均勻劑H40MSF在半鋼子午線輪胎氣密層膠中的應用

王才朋，馬德龍，袁明哲，杜孟成

（國家橡膠助劑工程技術研究中心，山東 陽谷 252300）

均勻劑能夠促進不同粘度、不同極性橡膠之間的混合，并具有增塑、增粘、分散和潤滑作用，能顯著改善膠料的加工性能，提高混煉效率并降低能耗[1-2]。均勻劑可以改善胎面膠的耐磨性能，提高胎側膠的耐疲勞性能，改善胎側膠與胎體膠的粘合性能，提高胎圈膠的尺寸穩定性、耐磨性能和與胎體膠的粘合性能，提高氣密層膠的氣密性和自粘性。目前均勻劑在輪胎氣密層膠中的應用最為廣泛。

均勻劑H40MSF是由脂肪烴、環烷烴和芳香烴等活性成分組成的混合物，本工作主要研究均勻劑H40MSF在半鋼子午線輪胎氣密層膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），牌號SMR20，馬來西亞產品；溴化丁基橡膠（BIIR），牌號222，美國埃克森美孚公司產品；炭黑N660，卡博特化工（天津）有限公司產品；均勻劑H40MSF，山東陽谷華泰化工股份有限公司產品。

1.2 配方

生產配方：NR，20；BIIR，80；炭黑N660，60；氧化鋅，4；硬脂酸，1.5；硫黃，0.6；硫化樹脂SP1045，3；其它，7.5；合計，176.6。

試驗配方：除加入8份均勻劑H40MSF外，其余與生產配方相同。

1.3 主要設備與儀器

X（S）M-1.5X（0-100）型智能實驗密煉機，青島科高橡塑機械有限公司產品；XK-160型開煉機，大連誠信橡塑機械有限公司產品；MV2000型門尼粘度試驗機、MDR型無轉子流變儀和RPA2000型橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產品；HS-100T-RTMO型平板硫化機，佳鑫電子設備科技（深圳）有限公司產品；Instron3365型電子萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司產品；GT-7017-NM型熱老化實驗機，高鐵檢測儀器有限公司產品；RCD-Ⅱ型橡膠炭黑分散度測定儀和RZN-Ⅱ型橡膠自粘性試驗機，北京萬匯一方科技發展有限公司產品。

1.4 試樣制備

生產配方膠料混煉分2段進行。一段混煉在1.5 L密煉機中進行，混煉工藝為：膠[（135±5）℃]。二段混煉在開煉機上進行，工藝為：一段混煉膠→加入硫黃、硫化樹脂、氧化鋅和其他小料→混煉均勻→下片。

試驗配方膠料混煉分2段進行。一段混煉在1.5 L密煉機中進行，混煉工藝為：[（130±5）℃]。二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝與生產配方膠料相同。

1.5 性能測試

均勻劑H40MSF中多環芳烴（PAHs）含量檢測按照德國標準ZEK 01.4-08進行，膠料性能測試均按照相應國家標準或企業標準進行。

2 結果與討論

2.1 理化性能

均勻劑H40MSF的理化性能如表1所示。從表1可以看出，均勻劑H40MSF的理化性能符合指標要求。

表1 均勻劑H40MSF的理化性能

2.2 PAHs含量

用溶劑萃取均勻劑，再用氣相色譜/質譜儀（GC/MS）定量分析均勻劑PAHs含量。根據歐盟2005/69/EC指令，從2010年1月1日起，直接投入市場或用于制造輪胎的填充油或含有芳烴物質的橡膠助劑應滿足以下條件：苯并（a）芘含量不超過1 mg·kg－1，PAHs總含量不超過10 mg·kg－1。均勻劑H40MSF的PAHs含量檢測結果如表2所示。

從表2可以看出，均勻劑H40MSF中未檢出苯并（a）芘，PAHs總含量符合歐盟指令要求。

表2 均勻劑H40MSF的PAHs含量檢測結果

2.3 膠料加工性能

2.3.1 混煉能耗

文獻[3]介紹，均勻劑作為一種重要的橡膠加工助劑，可以顯著降低膠料混煉過程中的能耗，改善膠料的加工性能。膠料一段混煉能耗與混煉時間的關系見圖1。從圖1可以看出，添加均勻劑H40MSF的試驗配方膠料混煉時間縮短，混煉能耗降低，混煉效率提高，這是由于均勻劑加快了炭黑在橡膠中的混入速度。經測算，試驗配方膠料的一段混煉能耗比生產配方膠料降低約24%。

圖1 膠料一段混煉能耗與混煉時間的關系

2.3.2 門尼粘度

一段混煉膠和二段混煉膠的門尼粘度見圖2。從圖2可以看出，試驗配方膠料混煉320 s時的門尼粘度比生產配方膠料混煉400 s時的門尼粘度低，即試驗配方膠料在較短的時間內達到了較低的門尼粘度，這表明均勻劑H40MSF可以降低混煉膠的門尼粘度，改善混煉膠的加工性能。

圖2 一段混煉膠和二段混煉膠的門尼粘度

2.4 膠料物理性能

膠料的物理性能見表3。從表3可以看出：與生產配方膠料相比，添加均勻劑H40MSF的試驗配方膠料焦燒時間延長，正硫化時間和硫化速度基本相當，說明均勻劑對膠料的焦燒時間有一定的延遲作用[4]；粘合強度增大，說明均勻劑H40MSF顯著提高了膠料的自粘性；100%定伸應力和拉伸強度減小，但能達到使用要求；拉斷伸長率和撕裂強度增大；炭黑分散等級和氣密性明顯提高，耐屈撓性能和耐熱老化性能較好。

表3 膠料的物理性能

2.5 炭黑分散性

膠料中炭黑分散情況（放大60倍）見圖3。從圖3可以看出，試驗配方膠料的炭黑分散性優于生產配方膠料，可見試驗配方膠料在混煉時間縮短的情況下，炭黑分散性提高。均勻劑H40MSF提高炭黑分散性主要有2個方面的因素[5]：一是由于均勻劑中低相對分子質量樹脂的存在，炭黑與橡膠之間的界面粘合性增強，在機械剪切力作用下膠料的內摩擦力增大，使炭黑粒子受到更強的剪切作用，炭黑聚集體粒徑減小；二是由于在共混溫度下，均勻劑組分增加了橡膠對炭黑的潤濕作用，促進炭黑在膠料中的快速分散，同時降低了炭黑粒子碰撞聚集的機會，故炭黑分散程度高。

圖3 膠料中炭黑分散情況

2.6 培恩效應

膠料儲能模量（G′）與應變（ε）的關系如圖4所示，測試條件為：溫度100 ℃，頻率1 Hz，應變掃描范圍0.7%～400%。從圖4可以看出：在低應變下，與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的G′減小，表明其培恩效應減弱，填料網絡效應減弱，即試驗配方膠料填料分散性更好；隨著應變增大，生產配方和試驗配方膠料的G′減小，并逐步趨于相同。

圖4 膠料G′與ε的關系

3 結論

均勻劑H40MSF的環保性能符合歐盟2005/69/EC指令要求，能降低膠料門尼粘度和混煉能耗，提高膠料的加工安全性能、耐屈撓性能和耐熱老化性能，改善膠料的自粘性、炭黑分散性和氣密性；膠料的定伸應力和拉伸強度減小，但能達到使用要求。均勻劑H40MSF可以在半鋼子午線輪胎氣密層膠中推廣使用。