JP7320694B2 - 加硫可能なエラストマー配合物及び加硫エラストマー物品の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、(i)加硫可能なエラストマー配合物を形成する方法、(ii)加硫エラストマー物品を形成する方法、及び(iii)エラストマー物品を混合し、押出し、カレンダ加工し、造形し、成形し及び硬化するのに有益な配合物又は加硫可能な組成物に関する。
硫黄加硫は、特定の加硫剤(「硫黄含有硬化剤」としても知られている)の添加及び反応により、個々のポリマー鎖間の架橋を形成することにより、天然ゴム又はその他の汎用エラストマーをより耐久性のある材料に転化するためのよく知られた化学法である。耐久性加硫エラストマー物品の製造のための従来の方法において、硫黄含有硬化剤をエラストマーコンパウンドと混合して、硫黄含有硬化剤を含む加硫可能なエラストマー配合物を形成する。加硫可能なエラストマー配合物は、例えば、所望の「グリーン」(未加硫)物品又は物品構成要素(「物品」)の形状への混合、押出、カレンダ加工、造形、成形及び構築などの多数の処理工程に供される。次いで、物品は、エラストマーを加硫し、加硫エラストマー物品を形成するのに必要な条件に供される。
第一の態様において、本発明は、加硫エラストマー物品を形成するのに使用可能な加硫可能なエラストマーコンパウンドにおいて改善された熱安定性を有する加硫性組成物に関する。加硫性組成物は、一般に、加硫剤を含み、該加硫剤はシクロドデカ硫黄化合物を含む。組成物は、場合により、キャリアをさらに含む。好ましくは、シクロドデカ硫黄化合物は、示差走査熱量測定の十分に確立された方法に従って20℃/分のDSC加熱速度で測定したときに約155℃~約167℃の融点開始点(以下、DSC融点開始点と呼ぶ)を特徴とする。
本明細書で使用されるときに、以下の用語又は語句は次のように定義される。
示差走査熱量測定(DSC)-シクロドデカ硫黄化合物の融点開始点及び融点範囲を測定する示差走査熱量測定法(DSC)では、最初の加熱スキャンが行われ、そこから融解ピーク温度(Tm1)及び発熱ピーク温度(Tex1)が決定される。使用した機器は、冷却クーリングシステムを備えたTAのQ2000 DSC(RCS)であった。使用される手順は、本明細書中に以下のとおりに記載される。機器は、メーカーの「ユーザーズマニュアル」に従って、アダマンタン、インジウム、鉛の融点開始点をそれぞれ-65.54℃、156.60℃、327.47℃に設定し、インジウムの融解熱を6.8cal/gに設定することにより較正した。次に、約3.0mgの較正試料を、流量50cc/分のヘリウムの存在下に20℃/分の速度でスキャンした。硫黄含有試料の場合に、同様の方法を使用した。TAのTzeroアルミニウムパン及びリッドと2つのアルミニウム密閉リッドを天びんで風袋測定した。約3.0mgの硫黄含有試料をTzeroパンに量り取り、風袋を測定したリッドで覆い、TAのサンプルクリンパーと一対の「ブラック」ダイを使用してクリンプ締めした。「ブラック」ダイスタンドからクリンプ締めした試料を「ブルー」ダイスタンドに移動させ、2つの風袋を測定した密閉リッドを試料パンの上に置き、上部「ブルー」ダイでクリンプ締めした。空のクリンプ締めしたTzeroアルミニウムパン及びリッドと2つの密閉リッドを、参照として同様の方法で調製した。試料及び参照パンをDSCトレイに入れ、室温でセルに入れた。冷却クーリングシステムを使用してDSCを-5℃に冷却した後に、ヘリウムの存在下で20℃/分の速度で-5から200℃まで試料を加熱した。「DSC融点開始点」は、吸熱融解イベントの開始時の温度として定義される。データ解析は、TAのソフトウェアUniversal V4.7Aを使用して実行し、ここで、Tm1は、分析オプション「Signal Maximum」を使用して、融解曲線上で発生する低融解ピーク温度を指す。Tex1は、分析オプション「Signal Maximum」を使用して、Tm1の直後に発生する発熱ピーク温度を指す。
%純度= 100 [(mg IS / MW IS)*(∫ サンプル/∫ IS)*(6/16)*(MWサンプル/ mgサンプル)]
上式中、IS=内部標準であり、
MW=分子量であり、
∫= 1H NMRからの積分値である。
テトラメチルエチレンジアミン(TMEDA)(408グラム)及びメタノール(72グラム)を、メカニカルスターラ(容器の壁に近くに達する)、熱電対、N2バブラー、水凝縮器及び電気加熱マントルを備えた3L3つ口ガラスフラスコに加えた。システムを窒素でパージし、混合物の温度を35℃に調整した。425~450rpmで撹拌を維持しながら、新たに粉砕したシクロオクタ硫黄(粉末)を5分かけて添加した。温度を45℃に上げ、その後に、425~450rpmで攪拌を維持しながら、40グラムの金属亜鉛粉末(粒子サイズ<10ミクロン、純度>98%)を5分間かけて添加した。次いで、灰緑色がかった黄色の反応器の内容物をゆっくりと86℃に加熱し、4時間又は黄色になるまで撹拌した。黄色になったら、攪拌しながら混合物をその温度でさらに2時間保持した。反応時間の終わりに、フラスコを室温に冷却し、攪拌機を止め、真空抽出により遊離液体を除去した。フラスコにメタノール(600ml)を加えてスラリーを作成し、1時間攪拌した。次いで、得られたスラリーを真空ブフナーフィルタ(1ミクロン紙)でろ過し、各200mlのメタノールで2回洗浄した。固形物をフィルタから除去し、50℃及び0.1MPaに設定した真空オーブンで一晩乾燥させた。収量は定量に近く、233gの(TMEDA)ZnS6錯体で、上記手順によるNMR分析による純度は97.5%であった。
メカニカルスターラ、熱電対、N2バブラー及びストッパーを備えた2Lの4つ口ガラスフラスコに塩化メチレン(750 mL)を加えた。臭素(16.7g、104.5ミリモル、1.0eq)を50mLのCH2Cl2を含むボトルに量り入れ、この混合物をフラスコに加えた。溶液を4℃に冷却した。例1からの亜鉛錯体(TMEDA)ZnS6(純度97.5%)(40g、104.3mmol、1.0当量)を一度にすべて加え、50mLのCH2Cl2で洗浄した。11℃まですぐに発熱した。溶液を15分間撹拌し、ろ過し、冷CH2Cl2で洗浄し、吸引乾燥した。固形分をTHF(250 mL)中でスラリー化し、ろ過し、そして吸引乾燥した。得られた固形分を冷CS2(155mL)でスラリー化し、ろ過し、吸引乾燥して、10.2gの淡黄色固形分を得た。(亜鉛錯体中の硫黄に基づいて50.8%の収率)。上記のUQ元素分析法を使用した評価は、材料が96.6%の硫黄(ラマン分光法によるすべてのシクロドデカ硫黄(S12)及び硫黄ポリマー)、2.67%の亜鉛及び0.7%の臭素であることを示した。
本発明の精製シクロドデカ硫黄の幾つかのバッチを、例1及び2に例示される手順に従って調製した。各最終精製材料をラマン、Uniquat(登録商標)又はICPにより分析し、上記のとおりのDSCを使用して融点開始点を測定した。結果は、Steudel,R; Eckert,Bの“Solid Sulfur Allotropes”, Topics, Current Chemistry (2003)で10℃/分、5℃/分及び2.5℃/分のDSC加熱速度で測定された報告データから外挿した「対照」シクロドデカ硫黄の融点とともに以下の表1に示す。
最初の工程として、エラストマー物品の製造に使用される従来の材料の前駆体組成物P-1を、以下の成分を組み合わせることにより調製した。
上記の加硫可能なエラストマー配合物A-1及びC-1を、約88℃に予熱されたブラベンダー内部ミキサーに入れ、ローター速度を最初に35rpmに設定した。ゴムを混合し、ローターの速度をより速く又はより遅く調整して、それにより、ミキサー内のゴム混合物を125℃に長時間維持して、押出又はカレンダ加工操作などの可能な商業プラント処理条件をシミュレートした。以下の表9に示すように、サンプルをミキサーから様々な時点で抽出し、サンプルのシクロオクタ硫黄の質量パーセント(ポリマー硫黄及び本発明のシクロドデカ硫黄の両方の分解/逆戻りの生成物として)を上記の例3に記載のシクロオクタ硫黄の測定の方法を使用して測定した。シクロオクタ硫黄の質量パーセントの結果を以下の表9に示す。
加硫プロセス中に測定された加硫速度及び効率(最大トルク、スコーチ時間、t90及び最大加硫速度)に関連する4つのパラメータを使用して、Alpha Technologies Moving Die Rheometerを使用して、加硫可能なエラストマー配合物A-1、C-1及びC-2の複数のサンプルを130、140、155、160、167及び180℃で別々に加硫した。最大トルク(MH)は、形成されたネットワーク密度の尺度であり、弾性率の増加は架橋密度の増加に直接関係する。硬化の開始とも呼ばれるスコーチ時間(ts2)は、システムが最小測定トルクを2dNm超えるトルク増加を示すのに必要な時間として定義される。T90は90%の硬化状態に達するのに必要な時間である。最大加硫速度(Rh)は、硬化サイクル中に観察される最速の加硫速度の尺度である。これらの4つのパラメータをテストした結果を、以下の表10~13に示す。
[態様1]
エラストマーを加硫剤と混合して、エラストマーコンパウンド中に分散した前記加硫剤を含む加硫可能なエラストマー配合物を形成することを含み、前記加硫剤はシクロドデカ硫黄化合物を含む、加硫可能なエラストマー配合物を形成する方法。
[態様2]
前記シクロドデカ硫黄化合物は、20℃/分のDSC加熱速度で測定したときにDSC融点開始点が約155℃~約167℃であることを特徴とする、態様1記載の方法。
[態様3]
前記シクロドデカ硫黄化合物は、20℃/分のDSC加熱速度で測定したときにDSC融点開始点が157℃~約167℃であることを特徴とする、態様2記載の方法。
[態様4]
前記混合工程は、加硫性組成物を前記エラストマーと組み合わせて前記加硫可能なエラストマー配合物を形成することを含み、前記加硫性組成物は前記シクロドデカ硫黄化合物を含む、態様1記載の方法。
[態様5]
エラストマー物品を形成するための方法であって、a)エラストマーを加硫剤と混合して、前記エラストマー中に分散した前記加硫剤を含む加硫可能なエラストマー配合物を形成すること、ここで、前記加硫剤はシクロドデカ硫黄化合物を含む、b)前記加硫可能なエラストマー配合物を成形形状体に成形すること、及び、c)前記成形形状体を加硫して、加硫エラストマー物品を形成することを含む、方法。
[態様6]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を125℃より高く上昇させることを含む、態様5記載の方法。
[態様7]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を128℃より高く上昇させることを含む、態様5記載の方法。
[態様8]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を130℃より高く上昇させることを含む、態様5記載の方法。
[態様9]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を135℃より高く上昇させることを含む、態様5記載の方法。
[態様10]
加硫エラストマー物品を形成するための方法であって、a)エラストマーを加硫剤と混合して、前記エラストマー中に分散した前記加硫剤を含む加硫可能なエラストマー配合物を形成すること、b)前記加硫可能なエラストマー配合物を成形形状体に成形すること、及び、c)前記成形形状体を加硫して、前記加硫エラストマー物品を形成することを含み、前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を125℃より高く上昇させることを含む、方法。
[態様11]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を128℃より高く上昇させることを含む、態様10記載の方法。
[態様12]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を130℃より高く上昇させることを含む、態様10記載の方法。
[態様13]
前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を135℃より高く上昇させることを含む、態様10記載の方法。
[態様14]
前記加硫可能なエラストマー配合物は、逆戻り防止剤、早期加硫阻害剤及び遅延剤の少なくとも1つをさらに含む、態様1記載の方法。
[態様15]
前記加硫性組成物は逆戻り防止剤をさらに含む、態様14記載の方法。
[態様16]
前記逆戻り防止剤は、ヘキサメチレン-1,6-ビス(チオスルフェート)二ナトリウム塩二水和物及び1,3-ビス(シトラコナミドメチル)ベンゼンからなる群より選ばれる、態様15記載の方法。
[態様17]
前記加硫可能なエラストマー配合物は早期加硫阻害剤をさらに含む、態様14記載の方法。
[態様18]
前記早期加硫阻害剤はN-(シクロヘキシルチオ)フタルイミドである、態様17記載の方法。
[態様19]
前記加硫可能なエラストマー配合物は、ポリスルフィド、ポリスルフィド混合物及び架橋有機ケイ素ポリスルフィドからなる群より選ばれる少なくとも1つの架橋剤をさらに含む、態様1記載の方法。
[態様20]
前記加硫可能なエラストマー配合物は、2-メルカプトベンゾチアゾール、2-メルカプトベンゾチアゾールジスルフィド、及び、2-メルカプトベンゾチアゾール及び非促進性メルカプト含有部分に基づく非対称ジスルフィドからなる群より選ばれる少なくとも1つの促進剤をさらに含む、態様1記載の方法。
Claims (15)
- エラストマーを加硫剤と混合して、エラストマーコンパウンド中に分散した前記加硫剤を含む加硫可能なエラストマー配合物を形成することを含み、前記加硫剤はシクロドデカ硫黄化合物を含み、前記シクロドデカ硫黄化合物は、20℃/分のDSC加熱速度で測定したときにDSC融点開始点が155℃~167℃であることを特徴とする、加硫可能なエラストマー配合物を形成する方法。
- 前記シクロドデカ硫黄化合物は、20℃/分のDSC加熱速度で測定したときにDSC融点開始点が157℃~167℃であることを特徴とする、請求項1記載の方法。
- 前記混合工程は、加硫性組成物を前記エラストマーと組み合わせて前記加硫可能なエラストマー配合物を形成することを含み、前記加硫性組成物は前記シクロドデカ硫黄化合物を含む、請求項1記載の方法。
- エラストマー物品を形成するための方法であって、a)エラストマーを加硫剤と混合して、前記エラストマー中に分散した前記加硫剤を含む加硫可能なエラストマー配合物を形成すること、ここで、前記加硫剤はシクロドデカ硫黄化合物を含む、b)前記加硫可能なエラストマー配合物を成形形状体に成形すること、及び、c)前記成形形状体を加硫して、加硫エラストマー物品を形成することを含み、前記シクロドデカ硫黄化合物は、20℃/分のDSC加熱速度で測定したときにDSC融点開始点が155℃~167℃であることを特徴とする、方法。
- 前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を125℃より高く上昇させることを含む、請求項4記載の方法。
- 前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を128℃より高く上昇させることを含む、請求項4記載の方法。
- 前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を130℃より高く上昇させることを含む、請求項4記載の方法。
- 前記混合及び成形工程の少なくとも1つは、前記工程の少なくとも一部について、前記加硫可能なエラストマー配合物のバルク平均処理温度を135℃より高く上昇させることを含む、請求項4記載の方法。
- 前記加硫可能なエラストマー配合物は、逆戻り防止剤、早期加硫阻害剤及び遅延剤の少なくとも1つをさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記加硫性組成物は逆戻り防止剤をさらに含む、請求項9記載の方法。
- 前記逆戻り防止剤は、ヘキサメチレン-1,6-ビス(チオスルフェート)二ナトリウム塩二水和物及び1,3-ビス(シトラコナミドメチル)ベンゼンからなる群より選ばれる、請求項10記載の方法。
- 前記加硫可能なエラストマー配合物は早期加硫阻害剤をさらに含む、請求項9記載の方法。
- 前記早期加硫阻害剤はN-(シクロヘキシルチオ)フタルイミドである、請求項12記載の方法。
- 前記加硫可能なエラストマー配合物は、ポリスルフィド、ポリスルフィド混合物及び架橋有機ケイ素ポリスルフィドからなる群より選ばれる少なくとも1つの架橋剤をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記加硫可能なエラストマー配合物は、2-メルカプトベンゾチアゾール、2-メルカプトベンゾチアゾールジスルフィド、及び、2-メルカプトベンゾチアゾール及び非促進性メルカプト含有部分に基づく非対称ジスルフィドからなる群より選ばれる少なくとも1つの促進剤をさらに含む、請求項1記載の方法。
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