湿法水磨胶粉在天然橡胶/顺丁橡胶并用配方体系中的应用

刘会迎，汪 燕，徐 旗，崔雪静，孙世悦，李崇兵

[浦林成山（山东）轮胎有限公司，山东 荣成 264300]

随着我国汽车保有量的逐年增加，废旧轮胎的产生量越来越大[1]。大量的废旧轮胎堆放不仅占用土地，而且容易引发火灾和滋生蚊虫传播疾病，因此对废旧轮胎进行合理的回收利用势在必行[2]。

废旧轮胎的回收利用主要包括原形利用、轮胎翻新、裂解重油和炭黑、胶粉利用、再生橡胶等。胶粉具有生产工艺简单、耗能低、回收率高、利用范围广等优势，因此在低碳经济下胶粉的生产、利用和改性成为目前最有前途的轮胎回收再利用方式[2-3]。国内外废旧轮胎的粉粹技术主要分为干法和湿法两大类，湿法水磨粉粹技术解决了传统干法生产胶粉高污染、低产能、颗粒粗、粒度分布宽、生产时容易起火、产品易焦化等问题。

国内外已有用胶粉替代炭黑在轮胎胎面胶和胎侧胶中应用的研究报道[4-6]。为研究胶粉在轮胎其他部件中的应用以降低配方成本，本工作将湿法水磨胶粉用于轮胎胎圈胶配方[生胶体系为天然橡胶（NR）/顺丁橡胶（BR）并用]中部分替代炭黑N330，研究湿法水磨胶粉对胶料性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

NR，SMR20，马来西亚进口产品；BR，牌号9000，浩普新材料科技股份有限公司产品；湿法水磨胶粉，粒径分别为0.178，0.125和0.07 mm，广州爱其科技股份有限公司产品；炭黑N330，山西盛达威科技有限公司产品；其他原材料均为普通市售工业品。

1.2 配方

试验配方和生产配方如表1所示。

表1 试验配方和生产配方 份

1.3 主要设备和仪器

X（S）M-1.5型密炼机、XK（S）-160型开炼机和XLB-400-2000型平板硫化机，青岛科高橡塑机械技术装备有限公司产品；MV2000型门尼粘度仪，美国阿尔法科技有限公司产品；MDR3000型硫化仪、RB3000型回弹测试仪和邵尔A型自动硬度计，德国MonTech公司产品；VR-7130型橡胶动态热机械分析（DMA）仪，日本上岛公司产品；3365型电子拉力机，美国英斯特朗公司产品；GT-7017-ELU型热老化试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料采用两段混炼工艺混炼，一段和二段混炼均采用X（S）M-1.5型密炼机。一段混炼加料顺序为：生胶→炭黑、胶粉、软化剂→活化剂、防老剂→清扫→排胶（排胶温度为165 ℃），采用XK（S）-160型开炼机薄通下片。二段混炼加料顺序为：一段混炼胶→硫黄和促进剂→清扫→排胶（排胶温度为100 ℃），采用XK（S）-160型开炼机薄通下片。

二段混炼胶停放一段时间后在平板硫化机上硫化，硫化条件为171 ℃×15 min。

1.5 性能测试

胶料各项性能均按照相应国家标准或企业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

湿法水磨胶粉的理化分析结果如表2所示。

从表2可以看出，湿法水磨胶粉的各项理化性能符合技术指标要求。

表2 湿法水磨胶粉的理化分析结果

2.2 硫化特性

胶料的硫化特性如表3所示。

从表3可以看出，与生产配方胶料相比，添加湿法水磨胶粉的试验配方胶料的焦烧时间、t90和t95缩短，且随着湿法水磨胶粉用量的增大，胶料的t90和t95进一步缩短。分析认为有三方面原因：一是可能与炭黑用量减小后硫黄和促进剂占比偏高有关；二是可能与胶粉中存在未反应的促进剂有关[7-9]；三是可能与硫黄和促进剂从橡胶基质相向胶粉相扩散，减小了橡胶基质中硫黄和促进剂占比有关[9-16]。

表3 胶料的硫化特性

2.3 物理性能

胶料的物理性能如表4所示。

从表4可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的硬度、定伸应力和拉伸强度明显降低，且不同粒径和用量的湿法水磨胶粉的胶料之间无明显差别，可能与胶粉与橡胶链段之间结合力微弱，或形成较多不规则的网络，以及胶粉在橡胶基体中的分散不佳有关。

从表4还可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的拉断伸长率和回弹值明显增大，这与湿法水磨胶粉替代部分炭黑，配方含胶率增大有关；但随着胶粉用量的增大，胶料的拉断伸长率呈下降趋势，这可能与胶粉体积分数增大使胶料的交联密度下降有关[4]。

表4 胶料的物理性能

2.4 动态性能

胶料的动态性能如表5所示，Tg为玻璃化温度，tanδ为损耗因子，E′为动态拉伸储能模量。

从表5可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的Tg基本不变；60 ℃时的tanδ减小，这可能与湿法水磨胶粉替代部分炭黑，配方含胶率增大有关；E′大幅降低。

表5 胶料的动态性能

2.5 配方优选

为保证试验配方胶料的硬度和模量与生产配方胶料一致，考虑到胶粉无补强效果，虽然胶粉粒径对胶料性能影响不大，但胶粉粒径越小，其价格越高，考虑到成本，优选使用30份0.178 mm湿法水磨胶粉分别替代10和5份炭黑N330进行胶料性能测试，结果如表6所示。

从表6可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度增大，这与湿法水磨胶粉用量高达30份，降低了胶料流动性有关；耐老化性能提高，说明添加湿法水磨胶粉有助于提高胶料的耐热老化性能；以30份湿法水磨胶粉替代10份炭黑N330的试验配方胶料的硬度、定伸应力及60 ℃下的tanδ略低于生产配方胶料；以30份湿法水磨胶粉替代5份炭黑N330的试验配方胶料硬度、定伸应力及60 ℃时的tanδ略高于生产配方胶料。结果表明，在NR/BR并用配方体系中可以使用30份胶粉替代5～10份炭黑N330，胶料的物理性能和动态性能可以达到生产配方胶料水平，胶粉在轮胎胎圈胶配方中应用是可行的。

表6 优选胶料性能

3 结论

（1）在NR/BR并用胎圈胶配方中以湿法水磨胶粉替代部分炭黑N330，胶料的焦烧时间缩短，硫化速度加快。

（2）湿法水磨胶粉的粒径和用量对NR/BR并用胎圈胶料的硬度、300%定伸应力和拉伸强度影响不大；试验配方胶料的拉断伸长率明显大于生产配方胶料，但随着胶粉用量的增大，胶料的拉断伸长率呈降低趋势。

（3）以湿法水磨胶粉部分替代炭黑N330，胶料的硬度、定伸应力和拉伸强度明显降低，拉断伸长率和回弹值明显增大，60 ℃时的tanδ减小，E′大幅降低。

（4）在NR/BR并用胎圈胶配方中使用30份0.178 mm湿法水磨胶粉替代5～10份炭黑N330，可以达到生产配方胶料的物理性能和动态性能，胶粉在胎圈胶配方中应用是可行的。

（5）使用湿法水磨胶粉可以有效减小原材料成本，同时有利于减轻污染、促进轮胎行业循环经济的发展。