СМЕШИВАНИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ КАУЧУКОВЫХ СОСТАВОВ
MIXING RUBBER COMPOSITION FILLER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к способу смешивания наполнителей для каучуковых составов. Конкретнее, согласно настоящему изобретению предложен способ комбинирования двух или более наполнителей (например, технического углерода) для получения смеси, имеющей желаемые присущие ей свойства для создания каучукового состава.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Во многих каучуковых составах применяют наполнители, имеющие определенные присущие им свойства, для изменения эксплуатационных характеристик полимеров или эластомеров, такого как увеличение их модуля, улучшение износостойкости, изменение электропроводности, и других желаемых модификаций. Коммерчески доступные армирующие наполнители для каучуковых составов могут включать технический углерод, диоксид кремния, алюмосиликат, оксид титана, цеолит, глины и другие компоненты. Указанные наполнители должны иметь определенные присущие им свойства, такие как, например, площадь поверхности, пористость, поверхностную активность и структуру, которые важны для создания каучуковых составов, имеющих желаемые вязкоэластические свойства для применения, например, в шинах.
[0003] Из доступных наполнителей технический углерод является наиболее широко применяемым наполнителем в резиновых изделиях. Технический углерод получают путем частичного сжигания или термического разложения органических веществ. По существу представляя собой элементный углерод, технический углерод имеет множество областей применения, включая чернила, краски, пластмассы и прочее. Основным применением технического углерода является применение в комбинации с эластомерами для производства шин. В таком случае технический углерод служит наполнителем, который благоприятно изменяет механические и проводящие свойства каучука, с получением составов, более подходящих для применения в шинах, при этом также обеспечивая сырье, традиционно менее дорогое, чем каучук. Для целей настоящего описания «технический углерод», «армирующий технический углерод», «наполнитель» и «армирующий наполнитель» применяют взаимозаменяемо, понимая, что указанные названия относятся к наполнителям в виде частиц, которые будут обеспечивать присущие свойства, направленные на каучуковый состав.
[0004] Армирующая способность наполнителя в каучуковом составе сильно зависит от присущих свойств применяемого мелкодисперсного наполнителя. Например, наполнители из технического углерода могут различаться по размеру частиц, распределению частиц по размерам, поверхностной активности, площади поверхности, структуре, величине рН и другим свойствам, которые определяют физико-химические свойства технического углерода. ASTM D 1765-01 предусматривает Стандартную классификацию технического углерода, применяемой в резиновых продуктах, и согласно указанной системе классификации доступно большое число различных видов технического углерода. Кроме того, все еще исследуют и разрабатывают новые наполнители, такие как, например, новые виды технического углерода с уникальными присущими свойствами, чтобы удовлетворять возрастающим и меняющимся потребностям армированных резиновых изделий. Следовательно, широкий диапазон получаемых характеристик резины доступен и ожидается от различных составов каучука, которые можно создать при применении одного из различных наполнителей для армирования эластомеров.
[0005] В случае наполнителей из технического углерода, по причине плотности технического углерода и больших количеств, применяемых при производстве в промышленности резиновых шин, технический углерод обычно хранят в насыпном виде, и требуются обширные системы транспортировки и загрузки для перевозки и переработки. В результате, поскольку может быть желательно иметь в наличии широкий выбор различных видов технического углерода, чтобы можно было обеспечить многочисленные каучуковые составы с заданными характеристиками, хранение обширных запасов нежелательно по причине стоимости материала и расходов, связанных с требованиями к хранению и обращению с такими большими количествами. Напротив, при обеспечении лишь одного наполнителя из технического углерода обеспечивалась бы экономия по сравнению с более обширными запасами, но узкий диапазон возможных характеристик, получаемый в результате ограничения составов каучуков, был бы неприемлем для крупномасштабного производителя шин.
[0006] Следовательно, существует потребность в решении, позволяющем создавать многочисленные каучуковые составы, необходимые для различных эксплуатационных характеристик каучуков, с использованием лишь ограниченного числа наполнителей, включая, например, наполнители из технического углерода. Конкретнее, существует потребность в решении, которое предусматривает создание широкого диапазона каучуковых составов (т.е. смесей каучука и наполнителей) без необходимости создания запасов большого числа наполнителей или разработки новых наполнителей с уникальными свойствами для каждого их многочисленных составов. Способ, в котором можно смешивать несколько наполнителей для создания одной смеси, имеющей присущие свойства, желательные для конкретного каучукового состава, и, следовательно, эксплуатационных характеристик каучука, был бы очень полезен. Такой способ позволил бы производителю отказаться от создания и/или хранения уникальных наполнителей для каждого ожидаемого каучукового состава. Эти и другие преимущества настоящего изобретения будут понятны из приведенного ниже описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Аспекты и преимущества настоящего изобретения будут частично изложены в следующем описании, или могут быть очевидны из описания, или могут быть изучены в процессе практической реализации изобретения.
i
ij
j
i
ij
i
j
ij
j
i
ij
j
i
ij
[0008] Согласно настоящему изобретению предложен способ смешивания двух или нескольких наполнителей (включая наполнители, которые могут содержать технический углерод) для получения одного наполнителя, имеющего желаемые присущие свойства для создания конкретного каучукового состава. Например, в одном из типичных аспектов настоящего изобретения предложен способ комбинирования наполнителей для создания смеси для применения в каучуковом составе. Указанный способ может включать выбор n присущих свойств смеси; обеспечение ряда n математических уравнений, описывающих связи между величиной наполнения L для каучукового состава, величинами n присущих свойств X, желательных для смеси, соответствующими величинами присущих свойств x каждого из n наполнителей, и величиной наполнения L для каждого из n наполнителей; определение значений для всех кроме n величин в группе, включающей L, X, x, и n, получая в результате n неизвестных величин из группы, включающей L, X, L, x, и n; решение n математических уравнений для n неизвестных величин; и создание смеси из n наполнителей с использованием значений, полученных на стадиях определения и решения. Различные комбинации неизвестных можно решить с использованием указанного типичного аспекта настоящего изобретения. Например, неизвестные величины могут включать n величин наполнения L для наполнителей, n величин присущих свойств X, выбранных для смеси, n величин присущих свойств x- для одного из наполнителей, и n любых сочетаний чисел из величины наполнения L, величин наполнения L, величин присущих свойств X, или величин присущих свойств x.
i
i
i
ij
j
j
[0009] В качестве дополнительного примера, согласно настоящему изобретению предложен способ создания смеси наполнителей для применения в каучуковом составе. Указанный типичный способ может включать стадии выбора целевой величины наполнения L, желаемой для каучукового состава; решения, касающегося n целевых присущих свойств, выбранных для смеси, где n представляет собой целое число больше единицы; выбора величины целевого присущего свойства X для каждого из n целевых присущих свойств; подбора n наполнителей, подходящих для применения для создания смеси; обеспечения, для каждого из n целевых присущих свойств, математической связи f между величиной целевого наполнения L, величиной целевого присущего свойства X, соответствующей величиной присущего свойства x и наполнением L для каждого из n наполнителей со стадии подбора; и вычисления наполнения L для каждого из n наполнителей со стадии подбора.
i
i
j
ij
i
[0010] При необходимости, одно из n целевых присущих свойств X, выбранных для смеси, может представлять собой структуру наполнителя в смеси, площадь поверхности наполнителя в смеси, или оба указанных свойства. Математическая связь f для каждого из n целевых присущих свойств может представлять собой уравнение первого порядка, содержащее индивидуальные наполнения L и величины присущих свойств x для каждого из n наполнителей со стадии подбора. Указанные n математических связей f могут быть линейно независимы друг от друга или зависимы друг от друга. Альтернативно, математические связи могут быть не линейными, а полиномиальными, степенными, экспоненциальными или другими.
j
[0011] Указанный типичный способ может дополнительно включать стадию смешивания n наполнителей со стадии подбора в соответствии с наполнением L, обеспеченным на стадии вычисления, для создания наполнителя. Кроме того, указанный способ может дополнительно включать стадию производства шины с использованием наполнителя, полученного на стадии смешивания.
i
j
i
i
ij
j
ij
ij
ij
[0012] В другом типичном аспекте настоящего изобретения предложен способ создания смеси наполнителей для применения в каучуковом составе, который включает стадии выбора целевой величины наполнения L для каучукового состава; принятия решения, касающегося n целевых присущих свойств, желательных для смеси, где n представляет собой целое число больше единицы; выбора величины целевого присущего свойства X для каждого из n целевых присущих свойств; подбора величины наполнения L для каждого из n наполнителей, которые будут применять для создания смеси; обеспечения для каждого из n целевых присущих свойств математической связи f, между целевой величиной наполнения L, величиной целевого присущего свойства X, соответствующей величиной присущего свойств x, и наполнением L для каждого из n наполнителей со стадии подбора; вычисление соответствующих величин присущих свойств x для неопределенного наполнителя из указанной стадии выбора; и определения индивидуальности неопределенного наполнителя из указанной стадии выбора путем нахождения соответствия величин присущих свойств x из указанной стадии выбора и наполнителя, имеющего по существу такие же величины присущих свойств x, как величины, обеспеченные на стадии вычисления.
[0013] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны со ссылкой на следующее описание и приложенную формулу изобретения. Прилагаемые рисунки, включенные в виде составной части в настоящее описание, иллюстрируют варианты реализации настоящего изобретения и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Полное и достаточное раскрытие настоящего изобретения, включая наилучший способ реализации настоящего изобретения, ориентированное на среднего специалиста в данной области техники, изложенное в настоящем описании, ссылается на прилагаемые фигуры, на которых:
[0015] На ФИГ.1 представлен график зависимости структуры от площади поверхности для линейно зависимых уравнений, как дополнительно описано ниже.
[0016] На ФИГ.2 представлен график зависимости структуры от площади поверхности для линейно независимых уравнений, как дополнительно описано ниже.
[0017] На ФИГ.3 представлен график зависимости CDBP от СТАВ, как дополнительно описано ниже.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Согласно настоящему изобретению предложен способ создания смеси двух или нескольких наполнителей (включая наполнители из технического углерода), имеющей присущие свойства, желательные для конкретного каучукового состава - т.е., полученная смесь имитирует единственный наполнитель, имеющий присущие свойства, необходимые для создания заданных характеристик каучука. В качестве примера, настоящее изобретение можно применять для комбинирования наполнителей, имеющих различные присущие свойства, для создания новой смеси, имеющие присущие свойства, необходимые для определенного каучукового состава. Следовательно, преимущества настоящего изобретения состоят, например, в обеспечении возможности производителю шин хранить меньшее количество наполнителей, при сохранении возможности обеспечивать ряд смесей (созданных из имеющихся на складе наполнителей), имеющих присущие свойства, необходимые для разнообразных каучуковых составов.
[0019] С целью описания настоящего изобретения будет сделана ссылка на подробные варианты реализации настоящего изобретения, один или несколько примеров, которые проиллюстрированы на чертежах. Каждый пример приведен с целью объяснения изобретения, а не с целью ограничения изобретения. Действительно, специалисту в данной области техники ясно, что можно осуществить различные модификации и варианты нестоящего изобретения, не отклоняясь от объема или сущности настоящего изобретения. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как часть одного из вариантов реализации, можно применять с другим вариантом реализации для получения еще одного варианта реализации. Так, предполагают, что настоящее изобретение охватывает указанные модификации и варианты, если они входят в объем присоединенной формулы изобретения или ее эквивалентов.
[0020] Для применения в настоящем описании следующие термины определены как указано:
[0021] «Частей на сто частей каучука» или «на 100 м.ч.к» обозначает количество ингредиента в массовых частях на 100 массовых частей эластомера в каучуковом составе. Например, 50 на 100 м.ч.к. технического углерода означает 50 фунтов технического углерода на 100 фунтов каучука.
[0022] «Смесь» в настоящем описании обозначает комбинацию различных наполнителей, которую будут применять для создания каучукового состава. В качестве таковой, указанная смесь будет имитировать единственный наполнитель, имеющий присущие свойства, желательные для такого каучукового состава.
[0023] L в настоящем описании относится к количеству наполнителя (такого, например, как технический углерод) в каучуковом составе. L может быть выражена в на 100 м.ч.к., но можно также применять другие единицы и основания для обозначения состава наполнителя. L будет относиться к величине наполнения каучукового состава, как если бы применяли единственный наполнитель для обеспечения желаемых присущих свойств.
j
j
[0024] L в настоящем описании относится к индивидуальным наполнениям наполнителей, выбранных для создания смеси, которую будут применять для имитации единственного наполнителя - как будет дополнительно описано ниже. Как будет обсуждаться ниже, настоящее изобретение не требует, чтобы сумма L равнялась L.
[0025] «Присущее свойство» относится к любому из различных физических и/или химических свойств наполнителя или смеси таких наполнителей. Хотя «структура» и «площадь поверхности» представляют собой типичные присущие свойства, представляющие наибольший интерес для наполнителей из технического углерода в каучуковых составах, настоящее изобретение не ограничено указанными свойствами и включает другие присущие свойства, как например, распределение по размерам частиц, поверхностную активность, величину рН и другие, которые определяют физические и/или химические свойства технического углерода.
i
i
[0026] X обозначает величину присущего свойства, необходимую для конкретного каучукового состава. Как дополнительно описано ниже, X может также стать целевой величиной присущего свойства, необходимого для смеси наполнителей. Индекс i идентифицирует, на какую конкретную величину присущего свойства указывают.
ij
[0027] x обозначает величину соответствующего присущего свойства для наполнителя j, а индекс j идентифицирует, какой наполнитель из общего числа n наполнителей имеет указанную величину присущего свойства.
[0028] «Структура» представляет собой присущее свойство технического углерода, определяемое в ASTM D3053 как количество нерегулярности и отклонения от сферической формы сажевого агрегата.
[0029] «CDBP (величина абсорбции дибутилфталата раздробленного технического углерода)» представляет собой испытание на абсорбцию масла, в котором применяют методики, описанные в ASTM D2414 для определения структуры технического углерода.
[0030] «Площадь поверхности» представляет собой присущее свойство технического углерода, указывающее на размер частиц технического углерода. Площадь поверхности можно измерить при помощи ASTM D3765, что также называют в настоящем описании испытанием на «СТАВ (бромид цетилтриметиламмония)».
[0031] «Каучук» относится к натуральному каучуку и/или любым эластомерам, подходящим для применения в любых вязко-эластических применениях, таких как изготовление шин. «Каучук» может также относится к каучуковому составу, содержащему эластомеры и другие ингредиенты, применяемые в составе.
i
[0032] Для создания каучукового состава для комбинирования с каучуком обычно выбирают количество на 100 м.ч.к. наполнителя, имеющего каждое из определенного числа желательных присущих свойств. Иначе говоря, для комбинирования соединения с каучуком выбирают величину наполнения L наполнителя, имеющего n желательных величин присущих свойств X. Например, производитель может решить, что для конкретного каучукового состава необходимо 50 на 100 м.ч.к. единственного наполнителя (например, одного вида технического углерода), и определить некоторую величину CDBP для структуры, некоторую величину СТАВ для площади поверхности и некоторую величину для поверхностной активности, так что число определенных присущих свойств равняется трем, или n=3. Также можно рассматривать больше или меньше присущих свойств, при этом n представляет собой большее или меньшее целое число, и в настоящем изобретении можно применять для указанных n другие значения, с условием, что n представляет собой целое число больше единицы.
i
i
[0033] На своем складе производитель может иметь единственный наполнитель, удовлетворяющий указанным присущим свойствам. Если, однако, на складе отсутствует такой наполнитель, согласно настоящему изобретению предложен способ, в котором можно применять другие подходящие наполнители, имеющиеся на складе, для создания смеси, имеющей (или приемлемо приближенной) желательные присущие свойства - т.е. для имитации единственного наполнителя, имеющего желательные величины присущих свойств. В таком случае величина наполнения L недоступного единственного наполнителя превращается в целевую величину наполнения L смеси, которая будет создана из доступных наполнителей. Аналогично, определенные n величин присущих свойств X для недоступного наполнителя превращаются в n целевых величин присущих свойств X, желательных для смеси.
ij
i
ij
i
i
i
[0034] Для создания указанной смеси общее число n наполнителей подбирают из имеющихся на складе наполнителей. Конкретнее, общее число n наполнителей - для которых известны соответствующие величины присущих свойств x - подбирают из имеющихся на складе наполнителей для применения для создания смеси. Возвращаясь к примеру, приведенному выше, n=3, и величины присущих свойств X для структуры (S), площади поверхности (А) и активности поверхности (М), которые были выбраны для несуществующего наполнителя, превращаются в целевые присущие свойства S, А и М. Производитель подбирает три наполнителя со склада, для каждого из которых известны соответствующие величины присущих свойств x структуры (S), площади поверхности (a) и активности поверхности (m).
i
i
ij
j
i
i
i
[0035] Затем, для каждого из п присущих свойств, выбранных целевыми, обеспечивают математическую связь f между целевой величиной наполнения L для недоступного наполнителя, целевой величиной присущего свойства X для недоступного наполнителя, соответствующей величиной присущего свойства x, и наполнением L для каждого из n подобранных доступных наполнителей. Указанные математические связи или уравнения f можно обеспечить, например, путем теоретического моделирования физических и/или химических свойств, обработки кривых эмпирических данных, или любого приемлемого выражения физико-химической «зависимости» присущих свойств недоступного наполнителя и подобранных доступных наполнителей. Так, математические связи f могут быть линейными, полиномиальными, степенными, экспоненциальными или другими. Указанные n математических связей f можно представить следующим образом:
где:
i
ij
X и x представляют собой i-e присущие свойства целевой смеси и доступных индивидуальных наполнителей, соответственно.
1
2
n
21
22
2n
1
2
n
1
13
2
[0036] Математически, если эти n уравнений линейно независимы, n неизвестных в любом сочетании можно решить в аналитическом или числовом виде. Например, можно решить любое сочетание n неизвестных, таких как (L, L,…L), (x, x,…,x), (X, Х,…,X), (L, x, X, …).
j
ij
j
i
j
[0037] Возвращаясь к предыдущему примеру с n=3, где производитель определил желательное наполнение L и три присущих свойства S, А и М для недоступного единственного наполнителя (который будут имитировать при помощи смеси), с использованием уравнений, приведенных выше, можно теперь рассчитать индивидуальные наполнения L для каждого из трех подобранных наполнителей. Конкретнее, предполагая что соответствующие присущие свойства x и наполнения L для трех наполнителей связаны с целевой величиной присущего свойства X и целевой величиной наполнения L смеси посредством математических выражений первого порядка, можно обеспечить следующие уравнения:
где:
ij
i
i
соответствующие присущие свойства x наполнителя j представлены как а, для площади поверхности,  s для структуры и m для поверхностной энергии;
а целевые присущие свойства смеси (т.е. недоступного наполнителя) представлены как А для площади поверхности, S для структуры и М для поверхностной энергии.
j
1
2
3
[0038] На данном этапе известен каждый из параметров, за исключением индивидуальных наполнений L. С использованием матричных выражений уравнения легко можно решить для индивидуальных наполнений L, L и L:
Соответственно, если верно следующее
и
решения следующие:
j
[0039] Следует отметить, что действительные наполнения, получаемые при создании смеси из n наполнителей с использованием вычисленных L для каждого из n наполнителей, будут, вероятно, отличаться от целевой величины наполнения L смеси (т.е. недоступного наполнителя), как будет дополнительно объяснено ниже.
i
j
[0040] Аналогичному способу можно следовать для определения наполнителей, имеющих неизвестные присущие свойства, которые будут применять для создания смеси (т.е. недоступного наполнителя), исходя из заранее сделанного выбора индивидуальных наполнений для таких наполнителей. Конкретнее, предполагают, как и ранее, что величину L вновь выбирают в качестве целевой величины наполнения смеси (т.е. недоступного наполнителя), что принято решение, касающееся n целевых присущих свойств, и что для смеси выбраны n целевых величин присущих свойств X. Теперь, вместо выбора присущих свойств для n наполнителей со склада, как в примере выше, подбирают наполнение L для каждого из n наполнителей (индивидуальность которых в данный момент все еще неизвестна), которые будут применять при создании смеси.
j
i
ij
j
ij
ij
[0041] Как и ранее, обеспечивают математическую связь f между целевой величиной наполнения L, целевой величиной присущего свойства X, соответствующей величиной присущего свойства x и наполнением L для каждого из n подобранных наполнителей. Кроме того, также обеспечивают величины присущих свойств x для n-1 индивидуальных наполнителей, которые будут применять при создании смеси. Например, их можно выбрать из известных присущих свойств для n-1 наполнителей, доступных на складе. Результатом будут являться n уравнений с n неизвестными, а именно величинами x для одного пока неизвестного наполнителя.
ij
j
i
j
ij
[0042] Вновь предполагая, что соответствующие присущие свойства x и наполнения L известных и неизвестных наполнителей связаны с целевой величиной присущего свойства X и целевой величиной наполнения L смеси посредством математических выражений первого порядка, уравнения (2) выше можно решить способом, аналогичным ранее описанному, с тем чтобы можно было вычислить величины присущих свойств x для неизвестного наполнителя, как показано ниже: (7)
i
[0043] Когда величины присущих свойств для неизвестного наполнителя вычислены, можно определить индивидуальность наполнителя, имеющего по существу такие же величины присущих свойств x что и вычисленные величины. Например, производитель может искать на своем складе наполнитель, имеющий такие же или по существу сходные величины присущих свойств.
i
j
i
i
j
ij
ij
[0044] Следовательно, согласно настоящему изобретению предложен способ создания смеси, имеющей целевые величины присущих свойств, путем смешивания наполнителей, которые могут иметь различные величины присущих свойств. Как указано выше, для выбранного целевого наполнения L и известных целевых присущих свойств X производитель может выбирать наполнители со своего склада и находить решение для наполнения L каждого из наполнителей, которые будут обеспечивать желательные присущие свойства X смеси. Альтернативно, для известного целевого наполнения L и известных целевых присущих свойств X производитель может выбирать n-1 наполнителей со склада и определять n наполнений L для n-1 выбранных наполнителей и неизвестного наполнителя (где n будет представлять число присущих свойств, которые производитель желает определить для смеси). Затем производитель может рассчитать присущие свойства x для неизвестного наполнителя, который будут комбинировать с другими выбранными наполнителями для получения смеси. Затем производитель может подобрать или сравнить вычисленные величины x для неизвестного наполнителя с величинами присущих свойств наполнителей на складе, с тем чтобы определить наполнитель, который будут комбинировать с уже определенными наполнителями для применения для создания смеси.
i
i
ij
j
i
[0045] Еще в одном варианте изобретения, применяя приведенные в настоящем описании принципы, будет понятно, что производитель может менять величину целевого наполнения L и применять имеющиеся на складе наполнители для обеспечения присущих свойств X, смеси, если это необходимо. Например, производитель мог бы определить n величин присущих свойств X для смеси. Для создания смеси производитель затем выбрал бы n наполнителей, имеющихся на складе, с известными присущими свойствами x и определил бы их индивидуальные наполнения L. Полученные присущие свойства X, смеси будут затем меняться вместе с целевым наполнением L смеси. Вновь предполагая, что производитель желает обратить особое внимание на присущие свойства площади поверхности А, структуры S и поверхностной энергии М, приведенные выше уравнения
можно решить для обеспечения следующего:
[0046] Соответственно, применяя по меньшей мере три наполнителя, имеющиеся на складе, производитель может смешивать наполнители и менять наполнение L, получая желаемые присущие свойства. Кроме того, производитель может смешивать имеющиеся наполнители с эластомерами и другими ингредиентами для создания нового каучукового состава с новыми характеристиками, чтобы удовлетворить новые или возрастающие потребности.
[0047] Для обеспечения дополнительного описания настоящего изобретения будут представлены дополнительные примеры с использованием структуры S и площади поверхности А в качестве интересующих присущих свойств для конкретного каучукового состава. Эти два указанных присущих свойства будут выбраны для дальнейшего примера, поскольку в настоящее время полагают, что указанные свойства являются преобладающими факторами при определении отличительных свойств большинства каучуковых составов, таких как составы, применяемые при производстве шин. Больше переменных, представляющих другие присущие свойства наполнителя, обеспечили бы более точное представление смешивания, но сделали бы описание более сложным (как показано выше), и при этом могли бы быть ненужными.
j
j
j
j
j
[0048] Следовательно, поскольку неизвестными будут две переменных из структуры S, площади поверхности a или индивидуальных наполнений L двух наполнителей, для создания смеси будут применять два различных наполнителя. Если верно предположение, что не существует «взаимодействия» между указанными двумя наполнителями, или любое «взаимодействие» не будет влиять на эффективную площадь поверхности a и структуру S любого наполнителя, и таким образом на свойства каучука, то вновь можно обеспечить линейные уравнения или уравнения первого порядка. С указанным
допущением, математическими связями будут:
Указанные уравнения можно преобразовать как:
где:
как и ранее, A, S и L представляют собой площадь поверхности, структуру и наполнение для смеси, а
j
j
j
a, s и L представляют собой площадь поверхности, структуру и наполнение для двух видов технического углерода (n=2), которые будут применять для создания смеси.
Как описано ранее (и в зависимости от линейности двух указанных уравнений), решения для любых двух неизвестных можно получить путем решения указанных двух уравнений.
1
2
1
2
1
2
[0049] В качестве примера, предположим, что производитель хотел бы знать два ненулевых наполнения L и L для видов технического углерода «1» и «2», которые можно рассчитать на основании приведенных выше уравнений, если известны площади поверхности a и а и структуры s и s для видов технического углерода «1» и «2». Целевые величины присущих свойств L, S и А смеси также известны, поскольку они определены заранее для данного каучукового состава - т.е., они определены, как если бы был доступен единственный наполнитель для создания желаемого каучукового состава. В зависимости от линейности двух математических уравнений, при решении приведенных выше уравнений будет два случая.
1
2
1
2
1
2
[0050] В первом случае, если два уравнения линейно зависимы, будут существовать бесконечные решения для L и L - т.е. всегда будет существовать значение L для заданного значения L или наоборот - при условии, что оба L и L должны быть положительными. Это можно выразить следующим уравнением
[0051] В физическом смысле, как показано на ФИГ. 1, приведенные уравнения означают, что на графике зависимости структуры от площади поверхности, если любые два значения либо для смеси, либо для двух наполнителей, применяемых для создания смеси, лежат на прямой линии, проходящей через начало координат, то оставшееся значение должно лежать на той же прямой линии, чтобы вышеуказанное уравнение (11) было верным.
[0052] Во втором случае, если два приведенных выше уравнения линейно независимы, или
1
2
В таком случае, чтобы гарантировать положительные значения L и L, диапазоны
присущих свойств площади поверхности А и структуры S следующие:
1
1
2
2
1
1
2
2
1
2
i
i
i
i
j
i
i
1
2
[0053] На ФИГ. 2 показан график зависимости структуры S от площади поверхности А для случая, когда указанные свойства для наполнителей 1 и 2 линейно независимы. Отметим, что указанные два наполнителя не расположены на любой прямой линии, проходящей через начало координат. Конус, проецируемый из начала координат, указывает диапазон наполнителей, которые могут являться решениями линейных уравнений, приведенных в (9) или (10) выше. Конкретнее, неравенства, приведенные выше в (13) означают, что если прямая линия, соединяющая точку а s и а, s не проходит через начало координат, то наклон линии для смеси - т.е., решения структуры S и площади поверхности А, которые будут являться решениями уравнений в (9) или (10) выше - будут лежать между s/a и s/a или в области, входящей в область конуса. Кроме того, будет одно и только одно решение для заданной пары наполнений L, L. Отметим, что дробь s/a а не абсолютные значения s и/или a задает положительные значения L, в то время как абсолютные значения s; и/или a будут определять точные значения L и L,
1
2
1
2
[0054] Как указано ранее, следует отметить, что независимо от того, являются ли уравнения в (9) или (10) линейно зависимыми или независимыми, в большинстве случаев будет математически невозможно иметь комбинированные наполнения для видов технического углерода (L+L), равные целевому наполнению L. Такое решение не является необходимым, поскольку основной целью каучукового состава является обеспечение смеси, имеющей желаемые величины присущих свойств. Полагают, что предыдущие попытки смешивания технического углерода сообщали о несоответствиях между однокомпонентными и смешанными системами, поскольку, например, ограничение L+L=L было введено без необходимости.
[0055] Теперь будут представлены примеры для дополнительного описания настоящего изобретения. В указанных примерах, для применяемых видов технического углерода, полагают, что их присущие свойства и наполнения могут быть представлены линейными связями. Также будем предполагать, что СТАВ и CDBP являются точными представлениями площадей поверхности и структуры, соответственно. Соответственно, в Таблице 1 перечислены величины СТАВ и CDBP для видов технического углерода, применяемых в примерах, в то время как на ФИГ.3 представлена диаграмма СТАВ и CDBP.
[0056]
ТАБЛИЦА 1
В1
В2
В3
S1
S2
S3
Наименова-ние
N115
N772
NEXP
N336
N351
N299
технического
углерода
СТАВ (м<sup>2</sup>/г)
128
32
65
83
73
102
CDBP(мл/100 г)
96
58
113
69
97
105
Примечание: В=смесь, S=однокомпонентный, NEXP представляет собой экспериментальную технический углерод.
[0057] Смеси N115+N772 и N115+NEXP применяли для предсказания характеристик N299, N326 и N351. Как показано на ФИГ.3, поскольку расположения N299, N326, N351 на указанной диаграмме попадают вне линий начало координат-NEXP и начало координат-N772, математически невозможно смешать NEXP и N772 при любых наполнениях, чтобы получить СТАВ и CDBP, равные N299, N326 или N351. Для целей описания настоящего изобретения здесь были выбраны эти конкретные виды технического углерода, поскольку каждый из них имеет характерные величины СТАВ и CDBP, что иллюстрирует крайнее применение настоящего изобретения. Более точные прогнозы для полученной смеси можно сделать, если выбраны виды технического углерода, имеющие более близкие величины СТАВ и CDBP.
[0058] Конкретнее, были выбраны три примера технического углерода исходя из их расположения на ФИГ. 3:
N326: расположенная ниже обеих линий N772, N115 и NEXP, N115
N351: расположенная выше линии N772, N115, но ниже линии NEXP, N115
N299: расположенная очень близко к линии NEXP, N115
[0059] В Таблице 2 показаны каучуковые композиции, содержащие на 100 м.ч.к. наполнений каждого из отдельных видов технического углерода в бинарных смесях N115+N772 и N115+NEXP, которые были получены с использованием линейных уравнений смешивания, как описано выше, для предсказания характеристик N299, N326 и N351 при наполнениях 50 на 100 м.ч.к., соответственно. Можно видеть, что большинство комбинированных на 100 м.ч.к. наполнений в смесях очень отличаются от наполнений в системах с одним компонентом технического углерода. [0060]
ТАБЛИЦА 2
Обозначе-ние
56-1
1
56-2
67-2
67-5
67-8
67-3
67-7
67-10
67-4
67-6
67-9
Образец
В1
В2
ВЗ
WS1
В12-1
В13-1
WS2
В12-2
В13-2
WS3
В12-3
В13-3
НК
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
Парафин
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6PPD
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
SAD
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
ZnO
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
S
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
Ускоритель
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
N326
50,00
N351
50,00
N299
50,00
N115
50
29,8
29,8
12,1
11,8
28,8
28,6
N772
50
10,2
63,5
42,9
NEXP
50
5,3
32,9
22,2
Всего наполните-ля, на 100 м.ч.к.
50
50
50
50
40
35
50
75,7
44,7
50
71,7
50,8
Примечание: W = свидетель, В = смесь и S = один наполнитель
[0061] В примере В13-3, поскольку N299 на графике зависимости структуры от площади поверхности находится очень близко к прямой линии N115+NEXP, полученное наполнение комбинированной смеси, 50,8, действительно близко к наполнению для одного N299, 50. Для дальнейшего сравнения в Таблице 3 представлены физические или механические свойства приведенных выше каучуков, тогда как в Таблице 4 представлено процентное различие между смешанными и однокомпонентными системами из технического углерода, которое было рассчитано по формуле ((смесь - технический углерод)/технический углерод)*100%.
[0062]
ТАБЛИЦА 3
Обозначе-ние
56-1
I
56-2
67-2
67-5
67-8
67-3
67-7
67-10
67-4
67-6
67-9
Образец
В1
В2
ВЗ
WS1
В12-1
В13-1
WS2
В12-2
В13-2
WS3
В12-3
В13-3
ML
67,9
48,9
75,5
55,4
53,6
54,3
67,5
68,2
71,3
75,1
73,1
74,8
S'max
21,1
13,8
21,1
15,6
14,8
14,5
17,7
17,5
17,8
17,7
20,1
18,6
МА10
5,15
3,55
4,98
4,55
4,03
3,90
5,40
5,92
5,02
5,77
6,30
6,08
MA 100
2,13
1,95
3,04
2,03
1,84
1,79
2,79
3,37
2,86
2,77
3,31
2,98
МА300
2,56
2,28
3,85
2,47
2,20
2,12
3,54
3,90
3,48
3,34
3,88
3,53
Р60
21,4
10,9
13
17,2
15,2
14,7
16,8
16,6
14,4
20,5
19,9
20,6
SCT(FR)
31
29
29
31
32
33
30
25
30
30
26
30
SCT (ER)
531
575
407
562
617
644
468
410
485
498
426
485
G*2%
2,35
1,09
2,04
1,75
1,49
1,43
1,98
2,00
1,78
2,16
2,40
2,42
G*50%
1,31
0,93
1,5
1,05
1,02
0,99
1,28
1,37
1,26
1,26
1.43
1,42
Примечание: определения тестовых измерений в указанной таблице и далее:
ML: неотвержденный, вязкость по Муни, измеренная при 100°C
S'max: максимальный крутящий момент в реометрическом испытании при отверждении
МА10: модуль при удлинении 10% @ 23°C (МПа)
МА100: модуль при удлинении 100% @ 23°C (МПа)
МА300: модуль при удлинении 300% @ 23°C (МПа)
Р60: потери гистерезиса @ 60°C (%)
SCT (FR): удлинение при разрыве, усилие (МПа)
SCT (ER): удлинение при разрыве, деформация (%)
G*2%: динамический модуль при деформации 2%
G*50%: динамический модуль при деформации 50%
ТАБЛИЦА 4
Обозначе-ние
67-5/2
67-8/2
67-7/3
67-10/3
67-6/4
67-9/4
ML
-3%
-2%
1%
6%
-3%
-1%
S'max
-5%
-7%
-2%
0%
14%
5%
МА10
-11%
-14%
10%
-7%
9%
5%
MA 100
-9%
-12%
21%
3%
20%
8%
МА300
-11%
-14%
10%
-2%
16%
6%
Р60
-12%
-15%
-1%
-14%
-3%
0%
SCT (FR)
5%
7%
-16%
1%
-14%
0%
SCT (ER)
10%
15%
-13%
4%
-15%
-3%
G*2%(10ru)
-15%
-18%
1%
-10%
11%
12%
G*50%(10ru)
-3%
-6%
7%
-1%
14%
13%
Примечание: % определяли как значения (смесь-один)/один * 100% из Таблицы 3.
[0063] Как показано в приведенных Таблицах, вязкость необработанного каучука в смесях достаточно близка к вязкости соответствующей системы с одним видом технического углерода. Далее, большинство свойств после вулканизации, таких как, например, статическая и динамическая жесткость, удлинение и гистерезис, близки к свойствам соответствующих систем с одним видом технического углерода, с отклонениями не более 20%. Соответственно, допущение о линейности для указанных видов технического углерода обеспечивает приемлемую точность для прогнозирования смесей.
[0064] Хотя сущность настоящего изобретения был подробно описана в отношении конкретных примеров вариантов реализации и способов согласно настоящему изобретению, специалист в данной области техники поймет, что после достижения понимания вышеуказанного можно легко осуществлять изменения, варианты и эквиваленты указанных вариантов реализации. Соответственно, объем настоящего описания представлен в качестве примера, а не в качестве ограничения, и раскрытие предмета не препятствует включению таких изменений, вариантов и/или дополнений к предмету настоящего изобретения, которые могли бы быть легко понятны среднему специалисту в данной области техники.