Brevet FR2484428A1 — publié le 19811218

LJinvention a pour objet des compositions d'absorption, applicables à la fabrication d'articles en caoutchouc. Ces compositions contiennent de la silice pulvérulente, de ltéthylèneglycol ou des po lyétbylèneglvcols, ainsi que d'autres composés utiles pour la fabrication d'articles en caoutchouc. Les articles en caoutchouc sont fabriqués industriellement à partir d'un ou plusieurs élastomères, naturels ou synthétiques, et d'autres constituants conférant aux articles en caoutchouc les propriétés désirées. Cette fabrication se déroule normalement en plusieurs étapes qui comprennent la préparation du mélange à vulcaniser à partir d'élastomère et des autres constituants, la mise du mélange obtenu précédemment dans la forme de l'article désiré et la vulcanisation du mélange ainsi mis en forme. Les constituants des articles en caoutchouc comprennent, en plus des élastomères, des charges qui jouent le plus souvent un r81e renforçateur des propriétés mécaniques, des agents de réticulation constitués de soufre ou de peroxydes, des accélérateurs choisis en sorte que le mélange de l'élastomère et des autres constituants puisse être réalisé sans que la vulcanisation débute, des ac2sivateurs qui accélèrent la vulcanisation au cours de l'étape finale de fabrication des articles, des agents de protection vis-à-vis de itenvironnement (oxygène, ozone, lumière, chaleur) et, le cas échéant, d'autres cons- tituants tels que des plastifiants, des colorants ou des pigments. Une charge couramment utilisée dans la fabrication des ar- ticles en caoutchouc est le noir de carbone qui confère aux articles de très bonnes propriétés de résistance à la rupture et à l'abrasion. Cependant, lorsqu2on souhaite obtenir des articles en caoutchouc de couleur claire, il est nécessaire de mettre en oeuvre des charges peu colorées ; parmi celles-ci la silice pulvérulente constitue une charge très intéressante en raison des excellentes propriétés de rem sistance mécanique et de tenue à la chaleur tutelle confère aux articles en caoutchouc. Dans cette application, la silice pulvérulente est couramment utilisée en proportions comprises entre 30 et 100 parties en poids pour 100 parties d' élastomères. Cependant, la silice pulvérulente a pour effet de ralentir la vulcanisation des articles en caoutchouc et il est nécessaire de combattre cet effet par l'addition au mélange d'élastomère et des autres constituants, de petites quantités de composés dénommés "activateurs de charges claires" tels que ltéthylèneglycol qui est un liquide aux températures usuelles, ou des polyéthylèneglycols solides de poids moléculaire environ 4000. Ces activateurs sont couramment utilisés en proportions comprises entre 2 et 5 parties en poids pour 100 parties de charge. En plus de l'accroissement de de la vitesse de vulcanisation qu'ils provoquent, l'éthylèneglycol et les polyéthylèneglycols exercent une action favorable au cours du mélange en facilitant l'homogé- néisation des masses de caoutchouc et en accroissant la plasticité de celles-ci. Les mélanges des constituants des caoutchoucs ont été longtemps réalisés dans des mélangeurs ouverts, dans lesquels la température en fin de mélange était comprise entre 50 et 100 OC. Dans cette technique, l'éthylèneglycol était un activateur couramment utilisé, car sa stabilité était suffisante à ces températures. L'utilisation des malaxeurs internes s s'est ultérieurement développée, car ils permettent de raccourcir considérablement la durée du mélange ; ces malaxeurs nécessitent toutefois la mise en oeuvre de constituants plus stables thermiquement, en raison des températures en fin de mélange plus élevées, pouvant atteindre 150 - 160 OC, réalisées dans ce type d'appareil.Le polyéthylèneglycol de masse moléculaire 4000 stest alors imposé comme activateur, grâce à sa bonne stabilité thermique due à sa masse moléculaire relativement élevée. La nature solide de ce polyétbylèneglvcol de masse moléculaire 4000,à à la température ambiante, a également favorisé son développement en raison de la commodité de son dosage et de sa manipulation. Néanmoins, le polyé thylèneglycol de masse moléculaire 4000 présente quelques inconvénients. Afin de pouvoir le doser et le manipuler, il est nécessaire de le transformer en écailles, ce qui est coûteux ; de plus, son mélange avec les élastomères et les autres constituants des caoutchoucs est quelquefois malaisé. I1 a maintenant été trouvé que l'éthylèneglycol et certains polyéthylèneglycols liquides à la température ambiante peuvent, sous la forme de compositions d'absorption avec de la silice pulvérulente, Autre utilisés avec avantage, comme activateurs de charges claires dans la fabrication de mélanges pour caoutchouc. L'invention a pour objet des compositions d'absorption solides, pulvérulentes et s'écoulant facilement, caractérisées et ce qu elles contiennent a) 2,5 à 180 parties en poids, de préférence 25 à 150 parties en poids, d'éthylèneglycol ou d'un polyéthylèneglycol dont la masse mo séculaire moyenne est inférieure ou égale à 600, et de préférence, comprise entre 300 et 600 b) 100 parties ën poids d'une silice pulvérulente dont la surface specifique BET est d'au moins 10 m2/g. L'éthylèneglycol et les polyéthylèneglycols de masse molécu- laire moyenne inférieure à 600 sont des composes industriels couramment fabriqués par addition ou polyaddition d'oxyde d'éthylène sur de ou ou sur du glycol, en présence de catalyseurs alcalins, tels que de la potasse. Lorsque la quantité voulue d'oxyde d'éthylène a été additionnée > l'opération est arrêtée ; le catalyseur est neutralisé et éliminé, par exemple par filtration du sel formé. La masse molécu lafre moyenne du composé obtenu est calculée d'après la formule : masse moléculaire = 56 000 x dans laquelle l'IOH est l1indice.d'hydroxyîe du composé mesuré suivant la norme AFNOR 52112 d'octobre 1977. Ia silice pulvérulente est une silice de synthèse obtenue de préférence par neutralisation au moyen d'un acide d'un silicate métal ligue, tel qu'un silicate d'un métal alcalin, en solution aqueuse. Le précipité obtenu est séparé, lavé et séché. Le composé obtenu qui contient encore quelques pourcents d'eau est constitué de particules élémentaires de quelques centaines d'angströms de diamètre, associées en agglomérats de quelques microns à quelques dizaines de microns de diamètre. Les silices pulvérulentes convenant pour préparer les compositions de l'invention possèdent une surface spécifique mesurée par la méthode de Brunauer, Emmet et Teller (dite surface spécifique BET) d'au moins 10 m2/g ; les silices dont la surface spécifique BET est comprise entre 20 et 500 m2/g, ou mieux entre 50 et 300 mis sont choisies de préférence. Les compositions d'absorption selon l'invention sont préparées entre O et 100 C par mélange, dans un mélangeur ou dans un malaxeur, de la silice pulvérulente et de l'éthylèneglycol ou du poly éthylèneglycol. Afin d'obtenir des compositions pulvérulentes possédant de bonnes propriétés d'écoulement, il est nécessaire de ne pas dépasser une certaine proportion d'éthylèneglycol ou de polyéthylène glycol par rapport à la silice.Cette proportion varie selon la qualité de la silice mise en oeuvre ; il est possible par exemble, de réaliser à partir d'une silice pulvérulente de surface spécifique BET égale à 20Q m2/g des compositions d'absorption contenant 100 parties de silice et jusqu'à 180 parties de polyéthylèneglycol de masse molé culaire 400 ; à partir de ces constituants, il est préférable cependant de ne pas depasser 150 parties de polyéthylèneglycol pour 100 parties de silice, afin d'éviter les phénomènes de ressuage dus à des changements de température. Les compositions ainsi obtenues se présentent sous la forme de poudres d'apparence sèche, qui sont pas tendance à prendre en masse.Elles sont commodes à utiliser car elles s'écoulent facilement, en particulier dans les trémies de stockage et dans les appareils de dosage. Les compositions de l'invention peuvent avantageusement entre utilisées dans la fabrication d'articles en caoutchouc contenant des charges claires telles que de la silice pulvérulente. La quantité de composition à mettre en oeuvre, rapportée à la quantité d'éthylène- glycol ou de polyéthylèneglycol qu'elle continent, est généralement comprise entre I et 10 % en poids, de préférence entre 2 et 5 % en poids par rapport à la charge claire contenue dans le mélange de caoutchouc. Les élastomères mis en oeuvre avec les compositions d'absorp- tison de l'invention peuvent autre naturels ou synthétiques2 tels que le styrène-butadiène ou le polychloroprène ; les articles en caout- chouc peuvent autre compacts ou du type microcellulaire. Du fait qu' elles se présentent sous la forme de solides pulvérulents à bonnes propriétés d'écoulement, les compositions de l'invention sont d'une utilisation très commode. Les compositions contenant de ltéUhylène- glycol conviennent particulièrement bien à la fabrication de mélanges à vulcaniser dans des mélangeurs ouverts.Les compositions contenant un polyéthylèneglycol de masse moléculaire moyenne inférieure à 600 et, plus particulièrement ceux de masse moléculaire moyenne comprise entre 300 et 600, conviennent bien à la fabrication de mélanges à vulcaniser dans des mélangeurs internes, bien que la masse molécu laire de ces polyéthylèneglycols soit relativement faible. Le cas échéant, on peut également introduire dans les compositions de l'invention d'autres constituants liquides pour caoutchouc, notamment des plastifiants, des accélérateurs, des agents de protec tion@anti-oxygène ou anti-U.V.. Exemples l à 3 et exemple comparatif Ci On prépare une composition selon l'invention par mélange à 40 C - de 40 parties en poids d'une silice pulvérulente obtenue par neutra- lisation de silicate de soude, dont la surface spécifique BET est d' environ 200 m2/g ("Ze-O-Sil 45" de Rhône-Poulenc Industries/Sifrance) - de 60 parties en poids de polyéthylèneglycol de masse moléculaire 600 (EEG 600 : exemple 1), 400 (FEG 400 : exemple 2) et 300 (G 300: exemple 3). On remplace dans l'exemple comparatif C1 cette composition par du polyéthylèneglycol de masse moléculaire 4000. On prépare d'abord des mélanges à base de caoutchouc styrènebutadiène dans un mélangeur interne Banbury d'un litre de capacité et dont la chambre de mélange est préchauffée à 60 C. La vitesse de ro- tation de l'agitateur est de 75 tours/mn. Les constituants de ces mélanges, ainsi que leurs proportions respectives, figurent dans le tableau I. Ces constituants sont introduits dans le mélangeur dans l'ordre suivant : - Temps O : caoutchouc styrène-butadiène - Au bout de 1 mn : 30 g de silice fine acide stéarique composition de silice ou polyéthylèneglycol de masse moléculaire 4000. - Au bout de 9 mn : reste de la silice fine plastifiant oxyde de zinc actif accélérateurs et anti-oxygène. - Au bout de 4mn30 : décharges des mélanges à 130 - 140 OC. Au mélange résultant, on incorpore ensuite le soufre dans un mélange geur ouvert. Les mélanges obtenus après traitement dans le mélangeur ouvert sont soumis à des mesures rhéologiques dans un rhéomètre Monsanto MPB à 150 C, à 10 cycles/mn et sous 3 d'oscillation. Le résultat des mesures figure dans le tableau Il.' le temps de grillage ou "scorch" représente la durée nécessaire pour obtenir un début de vulcanisation, ce qui se traduit par une augmentation du couple ; il est exprimé par la "précocité (+ 2 pts)" qui correspond à la durée nécessaire pour atteindre le couple minimum Cm, majoré de 2 unités. La durée T 90 représente la durée nécessaire pour que le mélange atteigne une viscosité égale à : Cm + 0,9 (CM - Cm), Cm étant le couple minimum mesuré sur le mélange vers le début de 11 opération et CM étant le couple maximum susceptible d'entre mesuré sur le mélange en fin d'opération. La durée T 90 est couramment considérée comme étant une durée optimum de vulcanisation, du fait que les caoutchoucs résultant présentent généralement le compromis de propriétés le plus satisfaisant. On constate, à l'examen des résultats des mesures rhéologiques figurant dans le tableau II, que les compositions contenant du PEG 600 ou du PEG 400 donnent des résultats proches de ceux obtenus avec le PEG 000. La composition contenant du EEG 300 produit un effet retardateur plus important que les autres compositions ou que le PEG 4000, ce qui se traduit par des valeurs plus grandes de la Préco- cité (+ 2 pts) et du T 90. On prépare différentes éprouvettes à partir des mélanges précédents vulcanisés à T 90 (sauf pour les mesures de la DRC et de l'abras ion pour lesquelles la durée de la vulcanisation est portée à T 90 + 2 mn). Sur ces éprouvettes, qu'on laisse reposer préalablement pendant une semaine, on mesure : - La dureté Shore A (norme ASiM 676-58 T) - La résistance à la rupture (norme NF T 4602) - L'allongement à la rupture (norme NF T 4602) - Les modules à 100 % d'allongement ( mesurés au cours de l'essai de ( traction (mesure de l'allongeet à 300 % d'allongement ( ment à la rupture) - Le déchirement angulaire sans amorce (norme ASTM D 624-54 C) - Le déchirement d'une éprouvette pantalon (norme NF T 47 128) - La D.R.C. ou "compression set" qui est la diminution rémanente d'épaisseur d'une éprouvette soumise à un écrasement de 25 % entre deux plateaux, pendant 2 h à 25 OC, puis 22 h à 70 OC, Elle est exprimée en % du taux d'écrasement, ô'est-à-dire 0,25 (norme NF T 46 011) - La résistance à l'abrasion mesurée à l'abrasimètre Zwick 6101 (norme DIN 53 516) Certaines de ces mesures sont répétées après vieillissement des éprouvettes dans une étuve ventilée pendant 24 h à 70 C. L'ensemble de ces résultats figure dans le tableau II. On constate que les caoutchoucs obtenus à partir des compositions de l'invention possèdent des propriétés très voisines de celles du caoutchouc préparé à partir de PEG 4000. Exemple 4 et exemple comparatif 22 On opère dans les mêmes conditions générales que dans les exemples précédents. On prépare d'abord des mélanges à base de caoutchouc styrène-butadiène dans un mélangeur interne Banbury d'un litre de capacité et dont la chambre de mélange est préchauffée à 60 OC. La vitesse de rotation de l'agitateur est de 75 tours/mn. Les constituants de ces mélanges, ainsi que leurs proportions respectives, figurent dans le tableau iii. Ces constituants sont introduits dans le mélangeur dans ltordre suivant : - Temps O : caoutchouc styrène-butadiène - Au bout de 15 s : anti-oxygène - Au bout de I mn : 25 g de silice fine oxyde de zinc actif composition de silice ou polyéthylèneglycol de masse moléculaire 4000 - Au bout de2 mn 30 : : reste de la silice fine acide stéarique - Au bout de 3 mn : accélérateurs - Au bout de 4 mn 30 : décharges des mélanges à 110 C. Aux mélanges résultant, on incorpore ensuite le soufrè dans un mélange geur ouvert. Sur ces mélanges, ainsi que sur des éprouvettes préparées comme indiqué dans les exemples précédents, on effectue les me- sures mentionnées ci-dessus. Le résultat de ces mesures figure dans le tableau IV. On constate, à l'examen des résultats, que la composition contenant du PEG 400 possède des propriétés aussi bonnes et mSme légèrement supérieures à celles obtenues avec le PEG 4000. TABLEAU I Exemples 1 2 3 C1 (parties en poids) Caoutchouc styrène-butadiène (SBR 1509)1 100 100 100 100 Silice fine ("Ze-O-Sil 45")2 47,5 47,5 47,5 50 EEG 4000 - - - 2,5 Composition silice 1 (FEG 600) 5 - - Composition silice 2 (PEG 400) - 5 - Composition silice 3 (PEG 300) - - 5 Plastifiant (Progiline 151)3 10 10 10 10 Oxyde de zine actif 3 3 3 3 Acide stéarique 1,5 1,5 1,5 1,5 Accélérateur (Vulcafor MTBS)4 1,5 1,5 1,5 1,5 Accélérateur (Vulcafor DOT 6)4 1,5 1,5 1,5 1,5 Anti-oxygène (Permanax OD)4 1,5 1,5 1,5 1,5 Soufre 2,3 2,3 2,3 2,3 1 Shell Chimie 2 Rhône-Poulenc / Sifrance 3 Rhône-Poulenc Chimie Fine 4 Vulnax TABLEAU II Exemples 1 2 3 C1 Caractéristiques rhéologiques des mélanges à 150 C Couple minimum (Cm) 7 6 6 8 Couple maximum (CM) 84 82 79 86 CM- Cm 77 76 73 78 Précocite (+ 2 pts) 3 mn 30 4 mn 15 5 mn 45 3 mn 30 T 90 8 mn 8 mn 30 9 mn 45 8 mn Propriétés mécaniques des échantillons vulcanisés Dureté Shore A 63 64 64 64 Module à 100 % d'allongement 14 13 14 14 (dN/cm2) Module à 300 % d'allongement (dN/cm2) @@ @@ @@ @@ Résistance à la rupture (dN/cm2) 124 124 116 125 Allongement à la rupture (%) 640 650 650 630 Déchirement annulaire (dN/cm ) 31 33 32 31 Déchirement pantalon (dN/cm ) 13 16 13 14 D R C (%) 49 58 57 50 Résistance à l'ahrasion 198 194 194 198 Propriétés mécaniques des échantillons vulcanisés et vieillis Dureté Shore A 69 70 68 69 Module à 100 % d'allongement 17 20 18 18 (dN/cm2) Module à 300 % d'allongement 35 41 38 38 (dN/cm2) @@ @@ @@ @@ Résistance à la rupture (dN/cm2) 100 97 98 90 Allongement à la rupture (%) 550 540 550 540 TABLEAU III Exemples 4 (parties en poids) Caoutchouc styrène-butadiène (SBR 1509)1 100 100 Silice fine ("Ze-O-Sil 45")2 48 50 PEG 4000 - 3 Composition de silice et de PEG 400 de l'exemple 2 5 Oxyde de zinc actif 3 3 Acide stéarique 1,5 1,5 Accélérateur (Vulcafor MTBS)4 0,75 0,75 Accélérateur (Vulcafor DOT 6)4 1,5 1,5 Anti-oxygène (Permanax OD)4 2 2 Soufre 2,3 2,3 1 Shell Chimie 2 Rhône-Poulenc / Sifrance 4 Vulnax TABLEAU IV Exemples 4 C2 Caractéristiques rhéologiques des mélanges à : 150 C 160 C 150 C 160 C Couple minimum (Cm) 12 13 12 12 Couple maximum (CM) CM - Cm 71 74 65 70 Précocité (+ 2 pts) 5 mn 3 mn 30 5 mn 3 mn 45 T 90 13 mn 15 9 mn 13 mn 9 mn 45 Propriétés mécaniques des échantillons vulcanisés Dureté Shore A 71 70 Module à 100 % d'allongement 19,5 20 (dN/cm2) 15,5 20 Module à 300 % d'allongement (dN/cm2) 39 42 Résistance à la rupture 178 174 (dN/cm2) Allongement à la rupture 6Io 600 (%) Déchirement angulaire (dN/cm ) @@,2 @@,@ Déchirement pantalon (dN/cm ) 22 20,@ D R C (%) 36 36,7 REVENDICATIONS V Compositions d'absorption solides, pulvérulentes et s'écoulant facilement, caractérisées en ce quelles contiennent a) 2,5 à 180 parties en poids, de préférence 25 à 150 parties en poids, d'éthylèneglycol ou d'un polyéthylèneglycol de masse moléculaire moyenne inférieure ou égale à 600 et b) 100 parties en poids d'une silice pulvérulente dont la surface spécifique BET est d'au moins 10 m2/g. 2/ Compositions revendiquées en V contenant un polyéthylèneglycol de masse moléculaire moyenne comprise entre 300 et 600. 3/ Compositions revendiquées en 2, contenant une silice pulvérulente dont la surface spécifique BET est comprise entre 20 et 500 m2/g et, de préférence, entre 50 et 300 m2/g. 4/ Application des compositions décrites dans l'une quelconque des revendications précédentes à la fabrication d'articles en caoutchouc contenant des charges claires, lesdites compositions étant introduites dans le mélange à vulcaniser en quantité telle que l'éthylènegly col ou le polyéthylèneglycol qu'elles contiennent représente entre 1 et 10 % en poids de la charge claire. 5/ Application revendiquée en 4/ selon laquelle lesdites compositions sont introduites dans le mélange à vulcaniser en quantité telle que l'éthylèneglycol ou le polyéthylèneglycol qu'elles contiennent représente entre 2 et 5 % en poids de la charge claire.