ES2253777T3 - Negro de carbon para automoviles y composiciones de goma que lo contienen. - Google Patents
Negro de carbon para automoviles y composiciones de goma que lo contienen.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN NEGRO DE CARBON MEJORADO PARA CAUCHO DE LLANTAS DE AUTOMOVILES. MAS ESPECIFICAMENTE, LA INVENCION SE REFIERE A UN NEGRO DE CARBON QUE CONFIERE AL CAUCHO DE UNA LLANTA DE NEUMATICO UNA RESISTENCIA MEJORADA AL DESGASTE, UNA RESISTENCIA A LA RODADURA REDUCIDA, UN CALENTAMIENTO ACUMULATIVO INTERNO REDUCIDO Y UNA RESISTENCIA AL DESGARRO MEJORADA. DICHO NEGRO DE CARBON MEJORADO PERTENECE A LA SERIE N100, Y CUANDO SE INCORPORA AL CAUCHO, COMBINA LAS PROPIEDADES DE ELEVADA RESISTENCIA AL DESGASTE Y CALENTAMIENTO ACUMULATIVO INTERNO REDUCIDO DEL NEGRO DE CARBON N121, Y LAS PROPIEDADES DE ELEVADA RESISTENCIA AL DESGARRO DE LOS NEGROS DE CARBON N115 O N110. DICHO NEGRO DE CARBON MEJORADO PRESENTA UNA APLICACION PARTICULAR EN LLANTAS DE NEUMATICOS DE CARCASA RADIAL DE ACERO DE CAMIONES Y AUTOBUSES, ESPECIALMENTE PARA UTILIZACION EN CONDICIONES DE AUTOPISTA Y DE FUERA DE AUTOPISTA, Y PARA RUEDAS DE VEHICULOS DE PASAJEROS DE ELEVADO RENDIMIENTO.
Description
Negro de carbón para automóviles y composiciones
de goma que lo contienen.
Esta solicitud incorpora por referencia, y
reclama la prioridad de la Solicitud Provisional de Patente de
Estados Unidos con No. de Serie 60/017.583, titulada Negro de carbón
con ventajas de abrasión e histéresis comparables con el N121 y
propiedades de desgarro comparables con el N115, archivada el 16 de
mayo de 1996, y correspondiente a la Solicitud de Patente de Estados
Unidos con No. de Serie 08/697.734, archivada el 29 de agosto de
1996.
La presente invención se refiere a negro de
carbón mejorado para caucho de una banda de rodamiento de neumático.
Más particularmente, la presente invención se refiere a negro de
carbón que proporciona al caucho de la banda de rodamiento de
neumáticos una mejor resistencia al desgaste, una menor resistencia
al rodamiento, un menor calentamiento y una mejor resistencia al
desgarro. El negro de carbón mejorado está en la serie N100 y,
cuando se encuentra en caucho, combina las ventajas de una mayor
resistencia al desgaste y un calentamiento bajo del negro de carbón
N121 con las propiedades de resistencia al desgarro elevada del
N115. La presente invención tiene una aplicación particular en
bandas de rodamiento de neumáticos radiales con llantas de acero
para autobuses y camiones, especialmente para su utilización en
condiciones alternativas de autopista y para neumáticos de alto
rendimiento para vehículos de pasajeros.
Dado que la dependencia mundial del transporte
con camiones y otras utilizaciones de los neumáticos de los camiones
aumenta constantemente, los nuevos diseños en la tecnología de
neumáticos radiales de camión tendrán un impacto significativamente
importante en muchas economías del mundo. En los últimos años, se
han realizado muchas mejoras en el comportamiento de neumáticos
radiales de camión. Sin embargo, aún se necesitan más avances en la
resistencia tanto en roturas prematuras como en el desgaste
acelerado en servicios intensos en el diseño de neumáticos y en el
desarrollo de materiales para la composición. La técnica ha
reconocido que existe un gran deseo, aunque es una necesidad no
resuelta, de una mejor resistencia a la rotura y otras mejoras en el
comportamiento de los compuestos de la banda de rodamiento que
incluyen una mayor resistencia al desgaste, una resistencia mejorada
al desgarro, un menor calentamiento y una menor resistencia al
rodamiento. (Véase, por ejemplo, M.B. Rodgers y S.M. Mezynski,
Kautschuk Gummi Kunst., 46, (9), 718 (1993); y, B. Lambillote y G.S.
Eiber, Rubber World (Mundo del Caucho), 209, (1), 27 (octubre de
1993)).
El negro de carbón, una forma de carbono
elemental, se utiliza ampliamente como componente del caucho para
neumáticos, tanto para cauchos naturales y sintéticos como mezclas
de caucho natural con polímeros sintéticos. Las características
físicas del negro de carbón, tales como el tamaño de partícula y la
estructura, afectan a varias propiedades en el comportamiento de los
compuestos del caucho, tales como el desgaste del neumático, la
resistencia al rodamiento, y la resistencia al calentamiento y al
desgarro.
La presente invención se refiere a un negro de
carbón nuevo (al que se refiere en la presente invención como
"negro de carbón A") diseñado para mejorar las cualidades del
caucho de la banda de rodamiento de neumáticos, que incluyen la
introducción de una resistencia mejorada al desgaste, una menor
resistencia al rodamiento, un menor calentamiento y una mejor
resistencia al desgarro. El negro de carbón mejorado se encuentra
en la serie N100 y, cuando se encuentra en caucho, combina las
ventajas de una mayor resistencia al desgaste y un calentamiento
bajo del negro de carbón N121 con las propiedades de elevada
resistencia al desgarro del N115. El negro de carbón de la presente
invención es particularmente adecuado para mejorar las cualidades
de la banda de rodamiento de los neumáticos radiales con llantas de
acero de camiones y autobuses (TBS/RT), y neumáticos de alto
rendimiento para vehículos de pasajeros. Los neumáticos radiales con
llantas de acero de servicio medio o pesado de camiones y autobuses
(TBS/RT) abarcan un número de segmentos en el mercado clasificados
como neumáticos de camiones y autobuses en autopista, para la
construcción/agricultura, mixtos alternativos para carretera, para
servicios en la ciudad y económicos para combustibles
especiales.
Actualmente, los negros carbón para bandas de
rodamiento de las series N100 y N200 (según se especifica en la
ASTM D 1765) se utilizan en TBS/RT y sus compuestos para
recauchutados. Estos negros de bandas de rodamiento están
ampliamente caracterizados ya que tienen un área superficial elevada
y niveles de estructura elevados.
La estructura de un negro de carbón es el grado
de agregación de las partículas, con una estructura de negro de
carbón elevada con más partículas agregadas en estructuras
aleatorias que un negro de estructura baja. La estructura del negro
de carbón se puede definir mediante el número de Absorción de
n-Dibutilftalato (DBPA). Cuanto mayor es el número
de DBPA, mayor es la estructura del negro de carbón. El área
superficial se puede medir mediante el número de Absorción de Yodo
(No. de Yodo). Existe una relación inversa entre el número de yodo
del área superficial y el tamaño de partícula; cuanto mayor es el
número, más pequeño es el tamaño de partícula.
El tamaño de partícula y la estructura del negro
de carbón afectan a varias cualidades del caucho que contiene el
negro de carbón, tales como la resistencia al desgaste, la
resistencia al rodamiento de la banda de rodamiento, el
calentamiento de la banda de rodamiento y la resistencia al desgarro
de la banda de rodamiento. Por consiguiente, se utilizan diferentes
negros de carbón en diferentes bandas de rodamiento dependiendo de
las necesidades específicas del servicio de los neumáticos.
Por ejemplo, el servicio de camiones en autopista
expone los neumáticos a cargas elevadas y velocidades elevadas en
carreteras relativamente lisas. Para esta aplicación, tanto en
Europa como en Norteamérica, se utilizan principalmente negros para
bandas de rodamiento, tales como N121, N110 y N234. En la presente
invención, el comportamiento se refiere principalmente a una
resistencia al desgaste mayor y más regular.
Sin embargo, la resistencia al rodamiento se está
convirtiendo en un aspecto del comportamiento muy importante a
nivel mundial. En los TBS/RT, la banda de rodamiento tiene un papel
importante en el control de la resistencia al rodamiento.
Los tres negros para bandas de rodamiento
mencionados anteriormente (N121, N110 y N234), muestran
características de histéresis relativamente elevadas (desarrollando
temperaturas de calentamiento superiores y niveles de resistencia
al rodamiento más elevados en comparación con homólogos de las
series N200 y N300 más ordinarios), siendo el N110 el más
histerético seguido de N121 y N234. Respecto a éstos, el N121
desarrolla el mayor valor de desgaste de la banda de rodamiento,
seguido del N234, y a continuación del N110. Entre las aplicaciones
para estos negros para bandas de rodamiento se incluyen nuevos
compuestos para bandas de rodamiento y recauchutados.
En el servicio de camiones en condiciones
alternativas de autopista, los neumáticos, cuando no están en
autopista, generalmente experimentan carreteras más irregulares y
giros más bruscos con cargamentos elevados y velocidades inferiores
que en el servicio en autopista. Sin embargo, cuando vuelven a la
autopista experimentan las mismas velocidades elevadas y
condiciones de temperatura que en neumáticos en autopista.
Para Europa y Norteamérica, entre los negros para
bandas de rodamiento utilizados habitualmente para esta aplicación
se incluyen N110, N115 y N220. Los aspectos de comportamiento se
refieren más a la vida de servicio de la banda de rodamiento que a
la vida del desgaste de la banda de rodamiento. Cuanto mayor es la
severidad de las condiciones del servicio de los neumáticos, más
importante se hace la resistencia a la rotura, particularmente en
el compuesto para la banda de rodamiento. Estos grados desarrollan
niveles de módulos inferiores y muestran mayor resistencia al
desgarro que el N121 o N234. El N110 y el N115 desarrollan
temperaturas de calentamiento y niveles de resistencia al
rodamiento más elevados que el N220 (o N121 y N234) y niveles de
resistencia al desgarro más elevados.
Aunque el N115 y el N110 se utilizan en bandas de
rodamiento para condiciones alternativas de autopista en Europa, el
N115 no se utiliza demasiado para esta aplicación en Norteamérica.
Estos dos negros para bandas de rodamiento se diferencian
principalmente en que el N115 tiene un colorante, un número de yodo
y niveles de área superficial para nitrógeno más elevados que el
N110. No obstante, actúan de forma similar en caucho.
Los TBS/RT están compuestos habitualmente de
sistemas poliméricos reforzados con negro de carbón que se basan
mayoritariamente en caucho natural (NR) o mezclas de NR y polímeros
sintéticos (emulsión de copolímero de
estireno-butadieno, SBR, y polibutadieno, BR,
caucho). (Véase, por ejemplo, M.B. Rodgers y S.M. Mezynski,
Kautschuk Gummi Kunst., 46, (9), 718 (1993), que se incorpora en la
presente invención por referencia)).
El NR (caucho natural) es un producto natural de
las plantas caoutchouc que producen látex, de las cuales la Hevea
Brasiliensis es la más común, es un elastómero de poliisopreno
(metil butadieno).
El BR (caucho de butadieno) es un caucho
sintético producido a partir de una emulsión o bien, de una
polimerización en solución de butadieno unido, principalmente, de
forma lineal por adiciones 1,4 (preferentemente, en conformación
cis-1,4, aunque también en cierta mesura en
conformación trans-1,4) y 1,2.
El SBR (caucho de
estireno-butadieno) es un caucho sintético producido
a partir de una emulsión o bien, de una polimerización en solución
de butadieno y estireno en varias proporciones.
Entre los cauchos adecuados para su utilización
con la presente invención están cualquier caucho natural, caucho
sintético y mezcla de cauchos naturales y sintéticos. Éstos incluyen
los denominados elastómeros de dieno, es decir, por ejemplo,
cauchos sintéticos y naturales tratadas con aceite, tales como
cauchos de carboxilo, cauchos de epóxido, transpolipentenámeros,
cauchos de butilo halogenados, cauchos de
2-clorobutadieno y cauchos de polibutadieno. Los
cauchos típicos sintéticos son cauchos de
estireno-butadieno (SBR), tanto si son limpios como
con aceite extendido, cauchos de SBR en emulsión, cauchos de SBR con
un contenido elevado de estireno, cauchos de SBR en solución,
cauchos de SBR en solución estrellada y cauchos de SBR
funcionalizados en solución.
Además, los cauchos adecuados son cauchos,
plásticos y mezclas de los mismos que se pueden reticular con azufre
y un acelerador o aceleradores de vulcanización y también con
peróxido para formar elastómeros. Éstos incluyen los denominados
elastómeros de dieno, es decir, por ejemplo, cauchos sintéticos y
naturales con aceite extendido, tales como cauchos naturales,
terpolímeros de etileno, propileno y dienos no conjugados;
copolímeros de etileno y propileno y también cauchos de carboxilo,
cauchos de epóxido, transpolipentámeros, cauchos de butilo
halogenados, cauchos de 2-clorobutadieno,
copolímeros de acetato de etilo/vinilo y, opcionalmente, derivados
químicos de caucho natural y cauchos naturales modificados. Para los
objetivos de la presente invención se puede utilizar cualquier
caucho vulcanizable natural o sintético adecuado.
Los copolímeros se pueden utilizar como tales o
mezclados con, como mínimo, otro elastómero de dieno, en particular
poliisopreno, caucho natural o polibutadieno. El elastómero
utilizado en la mezcla es, preferentemente, polibutadieno que tiene
más de un 90% de enlaces cis-1,4 obtenidos mediante
métodos conocidos de catálisis con la utilización de metales de
transición, tal como se ha descrito, por ejemplo, en la Patente de
Francia 1.436.706. Este otro elastómero de dieno puede estar
presente en proporciones variables con respecto al copolímero
preparado en solución, y preferentemente, hasta 70 partes en
peso.
Como dienos conjugados, existen algunos
adecuados, en particular, 1,3-butadieno, isopreno, y
2,3-dimetil-1,3-butadieno.
Como compuestos de vinilo aromáticos, existen algunos adecuados, en
particular, estireno, orto-, meta-,
para-metilestireno o la mezcla comercial de
"vinilo-tolueno".
El copolímero de dieno conjugado y compuesto de
vinilo aromático preparado en solución debería tener un contenido
total de estireno entre un 5 y un 50% en peso y una temperatura de
transición vítrea (Tg) entre 0 grados y 80 grados negativos
Celsius, cuando se mide mediante análisis térmico diferencial. El
contenido de enlaces de vinilo en la fracción térmica de butadieno
incorporada puede estar entre un 20 y un 80%, el contenido de
enlaces 1,4-trans puede estar entre un 20 y un 80%,
y el contenido de enlaces cis-1,4 es complementario
a los contenidos de enlaces vinilo más enlaces
trans-1,4.
Los sistemas de NR proporcionan normalmente una
mejor resistencia al desgarro y "pegajosidad de las mezclas en
crudo" con respecto a composiciones de polímeros sintéticos y una
menor histéresis debido a la pérdida menor de energía interna
mostrada por el NR en la deformación. Además, la utilización de BR
con NR puede proporcionar una mayor resistencia a la propagación en
el corte y a la fatiga y una mejor resistencia a la abrasión. La
SBR se utiliza principalmente en estas mezclas para mejorar el
comportamiento de la tracción en mojado.
En condiciones de funcionamiento de intensidad
baja, el NR proporciona el mejor comportamiento de la resistencia
al desgaste con respecto a las mezclas de NR/BR. Con condiciones de
mayor intensidad en autopista, las mezclas de NR/BR proporcionan el
mejor comportamiento de la resistencia al desgaste, particularmente
con un contenido elevado de BR. El NR también tiene una menor
respuesta de histéresis para una menor resistencia al rodamiento en
neumáticos de camiones.
Entre las mejoras en el comportamiento necesarias
para la TBS/RT se incluyen una mejor resistencia al desgaste y la
reducción de la histéresis de los compuestos de la banda de
rodamiento. Se hace un especial énfasis en reducir el daño en la
banda de rodamiento durante el servicio, particularmente debido al
comportamiento de histéresis, desgaste y desgarro. Para satisfacer
estas demandas, los componentes de los neumáticos deben desarrollar
propiedades de resistencia al desgarro elevada, resistencia a la
tracción elevada y bajo calentamiento. Por estas razones, la
técnica ha reconocido este deseo de hace tiempo, pero aún una
necesidad sin resolver de un negro para la banda de rodamiento de
la serie N100 más reforzado y menos histerético para la utilización
en compuestos para la banda de rodamiento de neumáticos de camiones.
(Véase, por ejemplo, M.B. Rodgers y S.M. Mezynski, Kautschuk Gummi
Kunst., 46, (9), 718 (1993)).
La presente invención satisface este deseo de
hace tiempo, pero aún una necesidad sin resolver y proporciona un
negro de carbón en la serie N100 que proporciona sobre el caucho de
la banda de rodamiento del neumático una mejor resistencia al
desgaste, una menor resistencia al rodamiento, un menor
calentamiento y una mejor resistencia al desgarro. El negro de
carbón mejorado se encuentra en la serie N100 y, cuando se
encuentra en caucho, combina las ventajas de una mayor resistencia
al desgaste y un calentamiento bajo del negro de carbón N121 con la
propiedad de resistencia al desgarro elevada del N115. La presente
invención se aplica particularmente en bandas de rodamiento de
neumáticos radiales con llantas de acero para autobuses y camiones,
especialmente para su utilización en condiciones alternativas de
autopista, y para neumáticos de alto rendimiento para vehículos de
pasajeros.
La presente invención se refiere a un negro de
carbón mejorado para caucho de una banda de rodamiento de neumático.
Más particularmente, la presente invención se refiere a negro de
carbón que proporciona al caucho de la banda de rodamiento de
neumáticos una mejor resistencia al desgaste, una menor resistencia
al rodamiento, un menor calentamiento y una mejor resistencia al
desgarro. La presente invención tiene una aplicación particular en
bandas de rodamiento de neumáticos radiales con llantas de acero
para autobuses y camiones, especialmente para su utilización en
condiciones alternativas de autopista, y para neumáticos de alto
rendimiento para vehículos de pasajeros.
La presente invención se refiere a negro de
carbón, adecuado para su utilización en la fabricación de caucho de
banda de rodamiento de neumático, que comprende:
a. un tamaño de partícula de negro de carbón
entre, aproximadamente, 16,0 nm y, aproximadamente, 19,0 nm;
b. dicho negro de carbón tiene un valor de
absorción de dibutilftalato entre, aproximadamente, 100 cc/100 g y,
aproximadamente, 115 cc/100 g;
c. dicho negro de carbón comprende, además, un
porcentaje en peso de agregados elipsoidales superiores a,
aproximadamente, 14.
Más particularmente, la presente invención se
refiere a un negro de carbón en la serie N100, con una estructura
reducida, con un tamaño de partícula promedio entre,
aproximadamente, 16,0 y, aproximadamente, 19,0 nm y un nivel de
estructura, medido en DBPA entre, aproximadamente, 100 y,
aproximadamente, 115 cc/100 g. Más particularmente, un negro de
carbón que tiene una estructura reducida, en el que el tamaño de
partícula promedio se mide mediante la ASTM D3849, procedimiento D,
y está entre, aproximadamente, 17,0 y, aproximadamente, 18,0 nm.
Aún más particularmente, un negro de carbón que tiene una estructura
reducida, en la que la estructura se mide mediante la ASTM D2414 y
está entre, aproximadamente, 105 y, aproximadamente, 110 cc/100
g.
La presente invención también se refiere a un
negro de carbón mejorado que tiene una distribución modificada de
la forma de los agregados según se determina por microscopía
electrónica (Véase, por ejemplo, C.R. Herd, y otros, Rubber
Chemistry and Technology (Química y tecnología del caucho) 66, 491
(1993)) junto con la esqueletonización de los agregados a través del
análisis automático de imágenes. De las cuatro categorías de formas
definidas para los agregados de negro de carbón
(1-Esferoidal, 2-Elipsoidal,
3-Lineal y 4-Ramificada), la
presente invención se refiere a un negro de carbón mejorado que
tiene un mayor nivel de agregados elipsoidales de estructura baja en
comparación con los negros para bandas de rodamiento convencionales,
N115 y N121. Además, se ha observado que el negro de carbón de la
presente invención tiene un número más bajo de ramificaciones de los
agregados del peso en volumen sobre la moda de la distribución del
peso en volumen de las ramificaciones. Esta distribución más
estrecha sobre la moda se caracteriza mediante la DELTA B50, que es
el ancho a la mitad de la altura de la distribución del peso en
volumen de las ramificaciones.
La presente invención se refiere además a una
composición de caucho mejorada que contiene un negro de carbón
mejorado. Más particularmente, la presente invención se refiere a
una composición de caucho mejorada que contiene un negro de carbón
mejorado, en la que el negro de carbón proporciona a la composición
del caucho una mejor resistencia al desgaste, una menor resistencia
al rodamiento, un menor calentamiento y una mejor resistencia al
desgarro. La presente composición de caucho mejorada tiene una
aplicación particular en bandas de rodamiento de neumáticos radiales
con llantas de acero para autobuses y camiones, especialmente para
su utilización en condiciones alternativas de autopista y para
neumáticos de alto rendimiento para vehículos de pasajeros.
Más particularmente, la presente invención se
refiere a una composición de caucho mejorada que contiene un negro
de carbón mejorado en la serie N100, teniendo la composición
mejorada un valor de desgaste de la banda de rodamiento para una
formulación de bandas de rodamiento de caucho natural en vehículos
radiales de pasajeros de un 107,2% en comparación con N110 al 100%,
y los niveles de histéresis tan delta de 0,131 frente a 0,137 y
0,145 para N110 y N115, respectivamente. El nivel de resistencia al
desgarro de pantalón de la composición mejorada es de 82,6 kN/m en
comparación con los 81,3 y 49,3 kN/m para el N115 y el N121,
respectivamente. Más particularmente, la composición de caucho
mejorada tiene propiedades de abrasión e histéresis de,
aproximadamente, un 5%-10% más elevada y, aproximadamente, de un 4 a
un 11% más baja, respectivamente, y propiedades de desgarro
equivalentes en comparación con el N110 o el N115. Aún más
particularmente, la composición de caucho mejorada tiene propiedades
mejoradas de resistencia a la abrasión (desgaste de la banda de
rodamiento) y una menor histéresis de, aproximadamente, un 7% a,
aproximadamente, un 10%, y de, aproximadamente, un 5% a,
aproximadamente, un 10%, respectivamente, medidas en el
comportamiento de los valores relativos de desgaste de la banda de
rodamiento y los niveles de tan delta.
Además, la presente invención se refiere a una
composición de caucho mejorada, que tiene un negro de carbón
mejorado con una estructura reducida, en DBPA, entre,
aproximadamente, 105 y, aproximadamente, 110 cc/100 g y propiedades
mejoradas de resistencia al desgarro, comparable con el N110 y el
N115, medida en kN/m, entre, aproximadamente, 80 y, aproximadamente,
85 kN/m.
Los datos de la presente invención describen un
nuevo negro para bandas de rodamiento, el negro de carbón A, que se
ha desarrollado para su aplicación en bandas de rodamiento de
neumáticos con llantas de acero de camiones y autobuses para cubrir
las necesidades específicas para una mejor resistencia al desgaste,
una menor resistencia al rodamiento, un menor calentamiento y una
mejor resistencia al desgarro. Este negro para bandas de rodamiento
se clasifica como un nivel de finura de N100, con un nivel de
microporosidad de la superficie bajo y un nivel de estructura en
DBPA comparable con el N110 o N115.
En los siguientes experimentos, se evaluó el
negro de carbón A en comparación con los negros para bandas de
rodamiento convencionales de las series N100 y N200 en dos
formulaciones separadas para bandas de rodamiento de camiones: NR y
NR/BR (65/35). En la formulación de NR sin aceite extendido, el
negro de carbón A se compuso a un nivel de carga de 50 por hora en
comparación con N110, N115 y N121 a la misma carga. En la
formulación de NR/BR con aceite extendido (25 por hora), el negro de
carbón A se compuso a un nivel de carga de 60 por hora en
comparación con N110, N115, N121 y N234. Sin embargo, los negros
para bandas de rodamiento se localizaron, preferentemente, en las
mezclas de elastómeros con más (49,5 por hora) en la fase de NR.
Esta distribución se consiguió a través de la preparación y el
posterior mezclado de mezclas madres de elastómeros separados.
En ambas formulaciones para bandas de rodamiento,
se observó que el negro de carbón A (en comparación con N110, N115 y
N121) proporcionaba las acciones específicas deseadas de una mejor
resistencia al desgarro, una resistencia al rodamiento prevista
menor, un menor calentamiento y unos niveles de viscosidad de Mooney
menores, manteniendo unos niveles aceptables en las propiedades de
tensión a la tracción y dureza.
En las pruebas del desgaste de las bandas de
rodamiento en la formulación de NR para bandas de rodamiento, el
negro de carbón A tenía mejores valores de resistencia al desgaste
que el N110, con valores iguales al N121. Para la formulación de
NR/BR para bandas de rodamiento, el negro de carbón A mostró una
mejor resistencia a la fatiga y una mejor resistencia al
crecimiento de un corte en comparación con N110, N115, N121 y N234.
Con respecto al comportamiento relativo previsto de la tracción en
mojado, el negro de carbón A era superior al N110, comparable al
N115 y al N234, y cercano al nivel de comportamiento del N121 en la
formulación de NR/BR. La tracción en seco prevista era mejor que el
N121, similar al N234 y menor que el N110 y el N115.
A pesar de que la presente invención se refiere a
compuestos para bandas de rodamiento que contienen NR o NR con BR,
se espera que la utilización de negro de carbón A en elastómeros
sintéticos proporcione mejoras similares en el comportamiento. La
única acción del negro de carbón A con respecto a N110, N115 y N121
sugiere la aplicabilidad en bandas de rodamiento de neumáticos de
camiones donde se experimentan demandas más intensas en el servicio
así como bandas de rodamiento de neumáticos para fuera de las
carreteras. En la presente invención, las buenas propiedades de
calentamiento, desgarro, fatiga y crecimiento de un corte
proporcionarán un mejor comportamiento de los neumáticos.
Entre otras aplicaciones apropiadas para el negro
de carbón A se incluyen compuestos para neumáticos de alto
rendimiento para vehículos de pasajeros, neumáticos para carreras y
recauchutados de neumáticos para camiones.
Para un mejor entendimiento de la naturaleza,
objetivos, y ventajas de la presente invención, se debería hacer
referencia a la siguiente descripción detallada, leída junto con los
siguientes dibujos, en los que los números de referencia representan
elementos y en los que:
la figura 1 muestra el módulo al 300% (300% M) en
banda de rodamiento de NR, expresado en MPa;
la figura 2 muestra la resistencia a la tracción
(TS) en banda de rodamiento de NR, expresado en MPa;
la figura 3 muestra la dureza shore en banda de
rodamiento de NR, expresada en unidades de dureza shore (SHU);
la figura 4 muestra la viscosidad de Mooney (MV)
(ML 1+4) en banda de rodamiento de NR, a 100 grados
centígrados;
la figura 5 muestra el rebote del péndulo de
Goodyear-Healey (G-H PR) en banda de
rodamiento de NR;
la figura 6 muestra propiedades dinámicas del
módulo elástico (E') y el módulo viscoso (E'') en banda de
rodamiento de NR;
la figura 7 muestra la resistencia al rodamiento
prevista (PRR) en banda de rodamiento de NR;
la figura 8 muestra el desgarro de pantalón
modificado de Veith (MVTT) en kN/m en banda de rodamiento de NR,
tanto la resistencia al desgarro (TS) como el índice de desgarro
nudoso (KTI);
la figura 9 muestra los valores de resistencia al
desgaste con respecto a N110 a 100 (TRR/N110@100) en banda de
rodamiento de NR;
la figura 10 muestra el módulo al 300% (300% M)
en banda de rodamiento de NR/BR, expresado en MPa;
la figura 11 muestra la resistencia a la tracción
(TS – en MPa) en banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 12 muestra la dureza shore en banda de
rodamiento de NR/BR, expresada en unidades de dureza shore
(SHU);
la figura 13 muestra el rebote del péndulo de
Zwick (ZPR) en banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 14 muestra el calentamiento de Goodrich
(GHB) en banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 15 muestra la resistencia al rodamiento
prevista (PRR) en banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 16 muestra propiedades dinámicas del
módulo elástico (E') y el módulo viscoso (E'') en banda de
rodamiento de NR/BR;
la figura 17 muestra la tracción en mojado
relativa prevista basada en el E'' (RWT/E'') en banda de rodamiento
de NR/BR;
la figura 18 muestra la tracción en seco relativa
prevista basada en el D'' (RDT/D'') en l/MPa en banda de rodamiento
de NR/BR;
la figura 19 muestra la fatiga a la rotura, vida
característica (FTF) en kC en banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 20 muestra el crecimiento de un corte
al 68% de tensión (CG/68%S) en una banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 21 muestra la tensión al desgarro de
pantalón (TTS) en banda de rodamiento de NR/BR;
la figura 22 muestra el índice nudoso de desgarro
de pantalón (TTKI) en banda de rodamiento de NR/BR; y
la figura 23 muestra una comparación esquemática
de las propiedades de histéresis relativa, las propiedades de
resistencia a la abrasión y las propiedades de resistencia al
desgarro del N115/N110, N121 y el negro de carbón A, y,
específicamente, la proporción de tan delta/valor del desgaste de la
banda de rodamiento (TD/TTR) en función del nivel de desgarro de
pantalón modificado de Veith (MVTTL).
Las figuras 1-9 muestran
propiedades de refuerzo en bandas de rodamiento de NR, las figuras
10-22 muestran propiedades de refuerzo en bandas de
rodamiento de NR/BR, y la figura 23 muestra propiedades de
histéresis relativa (tan
delta)-desgaste-desgarro del negro
de carbón A (C.B. A), N110/N115 y N121 en la formulación de NR.
Para producir el negro de carbón A, se utilizaron
reactores CATII (Patente de Estados Unidos No. 4.927.607) que
tienen un diámetro de obstrucción equivalente de 8''. El reactor se
hizo funcionar según la Patente de Estados Unidos Número 4.927.607,
utilizando velocidades de aire y posiciones de pulverización límite
familiares para los técnicos en la materia, según se describen en la
Tabla 1.
| Velocidad del aire | 290 mscfh^{(1)} |
| Temperatura del aire | 1325ºF |
| Velocidad del gas natural | 17,1 mscfh |
| Valor inferior de calentamiento del gas natural | 954 Btu/scf |
| Flujo de oxígeno | 11,4 mscfh |
| Flujo de aceite | 5725 lb/h |
| Presión de aceite | 160 psig |
| Pulverizaciones de aceite | |
| \hskip0.5cm Número | 4 |
| Posición^{(2)} | |
| \hskip0.5cm #1 | -20 in |
| \hskip0.5cm #2 | -16 in |
| \hskip0.5cm #3 | -20 in |
| \hskip0.5cm #4 | -16 in |
| Aditivo de control de la estructura | |
| \hskip0.5cm Tipo | K_{2}CO_{3} |
| \hskip0.5cm Cantidad en aceite | 48 ppm |
| \hskip0.5cm Presión de la caldera | 5,9 psig |
| Parada | |
| \hskip0.5cm Posición^{(2)} | 40 in |
| \hskip0.5cm Velocidad de flujo | 10 gpm |
| \hskip0.5cm Volumen del reactor^{(3)} | 5,9 pies^{(3)} |
| ^{(1)} mscfh = 1000 pies cúbicos estándar por hora. | |
| ^{(2)} \begin{minipage}[t]{155mm} Todas las posiciones están medidas con respecto a la salida de obstrucción del reactor. La corriente descendente es positiva.\end{minipage} | |
| ^{(3)} Volumen del reactor entre la salida de obstrucción y la posición de parada. |
Para la producción de negro de carbón A se
utilizó un aceite de carga de alimentación para plantas utilizado
normalmente en la producción de negros para bandas de
rodamiento.
El montaje de la caldera para el negro de carbón
A era similar al utilizado para un negro de carbón de grado de la
serie N100 (véase Condiciones de funcionamiento de la caldera). Para
satisfacer las necesidades de DBPA para el negro de carbón A, se
variaron la concentración y la cantidad de producto de potasio de
control de la estructura que se utilizaron para el control de la
estructura. La concentración de potasio en el aceite de la carga de
alimentación fue de 48 ppm.
Las propiedades morfológicas coloidales y por
microscopía electrónica (EM) del negro de carbón A se proporcionan
en las Tablas 2 y 3 en comparación con los negros para bandas de
rodamiento convencionales. El negro de carbón A se puede clasificar
como un negro para bandas de rodamiento de la serie N100 de
estructura moderadamente elevada basada en la estructura (DBPA y
24M4) y los diversos niveles de área superficial. El análisis de la
morfología de la partícula por EM confirma esta clasificación de
N100 con respecto al diámetro promedio y el nivel de área
superficial.
superficial.
| Negro de carbón A | N110 | N115 | N121 | N234 | N220 | |
| Colorante, % ITRB | 124 | 120 | 123 | 121 | 123 | 115 |
| DBPA, cm^{3}/100 g | 107 | 113 | 111 | 132 | 125 | 115 |
| 24M4, cm^{3}/100 g | 97 | 100 | 98 | 109 | 103 | 106 |
| No. de yodo, g/kg | 120 | 145 | 152 | 120 | 121 | 122 |
| CTAB, m^{2}/g | 126 | 128 | 128 | 118 | 121 | 109 |
| NSA, m^{2}/g^{a} | 125 | 131 | 147 | 123 | 122 | 118 |
| STSA, m^{2}/g^{b} | 122 | 117 | 126 | 118 | 113 | 109 |
| NSA-STSA, m^{2}/g^{c} | 3 | 14 | 21 | 5 | 9 | 9 |
| ^{a} Medición multipuntual del área superficial total (incluyendo el espacio de los microporos). | ||||||
| ^{b} Área superficial del grosor estadístico (área superficial externa). | ||||||
| ^{c} Indicación del nivel de microporosidad (porosidad de la superficie). |
| Análisis de partículas a través de dipersiones de "cab paint chip" | |||
| C.B. A* | N115 | N121 | |
| Diámetro promedio, nm | 17,4 | 17,5 | 18,5 |
| Diámetro promedio en peso, nm | 26,8 | 28,1 | 28,8 |
| Índice de heterogenidad | 1,54 | 1,56 | 1,56 |
| Área superficial por em, m^{2}/g | 141 | 136 | 124 |
| Análisis del tamaño de los agregados en estado seco | |||
| Diámetro promedio, nm | 71,3 | 63,0 | 84,2 |
| Diámetro promedio en peso, nm | 139 | 135 | 181 |
| Índice de heterogenidad | 1,95 | 2,14 | 2,16 |
| Absorción intra-agregados V'/V | 1,85 | 2,12 | 2,50 |
| Análisis por esqueletonización en estado seco | |||
| Promedio de ramificaciones en el agregado, % en peso | 11,2 | 11,6 | 26,2 |
| Delta B50* | 11,1 | 12,9 | 31,0 |
| Porcentaje en peso de los tipos de forma | |||
| 1-Esferoidal | 0,8 | 0,6 | 0,4 |
| 2-Elipsoidal | 17,2 | 13,6 | 8,8 |
| 3-Lineal | 41,8 | 48,8 | 28,7 |
| 4-Ramificada | 40,2 | 37,0 | 62,1 |
| * \begin{minipage}[t]{153mm} Ancho a la mitad de la altura de la distribución de las ramificaciones de los agregados en base al porcentaje en peso \end{minipage} | |||
| * Negro carbón A |
Con respecto a los diámetros de partícula
promedio y promedio en peso y las características de distribución
del tamaño de partícula, el negro de carbón A es similar a los
negros de las bandas de rodamiento convencionales de la serie N100.
Esta medición de la distribución de tamaños se representa en la
Tabla 3 mediante el índice de heterogeneidad que es el diámetro
promedio en peso dividido por el diámetro promedio (los valores más
elevados indican una distribución de tamaños más amplia).
El negro de carbón A, N115 y N121 se diferencian
en la Tabla 3 en los diámetros de los agregados promedio y promedio
en peso y la distribución del tamaño. Estas diferentes propiedades
de los agregados caen entre el N115 y el N121 para el negro de
carbón A. Este tamaño de agregado promedio también sería más pequeño
que el observado para N234 o N220. Además, el negro de carbón A
tiene agregados con una menor capacidad de oclusión, según se
muestra por una V'/V inferior. Esto es una medición de la capacidad
de los agregados para proteger el elastómero entre las
ramificaciones del agregado que afecta a las propiedades de refuerzo
y rotura.
Las mediciones de esqueletonización indican un
número promedio ligeramente inferior de ramificaciones en los
agregados (porcentaje en peso) que el N115 y mucho más bajo que el
N121. La caracterización de los tipos de forma indica además que el
negro de carbón A tiene un porcentaje superior de agregados
elipsoidales con una baja capacidad de oclusión. También es
relativamente bajo en el porcentaje de agregados ramificados. En
términos de Delta B50, el negro de carbón A es ligeramente inferior
al N115 y ambos mucho más inferiores al N121.
Se realizaron dos estudios para demostrar las
ventajas en el comportamiento del negro de carbón A con respecto a
los grados convencionales de negro de carbón en compuestos para
bandas de rodamiento de TBS/RT. El primer estudio comprendía una
formulación de NR para bandas de rodamiento de neumáticos de
camiones (Tabla 4) comparando el negro de carbón A con el N121, N115
y N110 utilizando técnicas de mezclado convencionales. El nivel de
carga del negro para la banda de rodamiento se fijó en 50 por hora.
Esta formulación para la banda de rodamiento no tenía aceite
extendido.
| Componente | PHR | |
| NR^{a} | 100,0 | |
| Negro de carbón | 50,0 | |
| Óxido de zinc | 4,0 | |
| Ácido esteárico | 1,5 | |
| Cera microcristalina | 1,0 | |
| Antidegradante^{b} | 2,0 | |
| Antioxidante^{c} | 1,0 | |
| Acelerador^{d} | 1,6 | |
| Azufre | 1,2 | |
| Total | 162,3 | |
| ^{a} SMR-CV60; | ||
| ^{b} N-fenil-N'(1,3-dimetilbutil)-p-fenilendiamina; | ||
| ^{c} Difenilamina octilada; | ||
| ^{d} N-t-butil-2-benzotiazilsulfenamida |
El segundo estudio se basa en la formulación de
NR/BR (65/35) para bandas de rodamiento (Tabla 5), en la que la
distribución de fases del polímero de cada negro para la banda de
rodamiento está controlada por la mezcla de mezclas madre de NR y BR
separados para negros, tal como se ha descrito anteriormente. En
este estudio, los negros para bandas de rodamiento (negro de carbón
A, N110, N115, N121 y N234) se situaron con una mayor carga en la
fase de NR, que produjo el mejor equilibrio de propiedades de
desgarro, fatiga, calentamiento e histéresis en estudios previos. El
negro para bandas de rodamiento final y los niveles de carga de
aceite se fijaron en 60 y 25 por hora, respectivamente.
| Componente | PHR | |
| NR^{a} | 65,00 | |
| BR 1207 | 35,00 | |
| Negro de carbón | 60,00 | |
| Aceite aromático^{b} | 25,00 | |
| Óxido de zinc | 3,75 | |
| Ácido esteárico | 2,50 | |
| Antidegradante^{c} | 2,00 | |
| Acelerador^{d} | 1,20 | |
| Azufre | 2,50 | |
| Total | 196,95 | |
| ^{a} SMR-CV60; | ||
| ^{b} ASTM 102; | ||
| ^{c} N-fenil-N'(1,3-dimetilbutil)-p-fenilendiamina; | ||
| ^{d} 2(morfolinotio)benzotiazol |
Todos los compuestos de NR y NR/BR de los
Estudios 1 y 2 se prepararon como mezclas madre en un mezclador de
BR Banbury (Farrell) utilizando procedimientos descritos previamente
en W.M. Hess, P.C. Vegvari y R.A. Swor, Rubber Chem. Technol., 58,
350 (1985), que se incorpora en la presente invención por
referencia. En el Estudio 2, las mezclas madre separadas de NR y BR
se enfriaron durante toda la noche antes de mezclarse en el
Banbury. Los curativos se añadieron en un molino de dos rodillos
después de enfriamiento durante toda la noche de las mezclas madre
para el Estudio 1 e inmediatamente se mezclaron las dos mezclas
madre para el Estudio 2. Para todos los compuestos se consiguieron
índices de dispersión superiores a 95.
Para el Estudio 2, la mezcla madre de NR contenía
un 76,2 por hora del negro para bandas de rodamiento y la mezcla
madre de BR un 30 por hora del mismo negro para bandas de
rodamiento. La preparación de las mezclas madre limita el movimiento
de los negros para bandas de rodamiento durante la mezcla, lo cual
reduce la migración entre fases de los negros para bandas de
rodamiento. Las dos mezclas madre se mezclaron para conseguir la
mezcla 65/35 de NR/BR, junto con los niveles adecuados de ácido
esteárico y antidegradante, previamente a la adición de los
curativos. La distribución del negro para bandas de rodamiento en la
mezcla final de elastómeros fue de 49,5 por hora (82,5%) en el NR y
10,5 por hora (17,5%) en el BR.
Las mediciones de propiedades dinámicas
necesarias para predecir la resistencia relativa al rodamiento y las
acciones de tracción de los compuestos para bandas de rodamiento en
los Estudios 1 y 2 se determinaron utilizando un probador dinámico
no resonante Instron Modelo 1332, tal como previamente se ha
descrito en W.M. Hess y W.W. Klamp, Rubber Chem. Technol., 56, 390
(1983), que se incorpora en la presente invención por referencia
(Tabla 6).
| Condiciones de predicción de la | Condiciones de predicción de la | |
| resistencia al rodamiento del | tracción del neumático | |
| neumático | ||
| Frecuencia, Hz | 10 | 1 |
| Temperatura, ºC | 50 | 0 |
| Amplitud de la tensión, DSA, % | 7,5 | 25 |
| Correlaciona con: | Tan delta | Capacitancia de pérdida (D'')- |
| Tracción en seco | ||
| Módulo de pérdida - (E'') - | ||
| Tracción en mojado |
La resistencia al rodamiento prevista se basa en
la medición de Tan Delta a compresión a 50ºC, interpretada con
respecto al N220 y descrita en las figuras (7 y 15) con respecto al
N110. Las respuestas relativas previstas para la tracción en mojado
y seco se basan en las mediciones del módulo de pérdida (E'') y la
capacitancia de pérdida (D''), respectivamente, a compresión a 0ºC y
se describen en las figuras 17 y 18 con respecto al N110.
La prueba de desgaste de la banda de rodamiento
se realizó utilizando únicamente los compuestos de NR para bandas
de rodamiento del Estudio 1. Esta prueba se llevó a cabo en una
pista de pruebas en Texas con respecto a un control N110. Se
colocaron recapados individuales de compuestos para bandas de
rodamiento sobre nuevas carcasas de neumáticos radiales en
vehículos de pasajeros
(P195-R75-14). El valor total de
desgaste fue, aproximadamente, de 7600 km/mm (120 millas/milla), y
los neumáticos se evaluaron durante 14.500 km (9.000 millas). A
pesar de que no se reflejan necesariamente los valores reales en la
utilización de neumáticos de camiones, estas mediciones del
desgaste de la banda de rodamiento proporcionan una clasificación
relativa del comportamiento de estos negros para bandas de
rodamiento.
Se realizó una prueba de desgarro de pantalón
modificada para determinar la energía de desgarro, tal como se
define por Rivlin y Thomas. R.S. Rivlin y A.G. Thomas, J. Polymer
Sci., 10, 91 (1953). La preparación del ejemplar y los
procedimientos de la prueba han sido descritos por Hess y Chirico.
W.M. Hess y V.E. Chirico, Rubber Chem. Technol., 50, 301 (1977). Se
analizaron ocho ejemplares para cada muestra a 100ºC y 8,5 mm/s.
Se midieron dos tipos de resistencia al desgarro:
tensión de desgarro e índice de desgarro nudoso. La tensión de
desgarro se define como el valor de carga mediana dividida por el
grosor del ejemplar. El índice de desgarro nudoso es la diferencia
entre la carga de desgarro mediana y la carga mediana en la que la
cesa la propagación del desgarro a lo largo del camino
prescrito.
Estas pruebas se realizaron utilizando ciclos de
tensión constante sobre un Probador Monsanto de Rotura por Fatiga.
La prueba de fatiga se realizó con ocho ejemplares de pesas por
compuesto para bandas de rodamiento (sin corte central) a una
tensión de 0-90%. Los datos de fatiga se describen
en kilociclos hasta la rotura del 63,2% de los ejemplares (Vida
Característica de Fatiga), tal como se determina mediante la función
de distribución de Weibull. La prueba de crecimiento de un corte
utilizó ocho ejemplares de pesas para fatiga por compuesto para
bandas de rodamiento, teniendo cada ejemplar un corte central de 0,5
mm (0,2 pulgadas). Se utilizó una leva que proporcionaba una tensión
de 0-68%. Para discutir el comportamiento se
utilizaron los kilociclos promedio hasta rotura de los ocho
ejemplares para cada compuesto para bandas de rodamiento.
Las figuras 1-9 y la Tabla 7
indican el comportamiento en el interior del caucho y el
comportamiento previsto en los neumáticos del negro de carbón A con
respecto a los tres negros para bandas de rodamiento convencionales
en la banda de rodamiento de NR. Con respecto al N110 y N115, el
negro de carbón A proporciona los niveles esperados de refuerzo
(niveles similares de módulos elásticos y estáticos, tensión de
tracción y dureza). Para el negro de carbón A con respecto al N110 y
N115, se observa unos niveles de rebote ligeramente superiores y de
resistencia al rodamiento prevista inferiores, indicando una ventaja
en las propiedades de histéresis inferiores para el negro de carbón
A.
| C.B. A* | N115 | N110 | N121 | |
| Propiedades de tensión-deformación | ||||
| Módulo al 300%, MPa | 14,4 | 13,4 | 14,0 | 16,5 |
| Tensión, MPa | 32,5 | 31,8 | 31,5 | 32,3 |
| Elongación, % | 591 | 607 | 596 | 560 |
| Dureza Shore | 59 | 60 | 59 | 60 |
| Viscosidad de mooney, ML 1+4 A 100ºC | 69,6 | 76 | 70 | 73 |
| Propiedades de histéresis | ||||
| % de Rebote de Goodyear-HEALEY | 67,6 | 66,0 | 67,3 | 67,3 |
| Propiedades dinámicas-condiciones de resistencia al rodamiento | ||||
| E', MPa | 8,27 | 9,13 | 8,20 | 8,53 |
| E'', MPa | 1,08 | 1,32 | 1,12 | 1,04 |
| Resistencia al rodamiento prevista, % | 82,7 | 85,8 | 84,0 | 80,8 |
| Tan delta | 0,131 | 0,145 | 0,137 | 0,122 |
| Desgarro de pantalón veith modificado | ||||
| Tensión de desgarro, KN/M | 82,6 | 81,3 | 49,3 | |
| Índice de desgarro nudoso, KN/M | 27,5 | 26,0 | 23,6 | |
| Propiedades de abrasión | ||||
| Valores de desgaste de la banda de | 107,2 | 100 | 107,4 | |
| Rodamiento, % N110 | ||||
| * Negro de carbón A |
En la técnica se ha observado que la generación
de calor en las bandas de rodamiento de los neumáticos radiales de
camiones está principalmente relacionada con sus propiedades del
módulo de pérdida (E''). (Véase, por ejemplo, P. Kainradl y G.
Kaufmann, Rubber Chem. Technol. 49, 823 (1976), que se incorpora en
la presente invención por referencia). Sobre esta base, en esta
formulación, se prevén propiedades de calentamiento para el negro
de carbón A similares al N110 y N121 y ligeramente inferiores que el
N115 (figura 6). Estas respuestas de refuerzo e histéresis
concuerdan con las relaciones de
estructura-finura-porosidad del
negro de carbón A discutido anteriormente.
Los niveles de elongación para estos negros para
bandas de rodamiento varían entre un 560 y un 607%, comportándose
el negro de carbón A igual que el N110 al 591%. Los valores de
curado del reómetro (T90) a 165ºC son equivalentes para estos cuatro
negros para bandas de rodamiento.
En términos de propiedades de viscosidad de
Mooney, el negro de carbón A desarrolla el nivel más bajo (69,6
unidades) observado en esta formulación. Esta respuesta inferior
implica que las características de procesabilidad del compuesto para
bandas de rodamiento no quedarán afectadas de forma negativa por la
sustitución de este nuevo negro para bandas de rodamiento para uno
de los grados convencionales.
Con respecto al N121, el negro de carbón A
muestra módulos (estático y elástico) inferiores, niveles de tensión
comparables y de histéresis ligeramente superiores, según se
preveía. El nivel de dureza también es ligeramente inferior. Otras
dos mejoras relevantes en el comportamiento en el interior del
caucho observadas para el negro de carbón A son las propiedades de
resistencia al desgarro y al desgaste de la banda de rodamiento.
Para la primera propiedad, se realiza una comparación entre el N115
y el N121 en la formulación de NR para bandas de rodamiento.
La figura 23, preparada utilizando los datos de
la Tabla 7, muestra una comparación esquemática de las propiedades
de histéresis relativa, propiedades de resistencia a la abrasión y
propiedades de resistencia al desgarro del N115/N110, N121 y negro
de carbón A.
En la figura 8, la resistencia al desgarro del
negro de carbón A es equivalente al N115 y significativamente
superior al N121. Con respecto al índice de desgarro nudoso, se
observa un patrón de comportamiento similar, aunque menos
brusco.
En referencia a las propiedades de resistencia al
desgaste de la banda de rodamiento, en la figura 9 se realiza una
comparación del negro de carbón A con el N110 y el N121. EL negro de
carbón A muestra un comportamiento equivalente al N121 y
significativamente superior al N110 en resistencia de desgaste de la
banda de rodamiento.
A partir de la descripción anterior, queda claro
que se han demostrado las ventajas de comportamiento del negro de
carbón A sobre los negros para bandas de rodamiento convencionales
para TBS/RT. Estas mejoras de comportamiento son unas mejores
resistencias al desgarro, de desgaste de la banda de rodamiento,
calentamiento y al rodamiento.
Las figuras 10-22 y la Tabla 8
indican el comportamiento en el interior del caucho y el
comportamiento previsto en los neumáticos del negro de carbón A con
respecto a N110, N115, N121 y N234 en la banda de rodamiento de
NR/BR. Para las propiedades de refuerzo y rebote observadas en las
figuras 10-13, las ventajas en el comportamiento
observadas para el negro de carbón A concuerdan con las tendencias
descritas para el Estudio 1 en la formulación de NR. Tal como se
esperaba, el negro de carbón A desarrolla un módulo ligeramente
inferior y niveles de dureza iguales, y unos niveles de tensión
ligeramente superior y de rebote inferior con respecto al N234.
| C.B. A* | N115 | N110 | N121 | N234 | |
| Propiedades de tensión-deformación | |||||
| Módulo al 300%, MPa | 9,43 | 7,53 | 8,69 | 12,07 | 10,26 |
| Tensión, MPa | 23,11 | 21,66 | 21,61 | 22,83 | 22,06 |
| Elongación, % | 593 | 616 | 634 | 519 | 556 |
| Dureza Shore | 55 | 53 | 54 | 56 | 55 |
| Propiedades de histéresis | |||||
| % de Rebote de ZWICK | 51,5 | 50,2 | 52,5 | 51,8 | 53,0 |
| Calentamiento, ºC | 49,5 | 52,2 | 50,6 | 49,4 | 48,3 |
| Prueba de rotura | |||||
| Crecimiento de un corte, kg | 97,2 | 61,8 | 86,0 | 78,8 | 55,2 |
| Fatiga, vida característica, kc | 706 | 636 | 673 | 607 | 692 |
| Propiedades dinámicas-condiciones de resistencia al rodamiento | |||||
| E', MPa | 7,88 | 6,89 | 6,97 | 8,10 | 7,17 |
| E'', MPa | 1,25 | 1,18 | 1,19 | 1,25 | 1,10 |
| Resistencia prevista al rodamiento, % | 88,3 | 91,4 | 91,4 | 8,77 | 8,77 |
| Tan delta | 0,159 | 0,171 | 0,171 | 0,154 | 0,153 |
| Propiedades dinámicas-condiciones de tracción | |||||
| E'', MPa | 1,29 | 1,23 | 1,18 | 1,32 | 1,26 |
| D'', l/MPa | 0,0295 | 0,0325 | 0,0304 | 0,0257 | 0,0295 |
| Propiedades de desgarro de pantalón veith modificado | |||||
| Tensión de desgarro, kn/m | 62,3 | 56,6 | 57,0 | 39,0 | 61,1 |
| Índice de desgarro nudoso, kn/m | 18,0 | 18,1 | 17,9 | 10,3 | 22,2 |
| * Negro de carbón A |
Los niveles de elongación para estos negros para
bandas de rodamiento varían entre un 519 y un 634%, siendo el negro
de carbón A (593%) inferior al N110 y N115 a un 634 y un 616%,
respectivamente (Tabla 8). Los valores de curado del reómetro son
similares para estos negros para bandas de rodamiento en esta
formulación. Los resultados de la histéresis relativa en esta
formulación para bandas de rodamiento, tal como se indica por los
niveles de calentamiento y resistencia al rodamiento prevista, se
muestran en las figuras 14 y 15. El negro de carbón A muestra unos
niveles de calentamiento y resistencia al rodamiento prevista
inferiores al N110 y N115 e igual al N121. En comparación con el
N234, el negro de carbón A desarrolla un nivel de calentamiento
ligeramente más elevado, pero unos niveles de resistencia al
rodamiento prácticamente iguales.
Con respecto al N110, el nivel de módulo elástico
del negro de carbón A es superior en esta formulación que el
observado en los compuestos de NR para bandas de rodamiento del
Estudio 1 y se aproxima al comportamiento del N121 (figuras 6 y
16). El N234 se comporta de forma próxima al N110 y N115 en el nivel
de E''. Los niveles de la propiedad del módulo de viscosidad de
estos negros para bandas de rodamiento son más similares en la
formulación de NR/BR que los encontrados en la formulación de NR,
teniendo el negro de carbón A un nivel de E'' ligeramente superior
al N110 y N115. Este nivel de E'' es comparable al N121 y superior
al N234.
Las propiedades de tracción relativas previstas
para el negro de carbón A se muestran en las figuras 17 y 18. El
comportamiento de la tracción en mojado es comparable al del N121 y
ligeramente superior al N110, N115 o N234. En términos de tracción
en seco su comportamiento previsto es ligeramente inferior al N110 y
N234, inferior al N115 y superior al N121.
En el Estudio 2, las mediciones de la fatiga y el
crecimiento de un corte se realizaron utilizando un Probador
Monsanto de Rotura por Fatiga (figuras 19 y 20). Los datos de
resistencia a la fatiga no se correlacionan con el comportamiento
de histéresis de los negros para bandas de rodamiento. El negro de
carbón A muestra una vida característica comparable con el N110 y
el N234, y mejor que el N115 y el N121. La figura 20 indica que el
negro de carbón A se comporta mejor que todos los negros para bandas
de rodamiento en este estudio en términos de resistencia al
crecimiento de un corte, seguido por el N110.
En términos de propiedades de desgarro de
pantalón, el negro de carbón A desarrolla un nivel de resistencia
al desgarro ligeramente superior al N110 y N115, y un nivel mucho
más elevado que el N121 (figura 21). Se observa una tendencia
similar para el índice de desgarro nudoso (figura 22).
La presente invención está dirigida a una forma
nueva y distinta de negro de carbón para su utilización en bandas de
rodamiento de neumáticos. El negro de carbón de la presente
invención cuando se utiliza en la fabricación de caucho para bandas
de rodamiento de neumáticos proporciona al caucho para bandas de
rodamiento de neumáticos una mejor resistencia al desgaste, una
menor resistencia al rodamiento, un menor calentamiento y una mejor
resistencia al desgarro. Más específicamente, el negro de carbón de
la presente invención tiene un tamaño de partícula promedio entre
16,0 y 19,0 nm, y un nivel de estructura entre 100 y,
aproximadamente, 115 cc/100 g, medido según el número de Absorción
de n-Dibutilftalato (DBPA). Además, el negro de
carbón de la presente invención comprende un nivel elevado
(aproximadamente un 17%) de agregados elipsoides de oclusión baja.
Estos agregados tiene un número de absorción entre agregados (una
medida de la capacidad de los agregados para proteger el elastómero
de las ramificaciones de los agregados, V'/V) de, aproximadamente,
1,85. Esta capacidad de proteger el elastómero de las ramificaciones
de los agregados afecta a las propiedades de refuerzo y rotura.
Esta propiedad única del negro de carbón de la
presente invención es diferente de los negros de carbón
convencionales de las series N100 y N200. Los negros de carbón
convencionales no tienen un porcentaje elevado de agregados con una
capacidad de oclusión baja. Por ejemplo, el porcentaje en peso de
los agregados elipsoidales de los negros de carbón N115 es 13,6,
mientras que el porcentaje en peso de los agregados elipsoidales de
los negros de carbón N234 es sólo 8,8. Además, los negros de carbón
de la presente invención tienen propiedades de histéresis y abrasión
ventajosas comparables con los negros de carbón N121. Entre estas
propiedades de histéresis y abrasión se incluyen un calentamiento
bajo, un rebote de Goodyear-Healey elevado, y unos
valores elevados de resistencia al desgaste de la banda de
rodamiento. Además, los negros de carbón de la presente invención
también poseen propiedades de resistencia al desgarro
características de los negros de carbón N115. La resistencia al
desgarro en bandas de rodamiento de caucho natural para el negro de
carbón de la presente invención es de 82,6 kN/m, comparable con los
81,3 kN/m para el negro de carbón N115, pero muy por encima de los
49,3 kN/m del negro de carbón N121.
Adicionalmente, las propiedades de delta B50 de
la presente invención son importantes, con un negro de carbón de la
presente invención que tiene un delta B50 inferior a 12. El delta
B50 descrito en la presente invención se refiere al ancho a la mitad
de la altura (FWHM) de la distribución de las ramificaciones de los
agregados medido a través de la esqueletonización. Este delta B50 es
similar al delta D50, que es el FWHM de una distribución del tamaño
de los agregados ("D"). El delta B50 es la distribución de las
ramificaciones de los agregados obtenidos por esqueletonización.
Los negros de carbón de la presente invención,
adecuados para su utilización en caucho de bandas de rodamiento de
neumáticos, comprenden un porcentaje elevado de agregados
elipsoidales de oclusión baja que proporcionan al caucho unas
mejores propiedades de histéresis y abrasión que incluyen, como
mínimo, una mayor resistencia al desgarro.
El V'/V es un factor de oclusión de los agregados
basado en la proporción del volumen interno de los espacios entre
agregados, V', con respecto al volumen real del carbono del
agregado. Esta función queda clara, por ejemplo, en A.I. Medalia,
J. Colloid Interface Sci. 32, 115 (1970), véase también, por
ejemplo, C.R. Herd, G.C. McDonald y W.M. Hess, Rubber Chem.
Technol. 65, 107 (1992).
Por ejemplo, esta función se basa en el concepto
de esfera equivalente establecida por, y conocida de, Medalia, V' =
Ves - Vagg, en la que Ves es el volumen de la esfera equivalente. El
diámetro de la esfera equivalente se toma como el Da promedio (el
diámetro circular equivalente) y un diámetro basado en el promedio
de ochos mediciones Feret. El volumen del agregado se calcula según
la ASTM 3489 y la proporción del volumen ocluido con respecto al
volumen del agregado, V'/V, se proporciona como un número
adimensional que describe la capacidad de un agregado para ocluir un
polímero.
La presente invención incluye una partícula de
negro de carbón de un tamaño y un área superficial específicos y
que tiene además la propiedad de un porcentaje elevado de agregados
de oclusión baja. Estos agregados de oclusión baja son elipsoidales
y comprenden, aproximadamente, un 17 por ciento en peso y
proporcionan al negro de carbón las propiedades de una mayor
resistencia al desgaste, un calentamiento bajo y una mayor
resistencia al desgarro en comparación con negros de carbón
conocidos.
Claims (32)
1. Negro de carbón, adecuado para su utilización
en la fabricación de caucho para bandas de rodamiento de neumáticos,
que comprende:
a. un tamaño de partícula de negro de carbón
entre, aproximadamente, 16,0 nm y, aproximadamente, 19,0 nm;
b. teniendo dicho negro de carbón un valor de
absorción de dibutilftalato entre, aproximadamente, 100 cc/100 g y,
aproximadamente, 115 cc/100 g;
c. comprendiendo dicho negro de carbón además un
porcentaje en peso de agregados elipsoidales superior a,
aproximadamente, 14.
2. Negro de carbón, según la reivindicación 1, en
el que dicho tamaño de partícula promedio está entre,
aproximadamente, 17,0 nm y, aproximadamente, 18,0 nm.
3. Negro de carbón, según las reivindicaciones 1
ó 2, en el que dichos agregados además comprenden:
a. un diámetro promedio de entre,
aproximadamente, 63,0 nm y, aproximadamente, 84,2 nm;
b. un diámetro promedio en peso de entre,
aproximadamente, 135 nm y 181 nm;
c. un índice de heterogeneidad inferior a,
aproximadamente, 2,14;
d. un valor de absorción entre agregados inferior
a, aproximadamente, 2,12;
e. un número promedio de ramificaciones inferior
a, aproximadamente, 11,6; y
f. un delta B50 inferior a 12.
4. Negro de carbón, según las reivindicaciones
1,2 ó 3, en el que el porcentaje en peso de agregados elipsoidales
es, aproximadamente, 17,2.
5. Negro de carbón, según la reivindicación 4, en
el que dichos agregados además comprenden:
a. un diámetro promedio de, aproximadamente, 71,3
nm;
b. un diámetro promedio en peso de,
aproximadamente, 139 nm;
c. un índice de heterogeneidad de,
aproximadamente, 1,95; y
d. una absorción entre agregados.
6. Producto de composición del negro de carbón
para caucho, según la reivindicación 1, caracterizado por
unas mejores propiedades de resistencia a la abrasión (valores de
resistencia al desgaste de la banda de rodamiento) de,
aproximadamente, un 4% a, aproximadamente, un 11%, propiedades de
histéresis tan delta más bajas de, aproximadamente, un 5% a,
aproximadamente, un 10%, y unas propiedades de resistencia al
desgarro comparables con N115 o N110.
7. Producto de composición del negro de carbón
para caucho, según la reivindicación 6, en el que las propiedades
de resistencia a la abrasión mejorada (valores de resistencia al
desgaste de la banda de rodamiento) y el tan delta son equivalentes
al N121, y las propiedades de resistencia al desgarro son superiores
al N121.
8. Composición de caucho adecuada para su
utilización en la fabricación de caucho de bandas de rodamiento de
neumáticos que comprende:
a. negro de carbón, en el que dicho negro de
carbón comprende:
- 1.
- un tamaño de partícula de negro de carbón entre, aproximadamente, 16,0 nm y, aproximadamente, 19,0 nm;
- 2.
- teniendo dicho negro de carbón un valor de absorción de dibutilftalato entre, aproximadamente, 100 y, aproximadamente, 115 cc/100 g;
- 3.
- comprendiendo, además, dicho negro de carbón agregados que tienen un porcentaje en peso de agregados elipsoidales superior a, aproximadamente, 14.
9. Composición de caucho, según la reivindicación
8, en la que dichas partículas de negro de carbón tienen un tamaño
de partícula promedio entre, aproximadamente, 17,0 nm y,
aproximadamente, 18,0 nm.
10. Composición de caucho, según la
reivindicación 8, en la que dichos agregados comprenden:
a. un diámetro promedio de entre,
aproximadamente, 63,0 nm y, aproximadamente, 84,2 nm;
b. un diámetro promedio en peso de entre,
aproximadamente, 135 nm y 181 nm;
c. un índice de heterogeneidad inferior a,
aproximadamente, 2,14;
d. un valor de absorción entre agregados inferior
a, aproximadamente, 2,12;
e. un número promedio de ramificaciones inferior
a, aproximadamente, 11,5; y
f. un delta B50 inferior a 12.
11. Composición de caucho, según la
reivindicación 8, en la que el porcentaje en peso de agregados
elipsoidales es, aproximadamente, 17,2.
12. Composición de caucho, según la
reivindicación 8, en la que dichos agregados además comprenden:
a. un diámetro promedio de, aproximadamente, 71,3
nm;
b. un diámetro promedio en peso de,
aproximadamente, 139 nm;
c. un índice de heterogeneidad de,
aproximadamente, 1,95; y
d. una absorción entre agregados de,
aproximadamente, 1,85.
13. Composición de caucho, según la
reivindicación 12, en la que dichos agregados comprenden además un
porcentaje en peso de, aproximadamente, 17,2.
14. Composición de caucho, según cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 13, en la que el caucho es además adecuado
para su utilización en condiciones alternativas de autopista.
15. Composición de caucho, según cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 13, en la que dicho caucho es adecuado para
su utilización en neumáticos de alto rendimiento para vehículos de
pasajeros.
16. Composición de caucho, según cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 15, en la que el caucho comprende caucho
natural.
17. Composición de caucho, según cualquiera de
las reivindicaciones 8 a 15, en la que el caucho comprende una
mezcla de caucho natural y polímeros sintéticos.
18. Composición de caucho, según la
reivindicación 17, en el que el polímero sintético se selecciona
del grupo que consiste en caucho de
estireno-butadieno y caucho de butadieno.
19. Composición de caucho, según la
reivindicación 18, en el que el estireno butadieno se selecciona del
grupo que consiste en caucho de butadieno estireno limpio, con
aceite extendido, en solución, en solución estrellada y
funcionalizado.
20. Composición de caucho, según la
reivindicación 17, en la que el caucho comprende además un
elastómero.
21. Composición de caucho, según la
reivindicación 20, en la que el elastómero es un elastómero de
dieno.
22. Composición de caucho, según la
reivindicación 21, en la que el elastómero de dieno se selecciona
del grupo que consiste en cauchos de carboxilo, cauchos de epóxido,
transpolipentenámeros, cauchos de butilo halogenados, cauchos de
2-clorobutadieno, terpolímeros de etileno,
propileno, dienos no conjugados, copolímeros de etileno y propileno,
copolímeros de acetato de etilo y acetato de vinilo, compuestos de
vinilos aromáticos, poliisopreno, dienos conjugados, derivados
químicos de cauchos naturales y cauchos naturales modificados, y
cauchos de polibutadieno.
23. Composición de caucho, según la
reivindicación 17, en la que los cauchos naturales y sintéticos son
de aceite extendido.
24. Composición de caucho, según la
reivindicación 17, en la que los cauchos son cauchos
vulcanizables.
25. Composición de caucho, según la
reivindicación 20, en la que el elastómero se mezcla con, como
mínimo, otro segundo elastómero de dieno seleccionado del grupo que
consiste en cauchos de carboxilo, cauchos de epóxido,
transpolipentenámeros, cauchos de butilo halogenados, cauchos de
2-clorobutadieno, terpolímeros de etileno,
propileno, dienos no conjugados, copolímeros de etileno y propileno,
copolímeros de acetato de etilo y acetato de vinilo, compuestos de
vinilos aromáticos, poliisopreno, derivados químicos de cauchos
naturales y cauchos naturales modificados, dienos conjugados, y
cauchos de polibutadieno.
26. Composición de caucho, según la
reivindicación 25, en la que dicho segundo elastómero de dieno
comprende hasta 70 partes en peso con respecto a dicho primer
elastómero de dieno presente.
27. Composición de caucho, según la
reivindicación 26, en la que dicho segundo elastómero de dieno es
poliisopreno que además comprende más de un 90 por ciento de enlaces
cis-1,4.
28. Composición de caucho, según la
reivindicación 22, en la que los dienos conjugados se seleccionan
del grupo que consiste en 1,3-butadieno, isopreno, y
2,3-dimetil-1,3-butadieno.
29. Composición de caucho, según la
reivindicación 22, en la que los vinilos aromáticos se seleccionan
del grupo que consiste en estireno,
orto-metilestireno,
meta-metilestireno,
para-metilestireno, o
vinil-tolueno.
30. Composición de caucho, según la
reivindicación 22, en la que el copolímero de dieno conjugado y el
compuesto de vinilo aromático comprende además un contenido total de
estireno entre un 5 y un 50 por ciento en peso, y una temperatura de
transición vítrea entre 0 grados Celsius y 80 grados Celsius
negativos cuando se mide mediante análisis térmico diferencial.
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