張雅妮,劉 華,歐陽(yáng)維,潘顯智,肖 媚
(中國(guó)化工株洲橡膠研究設(shè)計(jì)院有限公司,湖南 株洲 412003)
抗沉淀劑是一種分散劑,它被吸附在固-液界面上,能顯著降低固-液界面的表面張力,使固體顆粒均勻而穩(wěn)定地分散在液體中而不重新聚結(jié)。分散劑一般具有兩個(gè)作用,一是能在被分散的固體粒子表面形成水合層,起屏蔽保護(hù)作用,防止被分散粒子重新聚結(jié),即高分子位阻效應(yīng);二是提高被分散粒子的表面電荷,增強(qiáng)粒子間的排斥力,使粒子保持穩(wěn)定的分散狀態(tài),即電荷排斥原理[1]。分散劑適宜用量取決于被分散物質(zhì)的種類(lèi)、粒子大小、表面性質(zhì)及分散體pH值等,因此分散劑用量必須通過(guò)試驗(yàn)確定,用量過(guò)大或過(guò)小都會(huì)產(chǎn)生不良影響[2]。
新型抗沉淀劑KM-S是一種鈉中和性凝聚萘磺酸的噴霧干燥型粉末,是高度磺化的低分子聚合物,屬于高效分散劑,可用于橡膠合成加工領(lǐng)域。它適用的pH值范圍較寬,在體系pH值為9~10時(shí)分散效果更加顯著,不會(huì)影響膠乳表面張力或發(fā)泡工藝。當(dāng)需要降低膠乳表面張力時(shí),它也可以用作陰離子型或非離子型表面活性劑。其外觀呈淺琥珀色,用量較小時(shí)不會(huì)影響膠乳體系顏色。
本工作采用抗沉淀劑KM-S研磨填料碳酸鈣和半補(bǔ)強(qiáng)炭黑以及用于膠乳混合分散體,研究抗沉淀劑KM-S的分散效果。
天然膠乳和氧化鋅,湛江市長(zhǎng)江橡膠化工有限公司產(chǎn)品;防老劑D和半補(bǔ)強(qiáng)炭黑,株洲中南化機(jī)橡膠化工有限公司產(chǎn)品;硫黃,株洲廣利橡膠化工有限公司產(chǎn)品;促進(jìn)劑TMTD,河北佰斯特化工有限公司產(chǎn)品;輕質(zhì)碳酸鈣,湖南吉瑞祥化工科技發(fā)展有限公司產(chǎn)品;抗沉淀劑KM-S(性能指標(biāo)如表1所示),美國(guó)GEO公司產(chǎn)品。
表1 抗沉淀劑KM-S的性能指標(biāo)
U488Y80-220型SF智能型分散砂磨機(jī),上海貝微電機(jī)有限公司產(chǎn)品;JM-50型膠體磨,上??苿跈C(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)品;NDJ-8S型數(shù)顯粘度計(jì),上海衡平儀器儀表廠產(chǎn)品;TG328B型光電自動(dòng)天平,上海天平儀器廠產(chǎn)品;DN1700×4000型直接汽硫化罐(臥式),泰興市泰陽(yáng)化工印染機(jī)械有限公司產(chǎn)品。
各項(xiàng)性能測(cè)試均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。
用分散砂磨機(jī)進(jìn)行抗沉淀劑KM-S研磨碳酸鈣的試驗(yàn),分散砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r·min-1,研磨時(shí)間為15 h,卸罐后檢測(cè)分散體沉降量。研磨碳酸鈣配方(以干比計(jì),下同)及碳酸鈣沉降量如表2所示。
表2 研磨碳酸鈣配方及碳酸鈣沉降量
試驗(yàn)中,未加入抗沉淀劑KM-S研磨碳酸鈣,分散砂磨機(jī)運(yùn)行30 min時(shí),機(jī)體內(nèi)水分全部揮發(fā),分散砂磨機(jī)發(fā)熱,導(dǎo)致無(wú)法正常研磨,而加入0.5,1或2份抗沉淀劑KM-S的碳酸鈣分散體可正常研磨。研磨后的碳酸鈣分散體在燒杯中放置14 d后,用玻璃棒攪動(dòng)燒杯底部沉積的碳酸鈣,其中抗沉淀劑KM-S用量為1份時(shí)底部沉積的碳酸鈣最少且容易攪起,抗沉淀劑KM-S用量為2份時(shí)底部沉積的碳酸鈣最多且難以攪起;抗沉淀劑KM-S用量為0.5份時(shí)底部沉積的碳酸鈣量介于兩者之間。這與表2的分散體沉降量結(jié)果一致。
從表2可以看出,隨著抗沉淀劑KM-S用量增大,碳酸鈣分散體沉降量呈先減小后增大的趨勢(shì),加入0.5份抗沉淀劑KM-S的碳酸鈣分散體沉降量為79 mg·h-1,加入1份抗沉淀劑KM-S的碳酸鈣分散體沉降量最小,為20 mg·h-1,而加入2份抗沉淀劑KM-S的碳酸鈣分散體沉降量為135 mg·h-1。由此可見(jiàn),加入抗沉淀劑KM-S可以降低碳酸鈣沉降量,防止碳酸鈣快速沉降的效果良好。這是因?yàn)榭钩恋韯㎏M-S作為陰離子型表面活性劑,可抗絮凝粒子聚集,降低填料單個(gè)粒子絮凝的沉降率。進(jìn)一步分析,抗沉淀劑KM-S在水中電離形成陰離子,并具有一定的表面活性,被填料粉體表面吸收后形成雙電層,當(dāng)雙電層的動(dòng)電電位處在一個(gè)合適的值時(shí),分散體中的團(tuán)聚體破裂,阻止固體微粒重新聚集,使分散體處于穩(wěn)定狀態(tài);同時(shí)因?yàn)榉垠w粒子吸附了分散劑,粒子大小接近于膠體粒子,受布朗運(yùn)動(dòng)影響,分散體將在一定時(shí)間內(nèi)呈懸浮狀態(tài),如果分散劑加入量過(guò)大,反而會(huì)破壞雙電層電位的動(dòng)態(tài)平衡[3-6]。這也是加入2份抗沉淀劑KM-S的碳酸鈣沉降量大于加入1份抗沉淀劑KM-S的碳酸鈣沉降量的原因。因此,抗沉淀劑KM-S的適宜用量為0.05~1份。
用分散砂磨機(jī)進(jìn)行分散劑研磨半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的試驗(yàn),分散劑分別為擴(kuò)散劑NF、拉開(kāi)粉BX、聚乙烯醇和抗沉淀劑KM-S,分散砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r·min-1,研磨時(shí)間為15 h,卸罐后觀察分散體狀態(tài)。不同分散劑研磨炭黑配方及分散體狀態(tài)如表3所示。
從表3可以看出:用擴(kuò)散劑NF、拉開(kāi)粉BX和聚乙烯醇研磨10份炭黑時(shí),分散體較稀,分散均勻,流動(dòng)性較好;研磨20份炭黑時(shí),分散體很稠,無(wú)法流動(dòng),影響使用;用抗沉淀劑KM-S研磨30份炭黑時(shí),分散體較稀,分散均勻,流動(dòng)性好;研磨40份炭黑時(shí),分散體很稠,即總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4時(shí),分散體很稠,影響使用??傮w而言,抗沉淀劑KM-S的分散效果比其他分散劑好,分散體總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大可達(dá)0.3。
表3 不同分散劑研磨炭黑配方及分散體狀態(tài)
用分散砂磨機(jī)進(jìn)行抗沉淀劑KM-S研磨混合分散體的試驗(yàn),分散砂磨機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r·min-1,研磨時(shí)間為12 h。混合分散體配方如表4所示,其中C3配方為目前混合分散體常用配方。
表4 混合分散體配方 份
混合分散體研磨完畢后卸罐消泡,將C1,C2,C3配方混合分散體分別加入膠乳中,配制成D1,D2,D3配合膠乳,制作氣球。
氣球生產(chǎn)流程為:凝固劑、膠乳制備→浸膠乳→停放膠凝→浸熱水脫膜→清洗膠膜→泡水→充氣定型→硫化干燥→檢查→包裝入庫(kù)。工藝條件為:浸膠乳時(shí)間 3.5 min,浸熱水溫度 (60±2)℃,浸熱水時(shí)間 4 min,定型條件 38 ℃×40 min,直接蒸汽硫化110 ℃×15 min,間接蒸汽硫化90 ℃×90 min。
氣球物理性能如表5所示。從表5可以看出:使用0.05份抗沉淀劑KM-S的D1配方氣球物理性能最好,拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率與D3配方氣球相近,爆破直徑、老化后拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率均大于D3配方氣球,由此可見(jiàn),加入適量抗沉淀劑KM-S對(duì)氣球的物理性能無(wú)不利影響。
表5 氣球物理性能
為了考察抗沉淀劑KM-S對(duì)膠乳體系的影響,將D1,D2,D3配合膠乳放置一段時(shí)間,觀察配合膠乳變化情況,監(jiān)測(cè)其粘度和氯仿值。
配合膠乳的粘度和氯仿值如表6所示。從表6可以看出:隨著放置時(shí)間延長(zhǎng),加入抗沉淀劑KM-S的D1和D2配合膠乳的粘度呈先減小后增大的趨勢(shì),粘度變化幅度比D3配合膠乳小,穩(wěn)定性好;D1和D2配合膠乳的氯仿值變化與D3配合膠乳相同。這說(shuō)明用抗沉淀劑KM-S研磨的混合分散體制備的配合膠乳不但分散效果較好,而且固體顆粒的水溶性增大,膠乳可以更好保存。而且抗沉淀劑KM-S在改善膠乳穩(wěn)定性的同時(shí),不影響膠乳凝固過(guò)程。
表6 配合膠乳粘度和氯仿值
(1)抗沉淀劑KM-S用于研磨碳酸鈣時(shí),其用量為1份的分散體沉降量最小。
(2)抗沉淀劑KM-S研磨半補(bǔ)強(qiáng)炭黑的分散效果比擴(kuò)散劑NF、拉開(kāi)粉BX和聚乙烯醇好,其分散體總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)0.3,而其他分散劑分散體總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為0.1。
(3)抗沉淀劑KM-S研磨混合分散體配制的膠乳粘度低,穩(wěn)定性好,制備的氣球物理性能優(yōu)良。