Частицы оксида цинка: свойства и применение как активатора вулканизации

Основное применение оксида цинка - ZnO (более половины от общего использования) - в резиновой промышленности, где он используется в качестве вулканизирующего активатора (вещество, применяемое в малых дозах для повышения эффективности ускорителя вулканизации).

Ранние неускоренные процессы вулканизации, открытые Чарльз Нельсон Гудиером (Charles Nelson Goodyear, 1800 —1860), подразумевали введения серы ∼8 частей на сотню каучука и нагревание выше точки плавления серы несколько часов. Органические ускорители позволили снизить количество серы и время вулканизации, но значительный прорыв в процессе вулканизации, связанный с применением активаторов, такие как оксид цинка (ZnO).

Оксид цинка также используется в качестве отвердителя или сшивающего агента для галогенсодержащие эластомеров, такие как неопрен или полисульфиды. Оксиды металлов не только изменяют скорость отверждения, но и предотвращают "ожог" (т.е. преждевременную вулканизацию, вызванную нагревом вовремя обработка резины) в неопрене. В кабельных изоляторах, таких как этиленпропилендиеновый мономер (EPDM) каучук, включение ZnO обеспечивает низкое водопоглощение и более длительный срок службы. Это также используется в клеях, чувствительных к давлению (например, в эпоксидированных натуральных каучуках).

Добавление ZnO также значительно улучшает теплопроводность резины, что имеет решающее значение для рассеивания выделяемого тепла из-за деформации под нагрузкой или циклическим напряжением, например, в вибрационных опорах или при эксплуатации шины. Есть также свидетельства того, что включение ZnO в резиновые смеси улучшает сопротивление истиранию. Также было обнаружено, что ZnO ​​улучшает термостойкость вулканизатов. Добавки ZnO также способствуют переработке неотвержденной резины за счет уменьшения усадки формованных изделий и улучшение чистоты форм. Наконец, наличие оксида цинка увеличивает связь между резиной и металлом - вставками, такими как стальная проволока.

В процессе вулканизации частицы оксида цинка работают своей поверхностью, создавая связи внутри композита. Следовательно, эффективность использование ZnO при вулканизации может быть улучшено за счет максимального увеличения площади поверхности частиц оксида цинка. Это зависит от размера, формы и удельной поверхности частиц.

Однако производство, деагломерация и диспергирование мелких частицы ZnO сложны, и более мелкие частицы ZnO могут непреднамеренно ухудшить некоторые желаемые реологические характеристики каучука. Стандарт ASTM D4620-02 (стандартный метод испытаний для оценки эффективной площади поверхности ZnO в резине) упоминает, что удельная поверхность ZnO может существенно повлиять на отверждение, активационные и вулканизационные свойства. Более длительное время отверждения указывает на меньшую площадь поверхности и наоборот.

Оптимальная величина частицы оксида цинка, его насыпная плотность должна подбираться в зависимости от рецептур и технологических процессов на производстве.

Оксид цинка должен быть правильно распределен в резине, чтобы придать требуемые свойства. Обычно это достигается механическим перемешиванием высокой интенсивности. Улучшаем диспергируемость оксида цинка добавлением жирных кислот соактиваторов (особенно пропионовой или стеариновой кислоты 0,2–0,4% м.д.) до ее включения в каучук. Эти жирные кислоты-соактиваторы делают поверхность ZnO гидрофобной и улучшают время диспергирования в органические среды. Еще одно преимущество применения ZnO с обработанной поверхностью заключается в том, что такой ZnO замедляет начальное отверждение, которое уменьшает пригорание резины, обеспечивая оптимальную скорость отверждения.

В последние годы из-за экологических и экономических проблем, связанных с количеством цинка в резиновых изделиях, наблюдается тенденция к минимизации содержания цинка. Чтобы уменьшить необходимое количество оксида цинка, следует увеличить активность частиц.

Поэтому доступность ионов Zn2 + на поверхности кристаллов должна быть максимальной. Некоторые предлагаемые варианты включают применение «активного оксида цинка», использование так называемого «нано оксид цинка» и предшествующая химическая реакция между ускорителями, стеариновая кислота и оксид перед добавлением в каучуковую матрицу.

Полученные данные указывают на возможность снижения уровней ZnO без ухудшения свойств вулканизатов при вулканизации бутадиен-стирольного каучука (s-SBR).