KR20220143900A - 타이어 적용을 위한 카본블랙을 함유하는 나노셀룰로오스 분산 조성물 - Google Patents
타이어 적용을 위한 카본블랙을 함유하는 나노셀룰로오스 분산 조성물 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20220143900A KR20220143900A KR1020227032243A KR20227032243A KR20220143900A KR 20220143900 A KR20220143900 A KR 20220143900A KR 1020227032243 A KR1020227032243 A KR 1020227032243A KR 20227032243 A KR20227032243 A KR 20227032243A KR 20220143900 A KR20220143900 A KR 20220143900A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- nanocellulose
- carbon black
- tire
- composition
- ndc
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 216
- 229920001046 Nanocellulose Polymers 0.000 title claims abstract description 210
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 title claims abstract description 158
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 title claims abstract description 116
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 71
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 60
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims abstract description 25
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 45
- 239000003921 oil Substances 0.000 claims description 34
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims description 33
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 26
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 26
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 244000043261 Hevea brasiliensis Species 0.000 claims description 22
- 229920003052 natural elastomer Polymers 0.000 claims description 22
- 229920001194 natural rubber Polymers 0.000 claims description 22
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 21
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 claims description 19
- 239000001993 wax Substances 0.000 claims description 19
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 16
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 16
- 229920000126 latex Polymers 0.000 claims description 16
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 15
- 239000004816 latex Substances 0.000 claims description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 13
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 12
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 claims description 12
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 11
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 11
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 10
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229920003049 isoprene rubber Polymers 0.000 claims description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 7
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 claims description 7
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 7
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 7
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 claims description 7
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 claims description 6
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims description 5
- 239000005062 Polybutadiene Substances 0.000 claims description 3
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 3
- 229920002857 polybutadiene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000012185 ceresin wax Substances 0.000 claims description 2
- 238000005504 petroleum refining Methods 0.000 claims description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 claims description 2
- 238000009472 formulation Methods 0.000 abstract description 48
- 235000019241 carbon black Nutrition 0.000 description 142
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 58
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 14
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 12
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 8
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 229920005549 butyl rubber Polymers 0.000 description 6
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 6
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 5
- 229920000181 Ethylene propylene rubber Polymers 0.000 description 4
- 150000001338 aliphatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 4
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 4
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 4
- 235000019809 paraffin wax Nutrition 0.000 description 4
- 235000019271 petrolatum Nutrition 0.000 description 4
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 4
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 4
- 229920001084 poly(chloroprene) Polymers 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 3
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 3
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 3
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 3
- 229920001195 polyisoprene Polymers 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N Phenol Chemical compound OC1=CC=CC=C1 ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 229920005557 bromobutyl Polymers 0.000 description 2
- 229920005556 chlorobutyl Polymers 0.000 description 2
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 2
- 239000002173 cutting fluid Substances 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 2
- 229920006168 hydrated nitrile rubber Polymers 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229920006173 natural rubber latex Polymers 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 229920003225 polyurethane elastomer Polymers 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N Ethyl urethane Chemical compound CCOC(N)=O JOYRKODLDBILNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 description 1
- 241001441571 Hiodontidae Species 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229920001131 Pulp (paper) Polymers 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 description 1
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 description 1
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004061 bleaching Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000007822 coupling agent Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229960005215 dichloroacetic acid Drugs 0.000 description 1
- 238000002036 drum drying Methods 0.000 description 1
- 239000013536 elastomeric material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- BXOUVIIITJXIKB-UHFFFAOYSA-N ethene;styrene Chemical compound C=C.C=CC1=CC=CC=C1 BXOUVIIITJXIKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005038 ethylene vinyl acetate Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000005194 fractionation Methods 0.000 description 1
- 229920001519 homopolymer Polymers 0.000 description 1
- 125000000687 hydroquinonyl group Chemical group C1(O)=C(C=C(O)C=C1)* 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 1
- 238000011005 laboratory method Methods 0.000 description 1
- 150000002596 lactones Chemical class 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000004200 microcrystalline wax Substances 0.000 description 1
- 235000019808 microcrystalline wax Nutrition 0.000 description 1
- 230000003278 mimic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000012454 non-polar solvent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 238000004537 pulping Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- LUPNKHXLFSSUGS-UHFFFAOYSA-M sodium;2,2-dichloroacetate Chemical compound [Na+].[O-]C(=O)C(Cl)Cl LUPNKHXLFSSUGS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 1
- 238000007655 standard test method Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- PXQLVRUNWNTZOS-UHFFFAOYSA-N sulfanyl Chemical class [SH] PXQLVRUNWNTZOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000010189 synthetic method Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000012815 thermoplastic material Substances 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- VTHOKNTVYKTUPI-UHFFFAOYSA-N triethoxy-[3-(3-triethoxysilylpropyltetrasulfanyl)propyl]silane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCSSSSCCC[Si](OCC)(OCC)OCC VTHOKNTVYKTUPI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 125000000391 vinyl group Chemical group [H]C([*])=C([H])[H] 0.000 description 1
- 229920002554 vinyl polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000003039 volatile agent Substances 0.000 description 1
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L1/00—Compositions of cellulose, modified cellulose or cellulose derivatives
- C08L1/02—Cellulose; Modified cellulose
- C08L1/04—Oxycellulose; Hydrocellulose, e.g. microcrystalline cellulose
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
- B60C1/00—Tyres characterised by the chemical composition or the physical arrangement or mixture of the composition
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
- B60C1/00—Tyres characterised by the chemical composition or the physical arrangement or mixture of the composition
- B60C1/0016—Compositions of the tread
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/02—Elements
- C08K3/04—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K9/00—Use of pretreated ingredients
- C08K9/08—Ingredients agglomerated by treatment with a binding agent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L101/00—Compositions of unspecified macromolecular compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L23/00—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L23/26—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers modified by chemical after-treatment
- C08L23/28—Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers modified by chemical after-treatment by reaction with halogens or compounds containing halogen
- C08L23/283—Halogenated homo- or copolymers of iso-olefins
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L7/00—Compositions of natural rubber
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L9/00—Compositions of homopolymers or copolymers of conjugated diene hydrocarbons
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L91/00—Compositions of oils, fats or waxes; Compositions of derivatives thereof
- C08L91/06—Waxes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K2201/00—Specific properties of additives
- C08K2201/002—Physical properties
- C08K2201/006—Additives being defined by their surface area
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Tires In General (AREA)
Abstract
분할제 및 나노셀룰로오스를 함유하는 나노셀룰로오스 분산 조성물, 및 나노셀룰로오스 분산 조성물의 제조 방법이 개시된다. 이러한 나노셀룰로오스 분산 조성물은 카본 블랙 및 적절한 엘라스토머와 함께 타이어 제형에 사용되어 타이어 및 트레드 응용 분야에 사용하기 위한 제조 물품을 생산할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 2021년 2월 18일에 PCT 국제 특허 출원으로 제출되었으며, 2020년 2월 19일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 62/978,397에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 그 전체가 참고로 여기 통합된다.
본 개시내용은 폴리머 제형에 사용하기 위한, 보다 구체적으로, 타이어 적용을 위한 엘라스토머 제형에 사용하기 위한 나노셀룰로오스 분산액 조성물에 관한 것이다.
나노셀룰로오스는 최근 플라스틱 및 엘라스토머에서와 같이 다양한 잠재적 용도를 갖는 나노 물질로서 많은 주목을 받고 있다. 나노셀룰로오스는 탄화수소 재료가 아닌 바이오매스에서 파생되기 때문에 이러한 응용 분야에서 나노셀룰로오스를 사용하는 것은 복합재의 성능과 향후 재료의 지속 가능한 특성을 개선하기 위한 것이다. 그러나 나노셀룰로오스의 한 가지 문제는 나노셀룰로오스가 결정질 형태이든 피브릴 형태이든 관계없이, 일반적으로 나노셀룰로오스는 건조하는 동안 자체적으로 결합하여 고분자 복합 구조에서 나노셀룰로오스의 큰 덩어리를 생성하는 소수성, 비극성 용매 및 매트릭스(플라스틱 및 엘라스토머 포함)에서의 분산성이었다.
예를 들어, 나노셀룰로오스가 엘라스토머 화합물에 혼합될 때, 큰 덩어리가 제거되고 엘라스토머 매트릭스에 나노셀룰로오스를 혼입시키는 완전한 이점이 실현되도록 나노셀룰로오스의 양호한 분산이 요구된다. 큰 덩어리는 응력 집중 장치를 생성하여 폴리머 복합재의 조기 파손을 초래할 수 있다.
이와 같이, 타이어 및 기타 최종 사용 응용 분야에서 나노셀룰로오스의 개발, 성장 및 상업화에 직면한 주요 문제로 남아 있는 폴리머 제형에서 나노셀룰로오스의 분산성을 크게 개선하는 방법을 고안하는 것이 중요해졌다. 따라서, 본 발명은 일반적으로 이러한 목적을 지향한다.
개요
이 개요는 아래의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 단순화된 형태로 개념의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 필수 또는 필수 기능을 식별하기 위한 것이 아니다. 또한 이 요약은 청구된 주제의 범위를 제한하는 데 사용되지 않는다.
본 발명의 목적에 따라, 본원에 구현되고 광범위하게 기재된 바와 같이, 본 개시내용은 일 측면에서, 분할제가 손상되지 않은 상태로 유지되고 나노셀룰로오스 결정과 나노셀룰로오스 피브릴이 서로 결합하는 것을 방지하도록 나노셀룰로오스 건조 공정에서 또는 그 전에 분할제를 첨가하는 공정에 관한 것이다. 그 결과 타이어 및 기타 최종 사용 용도의 엘라스토머 및 플라스틱과 같은 타이어 제형에 쉽게 분산될 수 있는 나노셀룰로오스 분산 조성물이 생성된다.
나노셀룰로오스 분산 조성물(nanocellulose dispersion composition, NDC)이 본원에 기재되어 있고, NDC는 (i) 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 왁스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 분할제, 및 (ii) 나노셀룰로오스를 포함할 수 있다. 이 NDC는 (I) 폴리머, (II) 본원에 개시된 임의의 나노셀룰로오스 분산 조성물, 및 (III) 카본 블랙 첨가제를 포함할 수 있는 타이어 조성물에 사용될 수 있다. 일부 양태에서, 타이어 조성물은 간섭계 현미경(IFM)에 의해 결정된 분산 지수가 약 90% 이상인 것을 특징으로 할 수 있는 반면, 다른 양태에서 타이어 조성물은 적어도 약 300,000 사이클의 100% 인장 변형률에서의 피로 수명을 특징으로 할 수 있다. 본 명세서에 개시된 타이어 조성물은 승용차 및 트럭 및 버스용 타이어와 같은 다양한 제조 물품을 제조하는데 사용될 수 있다.
전술한 요약 및 다음의 상세한 설명 모두는 예시를 제공하고 단지 설명을 위한 것이다. 따라서, 전술한 요약 및 다음의 상세한 설명이 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에 기재된 것에 추가하여 특징 또는 변형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정 양상 및 실시예는 상세한 설명에서 설명된 다양한 특징 조합 및 하위 조합에 관한 것일 수 있다.
본 명세서에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 여러 측면을 예시하고 설명과 함께 본 발명의 특정 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1a 및 1b는 기준 카본 블랙 등급 N234를 사용하여 혼합된 모델 승용차 타이어 트레드(tread) 컴파운드의 후방 산란 및 2차 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지이다. 도 1A 및 1B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 2a 및 2b는 각각 실시예 2의 화합물 분산액의 후방 산란 및 2차 SEM 이미지이며, 여기서 카본 블랙의 일부는 본 개시내용의 다양한 측면에 따라 건조된 리그닌-코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(LCNF)로 대체되었다. 도 2A 및 2B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 3a 및 3b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 3의 화합물 분산액의 후방산란 및 2차 SEM 이미지로서, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NCD)의 일부로서 LCNF, 표면 개질된 카본 블랙(SMCB), 및 TDAE 오일로 대체되었다. 도 3A 및 3B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 4a 및 도 4b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 4의 모델 트럭 타이어 트레드 화합물 분산물의 후방산란 및 2차 SEM 이미지이다. 도 4A 및 4B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 5a 및 5b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 카본 블랙의 일부가 건조된 LCNF로 대체된, 실시예 5의 화합물 분산액의 후방산란 및 2차 SEM 이미지이다. 5a 및 5b의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 6a 및 6b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 6의 화합물 분산액의 후방산란 및 2차 SEM 이미지로서, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF 및 천연 고무 라텍스를 함유하는 NDC의 일부로서 LCNF로 대체되었다. 6a 및 6b의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 7a 및 7b 및 7c는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 11의 화합물 분산액(결에 따른 면도날 절단 표면)의 100㎛, 40㎛ 및 10㎛ 스케일 바를 갖는 후방 산란 SEM 이미지로서, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)의 일부로서 LCNF, 표면-개질된 카본 블랙(SMCB), 및 TDAE 오일로 대체되었다.
도 8a 및 8b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 11의 화합물 분산액의 100㎛ 및 40㎛ 스케일 바를 갖는 후방 산란 SEM 이미지(결에 대항한 면도날 절단 표면)이며, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)의 일부로서 LCNF, 표면-개질된 카본 블랙(SMCB), 및 TDAE 오일로 대체되었다.
도 9 내지 12는 실시예 7 내지 11의 화합물 분산액에 대한 MDR T90 경화 시간, 무니 T5 스코치(Mooney T5 Scorch) 시간, 무니 점도 및 쇼어 A 경도를 각각 요약한 막대 차트이다.
도 13은 100%, 200%, 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 (입자와 함께) 정적 모듈러스(moduli)를 요약한 막대 차트이다.
도 14는 실시예 7 및 실시예 11의 화합물 분산액에 대한 인장 강도 대 연신율을 나타내는 플롯이다.
도 15는 결에 따른 및 결에 대항한 밀링 방향, 및 결에 따른 및 결에 대항한 인장 시험을 예시하는 도면이다.
도 16은 100%, 200%, 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 (결에 따른 및 결에 대항한) 정적 모듈러스를 요약한 막대 차트이다.
도 17은 100%, 200% 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 기계적 이방성을 요약한 막대 차트이다.
도 18 내지 20은 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 인장 강도, 파단 신율 및 임계 인열 강도를 각각 요약한 막대 차트이다.
도 21 내지 25는 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 DIN 마모, 60℃에서의 반발, 플렉소미터 열 축적, 60℃에서의 tan δMAX, 및 60℃에서의 ΔG'를 각각 요약한 막대 차트이다.
본 발명의 부가적인 측면은 다음의 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 부분적으로는 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있을 것이다. 본 발명의 이점은 첨부된 청구범위에서 특히 지적된 요소 및 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다. 전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적일 뿐이며 청구된 바와 같이 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1a 및 1b는 기준 카본 블랙 등급 N234를 사용하여 혼합된 모델 승용차 타이어 트레드(tread) 컴파운드의 후방 산란 및 2차 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM) 이미지이다. 도 1A 및 1B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 2a 및 2b는 각각 실시예 2의 화합물 분산액의 후방 산란 및 2차 SEM 이미지이며, 여기서 카본 블랙의 일부는 본 개시내용의 다양한 측면에 따라 건조된 리그닌-코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(LCNF)로 대체되었다. 도 2A 및 2B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 3a 및 3b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 3의 화합물 분산액의 후방산란 및 2차 SEM 이미지로서, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NCD)의 일부로서 LCNF, 표면 개질된 카본 블랙(SMCB), 및 TDAE 오일로 대체되었다. 도 3A 및 3B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 4a 및 도 4b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 4의 모델 트럭 타이어 트레드 화합물 분산물의 후방산란 및 2차 SEM 이미지이다. 도 4A 및 4B의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 5a 및 5b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 카본 블랙의 일부가 건조된 LCNF로 대체된, 실시예 5의 화합물 분산액의 후방산란 및 2차 SEM 이미지이다. 5a 및 5b의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 6a 및 6b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 6의 화합물 분산액의 후방산란 및 2차 SEM 이미지로서, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF 및 천연 고무 라텍스를 함유하는 NDC의 일부로서 LCNF로 대체되었다. 6a 및 6b의 스케일은 동일하다(스케일 바 = 300μm).
도 7a 및 7b 및 7c는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 11의 화합물 분산액(결에 따른 면도날 절단 표면)의 100㎛, 40㎛ 및 10㎛ 스케일 바를 갖는 후방 산란 SEM 이미지로서, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)의 일부로서 LCNF, 표면-개질된 카본 블랙(SMCB), 및 TDAE 오일로 대체되었다.
도 8a 및 8b는 각각 본 개시내용의 다양한 측면에 따른, 실시예 11의 화합물 분산액의 100㎛ 및 40㎛ 스케일 바를 갖는 후방 산란 SEM 이미지(결에 대항한 면도날 절단 표면)이며, 여기서 카본 블랙의 일부는 LCNF를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)의 일부로서 LCNF, 표면-개질된 카본 블랙(SMCB), 및 TDAE 오일로 대체되었다.
도 9 내지 12는 실시예 7 내지 11의 화합물 분산액에 대한 MDR T90 경화 시간, 무니 T5 스코치(Mooney T5 Scorch) 시간, 무니 점도 및 쇼어 A 경도를 각각 요약한 막대 차트이다.
도 13은 100%, 200%, 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 (입자와 함께) 정적 모듈러스(moduli)를 요약한 막대 차트이다.
도 14는 실시예 7 및 실시예 11의 화합물 분산액에 대한 인장 강도 대 연신율을 나타내는 플롯이다.
도 15는 결에 따른 및 결에 대항한 밀링 방향, 및 결에 따른 및 결에 대항한 인장 시험을 예시하는 도면이다.
도 16은 100%, 200%, 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 (결에 따른 및 결에 대항한) 정적 모듈러스를 요약한 막대 차트이다.
도 17은 100%, 200% 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 기계적 이방성을 요약한 막대 차트이다.
도 18 내지 20은 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 인장 강도, 파단 신율 및 임계 인열 강도를 각각 요약한 막대 차트이다.
도 21 내지 25는 실시예 7-11의 화합물 분산액에 대한 DIN 마모, 60℃에서의 반발, 플렉소미터 열 축적, 60℃에서의 tan δMAX, 및 60℃에서의 ΔG'를 각각 요약한 막대 차트이다.
본 발명의 부가적인 측면은 다음의 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 부분적으로는 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있을 것이다. 본 발명의 이점은 첨부된 청구범위에서 특히 지적된 요소 및 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다. 전술한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명적일 뿐이며 청구된 바와 같이 본 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 발명은 하기의 본 발명의 상세한 설명 및 이에 포함된 실시예를 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 수 있다.
본 발명의 화합물, 조성물, 물품, 시스템, 장치 및/또는 방법이 개시 및 기술되기 전에, 달리 명시되지 않는 한 특정 합성 방법 또는 달리 명시되지 않는 한 특정 시약으로 제한되지 않으며, 물론 다를 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 측면을 설명하기 위한 것이며 제한하려는 의도가 아님을 이해해야 한다. 본 명세서에 기술된 것과 유사하거나 등가인 임의의 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적이고 대표적인 방법 및 재료가 이제 기술된다.
본 명세서에 언급된 모든 간행물은 본 명세서에 참고로 통합되어 그 간행물이 인용된 방법 및/또는 재료를 개시하고 설명한다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 기술 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서에 사용된 시험 방법은 당업자가 알고있으며 이해한다. 적절한 곳에 특정 테스트 방법에 대한 참조가 제공된다. 예를 들어, 간섭계 현미경 분석(interferometric microscope analysis, IFM)은 ASTM D2663, 카본 블랙의 표준 시험 방법- 고무에의 분산, 방법 D(Standard Test Methods for Carbon Black) Dispersion in Rubber, Method D)를 사용하여 수행되었다(예: 분산 지수 및 분산되지 않은 카본 블랙 및 나노셀룰로오스와 같은 충전제 물질의 면적 분율을 결정하기 위함).
본 명세서에 사용된 바와 같이, 달리 구체적으로 언급되지 않는 한, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 복수 대안을 포함한다. 따라서, 예를 들어 "폴리머" 또는 "분할제"에 대한 언급은 달리 언급되지 않는 한 각각 둘 이상의 폴리머 또는 분할제의 혼합물 또는 조합을 포함한다.
조성물 및 방법이 다양한 구성요소 또는 단계를 "포함하는" 측면에서 본원에 기술되어 있지만, 조성물 및 방법은 또한 달리 언급되지 않는 한 다양한 구성요소 또는 단계로 "본질적으로 구성"되거나 "구성"될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 측면과 일치하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(nanocellulose dispersion composition, NDC)은 다음을 포함할 수 있거나; 또는 본질적으로 다음으로 구성될 수 있거나; 또는 다음으로 구성될 수 있다; (i) 분할제(partitioning agent) 및 (ii) 나노셀룰로오스.
범위는 본원에서 "약" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현될 때, 다른 측면은 하나의 특정 값 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 값이 근사치로 표현될 때, 선행사 "약"을 사용하여 특정 값이 또 다른 측면을 형성함을 이해할 것이다. 각각의 범위의 종점은 다른 종점과 관련하여 그리고 다른 종점과는 독립적으로 모두 중요하다는 것이 추가로 이해될 것이다. 본 명세서에 다수의 값이 개시되어 있고, 각각의 값은 또한 그 값 자체에 추가하여 그 특정 값 "약"으로서 본 명세서에 개시되어 있음을 이해해야 한다. 예를 들어 값 "10"이 개시되면 "약 10"도 개시된다. 2개의 특정 유닛 사이의 각각의 유닛 또한 개시되는 것으로 이해된다. 예를 들어 10과 15가 개시되면 11, 12, 13, 14도 개시된다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "선택적" 및 "선택적으로"는 후속하여 기술되는 이벤트 또는 상황이 발생할 수 있거나 발생할 수 없음을 의미하고, 상기 기술은 상기 이벤트 또는 상황이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함한다.
본 발명의 조성물 및 조성물 자체를 제조하는 방법에 사용되는 성분이 개시되어 있다. 이들 및 기타 물질이 본 명세서에 개시되어 있고, 이들 물질의 조합, 부분집합, 상호작용, 그룹 등이 개시될 때, 이들 화합물의 각각의 다양한 개별 및 집합적 조합 및 순열에 대한 특정 참조가 명시적으로 설명될 수 없으며, 각각은 본 명세서에서 구체적으로 고려되고 설명된다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 특정 화합물이 개시 및 논의되고 화합물을 포함하는 다수의 분자에 대해 이루어질 수 있는 다수의 변형이 논의되는 경우, 특별히 달리 명시되지 않는 한, 화합물의 각각 및 모든 조합 및 순열 및 가능한 변형이 구체적으로 고려된다. 따라서 분자 A, B, C의 부류와 분자 D, E, F의 부류 및 조합 분자의 예가 개시된다면, A-D가 개시되고, 각각이 개별적으로 인용되지 않더라도, 각각 A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E 및 C-F의 조합이 개시된 것으로 간주됨을 의미하는 개별적으로 및 집합적으로 고려된다. 유사하게, 이들의 임의의 서브세트 또는 조합도 개시된다. 따라서 예를 들어 A-E, B-F 및 C-E의 하위 그룹이 공개된 것으로 간주된다. 이 개념은 본 발명의 조성물을 제조하고 사용하는 방법의 단계를 포함하지만 이에 국한되지 않는 본 출원의 모든 측면에 적용된다. 따라서, 수행될 수 있는 다양한 추가 단계가 있는 경우, 이러한 추가 단계 각각은 본 발명의 방법의 임의의 특정 측면 또는 측면의 조합으로 수행될 수 있음을 이해해야 한다.
이상에서 간략히 기술한 바와 같이, 본 발명은 나노셀룰로오스가 수계에서 개별적인 피브릴 또는 결정질 상태로 존재하는 그대로의 분할(partitioning) 방법을 제공하며, 분할제는 건조시 개별 나노셀룰로오스 피브릴 및/또는 결정 간의 결합 및 응집을 방지하기 위해 나노셀룰로오스 입자 사이에 안정하게 유지되고 이격되어 있다. 한 측면에서, 본 개시내용은 나노셀룰로오스를 분할하는 방법을 제공하고, 또 다른 측면에서, 개시내용은 다양한 폴리머 및 엘라스토머 화합물과 상용성인 나노셀룰로오스 조성물을 제공하여 이러한 폴리머 및 엘라스토머 화합물에서의 나노셀룰로오스 분산을 개선하여 나노셀룰로오스 첨가를 실현할 수 있는 완전한 이점을 제공한다. 예를 들어, 엘라스토머 재료에서 개선된 나노셀룰로오스 분산의 이점은 트레드(tread) 및 비 트레드(non-tread) 컴파운드 모두에 대해 더 낮은 히스테리시스(hysteresis) 또는 열 축적, 더 낮은 컴파운드 중량 및 타이어 컴파운드의 기타 성능 특성을 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않고, 이는 타이어의 전반적인 성능에 중요할 수 있다.
본 개시내용의 나노셀룰로오스는 결정질 형태이든 피브릴 형태이든, 그리고 그것이 이미 처리되거나 일부 다른 방식으로 개질되었는지 여부에 관계없이 임의의 나노셀룰로오스를 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 나노셀룰로오스의 공급원은 목재 펄프 또는 기타 바이오매스 재료로 만들어지고 임의의 산업적 공정에 의해 제조된 임의의 적합한 공급원일 수 있다. 바이오매스 섬유는 셀룰로오스 나노결정(NC) 및 셀룰로오스 나노피브릴(NF)을 포함하여 다양한 모양과 크기로 산업적으로 추출될 수 있는 셀룰로오스 구조 빌딩 블록으로 구성된다. 또한, 나노셀룰로오스의 특정 크기 및 모양은 너비 및/또는 길이에 관계없이 나노 규모에서 최대 마이크론 규모까지 다양할 수 있다. NF는 일반적으로 폭이 5-20 nm이고 길이가 500-2000 nm이며 셀룰로스의 비정질 및 결정질 도메인을 모두 포함한다. NC는 일반적으로 5-8 nm의 폭과 100-300 nm의 길이를 가지며 주로 결정질이다. 이러한 범위와 치수가 일반적이지만, 본 발명은 입자 모양 또는 입자 크기/치수에 관계없이 모든 NC 및 NF 재료를 포함한다.
나노셀룰로오스가 사용되는 실질적으로 모든 비수성(non-aqueous) 응용에 대해, 이의 분산을 개선하고 이에 따라 이러한 응용에 대한 유용성 및 이점을 개선하는 것이 이 기술의 구현에 대한 주요 장애물이었다. 따라서, 분산을 개선하고, 나노셀룰로오스를 엘라스토머 화합물과 같은 폴리머에 고도로 분산시킬 수 있도록 하는 경제적이고 실용적인 방법 및 공정을 찾는 것이 중요해졌다. 후처리 기술 대신 나노셀룰로오스 건조 공정 자체 또는 그 전에 분할제를 사용하면 이러한 목표를 달성하는 데 도움이 될 수 있다.
나노셀룰로오스 분산을 개선하는 면에서, 다양한 화학적 표면 개질 접근법이 건조 후 시도되었고, 일부는 궁극적으로 성공적이었을 수 있지만, 이는 일반적으로 상업적 양으로 규모를 확장하기 어려운 것으로 판명되는 극단적인 조치를 필요로 하고, 비경제적이다. 일반적으로 이러한 방법은 나노셀룰로오스의 비가역적 입자간 결합을 방지하기 위해 확립된 실험실 방법인 나노셀룰로오스의 동결건조(lyophilization, freeze drying)를 기반으로 한다. 동결 건조는 경제적이지 않으며 나노셀룰로오스의 상업적 생산을 위해 확장할 수 없다.
따라서, 보다 간단하고 경제적인 공정이 바람직하다. 이와 같이, 건조 전 또는 건조 동안 나노셀룰로오스간 결합을 방지하기 위해 나노셀룰로오스를 분할하는 방법이 제공되어 플라스틱 및 엘라스토머와 같은 폴리머에서 나노셀룰로오스 분산이 개선된다.
나노셀룰로오스 분산 조성물(NANOCELLULOSE DISPERSION COMPOSITIONS)
나노셀룰로오스는 예를 들어, 화학적 수단, 기계적 수단, 또는 화학적 및 기계적 수단의 조합을 사용하여 바이오매스를 서브마이크론 셀룰로스 나노피브릴 또는 나노결정으로 분해함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 박테리아 나노셀룰로오스 및 튜니케이트-나노셀룰로오스와 같은 나노셀룰로오스를 제공하기 위한 다른 방법도 이용 가능하다. 일반적으로 나노셀룰로오스의 생산은 두 가지 주요 단계에서 발생한다. 첫 번째 단계는 바이오매스를 정제하여 리그닌, 헤미셀룰로오스, 추출물 및 무기 오염물질과 같은 바이오매스의 비셀룰로오스 성분 대부분을 제거하는 것이다. 이것은 일반적으로 기존의 펄프화 및 표백에 의해 수행된다. 셀룰로오스 나노피브릴의 생산을 위해 두 번째 단계는 일반적으로 정제된 바이오매스 섬유의 기계적 정제를 수반한다. 셀룰로오스 나노결정의 경우, 두 번째 단계는 일반적으로 정제된 섬유의 산 가수분해 후 고전단 기계적 처리를 수반한다. 다목적 AVAP® 공정과 같은 새로운 생산 공정은 SO2와 에탄올(다양한 심각도)을 사용한 바이오매스의 화학적 분류를 통해 기계적 처리를 통해 셀룰로오스 나노결정 또는 셀룰로오스 나노피브릴을 생산할 수 있다. 나노셀룰로오스 종류에 관계없이 최종 기계적 처리 단계 후에 나노셀룰로오스는 종종 임계 농도(일반적으로 고형물 2 중량% 이상)를 초과하는 안정한 겔로서 수용액에 현탁된다. 건조 및 물 제거 시, 나노셀룰로오스 입자는 일반적으로 비가역적으로 결합 및 응집되어 폴리머 시스템에서 불량한 분산을 초래한다.
건조 동안 나노셀룰로오스가 그 자체에 결합하는 것을 감소시키거나 방지하기 위해, 본원에 기재된 바와 같이, 분할제(partitioning agent)가 수성 나노셀룰로오스 분산액에 첨가될 수 있으며, 이는 나노셀룰로오스 덩어리를 줄이거나 방지하기 위해 나노셀룰로오스의 표면과 충분히 상호작용하고/하거나 나노셀룰로오스 입자 사이에 균일하게 분포될 것이다.
폴리머에서 개선된 분산성을 위해 수성 시스템에서 나노셀룰로오스를 분할하는 제1 공정은 (a) 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 분할제와 조합하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 (b) 혼합물을 건조시켜 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 수성 시스템에서 나노셀룰로오스를 분할제로 분할하기 위한 제2 공정은 (A) 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 분할제와 조합하여 혼합물을 형성하는 단계, 및 (B) 혼합물을 건조하여 나노셀룰로오스 분산액 조성물(NDC)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 분할제는 NDC에서 안정할 수 있고 NDC에서 나노셀룰로오스 입자의 응집을 감소 또는 방지하기 위해 나노셀룰로오스 입자 사이에 이격될 수 있다. 본 명세서에 개시된 임의의 방법에 의해 제조된 나노셀룰로오스 분산액 조성물도 본 발명에 포함된다. 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)은 최소한 분할제와 나노셀룰로오스를 함유할 수 있으며, 분할제는 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스 또는 왁스 및 이들 재료의 조합을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 공정의 단계 (a) 및 단계 (A)에서, 나노셀룰로오스의 수성 분산액은 분할제와 조합되어 혼합물을 형성할 수 있다. 나노셀룰로오스의 수성 분산액은 임의의 적합한 양의 나노셀룰로오스를 함유할 수 있지만, 일반적으로 약 2 중량% 고형물 이상 및 최대 10 중량% 고형물(예를 들어, 약 2 중량% 내지 약 5 중량% 고형물)이다.
임의의 적합한 용기 및 조건이 수성 나노셀룰로오스 분산액과 분할제를 조합하는데 사용될 수 있고, 이는 배치식(batchwise)으로 또는 연속적으로 달성될 수 있다. 예로서, 나노셀룰로오스 분산액 및 분할제는 대기압 하에서, 선택적으로 교반 또는 혼합과 함께, 그리고 종종 약 15℃ 내지 약 60℃ 범위의 임의의 적합한 온도에서 적합한 용기(예를 들어, 탱크)에서 조합될 수 있다.
나노셀룰로오스와 관련하여 사용되는 분할제의 양은 특별히 제한되지 않으나, 나노셀룰로오스 분산 조성물에서 나노셀룰로오스에 대한 분할제의 중량비는 종종 약 0.1:1 내지 약 25:1의 범위이다. 일부 측면에서, 나노셀룰로오스에 대한 분할제의 중량비는 약 0.1:1 내지 약 10:1, 약 0.1:1 내지 약 5:1, 약 0.1:1 내지 약 2: 1, 약 0.1:1 내지 약 1:1, 약 0.25:1 내지 약 25:1, 약 0.25:1 내지 약 15:1, 약 0.3:1 내지 약 10:1, 약 0.5: 1 내지 약 25:1, 약 0.7:1 내지 약 15:1, 약 0.75:1 내지 약 15:1, 약 1:1 내지 약 10:1, 약 1.2:1 내지 약 12:1 , 약 1.8:1 내지 약 8:1, 약 1.5:1 내지 약 10:1, 약 4:1 내지 약 15:1, 또는 약 0.1:1, 0.25:1, 0.4:1, 0.6: 1, 0.8:1, 1:1, 1.2:1, 1.4:1, 1.6:1, 1.8:1, 2:1, 2.5:1, 3:1, 3.5:1, 4:1, 4.5:1, 5:1, 6:1, 7:1, 8:1, 9:1, 10:1, 11:1, 12:1, 13:1, 14:1, 15:1, 16:1, 17: 1, 18:1, 19:1, 20:1, 21:1, 22:1, 23:1, 24:1 또는 25:1의 범위 내에 들 수 있다. 둘 이상의 분할제가 사용되는 경우 분할제의 총량이 중량비를 결정하는 데 사용된다.
나노셀룰로오스 수계 분산액 또는 나노셀룰로오스 분산액 조성물(NDC)에 있어서, 나노셀룰로오스의 종류도 특별히 한정되지 않는다. 일 측면에서, 예를 들어, 나노셀룰로오스는 나노셀룰로오스 결정(NC), 나노셀룰로오스 피브릴(NF), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 나노셀룰로오스는 표면 리그닌 및/또는 벌크 입자에 함유된 리그닌으로서 리그닌을 추가로 함유할 수 있다. 또 다른 측면에서, 나노셀룰로오스는 리그닌-코팅된 나노셀룰로오스 결정(LCNC), 리그닌-코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(LCNF), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일반적으로 이러한 리그닌 코팅 물질은 더 소수성이다. 또 다른 측면에서, 나노셀룰로오스는 친수성 셀룰로오스 나노셀룰로오스 결정(CNC), 친수성 셀룰로오스 나노셀룰로오스 피브릴(CNF), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
전형적으로, 적합한 분할제는 폴리머(예를 들어, 엘라스토머, 타이어 제형)와 상용성이 있고 NDC에서 나노셀룰로오스 응집을 감소시키고 폴리머 제형에서 응집을 감소시킨다. 종종, 나노셀룰로오스 분산액 조성물의 분할제, 또는 나노셀룰로오스 분산물 조성물을 형성하기 위해 사용되는 분할제는 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 왁스, 또는 이들의 임의의 조합을 함유할 수 있다. 임의의 적합한 고무 라텍스가 사용될 수 있으며, 예시적인 예는 천연 고무(natural rubber, NR), 이소프렌 고무(isoprene rubber, IR), 에멀젼 스티렌-부타디엔 고무(emulsion styrene-butadiene rubber, ESBR) 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 둘 이상의 고무 라텍스 재료의 혼합물 또는 조합을 사용할 수 있다.
왁스 성분은 비-분지형 알칸 파라핀 왁스, 분지형 파라핀 왁스 및 세레신(ceresine) 왁스(천연 광물, 정제 석유 또는 리그닌 정제)를 포함하는 미세결정질 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 작용화된 폴리에틸렌 왁스, 등, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
존재하는 경우, 본 발명의 카본 블랙은 NDC 및/또는 사용된 엘라스토머 재료와 함께 사용하기에 적합한 임의의 카본 블랙을 포함할 수 있다. 일 측면에서, 카본 블랙은 퍼니스(furnace) 카본 블랙을 포함할 수 있다(또는 본질적으로 구성되거나 구성될 수 있다). 추가적으로 또는 대안적으로, 카본 블랙은 산화된 퍼니스 카본 블랙과 같은 표면-개질된 퍼니스 카본 블랙을 포함할 수 있다(또는 본질적으로 이들로 이루어지거나 이로 이루어질 수 있다). 다른 측면에서, 카본 블랙은 고무, 예를 들어 타이어에 사용하기에 적합한 카본 블랙을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 카본 블랙은 타이어 트레드(tread) 또는 타이어 카커스(carcass)에 사용하기에 적합한 카본 블랙을 포함할 수 있다. 다양한 측면에서, 카본 블랙은 N900 시리즈 카본 블랙, N800 시리즈 카본 블랙, N700 시리즈 카본 블랙, N600 시리즈 카본 블랙, N500 시리즈 카본 블랙, N400 시리즈 카본 블랙, N300 시리즈 카본 블랙, N200 시리즈 카본 블랙, N100 시리즈 카본 블랙, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 본 발명에서 유용할 수 있는 예시적인 카본 블랙의 다양한 물리적 특성은 하기에 인용된다. 이들 값 및 범위는 본질적으로 예시적인 것으로 의도되고 본 발명이 임의의 특정 범위, 값 또는 조합으로 제한되지 않음을 이해해야 한다.
카본 블랙은 예를 들어 ASTM Method D6556-14에 의해 측정 시 약 8 m2/g 내지 약 140 m2/g; 약 20 m2/g 내지 약 140 m2/g; 약 45 m2/g 내지 약 140 m2/g; 약 60 m2/g 내지 약 140 m2/g; 약 90 m2/g 내지 약 140 m2/g; 약 95 m2/g 내지 약 135 m2/g; 약 100 m2/g 내지 약 130 m2/g; 약 105 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 110 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 115 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 110 m2/g 내지 약 120 m2/g; 약 115 m2/g 내지 약 120 m2/g; 약 115 m2/g 내지 약 121 m2/g; 또는 약 116 m2/g 내지 약 120 m2/g의 질소 표면적을 가질 수 있다. 또 다른 측면에서, 카본 블랙은 약 90, 92, 94, 96, 98, 100, 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 또는 140 m2/g의 질소 표면적을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 카본 블랙은 약 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 또는 140 m2/g의 질소 표면적을 가질 수 있다. 또 다른 측면에서, 카본 블랙은 약 118 m2/g의 질소 표면적을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 여기에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작은 질소 표면적을 가질 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 질소 표면적 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
카본 블랙은 통계적 두께 방법(STSA, ASTM D6556-14)에 기초하여 약 약 8 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 20 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 45 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 60 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 80 m2/g 내지 약 125 m2/g; 약 85 m2/g 내지 약 120 m2/g; 약 90 m2/g 내지 약 115 m2/g; 약 95 m2/g 내지 약 110 m2/g; 약 95 m2/g 내지 약 105 m2/g; 약 98 m2/g 내지 약 104 m2/g; 또는 약 99 m2/g 내지 약 103 m2/g의 외부 표면적을 가질 수 있다.
다른 측면에서, 카본 블랙은 약 101 m2/g의 외부 표면적을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 카본 블랙은 통계적 두께 방법에 기초하여 약 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 100, 105, 110, 115, 120, 또는 125 m2/g의 외부 표면적을 가질 수 있다. 다양한 측면에서, 카본 블랙의 외부 표면적은 고무 화합물에 접근할 수 있는 비표면적이다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 본원에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작은 외부 표면적을 가질 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 외부 표면적 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
퍼니스 카본 블랙과 같은 본 발명의 카본 블랙은, 예를 들어 시험 방법 A 또는 시험 방법 B를 사용하여 ASTM Method D1512-15에 의해 측정할 때 약 2.5 내지 약 9, 약 2.5 내지 약 7, 또는 약 4 내지 약 7의 pH를 가질 수 있다. 일 측면에서, 카본 블랙은 일반적으로 약 2.5 내지 약 4; 대안적으로, 약 2.8 내지 약 3.6; 대안적으로, 약 3 내지 약 3.4; 또는 대안적으로 약 3.2의 pH를 갖는 산화된 카본 블랙일 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 본원에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작은 pH를 가질 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 pH 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 카본 블랙은, 예를 들어, ASTM Method D6086-09a에 의해 측정 시 약 55 cm3/100g 내지 약 67 cm3/100g (50 GM); 약 60 cm3/100g 내지 약 65 cm3/100g (50 GM); 약 25 cm3/100g 내지 약 60 cm3/100g; 약 30 cm3/100g to 60 cm3/100g; 약 35 cm3/100g to 60 cm3/100g; 약 40 cm3/100g to 60 cm3/100g; 약 45 cm3/100g to 60 cm3/100g; 약 50 cm3/100g 내지 약 60 cm3/100g (75 GM); 약 53 cm3/100g 내지 약 58 cm3/100g (75 GM); 약 45 cm3/100g 내지 약 55 cm3/100g (100 GM); 또는 약 47 cm3/100g 내지 약 53 cm3/100g (100 GM)의 공극 부피를 가질 수 있다.
다른 측면에서, 카본 블랙은 약 62.2 cm3/100g의 50GM 공극 부피; 약 55.3cm3/100g의 75GM 공극 부피; 및/또는 약 50.4cm3/100g의 100GM 공극 부피를 가질 수 있다. 다른 측면에서, 카본 블랙의 공극 부피는 여기에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작을 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 공극 부피로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 카본 블랙은, 예를 들어, ASTM Method D1509-15에 의해 측정된 수분 함량이 약 2.5 중량% 내지 약 4.5 중량%; 약 3 중량% 내지 약 4 중량%; 또는 약 3.2 중량% 내지 약 3.8 중량%일 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 약 3.5 중량%의 수분 함량을 가질 수 있다. 카본 블랙 재료의 수분 함량은 예를 들어 환경 및/또는 보관 조건에 따라 변할 수 있으며, 따라서 주어진 카본 블랙 샘플의 특정 수분 함량은 변할 수 있음을 이해해야 한다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 여기에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작은 수분 함량을 가질 수 있으며, 본 발명은 임의의 특정 수분 함량 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
일 양태에서, 본 발명의 카본 블랙은 산화된 퍼니스 카본 블랙과 같은 산화된 카본 블랙이다. 예를 들어, 오존 처리와 같은 카본 블랙을 산화시키는 다양한 방법이 존재하고, 카본 블랙의 표면에 복수의 원하는 산소 함유 작용기가 존재한다면 카본 블랙을 산화시키는 특정 방법은 다양할 수 있다. 산화된 카본 블랙의 표면에 존재할 수 있는 전형적인 산소 함유 작용기는 예를 들어 카르복실, 히드록실, 페놀, 락톤, 알데히드, 케톤, 퀴논 및 히드로퀴논 기를 포함할 수 있다. 다양한 측면에서, 산화된 카본 블랙의 표면에 존재하는 작용기의 양 및 유형은 산화 처리의 강도 및 유형에 따라 달라질 수 있다. 일 측면에서, 카본 블랙은 오존 처리에 의해 산화되었다.
본 발명의 카본 블랙은 약 0.5 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 1 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 1.5 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 2 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 2.5 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 3 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 3.5 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 4 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 4.5 중량% 내지 약 6.5 중량%; 약 5 중량% 내지 약 6 중량%; 또는 약 5.2 중량% 내지 약 5.8 중량%의 휘발성 물질의 함량을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 적어도 약 4.5 중량%, 적어도 약 5 중량%, 적어도 약 5.5 중량%, 또는 그 이상의 휘발성 물질의 함량을 가질 수 있다. 다른 측면에서 본 발명의 카본 블랙은 약 5.5 중량%의 휘발성 물질의 함량을 가질 수 있다. 또 다른 측면에서, 카본 블랙의 휘발성 물질의 함량은 여기에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작을 수 있고, 본 발명은 임의의 특정 휘발성 물질의 함량 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 카본 블랙은 약 0.25 중량% 내지 약 5.5 중량%; 약 0.5 중량% 내지 약 5.5 중량%; 약 1 중량% 내지 약 5.5 중량%; 약 1.5 중량% 내지 약 5.5 중량%; 약 2 중량% 내지 약 5.5 중량%; 약 2.5 중량% 내지 약 5.5 중량%; 약 3 중량% 내지 약 5 중량%; 약 3.5 중량% 내지 약 4.5 중량%; 또는 약 3.7 중량% 내지 약 4.3 중량%의 산소 함량을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 적어도 약 3.5 중량%, 적어도 약 4 중량%, 또는 그 이상의 산소 함량을 가질 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명의 카본 블랙은 약 4 중량%의 산소 함량을 가질 수 있다. 또 다른 측면에서, 카본 블랙의 산소 함량은 본원에 구체적으로 언급된 임의의 값보다 크거나 작을 수 있고, 본 발명은 임의의 특정 산소 함량 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
선택적으로, 탄화수소 오일은 분할제(들)와 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 단계 (a) 또는 단계 (A)에서, 나노셀룰로오스의 수성 분산액은 분할제(들) 및 탄화수소 오일과 조합되어 혼합물을 형성할 수 있다. 탄화수소 오일은 일 양태에서 지방족 탄화수소를 포함할 수 있는 반면, 다른 측면에서 탄화수소 오일은 방향족 탄화수소를 포함할 수 있다. 그러나, 또 다른 측면에서, 탄화수소 오일은 지방족 탄화수소와 방향족 탄화수소의 혼합물 또는 조합을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 지방족 및/또는 방향족 탄화수소가 사용될 수 있지만, 탄화수소가 수성 나노셀룰로오스 분산액 및 분할제가 조합되는 조건에서 액상인 것이 유리하다. 분할제로서 사용될 수 있는 적합한 탄화수소 오일의 예시적이고 비제한적인 예는 처리된 증류물 방향족 추출물(TDAE) 오일이다.
선택적으로, 수성 나노셀룰로오스 분산액, 분할제, 및 선택적인 탄화수소 오일은 개별 성분의 균일한 분포를 보장하기 위해 고전단(high-shear) 하에서 혼합될 수 있다. 고전단 혼합 기술에는 균질화, 시그마 블레이드 혼합, 회전자-고정자(rotor-stator) 혼합 및 정적 인라인(static in-line) 혼합이 포함되지만 이에 국한되지 않는다.
상기 제1 및 제2 공정의 (b) 단계 및 (B) 단계에서, 상기 혼합물을 건조하여 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)을 형성할 수 있다. 적절한 장비와 건조 기술을 사용할 수 있다. 일 측면에서, 수성 혼합물은 물을 제거하기 위해 적절한 건조 단계에 노출될 수 있다. 건조 기술에는 증발, 분무 건조, 동결 건조, 스핀-플래시 건조, 고전단 혼합, 건조 및 드럼 건조가 포함될 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 분할제 및 나노셀룰로오스를 함유하는 생성된 나노셀룰로오스 분산 조성물은 일반적으로 1.5 중량% 물/수분을 함유한다.
건조 단계 동안 및 건조 상태에서, 하나 이상의 커플링 화학물질이 선택적으로 NDC 조성물에 도입되어, 예를 들어 NDC를 사용하여 제조된 고무 화합물을 가황하는 동안 나노셀룰로오스의 표면을 개질하고 셀룰로오스 표면의 고무 매트릭스에 대한 후속 커플링을 가능하게 할 수 있다. 커플링제는 당업자에게 잘 알려져 있으며, 다양한 측면에서, 예를 들어 3,3'-비스-(트리에톡시실릴프로필)-테트라설파이드(3,3’-bis-(triethoxysilylpropyl)-tetrasulfide)와 같은 일반적인 이작용성 황-함유 커플링 실란(silane)을 포함하는 메르캅토(mercapto), 알콕시, 비닐, 아미노 및 메타크릴옥시 화학을 기반으로 하는 단일 및/또는 이작용성 실란을 포함할 수 있다.
유리하게는, (i) 분할제 및 (ii) 나노셀룰로오스를 포함할 수 있는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)은 폴리머 제형에서 분할제가 없는 나노셀룰로오스의 분산성보다 일반적으로 간섭계 현미경(IFM)으로 측정했을 때 25% 이상 또는 50% 이상으로 더 우수한 나노셀룰로오스 분산성을 갖는다. 예를 들어, IFM을 통한 비분산 물질의 양이(면적 기준) 분할제가 없는 나노셀룰로오스의 경우 12%이면, 25% 개선은 9%의 비분산 물질의 면적 분율이 되고, 50% 개선은 6%의 비분산 물질의 면적 분율이 될 것이다.
타이어 조성물 및 제조 물품
일부의 변형에서, 본 발명은, 또한 본원에 개시된 임의의 조성물, 제형, 및 본원에 개시된 임의의 나노셀룰로오스 분산 조성물 (및 특히 분할제 및 나노셀룰로오스의 상대적인 양, 분할제의 종류, 및 나노셀룰로오스의 종류와 같은 각각의 특성 또는 특징)을 함유하는 제조 물품을 지향하고, 포괄한다. 본 발명의 특정 측면에서, 타이어 조성물이 개시되고, 이 측면에서, 타이어 조성물은 임의의 적합한 폴리머(하나 이상), 본원에 개시된 임의의 나노셀룰로오스 분산 조성물, 및 카본 블랙 첨가제를 포함할 수 있다. 타이어 조성물은 종종 타이어 제형 또는 타이어 화합물 등으로 지칭될 수 있다.
타이어 조성물에 사용되는 나노셀룰로오스 분산액 조성물의 양은 특별히 제한되지 않으나, 폴리머 대 나노셀룰로오스 분산액 조성물의 중량비(폴리머:NDC)는 종종 약 100:1 내지 약 1:1, 약 80:1 내지 약 10:1, 약 75:1 내지 약 2:1, 약 60:1 내지 약 5:1, 약 50:1 내지 약 1:1, 약 40:1 내지 약 4:1, 약 75:1 내지 약 25:1, 약 90:1 내지 약 15:1, 또는 약 100:1, 98:1, 96:1, 94:1, 92:1, 90:1, 85:1, 80:1, 75:1, 70:1, 65:1, 60:1, 55:1, 50:1, 45:1, 40:1, 35:1, 30:1, 25:1, 20:1, 15:1, 10:1, 8:1, 6:1, 4:1, 2:1, 또는 1:1의 범위이다. 일부 측면에서, 폴리머:NDC의 중량비는 약 75:1 내지 약 1.5:1, 또는 약 50:1 내지 약 2:1 범위에 속할 수 있다.
일 측면에서, 타이어 조성물 중 폴리머는 열가소성 폴리머를 포함할 수 있는 반면, 다른 측면에서, 폴리머는 열경화성 폴리머를 포함할 수 있다. 또 다른 측면에서, 폴리머는 단독으로 또는 임의의 조합으로 에폭시, 아크릴, 에스테르, 우레탄, 실리콘 및/또는 페놀을 포함할 수 있다. 또 다른 측면에서, 폴리머는 단독으로 또는 임의의 조합으로 폴리에틸렌(예를 들어, 에틸렌 단독중합체(homopolymer) 또는 에틸렌계 공중합체), 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA) 공중합체, 및/또는 폴리올레핀-스티렌(예: 에틸렌-스티렌)을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 타이어 제형/조성물/화합물에 사용된 폴리머는 임의의 적합한 고무 또는 엘라스토머를 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함할 수 있고, 비제한적인 예는 천연 고무(natural rubber, NR), 에폭시화 천연 고무(epoxidized natural rubber, ENR), 합성 시스-폴리이소프렌(synthetic cis-polyisoprene, IR), 에멀젼 스티렌 부타디엔 고무(emulsion styrene butadiene rubber, ESBR), 용액 스티렌 부타디엔 고무(solution styrene butadiene rubber, SSBR), 폴리부타디엔 고무(polybutadiene rubber, BR), 부틸 고무(butyl rubber, IIR/CIIR/BIIR), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber, CR), 니트릴 탄성체(nitrile elastomer, NBR), 수소화 니트릴 탄성체(hydrogenated nitrile elastomer, HNBR), 카르복실화 니트릴 탄성체(carboxylated nitrile elastomer, XNBR), 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPM/EPDM), 불소 탄성체(fluoroelastomer, FPM/FKM), 폴리우레탄 고무(polyurethane rubber, AU/EU/PU) 등, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
타이어 조성물에 존재하는 카본 블랙의 총량은 특별히 제한되지 않지만, 전형적으로 약 20 내지 약 150 phr의 범위이다. 이것은 NDC에 존재하는 카본 블랙 충전제 뿐만 아니라 제형에 존재하는 모든 카본 블랙 첨가제를 포함한다. 일 측면에서, 예를 들어, 카본 블랙의 총량은 약 25 내지 약 125 phr, 또 다른 측면에서 약 30 내지 약 100 phr, 또 다른 측면에서 약 35 내지 약 85 phr, 및 또 다른 측면에서 약 40 내지 약 80phr의 범위일 수 있다. 다른 측면에서, 카본 블랙의 총량은 임의의 최소 카본 블랙 함량 내지 본원에 구체적으로 언급된 임의의 최대 카본 블랙 함량 범위일 수 있고, 본 발명은 임의의 특정 phr 양의 카본 블랙으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
마찬가지로, 타이어 조성물에서 나노셀룰로오스의 총량은 특별히 제한되지 않으나, 일반적으로 약 1 내지 약 15 phr의 범위이다. 일부 측면에서, 나노셀룰로오스의 양은 약 1 내지 약 10 phr, 약 1 내지 약 8 phr, 약 1 내지 약 7 phr, 또는 약 1 내지 약 6 phr의 범위일 수 있는 반면, 다른 측면에서, 나노셀룰로오스의 양은 약 2 내지 약 15 phr, 약 2 내지 약 10 phr, 약 2 내지 약 7.5 phr, 또는 약 2 내지 약 5 phr의 범위일 수 있다. 또한, 나노셀룰로오스의 양은 임의의 최소 나노셀룰로오스 함량 내지 본원에 구체적으로 언급된 임의의 최대 나노셀룰로오스 함량 범위일 수 있고, 본 발명은 나노셀룰로오스의 임의의 특정 phr 양으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
유사하게, 타이어 조성물에 존재하는 탄화수소 오일(예를 들어, TDAE 오일)의 총량은 특별히 제한되지 않지만, 일반적으로 약 1 내지 약 15 phr의 범위이다. 이것은 NDC에 존재하는 탄화수소 오일 뿐만 아니라 제형에 존재하는 모든 탄화수소 오일을 포함한다. 일 측면에서, 예를 들어, 탄화수소 오일의 총량은 약 2 내지 약 12 phr, 또 다른 양태에서 약 2 내지 약 10 phr, 또 다른 측면에서 약 3 내지 약 9 phr, 및 또 다른 측면에서 약 4 내지 약 8phr의 범위일 수 있다. 다른 측면에서, 탄화수소 오일의 총량은 본원에 구체적으로 언급된 임의의 최소 탄화수소 오일 함량 내지 임의의 최대 탄화수소 오일 함량 범위일 수 있고, 본 발명은 TDAE와 같은탄화수소 오일의 임의의 특정 phr 양으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
유리하게는, 개시된 적합한 고무 또는 엘라스토머, 분할제 및 나노셀룰로오스를 함유하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC), 및 카본 블랙 첨가제를 포함하는 타이어 조성물은 카본 블랙 첨가제 및 나노셀룰로오스 모두에서 우수한 분산성을 갖는다. 일 측면에서, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 타이어 조성물은 8% 이하, 6% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 또는 2% 이하의, 간섭계 현미경(IFM)에 의해 측정된, 비분산 재료의 면적 분율을 특징으로 할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 본원에 개시된 타이어 조성물은 간섭계 현미경(IFM)에 의해 측정된 분산 지수가 적어도 약 90%, 적어도 약 92%, 적어도 약 93%, 적어도 약 94%, 적어도 약 95%, 적어도 약 96%, 적어도 약 97%, 또는 적어도 약 98%인 분산 지수를 특징으로 할 수 있다.
예상외로, NDC를 함유하는 타이어 조성물은 NDC가 없는 유사한 타이어 제형에 필적하는 피로 수명 값을 갖는다. 예를 들어, 타이어 조성물은 100% 인장 변형률(ASTM D4482)에서 적어도 약 300,000 사이클, 적어도 약 325,000 사이클, 적어도 약 350,000 사이클, 적어도 약 375,000 사이클, 또는 적어도 약 400,000 사이클의 피로 수명을 특징으로 할 수 있다.
일 측면에서, 개시된 타이어 조성물(NDC를 통해 나노셀룰로오스 함유)에 대한 tan δMAX(60℃에서)는 등가 총 충전제 로딩에서 NDC(또는 나노셀룰로오스)가 없는 동등한 타이어 조성물의 tan δMAX 이하일 수 있다. 다른 측면에서, 10 phr N234가 LCNF로 대체된 N234 기반 타이어 조성물(50 phr N234)에 대한 tan δMAX는 10 phr의 N234가 N660으로 대체된 다른 동일한 조성물의 것과 동등할 수 있다. 예를 들어, 40 phr N234 및 10 phr LCNF를 포함하는 타이어 조성물에 대한 tan δMAX는 40phr N234 및 10phr N660을 포함하는 다른 동일한 조성물의 것과 유사할 수 있으며 둘 다 tan δMAX가 50 phr N234를 포함하는 다른 동등한 조성물의 것보다 더 낮을 수 있다.
제조 물품은 본 발명의 타이어 제형(타이어 조성물, 타이어 화합물)로부터 형성될 수 있고/있거나 이를 포함할 수 있고, 따라서 본 명세서에 포함된다. 예를 들어, 본 발명의 제형을 포함할 수 있는 물품은 공압 타이어, 승용차 타이어, 트럭 및 버스 래디얼(TBR) 타이어, 또는 타이어 트레드 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 일 측면에서, 본원에 기재된 임의의 조성물은 하나 이상의 타이어 화합물에 사용될 수 있다. 다양한 측면에서, 이러한 타이어 화합물은 경화되지 않은 엘라스토머 화합물 또는 경화된 엘라스토머 화합물일 수 있다. 또 다른 측면에서, 본원에 기재된 임의의 조성물은 예를 들어 타이어 트레드, 측벽, 서브-트레드, 비드(bead), 내부 라이너 등을 포함하는 타이어의 하나 이상의 부분에 사용될 수 있다. 또 다른 측면에서, 이러한 타이어는 승용차 타이어, 트럭 또는 버스 래디얼 타이어, 또는 본원에 기재된 조성물을 함유하기에 적합한 임의의 다른 타이어를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 조성물의 개별 성분은 이러한 제형의 임의의 하나 이상의 통상적인 성분에 추가로 또는 대신하여 임의의 엘라스토머 제형에 첨가될 수 있음을 이해해야 한다. 조성물의 이러한 개별 성분은 통상적인 엘라스토머 제형의 다른 성분과 상호작용할 수 있음을 또한 이해해야 한다.
실시예들
본 발명은 어떤 식으로든 본 발명의 범위에 제한을 부과하는 것으로 해석되어서는 안 되는 하기 실시예에 의해 추가로 예시된다. 본 명세서의 설명을 읽은 후, 다양한 다른 측면, 실시예, 수정 및 등가물이 본 발명의 사상 또는 첨부된 청구범위의 범위를 벗어남이 없이 당업자에게 제안될 수 있다.
추가로, 이들 실시예는 폴리머 제형에 사용하기 위한 나노셀룰로오스 분산 조성물을 제조하는데 사용될 수 있는 이용가능한 분할제 또는 이용가능한 나노셀룰로오스 물질의 범위 또는 범위를 결코 제한해서는 안되며, 단지 분할제와 나노셀룰로오스를 고분산성 NDC로 결합하는 개념을 설명하기 위한 목적으로 예시로서 설명된다.
이들 실시예에서 나노셀룰로오스 결정 또는 나노셀룰로오스 피브릴은 전술한 AVAP® 공정 및 리그닌을 피브릴 또는 결정의 표면 상에 침착시켜 이들을 보다 소수성으로 만들고 중합체 및 엘라스토머와 더 상용성으로 만드는 독점 방법을 사용하여 생성되었다.
이들 실시예에서 나노셀룰로오스 결정 또는 나노셀룰로오스 피브릴은 전술한 AVAP® 공정 및 리그닌을 피브릴 또는 결정의 표면 상에 침착시켜 이들을 보다 소수성으로 만들고 중합체 및 엘라스토머와 더 상용성으로 만드는 독점 방법을 사용하여 생성되었다.
실시예 1에서, 모델 승용차 타이어 트레드 컴파운드는 기준 카본 블랙 등급 N234를 사용하여 혼합되었다. 이 화합물은 일반적인 카본 블랙 분산 수준을 보여주기 위한 참조로 포함된다. N234는 이 화합물에서 충전제의 100%를 구성했으며, 이는 복합 제형에서 75 phr에 해당한다. 대표적인 화합물 제형(phr 단위 값)과 표준 혼합 절차에 대한 자세한 설명은 표 1-2에 요약되어 있다. 도 1a 및 도 1b의 SEM 이미지에 도시된 바와 같이, N234 카본블랙은 분산성이 우수하였다. 도 1a는 면도날 절단 화합물 표면의 후방 산란 전자 이미지이고, 도 1b는 동일한 영역의 2차 전자 이미지이다. 간섭계 현미경(IFM)에 의해 정량화된 분산은 일반적으로 0.8%의 비분산 카본 블랙의 면적 분율과 함께 98 내지 100% 분산 지수의 범위에 있었다.
실시예 1과 동일한 혼합 절차를 사용하여 실시예 2를 제조하였다; 그러나 N234의 작은 부분(6.7 중량%)은 건조된 리그닌 코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(LCNF)로 대체되었다. LCNF는 복합 제제에서 5 phr에 해당하는 6.7 중량%의 총 충전제 로딩을 포함했다. 나머지 충전제 로딩은 N234(93.3 중량%)로 구성되었으며, 이는 화합물 제형에서 70 phr에 해당한다. 도 2a 및 2b는 후방산란(도 2a) 및 2차(도 2b) SEM 이미지화에 의해 화합물 단면 전체에 걸쳐 나노셀룰로오스 피브릴의 큰 덩어리에 의해 입증되는 바와 같이 나노셀룰로오스의 분산이 매우 불량함을 입증한다. 비분산 물질의 면적 분율은 간섭계 현미경(IFM)으로 정량화한 바와 같이 9.11%였다.
실시예 2와 동일한 절차를 사용하여 실시예 3을 제조하였다. 실시예 2에서와 같이 건조된 독립형(stand-alone) LCNF를 첨가하는 대신, 실시예 3은 TDAE 오일 및 천연 고무 라텍스 뿐만 아니라, 분할제로서 표면 개질된 카본 블랙(surface modified carbon black, SMCB, N234)으로 처리된 LCNF를 함유하는 NDC를 사용하였다. LCNF 대 SMCB 대 TDAE 오일 대 NR 라텍스의 중량비는 1:1:1:1이었다. NDC는 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 SMCB, TDAE 오일 및 NR 라텍스와 혼합한 후 고전단 균질화 및 1.5 중량% 물 미만으로 건조하여 제조되었다. NDC의 총 로딩은 20phr이었고, 최종 화합물에 첨가된 LCNF는 총 충전제 로딩의 6.7 중량%였으며, 이는 화합물 제제에서 5 phr에 해당한다.
도 3a 및 3b는 LCNF/SMCB/TDAE/NR NDC를 고무 화합물 혼합기에 첨가할 때 달성된 나노셀룰로오스 분산액을 나타낸다. 도 3a는 면도날 절단된 화합물 표면의 후방산란 전자 이미지이고, 도 3b는 동일한 영역의 2차 전자 이미지이다. 분산되지 비분산 물질의 면적 분율은 2.78%(IFM에 의해 정량화됨)였고, 실시예 2(도 2a 및 2b)에 비해 현저한 개선이며, 단면에 존재하는 나노셀룰로오스 덩어리가 점점 더 w적어지고 작아진다. 분산성은 약간의 분산되지 않은 영역을 제외하고 실시예 1(도 1a 및 1b)의 N234 카본 블랙의 분산성과 더 유사하다.
실시예 4에서, 모델 트럭 타이어 트레드 컴파운드는 기준 카본 블랙 등급, N234를 사용하여 혼합되었다. 이 화합물은 일반적인 카본 블랙 분산 수준을 보여주기 위한 참조로 포함된다. N234는 이 화합물에서 충전제의 100%를 구성했으며, 이는 복합 제형에서 50 phr에 해당한다. 대표적인 화합물 제형(phr 단위의 값)과 표준 혼합 절차에 대한 자세한 설명은 표 1 및 3에 요약되어 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, N234 카본블랙은 분산성이 우수하였다. 무화과. 도 4a는 면도날 절단된 화합물 표면의 후방 산란 전자 이미지이고, 도 4b는 동일한 영역의 2차 전자 이미지이다. 간섭계 현미경(IFM)에 의해 정량화된 분산은 일반적으로 98 내지 100% 분산 지수의 범위였으며, 분산되지 않은 카본 블랙의 면적 분율은 0.15%였다.
실시예 4와 동일한 혼합 절차를 사용하여 실시예 5를 제조하였다; 그러나 N234의 작은 부분(10 중량%)은 건조된 리그닌 코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(LCNF)로 대체되었다. LCNF는 총 충전제 로딩의 10 중량%를 포함했으며, 이는 복합 제제에서 5phr에 해당한다. 나머지 충전제 로딩은 N234(90 중량%)로 구성되었으며, 이는 복합 제형에서 45phr에 해당한다. 도 5a 및 5b는 나노셀룰로오스의 분산이 후방산란(도 5a) 및 2차(도 5b) SEM 이미징에 의해 매우 불량함을 입증하며, 이는 화합물 단면 전체에 걸쳐 나노셀룰로오스 피브릴의 큰 덩어리에 의해 입증된다. 비분산 물질의 면적 분율은 간섭계 현미경(IFM)으로 정량화한 바와 같이 11.52%였다.
실시예 6은 실시예 1과 동일한 혼합 절차를 사용하여 생성되었다. 실시예 5에서와 같이 건조된 독립형 LCNF를 첨가하는 대신, 실시예 6은 실시예 3과 동일한 NDC를 사용했다. 이 특정 실시예에서, NR 라텍스는 NDC에 사용되었는데, 이것이 트럭 트레드 레시피에서 흔히 사용되는 재료이기 때문이다. 그러나 다른 라텍스 엘라스토머 재료를 사용할 수 있다. LCNF 대 SMCB 대 TDAE 오일 대 NR의 중량비는 1:1:1:1이었다. NDC는 실시예 3과 유사한 방법으로 제조하였다. NDC의 총 로딩량은 20phr이었고, 최종 화합물에 첨가된 LCNF는 총 충전제 로딩의 10 중량%였으며, 이는 복합 제형에서 5phr에 해당한다. 도 6a 및 6b는 고무 화합물에 LCNF/SMCB/TDAE/NR NDC를 첨가할 때 달성된 나노셀룰로오스 분산을 보여준다. 도 6a는 면도날 절단 화합물 표면의 후방 산란 전자 이미지이고, 도 6b는 동일한 영역의 2차 전자 이미지이다. 비분산 물질의 면적 분율은 IFM으로 정량화한 바와 같이 2.44%였으며, 이는 실시예 5에 비해 상당한 개선이었다(도 5a 및 5b). SEM 단면의 소수의 비분산 영역이 도 5a 및 도 5b의 영역보다 훨씬 더 작다는 점에 주목할 만 하다. 이 화합물에서 측정된 나노셀룰로오스의 분산 수준은 실시예 4와 유사하다.
실시예 7-11에서, 모델 TBR(truck and bus radial, 트럭 및 버스 레이디얼) 타이어 트레드 컴파운드는 표 4에 요약된 바와 같이 기준 카본 블랙 등급 N234를 사용하고 LCNF를 포함하거나 포함하지 않고 제조하였다. 실시예 7은 전형적인 카본 블랙 성능을 입증하기 위한 참조 제형이었고, N234는 100% 충전제를 포함했으며, 이는 복합 제형에서 50 phr에 해당한다. 실시예 8은 실시예 7보다 2.5 phr 적은 카본 블랙을 함유하고, 실시예 9는 실시예 7보다 5 phr 적은 카본 블랙을 함유하였다. 실시예 10-11은 일부 카본 블랙을 LCNF로 대체했지만 실시예 3 및 실시예 6에 기재된 것과 동일한 NDC를 사용했다. LCNF 양은 실시예 10에서 2.5 phr, 실시예 11에서 5 phr이었다. 표준 혼합 절차는 표5 및 6에 요약되어 있다. 실시예 7-11은 대표적인 TBR 타이어 트레드 제형을 사용하지만, 개시된 NDC는 임의의 적합한 엘라스토머(들)를 사용하여 다양한 비-트레드 제형(예를 들어, 측벽, 서브트레드, 비드/에이펙스 등)에 혼입될 수 있다.
전단으로 인해, LCNF는 일반적으로 밀링 방향으로 정렬되고, 따라서 폴리머 제형 및 LCNF 분산의 특성은 방향에 따라, 예를 들어, 결에 따른 또는 결에 대항하여 변할 수 있다. 카본 블랙의 분산과 관련하여 ASTM D3053은 일반적으로 2μm에서 100μm 규모의 화합물에 필러가 분포하는 정도로 매크로 분산(Macro-dispersion)을 정의한다. 매크로 분산은 IFM(Interferometric Microscopy, ASTM D2663 Method D)으로 분석할 수 있으며, 이는 표면 거칠기를 측정하여 직경이 5μm 이상인 충전제의 매크로 분산을 정량화한다. 이 테스트 방법은 카본 블랙에 대해 개발되었지만 분석 데이터를 사용하여 LCNF의 매크로 분산을 평가할 수 있다. 실시예 7-11에 대한 분산 결과는 결에 따른 경우 및 결에 대항한 경우의 스캔에 대해 표 7에 요약되어 있다. IFM에 의한 매크로 분산은 카본 블랙에 대해 보정되지만 표 7의 데이터는 비분산 충전제의 상대적인 변화를 추정하는 데 사용할 수 있다. 면적 분율 측정은 분산되지 않은 충전제의 양을 가장 정확하게 나타내는 것으로 믿어진다. 실시예 11은 5 phr LCNF를 함유하고 예상외로 양호한 분산 결과를 나타내었고; 실시예 11에 대한 비분산 충전제의 면적 분율(결에 따른 것 0.51, 결에 대항한 것 0.83)은 카본 블랙만을 함유하는 실시예 7-9의 것과 유사하였다.
도 7a-7c는 실시예 11에서 결에 따른 면도기 절단 표면의 후방 산란 SEM 이미지이며, 이는 N234 카본 블랙과 LCNF 모두의 우수한 분산성을 입증한다. 정렬된 개별 섬유의 증거는 고배율에서 보여지며 전반적으로 예상외로 우수한 매크로-분산이 모든 배율에서 나타난다. 도 8a 및 8b는 결에 대항한 면도날 절단 표면에 대한 후방산란 SEM 이미지에서 실시예 11에 대한 유사한 결과를 예시한다.
도 9 내지 25는 실시예 7 내지 11의 각각의 카본 블랙 제형의 다양한 특성을 비교한다. T90 경화 시간은 도 9에 도시된 바와 같이 실시예 10-11에서 LCNF의 존재에 의해 영향을 받지 않은 반면, 스코치(scorch) 시간은 도 10에 도시된 바와 같이 실시예 10-11에 대해 약간 더 긴 것과 동등하였다. 도 11은 LCNF를 함유하는 NDC를 사용한 실시예 10-11의 제형에 대한 약간의 무니(Mooney) 점도 감소를 입증한다. 도 12의 쇼어 A 경도는 N234 카본 블랙을 제거하면 떨어졌고 LCNF를 추가하면 약간 증가했다.
LCNF의 높은 종횡비 및 이방성 특성으로 인해 응력-변형률 거동은 결에 따른 또는 결에 대항한 테스트에 대해 다른 결과를 나타냈다. 도 13은 100%, 200%, 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 5가지 시험의 중앙값에 대한 정적 모듈러스를 예시한다. 일반적으로 카본 블랙을 제거하면 모듈러스가 낮아지고 LCNF를 추가하면 모듈러스가 증가한다(특히 중간 변형률에서). LCNF의 추가로 인한 높은 변형률 모듈러스의 현저한 감소는 없었다. 유사하게, 도 14는 실시예 7 및 11의 인장 응력 비교에서 유사한 결과를 나타내며, 여기서 LCNF 제형은 약간 향상된 중간 변형률 강성(및 이는 잠재적인 타이어 취급 이점으로 해석될 수 있음) 및 동등한 높은 변형률 강성을 갖는다.
도 15는 결에 따른 및 결에 대항한 밀링 방향, 및 결에 따른 및 결에 대항한 것에 대한 인장 시험을 예시한다. 도 16은 도 13(결에 따른)의 데이터를 포함하고 정적 계수에 대한 결에 대항한 것의 데이터를 추가한다. 100%, 200% 및 300% 연신율에서 실시예 7-11의 5가지 시험의 중앙값에 기초하여, LCNF-함유 제형에 대해 더 확연한 기계적 이방성의 일부 증거가 있었다. 이것은 도 17에 보다 명확하게 예시되어 있으며, 이는 특히 낮은 변형률과 중간 변형률에서 LCNF의 첨가에 의해 도입된 기계적 이방성을 보여준다.
도 18 및 19는 결에 따른 및 결에 대항한 실시예 7-11의 5회 시험의 중앙값에 대한 인장 강도 및 파단 신도를 각각 도시한다. 결에 따른 인장 강도는 결에 대항한 인장 강도보다 항상 더 컸고, LCNF 함유 샘플은 일반적으로 실시예 7의 대조 샘플과 일치했다. 파단 신율 데이터에는 명확한 이방성 경향이 없었고, LCNF 함유 샘플은 일반적으로 파단 신율 값이 약간 더 낮았다.
실시예 7-11의 5가지 시험의 중앙값에 대한 도 20의 임계 인열 에너지(critical tear energy, Tc) 데이터는 실시예 7-9의 대조 샘플에 대한 이방성을 나타내지 않았지만, 놀랍게도 결에 대항한 인열(tear) 방향에 대해 LCNF-함유 샘플에 대한 더 큰(~40% 더 큰) Tc 값을 나타내었다.
도 21, 도 22, 및 도 23은 실시예 7-11의 2가지 시험의 평균에 대한 DIN 마모, 60℃에서의 반발 및 플렉소미터 열 축적을 각각 요약한다. DIN 마모 데이터는 LCNF의 추가로 DIN 마모 손실이 약간 증가한 것으로 나타났다. 반발은 일반적으로 카본 블랙을 제거함에 따라 선형적으로 증가했으며 이러한 이점은 제형에 LCNF를 추가하여 유지되었다. 열 축적 데이터는 반발 데이터와 함께 경향을 보였다.
도 24 및 도 25는 실시예 7-11의 2가지 시험의 평균에 대해 60℃에서 ARES 변형률 스윕(strain sweep) 데이터로부터 각각 tan δMAX 및 ΔG'를 예시한다. 일반적으로 변형률 스윕 데이터는 리바운드 및 열 축적 데이터와 함께 경향이 있었다. 실시예 7의 대조군 샘플에 비해 실시예 10-11에 대한 이력 현상(hysteresis)의 작지만 일관된 개선이 있었다.
요컨대, 이들 결과는 개시된 NDC가 카본 블랙 및 고무 기반 제형의 결과 특성에서 명백한 희생이 거의 없이 지속가능한 충전제(LCNF)의 효과적인 혼입 및 분산을 가능하게 함을 입증한다. 예기치 않게, NDC를 통해 도입된 LCNF를 포함하는 NR 기반 제형은 LCNF가 없는 N234 카본 블랙 대조군과 비교하여 정적 강성(static stiffness)을 유지 또는 강화하고, 인열 저항을 유지 또는 강화하고, 이력 현상을 개선(감소)시켰다.
실시예 12-15에서, 모델 내부 라이너 화합물은 표 8에 요약된 바와 같이 기준 카본 블랙 등급 N660 및 LCNF 포함 또는 미포함을 사용하여 생성되었다. 실시예 12-13은 전형적인 카본 블랙 성능을 입증하기 위한 참조 제형이었고, N660은 충전제를 100% 포함했으며, 이는 복합 제형에서 60phr에 해당한다. 실시예 14는 실시예 12-13보다 5phr 적은 카본 블랙을 함유하고, 실시예 15는 실시예 12-13보다 10phr 적은 카본 블랙을 함유하였다. 실시예 14-15는 카본 블랙의 일부를 LCNF로 대체했지만, N234 카본 블랙을 N660 카본 블랙으로 대체한 것을 제외하고는 실시예 3 및 실시예 6에 기재된 것과 동일한 NDC를 사용하였다. LCNF 양은 실시예 14에서 5phr이었고 실시예 15에서 10phr이었다. NDC가 NR 기반 조성물이었기 때문에, 2개의 대조군 샘플을 사용하여 부틸 고무의 NR로의 치환을 모방하였다(실시예 12는 5phr NR을 함유한 반면,13은 10phr FR을 포함했다). 표 9는 표준 혼합 절차를 요약한 것이다.
표 10은 실시예 12-15의 각각의 카본 블랙 제형의 다양한 특성을 비교한다. T90 경화 시간은 일반적으로 LCNF의 존재에 의해 영향을 받지 않았으며, 대조군 실시예 12-13보다 실시예 14의 경화 시간은 더 길고 실시예 15의 경화 시간은 더 짧다. T5 및 T35 스코치 시간은 대조군 실시예 12-13에 비해 NDC-함유 실시예 14-15에 대해 약간 더 길었다. 반대로, 표 10은 LCNF를 함유하는 NDC를 사용한 실시예 14-15의 제형에 대한 약간의 무니 점도 감소를 입증한다. 쇼어 A 경도는 N660 카본 블랙을 제거함에 따라 약간 감소하였고, LCNF의 첨가량이 증가함에 따라 약간 증가하였다.
분산 지수(IFM을 통해)는 전형적으로 카본 블랙을 NDC로 대체함으로써 감소되고, 생성된 분산 지수는 카본 블랙 등급 및 LCNF의 로딩 수준에 의존할 수 있다. 그러나 예기치 않게 실시예 14(5phr LCNF 로딩 포함)는 우수한 분산(93.7% 분산 지수)을 나타냈다.
표 10은 또한 100%, 200%, 및 300% 연신율에서 실시예 12-15의 5가지 시험의 중앙값에 대한 정적 모듈러스를 요약한다. 100% 연신율에서 LCNF를 추가하면 모듈러스가 증가하는 반면 더 높은 변형률에서는 비슷한 결과가 나타났다. 인장 강도와 연신율은 일반적으로 카본 블랙을 NDC로 대체해도 영향을 받지 않았다. 60 ℃에서 반발 탄성은 N660 카본 블랙을 대체하는 LCNF로 일반적으로 단계적으로 증가했다.
표 10은 실시예 12-15의 2가지 시험의 평균에 대해 60℃에서 RPA 변형률 스윕 데이터로부터의 tan δMAX 및 ΔG'를 포함한다. NDC를 통해 카본 블랙을 LCNF로 교체하면 tan δMAX 및 ΔG' 모두에서 약간의 유익한 감소가 나타났다. 유리하게는, 표 10의 NDC 실시예 14-15에 대한 100% 인장 변형률에서의 피로 수명 값은 대조군 실시예 12-13과 비슷했다.
상기와 같이, 이들 결과는 개시된 NDC가 카본 블랙 및 고무 기재 제형의 결과 특성에서 명백한 희생이 거의 없이 지속 가능한 충전제(LCNF)의 효과적인 혼입 및 분산을 가능하게 함을 입증한다. 예상외로 NDC를 통해 도입된 LCNF가 포함된 부틸 고무 기반 제형은 LCNF가 없는 N660 카본 블랙 대조군과 유사한 특성을 보였다.
본 발명은 다수의 측면 및 특정 실시예를 참조하여 위에서 설명되었다. 많은 변형이 상기 상세한 설명에 비추어 당업자에게 제안될 것이다. 이러한 모든 명백한 변형은 첨부된 청구범위의 전체 의도된 범위 내에 있다. 본 발명의 다른 측면은 다음을 포함할 수 있지만 이에 제한되지는 않는다(측면은 "포함하는" 것으로 설명되지만 대안적으로 "본질적으로 구성되는" 또는 "구성되는"것일 수 있다):
측면 1. (I) 폴리머; (II) 하기를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(nanocellulose dispersion composition, NDC)(i) 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 왁스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 분할제; 및 (ii) 나노셀룰로오스; 및 (III) 카본 블랙 첨가제를 포함하는 타이어 조성물.
측면 2. 측면 1에서 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스 분산액 조성물에 대한 폴리머의 중량비(폴리머:NDC)가 약 100:1 내지 약 1:1 범위인 타이어 조성물.
측면 3. 측면 1에서 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스 분산액 조성물에 대한 폴리머의 중량비(폴리머:NDC)가 약 50:1 내지 약 2:1 범위인 것인 타이어 조성물.
측면 4. 측면 1-3 중 어느 하나에서 정의된 타이어 조성물로서, 폴리머가 열가소성 물질을 포함하는 타이어 조성물.
측면 5. 측면 1-3 중 어느 하나에서 정의된 타이어 조성물로서, 중합체는 엘라스토머를 포함하는 타이어 조성물.
측면 6. 측면 1-3 중 어느 하나에서 정의된 타이어 조성물로서, 고분자는 천연 고무(natural rubber, NR), 에폭시화 천연 고무(epoxidized natural rubber, ENR), 합성 시스-폴리이소프렌(cis-polyisoprene, IR), 에멀젼 스티렌 부타디엔 고무(emulsion styrene butadiene rubber, ESBR), 용액 스티렌 부타디엔 고무(solution styrene butadiene rubber, SSBR), 폴리부타디엔 고무(polybutadiene rubber, BR), 부틸 고무(butyl rubber, IIR/CIIR/BIIR), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber, CR), 니트릴 엘라스토머(nitrile elastomer, NBR), 수소화 니트릴 엘라스토머(hydrogenated nitrile elastomer, HNBR), 카르복실화된 니트릴 엘라스토머(carboxylated nitrile elastomer, XNBR), 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene rubber, EPM/EPDM), 플루오로엘라스토머(fluoroelastomer, FPM/FKM), 폴리우레탄 고무(polyurethane rubber, AU/EU/PU), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 타이어 조성물.
측면 7. 측면 1-6 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 분할제는 중합체와 상용성이고 나노셀룰로스 응집을 감소시키는 타이어 조성물.
측면 8. 측면 1-7 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스 분산액 조성물은 분할제가 없는 나노셀룰로오스의 것보다 타이어 조성물에서 더 큰 나노셀룰로오스 분산성을 갖는 타이어 조성물.
측면 9. 측면 1-8 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스는 나노셀룰로오스 결정(NC), 나노셀룰로오스 피브릴(NF), 또는 이들의 조합을 포함하는 타이어 조성물.
측면 10. 측면 1-9 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스는 리그닌-코팅된 나노셀룰로오스 결정(LCNC), 리그닌-코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(LCNF), 또는 이들의 조합을 포함하는 타이어 조성물.
측면 11. 측면 1-10 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스는 친수성 셀룰로오스 나노셀룰로오스 결정(CNC), 친수성 셀룰로오스 나노셀룰로오스 피브릴(CNF), 또는 이들의 조합을 포함하는, 타이어 조성물.
측면 12. 측면 1-11 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)은 탄화수소 오일을 추가로 포함하는 타이어 조성물.
측면 13. 측면 12에 정의된 타이어 조성물로서, 탄화수소 오일이 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 또는 이들의 조합을 포함하는 타이어 조성물.
측면 14. 측면 12에 정의된 타이어 조성물로서, 탄화수소 오일이 처리된 증류물 방향족 추출물(TDAE) 오일을 포함하는, 타이어 조성물.
측면 15. 측면 1-14 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 엘라스토머 라텍스가 천연 고무(NR), 이소프렌 고무(IR), 에멀젼 스티렌-부타디엔 고무(ESBR), 또는 이들의 조합을 포함하는 타이어 조성물.
측면 16. 측면 1-15 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 왁스는 비분지형 알칸 파라핀 왁스; 천연 광물, 석유 정제 또는 리그닌 정제 분지 파라핀 왁스 또는 세레신 왁스; 폴리에틸렌 왁스; 관능화된 폴리에틸렌 왁스; 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 타이어 조성물.
측면 17. 측면 1-16 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 카본 블랙 충전제 및 카본 블랙 첨가제는 독립적으로 퍼니스 카본 블랙 및/또는 표면 개질된 퍼니스 카본 블랙을 포함하는 타이어 조성물.
측면 18. 측면 1-17 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 카본 블랙 충전제 및 카본 블랙 첨가제는 독립적으로 약 90 m2/g 내지 약 140 m2/g의 질소 표면적; 약 80 m2/g 내지 약 125 m2/g의 외부 표면적; 약 2.5 내지 약 9의 pH; 약 55cm3/100g 내지 약 67cm3/100g의 50GM 공극 부피; 약 50cm3/100g 내지 약 60cm3/100g의 75GM 공극 부피; 약 45cm3/100g 내지 약 55cm3/100g의 100GM 공극 부피; 약 2.5 중량% 내지 약 4.5 중량%의 수분 함량; 약 4.5 중량% 내지 약 6.5 중량%의 휘발성 물질 함량; 약 2.5 중량% 내지 약 5.5 중량%의 산소 함량; 또는 이들의 임의의 조합을 특징으로 하는, 타이어 조성물.
측면 19. 측면 1-18 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 분할제는 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 또는 왁스를 포함하는 타이어 조성물.
측면 20. 측면 1-18 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 분할제는 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 및 왁스 중 2종 이상을 포함하는 타이어 조성물.
측면 21. 측면 1-20 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스에 대한 분할제의 중량비는 약 0.5:1 내지 약 25:1 범위인 타이어 조성물.
측면 22. 측면 1-21 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스에 대한 분할제의 중량비는 약 1:1 내지 약 10:1 범위인 타이어 조성물.
측면 23. 측면 1-22 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스 분산액 조성물(NDC)은 (a) 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 분할제와 조합하여 혼합물; 및 (b) 혼합물을 건조시켜 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)을 형성하는 단계를 포함하는 타이어 조성물.
측면 24. 측면 1-22 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 나노셀룰로오스 분산액 조성물(NDC)은 (A) 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 분할제와 조합하여 혼합물을 형성하고; 및 (B) 혼합물을 건조하여 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)을 형성하는 단계; 여기서 분할제는 NDC에서 안정하고 NDC에서 나노셀룰로오스 입자의 응집을 감소 또는 방지하기 위해 나노셀룰로오스 입자 사이에 이격되어 있는 타이어 조성물.
측면 25. 측면 1-24 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 타이어 조성물은 임의의 적합한 양의 카본 블랙, 예를 들어 약 20 내지 약 150phr, 약 30 내지 약 100phr, 또는 약 40 내지 약 80phr의 카본 블랙을 포함하는 타이어 조성물.
측면 26. 측면 1-25 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 타이어 조성물은 임의의 적합한 양의 나노셀룰로오스, 예를 들어 약 1 내지 약 15 phr, 약 2 내지 약 10 phr, 또는 약 2 내지 약 7.5phr의 나노셀룰로오스를 포함하는 타이어 조성물.
측면 27. 측면 1-26 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물로서, 타이어 조성물은 임의의 적합한 양의 탄화수소 오일, 예를 들어 약 1 내지 약 15 phr, 약 2 내지 약 10 phr, 또는 약 3 내지 약 9 phr의 탄화수소 오일을 포함하는 타이어 조성물.
측면 28. 측면 1-27 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물을 포함하는 제조 물품.
측면 29. 측면 1-27 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물을 포함하는 공압 타이어.
측면 30. 측면 1-27 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물을 포함하는 승용차 타이어.
측면 31. 측면 1-27 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물을 포함하는 트럭 및 버스 래디얼(TBR) 타이어.
측면 32. 측면 1-27 중 어느 하나에 정의된 타이어 조성물을 포함하는 타이어 트레드.
Claims (24)
- (I) 폴리머;
(II) 하기를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(nanocellulose dispersion composition, NDC):
·ㅤㅤ(i) 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 왁스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 분할제; 및
·ㅤㅤ(ii) 나노셀룰로오스; 및
(III) 카본 블랙 첨가제
를 포함하는 타이어 조성물로서,
상기 타이어 조성물은 간섭계 현미경(interferometric microscopy, IFM)에 의해 결정된 분산 지수가 약 90% 이상인 것을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - (I) 폴리머;
(II) 하기를 포함하는 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC):
·ㅤㅤ(i) 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 왁스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 분할제; 및
·ㅤㅤ(ii) 나노셀룰로오스; 및
(III) 카본 블랙 첨가제
를 포함하는 타이어 조성물로서,
상기 타이어 조성물은 100% 인장 변형률에서 적어도 약 300,000 사이클의 피로 수명을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폴리머 대 나노셀룰로오스 분산 조성물(폴리머:NDC)의 중량비는 약 100:1 내지 약 1:1, 약 80:1 내지 약 10:1, 약 75:1 내지 약 2:1, 약 60:1 내지 약 5:1, 약 50:1 내지 약 1:1, 약 40:1 내지 약 4:1, 약 75: 1 내지 약 25:1, 약 90:1 내지 약 15:1, 약 75:1 내지 약 1.5:1, 또는 약 50:1 내지 약 2:1의 범위인, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 폴리머는 엘라스토머를 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스 분산액 조성물은 폴리머 조성물에서 분할제가 없는 나노셀룰로오스의 분산성보다 더 큰 나노셀룰로오스 분산성을 가지는 것을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스는 나노셀룰로오스 결정체(nanocellulose crystals, NC), 나노셀룰로오스 피브릴(nanocellulose fibrils, NF), 또는 이들의 조합을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스는 리그닌 코팅된 나노셀룰로오스 결정체(lignin-coated nanocellulose crystals LCNC), 리그닌 코팅된 나노셀룰로오스 피브릴(lignin-coated nanocellulose fibrils, LCNF), 또는 이들의 조합을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스는 친수성 셀룰로오스 나노셀룰로오스 결정체(hydrophilic cellulose nanocellulose crystals, CNC), 친수성 셀룰로오스 나노셀룰로오스 피브릴(hydrophilic cellulose nanocellulose fibrils, CNF), 또는 이들의 조합을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)은 탄화수소 오일을 더 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
폴리머는 천연 고무(natural rubber, NR), 이소프렌 고무(isoprene rubber, IR), 폴리부타디엔 고무(polybutadiene rubber, BR), 에멀젼 스티렌-부타디엔 고무(emulsion styrene-butadiene rubber, ESBR), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 왁스는 비분지형 알칸 파라핀 왁스; 천연 광물, 석유 정제 또는 리그닌 정제 분지형 파라핀 왁스 또는 세레신 왁스; 폴리에틸렌 왁스; 관능화된 폴리에틸렌 왁스; 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 카본 블랙 충전제 및 카본 블랙 첨가제는 독립적으로 퍼니스(furnace) 카본 블랙 및/또는 표면 개질된 퍼니스 카본 블랙을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 카본 블랙 충전제 및 카본 블랙 첨가제는 독립적으로
약 90 m2/g 내지 약 140 m2/g의 질소 표면적;
약 80 m2/g 내지 약 125 m2/g의 외부 표면적;
약 2.5 내지 약 9의 pH;
약 55cm3/100g 내지 약 67cm3/100g의 50GM 공극 부피;
약 50cm3/100g 내지 약 60cm3/100g의 75GM 공극 부피;
약 45cm3/100g 내지 약 55cm3/100g의 100GM 공극 부피;
약 2.5 중량% 내지 약 4.5 중량%의 수분 함량;
약 4.5 중량% 내지 약 6.5 중량%의 휘발성 물질 함량;
약 2.5 중량% 내지 약 5.5 중량%의 산소 함량; 또는
이들의 임의의 조합을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분할제는 카본 블랙 충전제, 엘라스토머 라텍스, 및 왁스 중 2종 이상을 포함하는 것인, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
나노셀룰로오스에 대한 분할제의 중량비는 약 0.1:1 내지 약 25:1, 약 0.1:1 내지 약 10:1, 약 0.1:1 내지 약 5:1, 약 0.1:1 내지 약 1:1, 약 0.25:1 내지 약 15:1, 약 0.3:1 내지 약 10:1, 약 0.5:1 내지 약 25:1, 약 0.75:1 내지 약 15:1, 또는 약 1:1 내지 약 10:1의 범위인, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)은
(a) 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 분할제와 조합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
(b) 혼합물을 건조시켜 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 생산되는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)은
(A) 나노셀룰로오스의 수성 분산액을 분할제와 조합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
(B) 혼합물을 건조시켜 나노셀룰로오스 분산 조성물(NDC)을 형성하는 단계를 포함하는 공정에 의해 생산되고,
여기서 분할제는 NDC에서 안정하고 NDC에서 나노셀룰로오스 입자의 응집을 감소 또는 방지하기 위해 나노셀룰로오스 입자 사이에 이격되어 있는 것인, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타이어 조성물은
약 20 내지 약 150 phr의 카본 블랙, 약 1 내지 약 15 phr의 나노셀룰로오스, 및 약 1 내지 약 15 phr의 탄화수소 오일; 또는
약 30 내지 약 100 phr의 카본 블랙, 약 2 내지 약 10 phr의 나노셀룰로오스, 및 약 2 내지 약 10 phr의 탄화수소 오일; 또는
약 40 내지 약 80 phr의 카본 블랙, 약 2 내지 약 7.5 phr의 나노셀룰로오스, 및 약 3 내지 약 9 phr의 탄화수소 오일을 포함하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타이어 조성물은 간섭계 현미경(IFM)에 의해 측정된 분산 지수가 약 92% 이상, 약 93% 이상, 약 94% 이상, 약 95% 이상, 약 96% 이상, 약 97% 이상, 또는 약 98% 이상인 것을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타이어 조성물은 간섭계 현미경(IFM)에 의해 측정된 비분산 재료의 면적 분율이 약 8% 이하, 약 6% 이하, 약 4% 이하, 약 3% 이하, 또는 약 2% 이하인 것을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
타이어 조성물은 100% 인장 변형률에서 약 325,000 사이클 이상, 약 350,000 사이클 이상, 약 375,000 사이클 이상, 또는 약 400,000 사이클의 피로 수명을 특징으로 하는, 타이어 조성물. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항의 타이어 조성물을 포함하는 제조 물품.
- 제22항에 있어서,
상기 물품은 공압(pneumatic) 타이어, 승용차 타이어, 또는 트럭 및 버스 래디얼(radial) 타이어인, 물품. - 제22항에 있어서,
상기 물품은 타이어 트레드(tread)인, 물품.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202062978397P | 2020-02-19 | 2020-02-19 | |
| US62/978,397 | 2020-02-19 | ||
| PCT/US2021/018564 WO2021168103A1 (en) | 2020-02-19 | 2021-02-18 | Nanocellulose dispersion compositions containing carbon black for tire applications |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220143900A true KR20220143900A (ko) | 2022-10-25 |
Family
ID=75267573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020227032243A KR20220143900A (ko) | 2020-02-19 | 2021-02-18 | 타이어 적용을 위한 카본블랙을 함유하는 나노셀룰로오스 분산 조성물 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230071816A1 (ko) |
| EP (1) | EP4107008A1 (ko) |
| JP (1) | JP2023515489A (ko) |
| KR (1) | KR20220143900A (ko) |
| CN (1) | CN115135512A (ko) |
| BR (1) | BR112022016615A2 (ko) |
| CA (1) | CA3168697A1 (ko) |
| MX (1) | MX2022010147A (ko) |
| WO (1) | WO2021168103A1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2022287908A1 (en) | 2021-06-09 | 2023-12-14 | Soane Materials Llc | Articles of manufacture comprising nanocellulose elements |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DK2800585T3 (en) * | 2012-01-06 | 2018-05-07 | Hercules Llc | CELLULOSE ETHERS WITH IMPROVED THERMAL GEL STRENGTH |
| US20160168363A1 (en) * | 2014-06-27 | 2016-06-16 | Api Intellectual Property Holdings, Llc | Nanocellulose-polymer composites, and processes for producing them |
| CN104086836B (zh) * | 2014-07-14 | 2016-06-08 | 宁国市日格美橡塑制品有限公司 | 一种耐磨轮胎橡胶材料 |
| US20160122515A1 (en) * | 2014-10-31 | 2016-05-05 | Api Intellectual Property Holdings, Llc | Automotive tires containing hydrophobic nanocellulose |
| WO2016090425A1 (en) * | 2014-12-08 | 2016-06-16 | The University Of Queensland | Nanocomposite elastomers |
| US10774476B2 (en) * | 2016-01-19 | 2020-09-15 | Gpcp Ip Holdings Llc | Absorbent sheet tail-sealed with nanofibrillated cellulose-containing tail-seal adhesives |
| US10662327B2 (en) * | 2016-10-28 | 2020-05-26 | GranBio Intellectual Property Holdings, LLC | Nanocellulose nucleating agents for crystallization of polylactides and other polymers |
| CN109081900B (zh) * | 2018-07-06 | 2021-01-26 | 山东圣泉新材料股份有限公司 | 改性多元醇及制备方法、改性聚氨酯材料及制备方法和应用 |
| US20210380787A1 (en) * | 2018-10-22 | 2021-12-09 | GranBio Intellectual Property Holdings, LLC | Methods for improving nanocellulose dispersion in elastomeric compounds, and compositions containing dispersed nanocellulose in elastomer compounds |
| JP7322543B2 (ja) * | 2019-06-24 | 2023-08-08 | 住友ゴム工業株式会社 | ナノセルロース・界面活性剤複合体 |
-
2021
- 2021-02-18 WO PCT/US2021/018564 patent/WO2021168103A1/en unknown
- 2021-02-18 EP EP21715000.2A patent/EP4107008A1/en active Pending
- 2021-02-18 CA CA3168697A patent/CA3168697A1/en active Pending
- 2021-02-18 CN CN202180015844.1A patent/CN115135512A/zh active Pending
- 2021-02-18 US US17/800,243 patent/US20230071816A1/en active Pending
- 2021-02-18 MX MX2022010147A patent/MX2022010147A/es unknown
- 2021-02-18 BR BR112022016615A patent/BR112022016615A2/pt unknown
- 2021-02-18 KR KR1020227032243A patent/KR20220143900A/ko active Search and Examination
- 2021-02-18 JP JP2022549875A patent/JP2023515489A/ja active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BR112022016615A2 (pt) | 2022-11-16 |
| US20230071816A1 (en) | 2023-03-09 |
| EP4107008A1 (en) | 2022-12-28 |
| WO2021168103A8 (en) | 2022-09-29 |
| JP2023515489A (ja) | 2023-04-13 |
| MX2022010147A (es) | 2022-09-07 |
| CA3168697A1 (en) | 2021-08-26 |
| CN115135512A (zh) | 2022-09-30 |
| WO2021168103A1 (en) | 2021-08-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20210380787A1 (en) | Methods for improving nanocellulose dispersion in elastomeric compounds, and compositions containing dispersed nanocellulose in elastomer compounds | |
| KR101898303B1 (ko) | 개선된 탄성 중합체 배합물 | |
| EP3802681B1 (en) | Use of carbon-nanofibres comprising carbon networks | |
| Ghorai et al. | Devulcanization of waste rubber and generation of active sites for silica reinforcement | |
| KR20220143900A (ko) | 타이어 적용을 위한 카본블랙을 함유하는 나노셀룰로오스 분산 조성물 | |
| Kim et al. | Effects of Zinc‐Free Processing Aids on Silica‐Reinforced Tread Compounds for Green Tires | |
| Abdollahi et al. | Structure and properties of natural rubber/butadiene rubber (NR/BR) blend/sodium-montmorillonite nanocomposites prepared via a combined latex/melt intercalation method | |
| Zine et al. | Styrene–butadiene rubber/cellulose II/clay nanocomposites prepared by cocoagulation—mechanical properties | |
| RU2807827C1 (ru) | Способ повышения физико-механических и триботехнических характеристик композиционного материала на основе эластомера, армированного многостенными углеродными нанотрубками | |
| Bhadra et al. | Suitability of different biomaterials for the application in tire | |
| BR112021007647A2 (pt) | processo para separação de uma nanocelulose em um sistema aquoso para melhoria da dispersabilidade em polímeros, processo para divisão de uma nanocelulose em um sistema aquoso com um agente de separação, composição de dispersão de nanocelulose (ndc), e composição polimérica | |
| Tunnicliffe et al. | The role of elastomeric nanocellulose composites in the tire industry | |
| BR112021007579B1 (pt) | Composição de dispersão de nanocelulose, composição polimérica e processo para produzir a composição de dispersão de nanocelulose | |
| Voet | New Dispersible Carbon Blacks | |
| Tunnicliffe et al. | The Role of Nanocellulose Elastomer Composites in the Tire Industry | |
| Kim et al. | Effects of Zinc Soaps on TESPT and TESPD-Silica Mixtures in Natural Rubber Compounds |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |