CA1300820C

CA1300820C - Charge renforcante pour elastomere a base de silice

Info

Publication number: CA1300820C
Application number: CA000518114A
Authority: CA
Inventors: Francis Bomo; Yvonick Chevallier; Patrick Lamy; Jean-Claude Morawski
Original assignee: Rhone Poulenc Chimie de Base SA
Current assignee: Rhone Poulenc Chimie de Base SA
Priority date: 1985-09-13
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1992-05-19
Anticipated expiration: 2009-05-19
Also published as: FI89270B; ES2001959A6; EP0217701A1; BR8604354A; ATE60068T1; DE3676928D1; FR2589871B1; FR2589871A1; FI863712A; FI89270C; US5089554A; EP0217701B1; KR920003413B1; KR870003151A; JPS6262838A; FI863712A0; JPH055256B2

Abstract

L'invention concerne une nouvelle charge renforçante pour élastomères. Cette charge est caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une silice de précipitation présentant les caractéristiques suivantes: - une surface CTAB comprise entre 20 et 200 m2 /g, - une aire projetée moyenne des agrégats supérieure a 10 000 nm2, - un volume inter-agrégat élevé d'au moins 1 cm3 / g et une population de pores interagrégat homogène avec les conditions suivantes: - pour une surface CTAB comprise entre 20 et 70 m2/g, une aire projetée d'au moins 30 000 nm2, - pour une surface CTAB comprise entre 70 et 120 m2/g, une aire projetée d'au moins 25 000 nm2, - pour une surface CTAB comprise entre 120 et 200 m2/g, une aire projetée d'au moins 15 000 nm2. L'invention concerne également un procédé de renforcement d'élastomères utilisant une charge telle que définie plus haut.

Description

~3~$~
La présente lnvention concerne le renforcement des élastomères naturels ou synthétiques par de la silice.
Les formules pour mélanges caoutchouc, dont l'élastomère constitue l'élément principal, sont très nombreuses compte-tenu des applications mul~iples auxquelles elles sont destinées pneumatiques, semelles, câbles, ~oints, etc.
Ces formules comprennent Kénéralement, outre l'élastGmère, des charges dont l'un des rôles principaux est l'amélioration des propriétés mécaniques de l'élastomère.
Parmi ces charges, les noirs de carbone sont particulièrement employés.
Cependant, depuis plusieurs années on a cherché à remplacer les noirs de carbone par des silices de précipitation plus économiques.
Toutefois, la substitution des silices aux noirs de carbone n'est pas une chose simple. En effet, les charges renforsantes doivent une partie de leurs propriétés à la morphologie de leurs agrégats.
Cette morphologie étant différente entre les silices et les noirs, on conSoit dès lors que des différences importantes puissent appara~tre pour les élastomères renforcés par l'un ou l'autre de ces types de charges.
Dès lors> la Demanderesse a entrepris de longues études pour déterminer les types de silices les plus aptes aux renforcements des élastomères et en particulier ceux présentant les propriétés renforçantes les plus proches de celles des noirs de carbone.
7~

2 1 3 ~ 0 ~ Z O
I.a Demanderesse a ainsi été conduite à rechercher des corrélations possibles entre les propriétés morphologiques des silices et les propriétés des élastomères renforcés avec de telles charges.
Selon l'objet principal de la présente demande, parmi les nom-breuses silices existantes J la Demanderesse a sélectionné des silices dont l'application au renforcement des élastomères donne des résultats particulièrement intéressants.
Dans ce but, la charge renforsante pour élastomère selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une silice de précipitation présentant les caractéristiques suivantes :
- une surface CTAB comprise entre 20 et 200 m / g ;
- une aire projetée moyenne des agrégats supérieure à 10 000 nm - un volume inter-agrégat élevé d'au moins 1 cm3 / g et une population de pores inter-agrégat homogène ;
avec les conditions suivantes:
; - pour une surface CTAB comprise entre 20 et 70 m / g, une aire projetée d'au moins 30 000 nm .
- pour une surface CTAB comprise entre 70 et 120 m2 / g, une aire projetée d'au moins 25 000 nm .
- pour une surface CTAB comprise entre 120 et 200 m / g, une aire projetée d'au moins 15 000 nm .
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention9 la charge peut comporter une silice présentant un rapport Surface BET /
Surface CTAB compris entre 1 et 1,2.
n~,

3 13~(~8~
Par ailleurs, on peut citer plus particulièrement comme silices convenables, celles présentant les caractéristiques plus précises sui~antes :
- surface CTAB comprise entre 120 et 200 m / g et une prise d'huile DBP au plus de 300 ml / 100 g.
Enfin, comme autre famille de silices selon l'invention on peut mentionner celles présentant une surface CTAB comprise entre 20 et 120 m2 / g et une prise d'hulle DBP au plus de 300 ml / 100 g.
Bien entendu, l'invention concerne aussi tout procédé de renforcement d'élastomères utilisant une charge telle que définie plus haut.
~n s'est aperçu que les silices avec les caractéristiques ci-dessus présentaient une bonne dispersibilité dans les élastomères et conféraient ainsi à ceux-ci des propriétés mécaniques intéressantes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compr~s à la lecture de la description et des exemples coDcrets mais non limitatifs qui vont suivre.
Comme indiqué plus haut, l'application pour charges renforsante~
nécessite des silices présentant des caractéristiques bien déterminées.
Ces caractéristiques sont déterminées de la manière suivante :
La surface CTAB est la surface externe appréciée par absorption de bromure de cétyl triméthyl ammonium à pH = 9 selon la méthode exposée par JAY, JANSEN et C. KRAUS dans "Rubber Chemistry and Technology 44 (1971) pages 1287 - 1296.

4 130C~8~
La prise d'huile est appréciée selon la méthode décrite dans la norme française NF.T 30-022 (Mars 1953) en mettant en oeuvre comme huile du phtalate de dibutyle sur 5 g de silice.
L'aire moyenne de l'agrégat a été déterminée selon la norma ASTM D
3849-80, adaptée au caractère spécifique de la silice en désagglomérant la silice par broyage d'une pate constituée de 100 mg de poudre de silice sèche pour 0,5 ml de glycérine et en diluant ensuite cette pate dans 300 ml d'eau à pH 3.
La détermination du volume poreux inter-agrégat et la détermination de la population des pores correspondant à ce volume sont effectuées à l'aide d'un porosimètre à mercure (porosimètre utilisé
: "pore sizer" 9300 de CUULTR~NICS). ~n fait pénétrer le mercure dans les pores de l'échantillon dégazé et on établit ainsi une courbe de porosité représentant l'évolution du volume des pores en fonction de la pression ou du rayon des pores. Cette courbe de porosité est établie selon la méthode exposée par N.M. WILNSL~W et J.J. SHAPIR~ dans ASTM BULLETIN, page 39, Février 1959.
L'empilement des agrégats crée une porosité inter-agrégat dont le remplissage par le mercure va se traduire par l'apparition d'une marche sur la courbe de porosité. La hauteur de cette marche permet d'accéder au volume poreux inter-agrégat. L'inclinaison de la marche reflète la dispersion de la population des pores. La courbe dérivé présente un aspect de pic d'autant plus fin que la population des pores inter-agrégat est plus homogène.
* (marque de commerce) ' ~''i La surface spécifique BET est déterminée selon la méthode de BRUNAUER - EMETT - TELLER décrite dans "The Journal of the American Chemical Society", volume 60, page 309, Février 1938.
Par ailleurs, les silices selon l'invention peuvent e~tre non microporeuses, c'est-à-dire présenter un rapport Surface BET /
Surface CTAB compris entre 1 et 1,2.
Des silices selon l'invention peuvent être choisies parmi celles préparées comme décrit dans la demande de brevet francais n~ 84 11004 (publiée sous le n~ 2 567 505 le 17 janvier 1986).
Un rappelle à ce sujet que cette demande concerne un procédé
d'obtention d'une silice par réaction d'une solution aqueuse d'un silicate alcalin et d'un agent acidifiant par formation d'un pied de cuve renfermant une substance aqueuse et addition si,multanée de l'agent acidifiant et de la solution de silicate alcalin. Ce procédé est caractérisé par le fait que :
a) on réalise une addition à volume constant des réactifs et que l'on soutire en continu le milieu de la réaction, de manière à
obtenir dans le volume constant un colloide sphérique de silice monodisperse en taille de diamètre et dans le soutirage un colloide de silice polydisperse en taille de diamètre ;
b) on fait réagir au moins une partie du produit obtenu en a) avec un électrolyte ;
c) on consolide le produit obtenu à l'étape b) par addition d'une solution de silicate et d'un agent acidifiant.
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i' ~3~
Par ailleurs, des silices qui conviennent bien à l'app].i.cation selon l.'invention pourront aussi être choisies parmi celles préparees selon le procédé de la demande de brevet francais n~ 84 05460 (publiée sous le n~ 2 562 534 le 11 octobre 1985 ) .
Le proced~ qui y est décrit comprend les étapes suivantes :
a) formation d'un pied de cuve renfermant une partie du silicate total ;
b) addition d'un acide jusqu'à l'apparition du gel ;
c) observation d'un arrêt de l'ajout d'acide et mûrissement du gel ;
d) addition d'acide ;
e) post-traitement ;
f) filtration, lavage et séchage de la suspension et recupération du produit obtenu. Ce procédé est caractérisé par le fait que :
- le pied de cuve à l'étape a) renferme de 60 à 100 % en poids de silicate ;
- a l'étape b), on règle le couple temps / températùre de manière à provoquer la gélification entre 10 et 50 minutes ;
- on observe un arrêt à la gélification de 5 à 30 minutes ;
- après arrêt, on reprend l'addition d'acide jusqu'à obtenir un pH au plus égal à 9, puis on effectue un post-traitement à
une valeur de pH compris entre 7 et 9 ;
- on introduit un électrolyte dans au moins une des étapes a), b), c), d) et e).
'~, ~3~
Les silices ainsi choisies peuvent être lncorporées a l'élastomère selon tout moyen connu.
Blen entendu, les sillces selon l'iDvention ~ont utilisables pour tout type d'élastomères tels que, par exemple, polybutadiène~
caoutchouc naturel, polyisoprène, du type EPDM, etc.
Des exemples vont maintenant être donnés.

.
S1, S2, S3~ S4, S5, S6 ont été testées.
Elles ont été incorporées à un élastomère SBR 1502 à raison de 50 pce. Une partie de l'échantillon a été diluée à 5 pce, le reste servant à préparer des éprouvettes d'essais mécaniques.
..
~n a procédé d'une part à l'analyse des tailles des partlcules sur la fractlon de mélange dilué et, d'autre part, aux essais mécanlques.
Analyse de taille des particules Les observations sont faites sur coupes minces (~ 150 nm).
Compte-tenu des propriétés mécaniques des mélanges crus, ces coupes ont été réalisées à frold à l'aide d'un ultramicrotome cryogénique (REICHERT OMU 3*, couteau de verre à - 90~ C). Les coupes ~ont recueillies par un mélange DMS~ / eau, mélange liqulde ~ - 90~ C, lavées à l'eau et déposées sur des grilles de mlcroscope électronique.
* (marque de commerce) o ~3~
Les coupes sont observées avec un microscope électronique JE~I.
TEMSCAN 1200 EX*.
Après un premier examen en transmission conventionnelle (CTEM), les coupes sont étudiées en mode balayage en transmission (STEM) sous une tension d'accélération de 120 KV avec un grossissement de 80 000. Le mode de fonctionnement permet le transfert de l'image STEM dans une mémoire de l'analyseur d'image (Quantimet 900 de Cambridge) grâce à une interface spécifique.
La visualisation du signal vidéo sur l'un des moniteurs de l'unité
du balayage permet à l'opérateur :
- d'optimiser les réglages du détecteur STEM (bruit de fond, brillance, contraste) ;
- de transmettre à l'analyseur d'image. un signal relativement standardisé.
Analyse d'image Après le passage du signal vidéo dans un convertisseur analogique digital et la numération par un processeur 6 bits une lmage est formée de 630 000 points ou pixels, chaque pixel ayant une valeur de niveaux de gain compris entre 0 et 64. Un pixel représente une surface de 10,24 nm2.
Compte-tenu de la qualité du signal initial, un blanc simple suivi d'une procédure de fermeture (dilatation puis érosion) et d'une procédure d'ouverture (érosion, dilatation) de 1, puis 2 pixels permet d'obtenir une image binaire représentatrice des objets présents dans le champ d'observation. Les algorithmes du logiciel d'exploitation du QTM 900 permettent alors, sur cette image :
* (marque de commerce) i41.S
9 130~0 - de dénombrer les ob~ets présents, - pour chacun des ob~ets, de mesurer les paramètres de taille :
* surface : S, * périmètre : P, * plus grande longueur : L, * plus petite largeur : 1, - de calculer des paramètres de forme :
* circularité : p2 / 4~S, * anisotropie : L / 1.
Chaque échantillon est caractérisé par une population de 3 000 objets issus d'environ 30 champs provenant de l'examen de 3 coupes différentes.
Bien que l'on puisse estimer la résolution spatiale dans le8 conditions de grossissement à 220 nm2, on élimine les ob~ets de taille inférieure à 500 nm2 qui peuvent être des ob~ets virtuels résultant des procédures d'analyse d'image.
L'analyse fine de la répartition en taille des particules de silice laisse appara~tre une distribution bimodale. ~n met en évidence une première population de petltes particules centrée sur la valeur de Sl et une deuxième population de partlcules plus grosses centrée S
Le minimum de la courbe de distribution se situe aux envlrons de 20 000 nm .
Les résultats des différentes mesures sont préaentés dans le tableau I.
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11 ~30~8f3~
Les sllices S1, S3, S5 sont des silices commerciales classiques, les silices S2, S4, S6 sone par contre des sllices choisies selon les critères de l'invention.
~n constate une nette diminution du pourcentage en nombre et surtout en surface des particules de grosses tailles (distribution 2) dans le cas des silices selon l'invention. Ceci signifie une dispersion de ces silices dans l'élastomère meilleure que dans le cas des silices classiques.
Cette meilleure dispersion a par ailleurs des conséquences pour les propriétés mécaniques des vulcanisats. Ceci appara~t dans l'exemple 2 qu~ suit.

Préparation des éprouvettes d'essais mécaniques Les propriétés mécaniques des vulcanisats chargés dépendent ~ la fois de la charge et du réseau de l'élastomère.
Pour pouvoir valablement comparer les différentes charges toutes choses égales par ailleurs, on se place autant que possibledans les mêmes conditions de réticulation de l'élastomère.
Pour réduire l'effet de l'adsorption des agents de vulcanisation à
la surface de la silice et par conséquent les différences de réticulation , et pour avoir un bon mouillage des particules de charge par l'élastomère on ueilise comme agent couplant : le tétrasulfure de bls-propyltriéthoxy~ilane.
12 130~
La quantité de cet agent de couplage est ajustée en fonction de la surface spécifique de la silice pour avoir, théoriquement, recouvrement total de la charge.
La formule qui a été utilisée pour la préparation des éprouvettes est la suivante :

- ZnO 4 - Acide stéarique 1,5 - CBS (accélérateur) 2 - Soufre - PEG (polyéthylèneglycol) variable - Silice 50 - Silane variable Le silane et le PEG sont ajustés en fonction de la surface spécifique de la silice sur la base, respectivement, de 10 g et 2 g pour 100 g de silice à 170 m / g.
Les mélanges sont réalisés en deux temps sur mélangeur ouvert :
- on incorpore d'abord le silane puis la silice pour permettre au premier de se répartir uniformément à la surface de celle-ci ;
- une fois l'incorporation achevée, on ajoute les autres composants du mélange. Par ce moyen, on évite à l'accélérateur de s'adsorber à la surface de la charge et on malntient constant sa concentration dans la masse de l'élastomère.
La vulcanisation est réalisée à 160~ C d'après les indications du rhéomètre MUNSANTU (marque de commerce).
~ .
13 ~30~8Z~
Les essais mécaniques sont conduits selon les normes ASTM.
Les résultats des mesures sont regroupés dans le tableau II
ci-dessous :
: résistance à la rupture (NF T 46-002).
: résistance au déchirement (NF T 46-007).
TABLEAU II
. . _ . .
:
. Silice ~S CTAB MP~a ~ m _ _ S1 170 ~ 22,7 ~11,7 2 ~ 160 ~ 25,5 ~13,1 ~ j S3 . 9~ ~ 19,6 .10,8 ~
S4 ~ 98 ~ 23,0 .12,1 ~ S5 ~ 65 ~ 18,3 .9,8 : S6 : 65 : 21,0 :12,3 ___ __ ~n constate que les silices choisles selon l'invention confèrent au ~ulcanisat une résistance à la rupture et une résistance au déchirement plus grande que dans le cas des silices clasriques.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux mode~ de réalisation d~crits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée.
-- . .
:

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Charge renforçante pour élastomères, caracté-risées en ce qu'elle comprend au moins une silice de précipitation présentant les caractéristiques suivantes:
- une surface CTAB comprise entre 20 et 200 m2/g, - une aire projetée moyenne des agrégats supérieure à
10 000 nm2, - un volume inter-agrégat élevé d'au moins 1 cm3/g et une population de pores inter-agrégat homogène avec les conditions suivantes:
- pour une surface CTAB comprise entre 20 et 70 m2/g, une aire projetée d'au moins 30 000 nm2, - pour une surface CTAB comprise entre 70 et 120 m2/g, une aire projetée d'au moins 25 000 nm2, - pour une surface CTAB comprise entre 120 et 200 m2/g, une aire projetée d'au moins 15 000 nm2.

2. Charge selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une silice de précipitation présentant une surface CTAB comprise entre 120 et 200 m2/g et une prise d'huile DBP au plus de 300 ml/100 g.

3. Charge selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une silice de surface CTAB comprise entre 20 et 120 m2/g et une prise d'huile DBP au plus de 300 ml/100g.

4. Charge selon la revendication 1, caractérisée en ce que la silice présente un rapport Surface BET/Surface CTAB compris entre 1 et 1,2.

5. Charge selon la revendication 2, caractérisée en ce que la silice présente un rapport Surface BET/Surface CTAB compris entre 1 et 1,2.

6. Charge selon la revendication 3, caractérisée en ce que la silice présente un rapport Surface BET/Surface CTAB compris entre 1 et 1,2.

7. Procédé de renforcement d'élastomères, carac-térisé en ce qu'on incorpore à un élastomère une charge telle que définie dans la revendication 1, 2 ou 3.

8. Procédé de renforcement d'élastomères, carac-térisé en ce qu'on incorpore à un élastomère une charge telle que définie dans la revendication 4, 5 ou 6.