JPH11236208A - ゴム補強用含水ケイ酸 - Google Patents

ゴム補強用含水ケイ酸

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JPH11236208A
JPH11236208A JP10043151A JP4315198A JPH11236208A JP H11236208 A JPH11236208 A JP H11236208A JP 10043151 A JP10043151 A JP 10043151A JP 4315198 A JP4315198 A JP 4315198A JP H11236208 A JPH11236208 A JP H11236208A
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surface area
specific surface
silicic acid
rubber
present
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JP10043151A
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Masahiro Harada
正博 原田
Toshitaka Kurasumi
敏隆 蔵澄
Hidenobu Yonei
英伸 米井
Norio Ishikawa
紀夫 石川
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Nippon Silica Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゴムの破壊強度及び耐摩耗性を改善すること
ができ、かつゴムへ配合する際の加工性も低下させるこ
とがない湿式法含水ケイ酸を提供する。 【解決手段】 N2法比表面積(A)が250〜400
2/gの範囲であり、Hg法比表面積(B)が200
〜300m2/gの範囲であり、N2法細孔容積(C)
が1.7〜2.5ml/gの範囲であり、かつA×C/
Bが2.3以上である湿式法含水ケイ酸。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、新規な湿式法含水
ケイ酸に関する。さらに詳しくは、ゴムの破壊特性及び
耐摩耗性を向上させたゴム補強用充填剤として有用な湿
式法含水ケイ酸に関する。本発明の含水ケイ酸は、自動
車タイヤ、履物、ベルト等のあらゆるゴム製工業製品の
補強用として有用である。
【0002】
【従来の技術】従来、ゴム補強用充填剤としては、特に
タイヤ関係にはカーボンブラックが多用されてきた。ま
た、カーボンブラックと並んで含水ケイ酸もゴム補強用
充填剤として広く使用されている。さらに、近年、タイ
ヤの性能をより改善するための開発が世界的に進められ
ており、それに伴って含水ケイ酸の特性も見直され、そ
の有利さから使用量が増加するとともに、更なる改良が
試みられている。しかしながら、未だ満足な物性のもの
は得られていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ゴム分野、特に自動車
タイヤの分野において、より高い性能のタイヤの開発が
進められている。例えば、タイヤを高性能化することに
より、操縦安定性等を向上させることや、転がり抵抗を
削減することにより、省エネルギーを推進することが試
みられ、現実にそのような機能を有する製品も市販され
つつある。これら高い性能のタイヤには、従来品に比べ
てより高い破壊強度及び耐摩耗性を有することが要求さ
れる。その結果、タイヤの補強充填剤である含水ケイ酸
に対しても、従来にない、より高い性能、即ち、ゴムの
破壊強度及び耐摩耗性を向上させることが可能な性能を
有することが要求されるようになっている。
【0004】ゴム補強機能は、充填剤である含水ケイ酸
の比表面積及びその細孔容積に影響されることはよく知
られている。通常、比表面積及び細孔容積が大きいほど
補強性は良くなる傾向にある。ゴム補強用シリカとして
一般に知られているものは、N2法比表面積が140〜
220m2/gの範囲であるが、より高い補強性を得る
という観点から220m2/g以上の含水ケイ酸につい
ても知られている。しかしながら、N2法比表面積が2
20m2/g以上になると、含水ケイ酸の凝集力が強過
ぎて分散不良を起こし、加工性が低下してしまい、却っ
て補強性の低下を招く場合もある。また、分散不良によ
る加工性の低下をシランカップリング剤等の薬剤で補う
ことも提案されている。しかし、シランカップリング剤
等による物性の改善にも限界がある。
【0005】そこで本発明の目的は、ゴムの破壊強度及
び耐摩耗性を改善することができ、かつゴムへ配合する
際の加工性も低下させることがない湿式法含水ケイ酸を
提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、N2法比表面
積(A)が250〜400m2/gの範囲であり、Hg
法比表面積(B)が200〜300m2/gの範囲であ
り、N2法細孔容積(C)が1.7〜2.5ml/gの
範囲であり、かつA×C/Bが2.3以上である湿式法
含水ケイ酸に関する。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明を更に詳細に説明する。含
水ケイ酸のゴム補強機構に関して数々の研究がなされて
いる。その中で、本発明者らは、ゴム補強に特に関与す
ると思われる含水ケイ酸の一次粒子径(表面積)及びそ
の細孔容積との相関関係に着目して、種々研究を重ね
た。
【0008】一般に、ゴムの補強性は通常N2法比表面
積と関連し、表面積が大きくなるに従って補強性能も上
がる傾向にある。しかしながら含水ケイ酸は表面にシラ
ノール基(Si−OH)が存在し、表面積を大きくしす
ぎると凝集力が強まり、分散不良をきたし補強性が低下
する傾向がある。また細孔容積に関しても、大きいほど
構造性が豊かとなり補強効果をもたらす反面、ゴムの粘
度が高くなり加工性が悪化したり、ゴム混練時に薬剤を
吸着して補強効果を低下させる等の欠点もある。
【0009】このように充填剤である含水ケイ酸の表面
積及び細孔容積のコントロールは重要で、ゴム補強に大
きな影響を及ぼすファクターである。即ち、両者のバラ
ンスをコントロールすることで、ゴム補強性能を大きく
左右できることは想像できる。しかし、どのようにこれ
らのファクターを変化させれば、ゴムへ配合する際の加
工性を低下させることなく、ゴムの破壊強度及び耐摩耗
性を改善することができるかについては知られていなか
った。そこで、本発明者らは、種々検討を重ねた結果、
前記の物性が前記に特定した範囲にある含水ケイ酸が、
優れた補強効果を発揮できることを見い出し、本発明を
完成するに至った。
【0010】本発明の湿式法含水ケイ酸は、N2法比表
面積(A)が250〜400m2/gの範囲であり、H
g法比表面積(B)が200〜300m2/gの範囲で
あり、N2法細孔容積(C)が1.7〜2.5ml/g
の範囲であり、かつA×C/Bが2.3以上であること
を特徴とする。
【0011】従来、ゴム補強用充填剤として使用されて
いる含水ケイ酸はN2法比表面積が220m2/g以下
であり、かつN2法細孔容積も1.7ml/g以下と低
いのが一般的である。分散をより容易にさせることが主
眼となっていたことからこの領域になったものと推察さ
れる。
【0012】それに対して、本発明の含水ケイ酸は、N
2法比表面積(以下、N2SAと略記する)が250〜
400m2/gの範囲であり、N2法細孔容積(以下、
N2Poと略記する)が1.7〜2.5ml/gの範囲
であり、従来品に比べてより高いN2SA及びN2Po
を有する。このような物性を有する本発明の含水ケイ酸
は、ゴムに配合した場合、優れた補強性を発揮する。
【0013】N2SAは250m2/g未満では補強性
が低く、更には400m2/gを超えると含水ケイ酸の
凝集力があまりにも強すぎるためか、ゴム中での分散不
良を招き補強性は低下し、且つ、ゴム配合物の粘度が高
くなりすぎて加工性をも悪化させることになるので好ま
しくない。好ましくは250〜370m2/gの範囲で
ある。N2Poは1.7〜2.5ml/gの範囲であ
る。N2Poは直径3000Å以下の微細孔容積で構造
性の指標となる。N2Poが1.7ml/g未満では補
強性が低下する。N2Poは高いほど補強性は増すが、
沈澱法により生産可能であるという観点から、上限は
2.5ml/g程度である。
【0014】また、本発明の含水ケイ酸は、Hg法細孔
容積(以下、HgPoと略記する)が比較的低いので、
Hg法比表面積(以下、HgSAと略記する)はN2S
Aに比し200〜300m2/gとあまり高くない。
尚、HgSAの算出法は、細孔を円筒形と仮定してA=
2V/rで算出する。(但し、A=表面積(m2/g)、V
=全細孔容積(ml/g)、r=平均細孔半径(μm))即
ち、メソポアーが少なくミクロポアーが多いのが特徴と
いえる。HgSAは、好ましくは200〜270m2
gの範囲である。HgSAは、後述のN2SA(A)×
N2Po(C)/HgSA(B)の調整において重要で
ある。
【0015】通常、N2SAの高いものは前記したよう
に、分散不良を起こしやすく補強性能は上がりにくい傾
向にあったが、本発明ではこれを、他の物性とのバラン
スを調整することで解消した。即ち、本発明では、N2
SAが高いにも係わらず、N2SA(A)×N2Po
(C)/HgSA(B)を調整することで、分散不良を
防止して補強性能の向上を図ることができた。即ち、本
発明の含水ケイ酸では、A×C/Bが2.3以上であり
従来品に比べて高く、これにより、分散不良を起こすこ
となく補強性能(破壊特性及び耐摩耗性)を向上させる
ことができた。尚、A×C/Bの値には、本発明の目的
との関係では上限はないが、生産技術上は、3.3程度
が上限であろう。本発明の含水ケイ酸は、好ましくは
2.3〜3.3の範囲である。A×C/Bが2.3未満
の含水ケイ酸は、補強性に劣り、2.3以上であれば、
ゴムとの相溶性がよく好分散が可能である。
【0016】本発明においては、表面積を高くし(一次
粒子径は小)、微細孔(ミクロポアー)を大きくし、H
gPo(メソポアー)を小さくして粒度と空隙のバラン
スをコントロールすることで補強性能の向上が図れたも
のと推察される。N2SAを高くすることでゴムとの接
触点を多くして補強効果をあげ、N2Poを大きくして
構造性を豊かにし、ゴム分子との絡みを強固にして補強
効果を図り、HgSAを適正値にしてバランスをとり、
高分散を図り補強性を高めることができたと考えられ
る。
【0017】さらに本発明の含水ケイ酸は、Hg法細孔
容積(HgPo)が2.5ml/g以下の範囲であるこ
とが好ましい。Hg法細孔容積は、より好ましくは2.
0〜2.5ml/gの範囲である。前記したように、本
発明の含水ケイ酸は、N2SA及びN2Poを高く設定
しており、さらにメソボアーの指標となるHgPoをも
高くし過ぎるとゴム配合物の粘度が高くなり過ぎて加工
性を悪化させたり、ゴム薬剤を吸着し補強効果を低下さ
せることになる。さらに、HgPoが低過ぎると分散不
良を起こしやすくなる。従って、上記の範囲とすること
が好ましい。
【0018】また、本発明の含水ケイ酸は、N2法比表
面積/CTAB法比表面積が1.2以上であることが好
ましい。より好ましくは、N2法比表面積/CTAB法
比表面積が1.2〜1.6の範囲である。CTAB法比
表面積は、含水ケイ酸の外部表面積を表す測定法の1つ
として多用されている。ミクロポアーの多い本発明の含
水ケイ酸においては、それ程高くはなく、N2法比表面
積/CTAB法比表面積値は、一般の含水ケイ酸に比較
して大きな値となる。CTAB法比表面積がN2法比表
面積と同様に大きな値となると、ゴム配合物の粘度が高
くなり過ぎて加工性を悪化させたり、分散不良を起こす
ことになるので、N2法比表面積/CTAB法比表面積
は1.2以上であることが好ましい。
【0019】以下に本発明の含水ケイ酸の製造方法につ
いて説明する。本発明の含水ケイ酸は、反応条件の調整
は必要であるが、基本的には、従来の湿式法による含水
ケイ酸の製造方法と同様の方法で製造できる。即ち、ア
ルカリ金属ケイ酸塩水溶液と鉱酸の反応により含水ケイ
酸を沈澱物として得る方法であり、より詳しくは、アル
カリ金属ケイ酸塩水溶液に鉱酸を添加していく片側滴下
法とアルカリ金属ケイ酸塩水溶液と鉱酸とを同時に反応
容器に添加していく同時滴下の二法がある。但し、本発
明の含水ケイ酸は、同時滴下法で調製することが、以下
で説明するように、高アルカリ域での反応を継続させて
N2SAを高く維持させ、かつA×C/Bの値を1.2
以上に調整するという観点からは適当である。
【0020】本発明のN2SAが250〜400m2
gの範囲であり、HgSAが200〜300m2/gの
範囲であり、N2Poが1.7〜2.5ml/gの範囲
であり、かつA×C/Bが2.3以上である含水ケイ酸
を製造するためには、従来にない反応条件の設定が必要
であり、その点について以下に説明する。湿式法による
含水ケイ酸の製造方法において、変動させうる反応条件
は、主に、反応溶液中のSiO2濃度、反応温度、反応
溶液のpH、及び反応時間であり、これらのファクター
を適宜変動させる。
【0021】まず、本発明において特徴的なのは、反応
溶液のpHである。従来法においては、反応溶液のpH
は7.5〜10.5の範囲内であり、より一般的には8
〜9の範囲内であった。それに対して本発明では、N2
SA及びHgSAをより高い値にするという観点から、
反応溶液のpHは10.5〜11.5の範囲とする。ま
た、反応温度は、N2SA及びHgSAをより高い値に
するという観点から、70〜85℃の範囲とする。反応
温度が高くなるほど比表面積は低くなる傾向があり、従
来のN2SAが150〜200m2/gの含水ケイ酸の
製造における反応温度は、85〜95℃である。
【0022】反応溶液のSiO2濃度において、同時滴
下終了時のSiO2濃度は、40〜80g/lの範囲と
する。好ましくは50〜70g/lの範囲である。この
場合、同時滴下を開始する時の反応溶液のSiO2濃度
を12g/l以上、好ましくは13〜25g/lの範囲
とすることが適当である。同時滴下終了時のSiO2
度を低くし過ぎるとN2SAが高くなると同時にHgS
Aも高くなるので好ましくない。逆に、SiO2濃度を
高くし過ぎるとN2SAが低くなるので好ましくない。
又、同時滴下開始時、反応初期のSiO2濃度を調整す
ることが必要である。即ち、反応初期のSiO2濃度を
高く設定することでN2SAとN2Poを高く、HgS
Aは比較的低く調整することが可能となる。但し、あま
り高くし過ぎると、N2SAが高くなり過ぎるので好ま
しくない。
【0023】後述する反応時間及び反応温度等を適当に
設定し、これらの条件を選択することにより、N2SA
を高くしながら、A×C/Bの値を1.2以上と高くす
ることができる。尚、従来法における反応初期のSiO
2濃度は10g/l以下の範囲であることが一般的であ
り、この条件で得られる含水ケイ酸のN2SAは同様に
反応時間及び反応温度とも関連するが、一般に220m
2/g以下であり、又CTAB法比表面積との比が1に
近いものである。
【0024】反応時間は、60〜120分間、好ましく
は60〜110分間の範囲である。反応時間は余りに短
時間であるとN2SAは高くなるが、N2Poがあまり
大きくならない。また、余りに反応時間が長いとN2S
Aが小さくなる。反応温度は、85℃以下、より好まし
くは70〜85℃の範囲であり、反応温度が高過ぎると
N2SAが低下すると同時に、N2Poも低下し、低す
ぎるとN2SAが高くなり過ぎる。従来法における反応
温度は、85〜95℃の範囲が一般的であり、この条件
で得られる含水ケイ酸のN2SAは反応時間とも関連す
るが、一般に220m2/g以下である。
【0025】
【実施例】以下本発明を実施例及び比較例に基づいて詳
細に説明する。但し、本発明はこれら実施例に限定され
るものではない。本発明で用いた各機器及び各物性値の
測定は次に示す方法により行った。 (1)N2法比表面積(BET法) カンタソーブ(米国Quantachrome社製)を用いて1点法
により測定。 (2)Hg法比表面積及び細孔容積 水銀ポロシメーター2000型(伊国Carlo Erba社製)
にて測定。 (3)N2法細孔容積 ASAP2400(島津製作所製)を用いてBarre
t−Joyner−Halenda法で測定。 (4)CTAB法比表面積 ASTMD3765(CARBON BLACK-CTAB SURFACE ARE
A)に準拠して測定。 但し、CTAB分子の吸着断面積を35Å2として算出し
た。 (5)ムーニー粘度 ムーニー粘度計SMV−200型(島津製作所製)を用
いて、125℃、L型ローターにて測定。 (6)キュラストタイムT90 JSR型キュラストメーターIIF型により、最適加硫時
間(T90)を測定した。
【0026】(7)加硫物特性 ・一般加硫物特性 JIS K6301の試験法に準じ測定。 ・摩耗試験はアクロン型摩耗試験機で測定。 傾角;15°、 荷重;6ポンド 試験回数;2000rpmでの摩耗減容を測定し、比較
例1を100として指数で表示。 (数値の高い方が耐摩耗性は良) (8)配合物調製法A処方 容量1.7リットルのバンバリーミキサーにて、JSR
1712を110部とBR01を20部とを30秒間
素練り後、ステアリン酸を2部、パラフィンワックスを
1部、アロマ油を20部、含水ケイ酸を80部、シラン
Si69を7.1〜13.6部の範囲で投入し、全練り
時間5分後取り出す。取り出し時のコンパウンド温度を
140〜150℃にラム圧や回転数で調整する。コンパ
ウンドを室温にて冷却後、更に老防810NAを1部、
亜鉛華を4部、加硫促進剤Dを1.5部、同CZを1.
5部、Sを1.75部添加して約1分間混練り(取り出
し時の温度を110℃以下とする)し、後8インチロー
ルにてシーティングして未加硫物及び加硫物特性を測定
した。結果を表1に示した。B処方 A処方と同様な方法で調整したが、ゴム及び配合処方並
びに結果は表2に示した。
【0027】(実施例1)撹拌機を備えた240リット
ルのジャケット付きステンレス容器に、水を125リッ
トル及びケイ酸ナトリウム水溶液13.9リットル(S
iO2150g/l、SiO2/Na2O重量比3.3)
を投入し、加熱して温度82℃とした。この時のpHは
10.9、SiO2濃度は15g/lであった。本水溶
液に、上記同様のケイ酸ナトリウム水溶液と硫酸(1
8.4mol/l)とをpH10.9±0.2及び温度
82±1℃を維持しながら100分間でSiO2濃度が
60g/lとなるように均等に添加して、100分でケ
イ酸ナトリウム水溶液のみを停止した。続けて同様の硫
酸をpH3となるまで添加して沈澱物を得た。その後得
られた反応物を濾過、水洗、乾燥して湿式沈澱法による
含水ケイ酸を得た。
【0028】(実施例2)実施例1と同容器、同原料を
用い、水を120リットル及びケイ酸ナトリウム水溶液
を投入し、加熱して温度80℃とした。この時のpHは
11.1、SiO2濃度は18g/lであった。その後
はpHを11.1±0.2、温度80±1℃を維持して
同時添加を行い、実施例1と同様な方法で含水ケイ酸を
得た。
【0029】(実施例3)実施例1と同容器、同原料を
用い、水を115リットル及びケイ酸ナトリウム水溶液
を投入し、加熱して温度80℃とした。その時のpHは
11.3、SiO2濃度は20g/lであった。その後
は実施例1と同様な方法で含水ケイ酸を得た。 (実施例4)実施例1と同容器、同原料を用い、水を1
15リットル及びケイ酸ナトリウム水溶液を投入し、加
熱して温度78℃とした。その時のpHは11.3、S
iO2濃度は21g/lであった。その後は実施例1と
同様な方法で含水ケイ酸を得た。 (実施例5)温度を75℃とした以外は実施例4と同様
な方法で含水ケイ酸を得た。
【0030】(比較例1)Nipsil AQ(日本シ
リカ工業社製) (比較例2)Nipsil NS−KR(日本シリカ工
業社製) (比較例3)Nipsil HD−R(日本シリカ工業
社製) (比較例4)Ultrasil VN3(独国デグッサ
社製)
【0031】
【表1】
【0032】
【表2】
【0033】表中、TBは引張強度、M300は300
%引張応力、Ebは伸び、Hsは硬度をそれぞれ示す。
シランSi69の変量に関しては、含水ケイ酸の表面積
と加硫速度は相関が大きく、表面積が高くなるに従って
加硫不足が生じるので好適加硫速度を得るため、比較例
1のN2SA対比でシラン量を配合した。
【0034】
【発明の効果】本発明の含水ケイ酸によれば、従来の含
水ケイ酸はシリカが欠点としていた、ゴムコンパウンド
を作製する際に分散不良等の加工性の問題を生じること
なく、ゴムコンパウンドの引っ張り強さ及び耐摩耗性を
大幅に向上させることができる。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 N2法比表面積(A)が250〜400
    2/gの範囲であり、Hg法比表面積(B)が200
    〜300m2/gの範囲であり、N2法細孔容積(C)
    が1.7〜2.5ml/gの範囲であり、かつA×C/
    Bが2.3以上である湿式法含水ケイ酸。
  2. 【請求項2】 A×C/Bが2.3〜3.3である請求
    項1に記載の含水ケイ酸。
  3. 【請求項3】 Hg法細孔容積が2.5ml/g以下の
    範囲であり、かつN2法比表面積/CTAB法比表面積
    が1.2以上である請求項1または2記載の含水ケイ
    酸。
  4. 【請求項4】 Hg法細孔容積が2.0〜2.5ml/
    gの範囲であり、かつN2法比表面積/CTAB法比表
    面積の比が1.2〜1.6の範囲である請求項3に記載
    の含水ケイ酸。
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