吉化稀土異戊橡膠與俄羅斯同類產(chǎn)品性能及應(yīng)用對比分析*

楊俊峰，宋曉慧，王士民，楊金勝，田曉軍，劉乃青，杜昌明

(1.中國石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中國石油吉林石化公司 鐵路運輸部，吉林 吉林 132022)

稀土異戊橡膠，因其具有與天然橡膠相似的化學(xué)組成、立體結(jié)構(gòu)和物理機械性能，又稱“合成天然橡膠”?？扇炕虿糠秩〈烊幌鹉z，目前廣泛應(yīng)用于輪胎、膠管、膠帶、膠鞋及膠粘劑領(lǐng)域。吉林石化公司研究院640 t/a稀土異戊橡膠中試裝置于2011年建成投產(chǎn)，可生產(chǎn)不同門尼粘度的異戊橡膠產(chǎn)品。選擇與俄羅斯SKI-3、SKI-5[1]門尼粘度相近的稀土異戊橡膠中試產(chǎn)品JH-01，進行基本性能評價實驗、胎面膠實驗及輪胎制備實驗，結(jié)果表明,吉林石化公司稀土異戊橡膠中試裝置獲得的異戊橡膠的基本性能、物理機械性能及在全鋼載重子午線輪胎上的應(yīng)用均達到了俄羅斯SKI-3、SKI-5的水平。

1 實驗部分

1.1 原料

JH-01：吉林石化公司稀土異戊橡膠中試產(chǎn)品；SKI-3、SKI-5：俄羅斯產(chǎn)品；氧化鋅、硬脂酸、硫黃、促進劑、炭黑：工業(yè)品，外購。

1.2 設(shè)備儀器

XSS-300轉(zhuǎn)矩流變儀：上海科創(chuàng)科技有限公司；KY-3203E開煉機：臺灣合資東莞廠；XLB平板硫化機：青島機械廠；門尼機：臺灣高鐵公司；GPC凝膠色譜：日本惠普公司。

1.3 實驗配方

基礎(chǔ)膠配方(質(zhì)量份)：JH-01 100.00,硬脂酸 2.00，氧化鋅 5.00，炭黑 35.00，促進劑 0.70，硫黃2.25。

輪胎胎面膠制作配方：m(天然膠)∶m(異戊橡膠)=60∶40，其它配方同大連輪胎廠生產(chǎn)配方。

1.4 樣品制備

采用XSS-300轉(zhuǎn)矩流變儀制備混煉膠，初始溫度為60 ℃,轉(zhuǎn)速50 r/min。所有混煉膠停放12 h后，測定混煉膠門尼粘度。在KY-3203E開煉機上進行膠料的薄通及試片的壓延。用電熱平板硫化機，在10 MPa、135 ℃×30 min條件下制成硫化試片，停放24 h后進行物理機械性能測試。

1.5 性能測試

門尼粘度按 GB/T 1232.1—2000測定；拉伸強度、伸長率、定伸強度、永久變形按GB/528—2009測定；撕裂強度按GB/529—2008測定；硬度按GB/531.1—2008測定；硫化特性按GB/T16584測定；門尼焦燒按GB/T 1233測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 異戊橡膠基本性能分析

2.1.1 基礎(chǔ)膠性能

對JH-01、SKI-3、SKI-5 3種膠進行基本性能分析，結(jié)果如表1所示。

表1 JH-01與進口膠的基本性能

從表1可以看出，JH-01與SKI-5的門尼粘度、揮發(fā)分、灰分相當(dāng)，相對分子質(zhì)量分布JH-01相對SKI-3、SKI-5窄些，JH-01的-1，4順式含量高于SKI-5但低于SKI-3。從相對分子質(zhì)量分布及-1，4順式含量分析，JH-01處于SKI-5 和SKI-3之間。一般來說，相對分子質(zhì)量分布寬，其加工性能好，相對分子質(zhì)量分布窄，其加工性能差，也就是說，低相對分子質(zhì)量部分有利于橡膠的加工。而異戊橡膠-1，4順式含量的高低對硫化膠的物理機械性能影響較大，-1，4順式含量越高，拉伸結(jié)晶產(chǎn)生的自補強效應(yīng)越高，會提高膠料的力學(xué)性能。

2.1.2 混煉膠基本性能

JH-01、SKI-5和SKI-3混煉膠基本性能見表2。

表2 JH-01、SKI-5和SKI-3 混煉膠基本性能

1) Rlx_a為門尼松弛斜率；Rlx_k為松弛開始1 s瞬間門尼值；Rlx_X30為馬達停止后1 s，經(jīng)過30 s門尼變化率，下同。

從表2可以看出，JH-01和SKI-5、SKI-3混煉膠性能相當(dāng)。

2.1.3 混煉膠硫化特性[2]

圖1為JH-01、SKI-5和SKI-3在135 ℃時的硫化特性對比圖，圖2為混煉膠焦燒特性對比圖。

時間/h紅色為SKI-3，藍色為SKI-5，粉色為JH-01

時間/h

從圖1可以看出,JH-01、SKI-3、SKI-5的硫化曲線幾乎重合，說明其硫化特性基本相同。從圖2可以看出，SKI-5和JH-01的焦燒時間與SKI-3焦燒時間相比較長，在操作過程中安全系數(shù)高。

2.1.4 硫化膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能

不同硫化時間硫化膠的應(yīng)變性能見表3。

表3 不同硫化時間硫化膠的應(yīng)力應(yīng)變性能

由表3可以看出,JH-01與 SKI-5均為稀土異戊橡膠，由于JH-01的-1，4順式含量及相對分子質(zhì)量略高于SKI-5，因此硫化膠的應(yīng)力應(yīng)變性能總體看略好于SKI-5。在硫化時間20 min時SKI-3性能明顯好于JH-01、SKI-5，但達到正硫化點后，300%定伸強度好于JH-01與 SKI-5，而其它性能與JH-01、SKI-5基本一致。這與前面測量膠料的焦燒特性相對應(yīng)，即焦燒時間長，硫化速度慢，導(dǎo)致硫化膠欠硫，硫化不完全造成[3-4]。在使用強度上JH-01已經(jīng)達到國外同類產(chǎn)品水平[5]。

2.1.5 硫化膠的撕裂性能

硫化膠的撕裂性能見表4。

表4 硫化膠的撕裂性能1)

1) 硫化條件：135 ℃×30 min。

撕裂強度的大小與相對分子質(zhì)量大小及分布有關(guān)，通常來說，小相對分子質(zhì)量的膠含量高、相對分子質(zhì)量分布寬，硫化膠的撕裂強度相對較高。從表4可以看出，JH-01的撕裂強度略低于SKI-3，高于SKI-5，這一結(jié)論與上述基本性能分析相對應(yīng)。

2.1.6 混煉工藝性能評價

JH-01在混煉時生膠的包輥性、吃料速度及混煉過程中割膠打薄性能[6-7]與SKI-3、SKI-5相當(dāng)，膠料包輥性如圖3所示。

(a) JH-01加入炭黑圖

(b) SKI-5加入炭黑圖

(c) SKI-3加入炭黑圖

從圖3可以看出,JH-01在混煉時混煉膠包輥性能良好，無粘輥、脫輥現(xiàn)象，下片后，膠片平整光滑，有較好的光澤度，膠料混煉性能與SKI-3、SKI-5無差別。

2.2 JH-01、SKI-5、SKI-3 應(yīng)用于全鋼載重子午線輪胎

在胎面膠實驗過程中，分別用40質(zhì)量份的JH-01、SKI-5、SKI-3替代天然橡膠(其它材料及配方為大連輪胎廠提供)作為全鋼載重子午線輪胎的胎面膠進行實驗。通過膠料的混煉、膠料的擠出、輪胎的成型及硫化成型，得到成品輪胎。

2.2.1 胎面混煉膠特性

JH-01膠料的門尼粘度與生產(chǎn)配方接近，JH-01膠料Rlx_a絕對值相對較大。通常來說，Rlx_a絕對值越大，膠料加工性能越好。這與橡膠的相對分子質(zhì)量及分子鏈段的柔順程度有關(guān)，橡膠材料在消除內(nèi)部應(yīng)力時受的摩擦力越小，Rlx_a越大。胎面混煉膠門尼粘度及硫化性能見表5和表6。

表5 胎面混煉膠門尼粘度

1) 大連輪胎廠在線產(chǎn)品，下同。

表6 胎面混煉膠硫化性能

表6數(shù)據(jù)和圖2前面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相吻合，說明JH-01膠料的焦燒時間略長，硫化速度越慢，安全系數(shù)高。JH-01的ML略高于SKI-5、SKI-3及生產(chǎn)配方，這從膠料的門尼粘度及相對分子質(zhì)量大小可以得到解釋。JH-01的相對分子質(zhì)量高于SKI-5、SKI-3，相應(yīng)膠料的門尼粘度就高，所以影響膠料在硫化誘導(dǎo)期的流動性。

2.2.2 胎面硫化膠的應(yīng)力應(yīng)變性能

不同硫化時間胎面硫化膠的應(yīng)力應(yīng)變性能見表7。

表7 不同硫化時間胎面硫化膠的應(yīng)力應(yīng)變性能

由表7可以看出，用40質(zhì)量份的異戊橡膠替代天然橡膠膠，JH-01膠料與SKI-5、SKI-3的應(yīng)力應(yīng)變性能基本一致，滿足生產(chǎn)配方的要求。

2.2.3 胎面硫化膠撕裂性能

胎面硫化膠撕裂強度見表8。

表8 胎面硫化膠撕裂強度

用40質(zhì)量份異戊橡膠替代天然橡膠，JH-01膠料與SKI-5膠料的撕裂強度相當(dāng)，滿足生產(chǎn)配方要求。

2.2.4 胎面硫化膠其它性能

胎面硫化膠其它性能如表9所示。

表9 胎面硫化膠其它物性

表9 的檢測數(shù)據(jù)表明，JH-01的壓縮疲勞溫升較低，說明JH-01在受到外力作用時，抵抗橡膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的能力較大，壓縮疲勞性能越好；滾動阻力、動態(tài)切割性能、抗?jié)窕阅?、回彈性、磨耗性能及炭黑分散性對于JH-01與SKI-5、SKI-3沒有大的差別，可滿足生產(chǎn)配方的要求。胎面膠下片圖及輪胎成型圖分別見圖4、圖5。

(a) JH-01

(b) SKI-5

(c) SKI-3

(a) JH-01

(b) SKI-5

(c) SKI-3

分別用40質(zhì)量份的JH-01、SKI-5和SKI-3替代天然橡膠作為胎面膠，壓出的膠片平整光滑，有較好的光澤度，尺寸穩(wěn)定性好，達到生產(chǎn)工藝要求。

2.2.5 成品輪胎的檢驗結(jié)果

表10是大連輪胎廠分別用40質(zhì)量份的JH-01、SKI-5和SKI-3替代天然橡膠作為胎面膠，制作的全鋼載重子午線輪胎各項指標(biāo)的檢測結(jié)果。

表10 輪胎成品檢測

表11為國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心認(rèn)證結(jié)果。

表11 載重汽車普通斷面子午線輪胎檢驗結(jié)果

表10與表11檢測數(shù)據(jù)顯示，JH-01、SKI-3、SKI-5 40%替代天然橡膠作為全綱載重子午線輪胎的胎面膠制備的輪胎達到大連輪胎廠成品檢測及國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心認(rèn)證。

3 結(jié) 論

通過對稀土異戊橡膠JH-01、SKI-3、SKI-5的基本性能實驗、產(chǎn)品配方實驗、輪胎產(chǎn)品實驗得到結(jié)論如下：

(1) 吉林石化公司研究院中試生產(chǎn)的異戊橡膠JH-01與俄羅斯SKI-3、SKI-5，在基本配方實驗中，工藝性能無差異，物理性能基本一致。

(2) 在輪胎配方中采用40質(zhì)量份替代天然橡膠時，吉林石化公司JH-01與天然橡膠相容性良好，配合劑分散均勻?；鞜捁β实?，壓出速度快，壓出收縮率小，表面光滑，尺寸穩(wěn)定，有良好的加工性能，與俄羅斯SKI-3、SKI-5性能無差異。

(3) 吉林石化公司JH-01混煉膠硫化特性、門尼焦燒特性和硫化速度與天然橡膠、俄羅斯SKI-3、SKI-5一致。

(4) 吉林石化公司JH-01硫化橡膠炭黑分散良好，撕裂強度高，回彈好，耐磨耗，耐老化性能好，耐刺扎性能優(yōu)良，滾動阻力大，安全性能高。拉伸應(yīng)力應(yīng)變、壓縮生熱與俄羅斯SKI-3、SKI-5相當(dāng)。

(5) 在胎面膠中并用40質(zhì)量份的吉林石化公司異戊橡膠JH-01，無需改變生產(chǎn)配方和工藝，各項指標(biāo)均符合大連輪胎廠實際生產(chǎn)要求，輪胎成品經(jīng)輪胎廠質(zhì)檢部檢驗，完全符合全鋼子午線輪胎出廠檢驗標(biāo)準(zhǔn)，并通過國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心認(rèn)證。

參 考 文 獻：

[1] 傅彥杰,范修正,劉潤祺，等.俄羅斯異戊橡膠性能試驗[J].橡膠工業(yè),1995,42(3):140-143.

[2] 李殿軍,劉乃青,宋尚德，等.吉化稀土異戊橡膠基本性能評價[J].彈性體，2011,21(4):69-72.

[3] 盛德修,譯.異戊橡膠加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1980：11.

[4] 趙旭濤,劉大華,龔光碧,等.合成橡膠工業(yè)手冊[M].第2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006:514.

[5] 宋曉慧,王萍,黃英超,等.異戊橡膠在全鋼載重子午線輪胎上的應(yīng)用[J].彈性體，2013,23(3):41-43.

[6] 杜軍.材料配合與混煉加工:橡膠部分[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003：1.

[7] 約翰S,迪克.橡膠技術(shù)配合與性能測試[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005：2.