CN115594902A - 一种胎面橡胶组合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胎面橡胶组合物及其制备方法和应用，属于高分子材料技术领域；本发明提供的胎面橡胶组合物包括以下质量份的原料：高乙烯基聚丁二烯橡胶10~25份、溶聚丁苯橡胶48~104份、聚丁二烯橡胶15~40份、炭黑5~15份、白炭黑60~100份、硅烷偶联剂4.8~8份、硫磺0.75~2份、促进剂1.5~3.8份、橡胶油1~21份、加工助剂6~22份。本发明提供的胎面橡胶组合物具有优异的低滚阻、抗拉伸和耐磨耗性能；因此，能够应用至新能源汽车的胎面制备上，满足其对胎面提出的高耐磨、低滚阻的要求。同时，本发明提供的胎面橡胶组合物的原料来源广泛、制备方法简单，适用于实际工业生产。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种胎面橡胶组合物及其制备方法和应用。
背景技术
新能源汽车因车辆自重较同级别的燃油汽车增加20~35%，对轮胎的胎面橡胶提出了更加苛刻的技术指标，例如更低的滚动阻力、更好的耐磨性能以及更优异的抗拉伸性能。
新能源汽车的设计初衷就是节约能源，因此低滚动阻力是新能源汽车轮胎的首要要求。电池技术发展的滞后使得电动汽车的充电容量受限，单次充电续航里程短，同时车辆电池重量的增加也会缩短续航里程。为了减少电池的电力消耗，延长续航里程，新能源汽车轮胎要求胎面胶料具有更低的滚动阻力。新能源汽车电动机替代燃油机这一复杂动力机构，表现为初始扭矩大、车辆提速快，在一定程度上加快了新能源汽车轮胎的胎面磨损；另外，新能源汽车因自身重量较同级别的燃油汽车增加20~35%，每条轮胎的承载相应增加20~35%，同样加速了新能源汽车轮胎的胎面磨损。为了减少轮胎的更换频次，降低车辆使用成本，新能源汽车轮胎要求胎面胶料具有更高的耐磨性能。
现有的轮胎胎面橡胶技术中，通常采用溶聚丁苯橡胶替代乳聚丁苯橡胶、白炭黑替代炭黑、减少填充剂用量等方法，实现轮胎胎面胶料的低滚阻，但同时也弱化了胶料的拉伸强度、降低了胶料的耐磨性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种具有低滚动阻力、高耐磨性、高抗拉伸性能的胎面橡胶组合物及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种胎面橡胶组合物，所述胎面橡胶组合物包括以下质量份的原料：高乙烯基聚丁二烯橡胶10~25份、溶聚丁苯橡胶48~104份、聚丁二烯橡胶15~40份、炭黑5~15份、白炭黑60~100份、硅烷偶联剂4.8~8份、硫磺0.75~2份、促进剂1.5~3.8份、橡胶油1~21份、硬脂酸0.5~3份、氧化锌1~5份、防护蜡0.5~2份、防老剂1~4份、分散剂3~8份；所述溶聚丁苯橡胶中，苯乙烯的质量百分数为30~40%、乙烯基的质量百分数为20~50%；所述白炭黑的比表面积为125~200m2/g（采用CTAB法测定）；
所述胎面橡胶组合物的制备方法包括以下步骤：
（1）第一段混炼：将高乙烯基聚丁二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、氧化锌、硬脂酸和硅烷偶联剂混合后压砣保持10~30s，再加入炭黑、30~60%的白炭黑混合后压砣混炼至110~135℃，提砣保持10~30s，再次压砣混炼至145~155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第一段混炼胶；
（2）第二段混炼：将第一段混炼胶、溶聚丁苯橡胶、防护蜡、防老剂和分散剂混合压砣保持10~30s，再加入剩余白炭黑和橡胶油混合后压砣混炼至110~135℃，提砣保持10~30s，再次压砣混炼至145~155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第二段混炼胶；
（3）第三段混炼：将第二段混炼胶、硫磺和促进剂混合后压砣保持30~60s，提砣保持10~30s，然后压砣保持30~60s，提砣保持10~30s，再次压砣混炼至95~110℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得胎面橡胶组合物。
本发明提供的一种胎面橡胶组合物中一方面通过添加合适质量份以及玻璃化转变温度的高乙烯基聚丁二烯橡胶（HVBR），一方面选择具有特定质量百分数含量的苯乙烯和乙烯基的溶聚丁苯橡胶（SSBR），另一方面还选择了具有一定比表面积的白炭黑，同时结合特定的制备方法，即将原料分类先后进行三段混炼，并且将白炭黑在第一段和第二段混炼中分别加入，从而能够从多个角度协同的改善溶聚丁苯橡胶和聚丁二烯橡胶（BR）共混物的界面相容性；进而能够很好的实现胎面橡胶组合物的低滚动阻力、高耐磨性以及高抗拉伸性能，取得了显著的效果。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述高乙烯基聚丁二烯橡胶为干胶；所述高乙烯基聚丁二烯橡胶中的乙烯基含量＞80%。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述溶聚丁苯橡胶为湿胶，由溶聚丁苯橡胶干胶和填充油组成，所述填充油的质量百分数为25~30%，所述填充油为TDAE。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述聚丁二烯橡胶为钴系、镍系、钕系的丁二烯合成橡胶中的至少一种。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述炭黑为N110炭黑、N220炭黑、N234炭黑、N330炭黑、N339炭黑、N375炭黑中的至少一种。
优选地，所述炭黑为N220炭黑；进一步优选炭黑为N220炭黑，能够使体系的分散性更优，从而得到的产品的综合效果更为优异。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述硅烷偶联剂为双（3-三乙氧基硅丙基）四硫化物、双（3-三乙氧基硅丙基）二硫化物、（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、3-辛酰基硫代-1-丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述促进剂为噻唑类、次磺酰胺类、秋兰姆类、胍类中的至少一种。
作为本发明所述胎面橡胶组合物的优选实施方式，所述第一段混炼、第二段混炼和第三段混炼之间的加工间隔时间为3~24h。
另外，本发明还提供了所述胎面橡胶组合物在制备新能源汽车轮胎上的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种胎面橡胶组合物中一方面通过添加合适质量份以及玻璃化转变温度的高乙烯基聚丁二烯橡胶，一方面选择具有特定质量百分数含量的苯乙烯和乙烯基的溶聚丁苯橡胶，另一方面还选择了具有一定比表面积的白炭黑，从而能够从多个角度协同的改善溶聚丁苯橡胶和聚丁二烯橡胶共混物的界面相容性；同时还优化了胎面橡胶组合物的制备方法，进而能够很好的实现胎面橡胶组合物的低滚动阻力、高耐磨性以及高抗拉伸性能；因此，能够将本发明提供的胎面橡胶组合物应用至新能源汽车轮胎的胎面制备上，满足其对胎面提出的高耐磨、低滚阻、高抗拉伸的性能要求。同时，本发明提供的胎面橡胶组合物的原料来源广泛、制备方法简单，适用于实际工业生产。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所采用的试剂、方法和设备，如无特殊说明，均为本领域常规试剂、方法和设备。
HVBR-1：乙烯基含量＞80%，玻璃化转变温度Tg约-45℃，中国科学院长春应用化学研究所；
HVBR-2：乙烯基含量＞80%，玻璃化转变温度Tg约-55℃，中国科学院长春应用化学研究所；
HVBR-3：乙烯基含量＞80%，玻璃化转变温度Tg约-5℃，中国科学院长春应用化学研究所；
HVBR-4：乙烯基含量＞80%，玻璃化转变温度Tg约-60℃，中国科学院长春应用化学研究所；
HVBR-5：乙烯基含量＞80%，玻璃化转变温度Tg约0℃，中国科学院长春应用化学研究所；
SSBR-1：苯乙烯的质量百分数为36%，乙烯基的质量百分数为26%，填充油含量为27.3%，韩国LG化学有限公司；
SSBR-2：苯乙烯的质量百分数为25.5%，乙烯基的质量百分数为63%，填充油含量为27.3%，台橡股份有限公司；
BR：高顺式顺丁橡胶BR9000，中国石油化工股份有限公司茂名分公司；
炭黑1：N220炭黑，江西黑猫炭黑股份有限公司；
炭黑2：N330炭黑，江西黑猫炭黑股份有限公司；
白炭黑1：7000GR，比表面积约160m2/g，德固赛嘉联白炭黑（南平）有限公司；
白炭黑2：9100GR，比表面积约200m2/g，中国台湾德固萨股份有限公司；
白炭黑3：5000GR，比表面积约115m2/g，德固赛嘉联白炭黑（南平）有限公司；
白炭黑4：9500GR，比表面积约220m2/g，中国台湾德固萨股份有限公司；
氧化锌：氧化锌（间接法），市售；
硬脂酸：十八烷酸，市售；
硅烷偶联剂：双（3-三乙氧基硅丙基）四硫化物，市售；
防护蜡：微晶蜡OK2122，市售；
防老剂-1：N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基对苯二胺（6PPD），圣奥化学科技有限公司；
防老剂-2：2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉，圣奥化学科技有限公司；
分散剂：聚乙烯乙二醇酯（PE4000），市售；
橡胶油：环保芳烃油（TDAE），宁波汉圣化工有限公司；
硫磺：硫磺粉，市售；
促进剂-1：N-环己基-2-苯并噻唑亚磺酰胺（CBS），科迈化工股份有限公司；
促进剂-2：N,N’-二苯基胍（DPG），科迈化工股份有限公司。
实施例1-11和对比例1-10
本发明实施例1-11和对比例1-10提供一种胎面橡胶组合物，所述胎面橡胶组合物的原料含量如表1-2所示；
表1
表2
实施例1-11和对比例1-10提供的胎面橡胶组合物的制备方法如下：（若没有相关原料，则不加入即可）
（1）第一段混炼：将高乙烯基聚丁二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、氧化锌、硬脂酸和硅烷偶联剂混合后压砣保持20s，再加入炭黑、40%的白炭黑混合后压砣混炼至125℃，提砣保持20s，再次压砣混炼至155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第一段混炼胶；
（2）第二段混炼：将第一段混炼胶、溶聚丁苯橡胶、防护蜡、防老剂和分散剂混合压砣保持20s，再加入剩余白炭黑和橡胶油混合后压砣混炼至125℃，提砣保持20s，再次压砣混炼至155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第二段混炼胶；
（3）第三段混炼：将第二段混炼胶、硫磺和促进剂混合后压砣保持45s，提砣保持20s，然后压砣保持45s，提砣保持20s，再次压砣混炼至105℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得胎面橡胶组合物。
实施例12
本发明实施例与实施例1的唯一差别在于制备过程的步骤（1）中，再加入炭黑、30%的白炭黑混合后压砣混炼至125℃。
实施例13
本发明实施例与实施例1的唯一差别在于制备过程的步骤（1）中，再加入炭黑、60%的白炭黑混合后压砣混炼至125℃。
对比例11
本发明对比例与实施例1的唯一差别在于制备过程的步骤（1）中，再加入炭黑、25%的白炭黑混合后压砣混炼至125℃。
对比例12
本发明对比例与实施例1的唯一差别在于制备过程的步骤（1）中，再加入炭黑、65%的白炭黑混合后压砣混炼至125℃。
对比例13
本发明对比例与实施例1的唯一差别在于制备方法的不同，本对比例的制备方法为：
（1）第一段混炼：将高乙烯基聚丁二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、溶聚丁苯橡胶、氧化锌、硬脂酸、硅烷偶联剂、防护蜡、防老剂和分散剂混合后压砣保持20s，再加入炭黑、40%的白炭黑混合后压砣混炼至125℃，提砣保持20s，再次压砣混炼至155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第一段混炼胶；
（2）第二段混炼：将第一段混炼胶压砣保持20s，再加入剩余白炭黑和橡胶油混合后压砣混炼至125℃，提砣保持20s，再次压砣混炼至155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第二段混炼胶；
（3）第三段混炼：将第二段混炼胶、硫磺和促进剂混合后压砣保持45s，提砣保持20s，然后压砣保持45s，提砣保持20s，再次压砣混炼至105℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得胎面橡胶组合物。
效果例
本效果例对实施例1-13和对比例1-13中制备得到的胎面橡胶组合物的性能进行测试；测试中选定对比例3得到的产品为基准（对比例3得到的数据与目前高性能轮胎胎面橡胶组合物的数据相差无几），其余的实施例和对比例都与对比例3中测试得到的数据进行比较；具体地，在25℃下，测量拉伸强度，拉伸速度为500mm/min；在25℃下，测量阿克隆磨耗量；在60℃下，测量DMA（10Hz、0.25%）的滞后损失tanδ；其中抗拉伸指数=（每个胎面橡胶组合物的拉伸强度）/（对比例3的拉伸强度）×100，抗拉伸指数越大，就意味着拉伸强度越大；低滚阻指数=（对比例3的tanδ）/（每个胎面橡胶组合物的tanδ）×100，低滚阻指数越大，就意味着滚动阻力越小；耐磨耗指数=（对比例3的阿克隆磨耗量）/（每个胎面橡胶组合物的阿克隆磨耗量）×100，耐磨耗指数越大，就意味着磨耗越小；得到的数据如表3所示；其中，测试得到的对比例3的拉伸强度为17.6MPa，阿克隆磨耗量为0.152cm3/1.61km，滞后损失tanδ为0.116；
表3
从表3中的数据中可以看出，当采用本发明的技术方案时，得到的胎面橡胶组合物的抗拉伸性能、低滚阻、耐磨耗性能优异；其中，抗拉伸指数在106以上，低滚阻指数在109以上，耐磨耗指数在106以上；从实施例1、实施例8-9和对比例9-10中可以看出，HVBR的玻璃化转变温度Tg会对产品的抗拉伸指数、低滚阻指数和耐磨耗指数带来影响，HVBR的玻璃化转变温度Tg为-55~-5℃时，得到的产品的综合性能更为优异，其中抗拉伸指数在106以上，低滚阻指数在113以上，耐磨耗指数在106以上；
从实施例1、实施例4-5和对比例1-3中可以看出，HVBR、SSBR和BR的添加量会对产品的性能带来明显的影响，当三者在本发明给定的添加份数的范围内时，得到的产品的综合性能优异；当对比例1中不添加HVBR而是用BR替代时，得到的产品的抗拉伸指数、低滚阻指数和耐磨耗指数呈现出明显的下降趋势，与实施例1相比，抗拉伸指数、低滚阻指数和耐磨耗指数的下降幅度分别为14.04%、12.82%、13.27%；当对比例2中添加的HVBR的质量份相对过多时，得到的产品的低滚阻指数虽然呈现出一定的增加趋势，但是抗拉伸指数、耐磨耗指数都呈现出明显的下降趋势，尤其是耐磨耗指数，与实施例1相比，下降幅度达15.93%；当对比例3中添加的SSBR质量份相对过多时，得到的产品的抗拉伸指数、低滚阻指数和耐磨耗指数都呈现出明显的下降趋势；
从实施例1、实施例6-7和对比例4-5中可以看出，炭黑和白炭黑的添加量也会对产品的性能带来影响，当炭黑的添加量不在本发明范围内，无论是过多或者是过少时，得到的产品的综合性能都呈现出一定的下降趋势；从实施例1和实施例10中可以看出，炭黑的类型也会对产品的综合性能带来些微影响；
从实施例1、实施例11和对比例7-8中可以看出，白炭黑的比表面积会对产品的性能带来影响，当比表面积不在本发明给出的范围内时，具体地，对比例7中白炭黑的比表面积过小，得到的产品的低滚阻指数虽然有一定的上升趋势，但是抗拉伸指数和耐磨耗指数显著下降，与实施例1相比，抗拉伸指数和耐磨耗指数的下降幅度分别为15.79%、20.35%；对比例8中白炭黑的比表面积过大，得到的产品的低滚阻指数、抗拉伸指数和耐磨耗指数都呈现出一定的下降趋势；
从实施例1和对比例6中可以看出，SSBR中的苯乙烯和乙烯基的质量百分数也会对产品性能带来影响，若苯乙烯和乙烯基的质量百分数不在本发明给出的范围内，得到的产品的抗拉伸指数和耐磨耗指数显著下降，与实施例1相比，抗拉伸指数和耐磨耗指数下降幅度分别为16.67%、17.70%；
从实施例1、实施例12-13和对比例11-12中可以看出，在制备的过程中，白炭黑分次加入的质量百分数会对产品的性能带来影响，当添加质量百分数在本发明内变化时，得到的产品的性能差异不显著，但是若分次添加的质量百分数不在本发明范围内时，会显著降低产品的性能，得到的产品的抗拉伸指数、低滚阻指数和耐磨耗指数都呈现出明显的下降趋势；从实施例1和对比例13中可以看出，当制备过程中物料的混合顺序与本发明不一致时，得到的产品的性能显著下降，与实施例1相比，得到的产品的抗拉伸指数、低滚阻指数和耐磨耗指数的下降幅度分别为17.54%、18.80%、22.12%。
最后应当说明的是，以上实施例以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种胎面橡胶组合物，其特征在于，所述胎面橡胶组合物包括以下质量份的原料：高乙烯基聚丁二烯橡胶10~25份、溶聚丁苯橡胶48~104份、聚丁二烯橡胶15~40份、炭黑5~15份、白炭黑60~100份、硅烷偶联剂4.8~8份、硫磺0.75~2份、促进剂1.5~3.8份、橡胶油1~21份、硬脂酸0.5~3份、氧化锌1~5份、防护蜡0.5~2份、防老剂1~4份、分散剂3~8份；
所述溶聚丁苯橡胶中，苯乙烯的质量百分数为30~40%、乙烯基的质量百分数为20~50%；
所述白炭黑的比表面积为125~200m2/g;
所述高乙烯基聚丁二烯橡胶的玻璃化转变温度为-55~-5℃；
所述胎面橡胶组合物的制备方法包括以下步骤：
（1）第一段混炼：将高乙烯基聚丁二烯橡胶、聚丁二烯橡胶、氧化锌、硬脂酸和硅烷偶联剂混合后压砣保持10~30s，再加入炭黑、30~60%的白炭黑混合后压砣混炼至110~135℃，提砣保持10~30s，再次压砣混炼至145~155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第一段混炼胶；
（2）第二段混炼：将第一段混炼胶、溶聚丁苯橡胶、防护蜡、防老剂和分散剂混合压砣保持10~30s，再加入剩余白炭黑和橡胶油混合后压砣混炼至110~135℃，提砣保持10~30s，再次压砣混炼至145~155℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得第二段混炼胶；
（3）第三段混炼：将第二段混炼胶、硫磺和促进剂混合后压砣保持30~60s，提砣保持10~30s，然后压砣保持30~60s，提砣保持10~30s，再次压砣混炼至95~110℃，随后采用双螺杆挤出机出片，得胎面橡胶组合物。
2.根据权利要求1所述的胎面橡胶组合物，其特征在于，所述炭黑为N110炭黑、N220炭黑、N234炭黑、N330炭黑、N339炭黑、N375炭黑中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的胎面橡胶组合物，其特征在于，所述硅烷偶联剂为双（3-三乙氧基硅丙基）四硫化物、双（3-三乙氧基硅丙基）二硫化物、（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷、3-辛酰基硫代-1-丙基三乙氧基硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的胎面橡胶组合物，其特征在于，所述促进剂为噻唑类、次磺酰胺类、秋兰姆类、胍类中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的胎面橡胶组合物，其特征在于，所述第一段混炼、第二段混炼和第三段混炼之间的加工间隔时间为3~24h。
6.如权利要求1-5任一项所述的胎面橡胶组合物在制备新能源汽车轮胎上的应用。
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| CN202211597959.9A CN115594902A (zh) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | 一种胎面橡胶组合物及其制备方法和应用 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116515182A (zh) * | 2023-05-25 | 2023-08-01 | 中策橡胶集团股份有限公司 | 一种兼顾低噪音、低滚阻且耐磨的胎面橡胶组合物、混合方法和轮胎 |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 吴棣华 等: "《弹性体手册（第二版）》", 中国石化出版社 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116515182A (zh) * | 2023-05-25 | 2023-08-01 | 中策橡胶集团股份有限公司 | 一种兼顾低噪音、低滚阻且耐磨的胎面橡胶组合物、混合方法和轮胎 |
| CN116515182B (zh) * | 2023-05-25 | 2024-05-31 | 中策橡胶集团股份有限公司 | 一种兼顾低噪音、低滚阻且耐磨的胎面橡胶组合物、混合方法和轮胎 |
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