[发明专利]弹性体纳米复合材料、纳米复合材料组合物和制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及弹性体纳米复合材料、包含该弹性体组合物的组合物、制备纳米复合材料的方法以及该纳米复合材料在制品中的用途。更具体而言，本发明涉及具有改善的性能和共混特性的C₄至C₇异烯烃基纳米复合材料。

背景技术

含有大部分异丁烯单元的橡胶状共聚物以它们低的透气性、独特的阻尼性能和低的表面能而著称；这些性能使得此类共聚物在诸如轮胎内衬之类的应用中是特别想要的。为了在最终应用中具有与其它弹性体组分更好的相容性或可共硫化性，将不饱和共聚单体和/或含反应性官能团的共聚单体引入到异丁烯橡胶聚合物中。此前已知的共聚单体例如包括异戊二烯和对甲基苯乙烯。可以将该共聚物部分溴化以获得更好的相容性。

轮胎工业总是对提高用于内胎和内衬的弹性体的阻隔性能感兴趣。已经发展了弹性体纳米复合材料来满足该需要。纳米复合材料为含有具有至少一个纳米维度的无机粒子的聚合物体系。其一些例子公开在美国专利号6,060,549；6,103,817；6,034,164；5,973,053；5,936,023；5,883,173；5,807,629；5,665,183；5,576,373；和5,576,372中。用于纳米复合材料的无机粒子的常用种类为页硅酸盐，来自所谓“纳米粘土”的常规分类。理想地是，在纳米复合材料中发生插层，其中聚合物插入粘土表面之间的间隔或廊道(gallery)。

层状粘土在基体聚合物中可以适应五种不同的状态。第一种状态是“颗粒分散体”，其中粘土粒度呈微米数量级，但均匀地分散在基体聚合物中。术语聚集体和附聚物已经被用来描述这种状态。第二种状态是“插层”状态，其中聚合物链插入到层状粘土结构中，这以结晶规则的方式发生，无论聚合物与粘土的比例如何。插层状态通常可以在有机粘土片之间含有数个聚合物层。可以认为用橡胶溶胀的纳米粘土的廊道空间增加(从约0.3至0.7nm的原始状态直至约2.0至6.0nm)是产生插层条件。第三种状态是“絮凝”状态。这在概念上与插层的纳米复合材料相同；然而，各粘土层有时由于粘土层羟基化的边与边相互作用而絮凝或聚集。第四种状态是“插层-絮凝”状态。在该插层-絮凝状态的粘土片可以被隔离；然而，可以形成具有100至500nm厚度的类晶团聚体或附聚物。第五种状态是“剥离”状态。在剥离状态中，各粘土层被分离在连续的聚合物内，平均距离取决于粘土浓度或在聚合物中的加载量。因此，希望存在剥离，优选聚合物被各个纳米尺寸粘土片层完全分散的情况。

还希望使配方中片层想要的取向垂直于气体的流动。当认为片层的规则排列对阻隔气体分子扩散有效时，这个状态是特别合意的。因此，含有下面配方的物品是合意的：配方中粘土以剥离状态存在和/或粘土片层垂直于气体流动方向取向。因此，存在对粘土以剥离状态存在和/或粘土片层垂直于气体流动方向取向的配方的需要，来改善阻隔性能。

此外，在含有炭黑和无机粘土两种添加剂的弹性体配方中，炭黑的极性表面组与亲水纳米粘土之间的相互作用使得很难在弹性体中实现好的粘土分散或剥离、或者在弹性体中纳米粘土片层想要的取向。因此，特别需要减少弹性体纳米复合材料中纳米填料之间的相互作用，以最终改善屏蔽性能。

发明概述

本发明涉及一种用于需要不渗透性特征的制品的具有改善性能的纳米复合材料，制品例如为轮胎内衬、轮胎内胎、轮胎硫化气囊、软管、医用塞子、不渗透性薄片和其它类似制品。

本文中公开一种纳米粘土弹性体纳米复合材料，包括：(a)至少一种含有衍生自具有4至7个碳原子的异烯烃的单元的弹性体；(b)至少10phr的石墨化炭黑；和(c)至少1phr的纳米粘土；其中当该弹性体被配混用于制品中时，在40℃下该制品具有80.0毫升*毫米/(平方米·天)或更低的气体渗透系数。

还公开一种降低含有纳米粘土弹性体纳米复合材料的制品渗透性的方法，该方法包括：(a)共混含有衍生自具有4至7个碳原子的异烯烃的单元的弹性体，以得到聚合物共混物；(b)向聚合物共混物中加入至少1phr的纳米粘土；(c)向聚合物共混物中加入至少10phr的石墨化炭黑；和(d)得到纳米复合材料。当该纳米复合材料被配混用于制品中时，在40℃下该制品具有80.0毫升*毫米/(平方米·天)或更低的气体渗透系数。