几种异戊橡胶及天然橡胶的动态性能对比研究

2015-06-11徐秀杰刘乃青

弹性体 2015年6期

马丹，王硕，徐秀杰，石磊，刘乃青

(1.中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林吉林 132011；2.中国石油吉林石化公司研究院，吉林吉林 132021；3.中国石油吉林石化公司电石厂，吉林吉林 132021；4.中国石油吉林石化公司合成树脂厂，吉林吉林 132021)

近年来，人们对汽车安全、舒适、节能的要求越来越高，相应的轮胎要求具有优异的耐磨性能、低滚动阻力和抗湿滑性能，因此对生产轮胎的橡胶原料也提出了更高的要求[1]。异戊橡胶是生产轮胎的重要原料之一，被称为“合成天然橡胶”，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，具有质量均一、纯度高、塑炼时间短、混炼加工简便、膨胀和收缩小、流动性好等优点，既可以单独使用，也可以与天然橡胶、顺丁橡胶等配合使用，主要用于轮胎的胎面胶、胎底胶和胎侧胶，以及胶鞋、胶管、医疗和食品用橡胶制品等[2]。本文对比研究了稀土异戊橡胶JH-01、稀土异戊橡胶SKI-5和钛系异戊橡胶SKI-3 3种异戊橡胶的动态性能，为国内异戊橡胶应用提供基础数据。

1 实验部分

1.1 主要原料

稀土异戊橡胶JH-IR：吉林石化公司研究院；稀土异戊橡胶SKI-5：俄罗斯；钛系异戊橡胶SKI-3：俄罗斯；天然橡胶SMR10：马来西亚；氧化锌、硬脂酸、硫黄、促进剂TBBS、芳烃油、硅烷偶联剂SI69、炭黑N234、白炭黑均为市售工业级产品。

1.2 主要仪器设备

YS-Ⅲ橡胶压缩生热试验机：北京翔远测试仪器设备研究所；RCC-Ⅰ型橡胶动态切割试验机：北京万汇一方科技发展有限公司；JMH-76阿克隆磨耗试验机：江都市精艺试验机械有限公司；BM-Ⅱ摆式摩擦系数测定仪：交通部公路工程检测中心；RRS-Ⅱ橡胶滚动阻力试验机：北京万汇一方科技发展有限公司；VA3000型动态力学分析仪：法国01dB-Metravib公司；XSS-300转矩流变仪：上海科创橡塑机械设备有限公司；XK-100型开炼机：青岛环球机械股份有限公司；XLB-400×400型平板硫化机：扬州市天发试验机械有限公司。

1.3 实验配方

基本配方(质量份)：生胶100(生胶为JH-IR、SKI-3、SKI-5或天然橡胶)，炭黑43.0，白炭黑15.0，硬脂酸2.0，氧化锌3.5，偶联剂4.0，芳烃油3.5，防老剂3.0，防护蜡1.5，促进剂TBBS 1.8，硫黄1.2。

1.4 试样制备

首先，将生胶和炭黑等小料加入转矩流变仪中进行混炼，起始温度为80 ℃，转子转速为70 r/min；然后，将转矩流变仪排出的胶料在开炼机上与硫黄和促进剂进行混炼，辊温为(50±5) ℃，打薄割胶4次、薄通6次后打成三角包停放24 h；接着，停放后的混炼胶料在开炼机上下片并放入模具，在151 ℃、15 MPa条件下硫化30 min；最后，制得的硫化试片停放24 h后进行物理机械性能测试。

1.5 性能测试

硫化橡胶的压缩温升和耐疲劳性能按GB/T1687—1993测定；磨耗性能按GB/T 1689测试；耐刺扎性能使用RCC-Ⅰ型橡胶动态切割试验机，在转速为725 r/min，刺扎频率为120次/min，刺扎时间为20 min条件下进行测试；滚动阻力性能使用RRS-Ⅱ橡胶滚动阻力试验机：在转速为400 r/min，负荷为15 MPa，时间为20 min条件下进行测试；动态力学性能使用VA3000动态力学分析仪：在-20～80 ℃温度范围内扫描，频率为30 Hz，形变为0.5%，温升为3 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 异戊橡胶压缩生热性能

橡胶压缩生热性能是考察橡胶轮胎性能和寿命的重要指标。在轮胎周期性形变中，用于打破填料网络和克服橡胶分子间、橡胶分子与填料间的相互作用力所消耗的能量会转化成热能，当产生的热量不能很好地散出，会使橡胶轮胎发生热降解，出现热疲劳损坏，严重导致橡胶内部烧损或炸裂[3]。本实验采用YS-Ⅲ橡胶压缩生热试验机，考察了3种异戊橡胶的压缩生热性能，并与天然橡胶进行比较，结果见图1。

图1 3种异戊橡胶与天然橡胶压缩生热性能比较

由图1可知，同等配方和加工条件下，与天然橡胶比较，2种稀土异戊橡胶的压缩疲劳温升相对较低，其中吉化稀土异戊橡胶的温升降低1.6 ℃；钛系异戊橡胶的压缩疲劳温升与天然橡胶基本相当。

2.2 异戊橡胶耐刺扎性能和耐磨性能

耐刺扎性能和耐磨性能是影响轮胎抗崩花掉块和使用寿命的重要性能。本实验采用RCC-Ⅰ型橡胶动态切割试验机和JMH-76阿克隆磨耗试验机，分别考察了3种异戊橡胶的耐刺扎性能和耐磨性能，并与天然橡胶比较，结果见图2。

图2 3种异戊橡胶与天然橡胶耐刺扎性能和耐磨性能比较

由图2可知，同等配方和加工条件下，与天然橡胶比较，3种异戊橡胶中稀土异戊橡胶JH-IR具有较好的耐刺扎性能和耐磨性能，可提高轮胎的抗崩花掉块性能和延长轮胎使用寿命，从而减少废旧轮胎污染。

2.3 抗湿滑性能

抗湿滑性能是指在粗糙的路面上轮胎表面产生的摩擦损失，即为轮胎在湿滑路面上的抓着性能，湿摩擦力大，抗湿滑性能好[4]。本实验通过测定胶料的动态黏弹性能和胶料的湿摩擦系数表征3种异戊橡胶的抗湿滑性能，结果见图3。

图3 3种异戊橡胶与天然橡胶抗湿滑性能比较

文献[5-6]报道，由动态力学分析仪获得的0 ℃附近能量损耗因子tanδ值与胶料的抗湿滑性有很好的相关性，tanδ值高则抗湿滑性能好。由图3可知，3种异戊橡胶与天然橡胶在0 ℃时的tanδ值由小到大的顺序为NR

2.4 滚动阻力性能

滚动阻力是由材料的滞后损失所产生的变形而引起的，降低滚动阻力有利于节省燃料，是轮胎使用中重要的使用性能，随着汽车工业的快速发展和能源的日趋紧张，这一性能越来越受到重视[7]。本实验采用RRS-Ⅱ橡胶滚动阻力试验机和VA3000动态力学分析仪，分别考察了3种异戊橡胶的滚动阻力性能，并与天然橡胶进行比较，结果见图4。