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. 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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)