防老劑6PPD對胎側膠變色的影響研究

李 威，徐 藝，王大鵬，王苗苗，鄧彩霞

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

在輪胎用原材料中防老劑的污染變色現象較為嚴重，是影響橡膠制品顏色變化的主要因素之一。在輪胎長期停放和使用過程中，防老劑會發生遷移，在氧氣的氧化作用及日光作用下發生變色，污染與其接觸的材料，從而影響輪胎的外觀質量[1-5]。

本工作主要從熱氧老化和日光作用兩個方面監測輪胎停放過程中胎側膠中防老劑6PPD的變化情況。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），STR20，泰國產品；順丁橡膠（BR），牌號9000，中國石化燕山石化公司產品；炭黑N375，山東貝斯特化工有限公司產品；環保油，美國殼牌公司產品；氧化鋅，山東興亞新材料股份有限公司產品；硬脂酸，山東隆宇制劑廠產品；防老劑6PPD，山東圣奧化工股份有限公司產品；防老劑RD和促進劑TBBS，榮成市化工總廠有限公司產品；防老劑DTPD，句容市興春化工有限公司產品；工業硫黃，山東崖頭新莊化工廠產品。

1.2 試驗配方

NR 45，BR 55，炭黑N375 48，碳酸鈣 8，氧化鋅 3，硬脂酸 2，樹脂 2.45，防護蠟 2，環保油 4，防老劑DTPD 1，防老劑RD 1，防老劑6PPD 變量，硫黃 1.4，促進劑TBBS 0.7。

1#—4#配方中防老劑6PPD的用量分別為3，2，1和0份。

1.3 主要設備和儀器

XK-160型開煉機，沈陽橡膠機械有限公司產品；AI-7000M型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；熱空氣老化試驗箱，江都市精卓試驗儀器廠產品；MDR2000型硫化儀，美國阿爾法科技有限公司產品；高效液相色譜（HPLC）儀，日本島津公司產品；AVANCE ⅢTM核磁共振波譜（NMR）儀，瑞士布魯克公司產品；NICOLET iS5型傅里葉變換紅外光譜（FTIR）儀，賽默飛世爾科技有限公司產品；TGA/DSC1型熱重（TG）分析儀，瑞士梅特勒-托利多公司產品；Mini Msez07933型色度儀，美國HunterLab公司產品；氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）儀，美國安捷倫公司產品。

1.4 試樣制備

將NR和BR在開煉機上進行薄通，依次加入其他配合劑混煉。混煉后的膠料在150 ℃下硫化30 min，得到硫化膠片。

1.5 測試分析

（1）采用HPLC儀定性和定量測定防老劑6PPD的含量；采用NMR儀和FTIR儀分析防老劑6PPD的微觀結構；采用TG分析儀測試防老劑6PDD的熱穩定性；采用色度儀監控防老劑6PPD及其膠料顏色變化；采用GC-MS儀分析未知物成分。

（2）膠料的物理性能按照相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 防老劑6PPD穩定性

2.1.1 熱氧老化

將防老劑6PPD放置在100 ℃熱空氣老化試驗箱中處理1 d，利用NMR儀和FTIR儀對其微觀結構進行表征，測試結果如圖1和2所示。

圖1 防老劑6PPD熱氧老化前后的13C-NMR譜

從圖1可以看出，熱氧老化前后防老劑6PPD的碳核磁結果相同。經分析，13C-NMR譜中出現的13個碳核磁特征峰（圖中用*標識）歸屬于防老劑6PPD的18個碳，分別對應圖中6，7，12，2/3，1，8/9，10/11，4/5，13，15，16，14和17/18號位的碳原子。NMR分析表明，防老劑6PPD在100 ℃熱氧環境中穩定，其化學結構保持不變。

從圖2可以看出，熱氧老化后防老劑6PPD的FTIR譜與老化前的FTIR譜的相似度高達96%，防老劑6PPD的官能團未被氧化破壞，同時未觀察到新官能團的譜峰。FTIR分析結果與13C-NMR表征結果一致。

圖2 防老劑6PPD熱氧老化前后的FTIR譜

防老劑6PPD的TG曲線如圖3所示。

圖3 防老劑6PPD的TG曲線

從圖3可以看出：防老劑6PPD與氧氣反應的起始溫度為160 ℃；當環境溫度為100 ℃時，防老劑6PPD不會發生氧化反應。而圖中顯示的160 ℃之前的質量損失歸因于試樣中水分的蒸發，基本可以排除其受熱分解或老化損失的可能性。

綜上所述，防老劑6PPD在熱氧環境中穩定，且不與氧氣分子發生反應而變質。

2.1.2 常溫常壓下停放

將防老劑6PPD在常溫常壓日光照射條件下停放24 d，利用色度儀監控其在不同停放時間下的顏色變化。停放時間對防老劑6PPD著色強度的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著停放時間的延長，防老劑6PPD的著色強度增大，即試樣的顏色加深。說明防老劑6PPD會發生光致變色現象。

圖4 防老劑6PPD的著色強度

使用GC-MS儀測試停放24 d后防老劑6PPD的成分。GC-MS儀除監測到防老劑6PPD的特征色譜外，還檢測到15.30 min時的新色譜峰，但在質譜譜庫中未找到能與之匹配的物質。經過分析，質譜檢測新增色譜峰的碎片質荷比（m/z）結果中，豐度較高的幾個碎片的m/z分別為266，251，224，210，182，167和104（見圖5）。結合防老劑6PPD的化學結構和特征碎片m/z（268，253，211，183，167和105）可以推斷，新增色譜峰的化學結構與防老劑6PPD相似。圖5中m/z為266所對應的化學結構即為新增物質的化學結構式。該物質可能是導致防老劑6PPD在停放過程中顏色加深的主要因素。

圖5 GC-MS碎片離子m/z與化學結構的關系

2.2 胎側膠中防老劑6PPD的穩定性

2.2.1 熱氧老化

將輪胎胎側部位的混煉膠或硫化膠放置于熱空氣老化試驗箱中，考察膠料在100 ℃下防護體系的變化情況。使用HPLC儀對防老劑6PPD的含量進行追蹤監控，用以評價膠料的耐熱氧老化性能。混煉膠和硫化膠在100 ℃下放置1 d后防老劑6PPD的含量（占膠料總質量的百分比）如圖6所示。

圖6 膠料老化前后防老劑6PPD的含量

從圖6可以看出，在混煉膠和硫化膠中防老劑6PPD的質量百分比分別為1.51%和1.33%，而胎側膠配方顯示防老劑6PPD的質量百分比為1.70%。結果表明，膠料中有部分防老劑6PPD未被檢測到，這可能是由于抽提方式、膠料制備過程中的損失以及防老劑被孔材料吸附未能以游離形式釋放等。

從圖6還可以看出：混煉膠與硫化膠中防老劑6PPD的含量變化趨勢相似；膠料在100 ℃熱氧老化條件下放置1 d后防老劑6PPD的含量損失接近65%。

由此可見，防老劑6PPD與橡膠混合后，會有部分通過遷移方式擴散至膠料表面，與橡膠進行氧化，并優先于橡膠與氧氣分子發生反應，參與到橡膠老化的鏈式反應過程中，終止了氧氣與橡膠的鏈式反應。而防老劑6PPD分子與氧氣分子的反應產物保留在橡膠表面形成一層膜，可以阻止氧氣與橡膠的進一步反應[3]。

2.2.2 常溫常壓下停放

輪胎常見的外觀質量問題主要有胎側變色（表面出現紅棕色物質）、輪胎表面“噴霜”（析出白色顆粒物質）和輪胎表面“噴油”（表面發亮、發藍）等。防老劑6PPD是胎側變色的主要影響因素。為了模擬輪胎在停放過程中的氧化反應與日光作用，將胎側膠在常溫常壓日光照射條件下停放41 d，利用色度儀監控其在不同停放時間下的顏色變化。停放時間對膠料著色強度的影響如圖7所示。

圖7 停放時間對膠料著色強度的影響

從圖7可以看出，隨著停放時間的延長，膠料的著色強度降低。這是膠料表面的顏色“黑度”變弱造成的。防老劑6PPD等易遷移的物質在停放過程中緩慢地遷移至膠料表面，并在氧氣及日光作用下發生反應，從而影響膠料的“黑度”。

2.3 膠料的物理性能

防老劑6PPD用量對膠料物理性能的影響如表1所示。

表1 防老劑6PPD用量對膠料物理性能的影響

從表1可以看出：經熱氧老化后，3#配方膠料的拉伸強度保持率和拉斷伸長率保持率最大，撕裂強度保持不變；而2#配方膠料的拉伸強度保持率和拉斷伸長率保持率最小，撕裂強度明顯減小。這些都表明胎側膠中并非防老劑用量越大，耐熱氧老化性能越好。當防老劑6PPD用量為1份時，膠料的耐熱氧老化性能優異。

綜上所述，防老劑6PPD是影響胎側膠變色的主要因素，其在配方中的用量不宜過大，否則會影響輪胎的外觀質量。

3 結論

（1）防老劑6PPD在熱氧環境中穩定，但在日光作用下會發生光致變色。

（2）胎側膠中防老劑6PPD會優先于膠料與氧氣發生化學反應，終止氧氣與橡膠的鏈式反應，反應產物也可以有效地阻止橡膠與氧氣的進一步反應。

（3）胎側膠中防老劑6PPD用量與其耐熱氧老化性能呈非正比關系，當防老劑6PPD用量為1份時，膠料的耐熱氧老化性能優異。