钕系顺丁橡胶的微观结构和性能研究

2018-07-25 03:49杨广明张素彬詹续芹
橡胶科技 2018年5期
关键词:炭黑胶料硫化

杨广明,闫 蓉,杨 亮,张素彬,詹续芹

(中国石油独山子石化分公司研究院 新疆橡塑材料实验室,新疆 独山子 833699)

我国顺丁橡胶(BR)主要用于轮胎、胶鞋以及高抗冲聚苯乙烯改性等,其中轮胎对BR的需求量约占BR总需求量的2/3。近年来,绿色轮胎的发展对BR提出了新的要求,根据轮胎标签法规,发展高性能、环保钕系BR(NdBR)的呼声日益高涨。

NdBR是以Nd系化合物为主催化剂制得的高顺式-1,4-结构BR,结构规整度高、线性好、平均相对分子质量大、相对分子质量分布可调[1-4]。NdBR在拉伸作用下表现出类似天然橡胶的诱导结晶性能,具有抗焦烧性能好、强度高、生热和滚动阻力低、耐屈挠性能和抗湿滑性能好等优点,性能优于传统的镍系BR(NiBR)、钛系BR、钴系BR。采用NdBR的轮胎不但节油,还可以减少刹车打滑和爆胎事故,满足轮胎在高速、安全、节能和环保等方面的要求,是近年来发展较快的BR品种[5-9]。

本工作研究相近门尼粘度、不同相对分子质量分布NdBR的微观结构与性能,并与NiBR进行对比,为国产NdBR的应用和推广提供指导。

1 实验

1.1 主要原材料

NiBR,牌号9000;NdBR,牌号9101,2012(中试)和2003(中试),中国石油独山子石化公司产品。8#工业用参比炭黑,美国卡博特公司产品。氧化锌、硬脂酸、硫黄和促进剂TBBS,科迈化工股份有限公司产品。

1.2 配方

BR 100,炭黑 60,氧化锌 3,硬脂酸 2,硫黄 1.5,促进剂TBBS 0.9,ASTM 103#油 15。

1.3 主要设备和仪器

LRMR-S-150/0型双辊开炼机,美国Labtech公司产品;V1003H0-16-BPX型平板硫化机,美国Wabash公司产品;FT-IR2000型傅立叶红外光谱(IR)仪,美国PE公司产品;1525型凝胶渗透色谱(GPC)仪,美国Waters公司产品;GT-7080-S2型门尼粘度试验机、GT-M2000-A型无转子硫化仪、GT-RH2000型压缩生热试验机、GT-7011-D型屈挠试验机,高铁检测仪器有限公司产品;LX-A型邵氏硬度计,上海六菱仪器厂产品;4465型拉伸试验机,英国英斯特朗公司产品;WTD-0.5型回弹仪,江都机械有限公司产品。

1.4 试样制备

按照GB/T 8660—2008《溶液聚合型丁二烯橡胶(BR)评价方法》中C2方法进行胶料混炼:调节开炼机辊筒速比为1/1.4,前辊温度为(35±5)℃,后辊温度为(35±5) ℃,辊距为0.45 mm,加入生胶过辊两次,左右接连进行3/4割刀两次;沿辊筒均匀加入氧化锌和硬脂酸,左右接连进行3/4割刀3次;依次加入1/2炭黑和1/2油,左右接连进行3/4割刀7次;依次加入剩余炭黑和油,左右接连进行3/4割刀7次;加入硫黄和促进剂,左右接连进行3/4割刀6次;调节辊距为0.7~0.8 mm,胶料打卷、纵向薄通6次后下片。胶料停放12 h以上进行硫化。

1.5 分析测试

(1)微观结构参数:将BR溶于二硫化碳,在溴化钾板上涂膜后测试IR谱,BR的微观结构参数计算公式如下。

式中,C1,C2和C3分别为顺式-1,4-结构、顺式-1,2-结构、反式-1,4-结构的物质的量分数;D738,D911,D967分别为波数738,911和967 cm-1处的IR吸光度;A为吸光度常数之和。

(2)相对分子质量及其分布:采用GPC仪测定。

(3)胶料性能:按照相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 微观结构和性能

BR微观结构参数和门尼粘度见表1。

表1 BR微观结构参数和门尼粘度

2.2 混炼胶性能

BR混炼胶性能见表2。

表2 BR混炼胶性能

从表2可以看出:与NiBR混炼胶相比,3种NdBR混炼胶相对生胶门尼粘度增幅较大,该增幅可以表征橡胶-炭黑结合能力,说明NdBR-炭黑结合能力较强;两种中试NdBR相比,相对分子质量分布宽的NdBR2003与炭黑作用力较强,相对分子质量分布窄的NdBR2012硫化速度略快。

2.3 硫化胶性能

2.3.1 物理性能

2.3.2 动态力学性能

BR硫化胶在不同温度下的损耗因子(tanδ)见表4。0 ℃时的tanδ越大,硫化胶的抗湿滑性能越好,相应的轮胎行驶越安全;60 ℃时的tanδ越小,硫化胶的滚动阻力越低,相应的轮胎越节油。

从表4可以看出:与NiBR硫化胶相比,NdBR硫化胶0和60 ℃时的tanδ均较小,说明NdBR硫化胶的抗湿滑性能较差,滚动阻力较低;NdBR2003硫化胶的0和60 ℃时的tanδ均稍大于NdBR2012硫化胶,说明相对分子质量分布宽的NdBR2003硫化胶抗湿滑性能稍好,但滚动阻力略大;相对分子质量分布窄的NdBR2012硫化胶抗湿滑性能稍差,但滚动阻力略低。

表4 BR硫化胶在不同温度下的tan δ

表3 BR硫化胶物理性能

图1 BR硫化胶耐屈挠性能

3 结论

(2)与NiBR混炼胶相比,NdBR混炼胶相对生胶门尼粘度增幅较大,橡胶-炭黑结合能力较强。两种中试NdBR中,相对分子质量分布宽的NdBR2003与炭黑作用力强,相对分子质量分布窄的NdBR2012硫化速度较快。

(3)与NiBR硫化胶相比,NdBR硫化胶的强伸性能和弹性提高,压缩永久变形减小,生热降低。两种中试NdBR中,相对分子质量分布窄的NdBR2012硫化胶强伸性能、弹性和耐屈挠性能较好,压缩永久形较小,生热较低。

(4)与NiBR硫化胶相比,NdBR硫化胶的抗湿滑性能较差,滚动阻力较低。两种中试NdBR中,相对分子质量分布窄的NdBR2012抗湿滑性能稍差,滚动阻力略低;相对分子质量分布宽的NdBR2003胶料的抗湿滑性能稍好,滚动阻力略大。

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