硼酰化鈷的濕法生產(chǎn)工藝及性能檢驗(yàn)

張翠菊

(焦作煤業(yè)(集團(tuán))開元化工有限責(zé)任公司，河南焦作 454000)

硼酰化鈷是一種金屬黏合促進(jìn)劑［1］，藍(lán)紫色粒狀顆粒，具有較好的耐熱、耐濕和耐鹽水的黏合性能和綜合物理性能。分子結(jié)構(gòu)中心為硼酸基，其兩性作用能吸收膠料中的酸性和堿性介質(zhì)，對(duì)金屬有緩蝕劑的作用。通式為(CnH2n+1O3Co)3R，因其分子結(jié)構(gòu)中含特征的弱鍵(硼—氧—鈷鍵)，在硫化條件下，活性鈷會(huì)很快被解離出來，其主要作用是增進(jìn)橡膠和金屬(鋼絲、黃銅、裸鋅銅等)的黏合［2］。主要用于子午線輪胎、鋼芯繩橡膠輸送帶、天然橡膠、金屬骨架橡膠、輪胎翻新工業(yè)等。

1 反應(yīng)原理

1.1 中間體復(fù)合羧酸鈷的合成反應(yīng)

按酸的不同搭配，假定R為不同的酸根，合成反應(yīng)不同羧酸鈷。

2R+CoCO3—→CoR+2H2O(R表示不同羧酸)

1.2 硼酰化鈷的合成

羧酸鈷與硼酸三丁酯反應(yīng)生成產(chǎn)品硼酰化鈷

2 生產(chǎn)工藝

2.1 原料

新癸酸、異辛酸、松酸、丙酸、溶劑油、硼酸三丁酯、碳酸鈷或堿式碳酸鈷。

2.2 合成反應(yīng)和真空蒸餾

先加入液體原料，然后開啟攪拌，控制攪拌速度為60～80 r/min緩慢加入固體原料。檢查整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的密封性，開始以5℃/s速度升溫反應(yīng)，控制好升溫系統(tǒng)，開始快速升溫，當(dāng)溫度升至60℃以上時(shí)，此時(shí)嚴(yán)格控制升溫速度，使合成反應(yīng)緩慢進(jìn)行，如果升溫過快，造成反應(yīng)激烈，會(huì)導(dǎo)致溢鍋。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)升溫至90℃以上時(shí)，停止升溫，保持此溫度反應(yīng)6 h左右，釋放出二氧化碳?xì)怏w和部分低沸點(diǎn)氣體。合成反應(yīng)結(jié)束，繼續(xù)升溫排出溶劑、短鏈酸和水分，當(dāng)溫度達(dá)到185℃，開啟真空泵，進(jìn)行真空蒸餾反應(yīng)，緩慢升壓，控制壓力升速為0.01 MPa/(5 min)。升溫使反應(yīng)系統(tǒng)的水分蒸餾除掉。此時(shí)一定控制好壓力最高不要超過-0.08 MPa，最高溫度不要超過195℃，否則會(huì)影響整個(gè)物料的化學(xué)性能。真空蒸餾結(jié)束，停止升溫，緩慢恢復(fù)常壓，開始對(duì)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)降溫。

2.3 酯化反應(yīng)和真空精餾

當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)溫度降到140℃時(shí)，開始加入硼酸三丁酯進(jìn)行酰化反應(yīng)，加入硼酸三丁酯后控制升溫速度緩慢升溫，當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)比較激烈，繼續(xù)升溫達(dá)到178℃時(shí)，控制系統(tǒng)溫度恒定，并反應(yīng)3 h以后，緩慢升溫排出低沸點(diǎn)的有機(jī)物，當(dāng)溫度升至185℃，開啟真空泵真空精餾，根據(jù)物料的聚合度來定聚合時(shí)間。使物料最終含量在22% ～23%，取樣化驗(yàn)合格后，開始放料。

2.4 硼酰化鈷的技術(shù)指標(biāo)

硼酰化鈷的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 硼酰化鈷技術(shù)指標(biāo)

通過對(duì)該樣品檢測(cè)鈷含量達(dá)到22.87%;加熱減量1.3%;庚烷不溶物8.3%。并對(duì)硼含量進(jìn)行了定性檢測(cè)。

2.5 硼酰化反應(yīng)注意事項(xiàng)

當(dāng)溫度降到適宜時(shí)，加入硼酸三丁酯進(jìn)行酰化反應(yīng)，因反應(yīng)吸熱，因此及時(shí)加熱，保持溫度為180～195℃，此過程必須無水。體系有殘余水分時(shí)硼酸丁酯會(huì)發(fā)生副反應(yīng)。因此硼酰化鈷反應(yīng)之前必須進(jìn)行真空除水。

3 性能對(duì)比試驗(yàn)

所生產(chǎn)的產(chǎn)品和星光橡膠有限公司使用物料性能對(duì)比如表2所示。

通過對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，按此配方制得的硼酰化鈷的鋼絲抽出力、撕裂強(qiáng)度、老化系數(shù)、拉斷伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度及疲勞系數(shù)等多項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到或超過星光橡膠有限公司使用物料的技術(shù)指標(biāo)，性能良好。

4 結(jié)論

硼酰化鈷的濕法合成工藝的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)流程短，無需干燥操作，固定資產(chǎn)投資少。經(jīng)過分析，濕法產(chǎn)品由于沒有對(duì)鈷鹽進(jìn)行干燥，因而硼酰化鈷的氧化率極低，通常低于2.4×10-5，而干法產(chǎn)品遠(yuǎn)高于此。濕法合成中由于整個(gè)反應(yīng)過程都是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行，精餾在真空環(huán)境中進(jìn)行，故氧化幾率非常低［3］。正因如此，該產(chǎn)品具有良好的100℃ ×24 h老化后性能和10萬次疲勞后性能。

表2 對(duì)比試驗(yàn)

［1］中國(guó)化工學(xué)會(huì)橡膠專業(yè)委員會(huì)，橡膠助劑手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000:537.

［2］蒲啟君，嚴(yán)忠慶，趙忠禮，等.鈷鹽黏合劑RC系列的特性及其應(yīng)用［J］.橡膠工業(yè)，1991，38(5):260-266.

［3］王新滿，張洪學(xué)，顏秉舟，等.濕法鈷鹽黏合增進(jìn)劑的合成及其特性［J］.輪胎工業(yè)，2007，27(2)，88.