國產稀土順丁橡膠在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中的應用研究

云 霄，王 偉，閆 平，曹運章，李衛國

（賽輪金宇集團股份有限公司，山東 青島 266555）

隨著歐盟和國內輪胎標簽法規的先后出臺，國內外消費市場均對輪胎的燃油經濟性、抗濕滑性能以及環境保護等方面提出了更為嚴苛的要求。稀土順丁橡膠（NdBR）以其降低輪胎滯后損失、提高耐磨和抗濕滑性能以及改善老化性能的特點而被廣泛應用于綠色環保輪胎中。

本工作主要研究兩種NdBR在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中的應用性能，并與傳統鎳系順丁橡膠（NiBR）進行對比。

1 實驗

1.1 主要原材料

NdBR，牌 號Nd-40 和Nd-60；NiBR，牌 號BR9000，中國石化北京燕山分公司產品。天然橡膠（NR），20#標準膠，泰國產品。溶聚丁苯橡膠（SSBR），牌號SSBR2557s，充油37.5份，中國石油獨山子石化公司產品。炭黑N234，上海卡博特化工有限公司產品。白炭黑，牌號NEWSIL?HD 165MP，確成硅化學股份有限公司產品。

1.2 基本配方

全天候輪胎胎面膠配方：SSBR2557s 88，Nd-40 或BR9000 36，炭 黑N234 75，其 他17.23。

冬季輪胎胎面膠配方：NR 50，Nd-60或BR9000 50，白炭黑 80，其他 23.72。

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機、XSM-1.5 L密煉機和XLB 500-30型平板硫化機，青島科高橡塑機械技術裝備有限公司產品；HPE型硬度計，德國Bareiss公司產品；5965型電子拉力機，美國Instron公司產品；GT-7012-A型阿克隆磨耗試驗機和GT-2042RDH型彈性儀，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；MV2000型門尼粘度計、MDR2000型無轉子硫化儀和Disper GRADER+型炭黑分散儀，美國阿爾法科技有限公司產品；STD A861型動態力學分析儀，瑞士Mettler Toledo公司產品；GX-YLSN-1114型輪胎高速耐久性試驗機，青島高校測控技術有限公司產品；TS1109型輪胎滾動阻力試驗機，德國Testing Service Gmbh公司產品。

1.4 試樣制備

1.4.1 全天候輪胎胎面膠

采用三段混煉工藝制備，一段混煉工藝為：加入生膠、部分炭黑和小料，轉速50 r·min-1，混煉45 s→加油料，轉速不變，混煉40 s→空提壓砣，轉速不變，混煉30 s→升壓砣，排膠；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠、剩余炭黑和小料，轉速45 r·min-1，混煉45 s→空提壓砣，轉速35 r·min-1，混煉50 s→空提壓砣，轉速21 r·min-1，混煉20 s→升壓砣，密煉機排膠→在開煉機上低溫混煉，排膠；三段混煉工藝為：加入二段混煉膠和終煉小料，轉速22 r·min-1，混煉30 s→空提壓砣，轉速不變，混煉30 s→空提壓砣，轉速不變，混煉至110℃→升壓砣，排膠。

1.4.2 冬季輪胎胎面膠

采用兩段混煉工藝制備，一段混煉工藝為：加入生膠和部分小料，轉速50 r·min-1，混煉15 s→加入部分白炭黑，轉速不變，混煉40 s→加油料，轉速不變，混煉至135 ℃→升壓砣，轉速35 r·min-1，混煉至148 ℃→升壓砣，排膠；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠、剩余白炭黑和小料，轉速55 r·min-1，混煉40 s→壓壓砣，清掃，轉速35 r·min-1，混煉至148 ℃→壓壓砣，清掃，轉速20 r·min-1，在153 ℃下混煉90 s→壓壓砣，密煉機排膠→在開煉機上低溫混煉，按程序設置投入終煉小料，排膠。

混煉膠在平板硫化機上硫化，硫化條件為168℃×10 min。

1.5 性能測試

（1）門尼粘度：采用門尼粘度計按照GB/T 1232.1—2000《未硫化橡膠 用圓盤剪切粘度計進行測定 第1部分：門尼粘度的測定》測試。

（2）硫化特性：采用無轉子硫化儀按照GB/T 1233—2008《未硫化橡膠 初期硫化特性的測定用圓盤剪切粘度計》測試。

（3）物理性能：邵爾A型硬度采用硬度計按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第一部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》測試；拉伸性能和撕裂強度采用電子拉力機分別按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》和GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》測試。

（4）耐熱老化性能：采用熱老化箱按照GB/T 3512—2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗》測試，老化溫度為100 ℃。

（5）炭黑分散程度：采用炭黑分散儀測試。

（6）沖擊彈性：采用彈性儀按照GB/T 1681—2009《硫化橡膠回彈性的測定》測試。

（7）耐磨性能：采用阿克隆磨耗試驗機按照GB/T 1689—1998《硫化橡膠耐磨性能的測定（用阿克隆磨耗機）》測試。

（8）動態粘彈性能：采用動態力學分析儀測試，剪切模式，升溫速率為3 K·s-1。

（9）高速和耐久性能：采用輪胎高速耐久性試驗機按照GB/T 4502—2009《轎車輪胎性能室內試驗方法》測試。

（10）滾動阻力：采用輪胎滾動阻力試驗機按照ISO 28580：2009《轎車、卡車和客車輪胎測量滾動阻力的方法》測試。

2 結果與討論

2.1 相對分子質量及其分布

不同牌號BR的相對分子質量及其分布見表1。由表1可知，Nd-40和Nd-60的數均相對分子質量（Mn）和重均相對分子質量（Mw）均高于BR9000，但二者的相對分子質量分布（Mw/Mn）均與BR9000接近。

表1 不同牌號BR的相對分子質量及其分布

2.2 加工工藝性能

2.2.1 Nd-40與BR9000對比

Nd-40與BR9000在全天候輪胎胎面膠中的工藝性能對比見表2。

由表2可知：與BR9000相比，Nd-40生膠與混煉膠的門尼粘度相差較大，說明Nd-40與炭黑之間形成的結合膠相對更多，其與炭黑的結合能力優于BR9000，有利于炭黑在混煉膠中的分散；同時Nd-40膠料的Fmax相對較高，炭黑的分散程度也較大，說明NdBR與填料間具有較好的結合能力。

表2 Nd-40與BR9000膠料的工藝性能對比

由表2還可以看出，Nd-40膠料的t90和t5略短于BR9000膠料，但基本符合現場加工工藝要求。

Nd-40胎面擠出狀態和成型接頭狀態如圖1所示。在現場試驗過程中，Nd-40和BR9000膠料的混煉過程良好，無超溫排膠及粘輥筒現象，膠片外觀狀態較佳，可滿足現場加工工藝要求。經工藝條件調整，Nd-40和BR9000混煉膠的擠出胎面尺寸合格，外觀及斷面狀態良好，成型工序胎面接頭粘性良好。Nd-40膠料在密煉、擠出、成型等加工工藝方面均可滿足現場生產要求。

圖1 Nd-40胎面擠出狀態和成型接頭狀態

2.2.2 Nd-60與BR9000對比

Nd-60與BR9000在冬季輪胎胎面膠中的工藝性能對比見表3。

由表3可知，與BR9000相比，Nd-60生膠與混煉膠的門尼粘度相差較大，膠料的Fmax相對較高，說明Nd-60與白炭黑的結合能力較好，填料分散程度較高。Nd-60膠料的t90與BR9000膠料相近，t5相對較長，說明Nd-60膠料的現場加工安全性較好。

表3 Nd-60與BR9000膠料的工藝性能對比

Nd-60胎面擠出狀態和成型接頭狀態如圖2所示。在現場試驗過程中，Nd-60混煉膠的門尼粘度適中，擠出胎面表面光滑、尺寸合格，成型接頭狀態良好。BR9000由于生膠的門尼粘度相對較低，導致其混煉膠的門尼粘度過低。在胎面擠出過程中，BR9000混煉膠的擠出胎面強度較低，易在牽引過程中發生斷裂，因此BR9000不適合用于冬季輪胎胎面膠配方中。Nd-60的混煉膠通過試驗調整，基本滿足了現場生產要求。

圖2 Nd-60胎面擠出狀態和成型接頭狀態

2.3 物理性能和動態力學性能

不同牌號BR膠料的物理性能和動態力學性能見表4。

由表4可知，Nd-40和Nd-60分別在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中表現出較高的拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度。Nd-40和Nd-60硫化膠的定伸應力與BR9000硫化膠相當，未表現出優勢。與NiBR相比，NdBR的相對分子質量較高，分子鏈規整度高、線性好，膠料滯后損失小，因此Nd-40和Nd-60硫化膠具有較大的回彈值。在全天候輪胎胎面膠中，同樣是因為相對分子質量高、線性好等分子結構優勢使得Nd-40硫化膠的耐磨性能優于BR9000硫化膠。膠料老化后拉伸強度一般呈下降趨勢，但Nd-40與Nd-60膠料老化后的拉伸強度保持率均高于BR9000膠料，說明二者的耐老化性能相對較好。與BR9000相比，Nd-40和Nd-60均表現出較好的綜合物理性能。

表4 不同牌號BR膠料的物理性能和動態力學性能

由表4還可以看出：Nd-40和Nd-60膠料在0 ℃時的tanδ與BR9000膠料相同，說明Nd-40和Nd-60膠料的抗濕滑性能與BR9000膠料接近；但Nd-40和Nd-60膠料在60 ℃時的tanδ較低，滯后損失小、生熱低，說明Nd-40和Nd-60膠料的滾動阻力性能優于BR9000膠料，燃油經濟性較好。

2.4 成品性能

在全天候輪胎試驗中，分別使用Nd-40和BR9000混煉膠擠出的胎面試制輪胎并進行成品性能測試；在冬季輪胎試驗中，由于BR9000混煉膠的門尼粘度相對偏低，胎面擠出狀態欠佳，因此僅使用Nd-60混煉膠擠出的胎面試制輪胎并進行成品性能測試，試驗結果見表5。

表5 輪胎成品性能測試結果

由表5可知：在全天候輪胎成品性能測試中，采用Nd-40和BR9000膠料的成品輪胎在室內高速性能和耐久性能測試中均顯示為合格，其中采用Nd-40膠料的成品輪胎滾動阻力性能優于采用BR9000膠料的成品輪胎；在冬季輪胎成品性能測試中，采用Nd-60膠料的成品輪胎在室內高速性能和耐久性能測試中均顯示為合格。

3 結論

（1）兩種國產NdBR的加工工藝性能基本滿足現場生產要求，且NdBR與填料的結合能力較好，有利于填料的分散。

（2）Nd-40和Nd-60分別在全天候輪胎和冬季輪胎胎面膠中表現出相對較好的物理性能，拉伸強度、撕裂強度以及老化后拉伸強度保持率均高于BR9000膠料；Nd-40在全天候輪胎胎面膠中的耐磨性能優于BR9000膠料；Nd-40和Nd-60膠料的滾動阻力性能均優于BR9000膠料。

（3）Nd-40和Nd-60試驗輪胎的高速性能和耐久性能均符合產品設計要求，且胎面使用Nd-40膠料的全天候輪胎的滾動阻力小于使用BR9000膠料的全天候輪胎。