不同牌號釹系順丁橡膠在輪胎胎圈膠中的應用性能對比

付友健，徐文龍，于海洋，汪 燕，徐 旗

[浦林成山（山東）輪胎有限公司，山東 榮成 264300]

隨著全球環保意識的增強，人們對降低輪胎滾動阻力的要求越來越高。輪胎滾動阻力包括輪胎與路面的摩擦力和輪胎內部材料摩擦產生的阻力等[1]。有研究表明，在輪胎部件中，胎面產生的滾動阻力占輪胎總滾動阻力的49%，胎側占14%、胎圈占11%、胎體占11%、帶束層占8%、其他部件占7%。減小輪胎材料所產生的內摩擦阻力是降低輪胎滾動阻力的主要途徑之一[2-3]。

釹系順丁橡膠（BR）是丁二烯在釹催化劑催化作用下聚合而成的結構規整的合成橡膠，其耐磨性能、耐疲勞性能、生熱性能、滾動阻力和抗濕滑性能等優于傳統BR[4-5]。目前釹系BR主要應用于國內大型輪胎公司的乘用輪胎、載重輪胎和工程機械輪胎的胎面及胎側中，體現出比傳統BR更加優異的彈性、耐磨性能和動態力學性能，且成品輪胎速度性能明顯提高[6-8]。

但釹系BR在輪胎胎圈膠中的應用研究較少，需對其加工性能、硫化特性、物理性能和動態力學性能進行研究對比。本工作研究不同牌號釹系BR和鎳系BR9000在輪胎胎圈膠中的應用，以期為提升輪胎胎圈膠性能提供依據。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），印度尼西亞進口產品。釹系BR，牌號CB24，德國阿朗新科有限公司產品；牌號40和X 45 EP，意大利埃尼公司產品；牌號0150L，臺橡宇部（南通）化學工業有限公司產品；牌號GND45，韓國LG化學有限公司產品。鎳系BR，牌號9000，浩普新材料科技股份有限公司產品。

1.2 配方

NR 40，BR（變牌號）60，炭黑N550 70，氧化鋅 4，硬脂酸 1，防老劑 3.5，環保油 8，硫黃 3.2，促進劑TBBS 1.3，其他 3.15。

采用牌號為CB24，40，X 45 EP，0150L，GND45和9000的BR配方編號分別為1#—6#。

1.3 主要設備和儀器

XK（S）-160型開煉機、X（S）M-1.5型密煉機和XLB-400-（D）型電熱平板硫化機，青島科高橡塑機械技術裝備有限公司產品；DSC-1型差示掃描量熱（DSC）儀，瑞士梅特勒-托利多公司產品；1515型凝膠滲透色譜（GPC）儀，美國沃特世公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀（MDR）和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產品；HT3000型邵氏硬度計和RB3000型沖擊彈性試驗機，德國Montech公司產品；3360型電子拉力機，美國Instron公司產品；VR-7130型動態熱機械分析（DMA）儀，日本上島株式會社產品。

1.4 試樣制備

膠料在密煉機中分兩段進行混煉，一段混煉轉子轉速為70 r·min-1，混煉工藝為:生膠→壓壓砣30 s→炭黑、環保油→壓壓砣50 s→氧化鋅、硬脂酸、防老劑和其他小料→壓壓砣至135 ℃→提壓砣保持30 s→壓壓砣至155 ℃→排膠；二段混煉轉子轉速為35 r·min-1，混煉工藝為:一段混煉膠、硫黃和促進劑→壓壓砣50 s→提壓砣保持5 s→壓壓砣至105 ℃→排膠。

混煉膠停放24 h后，在開煉機上出片，膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為160 ℃×25 min。

1.5 性能測試

1.5.1 GPC分析

測試條件為:流動相 四氫呋喃（THF），流速1 mL·min-1，柱溫 30 ℃。

1.5.2 DSC分析

采用DSC儀測試生膠的玻璃化溫度（Tg），測試條件為:溫度－100～25 ℃，升溫速率 20 K·min-1，氮氣氣氛。

1.5.3 硫化特性

按照GB/T 9869—2014《橡膠膠料 硫化特性的測定（圓盤振蕩硫化儀法）》測試160 ℃下膠料的硫化特性。按照GB/T 1232.1—2000《未硫化橡膠 用圓盤剪切粘度計進行測定 第1部分:門尼粘度的測定》測試生膠和混煉膠的門尼粘度。按照GB/T 1233—2008《未硫化橡膠初期硫化特性的測定 用圓盤剪切黏度計進行測定》測試混煉膠127 ℃的門尼焦燒時間。

1.5.4 物理性能

按照GB/T 23651—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 硬度測試 介紹與指南》測試硫化膠的硬度。按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》測試硫化膠的定伸應力、拉伸強度和拉斷伸長率，拉伸速率為500 mm·min-1。按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》測試硫化膠的撕裂強度，拉伸速率為500 mm·min-1。按照GB/T 1681—2009《硫化橡膠回彈性的測定》測試硫化膠的彈性。

1.5.5 動態力學性能

采用DMA儀進行測試，溫度掃描條件:溫度－80～80 ℃，頻率 10 Hz，升溫速率 2 K·min-1；頻率掃描條件:溫度 60 ℃，頻率0.1～2.5 Hz。

2 結果與討論

2.1 相對分子質量及其分布

不同牌號BR的相對分子質量及其分布如表1所示。

表1 不同牌號BR的相對分子質量及其分布

從表1可以看出，釹系BR相對分子質量分布較窄，BR9000的相對分子質量分布較寬，釹系BR40和BR GND45的重均相對分子質量較大，其加工性能應略差。

2.2 門尼粘度和玻璃化溫度

生膠和混煉膠的門尼粘度和Tg如表2所示。

從表2可以看出，相對鎳系BR9000，釹系BR的生膠和混煉膠門尼粘度均較高，加工性能稍差，這是由于釹系BR相對分子質量分布窄導致的。其中添加牌號為GND45和X 45 EP的BR混煉膠門尼粘度較高。鎳系BR9000應力松弛最慢，釹系BR40次之，即其支化程度略高。釹系BR和鎳系BR9000的Tg相近。

表2 生膠和混煉膠的門尼粘度和Tg

2.3 硫化特性

混煉膠的硫化特性如表3所示。

從表3可以看出:1#，4#和6#配方混煉膠的門尼焦燒時間較長，加工安全性較優；添加5種釹系BR的混煉膠轉矩差相當，較添加鎳系BR的混煉膠大，即添加釹系BR的混煉膠交聯密度相當且大于添加鎳系BR的混煉膠；添加釹系BR和鎳系BR混煉膠的硫化速度相當。

表3 混煉膠的硫化特性

2.4 物理性能

硫化膠物理性能如表4所示。

表4 硫化膠的物理性能

從表4可以看出:添加鎳系BR9000的硫化膠拉伸強度最小，添加釹系BRX 45 EP的硫化膠次之，其余幾種硫化膠相當；1#—6#配方硫化膠的其余物理性能相當。

2.5 動態力學性能

硫化膠的溫度掃描曲線如圖1所示，頻率掃描曲線如圖2所示，tanδ為損耗因子。

圖1 硫化膠的tan δ-溫度曲線

圖2 硫化膠的tan δ-頻率曲線

從圖1和2可以看出，與添加鎳系BR9000的硫化膠相比，添加釹系BR硫化膠的滾動阻力和生熱性能提升可達30%以上。其中添加釹系BR CB24和BR40硫化膠的60 ℃時的tanδ最小，滾動阻力最小，生熱最低，可在輪胎胎圈膠中使用，以改善滾動阻力和生熱性能。

3 結論

與鎳系BR相比，釹系BR加工性能略差，混煉膠交聯密度增大，硫化膠拉伸強度增大，滾動阻力降低，生熱性能較優，其他性能相當，適用于高性能輪胎胎圈膠。綜合分析，釹系BR CB24和BR40具有更低的滾動阻力和較優的生熱性能，適合應用于低滾動阻力輪胎胎圈膠中。