改性聚雙環(huán)戊二烯在免充氣輪胎中的應(yīng)用潛力探究

張婷婷，劉東立，許 寧，劉 暢

（上海東杰高分子材料有限公司，上海 201108）

免充氣輪胎的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)充氣輪胎爆胎、漏氣、需定期保養(yǎng)、不能承受劇烈撞擊的問題。相比于傳統(tǒng)充氣輪胎，免充氣輪胎具有如下優(yōu)勢：剛性強(qiáng)，質(zhì)輕；無充氣內(nèi)胎，因此無需保持內(nèi)部空氣壓力；工藝簡單[1-2]。

本工作探究改性聚雙環(huán)戊二烯（PDCPD）在免充氣輪胎中的應(yīng)用潛力，為免充氣輪胎用新材料的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 免充氣輪胎對彈性體材料的需求

免充氣輪胎是以高分子彈性體為輪輻，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及彈性體自身性能達(dá)到支撐車身質(zhì)量及變形吸震的目的。應(yīng)用于免充氣輪胎的彈性體需具備以下特性：（1）一定的剛性，能起到支撐車身作用；（2）一定的韌性，達(dá)到可變形吸震、提高行駛舒適性的目的；（3）形狀記憶性，輪胎負(fù)載變形后可恢復(fù)，即要求材料的剛性和柔性須達(dá)到一定的平衡；（4）良好的抗疲勞性能，在輪胎負(fù)載行駛中，彈性體需承受住不斷的拉伸-壓縮循環(huán)。

目前，聚氨酯及高彈性泡沫材料在免充氣輪胎中的應(yīng)用研究較多[3-4]，且已有部分產(chǎn)品投入使用，該類彈性體制備的免充氣輪胎具有生熱低、減震效果好、使用壽命長的優(yōu)勢[5]，但其在負(fù)載變形后無法迅速恢復(fù)、抗動態(tài)疲勞性能差的問題在一定程度上限制了它的發(fā)展。

2 PDCPD的性能特點(diǎn)

PDCPD是一種剛?cè)岵?jì)的高分子材料，由雙環(huán)戊二烯（DCPD）通過開環(huán)易位聚合（ROMP）反應(yīng)制得。其單體DCPD主要來源于石油裂解制乙烯及煤炭煉焦副產(chǎn)物中的C5餾分，具有來源廣泛且價(jià)格低廉的優(yōu)勢[6]。PDCPD同時(shí)含有柔性雙鍵、剛性環(huán)狀結(jié)構(gòu)及可操控的交聯(lián)度，且該特性在低溫等極端條件下仍可保持，拓寬了其應(yīng)用場景[7]；該結(jié)構(gòu)特性還賦予了材料優(yōu)異的抗疲勞性能及形狀記憶功能。

此外，由于PDCPD的單體DCPD粘度低，因此適用于反應(yīng)注射成型工藝，注射過程無需過高的充模壓力，且可一次成型制備形狀復(fù)雜的制品。由于DCPD的聚合為放熱反應(yīng)，反應(yīng)可在幾分鐘內(nèi)完成，具有固化快速、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短的優(yōu)勢。PDCPD還具備優(yōu)異的耐酸堿性和耐水性[8]。以上優(yōu)勢使PDCPD在免充氣輪胎方面的應(yīng)用具有巨大潛力。而PDCPD是一種工程塑料，對于未改性的PDCPD而言，其基本力學(xué)性能并不突出。要使其可應(yīng)用于免充氣輪胎中，還需通過改變其交聯(lián)程度或引入柔性結(jié)構(gòu)將其改性為一種性能滿足需求的彈性體。

3 PDCPD的改性技術(shù)路線

3.1 技術(shù)路線1—互穿網(wǎng)絡(luò)改性

在PDCPD中引入相容性較高的柔性高分子材料，包括橡膠和聚氨酯等彈性體，與PDCPD形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖1）。具體方法是：將柔性高分子材料溶解到單體DCPD中，然后在合適的條件下聚合。

圖1 PDCPD互穿網(wǎng)絡(luò)改性示意

3.2 技術(shù)路線2—高交聯(lián)改性

通過引入交聯(lián)劑或自由基引發(fā)劑來適當(dāng)調(diào)高PDCPD的交聯(lián)度。純DCPD是一種交聯(lián)度較低的樹脂，因此力學(xué)性能較差。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過加入交聯(lián)劑以提高其交聯(lián)度，從而使PDCPD在力學(xué)和耐溫性能方面滿足實(shí)際應(yīng)用。

3.3 技術(shù)路線3—聚氨酯接枝改性

對于相對分子質(zhì)量可控的柔性高分子材料，包括聚酰胺、芳綸、聚氨酯等，將其分子鏈兩端用降冰片烯封端，以賦予其與DCPD共聚的能力。在催化劑作用下，柔性高分子材料與PDCPD形成完整的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3.4 改性前后PDCPD的性能

未改性PDCPD與3種改性PDCPD的力學(xué)性能對比見表1。

從表1可以看出：與未改性PDCPD相比，互穿網(wǎng)絡(luò)改性PDCPD的拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和抗沖擊強(qiáng)度都有所提高；通過調(diào)整交聯(lián)劑的種類和用量的高交聯(lián)改性PDCPD的拉伸模量、彎曲模量、彎曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和耐溫性能均提高；聚氨酯接枝改性PDCPD的斷裂伸長率和抗沖擊強(qiáng)度大幅提高，其他力學(xué)性能也有所改善。

表1 PDCPD與改性PDCPD的力學(xué)性能

4 PDCPD的改性方向

試驗(yàn)表明，物理摻混的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或引入交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的柔性高分子鏈嵌段都能賦予PDCPD更好的柔韌性，而加入交聯(lián)劑則會賦予其一定的剛性。從機(jī)理上來說，有望通過以下3種改進(jìn)方式使PDCPD的性能向彈性體方向發(fā)展：（1）調(diào)整柔性高分子材料的相對分子質(zhì)量與加入量；（2）對柔性高分子材料進(jìn)行修飾，以提高其與單體DCPD的相容性；（3）加入交聯(lián)劑，以提高其耐熱性能和形狀記憶功能。

除了采用以上方式改性外，未來PDCPD的改性方向還可考慮利用降冰片烯類衍生物與DCPD共聚（見圖2），其中DCPD主要起到交聯(lián)劑的作用，該方法同樣具有操作簡單的優(yōu)勢，更多相關(guān)研究還有待繼續(xù)進(jìn)行。

圖2 降冰片烯類衍生物與DCPD的共聚反應(yīng)

5 結(jié)語

新技術(shù)被越來越多地應(yīng)用，以免充氣輪胎為代表的汽車輪胎也在一代代地更新。免充氣輪胎技術(shù)的發(fā)展亟待新型高分子材料的支持。PDCPD這種壽命長、耐溫性能好、無毒無味、無污染，可以代替橡膠、聚酰胺、其他塑料等的新型高分子材料將用于輪胎試制，相信該材料的使用和推廣可以加速免充氣輪胎技術(shù)的進(jìn)步，并使免充氣輪胎的回收利用更方便。