JP6549312B2 - 変性共役ジエン系重合体およびその製造方法 - Google Patents

変性共役ジエン系重合体およびその製造方法 Download PDF

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Description

本出願は、2015年12月22日付けの韓国特許出願第10−2015−0184240号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は、本明細書の一部として組み込まれる。
本発明は、重合体の変性に有用な化合物、前記化合物由来の官能基を含む変性共役ジエン系重合体、および前記重合体の製造方法に関する。
近年、自動車に対する低燃費化の要求に伴い、タイヤ用ゴム材料として、走行抵抗が少なく、耐磨耗性、引張特性に優れるとともに、ウェットスキッド抵抗で代表される調整安定性も兼備した共役ジエン系重合体が求められている。
タイヤの走行抵抗を減少させるための方法としては、加硫ゴムのヒステリシス損を小さくする方法が挙げられ、かかる加硫ゴムの評価指標として、50℃〜80℃の反発弾性、tanδ、グッドリッチ発熱などが用いられる。すなわち、前記温度での反発弾性が大きいか、tanδまたはグッドリッチ発熱が小さいゴム材料が好ましい。
ヒステリシス損の小さいゴム材料としては、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、またはポリブタジエンゴムなどが知られているが、これらは、ウェットスキッド抵抗性が小さいという問題がある。そこで、近年、スチレン−ブタジエンゴム(以下、SBRという)またはブタジエンゴム(以下、BRという)などの共役ジエン系(共)重合体が乳化重合や溶液重合により製造され、タイヤ用ゴムとして用いられている。中でも、乳化重合に比べて溶液重合が有する最も大きい利点は、ゴムの物性を規定するビニル構造の含量およびスチレンの含量を任意に調節することができ、カップリング(coupling)や変性(modification)などによって分子量および物性などが調節可能であるという点である。したがって、最終的に製造されるSBRやBRゴムの構造の変化が容易であるとともに、鎖末端の結合や変性によって鎖末端の動きを減少させ、シリカまたはカーボンブラックなどの充填剤との結合力を増加させることができるため、溶液重合によるSBRゴムがタイヤ用ゴム材料として多く用いられている。
かかる溶液重合によるSBRがタイヤ用ゴム材料として用いられる場合、前記SBR中のビニルの含量を増加させることで、ゴムのガラス転移温度を上昇させることにより、走行抵抗および制動力などのタイヤに要求される物性を調節することができるだけでなく、ガラス転移温度を適切に調節することで、燃料消費を低減することができる。
前記溶液重合によるSBRは、アニオン重合開始剤を用いて製造し、形成された重合体の鎖末端を種々の変性剤を用いて結合させるか、変性させて用いている。
一方、タイヤトレッドの補強性充填剤としてカーボンブラックおよびシリカなどが用いられているが、補強性充填剤としてシリカを用いる場合、低ヒステリシス損およびウェットスキッド抵抗性が向上するという利点がある。しかし、疎水性表面のカーボンブラックに比べて親水性表面のシリカは、ゴムとの親和性が低いため分散性が悪いという欠点を有する。したがって、分散性を改善させるか、シリカとゴムとを結合させるために別のシランカップリング剤を用いる必要がある。
そこで、ゴム分子の末端部に、シリカとの親和性や反応性を有する官能基を導入する方法が行われているが、その効果が十分ではない状況である。
また、シリカに対する親和性のみを向上させる場合、相対的にカーボンブラックとの親和性は低下するため、その適用範囲に限界があり得る。
したがって、シリカだけでなく、カーボンブラックとの親和性も高いゴムの開発が必要な状況である。
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、重合体の変性に有用な化合物を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、高変性率の変性共役ジエン系重合体を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、前記変性共役ジエン系共重合体の製造方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、下記化学式1で表される化合物を提供する。
前記化学式1中、
1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
mは0〜2の整数であり、そしてnは1または2の整数である。
また、本発明は、下記化学式1で表される化合物由来の官能基を含む変性共役ジエン系重合体を提供する。
前記化学式1中、
1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
mは0〜2の整数であり、そしてnは1または2の整数である。
尚、本発明は、炭化水素溶媒中で、有機金属化合物の存在下で共役ジエン系単量体または芳香族ビニル系単量体および共役ジエン系単量体を重合することで、アルカリ金属が結合された活性重合体を製造するステップ(ステップ1)と、前記活性重合体を下記化学式1で表される化合物と反応させるステップ(ステップ2)と、を含む、前記変性共役ジエン系重合体の製造方法を提供する。
前記化学式1中、
1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
mは0〜2の整数であり、そしてnは1または2の整数である。
本発明による化学式1で表される化合物は、アシル基が導入されていることで、アニオン反応性が高く、重合体の活性部位と容易に作用することができるため、変性を容易に行うことができる。
また、本発明による変性共役ジエン系重合体は、化学式1で表される化合物由来の官能基、例えば、3級アミン基およびシリカ親和性基またはヘキサン親和性基を含むことで、シリカなどの充填剤との親和性が高く、高変性率を示すことができる。
また、本発明による変性共役ジエン系重合体の製造方法は、化学式1で表される化合物を用いることで、前記化合物の高い溶解度によって、高変性率を有する変性共役ジエン系重合体を容易に製造することができる。
以下、本発明が容易に理解されるように、本発明をより詳細に説明する。
本明細書および請求の範囲に使用されている用語や単語は、通常的もしくは辞書的な意味に限定して解釈してはならず、発明者らは、自分の発明を最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義することができるという原則に則って、本発明の技術的思想に合致する意味と概念で解釈すべきである。
本発明は、共役ジエン系重合体の変性に有用な化合物を提供する。
本発明の一実施形態による前記化合物は、下記化学式1で表されることを特徴とする。
前記化学式1中、
1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の炭化水素基であり、
2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
mは0〜2の整数であり、そしてnは1または2の整数である。
前記化学式1で表される化合物は、重合体の物性を改善させることができる機能性官能基として、無機充填剤の分散性を向上させるための官能基、および無機充填剤親和性官能基と溶媒親和性官能基の少なくとも1つを含んでもよい。
具体的に、前記化学式1で表される化合物は、活性重合体の活性部位に対して高い反応性を示すアシル基を含むことで、重合体を高い変性率で変性させることができ、結果として、化合物に置換された機能性官能基を重合体中に高い収率で導入することができる。また、前記化合物は、ゴム組成物中における無機充填剤同士の凝集を防ぐことで、無機充填剤の分散性を向上させることができる官能基として、アミノ基、具体的には、3級アミノ基を含んでもよい。例えば、無機充填剤としてシリカを用いる場合、表面に存在する水酸化基同士の水素結合によって凝集が発生しやすい。これを防ぐために、前記変性剤中の3級アミノ基が水酸化基同士の水素結合を妨害することで、シリカの分散性を向上させることができる。また、前記変性剤は、上述のアミノ基とともに、無機充填剤との相互作用によってゴム組成物の耐磨耗性および加工性を向上させることができる無機充填剤親和性官能基、および重合体の変性反応に用いられる溶媒に対して優れた親和性を示す溶媒親和性官能基の少なくとも1種以上を含んでもよい。前記無機充填剤親和性官能基は、具体的にアルコキシシリル基であって、重合体に導入された後、無機充填剤の表面の官能基、例えば、前記無機充填剤がシリカである場合にはシリカの表面のシラノール基と縮合反応して、重合体の耐磨耗性および加工性を向上させることができる。このような改善効果は、アルコキシシリル基の数が増加するほど向上する。また、前記溶媒親和性官能基は、具体的に、アルキル基またはアリール基などのような炭化水素基であって、共役ジエン系共重合体の変性工程時に溶媒に対する化合物の溶解度を増加させ、結果として、重合体の変性率を向上させることができる。
具体的に、前記化学式1中、R1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基であってもよい。
前記R1が炭素数1〜20の1価の炭化水素基である場合、前記R1は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、炭素数6〜20のアリール基、および炭素数7〜20のアリールアルキル基からなる群から選択されるものであり、具体的には、R1は、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、および炭素数7〜12のアリールアルキル基からなる群から選択されるものであってもよい。
また、前記R1がヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基である場合、前記R1は、炭化水素基中の1つ以上の炭素原子の代りにヘテロ原子を含むものであるか;または炭化水素基中の炭素原子に結合された1つ以上の水素原子が、ヘテロ原子、またはヘテロ原子を含む官能基で置換されたものであってもよく、この際、前記ヘテロ原子はN、OおよびSからなる群から選択されるものであってもよい。具体的には、前記R1がヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基である場合、アルコキシ基;フェノキシ基;カルボキシ基;酸無水物基;アミノ基;アミド基;エポキシ基;メルカプト基;−[R11O]x12(この際、R11は炭素数2〜20のアルキレン基であり、R12は、水素原子、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、炭素数6〜20のアリール基、および炭素数7〜20のアリールアルキル基からなる群から選択され、xは2〜10の整数である);ヒドロキシ基、アルコキシ基、フェノキシ、カルボキシ基、エステル基、酸無水物基、アミノ基、アミド基、エポキシ基、およびメルカプト基からなる群から選択される1つ以上の官能基を含む炭素数1〜20の炭化水素基(例えば、ヒドロキシアルキル基、アルコキシアルキル基、フェノキシアルキル基、アミノアルキル基、またはチオールアルキル基など)であってもよい。より具体的に、前記R1がヘテロ原子を含む炭素数1〜20のアルキル基である場合、炭素数1〜20のアルコキシ基、炭素数2〜20のアルコキシアルキル基、炭素数7〜20のフェノキシアルキル基、炭素数1〜20のアミノアルキル基、および−[R11O]x12(この際、R11は炭素数2〜10のアルキレン基であり、R12は、水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基、および炭素数7〜18のアリールアルキル基からなる群から選択され、xは2〜10の整数である)からなる群から選択されるものであってもよい。
また、前記化学式1中、R2は、炭素数1〜20の2価の炭化水素基であって、具体的には、メチレン基、エチレン基、またはプロピレン基などのような炭素数1〜10のアルキレン基;フェニレン基などのような炭素数6〜20のアリレン基;またはこれらの組み合わせ基として炭素数7〜20のアリールアルキレン基であってもよい。より具体的に、R2は炭素数1〜6のアルキレン基であってもよい。さらに具体的には、R2は炭素数1〜5のアルキレン基であってもよい。また、前記R2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されてもよい。
また、前記化学式1中、R3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であって、具体的には、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜18のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基、およびこれらの組み合わせ基からなる群から選択されるものであってもよい。より具体的に、R3およびR4は、それぞれ独立して炭素数1〜5のアルキル基であり、R5は、炭素数1〜5のアルキル基または炭素数3〜8のシクロアルキル基であってもよい。さらに具体的に、R3〜R5は、それぞれ独立して炭素数1〜5のアルキル基であってもよい。
また、前記化学式1中、mは0〜2の整数であり、前記nは1または2の整数であってもよい。
より具体的に、前記化合物は、化学式1中、R1が炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、炭素数7〜12のアリールアルキル基、炭素数2〜10のアルコキシアルキル基、炭素数7〜12のフェノキシアルキル基、炭素数1〜10のアミノアルキル基、および−[R11O]x12(この際、R11は炭素数2〜10のアルキレン基であり、R12は、水素原子、炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜12のシクロアルキル基、炭素数6〜18のアリール基および炭素数7〜18のアリールアルキル基からなる群から選択され、xは2〜10の整数である)からなる群から選択される何れか1つであり、R2が炭素数1または6のアルキレン基であり、R3およびR4がそれぞれ独立して炭素数1〜5のアルキル基であり、R5が炭素数1〜5のアルキル基または炭素数3〜8のシクロアルキル基であり、mが0〜2の整数であり、nが1または2の整数であって、但し、前記R1が炭素数1〜10のアルキル基、炭素数3〜10のシクロアルキル基、炭素数6〜12のアリール基、または炭素数7〜12のアリールアルキル基である場合、nは2の整数であってもよい。
さらに具体的に、前記化学式1で表される化合物は、N,N−ビス(3−トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミド(N,N−bis(3−triethoxysilyl)propyl)acetamide)、N−メチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミド(N−methyl−N−(3−trimethoxysilyl)propyl)acetamide)、N,N−ビス(3−(ジエトキシメチルシリル)プロピル)アセトアミド(N,N−bis(3−(diethoxymethylsilyl)propyl)acetamide)、およびN−ブチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミド(N−butyl−N−(3−(trimethoxysilyl)propyl)acetamide)からなる群から選択される1種であってもよい。
また、前記化合物は、25℃、1気圧で、非極性溶媒、例えば、ヘキサン100gに対する溶解度(solubility)が10g以上であることができる。ここで、化合物の溶解度は、目視観察時に、濁っている現象なしにきれいに溶解される程度を意味する。このように高い溶解度を有することで、重合体に対する優れた変性率を示すことができる。
本発明による前記化合物は、無機充填剤および溶媒に対する親和性を最大化するように最適化された官能基を有することで、共役ジエン系重合体の変性剤として用いられ、前記共役ジエン系重合体に優れた粘弾性、引張特性、および加工性を付与することができる。
一方、前記化合物は、共役ジエン系重合体を変性するための変性剤として用いられることができ、前記共役ジエン系重合体は、共役ジエン系単量体由来単位を含む単独重合体、または共役ジエン系単量体および芳香族ビニル系単量体由来単位を含む共重合体であってもよい。
本発明において、用語「由来単位」は、ある物質に起因する成分、構造、またはその物質自体を指すことができる。
また、本発明は、下記化学式1で表される化合物由来の官能基を含む変性共役ジエン系重合体を提供する。
前記化学式1中、
1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
mは0〜2の整数であり、そしてnは1または2の整数である。
本発明の一実施形態による前記変性共役ジエン系重合体は、後述の製造方法により、有機金属が結合された活性重合体と、前記化学式1で表される化合物とを反応させることで製造されることができ、前記変性共役ジエン系重合体は、前記化学式1で表される化合物由来の官能基を含むことで、物性が改善されることができる。
具体的な、前記化学式1で表される化合物は上述のとおりである。
一方、前記変性共役ジエン系重合体は、単独重合体であってもよく、もしくは共重合体であってもよい。前記変性共役ジエン系重合体が単独重合体である場合には変性共役ジエン重合体であり、前記変性共役ジエン系重合体が共重合体である場合、前記変性共役ジエン系重合体は、共役ジエン系単量体由来単位および芳香族ビニル系単量体由来単位を含んでもよい。また、前記変性共役ジエン系重合体が共重合体である場合、前記共重合体はランダム共重合体であってもよい。
本発明において、用語「ランダム共重合体(random copolymer)」は、共重合体を成す構成単位が無秩序に配列されたものを指すことができる。
前記共役ジエン系単量体としては、特に制限されるものではないが、例えば、1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、ピペリレン、3−ブチル−1,3−オクタジエン、イソプレン、および2−フェニル−1,3−ブタジエンからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
前記変性共役ジエン系重合体が共重合体である場合、共役ジエン系単量体由来単位を40重量%以上、具体的には60重量%〜90重量%、より具体的には60重量%〜85重量%で含んでもよい。
前記芳香族ビニル系単量体としては、特に制限されるものではないが、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−プロピルスチレン、1−ビニルナフタレン、4−シクロヘキシルスチレン、4−(p−メチルフェニル)スチレン、および1−ビニル−5−ヘキシルナフタレンからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
前記変性共役ジエン系重合体が共重合体である場合、芳香族ビニル系単量体由来単位を60重量%以下、具体的には10重量%〜40重量%、より具体的には15重量%〜40重量%で含んでもよい。
また、前記変性共役ジエン系重合体の数平均分子量は、1,000g/mol〜2,000,000g/mol、具体的には10,000g/mol〜2,000,000g/mol、より具体的には100,000g/mol〜2,000,000g/molであってもよい。
前記変性共役ジエン系重合体の分子量分布(Mw/Mn)は、1.05〜10、具体的には1.1〜5、より具体的には1.1〜4であってもよい。前記変性共役ジエン系重合体が上記の分子量分布を有する場合、それを含むゴム組成物の加工性が改善され、結果として、製造された成形品の機械的特性、低燃費特性、および耐磨耗性が向上することができる。
ここで、前記数平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィ(GPC)により分析されるポリスチレン換算分子量である。分子量分布(Mw/Mn)は多分散性(polydispersity)とも呼ばれ、重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)をゲル浸透クロマトグラフィによりそれぞれ測定した後、測定された前記重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)で計算した。
また、前記変性共役ジエン系重合体は、ビニルの含量が5重量%以上、具体的には10重量%以上、より具体的には14重量%〜70重量%であってもよい。前記変性共役ジエン系共重合体が上記含量範囲のビニルを含む場合、ガラス転移温度が適切な範囲に調節されることができるため、タイヤに適用した時に走行抵抗および制動力などのようなタイヤに要求される物性を満たすことができるだけでなく、燃料消費を低減する効果がある。
ここで、前記ビニルの含量は、ビニル基を有する単量体と芳香族ビニル系単量体からなる共役ジエン系共重合体100重量%に対する、1,4−添加ではなく1,2−添加の共役ジエン系単量体の含量を意味する。
また、本発明は、前記化学式1で表される化合物由来の官能基を含む変性共役ジエン系重合体の製造方法を提供する。
本発明の一実施形態による前記製造方法は、炭化水素溶媒中で、有機金属化合物の存在下で共役ジエン系単量体または芳香族ビニル系単量体および共役ジエン系単量体を重合することで、有機金属が結合された活性重合体を製造するステップ(ステップ1)と、前記活性重合体を下記化学式1で表される化合物と反応させるステップ(ステップ2)と、を含むことを特徴とする。
前記化学式1中、
1は、炭素数1〜20の1価の炭化水素基、またはN、SおよびOからなる群から選択される1種以上のヘテロ原子を含む炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
mは0〜2の整数であり、そしてnは1または2の整数である。
前記ステップ1は、有機金属が結合された活性重合体を製造するためのステップであって、炭化水素溶媒中で、有機金属化合物の存在下で共役ジエン系単量体または共役ジエン系単量体および芳香族ビニル系単量体を重合することで行うことができる。
前記活性重合体は、重合体アニオンと有機金属カチオンが結合された重合体を指すことができる。
前記共役ジエン系単量体および芳香族ビニル系単量体の具体的な種類は上述のとおりであり、各単量体の使用量は、変性共役ジエン系共重合体中の共役ジエン系単量体由来単位および芳香族ビニル系単量体由来単位が上述の範囲内に調節される範囲で、適切に調節して用いることができる。
前記炭化水素溶媒としては、特に制限されるものではないが、例えば、n−ペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、イソオクタン、シクロヘキサン、トルエン、ベンゼン、およびキシレンからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
前記有機金属化合物としては、有機アルカリ金属化合物または有機リチウム化合物、有機ナトリウム化合物、有機カリウム化合物、有機ルビジウム化合物、および有機セシウム化合物からなる群から選択される1種以上が挙げられる。
具体的に、前記有機金属化合物としては、メチルリチウム、エチルリチウム、プロピルリチウム、n−ブチルリチウム、s−ブチルリチウム、t−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、n−デシルリチウム、t−オクチルリチウム、フェニルリチウム、1−ナフチルリチウム、n−エイコシルリチウム、4−ブチルフェニルリチウム、4−トリルリチウム、シクロヘキシルリチウム、3,5−ジ−n−ヘプチルシクロヘキシルリチウム、4−シクロペンチルリチウム、ナフチルナトリウム、ナフチルカリウム、リチウムアルコキシド、ナトリウムアルコキシド、カリウムアルコキシド、リチウムスルホネート、ナトリウムスルホネート、カリウムスルホネート、リチウムアミド、ナトリウムアミド、カリウムアミド、およびリチウムイソプロピルアミドからなる群から選択される1種以上が挙げられる。
前記有機金属化合物は、単量体の総100gを基準として、0.01mmol〜10mmolで用いてもよい。具体的に、前記有機金属化合物は、単量体の総100gを基準として、0.05mmol〜5mmol、より具体的には0.1mmol〜2mmol、さらに具体的には0.1mmol〜1mmolで用いてもよい。
前記ステップ1における重合は、必要に応じて、極性添加剤をさらに添加して行ってもよい。前記極性添加剤は、単量体の総100gを基準として、0.001g〜50g、具体的には0.001g〜10g、より具体的には0.005g〜0.1gで添加してもよい。
また、前記極性添加剤は、前記有機金属化合物の総1mmolを基準として、0.001g〜10g、具体的には0.005g〜1g、より具体的には0.005g〜0.1gで添加してもよい。
前記極性添加剤は、塩、エーテル、アミン、またはこれらの混合物であってもよく、具体的には、テトラヒドロフラン、ジテトラヒドロフリルプロパン、ジエチルエーテル、シクロアミルエーテル、ジプロピルエーテル、エチレンジメチルエーテル、ジエチレングリコール、ジメチルエーテル、3級ブトキシエトキシエタン、ビス(3−ジメチルアミノエチル)エーテル、(ジメチルアミノエチル)エチルエーテル、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、およびテトラメチルエチレンジアミンからなる群から選択される1種以上が挙がられる。より具体的には、ジテトラヒドロフリルプロパン、トリエチルアミン、またはテトラメチルエチレンジアミンであってもよい。
本発明の一実施形態による製造方法は、上記の極性添加剤を用いることで、共役ジエン系単量体および芳香族ビニル系単量体を共重合させる際にそれらの反応速度の差を補完することにより、ランダム共重合体が容易に形成されるように誘導することができる。
前記ステップ1における重合は、アニオン重合であってもよい。具体的には、アニオンによる成長反応によって活性部位を得るリビングアニオン重合であってもよい。
また、前記重合は、昇温重合、等温重合、または定温重合(断熱重合)であってもよい。
ここで、定温重合は、有機金属化合物を投入した後に任意に熱を加えず、その自体の反応熱で重合させるステップを含む重合方法を指し、前記昇温重合は、前記有機金属化合物を投入した後に任意に熱を加えて温度を増加させる重合方法を指し、前記等温重合は、前記有機金属化合物を投入した後に熱を加えて熱を増加させたり、熱を奪うことで、重合物の温度を一定に維持する重合方法を指す。
前記重合は、−20℃〜200℃の温度範囲で行ってもよく、具体的には、0℃〜150℃、より具体的には10℃〜120℃の温度範囲で行ってもよい。
前記ステップ2は、変性共役ジエン系重合体を製造するために、前記活性重合体と前記化学式1で表される化合物とを反応させるステップである。
前記化学式1で表される化合物は上述のとおりであり、1種または2種以上を混合して前記反応に用いることができる。
前記化学式1で表される化合物は、有機金属化合物1モルに対して、0.1モル〜10モルで用いてもよい。具体的には、前記化学式1で表される化合物は、有機金属化合物1モルに対して、0.3モル〜2モルで用いてもよい。前記化合物を上記の割合範囲内の量で用いる場合、最適性能の変性反応を行うことができるため、高変性率の共役ジエン系重合体を得ることができる。
前記ステップ2の反応は、重合体に官能基を導入させるための変性反応であって、0℃〜90℃で1分〜5時間反応を行うことができる。
また、本発明の一実施形態による前記変性共役ジエン系重合体の製造方法は、回分式(バッチ式)または1種以上の反応器を含む連続式重合方法により行うことができる。
本発明の一実施形態による製造方法は、前記ステップ2の後、必要に応じて、溶媒および未反応単量体の回収および乾燥の1つ以上のステップをさらに含んでもよい。
以下、実施例および実験例により、本発明をより詳細に説明する。しかし、下記実施例および実験例は本発明を例示するためのものにすぎず、これらのみによって本発明の範囲が限定されるものではない。
[製造例1:N,N−ビス(2−(トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミドの製造]
100mlの丸底フラスコに、ビス(トリエトキシシリルプロピル)アミン(Gelest)54.68mmolにジクロロメタン30mlを加えて溶解させた後、トリメチルアミン(Sigma−Aldrich)57.42mmolを加え、0℃で窒素条件下で10分間撹拌した。その後、アセチルクロリド(DAEJUNG)54.68mmolを30分間ゆっくりと投入しながら反応を進行させ、反応の間にNMRで反応進行を確認した。反応4時間後に反応を終了し、5%の炭酸水素ナトリウム溶液20mlを添加して有機層を抽出し、硫酸マグネシウムを入れて乾燥および濾過して、残存する水分を除去した。その後、溶媒を減圧して除去することで、下記化学式(i)のN,N−ビス(2−(トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミド50.82mmol(収率92.9%)を得た。精製されたN,N−ビス(2−(トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミドの1Hの核磁気共鳴分光学的データは下記のとおりである。
1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ 3.83-3.80(m, 12H), δ 3.30-3.27(t, 2H), δ 3.23-3.20(t, 2H), δ 2.08(s, 3H), δ 1.66-1.59(m, 6H), δ 1.24-1.20(m, 18H), δ 0.60-0.55(m, 4H)。
[製造例2:N−メチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミドの製造]
100mlの丸底フラスコに、n−メチルアミノプロピルトリメトキシシラン(Gelest)50.59mmolにジクロロメタン20mlを加えて溶解させた後、トリメチルアミン(Sigma−Aldrich)60.71mmolを加え、0℃で窒素条件下で10分間撹拌した。その後、アセチルクロリド(DAEJUNG)53.12mmolを30分間ゆっくりと投入しながら反応を進行させた。反応の間にNMRにより反応進行を確認した。反応4時間後に反応を終了し、5%の炭酸水素ナトリウム溶液20mlを添加して有機層を抽出し、硫酸マグネシウムを入れて乾燥および濾過して、残存する水分を除去した。その後、溶媒を減圧して除去することで、下記化学式(ii)のN−メチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミド42.99mmol(収率85.0%)を得た。精製されたN−メチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミドの1Hの核磁気共鳴分光学的データは下記のとおりである。
1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ 3.55 (s, 9H), δ 3.24-3.21(t, 2H), δ 2.88 (s, 3H), δ 1.61-1.56(m, 2H), δ 0.57-0.54 (t, 2H)。
[製造例3:N,N−ビス(3−(ジエトキシ(メチル)シリル)プロピル)アセトアミドの製造]
250mlの丸底フラスコに、ビス(メチルジエトキシシリルプロピル)アミン(Gelest)76.87mmolにジクロロメタン50mlを加えて溶解させた後、トリメチルアミン(Sigma−Aldrich)115.31mmolを加え、0℃で窒素条件下で10分間撹拌した。その後、アセチルクロリド(DAEJUNG)92.25mmolを30分間ゆっくりと投入しながら反応を進行させた。反応の間にNMRにより反応進行を確認した。反応4時間後に反応を終了し、5%の炭酸水素ナトリウム溶液60mlを添加して有機層を抽出し、硫酸マグネシウムを入れて乾燥および濾過して、残存する水分を除去した。その後、溶媒を減圧して除去することで、下記化学式(iii)のN,N−ビス(3−ジエトキシ(メチル)シリル)プロピル)アセトアミド72.40mmol(収率94.2%)を得た。精製されたN,N−ビス(3−ジエトキシ(メチル)シリル)プロピル)アセトアミドの1Hの核磁気共鳴分光学的データは下記のとおりである。
1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ 3.74-3.72 (m, 8H), δ 3.27-3.24 (t, 2H), δ 3.20-3.17 (t, 2H), δ 2.05 (s, 3H), δ 1.61-1.54 (m, 2H), δ 0.55-0.52 (m, 2H), δ 0.09 (s, 6H)。
[製造例4:N−ブチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミドの製造]
250mlの丸底フラスコに、N−ブチルアミノプロピルトリメトキシシラン(Gelest)118.78mmolにジクロロメタン50mlを加えて溶解させた後、トリメチルアミン(Sigma−Aldrich)187.17mmolを加え、0℃で窒素条件下で10分間撹拌した。その後、アセチルクロリド(DAEJUNG)142.532mmolを30分間ゆっくりと投入しながら反応を進行させた。反応の間にNMRにより反応進行を確認した。反応4時間後に反応を終了し、5%の炭酸水素ナトリウム溶液60mlを添加して有機層を抽出し、硫酸マグネシウムを入れて乾燥および濾過して、残存する水分を除去した。その後、溶媒を減圧して除去することで、下記化学式(iv)のN−ブチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミド109.68mmol(収率92.3%)を得た。精製されたN−ブチル−N−(3−(トリメトキシシリル)プロピル)アセトアミドの1Hの核磁気共鳴分光学的データは下記のとおりである。
1H-NMR (500 MHz, CDCl3) δ 3.58-3.56 (d, 9H), δ 3.30-3.28 (t, 2H), δ 3.22-3.19 (t, 2H), δ 2.07-2.06 (d, 3H), δ 1.69-1.61 (m, 2H), δ 1.55-1.46 (m, 2H), δ 0.96-0.90 (m, 3H), δ 0.62-0.57 (m, 2H)。
[実施例]
20Lのオートクレーブ反応器に、スチレン270g、1,3−ブタジエン710g、およびノルマルヘキサン5kg、極性添加剤としてDTP(2,2−ジ(2−テトラヒドロフリル)プロパン)1.26gを入れた後、反応器の内部温度を40℃に昇温した。反応器の内部温度が40℃に達した時に、n−ブチルリチウム42.1g(2.62重量%inヘキサン、33%activation)を反応器に投入し、断熱昇温反応を進行させた。30分程度経過した後、1,3−ブタジエン710gを投入してSSBRの末端をブタジエンでキャッピング(capping)した。5分後、製造例1で製造した化合物N,N−ビス(2−(トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミド1.85gを投入した後、15分間反応させた([DTP]/[act.Li]=1.3、[化合物]/[act.Li]=0.74)。その後、エタノールを用いて重合反応を停止させ、酸化防止剤のWINGSTAY(Eliokem SAS、France)がヘキサンに30重量%溶解されている溶液33gを添加した。その結果として得られた重合物をスチームで加熱された温水に入れ、撹拌して溶媒を除去した後、ロール乾燥して残量の溶媒と水を除去することで、変性スチレン−ブタジエン共重合体を製造した。
[比較例]
20Lのオートクレーブ反応器に、スチレン270g、1,3−ブタジエン710g、およびノルマルヘキサン5kg、極性添加剤としてDTP(2,2−ジ(2−テトラヒドロフリル)プロパン)1.26gを入れた後、反応器の内部温度を40℃に昇温した。反応器の内部温度が40℃に達した時に、n−ブチルリチウム42.1g(2.62重量%inヘキサン、33%activation)を反応器に投入して断熱昇温反応を進行させた。30分程度経過した後、1,3−ブタジエン710gを投入してSSBRの末端をブタジエンでキャッピング(capping)した。その後、エタノールを用いて重合反応を停止させ、酸化防止剤のWINGSTAY(Eliokem SAS、France)がヘキサンに30重量%溶解されている溶液33gを添加した。その結果として得られた重合物をスチームで加熱された温水に入れ、撹拌して溶媒を除去した後、ロール乾燥して残量の溶媒と水を除去することで、スチレン−ブタジエン共重合体を製造した。
[実験例]
前記実施例および比較例で製造されたそれぞれの変性スチレン−ブタジエン共重合体およびスチレン−ブタジエン共重合体に対して、重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)、分子量分布(MWD)、最大ピーク分子量(Mp)とその時の結合効率(%)をそれぞれ測定した。その結果を下記表1に示す。
前記重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)、および最大ピークでの分子量(Mp)は、GPC(Gel permeation chromatograph)分析により測定し、分子量分布(MWD、Mw/Mn)は、測定された前記各分子量から計算して得た。また、結合効率(%)は2−arm以上の分子量比を示すものであって、2−arm以上の分子量比は、測定されたGPCグラフで示された変性スチレン−ブタジエン共重合体の全分子量を100に換算し、バイモーダル以上のマルチモーダルにおいて1つの共重合体が結合された割合を除いた、2つ以上の共重合体が結合された割合を計算して得た。
具体的に、前記GPCとしては、PLgel Olexis(Polymer Laboratories社)カラム2本とPLgel mixed−C(Polymer Laboratories社)カラム1本を組み合わせて使用し、新たに交替したカラムは、何れもmixed bedタイプのカラムを使用した。また、分子量の計算時に、GPC基準物質(Standard material)としてはPS(polystyrene)を使用して実施した。
前記表1に示されたように、本発明の一実施形態による変性剤を用いて製造された実施例の変性スチレン−ブタジエン共重合体は、変性されていない比較例のスチレン−ブタジエン共重合体に比べて、2−arm以上の分子量比、すなわち、長鎖結合の割合が高いことが確認された。
具体的に、前記実施例の変性スチレン−ブタジエン共重合体は、2−arm以上の分子量比が40.4%であって、比較例のスチレン−ブタジエン共重合体に比べて重量平均分子量が約18%増加していた。これは、本発明の一実施形態による化合物がアミド基を含むことで、重合体鎖のアニオンとの反応性が増大され、これによって高変性共重合体が形成されたことを意味する結果である。

Claims (19)

  1. 下記化学式1で表される化合物。

    (前記化学式1中、
    1は、炭素数1〜10のアルキル基であり、
    2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1種以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
    3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
    mは0〜2の整数であり、そしてnはの整数である。)
  2. 前記化学式1中、
    1は、炭素数1〜10のアルキル基であり
    2は、炭素数1〜6のアルキレン基であり、
    3およびR4は、それぞれ独立して、炭素数1〜5のアルキル基であり、
    5は、炭素数1〜5のアルキル基または炭素数3〜8のシクロアルキル基であり、
    mは0〜2の整数であり、そしてnは2の整数である、請求項1に記載の化合物。
  3. 前記化学式1中、
    1は、炭素数1〜10のアルキル基であり、
    2は、炭素数1〜5のアルキレン基であり、
    3およびR4は、それぞれ独立して、炭素数1〜5のアルキル基であり、
    mは0または1の整数であり、nは2の整数である、請求項1に記載の化合物。
  4. 前記化学式1で表される化合物が、N,N−ビス(3−トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミド、およびN,N−ビス(3−(ジエトキシ(メチル)シリル)プロピル)アセトアミドからなる群から選択される1つである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の化合物。
  5. 共役ジエン系重合体を変性するための変性剤として用いられる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の化合物。
  6. 前記共役ジエン系重合体が、共役ジエン系単量体由来単位を含む単独重合体、または共役ジエン系単量体および芳香族ビニル系単量体由来単位を含む共重合体である、請求項5に記載の化合物。
  7. 下記化学式1で表される化合物由来の官能基を含む変性共役ジエン系重合体。

    (前記化学式1中、
    1は、炭素数1〜10のアルキル基であり、
    2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1つ以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
    3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
    mは0〜2の整数であり、そしてnはの整数である。)
  8. 前記化学式1で表される化合物が、N,N−ビス(3−トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミド、およびN,N−ビス(3−(ジエトキシ(メチル)シリル)プロピル)アセトアミドからなる群から選択される1つである、請求項7に記載の変性共役ジエン系重合体。
  9. 前記共役ジエン系重合体が、共役ジエン系単量体由来単位を含む単独重合体、または共役ジエン系単量体および芳香族ビニル系単量体由来単位を含む共重合体である、請求項7または8に記載の変性共役ジエン系重合体。
  10. 前記共重合体は、芳香族ビニル系単量体由来単位を60重量%以下で含む、請求項9に記載の変性共役ジエン系重合体。
  11. 数平均分子量が1,000g/mol〜2,000,000g/molである、請求項7〜10のいずれか一項に記載の変性共役ジエン系重合体。
  12. 分子量分布(Mw/Mn)が1.05〜10である、請求項7〜11のいずれか一項に記載の変性共役ジエン系重合体。
  13. ビニルの含量が5重量%以上である、請求項7〜12のいずれか一項に記載の変性共役ジエン系重合体。
  14. 1)炭化水素溶媒中で、有機金属化合物の存在下で共役ジエン系単量体または芳香族ビニル系単量体および共役ジエン系単量体を重合することで、有機金属が結合された活性重合体を製造するステップと、
    2)前記活性重合体を下記化学式1で表される化合物と反応させるステップと、を含む、請求項7に記載の変性共役ジエン系重合体の製造方法。

    (前記化学式1中、
    1は、炭素数1〜10のアルキル基であり、
    2は、炭素数1〜20のアルキル基、炭素数3〜20のシクロアルキル基、および炭素数6〜30のアリール基からなる群から選択される1つ以上の置換基で置換されているかまたは置換されていない炭素数1〜20の2価の炭化水素基であり、
    3〜R5は、それぞれ独立して、炭素数1〜20の1価の炭化水素基であり、
    mは0〜2の整数であり、そしてnはの整数である。)
  15. 前記有機金属化合物は、単量体の総100gを基準として0.01mmol〜10mmolで用いる、請求項14に記載の変性共役ジエン系重合体の製造方法。
  16. 前記ステップ1)における重合は、極性添加剤をさらに添加して行う、請求項14または15に記載の変性共役ジエン系重合体の製造方法。
  17. 前記極性添加剤は、有機金属化合物の総1mmolに対して0.001g〜10gで用いる、請求項16に記載の変性共役ジエン系重合体の製造方法。
  18. 前記化学式1で表される化合物が、N,N−ビス(2−(トリエトキシシリル)プロピル)アセトアミド、およびN,N−ビス(3−(ジエトキシ(メチル)シリル)プロピル)アセトアミドからなる群から選択される1つである、請求項14〜17のいずれか一項に記載の変性共役ジエン系重合体の製造方法。
  19. 前記化学式1で表される化合物は、有機金属化合物1モルに対して0.1モル〜10モルで用いる、請求項14〜18のいずれか一項に記載の変性共役ジエン系重合体の製造方法。
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