高门尼粘度钕系顺丁橡胶/溶聚丁苯橡胶/天然橡胶胎面胶的性能研究

赵天琪，周志峰，张志强

（1.北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143；2.中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司，辽宁 锦州 121001）

随着我国汽车保有量的增长和轮胎行业的快速发展，高性能轮胎的需求量不断增长[1]。世界范围内环保法规的陆续出台及轮胎标签法的实施，对轮胎的滚动阻力、生热、耐磨性能以及综合性能提出了更加严苛的要求[2-4]。

钕系顺丁橡胶（NdBR）分子链结构规整、线性好，相对分子质量高及相对分子质量分布可调，具有良好的耐磨性能、耐疲劳性能以及低生热和低滚动阻力等[5]，符合高性能绿色轮胎对高速、安全、节能和环保方面的高要求，是开发高性能轮胎和节能轮胎的优选胶种[6-8]，需求量也越来越大[9]。

近年，中国石油天然气股份有限公司锦州石化分公司（以下简称锦州石化公司）开发出两种高门尼粘度NdBR。前期，笔者已经对两种高门尼粘度NdBR的结构和基本性能进行了研究[10]，并在此基础上研究了高门尼粘度NdBR/溶聚丁苯橡胶（SSBR）胎面胶的性能[11]，但是NdBR在3种橡胶并用胎面胶中的应用研究还未见报道。

本工作基于半钢子午线轮胎胎面胶配方，设计顺丁橡胶（BR）/SSBR/天然橡胶（NR）三胶并用方案，研究锦州石化公司的两种高门尼粘度NdBR在三胶并用胎面胶中的应用特点，并与镍系BR（牌号BR9000）和NdBR（牌号CB22）进行对比。

1 实验

1.1 主要原材料

NdBR-1#和NdBR-2#，门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]分别为67和72，相对分子质量分布指数分别为3.26和2.31，锦州石化公司产品；NdBR，牌号CB22，德国朗盛集团产品；镍系BR，牌号BR9000，中国石化燕山石化分公司产品；SSBR，牌号SOL 6270SL，门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]为47，结合苯乙烯质量分数为25%，乙烯基质量分数为63%，低多环芳烃油填充量为37.5份，韩国锦湖石油化学公司产品；NR，SCR5，云南天然橡胶产业集团有限公司产品；白炭黑，牌号Zeosil 1165MP，罗地亚白炭黑（青岛）有限公司产品；偶联剂Si69，德国赢创工业集团产品；炭黑N234，美国卡博特公司产品。

1.2 配方

试验配方如表1所示。其中，1#—4#配方采用炭黑/白炭黑补强体系，5#—8#配方采用以白炭黑为主的补强体系（以下简称白炭黑体系）。

表1 试验配方 份

1.3 主要设备和仪器

XK-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品；1.57 L本伯里密炼机，英国法雷尔公司产品；M200E型门尼粘度计和C2000E型硫化仪，北京友深电子仪器有限公司产品；Instron 3211型拉力试验机，美国英斯特朗公司产品；RSS-Ⅱ型橡胶滚动阻力试验机和耐切割试验机，北京万汇一方科技发展有限公司产品；DMTA Ⅳ型动态热力学分析仪，美国Rheometric Scientific公司产品。

1.4 试样制备

胶料采用3段混炼工艺。

一段混炼在1.57 L本伯里密炼机中进行，密炼室初始温度为80 ℃，转子转速为80 r·min-1，生胶塑炼0.5 min后，加入炭黑、白炭黑及偶联剂，混炼均匀后再添加小料，混炼至155～165 ℃排胶。

二段混炼在1.57 L本伯里密炼机中进行，密炼室初始温度为80 ℃，转子转速为80 r·min-1，加入一段混炼胶，混炼2 min，提压砣清扫，压压砣，继续混炼至150 ℃后排胶。

三段混炼在XK-160型开炼机上进行，加入二段混炼胶、硫黄和促进剂，薄通6次后下片，停放待用。

1.5 性能测试

（1）门尼粘度和门尼松弛性能：试验温度100 ℃，松弛时间 120 s。

（2）硫化特性：测试温度 160 ℃，硫化时间60 min。

（3）滚动阻力：试验速度 400 r·min-1，时间30 min，负荷 15，30 MPa。

（4）抗切割性能：转轮转速 725 r·min-1，打击频次 120次·min-1，试验时间 15 min。

（5）动态力学性能：试验频率 10 Hz，静应变1%，动应变 0.25%，升温速率 3 ℃·min-1，温度范围 －100～100 ℃。

（6）其他性能均按照相应的国家标准或行业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 混炼工艺性能

试验结果表明，8个配方胶料在一段及二段混炼过程中的密炼机电流较接近，排胶温度基本相同，排胶结团性均较好，在三段混炼过程中胶料在开炼机上均可包辊，压出的胶片外观差别不大，各配方胶料的混炼工艺性能大致相同。

2.2 门尼粘度和硫化特性

BR/SSBR/NR胶料的门尼粘度和硫化特性如表2所示。

表2 BR/SSBR/NR胶料的门尼粘度和硫化特性

从表2可以看出：3种高门尼粘度NdBR（NdBR-1#，NdBR-2#和CB22）胶料的门尼粘度相近且均高于BR9000胶料，门尼焦烧时间大致接近；采用NdBR-1#的2#和6#配方胶料的门尼粘度较高，t90较长；在1#—4#配方胶料中，2#配方胶料的FL最大；采用NdBR-2#的3#和7#配方胶料的t90较短，硫化速度较快。

2.3 物理性能

BR/SSBR/NR硫化胶的物理性能如表3所示。

表3 BR/SSBR/NR硫化胶的物理性能

从表3可以看出：采用CB22的8#配方胶料的定伸应力和拉伸强度较高，其他配方胶料的拉伸强度和拉断伸长率差别不大；采用NdBR-2#的3#和7#配方胶料表现出较好的抗裂口增长性能和抗切割性能，NdBR-1#胶料次之，采用CB22的4#和8#配方胶料的抗裂口增长性能和抗切割性能略差；NdBR-2#胶料的回弹值和压缩生热性能不如CB22胶料。

2.4 耐老化性能

BR/SSBR/NR硫化胶的耐老化性能如表4所示，老化试验温度为100 ℃，老化时间分别为24和48 h。

表4 BR/SSBR/NR硫化胶的耐老化性能

从表4可以看出：不同补强体系、不同牌号BR的胶料表现出不同的耐老化性能；采用NdBR-2#的3#和7#配方胶料均具有较好的耐老化性能；采用白炭黑体系和NdBR-1#的6#配方胶料的耐老化性能较好；BR9000和CB22胶料的耐老化性能相对较差，老化后性能变化率较大。

2.5 滚动阻力

BR/SSBR/NR硫化胶的滚动阻力（功率损耗）性能如表5所示，滚动阻力指数越小，表示滚动阻力越低。

表5 BR/SSBR/NR硫化胶的滚动阻力性能

从表5可以看出：在炭黑/白炭黑补强体系胶料中，采用CB22的4#配方胶料的滚动阻力最低，采用NdBR-1#和NdBR-2#的2#和3#配方胶料的滚动阻力接近，介于4#和1#配方胶料之间；在白炭黑体系胶料中，采用3种NdBR的6#，7#和8#配方胶料的滚动阻力十分接近，与采用BR9000的5#配方胶料差别也不大，这表明NdBR对降低白炭黑胶料的滚动阻力的效果比较小。因此，从降低滚动阻力性能的角度出发，NdBR应优选用于炭黑用量比例较高的胎面胶配方。

2.6 动态力学性能

0 ℃时的损耗因子（tanδ）可表征胶料的抗湿滑性能，60 ℃时的tanδ可表征胶料的滚动阻力性能。0 ℃时的tanδ越大，表示抗湿滑性能越好；60℃时的tanδ越小，表示滚动阻力越低。BR/SSBR/NR硫化胶的动态力学性能如表6所示。

表6 BR/SSBR/NR硫化胶的动态力学性能

从表6可以看出，在炭黑/白炭黑补强体系胶料中，采用3种NdBR的2#，3#和4#配方胶料60 ℃时的tanδ即滚动阻力十分接近，较采用BR9000的1#配方胶料减小12%～13%；在白炭黑体系胶料中，采用3种NdBR的6#，7#和8#配方胶料60 ℃时的tanδ仍较采用BR9000的5#配方胶料减小，但降幅减小至2%～6%。这说明在白炭黑胶料中添加NdBR对降低滚动阻力作用不明显，这与滚动阻力性能测试结果一致。

从表6还可以看出，除采用NdBR-2#和白炭黑体系的7#配方胶料0 ℃时的tanδ较小外，其他胶料0℃时的tanδ差异不大，即抗湿滑性能相近。

3 结论

对锦州石化公司的两种高门尼粘度NdBR/SSBR/NR胎面胶的性能研究可以得出以下结论。

（1）在BR/SSBR/NR三胶并用时，与NdBR-1#胶料相比，NdBR-2#胶料的门尼粘度较低，硫化速度较快，具有较好的抗裂口增长性能、抗切割性能和耐老化性能，其他物理性能、滚动阻力及动态力学性能相当，综合性能优于NdBR-1#胶料。

（2）与CB22胶料相比，NdBR-2#胶料的回弹值和压缩生热性能略差，抗切割性能、抗裂口增长性能和耐老化性能优势突出，滚动阻力接近，动态力学性能相当，应用优势较明显。

（3）NdBR-2#更适合用于BR/SSBR/NR并用体系。

（4）从降低滚动阻力性能的角度出发，NdBR应优选用于炭黑用量比例较高的胎面胶配方。