JP2007009047A - レゾルシン・ホルムアルデヒド・p−アルキルフェノール共縮合物およびそれを含有するゴム組成物 - Google Patents

レゾルシン・ホルムアルデヒド・p−アルキルフェノール共縮合物およびそれを含有するゴム組成物 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明の課題は、ゴムと補強材との加硫接着に用いた際に良好な接着性能得られ、かつ、良好な硬度および耐破壊特性を有し、さらに転がり抵抗性の低減された加硫ゴムを得ることができる共縮合物、およびそれを含有するゴム組成物を提供する。
【解決手段】
【化1】
Figure 2007009047

(式中、Rは炭素数1〜3のアルキル基を表す)で示されるp−アルキルフェノールとホルムアルデヒドとを、アルカリ触媒の存在下で反応させて得られるレゾール型縮合物にさらに、レゾルシンを酸触媒の存在下、水を留去しながら反応させて得られる縮合物であることを特徴とする共縮合物。
【選択図】なし

Description

本発明は、p−アルキルフェノールおよびレゾルシンを、ホルムアルデヒドと共縮合させて得られる共縮合物およびそれを含有するゴム組成物に関するものである。さらに詳しくは、ゴムと補強材との加硫接着に用いた際に良好な接着性能が得られ、かつ、良好な硬度および耐破壊特性を有し、さらに転がり抵抗性の低減された加硫ゴムを得ることができる共縮合物、およびそれを含有するゴム組成物に関するものである。
タイヤ、ベルト、ホースなどのように、補強材で補強する必要のあるゴム製品においては、ゴムと補強材との接着がしばしば問題となっている。そこで従来より、補強材を種々の接着剤で処理する方法や、ゴムの加工工程において接着剤を他の各種配合剤とともに配合する方法が知られている。これらの中でも、ゴムの加工工程において接着剤を配合する方法は、補強材の接着剤処理の有無に関わらず、強固に接着せしめることができるため、広く採用されている。
この方法は練りこみ接着とも呼ばれ、一般にホルムアルデヒド受容体および加熱によりホルムアルデヒドを発生する化合物(ホルムアルデヒド発生剤)を、加工段階にあるゴムに配合して、得られる未加硫ゴムと補強材とを加硫中に接着せしめるものである。そして、ホルムアルデヒド受容体として、レゾルシンやm−アミノフェノールのようなm−置換フェノール類を用いる方法、m−置換フェノール類とホルムアルデヒドやアセトアルデヒドのようなアルデヒド類との縮合物を用いる方法、m−置換フェノール類とともに他のモノ置換フェノール類をアルデヒド類と反応させた縮合物を用いる方法などがある。
これらのうち、ホルムアルデヒド受容体としてm−置換フェノール類、特にレゾルシンを用いる方法は、ゴムの硬度を向上させるのにも有効であることから、従来広く使用されていた。しかし、レゾルシンはゴムへの分散性が悪いため、高温にて混練する必要があるが、高温混練によりレゾルシンが著しく昇華し、環境衛生上好ましくないことが問題となっていた。さらには、レゾルシンを配合した未加硫ゴムにおいては、レゾルシンがゴム表面にブルームし、したがって未加硫ゴム間の接着性の低下を招くという欠点を有していた。
これらの欠点を改良する手段として、例えば特開昭49−121881号公報、英国特許第1,163,594号明細書などにおいて、レゾルシンとホルムアルデヒドとの縮合物が提案された。こうしたいわゆるレゾルシン樹脂は、ゴムへの分散性においてある程度の改良がみられるものの、樹脂中に未反応のレゾルシンが多く残存するため、レゾルシンの蒸散性およびブルームによる接着性不良の問題が依然として残っていた。さらには、レゾルシン樹脂は潮解しやすく、したがって樹脂保存中にブロッキングを起こすという取り扱い上の問題も有していた。
そこで、レゾルシン樹脂の潮解性やブロッキング性を改良すべく、特定のp−アルキルフェノールとホルムアルデヒドとを、アルカリ触媒の存在下で反応させて得られるレゾール型縮合物にさらに、特定のm−置換フェノールを、酸触媒の存在下、水を留去しながら反応させて得られる縮合物であって、m−置換フェノールの含量が4重量%以下であり、かつ該縮合物全量のなかで、p−アルキルフェノールとm−置換フェノールを除く分子量1000以下の成分の占める割合が25重量%以上である共縮合物(特許文献1)が提案されている。
しかし、近年は安全性確保のための高制動性と耐久性に加えて、環境への配慮から省エネルギーに寄与するタイヤとして、転がり抵抗性が低減されたタイヤが求められているが、前記のレゾルシンとホルムアルデヒドの縮合物およびレゾルシン、アルキルフェノールおよびホルムアルデヒドからなる3成分系共縮合物においては、得られる加硫ゴムの転がり抵抗性は充分ではないため、補強材との接着性、ゴムの硬度が良好でかつ転がり抵抗性の低減された加硫ゴムが得られるゴム組成物の開発が強く要望されていた。
特開平6−234823号公報
本発明の課題は、ゴムと補強材との加硫接着に用いた際に良好な接着性能が得られ、かつ、良好な硬度および耐破壊特性を有し、さらに転がり抵抗性の低減された加硫ゴムを得ることができる共縮合物、およびそれを含有するゴム組成物を提供することにある。
本発明者らは上記の課題を解決するために種々の組成の樹脂組成物について検討を重ねた結果、意外にも、式(1)
Figure 2007009047
(式中、Rは炭素数1〜3のアルキル基を表す)
で示されるp−アルキルフェノールとホルムアルデヒドとを、アルカリ触媒の存在下で反応させて得られるレゾール型縮合物にさらに、レゾルシンを酸触媒の存在下、水を留去しながら反応させて得られる共縮合物をゴムと補強材との加硫接着に用いた際に良好な接着性能が得られ、かつ、良好な硬度および耐破壊特性を有し、さらに転がり抵抗性の低減された加硫ゴムを得られることを見い出し、本発明を完成するに至った。
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明において共縮合物の製造に用いるp−アルキルフェノールは、式(1)
Figure 2007009047
(式中、Rは炭素数1〜3のアルキル基を表す)
で示されるp−アルキルフェノールであり、こうしたp−アルキルフェノールのいずれかを単独で、あるいは2種以上組み合わせて用いることができる。特許文献1においてアルキル基の炭素数が1〜12の場合においてゴムと補強材との加硫接着に用いたときに優れた接着性能、高い硬度、耐破壊特性を有する共縮合物が開示されているが、アルキル基の炭素数が4以上の場合、得られる加硫ゴムの転がり抵抗性の尺度であるヒステリシスロス(tanδ)の値が高いため、このような加硫ゴムをタイヤに用いた場合、自動車の燃費効率が悪くなるため好ましくない。
本発明においては、炭素数1〜3のp−アルキルフェノールを、アルカリ触媒の存在下でホルムアルデヒドと反応させることにより、レゾール型縮合物を得る。ここで用いられるアルカリ触媒は特に限定されるものではなく、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物または炭酸塩、アンモニア、アミンのような、通常のレゾール型縮合物を製造する際に用いられるアルカリ触媒を用いることができる。アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物または炭酸塩の具体例としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウムなどが挙げられる。 また、ホルムアルデヒドは、ホルムアルデヒド自体(水溶液であるホルマリン)のほか、パラホルムアルデヒドやトリオキサンのような、容易にホルムアルデヒドを発生させることができる化合物であってもよい。
本発明における炭素数1〜3のp−アルキルフェノールとしては、p−クレゾール、p−エチルフェノール、p−n−プロピルフェノール、p−iso−プロピルフェノールが挙げられ、これらの中から1種または2種以上を組合わせて用いることができる。 これらの中ではp−クレゾールが性能面において特に好ましい。
本発明においてレゾール型縮合物を得る際の反応は、溶媒中で行うのが好ましい。反応溶媒は、水または水と共沸し、かつ水から容易に分液できる有機溶媒を用いることができるが、水単独が好ましい。
こうして得られるレゾール型縮合物に、さらにレゾルシンを加え、酸触媒の存在下、生成する水を留出しながら反応させる。ここで用いる酸触媒は特に限定されないが、例えば、塩酸、硫酸、硝酸、リン酸、シュウ酸、p−トルエンスルホン酸などが挙げられる。
この反応についても、溶媒中で行うのが好ましい。反応溶媒は、水または水と共沸し、かつ水から容易に分液できる有機溶媒を用いることができるが、水単独が好ましい。
レゾール型化合物とレゾルシンとの反応物から溶媒である水を除去することにより、共縮合物が得られる。本発明に係る共縮合物中の水分は、本発明の目的を阻害しない量であれば特に制限されないが、好ましくは、1〜4重量%であり、1.5〜2.5重量%がさらに好ましい。水分が1重量%より低いと軟化点が上昇することにより、ゴムのコンパウンド作成時の混練時の粘度が上昇する傾向がある。 また、4重量%より高いとゴムの加工時に発泡が生じやすくなる傾向がある。
共縮合物の重量平均分子量は、配合するゴム組成物の粘度およびヒステリシスロスの点から、通常、1000〜1800であり、さらには1200〜1600にするのが好ましい。
本発明の共縮合物の好適な適用可能な補強材としては、有機繊維や金属繊維が挙げられ、有機繊維としては、例えば、ナイロン、ポリエステル、アラミド等が挙げられ、金属繊維としては例えば、スチール等が挙げられる。
共縮合物をゴムに配合するにあたって、この共縮合物は、ゴム100重量部に対し、通常0.5〜10重量部(以下、ゴム100重量部あたりの配合成分の重量部をphrの単位で表す)の範囲で添加される。好ましくは、この共縮合物は1〜4phr、さらに好ましくは2〜4phrの範囲で添加される。
本発明に適用されるゴムは、天然ゴム、スチレンブタジエン共重合ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリルブタジエン共重合ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム及びハロゲン化ブチルゴムから選ばれ、それぞれ単独のゴムからなるものであっても、また2種以上のゴムのブレンド物であってもよい。
本発明においては、上記のような共縮合物をゴムに配合するだけでも、補強材との加硫接着に効果を発揮し、特にナイロン、レーヨン、ポリエステル、アラミドのような有機繊維類に対しては、ある程度の効果を発揮するが、接着性を十分高めるためには、通常ゴム工業において使用されている各種のホルムアルデヒド発生剤、すなわち加熱によりホルムアルデヒドを発生する化合物を、併せて使用するのが好ましい。
ここで用いるホルムアルデヒド発生剤としては、従来より、ホルムアルデヒド受容体であるレゾルシンやレゾルシン系樹脂などに使用されているものが用いられる。例えば、ジメチロールメラミン、トリメチロールメラミン、テトラメチロールメラミン、ヘキサメチロールメラミン等のメラミンとホルムアルデヒドの縮合物やヘキサキス(メトキシメチル)メラミン、ペンタキス(メトキシメチル)メチロールメラミン等のメラミンとホルムアルデヒドとメタノールの縮合物、さらにはヘキサメチレンテトラミンなどが適用できる。ホルムアルデヒド発生剤を用いる場合の配合量は、本発明の目的を阻害しない量であれば特に制限されないが、1〜10phrの範囲が好ましく、さらに好ましくは1〜6phrの範囲である。
また本発明のゴム組成物は、必要に応じてさらに充填剤を含むことができる。充填剤としては、通常ゴム工業において使用されている各種のもの、例えばカーボンブラックや、シリカ、クレー、炭酸カルシウム、ガラス繊維などの無機充填剤が挙げられる。なかでもカーボンブラックを配合するのが好ましく、通常ゴム工業において使用されている種類のもの、例えばSAF、ISAF、HAF、FEF、SRF、GPF、MTなどが使用できる。充填剤の配合量は、補強性やゴムの硬度、発熱性、動的耐久性などの観点より、20〜150phrの範囲が好ましい。
本発明においてはまた、ゴム工業で通常使用されている各種ゴム薬品、例えば老化防止剤、酸化防止剤、オゾン劣化防止剤、加硫剤、架橋材、加硫促進剤、リターダー、しゃっ解剤、軟化剤、石油樹脂、滑材、可塑剤、粘着付与剤などを、必要に応じて併用してもよいことはいうまでもない。
本発明の共縮合物は、ゴムと補強材との加硫接着において優れた接着性能を付与するものであり、ゴム製品、例えばタイヤの各種部材やその他のゴム製品に適用した場合に優れた効果を発揮する。そして本発明の共縮合物を配合したゴム組成物は、補強材との加硫接着において良好な接着強度を示し、かつ、得られた加硫ゴムは低いヒステリシスロスを示すため、タイヤ、特にビート部やカーカス部のような、補強材で補強される部分に適用することができ、タイヤ業界で通常行われている方法により、成形、加硫工程を経て、タイヤを製造することができる。
補強材との接触下で加硫するにあたっては、ベースゴムの種類や各種配合剤の種類によって異なる適切な条件が採用される。加硫条件自体は、従来から一般に採用されているものでもよく、本発明において特に制限されるものではない。
本発明の共縮合物は、従来のアルキルフェノール含有レゾルシン樹脂と比べて、ゴムと補強材との加硫接着において良好な接着性能を示し、本発明のゴム組成物は良好な硬度および耐破壊特性を示し、さらに、転がり抵抗性が向上した加硫ゴムが得られることから、耐久性に優れかつ省エネルギーに寄与する加硫ゴムを提供することができる。
次に、本発明について実施例をもって詳述するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。以下の例中、添加量ないしは含有量を表す%および部は、特にことわりがない限り、それぞれ重量%および重量部である。
下記の方法により共縮合物の評価を行った。
「軟化点の測定」
JIS K2207準拠
「水分の測定」
JIS K0068準拠
「重量平均分子量の測定」
共縮合物15mgを、テトラヒドロフラン10mlに溶解させ、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した。ちなみに、ポリスチレンを標準品として測定した。
還流冷却器および温度計を備えた4ッ口フラスコに、p−クレゾール156.5g(1.4モル)および37%ホルマリン180.6g(2.2モル)を仕込み、22%水酸化ナトリウム水溶液20.3g(0.11モル)を滴下し、さらに70℃で1時間反応させて初期縮合物347.0gを得た。
その後、還流冷却器を分留器に取り替え、シュウ酸2水和物7.9g(0.06モル)およびレゾルシン153.3g(1.4モル)を仕込み、530mmHgに減圧後、100℃まで昇温、濃縮し、水分量が1.7wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−クレゾール共縮合物(A)(軟化点:109℃ 重量平均分子量:1340)349.1gを得た。
実施例1と同様の操作を行ない、初期縮合物を得た後、還流冷却器を分留器に取り替え、シュウ酸2水和物7.9g(0.06モル)およびレゾルシン153.3g(1.4モル)を仕込み、530mmHgに減圧後、100℃まで昇温、濃縮し、水分量が3.5wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−クレゾール共縮合物(B)(軟化点:107℃重量平均分子量:1330)345.1gを得た。
実施例1と同様の操作を行ない初期縮合物を得た後、還流冷却器を分留器に取り替え、シュウ酸2水和物7.9g(0.06モル)およびレゾルシン153.3g(1.4モル)を仕込み、530mmHgに減圧後、100℃まで昇温、濃縮し、水分量が5.5wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−クレゾール共縮合物(C)(軟化点:104℃ 重量平均分子量:1300)346.4gを得た。
(比較例1)
還流冷却器および温度計を備えた4ッ口フラスコに、p−クレゾール66.7g(0.6モル)、p−t−オクチルフェノール66.7g(0.3モル)および37%ホルマリン101.6g(1.3モル)を仕込み、15%水酸化ナトリウム水溶液11.2g(0.04モル)を滴下し、さらに70℃1時間反応させて初期縮合物246.2gを得た。
その後、還流冷却器を分留器に取り替え、シュウ酸2水和物3.0g(0.02モル)およびレゾルシン102.1g(0.9モル)を仕込み、100℃まで昇温し、濃縮して、水分量が0.4wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−クレゾール・p−t−オクチルフェノール共縮合物(D)(軟化点:108℃ 重量平均分子量:1350)248.4gを得た。
(比較例2)
還流冷却器および温度計を備えた4ッ口フラスコに、p−クレゾール66.7g(0.6モル)、p−t−オクチルフェノール66.7g(0.3モル)、トルエン127mlおよび92%パラホルムアルデヒド40.9g(1.3モル)を仕込み、15%水酸化ナトリウム水溶液11.2g(0.04モル)を滴下し、さらに70℃で1時間反応させて初期縮合物295.7gを得た。
その後、還流冷却器を分留器に取り替え、シュウ酸2水和物3.0g(0.02モル)およびレゾルシン102.1g(0.9モル)を仕込み、112℃まで昇温し、共沸してくる水とトルエンを留出しながら2時間保温した。次いで、濃縮して、水分量が、3.3wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−クレゾール・p−t−オクチルフェノール共縮合物(E)(軟化点:103℃、重量平均分子量:1470)248.8gを得た。
(比較例3)
還流冷却器および温度計を備えた4ッ口フラスコに、p−t−ブチルフェノール75.0g(0.5モル)、トルエン100mlおよび92%パラホルムアルデヒド26.1g(0.8モル)を仕込み、30%水酸化ナトリウム水溶液3.33g(0.025モル)を滴下し、さらに70℃で1時間反応させて初期縮合物191.2gを得た。
その後、還流冷却器を分留器に取り替え、40℃にてシュウ酸2水和物4.7g(0.037モル)およびレゾルシン66.1g(0.6モル)を仕込み、112℃まで昇温し、共沸してくる水とトルエンを留出しながら2時間保温後、濃縮して、水分量3.5wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−t−ブチルフェノール共縮合物(軟化点:105℃、重量平均分子量:2820)(F)162.1gを得た。
(比較例4)
還流冷却器および温度計を備えた4ッ口フラスコに、p−t−オクチルフェノール103.2g(0.5モル)、トルエン100mlおよび92%パラホルムアルデヒド26.1g(0.8モル)を仕込み、30%水酸化ナトリウム水溶液3.33g(0.025モル)を滴下し、さらに70℃で1時間反応させて初期縮合物219.4gを得た。
その後、還流冷却器を分留器に取り替え、40℃にてシュウ酸2水和物4.7g(0.037モル)およびレゾルシン66.1g(0.6モル)を仕込み、112℃まで昇温し、共沸してくる水とトルエンを留出しながら2時間保温後、濃縮して、水分量2.9wt%のレゾルシン・ホルムアルデヒド・p−t−オクチルフェノール共縮合物(軟化点:103℃、重量平均分子量:4160)(G)94.5gを得た。
(比較例5)
還流冷却器および温度計を備えた4ッ口フラスコに、m−クレゾール100.0g(0.9モル)、シュウ酸2水和物0.35g(0.003モル)、水9.0gを仕込み、37%ホルマリン54.8g(0.7モル)を滴下し、さらに90〜100℃で3時間反応させて初期縮合物164.2gを得た。
その後、還流冷却器を分留器に取り替え、25%水酸化ナトリウム水溶液で中和し、常圧で濃縮して、水分量3.3wt%のホルムアルデヒド・m−クレゾール共縮合物(軟化点:97℃、重量平均分子量:1460)(H)107.3gを得た。
実施例1〜3および比較例1〜5で得られた共縮合物を用い、表1〜2に示した配合のゴム組成物(未加硫)を加硫することにより得られた加硫ゴムの物性を表3〜4に示した。
結果は、表3〜4中での数値は比較例2を100としたときの相対値で表す。
(加硫ゴムの作成方法)
バンバリーミキサーとして(株)東洋精機製作所製の60mlラボプラストミルを用い、設定温度100℃で、上記配合処方に基づき、スチレンブタジエンゴム共重合ゴムに、カーボンブラック、酸化亜鉛、老化防止剤、ステアリン酸コバルトを投入し、15分混練で作成した。
次にこの配合物をロールに移し、設定温度60℃で、上記配合処方に示した硫黄、加硫促進剤、メトキシ化メチロールメラミン樹脂および供試共縮合物を添加し混練した。
未加硫ゴム組成物の粘度(ML1+4(125℃))の測定:ASTM−1646に準拠して実施。指数が小さいほど良好である。
接着性:加硫前のゴム配合物を未処理ナイロンコードと接触させて加硫したときの接着性を、ASTM D 2138に記載のHテストにより評価した。接着性試験の結果は、12個の試験片から得られた平均値で示した。使用した未処理ナイロンコードは1890d/2である。指数が大きいほど良好である。
硬度:JIS K 6301に準拠し、厚さ12.7mm、半径14.5mmの直円柱状試料を用いて、スプリング式硬さ試験(A型)にて硬度を測定した。指数が大きいほど良好である。
耐破壊特性の測定:JIS K6301−1995の3号試験片を加硫により作成し、この試験片の両端を引っ張り、破断するまでに入力したエネルギーを測定し、この値を上記のように指数化した。指数が大きいほど良好である。
動的弾性率およびヒステリシスロス(tanδ)の測定:レオメトリックス社製の粘弾性測定装置を使用し、温度60℃、歪2%、周波数15Hzで行い、それぞれの値を指数化した。動的弾性率は指数が大きいほど良好であり、ヒステリシスロスは指数が小さいほど良好である。
Figure 2007009047
備考)表中の数値は全て重量部
SBR#1500:JSR(株)製、カーボンブラックN234:東海カーボン(株)製、ノクラック6C:老化防止剤。大内新興化学(株)製、ノクセラーDZ:加硫促進剤。大内新興化学(株)製、SKL507A:住友化学工業(株)製、メトキシ化メチロールメラミン樹脂/シリカ/オイル=65/30/5








Figure 2007009047







Figure 2007009047
Figure 2007009047

Claims (3)

  1. 式(1)
    Figure 2007009047
    (式中、Rは炭素数1〜3のアルキル基を表す)で示されるp−アルキルフェノールとホルムアルデヒドとを、アルカリ触媒の存在下で反応させて得られるレゾール型縮合物にさらに、レゾルシンを酸触媒の存在下、水を留去しながら反応させて得られる縮合物であることを特徴とする共縮合物。
  2. 前記共縮合物中に含まれる水分が1〜4重量%であることを特徴とする請求項1記載の共縮合物。
  3. 天然ゴム、スチレンブタジエン共重合ゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、アクリロニトリルブタジエン共重合ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム及びハロゲン化ブチルゴムからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるゴム100重量部に対し、請求項1〜2記載の共縮合物を0.5〜10重量部含有することを特徴とするゴム組成物。
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