超細(xì)全硫化粉末橡膠改性丁苯橡膠的性能研究

王清才，李 波，李花婷，紀(jì)瑞華，喬金梁，張曉紅，高建明

（1.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100143；2.中國(guó)石油錦州石化分公司，遼寧 錦州 121001；3.中國(guó)石化北京化工研究院，北京 100013）

隨著人們環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)和石油資源日趨緊張，降低汽車(chē)燃油消耗變得越來(lái)越重要。汽車(chē)燃油消耗除了受汽車(chē)自身設(shè)計(jì)因素影響外，輪胎滾動(dòng)阻力是重要影響因素之一。輪胎滾動(dòng)阻力造成的燃油消耗占汽車(chē)燃油消耗的14%～17%，輪胎滾動(dòng)阻力每降低10%，汽車(chē)燃油消耗通常可降低1%～2%。輪胎標(biāo)簽法規(guī)除了對(duì)輪胎滾動(dòng)阻力有嚴(yán)格限制外，還對(duì)耐磨性能、抗?jié)窕阅芎驮肼曁岢隽艘骩1-6]。

超細(xì)全硫化粉末橡膠（UFPR）是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的新材料[7-15]。世界幾大橡膠與輪胎公司用丁苯橡膠（SBR）、丁腈橡膠（NBR）、順丁橡膠、氯丁橡膠制備的UFPR改性輪胎胎面膠，可以改善抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅埽⒔档蜐L動(dòng)阻力[8-30]。中國(guó)石化北京化工研究院采用放射性同位素（Co60γ射線）或電子射線使膠乳交聯(lián)，再噴霧干燥制得UFPR，用其改性的膠料綜合性能良好[31-32]。

為進(jìn)一步提高UFPR對(duì)SBR的改性效果，中國(guó)石化北京化工研究院將膠乳交聯(lián)后未噴霧干燥的UFPR直接與SBR膠乳混合，再共沉淀制成UFPR改性SBR（UFPR-SBR）。UFPR-SBR具有UFPR交聯(lián)度高（交聯(lián)度大于90%）、粒徑小（粒徑為50～200 nm）、與SBR基體作用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

本工作研究UFPR-SBR膠料的性能，并與未改性的SBR膠料進(jìn)行對(duì)比，為高性能輪胎用原材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

SBR，牌號(hào)1502（結(jié)合苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.235），中國(guó)石化齊魯石化分公司產(chǎn)品；13種UFPR-SBR（組成如表1所示），中國(guó)石化北京化工研究院提供；3#標(biāo)準(zhǔn)參比炭黑，中橡集團(tuán)炭黑工業(yè)研究設(shè)計(jì)院產(chǎn)品。

表1 UFPR-SBR的組成

1.2 試驗(yàn)配方

SBR1502/UFPR-SBR 100，炭黑 50，氧化鋅 3，硬脂酸 1，硫黃 1.75，促進(jìn)劑TBBS 1，合計(jì) 156.75。

1.3 主要設(shè)備與儀器

1.57 L本伯里密煉機(jī)，英國(guó)法雷爾公司產(chǎn)品；XK-160型開(kāi)煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；M200E型門(mén)尼粘度計(jì)、C200E型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、T2000E型電子拉力機(jī)、V3000E壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；WML-76型阿克隆磨耗試驗(yàn)機(jī)，江都試驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品；DMTA IV型動(dòng)態(tài)機(jī)械熱分析儀（DMA），美國(guó)Rheometric Scientific公司產(chǎn)品；RSS-Ⅱ型橡膠滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)，北京萬(wàn)匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

膠料混煉分兩段進(jìn)行。一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，密煉室初始溫度為60 ℃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為80 r·min-1，加料順序?yàn)椋荷z→炭黑→氧化鋅和硬脂酸→排膠。二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，輥溫為（50±5）℃，加料順序?yàn)椋阂欢位鞜捘z→包輥→硫黃和促進(jìn)劑→薄通6次→下片。

終煉膠在平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為160℃×20 min。

1.5 性能測(cè)試

（1）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能用DMA測(cè)試。測(cè)試條件為：頻率 10 Hz，應(yīng)變 0.5%，升溫速率 2℃·min-1。

（2）滾動(dòng)阻力用橡膠滾動(dòng)阻力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試。測(cè)試條件為：負(fù)荷 15 MPa，轉(zhuǎn)速 400 r·min-1，時(shí)間 30 min。

（3）膠料其他性能按照相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 混煉膠性能

SBR和UFPR-SBR混煉膠性能如表2所示。

從表2可以看出：與SBR混煉膠相比，UFPRSBR混煉膠的門(mén)尼粘度較高；隨著UFPR質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，除含蒙脫土的UFPR以外，UFPR-SBR混煉膠的門(mén)尼粘度總體提高。這是由于高度交聯(lián)的UFPR具有一定的模量，UFPR既具有填料作用又與SBR基體作用力較強(qiáng)。此外，UFPR高度交聯(lián)的粒子形態(tài)阻礙了炭黑對(duì)UFPR的浸潤(rùn)和滲透，相當(dāng)于增大了炭黑的有效體積，使UFPR-SBR混煉膠門(mén)尼粘度提高。

從表2還可以看出，與SBR混煉膠相比，除4#和5#UFPR-SBR（UFPR主要成分為結(jié)合苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5的SBR）混煉膠門(mén)尼焦燒時(shí)間t5縮短外，其他UFPR-SBR混煉膠的門(mén)尼焦燒時(shí)間接近或延長(zhǎng)。

從表2還可以看出：與SBR混煉膠相比，UFPR-SBR混煉膠的FL提高，F(xiàn)max接近或提高；1#—8#UFPR-SBR（UFPR主要成分為SBR和羧基丁苯橡膠）混煉膠的Fmax-FL降低，9#—13#UFPRSBR混煉膠（UFPR主要成分為NBR）的Fmax-FL接近或提高；硫化速率指數(shù)（Vc）總體增大，硫化速率較快。

表2 SBR和UFPR-SBR混煉膠性能

2.2 硫化膠物理性能

SBR和UFPR-SBR硫化膠物理性能如表3所示。

表3 SBR和UFPR-SBR硫化膠物理性能

從表3可以看出，與SBR膠料相比，UFPRSBR膠料的硬度和300%定伸應(yīng)力提高，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率有不同程度降低，撕裂強(qiáng)度接近或提高，壓縮疲勞溫升變化不大，UFPR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05～0.10的UFPR-SBR膠料的物理性能變化較小。

膠料的拉伸性能取決于填料用量、比表面積和結(jié)構(gòu)以及橡膠的交聯(lián)密度和橡膠-填料的相互作用。由于UFPR以粒子形式分散在SBR基體中，在拉伸變形下，UFPR表現(xiàn)出填料作用，但模量比炭黑低得多，且變形能力不如SBR；UFPR也有利于提高SBR-炭黑的相互作用，使更多SBR分子鏈固定在炭黑上。因此UFPR-SBR膠料的硬度和300%定伸應(yīng)力提高，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率降低。

2.3 硫化膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

SBR和UFPR-SBR硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指數(shù)如表4所示。阿克隆磨耗量指數(shù)越大，表示耐磨性能越差；0 ℃時(shí)tanδ指數(shù)越大，表示抗?jié)窕栽胶茫粷L動(dòng)阻力指數(shù)越大，表示滾動(dòng)阻力越高。

表4 SBR和UFPR-SBR硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能指數(shù)

從表4可以看出：與SBR膠料相比，UFPRSBR膠料的耐磨性能總體提高；UFPR質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03～0.05的UFPR-SBR膠料耐磨性能較好。UFPR對(duì)膠料耐磨性能的改善主要得益于SBR與UFPR的相互作用、SBR與炭黑的相互作用和UFPR在SBR基體中的均勻分散。

從表4還可以看出：與SBR膠料相比，1#—3#UFPR-SBR膠料和9#—11#UFPR-SBR膠料的抗?jié)窕阅苊黠@提高；6#—8#UFPR-SBR膠料的抗?jié)窕阅軟](méi)有明顯改善。這是由于極性、高交聯(lián)的UFPR提高了SBR分子鏈的剛性，有助于提高膠料抗?jié)窕阅堋?/p>

從表4可以看出：與SBR膠料相比，1#—5#UFPR-SBR膠料的滾動(dòng)阻力變化不大；6#—8#UFPR-SBR膠料的滾動(dòng)阻力隨UFPR質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而提高；9#—13#UFPR-SBR膠料的滾動(dòng)阻力降低，特別是13#UFPR-SBR膠料滾動(dòng)阻力降幅最大。

3 結(jié)論

（1）與SBR混煉膠相比，UFPR-SBR混煉膠門(mén)尼粘度總體提高，硫化速率加快。

（2）與SBR膠料相比，UFPR-SBR膠料硬度和300%定伸應(yīng)力提高，其他物理性能總體變化不大。

（3）與SBR膠料相比，UFPR-SBR膠料的耐磨性能和抗?jié)窕阅苡兴岣撸瑵L動(dòng)阻力變化不大，能較好地平衡膠料的的“魔三角”性能。

（4）UFPR-SBR（UFPR主要成分為結(jié)合苯乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3的SBR和結(jié)合丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.31的NBR）耐磨性能和抗?jié)窕阅芎茫籙FPRSBR（UFPR主要成分為結(jié)合丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.26的NBR）耐磨性能好和滾動(dòng)阻力低。