熱穩定劑在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應用

周寶珍，孫 濤，劉 峰，王俊英，王振玲，王書磊，邢 濤，陳雪梅

（山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東 招遠 265400）

隨著輪胎行業的不斷發展，人們對輪胎的性能要求越來越高，尤其是使用壽命。輪胎的胎面與地面接觸，要求胎面膠具有低滾動阻力，良好的耐磨、抗刺扎及抗崩花掉塊[1-2]、耐熱和耐老化等性能，從而延長輪胎的使用壽命[3-4]。

輪胎在使用過程中與地面接觸生熱以及內摩擦生熱，會導致膠料交聯網絡結構老化降解。返原使膠料的物理性能下降，內摩擦增大，生熱速度加快，從而導致橡膠制品損壞，使用壽命縮短。在膠料中添加熱穩定劑以提高其熱穩定性是延長輪胎使用壽命的一種快捷有效的方法[5-7]。

熱穩定劑HS-80是一種具有特殊結構的有機絡合物和活化劑的混合物，能夠抑制硫化膠在高溫下多硫交聯鍵的斷裂，促進多硫交聯鍵向雙硫鍵和單硫鍵轉化，從而保持硫化膠在受熱條件下的交聯密度穩定[8-10]。熱穩定劑SL-9090是一種特殊脂肪酸金屬皂鹽的混合物。熱穩定劑能夠賦予橡膠制品優異的熱穩定性，改善橡膠制品在高溫下的動態性能，從而提高硫化膠的物理性能保持率，延長輪胎使用壽命。

本工作主要研究熱穩定劑SL-9090和HS-80在全鋼載重子午線輪胎胎面膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），SCRWF（原SCR5），上海韜睿實業有限公司產品；炭黑N134，山東俱進化工材料有限公司產品；熱穩定劑SL-9090，華奇化工有限公司產品；熱穩定劑HS-80，大連天寶化學工業有限公司產品。

1.2 試驗配方

NR 100，炭黑N134 50，氧化鋅 3，硬脂酸2，熱穩定劑 變品種、變量（見表1），硫黃和促進劑 2.6，其他 8.4。

表1 兩種熱穩定劑用量 份

1.3 主要設備和儀器

Ф160 mm×320 mm開煉機，煙臺橡膠機械廠產品；GKl.5N型密煉機，德國克虜伯公司產品；MDR2000型無轉子硫化儀和MV2000型門尼粘度儀，美國阿爾法科技有限公司產品；P-200-2PCD型平板硫化機，中國臺灣磐石油壓工業股份有限公司產品；DKD-K-1680l型自動硬度計，德國Bareiss公司產品；CMT-4503型電子拉力試驗機，深圳新三思材料檢測有限公司產品；EPLEXOR500N型動態熱機械分析（DMA）儀，德國GABO公司產品；5109型彈性試驗儀，德國Zwick/Roell公司產品；401A型老化箱，江蘇新真威試驗機械有限公司產品；GT-7012-D型磨耗試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；EVO MA15型掃描電子顯微鏡（SEM），德國Carl zeiss公司產品。

1.4 試樣制備

膠料分兩段混煉。一段混煉在GKl.5N型密煉機中進行，轉子轉速為60 r·min-1，混煉工藝為：生膠→炭黑→小料→排膠（溫度為160 ℃）；二段混煉在開煉機上進行，混煉工藝為：一段混煉膠→硫黃和促進劑→下片。膠料停放至少8 h后在平板硫化機上硫化，硫化條件為151 ℃×30 min。

1.5 性能測試

各項性能均按照相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化性能

兩種熱穩定劑的理化性能見表2。

表2 兩種熱穩定劑的理化性能

從表2可以看出，熱穩定劑SL-9090和HS-80中都含有鋅和不飽和鍵，但兩者的含量不同。

2.2 灰分元素分析

采用SEM/能譜儀分析熱穩定劑的灰分元素含量，測試結果見表3。

從表3可以看出，熱穩定劑HS-80中僅含有C，O和Zn三種元素，而熱穩定劑SL-9090中除含有這3種元素外還含有大量的稀土金屬元素。

表3 兩種熱穩定劑的灰分中各元素占比 %

2.3 紅外光譜分析

兩種熱穩定劑的紅外光譜如圖1所示。

圖1 兩種熱穩定劑的紅外光譜

從圖1可以看出，熱穩定劑SL-9090與HS-80的紅外光譜相似度為53.4%，說明二者不是同一種物質。經分析認為，熱穩定劑SL-9090是由鋅化合物、稀土金屬化合物的不飽和脂肪族化合物混合而成，而熱穩定劑HS-80是由鋅化合物、不飽和脂肪族或芳香族化合物混合而成，長鏈亞甲基（CH2）n中n≥2。

2.4 硫化特性

不同熱穩定劑膠料的硫化特性見表4。

從表4可以看出：與1#配方膠料相比，2#—4#配方膠料的門尼粘度減小6%～8%，t5延長2%～5%，加工性能得到改善；2#—5#配方膠料的tR3%和t90－t10延長，且與熱穩定劑用量呈正比，說明加入熱穩定劑的膠料抗硫化返原性提高，硫化速度減慢，其中加入2份熱穩定劑HS-80的膠料抗硫化返原性最好。

表4 不同熱穩定劑膠料的硫化特性

2.5 物理性能

不同熱穩定劑硫化膠的物理性能見表5。

表5 不同熱穩定劑硫化膠的物理性能

從表5可以看出：與1#配方硫化膠相比，老化前2#—5#配方硫化膠的總交聯密度提高9%～14%，其余主要物理性能差異均在5%范圍內；老化后2#—4#配方硫化膠的主要物理性能差異在5%范圍內；5#配方硫化膠的100%和300%定伸應力分別提高17%和11%，說明其模量略高；3#和4#配方硫化膠老化后的300%定伸應力變化率相對較小，其耐熱穩定性相對較好。

2.6 高溫拉伸性能

不同熱穩定劑膠料在100 ℃×48 h老化后的80 ℃高溫拉伸性能見表6。

從表6可以看出：2#—4#配方膠料的拉伸強度和拉斷伸長率均大于5#配方膠料；其中3#配方膠料的100%和300%定伸應力高溫保持率相對較高，且拉伸強度和拉斷伸長率保持較好，其耐高溫性能最優。

表6 不同熱穩定劑膠料老化后的80 °C高溫拉伸性能

2.7 DMA數據

不同熱穩定劑膠料的損耗因子（tanδ）如表7和圖2所示。

表7 不同熱穩定劑膠料的tan δ

圖2 不同熱穩定劑膠料的DMA曲線

從表7和圖2可以看出，1#—5#配方膠料的生熱相當，這與高溫回彈值結果一致。

3 結論

（1）加入熱穩定劑SL-9090和HS-80，膠料的門尼粘度減小，硫化速度減慢，抗硫化返原性提高，且與熱穩定劑用量呈正比，加入2份熱穩定劑HS-80的膠料抗硫化返原性最好。

（2）加入熱穩定劑SL-9090和HS-80，硫化膠的物理性能變化不大，生熱相當，其中加入3份熱穩定劑SL-9090的膠料耐高溫性能最優。