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        受阻酚抗氧劑KY-616和JY-1520在順丁橡膠中的應(yīng)用研究*

        2015-11-28 02:26:24徐志華王忠冬吳文劍李紅強曾幸榮
        合成材料老化與應(yīng)用 2015年2期
        關(guān)鍵詞:順丁橡膠熱氧抗熱

        徐志華,王忠冬,吳文劍,鐘 勇,謝 湖,李紅強,曾幸榮

        (1 江蘇飛亞化學(xué)工業(yè)有限責(zé)任公司,江蘇海安 226600; 2 華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510640)

        高分子材料特別是分子鏈上含有大量不飽和雙鍵的橡膠,在加工或使用過程中,極易受到熱、氧、臭氧、機械力等的作用而發(fā)生老化,導(dǎo)致其使用性能大幅下降甚至喪失使用價值[1]。為了抑制或延緩橡膠老化,最常用和最有效的方法是在橡膠中加入抗氧劑。常用的抗氧劑有受阻酚類和芳胺類,其中受阻酚具有不變色、無毒無污染等優(yōu)點,是目前用量最大和應(yīng)用最廣的抗氧劑之一[2-3]。但是現(xiàn)有的受阻酚類抗氧劑大多為小分子物質(zhì),在加工過程中易受熱揮發(fā)而損失,使抗氧劑在聚合物中的實際有效成分減少。此外,有些種類的抗氧劑與橡膠的相容性差,在使用時易在熱或溶劑等作用下從基體中遷出,對材料性能和環(huán)境造成不良影響。大量研究表明,提高抗氧劑的分子量能夠有效改善抗氧劑的耐遷移性能和熱穩(wěn)定性能,避免抗氧劑因受熱揮發(fā)或遷移出橡膠基體而損失[4-6]。因此,具有優(yōu)異耐遷移性的高分子抗氧劑成為近年來研究的熱點之一??寡鮿㎏Y-616(或稱Wingstay L,Lowinox CPL,Vanox L 等)是一種聚合多酚類抗氧劑,其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1 所示。這種抗氧劑具有分子量較大、與聚合物相容性好、耐熱性好等特點,是近年來開發(fā)出的一種新型大分子抗氧劑。

        本文利用加速熱氧老化方法研究了抗氧劑KY-616 對順丁橡膠的抗熱氧老化性能,通過對比硫化膠在60oC 水中抽提前后的拉伸強度保持率分析了KY-616 在順丁橡膠中的耐抽提性能,借助熱重法表征了其自身的熱穩(wěn)定性能,并與目前順丁橡膠中廣泛使用的抗氧劑JY-1520(結(jié)構(gòu)如圖1 所示)進行了對比,以評價KY-616 在順丁橡膠中的抗氧化效果。

        圖1 抗氧劑KY-616 與JY-1520 化學(xué)結(jié)構(gòu)式 Fig.1 Chemical structure of antioxidant KY-616 and JY-1520

        1 實驗部分

        1.1 原材料

        順丁橡膠(BR):BR 9000,北京燕山石化橡塑化工有限責(zé)任公司;對甲基苯酚-雙環(huán)戊二烯-異丁基化樹脂(抗氧劑KY-616):江蘇飛亞化學(xué)工業(yè)有限責(zé)任公司;4,6-二辛基硫代甲基鄰甲酚(抗氧劑JY-1520):北京極易化工有限公司;高耐磨炭黑(HAF):N330,上海卡博特化工有限公司;環(huán)保橡膠油:中海油瀝青股份有限公司;氧化鋅(ZnO)、硬酯酸(SA)、硫黃(S)、N-環(huán)已基-2-苯并噻唑次磺酰胺(促進劑CZ)和2,2′-二硫代二苯并噻唑(促進劑DM):廣州金昌盛科技有限公司。

        1.2 儀器與設(shè)備

        密煉機(LN-1,利拿機械(東莞)實業(yè)有限公司),橡膠開煉機(XK-168, 利拿機械(東莞)實業(yè)有限公司),平板硫化機(KSHR 100,廣東深圳科盛機械有限公司),拉力試驗機(UT-2080,優(yōu)肯科技股份有限公司),無轉(zhuǎn)子硫化儀(UR-2010SD-A,優(yōu)肯科技股份有限公司),老化試驗箱(GT-717,高鐵檢測儀器(東莞)有限公司),熱重分析儀(TG 209 F1,德國耐馳公司)。

        1.3 順丁橡膠硫化膠的制備

        順丁橡膠硫化膠的基礎(chǔ)配方如表1 所示。將順丁橡膠在密煉機中塑煉2 min,然后加入炭黑、氧化鋅、硬脂酸、橡膠油混煉8 min,其中每隔2 min停機清理邊角料,混煉均勻后,排膠備用。然后按照配方,將抗氧劑、促進劑、硫磺在開煉機上按照常規(guī)方法加入到上述得到的膠料中,出片后得到混煉膠?;鞜捘z在室溫停放24 h 后在平板硫化機上硫化,硫化溫度為160 oC,硫化時間為無轉(zhuǎn)子硫化儀測定的正硫化時間(T90)。

        表1 順丁橡膠硫化膠基礎(chǔ)配方(phr) Table 1 Formulations of butadiene rubber vulcanizates (phr)

        1.4 測試與表征

        1.4.1 力學(xué)性能測試

        拉伸性能按照GB/T 528-2009 測定,拉伸速率為500 mm/min;撕裂性能按照GB/T 529-2009 測定。

        1.4.2 加速熱氧老化測試

        在老化試驗箱內(nèi),按GB/T 3512-2001 測定,老化條件為100℃× (24,48,72,96,120) h。

        1.4.3 耐抽提性能測試

        將BR 硫化膠在60℃水中抽提一定時間(0 h,12 h,24 h,36 h,48 h)后,再在100℃下進行加速熱氧老化48 h,與沒有進行老化的硫化膠的力學(xué)性能進行比較得出老化前后的力學(xué)性能保持率。通過對比抽提前后硫化膠的力學(xué)性能保持率,來評價抗氧劑的耐抽提性能,抽提前與抽提后的硫化膠在經(jīng)過熱氧加速老化后的力學(xué)性能保持率差別越大,說明抗氧劑越不耐抽提。

        1.4.4 熱重(TG)分析

        在氮氣氣氛下,將5 mg~10 mg 的樣品在熱重分析儀上進行測試,溫度范圍為30℃~700℃,升溫速率20℃/min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 抗熱氧老化性能

        老化時間對BR 硫化膠拉伸強度保持率(RT)的影響如圖2 所示。從圖2 可以看出,隨著老化時間的增加,BR 硫化膠的RT 逐漸減小。添加抗氧劑KY-616 和JY-1520 的BR 硫化膠RT 明顯高于未添加任何抗氧劑的硫化膠,且添加抗氧劑KY-616 的BR 硫化膠高于添加抗氧劑JY-1520 的BR 硫化膠。因此,與抗氧劑JY-1520 相比,抗氧劑KY-616 更有助于抑制BR 硫化膠拉伸強度的下降。

        圖2 老化時間對BR 硫化膠拉伸強度保持率的影響 Fig. 2 Effect of aging time on retention of tensile strength of BR vulcanizates

        老化時間對BR 硫化膠斷裂伸長率保持率(RE)的影響如圖3 所示。從圖3 可以看出,隨著老化時間的增加,硫化膠的RE 逐漸減小。在老化時間低于96 h 時,添加抗氧劑KY-616 和JY1520 硫化膠的RE 基本相同,而老化時間超過96 h 時,添加KY-616 的RE 高于添加JY-1520 的硫化膠。

        圖3 老化時間對BR 硫化膠斷裂伸長率保持率的影響 Fig. 3 Effect of aging time on retention of elongation at break of BR vulcanizates

        老化時間對BR 硫化膠撕裂強度保持率(RTear)的影響如圖4 所示。從圖4 可以看出,隨著老化時間的增加,硫化膠的RTear均下降,但是添加KY-616的BR 硫化膠的RTear明顯高于添加JY-1520 硫化膠,說明了KY-616 對抑制BR 撕裂強度下降的能力優(yōu)于JY-1520。

        圖4 老化時間對BR 硫化膠撕裂強度保持率的影響 Fig. 4 Effect of aging time on retention of tear strength of BR vulcanizates

        綜合以上分析,可知抗氧劑KY-616 對順丁橡膠硫化膠具有良好的的抗熱氧老化效果,且其抗氧化能力高于抗氧劑JY-1520,特別是當(dāng)老化時間較長時,KY-616 的抗熱氧老化性能優(yōu)勢更加明顯。

        2.2 耐抽提性能

        抗氧劑的耐抽提性能直接影響到其在橡膠中的使用長久性。添加抗氧劑KY-616 和JY-1520 的BR 硫化膠經(jīng)過60 ℃水抽提再進行熱氧加速老化的拉伸強度保持率(RT)如表2 所示。從表2 中可以看出,沒有添加抗氧劑的BR 硫化膠經(jīng)抽提處理后,其RT 基本保持不變,說明硫化膠經(jīng)60℃水抽提后,其力學(xué)性能不會受到明顯影響。隨著抽提時間的增加,添加抗氧劑JY-1520 的硫化膠的RT 基本不變,而添加抗氧劑KY-616的硫化膠的RT則呈現(xiàn)先下降后基本保持不變的規(guī)律。這說明抗氧劑JY-1520 具有良好的耐抽提性能,基本沒有被抽出,而抗氧劑KY-616 的耐抽提性能要略低于JY-1520。分析其原因,這可能是因為抗氧劑JY-1520 分子上具有兩條長烷基鏈,與BR 相容性較好。而抗氧劑KY-616則是由聚合度不同的低聚物組成,聚合度低的部分在抽提12 h 后易被從BR 中抽提出而損失,聚合度高的部分則很難被抽提出,因此在抽提24 h~48 h的時間范圍內(nèi),RT 基本不變。此外,從表2 中還可以看出,雖然抗氧劑KY-616 的耐抽提性能略低于抗氧劑JY-1520,但是添加KY-616 的BR 硫化膠經(jīng)水抽提48 h 后,其硫化膠拉伸強度保持率與添加JY-1520 的硫化膠相當(dāng)。

        表2 添加不同抗氧劑的順丁橡膠硫化膠經(jīng)抽提后再進行加速老化的拉伸強度保持率 Table 2 Tensile strength retention of BR vulcanizates with different antioxidants after water extraction and accelerated aging

        2.3 熱穩(wěn)定性能

        抗氧劑KY-616 和JY-1520 的TG 與DTG 曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出,抗氧劑KY-616 具有兩個失重臺階,其起始失重溫度302℃,兩個失重臺階的最大熱失重速率溫度分別為355℃和427℃,抗氧劑KY-616 有兩個失重臺階是因為其由聚合度不同的低聚物組成的緣故??寡鮿㎎Y-1520 只有一個失重臺階,其起始失重溫度和最大失重速率溫度分別為257℃和295℃。因此,抗氧劑KY-616 的熱穩(wěn)定性高于JY-1520,這也可能是抗氧劑KY-616 的抗熱氧老化性能優(yōu)于JY-1520 的原因之一。

        圖5 抗氧劑KY-616 和JY-1520 的TG(A)和DTG(B)曲線 Fig. 5 TG(A) and DTG(B) curves of antioxidant KY-616 and JY-1520

        3 結(jié)論

        (1)抗氧劑KY-616 對順丁橡膠的抗熱氧老化性能優(yōu)于抗氧劑JY-1520,且KY-616 的熱穩(wěn)定性能高于JY-1520,前者的起始失重溫度達到302℃,比后者高出45℃。

        (2)抗氧劑KY-616 的耐水抽提性能略低于抗氧劑JY-1520,但添加抗氧劑KY-616 和JY-1520 的順丁橡膠硫化膠經(jīng)60 ℃水抽提48 h 后,兩者的抗熱氧老化性能相當(dāng)。

        [1]劉微微,杜飛. 抗氧劑GS 在稀土順丁橡膠(NdBR)中的應(yīng)用[J]. 精細化工,2009,26(6):596-598.

        [2]劉慶民,張會平. 聚烯烴中受阻酚類抗氧劑的應(yīng)用[J]. 合成材料老化與應(yīng)用,2009,38(1):40-43.

        [3]季振青,郭睿,王永昌,等. 橡膠用抗氧劑及抗臭氧劑的發(fā)展趨勢[J]. 合成橡膠工業(yè),2010,33(1):77-80.

        [4]Pan J Q,Liu N C,Lau W W. Y. Preparation and properties of new antioxidants with higher MW[J]. Polymer Degradation and Stability,1998,62(1):165-170.

        [5]Wu W J,Zeng X R,Li H Q,et al. Synthesis and characterization of a novel macromolecular hindered phenol antioxidant and its thermo-oxidative aging resistance for natural rubber[J]. Journal of Macromolecular Science,Part B:Physics,2014,53(7):1244-1257.

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