JP6806786B2 - 低温用途のポリブタジエン重合体及びポリブタジエン重合体を組み込んだゴム組成物 - Google Patents

低温用途のポリブタジエン重合体及びポリブタジエン重合体を組み込んだゴム組成物 Download PDF

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Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、2015年12月7日出願の米国特許仮出願第62/263,821号に対する優先権を主張するものであり、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本開示の実施形態は、一般に、1,4−ポリブタジエンゴム組成物に関するものであり、具体的には、低温タイヤ用途に適した1,4−ポリブタジエンゴム組成物に関する。
タイヤ製造においては、優れた機械的特性により、高シス1,4−ポリブタジエン(例えば、シス−1,4結合含有量が95%以上の重合体)を一般的に使用することができる。しかし、−30℃以下の低温では、これらの組成物は結晶化しやすい。これらの低温において、タイヤが結晶化により剛化することがあり、それによってタイヤは、氷雪下で道路との所望の接触を維持することができなくなる。
したがって、好適な強度及び耐摩耗性を維持しつつ、低温結晶化に耐える、改良された1,4−ポリブタジエンゴム組成物の必要性が引き続き存在する。
本開示の実施形態は、低温でのタイヤ及び非タイヤ用途において良好に機能する1,4−ポリブタジエンゴム組成物を対象とする。これらのゴム組成物は、例えば冬用タイヤのタイヤトレッドに使用してよい。更に、本発明の1,4−ポリブタジエンゴム組成物は、低温で柔軟であるだけでなく、同等以上の高シスポリブタジエンゴム組成物に匹敵する優れた耐摩耗性及び優れた機械的特性を示す。
1つの実施形態によると、少なくとも85〜約92%のシス含有量、約1〜約5%のビニル含有量、約3〜約12%のトランス含有量によって特徴付けられる、1,4−ポリブタジエンを含む重合体が提供される。この重合体は、示差走査熱量測定(DSC)によって測定されたときに、約5〜約25J/g℃の溶融エンタルピーΔHを有する。
別の実施形態によると、1,4−ポリブタジエン重合体と、硬化剤と、補強充填剤とを含むゴム組成物が提供される。
本発明の更に他の実施形態によると、1,4−ポリブタジエンの製造方法が提供される。この方法は、1,3−ブタジエンを含む溶液を重合して、少なくとも85〜約92%のシス含有量と、約1%〜約5%のビニル含有量と、約3〜約12%のトランス含有量と、を有する1,4−ポリブタジエンゴムを産生することを含み、この重合は、ランタニド金属錯体を含む触媒によって触媒される。
本明細書に記載の実施形態の更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載される。ある程度において、当業者はこの説明により容易に理解する、又は、以下の「発明を実施するための形態」、「特許請求の範囲」、及び添付図面など本明細書に記載の実施形態を実施することにより認識するであろう。
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、本明細書に含まれた図面と併せて読まれると最良に理解され得る。
本開示の1つ以上の実施形態による、本発明の1,4−ポリブタジエンゴム組成物の一実施形態と、他の比較例の1,4−ポリブタジエンゴム組成物とを比較した、低温における貯蔵弾性率を示すグラフである。
本開示の1つ以上の実施形態による、本発明の1,4−ポリブタジエンゴム組成物の一実施形態と、対他の比較例の1,4−ポリブタジエンゴム組成物とを比較した、室温における引張特性を示すグラフである。
図面に記載される実施形態は、本来説明のためのものであり、「特許請求の範囲」によって定義される実施形態を限定することを意図するものではない。更に、図面の個々の特徴は、「発明を実施するための形態」を考慮することにより完全に明らかとなり、理解されるであろう。
本開示の実施形態は、低温(例えば−30℃以下)での結晶化に対する改善された耐性を有する、1,4−ポリブタジエンゴム組成物を対象とする。上記のように、低温での結晶化によりタイヤが硬化し、特に湿潤状態又は降雪状態おいてタイヤが道路の輪郭に適合できなくなるため、低温での結晶化は望ましくない。したがって、低温での結晶化の低減が望ましく、これは、本開示の1,4−ポリブタジエンゴム組成物により実現する。具体的には、本発明の1,4−ポリブタジエンゴム組成物は、冬用タイヤ、具体的には、冬用タイヤトレッドに改良された利益を提供することができる。1,4−ポリブタジエンゴム組成物は、少なくとも85〜約92%のシス含有量、約1%〜約5のビニル含有量、及び約3〜約12%のトランス含有量を有する、1,4−ポリブタジエン重合体を含んでよい。本明細書で使用するとき「シス含有量」は、1,4−ポリブタジエン中のシス−1,4結合の比率である。同様に、「トランス含有量」は、1,4−ポリブタジエン中のトランス−1,4結合の比率を指す。同様に、「ビニル含有量」は、1,4−ポリブタジエン中の1,2ビニル結合の比率を指す。
本明細書で使用するとき、「1,4−ポリブタジエン重合体」は、他のゴム添加剤とブレンドして、タイヤ及び非タイヤ用途で使用されるゴム組成物を製造する前のポリジエンを指してよい。本明細書で使用するとき、「1,4−ポリブタジエンゴム組成物」又は「ゴム組成物」は、重合体(例えば、1,4−ポリブタジエン)、並びにタイヤ及び非タイヤ用途で使用されるためにこの重合体とブレンドされた付加充填剤及び添加剤を指す。
理論に束縛されるものではないが、このビニル含有量の範囲は、結晶化を阻害し、驚くべきことに、−30℃以下などの低温において結晶化を減少させ得ることを示している。結果として、本発明の1,4−ポリブタジエンゴム組成物は、改善された低温性能を提供し、これにより、冬用タイヤトレッド化合物に組み込んだときの氷雪上での性能が向上する。
上記のように、本発明の1,4−ポリブタジエンゴムのシス含有量は、約85%〜約92%である。驚くべきことに、本開示の1,4−ポリブタジエンゴム組成物は、同様のシス含有量を有するものの、異なる重合触媒系で調製された他の1,4−ポリブタジエンゴムほど低温で硬化しない。したがって、本開示の組成物は、同等以上のシス含有量を有する他のポリブタジエンゴムよりも、低温(例えば−80℃の低温)においてより柔軟である。
更なる実施形態では、1,4−ポリブタジエン重合体は、約85%〜約90%、又は約86%〜約89%のシス含有量を有してよい。更に、1,4−ポリブタジエンゴムは、約1%〜約3%のビニル含有量と、約7〜約10%のトランス含有量と、を有してよい。加えて、1,4−ポリブタジエン重合体は、約2.〜約2.5、又は約2.1〜約2.25という狭い分子量分布(MWD)を有してよく、MWDはM/Mとして定義され、Mは、重量平均分子量であり、Mは数平均分子量である。追加の実施形態では、1,4−ポリブタジエン重合体は、約200,000〜約300,000g/mol、又は約200,000〜約250,000g/molの重量平均分子量を有してよい。更に、1,4−ポリブタジエン重合体は、約80,000g/mol〜約150,000g/mol、又は約100,000g/mol〜約120,000g/molの数平均分子量を有してよい。更に、1,4−ポリブタジエン重合体は、約250,000g/mol〜約350,000g/mol、又は約250,000g/mol〜約300,000g/molのピーク分子量(M)を有してよい。
本開示の1,4−ポリブタジエン組成物の製造に好適な種々の重合方法が企図される。一実施形態では、1,4−ポリブタジエン組成物は、配位重合によって調製され、単量体(例えば、共役ジエン単量体)は、配位触媒系を用いて重合される。
本明細書で使用される共役ジエン単量体は、単結合で分離された少なくとも2つの二重結合を有する単量体組成物を指す。本明細書に記載するプロセスは、20個未満の炭素原子(すなわち、4〜19個の炭素)を含む少なくとも1つの共役ジエン単量体を使用してよい。共役ジエン単量体の例には、1,3−ブタジエン、イソプレン、1,3−ペンタジエン、1,3−ヘキサジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−エチル−1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ペンタジエン、3−メチル−1,3−ペンタジエン、4−メチル−1,3−ペンタジエン、及び2,4−ヘキサジエンが挙げられる。2つ以上の共役ジエンの混合物を共重合において用いてもよい。全ての単量体が好適であると考えられるが、現在の議論では、1、3−ブタジエン単量体に着目する。
配位触媒(チーグラーナッタ触媒としても知られる)は、ランタニド化合物(例えば、ランタニド金属錯体)、アルキル化剤(例えば、有機アルミニウム化合物)、及びハロゲン化合物を含むことができる。配位重合により製造された1,4−ポリブタジエンは、立体選択性であり、特にサイドウォールやトレッドなどのタイヤ構成要素での使用に好適である。
種々の手順を用いて配位触媒を調製することができる。1つ以上の実施形態では、配位触媒は、触媒成分を、重合される単量体に段階的又は同時のいずれかで別個に添加することによって、その場で形成するができる。他の実施形態では、配位触媒を事前形成してよい。即ち、触媒成分は、モノマーが存在しない状態で又は少量のモノマーが存在する状態で、重合系の外側で予混合される。結果として得られた事前形成された触媒組成物を、必要に応じてエージングし、次いで重合されるモノマーに添加することができる。
例えば、ランタニド金属錯体は、ランタン、ネオジム、セリウム、プラセオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、及びジジミウム(didymium)のうち少なくとも1種の原子を含んでよい。特定の実施形態では、ランタニド化合物は、ガドリニウムを含む。
ランタニド金属錯体中のランタニド原子は、種々の酸化状態であってよく、例えば、限定するものではないが、0、+2、+3、及び+4の酸化状態であってもよい。好適なランタニド化合物には、ランタニドカルボキシレート、ランタニド有機ホスフェート、ランタニド有機ホスホネート、ランタニド有機ホスフィナート、ランタニドカルバメート、ランタニドジチオカルバメート、ランタニドキサンテート、ランタニドβ−ジケトネート、ランタニドアルコキシド又はアリールオキシド、ランタニドハライド、ランタニド疑似ハライド、ランタニドオキシハライド、及び有機ランタニド化合物が挙げられるが、これらに限定されない。ランタニドは、また、ランタニドメタロセン化合物を含んでもよい。一実施形態では、ランタニドメタロセン化合物は、ビス(2−フェニルインダニル)ガドリニウムビス(ジメチルシリル)アミドであってよい。ランタニドメタロセン化合物に関する更なる詳細は、米国特許出願公開第20140005296号に記載されており、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
更に上記のように、触媒系はアルキル化剤を含むことができる。アルキル化剤は、少なくとも1種の有機アルミニウム化合物を含むことができる。本明細書で用いる場合、有機アルミニウム化合物という用語は、少なくとも1つのアルミニウム−炭素結合を含有する任意のアルミニウム化合物を指す。1又は複数の実施形態では、炭化水素溶媒に可溶性である有機アルミニウム化合物を用いることができる。
例えば、用いることができる有機アルミニウム化合物には、一般式AlR3−n(式中、各Rは独立して、炭素原子を介してアルミニウム原子に結合される一価の有機基であってもよく、各Xは独立して、水素原子、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子)、カルボキシレート基、アルコキシド基、又はアリールオキシド基であってもよく、nは1〜3の範囲の整数であってもよい)によって表されるものが含まれる。有機アルミニウム化合物が、フッ素原子を含む場合、有機アルミニウム化合物は、触媒系において、アルキル化剤及びフッ素源の少なくとも一部の両方として機能することができる。1又は複数の実施形態では、各Rは独立に、ヒドロカルビル基、例えば、アルキル基、シクロアルキル基、置換シクロアルキル基、アルケニル基、シクロアルケニル基、置換シクロアルケニル基、アリール基、置換アリール基、アラルキル基、アルカリル基、アリル基、及びアルキニル基であってもよく、それぞれの基は、1個の炭素原子(又は基を形成するのに適切な最小数の炭素原子)から最大で約20個の炭素原子を含有している。これらのヒドロカルビル基は、へテロ原子、例えば、限定するものではないが、窒素原子、酸素原子、ホウ素原子、ケイ素原子、硫黄原子、及びリン原子を含有していてもよい。
一般式AlR3−nによって表される有機アルミニウム化合物の種類には、トリヒドロカルビルアルミニウム、ジヒドロカルビルアルミニウムヒドリド、ヒドロカルビルアルミニウムジヒドリド、ジヒドロカルビルアルミニウムカルボキシレート、ヒドロカルビルアルミニウムビス(カルボキシレート)、ジヒドロカルビルアルミニウムアルコキシド、ヒドロカルビルアルミニウムジアルコキシド、ジヒドロカルビルアルミニウムハライド、ヒドロカルビルアルミニウムジハライド、ジヒドロカルビルアルミニウムアリールオキシド、及びヒドロカルビルアルミニウムジアリールオキシド化合物が含まれるが、これらに限定されない。一実施形態では、アルキル化剤には、トリヒドロカルビルアルミニウム、ジヒドロカルビルアルミニウムヒドリド、及び/又はヒドロカルビルアルミニウムジヒドリド化合物を含めることができる。
好適なトリヒドロカルビルアルミニウム化合物には、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、トリ−n−プロピルアルミニウム、トリイソプロピルアルミニウム、トリ−n−ブチルアルミニウム、トリ−t−ブチルアルミニウム、トリ−n−ペンチルアルミニウム、トリネオペンチルアルミニウム、トリ−n−ヘキシルアルミニウム、トリ−n−オクチルアルミニウム、トリス(2−エチルヘキシル)アルミニウム、トリシクロヘキシルアルミニウム、トリス(1−メチルシクロペンチル)アルミニウム、トリフェニルアルミニウム、トリ−p−トリルアルミニウム、トリス(2,6−ジメチルフェニル)アルミニウム、トリベンジルアルミニウム、ジエチルフェニルアルミニウム、ジエチル−p−トリルアルミニウム、ジエチルベンジルアルミニウム、エチルジフェニルアルミニウム、エチルジ−p−トリルアルミニウム、及びエチルジベンジルアルミニウムが挙げられるが、これらに限定されない。
好適なジヒドロカルビルアルミニウムヒドリド化合物には、ジエチルアルミニウムヒドリド、ジ−n−プロピルアルミニウムヒドリド、ジイソプロピルアルミニウムヒドリド、ジ−n−ブチルアルミニウムヒドリド、ジイソブチルアルミニウムヒドリド、ジ−n−オクチルアルミニウムヒドリド、ジフェニルアルミニウムヒドリド、ジ−p−トリルアルミニウムヒドリド、ジベンジルアルミニウムヒドリド、フェニルエチルアルミニウムヒドリド、フェニル−n−プロピルアルミニウムヒドリド、フェニルイソプロピルアルミニウムヒドリド、フェニル−n−ブチルアルミニウムヒドリド、フェニルイソブチルアルミニウムヒドリド、フェニル−n−オクチルアルミニウムヒドリド、p−トリルエチルアルミニウムヒドリド、p−トリル−n−プロピルアルミニウムヒドリド、p−トリルイソプロピルアルミニウムヒドリド、p−トリル−n−ブチルアルミニウムヒドリド、p−トリルイソブチルアルミニウムヒドリド、p−トリル−n−オクチルアルミニウムヒドリド、ベンジルエチルアルミニウムヒドリド、ベンジル−n−プロピルアルミニウムヒドリド、ベンジルイソプロピルアルミニウムヒドリド、ベンジル−n−ブチルアルミニウムヒドリド、ベンジルイソブチルアルミニウムヒドリド、及びベンジル−n−オクチルアルミニウムヒドリドが含まれるが、これらに限定されない。
好適なヒドロカルビルアルミニウムジヒドリドには、エチルアルミニウムジヒドリド、n−プロピルアルミニウムジヒドリド、イソプロピルアルミニウムジヒドリド、n−ブチルアルミニウムジヒドリド、イソブチルアルミニウムジヒドリド、及びn−オクチルアルミニウムジヒドリドが含まれるが、これらに限定されない。
好適なジヒドロカルビルミンアルミニウムハロゲン化合物には、ジエチルアルミニウムクロリド、ジ−n−プロピルアルミニウムクロリド、ジイソブチルアルミニウムクロリド、ジ−n−オクチルアルミニウムクロリド、ジフェニルアルミニウムクロリド、ジ−p−トリルアルミニウムクロリド、ジベンジルアルミニウムクロリド、フェニルエチルアルミニウムクロリド、フェニル−n−プロピルアルミニウムクロリド、フェニルイソプロピルアルミニウムクロリド、フェニル−n−ブチルアルミニウムクロリド、フェニルイソブチルアルミニウムクロリド、フェニル−n−オクチルアルミニウムクロリド、p−トリルエチルアルミニウムクロリド、p−トリル−n−プロピルアルミニウムクロリド、p−トリルイソプロピルアルミニウムクロリド、p−トリル−n−ブチルアルミニウムクロリド、p−トリルイソブチルアルミニウムクロリド、p−トリル−n−オクチルアルミニウムクロリド、ベンジルエチルアルミニウムクロリド、ベンジル−n−プロピルアルミニウムクロリド、ベンジルイソプロピルアルミニウムクロリド、ベンジル−n−ブチルアルミニウムクロリド、ベンジルイソブチルアルミニウムクロリド、ベンジル−n−オクチルアルミニウムクロリド、ジエチルアルミニウムフルオリド、ジ−n−プロピルアルミニウムフルオリド、ジイソプロピルアルミニウムフルオリド、ジ−n−ブチルアルミニウムフルオリド、ジイソブチルアルミニウムフルオリド、ジ−n−オクチルアルミニウムフルオリド、ジフェニルアルミニウムフルオリド、ジ−p−トリルアルミニウムフルオリド、ジベンジルアルミニウムフルオリド、フェニルエチルアルミニウムフルオリド、フェニル−n−プロピルアルミニウムフルオリド、フェニルイソプロピルアルミニウムフルオリド、フェニル−n−ブチルアルミニウムフルオリド、フェニルイソブチルアルミニウムフルオリド、フェニル−n−オクチルアルミニウムフルオリド、p−トリルエチルアルミニウムフルオリド、p−トリル−n−プロピルアルミニウムフルオリド、p−トリルイソプロピルアルミニウムフルオリド、p−トリル−n−ブチルアルミニウムフルオリド、p−トリルイソブチルアルミニウムフルオリド、p−トリル−n−オクチルアルミニウムフルオリド、ベンジルエチルアルミニウムフルオリド、ベンジル−n−プロピルアルミニウムフルオリド、ベンジルイソプロピルアルミニウムフルオリド、ベンジル−n−ブチルアルミニウムフルオリド、ベンジルイソブチルアルミニウムフルオリド、及びベンジル−n−オクチルアルミニウムフルオリドが挙げられるが、これらに限定されない。
好適なヒドロカルビルアルミニウムジハライド化合物には、エチルアルミニウムジクロリド、n−プロピルアルミニウムジクロリド、イソプロピルアルミニウムジクロリド、n−ブチルアルミニウムジクロリド、イソブチルアルミニウムジクロリド、n−オクイルアルミニウムジクロリド、エチルアルミニウムジフルオリド、n−プロピルアルミニウムジフルオリド、イソプロピルアルミニウムジフルオリド、n−ブチルアルミニウムジフルオリド、イソブチルアルミニウムジフルオリド、及びn−オクチルアルミニウムジフルオリドが挙げられるが、これらに限定されない。
一般式AlR3−nによって表され得るアルキル化剤として有用な他の有機アルミニウム化合物には、ジメチルアルミニウムヘキサノエート、ジエチルアルミニウムオクトエート、ジイソブチルアルミニウム2−エチルヘキサノエート、ジメチルアルミニウムネオデカノエート、ジエチルアルミニウムステアレート、ジイソブチルアルミニウムオレエート、メチルアルミニウムビス(ヘキサノエート)、エチルアルミニウムビス(オクトエート)、イソブチルアルミニウムビス(2−エチルヘキサノエート)、メチルアルミニウムビス(ネオデカノエート)、エチルアルミニウムビス(ステアレート)、イソブチルアルミニウムビス(オレエート)、ジメチルアルミニウムメトキシド、ジエチルアルミニウムメトキシド、ジイソブチルアルミニウムメトキシド、ジメチルアルミニウムエトキシド、ジエチルアルミニウムエトキシド、ジイソブチルアルミニウムエトキシド、ジメチルアルミニウムフェノキシド、ジエチルアルミニウムフェノキシド、ジイソブチルアルミニウムフェノキシド、メチルアルミニウムジメトキシド、エチルアルミニウムジメトキシド、イソブチルアルミニウムジメトキシド、メチルアルミニウムジエトキシド、エチルアルミニウムジエトキシド、イソブチルアルミニウムジエトキシド、メチルアルミニウムジフェノキシド、エチルアルミニウムジフェノキシド、及びイソブチルアルミニウムジフェノキシドが挙げられるが、これらに限定されない。
本開示においてアルキル化剤として用いるのに好適な別のクラスの有機アルミニウム化合物は、アルミノキサン、例えば、オリゴマー線状アルミノキサンである。全体として参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第2008/0182954号及び米国特許第8987395号は、アルミノキサン及び有機アルミニウム化合物の他の例を提供する。例示的な実施形態では、アルキル化剤はジイソブチルアルミニウムヒドリドである。
有機マグネシウム及び有機亜鉛化合物は、有機アルミニウム(organoalumimum)の代替物又は補完物としても考えられる。これらの有機マグネシウム及び有機亜鉛化合物は米国特許出願公開第20140073751号に記載されており、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
1種類以上のハロゲン原子を含有する種々の化合物(又はそれらの混合物)を用いることができる。これらはしばしば、非配位性化合物と呼ばれることがある。ハロゲン原子の例には、フッ素、塩素、臭素、及びヨウ素が挙げられるが、これらに限定されない。異なる種類のハロゲン原子を有する2種類以上のハロゲン原子の組み合わせを用いることもできる。1つ以上の実施形態では、ハロゲン化合物は炭化水素溶媒に可溶であってもよい。他の実施形態では、重合媒体中に懸濁して触媒活性種を形成することができる炭化水素不溶性ハロゲン化合物が有用であってもよい。好適な種類のハロゲン化合物には、元素ハロゲン、混合ハロゲン、ハロゲン化水素、有機ハライド、無機ハライド、金属ハライド、有機金属ハライドが挙げられる。
元素ハロゲンは、フッ素、塩素、臭素及びヨウ素を含む。混合ハロゲンには、一塩化ヨウ素、一臭化ヨウ素、三塩化ヨウ素、及び五フッ化ヨウ素が挙げられる。ハロゲン化水素には、フッ化水素、塩化水素、臭化水素、及びヨウ化水素が挙げられる。有機ハライドには、t−ブチルクロリド、t−ブチルブロミド、アリルクロリド、アリルブロミド、ベンジルクロリド、ベンジルブロミド、クロロ−ジ−フェニルメタン、ブロモ−ジ−フェニルメタン、トリフェニルメチルクロリド、トリフェニルメチルブロミド、ベンジリデンクロリド、ベンジリデンブロミド、メチルトリクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、ジフェニルジクロロシラン、トリメチルクロロシラン、ベンゾイルクロリド、ベンゾイルブロミド、プロピオニルクロリド、プロピオニルブロミド、メチルクロロホルメート、及びメチルブロモホルメートが挙げられる。
無機ハライドには、リントリクロリド、リントリブロミド、リンペンタクロリド、リンオキシクロリド、リンオキシブロミド、ボロントリフルオリド、ボロントリクロリド、ボロントリブロミド、シリコンテトラフルオリド、シリコンテトラクロリド、シリコンテトラブロミド、シリコンテトラヨージド、ヒ素トリクロリド、ヒ素トリブロミド、ヒ素トリヨージド、セレンテトラクロリド、セレンテトラブロミド、テルルテトラクロリド、テルルテトラブロミド、及びテルルテトラヨージドが挙げられる。金属ハライドには、スズテトラクロリド、スズテトラブロミド、アルミニウムトリクロリド、アルミニウムトリブロミド、アンチモントリクロリド、アンチモンペンタクロリド、アンチモントリブロミド、アルミニウムトリヨージド、アルミニウムトリフルオリド、ガリウムトリクロリド、ガリウムトリブロミド、ガリウムトリヨージド、ガリウムトリフルオリド、インジウムトリクロリド、インジウムトリブロミド、インジウムトリヨージド、インジウムトリフルオリド、チタンテトラクロリド、チタンテトラブロミド、チタンテトラヨージド、亜鉛ジクロリド、亜鉛ジブロミド、亜鉛ジヨージド、及び亜鉛ジフルオリドが挙げられる。
有機金属ハライドには、ジメチルアルミニウムクロリド、ジエチルアルミニウムクロリド、ジメチルアルミニウムブロミド、ジエチルアルミニウムブロミド、ジメチルアルミニウムフルオリド、ジエチルアルミニウムフルオリド、メチルアルミニウムジクロリド、エチルアルミニウムジクロリド、メチルアルミニウムジブロミド、エチルアルミニウムジブロミド、メチルアルミニウムジフルオリド、エチルアルミニウムジフルオリド、メチルアルミニウムセスキクロリド、エチルアルミニウムセスキクロリド、イソブチルアルミニウムセスキクロリド、メチルマグネシウムクロリド、メチルマグネシウムブロミド、メチルマグネシウムヨージド、エチルマグネシウムクロリド、エチルマグネシウムブロミド、ブチルマグネシウムクロリド、ブチルマグネシウムブロミド、フェニルマグネシウムクロリド、フェニルマグネシウムブロミド、ベンジルマグネシウムクロリド、トリメチルスズクロリド、トリメチルスズブロミド、トリエチルスズクロリド、トリエチルスズブロミド、ジ−t−ブチルスズジクロリド、ジ−t−ブチルスズジブロミド、ジブチルスズジクロリド、ジブチルスズジブロミド、トリブチルスズクロリド、及びトリブチルスズブロミドが挙げられる。
非配位性アニオンを含む化合物は、当該技術分野において周知である。一般に、非配位アニオンは、立体的に嵩高いアニオンであり、立体障害があるために、例えば、触媒系の活性中心と配位結合を形成することはない。例示の非配位性アニオンには、テトラアリールボレートアニオン及びフッ素化テトラアリールボレートアニオンが挙げられる。また、非配位アニオンを含有する化合物は、対カチオン、例えば、カルボニウム、アンモニウム、又はホスホニウムカチオンを含有する。例示の対カチオンには、トリアリールカルボニウムカチオン及びNN−ジアルキルアニニウムカチオンが挙げられる。非配位性アニオン及び対カチオンを含む化合物の例には、トリフェニルカルボニウムテトラ(ペンタフルオロフェニル)ボレート、N,N−ジメチルアニリニウムテトラ(ペンタフルオロフェニル)ボレート、トリフェニルカルボニウムテトラ[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレート、及びN,N−ジメチルアニリニウムテトラ[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレートが挙げられる。例示の実施形態では、ハロゲン化合物は、N,N−ジメチルアニリニウムテトラ(ペンタフルオロフェニル)ボレートである。
上記のように、これら1,4−ポリブタジエンを1,4−ポリブタジエンゴム組成物中に含有させることにより、低温での結晶化に対する改善された耐性が得られる。理論に拘束されるものではないが、1,4−ポリブタジエン重合体の溶融エンタルピーは、低温タイヤ用途における低減された結晶化に相関する1つの特徴である。例えば、1,4−ポリブタジエンは、示差走査熱量測定(DSC)によって測定されたとき、約5〜約25J/g℃の溶融エンタルピーΔHを有してよい。更なる実施形態では、1,4−ポリブテン類は、DSCによって測定されたとき、約10〜約20、又は約10〜約15J/g℃の溶融エンタルピーΔHを有してよい。更に、1,4−ポリブタジエン重合体は、示差走査熱量測定(DSC)によって測定されたとき、低融解温度(T)を有してよく、これは、低温結晶化に対する耐性を更に示す。例えば、Tは、−20℃未満、又は−25℃未満であってよい。換言すると、Tは、約−20℃〜約−40℃、又は約−20℃〜約−30℃であってよい。
上記のように、これらのゴム組成物は、1,4−ポリブタジエン重合体、並びに本明細書に記載の種々の他の成分及び充填剤、例えば、補強充填剤及び硬化剤を含んでよい。使用可能な充填剤には、タイヤの製造において従来用いられていたこれらの充填剤が挙げられる。有用な充填剤には、無機及び有機の充填剤が挙げられる。有機充填剤としては、カーボンブラック及びデンプンが挙げられる。無機充填剤としては、シリカ、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、クレー(水和アルミニウムシリケート)、及びこれらの混合物を挙げることができる。一実施形態では、補強充填剤は、カーボンブラック、シリカ又はそれらの組み合わせを含んでよい。1つ以上の実施形態では、硬化剤は、硫黄又は硫黄供与体を含んでよい。
上記の1,4−ポリブタジエン重合体に加えて、天然ゴム又は他のゴム状弾性体、例えば、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリイソブチレン−co−イソプレン、ネオプレン、ポリ(エチレン−co−プロピレン)、ポリ(スチレン−co−ブタジエン)、ポリ(スチレン−co−イソプレン)、及びポリ(スチレン−co−イソプレン−co−ブタジエン)、ポリ(イソプレン−co−ブタジエン)、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−ジエン)、ポリスルフィドゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、エピクロロヒドリンゴム、及びこれらの混合物など合成ゴムが含まれてよい。
また、有用な加工油又は伸展油が含まれてよい。好ましい油には、パラフィン系、芳香族系、又はナフテン系油類として市販されている油が挙げられる。1つ以上の実施形態では、油の主成分はパラフィン系である。一実施形態では、伸展油は、油展硫黄であってよい。タイヤ構成要素はまた、抗オゾン剤、ワックス、スコーチ抑制剤、加工助剤、酸化亜鉛、粘着性樹脂、強化樹脂、ステアリン酸などの脂肪酸、ペプチド化剤、及び1種類以上の促進剤(one or accelerators)などの他の添加剤を含んでよい。
抗オゾン剤は、N,N’−二置換−p−フェニレンジアミン、例えば、N−1,3−ジメチルブチル−N’フェニル−p−フェニレンジアミン(6PPD)、N,N’−ビス(1,4−ジメチルペンチル)−p−フェニレンジアミン(77PD)、N−フェニル−N−イソプロピル−p−フェニレンジアミン(IPPD)、及びN−フェニル−N’−(1,3−ジメチルブチル)−p−フェニレンジアミン(HPPD)を含んでよい。抗オゾン剤の他の例には、アセトンジフェニルアミン縮合生成物(Alchem BL)、2,4−トリメチル−1,2−ジヒドロキノリン(TMQ)、オクチル化ジフェニルアミン(ODPA)、及び2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール(BHT)が挙げられる。
硬化促進剤としては、例えば、亜鉛ジブチルジチオカルバメート(ZDBDC)、亜鉛ジエチルジチオカルバメート、亜鉛ジメチルジチオカルバメート、及び鉄ジメチルジチオカルバメートなど金属ジアルキルジチオカルバメートを含むジチオカルバメート促進剤;2−メルカプトベンゾチアゾール、例えばメルカプトベンゾチアゾールジスルフィド(MBTS)などベンゾチアゾールジスルフィドを含むチアゾール促進剤;例えば、n−シクロヘキシル−2−ベンゾチアゾールスルフェンアミドなどベンゾチアゾールスルフェンアミド、及び例えば、t−ブチル−2−ベンゾチアジイルスルフェンアミド(TBBS)などスルフェンアミド促進剤を挙げることができるが、これらに限定されない。更に、硬化促進剤はジフェニルグアニジン(DPG)も含んでよい。
タイヤ構成要素内では、様々な量の1,4−ポリブタジエン重合体が企図される。1つ以上の実施形態では、合計100部のゴムのうち、1,4−ポリブタジエン重合体は、合計100部のうちの約20〜約100部、又は、1,4−ポリブタジエン重合体が上記の天然ゴム又は合成ゴムとブレンドされる実施形態では特に、合計100部のうちの約25〜約75部を含んでよい。
引張特性については、1,4−ポリブタジエンゴム組成物はまた、−20℃において約10,000,000〜約20,000,000Pa、又は約10,000,000〜約15,000,000Paの複素弾性率Gを有してよい。−30℃の低温において、1,4−ポリブタジエンゴム組成物は、約10,000,000〜約20,000,000Pa又は約15,000,000〜約20,000,000Paの複素弾性率Gを有してよい。理論に束縛されるものではないが、この複素弾性率Gは、より低温における1,4−ポリブタジエンゴム組成物の適合性を示す。
以下の実施例に更に記載するように、25%スリップ時のランボーン摩耗指数によって測定したとき、1,4−ポリブタジエンゴム組成物の摩耗指数は、少なくとも90%、又は少なくとも95%、又は少なくとも100%である(以下の表3のNd高シスBR組成物(比較例1)との比較を参照されたい)。
実施例1と比較例2〜4:1,4−ポリブタジエンの合成
タービン撹拌器ブレードが備え付けられた、2ガロンの窒素パージした反応器に対して、1600gのヘキサン及びヘキサン中1959gの21.3重量%の1,3−ブタジエン溶液を添加した。次いで、反応器ジャケットを、50℃に設定した。50mLのトルエン、トルエン中5.10mLの1.08Mジイソブチルアルミニウムヒドリド、168mg(0.250mmol)のビス(2−フェニルインデニル)ガドリニウムビス(ジメチルシリルイミド)、及び211mg(0.263mmol)のN,N−ジメチルアニリニウムテトラ(ペンタフルオロフェニル)ボレートの順に混合し、室温で20分間寝かせることによって、事前形成された触媒を調製した。次いで、反応器に触媒を投入し、反応器ジャケット温度を80℃に設定した。°触媒を添加して90分後に、結果として得られたポリマーセメントを、5gの2,6−ジ−tert−ブチル−4−メチルフェノールを含有する12リットルのイソプロパノールに滴下した。凝固した重合体をドラム乾燥して360gの重合体(収率86%)を得た。結果として得られた1,4−ポリブタジエンの特性をまとめ、以下の表1で3つの比較例と比較する。
ガドリニウムで触媒されたポリブタジエン重合体である例示の実施形態(実施例1)は、カーボンブラック充填化合物中で評価し、Nd触媒を用いて重合した商業グレードの高シス(96%)ポリブタジエンゴム(比較例1)、BuLi触媒(比較例2)を用いて重合した商業グレードの低シス(33%)ポリブタジエンゴム、及びNd触媒(比較例3)を用いて重合した89%のシスポリブタジエンゴムと比較した。これらの組成物を以下の表2に示す。
図1のグラフを参照すると、実施例1の組成物は、温度掃引から測定された貯蔵弾性率で示されるように、低温で驚くほどに極めて優れた性能を示す。実施例1のゴム組成物は、約−30℃もの低温において33%シスのポリブタジエンゴム組成物(比較例2)のように軟質であり、温度が更に下がるにつれてより軟質のままであった。このゴムのシス含有量は比較的高いため、この結果は予想外であった。実際、同様のシス含有量(89%)を有するNdで触媒されたポリブタジエンゴム組成物(比較例3)は、−60℃〜−20℃の低温で剛化した。
表3に示すように、実施例1は、−30℃における複素弾性率が、より高シス(96%)のポリブタジエンゴム組成物(比較例1)又はほぼ同一シス(89%)のポリブタジエンゴム組成物(比較例3)よりも低いことから示されるように、より軟質のままであった。表3−表1の1,4−ポリブタジエンゴムを含む組成物の動的機械特性
図2を参照すると、低シス(33%)組成物(比較例2)は、96%シスのポリブタジエンゴム組成物(比較例1)よりも低い引張強さ及び破断点伸びを示した。89%シスのNdポリブタジエンゴム組成物(比較例3)は、伸長範囲全体にわたって比較例1よりも低い弾性率を達成した。ただし、実施例1は比較例1と同等の引張特性を示した。したがって、実施例1は、低温での優れた性能に加えて、例えば、優れた引張特性も示す。
ランボーン摩耗試験機で測定した摩耗損失に関しては、低シスポリブタジエンの例(比較例2)が、表3のG値で示すように、低温でその性能を維持したとしても、耐摩耗性は、96%シスのポリブタジエン(比較例1)よりも著しく低かった。しかしながら、実施例1の耐摩耗性は、上記の低温性能を維持しつつも、25%スリップ状態においては比較例1と同等であった。これらを以下の表4に示す。
試験方法
ムーニー粘度:本明細書に開示した重合体のムーニー粘度は、大ローター、1分間の予備加熱時間、及び4分間の運転時間でAlpha Technologies製ムーニー粘度計を使用して100℃で測定した。より具体的には、ローターが始動する前に1分間100℃に各重合体を予備加熱することにより、ムーニー粘度を測定した。ローターが始動した後に4分間トルクとして、各サンプルについてムーニー粘度を記録した。4分間の測定を終了した後に、トルク緩和を記録した。このt80値は、各重合体のトルクの80%を減衰させるのに要する時間を表+す。
ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)及びフーリエ変換赤外分光法(FTIR)
GPCによって、重合体の分子量(M、M、及びM(GPC曲線のピークM))及び分子量分布(M/M)を測定した。本明細書に開示するGPC測定値は、ポリブタジエン基準及び生成されたポリジエンのMark−Houwink定数で較正される。
示差走査熱量測定(DSC):ヘリウムパージガス及び冷却用LNCSアクセサリを用いて、TA機器Q2000でDSC測定を行う。試料はTZeroアルミニウムパンで調製し、対象温度範囲にわたって10℃/分で走査した。
重合体のミクロ構造(シス、トランス、及びビニル含有量)はFTIRによって測定した。具体的には、試料をCSに溶解させ、Perkin Elmer製Spectrum GX機器でFTIRを行った。
粘弾特性:硬化したゴム化合物の粘弾特性は、TA Instruments製Advanced Rheometric Expansion System(ARES)で行った温度掃引試験によって測定した。試験片は、長さ47mm、厚さ2mm、幅12.7mmの矩形形状であった。試験機のグリップ間の試料の長さ、すなわち隙間は、約27mmであった。試験は、62.8ラジアン/秒の周波数を用いて行った。温度は−100℃で開始し、100℃まで上げた。ひずみは、−100℃〜−10℃の温度範囲に対して0.1%〜0.25%、−10℃以上の温度範囲に対して2%である。
引張特性:機械的引張特性は、幅4mm及び厚さ1.91mmの寸法を有するマイクロダンベル試料を用いて、ASTM D412に記載の標準的な手順には限定されない指針に従って測定した。引張試験には、44mmの特定のゲージ長を用いた。標本を一定速度でひずませ、得られる力を、伸び(ひずみ)に応じて記録した。試験片の元の断面積を参照して、力の読み出し値を工学応力として表現した。標本は23℃で試験された。同じ機械的引張特性を100℃でも試験した。また、両方の温度で最大応力及び最大ひずみ率を測定した。
耐摩耗性:ランボーン摩耗試験機を用いて、ゴム組成物の耐摩耗性を(タイヤ摩耗性能指標として)測定した。円形試験片を軸上に載置し、摩耗面と試料面の線速度の差によって生じる25%のスリップ率で摩耗面に当接させる。潤滑剤としてタルク粉末を用いた。試験片は試験前及び試験後に計量し、材料損失量を測定し、材料損失の平均速度を使用して(典型的には3〜5個のデータ点を使用して)摩耗指数を計算した。
本開示の第1の態様は、少なくとも85〜約92%のシス含有量、約1%〜約5のビニル含有量、約3〜約12%のトランス含有量を有する、1,4−ポリブタジエンを含む重合体を対象としてよく、この重合体は、示差走査熱量測定(DSC)によって測定したとき、約5〜約25J/g℃の溶融エンタルピーΔHを有する。
本開示の第2の態様は第1の態様を含んでよく、シス含有量は約85%〜約90%であり、ビニル含有量は約1〜約3%であり、トランス含有量は約5%〜約10%である。
本開示の第3の態様は第1及び第2の態様を含んでよく、1,4−ポリブタジエンは約−20℃〜−約40℃の融解温度(T)を有する。
本開示の第4の態様は第1〜第3の態様のいずれかを含んでよく、1,4−ポリブタジエンは約250,000g/mol〜約350,000g/molのピーク分子量を有する。
本開示の第5の態様は第1〜第4の態様のいずれかを含んでよく、示差走査熱量測定(DSC)によって測定したとき、溶融エンタルピーΔHは約10〜約20J/g℃である。
本開示の第6の態様はゴム組成物を対象としてよく、第1〜第5の態様のいずれかの重合体、補強充填剤、及び硬化剤を含んでよい。
本開示の第8の態様は第6又は第7の態様を含んでよく、補強充填剤は硫黄を含み、硬化剤はカーボンブラックを含む。
本開示の第9の態様は第6〜第8の態様のいずれかを含んでよく、ゴム組成物は、天然ゴム、追加の合成ゴム、又はこれらの組み合わせを更に含む。
本開示の第10の態様は第9の態様を含んでよく、追加の合成ゴムは、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリイソブチレン−co−イソプレン、ネオプレン、ポリ(エチレン−co−プロピレン)、ポリ(スチレン−co−ブタジエン)、ポリ(スチレン−co−イソプレン)、及びポリ(スチレン−co−イソプレン−co−ブタジエン)、ポリ(イソプレン−co−ブタジエン)、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−ジエン)、ポリスルフィドゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、エピクロロヒドリンゴム、又はこれらの混合物を含む。
本開示の第11の態様は方法を対象としてよく、この方法は、1,3−ブタジエンを含む溶液を重合して、少なくとも85〜約92%のシス含有量、約1%〜約5のビニル含有量、及び約3〜約12%のトランス含有量を有する、1,4−ポリブタジエンを産生することを含み、この重合は、ランタニド金属錯体を含む触媒によって触媒され、1,4−ポリブタジエンは、示差走査熱量測定(DSC)によって測定したとき、約5〜約25J/g℃の溶融エンタルピーΔHを有する。
本開示の第12の態様は第11の態様を含んでよく、ランタニド金属錯体は、ランタン、ネオジウム、セリウム、プラセオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、及びヂヂミウムのうちの1つ以上を含む。
本開示の第13の態様は第11の態様又は第12の態様のいずれかを含んでよく、ランタニド金属錯体はガドリニウムを含む。
本開示の第14の態様は第11〜第13の態様のいずれかを含んでよく、触媒は、非配位性化合物及びアルキル化剤を更に含む。
本開示の第15の態様は第11〜第14の態様のいずれかを含んでよく、シス含有量は約85%〜約90%であり、ビニル含有量は約1〜約3%であり、トランス含有量は約5%〜約10%である。
添付の「特許請求の範囲」で定められる本開示の範囲から逸脱することなく修正及び変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様は、本明細書において好ましい、又は特に有利なものとして特定されるが、本開示はこれらの態様に必ずしも限定されていないことが企図される。

Claims (13)

  1. 重合体であって
    5%〜89%のシス含有量、1〜3%のビニル含有量、5〜10%のトランス含有量を有する、1,4−ポリブタジエンを含み、
    前記1,4−ポリブタジエンが、示差走査熱量測定(DSC)によって測定したときに、5〜25J/g℃の溶融エンタルピーΔHを有し、
    前記1,4−ポリブタジエンが80,000g/mol〜120,000g/molの数平均分子量を有する、重合体。
  2. 前記1,4−ポリブタジエンが−20℃〜−40℃の融解温度(T)を有する、請求項1に記載の重合体。
  3. 前記1,4−ポリブタジエンが250,000g/mol〜350,000g/molのピーク分子量を有する、請求項1に記載の重合体。
  4. 示差走査熱量測定(DSC)によって測定したときに、前記溶融エンタルピーΔH が1〜20J/g℃である、請求項1に記載の重合体。
  5. ゴム組成物であって、
    請求項1に記載の重合体と、
    補強充填剤と、
    硬化剤と、を含む、ゴム組成物。
  6. 前記ゴム組成物が、−30℃において、10,000,000〜20,000,000Paの複素弾性率Gを有する、請求項5に記載のゴム組成物。
  7. 前記補強充填剤がカーボンブラックを含み、前記硬化剤が硫黄を含む、請求項5に記載のゴム組成物。
  8. 天然ゴム、追加の合成ゴム、又はこれらの組み合わせを更に含む、請求項5に記載のゴム組成物。
  9. 前記追加の合成ゴムが、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリイソブチレン−co−イソプレン、ネオプレン、ポリ(エチレン−co−プロピレン)、ポリ(スチレン−co−ブタジエン)、ポリ(スチレン−co−イソプレン)、及びポリ(スチレン−co−イソプレン−co−ブタジエン)、ポリ(イソプレン−co−ブタジエン)、ポリ(エチレン−co−プロピレン−co−ジエン)、ポリスルフィドゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、エピクロロヒドリンゴム、又はこれらの混合物を含む、請求項8に記載のゴム組成物。
  10. 方法であって、
    1,3−ブタジエンを含む溶液を重合して
    5%〜89%のシス含有量と、1〜3%のビニル含有量と、5〜10%のトランス含有量と、を有する1,4−ポリブタジエンを産生することを含み、前記重合が、ランタニド金属錯体を含む触媒によって触媒され、
    前記1,4−ポリブタジエンが、示差走査熱量測定(DSC)によって測定したときに、5〜25J/g℃の溶融エンタルピーΔHmを有し、
    前記1,4−ポリブタジエンが80,000g/mol〜120,000g/molの数平均分子量を有する、方法。
  11. 前記ランタニド金属錯体が、ランタン、ネオジウム、セリウム、プラセオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム、及びジジミウムのうちの1つ以上を含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記ランタニド金属錯体がガドリニウムを含む、請求項10に記載の方法。
  13. 前記触媒が、非配位性化合物及びアルキル化剤を更に含む、請求項10に記載の方法。
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