EXXPRO對全溴化丁基橡膠膠料氣密性的影響

陸曉祺，黃大業，陳 立，王丹靈

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎是一種極其復雜的橡膠制品，而輪胎氣密層是層壓到無內胎輪胎內部的一個薄橡膠層。氣密層的主要功能是保持氣壓穩定，經配方設計制成的氣密層可提供良好的氣密性、耐屈撓疲勞性能、耐老化性能及與胎體良好的粘合性能[1-2]。如果輪胎氣密層的氣密性較好，出現胎壓不足的可能性就很小，即可以節省油耗，消費者也就無需經常檢查[3-4]。

EXXPRO是埃克森美孚化工公司開發的一種新型特種彈性體，它是一種溴化聚合物，由異丁烯和對甲基苯乙烯（PMS）共聚制得，溴化反應選擇性地發生在PMS的甲基基團上，能提供活性芐基溴官能團[5-6]。與一般溴化丁基橡膠（BIIR）[7-8]相比，EXXPRO分子鏈增加的PMS基團有效地提高了分子鏈堆積密度，使氣體更加難以透過。EXXPRO的使用可使輪胎氣密層質量減小80%，且在防漏氣方面表現更佳[9-10]。

本工作主要研究兩種牌號EXXPRO等量部分或全部替代BIIR對輪胎氣密層膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

EXXPRO，牌號3563和3745；BIIR，牌號2222，埃克森美孚化工公司產品，基本性能參數見表1。

表1 EXXPRO和BIIR的基本性能參數

1.2 試驗配方

試驗配方見表2。

表2 試驗配方 份

1.3 主要設備和儀器

PHM-2.2型小密煉機，璧宏機械工業股份有限公司產品；S（X）K-160型開煉機，上海市拓林輕化機械廠產品；M200E型門尼粘度儀，北京友深電子儀器有限公司產品；GT-2000A型無轉子硫化儀，上海諾甲儀器儀表有限公司產品；TS-2000M型拉力試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；VR-7120型動態熱機械分析（DMA）儀，日本UESHIMA公司產品；VAC-V2型氣密性檢測儀，濟南蘭光機電技術有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料分兩段混煉，均在小密煉機中進行，出片在開煉機上進行。

一段混煉密煉機的填充因數為0.8，密煉室溫度為60 ℃，轉子轉速為55 r·min-1。混煉工藝如下：加入生膠→壓壓砣30 s→加入全部炭黑、操作油和小料→壓壓砣，升溫至100 ℃→提壓砣，清掃→壓壓砣，混煉至130 ℃→提壓砣→排膠→開煉機過輥2次后出片。二段混煉密煉機的填充因數為0.64，密煉室溫度為40 ℃，轉子轉速為30 r·min-1。混煉工藝如下：加入一段混煉膠和硫化劑→壓壓砣，升溫至75 ℃→提壓砣，清掃→壓壓砣，混煉至95 ℃→提壓砣→排膠→開煉機過輥2次后出片。混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為160 ℃×15 min。

1.5 性能測試

（1）動態力學性能。采用DMA儀測試硫化膠的動態力學性能，測試條件為：應變 7%±2%，溫度范圍 30～80 ℃，升溫速率 2 ℃·min-1，頻率10 Hz。

（2）氣密性。在相同測量溫度下，對相同表面積的硫化試樣進行氣體滲透損失測試，根據氣壓損失評價膠料的氣密性。為了提高EXXPRO對氣密層膠氣密性影響的重現性，每個膠料配方進行3次氣密性試驗，對透氣率取平均值。

（3）其他性能均按相應的國家或企業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 硫化特性和物理性能

不同配方膠料的硫化特性見表3。

從表3可以看出：采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，膠料的交聯密度（Fmax－FL）增大，這與EXXPRO中存在的PMS基團有關；其中3#配方膠料的Fmax－FL最大，這一方面是受PMS基團的影響，另一方面是因為溴含量較高也增加了交聯點，提高了硫化膠的交聯密度。隨著EXXPRO3563或3745替代量的增大，膠料的t10延長，t90縮短，門尼焦燒時間基本保持不變，說明PMS基團可提高分子鏈中鹵素原子的反應活性。

表3 不同配方膠料的硫化特性

不同配方硫化膠的物理性能見表4。

表4 不同配方硫化膠的物理性能

從表4可以看出：隨著EXXPRO3745替代量的增大，硫化膠的硬度和定伸應力提高，而拉伸強度和拉斷伸長率降低；而隨著EXXPRO3563替代量的增大，硫化膠的300%定伸應力先下降后提高，而拉伸強度先提高后下降。以此推測，較少的PMS基團含量可提高分子鏈間纏結，物理性能提高，但隨著PMS基團含量的增大，分子鏈剛性提高，反而使物理性能降低。此外，EXXPRO3745的高溴含量促進了膠料的交聯密度增大，因此硫化膠的硬度提高，拉斷伸長率降低。

2.2 動態力學性能

通常以DMA儀測試的損耗因子（tanδ）來表征硫化膠的動態力學性能，60 ℃時的tanδ越小，膠料的生熱越低，滾動阻力越小[11-12]。不同配方膠料的tanδ-溫度曲線如圖1所示。

圖1 不同配方膠料的tan δ-溫度曲線

從圖1可以看出，采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，膠料60 ℃時的tanδ均有一定程度的下降，且隨著EXXPRO3745或3563替代量的增大，60 ℃時的tanδ逐漸減小，說明加入EXXPRO可以提高膠料的動態力學性能，降低膠料生熱。

2.3 氣密性

不同配方膠料的透氣率見表5。

表5 不同配方膠料的透氣率1014 cm2·（Pa·s）-1

從表5可以看出，采用EXXPRO等量部分或全部替換BIIR后，膠料的透氣率明顯減小，說明EXXPRO的PMS基團在分子鏈中形成堆積效應，可顯著提高膠料的氣密性。

分析認為：一方面，通過對比1#，2#和4#配方膠料或1#，3#和5#配方膠料可以看出，較低含量的PMS基團即可顯著提高膠料的氣密性，隨著PMS基團含量的繼續增大，膠料的氣密性提升效果減緩；另一方面，通過對比1#，2#和3#配方膠料或1#，4#和5#配方膠料可以看出，膠料的交聯密度越大，氣密性越好。由此判斷，PMS基團含量小和橡膠交聯密度大是EXXPRO3745膠料的氣密性優于EXXPRO3563膠料的主要原因。

2.4 成品性能

采用不同配方膠料制備T155/70R17 RP05輪胎，并進行氣密性機床試驗，試驗結果見表6。

表6 成品輪胎的氣密性數據 %

從表6可以看出，采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，成品輪胎的氣密性提高，且隨著EXXPRO用量的減小，輪胎的氣密性下降，這也驗證了膠料氣密性試驗結果。

3 結論

在全BIIR氣密層膠中采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，膠料的交聯密度增大，硫化膠的氣密性和動態力學性能提高，生熱降低。EXXPRO中PMS基團的引入，提高了分子鏈的致密性，降低了氣體小分子的透過量，提高了氣密性。在輪胎設計過程中可以減小氣密層厚度，從而進一步降低輪胎的滾動阻力，改善輪胎的燃油經濟性。