抗疲劳剂PAPI在缺气保用轮胎支撑胶中的应用

2020-07-20龙飞飞

轮胎工业 2020年5期

张宁，郑涛，龙飞飞，姜杰，徐岩

（山东丰源轮胎制造股份有限公司，山东枣庄 277300）

轮胎对汽车的安全性至关重要，一旦爆胎或被扎破漏气，很容易导致交通事故。轮胎在完全漏气时缩小变形，汽车失去平衡偏向一侧，驾驶者会失去操控能力，即便是在较低的行驶速度下，也有可能发生事故[1]。缺气保用轮胎顾名思义是在漏气的情况下，仍然能以正常速度（例如80 km·h-1）安全行驶一段距离（约80 km）。我公司开发的自体支撑式缺气保用轮胎胎侧部位使用支撑胶，以保证在缺气情况下轮胎轮廓的稳定性。

抗疲劳剂PAPI含有多官能团马来酰亚胺化合物，有助于炭黑分散，可直接参与橡胶的硫化交联，重构交联网络，抑制硫化返原。

本工作研究抗疲劳剂PAPI的性质及其在缺气保用轮胎支撑胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），TSR20，马来西亚产品；钕系顺丁橡胶（BR），牌号CB24，朗盛化学（中国）有限公司产品；炭黑N550，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；氧化锌，安丘恒山锌业有限公司产品；工艺油V700，上海麒祥化工科技有限公司产品；增粘树脂SL-T421，华奇（中国）化工有限公司产品；抗硫化返原剂PK900和防焦剂CTP，山东阳谷华泰化工股份有限公司产品；防老剂4020、促进剂TiBTD和促进剂TBBS，山东尚舜化工有限公司产品；不溶性硫黄IS-7020，朝阳明宇化工有限公司产品；抗疲劳剂PAPI，大冢材料科技（上海）有限公司产品。

1.2 配方

原始配方（1#配方）：NR 70，BR 30，炭黑N550 80，氧化锌 8，硬脂酸 2，工艺油V700 2，抗硫化返原剂PK900 0.5，增粘树脂SL-T421 2，防老剂和促进剂 5.8，不溶性硫黄IS-7020和防焦剂CTP 3.1。

试验配方（2#，3#，4#配方）分别以0.5，1和2份抗疲劳剂PAPI替代0.5份抗硫化返原剂PK900，其他同原始配方；5#试验配方在原始配方基础上添加1份抗疲劳剂PAPI。

1.3 主要设备和仪器

XM370型密炼机、XKR-660型全自动开炼机、屈挠试验机和炭黑分散度仪，软控股份有限公司产品；X（S）M-1.5X型密炼机、XK-160型开炼机和XLB-400-400型四立柱平板硫化机，青岛科高橡塑机械技术装备有限公司产品；MV3000型门尼粘度仪，德国Montech公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；Z3130型硬度计，德国Zwick公司产品；3365型拉力试验机，美国英斯特朗公司产品。

1.4 混炼工艺

小配合试验胶料分两段混炼，一段混炼在密炼机中进行，转子转速为65 r·min-1，填充系数为70%，混炼工艺为：生胶→混炼预热30 s→加树脂、硬脂酸等小料混炼15 s→加炭黑混炼到温度为105℃→加油等助剂混炼到温度为125 ℃→清扫后混炼到温度135 ℃时排胶→下片后停放6 h。二段混炼在开炼机中进行，混炼工艺为：通过打卷和打三角包方式捣胶至胶料均匀包辊→加硫黄、促进剂、氧化锌、抗疲劳剂PAPI等→左右3/4各割胶3次→调整辊距薄通10次，下片待用。

大配合试验采用SSM低温一步法炼胶工艺，生胶、炭黑、树脂、硫黄、促进剂、氧化锌等在密炼机中初步混炼，胶料排放到全自动开炼机上压制成片后分流给4组全自动开炼机，胶料在每组开炼机上实现自动混炼，全过程为补充混炼、冷却、收取[2-5]。

1.5 性能测试

胶料和成品性能均按照相应国家标准或企业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 抗疲劳剂PAPI反应机理

2.1.1 抗疲劳剂PAPI简介

抗疲劳剂PAPI是一种橡胶高耐久改性剂，其分子结构式见图1。抗疲劳剂PAPI软化点不高于70 ℃，不挥发的同时具备易分散等特点。抗疲劳剂PAPI分子结构上的多个苯环调整了炭黑与橡胶的作用方式，可以与炭黑偶联，提高炭黑的分散性，降低胶料的生热。同时抗疲劳剂PAPI通过Alder-Ene反应，可直接参与橡胶的硫化交联，重构交联网络，抑制硫化返原，提高胶料热氧老化后的物理性能，抑制裂纹生长，改善耐疲劳性能。

图1 抗疲劳剂PAPI的分子结构式

2.1.2 抗疲劳剂PAPI与抗硫化返原剂PK900的对比

抗硫化返原剂PK900适用于硫黄硫化橡胶，如NR、丁苯橡胶和BR等，能明显改善过硫情况。抗硫化返原剂PK900以热稳定性的碳-碳交联键补偿返原而损失的硫黄硫化交联键，保持交联密度，从而保持硫化胶的物理性能，提高耐热老化性能，降低动态生热。抗硫化返原剂PK900为侧甲基供电子，双键活性弱、不参与硫化，仅进行Diels-Alder反应。

与抗硫化返原剂PK900相比，抗疲劳剂PAPI的活性官能团更多，活性更强，同时可通过Alder-Ene反应直接参与橡胶的硫化交联，重构交联网络。抗疲劳剂PAPI与抗硫化返原剂PK900的性质对比见表1。

表1 抗疲劳剂PAPI与抗硫化返原剂PK900的性质对比

2.2 小配合试验

小配合试验胶料硫化特性和硫化胶物理性能对比分别见表2和3。

由表2和3可见：4#和5#配方胶料的耐屈挠龟裂和耐老化性能均优于3#配方胶料，但是4#配方胶料的门尼焦烧时间较原始配方胶料缩短3 min以上，且门尼粘度较高，加工性能变差；3#，4#和5#配方胶料的Fmax减小、t90延长。综合考虑选择3#和5#配方进行车间大配合试验。

表2 小配合试验胶料硫化特性对比

表3 小配合试验硫化胶物理性能对比

2.3 大配合试验

大配合试验胶料硫化特性和硫化胶物理性能对比分别见表4和5。

表4 大配合试验胶料硫化特性对比

由表4可见：试验配方胶料的门尼粘度较原始配方胶料有所减小、焦烧时间延长，提升了胶料的加工安全性，有利于胶料正常生产；5#配方胶料的t10，t50，t90数据与原始配方胶料较接近，交联密度较高，加工性能满足生产工艺要求。

由表5可见，试验配方硫化胶的硬度略减小，拉伸强度和拉断伸长率均有提升，压缩疲劳温升降低，耐屈挠性能提升，其中3#配方硫化胶的耐屈挠性能提升幅度较大，但耐老化性能降低。

表5 大配合试验硫化胶物理性能对比

2.4 成品性能

采用原始配方及3#和5#配方支撑胶生产235/45R18 98W FRD866缺气保用轮胎，并进行成品性能测试。

2.4.1 耐久性能

成品轮胎耐久性试验按企业标准QB/NP01—2017《轿车轮胎性能室内试验方法》进行，轮胎充气压力为340 kPa，试验结果见表6。

由表6可见，1#，3#，5#配方支撑胶轮胎的耐久性试验累计行驶时间分别为50，69，80 h。试验配方成品轮胎耐久性能达到国家标准要求。

表6 成品轮胎耐久性试验结果

2.4.2 高速性能

成品轮胎高速性能按企业标准QB/GP04—2017《轿车子午线轮胎高速性能试验方法》测试，轮胎充气压力为360 kPa，试验结果如表7所示。

由表7可见，1#，3#，5#配方支撑胶轮胎的高速性能测试累计行驶时间分别为90，99，115 min。试验配方成品轮胎高速性能超过国家标准要求。

表7 成品轮胎高速性能试验结果

2.4.3 零气压耐久性能

成品轮胎零气压耐久性能按企业标准QB/NP03—2017《自体支撑型缺气保用轮胎耐久性能试验方法》测试，轮胎充气压力为零，速度为80 km·h-1，负荷率为65%。1#，3#，5#配方支撑胶轮胎的零气压耐久性能试验累计行驶时间分别为60，73，165 min。试验配方成品轮胎零气压耐久性能达到标准要求。