高粘度環保橡膠增塑劑研制及應用范文

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摘要：以渤海灣環烷基原油減壓餾分為原料，通過改性和調和工藝處理，開發出含芳香盤結構的高粘度環保橡膠增塑劑。該增塑劑具有高芳烴含量、高粘度的特點，在全鋼和半鋼輪胎胎面膠中的應用性能良好，其性質與市售某進口增塑劑相當，且生產成本更低，具有市場推廣價值。

關鍵詞：輪胎；增塑劑；環保；芳香盤；高粘度；應用性能

石油系橡膠增塑劑在輪胎工業中的用量僅次于橡膠和炭黑，其高性能新產品的研發始終受到研究者的關注。輪胎行業通常采用富含芳烴的芳烴油、催化油漿和煤焦油等石油煉制工業副產品作為操作油，雖然可以獲得優異的應用性能，但含有的大量致癌性稠環芳烴不僅污染環境，更對人體構成強烈的致癌風險，其應用受到歐盟、美國和日本等發達國家和地區的嚴格限制。近年來，我國逐漸重視輪胎原材料的環保問題，在2015年啟動了輪胎標簽法的制定工作，預計2019年推出強制性法規。鑒于我國巨大且不斷成長的汽車市場，以及目前供應國內市場的輪胎尚未實現環保化的現狀，石油系環保橡膠增塑劑的市場規模將進一步擴大。因此，研發組成結構與芳烴油接近的高性能環保橡膠增塑劑，不僅可滿足市場需求，促進國內綠色輪胎產業的發展，對環境保護也具有積極意義[1]。根據歐盟和美國的環保法規可知，致癌性多環芳烴主要為3～5個芳香環數的稠環芳烴。在石油系橡膠增塑劑環保化的早期研究過程中，研究者主要關注于去除稠環芳烴從而獲得無致癌性單環芳烴的技術路線，對于獲得低致癌性甚至無致癌性的環數在6個以上稠環芳烴的研究則較少，這導致目前主流的橡膠增塑劑100℃運動粘度均在20mm2•s-1左右，相當于過去常用的非環保芳烴油粘度的1/2甚至1/3，對其應用性能造成一定影響。通過技術手段獲得低致癌性甚至無致癌性的6環及以上稠環芳烴并將其作為調和組分是開發高粘度環保增塑劑的可行思路。在石油的重質渣油組分中廣泛存在以稠環芳香系為核心的芳香盤結構，其周圍連接一些環烷環和烷基鏈構成的單元薄片，薄片間通過分子力配合形成部分有序的納米級似晶結構[2-3]，不僅具有芳香烴結構特性，還表現出超分子結構特性。通過技術手段制備富集芳香盤結構組分并使其環保化，將其作為輪胎操作油，不僅滿足環保要求，同時可以提高膠料的物理性能。本工作通過改性和調和工藝對富集芳香盤結構組分進行環保化處理，開發具有較高芳烴含量的高粘度橡膠增塑劑，并對其在全鋼和半鋼輪胎胎面膠中的應用進行研究。

1高粘度橡膠增塑劑的開發

1.1試驗原料

試驗原料為重質渣油，其性質如表1所示。由表1可知，重質渣油具有很高的芳香分和膠質含量，運動粘度達到1000mm2•s-1以上。從應用角度看，重質渣油具有開發高芳烴含量、高粘度橡膠增塑劑的潛力，但其中苯并（a）芘和8種PAHs含量大大超過歐盟環保限令的要求，不能直接作為環保橡膠增塑劑使用。

1.2減壓切割

以重質渣油為原料，進行減壓切割，各餾分段油品中PAHs含量如表2所示。由表2可知，通過減壓蒸餾，高于510℃的餾分中8種致癌性多環芳烴含量均大幅減小。由此可知，蒸餾溫度是控制產品環保指標的關鍵因素，進一步提高切割溫度，有可能使致癌物含量進一步減小。值得注意的是，510℃對于工業常用減壓裝置已經是較高的蒸餾溫度，進一步提高蒸餾溫度的技術難度較大，因此難以直接通過減壓切割獲得合格的產品。

1.3助劑改性

以經過減壓蒸餾后高于510℃的餾分為原料，選取某酸性助劑作為催化劑，某低分子聚合物作為改性劑對其進行改性。酸性助劑和聚合物均為市售品。反應條件和油品性質如表3所示。由表3可知，通過改性，減壓蒸餾后的油品中8種致癌性多環芳烴含量進一步減小，已接近歐美環保法規的限值。

1.4粘度調節

油品的粘度對于膠料的混煉或密煉非常重要，同時對膠料的加工性能和硫化膠的拉伸強度、回彈值、耐低溫性能等均有重要影響。通常，根據橡膠制品的使用要求選用不同粘度的油品。本試驗采用某市售油品對改性油品進行粘度調和，調和后的油品性質如表4所示。由表4可知，試驗達到預期效果，調和后的油品（增塑劑）CA值達到34%，運動粘度達到82mm2•s-1，具有較大的芳香烴含量，與橡膠的相容性更好，加工性能改善。苯并（a）芘含量為0.2mg•kg-1，8種PAHs含量為6.5mg•kg-1，均滿足環保限定的要求。同時，由德國BIU實驗室對樣品進行灣區質子含量檢測，結果表明本試驗開發的增塑劑在環保上完全符合歐盟環保法規要求，且滿足GB/T33322—2016《橡膠增塑劑芳香基礦物油》中牌號A2530的技術要求。

2增塑劑A2530的應用性能

2.1在全鋼輪胎胎面膠中的應用

采用本試驗開發的增塑劑A2530制備以天然橡膠（NR）為生膠基體的全鋼輪胎胎面膠，并與采用某進口高芳烴橡膠增塑劑的胎面膠進行對比。A2530和某進口增塑劑的性質如表5所示，其應用性能如表6所示。由表6可知：采用A2530的混煉膠門尼粘度和門尼焦燒性能以及硫化膠物理性能和耐磨性能與采用某進口增塑劑的膠料相當；采用A2530的硫化膠耐壓縮疲勞性能更好，滾動阻力和動態生熱更低。

2.2在半鋼輪胎胎面膠中的應用

采用A2530制備以充油丁苯橡膠（SBR）/SBR/順丁橡膠（BR）為生膠基體的半鋼輪胎胎面膠，并與采用某進口高芳烴橡膠增塑劑的胎面膠進行對比，結果如表7所示。由表7可知：采用A2530的混煉膠門尼粘度和門尼焦燒性能以及硫化膠的物理性能和耐磨性能與采用某進口增塑劑的膠料相當；采用A2530的硫化膠耐壓縮疲勞性能更好，滾動阻力稍大；A2530在充油SBR/SBR/BR半鋼輪胎胎面膠配方中可以等量替代某進口增塑劑。

3結論

（1）以中海油環烷基原油減壓餾分為原料，經改性和調和工藝處理可生產高粘度橡膠增塑劑。

（2）以中海油環烷基原油為原料生產的高粘度橡膠增塑劑性質與某進口增塑劑相當；在應用性能上，其可完全替代某進口增塑劑，且膠料的部分動態力學性能更優。

參考文獻：

[1]馮濤，于恩強，殷春照，等.環保型橡膠增塑劑HJA系列產品及其應用[J].橡膠科技，2017，15（10）：30-33.

[2]王亮燕，陶平，鄒惠芳，等.環保增塑劑在丁腈橡膠中的應用[J].橡膠工業，2018，65（3）：245-249.

[3]梁文杰，闕國和，劉晨光，等.石油化學[M].東營：中國石油大學出版社，2008：64-71.

作者：于恩強 陳宏 馮濤 秦鍇 單位：中海瀝青股份有限公司