ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ КОМПОЗИЦИЯ НА ОСНОВЕ КАУЧУКА
ECOLOGICALLY SAFE COMPOSITION ON BASIS OF RUBBER

Ссылка на родственную заявку
Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США под номером 62/051755, которая была подана 17 сентября 2014 г., содержание которой включено в настоящий документ ссылкой.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится в общем к экологически безопасным композициям на основе каучука. Более конкретно настоящее изобретение относится к экологически безопасным композициям на основе каучука, которые используют при изготовлении конвейерных лент.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Вследствие способности перемещать большие количества материала, конвейерные ленты уже долгое время используются в промышленности, например, для перемещения сельскохозяйственных продуктов, породы и других добытых ископаемых и различных промышленных товаров.
Одной областью, в которой конвейерные ленты широко используются, является оборудование для перемещения сельскохозяйственных продуктов и, в частности, сельскохозяйственное оборудование, которое используют для уборочных работ. Широкоформатные ленты широко используются в сельскохозяйственных машинах, особенно уборочных машинах, примеры которых обсуждаются в патентах США №4371580 и №4518647.
Во многих составах на основе каучука, которые используются для изготовления конвейерных лент, обычно используют ароматическое нефтяное масло в качестве технологической добавки. По различным соображениям, относящимся к экологии и/или здоровью, желательно снижать и/или исключать использование такого ароматического нефтяного масла.
Выданный Sandstrom и соавт. патент США №2014/0135424 направлен на композиции на основе каучука, получаемые при помощи натурального каучука, который обрабатывают при помощи соевого масла в качестве технологической добавки вместо нефтяного технологического масла.
Выданный Sandstrom и соавт. патент США №2014/0135437 направлен на композиции на основе каучука, получаемые при помощи эластомера на основе сопряженного диена, который обрабатывают при помощи соевого масла в качестве технологической добавки вместо нефтяного технологического масла.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Вариант осуществления настоящего изобретения направлен на бельтинг для использования в конвейерной ленте. Бельтинг содержит тканевую основу и экологически безопасную композицию на основе каучука, нанесенную на по меньшей мере одну поверхность тканевой основы. Экологически безопасная композиция на основе каучука содержит каучуковый компонент, наполнитель, технологическое масло и вулканизирующее средство.
Наполнитель обеспечен в концентрации от приблизительно 50 до 150 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Технологическое масло по существу не содержит ароматическое масло. Технологическое масло обеспечено в концентрации от приблизительно 20 до 60 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Вулканизирующее средство обеспечено в концентрации от приблизительно 1 до 10 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения направлен на экологически безопасную композицию на основе каучука, которая содержит каучуковый компонент, наполнитель, технологическое масло и вулканизирующее средство. Наполнитель обеспечен в концентрации от приблизительно 50 до 150 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Технологическое масло по существу не содержит ароматическое масло. Технологическое масло обеспечено в концентрации от приблизительно 20 до 60 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Вулканизирующее средство обеспечено в концентрации от приблизительно 1 до 10 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения направлен на способ изготовления бельтинга для использования в конвейерной ленте. Экологически безопасную композицию на основе каучука получают из каучукового компонента, наполнителя, технологического масла и вулканизирующего средства. Наполнитель обеспечивают в концентрации от приблизительно 50 до 150 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Технологическое масло по существу не содержит ароматическое масло. Технологическое масло обеспечивают в концентрации от приблизительно 20 до 60 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Вулканизирующее средство обеспечивают в концентрации от приблизительно 1 до 10 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Композицию на основе каучука связывают с тканевой основой с получением ленты с покрытием. Ленту с покрытием вулканизируют для получения конвейерной ленты.
Краткое описание чертежей
Приложенные графические материалы включены для обеспечения дополнительного понимания вариантов осуществления и включены в настоящее описание и составляют его часть. На графических материалах показаны варианты осуществления, и вместе с описанием они служат для пояснения принципов вариантов осуществления. Другие варианты осуществления и многие из предполагаемых преимуществ вариантов осуществления будут явно очевидны, поскольку они станут более понятными со ссылкой на следующее подробное описание. Элементы на графических материалах не обязательно представлены в масштабе относительно друг друга. Подобные номера позиций обозначают соответствующие подобные детали.
На фиг. 1 представлен график сравнения прочности на разрыв резины, изготовленной с ароматическим маслом, и образцов резины, изготовленных с несколькими различными концентрациями соевого масла.
На фиг. 2 представлен график сравнения удлинения резины, изготовленной с ароматическим маслом, и образцов резины, изготовленных с несколькими различными концентрациями соевого масла.
На фиг. 3 представлен график сравнения модуля 300% резины, изготовленной с ароматическим маслом, и образцов резины, изготовленных с несколькими различными концентрациями соевого масла.
На фиг. 4 представлен график сравнения вязкости по Муни резины, изготовленной с ароматическим маслом, и образцов резины, изготовленных с несколькими различными концентрациями соевого масла.
На фиг. 5 представлен график сравнения прочности на раздир резины, изготовленной с ароматическим маслом, и образцов резины, изготовленных с несколькими различными концентрациями соевого масла.
На фиг. 6 представлен график сравнения абразивного износа по DIN резины, изготовленной с ароматическим маслом, и образцов резины, изготовленных с несколькими различными концентрациями соевого масла.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Конвейерные ленты используют в широком спектре применений, поскольку конвейерные ленты способны эффективно перемещать большие количества продукта. Конвейерные ленты обычно содержат два основных компонента: (1) тканевую основу и (2) резиновое покрытие. В зависимости от предполагаемого использования конвейерной ленты клинья могут быть присоединены к конвейерной ленте на расстоянии друг от друга для повышения грузоподъемности конвейерной ленты. Форма, размер и расположение клиньев на конвейерной ленте можно выбирать на основании различных факторов, таких как продукт, который следует перемещать на конвейере.
Тканевую основу обычно обеспечивают в двух конфигурациях - скрученной и волоконной. Ткань из крученой пряжи получают из штапельных волокон, которые скручивают для получения нитей, которые затем переплетают с получением ткань из крученой пряжи. Ткань из волокон, с другой стороны, образуется из непрерывно экструдируемых волоконных нитей. Различные факторы могут влиять на то, какой тип ткани используют при изготовлении конкретной конвейерной ленты.
Существуют две основные техники, которыми на тканевую основу наносят резину - нанесение резиновой обкладки и фрикционное покрытие. При нанесении резиновой обкладки слой каучукового материала накладывают на тканевую основу, но не запрессовывают в переплетения тканевой основы. Напротив, при фрикционном покрытии наносят резину на тканевую основу при помощи каландра с валками, движущимися с различными скоростями по поверхности для вдавливания резины в переплетение тканевой основы.
Различные факторы могут влиять на то, какую технику используют для нанесения композиции на основе каучука на тканевую основу. Например, хотя нанесении резиновой обкладки обычно рассматривается как подходящее для использования совместно с различными тканями, слой резины, обеспечиваемый при нанесении резиновой обкладки, обычно намного толще, чем слой резины, который обеспечивается при фрикционном покрытии. Согласно некоторым вариантам осуществления эта увеличенная толщина резины может быть нежелательной, поскольку это увеличивает общую массу конвейера.
Перед нанесением на тканевую основу покрытия из композиции на основе каучука тканевую основу можно обрабатывать для увеличения адгезии каучука, пример чего включает нанесение слоя содержащего резорцинформальдегидную смолу латекса на поверхность тканевой основы. После нанесения покрытия из композиции на основе каучука на тканевую основу можно использовать дополнительные техники для повышения прочности и/или срока службы композиции на основе каучука, примеры чего включают прессование и нагрев.
Одним из основных компонентов композиции на основе каучука является каучуковый компонент. Поэтому обычно указывают концентрацию других компонентов, используемых в композиции на основе каучука, относительно количества каучукового компонента.
Каучуковый компонент может представлять собой натуральный каучук или смесь натурального каучука и синтетического каучука. Примером одного типа синтетического каучука, который можно использовать при изготовлении конвейерной ленты, является бутадиен-стирольный каучук. Специалист в данной области техники оценит, что бутадиен-стирольный каучук может иметь различные составы, используя идеи настоящего изобретения.
Композиция на основе каучука содержит наполнитель. Примеры подходящих наполнителей включают сажу, диоксид кремния, карбонат кальция, сульфат кальция, глину, слюду и их комбинации. Согласно некоторым вариантам осуществления наполнитель обеспечен в концентрации от приблизительно 50 до 150 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Согласно другим вариантам осуществления наполнитель обеспечен в концентрации приблизительно 100 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Композиция на основе каучука содержит по меньшей мере одно технологическое масло, которое облегчает обработку композиции на основе каучука. Согласно некоторым вариантам осуществления, по меньшей мере, часть технологического масла получают из зерновых культур, такое как касторовое масло, кокосовое масло, хлопковое масло, льняное масло, рапсовое масло, соевое масло, пальмовое масло и арахисовое масло. Согласно другим вариантам осуществления технологическое масло по существу получают из зерновых культур.
Технологическое масло обеспечивают в концентрации от приблизительно 10 до 70 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Согласно другим вариантам осуществления технологическое масло обеспечивают в концентрации от приблизительно 20 до 50 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Согласно некоторым вариантам осуществления технологическое масло по существу не содержит ароматическое масло. Преимуществом составления композиции на основе каучука без использования ароматического масла является то, что избегают возможных проблем со здоровьем, связанных с контактом людей с такими ароматическими маслами или в процессе переработки композиции на основе каучука в продукт, или в процессе использования продуктов, которые производят из композиции на основе каучука.
Другим преимуществом составления композиции на основе каучука без ароматического масла является то, что полученные из зерновых культур масла, указанные выше, получают из возобновляемых ресурсов, тогда как ароматические масла обычно получают из ископаемых топлив.
Обнаружили, что еще одним преимуществом использования полученного из зерновых культур масла вместо ароматического масла является то, что полученное из зерновых культур масло можно использовать в концентрации, которая значительно ниже, чем концентрация ароматического масла, которую обычно используют при составлении резины, которую используют для применения в изготовлении бельтинга.
Согласно некоторым вариантам осуществления концентрация полученного из зерновых культур масла, которую используют при составлении резины, составляет по меньшей мере на 25% меньше, чем концентрация ароматического масла, обычно используемая при изготовлении резины для применения при изготовлении бельтинга. Согласно другим вариантам осуществления концентрация полученного из зерновых культур масла, которую используют при составлении резины, составляет на приблизительно 30-60% меньше, чем концентрация ароматического масла, обычно используемая при составлении резины для применения при изготовлении бельтинга.
Согласно другим вариантам осуществления небольшая часть (т.е. менее 50 массовых частей на сто частей) технологического масла содержит парафиновое, нафтеновое или ароматическое технологическое масло, соолигомер этилена и α-олефина, минеральное масло, такое как твердый парафин и жидкий парафин. Согласно еще одним вариантам осуществления концентрация дополнительного компонента масла составляет менее чем приблизительно 5 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Композиция на основе каучука может содержать по меньшей мере одно вулканизирующее средство. Примеры подходящих вулканизирующих средств включают серу и органические пероксиды. Согласно некоторым вариантам осуществления концентрация вулканизирующего средства составляет от приблизительно 1 до 10 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Согласно другим вариантам осуществления концентрация вулканизирующего средства составляет от приблизительно 2 до 5 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Композиция на основе каучука может содержать по меньшей мере один антиоксидант. Примеры подходящих антиоксидантов включают N-фенил-N'-циклогексил-пара-фенилендиамин, N-(1,3-диметилбутил)-N'-фенил-пара-фенилендиамин и 2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинолин. Согласно некоторым вариантам осуществления антиоксидант обеспечен в концентрации до приблизительно 10 массовых частей на сто частей каучукового компонента. Согласно другим вариантам осуществления антиоксидант обеспечен в концентрации от приблизительно 0,5 до 3,0 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Композиция на основе каучука может также включать активаторы и ускорители для дополнительного ускорения ее скорости вулканизации. Примеры возможных активаторов и ускорителей включают оксид цинка, стеариновую кислоту, дифенилгуанидин, N-трет-бутил-2-бензотиазолсульфенамид, тетраметилтиурамдисульфид и сульфенамид (N-оксидиэтиленбензотиазолсульфенамида). Согласно некоторым вариантам осуществления активаторы и ускорители обеспечены в концентрации от приблизительно 1 до 10 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Композиция на основе каучука настоящего изобретения может необязательно содержать другие добавки. Примерами таких добавок являются ингибитор старения, воск, противоозоностаритель, антиоксидант, вспениватель, пластификатор, внутренняя смазка, усилитель клейкости и УФ-поглотитель. Каждая добавка обеспечивается в эффективной концентрации. Согласно некоторым вариантам осуществления концентрация каждой из добавок составляет менее чем приблизительно 3 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Усилитель клейкости может быть особенно желательным, когда композицию на основе каучука используют совместно с фрикционным покрытием тканевой основы. Усилитель клейкости, используемый совместно с композицией на основе каучука, может быть аналогичным усилителям клейкости, используемым совместно с обычными композициями на основе каучука.
Согласно некоторым вариантам осуществления композицию на основе каучука получают в две стадии. Первая стадия предусматривает получение маточной смеси, которая обычно содержит каучуковый компонент, наполнитель, технологическое масло, онтиоксиданты и противоозоностарители. Специалист в данной области техники оценит, что различные техники можно использовать для изготовления маточной смеси. Например, согласно некоторым вариантам осуществления компоненты, используемые при изготовлении маточной смеси, перемешивают по существу до однородности.
Когда желательно изготовить готовую резиновую деталь, маточную смесь смешивают с вулканизирующими средствами и ускорителями на второй стадии. Специалист в данной области техники оценит, что дополнительные соединения можно также добавлять на этой стадии, но обычно вулканизирующие средства и ускорители оставляют для готовой смеси.
Следующий пример представлен с целью иллюстрации, а не ограничения объема настоящего изобретения.
Пример одного из таких наружных слоев конвейерной ленты среднего качества включал SBR (бутадиен-стирольный каучук), содержащий ароматические масла в концентрации 100 массовых частей на сто частей (phr), и ароматическое масло в концентрации 50 phr, и с общей массой приблизительно 237 при включении наполнителей и технологических добавок.
Образцы резины тестировали для оценки физических свойств, сравнивая композиции на основе каучука, полученные с ароматическим маслом, с композициями на основе каучука, полученными с соевым маслом. Экспериментальные образцы содержали такие же компоненты в таких же концентрациях, как и контрольная композиция на основе каучука, за исключением того, что ароматическое масло было удалено из них и замещено на соевое масло. Соевое масло использовали в концентрациях приблизительно 20, 30 или 50 массовых частей на сто частей каучукового компонента.
Состав на основе каучука с соевым маслом в концентрации приблизительно 30 массовых частей на сто частей каучукового компонента проявлял прочность на разрыв, аналогичную прочности на разрыв резины, изготовленной при помощи ароматического масла, как показано на фиг. 1. Прочность на разрыв составов на основе каучука снижалась при увеличении концентрации соевого масла. На основании этих данных экологически безопасная композиция на основе каучука с прочностью на разрыв от приблизительно 2000 фунтов/кв. дюйм до приблизительно 2500 фунтов/кв. дюйм проявляет преимущественные свойства.
Состав на основе каучука с соевым маслом в концентрации приблизительно 20 массовых частей на сто частей каучукового компонента проявлял удлинение, которое было очень близким к удлинению резины, изготовленной при помощи ароматического масла, как показано на фиг. 2. Удлинение составов на основе каучука увеличивалось при увеличении концентрации соевого масла. На основании этих данных экологически безопасная композиция на основе каучука с удлинением от приблизительно 500% до приблизительно 600% проявляет преимущественные свойства.
Модуль 300% резины, изготовленной при помощи ароматического масла, находился в промежутке между модулем 300% составов на основе каучука с соевым маслом в концентрациях приблизительно 20 и 30 массовых частей на сто частей каучукового компонента, как показано на фиг. 3. Модуль 300% составов на основе каучука снижался при увеличении концентрации соевого масла. На основании этих данных экологически безопасная композиция на основе каучука с модулем 300% от приблизительно 800 фунтов/кв. дюйм до приблизительно 1200 фунтов/кв. дюйм проявляет преимущественные свойства.
Вязкость по Муни резины, изготовленной при помощи ароматического масла, находилась в промежутке между вязкостью по Муни составов на основе каучука с соевым маслом в концентрациях приблизительно 30 и 50 массовых частей на сто частей каучукового компонента, как показано на фиг. 4. Вязкость по Муни составов на основе каучука снижалась при увеличении концентрации соевого масла. На основании этих данных экологически безопасная композиция на основе каучука с вязкостью по Муни от приблизительно 30 до приблизительно 50 проявляет преимущественные свойства.
Состав на основе каучука с соевым маслом в концентрации приблизительно 30 массовых частей на сто частей каучукового компонента проявлял прочность на раздир, аналогичную прочности на раздир резины, изготовленной при помощи ароматического масла, как показано на фиг. 5. Прочность на раздир составов на основе каучука снижалась при увеличении концентрации соевого масла. На основании этих данных экологически безопасная композиция на основе каучука с прочностью на раздир от приблизительно 200 фунтов/дюйм до приблизительно 250 фунтов/дюйм проявляет преимущественные свойства.
3
Коэффициент абразивного износа по DIN состава на основе каучука, изготовленного при помощи ароматического масла, был больше, чем коэффициент абразивного износа по DIN всех составов на основе каучука, изготовленных при помощи соевого масла, как показано на фиг. 6. Абразивный износ по DIN составов на основе каучука увеличивался при увеличении концентрации соевого масла. На основании этих данных экологически безопасная композиция на основе каучука с абразивным износом по DIN менее чем приблизительно 250 мм проявляет преимущественные свойства.
Когда характеристики трех составов на основе каучука, изготовленных при помощи технологической добавки на основе соевого масла, оценивали вместе, общие показатели состава на основе каучука, изготовленного при помощи соевого масла в концентрации приблизительно 30 массовых частей на сто частей каучукового компонента, проявляли оптимальные рабочие характеристики, наиболее близко соответствующиее контрольному образцу с ароматическим маслом.
Наиболее неожиданным результатом было улучшение сопротивления абразивному износу у состава на основе каучука при использовании соевого масла. При изменении только типа масла с ароматического на соевое обнаружили значительное увеличение сопротивления абразивному износу.
Сопротивление абразивному износу является одним из наиболее важных свойств резиновой смеси. Установка для испытаний на абразивный износ по DIN является стандартным тестом на абразивный износ, используемым для конвейерных лент. Абразивный износ представляет собой износ, представляющий потерю материала; таким образом, коэффициент абразивного износа по DIN выражается в кубических миллиметрах потери материала. Более низкое значение коэффициента абразивного износа по DIN означает лучшее сопротивление абразивному износу.
Хотя оценку проводили только при помощи соевого масла, предполагается, что другие полученные из зерновых культур масла будут показывать результаты, которые аналогичны результатам, проявляемым составом на основе каучука, содержащим технологическую добавку на основе соевого масла, поскольку эти другие полученные из зерновых культур масла имеют набор химических характеристик, аналогичный набору химических характеристик соевого масла.
Предполагается, что признаки, раскрытые в настоящей заявке, а также описанные в вышеуказанных заявках, включенных ссылкой, можно объединять и подбирать для соответствия конкретным условиям. Различные другие модификации и изменения будут очевидны специалистам в данной области техники.