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促进剂NS的粒度分布对TBR胎面胶性能的影响


                     促进剂NS的粒度分布对TBR胎面胶性能的影响
                                杜正华, 董文武, 曹 峰, 吴秀萍, 刘 君
                 (双钱集团江苏轮胎有限公司, 江苏 如皋 226500)
    摘 要:研究了利用激光衍射法测定促进剂NS的粒度分布。还研究了不同的粒度分布对TBR胎面胶性能的影响,并对比了两个厂家的促进剂NS产品在配方试验中的性能。实验结果表明,粒子直径小的促进剂NS在胶料物理性能、磨耗性能方面要优于粒子直径大的促进剂NS,在制造绿色轮胎和轮胎半制品时,起着调整工艺、优化配方和提高轮胎成品质量的重要作用。
    关键词:促进剂NS;粒径分布;TBR;胎面胶
    中图分类号:TQ 337.3 文献标志码:B 文章编号:1671-8232(2014)11-0042-05
    0 ·前 言
    促进剂NS( 化学名称为:N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺)是次磺酰胺类硫化促进剂中的重要品种之一,是适用于天然胶、顺丁胶、异戊胶、丁苯胶的后效性促进剂,具有操作温度下安全、抗焦烧性强、硫化速度快、定伸强度高、交联密度大的优点。另外其毒性较低,是NOBS理想的替代品,具有优异的综合性能,被称为标准促进剂,广泛用于子午线轮胎的生产。目前NS合成技术相对成熟,国内生产企业较多。但是国内各生产厂家的NS品质不一,特别是促进剂NS的粒子直径分布差异较大,与胶料的物理性能相关。因此,控制促进剂NS材料的粒子大小尤为重要。
    目前测定促进剂NS粒子直径的主要方法有过筛余物法和激光衍射法。由于过筛余物法是一种很粗略的试验方法,误差大,数据不能真正表观其粒径大小。而激光粒度分析仪是利用光散射/衍射原理进行粒度分析的粉体测试设备,是先进的激光技术和计算机技术有机结合的高新技术产品,具有测试速度快、精度高、重复性好和操作简单等突出优点。因此在无机物材料、炭黑、氧化锌等粉体分析测试方面,尤其在对45 μm以下分析和测试方面得到了广泛应用。
    根据光学原理可知,在真空或均匀介质中光是沿直线传播的,不会偏离传播方向。但是当介质中掺入微小颗粒时,便破坏了介质的均匀性,于是便会产生光散射现象。所谓光散射,就是光线通过不均匀介质时,射线偏离或改变原传播方向的现象。当一束可见光照射在混入细小颗粒的均匀介质时,一部分光线可通过分散介质透射,一部分光线被吸收,另一部分光线则被散射,散射光强空间分布与颗粒大小有关。较大颗粒的对光的作用主要是阻挡,其散射光能量分布以前向散射为主,通常称为衍射。颗粒大小与颗粒形状对散射光的空间分布有直接影响。激光散射/衍射粒径测量技术就是通过检测颗粒群的散射/衍射能量的空间分布,然后使用衍射模型矩阵进行反演来确定颗粒的大小。
    众所周知,激光散射/衍射的理论基础是米氏(Mie)散射原理或夫朗霍夫近似理论,其理论前提是以介质中的颗粒为球形这一假设条件为出发点的。因此,对于球形颗粒的测量,激光粒度仪可以直接得出体积平均粒径和体积分布;对于不规则颗粒的测量,获得的是等效球体的粒度分布。
    为了研究促进剂NS的粒子直径分布对TBR胎面胶性能的影响,本文选择国内2个厂家的促进剂NS进行比较,选择最佳测试条件,利用激光衍射法测定其粒子的直径分布,并通过验证试验,证明材料不同的粒径分布对物理性能的影响。
    1· 实 验
    1.1 仪器与试剂
    激光粒度分析仪(备有独立的具有搅拌、超声、循环的样品分散系统);分析天平(精确至0.1 mg);无水乙醇(AR);去离子水; 促进剂NS1,促进剂NS2(厂家提供)。
    1.2 实验方法
    1.2.1 方法原理
    将一束单色光源(通常为激光)穿过以足够的浓度分散在合适的液体或气体中的样品时,不同粒径的颗粒以各种角度产生散射光,用分布在不同角度上的多元检测器进行测定,从而得到在不同角度上的散射光的强度。随后选用适当的光衍射模型和数学程序对这些散射数值进行转换,获得基于体积的粒径分布(PSD)。
    1.2.2 激光衍射仪构造
    激光衍射仪构造示意如图1所示[1]。
    
    1.2.3 样品的制备
    用分析天平称取约1 g试样放入150 ml烧杯中,加入100 ml(水/无水乙醇=4:1)混合液,将超声波分散器探头浸没在该悬浮液中,仅在探头末端和烧杯底部流出1 cm,在其功率的10%振幅使用,超声时间为5 min,冷却后将试样进一步混匀,作为待测试样[2]。
    1.2.4 进样方法和分散介质
    1.2.4.1 进样方法   采用湿法进样。
    1.2.4.2 分散介质
    采用水/无水乙醇=4:1(体积比)作为分散介质。
    1.2.5 仪器测量条件及参数设置
    搅拌速度:2400 r/min;泵速:取决于转速设置的大小,仪器会自动调整;样品测量的持续时间:10 s;背景噪声测量的持续时间:10s;样品的测量次数:5;光学模型:米氏理论(Mile)或弗朗霍夫理论;内超强度:10。
    1.2.6 样品测试
    1.2.6.1 在样品池中加入适量浓度制备好的试样(1.2.3)。
    1.2.6.2 选择合适的搅拌速度,使样品充分的分散。
    1.2.6.3 在测试中,应保证遮光度在10%~15%的范围内。当遮光度不在此范围内时要重新调整试样浓度。
    1.2.7 结果表征
    D10:表示在累积粒度分布曲线中,10%体积的颗粒直径比此值小,单位为微米(μm)。
    D50:颗粒的中位径为体积基准,即50%体积的颗粒直径小于或大于这个值,单位为微米(μm)。
    D90:表示在累积粒度分布曲线中,90%体积的颗粒直径比此值小,单位为微米(μm)。   D(4,3):体积平均粒径,是粒径对体积的加权平均,单位为微米(μm)。
    1.2.8 促进剂NS粒径分布
    促进剂NS的粒径分布测定结果如表1所示。
    
    2· 促进剂NS 的粒度分布对其物理性能的影响
    2.1 主要原材料
    天然橡胶NR(牌号:STR20,泰国进口);橡胶用炭黑N234(江西黑猫炭黑有限公司生产);促进剂NS1和促进剂NS2(参见1.1)。
    2.2 配方
    实验配方如表2所示。
    
    2.3 主要设备和仪器
    Φ229 mm开炼机(上海橡胶机械一厂产品);BB430型密炼机(日本Kobe Steel公司产品);QLB-D型平板硫化机(湖州橡胶机械厂产品);MDR2000型硫化仪、MV2000门尼黏度仪(美国阿尔法科技有限公司产品);H10 KS型电子拉力机(英国Hounsfield公司产品);101A-1型烘箱(上海实验仪器厂有限公司产品);LX-A型硬度计(上海化工机械四厂产品);LAT100磨耗试验机(荷兰VMI公司);压缩生热试验机(台湾高铁公司);DMA(美国BOSE公司生产)。
    2.4 混炼工艺
    采用两段混炼工艺,在密炼机中进行混炼。一段混炼加料顺序为:NR、炭黑→氧化锌等小料→排胶;二段混炼加料顺序为:一段混炼胶→促进剂、硫化剂→排胶出片[2]。
    2.5 性能测试
    VMI磨耗性能按照企业标准测试,其他性能按相应的国家标准进行测试。
    3· 结果与讨论
    3.1 物理性能
    从表3、图2和图3数据分析可得,采用促进剂NS1的试验配方比采用促进剂NS2的试验配方在拉伸强度、撕裂强度和拉断伸长率方面(老化前和老化后)均表现出较优异的性能,而两者在硬度、300%定伸应力等方面相当。这是由于粒度分布小的促进剂NS在胶料中会更容易分散,促进了硫磺与橡胶的交联;同时也改善了胶料的工艺性能。因此,表现出更好的物理性能,这与试验配方的结果相吻合。
    
    
    以上分析结果表明:在一定的试验范围内,粒子直径小的促进剂NS1的物理性能优于粒子直径大的促进剂NS2。
    3.2 磨耗性能
    从图4看出,与采用促进剂NS2的配方相比,采用促进剂NS1的试验配方具有更优异的磨耗性能(朗伯磨耗),且磨耗性能提升14%左右。根据配方性能的魔力三角形模型,由于粒度分布小的促进剂NS在胶料中会更容易分散,会导致生热偏高,同时会降低60 ℃时的tan δ,相应的滚动阻力也越低,即磨耗性能得到提升。以上分析结果表明,粒子直径小的促进剂NS1的耐磨耗性能要优于粒子直径大的促进剂NS2。
    
    3.3 门尼和流变特性
    胎面胶在压出和成型过程中需要保证其加工性和安全性,需要足够的门尼焦烧时间和适当的门尼黏度。从表4可以看出,采用促进剂NS1的试验配方的焦烧时间和门尼黏度与采用促进剂NS2的配方的焦烧时间和门尼黏度无明显差异。这是由于试验配方中的硫化体系相同,只是采用了不同粒径大小的促进剂NS,因此,其硫化速度不会受影响。
    
    以上分析结果表明,促进剂NS粒子直径的大小对门尼、焦烧时间和硫化效率方面的影响较小。
    4· 结 论
    (1)在试验范围内,粒子直径小的促进剂NS1的物理性能优于粒子直径大的促进剂NS2;
    (2)在试验范围内,粒子直径小的促进剂NS1的耐磨耗性能优于粒子直径大的促进剂NS2。
    综上所述,利用激光衍射法可以有效表征促进剂NS的粒度分布,是一种快速、可靠的试验方法。采用更小粒子直径的促进剂NS可以帮助提升TBR胎面胶的物理性能和耐磨耗性能。
    与此同时,还要对材料的粒度分布进行严格控制和管理才能更好地稳定成品轮胎的质量。
参考文献:
[1] GB/T 19077.1-2008 粒度分析 激光衍射法 第1部分:通则[S].
[2] GB/T 6038 橡胶试验胶料配料、混炼和硫化设备及操作程序[S].
[3] GB/T 19077.1-2008 粒度分析 激光衍射法 第1部分:通则[S].[责任编辑:朱 胤]

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