環(huán)保鋅在全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側(cè)膠中的應用

李忠磊，劉榮亮，王帥帥，劉 超，李 濱，陳峻峰

（1.山東昊華輪胎有限責任公司，山東 壽光 262724；2.中國科學院 青島能源與過程研究所，山東 青島 266101；3.青島中科和源新材料有限公司，山東 青島 266603）

氧化鋅是輪胎工業(yè)重要原材料之一，作為活性劑它不僅能加快膠料的硫化速度，還能提高熱傳導性能，有助于輪胎散熱，對橡膠硫化速度、交聯(lián)鍵類型、交聯(lián)密度和力學性能等具有重要影響[1]。輪胎工業(yè)常用的間接法氧化鋅由鋅錠經(jīng)高溫反應制得，對鋅資源的消耗量極大，而且能耗高，污染大[2]。按照歐盟2003/105/EC指令，氧化鋅被劃分為N類，即為對環(huán)境有害物質(zhì)。2010年1月1日REACH法規(guī)實施后，國際市場上對輪胎的環(huán)保要求日漸嚴格，除了嚴格限制輪胎用油品的有害物質(zhì)含量外，輪胎中鉛含量及鋅含量的限制也在逐步納入環(huán)保要求[3]。為適應環(huán)保要求，輪胎用環(huán)保材料的開發(fā)與應用研究勢在必行[4-7]。

環(huán)保鋅是一種鋅含量較低的有機化合物，包覆和接枝鑲嵌技術(shù)使其分子基團活性較高，其替代間接法氧化鋅用于輪胎生產(chǎn)，有利于節(jié)約鋅資源，并降低對環(huán)境的污染。本工作研究環(huán)保鋅在全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側(cè)膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國產(chǎn)品；順丁橡膠（BR9000），中國石油四川石化公司產(chǎn)品；炭黑N330，金能科技股份有限公司產(chǎn)品；間接法氧化鋅，國內(nèi)某公司產(chǎn)品；環(huán)保鋅，青島中科和源新材料有限公司產(chǎn)品。

1.2 基本配方

胎面膠生產(chǎn)配方（用量/份）：NR 100，炭黑N234 52，間接法氧化鋅 3.5，硬脂酸 2.5，硫黃 1.2，促進劑TBBS 1.2，其他 5.7。

胎側(cè)膠生產(chǎn)配方（用量/份）：NR/BR 55/45，炭黑N330 50，芳烴油 7，間接法氧化鋅 3.5，硬脂酸 2，硫黃 1.5，促進劑TBBS 0.75，其他9.8。

試驗配方1—3：分別以0.8，1和1.2倍用量環(huán)保鋅替代間接法氧化鋅，其余組分和用量同生產(chǎn)配方。

1.3 主要設備和儀器

X（S）M-1.5型密煉機、X（S）K-160型開煉機和XLB-Q600×600×3型平板硫化機，青島先銳機電有限公司產(chǎn)品；BB430型密煉機，日本神戶制鋼公司產(chǎn)品；GK255型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產(chǎn)品；VSMV 100型門尼粘度計和MFR100型硫化儀，諾甲儀器儀表有限公司產(chǎn)品；AI-7000M型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；SS-5709型老化試驗機和SS-5643D型DIN磨耗試驗機，中國臺灣松恕檢測儀器有限公司產(chǎn)品。

1.4 混煉工藝

小配合試驗膠料在實驗室密煉機中進行母膠混煉，在開煉機上進行加硫混煉。胎面膠母膠混煉加料順序為：生膠→氧化鋅、硬脂酸、防老劑等→炭黑→下片。胎側(cè)膠母膠混煉加料順序為：生膠→氧化鋅、硬脂酸、防老劑等→炭黑→芳烴油→下片。母膠停放4 h后進行加硫混煉，終煉膠混煉加料順序為：母膠→硫黃、促進劑、防焦劑→下片。

大配合試驗膠料在BB430型和GK255型密煉機中進行混煉。胎面膠采用4段混煉工藝。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45～55 r·min-1，混煉工藝為：生膠、1/3炭黑→壓壓砣35 s→升降壓砣1次20 s→升降壓砣1次105 s或165 ℃排膠。二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45～55 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、小料、2/3炭黑→壓壓砣30 s→升降壓砣1次15 s→升降壓砣1次90 s或160 ℃排膠。三段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1，混煉工藝為：二段混煉膠→壓壓砣20 s→升降壓砣1次20 s→升降壓砣1次75 s或155℃排膠。四段終煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為39 r·min-1，混煉工藝為：三段混煉膠、硫黃、促進劑、防焦劑→壓壓砣20 s→升降壓砣1次30 s→升降壓砣1次95 s或110℃排膠。胎側(cè)膠采用兩段混煉工藝。一段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45～55 r·min-1，混煉工藝為：生膠、小料、炭黑→壓壓砣50 s或120 ℃→芳烴油20 s→壓壓砣110 s或165 ℃排膠。二段終煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為39 r·min-1，混煉工藝為：一段混煉膠、硫黃、促進劑、防焦劑→壓壓砣30 s→升降壓砣1次90 s或110 ℃排膠。

1.5 性能測試

膠料的各項物理性能均按相應國家標準進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化分析

環(huán)保鋅的理化分析結(jié)果見表1。

表1 環(huán)保鋅理化分析結(jié)果

從表1可以看出，環(huán)保鋅的理化分析結(jié)果滿足企業(yè)指標要求。

2.2 小配合試驗

2.2.1 胎面膠

胎面膠的小配合試驗結(jié)果見表2。

表2 胎面膠的小配合試驗結(jié)果

從表2可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度偏高，并且隨著環(huán)保鋅用量的增大，門尼粘度呈增大趨勢；Fmax—FL隨著環(huán)保鋅用量的增大而增大，膠料的交聯(lián)密度隨著環(huán)保鋅用量的增大呈增大趨勢；t90延長，硫化速率呈降低趨勢。

從表2還可以看出，隨著環(huán)保鋅用量的增大，試驗配方膠料的硬度和定伸應力呈提高趨勢，拉斷伸長率呈減小趨勢，與交聯(lián)密度變化規(guī)律一致。分析認為，隨著環(huán)保鋅用量的增大，膠料的硫化活性提高，交聯(lián)密度增大。此外，環(huán)保鋅等量替代間接法氧化鋅的試驗配方2膠料的密度低于生產(chǎn)配方膠料，這與環(huán)保鋅的密度比間接法氧化鋅的密度小有關(guān)。

2.2.2 胎側(cè)膠

胎側(cè)膠的小配合試驗結(jié)果見表3。

表3 胎側(cè)膠的小配合試驗結(jié)果

從表3可以看出，與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的Fmax較高，硫化速度較慢，抗硫化返原性能提高。

從表3還可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，試驗配方膠料的硬度和定伸應力提高，拉斷伸長率和撕裂強度稍低，其余性能相當。

2.3 大配合試驗

根據(jù)小配合試驗結(jié)果，采用環(huán)保鋅等量替代間接法氧化鋅的試驗配方2進行大配合試驗。胎面膠和胎側(cè)膠的大配合試驗結(jié)果分別見表4和5。

表4 胎面膠大配合試驗結(jié)果

表5 胎側(cè)膠的大配合試驗結(jié)果

從表4和5可以看出：與生產(chǎn)配方膠料相比，用環(huán)保鋅等量替代間接法氧化鋅的試驗配方膠料的焦燒時間明顯延長，抗硫化返原性能提高，交聯(lián)密度略高，硫化速度減慢；各項物理性能相當。

3 結(jié)論

（1）隨著環(huán)保鋅用量的增大，膠料的交聯(lián)密度增大，t90延長，抗硫化返原性能提高。

（2）在全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側(cè)膠中以環(huán)保鋅等量替代間接法氧化鋅，膠料的焦燒時間明顯延長，交聯(lián)密度略有增大，抗硫化返原性能提高，物理性能相當，滿足輪胎性能要求。

環(huán)保鋅是一種鋅含量較低的有機化合物，以其替代間接法氧化鋅可以有效降低全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側(cè)膠在使用過程中因磨損導致的對環(huán)境的污染。