劉 蘋

（中國石化北京化工研究院燕山分院，橡塑新型材料合成國家工程研究中心，北京 102500）

輪胎氣密層的主要作用是防止輪胎內(nèi)壓縮空氣泄露，保持輪胎氣壓的穩(wěn)定，確保輪胎的長期使用性和耐久性，對輪胎的性能影響很大。溴化丁基橡膠具有優(yōu)異的氣密性能，是氣密層膠料的首選，但是由于溴化丁基橡膠成本較高，考慮成本問題，輪胎行業(yè)內(nèi)氣密層的基礎膠料會將溴化丁基橡膠與天然橡膠復配使用，缺點是它與天然橡膠的復配會影響氣密性。因此，如何提高氣密層膠料的氣密性成為目前研究的熱點之一，這對輪胎行業(yè)降低氣密層的成本有重要意義。

高強石膏粉的主要成分是半水硫酸鈣，具有耐高溫、抗化學腐蝕、強度高、無毒、低成本等優(yōu)點，作為增強填料可填充在多種聚合物中。目前在橡膠應用領域的研究較少。

該文采用高強石膏部分替代炭黑，研究了不同高強石膏替代量對溴化丁基橡膠復合材料加工應用性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原料

溴化丁基橡膠：BIIR2032，中國石化燕山分公司產(chǎn)品；高強石膏，江蘇新源礦業(yè)有限責任公司產(chǎn)品；8#參比炭黑，天津億博瑞化工有限公司產(chǎn)品；氧化鋅和硬脂酸為市售工業(yè)級產(chǎn)品。

1.2 試驗配方

試驗配方（質(zhì)量分數(shù)）：BIIR2032 100，8#炭黑 變量，高強石膏 變量（炭黑和高強石膏共40 份，高強石膏替代炭黑份數(shù)分別為0， 4， 6， 8， 10），氧化鋅 5，硬脂酸 1。

1.3 試樣制備

采用兩段密煉工藝，一段物料為BIIR2032、8#炭黑、高強石膏、硬脂酸。二段物料為氧化鋅。

一段混煉設定溫度為60℃，轉子轉速為77 r/min。向密煉機中加入1/2 的溴化丁基橡膠、全部硬脂酸、8#炭黑、高強石膏和剩余的1/2 溴化丁基橡膠進行混煉，當混煉溫度達到170℃或混煉時間達到6 min 后出料，停放4h。二段混煉設定溫度為40℃，轉子轉速為77 r/min。將一半一段混煉膠、氧化鋅和剩余的混煉膠加至密煉機中混煉，當總時間達到180 s 后出料；將二段混煉膠在開煉機中縱向薄通3 次下片，開煉機輥為室溫。

硫化膠制備：硫化溫度為150℃，硫化壓力為15 MPa，硫化時間為30min。

1.4 測試項目

密煉性能：根據(jù)復合材料在混煉過程中的功率隨時間的變化趨勢和溫升變化情況來評價橡膠的密煉加工性能。

門尼黏度：采用中國臺灣高鐵公司的GT-7080-S2 型門尼黏度計，按國標GB/T 1232.1-2016 測試，測試條件為ML（1+8）125℃。

Payne 效應：采用美國Alpha 公司RPA2000 進行分析，應變范圍0.7%～100%、頻率1 Hz、溫度60 ℃。

硫化特性：采用中國臺灣高鐵公司的GT-M2000-A 型無轉子硫化儀按GB/T 16584-1996 測試，測試溫度為160 ℃。

物理性能：采用日本島津公司AG-20KNG 型電子拉力機按GB/T 528-2009 測試膠料的拉伸性能，按GB/T529-2008測試膠料的撕裂性能，采用德國MonTech 公司的HT 3000 型橡膠硬度計按照GB/T 531.1-2008 測試邵爾A 硬度。

氣密性：采用Labthink 蘭光VAC-V2 壓差法氣體滲透儀按GB/T 1038-2000 進行測試。

2 結果與討論

2.1 密煉性能

密煉加工性能是橡膠復合材料的重要加工性能之一，其對橡膠復合材料的混煉質(zhì)量有重要影響，是工業(yè)應用的重要參考指標之一。圖1 是溴化丁基橡膠復合材料一段密煉過程中膠料的功率隨時間變化的示意圖。從圖1 中可以看出，加入填料后上頂栓落下，功率消耗迅速變高，表明膠料這時具有良好的黏度狀態(tài)，填料在橡膠基體中快速分散。密煉功率-時間曲線下的面積代表了溴化丁基橡膠復合材料在混煉過程中的功率消耗，積分后得到表1 的面積值，同時進行歸一化處理得到圖2，從表1 中數(shù)據(jù)和圖2 可以看出，溴化丁基橡膠復合材料密煉功率消耗隨著高強石膏替代量的增多逐步降低，在替代10 份時整體密煉功率消耗降低7%以上，說明高強石膏的加入能夠降低整體密煉的功率消耗，提升復合材料的密煉加工性能。

圖1 密煉功率-時間曲線示意圖

圖2 密煉功率曲線積分面積百分圖

表1 功率-時間曲線積分面積

密煉溫升是復合材料在密煉過程中的重要參數(shù)之一。密煉溫升過高，膠料容易焦燒，密煉溫升過低，填料分散不均勻。圖3 是復合材料在一段密煉過程中的溫度-時間曲線。從圖3 中可以看出，隨著高強石膏替代量的增大，復合材料的溫升都是逐漸降低的。這是由于混煉過程中密煉功率消耗減少，生熱減少，導致溫升降低。

圖3 高強石膏密煉溫度-時間曲線

2.2 門尼黏度

門尼黏度表征膠料的加工性能，門尼黏度越大，膠料的加工性能越差。高強石膏不同替代量下復合材料的混煉膠門尼黏度情況見表2。從表2 可以看出，復合材料的混煉膠門尼黏度隨著高強石膏替代量的增大逐步降低，說明混煉膠的加工性能提升。這是因為與相對傳統(tǒng)補強填料炭黑相比，高強石膏在橡膠中的補強性弱，引起膠料門尼黏度增值減少，因此混煉膠門尼黏度降低。

表2 高強石膏替代量對復合材料門尼黏度的影響

2.3 Payne效應

填充橡膠的動態(tài)模量隨著應變的增加急劇下降的現(xiàn)象被稱作Payne 效應。Payne 效應是填料之間、填料與橡膠之間相互作用的綜合體現(xiàn)，通常以最高模量與最低模量的差值Δ表示Payne 效應的程度，Δ越大，Payne 效應越強，填料的分散性越差。

溴化丁基橡膠復合材料的Payne效應隨高強石膏替代量的不同的變化情況見圖4 和表3。從圖4 和表3 可以看出，隨著高強石膏替代量增大，復合材料的Payne 效應逐漸減弱，表明加入高強石膏后填料在橡膠基體中的分散性提升，替代量越多，分散性提升越明顯。這是由于高強石膏是微米級尺寸，相對納米尺寸的炭黑在橡膠基體中更易分散。

圖4 不同高強石膏替代量的混煉膠儲能模量-應變曲線

表3 不同高強石膏替代量下混煉膠的ΔG′

2.4 硫化特性

硫化特性表征膠料的硫化性能，是混煉膠硫化成型過程中最重要的參考指標。其中焦燒時間表征混煉膠加工的可操作時間，焦燒時間越長，可操作時間越長，加工安全性越好；正硫化時間可以表征混煉膠的硫化速度，越短說明硫化速度越快，生產(chǎn)效率越高。不同高強石膏替代量下復合材料的硫化特性見表4。從表4 可以看出，在高強石膏替代量不斷增大的情況下，混煉膠的焦燒時間總體延長，表明高強石膏的加入對延長混煉膠的焦燒時間是有利的，可以提升復合材料的加工安全性?；鞜捘z的正硫化時間呈增大趨勢，但總體變化不大，說明高強石膏對復合材料的硫化速度影響不大，在工業(yè)生產(chǎn)中不會降低生產(chǎn)效率。最高扭矩與最低扭矩的差值（MH-ML）能夠表征膠料的交聯(lián)密度大小，隨著高強石膏替代量增大，（MH-ML）逐漸減少，說明膠料的交聯(lián)密度降低，這是由于填料的總比表面積降低，體系中結合膠含量減少，自由膠含量增加，導致硫化體系相對自由膠的濃度降低，因此交聯(lián)密度降低。

表4 高強石膏替代量對膠料硫化特性的影響

2.5 物理性能

物理性能是橡膠復合材料的基本性能。不同高強石膏替代量下復合材料的物理性能見表5。從表5 中可以看出，隨著高強石膏替代量增大，復合材料的硬度、定伸應力、拉伸強度和撕裂強度逐漸降低，拉斷伸長率總體增大，說明復合材料的物理性能下降。這是因為在微米尺寸的高強石膏替代下，橡膠基體中與補強體系緊密作用的結合膠減少，自由膠增多，一方面對硫化體系有一定的稀釋作用，引起交聯(lián)密度降低，另一方面有效補強體積變小，補強作用減弱。

表5 高強石膏替代量對復合材料物理性能的影響

2.6 氣密性

溴化丁基橡膠通常應用在輪胎氣密層中，氣密性是溴化丁基橡膠最重要的應用性能之一。透過系數(shù)是表征氣密性最常用的指標，透過系數(shù)越低，氣體通過材料越難，說明材料氣密性越好。高強石膏不同替代量下復合材料的氣體透過系數(shù)見表6，將其進行歸一化處理得到圖5。從表6 和圖5 可以看出，隨著高強石膏替代量增大，復合材料的氣體透過系數(shù)逐漸降低，說明復合材料的氣密性逐漸提升，在高強石膏替代10 份時透過系數(shù)降低了26%，氣密性提升明顯，這是因為高強石膏的微米級尺寸效應，氣體通過時須繞過高強石膏粒子，增加了氣體的“通過路徑”。

圖5 不同高強石膏替代量下復合材料的透過系數(shù)百分圖

表6 高強石膏替代量對復合材料透過系數(shù)的影響

3 結論

該文結論如下。1）隨著高強石膏在溴化丁基橡膠中替代量增大，復合材料的密煉功率消耗降低，密煉溫升降低，混煉膠門尼黏度下降，材料加工性能提升，Payne 效應減弱，填料分散性提高，焦燒時間延長，加工安全性提升，正硫化時間變化不大，對硫化效率影響不大。2）隨著高強石膏在溴化丁基橡膠中替代量增大，復合材料的硬度、定伸應力、拉伸強度和撕裂強度降低，拉斷伸長率增大，復合材料的透過系數(shù)降低，氣密性明顯提升，在添加10 份高強石膏時氣密性提升了26%。