SCa&j&Mteny nr 2 Styczeń - Luty 1997 TOM 1
Leszek Pyskło*, Piotr Wilkoński*, Robert Stępkowski*
Wpływ soli cynkowych kwasów tłuszczowych oraz mieszanin żywic aromatycznych i
alifatycznych na
energochłonność wykonania mieszanek gumowych i ich właściwości
Zbadano wpływ soli cynkowych nasyconych i nienasyconych kwasów tłuszczowych oraz mieszanin żywic aromatycznych i alifatycznych na energo
chłonność wykonania, właściwości przerobowe, kinetykę wulkanizacji oraz właściwości wulkanizatów mieszanek gumowych stosowanych do produkcji opon samochodowych.
Mieszanki wykonywano w laboratoryjnej mieszarce typu Banbury o no
minalnej objętości komory 1,27 /, wyposażonej w opracowany w IPGum. „Sto
mil” system komputerowy Mikser; umożliwiający dokładną kontrolę i analizę procesu mieszania. Stwierdzono, że zastosowanie soli cynkowych i żywic po
prawiających właściwości przerobowe umożliwia zmniejszenie zużycia ener
gii potrzebnej do wykonania mieszanek nawet o 18 % i ułatwia dyspersję sa
dzy. Dodatki te nie mają istotnego wpływu na lepkość Mooneya oraz współ
czynniki K i a charakteryzujące właściwości przerobowe mieszanek, ale po
wodują wydłużenie czasu podwulkanizowania t5 i optymalnego czasu wulka
nizacji t9Q. Zachowanie dotychczasowych właściwości fizycznych wulkaniza
tów wymaga na ogól zmniejszenia ilości plastyfikatora.
Pracę wykonano w ramach projektu celowego Nr 464/C.S2-7/93.
Słowa kluczowe: dodatki do gumy, sporządzanie mieszanki gumowej, wła
ściwości technologiczne, zużycie energii
* Instytut Przemysłu Gumowego „Stomil”
TOM 1 Styczeń - Luty 1997 S&OAtMt&Uf, nr 2
Effect of zinc salts of fatty acids and mixtures of aromatic and aliphatic hydrocarbons (resins) on energy
consumption during the mixing process and properties of rubber compounds
An influence o f zinc salts o f saturated and unsaturated fatty acids and mixtures o f aromatic and aliphatic hydrocarbons (homogenizers) on mixing energy, processability, vulcanisation kinetics and vulcanizate properties o f tyre compounds was studied.
The rubber compounds were mixed in a laboratory mixer (Banbury 1,21 l) equipped with a computer system developed by the Rubber Research Institu
te „Stomil”. The system allows several important parameters to be continu
ously measured, recorded during the mixing process and precisely analysed.
It was found that the above mentioned additives improve processability o f rubber compound, reduce mixing energy up to 18 % and facilitate carbon black dispersion. They have no significant effect on Mooney viscosity, relaxa
tion factors K and a, scorch time (t.) and optimum vulcanisation time (t9Q).
Keeping physical properties on the same level needs usually a reducation o f plasticizer quantity.
The research work was done according to the aimed project No. 464/ C.S-2-7/93
Key words: processing aids, mixing, technological properties, energy consumption
Wprowadzenie
W ykonywanie m ieszanek gum ow ych w m ieszar
kach zam k n ięty ch ch arakteryzu je się dużą e n e rg o chłonnością.
Ze w zględu n a w zrastające ceny energii ele k trycznej przed technologam i stoi zadanie zm niejsze
nia jej zużycia podczas m ieszania i w trakcie innych procesów technologicznych. O szczędność energii m a rów nież aspekt ekologiczny.
Jednym ze sposobów zm niejszenia en ergochłon
ności procesu sporządzania m ieszanek gum ow ych jest zastosow anie soli cynkow ych nasyconych i n ienasy
conych kw asów tłuszczow ych [1, 2, 3, 4, 5, 6] oraz m ieszanin żywic arom atycznych i alifatycznych zw a
nych hom ogenizatoram i [1, 3, 7, 8, 9].
W ym ienione substancje w pływ ają także na p o praw ienie jednorodności i zw iększają pow tarzalność w łaściw ości w ykonyw anych m ieszanek. Ponadto sole cynkow e m ogą być stosowane jako peptyzatory fizycz
ne [6, 10].
Zbadano w pływ w ybranych substancji na ener
g o ch łonność w ykonania, w łaściw o ści p rzero b o w e, kinetykę wulkanizacji oraz w łaściw ości w ulkanizatów m ieszanek gum ow ych stosow anych w przem yśle o p o niarskim .
S C aafon ten y nr 2 Styczeń - Luty 1997 TOM 1
Część doświadczalna
Materiały
Do badań w ytypow ano trzy produkty handlow e, które nazw ano dodatkam i i oznaczono: dodatek 1, 2 i 3 (charakterystykę ich podano w tab. 1) oraz m ieszan
ki produkcyjne A i B.
T abela 1. Charakterystyka stosowanych dodatków poprawiających właściwości przerobowe mieszanek gumowych
Dodatek Skład chemiczny
Temp.
m ięknienia,
°C
Gęstość, g/cm3
Działanie wg producenta
1
mieszanina soli cynkow ych głów nie nienasyconych kwasów tłuszczow ych
96-105 1,05
pepty zator fizyczny, sm ar wewnętrzny^
ułatwia dyspergowa
nie sadzy
2
mieszanina soli cynkow ych nasyconych kwasów tłuszczow ych
ok. 1 0 0 1,08
peptyzator fizyczny, sm ar wewnętrzny
3
mieszanina żywic aromatycznych i alifatycznych
95-105 1 , 0 0
hom ogenizac
ja kauczuków, poprawia dyspersję sadzy
M ieszanka A zaw ierała następujące składniki:
uplastyczniony kauczuk naturalny RSS-3, kauczuk roz
puszczalnikow y SK D -II, em ulsyjny olejow any k au czuk SB R (K ER 1712), stearynę, tlenek cynku, sadzę N -326, żyw icę kum aronow ą, żywicę KN (alkilofeno- low oform aldehydow a typu now olakow ego), plastyfi
kator P, N -izo p ro p y lo -N ’-fenylo-p-fenylenodiam inę (IPP D ), N ,N ’-dito lu ilo -p -fen y len o d iam in ę (D TPD ) N ,N ’-b is(l,4 -d im e ty lo p e n ty lo )-p -fe n y le n o d ia m in ę , w osk W osan G, siarkę nierozpuszczalną, N -oksy-di- etyleno-2-benzotiazolilosulfenam id (M B S) i A ktiplast 8 (kom pleks żelaza osadzony na nośniku organicznym ) fin ny R hein Chem ie.
M ieszanka B zaw ierała: kauczuki SKD II i K ER 1712, stearynę, tlenek cynku, sadzę N -339, plastyfi
kator P, IPPD, W osan G, siarkę olejow aną, N -cyklo- heksylo-2- benzotiazolilosulfenam id (CBS), N-cyklo- heksylotioftalim id (CTP).
Z e w z g lę d u na ta je m n ic ę p ro d u ce n ta p o d an o tylko skład ja k o śc io w y m ieszanek. W szystkie sk ła d niki z o stały d o starczo n e p rzez tego sam ego p ro d u cen ta opon.
Urządzenia
Próby laboratoryjne
M ieszarka laboratoryjna „B anbury” , poj. 1,21 1, w yposażona w kom puterow y system „M ikser” u m oż
liw iający kontrolę i analizę przebiegu procesu m ie szania.
Param etry pracy m ieszarki:
- prędkość w irników 120 obr./m in - ciśnienie tłok a 0,029 - 0,033 M Pa
- tem peratura ścian w ew nętrznych 38 - 53°C Stopień napełnienia kom ory m ieszarki:
- uplastycznianie kauczuku naturalnego - 0,85 - w ykonanie przedm ieszki A - 0,85 (w cyklu finalnym
- 0,85)
- w ykonanie przedm ieszki B - 0,80 (w cyklu finalnym - 0,72)
Metody badań
W celu oceny w łaściw ości przerobow ych m ie szanek oznaczano następujące w łaściw ości:
- lepkość M ooneya (M L 1+4 100°C) i w spółczynniki K i a dla dw um inutow ej relaksacji, lepkościom ierz M V 2000E [11],
- kinetykę w ulkanizacji używ ając w ulkam etru firm y M onsanto typ R100 z oscylującym rotorem , kąt oscy
lacji rotora 3°, w g PN -ISO 3417 i w ulkam etru bez- ro torow eg o firm y M onsanto typ M D R 2000, kąt oscylacji 0,5°, w g PN -ISO 6502.
- s to p ie ń d y sp e rsji sa d zy w g IS O /C D 1 1 3 4 5.2 z 1993.04.23, dla której zaproponow ano skalę 10 stop
nio w ą, z d e fin io w a n ą za p o m o cą sta n d a rd o w y c h w zorców fotograficznych, gdzie; 1-2 dyspersja bar
dzo zła, 3-4 zła, 5-6 w ątpliw a, 7 akceptow alna (do
stateczna), 8 dobra, 9-10 znakom ita.
O ceny dokonano na pow ierzchni świeżo prze
ciętych próbek w ulkanizatów pod m ikroskopem przy 30-krotnym pow iększeniu.
W łaściw ości w ulkanizatów oznaczono w edług obow iązujących norm , a m ianowicie:
- w łaściw ości w ytrzym ałościow e przy rozciąganiu wg PN -93/C -04205, w iosełka typ 1, wg p. 4.1.3.
- tw ardość w g PN -80/C -04238
- w ytrzym ałość na rozdzieranie wg PN -86/C -04254 próbka w g p.2.3.2. bez nacięcia,
- elastyczność wg PN -88/C -04255 - ścieralność w g PN -75/C -04235
P ró b k i do b a d ań ty ch w ła ściw o śc i p rz y g o to w ano w spo só b tra d y c y jn y w p rasie, w u lk a n iz o w a
TOM 1 Styczeń - Luty 1997 £(óbVt<M t&ut nr 2
no 12 m in u t w tem p e ra tu rz e 165°C, g ru b o ść p ły te k 2±0,2 mm.
Badania laboratoryjne
Uplastycznianie kauczuku naturalnego RSS-3 U plastycznianie kauczuku prow adzono w m ie
szarce laboratoryjnej stosując 2 lub 4 p h r* } dodatku 1 lub 2 i dla p orów nania 0,06 phr A ktiplastu 8 używ a
nego w krajow ym przem yśle gum ow ym .
W tabeli 2 podano param etry tego procesu oraz w łaściw ości przerobow e uplastycznionego kauczuku.
naturalnego niż sole kw asów nienasyconych (por.
próbę 2 i 3 z próbą 4 i 5),
- lepkość kauczuku uplastycznionego z dodatkam i 1 i 2 je s t niższa niż kauczuku uplastycznionego A kti- plastem 8, przy krótszych czasach trw ania cyklu, - tem peratura końcow a uplastyczniania je s t niższa, o
35°C i 380°C (próba 3 i 5)
- zw iększenie ilości soli cynkow ych z 2 do 4 p h r w y raźnie przyspiesza uplastycznianie,
- uplastyczniony kauczuk otrzym any z dodatkiem soli cynkow ych m a w yższy w spółczynnik relaksacji a , co św iadczy o jeg o w iększej plastyczności (m niej
sza sprężystość), szczególnie pró b a 5.
Tabela 2. Parametry procesu uplastyczniania kauczuku RSS-3 oraz właściwości przerobowe uplastycz
nionego kauczuku, stopień napełnienia mieszarki 0,85
Nazwa dodatku, parametry
uplastyczniania, właściwości przerobowe Próba 1 Próba 2 Próba 3 Próba 4 Próba 5
RSS 3, phr
ilości składników
100 100 100 100 100
Aktipiast 8, phr 0,06 - - - -
Dodatek 1, phr - 2,0 4,0 - -
Dodatek 2, phr - - - 2,0 4,0
Temperatura końcowa, °C
Warunki uplastyczniania
105 98 70 76 67
Czas cyklu, min : s 1 :4 6 1 :3 8 1 : 22 1 : 20 1 : 10
Energia, M J/nf 733,2 532,3 462,0 522,3 495,5
Zmniejszenie zużycia energii, % - 27,4 37,0 28,8 32,4
Lepkość Mooneya, ML (1+4), 100°C, M
Właściwości uplastycznionego kauczuku
76 75 68 73 62
Współczynnik K, M 52,4 52,0 45,9 49,6 39,6
Współczynnik a, log M/logs 0,325 0,352 0,365 0,357 0,383
N a p o d s ta w ie u z y s k a n y c h w y n ik ó w m o ż n a stwierdzić:
- w porów naniu z A ktiplastem 8 sole cynkow e n asy conych i nienasyconych kw asów tłuszczow ych, sto
sowane w ilościach 2 i 4, phr pow odują zm niejsze
nie zużycia energii u plastyczniania o 27-37 %, - sole cynkow e kw asów tłu szczo w y ch n asy co nych
skuteczniej w pływ ają na uplastycznianie kauczuku
części w agow e na 100 części w agow ych kauczuku w m ieszance
Mieszanka A
U plastyczniony kauczuk R SS-3 posłużył do spo
rządzenia w ybranych w ariantów m ieszanki A ró żnią
cych się zaw artością badanych dodatków , p lastyfik a
tora P (tab. 3. na sąsiedniej stronie).
Z m ieszanek zaw ierających badane dodatki w y elim inow ano żyw icę kum aronow ą. M ieszanki w y k o nyw ano w dw óch etapach: sporządzanie przedm iesz- ki i cykl finalny, zgodnie z technologią stosow aną w produkcji opon.
Składniki przedm ieszki dodaw ano w następ u ją
cej kolejności:
- uplastyczniony kauczuk R SS-3, kauczuk SK D II i
Sfa&tWH&Uf' nr 2 Styczeń - Luty 1997 TOM 1
Tabela 3. Zawartość badanych dodatków w mieszankach A, phr
Składniki i ilość
Mieszanka
produkcyjna dodatek 1 w 2
Kauczuk RSS - 3 i ilości, phr:
4
jplastyczn iony dodatek 2 w
2
ilości, phr:
4
AO A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Dodatek 1 - 0,9 0,9 0,9 - - - - - - - - -
Dodatek 2 - - - - - - - 0,9 0,9 0,9 - - -
Dodatek 3 - 3,0 5,0 5,0 3,0 5,0 5,0 3,0 5,0 5,0 3,0 5,0 5,0
P lastyfika to r P 2,70 2,7 2,7 - 2,7 2,7 - 2,7 2,7 - 2,7 2,7 -
Ż yw ica kum a ro no w a 1,80 - - - - - - - - - - - -
A kti piast 8 0,06 - - - - - - - - - - - -
K ER 1712,
- dodatek 1 lub dodatek 2, - tlenek cynku, stearyna, - środki przeciw starzeniow e, - żyw ica KN,
- sadza N -326, dodatek 3,
- plastyfikator P w ym ieszany z m ałą ilością sadzy.
W p rzy p adk u zastosow ania kau czuk u R S S-3, uplastycznionego 2 phr dodatku 1 lub 2, uzupełniano ilość tych dodatków do 1,8 phr soli cynkow ych, tak aby była ona rów na ilości soli cynkow ych w m ieszan
kach zaw ierających kauczuk RSS-3 uplastyczniony z dodatkiem 4 phr soli cynkow ych. Badano także m ie
szanki bez plastyfikatora P. W m ieszankach zaw iera
jący ch dodatki nie użyto żyw icy kum aronow ej.
W tabelach 4 i 5 podano charakterystykę procesu sporządzania oraz czas podwulkaniow ania i charaktery
stykę wulkanizacji otrzymanych mieszanek. Stwierdzo
no, że łączne zastosowanie dodatków 1 i 3 lub 2 i 3 po woduje zmniejszenie zużycia energii zarówno podczas wykonyw ania przedmieszki, jak i cyklu finalnego. N ie
co skuteczniej działa układ dodatków 2 i 3.
Sposób dodawania soli cynkowych: 2 phr podczas uplastyczniania kauczuku RSS-3 i 0,9 phr podczas w y
konywania przedm ieszek lub 4 phr podczas uplastycz
niania kauczuku RSS-3, w większości przypadków nie m iał w pływ u na zmniejszenie zużycia całkowitej ener
gii potrzebnej do wykonania mieszanki.
Tabela 4. Charakterystyka procesu sporządzania mieszanek A (przedmieszka i cykl finalny)
Symbol mieszanki
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Sporządzanie przedmieszki
Temperatura końcowa, °C 96 94 92 96 87 87 96 94 93 92 93 93 95
Czas trwania cyklu, min : s 1:46 1:44 1:44 1:46 1:42 1:44 1:46 1:42 1:44 1:42 1:44 1:44 1:34 Zużycie energii, MJ/m3 594,3 570,4 543,5 622,3 554,4 554,4 654,2 542,5 526,5 602,3 550,5 578,4 522,5
AE, % - -4,0 -10,1 +4,7 -6,7 -6,7 +10,1 -8,7 -11,4 +1,3 -7,3 -2,7 -12,1
Lepkość Mooneya, ML (1+4)100°C, M 65 64 61 65 64 62 64 61 60 60 61 60 64
Współczynnik relaksacji K, M 35,0 34,2 33,2 35,1 34,7 33,8 34,8 33,7 32,4 33,2 33,2 33,4 35,0 Współczynnik a , logM/log s 0,320 0,319 0,329 0,328 0,324 0,337 0,321 0,325 0,318 0,335 0,322 0,329 0,308 Cykl finalny
Temperatura końcowa, °C 80 86 82 83 77 76 83 84 87 84 86 80 80
Czas trwania cyklu, min : s 1:12 1:10 1:10 1:12 1:12 1:08 1:08 1:10 1:10 1:10 1:10 1:12 1:10 Zużycie energii, MJ/m3 474,7 410,8 410,8 486,6 478,7 422,8 422,8 422,8 398,9 482,6 446,7 422,8 382,9
AE, % - -13,5 -10,1 +2,5 +0,8 -10,9 -10,9 -10,9 -16,0 -9,7 -5,9 -10,9 -19,3
Lepkość Mooneya ML (1+4) 100°C, M 54,5 51,0 49,1 53,1 49,0 47,9 52,5 48,8 49,4 50,6 48,1 49,9 53,2 Współczynnik relaksacji K, M 28,0 26,0 25,1 26,5 24,0 23,9 26,3 24,5 25,8 25,4 24,5 26,2 27,3 Współczynnik a , logM/log s 0,360 0,357 0,378 0,367 0,364 0,383 0,357 0,359 0,364 0,359 0,373 0,370 0,348 Całkowite zużycie energii
(sporządzenie przedmieszki + cykl finalny), 1309 1155 1136 1284 1260 1129 1257 1138 1097 1258 1160 1165 1069 MJ/m3
AE, % -11,8 -13,2 -1,9 -3,7 -13,7 -4,0 -13,1 -16,2 -3,9 -11,4 -11,0 -18,3
TOM 1 Styczeń - Luty 1997 SC aA totnenty nr 2
Tabela 5. Czas podwulkanizowania i charakterystyka wulkanizacji mieszanek A
Symbole mieszanki
AO A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12
Aparat Mooneya, tem p. 130°C
tg, min:s 12:38 14:39 15:06 14:43 15:13 15:11 14:23 14:23 15:00 14:06 13:46 15,14 14:01
W min;s 2 : 2 0 2:35 2:55 3:39 2:51 3:01 2:25 2:29 2:48 2:30 2:31 2:55 2:27
V ulkam etr R 100, 165°C
t2, min:s 2 : 0 0 1:50 1:50 2 : 0 0 2 : 0 0 2:15 2 : 0 0 1:50 2 : 0 0 1:50 2 : 1 0 2 : 0 0 2 : 0 0
tc (90), min:s 6 : 0 0 6:30 6:30 7:10 6 : 2 0 7:00 7:15 6 : 1 0 6:45 6:30 6:45 6 : 2 0 6:40
Ml , dNm 13,6 12,4 11,9 13,0 1 1 , 6 11,3 12,4 11,9 11,9 12,4 12,4 12,4 13,0
Mhr, dNm 66,7 62,2 59,9 67,8 57,6 58,8 67,8 59,9 57,6 64,9 62,2 57,6 66,7
Mhr-M l , dNm 53,1 49,8 48,0 54,8 46,0 47,5 55,4 48,0 45,8 52,5 49,7 45,2 53,7
V ulkam etr MDR 2000, 65°C
tc (1 0), min:s 1:19 1:32 1:32 1:28 1:34 1:34 1:26 1:30 1:34 1:23 1:19 1:35 1:26
tc (50), min:s 2:34 3:03 3:08 2:56 3:04 3:10 2:53 2:53 3:02 2:49 2:43 3:04 2:49
tc (90), min:s 4:28 5:29 5:37 5:05 5:23 5:33 5:05 5:07 5:20 5:16 5:08 5:25 4:59
Ml , dNm 2,09 1 , 8 8 1,75 1,95 1,84 1,74 1,90 1,90 1,79 1,90 1,81 1,83 1,94
Mhr, dNm 11,79 11,40 10,83 11,65 1 1 , 0 2 10,50 11,54 11,56 10,58 11,55 10,98 10,73 11,79
N a jw ięk sze z a o szczęd zen ie e n e rg ii w y n o s z ą ce 18,3 % u zy sk an o d la k a u c zu k u R S S-3 u p la sty c z n io n eg o 4 p hr d o d atk u 2 i po d o d an iu do p rzed - m ieszk i d o d atk u 3 w ilo ści 5 p h r z je d n o c z e sn y m w y e lim in o w a n ie m p la s ty fik a to ra P (tab. 4, m ie s z a n k a A 12). N a jw ię k s z e z m n ie js z e n ie z u ż y c ia en erg ii dla u k ład u d o d a te k 1 i 3 w y n o siło 13,7 %.
M ieszan k i z aw ierające sole cy n k o w e i d o d a te k 3 m ają lep k o ść z b liż o n ą lub n iez n a c zn ie m n ie jsz ą od lepko ści m ieszan k i p ro d u k cy jn e j.
Rów nież w artości w spółczynników relaksacji K i a są odpow iednio zbliżone, co św iadczy o p o d o b nych w łaściw ościach przerobow ych.
Ponadto m ieszanki charakteryzują się:
- dłuższym czasem podw ulkanizow ania t5, przy czym do datek 1 m a n iezn aczn ie w ięk szą ten d e n c ję do w ydłużania t5 niż dodatek 2,
- nieznacznie zw iększonym w skaźnikiem szybkości
podw ulkanizow ania t ,
- dłuższym optym alnym czasem w ulkanizacji tc (90), (m aksym alnie o 75 s dla układu: dodatek 1 i 3 i o 45 s dla układu: dodatek 2 i 3),
- niew ielkim zm niejszeniem przyrostu m om entu wul- kam etrycznego AM.
W yniki badań w ykonanych za pom ocą w ulka- m etru bezrotorow ego M D R 2000 (tab. 6) potw ierdzi
ły, że zarów no sole cynkow e, jak i dodatek 3, opóź
niają przebieg w ulkanizacji. K rótsze czasy tc (90) w y nikają ze zm niejszonej m asy próbek, braku rotora i szybszego ogrzew ania próbek (lepszy system ogrze
w ania) do tem peratury badania. Czas tc(10) i t (90) odpow iadają 10 i 50 % usieciow ania.
Stopień dyspersji sadzy w m ieszankach był do
bry (8) lub znakom ity (9). Tylko dla m ieszanki A l i był nieco niższy i w ynosił 7,5.
D odanie soli cynkow ych i dodatku 3 m a w pływ
Tabela 6. Właściwości wulkanizatów mieszanek A
Symbol mieszanki
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A 10 A11 A 12
T w ardo ść, Sh A 53 53-5 4 52-53 5 3-5 4 53-54 52-53 54 53 5 3-54 52-53 53-53 52-53 55
W ytrzym a łość na rozciąganie, MPa 20,0 18,6 16,8 19,6 18,6 18,1 20,8 17,4 18,9 20,4 18,7 16,3 17,3
W ydłużenie przy zerw aniu, % 625 645 672 636 699 701 683 665 702 657 666 679 588
M -30 0% , MPa 6,4 5,9 4,8 5,8 4,5 4,8 5,6 5,0 5,2 5,2 5,7 4,8 6,5
W ytrzym a łość na rozdzieranie, kN/m 39,3 39,9 38,8 38,1 3 9,9 36,5 40,4 36,9 40,4 45,2 3 9 ,7 37,8 4 1,9
Stopień d yspersji sadzy 9 8,5 9 9 8,5 8,5 9 8 8 8,5 8,5 7,5 8,5
S tcW tM ien y nr 2 Styczeń - Luty 1997 TOM 1
na niektóre w łaściw ości fizyczne w ulkanizatów (tab.
7). Z w yjątkiem w ariantu, dla którego uzyskano naj
w iększe obniżenie zużycia energii (4 phr dodatku 2 i 5 phr dodatku 3), w ulkanizaty m ają m niejszy M - 300
% i w iększe w ydłużenie przy zerwaniu. Z aobserw o
w ano rów nież tendencję do niew ielkiego zm niejsze
nia w ytrzym ałości na rozciąganie, zw łaszcza w w y padku zastosow ania dodatku 3 w ilości 5 phr. W pływ ten m ożna ograniczyć elim inując ze składu m ieszanki plastyfikator P.
Mieszanka B
W skład m ieszanki w chodziły w yłącznie kauczu
ki syntetyczne: kauczuk olejow any em ulsyjny SBR- K er 1712 A i rozpuszczalnikow y BR -SK D -II. M ie
szanka zaw ierała 10,2 phr plastyfikatora P. W prow a
dzając do niej sole cynkow e i dodatek 3 zm niejszono ilość plastyfikatora P tak, aby sum aryczna ilość soli
cynkow ych, dodatku 3 i plastyfikatora P w ynosiła 10,2 phr. W ykonano rów nież m ieszanki zaw ierające 3 phr dodatku 3 i 5,2 phr plastyfikatora P. W tabeli 7 zesta
w iono stosow ane ilości badanych dodatków i p lasty fikatora w m ieszankach B.
M ieszanki B, podobnie ja k m ieszanki A, spo
rządzono w dw óch cyklach w edług technologii stoso
wanej w produkcji opon. Składniki przedm ieszki do
daw ano w następującej kolejności:
- kauczuki: SKD II, K E R 1712, - dodatek 1 lub dodatek 2, - tlenek cynku, stearyna, - środki przeciw starzeniow e,
- sadza N -339 - 80 % nam iaru, dodatek 3.
Po dodaniu tych składników nastąpiło opuszcze
nie tłok a i m ieszanie 20 s, po czym w prow adzono:
- sadzę N -339 - 20 % nam iaru, plastyfikator P.
W tabelach 8,9 ,1 0 podano: charakterystykę pro- Tabela 7. Zawartość badanych dodatków i plastyfikatora. P w mieszankach B y phr
. . . . ... . .. .. Mieszanka produkcyjna
Składniki i ilosc BrQ B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
Dodatek 1 2,0 2,0 3,0 - - - -
Dodatek 2 - - - 2 , 0 2,0 3,0 -
Dodatek 3 3,0 5,0 - 3,0 5,0 - 5,0
Plastyfikator P 10,2 5,2 3,2 7,2 5,2 3,2 7,2 5,2
Tabela 8 . Charakterystyka procesu sporządzania mieszanek typu B (przedmieszka i cykl finalny)
Symbol mieszanki
BO B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
Sporządzanie przedmieszki
Tem peratura końcow a, °C 106 113 108 100 101 105 107 103
Czas trw a n ia cyklu , m in : s 2:00 2 :0 0 2:00 2:04 2:04 2:00 2 :12 2:04
Zużycie e n e rg ii, M J/m 3 766,3 705 ,9 6 90 ,8 823,0 7 9 2 ,8 743 ,7 853 ,2 804 ,2
AE, % - -7 ,8 -9,8 +7,4 +3,5 -2,9 +11,3 +4,9
Lepkość M ooneya, M L (1+4) 100°C, M 91 87 92 76 79 91 75 91
W sp ó łc z y n n ik relaksacji K, M 4 6,7 44,3 4 5,2 3 7,0 3 9 ,7 4 5,8 37,1 45,4
W sp ółczyn n ik a,logM /log s 0,254 0 ,2 7 7 0,2 72 0 ,2 8 8 0 ,2 8 7 0,272 0 ,282 0,2 80 Cykl finalny
Tem peratura końcow a, °C 75 72 72 69 71 70 70 72
Czas trw a n ia cyklu , m in : s 0:48 0:44 0:44 0:44 0:44 0:44 0:44 0:44
Zużycie e ne rg ii, M J /m 3 371,1 346 ,4 379,4 3 5 8 ,8 346,4 3 5 8 ,8 3 46,4 3 5 8 ,8
AE, % - -6,6 +2,2 -3,3 -6 ,7 -3,3 -6,6 -3,3
Lepkość M ooneya, M L (1+4) 100°C, M 57 60 61 55 56 59 52 59
W sp ó łc z y n n ik relaksacji K, M 25,2 26,4 27,2 23,4 2 5,0 2 6,7 22,5 26,3
W sp ółczyn n ik a , log M /log s 0 ,329 0 ,3 2 8 0,3 40 0 ,3 48 0 ,3 47 0,349 0 ,3 47 0 ,3 48 C ałkow ite zużycie ene rg ii, M J/m 3
(sporządzenie przedmieszki + cykl finalny) 1137,4 1052,3 1 07 0,2 1 18 1,8 1 139,2 1102,5 1199,6 1163,0
AE, % - -7 ,5 -5,9 +3,9 +0 ,2 -3,1 +5,5 +2,6
TOMI Styczeń-Luty 1997 S ta a to w e n y n r 2
cesu sporządzania m ieszanek B, czas podw ulkaniza- żują się d łuższym czasem podw ulkanizow ania t5, nie- cji i charakterystykę w ulkanizacji oraz w łaściw ości znacznie w iększym w skaźnikiem t35-t5, oraz dłuższym w ulkanizatów tych m ieszanek. optym alnym czasem w ulkanizacji tc(90). N a w ydłu- W przypadku m ieszanki B w pływ soli cynko- żenie czasu podw u lkan izo w ania przede w szy stk im w ych i dodatku 3 na energochłonność w ykonania był w pływ a dodatek 3 (tab. 9). W ydłużenie tc(90) m ożna znacznie m niejszy niż dla m ieszanki A. skom pensow ać przez zm niejszenie ilości inh ib ito ra S k u te c z n ie js z y m o k a z a ło się z a s to s o w a n ie podw ulkanizacji N -cykloheksylotioftalim idu. Z asto u k ład u d o datk ó w 1 i 3. D o d a tk i 2 i 3 wr n iew ie lk im sow anie soli cynkow ych i dodatku 3 pow oduje w zrost Tabela 9. Czas podwulkanizowania i charakterystyka wulkanizacji mieszanek B
Symbol mieszanki
BO B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
Aparat Mooneya, temp. 130°C
t5, m in:s 25:17 27:52 28:13 23:12 25:25 27:13 24:05 2 8:18
t35-t5, m in:s 3:20 3:44 3:48 3:26 3:28 4:05 3:38 4:00
Vulkametr R 100, 165°C
t,, m inis 4:00 4:40 4:15 3:45 3:50 4:15 3:45 4:15
tc (90), m in is 7:15 9:25 9:15 8:40 8:00 8:20 8:20 7:45
M l , dN m 10,2 10,2 10,2 9,0 10,2 10,2 9,0 10,2
M hr, dNm 57,6 58,8 59,3 57,6 57,6 58,8 57,6 59,3
M HB-M ,,d N m 4 8,7 48,6 49,1 48,6 47,4 48,6 48,6 49,1
Vulkametr MDR 2000, 65°C
tc (10), m in:s 3:16 3:38 3:42 3:11 3:20 3:35 3:14 3:38
tc (50), m in:s 4 :17 4:55 4:59 4:29 4:31 4:49 4:29 4:41
tc (90), m in:s 6:32 7:33 7:37 7:09 7:02 7:17 7:01 6:53
M l , dNm 1,89 1,90 1,90 1,79 1,81 1,84 1,74 1,82
M hr, dNm 12,15 12,17 12,25 11,98 12,37 12,38 12,01 12,28
Tabela 10. Właściwości wulkanizatów wykonanych z mieszanek B
\
Określenie właściwości Symbol mieszanki
BO B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
T w ardość, Sh A 55 58 59 58 59 59 5 7-58 57
W ytrzym a łość na rozciąganie, MPa 18,9 1 8 ,S; 17,4 19,6 18,9 18,0 18,1 18,6
W ydłużenie przy zerw aniu, % 665 762 597 613 770 596 578 613
W ytrzym a łość na rozdzieranie, kN/m 40 40 43 44 39 42 45 43
M -30 0% , MPa 8,1 8,2 8,0 8,5 8,6 8,3 8,6 8,3
E lastyczność Schoba, % 23 25 25 26 25 25 25 25
Ś c ie ra ln o ś ć S choppera-S chlobacha, cm 3 0,130 0,140 0,163 0,132 0,145 0 ,136 0,1 36 0,158
S to p ie ń .d ysp e rsji sadzy 7 8 7 7 9 8 7 8
stopniu o p ó ź n iły e n e rg o c h ło n n o ść w y k o n a n ia m ie szanki B. N a jw ię k sz e o sz cz ę d n o śc i en erg ii w y n o szące 7,5 % u z y sk an o dla u k ład u 2: p h r d o d atk u 1, 3 p h r d o d atk u 3 i 5 ,2 p h r p la sty fik a to ra P (tab. 8).
M ie sz a n k a ta m a n iez n a c zn ie w ię k szą lep k o ść M L 1+4, b ard zo z b liżo n y w sk a ź n ik K i tak i sam w s k a ź n ik a ja k m ieszank a pro d u k cy jn a (tab. 9). M ieszanki zaw ierające sole cy n k o w e i d o d a te k 3 ch a ra k te ry -
tw ardości wulkanizatów o 3 do 5°Sh, niew ielkie zw ięk
szenie elastyczności i zm niejszenie odporności na ście
ranie (tab. 10).
W ariant m ieszanki, dla którego u zyskano n a j
w iększe obniżenie zużycia energii charakteryzuje się lepszą dyspersją sadzy niż m ieszanka produkcyjna, a w łaściw ości wulkanizatów są zbliżone, poza w iększym w ydłużeniem przy zerwaniu.
nr 2 Styczeń - Luty 1997 TOM 1
Próby produkcyjne
W ykonano m ieszanki zawierające optymalne ilo
ści dodatków 1 i 3, ustalone podczas badań laboratoryj
nych.
Z prób z dodatkiem 2 zrezygnowano ze względu na jego znacznie wyższą cenę niż dodatku 1.
W ykonano po 10 namiarów przedmieszek każdej mieszanki, z których sporządzono 18 porcji mieszanki A i 19 porcji m ieszanki B.
Zużycie energii rejestrowano podczas uplastycz
niania kauczuku RSS-3 i wykonywania przedmieszek.
Nie było to możliwe podczas cyklu finalnego. Średnie zużycie energii podczas uplastyczniania kauczuku RSS- 3 (namiar 312 kg) był o 3,5 % niższe niż w przypadku stosowania peptyzatora chemicznego Aktiplastu 8. Po
nadto uplastycznienie miało bardziej powtarzalny prze
bieg, temperatura końcowa uplastycznionego kauczuku była o 8°C niższa, a odchylenie standardowe energń upla
styczniania 3,5 raza mniejsze. W spółczynniki zm ienno
ści lepkości uplastycznionego kauczuku M L 1+4 oraz K i a wynosiły odpowiednio 2,3, 2,8 i 3,1 %. W przypad
ku mieszanki A uzyskano zmniejszenie zużycia energń (bez cyklu finalnego) średnio o 14,9 %. W ykonanie m ie
szanek charakteryzow ało się dobrą pow tarzalnością.
Uzyskano następujące współczynniki zmienności: lep
kość M ooneya M L 1+4 - 2,2 %, współczynnik K - 3,1
%, współczynnik relaksacji a - 1,7 %. Rozrzut właści
wości kontrolnych m ieszanek i wulkanizatów był m niej
szy niż w bieżącej wersji produkcyjnej. Uzyskano 15,5
% wzrost wydajności urządzeń. Jednak przy obecnych cenach energń elektrycznej oszczędności energetyczne nie rekompensowały wzrostu kosztu surowców mieszanki.
W przypadku m ieszanki B nie uzyskano zm niej
szenia zużycia energii. Pow tarzalność w ykonania m ie
szanki oceniana na podstaw ie lepkości M L 1+4 była lepsza niż m ieszanki produkcyjnej.
Podsumowanie
Wyniki przeprowadzonych badań laboratoryjnych i prób produkcyjnych potwierdziły informacje ńteratu- rowe, że dodawanie do mieszanek gum owych soli cyn
kow ych kwasów tłuszczow ych oraz m ieszanin żywic arom aty czn y ch i alifaty czn y ch m oże p o w o do w ać zmniejszenie energochłonności i zwiększenie powtarzal
ności wykonania mieszanek oraz zwiększenie wydajno
ści procesów technologicznych. M ożliwe jest również poprawienie dyspersji sadzy w mieszankach.
W pływ soń cynkowych i mieszanin żywic na ener
gochłonność w ykonania i właściwości m ieszanek zale
ży od składu mieszanki. Największe oszczędności ener
getyczne, wynoszące ok. 15 %, uzyskano w przypadku m ieszanki zawierającej kauczuk naturalny.
Dodanie do m ieszanek gum owych soli cynkowych oraz m ieszanin żywic arom atycznych i alifatycznych powoduje niewielkie wydłużenie czasu podwulkanizo- wania t5 i optymalnego czasu wulkanizacji tc(90). O b
serwuje się również zmniejszenie m odułu M -300 % i zwiększenie w ydłużenia przy zerwaniu, wzrost twardo
ści i zmniejszenie odporności na ścieranie.
Zm iany te m ożna ograniczyć zmniejszając ilość plastyfikatora w mieszankach.
Przy obecnych cenach energii oszczędności ener
getyczne, uzyskane w wyniku zastosowania soli cynko
w ych i m ieszanin żywic aromatycznych i alifatycznych, bez uw zględnienia korzyści w ynikających z poprawy powtarzalności w ykonania mieszanek, nie rekom pensu
ją wzrostu kosztu surowcowego mieszanek.
Literatura
1. Lloyd D.G.: Progress Rub. Piast. Technol. 1988, £ No. 4,21
2. Steger L.: Kautsch. Gummi Kunstst. 1990, 43, 197 3. Crowther B.G.: „High efficiency rubber additives”,
Rubercon>92, 15-19 June, Brighton UK
4. Morche K ., Ehrend H.: Kautsch.Gummi Kunstst.
1989, 4 1 1015
5. Crowther B. G.: Zinc soaps - a new examinations o f their properties and applications in the rubber in
dustry”, International Rubber Conference, Praga 28.08- 1.09.1989
6. „Struktol processing additives in the modern rub
ber industry”, Literatura techniczna firmy Schill und Seilacher; Hamburg, Paper No. 15.
7. Schill und Seilacher News No. 14, June 1991 „New product Struktol HP 55 a new high performance processing additive ”
8. „Poliplastol 6/Poliplastol RCB NR/BR blends: A pro
posal for a new compounding technology ”, Literatu
ra techniczna firmy EniChem Synthesis 09/91 9. Wolers M., Klingensmith W.H., Danilowicz P.A., Ho
ward B.C.: Kautsch. Gummi Kunstst. 1984, 37. 17 10. Chakravarty S.N., Pandit R.R.: Kautsch. Gummi
Kunstst. 1976, 29. 676
11. Opracowanie Monsanto Rubber Instruments MTS ,, Mooney stress relaxation with the M V 2000E”
