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DE19617039A1 - Precipitated silicas, process for their preparation and use of vulcanizable rubber mixtures - Google Patents

Precipitated silicas, process for their preparation and use of vulcanizable rubber mixtures

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Publication number
DE19617039A1
DE19617039A1 DE19617039A DE19617039A DE19617039A1 DE 19617039 A1 DE19617039 A1 DE 19617039A1 DE 19617039 A DE19617039 A DE 19617039A DE 19617039 A DE19617039 A DE 19617039A DE 19617039 A1 DE19617039 A1 DE 19617039A1
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DE
Germany
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carbon atoms
precipitated silicas
precipitated
rubber
sulfuric acid
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE19617039A
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German (de)
Inventor
Udo Dr Goerl
Andrea Hunsche
Robert Kuhlmann
Mustafa Dr Siray
Heinz Esch
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Evonik Operations GmbH
Original Assignee
Degussa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to ES96108371T priority patent/ES2133864T3/en
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Priority to US08/655,035 priority patent/US5705137A/en
Priority to TW085106383A priority patent/TW420702B/en
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Description

Fällungskieselsäuren werden als Verstärkerfüllstoffe in vulkanisierbaren Kautschukmischungen eingesetzt.Precipitated silicas are used as reinforcing fillers in Vulkanisierbaren rubber mixtures used.

(S. Wolff, E.H. Tan: Performance of Silicas with different Surface areas in NR. Vortrag gehalten anläßlich des ACS- Meetings, New York City, N.Y., April 1986;(Wolff, E.H. Tan: Performance of Silicas with different Surface areas in NR. Lecture given on the occasion of the ACS Meetings, New York City, N.Y., April 1986;

S. Wolff, R. Panenka, E.H. Tan: Reduction of Heat Generation Truck Tire Tread and Subtread Compounds. Vortrag gehalten anläßlich der International Conference on Rubber, Jamshedpur (Indien), Nov. 1986).S. Wolff, R. Panenka, E.H. Tan: Reduction of Heat Generation Truck Tire Tread and Subtread Compounds. lecture Held on the occasion of the International Conference on Rubber, Jamshedpur (India), Nov. 1986).

Als wesentlicher Parameter für die Charakterisierung einer Fällungskieselsäure dient die Oberfläche, die entweder durch Adsorption von Stickstoff (ISO 5794/1, Annex D) oder von gummitechnisch größerer Relevanz durch Adsorption von CTAB gemäß ASTM D 3765-92 bestimmt wird. Unter Bezugnahme auf die zu erhaltenden gummitechnischen Daten werden Fällungskieselsäuren gemäß ISO 5794/1 in sechs Oberflächenklassen eingeteilt.As an essential parameter for the characterization of a Precipitated silica serves the surface, which either by adsorption of nitrogen (ISO 5794/1, Annex D) or of rubber technology of greater relevance by adsorption of CTAB according to ASTM D 3765-92. In reference to to be obtained on the rubber technical data Precipitated silicas according to ISO 5794/1 in six Classified by surface classes.

In der Reifenanwendung werden jedoch nahezu ausschließlich Fällungskieselsäuren mit CTAB-Oberflächen zwischen 100 und 200 m²/g eingesetzt. (US-Patent 5,227,425)In the tire application, however, almost exclusive Precipitated silicas with CTAB surface areas between 100 and 200 m² / g used. (U.S. Patent 5,227,425)

S. Wolff: The Influence of Fillers on Rolling Resistance presented at the 129th Meeting of the Rubber Division American Chemical Society New York N.Y., April 8-11, 1986).S. Wolff: The Influence of Fillers on Rolling Resistance presented at the 129 th Meeting of the American Chemical Society Rubber Division New York NY, April 8 to 11, 1986).

Dies liegt darin begründet, daß Fällungskieselsäuren in der Reifenanwendung hohe Festigkeitswerte sowie insbesondere im Laufflächenbereich einen guten Abriebwiderstand besitzen müssen. Dies wird nur durch den Einsatz von Fällungskieselsäuren mit diesem oben genannten Oberflächenbereich gewährleistet. Fällungskieselsäuren mit CTAB-Oberflächen <200 m²/g werden heute hingegen nahezu nicht verwendet. Jedoch gerade diese Fällungskieselsäuren sollten sich durch einen besonders guten Abriebwiderstand auszeichnen und daher in der praktischen Reifenanwendung von besonderem Interesse sein. Der wesentliche Grund für ihren Nichteinsatz liegt in der Tatsache begründet, daß sich Fällungskieselsäuren mit steigender Oberfläche extrem schlecht in der Gummimischung verteilen (dispergieren) lassen. Diese schlechte Verteilbarkeit führt dann dazu, daß diese Produkte nicht das von ihnen erwartete Wertebild ergeben und somit keine Vorteile, zum Teil sogar Nachteile, gegenüber den heute eingesetzten Reifenfällungskieselsäuren erzielen.This is due to the fact that precipitated silicas in the Tire application high strength values and especially in the Tread area have a good abrasion resistance have to. This is only through the use of  Precipitated silicas with this above Surface area guaranteed. Precipitated silicas with On the other hand, CTAB surfaces <200 m² / g are almost becoming today not used. However, just these precipitated silicas should be characterized by a particularly good abrasion resistance characterized and therefore in the practical tire application be of particular interest. The essential reason for their non-employment is due to the fact that Precipitated silicas with increasing surface extremely poorly distributed in the rubber mixture (to disperse) to let. This poor distributability then leads to these products do not have the expected value image and thus no advantages, sometimes even disadvantages, compared with the tire precipitation silicas used today achieve.

Der Grund für diese schlechte Dispersion hochoberflächiger Fällungskieselsäuren liegt in einer weiteren wichtigen Eigenschaft der Fällungskieselsäure, und zwar ihrer Struktur (gemessen mittels DBP-Absorption gemäß ASTM D 2414). Besonders wichtig ist jedoch ihre Makroporengrößenverteilung (gemessen mittels Hg- Porosimetrie gemäß DIN 66 133) und ihre Veränderung mit der Oberfläche.The reason for this poor dispersion of higher surface area Precipitated silica is another important Property of the precipitated silica, namely its Structure (measured by DBP absorption according to ASTM D 2414). Especially important, however, is theirs Macro pore size distribution (measured by means of Hg- Porosimetry according to DIN 66 133) and their change with the Surface.

(U. Görl, R. Rausch, H. Esch, R. Kuhlmann:
Kieselsäurestruktur und ihr Einfluß auf das gummitechnische Wertebild. Vortrag, gehalten anläßlich der Deutschen Kau­ tschuk-Tagung in Stuttgart, Juni 1994).
(U. Görl, R. Rausch, H. Esch, R. Kuhlmann:
Silica structure and its influence on the rubber technical value image. Lecture, held on the occasion of the German Kauchuk Conference in Stuttgart, June 1994).

Mit anderen Worten, die Makroporengrößenverteilung nimmt in der Regel mit steigender Oberfläche ab, wenn es nicht gelingt, durch geeignete fälltechnische Maßnahmen bei der Herstellung der Fällungskieselsäure bei gleicher Oberfläche zusätzlich größere Poren zu erzeugen.In other words, the macropore size distribution increases usually with rising surface, if not succeeds by suitable precipitation measures in the Production of precipitated silica with the same surface in addition to produce larger pores.

Insbesondere Fällungskieselsäuren mit CTAB-Oberflächen <220 m²/g bedürfen besonderer fälltechnischer Maßnahmen, um trotz der hohen Oberfläche noch genügend große Makroporen und damit gutes Dispersionsverhalten zu besitzen.In particular precipitated silicas with CTAB surfaces <220 m² / g requires special precipitation measures in order to  despite the high surface still sufficiently large macropores and thus to have good dispersion behavior.

Es ist bekannt, Fällungskieselsäure mit den physikalisch­ chemischen Parametern:It is known to precipitate with the physically chemical parameters:

BET-OberflächeBET surface area 35 bis 350 m²/g35 to 350 m² / g Verhältnis BET/CTAB-OberflächeRatio BET / CTAB surface area 0,8 bis 1,10.8 to 1.1 Porenvolumen PVPore volume PV 1,6 bis 3,4 ml/g1.6 to 3.4 ml / g Silanolgruppendichte (V₂ = Verbrauch an NaOH)Silanol group density (V₂ = consumption of NaOH) 6 bis 20 ml6 to 20 ml Mittlere AggregatgrößeMean aggregate size 250 bis 1500 nm250 to 1500 nm CTAB-OberflächeCTAB surface 30 bis 350 m²/g30 to 350 m² / g DBP-ZahlDBP number 150 bis 300 ml/100 g150 to 300 ml / 100 g V₂/V₁ nach Hg-PorosimetrieV₂ / V₁ after Hg porosimetry 0,19 bis 0,460.19 to 0.46 vorzugsweisepreferably 0,20 bis 0,230.20 to 0.23 DBP/CTABDBP / CTAB 1,2 bis 2,41.2 to 2.4

in Kautschukmischungen einzusetzen (DE-A 44 27 137).to use in rubber mixtures (DE-A 44 27 137).

Die Aufgabe der Erfindung ist somit die Herstellung und Charakterisierung von Fällungskieselsäuren mit CTAB- Oberflächen <200 m²/g, die sich durch besonders hohe Makroporengrößenverteilung und damit durch besonders gute Dispersion in der Gummimischung auszeichnen. The object of the invention is thus the production and Characterization of precipitated silicas with CTAB Surfaces <200 m² / g, which are characterized by particularly high Macro pore size distribution and thus by very good Distinguish dispersion in the rubber compound.  

Gegenstand der Erfindung sind Fällungskieselsäuren, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß sie eine CTAB-Oberfläche (gemäß ASTM D 3765-92) von 200 bis 400 m²/g, eine DBP-Zahl (gemäß ASTM D 2414) zwischen 230 und 380 ml/100 g, eine Silanolgruppendichte (V₂-Verbrauch an NaOH) von 20 bis 30 ml und eine für den jeweiligen Oberflächenbereich typische, mittels Hg-Porosimetrie (DIN 66 133) zu ermittelnde Makroporengrößenverteilung für bestimmte Porengrößenintervalle (inkrementelle Auftragungsweise) wie folgt aufweisen:The invention relates to precipitated silicas, which characterized in that they have a CTAB surface from 200 to 400 m² / g (according to ASTM D 3765-92), a DBP number (according to ASTM D 2414) between 230 and 380 ml / 100 g, one Silanol group density (V₂ consumption of NaOH) from 20 to 30 ml and one for the respective surface area typical, by Hg porosimetry (DIN 66 133) too determining macro pore size distribution for particular Pore size intervals (incremental application method) such as have:

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Fällungskieselsäuren gemäß Anspruch 1, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man in eine auf 30 bis 90°C, vorzugsweise auf 50 bis 80°C, erwärmte Vorlage aus Wasser, die unter Zusatz von geringen Mengen an Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 5 bis 5,9 eingestellt ist, unter Konstanthalten des pH-Wertes von 5,0 bis 5,9 durch gleichzeitigen Zulauf von Alkalisilikatlösung und Schwefelsäure, unter anhaltendem Scheren während der gesamten Fällzeit, durch 30 bis 120-minütige Unterbrechung der Fällung, die Umsetzung bis zu einer Feststoffkonzentration von 40 bis 60 g/l durchführt, die Fällungskieselsäuresuspension filtriert, wäscht und den Filterkuchen einer Kurzzeittrocknung unterzieht, gegebenenfalls vermahlt oder granuliert.Another object of the invention is a method for Production of precipitated silicas according to claim 1, which is characterized in that one in one on 30 to 90 ° C, preferably to 50 to 80 ° C, heated template from water, with the addition of small amounts of Sulfuric acid adjusted to a pH of 5 to 5.9 is, while keeping the pH of 5.0 to 5.9 constant by simultaneous feed of alkali metal silicate solution and Sulfuric acid, with continued shearing during the entire fall time, by 30 to 120-minute interruption the precipitation, the implementation up to one Solid concentration of 40 to 60 g / l performs the Precipitated silica suspension filtered, washed and the  Filter cake undergoes a brief drying, optionally ground or granulated.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind vulkanisierbare Kautschukmischungen bzw. die Verwendung der erfindungsgemäßen Kieselsäuren in vulkanisierbaren Kautschukmischungen, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß diese Mischungen 5 bis 100 Teile, insbesondere 15 bis 60 Teile der Kieselsäuren, bezogen auf 100 Teile Kautschuk, enthalten. Die erfindungsgemäßen Kieselsäuren können dabei der Mischung als Pulver oder in staubarmer Form, z. B. als Granulat oder Mikroperlen, in der in der Gummiindustrie üblichen Art und Weise auf einem Kneter oder auf der Walze der Gummimischung zugefügt werden. Verwendet werden können auch Polymerbatches, Ballen oder Pulver, bei denen die erfindungsgemäßen Kieselsäuren während der Herstellung der Kautschukmischung eingebracht werden.Another object of the invention are vulcanizable Rubber mixtures or the use of the Silica according to the invention in vulcanizable Rubber compounds, which are characterized that these mixtures 5 to 100 parts, in particular 15 to 60 parts of the silicas, based on 100 parts of rubber, contain. The silicas of the invention can thereby the mixture as a powder or in low-dust form, for. B. as Granules or microbeads, in the rubber industry usual way on a kneader or on the roller be added to the rubber mixture. Can be used also polymer batches, bales or powders where the Silica according to the invention during the preparation of Rubber mixture are introduced.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind erfindungsgemäße Fällungskieselsäuren, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß auf ihren Oberflächen mit Organosilanen der Formeln I bis IIIAnother object of the invention are inventive Precipitated silicas which are characterized that on their surfaces with organosilanes of the formulas I to III

[Rn¹-(RO)3-nSi-(Alk)m-(Ar)p]q[B] (I)[R n ¹ (RO) 3-n Si- (Alk) m - (Ar) p] q [B] (I)

oderor

Rn¹(RO)3-nSi-(Alkyl) (II)R n 1 (RO) 3-n Si (alkyl) (II)

oderor

Rn¹(RO)3-nSi-(Alkenyl) (III)R n 1 (RO) 3-n Si (alkenyl) (III)

modifiziert werden, wobei bedeuten:be modified, where:

B: -SCN, -SH, -Cl, -NH₂ (wenn q = 1) oder -Sx- (wenn q = 2),
R und R¹: eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, den Phenylrest, wobei alle Reste R und R¹ jeweils die gleiche oder eine verschiedene Bedeutung haben können,
n: 0; 1 oder 2,
Alk: einen zweiwertigen geraden oder verzweigten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen,
m: 0 oder 1,
Ar: einen Arylenrest mit 6 bis 12 C-Atomen, bevorzugt 6 C-Atome,
p: 0 oder 1 mit der Maßgabe, daß p und n nicht gleichzeitig 0 bedeuten,
x: eine Zahl von 2 bis 8,
Alkyl: einen einwertigen geraden oder verzweigten ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 2 bis 8 Kohlenstoffatomen,
Alkenyl: einen einwertigen geraden oder verzweigten ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 2 bis 8 Kohlenstoffatomen.
B: -SCN, -SH, -Cl, -NH₂ (if q = 1) or -S x - (if q = 2),
R and R¹: an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, the phenyl radical, where all radicals R and R¹ may each have the same or a different meaning,
n: 0; 1 or 2,
Alk: a divalent straight or branched hydrocarbon radical having 1 to 6 carbon atoms,
m: 0 or 1,
Ar: an arylene radical having 6 to 12 C atoms, preferably 6 C atoms,
p: 0 or 1 with the proviso that p and n do not simultaneously denote 0,
x: a number from 2 to 8,
Alkyl: a monovalent straight or branched unsaturated hydrocarbon radical having 1 to 20 carbon atoms, preferably 2 to 8 carbon atoms,
Alkenyl: a monovalent straight or branched unsaturated hydrocarbon radical having 2 to 20 carbon atoms, preferably 2 to 8 carbon atoms.

Die auf der Oberfläche mit Organosilanen modifizierten Fällungskieselsäuren können hergestellt werden, indem man die Fällungskieselsäuren mit den Organosilanen in Mischungen von 0,5 bis 50 Teilen, bezogen auf 100 Teile Fällungskieselsäure, behandelt.The modified on the surface with organosilanes Precipitated silicas can be prepared by adding the precipitated silicas with the organosilanes in Mixtures of 0.5 to 50 parts, based on 100 parts Precipitated silica, treated.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann als Organosilan Bis-(triethoxysilylpropyl)-tetrasulfan oder eine feste Darreichungsform, zum Beispiel in einem Gemisch mit Industrieruß, eingesetzt werden.In a preferred embodiment of the invention, as Organosilane bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfane or  a solid dosage form, for example in a mixture with carbon black.

Die Zugabe eines oder mehrerer Silane kann zum einen gleichzeitig zusammen mit den erfindungsgemäßen Kieselsäuren zur Kautschukmischung erfolgen, wobei die Reaktion zwischen Fällungskieselsäure und Silan während des Mischprozesses bei erhöhten Temperaturen erfolgt. Zum anderen kann die Zugabe der Silane zu der Fällungskieselsäure/Kautschukmischung in der Weise erfolgen, daß man die Fällungskieselsäure vor der Zugabe zur Kautschukmischung mit einem oder mehreren Silanen behandelt und die vormodifizierte Kieselsäure zur Kautschukmischung hinzugibt. Eine derartige Maßnahme kann analog zur Verfahrensweise gemäß DE-A 40 04 781 erfolgen.The addition of one or more silanes can on the one hand simultaneously with the invention Silicas are made to the rubber mixture, wherein the Reaction between precipitated silica and silane during the Mixing process takes place at elevated temperatures. To the others may be adding the silanes to the Precipitated silica / rubber mixture in the manner take place that one the precipitated silica before the addition to the rubber mixture with one or more silanes treated and the pre-modified silica to Added rubber compound. Such a measure can carried out analogously to the procedure according to DE-A 40 04 781.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Kautschukmischungen und/oder Vulkanisate, die die erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren, die gegebenenfalls mit Organosilanen modifiziert sind, enthalten. Die erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren können dabei in allen mit Beschleuniger/Schwefel, aber auch peroxidisch vernetzbaren Kautschukarten, wie in DIN/ISO 1629 aufgelistet, eingesetzt werden. Zu nennen wären hierbei zum Beispiel Elastomere, natürliche und synthetische, ölgestreckte oder nicht, als Einzelpolymer oder Verschnitt (Blend) mit anderen Kautschuken, wie zum Beispiel Naturkautschuke, Butadienkautschuke, Isoprenkautschuke, Butadien-Styrol-Kautschuke, insbesondere SBR, hergestellt mittels des Lösungspolymerisationsverfahrens, Butadien- Acrylnitrilkautschuke, Butylkautschuke, Terpolymere aus Ethylen, Propylen und nicht konjugierte Diene. Ferner kommen für Kautschukgemische mit den genannten Kautschuken die folgenden zusätzlichen Kautschuke in Frage:
Carboxylkautschuke, Epoxidkautschuke, Trans-Polypentenamer, halogenierte Butylkautschuke, Kautschuke aus 2-Chlor- Butadien, Ethylen-Vinylacetat-Copolymere, Ethylen-Propylen- Copolymere, gegebenenfalls auch chemische Derivate des Naturkautschuks sowie modifizierte Naturkautschuke.
Another object of the invention are rubber mixtures and / or vulcanizates containing the precipitated silicas according to the invention, which are optionally modified with organosilanes. The precipitated silicas according to the invention can be used in all rubbers which are listed with accelerator / sulfur but also peroxidically crosslinkable rubbers, as listed in DIN / ISO 1629. Mention may be made, for example, of elastomers, natural and synthetic, oil-extended or not, as a single polymer or blend with other rubbers, for example natural rubbers, butadiene rubbers, isoprene rubbers, butadiene-styrene rubbers, in particular SBR, prepared by the solution polymerization process, Butadiene-acrylonitrile rubbers, butyl rubbers, terpolymers of ethylene, propylene and non-conjugated dienes. Furthermore, the following additional rubbers are suitable for rubber mixtures with the rubbers mentioned:
Carboxylic rubbers, epoxy rubbers, trans-polypentenamer, halogenated butyl rubbers, rubbers of 2-chlorobutadiene, ethylene-vinyl acetate copolymers, ethylene-propylene copolymers, optionally also chemical derivatives of natural rubber and modified natural rubbers.

Ebenso bekannt sind die üblichen weiteren Bestandteile wie Gummiruße, natürliche Füllstoffe, Weichmacher, Stabilisatoren, Aktivatoren, Pigmente, Alterungsschutzmittel und Verarbeitungshilfsmittel in den üblichen Dosierungen.Also known are the usual other ingredients such as Rubber, natural fillers, plasticizers, Stabilizers, activators, pigments, Anti-aging agents and processing aids in the usual dosages.

Die erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren, mit und ohne Silan, finden Einsatz in allen Gummianwendungen, wie zum Beispiel Reifen, Fördergurte, Dichtungen, Keilriemen, Schläuche, Schuhsohlen etc.The precipitated silicas according to the invention, with and without Silane, find use in all rubber applications, such as Example tires, conveyor belts, seals, V-belts, Hoses, soles etc.

BeispieleExamples

In den Beispielen eingesetzte Prüfverfahren sind:Test methods used in the examples are:

Rauhigkeitsfaktor F²HRoughness factor F²H ASTM D 2663-89ASTM D 2663-89 ML (1+4)ML (1 + 4) DIN 53 523/524DIN 53 523/524 Zugfestigkeittensile strenght DIN 53 504DIN 53 504 Modul 300%Module 300% DIN 53 504DIN 53 504 Bruchdehnungelongation DIN 53 504DIN 53 504 Shore-A-HärteShore A hardness DIN 53 505DIN 53 505 DIN-AbriebDIN abrasion DIN 53 516DIN 53 516 MTS-DatenMTS data DIN 53 513DIN 53 513 WeiterreißwiderstandTear strength DIN 53 507DIN 53 507

In den Anwendungsbeispielen eingesetzte Einsatzstoffe sind:Feedstocks used in the application examples are:

Handelsnametrade name Beschreibung/FirmaDescription / Company Buna VSL 1954/S 25Buna VSL 1954 / S 25 Styrol-Butadien-Kautschuk, hergestellt nach dem Lösungspolymerisationsverfahren (Bayer AG)Styrene-butadiene rubber produced by the solution polymerization method (Bayer AG) Buna CB 11 SBuna CB 11 S Butadienkautschuk (Bayer AG)Butadiene rubber (Bayer AG) Protector G 35Protector G 35 Ozonschutzwachs (Fuller) Ozone protection wax (Fuller)   X 50-SX50-S Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfan/N 330 50 : 50-Abmischung (Degussa AG)Bis (triethoxysilylpropyl) tetrasulfane / N 330 50:50 blend (Degussa AG)

Die Silanolgruppendichte wird bestimmt nach G. W. Sears, Analytical Chemistry, 12., 1982-83 (1956).The silanol group density is determined according to G.W. Sears, Analytical Chemistry, 12, 1982-83 (1956).

Bestimmung der Makroporengrößenverteilung mittels Hg- Porosimetrie:Determination of the macropore size distribution by means of Hg porosimetry:

Verfahren: DIN 66 133
Gerät: Autopore II 9220 (Micromeritics GmbH)
Probenvorbereitung:
Method: DIN 66 133
Device: Autopore II 9220 (Micromeritics GmbH)
Sample preparation:

  • - Vortrocknung der Probe 15 h/100°C- Pre-drying of the sample 15 h / 100 ° C.
  • - Abkühlen auf Raumtemperatur im ExsikkatorCool to room temperature desiccator
  • - Überführen der Probe (0,05-0,1 g) in PenetrometerTransfer the sample (0.05-0.1 g) into penetrometer

Geräteparameter:Device:

  • - Druckbereich 4 kPa-200 MPa (53 Meßpunkte)- Pressure range 4 kPa-200 MPa (53 measuring points)
  • - Kontaktwinkel 140°- Contact angle 140 °
  • - Hg-Oberflächenspannung 0,48 N/m.Hg surface tension 0.48 N / m.

Bestimmung der Dispersion mittels Rauhigkeitsmessung der Vulkanisatoberfläche:Determination of the dispersion by means of roughness measurement of vulcanizate:

Verfahren: ASTM D 2663-89
Gerät: Surfanalyzer
Vorgehensweise: Mittels einer sich über eine frisch angeschnittene Vulkanisatoberfläche bewegenden Diamantnadel wird die Oberflächenrauhigkeit bestimmt und die Werte nach elektronischer Aufbereitung in Form eines Rauhigkeitsfaktors berechnet. Dieser Faktor setzt sich dabei aus der Anzahl der Signale (F) und deren Intensität (H) wie folgt zusammen:
Method: ASTM D 2663-89
Device: Surfanalyzer
Procedure: The surface roughness is determined by means of a diamond needle moving over a freshly cut vulcanizate surface and the values are calculated after electronic processing in the form of a roughness factor. This factor is composed of the number of signals (F) and their intensity (H) as follows:

Oberflächenrauhigkeitsfaktor = F²HSurface roughness factor = F²H

Die Interpretation dieses Faktors sagt aus, daß sich die Dispersion von Füllstoffen in der Polymermatrix umso günstiger darstellt, je niedriger dieser Faktor ist.The interpretation of this factor says from that the dispersion of Fillers in the polymer matrix all the more cheaper, the lower this factor is.

Beispiel 1example 1 Herstellung und Charakterisierung von erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren im CTAB-Oberflächenbereich von 200-250 m²/gProduction and Characterization of Inventive Precipitated silicas in the CTAB surface area of 200-250 m² / g

In einem Bottich, der mit einem Ekato-Scheibenrührer und mit einem MIG-Rührwerk der Fa. Ekato ausgerüstet ist, werden unter Rühren 50 m³ heißes Wasser und so viel handelsübliche Schwefelsäure (96%ig) vorgelegt, bis pH 5,5 erreicht ist. Unter Aufrechterhaltung einer Fälltemperatur von 78°C und pH 5,5 werden gleichzeitig 7,6 m³/h handelsübliche Natronwasserglaslösung (Gewichtsmodul 3,42, Dichte 1,348) und 0,7 m³/h Schwefelsäure (96%ig) in 70 Minuten zugegeben. Während der gesamten Fällzeit ist der Ekato-Scheibenrührer SR (Durchmesser 320 mm, 6 Blätter, 740 U/min) in Betrieb. Nach 12 Minuten wird die Zugabe der Edukte Natronwasserglaslösung und Schwefelsäure für 80 Minuten unterbrochen. Auch während dieser Unterbrechungszeit werden die beiden Rührwerke in Betrieb gehalten. Die Fällungskieselsäure wird auf einer Filterpresse abgetrennt, gewaschen und der Filterkuchen einer Sprühtrocknung oder Spinflashtrocknung unterzogen und gegebenenfalls trocken zwischen zwei Walzen granuliert. In a tub with an Ekato disc stirrer and equipped with a MIG stirrer from Ekato, are stirring 50 m³ of hot water and so much commercial sulfuric acid (96%) submitted to pH 5.5 is reached. While maintaining a precipitation temperature of 78 ° C and pH 5.5 are simultaneously 7.6 m³ / h commercial sodium silicate solution (weight modulus 3.42, Density 1.348) and 0.7 m³ / h sulfuric acid (96%) in 70 Minutes added. During the entire precipitation is the Ekato disc stirrer SR (diameter 320 mm, 6 blades, 740 rpm) in operation. After 12 minutes, the addition of the Educts sodium silicate solution and sulfuric acid for 80 Minutes interrupted. Also during this Interruption time, the two agitators in operation held. The precipitated silica is on a Filter press separated, washed and the filter cake subjected to spray drying or spin flash drying and optionally granulated dry between two rollers.  

Die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure besitzt eine CTAB- Oberfläche von 206 m²/g, eine DBP-Zahl von 298 ml/100 g sowie eine Silanolgruppendichte (V₂) von 20,5 ml. Die Makroporengrößenverteilung stellt sich wie folgt dar:The precipitated silica according to the invention has a CTAB Surface area of 206 m² / g, a DBP number of 298 ml / 100 g and a Silanolgruppendichte (V₂) of 20.5 ml. The Macro pore size distribution is as follows:

Beispiel 2Example 2

In einem Bottich, der mit einem Ekato-Scheibenrührer und mit einem MIG-Rührwerk der Fa. Ekato ausgerüstet ist, werden unter Rühren 50 m³ heißes Wasser und so viel handelsübliche Schwefelsäure (96%ig) vorgelegt, bis pH 5,5 erreicht ist. Unter Aufrechterhaltung einer Fälltemperatur von 78°C und pH 5,5 werden gleichzeitig 7,6 m³/h handelsübliche Natronwasserglaslösung (Gewichtsmodul 3, 42, Dichte 1,348) und 0,7 m³/h Schwefelsäure (96%ig) in 56 Minuten zugegeben. Während der gesamten Fällzeit ist der Ekato-Scheibenrührer SR (Durchmesser 320 mm, 6 Blätter, 740 U/min) in Betrieb. Nach 12 Minuten wird die Zugabe der Edukte Natronwasserglaslösung und Schwefelsäure für 80 Minuten unterbrochen. Auch während dieser Unterbrechungszeit werden die beiden Rührwerke in Betrieb gehalten. Die Fällungskieselsäure wird auf einer Filterpresse abgetrennt, gewaschen und der Filterkuchen einer Sprühtrocknung oder Spinflashtrocknung unterzogen und gegebenenfalls trocken zwischen zwei Walzen granuliert. In a tub with an Ekato disc stirrer and equipped with a MIG stirrer from Ekato, are stirring 50 m³ of hot water and so much commercial sulfuric acid (96%) submitted to pH 5.5 is reached. While maintaining a precipitation temperature of 78 ° C and pH 5.5 are simultaneously 7.6 m³ / h commercial sodium silicate solution (weight modulus 3, 42, Density 1.348) and 0.7 m3 / h sulfuric acid (96%) in 56 Minutes added. During the entire precipitation is the Ekato disc stirrer SR (diameter 320 mm, 6 blades, 740 rpm) in operation. After 12 minutes, the addition of the Educts sodium silicate solution and sulfuric acid for 80 Minutes interrupted. Also during this Interruption time, the two agitators in operation held. The precipitated silica is on a Filter press separated, washed and the filter cake subjected to spray drying or spin flash drying and optionally granulated dry between two rollers.  

Die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure besitzt eine CTAB- Oberfläche von 240 m²/g, eine DBP-Zahl von 314 ml/100 g sowie eine Silanolgruppendichte (V₂) von 21,0 ml. Die Makroporengrößenverteilung stellt sich wie folgt dar:The precipitated silica according to the invention has a CTAB Surface area of 240 m² / g, a DBP number of 314 ml / 100 g and a Silanolgruppendichte (V₂) of 21.0 ml. The Macro pore size distribution is as follows:

Beispiel 3Example 3 Herstellung und Charakterisierung einer erfindungsgemäßen Fällungskieselsäure im CTAB-Oberflächenbereich von 250-300 m²/gProduction and Characterization of a Invention Precipitated silica in the CTAB surface area of 250-300 m² / g

In einem Bottich, der mit einem Ekato-Scheibenrührer und mit einem MIG-Rührwerk der Fa. Ekato ausgerüstet ist, werden unter Rühren 57 m³ heißes Wasser und so viel handelsübliche Schwefelsäure (96%ig) vorgelegt, bis pH 5,5 erreicht ist. Unter Aufrechterhaltung einer Fälltemperatur von 55°C und pH 5,5 werden gleichzeitig 8,2 m³/h handelsübliche Natronwasserglaslösung (Gewichtsmodul 3,42, Dichte 1,348) und 0,75 m³/h Schwefelsäure (96%ig) in 56 Minuten zugegeben. Während der gesamten Fällzeit ist der Ekato-Scheibenrührer SR (Durchmesser 320 mm, 6 Blätter, 740 U/min) in Betrieb. Nach 13 Minuten wird die Zugabe der Edukte Natronwasserglaslösung und Schwefelsäure für 90 Minuten unterbrochen. Auch während dieser Unterbrechungszeit werden die beiden Rührwerke in Betrieb gehalten. Die Fällungskieselsäure wird auf einer Filterpresse abgetrennt, gewaschen und der Filterkuchen einer Sprühtrocknung oder Spinflashtrocknung unterzogen und gegebenenfalls trocken zwischen zwei Walzen granuliert.In a tub with an Ekato disc stirrer and equipped with a MIG stirrer from Ekato, while stirring 57 m³ of hot water and so much commercial sulfuric acid (96%) submitted to pH 5.5 is reached. While maintaining a precipitation temperature from 55 ° C and pH 5.5 are simultaneously 8.2 m³ / h commercial sodium silicate solution (weight modulus 3.42, Density 1.348) and 0.75 m3 / h sulfuric acid (96%) in 56 Minutes added. During the entire precipitation is the Ekato disc stirrer SR (diameter 320 mm, 6 blades, 740 rpm) in operation. After 13 minutes, the addition of the Educts sodium silicate solution and sulfuric acid for 90 Minutes interrupted. Also during this Interruption time, the two agitators in operation held. The precipitated silica is on a Filter press separated, washed and the filter cake  subjected to spray drying or spin flash drying and optionally granulated dry between two rollers.

Die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure besitzt eine CTAB- Oberfläche von 283 m²/g, eine DBP-Zahl von 349 ml/100 g sowie eine Silanolgruppendichte (V₂) von 24,0 ml. Die Makroporengrößenverteilung stellt sich wie folgt dar:The precipitated silica according to the invention has a CTAB Surface area of 283 m² / g, a DBP number of 349 ml / 100 g and a Silanolgruppendichte (V₂) of 24.0 ml. The Macro pore size distribution is as follows:

Beispiel 4Example 4 Herstellung und Charakterisierung einer erfindungsgemäßen Fällungskieselsäure im CTAB-Oberflächenbereich von 300-400 m²/gProduction and Characterization of a Invention Precipitated silica in the CTAB surface area of 300-400 m² / g

In einem Bottich, der mit einem Ekato-Scheibenrührer und mit einem MIG-Rührwerk der Fa. Ekato ausgerüstet ist, werden unter Rühren 57 m³ heißes Wasser und so viel handelsübliche Schwefelsäure (96%ig) vorgelegt, bis pH 5,5 erreicht ist. Unter Aufrechterhaltung einer Fälltemperatur von 50°C und pH 5,5 werden gleichzeitig 8,2 m³/h handelsübliche Natronwasserglaslösung (Gewichtsmodul 3,42, Dichte 1,348) und 0,75 m³/h Schwefelsäure (96%ig) in 56 Minuten zugegeben. Während der gesamten Fällzeit ist der Ekato-Scheibenrührer SR (Durchmesser 320 mm, 6 Blätter, 740 U/min) in Betrieb. Nach 13 Minuten wird die Zugabe der Edukte Natronwasserglaslösung und Schwefelsäure für 90 Minuten unterbrochen. Auch während dieser Unterbrechungszeit werden die beiden Rührwerke in Betrieb gehalten. Die Fällungskieselsäure wird auf einer Filterpresse abgetrennt, gewaschen und der Filterkuchen einer Sprühtrocknung oder Spinflashtrocknung unterzogen und gegebenenfalls trocken zwischen zwei Walzen granuliert.In a tub with an Ekato disc stirrer and equipped with a MIG stirrer from Ekato, while stirring 57 m³ of hot water and so much commercial sulfuric acid (96%) submitted to pH 5.5 is reached. While maintaining a precipitation temperature from 50 ° C and pH 5.5 are simultaneously 8.2 m³ / h commercial sodium silicate solution (weight modulus 3.42, Density 1.348) and 0.75 m3 / h sulfuric acid (96%) in 56 Minutes added. During the entire precipitation is the Ekato disc stirrer SR (diameter 320 mm, 6 blades, 740 rpm) in operation. After 13 minutes, the addition of the Educts sodium silicate solution and sulfuric acid for 90 Minutes interrupted. Also during this Interruption time, the two agitators in operation  held. The precipitated silica is on a Filter press separated, washed and the filter cake subjected to spray drying or spin flash drying and optionally granulated dry between two rollers.

Die erfindungsgemäße Fällungskieselsäure besitzt eine CTAB- Oberfläche von 360 m²/g, eine DBP-Zahl von 350 ml/100 g sowie eine Silanolgruppendichte (V₂) von 29,0 ml. Die Makroporengrößenverteilung stellt sich wie folgt dar:The precipitated silica according to the invention has a CTAB Surface area of 360 m² / g, a DBP number of 350 ml / 100 g and a Silanolgruppendichte (V₂) of 29.0 ml. The Macro pore size distribution is as follows:

Die physikalisch-chemischen Kenndaten der gemäß den Beispielen 1 bis 4 erhaltenen Fällungskieselsäuregranulate sind wie folgt:The physicochemical characteristics of the according to the Examples 1 to 4 obtained precipitated silica granules are as follows:

Beispiel 5Example 5 Fällungskieselsäuren in einer NR-LKW-LaufflächenmischungPrecipitated silicas in a NR truck tread compound

Stufe 1 step 1

Stufe 2 Level 2

Stufe 3 level 3

Vulkanisatdaten: 150°C/t95% Vulcanizate data: 150 ° C / t 95%

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren führt bei nahezu Härte- und Abriebsgleichheit zu einem deutlich niedrigeren tan δ (60°C)-Wert, wodurch sich der Sollwiderstand und damit der Benzinverbrauch gegenüber einer Standard-LKW-Laufflächenmischung deutlich reduzieren läßt. The use of the precipitated silicas according to the invention results in almost hardness and abrasion equality to a significantly lower tan δ (60 ° C), causing the Target resistance and thus the gasoline consumption compared significantly reduce a standard truck tread compound leaves.  

Die Dispersion, gemessen mittels Rauhigkeitsmessung, liegt trotz der hohen Oberfläche der Fällungskieselsäuren im Bereich des Ruß-Standards.The dispersion, measured by means of roughness measurement, is despite the high surface area of the precipitated silicas in the Range of soot standard.

Beispiel 6 Example 6

Fällungskieselsäuren in einer NR/BR-LKW-Laufflächenmischung Precipitated silicas in a NR / BR truck tread compound

Mischvorschrift: siehe Beispiel 5
Vulkanisatdaten: 150°C/t95%
Mixing instructions: see example 5
Vulcanizate data: 150 ° C / t 95%

Die Mischungen der erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren zeigen bei nahezu identischen Werten für Härte und Modul eine exzellente Dispersion, einen guten Abriebwiderstand und einen sehr niedrigen tan δ (60°C)-Wert (≅ Rollwiderstand). The mixtures of the precipitated silicas according to the invention show almost identical values for hardness and modulus excellent dispersion, good abrasion resistance and a very low tan δ (60 ° C) value (≅ rolling resistance).  

Beispiel 7 Example 7

Fällungskieselsäuren in einer NR/S-SBR-Laufflächenmischung Precipitated silicas in a NR / S SBR tread compound

Mischvorschrift: siehe Beispiel 5
Vulkanisatdaten: 150 °C/t95%
Mixing instructions: see example 5
Vulcanizate data: 150 ° C / t 95%

Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Fällungskieselsäuren läßt sich bei exzellenter Dispersion und vergleichbarem Abrieb gegenüber der Standardmischung sowohl der tan δ (0°C) (≅ Naßrutschfestigkeit) verbessern als auch der Rollwiderstand [tan δ (60°C)] reduzieren.By use of the precipitated silicas according to the invention can be with excellent dispersion and comparable Abrasion compared to the standard mixture of both the tan δ (0 ° C) (≅ wet skid resistance) improve as well as Reduce rolling resistance [tan δ (60 ° C)].

Claims (5)

1. Fällungskieselsäuren, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine CTAB-Oberfläche (gemäß ASTM D 3765-92) von 200 bis 400 m²/g, eine DBP-Zahl (gemäß ASTM D 2414) zwischen 230 und 380 ml/100 g, eine Silanolgruppendichte (V₂- Verbrauch an NaOH) von 20 bis 30 ml und eine für den jeweiligen Oberflächenbereich typische, mittels Hg- Porosimetrie (DIN 66 133) zu ermittelnde Makroporengrößenverteilung für bestimmte Porengrößenintervalle (inkrementelle Auftragungsweise) wie folgt aufweisen: 1. Precipitated silicic acids, characterized in that they have a CTAB surface (according to ASTM D 3765-92) of 200 to 400 m² / g, a DBP number (according to ASTM D 2414) between 230 and 380 ml / 100 g, a silanol group density (V₂ consumption of NaOH) from 20 to 30 ml and a typical for the respective surface area, to be determined by Hg porosimetry (DIN 66 133) to be determined macro pore size distribution for certain pore size intervals (incremental application method) as follows: 2. Verfahren zur Herstellung der Fällungskieselsäuren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in eine auf 30 bis 90°C, vorzugsweise auf 50 bis 80°C, erwärmte Vorlage aus Wasser, die unter Zusatz von geringen Mengen an Schwefelsäure auf einen pH-Wert von 5 bis 5,9 eingestellt ist, unter Konstanthalten des pH- Wertes von 5,0 bis 5,9 durch gleichzeitigen Zulauf von Alkalisilikatlösung und Schwefelsäure, unter anhaltendem Scheren während der gesamten Fällzeit, durch 30 bis 120-minütige Unterbrechung der Fällung, die Umsetzung bis zu einer Feststoffkonzentration von 40 bis 60 g/l durchführt, die Fällungskieselsäuresuspension filtriert, wäscht und den Filterkuchen einer Kurzzeittrocknung unterzieht, gegebenenfalls vermahlt oder granuliert.2. Process for the preparation of precipitated silicas according to claim 1, characterized in that in one at 30 to 90 ° C, preferably at 50 to 80 ° C, heated template from water, with the addition of small amounts of sulfuric acid to a pH of 5 to 5.9, while keeping the pH constant. Value from 5.0 to 5.9 by simultaneous feed of Alkali silicate solution and sulfuric acid, under sustained shearing throughout the fall, by 30 to 120 minutes interruption of the precipitation, the reaction up to a solids concentration of 40 to 60 g / l, the Precipitated silica suspension filtered, washed and the  Filter cake undergoes a brief drying, optionally ground or granulated. 3. Vulkanisierbare Kautschukmischungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mischungen 5 bis 100 Teile, insbesondere 15 bis 60 Teile der Fällungskieselsäuren gemäß Anspruch 1, bezogen auf 100 Teile Kautschuk, enthalten.3. Vulcanizable rubber mixtures, characterized characterized in that these mixtures contain 5 to 100 parts, in particular 15 to 60 parts of the precipitated silicas according to claim 1, based on 100 parts of rubber, contain. 4. Fällungskieselsäuren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf ihren Oberflächen mit Organosilanen der Formeln I bis III [Rn¹-(RO)3-nSi-(Alk)m-(Ar)p]q[B] (I)oderRn¹(RO)3-nSi-(Alkyl) (II)oderRn¹(RO)3-nSi-(Alkenyl) (III),modifiziert werden, wobei bedeuten:
B: -SCN, -SH, -Cl, -NH₂ (wenn g = 1) oder -Sx- (wenn q = 2),
R und R¹: eine Alkylgruppe mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, den Phenylrest, wobei alle Reste R und R¹ jeweils die gleiche oder eine verschiedene Bedeutung haben können,
n: 0; 1 oder 2,
Alk: einen zweiwertigen geraden oder verzweigten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen,
m: 0 oder 1,
Ar: einen Arylenrest mit 6 bis 12 C-Atomen, bevorzugt 6 C-Atome,
p: 0 oder 1 mit der Maßgabe, daß p und n nicht gleichzeitig 0 bedeuten,
x: eine Zahl von 2 bis 8,
Alkyl: einen einwertigen geraden oder verzweigten ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 2 bis 8 Kohlenstoffatomen,
Alkenyl: einen einwertigen geraden oder verzweigten ungesättigten Kohlenwasserstoffrest mit 2 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt 2 bis 8 Kohlenstoffatomen.
4. precipitated silicas according to claim 1, characterized in that on their surfaces with organosilanes of the formulas I to III [R n ¹ (RO) 3-n Si- (Alk) m - (Ar) p] q [B] (I ) or R n 1 (RO) 3-n Si (alkyl) (II) or R n 1 (RO) 3-n Si (alkenyl) (III), wherein
B: -SCN, -SH, -Cl, -NH₂ (if g = 1) or -S x - (if q = 2),
R and R¹: an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, the phenyl radical, where all radicals R and R¹ may each have the same or a different meaning,
n: 0; 1 or 2,
Alk: a divalent straight or branched hydrocarbon radical having 1 to 6 carbon atoms,
m: 0 or 1,
Ar: an arylene radical having 6 to 12 C atoms, preferably 6 C atoms,
p: 0 or 1 with the proviso that p and n do not simultaneously denote 0,
x: a number from 2 to 8,
Alkyl: a monovalent straight or branched unsaturated hydrocarbon radical having 1 to 20 carbon atoms, preferably 2 to 8 carbon atoms,
Alkenyl: a monovalent straight or branched unsaturated hydrocarbon radical having 2 to 20 carbon atoms, preferably 2 to 8 carbon atoms.
5. Kautschukmischungen und/oder Vulkanisate, die die Fällungskieselsäuren gemäß Anspruch 1, die gegebenenfalls mit Organosilanen modifiziert sind, enthalten.5. Rubber compounds and / or vulcanizates containing the Precipitated silicas according to claim 1, which optionally modified with organosilanes, contain.
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