吉化稀土异戊橡胶与俄罗斯同类产品性能及应用对比分析*

2014-06-09 08:58杨俊峰宋晓慧王士民杨金胜田晓军刘乃青杜昌明

弹性体 2014年5期

杨俊峰，宋晓慧，王士民，杨金胜，田晓军，刘乃青，杜昌明

(1.中国石油吉林石化公司研究院，吉林吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司铁路运输部，吉林吉林 132022)

稀土异戊橡胶，因其具有与天然橡胶相似的化学组成、立体结构和物理机械性能，又称“合成天然橡胶”。可全部或部分取代天然橡胶，目前广泛应用于轮胎、胶管、胶带、胶鞋及胶粘剂领域。吉林石化公司研究院640 t/a稀土异戊橡胶中试装置于2011年建成投产，可生产不同门尼粘度的异戊橡胶产品。选择与俄罗斯SKI-3、SKI-5[1]门尼粘度相近的稀土异戊橡胶中试产品JH-01，进行基本性能评价实验、胎面胶实验及轮胎制备实验，结果表明,吉林石化公司稀土异戊橡胶中试装置获得的异戊橡胶的基本性能、物理机械性能及在全钢载重子午线轮胎上的应用均达到了俄罗斯SKI-3、SKI-5的水平。

1 实验部分

1.1 原料

JH-01：吉林石化公司稀土异戊橡胶中试产品；SKI-3、SKI-5：俄罗斯产品；氧化锌、硬脂酸、硫黄、促进剂、炭黑：工业品，外购。

1.2 设备仪器

XSS-300转矩流变仪：上海科创科技有限公司；KY-3203E开炼机：台湾合资东莞厂；XLB平板硫化机：青岛机械厂；门尼机：台湾高铁公司；GPC凝胶色谱：日本惠普公司。

1.3 实验配方

基础胶配方(质量份)：JH-01 100.00,硬脂酸 2.00，氧化锌 5.00，炭黑 35.00，促进剂 0.70，硫黄2.25。

轮胎胎面胶制作配方：m(天然胶)∶m(异戊橡胶)=60∶40，其它配方同大连轮胎厂生产配方。

1.4 样品制备

采用XSS-300转矩流变仪制备混炼胶，初始温度为60 ℃,转速50 r/min。所有混炼胶停放12 h后，测定混炼胶门尼粘度。在KY-3203E开炼机上进行胶料的薄通及试片的压延。用电热平板硫化机，在10 MPa、135 ℃×30 min条件下制成硫化试片，停放24 h后进行物理机械性能测试。

1.5 性能测试

门尼粘度按 GB/T 1232.1—2000测定；拉伸强度、伸长率、定伸强度、永久变形按GB/528—2009测定；撕裂强度按GB/529—2008测定；硬度按GB/531.1—2008测定；硫化特性按GB/T16584测定；门尼焦烧按GB/T 1233测定。

2 结果与讨论

2.1 异戊橡胶基本性能分析

2.1.1 基础胶性能

对JH-01、SKI-3、SKI-5 3种胶进行基本性能分析，结果如表1所示。

表1 JH-01与进口胶的基本性能

从表1可以看出，JH-01与SKI-5的门尼粘度、挥发分、灰分相当，相对分子质量分布JH-01相对SKI-3、SKI-5窄些，JH-01的-1，4顺式含量高于SKI-5但低于SKI-3。从相对分子质量分布及-1，4顺式含量分析，JH-01处于SKI-5 和SKI-3之间。一般来说，相对分子质量分布宽，其加工性能好，相对分子质量分布窄，其加工性能差，也就是说，低相对分子质量部分有利于橡胶的加工。而异戊橡胶-1，4顺式含量的高低对硫化胶的物理机械性能影响较大，-1，4顺式含量越高，拉伸结晶产生的自补强效应越高，会提高胶料的力学性能。

2.1.2 混炼胶基本性能

JH-01、SKI-5和SKI-3混炼胶基本性能见表2。

表2 JH-01、SKI-5和SKI-3 混炼胶基本性能

1) Rlx_a为门尼松弛斜率；Rlx_k为松弛开始1 s瞬间门尼值；Rlx_X30为马达停止后1 s，经过30 s门尼变化率，下同。

从表2可以看出，JH-01和SKI-5、SKI-3混炼胶性能相当。

2.1.3 混炼胶硫化特性[2]

图1为JH-01、SKI-5和SKI-3在135 ℃时的硫化特性对比图，图2为混炼胶焦烧特性对比图。

时间/h红色为SKI-3，蓝色为SKI-5，粉色为JH-01

时间/h

从图1可以看出,JH-01、SKI-3、SKI-5的硫化曲线几乎重合，说明其硫化特性基本相同。从图2可以看出，SKI-5和JH-01的焦烧时间与SKI-3焦烧时间相比较长，在操作过程中安全系数高。

2.1.4 硫化胶拉伸应力应变性能

不同硫化时间硫化胶的应变性能见表3。

表3 不同硫化时间硫化胶的应力应变性能

由表3可以看出,JH-01与 SKI-5均为稀土异戊橡胶，由于JH-01的-1，4顺式含量及相对分子质量略高于SKI-5，因此硫化胶的应力应变性能总体看略好于SKI-5。在硫化时间20 min时SKI-3性能明显好于JH-01、SKI-5，但达到正硫化点后，300%定伸强度好于JH-01与 SKI-5，而其它性能与JH-01、SKI-5基本一致。这与前面测量胶料的焦烧特性相对应，即焦烧时间长，硫化速度慢，导致硫化胶欠硫，硫化不完全造成[3-4]。在使用强度上JH-01已经达到国外同类产品水平[5]。

2.1.5 硫化胶的撕裂性能

硫化胶的撕裂性能见表4。

表4 硫化胶的撕裂性能1)

1) 硫化条件：135 ℃×30 min。

撕裂强度的大小与相对分子质量大小及分布有关，通常来说，小相对分子质量的胶含量高、相对分子质量分布宽，硫化胶的撕裂强度相对较高。从表4可以看出，JH-01的撕裂强度略低于SKI-3，高于SKI-5，这一结论与上述基本性能分析相对应。

2.1.6 混炼工艺性能评价

JH-01在混炼时生胶的包辊性、吃料速度及混炼过程中割胶打薄性能[6-7]与SKI-3、SKI-5相当，胶料包辊性如图3所示。

(a) JH-01加入炭黑图

(b) SKI-5加入炭黑图

从图3可以看出,JH-01在混炼时混炼胶包辊性能良好，无粘辊、脱辊现象，下片后，胶片平整光滑，有较好的光泽度，胶料混炼性能与SKI-3、SKI-5无差别。

2.2 JH-01、SKI-5、SKI-3 应用于全钢载重子午线轮胎

在胎面胶实验过程中，分别用40质量份的JH-01、SKI-5、SKI-3替代天然橡胶(其它材料及配方为大连轮胎厂提供)作为全钢载重子午线轮胎的胎面胶进行实验。通过胶料的混炼、胶料的挤出、轮胎的成型及硫化成型，得到成品轮胎。

2.2.1 胎面混炼胶特性

JH-01胶料的门尼粘度与生产配方接近，JH-01胶料Rlx_a绝对值相对较大。通常来说，Rlx_a绝对值越大，胶料加工性能越好。这与橡胶的相对分子质量及分子链段的柔顺程度有关，橡胶材料在消除内部应力时受的摩擦力越小，Rlx_a越大。胎面混炼胶门尼粘度及硫化性能见表5和表6。

表5 胎面混炼胶门尼粘度

1) 大连轮胎厂在线产品，下同。

表6 胎面混炼胶硫化性能

表6数据和图2前面的基础数据相吻合，说明JH-01胶料的焦烧时间略长，硫化速度越慢，安全系数高。JH-01的ML略高于SKI-5、SKI-3及生产配方，这从胶料的门尼粘度及相对分子质量大小可以得到解释。JH-01的相对分子质量高于SKI-5、SKI-3，相应胶料的门尼粘度就高，所以影响胶料在硫化诱导期的流动性。

2.2.2 胎面硫化胶的应力应变性能

不同硫化时间胎面硫化胶的应力应变性能见表7。

表7 不同硫化时间胎面硫化胶的应力应变性能

由表7可以看出，用40质量份的异戊橡胶替代天然橡胶胶，JH-01胶料与SKI-5、SKI-3的应力应变性能基本一致，满足生产配方的要求。

2.2.3 胎面硫化胶撕裂性能

胎面硫化胶撕裂强度见表8。

表8 胎面硫化胶撕裂强度

用40质量份异戊橡胶替代天然橡胶，JH-01胶料与SKI-5胶料的撕裂强度相当，满足生产配方要求。

2.2.4 胎面硫化胶其它性能

胎面硫化胶其它性能如表9所示。

表9 胎面硫化胶其它物性

表9 的检测数据表明，JH-01的压缩疲劳温升较低，说明JH-01在受到外力作用时，抵抗橡胶内部结构发生变化的能力较大，压缩疲劳性能越好；滚动阻力、动态切割性能、抗湿滑性能、回弹性、磨耗性能及炭黑分散性对于JH-01与SKI-5、SKI-3没有大的差别，可满足生产配方的要求。胎面胶下片图及轮胎成型图分别见图4、图5。