印尼1 號煙片膠與國產全乳膠硫化特性和動態行為研究

龐靜嫻 王敏 林榮彬 李耀輝 桂紅星 高天明

（1.嶺南師范學院化學化工學院 廣東湛江 524048；2.中國熱帶農業科學院橡膠研究所海南海口 571101）

天然橡膠是重要的關乎國計民生的戰略物資。目前，我國大部分的天然橡膠產品都可以做到自給自足，但航空輪胎用天然橡膠除外，導致我國戰略安全存在隱患。

航空輪胎用膠主要使用進口煙片膠，尤其以印尼1 號為主。煙片膠[1]是采用傳統的天然橡膠加工工藝制作而成的，該工藝是采用木材煙熏的方法使天然橡膠片緩慢干燥的一種技術。目前關于煙片膠的研究越來越多，國內天然橡膠研究的重點、重大項目都集中于航空輪胎用天然橡膠（國產高性能天然橡膠替代進口煙片膠領域）。許體文等[2]對比了泰國3 號煙片膠與進口、國產標準膠的性能，結果顯示，該煙片膠僅有少數性能優于標準天然橡膠，完全達不到航空輪胎用膠的水平；曾宗強等[3]對比了長期貯存進口煙片膠和國產煙片膠加工性能的差別，結果顯示，長期貯存進口煙片膠的性能并不能全面說明煙片膠性能的優劣；劉家新等[4]從配方角度開展研究，使馬來西亞標準5 號膠的性能達到甚至超過馬來西亞煙片膠的性能。簡言之，目前對于煙片膠的研究主要集中在制膠加工工藝、橡膠基本性能等方面[5-7]，對于橡膠動態行為的研究報道較少。

橡膠材料動態行為的研究通常采用橡膠加工分析儀（RPA），在不同條件（應變、頻率、溫度等）下對膠片進行掃描測試，分析橡膠材料的動態行為[8-9]。在輪胎領域，通常將應變掃描模擬成不同路況下橡膠材料的動態行為；頻率掃描則模擬成不同行進速度下橡膠材料的動態行為。航空輪胎最嚴格的要求是起飛和著陸的安全性，尤其是飛機高速著陸瞬間胎面快速接觸地面，瞬間的沖擊對輪胎性能的要求很高，按照流變學原理可以將其模擬為橡膠材料高頻率下的動態行為。本研究著重采用RPA 表征天然橡膠的動態行為，通過對印尼1 號煙片膠與國產標準全乳膠的硫化特性和動態行為進行對比研究，掌握煙片膠與國產標準膠動態行為的差異性。

1 材料與方法

1.1 材料

印尼1 號煙片膠（煙片膠）、國產標準全乳膠（標準膠）由中國熱帶農業科學院橡膠研究所提供；硫磺、氧化鋅、硬脂酸、2-巰基苯并噻唑（促進劑M）等其他用料為市售商業級。

1.2 方法

1.2.1 天然橡膠硫化膠樣品的制備參照GB/T 6038—2006，使用開煉機制備混煉膠，采用無轉子硫化儀測得混煉膠的正硫化時間后，在平板硫化機上硫化，硫化條件為150℃×t90。硫化配方（干基，質量份，g）：生膠100、氧化鋅6、硬脂酸0.5、硫磺3.5、促進劑M 0.5。

1.2.2 生膠6 項指標生膠的雜質含量、灰分、氮含量、揮發分含量、塑性初值和塑性保持率分別參照GB/T 8086—2008、GB/T 4498.1—2013、GB/T 8088—2008、GB/T 24131—2017、GB/T 3510—2006、GB/T 3517—2014 進行測試。

1.2.3 生膠復數粘度生膠的復數粘度采用橡膠加工分析儀（RPA2000,Alpha Technological,OH,USA）測試。將生膠樣品置于RPA 模腔中進行頻率和應變掃描，頻率掃描：溫度60℃，應變1°，頻率范圍0.03～33.3 Hz；應變掃描：溫度60℃，頻率0.5 Hz，應變范圍0～40°。

1.2.4 硫化特性混煉膠的硫化特性參數及硫化速率常數測試：混煉膠的硫化特性參數采用無轉子硫變儀測試（MDR-2000 型，無錫蠡園電子化工設備有限公司）。硫化速率常數（CRI）是用來評價橡膠硫化速率的參數，通過式（1）計算得到[10]。

將混煉膠置于平板硫化機中模壓硫化，硫化條件為150℃×t90min。

1.2.5 有效鏈平均相對分子質量測試[11]采用平衡溶脹法測試天然橡膠的有效鏈平均相對分子質量，實驗選用甲苯作為溶劑，將天然橡膠樣品置于甲苯溶劑中溶脹72 h，然后用公式（2）計算溶脹度Q。

式中：m1，溶脹體內甲苯的質量；m2，溶脹體內NR 的質量；ρ1，甲苯溶脹前的密度；ρ2，NR 溶脹前的密度。

根據液體晶格模型理論和橡膠交聯網的高彈性統計理論，可導出溶脹度Q 與有效鏈平均相對分子質量之間的關系。

式中：V1，溶劑的摩爾體積；χ1，NR 與甲苯之間的相互作用參數；φ，聚合物在溶脹體中所占的體積分數，即溶脹度的倒數（φ2=1/Q）。

1.2.6 橡膠加工分析儀測試硫化膠的動態性能采用橡膠加工分析儀（RPA2000,Alpha Technological,OH,USA）測試。將混煉膠樣品置于RPA模腔中，按照t90硫化（150℃），硫化后再進行組合掃描，頻率掃描：溫度100℃，應變1°，頻率范圍0.03～33.3 Hz；應變掃描：溫度100℃，頻率0.5 Hz，應變范圍0～40°。

1.2.7 力學性能硫化膠片物理機械性能測試參照 GB/T 529-2009 進行，使用電子拉力機（AI-3000 型，高鐵檢測儀器有限公司，中國臺灣）進行測試，拉伸速度為500 mm/min。

2 結果與分析

2.1 天然橡膠的6 項指標

天然橡膠的6 項指標是傳統的表征NR 基本性能的指標參數。標準全乳膠和印尼1 號煙片膠的6 項指標見表1。結果顯示，2 種膠雜質含量、氮含量、灰分含量都相差不大，煙片膠的揮發分含量略高；煙片膠的塑性初值和塑性保持率均高于全乳標準膠。

表1 全乳標準膠和煙片膠的常規指標

2.2 復數粘度

橡膠的復數黏度可以表示膠料的表觀粘度[12]。采用橡膠加工分析儀測試膠料的粘度，可以得到更加細致、全面的表觀粘度數據。煙片膠和標準全乳膠在不同頻率和應變掃描狀態下的復數粘度見圖1。RPA 測試結果顯示，不管是頻率掃描還是應變掃描，生膠的復數粘度都不斷降低；這是因為隨著頻率或應變的增加，測試的剪切速率增大，從而導致生膠的粘度響應不斷降低，即剪切變稀現象。另外，在不同頻率和應變掃描狀態下，標準膠的表觀粘度都明顯高于煙片膠的表觀粘度，較高的粘度說明了橡膠的分子量較高[13]；而煙片膠的粘度較低，硫化助劑在煙片膠中更容易分散。

2.3 硫化特性

硫化是橡膠材料重要的加工過程，硫化工藝決定橡膠材料的使用性能。天然橡膠硫化膠的硫化特性參數見表2。結果顯示，煙片膠的最大扭矩（MH）是5.36 d·Nm，而全乳膠的最大扭矩僅為 4.65 d·Nm；煙片膠的正硫化時間（t90）是7.2 min，比全乳膠的硫化時間縮短5 min 以上。煙片膠的硫化速率常數（CRI）比全乳標準膠的大，本實驗中，煙片膠的硫化速率常數大約是全乳標準膠的2 倍。本研究認為，東南亞煙片膠的凝固工藝主要采用自然凝固方式，而國內主要采用酸凝固工藝，自然凝固過程中微生物會降解天然橡膠中蛋白質組分[14]，而蛋白質分解物有助于加快橡膠硫化速度，因此導致煙片膠硫化速率（CRI）較快。天然橡膠硫化特性曲線見圖2。從圖2 可以明顯看出，煙片膠硫化后扭矩較高、硫化速率較快。

表2 硫化膠的硫化特性參數

2.4 硫化膠力學性能和交聯密度

煙片膠和全乳標準膠的力學性能和相鄰交聯點間分子量見表 3。有效鏈平均相對分子質量（Mc）可用來表征橡膠的交聯密度[15]，通常Mc越小，說明交聯點間的分子量越少，橡膠的交聯密度大，交聯網絡致密。由于較高的交聯密度、致密的網絡結構，印尼1 號煙片膠的拉伸強度比全乳膠標準膠高3 MPa 以上，同時扯斷伸長率比標準膠的略低。煙片膠表現出較低的表觀粘度，但是硫化后，煙片膠交聯密度和拉伸強度均高于全乳標準膠的。說明煙片膠不僅硫化速度快，而且硫化效率高，交聯網絡結構致密。致密的橡膠網絡結構不僅提高了拉伸強度，也限制了分子鏈之間的滑移，減少了摩擦，降低了橡膠材料的內生熱。

表3 煙片膠和標準膠的力學性能和交聯密度

2.5 動態行為

不同應變和頻率掃描狀態下，煙片膠和標準全乳膠硫化膠的儲能模量（G’）響應見圖3。在應變掃描中，隨著應變的增加，硫化膠的儲能模量不斷的降低，煙片膠硫化膠展示出比標準膠硫化膠較高的動態模量；在頻率掃描中，隨著頻率的不斷升高，儲能模量不斷升高，煙片膠硫化膠同樣展示出較高的儲能模量；根據飛機輪胎接觸地面時的瞬間觸地現象（即較高頻率），較高的儲能模量能夠保證輪胎的完整性，從而可以提高其安全性。

應變和頻率掃描狀態下，煙片膠和標準膠的損耗因子（tan δ）響應見圖4。損耗因子通常與橡膠內生熱對應，較高的損耗因子對應較高的生熱溫度。隨著應變或頻率的升高，硫化膠樣品的損耗因子都提高，這是因為頻率和應變增加，橡膠分子的運動增加，分子間的摩擦隨之增加。在應變和頻率掃描下，煙片膠硫化膠都展現了較低的損耗因子，也即內生熱小；因此在航空輪胎觸地的瞬間，煙片膠所產生的熱量較少，減少了高溫對橡膠材料的損傷（比如老化等）。

3 結論

印尼1 號煙片膠生膠的表觀粘度低于國產全乳標準膠，但是其硫化速率快，硫化時間短，硫化膠的交聯密度較高，拉伸強度好于全乳標準膠。

動態性能可以更加直觀地表征輪胎材料在使用過程中的性能。不管是在應變掃描還是頻率掃描中，煙片膠都表現出較高的儲能模量(G’)和較低的損耗因子(tanδ)、更好的剛度和較低的內生熱，更適合應用于飛機輪胎產業。