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天长市绿色化工助剂厂 
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硅烷偶联剂在高填充白炭黑轮胎胶料中的应用

  制备沉淀法白炭黑的工艺有多种,例如水溶性硅酸盐沉淀和硅酸钠溶液与硫酸反应。白炭黑表面有硅烷和硅醇化学官能团,硅醇或羟基基团是酸性的。此外,由于这种填料表面是极性和亲水的,因此有强烈的吸潮性。当白炭黑用于轮胎,乃至任何橡胶制品时,上述独特的性能带来了无数的问题。例如,当添加大量白炭黑时,胶料粘度大幅度升高,给胶料加工性能造成了不良影响,而且还会造成加工设备过度磨损。有关研究表明,向NR胶料中添加大量的炭黑时,胶料粘度上升可能主要归因于白炭黑与白炭黑之间强烈的相互作用。此外,酸性的白炭黑延迟了硫黄硫化体系的硫化反应速度,延长了硫化时间,降低了交联密度。为了促进白炭黑在橡胶制品中更广泛的应用,必须排除这些加工问题。双官能有机硅烷是为用于硫黄硫化体系而设计的。这类材料加入配方中,有助于通过减弱白炭黑与白炭黑之间的相互作用,降低胶料粘度,通过防止酸性白炭黑干扰硫黄硫化体系反应机理改善硫化性能。双(3 三 乙氧基硅丙基 )四硫烷(TESPT),也称作Si69偶联剂,是适用于硫黄硫化体系的硅烷。本研究的目的是考察逐渐加大配方中TESPT硅烷用量对某些含高填充量白炭黑NR胶料门尼粘度和硫化性能的影响。

  1 原材料试验了5种普通促进剂/硫黄硫化胶料(见表1)。这些胶料中均含有60份沉淀法白炭黑UltrasilVN3,分别含0,3,5,7和10份TESPT。使用前白炭黑在18℃和相对湿度为76%的条件下停放8个星期,含水率为5.7%,pH值为5.9,平均粒径约为19nm。白炭黑在加入胶料中之前,先在环境温度(23℃)下玻璃容器中喷涂硅烷。使用的橡胶为L级标准马来西亚NR。除生胶和填料外,还添加了一些配合剂(见表1)。

 

  2 混炼混炼采用具有对转啮合式转子的肖氏Mark4型K1密炼机。在本研究试验中,使用水冷却系统将转子和混炼室的温度保持在40℃。使用ChronosRichardsonSOW1000软件控制混炼条件和贮存数据。混炼室容积为5.5L,制备试验胶料的填充因数为0.5。每种胶料的混炼条件见表2,混炼过程中的温度与时间关系如图1所示。

  3 胶料性能

  使用单速旋转式门尼粘度计测量了100℃下胶料的门尼粘度[ML(1+4)]。根据下式计算了焦烧时间ts2(转矩升至超过最低转矩2个单位所需的时间)和正硫化时间t95(达到95%最大转矩的时间),见图2。Mn=0.95(MH-ML)+ML式中,Mn为与根据硫化曲线[图3(a)~(d)]测定的胶料硫化95%时对应的新转矩读数,而硫化曲线是用振荡圆盘硫化仪在(140±2)℃,±3°摆角和1.7Hz条件下获得的。硫化速度指数与硫化曲线陡区硫化速度的平均斜率成正比,采用公式100/(t95-ts2)计算。

  门尼粘度测量值和硫化仪试验所得的结果如表3所示。

  4 试验结果

  4.1 门尼粘度图4示出了门尼粘度与硅烷用量的关系。当硅烷用量增大到7份时,胶料粘度从234个门尼单位降至121个门尼单位。有趣的是当硅烷用量进一步增大到10份时,对粘度几乎不再有影响,粘度基本上保持在120个门尼单位左右。

  4.2 焦烧和正硫化时间图5和6示出了焦烧时间ts2和正硫化时间t95与硅烷用量的关系。

  当胶料中加入3份硅烷时,胶料的焦烧时间从34min大幅度降至7.5min(见图5)。但是从图中可以看出,当硅烷用量逐步增大到10份时,焦烧时间显著延长了7min,达到14.4min。

 

  添加和逐渐加大硅烷用量对正硫化时间产生了不同影响。当硅烷用量增大到7份时,硫化时间从178min大幅度下降到82min(见图6)。值得注意的是,硅烷用量进一步增大到10份,硫化时间延长了13min,达到95min。

  4.3 硫化速度添加和加大硅烷用量对胶料硫化速度有类似影响。不加硅烷的胶料硫化速度最慢,硫化速度指数为0.69min-1(见图7)。但是,当硅烷用量增大到7份时,硫化速度指数从0.69min-1提高到1.43min-1。值得注意的是,当硅烷用量再增大3份达到10份时,胶料的硫化速度会稍稍放慢,从1.43min-1降至1.24min-1。

  5 结论本研究试验结果表明,当在含有60份沉淀法白炭黑UltrasilVN3的普通促进剂/硫黄硫化体系NR胶料中添加10份以下TESPT时,对胶料的粘度和硫化性能有显著影响。 当60份白炭黑胶料中添加7份硅烷时,门尼粘度下降; 当60份白炭黑胶料中添加3份硅烷时,焦烧时间缩短,当添加7份硅烷时,正硫化时间也缩短; 当60份白炭黑胶料中添加7份硅烷时,硫化速度加快。在60份白炭黑胶料中仅添加7份优选硅烷可获得上述主要优点,而再增大硅烷用量不会有任何益处。值得注意的是,在60份白炭黑胶料中使用3份硅烷对焦烧时间影响最大。

 

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