纳米氧化锌在载重子午线轮胎带束层胶中的应用

巫 超

（广西新桂轮橡胶有限公司，广西 桂林 541805）

氧化锌在橡胶行业中主要用作活性剂，通常认为胶料中的氧化锌与促进剂反应生成锌盐络合物，促进硫黄环形分子裂解，促进橡胶硫化，从而提高硫化胶的交联程度，使硫化胶获得较好的物理性能[1]。

随着材料科学的发展，人们对氧化锌的粒径和表面活性进行了改进，近20年涌现了许多新的氧化锌品种，其中在轮胎行业用量最大的是纳米氧化锌。在轮胎胎面和胎侧胶配方中使用纳米氧化锌后，在不影响胶料物理性能的情况下可以减小氧化锌用量。由于氧化锌对胶料与钢丝的粘合有利，因此在全钢载重子午线轮胎生产中，氧化锌在胎体胶、带束层胶配方中的用量较大，一般为6～10份。汪灵[2]研究表明，在全钢载重子午线轮胎带束层胶配方中将纳米氧化锌与普通氧化锌并用，能够适当降低配方中氧化锌的总用量。

本工作主要研究在载重子午线轮胎带束层胶中用纳米氧化锌等量和减量替代普通间接法氧化锌的应用效果。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），9710标准胶，云南广垦橡胶有限公司产品；纳米氧化锌，山东兴亚新材料股份有限公司产品；间接法氧化锌，潍坊龙达锌业有限公司产品；炭黑N375，云南云维飞虎化工有限公司产品；3+8×0.33ST钢丝帘线，滕州东方钢帘线有限公司产品。

1.2 配方

生产配方：NR 100，炭黑N375 42，白炭黑10，普通氧化锌 8，其他 17.6。

1#—3#试验配方：分别使用8，6和4份纳米氧化锌替代8份普通氧化锌，其余同生产配方。

1.3 主要设备和仪器

BB-2型密炼机，日本神户制钢公司产品；GK-400N/GK255N型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；XK-160A型开炼机，大连富泰橡胶机械有限公司产品；XLB-D400X600型平板硫化机，湖州东方机械有限公司产品；RPA2000橡胶加工分析仪，美国阿尔法科技有限公司产品；RH-2000型压缩生热试验机、TCS-2000型电子拉力试验机和MV-3000型门尼粘度仪，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品。

1.4 试样制备

小配合试验胶料采用两段混炼工艺。一段混炼在BB-2型密炼机中进行，混炼工艺为：生胶→提压砣→50 s→活性剂和防老剂等→20 s→炭黑和白炭黑→30 s→清扫→压压砣→40 s→排胶，停放4 h。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→过辊5次→硫黄和促进剂→薄通5次→过辊3次→左右各割刀3次→下片（总混炼时间约为6 min）。

大配合试验胶料采用三段混炼工艺。一段和二段混炼在GK400N型密炼机中进行，一段混炼初始转子转速为50 r·min-1，混炼70 s后降至45 r·min-1，混炼工艺为：生胶→小料、2/3炭黑和全部白炭黑→35 s→提压砣→35 s→清扫→压压砣→40 s→排胶[（150±5） ℃]；二段混炼转子转速为45 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶→小料和剩余1/3炭黑→40 s→提压砣→3 s→清扫→压压砣→45 s→排胶[（150±5）℃]；三段混炼在GK255N型密炼机中进行，转子转速为30 r·min-1，混炼工艺为：二段混炼胶→硫黄和促进剂→40 s→清扫→压压砣→45 s→清扫→压压砣→15 s→排胶（105 ℃）。

胶料采用平板硫化机硫化，条件为151 ℃×30 min。

1.5 性能测试

胶料各项性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 间接法氧化锌和纳米氧化锌性能对比

间接法氧化锌和纳米氧化锌性能对比如表1所示。

表1 间接法氧化锌和纳米氧化锌性能对比

从表1可以看出，纳米氧化锌的纯度略低于间接法氧化锌，但其挥发分质量分数、灼烧减量和氮吸附表面积大于间接法氧化锌，表明纳米氧化锌具有粒径小、比表面积大和易吸收水分的特点。

2.2 小配合试验

2.2.1 硫化特性

小配合试验胶料的硫化特性（195 ℃）见表2。

表2 小配合试验胶料硫化特性

从表2可以看出，采用纳米氧化锌的试验配方胶料的Fmax略高于采用间接法氧化锌的生产配方胶料，其他性能差别不大。

2.2.2 物理性能

小配合试验硫化胶的物理性能见表3。

表3 小配合试验硫化胶的物理性能

从表3可以看出，与采用间接法氧化锌的生产配方硫化胶相比，采用纳米氧化锌的试验配方硫化胶的硬度基本不变，拉伸强度和拉断伸长率略有提高，压缩疲劳温升和压缩永久变形降低，回弹值变化不大。可见，硫化胶的物理性能与氧化锌的比表面积之间存在着较强的相关性，这与文献[3—7]的研究结果相一致。

从表3还可以看出：随着纳米氧化锌用量的减小，试验配方硫化胶的定伸应力、拉伸强度降低，撕裂强度先提高后降低，拉断伸长率增大；纳米氧化锌用量为6份的试验配方硫化胶的物理性能优于生产配方硫化胶，纳米氧化锌用量为4份的试验配方硫化胶的综合物理性能略低于生产配方硫化胶，但相差不大。100 ℃×48 h老化后，试验配方硫化胶的各项物理性能与生产配方硫化胶相近。

2.3 大配合试验

2.3.1 硫化特性

大配合试验胶料的硫化特性（195 ℃快检和151 ℃抽检）见表4。

表4 大配合试验胶料的硫化特性

从表4可以看出：使用纳米氧化锌的试验配方胶料的Fmax比使用间接法氧化锌的生产配方胶料大，且随着纳米氧化锌用量的减小，胶料的Fmax降低；1#和2#试验配方胶料的ts1稍长于生产配方胶料，151 ℃下测得的t90与生产配方胶料相近。

2.3.2 物理性能

大配合试验硫化胶的物理性能见表5。

表5 大配合试验硫化胶的物理性能

从表5可以看出：使用8和6份纳米氧化锌的1#和2#试验配方硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率高于生产配方硫化胶；压缩疲劳温升和压缩永久变形略低于生产配方硫化胶。大配合试验结果与小配合试验结果基本一致。

2.4 钢丝H抽出试验

表6示出了带束层胶料的钢丝帘线H抽出试验结果。

表6 带束层胶料的钢丝帘线H抽出试验结果

从表6可以看出：与生产配方胶料相比，使用纳米氧化锌的试验配方胶料老化前后钢丝帘线的H抽出力均提高，并且随着纳米氧化锌用量的减小，老化前后钢丝帘线的H抽出力均呈降低趋势。

综合考虑带束层胶料的各项性能以及成本和环保等因素，带束层胶配方中使用6份纳米氧化锌减量替代8份间接法氧化锌比较适宜。

3 结论

纳米氧化锌具有粒径小、比表面积大和易吸收水分的特点，在带束层胶配方中使用纳米氧化锌等量或减量替代间接法氧化锌，胶料的硫化特性和物理性能优于或相当于采用间接法氧化锌的胶料，能够明显提高钢丝帘线的H抽出力。综合考虑胶料的各项性能以及成本和环保等因素，使用6份纳米氧化锌减量替代8份间接法氧化锌较适宜。