超鋅活性劑AK-1在半鋼子午線輪胎氣密層中的應(yīng)用

薛伯勇，劉華僑，李紅衛(wèi)，顧培霜，朱家順

[特拓（青島）輪胎技術(shù)有限公司，山東 青島 266000]

氧化鋅在輪胎配方設(shè)計中根據(jù)不同部位的性能要求起著不同的作用。一般來說，氧化鋅和硬脂酸在配方體系中起到活性劑的作用[1]，兩者存在時硫化膠的交聯(lián)密度增大，這是因為可溶性鋅離子與多硫側(cè)掛基團生成了絡(luò)合物，這種螯合作用保護了弱鍵，而在強鍵處斷裂，交聯(lián)鍵變短，即交聯(lián)鍵中的硫原子數(shù)減少。在丁基橡膠氣密層膠料中，氧化鋅起到硫化劑的作用[2-5]。在帶束層及冠帶條覆膠配方中一般添加大量氧化鋅以提高粘合性能，同時也起到降低膠料硫化返原的作用，高鋅設(shè)計提高硫化膠耐熱老化性能的機理為：橡膠產(chǎn)品在使用過程中，多硫鍵斷裂，產(chǎn)生的硫化氫會加速橡膠的裂解，但氧化鋅與硫氫基團反應(yīng)，形成新的交聯(lián)鍵，使斷裂的橡膠大分子鏈重新形成穩(wěn)定的硫化網(wǎng)絡(luò)，從而提高了硫化膠的耐熱老化性能[6-8]。

氧化鋅在半鋼子午線輪胎膠料中的質(zhì)量占比一般為1.5%～2%，由于氧化鋅屬于金屬氧化物，其質(zhì)量較大，因此，減小氧化鋅用量也是一種比較有效的輪胎輕量化方法。目前，市場上存在一些高活性氧化鋅或超鋅活性劑等材料[9-10]，用以取代間接法氧化鋅。

本工作采用超鋅活性劑AK-1等鋅量替代間接法氧化鋅作為硫化劑，用于半鋼子午線輪胎氣密層膠，研究其應(yīng)用效果。

1 實驗

1.1 原材料

溴化丁基橡膠（BIIR），朗盛公司新加坡丁基橡膠廠產(chǎn)品；天然橡膠（NR），TSR20，泰國進口產(chǎn)品；炭黑N660，山西永東化工有限公司產(chǎn)品；芳烴油，泰國國家石油有限公司產(chǎn)品；氧化鋅（ZnO-80），國內(nèi)某公司產(chǎn)品；超鋅活性劑AK-1，科邁化工股份有限公司產(chǎn)品；硫黃，無錫華盛橡膠新材料科技股份有限公司產(chǎn)品；促進劑MBTS，山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品；其他原材料均為市售品。

其中，氧化鋅和超鋅活性劑AK-1的參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗配方

采用含和不含碳酸鈣兩種氣密層配方體系，依照超鋅活性劑AK-1的使用建議，根據(jù)鋅含量進行換算，等鋅量部分（50%）或全部（100%）替代氧化鋅，試驗配方如表2所示。

1.3 試樣制備

母煉膠在BB430型密煉機（日本神戶制鋼所產(chǎn)品）中混煉，容量設(shè)計填充系數(shù)為73%，初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1，加入生膠和小料預(yù)混10 s后提壓砣，加入炭黑（碳酸鈣），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低至40 r·min-1，壓壓砣20 s和溫度95 ℃同時滿足時提壓砣加油，壓壓砣保持10 s，提壓砣排氣，壓壓砣至125 ℃排膠。

終煉膠在XM270型密煉機（大連橡膠塑料機械有限公司產(chǎn)品）中混煉，容量設(shè)計填充系數(shù)為77%，初始轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1，加入母膠和小料，壓壓砣保持30 s后提壓砣，壓壓砣保持25 s后提壓砣，壓壓砣10 s和溫度102 ℃同時滿足時提壓砣排膠。

終煉膠采用平板硫化機硫化，硫化條件為150℃/10 MPa×40 min。

1.4 測試分析

1.4.1 加工性能

采用MV-3000-A型門尼粘度計[高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品]按照GB/T 1232.2—2016《未硫化橡膠 用圓盤剪切黏度計進行測定 第1部分：門尼黏度的測定》進行門尼粘度的測試；按照GB/T 1233—2008《未硫化橡膠初期硫化特性的測定 用圓盤剪切黏度計進行測定》進行門尼焦燒性能的測試。

1.4.2 硫化特性

采用M-2000-AN型無轉(zhuǎn)子硫化儀[高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品]按照GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉(zhuǎn)子硫化儀測定硫化特性》進行測試。

1.4.3 物理性能

邵爾A型硬度采用邵氏A型硬度計按照GB/T 531—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法》進行測定；拉伸性能采用UT-2060型拉力試驗機（中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品）按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》進行測試。

1.4.4 氣密性

采用VAC-2型氣密性測試儀（濟南蘭光機電技術(shù)有限公司產(chǎn)品）按照GB/T 1038—2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 加工性能和硫化特性

膠料的加工性能和硫化特性如表3所示。

表3 膠料的加工性能和硫化特性

從表3可以看出，超鋅活性劑AK-1等鋅量替代氧化鋅對膠料的門尼粘度和門尼焦燒時間影響較小。在硫化轉(zhuǎn)矩方面，超鋅活性劑AK-1等鋅量替代氧化鋅，膠料的FL有減小趨勢，其中100%替代的情況下膠料的FL降低16%左右；膠料的Fmax也有減小趨勢，其中50%替代的情況下膠料的Fmax降低4%左右，100%替代的情況下降低13%左右。在硫化時間方面，無論配方體系是否有無機填料存在，超鋅活性劑AK-1等鋅量替代氧化鋅均能提高膠料的硫化速率，其中50%替代的情況下，含碳酸鈣體系膠料的t90縮短6%左右，不含碳酸鈣體系膠料的t90縮短18%左右。這可能是因為碳酸鈣的加入降低了硫化體系的濃度，對硫化特性的影響幅度有差異。

2.2 物理性能

硫化膠的物理性能如表4所示。

表4 硫化膠的物理性能

從表4可以看出，含和不含碳酸鈣兩種氣密層配方體系中，超鋅活性劑AK-1等鋅量替代氧化鋅，膠料的硬度、定伸應(yīng)力、回彈值和耐屈撓性能基本相同或略有下降，但差別不大。其中100%替代情況下，硫化膠的100%，200%和300%定伸應(yīng)力均略有下降，降幅在4%～7%；拉伸強度減小4%左右，基本滿足性能標準公差。綜上所述，超鋅活性劑AK-1等鋅量替代氧化鋅可以滿足氣密層膠的綜合物理性能要求。

2.3 氣密性

1#，2#，3#，4#和5#配方硫化膠的透氣系數(shù)分別為1.754×10-13，1.138×10-13，7.276×10-14，7.756×10-14和2.356×10-14cm2·（Pa·s）-1。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，含碳酸鈣的1#配方硫化膠相對于不含碳酸鈣的4#配方硫化膠氣密性有所下降，這是因為碳酸鈣屬于無機填料，雖然在原理上能夠在一定程度上增加氣體滲透的路徑，但由于填充量較大，BIIR在配方中的體積分數(shù)下降，從而導(dǎo)致保氣性能減弱。此外，使用超鋅活性劑AK-1等鋅量替換氧化鋅后硫化膠的氣密性均有所提高，說明超鋅活性劑AK-1能夠有效提高氣密層膠的氣密性。

3 結(jié)論

采用超鋅活性劑AK-1等鋅量替代氧化鋅分別用于含和不含碳酸鈣兩種半鋼子午線輪胎氣密層膠，研究膠料的硫化特性、綜合物理性能和氣密性。結(jié)果表明，超鋅活性劑AK-1作為硫化劑用于BIIR氣密層膠中可以提高膠料的硫化速率，硫化膠的硬度、撕裂強度、回彈值和耐屈撓性能變化不大，定伸應(yīng)力和拉伸強度略有下降但基本滿足性能標準公差，氣密性顯著提高。