补强树脂在全钢轮胎中的应用

冉宇宁

（贵州轮胎股份有限公司，贵州 贵阳 550008）

橡胶的补强主要采用添加不同类型和用量的炭黑来完成[1-2]。但炭黑用量增大到一定程度会给橡胶的物理性能和加工性能带来负面影响。此时采用10～20份有机补强填料（树脂）部分替代炭黑，不仅可以获得比同用量炭黑补强胶料更好的物理性能，而且因树脂兼具软化剂和增塑剂功能，还可以降低加工温度，确保胶料混炼安全性和质量均一性[3-7]。

间苯二酚与六甲氧基甲基三聚氰胺树脂（HMMM）反应生成酚醛树脂，在全钢轮胎配方中常被用在间-甲-白钢丝粘合体系中，但其独立的交联网络具有很好的补强、增硬效果。在设计实际生产配方时，间苯二酚与HMMM物质的量之比通常为1∶（0.56～1）[8-9]。

间苯二酚-甲醛树脂SL-3020LFR常被用作间苯二酚的环保替代物，是苯乙烯改性的间苯二酚甲醛树脂，有羟基官能团、芳烷基官能团和苯乙烯基团3个官能团。这种特殊结构使SL-3020LFR具有更强的反应活性、与橡胶更大的亲和力，相应胶料具有较好的自粘性。SL-3020LFR具有类似补强树脂的支化结构，可以提高硫化胶的模量[10]。

酚醛树脂SL-2101是妥尔油改性的热反应型热塑性酚醛树脂，通过与亚甲基交联反应生成三维结构，对硫化胶具有补强、增硬的作用。

高苯乙烯树脂是苯乙烯与丁二烯的共聚物，苯乙烯质量分数在0.7以上，常用的高苯乙烯树脂苯乙烯质量分数约为0.85，有明显的塑料特性。高苯乙烯树脂性能与苯乙烯质量分数有很大关系，随着苯乙烯质量分数的增大，高苯乙烯树脂的强度、刚度和硬度提高。高苯乙烯树脂含有双键，可以与橡胶进行共交联。

本研究对比了目前全钢轮胎配方常用补强树脂——间苯二酚/HMMM、间苯二酚-甲醛树脂/HMMM、酚醛树脂/六亚甲基四胺（HMT）、高苯乙烯树脂的补强、增硬能力，以及对胶料其余性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），STR20，泰国普吉宏曼丽（橡胶）有限公司产品；炭黑N234，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；间苯二酚SL-R80、间苯二酚-甲醛树脂SL-3020LFR和酚醛树脂SL-2101，华奇（中国）化工有限公司产品；高苯乙烯树脂S-6-H，法国欧诺法公司产品。

1.2 试验配方

试验配方如表1所示。

表1 试验配方 份

1.3 主要设备和仪器

C型3 L密炼机和F-270型密炼机，美国法雷尔公司产品；LJ-150型开炼机，青岛巨融机械技术有限公司产品；LP6000型平板硫化机，德国MonTech公司产品；MDR2000型无转子硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；XHS型邵尔橡塑硬度计，上海六菱仪器厂产品；T2000E型电子拉力机和Y3000E型压缩升热试验机，北京友深电子仪器有限公司产品；EPH-50型橡胶回弹仪，英国SATRA技术中心Hampden测试仪器公司产品；MH-74型磨耗试验机，长沙仪表机械厂产品；GT-7012-D型DIN磨耗试验机，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料分两段进行混炼。一段混炼在3 L密炼机中进行，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：生胶和氧化锌、硬脂酸、防老剂、补强树脂→压压砣提压砣→炭黑→压压砣→提压砣（温度120 ℃）→压压砣→排胶（温度155 ℃）；二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→硫黄、促进剂、防焦剂和HMMM或促进剂HMT-80→薄通6次→打2个卷，下片。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为151℃×30 min。

1.5 性能测试

各项性能均按照相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 加工性能

胶料的加工性能如表2所示。

表2 胶料的加工性能

从表2可以看出：除采用S-6-H的5#配方胶料外，其余采用补强树脂的胶料的t5与1#配方（空白）胶料相比均缩短；4种补强树脂的加入均会导致胶料的门尼粘度增大，加工难度提高。

2.2 硫化特性

胶料的硫化特性如表3所示。

表3 胶料的硫化特性 min

从表3可以看出：4种采用补强树脂的胶料的Δt30，t50和t90均有所延长，表明硫化速度变慢；采用SL-2101/HMT的4#配方胶料的t10缩短；4种采用补强树脂的胶料的抗硫化返原性表征值tR97也有不同程度的延长。

2.3 物理性能

胶料的物理性能如表4所示。

表4 胶料的物理性能

从表4可以看出：采用补强树脂的胶料邵尔A型硬度均增大，其中采用SL-R80/HMMM的3#配方胶料单份数（以补强树脂用量计）硬度提高4度，增幅最大，采用其余3种补强树脂的胶料单份数硬度均提高2度，增幅相同；采用补强树脂的胶料100%定伸应力与空白胶料持平或增大，其中增幅最大的是采用SL-R80/HMMM的3#配方胶料，单份数100%定伸应力提高21%，而采用SL-3020LFR/HMMM的2#配方胶料持平；对于300%定伸应力，与空白胶料相比，采用SL-R80/HMMM的3#配方胶料增大，采用S-6-H的5#配方胶料（单份数）持平，而采用SL-3020LFR/HMMM的2#配方胶料和SL-2101/HMT的4#配方胶料则略有减小。

从表4还可以看出，几种补强树脂对胶料的拉伸强度和拉断伸长率只有轻微影响，对撕裂强度则有明显的负面作用，降幅最大的是采用SL-R80/HMMM的3#配方胶料，单份数撕裂强度降低了19%。

2.4 弹性和生热性能

胶料的弹性和生热性能如表5所示。

表5 胶料的弹性和生热性能

从表5可以看出：几种补强树脂均会导致回弹值不同程度的降低；除采用S-6-H的5#配方胶料以外，其余采用补强树脂的胶料的底部生热均比空白胶料大。

2.5 耐磨性能

胶料的耐磨性能如表6所示。

表6 胶料的耐磨性能

从表6可以看出，与空白胶料相比，采用补强树脂的胶料的DIN磨耗量均增大，而切削减量和阿克隆磨耗量则无明显变化趋势。

2.6 补强树脂分析

2.6.1 间苯二酚-甲醛树脂/HMMM

间苯二酚-甲醛树脂/HMMM的补强性能如图1所示。

图1 间苯二酚-甲醛树脂/HMMM的补强性能

从图1可以看出：间苯二酚-甲醛树脂/HMMM的优点是具有较好的增硬能力，同时相应胶料的拉伸强度和拉断伸长率保持较好；缺点是胶料的抗切削性能下降严重，撕裂强度和生热性能有所下降，同时焦烧时间缩短，硫化速度变慢，加工流动性变差。

2.6.2 间苯二酚/HMMM

间苯二酚/HMMM的补强性能如图2所示。

图2 间苯二酚/HMMM的补强性能

从图2可以看出：间苯二酚/HMMM的优点是具有很好的增硬能力，同时相应胶料的拉伸强度和拉断伸长率保持较好，加工流动性变化很小，抗硫化返原能力提高；缺点是胶料的撕裂强度下降严重，耐磨性能和生热性能有所降低，同时焦烧时间缩短，硫化速度变慢。

2.6.3 酚醛树脂/HMT

酚醛树脂/HMT的补强性能如图3所示。

图3 酚醛树脂/HMT的补强性能

从图3可以看出：酚醛树脂/HMT的优点是具有较好的增硬能力，同时相应胶料的拉伸强度和拉断伸长率保持较好，抗切削和耐磨性能均显著提高，焦烧时间、硫化速度和加工流动性均变化很小；缺点是胶料的生热明显增大，撕裂强度有所下降。

2.6.4 高苯乙烯树脂

高苯乙烯树脂的补强性能如图4所示。

图4 高苯乙烯树脂的补强性能

从图4可以看出：高苯乙烯树脂的优点是具有较好的增硬能力，同时相应胶料的拉伸强度和拉断伸长率保持较好，生热性能、焦烧时间和加工流动性变化很小；缺点是胶料的硫化速度变慢，撕裂强度和耐磨性能有所下降。

3 结论

（1）4种补强树脂对胶料的硫化均有延缓作用，其中采用SL-R80/HMMM的胶料t90最长，采用SL-2101/HMT的胶料t90最短；与空白胶料相比，采用S-6-H的胶料的t5延长，其余胶料均缩短，其中采用SL-3020LFR/HMMM的胶料的t5最短；此外，采用SL-3020LFR/HMMM的胶料加工流动性变差，其余胶料均变化不大。

（2）4种补强树脂均能有效提高胶料硬度，其中SL-R80/HMMM对胶料硬度的提高效果最佳，其余3种相当；4种补强树脂对胶料的拉伸强度和拉断伸长率的影响都很小，但对撕裂强度有负面影响，其中SL-R80/HMMM的影响最大，SL-3020LFR/HMMM的影响最小；S-6-H树脂对胶料的生热基本没有影响，其他3种树脂均有负面影响，其中SL-3020LFR/HMMM的影响最大。