JP2018039982A - スチレン/ブタジエンエラストマーを含有するシリカ補強ゴムの製造、ゴム組成物及び部品を有するタイヤ - Google Patents

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Abstract

【課題】ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドシリカカップラーとメルカプト有機アルコキシシランの組合せで改質されたスチレン/ブタジエンエラストマーを含有する沈降シリカ補強ゴム組成物の製造、そのゴム組成物、及びそのようなゴム組成物の部品を有するタイヤを提供する。
【解決手段】沈降シリカ補強ゴム組成物の製造法であり、下記添加剤を混合する方法である。(1)スチレン/ブタジエンエラストマー及び1つ以上の共役ジエン系エラストマーを合計100phr、(2)メルカプト有機アルコキシシランを0.1〜2phr、(3)沈降シリカの20〜120phrとゴム補強カーボンブラックの1〜50phrとを含む補強フィラー、(4)ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドを含むシリカカプラーの沈降シリカ100重量部当り、2〜5重量部を混合し、硫黄を含むゴム成分を混合する製造法。
【選択図】なし

Description

本発明は、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドシリカカップラーとメルカプト有機アルコキシシランの組合せで改質されたスチレン/ブタジエンエラストマーを含有する沈降シリカ補強ゴム組成物の製造、そのゴム組成物、及びそのようなゴム組成物の部品を有するタイヤに関する。
タイヤは、時に、共役ジエン系エラストマーと、沈降シリカを含む補強フィラーとを含む部品を備えることを求められることがある。沈降シリカは、ジエン系エラストマーに沈降シリカを結合させるために、ゴム組成物中でシリカカップラーとブレンドされることが多い。
ゴム組成物中に含有されるエラストマーは、スチレン/ブタジエンコポリマーのエラストマーでありうる。
一態様において、スチレン/ブタジエンエラストマーは、沈降シリカのスチレン/ブタジエンエラストマーへの結合を補助するために、沈降シリカ上のヒドロキシル基(例えばシラノール基)と反応する少なくとも一つの官能基(例えば、シロキシ、アミン及びチオール基の少なくとも一つ)を含有しているという意味において、官能化スチレン/ブタジエンエラストマーでありうる。
本発明では、有機溶液重合由来スチレン/ブタジエンエラストマー(S−SBR)を、ゴム組成物内のその場で最小量のメルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)と反応させることにより、ゴム組成物中に含有される沈降シリカ補強フィラーのヒドロキシル基と反応するメルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)のアルコキシシラン官能基で、ゴム組成物内のスチレン/ブタジエンエラストマーを官能化し、官能化ブタジエン/スチレンエラストマー(Fn−SBR)を形成させることによる官能化スチレン/ブタジエンエラストマーの提供について、評価が求められる。
この評価では、前記S−SBR及びFn−SBRを含むジエン系エラストマーを前記ゴム組成物内のその場で、沈降シリカと、前記沈降シリカ上のヒドロキシル基を通じて結合させるために、相当量の一次シリカカップラーも、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィド(TEOSPS)の形態でゴム組成物に含められる。
この評価では、MOASのメルカプト基がS−SBRと、そのブタジエン部分のそのビニル基を通じて容易に反応できてFn−SBRが創製され、MOAS及びTEOSPS両方のシラン基が独立に沈降シリカのヒドロキシル基と容易に反応できると考えられている。TEOSPSのポリスルフィド基はその後、未硬化ゴム組成物の高いゴム混合温度及びゴム組成物の高い硬化温度の条件下で、FN−SBRを含むジエン系エラストマーとその場で相互作用できると考えられる。
この評価では、ゴム組成物中での、MOASのメルカプト基とS−SBRとのFN−SBRを形成させるための相互作用、MOASのシラン基、Fn−SBR及びTEOSPSと沈降シリカのヒドロキシル基との反応、及びTEOSPSのポリスルフィドとジエン系エラストマーとの相互作用のデカップリングを促進するため(例えば、多少なりとも分離された反応を促進するため)、ゴム組成物中では、ごく最小量のMOASと相当量のTEOSPSが使用される。例えば、TEOSPS対MOASの比率は、約3/1〜約30/1、あるいは5/1〜20/1の範囲でありうる。
ゴム組成物を製造する場合、混合手順は、少なくとも一つの予備混合工程又は段階、通常は連続した混合工程(一つの混合工程の後に次の混合工程が続く)を含み、これらはノンプロダクティブ混合工程と呼ばれることもある。このようなノンプロダクティブ混合工程は、硫黄の形態の硫黄硬化剤及び硫黄加硫促進剤を含有しない。ノンプロダクティブ混合工程の後、硫黄及び硫黄加硫促進剤がゴム組成物に添加される最終の混合工程が提供される。そのような最終混合工程はプロダクティブ混合工程と呼ばれる。このようなプロダクティブ混合工程では、所望に応じて追加のゴム成分がゴム組成物に添加されることもある。上記ノンプロダクティブ(NP)及びプロダクティブ(P)混合工程によるゴム組成物のそうした製造法は、ゴム配合分野の当業者には周知である。
本発明の記載において、“配合”ゴム組成物及び“コンパウンド”という用語は、適切なゴム配合成分が配合されている又はブレンドされているゴム組成物のことを言うのに使用される。“ゴム”及び“エラストマー”という用語は、別途記載のない限り、互換的に使用されうる。材料の量は、通常、100重量部のゴムあたりの材料の部で表される(phr)。
本発明に従って、ゴム組成物の製造法は、100重量部のゴムあたりの重量部(phr)を含むゴム組成物を、
(A)少なくとも一つの連続したノンプロダクティブ混合工程(最終のプロダクティブ混合工程の前の混合工程、従って硫黄を含む硫黄硬化剤及び少なくとも一つの硫黄加硫促進剤の不在下)において、
(1)下記を含む100phrのジエン系エラストマー:
(a)約10〜約95、あるいは約40〜約80phrのスチレン/ブタジエンエラストマー、及び
(b)約90〜約5、あるいは約60〜約20phrの少なくとも一つの追加の共役ジエン系エラストマー、
(2)約0.1〜約2、あるいは約0.5〜約1.5phrのメルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)(望ましくは、最終のプロダクティブ混合工程を除く第一の連続したノンプロダクティブ混合工程で)、
(3)約20〜約120、あるいは約50〜約100phrの沈降シリカと、約1〜約50、あるいは約3〜約30phrのゴム補強カーボンブラックとを含む補強フィラー、
(4)前記沈降シリカ100重量部あたり約2〜約15、あるいは約5〜約10重量部(phs)の、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィド(TEOSPS)(そのポリスルフィドブリッジ中に平均約2〜約4個、あるいは約2〜約2.6個の連結硫黄原子を含有する)を含むシリカカップラー
を混合し、そして
(B)最終のプロダクティブ混合工程において、硫黄、及び少なくとも一つの硫黄加硫促進剤を含むゴム成分
を混合する
ことによってブレンドする工程を含み、
ここで、TEOSPS対MOASの比率は、約3/1〜約30/1、あるいは約5/1〜約20/1の範囲であり、
ここで、スチレン/ブタジエンエラストマーは、スチレンと1,3−ブタジエンモノマーのコポリマーとして有機溶液重合調製エラストマー(S−SBR)である。
この後、ゴム組成物は、成形され、高温で硬化されて、硫黄硬化ゴム物品となりうる。
一態様において、S−SBRは、約10〜約45パーセントの範囲、あるいは約15〜約30パーセントの範囲の結合スチレン含量と、そのブタジエン成分を基にして少なくとも12パーセント、あるいは約40〜約70パーセントの範囲のビニル含量を含有する。
反応機構が完全に理解されているわけではないが、MOASのメルカプト部分がS−SBR、特にS−SBRのポリブタジエン部分のビニル基とチオール−エン反応によって相互作用することにより、MOASのシラン系官能基でスチレン/ブタジエンエラストマーが官能化され、そのシラン系官能基が前記沈降シリカのヒドロキシル基と反応することにより、沈降シリカが特異的にS−SBRに結合するのを助け、その場でFn−SBRが形成されると考えられている。MOASは、S−SBRのビニル基と相互作用することによって、S−SBRのブタジエン部分にグラフトする又は該部分と反応すると考えられる。
メルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)の代表は、例えば、式(I):
[式中、R、R及びRは、1〜12個、あるいは1〜6個の炭素原子を含有するアルキル基及びアルコキシ基の少なくとも一つを含み、ここで、前記基の少なくとも一つ、好ましくは前記基の三つともアルコキシ基であり、望ましくは前記アルコキシ基の少なくとも一つはエトキシ基であり、Rは、1〜18個、あるいは2〜4個の炭素原子を含有するアルキレン基である]の化合物である。
そのようなMOASの代表例は、例えば、(3−メルカプトプロピル)トリエトキシシラン(MPTES)、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシシラン(MPTMS)、(2−メルカプトエチル)トリエトキシシラン(METES)、(11−メルカプトウンデシル)トリメトキシシラン(MUDTMS)、(3−メルカプトプロピル)トリメチルジエトキシシラン(MPMDES)、(3−メルカプトプロピル)メチルジメトキシシラン(MPMDMS)、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシエトキシシラン(MPTMES)、(3−メルカプトプロピル)シラトラン(MPSTR)及び(3−メルカプトプロピル)−3,7,10−トリメチルシラトラン(MPTMSTR)である。
そのようなMOAS例は、例えば、下記構造:
[式中、“Et”はエチル基を表し、“S”は硫黄を表し、“Me”はメチル基を表し、“N”は窒素を表し、そして“O”は酸素を表す]を含むと考えられている。
さらに本発明に従って、前記方法に従って製造されたゴム組成物を提供する。
さらに本発明に従って、前記ゴム組成物を含む部品(例えばタイヤトレッド)を有するタイヤを提供する。
さらに本発明に従って、前記ゴム組成物及び前記タイヤは硫黄硬化されて提供される。
一態様において、前記追加のジエン系エラストマーは、例えば、シス1,4−ポリイソプレン及びシス1,4−ポリブタジエンゴムの少なくとも一つを含みうる。
一態様において、S−SBR及びFN−SBRのいずれも、スズ又はケイ素結合エラストマーであってもよい。
一態様において、前記沈降シリカ及びビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドシリカカップリング剤は、ゴム組成物に添加されて、ゴム組成物内のその場で一緒に反応させることができる。
沈降シリカ補強剤は、例えば、窒素ガスを用いて測定されたBET表面積が、1グラムあたり例えば約40〜約600平方メートルの範囲、より通常的には約50〜約300平方メートルの範囲であることによって特徴付けることができる。表面積を測定するBET法は、例えば、Journal of the American Chemical Society、(1938)、第60巻、ならびにASTM D3037に記載されている。
そのような沈降シリカは、例えば、約100〜約400cc/100gの範囲、より通常的には約150〜約300cc/100gの範囲のジブチルフタレート(DBP)吸収値を有することによって特徴付けることもできる。
様々な市販の沈降シリカが使用できる。例えば、制限するつもりはないが、PPG Industries社より商標Hi−Sil、規格210、243などとして入手できるシリカ;Solvay社より例えば規格Zeosil 1165MP及びZeosil 165GRとして入手できるシリカ;Evonik社より例えば規格VN2及びVN3として入手できるシリカ、及び例えばPPG社のAgilonTMなどの化学処理された沈降シリカなどである。
ゴム補強カーボンブラックの代表例は、例えば、制限するつもりはないが、The Vanderbilt Rubber Handbook,第13版、1990年、417及び418ページにそれらのASTM規格とともに掲載されている。示されているように、そのようなゴム補強カーボンブラックは、例えば60〜240g/kgの範囲のヨウ素吸収値及び34〜150cc/100gの範囲のDBP値を有しうる。
当業者であれば、加硫可能ゴム組成物は、ゴム配合分野で一般的に知られている方法によって配合されることになることは容易に分かるはずである。さらに、前記組成物は、脂肪酸、酸化亜鉛、ワックス、抗酸化剤、オゾン劣化防止剤及びしゃく解剤も含有しうる。当業者には分かる通り、硫黄加硫可能(sulfur vulcanizable)材料及び硫黄加硫(sulfur-vulcanized)材料(ゴム)の意図する使用に応じて、上記添加剤は選択され、従来量で一般的に使用される。硫黄供与体の代表例は、元素硫黄(遊離硫黄)、アミンジスルフィド、ポリマー性ポリスルフィド及び硫黄オレフィン付加物などである。通常、硫黄加硫剤は元素硫黄であるのが望ましい。硫黄加硫剤は、例えば約0.5〜8phrの範囲の量で使用されうるが、多くの場合1.5〜6phrの範囲が好適である。加工助剤の典型的な量は約1〜約50phrを含む。
所望であれば、加硫可能ゴム組成物の加工を補助するために、大豆油などの植物油のほかに、追加のゴムプロセスオイル(例えば石油系のゴムプロセスオイル)をゴム組成物に含めることもできるが、植物油が、植物油とゴムプロセスオイルの大部分を占める(50重量パーセントを超える)。
抗酸化剤の典型的な量は例えば約1〜約5phrを含みうる。代表的抗酸化剤は、例えばジフェニル−p−フェニレンジアミン及びその他、例えばThe Vanderbilt Rubber Handbook(1978),344〜346ページに開示されているものでありうる。オゾン劣化防止剤の典型的な量は例えば約1〜5phrを含みうる。脂肪酸の典型的な量は、使用される場合、ステアリン酸などでありうるが、約0.5〜約3phrを含む。酸化亜鉛の典型的な量は例えば約2〜約5phrを含みうる。ワックスの典型的な量は約1〜約5phrを含む。微晶質ワックスが使用されることが多い。しゃく解剤の典型的な量は、使用される場合、例えば約0.1〜約1phrの量で使用されうる。典型的なしゃく解剤は、例えば、ペンタクロロチオフェノール及びジベンズアミドジフェニルジスルフィドであろう。
硫黄加硫促進剤は、加硫に要する時間及び/又は温度を制御するため、及び加硫物の性質を改良するために使用される。一態様において、単一促進剤系、すなわち一次促進剤が使用されうる。一次促進剤(一つ又は複数)は、例えば約0.5〜約4、時に望ましくは約0.8〜約1.5phrの範囲の総量で使用されうる。別の態様では、活性化及び加硫物の性質を改良するために、一次及び二次促進剤の組合せが使用されうる。その場合、二次促進剤は少量、例えば約0.05〜約3phrの量で使用される。これらの促進剤の組合せは、最終性質に対して相乗効果をもたらすことが期待され、いずれかの促進剤を単独で使用して製造されたものよりも多少良好である。さらに、標準的な加工温度には影響されないが、通常の加硫温度で満足のいく硬化をもたらす遅延作用促進剤を使用することもできる。加硫遅延剤も使用できる。本発明に使用されうる適切なタイプの促進剤は、アミン、ジスルフィド、グアニジン、チオウレア、チアゾール、スルフェンアミド、及びキサンテートである。多くの場合望ましくは、一次促進剤はスルフェンアミドである。二次促進剤を使用する場合、二次促進剤は、多くの場合望ましくは、グアニジン、例えばジフェニルグアニジンである。
加硫可能ゴム組成物の混合は、ゴム混合分野の当業者に公知の方法によって達成できる。例えば、成分は典型的には少なくとも二つの段階、すなわち、少なくとも一つのノンプロダクティブ段階とそれに続くプロダクティブ混合段階で混合される。硫黄加硫剤を含む最終硬化剤は典型的には最終段階で混合される。この段階は従来、“プロダクティブ”混合段階と呼ばれ、そこでは混合が典型的にはその前のノンプロダクティブ混合段階(一つ又は複数)の混合温度より低い温度、又は極限温度で行われる。“ノンプロダクティブ”及び“プロダクティブ”混合段階という用語は、ゴム混合分野の当業者には周知である。ゴム組成物は、熱機械的混合工程に付されてもよい。熱機械的混合工程は、一般的に、140℃〜190℃のゴム温度を生ずるために適切な時間の間、ミキサー又は押出機内での機械的作業を含む。熱機械的作業の適切な時間は、運転条件、ならびに成分の体積及び性質に応じて変動する。例えば、熱機械的作業は1〜20分であろう。
空気入りタイヤは、例えば、レース用タイヤ、乗用車用タイヤ、航空機用タイヤ、農業用タイヤ、土工機械用タイヤ、オフロード用タイヤ、トラック用タイヤなどでありうる。通常、タイヤは望ましくは乗用車又はトラック用タイヤである。タイヤはラジアルでもバイアスプライタイヤでもよいが、通常ラジアルプライタイヤが望ましい。
本発明のタイヤトレッドを含有する空気入りタイヤの加硫は、一般的に例えば約140℃〜200℃の範囲の従来温度で実施される。多くの場合、加硫は約150℃〜180℃の範囲の温度で実施されるのが望ましい。そのようなタイヤは、当業者に公知の、そして容易に明らかな様々な方法によって構築、成形(shaped)、成型(molded)及び硬化できる。
以下の実施例は、本発明を説明する目的で提示されるのであって、制限を目的としたものではない。特に明記しない限り、部及びパーセンテージは重量部、通常、100重量部のゴムあたりの重量部(phr)である。
実施例I
本実施例では、以下のゴム組成物を評価のために製造した。
対照ゴムサンプルAを、沈降シリカのヒドロキシル基と反応できる官能基を含有しない非官能化スチレン/ブタジエンゴム(S−SBR)を用いて製造した。該ゴム組成物はさらに、天然ゴム、沈降シリカ補強フィラー、及びビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドを含むシリカカップラーも含有していた。
対照ゴムサンプルAは、エラストマー、補強フィラー及びシリカカップラーを三つの連続したノンプロダクティブ混合段階で混合した後、最終のプロダクティブ混合段階で硫黄を含むゴム硬化剤と加硫促進剤をゴム組成物と混合することにより製造された。
実験ゴムサンプルB、C、D及びEは、S−SBRを含有する対照ゴムサンプルAに、ゴム組成物のための三つの連続したノンプロダクティブ混合段階と、それに続くプロダクティブ混合段階で、ごく少量の0.6phrの(3−メルカプトプロピル)トリエトキシシラン(MOASであるMPTES)を添加することにより製造された。実験ゴムサンプルB、C、D及びEの唯一の違いはMPTESの添加段階であった。
実験ゴムサンプルBでは、MPTESの形態のMOASを第一のノンプロダクティブ混合段階(NP1)で添加した。
実験ゴムサンプルCでは、MPTESの形態のMOASを第一のノンプロダクティブ混合段階の後の第二のノンプロダクティブ混合段階(NP2)で添加した。
実験ゴムサンプルDでは、MPTESの形態のMOASを第二のノンプロダクティブ混合段階の後の第三のノンプロダクティブ混合段階(NP3)で添加した。
実験ゴムサンプルEでは、MPTESの形態のMOASを第三のノンプロダクティブ混合段階の後のプロダクティブ(P)混合段階で添加した。
ゴム組成物を以下の表1に示す。
非官能化スチレン/ブタジエンゴム(S−SBR)として、Styron社製SLR4601TM、スチレン含量約21パーセント、Tg(ガラス転移温度)約−22℃、バッチ重合法と理解されている方法によりスチレンと1,3−ブタジエンモノマーの有機溶液重合により製造。
沈降シリカとして、Solvay社製Zeosil 1165MPTM
ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドを含むシリカカップラー(そのポリスルフィドブリッジ中に平均約2〜約2.6個の範囲の連結硫黄原子を含有する)として、Evonik社製Si266TM
ステアリン酸、パルミチン酸及びオレイン酸を含む脂肪酸
Gelest Inc.社製(3−メルカプト)プロピルトリエトキシシラン(MPTES)
硫黄硬化促進剤として、スルフェンアミド一次促進剤及びジフェニルグアニジン二次促進剤
ゴムサンプルは同じ混合手順によって製造された。すなわち、第一のノンプロダクティブ混合段階(NP1)で、エラストマー、抗酸化剤、及び沈降シリカとカップリング剤の一部のほか、表1に示されたその他の成分を密閉式ゴムミキサーにて約4分間、約160℃の温度になるまで一緒に混合した。次に、得られた混合物を、第二の連続したノンプロダクティブ混合段階(NP2)で、残りの沈降シリカ、シリカカップラー及び示された成分と共に密閉式ゴムミキサーにて約160℃の温度になるまで混合した。ゴム組成物はその後、プロダクティブ混合段階(P)で、硫黄硬化パッケージ、すなわち硫黄及び硫黄硬化促進剤と共に密閉式ゴムミキサーにて約2分間、約115℃の温度になるまで混合された。ゴム組成物は、各ノンプロダクティブ混合段階の合間及び最終のプロダクティブ混合段階の前に、各混合工程の後ごとにその密閉式ミキサーからそれぞれ取り出され、40℃未満に冷却された。
MPTESは、NP1、NP2、NP3又はP混合段階で各様に添加された。
以下の表2に、表1の基本的配合に基づくゴム組成物の硬化挙動及び様々な物理的性質を示す。応力−歪、ホットリバウンド及び摩耗値など、硬化ゴムサンプルについて報告されている場合、ゴムサンプルは約160℃の温度で約14分間硬化された。
T1は、ゴム組成物の最小トルクからその最大トルクに向かう間に1dNmの値だけトルクが増加するのに要する時間(分)で、未硬化ゴム組成物サンプルに対し、ムービング・ダイ・レオメーター(MDR)により150℃の試験温度で測定される。T1トルク値は、ゴム組成物の硬化速度が著しく過大で、その高温混合段階中に未硬化ゴム組成物の早期硬化又はスコーチのリスクがあるかどうかを評価するために使用されることがある。T1値の時間は、混合中に未硬化ゴム組成物の早期硬化(スコーチ)のリスクを十分低減するために2.5分より大きいのが望ましい。
T90は、試験温度150℃でゴム組成物がデルタトルクの90パーセント(最小トルク値から最大トルク値へのトルクの差の90パーセント)に達するのに要する時間(分)である。これは一般的にゴム組成物の最適硬化時間の評価と見なされ、ムービング・ダイ・レオメーター(MDR)で測定できる。
課題は、非官能化スチレン/ブタジエンゴムが、ごく最小量のMPTESの形態のメルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)との反応により、その未硬化貯蔵弾性率G’を著しく増大することなく、よってその加工能力を著しく変えることなく、沈降シリカ反応性になるかどうかである。
そのような課題のために、ごく少量のMPTESの形態のMOASを、第一、第二又は第三のノンプロダクティブ混合段階、すなわちNP1、NP2、NP3、又はP混合段階で添加することにより、評価を実施する。
表2から、コンパウンド(ゴム組成物)の性質、例えば60℃におけるリバウンド試験は、MPTESをノンプロダクティブ混合段階で添加した場合、例えば63の値から65又は66の値に改良されたことが分かる。これに対し、実験Eに示されているように、MPTESをプロダクティブ混合段階で添加した場合、転がり抵抗指標(リバウンド又はタンデルタ)に改良は見られなかった。
さらに、ゴムサンプルの硬化速度は、MPTESをプロダクティブ混合段階で添加すると影響を受けることが観察された。表2では、示されているように、未硬化ゴム組成物の混合中のスコーチ(早期硬化)のリスクの指標は、150℃におけるT1の形態、すなわち測定された1dNmのデルタトルク値の増加に要する時間(分)で報告されている。示されているように、T1値の時間は、150℃の評価(試験)温度で2.5分より大きいのが望ましい。
表2から、対照A(MOAS添加なし)のT1の値(150℃)は容認できる3.3分であり、MOASがNP1、NP2又はNP3の混合段階でそれぞれ添加された実験B、C及びDの場合、通常容認可能な2.9〜3.2分の範囲であることが分かる。しかしながら、MOASがP混合段階で添加された場合(実験E)、T1時間はわずか1.8分であることが観察されている。この時間は、高温混合中に未硬化ゴム組成物の望ましくないスコーチ(望ましくない早期硬化)の不要なリスクを示すという意味において、不適切に短い時間であると見なされる。
MOAS(MPTES)を最終のプロダクティブ混合段階で加えた場合、ゴム組成物には何の性能利益もなかったと結論付けられる。さらに、表2から、プロダクティブ混合段階でのMOASの添加は、不適切に短いT1時間をもたらし、それによって混合中の未硬化ゴム組成物の望ましくないスコーチのリスクを示すことも観察されている。
また、表2から、最も効率的な結果(未硬化貯蔵弾性率(G’)の最小の増加)は、MOAS(MPTES)をNP1混合段階で添加し、次いでMOAS含有ゴム組成物を連続した混合段階NP2及びNP3で継続的に混合することによって得られたことも分かる。未硬化貯蔵弾性率(G’)は、一般的に未硬化ゴム組成物の加工性の指標として使用される。貯蔵弾性率(G’)が低いほど、未硬化ゴム組成物の良好な(より効率的な)加工性を示す。
反応機構が完全に理解されているわけではないが、少量のMOAS(MPTES)のメルカプト部分が、S−SBRのポリマー主鎖上に、そのブタジエン成分とのチオール−エン反応によってグラフトし、少量のMOAS(MPTES)のシラン部分が沈降シリカのヒドロキシル基と反応すると推測される。このような相互作用は、未硬化ゴム組成物の貯蔵弾性率(G’)の増加に関連するゴム組成物の粘度を増大しそうである。少量のMOAS(MPTES)をNP1混合段階で添加することにより、その結果としてのゴム組成物の粘度の増大は、MOAS含有ゴム組成物のその後の混合段階中の混合時間を増やすことにより、一見削減される。言い換えれば、MOAS含有ゴム組成物は、見たところ、その後のノンプロダクティブ混合段階で引き続き分解され、それによってその粘度及び関連する未硬化貯蔵弾性率(G’)の性質が低減し、それによってその関連未硬化貯蔵弾性率(G’)値によって観察されるようにゴム組成物の加工性が改良される。
少量(0.6phr)のメルカプト有機アルコキシシラン(MPTESの形態のMOAS)を、沈降シリカ充填非官能化スチレン/ブタジエンゴム含有ゴム組成物にNP1混合段階で添加する順序は、最終コンパウンド(ゴム組成物)の硬化後物性ならびに未硬化ゴム組成物の加工性に顕著な影響を及ぼすことが発見されたと結論付けられる。
実施例II
本実施例では、以下のゴム組成物を評価のために製造した。
対照ゴムサンプルIは、官能化されたスチレン/ブタジエンゴム(Fn−SBR)とシス1,4−ポリブタジエンエラストマーを、沈降シリカ補強剤を含む補強フィラー及びビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィド(TEOSPS)を含むシリカカップラーと共に含有していた。
実験ゴムサンプルJは、対照ゴムサンプルIと同様であったが、官能化スチレン/ブタジエンゴム(FN−SBR)の代わりにS−SBRを含有していた。
実験ゴムサンプルKは、実験ゴムサンプルJと同様であったが、NP1混合段階で0.6phrの(3−メルカプトプロピル)トリエトキシシラン(MPTES)の形態のMOASを含有していた。この量は、100重量部の沈降シリカあたり0.92重量部のMOAS(MPTES)に相当する。
ゴム組成物を以下の表3に示す。
シリカフィラーのヒドロキシ基に対して反応性のある官能基を含有する官能化スチレン/ブタジエンゴム(Fn−SBR)、スチレンと1,3−ブタジエンモノマーの有機溶液重合により製造、Tg約−23℃、ムーニー粘度(ML1+4)(100℃)約65、Styron社製SLR4602TM
高シス1,4−ポリブタジエンゴムとして、The Goodyear Tire & Rubber Company社製BUD4001TM、Tg約−102℃
非官能化スチレン/ブタジエンゴム(S−SBR)、The Goodyear Tire & Rubber Company社製、スチレンと1,3−ブタジエンモノマーのバッチ反応器重合法での溶媒溶液重合により製造、スチレン含量約21パーセント、Tg(ガラス転移温度)約−22℃
Gelest Inc.社製(3−メルカプト)プロピルトリエトキシシラン(MPTES)
沈降シリカとして、Solvay社製Zeosil 1165MPTM
ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィドを含むシリカカップラー(そのポリスルフィドブリッジ中に平均約2〜約2.6個の範囲の連結硫黄原子を含有する)として、Evonik社製Si266
ステアリン酸、パルミチン酸及びオレイン酸を含む脂肪酸
硫黄硬化促進剤として、スルフェンアミド一次促進剤及びジフェニルグアニジン二次促進剤
ゴムサンプルは実施例1のようにして製造した。
以下の表4に、表1の基本的配合に基づくゴム組成物の硬化挙動及び様々な物理的性質を示し、ここでは対照ゴムサンプルI、実験ゴムサンプルJ及びKとして報告する。応力−歪、ホットリバウンド及び摩耗値など、硬化ゴムサンプルについて報告されている場合、ゴムサンプルは約160℃の温度で約14分間硬化された。
表4から、S−SBRと少量のMOAS(MPTES)の組合せを含有する実験ゴムサンプルKの1パーセント歪時の貯蔵弾性率G’は、S−SBRを含有し、MOAS(MPTES)を含有しない実験ゴムサンプルJの2.9MPaという値と比べて1.8MPaの値に著しく減少したことが分かる。
さらに、少量のMOAS(MPTES)を加えると、実験ゴムサンプルKの1パーセント時の1.8MPaという値の貯蔵弾性率G’は、官能化S−SBRを用いた対照ゴムサンプルIの1.8MPaという値に類似していることも分かる。
1パーセント時の貯蔵弾性率G’の値の低さは、一般的に、類似のゴム組成物についてゴム組成物内のフィラーの分散が良好であることの指標として使用されることを認識しておくことは重要である。
表4からは、さらに、転がり抵抗の実験室指標、すなわち60℃におけるリバウンド及び10パーセント歪/100℃におけるタンデルタの値が、MPTESを含有しない実験ゴムサンプルJのそれぞれ57及び0.13という値と比べて、実験ゴムサンプルK(S−SBRと共に少量のMPTESを使用)の64(リバウンド値の増加)及び0.11(タンデルタ値の減少)に著しく改良されていることも分かる。
表4からは、さらに、実験ゴムサンプルKの103mg/kmというGrosch摩耗率の値は、115mg/kmという著しく高いGrosch摩耗率の値を有する実験ゴムサンプルJと比べて、実験ゴムサンプルKの摩耗性が少量のMPTESを加えたことで著しく改良されたことを示していることも分かる。実験ゴムサンプルKのGrosch摩耗率(103mg/km)は、官能化SBRを使用した対照ゴムサンプルI(109mg/km)に優る改良も示している。
従って、この評価から、非官能化SBRを含有するシリカ豊富補強フィラー含有ゴム組成物にMPTESを少量(0.6phr)添加すると、硬化ゴム組成物の示された物理的性質の改良が有益に促進されたという有意義な発見が得られたと結論付けられる。特に、驚くべきことに、MPTESとS−SBRの組合せを有するゴム組成物の示された物理的性質は、MPTESを添加せずにFn−SBRを用いて得られたゴム組成物の物理的性質と同等か又はそれより改良された。
本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正がその中でなされうることは当業者には明白であろう。
[発明の態様]
1. 沈降シリカ補強ゴム組成物の製造法であって、前記方法は、100重量部のゴムあたりの重量部(phr)を含むゴム組成物を、
(A)硫黄を含む硫黄硬化剤と少なくとも一つの硫黄加硫促進剤の不在下での少なくとも一つの連続した予備的ノンプロダクティブ混合工程において、
(1)下記を含む100phrのジエン系エラストマー:
(a)約10〜約95phrのスチレン/ブタジエンエラストマー、及び
(b)約90〜約5phrの少なくとも一つの追加の共役ジエン系エラストマー、
(2)約0.1〜約2phrのメルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)、
(3)約20〜約120phrの沈降シリカと約1〜約50phrのゴム補強カーボンブラックとを含む補強フィラー、
(4)前記沈降シリカ100重量部あたり約2〜約15重量部(phs)の、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィド(TEOSPS)(そのポリスルフィドブリッジ中に平均約2〜約4個の連結硫黄原子を含有する)を含むシリカカップラー
を混合し、
ここで、TEOSPS対MOASの重量比は、約3/1〜約30/1の範囲であり、次いで
(B)最終のプロダクティブ混合工程において、硫黄、及び少なくとも一つの硫黄加硫促進剤を含むゴム成分を混合する
ことによってブレンドすることを含み、
ここで、スチレン/ブタジエンエラストマーは、スチレンと1,3−ブタジエンモノマーのコポリマーとして有機溶液重合調製エラストマー(S−SBR)である方法。
2.前記S−SBRが、約10〜約45パーセントの範囲の結合スチレン含量と、そのブタジエン成分を基にして少なくとも12パーセントのビニル含量を含有する、1の方法。
3.前記MOASが、第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされ、前記TEOSPSが前記第一のノンプロダクティブ混合工程と前記連続したノンプロダクティブ混合工程の少なくとも一つでブレンドされる、1の方法。
4.前記MOAS及びTEOSPSの両方とも第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされる、1の方法。
5.前記MOAS及びTEOSPSの両方とも第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされ、前記MOAS又はTEOSPSの少なくとも一つの一部が少なくとも一つのその後の連続したノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされる、1の方法。
6.前記スチレン/ブタジエンゴムが、スチレン/ブタジエンゴムのポリブタジエン部分を基にして、約10〜約80パーセントの範囲のビニル含量を有する、1の方法。
7.前記スチレン/ブタジエンゴムが、約15〜約40パーセントの範囲の結合スチレン含量と、スチレン/ブタジエンゴムのポリブタジエン部分を基にして、約40〜約70パーセントの範囲のビニル含量を有する、1の方法。
8.前記混合工程が、密閉式ゴムミキサー内で実施され、そこでは、
(A)前記連続したノンプロダクティブ混合工程は約140℃〜約170℃の範囲の温度になるまで実施され、前記最終のプロダクティブ混合工程は約100℃〜約120℃の範囲で実施され、そして
(B)前記ゴム組成物は、各工程の後、そのゴムミキサーから取り出されて、約40℃未満の温度に冷却される、
1の方法。
9.前記ノンプロダクティブ混合工程が、1〜6つの連続したノンプロダクティブ混合工程を含む、1の方法。
10.前記沈降シリカが、第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされる、1の方法。
11.前記沈降シリカの一部が第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされ、前記沈降シリカの残りが、前記第一のノンプロダクティブ混合工程の後の少なくとも一つの連続したノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされる、1の方法。
12.前記S−SBRが、前記沈降シリカ上のヒドロキシル基と反応する官能基を含有する官能化スチレン/ブタジエンゴム(Fn−SBR)である、1の方法。
13.前記メルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)が、式(I):
[式中、R、R及びRは、1〜12個の炭素原子を含有するアルキル基及びアルコキシ基の少なくとも一つを含み、ここで、前記基の少なくとも一つはアルコキシ基であり、前記アルコキシ基の少なくとも一つはエトキシ基であり、Rは、1〜18個の炭素原子を含有するアルキレン基である]によって表される化合物を含む、1の方法。
14.前記MOASが、(3−メルカプトプロピル)トリエトキシシラン(MPTES)、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシシラン(MPTMS)、(2−メルカプトエチル)トリエトキシシラン(METES)、(11−メルカプトウンデシル)トリメトキシシラン(MUDTMS)、(3−メルカプトプロピル)トリメチルジエトキシシラン(MPMDES)、(3−メルカプトプロピル)メチルジメトキシシラン(MPMDMS)、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシエトキシシラン(MPTMES)、(3−メルカプトプロピル)シラトラン(MPSTR)及び(3−メルカプトプロピル)−3,7,10−トリメチルシラトラン(MPTMSTR)の少なくとも一つを含む、1の方法。
15.1の方法によって製造されるゴム組成物。
16.15のゴム組成物を含む部品を有するタイヤ。
17.3の方法によって製造されるゴム組成物。
18.17のゴム組成物を含む部品を有するタイヤ。
19.4の方法によって製造されるゴム組成物。

Claims (19)

  1. 沈降シリカ補強ゴム組成物の製造法であって、前記方法は、100重量部のゴムあたりの重量部(phr)を含むことを特徴とするゴム組成物を、
    (A)硫黄を含む硫黄硬化剤と少なくとも一つの硫黄加硫促進剤の不在下での少なくとも一つの連続した予備的ノンプロダクティブ混合工程において、
    (1)下記を含む100phrのジエン系エラストマー:
    (a)10〜95phrのスチレン/ブタジエンエラストマー、及び
    (b)90〜5phrの少なくとも一つの追加の共役ジエン系エラストマー、
    (2)0.1〜2phrのメルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)、
    (3)20〜120phrの沈降シリカと1〜50phrのゴム補強カーボンブラックとを含む補強フィラー、
    (4)前記沈降シリカ100重量部あたり2〜15重量部(phs)の、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ポリスルフィド(TEOSPS)(そのポリスルフィドブリッジ中に平均2〜4個の連結硫黄原子を含有する)を含むシリカカップラー
    を混合し、
    ここで、TEOSPS対MOASの重量比は3/1〜30/1の範囲であり、次いで
    (B)最終のプロダクティブ混合工程において、硫黄、及び少なくとも一つの硫黄加硫促進剤を含むゴム成分を混合する
    ことによってブレンドすることを含み、
    ここで、スチレン/ブタジエンエラストマーは、スチレンと1,3−ブタジエンモノマーのコポリマーとして有機溶液重合調製エラストマー(S−SBR)である方法。
  2. 前記S−SBRが、10〜45パーセントの範囲の結合スチレン含量と、そのブタジエン成分を基にして少なくとも12パーセントのビニル含量を含有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記MOASが、第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされ、前記TEOSPSが前記第一のノンプロダクティブ混合工程と前記連続したノンプロダクティブ混合工程の少なくとも一つでブレンドされることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  4. 前記MOAS及びTEOSPSの両方とも第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  5. 前記MOAS及びTEOSPSの両方とも第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされ、前記MOAS又はTEOSPSの少なくとも一つの一部が少なくとも一つのその後の連続したノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  6. 前記スチレン/ブタジエンゴムが、スチレン/ブタジエンゴムのポリブタジエン部分を基にして、10〜80パーセントの範囲のビニル含量を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  7. 前記スチレン/ブタジエンゴムが、15〜40パーセントの範囲の結合スチレン含量と、スチレン/ブタジエンゴムのポリブタジエン部分を基にして40〜70パーセントの範囲のビニル含量を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  8. 前記混合工程が、密閉式ゴムミキサー内で実施され、そこでは、
    (A)前記連続したノンプロダクティブ混合工程は140℃〜170℃の範囲の温度になるまで実施され、前記最終のプロダクティブ混合工程は100℃〜120℃の範囲で実施され、そして
    (B)前記ゴム組成物は、各工程の後、そのゴムミキサーから取り出されて、40℃未満の温度に冷却される
    ことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  9. 前記ノンプロダクティブ混合工程が、1〜6つの連続したノンプロダクティブ混合工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  10. 前記沈降シリカが、第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  11. 前記沈降シリカの一部が第一のノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされ、前記沈降シリカの残りが、前記第一のノンプロダクティブ混合工程の後の少なくとも一つの連続したノンプロダクティブ混合工程で前記ゴム組成物とブレンドされることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  12. 前記S−SBRが、前記沈降シリカ上のヒドロキシル基と反応する官能基を含有する官能化スチレン/ブタジエンゴム(Fn−SBR)であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  13. 前記メルカプト有機アルコキシシラン(MOAS)が、式(I):

    [式中、R、R及びRは、1〜12個の炭素原子を含有するアルキル基及びアルコキシ基の少なくとも一つを含み、ここで、前記基の少なくとも一つはアルコキシ基であり、前記アルコキシ基の少なくとも一つはエトキシ基であり、Rは、1〜18個の炭素原子を含有するアルキレン基である]によって表される化合物を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  14. 前記MOASが、(3−メルカプトプロピル)トリエトキシシラン(MPTES)、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシシラン(MPTMS)、(2−メルカプトエチル)トリエトキシシラン(METES)、(11−メルカプトウンデシル)トリメトキシシラン(MUDTMS)、(3−メルカプトプロピル)トリメチルジエトキシシラン(MPMDES)、(3−メルカプトプロピル)メチルジメトキシシラン(MPMDMS)、(3−メルカプトプロピル)トリメトキシエトキシシラン(MPTMES)、(3−メルカプトプロピル)シラトラン(MPSTR)及び(3−メルカプトプロピル)−3,7,10−トリメチルシラトラン(MPTMSTR)の少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  15. 請求項1に記載の方法によって製造されることを特徴とするゴム組成物。
  16. 請求項15に記載のゴム組成物を含むことを特徴とする部品を有するタイヤ。
  17. 請求項3に記載の方法によって製造されることを特徴とするゴム組成物。
  18. 請求項17に記載のゴム組成物を含むことを特徴とする部品を有するタイヤ。
  19. 請求項4に記載の方法によって製造されることを特徴とするゴム組成物。
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