国产稀土顺丁橡胶在全天候轮胎和冬季轮胎胎面胶中的应用研究

云 霄，王 伟，闫 平，曹运章，李卫国

（赛轮金宇集团股份有限公司，山东 青岛 266555）

随着欧盟和国内轮胎标签法规的先后出台，国内外消费市场均对轮胎的燃油经济性、抗湿滑性能以及环境保护等方面提出了更为严苛的要求。稀土顺丁橡胶（NdBR）以其降低轮胎滞后损失、提高耐磨和抗湿滑性能以及改善老化性能的特点而被广泛应用于绿色环保轮胎中。

本工作主要研究两种NdBR在全天候轮胎和冬季轮胎胎面胶中的应用性能，并与传统镍系顺丁橡胶（NiBR）进行对比。

1 实验

1.1 主要原材料

NdBR，牌 号Nd-40 和Nd-60；NiBR，牌 号BR9000，中国石化北京燕山分公司产品。天然橡胶（NR），20#标准胶，泰国产品。溶聚丁苯橡胶（SSBR），牌号SSBR2557s，充油37.5份，中国石油独山子石化公司产品。炭黑N234，上海卡博特化工有限公司产品。白炭黑，牌号NEWSIL®HD 165MP，确成硅化学股份有限公司产品。

1.2 基本配方

全天候轮胎胎面胶配方：SSBR2557s 88，Nd-40 或BR9000 36，炭 黑N234 75，其 他17.23。

冬季轮胎胎面胶配方：NR 50，Nd-60或BR9000 50，白炭黑 80，其他 23.72。

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机、XSM-1.5 L密炼机和XLB 500-30型平板硫化机，青岛科高橡塑机械技术装备有限公司产品；HPE型硬度计，德国Bareiss公司产品；5965型电子拉力机，美国Instron公司产品；GT-7012-A型阿克隆磨耗试验机和GT-2042RDH型弹性仪，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；MV2000型门尼粘度计、MDR2000型无转子硫化仪和Disper GRADER+型炭黑分散仪，美国阿尔法科技有限公司产品；STD A861型动态力学分析仪，瑞士Mettler Toledo公司产品；GX-YLSN-1114型轮胎高速耐久性试验机，青岛高校测控技术有限公司产品；TS1109型轮胎滚动阻力试验机，德国Testing Service Gmbh公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 全天候轮胎胎面胶

采用三段混炼工艺制备，一段混炼工艺为：加入生胶、部分炭黑和小料，转速50 r·min-1，混炼45 s→加油料，转速不变，混炼40 s→空提压砣，转速不变，混炼30 s→升压砣，排胶；二段混炼工艺为：加入一段混炼胶、剩余炭黑和小料，转速45 r·min-1，混炼45 s→空提压砣，转速35 r·min-1，混炼50 s→空提压砣，转速21 r·min-1，混炼20 s→升压砣，密炼机排胶→在开炼机上低温混炼，排胶；三段混炼工艺为：加入二段混炼胶和终炼小料，转速22 r·min-1，混炼30 s→空提压砣，转速不变，混炼30 s→空提压砣，转速不变，混炼至110℃→升压砣，排胶。

1.4.2 冬季轮胎胎面胶

采用两段混炼工艺制备，一段混炼工艺为：加入生胶和部分小料，转速50 r·min-1，混炼15 s→加入部分白炭黑，转速不变，混炼40 s→加油料，转速不变，混炼至135 ℃→升压砣，转速35 r·min-1，混炼至148 ℃→升压砣，排胶；二段混炼工艺为：加入一段混炼胶、剩余白炭黑和小料，转速55 r·min-1，混炼40 s→压压砣，清扫，转速35 r·min-1，混炼至148 ℃→压压砣，清扫，转速20 r·min-1，在153 ℃下混炼90 s→压压砣，密炼机排胶→在开炼机上低温混炼，按程序设置投入终炼小料，排胶。

混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为168℃×10 min。

1.5 性能测试

（1）门尼粘度：采用门尼粘度计按照GB/T 1232.1—2000《未硫化橡胶 用圆盘剪切粘度计进行测定 第1部分：门尼粘度的测定》测试。

（2）硫化特性：采用无转子硫化仪按照GB/T 1233—2008《未硫化橡胶 初期硫化特性的测定用圆盘剪切粘度计》测试。

（3）物理性能：邵尔A型硬度采用硬度计按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第一部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》测试；拉伸性能和撕裂强度采用电子拉力机分别按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》和GB/T 529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》测试。

（4）耐热老化性能：采用热老化箱按照GB/T 3512—2001《硫化橡胶或热塑性橡胶 热空气加速老化和耐热试验》测试，老化温度为100 ℃。

（5）炭黑分散程度：采用炭黑分散仪测试。

（6）冲击弹性：采用弹性仪按照GB/T 1681—2009《硫化橡胶回弹性的测定》测试。

（7）耐磨性能：采用阿克隆磨耗试验机按照GB/T 1689—1998《硫化橡胶耐磨性能的测定（用阿克隆磨耗机）》测试。

（8）动态粘弹性能：采用动态力学分析仪测试，剪切模式，升温速率为3 K·s-1。

（9）高速和耐久性能：采用轮胎高速耐久性试验机按照GB/T 4502—2009《轿车轮胎性能室内试验方法》测试。

（10）滚动阻力：采用轮胎滚动阻力试验机按照ISO 28580：2009《轿车、卡车和客车轮胎测量滚动阻力的方法》测试。

2 结果与讨论

2.1 相对分子质量及其分布

不同牌号BR的相对分子质量及其分布见表1。由表1可知，Nd-40和Nd-60的数均相对分子质量（Mn）和重均相对分子质量（Mw）均高于BR9000，但二者的相对分子质量分布（Mw/Mn）均与BR9000接近。

表1 不同牌号BR的相对分子质量及其分布

2.2 加工工艺性能

2.2.1 Nd-40与BR9000对比

Nd-40与BR9000在全天候轮胎胎面胶中的工艺性能对比见表2。

由表2可知：与BR9000相比，Nd-40生胶与混炼胶的门尼粘度相差较大，说明Nd-40与炭黑之间形成的结合胶相对更多，其与炭黑的结合能力优于BR9000，有利于炭黑在混炼胶中的分散；同时Nd-40胶料的Fmax相对较高，炭黑的分散程度也较大，说明NdBR与填料间具有较好的结合能力。

表2 Nd-40与BR9000胶料的工艺性能对比

由表2还可以看出，Nd-40胶料的t90和t5略短于BR9000胶料，但基本符合现场加工工艺要求。

Nd-40胎面挤出状态和成型接头状态如图1所示。在现场试验过程中，Nd-40和BR9000胶料的混炼过程良好，无超温排胶及粘辊筒现象，胶片外观状态较佳，可满足现场加工工艺要求。经工艺条件调整，Nd-40和BR9000混炼胶的挤出胎面尺寸合格，外观及断面状态良好，成型工序胎面接头粘性良好。Nd-40胶料在密炼、挤出、成型等加工工艺方面均可满足现场生产要求。

图1 Nd-40胎面挤出状态和成型接头状态

2.2.2 Nd-60与BR9000对比

Nd-60与BR9000在冬季轮胎胎面胶中的工艺性能对比见表3。

由表3可知，与BR9000相比，Nd-60生胶与混炼胶的门尼粘度相差较大，胶料的Fmax相对较高，说明Nd-60与白炭黑的结合能力较好，填料分散程度较高。Nd-60胶料的t90与BR9000胶料相近，t5相对较长，说明Nd-60胶料的现场加工安全性较好。

表3 Nd-60与BR9000胶料的工艺性能对比

Nd-60胎面挤出状态和成型接头状态如图2所示。在现场试验过程中，Nd-60混炼胶的门尼粘度适中，挤出胎面表面光滑、尺寸合格，成型接头状态良好。BR9000由于生胶的门尼粘度相对较低，导致其混炼胶的门尼粘度过低。在胎面挤出过程中，BR9000混炼胶的挤出胎面强度较低，易在牵引过程中发生断裂，因此BR9000不适合用于冬季轮胎胎面胶配方中。Nd-60的混炼胶通过试验调整，基本满足了现场生产要求。

图2 Nd-60胎面挤出状态和成型接头状态

2.3 物理性能和动态力学性能

不同牌号BR胶料的物理性能和动态力学性能见表4。

由表4可知，Nd-40和Nd-60分别在全天候轮胎和冬季轮胎胎面胶中表现出较高的拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度。Nd-40和Nd-60硫化胶的定伸应力与BR9000硫化胶相当，未表现出优势。与NiBR相比，NdBR的相对分子质量较高，分子链规整度高、线性好，胶料滞后损失小，因此Nd-40和Nd-60硫化胶具有较大的回弹值。在全天候轮胎胎面胶中，同样是因为相对分子质量高、线性好等分子结构优势使得Nd-40硫化胶的耐磨性能优于BR9000硫化胶。胶料老化后拉伸强度一般呈下降趋势，但Nd-40与Nd-60胶料老化后的拉伸强度保持率均高于BR9000胶料，说明二者的耐老化性能相对较好。与BR9000相比，Nd-40和Nd-60均表现出较好的综合物理性能。

表4 不同牌号BR胶料的物理性能和动态力学性能

由表4还可以看出：Nd-40和Nd-60胶料在0 ℃时的tanδ与BR9000胶料相同，说明Nd-40和Nd-60胶料的抗湿滑性能与BR9000胶料接近；但Nd-40和Nd-60胶料在60 ℃时的tanδ较低，滞后损失小、生热低，说明Nd-40和Nd-60胶料的滚动阻力性能优于BR9000胶料，燃油经济性较好。

2.4 成品性能

在全天候轮胎试验中，分别使用Nd-40和BR9000混炼胶挤出的胎面试制轮胎并进行成品性能测试；在冬季轮胎试验中，由于BR9000混炼胶的门尼粘度相对偏低，胎面挤出状态欠佳，因此仅使用Nd-60混炼胶挤出的胎面试制轮胎并进行成品性能测试，试验结果见表5。

表5 轮胎成品性能测试结果

由表5可知：在全天候轮胎成品性能测试中，采用Nd-40和BR9000胶料的成品轮胎在室内高速性能和耐久性能测试中均显示为合格，其中采用Nd-40胶料的成品轮胎滚动阻力性能优于采用BR9000胶料的成品轮胎；在冬季轮胎成品性能测试中，采用Nd-60胶料的成品轮胎在室内高速性能和耐久性能测试中均显示为合格。

3 结论

（1）两种国产NdBR的加工工艺性能基本满足现场生产要求，且NdBR与填料的结合能力较好，有利于填料的分散。

（2）Nd-40和Nd-60分别在全天候轮胎和冬季轮胎胎面胶中表现出相对较好的物理性能，拉伸强度、撕裂强度以及老化后拉伸强度保持率均高于BR9000胶料；Nd-40在全天候轮胎胎面胶中的耐磨性能优于BR9000胶料；Nd-40和Nd-60胶料的滚动阻力性能均优于BR9000胶料。

（3）Nd-40和Nd-60试验轮胎的高速性能和耐久性能均符合产品设计要求，且胎面使用Nd-40胶料的全天候轮胎的滚动阻力小于使用BR9000胶料的全天候轮胎。