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稀土催化聚异戊二烯橡胶的制备及其在轮胎胎面胶中的应用

2022-04-12 来源:画鸵萌宠网
538 轮胎工业 2012年第32卷 稀土催化聚异戊二烯橡胶的制备及其 在轮胎胎面胶中的应用 陈国忠 ,张建国 ,杨花娟。,张爱民。 (1.中国石油化工股份有限公司化工事业部,北京 100011;2.中国石化巴陵石油化工有限责任公司,湖南岳阳 414014;3.四川大学高分子材料重点实验室,四III成都61O0O0) 摘要:以异戊二烯为单体,以新癸酸钕(Nd)、二异丁基氢化铝、氯化二乙基铝三元络合物为催化剂合成聚异戊二 烯橡胶(Nd—IR),并分别与进FI和国产钛系聚异戊二烯橡胶(Ti~IR)进行性能对比研究。结果表明:Nd-IR的顺式1,4一 结构质量分数和硫化胶的物理性能均与Ti-IR相当;Nd—IR用于轮胎胎面胶具有较好的抗湿滑性能和较低的滚动阻 力,且适用于冬季轮胎胎面胶。 关键词:稀土催化剂;聚异戊二烯橡胶;产率;物理性能;动态力学性能 中图分类号:TQ333.3;TQ333.1;TQ336.11。1 文献标志码:B 文章编号:loo6—8171(2012)09 0538—07 聚异戊二烯橡胶(IR)的分子结构与天然橡 胶(NR)相同,故俗称为合成NR。IR是NR的理 质量差、产量不足、各研发单位保守、信息不畅及 国家的支持力度有限等。 本工作以Ip为单体,以新癸酸钕(简称Nd 剂)、二异丁基氢化铝(A1剂)、氯化二乙基铝(CI 想替代品,广泛用于轮胎、胶管、胶带等橡胶制品, 是合成橡胶中综合性能较好的胶种之一,IR是 异戊二烯(Ip)单体在齐格勒一纳塔催化剂作用下 经溶液聚合制得。IR和NR生胶的综合性能均 剂)三元络合物为催化体系合成Nd-IR,并与进口 钛系IR(Ti_IR)和锂系IR(Li-IR)的结构和物理 性能进行对比研究,以期为我国IR工业提供参 考数据。 1 实验 1.1主要原材料 优于顺丁橡胶和丁苯橡胶,IR可单独使用,也可 与其他通用橡胶并用,如IR替代23 的NR用 于制作轮胎,与全NR轮胎相比,其基本性能保持 不变。 稀土金属是合成高度立构规整结构橡胶的高 效催化剂,与国际上传统使用的钛系催化剂相比, 稀土催化剂活性高,用量少,易于均匀分散,聚合 物凝胶含量低,灰分含量小(质量分数低于 0.003),引发剂残留物对橡胶性能无害,无需水洗 脱灰。稀土催化剂配制和使用简单,聚合引发速 Ip一1,中国石化上海石油化工股份有限公司 产品;Ip-2,宁波金海德旗化工公司产品;Ip一3,淄 博齐鲁乙烯鲁华化工有限公司产品;Ip一4,河南濮 阳化工厂产品(4种均为工业级,水质量分数均小 于2.5×10 )。A1剂(浓度为1.1 mol・L 的甲 率快,诱导期短,可连续聚合生产性能优异的稀土 IR。因此,稀土催化IR成为研究热点口 ]。 我国自20世纪6O年代就开始稀土催化IR 苯溶液),美国Strem Chemical公司产品;C1剂 (浓度0.25 mol・L 的已烷溶液),南京联盛化 的研究,目前仅有少数民营企业生产钕系IR(Nd- IR),实际年产量不足3万t,主要原因有Ip原料 作者简介:陈国忠(1967一),男,浙江温岭人,中国石油化工 工厂产品;加氢c 油(工业级,水质量分数小于 1.5×10 ),中国石化长岭炼油化工有限责任公 司产品;Ti—IR,牌号为IR一2200,日本Zeon公司产 股份有限公司高级工程师,硕士,主要从事溶聚丁苯橡胶合成及 性能的研究工作。 *通信联系人 品;稀土异戊橡胶(HNd—IR),茂名鲁华化工有限 公司产品;Ti-IR,牌号为CNH-3,俄罗斯Sibur公 司产品;溶聚丁苯橡胶(ssBR),牌号3350~60和 第9期 陈国忠等.稀土催化聚异戊二烯橡胶的制备及其在轮胎胎面胶中的应用 539 3340—90,中国石化巴陵石油化工有限责任公司中 试产品;SSBR,牌号Tufdrene一3835和Tufdrene一 3830,日本旭化成株式会社产品;抗硫化返原剂, 牌号为WK一901,工业级,武汉径河化工有限公司 产品;Nd剂(浓度为0.4的己烷溶液),自制。 1.2试样制备 1-2.1 Nd_-IR 在室温、氮气保护条件下,将定量的己烷加入 干燥洁净的250 mL牛角瓶中,然后分别加入Nd 剂、Al剂和cl剂,并用磁力搅拌器搅拌2 h,然后 陈化4 h后备用[3 ]。 在5 L聚合釜中加入3.0~3.5 L加氢c 油,真空吸入一定量上述催化剂陈化液,然后加人 300 ̄500 mL的Ip,反应温度为35~70℃,反应 3~20 rain后溶液粘度上升,再反应3~4 h后出 料,加入防老剂BHT己烷溶液终止剂,然后用蒸 汽凝聚,干燥后得Nd—IR。 1.2.2硫化胶 将IR烘干、切碎,将开炼机辊距调至1.5 mm,辊温为45℃,加入IR塑炼,再将辊距调节 至4 mill,于55℃进行混炼。 胶料在平板硫化机上硫化,硫化条件为145 ℃/lO MPa×35 min。 1.3主要设备和仪器 5 L聚合釜,威海化工机械有限公司产品; 声15o 1Tim×150 mm内冷式开炼机,上海橡胶机械 厂产品;YXC一50(D)型平板硫化机,上海西玛伟 力橡塑机械有限公司产品;FL—IR 01型傅里叶红 外光谱(FTIR)仪,美国Perkin Elimer公司产品; SMV-3OO型门尼粘度仪和AGS-X型万能材料试 验机,日本岛津公司产品;DMTA-Ⅳ型动态粘弹 谱仪,美国Rheometric Scientific公司产品。 1.4测试分析 1.4.1 Nd—IR产率 合成胶液经凝聚、脱水、烘干至恒质量后的干 胶质量与反应前加入的单体Ip质量的比值。 l-4.2 FTIR分析 胶料的FTIR谱采用FTIR仪进行测试。 Nd—IR的顺式1,4一结构和3,4一结构质量分数按下 式进行计算[5]。 顺式1,4-结构质量分数一(145×D836— 1.95×D。8。)/A (1) 3,4-结构质量分数=(19.9 XD。∞一 1.79×D。36)/A (2) A一145×D836—1.95×D98。+ 1.99×D89o一1.79×D836 (3) 式中 D 。。——1,4一链节吸光度; D。。。——3,4一链节吸光度; D。。。——1,2一链节吸光度。 1.4.3杂质质量分数 采用气相色谱仪FID检测器定量测试异戊 二烯聚合时的有害杂质环戊二烯和异丙基乙炔。 分析条件:OV一1701色谱柱50 m×0.32 mm× 0.5 m,柱温 5O℃(保持5 min后升温),升温 速率 10℃・min (升至200℃后保持10 min),汽化温度 240℃,柱前压65 kPa,检测 温度 240℃。 1.4.4门尼粘度 胶料门尼粘度[ML(1+4)100℃]采用门尼 粘度仪进行测试,升温速率为2O℃・min一。 1.4.5物理性能 邵尔A型硬度按ASTM D1415--2007 《Standard Test Method for Rubber Proper— ty——International Hardness ̄进行测试;拉伸性 能按GB/T 528--2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》进行测试。 1.4.6动态力学性能 动态力学性能采用动态粘弹谱仪进行测试, 频率10 Hz,温度 一70~+100℃,升温速率 2℃・min,应变0.2 。 2结果与讨论 2.1合成Nd-IR 2.1.1 Al剂/Nd剂摩尔比的影响 以Ip一2为单体,cl剂/Nd剂的摩尔比为2.8, 引发反应温度为60℃,Al剂/Nd剂摩尔比对 Nd—IR门尼粘度和产率的影响如表1所示。 从表1可以看出,随着Al剂/Nd剂摩尔比的 增大,反应引发时间(指单体引发后胶液粘度增 大,聚合溶液表面在静态时产生的气泡15 s)6破 540 轮胎工业 2012年第32卷 表1 Ai剂/Nd剂摩尔比对Nd-IR胶料门尼粘度 和产率的影响 项 目 从表3可以看出:随着催化剂Nd剂用量的 增大,聚合反应引发时间缩短,反应速率增大, Nd-IR的门尼粘度和产率也增大;催化剂用量过 引发时间/min 门尼粘度 产率/ 剂 一加一 u船¨ 诣~毖~  小时Ip不发生聚合反应,催化剂用量过大时不经 济。因此,100 g的Ip中适宜的Nd剂用量为 0.172~0.240 mmol。 二 一 裂时的时间)缩短,Nd-IR的门尼粘度先增大后减 2.1.4 Ip中环戊二烯(CPD)含量的影响 小,产率增大。Al剂/Nd剂的摩尔比增大,Al剂 的用量增大,成本也相应增加。因此,当Al剂/ Nd剂摩尔比为3O~40时,Nd-IR的门尼粘度和 产率较大。 2.1.2 Cl剂/Nd剂摩尔比的影响 一蚯一 呱 以Ip一2为单体,Al剂/Nd剂的摩尔比为35, 反应温度为60℃,Cl剂/Nd剂的摩尔比对Nd— IR门尼粘度和产率的影响如表2所示。 表2 Ci剂/Nd剂摩尔比对Nd-IR胶料门尼粘度 和产率的影响 项 目 引发时间/rain 门尼粘度 产率/ 从表2可以看出,当Cl剂/Nd剂的摩尔比过 大或过小时,Nd—IR的引发时间长,甚至不发生聚 合,门尼粘度和产率较小。因此,适宜的C1剂/ Nd剂摩尔比为2.5~3,此摩尔比下可获得门尼 粘度较大、产率较高的Nd—IR。 2.1.3催化剂Nd剂用量的影响 以Ip一1为单体,Cl剂/Nd剂和Al剂/Nd剂 摩尔比分别为3和30,聚合反应时间为4 h,反应 温度为50~65℃,100 g的Ip中催化剂Nd剂 用量对Nd—IR门尼粘度和产率的影响如表3 所示。 表3 lOO g的Ip中催化剂Nd剂用量对Nd-IR 门尼粘度和产率的影响 项一 目 Nd剂的用量/mmol 引发时间/min 门尼粘度 产率/ 不同厂家不同批次生产的Ip中,CPD及其 他有害杂质含量有较大的波动,Cl剂/Nd剂和Al 剂/Nd剂的摩尔比分别为3和35,100 g的Ip中 催化剂Nd剂用量为0.206 mmol,每千克Ip中 CPD质量对Nd—IR f-1尼粘度和产率的影响如表 4所示。 表4 CPD质量对Nd-IR门尼粘度和产率的影响 注:1)每千克Ip中CPD的质量;2)60 rain不引发。 从表4可以看出,随着CPD含量的增大,聚 合反应活性降低,Nd—IR的门尼粘度和产率都减 小。因此,要合成较大门尼粘度和产率的Nd—IR, 每千克Ip中CPD质量需控制在25 mg以下(质 量分数低于2.5×10 )。 2.1.5聚合反应时间的影响 以Ip一2(CPD质量分数低于2.5×10 )为 单体,cl剂/Na剂和Al剂/Nd剂的摩尔比分 别为2.8和35,反应温度为50~65℃,聚合反 应时间对Nd—IR门尼粘度和产率的影响如表5 所示。 从表5可以看出,随着聚合反应时间的延长, Nd—IR的门尼粘度和产率增大,当单体接近完全 聚合后,门尼粘度增大不明显。因此,适宜的聚合 表5聚合反应时间对Nd-IR门尼粘度 和产率的影响 第9期 陈国忠等.稀土催化聚异戊二烯橡胶的制备及其在轮胎胎面胶中的应用 541 反应时间为4 h。 2.1.6反应温度的影响 以Ip一2(CPD质量分数低于2.5×10 )为单 体,Cl剂/Nd剂和Al剂/Nd剂摩尔比分别为2.8 和35,聚合反应时间为4 h,反应温度对Nd—IR门 尼粘度和产率的影响如表6所示。 表6反应温度对Nd-IR门尼粘度 和产率的影响 从表6可以看出,当反应温度较低时,Ip也 能引发聚合,但随聚合反应的进行,当相对分子质 量增大后,介质传质效果差、聚合反应慢,产率较 小。适宜的聚合反应温度为50 ̄60℃,该温度有 利于降低胶液的粘度,提高传质效果,提高Nd—IR 的产率。 综上所述,适宜的反应条件为Ip中CPD质 量分数低于2.5×10一,CI剂/Nd剂和Al剂/Nd 剂摩尔比分别为2.5~3和3O~40,100 g的Ip 中Nd剂用量为0.172~0.240 mmol,反应温度 为5O~6O℃,聚合反应时间为4 h,制得的Nd-IR 门尼粘度为43 ̄86,Ip的单程转化率大于98%。 2.2生胶的性能 2.2.1 FTIR分析 图1所示为自制Li—IR,Ti—IR(CNH_3)和T卜 IR(2200)的FTIR谱,图2所示为HNd—IR和自 制Nd-IR的FTIR谱。 从图1和2可以看出,836 cm 处为顺式1, 4一结构伸缩振动吸收峰,980 cm 处为3,4一结构 伸缩振动吸收峰。 从图1和2还可以看出:自制Li—IR,Ti—IR (cN王,I一3)和Ti_IR(2200)的3,4一结构伸缩振动吸 收峰峰高分别为0.22,0.05和0.05,顺式l,4一结 构伸缩振动吸收峰峰高分别为0.19,0.20和 0.16;HNd—IR和自制Nd—IR的3,4一结构伸缩振 动吸收峰峰高分别为0.03和0.05,顺式1,4一结 构伸缩振动吸收峰峰高分别为0.07和0.11。说 明自制Nd—IR顺式1,4-结构振动较强,而3,4-结 渡数/cm (a)Li—IR(自制) 波数/cm (b)Ti-IR(CNH一3) 获翌 /cm (c)Ti—IR(2200) 图1 Ti-IR和Li—IR的FTIR谱 构伸缩振动较弱。Ti—IR(cNI,I一3)和T卜IR (2200)的3,4一结构伸缩振动强度相似,而自制 Li-IR的3,4一结构伸缩振动明显强于Ti—IR和 Nd-IR。 几种IR的微观结构参数如表7所示。 从表7可以看出,自制Nd—IR的顺式1,4一结 构质量分数高达0.960,而Li—IR仅为0.870。 2.2.2相对分子质量 IR的相对分子质量及分布影响其加工性 542 轮胎摹 \ 甜 趔 蝈 波数/cm一 (a)HN IR 波数/cm (b)自制Nd—IR 图2 HNd-IR和自制Nd-IR的FTIR谱 表7几种IR的微观结构参数 IR胶料 顺式1,4-结构质量分数3,4-结构质量分数 能。合成Nd—IR的相对分子质量越大、相对分子 质量分布越宽,加工性能越好,但合成Nd—IR的 单体Ip必须纯度高、有害杂质含量低,这是因为 Nd—IR是变性胶,在加工剪切作用下,其粘度下降 很快。 图3所示为自制Nd—IR和HNd—IR的相对 分子质量分布曲线。 从图3可以看出,自制Nd—IR和HNd-IR的 数均相对分子质量分别为193 200和21l 630,重 均相对分子质量分别为332 710和339 060,相对 分子质量分布指数分别为1.72和1.60。说明自 制Nd—IR与同行业产品同比,结构参数类似。 工业 2012年第32卷 时l司/min 1一HNd—IR;2一Nd IR。 圈3 自制Nd-IR和HNd-IR的相对分子质量分布曲线 2.3胶料性能 2.3.1 门尼粘度 IR在开炼机上混炼吃粉前3 min,门尼粘度 下降很快,随后包辊,“假凝胶”被剪断,当配料全 部被“吃尽”混炼结束后,门尼粘度下降到一个较 低的值后有粘辊、粘指现象。表8所示为IR生胶 和混炼胶的门尼粘度。 表8 IR生胶和混炼胶的门尼粘度 项 目 自制Nd—IR HNd-TiIR Ti—IR 1# 2# 3# IR (2200)(CNH 3) 门尼粘度 生胶 22 42 88 86 74 83 混炼胶 7 18 23 23 22 23 加工性能 混炼胶不粘指可成型可成型可成型可成型 粘指,不可成型 能压延 成型 注:琨烁胶配方为IR 100,炭黑60,氧化锌3,硬脂酸 3,防老剂4010 1,升华硫1.5,促进剂NS 0.9。 从表8可以看出,生胶的门尼粘度越大,越有 利于后续成型及硫化,生胶门尼粘度低不利于后 续加工,因此生胶门尼粘度宜控制为42--88。 2.3.2物理性能 几种IR胶料的物理性能如表9所示。 从表9可以看出:Nd-IR混炼胶的加工性能 (下片、包辊)较好、易操作,这是由于Nd—IR的相 对分子质量分布比LHR宽的原因;不同门尼粘 度的自制Nd—IR与TI_IR相比,其物理性能相当; 顺式1,4一结构质量分数较大的Nd—IR物理性能 明显好于Li—IR。 第9期 陈国忠等.稀土催化聚异戊二烯橡胶的制备及其在轮胎胎面胶中的应用 543 表9 IR胶料的物理性能 2.4胎面胶性能 2.4.1物理性能 SSBR/IR胎面胶的物理性能如表1O所示。 表10 SSBR/IR胎面胶的物理性能 注:1),2),3)和4)乙烯基质量分数分别为0.5,0.4,0.4和 o.4。胎面胶配方为SSBR(变品种,填充油质量分数均为0.375) 103.1,IR(变品种) 35,自炭黑 70,偶联剂Si69 7,炭黑 N234 5。氧化锌3,硬脂酸1.5,抗硫化返原剂WK901 0.5, 防老剂4020 2,石蜡1,环保油TDAE 3,硫黄 1.4,促进剂 CZ 1.7,促进剂D 1.5。 从表10可以看出,不同门尼粘度的IR用于 胎面胶的物理性能相当。 2.4.2动态力学性能 SSBR/IR胎面胶的损耗因子(tan3)-温度曲 线如图4所示,其具体数据如表11所示。 从图4和表11可以看出:SSBR/自制IR胎 面胶O℃下的ta时值较大,表明其抗湿滑性能较 好,这是由于SSBR有较适宜的苯乙烯和乙烯基 含量;60℃下的tan 值均较低,表明其滚动阻力 较低,这是由于1R的顺式1,4一结构含量较大及 配方编号:1一A;2一B;3一C;4一D。 图4 SSBR/IR胎面胶的tana-温度曲线 表儿SSBR/IR胎面胶的动态力学性能数据 其分子链段的规整性;胎面胶的玻璃化温度也较 低,因此说明Nd-IR适用于冬季轮胎胎面胶。 总体而论,门尼粘度为33 ̄74的自制Nd-IR 硫化胶具有较好的物理性能和实用性。 3结论 (1)以异戊二烯为单体,以新癸酸钕、二异丁 基氢化铝、氯化二乙基铝三元络合体为催化剂合 成Nd—IR,当反应温度为50~7O℃,反应时间为 4 h,二异丁基氢化铝/新癸酸钕摩尔比为3O~35, 氯化二乙基铝/新癸酸钕摩尔比为3,每100 g异 戊二烯(杂质CPD含量小于2.5 mg)添加新癸酸 钕0.172 ̄0.240 mmol时,可合成顺式1,4-结构 质量分数大于0.96的Nd-IR,其门尼粘度为33~ 88,产率为98 。 (2)自制Nd—IR的物理性能与同类国产和进 口Ti—IR相当,用于胎面胶具有较好的抗湿滑性 能和较低滚动阻力,且适用于冬季轮胎胎面胶。 参考文献: I-1]Arthar V.Isoprene Polymerization by Organometallic Com— pounds[J].Journal of Polymer Science,1959・Ⅺ(136): 73—89. E2]吕红梅,白晨曦,蔡小平,等.稀土异戊橡胶研究进展[J].弹 544 轮胎工业 2012年第32卷 性体,2009,19(1):61 64. [3]Mitacek J,Mariz C L,Pennington E N.Recovery of Polymer from Solution[P].USA:USP 3190868,1960 10—20. 51—56. [5]高红艳,宋玉萍,王风江,等.用粘度法测定稀土顺丁橡胶的 相对分子量[J].合成橡胶工业,2010,33(2):101 105. 收稿日期:2012—03 30 [4]索尔特罗w M.立构橡胶[M].北京:化学工业出版社,1977: Preparation of Rare Earth Polyisoprene Rubber and Application in Tire Tread Chen Guo—zhong 。ZHANG Jian—guo ,yANG Hua-juan ,ZHANG Ai—min。 (1.China Petr0leun and Chemical Corporation,Beijing 100011,China;2.Baling Petrochemical Company,SINOPEC,Yueyang 414014, China;3.Sichuan University,Chengdu 610000,China) Abstract:Rare earth neodymium polyisoprene rubber(Nd—IR)was prepared by using isoprene as monomer,and ternary complex of neodymium neodecanoate,diisohutyl aluminum hydride and diethyla— luminum chloride as catalyst.The properties of Nd—IR,imported and domestic rare earth titanium polyisoprene rubber(Ti—IR)were comparatively investigated.The results showed that,the mass frac— tion of cis 1.4 units of Nd—IR and physical properties of Nd—IR vulcanizate were similar to Ti—IR.The tire tread compound with Nd—IR possessed better wet skid resistance and lower rolling resistance,and thus it could be applied in winter tire tread. Key words:rare earthcatalyst;polyisoprene rubber;productivity;physical property;dynamic property 飞劲公司推出Azenis超高性能轮胎 中图分类号:TQ336.1 文献标志码:D 和兰博基尼Gallardo等跑车的主要配置。 飞劲公司称,FK453CC系列轮胎在如保时捷 Cayenne和宝马X5等交叉车型中使用显示出其 完美性能。 美国《现代轮胎经销商》(www.moderntire— dealer.corn)2012年6月4日报道: 飞劲轮胎公司新Azenis超高性能(如图1所 示)FK453和FK453CC系列轮胎现正发售。 FK453系列轮胎的刚性胎体具有很高的拉 伸强度,非对称的胎面花纹设计突出了白炭黑复 合胶料的特性。 FK453系列轮胎拥有轮辋直径为17~22英 寸的多种规格,FK453CC系列轮胎可提供轮辋直 径为17 ̄20英寸的规格。“该产品具有飞劲公司 最新的设计和工艺技术特征,成为终极驾驶轮 胎,”飞劲公司营销副总裁Andrew Hoit说,“其 发售结合了积极的营销活动,包括平面广告、电视 广告以及2012保时捷911 Carrera全国范围内的 抽奖赠品活动。” Azenis FK453和FK453CC系列轮胎于 图1 Azenis超高性能轮胎 2011年10月31日一11月4日在内华达州拉斯 飞劲公司的FK453系列轮胎测试在欧洲街 头进行,它是由飞劲公司的日本工厂设计和生产 的。FK453系列轮胎已是如保时捷911 Carrera 维加斯由轮胎工业协会举办的全球轮胎展览会期 间的2011改装车零配件展览会上推出。 (吴淑华摘译贺年茹校) 

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