JP4386958B2 - 硫黄含有共役ジオレフィン系共重合体ゴム及びそれを含むゴム組成物 - Google Patents

硫黄含有共役ジオレフィン系共重合体ゴム及びそれを含むゴム組成物 Download PDF

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Description

本発明は共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合ゴム体及びそれを含むゴム組成物に関し、更に詳しくは良好な加工性を有し、耐摩耗性、破壊特性及び低ヒステリシスロスがバランスした硫黄含有共役ジオレフィン系共重合体ゴム及びそれを含むゴム組成物に関する。
近年の自動車に対する低燃費化要求に伴い、タイヤ用ゴム材料として転がり抵抗が小さく、耐摩耗性、破壊特性に優れ、更に操縦安定性をも兼ね備えた共役ジオレフィン系ゴムが望まれている。既に公知の技術として特開平12−178378号公報がある。これはポリマーの末端にシリカと相互作用する変性基、具体的にはアミノ基を修飾することにより、共役ジエン系ポリマーとシリカとの相溶性を高め、シリカ分散性を向上させているが、その効果は必ずしも十分でなく、更なる改良が望まれている。
従って、本発明の目的は、良好な加工性を有し、耐摩耗性、破壊特性及び低ヒステリシスロスのバランスを兼ね備えた共役ジオレフィン系共重合体ゴムを提供することにある。
本発明に従えば、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との硫黄含有共重合体ゴムであって、
(1)ゴムに結合する硫黄含有量が0.01mmol%以上である共重合体ゴムポリマーであり、
(2)芳香族ビニル化合物の重合単位の含有量が共重合体ゴムに基づいて5重量%以上、45重量%未満であり、
(3)共役ジオレフィンの重合単位におけるビニル結合(1,2結合)含有量が、共役ジオレフィンの重合単位に基づいて、30mol%以上であり、更に
共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物とを共重合させるにあたり、重合停止剤に下記式(I)〜(III):
Figure 0004386958
(式中、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に、炭素数1〜4のアルキル基を示し、R1は炭素数1〜8のアルキレン基であり、R2、R3及びR4は、独立に、水素原子、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基又はフェニル基を示し、Aは酸素原子を示す)
Figure 0004386958
(式中、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に、炭素1〜4のアルキル基を示し、R1及びR4は、独立に、炭素数1〜8のアルキレン基であり、R2、R3、R5及びR6は、水素原子、炭素数1〜18のアルキル基又はフェニル基を示し、R7は炭素数1〜10のアルキレン基、炭素数3〜10のシクロアルキレン基又はフェニレン基を示し、は酸素原子を示す)
Figure 0004386958
(式中、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に、炭素数1〜4のアルキル基を示し、R1、R4及びR7は、独立に、炭素数1〜8のアルキレン基を示し、R2、R3、R5、R6、R8及びR9は、独立に、水素原子、炭素数1〜8のアルキル基又はフェニル基の中から選ばれる基であり、A、A’及びA”は酸素原子を示す)
の少なくとも一種の化合物を用いて停止反応させてなる共重合体ゴムが提供される。
本発明によれば、前記式(I)、(II)及び/又は(III)が表わされる硫黄を含有した共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物の共重合体ゴムを用いることによって良好な加工性を有し、耐摩耗性、破壊特性及び低ヒステリシスロスのバランスを兼ね備えたゴム組成物を得ることができる。
本発明者らは前記課題を解決すべく研究を進めた結果、前記した式(I)、(II)及び/又は(III)を重合停止剤として用いて共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物を共重合させることにより、良好な加工性を有し、耐摩耗性、破壊特性及び低ヒステリシスロスのバランスを兼ね備えた共役ジオレフィン系共重合体ゴムを得ることに成功した。
即ち、本発明によれば共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物の共重合体ゴムであって、
(1)ゴムに結合する硫黄含有量が0.01mmol%以上、好ましくは0.03〜1mmol%である共重合体ゴムポリマーであり、
(2)芳香族ビニル化合物の重合単位の含有量が共重合体ゴムに基づいて、5重量%以上、45重量%未満、好ましくは15〜37重量%であり、
(3)共役ジオレフィンの重合単位におけるビニル結合含有量(1,2結合)が、共役ジオレフィンの重合単位に基づいて、30mol%以上、好ましくは35mol%以上、更に好ましくは35〜78mol%である共重合ゴムであって、更に
共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物の共重合ゴムの重合にあたり、重合停止剤に前記式(I)、(II)及び/又は(III)の化合物を重合停止剤として用いて停止反応を行った硫黄含有共役ジオレフィン系共重合体ゴムが得られる。
前記式(I)において、nは0〜2、好ましくは0であり、R’及びR”は、独立に、炭素数1〜4のアルキル基、好ましくはエチル基を示し、R1は炭素数1〜8のアルキレン基、好ましくはプロピレン基を示しR2、R3及びR4は、独立に、水素原子、炭素数1〜18、好ましくは1〜4のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基又はフェニル基の中から選ばれる基である。また、Aは酸素原子を示す。
前記式(II)において、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に炭素数1〜4のアルキル基、好ましくはプロピル基を示し、R1及びR4は独立に炭素数1〜8のアルキレン基、好ましくはプロピル基を示し、R2、R3、R5及びR6は、独立に、水素原子、炭素数1〜18、好ましくは1〜4のアルキル基又はフェニル基の中から選ばれる基であり、R7炭素数1〜8のアルキレン基、炭素数3〜8のシクロアルキレン基又はフェニレン基を示し、は酸素原子を示す。
前記式(III)において、nは0〜2、好ましくは0であり、R’及びR”は、独立に、炭素数1〜4、好ましくは2のアルキル基を示し、R1、R4及びR7は、独立に、炭素数1〜8のアルキレン基、好ましくはプロピル基を示し、R2、R3、R5、R6、R8及びR9は、独立に、水素原子、炭素数1〜8、好ましくは1〜3のアルキル基又はフェニル基から選ばれる基であり、A、A’及びA”は酸素原子を示す。
本発明によれば、前記硫黄含有共役ジオレフィン系共重合体ゴムを10重量部以上、好ましくは20〜100重量部を含む全ゴム成分100重量部及びシリカ(好ましくは50〜100重量%)を含む補強性充填剤20〜120重量部、好ましくは30〜110重量部を含むゴム組成物が提供される。
本発明に係るゴム組成物に配合する前記硫黄含有共役ジオレフィン系共重合体ゴムにおいて(1)硫黄含有量が、0.01mmol未満では、ゴムの架橋形態に及ぼす影響が少ないので好ましくなく、(2)芳香族ビニル化合物の含有量が少ないとゴムの強度が低いため好ましくなく、多いとヒステリシスロスが大きくなりすぎて好ましくなく、更に(3)ビニル結合含有量が多すぎると混合作業性が悪化し、少なすぎるとヒステリシスが大きくなるので好ましくない。このような共重合体ゴムが、ゴム成分100重量部に対して、10重量部未満だと所望の効果が得られないので好ましくなく、また補強性充填剤の配合量が20重量部未満だとゴムの強度が低くなるので好ましくなく、逆に120重量部を超えると混合性が悪化するので好ましくない。補強性充填剤中のシリカの量が多ければ多いほど良いが、多すぎるとゴムの破断強度を低下させてしまい諸物性が悪化するおそれがあるので、好ましくは、55〜95重量%、更に好ましくは、60〜95重量%である。
本発明のゴム組成物のゴム成分としては、例えば天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、スチレン・ブタジエン共重合体ゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)、ブチルゴム(IIR)(これらをエポキシ基、水酸基、カルボニル基などで、末端変性されていたり、ポリマー鎖中に含まれるなどしていてもよい)、EPDMなどを用いることができ、NR、SBR、BR、IRなどの使用が好ましい。
本発明に係るゴム組成物には、前記した成分に加えて、カーボンブラックなどのその他の補強剤(フィラー)、加硫又は架橋剤、加硫又は架橋促進剤、各種オイル、老化防止剤、可塑剤などのタイヤ用、その他のゴム組成物用に一般的に配合されている各種添加剤を配合することができ、かかる添加剤は一般的な方法で混練して組成物とし、加硫又は架橋するのに使用することができる。これらの添加剤の配合量は本発明の目的に反しない限り、従来の一般的な配合量とすることができる。
以下、実施例によって本発明を更に説明するが、本発明の範囲をこれらの実施例に限定するものでないことはいうまでもない。
合成例に使用した試薬は以下の通りである。
シクロヘキサン及びスチレン:関東化学(株)製のものを、モレキュラーシーブス4Aにより脱水し、窒素バブリングして用いた。
ブタジエン:新日本石油化学(株)製の純度99.3%品をモレキュラーシーブス4Aにより脱水して用いた。
n−ブチルリチウム:関東化学(株)製、n−ヘキサン溶液1.58mol/Lのものを用いた。
1,1,4,4−テトラメチルエチレンジアミン(TMEDA):関東化学(株)製のものをモレキュラーシーブス4Aにより脱水し、窒素バブリングして用いた。
トルエン:関東化学(株)製の脱水グレード品をそのまま用いた。
メルカプトシラン(3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン):東レダウコーニングシリコーン(株)製(Z6911)のものをそのまま用いた。
シクロヘキシルビニルエーテル:日本カーバイド工業(株)製のものをそのまま用いた。
シクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル:日本カーバイド工業(株)製のものをそのまま用いた。
ブロック化メルカプトシラン(化合物1)の合成
メルカプトシラン119.2g(0.5mol)とシクロヘキシルビニルエーテル63.1g(0.5mol)をリン酸エステル触媒存在下、室温で1時間反応させ、メルカプト基をビニルエーテルによりブロックした以下の式を有する化合物1を得た。
Figure 0004386958
1HNMR(重クロロホルム)s(帰属、H数):
0.7(Si−CH2 2H)、1.1〜1.5(シクロヘキシル 10H、−OCH3 9H)、
1.7(CH2 2H)、1.8(CH3 3H)、2.6(S−CH2、2H)、
3.5(O−シクロヘキシルCH 1H)、3.6〜3.8(O−CH3 6H)、4.7(O−CH 1H)
ブロック化メルカプトシラン(化合物2)の合成
メルカプトシラン238.4g(1mol)とシクロヘキサンジメタノールジビニルエーテル98.2g(0.5mol)をリン酸エステル触媒存在下、室温で3時間反応させ、メルカプト基をビニルエーテルによりブロックした以下の式を有する化合物2を得た。
Figure 0004386958
1HNMR(重クロロホルム)s(帰属、H数):
0.7(Si−CH2 4H)、1.1〜1.9(シクロヘキシル 10H、OCH3、18H)、
1.7(CH2 4H)、1.8(CH3 6H)、2.6(S−CH2、4H)、
3.2〜3.6(O−CH2 4H)、
3.6〜3.8(O−CH2 12H)、4.7(O−CH 2H)
ブロック化メルカプトシラン(化合物3)の合成
メルカプトシラン357.6g(1.5mol)とトリメチロールプロパントリビニルエーテル118g(0.5mol)(日本カーバイド工業社製)をリン酸エステル触媒F、室温で8時間反応させ、得た。
1H−NMR(重クロロホルム)s(帰属、H数)
0.7(Si−CH2、6H)、0.9(CH2−CH3、3H)、1.5(C−CH2、2H)
1.7(CH2、6H)、1.8(CH3、9H)、2.6(S−CH2、6H)、
3.2〜3.4(C−CH2、6H)、3.6〜3.8(O−CH2、18H)、4.7(O−CH、3H)
Figure 0004386958
実施例1
窒素置換された内容量10Lのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン4533g、スチレン167.4g(1.607mol)、ブタジエン634.4g(11.73mol)およびTMEDA 1.030mL(7.196mmol)を仕込み、攪拌を開始した。反応容器内の内容物の温度を50℃にした後、n−ブチルリチウム3.883mL(6.915mmol)を添加し、重合転化率が100%に到達した後、化合物Iを1.428g(3.920mmol)を添加し、1時間攪拌した。さらに、メタノール0.5mLを添加して30分間攪拌した。得られたポリマー溶液に老化防止剤(イルガノックス1520)を少量添加し、減圧濃縮して溶媒を取り除いた。メタノール中でポリマーを凝固、洗浄した後に、乾燥することにより固形状のポリマーを得た。
1H−NMRの測定から、得られたポリマーのミクロ構造は、スチレン量22.0重量%、ビニル量64.3%であった。またGPC(ポリスチレン換算、溶出液:THF)による測定から、分子量は、Mn347000、Mw471000、Mw/Mn1.36であった。
実施例2
実施例1と同様に反応を行い、化合物2を2.635g(3.920mmol)添加し、ポリマーを得た。1H−NMRの測定から、得られたポリマーのミクロ構造は、スチレン量23.1重量%、ビニル量64.9%であった。GPC(ポリスチレン換算、溶出液:THF)による測定から、分子量は、Mn351000、Mw482000、Mw/Mn1.37であった。
実施例3
実施例1と同様に反応を行い、前記化合物3を36.35(3.920mmol)添加し、ポリマーを得た。1H−NMRの測定から、得られたポリマーのミクロ構造は、スチレン量25.6重量%、ビニル量68.2%であった。GPC(ポリスチレン換算、溶出液:THF)による測定から、分子量は、Mn363000、Mw494000、Mw/Mn1.36であった。
実施例4〜6及び比較例1〜2
サンプルの調製
表Iに示す配合において、加硫促進剤と硫黄を除く成分を1.8リットルの密閉型ミキサーで6分間混練し、155±5℃に達したときに放出してマスターバッチを得た。このマスターバッチに加硫促進剤と硫黄をオープンロールで混練し、ゴム組成物を得た。このゴム組成物を用いて以下に示す試験法で未加硫物性を評価した。結果は比較例1の値を100として表Iに指数表示した。
次に得られたゴム組成物を15×15×0.2cmの金型中およびランボーン摩耗用金型中(直径63.5mm、厚さ5mmの円板状)で150℃で30分間加硫して加硫ゴムシートを調製し、以下に示す試験法で加硫ゴムの物性を測定した。結果は比較例1の値を100として表Iに示す。
ゴム物性評価試験法
加硫時間:JIS K6300に基づき150℃にて95%加硫に達する時間を測定。
架橋密度:JIS K6300に基づき150℃にて1時間加硫曲線を描き、得られた(MH−ML)の値を架橋密度とした。
100%モジュラス(M100):JIS K6251によって100%伸長時のモジュラスを測定。
破断強度(TB):JIS K6251に準拠して測定。
破断伸び(EB):JIS K6251に準拠して測定。
弾性率(60℃):東洋精機製作所製粘弾性スペクトロメータを用い、静的歪み10%、動的歪み±2%、周波数20Hzで60℃の時のE’を測定。
損失正接(60℃):東洋精機製作所製粘弾性スペクトロメータを用い、静的歪み10%、動的歪み±2%、周波数20Hzで60℃の時のtanδを測定。
耐摩耗性:ランボーン摩耗試験機を用いてJIS K6264に準拠し荷重39Nスリップ率50%の条件にて、円板状サンプルを用いて測定。
Figure 0004386958
表I脚注
*1:日本ゼオン製 NS116(NMP末端変性SBR(スチレン量23.9重量%、ビニル量69.9%))(注:日本特許第2705668号、同第2705669号及び同第2705670号に記載された方法で合成された市販品)
*2:東ソーシリカ製 ニップシールAQ
*3:東海カーボン製 N234グレード
*4:日本油脂工業製 ビーズステアリン酸
*5:正同化学製 酸化亜鉛3種
*6:Degussa製 SI69
*7:ジャパンエナジー製 プロセスX−140
*8:細井化学工業製 油処理硫黄
*9:大内新興化学工業製 加硫促進剤CZ−G
*10:大内新興化学工業製 加硫促進剤D−G
実施例7及び比較例3
サンプルの調製
表IIに示す配合において、加硫促進剤と硫黄を除く成分を1.8リットルの密閉型ミキサーで6分間混練し、155±5℃に達したときに放出してマスターバッチを得た。このマスターバッチに加硫促進剤と硫黄をオープンロールで混練し、ゴム組成物を得た。このゴム組成物を用いて前述の試験法で未加硫物性を評価した。結果は比較例3の値を100として表IIに指数表示した。
次に得られたゴム組成物を15×15×0.2cmの金型中およびランボーン摩耗用金型中(直径63.5mm、厚さ5mmの円板状)で150℃で30分間加硫して加硫ゴムシートを調製し、前述の試験法で加硫ゴムの物性を測定した。結果は比較例3の値を100として表IIに示した。
Figure 0004386958
表II脚注
*1:日本ゼオン製 Nipol1721(油展量37.5重量部、非末端変性SBR(スチレン量41.1重量%、ビニル量13.6%))
*2:ローディア製 Zeosil 1165MP
*3:東海カーボン製 シーストV
*4:日本油脂工業製 ビーズステアリン酸
*5:正同化学製 酸化亜鉛3種
*6:Degussa製 SI69
*7:ジャパンエナジー製 プロセスX−140
*8:細井化学工業製 油処理硫黄(5%油処理)
*9:大内新興化学工業製 加硫促進剤CZ−G
*10:大内新興化学工業製 加硫促進剤D−G
実施例8及び比較例4
サンプルの調製
表III に示す配合において、加硫促進剤と硫黄を除く成分を1.8リットルの密閉型ミキサーで6分間混練し、155±5℃に達したときに放出してマスターバッチを得た。このマスターバッチに加硫促進剤と硫黄をオープンロールで混練し、ゴム組成物を得た。このゴム組成物を用いて前述の試験法で未加硫物性を評価した。結果は比較例4の値を100として表III に指数表示した。
次に得られたゴム組成物を15×15×0.2cmの金型中およびランボーン摩耗用金型中(直径63.5mm、厚さ5mmの円板状)で150℃で30分間加硫して加硫ゴムシートを調製し、前述の試験法で加硫ゴムの物性を測定した。結果は比較例4の値を100として表III に示した。
Figure 0004386958
表III 脚注
*1:日本ゼオン製 Nipol1712(油展量37.5重量部、非末端変性SBR(スチレン量24.9重量%、ビニル量74.7%))
*2:表I脚注参照
*3:表II脚注参照
実施例にも示したように、本発明に従えば、加工性にもすぐれ、ゴム補強性も高く、更には転がり抵抗性能の指標になる損失正接(60℃)も低く、耐摩耗性にも優れたゴム組成物が得られるので、タイヤ部材のキャップトレッドなどとして有用である。

Claims (3)

  1. 共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との硫黄含有共重合体ゴムであって、
    (1)ゴムに結合する硫黄含有量が0.01mmol%以上である共重合体ゴムポリマーであり、
    (2)芳香族ビニル化合物の重合単位の含有量が共重合体ゴムに基づいて5重量%以上、45重量%未満であり、
    (3)共役ジオレフィンの重合単位におけるビニル結合(1,2結合)含有量が、共役ジオレフィンの重合単位に基づいて、30mol%以上であり、更に
    共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物とを共重合させるにあたり、重合停止剤に下記式(I)〜(III):
    Figure 0004386958
    (式中、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に、炭素数1〜4のアルキル基を示し、R1は炭素数1〜8のアルキレン基であり、R2、R3及びR4は、独立に、水素原子、炭素数1〜18のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基又はフェニル基を示し、Aは酸素原子を示す)
    Figure 0004386958
    (式中、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に、炭素1〜4のアルキル基を示し、R1及びR4は、独立に、炭素数1〜8のアルキレン基であり、R2、R3、R5及びR6は、独立に、水素原子、炭素数1〜18のアルキル基又はフェニル基を示し、R7は炭素数1〜10のアルキレン基、炭素数3〜10のシクロアルキレン基又はフェニレン基を示し、は酸素原子を示す)
    Figure 0004386958
    (式中、nは0〜2であり、R’及びR”は、独立に、炭素数1〜4のアルキル基を示し、R1、R4及びR7は、独立に、炭素数1〜8のアルキレン基を示し、R2、R3、R5、R6、R8及びR9は、独立に、水素原子、炭素数1〜8のアルキル基又はフェニル基の中から選ばれる基であり、A、A’及びA”は酸素原子を示す)
    の少なくとも一種の化合物を用いて得られた
    硫黄含有共重合体ゴム。
  2. 請求項1に係る共重合体ゴムを10重量部以上含むゴム成分100重量部及びシリカを含む補強性充填剤20〜120重量部を含んでなるゴム組成物。
  3. 補強性充填剤のうちのシリカ含量が50〜100重量%である請求項2に記載のゴム組成物。
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