JP2017510536A - 沈澱シリカの製造方法、沈澱シリカおよび、特にポリマーの強化のための、それらの使用 - Google Patents

沈澱シリカの製造方法、沈澱シリカおよび、特にポリマーの強化のための、それらの使用 Download PDF

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Abstract

本発明は、新規沈澱シリカの製造方法であって、シリケートが、シリカ懸濁液を得るために、酸性化剤と反応させられ;前記シリカ懸濁液が、フィルターケーキを得るために、濾過され;前記フィルターケーキが、任意選択的にアルミニウム化合物の存在下で、液状化操作にかけられ;ここで、少なくとも1つのポリカルボン酸が、液状化操作中にまたは後にフィルターケーキに添加される方法に関する。それはまた、新規沈澱シリカにおよびその使用に関する。【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2014年2月14日出願の、欧州特許出願第14305195.1号、および2014年4月2日出願の、欧州特許出願第14305483.1号に対する優先権を主張するものであり、これらの出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に援用される。
本発明は、変性シリカの製造方法に、変性シリカおよびポリマーでの強化充填材などの、その用途に関する。特に本発明は、カルボン酸の使用を含むシリカの変性方法に関する。
沈澱シリカは、ポリマー材料に、特に、エラストマーに白色強化充填材として長い間使用されてきた。
一般的な方法によれば、沈澱シリカは、アルカリ金属のシリケート、たとえばナトリウムシリケートなどの、シリケートが、硫酸などの、酸性化剤で沈澱させられる反応、引き続く結果として生じた固体の濾過による分離によって製造される。フィルターケーキはこのようにして得られ、それは、一般に噴霧化によって、乾燥させられる前に一般に液状化操作にかけられる。いくつかの方法:とりわけ、シリケートの沈澱物への酸性化剤の添加、または水へのもしくは容器中に既に存在するシリケート沈澱物への酸性化剤のおよびシリケートの、部分的なまたは全体の、同時添加を、シリカの沈澱のために用いることができる。
沈澱シリカの製造でのカルボン酸の使用は、たとえば国際公開第2006/125927号パンフレット(RHODIA CHIMIE)2006年11月30日に既に開示されており、同パンフレットは、フィルターケーキの砕解の工程前または後のカルボン酸の使用を開示している。
フィルターケーキの砕解の工程中のまたは後のある種のポリカルボン酸の使用が、ポリマー組成物に使用された場合に、以前に知られている沈澱シリカに対して減少した粘度ならびに類似のまたは改善された動的および機械的特性を与える沈澱シリカを提供することが今見いだされた。
本発明の第1の目的は、
− 少なくとも1つのシリケートを少なくとも1つの酸性化剤と反応させて、シリカ懸濁液を提供する工程と;
− 前記シリカ懸濁液を濾過にかけてフィルターケーキを提供する工程と;
− 前記フィルターケーキを、アルミニウム化合物の添加を任意選択的に含む、液状化工程にかけて沈澱シリカの懸濁液を得る工程と;
− 任意選択的に、液状化工程後に得られた沈澱シリカを乾燥させる工程と
を含む沈殿シリカの製造方法であって、
少なくとも1つのポリカルボン酸が、液状化工程中にまたは後にフィルターケーキに添加され、ここで、前記ポリカルボン酸が、5〜20個の炭素原子を有する線状もしくは分岐の、飽和もしくは不飽和の、脂肪族ポリカルボン酸および芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択され、ただし、液状化工程がアルミニウム化合物の添加を含む場合には、前記ポリカルボン酸が、メチルグルタル酸からおよびポリカルボン酸の混合物からなる群から選択されない方法である。
本発明の方法によれば、フィルターケーキは、液状化工程を受け、液状化工程中に、または後に、上に定義されたような少なくとも1つのポリカルボン酸が、フィルターケーキに添加される。
液状化工程は、フィルターケーキへのアルミニウム化合物の添加を含んでもよい。
用語「液状化」は本明細書では、固体、すなわちフィルターケーキが流体のような集まりへ変換されるプロセスを示すことを意図する。表現「液状化工程」、「液状化操作」または「砕解」は互換的に、フィルターケーキが流動性を有する懸濁液へ変換されるプロセスであって、その懸濁液を次に容易に乾燥させることができるプロセスを意味することを意図する。液状化工程後に、フィルターケーキは、流動性を有する、流体のような形態にあり、沈澱シリカは懸濁状態にある。
液状化工程にかけられるフィルターケーキは、2つ以上のフィルターケーキ、それぞれ、沈澱工程から得られた、シリカ懸濁液、またはシリカ懸濁液の一部の濾過から得られたものの混合物であってもよい。フィルターケーキは任意選択的に、液状化工程の前に洗浄されるかまたはリンスされてもよい。
本発明の方法の第1実施形態によれば、アルミニウム化合物は、液状化工程中にフィルターケーキにまったく添加されない。液状化工程は典型的には、懸濁状態でのシリカの粒度分布の低下をもたらす機械的処理を含む。前記機械的処理は、コロイドミルまたはボールミルにフィルターケーキを通すことによって実施されてもよい。液状化工程後に得られる混合物は、本明細書では以下「沈澱シリカの懸濁液」と言われる。少なくとも1つのポリカルボン酸が、機械的処理が行われている間にまたは後にフィルターケーキに添加されてもよい。
本発明の代わりの実施形態では、液状化工程は、好ましくは上に記載されたような機械的作用と相まって、アルミニウム化合物、たとえばアルミン酸ナトリウムの、ならびにいかなるメチルグルタル酸およびポリカルボン酸の混合物を除いて少なくとも1つのポリカルボン酸の添加による化学作用にフィルターケーキをかけることによって実施される。
前記代わりの実施形態の第1態様では、アルミニウム化合物といかなるメチルグルタル酸およびポリカルボン酸の混合物を除いて少なくとも1つのポリカルボン酸とが、液状化工程中にフィルターケーキに同時に添加される(共添加)。
第2態様では、液状化工程中に、アルミニウム化合物が、いかなるメチルグルタル酸およびポリカルボン酸の混合物を除いて少なくとも1つのポリカルボン酸の添加前にフィルターケーキに添加される。
第3の好ましい態様では、液状化工程は、好ましくは上に記載されたような機械的作用と相まって、アルミニウム化合物の添加による化学作用にフィルターケーキをかけることによって実施される。この第3態様では、いかなるメチルグルタル酸およびポリカルボン酸の混合物を除いて、少なくとも1つのポリカルボン酸が、液状化工程後に、沈澱シリカの懸濁液に、すなわち、砕解フィルターケーキに添加される。
アルミニウム化合物は典型的には、アルカリ金属アルミン酸塩から選ばれる。特に、アルミニウム化合物はアルミン酸ナトリウムである。
アルミニウム化合物が、液状化操作中にフィルターケーキに添加される場合、その量は一般には、アルミニウム化合物対フィルターケーキ中に存在する、SiOとして表される、シリカの量の比が、0.20重量%〜0.75重量%、好ましくは0.20重量%〜0.50重量%、より好ましくは0.25重量%〜0.45重量%であるようなものである。
本発明の方法によれば、少なくとも1つのポリカルボン酸は、液状化工程中にまたは後にシリカに添加される。
表現「ポリカルボン酸」は本明細書では、少なくとも2個のカルボン酸官能基を含むカルボン酸を意味するために用いられる。表現「カルボン酸官能基」は本明細書では、そのお決まりの意味で用いられ、−COOH官能基を意味する。
本発明の方法のために好適なポリカルボン酸は、2、3、4個またはさらには5個以上のカルボン酸官能基を有してもよい。好ましくは、本発明の方法のために好適なポリカルボン酸は、ジカルボン酸およびトリカルボン酸からなる群から選択される。
本発明の方法のために好適な少なくとも1つのポリカルボン酸は、液状化工程がアルミニウム化合物の存在下で実施される場合には、メチルグルタル酸からおよびポリカルボン酸の混合物、特にアジピン酸、コハク酸、エチルコハク酸、グルタル酸、メチルグルタル酸、シュウ酸およびクエン酸の混合物からなる群を除いて5〜20個の炭素原子を有する線状もしくは分岐の、飽和もしくは不飽和の、脂肪族ポリカルボン酸からおよび芳香族ポリカルボン酸から選択される。
したがって、液状化工程が、アルミニウム化合物の存在下で実施される場合には、少なくとも1つのポリカルボン酸は、いかなるメチルグルタル酸でも、ポリカルボン酸の混合物、特に、アジピン酸、コハク酸、エチルコハク酸、グルタル酸、メチルグルタル酸、シュウ酸およびクエン酸からなる群から選択される酸の少なくとも2つからなる混合物のいずれでもない。
少なくとも1つのポリカルボン酸と他の酸、たとえばモノカルボン酸との混合物は、本発明から排除されない。
表現「メチルグルタル酸」は本明細書では、2−メチルグルタル酸および3−メチルグルタル酸の両方、ならびに任意の割合での2つの異性体の混合物を示すために用いられる。表現「2−メチルグルタル酸」は本明細書では、その化合物の(S)および(R)形の両方ならびにそれらのラセミ混合物を示すために用いられる。
少なくとも1つのポリカルボン酸は、ヒドロキシ官能基および/またはハロゲン原子を任意選択的に含んでもよい。脂肪族ポリカルボン酸は、主鎖にヘテロ原子、たとえばN、Sを任意選択的に含んでもよい。典型的には、少なくとも1つのポリカルボン酸は、5〜16個の炭素原子を有する線状もしくは分岐の、飽和もしくは不飽和の、脂肪族ポリカルボン酸および芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択される。
脂肪族ポリカルボン酸の中に、5〜14個の炭素原子を有する、好ましくは5〜12個の炭素原子を有する、飽和もしくは不飽和の、線状ポリカルボン酸が言及されてもよい。好適なポリカルボン酸は、5、6、7、8、9、10、11または12個の炭素原子を有してもよい。好適なポリカルボン酸は有利には、5、6、7、8、9または10個の炭素原子、好ましくは5、6、7、または8個の炭素原子を有してもよい。たとえばポリカルボン酸は、5または6個の炭素原子を有してもよい。
好適な線状の脂肪族ポリカルボン酸の注目に値する、非限定的な例は、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸からなる群から選択される酸である。
分岐ポリカルボン酸の中に、メチルアジピン酸、メチルコハク酸、エチルコハク酸、オキサロコハク酸、ジメチルグルタル酸が言及されてもよい。
不飽和ポリカルボン酸の中に、イタコン酸、ムコン酸、アコニット酸、トラウマチン酸、グルタコン酸が言及されてもよい。
ヒドロキシル官能基を含むポリカルボン酸の中に、クエン酸、イソクエン酸、酒石酸が言及されてもよい。
芳香族ポリカルボン酸の中に、フタル酸類、すなわちフタル酸、オルトフタル酸およびイソフタル酸、トリメシン酸、トリメリット酸が言及されてもよい。
好ましくは、本発明の方法のための少なくとも1つのポリカルボン酸は、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、メチルアジピン酸、メチルコハク酸、エチルコハク酸、メチルグルタル酸、ジメチルグルタル酸、イソクエン酸、酒石酸からなる群から選択される。
好ましくは、少なくとも1つのポリカルボン酸は、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、メチルアジピン酸、メチルコハク酸、エチルコハク酸、メチルグルタル酸、ジメチルグルタル酸、イソクエン酸、酒石酸からなる群から選択される。
少なくとも1つのポリカルボン酸は、アジピン酸であってもよい。
少なくとも1つのポリカルボン酸は、メチルアジピン酸、特に3−メチルアジピン酸であってもよい。
少なくとも1つのポリカルボン酸は、メチルコハク酸であってもよい。
少なくとも1つのポリカルボン酸は、クエン酸またはイソクエン酸であってもよい。
少なくとも1つのポリカルボン酸官能基の一部または全体は、カルボン酸誘導体の形態に、すなわち酸無水物、エステル、または塩、たとえばアルカリ金属(たとえばナトリウムもしくはカリウム)の塩またはアンモニウム塩の形態にあってもよい。用語「カルボキシレ−ト」は本明細書では以下、上に定義されたようなカルボン酸官能基の誘導体を示すために用いられるであろう。
本発明に使用される少なくとも1つのポリカルボン酸は任意選択的に、本発明の方法に使用される前に、たとえば、NaOHもしくはKOHなどの塩基との反応によって、中和されてもよい。
少なくとも1つのポリカルボン酸を水溶液の形態で、本方法の液状化工程中にまたは後にフィルターケーキに添加することができる。
フィルターケーキ中のシリカの量(SiOの観点から表される)に対して計算される、本発明の方法でフィルターケーキに添加される少なくとも1つのポリカルボン酸の量は、一般に少なくとも0.50重量%の、さらには少なくとも0.60重量%の、好ましくは少なくとも0.70重量%の、より好ましくは少なくとも0.75重量%のものである。フィルターケーキに添加される少なくとも1つのポリカルボン酸の量は典型的には、フィルターケーキ中のシリカの量(SiOの観点から表される)に対して、2.50重量%、好ましくは2.00重量%、より好ましくは1.75重量%を超えず、さらにより好ましくはそれは1.50重量%を超えない。フィルターケーキに添加される少なくとも1つのポリカルボン酸の量は典型的には、フィルターケーキ中のシリカの量(SiOの観点から表される)に対して0.50重量%〜2.00重量%、さらには0.60重量%〜1.75重量%の範囲にあってもよい。
液状化工程の終わりに得られる沈澱シリカ懸濁液は、典型的には乾燥させられる。乾燥は、当技術分野で公知の任意の手段を用いて実施されてもよい。好ましくは、乾燥は、噴霧乾燥によって実施される。この目的のために、任意の好適なタイプの噴霧乾燥機、とりわけタービン噴霧乾燥機またはノズル噴霧乾燥機(液圧または2流体ノズル)が用いられ得る。一般に、濾過がフィルタープレスを用いて実施される場合には、ノズル噴霧乾燥機が用いられ、そして濾過が真空フィルターを用いて実施される場合には、タービン噴霧乾燥機が用いられる。
ノズル噴霧乾燥機が用いられる場合には、沈澱シリカは通常、おおよそ球形のビーズの形状にある。
乾燥後に、ミリング工程が次に、回収生成物に関して実施されてもよい。そのとき得ることができる沈澱シリカは一般に、粉末の形状にある。
タービン噴霧乾燥機が用いられる場合には、沈澱シリカは典型的には、粉末の形状にある。
乾燥された(とりわけタービン噴霧乾燥機によって)または上に示されたようにミルにかけられた沈澱シリカは任意選択的に、集塊化工程にかけられてもよい。前記集塊化工程は、たとえば、直接圧縮、湿式造粒(すなわち、水、シリカ懸濁液などのバインダーを使っての)、押出または、好ましくは、乾式圧縮からなる。集塊化工程後に得ることができるシリカは一般に、顆粒の形状にある。
本発明の第2の目的は、沈澱シリカの特異的な製造方法である。前記方法は、シリケートと酸性化剤との間の沈澱反応(それによってシリカ懸濁液が得られる)、引き続くこの懸濁液の分離および乾燥の一般的な工程を含む。
本発明の第2の目的である方法は、
(i)反応に関与するシリケートの総量の少なくとも一部および電解質を容器に提供する工程であって、前記容器に当初存在するシリケートの濃度(SiOとして表される)が100g/L未満であり、好ましくは、前記容器に当初存在する電解質の濃度が19g/L未満である工程と;
(ii)少なくとも7.0の、特に7.0〜8.5の反応媒体についてのpH値を得るための量の酸性化剤を前記容器に添加する工程と;
(iii)酸性化剤および、適切な場合、同時に残りの量のシリケートを反応媒体にさらに添加してシリカ懸濁液を得る工程と;
(iv)前記シリカ懸濁液を濾過にかけてフィルターケーキを提供する工程と;
(v)前記フィルターケーキを、アルミニウム化合物の添加を任意選択的に含む、液状化工程にかけて、沈澱シリカの懸濁液を得る工程と;
(vi)任意選択的に、液状化工程後に得られた沈澱シリカを乾燥させる工程と
を含み、ここで、少なくとも1つのポリカルボン酸が、液状化工程中にまたは後にフィルターケーキに添加され、ここで、前記ポリカルボン酸は、5〜20個の炭素原子を有する線状もしくは分岐の、飽和もしくは不飽和の、脂肪族ポリカルボン酸からおよび芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択され、ただし、液状化工程がアルミニウム化合物の添加を含む場合には、前記ポリカルボン酸は、メチルグルタル酸およびポリカルボン酸の混合物からなる群から選択されない。
上に考察されたように、濾過工程の終わりに得られたフィルターケーキは、液状化操作にかけられる。液状化工程は、フィルターケーキに添加されるアルミニウム化合物の添加とともに実施されてもよい。このようにして得られたフィルターケーキは、最大でも30重量%の、好ましくは最大でも25重量%の固形分を示す。
本発明の第1の目的による方法について上に提供されたすべての定義および好みは、第2の目的の方法に等しく適用される。
酸性化剤のおよびシリケートの選択は、当技術分野で周知のやり方で行われる。一般に、酸性化剤として、硫酸、硝酸または塩酸などの、強い無機酸が使用される。あるいは、酢酸、ギ酸または炭酸などの、有機酸がまた、本方法のこの工程に使用されてもよい。
酸性化剤は、希薄または濃厚であり得るし;酸濃度は、0.4〜36.0N、たとえば0.6〜1.5Nであり得る。
特に、酸性化剤が硫酸である場合には、その濃度は、40〜180g/L、たとえば60〜130g/Lであり得る。
メタシリケート、ジシリケートおよび有利にはアルカリ金属シリケート、特にナトリウムもしくはカリウムシリケートなどの、任意の一般形態のシリケートが、本方法に使用されてもよい。
容器中に当初存在するシリケートは好都合には、40〜330g/L、たとえば60〜300g/Lの濃度(SiOの観点から表される)を有する。
好ましくは、シリケートは、ナトリウムシリケートである。ナトリウムシリケートが使用される場合には、それは一般に、2.0〜4.0、特に2.4〜3.9、たとえば3.1〜3.8の重量比SiO/NaOを示す。
工程(i)中に、シリケートおよび電解質が、適切な反応容器に最初に装入される。容器中に当初存在するシリケートの量は有利には、反応に関与するシリケートの総量の一部を表すにすぎない。
用語「電解質」は、通常認められているように本明細書では理解される、すなわち、それは、溶液にあるときに、分解してまたは解離してイオンまたは荷電粒子を形成する任意のイオン性または分子性物質を意味する。好適な電解質として、アルカリ金属およびアルカリ土類金属塩、特に出発シリケート金属のおよび酸性化剤の塩、たとえば、ナトリウムシリケートと塩酸との反応の場合には塩化ナトリウム、好ましくは、ナトリウムシリケートと硫酸との反応の場合には硫酸ナトリウムが言及されてもよい。
この製造方法の一特徴によれば、容器中の電解質の初期濃度は、19g/L未満、特に18g/L未満、とりわけ17g/L未満、たとえば15g/L未満であり;一方、一般に6g/L超である。
この方法の別の特徴によれば、容器中のシリケートの初期濃度(SiOの観点から表される)は、100g/L未満である。好ましくは、この濃度は、80g/L未満、特に70g/L未満である。特に、中和のために使用される酸が、特に70%超の、高い濃度を有する場合には、そのとき80g/L未満の容器中の初期濃度(SiOの観点から表される)で作業することが賢明である。
本方法の工程(ii)での酸性化剤の添加は、反応媒体のpHの低下をもたらす。酸性化剤の添加は、少なくとも7.0の、特に7.0〜8.5の、たとえば7.5〜8.5の反応媒体のpHの値に達するまで実施される。
所望のpH値に達したらすぐに、そしてシリケートの総量の一部のみが容器中に当初存在する方法の場合には、酸性化剤のおよび残りの量のシリケートの同時添加がそのとき有利には工程(iii)で実施される。
この同時添加は一般に、反応媒体のpHの値が常に工程(ii)の終わりに達した値に(±0.1以内まで)等しいような方法で実施される。
工程(iii)の終わりに、特に酸性化剤およびシリケートの上述の同時添加後に、結果として生じた反応媒体(水性懸濁液)の熟成を、工程(iii)の終わりに得られた同じpHで、実施することができる。この工程は一般に、たとえば2〜45分間、特に3〜30分間、懸濁液を攪拌しながら実施される。
シリケートの総量の一部のみが当初存在する場合、およびシリケート総量が存在する場合の両方とも、沈澱後に、任意選択のその後の工程で、追加の量の酸性化剤を反応媒体に添加することが可能である。この添加は一般に、3.0〜6.5、好ましくは4.0〜6.5のpH値が得られるまで実施される。
反応媒体の温度は一般に、75℃〜97℃、好ましくは80℃〜96℃である。
本製造方法の第1態様によれば、反応は、75℃〜97℃の一定温度で実施される。この方法の代わりの態様によれば、反応終了時の温度は、反応の開始時の温度よりも高い。したがって、反応の開始時の温度は好ましくは、75℃〜90℃に維持され;次に、温度は、90℃〜97℃の値まで好ましくは上昇し、その値に、それは反応の終わりまで維持される。
上に記載されたような工程(i)〜(iii)の終わりに、シリカ懸濁液が得られる。液/固分離工程がその後実施される。本方法のその後の工程は、本発明の第1の目的である方法の工程と同じものであってもよい。
分離工程は普通、任意の好適な方法を用いて、たとえばベルトフィルター、真空フィルターまたは、好ましくは、フィルタープレスを用いて実施される、濾過、引き続き、必要ならば、洗浄操作を含む。フィルターケーキは、濾過工程の終わりに得られる。
フィルターケーキは次に、アルミニウム化合物の添加を任意選択的に含む、液状化操作にかけられる。本発明によれば、上に定義されたような、少なくとも1つのポリカルボン酸が、液状化操作中にまたは後に添加される。
好ましくは、この製造方法では、液状化工程後に得られた沈澱シリカの懸濁液は、それが乾燥させられる直前に、最大でも25重量%の、特に最大でも24重量%の、とりわけ最大でも23重量%の、たとえば最大でも22重量%の固形分を示す。
砕解濾過ケーキはその後、乾燥させられる。
乾燥は、上に記載されたような当技術分野で公知の任意の手段に従って実施することができる。
乾燥されたまたはミルにかけられた生成物は任意選択的に、上に記載されたような集塊化工程にかけることができる。集塊化工程後に得られる沈澱シリカは一般に、顆粒の形状で存在する。
本発明はまた、本発明による方法によって得られた沈澱シリカに関する。
一般に、本発明の沈澱シリカは、その表面で、本方法に用いられたポリカルボン酸に相当する少なくとも1つのポリカルボン酸のおよび/またはカルボキシレ−トの分子を示す。
したがって、本発明のさらなる目的はこのようにして、少なくとも1つのポリカルボン酸またはその誘導体を含む沈澱シリカである。
沈澱シリカの製造方法に関して上に定義された少なくとも1つのポリカルボン酸およびその誘導体の種類に関するすべての定義および好みは、本発明の沈澱シリカに等しく適用される。
本発明の沈澱シリカは、ポリマー組成物用の充填剤として特に使用することができ、有利には、それらに溶融粘度の低下を提供する。前記ポリマー組成物の動的および機械的特性は一般に、先行技術の沈澱シリカを含む相当するポリマー組成物のそれらを超えて、改善されない場合には、変わらず維持される。
本発明による沈澱シリカは、少なくとも0.15重量%の、特に少なくとも0.20重量%の、全炭素として表される、少なくとも1つのポリカルボン酸のおよび/または相当するカルボキシレ−トの総含有率(C)を示す。ポリカルボン酸および/または相当するカルボキシレ−トの含有率(C)は、少なくとも0.25重量%の、特に少なくとも0.30重量%の、たとえば少なくとも0.35重量%の、実にさらには少なくとも0.45重量%のものであり得る。全炭素として表される、ポリカルボン酸および/または相当するカルボキシレ−トの含有率(C)は、特に限定されないが、それは典型的には10.00重量%を超えず、特にそれは5.00重量%を超えない。
全炭素として表される、(C)で示される、ポリカルボン酸のおよび/または相当するカルボキシレ−トの全含有量は、Horiba EMIA 320 V2などの、炭素/硫黄分析計を用いて測定することができる。炭素/硫黄分析計の原理は、誘導炉(おおよそ170mAに調整された)中でおよび燃焼促進剤(おおよそ2グラムのタングステン(特にLecocel 763−266)およびおおよそ1グラムの鉄)の存在下で酸素の流れ中での固体試料の燃焼に基づいている。
分析されるべき試料(おおよそ0.2グラムの重量)中に存在する炭素は、酸素と化合してCO、COを形成する。これらのガスはその後、赤外線検出器によって分析される。
試料からの水分およびこれらの酸化反応中に生成した水は、赤外線計測を妨げないように脱水剤(過塩素酸マグネシウム)を含むカートリッジ上に通すことによって除去される。
結果は、元素炭素の重量百分率として表される。
本発明の沈澱シリカの表面での少なくとも1つのポリカルボン酸のおよび/または相当するカルボキシレ−トの存在は、表面(透過)赤外線またはダイヤモンド−ATR赤外線によって特に得られる、赤外線スペクトルに見られる、C−OおよびC=O結合に特徴的なショルダー(特にC−Oについては1540〜1590cm−1および1380〜1420cm−1、ならびにC=Oについては1700〜1750cm−1)の存在によって決定することができる。
表面赤外線分析(透過による)は、純生成物のペレットに関してBruker Equinox 55分光計で実施され得る。ペレットは典型的には、瑪瑙乳鉢中でそのままシリカをすり潰し、そして10秒間2T/cmでペレット化した後に得られる。ペレットの直径は一般に17mmである。ペレットの重量は10〜20mgである。このようにして得られたペレットは、透過による分析の前に周囲温度で1時間、分光計の高真空チャンバー(10−7ミリバール)中に入れられる。取得は、高真空下で行われる(取得条件:400cm−1〜6000cm−1;スキャン数:100;解像度:2cm−1)。
ダイヤモンド−ATR分析は、Bruker Tensor 27分光計で実施されてもよく、それは、瑪瑙乳鉢で予めすり潰されたスパチュラ先端のシリカを、ダイヤモンド上に、堆積させることに、そして次に圧力をかけることにある。赤外線スペクトルは、650cm−1から4000cm−1まで、20スキャンで分光計で記録される。解像度は4cm−1である。
本製造方法に用いられるシリケート出発原料源に応じて、本発明の沈澱シリカは、追加の元素、たとえば金属を含有してもよい。前記追加の元素の中に、アルミニウムが言及されてもよい。
上に考察されたように、アルミニウム化合物は、液状化工程でフィルターケーキに添加されてもよい。そのような場合には、本発明に従った沈澱シリカは特に、少なくとも0.20重量%の、典型的には少なくとも0.30重量%の、特に少なくとも0.33重量%の総アルミニウム(Al)含有率を示すことができる。それは一般に、1.00重量%未満の、特に最大でも0.50重量%の、たとえば最大でも0.45重量%のアルミニウム(Al)含有率を示す。
アルミニウム化合物が液状化工程中に使用される場合には、次の関係:
(式中:
− Nは、ポリカルボン酸当たりのカルボン酸官能基の平均数であり(たとえば、ポリカルボン酸がすべてジカルボン酸(それぞれトリカルボン酸)である場合には、Nは2に(それぞれ3に)等しく)、
− (C)および(Al)は、上に定義されたような含有率であり、
− Cは、ポリカルボン酸の炭素含有率であり、
− MAlは、アルミニウムの分子量であり、
− MACは、ポリカルボン酸の分子量である)
によるように定義される比(R)によって、沈澱シリカ中の少なくとも1つのポリカルボン酸およびアルミニウムの量間の比を定義することが有用であり得る。
比(R)は典型的には、0.4〜3.5、特に0.4〜2.5であってもよい。比(R)はまた、0.5〜3.5、特に0.5〜2.5、とりわけ0.5〜2、たとえば0.8〜2、実にさらには0.8〜1.8、または0.8〜1.6であり得る。
(Al)と示される、アルミニウムの含有量は、たとえばPanalytical 2400分光計を使って、好ましくは、Panalytical MagixPro PW2540分光計を使って、波長分散X線蛍光によって測定することができる。X線蛍光によるAl測定は典型的には、たとえば沈澱シリカの顆粒をすり潰すことによって得られた、沈澱シリカの均一な粉末に関して実施される。粉末は、37mmの照射径で、ヘリウム雰囲気下に、6μmの厚さのポリプロピレンフィルム付きの40mmの直径を有する容器中でそのまま分析され、分析されるシリカの量は、9cmである。アルミニウム含有量の測定は、Kα線(2θ角=145°、PE002結晶、550μmコリメータ、ガスフロー検出器、ロジウム管、32kVおよび125mA)から得られる。この線の強度は、アルミニウム含有量に比例する。ICP−AES(誘導結合プラズマ−原子発光分光法)などの、別の測定方法を用いて実施されたプレキャリブレーションを用いることが可能である。
アルミニウム含有量はまた、任意の他の好適な方法によって、たとえばフッ化水素酸の存在下で水に溶解させた後にICP−AESによって測定することができる。
さらに、本発明による沈澱シリカは、固体アルミニウムNMRによって測定される、アルミニウムの配位数の特異的分布を有することができる。一般に、本発明によるシリカの最大でも数で85%、特に最大でも数で80%、特に数で70%〜85%、たとえば数で70〜80%のアルミニウム原子は、4面体配位数を示すことができる、すなわち、4面体位置に存在し得る。特に、本発明によるシリカの数で15〜30%、たとえば数で20%〜30%のアルミニウム原子は、5面体または8面体配位数を示すことができる、すなわち、5面体または8面体位置に存在し得る。
本発明による沈澱シリカは典型的には、少なくとも45m/gの、特に少なくとも70m/gの、好ましくは少なくとも80m/gのBET比表面積を有する。BET比表面積は、さらには少なくとも100m/gの、好ましくは少なくとも120m/gの、より好ましくは少なくとも130m/gのものであってもよい。
BET比表面積は一般に、最大でも550m/g、特に最大でも370m/g、さらには最大でも300m/gである。BET比表面積は、最大でも240m/g、特に最大でも190m/g、さらには最大でも170m/gであってよい。BET比表面積は、The Journal of the American Chemical Society,Vol.60,ページ309,1938年2月に記載されている、そして標準NF ISO 5794−1,Appendix D(2010年6月)に相当するBrunauer−Emmett−Teller法に従って測定される。
本発明のある実施形態では、本発明による沈澱シリカは、それが:
− 45〜550m/g、特に70〜370m/g、とりわけ80〜300m/gのBET比表面積、ならびに
− 少なくとも0.15重量%の、特に少なくとも0.20重量%の、全炭素として表される、ポリカルボン酸および/または相当するカルボキシレ−トの含有量(C)
を有することを特徴とする。
別の実施形態では、本発明による沈澱シリカは、それが:
− 45〜550m/g、特に70〜370m/g、とりわけ80〜300m/gのBET比表面積;
− 少なくとも0.15重量%の、特に少なくとも0.20重量%の、全炭素として表される、ポリカルボン酸および/または相当するカルボキシレ−トの含有量(C);ならびに
− 任意選択的に、少なくとも0.30重量%のアルミニウム(Al)の含有量
を有することを特徴とする。
一般に、本発明による沈澱シリカは、40〜525m/g、特に70〜350m/g、とりわけ80〜310m/g、たとえば100〜240m/gのCTAB比表面積を有する。このCTAB比表面積は特に、130〜200m/g、例えば、140〜190m/gであり得る。標準NF ISO 5794−1,Appendix G(2010年6月)に従って測定することができる、CTAB比表面積は、外部表面積である。
本発明による沈澱シリカは、0.9〜1.2のBET比表面積/CTAB比表面積比を示す、すなわち、それは低い微細孔性を示す。
好ましくは、本発明により沈澱シリカは、43mJ/m未満の、特に42mJ/m未満の表面エネルギーγ の分散成分を示す。
それは、少なくとも25mJ/mのおよび43mJ/m未満の、特に27〜43mJ/mの、たとえば28〜42mJ/mの表面エネルギーγ の分散成分を示すことができる。
好ましくは、本発明の沈澱シリカは、40mJ/m未満の表面エネルギーγ の分散成分を示す。いくつかの場合には、表面エネルギーγ の分散成分は、35mJ/m未満のものであってもよい。
表面エネルギーγ の分散成分は、106μm〜250μmの平均サイズを有すると、顆粒に関する逆ガスクロマトグラフィーによって測定される。
表面エネルギーγ の分散成分を計算するために用いられる技法は、6〜10個の炭素原子の範囲の一連のアルカン(ノルマルアルカン)を使用する110℃でのInverse Gas Chromatography at Infinite Dilution(IGC−ID)(無限希釈での逆ガスクロマトグラフィー)、ガスクロマトグラフィーをベースとする技法であるが、この場合には移動相のおよび固定相(パッキング)の役割が逆である。この場合には、カラム中の固定相は、分析されるべき(固体)材料、この場合には沈澱シリカで置き換えられる。移動相に関しては、それは、キャリアガス(ヘリウム)から、およびそれらの相互作用能力の関数として選ばれる「プローブ」分子からなる。測定は、各プローブ分子を使って引き続いて実施される。各測定のために、各プローブ分子が、メタンとの混合物として、非常に少量(無限希釈)で、カラム中へ注入される。メタンは、カラムのt、デッドタイムを測定するために使用される。
注入されたプローブの正味保持時間(t)は、プローブの保持時間からデッドタイムtを差し引くことによって得られる。物理的には、tは、プローブ分子が固定相(分析される固体)と接触して費やした平均時間に相当する。注入される各プローブ分子について、3つの正味保持時間tが測定される。平均値および相当する標準偏差が、次の関係(式[1]):
式[1]
に基づいて比保持容量(V )を求めるために用いられる。
比保持容量V は、固定相(検討される固体)の1グラム当たりプローブ分子を溶離するために必要なキャリアガスの容積(0℃について言及される)に相当する。この標準量は、どんなキャリアガスの流量および使用される固定相の重量でも、結果を比較することを可能にする。式[1]において:M カラム中の固体の重量、D キャリアガスの流量およびT 測定温度。
比保持容量はその後、カラム中に存在する固体に関して、式[2](式中、Rは普遍的な理想ガス定数(R=8.314J.K−1.モル−1である)に従って、ΔG、プローブの吸着のエンタルピーの変動を計算するために用いられる。
ΔG=RTLn(V ) 式[2]
この量ΔGは、表面エネルギー(γ )の分散成分の測定のための出発点である。後者は、下表に示されるような、n−アルカンプローブの炭素数nの関数として吸収の自由エンタルピーの変動(ΔG)を表す直線をプロットすることによって得られる。
次に、110℃の測定温度について得られた、メチレン基の吸着の自由エンタルピーに相当する、ノルマルアルカンの直線の傾斜ΔG CH2から表面エネルギーγ の分散成分を求めることが可能である。
表面エネルギーγ の分散成分は次に、次の関係:
[式中、Nはアボガドロ数(6.02×1023モル−1)であり、αCH2は、吸着されたメチレン基によって占有される面積(0.06nm)であり、γCH2は、専らメチレン基からなる固体の、そしてポリエチレンに関して測定される表面エネルギー(20℃で35.6mJ/m)である]
によってメチレン基の吸着の自由エンタルピーΔG CH2と関連付けられる(DorrisおよびGray法,J.Colloid Interface Sci.,77(180),353−362)。
本発明による沈澱シリカは、少なくとも6.0%の、特に少なくとも7.0%の、とりわけ少なくとも7.5%の、たとえば少なくとも8.0%の、実にさらには少なくとも8.5%の吸水量を示す。吸水量は一般に、15.0%を超えない。
本発明の追加の実施形態では、本発明の沈澱シリカは、それが、
− 45〜550m/g、特に70〜370m/g、とりわけ80〜300m/gのBET比表面積、
− 少なくとも0.15重量%の、特に少なくとも0.20重量%の、全炭素として表される、ポリカルボン酸および/または相当するカルボキシレ−トの含有量(C);
− 任意選択的に、少なくとも0.30重量%のアルミニウム(Al)の含有量;ならびに
− 少なくとも6.0%の吸水量
を有することを特徴とする。
吸水量を測定するために用いられる技法は一般に、予め乾燥させたシリカ試料を、所定時間、所与の相対湿度条件下に置くことにあり;シリカはそのとき水和し、それは、試料の重量を初期値w(乾燥状態での)から最終値w+dwへと変化させる。シリカの「吸水量」は具体的には、特に計測の継続の初めから終わりまで、測定方法中に、次の条件(予備乾燥:150℃で、8時間;水和:20℃で、および70%の相対湿度下に、24時間)にさらされたシリカ試料について計算される、百分率として表される、dw/w比(すなわち、乾燥状態の試料の重量に対して試料中に組み入れられた水の重量)を意味する。
用いられる実験プロトコルは、引き続いて:おおよそ2グラムの試験されるべきシリカを正確に秤量すること;このように秤取されたシリカを、105℃の温度に調節されるオーブン中で、8時間、乾燥させること;この乾燥操作の終わりに得られたシリカの重量wを測定すること;密閉媒体の相対湿度が70%であるように、水/グリセロール混合物を含む、デシケーターなどの、密閉容器中に乾燥シリカを、20℃で、24時間入れること;24時間70%相対湿度でのこの処理の後に得られたシリカの重量(w+dw)を測定すること(この重量の測定は、70%相対湿度での媒体と実験室の雰囲気との間の水分計測における変化の影響下でのシリカの重量の変動を防ぐために、デシケーターからシリカを取り出した後直ちに実施される)にある。
一般に、本発明による沈澱シリカは、高い分散能力(特にエラストマーにおいて)および解集塊化能力を示す。
本発明による沈澱シリカは、最大でも5μmの、好ましくは最大でも4μmの、特に3.5〜2.5μmの、超音波での解集塊化後の、直径φ50Mを示すことができる。
本発明による沈澱シリカは、5.5ml超の、特に7.5ml超の、たとえば12ml超の超音波解集塊化係数Fを示すことができる。
一般に、シリカの分散能力および解集塊化能力は、以下に記載される比解集塊化試験を用いて定量化することができる。
粒度測定は、超音波処理によって予め解集塊化されたシリカの懸濁液に関して(レーザー回折によって)実施され;シリカの解集塊化(0.1〜数十ミクロンへの物体の開裂)能力はこのようにして測定される。超音波下の解集塊化は、19mmの直径を有する探蝕子を備えたVibracell Bioblock(600W)超音波破砕機を用いて実施される。粒度測定は、Fraunhofer理論を用いて、MALVERN(Mastersizer 2000)粒度計を用いるレーザー回折によって実施される。1グラム(±0.1グラム)のシリカが、50mlビーカー(高さ:7.5cmおよび直径:4.5cm)へ導入され、重量が、49グラム(±0.1グラム)の脱イオン水の添加によって50グラムに調製される。2%水性シリカ懸濁液がこのようにして得られる。水性シリカ懸濁液はこうして、7分間超音波処理によって解集塊化される。粒度測定はその後、得られた懸濁液をすべて粒度計の容器中へ導入することによって実施される。
超音波での解集塊化後の、中央径φ50M(つまり中央径Malvern)は、容積で粒子の50%がφ50M未満のサイズを有し、50%がφ50M超のサイズを有するようなものである。得られる中央径φ50Mの値は、シリカの解集塊化能力の増加に比例して低下する。
比10×青色レーザーオブスキュレーションの値/赤色レーザーオブスキュレーションの値を測定することもまた可能であり、この光学密度は、シリカの導入中に粒度計によって検出される真値に相当する。この比(Malvern解集塊化係数FDM)は、粒度計によって検出されない0.1μm未満のサイズの粒子の含有量を示す。この比は、シリカの解集塊化能力が増加するのに比例して増加する。
本発明による沈澱シリカの別のパラメーターは、その細孔容積の分布であり、特に、400Å以下の直径を有する細孔によって生み出される細孔容積の分布にある。後者の容積は、エラストマーの強化に用いられる充填材の有用な細孔容積に相当する。一般に、プログラムの解析は、このシリカが、実質的に球形のビーズ(マイクロビーズ)の、粉末のもしくは顆粒の形状で同様に良好に、175〜275Åの直径を有する細孔によって生み出される細孔容積(V2)が、400Å以下の直径の細孔によって生み出される細孔容積(V1)の、少なくとも50%、特に少なくとも55%、とりわけ55%〜65%、たとえば55%〜60%を表すような細孔分布を好ましくは有することを示す。本発明による沈澱シリカが顆粒の形状で提供される場合、それは任意選択的に、175〜275Åの直径を有する細孔によって生み出される細孔容積(V2)が、400Å以下の直径の細孔によって生み出される細孔容積(V1)の少なくとも60%を表すような細孔分布を有することができる。
細孔容積および孔径は、Micromeritics Autopore 9520ポロシメーターを用いる水銀(Hg)多孔度測定によって測定され、130°に等しい接触角シータおよび484ダイン/cmに等しい表面張力ガンマとのWashburn関係によって計算される(標準DIN 66133)。各試料は、測定が実施される前に2時間200℃でのオーブン中で予め乾燥させられる。
本発明による沈澱シリカは好ましくは、3.5〜7.5、より好ましくはさらに4.0〜7.0のpHを示す。
pHは、次の通り標準ISO 787/9の修正に従って測定する(水中5%懸濁液のpH):5グラムのシリカを、約0.01グラム以内まで200mlビーカーへ秤量する。目盛り付きメスシリンダーから測られた、95mlの水を次にシリカ粉末に添加する。このようにして得られた懸濁液を10分間激しく攪拌する(磁気攪拌)。pH測定を次に実施する。
本発明による沈澱シリカは、任意の物理的状態で提供することができる、すなわち、それは、実質的に球形のビーズ(マイクロビーズ)の、粉末のもしくは顆粒の形状で提供することができる。
それはしたがって、少なくとも80μmの、好ましくは少なくとも150μmの、特に150〜270μmの平均サイズの実質的に球形のビーズの形状で提供することができ;この平均サイズは、乾式ふるい分けおよび50%の累積オーバーサイズに相当する直径の測定によって標準NF X 11507(1970年12月)に従って測定される。
それはまた、少なくとも3μmの、特に少なくとも10μmの、好ましくは少なくとも15μmの平均サイズの粉末の形状で提供することができる。
それは、特にそれらの最大寸法の軸に沿って、少なくとも1mmの、たとえば1〜10mmのサイズの顆粒の形状で提供することができる。
本発明によるシリカは好ましくは、上記の方法、特に本発明の第2の目的である方法によって得られる。
有利には、本発明による、つまり上記の本発明による方法によって得られた沈澱シリカは、それらが導入されるポリマー(エラストマー)組成物に、特性の非常に満足できる折衷、特にそれらの粘度の低下を付与する。好ましくは、それらは、ポリマー組成物、好ましくはエラストマー組成物において良好な分散能力および解集塊化能力を示す。
本発明による、つまり本発明による上記の方法によって得られる(得ることができる)沈澱シリカは、多数の用途に使用することができる。
本発明の沈澱シリカは、たとえば、触媒担体として、ポリマー組成物、とりわけエラストマー組成物中の、活性物質用の吸収剤(特に、ビタミン(ビタミンE)もしくは塩化コリンなどの、とりわけ食品中に使用される、液体用の担体)として、粘性化剤、テクスチャライジング剤もしくは凝固防止剤として、電池セパレーター構成部品として、または練り歯磨き、コンクリートもしくは紙用の添加剤として用いることができる。
しかし、本発明の沈澱シリカは、天然もしくは合成ポリマーの強化において特に有利な用途を見いだす。
特に強化充填材として、それを用いることができるポリマー組成物は一般に、−150℃〜+300℃、たとえば−150℃〜+20℃の少なくとも1つのガラス遷移温度を好ましくは示す、1つ以上のポリマーもしくはコポリマーを、特に1つ以上のエラストマーをベースとしている。
表現「コポリマー」は本明細書では、異なる種類の少なくとも2つのモノマー単位に由来する繰り返し単位を含むポリマーに言及するために用いられる。
可能なポリマーとして、ジエンポリマー、特にジエンエラストマーが特に言及されてもよい。
たとえば、少なくとも1つの不飽和を含む脂肪族もしくは芳香族モノマー(特に、エチレン、プロピレン、ブタジエン、イソプレン、スチレン、アクリロニトリル、イソブチレンもしくは酢酸ビニルなどの)に由来するポリマーもしくはコポリマー、ポリブチルアクリレート、またはそれらの混合物が使用されてもよく;官能化エラストマー、すなわち、高分子鎖に沿っておよび/またはその末端の1つ以上に配置された化学基によって(たとえば、シリカの表面と反応することができる官能基によって)官能化されたエラストマー、およびハロゲン化ポリマーがまた言及されてもよい。ポリアミド、エチレンホモポリマーおよびコポリマー、プロピレンホモポリマーおよびコポリマーが言及されてもよい。
ポリマーは、任意の形状にあり得る。それは、バルクポリマー、ポリマーラテックスあるいは水中のまたは任意の他の適切な分散液体中のポリマーの溶液であり得る。
ジエンエラストマーの中に、たとえば、ポリブタジエン(BR)、ポリイソプレン(IR)、ブタジエンコポリマー、イソプレンコポリマー、またはそれらの混合物、および特にスチレン/ブタジエンコポリマー(SBR、特にESBR(エマルジョン)もしくはSSBR(溶液))、イソプレン/ブタジエンコポリマー(BIR)、イソプレン/スチレンコポリマー(SIR)、イソプレン/ブタジエン/スチレンコポリマー(SBIR)、エチレン/プロピレン/ジエンターポリマー(EPDM)、ならびにまた関連官能化ポリマー(たとえば、シリカと相互作用することができる、ペンダント極性基もしくは鎖末端に極性基を示す)が言及されてもよい。
天然ゴム(NR)およびエポキシ化天然ゴム(ENR)がまた言及されてもよい。
ポリマー組成物は、硫黄で加硫する(加硫物がそのとき得られる)または、特に過酸化物もしくは他の架橋系(たとえばジアミンもしくはフェノール樹脂)で架橋することができる。
一般に、ポリマー組成物はさらに、少なくとも1つの(シリカ/ポリマー)カップリング剤および/または少なくとも1つの被覆剤を含み;それらはまた、とりわけ、酸化防止剤を含むことができる。
カップリング剤として、非限定的な例として、「対称」もしくは「非対称」シランポリスルフィドが特に使用されてもよく;より具体的には、トリエトキシシリルプロピルテトラスルフィドなどの、たとえば、ビス(3−(トリメトキシシリル)プロピル)ポリスルフィドもしくはビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)ポリスルフィドなどの、ビス((C〜C)アルコキシル(C〜C)アルキルシリル(C〜C)アルキル)ポリスルフィド(特にジスルフィド、トリスルフィドもしくはテトラスルフィド)が言及されてもよい。モノエトキシジメチルシリルプロピルテトラスルフィドがまた言及されてもよい。マスクされたまたは遊離のチオール官能基を含むシランがまた言及されてもよい。
カップリング剤は、ポリマーに予めグラフトすることができる。それはまた、遊離状態で(すなわち、予めグラフトされていない)用いるかまたはシリカの表面でグラフトさせることができる。それは、任意選択の被覆剤について同じことである。
カップリング剤は任意選択的に、適切な「カップリング活性化剤」、すなわち、このカップリング剤と混合されて、後者の有効性を増加させる化合物と組み合わせることができる。
ポリマー組成物中の本発明のシリカの重量割合は、かなり広い範囲内で変わることができる。それは普通は、ポリマーの量の、10%〜200%、特に20%〜150%、とりわけ20%〜80%(たとえば30%〜70%)または80%〜120%(たとえば90%〜110%)を表す。
本発明によるシリカは有利には、ポリマー組成物の強化無機充填材のすべておよびさらには強化充填材のすべてを構成することができる。
しかし、本発明によるこのシリカは任意選択的に、たとえば、Zeosil(登録商標)Z1165MPもしくはZeosil(登録商標)Z1115MP(Solvayから商業的に入手可能な)などの、特に、市販の高分散性シリカ、処理された沈澱シリカ(たとえば、アルミニウムなどの、カチオンを使用して「ドープされた」沈澱シリカ)などの、少なくとも1つの他の強化充填材;たとえば、アルミナなどの、別の強化無機充填材、実にさらには強化有機充填材、特にカーボンブラック(たとえばシリカの、無機層で任意選択的に被覆された)と組み合わせることができる。本発明によるシリカはそのとき好ましくは、強化充填材の総量の、少なくとも50重量%、実にさらには少なくとも80重量%を構成する。
本発明の沈澱シリカを含む組成物は、多数の物品の製造のために使用され得る。上記の(特に上述の加硫物をベースとする)ポリマー組成物の少なくとも1つを含む(特にポリマー組成物をベースとする)最終物品の非限定的な例は、履物底(好ましくは(シリカ/ポリマー)カップリング剤、たとえばトリエトキシシリルプロピルテトラスルフィドの存在下での)、床仕上げ材、ガスバリア、難燃性材料、およびまた、空中ケーブル用のローラー、家庭電化製品用のシール、液体またはガスパイプ用のシール、ブレーキシステムシール、パイプ(可撓性)、被覆材料(特にケーブル被覆材料)、ケーブル、エンジンサポート、電池セパレーター、コンベヤーベルト、伝動ベルトまたは、好ましくは、タイヤ、特にタイヤトレッド(とりわけ軽自動車用のもしくは重量物運搬車(たとえばトラック)用の)などの、エンジニアリング構成部品である。
参照により本明細書に援用される特許、特許出願、および刊行物のいずれかの開示が用語を不明瞭にさせ得る程度まで本出願の記載と矛盾する場合、本記載が優先するものとする。
本発明は、以下の実施例に関連してこれからより詳細に説明されるが、実施例の目的は、例示的なものであるにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。
実施例1
シリカ懸濁液は、欧州特許出願公開第520862A1号明細書の実施例12に記載されている方法に従って調製した。
シリカ懸濁液を濾過し、フィルタープレス上で洗浄し、次に同じフィルター上で5.5バールの圧力での圧縮にかけた。
フィルターケーキを、アルミン酸ナトリウム(0.30重量%のAl/SiO比)のケーキへの添加で連続的な激しく攪拌される反応器中での液状化操作にかけた。この段階後に、クエン酸アルミニウム溶液を、液状化フィルターケーキに添加した。クエン酸アルミニウム溶液は、クエン酸溶液(100g/L−ターゲット:クエン酸/SiO比:2.00%)をアルミン酸ナトリウム溶液(ターゲット:Al/SiO比:0.30重量%)に添加することによって調製した。フィルターケーキに添加されるAlおよびクエン酸の総量は、約0.60重量%のAl/SiO比および約2.0重量%のクエン酸/SiO比であった。
この砕解ケーキ(19.6重量%の固形分を有する)をその後、ノズル噴霧器を用いて、流量のおよび温度の次の平均条件:
平均入口温度:485℃
平均出口温度:153℃
平均流量:166L/h
下に25バールの圧力で1.5mmノズルを通して砕解ケーキを噴霧することによって乾燥させた。
得られた本発明のシリカS1(実質的に球形のビーズの形状での)の特性は、下記であった:
実施例2および比較例1
以下の材料を、SBRベースのエラストマー組成物の調製に使用した:
SBR:50±4%のビニル単位;25±2%のスチレン単位;−20℃近くのTgの;Lanxess製のSBR Buna VSL5025−2;37.5±2.8重量%のオイルで増量された100phrのSBR/
BR:Lanxess製のオイルBuna CB 24
Solvayから商業的に入手可能なSilica Z1165 MP
S1:実施例1に従って製造された本発明による沈澱シリカ
カップリング剤:Lehvoss France sarl製のLuvomaxx TESPT
可塑剤:Nynas製のNytex 4700ナフテン系可塑剤
酸化防止剤: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;Flexsys製のSantoflex 6−PPD
DPG:ジフェニルグアニジン;RheinChemie製のPhenogran DPG−80
CBS: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;RheinChemie製のRhenogran CBS−80
エラストマーの100部当たりの重量部(phr)として表される、エラストマーブレンドの組成物を、下の表Iに示し、次の手順に従ってBrabender型の内部ミキサー(380ml)で調製した。
ゴム組成物の調製手順
組成物は、2つの逐次段階で調製した:第1段階は高温熱機械仕事からなり、これに110℃未満の温度での機械仕事の第2段階が続いた。この段階は、加硫系の導入を可能にする。
第1段階は、Brabenderブランドの、内部ミキサー型の混合装置(380mlの容量)を用いて実施した。充填係数は0.6であった。初期温度およびローターの速度は、それぞれの場合に、おおよそ140〜160℃の混合物落下温度を達成するようにセットした。
第1段階の間中、カップリング剤およびステアリン酸とともにエラストマーおよび次に強化充填材(数回に分けての導入)を、第1パスで、組み入れることが可能であった。このパスについて、継続時間は、4〜10分であった。
混合物を(100℃未満の温度に)冷却した後、第2パスは、酸化亜鉛および保護剤/酸化防止剤を組み入れることを可能にした。このパスの継続時間は2〜5分であった。
混合物を(100℃未満の温度に)冷却した後、加硫系(硫黄および、CBSなどの、加硫促進剤)を混合物に添加した。第2段階は、50℃に予熱された、オープンミルで実施した。この段階の継続時間は2〜6分であった。
各最終混合物をその後、2〜3mmの厚さのプラークの形状でカレンダー仕上げした。
その後、硬化最適条件(T98)で加硫された混合物の機械的および動的特性を、以下の方法に従って測定した。
レオロジー特性
生の混合物の粘度
ムーニー(Mooney)粘度は、MV 2000レオメーターを用いて100℃で生の状態での組成物に関して測定した。Mooney応力緩和速度は、標準NF ISO 289によった。
1分間の予熱後4分の終わりに読み取られる、トルクの値(Mooney Large(1+4)−100℃での)を表IIに示す。試験は、23±3℃の温度で12日間エージングした後の生の混合物に関して実施した。
本発明の沈澱シリカS1を含む組成物(実施例1)は、先行技術の沈澱シリカを含む組成物に対して低下した初期生粘度を有することが分かった。対照組成物に対して本発明の沈澱シリカS1を含む組成物の低下した粘度は、エージング後でさえも維持される。満足できる経時Mooney緩和もまた観察される。
レオメトリー試験
測定は、生の状態での組成物に関して実施した。レオロジー試験は、標準NF ISO 3417に従ってMonsanto ODRレオメーターを用いて160℃で実施した。この試験によれば、試験組成物を、30分間、160℃の温度に調整された試験チャンバーに入れ(チャンバーを完全に満たし)、試験チャンバーに含まれる二円錐ローターの低い振幅(3°)振動に対して組成物によって逆らわれる抵抗トルクを測定する。
次のパラメーター:
− 検討中の温度での組成物の粘度を反映する、最小トルク(Tmin);
− 最大トルク(Tmax);
− 架橋系のおよび、必要に応じて、カップリング剤の作用によってもたらされる架橋度を反映する、デルタトルク(ΔT=Tmax−Tmin);
− 完全加硫の98%に相当する加硫度を得るために必要な時間T98(この時間は、加硫最適条件と見なされる);ならびに
− 検討中の温度(160℃)で最小トルクよりも2ポイント上のトルクを増加させるのに必要とされる時間、そして加硫を開始させることなくこの温度で生の混合物を加工することが可能である時間を反映する時間に相当するスコーチ時間TS2
を、時間の関数としてのトルクの変動の曲線から求めた。
実施例2および比較例1の組成物について得られた結果を表IIIに示す。
本発明による組成物(実施例2)は、レオロジー特性の満足できる組み合わせを示すことが分かった。
特に、生の粘度を低下させながら、それは、組成物のより大きい加工性を反映する、対照組成物のそれらよりも低い最小トルク値および高い最大トルク値を示した。
本発明のシリカS1の使用(実施例2)はしたがって、加硫挙動を損傷することなく対照混合物に対して最小粘度を下げること(生の粘度の改善のサインである、より低い最小トルクTmin)を可能にする。
加硫物の機械的特性:
測定は、160℃の温度で得られる最適加硫組成物(T98)に関して実施した。
一軸引張試験を、Instron 5564装置で500mm/分の速度にてH2型の試験体を使って標準NF ISO 37に従って実施する。x%の引張歪みで測定される応力に相当する、x%弾性率は、MPa単位で表した。
300%歪みでの弾性率対100%歪みでの弾性率の比に等しい強化指数(RI)を求めた。
加硫物に関するShore(ショア)A硬度測定は、15秒の測定時間を用いて、標準ASTM D 2240に従って実施した。
これらの特性を表IVに報告する。
本発明の沈澱シリカの使用(実施例2)は、対照混合物に対して、満足できるレベルの強化を得ることを可能にする。
加硫物の動的特性の測定
動的特性は、標準ASTM D5992に従って粘度分析計(Metravib VA3000)で測定した。
損失率(tan δ)についての値を、加硫試料(95mmの横断面および14mmの高さの円筒形試験体)に関して記録した。試料を、開始時に10%予歪みに、次にプラスまたはマイナス2%の交互圧縮での正弦波歪みにかけた。測定は、60℃でおよび10Hzの周波数で実施した。
動的剪断弾性率の振幅(ΔG’)についての値を、加硫試料(8mmの横断面および7mmの高さの平行六面体試験検体)に関して記録した。試料を、40℃の温度でおよび10Hzの周波数で二重交互正弦波剪断歪みにかけた。歪み振幅掃引サイクルを、0.1%から50%まで外側に進み、そして次に50%から0.1%まで戻る、アウトワード−リターンサイクルに従って実施した。
実施例2および比較例2の組成物について得られたデータを表Vに報告する。それらは、リターン歪み振幅掃引のデータを示し、損失率の最大値(tan δmaxリターン、40℃、10Hz)に、そして0.1%および50%歪みでの値間の弾性率の振幅(ΔG’、40℃、10Hz)(Payne効果)に関係する。
本発明のシリカS1の使用(実施例2)は、対照混合物に対して弾性率の振幅(つまりPayne効果)およびtan δ maxリターンを改善することを可能にする。
表II〜Vのデータは、本発明の沈澱シリカを含む組成物が、特に、標準対照に対して経時貯蔵時により安定した状態を保つ生の粘度の獲得とともに、対照組成物に対して、加工、強化およびヒステリシス特性の間の良好な折衷で特徴づけられることを示す。
実施例3および4
シリカ懸濁液は、欧州特許出願公開第520862A1号明細書の実施例12に記載されている方法に従って調製した。
フィルターケーキの第1部分を、水中の3−メチルコハク酸の175グラムの溶液(8重量%;1.0重量%の酸/SiO比x)のおよび36gのアルミン酸ナトリウム溶液(0.30重量%の重量によるAl/SiO比)のケーキへの同時添加で連続的な激しく攪拌される反応器中での液状化操作にかけた。
この砕解ケーキをその後、ノズル噴霧器を用いて、流量のおよび温度の次の平均条件:
平均入口温度:250℃
平均出口温度:135℃
平均流量:15L/h
下に1バールの圧力で2.5mmノズルを通して砕解ケーキを噴霧することによって乾燥させた。
シリカS2がこのようにして得られた。
フィルターケーキの第2部分を、水中の3−メチルアジピン酸の243グラムの溶液(6重量%;1.0重量%の酸/SiO比)のおよび36gのアルミン酸ナトリウム溶液(0.30重量%のAl/SiO比)のケーキへの同時添加で連続的な激しく攪拌される反応器中での液状化操作にかけた。
砕解ケーキをその後、上記の同じ条件下で乾燥させてシリカS3を得た。
得られた本発明のシリカS2およびS3(実質的に球形のビーズの形状での)の特性は、下記であった:
実施例5および6ならびに比較例2
実施例2および比較例1について記載された同じ手順に従って、表VIに規定される組成物を調製した、ここで:
BRは:Lanxess製のオイルBuna CB 25である
Silica Z1165 MPは、Solvayから商業的に入手可能な沈澱シリカである
S2およびS3は、実施例3および4に従って調製された本発明による沈澱シリカである。
その後、硬化最適条件(T98)で加硫された混合物のレオロジー特性、機械的および動的特性を、上記の方法に従って測定した。結果を表VII〜XIに報告する。
本発明の沈澱シリカS2およびS3を含む組成物(実施例5および6)は、先行技術の沈澱シリカを含む組成物に対して低下した初期生粘度を有することが分かった。対照組成物に対して本発明の沈澱シリカS1を含む組成物の低下した粘度は、エージング後でさえも維持される。満足できる経時Mooney緩和もまた観察される。
本発明の組成物について得られたレオメトリー試験の結果を表VIIIに示す。
本発明による組成物は、レオロジー特性の満足できる組み合わせを示す。特に、低下した生の粘度を持ちながら、加硫のスコーチ時間および速度が対照に対して改善された。
組成物の機械的特性は、160℃の温度で得られる最適加硫組成物(T98)に関して測定した。結果を表IXに報告する:
本発明の沈澱シリカの使用(実施例5および6)は、対照混合物に対して、満足できるレベルの強化を得ることを可能にする。
加硫組成物の動的特性を表Xに報告する。
損失率(tan δ)についてのおよび複素弾性率(E*)の値を、加硫試料(95mmの横断面および14mmの高さの円筒形試験体)に関して記録した。試料を、開始時に10%予歪みに、次にプラスまたはマイナス2%の交互圧縮での正弦波歪みにかけた。測定は、60℃でおよび10Hzの周波数で実施した。
表VII〜Xのデータは、本発明の沈澱シリカを含む組成物が、特に、標準対照に対して経時貯蔵時により安定した状態を保つ生の粘度ならびに加硫挙動の獲得とともに、対照組成物に対して、加工、強化およびヒステリシス特性の間の良好な折衷で特徴づけられることを示す。

Claims (15)

  1. − 少なくとも1つのシリケートを少なくとも1つの酸性化剤と反応させて、シリカ懸濁液を提供する工程と;
    − 前記シリカ懸濁液を濾過にかけてフィルターケーキを提供する工程と;
    − 前記フィルターケーキを、アルミニウム化合物の添加を任意選択的に含む、液状化工程にかけて沈澱シリカの懸濁液を得る工程と;
    − 任意選択的に、液状化工程後に得られた沈澱シリカを乾燥させる工程と
    を含む沈澱シリカの製造方法であって、
    少なくとも1つのポリカルボン酸が、前記液状化工程中にまたは後にフィルターケーキに添加され、ここで、前記ポリカルボン酸が、5〜20個の炭素原子を有する線状もしくは分岐の、飽和もしくは不飽和の、脂肪族ポリカルボン酸および芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択され、ただし、前記液状化工程がアルミニウム化合物の添加を含む場合には、前記ポリカルボン酸が、いかなるメチルグルタル酸からおよびポリカルボン酸の混合物からなる群から選択されない方法。
  2. 少なくとも1つのシリケートを少なくとも1つの酸性化剤と反応させる前記工程が:(i)前記反応に関与するシリケートの総量の少なくとも一部および電解質を容器に提供する工程であって、前記容器に当初存在するシリケートの濃度(SiOとして表される)が100g/L未満であり、好ましくは、前記容器に当初存在する電解質の濃度が19g/L未満である工程;
    (ii)少なくとも7.0の、特に7.0〜8.5の反応媒体についてのpH値を得るための量の酸性化剤を前記容器に添加する工程;
    (iii)酸性化剤および、適切な場合、同時に残りの量のシリケートを前記反応媒体にさらに添加してシリカ懸濁液を得る工程
    を含む、請求項1に記載の方法。
  3. アルミニウム化合物が前記液状化工程中に添加される、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記少なくとも1つのポリカルボン酸および前記アルミニウム化合物が同時に添加される、請求項3に記載の方法。
  5. 前記少なくとも1つのポリカルボン酸が、5〜20個の炭素原子を有する脂肪族の、線状もしくは分岐の、飽和ポリカルボン酸からおよび芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 5〜20個の炭素原子を有する線状もしくは分岐の、飽和もしくは不飽和の、脂肪族ポリカルボン酸および芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択される少なくとも1つのポリカルボン酸を含む、ただし、前記沈澱シリカ中のアルミニウム含有率が0.20重量%超である場合に、前記ポリカルボン酸が、いかなるメチルグルタル酸およびポリカルボン酸の混合物からなる群からも選択されない沈澱シリカ。
  7. 前記少なくとも1つのポリカルボン酸が、5〜20個の炭素原子を有する脂肪族の、線状もしくは分岐の、飽和ポリカルボン酸からおよび芳香族ポリカルボン酸からなる群から選択される、請求項6に記載の沈澱シリカ。
  8. 全炭素として表される、ポリカルボン酸および/または相当するカルボキシレ−トの総含有率(C)が、少なくとも0.15重量%である、請求項6または7に記載の沈澱シリカ。
  9. 45〜550m/g、特に70〜370m/g、とりわけ80〜300m/gのBET比表面積を有することをさらに特徴とする、請求項6〜8のいずれか一項に記載の沈澱シリカ。
  10. 少なくとも6.0%の吸水量を有することを特徴とする、請求項6〜9のいずれか一項に記載の沈澱シリカ。
  11. 43mJ/m未満の表面エネルギーγ の分散成分を有することを特徴とする、請求項6〜10のいずれか一項に記載の沈澱シリカ。
  12. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法によって得られる、請求項6〜11のいずれか一項に記載の沈澱シリカ。
  13. 請求項6〜12のいずれか一項に記載の沈澱シリカを含むポリマー組成物。
  14. 請求項13に記載の少なくとも1つの組成物を含む物品。
  15. 履物底、床仕上げ材、ガスバリア、難燃性材料、空中ケーブル用のローラー、家庭電化製品用のシール、液体またはガスパイプ用のシール、ブレーキシステムシール、パイプ、被覆材料、ケーブル、エンジンサポート、電池セパレーター、コンベヤーベルト、伝動ベルトまたは、好ましくは、タイヤからなる、請求項14に記載の物品。
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