JP7011710B2 - 共晶混合物を用いるゴム加硫プロセス - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、酸化亜鉛及び共晶溶媒の存在下で、ジエン系ゴム組成物を硫黄硬化するためのプロセスに関する。
酸化亜鉛は、典型的にはステアリン酸と組み合わせて、ゴムの硫黄加硫に一般的に使用される。亜鉛種及び/又は酸化亜鉛は、硫黄架橋の活性化物質として機能すると考えられている。酸化亜鉛及びステアリン酸は、その場で亜鉛種を形成し、かつ亜鉛種が酸化亜鉛と組み合わされて、硫黄加硫プロセスの速度及び品質に影響を及ぼすとも考えられている。
硫黄加硫プロセスにおいて従来用いられている酸化亜鉛は、10m/g未満のBET表面積によって特徴付けられ、そのような酸化亜鉛は、マイクロ酸化亜鉛と称され得る。一般に、ゴム加硫は、特にタイヤ技術において、所望の硬化をもたらすために、100重量部(pbw)のゴムあたり、少なくとも約2pbwの酸化亜鉛を必要とする。10m/gを超えるBET表面積を有するナノ酸化亜鉛も提案されており、ナノ酸化亜鉛の使用は、最終的に、より少ない酸化亜鉛又は他の亜鉛種の投入しか必要としない改善されたプロセスを提供できることが示唆されている。しかしながら、ナノ酸化亜鉛の使用は、製造上の問題、並びに粒子の凝集を含むいくつかの困難を呈する。
タイヤの構成部材の製造に使用される亜鉛、特に酸化亜鉛の濃度を低減することが依然として望まれている。
本発明の1つ以上の実施形態は、ゴム加硫物を調製するためのプロセスを提供し、このプロセスは、硫黄系硬化剤、酸化亜鉛、及び共晶組成物を含む加硫性組成物を提供することと、加硫性組成物を加熱して加硫を実現することと、を含む。
本発明の更に他の実施形態は、ゴムネットワーク全体に分散された金属化合物を含む加硫ゴムネットワークを含むゴム加硫物であって、当該加硫ゴムがゴム100重量部当たり2重量部未満の酸化亜鉛を含む、ゴム加硫物を提供する。
本発明のまた更に他の実施形態は、ゴム加硫物を調製するステップを含むプロセスであって、硫黄系硬化剤、酸化亜鉛、及び共晶組成物を含む加硫性組成物を提供することと、加硫性組成物を加熱して加硫を実現することと、を含むプロセスによって調製されるゴム加硫物を提供する。
本発明の更に他の実施形態は、加硫性組成物を調製するための方法であって、加硫性ゴム、硬化剤、及び共晶組成物を化合させることを含む方法を提供する。
本発明の実施形態は、金属化合物(亜鉛種など)及び共晶組成物の存在下でゴムを硬化させることを含む、ゴム組成物の硫黄加硫プロセスの発見に、少なくとも部分的に基づく。驚くべきことに、加硫性組成物中に共晶組成物を含めることにより、ゴムの硬化速度及び/又は硬化品質に悪影響を及ぼすことなく、所望の硬化を実現するのに必要な金属化合物の総投入量が、明らかに低減され得るということが判明した。また、特定の実施形態において、共晶組成物を含めることにより、驚くべきことに、加硫物特性のうちの1つ以上における他の改善(例えば摩耗の低減及び転がり抵抗の低減など)がもたらされた。したがって、本発明の実施形態は、比較的低濃度の亜鉛などの金属、及び技術的に有用な硬化レベルを有する、硬化したタイヤ構成部材を提供する。
加硫性組成物
上記のように、共晶組成物を加硫可能な組成物に導入して、硫黄硬化加硫物を製造する。共晶組成物に加えて、1つ以上の実施形態の加硫性組成物は、加硫性ゴム、充填剤、硫黄系硬化剤、ステアリン酸、及び金属化合物(例えば、酸化亜鉛又は酸化亜鉛の誘導体など)を含む。他の任意追加成分もまた含まれていてよく、そうした成分としては、プロセス油及び/又はエクステンダー油、樹脂、蝋類、硬化促進剤、焦げ防止剤、劣化防止剤、酸化防止剤、及び当該技術分野において既知の他のゴム配合添加剤などが挙げられるが、これらに限定されない。
共晶混合物
1つ以上の実施形態において、共晶組成物は、結合されるそれぞれの化合物の融点よりも低い融点を有する、生成化合物を提供する、2つ以上の化合物を化合させることによって形成される組成物を含む。本明細書の目的のために、共晶組成物は、共晶混合物、共晶錯体、又は共晶対と称され得る。化合される化合物のそれぞれは、共晶成分、共晶構成成分、共晶部材、又は共晶組成物を形成するための化合物(例えば、第1の化合物及び第2の化合物)と呼ぶことができる。それぞれの共晶成分の相対量、並びに観察が行われる温度に応じて、共晶組成物は、共晶液体又は共晶溶媒と称され得る液体の形態であり得る。所定の組成物については、それぞれの成分の相対量が共晶混合物の最低融点にあるか又はそれに近接している場合、組成物は深共晶溶媒と称され得るが、これはDESと称される場合もある。
いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、共晶成分は化合し、あるいはそれ以外の形で反応又は相互作用して錯体を形成すると考えられている。したがって、共晶混合物、又は共晶化合物、共晶対、又は共晶錯体に対していかなる言及がなされる場合も、構成成分どうしが化合されてできる化合物及び反応生成物、又は複合体であって、それぞれの構成成分よりも低い融点をもたらすものを含む。例えば、1つ以上の実施形態において、有用な共晶組成物は、以下の式Iで定義され得る:
CatzY
式中、Catはカチオンであり、Xは対アニオン(例えば、ルイス塩基)であり、zは、対アニオン(例えば、ルイス酸又はブレンステッド酸)と相互作用するY分子の数を指す。例えば、Catは、アンモニウム、ホスホニウム、又はスルホニウムカチオンを含み得る。Xは、例えば、ハロゲン化物イオンを含んでもよい。Yは、例えば、水素結合供与体、メタルハライド、又はメタルハライド水和物を含んでもよい。1つ以上の実施形態において、zは、深共晶溶媒を実現する数であるが、他の実施形態においては、zは、深共晶溶媒を達成しないならば、それぞれ対応する共晶構成成分よりも低い融点を有する錯体を実現する数である。
1つ以上の実施形態において、有用な共晶組成物としては、酸と塩基との化合物が挙げられるが、その酸及び塩基としては、ルイス酸及び塩基、又はブレンステッド酸及び塩基を挙げることができる。1つ以上の実施形態において、有用な共晶組成物としては、第四級アンモニウム塩とメタルハライドとの化合物(I型共晶組成物と称される)、第四級アンモニウム塩とメタルハライド水和物との化合物(II型共晶組成物と称される)、第四級アンモニウム塩と水素結合供与体との化合物(III型共晶組成物と称される)、又はメタルハライド水和物と水素結合供与体との化合物(IV型共晶組成物と称される)が挙げられる。アンモニウム化合物の代わりに、スルホニウム又はホスホニウムの類似の化合物を採用することができ、それらは、当業者によって容易に想定することができる。
第四級アンモニウム塩
1つ以上の実施形態において、第四級アンモニウム塩は、20℃で固体である。これらの又は他の実施形態において、メタルハライド及び水素結合供与体は、20℃で固体である。
1つ以上の実施形態において、有用な第四級アンモニウム塩(アンモニウム化合物とも称され得る)は、以下の式IIによって定義され得る:
(R)(R)(R)(R)-N-Φ
式中、R、R、R、及びRのそれぞれは、独立して水素若しくは一価の有機基であるか、又は代替的に、R、R、R、及びRのうちの2つが結合して二価の有機基を形成し、Φは対アニオンである。1つ以上の実施形態においては、R、R、R、及びRのうちの少なくとも1つ、他の実施形態においては、それらのうちの少なくとも2つ、更に他の実施形態においては、それらのうちの少なくとも3つは、水素ではない。
1つ以上の実施形態において、対アニオン(例えば、Φ)は、ハロゲン化物(X)、硝酸塩(NO )、テトラフルオロボレート(BF )、過塩素酸塩(ClO )、トリフラート(SOCF )、及びトリフルオロ酢酸塩(COOCF )からなる群から選択される。1つ以上の実施形態において、Φはハロゲン化物イオンであり、特定の実施形態において、塩化物イオンである。
1つ以上の実施形態において、一価の有機基はヒドロカルビル基を含み、二価の有機基はヒドロカルビレン基を含む。1つ以上の実施形態において、一価及び二価の有機基は、ヘテロ原子を含み、そのようなヘテロ原子は、例えば、酸素及び窒素、並びに/又はハロゲン原子などであるが、これらに限定されない。したがって、一価の有機基としては、アルコキシ基、シロキシ基、エーテル基、及びエステル基、並びにカルボニル基又はアセチル置換基を挙げることができる。1つ以上の実施形態において、ヒドロカルビル基及びヒドロカルビレン基は、1個(又は適切な最小数)~約18個の炭素原子、他の実施形態においては1~約12個の炭素原子、また他の実施形態においては1~約6個の炭素原子を含む。ヒドロカルビル基及びヒドロカルビレン基は、分枝状、環状、又は直鎖状であってもよい。例示的な種類のヒドロカルビル基としては、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基、及びアルキルアリール基が挙げられる。例示的な種類のヒドロカルビレン基としては、アルキレン基、シクロアルキレン基、アリーレン基、及びアルキルアリーレン基が挙げられる。特定の実施形態において、ヒドロカルビル基は、メチル基、エチル基、オクタデシル基、フェニル基、及びベンジル基からなる群から選択される。特定の実施形態において、ヒドロカルビル基はメチル基であり、ヒドロカルビレン基は、エチレン又はプロピレン基である。
有用な種類のアンモニウム化合物としては、第二級アンモニウム化合物、第三級アンモニウム化合物、及び第四級アンモニウム化合物が挙げられる。これらの又は他の実施形態において、アンモニウム化合物としては、ハロゲン化アンモニウムが挙げられ、その例としては、塩化アンモニウムなどが挙げられるが、これらに限定されない。特定の実施形態において、アンモニウム化合物は、第四級アンモニウム塩化物である。特定の実施形態において、R、R、R、及びRは水素であり、アンモニウム化合物は塩化アンモニウムである。1つ以上の実施形態において、アンモニウム化合物は非対称である。
1つ以上の実施形態において、アンモニウム化合物は、アルコキシ基を含み、式IIIによって定義され得る:
(R)(R)(R)-N-(R-OH)Φ
式中、R、R、及びRのそれぞれは、独立して水素若しくは一価の有機基であるか、又は代替的に、R、R、及びRのうちの2つが結合して二価の有機基を形成し、Rは二価の有機基であり、Φは対アニオンである。1つ以上の実施形態においては、R、R、Rのうちの少なくとも1つ、他の実施形態においては、それらのうちの少なくとも2つ、更に他の実施形態おいては、それらのうちの少なくとも3つは、水素ではない。
式IIIによって定義されるアンモニウム化合物の例としては、N-エチル-2-ヒドロキシ-N,N-ジメチルエタンアミニウムクロリド、2-ヒドロキシ-N,N,N-トリメチルエタンアミニウムクロリド(コリンクロリドとしても知られる)、及びN-ベンジル-2-ヒドロキシ-N,N-ジメチルエタンアミニウムクロリドが挙げられるが、これらに限定されない。
1つ以上の実施形態において、アンモニウム化合物は、ハロゲン含有置換基を含み、式IVによって定義され得る:
Φ-(R)(R)(R)-N-R
式中、R、R、及びRのそれぞれは、独立して水素若しくは一価の有機基であるか、又は代替的に、R、R、及びRのうちの2つが結合して二価の有機基を形成し、Rは二価の有機基であり、Xはハロゲン原子であり、Φは対アニオンである。1つ以上の実施形態においては、R、R、Rのうちの少なくとも1つ、他の実施形態においては、それらのうちの少なくとも2つ、更に他の実施形態おいては、それらのうちの少なくとも3つは、水素ではない。1つ以上の実施形態において、Xは塩素である。
式IIIによって定義されるアンモニウム化合物の例としては、2-クロロ-N,N,N-トリメチルエタンアミニウム(クロルコリンクロリドとも呼ばれる)、及び2-(クロロカルボニルオキシ)-N,N,N-トリメチルエタンアミニウムクロリドが挙げられるが、これらに限定されない。
水素結合供与体化合物
1つ以上の実施形態において、HBD化合物とも称され得る水素結合供与体化合物としては、アミン、アミド、カルボン酸、及びアルコールが挙げられるが、これらに限定されない。1つ以上の実施形態において、水素結合供与体化合物は、炭化水素鎖構成成分を含む。炭化水素鎖構成成分は、少なくとも2個、他の実施形態においては少なくとも3個、また他の実施形態においては少なくとも5個の炭素原子を含む炭素鎖長を有し得る。これらの又は他の実施形態において、炭化水素鎖構成成分は、30個未満の、他の実施形態においては20個未満の、他の実施形態においては10個未満の炭素原子を含む炭素鎖長を有する。
1つ以上の実施形態において、有用なアミンには、以下の式で定義される化合物が挙げられる:
-(CH-R
式中、R及びRは、-NH、-NHR、又は-NRであり、xは少なくとも2の整数である。1つ以上の実施形態において、xは2~約10であり、他の実施形態においては約2~約8であり、また他の実施形態においては約2~約6である。
有用なアミンの具体例としては、脂肪族アミン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、アミノエチルピペラジン、トリエチレンテトラミン、トリス(2-アミノエチル)アミン、N,N’-ビス(2アミノエチル)ピペラジン、ピペラジノエチルエチレンジアミン、テトラエチレンエピタンアミン、プロピレンアミン、アニリン、及び置換アニリン、並びにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
1つ以上の実施形態において、有用なアミドとしては、以下の式で定義される化合物が挙げられる:
R-CO-NH
式中、Rは、H、NH、CH、又はCFである。
有用なアミドの具体例としては、尿素、1-メチル尿素、1,1-ジメチル尿素、1,3-ジメチル尿素、チオ尿素、尿素、ベンズアミド、及びアセトアミド、並びにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
1つ以上の実施形態において、有用なカルボン酸としては、単官能性、二官能性、及び三官能性有機酸が挙げられる。これらの有機酸としては、アルキル酸、アリール酸、及び混合アルキル-アリール酸が挙げられ得る。
有用な単官能性カルボン酸の具体例としては、脂肪族酸、フェニルプロピオン酸、フェニル酢酸、及び安息香酸、並びにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。二官能性カルボン酸の具体例としては、シュウ酸、マロン酸、アジピン酸、及びコハク酸、並びにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。三官能性カルボン酸の具体例としては、クエン酸及びトリカルバリル酸、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。
アルコールの種類としては、モノオール、ジオール、及びトリオールが挙げられるが、これらに限定されない。モノオールの具体例としては、脂肪族アルコール、フェノール、及び置換フェノール、並びにこれらの混合物が挙げられる。ジオールの具体例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、レゾルシノール、及び置換レゾルシノール、並びにこれらの混合物が挙げられる。トリオールの具体例としては、グリセロール及びベンゼントリオール、並びにこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
メタルハライド
メタルハライドの種類としては、塩化物、臭化物、ヨウ化物、及びフッ化物が挙げられるが、これらに限定されない。1つ以上の実施形態において、これらのメタルハライドとしては、遷移メタルハライドが挙げられるが、これらに限定されない。当業者であれば、対応するメタルハライド水和物を容易に想定することができる。
有用なメタルハライドの具体例としては、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、ヨウ化アルミニウム、塩化亜鉛、臭化亜鉛、ヨウ化亜鉛、塩化スズ、臭化スズ、ヨウ化スズ、塩化鉄、臭化鉄、及びヨウ化鉄、並びにこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。当業者であれば、対応するメタルハライド水和物を容易に想定することができる。例えば、塩化アルミニウム六水和物及び塩化銅二水和物は、上記のハライドに対応する。
共晶錯体の形成
当業者であれば、適切なモル比で適切な共晶部材を選択して、所望の共晶組成物を提供することができる。当業者であれば、対に含まれる第1の化合物(例えば、ルイス塩基)と、対に含まれる第2の化合物(例えば、ルイス酸)とのモル比は、選択される化合物に基づいて変化することを理解するであろう。当業者には理解されるように、共晶溶媒の融点抑制には、最小融点抑制(すなわち深共晶溶媒)を生じる、第1の化合物と第2の化合物とのモル比である共晶点が含まれる。しかしながら、第1の化合物と第2の化合物とのモル比は、様々に変化させることができ、それでもなお、最低融点ではないとはいえ、共晶溶媒の融点の、第1及び第2の化合物の個々の融点に対する抑制をもたらすことができる。したがって、本発明の1つ以上の実施形態の実施には、共晶点外のモル比で共晶溶媒を形成することが含まれる。
1つ以上の実施形態においては、共晶対に含まれるそれぞれの化合物、及び、対に含まれる第1の化合物の第2の化合物に対するモル比は、130℃未満の融点を有する混合物を生成するように選択され、他の実施形態においては、110℃未満、他の実施形態においては100℃未満、他の実施形態においては80℃未満、他の実施形態においては60℃未満、他の実施形態においては40℃未満、そして他の実施形態においては30℃未満の融点を有する混合物を生成するように選択される。これらの又は他の実施形態においては、共晶対に含まれるそれぞれの化合物、及び化合物どうしのモル比は、0℃超の融点を有する混合物を生成するように選択され、他の実施形態においては10℃超、他の実施形態においては20℃超、他の実施形態においては30℃超、他の実施形態においては40℃超の融点を有する混合物を生成するように選択される。
1つ以上の実施形態においては、共晶対に含まれるそれぞれの化合物、及び、対に含まれる第1の化合物の第2の化合物に対するモル比は、所望の金属化合物を溶解する能力又は性能(溶解度又は溶解力と呼ばれ得る)を有する共晶溶媒を生成するように選択される。当業者には理解されるように、この溶解度は、飽和溶液を調製する場合に、所与の重量の共晶溶媒内に、指定された温度及び圧力の下で指定の時間をかけて溶解された金属化合物の重量に基づいて定量化することができる。1つ以上の実施形態においては、本発明の共晶溶媒は、温度50℃、大気圧下で、24時間にわたって酸化亜鉛を溶解させた場合に、100ppm超の溶解度を達成するように選択され、他の実施形態においては500ppm超、他の実施形態においては1000ppm超、他の実施形態においては1200ppm超、他の実施形態においては1400ppm超、他の実施形態においては1600ppm超の溶解度を達成するように選択される。なお、ここでppmは溶質重量対溶媒重量基準で測定される。
1つ以上の実施形態において、共晶溶媒は、第1の化合物を第2の化合物と適切なモル比で化合させることによって形成され、溶媒組成物(すなわち、所望の温度で液体の組成物)が提供される。混合物は、様々な技術を使用することによって機械的に撹拌することができ、そのような技術には、固体状態混合技術又はブレンド技術が含まれるが、これらに限定されない。一般的に言えば、混合物は、視覚的に均質である液体が形成されるまで混合され、あるいは別の方法で撹拌される。また、混合物は、高温で形成されてもよい。例えば、共晶溶媒は、混合物を50℃超、他の実施形態においては70℃超、また他の実施形態においては90℃超の温度に加熱することによって形成されてもよい。混合物の加熱中、混合を継続してもよい。所望の混合物が形成されると、共晶溶媒を室温まで冷却してよい。1つ以上の実施形態において、共晶溶媒の冷却は、1℃/分未満の、制御された速度で行われ得る。
1つ以上の実施形態において、有用な共晶組成物を市場で入手することができる。例えば、深共晶溶媒は、Scionix社から、商品名Ionic Liquids(イオン性液体)で市販されている。有用な共晶組成物はまた、米国特許出願公開第2004/0097755(A1)号及び同第2011/0207633(A1)号に記載されているように一般に知られており、その両者は、参照により本明細書に組み込まれる。
加硫性ゴム
1つ以上の実施形態において、加硫性ゴム(単にゴム又は加硫性エラストマーと呼ばれる場合もある)は、加硫されて、ゴム特性又はエラストマー特性を有する組成物を作成できるポリマーを含み得る。これらのエラストマーは、天然ゴム及び合成ゴムを含み得る。合成ゴムは、典型的に、共役ジエンモノマーの重合、共役ジエンモノマーと他のモノマー(例えば、ビニル置換芳香族モノマー)との共重合、あるいはエチレンと1種以上のα-オレフィン及び任意選択的に1種以上のジエンモノマーとの共重合から得られる。
例示的なエラストマーとしては、天然ゴム、合成ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリイソブチレン-コ-イソプレン、ネオプレン、ポリ(エチレン-コ-プロピレン)、ポリ(スチレン-コ-ブタジエン)、ポリ(スチレン-コ-イソプレン)、ポリ(スチレン-コ-イソプレン-コ-ブタジエン)、ポリ(イソプレン-コ-ブタジエン)、ポリ(エチレン-コ-プロピレン-コ-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、及びエピクロロヒドリンゴム、並びにこれらの混合物などが挙げられる。これらのエラストマーは、無数の巨大分子構造、例えば、直線状、分岐状、及び星形構造を有することができる。これらのエラストマーにはまた、1種以上の官能単位が含まれてもよく、これには、典型的にヘテロ原子が含まれる。
充填剤
上述のように、本発明の加硫性組成物は、1種以上の充填剤を含み得る。これらの充填剤材料は、補強充填剤及び非補強充填剤を含み得る。例示的な充填剤としては、カーボンブラック、シリカ、及び種々の無機充填剤が挙げられる。
有用なカーボンブラックとしては、ファーネスブラック、チャネルブラック、及びランプブラックが挙げられる。カーボンブラックのより具体的な例としては、超摩耗ファーネスブラック、中間超摩耗ファーネスブラック、高磨耗ファーネスブラック、高速押出ファーネスブラック、微細ファーネスブラック、半強化ファーネスブラック、中級加工チャンネルブラック、ハード加工チャンネルブラック、導電性チャンネルブラック、及びアセチレンブラックが挙げられる。
特定の実施形態において、カーボンブラックの表面積(EMSA)は少なくとも20m/g、他の実施形態においては、少なくとも35m/gであっても良い。表面積値は、ASTM規格D-1765によって、セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)技術を用いて決定することができる。カーボンブラックは、ペレット化された形態又はペレット化されていない綿状形態であり得る。カーボンブラックの好ましい形態は、ゴム化合物を混合するために使用される混合機器のタイプに依存し得る。
好適なシリカ充填剤の例としては、沈殿非晶質シリカ、湿潤シリカ(含水ケイ酸)、乾式シリカ(無水ケイ酸)、ヒュームドシリカ、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸マグネシウムなどが挙げられる。
1つ以上の実施形態において、シリカは、その表面積によって特徴付けることができるが、表面積は、その補強特性の尺度となるものである。BET(Brunauer,Emmet and Teller)法(J.Am.Chem.Soc.,vol.60,p.309 et seq.に記載されている)は、表面積を決定するための広く認められている方法である。シリカのBET表面積は概ね、450m/g未満である。表面積の有用な範囲としては、約32~約400m/g、約100~約250m/g、及び約150~約220m/gが挙げられる。
1種以上のシリカを用いる場合には、シリカのpHは、概ね、約5~約7、あるいは、わずかに7より高い値とするが、他の実施形態においては、約5.5~約6.8である。
1つ以上の実施形態において、シリカを充填剤として(単独で又は他の充填剤と組み合わせて)用いる場合、混合中にカップリング剤及び/又は遮蔽剤をゴム組成物に添加して、シリカとエラストマーとの相互作用を高めてもよい。有用なカップリング剤及び遮蔽剤が、米国特許第3,842,111号、同第3,873,489号、同第3,978,103号、同第3,997,581号、同第4,002,594号、同第5,580,919号、同第5,583,245号、同第5,663,396号、同第5,674,932号、同第5,684,171号、同第5,684,172号、同第5,696,197号、同第6,608,145号、同第6,667,362号、同第6,579,949号、同第6,590,017号、同第6,525,118号、同第6,342,552号、及び同第6,683,135号に開示され、これらは参照により、本明細書に組み込まれている。硫黄含有シリカカップリング剤の例としては、ビス(トリアルコキシシリルオルガノ)ポリスルフィド又はメルカプト-オルガノアルコキシシランが挙げられる。ビス(トリアルコキシシリルオルガノ)ポリスルフィドの種類としては、ビス(トリアルコキシシリルオルガノ)ジスルフィド及びビス(トリアルコキシシリルオルガノ)テトラスルフィドが挙げられる。
他の有用な充填剤材料としては、種々の無機充填剤及び有機充填剤が挙げられる。有機充填剤の例としては、デンプンが挙げられる。無機充填剤の例としては、シリカ、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、酸化チタン、窒化ホウ素、酸化鉄、マイカ、タルク(含水ケイ酸マグネシウム)、及びクレイ(含水ケイ酸アルミニウム)が挙げられる。
樹脂
上述のように、本発明の加硫性組成物は、1種以上の樹脂を含んでもよい。これらの樹脂としては、フェノール樹脂、更には例えば、脂環式樹脂、脂肪族樹脂、芳香族樹脂、及びテルペン樹脂などの炭化水素樹脂、更にはこれらの組み合わせを挙げることができる。有用な樹脂が、様々な商標名で、様々な企業から市販されており、そうした企業には、例えば、Chemfax、Dow Chemical Company、Eastman Chemical Company、Idemitsu、Neville Chemical Company、Nippon、Polysat Inc.、Resinall Corp.、Pinova Inc.、Yasuhara Chemical Co.、Ltd.、Arizona Chemical、and SI Group Inc.、及びZeonが挙げられる。
1つ以上の実施形態において、有用な炭化水素樹脂は、約30~約160℃のガラス転移温度(Tg)によって特徴付けられてよく、他の実施形態においては約35~約60℃、また他の実施形態においては約70~約110℃のガラス転移温度(Tg)によって特徴付けられてよい。1つ以上の実施形態において、有用な炭化水素樹脂はまた、その軟化点がそのガラス転移温度(Tg)よりも高いことによって特徴付けられてもよい。特定の実施形態において、有用な炭化水素樹脂は、約70~約160℃軟化点を有し、他の実施形態においては約75~約120℃、また他の実施形態においては約120~約160℃の軟化点を有する。
特定の実施形態において、1種以上の脂環式樹脂が、脂肪族樹脂、芳香族樹脂、及びテルペン樹脂のうちの1種以上と組み合わせて使用される。1つ以上の実施形態において、1種以上の脂環式樹脂が、樹脂の総量に対して、主重量成分(例えば、50重量%を超える成分)として使用される。例えば、使用される樹脂は、少なくとも55重量%を占める1種以上の脂環式樹脂を含み、他の実施形態においては少なくとも80重量%、また他の実施形態においては少なくとも99重量%を占める1種以上の脂環式樹脂を含む。
1つ以上の実施形態において、脂環式樹脂は、脂環式ホモポリマー樹脂と脂環式コポリマー樹脂との両方を含み、脂環式コポリマー樹脂には、脂環式モノマー由来のもの、また脂環式モノマーに任意選択的に1種以上の他の(非脂環式)モノマーを組み合わせた(ただし、重量基準では、全モノマーの大部分は脂環式のモノマーである)もの由来のものが含まれる。好適で有用な脂環式樹脂の非限定的な例としては、シクロペンタジエン(「CPD」)ホモポリマー又はコポリマー樹脂、及びジシクロペンタジエン(「DCPD」)ホモポリマー又はコポリマー樹脂、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。環式脂肪族コポリマー樹脂の非限定例としては、CPD/ビニル芳香族コポリマー樹脂、DCPD/ビニル芳香族コポリマー樹脂、CPD/テルペンコポリマー樹脂、DCPD/テルペンコポリマー樹脂、CPD/脂肪族コポリマー樹脂(例えば、CPD/C5留分コポリマー樹脂)、DCPD/脂肪族コポリマー樹脂(例えば、DCPD/C5留分コポリマー樹脂)、CPD/芳香族コポリマー樹脂(例えば、CPD/C9留分コポリマー樹脂)、DCPD/芳香族コポリマー樹脂(例えば、DCPD/C9留分コポリマー樹脂)、CPD/芳香族-脂肪族コポリマー樹脂(例えば、CPD/C5及びC9留分コポリマー樹脂)、DCPD/芳香族-脂肪族コポリマー樹脂(例えば、DCPD/C5及びC9留分コポリマー樹脂)、CPD/ビニル芳香族コポリマー樹脂(例えば、CPD/スチレンコポリマー樹脂)、DCPD/ビニル芳香族コポリマー樹脂(例えば、DCPD/スチレンコポリマー樹脂)、CPD/テルペンコポリマー樹脂(例えば、リモネン/CPDコポリマー樹脂)、及びDCPD/テルペンコポリマー樹脂(例えば、リモネン/DCPDコポリマー樹脂)が挙げられる。特定の実施形態において、脂環式樹脂は、上記の脂環式樹脂のうちの1種類の水素添加形態(すなわち、水素添加脂環式樹脂)を含んでもよい。他の実施形態において、脂環式樹脂には、いかなる水素添加脂環式樹脂をも含まず、つまり換言すれば、その脂環式樹脂は水素添加されていないということである。
特定の実施形態において、1種以上の芳香族樹脂が、脂肪族樹脂、脂環式樹脂、及びテルペン樹脂のうちの1種以上と組み合わせて使用される。1つ以上の実施形態において、1種以上の芳香族樹脂が、樹脂の総量に対して、主重量成分(例えば、50重量%を超える成分)として使用される。例えば、使用される樹脂は、少なくとも55重量%を占める1種以上の芳香族樹脂を含み、他の実施形態においては少なくとも80重量%、また他の実施形態においては少なくとも99重量%を占める1種以上の芳香族樹脂を含む。
1つ以上の実施形態において、芳香族樹脂は、芳香族ホモポリマー樹脂と芳香族コポリマー樹脂との両方を含み、芳香族コポリマー樹脂には、1種類以上の芳香族モノマーに、1種類以上の他の(非芳香族)モノマーを組み合わせたもの(ただし、いかなるタイプのモノマーもその最大量を占めるのは芳香族である)に由来のものが含まれる。有用な芳香族樹脂の非限定例としては、クマロン-インデン樹脂及びアルキル-フェノール樹脂、並びにビニル芳香族ホモポリマー又はコポリマー樹脂を含み、例えば、これらの樹脂は、アルファ-メチルスチレン、スチレン、オルト-メチルスチレン、メタ-メチルスチレン、パラ-メチルスチレン、ビニルトルエン、パラ(tert-ブチル)スチレン、メトキシスチレン、クロロスチレン、ヒドロキシスチレン、ビニルメシチレン、ジビニルベンゼン、ビニルナフタレン、又はC9留分若しくはC8~C10留分から得られるビニル芳香族モノマーのうちの、1種類以上に由来するものであってよい。ビニル芳香族コポリマー樹脂の非限定例としては、ビニル芳香族/テルペンコポリマー樹脂(例えば、リモネン/スチレンコポリマー樹脂)、ビニル芳香族/C5留分樹脂(例えば、C5留分/スチレンコポリマー樹脂)、ビニル芳香族/脂肪族コポリマー樹脂(例えば、CPD/スチレンコポリマー樹脂、及びDCPD/スチレンコポリマー樹脂)が挙げられる。アルキル-フェノール樹脂の非限定例としては、p-tert-ブチルフェノール-アセチレン樹脂、アルキルフェノール-ホルムアルデヒド樹脂(例えば、低重合度を有する樹脂などのアルキルフェノール-アセチレン樹脂が挙げられる。)特定の実施形態において、芳香族樹脂は、上記の芳香族樹脂のうちの1種類の水素添加形態(すなわち、水素添加芳香族樹脂)を含んでもよい。他の実施形態において、芳香族樹脂は、いかなる水素添加芳香族樹脂をも含まず、つまり換言すれば、芳香族樹脂は水素添加されていないということである。
特定の実施形態において、1種以上の脂肪族樹脂が、脂環式樹脂、芳香族樹脂、及びテルペン樹脂のうちの1種以上と組み合わせて使用される。1つ以上の実施形態において、1種以上の脂肪族樹脂が、樹脂の総量に対して、主重量成分(例えば、50重量%を超える成分)として使用される。例えば、使用される樹脂は、少なくとも55重量%を占める1種以上の脂肪族樹脂を含み、他の実施形態においては少なくとも80重量%、また他の実施形態においては少なくとも99重量%を占める1種以上の脂肪族樹脂を含む。
1つ以上の実施形態において、脂肪族樹脂は、脂肪族ホモポリマー樹脂と脂肪族コポリマー樹脂との両方を含み、脂肪族コポリマー樹脂には、1種類以上の脂肪族モノマーに、1種類以上の他の(非脂肪族)モノマーを組み合わせたもの(ただし、いかなるタイプのモノマーもその最大量を占めるのは脂肪族である)に由来のものが含まれる。有用な脂肪族樹脂の非限定的な例としては、C5留分のホモポリマー又はコポリマー樹脂、C5留分/C9留分コポリマー樹脂、C5留分/ビニル芳香族コポリマー樹脂(例えば、C5留分/スチレンコポリマー樹脂)、C5留分/脂環式コポリマー樹脂、及びC5留分/C9留分/脂環式コポリマー樹脂、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。脂環式モノマーの非限定的な例としては、シクロペンタジエン(「CPD」)及びジシクロペンタジエン(「DCPD」)が挙げられるが、これらに限定されない。特定の実施形態において、脂肪族樹脂は、上記の脂肪族樹脂のうちの1つの水素添加形態(すなわち、水素添加脂肪族樹脂)を含んでもよい。他の実施形態において、脂肪族樹脂は、いかなる水素添加脂肪族樹脂をも含まず、つまり換言すれば、そのような実施形態においては、脂肪族樹脂は水素添加されていないということである。
1つ以上の実施形態において、テルペン樹脂は、テルペンホモポリマー樹脂とテルペンコポリマー樹脂との両方を含み、テルペンコポリマー樹脂には、1種類以上のテルペンモノマーに、1種類以上の他の(非テルペン)モノマーを組み合わせたもの(ただし、いかなるタイプのモノマーもその最大量を占めるのはテルペンである)に由来のものが含まれる。有用なテルペン樹脂の非限定的な例としては、α-ピネン樹脂、β-ピネン樹脂、リモネン樹脂(例えば、L-リモネン、D-リモネン、更にはL-異性体及びD-異性体のラセミ混合物であるジペンテン)、β-フェランドレン、δ-3-カレン、δ-2-カレン、ピネン-リモネンコポリマー樹脂、テルペンフェノール樹脂、及び芳香族変性テルペン樹脂、並びにこれらの組み合わせが挙げられる。特定の実施形態において、テルペン樹脂は、上記のテルペン樹脂のうちの1つの水素添加形態(すなわち、水素添加テルペン樹脂)を含んでもよい。他の実施形態において、テルペン樹脂は、いかなる水素添加テルペン樹脂をも含まず、つまり換言すれば、そのような実施形態においては、テルペン樹脂は水素添加されていないということである。
硬化剤
ゴム硬化剤(加硫剤とも呼ばれる)としては、硫黄系硬化系が挙げられる。硬化剤は、Kirk-Othmer,Encyclopedia of Chemical Technology,Vol.20(第3版、1982)の、365~468ページ、また特に、Vulcanization Agents and Auxiliary Materials,(390~402ページ)、及びEncyclopedia of Polymer Science and Engineering,(第2版、1989)の、A.Y.Coranの「Vulcanization(加硫)」の項に記載されており、これらは、参照により本明細書に組み込まれる。1つ以上の実施形態において、硬化剤は硫黄である。好適な硫黄加硫剤の例としては、「ゴム製造業者(rubbermaker's)」の可溶性硫黄、二硫化アミン、ポリマー性ポリスルフィド、又は硫黄オレフィン付加物などの硫黄供与性加硫剤、及び不溶性ポリマー性硫黄が挙げられる。加硫剤は、単独で又は組み合わせて使用することができる。当業者であれば、所望の硬化レベルを達成するために、加硫剤の量を容易に選択することができるであろう。
1つ以上の実施形態において、硬化剤は、硬化促進剤と組み合わせて使用される。1つ以上の実施形態において、促進剤を使用して、加硫に必要な時間及び/又は温度を制御し、加硫ゴムの特性を改善する。促進剤の例としては、チアゾール加硫促進剤(例えば、2-メルカプトベンゾチアゾール、ジベンゾチアジルジスルフィド、及びN-シクロヘキシル-2-ベンゾチアジル-スルフェンアミド(CBS)など)、及びグアニジン加硫促進剤(例えば、ジフェニルグアニジン(DPG)など)が挙げられる。当業者であれば、所望の硬化レベルを達成するために、硬化促進剤の量を容易に選択することができるであろう。
他の成分
ゴム配合において典型的に用いられる他の構成成分もまた、ゴム組成物に添加されてもよい。これらには、促進剤、促進活性剤、油、添加可塑剤、蝋、焦げ防止剤、加工助剤、酸化亜鉛、粘着付与樹脂、強化用樹脂、脂肪酸(例えば、ステアリン酸)、解膠剤、及び劣化防止剤(例えば酸化防止剤及びオゾン劣化防止剤)が含まれる。特定の実施形態において、用いられる油としては、従来から展延剤オイルとして用いられるものが挙げられる。使用し得る有用な油類又は展延剤としては、芳香族油、パラフィン系油、ナフテン系油、植物油(ヒマシ油以外)、低PCA油(例えば、MES、TDAE、及びSRAEなど)、及び重ナフテン系油が挙げられるが、これらに限定されない。好適な低PCA油としてはまた、野菜、木の実及び種子から採取できるものなど、様々な植物起源の油も挙げられる。非限定的な例としては、ダイズ油、ヒマワリ油、サフラワー油、コーン油、亜麻仁油、綿実油、菜種油、ヘンプ油、カシュー油、ゴマ油、ツバキ油、ホホバ油、マカダミアナッツ油、ココナツ油、及びヤシ油が挙げられるが、これらに限定されない。
金属活性化剤及び有機酸
上述のように、本発明の加硫性組成物は、金属化合物を含む。1つ以上の実施形態において、金属化合物は活性化剤(すなわち、ゴムの加硫又は硬化を補助するもの)である。他の実施形態において、金属活性化剤は金属酸化物である。特定の実施形態において、金属活性剤は酸化亜鉛である。他の実施形態において、金属活性化剤は、酸化亜鉛と有機酸(例えばステアリン酸)との間の反応又は相互作用を通じてその場で形成される亜鉛種である。他の実施形態において、金属化合物は、水酸化マグネシウムなどのマグネシウム化合物である。他の実施形態において、金属化合物は、酸化鉄などの鉄化合物である。他の実施形態において、金属化合物は、カルボン酸コバルトなどのコバルト化合物である。
1つ以上の実施形態において、酸化亜鉛は、10m/g未満のBET表面積によって特徴付けられる非官能化酸化亜鉛であり、他の実施形態においては9m/g未満、また他の実施形態においては8m/g未満のBET表面積によって特徴付けられる非官能化酸化亜鉛である。他の実施形態において、10m/gを超えるBET表面積によって特徴付けられる酸化亜鉛粒子を含む、ナノ酸化亜鉛が用いられる。
1つ以上の実施形態において、有機酸は、カルボン酸である。特定の実施形態において、カルボン酸は、飽和及び不飽和脂肪酸を含む脂肪酸である。特定の実施形態において、ステアリン酸などの飽和脂肪酸が用いられる。他の有用な酸としては、パルミチン酸、アラキジン酸、オレイン酸、リノール酸、及びアラキドン酸が挙げられるが、これらに限定されない。
成分量
ゴム
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、組成物の全重量に基づいて、少なくとも20重量%のゴム構成成分を含み、他の実施形態においては少なくとも30重量%、また他の実施形態においては少なくとも40重量%のゴム構成成分を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、組成物の全重量に基づいて、最大で90重量%のゴム構成成分を含み、他の実施形態においては最大で70重量%、また他の実施形態においては最大で60重量%のゴム構成成分を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、組成物の全重量に基づいて、約20~約90重量%のゴム構成成分を含み、他の実施形態においては約30~約70重量%、また他の実施形態においては約40~約60重量%のゴム構成成分を含む。
共晶組成物
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、0.005重量部(pbw)より多くの共晶組成物を含み、他の実施形態においては0.01重量部より多くの、また他の実施形態においては0.02重量部より多くの共晶組成物を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、3pbw(phr)未満の共晶組成物を含み、他の実施形態においては1pbw(phr)未満、また他の実施形態においては、0.1pbw(phr)未満の共晶組成物を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、約0.005~約3pbw(phr)の共晶組成物を含み、他の実施形態においては約0.01~約1pbw(phr)、また他の実施形態において、約0.02~約0.1pbw(phr)の共晶組成物を含む。
1つ以上の実施形態において、共晶溶媒の量は、金属活性化剤(酸化亜鉛など)の投入量を基準にして説明することができる。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、加硫性組成物中に存在する共晶溶媒及び金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)の総重量に基づいて、2重量%より多くの共晶溶媒を含み、他の実施形態においては3重量%より多くの、また他の実施形態においては5重量%より多くの共晶溶媒を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、加硫性組成物中に存在する共晶溶媒及び金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)の総重量に基づいて、15重量%未満の共晶溶媒を含み、他の実施形態においては12重量%未満の、また他の実施形態においては10重量%未満の共晶溶媒を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、加硫性組成物中に存在する共晶溶媒及び金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)の総重量に基づいて、約2~約15重量%の共晶溶媒を含み、他の実施形態においては約3~約12重量%の、また他の実施形態においては約5~約10重量%の共晶溶媒を含む。
金属化合物
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、0.05重量部(pbw)より多くの金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)を含み、他の実施形態においては0.1重量部より多くの、また他の実施形態においては0.15重量部より多くの金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、2pbw(phr)未満の金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)を含み、他の実施形態においては1pbw(phr)未満、また他の実施形態においては、0.75pbw(phr)未満の金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は約0.05~約2pbw(phr)の金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)を含み、他の実施形態においては、約0.1~約1pbw(phr)の、また他の実施形態においては、約0.15~約0.75pbw(phr)の金属活性化剤(例えば酸化亜鉛)を含む。
有機酸
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、0.5重量部(pbw)より多くの有機酸(例えばステアリン酸)を含み、他の実施形態においては0.7重量部より多くの、また他の実施形態においては1.0重量部より多くの有機酸(例えばステアリン酸)を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、5pbw(phr)未満の有機酸(例えばステアリン酸)を含み、他の実施形態においては3pbw(phr)未満、また他の実施形態においては、2pbw(phr)未満の有機酸(例えばステアリン酸)を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、約0.5~約5pbw(phr)の有機酸(例えばステアリン酸)を含み、他の実施形態においては、約0.7~約3pbw(phr)の、また他の実施形態においては、約1.0~約2pbw(phr)の有機酸(例えばステアリン酸)を含む。
充填剤
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、少なくとも0重量部(pbw)の充填剤を含み、他の実施形態においては、少なくとも10重量部、また他の実施形態においては、少なくとも20重量部の充填剤を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、最大で200pbw(phr)の充填剤を含み、他の実施形態においては、最大で100pbw(phr)、また他の実施形態においては、最大で70pbw(phr)の充填剤を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、約0~約200pbw(phr)の充填剤を含み、他の実施形態においては、約10~約100pbw(phr)の、また他の実施形態においては、約20~約70pbw(phr)の充填剤を含む。
カーボンブラック
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、少なくとも0重量部(pbw)のカーボンブラックを含み、他の実施形態においては、少なくとも10重量部の、また他の実施形態においては、少なくとも20重量部のカーボンブラックを含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、最大で200pbw(phr)のカーボンブラックを含み、他の実施形態においては、最大で100pbw(phr)の、また他の実施形態においては最大で70pbw(phr)のカーボンブラックを含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、約0~約200pbw(phr)のカーボンブラックを含み、他の実施形態においては約10~約100pbw(phr)の、他の実施形態においては約20~約70pbw(phr)のカーボンブラックを含む。
シリカ
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、少なくとも5重量部(pbw)のシリカを含み、他の実施形態においては、少なくとも25重量部の、他の実施形態においては少なくとも50重量部の、また他の実施形態においては少なくとも70重量部のシリカを含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、最大で200pbw(phr)のシリカを含み、他の実施形態においては最大で130pbw(phr)、他の実施形態においては最大で80pbw(phr)のシリカを含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、約5~約200pbw(phr)のシリカを含み、他の実施形態においては約25~約130pbw(phr)、また他の実施形態においては約50~約80pbw(phr)のシリカを含む。
充填剤比
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、第1の充填剤の量と第2の充填剤の量との比によって特徴付けることができる。1つ以上の実施形態において、カーボンブラックシリカに対する量の比は約1:1であり、他の実施形態においては約10:1であり、他の実施形態においては約14:1であり、また他の実施形態においては約20:1である。1つ以上の実施形態において、カーボンブラックのシリカに対する量の比は、約1:5であり、他の実施形態においては約1:10であり、他の実施形態においては約1:14であり、また他の実施形態においては約1:20である。
シリカカップリング剤
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、シリカ100重量部当たり、少なくとも1重量部(pbw)のシリカカップリング剤を含み、他の実施形態においては、少なくとも2重量部の、また他の実施形態においては、少なくとも5重量部のシリカカップリング剤を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、シリカ100重量部当たり、最大で20pbwのシリカカップリング剤を含み、他の実施形態においては最大で15pbwの、また他の実施形態においては最大で10pbwのシリカカップリング剤を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、シリカ100重量部当たり、約1~約20pbwのシリカカップリング剤を含み、他の実施形態においては約2~約15pbwの、また他の実施形態においては約5~約10pbwのシリカカップリング剤を含む。
樹脂
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、ゴム100重量部当たり(phr)、1重量部(pbw)より多くの樹脂(例えば炭化水素樹脂)を含み、他の実施形態においては、15重量部より多くの、他の実施形態においては、25重量部より多くの、また他の実施形態においては35重量部より多くの樹脂(例えば炭化水素樹脂)を含む。これら又は他の実施形態において、加硫性組成物は、150pbw/phr未満の樹脂(例えば炭化水素樹脂)を含み、他の実施形態においては120pbw/phr未満、また他の実施形態においては、90pbw/phr未満の樹脂(例えば炭化水素樹脂)を含む。1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、約1~約150pbw(phr)の樹脂(例えば炭化水素樹脂)を含み、他の実施形態においては約15~約120pbw(phr)、また他の実施形態において、約25~約90pbw(phr)の樹脂(例えば炭化水素樹脂)を含む。
プロセスの概要
1つ以上の実施形態において、加硫性組成物は、加硫性ゴムと共晶溶媒とを混合してマスターバッチを作成し、続いて硬化剤をマスターバッチに加えることによって調製される。マスターバッチの調製は、1つ以上の補助的な混合ステップを用いて行われてもよく、その混合ステップでは、例えば、2つ以上の構成成分を混合することによって最初の混合物を調製した後で、1種以上の構成成分を順次、組成物に添加してもよい。また、従来技術を使用して、加硫性組成物の調整に追加的な構成成分を添加することもでき、そのような追加的な構成成分としては、カーボンブラック、追加の充填剤、化学的に処理された無機酸化物、シリカ、シリカカップリング剤、シリカ分散剤、加工油、加工助剤(例えば酸化亜鉛及び脂肪酸など)、及び劣化防止剤(又は抗酸化剤又はオゾン劣化防止剤など)が挙げられるが、これらに限られない。
1つ以上の実施形態において、共晶組成物は、共晶組成物を加硫性ゴムに導入する前に調製される。換言すれば、混合物の第1の構成成分を混合物の第2の構成成分に予め化合させてから、その混合物を加硫性組成物に導入する。1つ以上の実施形態において、混合物の化合されるそれぞれの構成成分は、均質な液体組成物が観察されるまで混合される。
1つ以上の実施形態において、共晶組成物は、共晶混合物を加硫性組成物に導入する前に、ゴム配合物の1種以上の成分と予め化合される。換言すれば、1つ以上の実施形態において、加硫性組成物の構成成分(例えば、酸化亜鉛などの金属化合物)を共晶混合物と化合して、事前化合物又はマスターバッチを形成してから、その事前化合物をゴムが混合されるミキサーに導入する。例えば、酸化亜鉛が共晶溶媒中に溶解されてから、ミキサー内のゴムへと導入されてもよい。他の実施形態において、共晶組成物は、事前化合物の微量成分であり、したがって共晶組成物と予め混合される構成成分は、共晶組成物の担体として作用する。例えば、共晶組成物は、より大きな体積の酸化亜鉛と化合されることができ、酸化亜鉛が、固体である酸化亜鉛と共晶組成物との化合物を、ミキサー内のゴムに送達するための担体として作用する。更に他の実施形態において、共晶対を構成する物質のうちの1つが、共晶組成物の固体担体として作用し、したがって、共晶組成物の第1の成分と第2の成分との化合は、ミキサー内のゴムに固体として添加され得る事前化合物を形成する。当業者であれば、所望の温度に固体組成物を維持するために、この性質の混合物が、他の共晶部材に対して過剰な量の第1又は第2の共晶対の構成物質を化合させることで形成されること理解するであろう。
1つ以上の実施形態において、共晶溶媒は、ゴムマスターバッチの形成における開始成分として加硫性ゴムに導入される。その後、共晶溶媒が、ゴムとの高剪断で、高温下で混合される。1つ以上の実施形態において、共晶溶媒は、110℃を超える最低温度でゴムと混合され、他の実施形態においては130℃を超える最低温度で、他の実施形態においては150℃を超える最低温度でゴムと混合される。1つ以上の実施形態において、高剪断で、高温下での混合は、約110℃~約170℃の温度で行われる。
他の実施形態において、共晶溶媒は、硫黄系硬化剤と共に、順次又は一度のいずれかで、加硫性ゴムに導入される。その後、共晶溶媒は、110℃未満の最大温度で加硫性ゴムと混合され、他の実施形態においては、105℃未満の最大温度で、また他の実施形態においては、100℃未満の最大温度で加硫性ゴムと混合される。1つ以上の実施形態において、硬化剤との混合は、約70~約110℃の温度で行われる。
共晶溶媒と同様に、酸化亜鉛及びステアリン酸は、ゴムマスターバッチに開始成分として添加することができ、したがって、これらの成分は、高温下で、高剪断の混合をされることになる。あるいは、酸化亜鉛及びステアリン酸は、イオウ系硬化剤と共に添加することができ、それによって、低温下での混合のみをされることになる。
1つ以上の実施形態において、酸化亜鉛は、共晶溶媒とは別にかつ個々に、加硫性ゴムに導入される。他の実施形態において、酸化亜鉛及び共晶溶媒は予め化合されて酸化亜鉛マスターバッチを形成するが、この酸化亜鉛マスターバッチは、酸化亜鉛が共晶溶媒中に溶解又は別の方法で分散される溶液を含み得る。その後、酸化亜鉛マスターバッチを加硫性ゴムに導入することができる。
混合条件
1つ以上の実施形態において、加硫可能な組成物は、まず、加硫性ゴムと共晶溶媒とを、約140~約180℃の温度で混合し、又は他の実施形態においては、約150~約170℃の温度で混合して調製される。特定の実施形態においては、最初の混合の後、組成物(すなわち、マスターバッチ)を、100℃未満の温度まで冷却し、他の実施形態においては、80℃未満の温度まで冷却してから、硬化剤を加える。特定の実施形態においては、約90~約110℃の温度で混合を続け、他の実施形態においては、約95~約105℃の温度で混合を続け、最終的な加硫性組成物を調製する。
1つ以上の実施形態において、マスターバッチ混合ステップ、又はマスターバッチ混合ステップの1つ若しくは2つ以上のサブステップは、混合中に組成物が到達するピーク温度によって特徴付けることができる。このピーク温度は、落下温度とも称され得る。1つ以上の実施形態において、マスターバッチ混合ステップ中の組成物のピーク温度は、少なくとも140℃であり得るが、他の実施形態においては、少なくとも150℃、また他の実施形態においては、少なくとも160℃であり得る。これら又は他の実施形態において、マスターバッチ混合ステップ中の組成物のピーク温度は、約140~約200℃であり得るが、他の実施形態においては、約150~約190℃、また他の実施形態においては、約160~約180℃であり得る。
最終混合ステップ
マスターバッチ混合ステップに続いて、硬化剤又は硬化剤系を組成物に導入し、混合を継続して、最終的に加硫性組成物を形成する。この混合ステップは、最終混合ステップ、硬化剤混合ステップ、又は産物混合ステップと称され得る。この混合ステップから得られる産物は、加硫性組成物と称され得る。
1つ以上の実施形態において、最終混合ステップは、最終混合中に組成物が到達するピーク温度によって特徴付け得る。当業者であれば認識するように、この温度は、最終落下温度とも称され得る。1つ以上の実施形態において、最終混合中の組成物のピーク温度は、最高で130℃であり得るが、他の実施形態においては、最高で110℃、また他の実施形態において、最高で100℃であり得る。これら又は他の実施形態において、最終混合中の組成物のピーク温度は、約80~約130℃であり得るが、他の実施形態においては、約90~約115℃、また他の実施形態においては、約95~約105℃であり得る。
混合機器
加硫性組成物の全ての成分は、標準的な混合装置、例えば内蔵混合機(例えば、Banbury又はBrabender混合機)、押出機、捏和機、及び2ロールミルを用いて、混合可能である。混合は、単独で又は並行して行うことができる。上に示唆されるように、成分は、単一の段階で混合することができ、又は他の実施形態においては、2段階以上の多段階で混合することができる。例えば、第1の段階(すなわち、混合段階)において、マスターバッチ(典型的にはゴム構成成分及び充填剤を含む)が調製される。ひとたびマスターバッチが調製されると、最終混合段階において、加硫剤をマスターバッチ内に導入して混合してもよく、この最終混合段階は、典型的には、比較的低温で実施されるが、それにより加硫のタイミングが早くなりすぎる可能性を減少させるようになっている。追加の混合段階(リミル(remill)と呼ばれることもある)を、マスターバッチ混合段階と最終混合段階の間に採用することも可能である。
タイヤの調製
加硫性組成物は、標準的なゴムの成形、成型、及び硬化技術を含む、通常のタイヤ製造技術にしたがって、タイヤ部品に加工され得る。典型的には、加硫は、加硫性組成物を成形型内で加熱することによって実現される。例えば、加硫性組成物は、約140~約180℃に加熱され得る。硬化又は架橋されたゴム組成物は、加硫物と称され得るが、加硫物は、熱硬化性の三次元ポリマー網状組織を一般的に含有する。その他の成分(例えば、充填剤及び加工助剤など)は、架橋された網状組織全体にわたって一様に分散してもよい。空気入りタイヤは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,866,171号、同第5,876,527号、同第5,931,211号、及び同第5,971,046号に記載されるように作製され得る。
加硫物の特性
上記のように、本発明の加硫性組成物を硬化させて、様々なタイヤ部品を調製することができる。これらのタイヤ部品としては、タイヤトレッド、タイヤサイドウォール、ベルトスキム、インナーライナ、及びビード頂点が挙げられるが、これらに限定されない。
本発明の態様によれば、タイヤ部品(加硫物とも称され得るもの)は、有利な硬化特性によって特徴付けられ、その一方で、亜鉛種などの金属活性化剤を、比較的低濃度でしか含まない。
1つ以上の実施形態において、加硫物は、ゴム100重量部当たり(phr)、2pbw未満の亜鉛しか含まず、他の実施形態においては1pbw未満の、また他の実施形態においては、0.7pbw未満の亜鉛しか含まないことによって特徴付けられる。
1つ以上の実施形態において、タイヤ部品は、タイヤトレッドである。本明細書に概説されるように、トレッドは、亜鉛種などの金属活性化剤を限定された濃度のみでしか含まないが、そのトレッドはそれでもなお、室温でASTM規格のD-412にしたがって測定したときに、3MPaより大きい300%弾性率によって特徴付けられ、他の実施形態においては5MPaより大きい、また他の実施形態においては7MPaより大きい300%弾性率によって特徴付けられる。
本発明の実施を実証するために、いくつかの加硫性組成物で、以下の実験を行った。加硫性組成物は、以下の表に示される成分及び混合順序を使用することによって調製した。全ての量は、特に明記しない限り、ゴム100重量部当たりの重量部で示されている。一般的に言えば、酸化亜鉛及び共晶溶媒の量及び投入時点を、実験全体をとおして変化させた。以下の表はまた、組成物及び/又は組成物から調製された加硫物に対して実施されたいくつかの分析試験の結果も示す。
共晶溶媒Iの形成
コリンクロリド及び尿素の共晶組成物を、1モルのコリンクロリドと2モルの尿素とを100℃で混合して共晶溶媒を形成することによって調製した。共晶溶媒は、DES-Iと称され得る深共晶溶媒であると考えられた。そのDES-Iを標準条件下で室温まで冷却させた。
実験I
第1の実験セットにおいては、表Iに示されるゴム配合物及び混合順序を使用して、加硫性組成物を調製した。このゴム配合物は、タイヤトレッドの製造に有用なゴム配合物を示すものであった。表Iに示すように、混合処理は、マスターバッチ混合ステップ、「リミル混合ステップ」、及び最終混合ステップを含む、3工程混合処理であった。種々の混合ステップをBanburyミキサー内で行った。マスターバッチの調製中、ミキサーを75rpmで動作させ、組成物は160℃のピーク温度に到達した。その時点で、組成物をミキサーから落とし、約85℃未満まで冷却した。この時点で、組成物を、「リミル段階」用として特定された成分と共に、ミキサーに再導入し、混合を75rpmで継続し、組成物は、約160℃のピーク組成温度を達成した。組成物を再びミキサーから落とし、約50℃未満の温度まで冷却した。次に組成物を、「最終混合段階」用に特定された構成成分と共に、再度ミキサーに再導入した。これらの成分の中には、DES-I及び酸化亜鉛が含まれるが、それらを表IIに示すように別々にかつ個別に導入した。混合を40rpm、組成物のピーク温度約100℃で継続させた。次に組成物をミキサーから落とし、組成物から分析試験目的のサンプルを得た。分析試験結果は、表IIに示されている。
Figure 0007011710000001
表に指定された温度で動作するMDR2000を使用して、レオメーター測定を行った。加硫物の引張機械特性(最大応力、弾性率、伸び量、及び強靭性)を、ASTM-D412に記載される標準的な手順を用いることによって測定した。加硫物の動的レオロジー特性(例えばtanδ)は、約-80℃~約80℃の範囲にわたって、10Hzで実施した温度スイープ試験から得られた。
Figure 0007011710000002
表IIのデータは、共晶溶媒の存在下で、ZnOの投入量が明らかに低減され得ることを示す。
実験II
第2の実験では、上記と同じ手順を用いて調製したDES-Iを、2段階混合処理を用いて調製した加硫性組成物に導入した。使用した構成成分及び混合順序を表IIIに示す。このゴム配合物は、タイヤのサイドウォールの製造に有用なゴム配合物を示す。
前述の実験と同様に、混合処理はBunburyミキサー内で実施した。マスターバッチの調製中、ミキサーを75rpmで動作させ、ピーク温度160℃に到達した。その時点で、組成物をミキサーから落とし、約85℃未満まで冷却した。次に、組成物を、表IVに示されるような量のDES-I及び酸化亜鉛を含む「最終混合段階」用に特定された構成成分と共に、ミキサーに再導入した。混合を40rpm、組成物のピーク温度約100℃で継続した。
Figure 0007011710000003
前の実験と同様に、サンプルを分析試験にかけた。試験の結果を表IVに示す。
Figure 0007011710000004
表IVのデータは、共晶溶媒の存在下で、ZnOの投入量が明らかに低減され得ることを示す。
実験III
第3の実験では、上記と同じ手順を用いて調製したDES-Iを、インナーライナの製造に有用なゴム配合物を示す加硫性組成物に導入した。混合条件は、実験IIについて上に記したものと同じであった。使用した構成成分及び混合順序を表Vに示す。
Figure 0007011710000005
前の実験と同様に、サンプルを分析試験にかけた。試験の結果を表VIに示す。
Figure 0007011710000006
MDR、機械的特性、及びレオロジー特性に加えて、加硫物はASTMのD-3985にしたがって空気透過性について分析した。表VIのデータは、共晶溶媒の存在下で、ZnOの投入量が明らかに低減され得ることを示す。
実験IV
第4の実験では、上記と同じ手順を用いて調製したDES-Iを、タイヤのベルトスキムの製造において有用なゴム配合物を示す加硫性組成物に導入した。混合条件は、実験IIについて上に記したものと同じであった。使用した構成成分及び混合順序を表VIIに示す。
Figure 0007011710000007
前の実験と同様に、サンプルを分析試験にかけた。試験の結果を表VIIIに示す。
Figure 0007011710000008
表VIIIのデータは、共晶溶媒の存在下で、ZnOの投入量が明らかに低減され得ることを示す。
実験V
第5の実験では、上記と同じ手順を用いて調製したDES-Iを、タイヤのトレッドの製造において有用なゴム配合物を示す加硫性組成物に導入した。混合条件は、使用される構成成分及び混合順序を列挙する表IXに示されるように、DES-Iがマスターバッチ構成成分と共に導入されたことを除いて、実験IIに関して上に記されたものと同じであった。前の実験と同様に、サンプルを分析試験にかけた。試験の結果も表IXに示す。
Figure 0007011710000009

表IXのデータは、共晶溶媒の存在下で、ZnOの投入量が明らかに低減され得ることを示す。
共晶溶媒IIの形成
コリンクロリドとマロン酸との共晶組成物を、1モルのコリンクロリドと1モルのマロン酸とを100℃で混合して共晶溶媒を形成することによって調製した。この共晶溶媒は、DES-IIと称され得る深共晶溶媒であると考えられた。DES-IIを標準条件下で室温まで冷却させた。
実験VI
第6の実験では、上記の手順と同じ手順を用いて調製したDES-I、及び上記で調製したDES-IIを、表Xに示されるような加硫性組成物に導入した。混合条件は、使用される構成成分及び混合順序を列挙する実験IIについて上に記したものと同じであった。
Figure 0007011710000010
前の実験と同様に、サンプルを分析試験にかけた。試験の結果も表XIに示す。
Figure 0007011710000011
表VIIIのデータは、共晶溶媒の存在下で、ZnOの投入量が明らかに低減され得ることを示す。
本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない様々な修正及び変更が当業者には明らかであろう。本発明は、本明細書に記載の例示的な実施形態に正式に限定されるものではない。

Claims (4)

  1. 加硫性組成物を調製するための方法であって、
    (i)加硫性ゴム、硬化剤、金属化合物、及び共晶組成物を配合する工程であって、前記金属化合物が酸化亜鉛である、工程を含み、
    前記加硫性組成物が、ゴム100重量部当たり2重量部未満の酸化亜鉛を含み、前記加硫性組成物が、ゴム100重量部当たり約0.005~約3重量部の前記共晶組成物を含む、方法。
  2. 前記共晶組成物が、コリンクロリドと尿素とを配合することによって形成される、請求項1に記載の加硫性組成物の調製方法。
  3. 共晶組成物が式CatzY
    (式中、Catはアンモニウムカチオン、ホスホニウムカチオン、又はスルホニウムカチオンであり、Xはハライドイオンであり、Yは、水素結合供与体、メタルハライド、又はメタルハライド水和物であり、zは、前記ハライドイオンと組み合わされるY分子(例えば、ルイス酸又はブレンステッド酸)の数を表す)
    によって定義される、請求項1又は2に記載の加硫性組成物の調製方法。
  4. 前記加硫性組成物を加熱して加硫を実現するステップによって形成される、請求項1~3のいずれか一項に記載の加硫性組成物の調製方法から調製された加硫物。
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