[发明专利]石墨纳米复合材料

说明书

发明人：Weiqing Weng、David J.Lohse、Miguel Mota、Adriana S.Silva、Edward N.Kresge

技术领域

本发明涉及包含弹性体和石墨的纳米颗粒的弹性体组合物，通常用作气密层例如轮胎内衬或内管，和由所述弹性体组合物制备的轮胎内衬和内管。

背景技术

仍需要改进充气轮胎的耐热性和空气保持性。能实现所述效果的弹性体材料可以通过维持合适的轮胎充气持续更长时间提高车辆的安全性和性能，并且它们还可以通过减轻重量提高燃料经济性。然而，轮胎和内衬工业中的持续问题是改进气密层(例如内衬)的可加工性而不损害轮胎本身的气密性和耐久性的能力。

溴丁基和氯丁基橡胶通常用于无内胎轮胎中的空气保持。当耐热性尤其具有重要性时，已经使用溴化聚(异丁烯-共聚-对甲基苯乙烯)(BIMS或BIMSM)例如美国专利号5,162,445和5,698,640中公开的那些。用于弹性体的商业配方的成分的选择取决于所需性能和应用以及最终用途的平衡。例如，在轮胎工业中，生(未固化)配混物在轮胎设备中的加工性能对比固化橡胶轮胎复合材料的使用中的性能，和轮胎的性质(即斜交轮胎对比子午线轮胎，和客车对比卡车对比飞机轮胎)都是必须加以平衡的重要因素。

改变产物性能和改进气密层性能的一种方法曾是将粘土(例如纳米粘土或有机粘土)添加到弹性体中以形成″纳米复合材料″。纳米复合材料是含无机颗粒的聚合物体系，所述无机颗粒具有在纳米范围中的至少一个维度(参见例如WO 2008/042025)。用于纳米复合材料的常用类型的无机颗粒是页状硅酸盐，即一种无机物质，其得自一般以插层形式提供的一般类别的所谓″纳米粘土″或″粘土″，其中所述粘土的小薄片或叶以堆叠体排列在各个粘土制品中，而叶间间距通常通过另一种化合物或化学物质插在相邻的薄层之间得到保持。理想地，应该在纳米复合材料中进行插入，其中聚合物插入粘土表面之间的空间或通道。最终，具有剥离是希望的，其中聚合物完全地与各个纳米尺寸的粘土小薄片分散。归因于当粘土存在时各种聚合物共混物的气密层质量的一般性提高，所以仍希望具有低空气渗透性的纳米复合材料；特别是硫化的弹性体纳米复合材料例如用于制造轮胎的那些。

板状纳米填料例如有机硅酸盐、云母、水滑石、石墨碳等的分散、剥离和取向的程度可以强烈地影响所得聚合物纳米复合材料的渗透性。仅少许体积百分数的剥离高长宽比板状填料的分散理论上显著地改进聚合物的阻隔性能一个数量级，这简单地归因于由小薄片周围长的绕路引起的扩散路径长度增加。Nielsen，J.Macromol.Sci.(Chem.)，vol.A1，p.929(1967)公开了通过考虑不可穿过的、平面取向板状填料的弯曲性(tortuousity)增加测定聚合物的渗透性降低的简单模式。Gusev等人，Adv.Mater.，vol.13，p.1641(2001)公开了简单的拉伸指数函数，其将渗透性降低与长宽比乘以板状填料的体积分数关联，所述函数与通过直接三维有限元渗透性计算数字模拟的渗透性值良好地关联。

对于橡胶配混应用，小亚微米填料例如炭黑和二氧化硅用于疲劳耐性、断裂韧性和拉伸强度。大于微米级(micron act)的填料颗粒倾向于集中应力和引发缺陷。因此，添加用来降低渗透性的板状纳米填料是弹性体中合乎需要的。为了使长宽比对渗透性降低的影响最大化，使小薄片的剥离和分散的程度最大化是有用的，所述小薄片一般呈小薄片的插层堆叠体形式提供。然而，在异丁烯聚合物中，板状纳米填料的分散和剥离要求足够有利的焓贡献以克服熵损失。事实上，因此已经证明非常难以将离子型纳米填料例如粘土分散到总体上惰性、非极性的烃弹性体中。现有技术已经尝试通过粘土颗粒的改性，通过橡胶状聚合物的改性，通过利用分散助剂和通过利用各种共混方法改进分散，取得了有限成功。

饱和烃聚合物例如BIMSM的″惰性″、它们的低反应性和与大多数其它材料的不相容性，和使它们粘附于大多数其它材料或与大多数其它材料联合使用它们的困难已经限制了它们在许多领域中的应用。已经尝试了弹性体的化学改性、共混物组分的改性和附加的增容性共混物组分的使用。美国5,162,445公开了通过使不饱和共聚单体和/或具有反应性官能团的共聚单体与异丁烯共聚合改进聚合物共混物相容性或共混物可共固化性的方法。U.S.5,548,029公开了异丁烯-对甲基苯乙烯共聚物的接枝共聚物使饱和和不饱和弹性体的共混物增容。