天然橡胶中蛋白质含量对其白炭黑填充胶料性能的影响

2020-07-20王丹灵任福君

轮胎工业 2020年5期

白浩，陈生，王丹灵，2，任福君

（1.中策橡胶集团有限公司，浙江杭州 310018；2.浙江工业大学材料科学与工程学院，浙江杭州 310018）

随着绿色轮胎的发展，轮胎的滚动阻力和抗湿滑性能越来越受到人们的关注[1-3]。一般认为，在胎面胶配方中随着白炭黑用量的增大，轮胎的滚动阻力降低，抗湿滑性能提高[4-6]。研究表明，天然橡胶（NR）中的非橡胶组分阻碍了白炭黑与硅烷偶联剂之间的反应，从而影响了白炭黑的补强作用，非橡胶组分中的蛋白质可能起到了关键作用[7]。

本工作研究NR中蛋白质含量对其白炭黑填充胶料性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，牌号分别为SVR 20，SVR 3L和SVR RSS1，越南产品；白炭黑，牌号1165MP，索尔维精细化工添加剂（青岛）有限公司产品；环保油，牌号V700，宁波汉圣化工有限公司产品；液体硅烷偶联剂Si69，江西宏柏新材料股份有限公司产品；10%充油硫黄，潍坊嘉鸿化工有限公司产品；氧化锌，石家庄志亿锌业有限公司产品；硬脂酸，杭州油脂化工有限公司产品。

1.2 试验配方

选用白炭黑补强体系，为了验证NR中蛋白质含量对白炭黑与硅烷偶联剂硅烷化反应的影响，试验方案分为添加硅烷偶联剂和未添加硅烷偶联剂两组，具体配方如表1所示。

1.3 主要设备和仪器

PHM-2.2型1.8 L密炼机，璧宏机械工业股份有限公司产品；SK-160型开炼机，上海橡胶机械厂产品；M200E型门尼粘度仪，北京友深电子仪器有限公司产品；GT-2000A型无转子硫化仪，上海诺甲仪器仪表有限公司产品；TS-2000M型拉力试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析（RPA）仪，美国阿尔法科技有限公司产品；VR-7120型动态热机械分析（DMA）仪，日本UESHIMA公司产品。

1.4 混炼工艺

胶料采用两段混炼工艺。一段混炼在密炼机中进行，转子转速为50 r·min-1，初始温度为60℃，填充因数为0.7，混炼工艺为：加入NR，压压砣，混炼20 s→提压砣，加小料、白炭黑、环保油→压压砣，混炼升温至130 ℃→提压砣，清扫→压压砣，混炼升温至145 ℃，调整转速使温度保持在145℃，恒温80 s进行硅烷化反应→排胶；二段混炼在开炼机上进行，将一段混炼胶在辊筒上混炼均匀，加入硫黄和促进剂，左右切割各3次，手动交替打卷5次、三角包5次后薄通出片。

1.5 性能测试

（1）RPA分析。采用RPA仪测试胶料的剪切储能模量（G′），测试条件为：温度 160 ℃；频率1.67 Hz；应变范围 0.28%～42%。

（2）动态力学性能。采用DMA仪测试胶料的损耗因子（tanδ），测试条件为：频率 12 Hz；应变 7%±0.25%；温度范围 -50～80 ℃；升温速率 2 ℃·min-1。

（3）其他性能均按相应的国家标准测试。

2 结果与讨论

2.1 NR中蛋白质含量测定

3种NR的蛋白质含量测定结果如表2所示。

表2 3种NR的蛋白质含量测定结果

2.2 胶料外观

各配方一段混炼胶外观如图1所示。

图1 各配方一段混炼胶外观

从图1可以看出，S系列配方之间和WS系列配方之间的一段混炼胶表面光滑度基本一致，即在相同的配方和混炼工艺条件下，NR中蛋白质质量分数在0.017 5～0.030 6之间时，NR中蛋白质含量对一段混炼胶表面光滑度的影响不大。

从图1还可以看出，S系列配方一段混炼胶表面光滑度优于WS系列配方一段混炼胶，即在相同的混炼工艺条件下，加入硅烷偶联剂Si69可使一段混炼胶的表面更加光滑，这是因为硅烷偶联剂Si69的存在使白炭黑分散得更加均匀。

2.3 加工性能

各配方胶料的加工性能如表3所示，表中ΔG′为应变0.28%下的G′与应变42%下的G′之差。

从表3可以看出，S系列配方一段混炼胶的门尼粘度和Panye效应均小于WS系列配方一段混炼胶。分析认为，S系列配方一段混炼胶的白炭黑分散性优于WS系列配方一段混炼胶，这是由于硅烷偶联剂Si69与白炭黑发生反应，降低了白炭黑的亲水性及白炭黑粒子间的相互作用力，从而提高了白炭黑的分散性[8]。

表3 各配方胶料的加工性能

从表3还可以看出，在未加硅烷偶联剂Si69的WS系列配方胶料中，随着NR中蛋白质含量的增大，胶料的门尼粘度增大。这与NR的相对分子质量有关，相对分子质量越大，胶料的门尼粘度越高，而蛋白质对NR的相对分子质量有明显影响[9]。

2.4 硫化特性

各配方胶料的硫化特性（160 ℃）如表4所示。

表4 各配方胶料的硫化特性

从表4可以看出：在未加硅烷偶联剂Si69的WS系列配方胶料中，随着NR中蛋白质含量的增大，胶料的FL和Fmax增大；与未加硅烷偶联剂Si69的胶料相比，加入硅烷偶联剂Si69的胶料的FL和Fmax有所减小，t10和t90明显延长。

2.5 物理性能

各配方硫化胶的物理性能如表5所示。

从表5可以看出，与未加硅烷偶联剂Si69的胶料相比，加入硅烷偶联剂Si69的胶料的硬度、100%和300%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度增大，拉断伸长率减小。理论上蛋白质含有氨基和酰胺基，对NR硫黄硫化体系的硫化交联有很好的促进作用。NR中蛋白质的质量分数为0.01时胶料的综合物理性能最好[10]。本次试验未对蛋白质质量分数小于0.01的NR胶料进行测试。

表5 各配方硫化胶的物理性能

2.6 动态力学性能

各配方胶料的tanδ如表6所示。

表6 各配方胶料的tanδ

通常以0 ℃时的tanδ表征胶料的抗湿滑性能，其值越大，抗湿滑性能越好；以60 ℃时的tanδ表征胶料的滚动阻力，其值越小，滚动阻力越低[11-12]。从表6可以看出：与未加硅烷偶联剂Si69的胶料相比，加入硅烷偶联剂Si69的胶料在0和60 ℃时的tanδ均减小，其中S1和S3配方胶料在0和60 ℃时的tanδ相当，表明其抗湿滑性能和生热相近；S2配方胶料在0和60 ℃时的tanδ最小，表明其抗湿滑性能最差，生热最低。