吉化稀土异戊橡胶与俄罗斯同类产品性能及应用对比分析*

杨俊峰，宋晓慧，王士民，杨金胜，田晓军，刘乃青，杜昌明

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国石油吉林石化公司 铁路运输部，吉林 吉林 132022)

稀土异戊橡胶，因其具有与天然橡胶相似的化学组成、立体结构和物理机械性能，又称“合成天然橡胶”。可全部或部分取代天然橡胶，目前广泛应用于轮胎、胶管、胶带、胶鞋及胶粘剂领域。吉林石化公司研究院640 t/a稀土异戊橡胶中试装置于2011年建成投产，可生产不同门尼粘度的异戊橡胶产品。选择与俄罗斯SKI-3、SKI-5[1]门尼粘度相近的稀土异戊橡胶中试产品JH-01，进行基本性能评价实验、胎面胶实验及轮胎制备实验，结果表明,吉林石化公司稀土异戊橡胶中试装置获得的异戊橡胶的基本性能、物理机械性能及在全钢载重子午线轮胎上的应用均达到了俄罗斯SKI-3、SKI-5的水平。

1 实验部分

1.1 原料

JH-01：吉林石化公司稀土异戊橡胶中试产品；SKI-3、SKI-5：俄罗斯产品；氧化锌、硬脂酸、硫黄、促进剂、炭黑：工业品，外购。

1.2 设备仪器

XSS-300转矩流变仪：上海科创科技有限公司；KY-3203E开炼机：台湾合资东莞厂；XLB平板硫化机：青岛机械厂；门尼机：台湾高铁公司；GPC凝胶色谱：日本惠普公司。

1.3 实验配方

基础胶配方(质量份)：JH-01 100.00,硬脂酸 2.00，氧化锌 5.00，炭黑 35.00，促进剂 0.70，硫黄2.25。

轮胎胎面胶制作配方：m(天然胶)∶m(异戊橡胶)=60∶40，其它配方同大连轮胎厂生产配方。

1.4 样品制备

采用XSS-300转矩流变仪制备混炼胶，初始温度为60 ℃,转速50 r/min。所有混炼胶停放12 h后，测定混炼胶门尼粘度。在KY-3203E开炼机上进行胶料的薄通及试片的压延。用电热平板硫化机，在10 MPa、135 ℃×30 min条件下制成硫化试片，停放24 h后进行物理机械性能测试。

1.5 性能测试

门尼粘度按 GB/T 1232.1—2000测定；拉伸强度、伸长率、定伸强度、永久变形按GB/528—2009测定；撕裂强度按GB/529—2008测定；硬度按GB/531.1—2008测定；硫化特性按GB/T16584测定；门尼焦烧按GB/T 1233测定。

2 结果与讨论

2.1 异戊橡胶基本性能分析

2.1.1 基础胶性能

对JH-01、SKI-3、SKI-5 3种胶进行基本性能分析，结果如表1所示。

表1 JH-01与进口胶的基本性能

从表1可以看出，JH-01与SKI-5的门尼粘度、挥发分、灰分相当，相对分子质量分布JH-01相对SKI-3、SKI-5窄些，JH-01的-1，4顺式含量高于SKI-5但低于SKI-3。从相对分子质量分布及-1，4顺式含量分析，JH-01处于SKI-5 和SKI-3之间。一般来说，相对分子质量分布宽，其加工性能好，相对分子质量分布窄，其加工性能差，也就是说，低相对分子质量部分有利于橡胶的加工。而异戊橡胶-1，4顺式含量的高低对硫化胶的物理机械性能影响较大，-1，4顺式含量越高，拉伸结晶产生的自补强效应越高，会提高胶料的力学性能。

2.1.2 混炼胶基本性能

JH-01、SKI-5和SKI-3混炼胶基本性能见表2。

表2 JH-01、SKI-5和SKI-3 混炼胶基本性能

1) Rlx_a为门尼松弛斜率；Rlx_k为松弛开始1 s瞬间门尼值；Rlx_X30为马达停止后1 s，经过30 s门尼变化率，下同。

从表2可以看出，JH-01和SKI-5、SKI-3混炼胶性能相当。

2.1.3 混炼胶硫化特性[2]

图1为JH-01、SKI-5和SKI-3在135 ℃时的硫化特性对比图，图2为混炼胶焦烧特性对比图。

时间/h红色为SKI-3，蓝色为SKI-5，粉色为JH-01

时间/h

从图1可以看出,JH-01、SKI-3、SKI-5的硫化曲线几乎重合，说明其硫化特性基本相同。从图2可以看出，SKI-5和JH-01的焦烧时间与SKI-3焦烧时间相比较长，在操作过程中安全系数高。

2.1.4 硫化胶拉伸应力应变性能

不同硫化时间硫化胶的应变性能见表3。

表3 不同硫化时间硫化胶的应力应变性能

由表3可以看出,JH-01与 SKI-5均为稀土异戊橡胶，由于JH-01的-1，4顺式含量及相对分子质量略高于SKI-5，因此硫化胶的应力应变性能总体看略好于SKI-5。在硫化时间20 min时SKI-3性能明显好于JH-01、SKI-5，但达到正硫化点后，300%定伸强度好于JH-01与 SKI-5，而其它性能与JH-01、SKI-5基本一致。这与前面测量胶料的焦烧特性相对应，即焦烧时间长，硫化速度慢，导致硫化胶欠硫，硫化不完全造成[3-4]。在使用强度上JH-01已经达到国外同类产品水平[5]。

2.1.5 硫化胶的撕裂性能

硫化胶的撕裂性能见表4。

表4 硫化胶的撕裂性能1)

1) 硫化条件：135 ℃×30 min。

撕裂强度的大小与相对分子质量大小及分布有关，通常来说，小相对分子质量的胶含量高、相对分子质量分布宽，硫化胶的撕裂强度相对较高。从表4可以看出，JH-01的撕裂强度略低于SKI-3，高于SKI-5，这一结论与上述基本性能分析相对应。

2.1.6 混炼工艺性能评价

JH-01在混炼时生胶的包辊性、吃料速度及混炼过程中割胶打薄性能[6-7]与SKI-3、SKI-5相当，胶料包辊性如图3所示。

(a) JH-01加入炭黑图

(b) SKI-5加入炭黑图

(c) SKI-3加入炭黑图

从图3可以看出,JH-01在混炼时混炼胶包辊性能良好，无粘辊、脱辊现象，下片后，胶片平整光滑，有较好的光泽度，胶料混炼性能与SKI-3、SKI-5无差别。

2.2 JH-01、SKI-5、SKI-3 应用于全钢载重子午线轮胎

在胎面胶实验过程中，分别用40质量份的JH-01、SKI-5、SKI-3替代天然橡胶(其它材料及配方为大连轮胎厂提供)作为全钢载重子午线轮胎的胎面胶进行实验。通过胶料的混炼、胶料的挤出、轮胎的成型及硫化成型，得到成品轮胎。

2.2.1 胎面混炼胶特性

JH-01胶料的门尼粘度与生产配方接近，JH-01胶料Rlx_a绝对值相对较大。通常来说，Rlx_a绝对值越大，胶料加工性能越好。这与橡胶的相对分子质量及分子链段的柔顺程度有关，橡胶材料在消除内部应力时受的摩擦力越小，Rlx_a越大。胎面混炼胶门尼粘度及硫化性能见表5和表6。

表5 胎面混炼胶门尼粘度

1) 大连轮胎厂在线产品，下同。

表6 胎面混炼胶硫化性能

表6数据和图2前面的基础数据相吻合，说明JH-01胶料的焦烧时间略长，硫化速度越慢，安全系数高。JH-01的ML略高于SKI-5、SKI-3及生产配方，这从胶料的门尼粘度及相对分子质量大小可以得到解释。JH-01的相对分子质量高于SKI-5、SKI-3，相应胶料的门尼粘度就高，所以影响胶料在硫化诱导期的流动性。

2.2.2 胎面硫化胶的应力应变性能

不同硫化时间胎面硫化胶的应力应变性能见表7。

表7 不同硫化时间胎面硫化胶的应力应变性能

由表7可以看出，用40质量份的异戊橡胶替代天然橡胶胶，JH-01胶料与SKI-5、SKI-3的应力应变性能基本一致，满足生产配方的要求。

2.2.3 胎面硫化胶撕裂性能

胎面硫化胶撕裂强度见表8。

表8 胎面硫化胶撕裂强度

用40质量份异戊橡胶替代天然橡胶，JH-01胶料与SKI-5胶料的撕裂强度相当，满足生产配方要求。

2.2.4 胎面硫化胶其它性能

胎面硫化胶其它性能如表9所示。

表9 胎面硫化胶其它物性

表9 的检测数据表明，JH-01的压缩疲劳温升较低，说明JH-01在受到外力作用时，抵抗橡胶内部结构发生变化的能力较大，压缩疲劳性能越好；滚动阻力、动态切割性能、抗湿滑性能、回弹性、磨耗性能及炭黑分散性对于JH-01与SKI-5、SKI-3没有大的差别，可满足生产配方的要求。胎面胶下片图及轮胎成型图分别见图4、图5。

(a) JH-01

(b) SKI-5

(c) SKI-3

(a) JH-01

(b) SKI-5

(c) SKI-3

分别用40质量份的JH-01、SKI-5和SKI-3替代天然橡胶作为胎面胶，压出的胶片平整光滑，有较好的光泽度，尺寸稳定性好，达到生产工艺要求。

2.2.5 成品轮胎的检验结果

表10是大连轮胎厂分别用40质量份的JH-01、SKI-5和SKI-3替代天然橡胶作为胎面胶，制作的全钢载重子午线轮胎各项指标的检测结果。

表10 轮胎成品检测

表11为国家橡胶轮胎质量监督检验中心认证结果。

表11 载重汽车普通断面子午线轮胎检验结果

表10与表11检测数据显示，JH-01、SKI-3、SKI-5 40%替代天然橡胶作为全纲载重子午线轮胎的胎面胶制备的轮胎达到大连轮胎厂成品检测及国家橡胶轮胎质量监督检验中心认证。

3 结 论

通过对稀土异戊橡胶JH-01、SKI-3、SKI-5的基本性能实验、产品配方实验、轮胎产品实验得到结论如下：

(1) 吉林石化公司研究院中试生产的异戊橡胶JH-01与俄罗斯SKI-3、SKI-5，在基本配方实验中，工艺性能无差异，物理性能基本一致。

(2) 在轮胎配方中采用40质量份替代天然橡胶时，吉林石化公司JH-01与天然橡胶相容性良好，配合剂分散均匀。混炼功率低，压出速度快，压出收缩率小，表面光滑，尺寸稳定，有良好的加工性能，与俄罗斯SKI-3、SKI-5性能无差异。

(3) 吉林石化公司JH-01混炼胶硫化特性、门尼焦烧特性和硫化速度与天然橡胶、俄罗斯SKI-3、SKI-5一致。

(4) 吉林石化公司JH-01硫化橡胶炭黑分散良好，撕裂强度高，回弹好，耐磨耗，耐老化性能好，耐刺扎性能优良，滚动阻力大，安全性能高。拉伸应力应变、压缩生热与俄罗斯SKI-3、SKI-5相当。

(5) 在胎面胶中并用40质量份的吉林石化公司异戊橡胶JH-01，无需改变生产配方和工艺，各项指标均符合大连轮胎厂实际生产要求，轮胎成品经轮胎厂质检部检验，完全符合全钢子午线轮胎出厂检验标准，并通过国家橡胶轮胎质量监督检验中心认证。

参 考 文 献：

[1] 傅彦杰,范修正,刘润祺，等.俄罗斯异戊橡胶性能试验[J].橡胶工业,1995,42(3):140-143.

[2] 李殿军,刘乃青,宋尚德，等.吉化稀土异戊橡胶基本性能评价[J].弹性体，2011,21(4):69-72.

[3] 盛德修,译.异戊橡胶加工技术[M].北京:化学工业出版社,1980：11.

[4] 赵旭涛,刘大华,龚光碧,等.合成橡胶工业手册[M].第2版.北京:化学工业出版社,2006:514.

[5] 宋晓慧,王萍,黄英超,等.异戊橡胶在全钢载重子午线轮胎上的应用[J].弹性体，2013,23(3):41-43.

[6] 杜军.材料配合与混炼加工:橡胶部分[M].北京:化学工业出版社,2003：1.

[7] 约翰S,迪克.橡胶技术配合与性能测试[M].北京:化学工业出版社,2005：2.