超細全硫化粉末橡膠改性丁苯橡膠的性能研究

王清才，李 波，李花婷，紀瑞華，喬金梁，張曉紅，高建明

（1.北京橡膠工業(yè)研究設計院有限公司，北京 100143；2.中國石油錦州石化分公司，遼寧 錦州 121001；3.中國石化北京化工研究院，北京 100013）

隨著人們環(huán)保意識日益增強和石油資源日趨緊張，降低汽車燃油消耗變得越來越重要。汽車燃油消耗除了受汽車自身設計因素影響外，輪胎滾動阻力是重要影響因素之一。輪胎滾動阻力造成的燃油消耗占汽車燃油消耗的14%～17%，輪胎滾動阻力每降低10%，汽車燃油消耗通?？山档?%～2%。輪胎標簽法規(guī)除了對輪胎滾動阻力有嚴格限制外，還對耐磨性能、抗?jié)窕阅芎驮肼曁岢隽艘骩1-6]。

超細全硫化粉末橡膠（UFPR）是近年來開發(fā)的新材料[7-15]。世界幾大橡膠與輪胎公司用丁苯橡膠（SBR）、丁腈橡膠（NBR）、順丁橡膠、氯丁橡膠制備的UFPR改性輪胎胎面膠，可以改善抗?jié)窕阅芎湍湍バ阅埽⒔档蜐L動阻力[8-30]。中國石化北京化工研究院采用放射性同位素（Co60γ射線）或電子射線使膠乳交聯(lián)，再噴霧干燥制得UFPR，用其改性的膠料綜合性能良好[31-32]。

為進一步提高UFPR對SBR的改性效果，中國石化北京化工研究院將膠乳交聯(lián)后未噴霧干燥的UFPR直接與SBR膠乳混合，再共沉淀制成UFPR改性SBR（UFPR-SBR）。UFPR-SBR具有UFPR交聯(lián)度高（交聯(lián)度大于90%）、粒徑?。綖?0～200 nm）、與SBR基體作用強等優(yōu)點。

本工作研究UFPR-SBR膠料的性能，并與未改性的SBR膠料進行對比，為高性能輪胎用原材料的開發(fā)和應用提供指導。

1 實驗

1.1 主要原材料

SBR，牌號1502（結合苯乙烯質量分數為0.235），中國石化齊魯石化分公司產品；13種UFPR-SBR（組成如表1所示），中國石化北京化工研究院提供；3#標準參比炭黑，中橡集團炭黑工業(yè)研究設計院產品。

表1 UFPR-SBR的組成

1.2 試驗配方

SBR1502/UFPR-SBR 100，炭黑 50，氧化鋅 3，硬脂酸 1，硫黃 1.75，促進劑TBBS 1，合計 156.75。

1.3 主要設備與儀器

1.57 L本伯里密煉機，英國法雷爾公司產品；XK-160型開煉機，上海橡膠機械廠產品；M200E型門尼粘度計、C200E型無轉子硫化儀、T2000E型電子拉力機、V3000E壓縮生熱試驗機，北京友深電子儀器有限公司產品；WML-76型阿克隆磨耗試驗機，江都試驗機械廠產品；DMTA IV型動態(tài)機械熱分析儀（DMA），美國Rheometric Scientific公司產品；RSS-Ⅱ型橡膠滾動阻力試驗機，北京萬匯一方科技發(fā)展有限公司產品。

1.4 試樣制備

膠料混煉分兩段進行。一段混煉在密煉機中進行，密煉室初始溫度為60 ℃，轉子轉速為80 r·min-1，加料順序為：生膠→炭黑→氧化鋅和硬脂酸→排膠。二段混煉在開煉機上進行，輥溫為（50±5）℃，加料順序為：一段混煉膠→包輥→硫黃和促進劑→薄通6次→下片。

終煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為160℃×20 min。

1.5 性能測試

（1）動態(tài)力學性能用DMA測試。測試條件為：頻率 10 Hz，應變 0.5%，升溫速率 2℃·min-1。

（2）滾動阻力用橡膠滾動阻力試驗機測試。測試條件為：負荷 15 MPa，轉速 400 r·min-1，時間 30 min。

（3）膠料其他性能按照相應國家標準測試。

2 結果與討論

2.1 混煉膠性能

SBR和UFPR-SBR混煉膠性能如表2所示。

從表2可以看出：與SBR混煉膠相比，UFPRSBR混煉膠的門尼粘度較高；隨著UFPR質量分數增大，除含蒙脫土的UFPR以外，UFPR-SBR混煉膠的門尼粘度總體提高。這是由于高度交聯(lián)的UFPR具有一定的模量，UFPR既具有填料作用又與SBR基體作用力較強。此外，UFPR高度交聯(lián)的粒子形態(tài)阻礙了炭黑對UFPR的浸潤和滲透，相當于增大了炭黑的有效體積，使UFPR-SBR混煉膠門尼粘度提高。

從表2還可以看出，與SBR混煉膠相比，除4#和5#UFPR-SBR（UFPR主要成分為結合苯乙烯質量分數為0.5的SBR）混煉膠門尼焦燒時間t5縮短外，其他UFPR-SBR混煉膠的門尼焦燒時間接近或延長。

從表2還可以看出：與SBR混煉膠相比，UFPR-SBR混煉膠的FL提高，Fmax接近或提高；1#—8#UFPR-SBR（UFPR主要成分為SBR和羧基丁苯橡膠）混煉膠的Fmax-FL降低，9#—13#UFPRSBR混煉膠（UFPR主要成分為NBR）的Fmax-FL接近或提高；硫化速率指數（Vc）總體增大，硫化速率較快。

表2 SBR和UFPR-SBR混煉膠性能

2.2 硫化膠物理性能

SBR和UFPR-SBR硫化膠物理性能如表3所示。

表3 SBR和UFPR-SBR硫化膠物理性能

從表3可以看出，與SBR膠料相比，UFPRSBR膠料的硬度和300%定伸應力提高，拉伸強度和拉斷伸長率有不同程度降低，撕裂強度接近或提高，壓縮疲勞溫升變化不大，UFPR質量分數為0.05～0.10的UFPR-SBR膠料的物理性能變化較小。

膠料的拉伸性能取決于填料用量、比表面積和結構以及橡膠的交聯(lián)密度和橡膠-填料的相互作用。由于UFPR以粒子形式分散在SBR基體中，在拉伸變形下，UFPR表現出填料作用，但模量比炭黑低得多，且變形能力不如SBR；UFPR也有利于提高SBR-炭黑的相互作用，使更多SBR分子鏈固定在炭黑上。因此UFPR-SBR膠料的硬度和300%定伸應力提高，拉伸強度和拉斷伸長率降低。

2.3 硫化膠動態(tài)力學性能

SBR和UFPR-SBR硫化膠的動態(tài)力學性能指數如表4所示。阿克隆磨耗量指數越大，表示耐磨性能越差；0 ℃時tanδ指數越大，表示抗?jié)窕栽胶?；滾動阻力指數越大，表示滾動阻力越高。

表4 SBR和UFPR-SBR硫化膠的動態(tài)力學性能指數

從表4可以看出：與SBR膠料相比，UFPRSBR膠料的耐磨性能總體提高；UFPR質量分數為0.03～0.05的UFPR-SBR膠料耐磨性能較好。UFPR對膠料耐磨性能的改善主要得益于SBR與UFPR的相互作用、SBR與炭黑的相互作用和UFPR在SBR基體中的均勻分散。

從表4還可以看出：與SBR膠料相比，1#—3#UFPR-SBR膠料和9#—11#UFPR-SBR膠料的抗?jié)窕阅苊黠@提高；6#—8#UFPR-SBR膠料的抗?jié)窕阅軟]有明顯改善。這是由于極性、高交聯(lián)的UFPR提高了SBR分子鏈的剛性，有助于提高膠料抗?jié)窕阅堋?/p>

從表4可以看出：與SBR膠料相比，1#—5#UFPR-SBR膠料的滾動阻力變化不大；6#—8#UFPR-SBR膠料的滾動阻力隨UFPR質量分數增大而提高；9#—13#UFPR-SBR膠料的滾動阻力降低，特別是13#UFPR-SBR膠料滾動阻力降幅最大。

3 結論

（1）與SBR混煉膠相比，UFPR-SBR混煉膠門尼粘度總體提高，硫化速率加快。

（2）與SBR膠料相比，UFPR-SBR膠料硬度和300%定伸應力提高，其他物理性能總體變化不大。

（3）與SBR膠料相比，UFPR-SBR膠料的耐磨性能和抗?jié)窕阅苡兴岣?，滾動阻力變化不大，能較好地平衡膠料的的“魔三角”性能。

（4）UFPR-SBR（UFPR主要成分為結合苯乙烯質量分數為0.3的SBR和結合丙烯腈質量分數為0.31的NBR）耐磨性能和抗?jié)窕阅芎?；UFPRSBR（UFPR主要成分為結合丙烯腈質量分數為0.26的NBR）耐磨性能好和滾動阻力低。