硅烷偶联剂改性废胶粉及其在胎面胶中的应用研究

徐应广+赵艳芳+何双+陈翠梢+黄显鹏

摘 要 采用偶联剂Si-69改性不同目数的废胶粉，探讨改性废胶粉对天然橡胶/顺丁橡胶并用胎面胶性能的影响。结果表明，偶联剂Si-69对废胶粉的改性效果明显，其对40目和80目废胶粉的适宜用量分别为2质量份和4质量份；改性40目和80目废胶粉的用量均为10份时，胎面胶具有相对较好的综合力学性能；改性废胶粉的适量掺入能一定程度提高胎面胶的磨耗性能。

关键词 偶联剂Si-69 ；废胶粉 ；改性 ；胎面胶 ；力学性能

中图分类号 TQ330.387 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.06.015

Silane coupling agent modified waste rubber powder and

its application in tread compound

XU Yingguang ZHAO Yanfang HE Shuang CHEN Cuishao HUANG Xianpeng

（1 Products Quality Supervison and Testing Institute of Hainan Province， Haikou， Hainan 570203；

2 College of Material and Chemical Technology， Hainan University， Haikou， Hainan 570228）

Abstract The effect of modified waste rubber powder on the properties of natural rubber / butadiene rubber and tread compound was studied by using Si-69 as binder. The results showed that the modification effect of Si-69 on the waste rubber powder was obvious， and the appropriate dosage of 40- and 80-mesh waste rubber powder was 2% and 4% respectively. The modified 40 mesh and 80 mesh waste rubber powder When the dosage is 10 phr， the tread rubber has better comprehensive mechanical properties. Modification of waste rubber powder can improve the abrasion performance of tread rubber to a certain extent.

Keywords Coupling agent Si-69 ； waste rubber powder ； modification ； tread compound ； mechanical property

廢橡胶是仅次于废塑料的一种固体高分子材料废弃物，其来源主要是废轮胎、废胶鞋、废胶管、废胶带等橡胶制品，其次来源于橡胶生产过程中产生的边角料及废品。废橡胶的处理和回收利用的途径有多方面[1]，其中，采用机械、化学和冷冻粉碎等方法将废橡胶经加工成一定细度的胶粉，然后作为生胶的代用品或高级补强填充剂直接混入基质胶中做成各种制品，是废橡胶有效应用的方法之一。

对废胶粉进行表面改性有利于提高胶粉与基质材料间的结合强度，从而提高其性能[2-4]。目前，硅烷偶联剂是应用较为广泛的表面改性剂，适用于不同有机高分子和无机矿物填料复合体系[5-8]。对废胶粉进行表面改性有利于提高胶粉与基质材料间的结合强度，从而提高其性能[2-4]。目前，硅烷偶联剂是应用较为广泛的表面改性剂，适用于不同有机高分子和无机矿物填料复合体系[5-6]。硅烷偶联剂Si69对白炭黑的改性效果优于钛酸酯偶联剂，硅烷偶联剂Si69在NR胶料中的最佳用量以补强剂用量的5%～10%为宜[7]。经硅烷偶联剂 KH-550 改性的绢云母作橡胶填料，能改善橡胶制品的力学性能[8]。4种硅烷偶联剂 Si69、KH 550、KH570和 KH792 改性的白炭黑对溶聚丁苯橡胶性能有不同的影响。其中用偶联剂Si69改性白炭黑所填充溶聚丁苯橡胶的综合性能最佳，其次是KH570[9]。本文采用机械力化学改性方法，以偶联剂Si-69为改性剂，研究了改性剂的用量对废胶粉的改性效果，并探讨改性废胶粉掺入胎面胶对胶料性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 原材料

NR，SCR-5，海南国营八一总场产品；BR，BR9000，北京燕山化工股份有限公司产品；全轮胎胶粉，40目、80目，广州市花都区河宏橡胶材料厂生产；Si-69、硬脂酸、N220、氧化锌、防老剂4010、芳烃油、促CZ、促NOBS、硫磺等，均为橡胶工业常用配合剂。

1.1.2 仪器设备

JTC-752型开放式炼胶机，呼和浩特新生联合机械制造厂生产；QLB-D型平板硫化机，中国上海轻工机械股份有限公司生产；ODR-100型硫化仪，无锡蠡园电子化工设备厂生产；XL-50A型拉力试验机，广州试验仪器厂生产；LX-A型邵尔硬度计，江都市明珠试验机械厂生产；401A型老化实验箱，上海试验仪器机械有限公司生产；MMML-27型数显阿克隆磨耗实验机，江都试验机械厂生产。

1.1.3 基本配方（质量份）

废胶粉改性配方：废胶粉100；硬脂酸20；促进剂CZ 0.7；硫黄1.5；Si-69变量。

胎面胶配方：NR 80；BR 20；ZnO 5；硬脂酸 2.5；防老剂4010 2.5；芳烃油 3；N220 50；促进剂NOBS 1；促进剂CZ 1；硫黄 2；改性废胶粉变量。

1.2 方法

1.2.1 废胶粉的改性

将废胶粉直接投入开炼机，加入1/2改性剂和2/3的活性剂，过辊20次后下片。废胶粉停放24 h后，再在同一台开炼机上加入其余的改性剂和活性剂，并添加硫黄与促进剂，混炼均匀，然后薄通下片。

1.2.2 胎面胶试样的制备

母炼胶的制备：先将NR投入开炼机塑煉，包辊，然后按NR/N220为100/80的比例加入炭黑N220，炭黑与天然橡胶混匀后，将胶料薄通下片待用。

胎面胶试样的制备：先将NR进行塑炼，然后加入BR与之混炼，接着加入改性废胶粉与母炼胶，待胶料包紧辊筒时按下面次序加入配合剤：硬脂酸→ZnO→N220→促NOBS→促CZ→芳烃油→硫黄。混炼胶停放2 h后测定硫化时间，并在平板硫化机上硫化制得硫化胶试片。

1.2.3 性能测试[10]

试样的拉伸强度、扯断伸长率、定伸应力、拉伸永久变形参照GB/T528-1998在XL-5OA型拉力试验机上进行测定，拉伸速率为500 mm/min；试样的撕裂强度按GB/T529-1999在XL-5OA型拉力试验机上进行测定，拉伸速率为500 mm/min；热空气老化按GB/3512-83在401A型老化试验箱进行老化；硬度按GB/T531-1992在LX-A型邵尔硬度计上进行测定；磨耗按GB/1689-1982在MML-27型数显阿克隆磨耗试验机进行测定。

2 结果与分析

2.1 Si-69用量对废胶粉力学性能的影响

2.1.1 Si-69用量对40目废胶粉力学性能的影响

有机硅烷偶联剂是目前品种最多、用量最大的偶联剂，也是橡胶工业目前最常用的助剂之一。它的分子中含有两种不同性质的基团，一种能与填料（炭黑、白炭黑和其他填充剂）的表面起作用，另一种基团能与橡胶分子起作用，因而能在填料与橡胶的界面上起“分子桥”的作用，提高填料与橡胶之间的相容性，增加填料与橡胶界面之间的相互作用，把填料和橡胶更紧密地结合起来。使用偶联剂可以降低胶料的门尼粘度、生热和滚动阻力，改善胶料的加工性能，提高硫化胶的耐磨性[11]。

Si-69用量对40目废胶粉力学性能的影响如表1所示。

从表1可以看出，经Si-69改性后，废胶粉的各项力学性均明显提高。拉伸强度、扯断伸长率、撕裂强度在Si-69用量为2质量份时达到最大值，而后随Si-69用量的增大稍有降低，邵尔A硬度受Si-69用量的影响较小。原因可能是Si-69用量较少时，胶粉分子受束缚较小，易滑动取向，应力分布均匀，因而力学性能较高；随着Si-69用量的增加，硅烷偶联分子数增加，胶粉分子受束缚大，不易滑动，应力分布不均匀，因而力学性能减小。由上述分析可知，Si-69用量为2质量份时，对40目废胶粉的改性效果最佳。

2.1.2 Si-69用量对80目废胶粉力学性能的影响

Si-69用量对80目废胶粉力学性能的影响如表2所示。

从表2可以看出，随着Si-69用量的增加，胶料的邵尔A硬度逐渐增大，拉伸强度、扯断伸长率及撕裂强度将先增大而后减小，当Si-69用量为4质量份时，拉伸强度与撕裂强度同时达到最大值，即分别为7 MPa与36 kN/m，扯断伸长率为230%。由以上分析可知，采用4质量份的Si-69对80目废胶粉的改性效果较好。

2.2 改性废胶粉用量对胎面胶力学性能的影响

2.2.1 40目改性废胶粉用量对胎面胶力学性能的影响

经偶联剂Si-69改性的40目废胶粉用量对胎面胶力学性能的影响如表3所示。

从表3可以看出，改性废胶粉的加入，均能一定程度降低胶料的力学性能。随着改性废胶粉用量的增加，胶料的邵尔A硬度、300%定伸应力、撕裂强度先增大后有所降低，当改性废胶粉的用量为20份时，胶料的拉伸强度仍能保持在18.2 MPa。改性废胶粉的加入能较大幅度提高胶料的耐磨耗性能，且随着用量的增加，胶料的磨耗前后质量变化百分数逐渐减小，表明耐磨性能提高。胶料经100℃×48 h老化后，其耐老化性能稍有降低。由上述分析可知，40目改性废胶粉的加入，可一定程度提高胶料的磨耗性能， 当改性废胶粉为10份时，胶料可保持相对较高的综合力学性能。”

2.2.2 80目改性废胶粉用量对胎面胶力学性能的影响

经Si-69改性的80目废胶粉用量对胎面胶力学性能的影响如表4所示。

从表4可以看出， 80目改性废胶粉的加入，均能一定程度降低胶料的力学性能，这与40目废胶粉的影响相似。随着改性废胶粉用量的增加，胶料的扯断伸长率、永久变形、撕裂强度稍有升高，300%定伸应力、拉伸强度综合力学性能先升高后降低，当改性废胶粉用量为10份时，胶料的300%定伸应力为12.4 MPa，拉伸强度为17.7 MPa，撕裂强度为75kN/m，综合力学性能较好。且80目改性废胶粉的加入，均能明显提高胶料的耐磨耗性能。

3 结论

（1）偶联剂Si-69改性40目和80目废胶粉的最佳用量分别为2质量份和4质量份。

（2）胎面胶中掺入改性废胶粉使力学性能有所下降，但10份40目的改性废胶粉，可使胶料保持相对较好的综合力学性能。

（3）改性废胶粉的加入能一定程度提高轮胎胶料的耐磨耗性。

参考文献

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