不溶性硫黄的分散性研究及其对钢丝带束层胶性能的影响

陈 立，黄大业，陆晓祺，王丹灵，任福君

（中策橡胶集团有限公司，浙江 杭州 310018）

不溶性硫黄（IS）作为一种硫化剂，主要用于橡胶硫化，它不易发生迁移，可使硫化胶增粘、不喷霜，被广泛应用于轮胎及其他橡胶制品中。不溶性硫黄是普通工业硫黄的开环聚合物，是一种亚稳态物质，受热易返原成普通硫黄。目前国内外不溶性硫黄的生产工艺主要分为间歇法和连续法，连续法工艺生产的产品具有稳定性好、分散性优异的特点，可提高胶料的钢丝粘合力[1-8]。

本工作主要研究采用不同生产工艺的不溶性硫黄在胶料中的分散效果及其对钢丝带束层胶性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），泰国产品；炭黑N326，上海卡博特化工有限公司产品；环保芳烃油，宁波汉圣化工有限公司产品；不溶性硫黄，牌号OT20，山东阳谷华泰化工股份有限公司产品。

1.2 试验配方

NR 100，炭黑N326 60，环保芳烃油 2，癸酸钴 1，不溶性硫黄 6，其他 18。

1.3 主要设备和仪器

S（X）K-160型开炼机，上海市拓林轻化机械厂产品；F370型密炼机，美国法雷尔公司产品；GT-M2000型硫化仪和GT-TS-2000-M型电子拉力机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品；VHX-7000型显微镜，基恩士（中国）有限公司产品；DSC1型差示扫描量热（DSC）仪，梅特勒-托利多国际有限公司产品。

1.4 混炼工艺

胶料采用3段混炼工艺，均在F370型密炼机中进行，填充因数为0.75，转子转速为50 r·min-1。一段混炼工艺为：加入NR、炭黑N326、环保芳烃油、癸酸钴等，混炼30 s→提压砣→压压砣30 s→提压砣→压压砣100 s→排胶；二段混炼工艺为：加入一段混炼胶→压压砣至100 ℃→提压砣→压压砣至160 ℃→排胶；三段混炼工艺为：加入二段混炼胶、硫黄等→压压砣30 s→提压砣→压压砣至95 ℃→排胶。

1.5 性能测试

1.5.1 不溶性硫黄的热稳定性

（1）按照HG/T 2525—2011《橡胶用不溶性硫磺》测试不溶性硫黄的热稳定性（105 ℃）。

（2）利用DSC仪测定不同条件下不溶性硫黄的熔点和热焓。

程序1：以10 ℃·min-1速率从25 ℃升温至105℃→保持5 min→降温至25 ℃→升温至200 ℃，全程氮气保护。

程序2：以10 ℃·min-1速率从25 ℃升温至120℃→保持5 min→降温至25 ℃→升温至200 ℃，全程氮气保护。

1.5.2 胶料性能

各项性能均按照相应的国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 理化分析

两种不溶性硫黄的理化分析结果如表1所示，IS-1为连续法IS，IS-2为间歇法IS。

表1 两种不溶性硫黄的理化分析结果

从表1可以看出，与IS-2相比，IS-1的不溶性硫质量分数增大，灰分质量分数减小，说明采用连续法生产工艺的不溶性硫黄产品质量好，可以给胶料带来更好的物理性能和更大的钢丝粘合力。

2.2 热稳定性

根据GB/T 18952—2017测试IS-1和IS-2在105 ℃下的热稳定性分别为87.8%和85.2%，可以看出，IS-1的热稳定性优于IS-2。

为了对比两种不溶性硫黄的热稳定性，在测试105 ℃热稳定性的基础上，利用DSC仪测试105和120 ℃下热处理后两种不溶性硫黄的DSC曲线，如图1和2所示，DSC数据如表2所示。

图1 105 °C下热处理后不溶性硫黄的DSC曲线

图2 120 °C下热处理后不溶性硫黄的DSC曲线

表2 两种不溶性硫黄的DSC数据

从图1和2及表2也可以看出，IS-1的热稳定性优于IS-2。

2.3 分散性

为研究不溶性硫黄在胶料中的分散效果，取密炼机混炼后的胶料，在开炼机上外加一定量的不溶性硫黄出片，通过不溶性硫黄的掉落质量、在胶料中的溶解照片及完全溶解后的胶料断面来对比不溶性硫黄的分散性。

取胶料600 g，投入100 g不溶性硫黄，分别在不同时间（如0，0.25，0.5，1，1.5，2和5 min）下记录不溶性硫黄在胶料中的溶解情况、掉落在托盘中的不溶性硫黄质量及胶料断面情况，如图3所示，IS-1和IS-2分别掉落0.14和0.86 g。

图3 不溶性硫黄在胶料中的溶解照片

将胶料断面置于显微镜下，观察断面胶料中不溶性硫黄颗粒的分布情况，如图4所示。

从不溶性硫黄的掉落质量及图3和4可以看出，IS-1在胶料中的分散性优于IS-2。

2.4 加工性能

不溶性硫黄对胶料门尼粘度和门尼焦烧时间的影响如表3所示。

表3 不溶性硫黄对胶料门尼粘度和门尼焦烧时间的影响

从表3可以看出，两种不溶性硫黄胶料的加工性能无明显差别。

2.5 物理性能

不溶性硫黄对硫化胶物理性能的影响见表4。

表4 不溶性硫黄对硫化胶物理性能的影响

从表4可以看出，两种不溶性硫黄硫化胶的物理性能无明显差异。

2.6 粘合性能

不溶性硫黄对硫化胶钢丝粘合力的影响如表5所示。

表5 两种不溶性硫黄胶料的钢丝粘合力 N

从表5可以看出，老化前后IS-1胶料的钢丝粘合力均大于IS-2胶料，说明不溶性硫黄对钢丝粘合力有较大影响，这主要是由于不溶性硫黄的分散性和热稳定性存在差异所致。

3 结论

以上研究结果表明，IS-1和IS-2两种不同生产工艺的不溶性硫黄对带束层胶的加工性能和物理性能无明显影响，但对不溶性硫黄的分散性和硫化胶的钢丝粘合力影响较大，分散性好的不溶性硫黄在胶料中的溶解扩散速度较快，分散更均匀，可明显提高硫化胶的钢丝粘合力。