二元乙丙橡胶粒料的隔离方法

郭 扬，李国栋，郎清扬，姜随纲，徐 欢

(1.中国石油吉林石化公司 研究院，吉林 吉林 132021；2.中国昆仑工程有限公司吉林分公司，吉林 吉林 132000；3.广西大学 物理科学与工程技术学院，广西 南宁 530004；4.中国石油吉林石化公司 精细化学品厂，吉林 吉林 132021)

乙丙橡胶凭借其优异的性能被广泛应用于汽车部件、运动场地、建筑用防水卷材、电线电缆护套、油品黏度改性剂和聚合物改性等各大领域，成为合成橡胶中应用最广的品种之一。乙丙橡胶牌号众多，不同的乙丙橡胶牌号组成不同，物理机械性能和加工性能也不同，每个牌号都有所侧重的应用领域。其中，二元乙丙橡胶以润滑油改性与聚合物改性为主。近年来，二元乙丙橡胶与树脂共混改性的热塑性弹性体(TPE)被广泛应用，且用量稳步增长，但吉林石化公司的二元乙丙橡胶在TPE生产中却占有很少的份额，主要是因为二元乙丙橡胶具有“冷流”现象，通常情况下以块状形态存在，而TPE的生产是将二元乙丙橡胶粒料与聚丙烯等塑料颗粒通过挤出机熔融共混，TPE生产商在生产产品前必须先将块状的二元乙丙橡胶破碎成胶粒，这一附加步骤无疑增加了TPE的生产成本，从而限制了TPE生产商对于吉林石化公司块状二元乙丙橡胶的采购量。因此，为了提高吉林石化公司二元乙丙橡胶在TPE生产领域的市场份额，找到合适的隔离剂与隔离方法使粒状二元乙丙橡胶不再发生“冷流”便显得尤为重要。

目前，对于橡胶隔离剂的相关研究与报道，主要是针对混炼胶制品而言的。隔离剂与橡胶的溶解度参数要有较大差异，利用隔离剂与橡胶相容性差的特点，在胶片之间形成隔离层，阻挡或减少胶片之间的黏结，从而达到隔离的效果[1-2]。隔离剂的应用越来越广，目前已有包括固体[3-4]、液体、膏体、悬浮体[5]四种形态的隔离剂被广大橡胶制品生产厂家所使用[6]。近年来，青岛科技大学研发团队利用地沟油研发出了新型功能化橡胶隔离剂[7]。这种新型橡胶隔离剂不仅环保而且还具有优异的隔离效果。

目前，TPE生产除了二元乙丙橡胶以外，其他主要原料还包括聚丙烯和滑石粉等。因此，为了用户应用方便、降低加工前的破碎成本且不与共混物料发生冲突，本文通过外加或内部填充滑石粉以及与聚丙烯(PP)熔融共混方法对二元乙丙橡胶粒料进行隔离，通过不断探索，找到合适的隔离方法与隔离剂的最小用量。

1 实验部分

1.1 原料

二元乙丙橡胶：J-0050，吉林石化公司有机合成厂；滑石粉：10 μm，工业级，广州创锦鑫化工有限公司；PP：熔融指数为0.26 g/(10 min)(190 ℃，2.16 kg)，中国石油独山子石化公司。

1.2 仪器及设备

密炼机：XSS-300，上海科创橡塑机械设备有限公司；开炼机：ZG160，东莞市正工机电设备科技有限公司；裁纸刀：868型，上海云广机械制造有限公司；高混机：SHR-10，青岛德信塑料公司；挤出机：SHJ-20，中国南京聚力化工机械有限公司；真空烘箱：DZG6050，杭州卓驰仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 胶粒外加滑石粉

称取20 g J-0050胶粒，再称取指定质量分数的滑石粉[滑石粉的质量分数=(滑石粉的质量/J-0050胶粒的质量)×100%]与J-0050胶粒混合均匀，放入自制模具中进行模拟实验，定期观察胶粒的黏结情况。

1.3.2 胶粒内加滑石粉

将J-0050胶粒与滑石粉按指定的比例称量好，混合均匀，然后用密炼机进行共混，共混温度为120 ℃，共混时间为6 min，转子转速为80 r/min。共混结束后，将共混胶样放在开炼机上压成5 mm厚的胶片，停放一段时间后，用裁纸刀裁成5 mm×5 mm×5 mm的立方体胶粒，再次停放一段时间，称取20 g胶粒放入自制模具中进行模拟实验，定期观察胶粒的黏结情况。

1.3.3 胶粒内外同时添加滑石粉

将1.3.2中制备的各组内加滑石粉胶粒各称取20 g，分别外加0.6 g滑石粉，混合均匀，然后放入自制模具中进行模拟试验，定期观察胶粒的黏结情况。

1.3.4 胶粒与PP熔融共混

将J-0050胶粒与PP按指定的比例称量好，混合均匀，然后用双螺杆挤出机进行熔融共混，共混温度为190 ℃，螺杆转速为100 r/min。挤出样条经切粒机切粒后，放入80 ℃的真空烘箱中干燥12 h，取出后自然冷却至室温，称取20 g粒料放入自制模具中进行模拟试验，定期观察胶粒的黏结情况。

1.4 分析测试

(1)隔离情况测试：本实验对粒料隔离情况的考察采用的是自制模具，如图1所示。由于有机合成厂在对二元乙丙橡胶J-0050进行运输和贮存的过程中，采用的是铁质包装箱，橡胶在包装箱内的纵向堆叠为七层，因此只要满足在规定的时间内，包装箱最底层的胶粒没有发生黏结，即达到实验目的。根据产品用户的需求，设定最短的考察期限为15 d。按照压强公式，计算得出包装箱最底层J-0050胶粒所受到的表压强约为6 494 Pa，实验模具即据此制得。每次实验取适量样品均匀地放入自制模具中，然后放上砝码对样品进行均匀施压，保证样品表面所受的表压强远高于6 494 Pa，从而实现对二元乙丙橡胶J-0050运输和贮存过程的模拟实验。

图1 自制模具示意图

(2)邵尔A硬度按照GB/T 531.1—2008进行测试。

2 结果与讨论

2.1 胶粒外加滑石粉的隔离实验

表1为向J-0050胶粒中外加滑石粉的实验结果，滑石粉的添加量逐渐增加并根据实验情况进行调整。从表1可以看出，当外加滑石粉的质量分数达到300%时(实际生产中的最大添加量)，胶粒在实验条件下仍然会发生黏结。因此，根据实际的实验情况，基本确定外加滑石粉的方法无法对胶粒进行有效隔离，因为绝大部分固体隔离剂不能牢固地黏附在胶粒表面，能对胶粒起到有效隔离作用的滑石粉只占很小的比例。胶粒在实验压力下容易发生变形，比表面积增大，胶粒之间的接触面积也随之增大，此前黏附在胶粒表面的滑石粉无法对增大的接触面进行有效覆盖，而之前没有被胶粒表面黏附的滑石粉也无法再进入到胶粒之间对增大的接触面进行覆盖。胶粒之间没有被滑石粉覆盖的表面彼此相互接触，随着分子链段的运动，分子链之间相互缠结，宏观表现为胶粒发生黏结。

表1 外加滑石粉以后J-0050胶粒的黏结情况

2.2 胶粒内加滑石粉的隔离实验

表2为J-0050胶粒内加滑石粉以后的黏结情况。

表2 内加滑石粉以后J-0050胶粒的黏结情况

当内加滑石粉的质量分数在35%以下时，共混胶样在开炼机上成片状态很差，所以选择从质量分数为35%的添加量开始考察。从表2可以看出，当内加滑石粉的质量分数达到100%时，胶粒在实验条件下不再发生黏结。其原因为，滑石粉分散在橡胶内部，提高了分子链段运动的阻力，胶粒在实验条件下彼此接触时，不同胶粒之间的分子链无法再通过链段运动缠结在一起，宏观表现为胶粒不发生黏结。但是当内加滑石粉的质量分数为90%及以下时，滑石粉对分子链段运动的阻力不够，胶粒在彼此接触时，分子链之间仍然会发生缠结，宏观表现为胶粒黏结成块。

2.3 胶粒内外同时添加滑石粉的隔离实验

表3为向内加不同比例滑石粉的胶粒再外加质量分数为3%滑石粉时胶粒的黏结情况。质量分数为3%的滑石粉为可以黏附于J-0050胶粒外表面的最大用量，即外加滑石粉隔离的有效用量。从表3可以看出，外加质量分数为3%的滑石粉以后，内加滑石粉的质量分数为40%及以上时，胶粒在实验条件下则不发生黏结；而当内加滑石粉的质量分数为35%及以下时，即使外加质量分数3%的滑石粉，胶粒在实验条件下仍然会发生黏结。出现此种试验结果的原因，可以从另一个角度进行探讨。众所周知，滑石粉对橡胶有补强作用[8-9]，从图2可以看到，随着内加滑石粉用量的增加，胶粒的硬度逐渐上升。当内加滑石粉的质量分数为40%及以上时，胶粒的硬度较大，在实验压力下不发生或只发生微小的变形，黏附在胶粒表面的滑石粉足以对增加的微小接触面进行有效覆盖，且这些外加的滑石粉弥补了内加滑石粉对分子链段运动阻力不足的缺陷，从而起到很好的机械隔离作用。当内加滑石粉的质量分数为35%及以下时，胶粒的硬度较小，在实验压力下会发生较大的变形，黏附在胶粒表面的滑石粉无法再对增加的接触面进行有效覆盖，胶粒之间没有被覆盖的表面彼此相互接触，且由于内加滑石粉对分子链段运动的阻力不足，在分子链段运动的作用下，分子链发生缠结，使胶粒黏结在一起。

2.4 胶粒与PP熔融共混的隔离实验

表4为J-0050胶粒与PP熔融共混以后粒料的黏结情况。

从表4可以看出，将J-0050胶粒与PP进行熔融共混挤出，当PP的质量分数为80%及以上时，共混粒料在实验条件下则不再发生黏结；当PP的质量分数低于80%时，共混粒料黏结成块。根据橡塑共混的相关报道[10]，在共混物中，当塑料相质量分数达到共混物总量的50%以上时，塑料相则形成连续相，因此当PP的质量分数量为50%及以上时，PP在J-0050/PP共混物中便形成连续相。但是，当PP的质量分数在50%到80%之间时，连续相PP不能对分散相J-0050进行充分包裹，共混粒料的表面黏度依然会使粒料在实验条件下发生黏结。当PP的质量分数为80%及以上时，连续相PP对J-0050的包裹更充分，共混粒料的表面粘度下降，实验条件下粒料不再发生黏结。当PP的质量分数小于50%时，橡胶相J-0050在共混物中为连续相，其包裹着分散相PP，此时共混粒料的表面黏度更高，在实验条件下一定会发生黏结。

3 结 论

(1)实验证明，对J-0050胶粒外加滑石粉进行隔离的方案不可行。

(2)对J-0050胶粒内加滑石粉，当滑石粉的质量分数达到100%时，胶粒在实验条件下不发生黏结，达到预期隔离效果。

(3)对内加滑石粉的胶粒再外加质量分数为3%的滑石粉，当内加滑石粉的质量分数为40%及以上时，胶粒在实验条件下则不再发生黏结，达到预期隔离效果。

(4)将PP与J-0050胶粒进行熔融共混，当PP的质量分数达到80%时，共混粒料在实验条件下不再发生黏结，达到预期隔离效果。