不同牌號溶聚丁苯橡膠在輪胎胎面膠中的應用性能

劉華僑，孫茂忠，李紅衛，顧培霜，汪傳生

[1.特拓（青島）輪胎技術有限公司，山東 青島 266061；2.青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061]

目前，國內輪胎胎面膠用溶聚丁苯橡膠（SSBR）的牌號主要有RC2557S和RC2564S，國外牌號主要有LG2550。為應對某一SSBR生產廠家停機檢修而引起的供貨不足情況，輪胎生產企業經常對于胎面膠用SSBR牌號選取額外的1—2種驗證材料，用以等量替換或配方微調，從而避免停產風險[1-3]。例如，2019年4月中國石油獨山子石化公司停機檢修造成RC2557S每月5 000 t的產能停滯，國內很多輪胎企業面臨原材料短缺危機，必須啟用RC2564S和LG2550的應對方案。雖然這3個牌號SSBR的物理性能和動態力學性能均在配方開發目標限值要求內，但因其獨特的相對分子質量及其分布而造成門尼粘度不同，從而影響膠料加工性能，因此必須對其工業化性能進行研究。

本工作針對RC2557S，RC2564S和LG2550 3種牌號SSBR，以門尼粘度為評判標準進行密煉工藝調整，研究3種牌號SSBR在輪胎胎面膠中的應用性能。

1 實驗

1.1 主要原材料

SSBR，牌號RC2557S和RC2564S，中國石油獨山子石化公司產品；牌號LG2550，韓國LG公司產品（SSBR出廠技術參數見表1）。天然橡膠（NR），牌號STR20，泰國產品。白炭黑，牌號1115MP，青島羅地亞白炭黑有限公司產品。炭黑N234，江西黑貓炭黑股份有限公司產品。偶聯劑Si69，南京曙光精細化工有限公司產品。環保芳烴油V500，德國漢圣化工集團產品。

表1 SSBR出廠技術參數

1.2 基本配方

SSBR（變品種） 80，NR 20，白炭黑 70，炭黑N234 12，偶聯劑Si69 8.4，氧化鋅 3，硬脂酸 2，環保芳烴油V500和填充油 37，微晶蠟1.5，防老劑4020 2，硫黃 1.8，促進劑CBS 1.5。

1.3 主要設備和儀器

BB430型密煉機，日本神戶制鋼公司產品；M-2000-AN型硫化儀，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產品；150 N拉力試驗機和壓縮生熱試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；VMA2000型流動性測試儀，特拓（青島）輪胎技術有限公司產品；GABOMETER-150型動態力學性能分析（DMA）儀，德國GABO檢測儀器公司產品。

1.4 混煉工藝

母膠和終煉膠均采用BB430型密煉機進行混煉。

母膠采用三段混煉工藝，一段混煉初始轉子轉速為55 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，混煉工藝為：加入生膠、小料和炭黑，混煉22 s后提壓砣，加油，轉子轉速減小至45 r·min-1，混煉20 s或溫度達到122 ℃時提壓砣，清掃，轉子轉速減小至20 r·min-1，膠料升溫至146 ℃自動進入恒溫煉膠模式，恒溫混煉30 s后排膠；二段混煉初始轉子轉速為50 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，混煉工藝為：加一段混煉膠混煉20 s后提壓砣，轉子轉速減小至45 r·min-1，混煉25 s后提壓砣，轉子轉速減小至35 r·min-1，混煉至125 ℃時提壓砣，轉子轉速減小至30 r·min-1，膠料達到145 ℃時提壓砣，排膠；三段混煉初始轉子轉速為45 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，混煉工藝為：加二段混煉膠混煉20 s后提壓砣，轉子轉速減小至40 r·min-1，混煉25 s后提壓砣，轉子轉速減小至35 r·min-1，混煉至120 ℃時提壓砣，轉子轉速減小至30 r·min-1，膠料達到140 ℃時提壓砣，排膠。

終煉初始轉子轉速為35 r·min-1，壓砣壓力為0.5 MPa，混煉工藝為：加三段混煉膠混煉30 s后提壓砣，轉子轉速減小至30 r·min-1，混煉35 s后提壓砣，轉子轉速減小至25 r·min-1，混煉20 s或溫度達到110 ℃時提壓砣，排膠。

3種SSBR中RC2557S母膠采用三段混煉工藝，RC2564S和LG2550母膠僅采用前兩段混煉工藝；3種SSBR的終煉工藝相同。

1.5 性能測試

（1）流動性。采用VMA2000型流動性測試儀進行分析，測試溫度為90 ℃。

（2）加工性能。采用RPA2000橡膠加工分析儀對混煉膠進行應變掃描，測試條件為：頻率 1 Hz，溫度 60 ℃，應變范圍 0.1%～40%。

（3）物理性能。各項性能均按相應的國家標準測試，其中壓縮生熱的測試條件為：沖程 4.45 mm，負荷 1 MPa，溫度 55 ℃。

（4）動態力學性能。采用DMA儀進行溫度掃描，測試條件為：拉伸模式，溫度范圍 -65～65℃，頻率 10 Hz，升溫速率 2 ℃·min-1。

2 結果與討論

2.1 硫化特性

SSBR膠料的硫化特性見表2。

表2 SSBR膠料的硫化特性

從表2可以看出：RC2564S母膠采用兩段混煉工藝，膠料的門尼粘度最小；LG2550母膠和終煉膠工藝均與RC2564S相同，但膠料的門尼粘度較大；RC2557S母膠采用三段混煉工藝，膠料門尼粘度與LG2550相當，但仍大于RC2564S。這是因為RC2557S的相對分子質量比RC2564S大25%左右，生膠的門尼粘度較高，而且RC2564S的乙烯基含量較大，與白炭黑硅烷化反應的活性連接點較多，白炭黑硅烷化反應的二級反應化學連接點增加，白炭黑分散性提高。為保證胎面膠半部件擠出尺寸均勻穩定，胎面膠隨SSBR替換情況需調整混煉工藝，調節門尼粘度水平，因此，RC2557S母膠的混煉需要額外增加一段返煉工藝，導致膠料的能耗增大，流轉周期延長。

從表2還可以看出，3種SSBR膠料的硫化特性相當，在輪胎硫化過程中可設定相同的硫化工藝。

2.2 流動性

SSBR膠料的流動值見表3。

從表3可以看出：雖然RC2557S膠料的門尼粘度比RC2564S膠料高，但RC2557S膠料的流動值最大，比RC2564S增大28%左右；LG2550膠料的門尼粘度與RC2557S膠料相當，但流動性較低。因此，門尼粘度并不能有效地表征SSBR膠料的流動性。

表3 SSBR膠料的流動值 （100 mm）-1

從表3還可以看出，隨著測試時間的延長，各膠料的流動性下降，且下降幅度相當。因此，可以采用VMA2000型流動性測試儀對膠料的流轉周期進行控制。

2.3 加工性能

SSBR膠料的剪切儲能模量（G′）和損耗模量（G″）與應變的關系曲線分別如圖1和2所示。

圖1 SSBR膠料的G′-應變曲線

圖2 SSBR膠料的G″-應變曲線

從圖1和2可以看出，隨著應變的增大，3種SSBR膠料的G′和G″的下降趨勢相似，說明其Payne效應相當。

當應變從0.28%增大到40%時，SSBR膠料的G′和G″下降率見表4。

從表4可以看出，3種SSBR膠料的G′和G″下降率基本相同。這說明在3組工藝條件下，各膠料的白炭黑硅烷化反應及填料分散性良好。

表4 SSBR膠料的G′和G″下降率 %

2.4 物理性能

SSBR硫化膠的物理性能見表5。

表5 SSBR硫化膠的物理性能

從表5可以看出：3種SSBR硫化膠的硬度、定伸應力、拉伸強度和回彈值相當；LG2550硫化膠的拉斷伸長率最大；RC2557S硫化膠的撕裂強度最大；RC2564S硫化膠的耐磨性能最好，壓縮溫升最低。

綜合來看，3種SSBR因分子鏈結構及微觀結構單元的差異化而導致性能不同。一般來說，SSBR的苯乙烯含量主要影響膠料的力學強度，乙烯基含量對力學強度的影響較小，主要影響與白炭黑反應的活性點，從而影響膠料的耐磨性能和生熱性能等。從配方設計上看，3種SSBR可以在相同配方體系下實現相互替換。

2.5 動態力學性能

SSBR膠料的儲能模量（E′）和損耗因子（tanδ）與溫度的關系曲線分別如圖3和4所示。

圖3 SSBR膠料的E′-溫度曲線

圖4 SSBR膠料的tanδ-溫度曲線

動態力學性能主要包括Tg、0和60 ℃時的tanδ。Tg決定了膠料的適應環境溫度，Tg越高，膠料的抗濕滑性能和干地操縱性能越好；Tg越低，則越有利于降低膠料的滾動阻力和提高耐磨性能。一般來說，0 ℃時的tanδ表征膠料的抗濕滑性能，其值越大，抗濕滑性能越好；60 ℃時的tanδ表征膠料的滾動阻力，其值越小，滾動阻力越低[4-5]。SSBR膠料的動態力學性能見表6。

從圖3和4及表6可以看出，在相同配方體系下3種SSBR膠料的Tg均在（-10±2） ℃范圍內，RC2557S膠料的Tg略低，LG2550膠料次之，RC2564S膠料最高。這是因為雖然3種SSBR膠料的苯乙烯含量相同，但RC2564S膠料的乙烯基含量最大，生膠的靜態Tg最高。膠料在0 ℃時的tanδ與動態Tg有明顯的相關性，RC2564S膠料在0 ℃時的tanδ最大，LG2550膠料次之，RC2557S膠料最小，說明RC2564S膠料的抗濕滑性能最好；RC2557S膠料在60 ℃時的tanδ最小，RC2564S膠料次之，LG2550膠料最大，但DMA儀測試存在儀器偏差，3種膠料在60 ℃時的tanδ測定值相對誤差均在2%左右，屬于波動范圍內，因此可以認為3種SSBR膠料的滾動阻力基本相同。

表6 SSBR膠料的動態力學性能

通過對配方設計性能進行綜合分析，認為3種牌號SSBR可以相互替換。

3 結論

（1）以門尼粘度作為加工性能的評價指標時，RC2557S膠料的門尼粘度最大，相對于RC2564S和LG2550膠料需要額外增加一段返煉工藝，使膠料的能耗增大，流轉周期延長。

（2）門尼粘度在一定條件下并不能有效表征膠料的流動性，RC2557S母膠采用三段混煉工藝，其流動性優于RC2564S和LG2550膠料。

（3）RC2557S，RC2564S和LG2550膠料的硫化特性、物理性能和滾動阻力相當，3種牌號SSBR在相同配方體系下可以實現相互替換。