科技的进步和工业化进程的发展在给人类社会创造经济价值的同时，也带来了较为严重的环境污染问题。中国在第75届联合国大会上提出了力争在2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的目标。因此，“碳减排”的相关举措受到了更多的关注，同时也对化工生产行业提出了更高的环保要求。

大气中的挥发性有机物（VOCs）不仅给公众健康和生态环境带来巨大危害，还对区域环境的空气质量造成重大影响。由于VOCs的种类较多，测定过程复杂且成本高，因此对其测定较为困难。在日常的环境质量监测和监管中，常用非甲烷总烃（Non-Methane Hydrocarbons，简称NMHC）作为监测因子来评价VOCs的排放。当大气中的NMHC超过一定浓度时，除直接对人体健康有害外，在一定条件下经日光照射还会产生光化学烟雾，对环境和人类造成危害。

在轮胎生产过程中若使用高用量白炭黑配方胶料，会存在焦烧风险和产生VOCs等问题。本工作主要研究新型硅烷偶联剂IMLV（简称IMLV）在白炭黑填充胎面胶中的应用，同时利用气相色谱分析仪对密炼过程中产生的NMHC总量进行监控。

1. 1　主要原材料

溶聚丁苯橡胶（SSBR），韩国锦湖石油化学集团产品；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石化燕山石化公司产品；高分散性白炭黑，全香港最快最准的资料产品；硅烷偶联剂Si69（简称Si69），国内某公司产品；IMLV，嘉兴北化高分子助剂有限公司产品；防老剂4020，圣奥化学科技有限公司产品；防老剂TMQ，中国石化集团南京化学工业有限公司产品。

1. 2　试验配方

SSBR　80，BR　20，白炭黑　80，硅烷偶联剂（变品种）　12. 8，氧化锌　3，硬脂酸　2，环保油　30，防老剂TMQ 　1. 5，防老剂4020  2. 5，莱茵蜡WAX111　1，硫黄　2，促进剂TBBS　4. 1。

1^# 和2^# 配方中硅烷偶联剂分别为Si69 和IMLV。

1. 3　主要设备和仪器

GK-5E型密炼机，德国克虏伯公司产品；GK400型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；XK-160型开炼机，上海双翼橡塑机械股份有限公司产品；HS100T-FTMO-90型平板硫化机，佳鑫电子设备科技（深圳）有限公司产品；MV2000型门尼粘度仪、MDR2000型无转子硫化仪和RPA2000橡胶加工分析（RPA）仪，美国阿尔法科技有限公司产品；Z005型电子拉力机，德国Zwick-Roell公司产品；Roell 5109型回弹仪，德国Zwick公司产品；GT-7012D型DIN磨耗试验机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；Eplexor 500N型动态粘弹谱（DMA）仪，德国GABO公司产品；GC-15型气相色谱分析仪，上海宝英光电科技有限公司产品。

1. 4　试样制备

1. 4. 1　小配合试验

胶料采用3段混炼工艺，均在GK-5E型密炼机中进行。一段混炼转子转速为100 r·min^-1，混炼工艺为：生胶、硬脂酸、莱茵蜡→压压砣（30 s）→部分白炭黑、硅烷偶联剂→压压砣（60 s）→剩余白炭黑、环保油→压压砣（60 s）→温度控制在140 ℃（100 s）→排胶（145 ℃）。二段混炼转子转速为80 r·min^-1，混炼工艺为：一段混炼胶、氧化锌、防老剂TMQ、防老剂4020→压压砣（30 s）→温度控制在140 ℃（90 s）→排胶（140 ℃）。三段混炼转子转速为60 r·min^-1，混炼工艺为：二段混炼胶、硫黄、促进剂→压压砣（45 s）→提压砣→压压砣（45 s）→排胶（100 ℃）。

混炼胶在平板硫化机上进行硫化，硫化条件为150 ℃×30 min。

1. 4. 2　大配合试验

大配合试验胶料在GK400型密炼机中进行混炼。硫化胶制备工艺同小配合试验。

1. 5　性能测试

（1）加工性能。采用RPA仪进行测试，应变扫描条件为：应变范围　0. 7%～45%，频率　1 Hz，温度　60 ℃。

（2）动态力学性能。采用DMA仪进行测试，应变扫描条件为温度　60 ℃，频率　10 Hz，静态应变　10%，动态应变范围　0. 1%～5%；温度扫描条件为频率 　10 Hz，静态应变　3%，动态应变　0. 25%，温度范围　－50～70 ℃。

（3）胶料其他性能均按照相应的国家标准进行测试。

2. 1　硅烷偶联剂的分子结构

Si69和脂肪醇聚乙氧烯醚（AEO-9）的分子结构式如图1所示。

IMLV是Si69与AEO-9进行酯交换反应的产物，亦即Si69分子链中的6个乙氧基官能团被脂肪醇乙烯醚的长链部分所取代。与Si69的分子结构相比，IMLV具备以下优势：（1）改性后的IMLV具有大量的聚醚结构，在氢键作用下，会快速转移到白炭黑表面并与硅羟基反应，使得白炭黑裸露的硅羟基数量减少；（2）硅烷化产生的脂肪醇聚乙氧烯醚吸附在白炭黑表面，极大地提高了白炭黑与橡胶基体的亲和力，改善了白炭黑的分散性；（3）长链脂肪醚结构与白炭黑反应后的产物不易挥发，因此极大地降低了密炼过程中由硅烷化反应释放的VOCs总量。

2. 2　小配合试验

2. 2. 1　硫化特性

胶料的硫化特性如表1所示。

从表1可以看出，与1^#配方胶料相比，2^#配方胶料的门尼粘度和门尼应力松弛时间相当，t₅和t₁₀延长，表明胶料的加工安全性提高。分析认为：IMLV分子中的Si—OR（R=OEt或者脂肪醇聚乙氧烯醚长链）水解后与白炭黑表面的Si—OH发生化学接枝作用；同时脂肪醇聚乙氧烯醚由于氢键作用包覆在白炭黑表面，烷基链具有疏水性，与白炭黑表面发生物理吸附作用，对白炭黑表面的羟基有屏蔽作用，可促进白炭黑的分散，并能改善胶料的加工性能，同时还减弱了白炭黑表面对促进剂的吸附，因此，胶料的V_c增大。

2. 2. 2　物理性能

硫化胶的物理性能如表2所示。

从表2可以看出：与1^#配方硫化胶相比，2^#配方硫化胶的邵尔A型硬度和拉断伸长率增大，300%定伸应力减小，100%定伸应力、拉伸强度、回弹值和DIN磨耗量相当。

2. 2. 3　加工性能

混炼胶的储能模量（G′）和损耗因子（tanδ）与应变的关系曲线分别如图2和3所示。

混炼胶中的填料-填料和聚合物-填料网络结构随着应变增大而受到破坏，填料之间的相互作用减弱，导致G′ 随着应变的增大而减小。从图2可以看出，与1^#配方胶料相比，2^#配方胶料的ΔG′（应变7%与应变45%的G′ 之差）增大，表明胶料的Payne效应增强。

在应变过程中，tanδ主要是由填料网络结构决定。从图3可以看出：对于1^#配方胶料，当应变小于5%时，随着应变的增大，胶料的tanδ快速增大，当应变大于5%时，胶料的tanδ缓慢增大；而对于2^#配方胶料，随着应变的增大，胶料的tanδ逐渐增大，当应变为8. 3%～20%时，胶料的tanδ达到稳定，当应变大于20%时，胶料的tanδ继续增大，并逐步与1^#配方胶料的tanδ变化趋势一致。

2. 2. 4　动态力学性能

硫化胶的tanδ-应变关系曲线如图4所示。

从图4可以看出，随着应变的增大，两种配方硫化胶的tanδ均增大，其中1^#配方硫化胶的tanδ略小于2^#配方硫化胶。

在DMA温度扫描模式下，通常以0 ℃时的tanδ表征轮胎的抗湿滑性能，25 ℃时的tanδ表征轮胎的干路面抓着性能，60 ℃时的tanδ表征轮胎的滚动阻力。硫化胶在不同温度下的tanδ如表3所示。

从表3可以看出，与1^#配方硫化胶相比，2^#配方硫化胶在0和60 ℃时的tanδ相当，说明硫化胶的抗湿滑性能和滚动阻力相差不大；2^#配方硫化胶在25 ℃时的tanδ增大，说明其干路面抓着性能较优。

硅烷化反应分为两个阶段：第1阶段为硅烷偶联剂的烷基直接与白炭黑表面的硅羟基进行的脱醇缩合反应，以及硅烷偶联剂的烷氧基遇水分解后与白炭黑表面的硅羟基进行的脱水缩合；第2阶段为与白炭黑表面呈化学结合的相邻硅烷偶联剂（主要是相邻乙氧基相互之间的缩合反应）之间的缩合反应。与Si69的分子结构相比，IMLV的部分乙氧基团被长链脂肪聚醚所取代，这种长链脂肪醚基团会使相邻硅烷偶联剂分子之间的空间位阻增大，影响硅烷化第2阶段的反应程度。此空间位阻效应不仅会使填料与填料之间的结构变得松散，在受到外力作用下被破坏的程度也高于Si69，而且还会增大分子间的内摩擦，导致胶料的tanδ增大。

2. 3　大配合试验

大配合试验结果如表4所示。

从表4可以看出：与1^#配方胶料相比，2^#配方胶料的门尼粘度减小，门尼应力松弛时间缩短，但焦烧时间延长，胶料的加工性能得到改善；2^#配方硫化胶的300%定伸应力减小，拉断伸长率增大，硬度、拉伸强度和回弹值相当，DIN磨耗量增大。

2. 4　NMHC总量的监控

利用气相色谱分析仪对密炼过程中产生的NMHC总量进行监控。密炼试验连续进行5次，取5次NMHC排放量的平均值进行评价，其结果如图5所示。