氧化镁用量对溴化丁基橡胶气密层胶性能的影响

2023-12-26宋苗苗

橡胶科技 2023年12期

杨青，宋苗苗，杨旭

（怡维怡橡胶研究院有限公司，山东青岛 266045）

溴化丁基橡胶（BIIR）是含有活性溴的异丁烯-异戊二烯共聚物，具备对气体的低渗透性[1]，在轮胎气密层中使用BIIR可极大地提高轮胎充气压力保持率，将进入胎体的空气扩散量降至最低，最大程度地提高轮胎的耐久性能和汽车燃油经济性[2-3]。

在轮胎气密层胶配方中，噻唑类促进剂、硫黄和氧化锌组成的硫化体系是较有效的硫化体系之一[4]。在不饱和橡胶中使用防焦剂会减慢硫黄的硫化速度，但在气密层胶配方中使用防焦剂通常会产生相反的效果，其原因是防焦剂可以激发氧化锌的活性，因此硫化速度更快，但抗焦烧性能更差。目前对氧化镁在BIIR气密层胶配方中的相关研究较少。

本工作考察氧化镁用量对BIIR气密层胶性能的影响，以期为实际应用提供参考。

1 实验

1.1 主要原材料

BIIR，牌号2302，溴质量分数为1.8%～2.2%，门尼粘度[ML（1＋8）125 ℃]为28～36，浙江信汇新材料股份有限公司产品；炭黑N660，卡博特（中国）投资有限公司产品；氧化镁，山西运盛科技材料股份有限公司产品。

1.2 主要设备和仪器

XSM-1/10-120型密炼机，上海科创橡塑机械设备有限公司产品；XK-160型两辊开炼机，上海双翼橡塑机械有限公司产品；XLB-D 600×600型平板硫化机，湖州东方机械有限公司产品；MV2000型门尼粘度仪和MDR3000型硫化仪，美国阿尔法科技有限公司产品；AI-3000型橡胶拉伸试验机和GT-7011-D型疲劳试验机，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；邵尔A型硬度计，上海六菱仪器厂产品；401A型老化试验箱，江都精艺橡胶机械有限公司产品；BPD-RRT5109.013型回弹性测试仪，德国ZwickRoell公司产品；YQ1002-01型胶片气密性测试仪，怡维怡橡胶研究院有限公司产品；TA-ARES-G2型动态粘弹谱分析仪，美国TA公司产品；P-Z型粘性测试仪，日本东洋精机产业株式会社产品。

1.3 试验配方

试验配方如表1所示。

表1 试验配方份

1.4 试样制备

胶料采用两段混炼工艺进行混炼。一段混炼密炼室初始温度为90 ℃，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：BIIR（30 s）→炭黑、氧化镁和小料（110 ℃）→加环烷油（125 ℃）→提压砣，清扫→排胶（135 ℃）。二段混炼密炼室初始温度为60 ℃，转子转速为60 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶（30 s）→加入氧化锌、硫黄和促进剂MBTS（90℃）→提压砣，清扫→排胶（100 ℃）→在开炼机上打三角包5次，过辊3次，下片。

混炼胶在开炼机上下片后置于平板硫化机上硫化，硫化条件为150 ℃×60 min。

1.5 性能测试

（1）混炼胶自粘性测试前需对未硫化胶料进行过辊匀化，匀化后胶片厚度约为2 mm，测试面需覆盖干燥、无污染的垫布，并做好标记，测试前将试样放于恒温恒湿箱中，在（23±2）℃/（50±5）%下调节1 h。测试时将试片固定在支架上，将垫布撕掉，采用轮状夹持器与胶料粘合方式测试，压贴时间为1 s，压贴负荷为500 g，测试5个不同部位的结果取平均值，小数点后保留一位。

（2）采用平衡溶胀法测试硫化胶的交联密度。硫化胶片尺寸为10 mm×10 mm×0.5 mm，将质量为m1的试样置于装有甲苯的磨口广口瓶中，在25 ℃下溶胀24 h，平衡后取出。用滤纸吸净试样表面的溶剂，立即放入已经称好质量的称量瓶中，并盖好瓶盖，用电子天平称其质量为m2。然后，在50 ℃真空干燥箱中干燥至恒质量，称其质量为m3。重复此操作3次，求平均值。最后，按照Flory-Rehner公式[5]计算得出硫化胶的交联密度。

（3）硫化胶的气密性按照GB/T 1038.1—2022《塑料制品薄膜和薄片气体透过性试验方法第1部分：差压法》进行测试。

（4）胶料其他性能均按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 混炼胶性能

混炼胶的性能如表2所示，硫化曲线如图1所示。

图1 混炼胶的硫化曲线

表2 混炼胶的性能

从表2可以看出，随着氧化镁用量的增大，混炼胶的门尼粘度呈增大趋势，t5和t90延长。

从图1可以看出，当氧化镁用量为0.2份时，胶料的硫化时间明显延长。从氧化锌、促进剂与卤化丁基橡胶反应机理来看[6]，硫化过程中氧化锌参与交联反应，生成的ZnBr2会进一步催化交联反应，加入氧化镁后，氧化镁与ZnBr2反应，生成氧化锌和MgBr2，使反应速率降低，硫化速度变慢。

此外，自粘性测试是表征混炼胶表面粘性的方法，气密层胶料的表面粘性对成型接头质量有重要影响，从粘性测试数据来看，氧化镁用量对胶料的自粘性基本无影响。

2.2 硫化胶性能

硫化胶的性能如表3所示，其中tanδ为损耗因子。

表3 硫化胶的性能

从表3可以看出，硫化胶的交联密度随着氧化镁用量的增大呈增大趋势，这是因为氧化镁也能够参与BIIR交联（反应机理如图2所示）。结合混炼胶的门尼焦烧性能（见图3），当氧化镁用量达到0.4～0.6份时，胶料的交联密度和t5达到一个平台，随后非常缓慢地上升。

图2 氧化镁硫化BIIR的机理

图3 胶料的交联密度与焦烧时间

如上所述，氧化镁参与硫化交联反应，交联程度增大，硫化胶的硬度增大，拉伸强度增大到一定水平后非常缓慢地上升，橡胶几乎完全被交联，拉断伸长率和tanδ减小，但对硫化胶的气密性和耐疲劳性能基本无影响。并且氧化镁作为金属氧化物，在交联反应的后期主要起热稳定剂作用，氧化镁吸收硫化中生成的对胶料老化有影响的溴化氢气体，因此硫化胶的耐热空气老化性能提高。