Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной движущей силой развития шинной отрасли в РФ является производство легковых шин, доля которых в общем объёме выпуска продукции в 2012 г. превысила 75%. Имеющиеся и вводимые в настоящее время в РФ мощности заводов по производству легковых шин позволят к 2016 г. довести их выпуск до 60 млн. единиц в год. Законодательные меры экологической и энергосберегающей направленности, к числу которых относятся Директивы ЕС 661/2009 и 1222/2009, касающиеся классификации и маркировки шин по показателям «потери на качение», «мокрое сцепление», «уровень шума», в сочетании с постоянно растущими ценами на сырьевые ресурсы, предполагают достаточно глубокие изменения в материалах и технологии производства легковых шин. Основными каучуками, применяемыми в протекторных резинах легковых шин, являются бутадиен-стирольные каучуки (БСК) эмульсионной и растворной полимеризации. При этом наиболее жесткие требования предъявляются к показателю «потери на качение» легковых шин, поскольку вклад протектора в общие потери на качение превышает 50%. Снижение потерь на качение в настоящее время возможно только при использовании в протекторных резинах на основе растворных бутадиен-стирольных каучуков усиливающей системы: кремнекислотные наполнители (ККН) - бифункциональные органосиланы (БФС) в сочетании с техническим углеродом.
Однако изготовление таких резиновых смесей сопряжено с рядом трудностей: высокими энергозатратами из-за повышенной вязкости, низким качеством диспергирования наполнителя в полимере, недостаточной стабильностью технологических свойств резиновых смесей. Преодоление этих осложнений требует разработки рецептур резиновых смесей, учитывающих особенности свойств применяемых каучуков и усиливающей системы «ККН - БФС», а также реализации специальных режимов смешения, обеспечивающих протекание химической реакции силанизации.
Одним из потенциально эффективных методов решения указанных проблем является применение технологически активных добавок (ТАД). Обладая свойствами поверхностно-активных веществ, технологические добавки в резиновых смесях проявляют полифункциональное действие: выполняют функции диспергаторов наполнителей, пластификаторов, активаторов вулканизации.
Проведённый анализ литературных данных показал, что большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей посвящено вопросам применения ТАД в резинах, наполненных техническим углеродом. Однако данных о влиянии технологических добавок на свойства резиновых смесей и вул-
канизатов на основе растворных бутадиен-стирольных каучуков с применением усиливающей системы «ККН - БФС» недостаточно. Также отсутствует системный подход к выбору технологических добавок для смесей на основе растворных и эмульсионных бутадиен-стирольных каучуков. Все это обусловило актуальность исследований в этом направлении.
Цель работы. Оптимизация состава рецептур и технологического процесса производства протекторных резин для легковых шин на основе бутадиен-стирольных каучуков эмульсионной и растворной полимеризации в сочетании с усиливающей системой «ККН - БФС» и техническим углеродом при использовании технологических добавок. Исследование влияния типа и содержания ТАД на реологические, технологические свойства резиновых смесей и технические свойства резин.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать влияние типа и содержания ТАД на свойства резиновых смесей и вулканизатов на основе бутадиен-стирольных каучуков растворной (рБСК) и эмульсионной (эБСК) полимеризации с разными типами наполнителей.
-
Выявить особенности влияния ТАД в резиновых смесей на основе растворных эластомеров по сравнению с эмульсионными.
-
Определить оптимальный тип ТАД для использования в эластомерных композициях на основе бутадиен-стирольных каучуков как растворной, так и эмульсионной полимеризации.
-
Установить зависимость между содержанием ТАД и их эффективностью в резиновых смесях и вулканизатах. Определить особенности построения рецептур протекторных резиновых смесей для легковых шин с использованием технологических добавок.
-
Разработать оптимальные технологические режимы изготовления для изучаемых резиновых смесей, в том числе порядок введения ТАД. Определить их влияние на распределение наполнителя в матрице полимера.
Научная новизна работы.
1. Установлено существенное отличие реологических и вулканизационных свойств резиновых смесей и резин на основе эмульсионных БСК по сравнению с растворными при введении ТАД, что обусловлено, в значительной степени, влиянием «некаучуковых» компонентов эмульгатора, входящих в состав эмульсионного БСК.
-
Изучено влияние ТАД на эффект Пейна, характеризующий взаимодействие частиц наполнителя в системе и позволяющий прогнозировать распределение наполнителя; определены тип и содержание ТАД для резиновых смесей, наполненных техническим углеродом и усиливающей системой «ККН-БФС», обеспечивающие снижение гистерезисных свойств вулканизатов. Впервые показано, что в резиновых смесях на основе рБСК, наполненных техническим углеродом, кривые, описывающие эффект Пейна, носят экстремальный характер, в отличие от смесей на основе эБСК, где наблюдается постепенное снижение эффекта Пейна при введении ТАД, что позволило рекомендовать различное содержание ТАД для смесей на основе растворного и эмульсионного БСК.
-
Показано, что в резиновых смесях на основе растворных БСК введение ТАД приводит к увеличению максимального крутящего момента на реограмме вулканизации, в то время как в смесях на основе эмульсионных - к уменьшению. Установлено, что в смесях на основе рБСК, эБСК с техническим углеродом жирные кислоты (ЖК) и их соли замедляют вулканизацию, амиды ЖК ускоряют. В смесях с усиливающей системой «ККН-БФС» введение всех типов ТАД приводит к увеличению индукционного периода и уменьшению оптимума вулканизации.
-
Показано, что в резинах на основе рБСК, в отличие от смесей на основе эБСК, с увеличением содержания ТАД значения свободной поверхностной энергии проходят через минимум. Использование метода оценки свободной поверхностной энергии вулканизатов может быть эффективным при прогнозировании особенностей технологического поведения резиновых смесей в процессе переработки.
Практическая значимость.
-
Показано улучшение технологических свойств резиновых смесей на основе рБСК с разными наполнителями при использовании ТАД, а также улучшение гистерезисных свойств при сохранении комплекса упруго-прочностных показателей вулканизатов.
-
Разработаны рецептурные и технологические приемы улучшения свойств, протекторных резин для «зелёных» легковых шин на основе растворных бутади-ен-стирольных каучуков, обеспечивающие улучшение качества смешения, формования и снижение гистерезисных потерь протекторных резин.
-
В рецептуре резин на основе рБСК с усиливающей системой «ККН -БФС» предложена оптимальная композиция ТАД на основе этаноламида стеариновой кислоты или стеарата цинка в сочетании со стеариновой кислотой, использование которой позволит снизить энергозатраты при изготовлении и пере-
работке резиновых смесей, увеличить производительность оборудования при выпуске полуфабрикатов, обеспечить снижение потерь на качение в шине.
-
Показано, что для обеспечения качественного диспергирования наполнителя в резиновых смесях на основе растворного БСК, наполненного техническим углеродом, наиболее эффективно введение ТАД свыше 5 масс.ч., для смесей с усиливающей системой «ККН-БФС» - свыше 2 масс.ч.
-
Показано, что в резинах на основе эмульсионного БСК, наполненных техническим углеродом, введение ТАД приводит к увеличению оптимального времени вулканизации, снижению максимального крутящего момента и прочностных показателей, вследствие чего рекомендовано снижение содержания ЖК в рецептуре резин на основе эБСК. Использование ТАД позволяет исключить фактор риска подвулканизации в технологическом процессе изготовления резиновых смесей на основе рБСК и эБСК с усиливающей системой «ККН-БФС».
-
Установлено негативное влияние канифоли и олеиновой кислоты на гистерезисные свойства протекторных резин на основе растворного БСК, не рекомендовано их использование в рецептуре протекторных резин.
-
Получено положительное заключение ОАО «ЯШЗ» о практической значимости результатов работы и внедрении предложенных автором рекомендаций в производство.
Достоверность результатов исследования достигается применением современного испытательного оборудования и методов исследования, а также апробированных методик со статистической обработкой результатов, что обеспечивает требуемый уровень точности проведённых измерений.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях.
Основные результаты работы и отдельные ее положения докладывались на следующих мероприятиях: III Всероссийская конференция «Каучук и Резина-2013: традиции и новации» (Россия, Москва), X международный осенний коллоквиум по технологии резин (Германия, Ганновер, 2012), XXII международная научно-практическая конференция «Резиновая промышленность: сырье, материалы, технологии» (Россия, Москва, 2011).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, четырех экспериментальных глав, заключения по результатам работы. Работа изложена на 138 страницах, содержит 38 рисунков, 47 таблиц и 85 литературных ссылок.
Похожие диссертации на Технологические добавки полифункционального действия в эластомерных композициях на основе растворного и эмульсионного бутадиен-стирольных каучуков
