JP2018538413A - 新規なポリクロロプレン組成物 - Google Patents

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Abstract

第2又は第3番目の典型元素族からのイオンおよびレジネートアニオンを所定の量で含み、そのために改良された硬化特性を有する、クロロプレンゴム、架橋剤、および加硫促進剤を含む、実質的にETUフリーの架橋性組成物、そのような組成物を加硫させるための方法、ならびにそれによって得られる加硫物。

Description

本発明は、クロロプレンゴムをベースとする実質的にETUフリーの架橋性組成物、それらの組成物から加硫物を製造するためのプロセス、およびそれによって得られる加硫物に関する。
本発明の目的においては、「クロロプレンゴム」(略して「CR」とも呼ばれる)は、クロロプレンと、場合によっては1種または複数のコモノマーとのコポリマーであって、そのコモノマーとしては、たとえば以下のものが挙げられる:2,3−ジクロロブタジエン、1−クロロブタジエン、ブタジエン、イソプレン、アクリル酸、メタクリル酸、アクリロニトリル、メタクリロニトリル、硫黄、アクリレートもしくはメタクリレート誘導体、ジアクリレートもしくはジメタクリレート、またはスチレン。コモノマーの量は、そのコポリマーの全質量の、一般的には25%以下、好ましくは20%以下、より好ましくは15%以下、最も好ましくは10%以下である。
クロロプレンゴムは、極めて良好な機械的及び動的性質、良好な耐老化性および耐溶媒性、さらには優れた難燃性など、そのユニークな性能の組合せで知られている。
CRの製造は、乳化重合により一般的に実施されるが、これについては、たとえば、以下の文献に記載がある:(非特許文献1)、(非特許文献2)、(非特許文献3)。クロロプレン(2−クロロ−1,3−ブタジエン)を乳化重合させることによって、ポリクロロプレンの分散体が製造されるが、そのものは、ポリクロロプレンラテックスとも呼ばれる。
そのようなラテックスを製造するためには、水性媒体中でモノマーを乳化剤系と混合する。この乳化剤系は、一般的には、樹脂酸、特には不均化させたロジンからの樹脂酸をベースとしたものである。その重合が実施される温度範囲としては、約0℃から80℃を超える温度までの値が挙げられる。したがって、その重合は、加熱によるフリーラジカル開始剤によるか、またはレドックス系によって開始させることができる。一般的には、メルカプタンまたはキサントゲンジスルフィドのような分子量調節剤も使用される。いくつかの場合においては、硫黄を共重合させ、次いでそれにより生成した硫黄結合を開裂させることによって、その最終製品の分子量が調節される。適切な反応剤を用いその反応を停止させることによって、所望の転化率を確定する。固形のクロロプレンゴムを得るためには、次いでそのポリクロロプレンラテックスを、まずpHを下げることによって不安定化させ、次いで(特許文献1)に記載されているようにして凍結凝集法によって、または(特許文献2)および(特許文献3)に記載されているようにして塩を使用することによって、凝集させる。
耐熱性を改良するために、ポリクロロプレンに対して5phrのカルシウムレジネートを添加することが、(特許文献4)に開示されている。前記公告特許で使用されたポリクロロプレンは、(特許文献5)に従って得られたものであって、すでに乳化剤に由来する1phrを超えるレジネートアニオンが含まれているので、その結果、(特許文献4)の中に開示されているポリクロロプレンの中では、レジネートアニオンの全含量が5重量%を超えている。
クロロプレンゴムの加硫は、典型的には、加硫促進剤の中に存在しているMgOおよびZnOのような金属酸化物を使用して実施される。最も効果が高い加硫促進剤は、エチレンチオ尿素(ETU)である。しかしながら、その毒性のために、ETUは、環境により優しい硬化剤に置きかえなければならない。たとえばN−メチル−チアゾリジン−2−チオン(MTT)のような、毒性がより低い硬化剤を用いたのでは、適切な加硫速度を達成するのが困難であることが見出された。さらに、MTT化合物を含むクロロプレンゴムのスコーチ安全性が低いことが、その加工を困難にしている(非特許文献4)。
米国特許第2187146A号明細書 国際公開第2012/143336A1号パンフレット 国際公開第2012/143459A1号パンフレット 米国特許第3310564A号明細書 米国特許第2567117A号明細書
Ullmann’s Encyclopaedie der technischen Chemie,2004,Rubber,3.Synthetic,p.15以下参照 Encyclopedia of Polymer Science and Technology,Vol.3,p.705〜730(John Wiley,New York,1965) P.R.Johnson,Rubber Chem.Technol.,49(1976),650〜702 Rubberchem.,2006,paper 3,page 4
したがって、本発明の目的は、加硫時間が短縮され、加硫物製造プロセスの加速が可能となり、好ましいことには、スコーチ安全性についての妥協をすることがない、クロロプレンゴムを含む実質的にETUフリーの架橋性組成物を提供することである。「実質的にETUフリー(essentially free of ETU)」という用語は、本発明の文脈においては、クロロプレンゴムの全量を規準にして、0.5重量%未満、好ましくは0.1重量%未満、最も好ましくは0.01重量%未満しかETUを含まない、と理解するべきである。
驚くべきことには、クロロプレンゴム、架橋剤、および加硫促進剤(ETUとは別なもの)を含む、実質的にETUフリーの架橋性組成物が、そのクロロプレンゴムが、クロロプレンゴムの全量を規準にして、第2又は第3番目の典型元素族(the second or third main group)からの金属、好ましくはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの組合せ、より好ましくはカルシウム、マグネシウム、またはそれらの組合せ、最も好ましくはカルシウムのカチオンを0.25重量%より多い量で含み、そしてレジネートアニオンを2.5重量%よりは多くかつ4.5重量%未満の量で含んでいる場合には、スコーチ安全性、高温(たとえば、180℃)での有効加硫時間(t90−t10)、および良好な加硫物の物性の間での好ましいバランスを示すということが見出された。
好ましい実施態様においては、金属酸化物、好ましくは酸化亜鉛および酸化マグネシウムならびにそれらの混合物から選択される金属酸化物が、架橋剤として使用される。
その加硫促進剤が、N−メチル−チアゾリジン−2−チオン(MTT)、ヘキサメチレンテトラミン、およびトリアジン誘導体から選択されるのが好ましく、N−メチル−チアゾリジン−2−チオンであれば、より好ましい。
「レジネートアニオン」(resinate anion)という用語には、本発明の文脈において使用される場合、樹脂酸のアニオンのすべて、特に、アビエチン酸、デヒドロアビエチン酸、ジヒドロアビエチン酸、ネオアビエチン酸、パルストリン酸、レボピマル酸、ピマル酸またはイソピマル酸のアニオン、さらにはそれらの異性体、水素化された形態、および脱水素化された形態、が含まれるものとする。最後の三つは、典型的には、貴金属触媒、特にPd触媒を用いるか、または酸を用いてロジンを処理することによって得られ、多くの場合、不均化されたロジンとも呼ばれる。「レジネートアニオン」という用語が、アビエチン酸、デヒドロアビエチン酸、およびジヒドロアビエチン酸のアニオンを指しているのが好ましい。
レジネートアニオンの量は、クロロプレンゴムの全量を規準にして、好ましくは2.7重量%より多くかつ4.5重量%未満、より好ましくは2.9重量%〜3.7重量%の間である。
第2および第3番目の典型元素族からの金属、好ましくはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの組合せ、より好ましくはカルシウム、マグネシウム、またはそれらの組合せ、最も好ましくはカルシウムのカチオンの量が、0.25重量%〜0.40重量%であるのが好ましい。
第2および第3番目の典型元素族からの金属、好ましくはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの組合せ、より好ましくはカルシウム、マグネシウム、またはそれらの組合せ、最も好ましくはカルシウムのカチオンの量が、クロロプレンゴムの全量を規準にして、0.26重量%〜0.35重量%であれば、より好ましい。
好ましくは、レジネートアニオンの量ならびに第2および第3番目の典型元素族からの金属のカチオンの量は、ポリクロロプレンラテックスの製造から、そのラテックスの凝集までも含めた過程で導入される前記の物質の量と理解するべきである。
本発明において使用されるクロロプレンゴムは、クロロプレンを乳化重合させることによって得られるが、そこでは、得られたポリクロロプレンラテックスのpHを10.5よりは高いが13.5以下、好ましくは11.0〜13.2の値に調節し、そして、そのpH調節したラテックスを、第2又は第3番目の典型元素族の金属の塩を添加することによって凝集させる工程によって得ることができる。
pHの調節は、有機または無機の酸、好ましくは水性の酸または二酸化炭素、より好ましくは水性の酢酸または塩酸、最も好ましくは20%の酢酸水溶液を添加することによって実施することができる。
凝集(coagulation)は、水溶性の多価の塩を用いて実施することができる。好適な塩は、第2又は第3番目の典型元素族からの金属の塩、特には、Ca2+、Mg2+、Sr2+、および/またはAl3+のカチオンと、硫酸、塩酸および/または硝酸のアニオンとの塩である。「水溶性」という用語は、室温で、1リットルの水の中に少なくとも0.1gの塩が溶解できるということを意味している。塩化カルシウムまたは塩化マグネシウムを適用するのが好ましい。それらの塩を水溶液の形態で添加するのが好ましい。
上述のプロセスによって、pHを下げることによって、重合反応において乳化剤として使用された樹脂酸の塩の一部が、酸の形態に転化されると同時に、前記樹脂酸の塩の一部は、レジネートアニオンとして残留する。第2又は第3番目の典型元素族からの水溶性の金属塩を添加した場合には、その残留しているレジネートアニオンが、少なくとも部分的には、第2又は第3番目の典型元素族からの金属のカチオンと共に、ほんの低い溶解性しか有さない塩を形成し、それが、その凝集されたクロロプレンゴム中に微細に分散された形で残る。
凝集の後で、通常、その凝集物を、先に挙げた従来技術で記載されているような慣用の方法で、液相から分離し、次いで洗浄、乾燥させる。
本発明はさらに、加硫物を製造するためのプロセスにも関するが、そこでは、本発明による実質的にETUフリーの架橋性組成物を加熱して、100℃〜200℃、好ましくは140℃〜180℃の温度にする。
本発明さらに、本発明によるETUフリーの架橋性組成物から得ることが可能な加硫物、さらには前記加硫物を含む成形体、好ましくは空気バネ、コンベア用ベルト、ベルト、cvブーツ(cv boots)、橋梁支承(bridge bearings)、ワイパーブレード、またはダイビングスーツにも関する。
本発明はさらに、クロロプレンゴムの全量を規準にして、第2又は第3番目の典型元素族からの金属、好ましくはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの組合せ、より好ましくはカルシウム、マグネシウム、またはそれらの組合せ、最も好ましくはカルシウムのカチオンを、0.25重量%より多く、好ましくは0.25重量%〜0.40重量%、最も好ましくは0.26重量%〜0.35重量%の量で含み、そしてレジネートアニオンを、2.5重量%より多くから4.5重量%未満まで、好ましくは2.7重量%より多くから4.5重量%未満まで、最も好ましくは2.9重量%〜3.7重量%の間で含むクロロプレンゴムの、実質的にETUフリーの架橋性組成物、それらから得ることが可能な加硫物、および前記加硫物を含む成形体を製造するための使用にも関する。
以下の実施例で使用したクロロプレンラテックスは、次の重合配合により得た(バッチ試験、量は重量部)。
100重量部の工業グレードのクロロプレンから得られたポリマーを「ホモポリマー」と呼び、それに対して、93重量部の工業グレードのクロロプレンおよび7重量部の工業グレードの2,3−ジクロロブタジエンを含むモノマー混合物から得られたポリマーを「コポリマー」と呼ぶことにした。
工業グレードのクロロプレンにはさらに、1−クロロブタジエンが、典型的には0重量%〜2重量%の量で含まれている可能性がある。
その重合は、4Lのフラスコ中で実施した。脱塩水、樹脂酸、KOH、およびナフタレンスルホン酸とホルムアルデヒドとからの縮合反応生成物のNa塩で構成されている水相をこの容器に入れ、窒素でフラッシュしてから、加熱して45℃にした。その媒体温度が40℃に達したら、モノマーを添加した。次いで、そのエマルションの温度が45℃で安定してから、重合を開始させた。重合は、チオ尿素ジオキシドの水溶液(3重量%)を、0.1mL/min〜5mL/minの間の一定速度で添加することによって開始させたが、後者を、180分の間に70%のモノマー転化率が達成されるように調節した。転化速度は、重量分析により求めた。モノマーの転化率が70%に達したときに、ラテックスを規準にして0.03%重量部の、ジエチルヒドロキシルアミンの2.5重量%水溶液を添加することにより、重合を停止させた。そのラテックスの脱気を行って、残存クロロプレン含量を(ラテックス規準で)1000ppm未満にした。
参照例1および2では、酢酸の20重量%水溶液を用いて、その脱気させたラテックスのpHを7.5に調節した。凍結コアグレーションによってポリマーを単離し、脱塩水を用いて洗浄した。得られたシートを、空気循環式棚付き乾燥機中70℃で乾燥させて、残存湿分含量を0.6重量%未満にした。
参照例3では、脱気させたラテックスを、固形分含量15%になるまで水で希釈して、酢酸の20%水溶液を用いて、そのpHの値が9になるよう調節した。そのラテックスを、室温で塩化カルシウムの0.25%水溶液を用いて、沈殿させた。脱塩水を用いてその凝集物を洗浄し、空気循環棚付き乾燥機中70℃で乾燥させて、残存水分量を0.6重量%未満にした。
本発明による実施例1〜4では、脱気させたラテックスを、固形分含量15%になるまで水で希釈して、酢酸の20%水溶液を用いて、そのpHが13〜11の間の値になるよう調節した。そのラテックスを、室温で塩化カルシウムの0.25%水溶液を用いて、沈殿させた。脱塩水を用いてその凝集物を洗浄し、空気循環棚付き乾燥機中70℃で乾燥させて、残存水分量を0.6重量%未満にした。
すべてのゴムコンパウンド物は、次の配合をベースとした。
それらを、1.5Lのかみ合い式インターナルミキサーの中で、次のシーケンスに従って加工した。
方法
ラテックスのpHは、Schott H 63ガラス電極(電解質:KCl、3mol/L,Silamid参照系)を用い、20℃で測定した。
攪乱物質(たとえば、添加剤)が存在していない場合には、レジネートアニオン含量は、0.1Mの過塩素酸溶液を用いて、テトラヒドロフラン中2.2重量%のポリマー溶液を滴定することによって、測定することができた。その滴定は、電位差滴定法(Metrohm Solovostrode Nr 6.0229.100)によりモニターし、第一電位ステップに達するまでに添加した過塩素酸の量(Vequivalent)を用いて、ポリマーの中の塩の量を計算した。
ここで、
equivalentの単位は、ミリリットルであり、
Masspolymer solutionの単位はグラムである。
これで得られる数値は、パーセントの値で表される、塩の含量である。
イオン濃度の測定のためには、電子レンジ(Mikrowelle Ultraclave III)の中で次の温度プログラムに従って、鉱酸(5mLのHNO(63%)、3mLのHO)を用いて、約0.2gのゴムのサンプルを分解した:
・ 8分、70℃、100bar、700ワット
・ 20分、140℃、120bar、700ワット
・ 10分、210℃、160bar、1000ワット
・ 12分、250℃、160bar、1000ワット
・ 18分、280℃、160bar、1000ワット
そのようにして調製したサンプルを、次いでICP−OESにより分析した(Varian Vista Pro、波長216.956nm、407.771nmおよび421.552nm(報告値は平均値である)、1.2kWのプラズマ出力、15L/minのプラズマガス、10秒の測定時間×3回の繰り返し、外部標準を用いて較正)。ICP−OES分析においては、誘導結合プラズマによって分子が励起される。特定の波長で発生した光を検出し、サンプル中でのそれらの濃度(単位、重量%)に対応させた。
120℃でのムーニースコーチは、DIN 53 523,Part 4に従って測定し、MS−t5は、パラグラフ2.2で定義されている(MS−t5:測定の開始点から、そのムーニー粘度が最低粘度よりも5ムーニー単位高くなった点までの時間である)。
それらの組成物の加硫挙動は、DIN 53 529に従い、MonsantoレオメーターMDR 2000E中、160℃および180℃で測定した。特性加硫時間tS1、t10、およびt90、さらにはΔS’をこの方法で測定した。
DIN 53 529、part3によれば、次のとおりである:
t10: 10%の転化率に到達した時間
t90: 90%の転化率に到達した時間
ΔS’: 最大トルクと最小トルクの差。
加硫物のショアーA硬度(H)、引張強度(TS)、および破断時伸び(EB)は、それぞれ、DIN EN ISO 868およびDIN 53504に準拠して、引張試験の手段により測定した。
参照例4は、米国特許第2567117A号明細書に開示されている方法に従って得たものであり、そして参照例5は、米国特許第3310546A号明細書の実施例5に類似の、実施例4のポリマーに4phrのカルシウムレジネートを添加することにより得たものであった(ただし、米国特許第3310546A号明細書の実施例5では、5phrのカルシウムレジネートが使用されていた)。表における結果は、次のことを示している:レジネートアニオンの含量および第2又は第3番目の典型元素族の典型元素からのカチオンの含量が、本発明における範囲の内にある場合には、その加工時の安全性(MS t5)が顕著に改良されており、それと同時に、180℃での有効加硫時間(t90−t10)および加硫時間(t90)も同様に改良されている(短くなっている)。

Claims (14)

  1. クロロプレンゴム、架橋剤、および加硫促進剤を含む架橋性組成物であって、エチレンチオ尿素の含量が、クロロプレンゴムの全量を規準にして、0.5重量%未満であり、そして、前記クロロプレンゴムが、クロロプレンゴムの全量を規準にして、第2又は第3番目の典型元素族からの金属のカチオンを、0.25重量%よりも多い量で含み、そしてレジネートアニオンを2.5重量%より多くかつ4.5重量%未満の量で含む、架橋性組成物。
  2. 前記第2又は第3番目の典型元素族からの金属のカチオンが、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの組合せ、好ましくはカルシウム、マグネシウム、またはそれらの組合せ、最も好ましくはカルシウムから選択される、請求項1に記載の架橋性組成物。
  3. 第2又は第3番目の典型元素族からの金属のカチオンの量が、0.25重量%〜0.40重量%、好ましくは0.26重量%〜0.35重量%である、請求項1または2に記載の架橋性組成物。
  4. レジネートアニオンの量が、2.7重量%よりも多く、好ましくは2.9重量%〜3.7重量%の間である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の架橋性組成物。
  5. 前記架橋剤が、金属酸化物、好ましくは酸化亜鉛および酸化マグネシウム、ならびにそれらの混合物から選択される金属酸化物である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の架橋性組成物。
  6. 前記加硫促進剤が、N−メチル−チアゾリジン−2−チオン、ヘキサメチレンテトラミン、およびトリアジン誘導体、好ましくはN−メチル−チアゾリジン−2−チオンから選択される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の架橋性組成物。
  7. 前記クロロプレンゴムが、ポリクロロプレンラテックスのpHを、10.5より高く、かつ13.5以下、好ましくは11.0〜13.2の間の値に調節する工程、および前記pHを調節したラテックスを、第2又は第3番目の典型元素族の金属の塩、好ましくはカルシウムおよび/またはマグネシウムの塩を添加することによって、凝集させる工程を含むプロセスによって得られる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の架橋性組成物。
  8. エチレンチオ尿素の含量が、クロロプレンゴムの全量を規準にして、0.1重量%未満、好ましくは0.01重量%未満である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の架橋性組成物。
  9. 加硫物を製造するための方法であって、請求項1〜8のいずれか一項に記載の架橋性組成物を、100℃〜200℃、好ましくは140℃〜180℃の温度に加熱することを特徴とする、方法。
  10. 加硫物であって、請求項9に記載の方法によるか、または請求項1〜8のいずれか一項に記載の架橋性組成物から得ることが可能な、加硫物。
  11. 請求項10に記載の加硫物を含む成形体、好ましくは空気バネ、コンベヤベルト、ベルト、cvブーツ、橋梁支承、ワイパーブレード、またはダイビングスーツ。
  12. クロロプレンゴムの使用であって、クロロプレンゴムの全量を規準にして、第2又は第3番目の典型元素族からの金属、好ましくはカルシウム、マグネシウム、アルミニウム、またはそれらの組合せ、より好ましくはカルシウム、マグネシウム、またはそれらの組合せ、最も好ましくはカルシウムのカチオンを0.25重量%よりも多い量で含み、そしてレジネートアニオンを、2.5重量%よりも多くかつ4.5重量%未満で含むクロロプレンゴムの、請求項1〜8のいずれか一項に記載の架橋性組成物、請求項10に記載の加硫物、または請求項11に記載の成形体を製造するための、使用。
  13. 第2又は第3番目の典型元素族からの金属のカチオンの量が、0.25重量%〜0.40重量%、好ましくは0.26重量%〜0.35重量%である、請求項12に記載のクロロプレンゴムの使用。
  14. レジネートアニオンの量が、2.7重量%よりも多い、好ましくは2.9重量%〜3.7重量%の間である、請求項12または13に記載のクロロプレンゴムの使用。
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