環保鋅在全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側膠中的應用

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、交聯鍵類型、交聯密度和力學性能等具有重要影響[1]。輪胎工業常用的間接法氧化鋅由鋅錠經高溫反應制得，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，即為對環境有害物質。2010年1月1日REACH法規實施后，國際市場上對輪胎的環保要求日漸嚴格，除了嚴格限制輪胎用油品的有害物質含量外，輪胎中鉛含量及鋅含量的限制也在逐步納入環保要求[3]。為適應環保要求，輪胎用環保材料的開發與應用研究勢在必行[4-7]。

環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，有利于節約鋅資源，并降低對環境的污染。本工作研究環保鋅在全鋼載重子午線輪胎胎面膠和胎側膠中的應用。

1 實驗

1.1 主要原材料

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

1.2 基本配方

胎面膠生產配方（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。

胎側膠生產配方（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倍用量環保鋅替代間接法氧化鋅，其余組分和用量同生產配方。

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品；BB430型密煉機，日本神戶制鋼公司產品；GK255型密煉機，益陽橡膠塑料機械集團有限公司產品；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品；AI-7000M型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；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。一段混煉轉子轉速為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。二段混煉轉子轉速為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。三段混煉轉子轉速為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。四段終煉轉子轉速為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。胎側膠采用兩段混煉工藝。一段混煉轉子轉速為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。二段終煉轉子轉速為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 結果與討論

2.1 理化分析

環保鋅的理化分析結果見表1。

表1 環保鋅理化分析結果

從表1可以看出，環保鋅的理化分析結果滿足企業指標要求。

2.2 小配合試驗

2.2.1 胎面膠

胎面膠的小配合試驗結果見表2。

表2 胎面膠的小配合試驗結果

從表2可以看出：與生產配方膠料相比，試驗配方膠料的門尼粘度偏高，并且隨著環保鋅用量的增大，門尼粘度呈增大趨勢；Fmax—FL隨著環保鋅用量的增大而增大，膠料的交聯密度隨著環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，與交聯密度變化規律一致。分析認為，隨著環保鋅用量的增大，膠料的硫化活性提高，交聯密度增大。此外，環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配方膠料，這與環保鋅的密度比間接法氧化鋅的密度小有關。

2.2.2 胎側膠

胎側膠的小配合試驗結果見表3。

表3 胎側膠的小配合試驗結果

從表3可以看出，與生產配方膠料相比，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

根據小配合試驗結果，采用環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。胎面膠和胎側膠的大配合試驗結果分別見表4和5。

表4 胎面膠大配合試驗結果

表5 胎側膠的大配合試驗結果

從表4和5可以看出：與生產配方膠料相比，用環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，交聯密度略高，硫化速度減慢；各項物理性能相當。

3 結論

（1）隨著環保鋅用量的增大，膠料的交聯密度增大，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膠中以環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膠在使用過程中因磨損導致的對環境的污染。