不溶性硫黃的分散性研究及其對鋼絲帶束層膠性能的影響

陳 立，黃大業，陸曉祺，王丹靈，任福君

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

不溶性硫黃（IS）作為一種硫化劑，主要用于橡膠硫化，它不易發生遷移，可使硫化膠增粘、不噴霜，被廣泛應用于輪胎及其他橡膠制品中。不溶性硫黃是普通工業硫黃的開環聚合物，是一種亞穩態物質，受熱易返原成普通硫黃。目前國內外不溶性硫黃的生產工藝主要分為間歇法和連續法，連續法工藝生產的產品具有穩定性好、分散性優異的特點，可提高膠料的鋼絲粘合力[1-8]。

本工作主要研究采用不同生產工藝的不溶性硫黃在膠料中的分散效果及其對鋼絲帶束層膠性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），泰國產品；炭黑N326，上海卡博特化工有限公司產品；環保芳烴油，寧波漢圣化工有限公司產品；不溶性硫黃，牌號OT20，山東陽谷華泰化工股份有限公司產品。

1.2 試驗配方

NR 100，炭黑N326 60，環保芳烴油 2，癸酸鈷 1，不溶性硫黃 6，其他 18。

1.3 主要設備和儀器

S（X）K-160型開煉機，上海市拓林輕化機械廠產品；F370型密煉機，美國法雷爾公司產品；GT-M2000型硫化儀和GT-TS-2000-M型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；VHX-7000型顯微鏡，基恩士（中國）有限公司產品；DSC1型差示掃描量熱（DSC）儀，梅特勒-托利多國際有限公司產品。

1.4 混煉工藝

膠料采用3段混煉工藝，均在F370型密煉機中進行，填充因數為0.75，轉子轉速為50 r·min-1。一段混煉工藝為：加入NR、炭黑N326、環保芳烴油、癸酸鈷等，混煉30 s→提壓砣→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣100 s→排膠；二段混煉工藝為：加入一段混煉膠→壓壓砣至100 ℃→提壓砣→壓壓砣至160 ℃→排膠；三段混煉工藝為：加入二段混煉膠、硫黃等→壓壓砣30 s→提壓砣→壓壓砣至95 ℃→排膠。

1.5 性能測試

1.5.1 不溶性硫黃的熱穩定性

（1）按照HG/T 2525—2011《橡膠用不溶性硫磺》測試不溶性硫黃的熱穩定性（105 ℃）。

（2）利用DSC儀測定不同條件下不溶性硫黃的熔點和熱焓。

程序1：以10 ℃·min-1速率從25 ℃升溫至105℃→保持5 min→降溫至25 ℃→升溫至200 ℃，全程氮氣保護。

程序2：以10 ℃·min-1速率從25 ℃升溫至120℃→保持5 min→降溫至25 ℃→升溫至200 ℃，全程氮氣保護。

1.5.2 膠料性能

各項性能均按照相應的國家標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 理化分析

兩種不溶性硫黃的理化分析結果如表1所示，IS-1為連續法IS，IS-2為間歇法IS。

表1 兩種不溶性硫黃的理化分析結果

從表1可以看出，與IS-2相比，IS-1的不溶性硫質量分數增大，灰分質量分數減小，說明采用連續法生產工藝的不溶性硫黃產品質量好，可以給膠料帶來更好的物理性能和更大的鋼絲粘合力。

2.2 熱穩定性

根據GB/T 18952—2017測試IS-1和IS-2在105 ℃下的熱穩定性分別為87.8%和85.2%，可以看出，IS-1的熱穩定性優于IS-2。

為了對比兩種不溶性硫黃的熱穩定性，在測試105 ℃熱穩定性的基礎上，利用DSC儀測試105和120 ℃下熱處理后兩種不溶性硫黃的DSC曲線，如圖1和2所示，DSC數據如表2所示。

圖1 105 °C下熱處理后不溶性硫黃的DSC曲線

圖2 120 °C下熱處理后不溶性硫黃的DSC曲線

表2 兩種不溶性硫黃的DSC數據

從圖1和2及表2也可以看出，IS-1的熱穩定性優于IS-2。

2.3 分散性

為研究不溶性硫黃在膠料中的分散效果，取密煉機混煉后的膠料，在開煉機上外加一定量的不溶性硫黃出片，通過不溶性硫黃的掉落質量、在膠料中的溶解照片及完全溶解后的膠料斷面來對比不溶性硫黃的分散性。

取膠料600 g，投入100 g不溶性硫黃，分別在不同時間（如0，0.25，0.5，1，1.5，2和5 min）下記錄不溶性硫黃在膠料中的溶解情況、掉落在托盤中的不溶性硫黃質量及膠料斷面情況，如圖3所示，IS-1和IS-2分別掉落0.14和0.86 g。

圖3 不溶性硫黃在膠料中的溶解照片

將膠料斷面置于顯微鏡下，觀察斷面膠料中不溶性硫黃顆粒的分布情況，如圖4所示。

從不溶性硫黃的掉落質量及圖3和4可以看出，IS-1在膠料中的分散性優于IS-2。

2.4 加工性能

不溶性硫黃對膠料門尼粘度和門尼焦燒時間的影響如表3所示。

表3 不溶性硫黃對膠料門尼粘度和門尼焦燒時間的影響

從表3可以看出，兩種不溶性硫黃膠料的加工性能無明顯差別。

2.5 物理性能

不溶性硫黃對硫化膠物理性能的影響見表4。

表4 不溶性硫黃對硫化膠物理性能的影響

從表4可以看出，兩種不溶性硫黃硫化膠的物理性能無明顯差異。

2.6 粘合性能

不溶性硫黃對硫化膠鋼絲粘合力的影響如表5所示。

表5 兩種不溶性硫黃膠料的鋼絲粘合力 N

從表5可以看出，老化前后IS-1膠料的鋼絲粘合力均大于IS-2膠料，說明不溶性硫黃對鋼絲粘合力有較大影響，這主要是由于不溶性硫黃的分散性和熱穩定性存在差異所致。

3 結論

以上研究結果表明，IS-1和IS-2兩種不同生產工藝的不溶性硫黃對帶束層膠的加工性能和物理性能無明顯影響，但對不溶性硫黃的分散性和硫化膠的鋼絲粘合力影響較大，分散性好的不溶性硫黃在膠料中的溶解擴散速度較快，分散更均勻，可明顯提高硫化膠的鋼絲粘合力。