全溴化丁基橡膠氣密層配方研究

劉 娟，孫寶興，姜在勝，劉 華，周 勇

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

溴化丁基橡膠（BIIR）作氣密層，其低氣透性有助于保持輪胎氣壓穩(wěn)定，有利于降低輪胎滾動(dòng)阻力，提高燃料效率。BIIR良好的粘合性能和綜合性能有利于作無內(nèi)胎輪胎的氣密層和有內(nèi)胎鋼絲子午線輪胎的阻水層。

目前我公司巨型工程機(jī)械子午線輪胎的氣密層配方采用氯化丁基橡膠（CIIR）和天然橡膠（NR）并用的方式。由于巨胎在部分軟質(zhì)礦山（如煤礦）的使用時(shí)間長達(dá)10 000 h，當(dāng)前配方的氣密層氣密性略顯不足。為提高巨型工程機(jī)械子午線輪胎的氣壓保持率，同時(shí)適應(yīng)工作時(shí)間長、使用環(huán)境惡劣等工作環(huán)境，在現(xiàn)有工藝條件下，開發(fā)全BIIR氣密層配方，同時(shí)降低輪胎成本，以期增強(qiáng)巨胎產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭力。

本工作研究全BIIR氣密層配方在巨型工程機(jī)械子午線輪胎中的應(yīng)用效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NR，SMR20，馬來西亞產(chǎn)品；BIIR，美國?？松梨诨す井a(chǎn)品；CIIR，德國朗盛公司產(chǎn)品；炭黑N550，山東聯(lián)科新材料股份有限公司產(chǎn)品；炭黑N660，青島貝斯特科工貿(mào)有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

生產(chǎn)配方：CIIR 80，NR 20，炭黑N550 30，均勻劑42MSF 3.5，辛基增粘樹脂SL1801 4，硫黃 1，促進(jìn)劑DM 2.5，其他 13。

試驗(yàn)配方：BIIR 100，炭黑N660 60，環(huán)保油4，均勻劑42MSF 10，增粘樹脂SP1068 10，促進(jìn)劑DM 1.5，其余均同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開煉機(jī)，上海橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；1.5 L密煉機(jī)，德國克虜伯公司產(chǎn)品；GK255型和GK400型密煉機(jī)，益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；XLB-Q 400×400×2型平板硫化機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；Instron 3367Q8137型拉力試驗(yàn)機(jī)，美國Instron公司產(chǎn)品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；BPDRRT5109.001型回彈儀，德國Gwick公司產(chǎn)品；DMA動(dòng)態(tài)粘彈譜儀，德國Cabo公司產(chǎn)品；橡膠疲勞龜裂試驗(yàn)機(jī)，揚(yáng)州市精卓試驗(yàn)機(jī)械廠產(chǎn)品；低溫脆性試驗(yàn)機(jī)，臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 小配合試驗(yàn)

膠料在實(shí)驗(yàn)室1.5 L密煉機(jī)中采用兩段混煉工藝進(jìn)行混煉，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1，一段混煉工藝為：生膠、小料→壓壓砣炭黑→壓壓砣芳烴油→壓壓砣排膠（115 ℃）；二段混煉工藝為：一段混煉膠、促進(jìn)劑、硫黃壓壓砣壓壓砣→排膠。

1.4.2 大配合試驗(yàn)

膠料采用兩段混煉工藝進(jìn)行混煉。一段混煉在GK400N型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，混煉工藝為：生膠、小料→壓壓砣→提壓砣→炭黑→壓壓砣提壓砣→環(huán)保油→壓壓砣提壓砣→壓壓砣→排膠（120～125 ℃）；二段混煉在GK255N型密煉機(jī)中進(jìn)行，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、硫黃、促進(jìn)劑→壓壓砣提壓砣→壓壓砣提壓砣→壓壓砣→排膠（90～95 ℃）。

1.5 性能測(cè)試

各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 小配合試驗(yàn)

小配合試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 小配合試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的Fmax稍低，硫化速度相當(dāng)；硫化膠的拉伸強(qiáng)度高0.1～1.5 MPa，拉斷伸長率高85%～129%，撕裂強(qiáng)度高5～7 kN·m-1。

2.2 大配合試驗(yàn)

2.2.1 物理性能

為進(jìn)一步驗(yàn)證全BIIR氣密層配方的性能，在密煉車間進(jìn)行大配合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗(yàn)配方膠料的轉(zhuǎn)矩稍低，硫化速度稍慢；試驗(yàn)配方硫化膠老化前的拉伸強(qiáng)度高0.4～0.8 MPa，拉斷伸長率高156%～170%，撕裂強(qiáng)度高4～5 kN·m-1；老化后拉伸強(qiáng)度高1.1 MPa，拉斷伸長率高293%；從老化前后的物理性能來看，試驗(yàn)配方膠料的綜合物理性能較好，耐老化性能更好。

表2 大配合試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 氣密性

老化前后氣密性能如表3所示。

表3 膠料透氣系數(shù) cm2·（Pa·s）-1

從表3可以看出，老化前試驗(yàn)配方膠料透氣系數(shù)較生產(chǎn)配方膠料小3.753×10-14cm2·（Pa·s）-1，氣密性提高了42.8%，老化后試驗(yàn)配方膠料透氣系數(shù)較生產(chǎn)配方小3.49×10-14cm2·（Pa·s）-1，氣密性提高了39.9%，老化前后試驗(yàn)配方膠料的透氣系數(shù)均小于生產(chǎn)配方膠料，說明試驗(yàn)配方膠料的氣密性優(yōu)于生產(chǎn)配方膠料。

2.2.3 耐屈撓性能

老化前后的耐屈撓性能如表4所示。

從表4可以看出：老化前生產(chǎn)配方在累計(jì)屈撓2.375萬次時(shí)最先出現(xiàn)針眼，試驗(yàn)配方在累計(jì)屈撓6.593 8萬次時(shí)出現(xiàn)針眼，老化前試驗(yàn)配方出現(xiàn)針眼的累計(jì)屈撓次數(shù)較生產(chǎn)配方高4.218 8萬次；老化后生產(chǎn)配方在累計(jì)屈撓1.25萬次時(shí)最先出現(xiàn)針眼，試驗(yàn)配方在累計(jì)屈撓10.391 7萬次時(shí)出現(xiàn)針眼，老化后試驗(yàn)配方的累計(jì)屈撓次數(shù)較生產(chǎn)配方高9.141 7萬次。

表4 老化前后耐屈撓等級(jí)

2.2.4 低溫脆性試驗(yàn)

脆性溫度為在一定條件下試樣受沖擊產(chǎn)生破壞時(shí)的最高溫度。試樣規(guī)格為長（25.0±0.5）mm×寬（6.0±0.5）mm×厚（2.0±0.3）mm。試驗(yàn)過程：測(cè)試前將試樣靜置于溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（65±5）%環(huán)境中48 h以上，在低于預(yù)計(jì)的無破壞最低溫度下開始試驗(yàn)，并每隔10 ℃做1組試驗(yàn)，直至獲得最終無破壞為止。然后將低溫槽的溫度降低至已觀察到破壞的最高溫度，并逐漸升溫進(jìn)行試驗(yàn)，升溫幅度為2 ℃，在每個(gè)溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，直到試驗(yàn)在某一溫度下獲得最終無破壞時(shí)為止，記錄該溫度做為脆性的極限溫度。

試驗(yàn)配方膠料的脆性溫度為－45.8 ℃，生產(chǎn)配方膠料的脆性溫度為－47.6 ℃，其中浸泡在酒精中5和30 min得到的結(jié)果相差無幾。本試驗(yàn)測(cè)出試驗(yàn)配方膠料與生產(chǎn)配方膠料脆性溫度相差1.8 ℃。

2.2.5 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

試驗(yàn)配方和生產(chǎn)配方膠料的損耗因子（tanδ）與溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。

輪胎在使用中主要承受交變應(yīng)力作用，用動(dòng)態(tài)粘彈譜儀數(shù)據(jù)表征硫化膠的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是研究輪胎膠料的重要手段。0 ℃時(shí)的tanδ值表征膠料抗?jié)窕阅?，其值越大抗?jié)窕阅茉胶谩?0 ℃時(shí)的tanδ值表征膠料的滾動(dòng)阻力，其值越小滾動(dòng)阻力越低。從圖1可以看出，試驗(yàn)配方膠料的抗?jié)窕阅鼙壬a(chǎn)配方膠料要好。

圖1 膠料的tanδ-溫度曲線

2.3 工藝性能

使用試驗(yàn)配方膠料，按照正常施工壓延27.00R49規(guī)格巨胎氣密層，成型后氣密層接頭情況如圖2所示。從圖2可以看出，胎內(nèi)氣密層接頭處未出現(xiàn)撕裂情況。

圖2 氣密層接頭情況

2.4 成品試驗(yàn)

2.4.1 耐久性測(cè)試

采用試驗(yàn)配方膠料試制27.00R49 TB526S巨型工程機(jī)械子午線輪胎，并對(duì)成品輪胎耐久性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，試驗(yàn)配方試制的成品輪胎機(jī)床耐久時(shí)間較正常成品輪胎長19 h，機(jī)床耐久時(shí)間延長18%，耐久性能改善。

表5 成品輪胎耐久性測(cè)試結(jié)果

2.4.2 實(shí)際路試

2015年3月將7條規(guī)格為27.00R49 E4 T2A的試驗(yàn)氣密層成品輪胎與7條正常氣密層成品輪胎發(fā)往滿洲里銅鉬礦進(jìn)行路試，數(shù)據(jù)反饋如表6所示。

從表6可以看出，兩種成品輪胎使用情況良好，均未出現(xiàn)因氣密性差導(dǎo)致的輪胎失效，但試驗(yàn)配方試制的輪胎充氣頻次每月較正常生產(chǎn)輪胎少11次，充氣頻次下降36.7%，氣壓保持率優(yōu)于正常生產(chǎn)輪胎。

表6 成品輪胎路試結(jié)果

2.5 效益分析

使用全BIIR氣密層膠料比正常生產(chǎn)膠料便宜0.99元·kg-1，每條27.00R49巨型工程機(jī)械輪胎能節(jié)約50元，用全BIIR氣密層膠配方在巨型工程機(jī)械輪胎中替代現(xiàn)有配方有一定的成本優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

全BIIR氣密層膠與原配方膠料相比，物理性能有所提高；老化前的氣密性提高42.8%，老化后的氣密性提高39.9%；機(jī)床耐久時(shí)間提高18%；實(shí)際使用過程充氣頻次下降36.7%，成本降低。