再生橡胶和活化胶粉在力车轮胎胎侧胶中的应用

卢 娜，辛振祥

（青岛科技大学 高分子科学与工程学院，山东 青岛 266042）

我国是世界最大的橡胶消费国，废旧橡胶产量居世界首位。合理利用废旧橡胶资源有助于缓解我国天然橡胶短缺、石油资源匮乏的状况。

废旧橡胶回收利用方式主要包括原形利用、生产再生橡胶、生产胶粉及热能利用等。废旧橡胶再生是在外加能量以及特殊化学试剂的作用下，橡胶中的硫-硫键被打断，三维网络结构被破坏，生成具有流动性的再生橡胶。网络结构破坏程度直接影响再生橡胶的性能，破坏程度越大，再生橡胶性能越接近新胶。根据性能差别，再生橡胶可替代部分新胶，也可单独用于轮胎、胶鞋、胶管和胶板等橡胶制品生产。

胶粉是橡胶工业的原材料之一。胶粉改性可改善胶粉与橡胶的界面相容性，拓宽胶粉的应用范围。与再生橡胶相比，胶粉生产避免了再生橡胶生产利润低、劳动强度大、生产流程长、能源消耗大、环境污染严重等一系列问题[1-2]。因此，胶粉生产、利用、改性是低碳经济下废旧橡胶制品回收与再利用的主要方向。

为了获得高亲和性和高表面活性的胶粉，国内外学者对胶粉活化改性进行了大量的研究。胶粉活化改性方法很多，包括卤化和磺化反应改性[3-4]、接枝改性[5-6]、气-固反应改性[7]、辐射改性[8-9]和互穿网络改性等。

本工作利用实验室现有设备，使用废旧轮胎胶粉专用活化剂450对胶粉表面活化改性，将活化胶粉用于力车轮胎胎侧胶，对比再生橡胶与活化胶粉对胶料性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号SCR2，云南勐腊剑锋天然橡胶有限公司产品。丁苯橡胶（SBR），牌号1502；顺丁橡胶（BR），牌号9000，中国石油化工集团公司齐鲁石化分公司产品。全轮胎胶粉，粒径为0.38 mm，新东岳再生资源科技有限公司产品。再生橡胶，山东莱芜福泉橡胶有限公司产品。炭黑N220，N330，N440，太原光大炭黑有限公司产品。共聚树脂，山东齐隆化工（淄博）有限公司产品。促进剂CZ、活化剂450和硫黄，市售品。

1.2 配方

胶粉活化配方：全轮胎胶粉100，活化剂450

0.7。

力车轮胎胎侧胶配方：NR/SBR/BR 50，再生橡胶/活化胶粉（并用比分别为100/0，70/30，50/50，30/70，0/100） 50，炭黑N220/N330/N440 40，氧化锌 4，硬脂酸 3，防老剂RD 2，防老剂BLE 0.6，防老剂4010NA 2.4，莱茵蜡 2，共聚树脂1，促进剂CZ 1.5，硫黄 0.9。

1.3 主要设备与仪器

SHR-10型高速搅拌机，青岛德信塑料机械有限公司产品；FN101-1A型密炼机、CJ-6型开炼机和GT-7000-AR型平板硫化机，山东科创电气科技公司产品；CYX-A型硬度计，上海化工机修四厂产品；I-7000S型电子拉力机、CI-7011-1型屈挠试验机和GT-XB32DM型阿克隆磨耗试验机，台湾高铁检测仪器有限公司产品。

1.4 活化胶粉制备

将全轮胎胶粉和活化剂450加入密炼机，在150 ℃下混合10 min，得到活化胶粉。密炼机转子转速为30 r·min-1。

1.5 胶料制备

胶料混炼分两段进行。一段混炼在密炼机中进行，转子转速为60 r·min-1，加料顺序为：生胶→再生橡胶和活化胶粉→炭黑和防老剂等→排胶；二段混炼在开炼机上进行，加料顺序为：一段混炼胶→促进剂和硫黄→下片。胶料停放一段时间后在平板硫化机上硫化，硫化条件为150 ℃×20 min。

1.6 性能测试

胶料性能按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 再 生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶硬度的影响

再生橡胶和活化胶粉替代部分生胶用于力车轮胎胎侧胶中，再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶硬度的影响如图1所示。从图1可以看出：随着活化胶粉用量增大，硫化胶的硬度先大幅增大；当再生橡胶/活化胶粉并用比为70/30～50/50时，硫化胶的硬度变化不大；当再生橡胶/活化胶粉并用比小于50/50后，硫化胶的硬度略微减小，直至平稳。分析认为，活化胶粉在胶料中主要起补强性填料的作用。

图1 再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶硬度的影响

2.2 再 生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶拉伸强度的影响

再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶拉伸强度的影响如图2所示。从图2可以看出：随着活化胶粉用量增大，硫化胶的拉伸强度先大幅增大；当再生橡胶/活化胶粉并用比小于50/50后，硫化胶的拉伸强度变化趋于平稳。加入活化胶粉提高了硫化胶拉伸强度，这可能是因为活化胶粉仅表层交联键被破坏，内部仍然存在完好的交联网络结构，在再硫化时，硫黄不易扩散到具有完整交联网络结构的内部，因此活化胶粉的表面硫黄含量较高，内部硫黄含量较低，由外到里形成硫黄含量梯度分布，同时胶粉与胶粉之间的界面也形成硫黄含量梯度分布，即交联密度的梯度分布。由于胶粉内外和胶粉之间的交联密度分布变化过渡平缓，界面的模量变化过渡也平缓，应力传递效果较好，大幅度减少了材料的应力集中现象。

图2 再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶拉伸强度的影响

与活化胶粉相比，再生橡胶的脱硫程度较高，不存在硫黄梯度分布，再生橡胶界面的模量变化过渡较明显，不利于应力传递。因此，再生橡胶与活化胶粉并用替代部分生胶，随着再生橡胶用量增大，硫化胶的拉伸强度减小。

2.3 再 生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶拉断伸长率的影响

再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶拉断伸长率的影响如图3所示。从图3可以看出：随着活化胶粉用量增大，硫化胶的拉断伸长率先大幅减小；当再生橡胶/活化胶粉并用比小于70/30后，硫化胶的拉断伸长率变化趋于平稳。分析原因，再生橡胶脱硫程度较高，与生胶的相容性较好，并且

图3 再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶拉断伸长率的影响

再生橡胶在基体材料中可引发基体材料或自身产生塑性变形，因此再生橡胶用量较大时，硫化胶拉断伸长率较高，活化胶粉虽然与生胶之间也有良好的界面相容性，但活化胶粉内部的大量交联键在某种程度上限制了分子链变形，导致硫化胶的拉断伸长率降低。

2.4 再 生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶撕裂强度的影响

再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶撕裂强度的影响如图4所示。从图4可以看出：加入再生橡胶和活化胶粉后，硫化胶的撕裂强度变化趋势与拉断伸长率变化趋势相似，随着活化胶粉用量增大，硫化胶的撕裂强度先大幅减小；当再生橡胶/活化胶粉并用比小于70/30后，硫化胶的撕裂强度变化趋于平稳。

图4 再生橡胶/活化胶粉并用比对硫化胶撕裂强度的影响

分析认为，硫化胶撕裂强度下降受多方面因素的影响，其中再生橡胶和活化胶粉是主要因素。废轮胎胶粉经过再生后，大部分硫-硫键断裂，交联网络被打开，成为可以自由移动的分子链。再生橡胶由于脱硫程度不同，内部依然存在一定量的交联网络。而活化胶粉仅表面降解，胶粉内部存在完好的交联网络结构。在硫化体系不变的情况下，活化胶粉用量增大，意味着胶料中硫黄用量过大，过度的交联使胶料不能均匀承受外力，虽然硫化胶拉伸强度和硬度增大，但是撕裂强度降低。

与活化胶粉相比，再生橡胶脱硫程度较高，与生胶之间相容性良好，相互作用较强，在撕裂试验时能够阻止甚至终止裂纹增长，因此再生橡胶用量较大时，硫化胶的撕裂强度相对较高。

3 结论

（1）在力车轮胎胎侧胶中用再生橡胶和活化胶粉替代部分生胶，随着活化胶粉用量增大，硫化胶的拉伸强度和硬度先呈上升趋势，而拉断伸长率和撕裂强度先呈下降趋势，当再生橡胶/活化胶粉并用比小于70/30后，硫化胶的硬度、拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度变化幅度较小，直至平稳。

（2）活化胶粉生产能耗低于再生橡胶生产能耗，且活化胶粉生产能够减少二次污染。因此，在实际应用中，可综合考虑各方面因素，合理利用活化胶粉及再生橡胶。