SBR/IIR再生胶共混改性及在汽车内胎应用的研究

冯 旭， 张秀斌

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳 110142)

生产内胎的最佳胶种是IIR，由于资源和工艺技术的限制，国内生产内胎大部分采用NR/SBR并用［1］.而在多数场合SBR可代替 NR使用，提供了本研究的可行性.以SBR做为生产轮胎内胎的主要原料，并掺入丁基再生胶，IIR再生胶是由废IIR胶囊制成的一种再生胶，由于国内生产厂家的胶囊配方相近，IIR再生胶的组分和质量相对稳定，因此已经在IIR内胎中得到应用［2］.由于IIR再生胶既具有IIR的耐热性、耐老化性和透气性等宝贵性能，又具有分子量小，分子大小不规整，分子极性较大，硫化活性较高的特点［3］，所以可以应用在内胎胶料中.美国固特里奇轮胎公司在1948年发明了无内胎轮胎，并且气密层胶正是 NR/SBR/RIIR并用.所以本实验试图研究SBR/RIIR/IIR并用于内胎胶料中的可行性及可能性，以达到降低成本、改善性能、保护环境的目的.

1 实验部分

1.1 主要原材及实验仪器

SBR:1500充油，吉林化学工业公司;IIR再生胶:盘锦黑马胶业有限公司;IIR:1751，北京燕山石油化工有限公司.其余助剂为橡胶工业常用品.

GT-M2000-A型橡胶硫化曲线测定仪;XK-160双棍开放式炼胶机;XLB-DQ 400×400×2E平板硫化机;H10KS型微机控制电子拉伸实验机;GT-7017-M型老化试验箱;RPA-8000橡胶加工分析仪.

1.2 性能测试方法

拉伸性能测试按照GB/T528-2009执行;老化性能测试按照 GB/T3512-2001执行;硬度按照GB/T531-1999执行.RPA测试，设置条件如下:

子测试1:硫化，频率1 Hz，应变1%，160℃×t90;

子测试2:频率扫描，温度60℃，应变1%，频率 0.016 7，0.083 3，0.166 7，0.833 3，0.166 7，8.333 3，16.666 7，33.333 3 Hz;

子测试3:形变扫描，温度60℃，频率1 Hz，形变 0.2% ，0.5% ，1% ，5% ，10% ，20%;

子测试4:温度扫描，频率1 Hz，应变1%，温度 70，80，90，100，110 ℃.

1.3 SBR/IIR再生胶/IIR基本配方

IIR再生胶变量与基本配方对比见表1.

SBR:100份，炭黑550:50份，促进剂M:2份，防老剂4010:1份，氧化锌:5份，硬脂酸:2份，石蜡:1份，古马隆:3份，机油:20份，硫黄:1.5份.硫化条件160℃ ×t90.

1.4 试样制备

开炼工艺流程如图1所示.

2 结果和讨论

2.1 SBR/IIR再生胶/IIR配合实验

配合实验胶料性能见表2.

由表2可看出，该实验配方生产的内胎胶料各项物理性能均能达到或超过国家标准(B)，可用于生产内胎.由于丁基再生胶不但保持丁基橡胶的耐热性、耐老化性和透气性等宝贵性能，且丁基再生胶具有较大的分子极性及较高的硫化活性.所以掺入丁基再生胶的配方2#、3#性能优于配方1#.且配方2#的各项性能最为优异.

2.2 SBR/IIR再生胶/IIR不同配比橡胶加工分析仪(RPA)测试

有些研究［5-6］中常用0℃ 左右的tan σ 值表征轮胎的抗湿滑程度，该值越大则抗湿滑性能越好;用60℃ 左右的tan σ值表征轮胎的滚动阻力，该值越小则滚动阻力越小;用贮能模量来表征轮胎的制动性.在本实验中采用RPA 8000橡胶加工分析仪对硫化胶样分别进行应变、频率、温度的扫描并进行对比.

2.2.1 形变对模量和内耗的影响

形变扫描可以模拟轮胎内胎胶料在不同载重、不同路面状况下的动态力学性能.因此可分析出随着形变量的增大，各配方胶料模量及内耗的变化状况，从而得知轮胎内胎在不同载重及不同路面情况下的性能变化.试验应变振幅可影响含有大量填料的橡胶的黏弹行为.因此，选择试验应变振幅时，应为橡胶在实际应用时所使用的振幅.但不能忽视的是胶种中基质的交联程度，因为基质的交联会导致在所有应变条件下G'增长和tan σ的减少.应用RPA可以看出基质交联的程度.在填充橡胶的动态应变中，损耗模量主要是由填料网络的打破和重建来控制，网络的破坏与重建过程中存在着能量损耗，这种过程越严重，能量损耗就越大，即打破填料网络部分和重建填料网络部分的比值.tan σ值所反应的是两个过程的变化率.

在不同应变条件下，对弹性模量G'与tan σ进行分析，结果如图2和图3所示.由图2和图3可以看出:在一定温度(60℃)与频率(1 Hz)的情况下，硫化胶的弹性模量G'随形变量的增加而减小，tan σ随形变量的增加而增加.随着形变量的增大，硫化橡胶的弹性模量G'下降，这是因为在橡胶混炼过程中，胶料与炭黑形成一定的网状结构，随着形变增大，这种网状结构被破坏，所以模量随形变的增大而减小，当形变量达到一定程度时，这种网络结构几乎全部被破坏，此时体系的模量趋于一致.在图3中内耗tan σ的数值反映的是分子链间的相对运动而产生内摩擦的大小，填充体系中的这种摩擦包括:填料与填料之间的摩擦;填料与橡胶间的摩擦;胶料分子链自身间的摩擦.当形变较小时，几乎不涉及界面运动，主要是填料与填料间的摩擦.如图3，配方3#胶料相互之间的接触较多，所以摩擦力较大.在较大的形变下，网络结构已几乎完全被破坏，此时主要反映的是填料与胶料间的摩擦，而配方2#胶料的分子间作用力较强，所以表现出较高的内耗.

在加工过程中，需要硫化胶的弹性较小而塑性变形较大，即G'数值较小，而内耗tan σ值较大，混炼胶tan σ越大，胶料的流动性越好，有利于加工.但内耗太大也会引起能耗的增加.

2.2.2 频率对内耗和模量的影响

频率扫描模拟的是轮胎胶料在不同车速下即频率不同时的动态力学性能［7］.所以可分析随着频率的增大，各胶种性能的变化，从而推测出轮胎内胎在不同车速下的性能.

图4和图5为不同配比共混胶G，和tan σ随频率的变化曲线(温度60℃ 、应变1%).其中，G是胶料的弹性模量，反应的是材料形变时能量贮存的大小，即回弹能力的大小.tan σ=G″/G'，反映了 G'、G″对滞后性能的综合影响，即滞后消耗与弹性恢复力的比值.

由图4可以看出:在温度与形变不变的情况下，硫化胶料的弹性模量G'随频率的增大而增大，配方2#胶料的模量高于其他胶料，G'变化趋势比较平稳，硫化胶的tan σ随频率的增大而先增大后减小.硫化胶的初始值配方2#较大，图5中在低频区，配方2#的胶料的内耗高于其他胶料;随着频率的增大，3种胶料的内耗相差不大.这是因为测试形变为l%，为小形变，在低频下，配方2#胶料的网络结构破坏较大，表现出较高的内耗;而随着频率的增加，网络运动跟不上外力作用，内耗降低，所以出现下降趋势.

2.2.3 温度对模量和内耗的影响

由于轮胎内胎需要在不同气候中应用，或者在行驶过程中温度存在差异，所以通过温度的扫描来模拟轮胎内胎胶料在不同温度下的动态力学性能，分析随温度的变化胶料性能的变化，结果如图6、图7所示.

由图6和图7可以看出:在一定的频率(1 Hz)与应变(1%)情况下，硫化胶的贮能模量随温度的升高而减小.3种共混胶的G'初始值分布域宽，整体呈现出下降趋势，配方2#的初始G'值最大，这是因为随着温度的升高，橡胶分子链的运动增强，使其模量降低，由于配方2的胶料中炭黑对IIR分子链有较强的限制能力，所以模量高于其他胶料.由图7可以看出，在频率与应变一定的情况下，硫化胶的tan σ值随温度的升高呈上升趋势.

结果显示，在不同因素扫描对比中，所试胶样随扫描因素的变化，其动态性能的影响变化趋势基本一致.即随温度的升高，G'下降，tan σ上升;随频率的加快，G'呈上升趋势，tan σ成先上升后下降的趋势;随应变振幅的加大，G'下降，而tan σ上升.在温度、频率、应变3种因素于胶料的扫描中，配方1#、2#、3#胶样具有较高的G'和较低的tan σ，显示了较好的动态性能.其中配方2#显示出最好的动态性能，可做为一种轮胎内胎胶种.

3 结论

(1)IIR再生胶以20份以下用于IIR/SBR共混胶中生产内胎胶料，胶料的物理性能能够达到标准要求，是可行的.

(2)在RPA动态力学性能扫描测试中，配方2#显示了较好的动态性能，可作为一种轮胎的内胎胶种.

(3)在内胎中应用丁基再生胶可以降低成本，保护环境.

［1］ 郑春光，崔建宾.丁基再生胶在NR/SBR并用胶内胎中的应用［J］.轮胎工业，1999，19:(10)612.

［2］ 魏宝玉.丁基再生胶在无内胎子午线轮胎气密层中的应用［J］.橡塑资源利用，2007(5):7.

［3］ 焦荣会.丁基再生胶与天然橡胶的并用试验［J］.原材料，1993(3):12.

［4］ 全国轮胎轮辋标准化技术委员会.GB7036.1-1997充气轮胎内胎第1部分:汽车轮胎内胎［S］.北京:中国标准出版社，2004:1-14.

［5］ Datta R N，Ingham F A A.Improving Tread Wear Without Increasing Heat Build Up by Using 1，3-bis(citraconimidomethy1)Benzene［J］.Kautschuk Gummi Kunststoffe，1998(10):662-669.

［6］ 段咏新.纳米材料增强的共混型集成胶结构与性能的研究［D］.北京:北京化工大学，2002.

［7］ LIU Dong，WANG Qing-fu，SONG Zhi-bin，et al.Study on RPA Dynamic Properties of Different Polybutadiene Rubber［J］.World Rubber Industry，2009，36(6):19-24.