納米氧化鋅應(yīng)用到橡膠中的好處
氧化鋅除具有硫化活性劑的作用外,還具有硫化、補強相容的作用。采用納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)可以降低氧化鋅用量,并保證有較高的活性.對節(jié)約我國鋅資源具有重要的現(xiàn)實意義。
1.氧化鋅在橡膠中的作用機理
氧化鋅對許多促進劑都有增強促進的作用。在硫化過程中,氧化鋅與促進劑、硫黃硬脂酸、橡膠大分子鏈以及相應(yīng)的中間產(chǎn)物都能發(fā)生反應(yīng),說明氧化鋅所具有的活化促進作用復(fù)雜。但大量試驗結(jié)果表明,氧化鋅作為硫化活性劑主要是對硫化過程中化學(xué)交聯(lián)鍵的形成速度、交聯(lián)鍵類型和數(shù)量產(chǎn)生重要的影響,從而提高硫化膠的交聯(lián)程度。在橡膠配合體系中,有機配合劑能溶解于膠料中只是各配合劑的溶解度不同。隨著溫度和配合劑用量的變化,部分配合劑會出現(xiàn)結(jié)晶或噴出現(xiàn)象。無機配合劑一般以分散的狀態(tài)存在于膠料中。因此可以認(rèn)為在硫化過程中氧化鋅作為活性劑,與有機促進劑、硬脂酸硫黃等的反應(yīng)發(fā)生在氧化鋅粒子的表面。由于氧化鋅對電子的親合能大,吸附促進劑的能力強,在硬脂酸的作用下生成可溶于膠料的促進劑鋅鹽從而提高其溶解度,并與胺或脂肪酸形成-種鋅的絡(luò)合物,使促進劑更加活潑。硫黃加入絡(luò)合物中,通過誘導(dǎo)活化作用形成很強的硫化劑。在此過程中氧化鋅粒子表面不斷地發(fā)生反應(yīng)粒徑不斷減小,并消耗氧化鋅直到膠料充分硫化。隨著氧化鋅粒徑的變化,其比表面積和結(jié)構(gòu)性決定著對硫化的活化作用。
2. 納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)對膠料性能的影響
我國的納米氧化鋅技術(shù)是在20世紀(jì)80年代中后期發(fā)展起來的。通過化學(xué)法生產(chǎn)的納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)其粒徑約為10~80 nm。隨著氧化鋅粒的進一步減小,其表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)界面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)。
2.1對膠料工藝性能的影響
氧化鋅的基本性質(zhì)主要有粒子比表面積和結(jié)構(gòu)性對橡膠加工過程產(chǎn)生較大的影響,特別是對混煉和硫化等工藝。氧化鋅在橡膠中的混入時間與其比表面積和結(jié)構(gòu)性密切相關(guān)。混煉時雖然極易混入,但分散困難或易產(chǎn)生膠料凝膠。
納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)因具有大比表面積和界面效應(yīng)等而使其高活性的表面極易凝聚結(jié)團,這必然影響其分散性。杭州萬景新材料有限公司對納米氧化鋅進行表面改性處理,以提高其在膠料中的分散性。另外,使用者也應(yīng)合理優(yōu)化混煉工藝,在制備母煉膠和加料順序等方面加以改進以充分提高納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)的分散性。以納米氧化鋅等量替代間接法氧化鋅,可不同程度地提高膠料的門尼粘度和最小轉(zhuǎn)矩。試驗報告顯示,與間接法氧化鋅相比,杭州萬景新材料有限公司生產(chǎn)的納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)膠料的整體后移,這種延遲作用隨著膠料配方中硫化體系的不同而不同。將納米氧化鋅與間接法氧化鋅用于胎面膠中進行小配合試驗對比,其硫化特性也顯示類似的結(jié)果.如表1所示。
由表1可見,由于納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)的粒徑小、比表面積大,對次磺酰胺類促進劑的吸附作用大,因此對膠料的焦燒硫化起步延遲,提高了膠料的加工安全性。納米氧化鋅的加入遲滯了橡膠大分子鏈的運動性,降低了大分子鏈與硫化體系的反應(yīng)能力,表現(xiàn)為19m延長。
2.2對硫化膠物理性能的影響
一般來說,氧化鋅對硫化體系的活化作用主要取決于其比表面積。而納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)所具有的小尺寸效應(yīng)界面效應(yīng)和隧道效應(yīng)可使其活化效率顯著提高,從而對硫化膠的物理性能產(chǎn)生較大影響。不同比表面積的納米氧化鋅在載重斜交輪胎胎面膠配方中的試驗結(jié)果如表2所示
從表2可以看出,納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)硫化膠的物理性能與其比表面積之間存在著很強的相關(guān)性,尤其是硫化膠的300 %定伸應(yīng)力、耐磨性、壓縮永久變形、壓縮疲勞溫升等性能均比間接法氧化鋅膠料顯著提高。說明納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)隨著比表面積的增大,對電子的親合能力提高吸附促進劑,特別是次磺酰胺類促進劑的能力逐漸增強。在膠料中形成的鋅鹽絡(luò)合物的含量增大,使交聯(lián)鍵中多硫鍵減少單硫鍵和雙硫鍵增多,交聯(lián)鍵的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了變化,交聯(lián)密度增大。隨著所使用的納米氧化鋅比表面積的增大,硫化膠達(dá)到一定變形所消耗的能量提高,反之消耗同樣能量硫化膠所產(chǎn)生的變形減小, 因此硫化膠的300 %定伸應(yīng)力和耐磨性提高。此外,隨著納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)比表面積的增大,硫化膠的熱空氣老化性能保持率提高。
2.3納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)減量對硫化膠性能的影響
隨著氧化鋅粒徑的減小、比表面積的增大,減小納米氧化鋅用量仍能滿足對硫化活化的要求。不同用量納米氧化鋅(比表面積為60m2/ g)與5份間接法氧化鋅對硫化膠物理性能的影響對比如表3所示。從表3可以看出,納米氧化鋅減量后(除減量80 %外)與未減量時的硫化膠相比,硫化膠的強伸性能相近,耐磨性有所提高。與間接法氧化鋅硫化膠相比,納米氧化鋅硫化膠的強伸性能顯著提高,這充分說明氧化鋅參與反應(yīng)是在粒子的表面進行。氧化鋅比表面積只要達(dá)到一定程度就能保證對硫化的活化作用,說明納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)減量使用具有很強的可行性。
(1)定伸應(yīng)力耐磨性及耐熱老化性能減小壓縮永久變形,降低壓縮疲勞溫升,適用于受力形式為定負(fù)荷變形的橡膠制品。
(2)與普通間接法氧化鋅相比,納米氧化鋅(VK-J30,VK-J50,VK-J30H,VK-J50H,VK-J50L)的分散性相對較差,還應(yīng)從其表面改性,造粒等方面加以改進。
(3)納米氧化鋅減量50 %使用,可保證硫化膠的性能要求。