抗疲勞劑PAPI在缺氣保用輪胎支撐膠中的應用

張 寧，鄭 濤，龍飛飛，姜 杰，徐 巖

（山東豐源輪胎制造股份有限公司，山東 棗莊 277300）

輪胎對汽車的安全性至關重要，一旦爆胎或被扎破漏氣，很容易導致交通事故。輪胎在完全漏氣時縮小變形，汽車失去平衡偏向一側，駕駛者會失去操控能力，即便是在較低的行駛速度下，也有可能發生事故[1]。缺氣保用輪胎顧名思義是在漏氣的情況下，仍然能以正常速度（例如80 km·h-1）安全行駛一段距離（約80 km）。我公司開發的自體支撐式缺氣保用輪胎胎側部位使用支撐膠，以保證在缺氣情況下輪胎輪廓的穩定性。

抗疲勞劑PAPI含有多官能團馬來酰亞胺化合物，有助于炭黑分散，可直接參與橡膠的硫化交聯，重構交聯網絡，抑制硫化返原。

本工作研究抗疲勞劑PAPI的性質及其在缺氣保用輪胎支撐膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），TSR20，馬來西亞產品；釹系順丁橡膠（BR），牌號CB24，朗盛化學（中國）有限公司產品；炭黑N550，江西黑貓炭黑股份有限公司產品；氧化鋅，安丘恒山鋅業有限公司產品；工藝油V700，上海麒祥化工科技有限公司產品；增粘樹脂SL-T421，華奇（中國）化工有限公司產品；抗硫化返原劑PK900和防焦劑CTP，山東陽谷華泰化工股份有限公司產品；防老劑4020、促進劑TiBTD和促進劑TBBS，山東尚舜化工有限公司產品；不溶性硫黃IS-7020，朝陽明宇化工有限公司產品；抗疲勞劑PAPI，大冢材料科技（上海）有限公司產品。

1.2 配方

原始配方（1#配方）：NR 70，BR 30，炭黑N550 80，氧化鋅 8，硬脂酸 2，工藝油V700 2，抗硫化返原劑PK900 0.5，增粘樹脂SL-T421 2，防老劑和促進劑 5.8，不溶性硫黃IS-7020和防焦劑CTP 3.1。

試驗配方（2#，3#，4#配方）分別以0.5，1和2份抗疲勞劑PAPI替代0.5份抗硫化返原劑PK900，其他同原始配方；5#試驗配方在原始配方基礎上添加1份抗疲勞劑PAPI。

1.3 主要設備和儀器

XM370型密煉機、XKR-660型全自動開煉機、屈撓試驗機和炭黑分散度儀，軟控股份有限公司產品；X（S）M-1.5X型密煉機、XK-160型開煉機和XLB-400-400型四立柱平板硫化機，青島科高橡塑機械技術裝備有限公司產品；MV3000型門尼粘度儀，德國Montech公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；Z3130型硬度計，德國Zwick公司產品；3365型拉力試驗機，美國英斯特朗公司產品。

1.4 混煉工藝

小配合試驗膠料分兩段混煉，一段混煉在密煉機中進行，轉子轉速為65 r·min-1，填充系數為70%，混煉工藝為：生膠→混煉預熱30 s→加樹脂、硬脂酸等小料混煉15 s→加炭黑混煉到溫度為105℃→加油等助劑混煉到溫度為125 ℃→清掃后混煉到溫度135 ℃時排膠→下片后停放6 h。二段混煉在開煉機中進行，混煉工藝為：通過打卷和打三角包方式搗膠至膠料均勻包輥→加硫黃、促進劑、氧化鋅、抗疲勞劑PAPI等→左右3/4各割膠3次→調整輥距薄通10次，下片待用。

大配合試驗采用SSM低溫一步法煉膠工藝，生膠、炭黑、樹脂、硫黃、促進劑、氧化鋅等在密煉機中初步混煉，膠料排放到全自動開煉機上壓制成片后分流給4組全自動開煉機，膠料在每組開煉機上實現自動混煉，全過程為補充混煉、冷卻、收取[2-5]。

1.5 性能測試

膠料和成品性能均按照相應國家標準或企業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 抗疲勞劑PAPI反應機理

2.1.1 抗疲勞劑PAPI簡介

抗疲勞劑PAPI是一種橡膠高耐久改性劑，其分子結構式見圖1。抗疲勞劑PAPI軟化點不高于70 ℃，不揮發的同時具備易分散等特點。抗疲勞劑PAPI分子結構上的多個苯環調整了炭黑與橡膠的作用方式，可以與炭黑偶聯，提高炭黑的分散性，降低膠料的生熱。同時抗疲勞劑PAPI通過Alder-Ene反應，可直接參與橡膠的硫化交聯，重構交聯網絡，抑制硫化返原，提高膠料熱氧老化后的物理性能，抑制裂紋生長，改善耐疲勞性能。

圖1 抗疲勞劑PAPI的分子結構式

2.1.2 抗疲勞劑PAPI與抗硫化返原劑PK900的對比

抗硫化返原劑PK900適用于硫黃硫化橡膠，如NR、丁苯橡膠和BR等，能明顯改善過硫情況。抗硫化返原劑PK900以熱穩定性的碳-碳交聯鍵補償返原而損失的硫黃硫化交聯鍵，保持交聯密度，從而保持硫化膠的物理性能，提高耐熱老化性能，降低動態生熱。抗硫化返原劑PK900為側甲基供電子，雙鍵活性弱、不參與硫化，僅進行Diels-Alder反應。

與抗硫化返原劑PK900相比，抗疲勞劑PAPI的活性官能團更多，活性更強，同時可通過Alder-Ene反應直接參與橡膠的硫化交聯，重構交聯網絡。抗疲勞劑PAPI與抗硫化返原劑PK900的性質對比見表1。

表1 抗疲勞劑PAPI與抗硫化返原劑PK900的性質對比

2.2 小配合試驗

小配合試驗膠料硫化特性和硫化膠物理性能對比分別見表2和3。

由表2和3可見：4#和5#配方膠料的耐屈撓龜裂和耐老化性能均優于3#配方膠料，但是4#配方膠料的門尼焦燒時間較原始配方膠料縮短3 min以上，且門尼粘度較高，加工性能變差；3#，4#和5#配方膠料的Fmax減小、t90延長。綜合考慮選擇3#和5#配方進行車間大配合試驗。

表2 小配合試驗膠料硫化特性對比

表3 小配合試驗硫化膠物理性能對比

2.3 大配合試驗

大配合試驗膠料硫化特性和硫化膠物理性能對比分別見表4和5。

表4 大配合試驗膠料硫化特性對比

由表4可見：試驗配方膠料的門尼粘度較原始配方膠料有所減小、焦燒時間延長，提升了膠料的加工安全性，有利于膠料正常生產；5#配方膠料的t10，t50，t90數據與原始配方膠料較接近，交聯密度較高，加工性能滿足生產工藝要求。

由表5可見，試驗配方硫化膠的硬度略減小，拉伸強度和拉斷伸長率均有提升，壓縮疲勞溫升降低，耐屈撓性能提升，其中3#配方硫化膠的耐屈撓性能提升幅度較大，但耐老化性能降低。

表5 大配合試驗硫化膠物理性能對比

2.4 成品性能

采用原始配方及3#和5#配方支撐膠生產235/45R18 98W FRD866缺氣保用輪胎，并進行成品性能測試。

2.4.1 耐久性能

成品輪胎耐久性試驗按企業標準QB/NP01—2017《轎車輪胎性能室內試驗方法》進行，輪胎充氣壓力為340 kPa，試驗結果見表6。

由表6可見，1#，3#，5#配方支撐膠輪胎的耐久性試驗累計行駛時間分別為50，69，80 h。試驗配方成品輪胎耐久性能達到國家標準要求。

表6 成品輪胎耐久性試驗結果

2.4.2 高速性能

成品輪胎高速性能按企業標準QB/GP04—2017《轎車子午線輪胎高速性能試驗方法》測試，輪胎充氣壓力為360 kPa，試驗結果如表7所示。

由表7可見，1#，3#，5#配方支撐膠輪胎的高速性能測試累計行駛時間分別為90，99，115 min。試驗配方成品輪胎高速性能超過國家標準要求。

表7 成品輪胎高速性能試驗結果

2.4.3 零氣壓耐久性能

成品輪胎零氣壓耐久性能按企業標準QB/NP03—2017《自體支撐型缺氣保用輪胎耐久性能試驗方法》測試，輪胎充氣壓力為零，速度為80 km·h-1，負荷率為65%。1#，3#，5#配方支撐膠輪胎的零氣壓耐久性能試驗累計行駛時間分別為60，73，165 min。試驗配方成品輪胎零氣壓耐久性能達到標準要求。

3 結論

研究抗疲勞劑PAPI在缺氣保用輪胎支撐膠中的應用，結果表明抗疲勞劑PAPI可大幅提升支撐膠的耐屈撓性能，保證了缺氣保用輪胎的安全駕駛性能，同時支撐膠硬度的減小可提升駕乘舒適性。