一种橡胶添加剂及其制备和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及橡胶添加剂领域，尤其是涉及一种橡胶添加剂及其制备和应用。
【背景技术】
[0002] 机动车燃油经济性要求轮胎提供尽可能低的滚动阻力，而机动车的安全操控考虑 则要求轮胎胎面可提供尽可能高的牵引力，敏捷操控性和驾驶稳定性。基于种种因素，轮胎 橡胶的这些特性在很大程度上是彼此相互竞争并且是矛盾对立的。因此，如何获得具有低 滚动阻力的轮胎同时又有优良的防滑性能和驾驶稳定型的胎面仍然是一个很大的挑战。滚 动阻力是当轮胎在路面滚动时轮胎与路面接触形成的拖曳力，它可导致轮胎滚动时消耗能 量。该现象的本质是相当复杂的，而且几乎在所有的驾驶条件下都可以直接影响车辆的燃 油消耗。
[0003] 滚动阻力因子是测量轮胎耗能效率的一个主要因素。从环境的角度来看，随着交 通工具数量显著增加，自1990年以来在全球范围内，来自交通运输的二氧化碳排放量已经 超过了 35%，客车占了超过这些排放量的一半。在同期公路运输上，中国经历了过去的二十 年来每十年增长10倍的增长率。现在，空气污染蔓延所有城市地区，尤其是大城市的空气 污染已经成为中国最紧迫的环境问题之一。对于中国和全世界，能否实现新车在2020年平 均二氧化碳排放量为120克/公里这一目标意义重大。
[0004] 显然一个容易滚动的轮胎意味着车辆将得到更好的汽油里程数。现在普遍认为合 成橡胶的现代设计是进一步减少轮胎滚阻的主要方向。轮胎是由许多组件组装而成，包括 内衬，胎体帘布层，侧壁，和胎面。因为胎面橡胶与路面直接接触，它是滚动阻力的最主要贡 献者，大约占了总滚阻的40% -50%。侧壁和壳体大约占20% -30%，剩下的是胎圈区域， 仅占百分之几。因此，在研发新的低滚阻轮胎时，橡胶制备和配方设计是最为重要的，因为 一旦胎体的基本结构被确定，橡胶是轮胎滚阻的主要贡献者。
[0005] 工程橡胶的固有特性是它不是一个完美的弹性体，它的应变滞后性本身就带来了 滚动阻力。轮胎是车辆直接与路面接触的重要组成部分。它几乎承担车辆所需要的所有动 力要求。出于安全方面的考虑，这需要轮胎提供良好的防滑性，足够的牵引力，敏捷操控性 和驾驶稳定性。但是，车辆的燃油效率要求轮胎提供尽可能低的滚动阻力。上述这些属性 的考虑在很大的程度上（对于材料的选择与设计上）存在着矛盾。例如，改进滚动阻力可 能对轮胎在雨天安全性能方面产生不利影响，反之亦然。因此，如何降低轮胎滚阻的同时还 提高防滑性在轮胎材料上并不是一个简单的问题。
[0006] 此外，轮胎不是单一种类的橡胶化合物，在一个轮胎中就有多达10个不同种专门 配制的工程橡胶，还有许多天然和人工合成材料，如聚合物，碳黑，二氧化硅，纤维，油，蜡， 固化剂，抗氧化剂，粘性助剂，加工助剂等，所有这些物质都对滚动阻力或多或少有贡献。因 此，材料的选择是轮胎研究的基础，其中橡胶材料是关键成分。
[0007] 总而言之，公路运输造成了大量的燃油消耗，并导致全球变暖和空气污染，降低轮 胎滚动阻力具有显著的社会经济效应。安全驾驶要求轮胎胎面提供良好的牵引力，敏捷操 控性和驾驶稳定性。综上所述，这些橡胶特性在很大的程度上存在着竞争和矛盾。很多时 候，一个特性的改善是以一个或两个其他属性为代价的。因此，如何获得具有低滚动阻力的 轮胎，又有优良的防滑性能和驾驶稳定性的胎面仍然是一个很大的挑战。
[0008] 在轮胎工业中，橡胶成分被设计以实现不同性质的平衡；例如，耐久性（如抗拉强 度和抗扯强度），滚动阻力和牵引力。通常来说，改变一种成分以提高这些性质中的一种或 多种可能其他至少一种性质的降低。尽管我们亟需牵引力和耐久性，由于近些年燃油价格 上涨和其他一些考虑，保持轮胎低的滚阻同样十分重要。因此，我们希望能设计出既能提高 牵引力和/或耐久性特性，同时也能保持较低的滚动阻力的添加剂。
[0009] 中国专利201310356589. 4公开了一种引入橡胶组合物的金属皂及金属皂引入橡 胶组合物的方法。一种组合物包括二烯橡胶和金属皂，金属皂中的金属离子为具有氧化态 为+3或+4的金属，制造橡胶组合物的方法包括将极性溶剂、碱和羧酸组合并将这些混合， 以形成溶液A。将溶液形式的金属离子源加入到溶液A中，由此混合形成产物A。金属离子 源中的金属选自由具有氧化态为+3或+4的金属组成的组。将产物从溶液A中分离，然后 与二烯橡胶组合物组合，以形成有用的制品。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种橡胶添加剂及 其制备和应用。
[0011] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0012] -种橡胶添加剂，其化学结构式为：
[0014] 其中，Μ为一种氧化态为+3或者+4价的金属，&为含有5~50个碳原子的脂肪 链，私和R3为含有〇~50个碳原子的脂肪链，R4为芳香环化合物，η为大于或等于1的正
整数。
[0015] 表示氨基（ΝΗ2-)可接在R2,R3或R4上，或 者同时接在R2、私或R4中两个或三个上。接在R2,私或R4上的氨基数量可为1个或多个。[0016]所述的芳香环化合物为苯、吲哚或苯环多聚体。常用的苯环多聚物有萘、蒽等，还 可以是富勒烯或石墨烯等结构。
[0017] 所述的金属Μ为铁、钛、铝、钴或钒。
[0018] -R3_基团、_R2-基团均与-R4-基团中的苯环连接。连接方式优选为间位或对位连 接。更优选的，为对位连接。
[0019] 一种橡胶添加剂的制备方法，包括以下步骤：
[0020] (1)将带芳香胺的芳香族羧酸和碱置于极性溶剂中，加热反应，直至溶液完全透 明，得到生成带芳香胺的芳香族羧酸盐产物的溶液A;
[0021] (2)将脂肪酸和碱置于极性溶剂中，加热反应，直至溶液完全透明，得到生成脂肪 酸盐产物的溶液B;
[0022] (3)将溶液A与溶液B混合，在剧烈搅拌的条件下，缓缓倒入金属Μ盐溶液，反应得 到白色固体产物，洗涤干燥后，即得目的产物。
[0023] 所述的碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾、碳酸钠或氨水中的一种；
[0024] 所述的极性溶剂选自水、四氢呋喃、丙酮、乙腈、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙酸、 正丁醇、异丙醇、丙醇、乙醇或甲醇中一种；
[0025] 步骤（1)中所述的带芳香胺的芳香族羧酸为在芳香胺的苯环上取代有一个C1~ C30的脂肪酸；
[0026] 步骤（2)中所述的脂肪酸为C6~C50的脂肪酸。
[0027] 步骤⑴中所述的带芳香胺的芳香族羧酸选自邻氨基苯甲酸，间氨基苯甲酸，对 氨基苯甲酸，氨基苯乙酸，氨基苯丙酸，氨基苯丁酸，氨基苯戊酸，氨基苯己酸，氨基苯庚酸， 氨基苯辛酸，氨基苯壬酸，氨基苯葵酸，氨基苯i 酸或氨基苯十二酸中的一种；
[0028] 步骤（2)中所述的脂肪酸选自硬脂酸、月桂酸、异辛酸或油酸中的一种。
[0029] 步骤（1)中添加的带芳香胺的芳香族羧酸与碱的摩尔比为（1. 5~2. 5) :1，碱在 极性溶剂中的浓度为〇. 1~〇. 2mol/L，加热反应的工艺条件为：加热至90°C并剧烈搅拌 lh；
[0030] 步骤（2)中添加的脂肪酸与碱的摩尔比为（1. 5~2. 5) :1，碱在极性溶剂中的浓 度为0. 1~0. 2mol/L，加热反应的工艺条件为：加热至90°C并剧烈搅拌lh;
[0031] 步骤（3)中溶液A、溶液B和金属Μ盐溶液三者的添加量的体积比为1:1: 1，金属 Μ盐溶液的浓度为0. 15~0. 25mol/L，金属Μ盐溶液倒入混合溶液C中的速度为：每秒倒入 总的金属Μ盐溶液体积量的1%，洗涤后干燥的工艺条件为：先在100°C下真空干燥12小时 后再在110°C下继续