JP6021868B2 - エラストマー組成物のためにシラン官能化炭化水素ポリマー改質剤 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素ポリマー改質剤、およびエラストマー組成物におけるそれらの使用に関する。より詳細には、本発明は、硬化されるエラストマー組成物における炭化水素ポリマー改質剤の使用に関する。
エラストマー組成物の工業的配合での成分の選択は、望まれる特性、用途、および特定の用途での最終使用法に応じて決まる。例えば、タイヤ産業では、タイヤ工場におけるグリーン(未硬化)組成物の加工特性と、硬化したゴムタイヤコンポジットの使用時の性能との間のバランスが、特に重要である。通常のオイル加工助剤が、多くのタイヤ構成要素に用いられている:トレッドのコンパウンドは、多くの場合、ポリブタジエンゴム(「BR」)、油展ポリブタジエンゴム(「OE−BR」)、スチレン−ブタジエンゴム(「SBR」)、油展スチレン−ブタジエンゴム(「OE−SBR」)、イソプレン−ブタジエンゴム(「IBR」)、およびスチレン−イソプレン−ブタジエンゴム(「SIBR」)を含む;サイドウォールおよびプライコートは、ブチルゴムおよびSBRを含み得るが、加工助剤として遊離芳香族オイルを用いている;内部構成要素、例えば、スチールベルトスキムコート、ゴムストリップ、クッション、バリア、ベース、およびウェッジは、主に天然ゴムを含み、芳香族オイルを用いている。
このように、ゴムコンパウンディング添加剤一般の耐久性を向上させること、ならびに、タイヤトレッドのウェットトラクションを向上させ、同時に、トレッドの摩耗および転がり抵抗を維持するもしくは向上させることが求められている。
本明細書で用いられる場合、用語「エラストマー」は、ASTM D1566(参照を通じて本明細書に組み込まれる)の定義に一致する任意のポリマーまたはポリマーの組合せを表す。本明細書で用いられる場合、用語「エラストマー」は、用語「ゴム」と交換可能であるように用いることができる。
本明細書で用いられる場合、用語「非混和性」は、ガラス転移温度(Tg)を観察する実験的手法が、エラストマーとインターポリマーに対する、明瞭な別々の独立したピークを示す場合に、存在する。他方、混和系は、一般に、単一のTgピークを生じ、これは、エラストマー相に混和するインターポリマーの存在のせいで、エラストマー単独の場合のTgピークからシフトしている、または、ショルダーを有する。Tgは、示差走査熱量測定(「DSC」)によって求めることができる。
本明細書で用いられる場合、用語「フィラー」は、物理的性質を強化もしくはいくらか変える、特定の加工特性を付与する、またはエラストマー組成物のコストを低下させるために用いられる任意の材料を表す。
一実施形態において、炭化水素ポリマー改質剤は、ケイ素官能基および有機官能基を含む2官能性有機シラン架橋剤を用い、官能化できる。有機官能基は、架橋剤の1つの末端を、炭化水素ポリマー改質剤に、例えば、オレフィン性不飽和による反応性結合サイト、またはインターポリマー化の間に組み入れられた反応性結合サイトで、連結するために使用できる。ケイ素官能基は、架橋剤の別の末端を、シリカフィラーに結合させ、炭化水素ポリマー改質剤をエラストマーマトリックス中に効果的に固定するために使用できる。炭化水素ポリマー改質剤は、また、例えば、エラストマーおよび改質剤におけるさらなるオレフィン性不飽和サイトにより、エラストマーにグラフトされるか、または別の仕方で結合され得る。
一実施形態において、エラストマー組成物は、タイヤに、例えば、トレッド、または他のタイヤ構成要素に用いられる。タイヤ構成物および典型的トレッド配合において、エラストマー組成物は、100phrのエラストマー;50〜90phrのシリカおよび任意選択で他のフェラー、例えばカーボンブラック;5〜50phrの官能化炭化水素ポリマー改質剤;任意選択で、約0.5〜3phrのZnO;任意選択で、約1phrのステアリン酸;任意選択で、約1〜4phrの促進剤;任意選択で、約1〜2phrの硫黄;任意選択で、約5phrまでの他の加工助剤;ならびに、用途に応じて、任意選択で、約0.5〜4phrの老化防止剤;を含む。
ある実施形態において、Si−HPMは、エラストマーと共硬化(co−cure)できる、または共硬化される。一実施形態におけるSi−HPMは、オレフィン性不飽和(シリル化もしくは他の官能化に必要とされるものよりも多くの)、またはゴム混合物の架橋もしくは加硫に加わることを助長する他の官能基を含む。一実施形態において、Si−HPMは、エラストマー組成物中のフィラーと、例えばシリカフィラーと共硬化できる、または共硬化される。Si−HPM(これは、エラストマーに混和性であるかまたは非混和性であるかのいずれかであり得る)の共硬化は、硬化したゴム物品の表面へのSi−HPMの移動をさらに抑制でき、こうして、ゴム組成物は、物品の使用寿命に達するまでの長期間、その望まれる特性を保持できる。
一実施形態において、インターポリマーは、(i)少なくとも1種のピペリレン成分と、(ii)少なくとも1種の環状ペンタジエン成分と、(iii)少なくとも1種の芳香族成分と、を含み、ここで、インターポリマーは、40℃〜160℃に軟化点を備える。一例として、インターポリマーは、110℃〜150℃の軟化点、800を超える数平均分子量、2500を超える重量平均分子量、20,000を超えるz平均分子量、および少なくとも5モルパーセントの芳香族水素を有し得る。
別の実施形態において、インターポリマーは、モノマー混合物の重量に対して、60wt%〜90wt%のピペリレン成分、5wt%〜15wt%の環状成分、および5wt%〜20wt%の芳香族成分を含むモノマー混合物から調製される;または、追加として、もしくは代わりに、インターポリマーは、520〜650g/モルの重量平均分子量、および48℃〜53℃のTgを有する。
様々な実施形態において、インターポリマーは、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のエラストマーに連結され、インターポリマーは、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のフィラーに連結され、インターポリマーは、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のエラストマーおよび少なくとも1種のフィラーの組合せに連結され、少なくとも1種のエラストマーは、少なくとも1種のフィラーに連結される、あるいはこれらの任意の組合せ、等々。
別の実施形態において、タイヤまたはタイヤ構成要素は、本明細書に記載のエラストマー組成物を含む。
様々な実施形態において、前記方法は、2官能性有機シラン架橋剤を、フィラーならびにエラストマーおよびインターポリマーの一方もしくは両方に連結すること;インターポリマーをエラストマーに連結すること;インターポリマーをフィラーに結合させること;またはこれらの組合せを含む。一実施形態において、前記方法は、インターポリマーを、エラストマーおよびフィラーの一方もしくは両方に連結することと、エラストマーをインターポリマーおよびフィラーの一方もしくは両方に連結することと、フィラーをインターポリマーおよびエラストマーの一方もしくは両方に連結することと、を含む。
さらなる実施形態において、インターポリマーは、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1モルパーセントのオレフィン性水素を含む。一実施形態において、インターポリマーは、末端ビニル基の量を減らすために水素化されており、別の実施形態において、インターポリマーは、シランよる連結または他の中間官能化のための末端ビニル基を備えるように、水素化されていない。
さらなる実施形態において、シリカに連結される炭化水素ポリマー改質剤は、ピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、およびアミレンから選択される少なくとも1種のモノマーを含むインターポリマーを含み、ここで、この官能化インターポリマーは、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1モルパーセントのオレフィン性水素を含み、2官能性有機シラン架橋剤を介してシリカに結合される。一実施形態において、2官能性有機シラン架橋剤は、式X3Si−R−F(式中、各Xは、独立に、ヒドロキシまたはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキル、もしくはシクロアルキル基である)であり、Rは、1〜20個の炭素原子のアルキレンであり、Fは、アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、ヒドロシリル、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、ウレイド、エポキシ、イソシアナト、グリシドキシ、およびアクリロキシ基、およびこれらの組合せから選択される)を有するシランである。別の実施形態において、2官能性有機シラン架橋剤は、式X3Si−R−F−R−Si−X3(式中、各Xは、独立に、ヒドロキシまたはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキル、もしくはシクロアルキル基である)であり、各Rは、1〜20個の炭素原子のアルキレンであり、Fは、2〜20個の硫黄原子の2価のポリスルフィドである)を有するシランである。別の実施形態において、インターポリマーは、インターポリマーにおけるオレフィン性不飽和により、エラストマーと共硬化される。
エラストマー組成物は、少なくとも1種のエラストマーを含む。一実施形態において、様々なエラストマーの単一のものまたは2種以上の混合物が、通常、エラストマー組成物中に、100phrで存在し、炭化水素ポリマー改質剤は、5〜50phrで存在する。
エラストマー組成物に含められ得る典型的なエラストマーには、ブチルゴム、分岐(「星型分岐」ブチルゴム、星型分岐ポリイソブチレンゴム、イソブチレンとパラ−メチルスチレンのランダムコポリマー(ポリ(イソブチレン−co−p−メチルスチレン))、イソプレン、イソブチレンおよびアルキルスチレンのランダムコポリマー、ポリブタジエンゴム(「BR」)、高シス−ポリブタジエン、ポリイソプレンゴム、イソプレン−ブタジエンゴム(「IBR」)、スチレン−イソプレン−ブタジエンゴム(「SIBR」)、スチレン−ブタジエンゴム(「SBR」)、溶液重合−スチレン−ブタジエンゴム(「sSBR」)、乳化重合−スチレン−ブタジエンゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム(「EP」)、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(「EPDM」)、合成ポリイソプレン、汎用ゴム、天然ゴム、およびこれらのエラストマーのハロゲン化タイプ、ならびにこれらの混合物が含まれる。有用なエラストマーは、当技術分野において知られている適切な手段のいずれかによって製造でき、このことを考慮して、本発明は、エラストマーの製造方法によって限定されない。
エラストマーは、ハロゲン化されていることも、されていないこともある。好ましいハロゲン化エラストマーは、ハロゲン化ブチルゴム、ブロモブチルゴム、クロロブチルゴム、ハロゲン化分岐(「星型分岐」)ブチルゴム、およびイソブチレンとパラ−メチルスチレンのハロゲン化ランダムコポリマーからなる群から選択され得る。このようなエラストマーブレンドは、通常、タイヤにおいて、バリア構成要素に用いられる。
エラストマー組成物は、また、エチレン−プロピレンゴム(「EP」)およびエチレン−プロピレン−ジエンゴム(「EPDM」)のようなエチレンとプロピレンに由来する単位のゴム、ならびにこれらの混合物を含み得る。EPおよびEPDMは、また、汎用エラストマーであるとも考えられる。EPDMを製造する際の適切な3番目のモノマーの例は、エチリデンノルボルネン、1,4−ヘキサジエン、ジシクロペンタジエン、さらには他のモノマーである。
別の有用な合成ゴムは、高シス−ポリブタジエン(「シス−BR」)である。「シス−ポリブタジエン」または「高シス−ポリブタジエン」によって、1,4−シスポリブタジエンが用いられ、そのシス成分の量が少なくとも95%であることを意味する。
エラストマー組成物は、また、ポリイソプレンゴム(IR)も含み得る。100℃で測定したポリイソプレンゴムのムーニー粘度(ML 1+4、ASTM D1646)は、35〜70、または40〜約65、別の実施形態では、45〜60の範囲であり得る。
別の実施形態において、エラストマーは、スチレンブタジエンゴム(「SBR」)(例えば、乳化重合−SBR(「E−SBR」)、溶液重合SBR(S−SBR))、高スチレンゴム(「HSR」)などのようなスチレンゴムを含み得る。SBRの望ましい実施形態は、JSR Corporationから入手可能なE−SBRエラストマー(これらには、JSR 1500(25wt%スチレン)、JSR 1502(25wt%スチレン)、JSR 1503(25wt%スチレン)、JSR 1507(25wt%スチレン)、JSR 0202(45wt%スチレン)、JSR SL552(25wt%スチレン)、JSR SL574(15wt%スチレン)、JSR SL563(20wt%スチレン)、JSR 0051、JSR 0061などが含まれる)のように、10wt%〜60wt%のスチレン含有量を有し得る。好ましいSBRは、30〜120、より好ましくは40〜80の100℃でのムーニー粘度(ML 1+4、ASTM D1646)を有する。
エラストマー組成物は、さらに、シラン官能化HPM(「Si−HPM」)を含めて、炭化水素ポリマー改質剤(「HPM」)を含む。本発明において有用なHPMには、これらに限らないが、脂肪族炭化水素樹脂、芳香族変性脂肪族炭化水素樹脂、水素化ポリシクロペンタジエン樹脂、ポリシクロペンタジエン樹脂、ガムロジン、ガムロジンエステル、ウッドロジン、ウッドロジンエステル、トール油ロジン、トール油ロジンエステル、ポリテルペン、芳香族変性ポリテルペン、テルペンフェノール樹脂、芳香族変性水素化ポリシクロペンタジエン樹脂、水素化脂肪族樹脂、水素化脂肪族芳香族樹脂、水素化テルペンおよび変性テルペン、ならびに水素化ロジンエステルが含まれる。ある実施形態では、HPMは水素化されている。別の実施形態において、HPMは非極性である。本明細書で用いられる場合、非極性は、HPMが、極性基を有するモノマーを実質的に含まないことを意味する。
HPMおよび/またはSi−HPMは、エラストマーコンパウンディング材料として用いることができる。HPMおよび/またはSi−HPMがどのようにコンパウンディングされるかに応じて、ゴムおよびタイヤの耐久性、トラクション、および耐摩耗性に対するゴムの特性の最適化が実現できる。HPMおよび/またはSi−HPMのマクロ構造(分子量、分子量分布、および分岐)が、このポリマー添加剤に独特の特性をもたせる。
HPMは、また、芳香族単位、例えば、スチレン、キシレン、α−メチルスチレン、ビニルトルエン、およびインデンから生成するポリマー鎖を有する「芳香族」炭化水素構造体も含み得る。一実施形態において、HPMは、相溶性または混和性のために、エラストマー成分の芳香族含有量、例えば、スチレンゴムでの高い芳香族含有量、または天然ゴムでの低い芳香族含有量に釣り合う芳香族含有量を含み得る。相溶性は、例えば、HPMがエラストマードメインのTgを変えるもしくはシフトさせるために用いられる場合、HPMの分散の向上が望まれる場合、および/または、相溶性がエラストマー組成物におけるHPMの移動の抑制を助長する場合に、望まれる。相溶性は、また、HPM、Si−HPMまたはSi−HPM誘導体が、別の理由、例えば、高い分子量のSi−HPM、Si−HPMのフィラーへの連結、あるいは、HPM−エラストマー−co−グラフト(これは、結合したHPMの可動性を制限する、また/または連結したフィラー粒子の分散を促進する)のようなHPM由来単位の存在のために、エラストマー成分と、相溶性でなければ非混和性である場合にも望まれ得る。
本発明によれば、ゴムコンパウンディングに用いられるSi−HPMは、オレフィンを、例えば、ピペリレン、イソプレン、アミレン、および環状成分からの1種または複数を含む。Si−HPMは、また、芳香族オレフィンを、例えば、スチレン系成分およびインデン系成分も含み得る。
一実施形態において、Si−HPMは、イソプレンを実質的に含まない。別の実施形態において、Si−HPMは、混合物におけるモノマーの重量に対して、15%までのイソプレン、または10%未満のイソプレンを含むモノマー混合物から調製される。さらに別の実施形態において、モノマー混合物は、混合物におけるモノマーの重量に対して、5%未満のイソプレンを含む。
一実施形態において、HPMは、80℃〜160℃、または、好ましくは100℃〜160℃、または、より好ましくは110℃〜150℃の軟化点を有し得る。軟化点は、ASTM E−28によって測定され、環球法に従って求めることができる。
一実施形態において、HPMは、約30℃〜約110℃、または約50℃〜110℃、または約60℃〜100℃のガラス転移温度(Tg)を有し得る。HPMのTgを求めるために、示差走査熱量測定(DSC)が使用され得る。
X3Si−R−F−[R−Si−X3]p
(式中、各Xは、独立に、ケイ素官能基であり、各Rは、独立に、1〜20個の炭素原子、好ましくは10個までの炭素原子、特に1〜5個の炭素原子の置換もしくは無置換の2価の炭化水素基であり;Fは、1価もしくは多価の有機官能基であり;Fが1価である場合、pは0であり、Fが多価である場合、pは、少なくとも1、例えば1〜5である)を有する。一実施形態において、Xは、ヒドロキシもしくはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子、好ましくは10個までの炭素原子、特に1〜5個の炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキルもしくはシクロアルキル基である)であり、Rは、好ましくは10個までの炭素原子、特に1〜5個の炭素原子のアルキレンであり、pは0または1であり;pが0である場合、Fは、アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、ウレイド、エポキシ、イソシアナト、グリシドキシ、およびアクリロキシ基から選択され;pが1である場合、Fは、2〜20個の硫黄原子の2価のポリスルフィドである。
アミノ型シランカップリング剤の例は、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、および3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシランである。
グリシドキシ型シランカップリング剤の例は、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、およびγ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランである。
ニトロ型シランカップリング剤の例は、3−ニトロプロピルトリメトキシシラン、および3−ニトロプロピルトリエトキシシランである。
クロロ型シランカップリング剤の例は、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、2−クロロエチルトリメトキシシラン、および2−クロロエチルトリエトキシシランである。
一実施形態において、Si−HPMは、シラン官能基に加えて、Si−HPMを、それ自体に架橋させる、フィラーもしくはエラストマーに連結させる、または別の仕方でエラストマーマトリックス内に固定することができる1種または複数の有機官能基を、さらに含む。これらのSi−HPMは、接着配合物の他の成分と架橋することによって、組成物媒体内に架橋を引き起こし、架橋に参加することが可能である。一例として、Si−HPMに残存するオレフィン性不飽和は、硬化反応に参加できる、または、架橋またはカップリング剤、例えば2官能性有機シランカップリング剤の有機官能基と反応できる。別の例として、Si−HPMの無水物または酸基は、それら自体で、または組成物媒体中に存在する他のポリマーと架橋できる。
すでに記載されたように、エラストマー組成物は、Si−HPMに加えて、官能性されていないHPM、またはシラン官能基以外の官能基により官能化されたHPM(FHPM)、例えば、前記US7,294,664(上で参照を通じて組み込まれた)に記載されたグラフトを有する樹脂、グラフトを有するオリゴマーおよび/またはこれらのブレンドを含み得る。Si−HPM/FEPM/HPMのブレンドは、別個のFEPMおよび/またはHPM成分をSi−HPMとブレンドすること、HPMを部分的に官能化すること、および/またはFHPMもしくはHPMを部分的にシラン官能化することによって得ることができる。
本発明に従って製造されるエラストマー組成物は、通常、ゴムコンパウンドに慣習的に用いられる他の成分および添加剤、例えば、有効量の他の加工助剤、顔料、促進剤、架橋および硬化材料、酸化防止剤、オゾン劣化防止剤、フィラー、および/またはクレーを含む。HPM以外に、エラストマー組成物は、他の有用な加工助剤、例えば、プラストマー、ポリブテン、またはこれらの混合物を含んでいてもよい。
シリケートは、膨張する結晶格子を有するクレー鉱物の一般的種類を表す、少なくとも1種の「スメクタイト」または「スメクタイト型クレー」を含み得る。例えば、これは、モンモリロナイト、バイデライト、およびノントロナイトからなる2八面体型スメクタイト、ならびに、3八面体スメクタイト(これには、サポナイト、ヘクトライト、およびソーコナイトが含まれる)を含み得る。やはり含まれるのは、合成により調製されるスメクタイト−クレーである。
シリケートには、天然または合成のフィロシリケート、例えば、モンモリロナイト、ノントロナイト、バイデライト、ベントナイト、ボルコンスコアイト、ラポナイト、ヘクトライト、サポナイト、ソーコナイト、マガダイト、ケニヤアイト、ステベンサイトなど、さらにはバーミキュライト、ハロイサイト、酸化アルミニウム、ハイドロタルサイトなどが含まれ得る。カオリナイト、セリサイト、フロゴパイトおよび白雲母のようなマイカもまた挙げることができる。前記シリケートのいずれかの組合せもまた想定される。
ナノコンポジットは、フィラー添加ポリマー系であり、このフィラーは、少なくとも1つの寸法がナノメートルの領域にある無機粒子を含む。ナノコンポジットに用いられる無機粒子の一般的タイプは、フィロシリケートであり、これは、いわゆる「ナノクレー」または「クレー」という一般的種類からの無機物質である。ナノコンポジットが存在する場合の、様々なエラストマー組成物の空気バリア性における全般的な向上のせいで、エラストマーおよびクレーを含むナノコンポジットを含むエラストマー組成物を得ることが望まれている。一実施形態における炭化水素ポリマー改質剤は、ガスバリア性を向上させるためのナノコンポジットに使用できる。例えば、Si−HPMは、エラストマーにおけるナノ粒子の分散を向上させることができ、Si−HPMの高い分子量は、ガス分子の拡散経路の長さを増す助けとなり得る。
無機粒子(例えば、クレー)は、エラストマー組成物を通しての酸素の透過に対する板状バリアとして働くことができる。しかし、効果的であるためには、無機粒子は、エラストマー組成物の全体に渡って十分に分散される必要がある。これは、極性のクレーを一般に非極性のゴムに分散させることを通常必要とするので、困難であり得る。理想的には、層間挿入が、ナノコンポジットにおいて起こるべきであり、この場合、ポリマーはクレー表面の間のスペースまたはギャラリー(gallery)に挿入される。最終的には、完全に近く剥離されることが望ましく、この場合、ポリマーは、個々のナノメートルサイズのクレー小板(platelet)と十分に、分散する、またはこれらの小板に層間挿入される。
剥離剤の別の種類は、層間表面に共有結合できるものを含む。これらには、構造−Si(R15)2R16(式中、R15は、現れる毎に同じであるかまたは異なり、アルキル、アルコキシまたはオキシシランから選択され、R16は、コンポジットのマトリックスポリマーと相溶性のある有機基である)のポリシランが含まれる。他の適切な剥離剤には、2〜30個の炭素原子を含む、プロトンが付加されたアミノ酸(例えば、12−アミノドデカン酸、イプシロン−カプロラクタムおよび類似の材料)およびそれらの塩が含まれる。適切な膨潤剤、および層状クレーシリケートに層間挿入する方法は、また、米国特許第4,472,538号、米国特許第4,810,734号、および米国特許第4,889,885号に開示されており、これらの全ては、参照を通じて本明細書に組み込まれる。
一実施形態において、剥離剤は、0.1〜20phrの範囲、または0.2〜15hprの範囲で、あるいは別の実施形態では、0.3〜10phrの範囲で存在し得る。剥離剤は、どの段階で組成物に添加されてもよい;例えば、剥離剤は、エラストマーおよび/もしくはインターポリマーに添加され、その後、クレーが添加され得る、または、エラストマーおよび/もしくはインターポリマーとクレーの混合物に添加されてもよい;あるいは、さらに別の実施形態では、最初に添加剤がクレーとブレンドされ、その後、エラストマーおよび/もしくはインターポリマーとブレンドされてもよい。
別の実施形態において、不透過性の向上は、少なくとも1種の多官能硬化剤の存在によって達成される。このような多官能硬化剤の一実施形態は、式Z−R17−Z’(式中、R17は、置換または無置換の、C1−C15アルキル、C2−C15アルケニル、およびC6−C12環状芳香族部分の1つであり;ZおよびZ’は、同じであるかまたは異なり、チオサル
フェート基、メルカプト基、アルデヒド基、カルボン酸基、ペルオキシド基、アルケニル基、または不飽和のような反応性基を有する1種または複数のポリマー(エラストマーおよび/またはインターポリマー)ストランドを、分子間もしくは分子内のいずれかで、架橋できる他の類似の基の1つである)によって表すことができる。多官能硬化剤は、存在する場合、組成物に、0.1〜8phrの範囲で、または、別の実施形態では、0.2〜5phrの範囲で存在し得る。
エラストマー−クレーナノコンポジットは、当技術分野において知られている様々な方法、例えば、溶液ブレンド法、溶融ブレンド法、またはエマルジョン法を用いて生成できる。例えば、米国特許出願公開第2007/015853号(参照を通じて本明細書に組み込まれる)は、ゴム溶液のエマルジョンと、クレーが無機クレーであることができるクレー水性分散体とから、クレー−ブチルゴムナノコンポジットを調製する方法を開示する。ナノコンポジット処理の別の例として、米国特許第7,501,460号(参照を通じて本明細書に組み込まれる)は、ゴムのスリップストリーム(slipstream)からナノコンポジット濃厚液を調製すること、および濃厚液をゴム主流とブレンドすることによって、クレー−ブチルゴムナノコンポジットを調製する方法を開示する。
別の実施形態において、ナノコンポジットは、エマルジョン法によって生成され得る。例えば、エマルジョンは、通常のエマルジョン技術によって、すなわち、炭化水素、水、および界面活性剤(用いられる場合)の混合物に、エマルジョンを生成するのに十分な時間、例えば、通常、少なくとも数秒、市販のブレンダーまたはその等価物におけるような、十分な剪断を加えることによって生成され得る。エマルジョンは、連続もしくは間欠的な混合または振盪を用いるかまたは用いないで、加熱もしくは他の温度制御を用いるかまたは用いないで、クレーの剥離を促進するのに十分な時間(例えば、一実施形態において、0.1〜100時間もしくはこれを超える時間、または1〜50時間、あるいは、別の実施形態では、2〜20時間)、エマルジョンの状態のままであり得る。
エラストマー組成物およびこれらの組成物から製造される物品は、通常、少なくとも1種の硬化パッケージ、少なくとも1種の硬化剤、少なくとも1種の架橋剤の助けで製造される、また/または、エラストマー組成物を硬化させるプロセスを経る。本明細書で用いられる場合、硬化パッケージは、業界で一般に理解されているように、ゴムに硬化した特性を付与することができる任意の材料または方法を表す。
ハロゲン含有エラストマーは、それらと金属との反応によって架橋され得る。有用な金属酸化物に例には、これらに限らないが、ZnO、CaO、およびPbOが含まれる。金属酸化物は、単独で、あるいは、その対応する金属脂肪酸複合物(例えば、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウムなど)と結び付けて、または単独で添加される有機酸および脂肪酸、例えばステアリン酸、および任意選択で他の硬化剤、例えば、硫黄もしくは硫黄化合物、アルキルペルオキシド化合物、ジアミンまたはこれらの誘導体と結び付けて使用され得る。
硫黄は、ジエン含有エラストマーに対する最も一般的な化学加硫剤である。硫黄加硫系は、硫黄を活性化するための活性化剤、促進剤、および加硫速度を制御する助けとなる遅延剤からなり得る。
活性化剤は、最初に促進剤と反応してゴム可溶性複合体を生成し、次いで、この複合体が硫黄と反応して硫化剤を生成することによって、加硫の速度を増大させる化学物質である。促進剤の一般的種類には、アミン、ジアミン、グアニジン、チオウレア、チアゾール、チウラム、スルフェンアミド、チオカルバメート、キサンテートなどが含まれる。
促進剤は、加硫の開始および速度、生成される架橋の数およびタイプを制御する助けとなる。遅延剤は、未加硫ゴムを加工する時間が十分であるように、硬化の最初の開始を遅らせるために使用され得る。
本発明のエラストマー組成物は、当業者に知られている如何なる通常の手段によってコンパウンディング(混合)されてもよい。混合は、単一ステップまたは複数の段階で実施され得る。例えば、成分は、通常、少なくとも2つの段階で、すなわち、少なくとも1つの非生産的段階と、その後の生産的混合段階において、混合される。通常、最後の硬化剤は、「生産的」混合段階と通常呼ばれる最終段階で混合される。生産的混合段階において、混合は、通常、先行する非生産的混合段階の混合温度より低い温度、または最終温度で行われる。エラストマー、ポリマー添加剤、シリカおよびシリカカップラー(coupler)、ならびにカーボンブラック(用いられる場合)が、通常、1つまたは複数の非生産的混合段階において混合される。用語「非生産的」および「生産的」混合段階は、ゴム混合技術の当業者によく知られている。
別の実施形態において、成分の混合は、当技術分野において知られている技術によって、適切な混合デバイスのいずれか、例えば、2本ロール開放型(open)ミル、BRABENDER(商標)密閉型(internal)ミキサー、接線型ローターを有するBANBURY(商標)密閉型ミキサー、噛合ローターを有するKrupp密閉型ミキサー、または好ましくはミキサー/押出機において、エラストマー成分、フィラーおよびクレーを、混ぜ合わせることによって、実施され得る。混合は、一実施形態において、組成物に用いられるエラストマーの融点までの温度で、または、別の実施形態では、40℃〜250℃、または、さらに別の実施形態では、100℃〜200℃の温度で、実施され得る。混合は、通常、クレーが剥離して、エラストマー内に均一に分散した状態になるのに十分な剪断条件下に、実施されるべきである。
本発明のエラストマー組成物は、繊維、フィルム、ラミネート体、層、工業用パーツ(例えば、自動車パーツ)、電気器具ハウジング、消費者製品、パッケージングなどを含めて、様々な形状の物品に、押出、圧縮成形、ブロー成形、射出成形、およびラミネートされ得る。
本発明のエラストマー組成物は、また、成形ゴムパーツにも有用であり得るし、自動車サスペンションバンパー、自動車排気管ハンガー、およびボディマウントに広い用途を見出し得る。さらに別の用途において、本発明のエラストマーまたはエラストマー組成物は、また、医薬品の密栓およびクロージャーならびに医療デバイスのコーティングのような医療用途にも有用である。
A.少なくとも1種のエラストマー、少なくとも1種のフィラー、および少なくとも1種のシラン官能化炭化水素ポリマー改質剤(Si−HPM)を含み、ここで、Si−HPMが、ピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、およびアミレンからなる群から選択される少なくとも1種のモノマーと、樹脂をフィラーに連結するためのシラン構造を含む1種または複数の官能基とを含むインターポリマーを含む、エラストマー組成物。
B.1種または複数の官能基が、樹脂をエラストマーに連結するためのオレフィン性不飽和をさらに含み、インターポリマーが、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1mol%のオレフィン性水素を含む、実施形態Aのエラストマー組成物。
C.Si−HPMが、インターポリマーと、式:
X3Si−R−F−[R−Si−X3]p
(式中、各Xは、独立に、ケイ素官能基であり、各Rは、独立に、1〜20個の炭素原子の2価の置換もしくは無置換の炭化水素基であり、Fは、1価または多価の有機官能基であり、Fが1価である場合、pは0であり、Fが多価である場合、pは少なくとも1である)の2官能性有機シラン架橋剤との反応生成物を含む、実施形態Aまたは実施形態Bのエラストマー組成物。
D.Xが、ヒドロキシまたはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキルもしくはシクロアルキル基である)であり、Rが、アルキレンであり、pが0または1であり、pが0である場合、Fが、アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、ヒドロシリル、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、ウレイド、エポキシ、イソシアナト、グリシドキシ、およびアクリロキシ基から選択され、pが1である場合、Fが2〜20個の硫黄原子の2価のポリスルフィドである、実施形態Cのエラストマー組成物。
E.少なくとも1種のフィラーがシリカを含む、実施形態A〜Dのいずれか1つのエラストマー組成物。
F.インターポリマーが、(i)少なくとも1種のピペリレン成分と、(ii)少なくとも1種の環状ペンタジエン成分と、(iii)少なくとも1種の芳香族成分と、を含み、インターポリマーが、40℃〜160℃の軟化点を備える、実施形態A〜Eのいずれか1つのエラストマー組成物。
G.少なくとも1種のエラストマーが、少なくとも1種のフィラーに連結される、実施形態A〜Fのいずれか1つのエラストマー組成物。
H.インターポリマーが、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のエラストマーに連結される、実施形態A〜Gのいずれか1つのエラストマー組成物。
I.インターポリマーが、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のフィラーに連結される、実施形態A〜Hのいずれか1つのエラストマー組成物。
J.インターポリマーが、少なくとも1種のエラストマーおよび少なくとも1種のフィラーの組合せに連結される、実施形態A〜Gのいずれか1つのエラストマー組成物。
K.インターポリマーが、少なくとも1種のエラストマーと非混和性である、実施形態A〜Jのいずれか1つのエラストマー組成物。
L.実施形態Aのエラストマー組成物を含むタイヤまたはタイヤ構成要素。
M.(a)エラストマー混合物を溶融加工して、物品の形状にエラストマー組成物を成形することと、
(b)エラストマー組成物を硬化させて、物品を形成することと
を含み、
エラストマー混合物が、(i)少なくとも1種のエラストマーと、(ii)少なくとも1種の炭化水素ポリマー改質剤であって、少なくとも1種の官能基ならびにピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、およびアミレンから選択される少なくとも1種のモノマーを含むインターポリマーを含み、1種または複数の官能基がシラン構造を含む上記炭化水素ポリマー改質剤と、(iii)シリカを含むフィラーと、(iv)2官能性有機シラン架橋剤と、
を含む方法。
N.インターポリマーをエラストマーおよびフィラーの一方もしくは両方に連結することと、エラストマーをインターポリマーおよびフィラーの一方もしくは両方に連結することと、フィラーをインターポリマーおよびエラストマーの一方もしくは両方に連結することと、を含む、実施形態Mの方法。
O.フィラーを2官能性有機シラン架橋剤のシラン官能基に連結することと、インターポリマーを2官能性有機シラン架橋剤の有機官能基に連結することと、を含む、実施形態Mまたは実施形態Nの方法。
P.インターポリマーと2官能性有機シラン架橋剤とを予備反応させて、シラン官能基を有するインターポリマーを得ることを含む、実施形態M〜Oのいずれか1つの方法。
Q.予備反応が、インターポリマーと2官能性有機シラン架橋剤を、触媒の存在下に接触させることを含む、実施形態Pの方法。
R.予備反応が、2官能性有機シラン架橋剤を、重合反応器への供給原料におけるモノマーの混合物に組み入れることを含む、実施形態Pまたは実施形態Qの方法。
S.予備反応されたインターポリマー−2官能性有機シラン架橋剤を、フィラーに連結することを含む、実施形態P〜Rのいずれか1つの方法。
T.2官能性有機シラン架橋剤が、式:
X3Si−R−F−[R−Si−X3]p
(式中、各Xは、独立に、ケイ素官能基であり、各Rは、独立に、1〜20個の炭素原子の2価の炭化水素基であり、Fは、1価または2価の有機官能基であり、Fが1価である場合、pは0であり、Fが2価である場合、pは1である)を有するシランである、実施形態M〜Sのいずれか1つの方法。
U.インターポリマーが、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1mol%のオレフィン性水素を含む、実施形態M〜Tのいずれか1つの方法。
V.構造要素を、エラストマー組成物の表面に付着させること、および構造要素を物品と共硬化して構成物を形成することをさらに含む、実施形態M〜Uのいずれか1つの方法。
W.構成物が、タイヤを含み、物品が、タイヤのトレッド、タイヤのインナーライナー、またはタイヤのカーカスを含む、実施形態Vの方法。
X.ピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、アミレン、およびこれらの組合せからなる群から選択され、2官能性有機シラン架橋剤に連結された、インターポリマー化されたモノマーを含む、シリル化炭化水素ポリマー改質剤。
Y.ピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、およびアミレンから選択される少なくとも1種のモノマーを含むインターポリマーであって、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1mol%のオレフィン性水素を含み、2官能性有機シラン架橋剤によりシリカに連結される上記インターポリマーを含む、シリカに連結される炭化水素ポリマー改質剤。
Z.2官能性有機シラン架橋剤が、式:
X3Si−R−F
(式中、各Xは、独立に、ヒドロキシまたはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキルもしくはシクロアルキル基である)であり、Rは、1〜20個の炭素原子のアルキレンであり、Fは、アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、ウレイド、エポキシ、イソシアナト、グリシドキシ、およびアクリロキシ基およびこれらの組合せから選択される)を有するシランを含む、実施形態Yの、シリカに連結される炭化水素ポリマー改質剤。
AA.2官能性有機シラン架橋剤が、式:
X3Si−R−F−R−Si−X3
(式中、各Xは、独立に、ヒドロキシまたはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキル、もしくはシクロアルキル基である)であり、各Rは、1〜20個の炭素原子のアルキレンであり、Fは、2〜20個の硫黄原子の2価のポリスルフィドである)有するシランである、実施形態Yまたは実施形態Zの、シリカに連結される炭化水素ポリマー改質剤。
BB.インターポリマーが、インターポリマーにおけるオレフィン性不飽和により、エラストマーと共硬化される、実施形態Y〜AAのいずれか1つの、シリカに連結される炭化水素ポリマー改質剤。
次に、本発明の好ましい態様を示す。
1. (i)少なくとも1種のエラストマーと、(ii)少なくとも1種のフィラーと、(iii)少なくとも1種のシラン官能化炭化水素ポリマー改質剤(Si−HPM)であって、ピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、およびアミレンから選択される少なくとも1種のモノマーを含むインターポリマーを含む上記Si−HPMと、(iv)シラン構造を含む少なくとも1種の官能基と、を含むエラストマー組成物。
2. 1種または複数の官能基が、オレフィン性不飽和をさらに含み、インターポリマーが、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1モルパーセントのオレフィン性水素を含む、上記1に記載のエラストマー組成物。
3. Si−HPMが、インターポリマーと、式:
X 3 Si−R−F−[R−Si−X 3 ] p
(式中、各Xは、独立に、ケイ素官能基であり、各Rは、独立に、1〜20個の炭素原子の2価の置換もしくは無置換の炭化水素基であり、Fは、1価または多価の有機官能基であり、Fが1価である場合、pは0であり、Fが多価である場合、pは少なくとも1である)の2官能性有機シラン架橋剤との反応生成物を含む、上記1または2に記載のエラストマー組成物。
4. Xが、ヒドロキシまたはR 1 −O−(式中、R 1 は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキルもしくはシクロアルキル基である)であり、Rが、アルキレンであり、pが0または1であり、pが0である場合、Fが、アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、ヒドロシリル、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、ウレイド、エポキシ、イソシアナト、グリシドキシ、およびアクリロキシ基から選択され、pが1である場合、Fが2〜20個の硫黄原子の2価のポリスルフィドである、上記3に記載のエラストマー組成物。
5. 少なくとも1種のフィラーがシリカを含む、上記1から4のいずれかに記載のエラストマー組成物。
6. インターポリマーが、(i)少なくとも1種のピペリレン成分と、(ii)少なくとも1種の環状ペンタジエン成分と、(iii)少なくとも1種の芳香族成分と、を含み、インターポリマーが、40℃〜160℃の軟化点を備える、上記1から5のいずれかに記載のエラストマー組成物。
7. インターポリマーが、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のエラストマーに連結される、上記1から6のいずれかに記載のエラストマー組成物。
8. インターポリマーが、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のフィラーに連結される、上記1から7のいずれかに記載のエラストマー組成物。
9. インターポリマーが、少なくとも1種のエラストマーおよび少なくとも1種のフィラーの組合せに連結される、上記1から8のいずれかに記載のエラストマー組成物。
10. 少なくとも1種のエラストマーが、少なくとも1種のフィラーに連結される、上記1から9のいずれかに記載のエラストマー組成物。
11. インターポリマーが、少なくとも1種のエラストマーと非混和性である、上記1から10のいずれかに記載のエラストマー組成物。
12. 上記1から11のいずれかに記載のエラストマー組成物を含むタイヤまたはタイヤ構成要素。
13. (a)エラストマー混合物を溶融加工して、物品の形状にエラストマー組成物を成形することと、
(b)エラストマー組成物を硬化させて、物品を形成することと
を含み、
エラストマー混合物が、(i)少なくとも1種のエラストマーと、(ii)少なくとも1種の炭化水素ポリマー改質剤であって、少なくとも1種の官能基ならびにピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、およびアミレンから選択される少なくとも1種のモノマーを含むインターポリマーを含み、1種または複数の官能基がシラン構造を含む上記炭化水素ポリマー改質剤と、(iii)シリカを含むフィラーと、(iv)2官能性有機シラン架橋剤と、を含む、物品の成形方法。
14. インターポリマーをエラストマーおよびフィラーの一方もしくは両方に連結することと、エラストマーをインターポリマーおよびフィラーの一方もしくは両方に連結することと、フィラーをインターポリマーおよびエラストマーの一方もしくは両方に連結することと、を含む、上記13に記載の方法。
15. フィラーを2官能性有機シラン架橋剤のシラン官能基に連結することと、インターポリマーを2官能性有機シラン架橋剤の有機官能基に連結することと、を含む、上記13または14に記載の方法。
16. インターポリマーと2官能性有機シラン架橋剤とを予備反応させて、シラン官能基を有するインターポリマーを得ることを含む、上記13から15のいずれか1項に記載の方法。
17. 予備反応が、インターポリマーと2官能性有機シラン架橋剤を、触媒の存在下に接触させることを含む、上記16に記載の方法。
18. 予備反応が、2官能性有機シラン架橋剤を、重合反応器への供給原料におけるモノマー混合物に組み入れることを含む、上記16または17に記載の方法。
19. 予備反応されたインターポリマー−2官能性有機シラン架橋剤を、フィラーに連結することを含む、上記16から18のいずれか1項に記載の方法。
20. 2官能性有機シラン架橋剤が、式:
X 3 Si−R−F−[R−Si−X 3 ] p
(式中、各Xは、独立に、ケイ素官能基であり、各Rは、独立に、1〜20個の炭素原子の2価の炭化水素基であり、Fは、1価または2価の有機官能基であり、Fが1価である場合、pは0であり、Fが2価である場合、pは1である)を有するシランである、上記13から19のいずれか1項に記載の方法。
21. インターポリマーが、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1mol%のオレフィン性水素を含む、上記13から20のいずれか1項に記載の方法。
22. 構造要素を、エラストマー組成物の表面に付着させること、および構造要素を物品と共硬化して構成物を形成することをさらに含む、上記13から21のいずれか1項に記載の方法。
23. 構成物がタイヤを含み、物品が、タイヤのトレッド、タイヤのインナーライナー、またはタイヤのカーカスを含む、上記22に記載の方法。
24. ピペリレン、環状ペンタジエン、芳香族化合物、リモネン、ピネン、アミレン、およびこれらの組合せからなる群から選択され、2官能性有機シラン架橋剤に連結された、インターポリマー化されたモノマーを含む、シリル化炭化水素ポリマー改質剤。
25. インターポリマーが、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1mol%のオレフィン性水素を含み、インターポリマーが、2官能性有機シラン架橋剤によりシリカに連結される、上記24に記載のシリル化炭化水素ポリマー改質剤を含む、シリカに連結された炭化水素ポリマー改質剤。
Claims (9)
- (i)少なくとも1種のエラストマーと、(ii)少なくとも1種のフィラーと、(iii)少なくとも1種のシラン官能化炭化水素ポリマー改質剤(Si−HPM)であって、炭化水素インターポリマーと、式:
X3Si−R−F−[R−Si−X3]p
(式中、各Xは、独立に、ケイ素官能基であり、各Rは、独立に、1〜20個の炭素原子の2価の置換もしくは無置換の炭化水素基であり、Fは、1価または多価の有機官能基であり、Fが1価である場合、pは0であり、Fが多価である場合、pは少なくとも1である)の2官能性有機シラン架橋剤との反応生成物を含む上記Si−HPMと、を含み、
前記改質剤が60℃〜100℃のガラス転移温度を有し、炭化水素インターポリマーが官能化の前に2500〜25000g/モルの重量平均分子量及び900〜3000g/モルの数平均分子量を有する、エラストマー組成物。 - 1種または複数の官能基が、オレフィン性不飽和をさらに含み、インターポリマーが、インターポリマー中の水素の全モル数に対して、少なくとも1モルパーセントのオレフィン性水素を含む、請求項1に記載のエラストマー組成物。
- Xが、ヒドロキシまたはR1−O−(式中、R1は、20個までの炭素原子のアルキル、アルコキシアルキル、アリール、アラルキルもしくはシクロアルキル基である)であり、Rが、アルキレンであり、pが0または1であり、pが0である場合、Fが、アミノ、アミド、ヒドロキシ、アルコキシ、ハロ、メルカプト、ヒドロシリル、カルボキシ、アシル、ビニル、アリル、スチリル、ウレイド、エポキシ、イソシアナト、グリシドキシ、およびアクリロキシ基から選択され、pが1である場合、Fが2〜20個の硫黄原子の2価のポリスルフィドである、請求項1または2に記載のエラストマー組成物。
- 少なくとも1種のフィラーがシリカを含む、請求項1から3のいずれかに記載のエラストマー組成物。
- インターポリマーが、(i)少なくとも1種のピペリレン成分と、(ii)少なくとも1種の環状ペンタジエン成分と、(iii)少なくとも1種の芳香族成分と、を含む、請求項1から4のいずれかに記載のエラストマー組成物。
- インターポリマーが、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のエラストマーに連結される、請求項1から5のいずれかに記載のエラストマー組成物。
- インターポリマーが、1種または複数の官能基の少なくとも1種により、少なくとも1種のフィラーに連結される、請求項1から6のいずれかに記載のエラストマー組成物。
- インターポリマーが、少なくとも1種のエラストマーおよび少なくとも1種のフィラーの組合せに連結される、請求項1から7のいずれかに記載のエラストマー組成物。
- 少なくとも1種のエラストマーが、少なくとも1種のフィラーに連結される、請求項1から8のいずれかに記載のエラストマー組成物。
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