国产丁戊橡胶与顺丁橡胶加工应用性能的对比研究

邵光谱，丁乃秀，刘 莉，刘光烨，李荣勋，孙立水，李 伟

（青岛科技大学 高性能聚合物研究院，山东 青岛 266042）

随着高速公路的不断发展，提高汽车行驶速度、降低汽车能耗已成为汽车工业的发展目标。降低轮胎滚动阻力和改善干湿路面牵引性能尤为重要，新型合成橡胶的开发和应用对高性能轮胎的发展具有重要意义[1]。

丁戊橡胶（BIR）是丁二烯与异戊二烯的共聚产物，是我国尚未实现产业化的合成橡胶。BIR不仅具有优异的耐低温性能、耐疲劳性能和抗撕裂性能，还具有良好的动态力学性能、耐磨性能和抗湿滑性能[2]。本工作对中国石油石油化工研究院开发的BIR进行硫化特性、加工性能和物理性能的研究，并探讨其在胎面胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），SCR WF，海南天然橡胶产业集团股份有限公司产品；BIR，牌号8020，中国石油石油化工研究院中试产品；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石化齐鲁石油化工公司产品；溶聚丁苯橡胶（SSBR），牌号2564S，中国石油独山子石化公司产品；炭黑N220，美国卡博特有限公司产品。

1.2 试验配方

生胶 100，炭黑N220 28，白炭黑 25，氧化锌 3.5，硬脂酸 2，微晶蜡 1，短纤维 3，硅烷偶联剂 8，防老剂RD 1.5，防老剂4020 2，硫黄 1.6，促进剂CZ 1.8，抗硫化返原剂 0.5，防焦剂CTP 0.15。

1.3 主要设备和仪器

BL-6175BL型开炼机，宝轮精密检测仪器有限公司产品；GT-M2000A型无转子硫化仪、GT-7080S2型门尼粘度计和GT-TCS-2000型万能拉力机，高铁检测仪器有限公司产品；MZ-4060型DIN磨耗机，江都明珠试验机械有限公司产品；EKT-2002GF型压缩发热试验机和EKT-2102DF型弯曲疲劳试验机，晔中科技有限公司产品；SDTA 861e型动态热机械分析仪，瑞士梅特勒-托利多公司产品。

1.4 试样制备

初混炼在密炼机中进行，初始温度为70 ℃，转速为60 r·min-1。先用NR洗车，排出洗车胶后加入生胶混炼1 min，然后加入小料和白炭黑混炼4 min，最后加入炭黑和偶联剂混炼2 min，待温度升至120 ℃时排胶。

将混炼胶投入开炼机，加入促进剂和硫黄，混炼均匀并薄通数遍，下片，冷却停放；采用平板硫化机进行硫化，硫化条件为150 ℃/15 MPa×（t90＋2 min）。

1.5 性能测试

（1）动态力学性能。测试条件为：频率 10 Hz，最大振幅 10 μm，最大动态负荷 5 N，温度范围 －60～＋80 ℃；升温速率 3 ℃·min-1。

（2）胶料其他性能均按相应国家标准测试。

2 结果与讨论

2.1 BIR与BR加工应用性能对比

2.1.1 硫化特性

BIR和BR的硫化特性如表1所示。

表1 BIR和BR的硫化特性

从表1可以看出：BR的t90明显长于BIR，说明BR的加工效率低，能耗大；BIR的t10较长，即加工安全性好；BIR的Fmax和Fmax－FL较小，即交联密度较小，这可能是因为BIR与填料之间的物理或化学作用较弱。

2.1.2 门尼粘度和门尼松弛

BIR和BR的门尼粘度和门尼松弛见表2。

表2 BIR和BR的门尼粘度和门尼松弛

从表2可以看出，与BIR相比，BR的门尼粘度较大，这可能与BR的相对分子质量较大有关。门尼松弛试验参数可以反映橡胶加工性能优劣，截距小、斜率绝对值大和应力松弛面积小，则加工性能好，而应力松弛面积优于上述单一参数，可更好地衡量胶料的加工性能[3]。由此可知，BIR的加工性能优于BR。

2.1.3 物理性能

BIR与BR硫化胶的物理性能如表3所示。

从表3可以看出：BR硫化胶的300%定伸应力和拉伸强度大于BIR硫化胶，这可能是因为BR相对分子质量大，分子间相互作用强；BIR硫化胶的拉断伸长率大于BR硫化胶，具有较优的回弹性；BIR硫化胶的撕裂强度明显大于BR硫化胶，且BIR与BR硫化胶在辊筒磨耗体积与压缩永久变形相差不大的情况下，BIR硫化胶的耐屈挠龟裂性能较好，压缩温升较低，这可能是因为BIR在动态压缩力场下，橡胶-炭黑相互作用较强，减少了分子链与填料之间的内摩擦，即生热较少，因此BIR硫化胶的耐疲劳性能较好。

表3 BIR与BR硫化胶的物理性能

2.2 BIR与BR在胎面胶中的应用对比

目前，用于轮胎胎面胶的主体材料主要采用NR/BR或NR/SBR/BR并用体系。本工作将进行NR/SBR/BIR与NR/SBR/BR并用体系对比试验，探讨BIR和BR在胎面胶中加工应用性能的差异。试验中，NR/SBR/BIR并用比为50/20/30，NR/SBR/BR并用比为50/20/30。

2.2.1 硫化特性

NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的硫化特性如表4所示。

表4 NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的硫化特性

从表4可以看出：与NR/SBR/BR并用胶相比，NR/SBR/BIR并用胶的t90略短，即硫化速率较大；t10相差不大，即加工安全性差别不大；Fmax－FL值较小，即交联密度较小。

2.2.2 门尼粘度和门尼松弛

NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的门尼粘度和门尼松弛见表5。

表5 NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的门尼粘度和门尼松弛

从表5可以看出，NR/SBR/BR并用胶的门尼粘度较大，NR/SBR/BIR并用胶具有较好的加工性能。

2.2.3 物理性能

NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的物理性能如表6所示。

表6 NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的物理性能

从表6可以看出：与NR/SBR/BR并用胶相比，NR/SBR/BIR并用胶的拉伸强度和拉断伸长率较小，这可能是因为BIR与NR和SBR的相容性较差；硬度和辊筒磨耗体积相差不大，撕裂强度较大，耐屈挠龟裂性能较好，压缩温升低。因此，BIR更适合在胎面胶中应用。

2.2.4 动态力学性能

通常情况下，60 ℃时的损耗因子（tanδ）值可以表征橡胶滚动阻力的大小，0 ℃时的tanδ值可以表征橡胶的抗湿滑性能[4-7]。

NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的tanδ-温度曲线如图1所示。

图1 NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的tanδ-温度曲线

从图1可以看出：NR/SBR/BIR和NR/SBR/BR并用胶的损耗峰值所对应的温度几乎相等，而NR/SBR/BIR并用胶的损耗峰值较小，这可能是因为NR/SBR/BIR并用胶中橡胶-填料相互作用强，分子有序度被破坏程度小；与NR/SBR/BR并用胶相比，NR/SBR/BIR并用胶0 ℃时的tanδ值较大，60 ℃时的tanδ值基本相等，即NR/SBR/BIR的滚动阻力与NR/SBR/BR并用胶相当，而抗湿滑性能较好，这可能是因为BIR中含有少量异戊二烯链节，适当降低了BR链段的高度规整性。

3 结论

（1）与BR相比，BIR的硫化速率大，门尼粘度低，加工性能好；BIR硫化胶的撕裂强度大，压缩温升低，耐疲劳性能好。

（2）与NR/SBR/BR并用胶相比，NR/SBR/BIR并用胶的硫化速率大，门尼粘度低，加工性能好，耐疲劳性能和抗湿滑性能优异，滚动阻力相当。

（3）BIR应用于轮胎胎面胶中是可行的，且比BR更适合。