JP2019001979A - 弾性複合材料を製造するための配合物、及び弾性複合材料の製造方法 - Google Patents

弾性複合材料を製造するための配合物、及び弾性複合材料の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】改善された耐用性を有する弾性複合材料の提供。【解決手段】シリコーンゴムと、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、及びそれらの組合せからなる群から選ばれた、全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１０％の範囲である炭素材料と、全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１５％の範囲であるビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィドと、全成分に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲である架橋剤とを含む弾性複合材料を製造するための配合物。【選択図】なし

Description

本発明は、弾性複合材料の配合に関し、特に、引張応力及び耐用性が改善された製品を製造できる弾性複合材料に関するものである。
弾性材料は様々な工業及び民生分野において広く用いられており、種類も多種多様である。ゴムを例にとると、その組成及び配合は複数回の変更、改良、開発を経て現在の複数種の形態がある。当初は、ゴムの木から天然ゴムを採取し、さらに硫化方法を利用して天然ゴムの性質を改善したが、その後さらに石炭、石油、天然ガスを主な原料とし、人工的に需要に応じて様々な合成ゴムを製造し、その配合組成により、これらのゴム製品に独特の物理的特性を与えるようになった。
しかしながら、多数の弾性材料は使用中に摩耗問題に直面することが多く、また使用時間の経過に伴って老化問題に直面しやすく、上記種々の問題は依然として研究者が改善及び解決したい課題となる。
本発明は、従来のシリコーンゴムの耐用性が理想的ではないという欠点を解決すべくなされたものである。
本発明は弾性複合材料を製造するための配合物を提供し、前記配合物はシリコーンゴムと、全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１０％の範囲である炭素材料と、全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１５％の範囲であるビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、全成分に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲である架橋剤とを含み、前記炭素材料は単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン及びそれらの組合せからなる群から選ばれることを特徴とする。
また、本発明は弾性複合材料の製造方法を提供し、前記製造方法は、炭素材料とシリコーンゴム材料とを混合し、前記炭素材料を前記シリコーンゴム材料に均一に分散させて混練ゴムを形成するステップと、
前記混練ゴムとビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と架橋剤を混練して混合物を形成するステップと、
前記混合物を加熱し、硬化させて前記弾性複合材料を得るステップとを含み、
前記炭素材料は前記混練ゴムに占める重量百分率が０．０１％〜２０％の範囲であり、
前記架橋剤は前記混合物に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲であることを特徴とする。
また、本発明は弾性複合材料の製造方法を提供し、前記製造方法は、
炭素材料とゴム加工油とを混合し、前記炭素材料を前記ゴム加工油に均一に分散させて複合物を形成するステップと、
前記複合物とビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と架橋剤とを混練して混合物を形成するステップと、
前記混合物を加熱し、硬化させて前記弾性複合材料を得るステップとを含み、
前記炭素材料は前記複合物に占める重量百分率が０.００５％から１０％の範囲であり、
前記架橋剤は前記混合物に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲であることを特徴とする。
また、本発明は、上記方法で製造された複合材料を含むタイヤのトレッドゴムを提供する。
本発明の配合物により製造された製品は、従来のシリコーンゴム製品と比べ、少なくとも以下の利点を有する。
１．本発明の弾性複合材料を製造するための配合物により製造された製品は、試験の結果、耐用性の面で改善されるだけでなく、また引張強度の面でも向上し、且つその硬化時間を延長でき、弾性複合材料の加工性の向上に有効である。
２．本発明は前記シリコーンゴム材料に特定の割合の炭素材料とビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）とを添加することにより、損失因子ｔａｎδを効果的に低減できるため、本発明の弾性複合材料を製造するための配合物により製造されたタイヤは、転がり抵抗が低く、燃料の消耗を低下させ、省エネルギー化という効果を実現する。
以下、本発明の詳細及び技術内容について、実施例を参照して説明する。
本発明の弾性複合材料を製造するための配合物は、主にシリコーンゴム材料と、炭素材料と、ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、架橋剤とを含む。
本発明の一実施例において、前記シリコーンゴム材料としては、特に制限されないが天然ゴムや合成ゴムが挙げられ、当業者であれば、製造しようとする弾性複合材料に基づいて適切なゴム種類を選択して使用することができる。
前記炭素材料は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、又はそれらの組合せであってもよい。
前記炭素材料は、全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１０％の範囲であり、好ましくは０．００５％〜３％の範囲である。本発明の好適な実施例において、前記炭素材料は官能化処理を経てカルボキシル基、ヒドロキシ基、及びそれらの組合せから選ばれる置換基を備える。
前記「官能化処理」とは、例えば、前記炭素材料を温度が約７０℃の混合酸に添加し、３０分間から８時間煮沸後、前記炭素材料を濾過し、且つ前記炭素材料：水が１：１００の割合でリンスし、再び前記炭素材料を濾過し且つ乾燥すればよい。
上述した「官能化処理」ステップにおいて、前記混合酸は硝酸及び硫酸を１：３の体積比で混合してなるものであってもよく、且つ前記カーボンナノチューブと前記混合酸との割合は１：１００であってもよい。
なお、上述した「官能化処理」方法、温度、時間及び割合関係は、当業者であれば、適宜変更可能な範疇に属すると理解すべきであり、上記方法に限定されず、前記炭素材料にカルボキシル基、ヒドロキシ基、及びそれらの組合せから選ばれる置換基を備えさせる方法であれば本発明に用いることができる。
前記ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）の添加により、前記シリコーンゴム材料と前記炭素材料との間の結合を物理的結合から化学的結合に変換するために有効であるため、引張強度などの基本的な物性を向上できる。
本発明の一実施例において、前記ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）は全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１５％の範囲であり、好ましくは０．００５％〜１０％の範囲であり、より好ましくは０．０５％〜５％の範囲である。
本発明に適用する架橋剤は、硫黄含有化合物（例えば硫黄）、過酸化物、金属酸化物、エステル系化合物、アミン系化合物、樹脂系化合物、セレン、又はテルルを含むがそれに限定するものではないが、前記架橋剤が約１５０℃から１９５℃の高温下でゴム分子と化学反応し、三次元網目構造体を形成すればよい。また、本発明の一実施例において、前記架橋剤は全成分に占める重量百分率は０．５％〜２％の範囲である。
前記架橋剤以外に、軟化、可塑、又は潤滑などの目的のために、さらに添加剤を添加してもよく、本発明に適用する前記添加剤は酸化亜鉛、ステアリン酸であってもよいし、又はチアゾール型又はスルファニルアミド型の促進剤であってもよく、本発明は特に限定されず、前記添加剤の全成分に占める重量百分率が５％以下であればよい。
本発明の一実施例において、前記弾性複合材料を製造するための配合物は、さらに充填材を含み、前記充填材は黒鉛、白煙、炭素繊維、ガラス繊維及びそれらの組合せからなる群から選ばれる。前記充填材は、全成分に占める重量百分率が１０％〜６５％の範囲であり、好ましくは１０％〜５０％の範囲である。
本発明の一実施例において、前記弾性複合材料を製造するための配合物は、さらに全成分に占める重量百分率が０．００００１％〜２５％の範囲であるゴム加工油を含むことができる。本発明ではゴム加工油の種類としては、特に制限されず、パラフィン系油、ナフテン系油、又は変性された芳香族系炭化水素油などの適切なゴム加工油が挙げられる。
前記弾性複合材料を製造する方法について、例えば、炭素材料とシリコーンゴム材料とを混合し、前記炭素材料を前記シリコーンゴム材料に均一に分散させて混練ゴムを形成し、前記炭素材料の前記混練ゴムに占める重量百分率を０．０１％〜２０％の範囲とする。
次に、前記混練ゴムと、ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、前記混合物に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲である架橋剤とを共同混練して混合物を形成した後、前記混合物を加熱してそれを硬化させて前記弾性複合材料を得る。加熱温度はゴム硬化（硫化）に一般的に用いられている温度であってもよく、すなわち１５０℃から１８５℃の範囲である。
また、本発明の別の実施例において、前記弾性複合材料は別の方法で製造されてもよい。炭素材料とゴム加工油とを混合し、前記炭素材料を前記ゴム加工油に均一に分散させて複合物を形成し、前記炭素材料の前記複合物に占める重量百分率を０．００５％〜１０％の範囲とする。
次に、前記複合物と、ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、前記混合物に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲である架橋剤とを共同混練して混合物を形成した後、前記混合物を加熱してそれを硬化させて前記弾性複合材料を得る。加熱温度はゴム硬化（硫化）に一般的に用いられている温度であってもよく、すなわち１５０℃から１８５℃の範囲である。
上記製造方法において、さらに前記混合物に充填材を添加することを含み、前記充填材の全成分に占める重量百分率を１０％〜６５％の範囲とする。前記充填材は黒鉛、白煙、炭素繊維、ガラス繊維及びそれらの組合せからなる群から選ばれてもよい。
また、上記製造方法において、さらに前記炭素材料に対して官能化処理を経てカルボキシル基、ヒドロキシ基、及びそれらの組合せから選ばれる置換基を備えさせることを含む。
前記炭素材料の表面にカルボキシル基又はヒドロキシ基を備えるため、前記官能化処理を経た後、前記ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）とより容易に反応して化学的結合を形成し、弾性複合材料の引張強度、電気特性などの基本的な物性を向上できる。
上述した「前記炭素材料を前記シリコーンゴム材料に均一に分散させる」、又は「前記炭素材料を前記ゴム加工油に均一に分散させる」方法は、例えば、ダブルローラ開放式練りロール機（ｍｉｘｉｎｇ ｍｉｌｌ）、ねっか機（ｋｎｅａｄｅｒ）、バンブリー（ｂａｎｂｕｒｙ）を用いて分散させることができるが、前記炭素材料を前記シリコーンゴム材料又は前記ゴム加工油に確実に分散させればよく、本発明は特に限定されない。
次に、表１の異なる配合に応じて、それぞれ比較例１、実施例１、実施例２、実施例３、及び実施例４の弾性複合材料を製造し、その後に物理的試験を行った。試験は引張応力、Ｍ３００、及び損失因子ｔａｎδを含み、結果を以下の表２に示す。
表１ （単位：重量百分率、％）

Figure 2019001979

表２

Figure 2019001979

表２の「加硫時間(Ｔ９０＠１７５℃)」は、ＡＳＴＭ Ｄ２０８４及びＩＳＯ３４１７国際標準に応じて規定されており、硫黄分析装置で高温時（１５０℃〜１９５℃）に硫黄含有ゴム複合材料のゴム加硫度と加硫時間との関係曲線を分析するためのものであり、本発明では１７５℃で分析を行った。
Ｍ３００（ｋｇ／ｃｍ２）は３００％引張した時の応力値であり、値が大きいほど硬い。ｔａｎδの値は、小さいほど転がり抵抗が小さくなる。
上記表２から、前記ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）を添加した場合、引張応力及びＭ３００の項目において、いずれも添加されない比較例１よりも良好であることが分かる。
ｔａｎδの項目においても、前記ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）を添加した実施例１乃至４のｔａｎδの値は、比較例１のｔａｎδの値よりも小さいことが分かり、本発明の配合物を用いてタイヤを製造した場合（例えば、本配合物でトレッドゴムを製造した場合）、前記タイヤの転がり抵抗を効果的に低減させ、車両の燃料の消耗を抑え、省エネルギー効果を実現することができる。
以上は本発明の好適な実施例の一例であり、本発明の特許請求の範囲に基づいて行われた等価な変更及び修正などは、いずれも本発明の特許権の包含する範囲内に属する。

Claims (7)

  1. シリコーンゴムと、
    単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、及びそれらの組合せからなる群から選ばれた、全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１０％の範囲である炭素材料と、
    全成分に占める重量百分率が０．０００５％〜１５％の範囲であるビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、
    全成分に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲である架橋剤とを含むことを特徴とする弾性複合材料を製造するための配合物。
  2. 全成分に占める重量百分率が０．００００１％〜２５％の範囲であるゴム加工油をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の弾性複合材料を製造するための配合物。
  3. 前記炭素材料が官能化処理を経てカルボキシル基、ヒドロキシ基、及びそれらの組合せから選ばれる置換基を備えることを特徴とする、請求項１に記載の弾性複合材料を製造するための配合物。
  4. 単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、及びそれらの組合せからなる群から選ばれる炭素材料とシリコーンゴム材料とを混合し、前記炭素材料を前記シリコーンゴム材料に均一に分散させて混練ゴムを形成するステップと、
    前記混練ゴムと、ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、架橋剤とを混練して混合物を形成するステップと、
    前記混合物を加熱して硬化させて弾性複合材料を得るステップとを含み、
    前記炭素材料は、前記混練ゴムに占める重量百分率が０．０１％〜２０％の範囲であり、
    前記架橋剤は、前記混合物に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲であることを特徴とする弾性複合材料の製造方法。
  5. 単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、グラフェン、酸化グラフェン、及びそれらの組合せからなる群から選ばれる炭素材料とゴム加工油とを混合し、前記炭素材料を前記ゴム加工油に均一に分散させて複合物を形成するステップと、
    前記複合物と、ビス−［トリエトキシシリル（プロピル）］テトラスルフィド（Ｂｉｓ（ｔｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌｙｌｐｒｏｐｙｌ）ｔｅｔｒａｓｕｌｆｉｄｅ）と、架橋剤とを混練して混合物を形成するステップと、
    前記混合物を加熱して硬化させて弾性複合材料を得るステップとを含み、
    前記炭素材料は前記複合物に占める重量百分率が０.００５％から１０％の範囲であり、
    前記架橋剤は前記混合物に占める重量百分率が０．５％〜２％の範囲であることを特徴とする弾性複合材料の製造方法。
  6. 前記炭素材料に対して官能化処理を経てカルボキシル基、ヒドロキシ基、及びそれらの組合せから選ばれる置換基を備えさせるステップを含むことを特徴とする請求項４又は５に記載の弾性複合材料の製造方法。
  7. 請求項４又は５に記載の製造方法により製造された弾性複合材料を含むことを特徴とするタイヤのトレッドゴム。
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