[发明专利]一种硅烷改性的白炭黑-炭黑复合填料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于绿色轮胎的硅烷改性的白炭黑-炭黑的纳米级双相复合填料的 及其制备方法。

背景技术

汽车工业的高速发展导致石油价格不断上涨和日益严重的环境污染，资源枯竭和环境 恶化必然导致人类现有的生活方式不可持续，降低油耗成为汽车工业新的变革力量。在阻碍 轿车前进的阻力中，滚动阻力占18％～30％，滚动阻力能耗占耗油量的14.4％，这意味着 滚动阻力降低30％，则可节油4.5％～6％。据报道，仅由胎面胶所引起的滞后损失占整 个轮胎滚动阻力的38.5％。如果考虑汽车发动机效能的提高，这一比例还将有所提高。 围绕节能和环保两大主题，汽车工业界在轮胎胎面胶配方设计方面取得了明显的成效，通过 使用低滚高牵型的溶聚型丁苯橡胶、高分散性的沉淀法白炭黑填料、高性能和低滞后损失炭 黑、炭黑-白炭黑双相填充剂以及有机-无机界面相互作用的硅烷偶联剂等手段达到了降低滚 动阻力的功效。

轮胎胎面必须满足三个主要的性能要求：滚动阻力、湿路面抓着力和胎面磨耗，这些相 互矛盾的性能要求可用轮胎使用性能的“魔术三角形”来说明。众所周知，“绿色轮胎”意味着 节能和环保，这种轮胎通过在胎面胶中添加高分散性的沉淀法白炭黑填料，同时使用多功能 硅烷偶联剂的，降低了滚动阻力，提高了湿路面抓着力，同时不损失胎面磨耗性能。实现这 样的性能得益于两个要点相互配合：一是使用高分散性的沉淀法二氧化硅实现了高填充性和 高分散性；二是在混炼中使用多功能的硅烷偶联剂对二氧化硅表面改性，改善了填料和橡胶 之间的相容性，防止了极性填料产生聚集体，改善了橡胶的加工性能。此外，在硫化过程中 硅烷偶联剂的反应性官能团可以与橡胶之间形成化学键合，高补强性就是源于白炭黑和橡胶 基体的这种化学结合，对提高轮胎的耐磨性能和耐撕裂性能有很好的作用。

橡胶补强填料广泛使用的炭黑和沉淀法白炭黑的不同功效主要源于二者表面特性巨大 差异。微观新貌和化学分析表明，作为橡胶补强填料广泛使用的炭黑和沉淀法白炭黑的主要 不同之处在于其表面特性。炭黑表面由类似石墨结构的微晶组成，具有少量多种含氧官能基。 因此除了官能基部分外，炭黑表面呈疏水性，与橡胶有很强的填料/聚合物相互作用。与之 相反，白炭黑粒子表面覆盖着大量的硅羟基，粒子间通过强的氢键形成聚集体，即使在高剪 切作用力下仍然难于解聚。在混炼中使用多功能的硅烷偶联剂改善了高分散沉淀法白炭黑和 橡胶之间的相容性，使之作为绿色轮胎填料具有了明显的性价比优势。

相对于炭黑，白炭黑仍存在如下缺点：填充胶料时混入困难，增大加工成本；有吸附硫 化体系中配合剂引起硫化延迟；橡胶制品的磨耗和强度略低。通常，使用沉淀法白炭黑和多 功能硅烷偶联剂可大幅度提高轿车轮胎的湿路面牵引性能，但会降低干路面牵引力，为了克 服这一缺点，配方中必须添加高比表面积炭黑。适应于这种需求，米其林采用不同工艺，即 用高分散沉淀法白炭黑来取代部分中超耐磨炭黑，相当于原炭黑量的20～25％，同时添加硅 烷偶联剂Si69对白炭黑进行改性，由于炭黑和白炭黑同属纳米级材料，因此被称为“双相纳 米填料”。美国卡博特公司开发出独特的炭黑微晶中掺杂硅原子的技术，生产了由白炭黑均 匀分布在连续炭黑相中组成的炭黑-白炭黑双相填充剂，其“两高一低”的特点而被喻为新 一代补强材料。“两高”即炭黑微区表面活性高、白炭黑表面覆盖率高；“一低”即硅烷偶 联剂用量低。以上炭黑-白炭黑复合填料的共同特点是：通过提高炭黑-白炭黑之间的分散均 匀性，提高了橡胶与填充剂的相互作用，降低了填料与填料间网络的生成，补强作用突出。

为了满足轮胎工业的独特需求，国外各大炭黑公司也积极开发高性能和低滞后损失炭黑 的新品种，炭黑在保持补强、增韧、耐磨等特色的同时，出现了低滞后炭黑、炭黑一白炭黑 双相填充剂、纳米结构炭黑等新品种。高性能炭黑共同的特征是粒径小、结构适宜、聚集体 分布尺寸较窄、表面活性高等，而低滞后损失炭黑共同的特征是：结构高、聚集体尺寸分布 较宽、表面活性高。一些经过改良的炭黑品种(譬如低滞后炭黑、纳米结构炭黑等)在降低轮 胎滚动阻力，提高湿路面抓着力方面具有与白炭黑相同的效果。炭黑与白炭黑之间具有不可 替代性，当前的主流技术仍然是复合，问题的关键在于采取怎样的复合方式实现“魔术三角 形”内的相互矛盾的性能之间的平衡。