李明枝，巫 超，吳苡仁

（1.桂林倍利輪胎有限公司，廣西 桂林 541899；2.杭州中德化學(xué)工業(yè)有限公司，浙江 杭州 310024）

丁基橡膠（IIR）和鹵化丁基橡膠（XIIR）是繼丁苯橡膠、順丁橡膠之后的一個(gè)通用合成橡膠品種。眾所周知，IIR是異丁烯和少量異戊二烯共聚物，其突出的優(yōu)點(diǎn)是具有極低的透氣性能。XIIR是對(duì)IIR進(jìn)行氯化和溴化制得，氯和溴進(jìn)入丁基橡膠分子鏈中形成一種叫烯丙基氯或烯丙基溴的結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)雙鍵伴有一個(gè)烯丙基氯或烯丙基溴原子。含有活性溴的溴化丁基橡膠（BIIR）除了具有IIR的低透氣性能外，還具有優(yōu)良的耐熱、耐臭氧、耐腐蝕、耐屈撓性能，且容易與其他橡膠并用。目前BIIR廣泛用于各種橡膠制品，如輪胎、膠管、耐高溫輸送帶、各種密封制品、減震制品、醫(yī)用制品和防腐襯里等。

到目前為止，對(duì)輪胎氣密層膠的透氣性能并沒有一個(gè)指標(biāo)要求，配方設(shè)計(jì)者通常在配方優(yōu)選時(shí)進(jìn)行透氣系數(shù)的比較，以及進(jìn)行輪胎靜態(tài)充氣壓力保持率測定或者輪胎路試動(dòng)態(tài)下氣壓變化的測定。本工作在輪胎氣密層膠中應(yīng)用BIIR和增強(qiáng)劑Creat E，進(jìn)行氣密層膠的透氣性能研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

BIIR，牌號(hào)2302，浙江信匯新材料股份公司產(chǎn)品；NR，STR20，泰國產(chǎn)品；炭黑N660，江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品；增強(qiáng)劑Create E，以富硅含量的硅酸鹽粘土礦物為原料，通過超細(xì)研磨和改性制得，產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)為納米片層，厚度為6～10 nm，粒徑約為10 μm，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.80，寧波卡利特新材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 配方

目前我國全鋼子午線輪胎的氣密層膠主體材料通常使用100%的BIIR或BIIR與少量天然橡膠（NR）并用，在并用膠中BIIR的用量通常在70份以上，我公司現(xiàn)在生產(chǎn)用的正常配方BIIR用量為80份、炭黑N660用量為55份（見表1中0#配方）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以正常配方為基礎(chǔ)，從實(shí)用的角度出發(fā)，對(duì)配方進(jìn)行改進(jìn)，既要保證氣密層膠的氣密性能，又要使氣密層膠具有較低的成本。由于采用片層結(jié)構(gòu)的無機(jī)硅粉能改善氣密層的氣密性能，因此選取增強(qiáng)劑Creat E進(jìn)行2個(gè)配方試驗(yàn)：一是使用15份增強(qiáng)劑Creat E等量部分替代炭黑N660，二是直接添加15份增強(qiáng)劑Creat E，使配方中的填充劑總量達(dá)到70份，同時(shí)BIIR用量減小5份。實(shí)用配方如表1所示。

為了更好地了解BIIR的用量與增強(qiáng)劑Creat E對(duì)氣密層膠透氣性能的影響，仍然以正常配方作為對(duì)比配方，進(jìn)行了100，90和80份BIIR的配方試驗(yàn)，試驗(yàn)配方如表2所示。

表2 試驗(yàn)配方 份

1.3 主要設(shè)備和儀器

BB-2型密煉機(jī)，日本神戶制鋼所產(chǎn)品；Φ160 mm×320 mm開煉機(jī)，湛江橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；100S型硫化儀，美國孟山都公司產(chǎn)品；45 t平板硫化機(jī)，上海虹口機(jī)器廠產(chǎn)品；RPA2000橡膠加工分析儀，美國阿爾法科技有限公司產(chǎn)品；MV-3000型門尼粘度試驗(yàn)機(jī)和TCS-2000型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，中國臺(tái)灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

實(shí)驗(yàn)室小配合試驗(yàn)采用兩段混煉工藝，一段混煉在BB-2型密煉機(jī)中進(jìn)行，二段混煉在開煉機(jī)上進(jìn)行。一段混煉加料順序?yàn)椋荷z→小料→炭黑→軟化劑→排膠；二段混煉加料順序?yàn)椋阂欢位鞜捘z→硫化劑→薄通4次→下片。

1.5 透氣性能測定

（1）對(duì)實(shí)用配方膠料按GB/T 2941—2006制作硫化試片（160 ℃×30 min）送北京化工大學(xué)先進(jìn)彈性體材料研究中心進(jìn)行氣體阻隔性能測定。

北京化工大學(xué)先進(jìn)彈性體材料研究中心根據(jù)ISO 2782自制自動(dòng)化氣密性測試儀進(jìn)行氣體阻隔性能測試，采用氮?dú)庾鳛闇y試氣體，測試壓力為0.4 MPa，測試溫度為40 °C。試樣為直徑為8 cm的圓形薄片（厚度取5點(diǎn)厚度的平均值）。試驗(yàn)前用乙醇對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，然后放入干燥器中干燥24 h。所用氣體分析裝置為氣相色譜分析儀，測試原理為保持試樣兩側(cè)壓差恒定，檢測單位時(shí)間透過氣體的體積。

透氣系數(shù)（P）的計(jì)算公式為

式中V——?dú)怏w透過量，m3；

d——試樣厚度，m；

s——?dú)怏w在試樣上的透過面積，m2；

t——?dú)怏w透過時(shí)間，s；

p——試樣兩面壓差。

根據(jù)上式，對(duì)測試過程采取自動(dòng)控制，得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行Visual Basic程序處理，計(jì)算得出透氣系數(shù)（透氣系數(shù)小表明氣體阻隔性能好）。

（2）對(duì)試驗(yàn)配方膠料按GB/T 2941—2006制作硫化試片（160℃×30 min），送到北京彤程創(chuàng)展科技公司進(jìn)行透氣性能檢測。檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1038—2000，檢測儀器是VAC-VI壓差法氣體滲透儀。其原理是：把預(yù)先處理好的試樣放置在上下測試腔之間夾緊，打開測試下腔閥，對(duì)低壓腔（下腔）進(jìn)行真空處理，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)抽真空，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的真空度后關(guān)閉測試下腔閥，向高壓腔（上腔）充入一定壓力的試驗(yàn)氣體，使試樣兩側(cè)形成一個(gè)恒定的壓差（可調(diào)），氣體在壓差梯度的作用下由高壓側(cè)向低壓側(cè)滲透，通過對(duì)低壓側(cè)壓強(qiáng)的監(jiān)測處理，得出試樣的氣體透過率。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)用配方氣密層膠的性能

表3示出了實(shí)用配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數(shù)。

從表3可以看出，1#配方是用15份增強(qiáng)劑Create E等量部分替代炭黑N660，其膠料的透氣系數(shù)為1.14×10-13cm2·s-1·Pa-1，稍低于正常配方（0#配方）膠料的1.18×10-13，也就是說使用層片狀結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)劑Create E可以改善氣密層膠的透氣性能。2#配方是在正常配方的基礎(chǔ)上減小了5份BIIR，并添加了15份增強(qiáng)劑Creat E，配方的填充劑總量達(dá)到70份，其膠料的透氣系數(shù)為1.27×10-13cm2·s-1·Pa-1，比正常配方膠料僅高出0.09×10-13cm2·s-1·Pa-1，各項(xiàng)性能與正常配方相近。

表3 實(shí)用配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數(shù)

綜合考慮性價(jià)比，可以采用75份BIIR、直接添加15份增強(qiáng)劑Creat E的2#配方。該配方混煉膠的含膠率降低，目前已經(jīng)采用該配方進(jìn)行量產(chǎn)，原材料成本降低了0.50元·kg-1，成品輪胎進(jìn)行靜態(tài)充氣60 d后，壓力保持率為100%。成品輪胎實(shí)際使用一年多來，用戶反映良好。

2.2 試驗(yàn)配方氣密層膠的性能

表4示出了試驗(yàn)配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數(shù)。

從表4可以看出，使用100和90份BIIR的B1和B2配方膠料盡管是分別添加了12和15份增強(qiáng)劑Creat E，但兩者的透氣性能相差很小，兩者的透氣系數(shù)僅相差0.026×10-13cm2·s-1·Pa-1。使用80份BIIR的B0，B3和B4配方膠料的透氣系數(shù)也都相近，這3個(gè)配方膠料的透氣系數(shù)平均為1.7×10-13cm2·s-1·Pa-1，透氣量平均為6.4×10-4cm3·（m2·d·Pa）-1，高于與B1和B2配方膠料。從以上試驗(yàn)情況可以說明，使用100或90份BIIR的氣密層膠透氣系數(shù)比使用80份BIIR的氣密層膠低，即其氣體阻隔性能好。但由于BIIR價(jià)格高，從原材料成本和性能角度考慮應(yīng)適當(dāng)降低BIIR用量，并適當(dāng)調(diào)整填充劑的品種和用量，以使透氣性能、物理性能和原材料成本三者之間有一個(gè)較好的平衡效果。

表4 試驗(yàn)配方氣密層膠的硫化特性、物理性能和透氣系數(shù)

3 結(jié)論

（1）與采用80份BIIR的氣密層膠相比，采用100或90份BIIR的氣密層膠透氣系數(shù)更小，氣體阻隔性能更好。

（2）增強(qiáng)劑Create E等量部分替代炭黑或者直接添加到氣密層膠中，對(duì)氣密層膠的透氣性能影響不大，均有比較高的性價(jià)比。