ปญหาของยางผสมและเทคนิคการแกไข

ดร.กฤษฎา สุชวีะ

ปญหาในทางปฏิบัติของการใชยางผสม

ยางที่นํามาผสมกัน สวนใหญผสมเขากันไมได ทําใหโครงสรางแยกเปนวัฏภาค

ปญหาที่สําคัญที่ตามมาคือ

1. ปญหาเรื่องการวัลคาไนซยางผสม

2. ปญหาเรื่องการกระจายตัวของสารตัวเดิม/สารเคมี ในยางแตละวัฏภาค

1. ปญหาเรื่องการวัลคาไนซยางผสม(เนนการวัลคาไนซโดยใชกํามะถันแบบเรง)

1.1 พื้นฐานของการวัลคาไนซยางโดยใชกํามะถันแบบเรง

1.1.1 อัตราเรงของการเกิดปฏิกิริยาขึ้นกับ• ชนิดของยาง

ยางที่มีพันธะคูสูง จะวัลคาไนซไดเร็วกวาและมากกวายางที่มีพันธะคูต่ํา

• ชนิดของตัวเรงตอ NR- ยาง NR จะวัลคาไนซไดเร็วกวาและมากกวายาง EPDM

1.1.2 ปริมาณการเกิดการวัลคาไนซ (Crosslink density) ขึ้นกับ• ปริมาณกํามะถันที่ใช• ชนิดและปริมาณของตัวเรงที่ใช

1.1.3 โครงสรางของยางที่วัลคาไนซขึ้นกับ• อัตราสวนของกํามะถัน/ตัวเรง• อุณหภูมิที่วัลคาไนซ• เวลาที่วัลคาไนซ

S Sx

Sy SSSz

Ac.

แผนภาพแสดงโครงสรางของยางที่วัลคาไนซดวยกํามะถัน

ฉะนั้นการวัลคาไนซยางโดยใชกํามะถันแบบเรง เพื่อใหไดยางที่มีสมบัติที่ดี

ตามตองการ แมเพียงยางชนิดเดียวก็ไมใชของงาย มีความยุงยากพอควร

1.2 การวัลคาไนซยางผสม (โครงสรางแยกสวน)

ปญหาเกิดจาก

• สารวัลคาไนซ (กํามะถัน, ตัวเรง) ชอบยางตางชนิดไมเทากัน

• ยางตางชนิดในวัฏภาคยางมีความไวตอปฏิกิริยาไมเทากัน ทําให

เกิดความไมสมดุลในการวัลคาไนซ

1.2.1 เมื่อผสมสารวัลคาไนซเขาไปในยางผสม สารวัลคาไนซจะกระจายตัวในวัฏภาคยางตางชนิดไมเทากัน

S SS SS S

S SS

S SS

S SS

SS

SS

S

S SS

SS

เกิดความไมสมดุลของชนิดและปริมาณของพันธะเชื่อมโยง (crosslinks)

สมบตัขิองยางดอยลง

Effect of Crosslink Distribution on Tensile Strength of NR/NBR Gum 50 : 50 (41% Acrylonitrile) Blends

Accelerator (s)a, phr

Tensile strength, MPa

Crosslink distributionηNR : ηNBR

phys phys

TBBS, 1.17

TBBS, 1.17/TMTM, 0.1

TBBS, 1.17/ODIP, 0.37a With 1.3 phr sulphur

1.01

0.67

1.75

26.8

17.8

19.8

1.2.2 สารเคมียางสามารถเคลื่อนยายขามวัฏภาคยางที่ตางกันได โดยเฉพาะอยางยิ่งเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป

Diffusion of sulphur from NR to SBR (150 °C, 9 sec).(J.B.Gardiner, Rubber Chem.Technol. 42, 1058 (1969))

Diffusion of sulphur from NR to butyl (150 °C, 9 sec).(J.B.Gardiner, Rubber Chem.Technol. 42, 1058 (1969))

ฉะนั้นอาจเกิดการเคลื่อนยายของสารวัลคาไนซเพิ่มขึ้นในระหวางการวัลคาไนซยางผสม

- เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เชนที่อุณหภูมิที่วัลคาไนซ- การเคลื่อนยายจากวัฏภาคยางที่วัลคาไนซชาไปยังวัฏภาคยางที่วัลคาไนซเร็ว

ทําใหการควบคุมสมดุลของสารวัลคาไนซในยางผสมยากขึ้น

1.3 แนวทางแกไข

1. ควบคุมไมใหสารวัลคาไนซในยางวัฏภาคตางๆ ตางกันมาก- ปรับวิธีการผสมยางกับสารเคมียาง เชน เปลี่ยนลําดับการเติมสารเคมียาง- ผสมสารวัลคาไนซในยางแตละตัวกอน แลวจึงผสมยางภายหลัง

2. ปรับอัตราเร็วของการวัลคาไนซยางในวัฏภาคตางๆ โดย- ปรับชนิดของตัวเรง- ใชตัวเรงมากกวา 1 ชนิดรวมกัน- ใชสารหนวงปฏิกิริยา (retarder)- ดัดแปรยางเชิงเคมีเพื่อเพิ่มความไวปฏิกิริยาของยาง

การปรับชนิดของตัวเรง

0

10

20

30

40

50

60

70

1.3 CBS 1.24 MBS 1.17 TBBS 1.3 CBS + 0.1TMTM

1.17 TBBS +0.37 O DIP

Accelerator(s), phr

Phys

ical

cro

sslin

k de

nsity

, mol

/m3

NR NBR

Crosslink distribution in gum vulcanisates of 50 : 50 NR : NBR (41% acrylonitrile) blends, all contain 1.3 phr sulphur.

การดัดแปรยางเชิงเคมีเพื่อเพิ่มความไวปฏิกิริยาของยาง

ความไวปฏิกิริยาเปลี่ยนไป

S

BT

EPDM + L – S – S – L

Sulphurdonor

S

L

Modified EPDM

+

Accelerator

MBT

+ L - H

Vulcanisation precursor

BAPD = Bis-alkylphenoldisulphideDTDC = DithiodicaprolactamDTDM = Dithiodimorpholine

ความไวปฏิกิริยาของ EPDM เปลี่ยนไป

0

0.5

1

1.5

2

Control BAPD DTDC DTDM0

0.05

0.1

0.15

0.2

Bound rubberVolume swelling

Bound rubber, g/g black

Volume swelling (Vr toluene)

Interaction between EPDM and carbon black (50 phr N660)

มีผลตอสมบัติของยางผสม (NR/EPDM)

0

1

2

3

4

5

Control BAPD DTDC DTDM0

5

10

15

20

25M100 TS

Modulus, MPa

Tensile strength, MPa

Tensile properties of black-filled (50 phr N660) NR/EPDMblends (2.0 phr S/0.6 phr CBS, tmax / 150 °C)

3. หาวิธีติดตามการวัลคาไนซในยางแตละวัฏภาคอยางนอยจะชวยใหทราบปญหาและหาทางแกไขตอไป

3.1 วัดสมบัติทางกลเชิงพลวัตร (dynamicmechanical property)- วัดสมบัติการวัลคาไนซยางแบบ

ปกติ (MDR,ODR) ใชไมได- วัดสมบัติทางกลเชิงพลวัตร

สามารถใชได (RPA)

3.2 ใช Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR)วัด NMR ของตัวอยางที่บวมดวยตัวทําละลาย

วัดความแตกตางของความกวางของสญัญาณ

Comparison of swollen-state 1H NMR spectra of gum vulcanisates cured with S/CBSto have high (3.0/0.8 phr) and low (1.0/0.2 phr) crosslink densities.

2. ปญหาการกระจายของสารตัวเติม (เสริมแรง) ในยางผสม

การกระจายตัวของสารตัวเติม (เสริมแรง) ในยางแตละวัฏภาคอาจไมเทากัน หรือไมเปนไปตามที่ตองการ เนื่องจากยางแตละชนิดชอบสารตัวเติม (เขมาดํา,ซิลิกา) ไมเทากัน

การกระจายตัวของสารตัวเติมในยางผสม (50/50) ของ NR

ยางผสม

NR / CIIR

NR / BR

% สารตัวเติมใน NR

เขมาดํา ซิลิกา

88

28

90

70

ใชสารตัวเติม 20 phr

ซึ่งมีผลเสียตอสมบัติของยางผสม

Effect of carbon black distribution on vulcanisateproperties (40 parts per hundred rubber ISAF black; 50 NR/50 BR).(W.M.Hess et.al., Rubber Chem.Technol., 40, 371 (1967))

Effect of carbon black distribution on hysteresis(40 parts per hundred rubber ISAF black; 50 NR/50 BR).(W.M.Hess et.al., Rubber Chem.Technol., 40, 371 (1967))

แนวทางแกไข

ปรับวิธีการผสมสารตัวเติม

ยางผสม (50/50) ของ NR/BR ใชเขมาดํา (CB) 20 phr

วิธีการผสม %CB ใน BR

ผสมยางกอนแลวใส CBผสม CB ใน masterbatch ของ NR และ BRผสม CB ใน NR masterbatchผสม CB ใน NR masterbatch แลวใหความรอนที่ 155 ° C 10 นาที

75594018

ผลตอสมบัติของยางผสมที่ไดยางผสม (50/50) ของ NR/BR ใชเขมาดํา (CB) 40 phr

100% NR CB ทัง้หมดใน NR

Tensile strength (kg/cm2)

300% Modulus

Elongation at break (%)

Tear resistance (kg/tp)

Resilience at 50 °C (%)

Hardness (BS Degree)

50% CBใน BR

CB ทัง้หมดใน BR

ผสมปกติ

250

124

511

19.1

87.5

59

179

110

435

15.1

86

57

171

104

438

15.6

84.5

59

161

95

439

11.5

84

56

156

102

415

11.3

86

60

สรุป

1. การใชยางผสมมีปญหาเนื่องจากยางสวนใหญผสมเขากันไมได ทําใหมีโครงสรางแยกเปนวัฏภาค

2. โครงสรางของยางผสมดังกลาวทําใหมีปญหาในดาน- การวัลคาไนซยางในแตละวัฏภาคใหไดสมดุล- การกระจายตัวของสารตัวเติมในยางแตละวัฏภาคไมสมดุล

3. ฉะนั้นควรตองทําความเขาใจกับปญหาดังกลาว และทราบแนวทางในการแกไขเพื่อนําไปปรับทําจริงใหไดในการผลิตภัณฑในอุตสาหกรรม