用於汽車、卡車、巴士、農業機械及工程車輛等的輪胎，為確保行駛時的耐久性和操縱的穩定性，內部會嵌入鋼絲簾線。若該鋼絲簾線與輪胎橡膠之間發生剝離，將導致輪胎損傷甚至破裂，因此要求二者具備極高的黏合性和長期的耐劣化性。鋼絲簾線表面鍍有黃銅（銅鋅合金），在硫化作用中，該黃銅鍍層與橡膠中添加的硫發生反應，形成由硫化銅和硫化鋅組成的複雜黏合界面層，從而實現與橡膠的牢固黏合。
圖1. 添加有機酸鈷的橡膠與黃銅鍍層鋼絲簾線黏合界面的掃描穿透式電子顯微鏡圖像（黑白色部分）及鈷分佈（粉色部分）。（供圖：東北大學）
既往已知在橡膠中添加有機酸鈷可抑制黏合界面層的過度生長，同時改善高溫高濕環境下的黏接性能的衰減，因此有機酸鈷被廣泛用於輪胎橡膠的添加。然而，有機酸鈷存在兩難的困境：從長期來看，它會引發促進橡膠氧化劣化的金屬催化老化（即「金屬害」），成為損害輪胎整體耐久性的因素。此外，鈷在環境和健康方面存在潛在風險，且屬於供應風險高的稀有資源，因此亟需優化其用量或開發替代物質。為此，必須在奈米尺度上理解有機酸鈷在黏合界面上以何種狀態存在、以何種機制發揮作用，但此前這一問題尚未被闡明。
日本東北大學多元物質科學研究所的佐藤庸平副教授、宮田智眾副教授與橫濱橡膠公司的清水克典主幹研究員等人組成的聯合研究團隊，製備出了將黃銅鍍層鋼絲簾線嵌入添加了代表性有機酸鈷——硬脂酸鈷的天然橡膠中並進行硫化黏合的樣品，利用基於掃描穿透式電子顯微鏡的多種觀測與分析方法，對橡膠與黃銅的黏合界面結構進行了詳細解析。
由此研究團隊在全球首次成功直接觀察到硫化後黏合界面上鈷呈高濃度局域分佈的狀態。此外，還明確了鈷以二價硫化鈷奈米顆粒的形式存在。通過對硫化鈷奈米顆粒的空間分佈與黏合界面厚度的關聯開展定量分析，結果證實：硫化鈷奈米顆粒能夠抑制黃銅中的銅、鋅元素向橡膠側溶出，並作為屏障層發揮作用，從而抑制黃銅內部空隙的形成。
研究人員進一步將同一試樣置於高溫高濕環境下進行老化處理後，對黏合界面展開分析，結果發現：銅、鋅元素主要從硫化鈷屏障層結構疏鬆的區域向橡膠內部溶出，進而造成黃銅基材內部孔不斷擴大。
已有研究證實，黃銅內部產生的孔會成為裂紋萌生的起點與擴展通道。由此可以明確：通過形成屏障抑制孔擴張，正是添加有機酸鈷能夠提升橡膠與鍍黃銅鋼絲簾線界面黏接強度、耐老化性能的微觀作用機制。
本次研究首次從奈米尺度闡明了長期懸而未決的科學問題：添加有機酸鈷提升橡膠-鍍黃銅鋼絲簾線界面黏接性能與耐老化性能的作用機制。有機酸鈷在黏合界面上形成硫化鈷屏障層這一發現，有望加速開發環境負荷和供應風險更低的替代物質，並推動實現兼顧安全性的次世代高耐久性輪胎。相關成果已發表在《Rubber Chemistry and Technology》的網路版上。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Rubber Chemistry and Technology
論文：Nanoscale distribution and role of cobalt at the interface between brass-coated steel wire and rubber
DOI：10.5254/rct.25.00050
