JohnVanderKooi(Struktol公司,美國)
中圖分類號(hào):TQ330·38+3 /+7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1006-8171(2006)08-0491-04
數(shù)十年來,當(dāng)配合礦物類填料時(shí),采用烷氧基硅烷雙(三乙氧基硅丙基)四硫化物(TESPT)和雙(三乙氧基硅丙基)二硫化物(TESPD)改進(jìn)膠料性能獲得了重大的商業(yè)利益。目前這一領(lǐng)域的研究仍然十分活躍。2004年美國專利局公布了66個(gè)有關(guān)TESPT和22個(gè)有關(guān)TESPD的專利申請。Rauline成功研究出的采用溶聚聚合物的三段混煉膠現(xiàn)已成為制造高動(dòng)態(tài)性能轎車輪胎胎面膠的經(jīng)典。有人開發(fā)了在白炭黑與硅烷初始反應(yīng)期內(nèi)氧化鋅之類的堿性氧化物被抑制住的混煉程序。據(jù)認(rèn)為,鋅元素與白炭黑表面反應(yīng),降低了硅烷醇的疏水作用。這些工作的重點(diǎn)是硅烷和硅烷醇的反應(yīng)途徑。顯然,許多研究工作的結(jié)論認(rèn)為,混煉過程中水的存在局限性地減緩了這些反應(yīng)。當(dāng)硅烷醇凝結(jié)到白炭黑表面后,可以想像硅烷中的硫可與硫化體系反應(yīng)使填料與橡膠結(jié)合(見圖1)。
鋅的組成和化學(xué)性質(zhì)以及所用脂肪酸的濃度和結(jié)構(gòu)是硫化過程的重要變量,用于擴(kuò)大鋅配合物d軌道的機(jī)理已被用于解釋鋅的這種作用。TESPT多硫化合物鏈的硫原子個(gè)數(shù)約為3·8,TESPD的硫原子名義個(gè)數(shù)稍大于2。從硫化來看,多硫化合物應(yīng)該很容易混入反應(yīng)性偶聯(lián)中間體,它將使硫能夠用于交聯(lián)和偶聯(lián)。但是要將二硫化物很容易地混入偶聯(lián)中間體就比較成問題了。在二硫化物中,幾乎沒有硫變成游離硫而加入硫池。事實(shí)上,用TESPD替代TESPT要求配煉進(jìn)行重大的改變。當(dāng)把鋅和白炭黑/硅烷醇的相互作用以及硫化與混煉的復(fù)雜性一起考慮時(shí),發(fā)現(xiàn)這個(gè)體系的物理和化學(xué)作用是極其復(fù)雜的。本研究以炭黑和二段混煉時(shí)用TESPD處理的白炭黑為填料制成NR膠料,并用鋅皂類化合物ZB加以處理。ZB是一種不同脂肪酸衍生物的專利混合物,鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0·10。如果所有添加劑都在一段混煉時(shí)加入,則有可能帶來非生產(chǎn)性相互作用的問題。
1 實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)配方如表1所示。試驗(yàn)變化包括不含硅烷偶聯(lián)劑TESPD或添加ZB的對比配方,TESPD用量為白炭黑用量的5%,ZB用量為2·5或5份。炭黑N220來自Harwick標(biāo)準(zhǔn)公司,白炭黑VN3為德固薩公司產(chǎn)品, StruktolA86是一種塑解劑, 40MS是一種樹脂, Struktol SCA 985PL為50%造粒TESPD,其它配合劑均為普通橡膠添加劑。
膠料在法雷爾BR1600實(shí)驗(yàn)室密煉機(jī)中采用兩段法混煉,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為77 r·min-1,填充因數(shù)為0·70。一段混煉時(shí)向NR中加入塑解劑混煉40 s,然后加入其它配合劑; 90 s后進(jìn)行兩次清掃中的第1次清掃,混煉總時(shí)間為240 s。二段混煉80 s時(shí)加入硫化劑。
對膠料進(jìn)行的常規(guī)性能測試包括門尼粘度491John VanderKooi·硅烷偶聯(lián)劑對白炭黑膠料性能的影響
(ASTM D 1646)、硫化特性(ASTM D 2084)、拉伸性能(ASTM D 412)、彈性(ASTM D 2632)和動(dòng)態(tài)性能(ASTM D 623)。采用Instrumentors公司制造的機(jī)械能求解器(MER-1100B)進(jìn)行硫化膠壓縮粘彈性試驗(yàn)。
2 結(jié)果與討論
TESPD/ZB并用具有提高膠料加工性能和物理性能的協(xié)同效應(yīng)。混煉曲線表明,膠料加工性能的改善主要來自于添加的ZB,膠料吃粉快,混煉轉(zhuǎn)矩明顯降低。圖2~5示出了不同配合劑對混煉曲線的影響。結(jié)果表明,添加ZB可以明顯縮短混煉時(shí)間,減小輸入功率。在本研究中,不能確定這種添加劑對哪種填料的影響最大。混煉曲線形狀和較快的吃粉峰表明,使用TESPD /ZB并用體系膠料的均勻性和分散性較好。下降后的溫度還足以實(shí)現(xiàn)較好水平的硅烷化。
ZB對二段混煉的影響也較大。NR膠料的門尼粘度測定結(jié)果(見圖6)表明,膠料的初始粘度變化很大。1#和2#配方膠料的初始粘度都達(dá)到120個(gè)門尼單位以上,長期儲(chǔ)存粘度顯示出儲(chǔ)存效應(yīng),而含ZB的膠料僅高5個(gè)門尼單位(原文如此,疑為低5個(gè)門尼單位———譯注)。盡管只進(jìn)行了有限的擠出試驗(yàn)(冷喂料),但仍可以看出,加TESPD的膠料老化后轉(zhuǎn)矩下降了20%,TESPD/ZB并用體系的膠料下降了25%。在固定轉(zhuǎn)速下,壓力降類似,產(chǎn)量沒有變化。TESPD/ZB并用體系膠料表面和邊的等級從B6變?yōu)锳9。這些結(jié)果表明,含有ZB的膠料中沒有發(fā)生填料絮凝,而僅含TESPD的膠料中則發(fā)生了填料絮凝。
TESPD和ZB都影響NR膠料的焦燒性能。6#配方膠料的抗焦燒性能最好,硫化時(shí)間稍有延長(見圖7)。這些膠料的抗硫化返原性能部分來自TESPD,部分來自ZB,但并用體系效果最好(見表2)。
用100%定伸應(yīng)力測量的交聯(lián)效率表明,TESPD的貢獻(xiàn)大于ZB。但是, TESPD/ZB并用體系膠料的硫化程度最高(見表3)。熱氧老化試 驗(yàn)結(jié)果(見表4)表明, TESPD/ZB并用體系膠料的定伸應(yīng)力變化率較小。抗撕裂性能基本保持不變(見圖8)。
通過彈性測量的動(dòng)態(tài)性能(見表5)、剪切(見表6)和壓縮性能(見表7)結(jié)果均表明,TESPD和ZB之間存在顯著的協(xié)同效應(yīng)。在屈撓試驗(yàn)機(jī)上看到TESPD/ZB并用體系膠料的長期動(dòng)態(tài)變形的變化最大,在未破壞時(shí)便終止了試驗(yàn)。所有試驗(yàn)結(jié)果是一致的,與較好的填料分散效果和偶聯(lián)效率也是一致的。
3 結(jié)論
這種硅烷偶聯(lián)白炭黑填充NR膠料的加工性能和物理性能可以通過利用鋅化合物同時(shí)得到顯著改善。盡管本研究未能回答硅烷中的硫參與硫化歷程提高硫化效率是否增強(qiáng)了白炭黑與橡膠的偶合作用,但是它提出這種作用確實(shí)發(fā)生了。它還提出需要進(jìn)行進(jìn)一步研究,以了解為何富鋅體系的粘度未顯示出顯著的儲(chǔ)存硬化效應(yīng)。
