用于汽车、卡车、巴士、农业机械及工程车辆等的轮胎，为确保行驶时的耐久性和操纵的稳定性，内部会嵌入钢丝帘线。若该钢丝帘线与轮胎橡胶之间发生剥离，将导致轮胎损伤甚至破裂，因此要求二者具备极高的粘合性和长期的耐劣化性。钢丝帘线表面镀有黄铜（铜锌合金），在硫化过程中，该黄铜镀层与橡胶中添加的硫发生反应，形成由硫化铜和硫化锌组成的复杂粘合界面层，从而实现与橡胶的牢固粘合。
图1. 添加有机酸钴的橡胶与黄铜镀层钢丝帘线粘合界面的扫描透射电子显微镜图像（黑白色部分）及钴分布（粉色部分）。（供图：东北大学）
既往已知在橡胶中添加有机酸钴可抑制粘合界面层的过度生长，同时改善高温高湿环境下的粘接性能的衰减，因此有机酸钴被广泛用于轮胎橡胶的添加。然而，有机酸钴存在两难的困境：从长期来看，它会引发促进橡胶氧化劣化的金属催化老化（即“金属害”），成为损害轮胎整体耐久性的因素。此外，钴在环境和健康方面存在潜在风险，且属于供应风险高的稀有资源，因此亟需优化其用量或开发替代物质。为此，必须在纳米尺度上理解有机酸钴在粘合界面上以何种状态存在、以何种机制发挥作用，但此前这一问题尚未被阐明。
日本东北大学多元物质科学研究所的佐藤庸平副教授、宫田智众副教授与横滨橡胶公司的清水克典主干研究员等人组成的联合研究团队，制备出了将黄铜镀层钢丝帘线嵌入添加了代表性有机酸钴——硬脂酸钴的天然橡胶中并进行硫化粘合的样品，利用基于扫描透射电子显微镜的多种观测与分析方法，对橡胶与黄铜的粘合界面结构进行了详细解析。
由此研究团队在全球首次成功直接观察到硫化后粘合界面上钴呈高浓度局域分布的状态。此外，还明确了钴以二价硫化钴纳米颗粒的形式存在。通过对硫化钴纳米颗粒的空间分布与粘合界面厚度的关联开展定量分析，结果证实：硫化钴纳米颗粒能够抑制黄铜中的铜、锌元素向橡胶侧溶出，并作为屏障层发挥作用，从而抑制黄铜内部空隙的形成。
研究人员进一步将同一试样置于高温高湿环境下进行老化处理后，对粘合界面展开分析，结果发现：铜、锌元素主要从硫化钴屏障层结构疏松的区域向橡胶内部溶出，进而造成黄铜基材内部孔隙不断扩大。
已有研究证实，黄铜内部产生的孔隙会成为裂纹萌生的起点与扩展通道。由此可以明确：通过形成屏障抑制孔隙扩张，正是添加有机酸钴能够提升橡胶与镀黄铜钢丝帘线界面粘接强度、耐老化性能的微观作用机理。
本次研究首次从纳米尺度阐明了长期悬而未决的科学问题：添加有机酸钴提升橡胶-镀黄铜钢丝帘线界面粘接性能与耐老化性能的作用机理。有机酸钴在粘合界面上形成硫化钴屏障层这一发现，有望加速开发环境负荷和供应风险更低的替代物质，并推动实现兼顾安全性的下一代高耐久性轮胎。相关成果已发表在《Rubber Chemistry and Technology》的网络版上。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Rubber Chemistry and Technology
论文：Nanoscale distribution and role of cobalt at the interface between brass-coated steel wire and rubber
DOI：10.5254/rct.25.00050
