國產(chǎn)稀土順丁橡膠在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中的應(yīng)用研究

云 霄，王 偉，閆 平，曹運章，李衛(wèi)國

（賽輪金宇集團股份有限公司，山東 青島 266555）

隨著歐盟和國內(nèi)輪胎標(biāo)簽法規(guī)的先后出臺，國內(nèi)外消費市場均對輪胎的燃油經(jīng)濟性、抗?jié)窕阅芤约碍h(huán)境保護等方面提出了更為嚴(yán)苛的要求。稀土順丁橡膠（NdBR）以其降低輪胎滯后損失、提高耐磨和抗?jié)窕阅芤约案纳评匣阅艿奶攸c而被廣泛應(yīng)用于綠色環(huán)保輪胎中。

本工作主要研究兩種NdBR在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中的應(yīng)用性能，并與傳統(tǒng)鎳系順丁橡膠（NiBR）進行對比。

1 實驗

1.1 主要原材料

NdBR，牌 號Nd-40 和Nd-60；NiBR，牌 號BR9000，中國石化北京燕山分公司產(chǎn)品。天然橡膠（NR），20#標(biāo)準(zhǔn)膠，泰國產(chǎn)品。溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號SSBR2557s，充油37.5份，中國石油獨山子石化公司產(chǎn)品。炭黑N234，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品。白炭黑，牌號NEWSIL?HD 165MP，確成硅化學(xué)股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 基本配方

全天候輪胎胎面膠配方：SSBR2557s 88，Nd-40 或BR9000 36，炭 黑N234 75，其 他17.23。

冬季輪胎胎面膠配方：NR 50，Nd-60或BR9000 50，白炭黑 80，其他 23.72。

1.3 主要設(shè)備和儀器

XK-160型開煉機、XSM-1.5 L密煉機和XLB 500-30型平板硫化機，青島科高橡塑機械技術(shù)裝備有限公司產(chǎn)品；HPE型硬度計，德國Bareiss公司產(chǎn)品；5965型電子拉力機，美國Instron公司產(chǎn)品；GT-7012-A型阿克隆磨耗試驗機和GT-2042RDH型彈性儀，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；MV2000型門尼粘度計、MDR2000型無轉(zhuǎn)子硫化儀和Disper GRADER+型炭黑分散儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；STD A861型動態(tài)力學(xué)分析儀，瑞士Mettler Toledo公司產(chǎn)品；GX-YLSN-1114型輪胎高速耐久性試驗機，青島高校測控技術(shù)有限公司產(chǎn)品；TS1109型輪胎滾動阻力試驗機，德國Testing Service Gmbh公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 全天候輪胎胎面膠

采用三段混煉工藝制備，一段混煉工藝為：加入生膠、部分炭黑和小料，轉(zhuǎn)速50 r·min-1，混煉45 s→加油料，轉(zhuǎn)速不變，混煉40 s→空提壓砣，轉(zhuǎn)速不變，混煉30 s→升壓砣，排膠；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠、剩余炭黑和小料，轉(zhuǎn)速45 r·min-1，混煉45 s→空提壓砣，轉(zhuǎn)速35 r·min-1，混煉50 s→空提壓砣，轉(zhuǎn)速21 r·min-1，混煉20 s→升壓砣，密煉機排膠→在開煉機上低溫混煉，排膠；三段混煉工藝為：加入二段混煉膠和終煉小料，轉(zhuǎn)速22 r·min-1，混煉30 s→空提壓砣，轉(zhuǎn)速不變，混煉30 s→空提壓砣，轉(zhuǎn)速不變，混煉至110℃→升壓砣，排膠。

1.4.2 冬季輪胎胎面膠

采用兩段混煉工藝制備，一段混煉工藝為：加入生膠和部分小料，轉(zhuǎn)速50 r·min-1，混煉15 s→加入部分白炭黑，轉(zhuǎn)速不變，混煉40 s→加油料，轉(zhuǎn)速不變，混煉至135 ℃→升壓砣，轉(zhuǎn)速35 r·min-1，混煉至148 ℃→升壓砣，排膠；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠、剩余白炭黑和小料，轉(zhuǎn)速55 r·min-1，混煉40 s→壓壓砣，清掃，轉(zhuǎn)速35 r·min-1，混煉至148 ℃→壓壓砣，清掃，轉(zhuǎn)速20 r·min-1，在153 ℃下混煉90 s→壓壓砣，密煉機排膠→在開煉機上低溫混煉，按程序設(shè)置投入終煉小料，排膠。

混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為168℃×10 min。

1.5 性能測試

（1）門尼粘度：采用門尼粘度計按照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。

（2）硫化特性：采用無轉(zhuǎn)子硫化儀按照GB/T 1233—2008《未硫化橡膠 初期硫化特性的測定用圓盤剪切粘度計》測試。

（3）物理性能：邵爾A型硬度采用硬度計按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第一部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》測試；拉伸性能和撕裂強度采用電子拉力機分別按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》和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。

（4）耐熱老化性能：采用熱老化箱按照GB/T 3512—2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗》測試，老化溫度為100 ℃。

（5）炭黑分散程度：采用炭黑分散儀測試。

（6）沖擊彈性：采用彈性儀按照GB/T 1681—2009《硫化橡膠回彈性的測定》測試。

（7）耐磨性能：采用阿克隆磨耗試驗機按照GB/T 1689—1998《硫化橡膠耐磨性能的測定（用阿克隆磨耗機）》測試。

（8）動態(tài)粘彈性能：采用動態(tài)力學(xué)分析儀測試，剪切模式，升溫速率為3 K·s-1。

（9）高速和耐久性能：采用輪胎高速耐久性試驗機按照GB/T 4502—2009《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》測試。

（10）滾動阻力：采用輪胎滾動阻力試驗機按照ISO 28580：2009《轎車、卡車和客車輪胎測量滾動阻力的方法》測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對分子質(zhì)量及其分布

不同牌號BR的相對分子質(zhì)量及其分布見表1。由表1可知，Nd-40和Nd-60的數(shù)均相對分子質(zhì)量（Mn）和重均相對分子質(zhì)量（Mw）均高于BR9000，但二者的相對分子質(zhì)量分布（Mw/Mn）均與BR9000接近。

表1 不同牌號BR的相對分子質(zhì)量及其分布

2.2 加工工藝性能

2.2.1 Nd-40與BR9000對比

Nd-40與BR9000在全天候輪胎胎面膠中的工藝性能對比見表2。

由表2可知：與BR9000相比，Nd-40生膠與混煉膠的門尼粘度相差較大，說明Nd-40與炭黑之間形成的結(jié)合膠相對更多，其與炭黑的結(jié)合能力優(yōu)于BR9000，有利于炭黑在混煉膠中的分散；同時Nd-40膠料的Fmax相對較高，炭黑的分散程度也較大，說明NdBR與填料間具有較好的結(jié)合能力。

表2 Nd-40與BR9000膠料的工藝性能對比

由表2還可以看出，Nd-40膠料的t90和t5略短于BR9000膠料，但基本符合現(xiàn)場加工工藝要求。

Nd-40胎面擠出狀態(tài)和成型接頭狀態(tài)如圖1所示。在現(xiàn)場試驗過程中，Nd-40和BR9000膠料的混煉過程良好，無超溫排膠及粘輥筒現(xiàn)象，膠片外觀狀態(tài)較佳，可滿足現(xiàn)場加工工藝要求。經(jīng)工藝條件調(diào)整，Nd-40和BR9000混煉膠的擠出胎面尺寸合格，外觀及斷面狀態(tài)良好，成型工序胎面接頭粘性良好。Nd-40膠料在密煉、擠出、成型等加工工藝方面均可滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

圖1 Nd-40胎面擠出狀態(tài)和成型接頭狀態(tài)

2.2.2 Nd-60與BR9000對比

Nd-60與BR9000在冬季輪胎胎面膠中的工藝性能對比見表3。

由表3可知，與BR9000相比，Nd-60生膠與混煉膠的門尼粘度相差較大，膠料的Fmax相對較高，說明Nd-60與白炭黑的結(jié)合能力較好，填料分散程度較高。Nd-60膠料的t90與BR9000膠料相近，t5相對較長，說明Nd-60膠料的現(xiàn)場加工安全性較好。

表3 Nd-60與BR9000膠料的工藝性能對比

Nd-60胎面擠出狀態(tài)和成型接頭狀態(tài)如圖2所示。在現(xiàn)場試驗過程中，Nd-60混煉膠的門尼粘度適中，擠出胎面表面光滑、尺寸合格，成型接頭狀態(tài)良好。BR9000由于生膠的門尼粘度相對較低，導(dǎo)致其混煉膠的門尼粘度過低。在胎面擠出過程中，BR9000混煉膠的擠出胎面強度較低，易在牽引過程中發(fā)生斷裂，因此BR9000不適合用于冬季輪胎胎面膠配方中。Nd-60的混煉膠通過試驗調(diào)整，基本滿足了現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

圖2 Nd-60胎面擠出狀態(tài)和成型接頭狀態(tài)

2.3 物理性能和動態(tài)力學(xué)性能

不同牌號BR膠料的物理性能和動態(tài)力學(xué)性能見表4。

由表4可知，Nd-40和Nd-60分別在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中表現(xiàn)出較高的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度。Nd-40和Nd-60硫化膠的定伸應(yīng)力與BR9000硫化膠相當(dāng)，未表現(xiàn)出優(yōu)勢。與NiBR相比，NdBR的相對分子質(zhì)量較高，分子鏈規(guī)整度高、線性好，膠料滯后損失小，因此Nd-40和Nd-60硫化膠具有較大的回彈值。在全天候輪胎胎面膠中，同樣是因為相對分子質(zhì)量高、線性好等分子結(jié)構(gòu)優(yōu)勢使得Nd-40硫化膠的耐磨性能優(yōu)于BR9000硫化膠。膠料老化后拉伸強度一般呈下降趨勢，但Nd-40與Nd-60膠料老化后的拉伸強度保持率均高于BR9000膠料，說明二者的耐老化性能相對較好。與BR9000相比，Nd-40和Nd-60均表現(xiàn)出較好的綜合物理性能。

表4 不同牌號BR膠料的物理性能和動態(tài)力學(xué)性能

由表4還可以看出：Nd-40和Nd-60膠料在0 ℃時的tanδ與BR9000膠料相同，說明Nd-40和Nd-60膠料的抗?jié)窕阅芘cBR9000膠料接近；但Nd-40和Nd-60膠料在60 ℃時的tanδ較低，滯后損失小、生熱低，說明Nd-40和Nd-60膠料的滾動阻力性能優(yōu)于BR9000膠料，燃油經(jīng)濟性較好。

2.4 成品性能

在全天候輪胎試驗中，分別使用Nd-40和BR9000混煉膠擠出的胎面試制輪胎并進行成品性能測試；在冬季輪胎試驗中，由于BR9000混煉膠的門尼粘度相對偏低，胎面擠出狀態(tài)欠佳，因此僅使用Nd-60混煉膠擠出的胎面試制輪胎并進行成品性能測試，試驗結(jié)果見表5。

表5 輪胎成品性能測試結(jié)果

由表5可知：在全天候輪胎成品性能測試中，采用Nd-40和BR9000膠料的成品輪胎在室內(nèi)高速性能和耐久性能測試中均顯示為合格，其中采用Nd-40膠料的成品輪胎滾動阻力性能優(yōu)于采用BR9000膠料的成品輪胎；在冬季輪胎成品性能測試中，采用Nd-60膠料的成品輪胎在室內(nèi)高速性能和耐久性能測試中均顯示為合格。

3 結(jié)論

（1）兩種國產(chǎn)NdBR的加工工藝性能基本滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求，且NdBR與填料的結(jié)合能力較好，有利于填料的分散。

（2）Nd-40和Nd-60分別在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中表現(xiàn)出相對較好的物理性能，拉伸強度、撕裂強度以及老化后拉伸強度保持率均高于BR9000膠料；Nd-40在全天候輪胎胎面膠中的耐磨性能優(yōu)于BR9000膠料；Nd-40和Nd-60膠料的滾動阻力性能均優(yōu)于BR9000膠料。

（3）Nd-40和Nd-60試驗輪胎的高速性能和耐久性能均符合產(chǎn)品設(shè)計要求，且胎面使用Nd-40膠料的全天候輪胎的滾動阻力小于使用BR9000膠料的全天候輪胎。