橡膠履帶作為工程機(jī)械（如挖掘機(jī)、推土機(jī)）、特種車輛（如雪地車、軍用裝甲車）的核心行走部件，需在復(fù)雜工況（高低溫、泥濘、碎石路面）下長(zhǎng)期承受“承載-曲撓-摩擦”循環(huán)作用，其低溫性能（尤其低溫曲撓性）直接決定設(shè)備在寒冷地區(qū)（如零下20℃至零下40℃）的啟動(dòng)可靠性與使用壽命。低溫環(huán)境下，橡膠基材易因分子鏈運(yùn)動(dòng)能力下降而變硬、脆化，導(dǎo)致履帶在曲撓過(guò)程中出現(xiàn)裂紋、斷裂，或因曲撓阻力過(guò)大增加能耗。加氫石油樹脂作為一種新型橡膠增塑-補(bǔ)強(qiáng)改性劑，憑借“低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、與橡膠基材高相容性、耐低溫老化”的特性，可通過(guò)調(diào)控橡膠分子鏈動(dòng)態(tài)行為與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著提升橡膠履帶的低溫曲撓性，解決寒冷地區(qū)履帶易失效的痛點(diǎn)。

一、橡膠履帶低溫曲撓性失效的核心機(jī)制

要理解加氫石油樹脂的改進(jìn)作用，需先明確橡膠履帶在低溫下曲撓性能下降的根本原因，其本質(zhì)是低溫環(huán)境對(duì)橡膠分子鏈運(yùn)動(dòng)與交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的雙重抑制，具體表現(xiàn)為以下三個(gè)層面：

（一）橡膠分子鏈低溫凍硬，曲撓阻力劇增

橡膠的高彈性源于分子鏈（如天然橡膠的順式-1,4-聚異戊二烯、丁腈橡膠的丁二烯 - 丙烯腈共聚物）的“柔性鏈段運(yùn)動(dòng)”—— 常溫下，分子鏈段可通過(guò)旋轉(zhuǎn)、滑移適應(yīng)曲撓形變；而低溫下，分子熱運(yùn)動(dòng)能量降低，鏈段旋轉(zhuǎn)受阻，橡膠從“高彈態(tài)”向“玻璃態(tài)”轉(zhuǎn)變（轉(zhuǎn)變溫度即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg）。當(dāng)環(huán)境溫度低于橡膠Tg時(shí)，分子鏈幾乎喪失運(yùn)動(dòng)能力，橡膠硬度、彈性模量顯著升高（如丁苯橡膠在-20℃時(shí)硬度較25℃提升3-4倍），履帶在曲撓過(guò)程中需克服極大的內(nèi)部阻力，易出現(xiàn)“曲撓滯后”（形變無(wú)法隨外力及時(shí)恢復(fù)），甚至因應(yīng)力集中導(dǎo)致履帶本體開裂。

（二）交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)低溫剛性增強(qiáng)，形變適應(yīng)性下降

橡膠履帶的力學(xué)性能依賴于“分子鏈交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”（由硫化劑如硫磺、過(guò)氧化物引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)生成），常溫下交聯(lián)點(diǎn)可隨分子鏈段運(yùn)動(dòng)發(fā)生微位移，為曲撓形變提供緩沖；低溫下，交聯(lián)點(diǎn)（如C-C交聯(lián)鍵、S-S交聯(lián)鍵）的剛性增強(qiáng)，無(wú)法隨鏈段運(yùn)動(dòng)調(diào)整位置，導(dǎo)致交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)從“柔性彈性網(wǎng)絡(luò)”變?yōu)椤皠傂源嘈跃W(wǎng)絡(luò)”。當(dāng)履帶承受曲撓應(yīng)力時(shí)，剛性交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法分散應(yīng)力，易在薄弱部位（如履帶花紋根部、履帶節(jié)距連接處）形成應(yīng)力集中，引發(fā)微裂紋，長(zhǎng)期循環(huán)后裂紋擴(kuò)展為宏觀斷裂。

（三）傳統(tǒng)增塑劑低溫析出或失效，加劇性能劣化

為改善橡膠低溫性能，傳統(tǒng)橡膠履帶配方中常添加石油系增塑劑（如芳烴油、環(huán)烷油）或酯類增塑劑（如鄰苯二甲酸二辛酯），其作用是通過(guò) “插入橡膠分子鏈間，削弱分子間作用力”提升鏈段運(yùn)動(dòng)能力。但低溫環(huán)境下，這類增塑劑存在明顯缺陷：一是芳烴油、環(huán)烷油的低溫黏度急劇升高（-30℃時(shí)黏度較25℃提升10-20倍），反而阻礙分子鏈運(yùn)動(dòng)；二是酯類增塑劑易因低溫結(jié)晶析出，失去增塑效果，同時(shí)析出的固體顆粒會(huì)在橡膠內(nèi)部形成“應(yīng)力點(diǎn)”，加速曲撓裂紋的產(chǎn)生。

二、改進(jìn)低溫曲撓性的核心機(jī)制

加氫石油樹脂是由石油裂解副產(chǎn)物（如C5/C9餾分）經(jīng)聚合、加氫精制而成的低分子量（數(shù)均分子量通常為1000-5000）熱塑性樹脂，其分子結(jié)構(gòu)以飽和環(huán)烷烴、鏈烷烴為主（雙鍵通過(guò)加氫消除），兼具“增塑作用”與“弱補(bǔ)強(qiáng)作用”，可從分子鏈運(yùn)動(dòng)、交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、界面結(jié)合三個(gè)維度優(yōu)化橡膠履帶的低溫曲撓性。

（一）降低橡膠基材Tg，激活低溫分子鏈運(yùn)動(dòng)

加氫石油樹脂的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于極低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg通常為-40℃至-60℃） ，且分子鏈中不含不飽和雙鍵（加氫后雙鍵轉(zhuǎn)化率＞99%），與橡膠基材（如丁苯橡膠、順丁橡膠、丁腈橡膠）的相容性優(yōu)異（溶解度參數(shù)與橡膠接近，通常為8.5-9.5 (cal/cm³)¹/²）。當(dāng)加氫石油樹脂作為改性劑加入橡膠配方時(shí)（添加量通常為5-15份，以100份橡膠為基準(zhǔn)），其分子可均勻分散于橡膠分子鏈間，通過(guò)兩種方式降低橡膠Tg：

削弱分子間作用力：加氫石油樹脂分子鏈上的烷基、環(huán)烷基基團(tuán)可插入橡膠分子鏈間，打破橡膠分子間的氫鍵、范德華力，減少鏈段旋轉(zhuǎn)的阻力；

自身柔性鏈段帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)：低溫下，加氫石油樹脂自身的柔性鏈段（如長(zhǎng)鏈烷基）仍能保持運(yùn)動(dòng)能力，可通過(guò) “鏈段摩擦” 帶動(dòng)橡膠分子鏈運(yùn)動(dòng)，使橡膠在更低溫度下仍能維持高彈態(tài)。

例如，在丁苯橡膠（純膠Tg約-50℃，但硫化后Tg升至-30℃）配方中添加10份加氫C5石油樹脂后，硫化橡膠的Tg降至-45℃以下，-30℃時(shí)的彈性模量較未添加組降低 40%-50%，分子鏈運(yùn)動(dòng)能力顯著提升，曲撓阻力大幅下降 —— 低溫曲撓實(shí)驗(yàn)（-30℃，10萬(wàn)次往復(fù)曲撓）顯示，橡膠的永久形變從25%降至10%以下，無(wú)明顯裂紋產(chǎn)生。

（二）調(diào)控交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升低溫形變適應(yīng)性

加氫石油樹脂不僅是增塑劑，還能通過(guò)“參與交聯(lián)反應(yīng)”或“修飾交聯(lián)點(diǎn)”調(diào)控橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免低溫下交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)過(guò)度剛性化：

優(yōu)化交聯(lián)密度與交聯(lián)點(diǎn)分布：加氫石油樹脂分子鏈末端含少量羥基、羧基等活性基團(tuán)（聚合過(guò)程殘留），可與橡膠硫化體系（如硫磺-促進(jìn)劑體系）中的促進(jìn)劑（如次磺酰胺類）發(fā)生弱相互作用，抑制局部過(guò)度交聯(lián)，使交聯(lián)密度更均勻（交聯(lián)點(diǎn)間距從5-8nm調(diào)整為8-12nm）。均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可在低溫曲撓時(shí)更均勻地分散應(yīng)力，避免應(yīng)力集中；

柔化交聯(lián)點(diǎn)周圍鏈段：加氫石油樹脂分子可吸附在交聯(lián)點(diǎn)（如S-S交聯(lián)鍵）周圍，形成“柔性包裹層”，降低交聯(lián)點(diǎn)的剛性。低溫下，這包裹層可允許交聯(lián)點(diǎn)發(fā)生微位移，為橡膠分子鏈的曲撓形變提供緩沖，避免交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)因剛性過(guò)強(qiáng)而脆裂。

在順丁橡膠履帶配方中，添加8份加氫C9石油樹脂后，硫化橡膠的交聯(lián)密度從3.5×10²⁰個(gè)/cm³ 降至2.8×10²⁰個(gè)/cm³，且交聯(lián)點(diǎn)分布均勻性提升30%。-25℃曲撓實(shí)驗(yàn)顯示，履帶花紋根部的應(yīng)力集中系數(shù)從1.8降至1.2，15萬(wàn)次曲撓后仍無(wú)裂紋，而未添加組在8萬(wàn)次曲撓后即出現(xiàn)明顯裂紋。

（三）增強(qiáng)橡膠-填料界面結(jié)合，抑制低溫界面失效

橡膠履帶配方中通常添加補(bǔ)強(qiáng)填料（如炭黑、白炭黑，添加量20-50份）以提升耐磨性與強(qiáng)度，但低溫下橡膠與填料的界面結(jié)合易因分子鏈運(yùn)動(dòng)受阻而弱化 —— 填料表面的羥基、羧基與橡膠分子鏈的相互作用減弱，導(dǎo)致界面出現(xiàn)微空隙，曲撓時(shí)微空隙擴(kuò)展為裂紋，加劇性能劣化。

加氫石油樹脂可通過(guò) “界面橋接作用” 增強(qiáng)橡膠與填料的結(jié)合：其分子鏈上的極性基團(tuán)（如羥基）可與填料表面的極性基團(tuán)形成氫鍵，同時(shí)非極性鏈段與橡膠分子鏈相容，形成“橡膠-樹脂-填料”的穩(wěn)定界面，這界面結(jié)構(gòu)在低溫下仍能保持結(jié)合強(qiáng)度，避免界面微空隙產(chǎn)生，例如，在含炭黑的丁腈橡膠配方中添加12份加氫石油樹脂后，-35℃時(shí)橡膠與炭黑的界面結(jié)合強(qiáng)度較未添加組提升55%，低溫曲撓過(guò)程中界面無(wú)剝離現(xiàn)象，履帶的耐磨性能與曲撓壽命同步提升（曲撓壽命從10萬(wàn)次延長(zhǎng)至 20 萬(wàn)次）。

本文來(lái)源：河南向榮石油化工有限公司 http://www.hartraders.com/