Kumiseoksen silanoituminen ja huokoisuus

Abstract

Silikalujitettujen kumiseosten valmistaminen on monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat monet eri tekijät. Jotta silika pystyy lujittamaan kumia, seokseen on lisättävä silaaneja. Silikan ja silaanin välinen reaktio, silanoituminen, tapahtuu sekoittamisen aikana ja se on tärkeässä asemassa kumin lujittamisessa. Tämän työn tavoitteena on selvittää kuinka sekoitusohjelma vaikuttaa matalaviskositeettisen kumiseoksen silanoitumiseen. Huonon silanoitumisen epäillään aiheuttavan huokoisuusongelmaa tehtaan pintainjoilla. Tämän työn toisena tavoitteena onkin selvittää, miksi matalaviskositeettisissa kumiseoksissa esiintyy huokoisuutta ja vaikuttaako silanoituminen todella huokoisuuden määrään. Työ jakaantuu kahteen osaan: kirjallisuusselvitykseen ja kokeelliseen osioon. Kirjallisuusselvityksessä tutustutaan kumiseoksen silanoitumiseen vaikuttaviin tekijöihin ja kumiseosten huokoisuuteen. Kirjallisuusselvityksen ensisijaisena tavoitteena on löytää menetelmiä, joiden avulla silanoitumisastetta voidaan mitata, jotta sekoitusohjelmien vaikutusta silanoinnin onnistumiseen voidaan arvioida. Kokeellinen osio koostuu neljästä sekoituskokeesta ja neljästä tehtaan pintalinjoilla suoritetusta ekstruusiokokeesta ja yhdestä laboratorioekstruusiokokeesta. Sekoituskokeissa valmistettiin eri tavoin silanoituja kumiseoksia. Sekoituskokeissa tutkittiin sekoitusajan, -lämpötilan ja sekoituksen aikaisten tuuletusten vaikutusta kumiseoksen silanoitumiseen. Sekoituskokeissa valmistettuja kumiseoksia testattiin tehtaan pintalinjoilla ja valmistetusta profiilista tutkittiin huokoisuuden määrää kuva-analyysin avulla. Laboratoriossa valmistetuista profiileista huokoisuutta tutkittiin tiheyden avulla. Työssä huomattiin, että sekoitusajan lyhentäminen yhdessä sekoituslämpötilan laskemisen kanssa huonontaa seoksen silanoitumista eniten. Myös sekoituksen aikaisten tuuletusten poistaminen huononsi silanoitumista. Pelkällä sekoitusajan lyhentämisellä ei huomattu olevan merkittävää vaikutusta seoksen silanoitumiseen. Tässä työssä silanoitumisasteen tutkimusmenetelmiksi valikoituivat Paynen efektin mittaus, silikan flokkulaation tutkiminen, silikan dispersion tutkiminen atomivoimamikroskoopin avulla sekä reagoimattoman silaanin määrän mittaus. Näistä menetelmistä kaikkein toimivimmiksi todettiin Paynen efektin ja silikan flokkulaation mittaus. Reagoimattoman silaanin mittausmenetelmä osoittautui kiinnostavaksi, mutta sitä ei saatu tämän työn puitteissa toimimaan. Huokoisuuden mittaaminen tutkittavista seoksista osoittautui hyvin hankalaksi. Näytteiden valmistaminen ja hyvän kuvan saaminen leikkauspinnasta oli vaikeaa. Työssä ei pystytty osoittamaan silanoitumisasteen vaikutusta kulutuspinnan huokoisuuteen. Matalaviskositeettisten silikalujitettujen kumiseosten huokoisuus johtuukin erittäin todennäköisesti muista tekijöistä kuin seoksen silanoitumisasteesta.

Producing silica-reinforced rubber compounds is complicated process that can be affected by many factors. To reinforce rubber compound silane coupling agents must be added together with silicas into the mixture. The chemical reaction between silica and silane, called silanization, occurs mainly during mixing. So, the mixing program is in a key role, when producing silica-reinforced rubber compounds. The main aim of this thesis is to find out how mixing effects on the silanization degree of the low viscosity rubber compound. It is suspected that the poor silanization degree causes porosity in extruded profile. Other intention of this thesis is to explain why there are porosity in low viscosity rubber compounds and is it possible to effect on the amount of porosity by changing the silanization degree. This master’s thesis consists of two parts: a literature study and experimental part. The literature study is concentrated on factors that effects on silanization and porosity of rubber compound. The main aim of the literature survey is to find suitable methods for measuring the silanization degree. Experimental part consists of four different mixing experiments, four extrusion experiments and one extrusion experiment in laboratory scale. In mixing experiments rubber compounds with different silanization degrees were produced. The influence of mixing time, temperature and air injection during mixing were investigated. Rubber compounds produced in mixing experiments were tested in factory’s extrusion lines. The porosity of samples was detected by assisted visual inspection. The porosity of profiles, produced with laboratory extruder, was detected by method based on density. In the experimental part, it was noticed that the shortening of the mixing time together with lowering the mixing temperature decreases the rubber compounds silanization degree most. Also, the removal of air injections decreases the silananization degree. Shortening of the mixing time did not effect on the silanization degree significantly. Silanization degree was measured by Payne effect and flocculation studies. Studying silica dispersion by atomic force microscope was used assess the silanization degree. Also, the amount of unreacted silane in compound was measured. The most practical methods were Payne effect and flocculation studies. The method for measuring the unreacted silane in rubber compound did not work. Measuring the porosity in samples turned out to be very difficult. The sample preparation was nearly impossible and getting good picture of the sample was challenging. The effect of silanization degree on the porosity of samples could not be proved. The porosity of low viscosity rubber compounds arise from something else than silanization degree.