高门尼粘度异戊橡胶在全钢载重子午线轮胎中的应用

赵姜维，周志峰，张 杰，李花婷，徐 林

（1.中国石化北京化工研究院燕山分院 橡塑新型材料合成国家工程研究中心，北京 102500；2.北京橡胶工业研究设计院有限公司，北京 100143）

异戊橡胶（IR）根据其合成所用催化（引发）体系的不同可分为锂系、钛系和稀土系IR。其中稀土系IR的顺式结构含量最大，是所有IR中结构最接近天然橡胶（NR）分子链结构的品种[1-3]，广泛应用于轮胎、胶管、胶带和医用制品等[4-5]。进入21世纪，我国IR产能迅速增长，目前年产能已达17.5万t，新建装置全部用于生产稀土系IR。

通常橡胶的相对分子质量越高，其力学性能越好，但同时导致胶料的加工性能变差。IR用于轮胎生产时，大多数轮胎生产企业通常要求其门尼粘度以70左右为宜，少数企业可接受门尼粘度约为80的IR。近年来，轮胎生产企业的加工水平不断提高，加工设备不断更新，使得将更高门尼粘度的IR应用于轮胎生产成为可能。中国石化北京化工研究院成功开发出了不同门尼粘度的IR，并系统研究了门尼粘度为70～80的产品应用性能[2，6-7]。

本工作研究高门尼粘度（92）异戊橡胶（HMIR）在全钢载重子午线轮胎中的应用，以期为HMIR的应用提供参考。

1 实验

1.1 原材料

天然橡胶（NR），STR20，泰国产品；HMIR，中国石化北京化工研究院燕山分院中试装置合成[8-9]，顺式结构质量分数为98.1%；其他均为轮胎工业常用原材料。

1.2 配方

基本配方（用量/份）：HMIR 100，工业参比炭黑8#35，氧化锌 5，硬脂酸 2，硫黄 2.25，促进剂TBBS 0.7。

胎面胶原始配方（用量/份）：NR 100，炭黑

60，氧化锌 3.5，硬脂酸 2，防老剂4020 3.5，硫黄 1.3，促进剂TBBS 1.4，其他 4.9。

胎体帘布胶原始配方（用量/份）：NR 100，炭黑 42.1，氧化锌 8，硬脂酸 1，防老剂4020 3.1，硫黄 4.9，促进剂DCBS 1.4，其他 7.3。

胎肩胶原始配方（用量/份）：NR 100，炭黑

42.1，氧化锌 4，硬脂酸 1，防老剂4020 2.5，硫黄 3，促进剂TBBS 1.5，其他 4.8。

胎面胶、胎体帘布胶和胎肩胶试验配方分别以30，20，20份HMIR等量替代NR，其余组分及用量同原始配方。

1.3 主要设备和仪器

SMV-300型门尼粘度计，岛津企业管理（中国）有限公司产品；RSS-Ⅱ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。

1.4 试样制备

按照ISO 2303—2019《非充油溶液聚合型异戊二烯橡胶（IR）评价方法》中的评定规程，一段混炼在密炼机中进行，二段混炼在开炼机上进行。胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为温度为135℃，时间除特别提及外均为40 min。

1.5 性能测试

（1）门尼粘度、物理性能和成品轮胎性能均按照相应国家标准测试。

（2）滚动阻力采用橡胶滚动阻力试验机测试，条件为：时间 30 min，负荷 15 MPa，转速400 r·min-1。

（3）耐切割质量损失分数采用耐切割试验机测试，条件为：时间 15 min，打击速度 120次·min-1，转速 725 r·min-1。

2 结果与讨论

2.1 基本配方性能

2.1.1 混炼工艺

胶料混炼密炼机最高电流为25 A、平衡电流为16 A。一段混炼中胶料混炼效果和排胶结团性较好；二段混炼中胶料在开炼机上包辊好，排胶及压出后胶片的外观均匀光亮，满足加工要求。

2.1.2 硫化特性

HMIR胶料的门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]为42，门尼焦烧时间t5，t35和Δt30（120 ℃）分别为37.92，46.85和8.93 min。硫化仪数据（160 ℃）的FL和Fmax分别为0.425和1.740 dN·m；ts1和t90分别为3.57和8.20 min。

混炼后HMIR胶料的门尼粘度降至42，可满足加工要求；FL高于NR胶料[6]，表明HMIR胶料的流动性相对较差。

HMIR硫化胶的物理性能见表1。

从表1可以看出，与文献报道的NR硫化胶性能相比[6]，HMIR硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率较高，300%定伸应力较低，压缩疲劳温升明显下降。因此，在实际应用中HMIR需与NR并用，可保持性能，降低滚动阻力。

表1 硫化胶的物理性能

2.2 应用配方性能

2.2.1 胎面胶

胎面胶的物理性能见表2。

表2 胎面胶的物理性能

从表2可以看出：与原始配方硫化胶相比，胎面胶试验配方硫化胶的硬度和300%定伸应力增大；拉伸强度、撕裂强度和回弹值无明显变化；疲劳温升升高，阿克隆磨耗量减小约30%，耐切割质量损失较小，表明HMIR的加入可提高胶料的耐磨性能和抗切割性能。热空气老化后，试验配方硫化胶的耐磨和抗切割性能仍优于原始配方硫化胶。

胎面胶的动态性能见表3。

表3 胎面胶的动态性能

从表3可以看出，与原始配方硫化胶相比，胎面胶试验配方硫化胶的功率损耗、动态变形量和胶料温升均减小，表明HMIR加入后可在一定程度上降低轮胎的滚动阻力。

2.2.2 胎体帘布胶

胎体帘布胶的物理性能见表4。

表4 胎体帘布胶的物理性能

从表4可以看出，与原始配方硫化胶相比，胎体帘布胶试验配方硫化胶的300%定伸应力、撕裂强度和回弹值变化不大，拉伸强度减小。

粘合性能是胎体帘布胶的关键性能指标。胎体帘布胶老化前后钢丝帘线抽出力如表5所示。

从表5可以看出，与原始配方胶料相比，胎体帘布胶试验配方胶料的钢丝帘线抽出力相当，表明添加20份HMIR不影响胶料的钢丝粘合性能，能够满足胎体帘布胶的性能要求。

表5 胎体帘布胶老化前后的钢丝帘线抽出力 N

2.2.3 胎肩胶

胎肩胶的物理性能见表6。

表6 胎肩胶的物理性能

从表6可以看出，与原始配方硫化胶相比，胎肩胶试验配方硫化胶的300%定伸应力和撕裂强度增大，热空气老化后的拉伸强度略减小，表明20份HMIR等量替代NR不会对胶料性能产生明显影响，能够满足胎肩胶的性能要求。

2.3 成品轮胎性能

分别将试验配方胎面胶、胎体帘布胶和胎肩胶应用于全钢载重子午线轮胎。轮胎试制采用工厂原始工艺，各工序进行顺利，未出现明显异常。成品轮胎性能测试结果如表7所示。

表7 成品轮胎性能测试结果

从表7可以看出，试制轮胎的充气外缘尺寸、强度和耐久性能均达到GB 9744—2015的要求。

为考察成品轮胎的实际使用性能，进行了实际道路里程试验。选择车辆类型为自卸车，装配了2条全NR轮胎和7条试验轮胎，行驶道路主要为路况较差的乡村泥土路和建筑工地路面，以模拟轮胎在极限情况下的使用性能。成品轮胎的实际道路行驶里程见表8。

从表8可以看出：全NR轮胎行驶3.9万～4.1万km时损坏；7条试验轮胎中有5条轮胎行驶3.8

表8 成品轮胎的实际道路行驶里程

万～4.3万km时损坏，2条轮胎行驶4.7万km时仍未损坏。由此可见，试验轮胎的使用寿命相当或略优于全NR轮胎，表明HMIR部分等量替代NR后，并不影响轮胎的使用性能。

3 结论

（1）HMIR硫化胶的物理性能差于NR硫化胶，故HMIR需要与NR并用。

（2）分别以30，20和20份HMIR等量替代NR用于胎面胶、胎体帘布胶和胎肩胶，胎面胶的硬度和300%定伸应力增大，耐磨和抗切割性能提高，滚动阻力减小；胎体帘布胶的300%定伸应力、撕裂强度、回弹值和粘合性能相当；胎肩胶的300%定伸应力和撕裂强度增大，拉伸强度略减小。

（3）采用HMIR部分等量替代NR试制的全钢载重子午线轮胎的充气外缘尺寸、强度和耐久性能均达到国家标准要求，实际使用性能与全NR轮胎相当或略优。