KR100794729B1 - Process for preparing networked silica with good reinforcing property - Google Patents

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서곤
류창석
정동신
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전남대학교산학협력단
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Abstract

A method for preparing networked silica is provided to prepare the networked silica in a short time and improve the function of the networked silica in reinforcing an intension of rubber, by coupling silica particles with a coupling string material in a three-dimensional type to prepare the networked silica. A networked silica is prepared by dissolving a coupling string material in a methanol aqueous solution or an ethanol aqueous solution, and making the dissolved coupling material with silica particles at a temperature of 20-60°C. The methanol aqueous solution or the ethanol aqueous solution has 5-20 wt% of water. The silica particles react for 1-12 hours while the silica particles are suspended in the methanol aqueous solution or the ethanol aqueous solution.

Description

보강성질 우수한 둥지실리카의 제조방법{PROCESS FOR PREPARING NETWORKED SILICA WITH GOOD REINFORCING PROPERTY}PROCESS FOR PREPARING NETWORKED SILICA WITH GOOD REINFORCING PROPERTY}

도 1은 둥지실리카의 구조 모형을 나타낸다.1 shows a structural model of nested silica.

도 2는 본 발명의 방법에 따라 둥지실리카를 액상으로 제조하기 위한 반응기의 구성도를 나타낸다.2 shows a schematic diagram of a reactor for preparing nested silica in the liquid phase according to the method of the present invention.

도 3은 3-아미노프로필트리에톡시실란의 구조와 H-NMR 스펙트럼을 나타낸다. 3 shows the structure and H-NMR spectrum of 3-aminopropyltriethoxysilane.

도 4는 본 발명의 방법에 따라 둥지실리카를 유동상으로 제조하기 위한 장치 개략도이다. 4 is a schematic diagram of an apparatus for producing nested silica in a fluidized bed in accordance with the method of the present invention.

본 발명은 고무와의 배합성이 우수하고, 또한 배합된 고무의 인장 성질 보강 효과가 우수한 둥지 실리카의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a nested silica excellent in blendability with rubber and excellent in tensile strength reinforcing effect of the blended rubber.

고무 제품은 용도에 따라 차이가 있지만, 타이어, 벨트, 컨베이어, 신발 등의 제조에 사용하는 것은 외부 충격을 흡수하면서도 형태가 유지될 수 있도록 탄성 과 인장강도가 높아야 한다. 특히, 타이어처럼 큰 하중을 지탱하면서도 주행 중 가해지는 불규칙적인 충격을 흡수해야 하는 고무 제품에서는 탄성과 인장강도가 제품의 성능과 안정성을 결정하는데 매우 중요하다. 통상, 고무의 첨가량을 줄일 수 있으면서, 배합고무의 인장강도를 향상시키기 위해 고무에 카본블랙이나 실리카를 첨가한다. 고무 분자와 친화력이 강한 카본블랙은 고무와 잘 섞이고 물성 보강 기능이 탁월하기 때문에 고무 제품의 물성 보강제로 널리 쓰여 왔다. 최근에는 타이어의 환경친화성을 강조하여 카본블랙 대신 실리카 첨가량을 늘리고 있다. 타이어의 연비를 향상시키고 조향능력과 제동력을 고루 개선할 수 있어 실리카를 보강제로 많이 사용한다. 그러나 카본블랙과 달리 실리카는 무기물이고 친수성이어서, 유기물이면서 소수성인 고무 분자와 잘 섞이지 않고, 친화력이 낮아 균일하게 배합하는데 어려움이 많다. 실리카 입자의 표면은 실라놀기로 덮여 있어 서로 덩어리지기 쉬우며, 유기물과 친화력이 약하여 실리카 입자를 고무 내에 분산시키기 어렵다. 이런 이유로 실리카 입자가 고무에 잘 분산되도록 유기 물질로 처리한다. 실리카의 표면을 소수성으로 바꾸기 위해 실라놀기와 반응하여 결합할 수 있는 유기 물질로 처리하여 실리카의 보강 효과를 극대화한다[특허문헌 1]. 에톡시기나 메톡시기 등 알콕시 관능기가 있는 실란을 실리카와 반응시키면 실란의 알콕시기와 실리카의 실라놀기가 반응하면 알코올이 생성되면서 실란이 실리카 표면에 고정된다. 실란에 결합되어 있는 유기물의 성질에 따라 차이가 있지만, 실리카의 표면이 유기물로 덮여서 소수성이 강해지므로 고무 분자와 혼합성이 좋아진다. Rubber products vary depending on the application, but their use in the manufacture of tires, belts, conveyors, shoes, etc., must be high in elasticity and tensile strength to maintain their shape while absorbing external impacts. In particular, in rubber products that support large loads such as tires and must absorb irregular impacts while driving, elasticity and tensile strength are very important in determining the performance and stability of the product. Usually, carbon black or silica is added to rubber in order to reduce the addition amount of rubber and to improve the tensile strength of the compounded rubber. Carbon black, which has high affinity with rubber molecules, has been widely used as a physical property reinforcing agent of rubber products because it mixes well with rubber and has excellent property reinforcement. Recently, it has been increasing the amount of silica instead of carbon black by emphasizing the environmental friendliness of tires. Silica is widely used as a reinforcing agent because it can improve the fuel efficiency of tires and evenly improve the steering ability and braking power. However, unlike carbon black, silica is inorganic and hydrophilic, so it does not mix well with organic and hydrophobic rubber molecules. The surfaces of the silica particles are covered with silanol groups, which are easy to agglomerate with each other, and have low affinity with organics, making it difficult to disperse the silica particles in the rubber. For this reason, the silica particles are treated with an organic material so that they disperse well in the rubber. In order to convert the surface of the silica into hydrophobic, the reinforcing effect of the silica is maximized by treating it with an organic material that can be reacted with a silanol group. When a silane having an alkoxy functional group such as an ethoxy group or a methoxy group is reacted with silica, when the alkoxy group of the silane reacts with the silanol group of the silica, alcohol is produced and the silane is fixed to the silica surface. Although there are differences depending on the nature of the organic material bound to the silane, the surface of the silica is covered with the organic material and thus the hydrophobicity becomes stronger, so that the rubber molecules have good mixing properties.

계면 활성제 수용액으로 실리카를 처리하여 표면에 유기물을 고정하여 표면 을 소수성으로 바꾸어도 실리카의 고무 내 분산성이 크게 향상된다. 유기물로 실리카 입자 표면을 도포하면 실리카 표면이 소수성으로 변하면서 고무에 잘 분산되지만, 실리카 입자간 반발력이 커져 심하게 날리므로 실제 사용하는 데는 만족스러운 것은 아니다. 표면처리하면 분산성은 확실히 좋아지지만 실리카 입자와 고무 분자의 친화력이 강화되지 않으므로, 배합고무의 모듈러스와 인장강도가 기대만큼 향상되지 않는다. 이런 점을 감안하여 실리카의 표면 처리와 함께 실리카 입자를 고무 분자와 직접 결합시키는 결합제(coupling reagent)가 개발되었다[특허문헌 2]. 알콕시기가 붙어 있는 실란의 가운데 고무 분자와 공유결합을 이룰 수 있는 황화 결합이 들어 있는 물질을 결합제로 사용한다. 가황도중 고무에 첨가된 활성화제나 촉진제에 의해 황화 결합이 활성화되어 고무 분자의 이중결합과 반응하여 결합하고 실란의 알콕시기는 실리카 표면의 실라놀기와 반응하여 결합하므로 고무 분자와 실리카 입자가 공유결합으로 직접 연결된다. 3,3'-비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드(TESPT)처럼 황화 결합과 알콕시기가 같이 들어 있는 실란이 대표적인 결합제이다. 알콕시기의 종류, 황화 결합의 길이, 가운데 결합되어 있는 유기물에 따라 성능이 조금씩 다르나 고무 분자와 실리카 입자를 결합시키는 기본 기능은 비슷하다. 실리카와 결합제를 같이 사용하여 가황 도중 고무 분자와 실리카 입자가 직접 결합되므로, 실리카의 분산성과 물성 보강 효과가 크게 향상된다.Even if the surface is made hydrophobic by fixing the organic material on the surface by treating the silica with an aqueous surfactant solution, the dispersibility of the silica in rubber is greatly improved. When the silica particle surface is coated with an organic substance, the silica surface becomes hydrophobic and is dispersed in rubber well, but the repulsive force between silica particles is increased and blows badly, so it is not satisfactory for actual use. Dispersibility is certainly improved by surface treatment, but the affinity between silica particles and rubber molecules is not enhanced, and thus the modulus and tensile strength of the compounded rubber do not improve as expected. In view of this point, a coupling reagent for directly bonding silica particles with rubber molecules together with the surface treatment of silica has been developed [Patent Document 2]. In the middle of the silane to which the alkoxy group is attached, a substance containing a sulfide bond which can form a covalent bond with a rubber molecule is used as a binder. During vulcanization, sulfide bonds are activated by activators or accelerators added to the rubber to react with the double bonds of the rubber molecules, and the alkoxy groups of the silanes react with the silanol groups on the silica surface so that the rubber molecules and the silica particles are covalently bonded directly. Connected. Silanes containing sulfide bonds and alkoxy groups together, such as 3,3'-bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide (TESPT), are typical binders. Although the performance varies slightly depending on the type of alkoxy group, the length of sulfide bonds, and the organic material bound in the center, the basic functions of bonding rubber molecules and silica particles are similar. Since the rubber and the silica particles are directly bonded during the vulcanization by using the silica and the binder together, the dispersibility and the reinforcing properties of the silica are greatly improved.

결합제를 사용하면 실리카는 고무 내에 잘 분산될 뿐 아니라 실리카의 보강 효과도 크게 향상되어 인장 성질이 아주 좋아진다. 결합제를 너무 많이 첨가하면 모듈러스가 지나치게 높아져 탄성이 도리어 낮아지기도 하나, 배합 비율을 적절히 조절하므로 실리카 첨가로 인한 배합고무의 인장 성질과 실리카의 분산성을 동시에 향상시킬 수 있다. 이뿐 아니라 결합제가 배합 단계에서 윤활제로서 작용하여 고무의 점도를 낮추어 배합에 소요되는 동력을 줄이고 배합 과정에서 온도 상승을 억제하는 등 긍정적인 효과가 크다. 이러한 장점으로 인하여 실리카를 보강제로 사용하는 배합고무의 대부분은 TESPT나 이와 유사한 결합제를 첨가하여 제조한다. TESPT로 대표되는 결합제는 고무 내 실리카의 분산도를 높이고 고무의 인장 성질을 향상시키는 매우 효과적인 첨가제이나 사용하는 데 불편한 점도 많다. 대부분 결합제는 액체이고 수분과 강하게 반응하여 취급하기 까다롭고, 장기 보관도 어렵다. 취급하기 편리하도록 카본블랙에 섞어 사용하며, 성능 저하를 고려하여 보관기간을 엄정하게 관리한다. 결합제를 고무에 첨가하여 가황하는 단계에서 결합제가 실리카와 결합하면서 필연적으로 알코올이 발생한다는 점이 결합제를 사용할 때 피할 수 없는 어려움이다. 고무와 실리카 입자가 결합제를 다리로 결합할 때 발생한 알코올이 고무 내에 남아 있으면, 온도가 높아졌을 때 기포가 생성된다. 기포는 파열의 시작점이 될 수 있으므로 배합 과정에서 생성된 알코올은 반드시 제거해야 한다. 그러나 알코올은 유기물과 친화력이 크므로 분자량이 매우 크면서 점성이 강한 고무에 들어 있는 에탄올을 제거하려면 상당히 복잡하고 매우 가혹한 공정을 거쳐야 한다. 이뿐 아니라 알코올이 대기에 방출되면 냄새가 나고 공기가 탁해지기 때문에 청정한 작업 환경을 유지하기 위해서 추가 조치가 필요하다. 이외에도 TESPT 등 결합제를 첨가할 때는 온도 등 공정 변수를 아주 정밀하게 제어하여야 하는 부담이 있다. 고무를 혼합하는 배합 공정에서는 고무와 첨가제가 잘 섞이면서도 결합제가 고무와 결합하지 않아야 하기 때문이다. 배합도중 온도가 높아지면 결합제의 황화 결합과 고무의 이중 결합이 반응하여 결합하고, 이로 인해 고무의 점도가 높아져서 배합 공정을 원활하게 조작할 수 없다. 따라서 결합제를 실리카와 함께 첨가한 고무의 배합 공정에서는 결합 반응이 진행되지 않도록 세밀하게 온도를 제어한다.The use of the binder not only disperses the silica well in the rubber, but also greatly improves the reinforcing effect of the silica, resulting in very good tensile properties. If the binder is added too much, the modulus may be too high and the elasticity may be lowered. However, since the blending ratio is properly adjusted, the tensile properties of the blended rubber and the dispersibility of the silica due to the addition of silica may be improved at the same time. In addition, the binder acts as a lubricant in the compounding step to lower the viscosity of the rubber to reduce the power required for the compounding, and to suppress the temperature rise during the compounding process has a large positive effect. Due to these advantages, most of the compounded rubbers using silica as a reinforcing agent are prepared by adding TESPT or a similar binder. Binders represented by TESPT are very effective additives that increase the dispersion of silica in rubber and improve the tensile properties of the rubber, but are also inconvenient to use. Most binders are liquid and react strongly with moisture, making them difficult to handle and difficult to store for a long time. It is mixed with carbon black for easy handling, and the storage period is strictly controlled in consideration of performance degradation. The fact that alcohol is inevitably generated when the binder combines with silica in the step of adding the binder to the rubber is inevitable when using the binder. If the alcohol generated when the rubber and silica particles bind the binder with the legs remains in the rubber, bubbles are produced when the temperature is elevated. Bubbles can be a starting point for rupture, so the alcohol produced during the blending process must be removed. However, alcohol has a high affinity with organics, so the removal of ethanol from very high molecular weight, viscous rubber requires a very complex and very harsh process. In addition, alcohol releases into the atmosphere, causing odors and turbidity, requiring further action to maintain a clean work environment. In addition, when adding a binder such as TESPT, there is a burden to control the process parameters such as temperature very precisely. This is because the mixing process of mixing rubber requires that the rubber and the additive mix well but the binder does not bind with the rubber. When the temperature increases during the blending, the sulfide bonds of the binder and the double bonds of the rubber react with each other, and thus the viscosity of the rubber becomes high and the blending process cannot be smoothly operated. Therefore, in the compounding process of the rubber in which the binder is added together with silica, the temperature is finely controlled so that the bonding reaction does not proceed.

결합제 사용에 대한 문제점을 해결하기 위해 유기물을 결합 끈으로 사용하여 실리카 입자를 3차원적으로 결합시켜 새 둥지처럼 만든 둥지실리카(networked silica)가 개발되었다[특허문헌 3]. 유기물이 실리카 입자를 서로 결합시켜 도 1에 보인 형태의 구조물을 만든다. 실리카 표면에 유기물이 결합되어 있어 소수성이 증진되므로 고무와 친화력이 향상되고, 실리카 입자사이의 공간에 고무가 들어가 서로 섞이게 되어 실리카의 고무 내 분산성이 크게 향상된다. 또 결합 끈과 고무가 서로 엉켜서 고무의 인장 성질을 강화시키므로 보강제로서 실리카의 성능이 크게 향상된다.In order to solve the problem of the use of a binder, a nested silica (networked silica), which is made of a bird nest by three-dimensionally bonding silica particles using organic materials as a binding string, has been developed [Patent Document 3]. The organic material combines the silica particles with each other to form a structure shown in FIG. 1. Since the organic material is bonded to the silica surface to improve hydrophobicity, the affinity with the rubber is improved, and the rubber enters the space between the silica particles to be mixed with each other, thereby greatly improving the dispersibility of the rubber in the silica. In addition, since the binding string and the rubber are entangled with each other to strengthen the tensile property of the rubber, the performance of the silica as a reinforcing agent is greatly improved.

둥지실리카는 여러 방법으로 제조할 수 있다. 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)을 결합시킨 실리카와 3-글리시독시프로필트리메톡시 실란(GPTMS)을 결합시킨 실리카를 반응시키면 아민기와 글리시독시기가 결합하면서 실리카 입자가 서로 이어진다[비특허 문헌 1]. APTES가 결합된 실리카는 GPTMS가 결합된 실리카와 결합하므로 실리카 입자끼리 서로 결합된다. 실리카 입자에 결합된 관능기의 수를 적절히 조절하면 실리카 입자를 이어주는 결합 끈의 수를 조절할 수 있다. 관능기가 다른 실란 대신 한 종류의 실란을 서로 이어서 만든 결합 끈 물질로도 둥지실리카를 만들 수 있다. APTES를 결합시킨 실리카를 디클로로헥산(DCH)과 반응시키면 실리카에 결합된 아미노기가 DCH의 염소기와 서로 반응하여 실리카 입자가 서로 결합한다. 헥산 대신 데칸이나 도데칸 등 긴 탄화수소를 사용하면 실리카 입자를 이어주는 결합 끈의 길이도 적절히 조절할 수 있다. Nest silica can be prepared in several ways. Reaction of silica bound with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) and silica bound with 3-glycidoxypropyltrimethoxy silane (GPTMS) causes the amine and glycidoxy groups to be bound together with the silica particles. Non Patent Literature 1]. Since the APTES-bonded silica is bonded to the GPTMS-bonded silica, the silica particles are bonded to each other. By properly adjusting the number of functional groups bonded to the silica particles, the number of binding strings connecting the silica particles can be controlled. Nesting silica can also be made from a bond string material made of one type of silane connected to each other instead of another silane. When the APTES-bonded silica is reacted with dichlorohexane (DCH), the amino group bonded to the silica reacts with the chlorine group of the DCH to bind the silica particles to each other. Using long hydrocarbons, such as decane or dodecane instead of hexane, can also adjust the length of the bond string that connects the silica particles.

이런 과정을 거쳐 만든 둥지실리카는 고무와 배합하는 과정에서 고무 분자나 다른 첨가제와 화학적으로 반응하지 않는다. 따라서 알코올 등 다른 물질이 발생하지 않아서 이를 제거하기 위한 공정이 필요없고, 배합 공정의 온도를 세심하게 제어하지 않아도 된다. 실리카 표면이 유기물로 덮여 있기 때문에 고무와 배합할 때 마찰이 작고 결합 끈 사이로 고무가 침투하므로 고무 내에 실리카 입자가 잘 분산된다. 실리카와 고무 분자가 직접 결합하지 않으므로 결합제를 사용한 배합고무에 비해 모듈러스가 크게 높아지지 않는다. 그러나 고무 분자가 실리카 입자를 이어주는 결합 끈과 엉키는 효과(entanglement)로 인해 인장강도가 상당히 높아진다. 인장강도가 높으면서도 고무의 탄성을 나타내는 연신율이 우수하여 파열에 견디는 내충격성(toughness)은 매우 크다. 이외에도 둥지실리카를 첨가한 배합고무는 인장강도가 높으면서도 히스테리시스가 작아 고무 물성 보강제로서 매우 우수하다.The nested silica produced through this process does not chemically react with rubber molecules or other additives during compounding with rubber. Therefore, no other substances, such as alcohol, are generated so that a process for removing them is not necessary, and the temperature of the compounding process does not need to be carefully controlled. Since the silica surface is covered with organic matter, the friction is small when blended with the rubber and the rubber penetrates through the bond string, so that the silica particles are well dispersed in the rubber. Silica and rubber molecules do not bond directly, so the modulus does not increase significantly compared to compounding rubber using a binder. However, the tensile strength is significantly higher due to the entanglement of the rubber molecules with the bond strings connecting the silica particles. The tensile strength is high and the elongation which shows the elasticity of rubber is excellent, and the toughness withstands a tear is very large. In addition, the compounded rubber with nested silica is very excellent as a rubber property reinforcing agent because of its high tensile strength and low hysteresis.

둥지실리카는 톨루엔 등 액상 용매에서 실리카와 결합 끈 물질을 반응시켜 제조한다. 글리시독시기나 염소기 등과 결합할 수 있는 아미노기가 있는 APTES를 톨루엔에 녹인 용액에 실리카를 넣고 환류 가열하면서 실리카 표면에 APTES를 결합시킨다. 같은 방법으로 GPTMS를 실리카에 결합시킨다. APTES와 GPTMS가 각각 결합된 실리카를 톨루엔에 현탁시켜 서로 반응시키면, 이들 관능기가 반응하여 결합되면서 실리카 입자가 서로 결합된다. 이러한 방법으로는 APTES와 실리카의 반응, GPTMS와 실리카의 반응, 이들끼리 반응 등 세 단계를 거쳐 둥지실리카를 제조할 수 있다. 이로 인해 반응기 등 장치가 많이 필요하고 반응에 소요되는 시간이 길어 제조비용이 높아진다. TESPT 등 결합제를 실리카와 함께 고무에 첨가하는 방법에 비해, 둥지실리카만 첨가하는 방법은 실리카의 보강 기능이 우수하고 사용하기 편리하지만 둥지실리카의 제조비용이 부담이 되어 상용화가 어렵다.Nest silica is prepared by reacting silica and binding string materials in a liquid solvent such as toluene. APTES having an amino group capable of binding to glycidoxy group or chlorine group is added to silica in a solution of toluene, and the APTES is bonded to the silica surface by heating under reflux. In the same way GPTMS is bound to silica. When the silicas in which APTES and GPTMS are respectively bound are suspended in toluene and reacted with each other, these functional groups react with each other and the silica particles are bonded to each other. In this method, the nested silica can be prepared through three steps: reaction of APTES and silica, reaction of GPTMS and silica, and reaction between them. This requires a lot of equipment, such as a reactor, and the time required for the reaction increases the manufacturing cost. Compared to the method of adding a binder such as TESPT to the rubber together with silica, the method of adding only the nested silica is superior to the reinforcing function of the silica and is convenient to use, but the manufacturing cost of the nested silica is difficult and commercialization is difficult.

APTES가 결합된 실리카를 DCH와 반응시키면 DCH를 다리로 해서 실리카 입자가 서로 이어진다. APTES가 결합된 실리카를 DCH과 반응시키므로 두 단계 반응만으로도 둥지실리카를 제조할 수 있다. 환류 가열 단계가 줄어들어 제조비용을 절감할 수 있다. When APTES-bonded silica is reacted with DCH, silica particles are connected to each other using DCH as a bridge. Since the APTES-bonded silica is reacted with DCH, it is possible to prepare nested silica using only a two-step reaction. The reflux heating step can be reduced to reduce manufacturing costs.

실리카 표면의 실라놀기와 상온에서도 반응할 수 있는 이소시아네이트기가 선형이면서도 대칭적인 물질의 양 끝에 달려있는 물질을 실리카와 반응시키면 이소시아네이트기가 실라놀기와 반응하여 실리카 입자를 서로 결합시킨다. 메틸렌디페닐디이소시아네이트(MDI)를 결합 끈 물질로 사용하면 상온에서 한 단계 반응만으로도 실리카 입자를 서로 결합시켜 둥지실리카를 만들 수 있다. 그러나 이소시아네이트기를 결합 끈으로 사용하여 만든 둥지실리카는 실란으로 제조한 둥지실리카에 비해 보강 성질과 열적 안정성이 약하다.When a silanol group on the surface of silica reacts with silica, an isocyanate group, which can react at room temperature, is reacted with silica, and the isocyanate group reacts with the silanol group to bond the silica particles to each other. When methylene diphenyl diisocyanate (MDI) is used as the binding string material, it is possible to form nested silica by bonding silica particles to each other in one step reaction at room temperature. However, nested silica made using isocyanate group as a binding string has lower reinforcing properties and thermal stability than nested silica made of silane.

이처럼 앞서 제시한 방법으로 둥지실리카를 제조할 때는 실리카의 실라놀기와 결합 끈이 화학 결합할 수 있도록 가열하는 단계가 필요하고, 반응의 진행 정도를 높이기 위해서 반응물의 농도를 높여주어야 한다. 환류가열 방법으로 둥지실리카를 제조할 때는 반응이 빠르게 진행될 수 있도록 높은 온도로 가열할 수 있는 끓 는점이 높은 용매를 사용하여야 한다. 그러나 반응 후 둥지실리카에 남아 있는 고비점 용매를 제거하는 데 비용이 많이 든다. 이처럼 환류가열 방법으로 둥지실리카를 제조하면 반응 개념은 명확하고 반응의 진행 정도를 파악하기 용이하지만, 결합 반응을 진행시키기 위해 에너지와 시간이 많이 소요되어 제조비용이 많아질 수밖에 없다.As described above, when manufacturing the nested silica, the step of heating the silica so that the silanol group and the binding string of the chemical bond is required, and the concentration of the reactant should be increased to increase the progress of the reaction. When preparing the nested silica by reflux heating method, a high boiling solvent that can be heated to a high temperature should be used so that the reaction can proceed rapidly. However, it is expensive to remove the high boiling solvent remaining in the nest silica after the reaction. When the nested silica is prepared by the reflux heating method, the reaction concept is clear and easy to grasp the progress of the reaction, but it takes much energy and time to proceed with the coupling reaction, which inevitably increases the manufacturing cost.

특허문헌 1: 국제특허출원공개 WO 00/31180 (2000년 6월 2일)Patent Document 1: International Patent Application Publication WO 00/31180 (June 2, 2000)

특허문헌 2: 미국특허제 3,873,489호(1975년 3월 25일)Patent Document 2: U.S. Patent No. 3,873,489 (March 25, 1975)

특허문헌 3: 국제특허출원공개 WO 2004/078835 (2004년 9월 16일)Patent Document 3: International Patent Application Publication WO 2004/078835 (September 16, 2004)

비특허 문헌 1: Kwang Ha, Yun-Jo Lee, Han Ju Lee, and Kyung Byung Yoon, "Facile assembly of zeolite monolayers on glass, silica, alumina. and other zeolites using 3-halopropylsilyl reagents as covalent linkers", Adv. Mater., 12, 1114-1117 (2000). [Non-Patent Document 1] Kwang Ha, Yun-Jo Lee, Han Ju Lee, and Kyung Byung Yoon, "Facile assembly of zeolite monolayers on glass, silica, alumina. And other zeolites using 3-halopropylsilyl reagents as covalent linkers", Adv. Mater., 12, 1114-1117 (2000).

끓는점이 높은 용매에 녹인 결합 끈 물질을 환류가열 방법으로 실리카 표면에 결합시켜 둥지실리카 제조하는 방법은 제조 공정이 복잡하고 비용이 많이 들어 둥지실리카의 이점을 살리기 어렵다. 따라서 둥지실리카를 저렴하게 제조하기 위하여 이 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 아래와 같다. The method of preparing the nested silica by bonding the binding string material dissolved in a high boiling point solvent to the surface of the silica by reflux heating method is complicated and expensive, making it difficult to take advantage of the nested silica. Therefore, the technical problem to be achieved in this invention in order to manufacture the nested silica cheaply is as follows.

(1) 톨루엔처럼 끓는점이 높은 용매대신 끊는 점이 낮아서 낮은 온도에서도 쉽게 제거할 수 있는 용매를 사용하여 실리카 입자가 3차원적으로 연결된 둥지실리 카를 제조하는 기술.(1) A technique for producing nested silica in which three-dimensional silica particles are connected by using a solvent that can be easily removed even at low temperatures due to low boiling point instead of a high boiling point solvent such as toluene.

(2) 온도를 높여 환류 가열하여 결합 끈 물질과 실리카를 반응시키는 대신 상온에서 반응시켜 가열과 냉각에 필요한 에너지를 절감하는 기술. (2) Technology that reduces the energy required for heating and cooling by reacting at room temperature, instead of reacting the bond string material and silica by heating to reflux by raising the temperature.

(3) 용매 사용량을 줄여 용매 제거와 회수 비용을 절감하면서도 실리카 입자를 결합 끈 물질과 균일하게 결합시키는 기술.(3) Technology that uniformly combines silica particles with bound materials while reducing solvent usage and reducing solvent removal and recovery costs.

(4) 반응 단계를 줄여 반응물의 이동에 따른 비용과 시간을 절감하면서도, 재현성이 우수하고 생산 규모를 확대하기 용이한 둥지실리카의 제조 기술.(4) The manufacturing technology of the nested silica which is excellent in reproducibility and easy to expand the production scale while reducing the cost and time according to the movement of the reactants by reducing the reaction step.

(5) 고무 제품의 용도에 따라 둥지실리카의 표면 상태를 적절하게 제어하는 기술. (5) Technology to properly control the surface state of the nested silica according to the use of the rubber product.

이러한 기술적 과제를 이루기 위해 발명자들은 낮은 온도에서도 쉽게 휘발시켜 제거할 수 있는 용매에 결합 끈 물질을 녹인 후 적정량의 물을 가하여 상온에서 실리카 입자와 결합 끈 물질을 반응시켰다. 결합 끈 물질의 알콕시기가 가수분해하여 생성된 하이드록실기가 실리카 표면의 실라놀기에 흡착된 후, 건조 과정에서 이들이 반응하도록 공정을 설계하였다. 건조 과정에서 반응은 생성된 물이 제거되면서 실리카 입자가 서로 결합하여 3차원적 망상구조를 이룬다. 이 방법에서는 환류가열 과정을 거치지 않고서도 둥지실리카를 제조할 수 있을뿐더러 저온에서 적은 양의 에너지로 용매를 휘발시켜 제거하므로 에너지 사용량을 크게 줄일 수 있다.In order to achieve this technical problem, the inventors dissolve the binding string material in a solvent which can be easily volatilized and removed even at low temperature, and then reacts the silica particles with the binding string material at room temperature by adding an appropriate amount of water. After the hydroxyl group generated by the hydrolysis of the alkoxy group of the bond string material was adsorbed to the silanol group on the silica surface, the process was designed such that they react during the drying process. In the drying process, the generated water is removed and the silica particles combine with each other to form a three-dimensional network. In this method, nest silica can be produced without undergoing reflux heating, and the amount of energy used can be greatly reduced since the solvent is volatilized and removed at low temperature with a small amount of energy.

또한, 끓는점이 낮은 용매에 결합 끈 물질과 적정량의 물을 가하여 제조한 용액을 유동 상태의 실리카 입자에 분사하여 도포하는 방법으로 둥지실리카를 제조하는 기술도 개발하였다. 건조 과정에서 용매와 물을 같이 제거하면서 결합 끈 물 질이 실리카 표면에 결합되고 이 과정에서 실리카 입자가 서로 결합되어 3차원적 망상구조를 만든다. 결합 끈 물질의 알콕시기가 가수분해되어 실리카 입자 표면에 흡착되도록 유동 상태를 유지한 후 가열하므로 둥지실리카를 제조하는 방법이다.In addition, a technique for preparing nested silica has been developed by spraying and applying a solution prepared by adding a binding material and an appropriate amount of water to a solvent having a low boiling point to spray silica particles. In the drying process, the binding strip material is bonded to the silica surface while the solvent and water are removed together. In this process, the silica particles are bonded to each other to form a three-dimensional network. Since the alkoxy group of the binding string material is hydrolyzed and adsorbed onto the surface of the silica particles, the alkoxy group is heated and then heated, thereby manufacturing nested silica.

환류가열 공정을 거치지 않고서 둥지실리카를 제조하므로 공정이 단순해지고 에너지 소요량이 크게 줄어들어 제조비용이 크게 절감된다. 특히 유동 상태의 실리카 입자에 결합 끈 물질의 용액을 분사하는 제조 방법에는 결합 끈 물질이 모두 실리카 표면에 결합되므로 결합 끈 물질을 조금 사용하면서도 3차원적 망상구조를 효과적으로 형성할 수 있어 제조비용을 크게 절감할 수 있다.The manufacturing of the nested silica without the reflux heating process simplifies the process and greatly reduces the energy requirements, greatly reducing manufacturing costs. In particular, in the manufacturing method of spraying a solution of the binding string material on the silica particles in the fluid state, since all the binding string materials are bonded to the silica surface, it is possible to effectively form a three-dimensional network structure while using a little binding string material, thereby greatly increasing the manufacturing cost. Can be saved.

본 발명은 이러한 발견에 기초로 하여 완성된 것이다.The present invention has been completed based on this finding.

이하, 이 발명을 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

이 발명은 유기 결합 끈으로 실리카 입자를 서로 결합시켜서 3차원적 망상구조(3-dimensional networked structure)를 형성하므로 실리카 표면이 친수성에서 소수성으로 변하는 데 따른 고무와 실리카 입자의 친화성 향상과, 고무 분자가 실리카 입자 사이의 망상구조 내로 침투하는 데 따라 고무와 실리카 입자가 잘 섞여 분산성을 향상시키는데 목적이 있다. 이뿐 아니라 실리카 입자의 망상구조 내로 끼어 들어온 고무 분자는 서로 엉켜 꼬이게 되므로 꼬임(entanglement) 효과로 인하여 고무의 인장 성질이 크게 향상된다. 실리카를 고무에 첨가하여도 알콕시기와 황화 결합을 가진 결합제를 첨가하지 않으면 실리카 입자가 고무 내에 잘 분산되지 않으므로, 실리카에 의한 인장 성질의 향상 정도가 그리 크지 않다. 고무 분자와 실리카를 직접 결합시키는 TESPT 등 결합제 사용하면 실리카 입자의 분산도가 향상되고 인장 성질이 제고되나, 제조 공정에서 알코올이 발생하는 등 어려움도 수반된다. 유기 결합 끈으로 실리카 입자를 3차원적으로 결합시킨 둥지실리카는 실리카와 결합제를 함께 사용할 때와 달리 알코올이 발생하지 않으면서도 TESPT 결합제를 첨가한 배합고무와 비슷하거나 그 이상으로 실리카 입자가 잘 분산되고, 배합고무의 인장강도가 높아져서 보강 성질이 크게 향상된다. 이 발명에서 제조한 둥지실리카는 도 1에 보인 구조처럼 유기 결합 끈으로 실리카 입자가 서로 결합되어 있어 고무의 보강 물질로서 효능이 아주 우수하다. The present invention forms a three-dimensional networked structure by bonding silica particles to each other with an organic bond string, thereby improving the affinity between rubber and silica particles as the silica surface changes from hydrophilic to hydrophobic, and rubber molecules. As the rubber penetrates into the network structure between the silica particles, the rubber and silica particles are mixed well to improve dispersibility. In addition, the rubber molecules introduced into the network structure of the silica particles are entangled with each other, thereby greatly improving the tensile properties of the rubber due to the entanglement effect. Even if silica is added to the rubber, the silica particles are not dispersed well in the rubber unless a binder having an alkoxy group and a sulfide bond is added, so that the degree of improvement in tensile properties by silica is not so great. The use of a binder such as TESPT, which directly bonds rubber molecules with silica, improves the dispersion of silica particles and improves tensile properties, but also involves difficulties such as alcohol generation in the manufacturing process. Nested silica, which is a three-dimensional combination of silica particles with an organic binding string, is different from silica and binders, and silica particles disperse well above or equal to that of rubber compounded with TESPT binder without generating alcohol. As a result, the tensile strength of the compounded rubber is increased, and the reinforcing property is greatly improved. The nested silica prepared in the present invention is very effective as a reinforcing material of rubber because silica particles are bonded to each other by an organic binding string as shown in FIG. 1.

이 발명에서는 실리카 입자의 분산 - 결합 끈 물질의 공급 - 결합 끈 물질과 실리카 입자의 접촉과 반응 - 실리카 입자의 3차원적 망상구조의 형성 - 용매 제거 과정을 거치는 둥지실리카의 제조 공정을 개시한다. 실리카 입자를 분산시키는 방법과 결합 끈 물질을 분산된 실리카와 반응시키는 방법은 제조 공정마다 차이가 있으나, 위에 나열한 공정의 기본 구성 요소는 모두 같다. 결합 끈 물질의 용액을 가하여 액상에 분산된 실리카와 반응시키느냐 아니면 유동 상태의 실리카에 결합 끈 물질을 분사하느냐에 따라 결합 끈 물질 공급 방법과 용매의 제거 방법이 다를 뿐이다. The present invention discloses a process for preparing nested silica through dispersion of silica particles, supply of binding string material, contact and reaction of binding string material and silica particles, formation of a three-dimensional network of silica particles, and solvent removal. The method of dispersing the silica particles and the method of reacting the binding string material with the dispersed silica varies from manufacturing process, but the basic components of the processes listed above are the same. The method of supplying the binding string material and the method of removing the solvent differ only depending on whether a solution of the binding string material is added to react with silica dispersed in the liquid phase or spray the binding string material on the silica in the fluid state.

액상 제조 공정에서는 실리카 입자가 잘 분산될 수 있도록 극성 용매에 실리카를 분산시킨다. 실리카 입자의 분산을 촉진하고 결합 끈 물질의 가수분해를 위해 물을 적정량 첨가한다. 실리카 입자를 고도로 분산시키기 위해 균일화 장 치(homogenizer)로 일정 시간 처리하여 덩어리진 실리카를 입자 단위로 분산시킨다. 실리카 입자의 표면을 처리하여 현탁 상태를 제어하기 위해 트리에틸아민이나 트리에탄올아민 등 염기를 소량 첨가한다. 실리카 입자가 충분히 분산된 후 용매에 희석한 결합 끈 용액을 실리카 현탁액에 가한다. 결합 끈 물질은 용매에 들어 있는 물과 반응하여 알콕시기가 하이드록실기로 가수분해되면서 알코올이 생성한다. 결합 끈의 하이드록실기는 실리카 표면의 실라놀기와 구조가 같아서 서로 친화력이 강하므로, 결합 끈 물질이 실리카 입자의 표면에 흡착된다. 상기 실리카 입자와 결합 끈 물질의 반응온도는 15∼80℃, 바람직하기로는 20∼60℃이다. 결합 끈의 양 끝이 각각 다른 실리카에 흡착되도록 실리카 표면의 실라놀기와 결합 끈 물질의 농도를 적절히 조절한다. 결합 끈 물질의 알콕시기가 가수분해되어 하이드록실기로 바뀐 결합 끈 물질이 실리카 입자의 표면에 흡착하도록 적정 시간 교반하면서 기다린다. 이어 원심 분리기나 여과 압축기(filter press)로 실리카를 분리하고 용매를 회수한다. 남아 있는 용매를 제거하고 하이드록실기와 실라놀기가 축합되도록 100∼140℃ 범위에서 열풍으로 건조한다. 충분히 가열하면 물이 제거되면서 결합 끈 물질과 실리카가 결합된다. 실리카 입자들이 결합 끈을 다리로 서로 결합하면 3차원적으로 연결된 둥지실리카가 만들어진다. In the liquid phase manufacturing process, silica is dispersed in a polar solvent so that the silica particles can be dispersed well. An appropriate amount of water is added to promote dispersion of the silica particles and for hydrolysis of the bond string material. In order to disperse the silica particles highly, a homogenizer is used for a certain time to disperse the agglomerated silica in particle units. A small amount of a base such as triethylamine or triethanolamine is added to treat the surface of the silica particles to control the suspended state. After the silica particles are sufficiently dispersed, a binding string solution diluted in a solvent is added to the silica suspension. The bond string material reacts with water in the solvent to produce an alcohol as the alkoxy group is hydrolyzed to the hydroxyl group. Since the hydroxyl group of the binding string has the same structure as the silanol group on the silica surface, the affinity for each other is strong, so that the binding string material is adsorbed on the surface of the silica particles. The reaction temperature of the silica particles and the bound string material is 15 to 80 캜, preferably 20 to 60 캜. Properly adjust the concentration of the silanol groups and the binding string material on the silica surface so that both ends of the binding string are adsorbed on different silicas. The alkoxy group of the binding string material is hydrolyzed and waits with stirring for an appropriate time so that the binding string material converted into hydroxyl groups is adsorbed on the surface of the silica particles. The silica is then separated by a centrifuge or a filter press to recover the solvent. The remaining solvent is removed and dried with hot air in the range of 100 to 140 ° C. to allow the hydroxyl and silanol groups to condense. When heated sufficiently, the water is removed to bond the bond string material to silica. When the silica particles bind to each other with their binding strings, they form a three-dimensionally nested silica.

도 2에 둥지실리카를 액상에서 제조하는 공정의 개략도를 보였다. 즉, 실리카 용기(1)와 용매 용기(2)에 저류된 실리카와 용매를 펌프(3) 및 밸브(4)를 통해 혼합기(6)로 보내고, 여기서 교반기(5)로 교반하면서 실리카에 용매를 가하여 결합 끈 물질과 반응하기 유리하도록 잘 분산시킨다. 분산도를 높이기 위해서 트리에틸 아민이나 트리에탄올아민 등 염기를 소량 첨가한다. 분산도를 높이기 위해 균일화 장치(8)로 옮겨 고속 회전 교반기를 이용하여 실리카를 입자 단위로 분산시킨다. 충분히 분산된 실리카 현탁액을 가수분해 반응기(10)로 옮긴 다음, 이 반응기(10)로 교반하면서, 결합 끈 물질을 녹인 용액을 결합 끈 용기(9)로부터 가하여 결합 끈 물질이 가수분해되어 실리카 표면에 흡착하도록 한다. 결합 끈 물질의 가수분해 반응의 속도는 용매에 들어 있는 물의 함량에 따라 크게 의존한다. 물이 40% 이상 들어 있으면 가수분해 반응이 너무 빨라 결합 끈 물질의 가수분해 과정에서 생성된 하이드록실기끼리 서로 반응한다. 가수분해된 결합 끈 물질이 실리카 표면에 흡착하지 않고 서로 중합하여 덩어리를 만든다. 실리카 표면에 가수분해된 결합 끈 물질이 낱개로 결합되어서 결합 끈으로 작용하여야 3차원적 망상구조가 만들어지므로, 물의 함량은 이보다 낮아야 한다. 반면 물의 함량이 2% 미만이면 가수분해 반응이 매우 느리게 진행되어 가수분해 후 실리카 표면에 흡착되는데 소요되는 시간이 길어진다. 알콕시기의 양성자와 하이드록실기의 양성자는 화학적 이동(chemical shift)이 서로 상당히 다르기 때문에 가수분해 반응의 진행 정도를 핵자기공명법(NMR)으로 확인한다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, APTES의 에톡시기의 양성자에서는 화학적 이동이 3.8과 1.24 ppm인 자리에서 특성 피크가 나타난다. 가수분해 반응의 진행정도는 에톡시기의 특성 피크가 작아지면서 에탄올에서 나타나는 특성 피크가 커지는 정도로부터 결정할 수 있다.2 shows a schematic diagram of a process for preparing nested silica in a liquid phase. That is, the silica and the solvent stored in the silica container 1 and the solvent container 2 are sent to the mixer 6 through the pump 3 and the valve 4, where the solvent is added to the silica while stirring with the stirrer 5. Added to disperse well to favor reaction with the bond string material. In order to increase the degree of dispersion, a small amount of a base such as triethyl amine or triethanolamine is added. In order to increase the degree of dispersion, it is transferred to the homogenizer 8 to disperse the silica in particle units using a high speed rotary stirrer. The sufficiently dispersed silica suspension is transferred to the hydrolysis reactor 10, and then stirred in the reactor 10, while a solution in which the binding string material is dissolved is added from the binding string container 9 to hydrolyze the binding string material to the surface of the silica. Adsorb. The rate of hydrolysis of the bond string material is highly dependent on the amount of water in the solvent. If more than 40% of water is contained, the hydrolysis reaction is so fast that the hydroxyl groups generated during the hydrolysis of the binding string material react with each other. Hydrolyzed bond string materials polymerize with each other without adsorbing onto the silica surface to form agglomerates. Since the hydrolyzed binding string material on the surface of silica is combined with each other to act as a binding string to create a three-dimensional network structure, the water content should be lower than this. On the other hand, if the water content is less than 2%, the hydrolysis reaction proceeds very slowly, resulting in a long time for adsorption on the silica surface after hydrolysis. The protons of the alkoxy group and the protons of the hydroxyl group are significantly different from each other in chemical shift, so the nuclear magnetic resonance method (NMR) confirms the progress of the hydrolysis reaction. As shown in FIG. 3, the protons of the ethoxy group of APTES show characteristic peaks at sites of 3.8 and 1.24 ppm of chemical shifts. The progress of the hydrolysis reaction can be determined from the extent to which the characteristic peak of ethoxy group decreases and the characteristic peak of ethanol increases.

결합 끈 물질이 실리카 입자에 흡착하여 현탁액 내 결합 끈 물질의 농도가 충분히 낮아지면, 결합 끈 물질이 흡착된 실리카를 원심 분리기나 압축 추출기 등 의 분해 장치(11)에 옮겨 용매를 제거한다. 용매 회수율이 제조비용을 결정하는 중요한 인자이므로 용매는 철저히 회수한다. 이어 열풍 건조기(13)로 옮겨서 실리카에 흡착된 결합 끈 물질의 하이드록실기와 실리카 표면의 실라놀기 사이에서 탈수축합 반응이 진행되도록 100∼140℃ 범위에서 건조하며, 배출구(12)를 통해 수분 등을 배출한다. 물이 제거되어야 결합 끈이 실리카에 결합되기 때문에 되도록 가열기(14)의 온도를 140℃까지 올려 수분을 철저히 제거한다. 이 과정에서 실리카에 남아 있는 용매가 물과 함께 제거되고 실리카 입자는 결합 끈 물질에 의해 서로 결합되면서 3차원 망상구조를 형성한다.When the binding string material is adsorbed onto the silica particles and the concentration of the binding string material in the suspension is sufficiently low, the silica to which the binding string material is adsorbed is transferred to a decomposing device 11 such as a centrifuge or a compression extractor to remove the solvent. Solvent recovery is important because solvent recovery is an important factor in manufacturing cost. Subsequently, it is transferred to the hot air dryer 13 and dried in a range of 100 to 140 ° C. so that the dehydration reaction proceeds between the hydroxyl group of the binding string material adsorbed on the silica and the silanol group on the silica surface, and the water is discharged through the outlet 12. To discharge. Since the binding string is bonded to silica only after the water is removed, the temperature of the heater 14 is raised to 140 ° C. to thoroughly remove moisture. In this process, the solvent remaining in the silica is removed together with water, and the silica particles are bonded to each other by a binding string material to form a three-dimensional network.

균일화 장치를 사용하고 액상에서 적절한 용매에 실리카를 분산시켰기 때문에 실리카의 분산 상태가 좋고, 이로 인해 결합 끈 물질과 반응이 매우 고르고 빠르게 진행되어 제조한 둥지실리카의 상태가 매우 균일하다. 가수분해 반응은 산염기 촉매 반응이기 때문에 산과 염기를 첨가하므로 가수분해 반응의 속도를 적절히 조절할 수 있다는 장점도 있다. 그러나 산을 너무 많이 첨가하면 실리카 표면의 실라놀기까지 탈수 축합되어 실리카 입자가 덩어리질 수도 있어, 염기를 소량 첨가하여 가수분해 반응의 속도를 조절하는 게 합리적이다. 산과 염기의 농도, 결합 끈 물질과 물의 함량, 가수분해 반응조의 온도 등 여러 인자에 따라 가수분해 반응과 흡착 속도가 달라지므로, 고무 첨가제로서 기능이 극대화된 둥지실리카가 만들어지도록 이들 인자를 적절히 조절하여야 한다. Because of using a homogenizer and dispersing the silica in a suitable solvent in the liquid phase, the dispersion state of the silica is good, and thus, the reaction state with the bonding string material is very even and rapidly progressed, resulting in a very uniform state of the prepared nested silica. Since the hydrolysis reaction is an acidic acid catalyzed reaction, the acid and base are added, so that the rate of the hydrolysis reaction can be controlled appropriately. However, adding too much acid may dehydrate and condense silanol groups on the silica surface, and it is reasonable to control the rate of the hydrolysis reaction by adding a small amount of base. The hydrolysis reaction and adsorption rate vary according to various factors such as the concentration of acid and base, the content of binding string and water, and the temperature of the hydrolysis reactor. Therefore, these factors should be properly adjusted to make the nested silica with the maximum function as a rubber additive. do.

제 4도에 나타낸 둥지실리카의 유동기상 제조 공정도 기본적인 구성 면에서는 도 2에 보인 액상 제조 공정과 비슷하다. 그러나 도 4에 보인 것처럼 전체 공정 이 한 장치에서 수행될 수 있어 간편하다. 도 4중, 부호 21은 질소 실린더이고, 부호 22는 밸브이며, 부호 23 및 24는 각각 결합 끈 용기1 및 용기2이고, 부호 25는 노즐이다. 반응기 부피의 1/3 정도가 되도록 실리카를 호퍼(35')를 통해 반응기(34)에 넣는다[호퍼(35')와 후기의 사이클론(35)은 별도로 설치해도 좋으나, 소형 장치에서는 이들을 착탈식으로 하여 서로 교환하여 설치하는 것이 편리하다]. 모터(26)의 의해 구동되는 교반기(30)를 500∼1,500 rpm으로 교반하여 실리카가 부유되도록 유동화한다. 교반기로 교반하는 이외에도 질소 실린더(21)로부터 질소 또는 공기를 일정한 속도로 흘려 실리카의 유동 상태를 안정화시킨다. 일정 시간 교반하여 실리카를 입자 상태로 분산시킨 후, 트리에틸아민이나 트리에탄올아민 등 유기 염기를 에탄올이나 디메틸에테르 등 끓는점이 낮은 용매에 녹여 분사하여 실리카 입자의 표면 전위를 조절한다. 유동 상태에서 용매가 대부분 증발 제거된 후, 결합 끈 용기1 및 2에 저류된 결합 끈 물질을 극성 용매에 녹인 용액을 노즐(25)을 통해 반응기에 분사하여 부유 상태의 실리카 입자에 도포한다. 이 때, 항온순환조의 가열기(32)를 가동하여 반응기 내부의 온도를 올려 반응시킨다. 결합 끈 물질의 용액에 들어 있는 물과 기타 물질의 함량을 조절하여 가수분해 반응의 속도를 조절한다. 결합 끈 물질의 용액이 실리카 입자 표면에 고르게 도포될 수 있도록 실리카 입자를 잘 분산시키고, 가급적 느리게 용액을 분사하여 균일성을 제고한다. 분사 압력이 너무 높으면 실리카 입자를 사이클론(35)에서 포집할 수 없으므로 2∼15 bar 이내로 분사 압력을 조절한다. 유동화 과정에서 교반과 마찰로 열이 발생되므로 반응기 주위에 설치된 항온순환조 냉각기(33)에 냉각수를 흘려 30∼40℃ 범위로 제어한다. 반응기 온도가 지나치게 높으면 용매가 너무 빨리 증발하여 결합 끈 용액이 균일하게 도포되지 않는다. 결합 끈 물질 용액을 유동 상태의 실리카 입자에 분사한 후 실리카에 도포된 결합 끈 물질이 물과 반응하여 가수분해되어 실리카 표면에 흡착될 수 있도록 충분한 시간동안 유동화 상태를 유지한다. 결합 끈 물질의 용액 내 물 함량을 높이면 가수분해와 중합 반응이 지나치게 빨라지므로, 결합의 안정성을 높이기 위해 물의 함량을 낮추어 가수분해 반응을 오랫동안 진행시킨다.The fluidized-bed manufacturing process of the nested silica shown in FIG. 4 is also similar to the liquid phase manufacturing process shown in FIG. However, as shown in FIG. 4, the entire process can be performed in one apparatus, which is convenient. In Fig. 4, reference numeral 21 denotes a nitrogen cylinder, reference numeral 22 denotes a valve, reference numerals 23 and 24 denote engagement string containers 1 and 2, and reference numeral 25 denotes a nozzle. Silica is introduced into the reactor 34 through the hopper 35 'so as to be about one third of the reactor volume (the hopper 35' and the later cyclone 35 may be installed separately, but in a small apparatus, they are removable. It is convenient to install them interchangeably]. The stirrer 30 driven by the motor 26 is stirred at 500 to 1,500 rpm to fluidize the silica to float. In addition to stirring with a stirrer, nitrogen or air is flowed from the nitrogen cylinder 21 at a constant rate to stabilize the flow state of silica. After stirring for a certain time to disperse the silica in the form of particles, organic bases such as triethylamine and triethanolamine are dissolved in a low boiling solvent such as ethanol or dimethyl ether and sprayed to adjust the surface potential of the silica particles. After the solvent is mostly evaporated and removed in the fluidized state, a solution obtained by dissolving the binding string material stored in the binding string containers 1 and 2 in a polar solvent is sprayed to the reactor through the nozzle 25 and applied to the suspended silica particles. At this time, the heater 32 of the constant temperature circulation tank is operated to raise the temperature inside the reactor for reaction. The rate of the hydrolysis reaction is controlled by controlling the content of water and other substances in the solution of the bond string material. The silica particles are dispersed well so that the solution of the bond material can be evenly applied to the surface of the silica particles, and the solution is sprayed as slowly as possible to improve the uniformity. If the injection pressure is too high, silica particles cannot be collected in the cyclone 35, so the injection pressure is adjusted to within 2 to 15 bar. Since heat is generated by agitation and friction in the fluidization process, the cooling water is flowed into the constant temperature circulation tank cooler 33 installed around the reactor to control the temperature in the range of 30 to 40 ° C. If the reactor temperature is too high, the solvent evaporates too quickly and the tie strip solution is not evenly applied. After the binder string material solution is sprayed onto the fluidized silica particles, the bond string material applied to the silica is maintained in a fluidized state for a sufficient time to react with water to be hydrolyzed and adsorbed onto the silica surface. Increasing the content of water in the solution of the binding string material causes the hydrolysis and polymerization reaction to be too fast, so that the content of water is lowered to increase the stability of the binding, thereby allowing the hydrolysis reaction to proceed for a long time.

이 발명에서 결합 끈 물질로 사용하는 물질은 크게 세 종류로 나눌 수 있다. 첫째로는 관능기가 다른 알콕시 실란을 서로 반응시켜 제조한 물질이다. 즉 APTES와 GPTMS를 1:1로 섞어 반응시킨 물질이다. APTES의 아미노기와 GPTMS의 글리시독시기가 결합되면 선형 사슬의 양 끝에 트리알콕시 실란이 붙어 있는 물질이 만들어진다. 또는 APTES를 DCH과 반응시켜 APTES의 아미노기와 DCH의 염소기가 결합된 결합 끈 물질을 만들 수 있다. 헥산 사슬 양 끝에 프로필기가 붙어 있고, 끝에 트리에톡시 실란이 결합되어 있다. 둘째로는 폴리에틸렌 이민(PEI)처럼 분자량이 큰 중합체와 GPTMS를 반응시켜 만든 물질이다. PEI 사슬 곳곳에 트리에톡시 실란의 관능기가 매달려 있다. PEI : GPTMS의 반응 조성비를 조절하여 3차원 망상구조의 치밀도를 다양하게 바꿀 수 있다. 셋째로는 실란 화합물 대신 디이소시아네이트기가 양 끝에 달린 물질이다. 디이소시아네이트기는 상온에서도 실리카 표면의 실라놀기와 직접 반응할 수 있기 때문에, 가열 단계를 거치지 않고도 유기 결합 끈을 실리카와 결합시킬 수 있어 결합 끈 물질로 사용할 수 있다. 톨루엔디이소시아네이트(TDI), 메틸렌디페닐 디이소시아네이트(MDI), MDI 중합체(polymeric MDI: PMDI), 헥산디이 소시아네이트(HDI), 1,6,11-운데칸 트리이소시아네이트(1,6,11-undecane triisocyanate: C12DI), 3,3'-비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드 등이 대표적인 물질이다. 실란은 가수분해 후, 흡착된 상태를 거쳐 표면에 고정된 후 가열 단계에서 실리카와 결합하지만, 디이소시아네이트계 흡착끈 물질은 표면의 실라놀기와 직접 반응하여 실리카 입자를 서로 결합시키므로 둥지실리카의 제조 시간이 짧아진다. In this invention, the material used as a binding string material can be divided into three types. The first is a material prepared by reacting alkoxy silanes having different functional groups with each other. In other words, APTES and GPTMS mixed 1: 1. When the amino group of APTES and the glycidoxy group of GPTMS are combined, a trialkoxy silane is attached to both ends of the linear chain. Alternatively, APTES may be reacted with DCH to form a binding string material in which the amino group of APTES and the chlorine group of DCH are combined. A propyl group is attached at both ends of the hexane chain, and a triethoxy silane is bonded at the end. Secondly, it is made by reacting GPTMS with a high molecular weight polymer such as polyethylene imine (PEI). Triethoxy silane functional groups are suspended throughout the PEI chain. By adjusting the reaction composition ratio of PEI: GPTMS, the density of three-dimensional network can be changed in various ways. Third, the diisocyanate group is attached to both ends of the silane compound. Since the diisocyanate group can react directly with silanol groups on the silica surface even at room temperature, the organic bond string can be bonded to silica without undergoing a heating step, and thus can be used as a bond string material. Toluene diisocyanate (TDI), methylenediphenyl diisocyanate (MDI), MDI polymer (polymeric MDI: PMDI), hexanediisocyanate (HDI), 1,6,11-undecane triisocyanate (1,6,11- undecane triisocyanate: C 12 DI), 3,3'-bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide and the like are representative materials. The silane is hydrolyzed, fixed to the surface through an adsorbed state, and then bonded with silica in the heating step, but the diisocyanate-based adsorbent material reacts directly with the silanol groups on the surface to bond the silica particles to each other, thus preparing the preparation time of the nested silica. This shortens.

결합 끈 용액으로 실리카 입자를 처리하여도 표면의 소수성을 완벽하게 제어하기는 어렵다. 결합 끈 용액으로 처리한 실리카를 하이드록실기가 있는 물질로 처리하면 소수성을 증진시킬 수 있다. 하이드록실기가 여러 갈래의 유기물 사슬에 붙어 있는 펜타에리트리톨(pentaerytritol)로 둥지실리카를 처리하면 가황 공정에서 점도가 낮아지고 소수성이 증가된다. 하이드록실기가 많은 글리세린, 소르비톨, 만니톨, 글루코오스, 폴리에틸렌글리콜 등도 같은 효과를 보여준다. 결합 끈 용액과 같이 반응시키면 이들과 결합 끈 물질이 표면의 실라놀기와 경쟁적으로 결합하므로, 결합 끈 물질을 고정한 후 이어 처리하는 편이 효과적이다.The treatment of silica particles with a bond string solution is difficult to fully control the hydrophobicity of the surface. The treatment of silica with a bond string solution with a hydroxyl-based material can enhance hydrophobicity. The treatment of nested silica with pentaerytritol, in which hydroxyl groups are attached to several organic chains, lowers the viscosity and increases hydrophobicity in the vulcanization process. Many hydroxyl-based glycerin, sorbitol, mannitol, glucose, polyethylene glycol and the like have the same effect. When reacted with the binding string solution, the binding string material and the binding string material competitively bind with the silanol groups on the surface, so it is more effective to fix the binding string material and then process it.

이 발명에 제시된 방법으로 제조한 둥지실리카는 실리카 입자가 3차원적 망상구조를 이루어져 있어 입자 가운데에는 공간이 생성되므로, 고무 분자가 침투하기 용이하고 실리카 표면이 유기물로 덮여 있어 고무 분자와 친화성이 높다. 동시에 결합제를 사용하지 않아도 고무 분자와 둥지실리카의 망상구조가 서로 얽혀서 꼬이기 때문에 인장강도 등 보강제로서 고무 물성이 크게 향상된다. 큰 하중을 지 지하여야 하고 주행 중 충격에 따른 변형이 최소화되어야 하는 타이어의 배합고무처럼 인장 성질이 우수해야 하는 고무 제품의 제조에는 둥지실리카가 아주 적절하다.Nested silica prepared by the method proposed in the present invention has a three-dimensional network structure of silica particles, so that space is created in the middle of the particles, so that rubber molecules easily penetrate and the silica surface is covered with an organic material so that they have affinity with rubber molecules. high. At the same time, since the network structure of the rubber molecule and the nested silica is entangled with each other without using a binder, rubber properties as a reinforcement agent such as tensile strength are greatly improved. Nested silica is very suitable for the production of rubber products that must have excellent tensile properties, such as tire compounding rubbers, which must support large loads and minimize the impact deformation during driving.

이하, 실시예를 들어 이 발명을 더 자세히 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 이 발명을 상세히 설명하기 위한 것이며, 제한하기 위한 것이 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. However, these examples are intended to illustrate this invention in detail and are not intended to limit it.

실시예 1Example 1

아민기 또는 글리시독시기가 있는 알콕시 실란을 결합시킨 둥지실리카 결합 끈 물질은 환류 가열 방법으로 제조한다. 온도계와 냉각기를 장착된 삼구 플라스크에 톨루엔 500 ㎖를 넣고, APTES 110 g과 글리시독시프로필트리메톡시 실란(GPTMS) 120 g을 가한다. 질소를 흘려서 산소를 제거한 상태에서 110℃로 온도를 높여 12시간 동안 교반하면서 환류 가열한다. 반응이 진행되면 점차 연한 갈색으로 변하는데 박막크로마토그래피(TLC)로 반응의 진행 정도를 확인한다. 50 ㎖ 비커에 TLC 용매로 에틸아세테이트(EA) 10 ㎖를 채운다. 1ㅧ4 ㎠로 자른 TLC 판의 일정 위치에 반응물과 생성물을 찍어 EA 용매가 든 비커에 일정 시간 세워둔다. 일정한 높이까지 용매가 올라가면 꺼내어 건조한다. 반응물의 특정 표지가 사라지고, 더 높은 위치에서 새로운 표지가 나타나면 반응이 모두 진행된 것으로 하였다. 12시간 후에는 APTES와 GPTMS의 특정 표지가 나타나지 않아 이들이 정량적으로 반응하였음을 확인할 수 있었으며, 반응 시간별로 채취한 시료의 H-NMR 스펙트럼으로부터 반응 진행 정도를 검증하였다.Nested silica bond string materials incorporating alkoxy silanes with amine groups or glycidoxy groups are prepared by the reflux heating method. 500 ml of toluene was added to a three-necked flask equipped with a thermometer and a cooler, and 110 g of APTES and 120 g of glycidoxypropyltrimethoxy silane (GPTMS) were added thereto. The temperature was raised to 110 ° C. while removing oxygen by flowing nitrogen, followed by heating under reflux with stirring for 12 hours. As the reaction proceeds, the color gradually turns to light brown, and thin layer chromatography (TLC) confirms the progress of the reaction. Fill a 50 ml beaker with 10 ml of ethyl acetate (EA) with TLC solvent. Immerse the reactants and products at a location on the TLC plate cut to 1 × 4 cm 2 and set aside in a beaker with EA solvent for a period of time. When the solvent rises to a certain height, take it out and dry it. When the specific label of the reaction disappeared and a new label appeared at a higher position, the reaction was all proceeded. After 12 hours, specific markers of APTES and GPTMS did not appear, indicating that they reacted quantitatively, and the progress of the reaction was verified from the H-NMR spectra of samples taken by reaction time.

삼구 플라스크에 온도계와 냉각기를 장치하고 용매를 넣지 않고 APTES을 110 g과 GPTMS 120 g을 가한다. 질소를 흘려서 산소를 제거한 후, 130℃에서 3시간 동안 교반하면서 가열한다. 반응 진행 여부는 색깔의 변화와 TLC법을 이용하여 확인한다. NMR를 이용하여 글리시독시기와 아세톤 기 양성자의 화학적 이동으로부터 생성물의 생성 여부를 조사한다. 3시간 후 정량적으로 이들이 반응하였음을 확인할 수 있었다.In a three-necked flask, a thermometer and a cooler are installed and 110 g of APTES and 120 g of GPTMS are added without adding solvent. After flowing nitrogen to remove oxygen, the mixture is heated with stirring at 130 ° C. for 3 hours. Reaction progress is confirmed by color change and TLC method. NMR is used to investigate the production of products from chemical shifts of glycidoxy groups and acetone group protons. After 3 hours it was confirmed that they reacted quantitatively.

온도계와 냉각기가 구비된 삼구 플라스크에 APTES 110 g과 DCH 39 g을 넣는다. 피리딘을 40 g을 가하고 질소를 흘려서 산소를 제거한 후, 130℃에서 3시간 동안 교반하면서 가열한다. 반응이 진행되면 노란색으로 색깔이 변한다. TLC법을 이용하여 반응이 정량적으로 진행되었음을 여부를 확인할 수 있다.Add 110 g of APTES and 39 g of DCH to a three-necked flask equipped with a thermometer and cooler. 40 g of pyridine is added to remove oxygen by flowing nitrogen, followed by heating with stirring at 130 ° C. for 3 hours. As the reaction proceeds, the color changes to yellow. TLC method can be used to determine whether the reaction proceeds quantitatively.

같은 방법으로 GPTMS와 디아미노헥산(DAH)을 반응시켜 결합 끈 물질을 합성한다. 클로로프로필트리에톡시실란(CPTES)과 DAH를 반응시킬 때는 피리딘을 가하면 결합 끈 물질의 생성 속도가 빨라진다. 같은 방법으로 GPTMS와 PEI를 반응시켜 결합 끈 물질을 합성할 수 있다.In the same manner, GPTMS and diaminohexane (DAH) are reacted to synthesize the binding string material. When reacting chloropropyltriethoxysilane (CPTES) with DAH, pyridine is added to increase the rate of formation of the bond string material. In the same way, GPTMS and PEI can be reacted to synthesize the binding string material.

실시예 2Example 2

95% 에탄올 6 ℓ에 실리카 1 kg을 현탁시킨 후, 5 ㎜와 10 ㎜의 알루미나 구슬을 500 g씩 직경ㅧ높이가 27 ㎝ ㅧ 30 ㎝인 도자기 볼밀 용기에 넣는다. 30~50 rpm 으로 한 시간 반 정도 볼밀을 교반하여 실리카를 분산시킨다. 반응기로 옮긴 실리카 현탁액을 30~400 rpm 속도로 교반시킨다. 95% 에탄올 200 ㎖에 실시예 1에서 APTES와 GPTMS로 제조한 결합 끈 물질을 농도가 0.1 mmol/g이 되도록 녹인 결합 끈 용액을 10~15 ㎖/min 속도로 가한다. 8시간 동안 교반한 후, 여과한다. 실리카 여과물을 건조기에 넣고 질소 기체를 100 ㎤/min 속도로 흘려주면서 120℃에서 12시간 동안 건조한다. 둥지실리카의 회수율은 95% 이상이었고, 수분 함량은 3% 이하였으며, 열중량 분석기(TG)로 공기 흐름 중에서 측정한 질량 감소로부터 계산한 유기물 결합량은 3%였다. After 1 kg of silica was suspended in 6 L of 95% ethanol, 500 mm of 5 mm and 10 mm alumina beads were placed in a porcelain ball mill having a diameter ㅧ height of 27 cm ㅧ 30 cm. The ball mill is stirred at 30-50 rpm for an hour and a half to disperse the silica. The silica suspension transferred to the reactor is stirred at a speed of 30-400 rpm. In 200 ml of 95% ethanol, the binding string solution prepared in Example 1 with APTES and GPTMS was dissolved at a concentration of 0.1 mmol / g, and the binding string solution was added at a rate of 10-15 ml / min. After stirring for 8 hours, it is filtered. The silica filtrate is placed in a drier and dried at 120 ° C. for 12 hours while flowing nitrogen gas at a rate of 100 cm 3 / min. The recovery rate of the nested silica was over 95%, the moisture content was less than 3%, and the organic bond amount calculated from the mass loss measured in the air stream by the thermogravimetric analyzer (TG) was 3%.

실시예 3 Example 3

1 ㎥크기의 균일화 장치(homogenizer)에 95% 에탄올을 600 ℓ를 넣고, 100 kg의 실리카를 현탁한 후, 1시간 동안 강력하게 교반하여 실리카 입자를 분산시켰다. 현탁액을 펌프를 이용하여 3 ㎥ 교반기로 이송한 후, 농도가 0.15 mmol/g인 결합 끈 물질의 에탄올 용액을 6 ℓ 넣었다. 반응기 온도를 25~35℃ 사이로 조절하면서 트리에틸아민을 1.5 ℓ 가하고, 50 rpm 속도로 8시간 동안 교반하였다. 원심분리기로 옮겨 용매를 회수하였다. 실리카 케이크를 열풍 건조기에 넣어 110℃에서 8시간 동안 건조하여 둥지실리카를 만들었다. 실리카의 회수율은 80%이였으며, 제조한 둥지실리카의 수분 함량은 3% 이었다. TG로 측정한 질량 감소에서 계산한 유기물 결합량은 3.5%였다.600 L of 95% ethanol was put into a 1 m 3 homogenizer, and 100 kg of silica was suspended, followed by vigorous stirring for 1 hour to disperse the silica particles. The suspension was transferred to a 3 m 3 stirrer using a pump, and then 6 L of an ethanol solution of the binding string material having a concentration of 0.15 mmol / g was added thereto. 1.5 liter of triethylamine was added, adjusting reactor temperature between 25-35 degreeC, and it stirred at 50 rpm speed for 8 hours. The solvent was recovered by transferring to a centrifuge. The silica cake was put in a hot air dryer and dried at 110 ° C. for 8 hours to make nested silica. The recovery rate of silica was 80% and the moisture content of the prepared nested silica was 3%. The organic bond amount calculated from the mass reduction measured by TG was 3.5%.

실시예 4Example 4

1 ℓ 플라스크에 실리카 70 g과 디클로로에탄 900 g을 넣어 30분 정도 교반한 후, 초음파 세척기에 옮겨 20분 정도 초음파로 현탁액을 떨어준다. MDI 2.8 g을 50 ㎖ 유리 용기에 넣고 디클로로에탄을 20 ㎖ 가하여 희석한다. 순환 항온조에 연결하여 온도를 조절하는 반응기에 디지털온도계, 교반봉, 냉각기를 설치하고 온도를 60℃로 조절한다. 실리카 현탁액을 반응기에 넣어 5분간 교반한 후, MDI 용액을 넣는다. 반응기에 디클로로에탄을 추가로 넣어서 실리카 70 g에 디클로로에탄이 1,100 g이 되도록 조절한다. 5시간 동안 반응시킨 후, 실리카를 여과 분리한 후, 110℃ 오븐에서 충분히 건조하여 둥지실리카를 만든다. 실리카의 회수율은 90% 이상이었고, 수분 함량은 5%이며, TG로 측정한 질량 감소에서 구한 유기물의 부착량은 4%였다. Into a 1 L flask, add 70 g of silica and 900 g of dichloroethane, stir for 30 minutes, transfer to an ultrasonic cleaner, and drop the suspension by ultrasonic for 20 minutes. 2.8 g of MDI is placed in a 50 ml glass jar and diluted with 20 ml of dichloroethane. A digital thermometer, a stirring rod, and a cooler are installed in a reactor for controlling temperature by connecting to a circulating thermostat and controlling the temperature to 60 ° C. The silica suspension is placed in a reactor and stirred for 5 minutes, followed by the MDI solution. Dichloroethane was further added to the reactor, and 70 g of silica was adjusted to 1,100 g of dichloroethane. After reacting for 5 hours, the silica is filtered off and dried sufficiently in an oven at 110 ° C. to make nested silica. The recovery of silica was more than 90%, the moisture content was 5%, and the amount of organic matter obtained from the mass reduction measured by TG was 4%.

같은 방법으로 PMDI 4.2 g으로 실리카 70 g을 처리하여 둥지실리카를 만들었다. 실리카 회수율은 90% 이상이었고, 수분 함량은 4%이었으며, TG 결과에서 유기물 결합량은 6%였다.In the same manner, nested silica was prepared by treating 70 g of silica with 4.2 g of PMDI. The recovery of silica was more than 90%, the moisture content was 4%, and the organic binding amount was 6% in TG results.

실시예 5Example 5

입자 상태로 실리카를 분산시키기 위해 유동상 반응기에 실리카 200 g을 넣고 프로펠러를 1,500~2,000 rpm으로 돌리면서 1시간 동안 교반하였다. GPTMS와 APTES를 결합시켜 만든 결합 끈 물질을 농도가 0.2 mmol/g이 되도록 95% 에탄올에 희석하여 결합 끈 용액 통에 충전하였다. 분사 장치에 8~10 bar의 질소 기체를 가하여 유동 상태의 실리카에 결합 끈 용액을 분사하였다. 결합 끈 용액으로 실리카 입자를 도포한 후에도 질소 기체를 계속 흘리면서 4시간 정도 반응시켰다. 반응기에서 실리카를 회수하여 130℃ 건조기에서 4시간 건조하였다. 실리카의 회수율은 95% 이상이었고, 수분 함량은 4%이었으며, TG로 분석한 유기물의 함량은 3.5%였다.In order to disperse the silica in the particle state, 200 g of silica was put in a fluidized bed reactor, and the propeller was stirred at 1,500-2,000 rpm for 1 hour. The binding string material made by combining GPTMS and APTES was diluted in 95% ethanol to a concentration of 0.2 mmol / g and filled in a binding string solution container. Nitrogen gas of 8 to 10 bar was added to the injection device to spray the binding string solution to the silica in the flow state. After apply | coating silica particle with the binding string solution, it was made to react for 4 hours, continuing to flow nitrogen gas. The silica was recovered from the reactor and dried for 4 hours in a 130 ° C dryer. The recovery of silica was more than 95%, the moisture content was 4%, and the content of organic matter analyzed by TG was 3.5%.

실시예 6Example 6

실시예 5에 기재된 방법에 준하여 MDI를 결합 끈으로 사용한 둥지실리카를 만들었다. 기상 반응기에 실리카를 500 g 넣고 프로펠러를 돌려 유동화시켰다. 한 시간 동안 유동시킨 후 99.5% 에틸아세테이트 250 ㎖에 25 g의 MDI를 희석한 결합 끈 용액을 유동 상태의 실리카에 분사하였다. MDI를 실리카 입자에 도포한 후에도 질소를 흘리면서 1시간 동안 더 실리카를 유동시켰다. 110℃ 오븐에서 4시간 건조하여 둥지실리카를 제조하였다. 수율은 95% 이상이었고, 수분 함량은 4%이었으며, TG로 분석한 유기물의 함량은 5%였다.According to the method described in Example 5, nested silica was prepared using MDI as a binding string. 500 g of silica was put into a gas phase reactor, and a propeller was turned to fluidize. After flowing for an hour, a binding string solution diluted with 25 g of MDI in 250 ml of 99.5% ethyl acetate was sprayed onto the silica in the flowing state. After applying MDI to the silica particles, the silica was further flowed for 1 hour while flowing nitrogen. The nest silica was prepared by drying in an oven at 110 ° C. for 4 hours. The yield was more than 95%, the moisture content was 4%, the organic content analyzed by TG was 5%.

같은 방법으로 에탄올에 희석한 결합 끈 용액을 사용하여 둥지실리카를 제조하였다. 실리카 300 g에 PMDI를 21 g 가하였다. 수율은 95% 이상이었고, 수분 함량은 4%이었으며, TG분석 결과에서 계산한 유기물의 함량은 6%였다.Nest silica was prepared using a binding string solution diluted in ethanol in the same manner. 21 g of PMDI was added to 300 g of silica. The yield was more than 95%, the moisture content was 4%, the organic content calculated from the TG analysis result was 6%.

또, 3차원 형태의 트리이소시아네이트(triisocyanate)인 애경 화학의 IP-75와 한국화인케미칼의 L-75를 사용하여 둥지실리카를 만들었다. IP-75 32 g을 99.5% 에틸아세테이트 200 ㎖에 희석하여 유동 상태 실리카 300 g에 분사하였다. 둥지실리카의 수율은 95% 이상이고, 수분 함량은 4~5%이며, TG로 측정한 유기물 함량은 8% 이상이었다.In addition, nest silica was prepared using Aekyung Chemical's IP-75, a triisocyanate in three-dimensional form, and L-75 from Korea Fine Chemicals. 32 g of IP-75 was diluted in 200 ml of 99.5% ethyl acetate and sprayed onto 300 g of fluidized silica. The yield of the nested silica was 95% or more, the water content was 4-5%, and the organic matter content measured by TG was 8% or more.

실시예 7Example 7

실시예 3에서 제조한 둥지실리카 70 g을 99.5% 에탄올에 현탁시켜 1 ℓ 용량의 환저 플라스크에 넣었다. 99.5% 에탄올 50 ㎖에 펜타에리트리톨 3 g을 녹인 용액을 실리카 현탁액에 넣는다. 회전 증발기에 실리카 현탁액이 담긴 플라스크를 걸어 상온에서 회전시키면서, 진공에서 용매를 제거한다. 110~140℃ 오븐에서 건조한다. 수율은 95% 이상이었으며, 수분 함량은 3.5%로 0.5% 줄었고, TG로 분석한 결과에서 계산한 유기물 함량은 8.8%로 많아졌다.70 g of the nested silica prepared in Example 3 was suspended in 99.5% ethanol and placed in a 1 L round bottom flask. A solution of 3 g of pentaerythritol in 50 ml of 99.5% ethanol was added to a silica suspension. Hang the flask containing the silica suspension on a rotary evaporator to rotate at room temperature while removing the solvent in vacuo. Dry in an oven at 110-140 ° C. The yield was more than 95%, the moisture content was reduced by 0.5% to 3.5%, and the organic content calculated from the TG analysis resulted in 8.8%.

실시예 8Example 8

실시예 3에서 제조한 둥지실리카 70 g을 99.5% 에탄올에 현탁시켜 1 ℓ 용량의 환저 플라스크에 넣었다. 99.5% 에탄올 50 ㎖에 글리세린 3 g을 녹인 용액을 실리카 현탁액에 넣는다. 회전 증발기에 실리카 현탁액이 담긴 플라스크를 걸어 상온에서 회전시키면서 진공에서 용매를 제거한다. 110~140℃ 오븐에서 건조한다. 수율은 95% 이상이었으며, 수분 함량은 3.5%이었고, TG로 분석한 결과에서 계산한 유기물 함량은 7.5% 이상이었다.70 g of the nested silica prepared in Example 3 was suspended in 99.5% ethanol and placed in a 1 L round bottom flask. A solution of 3 g of glycerin in 50 ml of 99.5% ethanol was added to a silica suspension. Hang the flask containing the silica suspension on a rotary evaporator to remove the solvent in vacuo while rotating at room temperature. Dry in an oven at 110-140 ° C. The yield was more than 95%, the moisture content was 3.5%, the organic content calculated from the TG analysis was more than 7.5%.

실시예 9Example 9

둥지실리카를 첨가한 배합고무를 제조하여 실리카와 TESPT를 사용한 배합고무와 인장 성질을 비교하였다. 기본 고무로는 기름으로 팽윤된 용액 중합 스티렌- 부타디엔 고무(S-SBR)를 사용하였으며, 실시예 2~8에 따라 제조한 둥지실리카를 40 phr 첨가하였다. 비교용 배합고무는 고급 타이어 제조에 쓰이는 고분산 실리카 40 phr에 TESPT 결합제를 3.2 phr 첨가하여 제조하였다. 표 1에 배합고무의 조성을 정리하였다.Synthetic rubber containing nested silica was prepared and tensile rubber was compared with compounded rubber using silica and TESPT. As the basic rubber, a solution-polymerized styrene-butadiene rubber (S-SBR) swelled with oil was used, and 40 phr of the nested silica prepared according to Examples 2 to 8 was added. Comparative compound rubber was prepared by adding 3.2 phr of TESPT binder to 40 phr of highly disperse silica used in the manufacture of high-grade tires. Table 1 summarizes the composition of the compounded rubber.

표 1. 인장 성질 평가용 배합고무의 조성Table 1. Composition of Rubber Compound for Tensile Properties Evaluation

Figure 112006063396704-pat00001
Figure 112006063396704-pat00001

1) 오일로 팽윤된 S-SBR(Kumho 37.5 phr 오일 함유). 1) S-SBR swelled with oil (containing Kumho 37.5 phr oil).

2) 실시예 2-8에서 제조한 둥지실리카 2) Nest silica prepared in Example 2-8

3) 7000(Degussa Co.). 3) 7000 (Degussa Co.).

4) Bis-(triethoxysilylpropyl) tetrasulfane(Degussa Co.). 4) Bis- (triethoxysilylpropyl) tetrasulfane (Degussa Co.).

5) Hanil Co. 5) Hanil Co.

6) Pyunghwa Co. 6) Pyunghwa Co.

7) Miwon Co. 7) Miwon Co.

8) N-cyclohexyl-2-benzothiazole sulfenamide(DC Chemical Co.,Ltd.). 8) N -cyclohexyl-2-benzothiazole sulfenamide (DC Chemical Co., Ltd.).

9) N,N-diphenylguanidine (Kumho Monsanto. Co.). 9) N, N -diphenylguanidine (Kumho Monsanto. Co.).

고무는 1차, 2차 두 단계로 나누어 배합하였다. 1차 배합에서는 로터 속도를 30 rpm으로 초기 온도를 135℃로 조정하였다. S-SBR 고무를 40초 동안 소련 한 후, 둥지실리카를 첨가하였다. 220초 동안 실리카를 배합한 후 산화아연과 스테아린산을 첨가하고 140초 동안 배합하였다. 꺼내어 냉각한 후, 2차 배합을 시작하였다. 로터 속도는 30 rpm으로 같으나 초기 온도를 90℃로 낮게 설정하였다. 30초 배합한 후 황과 가황촉진제를 넣고 120초 동안 더 배합하였다. 밀 간격이 3 ㎜인 2롤 밀(two-roll mill)에서 8 rpm의 속도로 5분 동안 회전시키면서 3/4 절단(cutting)과 엔드 와이즈(end-wise)를 반복하면서 판형 배합고무를 만들었다.Rubber was blended in two stages, primary and secondary. In the primary formulation, the initial speed was adjusted to 135 ° C. at the rotor speed of 30 rpm. The S-SBR rubber was added and then a 40 second USSR, silica. After blending silica for 220 seconds, zinc oxide and stearic acid were added, followed by mixing for 140 seconds. After taking out and cooling, secondary blending was started. The rotor speed was the same at 30 rpm but the initial temperature was set low at 90 ° C. After 30 seconds of blending, sulfur and a vulcanization accelerator were added and further blended for 120 seconds. A plate-shaped compound rubber was made by repeating 3/4 cutting and end-wise while rotating for 5 minutes at a speed of 8 rpm on a two-roll mill having a mill spacing of 3 mm.

표 2. 둥지실리카가 40 phr 첨가된 배합고무의 인장 성질Table 2. Tensile Properties of Compounded Rubber with 40 phr Nest Silica

Figure 112006063396704-pat00002
Figure 112006063396704-pat00002

1)실시예 2에서 제조 1) Manufacture in Example 2

2)실시예 3에서 제조 2) Preparation in Example 3

3)실시예 4에서 제조 3) Manufacture in Example 4

4)실시예 5에서 제조 4) Preparation in Example 5

5)실시예 7에서 제조 5) Preparation in Example 7

6)실시예 8에서 제조 6) Preparation in Example 8

7)표 1의 비교용 배합고무 7) Comparative compound rubber of Table 1

8)표준 편차 8) Standard Deviation

Oscillatory Disk 레오미터로 160℃에서 가황곡선을 그려 t 90 시간을 결정하 였다. 160℃로 설정된 압축 가압기에 미가황 고무를 넣고 t 90 ㅧ1.5 시간 동안 가황하여 인장 시험용 시편을 만들었다. 만능 인장시험기에 아령(dumbell) 모양 시편을 장착한 후, 100 ㎜/min 속도로 잡아당기면서 응력(stress)-변형(strain) 곡선을 그려 모듈러스, 인장강도, 연신율을 결정하였다.The oscillatory Disk rheometer was used to draw a vulcanization curve at 160 ° C to determine t 90 hours. Unvulcanized rubber was placed in a compression press set to 160 ° C. and vulcanized for t 90 ㅧ 1.5 hours to produce a tensile test specimen. After mounting a dumbbell-shaped specimen in the universal tensile tester, a strain-strain curve was drawn while pulling at a speed of 100 mm / min to determine modulus, tensile strength, and elongation.

인장 시험 결과는 표 2에 정리하였다. 둥지실리카 40 phr 첨가한 배합고무의 인장 성질은 실리카와 함께 TESPT 결합제를 첨가한 배합고무와 거의 비슷하다. 둥지실리카 첨가 배합고무의 모듈러스는 결합제를 사용한 배합고무에 비해 조금 낮으나, 인장강도는 전반적으로 비슷하다. 이에 비해 연신율은 훨씬 높다. 둥지실리카를 첨가한 배합고무에서는 고무 분자가 실리카 입자와 직접 접촉하는데 따른 보강 효과와 함께 실리카 망상구조 내에 고무 분자가 침투하여 꼬이는 효과에 의해 보강 성질이 증진된다. 따라서 고무 분자와 실리카가 직접 결합되지 않으면 모듈러스가 낮다. 반면 인장강도는 결합 끈 종류와 부착량에 따라 결합제를 첨가한 배합고무보다 높기도 하고 낮기도 하다. 그러나 결합제와 달리 둥지실리카 첨가 배합고무에서는 결합되지 않으므로 연신율은 상당히 높다. 여러 종류의 결합 끈 물질을 다양한 방법으로 제조한 둥지실리카를 첨가하면 배합고무의 인장 성질은 크게 향상되었다. 고무 제품의 용도에 따라 정해지는 인장강도, 모듈러스, 연신율 등 물성이 적절한 둥지실리카를 선택하여 사용할 수 있다.Tensile test results are summarized in Table 2. The tensile properties of the compounded rubber with 40 phr of nested silica were almost the same as that of the compounded rubber with TESPT binder with silica. The modulus of the nested silica-added rubber is slightly lower than that of the rubber compounded with the binder, but the tensile strength is generally similar. In comparison, the elongation is much higher. In the compounded rubber containing the nested silica, the reinforcing properties are enhanced by the effect of the rubber molecules penetrating into the silica network and the twisting effect of the rubber molecules in direct contact with the silica particles. Therefore, the modulus is low if the rubber molecule and silica are not directly bonded. Tensile strength, on the other hand, may be higher or lower than the compounding rubber added with the binder, depending on the type and amount of bond. However, unlike the binder, the elongation is considerably high because it does not bind in the nested silica-added rubber. The addition of nested silica made of various bond string materials in various ways significantly improved the tensile properties of the compounded rubber. Nested silica with proper physical properties such as tensile strength, modulus and elongation determined according to the use of rubber products can be selected and used.

실시예 10Example 10

실리카는 고무 제품의 용도에 따라 첨가량을 70~80 phr까지 높여 사용한다. 실리카 첨가량이 많아지면 고무의 점도가 높아지고 무기물 함량이 많아져 배합이 어려워진다. 실리카 첨가량이 많은 조건에서 둥지실리카의 성능을 검토하기 위해 70 phr 첨가 배합고무를 제조하여 인장 성질을 평가하였다. 둥지실리카 첨가량만 70 phr로 높이고 그 외 조성은 실시예 9와 같은 배합고무를 준비하였다. 비교용 배합고무에서도 실리카 첨가량이 70 phr로 많아지므로 결합제 첨가량은 5.6 phr로 늘렸다. 실시예 9와 같은 방법으로 배합하였으나 실리카 첨가량이 많아 두 단계로 나누어 첨가하였다. 그 외 배합 공정과 가황 및 인장 성질 시험 방법은 실시예 9와 같다. Silica may be used in amounts of up to 70-80 phr depending on the purpose of the rubber product. The higher the amount of silica added, the higher the viscosity of the rubber and the higher the inorganic content, making it difficult to blend. In order to examine the performance of the nested silica under a large amount of silica, 70 phr additive rubber was prepared to evaluate tensile properties. Only the amount of nest silica added was increased to 70 phr, and the other compositions were prepared in the same manner as in Example 9. In the comparative compound rubber, the silica addition amount increased to 70 phr, so the binder addition amount increased to 5.6 phr. The compound was added in the same manner as in Example 9, but the silica was added in two steps. Other compounding processes and vulcanization and tensile test methods were the same as in Example 9.

표 3에 둥지실리카가 70 phr 첨가된 배합고무의 인장성질을 정리하였다. 둥지실리카 첨가량이 많아지면 40 phr 첨가한 고무에 비해 모듈러스와 인장강도는 커지고 연신율은 낮아져서 배합고무의 내충격성이 향상되었다. APTES와 DCH로 제조한 결합 끈으로 만든 둥지실리카를 첨가하면 인장강도와 연신율 모두 TESPT 첨가 배합고무보다 상당히 높아 보강 효과가 탁월하였다. 결합제로 TESPT를 첨가한 배합고무에서는 인장강도와 연신율이 같이 높아 주행 중 강한 충격을 견디어야 하는 배합고무의 보강제로 매우 적절하다. 그러나 TESPT 결합제를 사용할 때와 달리 에탄올이 발생하지 않아 제조 공정이 훨씬 간편해진다.Table 3 summarizes the tensile properties of the compounded rubber with 70 phr of nested silica. As the amount of nested silica was increased, the modulus and tensile strength were increased and the elongation was lower than that of 40 phr rubber. The addition of nested silica made of bonding strings made of APTES and DCH resulted in an excellent reinforcing effect because both tensile strength and elongation were significantly higher than those of TESPT compounded rubber. In the compounded rubber containing TESPT as a binder, it is very suitable as a reinforcing agent for compounded rubber, which has high tensile strength and elongation. However, unlike TESPT binders, ethanol is not generated, making the manufacturing process much simpler.

표 3. 둥지실리카가 70 phr 첨가된 배합고무의 인장 성질Table 3. Tensile Properties of Compounded Rubber with 70 phr Nest Silica

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Figure 112006063396704-pat00003

1)실시예 6에서 제조 1) Manufacture in Example 6

2)APTES와 DCH를 결합시켜 만든 결합 끈 물질로 실시예 3 방법으로 제조 2) prepared by the method of Example 3 from the binding string material made by combining APTES and DCH

3)표 1의 비교용 배합고무 3) Comparative compound rubber for comparison

이 발명의 방법에 따라 유기 결합 끈으로 실리카 입자를 3차원적으로 결합시킨 둥지실리카를 짧은 시간에 저렴하게 제조할 수 있었으며, 이 방법으로 제조한 둥지실리카의 고무에 대한 인장 성질 보강 기능은 매우 우수하였다. 실리카 입자의 표면은 유기물로 덮여 있고, 입자 사이에는 공간이 형성되어, 고무 분자가 둥지실리카의 내부공간으로 침투하기 용이하여 고무 내 실리카 입자의 분산도도 우수하였다. 유기 결합 끈과 고무 분자가 서로 꼬이고 실리카 입자의 보강 효과가 극대화되어 둥지실리카를 첨가한 배합고무는 결합제를 첨가한 배합고무에 비해 비슷하거나 더 나은 인장 성질을 보여주었다. 둥지실리카를 고무에 배합하면 실리카와 실란계 결합제를 같이 첨가한 배합고무에 비해 알코올 생성에 따른 작업 환경의 오염과 알코올 제거를 위한 추가 공정을 배제할 수 있으면서도 실리카의 분산성과 배합고무 의 인장 성질을 향상시킬 수 있다. 타이어, 신발, 호스 등 배합고무의 탄성, 지지 능력, 내구성이 중요한 고무 제품에는 둥지실리카가 보강제로서 적절하다.According to the method of the present invention, it was possible to inexpensively prepare the nested silica in which the silica particles were three-dimensionally bonded with the organic binding string in a short time, and the tensile properties of the nested silica prepared by this method were very excellent. It was. The surface of the silica particles was covered with an organic substance, and a space was formed between the particles, and rubber molecules easily penetrated into the inner space of the nested silica, so that the silica particles in the rubber were also excellent in dispersion. The organic binding string and rubber molecules were twisted together and the reinforcing effect of the silica particles was maximized. Thus, the compounded rubber with nested silica showed similar or better tensile properties than the compounded rubber with binder. When nested silica is blended into rubber, it is possible to eliminate the contamination of working environment due to alcohol production and the additional process for removing alcohol, while maintaining the dispersibility of silica and the tensile properties of the compounded rubber, compared to the rubber compounded with silica and silane-based binder. Can be improved. Nested silica is suitable as a reinforcing agent for rubber products in which elasticity, support ability and durability of compound rubber such as tires, shoes and hoses are important.

Claims (10)

메탄올 또는 에탄올 수용액에 결합 끈 물질을 용해하고, 20∼60℃에서 실리카 입자와 반응시킴을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.A method for producing nested silica, characterized by dissolving the binding string material in methanol or ethanol aqueous solution and reacting with silica particles at 20 to 60 ° C. 제 1항에 있어서, 메탄올 또는 에탄올 수용액이 5∼20 wt%의 물을 함유하는 수용액임을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the aqueous methanol or ethanol solution is an aqueous solution containing 5 to 20 wt% of water. 제 1항에 있어서, 실리카 입자를 메탄올이나 에탄올에 현탁하여 1∼12시간 반응시킴을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.The method for producing nested silica according to claim 1, wherein the silica particles are suspended in methanol or ethanol and reacted for 1 to 12 hours. 제 1항에 있어서, 제 1항에 있어서, 유동상태의 실리카에 결합 끈 용액을 분사하여 도포한 후, 1∼6시간 반응시킴을 특징으로 하는 둥지 실리카의 제조방법.The method for producing a nested silica according to claim 1, wherein the bonding silica solution is sprayed and applied to the silica in a fluid state, and then reacted for 1 to 6 hours. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 결합 끈 물질로서 글리시독시프로필트리메톡시 실란과 3-아미노프로필트리에톡시실란의 혼합물, 글리시독시프로필트리메톡시 실란과 디아미노헥산의 혼합물, 3-아미노프로필트리에톡시실란과 디클로로헥산의 혼합물, 폴리에틸렌 이민과 글리시독시프로필트리메톡시 실란의 혼합물, 톨루엔디이소시아네이트, 메틸렌디페닐 디이소시아네이트, 헥산디이소시아네이 트 및 3,3'-비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설파이드로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 방법. A mixture of glycidoxypropyltrimethoxy silane and 3-aminopropyltriethoxysilane, glycidoxypropyltrimethoxy silane and diaminohexane as claimed in claim 1. , Mixtures of 3-aminopropyltriethoxysilane and dichlorohexane, mixtures of polyethylene imine and glycidoxypropyltrimethoxy silane, toluene diisocyanate, methylenediphenyl diisocyanate, hexanediisocyananate and 3,3 '-Bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfide. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 결합 끈 물질을 실리카 입자에 담지하여 실리카 입자를 서로 결합시킴을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.The method for producing nested silica according to any one of claims 1 to 4, wherein the bonding string material is supported on the silica particles to bond the silica particles to each other. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 결합 끈 물질을 실리카 입자에 대해 0.5∼10 wt%의 양으로 사용함을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.The process for producing nested silica according to any one of claims 1 to 4, wherein the bond string material is used in an amount of 0.5 to 10 wt% based on the silica particles. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 디에틸아민, 트리에틸아민, 트리에탄올아민 및 디메틸구아니딘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 그 이상을 실리카에 대해 0.1~2 wt%로 첨가함을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.The method according to any one of claims 1 to 4, wherein one or more selected from the group consisting of diethylamine, triethylamine, triethanolamine and dimethylguanidine is added at 0.1 to 2 wt% based on silica. The manufacturing method of the nested silica characterized by the above-mentioned. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 실리카 입자의 소수성을 증진시키기 위하여 펜타에리트리톨, 글리세린, 소르비톨, 만니톨, 글루코오스 및 폴리에틸렌글리콜로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 그 이상을 둥지실리카에 0.1~3 wt%의 양으로 첨가함을 특징으로 하는 둥지실리카의 제조 방법.The method according to any one of claims 1 to 4, wherein one or more selected from the group consisting of pentaerythritol, glycerin, sorbitol, mannitol, glucose and polyethylene glycol is added to the nest silica to enhance the hydrophobicity of the silica particles. Method for producing a nested silica, characterized in that added in an amount of 0.1 to 3 wt%. 삭제delete
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