Influence of aromatic content in rubber processing oils on viscoelastic behaviour and mechanical properties of rubber for tyre tread application

Abstract

In this research, an extensive study has been carried out on the aromatic and polycyclic aromatic (PCAs) contents in rubber processing oils (RPOs) that are capable of affecting different properties (i.e., cure characteristics, rheological properties and mechanical properties) of Styrene Butadiene Rubber (SBR), Butadiene Rubber (BR) and Acrylonitrile Styrene Butadiene Rubber (NSBR) products. Attention was paid to the compatibility between those RPOs that are used and the rubber matrices with different chemical natures. Results obtained suggest that the variation of aromatic content in RPOs does not affect the bulk viscosity and cure characteristics of the three various rubbers. Due to the aromatic group of SBR and NSBR, the Payne effect is reduced with increased aromatic compounds and PCA contents in the RPOs. This implies that there is an enhancement in the degree of filler dispersion in the rubber compounds, which is due to the increasing compatibility between the RPO and the rubber matrix. In contrast, the compatibility between the RPOs and the BR matrix is relatively low. Furthermore, the variation of aromatic and PCA contents in the RPOs affects properties sensitive to the interaction between aromatic groups in the polymer and those in the RPOs. Both SBR and NSBR vulcanisates provide an increase in tensile strength, elongation at break, and tear strength point with increasing aromaticity of the RPOs, while these properties are comparable for all BR compounds. Regarding the hardness, modulus at 100% strain, abrasion resistance, and compression set, the aromatic and PCA contents in the RPOs play an insignificant role on these properties of all three rubbers. Additionally, the wet grip, dry grip, and rolling resistance performances are not significantly affected by aromatic content and PCA content in the RPOs.

ในงานวิจัยนี้ ได้ทำการศึกษาอิทธิพลของปริมาณอโรมาติกคาร์บอนและปริมาณพอลีไซคลิกอะไรมาติก (PCA) ในน้ำมันช่วยกระบวนการแปรรูปยาก (Rubber process oil ; RPO) ที่มีต่อสมบัติด้านต่าง ๆ ของยางที่มีโครงสร้างอะโรมาติกเป็นองค์ประกอบ ซึ่งได้แก่ ยางสไตรีน-บิวตะไดอีน (SBR) ยางที่ไม่มีโครงสร้างอะโรมาติกเป็นองค์ประกอบได้แก่ ยางบิวตะไดอีน (BR) และยางมีขั้วและมีโครงสร้างอะโรมาติกเป็นองค์ประกอบ ได้แก่ ยางอะคริโลไนไตรล์-สไตรีน-บิวตะไดอีน (NSBR) โดยทำการศึกษาอิทธิพลต่อทั้งสมบัติการขึ้นรูป สมบัติวิสโคอิลาสติก ตลอดจนสมบัติเชิงกลของยางวัลคาไนซ์ ทั้งนี้เพื่อนำมาประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมยางล้อ จากผลการทดลองที่ได้พบว่า ปริมาณอะโรมาติกและพอลีไซคลิกอะโรมาติกที่เปลี่ยนแปลงไป ไม่มีอิทธิพลต่อ ความหนืดและพฤติกรรมการสุกตัวของยางคอมพาวด์ทั้งสามชนิด นอกจากนี้ การแกตตัวของสารตัวเติมในยางคอมพาวด์ SBR และ NSBR มีแนวโน้มที่ดีขึ้นเมื่อปริมาณอะโรมาติกในน้ำมันเพิ่มขึ้น ทั้งนี้เชื่อว่าเกิดจากความเข้ากันได้ระหว่างน้ำมันกับยางที่เพิ่มขึ้น อันเนื่องจากความเข้ากันได้ระหว่างหมู่อะโรมาติกในยาง SBR และ NSBR กับหมู่อะโรมาติกในน้ำมัน ในทางกลับกันเมื่อปริมาณอะโรมาติกละ PCA เปลี่ยนแปลงไป การแตกตัวของสารตัวเดิมในยาง BR กลับลดลงเล็กน้อย เนื่องจากความเข้ากันได้ระหว่างยาง BR กับน้ำมันนั้นต่ำกว่า นอกจากนี้การปรับเปลี่ยนปริมาณอะโรมาติกในน้ำมันช่วยกระบวนการแปรรูปยาง ยังส่งผลต่อสมบัติเชิงกลบางอย่างของยาง กล่าวคือทั้งยางวัลคาไนซ์ SBR และ NSBR จะมีความทนต่อแรงดึง การยืดตัว ณ จุดที่ขาด และ ความทนต่อการฉีกขาดที่ดีขึ้น ในขณะที่ยางวัลคาไนซ์ BR จะมีสมบัติเชิงกลเหล่านี้ที่ใกล้เคียงกันเมื่อปริมาณอะโรมาติกในน้ำมันเพิ่มขึ้น ในกรณีของสมบัติเชิงกลอื่น ๆ เช่น ความแข็ง โมดูลัสที่ 100% ความเครียด ความต้นทานต่อการขัดถูและ ค่าเสียรูปถาวรจากแรงกดอัด พบว่าปริมาณอะโรมาติกะลพอลไซคลิกอะโรมาติกที่เปลี่ยนแปลงไป ไม่ส่งผลต่อสมบติเชิงกลเหล่านี้ในยางวัลคาไนซ์ทุกชนิด นอกจากนี้ ความต้านทางการหมุน (Rolling resistance) การยึดเกาะถนนพื้นเปียก (wet grip) และ การยึดเกาะถนนบนพื้นแห้ง (Dry grip) ปริมาณอะโรมาติกและ PCA ที่เปลี่ยนแปลงไป จะไม่ส่งอิทธิพลต่อคุณสมบัติเหล่านี้ของยางวัลคาไนซ์ทุกชนิดเช่นกัน