JP2017508044A - マイクロパルプ−エラストマーマスターバッチ、及びこれに基づいた化合物 - Google Patents

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Abstract

エラストマーと、100部当たり20〜100部の繊維状マイクロパルプのエラストマーとからなるマスターバッチ組成物であって、マイクロパルプは、レーザー回折によって測定される20〜200マイクロメートルの容積荷重平均繊維長を有する繊維、核磁気共鳴によって測定されるグラム当たり30〜600平方メートルの相対比表面積、並びに、芳香族ポリアミド、芳香族コポリアミド、ポリアクリロニトリル、及びポリアゾールからなる群から選択される繊維を有する、マスターバッチ組成物。

Description

本発明は、エラストマー及び繊維状マイクロパルプを含むマスターバッチに関する。
Kevlar(登録商標)パルプなどのパラ−アラミドパルプは、短繊維に細断し、次いで水中で機械的に磨耗させて繊維を部分的に砕くことによって、糸条から製造されるフィブリル化繊維製品である。0.1マイクロメートル(μm)までの小さい直径を有するフィブリルが、典型的には直径12マイクロメートルである主要な繊維の表面に付着されることから、これは、表面積の大きな増加をもたらす。Kevlar(登録商標)パルプは、様々なマトリックスにおいて非常に分散性である場合、フィブリル化構造が壊れることを防止するために湿性を保たれなければならない。米国特許第5,084,136号明細書及び米国特許第5,171,402号明細書では、こうしたパラ−アラミドパルプを記載している。パラ−アラミド繊維製品は、E.I.du Pont de Nemours and Company,Wilmington,DE(DuPont)からKevlar(登録商標)の登録商標で入手可能である。
これらのパルプは、例えば、エラストマー化合物における充填剤として使用されて、引張り特性を改良する。最大の用途は、タイヤ補強用の天然ゴムにおいてである。湿性のパルプは、水の中に分散され、エラストマーラテックスと混合され、次いで凝固されて、濃縮されたマスターバッチをもたらす。パラ−アラミド繊維状パルプ及びエラストマーを含む例示的なマスターバッチは、E.I.du Pont de Nemours and Company,Wilmington,DEからDuPont Kevlar(登録商標)Engineered Elastomer(EE)として市販されている。Kevlar(登録商標)EEマスターバッチは、所望のレベルのパルプの改良をもたらすためにバルクエラストマーに配合されることができる非常に分散した状態のパルプを含む。Kevlar(登録商標)EEの適切な組合せは、1F722、1F724、1F723、1F735、1F1234、1F819、1F770、及びF1598である。
タイヤ補強においては、様々なゴム部材は、種々のレベルの応力に曝される。現在、Kevlar(登録商標)EEは、より低いレベルの応力に曝されるこうした部材に制限されている。典型的には、Kevlar(登録商標)EE−ゴム化合物は、明白な降伏点を有するニートのゴムより高い初期弾性率を示す。この関係においては、「降伏点」という用語は、約20〜100%の応力の範囲を超える測定された応力における途切れを表し、この場合に、引張り曲線の傾斜が急速に減少し、場合によっては、安定状態近くまで減少する。この降伏点は、繊維とゴムの間の接着の喪失と関係している。
Causaらへの米国特許第5,576,104号明細書では、短繊維に加工され、エラストマーにおける繊維補強物として使用される場合、どのように部分的に配向した糸条(POY)がエラストマーにおけるクラック伝搬の減少を示すことが判明したかを記載している。POY補強されたエラストマーは、タイヤに使用されて、コード補強された部材を置き換えることができ、且つ、例えば、タイヤのトレッドベースに使用されて、オーバレイ層の必要性をなくすことができる。一実施形態においては、繊維補強エラストマーの特性は、繊維補強物として、パルプ化した高い弾性率の剛直棒状液体結晶繊維などの、部分的に配向した繊維及びフィブリル化パルプ繊維の混合物を用いて、最適化可能であることが判明している。
Levitへの米国特許第8,211,272号明細書では、例えば、摩擦材料、流体シーリング材料、及び紙を含む製品において、補強材料として使用するためのメタ−アラミドフィブリドを含むパラ−アラミドパルプを開示している。本発明は、こうしたパルプを作製するためのプロセスに更に関する。
Benkoへの米国特許出願公開第2001/0006086号明細書では、成分の中にアラミドパルプ及びエラストマーを含むタイヤに使用するためのエラストマー配合を教示している。
Kellyへの米国特許出願公開第2003/0114641A1号明細書では、被覆組成物におけるチキソトロープ剤及び補強材料として使用するためのパラ−アラミド繊維から調製されたマイクロパルプ及びパルプを開示している。
天然ゴムにおけるパルプ及びマイクロパルプについての代表的な応力/伸長率曲線のグラフである。 合成ゴムにおけるパルプ及びマイクロパルプについての代表的な応力/伸長率曲線のグラフである。 合成ゴムにおけるPVPを含むパルプ及びマイクロパルプについての代表的な応力/伸長率曲線のグラフである。
より高いレベルの応力又は歪みを受けることを可能にしながら、タイヤ部材及びその他のゴム製品を補強することができるパルプの必要性が存在する。
本出願人らは、以後記載のマイクロパルプを含むマスターバッチが、従来技術のKevlar(登録商標)EE−ゴム化合物におけるより、驚くほどより高いレベルの応力まで、加硫ゴム化合物における先例のない補強性を与えることを、意外にも発見した。典型的には、マイクロパルプ−ゴム化合物は、従来技術のKevlar(登録商標)EE−ゴム化合物の特徴的な降伏点を有さないニートの加硫ゴム化合物より高い初期弾性率を示す。
マスターバッチ
本発明のマスターバッチ組成物は、エラストマーと、100部当たり1〜100部の繊維状マイクロパルプのエラストマーと、を含む。
マイクロパルプ
マイクロパルプは、レーザー回折によって測定される20〜200マイクロメートルの容積荷重平均繊維長を有する繊維を含み、且つ、核磁気共鳴によって測定されるグラム当たり30〜600平方メートル、好ましくはグラム当たり40〜500平方メートルの相対比表面積を有する。いくつかの実施形態においては、マイクロパルプの相対比表面積は、グラム当たり40〜250平方メートル、好ましくはグラム当たり50〜150平方メートルである。更にその他の実施形態においては、相対比表面積は、グラム当たり250〜500平方メートル、好ましくはグラム当たり300〜400平方メートルである。
好ましくは、マイクロパルプ繊維は、20〜100マイクロメートル、より好ましくは40〜100マイクロメートルの容積荷重平均繊維長を有する。いくつかの実施形態においては、パルプは、水で飽和され、乾燥したことがない湿式の紡糸したままの繊維から調製された、未乾燥のマイクロパルプである。
繊維
マイクロパルプは、短繊維又はフロックに細断し、次いで水中で湿式粉砕して、繊維を完全に砕いて構成要素であるフィブリルを形成することによって、繊維から調製される。短繊維又はフロックは、湿式粉砕のプロセスを補助するために、パルプに最初に変換されていてもよい。繊維は、連続フィラメントの形態である。本明細書における目的において、「フィラメント」という用語は、長さの、その長さに対して垂直な断面積の幅に対する高い比を有する、比較的可撓性の、巨視的に均一である物体として定義される。フィラメント断面は任意の形状であることができるが、典型的には円形、又は豆形である。パッケージにおいてボビンに対して紡糸されるマルチフィラメント糸条は、複数の連続フィラメントを含む。本開示の文脈において、フィラメント及び繊維という用語は、相互に交換して使用されることができる。繊維状材料のその他の適切な形態は、短繊維紡糸糸条、不織布、又は細断された糸条ストランドである。複数のフィラメント又は糸条は、組み合わされてコードを形成することができる。これらの用語は、織物繊維技術分野では周知である。
マイクロパルプの繊維は、芳香族ポリアミド、芳香族コポリアミド、ポリアゾール、又はポリアクリロニトリルであることができる。
好ましい芳香族ポリアミドは、例外的な引張り強度及び弾性率を有することによるパラ−アラミドである。本明細書において使用される場合、パラ−アラミドフィラメントという用語は、パラ−アラミドポリマーからなるフィラメントを意味する。アラミドという用語は、少なくとも85%のアミド(−CONH−)結合が、直接2つの芳香環に結合しているポリアミドを意味する。適切なパラ−アラミド繊維及びそれらの特性は、Man−Made Fibres−Science and Technology,Volume 2,in the section titled Fibre−Forming Aromatic Polyamides,page 297,W.Black et al.,Interscience Publishers,1968に記載されている。又、アラミド繊維及びそれらの製造は、米国特許第3,767,756号明細書、米国特許第4,172,938号明細書、米国特許第3,869,429号明細書、米国特許第3,869,430号明細書、米国特許第3,819,587号明細書、米国特許第3,673,143号明細書、米国特許第3,354,127号明細書、及び米国特許第3,094,511号明細書に開示されている。パラ−アラミド繊維は、そのフィブリル形態のため、パルプ及びマイクロパルプの製造に特に適している。
好ましいパラ−アラミドは、PPD−Tと称されるポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)である。PPD−Tとは、p−フェニレンジアミンと塩化テレフタロイルとの等モル重合から得られるホモポリマー、又、少量のその他のジアミンのp−フェニレンジアミンとの組み込み、及び少量のその他の二酸塩化物の塩化テレフタロイルとの組み込みから得られるコポリマーを意味する。原則として、その他のジアミン及びその他の二酸塩化物は、その他のジアミン及び二酸塩化物が重合反応を妨げる反応性基を有さないという条件でのみ、約10モル%と同量までの量のp−フェニレンジアミン又は塩化テレフタロイル、或いはおそらくはわずかに高い量で使用できる。又、PPD−Tは、その他の芳香族ジアミンと、例えば、2,6−塩化ナフタロイル、又は塩化クロロテレフタロイル若しくは塩化ジクロロテレフタロイル、又は3,4’−ジアミノジフェニルエーテルなどの、その他の芳香族二酸塩化物を組み込むことから得られるコポリマーを意味する。添加物をアラミドとともに使用することができ、10重量パーセント以上と同量までのその他のポリマー材料がアラミドとブレンド可能であることが見出されている。アラミドのジアミンを10パーセント以上と同量のその他のジアミンで置き換えられた、又はアラミドの二酸塩化物を10パーセント以上と同量のその他の二酸塩化物で置き換えられたコポリマーを使用することができる。
添加剤としてポリマー材料を含むパラ−アラミド繊維は、通常硫酸の溶液に溶解した2つの成分のブレンド物から紡糸され、このため、ポリマー材料は、この場合、硫酸に可溶性であり、且つ、硫酸中で安定でなければならない。パラ−アラミドとブレンドされることができるポリマー材料の例としては、ポリ(1−ビニル−2−ピロリドン)及びコポリマー、脂環式ポリアミド、並びにナイロン6及びナイロン66などの脂肪族ポリアミド、ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)などのメタ−アラミド及びコポリマー等が挙げられる。2成分繊維は、97〜70パーセント、好ましくは90〜80パーセントのパラ−アラミド、及び、3〜30パーセント、好ましくは10〜20パーセントのポリマー材料を含むことができ、ポリマー材料は、連続フィブリルパラ−アラミド相を壊す別個の相として存在する。従って、ポリマー材料は、パラ−アラミドフィブリルの形成を促進し、本発明のために必要とされるマイクロパルプを生成するために使用される精製及び粉砕工程の間、ポリマー材料は、表面で濃縮される。
別の適切な繊維は、例えば、50/50のモル比のp−フェニレンジアミン(PPD)及び3,4’−ジアミノジフェニルエーテル(DPE)との塩化テレフタロイル(TPA)の反応によって調製される芳香族コポリアミドに基づいたものである。更に別の適切な繊維は、2つのジアミン、p−フェニレンジアミン及び5−アミノ−2−(p−アミノフェニル)ベンゾイミダゾールと,テレフタル酸又はこれらのモノマーの無水物又は酸塩化物誘導体との重縮合反応によって形成されたものである。
ポリマーがポリアゾールである場合、適切なポリアゾールはポリベンザゾール、ポリピリダゾール、及びポリオキサジアゾールである。適切なポリアゾールとしては、ホモポリマー、更にコポリマーが挙げられる。添加物をポリアゾールとともに使用することができ、10重量パーセントと同量までのその他のポリマー材料をポリアゾールとブレンド可能である。又、ポリアゾールのモノマーと置換される10パーセント以上と同量のその他のモノマーを有するコポリマーを使用することができる。適切なポリアゾールのホモポリマー及びコポリマーは、米国特許第4,533,693号明細書(1985年8月6日付け、Wolfeらへ)、米国特許第4,703,103号明細書(1987年10月27日付け、Wolfeらへ)、米国特許第5,089,591号明細書(1992年2月18日付け、Gregoryらへ)、米国特許第4,772,678号明細書(1988年9月20日付け、Sybertらへ)、米国特許第4,847,350号明細書(1992年8月11日付け、Harrisらへ)、及び米国特許第5,276,128号明細書(1994年1月4日付け、Rosenbergらへ)に記載されているものなどの、周知の手順によって作製可能である。
好ましいポリベンゾアゾールは、ポリイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、及びポリベンゾオキサゾールである。ポリベンゾアゾールがポリイミダゾールである場合、ポリイミダゾールは、好ましくはPBIと称されるポリ[5,5’−ビ−1H−ベンゾイミダゾール]−2,2’−ジイル−1,3−フェニレンである。ポリベンゾアゾールがポリベンゾチアゾールである場合、ポリベンゾチアゾールは、好ましくはポリベンゾビスチアゾールであり、より好ましくはPBTと称されるポリ(ベンゾ[1,2−d:4,5−d’]ビスチアゾール−2,6−ジイル−1,4−フェニレンである。ポリベンゾアゾールがポリベンゾオキサゾールである場合、ポリベンゾオキサゾールは、好ましくはポリベンゾビスオキサゾールであり、より好ましくはPBOと称されるポリ(ベンゾ[1,2−d:5,4−d’]ビスオキサゾール−2,6−ジイル−1,4−フェニレンである。
好ましいポリピリダゾールは、ポリ(ピリドビスイミダゾール)、ポリ(ピリドビスチアゾール)、及びポリ(ピリドビスオキサゾール)を含む、剛直棒状ポリピリドビスアゾールである。好ましいポリ(ピリドビスアゾール)は、PBと称されるポリ(1,4−(2,5−ジヒドロキシ)フェニレン−2,6−ピリド[2,3−d:5,6−d’]ビスイミダゾールである。適切なポリピリドビスアゾールは、米国特許第5,674,969号明細書に記載されているものなどの、周知の手順によって作製可能である。
好ましいポリオキサジアゾールとしては、ポリオキサジアゾールのホモポリマー及びコポリマーが挙げられ、この場合に、結合官能基の間の化学ユニットのモル換算における少なくとも50%は、環式の芳香族又は複素環式の芳香族の環ユニットである。適切なポリオキサジアゾールは、Arselon(登録商標)の商標名で入手可能である。
ほとんどすべてのポリアクリロニトリル(PAN)ポリマーは、主成分としてアクリロニトリルとのモノマーの混合物から作製されるコポリマーである。いくつかの生成方法においては、10%までの少量のその他のビニルコモノマーも使用される。フリーラジカル重合と同様に、アニオン重合も、PANを合成するために使用可能である。繊維製品用途の場合、40,000〜70,000の範囲の分子量が一般的である。
一般的に、繊維は、例えば、周知であり、且つ、米国特許第3,767,756号明細書又は米国特許第4,340,559号明細書に記載されている、エアギャップ紡糸プロセスを使用して紡糸される。繊維は、異方性紡糸ドープから、エアギャップを介して、水性凝固浴に紡糸され、次いで、水での濯ぎ及び洗浄を経る。得られた紡糸したままの繊維は、いわゆる、「未乾燥」であり、20〜400重量パーセントの水、典型的には、紡糸したままのパラ−アラミド繊維において約40重量パーセントの水を含む。20パーセント未満の水分まで事前に乾燥した繊維は、その分子構造及びフィブリル形態を不可逆的に崩壊させ小さい繊維に形成される。本発明のいくつかの実施例においては、より濡れ性であり、より多くの多孔性をもたらし、且つ、パルプの精製及びマイクロパルプの湿潤粉砕の間、より容易にフィブリル化されることから、未乾燥の繊維が有利である。使用される未乾燥の繊維が、部分的に乾燥されることができる一方で、新たに紡糸されて、20パーセント未満の水分まで乾燥されていないことが重要である。
エラストマー
本明細書において使用される場合、「ゴム」及び「エラストマー」という用語は、別段の定めのない限り、相互に交換して使用されることができる。「ゴム組成物」、「配合ゴム」、及び「ゴム化合物」という用語は、相互に交換して使用され、「様々な成分及び材料とブレンド又は混合されたゴム」を意味することができ、且つ、こうした用語は、ゴム混合又はゴム配合の技術分野において当業者にとって周知である。「硬化する」及び「加硫する」という用語は、別段の定めのない限り、相互に交換して使用されることができる。本発明の記述において、「phr」という用語は、100重量部のゴム又はエラストマー当たりのそれぞれの材料の部を意味する。
本発明のエラストマーとしては、天然ゴム、合成天然ゴム及び合成ゴムがともに挙げられる。合成ゴム化合物は、一般的な有機溶剤によって溶解される任意のものであることができ、多くの中でも、ポリクロロプレン及び硫黄変性クロロプレン、炭化水素ゴム、ブタジエン−アクリロニトリルコポリマー、スチレンブタジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素エラストマー、ポリブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、エチレン/プロピレンジエンゴム、ニトリルゴム、又はエチレン−アクリルゴム、ブチル及びハロブチルゴム等を挙げることができる。天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、及びポリブタジエンゴムが好ましい。ゴムの混合物を利用することもできる。
又、カーボンブラック及び/又は二酸化ケイ素は、マスターバッチに存在することができ、追加の量で最終的な配合において加えられる。カーボンブラック及び二酸化ケイ素は、補強充填剤として主として機能する。これらの材料の量は、最終使用用途及び最終的なエラストマー組成物に依って変動することとなる。いくつかの実施形態においては、カーボンブラックは、40〜100phrの量で、且つ、二酸化ケイ素は、70phrまでの量で最終化合物に存在する。又、二酸化ケイ素カップリング剤が加えられることができる。
プロセス
マイクロパルプは、エラストマーに分散されて、DuPont Kevlar(登録商標)Engineered Elastomer Technical Bulletins Compound Development Guide and Processing Guideに記載のものなどの、マスターバッチを形成する。
次いで、マイクロパルプマスターバッチは、更なるエラストマー及びその他の成分と組み合わされて、所望の物品を生産するために次いで加硫される最終化合物を形成する。Kevlar(登録商標)Engineered Elastomerを2段階混合してネオプレンタイプのゴムを形成する工程の代表である典型的な混合プロセスの例は、以下である。
第1段階
1.ネオプレンゴムの半分、次いでKevlar(登録商標)Engineered Elastomer、最後に残りのネオプレンゴムと酸化マグネシウムを、混合しながら連続して加える。
2.1〜1.5分間効率的に混合する。
3.ばら繊維(あれば)を加える。
4.少なくとも30秒混合する。
5.充填剤、可塑化剤、酸化防止剤、及びその他の添加剤を加える。
6.所望の温度を実現するのに必要とされるミキサー速度を増加させ、繊維の良好な分散が得られるまで混合を続ける。
7.105〜110℃の温度範囲を超えない温度で第1段階の化合物を分出して、冷却させる。
第2段階
1.第1段階からの冷却した生成物の半分、次いで、酸化亜鉛、硬化剤、及び第1パスの混合物の残りを連続して加える。
2.100〜105℃で分出ロール機(sheeting mill)の中にダンプする。
その他の化合物配合及び生産技術は、技術文献で広く入手可能である。本発明の繊維状マイクロパルプを含む加硫物品の例としては、タイヤ用部材、動力伝達ベルト、コンベヤーベルト、ガスケット、及びその他の製造されたゴム製品が挙げられる。
試験方法
パルプの比表面積は、Micromeritics ASAP 2405ポロシメーターを使用して、液体窒素温度(77.3K)での窒素吸着/脱着によって測定し、グラム当たりの平方メートル(m2/g)の単位で表した。特に明記しない限り、試料は、測定の前に、150℃の温度で終夜脱気し、吸着水分による減量を求めた。5点の窒素吸着等温線は、0.05〜0.20の相対圧力、P/P0の範囲に渡り収集し、BET法(S.Brunauer,P.H.Emmett,and E.Teller,J.Am.Chem.Soc.1938,60,309)に従って分析した。Pは、試料に渡る平衡ガス圧力であり、P0は、典型的には760トールを超える、試料の飽和ガス圧力である。
粉砕されたマイクロパルプの相対比表面積は、低磁場NMR分光法を使用して測定された緩和時間から算出した。Bruker Minispec mq20 NMR(Bruker,Woodlands,TX,US)を使用して、18又は10mm直径の試料管用の絶対プローブを備え20MHzで操作した。0.01〜2.10重量パーセントの範囲の個体含有量における粉砕されたマイクロパルプ分散物を、無線周波数コイルの均一領域を満たすための十分な量で管に充填した。管中の分散物を、42又は20℃で温度制御した水浴において平衡化し、撹拌して均一にし、次いで、40又は20℃で測定用のプローブに挿入した。プロトンスピン−格子緩和時間(T1)は、インバージョンリカバリーパルスシークエンス(inversion recovery pulse sequence)を使用して測定した。プロトンスピン−スピン緩和時間(T2)を、Carr−Purcell−Meiboom−Gillパルスシーケンスを用いて測定し、典型的には400μs(2*T、T=200μs)のエコー間隔を伴い、8000の均一なスペースエコーをサンプルした。ダミーの又はスキップされたエコーを用いて、減衰曲線を>4*2まで拡張した。20秒の待ち時間を伴い、多くの場合、1つの走査を用いたが、時折、4つの走査を用いた。MiniSpec Softwareを使用して減衰曲線を適合することによって、T1及びT2値を算出した。マイクロパルプの表面積は、以下の方程式によってT2に関連する:
(式中、T2バルク=バルク流体(水)のT2、ρ2=表面緩和、S=試料の表面積、及びV=水の量)。ρ2の値は、所望の個体/流体の対の特徴である。例えば、窒素吸着/脱着によって比表面積について前述のものなどの独立した測定から、Sが既知であるかを求めることができる。ρ2が既知でない場合、2つの試料:A及びBの相対表面積は、比によって求めることができ、これは、一般のρ2及び量変数を相殺する:
実際には、測定を、両方の試料の3〜4の希釈物について行い、プロットして直線性を点検する。単一ポイント測定の代わりに、これらの傾斜の比を使用して、試料Aの相対比表面積を算出し、この場合に、Aの比表面積=SA/mA、及びmA=試料Bについて測定された比表面積の値からのAの質量である。マイクロパルプの相対比表面積を、窒素吸着/脱着によって1F361パルプの試料について測定された8.0m2/gの比表面積に基づいて算出した。
カナダ標準型ろ水度を、Testing Machines Inc.,New Castle,DEによって提供されたカナダ標準型ろ水度試験器Model 33−23を使用して、標準試験法TAPPI T 227に従って測定し、この試験法は、パルプの水性スラリー又は分散物から水が流れ出る容易さを測定し、より大きな数のフィブリルが、水が試験の間に形成する紙マットを通して流れ出る速度を低下させることになることから、パルプのフィブリル化の程度に逆の関係がある。標準状態の下での試験から得られたデータは、1リットルの水における3グラムのパルプのスラリーから流れ出る水のミリリットル単位で表される。より低い値は、よりフィブリル化されたパルプが、より多くの水を保持し、よりゆっくり流れ出ることになることを示す。
フィブリル化パルプの繊維長を、Metso Automation Inc.,Kajaani,Finlandによって提供されたFiber Expert卓上分析装置を使用して測定した。分析装置は、デジタルCCDカメラでパルプの写真画像を取り、パルプスラリーが分析装置を通って流れ、統合コンピューターが、これらの画像における繊維を分析して、容積加重平均としてミリメーター単位で表されるその長さを算出する。マイクロパルプの容積平均繊維長を、Beckman Coulter Inc.,Miami,FLによって提供されたLS200レーザー回折分析装置を使用して測定し、マイクロメーター単位で表した。本明細書において使用される場合、容積平均長は、以下を意味する:
引張り応力−歪測定を、伸縮計を使用して、ASTM D412−06a、方法Aに従って実施した。ダンベル引張り棒を、方法Aに記載されるようにDie Cを使用して切断した。引張りの結果を、6つの試料の平均として報告する。
実施例及び表において使用した省略形は、以下の通りである:mmole(ミリモル)、wt(重量)、CSF(カナダ標準型ろ水度)、T(温度)、MD(機械方向)、XD(機械に直交方向)、phr(ゴムに対する外掛百分率)、ND(未乾燥)、SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、BR(ブタジエンゴム)。
実施例は、以下の材料を使用して調製した:Alcogum(登録商標)6940増粘剤(ポリアクリル酸、ナトリウム塩、11%の固体)及びAlcogum(登録商標)SL70分散剤(アクリレートコポリマー、30%の固体)、Akzo Nobel Surface Chemistry,Chattanooga,TN、Aquamix(商標)125(Wingstay(登録商標)L、ヒンダード重合フェノール酸化防止剤、50%の固体)及びAquamix(商標)549(亜鉛2−メルカプトトルイミダゾール、50%の固体)分散物、PolyOne Corp.,Massillon,OH、Amax(登録商標)OBTS促進剤(N−オキシジエチレン−2−ベンゾチアゾール−スルフェンアミド)及びAgeRite(登録商標)Resin D抗酸化剤(重合した1,2−ジヒドロ−2,2,4−トリメチルキノリン)、R.T.Vanderbilt Co.,Norwalk,CT、DPG促進剤(ジフェニルグアニジン)、Akrochem Corp.,Akron,OH、Santoflex(登録商標)6PPDオゾン劣化防止剤(N−(1,3−ジメチルブチル)−N’−フェニル−パラ−フェニレンジアミン)、Solutia/Flexsys America,Akron,OH、BUNA VSL 4526−2 HMスチレン−ブタジエンゴム(溶液重合、27.3%のTDAE油展)、Lanxess,Orange,TX、Budene(登録商標)1207(高シス−ポリブタジエン)、Goodyear Chemical,Akron,OH、Vulcan(登録商標)7H(N234カーボンブラック)、Cabot,Alpharetta,GA、酸化亜鉛、ゴム用硫黄、ステアリン酸、Hyprene L2000ナフテン酸プロセス油、Ergon Refining Inc.,Jackson,MS、Nochek(登録商標)4729A微結晶ワックス、International Group,Toronto,ON、Wingstay 100(ジアリール−p−フェニレンジアミン)、Hallstar,Chicago,IL、ZB49プロセス油、Struktol,Stow,OH、CBS促進剤(N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアゾールスルフェンアミド)、Solutia,Kingsport,TN。商用の及び試験的なKevlar(登録商標)繊維は、1F361パルプ(50%の固体、CSF 168mL、繊維長1.09mm)、1F178フロック(1/4インチ)、1F561フロック(1.5mm)、未乾燥の紡糸したままのコード(1500デニール、フィラメント当たり1.5デニール)として、DuPontから得られた。
以下の実施例は、本発明を例示するために挙げられ、決して本発明を限定するものと理解されるべきではない。特に明記しない限り、すべての部及び百分率は重量によるものである。本発明のプロセスに従って調製された実施例は、数値によって示される。対照又は比較例は、文字によって示される。比較例及び本発明の実施例に関連するデータ及び試験結果を、表1及び2に要約する。
比較例A
Kevlar(登録商標)1F361パルプ(40g、50%の固体)を、実験用ブレンダーを使用して水(1000g)に分散し、均一なスラリーを得た。Alcogum(登録商標)6940(10g、11%の固体)、Alcogum(登録商標)SL70(2.2g、15%の固体)、Aquamix(登録商標)549(4.1g、15%の固体)、及びAquamix(登録商標)125(4.3g、14.5%の固体)を、ブレンダーに加え、スラリー中に分散した。天然ゴムラテックス(108g、62%の固体)を、ブレンダーに加え、スラリー中に分散した。スラリーを、開口容器の中に注入し、ブレンダージャーを、水で濯いですべてのスラリーを収集した。pHが5.8〜5.2まで、穏やかな撹拌で、塩化カルシウム(26重量%)及び酢酸(5.2重量%)を含む水溶液を加えることによって、ラテックスを凝固した。凝固した塊を収集しプレスしてできるだけ多くの水相を取り除いた。次いで、塊を、窒素置換の下で真空オーブンにおいて70℃で終夜乾燥させて、23%のパルプ(30phr)を含むマスターバッチを得た。
5phrのパルプを含むゴム化合物を、C.W.Brabender Prep−Mixer(登録商標)に以下の材料を加えることによって調製した:天然ゴム(192.5g)、マスターバッチ(50.25g)、ステアリン酸(6.94g、3phr)、酸化亜鉛(6.94g、3phr)、ゴム用硫黄(3.70g、1.6phr)、Amax(登録商標)OBTS(1.85g、0.8phr)、DPG(0.92g、0.4phr)、Santoflex(登録商標)6PPD(4.62g、phr)、及びAgeRite(登録商標)Resin D(2.31g、1phr)。化合物を、75〜100rpmで、25〜30分間、80〜95℃で混合し、次いで、混合チャンバー及びブレードから取り除いた。化合物を更に混合し、6インチ×12インチの幅広いロールを有するEEMCO 2ロール試験用ミルを使用して均一化した。最終化合物を、2.0〜2.2mmの厚さまでシート化した。
2つの4インチ×6インチのプラークを、機械方向において粉砕シートから切断し、別の2つのプラークを、機械に直交方向において切断した。プラークを、160℃で圧縮成形して、天然ゴムを硬化した。ダンベル引張り試験棒を、硬化したプラークから切断した。出発となるパルプの特性及び硬化したゴム化合物の引張り特性を、表1に示す。
比較例B
Kevlar(登録商標)1F178 1/4インチフロック(2.25kg又は5lb)を、1.7%の固体レベルで、水(132L)に分散し、再循環モードにおいて、スプラウト−ワルデロン12インチシングル−ディスク精製機(Sprout−Waldron 12’’single−disc refiner)を使用し精製してパルプにした。ディスクの隙間を、0.13mmに設定し、フロックスラリーを、分当たり60リットルの処理量で送達した。この精製機を、35分間の再循環モード(効果的に16のパス)で動かした。パルプのフィブリル化の相対的な度合いを、CSFを周期的に測定することによってモニターした。パルプスラリーを脱水し、圧縮して過剰な水を取り除いた。最終的なパルプは、27%の固体を含み、161mLのCSF及び0.56mmの繊維長を示した。比表面積は、7.9m2/gであった。
比較例C
パルプマスターバッチを加えることなく、比較例Aのゴム配合手順を使用して、繊維を含まない対照試料を調製した。
実施例1
Kevlar(登録商標)1F361パルプを、2.0%の固体レベルで水に分散し、次いで、80%の容積負荷で固体成分として0.7〜1.2mmのセリウム−安定化ジルコニアを含む、1.5リットルのメディアミル(Model HML−1.5 Supermill,Premier Mill Corporation,Reading,PA)に送達した。ミルを、分当たり730メートル(2400fpm)の攪拌機速度で動かし、パルプスラリーを、分当たり0.25リットルの処理量で送達した。ミルを、60分間、再循環モードで動かした。得られたマイクロパルプの繊維長は、80.5マイクロメートルであった。相対比表面積は、50m2/gであった。
実施例2
実施例1の手順を、240分のより長い再循環時間を用いて繰り返し、33.3マイクロメートルの繊維長を有するマイクロパルプを得た。相対比表面積は、70m2/gであった。
実施例3
Kevlar(登録商標)1F561 1.5mmのフロックを、1.7%の固体レベルで水に分散し、15分の再循環時間(効果的に7のパス)を用いて、比較例Bで記載したように精製して、556mLのCSF及び0.73mmの繊維長を有するパルプを得た。
一部のパルプを、60分の再循環時間を用いて、実施例1で記載したように、メディアミルにおいて加工して、93マイクロメートルの繊維長を有するマイクロパルプを得た。相対比表面積は、320m2/gであった。
実施例4
実施例3からの一部のパルプを、240分のより長い再循環時間を用いて、実施例1で記載したように、メディアミルにおいて加工して、37.7マイクロメートルの繊維長を有するマイクロパルプを得た。相対比表面積は、350m2/gであった。
実施例5
Kevlar(登録商標)未乾燥の紡糸したままのコードを、Lummusトウカッター(tow cutter)(Model Mark IV,Lummus Industries,Columbus,GA)に送達して、これを切断して6mmの湿式フロックにした。次いで、湿式フロックを、20分の再循環時間(効果的に9のパス)を伴う比較例Bの手順を用いてパルプに変換し、255mLのCSF及び0.99mmの繊維長を得た。
一部の未乾燥のパルプを、60分の再循環時間を用いて、実施例1で記載したように、メディアミルにおいて加工して、77.1マイクロメートルの繊維長を有する未乾燥のマイクロパルプを得た。相対比表面積は、370m2/gであった。
実施例6
実施例5からの一部の未乾燥のパルプを、240分のより長い再循環時間を用いて、実施例1で記載したように、メディアミルにおいて加工して、29.5マイクロメートルの繊維長を有する未乾燥のマイクロパルプを得た。相対比表面積は、340m2/gであった。
比較例Aの手順を用いて、可変量の実施例3及び4のマイクロパルプ並びに比較例Bのパルプを含むマスターバッチを調製して、シート化された天然ゴム化合物に変換し、パルプを含まない対照試料としての比較例Cを含み、引張り特性について硬化したプラークを試験した。出発となるパルプ及びマイクロパルプ並びに硬化した天然ゴム化合物の特性を、表1に示す。
実施例3及び4のマイクロパルプのマスターバッチは、高度な補強性を全体の歪み範囲に渡って硬化した天然ゴム化合物に付与し、商用のパルプのマスターバッチにおいて観察される、特徴的な屈伏点を示さず、標準的な乾燥繊維から調製した商用の及び実験室で精製したパルプより、高い破断伸度に到達する。図1を参照されたい。
比較例D
Kevlar(登録商標)1F361パルプ(40g、50%の固体)を、試験用ブレンダーを使用して、水(1000g)に分散して、均一なスラリーを得た。Alcogum(登録商標)6940(8.3g、11%の固体)、Alcogum(登録商標)SL70(2.0g、15%の固体)、Aquamix(登録商標)549(2.0g、15%の固体)、及びAquamix(登録商標)125(1.9g、14.5%の固体)をブレンダーに加え、スラリーに分散した。天然ゴムラテックス(111g、62%の固体)を、ブレンダーに加え、スラリーに分散した。スラリーを、開口容器に注入し、ブレンダジャーを水で濯いで、すべてのスラリーを収集した。pHが5.8〜5.2まで、穏やかな撹拌で、塩化カルシウム(26重量%)及び酢酸(5.2重量%)を含む水溶液を加えることによって、ラテックスを凝固した。凝固した塊を収集しプレスしてできるだけ多くの水相を取り除いた。次いで、塊を、窒素置換の下で真空オーブンにおいて70℃で終夜乾燥させて、23%のパルプ(30phr)を含むマスターバッチを得た。
3.5phrのパルプを含むゴム化合物を、C.W.Brabender Prep−Mixer(登録商標)に以下の材料を加えることによって調製した:油展スチレンブタジエンゴム(125g)、ポリブタジエンゴム(36.4g)、マスターバッチ(21.8g)、ステアリン酸(2.9g)、酸化亜鉛(3.6g)、カーボンブラックN234(109g)、Hyprene L2000油(22mL)、Nochek(登録商標)4729Aワックス(2.9g)、ZB49加工助剤(2.9g)、Santoflex(登録商標)6PPD(2.9g)、Wingstay 100(0.73g)、ゴム用硫黄(2.9g)、CBS(2.5g)、及びDPG(2.9g)。
化合物を、75〜100rpmで、25〜30分間、80〜95℃で混合し、次いで、混合チャンバー及びブレードから取り除いた。化合物を更に混合し、6インチ×12インチの幅広いロールを有するEEMCO 2ロール試験用ミルを使用して均一化した。最終的な化合物を、2.0〜2.2mmの厚さまでシート化した。
2つの4インチ×6インチのプラークを、機械方向において粉砕シートから切断し、別の2つのプラークを、機械に直交方向において切断した。プラークを、160℃で圧縮成形して、ゴムを硬化した。ダンベル引張り試験棒を、硬化したプラークから切断した。出発となるパルプの特性及び硬化したゴム化合物の引張り特性を、表2に示す。
比較例E
パルプマスターバッチを加えることなく、油展スチレン−ブタジエンゴム(150.4g)及びHyprene L2000油(16mL)を用いて、比較例Dのゴム配合手順を使用して、繊維を含まない対照試料を調製した。
比較例F
Kevlar(登録商標)/12%のPVPハイブリッドコードを、Lummusトウカッター(tow cutter)に送達して、これを切断して1/4インチのフロックにした。次いで、フロックを、25分の再循環時間(効果的に12のパス)を伴い比較例Bの手順を用いてパルプに変換し、0mLのCSF及び0.9mmの繊維長を得た。比表面積は、BET法による26.6m2/gであった。
実施例7
一部のハイブリッドパルプを、60分の再循環時間を用いて、実施例1で記載したように、メディアミルにおいて加工して、40マイクロメートルの繊維長を有するハイブリッドマイクロパルプを得た。相対比表面積は、53m2/gであった。
実施例8
実施例7からの一部のハイブリッドパルプを、240分のより長い再循環時間を用いて、実施例1で記載したように、メディアミルにおいて加工して、22マイクロメートルの繊維長を有するハイブリッドマイクロパルプを得た。相対比表面積は、128m2/gであった。
比較例Dの手順を用いて、比較例Fのパルプ、並びに、実施例1、2、3’、4’、5、6、7、及び8のマイクロパルプを含むマスターバッチを調製して、シート化された合成ゴム化合物に変換し、パルプを含まない対照試料としての比較例Eを含み、引張り特性について硬化したプラークを試験した。出発となるパルプ及びマイクロパルプ並びに硬化した合成ゴム化合物の特性を、表2に示す。実施例3’及び4’が添加物としてカーボンブラックを有する合成ゴムを使用して作成された以外は、実施例3’及び4’は、実施例3及び4と同一のマイクロパルプを有したことに留意すべきである。
実施例1〜6のマイクロパルプのマスターバッチは、高度な補強性を全体の歪み範囲に渡って硬化した合成ゴム化合物に付与し、商用のパルプのマスターバッチにおいて観察される、特徴的な屈伏点を示さない。図2を参照されたい。
実施例7及び8のマイクロパルプのマスターバッチは、出発となるKevlar(登録商標)繊維におけるPVPの存在のため、実施例1〜6のものより、更により高度な補強性を付与し、商用のPVPを含むパルプのマスターバッチにおいて観察される、特徴的な屈伏点を依然として示さない。図3を参照されたい。

Claims (16)

  1. エラストマーと、100部当たり20〜100部の繊維状マイクロパルプのエラストマーと、を含む、マスターバッチ組成物であって、前記マイクロパルプは、
    (i)レーザー回折によって測定される20〜200マイクロメートルの容積荷重平均繊維長を有する繊維を含み、
    (ii)核磁気共鳴によって測定されるグラム当たり30〜600平方メートルの相対比表面積を有し、且つ、
    (iii)芳香族ポリアミド、芳香族コポリアミド、ポリアクリロニトリル、及びポリアゾールからなる群から選択される繊維を含む、マスターバッチ組成物。
  2. 前記マイクロパルプの相対比表面積は、グラム当たり40〜250平方メートルである、請求項1に記載の組成物。
  3. 前記繊維は、20〜100マイクロメートルの容積平均繊維長を有する、請求項1に記載の組成物。
  4. 前記芳香族ポリアミドは、パラ−アラミドである、請求項1に記載の組成物。
  5. 前記エラストマーは、天然ゴム、合成天然ゴム、及び合成ゴムからなる群から選択される、請求項1に記載の組成物。
  6. 前記エラストマーは、カーボンブラック又は二酸化ケイ素を更に含む、請求項1に記載の組成物。
  7. 前記マイクロパルプは、未乾燥のマイクロパルプである、請求項1に記載の組成物。
  8. 前記マイクロパルプの相対比表面積は、グラム当たり250〜500平方メートルである、請求項2に記載の組成物。
  9. 前記繊維は、40〜100マイクロメートルの容積荷重平均繊維長を有する、請求項3に記載の組成物。
  10. 前記合成ゴムは、ポリクロロプレン、硫黄変性クロロプレン、炭化水素ゴム、ブタジエン−アクリロニトリルコポリマー、スチレンブタジエンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン、フッ素エラストマー、ポリブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ブチルゴム又はハロブチルゴム、エチレン/プロピレンジエンゴム、ニトリルゴム、及びエチレン−アクリルゴムからなる群から選択される、請求項5に記載の組成物。
  11. 加硫可能なエラストマー化合物に変換される場合、次いで加硫され、加硫されたエラストマー化合物が引張り試験に供される場合、明白な降伏点が無い応力−歪曲線を示す、請求項1に記載の組成物。
  12. 請求項1に記載の組成物を含む、加硫可能なエラストマー化合物。
  13. 前記繊維状マイクロパルプは、100部当たり0.5〜10部のエラストマーを含む、請求項12に記載の組成物。
  14. 繊維状マイクロパルプを含む加硫物品であって、前記マイクロパルプは、
    (i)レーザー回折によって測定される20〜200マイクロメートルの容積平均繊維長を有する繊維を含み、
    (ii)核磁気共鳴によって測定されるグラム当たり30〜600平方メートルの相対比表面積を有し、且つ、
    (iii)芳香族ポリアミド、芳香族コポリアミド、ポリアクリロニトリル、又はポリアゾールからなる群から選択される繊維を含む、加硫物品。
  15. 前記繊維は、97〜70パーセントのパラ−アラミドと、添加物として3〜30パーセントのポリマー材料と、を含む、請求項4に記載の組成物。
  16. 前記ポリマー材料は、ポリビニルピロリドン、脂環式ポリアミド、脂肪族ポリアミド、及びポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)からなる群から選択される、請求項15に記載の組成物。
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