JP2018197354A - 共役ジエン重合体の製造方法、ゴム組成物および空気入りタイヤ - Google Patents
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Abstract
Description
[1]一般式(1)
で示される共役ジエン化合物モノマー(1)を、金属触媒の存在下、溶液重合することを含んでなる共役ジエン重合体の製造方法において、
重合停止剤として、一般式(2)
R3−(X)−OH (2)
(式中、R3は炭素数9〜30の炭化水素基を表し、XはCOまたはCH2を表す。)
で示されるプロトン性有機化合物(2)を使用し、および/または、重合反応停止後の添加剤として、プロトン性有機化合物(2)の金属塩を配合する共役ジエン重合体の製造方法、
[2]共役ジエン化合物モノマー(1)に、さらに、一般式(3)
で示されるビニル化合物モノマー(3)を加えて重合するものである、上記[1]の共役ジエン重合体の製造方法、
[3]溶液重合における溶媒が、炭化水素系溶媒である、上記[1]または[2]の共役ジエン重合体の製造方法、
[4]前記金属が、リチウム、ランタノイド、チタン、コバルト、ニッケルおよびアルミニウムから選択される1または2以上である上記[1]〜[3]のいずれかの共役ジエン重合体の製造方法、
[5]プロトン性有機化合物(2)が、ミリスチン酸、ステアリン酸、パルミチン酸、モンタン酸およびステアリルアルコールからなる群から選択される1種または2種以上のものである上記[1]〜[4]のいずれかの共役ジエン重合体の製造方法、
[6]重合停止剤としてプロトン性有機化合物(2)を使用し、かつ、金属触媒に由来する金属塩の除去工程を含まないものである上記[1]〜[5]のいずれかの共役ジエン重合体の製造方法、
[7]共役ジエン化合物モノマー(1)が、1,3−ブタジエンおよび/またはイソプレンである上記[1]〜[6]のいずれかの共役ジエン重合体の製造方法、
[8]ビニル化合物モノマー(3)が、スチレン、α−メチルスチレン、α−ビニルナフタレンおよびβ−ビニルナフタレンからなる群から選択される1種または2種以上である上記[2]〜[7]のいずれかの共役ジエン重合体の製造方法、
[9]上記[1]〜[8]のいずれかの共役ジエン重合体の製造方法により得られた共役ジエン重合体を含んでなるゴム組成物、
[10]上記[9]のゴム組成物を用いて作製した空気入りタイヤ、
に関する。
本発明の製造方法は、共役ジエン化合物モノマー(1)を、または、同モノマー(1)とビニル化合物モノマー(3)とを、金属触媒の存在下、溶液重合することを含んでなる共役ジエン重合体の製造方法であって、重合停止剤として所定のプロトン性有機化合物(2)を使用する、および/または、重合反応停止後の添加剤として所定のプロトン性有機化合物(2)の金属塩を配合する点に特徴を有する。
本発明において、金属触媒存在下でのモノマーの溶液重合は、この分野で通常行われるいずれの重合方法によるものであっても構わないが、そのような重合反応としては、典型的には、例えば、アニオン重合や配位重合が挙げられる。
アニオン重合は、アニオン重合開始剤(触媒)の存在下、適当な溶媒中で実施することができる。アニオン重合開始剤としては、慣用のものをいずれも好適に使用することができ、そのようなアニオン重合開始剤としては、例えば、一般式RLix(但し、Rは1個またはそれ以上の炭素原子を含む脂肪族、芳香族または脂環式基であり、xは1〜20の整数である。)を有する有機リチウム化合物があげられる。適当な有機リチウム化合物としては、メチルリチウム、エチルリチウム、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウム、フェニルリチウムおよびナフチルリチウムが挙げられる。好ましい有機リチウム化合物は、n−ブチルリチウムおよびsec−ブチルリチウムである。アニオン重合開始剤は、単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。重合開始剤の使用量は、モノマーに対し、モル比で、1.0倍〜0.00001倍、好ましくは0.1倍〜0.0001倍である。該モル比が0.00001倍未満では不純物による触媒活性の失活を受けやすくなり重合反応が進行しにくくなる傾向があり、一方、1.0倍超では重合反応後に触媒由来の金属塩が過剰に残留し重合物の性能を低下させる傾向がある。
配位重合は、上記アニオン重合におけるアニオン重合開始剤(触媒)に代えて、配位重合開始剤(触媒)を用いることにより、実施することができる。配位重合開始剤としては、慣用のものをいずれも好適に用いることができ、そのような配位重合開始剤としては、例えば、ランタノイド化合物、チタン化合物、コバルト化合物、ニッケル化合物等の遷移金属含有化合物が挙げられる。また、配位重合開始剤(触媒)は、所望により、さらにアルミニウム化合物、ホウ素化合物、ハロゲン化炭化水素等を助触媒として組み合わせた複合触媒の形で使用することができる。本明細書で「触媒」とは、このように触媒と助触媒を組み合わせた複合触媒の形のものも含む意味である。配位重合開始剤の使用量は、アニオン重合開始剤と同様である。
本発明の重合工程においては、その重合反応系中に、触媒由来の金属イオンや金属錯イオンなどが存在する。かかる状況下、本発明の第一の態様は、重合反応を、プロトン性有機化合物(2)の添加により停止するものである。
共役ジエン化合物モノマー(1)において、炭素数1〜3の脂肪族炭化水素基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基等が挙げられ、このうちメチル基が好ましい。ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられ、このうち、塩素原子が好ましい。共役ジエン化合物モノマー(1)の具体例としては、例えば、1,3−ブタジエン、イソプレン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン等が好ましく、このうち、1,3−ブタジエン、イソプレン等が好ましい。共役ジエン化合物モノマー(1)としては、1種または2種以上のものを使用することができる。
プロトン性有機化合物(2)は、沸点が150℃以上のものであることが好ましい。そうすることで、後のゴム組成物の製造工程における混練や架橋反応時にも、該プロトン性有機化合物(2)が揮発しないで済むからである。
ビニル化合物モノマー(3)において、R4やR5における炭素数1〜3の飽和脂肪族炭化水素基としてはメチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基等が挙げられ、このうちメチル基が好ましい。R4における炭素数3〜8の脂環式炭化水素基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロへキシル基、シクロへプチル基、シクロオクチル基、シクロプロペニル基、シクロブテニル基、シクロペンテニル基、シクロへキセニル基、シクロへプテニル基、シクロオクテニル基等が挙げられ、このうちシクロプロピル基、シクロブチル基が好ましい。R4における炭素数6〜12の芳香属炭化水素基としては、フェニル基、1−エチルフェニル基、3−ビニルフェニル基、4−ビニルフェニル基、2,4,6−トリメチルフェニル基、4−t−ブチルフェニル基、4−シクロヘキシルフェニル基、ベンジル基、フェネチル基、トリル(tolyl)基、キシリル(xylyl)基、ナフチル基などが挙げられる。但し、トリル基におけるベンゼン環上のメチル基の置換位置はオルト−、メタ−もしくはパラ−のいずれの位置も含むものであり、キシリル基におけるメチル基の置換位置も、任意の置換位置のいずれをも含むものである。これらのうち、フェニル基、トリル(tolyl)基、ナフチル基が好ましい。
本発明の共役ジエン重合体について、重量平均分子量(Mw)は、1000以上であれば特に限定はなく、好ましくは2000以上である。Mwが1000未満では流動性の高い液状ポリマーとなる傾向がある。一方、Mwは、300万以下であれば特に限定はない。Mwが300万超ではゴム弾性を持たない固形物となる傾向がある。
こうして得られる共役ジエン重合体は、ゴム組成物に配合して、本発明のゴム組成物とすることができる。
ガラス転移温度(Tg)は、示差走査熱量計(DSC)により測定される。
ムーニー粘度は、JIS K 6300に準じて測定される。
スチレン:和光純薬(株)製のスチレン(試薬)
ブタジエン:高千穂化学工業(株)製の1,3−ブタジエン
イソプレン:和光純薬(株)製のイソプレン(試薬)
n−ヘキサン:関東化学(株)製のヘキサン(試薬)
シクロヘキサン:関東化学(株)製のヘキサン(試薬)
テトラヒドロフラン(THF):関東化学(株)製のテトラヒドロフラン(試薬)
n−ブチルリチウム:東京化成工業(株)製の1.6M n−ブチルリチウム/n−ヘキサン溶液
テトラメチルエチレンジアミン(TMEDA):東京化成工業(株)製のテトラメチルエチレンジアミン(試薬)
バーサチック酸ネオジウム:和光純薬(株)製のバーサチック酸ネオジム(試薬)
メチルアルミノキサン(PMAO):東ソーファインケム(株)製のPMAO(Al:6.8重量%)(試薬)
2−クロロ−2−メチルプロパン:東京化成工業(株)製の2−クロロ−2−メチルプロパン(試薬)
ジイソブチルアルミニウムハライド(DIBAH):東ソーファインケム(株)製の1M DIBAH(試薬)
トリイソブチルアルミニウム(TIBA):東ソーファインケム(株)製の1M TIBA(試薬)
イソプロパノール(IPA):関東化学(株)製のイソプロパノール(試薬)
ジブチルヒドロキシトルエン(BHT):関東化学(株)製のジブチルヒドロキシトルエン(試薬)
ステアリン酸(SA):日本油脂(株)製のステアリン酸
メタノール:関東化学(株)製のメタノール(試薬)
触媒A:乾燥し窒素置換した1Lの耐圧ステンレス容器に、シクロヘキサン350mL、ブタジエンモノマーを35g添加し、20容量%バーサチック酸ネオジム/シクロヘキサン溶液を54mL添加し、PMAO/トルエン溶液を130mL添加し、30分攪拌した。その後、1MのDIBAH/ヘキサン溶液を30mL添加し、30分攪拌した後、1Mの2−クロロ−2−メチルプロパン/シクロヘキサン溶液を15mL添加し、30分攪拌して、触媒Aとした。
触媒B:乾燥し窒素置換したガラス容器内で、精製乾燥したn−ヘキサンを用いて、1.6M n−ブチルリチウム/n−ヘキサン溶液を0.01mMになるように希釈し、触媒Bとした。
共重合体:本明細書の記載に従い合成したもの
重合体:本明細書の記載に従い合成したもの
SBR:旭化成(株)製のアサプレン303(スチレン含有量46%重量%)
NR:マレーシア製のSMR20
BR:宇部興産製のハイシスBR150B
カーボンブラック:三菱化学株式会社製のダイアブラックI(ISAFカーボン、平均粒子径23nm、DBP吸油量114ml/100g)
老化防止剤:大内新興化学工業(株)製のノクラック6C(N−1,3−ジメチルブチル−N’−フェニル−p−フェニレンジアミン)
ステアリン酸(SA):日本油脂(株)製のステアリン酸
酸化亜鉛:三井金属鉱業(株)製の酸化亜鉛2種
硫黄:鶴見化学工業(株)製の粉末硫黄
加硫促進剤:大内新興化学工業(株)製のノクセラーNS(N−tert−ブチル−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド)
表1の記載に従い、乾燥し窒素置換した3Lの耐圧ステンレス容器に、n−ヘキサン 2000ml、スチレンおよびブタジエンからなる原料モノマー300g(表1の重量比に従い配合)とともに、TMEDA 0.22mmolを加え、さらにn−ブチルリチウム(n−BuLi)60mmolを加えた後、50℃で5時間重合反応を行った。5時間後、所定の重合停止剤(1MのTHF溶液として調製したもの)60mlを滴下し、反応を終了させた。冷却後、反応液を1晩風乾し、さらに2日間減圧乾燥を行い、各共重合体を得た。
収率=[(共)重合体の乾燥重量]/
[添加モノマー全重量+触媒・助触媒・反応停止剤の固形分重量]×100(%)
(重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn))
MwおよびMnは、東ソー(株)製GPC−8000シリーズの装置、検知器として示差屈折計を用いて測定し、標準ポリスチレンにより校正した。
(粘度)
E型粘度計を使用して25℃における粘度を測定した。
(Tg)
示差走査熱量計(DSC)を用いて温度範囲−150℃〜150℃、昇温速度10℃/分の条件でガラス転移点(Tg)を測定した。
(ハンドリング性)
各共重合体について、その製造工程、計量、およびゴム組成物の混練り工程の作業に従事した担当者にヒヤリングを行い、共重合体の取り扱いの難易度を、以下の評価基準により3段階で、評価した。
○:よい
△:普通
×:悪い
結果は、表1に示すとおりである。
表2記載の配合に従い、上記で得た各共重合体を、各種薬品(硫黄および加硫促進剤を除く)と共に、密閉式バンバリーミキサーで、140℃排出で、合計6分間混練りした。次ぎに、硫黄および加硫促進剤を添加して、密閉式バンバリーミキサーを用いて、100℃排出で2分間混練りし、未加硫ゴム組成物を得た。
こうして得た未加硫ゴム組成物について、これをタイヤトレッドの形所に合わせて押出し加工し、タイヤ成形機上にて他の部材と合わせて成形することにより、未加硫タイヤとした。これを、加硫機中で、170℃で20分間プレス加硫し、タイヤを得た(タイヤサイズ:185/70S R14)。このタイヤに空気を入れ、空気入りタイヤとした。
JIS K 6300−1「未加硫ゴム−物理特性−第1部:ムーニー粘度計による粘度及びスコーチタイムの求め方」に準じて、キュラストメーターを用いて、160℃、振幅角度±1度、振幅数1.67Hzの条件下、上記未加硫ゴム組成物からなる試験片を振動を加えながら加硫した場合において、トルクが10%上昇する時間(最大荷重に対して10%硬化するまでの時間)T10(分)、および、トルクが95%上昇する時間(最大荷重に対して95%硬化するまでの時間)T95(分)を測定した。T10が大きいほど、スコーチタイムが長く、早期加硫を起しにくいことを示すことを示す(初期加硫速度が遅い)。また、T95が大きいほど、加硫速度が遅いことを示す。なお、トルクの最大値をMaxトルク(単位:N・m)として求めた。
各未加硫ゴム組成物から所定のサイズの試験片を作成し、JIS K 6300「未加硫ゴムの試験方法」に準じて、ムーニー粘度試験機を用いて、1分間の予熱によって熱せられた130℃の温度条件にて、大ローターを回転させ、4分間経過した時点でのムーニー粘度ML1+4(130℃)を測定した。なお、ムーニー粘度が小さいほど、加工性に優れることを示している。
上記で得た各空気入りタイヤを用いて、アスファルト路面のテストコースにて、実車走行を周回数9周で行った。操舵時のコントロール安定性をテストドライバーが、比較例3を基準(5点)として、10段階評価した。最初の3周についての結果を初期グリップ性能、次の3周についての結果を中期グリップ性能、最後の3周についての結果を後期グリップ性能とした。数値が高い方が、グリップ性能が優れていることを示している。
上記で得た各空気入りタイヤを用いて、テストコースを20周走行し、走行前後における溝の深さを測定し、比較例3を基準(指数:100)として、指数表示した。数値が大きいほど耐摩耗性が優れていることを示している。
上記評価結果において、初期〜後期におけるグリップ性の低下がなく、耐摩耗性が高いものが、耐久性に優れるものである。
表3の記載に従い、乾燥し窒素置換した3Lの耐圧ステンレス容器に、シクロヘキサン 2000ml、ブタジエン100gを加え、1MのTIBA/n−ヘキサン溶液を10mL添加し、5分間攪拌した。混合物が澄明の溶液であることを確認した後、所定量の触媒(触媒Aまたは同B)を所定量(mL)添加し、80℃で3時間重合反応を行った。3時間後、所定の重合停止剤(1MのTHF溶液として調製したもの)50mlを滴下し、反応を終了させた。冷却後、重合液を3日間晩風乾し、さらに1日間減圧乾燥を行い、各重合体を得た。
赤外吸収スペクトル分析法により、0.4重量%の2硫化炭素溶液を用いて、重合体のミクロ構造を測定することにより、1,4−シス結合含有量(単位:モル%)を算出した。
表4に記載の配合に従い、上記で得た各重合体を、各種薬品(硫黄および加硫促進剤を除く)と共に、密閉式バンバリーミキサーで、140℃排出で、合計6分間混練りした。次ぎに、硫黄および加硫促進剤を添加して、密閉式バンバリーミキサーを用いて、100℃排出で2分間混練りし、未加硫ゴム組成物を得た。なお、加硫ゴム組成物は、得られたゴム組成物を170℃で20分間プレス加硫することにより得た。
こうして得た未加硫ゴム組成物のそれぞれについて、これをタイヤトレッドの形状に合わせて押出し加工し、タイヤ成形機上にて他の部材と合わせて成形することにより、未加硫タイヤとした。これを、加硫機中で、170℃で20分間プレス加硫し、タイヤを得た(タイヤサイズ:185/70S R14)。このタイヤに空気を入れ、空気入りタイヤとした。
得られた加硫ゴム組成物から3号ダンベル型ゴム試験片を作製し、JIS引張試験法K6251に基づき、70℃において引張試験を行い、300%伸張時応力(M300、MPa)、破断強度(TB、MPa)および破断時伸び(EB、%)を測定した。M300の値が大きいほど耐摩耗性が優れていることを示す。TBまたはEBが大きいほど、破壊特性に優れていることを示す。
耐摩耗性は、以下に示すランボーン摩耗試験により評価した。同試験から得た損失量をもとに、比較例3を100として、指数化した。当該数値が大きいほど耐摩耗性に優れている。ここで、ランボーン摩耗試験とは、ランボーン摩耗試験機(岩本製作所製)を用い、温度20℃、試験時間5分、試験表面速度80m/分、落砂量15g/分、加重3.0kgfおよびスリップ率20%の条件にて、各加硫ゴム組成物の試験片について、容積損失量を測定するものである。
表5の記載に従い、ブタジエン重合体の合成と同様に処理して、各重合体を得た。
表6に記載の配合に従い、上記と同様に処理して、未加硫ゴム組成物、加硫ゴム組成物、タイヤ、および空気入りタイヤをそれぞれ得た。
Claims (10)
- 一般式(1)
で示される共役ジエン化合物モノマー(1)を、重合開始剤と助触媒を組み合わせた複合触媒の存在下、溶液重合することを含んでなる共役ジエン重合体の製造方法において、重合停止剤として、一般式(2)
R3−(X)−OH (2)
(式中、R3は炭素数9〜30の炭化水素基を表し、XはCOまたはCH2を表す。)
で示されるプロトン性有機化合物(2)を使用し、かつ、前記複合触媒に由来する金属塩の除去工程を含まず、
前記重合開始剤が、アニオン重合開始剤または配位重合開始剤であり、
前記助触媒が、アルミニウム化合物、ホウ素化合物、およびハロゲン化炭化水素からなる群から選択される1種または2種以上のものである共役ジエン重合体の製造方法。 - 重合開始剤の使用量が、モノマーに対し、モル比で、1.0倍〜0.00001倍であり、
プロトン性有機化合物(2)の添加量が、重合開始剤に対し、モル比で、0.1倍〜10.0倍である請求項1または2記載の共役ジエン重合体の製造方法。 - 共役ジエン重合体の重量平均分子量(Mw)が100万以上であり、ガラス転移温度(Tg)が−45℃以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の共役ジエン重合体の製造方法。
- 溶液重合における溶媒が、炭化水素系溶媒である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の共役ジエン重合体の製造方法。
- プロトン性有機化合物(2)が、ミリスチン酸、ステアリン酸、パルミチン酸、およびモンタン酸からなる群から選択される1種または2種以上のものである請求項1〜5のいずれか1項に記載の共役ジエン重合体の製造方法。
- 共役ジエン化合物モノマー(1)が、1,3−ブタジエンおよび/またはイソプレンである請求項1〜6のいずれか1項に記載の共役ジエン重合体の製造方法。
- ビニル化合物モノマー(3)が、スチレン、α−メチルスチレン、α−ビニルナフタレンおよびβ−ビニルナフタレンからなる群から選択される1種または2種以上である請求項2〜7のいずれか1項に記載の共役ジエン重合体の製造方法。
- 請求項1〜8いずれか1項に記載の共役ジエン重合体の製造方法により得られた共役ジエン重合体を用いることを特徴とする、ゴム組成物の製造方法。
- 請求項9記載のゴム組成物の製造方法により得られたゴム組成物を用いることを特徴とする、空気入りタイヤの製造方法。
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