JP2007314415A - シールコンパウンド用の親水性シリカ - Google Patents

シールコンパウンド用の親水性シリカ Download PDF

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Abstract

【課題】エラストマー混合物中で、特にRTV型の1成分系シリコーンゴム配合物中で増粘剤及び補強剤として特によく適した沈降シリカを提供する。
【解決手段】以下の物理−化学パラメータ:平衡含水率(70%の相対湿度(r.F.)/20℃で)0.5〜5.0質量%、BET表面積50〜250m2/g、CTAB表面積50〜250m2/g、DBP(無水)200〜350g/100gを特徴とする親水性の沈降シリカによって解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、RTV型の1成分系シールコンパウンド中での使用に特によく適した親水性の沈降シリカ、その製造方法並びに該シリカをシールコンパウンドの増粘のために用いる使用に関する。
シールコンパウンドとは、流動形ないし粘稠形で適用される弾性物質であって建造物又は装置を水、大気の影響又は侵食性の媒体に対して封止するための物質を表す。
シリコーンゴムは、ゴム弾性状態に変換できる材料であり、該材料は基本ポリマーとして、架橋反応しうる基を有するポリジオルガノシロキサンを有する。係る基としては、主として、H原子、OH基及びビニル基が該当し、それらは鎖端に存在するが、鎖中に組み込まれていてもよい。前記系において、充填剤は補強剤として導入され、その種類と量が、加硫物の機械的及び化学的な挙動に明らかな影響を及ぼす。シリコーンゴムは、無機顔料によって着色することができる。高温加硫型のシリコーンゴムと低温加硫型のシリコーンゴムとは異なる(高温加硫型/室温加硫型=HTV/RTV)。
低温硬化型又はRTV型のシリコーンゴム材料では、1成分系と2成分系に区別することができる。第一の群(RTV型の1成分系)は、室温で、空気湿分の影響下にゆっくりと重合し、その際、架橋は、SiOH基の縮合によって、Si,O結合を形成して行われる。SiOH基は、末端位OH基を有するポリマーと、いわゆる架橋剤のR−SiX3(例えばX=−O−CO−CH3、−NHR)とから中間的に生ずる種のSiX基の加水分解によって形成される。2成分系ゴム(RTV型の2成分系)では、架橋剤として、例えばケイ酸エステル(例えばケイ酸エチル)と有機スズ化合物とからの混合物が使用され、その際、架橋反応として、Si−O−Si架橋の形成が、≡Si−OR及び≡Si−OH(−はメチル基;Rは有機基)からアルコールを離脱することによって行われる。
RTV型の1成分系シリコーンゴムの増粘のためには、とりわけシリカが使用される。シリカは、シリコーン系シールコンパウンドの加水分解感受性に基づき、できる限り少ない湿分しか該系中に導入してはならない。従って、今まではほとんど専ら、前記用途にはヒュームドシリカが使用されていた。親水性の沈降シリカは、その高い含水率に基づき、今までは使用することができなかった。
特許文献US5,395,605号では、吸水率(23℃及び64%の相対湿度)が4%未満であり、そのタップ密度(stampfdicht)が100g/lを上回る沈降シリカに特許の保護が請求されている。しかしながら、US5395605号からのシリカは、HTV型のシリコーンゴムとケーブル押出においてのみ使用できるに過ぎない。RTV1型シリコーンゴムで使用するために不適なのは、タップ密度が高すぎ、それゆえに増粘(降伏点)が低すぎるからである。US5,395,605号の方法は、シリカを非常に高い温度で非常に長期に熱処理せねばならないという欠点を有する。それにより該方法は、経済的にあまり関心が持たれていない。更に、US5,395,605号による熱処理は、シリカの固化と焼き付けを引き起こすので、熱処理後に粉砕が必要とならざるを得ない。
WO2005061384号は、特許請求の範囲の記載により吸水率<6%とDOP>300ml/100gを有することが望ましいシリカの製造と、とりわけシリコーンゴムでのその使用を示している。しかしながら、WO2005/061384号の実施例に開示されるシリカは、全てにおいて吸水率5.7〜5.9%を有し、従ってRTV型の1成分系配合物での使用には適していない。WO2005/061384号の実施例においては、首尾一貫して、押出法用のシリコーンゴム配合物(HTV)での使用のみが記載されているに過ぎない。
EP1557446号では、もっぱらHTV−シリコーンゴム配合物が記載されている。そこで使用されるシリカは、乾燥減量<4%を有する。使用されるシリカの高い空気湿分の影響による平衡含水率(これは乾燥減量と混同すべきでない)に関する記述は、EP1557446号において同じようにわずかしか、そこに記載されるシリカがRTV型シリコーンゴム配合物中で使用できることに指摘が見出されない。EP1557446号に開示される配合物は、絶縁材料、例えばケーブル外装の製造のために使用される。
従って、まとめると、先行技術においては、RTV型の1成分系シリコーンゴム中で使用するための高い要求を満たす親水性の沈降シリカは全く開示されていないことを認めることができる。従って、RTV型の1成分系用途に適した係る親水性の沈降シリカに高い要望がある。
US5,395,605号 WO2005/061384号 EP1557446号
前記の従来技術から出発して、本発明の課題は、エラストマー混合物中で、特にRTV型の1成分系シリコーンゴム配合物中で増粘剤及び補強剤として特によく適した沈降シリカを提供することであった。更に、本発明によるシリカの製造方法を自由に使用できることが望ましい。
明確に挙げられていない更なる課題は、発明の詳細な説明、実施例及び特許請求の範囲の全体の脈絡からもたらされる。
驚くべきことに、前記課題は、以下の発明の詳細な説明並びに特許請求の範囲及び実施例において詳細に定義された本発明によるシリカによって解決されることが判明した。
本発明の対象は、以下の物理−化学パラメータ:
平衡含水率(70%の相対湿度(r.F.)/20℃で) 0.5〜5.0質量%
BET表面積 50〜250m2/g
CTAB表面積 50〜250m2/g
DBP(無水) 200〜350g/100g
を特徴とする親水性の沈降シリカである。
また本発明の対象は、前記のパラメータの他に、互いに無関係に、以下の物理−化学パラメータ:
改変型タップ密度 ≦70g/l
強熱減量 0.1〜3.0質量%
乾燥減量 0.1〜3.0質量%
pH値 4〜9
シラノール基密度 0.5〜3.5SiOH/nm2
容量に対する粒子分布における1μm未満の粒子の割合 5〜100%
容量に対する粒子分布のd90値 0.01〜10μm
の1又はそれより多くを有する親水性の沈降シリカである。
本発明の更なる対象は、請求項10から16までのいずれか1項記載の本発明による沈降シリカの製造方法である。
本発明の更なる対象は、本発明によるシリカを、シールコンパウンド、特にシリコーンゴムもしくはシリコーン系シールコンパウンド、特に有利にはRTV型の1成分系シールコンパウンド中で用いる使用である。種々の架橋系、例えばアセトキシ架橋性、アルコキシ架橋性及びオキシム架橋性で使用することができる。これらの系は、例えば建設産業において継ぎ目シールコンパウンドとして、自動車産業において接着剤及び封止剤として、かつ例えばテキスタイル織物用の被覆材料として使用される。
本発明の更なる対象は、本発明によるシリカを含有するシリコーンゴムを基礎とするシールコンパウンド及びそれらの使用である。
本発明による沈降シリカは、とりわけ、該シリカが、その非常に低い経時的な吸湿性(平衡含水率)に基づいて、かつ部分的にはその低い初期含水率(乾燥減量によって表現される)に基づき、シリコーンゴム材料、特にRTV型の1成分系シリコーンゴム材料中に混加した後に、該シリコーンゴムの高い貯蔵安定性を保証するという利点を有する。RTV型の1成分系シリコーンゴムは、室温で、空気湿分の影響下にゆっくりと重合し、その際、架橋は、SiOH基の縮合によって、Si−O結合を形成して行われる。補強及び増粘のために使用される充填剤、例えばシリカは、従って、能動的に(初期含水率によって)湿分を系中にもたらしてはならない。それというのも、さもないとシリコーンゴムの重合は、本来の処理前にはじまってしまうからである。前記の作用は、シリカが受動的にさえも(吸湿によって)できる限りわずかにしか系中に湿分を取り込まない場合には、更に高めることができる。本発明によるシリカに関して、十分に低い経時的な吸湿性(平衡含水率)を有する効果的な親水性の沈降シリカが初めて製造されたので、シリコーン系シールコンパウンド中への湿分の能動的及び受動的な取り込みは、該沈降シリカによって十分に回避することができる。
全体で、本発明による沈降シリカの特定の特性は、とりわけ以下の利点をもたらす:
・ 本発明によるシリカの混加によるRTV型の1成分系シリコーンゴムコンパウンドの高い貯蔵安定性
・ 良好かつ迅速な分散による、RTV型の1成分系シリコーンゴムコンパウンド中でのシリカの高い増粘作用。
更に、本発明による沈降シリカは、今までにRTV1型シリコーンゴムで使用されてきたヒュームドシリカに対して、廉価に製造できるため実質なコスト上の利点を提供する。
本発明の対象を、以下に詳細に説明する。
本発明において、シリカと沈降シリカとの概念は同義に使用される。親水性の沈降シリカとは、この場合に、水中に導入して撹拌した場合に親水性の挙動をとる沈降シリカ、すなわち表面が水により完全に濡れ、従って水に対して90゜より小さい接触角を有する沈降シリカを表す。本発明による親水性の沈降シリカは、炭素含有率<0.5質量%を有することが好ましい。
BET比表面積は、シリコーンゴム中への混加挙動並びに粗製混合物特性に対して及ぼされるシリカの作用を説明するものである(S.Brunauer、P.H.Emmett、E.Teller著の"Adsorption of Gases in Multimolecular Layers",J.Am.Chem.Soc.60,309(1938)を参照のこと)。そして、本発明によるシリカは、とりわけBET表面積50〜250m2/g、有利には100〜230m2/g、特に有利には120〜200m2/g、殊に有利には160〜190m2/gである。
CTAB比表面積は、主に、シリカの補強特性について決定的な意義を有する(Janzen,Kraus,Rubber Chem.Technol.44,1287(1971)を参照のこと)。補強能力は、CTAB表面積が高まると増大する。そして、本発明によるシリカは、とりわけCTAB表面積50〜250m2/g、有利には100〜230m2/g、特に有利には120〜200m2/g、殊に有利には160〜200m2/gである。
更に、本発明によるシリカの高いDBP吸収が、良好なレオロジー特性を達成するために役立つことが明らかにされた。しかも高すぎるDBP値は、シリコーンゴムの過度の粘度上昇を引き起こすことがあり、従ってそれは回避すべきである。従って、本発明によるシリカは、DBP吸収200〜350g/(100g)を有する。DBP吸収が、220〜330g/(100g)、特に有利には250〜320g/(100g)、殊に有利には270〜320g/(100g)であることが好ましい。
RTV型の1成分系シリコーンゴムコンパウンドの加水分解感受性に基づき、平衡含水率(70%の相対湿度/20℃で測定した)は、本発明によるシリカの必須の基準である。カートリッジ/チューブにおいてシリコーンゴムコンパウンドが高い貯蔵安定性を有するように、該系中にできる限り殆ど湿分が持ち込まれないことが必須のことである。それというのも、さもないと本来の封止のための使用前に早期の硬化が開始するからである。本発明によるシリカは、とりわけ平衡含水率0.5〜5.0質量%、有利には0.8〜4.5質量%、殊に有利には1.0〜4.0質量%、特に有利には1.0〜3.7質量%、特別有利には2.0〜3.7質量%である。
第一の有利な一実施態様では、本発明によるシリカは、加えて、従来技術の沈降シリカと比較して非常に特別なシラノール基密度の点で卓越している。シラノール基密度の測定のために、まずLiAlH4を用いて、シリカ表面上のシラノール基の数を測定する。しかしながら、これが単独では直示的でないのは、高い表面積を有する親水性の沈降シリカは、一般に、低い表面積を有する親水性の沈降シリカよりも高いシラノール基の絶対数を有するからである。従って、シラノール基数は、シリカの表面積に適用されるべきである。好適な表面積としては、このためには、BET表面積が向いている。それというのも、この表面積は、例えば水のようなより小さな分子も立ち入ることができる表面積を説明しているからである。本発明によるシリカのシラノール基密度は、0.5〜3.5SiOH/nm2、有利には0.5〜3.0SiOH/nm2、特に有利には1.0〜3.0SiOH/nm2、殊に有利には1.5〜2.8SiOH/nm2の範囲にあることが好ましい。1nm2あたりのシラノール基の数が少なすぎる場合に、それは低すぎる降伏点をもたらし、そしてそれによりシリコーン系シールコンパウンドの粘稠性に悪影響を及ぼす。最適化されたシラノール基密度は、加えて、シリコーン系シールコンパウンドの貯蔵安定性に良い影響を及ぼす。
第二の同様の有利な一実施態様においては、本発明による沈降シリカは、低い改変型タップ密度を有し、従って特に良好なチキソトロピー性を有する。この場合に、改変型タップ密度とは、圧密化されていない材料で測定したタップ密度を意味することに注意すべきである。前記の大きさを、既に包装及び貯蔵によって事前に圧密化された材料で測定可能にするために、"改変型タップ密度の測定"の節で記載されるようにして試料調製を実施するべきである。本発明によるシリカは、70g/l以下、1〜60g/l、特に有利には5〜55g/l、殊に有利には10〜50g/l、特別有利には20〜50g/lの改変型タップ密度を有する。その低い改変型タップ密度によって、本発明による沈降シリカの更に有利な作用が引き起こされる。低い改変型タップ密度は、シリカ粒子の非常に疎な充填によって生ずる。すなわち、シリカ粒子同士は一方で確かにふれ合って、互いに容易に付着しあうが、他方で大きい中空空間が生ずるほど疎に充填されている。この疎な充填は、シリコーンコンパウンド中にも生じ、そうしてシリコーンコンパウンドの高いチキソトロピー性を引き起こす。
本発明によるシリカが、特に良好な粘稠性と同様に、未架橋のシリコーン系シールコンパウンドの特に良好な貯蔵安定性も可能にする特に有利な一実施態様においては、本発明によるシリカは、DBP吸収200〜350g/(100g)、有利には220〜330g/(100g)、殊に有利には220〜300g/(100g)、特別有利には250〜320g/(100g)、殊に好ましくは280〜310g/(100g)によって表現される十分な多孔性を、70g/l未満、有利には1〜60g/l、特に有利には5〜55g/l、殊に有利には10〜50g/l、特に好ましくは20〜50g/lの低い改変型タップ密度並びに0.5〜3.0SiOH/nm2、有利には1.0〜3.0SiOH/nm2、特に有利には1.5〜2.8SiOH/nm2の低いシラノール基密度と組み合わせて有する。
本発明によれば、更に、シリコーン系シールコンパウンドの粘稠性については、本発明による沈降シリカが、十分な割合の微細粒子、すなわち十分な割合の1μm未満の粒子を有する場合に特に好ましいことがあると確認された。これは、全ての前記の実施態様に当てはまる。従って、本発明によるシリカは、容量に対する粒子分布の1μm未満の粒度範囲において、5〜100%、有利には10〜95%、特に有利には10〜70%、殊に有利には15〜70%の微細粒子の割合を有することが好ましい。
また、粗大粒子の割合が高すぎることで、本発明による沈降シリカの応用技術的特性に悪影響が及ぼされうることが確認された。従って、本発明による沈降シリカは、d90値の容量に対する粒子分布曲線に対して、0.01〜10μm、有利には1〜10μm、特に有利には2〜8μm、特に好ましくは3〜7μmであることを特徴とする。
粒子分布は、単峰性又は二峰性、有利には二峰性であってよい。
本発明によるシリカの前記の全ての実施態様については、該親水性のシリカが、初めからできる限り殆ど湿分をシリコーン系シールコンパウンド中に持ち込まない場合に特に好ましいことがあるとも確認された。従って、本発明によるシリカは、乾燥減量によって表現される初期含水率0.1〜3.0質量%、有利には0.2〜2.5質量%、特に有利には0.3〜2.0質量%、特に好ましくは0.4〜1.8質量%及び/又は強熱減量によって表現される初期含水率0.1〜3.0質量%、有利には0.2〜3.0質量%、特に有利には0.3〜2.0質量%、特に好ましくは0.4〜1.8質量%を有してよい。
最後に、本発明によるシリカの前記の全ての実施態様について、親水性のシリカが、4〜8、有利には4.5〜7.5の範囲のpH値を有することが特に好ましいことがあると確認された。pH値が高すぎる場合に、シリコーンコンパウンドは、より長期の貯蔵後(例えば数日後)にもはや正しく架橋されず、粘着性のままであると考えることができる。
前記の有利な範囲を、互いに無関係に設定することができる。
本発明によるシリカは、以下に記載される工程:
1. 少なくとも1つのケイ酸塩と少なくとも1つの酸性化剤とを反応させる工程
2. 得られたシリカを濾過及び洗浄する工程
3. 得られたシリカもしくは濾過ケークを乾燥させる工程
4. 乾燥されたシリカを熱処理する工程
を含む方法に従って製造することができる。
工程1は、その際、有利には以下の部分工程
1a. 水もしくは水と少なくとも1つのケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液からなる初充填物を製造する工程。その際、こうして得られた初充填物のpH値は、有利にはpH5〜pH10であり、かつ該初充填物の温度は有利には80〜100℃である。
1b. 少なくとも1つのケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液と少なくとも1つの酸性化剤とを、撹拌下に80〜100℃で前記の部分工程1a)からの初充填物中に、粘度上昇点に達するまで配量する工程。その際、ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤の添加は、同時に及び/又はpH値が部分工程1b)の期間にわたってpH7〜pH10の値に一定に保たれるように行われる。
1c. ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤の添加を止めて、沈降懸濁液を80〜100℃の温度で15〜120分間にわたり撹拌する工程。
1d. ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液を添加して、沈降懸濁液のpHをpH8〜pH11に高め、高められたpH値に達した後に、該沈降懸濁液を、このpH値で80〜100℃の温度で15〜90分間にわたり撹拌する工程。
1e. 酸性化剤を添加して、沈降懸濁液のpH値を、有利には部分工程1d)と変わらない温度でpH7〜pH10に下げる工程。
1f. 部分工程1b)による沈降を継続する工程。その際、ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤は、同時に80〜100℃の温度で、部分工程1g)の実施後に所望の固体含有率に至る沈降懸濁液の固体含有率が達成されるまで添加する。
1g. 酸性化剤を、80〜100℃の沈降懸濁液の温度で添加して、沈降懸濁液のpH値を2〜6にまで低下させ、かつこの部分工程の最後に沈降懸濁液の固体含有率を30〜70g/lとする工程
を含む。
本発明によるシリカを粉砕することが好ましい。本発明によるシリカを工程3aにおいて、すなわち工程3と4の間に、又は工程5において、すなわち工程4の後で、又は工程3a、すなわち工程3と4の間と、工程5、すなわち工程4の後に粉砕して行うことが特に好ましい。
全ての公知のケイ酸塩形は、本発明による方法の工程1)で使用されるケイ酸塩もしくはケイ酸塩溶液について考慮の対象となる。本発明により使用されるケイ酸塩は、アルカリケイ酸塩、例えばケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムであることが好ましい。工程1においては、ケイ酸ナトリウム(水ガラス)であることが特に好ましい。そのSiO2とNa2Oとの質量比は、2〜4、有利には3〜3.6、特に有利には3.3〜3.5である。SiO2の含有率は、20〜40質量%、有利には25〜30質量%である。
酸性化剤とは、有機又は無機の性質の酸性化合物であって、それを用いて沈降懸濁液のpH値を低下させることができる化合物を表す。有利には、無機酸、例えば塩酸、リン酸、硫酸もしくは硝酸又は有機酸、例えば酢酸、ギ酸もしくは炭酸あるいは二酸化炭素を使用することができる。希釈された酸も濃縮された酸も使用することができる。特に、本発明による方法では硫酸を使用することが好ましい。
大抵は、部分工程1a)ないし1g)で使用されるケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液並びに酸性化剤は同一である。
部分工程1a)における初充填物のpH値は、有利にはpH7〜pH10、特に有利にはpH8〜pH9である。該初充填物の温度は、80〜100℃、有利には85〜95℃に調節される。
部分工程1b)及び1f)では、ケイ酸塩及び酸性化剤は、有利には同時に計量供給される。両方の成分の添加は、部分工程1b)及び1f)の全時間にわたって一定に連続的に実施することが好ましい。その温度は、その間に80〜100℃、有利には85〜95℃に保たれる。工程1f)における添加時間は、工程1g)の終わりに達成されるべき固体含有率が達成されるまでである。沈降は、粘度上昇点で中断される。その際、前記の粘度上昇点は、沈降過程において沈降懸濁液の粘度の激しい上昇が観察できる時点(それについてはEP0643015号参照)に相当する。シリカの沈殿が始まる部分工程1b)の間と部分工程1f)の間には、pH値は、pH7〜pH10でできる限り一定に、有利にはpH7.5〜9.5で一定に、殊に有利にはpH8〜9で保持される。逸れたpH値の補正は、一般に酸性化剤の添加の加減によって行われるので、調節されたpH値は、±0.2pH単位だけしか、特に有利には±0.1pH単位だけしか変動しない。
粘度上昇点に達したら、沈降を中断する。部分工程1c)において、ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤の添加を停止する。その中断は、15〜120分、有利には40〜100分、特に有利には75〜100分、殊に85〜95分の期間にわたって行われる。
特定の実施態様の部分工程d)においては、ケイ酸塩の添加によって、沈降懸濁液のpH値を、pH8〜pH11に、有利にはpH9〜pH11に、特に有利にはpH9.5〜pH10.5に高め、そして高められたpH値に達した後に、沈降懸濁液を、より良好には15〜90分の期間にわたり、有利には45〜75分の期間にわたり、前記のpH値でかつ80〜100℃の温度で撹拌する。
引き続き、部分工程1e)において、酸性化剤の添加によって、沈降懸濁液のpH値を、pH7〜pH10に、有利にはpH7.5〜pH9に、変わらない温度で低下させる。
次いで、部分工程1f)において、ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤の同時の計量供給を再び開始する、すなわち意図する固体含有率に達するまで続ける。有利には、それは部分工程1b)と同じpH値、同じ温度及び同じ配量速度で、粘度上昇点の達成前に行う。
80〜100℃の沈降懸濁液の温度で酸性化剤を添加することによって、部分工程1g)において、そのpH値は、2〜6に、有利には3〜6に、特に有利にはpH3〜pH4に低下する。前記の部分工程の終わりでの沈降懸濁液の固体含有率は、30〜70g/l、有利には45〜60g/l、殊に有利には45〜55g/lである。
特定の理論に何ら縛られることなく、本発明による方法の特定の実施態様では、付加的な部分工程1c)ないし1e)によって、部分工程1b)で粘度上昇点にまで作製された鎖状構造の凝集物がその団結において、それとともにその機械的安定性において更に補強されるはずである。
本発明によるシリカの濾過、液化(例えばDE2447613号による)及び長時間乾燥又は短時間乾燥は、当業者に一般によく知られており、かつ例えば発明の詳細な説明中に挙げられる文献で参照できる。シリカの濾過及び洗浄は、有利には最終生成物の導電性が<1000μS/cm、好ましくは<500μS/cm、特に有利には<200μS/cmであるように行われる。
有利には、本発明のシリカは、流動乾燥器、噴霧乾燥器、熱板乾燥器(Etagentrockner)、ベルト乾燥器、回転管乾燥器、フラッシュ乾燥器、スピンプラッシュ乾燥器又はノズルタワー乾燥器中で乾燥される。前記の乾燥変法は、アトマイザ、1成分もしくは2成分ノズル又は統合型の流動床での作業を含めている。噴霧乾燥は、例えばUS4094771号に従って実施することができる。
乾燥の種類として噴霧乾燥を選択した場合に、濾過ケークは事前に再分散させるべきである。再分散は、有利には水もしくは水性酸中で、分散液がpH値4〜7を有するように行われる。その際に、シリカ分散液は、再分散完了後に、固体含有率5〜18%質量%、有利には8〜13質量%、特に有利には9〜11質量%を有し、かつ再分散に際して、強すぎる剪断力がシリカに対して作用しないことを顧慮すべきである。それは、例えば回転数<1000回転/分での撹拌によって達成でき、その際、空間的に広範囲に撹拌し、局所的に撹拌すべきでない。有利には、再分散されたシリカ分散液は、乾燥器出口で温度100〜170℃、有利には130〜160℃が設定された噴霧乾燥器中に配量される。
低い湿分吸収を保証するために、工程1b)及び1f)の作業と工程1c)ないし1e)におけるpH値変更による沈降の他に、熱処理も必要である。前記の措置の組み合わせによって、本発明によるシリカの構造と表面は、所望の特性が達成されるように最適化される。工程4での熱処理は、回分式又は連続的に実施することができる。熱処理のためには、流動層−、流動床−又は回転管反応器を使用することができる。この場合に、熱処理の間に、均質な温度分布と均質なプロセスガス雰囲気を、全てのシリカ粒子が同じ条件に曝されるように保証することを顧慮すべきである。プロセスガスは、十分なスチーム濃度を有さねばならない。有利には、スチーム濃度は、10〜95容量%、特に有利には40〜90容量%、殊に有利には50〜90容量%である。
特に、回転管反応器を使用する場合には、至る所を同じ温度にする、すなわちスチームが凝縮しうる"冷帯域"が存在しないことを顧慮すべきである。凝縮されたスチームによって、シリカの塊状化が引き起こされることがある。従って、本発明による熱処理に際しての特定の条件は、既に熱処理前に粉砕されたシリカを熱処理後に更にもう一度粉砕する必要がないことを保証する、すなわち熱処理後に粉砕によって再び除去せねばならない凝結物又は塊状物を形成しないことを保証する。
有利には、流動層−又は流動床反応器が使用される。流動層とは、以下のことを表す:
水平な穿孔板上に堆積された微粒のバラ材に上方からガスを流過させた場合に、規定の流動条件下で、沸騰した液体と似た状態が生ずる;層が気泡を呈し、バラ材の粒子が層内部で絶え間ない上下運動にあり、いわば釣り合いを保っている。従って、浮遊層、流動層、流動床並びに流動化とも言われる。それに関係する該流動化物の大きな表面積は、固体の乾燥及び熱処理をも容易にする。
熱処理の間に全てのシリカ粒子が、ほぼ同じ温度又は有利には同じ温度と同じプロセスガスに曝されていることが重要である。最も高温の位置と最も低温の位置との間の温度差はできる限り少ないことが望ましい。従って、フィルターキャンドルの温度は、生成物温度未満であってはならない。
殊に有利には、本発明による方法の工程4での熱処理は、以下の部分工程4a)ないし4e):
4a. 親水性のシリカを流動層反応器中に充填する工程
4b. 反応器を300〜800℃に予熱する工程。その際、同時に該反応器に不活性ガス及び/又は窒素−空気混合物を、流動化速度0.02〜0.06m/sが生ずるように流過させる。
4c. スチームと不活性ガス、例えば窒素からなるガス混合物I又はスチームと不活性ガスと空気とからなるガス混合物IIを300〜800℃で0.25〜6時間の期間にわたり供給する工程。その際、該ガス混合物を反応器に流動化速度0.02〜0.06m/sで流過させ、かつガス混合物I及びIIは、スチーム濃度10〜95容量%を有し、ガス混合物IIの場合には、酸素含有率0.01〜21容量%を有する。
4d. スチームの添加を中断し、そしてスチームを不活性ガス、例えば窒素及び/又は不活性ガス−空気混合物によって300〜800℃で追い出す工程。その際、該ガスもしくはガス混合物を反応器に流動化速度0.02〜0.06m/sで流過させ、かつ不活性ガス−空気混合物を使用する場合に該混合物は酸素含有率0.01〜21容量%を有する。
4e. 熱処理された親水性のシリカを乾燥したプロセス雰囲気中で室温に冷却する工程。その際、不活性ガス−空気混合物を使用する場合に、該混合物は0.01〜21容量%の酸素含有率を有する。
に従って行われる。
その際に、親水性のシリカを流動層反応器中に充填(部分工程4a))した後に、部分工程4b)において、反応器を300〜800℃、有利には350〜700℃、特に有利には400〜650℃の作業温度に加熱する。加熱過程の間に、反応器に、不活性ガス、有利には窒素及び/又は不活性ガスと乾燥空気とからなる混合物を、流動化速度が0.02〜0.06m/sに調節されるように流過させる。
作業温度に到達した後に、部分工程4c)において、スチームと不活性ガス、有利には窒素とからなるガス混合物I又はスチームと不活性ガスと空気とからなるガス混合物IIを、0.25〜6時間、有利には0.5〜5時間、特に有利には1〜4時間、殊に有利には2〜4時間にわたり反応器に導通させる。ガス混合物の流動化速度は、0.02〜0.06m/sである。ガス混合物I及びIIは、10〜95容量%、有利には40〜90質量%、殊に有利には50〜90質量%のスチーム濃度を有し、かつガス混合物IIの場合には、酸素含有率0.01〜21容量%を有する。
本発明によるシリカの随時の粉砕のための技術は、当業者に公知であり、そして例えばUllmannの第5版、B2、5〜20において参照できる。有利には、本発明によるシリカの工程3a)及び/又は工程5)における粉砕のためには、インパクトミル又は対流式ミルが使用される。粉砕パラメータは、粉砕された生成物が、容量に対する粒子分布の1μm未満の範囲において、5〜100%、有利には10〜95%、特に有利には15〜95%、殊に有利には20〜90%、特に好ましくは40〜80%の微粒子の割合と、0.01〜10μmの容量に対する粒子分布曲線のd90値を有するように選択される。
本発明によるシリカは、シールコンパウンド中で、特にシリコーンゴムもしくはシリコーン系シールコンパウンド中で、特に有利にはRTV型の1成分系シールコンパウンド中で使用することができる。種々の架橋系、例えばアセトキシ架橋性、アルコキシ架橋性及びオキシム架橋性で使用することができる。これらの系は、例えば建設産業において継ぎ目シールコンパウンドとして、自動車産業において接着剤及び封止剤として、かつ例えばテキスタイル織物用の被覆材料として使用される。
本発明による沈降シリカの反応条件及び物理/化学的データは、以下の方法で測定される:
濾過ケークの固体含有率の測定
この方法に従って、濾過ケークの固体含有率は、105℃で揮発成分を除去することによって測定される。
このために、乾燥され補正された磁製皿(直径20cm)中に100.00gの濾過ケークを量り入れる(初期重量E)。場合により、該濾過ケークをへらで細かく砕き、最大で1cm3の緩い破片が得られる。該試料を、105±2℃で乾燥キャビネット中で質量が一定になるまで乾燥させる。引き続き、試料をデシケータキャビネット中で乾燥剤としてシリカゲルを用いて室温に冷却する。最終重量Aを、重量法で測定する。
固体含有率(FG)(%)は、
FG=A/E*100%
[式中、Aは最終重量(g)であり、かつEは初期重量(g)である]に従って測定される。
沈降懸濁液の固体含有率の測定
沈降懸濁液の固体含有率を、試料の濾過後に重量法で測定する。
100.0mlの均質化された沈降懸濁液(V懸濁液)を、室温でメスシリンダを用いて測定する。試料を、丸形フィルタ(型572、Schleicher&Schuell社)を介して磁製ヌッチェ中で吸引濾過するが、濾過ケークの亀裂形成を避けるために吸引乾燥は行わない。引き続き濾過ケークを100.0mlの蒸留水で洗浄する。洗浄された濾過ケークを、補正された磁製皿中に移し、そして乾燥キャビネット中で105±2℃で質量が一定になるまで乾燥させる。室温に冷却した後に、乾燥されたシリカの質量(m試料)を測定する。
固体含有率は、
固体含有率(g/l)=(m試料(g))/(V懸濁液(l))
に従って測定する。
シリカ供給物の固体含有率の測定
シリカ供給物を、赤外線乾燥器中で質量が一定になるまで乾燥させる。乾燥減量は、主に水分からなる。
補正されたアルミニウム皿中に2.0gのシリカ供給物を充填し、そして赤外線乾燥ユニット(Mettler社、型LP16)の蓋を閉じる。スタートキーを押した後に、懸濁液の乾燥が105℃で始まり、単位時間あたりの質量低下が2mg/(120秒)を下回ったときに自動的に終了する。
質量低下(%)は、装置によって0〜100%モードの選択で直接的に表示される。固体含有率は、
固体含有率(%)=100%−質量低下(%)
に従って得られる。
pH値の測定
シリカのpH値の測定は、DIN EN ISO787−9に基づき室温で5%の水性懸濁液として行う。前記の規格の仕様に対して、初期重量を変更した(100mlの脱イオン水に対して5.00gのシリカ)。
導電性の測定
シリカの導電性の測定は、DIN EN ISO787−14に基づいて室温で4%の水性懸濁液として実施する。前記の規格の仕様に対して、初期重量を変更した(100mlの脱イオン水に対して4.00gのシリカ)。
含水率又は乾燥減量の測定
シリカの含水率は、ISO787−2に従って、循環空気乾燥キャビネット中で105℃で2時間乾燥させた後に測定する。この乾燥減量は、主に水分からなる。
強熱減量の測定
前記の方法に従って、シリカの質量損失をDIN EN ISO3262−1に基づいて1000℃で測定する。この温度で、物理的及び化学的に結合した水並びに別の揮発性成分を消失させる。調査される試料の含水率(TV)は、前記の方法"含水率もしくは乾燥減量の測定"に従って、DIN EN ISO787−2に基づいて測定する。
0.5gの粉末状、球状又は顆粒状のシリカを、0.1mgまで正確に、予熱され補正された磁製坩堝中に量り入れる(初期重量E)。試料を、マッフル炉中で1000±50℃で2時間加熱する。引き続き、磁製坩堝をデシケータ室中で乾燥剤としてシリカゲルを用いて室温に冷却する。最終重量Aを、重量法で測定する。
強熱減量(DIN)GV(%)は、
GV=(1−A/F)*100
に従って得られる。
Fは、乾燥された物質に対して修正された初期重量(g)を意味し、
F=E*(1−TV/100)
に従って計算される。
その式において、Aは最終重量(g)を意味し、Eは初期重量(g)を意味し、TVは乾燥減量(%)を意味する。
BET表面積の測定
粉末状、球状又は顆粒状のシリカの窒素比表面積(以下にBET表面積と呼称する)は、ISO5794−1/アネックスDに基づき、TRISTAR3000(Micromeritics社)を用いてDIN ISO9277による多点測定に従って測定する。
CTAB表面積の測定
該方法は、ASTM3765もしくはNFT45−007(5.12.1.3章)による、CTAB(N−ヘキサデシル−N,N,N−トリメチルアンモニウムブロミド)の、シリカの"外"表面への吸着に基づく。
CTABの吸着は、水溶液中で撹拌及び超音波処理をしつつ行われる。吸着されない過剰のCTABは、NDSS(ジオクチルナトリウムスルホスクシネート溶液、"Aerosol OT"溶液)での逆滴定によってタイトロプロセッサーを用いて測定し、その際、終点は溶液の混濁の最大値によって与えられ、ホトトロードで測定される。全ての実施された作業の間の温度は、CTABの晶出を避けるために23〜25℃である。逆滴定は、以下の反応式:
Figure 2007314415
を基礎とする。
装置
タイトロプロセッサーMETTLER Toledo 型DL55及びタイトロプロセッサーMETTLER Toledo 型DL70は、それぞれ以下のものを備えている:
pH電極(製造元Mettler、型DG111)及びホトトロード(製造元Mettler、型DP550)
100mlのポリプロピレン製の滴定ビーカ
150mlの蓋付滴定ガラス容器
100ml容積の圧力濾過装置
硝酸セルロース製の細孔サイズ0.1μmの47mm径のメンブレンフィルタ(例えばWhatman(注文番号7181−004))。
試薬
CTABの溶液(CCTAB=脱イオン水中0.015モル/l)及びNDSSの溶液(濃度=脱イオン水中0.00423モル/l)を、使用準備が完了した状態で購入する(Bernd Kraft GmbH社、デュースブルグ47167:注文番号6056.4700;0.015モル/lの濃度のCTAB溶液;注文番号6057.4700;0.00423モル/lのNDSS溶液)、25℃で保管し、1ヶ月以内に消費する。
実施
1. 盲検滴定
5mlのCTAB溶液の滴定のためのNDSS溶液の消費量を、各測定列の前に1日1回試験すべきである。そのために、ホトトロードを滴定開始前に1000±20mVに設定する(100%の透明度に相当する)。
正確に5.00mlのCTAB溶液を滴定ビーカ中にピペットで入れ、そこに50.0mlの脱イオン水を添加する。撹拌下で、NDSS溶液による滴定を、当業者に一般に知られた測定法に従ってタイトロプロセッサーDL55を用いて溶液の最大の混濁度まで行う。NDSS溶液の消費量VAをmlで測定する。それぞれの滴定は、三重測定として実施する。
2. 吸着
含水率5±2%を有する粉末状、球状又は顆粒状のシリカ10.0g(場合により、含水率は105℃での乾燥キャビネット中での乾燥によって又は同様の増湿によって調節する)を、ミル(Krups社、モデルKM75、商品番号2030−70)を用いて30秒間粉砕する。粉砕された試料の正確な500.0mg(初期重量E)を、マグネティックスターラを有する150mlの滴定容器に移し、そして正確に100.0mlのCTAB溶液(T1)を計量供給する。滴定容器に蓋を閉め、Ultra Turrax T 25撹拌機(撹拌シャフトKV−18G、18mm直径)を用いて18000回転/分で、完全に濡れるまで最長で1分間撹拌する。その滴定容器を、タイトロプロセッサーDL70にねじ留めし、そして懸濁液のpH値をKOH(0.1モル/l)で9±0.05の値にまで調節する。
滴定容器中の懸濁液を超音波浴(Bandelin社、Sonorex RK 106 S、35kHz、100Wの有効出力もしくは200Wの最高出力)中で25℃で4分間超音波処理を行う。引き続き、即座の圧力濾過を、メンブレンフィルタを通して窒素圧1.2バールで行う。5mlのフィードが退けられる。
3. 滴定
残りの濾液5.00mlを、100mlの滴定ビーカ中にピペットで入れ、そして脱イオン水で50.00mlにまで充填する。滴定ビーカを、タイトロプロセッサーMDL55にねじ留めし、そして撹拌下に滴定をNDSS溶液を用いて最大の混濁度まで行う。NDSS溶液の消費量VBをmlで測定する。それぞれの滴定は、三重測定として実施する。
Figure 2007314415
CTAB表面積は、水不含のシリカに対するものであるため、以下の較正を実施する。
Figure 2007314415
シリカの含水率は、前記の方法"含水率の測定"に従って測定する。
DBP吸収の測定
沈降シリカの吸収度のための尺度であるDBP吸収(DBP数)を、規格DIN53601に基づき、以下のようにして測定する:
0〜10%の含水率を有する粉末状又は球状のシリカ12.50g(場合により、含水率は乾燥キャビネット中での105℃での乾燥によって調節する)を、ブラベンダー社製の吸収測定器"E"の混練チャンバ(商品番号279061)に入れる(トルクセンサの出力フィルタの減衰なし)。顆粒の場合に、1〜3.15mmの分級物(Retsch社のステンレス鋼篩)を使用する(顆粒を、3.15mmの細孔幅を有する篩を通じてプラスチックへらで適度に加圧することによって)。絶え間なく混合しつつ(混練羽根の回転速度125回転/分)、室温で、"Dosimaten Brabender T 90/50"によってジブチルフタレートを4ml/分の速度で混合物中に滴加する。混和は、少ない所要力のみで行われ、デジタル表示器をもって追跡する。測定の終わりに向かって、混合物はペースト状となり、これは所要力の急激な上昇によって表示される。600ディジットの表示(0.6Nmのトルク)の場合に、電気接点によって混練機もDBP配量もスイッチを切る。DBP供給のための同期モータは、デジタルメータと接続されているので、DBPの消費をmlで読み取ることができる。
DBP吸収は、g/(100g)で示され、以下の式をもって計算される:
Figure 2007314415
DBP吸収は、水不含の乾燥されたシリカについて定義されている。湿った沈降シリカを使用する場合に、DBP吸収を計算するために補正値Kを考慮に入れるべきである。この値は、以下の補正表をもとに測定できる、例えばシリカの含水率5.8%は、DBP吸収のために33g/(100g)の上乗せを意味する。シリカの含水率は、前記の方法"含水率もしくは乾燥減量の測定"に従って測定する。
Figure 2007314415
シラノール基密度の測定
まず、シリカ試料の含水率を、"含水率もしくは乾燥減量の測定"に従って測定する。次いで、2〜4gの試料(1mgまで正確に測定すべき)を、圧力計が接続された圧密なガラス装置(滴下漏斗を有するガラスフラスコ)中に移す。そこで、該試料を、120℃で真空(<1hPa)において1時間乾燥させる。次に室温で、滴下漏斗から、ジグリム中のLiAlH4の約40mlの脱ガスされた2%溶液を滴加する。場合により、更なる圧力上昇が観察されなくなるまで、更なる溶液が滴加される。LiAlH4とシリカのシラノール基との反応に際して生ずる水素による圧力上昇を、圧力計(測定前に行われた装置の較正によって知られた容量で)によって≦1hPaまで正確に測定する。圧力上昇から、一般的な気体方程式によって、シリカのシラノール基濃度に逆算することができ、その際、シリカの含水率を考慮に入れるべきである。溶剤の蒸気圧の影響は、その際に相応して較正すべきである。シラノール基濃度から、シラノール基密度は、以下のようにして算出される:
Figure 2007314415
レーザ回折による粒度分布の測定
粒子分布の測定は、レーザ回折の原理に従って、レーザ回折計(Horiba社、LA−920)上で行われる。
まず、シリカ試料を100mlの水中で、分散添加剤を添加せずに150mlのガラスビーカ(直径:6cm)中で、1質量%のSiO2の質量割合を有する分散液が生ずるように分散させる。次いで、この分散液を、超音波プローブ(Dr.Hielscher UP400s、Sonotrode H7)を用いて5分の時間にわたり激しく(300W、非パルス型)分散させる。そのために、超音波プローブを、その下端がガラスビーカの底より約1cm上方まで浸るように取り付ける。分散の直後に、超音波負荷された分散液の部分試料からレーザ回折計(Horiba LA−920)を用いて粒度分布を測定する。Horiba LA−920の付属の標準ソフトで評価するために、1.09の屈折率を選択すべきである。
全ての測定は、室温で行う。粒度分布並びに関連の大きさ、例えば粒度d90は、装置によって自動的に計算され、図示される。操作マニュアルにおける指示を遵守すべきである。
接触角の測定
接触角は、W.T.Yen、R.S.Chahal、T.Salman著のCan.Met.Quart.,Vol.12,Nr.3,1973に記載されるようにして測定する。
改変型タップ密度の測定
DIN EN ISO787−11による"従来の"タップ密度の測定では、測定結果は、シリカが既に、例えば包装時に事前に圧密化を受けていることによって歪曲される。それを排除するために、本発明によるシリカについては"改変型タップ密度"が測定される。
丸形フィルタ(例えば型598、Schleicher+Schuell社)が設けられた磁製ヌッチェ(名目寸法110、直径12cm、高さ5.5cm)を、上端の約1cm下方までシリカで疎充填し、弾性シート(パラフィルム(登録商標))で覆う。その弾性シートの形状及び大きさは、該シートができる限り完全に磁製ヌッチェの縁部と同一面で終わるように選択すべきである。該ヌッチェを、吸引瓶上に置き、引き続き5分間にわたり−0.7バールの真空をかける。その際、シリカは、吸い込まれたシートによって均一に圧密化される。次いで、慎重に通気させ、生じたシリカの板状物を該ヌッチェから強く叩いて磁製皿中に取り出す。
軽く事前に粉砕された材料を、内部受け皿を有する遠心ミル(ZM1、Retsch社、0.5mmの取付篩、速度段階1、サイクロンなし、内部取付漏斗なし)によって均一に(シリカ(出発物質)を、ゆっくりと、へらで少しずつミル供給口(Muehlenaufgabe)に入れ、内部生成物受け皿は決して完全に満杯になるべきでない)再分散させる(シリカ/空気のエーロゾルのように)。その際に、ミルの消費電力は、3アンペアの値を超過してはならない。この過程は、シリカ構造(例えば空気ジェット粉砕されたシリカのシリカ構造)の規定の緩み(Auflockern)がより低い古典的な粉砕である。それというのもここでのエネルギー入力が、ジェット粉砕の場合よりも弱いからである。
こうして得られた材料5gを、タップ容量計(Stampvolumeter)(型STAV2003、Engelsmann社)の250mlのメスシリンダ中に0.1gまで正確に量り入れる。DIN ISO 787−11に基づき、1250回の突き固め後に、得られたシリカの容量をmlで目盛から読み取る。
Figure 2007314415
70%の相対湿度及び20℃での平衡含水率の測定
シリカの平衡含水率の測定は、動的水蒸気吸着の原理に従って行う。その際に、シリカ表面に水が吸着した場合に質量増大が測定され、あるいは脱着した場合に質量低下が測定される(装置DVS1000、SMS社)。実施の詳細は、操作マニュアルに記載されている。場合によっては、吸着曲線と脱着曲線の間にヒステリシスが観察される。
測定は、20℃で行う。初めに、10〜50mgのシリカ試料上に乾燥空気流(0%の相対湿度)を、試料質量が一定になるまで導く。次いで、空気流の含水率を、約10%のステップで97〜100%の最大空気含水率にまで高める。各々の空気含水率の増大後に、試料の一定質量が生ずるまで待機する(基準:dm/dt<0.0005%/分)。平衡含水率(20℃/70%)として、70%の相対湿度の空気流の場合に吸着段階の間に生ずる百分率での質量増大(0%の相対湿度での乾燥した試料に対して)を定める。
以下の実施例は、本発明を詳細に説明するが、その範囲を制限するものではない。
実施例1の以下の指示において様々な箇所で使用される水ガラス及び硫酸は以下のように特性決定される:
水ガラス:密度1.348kg/l、27.0質量%のSiO2、8.05質量%のNa2
硫酸:密度1.83kg/l、94質量%
実施例1:
傾斜板、MIG−傾斜羽根型撹拌システム及びEkato社製の液体剪断タービンを備えた2m3の沈降槽(直径160cm)中に、1500lの脱イオン水を装入し、そして90℃に加熱する。温度到達後に、52分間にわたり水ガラスを3.52kg/分の配量速度で、かつ硫酸を0.47kg/分の配量速度で撹拌しながら、粘度上昇点に至るまで計量供給する。硫酸の配量速度は、場合により、前記の時間の間に8.5のpH値が保持されるように較正すべきである。引き続き、水ガラスと硫酸の配量を90分の時間にわたり中断する。沈降懸濁液は、この時間内に90℃で撹拌する。その中断後に、水ガラスの添加により20分以内にpH値を10に上げ、そしてこの水準で60分間にわたり保持する。沈降懸濁液は、その間に90℃で撹拌する。引き続き、硫酸の添加によってpH値を5分以内に再び8.5に下げる。ここで90℃で撹拌しながら同時に、水ガラスを3.52kg/時間の配量速度で、かつ硫酸を0.47kg/時間の配量速度で、水ガラスと硫酸を沈降懸濁液中に約50g/lの固体含有率が生ずるまでの間添加する。
次いで、水ガラスの配量を、温度を保持して遮断し、そして硫酸の同じ配量速度で、沈降懸濁液をpH3に酸性化させる。
沈降懸濁液は、約50g/lの固体含有率を有する。
得られた懸濁液を、メンブレンフィルタープレスで濾過し、そして濾過ケークを、洗液中に<1mS/cmの導電性が確認されるまで脱イオン水で洗浄する。濾過ケークは、その際<20%の固体含有率で存在する。
噴霧乾燥器による乾燥前に、濾過ケークを脱イオン水で再分散させて固体含有率8〜10%とし、その際、該濾過ケークをそこで強い剪断力に曝さないことを顧慮すべきである。
液化された濾過ケークの噴霧乾燥器中への配量導入は、乾燥器出口で測定した温度が約150℃であるように行われる。
引き続き該材料を、流動層反応器(膨張された流動層の流動層高さは約1.5m、流動層直径は約0.5m)中で処理する。そのために以下の条件を遵守する:
まず、30kgの噴霧乾燥された粉末を、流動化床を有する流動層反応器中に充填する。流動化床に、乾燥窒素と乾燥空気からなるガス混合物を流過させる。前記の両者のガスを、反応器への入口前で、得られた酸素含有率6容量%を超過せず、反応器中での流動化速度0.05m/sが生ずるように配量する。反応器は、ここで室温から450℃に加熱される。流動化ガスのガス流は、加熱段階において、反応器中での流動化速度0.05m/sが一定に保たれるように調節するべきである。
450℃に達した後に、3時間にわたって、スチームと窒素と空気との予熱されたガス混合物を反応器中に供給する。それら3種の成分の混合は、スチーム濃度50%と酸素含有率3%が生ずるように行われる。窒素量と空気量は、同様に流動化ガス速度0.05m/sが生ずるように適合させる。
次いでスチーム添加を中断する。窒素量と空気量は、同様に流動化速度0.05m/sが生じ、かつ酸素含有率約6%が生ずるように適合させる。
スチーム供給を中断した後で、少なくとも5倍容量の乾燥プロセスガスを流動層反応器に導通させたあとに、生成物を乾燥プロセスガス雰囲気中で室温に冷却する。冷却は、酸素含有率が約6%である窒素−空気混合物中での流動化をしながら行う。冷却段階において、特に、その時にスチームがもはや存在しないことを顧慮すべきである。
流動層処理後に、該材料を流動層対流式ミルAFG50(Alpine社)でできる限り細かく粉砕する。実施例1の化学−物理的なデータを、第1表に列記する。
比較例1〜2
以下の商業的に得られる親水性のシリカを分析調査し(第1表を参照)、そして実施例4において混加してシールコンパウンドとした:
比較例1: Siloa(商標)72X(Rhodia AG社)
比較例2: Ultrasil(登録商標)VN3(Degussa AG社)
Figure 2007314415
実施例2:応用技術的試験
2.1 沈降シリカを有するアセテート架橋性のRTV型の1成分系シリコーン系シールコンパウンドの製造
以下に配合物の製造のために必要な量を、第2表に示す。その製造の間に、水道水を用いて、該配合物が実質的に室温より高く加温されないように冷却すべきである。その製造は、室温でかつ相対空気含水率40〜60%で行われる。
二重ジャケットを有する2lの撹拌槽と冷却水接続部と互いに独立的に制御可能な遊星駆動系及びディゾルバ駆動系を備えた遊星型ディゾルバ(H.Linden社、型LPMD 2SP)中に、シリコーンポリマー、可塑剤(シリコーン油)及び架橋剤を量り入れ、そして50分-1の速度(遊星駆動装置)で、かつ500分-1の速度(ディゾルバ駆動装置)で1分間均質化する。引き続き、触媒を添加し、そしてN2雰囲気下で遊星駆動系とディゾルバ駆動系の変わらない速度で15分間均質化する。次いで、安定剤及びシリカを、同様に変わらない速度で混加する。シリカが完全に濡れたらすぐに、約200ミリバールの真空を印加し、そして100分-1の遊星型撹拌機構及び2000分-1のディゾルバで10分間分散させる。
分散が完了した後すぐに、撹拌槽を窒素で通気する。シールコンパウンドを、バレルプレス(Fasspresse)を用いて、できるだけ早くアルミニウムチューブ(カートリッジ)中に詰め替える。
2.2 RTV型1成分系からの加硫物の製造
本発明によるシリカが使用されるRTV型の1成分系シリコーン系シールコンパウンドの応用技術的特性を調査するために、事前に製造されたシールコンパウンドから加硫物を作製せねばならない。これらの加硫物を、試験体に加工する。このために、まずシリコーン系シールコンパウンドを十分な量で平坦な支持板上に塗布し、ドクターブレード(間隙高さ:2mm)を用いて平らに塗被して、2mm高さ、約80mm幅及び約300mmの長さの条片とする。その際、気泡が形成しないことを考慮に入れるべきである。前記のシリコーン条片から、次いでそれぞれの試験に必要な成形体を打ち出す。支持板は、加硫化されたシールコンパウンドを容易に剥がすことができるポリプロピレン、ポリエチレン、テフロン又は別のプラスチックからなることが望ましい。
シリコーン条片を、完全に硬化するまで7日間貯蔵し、引き続き標準雰囲気(23℃、50%相対湿度)で少なくとも2日間貯蔵する。
Figure 2007314415
2.3 RTV型の1成分系シールコンパウンドのレオロジー特性及び貯蔵安定性の測定
実施例2.1の"沈降シリカを有するアセテート架橋性のRTV型の1成分系シリコーン系シールコンパウンドの製造"により製造されたシールコンパウンドを、試験前に少なくとも24時間にわたり、気候調節室(Klimaraum)中で23℃/50%の相対湿度で貯蔵する。
シールコンパウンドの貯蔵安定性の試験のために、2つのチューブを35日間気候調節室中で23℃/50%の相対湿度で貯蔵し、それぞれ1日、7日、14日、21日、28日、35日の貯蔵時間後に試験する。更に、2つの更なるチューブを、空気循環炉中で50℃で35日間貯蔵し、そして同様に1日、7日、14日、21日、28日、35日の貯蔵時間後に試験する。
レオロジー特性の測定は、Haake社製のレオメータRheoStress 1(プログラムRheoWin ProによるPCを介した制御)を用いて行う。装置とソフトウェアの条件は、Haake社の操作マニュアルに詳細に記載されている。その測定のために、直径35mmを有するプランジャ(Stempel)と測定プレートアタッチメント(Messplattenaufsatz)MPC35が使用されるべきである。測定は、以下の条件下で実施する:
プランジャと測定プレートアタッチメントとの間の間隔: 0.5mm
測定温度: 23℃
測定範囲(剪断速度): 0〜10 1/s
測定点の数: 400
測定点は、x軸に剪断速度γを、そしてy軸に剪断応力τを示して図示される。剪断速度が10 1/sの場合に、剪断応力を読取り、そこから10 1/sでの粘度ηを、η=τ/γに従って計算する。2つのチューブを測定する場合に、各チューブの測定は少なくとも3回実施する。6つの個別の結果から、最高値と最低値を破棄する。残りの4つの結果から、平均値を計算する。
降伏点の測定のために、ケイソンのモデルを使用する。ケイソンによる流動曲線のシリカのためのデータの基礎として、剪断速度−剪断応力図からの0.2〜2 1/sの範囲を基礎とする。以下の関係が定義される:
Figure 2007314415
ケイソンによる計算の流動曲線と交差するy軸上の値を、ケイソンによる降伏点として定める。
10 1/sでの粘度の測定も、ケイソンによる降伏点の測定も、ソフトウェアRheoWin Proにより前記条件下で自動的に行われる。
2.4 加硫化されたシリコーンゴムの引張強さ及び破断点伸びの測定
これらの測定は、DIN53504に基づいて行われ、一定の速度で引きちぎれるまで試験体を引っ張った場合のエラストマーからなる所定の形状の試験体の引張強さと破断点伸びの測定に寄与する。その際、引張強さと破断点伸びは、以下のように定義されている:
・ 引張強さδmaxは、測定された最大応力Fmaxと試験体の初期断面積A0とからの商である。
・ 破断点伸びεRは、引きちぎれる瞬間に測定される標点距離の変化量LΔと試験体の本来の標点距離L0とからの商である。
その測定は引張試験器(Zwick/Roell社、型Z010)で実施され、その際、予め選択された最大応力が可変であること、固定装置が試験体を高い伸張に際しても機械的損傷なく保持し、かつ試験体のウェブ(Steg)を高い伸張に際しても機械的損傷なく設定された標点距離L0に保持すること、そして精密伸び計のジョー(Klemmbacke)でのスプリング圧を調節できることを考慮に入れるべきである。
図1に記載した標準棒S1を使用すべきである。
加硫化された2mm厚の条片から、標準棒S1用の鉄製型打ちポンチ(Stanzeisen)を用いて相応の試験体を打ち出し、少なくとも24時間にわたり標準雰囲気(23℃、50%の相対湿度)下で試験まで貯蔵する。
4〜6つの試験体を(23±2)℃の温度で試験すべきである。引張試験前に、試験体の厚さdと幅bを測定すべきである。固定に際して、標準棒を両方の固定ジョー間の中央に固定すべきである。固定ジョー間の間隔は、L=50mmである。精密伸び計は、標点距離L0=25mmに調節し、固定ジョー間の中央に固定されるべきである。表示は、ゼロにすべきである。引張クランプ(ziehenden Klemme)の送り速度は、v=500mm/分である。応力Fmax及び引きちぎれ時の長さ変化量LΔが確認される。そこから、引張強さと破断点伸びを以下のように計算し、そして個別の測定値の平均値として示す:
Figure 2007314415
2.5 加硫化されたシリコーンゴムの引裂強さの測定
この測定は、ASTM D 624Bに基づいて行われる。エラストマーの引裂試験は、切れ目の入った試料が引裂に対抗する抵抗の測定に寄与する。
エラストマーの引裂強さは、その配合成分とその処理、加硫化及び試験速度に依存する。補強性充填剤がもたらす加硫物の引裂強さに対する影響が調査される。その測定は引張試験器(Zwick/Roell社、型Z010)で実施され、その際、予め選択された最大応力が可変であること、固定装置が試験体を高い伸張に際しても機械的損傷なく保持することを考慮に入れるべきである。
加硫化された2mm厚のシリコーン条片から、試験体(図2)を、ASTM D 624Bに相応する鉄製型打ちポンチを用いて切り出し、少なくとも24時間にわたり標準雰囲気(23℃、50%の相対湿度)下で試験まで貯蔵する。
鉄製型打ちポンチは、内径頂点に、打ち抜いたときに0.5mm±0.05mmの深さで溝を切り込む刃を有する。
4〜6つの試験体を(23±2)℃の温度で試験すべきである。試験体は、試験前に3時間、試験温度で貯蔵されねばならない。試験体の厚さaは、試験前に厚さ測定装置で±0.01mmまで測定されるべきである。試料は、引張試験機の固定ジョーで固定され、送り速度v=500mm/分で引き裂かれる。その際、溝は試験者から左側にあることを考慮に入れるべきである。
最高値と最低値を有する両方の試験体は、評価において考慮に入れない。引裂強さδw1[N/mm]は、変数Fmax(最大応力[N])とa1(厚さ[mm])から計算され、そして残りの個別の測定値の平均値として示される:
Figure 2007314415
本発明によるシリカが混加されたシリコーンゴム配合物の粘稠性の評価のために、ケイソンによる降伏点についての測定結果と1/10の剪断速度での粘度についての測定結果とが用いられる(第3表)。
粘稠性とは、RTV型の1成分系シリコーン系シールコンパウンドのレオロジー挙動を表す。良好な粘稠性とは、垂直面に適用されたシリコーンゴムが、そこに硬化の間24時間にわたって流れなく付着する場合を指す。十分に良好な粘稠性は、≧100Pasの粘度と≧90Paの降伏点で確認できる。ケイソンによる降伏点についての値は、実施例1による本発明によるシリカを含有するシリコーンゴム配合物の降伏点が、90の値で、比較シリカを含有するシリコーンゴム配合物の場合より実質的に高いことを明示している。すなわち、本発明によるシリカが混加されたシリコーンゴム配合物は、従ってより高い粘稠性を有する。係る配合物は、適用された形に留まり、流れの傾向を示さない。これは、粘度値によっても確認される。このように、本発明によるシリカは、比較例に対して同等ないしより高い粘度を示す。
硬化されたシリコーンゴム配合物の機械的安定性(引張強さ及び引裂強さ)並びに可撓性(破断点伸び)を、種々の条件下で、引張負荷時のその挙動によって評価することができる(第4表)。
機械的特性についての測定結果は、以下のように解釈することができる:比較例2によるシリカを含有するシリコーンゴム配合物2cについては、ほぼシリコーン加硫物を製造することができないので(製造直後に完全に硬化する)、その機械的特性も測定できない。実施例1による本発明によるシリカを含有する配合物についての測定値は、硬化したシリコーンゴム配合物の機械的安定性(引張強さ及び引裂強さ)並びに可撓性(破断点伸び)に対する最低限の要求を満たしていることを示している。比較例1と比較すると、本発明によるシリカは、より良好な機械的安定性(引張強さ及び引裂強さのより高い測定値)並びに同等あるいはより良好な可撓性(破断点伸びについての同等又はより高い測定値)を示している。
貯蔵安定性、すなわち降伏点及び粘度のようなレオロジー特性の変化並びに経時的なチューブにおける不利な硬化挙動を、第5表及び第6表に示す。その際に、室温での貯蔵も、より高い温度(50℃)での貯蔵も考察された。本発明によるシリカを含有するシリコーンゴム配合物は、調査された35日間の貯蔵時間にわたって、そのレオロジー特性、剪断速度1/10での粘度及びケイソンによる降伏点において変化がないか又はほんの少しだけ変化したに過ぎないことを明示している。すなわち良好な増粘特性並びに加工特性(例えば押出可能性もしくは絞り出し可能性)は、前記の条件下での貯蔵後にもなお、シールコンパウンドがチューブ中で既に早期架橋もしくは加硫化することなく存在する。
それに対して、比較例1については、シリコーンゴム配合物2bで既に最初の21日でレオロジー特性に不利な変化が観察できる。出発値と比較すると、粘度及び降伏点は明らかに増大し、これはシールコンパウンドの早期の架橋を示唆している。21日と28日の間に、試料は既にチューブ中で硬化しており、そのためもはや加工できない。より高い温度で貯蔵した後でも同様の挙動をとる。そこでは、比較例1の早期の硬化は既に2日と7日の間で生じている。沈降シリカUltrasil(登録商標)VN3(比較例2)は更に悪い挙動をとる。ここでは、シリコーンゴムコンパウンド2cは製造後直ちに硬化してしまい、カートリッジ(チューブ)中への充填は、もはや不可能であるか、もしくはこのシリコーンゴムコンパウンドは、RTV型の1成分系用途には適していない。両方の場合に、その理由は、両方の比較シリカの高すぎる湿分負荷(20℃/70%の相対湿度での平衡含水率で表される)にあり、それがシリコーンゴムの早期の架橋及び迅速な架橋を開始する。それに対して、本発明によるシリカの低い湿分負荷によって長期の貯蔵安定性と、ともにその後にも更に保証されるべき加工可能性も確実なものとすることができる。
Figure 2007314415
Figure 2007314415
Figure 2007314415
図1は、加硫化されたシリコーンゴムの引張強さ及び破断点伸びの測定で使用された試験棒を示している 図2は、加硫化されたシリコーンゴムの引裂強さの測定で使用された試験体を示している

Claims (22)

  1. 親水性の沈降シリカであって、以下の物理−化学パラメータ:
    平衡含水率(70%の相対湿度/20℃で) 0.5〜5.0質量%
    BET表面積 50〜250m2/g
    CTAB表面積 50〜250m2/g
    DBP(無水) 200〜350g/100g
    を特徴とする親水性の沈降シリカ。
  2. 請求項1記載の親水性の沈降シリカであって、改変型タップ密度が70g/l以下であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  3. 請求項1又は2記載の親水性の沈降シリカであって、シラノール基密度が0.5〜3.5SiOH/nm2であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  4. 請求項1から3までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカであって、容量に対する粒子分布曲線の粒子の5〜100%が<1μmであることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  5. 請求項1から4までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカであって、d90値が0.01〜10μm以下であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  6. 請求項1から5までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカであって、粒子分布曲線が二峰性であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  7. 請求項1から6までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカであって、強熱減量が0.1〜3.0質量%であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  8. 請求項1から7までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカであって、乾燥減量が0.1〜3.0質量%であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  9. 請求項1から8までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカであって、pH値が4〜9であることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  10. 請求項1から9までのいずれか1項記載の親水性の沈降シリカの製造方法において、以下の工程:
    1. 少なくとも1つのケイ酸塩と少なくとも1つの酸性化剤とを反応させる工程
    2. 得られたシリカを濾過及び洗浄する工程
    3. 得られたシリカもしくは濾過ケークを乾燥させる工程
    4. 乾燥されたシリカを熱処理する工程
    を含むことを特徴とする方法。
  11. 請求項10記載の方法において、工程1が以下の部分工程:
    1a. 水もしくは水と少なくとも1つのケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液からなる初充填物を製造する工程。その際、こうして得られた初充填物のpH値は、有利にはpH5〜pH10であり、かつ該初充填物の温度は有利には80〜100℃である。
    1b. 少なくとも1つのケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液と少なくとも1つの酸性化剤とを、撹拌下に80〜100℃で前記の部分工程1a)からの初充填物中に、粘度上昇点に達するまで配量する工程。
    1c. ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤の添加を止めて、沈降懸濁液を80〜100℃の温度で15〜120分間にわたり撹拌する工程。
    1d. ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液を添加して、沈降懸濁液のpH値をpH8〜pH11に高め、高められたpH値に達した後に、該沈降懸濁液を、このpH値で80〜100℃の温度で15〜90分間にわたり撹拌する工程。
    1e. 酸性化剤を添加して、沈降懸濁液のpH値を、有利には部分工程1d)と変わらない温度でpH7〜pH10に下げる工程。
    1f. 部分工程1b)による沈降を継続する工程。その際、ケイ酸塩及び/又はケイ酸塩溶液及び酸性化剤は、同時に80〜100℃の温度で、部分工程1g)の実施後に所望の固体含有率に至る沈降懸濁液の固体含有率が達成されるまで添加する。
    1g. 酸性化剤を、80〜100℃の沈降懸濁液の温度で添加して、沈降懸濁液のpH値を2〜6にまで低下させ、かつこの部分工程の最後に沈降懸濁液の固体含有率を30〜70g/lとする工程。
    を含むことを特徴とする方法。
  12. 請求項11記載の方法において、pH値を部分工程1b)の期間にわたり、pH7〜pH10の間の値に一定に保つことを特徴とする方法。
  13. 請求項10から12までのいずれか1項記載の方法において、シリカを工程3aにおいて、すなわち工程3と4の間に、又は工程5において、すなわち工程4の後で、又は工程3a、すなわち工程3と4の間と、工程5、すなわち工程4の後に粉砕することを特徴とする方法。
  14. 請求項13記載の方法において、粉砕パラメータを、粉砕された生成物が、容量に対する粒子分布の1μm未満の範囲で、5〜100%の割合の微細粒子を有すること、及び/又は容量に対する粒子分布曲線のd90値0.01〜10μmを有するように選択することを特徴とする方法。
  15. 請求項10から14までのいずれか1項記載の方法において、シリカの工程4における熱処理を、流動層−、流動床−又は回転管反応器中で実施することを特徴とする方法。
  16. 請求項15記載の方法において、流動層反応器を使用し、かつ以下の部分工程:
    4a. シリカを流動層反応器中に充填する工程
    4b. 反応器を300〜800℃に予熱する工程。その際、同時に該反応器に不活性ガス及び/又は窒素−空気混合物を、流動化速度0.02〜0.06m/sが生ずるように流過させる。
    4c. スチームと不活性ガスからなるガス混合物I又はスチームと不活性ガスと空気とからなるガス混合物IIを300〜800℃で0.25〜6時間の期間にわたり供給する工程。その際、該ガス混合物を反応器に流動化速度0.02〜0.06m/sで流過させ、かつガス混合物I及びIIは、スチーム濃度10〜95容量%を有し、ガス混合物IIの場合には、酸素含有率0.01〜21容量%を有する。
    4d. スチームの添加を中断し、そしてスチームを不活性ガス、例えば窒素及び/又は不活性ガス−空気混合物によって300〜800℃で追い出す工程。その際、該ガスもしくはガス混合物を反応器に流動化速度0.02〜0.06m/sで流過させ、かつ不活性ガス−空気混合物を使用する場合に該混合物は酸素含有率0.01〜21容量%を有する。
    4e. 熱処理されたシリカを乾燥したプロセス雰囲気中で室温に冷却する工程。その際、不活性ガス−空気混合物を使用する場合に、該混合物は0.01〜21容量%の酸素含有率を有する。
    を実施することを特徴とする方法。
  17. 親水性の沈降シリカであって、それが請求項11から16までのいずれか1項記載の方法により得られることを特徴とする親水性の沈降シリカ。
  18. 請求項1から9又は17のいずれか1項記載の親水性の沈降シリカをシールコンパウンドの製造のために用いる使用。
  19. 請求項18記載の使用であって、シールコンパウンドが、RTV型の1成分系シリコーンゴムもしくは種々の架橋系(アセトキシ架橋性、アルコキシ架橋性及び/又はオキシム架橋性)のシリコーン系シールコンパウンドであることを特徴とする使用。
  20. 請求項1から9又は17のいずれか1項記載の親水性の沈降シリカ少なくとも1つを含有するシールコンパウンド。
  21. 請求項20記載のシールコンパウンドであって、該シールコンパウンドが、RTV型の1成分系シリコーンゴムもしくは種々の架橋系(アセトキシ架橋性、アルコキシ架橋性及び/又はオキシム架橋性)のシリコーン系シールコンパウンドであることを特徴とするシールコンパウンド。
  22. 請求項20又は21記載のシールコンパウンドを、建築産業において継ぎ目シールコンパウンドとして、自動車産業において接着剤及び封止剤として、及び/又はテキスタイル織物用の被覆材料として用いる使用。
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