不同牌号溶聚丁苯橡胶在轮胎胎面胶中的应用性能

2020-07-20刘华侨孙茂忠李红卫顾培霜汪传生

轮胎工业 2020年5期

刘华侨，孙茂忠，李红卫，顾培霜，汪传生

[1.特拓（青岛）轮胎技术有限公司，山东青岛 266061；2.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061]

目前，国内轮胎胎面胶用溶聚丁苯橡胶（SSBR）的牌号主要有RC2557S和RC2564S，国外牌号主要有LG2550。为应对某一SSBR生产厂家停机检修而引起的供货不足情况，轮胎生产企业经常对于胎面胶用SSBR牌号选取额外的1—2种验证材料，用以等量替换或配方微调，从而避免停产风险[1-3]。例如，2019年4月中国石油独山子石化公司停机检修造成RC2557S每月5 000 t的产能停滞，国内很多轮胎企业面临原材料短缺危机，必须启用RC2564S和LG2550的应对方案。虽然这3个牌号SSBR的物理性能和动态力学性能均在配方开发目标限值要求内，但因其独特的相对分子质量及其分布而造成门尼粘度不同，从而影响胶料加工性能，因此必须对其工业化性能进行研究。

本工作针对RC2557S，RC2564S和LG2550 3种牌号SSBR，以门尼粘度为评判标准进行密炼工艺调整，研究3种牌号SSBR在轮胎胎面胶中的应用性能。

1 实验

1.1 主要原材料

SSBR，牌号RC2557S和RC2564S，中国石油独山子石化公司产品；牌号LG2550，韩国LG公司产品（SSBR出厂技术参数见表1）。天然橡胶（NR），牌号STR20，泰国产品。白炭黑，牌号1115MP，青岛罗地亚白炭黑有限公司产品。炭黑N234，江西黑猫炭黑股份有限公司产品。偶联剂Si69，南京曙光精细化工有限公司产品。环保芳烃油V500，德国汉圣化工集团产品。

表1 SSBR出厂技术参数

1.2 基本配方

SSBR（变品种） 80，NR 20，白炭黑 70，炭黑N234 12，偶联剂Si69 8.4，氧化锌 3，硬脂酸 2，环保芳烃油V500和填充油 37，微晶蜡1.5，防老剂4020 2，硫黄 1.8，促进剂CBS 1.5。

1.3 主要设备和仪器

BB430型密炼机，日本神户制钢公司产品；M-2000-AN型硫化仪，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；150 N拉力试验机和压缩生热试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；VMA2000型流动性测试仪，特拓（青岛）轮胎技术有限公司产品；GABOMETER-150型动态力学性能分析（DMA）仪，德国GABO检测仪器公司产品。

1.4 混炼工艺

母胶和终炼胶均采用BB430型密炼机进行混炼。

母胶采用三段混炼工艺，一段混炼初始转子转速为55 r·min-1，压砣压力为0.6 MPa，混炼工艺为：加入生胶、小料和炭黑，混炼22 s后提压砣，加油，转子转速减小至45 r·min-1，混炼20 s或温度达到122 ℃时提压砣，清扫，转子转速减小至20 r·min-1，胶料升温至146 ℃自动进入恒温炼胶模式，恒温混炼30 s后排胶；二段混炼初始转子转速为50 r·min-1，压砣压力为0.6 MPa，混炼工艺为：加一段混炼胶混炼20 s后提压砣，转子转速减小至45 r·min-1，混炼25 s后提压砣，转子转速减小至35 r·min-1，混炼至125 ℃时提压砣，转子转速减小至30 r·min-1，胶料达到145 ℃时提压砣，排胶；三段混炼初始转子转速为45 r·min-1，压砣压力为0.6 MPa，混炼工艺为：加二段混炼胶混炼20 s后提压砣，转子转速减小至40 r·min-1，混炼25 s后提压砣，转子转速减小至35 r·min-1，混炼至120 ℃时提压砣，转子转速减小至30 r·min-1，胶料达到140 ℃时提压砣，排胶。

终炼初始转子转速为35 r·min-1，压砣压力为0.5 MPa，混炼工艺为：加三段混炼胶混炼30 s后提压砣，转子转速减小至30 r·min-1，混炼35 s后提压砣，转子转速减小至25 r·min-1，混炼20 s或温度达到110 ℃时提压砣，排胶。

3种SSBR中RC2557S母胶采用三段混炼工艺，RC2564S和LG2550母胶仅采用前两段混炼工艺；3种SSBR的终炼工艺相同。

1.5 性能测试

（1）流动性。采用VMA2000型流动性测试仪进行分析，测试温度为90 ℃。

（2）加工性能。采用RPA2000橡胶加工分析仪对混炼胶进行应变扫描，测试条件为：频率 1 Hz，温度 60 ℃，应变范围 0.1%～40%。

（3）物理性能。各项性能均按相应的国家标准测试，其中压缩生热的测试条件为：冲程 4.45 mm，负荷 1 MPa，温度 55 ℃。

（4）动态力学性能。采用DMA仪进行温度扫描，测试条件为：拉伸模式，温度范围 -65～65℃，频率 10 Hz，升温速率 2 ℃·min-1。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

SSBR胶料的硫化特性见表2。

表2 SSBR胶料的硫化特性

从表2可以看出：RC2564S母胶采用两段混炼工艺，胶料的门尼粘度最小；LG2550母胶和终炼胶工艺均与RC2564S相同，但胶料的门尼粘度较大；RC2557S母胶采用三段混炼工艺，胶料门尼粘度与LG2550相当，但仍大于RC2564S。这是因为RC2557S的相对分子质量比RC2564S大25%左右，生胶的门尼粘度较高，而且RC2564S的乙烯基含量较大，与白炭黑硅烷化反应的活性连接点较多，白炭黑硅烷化反应的二级反应化学连接点增加，白炭黑分散性提高。为保证胎面胶半部件挤出尺寸均匀稳定，胎面胶随SSBR替换情况需调整混炼工艺，调节门尼粘度水平，因此，RC2557S母胶的混炼需要额外增加一段返炼工艺，导致胶料的能耗增大，流转周期延长。

从表2还可以看出，3种SSBR胶料的硫化特性相当，在轮胎硫化过程中可设定相同的硫化工艺。

2.2 流动性

SSBR胶料的流动值见表3。

从表3可以看出：虽然RC2557S胶料的门尼粘度比RC2564S胶料高，但RC2557S胶料的流动值最大，比RC2564S增大28%左右；LG2550胶料的门尼粘度与RC2557S胶料相当，但流动性较低。因此，门尼粘度并不能有效地表征SSBR胶料的流动性。

表3 SSBR胶料的流动值（100 mm）-1

从表3还可以看出，随着测试时间的延长，各胶料的流动性下降，且下降幅度相当。因此，可以采用VMA2000型流动性测试仪对胶料的流转周期进行控制。

2.3 加工性能

SSBR胶料的剪切储能模量（G′）和损耗模量（G″）与应变的关系曲线分别如图1和2所示。

图1 SSBR胶料的G′-应变曲线

图2 SSBR胶料的G″-应变曲线

从图1和2可以看出，随着应变的增大，3种SSBR胶料的G′和G″的下降趋势相似，说明其Payne效应相当。

当应变从0.28%增大到40%时，SSBR胶料的G′和G″下降率见表4。

从表4可以看出，3种SSBR胶料的G′和G″下降率基本相同。这说明在3组工艺条件下，各胶料的白炭黑硅烷化反应及填料分散性良好。

表4 SSBR胶料的G′和G″下降率 %

2.4 物理性能

SSBR硫化胶的物理性能见表5。

表5 SSBR硫化胶的物理性能

从表5可以看出：3种SSBR硫化胶的硬度、定伸应力、拉伸强度和回弹值相当；LG2550硫化胶的拉断伸长率最大；RC2557S硫化胶的撕裂强度最大；RC2564S硫化胶的耐磨性能最好，压缩温升最低。

综合来看，3种SSBR因分子链结构及微观结构单元的差异化而导致性能不同。一般来说，SSBR的苯乙烯含量主要影响胶料的力学强度，乙烯基含量对力学强度的影响较小，主要影响与白炭黑反应的活性点，从而影响胶料的耐磨性能和生热性能等。从配方设计上看，3种SSBR可以在相同配方体系下实现相互替换。

2.5 动态力学性能

SSBR胶料的储能模量（E′）和损耗因子（tanδ）与温度的关系曲线分别如图3和4所示。

图3 SSBR胶料的E′-温度曲线

图4 SSBR胶料的tanδ-温度曲线

动态力学性能主要包括Tg、0和60 ℃时的tanδ。Tg决定了胶料的适应环境温度，Tg越高，胶料的抗湿滑性能和干地操纵性能越好；Tg越低，则越有利于降低胶料的滚动阻力和提高耐磨性能。一般来说，0 ℃时的tanδ表征胶料的抗湿滑性能，其值越大，抗湿滑性能越好；60 ℃时的tanδ表征胶料的滚动阻力，其值越小，滚动阻力越低[4-5]。SSBR胶料的动态力学性能见表6。

从图3和4及表6可以看出，在相同配方体系下3种SSBR胶料的Tg均在（-10±2） ℃范围内，RC2557S胶料的Tg略低，LG2550胶料次之，RC2564S胶料最高。这是因为虽然3种SSBR胶料的苯乙烯含量相同，但RC2564S胶料的乙烯基含量最大，生胶的静态Tg最高。胶料在0 ℃时的tanδ与动态Tg有明显的相关性，RC2564S胶料在0 ℃时的tanδ最大，LG2550胶料次之，RC2557S胶料最小，说明RC2564S胶料的抗湿滑性能最好；RC2557S胶料在60 ℃时的tanδ最小，RC2564S胶料次之，LG2550胶料最大，但DMA仪测试存在仪器偏差，3种胶料在60 ℃时的tanδ测定值相对误差均在2%左右，属于波动范围内，因此可以认为3种SSBR胶料的滚动阻力基本相同。