JP3847484B2 - Clay composite rubber material and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【技術分野】
本発明は,極性の低いゴムポリマー中に粘土鉱物を分子レベルで分散させた,粘土複合ゴム材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
従来より,ゴム材料の機械的特性を改良するために,粘土鉱物の添加,混合が検討されている。例えば,特開平1−198645号公報において,末端又は側鎖にオニウムイオンを導入したオリゴマーを使用して粘土鉱物の有機化を行い,これをゴム材料の中に混合するという方法が開示されている。
【0003】
【解決しようとする課題】
しかしながら,上記従来の粘土複合ゴム材料においては,オニウムイオンを導入したオリゴマーの調製は,必ずしも容易ではなかった。また,粘土層間へオリゴマーを直ちに導入させようとするため,粘土層間の膨潤が不十分な場合があった。
また,Giannelisらによれば,極性基のないポリスチレンを用いた場合には,層間にはポリスチレン分子が1層しか入ることができず,層間膨潤にも限界がある(E.P.Giannelisら,Chem.Mater.5,1694−1696(1993))。
【0004】
尚,本願の発明者らは,分子内に極性基を有するオリゴマー又はポリマーを,オニウムイオンにより有機化された粘土鉱物の層間に十分に入り込ませる技術,及び有機化された粘土粘土の層間に極性基を有する低分子物質を導入した後に極性基を有しないオリゴマー又はポリマーを粘土層間に導入する技術について,先に出願している(「粘土複合材料及びその製造方法」平成7年6月5日出願,「粘土複合材料及びその製造方法,並びにブレンド材料」平成7年6月30日出願)。しかし,かかる技術は,プラスチックを主対象としたものであり,ゴム材料を対象としたものではない。
【0005】
本発明はかかる従来の問題点に鑑み,極性の低いゴムポリマー中における粘土鉱物の分散性が高い,粘土複合ゴム材料及びその製造方法を提供しようとするものである。
【0006】
【課題の解決手段】
請求項1の発明は,不飽和基を有する炭素数6以上の有機オニウムイオンがイオン結合することにより有機化された粘土鉱物と,分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも小さく,且つその分子内の極性基が上記粘土鉱物と水素結合している第1ゲスト分子と,分子長が上記有機オニウムイオンよりも大きく,且つその分子内に不飽和基を有し,極性基を有しない第2ゲスト分子とよりなり,上記第1ゲスト分子及び第2ゲスト分子は,少なくともその一部が上記粘土鉱物の層間に入り込んでいる第1粘土複合材料及び/又は,
不飽和基を有する炭素数6以上の有機オニウムイオンがイオン結合することにより有機化された粘土鉱物と,分子内に極性基と不飽和基とを有し,且つ分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも大きい第3ゲスト分子とからなり,上記第3ゲスト分子は少なくともその一部が粘土鉱物の層間に入り込んでおり,上記第3ゲスト分子の極性基は粘土鉱物と水素結合を形成している第2粘土複合材料と,
ゴム材料とが混練され,
且つ上記第2ゲスト分子又は第3ゲスト分子の少なくとも一方が,上記ゴム材料の分子と架橋結合しており,
上記第1粘土複合材料又は第2粘土複合材料の少なくとも一方の中の有機オニウムイオンは,上記第2ゲスト分子又は上記第3ゲスト分子の少なくとも一方と,上記ゴム材料の分子との間に架橋結合を形成していることを特徴とする粘土複合ゴム材料である。
【0007】
本発明において最も注目すべきことは,ゴム材料が,粘土鉱物の層間にゲスト分子を導入させた粘土複合材料と混練されていること,該粘土複合材料の中のゲスト分子とゴム材料の分子とが架橋結合していること,及び有機オニウムイオンと,第2ゲスト分子又は/及び第3ゲスト分子と,ゴム材料分子との間に架橋結合が形成されていることである。
【0008】
次に,本発明の粘土複合ゴム材料の作用について説明する。
粘土複合ゴム材料は,上記のごとく有機化された粘土鉱物の層間にゲスト分子を入り込ませた各種粘土複合材料のいずれかを,ゴム材料に混練してゲスト分子とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成したものである。そのため,従来粘土鉱物の分散が困難であったゴム分子に対しても粘土鉱物を均一に大きな層間距離をもって分散させることができる。その理由は以下のように考えられる。
【0009】
即ち,図1に示すごとく,第1粘土複合材料100においては,有機オニウムイオン6により有機化された粘土鉱物7が,空間的に多くのスペースを有するため,その層間に一旦は極性の弱いオリゴマー又はポリマーを取り込むことができるが,粘土鉱物のシリケート層の極性により直ちに排除される傾向が強かった。しかし,上記のごとく,第1ゲスト分子1に極性基10を結合させることにより,極性基10が粘土鉱物7のシリケート層と水素結合を形成して,層間に留まる。このため,粘土鉱物7の層間は,疎水化され,極性基を有しない第2ゲスト分子2が安定して留まることができる。第2ゲスト分子2は,有機オニウムイオンよりも分子長が長いため,層間を著しく膨潤させる。
【0010】
また,図2に示すごとく,第2粘土複合材料200においては,有機オニウムイオン6により有機化された粘土鉱物7の層間に,極性基30を有する第3ゲスト分子3を導入して,粘土鉱物7のシリケート層と水素結合を形成している。そのため,第3ゲスト分子3は,粘土鉱物7の層間に留まることができる。第3ゲスト分子3は,有機オニウムイオン6よりも分子長が長いため,層間を著しく膨潤させる。
【0011】
上記のごとく,粘土鉱物の層間が十分に膨潤した第1,第2粘土複合材料の少なくとも一方を,ゴム材料と混練する。すると,ゴム材料中において粘土鉱物は凝集することなく,分子レベルで均一に分散する。
また,粘土鉱物が均一に分散することにより,ガス等に対する遮断性が向上する。また,シリケート層近傍のゴム分子の運動が拘束される。そのため,粘土複合ゴム材料の力学的性質に良好な影響を与える。
【0012】
また,本発明においては,上記第1粘土複合材料又は第2粘土複合材料の少なくとも一方の中の有機オニウムイオンは,上記第2ゲスト分子又は上記第3ゲスト分子の少なくとも一方と,上記ゴム材料の分子との間に架橋結合を形成している。そのため,粘土鉱物のシリケート層とゴムとの界面が非常に強固に結合する。
従って,さらにシリケート層近傍のゴム分子の運動が拘束され,力学的性質特に硬さや弾性率が向上する。
【0013】
次に,本発明の詳細について説明する。
本発明の粘土複合ゴム材料においては,第1,第2粘土複合材料の少なくとも一方又は双方が,ゴム材料と混練されている。
【0014】
まず,第1粘土複合材料について説明する。
上記第1粘土複合材料は,有機オニウムイオンにより有機化された粘土鉱物と,第1ゲスト分子と,第2ゲスト分子とよりなる。
【0015】
上記第1粘土複合材料において,上記粘土鉱物は,炭素数6以上の有機オニウムイオンとイオン結合して有機化されている。炭素数が6未満の場合には,有機オニウムイオンの親水性が高まり,第1,第2ゲスト分子との相溶性が低下する。
【0016】
また,不飽和有機オニウムイオンとして1−ヘキセニルアンモニウムイオン,1−ドデセニルアンモニウムイオン,9−オクタデセニルアンモニウムイオン(オレイルアンモニウムイオン),9,12−オクタデカジエニルアンモニウムイオン(リノールアンモニウムイオン),9,12,15−オクタデカトリエニルアンモニウムイオン(リノレイルアンモニウムイオン)を用いることができる。
【0017】
これらの有機オニウムイオンのうち,請求項12に係る溶媒溶解法で粘土複合ゴム材料を製造する場合には,溶媒に対する膨潤性の点で,2級オニウムイオンが特に好ましい。なお,図示する有機オニウムイオンは,いずれも二股状に表記して2級オニウムイオンであることを示しているが,2級オニウムイオンに限定する趣旨ではない。
【0018】
粘土鉱物としては,第1,第2ゲスト分子との接触面積が大きいものを用いることが好ましい。これにより,粘土鉱物の層間を大きく膨潤させることができる。具体的には,粘土鉱物の陽イオンの交換容量は,50〜200ミリ等量/100gであることが好ましい。50ミリ等量/100g未満の場合には,オニウムイオンの交換が十分に行われず,粘土鉱物の層間を膨潤させることが困難な場合がある。一方,200ミリ等量/100gを越える場合には,粘土鉱物の層間の結合力が強固となり,粘土鉱物の層間を膨潤させることが困難な場合がある。
【0019】
上記粘土鉱物としては,例えば,モンモリロナイト,サポナイト,ヘクトライト,バイデライト,スティブンサイト,ノントロナイトなどのスメクタイト系粘土鉱物,バーミキュライト,ハロイサイト,又は膨潤性マイカがある。天然のものでも,合成されたものでもよい。
【0020】
第1ゲスト分子は,分子内に1つ又は2つ以上の極性基を有している。極性基は,第1ゲスト分子の主鎖,側鎖又は末端の少なくともいずれかに結合している。この中,極性基は第1ゲスト分子の末端に結合していることが好ましい。これにより,粘土鉱物の層間をより大きく膨潤させることができる。
【0021】
本発明において,極性基とは,分子内で電子が局在しており,電荷の偏りが生じたものをいい,完全に分極したイオンは含まない。よって,オニウムイオンは,上記極性基には含まれない。
請求項2の発明のように,上記第1ゲスト分子及び/又は第3ゲスト分子の上記極性基は,例えば,水酸基(OH),ハロゲン基(F,Cl,Br,I),カルボキシル基(COOH),無水カルボン酸基,チオール基(SH),エポキシ基,及びアミノ基のグループから選ばれる1種又は2種以上である。上記アミノ基は,一級,二級,または三級のアミン(NH2 ,NH,N)である。
【0022】
尚,イミノ基,フォスフォニル基,スルフォニル基等の分極の程度が相対的に強い基は,上記「極性基」の定義には一応該当するが,これらの基は本発明においては余り好ましくない。なぜなら,これらの基を含む第1ゲスト分子は溶媒への溶解性が小さく,また溶融するための高温安定性に欠けるからである。
【0023】
上記第1ゲスト分子の分子長は,有機オニウムイオンと同じかそれよりも小さい。有機オニウムイオンの分子長よりも大きい場合には,第1ゲスト分子の入手が困難となる場合があり,また,極性の低いポリマーの中に相溶化する第1ゲスト分子の種類が限られるという問題がある。
【0024】
請求項8記載のように,上記第1ゲスト分子は,例えば,直鎖状若しくは分岐状の構造のオレフィン又はパラフィン,あるいは,直鎖状若しくは分岐状の構造で且つ主鎖及び/若しくは側鎖の中に芳香環を有するオレフィン又はパラフィンを用いることができる。即ち,第1ゲスト分子は,例えば,1以上の極性基を有し,かつ,飽和若しくは不飽和の直鎖状又は分岐状の構造を有するものである。また,その主鎖及び/又は側鎖に,芳香環を含むこともある。
【0025】
上記の極性基を有する第1ゲスト分子としては,例えば,ラウリルアルコール(炭素数12),ステアリルアルコール(炭素数18),ステアリン酸(炭素数18),又はステアリルクロライド(炭素数18)を用いることができる。また,両末端にOH,COOH,Cl,エポキシ基等の極性基を有するポリエチレン,ポリプロピレン,ポリイソプレン,ポリブタジエン,又はこれらの水添物若しくは共重合体でもよい。これらの第1ゲスト分子は,有機オニウムイオンの分子長と同程度以下となるように選択して用いる。第1ゲスト分子は,炭素数6以上のものがより好ましい。
【0026】
上記第1ゲスト分子は,その混合割合が大きくなるに連れて,粘土鉱物の層間を広く拡張する傾向にある。第1ゲスト分子の混合割合は,有機化された粘土鉱物1重量部に対して,0.1重量部以上であることが好ましい。0.1重量部未満の場合には,層間の膨潤が不十分となるおそれがある。
【0027】
上記第1ゲスト分子は,その極性基により,粘土鉱物と水素結合を形成している。そして,第1ゲスト分子は,少なくともその一部が粘土鉱物の層間に入り込んでいる。第1ゲスト分子の全てが層間に入り込んでいる必要はない。例えば,請求項5の発明のように,第1粘土複合材料における粘土鉱物の層間には,第1ゲスト分子全量の中の10重量%以上が入り込んでいれば,層間は十分に膨潤する。一方,10重量%未満の場合には,層間の膨潤が不十分となるおそれがある。
【0028】
次に,上記第2ゲスト分子は,極性基を有していない,非極性又は極性の低いオリゴマー又はポリマーである。この第2ゲスト分子は,直鎖状又は分岐状の構造を有しており,飽和又は不飽和であって,また,芳香環を含む場合もあり,含まない場合もある。そして,第2ゲスト分子の分子長は,有機オニウムイオンよりも大きい。有機オニウムイオンの分子長と同じか又はそれよりも小さい分子長の場合には,粘土鉱物の層間の膨潤が不充分となるという問題がある。
【0029】
請求項3の発明のように,上記第2ゲスト分子は,分子量が1000〜500000の,非極性若しくは極性の低いオリゴマー又はポリマーであることが好ましい。1000未満の場合には,粘土鉱物の層間の膨潤が不十分となるおそれがある。一方,500000を越える場合には,溶媒に難溶となったり,軟化点又は融点が粘土鉱物の分解点以上となってしまうおそれがある。第2ゲスト分子は,有機オニウムイオンの3〜4倍程度以上の分子長を有することが,より好ましい。
上記第2ゲスト分子としては,例えば,液状ポリブタジエン,液状ポリイソプレン,液状ブチルゴムを用いることができる。
【0030】
上記第2ゲスト分子は,その混合割合が大きくなるに連れて,上記粘土鉱物の層間が膨潤する傾向にある。第2ゲスト分子の混合割合は,有機化された粘土鉱物1重量部に対して,0.1重量部以上であることが好ましい。0.1重量部未満の場合には,粘土鉱物の層間の膨潤が不十分となるおそれがある。
上記第2ゲスト分子は,粘土鉱物の層間に,少なくともその一部が入り込んでいる。第2ゲスト分子のすべてが入り込んでいる必要はない。
【0031】
次に,第2粘土複合材料について説明する。
上記第2粘土複合材料は,有機オニウムイオンにより有機化された粘土鉱物と,第3ゲスト分子とよりなる。
【0032】
上記第2粘土複合材料において,粘土鉱物,有機オニウムイオンは,上記粘土鉱物,有機オニウムイオンとして列挙したもののいずれかを用いることが好ましい。また,第3ゲスト分子は,主鎖及び/若しくは側鎖に1つ又は2つ以上の極性基を有している。該極性基としては,上記第1ゲスト分子の極性基として列挙した基のいずれかを用いることが好ましい。
第2粘土複合材料における粘土鉱物,有機オニウムイオン,第3ゲスト分子の極性基は,第1粘土複合材料における粘土鉱物,有機オニウムイオン,第1ゲスト分子の極性基と,同種又は異種のいずれでもよい。
【0033】
上記第3ゲスト分子の分子長は,有機オニウムイオンと同じかそれよりも大きい。有機オニウムイオンの分子長よりも小さい場合には,第3ゲスト分子が,有機オニウムイオンが粘土界面に存在する領域よりも外側へ突出しないため,粘土鉱物が,ゴム材料中に分散しにくくなる。
【0034】
請求項9記載のように,上記第3ゲスト分子は,例えば,直鎖状若しくは分岐状の構造のオレフィン又はパラフィン,あるいは,直鎖状若しくは分岐状の構造で且つ主鎖及び/若しくは側鎖の中に芳香環を有するオレフィン又はパラフィンを用いることができる。
即ち,第3ゲスト分子は,例えば,1以上の極性基を有し,かつ,飽和若しくは不飽和の直鎖状又は分岐状の構造を有するものである。その主鎖及び/又は側鎖に芳香環を含むこともある。
【0035】
上記第3ゲスト分子としては,例えば,両末端にOH,COOH,Cl,エポキシ基等の極性基を有するポリエチレン,ポリプロピレン,ポリイソプレン,ポリブタジエン,又はこれらの水添物若しくは共重合体でもよい。これらの第3ゲスト分子は,有機オニウムイオンの分子長と同じかそれよりも大きくなるように選択して用いる。
【0036】
上記第3ゲスト分子は,その混合割合が大きくなるに連れて,粘土鉱物の層間が広く拡張される傾向にある。第3ゲスト分子の混合割合は,有機化された粘土鉱物1重量部に対して,0.5重量部以上であることが好ましい。0.5重量部未満の場合には,粘土鉱物の層間の膨潤が不充分となるおそれがある。
【0037】
また,請求項4の発明のように,上記第3ゲスト分子は,分子量が500〜100000の非極性のオリゴマー又はポリマーであることが好ましい。500未満の場合には,粘土鉱物の層間の膨潤が不十分となるおそれがある。一方,100000を越える場合には,溶媒に不溶となったり,軟化点又は融点が粘土鉱物の分解点以上となってしまうおそれがある。第3ゲスト分子は,有機オニウムイオンの3〜4倍程度以上の分子長を有することが,より好ましい。
【0038】
上記第3ゲスト分子は,少なくともその一部が粘土鉱物の層間に入り込んでいる。粘土鉱物の層間には,第3ゲスト分子のすべてが入り込む必要はない。例えば,請求項6の発明のように,上記第2粘土複合材料における粘土鉱物の層間には,第3ゲスト分子全量の中の10重量%以上が入り込めば,層間は十分に膨張する。10重量%未満の場合には,粘土鉱物の層間に膨潤が不十分となるおそれがある。特に,第3ゲスト分子が分子量1000〜10000程度のポリマーの場合には,第3ゲスト分子全量の10重量%入り込めば,層間の膨張は十分である。
【0039】
次に,請求項7の発明のように,上記ゴム材料は,天然ゴム,イソプレンゴム,クロロプレンゴム,スチレンゴム,ニトリルゴム,エチレン−プロピレンゴム,ブタジエンゴム,スチレン−ブタジエンゴム,ブチルゴム,エピクロルヒドリンゴム,アクリルゴム,ウレタンゴム,フッ素ゴム,及びシリコーンゴムのグループから選ばれる1種又は2種以上を用いることができる。
【0040】
上記第1,第2粘土複合材料の中に含まれる,第2ゲスト分子又は第3ゲスト分子は,ゴム材料の分子との間に,例えば,「加硫」と呼ばれる硫黄架橋結合,又はこれに準ずる架橋結合等を形成している。これに準ずる架橋結合としては,例えば,過酸化物架橋結合を挙げることができる。
【0041】
本発明の粘土複合ゴム材料は,例えば,プレス成形法又は押出成形法により成形される。
本発明の粘土複合ゴム材料は,通常のゴムの各種用途に利用することができる。特に,ガス等に対するバリヤ性や,ゴム材料の力学的性質の改良が要求されている場合に利用すると,本発明の効果を最も有効に発揮させることができる。
【0042】
次に,上記粘土複合ゴム材料を製造する第1の方法としては,例えば,請求項10の発明のように,粘土鉱物を,炭素数6以上の有機オニウムイオンに接触させることにより,上記粘土鉱物と上記有機オニウムイオンとの間にイオン結合を形成して上記粘土鉱物を有機化し,
次に,分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも小さく,且つその分子内に極性基を有する第1ゲスト分子と,分子長が上記有機オニウムイオンよりも大きく,且つその分子内に不飽和基を有しており,極性基を有しない第2ゲスト分子とを,上記粘土鉱物に接触させることにより,上記第1ゲスト分子の極性基を上記粘土鉱物に水素結合を形成させて上記粘土鉱物の表面を疎水化すると共に,上記粘土鉱物の層間に第2ゲスト分子の少なくとも一部を入り込ませることにより第1粘土複合材料を得た後,
該第1粘土複合材料をゴム材料と混練すると共に,上記第2ゲスト分子の不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させる粘土複合ゴム材料の製造方法であって,
上記有機オニウムイオンは不飽和基を有し,上記第1粘土複合材料をゴム材料と混練するステップにおいて,上記有機オニウムイオンの不飽和基と,上記第2ゲスト分子の不飽和基と,上記ゴム材料の中の不飽和基との間に架橋結合を形成させることを特徴とする粘土複合ゴム材料の製造方法がある。
【0043】
上記第1の方法において最も注目すべきことは,有機化された粘土鉱物の表面を極性基を有する第1ゲスト分子により疎水化すること,不飽和基を有する第2ゲスト分子を粘土鉱物の層間に入り込ませること,及び該不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させることである。
【0044】
次に,上記第1の方法の作用について説明する。
上記の製造方法においては,先ず,図1に示すごとく,粘土鉱物7に有機オニウムイオン6を結合させることによって,粘土鉱物を有機化している。これにより,粘土鉱物7の層間に,ある程度のスペースが発生する。
【0045】
次に,有機化された粘土鉱物に,第1,第2ゲスト分子を接触させると,上記の層間のスペースに,第1,第2ゲスト分子1,2が入り込む。第1ゲスト分子1は極性基10を有する。そのため,粘土鉱物7と水素結合して,粘土鉱物7の層間に留まり,粘土鉱物7の層間を疎水化する。そのため,粘土鉱物7の層間に入り込んだ,極性の低い第2ゲスト分子2は,粘土鉱物の極性により排除されることはなく,層間に安定して留まることができる。
【0046】
また,第2ゲスト分子2は,その分子長が有機オニウムイオン6よりも大きく,嵩高である。それ故,第2ゲスト分子2が粘土鉱物7の層間に留まることにより,層間が無制限に膨潤した無限膨潤状態となる。
従って,上記無限膨潤状態にある第1粘土複合材料100をゴム材料中に混練することにより,元来極性物質である粘土鉱物を,極性の低いゴム材料中に分子レベルで均一に分散させた,粘土複合ゴム材料を得ることができる。
【0047】
また,第2ゲスト分子は,不飽和基を有している。不飽和基は,ゴム材料との混練の際に,ゴム材料の分子と架橋結合する。そのため,シリケート層近傍のゴム分子の運動が拘束され,粘土複合ゴム材料の力学的性質に良好な影響を与える。
【0048】
また,上記有機オニウムイオンは不飽和基を有し,上記第1粘土複合材料をゴム材料と混練するステップにおいて,上記有機オニウムイオンの不飽和基と,上記第2ゲスト分子の不飽和基と,上記ゴム材料の中の不飽和基との間に架橋結合を形成させている。上記有機オニウムイオンを使用すると,第2ゲスト分子とゴム材料とを混練,架硫するときに,有機オニウムイオンの不飽和基と第2ゲスト分子の不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合が形成される。そのため,粘土鉱物のシリケート層とゴムの界面とが非常に強固に結合される。それ故,シリケート層近傍のゴム分子がさらに運動が拘束され,力学的性質時に硬さ弾性率が向上する。
【0049】
上記粘土鉱物を有機オニウムイオンと接触させる方法としては,例えば,イオン交換法がある。このイオン交換法は,例えば,有機オニウムイオンを含む水溶液中に粘土鉱物を浸漬した後,該粘土鉱物を水洗して過剰な有機オニウムイオンを除去する方法である。
【0050】
上記第1ゲスト分子としては,上述したものを用いることができる。上記第2ゲスト分子としては,不飽和基を有する,液状ポリブタジエン,液状ポリイソプレン,液状ブチルゴム等を用いることができる。
第1,第2ゲスト分子を,有機化された粘土鉱物に接触させるに当たっては,両者を接触させる順序は問わない。即ち,両者を同時に投与して接触させても良く,いずれか一者を接触させた後に他者を接触させても良い。いずれの場合においても,結果的に同じ作用・効果が得られる。
【0051】
そして,第1,第2ゲスト分子の接触法としては,例えば,請求項12の発明のように,第1,第2ゲスト分子を溶媒に溶解した状態で,上記有機化された粘土鉱物に接触させる方法がある。また,請求項13の発明のように,第1,第2ゲスト分子を熱により軟化又は溶融した状態で,上記有機化された粘土鉱物に接触させる方法がある。
【0052】
前者の請求項12の方法によれば,室温で第1,第2ゲスト分子を粘土鉱物の層間に入り込ませることができる。この方法において使用し得る溶媒としては,例えば,トルエン,ベンゼン,キシレン,ヘキサン,オクタン等の極性の低い溶媒がある。
一方,後者の請求項13の方法において,第1,第2ゲスト分子を軟化又は溶融させるためには,第1,第2ゲスト分子を軟化温度又は溶融温度と同じか又はそれよりも高い温度に加熱する。この加熱は,第1,第2ゲスト分子及び粘土鉱物が分解せず,安定に存在する程度の温度において行う。例えば,加熱温度は,250℃以下であることが好ましい。250℃を越える場合には,有機化された粘土鉱物が分解するおそれがある。
【0053】
上記第1粘土複合材料とゴム材料との混練方法は,ゴムを混練する一般的な方法を用いることができる。特に,100℃以下にしてゴムロールで混練する方法が好ましい。100℃を越える場合には,混練中に架橋反応が進行してしまうおそれがあるからである。
【0054】
第1粘土複合材料とゴム材料とを混練する際には,両者間に「加硫」と呼ばれる硫黄架橋結合,又はこれに準ずる架橋結合を形成させる必要がある。そのためには,第1粘土複合材料である場合にはその第2ゲスト分子が,不飽和基を含んだものである必要がある。不飽和基とは,炭素間に二重結合又は三重結合を形成した基をいう。上記不飽和基を有する第2ゲスト分子としては,例えば,液状ポリブタジエン,液状ポリイソプレン,液状ブチルゴムがある。
混練の際には,例えば,硫黄等の加硫剤,加硫促進剤,過酸化物等の架橋剤,カーボン等の充填剤を添加することが好ましい。
【0055】
次に,上記粘土複合ゴム材料を製造する第2の方法としては,例えば,請求項11の発明のように,粘土鉱物を,炭素数6以上の有機オニウムイオンに接触させることにより,上記粘土鉱物と上記有機オニウムイオンとの間にイオン結合を形成して上記粘土鉱物を有機化し,
次に,上記粘土鉱物を,分子内に極性基と不飽和基とを有し,且つ分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも大きい第3ゲスト分子に接触させることにより,上記粘土鉱物の層間に,上記第3ゲスト分子の少なくとも一部を入り込ませて,粘土鉱物との間に水素結合を形成して第2粘土複合材料を得た後,
該第2粘土複合材料をゴム材料と混練すると共に,上記第3ゲスト分子の不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させる粘土複合ゴム材料の製造方法であって,
上記有機オニウムイオンは不飽和基を有し,上記第2粘土複合材料をゴム材料と混練するステップにおいて,上記有機オニウムイオンの不飽和基と,上記第3ゲスト分子の不飽和基と,上記ゴム材料の中の不飽和基との間に架橋結合を形成させることを特徴とする粘土複合ゴム材料の製造方法がある。
【0056】
上記第2の方法において最も注目すべきことは,有機化された粘土鉱物の層間に,極性基と不飽和基とを有する第3ゲスト分子を入り込ませること,該不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させることである。
【0057】
第2の方法は,第3ゲスト分子を用いている点が,第1,第2ゲスト分子を用いている上述の第1の方法と異なる。
第3ゲスト分子は,極性基と不飽和基とを有しており,その分子長は有機オニウムイオンと同じか又はそれよりも長い。かかる第3ゲスト分子としては,例えば,両末端に−OH基を有するポリブタジエン,両末端に−OH基を有するポリイソプレン等を用いることができる。
その他は,上記第1の方法と同様である。
【0058】
次に,上記第2の方法の作用について説明する。
上記の方法においては,まず,図2に示すごとく,粘土鉱物7に有機オニウムイオン6を結合させることにより,粘土鉱物7の層間にある程度のスペースが発生する。
次に,有機化された上記粘土鉱物7に,極性基30を有する第3ゲスト分子3を接触させる。すると,第3ゲスト分子3は,粘土鉱物7の層間のスペースに入り込み,その極性基30によって粘土鉱物7のシリケート層と水素結合する。これにより,第3ゲスト分子3は,粘土鉱物7の表面の極性によって排除されることなく,層間に留まる。このため,上記の第1の方法と同様に,粘土鉱物7の層間は,更に膨潤して,無限膨潤状態となる。従って,この無限膨潤状態にある第2粘土複合材料200をゴム材料中に混練することにより,元来極性物質である粘土鉱物を,ゴム材料中で分子レベルで均一に分散させることができる。
【0059】
また,第3ゲスト分子は,不飽和基を有している。そのため,この不飽和基がゴム材料の分子と架橋結合することによって,上記と同様に,粘土複合ゴム材料の力学的性質に良好な影響を与える。
【0060】
また,上記有機オニウムイオンは不飽和基を有し,上記第2粘土複合材料をゴム材料と混練するステップにおいて,上記有機オニウムイオンの不飽和基と,上記第3ゲスト分子の不飽和基と,上記ゴム材料の不飽和基との間に架橋結合を形成させている。有機オニウムイオンを使用すると,有機オニウムイオンの不飽和基と第3ゲスト分子とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成し,上記と同様に,粘土複合ゴム材料の力学的性質に良好な影響を与える。
【0061】
また,上記第1粘土複合材料及び第2粘土複合材料の両方を,ゴム材料に混練して第2,第3ゲスト分子とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させることもできる。この場合にも,上記と同様の効果を得ることができる。
【0062】
また,上述したように,上記第3ゲスト分子を有機化された粘土鉱物に接触させる方法としては,請求項12の発明のように,上記第3ゲスト分子を溶媒に溶解した状態で有機化された粘土鉱物に接触させる方法がある。また,請求項13の発明のように,第3ゲスト分子を熱により軟化又は溶融した状態で,上記有機化された粘土鉱物に接触させる方法がある。
【0063】
【発明の実施の形態】
実施形態例1
本例においては,粘土複合ゴム材料の配合割合を変化させて,シートを成形し,その力学的性質を評価した。
まず,各種粘土複合ゴム材料の調製方法について説明する。
【0064】
(本発明の試料4〜6)
粘土鉱物としてはナトリウム型モンモリロナイト(山形県産,イオン交換容量120meq/100g)を用いた。有機オニウムイオンとしては,不飽和基を分子内に持つオレイルアンモニウムイオンを用いた。第3ゲスト分子としては水酸基を持つポリイソプレン(クラレ製:LIR506)を用いた。
ゴム材料は,ブチルゴム(日本合成ゴムButyl268)を用いた。
【0065】
次に,上記粘土複合材料の製造方法について説明する。
まず,モンモリロナイト20.0gを80℃の水2000mlに分散させた。次に,オレイルアミンの塩酸塩8.8gを80℃の水1500mlに溶解した。この両方の水溶液を一気に混合した。その沈澱物を80℃の水で2回洗浄し,オレイルアンモニウムイオンで有機化したモンモリロナイトを得た。これを,OL−モンモリロナイトという。灼残法により求めたOL−モンモリロナイト中の無機含量は,69.4重量%であった。X線回折法により,モンモリロナイトの層間距離を測定したところ,OL−モンモリロナイトの層間距離は,22.5Åであった。
【0066】
ポリイソプレン100gに対し,上記OL−モンモリロナイトをそれぞれ70,140,210g混合し,80℃で4時間混合し,3種の第2粘土複合材料を得た。X線回折法により粘土複合材料におけるモンモリロナイトの層間距離を測定したところ,70.0Åであった。
ここへ,硫黄3.0g,亜鉛華5.0g,ステアリン酸3.0g,加硫促進剤(大内新興化学工業(株)製ノクセラーMSA−G)1.5gを添加して混練した。
【0067】
これらの混練物に表1に示す組成でブチルゴム及びカーボンを混練して,粘土複合ゴム材料を調製した(試料4〜6)。
【0068】
(比較用の試料1〜3)
比較のために,第2粘土複合材料を添加しないで,ゴム材料とカーボンとからなる材料を調製し,これらを試料1〜3とした。
【0069】
(比較用の試料11〜14,18,21〜26,参考用の試料15〜17,19,20)
比較,参考のために,分子内に不飽和基を持たない有機オニウムイオンを用いて粘土複合ゴム材料を調製した。
本例では,表2に示すごとく,第2粘土複合材料を用いた。第2粘土複合材料は,分子内に不飽和基を持たない有機オニウムイオンを用いて有機化された粘土鉱物と第3ゲスト分子とよりなる。上記有機オニウムイオンとしては,炭素数38のジステアリルジメチルアンモニウムイオン(以下,DSDMという。)を用いた。粘土鉱物としてはモンモリロナイトを用いた。これにより有機化された粘土鉱物としては,DSDM−モンモリロナイト(DSDM−Mtと表示する。)を用いた。DSDM−モンモリロナイトにおいて,DSDMとモンモリロナイトとの重量比は,常に同じとした。第3ゲスト分子としては,両末端に−OH基を有する液状ポリブタジエン(日本曹達(株) 商品名G2000)(液状ゴムと表示する。)を用いた。ゴム材料としては,ブチルゴム(日本合成ゴムButyl 268)を用いた。これらを表2に示す種々の配合比で用いて上記試料4〜6と同様に粘土複合ゴム材料を調製した。これらを比較用の試料11〜14,18,21〜26,参考用の試料15〜17,19,20とした。
【0070】
この中,試料18,21,22は,有機化されていない粘土鉱物として,未処理モンモリロナイト(Na−Mtと表示する。)を用いた例である。また,試料11〜14,18,21〜26は,DSDM−Mt未添加でシートを成形した例である。試料15〜17,19,20は,不飽和基を有しないDSDMで有機化されたモンモリロナイト及び液状ゴムをゴム材料に添加した例であり,この内,試料15〜17は更にカーボンを添加した場合,試料19,20はカーボンを添加しなかった場合である。
【0071】
(力学的特性の測定)
上記試料1〜6,11〜26の粘土複合ゴム材料の貯蔵弾性率,引張り強さ,伸び,引張り応力及びガス遮断性能を測定した。以下,測定方法を説明する。
貯蔵弾性率;粘弾性スペクトロメータにより測定した。
引張り強さ;粘土複合ゴム材料を均一に混練し,150℃,40分間加硫し厚み2mmのシートを成形し,ダンベル3号の試験片を切出し,これを引張り試験で引張り強さを測定した。
引張り応力;引張り強さと同様に引張り試験により測定した。
ガス遮断性能;粘土複合ゴム材料を均一に混練し,150℃,40分間加硫し厚み0.5mmのシートを成形し,窒素でのガス透過性を測定した。
【0072】
測定結果を表1,表2に示した。
尚,同表中,OL−モンモリロナイトの組成比の数値欄中,( )内の数値はモンモリロナイトの重量比を,( )左隣の数値はOL−モンモリロナイトの重量比を,それぞれ重量部にて示すものである。表1,表2の数値欄中,「−」,「×」は,測定不能であることを示す。
【0073】
同表より,OL−モンモリロナイトを用いた試料4〜6と,OL−モンモリロナイトを用いていない試料2とを比較すると,試料4〜6の方が,優れた力学的特性が得られることがわかる。
また,本例の試料4〜6は,試料15〜17と比較して,貯蔵弾性率,引張り強さ,伸び及び引張り応力が高かった。また,ガス遮断性能も高かった。
【0074】
この理由は,以下のように推定される。即ち,第3ゲスト分子であるポリイソプレン,及び有機オニウムイオンであるオレイルアンモニウムイオンは,いずれも分子内に不飽和基を持つ。そのため,両者を混練,加硫するときに,同時に有機オニウムイオンにも架橋結合が形成される。それ故,モンモリロナイトのシリケート層とブチルゴムとの界面が非常に強固に結合される。故に,シリケート層近傍のゴム分子の運動が拘束され,力学的性質,特に硬さや弾性率が向上すると考えられる。
【0075】
次に,表2に示した結果より,モンモリロナイトの有機化の有無について考察する。
有機化されたモンモリロナイト(DSDM−Mt)を用いた試料19と,有機化されていないモンモリロナイト(Na−Mt)を用いた試料22とを比較すると,試料19の方が,貯蔵弾性率及びガス遮断性に優れていた。
このことから,モンモリロナイトを有機化した方が優れた力学的特性が得られることがわかる。
【0076】
その理由は,モンモリロナイトを有機化すると,モンモリロナイトの層間に液状ブチルゴムが入り込み,層間が膨潤して,モンモリロナイトがゴム材料中において分子レベルで均一に分散する。これにより,モンモリロナイトがゴム材料の分子運動を拘束して,粘土複合ゴム材料の貯蔵弾性率及びガス遮断性等の力学的特性に良影響を与えることとなったものと考えられる。
【0077】
一方,モンモリロナイトを有機化しない場合には,その層間に液状ブチルゴムが入り込むことができず,層間は膨潤しない。そのため,モンモリロナイトがゴム材料中に均一に分散しない。そのため,ゴム材料の分子運動は拘束を受けにくい状態となる。このため,粘土複合ゴム材料の力学的特性は改良されなかったものと考えられる。
【0078】
次に,粘土複合ゴム材料の貯蔵弾性率について考察する。
試料15,16,17より,モンモリロナイト含量を5,10,15重量部と増加させると,貯蔵弾性率が著しく向上することがわかる。その理由は,有機化されたモンモリロナイトの層間に液状ブチルゴムが多く入り込むほど,層間が大きく膨潤して,モンモリロナイトがゴム材料の中に均一に分散しやすい状態となる。そして,モンモリロナイトが均一に分散することによって,貯蔵弾性率が高くなったものと考えられる。
また,試料19,20はいずれもカーボンが0であるが,この場合にも,モンモリロナイトの含量が高い試料20の方が貯蔵弾性率が向上した。
【0079】
次に,成形シートのガス遮断性について考察する。試料11は,カーボン量が多くモンモリロナイトが0である。一方,試料19,20は,カーボン量が少なくモンモリロナイト量が多い。これらを比較すると,モンモリロナイトの多い試料19,20のガス透過性が60〜70%低減した。このことから,モンモリロナイトの含量が多いほど,ガス遮断性が高くなることがわかる。
【0080】
【表1】
【0081】
【表2】
【0082】
参考例1
本例は,不飽和基を有しない有機オニウムイオンを用いて調製した粘土複合ゴム材料である。
本例の粘土複合ゴム材料は,第1粘土複合材料とゴム材料とが混練され,かつ,上記第1粘土複合材料中の第2ゲスト分子が,ゴム材料の分子と架橋結合をしている。
【0083】
上記粘土複合材料は,図1に示すごとく,炭素数6以上の有機オニウムイオン6で有機化された粘土鉱物7と,分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも小さく,且つその分子内の極性基10が粘土鉱物7と水素結合している第1ゲスト分子1と,分子長が上記有機オニウムイオンよりも大きく,且つその分子内に極性基を有しない第2ゲスト分子2とよりなる。第1ゲスト分子1及び第2ゲスト分子2は,少なくともその一部が粘土鉱物7の層間に入り込んでいる。
【0084】
粘土鉱物は,ナトリウム型モンモリロナイト(山形県産,イオン交換容量120meq/100g)である。有機オニウムイオンは,ジステアリルジメチルアンモニウムイオン(DSDM)であり,その炭素数は38である。第1ゲスト分子はステアリン酸であり,その炭素数は18である。第2ゲスト分子は,液状ブチルゴム(ハードマン社製,商品名カレン800)であり,その分子量は約5000である。
【0085】
次に,上記粘土複合ゴム材料の製造方法について説明する。
まず,モンモリロナイト20.0gを80℃の水2000mlに分散させた。次に,ジステアリルジメチルアンモニウムクロライド21.0gを80℃の水1500mlに溶解した。上記の分散液と溶解液とを一気に混合した。その沈澱物を80℃の水で2回洗浄して,DSDMで有機化されたモンモリロナイトを得た。これを,以下,DSDM−モンモリロナイトという。
【0086】
灼残法により求めたDSDM−モンモリロナイト中の無機含量は,54.2重量%であった。X線回折法により,DSDM−モンモリロナイトの層間距離を測定して,膨潤挙動を観察した。DSDM−モンモリロナイトの層間距離は,32.8Åであった。
【0087】
次に,溶媒としてのトルエン20gの中に,上記DSDM−モンモリロナイト1.0g,ステアリン酸0.5g,及び液状ブチルゴム(ハードマン社製,商品名カレン800)1.0gを添加し,6時間混合した。次に,減圧下においてトルエンを蒸発させた。これにより,第1粘土複合材料を得た。
【0088】
X線回折法により粘土複合材料におけるモンモリロナイトの層間距離を測定したところ,54.8Åであった。
このことから,ステアリン酸と液状ブチルゴムとを添加することにより,無添加の場合に比べて,モンモリロナイトの層間距離が拡大し,膨潤することがわかる。
【0089】
次に,上記第1粘土複合材料とゴム材料とを,ASTM D 3182に準拠し,ロールで混練した。上記ゴム材料は,ブチルゴム(日本合成ゴムButyl268)を用いた。
粘土複合ゴム材料の配合割合は,ゴム材料100重量部に対し,第1粘土複合材料20重量部(内,粘土鉱物5重量部),カーボン(旭カーボン#70)20重量部,亜鉛華1重量部,イオウ1.75重量部,加硫促進剤1重量部である。
【0090】
次に,均一に混練した後,150℃,40分間加硫で厚み2mmのシートを成形した。シートからダンベル3号の試験片を切りだし,引っ張り試験を行った。その結果,18.0MPaの引っ張り強さであった。
また,厚み0.5mmのシートも同様に成形し,窒素でのガス透過性を評価した。その結果,ガス透過率係数は1.9×10-11 cm3 ・cm・cm-2・sec-1・cmHg-1であった。
【0091】
【発明の効果】
以上のごとく,本発明によれば,極性の低いゴムポリマー中における粘土鉱物の分散性が高く,且つ力学的特性に優れた,粘土複合ゴム材料及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における,第1粘土複合材料の説明図。
【図2】本発明における,第2粘土複合材料の説明図。
【符号の説明】
1...第1ゲスト分子,
10,30...極性基,
100...第1粘土複合材料,
2...第2ゲスト分子,
200...第2粘土複合材料,
3...第3ゲスト分子,
6...有機オニウムイオン,
7...粘土鉱物,[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a clay composite rubber material in which clay mineral is dispersed at a molecular level in a rubber polymer having low polarity, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, addition and mixing of clay minerals have been studied to improve the mechanical properties of rubber materials. For example, JP-A-1-198645 discloses a method in which an oligomer having an onium ion introduced into a terminal or a side chain is used to make an organic clay mineral, which is mixed into a rubber material. .
[0003]
[Problems to be solved]
However, in the conventional clay composite rubber material, it is not always easy to prepare an oligomer into which onium ions are introduced. In addition, since oligomers were immediately introduced between clay layers, swelling between clay layers was sometimes insufficient.
According to Giannelis et al., When polystyrene having no polar group is used, only one layer of polystyrene molecules can enter between layers, and there is a limit to interlayer swelling (EP Giannelis et al., Chem. Mater. 5, 1694-1696 (1993)).
[0004]
In addition, the inventors of the present application have introduced a technique in which an oligomer or polymer having a polar group in the molecule is sufficiently introduced between layers of clay minerals organized by onium ions, and polarity between layers of organized clay clay. The technology for introducing an oligomer or polymer having no polar group between clay layers after introducing a low-molecular substance having a group has been filed earlier ("Clay composite material and its production method" June 5, 1995). Application, “Clay composite material and method for producing the same, and blended material” filed on June 30, 1995). However, this technology is mainly for plastics and not for rubber materials.
[0005]
In view of such conventional problems, the present invention intends to provide a clay composite rubber material having a high dispersibility of a clay mineral in a low polarity rubber polymer and a method for producing the same.
[0006]
[Means for solving problems]
The invention of claim 1Has an unsaturated groupClay minerals organically formed by ion-bonding of organic onium ions having 6 or more carbon atoms, and the molecular length is the same as or shorter than that of the organic onium ions, and the polar group in the molecule is A first guest molecule that is bonded, the molecular length is larger than the organic onium ion, and in the moleculeHas an unsaturated group,The first and second guest molecules having no polar group, wherein at least a part of the first guest molecule and the second guest molecule are interposed between the clay mineral layers, and / or
Has an unsaturated groupClay minerals organically formed by ionic bonding of organic onium ions with 6 or more carbon atoms and polar groups in the moleculeAnd an unsaturated groupAnd a third guest molecule having a molecular length equal to or longer than that of the organic onium ion, wherein at least a part of the third guest molecule enters between layers of the clay mineral. The polar group of the guest molecule is a second clay composite material that forms hydrogen bonds with the clay mineral,
Rubber material is kneaded,
And at least one of the second guest molecule or the third guest molecule is cross-linked with a molecule of the rubber material,
The organic onium ion in at least one of the first clay composite material or the second clay composite material is cross-linked between at least one of the second guest molecule or the third guest molecule and the molecule of the rubber material. It is a clay composite rubber material characterized by forming.
[0007]
What is most remarkable in the present invention is that the rubber material is kneaded with the clay composite material in which the guest molecules are introduced between the clay mineral layers, and the guest molecules in the clay composite material and the molecules of the rubber material. Are crosslinked, and a crosslinked bond is formed between the organic onium ion, the second guest molecule or / and the third guest molecule, and the rubber material molecule.
[0008]
Next, the operation of the clay composite rubber material of the present invention will be described.
The clay composite rubber material is prepared by mixing one of various clay composite materials in which guest molecules are intercalated between the clay mineral layers organized as described above, and kneading the rubber material between the guest molecules and the rubber material molecules. A cross-linked bond is formed. Therefore, the clay mineral can be uniformly dispersed with a large interlayer distance even with respect to rubber molecules, which have conventionally been difficult to disperse. The reason is considered as follows.
[0009]
That is, as shown in FIG. 1, in the first clay
[0010]
As shown in FIG. 2, in the second clay composite material 200, the
[0011]
As described above, at least one of the first and second clay composite materials in which the clay mineral layers are sufficiently swollen is kneaded with the rubber material. Then, the clay mineral is uniformly dispersed at the molecular level without agglomerating in the rubber material.
In addition, since the clay mineral is uniformly dispersed, the barrier property against gas and the like is improved. In addition, the movement of rubber molecules near the silicate layer is constrained. Therefore, it has a good effect on the mechanical properties of clay composite rubber materials.
[0012]
In the present invention, the organic onium ion in at least one of the first clay composite material or the second clay composite material may include at least one of the second guest molecule or the third guest molecule and the rubber material. A cross-linking bond is formed with the molecule. Therefore, the interface between the clay mineral silicate layer and the rubber is very tightly bonded.
Therefore, the movement of rubber molecules in the vicinity of the silicate layer is further restricted, and the mechanical properties, particularly the hardness and elastic modulus, are improved.
[0013]
Next, details of the present invention will be described.
In the clay composite rubber material of the present invention, at least one or both of the first and second clay composite materials are kneaded with the rubber material.
[0014]
First, the first clay composite material will be described.
The first clay composite material is composed of a clay mineral organized by organic onium ions, a first guest molecule, and a second guest molecule.
[0015]
In the first clay composite material, the clay mineral is organically formed by ionic bonds with organic onium ions having 6 or more carbon atoms. When the number of carbon atoms is less than 6, the hydrophilicity of the organic onium ion increases, and the compatibility with the first and second guest molecules decreases..
[0016]
Further, as unsaturated organic onium ions, 1-hexenylammonium ion, 1-dodecenylammonium ion, 9-octadecenylammonium ion (oleylammonium ion), 9,12-octadecadienylammonium ion (linoleammonium ion) Ions), 9,12,15-octadecatrienylammonium ions (linoleylammonium ions).
[0017]
Among these organic onium ions, when producing a clay composite rubber material by the solvent dissolution method according to claim 12, a secondary onium ion is particularly preferable in terms of swelling property with respect to the solvent. In addition, although the organic onium ion to show in figure shows all as a bifurcated shape and has shown that it is a secondary onium ion, it is not the meaning limited to a secondary onium ion.
[0018]
As the clay mineral, it is preferable to use one having a large contact area with the first and second guest molecules. Thereby, the interlayer of the clay mineral can be greatly swollen. Specifically, the cation exchange capacity of the clay mineral is preferably 50 to 200 milliequivalents / 100 g. If it is less than 50 milliequivalents / 100 g, onium ions may not be sufficiently exchanged and it may be difficult to swell the clay mineral layers. On the other hand, if it exceeds 200 milliequivalents / 100 g, the bonding strength between the clay mineral layers becomes strong and it may be difficult to swell the clay mineral layers.
[0019]
Examples of the clay mineral include smectite clay minerals such as montmorillonite, saponite, hectorite, beidellite, stevensite, nontronite, vermiculite, halloysite, or swelling mica. It may be natural or synthesized.
[0020]
The first guest molecule has one or more polar groups in the molecule. The polar group is bonded to at least one of the main chain, side chain, and terminal of the first guest molecule. Among these, the polar group is preferably bonded to the end of the first guest molecule. Thereby, the interlayer of the clay mineral can be swollen more greatly.
[0021]
In the present invention, the polar group means a group in which electrons are localized in a molecule and a charge is biased, and does not include completely polarized ions. Therefore, onium ions are not included in the polar group.
As in the invention of claim 2, the polar group of the first guest molecule and / or the third guest molecule is, for example, a hydroxyl group (OH), a halogen group (F, Cl, Br, I), a carboxyl group (COOH). ), A carboxylic anhydride group, a thiol group (SH), an epoxy group, and an amino group. The amino group is a primary, secondary, or tertiary amine (NH2, NH, N).
[0022]
Note that groups having a relatively strong degree of polarization, such as imino groups, phosphonyl groups, and sulfonyl groups, fall within the definition of the “polar group”, but these groups are not preferred in the present invention. This is because the first guest molecule containing these groups has low solubility in a solvent and lacks high-temperature stability for melting.
[0023]
The molecular length of the first guest molecule is the same as or shorter than the organic onium ion. When the molecular length of the organic onium ion is larger than the molecular length of the first guest molecule, it may be difficult to obtain the first guest molecule, and the type of the first guest molecule that is compatibilized in the low polarity polymer is limited. There is.
[0024]
As described in claim 8, the first guest molecule is, for example, an olefin or paraffin having a linear or branched structure, or a linear or branched structure and having a main chain and / or a side chain. Olefin or paraffin having an aromatic ring therein can be used. That is, the first guest molecule has, for example, one or more polar groups and a saturated or unsaturated linear or branched structure. Moreover, an aromatic ring may be included in the main chain and / or side chain.
[0025]
For example, lauryl alcohol (carbon number 12), stearyl alcohol (carbon number 18), stearic acid (carbon number 18), or stearyl chloride (carbon number 18) is used as the first guest molecule having the polar group. Can do. Further, polyethylene, polypropylene, polyisoprene, polybutadiene, or hydrogenated products or copolymers thereof having polar groups such as OH, COOH, Cl, and epoxy groups at both ends may be used. These first guest molecules are selected and used so as to be equal to or less than the molecular length of the organic onium ion. More preferably, the first guest molecule has 6 or more carbon atoms.
[0026]
The first guest molecules tend to expand widely between clay mineral layers as the mixing ratio increases. The mixing ratio of the first guest molecules is preferably 0.1 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the organized clay mineral. If the amount is less than 0.1 part by weight, the swelling between layers may be insufficient.
[0027]
The first guest molecule forms a hydrogen bond with the clay mineral due to its polar group. And at least a part of the first guest molecule penetrates between the layers of the clay mineral. It is not necessary for all of the first guest molecules to enter the interlayer. For example, as in the fifth aspect of the present invention, if 10% by weight or more of the total amount of the first guest molecules enters between the layers of the clay mineral in the first clay composite material, the layers sufficiently swell. On the other hand, if it is less than 10% by weight, the swelling between the layers may be insufficient.
[0028]
Next, the second guest molecule is a non-polar or low-polar oligomer or polymer having no polar group. This second guest molecule has a linear or branched structure, is saturated or unsaturated, and may or may not contain an aromatic ring. The molecular length of the second guest molecule is larger than that of the organic onium ion. When the molecular length is the same as or smaller than the molecular length of the organic onium ion, there is a problem that the swelling between the layers of the clay mineral becomes insufficient.
[0029]
As in the invention of
For example, liquid polybutadiene, liquid polyisoprene, or liquid butyl rubber can be used as the second guest molecule.
[0030]
The second guest molecules tend to swell between the clay mineral layers as the mixing ratio increases. The mixing ratio of the second guest molecules is preferably 0.1 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the organized clay mineral. When the amount is less than 0.1 part by weight, there is a possibility that swelling between layers of the clay mineral is insufficient.
At least a part of the second guest molecule enters between the layers of the clay mineral. It is not necessary for all of the second guest molecules to enter.
[0031]
Next, the second clay composite material will be described.
The second clay composite material is composed of a clay mineral organized by organic onium ions and a third guest molecule.
[0032]
In the second clay composite material, the clay mineral and the organic onium ion are preferably any of those listed as the clay mineral and the organic onium ion. The third guest molecule has one or two or more polar groups in the main chain and / or side chain. As the polar group, any of the groups listed as polar groups of the first guest molecule is preferably used.
The polar group of the clay mineral, organic onium ion, and third guest molecule in the second clay composite material may be the same or different from the polar group of the clay mineral, organic onium ion, first guest molecule in the first clay composite material. Good.
[0033]
The molecular length of the third guest molecule is the same as or longer than the organic onium ion. When the molecular length of the organic onium ion is smaller, the third guest molecule does not protrude outward from the region where the organic onium ion is present at the clay interface, so that the clay mineral is difficult to disperse in the rubber material.
[0034]
As described in claim 9, the third guest molecule is, for example, an olefin or paraffin having a linear or branched structure, or a linear or branched structure and having a main chain and / or a side chain. Olefin or paraffin having an aromatic ring therein can be used.
That is, the third guest molecule has, for example, one or more polar groups and a saturated or unsaturated linear or branched structure. The main chain and / or side chain may contain an aromatic ring.
[0035]
Examples of the third guest molecule include,Polyethylene, polypropylene, polyisoprene, polybutadiene having a polar group such as OH, COOH, Cl, or an epoxy group at both ends, or a hydrogenated product or copolymer thereof may be used. These third guest molecules are selected and used so as to be equal to or larger than the molecular length of the organic onium ion.
[0036]
As the mixing ratio of the third guest molecule increases, the clay mineral layer tends to expand widely. The mixing ratio of the third guest molecule is preferably 0.5 parts by weight or more with respect to 1 part by weight of the organized clay mineral. If it is less than 0.5 part by weight, there is a risk that swelling between layers of clay minerals will be insufficient.
[0037]
Further, as in the invention of claim 4, the third guest molecule is preferably a nonpolar oligomer or polymer having a molecular weight of 500 to 100,000. If it is less than 500, there is a possibility that swelling between layers of clay minerals is insufficient. On the other hand, if it exceeds 100,000, it may become insoluble in the solvent, and the softening point or melting point may be higher than the decomposition point of the clay mineral. It is more preferable that the third guest molecule has a molecular length of about 3 to 4 times or more of the organic onium ion.
[0038]
At least a part of the third guest molecule penetrates between clay mineral layers. It is not necessary for all of the third guest molecules to enter between the clay mineral layers. For example, as in the sixth aspect of the present invention, if 10 wt% or more of the total amount of the third guest molecules enters the interlayer of the clay mineral in the second clay composite material, the interlayer expands sufficiently. If it is less than 10% by weight, swelling between the clay mineral layers may be insufficient. In particular, in the case where the third guest molecule is a polymer having a molecular weight of about 1000 to 10000, the expansion between the layers is sufficient if 10 wt% of the total amount of the third guest molecule is included.
[0039]
Next, as in the invention of
[0040]
The second guest molecule or the third guest molecule contained in the first and second clay composite materials is, for example, a sulfur crosslink called “vulcanization” or a molecule between the rubber molecules. A similar cross-linking bond is formed. An example of the cross-linking bond according to this is a peroxide cross-linking bond.
[0041]
The clay composite rubber material of the present invention is molded by, for example, a press molding method or an extrusion molding method.
The clay composite rubber material of the present invention can be used for various uses of ordinary rubber. In particular, the effect of the present invention can be exhibited most effectively when it is used when barrier properties against gas or the like and improvement of the mechanical properties of the rubber material are required.
[0042]
Next, as a first method for producing the clay composite rubber material, for example, as in the invention according to
Next, a first guest molecule having a molecular length equal to or shorter than that of the organic onium ion and having a polar group in the molecule, a molecular length larger than that of the organic onium ion and not present in the molecule. By contacting a second guest molecule having a saturated group and not having a polar group with the clay mineral, the polar group of the first guest molecule is allowed to form a hydrogen bond with the clay mineral to form the clay. After obtaining the first clay composite material by hydrophobizing the surface of the mineral and allowing at least a part of the second guest molecule to enter between the layers of the clay mineral,
A method for producing a clay composite rubber material, wherein the first clay composite material is kneaded with a rubber material, and a cross-linking bond is formed between the unsaturated group of the second guest molecule and the molecule of the rubber material,
The organic onium ion has an unsaturated group, and in the step of kneading the first clay composite material with a rubber material, the unsaturated group of the organic onium ion, the unsaturated group of the second guest molecule, and the rubber There is a method for producing a clay composite rubber material characterized by forming a cross-linking bond with an unsaturated group in the material.
[0043]
What should be most noticeable in the first method is that the surface of the organized clay mineral is hydrophobized with a first guest molecule having a polar group, and the second guest molecule having an unsaturated group is made into an interlayer of the clay mineral. And the formation of crosslinks between the unsaturated groups and the rubber material molecules.
[0044]
Next, the operation of the first method will be described.
In the above manufacturing method, first, as shown in FIG. 1, the
[0045]
Next, when the first and second guest molecules are brought into contact with the organized clay mineral, the first and second guest molecules 1 and 2 enter the space between the layers. The first guest molecule 1 has a
[0046]
The second guest molecule 2 has a molecular length larger than that of the
Therefore, by kneading the first
[0047]
The second guest molecule has an unsaturated group. Unsaturated groups crosslink with the rubber material molecules during kneading with the rubber material. Therefore, the movement of rubber molecules in the vicinity of the silicate layer is constrained, and the mechanical properties of the clay composite rubber material are favorably affected.
[0048]
The organic onium ion has an unsaturated group, and in the step of kneading the first clay composite material with a rubber material, the organic onium ion unsaturated group, the second guest molecule unsaturated group, A cross-linking bond is formed with the unsaturated group in the rubber material. When the above organic onium ion is used, the second guest molecule and the rubber material are kneaded and cross-linked between the unsaturated group of the organic onium ion, the unsaturated group of the second guest molecule, and the molecule of the rubber material. Crosslinks are formed. For this reason, the clay mineral silicate layer and the rubber interface are very tightly coupled. Therefore, the movement of rubber molecules in the vicinity of the silicate layer is further restricted, and the elastic modulus of elasticity is improved when it is mechanical.
[0049]
An example of a method for bringing the clay mineral into contact with the organic onium ion is an ion exchange method. This ion exchange method is, for example, a method of immersing a clay mineral in an aqueous solution containing organic onium ions and then washing the clay mineral with water to remove excess organic onium ions.
[0050]
As the first guest molecule, those described above can be used. As the second guest molecule, liquid polybutadiene, liquid polyisoprene, liquid butyl rubber or the like having an unsaturated group can be used.
In bringing the first and second guest molecules into contact with the organized clay mineral, the order in which the two are brought into contact with each other is not limited. That is, both may be administered and contacted simultaneously, or one of them may be contacted and then the other may be contacted. In either case, the same effect can be obtained as a result.
[0051]
As a contact method of the first and second guest molecules, for example, as in the invention of claim 12, the first and second guest molecules are contacted with the organic clay mineral in a state in which the first and second guest molecules are dissolved in a solvent. There is a way to make it. Further, as in the invention of claim 13, there is a method in which the first and second guest molecules are brought into contact with the organized clay mineral while being softened or melted by heat.
[0052]
According to the former method of claim 12, the first and second guest molecules can enter the interlayer of the clay mineral at room temperature. Examples of the solvent that can be used in this method include solvents having low polarity such as toluene, benzene, xylene, hexane, and octane.
On the other hand, in the latter method of claim 13, in order to soften or melt the first and second guest molecules, the first and second guest molecules are set to a temperature equal to or higher than the softening temperature or the melting temperature. Heat. This heating is performed at a temperature at which the first and second guest molecules and the clay mineral do not decompose and exist stably. For example, the heating temperature is preferably 250 ° C. or lower. If it exceeds 250 ° C, the organized clay mineral may be decomposed.
[0053]
As a method for kneading the first clay composite material and the rubber material, a general method for kneading rubber can be used. In particular, a method of kneading with a rubber roll at 100 ° C. or lower is preferable. This is because if the temperature exceeds 100 ° C., the crosslinking reaction may proceed during kneading.
[0054]
When the first clay composite material and the rubber material are kneaded, it is necessary to form a sulfur cross-linking bond called “vulcanization” or a cross-linking bond equivalent thereto. For this purpose, in the case of the first clay composite material, the second guest molecule needs to contain an unsaturated group. An unsaturated group refers to a group in which a double bond or a triple bond is formed between carbons. Examples of the second guest molecule having an unsaturated group include liquid polybutadiene, liquid polyisoprene, and liquid butyl rubber.
In kneading, it is preferable to add a vulcanizing agent such as sulfur, a vulcanization accelerator, a crosslinking agent such as peroxide, and a filler such as carbon.
[0055]
Next, as a second method for producing the clay composite rubber material, for example, as in the invention of claim 11, the clay mineral is brought into contact with an organic onium ion having 6 or more carbon atoms to thereby form the clay mineral. An ionic bond between the organic onium ions and the clay minerals,
Next, the clay mineral is brought into contact with a third guest molecule having a polar group and an unsaturated group in the molecule and having a molecular length equal to or greater than that of the organic onium ion. After interposing at least a part of the third guest molecule between the layers, a hydrogen bond is formed with the clay mineral to obtain a second clay composite material,
A method for producing a clay composite rubber material, wherein the second clay composite material is kneaded with a rubber material, and a cross-linking bond is formed between the unsaturated group of the third guest molecule and the molecule of the rubber material,
The organic onium ion has an unsaturated group, and in the step of kneading the second clay composite material with a rubber material, the organic onium ion unsaturated group, the third guest molecule unsaturated group, and the rubber There is a method for producing a clay composite rubber material characterized by forming a cross-linking bond with an unsaturated group in the material.
[0056]
What is most notable in the second method is that a third guest molecule having a polar group and an unsaturated group enters between layers of an organized clay mineral, and the unsaturated group and the molecule of the rubber material. A cross-linking bond is formed between them.
[0057]
The second method is different from the above-described first method using the first and second guest molecules in that the third guest molecule is used.
The third guest molecule has a polar group and an unsaturated group, and its molecular length is the same as or longer than that of the organic onium ion. As the third guest molecule, for example, polybutadiene having —OH groups at both ends, polyisoprene having —OH groups at both ends, and the like can be used.
Others are the same as those in the first method.
[0058]
Next, the operation of the second method will be described.
In the above method, first, as shown in FIG. 2, a certain amount of space is generated between the layers of the
Next, the
[0059]
The third guest molecule has an unsaturated group. For this reason, this unsaturated group crosslinks with the molecule of the rubber material, and similarly affects the mechanical properties of the clay composite rubber material.
[0060]
The organic onium ion has an unsaturated group, and in the step of kneading the second clay composite material with a rubber material, the organic onium ion unsaturated group, the third guest molecule unsaturated group, A crosslink is formed between the rubber material and the unsaturated group. When an organic onium ion is used, a cross-linking bond is formed between the unsaturated group of the organic onium ion, the third guest molecule, and the molecule of the rubber material, and as described above, the mechanical properties of the clay composite rubber material are good. Influence.
[0061]
Further, both the first clay composite material and the second clay composite material can be kneaded with the rubber material to form a cross-linking bond between the second and third guest molecules and the rubber material molecules. In this case, the same effect as described above can be obtained.
[0062]
Further, as described above, as a method of bringing the third guest molecule into contact with the organized clay mineral, as in the invention of claim 12, the third guest molecule is organicized in a state in which the third guest molecule is dissolved in a solvent. There is a method of contact with clay minerals. Further, as in the invention of claim 13, there is a method of bringing the third guest molecule into contact with the organized clay mineral in a state of being softened or melted by heat.
[0063]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
In this example, the compounding ratio of the clay composite rubber material was changed, the sheet was molded, and the mechanical properties were evaluated.
First, methods for preparing various clay composite rubber materials will be described.
[0064]
(Samples 4 to 6 of the present invention)
As the clay mineral, sodium-type montmorillonite (produced in Yamagata Prefecture, ion exchange capacity 120 meq / 100 g) was used. As the organic onium ion, an oleyl ammonium ion having an unsaturated group in the molecule was used. As the third guest molecule, polyisoprene having a hydroxyl group (manufactured by Kuraray: LIR506) was used.
As the rubber material, butyl rubber (Nippon Synthetic Rubber Butyl 268) was used.
[0065]
Next, a method for producing the clay composite material will be described.
First, 20.0 g of montmorillonite was dispersed in 2000 ml of 80 ° C. water. Next, 8.8 g of oleylamine hydrochloride was dissolved in 1500 ml of water at 80 ° C. Both aqueous solutions were mixed at once. The precipitate was washed twice with water at 80 ° C. to obtain montmorillonite organized with oleylammonium ions. This is called OL-montmorillonite. The inorganic content in OL-montmorillonite determined by the residue method was 69.4% by weight. When the interlayer distance of montmorillonite was measured by the X-ray diffraction method, the interlayer distance of OL-montmorillonite was 22.5 mm.
[0066]
70 g, 140 g and 210 g of the above-mentioned OL-montmorillonite were mixed with 100 g of polyisoprene and mixed at 80 ° C. for 4 hours to obtain three types of second clay composite materials. When the interlayer distance of montmorillonite in the clay composite material was measured by X-ray diffraction, it was 70.0 mm.
To this, 3.0 g of sulfur, 5.0 g of zinc white, 3.0 g of stearic acid, and 1.5 g of a vulcanization accelerator (Noxeller MSA-G manufactured by Ouchi Shinsei Chemical Co., Ltd.) were added and kneaded.
[0067]
These kneaded materials were kneaded with butyl rubber and carbon in the composition shown in Table 1 to prepare clay composite rubber materials (Samples 4 to 6).
[0068]
(Comparative samples 1 to 3)
For comparison, a material composed of a rubber material and carbon was prepared without adding the second clay composite material, and these were designated as samples 1 to 3.
[0069]
(Comparative Samples 11-14, 18, 21-26, Reference Samples 15-17, 19, 20)
For comparison and reference, a clay composite rubber material was prepared using an organic onium ion having no unsaturated group in the molecule.
In this example, as shown in Table 2, the second clay composite material was used. The second clay composite material is composed of a clay mineral organized with an organic onium ion having no unsaturated group in the molecule and a third guest molecule. As the organic onium ion, a 38-carbon distearyldimethylammonium ion (hereinafter referred to as DSDM) was used. Montmorillonite was used as the clay mineral. DSDM-montmorillonite (denoted as DSDM-Mt) was used as the clay mineral thus organized. In DSDM-montmorillonite, the weight ratio of DSDM to montmorillonite was always the same. As the third guest molecule, liquid polybutadiene having a —OH group at both ends (Nippon Soda Co., Ltd., trade name G2000) (indicated as liquid rubber) was used. As the rubber material, butyl rubber (Nippon Synthetic Rubber Butyl 268) was used. Using these at various compounding ratios shown in Table 2, clay composite rubber materials were prepared in the same manner as Samples 4-6. These were designated as comparative samples 11 to 14, 18, 21 to 26, and reference samples 15 to 17, 19, and 20.
[0070]
Samples 18, 21, and 22 are examples in which untreated montmorillonite (indicated as Na-Mt) is used as an unorganized clay mineral. Samples 11 to 14, 18, and 21 to 26 are examples in which a sheet was formed without adding DSDM-Mt. Samples 15 to 17, 19, and 20 are examples in which montmorillonite and liquid rubber that are organized with DSDM that does not have an unsaturated group are added to a rubber material. Among these, samples 15 to 17 are cases where carbon is further added. Samples 19 and 20 are cases in which no carbon was added.
[0071]
(Measuring mechanical properties)
The storage elastic modulus, tensile strength, elongation, tensile stress and gas barrier performance of the clay composite rubber materials of Samples 1 to 6 and 11 to 26 were measured. The measurement method will be described below.
Storage elastic modulus; measured by a viscoelastic spectrometer.
Tensile strength: Clay composite rubber material is uniformly kneaded, vulcanized at 150 ° C for 40 minutes to form a sheet with a thickness of 2 mm, a test piece of dumbbell No. 3 is cut out, and tensile strength is measured by a tensile test. .
Tensile stress: measured by a tensile test in the same manner as the tensile strength.
Gas barrier performance: The clay composite rubber material was uniformly kneaded and vulcanized at 150 ° C. for 40 minutes to form a sheet having a thickness of 0.5 mm, and the gas permeability with nitrogen was measured.
[0072]
The measurement results are shown in Tables 1 and 2.
In the table, the numerical value in parentheses indicates the weight ratio of montmorillonite, and the numerical value on the left indicates the weight ratio of OL-montmorillonite in parts by weight. Is. In the numerical columns of Tables 1 and 2, “-” and “x” indicate that measurement is impossible.
[0073]
From the same table, it can be seen that when Samples 4 to 6 using OL-montmorillonite and Sample 2 not using OL-montmorillonite are compared, Samples 4 to 6 have better mechanical properties.
Further, Samples 4 to 6 of this example had higher storage elastic modulus, tensile strength, elongation, and tensile stress than Samples 15 to 17. The gas shutoff performance was also high.
[0074]
The reason for this is estimated as follows. That is, the polyisoprene as the third guest molecule and the oleylammonium ion as the organic onium ion both have an unsaturated group in the molecule. Therefore, when both are kneaded and vulcanized, a cross-linking bond is simultaneously formed in the organic onium ion. Therefore, the interface between the montmorillonite silicate layer and the butyl rubber is very firmly bonded. Therefore, the movement of rubber molecules in the vicinity of the silicate layer is constrained, and the mechanical properties, especially the hardness and elastic modulus, are thought to improve.
[0075]
Next, based on the results shown in Table 2, the presence or absence of organication of montmorillonite will be discussed.
Comparing sample 19 using organic montmorillonite (DSDM-Mt) with sample 22 using non-organic montmorillonite (Na-Mt), sample 19 has a storage modulus and gas barrier. It was excellent in nature.
From this, it can be seen that excellent mechanical properties can be obtained by organicizing montmorillonite.
[0076]
The reason is that when montmorillonite is made organic, liquid butyl rubber enters between the layers of montmorillonite, the layers swell, and montmorillonite is uniformly dispersed at the molecular level in the rubber material. As a result, it is considered that montmorillonite restrained the molecular motion of the rubber material and had a good influence on the mechanical properties such as storage elastic modulus and gas barrier property of the clay composite rubber material.
[0077]
On the other hand, when montmorillonite is not organicized, liquid butyl rubber cannot enter between the layers, and the layers do not swell. For this reason, montmorillonite is not uniformly dispersed in the rubber material. For this reason, the molecular motion of the rubber material is not easily restrained. For this reason, it is considered that the mechanical properties of the clay composite rubber material were not improved.
[0078]
Next, the storage elastic modulus of the clay composite rubber material is considered.
Samples 15, 16, and 17 show that the storage modulus is remarkably improved when the montmorillonite content is increased to 5, 10, and 15 parts by weight. The reason is that the more liquid butyl rubber enters between the layers of organic montmorillonite, the more the layers swell and the more easily montmorillonite is uniformly dispersed in the rubber material. And, it is considered that the storage elastic modulus was increased by the uniform dispersion of montmorillonite.
Samples 19 and 20 both have zero carbon, but in this case as well, sample 20 with a higher content of montmorillonite improved the storage modulus.
[0079]
Next, the gas barrier property of the molded sheet is considered. Sample 11 has a large amount of carbon and zero montmorillonite. On the other hand, Samples 19 and 20 have a small amount of carbon and a large amount of montmorillonite. When these were compared, the gas permeability of the samples 19 and 20 with a large amount of montmorillonite was reduced by 60 to 70%. This indicates that the greater the content of montmorillonite, the higher the gas barrier properties.
[0080]
[Table 1]
[0081]
[Table 2]
[0082]
Reference example 1
This example is a clay composite rubber material prepared using an organic onium ion having no unsaturated group.
In the clay composite rubber material of this example, the first clay composite material and the rubber material are kneaded, and the second guest molecules in the first clay composite material are cross-linked with the molecules of the rubber material.
[0083]
As shown in FIG. 1, the clay composite material is composed of a
[0084]
The clay mineral is sodium montmorillonite (produced in Yamagata Prefecture, ion exchange capacity 120 meq / 100 g). The organic onium ion is distearyldimethylammonium ion (DSDM), and its carbon number is 38. The first guest molecule is stearic acid and has 18 carbon atoms. The second guest molecule is liquid butyl rubber (manufactured by Hardman, trade name Karen 800), and its molecular weight is about 5000.
[0085]
Next, a method for producing the clay composite rubber material will be described.
First, 20.0 g of montmorillonite was dispersed in 2000 ml of 80 ° C. water. Next, 21.0 g of distearyldimethylammonium chloride was dissolved in 1500 ml of 80 ° C. water. The above dispersion and solution were mixed at once. The precipitate was washed twice with water at 80 ° C. to obtain montmorillonite organized with DSDM. This is hereinafter referred to as DSDM-montmorillonite.
[0086]
The inorganic content in DSDM-montmorillonite determined by the residue method was 54.2% by weight. The interlayer distance of DSDM-montmorillonite was measured by X-ray diffraction method, and the swelling behavior was observed. The interlayer distance of DSDM-montmorillonite was 32.8 mm.
[0087]
Next, 1.0 g of the above-mentioned DSDM-montmorillonite, 0.5 g of stearic acid, and 1.0 g of liquid butyl rubber (trade name Karen 800, manufactured by Hardman) are added to 20 g of toluene as a solvent, and mixed for 6 hours. did. Next, toluene was evaporated under reduced pressure. As a result, a first clay composite material was obtained.
[0088]
When the interlayer distance of montmorillonite in the clay composite material was measured by X-ray diffraction method, it was 54.8 mm.
From this, it can be seen that the addition of stearic acid and liquid butyl rubber increases the interlayer distance of montmorillonite and swells compared to the case of no addition.
[0089]
Next, the first clay composite material and the rubber material were kneaded with a roll in accordance with ASTM D 3182. Butyl rubber (Nippon Synthetic Rubber Butyl 268) was used as the rubber material.
The blending ratio of the clay composite rubber material is 20 parts by weight of the first clay composite material (including 5 parts by weight of clay mineral), 20 parts by weight of carbon (Asahi Carbon # 70), and 1 part by weight of zinc white relative to 100 parts by weight of the rubber material. Part, sulfur 1.75 parts by weight, vulcanization accelerator 1 part by weight.
[0090]
Next, after uniformly kneading, a sheet having a thickness of 2 mm was formed by vulcanization at 150 ° C. for 40 minutes. A dumbbell No. 3 specimen was cut from the sheet and a tensile test was conducted. As a result, the tensile strength was 18.0 MPa.
Further, a 0.5 mm thick sheet was formed in the same manner, and the gas permeability with nitrogen was evaluated. As a result, the gas permeability coefficient is 1.9 × 10-11 cmThree・ Cm ・ cm-2・ Sec-1・ CmHg-1Met.
[0091]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a clay composite rubber material having high dispersibility of clay minerals in a rubber polymer having low polarity and excellent mechanical properties, and a method for producing the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a first clay composite material in the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a second clay composite material in the present invention.
[Explanation of symbols]
1. . . First guest molecule,
10, 30. . . Polar group,
100. . . First clay composite,
2. . . Second guest molecule,
200. . . Second clay composite,
3. . . Third guest molecule,
6). . . Organic onium ions,
7). . . Clay minerals,
Claims (13)
不飽和基を有する炭素数6以上の有機オニウムイオンがイオン結合することにより有機化された粘土鉱物と,分子内に極性基と不飽和基とを有し,且つ分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも大きい第3ゲスト分子とからなり,上記第3ゲスト分子は少なくともその一部が粘土鉱物の層間に入り込んでおり,上記第3ゲスト分子の極性基は粘土鉱物と水素結合を形成している第2粘土複合材料と,
ゴム材料とが混練され,
且つ上記第2ゲスト分子又は第3ゲスト分子の少なくとも一方が,上記ゴム材料の分子と架橋結合しており,
上記第1粘土複合材料又は第2粘土複合材料の少なくとも一方の中の有機オニウムイオンは,上記第2ゲスト分子又は上記第3ゲスト分子の少なくとも一方と,上記ゴム材料の分子との間に架橋結合を形成していることを特徴とする粘土複合ゴム材料。Clay minerals organically formed by ionic bonding of organic onium ions with 6 or more carbon atoms having an unsaturated group , the molecular length is the same as or shorter than the above organic onium ions, and the polar group in the molecule is A first guest molecule hydrogen-bonded to the clay mineral, and a second guest molecule having a molecular length larger than that of the organic onium ion and having an unsaturated group in the molecule and having no polar group. , The first guest molecule and the second guest molecule are at least a part of the first clay composite material and / or
An organic onium ion having 6 or more carbon atoms having an unsaturated group is ion-bonded to form a clay mineral, a polar group and an unsaturated group in the molecule, and a molecular length of the organic onium ion It consists of third guest molecules that are the same or larger, and at least a part of the third guest molecules penetrates between the layers of the clay mineral, and the polar groups of the third guest molecules form hydrogen bonds with the clay mineral. A second clay composite material,
Rubber material is kneaded,
And at least one of the second guest molecule or the third guest molecule is cross-linked with a molecule of the rubber material,
The organic onium ion in at least one of the first clay composite material or the second clay composite material is cross-linked between at least one of the second guest molecule or the third guest molecule and the molecule of the rubber material. A clay composite rubber material characterized by forming.
次に,分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも小さく,且つその分子内に極性基を有する第1ゲスト分子と,分子長が上記有機オニウムイオンよりも大きく,且つその分子内に不飽和基を有しており,極性基を有しない第2ゲスト分子とを,上記粘土鉱物に接触させることにより,上記第1ゲスト分子の極性基を上記粘土鉱物に水素結合を形成させて上記粘土鉱物の表面を疎水化すると共に,上記粘土鉱物の層間に第2ゲスト分子の少なくとも一部を入り込ませることにより第1粘土複合材料を得た後,
該第1粘土複合材料をゴム材料と混練すると共に,上記第2ゲスト分子の不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させる粘土複合ゴム材料の製造方法であって,
上記有機オニウムイオンは不飽和基を有し,上記第1粘土複合材料をゴム材料と混練するステップにおいて,上記有機オニウムイオンの不飽和基と,上記第2ゲスト分子の不飽和基と,上記ゴム材料の中の不飽和基との間に架橋結合を形成させることを特徴とする粘土複合ゴム材料の製造方法。By bringing the clay mineral into contact with an organic onium ion having 6 or more carbon atoms, an ionic bond is formed between the clay mineral and the organic onium ion to organicize the clay mineral,
Next, a first guest molecule having a molecular length equal to or shorter than that of the organic onium ion and having a polar group in the molecule, a molecular length larger than that of the organic onium ion and not present in the molecule. By contacting a second guest molecule having a saturated group and not having a polar group with the clay mineral, the polar group of the first guest molecule is allowed to form a hydrogen bond with the clay mineral to form the clay. After obtaining the first clay composite material by hydrophobizing the surface of the mineral and allowing at least a part of the second guest molecule to enter between the layers of the clay mineral,
A method for producing a clay composite rubber material, wherein the first clay composite material is kneaded with a rubber material, and a cross-linking bond is formed between the unsaturated group of the second guest molecule and the molecule of the rubber material,
The organic onium ion has an unsaturated group, and in the step of kneading the first clay composite material with a rubber material, the unsaturated group of the organic onium ion, the unsaturated group of the second guest molecule, and the rubber A method for producing a clay composite rubber material, wherein a cross-linking bond is formed with an unsaturated group in the material.
次に,上記粘土鉱物を,分子内に極性基と不飽和基とを有し,且つ分子長が上記有機オニウムイオンと同じかそれよりも大きい第3ゲスト分子に接触させることにより,上記粘土鉱物の層間に,上記第3ゲスト分子の少なくとも一部を入り込ませて,粘土鉱物との間に水素結合を形成して第2粘土複合材料を得た後,
該第2粘土複合材料をゴム材料と混練すると共に,上記第3ゲスト分子の不飽和基とゴム材料の分子との間に架橋結合を形成させる粘土複合ゴム材料の製造方法であって,
上記有機オニウムイオンは不飽和基を有し,上記第2粘土複合材料をゴム材料と混練するステップにおいて,上記有機オニウムイオンの不飽和基と,上記第3ゲスト分子の不飽和基と,上記ゴム材料の中の不飽和基との間に架橋結合を形成させることを特徴とする粘土複合ゴム材料の製造方法。By bringing the clay mineral into contact with an organic onium ion having 6 or more carbon atoms, an ionic bond is formed between the clay mineral and the organic onium ion to organicize the clay mineral,
Next, the clay mineral is brought into contact with a third guest molecule having a polar group and an unsaturated group in the molecule and having a molecular length equal to or greater than that of the organic onium ion. After interposing at least a part of the third guest molecule between the layers, a hydrogen bond is formed with the clay mineral to obtain a second clay composite material,
A method for producing a clay composite rubber material, wherein the second clay composite material is kneaded with a rubber material, and a cross-linking bond is formed between the unsaturated group of the third guest molecule and the molecule of the rubber material,
The organic onium ion has an unsaturated group, and in the step of kneading the second clay composite material with a rubber material, the organic onium ion unsaturated group, the third guest molecule unsaturated group, and the rubber A method for producing a clay composite rubber material, wherein a cross-linking bond is formed with an unsaturated group in the material.
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