生产基于二氧化硅的增强填料的可硫化橡胶组合物的方法

专利名称：生产基于二氧化硅的增强填料的可硫化橡胶组合物的方法
概而言之，本发明涉及在可交联的不饱和链聚合物基中包括低含量炭黑并加入部分或全部取代炭黑的基于二氧化硅的增强填料类型的可硫化橡胶组合物。
本发明更特别涉及生产上述类型组合物的方法以及由所述组合物制得的胎面。
整个下面的说明书和后面的权利要求中，术语可交联的不饱和链聚合物基，是指任何未交联的聚合物，可以是天然的也可以是合成的，它们通过用基于硫的体系交联(硫化)可以呈现其弹性体的所有物化和机械特性。正如周知的，对于生产轮胎的因素，研究的重点是尽可能多减少轮胎的滚动阻力。
为此，现有技术中已提出在生产胎面中使用炭黑含量低的橡胶组合物。
在这些橡胶组合物中，炭黑被无机的，所谓＂浅色的＂增强填料，如石膏、滑石、高岭土、膨润土、二氧化钛、各种硅酸盐，特殊的二氧化硅部分或全部取代。
然而，由于二氧化硅与组合物的聚合物基质亲合性差，在聚合物基质中通常加入能使二氧化硅与聚合物基质化学键合的合适偶联剂。
因此，例如在US5227425中，公开了滚动阻力低的胎面用橡胶组合物，它通过将包括乙烯基含量为5至50％的共轭二烯与乙烯基芳族化合物的共聚物与大量的作为填料的二氧化硅和基于硅烷的偶联剂混合制得。
类似地，在欧洲专利申请EP-A-0447066中公开了具有滚动阻力低的胎面用组合物，其中用于使二氧化硅与聚合物基化学键合的基本组分是基于硅烷的偶联剂。
根据现有技术的反复教导和通过所述偶联剂生产厂提供的各种说明(见(例如)出版物＂SILICA BASED TREADCOMPOUNDSBACKGROUND AND PERFORMANCE＂，P14，表1V，由Degussa在Basel1993年10月28-29日举行的会议TYRETECH′93上发表)，二氧化硅和偶联剂应在组合物制备过程中加入并同时掺入组合物中，以达到二氧化硅与偶联剂在后面的硫化操作过程中与聚合物基质化合键合的所需效果。
然而，将二氧化硅与偶联剂同时掺入组合物中需要在组合物的混合和机加工操作中严格限制可达到的最大温度。
事实上在组合物制备过程中，首要避免偶联剂的不可逆热降解，温度必须不超过160°至165℃。
但是遵守上述温度限制，包括显著降低混合的机械活动性，而这对于将二氧化硅最佳分散于聚合物基质中是必须的。
二氧化硅在组合物中分散不充分会造成很多缺陷，主要原因在于橡胶组合物从一个区域到另一个区域物化机械性能的过分可变性和不均匀性。
尤其是在由上述组合物生产胎面的多种尝试中，已观察到由如此生产的橡胶组合物制得的胎面拉伸极为困难并且尺寸可变。
在所有这些缺陷中，另一个不可忽略的缺点是，减少了用于生产胎面的拉伸设备的生产能力。
实际上，用现有技术中已知的包括高含量二氧化硅的橡胶组合物，不能保持通常用于常规橡胶组合物的拉伸速度，而必须降低速度如以确保从拉伸台出来的组合物温度为约120℃。
用拉伸速度等于常规速度的约50％可得到这一结果。
事实上，在高速度时在胎面中发现多孔区域，它明显损害了胎面的尺寸特性的稳定性。
这类区域的起因基本上认为是由于高的拉伸速度造成的高温使橡胶组合物中所含的与二氧化硅结合的水的快速蒸发所至。
显然，拉伸速度越快(因而组合物达到的温度越高)，这种不利现象的证据就越多。
设备单位时间内的生产能力显著下降，结果是明显影响生产时间和成本。
本发明涉及的技术问题是提供一种掺入至少一种基于二氧化硅的增强填料的可硫化橡胶组合物，该组合物既改进了二氧化硅的分散性又改进了物化机械特性和可加工性。
因此根据第一方面，本发明涉及一种生产具有基于二氧化硅的增强填料的可硫化橡胶组合物，其特征在于它包括下列步骤—在温度为165°至180℃下并在基本无二氧化硅偶联剂的条件下，将可交联的不饱和链聚合物基，至少一种基于二氧化硅的增强填料与必要时一种或多种非交联组分彻底混合；—在如此制得的橡胶组合物中，加入至少一种基于硅烷的二氧化硅偶联剂和必要时第二部分所述基于二氧化硅的增强填料；—在温度为110°至160℃下，使得到的橡胶组合物彻底混合；—在温度低于硫化温度下加入合适的硫化剂并使其均匀分散在整个所述橡胶组合物中。
在下面的叙述和所附的权利要求中，术语基于二氧化硅的增强填料是指基于二氧化硅、硅酸盐和其混合物的表面积为100至300m2/g(如根据BET方法测量)的增强填料。
仅为简化本发明的描述的目的，本发明的基于二氧化硅的填料在下面术语为二氧化硅。
根据本发明，对于每100重量份聚合物基，在橡胶组合物中加入10至80重量份二氧化硅是特别有利的。
事实上，当橡胶组合物中掺入如此量的二氧化硅时，由该组合物制得的轮胎达到最优结果，如涉及其机械特性，滚动阻力降低、路面抓着力，特别是对湿地面的附着性。
事实上，从下列描述显而易见，已发现当相对于100重量份聚合物基，二氧化硅的量低于10重量份时，其对橡胶组合物和由橡胶组合物制得的产品的增强活性降低，当加入量为60至80重量份时，橡胶组合物的加工性开始大幅度显著降低，而且加入量高于80重量份时，组合物最终变为不再可接受。
对于本发明目的有用聚合物基中，由共轭二烯和/或脂族或芳族乙烯基单体聚合制得的不饱和链聚合物或共聚物是优选的。
更特别地，本发明的聚合物基选自天然橡胶、1，4-顺式聚丁二烯、聚氯丁二烯、1，4-顺式聚异戊二烯、任意性卤代的异戊二烯-异丁烯共聚物、丁二烯-丙烯腈、在溶液或乳液中制备的苯乙烯-丁二烯和苯乙烯-丁二烯-异戊二烯三元共聚合物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物。
根据本发明，按照最终产品所需的特性，这些聚合物基可以单独使用或相互混合使用。
根据本发明优选的实施方案，将提供橡胶组合物具有所需机械和加工性能的非交联组分在第一个混合步骤中加入并掺入聚合物基中。
本来已知的这些组分选自增强填料例如炭黑、增塑剂、加工助剂、抗氧剂、抗老化剂等。
这些组分的每一种选取的用量和比例(它可由本领域熟炼技术人员决定)应达到上述特性的优化值。
此外，根据要加入橡胶组合物中的二氧化硅的量，二氧化硅可以两部分或多部分加入，最后一部分可与偶联剂同时加入，可从下面清楚地看到。
事实上已经注意到当要加入橡胶组合物的二氧化硅的量对于100份聚合物基，超过50重量份时，以两步或多步加入并充分混合二氧化硅可显著改进其在聚合物基中的分散性。
根据本发明，还令人吃惊地发现，二氧化硅在橡胶组合物制备过程中与偶联剂和在硫化过程中与聚合物基的化学键合的所需效果可通过将这些组分分别加入橡胶组合物中取得。
事实上与现有技术中通常教导的相反，已观察到在不同时间加入橡胶组合物的偶联剂，和所有二氧化硅，或至少主要部分的二氧化硅既不会损害二氧化硅与偶联剂作用的可能性，也不会损害二氧化硅，偶联剂和聚合物基质之间形成的键的稳定性。
相反，本发明方法的目的可得到现有技术预料不到的重要优点。
根据本发明的优选实施方案，在不加入任何偶联剂的情况下将所有二氧化硅或至少其主要部分加入橡胶组合物中并在温度为165°至180℃，优选约175℃(高于迄今现有技术允许的温度)下所述组合物的其它组分彻底混合。
上述高混合温度可有利地通过将聚合物基、二氧化硅和任意非交联组分在本领域技术人员熟知的名称为＂Banbury＂的通用混合设备中混合，以容易和快速的方式达到。
事实上，在这些设备中，对正在制备的橡胶组合物进行机械加工，由于其显著的粘弹特性，造成其温度在上述值范围内迅速升高。
根据本发明，增加橡胶组合物进行的机械加工的可能性，一方面可使二氧化硅均匀彻底地分散于整个橡胶组合物中，另一方面从橡胶组合物中除去大部分与二氧化硅键合的水。
当涉及橡胶组合物的湿含量时，已特别观察到该含量可减至等于或小于根据现有技术制备的橡胶组合物中发现的值的约80％，这样就显著降低了在橡胶组合物后续加工中产生的多孔结构。
在对本发明的橡胶组合物进行重复试验过程中，还观察到二氧化硅以极其均匀的方式分散于整个橡胶组合物中，以及由此组合物制备的半成品(例如胎面)或成品(如轮胎)中，其中均匀分散方式通过下列规定的分散指数更为明了。
使用上面类型的混合装置，具有的另一优点是，在1.5至5分钟，优选约3分钟时间间隔内达到上面的有利特性。
显然，根据橡胶组合物的实际配料和选取的混合设备的结构和功能特性，完成第一个混合步骤所需的时间可在上面的时间范围内变化。
根据本发明，当二氧化硅已均匀分散于整个橡胶组合物中与此同时适当降低水含量后，将合适的偶联剂加入此橡胶组合物中，该偶联剂能够与二氧化硅进行化学反应并能使二氧化硅与下面的硫化步骤中的聚合物基结合。
为此，合适的偶联剂包括至少一个在橡胶组合物制备步骤过程中存在的压力和温度条件下能与存在于二氧化硅外表面上的反应性基团(如羟基，甲硅烷基等)反应的官能基团，至少一个在橡胶组合物硫化过程中存在的压力和温度条件下能与聚合物基反应的官能基团。
对于本发明目的，特别合适的偶联剂是具有下列结构式的基于硅烷的试剂(R)3-Si-CnH2nX其中R为包括1至4个碳原子的烷基或烷氧基或氯原子，n为1至6的整数，X为-Sim-CnH2n-Si-(R)3、亚硝基、巯基、氨基、环氧基、乙烯基、亚氨基、一个氯原子、一个或多个硫原子或SmY基团，其中Y选自下列官能基团； 其中m和n是1至6的整数，R为包括1至4个碳原子的烷基或烷氧基，或氯原子具有上式(I)的特别合适的偶联剂是双(3-三乙氧基甲硅烷基-丙基)四硫化物，双(2-三乙氧基甲硅烷基-乙基)四硫化物，双(3-三甲氧基甲硅烷基-丙基)四硫化物，双(2-三甲氧基甲硅烷基-乙基)四硫化物，3-巯丙基-三甲氧基硅烷，3-巯丙基-三乙氧基硅烷，2-巯乙基-三甲氧基硅烷，2-巯乙基-三乙氧基硅烷，3-硝基丙基-三甲氧基硅烷，3-硝基丙基-三乙氧基硅烷，3-氯丙基-三甲氧基硅烷，3-氯丙基-三乙氧基硅烷，2-氯乙基-三甲氧基硅烷，2-氯乙基-三乙氧基硅烷，
3-三甲氧基甲硅烷基丙基-N，N-二甲基氨基硫羰基四硫化物，3-三乙氧基甲硅烷基丙基-N，N-二甲基氨基硫羰基四硫化物，2-三乙氧基甲硅烷基-N，N-二甲基氨基硫羰基四硫化物，3-三甲氧基甲硅烷基丙基-苯并噻唑四硫化物，3-三乙氧基甲硅烷基丙基-苯并噻唑四硫化物，3-三乙氧基甲硅烷基丙基-甲基丙烯酸酯-硫化物，3-三甲氧基甲硅烷丙基-甲基丙烯酸酯-硫化物等。
这些偶联剂中特别优选的是双(3-三乙氧基甲硅烷基-丙基)四硫化物，它由DEGUSSA以商品名Si69出售。
根据本文前面描述的方法，参考在加入二氧化硅的前一步，但在温度最低值110°至最高值范围140°-160℃下(取决于与偶联剂一起同时加入橡胶组合物的二氧化硅的量)，通过使硅偶联剂与橡胶组合物充分混合将其加入橡胶组合物中。
事实上正如上面强调的，二氧化硅可以一步或以两个独立步骤，与偶联剂分开全部加入橡胶组合物中，或在偶联剂混合步骤中部分地与偶联剂一起加入橡胶组合物中。
对此，已观察到二氧化硅的最佳分散及表面活性的有利效果以及除去与二氧化硅结合的大部分水的有利效果可通过将偶联剂与部分二氧化硅(其量等于不多于要加入聚合物基中的二氧化硅总量的1/3)一起加入橡胶组合物中达到。
在这种情况下，在混合步骤中将橡胶组合物的温度保持最小值接近140℃(基本上无二氧化硅的情况)至最大值接近160℃(当使用上述最大量的二氧化硅，其量不超过总量的1/3)之间。
根据本发明，已令人吃惊地发现，二氧化硅与偶联剂，即使在不同时间加入橡胶组合物中，除了相互反应至基本完全的程度外，还能够在被认为是最优温度(160-165℃)的较低温度下相互进行化学结合。
虽然对这种现象还不完全清楚，但认为二氧化硅、聚合物基和任意非交联添加剂的在前混合步骤能够在某种方式上＂活化＂二氧化硅的外表面和/或以某种原因得到大量的羟基或甲硅烷基导致与偶联剂反应。
由于二氧化硅的这种较高的反应性，还观察到0.5至1.5分钟的混合时间足以使偶联剂进入橡胶组合物中并使橡胶组合物与二氧化硅之间进行反应。
为了本发明目的独立地选取加二氧化硅的方法(二氧化硅可以一步或多步与偶联剂分别加入，或至少部分与偶联剂一起加入)，加入橡胶组合物中的基于硅烷的偶联剂的量，对于每100重量份二氧化硅，为4至15重量份，优选8至10重量份。
事实上，已观察到偶联剂的量低于4重量份，则不能与二氧化硅外表面上的所有官能团反应，注意到若超过15重量份(对于指出的二氧化硅类型)，对于结合活性无明显改进。
根据本发明的优选实施方案，当卸出橡胶组合物并使其在每一步骤完全冷却后，加入和均匀分散二氧化硅的步骤及加入并使二氧化硅与偶联剂反应的步骤优选以不同时间和/或在不同设备中进行。
另外，还可以在同一混合设备(Banbury或双螺杆拉伸设备)中进行上述混合步骤，然而应小心在开始加入偶联剂的步骤之前，必须使正在加工的橡胶组合物的温度降至上述温度值(110°-160℃)范围。
一但偶联剂已均匀掺入橡胶组合物后，通过在此橡胶组合物中加入合适的硫化剂，任意性地并优选地同时加入合适的硫化活化剂和促进剂，使其硫化。
如果聚合物基选自优选的可交联剂不饱和链聚合物，则使用的最有利的硫化剂是硫黄，或含硫的分子(硫给体)，并使用本领域熟练技术人员已知的促进剂和活化剂。
在硫化活化剂中，通过在橡胶组合物中加入氧化锌和硬脂酸直接形成的硬脂酸锌是优选的。
按照前面对于加入二氧化硅和其偶联剂之前步骤规定的方法，通过使橡胶组合物充分混合和方式将硫化剂，与可能的促进剂和活化剂一起加入橡胶组合物中。
为避免橡胶组合物过早和不需要的硫化，其温度应保持在硫化温度以下，优选温度范围为100°至110℃。
为更好地控制温度，在这种情况下，加入硫化剂之前，将橡胶组合物在加入偶联剂之后从设备中卸出并(若需要)使其冷却是优选的。
在这一步骤中，已发现2.5至4分钟的混合时间足以使整个橡胶组合物达到均匀分散硫化体系(硫化剂、促进剂和活化剂)。
在本发明方法的另一实施方案中，硫化活化剂(如氧化锌和硬脂酸)可在上述步骤的第一混合步骤中与二氧化硅、聚合物基和其它非交联试剂一起加入橡胶组合物中。
根据本发明再一个并且有利的实施方案，还有可能通过同时将偶联剂，硫化剂和上述促进剂加入橡胶组合物中减少整个加工步骤的数目。
根据本发明的另一方面，用所述方法提供一种具有基于二氧化硅的增强填料和低炭黑含量的可硫化橡胶组合物，该橡胶组合物特别适合生产轮胎胎面，尤其是滚动阻力低的轮胎胎面。
根据本发明，上面的橡胶组合物包括至少一种可交联不饱和链聚合物基和至少一种均匀分散于聚合物基中的基于二氧化硅的增强填料。
本发明的橡胶组合物对于每100重量份聚合物基，优选包括10至80重量份的二氧化硅。
在用于本发明目的聚合物基中，优选由共轭二烯和/或脂族或芳族乙烯基单体聚合制得的不饱和链聚合物或共聚物。
更特别地，本发明的聚合物基选自天然橡胶，1，4-顺式聚丁二烯、氯丁橡胶、1，4-顺式聚异戊二烯、必要时卤代异戊二烯-异丁烯共聚物，丁二烯-丙烯腈、既可在溶液或乳液中制备，苯乙烯-丁二烯和苯乙烯-丁二烯-异戊二烯三元共聚物，及乙烯-丙烯-二烯三元共聚物及其混合物。
单独通过未限制性例子的方式，本发明橡胶组合物的典型组成给出如下(重量份)-聚合物基 100-炭黑 0-80-二氧化硅 10-80-偶联剂 二氧化硅的4-15％-ZnO1-3-硬脂酸 0-3
-抗氧剂1-3-抗疲劳剂 0.5-3-硫或硫给体0.5-3-促进剂0.5-3-增塑剂3-30由于上述高分散度，本发明的橡胶组合物不仅具有均匀特性，而且可制得具有所需的滚动阻力低的轮胎胎面。
由于其恒定特性和其低温含量，本发明的橡胶组合物还具有改进的加工特性，可通过拉伸，模塑或压延生产尺寸稳定，具有多孔指数低于2％并在后续使用中可完全接受的半成品，尤其是轮胎胎面。
根据本发明的再一方面，提供一种生产具有滚动阻力低的高性能运载轮胎胎面的方法，其特征在于它包括形成具有基于二氧化硅的增强填料和炭黑含量低的可硫化橡胶的橡胶组合物的步骤，该组合物可通过前述方法制得。
本发明的胎面优选通过在温度80至120℃下拉伸，模塑或压延制备。
由于上述均匀性和低湿含量的有利特性，本发明的可硫化橡胶组合物可在速度比由现有技术的含二氧化硅的橡胶组合物能达到的最大速度高得多速度下进行拉伸。
按此方式制得的挤出胎面，除了具有所需的低滚动阻力外，有利的是还具有0至2％的多孔度，该多孔度定义如下[(dm-dt)/dm]×100其中dm＝橡胶组合物本身并进行压缩处理以从中除去各种孔隙的样品的密度；dt＝取自拉伸设备出口处的橡胶组合物样品的密度。
此值完全符合当其装配在要硫化轮胎结构中时所需的胎面特性。
此外，本发明的胎面具有的二氧化硅分散指数，应使所述指数与基本上无二氧化硅的相同组合物(即其中所有的二氧化硅已被炭黑取代)的胎面的指数之差低于20000。
在下面的叙述和所附的权利要求中，术语分散指数是指与所考虑的半成品(例如胎面)或成品(如轮胎)外表面粗糙度相关的无量纲数值。
上述指数值可借助市场上购买的仪器，FEDERAL(ESTERLINE公司)的分散度分析仪测定，该仪器包括造成在要分析的样品表面上滚动的描形针，和能记录和加工描形针以与所述表面成直角的位移的装置。
这些位移可通过绘制描形针位移轮廓图解表示，该轮廓与具有不同振幅和频率的参比线相比，呈连续峰特征的虚线样子。
显然，完全光滑的表面将产生直线，而粗糙表面会产生虚线，所有更不规则和齿形更多数，差别妨碍描形针路经过程中描形针运行。
众所周知，由于硫化，在整个橡胶组合物中组分分散性差的分散体产生表面充满微糙度的成品，微粗糙度越大，标志着分散性越差。
分析仪检测描形针在样品表面上预定长度路径过程中遇到的峰数，并将其转化为数值，此数值这里定义为＂分散指数＂，它与表示以平均峰高峰频率平方所得值相关，其中峰频率按cm-1峰计，平均峰高以μm计。
根据本发明的另一方面，提供一种生产车轮轮胎的方法，特别是适合于生产高性能轮胎的方法，装备有一种含基于二氧化硅增强填料的胎面，此方法包括制备围绕胎体四周的提供滚动表面的外胎面及通过硫化将所述胎体与胎面连接，其特征在于所述胎面通过成型按本发明方法制备的橡胶组合物而制得。
根据再一方面，本发明还涉及用于车轮的轮胎，该胎面按本发明方法生产，它显示二氧化硅在整个聚合物基中的最优分散度，因此所述分散指数与基本上不含二氧化硅的同一组合物的轮胎的分散指数之差小于20，000。
非常令人吃惊的是，从下文将可以看出，根据本发明方法生产的轮胎进行道路试验并与完全相同的但包括按现有技术生产的胎面的轮胎相比，得到特别好的结果。
尽管涉及的现象还不完全清楚，但认为轮胎在道路上的行为不仅受存在于胎面中的二氧化硅，而且受二氧化硅加入聚合物基的方式的极大影响。
因此根据再一方面，本发明涉及一种改进轮胎道路行走的方法，其特征在于通过成型按前述方法制备的可硫化橡胶组合物而制得。
本发明进一步的特性和优点通过下面描述的可硫化橡胶组合物制备方法及胎面和装有该胎面的轮胎的生产方法的一些实施方案将更加清楚。
以非限制性说明的方式，并参考表示本发明轮胎部分横断面的附图
唯一给出下列实施例。
参考上述附图，轮胎1-般包括至少一个胎体层2，其反侧边沿轮胎钢丝圈3向外弯曲，每一个插入沿轮胎内周边限定的胎圈4中，其中轮胎本身嵌在轮辋5上。
沿胎体层2形成的圆周，将由掺入橡胶组合物片材中的织物或金属帘线制成的一个或多个胶带条6放入。
在胎体层2之外，相当于其反面部分，施加一对胎侧7，各胎侧从胎圈4延伸至轮胎的所谓＂胎肩＂区域8，该区域限定在相当于胶带条6的反面终端。
在胶带条6上，环绕施加一胎面9，其相应于与胎侧7相连的胎肩8的侧边端。胎面9具有一外滚动面9a，设计该滚动面与地面接触，其中可通过插入横向花纹沟(附图中未表示)得到圆周形10，这些花纹沟沿所述滚动面9a分布的多个花纹块11。
上述轮胎1可用包括多个生产步骤的方法制备，这些步骤本身是很普通的并且在现有技术中是已知的。
更特别地，所述方法包括预先并且独立地制备多个半成品的步骤，这些半成品相当于轮胎的不同部件(胎体层、胶带条、钢丝圈、纬线、胎侧和胎面)，这些部件通过合适的装配机械顺序装配在一起。
然后通过后面的硫化步骤将上述半成品熔接在一起，形成一整体花纹块，即轮胎。
显然，制备上述半成品的步骤是制备和成型相应橡胶组合物的后续步骤。
例如在本发明具有低滚动阻力的轮胎中，胎面9(其中通常用作增强填料的炭黑部分或完全被二氧化硅或其它一些合适的组分取代以改进胎面的滞后特性)，通过成型按上述方法制备的可硫化橡胶组合物制备。
从下面仅以非限制性方式给出实施例可以清楚地看到，这种方法可克服已公开的方法的困难。
实施例1在以约40rpm的速度转动的密闭转子混练机(Banbury)(POMINI公司的F270型)中，顺序加入下列组分107kg E-SBR聚合物基、37kg炭黑、32kg二氧化硅、2kg氧化锌、1kg硬脂酸、2.5kg抗氧剂、1kg抗疲劳剂和16kg用作增塑剂的芳族油以及少量能用的其它组分。
所用组分的特性如下E-SBR＝在乳液中制备的丁二烯-苯乙烯共聚物，其苯乙烯含量为23％。
炭黑＝N115型(Cabot Corporation)二氧化硅＝BET175m2/g，VN3型(Degussa)抗老化剂＝6PPD，也称为SANTOFLEX 13(Monsanto)；抗疲劳化剂＝TMQ，也称为VULCANOX 4020(Bayer)更特别地，按下列时间顺序(自转子开始时测量)加入各种组分-聚合物基，炭黑和二氧化硅15″-添加剂 1′30″
-增塑剂 2′将按此方式加入的橡胶组合物组分充分再混合约1′45″，第一步的整个时间间隔等于约3′45″。
在混合操作过程中，控制对橡胶组合物的机械操作，使其温度保持在约165°～170℃范围内，按此方法，得到200kg橡胶组合物，其中二氧化硅被均匀分散。
在室温下冷却后，将如此制得的橡胶组合物与2.35kg硅烷偶联剂Si69[双(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)四硫化物](DEGUSSA)加入密闭转子混炼机中(POMINI公司的11D型)中。
对此，应观察到当硅烷偶联剂为液态形式(例如Degussaa agentSi69)，将其加入橡胶组合物中会使方法造成困难，在某些情况下会损害产品质量在这种情况下按已知方法，优选将少量惰性填料(如炭黑或二氧化硅)与偶联剂一起加入混炼机中，以便易于将偶联剂加入橡胶组合物中。
另外，也可以使用固态偶联剂，如Degussa的X50S(50％炭黑、50％硅烷)，加入量遵守上面给出的各组分值。
同样在这种情况下，使混炼机转子的转速约40rpm，以使橡胶组合物与偶联剂充分混合并保持组合物的温度等于约135℃。
约2′30″后，将180kg橡胶组合物卸出，冷至室温后与3.2kg硫化体系一起加入转速约20r.p.m的同一密闭转子混炼机(Banbury)(POMINI公司的11D型)中，该硫化体系包括1kg硫、0.6kg二苯胍DPG(Monsanto)、1.6kg SANTOCURENS(Monsanto)和现有技术中公知的硫化促进剂。
然后将橡胶组合物进行充分混合以分散硫化体系，并使组合物的温度保持为约100℃。
约3′后，卸出170kg硫化橡胶组合物，该组合物包括(重量份)-聚合物基100-炭黑 35-二氧化硅 30-偶联剂 二氧化硅的8％-ZnO2-硬脂酸 1-抗氧剂2.5-抗疲劳剂 1.0-增塑剂 15-硫1.2-促进剂2.5实施例2-5按照前述实施例1所述步骤，制备具有下面表1所示组成的橡胶组合物。
表I
<p>S-SBR＝在溶液中制备的丁二烯-苯乙烯共聚物，其苯乙烯含量为26％，1.4反式键含量为22％，乙烯基含量为60％。
NR＝天然橡胶BR＝聚丁二烯，1，4-顺式含量为93％。
其它组分如表1所示。
实施例6通过同时将偶联剂和硫化体系加入掺有二氧化硅的橡胶组合物中并同时进行混合，制备与前面实施例1具有相同组成的橡胶组合物。
在这种情况下，在最后混合步骤中温度保持在约110℃，以避免橡胶组合物的任何早期硫化。
实施例7通过没有将橡胶组合物从Banbury中卸出，而刚好在第一个混合步骤的终了进行偶联剂的混合，制备与前面实施例1具有相同组成的橡胶组合物。
但通过逐渐降低Banbury转子施加于橡胶组合物上的机械操作，在第一个步骤终了橡胶组合物的温度降至约140℃。
在这种情况下，两步的整个温度间隔等于约6′。
后面加入硫化体系的步骤按实施例1的方法进行。
实施例8(对比)
使用与实施例1中相同的量和相同的组分，按照现有技术的制备方法制备第一个对比橡胶组合物。
更特别地，除了硫和硫化促进剂外，将所有组分加入Banbury(POMINI公司的F270型)，并使其以约40r.p.m进行旋转。
由于同时存在二氧化硅和偶联剂，在持续约3′的混练操作中，将组成的温度保持在约160℃下。
然后硫化体系加入如此制得的橡胶组合物中，将整个组合物在POMINI公司的11D型Banbury中混炼，并使转速为约20r.p.m。
同样在这种情况下，在持续约2′的混炼操作中，将组合物的温度保持在约100℃下，低于硫化温度。
实施例9(对比)按照本来已知的常规方法，制备仅包括炭黑增强填料并具有如下组成(重量份)的第二个对比橡胶组合物-聚合物基(E-SBR) 100-炭黑 68.0-ZnO 2.0-硬脂酸1.0-抗氧剂2.5-抗疲劳剂 1.9-增塑剂2.4-硫1.2-促进剂1.8
实施例10随后生产多批先前实施例1、8和9中的各橡胶组合物，每批由15/20次加料构成。
然后从每次加料中取出样品，接着按现有技术已知的方法和设备进行硫化，然后在每一批内并对所有批进行试验以测定一些特别重要的参数的变化系数。
这些参数是-容积质量(Volumic mass)(Mv)根据ISO标准2751测量-100％伸长时的弹性模量(CA1)根据ISO标准37(环形试样)测量；-伸长300％时的弹性模量(CA3)根据ISO标准37(环形试样)测量。
-断裂强度根据ISO标准37(环形试样)测量。
-硬度根据ISO标准48测量。
下面的表II给出进行试验的结果(以变化系数表示)变化系数越小，在每一生产批中测量的系数可变化性就越小。
表II
实施例11(评价二氧化硅分散指数)通过现有技术中的已知方法和设备，将按照前述实施例1、6、8和9中制得的橡胶组合物进行拉伸，以制备车用轮胎的胎面。
从如此制得的(已硫化)轮胎胎面中取样，然后进行多次试验以测定二氧化硅的分散指数。
在使用上述FEDERAL公司的分散性分析仪进行的试验中，所用的参考值是对由前述实施例9的无二氧化硅橡胶组合物起始制得的胎面样品进行测量而得的值。
用于试验的分析仪可检测描形针在长度为14.25mm的路径中遇到的峰数。
下面的表给出由实施例1和6(根据本发明)的橡胶组合物、由橡胶组合物8(用现有技术的方法生产)和由橡胶组合物9(无二氧化硅)制得的胎面样品的分散指数。最后的样品作为参照。
为说明组分、特别是二氧化硅的分散性，第一列表示由分析仪记录的分散指数值，第二列表示从所述值中扣除由无二氧化硅样品的粗糙度引起的＂背景噪声＂而得的值，按此方法，显然可通过两组值之差，比较二氧化硅在橡胶组合物中的分散度。
容易观察到，含二氧化硅的橡胶组合物与其中所有二氧化硅被炭黑取代的橡胶组合物的分散指数之差总是小于20,000。
表III<
>*＝涉及有关无二氧化硅样品(橡胶组合物9)测得值的数据。
由于二氧化硅的分散指数越大，二氧化硅在整个测试的橡胶组合物中的分散性越差，因此与现有技术相比，由上述数据即可证实通过本发明取得了极大改进。
实施例12道路性能用前述实施例1、6和8制得的橡胶组合物，通过在常规设备上拉伸生产多个胎面，然后将这些胎面装配在235/40-18尺寸的轮胎上。
根据本发明，将实施例1和实施例6的橡胶组合物以约21m/min的速率拉伸，制备孔隙率等于约2％的胎面，但使用实施例8的橡胶组合物(现有技术)必须将拉伸速率降低30％(14.7m/min)。
尽管降低了拉伸速率，但必须丢弃约20％的胎面，原因是与要求的固定几何形状不匹配。
然后将如此制得的轮胎进行标准试验，以评价其道路性能。
在进行的所有试验中，以用实施例8的橡胶组合物制造的轮胎为参照，评价包括用本发明橡胶组合物生产的胎面的轮胎。
在每次试验终了时，由试车驾驶员将速率调至0-10，以检测每个评价的参数。
表IV和V给出所得结果，该结果由两个不同试车驾驶员所得评价的平均值表示。
表IV在干路面上试验
表V在潮湿路面上的测试
从上表中可观察到，本发明的轮胎与现有技术中生产的轮胎相比，其性能明显改进。
更特别地，注意到显著改进了如横向随变特性、弯道保持性和松驰特性及在干燥和潮湿路面上的直线路段稳定性。
从上面叙述和说明的，可容易注意到本发明达到如下各种优点a)改进了二氧化硅在整个橡胶组合物和在由此制得的产品中的分散性；b)低湿含量的橡胶组合物，结果是可随之大幅度提高该组合物的拉伸速度并改进设备的生产能力的可能性；c)橡胶组合物及由此生产的产品的高再现性及恒定物化一机械特性；d)改进轮胎的道路性能，特别是在潮湿路面上的道路性能。
显然，本领域熟炼技术人员可对上述发明引入一些变化或替换以满足规定的和应急要求，对于落入本发明范围内的任何变化和替换都被限定在下面的权利要求中。
权利要求
1.生产具有基于二氧化硅增强填料的可硫化橡胶组合物的方法，其特征在于它包括下列步骤-在温度165°-180℃下并在基本无二氧化硅偶联剂存在下将可交联不饱和链聚合物基、至少一种基于二氧化硅的增强填料和必要时一种或多种非交联组分彻底混合；-在如此制得的橡胶组合物中，加入至少一种基于硅烷的二氧化硅偶联剂和必要时第二部分所述基于二氧化硅的增强填料；-使得到的橡胶组合物在温度110°至160℃下充分混合；-在温度低于硫化温度下将合适的硫化剂加入并均匀地分散于整个所述橡胶组合物中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于在每100重量份所述聚合物基中，加入10至80重量份所述基于二氧化硅的增强填料。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于将聚合物基、基于二氧化硅的增强填料和任意的非交联组分彻底混合的步骤，通过以两步或多步加入所述增强填料的方式进行。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于所述第二部分基于二氧化硅的增强填料量不多于所述增强填料总量的1/3。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于将橡胶组合物与加入的至少一种二氧化硅偶联剂和所述第二部分基于二氧化硅的增强填料的充分混合步骤，根据加入橡胶组合物中的二氧化硅的量，在温度140°-160℃下进行。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于所述二氧化硅的表面积为100至300m2/g。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于所述非交联试剂选自增强填料、增塑剂、加工助剂、抗氧剂和抗老化剂。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于对每100重量份所述基于二氧化硅的增强填料，将4至15重量份所述基于硅烷的偶联剂加入橡胶组合物中。
9.根据权利要求1的方法，其特征在于所述基于硅烷的偶联剂具有下列结构式(R)3-Si-CnH2nX其中R为包括1至4个碳原子的烷基或烷氧基或氯原子，n为1至6的整数，X为-Sim-CnH2n-Si-(R)3、亚硝基、巯基基团、氨基、环氧基、乙烯基、亚氨基基团、一个氯原子、一个或多个硫原子或SmY基团，其中Y选自下列官能基团； 其中m和n是1至6的整数，R为包括1至4个碳原子的烷基或烷氧基，或氯原子。
10.根据权利要求8的方法，其特征在于所述基于硅烷的偶联剂为双(3-三乙基乙氧基甲硅烷基-丙基)四硫化物。
11.根据权利要求1的方法，其特征在于所述可交联不饱和链聚合物基选自天然橡胶、1，4-顺式聚丁二烯、氯丁橡胶、1，4-顺式聚异戊二烯、必要时卤代异戊二烯-异丁烯共聚物，丁二烯-丙烯腈、在溶液或乳液中制备的苯乙烯-丁二烯和苯乙烯-丁二烯-异戊二烯三元共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物及其混合物。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于所述硫化剂包括硫或含硫的分子。
13.根据权利要求1、3或12的方法，其特征在于在保持橡胶组合物温度低于硫化温度条件下，同时进行将二氧化硅偶联剂、所述硫化剂和必要时所述至少一种硫化促进剂加入并彻底混合于橡胶组合物中的步骤。
14.具有基于二氧化硅增强填料的可硫化橡胶组合物，包括至少一种可交联不饱和链聚合物基和至少一种基于二氧化硅增强填料，它通过根据权利要求1至13任何一项的方法制备。
15.根据权利要求14的可硫化橡胶组合物，其特征在于对于每100重量份的聚合物基，它包括10至80重量份的所述增强填料。
16.根据权利要求14的可硫化橡胶组合物，其特征在于所述可交联不饱和链聚合物基选自天然橡胶、1，4-顺式聚丁二烯、氯丁橡胶、1，4-顺式聚异戊二烯、必要时卤化异戊二烯-异丁烯共聚物、丁二烯-丙烯腈、在溶液或乳液中制备的苯乙烯-丁-二烯和苯乙烯-丁二烯-异戊二烯三元共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物及其混合物。
17.生产用于车轮轮胎胎面的方法，其特征在于它包括通过成型按权利要求1至13之一的方法制得的具有基于二氧化硅增强填料的可硫化橡胶组合物的步骤。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于所述可硫化橡胶组合物通过拉伸，模塑或压延成型。
19.用于车轮轮胎的具有低滚动摩擦的胎面，它可通过权利要求17或18任何一项的方法制得，其孔隙率为0至2％。
20.根据权利要求19的胎面，其特征在于它具有的二氧化硅分散指数应使基本上无二氧化硅的相同组合物的胎面的所述指数与分散指数之差小于20,000。
21.生产车轮轮胎的方法，包括制备沿胎体层(2)周边的向外装有滚动表面(9a)的胎面(2)的步骤和通过硫化使所述胎体层(2)与所述胎面(9)连接的步骤，其特征在于通过成型按权利要求1至13任何一项的方法制得的可硫化橡胶组合物制备所述胎面(9)。
22.车轮轮胎，包括-至少一个固定在一对钢丝圈(3)反面的胎体层(2)，钢丝圈(3)和胎体层(2)都包括在沿所述轮胎(1)内周边限定的胎圈(4)中；-至少一个绕所述胎体层(2)向周边延伸的胶带条(6)；-一个胎面(9)，它包括至少一种分散于整个聚合物基中的增强填料，沿所述胶带条(6)环绕设置并具有适于在地面上滚动的外滚动表面(9a)，其特征在于所述胎面(9)通过成型按权利要求1至13之一的方法制备的可硫化橡胶组合物制得。
23.根据权利要求22的车轮轮胎，其特征在于它具有的二氧化硅分散指数应使所述指数与基本上无二氧化硅的相同组合物的轮胎的分散指数之差小于20,000。
24.控制高性能轮胎，尤其是具有低滚动阻力的轮胎路面抓着性的方法，所述轮胎装有至少一个固定在一对钢丝圈(3)反面的胎体层(2)，钢丝圈(3)和胎层(2)都包括在沿所述轮胎内周边限定的胎圈4中，并具有至少一个绕所述胎体层(2)向周边延伸的胶带条(6)和一个绕所述胶带条(6)环绕设置胎面(9)并具有适于在地面上滚动的外滚动表面(9a)的胎面(9)，其特征在于所述轮胎的胎面(9)通过成型按权利要求1至13任一的方法制备的可硫化橡胶组合物制得。
全文摘要
在生产含二氧化硅和具有低炭黑含量的可硫化橡胶组合物用的方法中，在后续步骤中在温度为165°至180℃及110℃至160℃下，分别加入至少一种基于二氧化硅的增强填料和至少一种基于硅烷的偶联剂并与组合物的其它组分充分混合。所得橡胶组合物具有改进的二氧化硅分散性，恒定的物化一机械特性和较好的可拉伸性，特别适合于生产具有滚动阻力低的轮胎胎面。
文档编号C08J3/22GK1139684SQ96105528
公开日1997年1月8日 申请日期1996年2月17日 优先权日1995年2月24日
发明者M·纳迈尔斯, R·施拉夫特, C·约瑟夫 申请人:彼哈尔·科迪纳蒙托·普尼玛边克有限公司