轮胎的替代原材料.pdf
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1、15梁玉兰.轮胎的替代原材料第2 期村料配方轮胎的替代原材料梁玉兰编译摘要:这项工作的主要研究了几种可替代传统原材料的胶料,可作为改进轮胎橡胶应用可持续性状况的其中一部分。虽然需要进一步地研究才能更好地了解基本原理,但是研究结果也清楚地表明了这类胶料的潜力,不仅能提供高性能橡胶材料,还有利于硫化胶的整体可持续发展性。关键词:轮胎;原材料;胶料;硫化胶;替代1前言近年来,轮胎行业对高水平的可持续发展的追求势头越发强劲,并且一些生产商明确传达了可持续发展目标。实现可持续发展是一个多层面的过程,解决这一难题的途径之一就是在轮胎生产中引进替代原材料。由于绝大部分橡胶都是由聚合物、填料及增塑剂组成的,因
2、此,在另外寻求具有可持续性价值的生物基替代品方面,这些组分是应该引起注意的。聚合物生产商已经逐渐引入生物基替代品来合成橡胶,如聚丁二烯和EPDM橡胶。Hevea天然橡胶本身是一种可再生的聚合物,作为最成熟的聚合物之一,已经被广泛应用于橡胶工业中,特别是轮胎制造。同时,也有其他替代品正在逐渐被大众熟知,如银菊胶和蒲公英天然橡胶。来源于农副产品的填充物,如蛋壳和稻壳硅,也被视为实现橡胶补强剂可持续性的替代品,而后者已被逐渐商业化。关于增塑剂,尽管一对一的替代难以实现,但普通植物油,如菜籽油和大豆油,已经被业界用来替代部分传统矿物油。近年来,资深轮胎油供应商为了找到合适的可持续性轮胎油,进行了更深入
3、的研究。这篇文章的目的是,寻求一种可替代传统原材料的关键组分的生物基复胶料原材料,例如银菊胶天然橡胶(GNR),稻壳硅和生物基轮胎油-NytexBio6200,已经被开发,并评估了它们在轮胎组分中的性能。结果表明,这些原材料有可能会因为大量增加的生物基原材料,而成功地向高性能硫化胶靠拢。2实验部分在这项工作中,我们选择了NTC-S开发的轮胎胎面复合材料配方。随着标准替代品的的逐步替代,生物基和非传统的关键原材料-聚合物,填料和增塑剂的数量逐步增加(如表1所示),其它配方保持不变。GNP是从俄亥俄州立大学(OSU)的园艺和作物科学系(HCS)获得的。Hevea天然橡胶(HNR)可在市场上购买获得
4、,技术等级为十级(TSR10)。表2 中给出了聚合物的主要性能。162023年第49 卷现代橡胶技术表1本研究中所用到的轮胎胎面胶配方组成组分名称SBR NT4700HNR-NT4700HNR-NTB6200GNR-NTB6200GNR-NTB6200-RHS用量单位phrphrphrphrphrFx-SSBR 13535353535Fx-SSBR 235Heave天然橡胶3535Guayule天然橡胶3535BR3030303030传统硅9090909090稻壳硅90TESPT7.927.927.927.927.92Nytex47003636NytexBio 6200363636表2在本研究
5、中聚合物的主要性能SBR.1SBR2HNRGNRBR门尼粘度MU)63.4*70*72*19.744*Tg()-25*-62*-64-62.5-100*供应商提供*Nynas实验室测试稻壳硅,QryzasilHD165MP由Oryzasil提供。传统硅和稻壳硅的表面积均接近16 0 m/g,因此视为具有可比性。本项目使用了两种增塑剂。Nytex4700是一种环烷类黑色油,在全球轮胎油中占据重要地位;Nytex Bio6200是Nynas于2 0 19 年推出的一种生物基轮胎油。表3给出了实验中使用油的主要性能。表3本研究中使用油的主要性能油种类KV40(mm/s)KV100(mm/s)苯胺点(
6、)Tg()Nytex47007002991-55Nytex Bio 62001501257-68所有的外部原材料都是直接使用的,这些胶料在橡胶实验室中用填充系数为7 0%,1.5L-双螺杆内部混合器进行三级混合。随后样品被制作成特定几何形状,在热压力为30 0 kN,温度为17 0 条件下进行硫化。组分的表征方法及设备见表4。3结果与讨论混合过程是非常重要的,特别是对于硅填充的轮胎橡胶组分。在混合过程中,硅填充物团聚体在混合器内因受到剪切力而被分散开,并通过偶联剂(本例中用TESPT)和硅填充物表面之间的硅烷化反应来防止其重新聚集。这种反应一般在较17轮胎的替代原材料梁玉兰,第2 期高的温度下
7、进行,通常认为在温度范围为145155反应一段时间有利于混合组分达到有效硅烷化。表4本本研究用到的表征方法性质方法设备固化特性IS06502MonTechD-MDR3000硬度IS0 7619磨耗量DINISO 4649MonTechABR3000拉伸性能ISO 37Instron5900Universal Testingseries+AVE 2动态性能在10 Hz频率和0.1%MetravibDMA+300动态应变下进行温度扫描各组分的混合表现见图1,不同组分之间的差异较小。根据观察发现,没有一种组分达到目标温度145,这可能与该项目中混合器的填充系数降低有关。然而,观察到这么一个趋势:用G
8、NR作为聚合物之一制成的胶料在第一阶段混合器中的温度较低(图la),这可能是受聚合物的门尼粘度较低的影响。硫化反应的进展情况见图2。扭矩变化图(图2a)显示,使用传统轮胎油Nytex4700的硫化胶具有更高的扭矩变化速度及更高的固化速度,其中使用HNR作为聚合物之一的硫化胶的速度最高;在同一硫化胶中用NytexBio6200代替Nytex4700导致较低的扭矩变化速度。这种现象在早期的工作中也被观察到,并且很容易被硫化化学品(即硫化促进剂)的增加所补偿。在本研究中,我们保持所有组分的配方不变,以便对后续配方进行优化。GNR和RHS 的引入会导致扭矩进一步降低。(a)第一阶段混合:温度变化160
9、145120(O.)80?40聚合物硅/硅烧硅/硅烷(7 0%)(30%)0-060120180240300360420混合时问(s)硅烷化温度S BR/NT 47 0 0H NR/NT 47 0 0HNR/NTB6200GNR/NTB6200GNR/NTB6200/RHS(b)第二阶段混合:温度变化316024145120(0.)80第一阶段第二阶段4060120180240300360混合时间(s)硅烧化温度)S BR/NT 47 0 0I NR/NT 47 0 0HNR/NTB6200GNR/NTB6200GNR/ATB6200/RHS图1混合阶段混合器中的温度曲线含有GNR的胶料显示出
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