聚合物包覆硫黄的应用研究

2016-07-30王永伟李花婷

橡胶科技 2016年2期

王永伟，陆铭，王婷，李花婷

（北京橡胶工业研究设计院，北京 100143）

聚合物包覆硫黄是以聚合物为包覆壁材、普通硫黄为芯材，采用微胶囊包覆技术制得的新型硫化剂。在混炼温度下聚合物包覆壁材具有良好的热稳定性，可有效阻止硫黄过早释放和胶料过早硫化；在硫化温度下，聚合物包覆壁材破裂，硫黄快速释放。聚合物包覆硫黄不仅可以抑制或消除混炼胶喷霜现象，还可以改善胶料物理性能，有望替代不溶性硫黄。

调研表明，国内外尚未有聚合物包覆硫黄产品上市，仅国外部分专利介绍了微胶囊硫黄的制备方法。B.R.Palmer等[1]介绍了微胶囊硫黄的制备工艺条件，制得的微胶囊平均粒径为5～20 μm，壳厚度为30～100 nm，整个包覆层厚度为40～200 nm，微胶囊壳具有良好的机械稳定性和热稳定性（在120～140 ℃熔化或分解）。Maruyama Tsutomu[2]介绍了包覆硫黄的制备和评价方法，指出包覆硫黄可改善硫黄在胶料中的分散性，提高胶料表面粘性，改善胶料加工性能，防止胶料喷霜，并且不影响胶料的门尼粘度、硬度、拉伸强度和拉断伸长率等。Endruschat Uwe等[3]介绍了采用无机物包覆硫黄的方法。国外对包覆硫黄在轮胎胶料中的应用研究鲜见报道，国内李和平等[4-5]进行了无机物包覆硫黄的相关研究。

本工作采用聚合物对硫黄进行微胶囊包覆，并以全钢载重子午线轮胎带束层胶为例，研究不同工艺制备的聚合物包覆硫黄对胶料性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），牌号SMR10，马来西亚产品；炭黑N375，天津炭黑厂产品；不溶性硫黄IS-7020，上海京海化工有限公司产品；聚合物包覆硫黄S1，S2，S3，实验室自制。

聚合物包覆硫黄S1，S2，S3是以聚合物为壁材，分别采用复凝聚法、界面聚合法、原位聚合法制备，壁材质量分数为0.20，硫黄质量分数为0.80。

1.2 试验配方

基本配方：NR 100，炭黑N375 43.5，氧化锌 8，硫黄（变品种） 5，其他 21.75。

1#，2#，3#，4#配方除分别添加聚合物包覆硫黄S1、S2、S3、不溶性硫黄IS-7020外，其余组分相同。

1.3 主要设备与仪器

XK-160A型双辊开炼机，上海橡胶机械厂产品；1.7 L本伯里密炼机，英国Farrel Bridge公司产品；C2000E型橡胶无转子硫化仪，北京友深电子仪器有限公司产品；25 t框式平板硫化机，浙江和孚橡胶机械厂产品；AI-7000M电子拉力机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品。

1.4 混炼工艺

胶料混炼分两段进行。一段混炼在密炼机上进行，密炼室初始温度为60 ℃，转子转速为80 r·min-1，混炼工艺为：生胶硬脂酸、氧化锌等小料炭黑清扫排胶（150～170 ℃）。二段混炼在开炼机上进行，混炼工艺为：一段混炼胶→硫黄和促进剂→薄通6次→下片。

1.5 性能测试

胶料性能测试按相应国家标准进行。

2 结果与讨论

2.1 硫化特性

聚合物包覆硫黄对胶料硫化特性的影响如表1所示。从表1可以看出：1#配方胶料的门尼粘度略高，加工性能略差；3#配方胶料的抗焦烧性能较好，其他硫化特性与其余配方胶料相当。说明采用复凝聚法聚合物包覆硫黄的胶料加工性能略差，采用原位聚合法聚合物包覆硫黄的胶料加工安全性较好。

表1 聚合物包覆硫黄对胶料硫化特性的影响

2.2 物理性能

聚合物包覆硫黄对胶料物理性能的影响如表2所示。从表2可以看出：在3种聚合物包覆硫黄胶料中，3#配方胶料的撕裂强度较高，压缩疲劳温升较低，热老化后拉伸强度和拉断伸长率较高；与不溶性硫黄IS-7020胶料相比，聚合物包覆硫黄胶料的硬度和定伸应力稍高，拉伸强度和拉断伸长率较低，热老化后100%定伸应力较高，拉伸强度和拉断伸长率较低。这可能是聚合物包覆硫黄的外壁为高分子聚合物，而不溶性硫黄IS-7020为充油产品，聚合物壁材比油的滑动性差，导致聚合物包覆硫黄胶料的拉伸强度和拉断伸长率等性能降低；从溶胀指数来看，聚合物包覆硫黄胶料的交联密度与不溶性硫黄IS-7020胶料相当，3种聚合物包覆硫黄胶料之间无明显差异，证明聚合物包覆硫黄在硫化过程中能够完全、快速释放硫黄，形成与不溶性硫黄相当的交联网络。

表2 聚合物包覆硫黄对胶料物理性能的影响

2.3 粘合性能

聚合物包覆硫黄对橡胶与钢丝粘合性能的影响如表3所示。从表3可以看出：3#配方胶料的粘合性能最佳，初始H抽出力达931 N；2#配方胶料和3#配方胶料的初始H抽出力高于4#配方胶料；湿热老化、热老化、盐水浸泡后胶料与钢丝的粘合性能降低，1#配方胶料老化后H抽出力下降幅度最大，2#配方和3#配方胶料老化后的H抽出力与4#配方胶料基本相当。