TWI672217B - 胎面膠以及用於生產胎面膠的配方 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種胎面膠以及用於生產胎面膠的配方，該配方包含一矽橡膠；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；一填料；以及一交聯劑，依上述配方製成的胎面膠具有耐磨性佳且壽命提升的優點。

Description

胎面膠以及用於生產胎面膠的配方
本發明為有關一種彈性複合材料，尤指一種可生產出耐磨性佳且壽命提升的製品的彈性複合材料。
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生產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質量份。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磨性不夠理想、且容易隨著時間老化而不堪使用的缺點。
為了達到上述目的，本發明提供一種用於生產彈性複合材料的配方、包含其之製品、以及胎面膠，使得依上述配方製成的製品具有更耐磨、更抗老化的優點，進而提升該製品的壽命。
據此，本發明提供一種彈性複合材料，包含一矽橡膠以及一分散於該矽橡膠之中且佔總成分之重量百分比介於0.0005%至0.099%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。
本發明另提供一種彈性複合材料，包含一矽橡膠；一佔總成分之重量百分比介於0.0005%至0.099%之間的碳材料，該碳材料為單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組；以及一佔總成分之重量百分比介於10%至75%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。
本發明又提供一種用於生產彈性複合材料的配方，包含一矽橡膠；一佔總成分之重量百分比介於0.0005%至0.099%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；以及一佔總成分之重量百分比介於10%至75%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；以及一佔總成分之重量百分比介於0.5%~2%之間的交聯劑。
本發明中並提供一種製品，係以上述之配方製得的彈性複合材料所製成，該製品為一輪胎、一鞋底、一皮帶、一輸送帶、或一地板。
本發明亦提供一種胎面膠，包含一矽橡膠以及一分散於該矽橡膠之中且佔總成分之重量百分比介於0.0005%至0.099%之間的碳材料，該碳材料為單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯及其組合所組成之群組，以及一佔總成分之重量百分比介於10%至75%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。
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.以本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的製品，譬如輪胎、鞋底、皮帶、輸送帶、或地板，其耐磨性增加、更抗老化，進而提升該製品的壽命。
2.以本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的製品，譬如輪胎、鞋底、皮帶、輸送帶、或地板，因為耐磨性增加與抗老化性增加，故相較於習知矽橡膠製品而言，本發明的該製品的該彈性複合材料的整體用量可再降低，不僅減少生產時的成本，該製品的重量也能有效減少。
3.以本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的製品，譬如應用於輪胎、皮帶等製品時，經測試可減少在動態變形中的溫度提升情況， 且特別適用作為輪胎中的胎面膠使用。這是因為胎面膠為輪胎最外層與路面接觸並印有花紋的一層膠料，其不僅讓輪胎有牽引力，也能緩衝車輛在行駛過程中的衝擊和搖擺程度，有鑑於依本發明的配方所製得的該彈性複合材料具有改善的耐磨性，故當應用於胎面膠時，相較於習知的材料將更具優勢。
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： 本發明的彈性複合材料主要包含一矽橡膠以及一分散於該矽橡膠之中的碳材料。
本發明一實施例中，該矽橡膠可為各種習用的矽膠或橡膠，本領域具有通常知識者可依據所欲生產之製品特性及種類進行選用而沒有特別限制。
而該碳材料係為單壁奈米碳管、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%至0.099%之間、較佳介於0.005%至0.05%之間。
本發明另提供一種彈性複合材料，主要包含一矽橡膠、一分散於該矽橡膠之中的碳材料、以及一填料。其中，該矽橡膠可為各種習用的矽膠或橡膠；該碳材料佔總成分之重量百分比介於0.0005%至0.099%之間，且可為單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯、或其組合；填 料佔總成分之重量百分比介於10%至75%之間，且可擇自於碳黑、白煙、碳纖維、玻璃纖維及其組合所組成之群組。
本發明一實施例中，上述之該彈性複合材料係透過如下之配方製得，該配方主要包含一矽橡膠、一碳材料、一填料、以及一交聯劑。
本發明一實施例中，關於該矽橡膠，可如前文所述地為各種習用的矽膠或橡膠，本領域具有通常知識者可依據所欲生產之製品特性及種類進行選用而沒有特別限制。
本發明一實施例中，該碳材料係為單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯或其組合，且該碳材料佔總成分之重量百分比介於0.0005%至0.099%之間、較佳介於0.005%至0.05%之間。
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，且於本發明一較佳實施例中，該填料佔總成分之重量百分比介於10%至75%之間、更佳為25%至50%之間。
適用於本發明的該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，只要該交聯劑在約150℃至195℃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%至2%之間。
除了上述之該交聯劑外，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鋅氧粉(如氧化鋅)、硬脂酸、油、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。
關於該添加劑添加的比例，本發明並無特別限制，在一非限制性實施例中，鋅氧粉可佔總成分之重量百分比介於0.00001%至3%之間、硬酯 酸可佔總成分之重量百分比介於0.00001%至2%之間、油可佔總成分之重量百分比介於0.00001%至18%之間、觸促進劑可佔總成分之重量百分比介於0.00001%至2%之間。
至於製備該彈性複合材料的方法，本發明對此並無特別限制。舉例來說，可先將該矽橡膠備妥後，再將該碳材料加入該矽橡膠中，使該碳材料均勻地分散在該矽橡膠而形成一含該碳材料的混煉膠，再將該混煉膠、該填料以及該交聯劑共同混煉並加熱至，譬如，約150℃~180℃使其硬化後，即可獲得該彈性複合材料。
上述「使該碳材料均勻地分散在該矽橡膠」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即可，本發明對此也沒有特別的限制。
下文中，將依下表1的不同配方，分別製造出實施例1、實施例2、實施例3、比較例1、比較例2、以及比較例3的彈性複合材料以進行後續的物理性測試。
表1的實施例1、實施例2、比較例1、以及比較例2的組成，主要差異在於奈米碳管的比例。補充說明的是，表1所述的油可為任何適用的橡膠加工油，如環烷基加工油、石蠟基加工油、芳香基加工油等作為橡膠軟化用途之化合物；而促進劑可為1,3-二苯胍(1,3-diphenylguanidine)、N-環已基-2-苯駢噻唑次磺醯胺(N-cyclohexyl-2-benzothiazolesulfenamide)、N-氧二乙撐-2-苯駢噻唑次磺醯胺(2-(morpholinothio)-benzothiazole)。
此外，表1的充油型苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR1712)、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)、丁二烯橡膠(BR)或其混合物，即為上述配方中的該矽橡膠，該充油型苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR1712)為一包括有添加油的苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)。
接下來，就上述的實施例1、實施例2、比較例1、以及比較例2的該彈性複合材料進行抗張物性及老化後的抗張物性測試，結果分別如下表2及表3。
表2及表3中，抗張物性是彈性複合材料在165℃進行15分鐘於室溫放置16小時後的測試結果；而老化後的抗張物性測試則是彈性複合材料在165℃下進行15分鐘後，於室溫放置16小時後再於100℃、48小時處理後進行測試的測試結果。補充說明的是，表2及表3中的「300%M」為拉伸300%時的應力值，數值越高表示越剛硬。
上述實施例1、實施例2、比較例1、以及比較例2的彈性複合材料亦進行阿克隆磨耗試驗(Akron abrasion test)以確認其耐磨性。其試片係在165℃進行15分鐘，再於室溫放置16小時後的測試結果。
阿克隆磨耗試驗顯示：實施例1的磨耗指數為257、實施例2的磨耗指數為177，均優於未添加奈米碳管的比較例1的磨耗指數100；此外，實施例1與實施例2的磨耗指數也都優於奈米碳管添加量超出本發明所限定的0.0005%至0.099%的範圍的比較例2，在比較例2中，測得其磨耗指數僅有 30。是以，經由該阿克隆磨耗試驗(Akron abrasion test)可證實該碳材料的添加量需在0.0005%至0.099%重量百分比的範圍之內，方能獲得具有較佳效果的該彈性複合材料。
綜合上表2及表3，顯見根據本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的彈性複合材料能在不喪失基本機械性質的狀況下，表現出更優異的阿克隆磨耗試驗結果。且由於具有強化的耐磨性的緣故，根據本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的彈性複合材料在使用時的壽命可獲得提升。
進一步透過實施例3以及比較例3生產該彈性複合材料以進行生熱測試，測試結果如下表4。
本實施例中該生熱測試具體實施方式，係以ASTM D623所規範之條件進行測試。彈性複合材料在165℃進行15分鐘於室溫放置16小時後的測試結果。實施例3及比較例3的差異僅在於其配方中是否添加該碳材料，即，奈米碳管。由表4可見，相較於比較例3而言，實施例3的彈性複合材料相對未添加奈米碳管的試片數據50.7℃而言，可減少4.3%溫度，是以，利用本發明的彈性複合材料製得的製品，確實可有效的減少在動態變形中的溫度提升情況，適合應用在諸如輪胎、皮帶等製品中，在使用時可更加地節能。
綜上所述，本發明的彈性複合材料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.以本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的製品，譬如輪胎、鞋底、皮帶、輸送帶、或地板，其耐磨性增加、更抗老化，進而提升該製品的壽命。
2.以本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的製品，譬如輪胎、鞋底、皮帶、輸送帶、或地板，因為耐磨性增加與抗老化性增加，故相較於習知矽橡膠製品而言，本發明的該製品的該彈性複合材料的整體用量可再降低，不僅減少生產時的成本，該製品的重量也能有效減少。
3.以本發明的用於生產彈性複合材料的配方所製得的製品，譬如應用於輪胎、皮帶等製品時，經測試可減少在動態變形中的溫度提升情況，且特別適用作為輪胎中的胎面膠使用。這是因為胎面膠為輪胎最外層與路面接觸並印有花紋的一層膠料，其不僅讓輪胎有牽引力，也能緩衝車輛在行駛過程中的衝擊和搖擺程度，有鑑於依本發明的配方所製得的該彈性複合材料具有改善的耐磨性，故當應用於胎面膠時，相較於習知的材料將更具優勢。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為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。

Claims (6)

  1. 一種胎面膠，包含：一矽橡膠；一佔總成分之重量百分比介於0.005%至0.02%之間的碳材料，該碳材料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；以及一佔總成分之重量百分比介於10%至75%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。
  2. 一種用於生產如申請專利範圍第1項所述的胎面膠的配方，包含：一矽橡膠；一佔總成分之重量百分比介於0.005%至0.02%之間的碳材料，該碳材料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10%至75%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；以及一佔總成分之重量百分比介於0.5%~2%之間的交聯劑。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的配方，其中更包括一佔總成分之重量百分比介於0.00001%至3%之間的鋅氧粉。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的配方，其中更包括一佔總成分之重量百分比介於0.00001%至2%之間的硬酯酸。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的配方，其中更包括一佔總成分之重量百分比介於0.00001%至18%之間的油。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的配方，其中更包括一佔總成分之重量百分比介於0.00001%至2%之間的促進劑。
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