环保锌在全钢载重子午线轮胎胎面胶和胎侧胶中的应用

李忠磊，刘荣亮，王帅帅，刘 超，李 滨，陈峻峰

（1.山东昊华轮胎有限责任公司，山东 寿光 262724；2.中国科学院 青岛能源与过程研究所，山东 青岛 266101；3.青岛中科和源新材料有限公司，山东 青岛 266603）

氧化锌是轮胎工业重要原材料之一，作为活性剂它不仅能加快胶料的硫化速度，还能提高热传导性能，有助于轮胎散热，对橡胶硫化速度、交联键类型、交联密度和力学性能等具有重要影响[1]。轮胎工业常用的间接法氧化锌由锌锭经高温反应制得，对锌资源的消耗量极大，而且能耗高，污染大[2]。按照欧盟2003/105/EC指令，氧化锌被划分为N类，即为对环境有害物质。2010年1月1日REACH法规实施后，国际市场上对轮胎的环保要求日渐严格，除了严格限制轮胎用油品的有害物质含量外，轮胎中铅含量及锌含量的限制也在逐步纳入环保要求[3]。为适应环保要求，轮胎用环保材料的开发与应用研究势在必行[4-7]。

环保锌是一种锌含量较低的有机化合物，包覆和接枝镶嵌技术使其分子基团活性较高，其替代间接法氧化锌用于轮胎生产，有利于节约锌资源，并降低对环境的污染。本工作研究环保锌在全钢载重子午线轮胎胎面胶和胎侧胶中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），STR20，泰国产品；顺丁橡胶（BR9000），中国石油四川石化公司产品；炭黑N330，金能科技股份有限公司产品；间接法氧化锌，国内某公司产品；环保锌，青岛中科和源新材料有限公司产品。

1.2 基本配方

胎面胶生产配方（用量/份）：NR 100，炭黑N234 52，间接法氧化锌 3.5，硬脂酸 2.5，硫黄 1.2，促进剂TBBS 1.2，其他 5.7。

胎侧胶生产配方（用量/份）：NR/BR 55/45，炭黑N330 50，芳烃油 7，间接法氧化锌 3.5，硬脂酸 2，硫黄 1.5，促进剂TBBS 0.75，其他9.8。

试验配方1—3：分别以0.8，1和1.2倍用量环保锌替代间接法氧化锌，其余组分和用量同生产配方。

1.3 主要设备和仪器

X（S）M-1.5型密炼机、X（S）K-160型开炼机和XLB-Q600×600×3型平板硫化机，青岛先锐机电有限公司产品；BB430型密炼机，日本神户制钢公司产品；GK255型密炼机，益阳橡胶塑料机械集团有限公司产品；VSMV 100型门尼粘度计和MFR100型硫化仪，诺甲仪器仪表有限公司产品；AI-7000M型电子拉力机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；SS-5709型老化试验机和SS-5643D型DIN磨耗试验机，中国台湾松恕检测仪器有限公司产品。

1.4 混炼工艺

小配合试验胶料在实验室密炼机中进行母胶混炼，在开炼机上进行加硫混炼。胎面胶母胶混炼加料顺序为：生胶→氧化锌、硬脂酸、防老剂等→炭黑→下片。胎侧胶母胶混炼加料顺序为：生胶→氧化锌、硬脂酸、防老剂等→炭黑→芳烃油→下片。母胶停放4 h后进行加硫混炼，终炼胶混炼加料顺序为：母胶→硫黄、促进剂、防焦剂→下片。

大配合试验胶料在BB430型和GK255型密炼机中进行混炼。胎面胶采用4段混炼工艺。一段混炼转子转速为45～55 r·min-1，混炼工艺为：生胶、1/3炭黑→压压砣35 s→升降压砣1次20 s→升降压砣1次105 s或165 ℃排胶。二段混炼转子转速为45～55 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶、小料、2/3炭黑→压压砣30 s→升降压砣1次15 s→升降压砣1次90 s或160 ℃排胶。三段混炼转子转速为40 r·min-1，混炼工艺为：二段混炼胶→压压砣20 s→升降压砣1次20 s→升降压砣1次75 s或155℃排胶。四段终炼转子转速为39 r·min-1，混炼工艺为：三段混炼胶、硫黄、促进剂、防焦剂→压压砣20 s→升降压砣1次30 s→升降压砣1次95 s或110℃排胶。胎侧胶采用两段混炼工艺。一段混炼转子转速为45～55 r·min-1，混炼工艺为：生胶、小料、炭黑→压压砣50 s或120 ℃→芳烃油20 s→压压砣110 s或165 ℃排胶。二段终炼转子转速为39 r·min-1，混炼工艺为：一段混炼胶、硫黄、促进剂、防焦剂→压压砣30 s→升降压砣1次90 s或110 ℃排胶。

1.5 性能测试

胶料的各项物理性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

环保锌的理化分析结果见表1。

表1 环保锌理化分析结果

从表1可以看出，环保锌的理化分析结果满足企业指标要求。

2.2 小配合试验

2.2.1 胎面胶

胎面胶的小配合试验结果见表2。

表2 胎面胶的小配合试验结果

从表2可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的门尼粘度偏高，并且随着环保锌用量的增大，门尼粘度呈增大趋势；Fmax—FL随着环保锌用量的增大而增大，胶料的交联密度随着环保锌用量的增大呈增大趋势；t90延长，硫化速率呈降低趋势。

从表2还可以看出，随着环保锌用量的增大，试验配方胶料的硬度和定伸应力呈提高趋势，拉断伸长率呈减小趋势，与交联密度变化规律一致。分析认为，随着环保锌用量的增大，胶料的硫化活性提高，交联密度增大。此外，环保锌等量替代间接法氧化锌的试验配方2胶料的密度低于生产配方胶料，这与环保锌的密度比间接法氧化锌的密度小有关。

2.2.2 胎侧胶

胎侧胶的小配合试验结果见表3。

表3 胎侧胶的小配合试验结果

从表3可以看出，与生产配方胶料相比，试验配方胶料的Fmax较高，硫化速度较慢，抗硫化返原性能提高。

从表3还可以看出：与生产配方胶料相比，试验配方胶料的硬度和定伸应力提高，拉断伸长率和撕裂强度稍低，其余性能相当。

2.3 大配合试验

根据小配合试验结果，采用环保锌等量替代间接法氧化锌的试验配方2进行大配合试验。胎面胶和胎侧胶的大配合试验结果分别见表4和5。

表4 胎面胶大配合试验结果

表5 胎侧胶的大配合试验结果

从表4和5可以看出：与生产配方胶料相比，用环保锌等量替代间接法氧化锌的试验配方胶料的焦烧时间明显延长，抗硫化返原性能提高，交联密度略高，硫化速度减慢；各项物理性能相当。

3 结论

（1）随着环保锌用量的增大，胶料的交联密度增大，t90延长，抗硫化返原性能提高。

（2）在全钢载重子午线轮胎胎面胶和胎侧胶中以环保锌等量替代间接法氧化锌，胶料的焦烧时间明显延长，交联密度略有增大，抗硫化返原性能提高，物理性能相当，满足轮胎性能要求。

环保锌是一种锌含量较低的有机化合物，以其替代间接法氧化锌可以有效降低全钢载重子午线轮胎胎面胶和胎侧胶在使用过程中因磨损导致的对环境的污染。