CN103923286A - 腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂,其是腰果酚与烷基酚甲醛共聚产物,聚合物侧链为带有不饱和双键的长碳链,其软化点为100℃~140℃。本发明还公开了一种腰果油改性烷基酚-酚醛树脂的制备方法及应用,可作为橡胶增粘剂使用,不仅为橡胶胶料提供了良好的自粘性,还降低了橡胶的动态生热。本发明橡胶增粘剂特别适用于轮胎生产。
Description
技术领域
本发明涉及橡胶工业技术领域,具体涉及一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂及其制备方法和应用。
背景技术
轮胎的结构设计要求不同部位所使用的橡胶有独特的力学性能。针对各种性能需求,大量不同种类的合成橡胶被运用于轮胎工业。为了改善合成橡胶带来的部件之间粘性不足的问题,解决橡胶部件之间紧密贴合,减少气泡,阻止部件相对位置发生位移,多种增粘树脂被开发出来,主要类别有:烃类树脂,松香树脂,烷基酚醛树脂及其改性产品。烃类树脂包括数均分子量通常为500到约5000和软化点至少为70℃的脂肪族、芳香族和脂肪环族树脂。一般通过,例如聚合异戊二烯、环戊二烯、双环戊二烯(作为石脑油热裂解的副产物而获得的C5部分的C5树脂,或者苯乙烯或其衍生物与茚(也是在石脑油的热裂解中获得的C9部分)热聚制得C9树脂树脂。
轮胎工业用酚醛增粘树脂主要利用基于对-叔丁基苯酚-甲醛树脂和对-特辛基苯酚-甲醛树脂(novolak),以及其吗啉改性树脂产品(专利200880130918.0)。这些树脂都能提供较好的增粘效果。橡胶材料具有粘弹性,在周期性应力作用下,链段因为来不及松弛,会有应变滞后应力情况,分子内摩擦会产生热量。增粘树脂只是在加工过程中起作用,与橡胶基本不会发生反应。最后会作为一种小分子的增塑剂残留在橡胶制品之中。具有苯环结构的酚醛增粘树脂会增加橡胶分子链段的内摩擦作用,提高了橡胶的动态力学损耗。随着轮胎工业的发展,在对酚醛树脂增粘性能提出要求的同时,树脂对橡胶材料动态性能的影响也受到了关注,并提出了更高的要求。
发明内容
本发明克服现有技术的上述缺陷,提出一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂,应用在橡胶中具有良好的增粘效果,还改善减小橡胶的动态生热,特别适用于轮胎橡胶。
本发明公开了一种烷基酚-酚醛树脂,经腰果油改性,是腰果酚与烷基酚甲醛共聚产物,聚合物侧链为带有不饱和双键的长碳链。
本发明烷基酚-酚醛树脂,是将所述树脂用腰果油进行共聚改性,主链结构中含有带不饱和碳氢长链的腰果酚;
其结构式为:
式中,R1独立选自:1-18个碳原子的烷基、环烷基、芳基,它们可以是各种异构体形式,并取代在苯酚母核的邻位、间位或对位;
R2、R3独立为氢-H或C15H31-2n为15个碳原子的不饱和碳链;
n值为0-3,n的平均值为2。
本发明腰果油改性的烷基酚-酚醛树脂的软化点为100℃~140℃。本发明提出的对橡胶具有高增粘性、同时降低橡胶动态力学损耗的腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂,从而降低橡胶动态生热对轮胎性能的影响。
本发明中,腰果油为工业腰果油。腰果壳经榨制获得的天然腰果壳液CNSL是一种多酚的油状液体,主要成分包括:
将天然腰果壳液经脱羧,将腰果酸转化为腰果壳酚,再精制得到工业腰果油。
工业腰果油的主要成分为腰果壳酚,含量一般>85%,另外含有少量腰果二酚和邻甲基腰果二酚外,腰果酚是一种间位带有一个长链不饱和烃基的单酚,分子式如下:
其中,不饱和度n的平均值约为2。
工业腰果油中的其它腰果二酚含量很少,对改性结果影响很小。
本发明还公开了一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂的制备方法,将烷基酚与腰果油加入反应器中,加入甲醛,加入酸性催化剂a或碱性催化剂b后,在60℃~100℃下反应,升温脱水至190℃,保温2小时,制备得到所述腰果油改性的烷基酚-酚醛树脂。其中,若采用酸性催化剂a的,则在升温脱水至190℃后加氢氧化钠水溶液中和,再保温2小时,制备得到所述的腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂。若采用碱性催化剂b的,则可以选择在反应前加入吗啉对树脂进行改性;所述吗啉的加入量为腰果油含有的总的酚:吗啉摩尔比为1∶0.05~1∶0.4。
其中,所述烷基酚与所述腰果油的用量比例为摩尔比0.6∶0.4~0.95∶0.05。
所述烷基酚与腰果油含有的总的酚与所述甲醛的摩尔比为1∶0.6~1∶2。优选地,所述烷基酚与腰果油含有的总的酚与所述甲醛的摩尔比为1∶0.7~1∶1.3。
其中,所述酸性催化剂a是硫酸、苯磺酸及其烷基取代物、硫酸苯酯、草酸之任意一种或任意两种以上的组合。
其中,所述碱性催化剂b是氨水、烷基胺、二烷基胺、三烷基胺、六次甲基四胺二乙醇胺三乙醇胺碱金属、碱土金属氧化物、氢氧化物之任意一种或任意两种以上的组合。
其中,所述醛为10%~37%浓度的甲醛水溶液、多聚甲醛之任意一种或两种的组合。
本发明制备方法,具体包括以下两种方法:
方法(1):将烷基酚与腰果油按摩尔比0.6∶0.4~0.95∶0.05的比例加入反应器中,加热熔融,通过滴液漏斗逐步或一次性加入甲醛,总的酚(烷基酚加上腰果油)醛比为1∶0.6~1∶2,加入酸性催化剂a,在60℃~100℃下回流反应1~5小时,升温脱水至190℃,加20%氢氧化钠水溶液中和,190℃保温2小时,出料,得到产物腰果油改性的烷基酚-酚醛树脂。该树脂产品为暗红色,环球法测软化点范围在100℃~140℃。
方法(2):将烷基酚和腰果油按摩尔比0.6∶0.4~0.95∶0.05的比例加入反应器中,一次性加入甲醛,总的酚(烷基酚加上腰果油)与醛摩尔比例为1∶0.6~1∶2,加入碱性催化剂b,加热升温,在60℃~100℃下反应1~5小时,升温脱水至190℃,并在190℃下保温2小时,出料,得到产物腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂。该树脂产品为暗红色,环球法测软化点范围在100℃~140℃。
本发明制备方法,通过上述两种方法,使得腰果酚作为一种烷基酚与对叔丁基苯酚一起共聚接入树脂链中,同时在树脂中引入了带有双键的长链,一方面,长碳链的引入提高了烷基酚醛树脂与橡胶的相容性,提高了增粘效果。另一方面,双键的引入使得树脂具有了反应性,在橡胶硫化过程中与橡胶双键通过硫化反应连接起来。
本发明还公开了一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂在橡胶制品中的应用。采用本发明方法制备的腰果油改性烷基酚树脂,宜用于各种橡胶组合物中以提高粘着特性。添加入本发明腰果油改性的烷基酚-酚醛树脂的各个轮胎部件的胶料,在动态性能测试中都会表现出较低的生热。降低了轮胎在高速滚动时的温度上升,提高了轮胎使用安全性。其他在交变应力作用下工作的通过双键交联的橡胶部件使用本发明树脂也有减小生热,提高性能的作用。对比例与实施例的动弹性能测试中,实施例的tanδ部明显小于对比例,表明使用改性树脂的橡胶动态生热小。
本发明腰果油改性烷基酚-酚醛树脂应用于橡胶混合物,可增进橡胶的自粘性,同时降低橡胶在周期应变中的力学损耗,从而减小轮胎使用过程中动态生热。本发明腰果油改性烷基酚树脂能够降低橡胶动态生热的原因在于,与现有技术的烷基酚增粘树脂不同的是,本发明中,腰果酚与烷基酚甲醛共聚后,酚醛树脂中引入了含有双键的长链烃基,一方面增加了树脂与橡胶的相容性,同时在橡胶硫化过程中可以通过与硫磺反应加入橡胶的交联网络中去,没有产生增塑作用,还限制了橡胶分子间的运动摩擦,从而减小了动态生热。
具体实施方式
结合以下具体实施例,对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等,除以下专门提及的内容之外,均为本领域的普遍知识和公知常识,本发明没有特别限制内容。本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下,本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中,并且以所附的权利要求书为保护范围。
本发明实验中,腰果壳油为工业级,气相检测纯度为90.5%。对叔丁基苯酚用工业级,原料纯度>99%。甲醛为工业级,浓度36.7-37.1%。固醛为工业级,甲醛含量92-95%。吗啉为工业级,纯度>98%,对甲基苯磺酸、氢氧化钠为化学纯试剂,三乙胺为分析纯试剂。
对比例1
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝器。投入对-叔丁基苯酚300g,37%甲醛水溶液142g,对-甲基苯磺酸1.0g。升温至100℃。在100℃下回流2小时。常压脱水。待温度升至160℃,启动真空-80kPa脱残水至190℃,加0.7g氢氧化钠20%的水溶液中和。升温至200℃,并在此温度下保温2小时。将树脂熔体排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品透明,软化点127℃,浅棕色。
对比例2
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和加液漏斗。投入对-叔丁基苯酚300g,37%甲醛水溶液210g,三乙胺催化剂3.7g。升温至80℃。通过加液漏斗滴加吗啉20g。在100℃下回流2小时。常压脱水。待温度升至150℃,加入松香50g和硬脂酸20g。脱残水至180℃,并在此温度下保温2小时。将树脂熔体排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品透明,软化点130℃,棕色。
对比例3
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝器。投入对-特辛基苯酚412g,37%甲醛水溶液154g,对-甲基苯磺酸1.7g。升温至100℃。在100℃下回流2小时。常压脱水。待温度升至150℃,启动真空-80kPa脱残水至170℃,加1.1g氢氧化钠20%的水溶液中和。在190此温度下保温1小时。将树脂熔体排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品透明,软化点104℃,浅黄色。
实施例1
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和加液漏斗。投入对-叔丁基苯酚180g,腰果油240g,37%甲醛水溶液215g,三乙胺催化剂5g。升温至100℃。回流反应2小时。常压脱水。温度升至190℃,并在此温度下保温2小时后,排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品软化点120℃,暗红色。
实施例2
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和加液漏斗。投入对-叔丁基苯酚285g,腰果油30g,37%甲醛水溶液195g,三乙胺催化剂4g。升温至80℃,反应5小时。常压脱水。温度升至190℃,并在此温度下保温2小时后,排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品透明,软化点128℃,暗红色。
实施例3
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和加液漏斗。投入对-叔丁基苯酚240g,腰果油120g,对-甲基苯磺酸催化剂3g。升温至100℃熔融,滴加37%甲醛水溶液200g,30min内滴加完毕,回流2小时。常压脱水。待温度升至180℃,加3.2g氢氧化钠20%水溶液中和。温度升至190℃,并在此温度下保温2小时后,排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品软化点126℃,暗红色。
实施例4
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和滴液漏斗。投入对-叔丁基苯酚255g,腰果酚90g,37%甲醛水溶液201g,98%硫酸1.5g。升温至100℃,回流2小时。常压脱水。温度升至190℃,并在此温度下保温2小时后,排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品软化点128℃,暗红色。
实施例5
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和加液漏斗。投入对-特辛基苯酚350.2g,腰果油90g,37%甲醛水溶液111g,对甲基苯磺酸3.5g。升温至80℃。加含量为92%的多聚甲醛39g。100℃下回流2小时。常压脱水。温度升至190℃,并在此温度下保温2小时后,排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品软化点106℃,暗红色。
实施例6
在1000ml四颈反应瓶上,安装搅拌、温度计、回流冷凝管和加液漏斗。投入对-叔丁基苯酚270g,腰果油60g,37%甲醛水溶液215g,三乙胺催化剂5g。升温至60℃。通过加液漏斗滴加吗啉21g。60℃下反应9小时。常压脱水。温度升至190℃,并在此温度下保温2小时后,排入不锈钢盘,冷至室温。获得本发明树脂,产品软化点120℃,暗红色。
实施例6橡胶制品
第一步在密炼机中于150℃左右混炼顺丁橡胶、天然橡胶、炭黑、操作油、硬脂酸和氧化锌,得到母炼胶;第二步按表1配方向母炼胶中分别加入来自对比例和实施例的增粘树脂,另外加入防老剂TMQ和4020并于140℃左右在密炼机中混炼;第三步向第二步得到的胶料中加入硫黄和促进剂NS在开炼机上混炼、压片,得到胶片。将这些胶片在23℃、50%湿度的条件下存放,分别测试存放24小时、48小时和72小时的自粘性。自粘性用日本东洋精机公司P-2型粘性测试仪检测。表1为橡胶混合物配方。表2为使用不同增粘树脂(腰果油改性的烷基酚-酚醛树脂)的胶片的自粘性检测结果。
表1树脂的橡胶应用测试配方表
序号 | 原材料 | 配方 |
1 | 天然橡胶 | 30.0 |
2 | 顺丁橡胶 | 70.0 |
3 | 炭黑N375 | 80.0 |
4 | 油 | 4.0 |
5 | 硬脂酸 | 2.0 |
6 | 氧化锌 | 3.0 |
7 | 硫磺(80%)(OT20) | 1.0 |
8 | 增粘树脂 | 4.0 |
9 | 次磺酰胺NS | 2.2 |
10 | 防老剂TMQ | 1.5 |
11 | 防老剂4020 | 1.6 |
表2橡胶应用测试增粘性能结果
动态性能(tanδ)比较结果如下,δ是力学损耗角,tanδ是损耗模量与储能模量的比值,反映橡胶在交变应力下滞后现象的程度。tanδ得值越小,则橡胶分子内摩擦能量损耗越小,动态生热越低。
胶片停放24小时后,用利用阿尔法技术公司(Alpha Technology)的橡胶加工分析仪(RPA)2000来测定硫化后的橡胶的动态性能。可利用的测试和子测试包括恒定温度和应变下的频率扫描、恒定温度和频率下的硫变,恒定温度和频率下的应变扫描、恒定应变和频率下的温度扫描。该仪器的高精确度能够重复测试胶样性能的改变。
表3为固定应变幅度7%和温度60℃,变化频率时的动态性能(tanδ)的比较。表4为固定频率10HZ和温度60℃下,变化应变幅度时的动态性能(tanδ)的比较
表3固定应变幅度7%和温度60℃,变化频率时的动态性能(tanδ)
表4为固定频率10HZ和温度60℃下,变化应变幅度时的动态性能(tanδ)
以上结果表明,采用本发明腰果油改性烷基酚增粘树脂,在保持原有树脂粘性的同时能够改善橡胶胶料的动态性能。
Claims (10)
1.一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂,其特征在于,将树脂用腰果油进行共聚改性,主链结构中含有带不饱和碳氢长链的腰果酚;
其结构式为:
式中,R1独立选自:1-18个碳原子的烷基、环烷基、芳基,是异构体形式,并取代在苯酚母核的邻位、间位或对位;
R2、R3独立为氢-H或C15H31-2n为15个碳原子的不饱和碳链;
n值为0-3,n的平均值为2;
所述烷基酚-酚醛树脂的软化点为100℃~140℃。
2.一种腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂的制备方法,其特征在于,将烷基酚与腰果油加入反应器中,加入醛,加入酸性催化剂a或碱性催化剂b后,在60℃~100℃下反应,升温脱水至190℃,保温2小时,制备得到如权利要求1所述的腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,若采用酸性催化剂a,在升温脱水至190℃后,加氢氧化钠水溶液中和,再保温2小时,制备得到如权利要求1所述的腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂。
4.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,若采用碱性催化剂b,在反应前加入吗啉;所述吗啉的加入量为腰果油含有的总的酚:吗啉摩尔比为1∶0.05~1∶0.4。
5.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述烷基酚与所述腰果油的用量比例为摩尔比0.6∶0.4~0.95∶0.05。
6.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述烷基酚与腰果油含有的总的酚与所述甲醛的摩尔比为1∶0.6~1∶2。
7.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述酸性催化剂a是硫酸、苯磺酸及其烷基取代物、硫酸苯酯、草酸之任意一种或任意两种以上的组合。
8.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述碱性催化剂b是氨水、烷基胺、二烷基胺、三烷基胺、六次甲基四胺二乙醇胺三乙醇胺碱金属、碱土金属氧化物、氢氧化物之任意一种或任意两种以上的组合。
9.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述醛为10%~37%浓度的甲醛水溶液、多聚甲醛之任意一种或两种的组合。
10.如权利要求1所述的腰果油改性的烷基酚-酚醛增粘树脂在橡胶制品中的应用。
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