EP2640753A1 - Silanhaltige carbinolterminierte polymere - Google Patents

Silanhaltige carbinolterminierte polymere

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EP2640753A1
EP2640753A1 EP11784467.0A EP11784467A EP2640753A1 EP 2640753 A1 EP2640753 A1 EP 2640753A1 EP 11784467 A EP11784467 A EP 11784467A EP 2640753 A1 EP2640753 A1 EP 2640753A1
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EP
European Patent Office
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polymers
functionalized polymers
oxa
rubber compositions
contain
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11784467.0A
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Inventor
Norbert Steinhauser
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Lanxess Deutschland GmbH
Original Assignee
Lanxess Deutschland GmbH
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Publication date
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Publication of EP2640753A1 publication Critical patent/EP2640753A1/de
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    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F236/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, at least one having two or more carbon-to-carbon double bonds
    • C08F236/02—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, at least one having two or more carbon-to-carbon double bonds the radical having only two carbon-to-carbon double bonds
    • C08F236/04—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, at least one having two or more carbon-to-carbon double bonds the radical having only two carbon-to-carbon double bonds conjugated
    • C08F236/10—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, at least one having two or more carbon-to-carbon double bonds the radical having only two carbon-to-carbon double bonds conjugated with vinyl-aromatic monomers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C1/00—Tyres characterised by the chemical composition or the physical arrangement or mixture of the composition
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    • C08C—TREATMENT OR CHEMICAL MODIFICATION OF RUBBERS
    • C08C19/00—Chemical modification of rubber
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    • C08C19/44—Addition of a reagent which reacts with a hetero atom or a group containing hetero atoms of the macromolecule reacting with metals or metal-containing groups of polymers containing metal atoms exclusively at one or both ends of the skeleton
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
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    • C08F2/38—Polymerisation using regulators, e.g. chain terminating agents, e.g. telomerisation
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    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L9/00—Compositions of homopolymers or copolymers of conjugated diene hydrocarbons

Definitions

  • the invention relates to end-functionalized polymers, their preparation and use.
  • rubbers having a high damping factor at low temperatures (0 to 23 ° C.) or low rebound resilience in the range from 0 ° to 23 ° C. are advantageous for improving the wet skid resistance.
  • mixtures of different rubbers are used in the tread.
  • Double-bond-containing anionically polymerized solution rubbers such as solution polybutadiene and solution styrene-butadiene rubbers, have advantages over corresponding emulsion rubbers in the production of low-rolling-resistance tire treads.
  • the advantages include the controllability of the vinyl content and the associated glass transition temperature and the molecule branching. This results in practical advantages in the relation of wet skid resistance and rolling resistance of the tire.
  • Significant contributions to energy dissipation and thus rolling resistance in tire treads result from free polymer chain ends and from the reversible assembly and disassembly of the filler network that forms the filler (mostly silica and / or carbon black) used in the tire tread compound.
  • EP 0 180 141 A1 describes the use of 4,4'-bis (dimethylamino) benzophenone or N-methylcaprolactam as functionalizing reagents.
  • the use of ethylene oxide and N-vinylallyrolidone is also known from EP 0 864 606 A1.
  • a number of other possible functionalizing reagents are listed in US 4,417,029.
  • silanes having in total at least two halogen and / or alkyloxy and / or aryloxy substituents on silicon are well suited for end functionalization of diene rubbers, since one of the abovementioned substituents on the Si atom can easily be replaced by an anionic diene polymer chain end and the other of the aforementioned substituents on Si is available as a functional group which, optionally after hydrolysis, can interact with the filler of the tire tread mixture.
  • Examples of such silanes can be found in US Pat. No. 3,244,664, US Pat. No. 4,185,042, EP 0 890 580 A1.
  • silanes as functionalizing reagents
  • EP 0 778 311 Bl describes u. a. Cyclosiloxanes as functionalizing reagents for the introduction of Si-OH end groups. These cyclosiloxanes have the advantage over the silanes mentioned above that only one anionic polymer chain end per cyclosiloxane molecule can react. Thus, no coupling takes place during the functionalization reaction by addition of more than one polymer chain per functionalizing reagent. However, as explained above and also described in US Pat. No. 4,618,650, the Si-OH end groups formed after introduction of the functionalizing reagent can couple to form Si-O-Si bonds. Again, there is the problem of undesirable increase in viscosity during work-up and storage.
  • the object was therefore to provide end-functionalized polymers which do not have the disadvantages of the prior art and in particular make it possible to utilize the good reactivity of silanes with anionic polymer chain ends, without their disadvantages, such as reaction of several anionic polymer chain ends per silane molecule, cleavage disturbing components and coupling to form Si-O-Si bonds in the workup and storage to have.
  • end-functionalized polymers which have a silane-containing carbinol group of the formula (I) at the end of the polymer chain.
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are the same or different and are H, alkyl, cycloalkyl, aryl, alkaryl and
  • A is a divalent organic radical which, in addition to C and H heteroatoms such as
  • end groups of flinktionalintestinen polymers according to the invention may preferably be present as metal salts with end groups of the formula (II):
  • R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are the same or different and for H. alkyl, cycloalkyl. Aryl, alkaryl and
  • Aralkyl radicals which may contain heteroatoms such as O. N, S, Si,
  • A is a divalent organic radical which, in addition to C and H heteroatoms wie
  • O, N, S, Si may contain, n is an integer from 1 to 4, M is a metal or semimetal of valence 1 to 4, preferably Li, Na, K,
  • Preferred polymers for the preparation of the end groups of functionalized polymers according to the invention are diene polymers and diene copolymers obtainable by copolymerization of dienes with vinylaromatic monomers.
  • Preferred dienes are 1,3-butadiene, isoprene, 1,3-pentadiene, 2,3-dimethylbutadiene, 1-phenyl-1,3-butadiene and / or 1,3-hexadiene. Particular preference is given to using 1,3-butadiene and / or isoprene.
  • vinyl aromatic comonomers z.
  • styrene, o-, m- and / or p-methylstyrene, p-tert-butylstyrene, ⁇ -methylstyrene, vinylnaphthalene, divinylbenzene, trivinylbenzene and / or divinylnaphthalene can be used.
  • Styrene is particularly preferably used.
  • Coordination catalysts in this context are Ziegler-Natta catalysts or monometallic catalyst systems.
  • Preferred coordination catalysts are those based on Ni, Co, Ti, Zr, Nd, V, Cr, Mo, W or Fe.
  • Initiators for anionic solution polymerization are those based on alkali metals or alkaline earth metals, such as, for example, methyllithium, ethyllithium, isopropyl lithium, n-butyl lithium, sec-butyl lithium, pentyllithium, m-hexyllithium, cyclohexyllithium, octyllithium, decyllithium, 2- (6-lithio).
  • the known randomizers and control agents may be used for the microstructure of the polymer, such as diethyl ether, di-n-propyl ether, diisopropyl ether, di-butyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol di-n-butyl ether, ethylene glycol di-tert-butyl ether, diethylene glycol dimethyl ether Diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol di-butyl ether, diethylene glycol di-fer-butyl ether, 2- (2-ethoxyethoxy) -2-methyl-propane, triethylene glycol dimethyl ether, tetrahydrofuran.
  • solvents for the polymerization are inert aprotic solvents, for example paraffinic hydrocarbons, such as isomeric butanes, pentanes, hexanes, heptanes, octanes, decanes, cyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane or 1,4-dimethylcyclohexane or aromatic hydrocarbons, such as benzene, Toluene, ethylbenzene, xylene. Diethylbenzene or Propvlbenzol used.
  • paraffinic hydrocarbons such as isomeric butanes, pentanes, hexanes, heptanes, octanes, decanes, cyclopentane, cyclohexane, methylcyclohexane, ethylcyclohexane or 1,4-dimethylcyclohex
  • solvents may be used singly or in combination. Preferred are cyclohexane and n-hexane. Also possible is the mixture with polar solvents.
  • the amount of solvent in the process according to the invention is usually 100 to 1000 g, preferably 200 to 700 g, based on 100 g of the total amount of monomer used. But it is also possible to polymerize the monomers used in the absence of solvents.
  • the polymerization can be carried out by initially introducing the monomers and the solvent and then initiating the polymerization by adding the initiator or catalyst. It is also possible to polymerize in a feed process in which the polymerization reactor is charged by adding monomers and solvent, wherein the initiator or catalyst is initially charged or added with the monomers and the solvent. Variations, such as providing the solvent in the reactor, adding the initiator or catalyst and then adding the monomers are possible. Furthermore, the polymerization can be operated in a continuous mode. Further monomer and solvent addition during or at the end of the polymerization is possible in all cases.
  • the polymerization time can vary in wide ranges from several minutes to several hours. Usually, the polymerization is carried out within a period of about 10 minutes to 8 hours, preferably 20 minutes to 4 hours. It can be carried out both at atmospheric pressure and at elevated pressure (1 to 10 bar).
  • the 1-oxa-2-silacycloalkanes are compounds of the general formula (III)
  • R 1 , R 2 , R ⁇ R 4 are the same or different and for H. alkyl, cycloalkyl, aryl, alkaryl and
  • Aralkyl radicals which may contain heteroatoms such as O, N, S, Si.
  • A is a divalent organic radical which, in addition to C and H heteroatoms such as O, N, S,
  • Si may contain.
  • the Si atom of the formula (III) is mono shentechnischell, where by monofunctional is to be understood that the Si atom has three Si-C bonds and a Si-O-Bindvmg.
  • the functionalized polymers of the invention can be prepared by reaction of reactive polymer chain ends with 1-oxa-2-silacycloalkanes and, if appropriate, subsequent protonation of the alkoxide end group to the alcohol.
  • the end groups of functionalized polymers according to the invention preferably have number average molecular weights of from 10,000 to 2,000,000 g / mol, preferably from 100,000 to 1,00,000 g / mol and glass transition temperatures of from -1 10 ° C. to + 20 ° C., preferably -1 10 ° C. to 0 ° C, and Mooney viscosities ML 1 + 4 (100 ° C) from 10 to 200, preferably 30 to 150 Mooney units.
  • Another object of the invention is a process for the preparation of the end groups of functionalized polymers according to the invention, after which one or more compounds of formula (III), as a pure substance, solution or suspension, are added to polymers with reactive polymer chain ends.
  • the addition is preferably carried out after completion of the polymerization; but it can also be done before complete monomer conversion.
  • the reaction of compounds of the formula (III) with polymers having reactive polymer chain ends takes place at the temperatures customarily used for the polymerization.
  • the reaction times for the reaction of compounds of formula (III) with the reactive polymer chain ends can be between a few minutes to several hours.
  • the amount of these compounds can be chosen so that all reactive polymer chain ends react with compounds of the formula (III), or a deficiency of these compounds can be used.
  • the amounts of the compounds of formula (III) used can cover a wide range.
  • the preferred amounts are between 0.005 and 2% by weight, more preferably between 0.01 and 1% by weight, based on the amount of polymer.
  • the coupling reagents used for the anionic diene polymerization may also be used to react with the reactive polymer chain ends.
  • Examples of such coupling reagents are silicon tetrachloride, methyltrichlorosilane, dimethyldichlorosilane, tin tetrachloride, dibutyltin dichloride, tetraalkoxysilanes, ethylene glycol diglycidyl ether, 1,2,4-tris (chloromethyl) benzene.
  • Such coupling reagents may be added before the compounds of formula (III), together with or after them.
  • the usual aging inhibitors such as sterically hindered phenols, aromatic amines, phosphites, thioethers
  • the usual aging inhibitors such as sterically hindered phenols, aromatic amines, phosphites, thioethers
  • the conventional extender oils such as DAE (Distillate Aromatic Extract), TDAE (Treated Distillate Aromatic Extract), MES (Mild Extraction Solvates), RAE (Residual Aromatic Extract), TRAE (Treated Residual Aromatic Extract ), naphthenic and heavy naphthenic oils are added.
  • fillers such as carbon black and silica, rubbers and rubber auxiliaries
  • removal of the solvent from the polymerization process can be carried out by the usual methods, such as distillation, stripping with steam or applying a vacuum, optionally at a higher temperature.
  • a further subject of the invention is the use of the end groups of the invention functionalized polymers for the preparation of vulcanizable rubber compositions.
  • these vulcanizable rubber compositions comprise further rubbers, fillers, rubber chemicals, processing aids and extender oils.
  • Additional rubbers are, for example, natural rubber and synthetic rubbers. If present, their amount is usually in the range of 0.5 to 95, preferably 10 to 80 wt .-%, based on the total amount of polymer in the mixture. The amount of additionally added rubbers depends again on the particular intended use of the mixtures according to the invention.
  • NBR-butadiene-acrylonitrile copolymers having acrylonitrile contents of 5-60
  • EPDM - ethylene-propylene-diene terpolymers and mixtures of these rubbers.
  • E-SBR and S-SBR with a glass transition temperature above -60 ° C, polybutadiene rubber with high cis content (> 90%), with catalysts based on Ni, Co , Ti or Nd, as well as Poh'butadienkautschuk with a vinyl content of up to 80% and their mixtures of interest.
  • Suitable fillers for the rubber compositions according to the invention are all known fillers used in the rubber industry. These include both active and inactive fillers.
  • highly disperse silicas prepared, for example, by precipitation of solutions of silicates or flame hydrolysis of silicon halides having specific surface areas of 5-1000, preferably 20-400 m 2 / g (BET surface area) and primary particle sizes of 10-400 nm.
  • the silicic acids can also be present as mixed oxides with other metal oxides, such as Al, Mg, Ca, Ba, Zn, Zr, Ti oxides; synthetic silicates, such as aluminum silicate, alkaline earth silicate, such as magnesium silicate or calcium silicate, with BET surface areas of 20-400 m 2 / g and primary particle diameters of 10-400 nm; natural silicates, such as kaolin and other naturally occurring silica; Glass fibers and glass fiber products (mats, strands) or glass microspheres; Metal oxides such as zinc oxide, calcium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide; Metal carbonates. like magnesium carbonate. Calcium carbonate, zinc carbonate;
  • Metal hydroxides such as aluminum hydroxide, magnesium hydroxide;
  • Metal sulfates such as calcium sulfate, barium sulfate;
  • Carbon blacks are carbon blacks prepared by the method of flame black, channel, furnace, gas black, thermal, acetylene black or electric arc and have BET surface areas of 9-200 m 2 / g, eg SAF, ISAF-LS, ISAF-HM, ISAF-LM, ISAF-HS, CF, SCF, HAF-LS. HAF, HAF HS, FF HS, SPF. XCF, FEF-LS, FEF, FEF-HS.
  • - Rubber gels in particular those based on BR, E-SBR and / or polychloroprene with particle sizes of 5 to 1000 nm.
  • the fillers mentioned can be used alone or in a mixture.
  • the rubber compositions contain, as fillers, a mixture of light fillers, such as highly disperse silicas, and carbon blacks, the mixing ratio of light fillers to carbon blacks preferably being from 0.01: 1 to 50: 1, preferably 0.05: 1 to 20: 1 lies.
  • the fillers are used here in amounts ranging from 10 to 500 parts by weight based on 100 parts by weight of rubber. Preferably, 20 to 200 parts by weight are used.
  • the rubber compositions also contain rubber auxiliaries which, for example, improve the processing properties of the rubber compositions, serve to crosslink the rubber compositions, improve the physical properties of the vulcanizates prepared from the inventive rubber compositions for their specific use, improve the interaction between the rubber and filler or to attach the rubber to the filler.
  • Rubber auxiliaries are, for example, crosslinking agents, such as sulfur or sulfur-yielding compounds, and reaction accelerators, anti-aging agents, heat stabilizers, light stabilizers, antiozonants, processing aids, plasticizers, tackifiers, blowing agents, dyes, pigments, waxes.
  • Extenders organic acids, silanes, retarders, metal oxides, extender oils, such as DAE (Distillate Aromatic Extract), TDAE (Treated Distillate Aromatic Extract), MES (Mild Extraction Solvates), RAE (Residual Aromatic Extract), TRAE Treated Residual Aromatic Extract), naphthenic and heavy naphthenic oils and activators.
  • the total amount of rubber auxiliary is in the range of 1 to 300 parts by weight based on 100 parts by weight of total rubber. Preference is given to using 5 to 150 parts by weight of rubber auxiliaries.
  • the preparation of the vulcanizable rubber compositions may be carried out in a one-stage or in a multi-stage process, with 2 to 3 mixing stages being preferred.
  • the addition of sulfur and accelerator in a separate mixing step e.g. carried out on a roller, with temperatures in the range 30 ° C to 90 ° C are preferred.
  • the addition of sulfur and accelerator preferably takes place in the last mixing stage.
  • Aggregates suitable for the preparation of the vulcanizable rubber compositions are, for example, rolls. Kneader, internal mixer or mixing extruder.
  • vulcanizable rubber compositions containing end-capped functionalized polymers having end groups of the formula (I) or (II) are a further subject of the invention.
  • Another object of the invention is the use of vulcanizable rubber compositions according to the invention for the production of rubber vulcanis, in particular for the production of tires, in particular tire treads, which have a particularly low rolling resistance with high wet skid resistance and abrasion resistance.
  • the vulcanizable rubber compositions according to the invention are also suitable for the production of moldings, e.g. for the manufacture of cable sheaths, hoses, drive belts, conveyor belts, roller coverings, shoe soles, sealing rings and damping elements.
  • Example la Synthesis of styrene-butadiene copolymer (comparative example)
  • Vinyl content (IR spectroscopy): 51.5% by weight; Styrene content (IR spectroscopy): 24.7% by weight, glass transition temperature (DSC): -16 ° C .; number average molecular weight M n (GPC, PS standard): 242 kg / mol; M w / M n : 1.30; Mooney viscosity (ML1 + 4 at 100 ° C): 71 ME
  • Example Ib Synthesis of silane-containing carbinol-substituted styrene-butadiene copolymer
  • Vinyl content (IR spectroscopy): 51.3% by weight; Styrene content (IR spectroscopy): 25.4% by weight, glass transition temperature (DSC): -17 ° C .; number average molecular weight M n (GPC, PS standard): 233 kg / mol; M w / M n : 1.18; Mooney viscosity (ML1 + 4 at 100 ° C): 69 ME
  • Tire tread rubber compositions were prepared containing the styrene-butadiene copolymer of Example la as a comparative example (rubber composition 2a) and the silane-containing carbinol-terminated styrene-butadiene copolymers of Examples 1b and 1c (rubber compositions 2b and 2c) according to the invention.
  • the ingredients are listed in Table 1.
  • the rubber compositions (without sulfur and accelerator) were prepared in a 1.5 L kneader. The components sulfur and accelerator were then admixed on a roller at 40 ° C.
  • Table 1 Ingredients of tire tread rubber compositions (in phr: parts by weight per 100 parts by weight of rubber)
  • a low rolling resistance is required, which is when the vulcanizate has a high value for the rebound resilience at 60 ° C and a low tan5 values in the dynamic damping at high temperature (60 ° C) and a low tan ⁇ - Maximum be measured in Amphtudensweep.
  • the vulcanizates of Examples 3b and 3c according to the invention are characterized by a high resilience at 60 ° C, a low tan5 values in the dynamic damping at 60 ° C and a low tan ⁇ maximum in Amphtudensweep.
  • the vulcanizates of Examples 3b and 3c according to the invention are distinguished by a high tan8 values in the dynamic damping at 0 ° C.
  • the vulcanizates of Examples 3b and 3c according to the invention are distinguished by a low degree of DIN abrasion.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Endgruppen funktionalisierte Polymere, wobei diese am Kettenende eine silanhaltige Carbinolgruppe der Formel (I) aufweisen, wobei R1, R2, R3, R4 gleich oder verschieden sind und ein H, Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkaryl- und Aralkylreste darstellen, die Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten können, A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten kann.

Description

Silanhaltige carbinolterminierte Polymere
Die Erfindung betrifft Endgruppen funktionalisierte Polymere, deren Herstellung und Verwendung.
Bei Reifenlaufflächen werden als wichtige Eigenschaften eine gute Haftung auf trockener und nasser Oberfläche sowie ein hoher Abriebwiderstand angestrebt. Dabei ist es sehr schwer, die Rutschfestigkeit eines Reifens zu verbessern, ohne gleichzeitig den Rollwiderstand und die Abriebbeständigkeit zu verschlechtern. Ein niedriger Rollwiderstand ist für einen niedrigen Kraftstoffverbrauch von Bedeutung, und eine hohe Abriebbeständigkeit ist der entscheidende Faktor für eine hohe Lebensdauer des Reifens. Nassrutschfestigkeit und Rollwiderstand einer Reifenlauffläche hängen zum großen Teil von den dynamisch-mechanischen Eigenschaften der Kautschuke ab, die bei der Mischungsherstellung verwendet werden. Zur Erniedrigung des Rollwiderstands werden für die Reifenlauffläche Kautschuke mit einer hohen Rückprallelastizität bei höheren Temperaturen (60°C bis 100°C) eingesetzt. Andererseits sind zur Verbesserung der Nassrutschfestigkeit Kautschuke mit einem hohen Dämpfungsfaktor bei niedrigen Temperaturen (0 bis 23 °C) bzw. niedriger Rückprallelastizität im Bereich 0°C bis 23°C von Vorteil. Um dieses komplexe Anforderungsprofil zu erfüllen, werden Mischungen aus verschiedenen Kautschuken in der Lauffläche eingesetzt. Für gewöhnlich werden Mischungen aus einem oder mehreren Kautschuken mit einer relativ hohen Glasübergangstemperatur, wie Styrol-Butadien-Kautschuk, und einem oder mehreren Kautschuken mit relativ niedriger Glasübergangstemperatur, wie Polybutadien mit einem hohen 1,4-cis-Gehalt bzw. einem Styrol-Butadien-Kautschuk mit niedrigem Styrol- und geringem Vinylgehalt oder einem in Lösung hergestellten Polybutadien mit mittlerem 1,4-cis- und niedrigem Vinylgehalt verwendet.
Doppelbindungshaltige anionisch polymerisierte Lösungskautschuke, wie Lösungs-Polybutadien und Lösungs-Styrol-Butadien-Kautschuke, besitzen gegenüber entsprechenden Emulsionskautschuken Vorteile bei der Herstellung rollwiderstandsarmer Reifenlaufflächen. Die Vorteile liegen u. a. in der Steuerbarkeit des Vinylgehalts und der damit verbundenen Glasübergangstemperatur und der Molekül Verzweigung. Hieraus ergeben sich in der praktischen Anwendung besondere Vorteile in der Relation von Nassrutschfestigkeit und Rollwiderstand des Reifens. Wesentliche Beiträge zur Energiedissipation und somit zum Rollwiderstand in Reifenlaufflächen resultieren aus freien Polymerkettenenden und aus dem reversiblen Auf- und Abbau des Füllstoffnetzwerks, welches der in der Reifenlaufflächenmischung eingesetzte Füllstoff (zumeist Kieselsäure und/oder Ruß) ausbildet. Die Einführung funktioneller Gruppen an den Polymerkettenenden ermöglicht eine physikalische oder chemische Anbindung dieser Kettenenden an die Füllstoffoberfläche. Dadurch wird deren Beweglichkeit eingeschränkt und somit die Energiedissipation bei dynamischer Beanspruchung der Reifenlauffläche verringert. Gleichzeitig können diese funktionellen Endgruppen die Dispergierung des Füllstoffes in der Reifenlauffläche verbessern, was zu einer Schwächung des Füllstoffnetzwerkes und damit zu einer weiteren Absenkung des Rollwiderstandes führen kann.
Zu diesem Zweck sind zahlreiche Methoden zur Endgruppenmodifizierung entwickelt worden. Beispielsweise wird in der EP 0 180 141 AI die Verwendung von 4,4'-Bis(dimethylamino)- benzophenon oder N-Methylcaprolactam als Funktionalisierungsreagenzien beschrieben. Auch die Verwendung von Ethylenoxid und N-Vinylyrrolidon ist aus EP 0 864 606 AI bekannt. Eine Reihe weiterer möglicher Funktionalisierungsreagenzien sind in US 4,417,029 aufgeführt.
Insbesondere Silane mit in der Summe mindestens zwei Halogen- und/oder Alkyloxy- und/oder Aryloxysubstituenten an Silicium eignen sich gut zur Endgruppenfünktionalisierung von Dienkautschuken, da einer der genannten Substituenten am Si-Atom leicht durch ein anionisches Dienpolymerkettenende ausgetauscht werden kann und der bzw. die weiteren der zuvor genannten Substituenten an Si als funktionelle Gruppe zur Verfügung steht, welche, gegebenenfalls nach Hydrolyse, mit dem Füllstoff der Reifenlaufflächenmischung wechselwirken kann. Beispiele für derartige Silane finden sich in US 3,244,664, US 4, 185,042, EP 0 890 580 AI .
Viele der genannten Funktionalisierungsreagenzien weisen jedoch Nachteile auf, wie z.B. schlechte Löslichkeit im Prozesslösungsmittel, hohe Toxizität oder hohe Flüchtigkeit, was zur Kontamination des rückgeführten Lösungsmittels führen kann. Darüber hinaus können viele dieser Funktionalisierungsreagenzien mit mehr als einem anionischen Polymerkettenende reagieren, was zu oft störenden und schwer zu kontrollierenden Kopplungsreaktionen führt. Dies gilt v. a. für die genannten Silane. Diese haben außerdem den weiteren Nachteil, dass bei Reaktion dieser Silane mit dem anionischen Polymerkettenende Komponenten wie Halogenide oder Alkoxygruppen abgespalten werden, wobei letztere leicht zu Alkoholen umgesetzt werden. Halogenide begünstigen die Korrosion; Alkohole können zur Verunreinigung des Prozesslösungsmittels führen. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Silanen als Funktionalisierungsreagenzien besteht darin, dass die daraus erhaltenen Siloxan terminierten Polymere nach der Funktionalisierung über die Si- OR-Gruppen an den Polymerkettenenden (bzw. über die Si-OH-Gruppen nach Hydrolyse der Si- OR-Gruppen) unter Ausbildung von Si-O-Si-Bindungen koppeln können, was zu einem unerwünschten Viskositätsanstieg der Kautschuke während der Aufarbeitung und Lagerung führt. Es wurden viele Methoden zur Verringerung dieses Viskositätsanstiegs bei Siloxan terminierten Polymeren beschrieben, wie beispielsweise der Zusatz von stabilisierenden Reagenzien auf Basis von Säure und Säurehalogeniden (EP 0 801 078 AI), Zusatz von Siloxan (EP 1 198 506 B l), Zusatz von langkettigen Alkoholen (EP 1 237 934 B l) oder Zusatz von Reagenzien zur Kontrolle des pH-Wertes (EP 1 726 598).
EP 0 778 311 Bl beschreibt u. a. Cyclosiloxane als Funktionalisierungsreagenzien zur Einführung von Si-OH-Endgruppen. Diese Cyclosiloxane haben gegenüber den oben genannten Silanen den Vorteil, dass nur jeweils ein anionisches Polymerkettenende pro Cyclosiloxan-Molekül reagieren kann. Es finden also während der Funktionalisierungsreaktion keine Kopplungen durch Addition von mehr als einer Polymerkette pro Funktionalisierungsreagenz statt. Die nach Einführung des Funktionalisierungsreagenzes gebildeten Si-OH-Endgruppen können jedoch, wie oben erläutert und auch in US 4 618 650 beschrieben, unter Ausbildung von Si-O-Si-Bindungen koppeln. Auch hier besteht also das Problem des unerwünschten Viskositätsanstiegs während der Aufarbeitung und Lagerung.
Es bestand daher die Aufgabe, Endgruppen fünktionalisierte Polymere bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen und es insbesondere ermöglichen, die gute Reaktivität von Silanen mit anionischen Polymerkettenenden zu nutzen, ohne deren Nachteile, wie etwa Reaktion mehrerer anionischer Polymerkettenenden pro Silanmolekül, Abspaltung störender Komponenten und Kopplung unter Ausbildung von Si-O-Si-Bindungen bei der Aufarbeitung und Lagerung, zu haben.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden Endgruppen fünktionalisierte Polymere vorgeschlagen, welche am Polymerkettenende eine silanhaltige Carbinolgruppe der Formel (I)
aufweisen, wobei
R1, R2, R3, R4 gleich oder verschieden sind und ein H, Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkaryl- und
Aralkylreste darstellen, die Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten können, A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H Heteroatome wie
O, N, S, Si enthalten kann. Bevorzugt können die erfindungsgemäßen Endgruppen flinktionalisierten Polymere als Metallsalze vorliegen mit Endgruppen der Formel (II):
wobei R1, R2, R3, R4 gleich oder verschieden sind und für H. Alkyl-, Cycloalkyl-. Aryl-, Alkaryl- und
Aralkylreste stehen, die Heteroatome wie O. N, S, Si enthalten können,
A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H Heteroatome w ie
O, N, S, Si enthalten kann, n eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist, M ein Metall oder Halbmetall der Wertigkeit 1 bis 4 ist, vorzugsweise Li, Na, K,
Mg, Ca, Fe, Co, Ni, AI, Nd, Ti, Si, Sn.
Bevorzugte Polymere zur Herstellung der erfindungsgemäßen Endgruppen funktionalisierten Polymere sind Dienpolymere und durch Copolymerisation von Dienen mit vinylaromatischen Monomeren erhältliche Dien-Copolymere. Als Diene sind 1,3-Butadien, Isopren, 1,3-Pentadien, 2,3-Dimethylbutadien, l-Phenyl-l,3-butadien und/oder 1 ,3-Hexadien bevorzugt. Besonders bevorzugt werden 1,3-Butadien und/oder Isopren eingesetzt.
Als vinylaromatische Comonomere können z. B. Styrol, o-, m- und/oder p-Methylstyrol, p-tert- Butylstyrol, α-Methylstyrol, Vinylnaphthalin, Divinylbenzol, Trivinylbenzol und/oder Divinyl- naphthalin verwendet werden. Besonders bevorzugt wird Styrol eingesetzt.
Die Herstellung dieser Polymere erfolgt bevorzugt durch anionische Lösungspolymerisation oder durch Polymerisation mittels Koordinationskatalysatoren. Unter Koordinationskatalysatoren sind in diesem Zusammenhang Ziegler-Natta-Katalysatoren oder monometallische Katalysatorsysteme zu verstehen. Bevorzugte Koordinationskatalysatoren sind solche auf Basis Ni, Co, Ti, Zr, Nd, V, Cr, Mo, W oder Fe. Initiatoren für die anionische Lösungspolymerisation sind solche auf Alkali- oder Erdalkalimetallbasis, wie z.B. Methyllithium, Ethyllithium, Isopropyllithium, n-Butyllithium, sec- Butyllithium, Pentyllithium, M-Hexyllithium, Cyclohexyllithium, Octyllithium, Decyllithium, 2-(6- Lithio-«-hexoxy)tetrahydropyran, 3 -(teri-Butyldimethylsiloxy)- 1 -propyllithium, Phenyllithium, 4- Butylphenyllithium, 1-Naphthyllithium, p-Toluyllithium, Lithiumamide sekundärer Amine wie
Lithiumpyrrolidid, Lithiumpiperidid, Lithiumhexamethylenimid, Lithiumdiphenylamid. Diese Lithiumamide können auch in situ durch Reaktion einer Organolithiumverbindung mit sekundären Aminen hergestellt werden. Des Weiteren können auch di- und polyfunktionelle Organolithiumverbindungen eingesetzt werden, wie z.B. 1,4-Dilithiobutan, Dilithiumpiperazid. Bevorzugt werden «-Butyllithium und sec-Butyllithium eingesetzt.
Zusätzlich können die bekannten Randomizer und Kontrollagenzien für die Mikrostruktur des Polymers verwendet werden, wie z.B. Diethylether, Di-n-propylether, Diisopropylether, Di-«- butylether, Ethylenglykoldimethylether, Ethylenglykoldiethylether, Ethylengykoldi-n-butylether, Ethylengykoldi-fert-butylether, Diethylenglykoldimethylether, Diethylenglykoldiethylether, Diethylenglykoldi-«-butylether, Diethylenglykoldi-ferf-butylether, 2-(2-Ethoxyethoxy)-2-methyl- propan, Triethylenglykoldimethylether, Tetrahydrofüran. Ethyltetrahydrofürfurylether, Hexyltetra- hydrofurfurylether. 2,2-Bis(2-tetrahydrofüryl)propan, Dioxan, Trimethylamin. Triethylamin, N^N^'-Tetramemylethylendiamin, N-Methylmo holin, Ν-Εΐΐινΐιηοφΐιοΐίη, 1,2-Dipiperi- dinoethan, 1,2-Dipyrrolidinoethan, l,2-Dimoφholinoethan sowie Kalium- und Natriumsalze von Alkoholen, Phenolen, Carbonsäuren, Sulfonsäuren.
Derartige Lösungspolymerisationen sind bekannt und z.B. in I. Franta, Elastomers and Rubber Compounding Materials; Elsevier 1989, Seite 1 13 - 131, in Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Thieme Verlag, Stuttgart, 1961, Band XIV/1 Seiten 645 bis 673 oder im Band E 20 (1987) , Seiten 114 bis 134 und Seiten 134 bis 153 sowie in Comprehensive Polymer Science, Vol. 4, Part II (Pergamon Press Ltd., Oxford 1989), Seiten 53-108 beschrieben.
Die Herstellung der bevorzugten Dienhomo- und Diencopolymere findet vorzugsweise in einem Lösungsmittel statt. Als Lösungsmittel für die Polymerisation werden vorzugsweise inerte aprotische Lösungsmittel, wie z.B. paraffinische Kohlenwasserstoffe, wie isomere Butane, Pentane, Hexane, Heptane, Octane, Decane, Cyclopentan, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Ethylcyclohexan oder 1,4-Dimethylcyclohexan oder aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol, Ethyl- benzol, Xylol. Diethylbenzol oder Propvlbenzol eingesetzt. Diese Lösungsmittel können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Bevorzugt sind Cyclohexan und n-Hexan. Ebenfalls möglich ist die Abmischung mit polaren Lösungsmitteln. Die Menge an Lösungsmittel beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren üblicherweise 100 bis 1000 g, bevorzugt 200 bis 700 g, bezogen auf 100 g der gesamten Menge an eingesetztem Monomer. Es ist aber auch möglich, die eingesetzten Monomere in Abwesenheit von Lösungsmitteln zu polymerisieren.
Die Polymerisation kann in der Weise durchgeführt werden, dass zuerst die Monomere und das Lösungsmittel vorgelegt werden und dann die Polymerisation durch Zugabe des Initiators oder Katalysators gestartet wird. Es ist auch möglich in einem Zulaufverfahren zu polymerisieren, bei dem der Polymerisationsreaktor durch Zugabe von Monomeren und Lösungsmittel befüllt wird, wobei der Initiator oder Katalysator vorgelegt wird oder mit den Monomeren und dem Lösungsmittel zugegeben wird. Variationen, wie Vorlegen des Lösungsmittels im Reaktor, Zugabe des Initiators oder Katalysators und dann Zugabe der Monomere sind möglich. Weiterhin kann die Polymerisation in einer kontinuierlichen Fahrweise betrieben werden. Weitere Monomer- und Lösungsmittelzugabe während oder am Ende der Polymerisation ist in allen Fällen möglich.
Die Polymerisationszeit kann in breiten Bereichen von einigen Minuten bis zu einigen Stunden schwanken. Üblicherweise wird die Polymerisation innerhalb einer Zeitspanne von etwa 10 Minuten bis zu 8 Stunden, bevorzugt 20 Minuten bis 4 Stunden, durchgeführt. Sie kann sowohl bei Normaldruck als auch bei erhöhtem Druck (1 bis 10 bar) durchgeführt werden.
Es wurde überraschend festgestellt, dass durch die Verwendung von einem oder mehreren 1-Oxa- 2-silacycloalkanen als Funktionalisierungsreagenzien Endgruppen fünktionalisierte Polymere hergestellt werden können, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen. Beispielsweise können Kopplungen durch Mehrfachreaktionen am Funktionalisierungsreagenz, Abspaltung von störenden Komponenten sowie Kopplungen durch Ausbildung von Si-O-Si- Bindungen bei der Aufarbeitung und Lagerung nicht stattfinden.
Bei den l-Oxa-2-silacycloalkanen handelt es sich um Verbindungen der allgemeinen Formel (III)
wobei
R1, R2, R\ R4 gleich oder verschieden sind und für H. Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-, Alkaryl- und
Aralkylreste stehen, die Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten können. A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H Heteroatome wie O, N, S,
Si enthalten kann.
Das Si-Atom der Formel (III) ist dabei monofünktionell, wobei unter monofunktionell zu verstehen ist, dass das Si-Atom drei Si-C -Bindungen und eine Si-O-Bindvmg aufweist.
Beispiele für Verbindungen der Formel (III) sind:
2,2-Dimethyl- 1 -oxa-2-silacyclohexan
2,2-Diethyl- 1 -oxa-2-silacyclohexan
2.2 -Dipropyl- 1 -oxa-2 -silacy clohexan
2-Methyl-2-phenyl- 1 -oxa-2-silacyclohexan
,2-Diphenyl- 1 -oxa-2-silacyclohexan
2,2,5, 5 -Tetramethyl- l-oxa-2-silacyclohexan
2,2,3-Trimethyl-l-oxa-2-silacyclohexan
2,2-Dimethyl- 1 -oxa-2-silacyclopentan
2,2,4-Trimethyl- 1 -oxa-2-silacyclopentan 2,2-Dimethyl- 1 ,4-dioxa-2-silacyclohexan
2,2,5, 5-Tetramethyl-l,4-dioxa-2,5-disilacyclohexan
2,2,4-Trimethyl- 1 -oxa-4-aza-2-silacyclohexan
Benzo-2,2-dimethyl- 1 ,4-dioxa-2-silacyclohexan
Benzo-2,2,4-trimethyl- 1 -oxa-4-aza-2-silacyclohexan Es wurde festgestellt, dass die erfmdungsgemäßen Endgruppen funktionalisierten Polymere durch Reaktion von reaktiven Polymerkettenenden mit l-Oxa-2-silacycloalkanen und gegebenenfalls nachfolgender Protonierung der Alkoholat-Endgruppe zum Alkohol hergestellt werden können.
Somit ist auch die Verwendung von l-Oxa-2-silacycloalkanen als Funktionalisierungsreagenzien zur Herstellung der erfindungsgemäßen Endgruppen funktionalisierten Polymere mit Endgruppen der Formel (I) oder (II) Gegenstand der Erfindung.
Die erfindungsgemäßen Endgruppen funktionalisierten Polymere weisen vorzugsweise mittlere Molgewichte (Zahlenmittel) von 10000 bis 2000000 g/mol, bevorzugt 100000 bis 1 000000 g/mol und Glasübergangstemperaturen von -1 10°C bis +20°C, bevorzugt -1 10°C bis 0°C, sowie Mooney- Viskositäten ML 1+4 ( 100°C) von 10 bis 200, vorzugsweise 30 bis 150 Mooney-Einheiten auf.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Endgruppen funktionalisierten Polymere, wonach eine oder mehrere Verbindungen der Formel (III), als Reinstoff, Lösung oder Suspension, zu Polymeren mit reaktiven Polymerkettenenden gegeben werden. Die Zugabe erfolgt bevorzugt nach Abschluss der Poly merisation; sie kann aber auch vor vollständigem Monomerumsatz erfolgen. Die Reaktion von Verbindungen der Formel (III) mit Polymeren mit reaktiven Polymerkettenenden erfolgt bei den üblicherweise für die Polymerisation verwendeten Temperaturen. Die Reaktionszeiten für die Umsetzung von Verbindungen nach Formel (III) mit den reaktiven Polymerkettenenden kann zwischen einigen Minuten bis mehreren Stunden liegen. Die Menge dieser Verbindungen kann so gewählt werden, dass alle reaktiven Polymerkettenenden mit Verbindungen der Formel (III) reagieren, oder es kann ein Unterschuss dieser Verbindungen eingesetzt werden. Die eingesetzten Mengen der Verbindungen nach Formel (III) können einen weiten Bereich abdecken. Die bevorzugten Mengen liegen zwischen 0,005 - 2 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,01 - 1 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Polymer. Zusätzlich zu Verbindungen nach Formel (III) können auch die für die anionische Dienpolymerisation ty pischen Kopplungsreagenzien zur Reaktion mit den reaktiven Polymerkettenenden eingesetzt werden. Beispiele für solche Kopplungsreagenzien sind Siliciumtetrachlorid, Methyltrichlorsilan, Dimethyldichlorsilan, Zinntetrachlorid, Dibutylzinn- dichlorid, Tetraalkoxysilane, Ethylenglykoldiglycidylether, l,2,4-Tris(chlormethyl)benzol. Solche Kopplungsreagenzien können vor den Verbindungen der Formel (III) zugesetzt werden, zusammen mit diesen oder nach diesen. Nach erfolgter Zugabe von Verbindungen der Formel (III) und gegebenenfalls von Kopplungsreagenzien werden vor oder während der Aufarbeitung der erfindungsgemäßen silanhaltigen carbinolterminierten Polymere bevorzugt die üblichen Alterungsschutzmittel, wie sterisch gehinderte Phenole, aromatische Amine, Phosphite, Thioether, zugesetzt. Weiterhin können die üblichen, für Dienkautschuke verwendeten Strecköle, wie DAE (Distillate Aromatic Extract)-, TDAE (Treated Distillate Aromatic Extract)-, MES (Mild Extraction Solvates)-, RAE (Residual Aromatic Extract)-, TRAE (Treated Residual Aromatic Extract)-, naphthenische und schwere naphthenische Öle zugegeben werden. Auch die Zugabe von Füllstoffen, wie Ruß und Kieselsäure, Kautschuken und Kautschukhilfsmitteln ist möglich. Die Entfernung des Lösungsmittels aus dem Polymerisationsprozess kann nach den üblichen Verfahren, wie Destillation, Strippen mit Wasserdampf oder Anlegen eines Vakuums, gegebenenfalls bei höherer Temperatur, erfolgen.
Ein weiterer Erfmdungsgegenstand ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Endgruppen funktionalisierten Polymere zur Herstellung von vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen. Vorzugsweise weisen diese vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen weitere Kautschuke, Füllstoffe, Kautschukchemikalien, Verarbeitungshilfsmittel und Strecköle auf.
Zusätzliche Kautschuke sind beispielsweise Naturkautschuk sowie Synthesekautschuke. Sofern vorhanden liegt deren Menge üblicherweise im Bereich von 0,5 bis 95, bevorzugt 10 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Polymermenge in der Mischung. Die Menge an zusätzlich zugegebenen Kautschuken richtet sich wieder nach dem jeweiligen Verwendungszweck der erfindungsgemäßen Mischungen.
Exemplarisch sind hier literaturbekannte Synthesekautschuke aufgeführt. Sie umfassen u. a. BR - Polybutadien
ABR - Butadien/Acrylsäure-Ci-C4-Alkylester-Copolymere IR - Polyisopren
E-SBR - Styrol-Butadien-Copolymerisate mit Styrolgehalten von 1-60,
vorzugsweise 20-50 Gew.-%, hergestellt durch Emulsionspolymerisation
S-SBR - Styrol-Butadien-Copolymerisate mit Styrolgehalten von 1-60,
vorzugsweise 15-45 Gew. -%, hergestellt durch Lösungspolymerisation HR Isobutylen-Isopren-Copolymerisate
NBR - Butadien- Acrylnitril-Copolymere mit Acrylnitrilgehalten von 5-60,
vorzugsweise 10-40 Gew.-%
HNBR - teilhydrierter oder vollständig hydrierter NBR-Kautschuk
EPDM - Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymerisate sowie Mischungen dieser Kautschuke. Für die Herstellung von Kfz-Reifen sind insbesondere Naturkautschuk, E-SBR sowie S-SBR mit einer Glastemperatur oberhalb von -60°C, Polybutadien- kautschuk mit hohem cis-Gehalt (> 90 %), der mit Katalysatoren auf Basis Ni, Co, Ti oder Nd hergestellt wurde, sowie Poh'butadienkautschuk mit einem Vinylgehalt von bis zu 80 % sowie deren Mischungen von Interesse.
Als Füllstoffe kommen für die erfindungsgemäßen Kautschukzusammensetzungen alle bekannten in der Kautschukindustrie verwendeten Füllstoffe in Betracht. Diese umfassen sowohl aktive als auch inaktive Füllstoffe.
Zu erwähnen sind beispielhaft: hochdisperse Kieselsäuren, hergestellt z.B. durch Fällung von Lösungen von Silikaten oder Flammenhydrolyse von Siliciumhalogeniden mit spezifischen Oberflächen von 5-1000, vorzugsweise 20-400 m2/g (BET-Oberfläche) und mit Primärteilchengrößen von 10-400 nm. Die Kieselsäuren können gegebenenfalls auch als Mischoxide mit anderen Metalloxiden, wie AI-, Mg-, Ca-, Ba-, Zn-, Zr-, Ti-Oxiden vorliegen; synthetische Silikate, wie Aluminiiunsilikat, Erdalkalisilikat wie Magnesiumsilikat oder Calciumsilikat, mit BET-Oberflächen von 20-400 m2/g und Primärteilchendurchmessern von 10-400 nm; natürliche Silikate, wie Kaolin und andere natürlich vorkommende Kieselsäure; Glasfasern und Glasfaserprodukte (Matten, Stränge) oder Mikroglaskugeln; Metalloxide, wie Zinkoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid; Metallcarbonate. wie Magnesiumcarbonat. Calciumcarbonat, Zinkcarbonat;
Metallhydroxide, wie z.B. Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid; Metallsulfate, wie Calciumsulfat, Bariumsulfat;
Ruße: Die hierbei zu verwendenden Ruße sind nach dem Flammruß-, dem Channel-, Furnace- , Gasruß-, Thermal-, Acetylenruß- oder Lichtbogenverfahren hergestellte Ruße und besitzen BET-Oberflächen von 9 - 200 m2/g, z.B. SAF-, ISAF-LS-, ISAF-HM-, ISAF-LM-, ISAF-HS- , CF-, SCF-, HAF-LS-. HAF-, HAF-HS-, FF-HS-, SPF-. XCF-, FEF-LS-, FEF-, FEF-HS-.
GPF-HS-, GPF-, APF-, SRF-LS-. SRF-LM-, SRF-HS-, SRF-HM- und MT-Ruße bzw. nach ASTM N 1 10-, N219-, N220-, N231-, N234-, N242-, N294-, N 326-, N327-, N330-, N332-, N 339-, N347-, N351-, N 356-, N358-, N375-, N472-, N539-, N550-, N568-, N650-, N 660-, N 754-, N762-, N 765-, N774-, N 787- und N990-Ruße. - Kautschukgele, insbesondere solche auf Basis von BR, E-SBR und/oder Polychloropren mit Teilchengrößen von 5 bis 1000 nm.
Bevorzugt werden als Füllstoffe hochdisperse Kieselsäuren und/oder Ruße eingesetzt.
Die genannten Füllstoffe können alleine oder im Gemisch eingesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die Kautschukzusammensetzungen als Füllstoffe ein Gemisch aus hellen Füllstoffen, wie hochdispersen Kieselsäuren, und Rußen, wobei das Mischungsverhältnis von hellen Füllstoffen zu Rußen bei 0,01 : 1 bis 50: 1 bevorzugt 0,05: 1 bis 20: 1 liegt.
Die Füllstoffe werden hierbei in Mengen im Bereich von 10 bis 500 Gew. -Teile bezogen auf 100 Gew. -Teile Kautschuk eingesetzt. Bevorzugt werden 20 bis 200 Gew. -Teile eingesetzt. In einer weiteren Ausfüliningsform der Erfindung enthalten die Kautschukzusammensetzungen noch Kautschukhilfsmittel, die beispielsweise die Verarbeitungseigenschaften der Kautschukzusammensetzungen verbessern, der Vernetzung der Kautschukzusammensetzungen dienen, die physikalischen Eigenschaften der aus den erfindungsgemäßen Kautschukzusammensetzungen hergestellten Vulkanisate für deren speziellen Einsatzzweck verbessern, die Wechselwirkung zw ischen Kautschuk und Füllstoff verbessern oder zur Anbindung des Kautschuks an den Füllstoff dienen.
Kautschukhilfsmittel sind z.B. Vernetzeragentien, wie z.B. Schwefel oder Schwefel liefernde Verbindungen, sowie Reaktionsbeschleuniger, Alterungsschutzmittel, Wärmestabilisatoren, Lichtschutzmittel, Ozonschutzmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Weichmacher, Tackifier, Treibmittel, Farbstoffe, Pigmente, Wachse. Streckmittel, organische Säuren, Silane, Verzögerer, Metalloxide, Strecköle, wie z.B. DAE (Distillate Aromatic Extract)-, TDAE (Treated Distillate Aromatic Extract)-, MES (Mild Extraction Solvates)-, RAE (Residual Aromatic Extract)-, TRAE (Treated Residual Aromatic Extract)-, naphthenische und schwere naphthenische Öle sow ie Aktivatoren. Die gesamte Menge an Kautschukhilfsmitteln liegt im Bereich von 1 bis 300 Gewichtsteilen, bezogen auf 100 Gewichtsteile an Gesamtkautschuk. Bevorzugt werden 5 bis 150 Gewichtsteile an Kautschukhilfsmitteln eingesetzt.
Die Herstellung der vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen kann in einem einstufigen oder in einem mehrstufigen Verfahren erfolgen, wobei 2 bis 3 Mischstufen bevorzugt sind. So kann z.B. die Zugabe von Schwefel und Beschleuniger in einer separaten Mischstufe z.B. auf einer Walze erfolgen, wobei Temperaturen im Bereich 30°C bis 90°C bevorzugt sind. Bevorzugt erfolgt die Zugabe von Schwefel und Beschleuniger in der letzen Mischstufe.
Für die Herstellung der vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen geeignete Aggregate sind beispielsweise Walzen. Kneter, Innenmischer oder Mischextruder.
Somit sind vulkanisierbare Kautschukzusammensetzungen enthaltend Endgruppen funktionalisierte Polymere mit Endgruppen der Formel (I) oder (II) ein weiterer Gegenstand der Erfindung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen zur Herstellung von Kautschukvulkani säten, insbesondere für die Herstellung von Reifen, insbesondere Reifenlaufflächen, die einen besonders geringen Rollwiderstand bei hoher Nassrutschfestigkeit und Abriebbeständigkeit aufweisen.
Die erfindungsgemäßen vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen eignen sich auch zur Herstellung von Formkörpern, z.B. für die Herstellung von Kabelmänteln, Schläuchen, Treibriemen, Förderbändern, Walzenbelägen, Schuhsohlen, Dichtungsringen und Dämpfungselementen.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, ohne dabei limitierend zu wirken.
Beispiele
Beispiel la: Synthese von Styrol-Butadien-Copolymer (Vergleichsbeispiel)
Ein inertisierter 20L-Reaktor wurde mit 8,5 kg Hexan, 1125 g 1,3-Butadien, 375 g Styrol, 28 mmol 2,2-Bis(2-tetrahydrofiiryl)propan sowie 10 mmol Butyllithium befüllt und der Inhalt auf 70°C erwärmt. Es wurde unter Rühren lh bei 70°C polymensiert. Anschließend wurde die Kautschuklösung abgelassen, durch Zugabe von 3 g Irganox® 1520 (2,4-Bis(octylthiomethyl)-6-methylphenol) stabilisiert und das Lösungsmittel durch Strippen mit Wasserdampf entfernt. Die Kautschukkrümel wurden bei 65°C im Vakuum getrocknet. Vinyl-Gehalt (IR-spektroskopisch): 51.5 Gew.-%; Styrol-Gehalt (IR-spektroskopisch): 24,7 Gew.-%, Glasübergangstemperatur (DSC): -16°C; zahlenmittleres Molekulargewicht Mn (GPC, PS-Standard): 242 kg/mol; Mw/Mn: 1,30; Mooney- Viskosität (ML1+4 bei 100°C): 71 ME
Beispiel lb: Synthese von silanhaltigem carbinoltenniniertem Styrol-Butadien-Copolymer
(erfindungsgemäß)
Ein inertisierter 20L-Reaktor wurde mit 8,5 kg Hexan, 1125 g 1,3-Butadien, 375 g Styrol, 28 mmol 2,2-Bis(2-tetrahydrofuryl)propan sowie 10 mmol Butyllithium befüllt und der Inhalt auf 70°C erwärmt. Es wurde unter Rühren lh bei 70°C polymerisiert. Danach wurden 11 mmol (1,43 g) 2,2- Dimethyl-l-oxa-2-silacyclohexan zugegeben und der Reaktorinhalt weitere 20 min auf 70°C erwännt. Anschließend wurde die Kautschuklösung abgelassen, durch Zugabe von 3 g Irganox® 1520 stabilisiert und das Lösungsmittel durch Strippen mit Wasserdampf entfernt. Die Kautschukkrümel wurden bei 65°C im Vakuum getrocknet.
Vinyl-Gehalt (IR-spektroskopisch): 51,2 Gew.-%; Styrol-Gehalt (IR-spektroskopisch): 24,8 Gew.-%, Glasübergangstemperatur (DSC): -15°C; zahlenmittleres Molekulargewicht Mn (GPC, PS-Standard): 261 kg/mol; Mw/Mn: 1,17; Mooney-Viskosität (ML1+4 bei 100°C): 73 ME Beispiel lc: Synthese von silanhaltigem carbinolterminiertem Slyrol-Butadien-Coporymer
(erfindungsgemäß)
Ein inertisierter 20L-Reaktor wurde mit 8,5 kg Hexan, 1125 g 1,3-Butadien, 375 g Styrol, 28 mmol 2,2-Bis(2-tetrahydrofuryl)propan sowie 10,5 mmol Bulyllithium befüllt und der Inhalt auf 70°C erwärmt. Es wurde unter Rühren lh bei 70°C polymerisiert. Danach wurden 11,6 mmol (1,69 g) 2,2,4- Trimemyl-l-oxa-4-aza-2-silacyclohexan zugegeben und der Reaktorinhalt weitere 20 min auf 70°C erwärmt. Anschließend wurde die Kautschuklösung abgelassen, durch Zugabe von 3 g Irganox® 1520 stabilisiert und das Lösungsmittel durch Strippen mit Wasserdampf entfernt. Die Kautschukkrümel wurden bei 65°C im Vakuum getrocknet.
Vinyl-Gehalt (IR-spektroskopisch): 51,3 Gew.-%; Styrol-Gehalt (IR-spektroskopisch): 25,4 Gew.-%, Glasübergangstemperatur (DSC): -17°C; zahlenmittleres Molekulargewicht Mn (GPC, PS-Standard): 233 kg/mol; Mw/Mn: 1,18; Mooney- Viskosität (ML1+4 bei 100°C): 69 ME
Beispiele 2 a-c: Kautschukzusammensetzungen
Es wurden Reifenlaufflächenkautschukzusammensetzungen hergestellt, die das Styrol-Butadien- Copolymer aus Beispiel la als Vergleichsbeispiel (Kautschukzusammensetzung 2a), sowie die erfindungsgemäßen silanhaltigen carbinolterminierten Styrol -Butadien-Copolymere aus Beispiel lb und lc (Kautschukzusammensetzungen 2b und 2c) enthalten. Die Bestandteile sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Kautschukzusammensetzungen (ohne Schwefel und Beschleuniger) wurden in einem 1,5-L Kneter hergestellt. Die Bestandteile Schwefel und Beschleuniger wurden anschließend auf einer Walze bei 40°C zugemischt.
Tabelle 1: Bestandteile der Reifenlaufflächenkautschukzusammensetzungen (Angaben in phr: Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteile Kautschuk)
Die Reifenlaufflächenkautschukzusammenetzungen der Beispiele 2a-c nach Tabelle 1 wurden 20 Minuten bei 160°C vulkanisiert. Die Eigenschaften der entsprechenden Vulkanisate sind in Tabelle 2 als Beispiele 3a-c aufgeführt.
Tabelle 2: Vulkanisateigenschaften
Für Reifenanwendungen wird ein niedriger Rollwiderstand benötigt, der dann gegeben ist, wenn im Vulkanisat ein hoher Wert für die Rückprallelastizität bei 60°C sowie ein niedriger tan5-Werte in der dynamischen Dämpfung bei hoher Temperatur (60°C) und ein niedriges tan δ-Maximum im Amphtudensweep gemessen werden. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zeichnen sich die Vulkanisate der erfindungsgemäßen Beispiele 3b und 3c durch eine hohe Rückprallelastizität bei 60°C, einen niedrigen tan5-Werte in der dynamischen Dämpfimg bei 60°C sowie ein niedriges tan δ-Maximum im Amphtudensweep aus.
Für Reifenanwendungen wird zudem eine hohe Nassrutschfestigkeit benötigt, die dann gegeben ist. wenn das Vulkanisat einen hohen tanö-Werte in der dynamischen Dämpfimg bei tiefer Temperatur (0°C) aufweist. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zeichnen sich die Vulkanisate der erfindungsgemäßen Beispiele 3b und 3c durch einen hohen tan8-Werte in der dynamischen Dämpfung bei 0°C aus.
Des Weiteren ist für Reifenanwendungen eine hohe Abriebfestigkeit notwendig. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, zeichnen sich die Vulkanisate der erfindungsgemäßen Beispiele 3b und 3c durch einen geringen DIN-Abrieb aus.

Claims

Patentansprüche
1. Endgruppen funktionalisierte Polymere, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere am Kettenende eine silanhaltige Carbinolgruppe der Formel (I)
aufweisen, wobei
R1, R2. R3, R4 gleich oder verschieden sind und ein H, Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-,
Alkaryl- und Aralkylreste darstellen, die Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten können,
A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H
Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten kann.
Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endgruppen der Polymere als Metallsalze der Formel (II)
vorliegen, wobei
R1, R2, R3, R4 gleich oder verschieden sind und ein H, Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-,
Alkaryl- und Aralkylreste darstellen, die Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten können, A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H Heteroatome wie 0, N, S, Si enthalten kann, n eine ganze Zahl von 1 bis 4 ist,
M ein Metall oder Halbmetall der Wertigkeit 1 bis 4 ist, vorzugsweise Li,
Na, K, Mg, Ca, Fe, Co, Ni, AI, Nd, Ti, Si, Sn.
Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Polymeren um Dienpolymere oder durch Copolymerisation von Dienen mit vinylaromatischen Monomeren erhältliche Dien-Copolymere handelt.
Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, dass das Dienpolymer ein Polybutadien, ein Polyisopren, ein Butadien-Isopren-Copolymer, ein Butadien-Styrol-Copolymer, ein Isopren-Styrol-Copolymer oder ein Butadien-Isopren- Styrol-Terpolymer ist.
Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Funktionalisierungsreagenz ein oder mehrere 1 -Oxa-2-silacycloalkane eingesetzt werden.
Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den l-Oxa-2-silacycloalkanen um Verbindungen der allgemeinen Formel (III)
handelt, wobei
R1, R2,R3, R4 gleich oder verschieden sind und für H, Alkyl-, Cycloalkyl-, Aryl-,
Alkaryl- und Aralkylreste stehen, die Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten können.
A für einen divalenten organischen Rest steht, der neben C und H
Heteroatome wie O, N, S, Si enthalten kann.
7. Endgruppen fünktionalisierte Polymere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere mittlere Molgewichte (Zahlenmittel) von 10000 bis 2000000 g/mol, bevorzugt 100000 bis 1 000000 g/mol aufweisen.
8. Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere Glasübergangstemperaturen von -1 10°C bis +20°C, bevorzugt -1 10°C bis 0°C aufweisen.
9. Endgruppen funktionalisierte Polymere nach Anspmch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere Mooney-Viskositäten [ML 1+4 (100°C)] von 10 bis 200, vorzugsweise 30 bis 150 Mooney-Einheiten aufweisen.
10. Verwendung von l-Oxa-2-silacycloalkanen als Funktionalisierungsreagenzien zur Herstellung von Endgruppen funktionalisierten Polymeren nach Anspruch 1 oder 2.
11. Verfahren zur Herstellung von Endgruppen funktionalisierten Polymeren, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere l-Oxa-2-silacycloalkane (Funktionalisierungsreagenzien) zu Polymeren mit reaktiven Polymerkettenenden zugegeben werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der Funktionalisierungsreagenzien nach Abschluss der Polymerisation erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überschuss an Funktionalisierungsreagenzien eingesetzt wird.
14. Verfahren nach Anspmch 1 1. dadurch gekennzeichnet, dass stöchiometrische Mengen oder ein Unterschuss an Funktionalisierungsreagenzien eingesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge an Funktionalisierungsreagenzien zwischen 0,005 - 2 Gew.-%, bevorzugt zwischen 0,01 - 1 Gew.-%, bezogen auf die Menge an Polymer mit reaktiven Polymerkettenenden, liegt.
16. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kopplungsreagenzien zur Umsetzung mit den reaktiven Poh merkettenenden eingesetzt werden.
17. Verwendung von Endgruppen funktionalisierten Polymeren nach einem der vorgenannten Ansprüche zur Herstellung von vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen.
18. Vulkanisierbare Kautschukzusammensetzungen nach Anspmch 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie Altemngsschutzmittel, Öle. Füllstoffe, Kautschuke und/oder Kautschukhilfsmittel aufweisen.
19. Vulkanisierbare Kautschukzusammensetzungen enthaltend Endgruppen funktionalisierte Polymere mit Endgruppen der Formel (I) oder (II).
20. Verwendung der vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen nach Anspruch 19 zur Herstellung von Reifen, insbesondere Reifenlaufflächen. 21. Verwendung der vulkanisierbaren Kautschukzusammensetzungen nach Anspruch 19 zur
Herstellung von Formkörpern, insbesondere Kabelmänteln, Schläuchen, Treibriemen, Förderbändern, Walzenbelägen, Schuhsohlen, Dichtungsringen und Dämpfungselementen.
22. Reifen erhältlich nach Anspruch 20.
23. Formkörper erhältlich nach Anspruch 21.
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