高門尼粘度異戊橡膠在全鋼載重子午線輪胎中的應用

趙姜維，周志峰，張 杰，李花婷，徐 林

（1.中國石化北京化工研究院燕山分院 橡塑新型材料合成國家工程研究中心，北京 102500；2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計院有限公司，北京 100143）

異戊橡膠（IR）根據(jù)其合成所用催化（引發(fā)）體系的不同可分為鋰系、鈦系和稀土系IR。其中稀土系IR的順式結(jié)構(gòu)含量最大，是所有IR中結(jié)構(gòu)最接近天然橡膠（NR）分子鏈結(jié)構(gòu)的品種[1-3]，廣泛應用于輪胎、膠管、膠帶和醫(yī)用制品等[4-5]。進入21世紀，我國IR產(chǎn)能迅速增長，目前年產(chǎn)能已達17.5萬t，新建裝置全部用于生產(chǎn)稀土系IR。

通常橡膠的相對分子質(zhì)量越高，其力學性能越好，但同時導致膠料的加工性能變差。IR用于輪胎生產(chǎn)時，大多數(shù)輪胎生產(chǎn)企業(yè)通常要求其門尼粘度以70左右為宜，少數(shù)企業(yè)可接受門尼粘度約為80的IR。近年來，輪胎生產(chǎn)企業(yè)的加工水平不斷提高，加工設(shè)備不斷更新，使得將更高門尼粘度的IR應用于輪胎生產(chǎn)成為可能。中國石化北京化工研究院成功開發(fā)出了不同門尼粘度的IR，并系統(tǒng)研究了門尼粘度為70～80的產(chǎn)品應用性能[2，6-7]。

本工作研究高門尼粘度（92）異戊橡膠（HMIR）在全鋼載重子午線輪胎中的應用，以期為HMIR的應用提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國產(chǎn)品；HMIR，中國石化北京化工研究院燕山分院中試裝置合成[8-9]，順式結(jié)構(gòu)質(zhì)量分數(shù)為98.1%；其他均為輪胎工業(yè)常用原材料。

1.2 配方

基本配方（用量/份）：HMIR 100，工業(yè)參比炭黑8#35，氧化鋅 5，硬脂酸 2，硫黃 2.25，促進劑TBBS 0.7。

胎面膠原始配方（用量/份）：NR 100，炭黑

60，氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，防老劑4020 3.5，硫黃 1.3，促進劑TBBS 1.4，其他 4.9。

胎體簾布膠原始配方（用量/份）：NR 100，炭黑 42.1，氧化鋅 8，硬脂酸 1，防老劑4020 3.1，硫黃 4.9，促進劑DCBS 1.4，其他 7.3。

胎肩膠原始配方（用量/份）：NR 100，炭黑

42.1，氧化鋅 4，硬脂酸 1，防老劑4020 2.5，硫黃 3，促進劑TBBS 1.5，其他 4.8。

胎面膠、胎體簾布膠和胎肩膠試驗配方分別以30，20，20份HMIR等量替代NR，其余組分及用量同原始配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

SMV-300型門尼粘度計，島津企業(yè)管理（中國）有限公司產(chǎn)品；RSS-Ⅱ橡膠滾動阻力試驗機和耐切割試驗機，北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

按照ISO 2303—2019《非充油溶液聚合型異戊二烯橡膠（IR）評價方法》中的評定規(guī)程，一段混煉在密煉機中進行，二段混煉在開煉機上進行。膠料在平板硫化機上硫化，硫化條件為溫度為135℃，時間除特別提及外均為40 min。

1.5 性能測試

（1）門尼粘度、物理性能和成品輪胎性能均按照相應國家標準測試。

（2）滾動阻力采用橡膠滾動阻力試驗機測試，條件為：時間 30 min，負荷 15 MPa，轉(zhuǎn)速400 r·min-1。

（3）耐切割質(zhì)量損失分數(shù)采用耐切割試驗機測試，條件為：時間 15 min，打擊速度 120次·min-1，轉(zhuǎn)速 725 r·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本配方性能

2.1.1 混煉工藝

膠料混煉密煉機最高電流為25 A、平衡電流為16 A。一段混煉中膠料混煉效果和排膠結(jié)團性較好；二段混煉中膠料在開煉機上包輥好，排膠及壓出后膠片的外觀均勻光亮，滿足加工要求。

2.1.2 硫化特性

HMIR膠料的門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]為42，門尼焦燒時間t5，t35和Δt30（120 ℃）分別為37.92，46.85和8.93 min。硫化儀數(shù)據(jù)（160 ℃）的FL和Fmax分別為0.425和1.740 dN·m；ts1和t90分別為3.57和8.20 min。

混煉后HMIR膠料的門尼粘度降至42，可滿足加工要求；FL高于NR膠料[6]，表明HMIR膠料的流動性相對較差。

HMIR硫化膠的物理性能見表1。

從表1可以看出，與文獻報道的NR硫化膠性能相比[6]，HMIR硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率較高，300%定伸應力較低，壓縮疲勞溫升明顯下降。因此，在實際應用中HMIR需與NR并用，可保持性能，降低滾動阻力。

表1 硫化膠的物理性能

2.2 應用配方性能

2.2.1 胎面膠

胎面膠的物理性能見表2。

表2 胎面膠的物理性能

從表2可以看出：與原始配方硫化膠相比，胎面膠試驗配方硫化膠的硬度和300%定伸應力增大；拉伸強度、撕裂強度和回彈值無明顯變化；疲勞溫升升高，阿克隆磨耗量減小約30%，耐切割質(zhì)量損失較小，表明HMIR的加入可提高膠料的耐磨性能和抗切割性能。熱空氣老化后，試驗配方硫化膠的耐磨和抗切割性能仍優(yōu)于原始配方硫化膠。

胎面膠的動態(tài)性能見表3。

表3 胎面膠的動態(tài)性能

從表3可以看出，與原始配方硫化膠相比，胎面膠試驗配方硫化膠的功率損耗、動態(tài)變形量和膠料溫升均減小，表明HMIR加入后可在一定程度上降低輪胎的滾動阻力。

2.2.2 胎體簾布膠

胎體簾布膠的物理性能見表4。

表4 胎體簾布膠的物理性能

從表4可以看出，與原始配方硫化膠相比，胎體簾布膠試驗配方硫化膠的300%定伸應力、撕裂強度和回彈值變化不大，拉伸強度減小。

粘合性能是胎體簾布膠的關(guān)鍵性能指標。胎體簾布膠老化前后鋼絲簾線抽出力如表5所示。

從表5可以看出，與原始配方膠料相比，胎體簾布膠試驗配方膠料的鋼絲簾線抽出力相當，表明添加20份HMIR不影響膠料的鋼絲粘合性能，能夠滿足胎體簾布膠的性能要求。

表5 胎體簾布膠老化前后的鋼絲簾線抽出力 N

2.2.3 胎肩膠

胎肩膠的物理性能見表6。

表6 胎肩膠的物理性能

從表6可以看出，與原始配方硫化膠相比，胎肩膠試驗配方硫化膠的300%定伸應力和撕裂強度增大，熱空氣老化后的拉伸強度略減小，表明20份HMIR等量替代NR不會對膠料性能產(chǎn)生明顯影響，能夠滿足胎肩膠的性能要求。

2.3 成品輪胎性能

分別將試驗配方胎面膠、胎體簾布膠和胎肩膠應用于全鋼載重子午線輪胎。輪胎試制采用工廠原始工藝，各工序進行順利，未出現(xiàn)明顯異常。成品輪胎性能測試結(jié)果如表7所示。

表7 成品輪胎性能測試結(jié)果

從表7可以看出，試制輪胎的充氣外緣尺寸、強度和耐久性能均達到GB 9744—2015的要求。

為考察成品輪胎的實際使用性能，進行了實際道路里程試驗。選擇車輛類型為自卸車，裝配了2條全NR輪胎和7條試驗輪胎，行駛道路主要為路況較差的鄉(xiāng)村泥土路和建筑工地路面，以模擬輪胎在極限情況下的使用性能。成品輪胎的實際道路行駛里程見表8。

從表8可以看出：全NR輪胎行駛3.9萬～4.1萬km時損壞；7條試驗輪胎中有5條輪胎行駛3.8

表8 成品輪胎的實際道路行駛里程

萬～4.3萬km時損壞，2條輪胎行駛4.7萬km時仍未損壞。由此可見，試驗輪胎的使用壽命相當或略優(yōu)于全NR輪胎，表明HMIR部分等量替代NR后，并不影響輪胎的使用性能。

3 結(jié)論

（1）HMIR硫化膠的物理性能差于NR硫化膠，故HMIR需要與NR并用。

（2）分別以30，20和20份HMIR等量替代NR用于胎面膠、胎體簾布膠和胎肩膠，胎面膠的硬度和300%定伸應力增大，耐磨和抗切割性能提高，滾動阻力減??；胎體簾布膠的300%定伸應力、撕裂強度、回彈值和粘合性能相當；胎肩膠的300%定伸應力和撕裂強度增大，拉伸強度略減小。

（3）采用HMIR部分等量替代NR試制的全鋼載重子午線輪胎的充氣外緣尺寸、強度和耐久性能均達到國家標準要求，實際使用性能與全NR輪胎相當或略優(yōu)。