МИКРОКАПСУЛИРОВАННЫЕ ДОБАВКИ ДЛЯ КАУЧУКОВ И СПОСОБ ИХ ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК B01J13/02 C08K3/06 C08K9/10 

Изобретение относится к капсулированным добавкам для каучуков, получаемым в виде микрокапсул и включающим полимерную стенку капсулы и ядро, включающее по меньшей мере одну добавку для каучуков. Также, изобретение относится к способу приготовления микрокапсул указанного типа. Микрокапсулы, предлагаемые согласно настоящему изобретению, используют для вулканизации природных и синтетических каучуков.

Для образования поперечных сшивок в природных и синтетических каучуках (диеновых каучуках) предпочтительно используют серу. Перед проведением горячей вулканизации сера вместе с наполнителями и другими добавками должна быть равномерно распределена в пластифицированной каучуковой смеси (механически и термически разложенных каучуков), находящейся при температуре, достигающей 110°С. При температурах около 100°С сера хорошо растворима в горячей каучуковой смеси, однако при охлаждении сера кристаллизуется, в результате чего происходит нежелательное расслоение смеси, что приводит к проблемам при проведении вулканизации. Выдерживание каучуковой смеси при повышенной температуре с целью предотвращения кристаллизации приводит к преждевременному образованию поперечных связей и снижению качества продукта и готовых изделий.

Доступность в определенный момент времени или в определенном участке реакционно-способных или нереакционно-способных добавок, вводимых в пластические материалы, например, термопластиков, эластомеров или термореактивных пластиков, может быть эффективно проконтролирована введением или заключением их в капсулу из полимера, имеющего линейную или разветвленную структуру. Известно, что микрокомпозиты такого типа, изготовляемые на основе полимеров, выполняют в виде микрокапсул, имеющих строение ядро-облочка, или в виде матричных микрочастиц, имеющих чрезвычайно равномерное распределение компонентов по сечению частицы (Сh. A.Finch, R.Bodmeier: "Microencapsulation" в Ulimann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 6th Ed. 2001, Электронный выпуск). Ядро микрокапсул может находиться в виде твердого, жидкого или газообразного вещества (полые сферы). В случае матричных частиц известны как однокомпонентные, так и многокомпонентные системы.

Было описано множество способов изготовления микрочастиц на основе полимеров, причем указанные способы как включают, так и не включают использование химических реакций. В случае использования химических реакций для образования частиц формирование стенки матрицы выполняют параллельно с проведением полимеризации, поликонденсации или реакции полиприсоединения. В способах получения частиц, не включающих использование химических реакций, непосредственно используют пленкообразующие полимеры, которые в соответствующих термодинамических условиях подвергаются фазовому разделению с образованием частиц (М.Jobmann, G.Rafler: Pharm. Ind. 60 (1998) 979).

В реакционных способах капсулирования твердых или жидких материалов ядра в основном используют меламиноформальдегидные смолы (DE 199 23 202), хотя также были описаны системы типа изоцианат/амин (AZ 101 56672). Меламиноформальдегидные смолы могут быть широко и без проблем использованы для капсулирования гидрофобных материалов ядра, и их можно применять для получения частиц из водной фазы. Для реакционных способов образования частиц необходимо использовать материалы ядра, инертные по отношению к полимерам или олигомерам, образующим стенку или матрицу частицы, т.е. они не должны реагировать с другими присутствующими компонентами. Кроме использования меламиноформальдегидных смол, для осуществления этих способов требуется значительная продолжительность реакции (до 24 часов). Размер микрокапсул может составлять от 1 до 150 пикометров в зависимости от условий реакции (например, добавления эмульсии, способа диспергирования).

В случае применения нереакционных способов полимер переводят из раствора в порошкообразную форму при помощи диспергирования, капельного гранулирования или распыления, или при помощи способов, основанных на принципе фазового разделения двух жидкостей. Способы диспергирования, капельного гранулирования или распыления включают испарение растворителя, с другой стороны, способы фазового разделения основаны на принципе осаждения материала стенки, например, посредством добавления несовместимого компонента в раствор полимера. Решающим фактором в выборе способа капсулирования является растворимость материала полимерной стенки или материала матрицы в органическом растворителе, а также совместимость с этим растворителем заключаемого в капсулу или матрицу активного ингредиента.

При изготовлении различных материалов особые свойства указанных микропорошковых двухкомпонентных или многокомпонентных систем могут быть использованы как для оптимизации способов, так и для оптимизации свойств получаемых материалов. Примеры использования указанных свойств включают, например, высвобождение компонентов, катализаторов, инициаторов или стабилизаторов реакции в определенный момент времени или в определенном участке, упрощение операций дозирования и смешивания, защиту чувствительных добавок от влияния окружения или защиту полимерной матрицы от нежелательного контакта с добавкой, или улучшение совместимости добавляемого пластического материала по отношению к полимерной матрице. Основным условием применения микрокапсул или матричных частиц, изготовляемых на основе полимеров и применяемых для оптимизации способа и/или свойств материала, является их термическая и механическая стабильность, а также устойчивость по отношению к реакционной среде в условиях соответствующей технологической обработки или в типичных условиях использования конкретного материала, а также возможность контролируемого или предотвращаемого высвобождения капсулированных или введенных в матрицу материалов.

Непременным условием для применения в изготовлении вулканизуемых эластомеров является временная стабильность микрокапсул или матричных частиц в условиях приготовления композиции в месильных машинах, каландрах или двухчервячных экструдерах при температурах, достигающих 120°С, и высоких сдвигающих нагрузках, а также их разложение, сопровождаемое быстрым выделением серы, в условиях горячей вулканизации (выше 150°С).

В заявке DE 197 54 342 А1 описаны частицы серы, заключенные в капсулу из полимерных материалов или парафинов, причем сера высвобождается из указанных частиц и поступает в каучуковую смесь при плавлении или растворении стенки капсулы при температурах 120-140°С. При температурах, находящихся ниже температуры плавления стенки капсулы, капсулы должны быть стабильны. Небольшую разность температур, существующую между температурой плавления стенки капсулы и температурой, при которой она еще стабильна, чрезвычайно трудно поддерживать технически при обработке каучуков, поскольку при перемешивании очень вязких смесей в результате трения происходит неконтролируемый нагрев системы. Способ вулканизации с применением серы, заключенной в капсулу, стабильную в условиях проведения операции пластификации, и высвобождения серы при плавлении или растворении стенки капсулы при температурах горячей вулканизации, которые лишь чуть выше температур пластификации, не может быть осуществлен из-за слишком малого изменения параметров.

В общем случае лишь очень ограниченное количество термопластически деформируемых полимеров или парафинов с неразветвленной цепью могут быть использованы для микрокапсулирования технологических добавок, компонентов реакции или добавок, влияющих на свойства материала, так как в условиях приготовления и обработки обычных полимерных материалов они подвергаются деформации, растворению или разложению. Требуемый диапазон температур плавления, составляющий по меньшей мере 40-50°С, очень редко может быть достигнут для полимеров с очень низкой температурой размягчения. Капсулы с более устойчивыми стенками могут быть получены из термореактивных пластических материалов. Полимеры с термореактивной решеткой не плавятся и поэтому высвобождение серы происходит в основном за счет термически активированной диффузии, поскольку сера при указанной температуре находится в жидком состоянии, или за счет термически генерируемых дефектов стенки капсулы, через которые может просачиваться жидкая сера.

В заявке DE 10241942 А1 описан способ микрокапсулирования жидкой или размолотой серы, в котором вышеуказанные ограничения предложенных ранее технических решений преодолены за счет использования в качестве материала стенки капсулы неплавящихся меламиновых смол в сочетании со скользящими покрытиями, снижающими абразивный износ, в результате чего получают микрокапсулированную серу, которая лучше всего отвечает требованиям обработки каучуков, в частности изготовлению шин. Однако скользящее покрытие образует дополнительные компоненты в каучуковой смеси, воздействие которых на свойства конечного изделия неизвестны. В зависимости от типа каучуковой смеси и планируемого применения изделия материалы скользящего покрытия, которые попадают в каучуковую смесь, могут ограничивать или предотвращать применение указанного технического решения.

Таким образом, цель настоящего изобретения относится к составу добавки для каучука, такой как сера, приготовленной на основе полимеров и предназначенной для вулканизации каучуков, которая в условиях проведения операций пластификации и хранения в достаточной степени отделяет добавку от каучуковой смеси, но в условиях проведения вулканизации выделяет ее со скоростью, зависящей от условий обработки.

Для достижения указанной цели предложены типовые микрокапсулы, обладающие отличительными признаками, указанными в п.1 формулы изобретения, а также способ приготовления указанных микрокапсул, обладающий отличительными признаками, указанными в п.17 формулы изобретения. В остальных зависимых пунктах формулы изобретения указаны полезные формы реализации. В п.30 формулы изобретения заявлен способ применения микрокапсул, предлагаемых согласно настоящему изобретению.

В соответствии с настоящим изобретением предложена микрокапсула, стенка частицы которой включает непроницаемую решетку, образованную из неплавящегося полимера, составляющего компонент из реактивной смолы, и по меньшей мере одного компонента из анионного полиэлектролита или иономерного компонента. Ядро капсулы включает добавку для каучука. В соответствии с настоящим изобретением стенка капсулы механически и термически стабильна в условиях проведения операции пластификации и хранения, и, таким образом, добавка для каучука отделена от окружающей ее каучуковой смеси и не может реагировать с последней. Высвобождение добавки для каучука из микрокапсул и, следовательно, возможность протекания реакции добавки с каучуком с образованием поперечных сшивок осуществляется только при более высокой температуре, т.е. температуре вулканизации каучука, при этом выбранная температура обработки по существу определяет высвобождаемое количество и скорость высвобождения добавки для каучука. Предпочтительно в качестве неплавящихся полимеров стенки капсулы используют системы реактивных смол, в частности, меламиноформальдегидные, полиуретановые смолы или смолы из полимочевины. В случае использования смол из полимочевины они предпочтительно получены из диизоцианатов и полифункциональных аминов.

Предпочтительно указанные компоненты из полиэлектролитов и/или иономерные компоненты представляют собой полимеры, замещенные анионными заместителями. При этом полимеры, замещенные анионными заместителями, предпочтительно выбирают из группы, состоящей из гомо- и сополимеров акриловой и метакриловой кислот, малеиновой кислоты, винилфосфорной кислоты, винилсульфоновой кислоты, стирола и стиролфосфоновой кислоты.

В предпочтительном воплощении стенку микрокапсулы изготавливают из меламиноформальдегидной смолы, растворимой в воде, и полиэлектролита.

Во втором, также предпочтительном воплощении, стенку капсулы изготавливают из меламиноформальдегидной смолы, растворимой в органическом растворителе, и из иономера.

В качестве добавки для каучука ядро капсулы предпочтительно включает серу. Сера в капсуле может присутствовать как в жидкой, так и в твердой форме, т.е. в размолотом виде. Для проведения капсулирования жидкой серы в водной фазе необходима работа под давлением с применением в качестве непрерывной фазы системы высококипящих растворителей типа органофильная смола/иономер, например, с применением сульфонов, сульфоксидов, простых ариловых эфиров, кетонов или амидных растворителей.

Содержание серы в микрокапсулах предпочтительно составляет по меньшей мере 70% мас., особенно предпочтительно от 80 до 95% мас.

Кроме того, добавка для каучука, содержащаяся в капсуле вместо серы или наряду с ней, может представлять собой другие вулканизирующие агенты, такие как сульфиды («доноры серы»), в частности диморфолилдисульфид (ДМДС), 2-морфолинодитиобензотиазол (МДБТ), тетраметилтиурамдисульфид (ТМТДС), капролактамдисульфид, дипентаметилентиурамдисульфид, а также пероксиды, например дикумилпероксид. Кроме того, в микрокапсулах, наряду с агентами вулканизации, могут содержаться и другие добавки, например, ускорители вулканизации, такие как 2-меркаптобензотиазол (МБТ), цинковая соль МБТ (ЦМБТ), морфолид бензотиазил-2-сульфена (МБС), дициклогексилбензотиазилсульфенамид (ДЦБТС), дифенилгуанидин (ДФГ), диортотолилгуанидин (ДОТГ), ортотолилбигуанид (ОТБГ), тетраметилтиураммоносульфид (ТМТМС), диметилдитиокарбамат цинка (ДМДТКЦ), диэтилдитиокарбамат цинка (ДЭДТКЦ), дибутилдитиокарбамат цинка (ДЕэДТКЦ), этилфенилдитиокарбамат цинка (ЭФДТКЦ), пентаметилендитиокарбамат цинка (ПМДТКЦ), этилентиомочевина (ЭТМ), диэтилтиомочевина (ДЭТМ), дифенилтиомочевина (ДФТМ). Ускорители часто используют в сочетании с активаторами, такими как оксид цинка, сульфид сурьмы, свинцовый глет, а также жирные кислоты, например стеариновая кислота.

Геометрия, размер и распределение капсул зависят от типа ядра, содержащего добавку для каучука. Предпочтительно средний размер частиц составляет от 1 до 30 мкм, а содержание добавки для каучука составляет от 85 до 98% мас. Для микрокапсул, которые содержат, например, размолотую серу, параметры частицы зависят от геометрии, размера и распределения частиц порошка. При капсулировании жидких добавок для каучуков параметры частицы зависят от вида дисперсии жидкой добавки в водной или органической фазе, в которой диспергирована добавка.

В другом предпочтительном примере реализации микрокапсула включает дополнительную внешнюю стенку капсулы или покрытие. Таким образом, на микрокапсулы, предлагаемые согласно настоящему изобретению, вводимые в специальные, стабильные в течение длительного времени пластифицированные каучуковые смеси, могут быть нанесены покрытия, снижающие адгезию, или покрытия с контролируемым разложением, включающие второй, отличный по строению полимер, например, описанный в DE 10241942 А1, предпочтительно, неразветвленного строения, или слой, включающий низкомолекулярные органические или неорганические вещества.

Для указанных целей отличный по строению полимер, снижающий адгезию, или полимер с контролируемым разложением предпочтительно выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиакрилонитрилов, полиэтиленгликолей, этилцеллюлоз, а также сложных эфиров, образованных крахмалом и жирными кислотами, и карбаматов, образованных крахмалом и длинноцепочечными изоцианатами. В качестве низкомолекулярных органических или неорганических веществ предпочтительными являются парафины, производные жирных кислот, силиконы, силоксаны или силикаты.

На вторичные покрытия, изготовленные на основе полимеров, наносят скользящий или удаляемый слой, который выбирают в зависимости от строения полимера и наносят в соответствии с известными способами нереакционного капсулирования, включающими коацервацию, испарение растворителя, высаливание или распылительную сушку. Покрытия из низкомолекулярных соединений предпочтительно наносят на капсулы, содержащие органический раствор или водную дисперсию. Предпочтительно, отделение микрокапсул, содержащих добавку для каучука, из среды для капсулирования производят до нанесения скользящего или удаляемого слоя. Также возможно непосредственное проведение дальнейшей обработки, предпочтительно, при помощи напыления.

Особым преимуществом микрокапсул, предлагаемых согласно настоящему изобретению, является то, что в условиях приготовления и обработки композиции в месильных машинах, каландрах или двухчервячных экструдерах, т.е. при температурах, достигающих 120°С, и, предпочтительно, достигающих 140°С, они термически и механически стабильны.

В соответствии с настоящим изобретением также предложен способ приготовления микрокапсул. При проведении первой операции по меньшей мере одну добавку для каучука диспергируют при высоком сдвигающем усилии в растворе, который содержит по меньшей мере одно соединение, образующее реактивную смолу, и по меньшей мере один компонент из полиэлектролита или иономерный компонент. При проведении следующей операции производят добавление катализатора или производят температурное воздействие, которое приводит к формированию стенки капсулы, в которую заключена добавка для каучука.

Таким образом, заключение добавки для каучука в капсулу может быть осуществлено периодическим, полунепрерывным или непрерывным способом в реакторах традиционного типа с использованием способов перемешивания и диспергирования, известных в технике капсулирования.

В предпочтительном примере реализации компонент, образующий реактивную смолу, вводят в виде преполимера, т.е. реактивную смолу получают ex situ. В другом предпочтительном примере реализации реактивную смолу изготавливают in situ в первой операции способа из соединений, которые образуют реактивную смолу, т.е. из мономеров.

Для образования стенки капсулы необходимо проведение реакции конденсации или присоединения компонента реактивной смолы в присутствии компонента полиэлектролита или иономерного компонента с образованием полувзаимопроницаемой решетки при этом, ионный компонент присоединяется к поперечно-сшитой реактивной смоле. В случае образования взаимопроницаемой или полувзаимопроницаемой решетки между компонентами не образуется химическая связь, но происходит переплетение полимерных цепочек. Катализатором такого взаимодействия могут выступать органические кислоты, в частности лимонная или изофталевая кислота, или даже неорганические кислоты, в частности фосфористая, фосфорная или амидосульфоновая кислота. Таким образом, в качестве исходных органофильных компонентов в неводных фазах для образования стенки капсулы могут быть использованы органические кислоты.

В предпочтительном примере реализации для устранения образования агломератов в ядре капсулы капсулирование проводят при ультразвуковой обработке.

В соответствии с настоящим изобретением капсулированные добавки для каучука могут быть подвергнуты гранулированию при помощи добавления известных гранулирующих средств или под действием вещества, образующего вторичное покрытие. Капсулированные добавки для синтетических или природных каучуков могут быть изготовлены с использованием распылительной сушки или сушки в вакууме. Непосредственно могут быть использованы микрокапсулы, высушенные на фильтре, с остаточным содержанием влаги, составляющим 2%, получаемые после извлечения из органического раствора вещества, образующего покрытие.

Микрокапсулированные добавки для каучуков используют так же, как и некапсулированные материалы, применяемые для вулканизации каучуков. Введение микрокапсулированных добавок для каучуков выполняют при помощи способов и аппаратуры, известных в данной области техники. Временная термическая и механическая стабильность стенки капсулы в конкретных технологических условиях изготовления каучуковой композиции определяется химической структурой полимерной решетки, получаемой в соответствии с настоящим изобретением, и размером микрочастиц.

Серосодержащие микрокомпозиты, предлагаемые согласно настоящему изобретению, могут быть без труда смешаны с каучуковыми смесями и более равномерно распределены в смеси, чем некапсулированная сера.

Эффективность способа капсулирования жидкой или размолотой серы, предлагаемого согласно настоящему изобретению, а также стабильность стенок капсулы в условиях пластификации может быть более надежно определена при сравнении с обычной серой, которая выкристаллизовывается из готовых к вулканизации каучуковых смесей, а также при сравнении протекания вулканизации. Некапсулированная сера или сера, слишком рано высвобождаемая из капсул, которая полностью растворяется в нагретом каучуке в условиях проведения пластификации, плохо растворяется в холодной каучуковой смеси, откуда медленно выкристаллизовывается. Применение микрокапсулированной серы, получаемой согласно настоящему изобретению, позволяет полностью избежать образования гетерогенной системы каучук/сера, препятствующей правильному проведению обработки каучука, так как сера, заключенная в указанные капсулы, образует в каучуковой смеси отдельную фазу и, следовательно, не может участвовать в процессах растворения/кристаллизации.

Каучуковые смеси, приготовленные стандартным способом, проявляют первые признаки высаживания серы уже спустя 2 часа. Напротив, каучуковые смеси, содержащие капсулированную серу, стабильны в течение более 21 суток в зависимости от строения стенки капсулы и технологии капсулирования и могут быть без проблем подвергнуты дальнейшей обработке и вулканизации даже после такого продолжительного хранения. Периоды устойчивости при хранении (определяемые по степени «выпотевания» ("blooming behavior") серы в каучуковой смеси) являются критичными параметрами и поэтому в примерах они указаны совместно.

Исследование выпотевания выполняли на практически используемой каучуковой смеси (SMR 10) с содержанием серы, равным 5,5 частей серы на 100 частей каучука (части на сто), для которой использовали образцы микрокапсулированной серы в количестве, соответствующем 5,5 частей на 100. Каучуковая смесь содержала и другие компоненты: в качестве наполнителей - углеродную сажу (Statex N-326), пластификатор на основе минерального масла Sundex 790, в качестве активаторов - оксид цинка и стеариновую кислоту, в качестве защиты от старения - диметилбутил-п-фенилендиамин (6PPD, Vulkanox 4020) и триметилдигидрохинолин (TMQ, Vulkanox HS/LG), и в качестве ускорителя - N,N-дициклогексил-2-бензотиазилсульфенамид (DCBS, Vulkacit DZ/EG/C). Компоненты композиции смешивали в производственной месильной машине (Werner & Pleiderer Innenmischer GK 1.5), и из свежепластифицированных предварительно приготовленных смесей были получены смеси для испытаний. Добавление серы и других компонентов композиции производили в условиях практического смешивания. Использовали следующую последовательность смешивания:

Предварительная пластификация (коммерческая предварительно

приготовленная смесь)

Закрытый резиносмеситель GK 1.5 N

Начало при 60°С

Время смешивания 2 мин

Смесь с серой (предварительно приготовленная смесь, сера или микрокапсулированная сера, ускоритель)

Закрытый резиносмеситель GK 1.5 N

Начало при 60°С

Время смешивания 1,3 мин

Исследование характеристик образования поперечных сшивок проводили в соответствии со стандартом DIN 5352 в реометре (MDR 2000, Alpha Technologies) при 160°С; крутящий момент (характеристика плотности поперечных сшивок) определяли в зависимости от времени (Пример):

Время измерения: 24 мин Сера Некапсулированная Капсулированная Крутящий момент MS (дН м/dNm) 2,5 2,5 Крутящий момент МН (дН м/dNm) 19,0 18,6 tс 10%(мин) 1,4 1,8 tc 90% (мин) 7,8 8,3 tc 100% (мин) 14,0 14,3

Полученные значения максимального крутящего момента МН, т.е. максимальной плотности поперечных сшивок (также выхода поперечных сшивок), являются первыми показателями количества серы, доступной для вулканизации в выбранных условиях, т.е. в случае образцов с микрокапсулированной серой условия включают полное раскрытие капсул с серой во время вулканизации. Полученное значение tc 10% (мин) является мерой начала образования поперечных сшивок (вулканизации) и, в случае микрокапсулированной серы, также является мерой своевременного раскрытия капсул во время вулканизации. Было обнаружено, что tc 10% является первым показателем стабильности микрокапсулированной серы в каучуке. Более высокие значения tc 10% (>1,8 мин) были получены для испытуемых смесей, в которых выпотевание серы значительно задерживалось (>2 недель). В Примерах значения tc 10% показаны совместно, поскольку они характеризуют стабильность микрокапсулированной серы.

Выпотевание серы

Исследование выпотевания серы проводили визуально, принимая во внимание два оценочных критерия:

- общее выпотевание, наблюдаемое в виде появления беловато-серого окрашивания на поверхности смесей;

- выпотевание на «активированных» участках (например, на отпечатках пальцев - центрах кристаллизации), наблюдаемое в виде белого окрашивания на этих участках.

Была установлена следующая шкала выпотевания:

--- отсутствие выпотевания

+ небольшое выпотевание (беловато-серое окрашивание в нескольких точках)

++ выпотевание

+++ ярко выраженное выпотевание (вся поверхность окрашена в беловато-серый цвет)

Истекшее время, после которого все еще не наблюдали выпотевания на неактивированных участках и лишь слабое выпотевание на активированных участках, в Примерах обозначено как «стабильность после введения серы».

Сравнительный Пример 1

Одинарная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы (M/F смола) типа PIAMID М 50 и 16,8 г лимонной кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TLIRRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали в состоянии, влажном после фильтрования, и в этом состоянии исследовали высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 115 г

Извлекаемая сера: 3,5%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 120 ч (tc-10%: 1,63 мин)

Сравнительный Пример 2

Двойная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы типа PIAMID М 50 и 16,0 г изофталевой кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Микрокомпозиты извлекали и капсулировали второй раз аналогичным способом, используя 28 г M/F смолы в присутствии 16,0 г изофталевой кислоты и 480 мл воды. Капсулы извлекали в состоянии, влажном после фильтрования, и в этом состоянии исследовали высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 120 г

Извлекаемая сера: 0,1%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 275 ч (tc-10%: 1,65 мин)

Сравнительный Пример 3

Комплексная стенка капсулы, включающая двойную оболочку и вторичное покрытие

На 100 г влажных после фильтрования микрокомпозитов с двойной стенкой, состоящей из M/F смолы, полученных аналогично Примеру 2, наносили 20 г парафинового воска, растворенного в 0,5 л бензола при 70°С. Микрокомпозиты с нанесенным покрытием отделяли при температуре нанесения покрытия и сушили на воздухе.

Выход микрокапсулированной серы с нанесенным покрытием, высушенной на воздухе: 104 г

Извлекаемая сера: 1,2%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 336 ч (tc-10%: 1,70 мин)

Пример 1

Одинарная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу и сополимер этилена и малеата натрия

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы (M/F смола) типа PIAMID М 50, 0,5 г сополимера этилена и малеата натрия (1 мл 50%-ного водного раствора) и 16,8 г лимонной кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали в состоянии, влажном после фильтрования, и в этом состоянии исследовали высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 115 г

Извлекаемая сера: 3,0%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 408 ч (tc-10%: 1,80 мин)

Пример 2

Одинарная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу, полученную in situ, и сополимер этилена и малеата натрия

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 13,4 г меламина, суспензированного в 400 мл воды, и 34,7 мл 37%-ного раствора формальдегида и проводили конденсацию в воде в присутствии 4,4 мл 10%-ного водного NaOH при 70°С. Затем, после нейтрализации полученной смеси, к ней добавили 96 г мелко размолотой серы, 0,5 г сополимера этилена и малеата натрия (1 мл 50%-ного водного раствора) и 16,8 г лимонной кислоты и интенсивно перемешивали при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали в состоянии, влажном после фильтрования, и в этом состоянии исследовали высвобождение серый стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 115 г

Извлекаемая сера: 3,5%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 480 ч (tc-10%: 1,83 мин)

Пример 3

Одинарная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу и сополимер стирола и малеиновой кислоты

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы (M/F смола) типа PIAMID М 50, гидролизат сополимера стирола и малеинового ангидрида (полученный из 0,4 г сополимера стирола и малеинового ангидрида) и 16,8 г лимонной кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали в состоянии, влажном после фильтрования, и в этом состоянии исследовали высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 115 г

Извлекаемая сера: 3,5%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 396 ч (tc-10%: 1,79 мин)

Пример 4

Двойная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу и сополимер этилена и малеата натрия

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы (M/F смола) типа PIAMID М 50, 0,5 г сополимера этилена и малеата натрия (1 мл 50%-ного водного раствора) и 16,8 г лимонной кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали и капсулировали второй раз аналогичным способом, используя 28 г M/F смолы и 0,5 г сополимера этилена и малеата натрия (1 мл 50%-ного водного раствора) в присутствии 16,8 г лимонной кислоты и 480 мл воды, перемешивая якорной мешалкой.

Капсулы извлекали, подвергали постконденсации еще в течение 6 часов при 110°С и исследовали на высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси (как описано в Примере 1).

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 115 г

Извлекаемая сера: 0,1%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 504 ч (tc-10%: 1,84 мин)

Пример 5

Одинарная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу и сополимер стирола и малеиновой кислоты с использованием жидкой серы

100 г серы расплавляли при 130°С, и расплав быстро вводили в смесь для микрокапсулирования, содержащую 28 г меламиноформальдегидной смолы типа PIAMID M 50, гидролизат сополимера стирола и малеинового ангидрида (полученный из 0,4 г сополимера стирола и малеинового ангидрида), 12,0 г изофталевой кислоты и 480 мл воды, и интенсивно перемешивали при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 90°С. Образование стенки капсулы вокруг равномерно распределенных частиц серы заканчивали спустя 4 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали и исследовали на высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 125 г

Извлекаемая сера: ниже порога определения

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 384 ч (tc-10%: 1,77 мин)

Пример 6

Двойная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу и сополимер стирола и малеиновой кислоты, термическая поствулканизация

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы (M/F смола) типа PIAMID М 50, гидролизат сополимера стирола и малеинового ангидрида (полученный из 0,4 г сополимера стирола и малеинового ангидрида) и 12,0 г изофталевой кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 12,0 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Микрокомпозиты извлекали и капсулировали второй раз аналогичным способом, используя 28 г M/F смолы и гидролизат сополимера стирола и малеинового ангидрида (полученный из 0,4 г сополимера стирола и малеинового ангидрида) в присутствии 12,0 г изофталевой кислоты и 480 мл воды. Капсулы извлекали, подвергали постконденсации еще в течение 6 часов при 110°С и исследовали на высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы: 110 г

Извлекаемая сера: 0,1%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: >504 ч (tc-10%: 1,96 мин)

Пример 7

Двойная стенка капсулы, включающая меламиноформальдегидную смолу и сополимер этилена и малеата натрия, химическая поствулканизация

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы (M/F смола) типа PIAMID М 50, 0,5 г сополимера этилена и малеата натрия (1 мл 50%-ного водного раствора) и 12,0 г изофталевой кислоты и интенсивно перемешивали в 480 мл воды при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при 60°С. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для отверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Микрокомпозиты извлекали и капсулировали второй раз аналогичным способом, используя 28 г M/F смолы и 0,5 г сополимера этилена и малеата натрия (1 мл 50%-ного водного раствора) в присутствии 12,0 г изофталевой кислоты и 480 мл воды. Капсулы извлекали, подвергали постконденсации в 0,1М амидосульфоновой кислоте при 60°С в течение 1 часа и исследовали на высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 120 г

Извлекаемая сера: ниже порога определения

Стабильность после введения в каучуковую смесь: >504 ч (tc-10%: 1,93 мин)

Пример 8

Комплексная стенка капсулы, включающая стенку из меламиновой смолы и полиэлектролита и скользящий слой

На 100 г влажных после фильтрования микрокомпозитов со стенкой, состоящей из меламиновой смолы и полиэлектролита, полученных аналогично Примерам 1-7, наносили 20 г стеарата кальция, растворенного в 0,5 л толуола при 90°С. Микрокомпозиты с нанесенным покрытием отделяли и сушили на воздухе при температуре нанесения покрытия.

Выход микрокапсулированной серы с нанесенным покрытием, высушенной на воздухе: 106 г

Извлекаемая сера: ниже порога определения

Стабильность после введения в каучуковую смесь: >504 ч (tc-10%: 1,95 мин)

Пример 9

Комплексная стенка капсулы, включающая стенку из меламиновой смолы и полиэлектролита и скользящий слой

В аппарате типа GLATT для нанесения покрытия способом распыления на 300 г влажных после фильтрования микрокомпозитов со стенкой, состоящей из меламиновой смолы и полиэлектролита, полученных аналогично Примерам 1-7, наносили 45 г полиакрилата типа DEGALAN®, растворенного в 0,5 л ацетона.

Выход микрокапсулированной серы с нанесенным покрытием, высушенной на воздухе: 310 г

Извлекаемая сера: 0,8%

Стабильность после введения в каучуковую смесь:>504 ч (tc-10%: 1,96 мин)

Пример 10

Одинарная стенка капсулы, изготовленная из растворимой в органических растворителях меламиноформальдегидной смолы и сополимера этилена и малеата натрия

В резервуар, снабженный перемешивающим устройством, поместили 96 г мелко размолотой серы, 28 г меламиноформальдегидной смолы типа LAMELITE 200, 1,5 г сополимера этилена и малеата натрия (3 мл 50%-ного водного раствора) и 2,0 г амидосульфоновой кислоты, и интенсивно перемешивали в 600 мл смеси изопропанол/вода (2:1 об.) при помощи высокоэффективного перемешивающего и диспергирующего устройства (ULTRA-TURRAX) при температуре кипения. Образование стенки капсулы заканчивали спустя 10 мин. Затем для (утверждения проводили постконденсацию еще в течение 120 минут при перемешивании с небольшим усилием сдвига. Капсулы извлекали и исследовали на высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход микрокапсулированной серы в состоянии, влажном после фильтрования: 105 г

Извлекаемая сера: 0,1%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: 396 ч (tc-10%: 1,78 мин)

Пример 11

42 л воды, 8 л 1% раствора сополимера этилена и малеиновой кислоты и 7 л 2 н. лимонной кислоты поместили в реактор, снабженный соответствующим перемешивающим устройством, и нагревали до 60°С. В полученный разбавленный раствор лимонной кислоты и полиэлектролита отмеряли 7,5 л раствора меламиновой смолы. После проведения в течение 5 минут предварительной конденсации в смесь быстро ввели при интенсивном перемешивании турбинной мешалкой 10 кг размолотой серы. Микрокомпозиты извлекали и капсулировали второй раз аналогичным способом, используя 7,5 л раствора меламиновой смолы и полиэлектролита в присутствии 7 л 2 н. лимонной кислоты и 50 л воды. Капсулы извлекали в состоянии, влажном после фильтрования, и в этом состоянии исследовали высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

На 11,5 кг дважды капсулированных частиц серы, находящихся в состоянии, влажном после фильтрования, наносили 500 г парафинового воска, растворенного в 10 л бензола при 70°С.

Капсулы с нанесенным покрытием отделяли и сушили на воздухе при температуре нанесения покрытия.

Выход высушенной микрокапсулированной серы с нанесенным покрытием: 12,0 кг

Извлекаемая сера: 0,2%

Стабильность после введения в каучуковую смесь: >504 ч (tc-10%: 1,98 мин)

Пример 12

Способом, аналогичным описанному в Примере 5, 10 кг серы расплавляли, дважды микрокапсулировали в M/F смоле/гидролизате сополимера стирола и малеинового ангидрида, наносили скользящий слой из парафинового воска, отделяли и сушили. Полученные капсулы исследовали на высвобождение серы и стабильность капсул в каучуковой смеси.

Выход высушенной микрокапсулированной серы: 11,5 кг

Извлекаемая сера: ниже порога определения

Стабильность после введения в каучуковую смесь: >504 ч (tc-10%: 2,01 мин)

Изобретение относится к капсулированным добавкам для каучуков, получаемым в виде микрокапсул и включающим полимерную стенку капсулы и ядро, содержащее по меньшей мере одну добавку для каучуков. Стенка капсулы образована, по меньшей мере, одним компонентом из реактивной смолы и, по меньшей мере, одним компонентом из полиэлектролита или иономерным компонентом. Реактивная смола представляет собой меламиноформальдегидную смолу и/или смолу из полимочевины. Также, изобретение относится к способу приготовления таких микрокапсул. Микрокапсулы, предлагаемые согласно настоящему изобретению, используют для вулканизации природных и синтетических каучуков. Микрокапсулы по изобретению термически и механически стабильны в условиях приготовления и обработки каучуковой композиции в месильных машинах, каландрах или двухчервячных экструдерах при температурах, достигающих 120°С и 140°С. Микрокапсулированные добавки равномерно распределяются в каучуковой смеси и позволяют полностью избежать образования гетерогенной системы каучук/добавка. 3 н. и 27 з.п. ф-лы.

1. Микрокапсулы, содержащие полимерную стенку капсулы и ядро, которое включает по меньшей мере одну добавку для каучука, отличающиеся тем, что стенка капсулы образована по меньшей мере одним компонентом из реактивной смолы и по меньшей мере одним компонентом из полиэлектролита или иономерным компонентом; при этом реактивная смола представляет собой меламиноформальдегидную смолу и/или смолу из полимочевины.

2. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что смолы из полимочевины изготовлены из диизоцианатов и полифункциональных аминов.

3. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что компоненты из полиэлектролитов и/или иономерные компоненты представляют собой полимеры, замещенные анионными заместителями.

4. Микрокапсулы по п.3, отличающиеся тем, что полимеры, замещенные анионными заместителями, выбраны из группы, состоящей из гомо- и сополимеров акриловой и метакриловой кислот, малеиновой кислоты, винилфосфорной кислоты, винилсульфоновой кислоты и стиролфосфоновой кислоты.

5. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что стенка микрокапсулы изготовлена из меламиноформальдегидной смолы, растворимой в воде, и полиэлектролита.

6. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что стенка капсулы изготовлена из меламиноформальдегидной смолы, растворимой в органическом растворителе, и из иономера.

7. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что ядро состоит из серы.

8. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что сера присутствует в жидкой или в твердой форме.

9. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что содержание серы в микрокапсулах составляет по меньшей мере 70 мас.%, в частности, от 80 до 95 мас.%.

10. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что микрокапсула включает дополнительную внешнюю стенку капсулы или покрытие.

11. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что внешняя стенка капсулы или покрытие состоит из по меньшей мере одного полимера неразветвленного строения, который, в частности, выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиакрилонитрилов, полиэтиленгликолей, этилцеллюлоз, а также сложных эфиров, образованных крахмалом и жирными кислотами, и карбаматов, образованных крахмалом и длинноцепочечными изоцианатами.

12. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что внешняя стенка капсулы или покрытие состоит из по меньшей мере одного низкомолекулярного органического или неорганического вещества, которое, в частности, выбирают из группы, состоящей из парафинов, производных жирных кислот, силиконов, силоксанов и/или силикатов.

13. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что средний диаметр микрокапсулированных частиц составляет от 1 до 30 мкм, в частности, от 5 до 20 мкм.

14. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что толщина стенки капсулы составляет от 30 до 100 нм.

15. Микрокапсулы по п.1, отличающиеся тем, что указанные микрокапсулы термически и механически стабильны в условиях приготовления и обработки композиции в месильных машинах, каландрах или двухчервячных экструдерах при температурах, достигающих 120°С, в частности, достигающих 140°С.

16. Микрокапсулы по одному из предшествующих пунктов, отличающиеся тем, что стенки капсулы растворяются с высвобождением добавки для каучука в условиях проведения операции вулканизации.

17. Способ изготовления микрокапсул, содержащих ядро, которое включает по меньшей мере одну добавку для каучука, включающий следующие операции:
a) диспергирование по меньшей мере одной добавки для каучука при высоком сдвигающем усилии в растворе, который содержит по меньшей мере одно соединение, образующее реактивную смолу, и по меньшей мере один компонент из полиэлектролита или иономерный компонент, и
b) добавление катализатора и/или температурное воздействие для формирования стенки капсулы, в которую заключена добавка для каучука, причем компонент, образующий реактивную смолу в операции (а), представляет собой преполимер.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что реактивную смолу, используемую в операции (а), получают in situ из соединений, которые образуют реактивную смолу.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что реактивная смола представляет собой меламиноформальдегидную смолу и/или смолу из полимочевины.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что смолы из полимочевины изготавливают из диизоцианатов и полифункциональных аминов.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что компоненты из полиэлектролитов и/или иономерные компоненты представляют собой полимеры, замещенные анионными заместителями.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что полимеры, замещенные анионными заместителями, выбирают из группы, состоящей из гомо- и сополимеров акриловой и метакриловой кислот, малеиновой кислоты, винилфосфорной кислоты, винилсульфоновой кислоты, стирола и стиролфосфоновой кислоты.

23. Способ по п.17, отличающийся тем, что при проведении операции (а) меламиноформальдегидную смолу и полиэлектролит растворяют в водном растворе.

24. Способ по п.17, отличающийся тем, что при проведении операции (а) меламиноформальдегидную смолу и иономер растворяют в органическом растворителе.

25. Способ по п.17, отличающийся тем, что в качестве добавки для каучука используют серу в жидкой или в твердой форме.

26. Способ по п.17, отличающийся тем, что после образования стенки капсулы, ее подвергают термическому и/или химическому отверждению.

27. Способ по одному из пп.17-26, отличающийся тем, что на микрокапсулу наносят дополнительную внешнюю стенку капсулы или покрытие.

28. Способ по п.27, отличающийся тем, что внешняя стенка капсулы или покрытие состоит из по меньшей мере одного полимера неразветвленного строения, который, в частности, выбирают из группы, состоящей из полиакрилатов, полиакрилонитрилов, полиэтиленгликолей, этилцеллюлоз, а также сложных эфиров, образованных крахмалом и жирными кислотами, и карбаматов, образованных крахмалом и длинноцепочечными изоцианатами.

29. Способ по п.27, отличающийся тем, что внешняя стенка капсулы или покрытие состоит из по меньшей мере одного низкомолекулярного органического или неорганического вещества, которое, в частности, выбирают из группы, состоящей из парафинов, производных жирных кислот, силиконов, силоксанов и/или силикатов.

30. Применение микрокапсул по одному из пп.1-16 для вулканизации природных или синтетических каучуков.