丙基溴原子。含有活性溴的溴化丁基橡膠（BIIR）除了具有IIR的低透氣性能外，還具有優良的耐熱、耐臭氧、耐腐蝕、耐屈撓性能，且容易與其他橡膠并用。目前BIIR廣泛用于各種橡膠制品，如輪胎、膠管、耐高溫輸送帶、各種密封制品、減震制品、醫用制品和防腐襯里等。

到目前為止，對輪胎氣密層膠的透氣性能并沒有一個指標要求，配方設計者通常在配方優選時進行透氣系數的比較，以及進行輪胎靜態充氣壓力保持率測定或者輪胎路試動態下氣壓變化的測定。本工作在輪胎氣密層膠中應用BIIR和增強劑Creat E，進行氣密層膠的透氣性能研究。

1 實驗

1.1 主要原材料

BIIR，牌號2302，浙江信匯新材料股份公司產品；NR，STR20，泰國產品；炭黑N660，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；增強劑Create E，以富硅含量的硅酸鹽粘土礦物為原料，通過超細研磨和改性制得，產品的微觀結構為納米片層，厚度為6～10 nm，粒徑約為10 μm，二氧化硅質量分數約為0.80，寧波卡利特新材料有限公司產品。

1.2 配方

目前我國全鋼子午線輪胎的氣密層膠主體材料通常使用100%的BIIR或BIIR與少量天然橡膠（NR）并用，在并用膠中BIIR的用量通常在70份以上，我公司現在生產用的正常配方BIIR用量為80份、炭黑N660用量為55份（見表1中0#配方）。根據經驗，以正常配方為基礎，從實用的角度出發，對配方進行改進，既要保證氣密層膠的氣密性能，又要使氣密層膠具有較低的成本。由于采用片層結構的無機硅粉能改善氣密層的氣密性能，因此選取增強劑Creat E進行2個配方試驗：一是使用15份增強劑Creat E等量部分替代炭黑N660，二是直接添加15份增強劑Creat E，使配方中的填充劑總量達到70份，同時BIIR用量減小5份。實用配方如表1所示。

為了更好地了解BIIR的用量與增強劑Creat E對氣密層膠透氣性能的影響，仍然以正常配方作為對比配方，進行了100，90和80份BIIR的配方試驗，試驗配方如表2所示。

表2 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

BB-2型密煉機，日本神戶制鋼所產品；Φ160 mm×320 mm開煉機，湛江橡膠機械廠產品；100S型硫化儀，美國孟山都公司產品；45 t平板硫化機，上海虹口機器廠產品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；MV-3000型門尼粘度試驗機和TCS-2000型電子拉力試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品。

1.4 試樣制備

實驗室小配合試驗采用兩段混煉工藝，一段混煉在BB-2型密煉機中進行，二段混煉在開煉機上進行。一段混煉加料順序為：生膠→小料→炭黑→軟化劑→排膠；二段混煉加料順序為：一段混煉膠→硫化劑→薄通4次→下片。

1.5 透氣性能測定

（1）對實用配方膠料按GB/T 2941—2006制作硫化試片（160 ℃×30 min）送北京化工大學先進彈性體材料研究中心進行氣體阻隔性能測定。

北京化工大學先進彈性體材料研究中心根據ISO 2782自制自動化氣密性測試儀進行氣體阻隔性能測試，采用氮氣作為測試氣體，測試壓力為0.4 MPa，測試溫度為40 °C。試樣為直徑為8 cm的圓形薄片（厚度取5點厚度的平均值）。試驗前用乙醇對試樣表面進行清洗，然后放入干燥器中干燥24 h。所用氣體分析裝置為氣相色譜分析儀，測試原理為保持試樣兩側壓差恒定，檢測單位時間透過氣體的體積。

透氣系數（P）的計算公式為

式中V——氣體透過量，m3；

d——試樣厚度，m；

s——氣體在試樣上的透過面積，m2；

t——氣體透過時間，s；

p——試樣兩面壓差。

根據上式，對測試過程采取自動控制，得到的數據進行Visual Basic程序處理，計算得出透氣系數（透氣系數小表明氣體阻隔性能好）。

（2）對試驗配方膠料按GB/T 2941—2006制作硫化試片（160℃×30 min），送到北京彤程創展科技公司進行透氣性能檢測。檢測標準為GB/T 1038—2000，檢測儀器是VAC-VI壓差法氣體滲透儀。其原理是：把預先處理好的試樣放置在上下測試腔之間夾緊，打開測試下腔閥，對低壓腔（下腔）進行真空處理，然后對整個系統抽真空，當達到規定的真空度后關閉測試下腔閥，向高壓腔（上腔）充入一定壓力的試驗氣體，使試樣兩側形成一個恒定的壓差（可調），氣體在壓差梯度的作用下由高壓側向低壓側滲透，通過對低壓側壓強的監測處理，得出試樣的氣體透過率。

2 結果與討論

2.1 實用配方氣密層膠的性能

表3示出了實用配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數。

從表3可以看出，1#配方是用15份增強劑Create E等量部分替代炭黑N660，其膠料的透氣系數為1.14×10-13cm2·s-1·Pa-1，稍低于正常配方（0#配方）膠料的1.18×10-13，也就是說使用層片狀結構的增強劑Create E可以改善氣密層膠的透氣性能。2#配方是在正常配方的基礎上減小了5份BIIR，并添加了15份增強劑Creat E，配方的填充劑總量達到70份，其膠料的透氣系數為1.27×10-13cm2·s-1·Pa-1，比正常配方膠料僅高出0.09×10-13cm2·s-1·Pa-1，各項性能與正常配方相近。

表3 實用配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數

綜合考慮性價比，可以采用75份BIIR、直接添加15份增強劑Creat E的2#配方。該配方混煉膠的含膠率降低，目前已經采用該配方進行量產，原材料成本降低了0.50元·kg-1，成品輪胎進行靜態充氣60 d后，壓力保持率為100%。成品輪胎實際使用一年多來，用戶反映良好。

2.2 試驗配方氣密層膠的性能

表4示出了試驗配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數。

從表4可以看出，使用100和90份BIIR的B1和B2配方膠料盡管是分別添加了12和15份增強劑Creat E，但兩者的透氣性能相差很小，兩者的透氣系數僅相差0.026×10-13cm2·s-1·Pa-1。使用80份BIIR的B0，B3和B4配方膠料的透氣系數也都相近，這3個配方膠料的透氣系數平均為1.7×10-13cm2·s-1·Pa-1，透氣量平均為6.4×10-4cm3·（m2·d·Pa）-1，高于與B1和B2配方膠料。從以上試驗情況可以說明，使用100或90份BIIR的氣密層膠透氣系數比使用80份BIIR的氣密層膠低，即其氣體阻隔性能好。但由于BIIR價格高，從原材料成本和性能角度考慮應適當降低BIIR用量，并適當調整填充劑的品種和用量，以使透氣性能、物理性能和原材料成本三者之間有一個較好的平衡效果。

表4 試驗配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數

3 結論

（1）與采用80份BIIR的氣密層膠相比，采用100或90份BIIR的氣密層膠透氣系數更小，氣體阻隔性能更好。

（2）增強劑Create E等量部分替代炭黑或者直接添加到氣密層膠中，對氣密層膠的透氣性能影響不大，均有比較高的性價比。