[发明专利]微孔沉淀二氧化硅

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年5月4日提交的美国申请61/175,188的优先权，该申请通过引用全部并入本文。

发明领域

本发明涉及微孔率增大的沉淀二氧化硅。本发明进一步涉及其中将所述微孔沉淀二氧化硅用作弹性体的增强填料的可硫化的和经过硫化的弹性体混合物，以及制备所述微孔沉淀二氧化硅的方法。

发明背景

沉淀二氧化硅是用在橡胶应用例如轮胎所使用的可硫化弹性体组合物中的公知的白色增强填料。已知的是，一般地为了获得最佳的增强性能，用于弹性体混合物的填料应当以高度分散的形态存在并且均匀地分布在弹性体混合物中。许多早先用于弹性体的沉淀二氧化硅材料具有在混入可硫化弹性体混合物的过程中发生聚结的倾向，这限制了由这类二氧化硅所赋予弹性体的增强水平。

近来，沉淀二氧化硅已经被开发用于工业上称为“生胎”的轮胎中，与之前用于轮胎的二氧化硅增强弹性体相比，该沉淀二氧化硅使得上述轮胎的滚动阻力减小。然而，“生胎”的磨损性能大致保持在只用炭黑增强的轮胎的水平。在日益增加的原料成本和环境压力下，持续需要进一步改善轮胎滚动阻力同时还提供具有相同或提高的耐磨性的这类轮胎。

已经表明沉淀二氧化硅的CTAB表面积与弹性体混合物中涉及增强的特性直接相关。一般认为更高的CTAB表面积导致改善的耐磨性。然而，也已表明更高的CTAB表面积会增加经过固化的弹性体混合物的滞后特性，即，在轮胎的情况下经过固化的弹性体混合物的机械-动力载荷造成更高的发热——其结果是增大的滚动阻力，这导致较差的燃料效率。

另外提出沉淀二氧化硅在其制备过程中于内部形成的结构，即孔隙，会对性能有影响。这种结构的两种量度为沉淀二氧化硅的BET/CTAB表面积比率，以及沉淀二氧化硅的孔隙大小分布的相对宽度(γ)。BET/CTAB商为包括只有诸如氮之类的较小分子可到达的孔隙内所含的表面积的沉淀二氧化硅总表面积(BET)与该二氧化硅所混入的弹性体例如橡胶可到达的外表面积(CTAB)的比率。典型地将该比率称作微孔率的量度。高的微孔率值，即高的BET/CTAB商，是内表面(BET表面积)与外表面(CTAB)的高比例，内表面(BET表面积)-小的氮分子而不是弹性体可到达的，外表面(CTAB)-弹性体可到达的。孔隙大小分布的相对宽度(γ)是沉淀二氧化硅颗粒内孔隙大小分布有多宽的指示。γ值越小，沉淀二氧化硅颗粒内孔隙的孔隙大小分布越窄。

最后，还已知沉淀二氧化硅表面上的甲硅烷醇基团会影响其在弹性体混合物中的表现。Sears值是说明沉淀二氧化硅上甲硅烷醇基团的浓度的量度。沉淀二氧化硅的一种建议参数为对于给定水平的CTAB表面积而言甲硅烷醇基团的浓度。沉淀二氧化硅表面上的甲硅烷醇基团充当用于偶联试剂的潜在化学反应位点，其容许二氧化硅与弹性体(橡胶)基质偶联，这能够导致改善的增强性能，例如改善的耐磨性。弹性体混合物中二氧化硅表面上的甲硅烷醇基团还用作颗粒与颗粒间相互作用的位点。颗粒与颗粒间相互作用的增加造成滞后特性的增加，即，固化弹性体混合物的机械-动力载荷造成更高的发热，其结果的一个实例是增大的轮胎滚动阻力，这导致较差的燃料效率。

发明概述

现已发现，具有某种物化参数组合的沉淀二氧化硅将会产生涉及弹性体应用的性能的改善。更具体地，已经发现具有提供给定水平的增强相关特性的给定的CTAB表面积、增大的微孔率和相对窄的孔隙大小分布的组合的沉淀二氧化硅将出乎意料地提供减小的滞后特性。另外还进一步发现一定范围的甲硅烷醇基团、特别是对于给定的外表面积(CTAB)而言最少数量的甲硅烷醇基团在优化滞后与增强之比、即优化燃料效率与耐磨性之比方面是有益的。更特别地，已经发现当上述沉淀二氧化硅作为填料混入可硫化的弹性体组合物、例如打算用于橡胶应用例如轮胎的弹性体混合物中时，它产生较低水平的滞后，这导致由上述弹性体混合物制备的轮胎的较小滚动阻力。此外，上述二氧化硅的物化参数还能实现较高水平的弹性体增强，这为较低的轮胎磨损作准备。

按照本发明，提供了CTAB表面积为50-300m²/g、BET/CTAB表面积比率≥1.3以及孔隙大小分布的相对宽度γ≤3.5的微孔沉淀二氧化硅。该沉淀二氧化硅的特征可以进一步在于Sears值为10-28，以及Sears值/CTAB比率≤0.16。