CN115558173B - 工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用 - Google Patents

工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及橡胶材料技术领域，特别是涉及工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用。本发明胶材料通过加入工业木质素作为耐切割功能助剂，使橡胶材料的耐切割性能得到提高。解决了采掘行业中输送带及矿用汽车的工程轮胎和越野汽车的山地轮胎所面临的冲击、切割、刺穿和裂纹等问题。

Description

工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的 应用
技术领域
本发明涉及橡胶材料技术领域，特别是涉及工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用。
背景技术
橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变去除外力后能恢复原状。在采掘、交通、医疗、建筑等领域都有应用。在采掘行业中，运输大块尖锐矿石的输送带需要面对冲击、切割等恶劣条件，使用寿命短。矿用汽车的工程轮胎和越野汽车的山地轮胎在锋利砂石、矿石的路上行驶，轮胎易被划伤，出现刺穿、裂纹、崩花掉块的现象，需要提高轮胎抗撕裂、耐切割性能以提升轮胎的使用寿命。针对这些情况，市场需要大量具有耐切割性能的橡胶。
天然木质素是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，其主要存在于木质组织中纤维素纤维之间，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁，起抗压和支撑的作用。木质素分子中含有共轭双键、芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基和羧基等许多不同的活性官能团，在结构上呈现三维网状结构，由于其具有可再生、可降解、无毒、储量大等优点，因此在橡胶助剂行业中的应用日渐广泛。
申请人与南京工业大学合作开发的中国发明专利申请(公开号：CN111748133A、CN112831059A、CN111533922A)公开了木质素或改性木质素在制备子午线轮胎中的应用；其中，木质素可全部或部分替代间苯二酚，同时，木质素也可全部或部分替代防老剂。与现有技术相比，利用生物质来源的木质素或改性木质素代替或部分代替间苯二酚，以达到降成本及环保无毒的要求。尤其是采用脱甲基化改性后的木质素能够有效提高橡胶的各项性能。另外，木质素作为热氧老化剂提高橡胶制品的热氧老化性能，老化变化率明显低于未添加木质素的子午线轮胎。
中国发明专利申请(公开号：CN114752123A)提供了“一种高撕裂耐切割耐曲挠轮胎胎面材料及其制备方法”。其中使用木质素与纳米硼化纤维、粉煤灰、白炭黑进行混合作为填料。该发明中明确指出，木质素的作用是与其他材料搭配使混合填料具有更好的增强效果。该发明使用的橡胶材料耐切割功能助剂是共聚树脂、喹啉基聚氨酯基聚酰胺。
申请人申请的中国发明专利申请(公开号：CN114437417A)公开一种高性能电动公交专用胎面橡胶组合物，按生胶总重量为100份数计，所述橡胶组合物的混炼配方包括以下组分：天然橡胶50～80份，顺丁橡胶和/或丁苯橡胶20～50份，炭黑45～60份，CNT0.2～5份，CNT分散剂(CNT和CNT分散剂的比例在1:8～5:1之间)；其中，所述CNT分散剂选用木质素、木质素磺酸钠及其他木质素衍生物中的一种或多种。该专利中木质素作为CNT预分散作用。
由以上专利技术可以看出，目前在轮胎材料技术领域应用的木质素均非工业木质素，且主要是集中在作为防老剂、填料补强或预分散载体使用。而含天然木质素的木质纤维素类生物质经制浆造纸或生物炼制等生产过程时副产大量工业木质素。据统计，世界上年产工业木质素上亿吨，其中，我国工业木质素年产量已超过2000万吨。目前，工业木质素的有效利用率不足20％，大部分工业木质素通过焚烧发电或回收热能等低值方式利用，既造成资源的严重浪费，又向环境排放了大量CO2，严重阻碍了“碳达峰，碳中和”双碳目标的实现。对于工业木质素，目前也只是在补强橡胶中得到应用(如中国专利CN102718995B、CN101314675B)，还未有涉及将工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用的技术报道。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用，胶材料通过加入工业木质素作为耐切割功能助剂，使橡胶材料的耐切割性能得到提高。以解决采掘行业中输送带及矿用汽车的工程轮胎和越野汽车的山地轮胎所面临的冲击、切割、刺穿和裂纹等问题。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
工业木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用。
作为优选，所述工业木质素为未经改性的碱木质素、磺化木质素、有机溶剂木质素、酶解木质素、蒸汽爆破木质素中的一种或多种。
作为优选，以橡胶成分为100重量份计，所述工业木质素加入量为3-6份。
进一步，本发明还公开了一种耐切割轮胎胎面胶组合物，按橡胶成分为100重量份计，该胎面胶组合物由以下组分混炼制备得到：
橡胶100份、炭黑45-60份、白炭黑5-10份、工业木质素3-6份、硬脂酸1-2份、氧化锌3-4份、防老剂3-5份、塑化剂2-4份、硫化剂1.3-1.7份、硫化促进剂0.5-1份、多功能交联剂0.1-0.3份。
作为优选，所述橡胶组分采用天然橡胶和丁苯橡胶的混合橡胶，其中天然橡胶40-100份、丁苯橡胶30-60份。
作为优选，所述工业木质素为未经改性的碱木质素、磺化木质素、有机溶剂木质素、酶解木质素、蒸汽爆破木质素中的一种或多种。
作为优选，所述防老剂为RD、4020中的一种或多种的组合；所述塑化剂为松香和微晶蜡中的一种或多种的组合。
作为优选，所述硫化剂为充油硫，所述硫化促进剂为CZ，所述多功能交联剂为wy988。
进一步，本发明还公开了所述的一种耐切割轮胎胎面胶组合物的混炼方法，该方法包括以下的步骤：
1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为60-90℃，将橡胶投入密炼机，混炼30-120秒，再将氧化锌、硬脂酸加塑化剂及防老剂入密炼机，混炼60-180秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素加入密炼机，混炼240-480秒；
2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2-4次割胶，然后打2-4次三角包，搓2-4次卷；出片得到所述的耐切割轮胎胎面胶组合物。
优选的，密炼混炼温度为80℃。
优选的，加入橡胶后混炼时间为60秒。
优选的，加入氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂等后混炼120秒。
优选的，加入炭黑和工业木质素后混炼360秒。
优选的，左右割胶2次。
优选的，打三角包2次。
进一步，本发明还公开了一种耐切割轮胎，该轮胎的胎面采用所述的一种耐切割轮胎胎面胶组合物硫化制备得到。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本法明使用的工业木质素从生物炼制废料或造纸黑液中提取，是对资源的再利用能够保护环境节约资源。
2、本发明的工业木质素不需要改性，可以节省成本，减少操作。
3、本发明的以工业木质素作为耐切割助剂的橡胶材料的制备方法工艺简单，易于操作，易于实现工业化生产。
4、本发明通过添加工业木质素调控橡胶的交联密度，减少应力集中对橡胶材料的破坏，提高橡胶材料的抗切割性能；同时，通过工业木质素中的芳香族基团抑制橡胶材料裂纹的增长，提高橡胶材料的抗切割性能。
具体实施方式
本发明提供了一种以工业木质素作为耐切割功能助剂的橡胶材料的制备方法，为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但是不用来限制本发明的保护范围及实施方式。
实施例1
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、碱木质素4份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
耐切割橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
实施例2
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、蒸汽爆破木质素4份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy9880.1份。
耐切割橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
实施例3
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、有机溶剂木质素4份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy9880.1份。
耐切割橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
实施例4
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、木质素磺酸盐5份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
耐切割橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
实施例5
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、酶解木质素4份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
耐切割橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
对比例1
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、酶解木质素1份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
对比例2
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、酶解木质素10份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
对比例3
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、酶解木质素20份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
对比例4
按质量份数计，包括如下原料组分：
天然橡胶50份、丁苯橡胶50份、炭黑(N220)50份、白炭黑10份、硬脂酸2份、氧化锌4份、4020 3份、微晶蜡1份、松香1份、充油硫1.5份、CZ 0.5份、wy988 0.1份。
橡胶材料的制备，采用密炼和开练进行，具体包括如下步骤：
(1)密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为80℃，将橡胶投入密炼机，混炼60秒，再将氧化锌、硬脂酸、塑化剂及防老剂加入密炼机，混炼120秒，最后将炭黑、白炭黑及工业木质素橡胶耐切割助剂加入密炼机，混炼360秒。
(2)开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2次割胶，然后打2次三角包，搓2次卷。出片得到所述的耐切割橡胶材料。
将对实施例1-5及对比例1-4的橡胶材料进行力学性能测试，橡胶材料的物理性能测试所用的方法如下所示：
拉伸强度：测试方法见GB/T 528-2009；
拉断伸长率：测试方法见GB/T 528-2009；
定伸强度：测试方法见GB/T 528-2009；
硬度(邵尔A)：测试方法见GB/T 531.1-2008；
耐切割：测试方法见GB/T529—1999；
表1实施例1-5及对比例1-4制备的橡胶材料的物理性能测试结果
根据实施例1-5与对比例4的切割量的结果比较可以看出，添加工业木质素能够提升橡胶材料的耐切割性能。
根据实施例1-5的力学性能结果比较可以看出，添加酶解木质素的橡胶材料的拉伸强度、切割量等力学性能比添加其他工业木质素的强。推测是因为与其他工业木质素相比酶解木质素的结构及活性基团保留更为完整的原因。
根据实施例5与对比例2-3的力学性能结果比较可以看出，工业木质素的添加量越多橡胶材料的力学性能越差。推测是因为工业木质素是极性的与非极性橡胶的相容性不好。工业木质素的添加量超过一定的量就会影响橡胶材料的性能。
对比例1添加了1份工业木质素其力学性能与不添加工业木质素的对比例4相比相差无几。可以看出工业木质素的添加量过少时对橡胶的耐切割性能的提升几乎没有帮助，
通过对实施例5与对比例1-4的力学性能比较能够得出如下结论：橡胶材料中添加工业木质素可以提升橡胶材料的耐切割性能，但是工业木质素添加量需要在合适范围内才能够提升橡胶材料的耐切割性能且不降低橡胶材料的力学性能。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.酶解木质素作为耐切割功能助剂在制备耐切割轮胎材料中的应用；以橡胶成分为100重量份计，所述酶解木质素加入量为3-6份。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，耐切割轮胎材料为轮胎胎面胶组合物，按橡胶成分为100重量份计，该胎面胶组合物由以下组分混炼制备得到：
橡胶100份、炭黑45-60份、白炭黑5-10份、酶解木质素3-6份、硬脂酸1-2份、氧化锌3-4份、防老剂3-5份、塑化剂2-4份、硫化剂1.3-1.7份、硫化促进剂0.5-1份、多功能交联剂0.1-0.3份。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，橡胶组分采用天然橡胶和丁苯橡胶的混合橡胶，其中天然橡胶40-100份、丁苯橡胶30-60份。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述防老剂为RD、4020中的一种或多种的组合；所述塑化剂为松香和微晶蜡中的一种或多种的组合。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述硫化剂为充油硫，所述硫化促进剂为CZ，所述多功能交联剂为wy988。
6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，其特征在于，耐切割轮胎胎面胶组合物的混炼方法包括以下的步骤：
1）密炼：调节密炼机转子转速为60r/min，混炼温度为60-90℃，将橡胶投入密炼机，混炼30-120秒，再将氧化锌、硬脂酸加塑化剂及防老剂入密炼机，混炼60-180秒，最后将炭黑、白炭黑及酶解木质素加入密炼机，混炼240-480秒；
2）开练：将样品慢慢薄通到辊距最小，加入硫化剂、硫化促进剂及多功能交联剂，左右各进行2-4次割胶，然后打2-4次三角包，搓2-4次卷；出片得到所述的耐切割轮胎胎面胶组合物。
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JP2010242023A (ja) * 2009-04-09 2010-10-28 Toyo Tire & Rubber Co Ltd 重荷重用タイヤトレッドゴム組成物及び重荷重用空気入りタイヤ
CN108410031A (zh) * 2018-03-26 2018-08-17 华南理工大学 一种高撕裂性能耐切割耐屈挠的轮胎胎面材料及制备方法
CN110564025A (zh) * 2019-09-11 2019-12-13 万达集团股份有限公司 一种耐切割轮胎胎面橡胶组合物及其制备方法

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