DE3437473A1 - An der oberflaeche modifizierte synthetische, silikatische fuellstoffe, ein verfahren zur herstellung und deren verwendung - Google Patents
An der oberflaeche modifizierte synthetische, silikatische fuellstoffe, ein verfahren zur herstellung und deren verwendungInfo
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- C01P2004/84—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases one phase coated with the other
Description
Degussa Aktiengesellschaft
Frankfurt am Main
Frankfurt am Main
An der Oberfläche modifizierte, synthetische
silikatische Füllstoffe, ein Verfahren zur
Herstellung und deren Verwendung
silikatische Füllstoffe, ein Verfahren zur
Herstellung und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft mit Organo siliciumverbindungen,
modifizierte synthetische silikatische
Füllstoffe, ein Verfahren zur Herstellung und deren Verwendung in vulkanisierbaren Kautschukmischungen.
Füllstoffe, ein Verfahren zur Herstellung und deren Verwendung in vulkanisierbaren Kautschukmischungen.
Es ist bekannt, oxidische Oberflächen mit Organosilieiumverbindungen
zu behandeln, um durch diese
Vorbehandlung den Verbund zwischen oxidischem Füllstoff und organischen Polymeren unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung und damit die verstärkenden Eigenschaften der Füllstoffe in den Polymeren zu
verbessern.
Vorbehandlung den Verbund zwischen oxidischem Füllstoff und organischen Polymeren unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung und damit die verstärkenden Eigenschaften der Füllstoffe in den Polymeren zu
verbessern.
Zu diesem Zweck kann man z.B. die betreffende Organosiliciumverbindung
in einem organischen Lösungsmittel
auflösen und mit dieser Lösung anschließend z.B.
Clays behandeln (üS-PS 3 227 675) Huber).
Clays behandeln (üS-PS 3 227 675) Huber).
Aus der US-PS 3 567 68O ist bekannt, in ¥asser suspendierte
Kieselsäure mit Mercapto- und Aminosilanen zu
modifizieren. Die betreffenden Organosiliciumverbindungen
sind jedoch in den für die Modifizierung
nötigen Mengen wasserlöslich, so daß auch in diesem Fall die Behandlung des Füllstoffs aus einer Lösung
nötigen Mengen wasserlöslich, so daß auch in diesem Fall die Behandlung des Füllstoffs aus einer Lösung
heraus erfolgt.
35
35
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit wasserunlöslichen
Organosiliciumverbindungen modifizierte, mit
Kautschuken verträgliche synthetische silikatische, feinteilige Füllstoffe und Verfahren zu ihrer Herstellung
zu finden, bei denen man trotz der Wasserunlöslichkeit lösungsmittelfrei in wässriger Phase
arbeiten kann.
Gegenstand der Erfindung sind mit Kautschuken verträgliche,
synthetische silikatische Füllstoffe, an der Oberfläche modifiziert mindestens einer Organosiliciumverbindung, die dadurch gekennzeichnet
sind, daß die Verbindung wasserunlöslich ist und der Formel (i)
(I) R^ (RO) >n. Si-(Alk)m-(Ar )p J2 [s J
(RO) >n. Si-(Alk)m-(Ar )p J2 [s Jx entspricht
in der bedeuten:
R und R eine Alkyl gruppe mit 1 bis 4 Kohl ens t off -
on "J
atomen den Phenylrest, wobei alle Reste R und R jeweils die gleiche oder eine verschiedene Bedeutung
haben können,R eine C^-Cr-AIkYl-C1-C^-Alkoxigruppe,
n: 0,1 oder 2
Alki einen zweiwertigen, geraden oder verzweigten
Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen, m: 0 oder 1
Ar: einen Arylenrest mit 6 bis 12 A-Atomen
p: 0 oder 1 mit der Maßgabe, daß ρ und m nicht gleichzeitig 0 bedeuten und
xi eine Zahl von 2 bis 8.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der modifizierten
synthetischen silikatischen Füllstoffe, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß man
a) bis zu 80 Gew.j6 mindestens einer wasserunlöslichen Organosiliciumverbindung mit der Formel I
in Wasser emulgiert, gegebenenfalls in Anwesenheit
einer oberflächenaktiven Substanz,
b) diese Emulsion mit der wässrigen Suspension eines synthetischen
silikatischen, feinteiligen Füllstoffes oder einer Mischung verschiedener Füllstoffe bei einer Temperatur von" 10 bis- 5O0C,
unter Röhren vermischt, daß in der Suspension 0,3 bis 15 Gew.-%
der Organosiliciumverbindung(en), bezogen auf den Füllstoff, enthalten sind.
c) das Gemisch gegebenenfalls auf eine Temperatur von 50 bis 100 C, bevorzugt von 60
bis 80 °C aufheizt,
d) und nach Ablauf von 10 bis 12) min, bevorzugt
von 30 bis 60 min, den modifizierten Füllstoff abfiltriert und bei Temperaturen von 100 bis 150°C,
bevorzugt von 105 bis 120 C, trocknet oder die Suspension sprühtrocknet.
Die Organosiliciumverbindungen mit der Formel I können einzeln oder auch als Gemisch verschiedener
die Gesarotmenge dieser Verbindungen nach der Vermischung
mit der Suspension auf weniger als 3 Gew.-^ (bezogen
auf die wässrige Suspension), wird eine oberflächenaktive Substanz zur Unterstützung der Emulsionsbildung
zugesetzt.
Dies ist bei Konzentrationen der Organo siliciumverbindungen) ab 3 Gew.96 nicht mehr notwendig, obwohl
es hilfreich sein kann.
-ΟΙ Man stellt die Emulsion bevorzugt bei Raumtemperatur
her. Es sind aber auch Temperaturen geeignet,, die bis
zum Siedepunkt der wässrigen Emulsion reichen.
Die Konzentration der Organo siliciumverbindungen) in der hergestellten Emulsion beläuft sich auf 10
bis 80 Gew.96, bevorzugt 20 bis 50 Gew.56, bezogen
auf die Gesamtmenge der Emulsion.
Der pH-Wert der Emulsion liegt ebenso wie der pH-Wert der Füllstoffsuspension nach dem Zumischen
der Emulsion im schwach sauren oder schwach alkalischen, bevorzugt aber bei einem pH-Wert von etwa 7-
Unter dem verwendeten Begriff wasserunlöslich ist zu verstehen:
Nach dem Vermischen der Emulsion (ohne oberflächenaktive Substanz) mit der Suspension des Füllstoffs bildet sich
^ um die Füllstoffteilchen herum im gewünschten pH- und
Konzentrationsbereich keine klare Lösung der Organosiliciumverbindung(en). Es bleiben vielmehr die getrennten
Phasen Wasser und Organosiliciumverbindung bestehen.
Die oligosulfidischen Organosilane gemäß der oben angegebenen allgemeinen Formel I sind an sich bekannt
und können nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Beispiele für vorzugsweise eingesetzte Organosilane
sind die z.B. nach der BE-PS 787 691 herstellbaren,
Bis-(trialkoxysilyl-alkyl)-oligosulfide wie Bis-(tri-
raethoxy-, -triäthoxy-, -trimethoxyäthoxy-, -tripropoxy-,
-tributoxy-, -tri-i-propoxy- und -tri-i-butoxy-silylmethyl)-oligosulfide
und zwar insbesondere die Di-, Tri-, Tetra-, Penta-, Hexasulfide usw., weiterhin
Bis- (2-tri-methoxy-, -triäthoxy-, -trimethoxyäthoxy-,
ν
-tripropoxy- und -tri-n- und -i-butoxy- äthyl) -oligosulfide
und zwar insbesondere die Di-, Tri-, Tetra-,
Penta-, Hexasulfide usw., ferner die Bis-(3-trimethoxy-, -triäthoxy-, -trimethoxyäthoxy-, -tripropoxy-, -tri-nbutoxy-
und tri-i-butoxy-silyl-propyl) oligosulfide
und zwar wiederum die Di-, Tri-, Te^rasulfide usw bis zu Octasulfiden, des weiteren die entsprechenden
Bis-(3-trialkoxysilylisobutyl)-oligosulfide, die entsprechenden Bis-(4-trialkoxysilylbutyl)-oligosulfide.
Von diesen ausgewählten, relativ einfach aufgebauten Organosilanen der allgemeinen Formel I werden wiederum
bevorzugt die Bis-(3-trimethoxy-, -triäthoxy- und tripropoxysilylpropyl)-oligosulfide, und zwar die
Di-, Tri-, Tetra- und Pentasulfide, insbesondere die Triäthoxverbindungen mit 2, 3 oder k Schwefelatomen
und deren Mischungen. Alk bedeutet in der allgemeinen Formel I einen zweiwertigen, geraden oder verzweigten
Kohlenwasserstoffrest, vorzugsweise einen gesättigten Alkylenrest mit gerader Kohlenstoffkette mit 1 bis h
Kohlenstoffatomen.
Speziell geeignet sind auch die Silane mit der folgenden Strukturformel
CH->
S„,
S^
und deren
Methoxianalοge, herstellbar nach der DE-AS 25 58 191.
Als oberflächenaktive Substanzen finden bevorzugt nichtionogene, kationische und anionische Tenside
Verwendung. Ihre Konzentration in der Emulsion beträgt 1 bis 7 Gew.#, bevorzugt 3 bis 5 Gew.$>.
-δι Beispiele für derartige Tenside sind Alkylphenolpolyglycolether,
Alkylpolyglycolether, Polyglycole, Alkyltrimethylammoniumsalze, Dialkyldimethylammoniumsalze,
Alkylbenzyltrimethylammoniumsalze, Alkylbenzolsulfonate,
Alkylhydrogensulfate, Alkylsulfate.
Die zu modifizierenden synthetischen Füllstoffe/
auch als Gemisch von zwei oder mehr dieser Füllstoffe, sind an sich in der Kautschuktechnologie bekannte Füllstoffe.
Wesentliche Voraussetzung für ihre Eignung ist das Vorhandensein von OH-Gruppen an der Oberfläche
der Füllstoffteilchen, die mit den Alkoxigruppen der Organosiliciumverbindungen reagieren können. Es
handelt sich um synthetische silikatische Füllstoffe, die mit Kautschuken verträglich sind, und die für
diese Verwendung notwendige Feinteiligkeit aufweisen.
Als synthetische Füllstoffe sind besonders feinteilige gefällte Kieselsäuren und pyrogen gewonnene Kieselsäuren
geeignet.
- Die Emulsion wird in derartigen Mengen mit der Füllstoffsuspension vermischt, daß die Konzentration
der Organosiliciumverbindung 0,3 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 0,75 bis 15 Gew.-%, bezogen
auf die Füllstoffmenge beträgt.
Die modifizierten Füllstoffe enthalten 0,3 bis 15
Gew.#, bevorzugt 0,75 bis 6 Gew.-% der Organo siliciumverbindungen,,
bezogen auf den trockenen Füllstoff.
Sie sind besonders geeignet zur Verwendung in vulkanisier- und formbaren Kautschukmischungen, die nach
den üblichen Verfahren in der Gummiindustrie hergestellt
verden.
Eine nachteilige Wirkung der auf den Füllstoffoberflächen eventuell adsorbierten oberflächenaktiven
Substanzen ist nicht festzustellen.
Zu den geeigneten Kautschukarten zählen alle noch
Doppelbindungen enthaltende und mit Schwefel sowie Vulkanisationsbeschleuniger(n) zu Elastomeren vernetzbare
Kautschuke und deren Gemische. Insbesondere sind dies die halogenfreie Kautschukarten, vorzugsweise
sogenannte Dien-Elastomere. Zu diesen Kautschukarten zählen beispielsweise, gegebenenfalls ölgestreckte,
natürliche und synthetische Kautschuke, wie Naturkautschuke, Butadienkautschuke, Xsoprenkautschuke,
Butadien-Styrol-Kautschuke, Butadien-Acrylnitril-Kautschuke, Butylkautschuke, Terpolymere aus Äthylen,
Propylen und zum Beispiel nichtkonjugierten Dienen. Ferner kommen für Kautschukgemische mit den genannten
Kautschuken die folgenden zusätzlichen Kautschuke infrage:
Carboxylkautschuke, Epoxidkautschuke, Trans-Polypentenamer, halogenierte Butylkautschuke, Kautschuke
Carboxylkautschuke, Epoxidkautschuke, Trans-Polypentenamer, halogenierte Butylkautschuke, Kautschuke
aus 2-Chlor-Butadien, Äthylen-Vinylacetat-Copolyraere,
Äthylen-Propylen-Copolymere, gegebenenfalls auch
chemische Derivate des Naturkautschuks sowie modifizierte Naturkautschuke. Vorzugsweise werden Naturkautschuke
und Polyisopren-Kautschuke eingesetzt und zwar allein 35
oder in Mischungen miteinander und/oder jeweils in Mischung mit den obengenannten Kautschuken.
-ΙΟΙ Der modifizierte Füllstoff wird in der Menge zugemischt,
daß der Gewichtsanteil der auf ihm enthaltenen Organosiliciumverbindung
zwischen 0,3 und 10 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,75 und 6 Gew.-%, bezogen auf den
Kautschukanteil, liegt.
Dabei ist natürlich der vorgeschriebene Gesamtanteil des Füllstoffs in der vulkanisierbaren Kautschukmischung
zu beachten.
Das bedeutet, daß sowohl die Gesamtmenge des einzusetzenden Füllstoffs als auch eine Teilmenge modifiziert
sein kann. Im letzteren Fall ist der noch fehlende Teil dann in nicht modifizierter Form zuzumischen.
Die erfindungsgemäß hergestellten modifizierten Füllstoffe
führen in den vulkanisierten Kautschukmischungen zu einer deutlichen Verbesserung der gummitechnischen
Eigenschaften im Vergleich zu Mischungen ohne modifizierte Füllstoffe.
Die modifizierten Füllstoffe wer-en in folgenden Kautschukmischungen getestet:
RSS 1, ML 4 = 67 100
Füllstoff 50
ZnO, RS 4
Stearinsäure 2
Vulkacit CZ 2
Schwefel 2
Testrezeptur 2 - SBR 1500 Buna Hüls 1500 100
Füllstoff 50
ZnO RS 4
Stearinsäure 2
Vulkacit CZ 2,25 (N-Cyclohexyl-2-benzo-
thiazolsulfenamid)
Schwefel 2
Bei dem verwendeten Emulgator, der Organosiliciumver-10
bindung und den Füllstoffen handelt es sich um folgende Produkte:
Emulgator
Marlowet GFW = Alkylphenolpolyglycolether.
Si 69 = Bis-(3-triethoxisilylpropyl)-tetrasulfan.
Füllstoffe
Ultrasil VN 3 - Gefällte Kieselsäure (Degussa) Aerosil 130 V - Pyrogene Kieselsäure (Degussa).
Zur Beurteilung der gummitechnischen Eigenschaften der Vulkanisate werden folgende Werte ermittelt:
Mooney-Viskosität gemäß DIN 53 523 Zugfestigkeit gemäß DIN 53 504
Spannungswert = Modul gemäß DIN 53 504 Weiterreißwiderstand gemäß DIN 53 507
Firestone Ball Rebound gemäß AD 20 24 5
Shore-A-Härte gemäß DIN 53 505
Abriebwiderstand gemäß DIN 53 516
Zu einer wässrigen Tensidlösung mit einer Konzentration von 4 0 g/l wird unter starkem Rühren Si 69 zugegeben/
so daß die Konzentration an Si 69 in der gebildeten Emulsion 9 0 g/l beträgt. Sofort nach der Zubereitung
wird diese Emulsion in eine Suspension von 1,5 kg Aerosil 130 V in 50 kg Wasser bei 400C unter Rühren
gegeben.
Die Suspension wurde auf 85°C aufgeheizt, anschließnd filtriert und getrocknet. In einem Versuch wurde
auf das Aufheizen verzichtet. Das getrocknete Material wurde zuerst auf einer Zahnscheibenmühle und anschließend
auf einer Stiftmühle vermählen.
Die Vorgehensweise erfolgte analog Beispiel 1.
Als Emulgator wurde Marlowet GFW eingesetzt. Es wurden
3,0 Gewichtsteile Silan auf 100 Gewichtsteile Ultrasil VN 3 aufgebracht. Das hiermit erhaltene
Produkt wurde wiederum in Natur- und Synthesekautschuk eingearbeitet.
Die Tabellen 1 - 4 zeigen die erhaltenen Resultate. Es kann festgestellt werden, daß für das wasserunlösliche
Si 69 eine Modifizierung des Füllstoffs nach dem Naßverfahren mit Emulgator eine Erhöhung der
gummitechnischen Eigenschaften gegenüber dem nichtmodifizierten Füllstoff erzielt wird.
In Naturkautschuk werden durch Einsatz von mit Si 69 modifiziertem Aerosil 130V bzw. Ultrasil VN 3 Mischungsplastizität, Zerreißfestigkeit, Modul, Einreißfestigkeit,
Rückprallelastizität und Abriebwiderstand
5 deutlich verbessert.
Beim Buna Hüls 1500 Synthesekautschuk sind durch Einsatz von o.g. mit Si 69 modifizierten Kieselsäuren
Erhöhungen in Modul, Rückprallelastizität und Abriebwiderstand zu verzeichnen. Im Falle mit Si 69 modifiziertem
Aerosil 130V bzw. Ultrasil VN 3 in Buna Hüls 1500 wird die Mischungsplastizität verbessert, während
Einsatz von mit Si 69 silanisiertem VN 3 zusätzlich zu einer Zerreißfestigkeitserhöhung führt.
Beispiel 3; Modifizierte pyrogene Kieselsäure in Naturkautschuk
Tabelle 1: 1 2
RSS 1, ML 4 = 67 100 100
Aerosil 130V 50
Mit Si 69 modifizier- * 50
tes Aerosil
(6 GT auf 100 GT Aerosil) ZnO, RS
Stearinsäure Vulkacit CZ Schwefel
ML 4 1000C 30 Zerreißfestigkeit Spannungswert 300 %
Bruchdehnung Weiterreißwiderstand
Firestone Ball Rebound 35 Shore Härte Abrieb
4 | 4 | |
2 | 2 | |
2 | 2 | |
2 | 2 | |
(Punkte) | 145 | 78 |
(MPa) | 15,1 | 23,9 |
(MPa) | 3,1 | 9,4 |
( % ) | 700 | 560 |
(N/mm) | 14 | 38 |
( % ) | 50,4 | 59,5 |
(Grad) | 70' | 62 |
(mm3) | 222 | 123 |
- .14 -
1 Beispiel 4: Modifizierte pyrogene Kieselsäure in Synthesekautschuk
Tabelle 2; 1 2
c Buna Hüls 1500 (SBR) 100 100
Aerosil 130V 50
Mit Si 69 modifizier- - 50
tes Aerosil
(6 GT auf 100 GT Aerosil) ZnO, RS Stearinsäure Vulkacit CZ
Schwefel
ML 4 1oo°C Zerreißfestigkeit Spannungswert 300 %
Bruchdehnung Weiterreißwiderstand
Firestone Ball Rebound Shore Härte Abrieb
4 | 4 | |
2 | 2 | |
2,25 | 2,25 | |
2 | 2 | |
(Punkte) | 170 | 127 |
(MPa) | 17,9 | 17,8 |
(MPa) | 4,2 | 12,0 |
( % ) | 670 | 390 |
(N/mm) | 23 | 10 |
( % ) | 44,4 | 45,4 |
(Grad) | 74 | 67 |
(mm3) | 134 | 82 |
3437A7
ML 4 10O0C Zerreißfestigkeit Spannungswert 300 %
Bruchdehnung We iterrei ßwiderstand Firestone Ball Rebound
Shore Härte Abrieb
(Punkte)
(MPa)
(MPa)
(N/mm)
(Grad)
(mm3)
1 | 2 |
100 | 100 |
50 | mm |
- 15 -
Beispiel 5; Modifizierte gefällte Kieselsäure in Naturkautschuk
RSS 1, ML 4 = Ultrasil VN
Mit Si 69 modifiziertes VN (3 GT auf 100 GT Ultrasil VN 3) ZnO, RS
Stearinsäure Vulkacit CZ Schwefel 4 2 2 2
160
15,8 3,9 640
57,5
218
50
4 | 22 | |
2 | ,2 | |
2 | 63 | |
2 | 74 | |
1 | 21 | |
.17 | ,9 | |
5 | ,9 | |
580 | ||
60 | ||
1 |
1'Beispiel 6: Modifizierte gefällte Kieselsäure in
Synthesekautschuk
10 15
Buna Hüls 1500 (SBR) Ultrasil VN 3
Mit Si 69 modifiziertes VN 3 (3 GT auf 100 GT Ultrasil VN 3)
100
50
50
100
50
ZnO, RS | (Punkte) | 4 | 4 |
Stearinsäure | (MPa) | 2 | 2 |
Vulkacit CZ | (MPa) | 2,25 | 2,25 |
Schwefel | ( % ) | 2 | 2 |
ML 4 1000C | (N/mm) | 144 | 125 |
Zerreißfestigkeit | ( % ) | 12,8 | 16,5 |
Spannungswert 300 % | (Grad) | 3,7 | 8,5 |
Bruchdehnung | (mm3) | 630 | 470 |
Weiterreißwiderstand | 18 | 11 | |
Firestone Ball Rebound | 42,9 | 47,6 | |
Shore Härte | 65 | 67 | |
Abrieb | 148 | 101 | |
Claims (3)
1. Synthetische silikatische Füllstoffe, an der Oberfläche modifiziert mit mindestens
einer Organosiliciumverbindung, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung wasserunlöslich ist
und der Formel (i)
(ι)
}_n Si- (AIk)111- (Ar )p J2 [sj;
χ entspricht, in der bedeuten:
R und R eine Alkylgruppe mit 1 bis h Kohlenstoffatomen, den Phenylrest, wobei alle Reste R und R
jeweils die gleiche oder eine verschiedene Bedeutung haben können,R eine C -C^-Alkyl-C -C,-Alkoxi-ZLt
0,1 oder 2 gruppe,
Alk: einen zweiwertigen, geraden oder verzweigten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen,
ο= mi 0 oder 1
Ar: einen Arylenrest mit 6 bis 12 C-Atomen
-Z-
pi O oder 1 mit der Maßgabe, daß ρ und m nicht
gleichzeitig 0 bedeuten und
x: eine Zahl von 2 bis 8.
x: eine Zahl von 2 bis 8.
2. Verfahren zur Herstellung von Füllstoffen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetT daß man
a) bis zu 80 Gew.-^e mindestens eine Organosiliciumverbindung
gemäß der Formel (l) in Wasser emulgiert, gegebenenfalls in Anwesenheit
einer oberflächenaktiven Substanz
b) diese Emulsion mit der wässrigen Suspension eines silikatischen, synthetischen
Füllstoffs bei einer Temperatur von 10 bis 50°C unter Rühren vermischt, daß in der Suspension
0,3 bis 15 Gew.-^ der Organosiliciumverbindung(en)gemäß
Formel (i), bezogen auf den Füllstoff, enthalten sind,
c) das Gemisch gegebenenfalls auf eine Temperatur von 50 bis 100°C aufheizt und
d) nach Ablauf von 10 bis 120 min den Füllstoff abfiltriert und bei 100 bis 150°C trocknet
oder die Suspension sprühtrocknet.
3. Verwendung der Füllstoffe gemäß den Ansprüchen und 2 in form- und vulkanisierbaren Kautschukmischungen..
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Publications (1)
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DE3437473A1 true DE3437473A1 (de) | 1986-04-17 |
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DE (2) | DE3437473A1 (de) |
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