EXXPRO对全溴化丁基橡胶胶料气密性的影响

陆晓祺，黄大业，陈 立，王丹灵

（中策橡胶集团股份有限公司，浙江 杭州 310018）

轮胎是一种极其复杂的橡胶制品，而轮胎气密层是层压到无内胎轮胎内部的一个薄橡胶层。气密层的主要功能是保持气压稳定，经配方设计制成的气密层可提供良好的气密性、耐屈挠疲劳性能、耐老化性能及与胎体良好的粘合性能[1-2]。如果轮胎气密层的气密性较好，出现胎压不足的可能性就很小，即可以节省油耗，消费者也就无需经常检查[3-4]。

EXXPRO是埃克森美孚化工公司开发的一种新型特种弹性体，它是一种溴化聚合物，由异丁烯和对甲基苯乙烯（PMS）共聚制得，溴化反应选择性地发生在PMS的甲基基团上，能提供活性苄基溴官能团[5-6]。与一般溴化丁基橡胶（BIIR）[7-8]相比，EXXPRO分子链增加的PMS基团有效地提高了分子链堆积密度，使气体更加难以透过。EXXPRO的使用可使轮胎气密层质量减小80%，且在防漏气方面表现更佳[9-10]。

本工作主要研究两种牌号EXXPRO等量部分或全部替代BIIR对轮胎气密层胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

EXXPRO，牌号3563和3745；BIIR，牌号2222，埃克森美孚化工公司产品，基本性能参数见表1。

表1 EXXPRO和BIIR的基本性能参数

1.2 试验配方

试验配方见表2。

表2 试验配方 份

1.3 主要设备和仪器

PHM-2.2型小密炼机，璧宏机械工业股份有限公司产品；S（X）K-160型开炼机，上海市拓林轻化机械厂产品；M200E型门尼粘度仪，北京友深电子仪器有限公司产品；GT-2000A型无转子硫化仪，上海诺甲仪器仪表有限公司产品；TS-2000M型拉力试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；VR-7120型动态热机械分析（DMA）仪，日本UESHIMA公司产品；VAC-V2型气密性检测仪，济南兰光机电技术有限公司产品。

1.4 试样制备

胶料分两段混炼，均在小密炼机中进行，出片在开炼机上进行。

一段混炼密炼机的填充因数为0.8，密炼室温度为60 ℃，转子转速为55 r·min-1。混炼工艺如下：加入生胶→压压砣30 s→加入全部炭黑、操作油和小料→压压砣，升温至100 ℃→提压砣，清扫→压压砣，混炼至130 ℃→提压砣→排胶→开炼机过辊2次后出片。二段混炼密炼机的填充因数为0.64，密炼室温度为40 ℃，转子转速为30 r·min-1。混炼工艺如下：加入一段混炼胶和硫化剂→压压砣，升温至75 ℃→提压砣，清扫→压压砣，混炼至95 ℃→提压砣→排胶→开炼机过辊2次后出片。混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为160 ℃×15 min。

1.5 性能测试

（1）动态力学性能。采用DMA仪测试硫化胶的动态力学性能，测试条件为：应变 7%±2%，温度范围 30～80 ℃，升温速率 2 ℃·min-1，频率10 Hz。

（2）气密性。在相同测量温度下，对相同表面积的硫化试样进行气体渗透损失测试，根据气压损失评价胶料的气密性。为了提高EXXPRO对气密层胶气密性影响的重现性，每个胶料配方进行3次气密性试验，对透气率取平均值。

（3）其他性能均按相应的国家或企业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性和物理性能

不同配方胶料的硫化特性见表3。

从表3可以看出：采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，胶料的交联密度（Fmax－FL）增大，这与EXXPRO中存在的PMS基团有关；其中3#配方胶料的Fmax－FL最大，这一方面是受PMS基团的影响，另一方面是因为溴含量较高也增加了交联点，提高了硫化胶的交联密度。随着EXXPRO3563或3745替代量的增大，胶料的t10延长，t90缩短，门尼焦烧时间基本保持不变，说明PMS基团可提高分子链中卤素原子的反应活性。

表3 不同配方胶料的硫化特性

不同配方硫化胶的物理性能见表4。

表4 不同配方硫化胶的物理性能

从表4可以看出：随着EXXPRO3745替代量的增大，硫化胶的硬度和定伸应力提高，而拉伸强度和拉断伸长率降低；而随着EXXPRO3563替代量的增大，硫化胶的300%定伸应力先下降后提高，而拉伸强度先提高后下降。以此推测，较少的PMS基团含量可提高分子链间缠结，物理性能提高，但随着PMS基团含量的增大，分子链刚性提高，反而使物理性能降低。此外，EXXPRO3745的高溴含量促进了胶料的交联密度增大，因此硫化胶的硬度提高，拉断伸长率降低。

2.2 动态力学性能

通常以DMA仪测试的损耗因子（tanδ）来表征硫化胶的动态力学性能，60 ℃时的tanδ越小，胶料的生热越低，滚动阻力越小[11-12]。不同配方胶料的tanδ-温度曲线如图1所示。

图1 不同配方胶料的tan δ-温度曲线

从图1可以看出，采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，胶料60 ℃时的tanδ均有一定程度的下降，且随着EXXPRO3745或3563替代量的增大，60 ℃时的tanδ逐渐减小，说明加入EXXPRO可以提高胶料的动态力学性能，降低胶料生热。

2.3 气密性

不同配方胶料的透气率见表5。

表5 不同配方胶料的透气率1014 cm2·（Pa·s）-1

从表5可以看出，采用EXXPRO等量部分或全部替换BIIR后，胶料的透气率明显减小，说明EXXPRO的PMS基团在分子链中形成堆积效应，可显著提高胶料的气密性。

分析认为：一方面，通过对比1#，2#和4#配方胶料或1#，3#和5#配方胶料可以看出，较低含量的PMS基团即可显著提高胶料的气密性，随着PMS基团含量的继续增大，胶料的气密性提升效果减缓；另一方面，通过对比1#，2#和3#配方胶料或1#，4#和5#配方胶料可以看出，胶料的交联密度越大，气密性越好。由此判断，PMS基团含量小和橡胶交联密度大是EXXPRO3745胶料的气密性优于EXXPRO3563胶料的主要原因。

2.4 成品性能

采用不同配方胶料制备T155/70R17 RP05轮胎，并进行气密性机床试验，试验结果见表6。

表6 成品轮胎的气密性数据 %

从表6可以看出，采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，成品轮胎的气密性提高，且随着EXXPRO用量的减小，轮胎的气密性下降，这也验证了胶料气密性试验结果。

3 结论

在全BIIR气密层胶中采用EXXPRO等量部分或全部替代BIIR后，胶料的交联密度增大，硫化胶的气密性和动态力学性能提高，生热降低。EXXPRO中PMS基团的引入，提高了分子链的致密性，降低了气体小分子的透过量，提高了气密性。在轮胎设计过程中可以减小气密层厚度，从而进一步降低轮胎的滚动阻力，改善轮胎的燃油经济性。