JP4686019B2 - 有機ケイ素化合物、その製法およびその使用、ゴム混合物、その製法および成形物 - Google Patents
有機ケイ素化合物、その製法およびその使用、ゴム混合物、その製法および成形物Info
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機ケイ素化合物、その製法およびその使用に関する。
【0002】
硫黄含有の有機ケイ素化合物、例えば3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、3−チオシアネートプロピルトリエトキシシランまたはビス−(3−[トリエトキシシリル]−プロピル)テトラスルファンをシラン結合剤または強化添加剤として酸化的に充填したゴム混合物中で使用することは公知である。ゴム混合物は、とりわけ、工業的なゴム製品および自動車タイヤの部分、特にトレッドに使用される(DE 2141159、DE 2212239、US 3978103、US 4048206)。
【0003】
さらに、アルコキシシリル官能基(大抵は、トリメトキシシリル基またはトリエトキシシリル基)が混合プロセスの間に充填材(大抵はシリカ)のシラノール基と反応し、従ってシランが充填材表面上に固定されることは公知である。従って、充填材−ゴム結合の形成は、固定化されたシランの硫黄官能基を介して加硫工程の間に行われる。従って、一定のシラン量の場合に得られるこのような加硫物の特性は、どの程度にシランのカップリング収率が高いかおよびどの網状構造が形成されるかに依存する。さらに、ポリスルファン官能基を有するシラン、例えばビス−(3−[トリエトキシシリル]−プロピル)テトラスルファンは、相応する高い温度で、すでに混合プロセスの間に不利に予備架橋する傾向があることが公知である。従って、これらのシランを使用する場合には、最大バッチ温度約155℃を越えないことが重要である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、これまで公知のシランよりも粘着剤または強化添加剤としてゴム混合物中で高いカップリング収率、改善されたゴム特性および高いプロセス安定性を供給する有機ケイ素化合物を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の対象は、一般式I
R1R2R3Si−R4−S−Zn−S−R4−SiR1R2R3 (I)
[式中、R1、R2、R3は、相互に独立に、H、ハロゲン、直鎖または分枝鎖のアルキル基、直鎖または分枝鎖のアルコキシ基を表し、R4は、直鎖または分枝鎖のアルキリデン基を表す]
の有機ケイ素化合物である。
【0006】
直鎖のアルキル基は、メチル基、エチル基、n−プロピル基、n−ブチル基、n−ペンチル基またはn−ヘキシル基であってよい。分枝鎖のアルキル基は、イソ−プロピル基、イソ−ブチル基またはt−ブチル基であってよい。ハロゲンは、フッ素、塩素、臭素またはヨウ素であってよい。アルコキシ基は、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、イソプロポキシ基、イソブトキシ基またはペントキシ基であってよい。
【0007】
有利には、式Iによる有機ケイ素化合物において、R1、R2、R3=エトキシを表し、かつR4=CH2CH2CH2またはイソブチリデンを表す。
【0008】
本発明のもう1つの対象は、一般式II
R1R2R3Si−R4−S−H (II)
[式中、R1、R2、R3は、相互に独立に、H、ハロゲン、直鎖または分枝鎖のアルキル基、直鎖または分枝鎖のアルコキシ基を表し、R4は、直鎖または分枝鎖のアルキリデン基を表す]
のメルカプタン化合物と亜鉛アルコラートとを反応させることを特徴とする一般式Iの有機ケイ素化合物の製法である。この反応は、アルコール溶液中で実施してもよい。反応は、20〜200℃、有利に50℃〜80℃の温度範囲中で実施してもよい。
【0009】
亜鉛アルコラートとして、亜鉛エタノラートを使用してもよい。アルコール溶液を製造するために、エタノールを使用してもよい。亜鉛アルコラートは、塩化亜鉛とナトリウムエタノラートとをアルコール溶液中で反応させることにより製造してもよい。亜鉛アルコラートは、メルカプタン化合物IIの2倍モル量でアルコール溶液中で用いてもよい。
【0010】
メルカプタン化合物として、3−メルカプトプロピルトリエトキシシランを使用してもよい。1つの実施形態において、R1、R2、R3=エトキシ、R4=CH2CH2CH2を表す式IIの化合物と亜鉛エタノラートとをエタノール溶液中で反応させてもよい。
【0011】
本発明による有機ケイ素化合物は、高度に反応性であり、かつゴム混合物中で使用されてもよい。
【0012】
本発明による有機ケイ素化合物を粘着剤または強化剤として含有しているゴム混合物、および加硫工程の後に得られる成形物、特に空気タイヤまたはタイヤトレッドは、低い転がり抵抗と同時に良好な湿式粘着性および高度な耐摩耗性を有する。
【0013】
本発明のもう1つの対象は、ゴム、充填材、有利に沈降シリカ、少なくとも1つの式(I)の有機ケイ素化合物、および場合により、さらにゴム助剤を含有することを特徴とするゴム混合物である。
【0014】
式Iの有機ケイ素化合物は、使用する充填材の量に対して0.1〜15質量%、有利に5〜10質量%の量で使用されてもよい。
【0015】
ゴムとして、天然および/または合成ゴムを使用してもよい。有利な合成ゴムは、例えば、W.ホフマン(W. Hofmann、Kautschuktechnologie、Genter Verlag、Stuttgart 1980 )に記載されている。ゴムは、単独でも組合わせた形で使用してもよい。自動車タイヤを製造するために、ガラス転移温度-50℃以上を有するアニオン重合されたS-SBRゴムならびに高いシス含量のジエンゴムを有するその混合物を使用してもよい。
【0016】
充填材として以下のものを使用することができる:
−ランプ法、ファーネス法またはチャンネル法により製造され、かつBET-表面積20〜200m2/gを有するカーボンブラック、
−例えば、シリケート溶液の沈殿またはハロゲン化ケイ素のフレーム加水分解により製造され、かつ比表面積5〜1000m2/g、有利に20〜400m2/g(BET-表面積)を有し、かつ一次粒子サイズ10〜400nmを有し、場合により他の金属酸化物、例えば、Al-、Mg-、Ca-、Ba-、Zn-およびチタンの酸化物を有する混合酸化物としての高分散性シリカ、
−合成シリケート、例えばアルミニウムシリケート、アルカリ土類シリケート、例えば、BET表面積20〜400m2/gおよび一次粒子直径10〜400nmを有するマグネシウムシリケートまたはカルシウムシリケート、
−天然シリケート、例えば、カオリンおよび他の天然に存在するシリカ、
−ガラス繊維およびガラス繊維生成物(マット、ロープ)またはミクロガラスビーズ。
【0017】
ゴム混合物は、合成ゴムおよびシリカを充填材として含有してもよい。有利には、シリケート溶液から沈殿させることにより製造され、BET表面積20〜400m2/gを有する高分散性シリカは、ゴム100質量部に対して10〜150質量部の量で使用されてもよい。
【0018】
上記の充填材は、単独または混合物として使用してもよい。
【0019】
ゴム混合物の特に有利な態様において、ゴム100質量部に対して淡色の充填材10〜150質量部、場合によりカーボンブラック0〜100質量部と一緒に、ならびに使用された充填材100質量部に対して、式(I)の化合物0.1〜15質量部、有利に5〜10質量部を混合物の製造に使用してもよい。
【0020】
本発明による有機ケイ素化合物は、純粋な形でも不活性な有機もしくは無機の支持体に結合させた形で使用してもよい。有利な支持体材料は、シリカ、天然または合成シリケート、酸化アルミニウムまたはカーボンブラックであってもよい。本発明によれば、有機ケイ素化合物は、単独または他の有機ケイ素化合物、特に単官能アルキルアルコキシシランと組合わせた形で使用してもよい。
【0021】
ゴム助剤生成物として、反応促進剤、反応遅延剤、老化防止剤、安定剤、加工助剤、可塑剤、ワックス、金属酸化物ならびにゴム工業で公知の活性剤、例えば、トリエタノールアミン、ポリエチレングリコールまたはヘキサントリオールを使用してもよい。
【0022】
ゴム助剤は、とりわけ使用目的により調節される通常の量で使用してもよい。通常の量は、ゴムに対して0.1〜50質量%であってもよい。有機ケイ素化合物は、硫黄および促進剤を添加することにより、本来の架橋反応の前に活性化させてもよい。この活性化は、加硫工程の間に実施してもよい。適当な加硫促進剤は、メルカプトベンズチアゾール、スルフェンアミド、グアニジン、チウラム、ジチオカルバメート、チオ尿素およびチオ炭酸塩であってもよい。加硫促進剤および硫黄または過酸化物は、ゴムに対して0.1〜10質量%、有利に0.1〜5質量%の量で使用してもよい。
【0023】
本発明による有機ケイ素化合物をゴム混合物中で使用する場合には、先行技術による混合物に対して、静力学的および動力学的加硫物データーにおいて有利であることが明らかである。このことは、特に高い引張強さ、高い300%モジュラスおよび改善された強化比300%/100%モジュラスにおいて明らかである。さらに、本発明による有機ケイ素化合物を有する混合物は、低減した熱形成(Goodrich 屈曲試験)を示し、このことは、正のヒステリシス挙動を示し、かつ有利には転がり抵抗値と相間する低い損失正接 tanδ(60℃)を示す。
【0024】
本発明のもう1つの対象は、ゴム、充填材、少なくとも1つの式Iの有機ケイ素化合物および場合によりさらにゴム助剤が混合されていることを特徴とするゴム混合物の製法である。
【0025】
本発明による有機ケイ素化合物ならびに充填材は、有利には内部温度100〜200℃で混合できるが、しかし後でより低い温度(40〜100℃)で、例えば、さらにゴム助剤と一緒に混合してもよい。ゴム混合物の成分の混合は、通常の混合装置、例えばローラー、内部混合機および混合押出機中で実施してもよい。
【0026】
本発明によるゴム混合物の加硫は、温度100〜200℃、有利に130〜180℃、および場合により10〜200barの圧力下で行われる。本発明によるゴム加硫物は、成形物、例えば、空気タイヤ、タイヤトレッド、ケーブル外被、ホース、駆動ベルト、コンベアベルト、ローラーカバー、タイヤ、靴底、パッキングリングおよび防振部材であってもよい。
【0027】
本発明による有機ケイ素化合物のゴム混合物中での粘着剤または強化添加剤としての使用は、公知のシランよりも著しく高いカップリング収率および相応して改善されたゴム特性を導く。本発明による有機ケイ素化合物は、高い混合温度で促進されていない混合物が予備架橋する公知の傾向を示さない。従って、著しく高い加工温度は、より優れたプロセス信頼度の場合に許容可能である。硫黄官能基の活性化は、加硫の間に硫黄添加および促進剤添加によってはじめて実施できる。
【0028】
【実施例】
例1:亜鉛有機ケイ素化合物の製造
例1は、本発明による有機ケイ素化合物の製造を記載している。
【0029】
ナトリウムエタノラート溶液を製造するために、1 lフラスコ中にアルゴン雰囲気下でエタノール750mlを存在させ、かつ次に少量ずつナトリウム小片46g(2mol)を添加した。
【0030】
亜鉛有機ケイ素化合物を製造するために、撹拌機、冷却器、温度計および滴下漏斗を備えた4 l四つ首フラスコ中にエタノール750mlおよび塩化亜鉛136.3g(1mol)を存在させた。次に、新たに製造したナトリウムエタノラート溶液を滴下漏斗中に移し、かつ攪拌および78℃で加熱しながら1時間以内に滴加した。後反応させるために混合物を1晩放置し、次に3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン446.8g(2mol)を少量ずつ2時間以上にわたり加熱しながら滴加した。これを78℃でさらに4時間後攪拌し、かつ引き続き室温に冷却し、懸濁液を濾過し、かつ3回エタノール100mlで後洗浄した。濾液を濃縮乾固し、かつ残りの固体を真空中で120℃で乾燥し、かつ引き続き粉砕した。
【0031】
固体生成物514.8gが得られ、これは理論の95.5%に相当した。
【0032】
実施例2〜5:ゴム混合物および加硫物の製造
例2〜5には、ゴム混合物および加硫物の製造が記載されている。例1からの本発明による有機ケイ素化合物を粘着剤として含有している例5に基づいて、先行技術(比較例2〜4)に対して、本発明による化合物の優れた特性が明らかである。
【0033】
一般的な製造手段
ゴム混合物に使用された処方物は、以下の表1に挙げられている。従って、単位 phrは、使用された生ゴム100部に対する質量割合である。
【0034】
【表1】
【0035】
ポリマーVSL 5025-1は、スチレン含量25質量%およびブタジエン含量75質量%を有する溶液中で重合されたバイエル社(Bayer AG)のSBR-コポリマーである。ブタジエンのうち、73%は、1,2結合、10%は、シス−1,4結合および17%は、トランス−1,4結合している。コポリマーは、油37.5phrを含有し、かつムーニー粘度(ML 1+4/100℃)約50を有する。
【0036】
ポリマーBuna CB 24は、シス−1,4−含量97%、トランス1,4−含量2%、1,2−含量1%および44と50MEの間のムーニー粘度を有するバイエル社のシス−1,4−ポリブタジエン(Neodymtyp)である。
【0037】
Ultrasil 7000 GRは、デグッサヒュルス社(Degussa-Huels AG)の簡単に分散可能なシリカであり、かつBET表面積175m2/gを有する。
【0038】
商標名Si 69を有するシランは、ビス−(3−[トリエトキシシリル]−プロピル)テトラスルファンであり、シランSi 264は、3−チオシアナトプロピルトリエトキシシランであり、かつDynasilan 3201は、3−メルカプトプロピルトリエトキシシランである。上記のシランは、デグッサヒュルス社で販売されている。
【0039】
芳香族油として、Chemetall社のNaftolen ZDを使用し、Vulkanox 4020は、バイエル社のPPDであり、かつProtektor G35Pは、HB-フュラー社(HB-Fuller GmbH)のオゾン劣化防止ワックスである。Vulkacit D (DPG)およびVulkacit CZ (CBS)は、バイエル社の商品である。
【0040】
ゴム混合物は、内部混合機を用いて表2に応じて3工程で製造された。
【0041】
【表2】
【0042】
【表3】
【0043】
ゴム混合物およびその加硫物の一般的な製法は、“Rubber Technology Handbook”、W. Hofmann、Hanser Verlag 1994 に記載されている。
【0044】
ゴム工学試験は、表3に挙げられた試験方法に応じて行われた。
【0045】
【表4】
【0046】
例2〜5:
例2〜5の実施は、“一般的な製造手段”に応じて行われ、その際、例2〜4は、比較例として先行技術を記載している。
【0047】
例2では、Si 69 6.40 phrと硫黄1.5 phr、例3では、Si 264 6.32 phrと硫黄2.2 phr、かつ例4では、Dynasilan 3201 5.75 phrと硫黄2.2 phrが使用されている。例5では、例1からの本発明による有機ケイ素化合物および硫黄2.2 phrが使用されている。これは、シランに相応して適合させた硫黄含量を有する等モルの配量に相当する。
【0048】
表4中には、粗製混合物および加硫物のゴム工学データが挙げられている。
【0049】
【表5】
【0050】
例5と例1からの本発明による有機ケイ素化合物とから成る混合物は、対照物に対して非常に良好な静力学的特性を示している。特に、強化係数300%モジュラス/100%モジュラスは、対照混合物に対して著しく高く、このことは、充填材−ゴム結合の高い収率を示している。さらに、転がり抵抗と相間する損失正接 tanδ(60℃)は、有利に低い。そのうえ、混合物の熱形成は、例5からの混合物に関するGoodrich 屈曲試験において最小である。
【0051】
さらに、有利な本発明によるシランの高い熱安定性は明らかである。従って、165℃で促進されていない混合物のトルク増加が確認されることは殆どない(図1)。このことは、本発明によるシランを有する促進されていない混合物は、混合プロセスの間に、例えばSi 69よりも本質的にスコーチに敏感ではないことを示している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の混合物のトルクと時間の関係を表す図である
Claims (12)
- 一般式I
R1R2R3Si−R4−S−Zn−S−R4−SiR1R2R3 (I)
[式中、R1、R2、R3は、相互に独立に、H、ハロゲン、直鎖または分枝鎖のアルキル基、直鎖または分枝鎖のアルコキシ基を表し、R4は、直鎖または分枝鎖のアルキリデン基を表す]
の有機ケイ素化合物。 - R1、R2、R3=エトキシおよびR4=CH2CH2CH2またはイソブチリデンである、請求項1に記載の有機ケイ素化合物。
- 一般式II
R1R2R3Si−R4−S−H (II)
[式中、R1、R2、R3は、相互に独立に、H、ハロゲン、直鎖または分枝鎖のアルキル基、直鎖または分枝鎖のアルコキシ基を表し、R4は、直鎖または分枝鎖のアルキリデン基を表す]
のメルカプタン化合物を亜鉛アルコラートと反応させることを特徴とする、請求項1に記載の有機ケイ素化合物の製法。 - 反応を20℃〜200℃の温度範囲内で実施する、請求項3に記載の有機ケイ素化合物の製法。
- 反応をアルコール溶液中で実施する、請求項3に記載の有機ケイ素化合物の製法。
- R1、R2、R3=エトキシ、R4=CH2CH2CH2を表す式IIの化合物と亜鉛エタノラートとをエタノール溶液中で反応させる、請求項3に記載の有機ケイ素化合物の製法。
- 請求項1に記載の有機ケイ素化合物のゴム混合物における使用。
- ゴム、充填材、少なくとも1つの式I
R 1 R 2 R 3 Si−R 4 −S−Zn−S−R 4 −SiR 1 R 2 R 3 (I)
[式中、R 1 、R 2 、R 3 は、相互に独立に、H、ハロゲン、直鎖または分枝鎖のアルキル基、直鎖または分枝鎖のアルコキシ基を表し、R 4 は、直鎖または分枝鎖のアルキリデン基を表す]
の有機ケイ素化合物、および場合により他のゴム助剤を含有することを特徴とする、ゴム混合物。 - 使用される充填材の量に対して、式Iの有機ケイ素化合物を0.1〜15質量%の量で使用する、請求項8に記載のゴム混合物。
- 合成ゴムおよびシリカを充填材として含有する、請求項8に記載のゴム混合物。
- 請求項8に記載のゴム混合物から製造される成形物。
- 空気タイヤ、タイヤトレッド、ケーブル外被、ホース、タイヤ、靴底、パッキングリングまたは防振部材である、請求項11に記載の成形物。
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