IT201600120857A1 - Mescola ad elevata rigidezza per pneumatici comprendente lignina funzionalizzata - Google Patents
Mescola ad elevata rigidezza per pneumatici comprendente lignina funzionalizzataInfo
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Description
DESCRIZIONE
“MESCOLA AD ELEVATA RIGIDEZZA PER PNEUMATICI COMPRENDENTE LIGNINA FUNZIONALIZZATA”
La presente invenzione è relativa all’uso di lignina opportunamente funzionalizzata in mescole ad elevata rigidezza per pneumatici.
In particolare la presente invenzione si riferisce ad una mescola per “tallone” quale componente strutturale dello pneumatico.
Qui e nel seguito con il termine resina “accettore di metilene” si intende una resina in grado di reticolare tramite ponti di metilene in presenza di un composto “donatore di metilene”.
Qui e nel seguito per “fase non produttiva di mescolamento” si intende una fase di mescolamento in cui alla base polimerica a catena insatura reticolabile vengono aggiunti e miscelati gli ingredienti della mescola ad esclusione del sistema di vulcanizzazione; mentre per “fase produttiva di mescolamento” si intende una fase di mescolamento in cui alla mescola in preparazione viene aggiunto e miscelato il sistema di vulcanizzazione.
Come è noto, le mescole per la preparazione del componente strutturale denominato con la dicitura inglese “BEAD FILLER” deve avere una elevata rigidezza per ovvie ragioni funzionali. Tra i composti generalmente utilizzati per ottenere tale rigidezza vi sono il nero di carbonio appartenente alla serie N330 e una resina bicomponente termoindurente, la quale viene realizzata mediante una reazione di reticolazione che coinvolge ponti di metilene.
Nello specifico, la resina bicomponente è realizzata mediante una reazione di reticolazione tra un composto accettore di metilene e un composto donatore di metilene.
Allo scopo di evitare che la suddetta reazione di reticolazione avvenga durante la fase di preparazione della mescola, con gli ovvi problemi di processabilità che questo comporterebbe, il composto accettore di metile è generalmente aggiunto alla mescola nella prima fase non produttiva di mescolamento, mentre il composto donatore di metilene è aggiunto alla mescola solo nella fase produttiva di mescolamento in cui la temperatura è tale da non favorire la reticolazione.
Questa soluzione, anche se comunemente utilizzata, tuttavia comporta una non ottimale formazione della resina bicomponente. Un tale svantaggio deriva dal fatto che i due componenti della resina termoindurente devono necessariamente essere aggiunti in due fasi di mescolamento distinte.
Gli inventori della presente invenzione hanno trovato che è possibile sostituire la resina bicomponente con una lignina opportunamente funzionalizzata ottenendo così migliori risultati.
La lignina è una sostanza organica che lega le cellule e le fibre che costituiscono il legno e gli elementi lignificati di piante. Dopo la cellulosa, è la più abbondante fonte rinnovabile di carbonio sulla Terra. Sebbene non sia possibile definire la struttura precisa per la lignina come una molecola chimica, tuttavia è possibile identificare la lignina come una struttura polimerica a base delle seguenti tre unità fenilpropaniche: -alcol pcumarilico; -alcol coniferilico (alcol 4-idrossi-3-metossicinnamilico); -alcol sinapilico (alcol 4-idrossi-3,5-dimetossicinnamilico). Come si può facilmente dedurre dalla struttura chimica dei componenti di base della lignina, quest’ultima è particolarmente ricca di gruppi ossidrile, prevalentemente di tipo fenolico, alcolico o carbossilico che rendono la lignina stessa particolarmente adatta alla funzionalizzazione per mezzo di reazioni di esterificazione e/o eterificazione.
Esistono diversi processi di estrazione della lignina, tra i quali il processo Kraft e il processo di Solfonazione.
La lignina Kraft è un sottoprodotto del processo Kraft, utilizzato per estrarre chimicamente la cellulosa dal legno. Essa si ottiene tramite precipitazione abbassando il pH del liquore spento del processo Kraft. Gli ossidrili fenolici, alcolici e carbossilici sono i principali gruppi funzionali identificabili nella lignina Kraft mentre gruppi tiolici sono presenti in misura minore.
Al contrario il processo di Solfonazione porta all'ottenimento di una lignina caratterizzata dalla presenza di ossidrili e da alte concentrazioni di gruppi solfonici.
Come può sembrare immediato ad un tecnico del ramo, l’utilizzo della lignina in sostituzione di una resina termoindurente rappresenta un notevole vantaggio in termini di sostenibilità. Infatti, la lignina è un prodotto naturale ottenuto da scarti di lavorazione dell'industria cartiera. A tale riguardo va anche specificato che lo smaltimento della lignina rappresenta uno stadio limitante nella catena di produzione della carta.
Oggetto della presente invenzione è una mescola in gomma per la realizzazione di un componente strutturale di un pneumatico comprendente una base polimerica a catena insatura reticolabile, una carica rinforzante, una resina termoindurente e un sistema di vulcanizzazione; la detta mescola essendo caratterizzata dal fatto che detta resina termoindurente comprende lignina funzionalizzata con gruppi –OR in cui R è un gruppo alchinico con un numero di atomi di carbonio compreso tra 3 e 18.
Qui e nel seguito, per sistema di vulcanizzazione si intende un complesso di ingredienti comprendente almeno zolfo e dei composti acceleranti, che nella preparazione della mescola vengono aggiunti in una fase finale di miscelazione, ed hanno lo scopo di promuovere la vulcanizzazione della base polimerica una volta che la mescola viene sottoposta ad una temperatura di vulcanizzazione.
Qui e nel seguito, con il termine “base polimerica a catena insatura reticolabile” si intende un qualsiasi polimero non reticolato naturale o sintetico in grado di assumere tutte le caratteristiche chimico-fisiche e meccaniche tipicamente assunte dagli elastomeri in seguito a reticolazione (vulcanizzazione) con sistemi a base di zolfo.
Preferibilmente, detta lignina funzionalizzata è aggiunta alla mescola in preparazione nella fase di mescolamento produttiva.
Preferibilmente, detti gruppi –OR derivano dalla funzionalizzazione del 5 al 100% dei gruppi ossidrile fenolici della lignina.
Preferibilmente, R è –CH2CCH.
Preferibilmente, detta mescola comprende da 5 a 15 phr di detta lignina funzionalizzata.
Preferibilmente, detta lignina funzionalizzata deriva da lignina Kraft.
Un altro oggetto della presente invenzione è un componente strutturale di un pneumatico realizzato con la mescola secondo la presente invenzione. Preferibilmente, detto componente strutturale è un BEAD FILLER.
Ancora un altro oggetto della presente invenzione è uno pneumatico comprendente un componente strutturale realizzato con la mescola secondo la presente invenzione.
Ancora un altro oggetto della presente invenzione è l’uso di lignina funzionalizzata come resina termoindurente in mescole in gomma per la preparazione di un elemento strutturale di uno pneumatico; detta lignina funzionalizzata comprendendo con gruppi –OR in cui R è un gruppo alchinico con un numero di atomi di carbonio compreso tra 3 e 18.
Di seguito sono presentati degli esempi a scopo illustrativo e non limitativo per una migliore comprensione dell’invenzione.
ESEMPI
Sono state preparate quattro mescole di cui: la prima (Mescola A) rappresenta un esempio di confronto e si riferisce a una mescola dell’arte nota in cui il composto accettore di metilene è aggiunto nella prima fase non produttiva di mescolamento e il composto donatore di metilene è aggiunto nella fase produttiva di mescolamento; la seconda (Mescola B) rappresenta un altro esempio di confronto in cui sia il composto accettore di metilene sia il composto donatore di metilene sono aggiunti nella fase produttiva di mescolamento; la terza (Mescola C) rappresenta ancora un altro esempio di confronto in cui al posto della resina bicomponente rappresentata dal composto accettore di metilene e dal composto donatore di metilene, è stata utilizzata la lignina non funzionalizzata; la quarta (Mescola D) un esempio dell’invenzione in cui al posto della resina bicomponente, rappresentata dal composto accettore di metilene e dal composto donatore di metilene, è stata utilizzata la lignina funzionalizzata secondo l’invenzione.
Le mescole degli esempi sono state preparate secondo la procedura di seguito riportata.
- preparazione delle mescole -(1a fase non produttiva di mescolamento)
In un miscelatore a camera chiusa di volume interno compreso tra 230 e 270 litri sono stati caricati prima dell'inizio della miscelazione gli ingredienti indicati in Tabella I raggiungendo, così, un fattore di riempimento compreso tra 66-72%.
Il miscelatore è stato azionato ad una velocità compresa tra 40-60 giri/minuto, e la miscela formatasi è stata scaricata una volta raggiunta una temperatura compresa tra 140-160°C.
(2a fase non produttiva di mescolamento)
La miscela ottenuta dalla fase precedente La miscela così preparata è stata nuovamente lavorata nel miscelatore azionato ad una velocità compresa tra 40-60 giri/minuto e, successivamente, scaricata una volta raggiunta una temperatura compresa tra 130-150°C.
(fase produttiva di mescolamento)
Alla miscela ottenuta dalla precedente fase sono stati aggiunti gli ingredienti indicati in Tabella I raggiungendo un fattore di riempimento compreso tra 63-67%.
Il miscelatore è stato azionato ad una velocità compresa tra 20-40 giri/minuto, e la miscela formatasi è stata scaricata una volta raggiunta una temperatura compresa tra 100-110°C.
In Tabella I sono riportate le composizioni in phr delle cinque mescole di confronto e della mescola dell’invenzione.
TABELLA I
A B C D
1a fase non produttiva di mescolamento
NR 75
SBR 25
CB 70
Resina PF 10 -- -- --ZnO 6
Acido Stearico 2
TMQ 1,5
6PPD 0,5
fase produttiva di mescolamento
Resina PF -- 10 --HMMM 3 3 -- --Lignina 10
Lignina funzionalizzata -- -- -- 10 Zolfo 8
TBBS 2
NR è una gomma 1,4-cis poliisoprene di origine naturale.
SBR è una gomma stirene-butadiene in soluzione con un peso molecolare medio compreso rispettivamente tra 500-1500x10<3>; un contenuto di stirene compreso tra 10 e 45%, un contenuto di vinile compreso tra 20 e 70% e un contenuto di olio tra 0 e 30%.
CB è il nero di carbonio appartenente alla classe N330 Resina PF sta per resina fenolo-formaldeide e costituisce il composto accettore di metilene.
TMQ e 6PPD stanno rispettivamente per poli(1,2-diidro-2,2,4-trimetilchinolina) e N-1,3-dimetilbutil-N’-fenilparafenilendiammina e costituiscono due agenti antiossidanti.
HMMM sta per esametossimetilammina e costituisce il composto donatore di metilene.
TBBS sta per N-terz-butil-2-benzotiazilsulfenammide e costituisce un accelerante di vulcanizzazione.
La lignina non funzionalizzata utilizzata è commercializzata dalla Sigma Aldrich con il nome di Alkali Lignin.
Di seguito è riportato a titolo illustrativo e non limitativo un esempio di realizzazione della lignina funzionalizzata secondo l’invenzione.
Il campione di lignina viene solubilizzato in soluzione di dimetilformammide contente una concentrazione di Carbonato di Potassio calcolata sulla base del contenuto di ossidrili fenolici e carbossilici. La soluzione viene riscaldata a 50°C e fatta reagire per circa 4 ore con una quantità Bromuro di propargile necessaria all'ottenimento del livello di funzionalizzazione desiderato.
Dopo raffreddamento la soluzione viene precipitata mediante acidificazione e il solido residuo viene lavato e centrifugato prima del recupero.
Ognuna delle mescole riportate in Tabella I è stata sottoposta a una serie di test per valutarne la viscosità e le proprietà reometriche e dinamico-meccaniche.
In particolare, la misura della viscosità è stata eseguita secondo la norma ASTM D1646, le proprietà reometriche sono state misurate secondo la norma ASTM D6204, le proprietà dinamico-meccaniche sono state misurate secondo la norma ISO 4664.
In Tabella II sono riportati i risultati ottenuti dai test sopra descritti.
Per una più immediata evidenza dei vantaggi riguardanti la mescola della presente invenzione, i valori ottenuti dai test sono stati riportati nella Tabella II in forma indicizzata sui risultati ottenuti dalla Mescola A di confronto.
TABLE II
A B C D
Viscosity 100 100 98 105
T50 100 99 100 97
E’1% 100 99 90 115
tanD1% 100 103 110 95
Dai valori riportati in Tabella II si evidenzia come l’uso della lignina funzionalizzata garantisca un miglior bilanciamento tra la rigidezza e l’isteresi.
Una maggiore rigidezza della mescola significa una maggiore funzionalità del BEAD FILLER, mentre un isteresi più bassa assicura una buona resistenza ai ripetuti cicli di deformazione nonché un contributo positivo alla resistenza al rotolamento.
I valori di viscosità e di t50 dimostrano come l’uso della lignina funzionalizzata non produca sostanziali variazioni della processabilità.
Infine, il confronto dei risultati ottenuti con la lignina non funzionalizzata evidenzia come quest'ultima non sia in grado di garantire la rigidezza necessaria ad una corretta funzione del Bead Filler.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. Mescola in gomma per la realizzazione di un componente strutturale di un pneumatico comprendente una base polimerica a catena insatura reticolabile, una carica rinforzante, una resina termoindurente e un sistema
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