JP2003525191A - ホウ素を含む非晶質シリカ粒子 - Google Patents
ホウ素を含む非晶質シリカ粒子Info
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Abstract
Description
填材としてのそれらの使用に関する。
シリカの使用が増加している。この急速に発展している分野では絶えず代替品お
よび改良品が求められている。より具体的には、エラストマー中への分散がいっ
そう容易であり、および/またはエラストマーに完全に分散性になるまでの処理
(たとえばカップリング剤による)の時間/経費効率がより良好であり、発熱性
が低く、濡れグリップ性が高く、かつ転がり抵抗の低いエラストマー組成物(加
硫/硬化後のもの)が得られる沈降シリカに、工業界の関心が寄せられている。
四ホウ酸ナトリウムなどの添加により安定性を改良した水性シリカゾルが開示さ
れている。これらのホウ素化合物は安定剤としてシリカゾルに添加されているに
すぎず、ホウ素化合物の添加によりシリカゾルそのものは変化していない。
が開示されている。これらのシリカ組成物はオルガノポリシロキサンエラストマ
ーに使用される。これらの組成物のシリカそのものは変化せず、B2O3を含浸し
た粒子として得られる。
これら両者は、シリカと添加したカップリング剤シランとの反応速度を改良する
ためにシリカおよびホウ酸塩化合物を別個に添加したゴムブレンドに関する。
リング剤シランの反応速度がさらに改良され、ゴム組成物中のシリカ粒子の分散
が改良されることを見出した。本発明の利点は、ホウ素原子がシリカ網目構造の
酸素原子に共有結合していることを特徴とする、0.1〜105ppmのホウ素
原子を含む非晶質シリカ粒子にある。より好ましくは、シリカ粒子は10〜12
5,000ppmのホウ素原子を含む。
y & Sons, 1979)中の主張と異なり、ビルトインしたホウ素はシリカ網目構造か
ら容易に洗い出されたり、加水分解されたりすることがなく、したがって沈降に
よるシリカスラリーをたとえばpH4に酸性化した際の酸性条件下で浸出がみら
れない。
をエラストマー中でのそれの性能に合わせて、Alのほかに、またはその代わり
に、他の元素、たとえばFe、Mg、B、PおよびSを導入することができる。
しかしこれらの元素によりどのような改良が得られたか、あるいは目的とする改
良を得るためにこれらの元素のうちどれを選択すべきかは開示されていない。さ
らにこれらの凝集物は、14〜50℃のエージング温度を用いるそれらの製造方
法のため、高いSA BET価をもつ。
ムがシリカ網目構造中に存在する場合、さらに改良が得られることを見出した。
したがって、本発明の非晶質シリカはさらに、シリカ網目構造の酸素原子に共有
結合したアルミニウム原子0.05〜15重量%、好ましくは0.8〜2重量%
を含むことができる。この改良は、EP631,982に開示される他の元素に
ついてはみられなかった。
のに格別好適なこれらの新規な沈降シリカ粒子を製造するための新規方法が見出
された。より具体的には、本発明による沈降シリカは、DBP吸油量100〜4
00ml/100g、好ましくは150〜300ml/100g、BET表面積
30〜500m2/g、好ましくは50〜300m2/g、より好ましくは120
〜220m2/g、およびCTAB表面積30〜350m2/g、好ましくは50
〜300m2/g、より好ましくは120〜220m2/gを特徴とする。このシ
リカ粒子は、好ましくは>60℃、より好ましくは65〜90℃の温度でエージ
ングされる。
に記載した。好ましくは、本発明による沈降シリカは、DIN66133に従い
(7〜500バールの圧力を付与)、分析中30秒間の平衡時間で測定した場合
、0.55〜0.85ml/gの多孔度をもつ。
る: ・ホウ酸(H3BO3)を水ガラス溶液(SiO2/Na2O重量比約3.3;1
5〜25重量%、好ましくは17.5〜20重量%、より好ましくは約18.5
重量%のSiO2を含有;密度約1.225g/ml)に溶解する。有機酸また
は無機酸(硝酸、硫酸、塩酸)を添加し、得られたホウ素含有シリカを濾過、洗
浄および乾燥する。
たホウケイ酸アルミニウムを濾過、洗浄および乾燥する。 ・ホウ酸を水ガラス溶液に溶解する。酸溶液にアルミニウム塩(たとえば硫酸
塩、硝酸塩、リン酸塩)を添加する。この溶液を上記の水ガラス溶液に添加し、
得られたホウケイ酸アルミニウムを濾過、洗浄および乾燥する。
ニウム塩を含有)を添加して、溶解度を高めることができる。ホウ砂溶液、水ガ
ラスおよび酸を同時に反応器に送入する。得られたホウ素含有シリカを濾過、洗
浄および乾燥する。
酸溶液、水ガラスおよび酸(所望によりアルミニウム塩を含有)を同時に反応器
に送入する。得られたホウ素含有シリカを濾過、洗浄および乾燥する。
シリカを濾過、洗浄および乾燥する。 ・ホウ砂およびアルミニウム塩を酸に溶解する。この酸溶液を水ガラスと混和
する。得られたホウケイ酸アルミニウムを濾過、洗浄および乾燥する。
よび/またはホウ砂、ならびに所望によりアルミニウム塩とを、pH10.5以
下で反応させることを含む方法により製造できる。
ー中に補強充填材として用いた場合に有利な特性をもたないので、除外される。 本発明のシリカ粒子の作用は粒子の表面(すなわち粒子の表面にあるヒドロキ
シル基の数)にあると考えられるので、ホウ素原子、および存在する場合にはア
ルミニウム原子も、粒子の表面に含有されることが好ましい。これは、まず最初
に一般的なシリカを製造し、この最初のシリカ製造プロセス段階の後にホウ砂、
ホウ酸およびアルミニウム塩の添加を開始することにより達成できる。
応器の液面下に装入する。これは、これらの成分が局部的に高い濃度になるのを
防ぐためである。
と反応器内の水性媒質の量との重量比は、好ましくは1:9.7〜1:19.5
、より好ましくは約1:13.5である。
O2の量と1回目の装入段階以前に反応器内に存在していた水性媒質の量との重
量比は、1:24〜1:46、好ましくは約1:27である。
るものであると理解すべきである。しかし所望により粉末を圧縮により顆粒、パ
ール、ビーズその他、これらに類する形状に変換してもよい。取扱いを容易にす
るために、すなわち(空気)輸送のために、サイロ内でのブリッジングを少なく
するために、かつ粉塵発生を少なくするために、また貯蔵空間をより効率的に利
用するために、沈降シリカを使用前に圧縮することが好ましい。圧縮によりさら
に、エラストマー中へのシリカのブレンディング/混合を容易にすることができ
る。したがって、本発明方法に圧縮工程を含めることが好ましい。最も好ましい
圧縮工程は、顆粒化工程を伴うものである。所望により、本発明方法は沈降シリ
カ粒子が確実に一定のサイズ分布をもつように、微粉砕工程を伴う。沈降シリカ
の特性、特にDBP吸油量ならびにBETおよびCTAB表面積は顆粒化および
/または微粉砕工程によりほとんど影響を受けないことが見出された。
燥キャビネット、噴霧乾燥、フラッシュ乾燥、流動床乾燥、トレー乾燥、回転乾
燥などの使用がすべて適する。ただし、乾燥機内での沈降シリカの滞留時間はD
BP吸油量価に影響を与える可能性のあることが認められた。より具体的には、
わずか数秒ないし数分(比較的高温で)の乾燥時間では一般に特定した範囲の上
限に近いDBP吸油量をもつ沈降シリカが得られ、一方、たとえば数十分、さら
には数時間の低速乾燥では特定した範囲の下限に近いDBP吸油量をもつ沈降シ
リカが得られる。
格別好適である。本発明の沈降シリカを使用する以外は、エラストマー中への装
入および最終エラストマー組成は一般的なタイプのものである。本発明のエラス
トマーブレンドの好ましい加工適性および最終エラストマー物品の卓越した特性
を報告する。
用いられるすべてのエラストマー組成物を表すものであることを留意されたい。
より具体的には、それは合成ゴムまたは天然ゴム含有組成物であって、(硬化)
組成物を含む最終物品を得るのに必要な、当技術分野で既知の通常のあらゆる添
加剤を含有してもよい。タイヤにおける沈降シリカの使用が特に重要であり、本
発明による沈降シリカはそのような使用に格別好適であるので、”エラストマー
組成物”という用語にはタイヤトレッドに用いるためのゴム組成物が含まれる。
しかし、本発明による沈降シリカは、たとえばモーターマウント、コンベヤーベ
ルトなどに用いるゴム組成物中の充填材としても使用できる。
Chemical Society, Vol.60, p.309, 1938に記載の方法に従って分析された。CTA
B表面積は、NFT45007(1987年11月)の方法に従って分析された。DBP吸油量は、ASTM
D1208の方法に従って分析された。
試料の重量差と定義される。水分活性(H2Oactivity)は、単位BET表面積
当たりの吸水率に等しい。吸水量はシリカの表面積に依存する。したがって水分
活性は、異なる表面積をもつシリカ粒子の吸水率と比較すべきである。
水分活性をこの参照試料に対比して表す。この参照試料の水分活性を1.00と
定義する。改変されていないシリカを100%と設定して、改変されていないシ
リカに対比した改良を%で表す。
を約16.4kg装填した。内容物を80℃に加熱し、下記の工程全体を通して
この温度に維持した。水ガラス(SiO2/Na2O重量比約3.3;18.5重
量%のSiO2を含有;密度約1.225g/ml)を75g/分の速度で90
分間容器に装入し、これにより約6.6kgの水ガラスが装入された。水ガラス
の装入中、硫酸(18重量%)も装入した。装入速度を、シリカ沈降中のpHが
9.3となるように選択した。約2.8kgの硫酸(17.5重量%)が装入さ
れた。装入が終了すると、反応混合物を同pHで15分間、後反応させた。次い
で、pHが7.5に低下するように硫酸を10分間装入した。約0.5kgの硫
酸(17.5重量%)がこのために必要であった。水ガラス(18.5重量%の
SiO2)を再び前記とほぼ同じ速度で45分間、反応器に装入した。約2.8
kgの水ガラスが装入された。pHを7.5に確実に一定に維持するために、硫
酸を同時に装入した。約1.4kg(17.5重量%)がこのために必要であっ
た。装入を停止し、pHが4.0に低下するように硫酸を20分間装入した。約
0.2kgの硫酸(17.5重量%)がこのために必要であった。沈降シリカを
反応器から取出し、常法によりフィルタープレスを用いて洗浄し、遠心フラッシ
ュ乾燥機を用いて乾燥させた。
ガラス溶液に溶解した。このホウ酸/水ガラス溶液を硫酸と同時に、水(いわゆ
る”ヒール”(the heel))を入れた反応器に添加した。生じたホウ素含有非晶質
沈降シリカ(ホウ素は構造体全体にビルトインされている)を濾過、洗浄および
乾燥した。
ガラス溶液に溶解し、0.2kgの硫酸の代わりに0.3kgの硫酸アルミニウ
ム溶液を添加してpHを4.0に低下させた。
りに0.3kgの硫酸アルミニウム溶液を添加してpHを4.0に低下させた。
.067重量%のホウ素を用いた。方法C〜Dで用いたAl2(SO4)3溶液は
約17.5重量%の濃度をもち、pH7.5からpH4.0に酸性化するために
のみ用いられた。シリカ粒子を遠心フラッシュ乾燥させた。
た。 表Iから、方法Bによるホウ素の含有(水ガラス溶液が0.067重量%のホ
ウ素を含有)により吸水率が有意に上昇し、同時にDBP吸油量が増加すること
が明らかである。
の影響を与え、DBP吸油量の増加はゴムブレンド中における分散にプラスの影
響を与える。方法Cを用いた場合、アルミニウムの相乗効果が明らかに示された
。
らに上昇したが、DBPは0.067重量%のホウ素を含有する水ガラスを用い
た場合と同レベルのままであった。表II参照。
た; 脚注:方法B*およびC*はそれぞれ方法BおよびCと同じであるが、水ガラ
ス溶液が0.134重量%のホウ素を含有する。
っそう上昇したが、DBPは水ガラス溶液中0.067または0.134重量%
のホウ素を用いた場合と同レベルのままであった。
されない。表IIIに、異なる等級のシリカについてホウ素の装入およびホウ素
とアルミニウムの装入の効果を示す。水分活性とDBP価の両方が上昇する。こ
の場合、ビルトインアルミニウムの相乗効果が水分活性とDBP吸油量の両方に
ついて得られる。
(II〜IV)水ガラスとを、反応器に同時に添加し、温度70℃およびpH9
.3で150分間反応させた。次いで反応器内容物を硫酸により(シリカIおよ
びシリカII)、または硫酸アルミニウムにより(シリカIIIおよびシリカI
V)、pH4に酸性化した。
; シリカI:ホウ素またはアルミニウムを含有しない シリカII:ホウ素(0.06重量%)で改変 シリカIII:ホウ素(0.05重量%)およびアルミニウムで改変 シリカIV:ホウ素(0.18重量%)およびアルミニウムで改変。
反応混合物のヒールに添加した。下記のように実験を行なった。まず水を反応器
に装入し、次いでこの量の水(”ヒール”と呼ぶ)にホウ酸を添加した。溶解し
終わった後、7〜10の一定のpHを維持しながら水ガラスおよび酸を同時にこ
の水に添加した。反応期間後、反応混合物を約4のpHに酸性化し、反応混合物
を濾過、洗浄および乾燥した(エントリーi)。
エントリーii)。他の実験では、Pをリン酸の形で水ガラスおよび酸の同時添
加中に反応混合物に添加した(エントリーiii)。あるいは、Pをリン酸の形
で酸性化工程中に反応混合物に添加した。反応を前記と同じ方法で実施し、ただ
し反応混合物をリン酸で反応pH(7〜10)からpH4に酸性化することによ
りPを添加した(エントリーiv)。同じ方法で、ただしBまたはPを添加せず
に標準シリカを製造した(エントリー0)。
低下し、かつDBPが増大するが、BではなくPを低下した場合にはこれらの数
値に変化がないと結論できる。
Claims (8)
- 【請求項1】 ホウ素原子がシリカ網目構造の酸素原子に共有結合しているこ
とを特徴とする、0.1〜105ppmのホウ素原子を含む非晶質シリカ粒子。 - 【請求項2】 10〜125,000ppmのホウ素原子を含む、請求項1に
記載の非晶質シリカ粒子。 - 【請求項3】 さらに、シリカ網目構造の酸素原子に共有結合したアルミニウ
ム原子0.05〜15重量%を含む、請求項1または2に記載の非晶質シリカ粒
子。 - 【請求項4】 0.8〜2重量%のアルミニウム原子を含む、請求項3に記載
の非晶質シリカ粒子。 - 【請求項5】 BET表面積が30〜500m2/gであり、CTAB表面積
が30〜350m2/gであり、DBP吸油量が100〜400ml/100g
であり、含水率が>2重量%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非晶
質シリカ粒子。 - 【請求項6】 ホウ素原子および所望によりアルミニウム原子が主にシリカ粒
子の表面に含有される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非晶質シリカ粒子
。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれか1項に記載の非晶質シリカ粒子を製造
する方法であって、水ガラスの水溶液をホウ酸および/またはホウ砂と反応させ
、かつ所望によりアルミニウム塩とも反応させることを含む方法。 - 【請求項8】 ゴム物品、特にタイヤの補強充填材としての、請求項1〜6の
いずれか1項に記載の非晶質シリカ粒子の使用。
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