不同牌號(hào)溶聚丁苯橡膠在輪胎胎面膠中的應(yīng)用性能

劉華僑，孫茂忠，李紅衛(wèi)，顧培霜，汪傳生

[1.特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266061；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061]

目前，國(guó)內(nèi)輪胎胎面膠用溶聚丁苯橡膠（SSBR）的牌號(hào)主要有RC2557S和RC2564S，國(guó)外牌號(hào)主要有LG2550。為應(yīng)對(duì)某一SSBR生產(chǎn)廠(chǎng)家停機(jī)檢修而引起的供貨不足情況，輪胎生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)常對(duì)于胎面膠用SSBR牌號(hào)選取額外的1—2種驗(yàn)證材料，用以等量替換或配方微調(diào)，從而避免停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。例如，2019年4月中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司停機(jī)檢修造成RC2557S每月5 000 t的產(chǎn)能停滯，國(guó)內(nèi)很多輪胎企業(yè)面臨原材料短缺危機(jī)，必須啟用RC2564S和LG2550的應(yīng)對(duì)方案。雖然這3個(gè)牌號(hào)SSBR的物理性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能均在配方開(kāi)發(fā)目標(biāo)限值要求內(nèi)，但因其獨(dú)特的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布而造成門(mén)尼粘度不同，從而影響膠料加工性能，因此必須對(duì)其工業(yè)化性能進(jìn)行研究。

本工作針對(duì)RC2557S，RC2564S和LG2550 3種牌號(hào)SSBR，以門(mén)尼粘度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行密煉工藝調(diào)整，研究3種牌號(hào)SSBR在輪胎胎面膠中的應(yīng)用性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

SSBR，牌號(hào)RC2557S和RC2564S，中國(guó)石油獨(dú)山子石化公司產(chǎn)品；牌號(hào)LG2550，韓國(guó)LG公司產(chǎn)品（SSBR出廠(chǎng)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1）。天然橡膠（NR），牌號(hào)STR20，泰國(guó)產(chǎn)品。白炭黑，牌號(hào)1115MP，青島羅地亞白炭黑有限公司產(chǎn)品。炭黑N234，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品。偶聯(lián)劑Si69，南京曙光精細(xì)化工有限公司產(chǎn)品。環(huán)保芳烴油V500，德國(guó)漢圣化工集團(tuán)產(chǎn)品。

表1 SSBR出廠(chǎng)技術(shù)參數(shù)

1.2 基本配方

SSBR（變品種） 80，NR 20，白炭黑 70，炭黑N234 12，偶聯(lián)劑Si69 8.4，氧化鋅 3，硬脂酸 2，環(huán)保芳烴油V500和填充油 37，微晶蠟1.5，防老劑4020 2，硫黃 1.8，促進(jìn)劑CBS 1.5。

1.3 主要設(shè)備和儀器

BB430型密煉機(jī)，日本神戶(hù)制鋼公司產(chǎn)品；M-2000-AN型硫化儀，高鐵檢測(cè)儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；150 N拉力試驗(yàn)機(jī)和壓縮生熱試驗(yàn)機(jī)，中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；VMA2000型流動(dòng)性測(cè)試儀，特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司產(chǎn)品；GABOMETER-150型動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析（DMA）儀，德國(guó)GABO檢測(cè)儀器公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

母膠和終煉膠均采用BB430型密煉機(jī)進(jìn)行混煉。

母膠采用三段混煉工藝，一段混煉初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為55 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，混煉工藝為：加入生膠、小料和炭黑，混煉22 s后提壓砣，加油，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至45 r·min-1，混煉20 s或溫度達(dá)到122 ℃時(shí)提壓砣，清掃，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至20 r·min-1，膠料升溫至146 ℃自動(dòng)進(jìn)入恒溫?zé)捘z模式，恒溫混煉30 s后排膠；二段混煉初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，混煉工藝為：加一段混煉膠混煉20 s后提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至45 r·min-1，混煉25 s后提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至35 r·min-1，混煉至125 ℃時(shí)提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至30 r·min-1，膠料達(dá)到145 ℃時(shí)提壓砣，排膠；三段混煉初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1，壓砣壓力為0.6 MPa，混煉工藝為：加二段混煉膠混煉20 s后提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至40 r·min-1，混煉25 s后提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至35 r·min-1，混煉至120 ℃時(shí)提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至30 r·min-1，膠料達(dá)到140 ℃時(shí)提壓砣，排膠。

終煉初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35 r·min-1，壓砣壓力為0.5 MPa，混煉工藝為：加三段混煉膠混煉30 s后提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至30 r·min-1，混煉35 s后提壓砣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速減小至25 r·min-1，混煉20 s或溫度達(dá)到110 ℃時(shí)提壓砣，排膠。

3種SSBR中RC2557S母膠采用三段混煉工藝，RC2564S和LG2550母膠僅采用前兩段混煉工藝；3種SSBR的終煉工藝相同。

1.5 性能測(cè)試

（1）流動(dòng)性。采用VMA2000型流動(dòng)性測(cè)試儀進(jìn)行分析，測(cè)試溫度為90 ℃。

（2）加工性能。采用RPA2000橡膠加工分析儀對(duì)混煉膠進(jìn)行應(yīng)變掃描，測(cè)試條件為：頻率 1 Hz，溫度 60 ℃，應(yīng)變范圍 0.1%～40%。

（3）物理性能。各項(xiàng)性能均按相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，其中壓縮生熱的測(cè)試條件為：沖程 4.45 mm，負(fù)荷 1 MPa，溫度 55 ℃。

（4）動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。采用DMA儀進(jìn)行溫度掃描，測(cè)試條件為：拉伸模式，溫度范圍 -65～65℃，頻率 10 Hz，升溫速率 2 ℃·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

SSBR膠料的硫化特性見(jiàn)表2。

表2 SSBR膠料的硫化特性

從表2可以看出：RC2564S母膠采用兩段混煉工藝，膠料的門(mén)尼粘度最??；LG2550母膠和終煉膠工藝均與RC2564S相同，但膠料的門(mén)尼粘度較大；RC2557S母膠采用三段混煉工藝，膠料門(mén)尼粘度與LG2550相當(dāng)，但仍大于RC2564S。這是因?yàn)镽C2557S的相對(duì)分子質(zhì)量比RC2564S大25%左右，生膠的門(mén)尼粘度較高，而且RC2564S的乙烯基含量較大，與白炭黑硅烷化反應(yīng)的活性連接點(diǎn)較多，白炭黑硅烷化反應(yīng)的二級(jí)反應(yīng)化學(xué)連接點(diǎn)增加，白炭黑分散性提高。為保證胎面膠半部件擠出尺寸均勻穩(wěn)定，胎面膠隨SSBR替換情況需調(diào)整混煉工藝，調(diào)節(jié)門(mén)尼粘度水平，因此，RC2557S母膠的混煉需要額外增加一段返煉工藝，導(dǎo)致膠料的能耗增大，流轉(zhuǎn)周期延長(zhǎng)。

從表2還可以看出，3種SSBR膠料的硫化特性相當(dāng)，在輪胎硫化過(guò)程中可設(shè)定相同的硫化工藝。

2.2 流動(dòng)性

SSBR膠料的流動(dòng)值見(jiàn)表3。

從表3可以看出：雖然RC2557S膠料的門(mén)尼粘度比RC2564S膠料高，但RC2557S膠料的流動(dòng)值最大，比RC2564S增大28%左右；LG2550膠料的門(mén)尼粘度與RC2557S膠料相當(dāng)，但流動(dòng)性較低。因此，門(mén)尼粘度并不能有效地表征SSBR膠料的流動(dòng)性。

表3 SSBR膠料的流動(dòng)值 （100 mm）-1

從表3還可以看出，隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，各膠料的流動(dòng)性下降，且下降幅度相當(dāng)。因此，可以采用VMA2000型流動(dòng)性測(cè)試儀對(duì)膠料的流轉(zhuǎn)周期進(jìn)行控制。

2.3 加工性能

SSBR膠料的剪切儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）與應(yīng)變的關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖1和2所示。

圖1 SSBR膠料的G′-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖2 SSBR膠料的G″-應(yīng)變曲線(xiàn)

從圖1和2可以看出，隨著應(yīng)變的增大，3種SSBR膠料的G′和G″的下降趨勢(shì)相似，說(shuō)明其Payne效應(yīng)相當(dāng)。

當(dāng)應(yīng)變從0.28%增大到40%時(shí)，SSBR膠料的G′和G″下降率見(jiàn)表4。

從表4可以看出，3種SSBR膠料的G′和G″下降率基本相同。這說(shuō)明在3組工藝條件下，各膠料的白炭黑硅烷化反應(yīng)及填料分散性良好。

表4 SSBR膠料的G′和G″下降率 %

2.4 物理性能

SSBR硫化膠的物理性能見(jiàn)表5。

表5 SSBR硫化膠的物理性能

從表5可以看出：3種SSBR硫化膠的硬度、定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和回彈值相當(dāng)；LG2550硫化膠的拉斷伸長(zhǎng)率最大；RC2557S硫化膠的撕裂強(qiáng)度最大；RC2564S硫化膠的耐磨性能最好，壓縮溫升最低。

綜合來(lái)看，3種SSBR因分子鏈結(jié)構(gòu)及微觀(guān)結(jié)構(gòu)單元的差異化而導(dǎo)致性能不同。一般來(lái)說(shuō)，SSBR的苯乙烯含量主要影響膠料的力學(xué)強(qiáng)度，乙烯基含量對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的影響較小，主要影響與白炭黑反應(yīng)的活性點(diǎn)，從而影響膠料的耐磨性能和生熱性能等。從配方設(shè)計(jì)上看，3種SSBR可以在相同配方體系下實(shí)現(xiàn)相互替換。

2.5 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

SSBR膠料的儲(chǔ)能模量（E′）和損耗因子（tanδ）與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)分別如圖3和4所示。

圖3 SSBR膠料的E′-溫度曲線(xiàn)

圖4 SSBR膠料的tanδ-溫度曲線(xiàn)

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能主要包括Tg、0和60 ℃時(shí)的tanδ。Tg決定了膠料的適應(yīng)環(huán)境溫度，Tg越高，膠料的抗?jié)窕阅芎透傻夭倏v性能越好；Tg越低，則越有利于降低膠料的滾動(dòng)阻力和提高耐磨性能。一般來(lái)說(shuō)，0 ℃時(shí)的tanδ表征膠料的抗?jié)窕阅埽渲翟酱?，抗?jié)窕阅茉胶茫?0 ℃時(shí)的tanδ表征膠料的滾動(dòng)阻力，其值越小，滾動(dòng)阻力越低[4-5]。SSBR膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能見(jiàn)表6。

從圖3和4及表6可以看出，在相同配方體系下3種SSBR膠料的Tg均在（-10±2） ℃范圍內(nèi)，RC2557S膠料的Tg略低，LG2550膠料次之，RC2564S膠料最高。這是因?yàn)殡m然3種SSBR膠料的苯乙烯含量相同，但RC2564S膠料的乙烯基含量最大，生膠的靜態(tài)Tg最高。膠料在0 ℃時(shí)的tanδ與動(dòng)態(tài)Tg有明顯的相關(guān)性，RC2564S膠料在0 ℃時(shí)的tanδ最大，LG2550膠料次之，RC2557S膠料最小，說(shuō)明RC2564S膠料的抗?jié)窕阅茏詈?；RC2557S膠料在60 ℃時(shí)的tanδ最小，RC2564S膠料次之，LG2550膠料最大，但DMA儀測(cè)試存在儀器偏差，3種膠料在60 ℃時(shí)的tanδ測(cè)定值相對(duì)誤差均在2%左右，屬于波動(dòng)范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為3種SSBR膠料的滾動(dòng)阻力基本相同。

表6 SSBR膠料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

通過(guò)對(duì)配方設(shè)計(jì)性能進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為3種牌號(hào)SSBR可以相互替換。

3 結(jié)論

（1）以門(mén)尼粘度作為加工性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，RC2557S膠料的門(mén)尼粘度最大，相對(duì)于RC2564S和LG2550膠料需要額外增加一段返煉工藝，使膠料的能耗增大，流轉(zhuǎn)周期延長(zhǎng)。

（2）門(mén)尼粘度在一定條件下并不能有效表征膠料的流動(dòng)性，RC2557S母膠采用三段混煉工藝，其流動(dòng)性?xún)?yōu)于RC2564S和LG2550膠料。

（3）RC2557S，RC2564S和LG2550膠料的硫化特性、物理性能和滾動(dòng)阻力相當(dāng)，3種牌號(hào)SSBR在相同配方體系下可以實(shí)現(xiàn)相互替換。