ES2232373T3 - Composicion de caucho vulcanizable para la fabricacion de un neumatico y neumatico cuya banda de rodadura comprende tal composicion. - Google Patents

Composicion de caucho vulcanizable para la fabricacion de un neumatico y neumatico cuya banda de rodadura comprende tal composicion.

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ES2232373T3 ES00127057T ES00127057T ES2232373T3 ES 2232373 T3 ES2232373 T3 ES 2232373T3 ES 00127057 T ES00127057 T ES 00127057T ES 00127057 T ES00127057 T ES 00127057T ES 2232373 T3 ES2232373 T3 ES 2232373T3
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Abstract

Composición de caucho vulcanizable que se puede utilizar para la fabricación de una cubierta de neumático, comprendiendo dicha composición una carga blanca reforzante caracterizada porque comprende al menos un copolímero diénico de bloques, destinado a interactuar con dicha carga blanca reforzante, y que comprende en al menos uno de sus extremos de cadena de un bloque polisiloxano que termina en un grupo trialquilsililo, respondiendo dicho bloque a la fórmula: [-(SiR1R2O)-]x-SiR3R4R5, en donde R1, R2, R3, R4 y R5 representan grupos alquilo que tienen de 1 a 20 átomos de carbono y donde x es un número entero natural no nulo.

Description

Composición de caucho vulcanizable para la fabricación de un neumático y neumático cuya banda de rodadura comprende tal composición.
La presente invención se refiere a una composición de caucho vulcanizable que se puede utilizar para la fabricación de cubiertas de neumáticos, un proceso de preparación de esta composición y una cubierta de neumático cuya banda de rodadura consta de dicha composición, la cual presenta unas propiedades de histéresis y físicas mejoradas en el estado vulcanizado sin dejar de conservar unas propiedades de utilización satisfactorias en el estado no vulcanizado.
Desde que la economización de carburante y la necesidad de preservar el medio ambiente se han convertido en una prioridad, es aconsejable producir mezclas que posean buenas propiedades mecánicas y una histéresis lo más fiable posible para poder aplicarlas en forma de composiciones de caucho utilizables para la fabricación de varios productos semiacabados que entran en la composición de cubiertas de neumático, como por ejemplo capas inferiores, flancos y bandas de rodadura, con el fin de obtener unos neumáticos que posean una resistencia reducida a la rodadura.
Para alcanzar este objetivo se han propuesto muchas soluciones que consisten básicamente en modificar la estructura de polímeros y copolímeros diénicos al final de la polimerización mediante agentes de funcionalización, de acoplamiento o formación de estructura de estrella. La inmensa mayoría de estas soluciones se ha concentrado en la utilización de polímeros funcionalizados que son activos frente al negro de carbono, para de este modo obtener una buena interacción entre el polímero así modificado y el negro de carbono.
Como ejemplo ilustrativo de la técnica que acabamos de exponer, relativa a las cargas reforzantes constituidas por negro de carbono, se puede citar el documento de la patente de EE.UU. US-A-3.135.716, la cual describe la reacción de polímeros diénicos vivos en el final de cadena con un agente orgánico polifuncional para obtener polímeros con propiedades mejoradas. Asimismo, se puede citar el documento de la patente de EE.UU. US-A-3.244.664, que describe la utilización de tetraalcoxisilanos como agentes de acoplamiento o de formación de estructura de estrella de polímeros diénicos.
La utilización de sílice como carga reforzante en composiciones de caucho vulcanizables, especialmente orientadas a entrar en la constitución de bandas de rodadura de neumático, es antigua. No obstante, hoy en día esta utilización es muy limitada debido al nivel insatisfactorio de ciertas propiedades físicas de tales composiciones, concretamente la resistencia a la abrasión.
Por este motivo, para paliar estos inconvenientes, se ha propuesto utilizar polímeros diénicos funcionalizados en lugar de los polímeros no funcionalizados que se utilizaban anteriormente, y más concretamente polímeros funcionalizados por derivados de alcoxisilanos, como los tetraetoxisilanos. A tal efecto, se puede hacer referencia al documento de la patente de EE.UU. US-A-5.066.721, que describe un compuesto de caucho con un polímero diénico funcionalizado por un alcoxisilano que cuenta con al menos algún resto alcoxilo no hidrolizable, lo cual permite la eliminación del disolvente de polimerización por un arrastre con vapor de agua.
Un inconveniente de estas reacciones de funcionalización reside en las reacciones de acoplamiento que las acompañan, lo cual impone por lo general el uso de un exceso de alcoxisilano y/o un mezclamiento intenso, con el fin de minimizar dichas reacciones de acoplamiento.
Otro inconveniente de estas reacciones reside en la aplicación ulterior de la operación de arrastre con vapor de agua, la cual es necesaria para eliminar el disolvente de polimerización.
En efecto, el experimento revela que generalmente los polímeros funcionalizados obtenidos sufren evoluciones de macroestructuras durante esta operación de arrastre con vapor de agua, lo cual conduce a una acusada degradación de sus propiedades, a menos que uno se limite a utilizar, en calidad de agente de funcionalización, un alcoxisilano que pertenezca a una familia restringida, como la descrita en el citado documento US-A-5.066.721.
Por consiguiente, se concluye a raíz de lo expuesto que la utilización de polímeros diénicos que comprenden una función alcoxisilano para obtener composiciones de caucho que contengan sílice en calidad de carga reforzante no es satisfactoria, pese a las propiedades físicas mejoradas de estas composiciones.
Ésta es la razón por la cual se han llevado a cabo investigaciones sobre otras reacciones de funcionalización, siempre con vistas a obtener dichas composiciones de caucho.
A modo de ejemplo, cabe citar el documento de la patente francesa FR-A-2.740.778 a nombre de la empresa solicitante, que divulga la utilización de polímeros diénicos que llevan en su extremo de cadena de una función silanol o un bloque polisiloxano que tiene un extremo silanol. Se utiliza por ejemplo un agente de funcionalización constituido por un polisiloxano cíclico, tal como hexametilciclotrisiloxano. Los polímeros funcionalizados obtenidos se pueden separar de la mezcla de reacción que conduce a su formación mediante una extracción con vapor de agua del disolvente sin que evolucione su macroestructura, y por lo tanto sus propiedades físicas.
Estos polímeros funcionalizados están destinados a ser incorporados en composiciones vulcanizadas que contengan sílice en mayor medida como carga reforzante, por ejemplo que contengan una mezcla de sílice y negro de carbono. Se ha podido establecer que estos polímeros confieren propiedades para la elaboración del caucho, en especial de histéresis y de refuerzo en estado vulcanizado, que están mejoradas en comparación con las de las composiciones testigos a base de polímeros diénicos no funcionalizados, y que son al menos análogas a las propiedades de las composiciones a base de polímeros diénicos que contienen una función alcoxisilano.
Sin embargo, resulta que dicha mejora en estado vulcanizado de las propiedades de histéresis y de refuerzo va acompañada, en estado no vulcanizado, de un aumento de la viscosidad Mooney de las composiciones ensayadas en comparación con dichas composiciones testigos, es decir, de una capacidad reducida para su empleo.
El objetivo de esta invención es remediar este estado de hecho, y se alcanza gracias al sorprendente hallazgo de la empresa solicitante, que acaba de descubrir de una manera sorprendente que una composición de caucho que contiene una carga blanca reforzante y al menos un copolímero diénico de bloques destinado a interactuar con dicha carga blanca reforzante, y que contiene en al menos uno de sus extremos de cadena un bloque polisiloxano terminado por un grupo trialquilsililo, respondiendo dicho bloque a la fórmula:
[-(SiR1R2O)-]x-SiR3R4R5,
en donde R1, R2, R3, R4 y R5 representan grupos alquilo que tienen de 1 a 20 átomos de carbono y en donde x es un número entero natural no nulo,
conduce a propiedades de histéresis con pequeñas y grandes deformaciones comparables a las alcanzadas con los polímeros diénicos funcionalizados anteriormente citados, a la vez que conduce a propiedades de empleo en estado no vulcanizado que resultan especialmente ventajosas, pues son cercanas a las obtenidas con un compuesto a base de un polímero diénico no funcionalizado.
Preferentemente, el peso molecular del bloque o de cada bloque de polisiloxano está comprendido entre 500 y 5.000 g/mol.
Dicho copolímero diénico de bloques se obtiene por reacción de un primer reactivo, constituido por un polímero diénico, con un segundo reactivo constituido por un polisiloxano funcionalizado. Hay que señalar que esta reacción se puede realizar de forma continua o discontinua.
Dicho copolímero de bloques se puede obtener de dos modos diferentes:
- el primer modo consiste en la reacción de un polímero diénico vivo con un grupo polisiloxano que tiene una función Si-Cl en el extremo de la cadena. De forma más precisa, se injerta sobre este polímero vivo otro polímero que contiene polisiloxano y que se obtiene por vía aniónica mediante un catalizador que consta de un grupo alquilo a modo de carbanión.
- El segundo modo consiste en una polimerización secuenciada. Primero se polimerizan uno o varios monómeros para obtener un primer bloque constituido por un polímero diénico vivo, y se hace reaccionar este primer bloque en un disolvente polar con siloxano cíclico que se polimeriza de forma aniónica, formando al menos un segundo bloque. Tras la polimerización, el copolímero obtenido de este modo se funcionaliza mediante un trialquilclorosilano.
Para una descripción de esta polimerización secuenciada, se puede hacer referencia al documento de la patente francesa FR-A-2.740.778. A modo de ejemplo, el primero y segundo bloques se obtienen respectivamente por copolimerización de butadieno y de estireno, y por polimerización de hexametilciclotrisiloxano.
Hay que señalar que la primera forma para obtener dicho copolímero de bloques ofrece la ventaja de permitir la introducción de un disolvente polar en cantidad reducida en el medio de reacción.
* En lo que respecta al primer reactivo, se entiende por polímero diénico todo homopolímero obtenido por polimerización de un monómero diénico conjugado que tenga de 4 a 12 átomos de carbono, o bien todo copolímero obtenido por copolimerización de uno o varios dienos conjugados entre ellos o con uno o varios compuestos vinilaromáticos que tengan de 8 a 20 átomos de carbono. En el caso de los polímeros, éstos contienen de 20% a 99% en peso de unidades diénicas, y de 1% a 80% en peso de unidades vinilaromáticas.
En lo que respecta a los dienos conjugados, convienen especialmente 1,3-butadieno, 2-metil-1,3-butadieno, 2,3-di(alquilo de C_{1} a C_{5}) 1,3-butadieno, como por ejemplo 2,3-dimetil-1,3-butadieno, 2,3-dietil-1,3-butadieno, 2-metil-3-etil-1,3-butadieno, 2-metil-3-isopropil-1,3-butadieno, fenil-1,3-butadieno, 1,3-pentadieno, y 2,4-hexadieno.
En lo que respecta a los compuestos vinilaromáticos, convienen especialmente estireno, orto-metilestireno, para-metilestireno o meta-metilestireno, la mezcla comercial "vinil-tolueno", para-terciobutilestireno, metoxiestirenos, vinilmesitileno, divinilbenceno y vinilnaftaleno.
En lo que respecta al polímero diénico, convienen preferentemente:
- los polibutadienos, especialmente aquellos cuyo contenido másico en unidades 1,2 sea de 4% a 80%;
- los poliisoprenos cuya proporción de unidades vinílicas sea inferior a 80%;
- los copolímeros de butadieno-estireno, especialmente aquellos cuyo contenido másico en estireno sea por una parte de 4% a 50%, y más concretamente de 20% a 40%, y por otra parte, aquellos cuyos contenidos másicos en enlaces 1,2 y trans 1,4 sean respectivamente de 4% a 60%, y de 30% a 80%;
- los copolímeros de butadieno-isopreno, especialmente aquellos cuyo contenido másico en isopreno sea de 5% a 90% y cuya temperatura de transición vítrea (Tg) pueda variar desde -80ºC a -20ºC;
- los copolímeros de isopreno-estireno, especialmente aquellos cuyo contenido másico en estireno sea de 5% a 50% y cuya proporción en unidades vinílicas sea inferior a 90%;
- los terpolímeros de butadieno-estireno-isopreno, especialmente aquellos cuyo contenido másico en estireno sea de 5% a 50% y más concretamente de 10% a 40%, cuyo contenido másico en isopreno sea de 15% a 60%, y más particularmente de 20% a 50%, cuyo contenido másico en butadieno sea de 5% a 50%, y más particularmente de 20% a 40%, cuyo contenido másico en unidades 1,2 de la parte butadiénica sea de 4% a 85%, cuyo contenido másico en unidades trans 1,4 de la parte butadiénica sea de 6% a 80%, cuyo contenido másico en unidades 1,2 y 3,4 de la parte isoprénica sea de 5% a 70%, y cuyo contenido másico en unidades trans 1,4 de la parte isoprénica sea de 10% a 50%.
Preferentemente, el polímero diénico que constituye el primer reactivo se obtiene por vía aniónica, mediante un iniciador monofuncional o difuncional, según que se desee obtener, para dicho copolímero de bloques, un bloque polisiloxano que termine por un grupo trialquisilo en uno o en ambos extremos de la cadena respectivamente. Dicho iniciador puede estar constituido por un alquil-litio, preferentemente el n-butil-litio, o bien por amiduro de litio.
* En lo que respecta al segundo reactivo, dicho polisiloxano es portador de una función halogeno-organosilano en un extremo de la cadena, y de una función trialquisilo en el otro extremo.
Dicho segundo reactivo se obtiene, en una primera etapa, por polimerización de un siloxano cíclico catalizada mediante un compuesto organometálico que contiene un enlace carbono-metal, preferentemente un compuesto organolítico, y en una segunda etapa por la funcionalización mediante un dihalógeno-organosilano del polisiloxano así obtenido.
Preferentemente, para la obtención de este segundo reactivo se utiliza hexametilciclotrisiloxano como siloxano cíclico, n-butil-litio como iniciador y diclorodimetilsilano como agente de funcionalización del polisiloxano.
El bloque de polisiloxano, o cada uno de ellos, está entonces constituido por polidimetilsiloxano (en lo sucesivo denominado abreviadamente PDMS) que termina en un grupo trialquilsililo.
De acuerdo con variantes de preparación de este segundo reactivo, se puede utilizar como iniciador sec-butil-litio, n-propil-litio o etil-litio con el fin de obtener un polisiloxano cuyo grupo terminal trialquilsililo conste de un radical sec-butilo, n-propilo o etilo respectivamente.
De acuerdo con la invención, se obtiene una composición de caucho por mezclamiento mediante un trabajo termo-mecánico de dicho copolímero de bloques, que consta de al menos un bloque polisiloxano que termina en el grupo trialquilsililo, por un lado, con una carga blanca reforzante presente en mayor cantidad en la carga reforzante utilizada, y por otro lado con aditivos apropiados para la obtención de una composición de caucho vulcanizable.
De acuerdo con las variantes de realización para la obtención de esta composición según la invención, se utiliza dicho copolímero de bloques en mezcla con uno o varios elastómeros empleados convencionalmente en las cubiertas de neumáticos, tales como caucho natural, o bien una mezcla a base de caucho natural y de un elastómero sintético, o incluso de otro elastómero diénico eventualmente acoplado y/o con estructura de estrella, o bien parcial o completamente funcionalizado por un bloque que no sea un bloque polisiloxano terminado por un grupo trialquilsililo.
Hay que señalar que la mejora de las propiedades de la composición de caucho según la invención será tanto más elevada cuanto más reducida sea la proporción de dicho o dichos elastómeros convencionales en la composición según la invención. Ventajosamente, este o estos elastómeros convencionales, llegado el caso, podrán estar presentes en la composición según la invención en una cantidad de 1 a 70 partes en peso por cada 100 partes en peso de copolímero elastómero que comprende al menos un bloque polisiloxano terminado por un grupo trialquilsililo.
En la presente solicitud, se entiende por "carga blanca reforzante" una carga "blanca" (por ejemplo inorgánica, especialmente mineral), también denominada a veces "clara", capaz de reforzar por sí sola, únicamente a través de un acoplamiento intermedio, una composición de caucho destinado a la fabricación de neumáticos, en otras palabras capaz de reemplazar en su función de refuerzo a una carga convencional de negro de carbono de calidad para neumáticos.
Preferentemente, la carga blanca reforzante es, en su totalidad o al menos en su mayoría, sílice (SiO2). La sílice utilizada puede ser sílice reforzante bien conocida por el técnico en la materia, especialmente toda sílice precipitada o pirogénica que presente una superficie BET al igual que una superficie específica CTAB, ambas inferiores a 450 m^{2}/g, aunque son preferibles las sílices precipitadas altamente dispersables.
En la presente exposición, la superficie BET está determinada de forma conocida según el método de Brunauer-Emmet-Teller descrito en "The Journal of the American Chemical Society", Vol. 60, pág. 309, febrero de 1938, correspondiente a la norma AFNOR-NFT-45007 (noviembre 1987); la superficie específica CTAB es la superficie externa determinada según la misma norma AFNOR-NFT-45007 de noviembre de 1987.
Por sílice altamente dispersable se entiende toda sílice que tiene una aptitud muy importante para la desaglomeración y para la dispersión en una matriz elastomérica, que puede ser observada fácilmente mediante un microscopio electrónico u óptico en cortes finos. A modo de ejemplo, no limitativo, de dichas sílices altamente dispersables preferenciales cabe citar la sílice Perkasil KS 430 de la empresa Akzo, la sílice BV 3380 de la empresa Degussa, las sílices Zeosil 1165 MP y 1115 MP de la empresa Rhodia, la sílice Hi-Sil 2000 de la empresa PPG, las sílices Zeopol 8741 u 8745 de la empresa Huber y las sílices precipitadas tratadas, por ejemplo las sílices "dopadas" con aluminio descritas en la solicitud EP-A-0735088.
El estado físico en el que se presenta la carga blanca reforzante es indiferente que sea en forma de polvo, de microperlas, de gránulos o incluso en bolas. Por supuesto que también entendemos por carga blanca reforzante mezclas de diferentes cargas blancas reforzantes, en especial de sílices altamente dispersables como las descritas antes.
De acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la invención, dicha composición de caucho consta esencialmente de dicha carga blanca reforzante en calidad de carga reforzante (esto es, con una fracción másica de carga blanca reforzante en la totalidad de la carga reforzante que es superior a 50%).
Hay que señalar que la carga reforzante puede contener en mezcla, además de la o las cargas blancas reforzantes ya citadas, negro de carbono en proporción minoritaria (es decir, con una fracción másica inferior al 50%). En lo que respecta a los negros de carbono, todos convienen, especialmente los negros del tipo HAF, ISAF, AF, utilizados de forma convencional en neumáticos, y más concretamente en sus bandas de rodadura. A título de ejemplos no limitativos de estos negros de carbono, cabe citar los negros de carbono N115, N134, N234, N339, N347 y N375.
Por ejemplo, las mezclas negro de carbono/sílice o los negros de carbono parcial o integralmente recubiertos de sílice convienen para constituir la carga reforzante. Asimismo, convienen los negros de carbono modificados por sílice, tales como, a título no limitativo, las cargas comercializadas por la sociedad CABOT bajo la denominación "CRX 2000", descritas en el documento de la patente internacional WO-A-96/37547.
En el caso en que una carga reforzante sólo contenga una carga blanca reforzante y negro de carbono, la fracción másica de dicho negro de carbono en la carga reforzante será preferentemente inferior o igual a 30%.
Sin embargo, la experiencia demuestra que las mencionadas propiedades de la composición según la invención quedan mejoradas en cuanto que la carga reforzante de la cual consta contiene una fracción másica más elevada en carga blanca reforzante, y que dichas propiedades son óptimas cuando el compuesto contiene únicamente una carga blanca reforzante, por ejemplo sílice, como carga reforzante. Este último caso constituye, pues, un ejemplo de preferencia de composición de caucho según la invención.
Dicha composición de caucho según la invención consta normalmente, entre otras cosas, de un agente de unión de carga blanca reforzante/matriz elastómera (también llamado agente de acoplamiento), cuya función consiste en asegurar una unión (o acoplamiento) suficiente, de naturaleza química y/o física, entre dicha carga blanca y la matriz, a la vez que facilita la dispersión de esta carga blanca en el seno de dicha matriz.
Tal agente de unión, al menos bifuncional, tiene por ejemplo una fórmula general simplificada "Y-T-X", en la cual:
- Y representa un grupo funcional (función "Y") capaz de unirse física y/o químicamente con la carga blanca, siendo posible este enlace entre, por ejemplo, un átomo de silicio del agente de acoplamiento y los grupos hidroxilo (OH) de la superficie de la carga (por ejemplo los silanoles de superficie cuando se trata de la sílice);
- X representa un grupo funcional (función "X") capaz de unirse física y/o químicamente con el elastómero a través, por ejemplo, de un átomo de azufre;
- T representa un grupo hidrocarbonado que permite unir Y y X.
En concreto, no se deben confundir estos agentes de enlace con simples agentes de recubrimiento de la carga en cuestión, los cuales, como es conocido, pueden constar de la función Y activa frente a la carga, pero están desprovistos de la función X activa frente al elastómero.
Dichos agentes de enlace, de eficacia variable, ya han sido descritos en una gran cantidad de documentos, y resultan muy conocidos para el especialista. En realidad, se puede utilizar cualquier agente de enlace conocido que en las composiciones de caucho diénico utilizables para la fabricación de neumáticos pueda, o sea susceptible de poder, asegurar eficazmente el enlace entre sílice y elastómero diénico, tales como, por ejemplo, organosilanos, y más concretamente alcoxisilanos polisulfurados o mercaptosilanos, o bien poliorganosiloxanos portadores de las mencionadas funciones X e Y.
En concreto, se utilizan alcoxisilanos polisulfurados como los descritos en los documentos de patente US-A-3.842.111, US-A-3.873.489, US-A-3.978.103, US-A-3.997.581, US-A-4.002.594 y, más recientemente, US-A-
5.580.919, US-A-5.583.245, US-A-5.663.396, US-A-5.684.172 y US-A-5.696.197, los cuales describen de forma detallada estos conocidos compuestos.
Sin ser limitativa la definición que viene a continuación, para la composición de la invención convienen especialmente alcoxisilanos polisulfurados llamados "simétricos", que respondan a la siguiente fórmula general (I):
(I)Z-A-Sn-A-Z,
en la cual
- n es un número entero comprendido entre 2 y 8
- A es un radical hidrocarbonado divalente
- Z responde a alguna de las fórmulas siguientes:
---
\melm{\delm{\para}{R ^{2} }}{S}{\uelm{\para}{R ^{1} }}
i --- R^{1};
\hskip0.5cm
---
\melm{\delm{\para}{R ^{2} }}{S}{\uelm{\para}{R ^{1} }}
i --- R^{2};
\hskip0.5cm
---
\melm{\delm{\para}{R ^{2} }}{S}{\uelm{\para}{R ^{2} }}
i --- R^{2}
en las cuales:
- los radicales R^{1}, sustituidos o no sustituidos, idénticos o diferentes entre sí, representan un grupo alquilo de C1-C18, un grupo cicloalquilo de C5-C18 o un grupo arilo de C6-C18;
- los radicales R^{2}, sustituidos o no sustituidos, idénticos o diferentes entre sí, representan un grupo alcoxilo de C1-C18 o un grupo cicloalquilo de C5-C18.
En la fórmula (I), el número n es preferentemente un número entero de 3 a 5.
En el caso de una mezcla de alcoxisilanos polisulfurados que respondan a la fórmula (I), especialmente mezclas corrientes comerciales, el valor medio de los "n" es un número fraccionario, preferentemente comprendido entre 3 y 5, cuanto más cerca de 4 mejor.
El radical A, sustituido o no sustituido, es preferentemente un radical hidrocarbonado divalente, saturado o no saturado, que consta de 1 a 18 átomos de carbono. Convienen especialmente los grupos alquileno de C1-C18 o los grupos arileno de C6-C12, más concretamente alquilenos de C1-C10, sobre todo de C2-C4, en especial el propileno.
Los radicales R^{1} son preferentemente grupos alcoxilo de C1-C6, ciclohexilo o fenilo, especialmente grupos alquilo de C1-C8 o cicloalcoxilo de C5-C4, y más concretamente metilo y/o etilo.
Los radicales R^{2} son preferentemente grupos alcoxilo de C1-C8 o cicloalcoxilo de C5-C8, especialmente metoxilo y/o etoxilo.
Estos alcoxisilanos polisulfurados llamados "simétricos", al igual que algunos de sus procedimientos de obtención, están descritos en patentes recientes, como por ejemplo las de EE.UU. US-A-5.684.171, y US-A-5.684.172, que ofrecen una lista detallada de estos conocidos compuestos, para un valor de n que varía de 2 a 8.
El alcoxisilano polisulfurado empleado en la invención es preferentemente un polisulfuro, más concretamente un tetrasulfuro de bis(alcoxil(C1-C4)sililpropilo), preferentemente de bis(trialcoxil(C1-C4)sililpropilo), concretamente de bis(3-trietoxisililpropilo) o de bis(3-trimetoxisililpropilo).
Como ejemplo especialmente preferido, se utiliza el tetrasulfuro de bis(trietoxilisilpropilo) o TESPT, cuya fórmula es [(C2H5O)3Si(CH2)3S2]2, comercializado por la empresa Degussa con el nombre de Si69 (o X50S cuando está soportado al 50% en peso sobre negro de carbono) y por la empresa Witco con el nombre de Silquest A1289; (en ambos casos se trata de una mezcla comercial de polisulfuros con un valor medio de n cercano a 4).
El técnico en la materia sabrá ajustar el contenido del agente de acoplamiento en las composiciones de la invención en función de la aplicación deseada, de la matriz de elastómero utilizada y de la cantidad de carga blanca reforzante utilizada.
En las composiciones de caucho conforme a la invención, el contenido de agente de acoplamiento puede estar comprendido entre 0,5% y 15% en relación con la masa de carga blanca reforzante, y preferentemente dicho contenido será de 5% a 10%.
Evidentemente, el agente de acoplamiento podría haber sido injertado anteriormente (mediante la función "X") sobre el elastómero diénico de la composición de la invención, comprendiendo entonces el elastómero de este modo funcionalizado o "preacoplado" la función "Y" libre para la carga blanca reforzante. Asimismo, podría haber sido injertado anteriormente (mediante la función "Y") sobre la carga blanca reforzante, pudiendo estar posteriormente la carga, de esta forma "preacoplada", unida al elastómero diénico mediante la función libre "X".
No obstante, es preferible, sobre todo por razones de un mejor uso de las composiciones en estado no vulcanizado, utilizar el agente de acoplamiento, ya injertado en la carga blanca reforzante, o en su estado libre (es decir, no injertado).
En lo que respecta a los aditivos mencionados utilizados en esta composición, pueden incluir, entre otros, plastificantes, pigmentos, antioxidantes, ceras antiozonantes, un sistema de vulcanización a base de azufre y/o peróxido y/o bismaleimidos, aceleradores de vulcanización, aceites de dilución, y uno o varios agentes de recubrimiento de la sílice tales como alcoxisilanos, polioles o aminas.
Asimismo, el propósito de la invención es una banda de rodadura para cubierta de neumático que consta de una composición de caucho como la mencionada anteriormente.
Debido a la histéresis reducida que caracteriza a una composición según la invención en estado vulcanizado, se puede observar que una cubierta de neumático cuya banda de rodadura incluya dicha composición presenta la ventaja de una resistencia a la rodadura reducida.
Todas las características de la presente invención que se han citado, al igual que otras, serán mejor asimiladas tras la lectura de la descripción que figura a continuación de varios ejemplos de realización de la invención, de modo ilustrativo y no limitativo.
En los ejemplos que figuran a continuación, las viscosidades son viscosidades inherentes medidas en tolueno, con una concentración de 1 g/l.
I/ Ejemplos de preparación de polímeros según la invención
Ejemplo I.1
Preparación de un copolímero de dos bloques SBR y PDMS terminado por un grupo trialquilsililo, teniendo el bloque PDMS un peso molecular de 1200 g/mol y respondiendo el copolímero a la siguiente fórmula:
1
- Síntesis de un PDMS funcionalizado que comprende una función [Si(CH3)2Cl]
En un frasco provisto de una junta de estanqueidad y de una cápsula de tres agujeros, se inyectan 20 ml de tolueno y 0,045 mol de hexametilciclotrisiloxano y se añade 0,008 mol de butil-litio (solución de 0,4 mol/l en ciclohexano). La solución se agita durante una hora a 70ºC. A continuación, se añaden 50 ml de THF previamente destilado en sodio/benzofenona. Tras 75 minutos de agitación a 60ºC se añade 0,0088 mol de diclorodimetilsilano. El polímero así obtenido puede ser almacenado durante varios días en una atmósfera de nitrógeno y su peso molecular, determinado por la técnica SEC, es 1200 g/mol.
- Preparación del copolímero de dos bloques
En un reactor de 10 litros que contiene 5,8 l de tolueno desaireado se inyectan 231 g de estireno, 410 g de butadieno y 1.150 ppm de THF. Tras la neutralización de las impurezas con n-butil-litio, se añade 0,0032 mol de n-butil-litio activo. La polimerización se realiza a 40ºC.
Cuando la conversión alcanza el 75% (viscosidad de 1,40 dl/g), se inyecta en el reactor la solución de PDMS-[Si(Me)2Cl] preparada como se ha expuesto anteriormente. Se agita la solución durante 15 minutos a 40ºC. Se detiene la polimerización y se trata con un antioxidante el copolímero obtenido, respectivamente por adición de 0,8 partes por cien partes (pce) de 2,2^{1}-metilen-bis-(4-metil-6-terciobutilfenol) y de 0,2 pce de N-(1,3-dimetilbutil)-N'-fenil-p-fenileno-diamina.
Se recupera el copolímero mediante una operación sencilla de arrastre con vapor de agua del disolvente, y se seca sobre un dispositivo a 100ºC durante 10 minutos.
Tras el arrastre con vapor de agua y secado, la viscosidad inherente del copolímero (en el tolueno) es 1,53 dl/g y la viscosidad Mooney ML (1+4, 100ºC) es 36.
Un análisis del copolímero en el infrarrojo cercano revela que el SBR contiene 27% en peso de estireno. En cuanto a la fracción butadiénica, contiene 40% de encadenamientos vinílicos.
El porcentaje de cadenas acopladas (en peso), determinado por la técnica de cromatografía por exclusión de tamaño (técnica SEC), es 10%.
El peso molecular del copolímero, determinado por osmometría, es 170.000 g/mol.
Se efectúa un análisis por RMN^{1}H del copolímero de dos bloques obtenido sobre una muestra que se ha sometido a tres series de tratamientos, constituidas cada una por una coagulación en la mezcla THF-metanol (50%-50%) seguida de una repuesta en solución en tolueno. Para dicho análisis RMN^{1}H se ha utilizado un aparato comercializado con el nombre "BRUKER AC200".
El espectro RMN^{1}H de este copolímero se caracteriza por acumulación entre -0,1 y 0,1 ppm. Al determinar para este copolímero la proporción de restos -[Si(CH3)2O]- que corresponden a esta acumulación, y teniendo en cuenta el peso molecular medio numérico (Mn) del bloque PDMS (1200 g/mol) evaluado por la técnica SEC, se concluye que la proporción de copolímero que comprende un bloque PDMS es 70%.
Ejemplo I.2
Preparación de un copolímero de dos bloques SBR y PDMS terminado por un grupo trialquilsililo, teniendo el bloque PDMS un peso molecular de 4500 g/mol y respondiendo este copolímero a la siguiente fórmula:
2
- El bloque PDMS se prepara en las mismas condiciones que el descrito anteriormente, exceptuando el hecho de que en este caso la cantidad de n-butil-litio utilizada es 0,002 mol.
- El copolímero de dos bloques SBR-PDMS se prepara en las mismas condiciones que las descritas anteriormente.
La viscosidad inherente del copolímero (en tolueno), tras arrastre con vapor de agua y secado, es 1,59 dl/g.
El peso molecular medio numérico del copolímero, determinado por osmometría, es 175 000 g/mol.
Mediante una aplicación del método de análisis RMN^{1}H y del aparato correspondiente, que se han descrito en el ejemplo I.1, se determinó que la proporción de copolímero que comprende un bloque PDMS es aproximadamente 70%.
II/ Ejemplos de composiciones de caucho según la invención
En los ejemplos que figuran a continuación, las propiedades de las composiciones de la invención se evalúan de la siguiente manera:
- viscosidad Mooney ML (1+4) a 100ºC: medida según la norma ASTM: D-1646, denominada "Mooney" en las tablas;
- módulos de alargamiento al 300% (MA 300), al 100% (MA 100) y al 10% (MA 10): medidas realizadas según la norma ISO 37;
- pérdidas por histéresis (PH): medidas por rebote a 60ºC en %. La deformación para las pérdidas medidas es 35%;
- dureza SHORE A: medidas realizadas según la norma DIN 53505;
- propiedades dinámicas en cizallamiento: medidas en función de la deformación, realizadas a 10 hercios con una deformación de cresta a cresta que varía de 0,15% a 50%. La no linealidad expresada es la diferencia de módulo de cizallamiento entre 0,15% y 50% de deformación en MPa. La histéresis se expresa por la medición de la tg delta al 7% de deformación y a 23ºC, según la norma ASTM D2231-71 (reaprobada en 1977).
Ejemplo II.1
En este ejemplo se han estudiado las contribuciones de cuatro elastómeros, "SBR A, SBR B, SBR C y SBR D", respectivamente en el interior de composiciones de caucho A, B, C y D, del tipo de banda de rodadura para el neumático de un turismo y con únicamente sílice como carga reforzante. Estos cuatro elastómeros presentan las siguientes características:
- SBR A es un SBR testigo sintetizado conforme al ejemplo I.1 según la invención, exceptuando la detención de la reacción de polimerización que se realizó con metanol;
- SBR B es un SBR que presenta una función dimetilsilanol, la cual se obtiene por adición de hexametolciclotrosiloxano cuando la proporción de conversión de los monómeros alcanza el 70% (para una descripción de esta funcionalización, se puede hacer referencia al documento de la patente francesa FR-A-2.740.778);
- SBR C es un SBR según la invención cuya síntesis se ha descrito en el ejemplo I.1;
- SBR D es un SBR que se obtiene por polimerización aniónica de hexametilciclotrisoloxano, después de una copolimerización de estireno y de butadieno (véase el documento de la patente francesa FR-A-2.740.778, página 15). Este SBR D consta de un bloque PDMS terminado por una función dimetilsilanol y presenta un peso molecular igual a 4.500 g/mol.
La formulación utilizada para cada uno de estos cuatro compuestos A, B, C y D es la siguiente (todas las partes se expresan en peso):
Elastómero 100
Sílice (1) 80
Aceite aromático (2) 40
Agente de relación (3) 6,4
ZnO 2,5
Ácido esteárico 1,5
Antioxidante (4) 1,9
Cera antiozonante (5) 1,5
Azufre 1,1
Sulfenamida (6) 2
Difenilguanidina 1,5
siendo:
(1)= sílice ZEOSIL 1165 de Rhône-Poulenc;
(2)= aceite comercializado con el nombre Enerflex 65;
(3)= agente de enlace Si69 Degussa
(4)= N-(1,3-dimetil-butil)n-N'-fenil-p-fenilenediamina
(5)= cera C32ST
(6)= N-ciclohexil-2-benzotiazilsufenamida
Cada composición A, B, C y D está preparada de acuerdo con el método descrito en el documento de la patente europea EP-A-501227, precisándose que se efectúa un trabajo termo-mecánico en dos etapas que duran respectivamente 5 min y 4 min, a una velocidad media de las paletas de 45 rpm, hasta alcanzar una temperatura máxima de caída idéntica de 160ºC, mientras que la etapa de incorporación del sistema vulcanizante se realiza en el "homoacabador" a 30ºC.
La vulcanización se realiza a 150ºC durante 40 min.
Los resultados se exponen en la tabla 1.
TABLA 1
3
De estos resultados se deduce que en una mezcla de sílice, y en lo que respecta a las propiedades al estado vulcanizado, el SBR C de acuerdo con la invención confiere al compuesto C unas propiedades de refuerzo superiores a las obtenidas con el SBR testigo A. Ocurre lo mismo en el caso del SBR B y del SBR D en relación con el SBR A.
Además, hay que señalar que las propiedades de histéresis a débiles y fuertes deformaciones de la composición C según la invención están, por un lado, claramente mejoradas en comparación con dichas propiedades de la composición testigo A, y, por otro lado, están cercanas a las propiedades de las composiciones B y D.
En lo que respecta el estado no vulcanizado, hay que señalar que la composición C de la invención presenta una viscosidad Mooney inferior a la de las composiciones B y D, próxima a la de la composición testigo A.
Por consiguiente, la composición C de la invención presenta una aptitud para el empleo, mejorada en comparación con las de las composiciones B y D, a elastómeros funcionalizados clásicos, y es sensiblemente del mismo orden que la de la composición A para elastómero no funcionalizado.
En otras palabras, resulta que la incorporación a una composición de caucho de un elastómero según el ejemplo I.1 de la invención, como el SBR C, permite obtener para esta composición unas propiedades de elaboración de caucho claramente mejoradas en comparación con las de una composición para elastómero no funcionalizado, como el SBR A, sin dejar de presentar en relación con esta última composición una facilidad de aplicación análoga.
Ejemplo II.2
En este ejemplo se han estudiado las contribuciones de tres de los cuatro elastómeros SBR A, SBR B, SBR C y de un segundo elastómero según la invención SBR E, respectivamente en el interior de composiciones de caucho A, B, C y E, siempre del tipo banda de rodadura para neumáticos de un turismo y con sílice únicamente como carga reforzante.
El segundo elastómero SBR E según la invención se ha sintetizado de la manera descrita en el ejemplo I.2.
Para cada composición A, B, C, E, la formulación, la mezcla y la vulcanización son las mismas que en el ejemplo II.1.
Los resultados están expuestos en la tabla 2.
TABLA 2
4
De estos resultados, se puede deducir que en una mezcla de sílice, en lo que respecta a las propiedades en estado vulcanizado, el SBR C de acuerdo con la invención confiere a la composición C unas propiedades de refuerzo superiores a las obtenidas con el SBR testigo A y con el otro SBR E según la invención. Ocurre lo mismo para la composición B, que comprende SBR B, frente a la composición A a partir de este SBR A testigo.
Además, hay que señalar que las propiedades de histéresis a débiles y fuertes deformaciones de la composición C según la invención están, por un lado, mejoradas en comparación con dichas propiedades de la composición testigo A y de la otra composición E, y por otro lado dichas propiedades de histéresis están mejoradas en la composición E según la invención en comparación con la composición testigo A.
En lo que respecta el estado no vulcanizado, hay que señalar que las composiciones C y E de la invención presentan unas viscosidades Mooney inferiores a la de la composición B para elastómero funcionalizado clásico, y están próximas a la de la composición testigo A.
Por consiguiente, la composiciones C y E de la invención presentan una aptitud para la utilización mejorada en comparación con la de la composición B para elastómero funcionalizado clásico, y que es sensiblemente del mismo orden que la de la composición A para elastómero no funcionalizado.
En otras palabras, parece que la incorporación a una composición de caucho C de un elastómero SBR C según el ejemplo I.1 de la invención permite obtener para esta composición C unas propiedades de elaboración de caucho claramente mejoradas en comparación con las de la composición A para elastómero no funcionalizado, por un lado, y con las de la composición E según el ejemplo I.2 de la invención por otro lado, sin dejar de presentar frente a dicha composición A una facilidad de uso análoga.
Ejemplo II.3
En este ejemplo se han estudiado las contribuciones de tres de los cuatro elastómeros SBR A, SBR B, SBR C y de un tercer elastómero según la invención SBR F, respectivamente en el interior de composiciones de caucho A, B, C y F, siempre del tipo banda de rodadura para neumáticos de un turismo y con sílice únicamente como carga reforzante.
El tercer elastómero SBR F según la invención consta de una mezcla de elastómero SBR A y de un polímero PDMS de peso molecular igual a 4.200 g/mol, en el que se prepara el bloque PDMS de acuerdo con el ejemplo I.1, con la diferencia de que en este caso se añade metanol en lugar de diclorodimetilsilano al final de la polimerización. Dicho bloque PDMS responde a la fórmula siguiente:
5
Para cada composición A, B, C, la formulación, el mezclamiento y la vulcanización son iguales que en el ejemplo II.1. Para la composición F, las 100 partes de elastómero se subdividen en 97 partes de elastómero A y en 3 partes del PDMS que acabamos de describir, y se introducen al mismo tiempo en el mezclador interno.
Los resultados están expuestos en la Tabla 3.
TABLA 3
6
De estos resultados se puede deducir que en una mezcla de sílice, y en lo que respecta a las propiedades en estado vulcanizado, el SBR C según la invención y el SBR B confieren a las composiciones correspondientes B y C unas propiedades de refuerzo superiores a las obtenidas con el SBR testigo A y con el SBR F que comprende la mezcla antes citada. Hay que señalar especialmente que este SBR F proporciona un refuerzo reducido a la composición correspondiente F.
Además, hay que señalar que las propiedades de histéresis a débiles y deformaciones fuertes de la composición B y de la composición C según la invención están mejoradas en comparación con dichas propiedades de la composición testigo A y de la composición F. Efectivamente, la histéresis de esta última composición es especialmente elevada.
En otras palabras, parece que la incorporación a una composición de caucho C de un elastómero SBR C según la invención permite obtener para esta composición C unas propiedades de elaboración de caucho próximas a las de la composición B para elastómero funcionalizado clásico, sin dejar de presentar frente a la composición A para elastómero no funcionalizado, una facilidad de uso análoga. Hay que señalar que la adición directa de un polímero PDMS cuyo grupo terminal trialquilsililo comprende un radical butilo no permite la obtención de tal resultado.

Claims (18)

1. Composición de caucho vulcanizable que se puede utilizar para la fabricación de una cubierta de neumático, comprendiendo dicha composición una carga blanca reforzante caracterizada porque comprende al menos un copolímero diénico de bloques, destinado a interactuar con dicha carga blanca reforzante, y que comprende en al menos uno de sus extremos de cadena de un bloque polisiloxano que termina en un grupo trialquilsililo, respondiendo dicho bloque a la fórmula:
[-(SiR1R2O)-]x-SiR3R4R5,
en donde R1, R2, R3, R4 y R5 representan grupos alquilo que tienen de 1 a 20 átomos de carbono y donde x es un número entero natural no nulo.
2. Composición de caucho según la reivindicación 1, caracterizada porque dicho copolímero de bloques consta de encadenamientos estireno-butadieno.
3. Composición de caucho según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque dicho bloque polisiloxano, o cada uno de ellos, que termina en un grupo trialquilsililo, comprende un polidimetilsiloxano.
4. Composición de caucho según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el grupo trialquilsililo, o cada uno de ellos, consta de un grupo butilo.
5. Composición de caucho según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el bloque polisiloxano, o cada uno de ellos, que termina en un grupo trialquilsililo, presenta un peso molecular comprendido entre 500 g/mol y 5000 g/mol.
6. Composición de caucho según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende mayoritariamente dicha carga blanca reforzante como carga reforzante, de tal forma que la fracción másica de dicha carga blanca reforzante en la carga reforzante sea superior a 50%.
7. Composición de caucho según la reivindicación 6, caracterizada porque dicha carga reforzante comprende asimismo negro de carbono en menor medida, de tal forma que la fracción másica de dicha carga reforzante de este negro de carbono sea inferior a o igual a 30%.
8. Composición de caucho según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la carga blanca reforzante está constituida por sílice.
9. Composición de caucho según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende, en mezcla con dicho copolímero de bloques y en una cantidad de 1 a 70 partes en peso por 100 partes en peso de dicho copolímero de bloques, caucho natural.
10. Composición de caucho según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque comprende, en mezcla con dicho copolímero de bloques y en una cantidad de 1 a 70 partes en peso por 100 partes en peso de dicho copolímero de bloques, un elastómero sintético y/o un elastómero diénico acoplado y/o con estructura de estrella.
11. Procedimiento de preparación de una composición de caucho según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque consiste:
- en una primera etapa, en hacer reaccionar un primer reactivo constituido por un polímero diénico vivo con un segundo reactivo constituido por un polisiloxano que comprende, en uno de sus extremos de cadena, una función halogeno-organosilano y, en su otro extremo de cadena, de un grupo trialquilsililo, con el fin de obtener dicho copolímero de bloques que consta de dicho bloque de polisiloxano terminado en un grupo trialquilsililo;
- en una segunda etapa, en proceder a su mezclamiento por trabajo termo-mecánico de dicho copolímero de bloques con sílice, en calidad de carga reforzante mayoritaria, y con los aditivos comunes para la obtención de una composición de caucho vulcanizable.
12. Procedimiento de preparación de una composición de caucho según la reivindicación 11, caracterizado porque la primera etapa consiste en injertar, sobre dicho polímero diénico vivo, otro polímero que comprende dicho polisiloxano y que se obtiene por vía aniónica mediante un catalizador que comprende un grupo alquilo como carbanión, con el fin de obtener un copolímero de bloques.
13. Procedimiento de preparación según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque consiste en utilizar, en calidad de primer reactivo, un homopolímero obtenido por polimerización de un monómero diénico conjugado que contiene de 4 a 12 átomos de carbono.
14. Procedimiento de preparación según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque consiste en utilizar, en calidad de primer reactivo, un copolímero obtenido por copolimerización de uno o varios dienos conjugados entre ellos, o con uno o varios compuestos vinilaromáticos que tienen de 8 a 20 átomos de carbono, y en el que dicho copolímero contiene de 20% a 99% en peso de unidades diénicas, y de 1% a 80% en peso de unidades vinilaromáticas.
15. Procedimiento de preparación según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque consiste en preparar dicho primer reactivo por vía aniónica mediante un iniciador constituido por alquil-litio o un amiduro de litio.
16. Procedimiento de preparación según una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque consiste en preparar el segundo reactivo, en una primera etapa, por polimerización de un siloxano cíclico, que es iniciada por un compuesto organolítico, y en una segunda etapa, por funcionalización mediante un dihalogeno-organosilano del polisiloxano así obtenido.
17. Procedimiento de preparación según la reivindicación 16, caracterizado porque consiste en utilizar el hexametilciclotrisiloxano en calidad de siloxano cíclico, el n-butil-litio en calidad de iniciador y el diclorodimetilsilano en calidad de agente de funcionalización del polisiloxano.
18. Cubierta de neumático, caracterizada porque consta de una banda de rodadura con una composición de caucho según las reivindicaciones 1 a 10.
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