摘要：用熱重法研究了環(huán)氧化天然橡膠的干燥過程,其干燥過程可用一指數(shù)方程準確表示。用SPSS軟件求出方程中的參數(shù)和干燥系數(shù)。根據(jù)實驗結(jié)果建立的數(shù)學模型與實測數(shù)據(jù)能較好地吻合，且與常規(guī)方法研究結(jié)果有很強的相似性，可作為干燥裝置的設(shè)計和操作優(yōu)化控制的基礎(chǔ)模型。紅外光譜分析測試結(jié)果表明，環(huán)氧化天然橡膠物料的干燥溫度應(yīng)控制在l00℃以下。
關(guān)鍵詞：干燥；動力學；熱分析；環(huán)氧化天然橡膠；天然膠乳
分類號：TQ332
環(huán)氧化天然橡膠是通過環(huán)氧化反應(yīng)將天然橡膠的部分碳-碳雙鍵轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧鍵而制成的一種化學改性天然橡膠[1]。當天然橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧化天然橡膠后，仍然保持天然橡膠原有的分子構(gòu)型，因而保留了天然橡膠原有的部分性能；同時，由于非極性的碳-碳雙鍵轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性的環(huán)氧鍵，環(huán)氧化天然橡膠分子的極性、耐油性、氣密性、黏合性、親水性等性能顯著提高，使環(huán)氧化天然橡膠能夠代替丁腈橡膠、丁吡橡膠、氯化丁基橡膠等合成橡膠，廣泛應(yīng)用于各種耐油制品(如油封)、各種氣密性制品(如藥用瓶塞、球膽、內(nèi)胎)、粘合劑等制品的生產(chǎn)，是一種非常重要的工程材料[2]。特別是在輪胎工業(yè)，環(huán)氧化天然橡膠是目前唯一能顯著提高汽車輪胎抗?jié)窕阅�，又能降低滾動阻力的高分子材料[3-4]。此外，高性能輪胎的生產(chǎn)，簾線(骨架材料)與輪胎橡膠主體之間的結(jié)合程度直接影響輪胎的質(zhì)量和壽命。為了確保簾線與輪胎橡膠主體緊密結(jié)合，必須預(yù)先在簾線表面浸漬一層丁吡橡膠膠粘劑。環(huán)氧化天然橡膠的極性大于丁吡橡膠，粘合效果比丁吡膠乳優(yōu)異。并且作為一種化學改性天然橡膠，能與天然橡膠完全相容。采用環(huán)氧化天然橡膠對簾線進行預(yù)處理，可以顯著改善輪胎簾線與橡膠主體的結(jié)合，提高輪胎的質(zhì)量，延長輪胎的使用壽命。因此，環(huán)氧化天然橡膠必將是輪胎生產(chǎn)必不可少的工程材料[5]。
熱重法具有靈敏度高、快速可靠和使用方便等優(yōu)點，己成為表征高分子材料特性的重要手段。熱重法用于環(huán)氧化天然橡膠的干燥研究未見報道。本研究采用熱重法對環(huán)氧化天然橡膠的干燥特性進行了研究，并對干燥后的物料進行了紅外光譜測定。
1·材料與方法
1.1材料
由中試車間制得的環(huán)氧化天然橡膠經(jīng)洗滌、壓延、破碎處理后，然后放入底部裝水的容器中瀝干備用，以保持試驗物料有均一的初始含水量。
1.2方法
干燥試驗在烘箱上進行，分別在設(shè)定的干燥溫度下(60、70、80和90℃)和動態(tài)空氣下(流速為50mL·min-1)，每隔10min稱量一次，恒溫保持至物料重量不再變化。紅外光譜測試分別取在60、70、80和90℃下干燥的環(huán)氧化天然橡膠樣品，壓延成薄片制樣，在Magna-550II傅里葉變換紅外光譜儀上進行測試。
2·結(jié)果與分析
2.1干燥動力學模型
干燥試驗得到的失重水分比的曲線形狀近似指數(shù)方程曲線。當干燥溫度較低如60℃時，干燥時間延伸較長；在而干燥溫度較高如80、90℃時，干燥時間較60℃的縮短一半甚至更多。但干燥溫度達到100℃時，樣品未有干透而其表面開始發(fā)粘，無法再進行干燥。因此，干燥溫度不能超過100℃(見圖1)。
圖1 不同溫度下的干燥曲線
根據(jù)美國W.V.Hukill提出的干燥模型研究[6]。他假設(shè)在溫度不變的情況下，物料的干燥速率與其實際含水量和平衡水份的差值成比例，即dM/dt＝－K(M－Me)，這微分方程的解為：M－Me/(Mo－Me)＝exp(-Kt)。為了更好地擬合這一曲線方程，增設(shè)水分比值系數(shù)A，則上式變?yōu)椋篗－Me/(Mo－Me)＝Aexp(-Kt)，式中，M為t時間后的物料水分(%干基)；Me為物料的平衡水分(%干基)；Mo為物料的初始水分(%干基)；K為干燥速率系數(shù)，1/min；t為時間，min。
用SPSS軟件及熱重法測試結(jié)果對這一方程進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。
表1 環(huán)氧化天然橡膠不同溫度的干燥系數(shù)
水分比值系數(shù)A值隨溫度變化不大，而干燥速率系數(shù)隨干燥溫度T的升高而增大(見表1)。干燥速率系數(shù)K與干燥溫度1/T的關(guān)系均可用阿倫尼烏斯方程表示；K＝Koexp(－E/RT)，對這個方程分別用SPSS軟件進行回歸，結(jié)果為Ko＝0.137，E/R＝156.803，相關(guān)系數(shù)r＝0.987，P＝0.006。也就是：K＝0.137exp(-156.803/T)，取Y＝－LN(K)，X＝100/T，上述方程-干燥速率系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系，變?yōu)榫�性方程：Y＝1.568X＋1.988，用SPSS軟件進行分析繪出其兩者關(guān)系圖(見圖2)，并進行理論值(線性)與實驗值的比較。
圖2 干燥速率系數(shù)與干燥溫度的關(guān)系[X=100/T,Y=-Ln(K)]
根據(jù)試驗結(jié)果建立的數(shù)學模型與實測數(shù)據(jù)較好地吻合(見圖2)。由此可見，用熱重法進行環(huán)氧化天然橡膠干燥特性的研究，能較準確地反映所涉及物料干燥的共性規(guī)律，可作為干燥裝置的設(shè)計和操作優(yōu)化控制的基礎(chǔ)模型。
2.2干燥溫度對環(huán)氧化天然橡膠的影響
干燥溫度為60、70、80和90℃的環(huán)氧化天然橡膠干燥后試樣的紅外光譜圖分析結(jié)果表明，這4種干燥溫度的環(huán)氧化天然橡膠試樣的結(jié)構(gòu)基本相同，說明環(huán)氧化天然橡膠在100℃以下干燥不會改變其性質(zhì)(見圖3)。
圖3 不同干燥溫度的環(huán)氧化天然橡膠的紅外光譜圖
3·結(jié)論
(1)用熱重法進行環(huán)氧化天然橡膠的干燥動力學研究，根據(jù)試驗結(jié)果建立的數(shù)學模型與實測數(shù)據(jù)較好地吻合，與采用常規(guī)方法得到的結(jié)果有較強的相似性，可作為干燥裝量的設(shè)計和操作優(yōu)化控制的參考基礎(chǔ)模型。
(2)環(huán)氧化天然橡膠與一般天然橡膠有其共同的干燥特性如對溫度敏感，易氧化發(fā)粘，水分揮發(fā)前快后慢，臨界含水量高，干燥所需要的時間主要在降速階段，干燥溫度不宜太高，否則會引起膠粒表面氧化發(fā)粘，堵塞表面毛細管及引起內(nèi)部毛細管收縮，造成膠料無法干透等。筆者對環(huán)氧化天然橡膠的干燥特性已經(jīng)進行了初步研究，即在酸性條件下進行的環(huán)氧化反應(yīng)破壞了存在于天然橡膠中一些天然抗氧劑(部分具有抗氧化性能的蛋白質(zhì))，環(huán)氧化天然橡膠的環(huán)氧基團對溫度比較敏感，因此環(huán)氧化天然橡膠與一般天然橡膠相比，對干燥溫度和干燥時間更敏感，造成質(zhì)量易波動。
本試驗由紅外光譜分析及物料物理性能測試可知，環(huán)氧化天然橡膠物料的干燥溫度控制在100℃以下比較合適。
參考文獻
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[2]何蘭珍，楊丹.環(huán)氧化天然橡膠的研究與應(yīng)用[J].彈性體，2005，15(5)：60-65.
[3]韓蓮，王小萍，賈德民，等.天然橡膠/環(huán)氧化天然橡膠共混體系力學及耐熱老化性能的研究[J].絕緣材料，2005，38(6)：26-29.
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[5]呂明哲，黃茂芳，李普旺，等.環(huán)氧化天然橡膠在高聚物改性中的應(yīng)用進展[J].特種橡膠制品，2009，30(1)：55-59.
[6]潘永康，王喜忠.現(xiàn)代干燥技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998.