TW201905091A - 用於製造彈性複合材料的配方、以及彈性複合材料之製造方法 - Google Patents

用於製造彈性複合材料的配方、以及彈性複合材料之製造方法

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Abstract

本發明提供一種用於製造彈性複合材料的配方、以及彈性複合材料之製造方法，該配方包含一矽橡膠材料；一碳材料，該碳材料為擇自由單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組；一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)；以及一交聯劑，依上述配方製成的彈性複合材料具有改善的耐用性。

Description

用於製造彈性複合材料的配方、以及彈性複合材料之製造方法
本發明為有關一種彈性複合材料的配方，尤指一種可製造出具有改善拉伸應力以及耐用性的製品的彈性複合材料的配方。
彈性材料係廣泛應用於各種工業及民生領域，從汽車輪胎、鞋、膠布、運動用品、地板、膠布、輸送帶等日常生活用品，到電子、半導體工業、及太空機件等精密產業都有需求，其種類也包羅萬象，如丁睛膠(nitrile rubber)、矽橡膠(silicone rubber)、氟橡膠(fluoro carbon rubber)、苯乙烯-丁二烯橡膠(styrene butadiene rubber)等。
其中，以橡膠舉例來說，其組成和配方是在經歷過多次演進、改良、開發而有目前的多種型態：最初由橡膠樹採集天然橡膠，再利用橡膠硫化的方法來改善天然橡膠性質，後來更以煤、石油、天然氣為主要原料，透過人工方式依需求製造出各式各樣的合成橡膠，而其中因為配方組成的不同，也賦予該些橡膠製品獨特的物理特性。
譬如美國專利公告號US9228077B2提出的一種橡膠組成物中，含有橡膠成分(A)、菌綠烯(farnesene)之聚合物(B)、以及二氧化矽(C)，且該聚合物在該橡膠組成物的含量為1至100重量份。使用該專利的該橡膠組成物製成的輪胎具有優異的滾動阻抗性能且可抑制機械強度以及硬度之下降；又或者如美國專利公告號US9593228 B2所提出的可硫化橡膠混合物，包含：(A)至少一經羧基及/或羥基及/或其鹽類功能化的二烯橡膠；(B)至少一淡色填料；(C)三羥甲丙烷(trimethylolpropane)；(D)至少一脂肪酸，且其中以100重量份之成分(A)為基準，成分(C)及(D)量之總和為0.1至20重量份，該可硫化橡膠混合物可應用在車輛輪胎胎紋上，具有高耐磨耗性能及低滾動阻抗等優點。
然而，對於品質的追求往往是沒有止盡的。特別是多數的彈性材料在使用過程中常面臨磨耗問題，也容易隨著使用時間增加而面臨老化問題，上述種種仍是目前研究團隊亟欲改善突破的議題。
本發明的主要目的，在於解決習知矽橡膠的耐用性不夠理想的缺點。
為了達到上述目的，本發明提供一種用於製造彈性複合材料的配方、以及彈性複合材料之製造方法，依該配方製成的製品具有更耐用的優點，進而提升該製品的壽命。
據此，本發明提供一種用於製造彈性複合材料的配方，包含：一矽橡膠材料；一佔總成分之重量百分比介於0.0005%~10%之間的碳材料，該碳材料為擇自由單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組；一佔總成分之重量百分比介於0.0005%~15%的雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)；以及一佔總成分之重量百分比介於0.5%~2%之間的交聯劑。
本發明並提供一種彈性複合材料之製造方法，包括以下步驟：
將一碳材料以及一矽橡膠材料混合，令該碳材料均勻地分散於該矽橡膠材料中而形成一混煉膠，其中，該碳材料佔該混煉膠之重量百分比介於0.01%~20%之間；
將該混煉膠與一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)以及一交聯劑共同混煉形成一混合物，其中該交聯劑佔該混合物之重量百分比介於0.5%~2%之間；以及
加熱該混合物使其硬化而獲得該彈性複合材料。
本發明亦提供一種彈性複合材料之製造方法，包括以下步驟：
將一碳材料以及一橡膠加工油混合，令該碳材料均勻地分散於該橡膠加工油中而形成一複合物，其中，該碳材料佔該複合物之重量百分比為0.005%至10%之間；
將該複合物與一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)以及一交聯劑共同混煉形成一混合物，其中該交聯劑佔該混合物之重量百分比介於0.5%~2%之間；以及
加熱該混合物使其硬化而獲得該彈性複合材料。
本發明並提供一種輪胎胎面膠，其係包括上述之配方。
本發明並提供一種輪胎胎面膠，其係由上述之方法製得。
是以，藉由本發明的配方所製得的製品，相較於習知矽橡膠製品而言，至少具有以下優點：
1. 以本發明的用於製造彈性複合材料的配方所製得的製品，經測試其不僅在耐用性方面有所改善，在拉伸強度亦有提升，且可延長其硬化時間，有助於提升彈性複合材料加工性。
2. 本發明藉由在該矽橡膠材料中加入特定比例的碳材料及雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)，有效地降低損耗因子 tanδ，故以本發明的用於製造彈性複合材料的配方製得的輪胎具有較低的滾動阻力、降低油料耗費而具有節能的效果。
有關本發明的詳細說明及技術內容，將搭配實施例說明如下：
本發明的用於製造彈性複合材料的配方主要包含一矽橡膠材料、一碳材料、一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)、以及一交聯劑。
本發明一實施例中，該矽橡膠材料可為一天然橡膠或合成橡膠，然本發明對此並無特別限制，本領域具有通常知識者可依所欲製得的彈性複合材料選擇適當的橡膠種類使用。
該碳材料可為單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯或其組合。該碳材料佔總成分之重量百分比介於0.0005%~10%、較佳介於0.005%~3%之間。在本發明一較佳實施例中，該碳材料可經一官能化處理而具有擇自由羧基、羥基、及其組合之取代基團。該「官能化處理」，舉例來說，可將該碳材料加入溫度約為70°C的混合酸中，煮30分到8小時之後，將該碳材料過濾，並以該碳材料：清水為1：100的比例潤洗，再次將該碳材料過濾並烘乾即完成。
在上述的「官能化處理」步驟中，該混合酸可為硝酸與硫酸以體積比1：3混合而成，且該碳管與該混合酸的比例可為1：100。然而，應理解上述之該「官能化處理」方法、溫度、時間及比例關係係屬本領域具有通常知識者可視情況改變的範疇，只要可以使該碳材料具有擇自由羧基、羥基、及其組合之取代基團的方法都可以應用於本發明中，而不僅限於上述方法。
該雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)的加入有助於使該矽橡膠材料與該碳材料之間的結合由物理鍵結轉為化學鍵結，因而可提升如拉伸強度等基本物性。本發明一實施例中，該雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) 佔總成分之重量百分比介於0.0005%~15%之間、較佳介於0.005%~10%之間、更佳介於0.05%~5%之間。
而適用於本發明的交聯劑包括但不限於：含硫化合物(如硫磺)、過氧化物、金屬氧化物、酯類化合物、胺類化合物、樹脂類化合物、硒、或碲，然而，只要該交聯劑在約150°C至195°C高溫下會與橡膠分子進行化學反應形成三維網狀結構體即可。且本發明一實施例中，該交聯劑佔總成分之重量百分比介於0.5%~2%之間。
除了上述之交聯劑外，為了軟化、增塑、或者潤滑等目的，也可進一步添加一添加劑，適用於本發明的該添加劑可為氧化鋅、硬脂酸、或者可為噻唑型或磺醯胺型的促進劑，然本領域具有通常知識者可依需求而選用，本發明對此並無特別限制，只要該添加劑佔總成分之重量百分比5%以下即可。
本發明一實施例中，該用於製造彈性複合材料的配方可更包括一填料，該填料擇自於碳黑、白煙、碳纖維、玻璃纖維及其組合所組成之群組。至於該填料佔總成分之重量百分比可介於10%~65%之間、較佳介10%~50%之間。
本發明一實施例中，該用於製造彈性複合材料的配方可更包括一佔總成分之重量百分比介於0.00001%~25%之間的橡膠加工油。本發明對於橡膠加工油的種類並於特別之限制，舉例來說，可使用石蠟油、環烷基油、或改性芳香烴油等橡膠加工油，本領域具有通常知識者可依需求而選用適當的橡膠加工油。
至於製備該彈性複合材料的方法，舉例來說，可將一碳材料以及一矽橡膠材料混合，令該碳材料均勻地分散於該矽橡膠材料中而形成一混煉膠，使該碳材料佔該混煉膠之重量百分比介於0.01%~20%之間；接下來，將該混煉膠與一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) 以及一佔該混合物之重量百分比介於0.5%~2%之間的交聯劑共同混煉形成一混合物之後，加熱該混合物使其硬化而獲得該彈性複合材料，加熱溫度可為常用於橡膠硬化(硫化)的溫度，即150 °C至185 °C之間。
或者，於本發明另一實施例中，該彈性複合材料可由另一方法製造：將一碳材料以及一橡膠加工油混合，令該碳材料均勻地分散於該橡膠加工油中而形成一複合物，使該碳材料佔該複合物之重量百分比介於0.005%~10%之間。接下來，將該複合物與一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)以及一佔該混合物之重量百分比介於0.5%~2%之間的交聯劑共同混煉形成一混合物之後，加熱該混合物使其硬化而獲得該彈性複合材料，加熱溫度可為常用於橡膠硬化(硫化)的溫度，即150 °C至185 °C之間。
於上述製造方法中，更包括在該混合物中加入一填料，使得該填料佔總成分之重量百分比介於10%~65%之間。且如前文所述，該填料可擇自於碳黑、白煙、碳纖維、玻璃纖維及其組合所組成之群組。
除此之外，於上述製造方法中，更包括將該碳材料經一官能化處理而具有擇自由羧基、羥基、及其組合之取代基團。由於該碳材料表面具有羧基或羥基，故經該官能化處理後，更容易與該雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物反應產生化學鍵結，可提升彈性複合材的拉伸強度、電性等基本物性。
上述「令該碳材料均勻地分散於該矽橡膠材料中」、或是「令該碳材料均勻地分散於該橡膠加工油中」的方法，舉例來說，可利用如雙滾筒開煉機(mixing mill)、密煉機(kneader)、萬馬力機(banbury)來進行分散，然而，只要可確實地使該碳材料分散在該矽橡膠材料或該橡膠加工油中即可，本發明對此沒有特別的限制。
接下來將依下表1的不同配方，分別製造出比較例1、實施例1、實施例2、實施例3、以及實施例4的彈性複合材料以進行後續的物理性測試。測試包括拉伸應力、M300、以及損耗因子tanδ，結果如下表2所示。
表1：單位(重量百分比)
表2
表2的「硫化時間(T 90 @ 175 °C)」，係依據ASTM D2084及ISO3417國際標準規範，藉由硫變儀分析在高溫時(150°C~195°C)一含硫橡膠複材的橡膠硫化程度與硫化時間之關係曲線，本發明是設定在175°C進行分析；M300 (kg/cm2 )代表拉伸300%時的應力值，越高代表越剛硬；tanδ的數值越低表示滾動阻力越小。經由上表2結果可發現：當添加該雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)的時候，在拉伸應力及M300項目中都比未添加的比較例1有更好的表現。
在tanδ的項目中也觀察到：添加該雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)的實施例1至4組別的tanδ數值都較比較例1的tanδ數值低，代表當利用本發明的配方製造為輪胎使用時(譬如，以此配方製造之一胎面膠)，可有效地降低該輪胎的滾動阻力，節省車輛的油耗，達到節能的效果。
綜上所述，本發明具有以下特點：
1. 以本發明的用於製造彈性複合材料的配方所製得的製品，經測試其不僅在拉伸應力方面有所改善，且可延長其硬化時間，有助於提升彈性複合材料加工性。
2. 本發明藉由在該矽橡膠材料中加入特定比例的碳材料及雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)，有效地降低損耗因子 tanδ，故以本發明的用於製造彈性複合材料的配方製得的輪胎具有較低的滾動阻力、降低油料耗費而具有節能的效果。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。
無。
無。

Claims (12)

  1. 一種用於製造彈性複合材料的配方，包含： 一矽橡膠材料； 一佔總成分之重量百分比介於0.0005%~10%之間的碳材料，該碳材料係擇自由單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組； 一佔總成分之重量百分比介於0.0005%~15%的雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)；以及 一佔總成分之重量百分比介於0.5%~2%之間的交聯劑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的用於製造彈性複合材料的配方，更包括一佔總成分之重量百分比介於10%~65%之間的填料，該填料擇自於碳黑、白煙、碳纖維、玻璃纖維及其組合所組成之群組。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的用於製造彈性複合材料的配方，更包括一佔總成分之重量百分比介於0.00001%~25%之間的橡膠加工油。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的用於製造彈性複合材料的配方，其中，該碳材料係經一官能化處理而具有擇自由羧基、羥基、及其組合之取代基團。
  5. 一種彈性複合材料之製造方法，包括： 將一碳材料以及一矽橡膠材料混合，令該碳材料均勻地分散於該矽橡膠材料中而形成一混煉膠，其中，該碳材料佔該混煉膠之重量百分比介於0.01%~20%之間，且該碳材料係擇自由單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組； 將該混煉膠與一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)以及一交聯劑共同混煉形成一混合物，其中該交聯劑佔該混合物之重量百分比介於0.5%~2%之間；以及 加熱該混合物使其硬化而獲得該彈性複合材料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的彈性複合材料之製造方法，更包括在該混合物中加入一填料，其中填料佔總成分之重量百分比介於10%~65%之間，該填料擇自於碳黑、白煙、碳纖維、玻璃纖維及其組合所組成之群組。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的彈性複合材料之製造方法，更包括將該碳材料經一官能化處理而具有擇自由羧基、羥基、及其組合之取代基團。
  8. 一種彈性複合材料之製造方法，包括： 將一碳材料以及一橡膠加工油混合，令該碳材料均勻地分散於該橡膠加工油中而形成一複合物，其中，該碳材料佔該複合物之重量百分比為0.005%至10%之間，且該碳材料係擇自由單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組； 將該複合物與一雙-[三乙氧基矽(丙基)]四硫化物(Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide)以及一交聯劑共同混煉形成一混合物，其中該交聯劑佔該混合物之重量百分比介於0.5%~2%之間；以及 加熱該混合物使其硬化而獲得該彈性複合材料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的彈性複合材料之製造方法，更包括在該混合物中加入一填料，其中該填料佔總成分之重量百分比介於10%~65%之間，該填料擇自於碳黑、白煙、碳纖維、玻璃纖維及其組合所組成之群組。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的彈性複合材料之製造方法，更包括將該碳材料經一官能化處理而具有擇自由羧基、羥基、及其組合之取代基團。
  11. 一種輪胎胎面膠，其係由申請專利範圍第5項至第10項任一項所述之方法製得。
  12. 一種輪胎胎面膠，其係包括如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述之配方。
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