JP2020500145A - ゴム補強用有機−無機複合体、その製造方法およびこれを含むタイヤ用ゴム組成物 - Google Patents

ゴム補強用有機−無機複合体、その製造方法およびこれを含むタイヤ用ゴム組成物 Download PDF

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Abstract

本発明は、ゴム補強用有機−無機複合体、その製造方法およびこれを含むタイヤ用ゴム組成物に関する。本発明によるゴム補強用有機−無機複合体は、ゴム組成物内で優れた分散性と向上した補強効果を示し、高効率および高燃費特性が要求される環境に優しいタイヤに補強材として好適に使用できる。

Description

関連出願との相互参照
本出願は、2017年3月27日付の韓国特許出願第10−2017−0038552号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、ゴム補強用有機−無機複合体、その製造方法およびこれを含むタイヤ用ゴム組成物に関する。
地球温暖化と環境問題への懸念が広がるにつれ、エネルギー効率を高めて炭素排出量を縮減させる環境配慮の概念が多方面で強調されている。このような環境配慮の概念は、タイヤ産業分野で高効率の環境に優しいタイヤの開発と廃タイヤのリサイクル方法づくりなどで具体化されている。
環境に優しいタイヤ(あるいはグリーンタイヤ)は、ゴムの転がり抵抗(rolling resistance)を低くして高効率と高燃費特性を付与し、結果的に炭素排出量の縮減を可能にするタイヤをいう。このような環境に優しいタイヤを製造するために改質されたゴム材料およびゴム補強用白色添加剤(例えば、沈降シリカ(precipitated silica))などが主に使用されている。
一般に、シリカ素材は、ゴム組成物内で分散性が低くて、耐摩耗性が損失するなどの問題がある。これを補完するために、特定条件の高分散性沈降シリカをシランカップリング剤(silane coupling agent)とともに活用して良好な耐摩耗性を有する環境に優しいタイヤ用素材を作れることが知られている。
一方、高分散性沈降シリカのように互いに相反する特性(転がり抵抗力と耐摩耗性などの機械的強度)を良好に有しうる添加剤に対する関心も高い。ゴム補強用白色添加剤としてアルミナ、粘土、カオリンなどを適用する場合にも、転がり抵抗を低くして環境に優しいタイヤ用素材として活用できることが知られている。しかし、このようなゴム補強用白色添加剤は、強い凝集体の形成などで分散性が減少し、これに伴う機械的強度の低下などの問題点が現れる。
本発明は、ゴム組成物内で優れた分散性と向上した補強効果を示しうるゴム補強用有機−無機複合体を提供する。
本発明は、前記ゴム補強用有機−無機複合体の製造方法を提供する。
そして、本発明は、前記有機−無機複合体を含むタイヤ用ゴム組成物を提供する。
本発明によれば、
下記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子および前記アルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に結合したシラン系カップリング剤を含み、
下記数式1の条件を満たす、ゴム補強用有機−無機複合体が提供される:
[化学式1]
x/n[(AlO、(SiO]・m(HO)
前記化学式1において、
前記Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、およびFrからなる群より選択された元素またはこれらのイオンであり;
x>0、y>0、n>0、およびm≧0であり;
1.0≦y/x≦10.0であり、
0.01≦x/n≦1.2である;
[数式1]
Da≧3.0
前記数式1において、
Daは、前記有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線(dm/dt)において、x軸の値[温度(℃)]が300〜500℃の区間でy軸の値[重量の減少速度(%/℃)]が零(0)以上の領域の面積である。
本発明によれば、
前記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子、シラン系カップリング剤、およびこれらと反応性のない沸点150℃以上の有機溶媒を準備する段階;
前記非晶質のアルミノシリケート粒子と前記有機溶媒とを混合しながら130〜150℃に加熱する段階;
加熱された前記混合物に前記シラン系カップリング剤を添加して10〜60分間撹拌して、前記非晶質のアルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に前記シラン系カップリング剤が結合した有機−無機複合体を形成する段階;および
前記有機−無機複合体を洗浄および乾燥する段階を含む、前記ゴム補強用有機−無機複合体の製造方法が提供される。
そして、本発明によれば、前記有機−無機複合体と、少なくとも1種のジエンエラストマーとを含むタイヤ用ゴム組成物が提供される。
以下、発明の実施形態に係るゴム補強用有機−無機複合体、その製造方法およびこれを含むタイヤ用ゴム組成物について説明する。
それに先立ち、本明細書で明示的な言及がない限り、専門用語は、単に特定の実施形態を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。
本明細書で使用される単数形態は、文章がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。
本明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、または成分の付加を除外させるわけではない。
I.ゴム補強用有機−無機複合体
発明の一実施形態によれば、
下記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子および前記アルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に結合したシラン系カップリング剤を含み、
下記数式1の条件を満たす、ゴム補強用有機−無機複合体が提供される:
[化学式1]
x/n[(AlO、(SiO]・m(HO)
前記化学式1において、
前記Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、およびFrからなる群より選択された元素またはこれらのイオンであり;
x>0、y>0、n>0、およびm≧0であり;
1.0≦y/x≦10.0であり、
0.01≦x/n≦1.2である;
[数式1]
Da≧3.0
前記数式1において、
Daは、前記有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線(dm/dt)において、x軸の値[温度(℃)]が300〜500℃の区間でy軸の値[重量の減少速度(%/℃)]が零(0)以上の領域の面積である。
本発明者らの継続的な研究の結果、上述した特性を満たす有機−無機複合体は、ゴム組成物内での優れた分散性による向上した補強効果を示しながらも、ゴム組成物の加工性を阻害せず、タイヤ用ゴム組成物にゴム補強材として好ましく適用できることが確認された。
前記有機−無機複合体は、シリカと類似する水準の優れた分散性を示しながらも、補強効果(特に耐摩耗性)の向上と転がり抵抗の低下を可能にする。
本発明によれば、前記有機−無機複合体に含まれる無機成分のアルミノシリケート粒子は、非晶質(amorphous)である。
本発明の一実施形態による非晶質のアルミノシリケート粒子において、前記非晶質は、X線回折(XRD)によって得られたデータグラフにおいて、2θの20°〜37°範囲における最大ピークの半値幅(full width at half maximum、FWHM)が3°〜8.5°のものを意味することができる。
好ましくは、前記最大ピークの半値幅(FWHM)は、3°以上、あるいは3.5°以上、あるいは4.0°以上、あるいは4.5°以上、あるいは5.0°以上、5.5°以上、6.0°以上である。また、好ましくは、前記最大ピークの半値幅(FWHM)は、8.5°以下、あるいは8.0°以下、あるいは7.5°以下、あるいは7.0°以下である。
前記最大ピークの半値幅(FWHM)は、前記アルミノシリケート粒子のX線回折から得られた2θの20°〜37°範囲における最大ピーク強度の1/2の位置でのピーク幅を数値化したものである。
前記最大ピークの半値幅(FWHM)の単位は、2θの単位である度(°)で表すことができ、結晶性の高い化合物であるほど半値幅の数値が小さい。
また、本発明の一実施形態による非晶質のアルミノシリケート粒子は、X線回折(XRD)によって得られたデータグラフにおいて、26°〜31°の2θの範囲における最大ピーク強度(maximum peak intensity、Imax)を示すことができる。
好ましくは、前記最大ピーク強度(Imax)は、2θの26°以上、あるいは27°以上、あるいは28°以上である。また、好ましくは、前記最大ピーク強度(Imax)は、2θの31°以下、あるいは30.5°以下、あるいは30°以下である。
参照として、amorphous silicaは、20°〜25°の2θの範囲におけるImaxを示し、amorphous aluminaは、30°〜40°の2θの範囲におけるImaxを示すことが一般的である。
そして、前記アルミノシリケート粒子は、下記化学式1の組成を有する:
[化学式1]
x/n[(AlO、(SiO]・m(HO)
前記化学式1において、
前記Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、およびFrからなる群より選択された元素またはこれらのイオンであり;
x>0、y>0、n>0、およびm≧0であり;
1.0≦y/x≦10.0であり、
0.01≦x/n≦1.2である。
つまり、前記アルミノシリケート粒子は、金属元素(M)またはこれらのイオンとしてアルカリ金属またはこれらのイオンを含み、特に、1.0≦y/x≦10.0および0.01≦x/n≦1.2の組成を満たす。
具体的には、前記化学式1において、y/xは、1.0以上、あるいは1.15以上、あるいは1.3以上、あるいは1.45以上であり;10.0以下、あるいは7.5以下、あるいは5.0以下、あるいは4.5以下、あるいは4.0以下、あるいは3.5以下、あるいは3.0以下、あるいは2.5以下、あるいは2.0以下であることが、本発明による諸特性の発現に有利でありうる。
また、具体的には、前記化学式1において、x/nは、0.01以上、あるいは0.05以上、あるいは0.1以上、あるいは0.5以上、あるいは0.55以上、あるいは0.6以上、あるいは0.65以上、あるいは0.7以上、あるいは0.75以上、あるいは0.8以上であり;1.2以下、あるいは1.15以下であることが、本発明による諸特性の発現に有利でありうる。
前記アルミノシリケート全体粒子の平均粒径は、10〜100nmであることが、本発明による諸特性の発現に有利でありうる。
具体的には、前記アルミノシリケート全体粒子の数平均粒径は、10nm以上、あるいは15nm以上、あるいは20nm以上であり;100nm以下、あるいは80nm以下、あるいは60nm以下、あるいは50nm以下である。
一般に、ゴム補強材は、粒径が小さいほど優れた補強効果を示しうるが、粒径が小さいほどゴム組成物内で粒子間の凝集現象が容易に現れて分散性が低下する。このような凝集現象が激しくなると、ゴム補強材とゴム成分との間の相分離が発生し、結果的に、タイヤの加工性が低下し、目標の補強効果も得られにくくなる。
前記アルミノシリケート粒子は、上述した組成の非晶質粒子でかつ、ゴム組成物内で実質的に凝集しない一次粒子(primary particle)の状態で存在できる。
発明の実施形態によれば、前記アルミノシリケート粒子は、窒素吸着/脱着分析による80〜250m/gのブルナウアー・エメット・テーラー比表面積(SBET)と60〜200m/gの外部比表面積(external specific surface area、SEXT)を有することが、本発明による諸特性の発現に有利でありうる。
具体的には、前記SBETは、80m/g以上、あるいは85m/g以上、あるいは90m/g以上、95m/g以上、あるいは100m/g以上であり;250m/g以下、あるいは190m/g以下、あるいは180m/g以下、あるいは170m/g以下、あるいは160m/g以下、あるいは150m/g以下、あるいは130m/g以下、あるいは110m/g以下である。
具体的には、前記SEXTは、60m/g以上、あるいは70m/g以上、あるいは80m/g以上、あるいは85m/g以上であり;200m/g以下、あるいは180m/g以下、あるいは160m/g以下、あるいは140m/g以下、あるいは120m/g以下、あるいは100m/g以下である。
そして、前記アルミノシリケート粒子が有する前記SBETとSEXTとの比(SEXT/SBET)は、0.8〜1.0であることが、本発明による諸特性の発現により有利でありうる。具体的には、前記SEXT/SBETは、0.80以上、あるいは0.81以上、あるいは0.82以上、あるいは0.83以上、あるいは0.84以上、あるいは0.85以上であり;1.0以下、あるいは0.99以下、あるいは0.95以下、あるいは0.90以下である。
一方、ゴム補強材に適用される無機素材における微細気孔(micropore)の含有量は最小化されることが好ましい。前記微細気孔は欠陥(defect)として作用して、ゴム補強材としての物性を低下させかねないからである。
本発明によれば、前記アルミノシリケート粒子は、前記SBETからt−プロット法によって計算された2nm未満の気孔サイズを有する微細気孔の体積(Vmicro)が0.05cm/g未満と小さく、ゴム補強材として優れた機械的物性の発現を可能にする。具体的には、前記Vmicroは、0.05cm/g未満、あるいは0.025cm/g以下、あるいは0.02cm/g以下、あるいは0.015cm/g以下、あるいは0.01cm/g以下、あるいは0.007cm/g以下である。
そして、前記アルミノシリケート粒子は、蒸留水下で測定された1〜25μmの体積平均粒径(Dmean)、1〜20μmの幾何標準偏差(geometric standard deviation)、および1〜100μmの90%累積粒径(D90)を示す粒子サイズ分布を有することができる。
具体的には、前記アルミノシリケート粒子は、蒸留水下で測定された1μm以上、あるいは2.5μm以上、あるいは5μm以上、あるいは7.5μm以上;そして、25μm以下、あるいは20μm以下、あるいは15μm以下の体積平均粒径(Dmean)を有することができる。
前記アルミノシリケート粒子は、蒸留水下で測定された1μm以上、あるいは2.5μm以上、あるいは5μm以上;そして、20μm以下、あるいは15μm以下、あるいは10μm以下の幾何標準偏差(geometric standard deviation)を有することができる。
前記アルミノシリケート粒子は、蒸留水下で測定された1μm以上、あるいは5μm以上、あるいは10μm以上;そして、100μm以下、あるいは50μm以下、あるいは25μm以下、あるいは20μm以下の90%累積粒径(D90)を有することができる。
一方、前記ゴム補強用有機−無機複合体は、前記非晶質のアルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に結合したシラン系カップリング剤を含む。
カップリング剤は、アルミノシリケートのような無機充填剤およびゴムのようなエラストマーの間の化学的または物理的結合を提供する結合剤としてよく知られている。前記カップリング剤は、少なくとも二官能性であって、前記無機充填剤と結合する官能基と、前記エラストマーと結合する官能基とを含む。
本発明では、公知のカップリング剤が特別な制限なく適用可能であり、好ましくは、シラン系カップリング剤が使用できる。
前記シラン系カップリング剤は、前記非晶質のアルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に結合して前記有機−無機複合体を形成し、前記複合体の向上したゴム補強効果の発現を可能にする。
前記シラン系カップリング剤としては、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)トリスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)トリスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)トリスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)トリスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)ジスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)ジスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)ジスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)ジスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリエトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリメトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルベンゾチアゾリルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピルベンゾチアゾールテトラスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィド、および3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィドからなる群より選択された1種以上の化合物が含まれる。
一方、前記ゴム補強用有機−無機複合体は、下記数式1の条件を満たす。
[数式1]
Da≧3.0
前記数式1において、Daは、前記有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線(dm/dt)において、x軸の値[温度(℃)]が300〜500℃の区間でy軸の値[重量の減少速度(%/℃)]が零(0)以上の領域の面積である。
前記ゴム補強用有機−無機複合体は、前記非晶質のアルミノシリケート粒子および前記シラン系カップリング剤を含むことによって、ゴム組成物内で優れた分散性と向上した補強効果(特に耐摩耗性)を示すことができる。そして、前記有機−無機複合体がタイヤ用ゴム組成物において上述した特性を示しうる条件として前記数式1が提示される。
一例として、図1は、本発明による実施例1の有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線(derivative thermogravimetric curve;以下、「DTGカーブ」)を示すグラフである。
前記DTGカーブは、熱重量分析によって測定されたデータから変換されて得られ、x軸の値は、温度(℃)であり、y軸の値は、温度に応じた重量の減少速度(%/℃)である。
前記有機−無機複合体に対するDTGカーブにおいて、前記アルミノシリケート粒子に結合した水分とシラン系カップリング剤の脱着が行われるピークの位置および面積を確認することによって、脱着温度と脱着量を知ることができる。
一例として、図1にて、x軸の値が50〜200℃の区間で現れるピークは、前記アルミノシリケート粒子に含まれている固有の水分に関連し、300〜500℃の区間で現れるピークは、前記有機−無機複合体に含まれているシラン系カップリング剤に関連する。
前記ゴム補強用有機−無機複合体では、上述した非晶質のアルミノシリケート粒子と前記シラン系カップリング剤の結合に優れ、多量のシラン系カップリング剤が含まれることによって、前記数式1による条件(Da≧3.0)を満たすことができる。
好ましくは、前記ゴム補強用有機−無機複合体は、3.0以上、あるいは3.5以上、あるいは3.7以上、あるいは3.8以上、あるいは3.85以上、あるいは3.88以上、あるいは4.0以上、あるいは4.2以上の前記Da値を有することができる。
前記Da値が3.0未満の場合、前記有機−無機複合体に要求されるゴム補強材としての物性(特にゴム成形物の耐摩耗度)を示すことができず、タイヤ用ゴム組成物への適用が困難である。
II.アルミノシリケート粒子の製造方法
発明の他の実施形態によれば、
前記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子、シラン系カップリング剤、およびこれらと反応性のない沸点150℃以上の有機溶媒を準備する段階;
前記非晶質のアルミノシリケート粒子と前記有機溶媒とを混合しながら130〜150℃に加熱する段階;
加熱された前記混合物に前記シラン系カップリング剤を添加して10〜60分間撹拌して、前記非晶質のアルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に前記シラン系カップリング剤が結合した有機−無機複合体を形成する段階;および
前記有機−無機複合体を洗浄および乾燥する段階を含む、前記ゴム補強用有機−無機複合体の製造方法が提供される。
まず、前記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子、シラン系カップリング剤、およびこれらと反応性のない沸点150℃以上の有機溶媒を準備する。
発明の一実施形態によれば、前記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子は、下記の段階を含む方法で製造される。
[i]塩基性またはアルカリ溶液(例えば、水酸化ナトリウム溶液)にケイ素源、アルミニウム源、および水を添加し、撹拌して、特定の金属原子比を満足するモノマー単位のAl−O−Si構造を形成させる段階;
[ii]前記アルミノシリケートモノマーを常圧下で低温(例えば、常温〜90℃)で3〜24時間硬化させて、Al−O−Si重合反応を起こす段階;
[iii]重合されたアルミノシリケート粒子を洗浄および乾燥する段階;および
[iv]乾燥したアルミノシリケート粒子を破砕して粒度分布を調節する段階。
前記製法において、前記モノマー単位の形成に適用される反応物の種類、反応物のモル比、反応条件などを調節して、上述した諸特性を満たす非晶質のアルミノシリケート粒子を得ることができる。
前記非晶質のアルミノシリケート粒子が有する諸特性は、前記I.ゴム補強用有機−無機複合体の欄で説明した内容に替える。
前記製法において、前記ケイ素源(silicon sources)としては、ヒュームドシリカ(fumed silica)、籾殻(rice husk)、コロイダルシリカ(colloidal silica)、セライト(cellite)、パーライト(pearlite)、籾殻灰(rice husk ash)、シリカヒューム、有機シラン、粘土、ミネラル、メタカオリン、塑性粘土、活性粘土、フライアッシュ(fly ash)、スラグ、ポゾラン(pozzolan)、焼却されたユーティリティー廃棄物(incinerated utility waste)、産業副産物、ガラス粉末(glass powder)、赤泥(red mud)などが使用できる。
そして、前記アルミニウム源(aluminium sources)としては、アルミナ、アルミネート、アルミニウム塩、有機アルミノキサン、パーライト、粘土、ミネラル、メタカオリン、塑性粘土、活性粘土、フライアッシュ、スラグ、ポゾラン、焼却されたユーティリティー廃棄物、産業副産物、ガラス粉末、赤泥などが使用できる。
前記シランカップリング剤については、前記I.ゴム補強用有機−無機複合体の欄で説明した内容に替える。
前記有機溶媒は、前記非晶質のアルミノシリケート粒子およびシラン系カップリング剤と反応性がないものでなければならない。そして、前記非晶質のアルミノシリケート粒子とシラン系カップリング剤の十分な反応が行われるようにするために、前記有機溶媒は、150℃以上の沸点を有することが好ましい。
具体的には、このような有機溶媒は、メシチレン(mesitylene)、インダン(indane)、テトラリン(tetralin)、リモネン(limonene)、デカン(decane)、ウンデカン(undecane)、およびドデカン(dodecane)からなる群より選択された1種以上の化合物であってもよい。
このような成分を準備した後、前記非晶質のアルミノシリケート粒子と前記有機溶媒とを混合しながら130〜150℃に加熱する段階;および加熱された前記混合物に前記シラン系カップリング剤を添加して10〜60分間撹拌する段階が行われる。
ここで、前記有機溶媒の含有量は特に制限されず、前記非晶質のアルミノシリケート粒子と有機溶媒が十分に分散し、反応終了後に複合体の回収が容易な程度に調節される。
そして、前記非晶質のアルミノシリケート粒子および前記シラン系カップリング剤は、1:0.01〜1:0.5の重量比で使用されるのが、反応の効率と複合体の物性確保に有利である。
好ましくは、前記非晶質のアルミノシリケート粒子および前記シラン系カップリング剤は、1:0.01〜1:0.25、あるいは1:0.05〜1:0.25、あるいは1:0.05〜1:0.20、あるいは1:0.05〜1:0.15の重量比で使用できる。
非制限的な例として、前記段階は、前記非晶質のアルミノシリケート粒子1.0gを20mlの前記有機溶媒に添加した後、500rpmで撹拌しながら150℃に加熱し;これに0.08gの前記シラン系カップリング剤を添加して150℃を維持しながら20分間撹拌して行われる。
前記段階の実行によって、前記非晶質のアルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に前記シラン系カップリング剤が結合した有機−無機複合体が形成される。
そして、前記有機−無機複合体は、通常の方法によって洗浄および乾燥できる。
III.タイヤ用ゴム組成物
発明のさらに他の実施形態によれば、上述したゴム補強用有機−無機複合体を含むタイヤ用ゴム組成物が提供される。
上述した特性を満たす有機−無機複合体は、ゴム組成物内での優れた分散性による向上した補強効果を示しながらも、ゴム組成物の加工性を阻害せず、タイヤ用ゴム組成物に付与されるゴム補強材として好ましく適用可能である。
特に、前記有機−無機複合体は、上述した組成と前記数式1の条件を満たすことによって、ゴム組成物内で優れた機械的物性(例えば、優れた耐久性、耐摩耗性、圧縮強度など)の発現を可能にする。
前記タイヤ用ゴム組成物には、通常のジエンエラストマーが特別な制限なく含まれる。
例えば、前記ジエンエラストマーは、天然ゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン/スチレンコポリマー、ブタジエン/イソプレンコポリマー、ブタジエン/アクリロニトリルコポリマー、イソプレン/スチレンコポリマー、およびブタジエン/スチレン/イソプレンコポリマーからなる群より選択された1種以上の化合物であってもよい。
この他にも、前記タイヤ用ゴム組成物には、タイヤ分野で通常使用される可塑剤、顔料、抗酸化剤、オゾン劣化防止剤、加硫促進剤などが添加される。
本発明によるゴム補強用有機−無機複合体は、ゴム組成物内で優れた分散性と向上した補強効果を示し、高効率および高燃費特性が要求される環境に優しいタイヤに補強材として好適に使用できる。
実施例1の有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線を示すグラフである。 実施例2の有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線を示すグラフである。 比較例1の有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線を示すグラフである。 比較例2の有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線を示すグラフである。 対照例の有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線を示すグラフである。
以下、本発明の理解のために好ましい実施例を提示する。しかし、下記の実施例は本発明を例示するためのものに過ぎず、本発明をこれらにのみ限定するものではない。
合成例1
(非晶質のアルミノシリケート粒子の製造)
23gのKOH(Daejung chemicals&metals)および27gのcolloidal silica(Ludox HS30wt%;Sigma−Aldrich)を22mlの蒸留水(DW)に入れて完全に溶解させた。前記溶液に15gのmetakaolin(AlSi、Aldrich)を添加した後、オーバーヘッド撹拌機(overhead stirrer)を用いて600rpmで40分間ミキシングした。
これを約70℃の室温で4時間硬化(curing)させた。
硬化によって形成された固体生成物を90℃の蒸留水に入れて12時間撹拌し、遠心分離する方法でpH7水準になるまで洗浄した。
洗浄された固体生成物を70℃のオーブンで24時間乾燥して、最終的にアルミノシリケート粒子(一次粒径30nm)を得た。
合成例2
(結晶質のアルミノシリケート粒子の製造)
12gのNaOH(Daejung chemicals&metals)および31gのNaSiO solution(Aldrich)を22mlの蒸留水(DW)に入れて完全に溶解させた。前記溶液に15gのmetakaolin(AlSi、Aldrich)を添加した後、オーバーヘッド撹拌機(overhead stirrer)を用いて800rpmで40分間ミキシングした。
これを約25℃の室温で24時間硬化(curing)させた。
硬化物を90℃の蒸留水に入れて12時間撹拌し、遠心分離する方法でpH7水準になるまで洗浄した。
洗浄された固体生成物を70℃のオーブンで24時間乾燥して、最終的にアルミノシリケート粒子(一次粒径150nm)を得た。
試験例1
(1)Scanning electron microscopy(SEM)およびenergy dispersive X−ray spectroscopy(EDS)を用いて、前記合成例1および2によるアルミノシリケート粒子の平均粒径と組成を確認した。
その結果、前記合成例1のアルミノシリケート粒子は、前記化学式1においてy/x=1.6、x/n=1.12の組成を有することが確認された。そして、前記合成例2のアルミノシリケート粒子は、前記化学式1においてy/x=1.31、x/n=0.91の組成を有することが確認された。
(2)比表面積分析器(BEL Japan Inc.、BELSORP_MAX)を用いて、合成例1および2による粒子に対する窒素吸着/脱着ブルナウアー・エメット・テーラー比表面積(SBET)および外部比表面積(SEXT)を測定した。そして、前記SBETからt−プロット法によって2nm未満の気孔サイズを有する微細気孔の体積(Vmicro)を計算した。
Figure 2020500145
試験例2
X線回折分析器(Bruker AXS D4−Endeavor XRD)を用いて、40kVの印加電圧および40mAの印加電流下、前記合成例1および2のアルミノシリケート粒子に対するX線回折分析を実施した。その結果を下記表2に示した。
測定した2θの範囲は10°〜90°であり、0.05°の間隔でスキャンした。この時、スリット(slit)はvariable divergence slit6mmを用い、PMMAホルダーによるバックグラウンドノイズ(background noise)を無くすためにサイズの大きいPMMAホルダー(直径=20mm)を用いた。そして、X線回折によって得られたデータグラフにおいて2θの20°〜37°範囲における最大ピークである約29°ピークの半値幅(full width at half maximum、FWHM)を計算した。
Figure 2020500145
前記合成例2のアルミノシリケート粒子はFAU(Faujasite)結晶構造を有し、前記FWHMの測定を行わなかった。
実施例1
前記合成例1で得られた非晶質のアルミノシリケート粒子1.0gを20mlのメシチレンに添加した後、500rpmで撹拌しながら150℃に加熱した。これに、0.08gのビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド(in 1.5ml mesitylene)を添加し、150℃を維持しながら20分間撹拌した。
撹拌を終了した後、トルエンを用いて遠心分離で固形物を4回洗浄し、105℃のオーブンで24時間乾燥して有機−無機複合体を得た。
実施例2
前記合成例1で得られた非晶質のアルミノシリケートを一次粒径20nm以下となるように粉砕して添加したことを除き、前記実施例1と同様の方法で有機−無機複合体を得た。
比較例1
前記合成例1で得られた非晶質のアルミノシリケート粒子の代わりに前記合成例2で得られた結晶質のアルミノシリケート粒子を添加したことを除き、前記実施例1と同様の方法で有機−無機複合体を得た。
比較例2
前記合成例1で得られた非晶質のアルミノシリケート粒子の代わりにカオリンクレー(製品名:Kaolin、製造会社:Sigma−Aldrich)を添加したことを除き、前記実施例1と同様の方法で有機−無機複合体を得た。
対照例
前記合成例1で得られたアルミノシリケート粒子の代わりにシリカ粒子(製品名:7000GR、製造会社:Evonik)を添加したことを除き、前記実施例1と同様の方法で有機−無機複合体を得た。
試験例3
実施例1〜2、比較例1〜2および対照例による有機−無機複合体に対して、熱重量分析器(STA449 F3 Jupiter、NETZSCH)を用いて、次のような熱重量分析を実施した。
アルゴン気体雰囲気下、30〜500℃の範囲で5℃/minの昇温速度で熱重量分析を3回実施してベースをとる。粉末形態の前記有機−無機複合体10〜20mgを専用ルツボにローディングして、同一の実験条件で熱重量分析を実施した。
前記分析によって得られたデータから変換された一次微分曲線を前記熱重量分析器から得て、図1(実施例1)、図2(実施例2)、図3(比較例1)、図4(比較例2)、および図5(対照例)にそれぞれ示した。
前記有機−無機複合体からシランカップリング剤が脱着するピークの温度(peak position、℃)を下記表3に示した。
そして、前記一次微分曲線において、x軸の値が300〜500℃の区間でy軸の値が零(0)以上の領域の面積(Da)を、前記熱重量分析器から得て下記表3に示した。
ただし、カオリンクレーの場合、400℃以上で粒子表面のヒドロキシル基による重量減少が現れることを考慮して、カオリンクレーが適用された比較例2の有機−無機複合体に対する前記Da値は300〜400℃の温度範囲に限定して計算された。
Figure 2020500145
前記表3を参照すれば、前記実施例1および2の有機−無機複合体は3.0以上のDa値を有し、前記数式1の条件を満たすことが明らかになった。
反面、前記比較例1および2の有機−無機複合体は3.0未満のDa値を有し、前記数式1の条件を満たさないことが明らかになった。
製造例1
密閉式混合機に、737.24gのジエンエラストマー混合物(SSBR2550、LG化学)、補強材として前記実施例1による375.32gの有機−無機複合体を投入した。これを150℃下で5分間混合した後、78.66gのその他の添加剤(酸化防止剤、老化防止剤、乳化、加硫促進剤、ワックスなど)を添加して90秒間混合した。
得られた混合物を厚さ2〜3mmのシート形態に押出し、これを160℃でvulcanizationしてゴム成形物を得た。この時、加硫時間は、前記混合物を160℃でMDR(moving die rheometer)を用いて測定したデータを参照して調節された。
製造例2
補強材として前記実施例2の有機−無機複合体を添加したことを除き、製造例1と同様の方法でゴム成形物を得た。
製造例3
補強材として前記比較例1の有機−無機複合体を添加したことを除き、製造例1と同様の方法でゴム成形物を得た。
製造例4
補強材として前記比較例2の有機−無機複合体を添加したことを除き、製造例1と同様の方法でゴム成形物を得た。
製造例5
補強材として前記対照例の有機−無機複合体を添加したことを除き、製造例1と同様の方法でゴム成形物を得た。
試験例4
製造例1〜5によるゴム成形物に対して耐摩耗性測定器(abrasion tester、Bareiss GmbH)を用いて、DIN ISO4649の基準により耐摩耗度(relative volume loss index)を測定した。
前記耐摩耗度は、前記対照例の有機−無機複合体が添加された前記製造例5のゴム成形物を基準物質に定め、残りの製造例1〜4のゴム成形物に対して下記の式で計算された。
耐摩耗度={[(製造例5のrelative volume loss)−(当該製造例のrelative volume loss)]/[(製造例5のrelative volume loss)×100]}+100
Figure 2020500145
前記表4を参照すれば、前記実施例1または2の有機−無機複合体が適用された前記製造例1および2のゴム成形物は、前記比較例1または2の有機−無機複合体が適用された前記製造例3および4のゴム成形物と比較して、2倍以上の優れた耐摩耗度を示すことが確認された。

Claims (8)

  1. 下記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子および前記アルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に結合したシラン系カップリング剤を含み、
    下記数式1の条件を満たす、ゴム補強用有機−無機複合体:
    [化学式1]
    x/n[(AlO、(SiO]・m(HO)
    前記化学式1において、
    前記Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、およびFrからなる群より選択された元素またはこれらのイオンであり;
    x>0、y>0、n>0、およびm≧0であり;
    1.0≦y/x≦10.0であり、
    0.01≦x/n≦1.2である;
    [数式1]
    Da≧3.0
    前記数式1において、
    Daは、前記有機−無機複合体に対する熱重量分析(TGA)によって得られた熱重量曲線の一次微分曲線(dm/dt)において、x軸の値[温度(℃)]が300〜500℃の区間でy軸の値[重量の減少速度(%/℃)]が零(0)以上の領域の面積である。
  2. 前記非晶質のアルミノシリケート粒子は、10〜100nmの平均粒径、窒素吸着/脱着分析による80〜250m/gのブルナウアー・エメット・テーラー比表面積(SBET)、60〜200m/gの外部比表面積(SEXT)を有する、請求項1に記載のゴム補強用有機−無機複合体。
  3. 前記シラン系カップリング剤は、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)トリスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)トリスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)トリスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)トリスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)ジスルフィド、ビス(4−トリエトキシシリルブチル)ジスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)ジスルフィド、ビス(4−トリメトキシシリルブチル)ジスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリエトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリメトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルベンゾチアゾリルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピルベンゾチアゾールテトラスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィド、および3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィドからなる群より選択された1種以上の化合物である、請求項1に記載のゴム補強用有機−無機複合体。
  4. 下記化学式1の組成を有する非晶質のアルミノシリケート粒子、シラン系カップリング剤、およびこれらと反応性のない沸点150℃以上の有機溶媒を準備する段階;
    前記非晶質のアルミノシリケート粒子と前記有機溶媒とを混合しながら130〜150℃に加熱する段階;
    加熱された前記混合物に前記シラン系カップリング剤を添加して10〜60分間撹拌して、前記非晶質のアルミノシリケート粒子表面の少なくとも一部に前記シラン系カップリング剤が結合した有機−無機複合体を形成する段階;および
    前記有機−無機複合体を洗浄および乾燥する段階を含む、請求項1に記載のゴム補強用有機−無機複合体の製造方法:
    [化学式1]
    x/n[(AlO、(SiO]・m(HO)
    前記化学式1において、
    前記Mは、Li、Na、K、Rb、Cs、Be、およびFrからなる群より選択された元素またはこれらのイオンであり;
    x>0、y>0、n>0、およびm≧0であり;
    1.0≦y/x≦10.0であり、
    0.01≦x/n≦1.2である。
  5. 前記非晶質のアルミノシリケート粒子および前記シラン系カップリング剤は、1:0.01〜1:0.5の重量比で使用される、請求項4に記載のゴム補強用有機−無機複合体の製造方法。
  6. 前記有機溶媒は、メシチレン(mesitylene)、インダン(indane)、テトラリン(tetralin)、リモネン(limonene)、デカン(decane)、ウンデカン(undecane)、およびドデカン(dodecane)からなる群より選択された1種以上の化合物である、請求項4に記載のゴム補強用有機−無機複合体の製造方法。
  7. 請求項1に記載のゴム補強用有機−無機複合体と、少なくとも1種のジエンエラストマーとを含むタイヤ用ゴム組成物。
  8. 前記ジエンエラストマーは、天然ゴム、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン/スチレンコポリマー、ブタジエン/イソプレンコポリマー、ブタジエン/アクリロニトリルコポリマー、イソプレン/スチレンコポリマー、およびブタジエン/スチレン/イソプレンコポリマーからなる群より選択された1種以上の化合物である、請求項7に記載のタイヤ用ゴム組成物。
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