СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЛОГЕНИРОВАННОГО БУТИЛЬНОГО ЭЛАСТОМЕРА С НАПОЛНИТЕЛЕМ
METHOD OF PRODUCING HALOGENATED BUTYL ELASTOMER WITH FILLER

Настоящее изобретение относится к области эластомеров, в частности к способу получения эластомерного продукта, в частности галогенированного бутильного эластомера с наполнителем.
Известен способ получения галогенированного бутильного эластомера с наполнителем путем смешения по крайней мере одного галогенированного бутильного эластомера, по крайней мере одного минерального наполнителя, например кремнезема, и силанов, выступающих в роли распределяющего и связующего агента между галогенированным бутильным эластомером и наполнителем (заявка на патент Канады №2293149, опубликована 24 июня 2001 г.).
Для получения галогенированных эластомерных продуктов известный процесс может также включать стадию вулканизации образующейся смеси, например в присутствии серы.
Недостаток известного процесса состоит в том, что силаны приводят к выделению спирта в процессе переработки, а потенциально и во время использования произведенного таким способом изделия. Это обстоятельство сказывается отрицательным образом на переработке композиции. В дополнение к этому силаны значительно повышают стоимость получаемого таким способом изделия.
Целью изобретения является создание способа получения галогенированного бутильного эластомера с наполнителем, обеспечивающего снижение стоимости получаемого в результате производства изделия и одновременное улучшение механических свойств производимого изделия, например прочности на разрыв и устойчивости к абразивному износу.
Поставленная цель достигается за счет соответствующего изобретению способа, включающего смешение по крайней мере одного галогенированного бутильного эластомера и по крайней мере одного минерального наполнителя, причем названный наполнитель обрабатывают по крайней мере одним органическим соединением, содержащим не менее чем одну содержащую азот основную группу и не менее чем одну гидроксильную группу, и в отдельных случаях по крайней мере одним силазановым соединением перед смешиванием названного (предварительно обработанного) наполнителя с названным галогенированным бутильным эластомером.
Соответствующий изобретению способ может также включать стадию смешения галогенированного бутильного эластомера со стабилизатором в предпочтительном количестве от 0,5 до 5 частей массы на 100 частей массы галогенированного бутильного эластомера. В число подходящих стабилизаторов входят стеарат кальция и стерически затрудненные фенолы.
Галогенированный бутильный эластомер, который смешивают с предварительно обработанным минеральным наполнителем (то есть с названным наполнителем, который был обработан по крайней мере одним органическим соединением, содержащим не менее чем одну содержащую азот основную группу и не менее чем одну гидроксильную группу, с возможным добавлением по крайней мере одного силазанового соединения), может быть представлен смесью с другим эластомером или со смесью эластомеров. Галогенированный бутильный эластомер должен составлять более 5% любой такой смеси. Предпочтительно, когда галогенированный бутильный эластомер составляет по крайней мере 10% любой такой смеси. Более предпочтительно, когда галогенированный бутильный эластомер составляет по крайней мере 50% любой такой смеси. Чаще всего предпочтение отдается использованию галогенированного бутильного эластомера в качестве единственного эластомера, а не содержащей его смеси. Если все же должны быть использованы смеси, то другой эластомер может быть представлен, например, натуральным каучуком, полибутадиеном, стирол-бутадиеном или полихлоропреном или же смесью эластомеров, содержащей один или несколько таких эластомеров.
Предложенный способ может включать дополнительную стадию вулканизации галогенированного бутильного эластомера с наполнителем с целью получения продукта, который имеет улучшенные характеристики, например в отношении устойчивости к абразивному износу, сопротивления качению и растяжения. Вулканизация может проводиться с помощью серы. Предпочтительное количество серы лежит в пределах от 0,3 до 2,0 частей массы на сто частей массы каучука. Может быть также использован активатор, например оксид цинка, в количестве от 0,5 частей до 2 частей массы. До вулканизации к эластомеру могут быть добавлены и другие ингредиенты, например стеариновая кислота, антиоксиданты или ускорители. После этого вулканизацию серой проводят известным способом. Это представлено, например, во второй главе "The Compounding and Vulkanization of Rubber" в "Rubber Technology", 3-е издание, опубликовано Чапмен и Холл, 1995.
Для вулканизации галогенированных бутильных эластомеров могут быть также использованы другие вулканизирующие средства. Известно большое число соединений для вулканизации галогенированных бутильных эластомеров, например это бис-диенофилы (например, м-фенил-бис-малеинимид, HVA2), фенольные смолы, амины, аминокислоты, пероксиды, оксид цинка и другие вещества. Возможно также использование композиций из названных выше вулканизирующих средств.
Соответствующий изобретению галогенированный бутильный эластомер с минеральным наполнителем может быть смешан с другими эластомерами или с эластомерными компаундами до того, как его подвергнут вулканизации с серой. Это станет предметом следующего далее обсуждения.
Используемое здесь понятие “галогенированный бутильный эластомер (галогенированные бутильные эластомеры)” относится к хлорированному или к бромированному бутильному эластомеру. Предпочтение отдается бромированным бутильным эластомерам, и настоящее изобретение иллюстрируется примерами, в которых используются такие бромированные бутильные эластомеры. Однако следует понимать, что изобретение распространяется и на использование хлорированных бутильных эластомеров.
Итак, галогенированные бутильные эластомеры, подходящие для использования при реализации настоящего изобретения, включают бромированные бутильные эластомеры, но не ограничиваются ими. Бромированные бутильные эластомеры могут быть получены в результате бромирования бутильного каучука (который представляет собой сополимер изоолефина, обычно это изобутилен, и сомономера, представленного обычно диолефином с сопряженными связями и с числом атомов углерода от четырех до шести, предпочтительно, когда это изопрен (бромированные изобутилен-изопреновые сополимеры - BIIR)). Тем не менее возможно также использование сомономеров, отличных от диолефинов с сопряженными двойными связями, и здесь следует упомянуть такие алкилзамещенные винилароматические сомономеры, как алкилзамещенный стирол (стиролы) с числом атомов углерода в алкильной группе от одного до четырех. Примером такого эластомера, который можно приобрести коммерческим путем, является бромированный изобутилен-метилстирольный сополимер, в котором сомономер представлен n-метилстиролом (BIMS).
В типичном случае бромированные бутильные эластомеры включают от 0,1 до 10 процентов массы повторяющихся структурных единиц на основе диолефина (предпочтительно изопрена) и в пределах от 90 до 99,9 процентов массы повторяющихся структурных единиц на основе изоолефина (предпочтительно изобутилена) (из расчета на содержащиеся в полимере углеводороды), а также в пределах от 0,1 до 9 процентов массы брома (из расчета на бромированный бутильный полимер). В типичном случае бромированный бутильный полимер имеет молекулярную массу, выражающуюся в единицах вязкости по Муни в соответствии с DIN 53523 (ML 1+8 при 125°С) в пределах от 25 до 60.
Предпочтительно, когда используемый в настоящем изобретении бромированный бутильный эластомер содержит в пределах от 0,5 до 5 процентов массы повторяющихся структурных единиц на основе изопрена (из расчета на содержащиеся в полимере углеводороды) и в пределах от 95 до 99,5 процентов массы повторяющихся структурных единиц на основе изобутилена (из расчета на содержащиеся в полимере углеводороды) и от 0,2 до 3 процентов массы, предпочтительно от 0,75 до 2,3 процентов массы, брома (из расчета на бромированный бутильный полимер).
Примеры подходящих бромированных бутильных эластомеров включают Bayer Bromobutyl 2030, Bayer Bromobutyl 2040 (BB 2040) и Bayer Bromobutyl X2, которые можно приобрести коммерческим путем от компании Байер. Продукт компании Байер BB 2040 имеет вязкость по Муни (ML 1+8 при 125°С), равную 39±4, содержание брома 2,0±0,3 мас.% и молекулярную массу около 500000 грамм на моль.
n
Используемый в соответствующем настоящему изобретению способе бромированный бутильный эластомер может также быть представлен привитым сополимером бромированного бурильного каучука с полимером на основе сопряженного диолефинового мономера, который может также включать некоторое количество С-S-(S)-С-связей, где п представляет собой целое число от 1 до 7. Бромированный бутильный эластомер в привитом сополимере может быть представлен любым из описанных выше эластомеров. Сопряженные диолефины, которые могут входить в состав привитого сополимера, в общем случае соответствуют структурной формуле
1
11
где R означает атом водорода или алкильную группу с числом атомов углерода от одного до восьми и где R и R могут быть одинаковыми или разными, а выбирают их из группы, состоящей из атомов водорода и алкильных групп с числом атомов углерода от одного до четырех. В число некоторых типичных, но не ограничивающих объем притязаний, примеров подходящих диолефинов с сопряженными двойными связями входят 1,3-бутадиен, изопрен, 2-метил-1,3-пентадиен, 4-бутил-1,3-пентадиен, 2,3-диметил-1,3-пентадиен, 1,3-гексадиен, 1,3-октадиен, 2,3-дибутил-1,3-пентадиен, 2-этил-1,3-пентадиен, 2-этил-1,3-бутадиен и подобные им. Предпочтение отдается сопряженным диолефиновым мономерам, содержащим от четырех до восьми атомов углерода, особенно предпочтительны 1,3-бутадиен и изопрен.
Полимер на основе сопряженного диенового мономера может быть гомополимером или сополимером двух или более сопряженных диеновых мономеров, а также сополимером с винильным ароматическим мономером.
Винильные ароматические мономеры, которые могут быть использованы, выбирают с учетом возможности их сополимеризации с используемыми сопряженными диолефиновыми мономерами. В общем случае может быть использован любой винильный ароматический мономер, если известно, что он полимеризуется при инициировании органическими производными щелочных металлов. Такие винильные ароматические мономеры содержат обычно в пределах от восьми до двадцати атомов углерода, предпочтительно от восьми до четырнадцати атомов углерода. Некоторые примеры винильных ароматических мономеров, которые могут быть использованы для сополимеризации, включают стирол, альфа-метилстирол, различные алкилстиролы, в числе которых n-метилстирол, n-метоксистирол, 1-винилнафталин, 2-винилнафталин, 4-винилтолуол и подобные им. При сополимеризации с одним 1,3-бутадиеном или при терполимеризации с 1,3-бутадиеном и изопреном предпочтение отдается стиролу.
Галогенированный бутильный эластомер может быть использован в качестве единственного эластомера или в композиции с такими эластомерами, как
BR - полибутадиен,
ABR - сополимеры бутадиена и алкилакрилатов с числом атомов углерода в алкильной группе от одного до четырех,
CR - полихлоропрен,
IR - полиизопрен,
SBR - стирол-бутадиеновые сополимеры с содержанием стирола от 1 до 60, предпочтительно от 20 до 50 мас.%,
IIR - изобутилен-изопреновые сополимеры,
NBR - бутадиен-акрилонитрильные сополимеры с содержанием акрилонитрила от 5 до 60, предпочтительно от 10 до 40 мас.%,
HNBR - частично гидрированные или полностью гидрированные бутадиен-акрилонитрильные сополимеры,
EPDM - этилен-пропилен-диеновые сополимеры.
Наполнитель состоит из частиц минерального вещества, например кремнезема, силикатов, глины (такой, как бентонит), гипса, глинозема, диоксида титана, талька и подобных им, а также из их смесей.
В качестве других примеров служат:
2
- высокодисперсные кремнеземы, полученные, например, при осаждении из растворов силикатов или при гидролизе в процессе сжигания паров галогенидов кремния с водородом, имеющие удельную поверхность в пределах от 5 до 1000, предпочтительно от 20 до 400 м/г (удельные БЭТ-поверхности) и размер первичных частиц от 10 до 400 нм; кремнеземы могут быть также представлены смешанными оксидами с другими оксидами металлов таких, как оксиды алюминия, магния, кальция, бария, цинка, циркония и титана;
- синтетические силикаты, например силикат алюминия и силикаты щелочноземельных металлов;
2
- силикат магния или силикат кальция с удельной БЭТ-поверхностью в пределах от 20 до 400 м/г и с размером первичных частиц от 10 до 400 нм;
- природные силикаты такие, как каолин и другие встречающиеся в природе кремнеземы;
- стеклянные волокна и продукты на основе стекловолокна (матированные изделия, экструдаты) или стеклянные микросферы;
- оксиды металлов, например оксид цинка, оксид кальция, оксид магния и оксид алюминия;
- карбонаты металлов, например карбонат магния, карбонат кальция и карбонат цинка;
- гидроксиды металлов, например гидроксид алюминия и гидроксид магния;
- или их смеси.
Эти частицы минеральных веществ имеют на поверхности гидроксильные группы, которые делают их гидрофильными и олеофобными. Это обостряет сложность проблемы достижения хорошего взаимодействия между частицами наполнителя и бутильным эластомером. Во многих случаях предпочтительным минералом является кремнезем, в частности кремнезем, получаемый из силиката натрия при осаждении диоксидом углерода.
Сухие аморфные частицы кремнезема, подходящие для использования в соответствии с изобретением, имеют основной размер агломерированных частиц в пределах от 1 до 100 микрон, предпочтительно от 10 до 50 микрон и наиболее предпочтительно от 10 до 25 микрон. Предпочтительно, когда менее 10 объемных процентов агломерированных частиц имеют размер менее 5 микрон или более 50 микрон. Кроме того, подходящий аморфный высушенный кремнезем имеет БЭТ-поверхность, измеренную в соответствии с DIN (Deutsche Industrie Norm - Промышленный стандарт Германии) 66131, в пределах от 50 до 450 квадратных метров на грамм и абсорбцию дибутилфталата, измеренную в соответствии с DIN 53601, в пределах от 150 до 400 грамм на 100 грамм кремнезема, а также потерю массы при сушке, измеренную в соответствии с Международным стандартом, включенным в стандарт Германии (DIN ISO) 787/11, в пределах от 0 до 10 процентов массы. Подходящие наполнители из кремнезема доступны под торговыми марками HiSil 210, HiSil 233 и HiSil 243 от компании PPG Industries Inc. Могут также использоваться Vulkasil S и Vulkasil N от компании Bayer AG.
2
Такие минеральные наполнители могут быть использованы в композиции с известными неминеральными наполнителями, например с такими, как сажа, причем используемые в этом случае сажи получают как ламповую сажу, печную сажу или газовую сажу, они имеют удельную БЭТ-поверхность в пределах от 20 до 200 м/г, например это сажи марок SAF, ISAF, НАF, FEF или GPF;
или
- каучуковые гели, в частности гели на основе полибутадиена, бутадиен-стирольных сополимеров, бутадиен-акрилонитрильных сополимеров и полихлоропрена.
В соответствующих изобретению галогенированных бутильных эластомерных композициях неминеральные наполнители обычно в качестве наполнителя не используются, но в некоторых вариантах реализации они могут присутствовать в количестве до 40 частей на 100 частей каучука. Предпочтительно, когда минеральный наполнитель составляет не менее 55% массы от общего количества наполнителя. Если соответствующая изобретению эластомерная композиция на основе галогенированного бутильного эластомера смешивается с другой эластомерной композицией, то тогда другая композиция может содержать минеральные и/или неминеральные наполнители.
Силазановое соединение может иметь одну или несколько силазановых групп, например это могут быть дисилазаны. Предпочтение отдается органическим силазановым соединениям. В качестве примеров можно привести, не ограничивая этим объем притязаний, гексаметилдисилазан, гептаметилдисилазан, 1,1,3,3-тетраметилдисилазан, 1,3-бис(хлорметил)тетраметилдисилазан, 1,3-дивинил-1,1,3,3-тетраметилдисилазан и 1,3-дифенилтетраметилдисилазан.
2
Органическое соединение, содержащее не менее чем одну содержащую азот основную группу и по крайней мере одну гидроксильную группу, не ограничивается каким-либо особым классом соединений. Примерами здесь служат белки, аспарагиновая кислота, 6-аминокапроновая кислота и другие соединения, включающие аминные и спиртовые функциональные группы, например диэтаноламин и триэтаноламин. В предпочтительном случае органическое соединение, содержащее не менее чем одну содержащую азот основную группу и не менее чем одну гидроксильную группу, имеет первичную спиртовую группу и аминогруппу, разделенные метиленовыми мостиками, которые могут быть разветвленными. Такие соединения имеют общую формулу HO-A-NH, где А представляет собой алкиленовую группу с числом атомов углерода от одного до двадцати, которая может быть как линейной, так и разветвленной.
Более предпочтительно, когда число метиленовых групп между двумя функциональными группами будет лежать в пределах от 1 до 4. Примерами предпочтительных добавок являются моноэтаноламин и N,N-диметиламиноспирт.
Количество предварительно обработанного наполнителя, вводимого в состав галогенированного бутильного эластомера, может изменяться в широких пределах. В типичном случае количества названного наполнителя лежат в пределах от 20 частей до 250 частей массы, предпочтительно от 30 частей до 100 частей, более предпочтительно от 40 до 80 частей на сто частей эластомера. В тех случаях, когда присутствует силазановое соединение, количество силазанового соединения, включенного в названный наполнитель, обычно лежит в пределах от 0,3 до 10 частей на 100 частей эластомера, предпочтительно от 0,5 до 6, более предпочтительно от 1 до 5 частей на сто частей эластомера. Количество содержащего гидроксильную и аминную группу соединения, включенного в названный наполнитель, в типичном случае лежит в пределах от 0,5 до 10 частей на сто частей эластомера, предпочтительно от 1 до 3 частей на сто частей эластомера.
Минеральный наполнитель обрабатывают не менее чем одним органическим соединением, содержащим по крайней мере одну содержащую азот основную группу и по крайней мере одну гидроксильную группу, а также в отдельных случаях не менее чем одним силазановым соединением и после этого смешивают образовавшийся обработанный наполнитель с эластомером (с эластомерами). Взаимодействие наполнителя с названным органическим соединением (органическими соединениями), содержащими не менее чем одну содержащую азот основную группу и по крайней мере одну гидроксильную группу, а также в отдельных случаях с названным силазановым соединением (соединениями) (реакция дериватизации наполнителя) осуществляют путем суспендирования минерального наполнителя (например, такого кремнезема, как HiSil 233) в органических растворителях (например, в гексане) при интенсивном перемешивании. Как только образуется стабильная суспензия, прибавляют соответствующие количества названного органического соединения (названных органических соединений), содержащих по крайней мере одну содержащую азот основную группу и по крайней мере одну гидроксильную группу, и в отдельных случаях силазановое соединение (силазановые соединения) и/или другие добавки. После завершения реакции (предпочтительно через 8 часов) предварительно обработанный наполнитель отделяют от органической фазы и сушат (сушка может быть проведена в вакууме до постоянного веса).
Кроме того, в конечной смеси, включающей предварительно обработанный наполнитель и эластомер (эластомеры), может присутствовать облегчающее процесс переработки масло в количестве до 40 частей, предпочтительно от 5 до 20 частей, на сто частей эластомера. Кроме того, может присутствовать смазывающее вещество, например такая жирная кислота, как стеариновая кислота, в количестве до трех частей массы, более предпочтительно в количестве до двух частей массы.
Желательно смешивать вместе галогенированный бутильный эластомер (эластомеры), предварительно обработанный наполнитель (наполнители) и, если это необходимо, другой наполнитель (наполнители) при температуре в пределах от 25 до 200°С. Предпочтительно, чтобы температура на одной из стадий смешения превышала 60°С, но особенно предпочтительна температура в пределах от 90 до 150°С. В обычном случае время смешения не превышает одного часа, но обычно достаточно времени от двух до тридцати минут. Смешение удобно проводить в двухвальцовом мельничном смесителе, который обеспечивает хорошее диспергирование наполнителя в эластомере. Смешение может также проводиться в смесителе Банбери или в миниатюрном внутреннем смесителе Хааке или Брабендера. Хорошее смешение обеспечивает также экструдер, его дополнительным преимуществом является то, что он позволяет сократить время смешения. Не исключена также возможность проведения смешения в две стадии или в большее количество стадий. Кроме того, смешение может проводиться в различных аппаратах, например, одна стадия может быть проведена во внутреннем смесителе, а вторая - в экструдере.
Интенсификация взаимодействия между наполнителем и галогенированным бутильным эластомером приводит к улучшению свойств эластомера с наполнителем. В число этих улучшенных свойств входят повышенная прочность при растяжении, более высокая устойчивость к абразивному износу, пониженная проницаемость и улучшенные динамические характеристики. Это делает наполненные эластомеры особенно пригодными для многих областей практического применения, включая использование их для протекторов и боковин покрышек, вкладышей шин, обкладок емкостей, шлангов, катков, конвейерных лент, резиновых камер, масок противогазов, контейнеров для фармации и прокладок, но их применение не ограничивается этим перечнем.
В предпочтительном варианте реализации изобретения бромированный бутильный эластомер, предварительно обработанные частицы кремнезема и, если это необходимо, облегчающий переработку масляный разбавитель перемешивают в двухвальцовой мельнице при номинальной температуре в мельнице 25°С. Полученный в результате смешения компаунд после этого помещают в двухвальцовую мельницу и перемешивают при температуре выше 60°С. Предпочтительно, когда температура смешения не очень высока, наиболее предпочтительно, когда она не превышает 150°С, поскольку более высокие температуры могут привести к более глубокой вулканизации, что будет препятствовать последующей переработке. Продукт, получаемый при смешении этих ингредиентов при температуре, не превышающей 150°С, представляет собой компаунд, который имеет хорошие свойства в отношении зависимости деформации от нагрузки и который может быть легко переработан далее на горячей мельнице с добавлением агентов вулканизации.
Полученные соответствующим изобретению способом композиции из галогенированного бутильного каучука с наполнителем, в частности композиции на основе бромированного бутильного каучука с наполнителем, находят много областей применения, но в первую очередь заслуживает упоминания использование их в композициях для получения протекторов покрышек.
Далее изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Примеры
Описание экспериментов
Устойчивость к абразивному износу: DIN 53-516 (наждачная бумага №60).
Исследование динамических свойств
Результаты измерений RPA получены на аппаратуре Alpha Technologies RPA 2000 при 100°С при частоте 6 циклов в минуту. Крутильные деформации измерены при деформациях 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2, 5, 10, 20, 50 и 90°. Образцы для испытаний на зависимости деформации от нагрузки получают вулканизацией макролиста при 170°С за 90+5 минут, после чего соответствующий образец окрашивают. Испытания проводят при 70°С.
Реометрия вулканизации.
ASTMD 52-89 реометр MDR2000E при дуге 1° и 1,7 Гц.
Описание ингредиентов и обшей операции по приготовлению смеси
HiSil 233 - кремнезем - производства PPG.
Sunpar 2280 - вазелиновое масло производства Sun Oil.
Maglite D - оксид магния производства СР Hall.
Бромированный бутильный эластомер (во всех случаях коммерческий Bayer Bromobutyl 2030), кремнезем, масло и предварительно обработанный наполнитель смешивают
i) во внутреннем тангенциальном смесителе Банбери, работающем при скорости 77 об/мин, с использованием для термической регулировки набора Мокон при 40°С. Полное время перемешивания компаундов составляет 6 минут. Конечная температура каучука лежит в пределах от 140°С до 180°С;
ii) в мельнице с двумя вальцами 10''×20'', вращающимися со скоростью 24 и 32 оборота в минуту. Температуру в мельнице устанавливают равной 25°С, время полной гомогенизации составляет 10 минут. Смешанные компаунды после этого подвергают “термической обработке” в течение еще 10 минут при температуре вальцов 110°С. Конечная температура каучука равна 125°С. После этого к охлажденному образцу добавляют вулканизирующие добавки при температуре в мельнице 25°С.
Примеры 1а и 1б (пример сравнения)
Следующие далее примеры иллюстрируют использование функционализированного гексаметилдисилазаном кремнезема в бромированном бутильном компаунде (1а) по сравнению с нефункционализированным кременземом в бромированном бутильном компаунде (1б). Функционализированный кремнезем получают суспендированием HiSil 233 в гексане при интенсивном перемешивании. Как только образуется стабильная суспензия, с помощью приспособленного для этого шприца вводят соответствующее количество гексаметилдисилазана. Реакцию функционализации проводят при перемешивании в течение восьми часов. По истечении этого времени отделяют кремнезем от органической фазы и сушат при 60°С до постоянного веса. Бромированные бутильные компаунды (1а) и (1б), последовательно изготовленные с функционализированным (1а) и нефункционализированным (1б) кремнеземом, смешивают, используя мельницу 10''×20''. Операция по компаундированию включает смешивание бромированного бутильного продукта (ВВ2030) с кремнеземом в мельнице 10''×20'' при комнатной температуре. После образования гомогенной смеси кремнезема и ВВ2030 компаунды подвергают термической обработке в мельнице при температуре 110°С. При комнатной температуре с использованием мельницы 10''×20'' последовательно прибавляют вулканизирующие агенты (серу, стеариновую кислоту и оксид цинка). Подробности, связанные с подготовкой кремнезема и последующим компаундированием бромированного бутильного состава, приведены в таблице 1.
Физические свойства образующихся компаундов представлены в таблице 2. Из этих данных следует, что использование функционализированного гексаметилдисилазаном кремнезема (1а) значительно снижает в таком компаунде абразивную потерю объема, определенную по методике Промышленного стандарта Германии, по сравнению с контрольным компаундом (1б), который готовился аналогичным способом, но с использованием немодифицированного HiSil 233. Интересно, что компаунд, приготовленный с функционализированным гексаметилдисилазаном кремнеземом, как оказалось, характеризуется более продолжительным временем t03 (показатель склонности к подвулканизации по Муни; чем больше время t03, тем выше термическая стабильность), чем было определено для контрольного компаунда.
Для компаунда, полученного с функционализированным гексаметилдисилазаном кремнеземом, RPA анализ (фиг.1) показывает значительное улучшение распределения наполнителя, что следует из более низких значений G* при небольших деформациях, по сравнению с контрольным компаундом, приготовленным на основе немодифицированного HiSil 233. Зависимость деформации от нагрузки (фиг.2) показывает небольшое различие между этим компаундом и контрольным образцом.
Примеры 2а (в соответствии с изобретением) и 2б (пример сравнения)
Приведенные примеры иллюстрируют использование в бромированном бутильном компаунде кремнезема, функционализированного диметиламиноэтанолом, (2а) в сравнении с использованием в бромированном бутильном компаунде нефункционализированного кремнезема (2б). Функционализированный кремнезем был получен суспендированием HiSil 233 в гексане при интенсивном перемешивании. Как только образуется стабильная суспензия, с помощью приспособленного для этого шприца вводят соответствующее количество диметиламиноэтанола. Реакцию функционализации проводят при перемешивании в течение восьми часов. По истечении этого времени отделяют кремнезем от органической фазы и сушат при 60°С до постоянного веса. Бромированные бутильные компаунды, последовательно изготовленные с функционализированным (2а) и нефункционализированным (2б) кремнеземом, смешивают, используя мельницу 10''×20''. Операция по компаундированию включает смешивание бромированного бутильного продукта (ВВ2030) с кремнеземом в мельнице 10''×20'' при комнатной температуре. После образования гомогенной смеси кремнезема и ВВ2030 компаунды подвергают термической обработке в мельнице при температуре 110°С. При комнатной температуре с использованием мельницы 10''×20'' последовательно прибавляют вулканизирующие агенты (серу, стеариновую кислоту и оксид цинка). Подробности, связанные с подготовкой кремнезема и последующим компаундированием бромированных бутильных составов, приведены в таблице 3.
Физические свойства образующихся компаундов представлены в таблице 4. Из этих данных следует, что использование функционализированного диметиламиноэтанолом кремнезема значительно снижает в таком компаунде абразивную потерю объема, определенную по методике Промышленного стандарта Германии, по сравнению с контрольным компаундом, который готовился аналогичным способом, но с использованием немодифицированного HiSil 233, и по сравнению с компаундом 1а. Важно, что компаунд, приготовленный с функционализированным диметиламиноэтанолом кремнеземом, как оказалось характеризуется временем t03, которое лишь немного ниже, чем определено для контрольного компаунда. Правда, это время значительно более продолжительно, чем наблюдаемое для компаундов, в которых диметиламиноэтанол прибавляют к смеси ВВ 2030 и HiSil 233 при обычных способах смешивания (это представлено в заявке на патент Канады №2339080, также находящейся в стадии рассмотрения).
Для компаунда, полученного с функционализированным диметиламиноэтанолом кремнеземом, RPA анализ (фиг.3) показывает значительное улучшение распределения наполнителя, что следует из более низких значений G* при небольших деформациях, по сравнению с контрольным компаундом, основанным на немодифицированном HiSil 233. Зависимость деформации от нагрузки (фиг.4) показывает значительное улучшение степени упрочнения по сравнению с тем, что наблюдается для контрольного компаунда.
Примеры 3а (в соответствии с изобретением) и 3б (пример сравнения)
Приведенные примеры иллюстрируют использование в бромированном бутильном компаунде кремнезема, функционализированного гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом (в количествах, соответствующих 1,45 частей гексаметилдисилазана на сто частей каучука и 2,8 частей диметиламиноэтанола на сто частей каучука, как это найдено в полученном компаунде) (3а), в сравнении с использованием в бромированном бутильном компаунде нефункционализированного кремнезема (3б). Функционализированный кремнезем был получен суспендированием HiSil 233 в гексане при интенсивном перемешивании. Как только образуется стабильная суспензия, с помощью приспособленного для этого шприца, вводят соответствующие количества гексаметилдисилазана и диметиламиноэтанола. Реакцию функционализации проводят при перемешивании в течение восьми часов. По истечении этого времени отделяют кремнезем от органической фазы и сушат при 60°С до постоянного веса. Бромированные бутильные компаунды, последовательно изготовленные с функционализированным (3а) и нефункционализированным (3б) кремнеземом, смешивают, используя мельницу 10''×20''. Операции по компаундированию включают смешивание бромированного бутильного продукта (ВВ2030) с кремнеземом в мельнице 10''×20'' при комнатной температуре. После образования гомогенной смеси кремнезема и ВВ2030 компаунды подвергают термической обработке в мельнице при температуре 110°С. При комнатной температуре с использованием мельницы 10''×20'' последовательно прибавляют вулканизирующие агенты (серу, стеариновую кислоту и оксид цинка). Подробности, связанные с подготовкой кремнезема и последующим компаундированием бромированных бутильных составов, приведены в таблице 5.
Физические свойства образующихся компаундов представлены в таблице 6. Из этих данных следует, что использование функционализированного гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом кремнезема значительно снижает в таком компаунде абразивную потерю объема, определенную по методике Промышленного стандарта Германии, по сравнению с контрольным компаундом, который готовился аналогичным способом, но с использованием немодифицированного HiSil 233, и по сравнению с компаундами 1а и 2а. Важно, что компаунд, приготовленный с функционализированным гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом кремнеземом, как оказалось, характеризуется более продолжительным временем t03 по сравнению с тем, что определено для контрольного компаунда. Как и в предыдущем примере, это время t03 значительно превосходит по продолжительности время, которое определено для компаундов, в которых гексаметилдисилазан и диметиламиноэтанол прибавляют к смеси ВВ 2030 и HiSil 233 при обычных способах смешивания (это представлено в заявке на патент Канады №2339080, также находящейся в стадии рассмотрения).
Для компаунда, полученного с функционализированным гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом кремнеземом, RPA анализ (фиг.5) показывает значительное улучшение распределения наполнителя, что следует из более низких значений G* при небольших деформациях, по сравнению с контрольным компаундом, основанным на немодифицированном HiSil 233. Важно, что с кремнеземом, который был модифицирован и гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом, улучшается степень распределения наполнителя (по сравнению с примером 1 и примером 2). Зависимость деформации от нагрузки (фиг.6) показывает значительное улучшение степени упрочнения по сравнению с тем, что наблюдается для контрольного компаунда.
Примеры 4а (в соответствии с изобретением) и 4б (пример сравнения)
Приведенные примеры иллюстрируют использование в бромированном бутильном компаунде кремнезема, функционализированного гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом (в количествах, соответствующих 1,45 частей гексаметилдисилазана на сто частей каучука и 3,0 частей диметиламиноэтанола на сто частей каучука, как это найдено в полученном компаунде) (4а), в сравнении с использованием в бромированном бутильном компаунде нефункционализированного кремнезема (4б). Функционализированный кремнезем был получен суспендированием HiSil 233 в гексане при интенсивном перемешивании. Как только образуется стабильная суспензия, с помощью приспособленного для этого шприца вводят соответствующие количества гексаметилдисилазана и диметиламиноэтанола. Реакцию функционализации проводят при перемешивании в течение восьми часов. По истечении этого времени отделяют кремнезем от органической фазы и сушат при 60°С до постоянного веса. Бромированные бутильные компаунды, последовательно изготовленные с функционализированным кремнеземом (4а) и нефункционализированным кремнеземом (4б), смешивают, используя мельницу 10''×20''. Операция по компаундированию включает смешивание бромированного бутильного продукта (ВВ2030) с кремнеземом в мельнице 10''×20'' при комнатной температуре. После образования гомогенной смеси кремнезема и ВВ2030 компаунды подвергают термической обработке в мельнице при температуре 110°С. При комнатной температуре с использованием мельницы 10''×20'' последовательно прибавляют вулканизирующие агенты (серу, стеариновую кислоту и оксид цинка). Подробности, связанные с подготовкой кремнезема и последующим компаундированием бромированных бутильных составов, приведены в таблице 7.
Физические свойства образующихся компаундов представлены в таблице 8. Из этих данных следует, что использование функционализированного гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом кремнезема значительно снижает в таком компаунде абразивную потерю объема, определенную по методике Промышленного стандарта Германии, по сравнению с контрольным компаундом, который готовился аналогичным способом, но с использованием немодифицированного HiSil 233, и по сравнению с компаундами 1а и 2а. Важно, что компаунд, приготовленный с функционализированным гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом кремнеземом, как оказалось, характеризуется более продолжительным временем t03 по сравнению с тем, что определено для контрольного компаунда. Как и в предыдущем примере, это время t03 значительно превосходит по продолжительности время, которое определено для компаундов, в которых гексаметилдисилазан и диметиламиноэтанол прибавляют к смеси ВВ 2030 и HiSil 233 при обычных способах смешивания (это представлено в заявке на патент Канады №2339080, также находящейся в стадии рассмотрения).
Для компаунда, полученного с функционализированным гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом кремнеземом, RPA анализ (фиг.7) показывает значительное улучшение распределения наполнителя, что следует из более низких значений G* при небольших деформациях, по сравнению с контрольным компаундом, основанным на немодифицированном HiSil 233. Важно, что с кремнеземом, который был модифицирован и гексаметилдисилазаном и диметиламиноэтанолом, улучшается степень распределения наполнителя (по сравнению с примером 1 и примером 2). Зависимость деформации от нагрузки (фиг.8) показывает значительное улучшение степени упрочнения по сравнению с тем, что наблюдается для контрольного компаунда.
Следующее далее подробное описание примеров предназначено для иллюстрации преимуществ использования предварительно функционализированного кремнезема в бромированных бутильных компаундах. Как оказалось, компаунды, полученные с функционализированным гексаметилдисилазаном кремнеземом, демонстрируют улучшение уровня распределения наполнителя, повышенную устойчивость к абразивному износу (по нормам Промышленного стандарта Германии) и уменьшение опасности подвулканизации. Тем не менее, самые хорошие результаты получены с кремнеземом, функционализированным или диметиламиноэтанолом или же гексаметилдисилазаном с диметиламиноэтанолом. Особо следует отметить, что наилучший баланс свойств получен с кремнеземом, модифицированным или диметиламиноэтанолом или же гексаметилдисилазаном с диметиламиноэтанолом.
Таблица 1
Подготовка кремнезема
Модификатор кремнезема
2,9 гексаметилдисилазана
Отсутствует
Пример
1а
1б
HiSil 233 (г)
446,53
446,53
Гексан (мл)
3000
3000
Диметиламиноэтанол (мл)
0
0
Гексаметилдисилазан (мл)
28,21
0
Бромобутильный компаунд
Частей на 100 частей каучука
Частей на 100 частей каучука
ВВ 2030
100
100
Кремнезем
60
60
Сера
0,5
0,5
Стеариновая кислота
1
1
Оксид цинка
1,5
1,5
Таблица 3
Подготовка кремнезема
Модификатор кремнезема
3,2 диметиламиноэтанола
Отсутствует
Пример
2а
2б
HiSil 233 (г)
447,11
447,11
Гексан (мл)
3000
3000
Диметиламиноэтанол (мл)
26,88
0
Гексаметилдисилазан (мл)
0
0
Бромобутильный компаунд
Частей на 100 частей каучука
Частей на 100 частей каучука
ВВ 2030
100
100
Кремнезем
60
60
Сера
0,5
0,5
Стеариновая кислота
1
1
Оксид цинка
1,5
1,5
Таблица 5
Подготовка кремнезема
Модификатор кремнезема
1,45 гексаметилдисилазана и 2,8 диметиламиноэтанола
Отсутствует
Пример
3а
3б
HiSil 233 (г)
442,54
442,54
Гексан (мл)
3000
3000
Диметиламиноэтанол (мл)
23,28
0
Гексаметилдисилазан (мл)
14,08
0
Бромобутильный компаунд
Частей на 100 частей каучука
Частей на 100 частей каучука
ВВ 2030
100
100
Кремнезем
60
60
Сера
0,5
0,5
Стеариновая кислота
1
1
Оксид цинка
1,5
1,5
Таблица 7
Подготовка кремнезема
Модификатор кремнезема
1,45 гексаметилдисилазана и 3,0 диметиламиноэтанола
Отсутствует
Пример
4а
4б
HiSil 233 (г)
441,84
441,84
Гексан (мл)
3000
3000
Диметиламиноэтанол (мл)
24,91
0
Гексаметилдисилазан (мл)
14,05
0
Бромобутильный компаунд
Частей на 100 частей каучука
Частей на 100 частей каучука
ВВ 2030
100
100
Кремнезем
60
60
Сера
0,5
0,5
Стеариновая кислота
1
1
Оксид цинка
1,5
1,5
Таблица 2
Зависимость деформации от нагрузки (Dumbells)
Пример
1б
1a
Модификатор кремнезема
Отсутствует
2,9 гексаметилдисилазана
Продолжительность вулканизации (минут)
43
24
Температура вулканизации (°С)
170
170
Dumbell
Die С
Die C
Температура опыта (°С)
23
23
Твердость по Шору А2 (единиц)
67
63
Предельное усилие растяжения (МПа)
7,56
16,14
Предельное растяжение (%)
715
530
Нагрузка при 25 (МПа)
1,43
1,11
Нагрузка при 50 (МПа)
1,36
1,26
Нагрузка при 100 (МПа)
1,35
1,61
Нагрузка при 200 (МПа)
1,75
3,15
Нагрузка при 300 (МПа)
2,57
6,45
Абразивный износ по нормам Промышленного стандарта Германии
Абразивная потеря объема (мм<sup>3</sup>)
418
225
Термическое испытание компаунда по Муни
Температура опыта (°С)
135
135
t Значение t03 (минут)
15,31
>30
t Значение tl8 (минут)
>30
>30
Продолжение таблицы 2
MDR Характеристики вулканизации
Частота (Гц)
1,7
1,7
Температура опыта (°С)
170
170
Градусы дуги (°)
1
1
Продолжительность опыта (минут)
60
60
Крутильное усилие (дН·м)
100
100
Диаграмма №
654
2077
МН (дН·м)
26,14
23,41
ML (дН·м)
13,8
5,49
Разность MH-ML (дН·м)
12,34
17,92
ts 1 (минут)
0,3
0,9
ts 2 (минут)
0,36
1,62
t' 10 (минут)
0,27
1,42
t' 25 (минут)
0,47
3,37
t' 50 (минут)
4,14
6,52
t' 90 (минут)
37,47
19,4
t' 95(минут)
48,01
24,33
Разность t' 50 - t' 10 (минут)
3,87
5,1
Таблица 4
Зависимость деформации от нагрузки (Dumbells)
Пример
2б
2а
Модификатор кремнезема
Отсутствует
3,2 диметиламиноэтанола
Продолжительность вулканизации (минут)
43
24
Температура вулканизации (°С)
170
170
Dumbell
Die С
Die C
Температура опыта (°С)
23
23
Твердость по Шору А2 (единиц)
67
53
Предельное усилие растяжения (МПа)
7,56
19,9
Предельное растяжение (%)
715
440
Нагрузка при 25 (МПа)
1,43
0,911
Нагрузка при 50 (МПа)
1,36
1,26
Нагрузка при 100 (МПа)
1,35
2,13
Нагрузка при 200 (МПа)
1,75
6,03
Нагрузка при 300 (МПа)
2,57
12,37
Абразивный износ по нормам Промышленного стандарта Германии
Абразивная потеря объема (мм<sup>3</sup>)
418
152
Термическое испытание компаунда по Муни
Температура опыта (°С)
135
135
t Значение t03 (минут)
15,31
12,83
t Значение tl8 (минут)
>30
20,28
Продолжение таблицы 4
MDR Характеристики вулканизации
Частота (Гц)
1,7
1,7
Температура опыта (°С)
170
170
Градусы дуги (°)
1
1
Продолжительность опыта (минут)
60
60
Крутильное усилие (дН·м)
100
100
Диаграмма №
654
2082
МН (дН·м)
26,14
22,89
ML (дН·м)
13,8
6,54
Разность MH-ML (дН·м)
12,34
16,35
ts 1 (минут)
0,3
1,32
ts 2 (минут)
0,36
2,28
t' 10 (минут)
0,27
1,92
t' 25 (минут)
0,47
3,74
t' 50 (минут)
4,14
7,17
t' 90 (минут)
37,47
19,07
t' 95(минут)
48,01
22,96
Разность t' 50 - t' 10 (минут)
3,87
5,25
Таблица 6
Зависимость деформации от нагрузки (Dumbells)
Пример
3б
3а
Модификатор кремнезема
Отсутствует
1,45 гексаметилдисилазана и 2,8 дииметиламиноэтанола
Продолжительность вулканизации (минут)
43
28
Температура вулканизации (°С)
170
170
Dumbell
Die С
Die С
Температура опыта (°С)
23
23
Твердость по Шору А2 (единиц)
67
49
Предельное усилие растяжения (МПа)
7,56
20,83
Предельное растяжение (%)
715
553
Нагрузка при 25 (МПа)
1,43
0,765
Нагрузка при 50 (МПа)
1,36
1,02
Нагрузка при 100 (МПа)
1,35
1,61
Нагрузка при 200 (МПа)
1,75
4,29
Нагрузка при 300 (МПа)
2,57
9,45
Абразивный износ по нормам Промышленного стандарта Германии
Абразивная потеря объема (мм<sup>3</sup>)
418
208
Термическое испытание компаунда по Муни
Температура опыта (°С)
135
135
t Значение t03 (минут)
15,31
>30
t Значение tl8 (минут)
>30
>30
Продолжение таблицы 6
MDR Характеристики вулканизации
Частота (Гц)
1,7
1,7
Температура опыта (°С)
170
170
Градусы дуги (°)
1
1
Продолжительность опыта. (минут)
60
60
Крутильное усилие (дН·м)
100
100
Диаграмма №
654
2083
МН (дН·м)
26,14
18,55
ML (дН·м)
13,8
4,75
Разность MH-ML (дН·м)
12,34
13,8
ts 1 (минут)
0,3
1,62
ts 2 (минут)
0,36
3,42
t' 10 (минут)
0,27
2,28
t' 25 (минут)
0,47
5,19
t' 50 (минут)
4,14
9,55
t' 90 (минут)
37,47
23,04
t' 95(минут)
48,01
27,77
Разность t' 50 - t' 10 (минут)
3,87
7,27
Таблица 8
Зависимость деформации от нагрузки (Dumbells)
Пример
4б
4а
Модификатор кремнезема
Отсутствует
1,45 гексаметилдисилазана и 3,0 диметиламиноэтанола
Продолжительность вулканизации (минут)
43
28
Температура вулканизации (°С)
170
170
Dumbell
Die С
Die С
Температура опыта (°С)
23
23
Твердость по Шору А2 (единиц)
67
49
Предельное усилие растяжения (МПа)
7,56
21,18
Предельное растяжение (%)
715
542
Нагрузка при 25 (МПа)
1,43
0,783
Нагрузка при 50 (МПа)
1,36
1,05
Нагрузка при 100 (МПа)
1,35
1,69
Нагрузка при 200 (МПа)
1,75
4,75
Нагрузка при 300 (МПа)
2,57
10,32
Абразивный износ по нормам Промышленного стандарта Германии
Абразивная потеря объема (мм<sup>3</sup>)
418
160
Термическое испытание компаунда по Муни
Температура опыта (°С)
135
135
t Значение t03 (минут)
15,31
26,48
t Значение t18 (минут)
>30
>30
Продолжение таблицы 8
MDR Характеристики вулканизации
Частота (Гц)
1,7
1,7
Температура опыта (°С)
170
170
Градусы дуги (°)
1
1
Продолжительность опыта (минут)
60
60
Крутильное усилие (дН·м)
100
100
Диаграмма №
654
2084
МН (дН·м)
26,14
18,96
ML (дН·м)
13,8
4,87
Разность MH-ML (дН·м)
12,34
14,09
ts 1 (минут)
0,3
1,68
ts 2 (минут)
0,36
3,36
t' 10 (минут)
0,27
2,4
t' 25 (минут)
0,47
5,11
t' 50 (минут)
4,14
9,34
t' 90 (минут)
37,47
22,54
t' 95 (минут)
48,01
26,97
Разность t' 50 - t' 10 (минут)
3,87
6,94