JP6321630B2 - アリルアミン含有カルビノール末端ポリマー - Google Patents

アリルアミン含有カルビノール末端ポリマー Download PDF

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Description

本発明は、ポリマー鎖の開始点とポリマー鎖の末端とに官能基を有するジエンポリマー、その製造、及びその使用に関する。
タイヤトレッドに望ましい重要な特性として、乾燥面及び湿表面への良好な粘着力と高い耐摩耗性が挙げられる。転がり抵抗と耐摩耗性を同時に悪化させることなしにタイヤの滑り抵抗を改善することは非常に困難である。低燃費のためには転がり抵抗が低いことが重要であり、また耐摩耗性が高いことはタイヤを長寿命にするための重要な要素である。
タイヤトレッドの濡れすべり抵抗と転がり抵抗は、ブレンド製造に使用されるゴムの動的特性/機械的特性に大きく依存する。転がり抵抗を低くするためには、高温(60〜100℃)時に高弾性のゴムがタイヤトレッド用に使用される。その一方で、濡れすべり抵抗を低くするためには、低温(0〜23℃)時に高い減衰係数を有するか、0〜23℃の範囲で低い弾性を有するゴムが有利である。この複雑な要求を満たすために、トレッドには様々なゴムの混合物が使用されている。通常は、スチレン−ブタジエンゴムなどの比較的高いガラス転移温度の1種類以上のゴムと、高1,4−cis含量のポリブタジエンや、低スチレンかつ低ビニル含量のスチレン−ブタジエンゴムや、溶液から製造された中程度の1,4−cis含量かつ低ビニル含量のポリブタジエンなどの、比較的低いガラス転移温度の1種類以上のゴムと、の混合物が使用されている。
二重結合を有するアニオン重合された溶液ゴム、例えば、溶液ポリブタジエンゴム及び溶液スチレン−ブタジエンゴムなどは、低い転がり抵抗を有するタイヤトレッドの製造に関して、対応するエマルジョンゴムよりも有利である。この利点は、特にビニル含量が制御可能であり、またそれに関連するガラス転移温度と分子分岐が制御可能であることによるものである。実用上は、これらにより、タイヤの濡れすべり抵抗と転がり抵抗との関係に関して特に利点がもたらされる。タイヤトレッドのエネルギー散逸及びそれによる転がり抵抗に大きな寄与をする要素は、ポリマー鎖の自由末端、並びに、タイヤトレッド混合物に用いられるフィラー(通常はシリカ及び/又はカーボンブラック)によって形成されるフィラーネットワークの可逆的形成及び劣化である。
ポリマー鎖の開始点及び/又はポリマー鎖の末端に官能基を導入すると、鎖の開始点及び/又は鎖の末端がフィラー表面へ物理的に又は化学的に付着可能になる。これによってその動きが制限され、その結果タイヤトレッドの動的応力下でのエネルギー散逸が低減される。それと同時に、これらの官能基はタイヤトレッド中のフィラーの分散性を向上させることができ、これによってフィラーネットワークを弱めることができ、その結果転がり抵抗を更に低くすることができる。
例えば、(特許文献1)及び(特許文献2)(保護された水酸基を有する開始剤)、(特許文献3)(チオエーテル含有開始剤)、並びに(特許文献4)及び(特許文献5)(重合開始剤としての2級アミンのアルカリ金属アミド)には、官能性アニオン重合開始剤を用いることによってポリマー鎖の開始点に官能基を導入する方法が記載されている。
更に詳しくは、(特許文献6)には、官能性重合開始剤としての2級アミンのその場での使用が記載されているが、ポリマー鎖の末端の官能化は記載されていない。(特許文献7)、(特許文献8)、及び(特許文献9)には、アニオン重合開始剤によってポリマー鎖の開始点に3級アミノ基を導入することが詳述されており、これらの重合開始剤は、アリルアミン又はキシリルアミンと、有機−アルカリ金属化合物との反応によって得られたものである。
更に、ポリマー鎖の末端に官能基を導入するための数多くの方法が開発されている。例えば、(特許文献10)には、官能化剤としての4,4’−ビス(ジメチルアミノ)ベンゾフェノン又はN−メチルカプロラクタムの使用が記載されている。エチレンオキシド及びN−ビニルピロリドンの使用は(特許文献11)から公知である。(特許文献12)には更なる有力な官能化剤が数多く詳述されている。
特に、併せて少なくとも2つのハロゲン及び/又はアルコキシ及び/又はアリールオキシ置換基をケイ素上に有するシランは、ケイ素原子上の前記置換基の1つがアニオン性のジエンポリマー鎖末端と容易に交換し得るので、またSi上の別の上述の置換基はタイヤトレッド混合物のフィラーと相互作用可能な官能基として(任意選択的には加水分解後に)利用できるので、ジエンゴムのポリマー鎖の末端を官能化するのに優れた適性を有している。このようなシランの例は(特許文献13)、(特許文献14)、(特許文献15)中に見ることができる。
しかし、ポリマー鎖の末端での官能化のために言及されている多くの試剤は、例えばプロセス溶媒に難溶性である、毒性が高い、又は揮発性が高い(リサイクル溶媒を汚染する原因となりうる)、などの欠点を有している。更に、これらの官能化剤の多くは2つ以上のアニオン性ポリマー鎖末端と反応可能なため、多くの場合厄介で制御困難であるカップリング反応を引き起こす。これは特に前述したシランに当てはまる。これらは、これらのシランとポリマー鎖のアニオン性末端との反応が、ハロゲン基やアルコキシ基など(アルコキシ基は容易にアルコールに変換可能な基である)成分を脱離させてしまうという別の欠点も有している。ハロゲンは腐食を促進し、アルコールはプロセス溶媒の汚染の原因となりうる。官能化剤としてシランを用いることの更なる欠点は、ポリマー鎖末端でSi−OR基による(あるいはSi−OR基の加水分解の後のSi−OH基による)官能化の後にこれらから得られるシロキサン末端ポリマーが、カップリングしてSi−O−Si結合を形成する場合があり、これが望ましくないゴム粘度の上昇を加工及び貯蔵中に生じさせる原因となることである。シロキサン末端ポリマーのこの粘度の上昇を抑える方法は、例えば酸及び酸ハロゲン化物ベースの安定化剤の添加(特許文献16)、シロキサンの添加(特許文献17)、長鎖アルコールの添加(特許文献18)、又はpHを制御するための試薬の添加(特許文献19)など、これまでに多く記載されている。
特に(特許文献20)には、ポリマー鎖の末端にSi−OH基を導入するための官能化剤としてシクロシロキサンが記載されている。これらシクロシロキサンは上述のシランに対して、それぞれの場合でシクロシロキサン一分子当たりポリマー鎖の1つのアニオン性末端しか反応できないという利点を有している。したがって、官能化反応時に、官能化剤1つ当たり2つ以上のポリマー鎖を添加してもカップリングは起こらない。しかし、上述したように、そして(特許文献21)にも記載されているように、官能化剤の導入後に形成されるSi−OH末端基はカップリングしてSi−O−Si結合を形成しうる。したがってここでもまた加工及び貯蔵中の粘度に関する望ましくない問題が生じる。
欧州特許第0513217B1号明細書 欧州特許第0675140B1号明細書 米国特許出願公開第2008/0308204A1号明細書 米国特許第5,792,820号明細書 欧州特許第0590490B1号明細書 欧州特許第0594107B1号明細書 米国特許第5,502,131号明細書 米国特許第5,521,309号明細書 米国特許第5,536,801号明細書 欧州特許出願公開第0180141A1号明細書 欧州特許出願公開第0864606A1号明細書 米国特許第4,417,029号明細書 米国特許第3,244,664号明細書 米国特許第4,185,042号明細書 欧州特許出願公開第0890580A1号明細書 欧州特許出願公開第0801078A1号明細書 欧州特許第1198506B1号明細書 欧州特許第1237934B1号明細書 欧州特許第1726598号明細書 欧州特許第0778311B1号明細書 米国特許第4,618,650号明細書
したがって、本発明の目的は、先行技術の欠点を有さず、ポリマー鎖のアニオン性末端を有するシランの良好な反応性を利用することができる、官能化されたポリマーを提供することである。このポリマーは、例えばシラン1分子に対してポリマー鎖の複数のアニオン性末端が反応すること、問題となる成分が脱離すること、及び、工程中や貯蔵中にカップリングしてSi−O−Si結合を形成すること、などの欠点を示さない。
この目的を達成するために官能化されたジエンポリマーが提案され、これらはポリマー鎖の開始点に、式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb):
Figure 0006321630
(式中、R、Rは同じであるか又は異なり、それぞれO、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子を含んでいてもよいアルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
Zは、C及びHに加えて、O、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基である)
の3級アミノ基を有し、ポリマー鎖の末端に式(III):
Figure 0006321630
(式中、R、R、R、Rは同じであるか又は異なり、H、又は、O、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子を含んでいてもよいアルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
Aは、C及びHに加えて、O、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基である)
のシラン含有カルビノール基又はその金属塩又はその半金属塩を有する。
好ましくは、本発明の官能化されたジエンポリマーのポリマー鎖の末端にある式(III)のシラン含有カルビノール基は、式(IV):
Figure 0006321630
(式中、R、R、R、Rは同じであるか又は異なり、それぞれO、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子を含んでいてもよいH、アルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
Aは、C及びHに加えて、O、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基であり、
nは1〜4の整数であり、
Mは1〜4価の金属又は半金属であり、好ましくはLi、Na、K、Mg、Ca、Fe、Co、Ni、Al、Nd、Ti、Si、及び/又はSnである)
の金属塩の形態であってもよい。
本発明の官能化されたジエンポリマーの製造に好ましいポリマーは、ジエンポリマー、及び、ジエンとビニル芳香族モノマーとの共重合によって得ることができるジエンコポリマーである。
好ましいジエンは、1,3−ブタジエン、イソプレン、1,3−ペンタジエン、2,3−ジメチルブタジエン、1−フェニル−1,3−ブタジエン、及び/又は1,3−ヘキサジエンである。特に好ましいのは1,3−ブタジエン及び/又はイソプレンを用いることである。
ビニル芳香族コモノマーは、例えば、スチレン、o−、m−及び/又はp−のメチルスチレン、p−tert−ブチルスチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ジビニルベンゼン、トリビニルベンゼン、及び/又はジビニルナフタレンとすることができる。スチレンを用いることが特に好ましい。
これらのポリマーは、好ましくはアニオン溶液重合によって製造される。
アニオン溶液重合の重合開始剤は、3級アリルアミンを有する有機−アルカリ金属化合物であり、これは有機−アルカリ金属化合物と3級N−アリルアミンとの反応によって得られる。3級アリルアミンの例としては、N,N−ジメチルアリルアミン、N,N−ジエチルアリルアミン、N,N−ジイロプロピルアリルアミン、N,N−ジヘキシルアリルアミン、N,N−ジフェニルアリルアミン、N,N−ジベンジルアリルアミン、N−アリルピロリジン、N−アリルヘキサメチレンイミンが挙げられる。
3級アリルアミンとの反応に好ましい有機−アルカリ金属化合物は、n−ブチルリチウム及びsec−ブチルリチウムである。3級アリルアミンと有機−アルカリ金属化合物とを反応させて3級アミンを有する重合開始剤を得る反応は、独立した予備工程として行っておくことも、この反応を、重合反応器中、その場で直接行うこともできる。
更に、ポリマーの微細構造用の公知のランダマイザー及び制御剤を使用することもでき、例えば、ジエチルエーテル、ジ−n−プロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジ−n−ブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、エチレングリコールジ−tert−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−tert−ブチルエーテル、2−(2−エトキシエトキシ)−2−メチルプロパン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラヒドロフラン、エチルテトラヒドロフルフリルエーテル、ヘキシルテトラヒドロフルフリルエーテル、2,2−ビス(2−テトラヒドロフリル)プロパン、ジオキサン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、N−メチルモルホリン、N−エチルモルホリン、1,2−ジピペリジノエタン、1,2−ジピロリジノエタン、1,2−ジモルホリノエタン、及び、アルコールやフェノールやカルボン酸やスルホン酸のカリウム塩及びナトリウム塩が挙げられる。
このような溶液重合は公知であり、例えばI.Franta,Elastomers and Rubber Compounding Materials;Elsevier 1989,p.113−131、Houben−Weyl,Methoden der Organischen Chemie[Methods of Organic Chemistry],Thieme Verlag,Stuttgart,1961,volume XIV/1 p.645〜673又はvolume E 20(1987),p.114〜134及びp.134〜153、Comprehensive Polymer Science,Vol.3,Part I (Pergamon Press Ltd.,Oxford 1989),p.365〜386に記載されている。
好ましいジエンポリマーの製造は、好ましくは溶媒中で行われる。重合に用いられる溶媒は好ましくは不活性な非プロトン性溶媒であり、例えば異性体を含むブタン、ペンタン、ヘキサン、へプタン、オクタン、デカン、シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、若しくは1,4−ジメチルシクロヘキサンなどのパラフィン系炭化水素、又は、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン、ジエチルベンゼン、若しくはプロピルベンゼンなどの芳香族炭化水素が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。好ましいのはシクロヘキサン及びn−ヘキサンである。極性溶媒とのブレンドも同様に可能である。
本発明にかかる方法における溶媒の量は、典型的には使用するモノマー総量100g当たり、100〜1000g、好ましくは200〜700gである。しかし、使用するモノマーを溶媒なしで重合することもできる。
重合は、モノマーと、微細構造を調整するための任意選択的な制御剤と、溶媒とを最初に入れ、その後開始剤を添加することで重合を開始させる方法で行うことができる。フィード法で重合を行うこともでき、モノマーと微細構造を調整するための任意選択的な制御剤と溶媒とが添加されることで重合反応器を満たし、開始剤は最初に入れるか、あるいは、モノマー、微細構造を調整するための任意選択的な制御剤、及び溶媒と共に入る。反応器に最初に溶媒を入れ、開始剤を添加し、その後にモノマーと微細構造を調整するための任意選択的な制御剤とを添加する、などのバリエーションも可能である。更に、重合は連続モードで行うこともできる。重合中又は重合終了時に、モノマー、制御剤、及び溶媒の追加は全ての場合において可能である。
好ましい実施形態では、モノマーと、微細構造を調整するための任意選択的な制御剤と、溶媒と、3級アリルアミンとを最初に入れ、BuLiなどの有機−アルカリ金属化合物を添加し、有機−アルカリ金属化合物と3級アリルアミンとの反応により3級アミンを有する重合開始剤をその場で形成させることによって重合を開始させる。
重合時間は、数分から数時間まで、幅広い範囲内で変えることができる。典型的には、重合は約10分から8時間、好ましくは20分から4時間の時間内に行われる。これは、標準圧力下又は高圧下(1〜10bar)で行うことができる。
驚くべきことに、ポリマー鎖末端に官能基を導入するための官能化剤として1種以上の1−オキサ−2−シラシクロアルカンを使用すると共に、式Ia、Ib、IIa、又はIIbの3級アミノ基をポリマー鎖の開始点に導入するために3級アリルアミン含有重合開始剤を用いると、向上したタイヤトレッド特性を有し、かつ先行技術の欠点を有さないジエンポリマーの製造が可能であることが見出された。例えば、官能化剤が多数反応することによるカップリング、問題となる成分の脱離、及び、ポリマーの後処理時又は貯蔵時のSi−O−Si結合の形成によるカップリングが生じ得ない。
3級アリルアミン含有重合開始剤は、一般式(Va)、(Vb)、(VIa)、又は(VIb):
Figure 0006321630
(式中、R、Rは同じであるか又は異なり、それぞれO、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子を含んでいてもよいアルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
Zは、C及びHに加えて、O、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基であり、
Mは、Li、Na、Kである)
の化合物である。
1−オキサ−2−シラシクロアルカンは一般式(VII):
Figure 0006321630
(式中、R、R、R、Rは同じであるか又は異なり、それぞれO、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子を含んでいてもよい、H、アルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
Aは、C及びHに加えて、O、N、S及び/又はSiなどのヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基である)
の化合物である。
式(VII)のケイ素原子は一官能性であり、「一官能性」とは、ケイ素原子が3つのSi−C結合と1つのSi−O結合を有することを意味すると理解される。
式(VII)の化合物の例は、
2,2−ジメチル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2−ジエチル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2−ジプロピル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2−メチル−2−フェニル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2−ジフェニル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2,5,5−テトラメチル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2,3−トリメチル−1−オキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2−ジメチル−1−オキサ−2−シラシクロペンタン
Figure 0006321630
2,2,4−トリメチル−1−オキサ−2−シラシクロペンタン
Figure 0006321630
2,2−ジメチル−1,4−ジオキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2,5,5−テトラメチル−1,4−ジオキサ−2,5−ジシラシクロヘキサン
Figure 0006321630
2,2,4−トリメチル−[1,4,2]オキサザシリナン
Figure 0006321630
ベンゾ−2,2−ジメチル−1,4−ジオキサ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
ベンゾ−2,2,4−トリメチル−1−オキサ−4−アザ−2−シラシクロヘキサン
Figure 0006321630
である。
本発明の官能化されたジエンポリマーは、ポリマー鎖の反応性末端と1−オキサ−2−シラシクロアルカンとの反応、及びそれに続く任意選択的なアルコキシド末端基のプロトン付加によるアルコールの生成、により製造できることが見出された。
したがって、本発明は、式(III)又は(IV)の末端基を有する本発明の官能化されたジエンポリマーを製造するための、官能化剤としての1−オキサ−2−シラシクロアルカンの使用も提供する。
本発明の官能化されたジエンポリマーは、好ましくは10000〜2000000g/mol、好ましくは100000〜1000000g/molの平均分子質量(数平均)と、−110℃から+20℃、好ましくは−110℃から0℃のガラス転移温度と、10〜200、好ましくは30〜150(ムーニー単位)のムーニー粘度ML1+4(100℃)を有する。
本発明は、更に、3級アリルアミン含有重合開始剤を使用し、1種以上の式(VII)の化合物を、純粋な物質として、又は溶液として、又は懸濁液として、ポリマー鎖の反応性末端と反応させるために使用する、本発明の官能化されたジエンポリマーの製造方法も提供する。式(VII)の化合物は好ましくは重合が完了した後に添加されるが、これらはモノマーの変換が完了する前に添加することもできる。式(VII)の化合物とポリマー鎖の反応性末端との反応は、重合に慣例的に用いられている温度で行われる。式(VII)の化合物とポリマー鎖の反応性末端との反応の反応時間は、数分から数時間の間とすることができる。
重合開始剤を、独立した予備工程として、あるいは重合反応器中でその場で直接、3級アリルアミンと有機−アルカリ金属化合物とを反応させることによって得、さらに、ポリマー鎖の反応性末端との反応のために1種以上の式(VII)の化合物を、純粋な物質として、又は溶液として、又は懸濁液として用いる、本発明の官能化されたジエンポリマーの製造方法が好ましい。式(VII)の化合物は好ましくは重合が完了した後に添加されるが、これらはモノマーの変換が終了する前に添加することもできる。式(VII)の化合物とポリマー鎖の反応性末端との反応は、重合に慣例的に用いられている温度で行われる。式(VII)の化合物とポリマー鎖の反応性末端との反応の反応時間は、数分から数時間の間とすることができる。
3級アリルアミンのモル量は好ましくは有機−アルカリ金属化合物のモル量以下であり、特に好ましくは3級アリルアミンと有機−アルカリ金属化合物との間のモル比が0.05〜2.00:0.05〜2.00である。
このようなモル比とすると、官能化剤の多数反応することによるカップリング、問題となる成分の脱離、及び、ポリマーの後処理時又は貯蔵時のSi−O−Si結合の形成によるカップリングが回避されつつも、向上したタイヤトレッド特性を有する、ポリマー鎖の末端がシラン含有カルビノール化合物で官能化されて両端が官能化されたジエンポリマーが形成されることが見出された。
1−オキサ−2−シラシクロアルカンの量は、ポリマー鎖の全ての反応性末端が式(VII)の化合物と反応するように選択することができ、あるいは、これらの化合物が不足するように用いることができる。使用される式(VII)の化合物の量は広範囲であってよい。好ましい量は、ポリマーの量基準で0.005〜2重量%、より好ましくは0.01〜1重量%である。
式(VII)の化合物に加えて、ジエンのアニオン重合で典型的な、ポリマー鎖の反応性末端と反応させるためのカップリング剤を使用することもできる。そのようなカップリング剤の例としては、四塩化ケイ素、メチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、四塩化スズ、ジブチルジクロロスズ、テトラアルコキシシラン、エチレングリコールジグリシジルエーテル、1,2,4−トリス(クロロメチル)ベンゼンが挙げられる。このようなカップリング剤は、式(VII)の化合物の添加の前に、あるいは添加と共に、あるいは添加の後に、添加することができる。
式(VII)の化合物の添加、及び任意選択的なカップリング剤の添加が完了した後、本発明の官能化されたポリマーの反応後処理の前又は後処理中に、立体障害型フェノール、芳香族アミン、亜リン酸塩、チオエーテルなどの従来の劣化防止剤を添加することが好ましい。更に、DAE(留出物芳香族系抽出物、Distillate Aromatic Extract)、TDAE(処理留出物芳香族系抽出物、Treated Distillate Aromatic Extract)、MES(軽度抽出溶媒和物、Mild Extraction Solvates)、RAE(残留芳香族系抽出物、Residual Aromatic Extract)、TRAE(処理残留芳香族系抽出物、Treated Residual Aromatic Extract)、ナフテン系オイル、重ナフテン系オイルなどの、ジエンゴムに使用されている従来の伸展油を添加することもできる。カーボンブラック及びシリカなどのフィラー、ゴム、及びゴム助剤も添加することができる。
溶媒は、任意選択的には高温での、蒸留、水蒸気蒸留又は減圧蒸留などの、従来の方法によって重合プロセスから除去することができる。
本発明は更に、加硫性ゴム組成物製造のための本発明の官能化されたポリマーの使用も提供する。
これら加硫性ゴム組成物は、好ましくは別のゴム、フィラー、ゴム用薬品、加工助剤、及び伸展油を含有する。
別のゴムとしては、例えば天然ゴム及び合成ゴムが挙げられる。存在する場合、その量は好ましくは混合物中のポリマー総量基準で0.5〜95重量%、好ましくは10〜80重量%の範囲内である。追加的に添加されるゴムの量もまた本発明の混合物の各最終用途によって左右される。
文献公知の合成ゴムを例示のため以下に列挙する。これらとしては特に、
BR − ポリブタジエン
ABR − ブタジエン/C〜C−アクリル酸アルキル共重合体
IR − ポリイソプレン
E−SBR − スチレン含量が1〜60重量%、好ましくは20〜50重量%の、乳化重合によって合成されたスチレン−ブタジエン共重合体
S−SBR − スチレン含量が1〜60重量%、好ましくは15〜45重量%の、溶液重合によって合成されたスチレン−ブタジエン共重合体
IIR − イソブチレン−イソプレン共重合体
NBR − アクリロニトリル含量が5〜60重量%、好ましくは10〜40重量%の、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体
HNBR − 部分的に水素化された、又は完全に水素化されたNBRゴム
EPDM − エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー
及びこれらのゴムの混合物が挙げられる。自動車タイヤの製造用としては、特にはガラス転移温度が−60℃より高い天然ゴム及びE−SBR及びS−SBR、cis−含量が高く(>90%)Ni、Co、Ti、又はNdベースの触媒で合成されたポリブタジエンゴム、ビニル含量が80%までのポリブタジエンゴム、及びこれらの混合物が興味深い。
本発明のゴム組成物に有用なフィラーには、ゴム工業で使用されている全ての公知のフィラーが含まれる。これらには活性フィラ−と不活性フィラーの両方が含まれる。
例としては以下のものが挙げられる。
− 例えばケイ酸塩溶液の沈降によって製造される、又は、比表面積が5〜1000m/g、好ましくは20〜400m/g(BET表面積)であり、一次粒径が10〜400nmであるハロゲン化ケイ素の火炎加水分解によって製造される、微粉末シリカ。シリカは任意選択的にはAl、Mg、Ca、Ba、Zn、Zr、Tiの酸化物などの他の金属酸化物との混合酸化物として存在していてもよい。
− ケイ酸アルミニウム、及び、ケイ酸マグネシウム及びケイ酸カルシウムなどのケイ酸アルカリ土類金属塩、などの、BET表面積が20〜400m/gで一次粒径が10〜400nmである合成ケイ酸塩。
− カオリン及び他の天然起源のシリカなどの天然ケイ酸塩。
− ガラス繊維及びガラス繊維製品(マット、ストランド)、又はガラス微粒子。
− 酸化亜鉛、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムなどの金属酸化物。
− 炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸亜鉛などの金属炭酸塩。
− 例えば水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物。
− 硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどの金属硫酸塩。
− カーボンブラック。本発明で使用されるカーボンブラックは、ランプブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ガスブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、又はライトアーク法によって製造され、BET表面積が9〜200m/gであるカーボンブラックであり、例えばSAF、ISAF−LS、ISAF−HM、ISAF−LM、ISAF−HS、CF、SCF、HAF−LS、HAF、HAF−HS、FF−HS、SPF、XCF、FEF−LS、FEF、FEF−HS、GPF−HS、GPF、APF、SRF−LS、SRF−LM、SRF−HS、SRF−HM及びMTカーボンブラック、又は、ASTM N110、N219、N220、N231、N234、N242、N294、N326、N327、N330、N332、N339、N347、N351、N356、N358、N375、N472、N539、N550、N568、N650、N660、N754、N762、N765、N774、N787及びN990カーボンブラックである。
− ゴムゲル、特には、粒径5〜1000nmの、BR、E−SBR、及び/又はポリクロロプレンベースのゴムゲル。
使用するフィラーは好ましくは微粉末シリカ及び/又はカーボンブラックである。
上述したフィラーは単独で用いても混合物として用いてもよい。特に好ましい実施形態では、ゴム組成物は、フィラーとして、微粉末シリカなどの淡色フィラーとカーボンブラックとの混合物を、淡色フィラー対カーボンブラックが0.01:1〜50:1、好ましくは0.05:1〜20:1である混合比で含有する。
フィラーは、本発明ではゴム100重量部に対して10〜500重量部の範囲の量で使用される。好ましくは20〜200重量部使用される。
本発明の別の実施形態では、ゴム組成物は、例えばゴム組成物の加工性を向上させる、ゴム組成物の架橋を促進する、本発明のゴム組成物から製造される加硫物のその具体的な最終用途のための物性を向上させる、ゴムとフィラーとの間の相互作用を向上させる、又はフィラーへのゴムの接着を促進する、などのためのゴム助剤も含有する。
ゴム助剤としては、例えば硫黄又は硫黄供給化合物などの架橋剤、及び反応促進剤、劣化防止剤、熱安定剤、光安定剤、オゾン劣化防止剤、加工助剤、可塑剤、粘着性付与剤、膨張剤、染料、顔料、ワックス、伸展剤、有機酸、シラン、抑制剤、金属酸化物、伸展油(例えばDAE(留出物芳香族系抽出物、Distillate Aromatic Extract)、TDAE(処理留出物芳香族系抽出物、Treated Distillate Aromatic Extract)、MES(軽度抽出溶媒和物、Mild Extraction Solvates)、RAE(残留芳香族系抽出物、Residual Aromatic Extract)、TRAE(処理残留芳香族系抽出物、Treated Residual Aromatic Extract)、ナフテン系オイル、重ナフテン系オイルなど)が挙げられる。
ゴム助剤の総量は全ゴム100重量部当たり1〜300重量部の範囲内である。ゴム助剤は5〜150重量部使用することが好ましい。
加硫性ゴム組成物は、一段階工程又は多段階工程で製造することができ、2〜3の混合工程であることが好ましい。例えば、硫黄と促進剤は、例えばローラー上で、30〜90℃の範囲の好ましい温度で、別々の混合工程で添加することができる。硫黄と促進剤は最終混合工程で添加することが好ましい。
加硫性ゴム組成物の製造に好適な装置の例としては、ローラー、ニーダー、密閉式混合機、又は混合押出機が挙げられる。
したがって、本発明は更に、ポリマー鎖の開始点に式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb)の3級アミノ基を有し、ポリマー鎖の末端に式(III)又は(IV)の官能基を有する官能化されたポリマーを含有する、加硫性ゴム組成物も提供する。
ゴム組成物は、ポリマー鎖の開始点に式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb)の3級アミノ基を有し、ポリマー鎖の末端に式(III)又は(IV)の官能基を有する官能化されたジエンポリマーも含有していてもよい。
本発明は更に、特には高い濡れすべり抵抗及び耐摩耗性を有すると共に低い転がり抵抗を有する、ゴム加硫物の製造、特にはタイヤの製造、特にはタイヤトレッドの製造のための本発明の加硫性ゴム組成物の使用も提供する。
本発明の加硫性ゴム組成物は、例えばケーブルシース、ホース、駆動ベルト、コンベヤベルト、ロールカバー、靴底、封止リング、及び減衰部材の製造などの、成形品の製造にも好適である。
以下の実施例は本発明を例示する役割を有するものであり、本発明を限定するものではない。
例1a:非官能化スチレン−ブタジエン共重合体の合成(比較例)
不活性化した20lの反応器に、8.5kgのヘキサンと、1185gの1,3−ブタジエンと、315gのスチレンと、8mmolの2,2−(ビス(2−テトラヒドロフリル)プロパンと、10.3mmolのn−ブチルリチウムとを入れ、内容物を65℃に加熱した。重合は撹拌しながら65℃で25分行った。次いで、10.3mmolのセチルアルコールを添加し、ゴム溶液を取り出し、3gのIrganox(登録商標)1520(2,4−ビス(オクチルチオメチル)−6−メチルフェノール)を添加して安定化し、溶媒を水蒸気蒸留によって除去した。ゴムクラムを減圧下、65℃で乾燥した。
ビニル含量(IRスペクトル):50.2重量%;スチレン含量(IRスペクトル):20.9重量%;ガラス転移温度(DSC):−25.6℃;数平均分子量M(GPC,PS標準):258kg/mol;M/M:1.15;ムーニー粘度(ML1+4,100℃):52ME
例1b:鎖の開始点に3級アミノ基を有するスチレン−ブタジエン共重合体の合成(比較例)
不活性化した20lの反応器に、8.5kgのヘキサンと、1185gの1,3−ブタジエンと、315gのスチレンと、9.9mmolの2,2−(ビス(2−テトラヒドロフリル)プロパンと、14.6mmolのN,N−ジメチルアリルアミンと、14.6mmolのn−ブチルリチウムとを入れ、内容物を65℃に加熱した。重合は撹拌しながら65℃で25分行った。次いで、14.6mmolのセチルアルコールを添加し、ゴム溶液を取り出し、3gのIrganox(登録商標)1520を添加して安定化し、溶媒を水蒸気蒸留によって除去した。ゴムクラムを減圧下、65℃で乾燥した。
ビニル含量(IRスペクトル):51.7重量%;スチレン含量(IRスペクトル):20.9重量%;ガラス転移温度(DSC):−23.5℃;数平均分子量M(GPC,PS標準):268kg/mol;M/M:1.15;ムーニー粘度(ML1+4,100℃):59ME
例1c:式(VII)の官能化剤との反応によって鎖の末端を官能化したスチレン−ブタジエン共重合体の合成(比較例)
不活性化した20lの反応器に、8.5kgのヘキサンと、1185gの1,3−ブタジエンと、315gのスチレンと、8.2mmolの2,2−(ビス(2−テトラヒドロフリル)プロパンと、10.55mmolのn−ブチルリチウムとを入れ、内容物を65℃に加熱した。重合は撹拌しながら65℃で25分行った。その後、10.55mmol(1.69ml)の2,2,4−トリメチル−[1,4,2]オキサザシリナンを添加し、反応器の内容物を更に20分間65℃に加熱した。次いでゴム溶液を取り出し、3gのIrganox(登録商標)1520を添加して安定化し、溶媒を水蒸気蒸留によって除去した。ゴムクラムを減圧下、65℃で乾燥した。
ビニル含量(IRスペクトル):50.3重量%;スチレン含量(IRスペクトル):20.9重量%;ガラス転移温度(DSC):−25.7℃;数平均分子量M(GPC,PS標準):216kg/mol;M/M:1.18;ムーニー粘度(ML1+4,100℃):44ME
実施例1d:式(VII)の官能化剤との反応によって鎖の末端を官能化した、鎖の開始点に3級アミノ基を有するスチレン−ブタジエン共重合体の合成(本発明)
不活性化した20lの反応器に、8.5kgのヘキサンと、1185gの1,3−ブタジエンと、315gのスチレンと、8.6mmolの2,2−(ビス(2−テトラヒドロフリル)プロパンと、11.6mmolのN,N−ジメチルアリルアミンと、11.6mmolのブチルリチウムとを入れ、内容物を65℃に加熱した。重合は撹拌しながら65℃で25分行った。その後、11.6mmol(1.85ml)の2,2,4−トリメチル−[1,4,2]オキサザシリナンを添加し、反応器の内容物を更に20分間65℃に加熱した。次いでゴム溶液を取り出し、3gのIrganox(登録商標)1520を添加して安定化し、溶媒を水蒸気蒸留によって除去した。ゴムクラムを減圧下、65℃で乾燥した。
ビニル含量(IRスペクトル):49.8重量%;スチレン含量(IRスペクトル):21.0重量%;ガラス転移温度(DSC):−25.6℃;数平均分子量M(GPC,PS標準):222kg/mol;M/M:1.11;ムーニー粘度(ML1+4,100℃):42ME
例2a〜d:ゴム組成物
タイヤトレッド用のゴム組成物は例1a〜1dのスチレン−ブタジエン共重合体を用いて製造した。
成分を表1に示す。ゴム組成物(硫黄及び架橋剤以外)は、1.5lのニーダー中で製造した。硫黄及び促進剤はその後ローラー上で40℃で混合した。
例3a〜d:加硫物特性
加硫物特性を測定するために、例2a〜dのゴム組成物を160℃で20分加硫した。対応する加硫物の特性を、実施例3a〜dとして表2に示す。
加硫物を用いて以下の特性を規定の基準に従って測定した。
− 60℃での弾性率(DIN53512)
− 摩耗(DIN53516)
− ΔG:60℃/1Hzでの0.5%伸びと15%伸びにおける周波数依存粘弾性係数Gの差(MTS振幅スイープ)
−tanδ 最大値:60℃/1Hzでの周波数依存粘弾性係数測定における最大動的減衰、tanδ=G”/G’(MTS振幅スイープ)
− 0℃及び60℃でのtanδ:DIN53513による温度依存動的減衰測定より(10Hz、加熱速度1K・min−1)、tanδ=E”/E’
− 破断伸び及び引張降伏応力(DIN53504)
60℃での弾性率、ΔG、tanδ 最大値(MTS)及び60℃でのtanδは、タイヤロールとしてのヒステリシス損失の指標である(転がり抵抗)。60℃での弾性率が高いほど、そしてΔG、tanδ 最大値(MTS)、及び60℃でのtanδが低いほど、タイヤの転がり抵抗がより低い。0℃でのtanδはタイヤの濡れすべり抵抗の尺度である。0℃でのtanδが高いほど、タイヤの濡れすべり抵抗がより高いことが期待される。
Figure 0006321630
Figure 0006321630
タイヤ用途には低い転がり抵抗が必要とされ、これは加硫物において60℃での高い弾性率、高温(60℃)時の動的減衰における低いtanδ値、及びMTS振幅スイープ中の低いtanδ 最大値が測定された場合に認められる。表2から明らかなように、本発明の実施例3dの加硫物では、60℃での高い弾性率、60℃での動的減衰における低いtanδ値、及びMTS振幅スイープ中の低いtanδ 最大値が顕著である。
タイヤ用途には、更に、低い濡れすべり抵抗が必要とされ、これは加硫物が低温(60℃)時の動的減衰における高いtanδ値を有している場合に認められる。表2から明らかなように、本発明の実施例3dの加硫物は、0℃での動的減衰における高いtanδ値が顕著である。

Claims (20)

  1. ポリマー鎖の開始点に式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb):
    Figure 0006321630
    (式中、R、Rは、同じであるか又は異なり、それぞれヘテロ原子を含んでいてもよいアルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
    Zは、C及びHに加えて、ヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基である)
    の3級アミノ基を有し、
    前記ポリマー鎖の末端に式(III):
    Figure 0006321630
    (式中、R、R、R、Rは、同じであるか又は異なり、それぞれH、又は、ヘテロ原子を含んでいてもよいアルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
    Aは、C及びHに加えて、ヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基である)
    のシラン含有カルビノール基又はその金属塩又はその半金属塩を有することを特徴とする、ジエンポリマー。
  2. 前記ジエンポリマーの前記ポリマー鎖の末端にある前記式(III)の前記シラン含有カルビノール基が、式(IV):
    Figure 0006321630
    (式中、R、R、R、Rは、同じであるか又は異なり、それぞれH、又は、ヘテロ原子を含んでいてもよい、アルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
    Aは、C及びHに加えて、ヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基であり、
    nは、1〜4の整数であり、
    Mは、1〜4価の金属又は半金属である)
    の金属塩の形態であることを特徴とする、請求項1に記載のジエンポリマー。
  3. 前記ジエンポリマーが、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン−イソプレン共重合体、ブタジエン−スチレン共重合体、イソプレン−スチレン共重合体、又はブタジエン−イソプレン−スチレンターポリマーであることを特徴とする、請求項1又は2に記載のジエンポリマー。
  4. 前記ジエンポリマーが、10000〜2000000g/molの平均分子質量(数平均)を有することを特徴とする、請求項1に記載のジエンポリマー。
  5. 前記ジエンポリマーが、−110℃から+20℃のガラス転移温度を有することを特徴とする、請求項1に記載のジエンポリマー。
  6. 前記ジエンポリマーが、10〜200(ムーニー単位)のムーニー粘度[ML1+4(100℃)]を有することを特徴とする、請求項1に記載のジエンポリマー又はジエンコポリマー。
  7. 前記ポリマー鎖の前記末端に官能基を導入するために使用される官能化剤が、1種以上の1−オキサ−2−シラシクロアルカンであり、前記ポリマー鎖の前記開始点の前記3級アミノ基が、一般式(Va)、(Vb)、(VIa)、又は(VIb):
    Figure 0006321630
    (式中、R、Rは、同じであるか又は異なり、それぞれヘテロ原子を含んでいてもよいアルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
    Zは、C及びHに加えて、ヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基であり、
    Mは、Li、Na、Kである)
    の3級アリルアミン含有重合開始剤を使用して導入されることを特徴とする、請求項1に記載のジエンポリマーの製造方法。
  8. 前記1−オキサ−2−シラシクロアルカンが、一般式(VII):
    Figure 0006321630
    (式中、R、R、R、Rは同じであるか又は異なり、それぞれH、又は、ヘテロ原子を含んでいてもよい、アルキル、シクロアルキル、アリール、アルカリール、及びアラルキル基であり、
    Aは、C及びHに加えて、ヘテロ原子も含んでいてもよい二価の有機基である)
    の化合物であることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
  9. 重合開始剤が、3級アリルアミンと有機−アルカリ金属化合物との、その場での又は別の予備工程での反応によって得られ、1種以上の1−オキサ−2−シラシクロアルカンが、前記ポリマー鎖の反応性末端との反応のために使用されることを特徴とする、請求項7に記載のジエンポリマーの製造方法。
  10. 前記1−オキサ−2−シラシクロアルカンが、重合完了後に添加されることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
  11. 前記アニオン重合開始剤が、3級アリルアミンと有機−アルカリ金属化合物との反応によって得られることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
  12. 使用される前記3級アリルアミンが、N,N−ジメチルアリルアミンであり、前記有機−アルカリ金属化合物が、ブチルリチウムであることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  13. 前記3級アリルアミンのモル量が、前記有機−アルカリ金属化合物のモル量以下であることを特徴とする、請求項9に記載の方法。
  14. 前記1−オキサ−2−シラシクロアルカンの量が、前記ポリマー鎖の反応性末端を有するポリマーの量を基準として0.005〜2重量%であることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
  15. 前記反応にカップリング剤が使用されることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
  16. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のジエンポリマー、劣化防止剤、オイル、フィラー、ゴム及び/又はゴム助剤を含有することを特徴とする、加硫性ゴム組成物。
  17. 請求項1又は2に記載のジエンポリマーを含有する加硫性ゴム組成物。
  18. 前記ポリマー鎖の開始点に前記式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb)の3級アミノ基を有し、前記ポリマー鎖の末端に前記式(III)の官能基を有する請求項1に記載の官能化されたジエンポリマーを含有する、加硫性ゴム組成物。
  19. 前記ポリマー鎖の開始点に前記式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb)の3級アミノ基を有し、前記ポリマー鎖の末端に前記式(IV)の官能基を有する請求項2に記載の官能化されたジエンポリマーを含有する、加硫性ゴム組成物。
  20. 前記ポリマー鎖の開始点に前記式(Ia)、(Ib)、(IIa)、又は(IIb)の3級アミノ基を有し、前記ポリマー鎖の末端に前記式(III)又は(IV)の官能基を有する請求項1又は2に記載の官能化されたジエンポリマーを含有する、加硫性ゴム組成物。
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