CN107522924A - 反式聚异戊二烯橡胶并用顺式聚异戊二烯橡胶组合物及其加工工艺 - Google Patents

反式聚异戊二烯橡胶并用顺式聚异戊二烯橡胶组合物及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明为合成反式聚异戊二烯(TPI)(或合成反式聚异戊二烯(TPI)与合成顺式聚异戊二烯(IR)的组合)与白炭黑制备的母胶、天然胶与炭黑制备的母胶，由这两种母胶再制备橡胶组合物及其加工工艺。其工艺为将TPI(或者TPI与IR的组合)与白炭黑、偶联剂混炼成白炭黑母胶；将天然胶与炭黑混炼成炭黑母胶，然后按照组合物比例将白炭黑母胶、炭黑母胶、橡胶助剂混炼成橡胶组合物。使用本发明的橡胶组合物及工艺制备的胶料具有提高耐磨降低生热的特点，可以应用于橡胶制品中，特别是汽车轮胎中，降低滚动阻力，降低生热。

Description

反式聚异戊二烯橡胶并用顺式聚异戊二烯橡胶组合物及其加 工工艺
技术领域
本发明涉及橡胶领域，特别涉及橡胶加工或轮胎制造领域。
背景技术
橡胶配方的动态滞后损失性能对轮胎性能的影响尤为重要，滞后损失使胶料在动态形变过程中能量消耗增加，生热增加，弹性下降，滚动阻力上升。生热也会导致橡胶的强度和耐磨性下降，造成轮胎的早期损害，生热还会增加轮胎的滚动阻力，增加燃油消耗和二氧化碳的排放量。
国内外研究结果表明配方中使用补强性沉淀二氧化硅填料和偶联剂可以降低轮胎的滚动阻力。但是补强性二氧化硅的比表面积大，填料间相互作用强，在混炼过程中不容易分散，容易吸附非橡胶组分，尤其与天然胶混合时，容易吸附天然胶中非橡胶组分，降低填料与聚合物间作用，降低了胶料性能。怎样提高白炭黑与橡胶相互作用，减少白炭黑间相互聚集，降低生热不减低耐磨性能，是本发明的发明目的之一。
本发明采用一种新的混炼方法和橡胶组合物，用合成聚异戊二烯橡胶(包括TPI、IR或它们的组合)与白炭黑混炼，天然橡胶与炭黑混炼的母胶法工艺，其优点在于：合成聚异戊二烯中非橡胶组分很少，在偶联剂作用下，使白炭黑更容易与聚合物间相互作用，降低配方的生热，提高耐磨性。
专利CN102382338A公布了聚异戊二烯橡胶与其它橡胶共混，共混时使用聚合物与炭黑、白炭黑、活化剂、防老剂、软化剂等一步共混，这样的共混方法由于白炭黑会吸附橡胶助剂，影响合成聚异戊二烯橡胶与填料的作用。
专利CN102046395A中公布聚异戊二烯橡胶与天然胶在轮胎配方的应用，配方使用N330炭黑，而本专利不局限于炭黑，更不限制炭黑品种，而且还使用其制造原材料不消耗石油资源的白炭黑。
专利CN101121803A公布反式聚异戊二烯橡胶与橡胶共混制备配方，将TPI塑化后直接与橡胶共混后再混入填料，这种工艺也会降低填料与聚合物间的作用。
发明内容
本发明采用一种新的混炼方法和橡胶组合物，用合成聚异戊二烯橡胶(包括TPI、IR或它们的组合)与白炭黑混炼，天然橡胶与炭黑混炼的母胶法工艺，其优点在于：合成聚异戊二烯中非橡胶组分很少，在偶联剂作用下，使白炭黑更容易与聚合物间相互作用，降低配方的生热，提高耐磨性。本发明的橡胶组合物具有耐磨性高，生热低的优点，可用于轮胎等橡胶制品中。
本发明进一步涉及如下实施方案：
一种含有反式聚异戊二烯的橡胶组合物，橡胶总量以100质量份计，其中：合成反式聚异戊二烯(TPI)与合成顺式聚异戊二烯(IR)的总量为5-60质量份，其中TPI为1-60质量份，IR为0-55质量份；
天然橡胶：40-95质量份；
白炭黑：5-90质量份；
炭黑：5-90质量份；
母胶工艺：
白炭黑母胶工艺：合成反式聚异戊二烯橡胶或者与合成顺式聚异戊二烯橡胶组合物(TPI与IR组合物)与白炭黑、偶联剂在密炼机中混炼成为白炭黑母胶；
炭黑母胶工艺：天然橡胶与炭黑在密炼机中混炼成为炭黑母胶；
终炼胶工艺：
将所述炭黑母胶、白炭黑母胶、防老剂、活性剂、促进剂、硫化剂按组合物比例混炼制备成橡胶组合物；
根据上述的制备方法，其中白炭黑为含有二氧化硅成分的无机填料，优选沉淀法制备的氮吸附比表面积为50—300m2/g的高分散白炭黑；根据权利要求1所述的制备方法，其中炭黑STSA比表面积为50-200m2/g。
根据上述的制备方法，其中所述的偶联剂为有机硅烷偶联剂、锆酸酯偶联剂、酞酸酯偶联剂、硝基偶联剂、醇类化合物或它们的组合，优选有机硅烷偶联剂；
根据上述的制备方法，其中所述白炭黑与炭黑的总用量为10—130质量份，优选15—120质量份，更优选20—100质量份。
根据上述的制备方法，其中所述防老剂为胺类防老剂、喹啉类防老剂、苯并咪唑类防老剂、物理防护剂一种或几种；
根据上述，其中活化剂为金属氧化物和脂肪酸组合以及脂肪酸金属皂盐一种或多种，所述金属氧化物为氧化锌、氧化镁等一种或多种，所述脂肪酸金属皂盐为硬脂酸锌、硼酸锌等一种或多种；
根据上述的制备方法，其中促进剂包括但不限于次磺酰胺类促进剂、噻唑类促进剂、秋兰姆类促进剂、胍类促进剂或它们的组合，所述硫化剂包括但不限于硫黄、不溶性硫黄、充油硫黄、硫黄给予体或它们的组合；
本发明还涉及一种根据上述的制备方法制备的橡胶组合物。
附图说明
图1为实施例3和对比例3在不同温度下的DMA温度扫描图。
图2为路试单耗指数图。
数据处理说明
单耗：轮胎行驶的里程数(km)与损耗的花纹深度(mm)之比，单耗单位为km/mm；
单耗指数：将对比例单耗记为100，实施例单耗与对比例单耗之比即为单耗指数。
具体实施方式
下面用实施例进一步描述本发明，但是本发明的范围不受这些实施例的限制。
用于实施例中的试验标准：
检测仪器
表1橡胶样品制备的仪器设备
表2硫化胶物理性能的测试方法及仪器
下列化学药品应用于实施例和对比例
20#标准橡胶：马来西亚标准胶；
合成顺式聚异戊二烯IR：青岛伊科思新材料有限公司；
合成反式聚异戊二烯TPI：青岛第派新材料有限公司；
有机硅烷偶联剂X50S：含有50％N330炭黑，50％有机硅烷偶联剂(双(三乙氧基丙基硅烷)四硫化物)，赢创岚星(日照)化学工业有限公司；
炭黑：N115，N234，卡博特(中国)有限公司；
白炭黑833MP：无锡恒诚硅业有限公司；
氧化锌：大连氧化锌厂；
硬脂酸：马来西亚立成有限公司；
防老剂4020：N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基对苯二胺，江苏圣奥化学科技有限公司；
防老剂RD：2,2,4-三甲基-1.2-二氢化喹啉聚合物，天津科迈助剂有限公司；
防护蜡：百美瑞特殊化学品(苏州)有限公司；
促进剂CZ：N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺，山东尚舜化工有限公司；
硫黄：青岛金玉棱实业有限公司；
防焦剂CTP：N-环己基硫代邻苯二甲酰亚胺，山东阳谷华泰化工有限公司；
以下实施例和对比例中的组分用量均为质量份。
对比例1
配方：SMR2080；反式聚异戊二烯TPI20；N115炭黑40；白炭黑10；硅烷偶联剂X50S3；氧化锌3.5；硬脂酸2；防老剂RD1.5；防老剂40202；防护蜡1；促进剂CZ1.7；硫黄粉0.8；防焦剂CTP0.1。
对比例1混炼工艺：
一段混炼工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入80质量份SMR20和20质量份反式异戊胶TPI，加压塑炼40秒，提上顶栓加入30质量份炭黑N115、10质量份白炭黑、3质量份硅烷偶联剂X50S、3.5质量份氧化锌、2质量份硬脂酸、1.5质量份防老剂RD、2质量份防老剂4020、1质量份防护蜡，加压混炼40秒提上顶栓清扫，再加压混炼60秒排胶，加压混炼时间为140秒，排胶温度为165℃；
二段混炼工艺：在转速为40rpm的F370密炼机中加入153质量份一段混炼胶、10质量份N115炭黑，加压混炼40秒后提上顶栓，再混炼30秒提上顶栓；再加压混炼30秒排胶，加压混炼时间为100秒，排胶温度为155℃；
终炼胶混炼工艺：在转速为20rpm的F270密炼机中加入163质量份二段混炼胶，加压混炼30秒后提上顶栓加入1.7质量份促进剂CZ、0.8质量份硫黄，加压混炼60秒，再混炼30秒后排胶，加压混炼时间为120秒，排胶温度为105℃；
实施例1
配方：SMR2080；合成反式聚异戊二烯TPI20；N115炭黑40；白炭黑10；硅烷偶联剂X50S3；氧化锌3.5；硬脂酸2；防老剂RD1.5；防老剂40202；防护蜡1；促进剂CZ1.7；硫黄粉0.8；防焦剂CTP0.1。
实施例1混炼工艺：
一段混炼胶工艺：
炭黑母胶工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入80质量份的SMR20塑炼60秒后提上顶栓，加入40质量份炭黑N115，混炼60秒后提上顶栓清扫，再混炼60秒排胶；加压混炼时间为180秒，排胶温度为165℃；
白炭黑母胶工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入20质量份合成反式异戊二烯TPI，混炼60秒后提上顶栓加入10质量份白炭黑、3质量份硅烷偶联剂，混炼60秒后提上顶栓，混炼30秒提上顶栓，再混炼60秒排胶；加压混炼时间为210秒，排胶温度为160℃；
二段混炼工艺：
在转速为40rpm的F370密炼机中加入120质量份炭黑母胶与33质量份白炭黑母胶，混炼80秒提上顶栓，加入3.5质量份氧化锌、2质量份硬脂酸、1.5质量份防老剂RD、2质量份防老剂4020、1质量份微晶蜡，混炼70秒清扫，再混炼30秒排胶，加压混炼时间为180秒，排胶温度为155℃。
终炼胶混炼工艺：
在转速为20rpm的F270密炼机中加入163质量份二段混炼母胶，混炼30秒提上顶栓加1.7质量份促进剂CZ、0.8质量份硫黄，混炼60秒清扫，再混炼30秒排胶，加压混炼时间为120秒，排胶温度为105℃；
表3：实施例1和比较例1的性能对比
从表3可看出，实施例1的压缩生热比对比例1低，阿克隆磨耗和DIN耐磨性提高，说明本发明混炼工艺的优越性。
对比例2
配方：SMR20100；N234炭黑30；白炭黑20；硅烷偶联剂X50S5；氧化锌3.5；硬脂酸2；防老剂RD1.5；防老剂40202；防护蜡1；促进剂CZ1.7；硫黄1.2。
一段胶混炼工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入100质量份SMR20，加压塑炼40秒，提上顶栓加入20质量份炭黑N234、20质量份白炭黑、5质量份硅烷X50S、3.5质量份氧化锌、2质量份硬脂酸、1.5质量份防老剂RD、2质量份防老剂4020、1质量份防护蜡，混炼40秒提上顶栓，再加压混炼60秒排胶，加压混时间为140秒，排胶温度为165℃；
二段混炼工艺：在转速为40rpm的F370密炼机中加入155质量份一段混炼胶、10质量份N234炭黑，加压混炼40秒后提上顶栓，再混炼30秒提上顶栓；再加压混炼30秒排胶，加压混炼时间为100秒，排胶温度为155℃；
终炼胶混炼工艺：在转速为20rpm的F270密炼机种加入165质量份二段混炼，加压混炼40秒后提上顶栓加入1.7质量份促进剂CZ、1.2质量份硫黄，混炼70秒后清扫，再混炼30秒后排胶，加压混炼时间为140秒，排胶温度105℃；
实施例2
配方：SMR2060；IR25；TPI15；N234炭黑30；白炭黑20；硅烷偶联剂X50S5；氧化锌3.5；硬脂酸2；；防老剂RD1.5；防老剂40202；防护蜡；促进剂CZ1.7；硫黄1.2。
实施例2混炼工艺：
一段混炼胶工艺：
炭黑母胶工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入60质量份的SMR20塑炼60秒后提上顶栓，加入30质量份炭黑N234，混炼60秒后提上顶栓清扫，再混炼60秒排胶；加压混炼时间为180秒，排胶温度为160℃；
白炭黑母胶工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入15质量份合成反式异戊二烯TPI、25份合成顺式聚异戊二烯IR，混炼60秒后提上顶栓加入20质量份白炭黑、5质量份硅烷偶联剂，混炼60秒后提上顶栓，混炼30秒提上顶栓，再混炼60秒排胶；加压混炼时间为210秒，排胶温度为160℃；
二段混炼工艺：
在转速为40rpm的F370密炼机中加入90质量份炭黑母胶与65质量份白炭黑母胶，混炼80秒提上顶栓，加入3.5质量份氧化锌、2质量份硬脂酸、1.5质量份防老剂RD、2质量份防老剂4020、1质量份防护蜡，混炼70秒清扫，再混炼30秒排胶，加压混炼时间为180秒，排胶温度为155℃；
终炼胶混炼工艺：
在转速为20rpm的F270密炼机中加入165质量份二段混炼母胶，混炼30秒提上顶栓加1.7质量份促进剂CZ、0.8质量份硫黄，混炼60秒清扫，再混炼30秒排胶，加压混炼时间为120秒，排胶温度为105℃；
表4：实施例2和对比例2的性能对比
反式异戊胶TPI直接在配方中使用，因为其结晶温度低，加工困难以及未硫化胶半成品刚性高的缺点。本发明配方将反式异戊二烯与顺式异戊二烯配合使用，利用二者分子结构相同的优势，提高两者的相容性，同时利用顺式IR加工时硬度低，容易流动的优点，弥补反式异戊二烯的加工弱点。
从表4说明实施例2与对比例2比较具有性能优势：硬度提高，压缩生热降低，阿克隆磨耗性提高，DIN磨耗性能提高。
对比例3
配方：SMR2085；IR15；N234炭黑35；白炭黑15；硅烷偶联剂X50S4；氧化锌3.5；硬脂酸2；；防老剂RD1.5；防老剂40202；微晶蜡1；促进剂CZ1.8；硫黄1.2。
对比例3混炼工艺：
一段混炼工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入85质量份SMR20、15质量份顺式异戊胶IR，塑炼40秒后提上顶栓加入25质量份炭黑N234、15质量份白炭黑、4质量份硅烷偶联剂X50S、3.5质量份氧化锌、2质量份硬脂酸、1.5质量份防老剂RD、2质量份防老剂4020、1质量份微晶蜡，加压混炼40秒，提上顶栓清扫；再加压混炼60秒排胶，加压混时间为140秒，排胶温度为165℃；
二段混炼工艺：在转速为40rpm的F370密炼机中加入154质量份一段混炼胶、10质量份N234炭黑，加压混炼40秒后提上顶栓，再混炼30秒提上顶栓；再加压混炼30秒排胶，加压混炼时间为100秒，排胶温度为155℃；
终炼胶混炼工艺：在转速为20rpm的密炼机中加入164质量份一段混炼母胶，塑炼30秒后提上顶栓加入1.8质量份促进剂CZ、1.2质量份硫黄，混炼60秒后清扫；再混炼30秒后排胶，加压混炼时间为120秒，排胶温度为105℃；
实施例3
配方：SMR2070；IR15；TPI15N234炭黑35；白炭黑15；硅烷偶联剂X50S4；氧化锌3.5；硬脂酸2；；防老剂RD1.5；防老剂40202；微晶蜡；促进剂CZ1.8；硫黄1.2。
一段混炼工艺：
炭黑母胶工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入70质量份的SMR20塑炼60秒后提上顶栓，加入35质量份炭黑N234，混炼60秒后提上顶栓清扫，再混炼60秒排胶；加压混炼时间为180秒，排胶温度为160℃。
白炭黑母胶工艺：在转速为45rpm的F370密炼机中加入15质量份合成反式异戊二烯TPI、15质量份合成顺式异戊二烯IR，混炼60秒后提上顶栓加入15质量份白炭黑、4质量份硅烷偶联剂X50S，混炼60秒后提上顶栓，再混炼30秒提上顶栓，再混炼60秒排胶，加压混炼时间为210秒，排胶温度为160℃。
二段混炼工艺：
在转速为40rpm的F370密炼机中加入105质量份炭黑母胶、49质量份白炭黑母胶，混炼80秒提上顶栓，加入3.5质量份氧化锌、2质量份硬脂酸、1.5质量份防老剂RD、2质量份防老剂4020、1质量份防护蜡，混炼70秒清扫，再混炼30秒排胶，加压混炼时间为180秒，排胶温度为155℃；
三段混炼工艺：
在转速为20rpm的密炼机中加入164质量份二段混炼母胶，混炼30秒提上顶栓加1.8质量份促进剂CZ、1.2质量份硫黄，混炼60秒清扫，再混炼30秒排胶，加压混炼时间为120秒，排胶温度为105℃；
表5：实施例3和对比例3的性能对比
表5数据显示实施例3与对比例3相比压缩生热降低，阿克隆磨耗提高，DIN磨耗性能提高；图1为实施例3和对比例3在不同温度下的DMA扫描图，60℃下tanδ低于对比例3，说明若用作轮胎制品，滚动阻力低，油耗低。
为进一步验证配方的磨耗，将上述实施例3和对比例3方案制备轮胎进行路试，安装在两辆载重量为35吨的货车上进行试验，图2为两部车路试结果的平均数值，从数据看，采用本发明的组合物和工艺，路试的单耗明显比对比例高。

Claims (8)

1.一种含有反式聚异戊二烯的橡胶组合物，橡胶总量以100质量份计，其中：
合成反式聚异戊二烯(TPI)与合成顺式聚异戊二烯(IR)的总量为5-60质量份，其中TPI为1-60质量份，IR为0-55质量份；
天然橡胶：40-95质量份；
白炭黑：5-90质量份；
炭黑：5-90质量份；
母胶工艺：
白炭黑母胶工艺：合成反式聚异戊二烯橡胶或者与合成顺式聚异戊二烯橡胶组合物(TPI与IR组合物)与白炭黑、偶联剂在密炼机中混炼成为白炭黑母胶；
炭黑母胶工艺：天然橡胶与炭黑在密炼机中混炼成为炭黑母胶；
终炼胶工艺：
将所述炭黑母胶、白炭黑母胶、防老剂、活性剂、促进剂、硫化剂按组合物比例混炼制备成橡胶组合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中白炭黑为含有二氧化硅成分的无机填料，优选沉淀法制备的氮吸附比表面积为50—300m2/g的高分散白炭黑；根据权利要求1所述的制备方法，其中炭黑STSA比表面积为50-200m2/g。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述的偶联剂为有机硅烷偶联剂、锆酸酯偶联剂、酞酸酯偶联剂、硝基偶联剂、醇类化合物或它们的组合，优选有机硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述白炭黑与炭黑的总用量为10—130质量份，优选15—120质量份，更优选20—100质量份。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中所述防老剂为胺类防老剂、喹啉类防老剂、苯并咪唑类防老剂、物理防护剂一种或几种。
6.根据权利要求1所述，其中活化剂为金属氧化物和脂肪酸组合以及脂肪酸金属皂盐一种或多种，所述金属氧化物为氧化锌、氧化镁等一种或多种，所述脂肪酸金属皂盐为硬脂酸锌、硼酸锌等一种或多种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中促进剂包括但不限于次磺酰胺类促进剂、噻唑类促进剂、秋兰姆类促进剂、胍类促进剂或它们的组合，所述硫化剂包括但不限于硫黄、不溶性硫黄、充油硫黄、硫黄给予体或它们的组合。
8.一种根据权利要求1-7中任一项的制备方法制备的橡胶组合物。
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