JP2018513265A - イオン液体をフィラーのシラン化反応のインサイチュ触媒とする高性能トレッドゴムの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、生ゴム、フィラー、シラン、イオン液体を順に開放式混練機又は密閉式混練機に投入して、混練して混練ゴムを得て、上記混練ゴムに高温切返しを行い、切返し後の混練ゴムに加硫バッグと老化防止剤を室温で添加し、混練ゴムを加硫して、加硫ゴムを得ることである、イオン液体をフィラーのシラン化反応のインサイチュ触媒とする高性能トレッドゴムの製造方法を開示する。本発明の方法は、イオン液体をフィラーの表面シラン化触媒とすることで、ホワイトカーボンブラック等の淡色フィラーのゴムでの分散を効果的に促進してゴム−フィラー界面性能を向上させ、シラン使用量を大幅に減少させて、トレッドゴム材料の動的特性を大幅に向上させて、転がり抵抗と動的発熱を低下させることができ、プロセスがシンプルで、加工装置の増設やステップの増加をしないで済むという利点を有し、高性能タイヤの製造への利用が期待できる。
Description
本発明はイオン液体改質による高性能トレッドゴムの製造方法に関し、具体的に、イオン液体をフィラーのシラン化反応のインサイチュ触媒とする高性能トレッドゴムの製造方法に関する。
「省燃料、高安全性及び耐久性」を特徴とする高性能タイヤはタイヤ工業の主流となっている。トレッドゴムにホワイトカーボンブラックを導入することにより、タイヤのウェットスキッド抵抗性を向上させて転がり抵抗を大幅に低下でき、高性能トレッドゴムにとって不可欠なフィラーとなる。ホワイトカーボンブラックを含有するトレッドゴムの性能をより向上させるために、タイヤトレッドゴムを製造する時に一般的にシラン化処理、特に硫黄含有シランを用いたシラン化処理が施される。この作用により、ホワイトカーボンブラックとゴムの界面性能を著しく改善できる。しかしながら、工業的に一般的に使用される硫黄含有シランの含有量が高い（たとえばホワイトカーボンブラックの使用量の１０ｗｔ％である）。周知のように、シランとフィラーのシラン化反応過程が非常に複雑であり、アルコキシ基とフィラー表面にあるヒドロキシ基（たとえばシラノール基）の間の縮合反応だけでなく、アルコキシ基同士の加水分解反応と縮合反応を含むため、シラン化効率が極めて低い。シラン使用量が高すぎる場合、製造コストを増加させ、且つシランに関連する副反応がゴムの性能に影響を及ぼし、同時に界面構造の制御性が劣化する。現在、トレッドゴム製造に用いるシランの使用量を減少させてシランの使用効率を向上させるのに有効な方法はまだなかった。従って、トレッドゴム製造時のシランの有効な触媒方法の開発は、シランの使用効率と構造の制御性を大幅に向上させ、ゴム複合材の界面性能とフィラーの分散を改善し、さらにトレッドゴムの動的特性を効果的に向上させることができ、高性能タイヤの製造に対しては理論的にも実用的にも重大な意義がある。
イオン液体は、融点が１００℃以下のイオン溶融塩であり、環境保全型溶媒、触媒、電気化学等の諸分野に幅広く使用されている。異なる中心原子と置換基によって、イオン液体の陽イオン部分は本質的にオニウム塩である。イオン液体の極性基はホワイトカーボンブラック表面にあるヒドロキシ基との作用（たとえば水素結合の作用）により、ホワイトカーボンブラックの表面に吸着できる。ホワイトカーボンブラックの表面に吸着されるイオン液体のオニウムイオンが電荷の作用下でシラノールを効果的に活性化させ、すなわち、ケイ素−酸素陰イオンを生成することができる。ケイ素−酸素陰イオンの生成は、シロキサンとシラノールの縮合を行うのに必要なステップである。そのため、イオン液体を用いてシロキサンとフィラーの間のシラン化反応を効果的に触媒できる。
本発明の目的は、シランとフィラーの反応を促進する方法、及びこの作用を利用して高性能トレッドゴムを製造する製造方法を提供することにある。本発明は、イオン液体の構造設計の柔軟性、シラン化反応に対する触媒作用に基づき、インサイチュ触媒作用を利用して、高動的特性を有するトレッドゴム材料を製造できる。
本発明の目的は以下の技術案によって実現される。
イオン液体をフィラーのシラン化反応のインサイチュ触媒とする高性能トレッドゴムの製造方法は、
生ゴム、フィラー、シラン、イオン液体を順に開放式混練機又は密閉式混練機に投入して、混練して混練ゴムを得るステップ（１）と、
上記混練ゴムに高温切返しを行うステップ（２）と、
切返し後の混練ゴムに加硫バッグと老化防止剤を室温で添加するステップ（３）と、
混練ゴムを加硫して、加硫ゴムを得るステップ（４）とを含む。
生ゴム、フィラー、シラン、イオン液体を順に開放式混練機又は密閉式混練機に投入して、混練して混練ゴムを得るステップ（１）と、
上記混練ゴムに高温切返しを行うステップ（２）と、
切返し後の混練ゴムに加硫バッグと老化防止剤を室温で添加するステップ（３）と、
混練ゴムを加硫して、加硫ゴムを得るステップ（４）とを含む。
上記方法では、ステップ（１）において、前記混練ゴムのゴム含有率は３２ｗｔ％〜４２ｗｔ％であり、前記フィラーはカーボンブラックと淡色フィラーを含み、フィラーの全量に対して、淡色フィラーの比率が１０ｗｔ％〜１００ｗｔ％であり、シランの使用量は淡色フィラーの２ｗｔ％〜１０ｗｔ％であり、イオン液体の使用量は淡色フィラーの１ｗｔ％〜８ｗｔ％である。
上記方法では、前記生ゴムは、天然ゴム及び／又は溶液重合スチレン−ブタジエンゴムとポリブタジエンゴムからなるトレッドゴムの基材ゴムであり、ポリブタジエンゴムは好ましくは高シスポリブタジエンゴムであり、使用量が生ゴムの２５〜３５ｗｔ％である。
上記方法では、前記フィラーは、カーボンブラックと淡色フィラーを含み、前記淡色フィラーはホワイトカーボンブラック、粘土、金属酸化物のうちの１種又は１種以上の混合物を含み、淡色フィラーは好ましくはホワイトカーボンブラック、ホワイトカーボンブラックは好ましくは高分散性ホワイトカーボンブラックであり、前記シランは官能基含有トリアルコキシシランであり、好ましくは一般式が硫黄含有シランである。
上記方法では、前記イオン液体は、融点が１００℃より低いイオン溶融塩であり、ジアルキルイミダゾール、アルキルピリジン又は有機ホスホニウム塩を含み、有機ホスホニウム塩イオン液体が好ましい。
上記方法では、ステップ（１）において、前記混練時間は５〜１０分間である。
上記方法では、ステップ（２）において、前記高温切返しは開放式混練機又は密閉式混練機において、１２５〜１５５℃で、時間５〜１５分間行われる。
上記方法では、前記加硫バッグは、硫黄と加硫活性化剤と促進剤、又は、過酸化物と活性化剤、又は、硫黄と過酸化物の配合系である。
上記方法では、前記老化防止剤はｐ−フェニレンジアミン類とキノリン類のうちの１種以上を含む。
ステップ（３）では、前記加硫バッグは、硫黄を主加硫剤、スルフェンアミドを主促進剤とする加硫系であり、加硫剤の具体的な種類及び使用量は生成の必要に応じて決定される。老化防止剤とは、トレッドゴムが一般的に使用する老化防止剤、好ましくはｐ−フェニレンジアミン類及び／又はキノリン類老化防止剤である。
本発明の基本的な原理は、イオン液体の陽イオンが電荷の作用により淡色フィラーの表面にあるヒドロキシ基、たとえばシラノール基を活性化できることにある。そのため、イオン液体の作用下で、ケイ素−酸素陰イオンの濃度が効果的に増加し、アルコキシ基とシラノール基の縮合効率が大幅に向上する。効果的に向上させた界面化学反応によって、ホワイトカーボンブラックの分散程度と界面の相互作用が向上し、加硫ゴムの静的特性（特に弾性率）と動的特性が大幅に改善する。従って、この方法で高性能トレッドゴム材料を製造できる。
従来のプロセス技術に比べて、本発明は下記利点を有する。
（１）本発明は、従来のゴム加工過程においてインサイチュ実施するため、加工装置又はステップを増設する必要がない。
（２）イオン液体は、多種多様な構造を有するため、本発明の前記触媒効果とゴムの動的特性の調整がイオン液体の構造を変えることで簡単に調整できる。
（３）本発明の前記方法は、シラン使用量を低減させて、コストを削減させ、トレッドゴムの動的特性を大幅に向上させ、高性能タイヤの製造への利用が期待できる。
（１）本発明は、従来のゴム加工過程においてインサイチュ実施するため、加工装置又はステップを増設する必要がない。
（２）イオン液体は、多種多様な構造を有するため、本発明の前記触媒効果とゴムの動的特性の調整がイオン液体の構造を変えることで簡単に調整できる。
（３）本発明の前記方法は、シラン使用量を低減させて、コストを削減させ、トレッドゴムの動的特性を大幅に向上させ、高性能タイヤの製造への利用が期待できる。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明の実施形態は以下に制限されず、特に明記しないプロセスパラメータは、通常の技術を参照すればよい。（１）生ゴム、フィラー、シラン、イオン液体を順に開放式混練機に投入して、１０分間混練して混練ゴムを得る。（２）上記混練ゴムに高温切返しを行う。（３）切返し後の混練ゴムに必要な加硫系と老化防止系を室温で添加する。（４）混練ゴムを加硫して、加硫ゴムを得る。ステップ（２）において、前記高温切返しは開放式混練機において、１４５℃で、８分間混練する。
ステップ（４）の前記加硫は、１５０℃で表２に記載の最適加硫時間で加硫する。
本発明の前記方法の利点を証明するために、溶液重合スチレンブタジエンとポリブタジエンゴムを基材ゴムとするタイヤトレッドゴム処方を用いて、異なるシランとイオン液体の種類及び含有量を選定して、本発明の上記方法により比較例と４個の実施例を製造した。具体的な処方は表１に示され、表中の単位はいずれもｇである。
中国国家標準に準じてすべての処方による特性を全面的にテストし、典型的な特性を表２に示す。表２から明らかなように、本発明の前記方法は、トレッドゴムの転がり抵抗（６０℃でのｔａｎ ｄｅｌｔａとして示される）と動的発熱を著しく低下させて、加硫ゴムの弾性率を著しく向上させた。また、処方のシランの使用量は大幅に低下した。
本発明の上記実施例は本発明を明瞭に説明するための例示に過ぎず、本発明の実施形態を限定するものではない。当業者であれば、上記説明に基づいてほかの形態の変化又は変更をすることができる。ここで、すべての実施形態を例示することができない。本発明の精神と原則を脱逸することなく行う修正、同等置換や改良等はいずれも、本発明の特許の請求の範囲に属する。
Claims (10)
- イオン液体をフィラーのシラン化反応のインサイチュ触媒とする高性能トレッドゴムの製造方法であって、
生ゴム、フィラー、シラン、イオン液体を順に開放式混練機又は密閉式混練機に投入して、混練して混練ゴムを得るステップ（１）と、
上記混練ゴムに高温切返しを行うステップ（２）と、
切返し後の混練ゴムに加硫バッグと老化防止剤を室温で添加するステップ（３）と、
混練ゴムを加硫して、加硫ゴムを得るステップ（４）とを含むことを特徴とする方法。 - ステップ（１）において、前記混練ゴムのゴム含有率は３２ｗｔ％〜４２ｗｔ％であり、前記フィラーはカーボンブラックと淡色フィラーを含み、フィラーの全量に対して、淡色フィラーの比率が１０ｗｔ％〜１００ｗｔ％であり、シランの使用量は淡色フィラーの２ｗｔ％〜１０ｗｔ％であり、イオン液体の使用量は淡色フィラーの１ｗｔ％〜８ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記生ゴムは、天然ゴムと溶液重合スチレン−ブタジエンゴムとポリブタジエンゴムからなるトレッドゴムの基材ゴムであり、ポリブタジエンゴムは高シスポリブタジエンゴムであり、使用量が生ゴムの２５〜３５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記生ゴムは、天然ゴム又は溶液重合スチレン−ブタジエンゴムとポリブタジエンゴムからなるトレッドゴムの基材ゴムであり、ポリブタジエンゴムは好ましくはシスポリブタジエンゴムであり、その使用量が生ゴムの２５〜３５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記淡色フィラーは、ホワイトカーボン、粘土、金属酸化物のうちの１種又は１種以上の混合物を含み、
淡色フィラーは高分散ホワイトカーボンであり、
前記シランは、一般式が硫黄含有シランである官能基含有トリアルコキシシランであることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記イオン液体は、融点が１００℃より低いイオン溶融塩であり、ジアルキルイミダゾール、アルキルピリジン又は有機ホスホニウム塩を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- ステップ（１）では、前記混練時間は５〜１０分間であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- ステップ（２）では、前記高温切返しは開放式混練機又は密閉式混練機において、１２５〜１５５℃で、時間５〜１５分間行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記加硫バッグとは、硫黄と加硫活性化剤と促進剤、又は、過酸化物と活性化剤、又は、硫黄と過酸化物の配合系であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記老化防止剤は、ｐ−フェニレンジアミン類とキノリン類のうちの１種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
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