JPWO2008114756A1 - 共役ジオレフィン共重合ゴム、その製造方法、ゴム組成物およびタイヤ - Google Patents

共役ジオレフィン共重合ゴム、その製造方法、ゴム組成物およびタイヤ Download PDF

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Abstract

ウエットスキッド特性を損なうことなく、低ヒステリシスロス性、耐摩耗性、破壊特性が改良され、路面グリップ性がより一層改良された、種々のタイヤのトレッド用材料等に使用可能な共役ジオレフィン共重合ゴムを提供する。共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合ゴムであって;共重合体鎖に結合した第1級アミノ基とアルコキシシリル基とを有しており;芳香族ビニル化合物の含有量が共重合ゴムの5重量%以上60重量%以下であり;芳香族ビニル化合物が共重合体鎖の片方の端部に密に、他方の端部に粗に分布しており;かつ、△Tgが25℃以上である共役ジオレフィン共重合ゴムとその製造方法である。

Description

本発明は、共役ジオレフィン共重合ゴム、その製造方法、ゴム組成物およびタイヤに関する。さらに詳しくは、良好な加工性を有し、耐摩耗性、破壊特性、低ヒステリシスロスおよびウエットスキッド特性のより一層改善された自動車用タイヤトレッドを与えることができる共役ジオレフィン共重合ゴム、その製造方法、ゴム組成物およびタイヤに関する。
近年の自動車に対する安全性、運転の安定性向上の要求に伴い、タイヤ用ゴム材料として耐摩耗性、破壊特性、グリップ性に優れ、さらにウエットスキッド抵抗に代表される操縦安定性をも兼ね備えた共役ジオレフィン系ゴムが望まれている。
ヒステリシスロス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、これらはウエットスキッド抵抗性が小さいという問題がある。
ウエットスキッド抵抗を損なうことなくヒステリシスロスを低減する方法として、炭化水素溶媒中で有機リチウムを開始剤として重合された種々の構造のスチレンーブタジエン共重合体の重合体末端に官能基を導入する方法が提案されている。重合体末端をスズ化合物で変性またはカップリングして得られるスチレンーブタジエン共重合体(特許文献1参照)、重合体末端をイソシアナート化合物などで変性したスチレン−ブタジエン共重合体が知られている(特許文献2参照)。これらの変性重合体は、特にカーボンブラックを補強剤として配合した組成物において、ウエットスキッド抵抗を損なうことなくヒステリシスロスを低減し、さらに耐摩耗性、破壊特性に優れるという効果を発現する。
一方、最近タイヤ用ゴム材料として、補強剤にシリカあるいはシリカとカーボンブラックの混合物を配合したゴム組成物を使用する方法が提案されている。シリカあるいはシリカとカーボンブラックの混合物を配合したタイヤトレッドは転がり抵抗が小さく、ウエットスキッド抵抗に代表される操縦安定性能は良いが、その反面、加硫物の引っ張り強度や耐摩耗性が低いという問題がある。上記の変性スチレン−ブタジエン共重合体はカーボンブラックを補強剤とする組成物においては、耐摩耗性、破壊特性に優れたタイヤ用ゴム材料となるが、シリカを補強剤として使用した組成物においてその改良効果は小さい。
シリカあるいはシリカとカーボンブラックの混合物を配合した加硫物の引っ張り強度や耐摩耗性を改良する目的で、シリカと親和性のある官能基を導入した重合体を含むゴム組成物が提案されている。特許文献3には、シリコンテトラハライドやトリハロシランなどを反応させて重合体を生成する方法が提案されている。また、特許文献4にはハロゲン化シラン化合物で変性された重合体を製造する方法が開示されている。さらにまた、特許文献5にはアルキルシリル基、特許文献6にはハロゲン化シリル基が導入されたジエン系ゴムが開示されている。また、特許文献7には、第3級アミノ基とアルコキシシリル基が導入されたジエン系ゴムが開示されている。
シリカあるいはシリカとカーボンブラックの混合物を配合した組成物に、これらの変性重合体を使用することで、ある程度の物性改良は見られるものの、未だ加硫物の引っ張り強度や耐摩耗性の改善は十分ではなく、また特にシリカとカーボンブラックの混合物を配合するときのカーボンブラックの比率向上に伴いヒステリシスロスの低減も十分ではなかった。また一般に、シリカ配合組成物はカーボンブラック配合組成物に対して加工性に劣り、そのため加工コストが高いという問題があった。上記したシリカと親和性のある官能基を導入した重合体を使用すると、さらにその加工性が悪化する傾向にあり好ましくなかった。
従来知られている変性重合体は、主にカーボンブラック配合に適したものとシリカ配合物に適したものに類別され、タイヤなどを製造するときにはその補強剤の種類を変更すると、使用するゴムを選択しなおす必要があった。さらに、シリカとカーボンブラックの混合物を配合するときには、いずれの変性重合体を使用してもその効果は、シリカとカーボンブラックの混合比に相関して増加あるいは低減していた。
また、カーボンブラック配合においてもシリカ配合においても、効果的な変性重合体として、アミノ基の導入された重合体が考えられる。カーボンブラック配合については(1)リチウムアミド開始剤を用いて重合末端にアミノ基が導入された重合体(特許文献8〜12参照)、(2)有機リチウム開始剤で重合された種々の構造のスチレンーブタジエン共重合体の重合体末端を尿素化合物(特許文献13参照)、ジアルキルアミノベンゾフェノン化合物(特許文献14および15参照)、ラクタム化合物(特許文献16参照)などの含窒素化合物で変性して得られる重合体が提案されている。また、シリカ配合用重合体として、特許文献17〜19にはアミノ基が導入されたジエン系ゴムが提案されている。
これらの方法で得られた重合体は、カーボンブラック配合・シリカ配合のそれぞれの配合において、種々の物性の改良をある程度までは達成した。しかしながら、上記先行技術では、主に重合体にアミノ基を導入する方法を詳細に述べており、重合体そのものの構造と各性能の関係については、一般的な事項以上には言及されていなかった。
本発明者らは、カーボンブラック配合・シリカ配合のいずれの配合においても良好な加工性を有し、ウエットスキッド特性を損なうことなく、低ヒステリシスロス性、耐摩耗性、破壊特性が同時に改良された新規な共役ジオレフィン共重合ゴムとして、共重合体鎖に結合した第1級アミノ基とアルコキシシリル基とを有する共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合ゴムを提案した(特許文献20、21参照)。これによって上記のような種々のゴム特性の改良されたものが得られるが、さらなる運転の安定性、安全性の向上のために、優れたウエットスキッド特性や耐摩耗性を有するとともに、反撥係数が低く、乾燥時および雨天時の路面グリップ性(ドライグリップ、ウエットグリップ)の優れたものが求められている。
特開昭57−55912号公報 特開昭61−141741号公報 特公昭49−36957号公報 特公昭52−5071号公報 特開平1−188501号公報 特開平5−230286号公報 特開平7−233217号公報 特開昭59−38209号公報 特公平5−1298号公報 特開平6−279515号公報 特開平6−199923号公報 特開平7−53616号公報 特開昭61−27338号公報 特開昭58−162604号公報 特開昭58−189203号公報 特開昭61−43402号公報 特開平1−101344号公報 特開昭64−22940号公報 特開平9−71687号公報 特開2003−171418号公報 特開2004−67987号公報
本発明の目的は、新規な共役ジオレフィン共重合ゴムを提供することにある。本発明の他の目的は、カーボンブラック配合・シリカ配合のいずれの配合においても良好な加工性を有し、耐摩耗性、破壊特性を損なうことなく、低ヒステリシスロス性が改良され、特にタイヤにした時のウェットスキッド特性および路面グリップ性と、低転がり抵抗のバランスがより一層、高度に改良された、種々のタイヤのトレッド用材料、サイドウォール用材料として使用可能な、共役ジオレフィン共重合ゴムを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する工業的に有利な方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムを含有する上記の如き諸特性を有するゴム組成物を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、本発明のゴム組成物をタイヤトレッド部材に用いたタイヤを提供することにある。本発明のさらに他の目的および利点は以下の説明から明らかになろう。すなわち、本発明によれば、以下に示す共役ジオレフィン共重合ゴム、その製造方法、ゴム組成物およびタイヤが提供される。
[1] 共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合ゴムであって、
(1)共重合体鎖に結合した第1級アミノ基とアルコキシシリル基とを有しており、
(2)芳香族ビニル化合物の重合単位の含有量が共重合ゴムの5重量%以上60重量%以下であり、
(3)芳香族ビニル化合物が共重合ゴムの共重合体鎖の片方の端部に密に、他方の端部に粗に分布しており、かつ
(4)差動走査熱量計(DSC)によって分析される吸熱曲線におけるガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が25℃以上、
である、共役ジオレフィン共重合ゴム。
[2] 芳香族ビニル化合物の重合単位が1個の芳香族ビニル化合物単鎖が全結合芳香族ビニル化合物の40質量%未満であり、かつ芳香族ビニル化合物単位が2〜7個連なった芳香族ビニル化合物連鎖が全結合芳香族ビニル化合物の50質量%以上である、上記[1]に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
[3] ヘテロ原子として窒素を含む有機化合物を開始剤として、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合によって得られる、上記[1]に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
[4] 第1級アミノ基の含有量が0.5〜200mmol/kg・共重合ゴムポリマーであり、そしてアルコキシシリル基の含有量が0.5〜200mmol/kg・共重合ゴムポリマーである、上記[1]に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
[5] ガラス転移温度域での変曲点間の温度差△Tgが、30℃以上である、上記[1]〜[4]のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
[6] 下記式(1)
Figure 2008114756
[ここで、Pは共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合体鎖であり、Rは炭素数1〜12のアルキレン基であり、RおよびRは各々独立に炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基であり、nは1〜2の整数であり、mは1〜2の整数でありそしてkは1〜2の整数である、ただしn+m+kは3〜4の整数である]、
または下記式(2)
Figure 2008114756
[ここで、P,R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、jは1〜3の整数であり、そしてhは1〜3の整数である、ただしj+hは2〜4の整数である]、
で表わされる、上記[1]〜[5]のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
[7] ルイス塩基を含有する炭化水素溶媒中で、有機アルカリ金属化合物および有機アルカリ土類金属化合物、リチウムアミド化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を開始剤として用いて、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物を共重合するに際して、反応媒体中にカリウム化合物を添加するとともに、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上の割合となるモノマー組成で重合反応を行うことを含む、共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する方法。
[8] さらに、重合反応により得られた重合活性末端と下記式(3)
Figure 2008114756
[ここで、R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、R,RおよびRは、各々独立に炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基であるかあるいはそれらの2つは互いに結合してそれらが結合している珪素原子と一緒になって環を形成してもよく、gは1〜2の整数でありそして、fは1〜10の整数である]、
または下記式(4)
Figure 2008114756
[ここで、R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、R,RおよびRの定義は上記式(3)に同じであり、そしてeは1〜2の整数である]、
で表わされる少なくとも1つのアミノ基含有アルコキシシラン化合物を反応させ、しかる後加水分解することにより、共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する、上記[7]に記載の方法(以下、「第1製造法」という)。
[9] 上記アミノ基含有アルコキシシラン化合物が、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジエトキシシランまたは1−トリメチルシリル−2,2−ジメトキシ−1−アザ−2−シラシクロペンタンである、上記[8]に記載の方法。
[10] ルイス塩基を含有する炭化水素溶媒中で、下記式(5)
(RSi)−N−R−Li (5)
[ここで、Rの定義は上記式(1)に同じであり、R,RおよびRの定義は、上記式(3)に同じである]、
または、下記式(6)
Figure 2008114756
[ここで、Rの定義は上記式(1)に同じであり、RおよびRは、各々独立に水素または炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基でありそしてdは1〜7の整数である]、
で表わされるリチウムアミド開始剤を用いて、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物をアニオン重合させるに際し、反応媒体中にカリウム化合物を添加するとともに、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上の割合となるモノマー組成で重合反応を行い、
そのようにして得られた重合活性末端と、
下記式(7)
Figure 2008114756
[ここで、RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、Xはハロゲン原子でありcは0〜2の整数であり、そしてbは1〜4の整数である、ただしc+bは2〜4の整数である]、
で表わされるアルコキシシラン化合物を反応させることにより、共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する、上記[7]に記載の方法(以下、「第2製造法」という)。
[11] 重合反応の初期に芳香族ビニル化合物が過剰の状態で反応を行い、重合反応の後半に全モノマーの30モル%以上の共役ジオレフィンを追加添加する、上記[7]〜[10]のいずれかに記載の方法。
[12] カリウム化合物が、有機スルホン酸カリウム塩、有機カルボン酸カリウム塩、カリウムアルコキシド、カリウムフェノキシド及び有機亜燐酸エステルのカリウム塩からなる群から選ばれる化合物であることを特徴とする、上記[7]〜[11]のいずれかに記載の方法。
[13] カリウム化合物を、開始剤の有機アルカリ金属、有機アルカリ土類金属、又はリチウムアミドから選ばれる開始剤の1g原子あたり0.01〜0.5モル用いる、上記[7]〜[12]に記載の方法。
[14] 上記[1]〜[6]のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴム100質量部に対し、伸展油10〜100質量部を含有してなる、油展共重合ゴム。
[15] 上記[1]〜[6]のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴムが全ゴム成分の30重量%以上を占める全ゴム成分100質量部に対し、フィラー20〜120質量部を含有してなる、ゴム組成物。
[16] 上記フィラーの少なくとも1質量部がシリカであり、さらにシリカ100質量部に対してシランカップリング剤を0.5〜20重量部含有する、上記[15]に記載のゴム組成物。
[17] 上記[15]または[16]に記載のゴム組成物をトレッド部材に用いたタイヤ。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、特にウエットスキッド特性および路面のグリップ特性と低転がり抵抗が従来のものに比べてさらに一層改善され、低燃費性に優れた乗用車用高性能タイヤ、競技用タイヤなどのトレッドゴムとして用いた場合に非常に優れた性能を発揮する。
以下、本発明について、その実施形態を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されて解釈されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物、および場合により共重合可能な第3モノマーとを共重合して得られた共重合体であって、芳香族ビニル化合物の重合単位が特定割合のものであり、かつ芳香族ビニル化合物の重合単位が共重合体鎖の中で偏在して存在するものである。更に重合鎖の末端に第1級アミノ基およびアルコキシシリル基を有することを特徴とするものである。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、その重合体の構造がモノマーである共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物の一般的なランダムな共重合体でも、ブロック共重合体でも使用することができる。更にその重合体鎖中の芳香族ビニル化合物の重合単位が1個の芳香族ビニル化合物単鎖が全結合芳香族ビニル化合物の40質量%未満であり、かつ芳香族ビニル化合物単位が2〜7個連なった芳香族ビニル化合物連鎖が全結合芳香族ビニル化合物の50質量%以上からなる共重合体(以下においてこの構造部分を「マイクロブロック構造」ということもある)の構造のものも使用することもできる。
そして、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、芳香族ビニル化合物が共重合ゴムの重合体鎖の片方の端部に密に、他方の端部に粗に分布しており、かつ、差動走査熱量計(DSC)によって分析される吸熱曲線におけるガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が25℃以上であることを特徴とする。この場合、芳香族ビニル化合物の重合単位の分布は、共重合体鎖の重合開始末端側が密に分布するものでも、重合終了末端側が密に分布するもののいずれでもよい。
本発明で使用する共役ジオレフィンとしては、例えば1,3−ブタジエン、イソプレン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロロ−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエンおよびこれらの混合物などが好ましく用いられる。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴム中の共役ジオレフィン含量(共役ジオレフィンの使用量)は、40〜95重量%、好ましくは50〜95重量%である。40重量%未満では、耐摩耗性、反発弾性が劣り、一方、95重量%を超えると、破壊強力が劣り目的とするゴム組成物が得られない。
芳香族ビニル化合物としては、例えばスチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、α−メチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,4−ジイソプロピルスチレン、4−tert−ブチルスチレン、ジビニルベンゼン、tert−ブトキシスチレン、ビニルベンジルジメチルアミン、(4−ビニルベンジル)ジメチルアミノエチルエーテル、N,N−ジメチルアミノエチルスチレン、ビニルピリジンおよびこれらの混合物などを挙げることができる。これらのうちスチレンが特に好ましい。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴム中の芳香族ビニル化合物含量(芳香族ビニルの使用量)は、5〜60重量%、好ましくは5〜50重量%である。5重量%未満では、破壊強力が劣り目的とするゴム組成物が得られない。一方、60重量%を超えると、低ヒステリシスロス性能、反発弾性が劣り、タイヤにした時の転がり抵抗が上昇し好ましくない。
また、第3モノマーとしては、例えばアクリロニトリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタクリル酸ヒドロキシエチルおよびアクリル酸ヒドロキシエチルを挙げることができる。
共重合ゴム中の第3モノマーの含量(使用量)は、通常、25重量%以下、好ましくは15重量%以下である。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、重合開始剤としてヘテロ原子として窒素を含む有機化合物を使用して、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物を共重合して得られることが好ましい。したがって、この場合、共重合体の重合開始末端に、これらの重合開始剤の残基である3級アミノ基を有する。そして、本発明では、共重合体鎖のもう一方の末端に重合停止剤に由来する第1級アミノ基とアルコキシシリル基を結合したものである。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムにおいては、芳香族ビニル化合物の重合単位が1個の単鎖は40質量%未満が好ましく、35質量%以下がより好ましく、かつ芳香族ビニル化合物の重合単位が2〜7個連なった連鎖が全結合芳香族ビニル化合物の50質量%以上が好ましく、より好ましくは55質量%以上、特に好ましくは60質量%以上である。芳香族ビニル化合物単連鎖が40質量%以上では、耐摩耗性、強度、破壊特性、ひき裂き強度が劣り、また芳香族ビニル化合物の重合単位が2〜7個連なった連鎖が50質量%未満では、反発弾性やタイヤにしたときの転がり抵抗が劣る。ここで、上記共重合ゴムの芳香族ビニル化合物連鎖は、例えば、共重合ゴムをオゾンによって分解したのち、ゲルパーミエーションクロマトグラムによって分析される〔田中ら、Polymer, 22, 1721(1981)〕。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との単純なランダム共重合体或いはブロック共重合体ではなく、その重合体鎖の中で芳香族ビニル化合物がその片方の端部に密に存在し、他方の端部に粗に存在していることを特徴とするものである。この場合、偏在する芳香族ビニル化合物の重合単位が1個の単鎖であっても、重合単位が2〜8個の連鎖のものであってもよい。このような構造を持った共役ジオレフィン芳香族ビニル化合物共重合体を得るには、例えば重合開始時には芳香族ビニル化合物の濃度の高い状態で反応を行い、重合反応の後半では共役ジオレフィンを追加添加して重合反応をすることによって得ることができる。
また、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、差動走査熱量計(DSC)によって分析される吸熱曲線におけるガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が25℃以上、好ましくは30℃以上、更に好ましくは30〜55℃のものである。共役ジオレフィン芳香族ビニル化合物共重合体において、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物のランダムな重合体の場合には、この△Tgが5〜15℃の範囲にあるが、芳香族ビニル化合物が重合体鎖の片方に密に偏在した構造の場合には△Tgが25℃以上となり、この偏在の程度が大きくなるほど△Tgの値が大きくなり、30〜55℃程度となる。
そして、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、上記のような芳香族ビニル化合物単位が共重合体鎖の中で偏在している共役ジオレフィン芳香族ビニル化合物共重合体の末端に第1級アミノ基とアルコキシシリル基を結合したものである。
本発明の共重合ゴムに結合する第1級アミノ基の含有量は、好ましくは0.5〜200mmol/kg・共重合ゴムポリマーである。同含有量は、さらに好ましくは1〜100mmol/kg・共重合ゴムポリマーであり、特に好ましくは2〜50mmol/kg・共重合ゴムポリマーである。ここで,共重合ゴムポリマーとは、製造時または製造後、添加される老化防止剤などの添加剤を含まないポリマーのみの重量を意味する。
第1級アミノ基は、重合開始末端、重合終了末端、重合体主鎖、側鎖のいずれに結合していてもよいが、重合体末端からエネルギー消失を抑制してヒステリシスロス特性を改良しうる点から、重合開始末端あるいは重合終了末端に導入されていることが好ましい。
また、ポリマー鎖に結合する第1級アミノ基の数が200mmol/kg・共重合ゴムポリマーを超えると、カーボンブラックやシリカなどの補強剤との相互作用が高くなりすぎて、配合粘度が向上して加工性が悪化する。一方、第1級アミノ基の数が0.5mmol/kg・共重合ゴムポリマー未満では、第1級アミノ基を導入した効果が発現し難くなる。すなわち、得られる共重合ゴムのヒステリシスロス特性、耐摩耗性、破壊特性の改良が十分ではなく、好ましくない。
また、共重合ゴムに結合するアルコキシシリル基の含有量は、好ましくは0.5〜200mmol/kg・共重合ゴムポリマーである。同含有量は、さらに好ましくは1〜100mmol/kg・共重合ゴムポリマーであり、特に好ましくは2〜50mmol/kg・共重合ゴムポリマーである。
アルコキシシリル基は、重合開始末端、重合終了末端、重合体主鎖、側鎖のいずれに結合していてもよいが、重合体末端からエネルギー消失を抑制してヒステリシスロス特性を改良しうる点から、重合終了末端に導入されていることが好ましい。
また、ポリマー鎖に結合するアルコキシシリル基の数が200mmol/kg・共重合ゴムポリマーを超えると、カーボンブラックやシリカなどの補強剤との相互作用が高くなりすぎて、配合粘度が向上して加工性が悪化する。一方、アルコキシシリル基の数が0.5mmol/kg・共重合ゴムポリマー未満では、アルコキシシリル基を導入した効果が発現しなくなる。すなわち、得られる共重合ゴムのヒステリシスロス特性、耐摩耗性、破壊特性の改良が十分ではなく、好ましくない。
従って、このような本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、次の式(1)
Figure 2008114756
[ここで、Pは共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合体鎖であり、Rは炭素数1〜12のアルキレン基であり、RおよびRは各々独立に炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基であり、nは1〜2の整数であり、mは1〜2の整数でありそしてkは1〜2の整数である、ただしn+m+kは3〜4の整数である]、
または、次の式(2)
Figure 2008114756
[ここで、P,R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、jは1〜3の整数であり、そしてhは1〜3の整数である、ただしj+hは2〜4の整数である]、
によって表わすことができる。そして、この式(1)または式(2)中の共重合体鎖のPが、上述のような芳香族ビニル化合物単位が共重合体鎖の中でその片方の端部に密に偏在している共役ジオレフィン芳香族ビニル化合物共重合体鎖である。
このような芳香族ビニル化合物が共重合体鎖の中の片方に密に偏在して存在し、かる共重合体鎖の末端に第1級アミノ基とアルコキシシリル基を結合した構造をもった本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、特にウエットスキッド特性および路面のグリップ特性と低転がり抵抗が従来のものに比べてより一層改善されており、特に低燃費性に優れた乗用車用高性能タイヤ、競技用タイヤなどのトレッドゴムとして好ましく使用される。
次に、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムの製造法について説明する。本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、ルイス塩基を含有する炭化水素溶媒中で、有機アルカリ金属化合物、有機アルカリ土類金属化合物、リチウムアミド化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を開始剤として用いて、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物を共重合するに際して、反応媒体中にカリウム化合物を添加するとともに、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上の、好ましくは0.55以上の芳香族ビニル化合物が過剰となる割合で重合反応を行い、得られた重合活性末端とアルコキシシラン化合物を反応させて製造することができる。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムの製造においては、芳香族ビニル化合物が重合体鎖の中に偏在した状態とするためには、以下に詳しく述べる第1製造法と第2製造法のいずれにおいても、開始剤の存在下に、炭化水素溶媒中で共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物の重合反応を行うに際して、カリウム化合物を添加することとともに、反応過程における芳香族ビニル化合物の濃度を一定の条件に制御することが重要である。具体的には、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上の、好ましくは0.55以上の割合でかつ0.9以下、好ましくは0.8以下となるモノマー組成で重合反応を行い、その後の重合系中の芳香族ビニル化合物モノマー含有量が特定濃度範囲になるように共役ジオレフィンモノマーを追加添加する方法が有効である。共役ジオレフィンモノマーを追加添加する方法は、例えば、重合反応の後半に全モノマーの30モル%以上、好ましくは35モル%以上の共役ジオレフィンを追加添加することが挙げられる。さらに追加添加は、一括で全量を添加する方法、連続的または断続的に供給する方法などがある。
第1製造法によれば、本発明の共重合ゴムは、炭化水素溶媒中で、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物とを、有機アルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を重合開始剤として、カリウム化合物の存在下にアニオン重合せしめ、重合が実質的に完了した時点で、保護された1級アミノ基とアルコキシシリル基を有する化合物を添加してリビング重合鎖末端に反応せしめ、次いで脱保護(加水分解)することにより製造することができる。本製造法であれば、(1)一段反応で容易に第1級アミノ基とアルコキシシリル基を同時に導入することができ、(2)高い導入率を得ることが可能である。
保護された第1級アミノ基とアルコキシシリル基を有する化合物としては、例えば下記式(3)または下記式(4)
Figure 2008114756
Figure 2008114756
で表される化合物を挙げることができる。
上記式(3)及び(4)において、Rの炭素数1〜12のアルキレン基としては、例えばメチレン基、エチレン基およびプロピレン基を挙げることができる。
炭素数1〜20のアルキル基としては、例えばメチル基、エチル基およびプロピル基を挙げることができる。
アリール基としては、例えばフェニル基、トルイル基およびナフチル基を挙げることができる。
また、R,RおよびRの2つが結合してそれらが結合している珪素原子と一緒になって形成する環は、4〜7員環であることができる。
また、アミノ基の保護基としては、アルキルシリル基を挙げることができる。アルキルシリル基としては、例えばトリメチルシリル基、トリエチルシリル基、トリフェニルシリル基、メチルジフェニルシリル基およびエチルメチルフェニルシリル基を挙げることができる。
保護された第1級アミノ基とアルコキシシリル基を有する化合物としては、例えばN,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、1−トリメチルシリル−2,2−ジメトキシ−1−アザ−2−シラシクロペンタン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルトリメトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルトリエトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジエトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノエチルトリメトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノエチルトリエトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノエチルメチルジメトキシシランおよびN,N−ビス(トリメチルシリル)アミノエチルメチルジエトキシシランなどを挙げることができ、好ましくは、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジエトキシシランまたは1−トリメチルシリル−2,2−ジメトキシ−1−アザ−2−シラシクロペンタンである。
また、第2製造法によれば、本発明の共重合ゴムは、炭化水素溶媒中で共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物を、下記式(5)
(RSi)−N−R−Li (5)
[ここで、R,R,RおよびRの定義は、上記式(3)に同じである]、
または、下記式(6)
Figure 2008114756
[ここで、Rの定義は上記式(3)に同じであり、RおよびRは、各々独立に水素または炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基であり、そしてdは1〜7の整数である]、で表されるリチウムアミド開始剤を用いて、カリウム化合物の存在下に、アニオン重合せしめ、重合が実質的に完了した時点で、下記式(7)
Figure 2008114756
[ここで、RおよびRの定義は上記式(3)に同じであり、Xはハロゲン原子であり、cは0〜2の整数であり、そしてbは1〜4の整数である、ただしc+bは2〜4の整数である]、
で表されるアルコキシシラン化合物を添加してリビング重合鎖末端に反応せしめることにより製造することができる。
次に、第1製造法について詳しく説明する。本発明の共重合ゴムを得るための、重合反応および保護された1級アミノ基とアルコキシシリル基を有する化合物との反応は、通常、0〜120℃の温度範囲で行われ、一定温度条件下でも上昇温度条件下でもよい。保護された第1級アミノ基を脱保護させるための加水分解は、80〜150℃、好ましくは90〜120℃の温度範囲で、保護された第1級アミノ基とアルコキシシリル基を有する化合物の2倍モル以上の水もしくは酸性水などを添加し、10分間以上、好ましくは30分間以上反応させることにより行われる。重合方式は、バッチ重合方式または連続重合方式のいずれでもよい。
重合に使用される有機アルカリ金属および有機アルカリ土類金属の開始剤の例としては、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、t−ブチルリチウムなどのアルキルリチウム、1,4−ジリチオブタンなどのアルキレンジリチウム、フェニルリチウム、スチルベンリチウム、リチウムナフタレン、ナトリウムナフタレン、カリウムナフタレン、n−ブチルマグネシウム、n−ヘキシルマグネシウム、エトキシカルシウム、ステアリン酸カルシウム、t−ブトキシストロンチウム、エトキシバリウム、イソプロポキシバリウム、エチルメルカプトバリウム、t−ブトキシバリウム、フェノキシバリウム、ジエチルアミノバリウム、ステアリン酸バリウムなどが挙げられる。
また、必要に応じて二官能性の有機アルカリ金属を重合開始剤として使用することも出きる。二官能性の有機アルカリ金属重合開始剤としては、リチウムナフタレン、ナトリウムナフタレンのような芳香族ラジカルアニオンが良く知られている。また、二官能性の有機アルカリ金属重合開始剤は、芳香族ジビニル化合物とその2倍モルの有機アルカリ金属および有機アルカリ土類金属との反応によって合成することもできる。芳香族ジビニル化合物の例としては、m−ジビニルベンゼン、m−ジイソプロペニルベンゼンや1,3−ビス(1−フェニルエテニル)ベンゼンなどが使用できる。
また、上記開始剤としての有機アルカリ金属は、第2級アミン化合物または第3級アミン化合物との反応生成物として共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物の共重合に使用することができる。上記第2級アミン化合物または第3級アミン化合物と反応させる有機アルカリ金属としては、有機リチウム化合物が好ましい。より好ましくは、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウムが用いられる。
有機アルカリ金属と反応させる第2級アミン化合物の例としては、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジ−n−ブチルアミン、ジ−sec−ブチルアミン、ジペンチルアミン、ジヘキシルアミン、ジ−n−オクチルアミン、ジ−(2−エチルヘキシル)アミン、ジシクロヘキシルアミン、N−メチルベンジルアミン、ジアリルアミン、モルホリン、ピペラジン、2,6−ジメチルモルホリン、2,6−ジメチルピペラジン、1−エチルピペラジン、2−メチルピペラジン、1−ベンジルピペラジン、ピペリジン、3,3−ジメチルピペリジン、2,6−ジメチルピペリジン、1−メチル−4−(メチルアミノ)ピペリジン、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン、ピロリジン、2,5−ジメチルピロリジン、アゼチジン、ヘキサメチレンイミン、ヘプタメチレンイミン、5−ベンジルオキシインドール、3−アザスピロ[5,5]ウンデカン、3−アザビシクロ[3.2.2]ノナン、カルバゾールなどが挙げられる。
また、有機アルカリ金属と反応させる第3級アミン化合物の例としては、N,N−ジメチル−o−トルイジン、N,N−ジメチル−p−トルイジン、N,N−ジメチル−m−トルイジン、α−ピコリン、β−ピコリン、γ−ピコリン、ベンジルジメチルアミン、ベンジルジエチルアミン、ベンジルジプロピルアミン、ベンジルジブチルアミン、(o−メチルベンジル)ジメチルアミン、(m−メチルベンジル)ジメチルアミン、(p−メチルベンジル)ジメチルアミン、N,N−テトラメチレン−o−トルイジン、N,N−ヘプタメチレン−o−トルイジン、N,N−ヘキサメチレン−o−トルイジン、N,N−トリメチレンベンジルアミン、N,N−テトラメチレンベンジルアミン、N,N−ヘキサメチレンベンジルアミン、N,N−テトラメチレン(o−メチルベンジル)アミン、N,N−テトラメチレン(p−メチルベンジル)アミン、N,N−ヘキサメチレン(o−メチルベンジル)アミン、N,N−ヘキサメチレン(p−メチルベンジル)アミンなどが挙げられる。
開始剤としては、ヘテロ原子として窒素を含む有機化合物が好ましく、例えば、第3級アミン化合物と有機アルカリ金属化合物との反応生成物、あるいはヘテロ原子として窒素を含む有機アルカリ金属化合物を挙げることができる。この第3級アミン化合物としては、上記と同様のものを挙げることができる。なお、この開始剤は、特開平11−246633号公報に詳しく記載される。
上記の有機アルカリ金属化合物は、上記第3級アミン化合物の活性水素原子(H)をアルカリ金属(Li、Na、K、RbまたはSc)で置換した化合物である。
ここで、第3級アミン化合物と有機アルカリ金属化合物との反応生成物を重合開始剤として共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物とを共重合する際に、上記第3級アミン化合物と反応させる有機アルカリ金属化合物としては、有機リチウム化合物が好ましい。具体的にはエチルリチウム、プロピルリチウム、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、tert−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、あるいはこれらの混合物を挙げることができ、好ましくはn−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウムが用いられる。
また、重合には、必要に応じて、ジエチルエーテル、ジ−n−ブチルエーテル、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、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、2,2−(ビステトラヒドロフルフリル)プロパン、ビステトラヒドロフルフリルホルマール、テトラヒドロフルフリルアルコールのメチルエーテル、テトラヒドロフルフリルアルコールのエチルエーテル、テトラヒドロフルフリルアルコールのブチルエーテル、α−メトキシテトラヒドロフラン、ジメトキシベンゼン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物および/またはトリエチルアミン、ピリジン、N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン、ジピペリジノエタン、N,N−ジエチルエタノールアミンのメチルエーテル、N,N−ジエチルエタノールアミンのエチルエーテル、N,N−ジエチルエタノールアミンのブチルエーテルなどの第3級アミン化合物を、重合系中に添加して、共役ジオレフィン共重合ゴムの共役ジオレフィン部分のミクロ構造(ビニル結合含量)を調整することができる。
本発明の共重合ゴムを重合する際に使用される炭化水素溶媒としては、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。これらのうちシクロヘキサン、ヘプタンが好ましい。
本発明において、芳香族ビニル化合物を共重合体鎖の中の片方に密な状態で、他方に粗な状態に偏在させるために、上記重合開始剤とともに、カリウム化合物を添加することが必要である。
また、反応に際しては、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上、好ましくは0.55以上となるように芳香族ビニル化合物が過剰となる割合で反応を行い、反応が進行して芳香族ビニル化合物の濃度が低くなった時点で全モノマーの30モル%以上、好ましくは35モル%以上の共役ジオレフィンを断続的に、または連続的に追加して反応を続行する。このようにして、重合反応の初期には芳香族ビニル化合物が密に存在し、重合反応の後半には芳香族ビニル化合物が密に存在する共役ジオレフィン共重合体が得られる。
重合開始剤とともに添加されるカリウム化合物としては、例えばカリウムイソプロポキシド、カリウム−t−ブトキシド、カリウム−t−アミロキシド、カリウム−n−ヘプタオキシド、カリウムベンジルオキシド、カリウムフェノキシドに代表されるカリウムアルコキシド、カリウムフェノキシド;イソバレリアン酸、カプリル酸、ラウリル酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、リノレイン酸、安息香酸、フタル酸、2−エチルヘキサン酸などの有機カルボン酸のカリウム塩;ドデシルベンゼンスルホン酸、テトラデシルベンゼンスルホン酸、ヘキサデシルベンゼンスルホン酸、オクタデシルベンゼンスルホン酸などの有機スルホン酸のカリウム塩;亜リン酸ジエチル、亜リン酸ジイソプロピル、亜リン酸ジフェニル、亜リン酸ジブチル、亜リン酸ジラウリルなどの、有機亜リン酸部分エステルのカリウム塩などが用いられる。
これらのカリウム化合物は、開始剤のアルカリ金属1グラム原子当量あたり、0.005〜0.5モルの量で添加できる。0.005モル未満では、カリウム化合物の添加効果(開始剤の反応性向上、芳香族ビニル化合物のランダム化または単連鎖・長連鎖付与)が現れず、一方0.5モルを超えると、重合活性が低下し、生産性を大幅に低下させることになるとともに、重合体末端を官能基で変性する反応を行なう際の変性効率が低下する。
また、上記カリウム化合物とともに、必要に応じて、アルコール、チオアルコール、有機カルボン酸、有機スルホン酸、有機亜リン酸、第1級アミン、および第2級アミンの群から選ばれた少なくとも1種の化合物をカリウム塩の1モルあたり0.1〜5モルで、かつ有機アルカリ金属および/または有機アルカリ土類金属の1g原子あたり0.1モル以下の量を使用することができる。
これらの化合物の好適な例は、特開昭63−297410号公報第3頁右下欄下から第5行〜第4頁左上欄第9行の化合物が挙げられる。
また、本発明で使用されるアミノ基含有アルコキシシラン化合物と併用して下記カップリング剤を添加することも可能である。
すなわち、アミノ基含有アルコキシシラン化合物と併用して、重合活性末端に反応させるカップリング剤としては、(a)イソシアナート化合物および/またはイソチオシアナート化合物、(b)アミド化合物および/またはイミド化合物、(c)ピリジル置換ケトン化合物および/またはピリジル置換ビニル化合物、(d)ケイ素化合物、(e)エステル化合物、(f)ケトン化合物ならびに(g)スズ化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物が挙げられる。
これらの化合物のうち、(a)成分であるイソシアナート化合物またはチオイソシアナート化合物の具体例としては、2,4−トリレンジイソシアナート、2,6−トリレンジイソシアナート、ジフェニルメタンジイソシアナート、ポリメリックタイプのジフェニルメタンジイソシアナート(C−MDI)、イソホロンジイソシアナート、ヘキサメチレンジイソシアナート、1,3,5−ベンゼントリイソシアナート、フェニル−1,4−ジイソチオシアナートなどを好ましいものとして挙げることができる。
(b)成分であるアミド化合物またはイミド化合物の具体例としては、コハク酸アミド、フタル酸アミド、N,N,N’,N’−テトラメチルフタル酸アミド、オキサミド、N,N,N’,N’−テトラメチルオキサミドなどのアミド化合物、コハク酸イミド、N−メチルコハクイミド、マレイミド、N−メチルマレイミド、フタルイミド、N−メチルフタルイミドなどのイミド化合物を好ましいものとして挙げることができる。
(c)成分であるピリジル置換ケトン化合物またはピリジル置換ビニル化合物の具体例としては、ジベンゾイルピリジン、ジアセチルピリジン、ジビニルピリジンなどを好ましいものとして挙げることができる。
(d)成分であるケイ素化合物の具体例としては、ジブチルジクロロケイ素、メチルトリクロロケイ素、メチルジクロロケイ素、テトラクロロケイ素、トリエトキシメチルシラン、トリフェノキシメチルシラン、トリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、4,5−エポキシヘプチルメチルジメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラサルファイドなどを好ましいものとして挙げることができる。
(e)成分であるエステル化合物の具体例は、アジピン酸ジエチル、マロン酸ジエチル、フタル酸ジエチル、グルタル酸ジエチル、マレイン酸ジエチルなどを好ましいものとして挙げることができる。
(f)成分であるケトン化合物の具体例としては、N,N,N’,N’−テトラメチル−4,4’−ジアミノベンゾフェノン、N,N,N’,N’−テトラエチル(4,4’−ジアミノ)−ベンゾフェノン、N,N−ジメチル−1−アミノベンゾキノン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,3−ジアミノベンゾキノン、N,N−ジメチル−1−アミノアントラキノン、N,N,N’,N’−テトラメチル−1,4−ジアミノアントラキノンなどを好ましいものとして挙げることができる。
(g)成分であるスズ化合物の具体例としては、テトラクロロスズ、テトラブロムスズ、トリクロロブチルスズ、トリクロロメチルスズ、トリクロロオクチルスズ、ジブロムジメチルスズ、ジクロロジメチルスズ、ジクロロジブチルスズ、ジクロロジオクチルスズ、1,2−ビス(トリクロロスタニル)エタン、1,2−ビス(メチルジクロロスタニルエタン)、1,4−ビス(トリクロロスタニル)ブタン、1,4−ビス(メチルジクロロスタニル)ブタン、エチルスズトリステアレート、ブチルスズトリスオクタノエート、ブチルスズトリスステアレート、ブチルスズトリスラウレート、ジブチルスズビスオクタノエート、ジブチルスズビスステアレート、ジブチルスズビスラウレートなどを好ましいものとして挙げることができる。
アミノ基含有アルコキシシラン化合物と併用して、重合活性末端に反応させるこれらの化合物は、1種単独で使用することも、あるいは2種以上を併用して用いることもできる。
上記カップリングの使用量は、開始剤のアルカリ金属1グラム原子当量あたり、0.4モル以下、好ましくは0.3モル以下の量で添加できる。0.4モルを超えると、本発明で使用されるアミノ基含有アルコキシシラン化合物による変性率が低下して物性が劣る。なお、上記カップリング剤による全共重合体鎖におけるカップリング率は、通常、40%以下、好ましくは30%以下である。
次に、本発明の第2製造法について説明する。本発明の共重合ゴムを得るための、第1級アミノ基が保護されたリチウムアミド開始剤による重合反応、およびアルコキシシラン化合物との反応は、通常、0〜120℃の温度範囲で行われ、一定温度条件下でも上昇温度条件下でもよい。保護された第1級アミノ基を脱保護させるための加水分解は、80〜150℃、好ましくは90〜120℃の温度範囲で、第1級アミノ基が保護されたリチウムアミド開始剤の2倍モル以上の水もしくは酸性水などを添加し、10分間以上、好ましくは30分間以上反応させることにより行われる。重合方式は、バッチ重合方式または連続重合方式のいずれでもよい。
なお、第2製造法について、ここに記載のない事項は、第1製造法について記載した事項がそのままあるいは当業者に自明の変更を加えて適用されると理解されるべきである。
上記式(5)で表されるリチウムアミド開始剤としては、例えば3−[N,N−ビス(トリメチルシリル)]−1−プロピルリチウム、3−[N,N−ビス(トリメチルシリル)]−2−メチル−1−プロピルリチウム、3−[N,N−ビス(トリメチルシリル)]−2,2−ジメチル−1−プロピルリチウム、4−[N,N−ビス(トリメチルシリル)]−1−ブチルリチウム、5−[N,N−ビス(トリメチルシリル)]−1−ペンチルリチウム、8−[N,N−ビス(トリメチルシリル)]−1−オクチルリチウムを挙げることができる。
また、上記式(6)で表されるリチウムアミド開始剤としては、例えば3−(2,2,5,5,−テトラメチル−2,5−ジシラ−1−アザシクロペンタン)−1−プロピルリチウム、2−メチル−3−(2,2,5,5,−テトラメチル−2,5−ジシラ−1−アザシクロペンタン)−1−プロピルリチウム、2,2−ジメチル−3−(2,2,5,5,−テトラメチル−2,5−ジシラ−1−アザシクロペンタン)−1−プロピルリチウム、4−(2,2,5,5,−テトラメチル−2,5−ジシラ−1−アザシクロペンタン)−1−ブチルリチウム、6−(2,2,5,5,−テトラメチル−2,5−ジシラ−1−アザシクロペンタン)−1−ヘキシルリチウムを挙げることができる。
また、上記リチウムアミド開始剤は、対応するハライドと有機リチウム化合物を炭化水素溶媒中で反応させた合成体を使用してもよい。なお、ハライドと有機リチウムの反応は、重合リアクターと別の反応容器にて予め実施してもよい。
上記リチウムアミド開始剤に対応するハライドとしては、下記式(8)
(RSi)−N−R−X (8)
ここで、R、R、RおよびRの定義は、上記式(3)に同じである、Xはハロゲン原子である、
または下記式(9)
Figure 2008114756
[ここで、Rの定義は上記式(3)に同じであり、R,Rは、各々独立に水素または炭素数1〜20のアルキル基、アリール基であり、dは1〜7の整数である]、
を挙げることができる。
さらに、上記式(7)で表されるアルコキシシラン化合物としては、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラフェノキシシラン、テトラトルイロキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリプロポキシシラン、メチルトリブトキシシラン、メチルトリフェノキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリプロポキシシラン、エチルトリブトキシシラン、エチルトリフェノキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、ジメチルジプロポキシシラン、ジメチルジブトキシシラン、ジメチルジフェノキシシラン、ジエチルジメトキシシラン、ジエチルジエトキシシラン、ジエチルジプロポキシシラン、ジエチルジブトキシシラン、ジエチルジフェノキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリプロポキシシラン、ビニルトリブトキシシラン、ビニルトリフェノキシシラン、アリルトリフェノキシシラン、オクテニルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリプロポキシシラン、フェニルトリブトキシシラン、フェニルトリフェノキシシラン、トリメトキシクロロシラン、トリエトキシクロロシラン、トリプロポキシクロロシラン、トリブトキシクロロシラン、トリフェノキシクロロシラン、ジメトキシジクロロシラン、ジプロポキシジクロロシラン、ジフェノキシジクロロシランを挙げることができる。
本発明において、芳香族ビニル化合物を共重合体鎖の中の片方に密な状態で、他方に粗な状態に偏在させるために、上記重合開始剤とともに、カリウム化合物を添加することが必要である。好ましいカリウム化合物は、第1製造法で述べたものと同一である。反応に際しては、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上、好ましくは0.55以上となるように芳香族ビニル化合物が過剰となる割合で反応を行い、反応が進行して芳香族ビニル化合物の濃度が低くなった時点で全モノマーの30モル%以上、好ましくは35モル%以上の共役ジオレフィンを断続的に、または連続的に追加して反応を続行する。このようにして、重合反応の初期には芳香族ビニル化合物が密に存在し、重合反応の後半には芳香族ビニル化合物が密に存在する共役ジオレフィン共重合体が得られる。
本発明で得られる共重合ゴムの重量平均分子量は、通常、15万〜200万、好ましくは20万〜100万である。15万未満では、得られるゴム組成物の破壊強度、耐摩耗性などが充分ではなく、一方、200万を超えると、加工性に劣り、また混練り時のフィラー分散性が悪化し、物性が劣る。
なお、本発明で得られる共重合ゴムのムーニー粘度(ML1+4,100℃)は20〜200の範囲であることが好ましく、20未満では破壊強度、耐摩耗性、低ヒステリシスロス性が悪化し、一方、200を超えると加工性が低下する。また、ムーニー粘度(ML1+4,100℃)が100を超えた重合体もそのままでは加工性に劣り好ましくないが、芳香族系プロセスオイル、ナフテン系プロセスオイルなどの伸展油や重量平均分子量が15万以下の液状ポリマーを添加することで、ムーニー粘度を100以下に下げて、加工上問題なく使用できるようにすることもできる。用いられる伸展油としては、ジエン系ゴムに通常用いられる伸展油や軟化剤であれば特に制限されないが、鉱物油系の伸展油が好ましく用いられる。一般的に、鉱物油の伸展油は、芳香族系オイル、脂環族系オイル、および脂肪族系オイルの混合物であり、これらの量割合によって芳香族系(アロマティック系)、脂環族系(ナフテン系)、脂肪族系(パラフィン系)と分類されており、いずれのものも使用することができる。なかでも、粘度比重恒数(V.G.C.値)が0.900〜1.049の芳香族系鉱物油(アロマティックオイル)および0.800〜0.899の脂肪族系鉱物油(ナフテニックオイル)が、低ヒステリシスロス性/ウェットスキッド抵抗の点から好ましく用いられる。また、オイルの製造工程による分類においては、DAE (Distillate Aromatic Extract) 油、T-DAE (Treated Distillate Aromatic Extract) 油、T-RAE (Treated Residual Aromatic Extract) 油、MES (Mild Extract Solvate) 油などが好適に使用できる。
本発明によれば、本発明の共役ジオレフィン共重合ゴム100質量部に対し、伸展油10〜100質量部を含有する油展ゴムが好ましく提供される。
本発明で得られた共重合ゴムを含有した重合反応溶液は、通常の溶液重合法について用いられる方法、例えば、溶液状態で安定剤などを添加した後、必要に応じて芳香族系プロセスオイル、ナフテン系プロセスオイル、およびDAE、T-DAE、T-RAE、MESなどの伸展油や重量平均分子量が15万以下の液状ポリマー(あるいは上記液状ポリマーの溶液)を添加して、直接乾燥法やスチームストリッピング法によってゴムと溶剤とを分離して洗滌し、真空乾燥機、熱風乾燥機やロールなどにより乾燥し、目的の本発明の共重合ゴムを単離することができる。
本発明の共重合ゴムは、単独でまたは天然ゴム、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、乳化重合スチレンブタジエンゴムなどとブレンドし、カーボンブラック、シリカなどの補強剤および各種配合剤と、ロール、バンバリーミキサーによって混練りしたのち、硫黄、加硫促進剤などを添加して、トレッド、サイドウォール、カーカスなどのタイヤ用ゴムをはじめ、ベルト、防振ゴムその他の工業用品に使用することができる。
本発明の共重合ゴムを、タイヤ、特にタイヤトレッドに使用する場合に充填される補強材としては、例えばカーボンブラック、シリカなどのフィラーが挙げられる。
特に、加硫物を効果的に補強して、良好な耐摩耗性、破壊強度を期待するときには、カーボンブラックが好適に使用される。フィラーの充填量は、全ゴム成分100質量部に対し、好ましくは20〜120質量部、より好ましくは30〜110質量部である。カーボンブラックとしては、ファーネス法により製造されたものであって、窒素吸着比表面積が50〜200m/g、DBP吸油量が80〜200ml/100gのカーボンブラックが好ましく、FEF、HAF、ISAF、SAFクラスのものが好ましく使用でき、特に高凝集タイプのものが好ましい。
また特に、低燃費タイヤ用途においては、加硫物のヒステリシスロスを低下させて良好な転がり抵抗を与えるとともに、ウエットスキッド抵抗を向上させ、さらに必要であれば雪上・氷上でのグリップ性能(低温特性)を向上させる目的においては、シリカの使用が好ましい。シリカとしては、湿式法シリカ、乾式法シリカ、合成けい酸塩シリカのいずれのものも使用できる。補強効果の高いのは粒子系の小さいシリカであり、小粒子・高凝集タイプ(高表面積、高吸油性)のものがゴムへの分散性が良好で、物性および加工性の面で特に好ましい。シリカの平均粒子径は一次粒子径で5〜60μm、特に10〜35μmが好ましい。このシリカの充填量は、全ゴム成分100質量部に対して、好ましくは20〜120質量部、より好ましくは30〜110質量部である。
さらに、シリカをフィラーに使用する際、その補強効果を高める目的で、公知の各種シランカップリング剤を使用することができる。シランカップリング剤とは、分子中にアルコキシシリル基などのシリカ表面と反応可能な構成成分とポリスルフィド、メルカプト基、エポキシ基などの、ゴム、特に炭素−炭素二重結合と反応可能な構成成分を併せ持った化合物を指す。例えば、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィドおよび3−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどが、シランカップリング剤としてよく知られている。
なお、フィラーとして、シリカを用いる場合、フィラー中の少なくとも1質量部をシリカとし、さらにこのシリカに対してシランカップリング剤を0.5〜20重量%含有させることが望ましい。このようにすると、シリカの分散性が改良され、またシリカとゴムとの結合量が増えるので、破壊特性、耐摩耗性、低ヒステリシスロス性が改良される。
また、高分散型(High Dispersible Type)のシリカを使用することも、ゴムへの分散性を良好にし、物性、加工性の面で好ましい。
また、カーボンブラックとシリカとを、全ゴム成分100質量部に対し20〜120質量部の範囲内で組み合わせて使用することで、良好な摩耗耗性、破壊強度と優れた低ヒステリシスロス性能、ウエットグリップ性能のバランスを両立させることもできる。
また、本発明の共重合ゴムにカーボン−シリカ デュアル・フェイズ・フィラー(Dual Phase Filler)を配合することにより、カーボンブラックとシリカを併用したときと同様な優れた利点を得ることができる。カーボン−シリカ デュアル・フェイズ・フィラーは、カーボンブラックの表面に、シリカを化学結合させた、いわゆるシリカ・コーティング・カーボンブラックであり、キャボット社から商品名CRX2000、CRX2002、CRX2006として販売されている。
カーボン−シリカ デュアル・フェイズ・フィラーの配合量は、ゴム成分の合計100質量部に対して、好ましくは1〜100質量部、より好ましくは5〜95質量部である。
本発明では、カーボン−シリカ デュアル・フェイズ・フィラーをそれ以外のフィラーと併用して使用することができる。併用できるフィラーとしては、カーボンブラック、シリカ、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムを挙げることができるが、これらに制限はない。なかでもカーボンブラック、シリカが好ましい。これらの併用できるフィラーは、ゴム成分の合計量100質量部に対して、好ましくは3〜100質量部、特には5〜95質量部配合することが好ましい。
本発明の共重合ゴムを使用して得られるゴム組成物の混練り方法は、特に限定されないが、フィラーにシリカを含む場合は、シリカによる補強が十分になされ、加硫ゴムの物性をより向上させる目的で、下記方法で混練りすることもできる。
本発明の共重合ゴム、シリカ、シランカップリング剤、亜鉛華および加硫剤を含有するゴム組成物の混練り方法としては、共重合ゴムにシリカを配合し、混練りして第1ゴム配合物を調製し、その後、該第1ゴム配合物にシランカップリング剤を配合し、混練りして第2ゴム配合物を調製し、次いで、該第2ゴム配合物に亜鉛華および加硫剤を配合し、混練りする方法がある。或いは、共重合ゴムにシリカを配合し、混練りして第1ゴム配合物を調製し、その後、該第1ゴム配合物にシランカップリング剤を配合して混練りし、さらに亜鉛華を配合し、混練りを継続して第2ゴム配合物を調製し、次いで、該第2ゴム配合物に加硫剤を配合し、混練りする方法を挙げることができる。
上記混練り方法であれば、共重合ゴムとシリカを混練りする際にシランカップリング剤が共存しないため、混練り温度を170〜180℃程度まで高めることができ、少ない混練り回数で、シリカを十分に分散させることができる。
なお、本発明のゴム組成物には、加硫剤を、全ゴム成分100質量部に対して、好ましくは0.5〜10質量部、さらに好ましくは1〜6質量部の範囲で用いることができる。
加硫剤としては、代表的には硫黄を、また、その他に硫黄含有化合物、過酸化物などを挙げることができる。
また、加硫剤と併用してスルフェンアミド系、グアニジン系、チウラム系などの加硫促進剤を必要に応じた量用いてもよい。さらに、亜鉛華、加硫助剤、老化防止剤、加工助剤などを必要に応じた量用いてもよい。
本発明の共重合ゴムを使用して得られるゴム組成物の各種配合剤は、特に限定されないが、混練り時の加工性改良、あるいはウェットスキッド特性、低ヒステリシスロス性、耐摩耗性のバランスをさらに向上させる目的で、下記相溶化剤を混練り時に添加することもできる。
好ましい相溶化剤は、エポキシ基含有化合物、カルボン酸化合物、カルボン酸エステル化合物、ケトン化合物、エーテル化合物、アルデヒド化合物、水酸基含有化合物およびアミノ基含有化合物から選択される有機化合物であるか、またはアルコキシシラン化合物、シロキサン化合物およびアミノシラン化合物から選択されるシリコーン化合物である。
相溶化剤の有機化合物の具体例として、下記の化合物が挙げられる。
エポキシ基含有化合物:ブチルグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、酸化プロピレン、ネオペンチルグリコールシグリシジルエーテル、エポキシ樹脂、エポキシ化大豆油、エポキシ化脂肪酸エステルなど。
カルボン酸化合物:アジピン酸、オクチル酸、メタクリル酸など。
カルボン酸エステル化合物:アクリル酸エステル、アクリル酸ジエチレン、メタクリル酸エチル、オルト酢酸エステル、アセト酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソプロピル、ジメチルカーボネート、p−ヒドロキシフェニル酢酸、ポリエステル系可塑剤、ステアリン酸系可塑剤など。
ケトン化合物:メチルシクロヘキサノン、アセチルアセトンなど。
エーテル化合物:イソプロピルエーテル、ジブチルエーテルなど。
アルデヒド化合物:ウンデシレンアルデヒド、デシルアルデヒド、バニリン、3,4−ジメトキシベンズアルデヒド、クミンアルデヒドなど。
アミノ基含有化合物:イソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、トリエチルアミン、3−エトキシプロピルアミン、2−エチルヘキシルアミン、イソプロパノールアミン、N−エチルエチレンジアミン、エチレンイミン、ヘキサメチレンジアミン、3−ラウリルオキシプロピルアミン、アミノフェノール、アニリン、3−イソプロポキシアニリン、フェニレンジアミン、アミノピリジン、N−メチルジエタノールアミン、N−メチルエタノールアミン、3−アミノ−1−プロパノール、塩酸エチルアミン、塩酸−n−ブチルアミンなど。
水酸基含有化合物:イソプロピルアルコール、ブタノール、オクタノール、オクタンジオール、エチレングリコール、メチルシクロヘキサノール、2−メルカプトエタノール、3−メチル−3−メトキシ−1−ブタノール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1−オクタデカノール、ジエチレングリコール、ブチレングリコール、ジブチレングリコール、トリエチレングリコールなど。
なかでも、エポキシ基含有化合物、アミノ基含有化合物、水酸基含有化合物が好ましい。
相溶化剤のシリコーン化合物の具体例としては、下記の化合物が挙げられる。
アルコキシシラン化合物:トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリフェノキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルジエトキシシラン、ビニルトリメトキシシランなど。
シロキサン化合物:ジメチルシロキサンオリゴマー、シリコーンオイル、アミノ変性シリコーンオイル、エポキシ変性シリコーンオイル、カルボキシル変性シリコーンオイル、ポリエーテル変性シリコーンオイル、アルキル変性シリコーンオイル、高級脂肪酸エステル変性シリコーンオイル、高級アルコキシ変性シリコーンオイル、高級脂肪酸含有シリコーンオイルなど。
アミノシラン化合物:ヘキサメチルジシラザン、ノナメチルトリシラザン、アニリトリメチルシラン、ビス(ジメチルアミノ)ジメチルシラン、ビス(ジエチルアミノ)ジメチルシラン、トリエチルアミノシランなど。
なかでもシラザン化合物、ビス(ジメチルアミノ)ジメチルシランが好ましい。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら制限を受けるものではない。なお、以下の実施例において、「%」および「部」は、それぞれ「質量%」および「質量部」を表す。
以下の実施例、比較例における分析法、物性の測定法は、下記の方法によった。
(1)結合スチレン含量:
270MHzH−NMRによって求めた。
(2)共役ジオレフィン部分のビニル含量:
270MHzH−NMRによって求めた。
(3)スチレン単位が1個のスチレン単鎖、およびスチレン単位が1〜8個連なったスチレン連鎖の含率:
田中らの方法〔Polymer, 22, 1721(1981)〕にしたがって、スチレンブタジエン共重合
ゴムをオゾンによって分解した後、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって分析した。
(4)ガラス転移温度域での変曲点間の温度差:
ASTM D3418に従ってガラス転移点を測定した。測定されたガラス転移域でのTf(extrapolated onset temperature; ℃)とTe(extrapolated end temperature; ℃)の温度差をもって 「ガラス転移温度域での変曲点間の温度差」とした。
(5)ムーニー粘度(ML1+4、100℃):
JIS K6300-1に従って、Lローター、予熱1分、ローター作動時間4分、温
度100℃で求めた。
(6)第1級アミノ基含量(mmol/kg):
まず重合体をトルエンに溶解した後、大量のメタノール中で沈殿させることにより共重合ゴムに結合していないアミノ基含有化合物をゴムから分離した後、乾燥した。本処理を施した共重合ゴムを試料として、JIS K7237に記載された「全アミン価試験方法」により全アミノ基含有量を定量した。続けて、上記処理を施した共重合ゴムを試料として「アセチルアセトンブロックド法」により第2アミノ基および第3アミノ基の含有量を定量した。試料を溶解させる溶媒には、o−ニトロトルエンを使用、アセチルアセトンを添加し、過塩素酢酸溶液で電位差滴定を行った。全アミノ基含有量から第2アミノ基および第3アミノ基の含有量を引いて第1アミノ基含有量(mmol)を求め、分析に使用したポリマー重量を割ることで重合体に結合した第1級アミノ基含有量(mmol/kg)を求めた。
(7)第3級アミノ基含量(mmol/kg):
まず重合体をトルエンに溶解した後、大量のメタノール中で沈殿させることにより共重合ゴムに結合していないアミノ基含有化合物をゴムから分離した後、乾燥した。本処理を施した共重合ゴムを試料として、 「アセチル化法」により第3アミノ基含有量を定量した。試料を溶解させる溶媒には、o−ニトロトルエン+酢酸を使用、ギ酸無水酢酸混合溶液を添加し、過塩素酢酸溶液で電位差滴定を行った。定量値、第3アミノ基含有量(mmol)を分析に使用したポリマー重量を割り返すことで重合体に結合した第3級アミノ基含有量(mmol/kg)を求めた。
(8)アルコキシシリル基含量(mmol/kg):
赤外吸収スペクトルにより、Si−C結合に起因する1,160cm−1の吸収量により求めた。
(9)加硫ゴムの物性評価:
以下の実施例及び比較例で製造した共重合ゴムを用い、表2に示す配合処方に従って、250ccラボプラストミルで混練りしたのち、145℃で所定時間、加硫を行った加硫ゴムを用いて、下記(イ)〜(ニ)の各種ゴム物性の測定を行った。
(イ)引張強度:JIS K 6251に従って測定した。測定値を指数で表示し、数値が大きいほど引張強度が大きく、ゴムの引っ張り強度が良好であることを示す。
(ロ)DIN摩耗指数:JIS K 6264に従って測定した。測定値を指数で表示し、数値が大きいほど摩耗量が少なく、耐摩耗性は良好であることを示す。
(ハ)反発弾性:トリプソ式反発弾性試験機を使用して、JIS K 6255に従って測定した。測定温度は25℃、50℃、80℃とした。一般に、25℃の反発弾性はウエットスキッドの指標として用いられ、数値が小さいほどウエットスキッドが良好である。一方、50℃、80℃の反発弾性は転がり抵抗の指標として用いられ、数値が大きいほど転がり抵抗が少なく、タイヤ用のゴムとして良好である。
(ニ)tanδ(70℃):米国レオメトリックス社製の動的スペクトロメーターを使用し、引張動歪0.7%、周波数15.9Hz、70℃で測定した。この数値が小さいほど、ゴム組成物のヒステリシスロスが小さく、タイヤにしたときの転がり抵抗が低減できる。
実施例1:共重合ゴムAの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン30.0g、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム12.4g(0.034mmol)、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン145g(2.68mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、重合開始剤としてn−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が55℃に到達した時点から、ブタジエン150g(2.77mol)を15分間かけて連続的に追加し重合反応を継続した。反応器内容物の最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mg(1.80mmol)を加えて15分間反応を行った。15分の反応終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムAとする。得られた共重合ゴムAの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムAを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表3に示す。
比較例1:共重合ゴムBの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン30.0g、スチレン200g(1.92mol)、1,3−ブタジエン150g(2.77mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、重合開始剤としてn−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が68℃に到達した時点から、ブタジエン150g(2.77mol)を10分間かけて連続的に追加し重合を継続した。反応器内容物の最高温度は80℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mg(1.80mmol)を加えて15分間反応を行った。重合反応の終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムBとする。得られた共重合ゴムBの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムBを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表3として示す。
比較例2:共重合ゴムCの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン27.0g、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム0.05g(0.137mmol)、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン220g(4.07mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、n−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。
重合温度が55℃に到達した時点から、ブタジエン75g(1.39mol)を10分間かけて連続的に追加し重合を継続した。反応器内容物の最高温度は83℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mgを加えて15分間反応を行った。反応後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムCとする。得られた共重合ゴムCの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムCを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表3に示す。
比較例3:共重合ゴムDの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン57.0g、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン245g(4.53mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を30℃に調整した後、n−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が70℃に到達した時点から、ブタジエン50g(0.92mol)を10分間かけて連続的に追加し重合を継続した。反応器内容物の最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mgを加えて15分間反応を行った。反応後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムDとする。得られた共重合ゴムDの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムDを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表3に示す。
実施例2:共重合ゴムEの合成およびその評価
実施例1において、重合開始末端に第3級アミノ基を導入する目的で重合初期に2級アミンとしてのピペリジン431mg(5.06mmol)を添加し、また重合転化率が99%に達した時点で末端変性剤として添加する物質として、メチルジクロロシラン207mgに代えて、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン1.799g(5.06mmol)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、共重合ゴムEを得た。得られた共重合ゴムEの組成および性質を表1に示す。この共重合ゴムEを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表3に示す。
実施例3:共重合ゴムFの合成およびその評価
実施例1において、重合転化率が99%に達した時点で末端変性剤として添加する物質として、メチルジクロロシラン207mgに代えて、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン1.799gを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、共重合ゴムFを得た。得られた共重合ゴムFの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムFを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表3に示す。
実施例4:共重合ゴムGの合成およびその評価
実施例1において、重合開始末端に第3級アミノ基を導入する目的で重合初期に2級アミンとしてのピペリジン431mgを添加したこと以外は、実施例1と同様にして、共重合ゴムGを得た。得られた共重合ゴムGの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムGを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表3に示す。
比較例4:共重合ゴムHの合成およびその評価
比較例3において、重合開始末端に第3級アミノ基を導入する目的で重合初期に2級アミンとしてのピペリジン431mgを添加し、また重合転化率が99%に達した時点で末端変性剤として添加する物質として、メチルジクロロシラン207mgに代えて、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン1.799gを用いたこと以外は、比較例3と同様にして、共重合ゴムHを得た。得られた共重合ゴムHの組成および性質を表1に示す。
この共重合ゴムHを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表3に示す。
Figure 2008114756
Figure 2008114756
Figure 2008114756
表1の結果より、実施例1の共重合体は、スチレン単位が2〜7個連なったスチレンマイクロブロックを全結合スチレンの50重量%以上含み、かつガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が30℃以上と広いものである。これに対して、比較例1の共重合体は、スチレンマイクロブロック構造が全結合スチレンの36重量%と少ないものであり、比較例2の共重合体は、スチレンマイクロブロック構造は50重量%以上含むが、△Tgが22℃と比較的狭い。また、比較例3の共重合体は、スチレンマイクロブロック構造が30重量%であり、かつ△Tgが15℃とかなり狭いものである。
表1の実施例2の共重合体は、重合鎖の開始末端に第3級アミノ基を導入し、終了末端にアルコキシシリル基と1級アミノ基を導入したものである。同じく、実施例3の共重合体は重合鎖の終了末端のみにアルコキシシリル基と1級アミノ基を導入したものであり、実施例4の共重合体は開始末端のみに第3級アミノ基を導入したものである。比較例4の共重合体は、重合鎖の開始末端に第3級アミノ基を導入し、終了末端にアルコキシシリル基と1級アミノ基を導入したものであるが、スチレンマイクロブロック構造が33重量%であり、かつ△Tgが14℃とかなり狭いものである。
このような組成と性質を有する各種の共重合体ゴムを用いて、表2に示す配合処方によって製造した配合加硫物の特性を表3に示す。この表3から、本発明の共重合ゴムを用いたものは、いずれもDIN摩耗指数が大きく、耐摩耗性に優れていることがわかる。これは、主としてスチレン単位が2〜7個連なったスチレンマイクロブロック構造が全結合スチレンの50重量%以上である構造に由来するものと考えられる。
また、本発明の共重合ゴムを用いたものは、いずれも比較例1〜4のものに比べて25℃の反発弾性が低く、タイヤにした時に優れたウエットスキッド特性を発現すると予想される。また25℃と50℃の反発弾性の比、および25℃と80℃の反発弾性の比が大きく、ウエットスキッド性能と低転がり抵抗のバランスに優れたタイヤの材料になる。これは主としてガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が広いこと、即ち、共重合体鎖の片方の端部にスチレンが密に、そして他方の端部にスチレンが粗な状態に分布した構造をとっていることに由来するものである。
実施例5:共重合ゴムJの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン30.0g、スチレン200g(1.92mol)、1,3−ブタジエン150g(2.77mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、重合開始剤としてn−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が68℃に到達した時点から、ブタジエン150g(2.77mol)を10分間かけて連続的に追加し重合反応を継続した。反応器内容物の最高温度は80℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピ
ルメチルジメトキシシラン1.799g(5.06mmol)を加えて15分間反応を行った。15分の反応終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムJとする。得られた共重合ゴムJの組成および性質を表4に示す。
この共重合ゴムJを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表5に示す。
比較例5:共重合ゴムKの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン27.0g、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン245g(4.53mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を30℃に調整した後、n−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が70℃に到達した時点でから、ブタジエン50g(0.92mol)を10分間かけて連続的に追加し重合を継続した。反応器内容物の最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン1.799g(5.06mmol)を加えて15分間反応を行った。反応後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムKとする。得られた共重合ゴムKの組成および性質を表4に示す。
この共重合ゴムKを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表5に示す。
実施例6:共重合ゴムLの合成およびその評価
実施例5において、重合開始末端に第3級アミノ基を導入する目的で重合初期に2級アミンとしてのピペリジン431mgを添加したこと以外は、実施例5と同様にして、共重合ゴムLを得た。得られた共重合ゴムLの組成および性質を表4に示す。
この共重合ゴムLを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表5に示す。
比較例6:共重合ゴムMの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン27.0g、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム0.05g(0.137mmol)、ピペリジン431mg、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン220g(4.07mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、n−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。
重合温度が55℃に到達した時点から、ブタジエン75g(1.39mol)を10分間で連続的に追加し重合を継続した。最高温度は83℃に達した。重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mgを加えて15分間反応を行った。反応終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物のゴムを、110℃に調温された熱ロールにより乾燥した。このゴムを共重合ゴムMとする。得られた共重合ゴムMの組成および物性を表4に示す。
共重合ゴムMを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表5に示す。
Figure 2008114756
Figure 2008114756
表4の結果より、実施例5の共重合体は、その分子鎖中に特定量の1級アミノ基とアルコキシシリル基を有し、かつガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が30℃と広いものである。これに対して、比較例5の共重合体は、その分子鎖中に1級アミノ基とアルコキシシリル基を有しているが、△Tgが14℃とかなり狭いものである。
表4の実施例6の共重合体は開始末端に第3級アミノ基を導入し、終了末端に1級アミノ基とアルコキシシリル基を導入し、かつ△Tgが20℃と広いものである。比較例6の共重合体は、重合鎖の開始末端に第3級アミノ基を導入しているが、終了末端に1級アミノ基とアルコキシシリル基を有しておらず、かつ△Tgが20℃と狭いものである。
このような組成と性質を有する各種の共重合体ゴムを用いて、表2に示す配合処方によって製造した配合加硫物の特性を表5に示す。この表5から、本発明の共重合ゴムを用いたものは、いずれも70℃でのtanδの値が小さく、低ヒステリシスロス性に優れている。実施例5〜6のものは、いずれも比較例5〜6のものに比べて50℃と80℃での反発弾性が高く、タイヤにしたときの転がり抵抗の低減が期待できる。これは、主として分子鎖中に特定量の1級アミノ基とアルコキシシリル基を有する構造に由来するものである。また、いずれも比較例5〜6のものに比べて25℃の反発弾性が低く、タイヤにした時に優れたウエットスキッド特性を発現すると予想される。
更に、25℃と50℃の反発弾性の比、および25℃と80℃の反発弾性の比が大きく、ウエットスキッド性能と低転がり抵抗のバランスに優れたタイヤの材料になる。これは主としてガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が広いこと、即ち、共重合体鎖の片方の端部にスチレンが密に、そして他方の端部にスチレンが粗な状態に分布した構造をとっていることに由来するものである。
実施例7:共重合ゴムNの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン30.0g、ピペリジン431mg、スチレン200g(1.92mol)、1,3−ブタジエン150g(2.77mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、重合開始剤としてn−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が68℃に到達した時点から、ブタジエン150g(2.77mol)を10分間かけて連続的に追加し重合反応を継続した。反応器内容物の最高温度は80℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mg(1.80mmol)を加えて15分間反応を行った。15分の反応終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムNとする。得られた共重合ゴムNの組成および性質を表6に示す。
この共重合ゴムNを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表7に示す。
比較例7:共重合ゴムPの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン57.0g、ピペリジン431mg、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン245g(4.53mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を30℃に調整した後、重合開始剤としてn−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が70℃に到達した時点から、ブタジエン50g(0.92mol)を10分間かけて連続的に追加し重合を継続した。反応器内容物の最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達した時点で、メチルジクロロシラン207mg(1.80mmol)を加えて15分間反応を行った。15分の反応の終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた重合物を、110℃に調温された熱ロールにより乾燥して共重合ゴムを得た。このゴムを共重合ゴムPとする。得られた共重合ゴムPの組成および性質を表6に示す。
この共重合ゴムPを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、種々の物性評価を行った。その結果を表7として示す。
比較例8:共重合ゴムQの合成およびその評価
窒素置換された内容積5リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン3,000g、テトラヒドロフラン27.0g、ドデシルベンゼンスルホン酸カリウム0.05g(0.137mmol)、スチレン205g(1.97mol)、1,3−ブタジエン220g(4.07mol)を仕込んだ。反応器内容物の温度を40℃に調整した後、n−ブチルリチウム360mg(5.62mmol)を添加して重合を開始した。重合温度が55℃に到達した時点から、ブタジエン75g(1.39mol)を10分間かけて連続的に追加し重合を継続した。最高温度は83℃に達した。重合転化率が99%に達した時点で、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン1.799g(5.06mmol)を加えて15分間反応を行った。反応終了後の重合体溶液に、2,6−ジ−tert−ブチル−p−クレゾールを添加した後、スチームストリッピングにより脱溶媒を行った。得られた共重合物を110℃に調温された熱ロールによりゴムを乾燥した。このゴムを共重合ゴムQとする。得られた共重合ゴムQの組成および物性を表6に示す。
共重合ゴムQを用いて、表2に示す配合処方により調製した配合ゴムを加硫して、物性評価を行った。その結果を表7に示す。
Figure 2008114756
Figure 2008114756
表6の結果より、実施例7の共重合体は、その分子鎖中に特定量の3級アミノ基を有し、かつガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が32℃と広いものである。これに対して、比較例7の共重合体は、分子鎖中に特定量の3級アミノ基を有しているが、△Tgが15℃とかなり狭い。また、比較例8の共重合体は、重合鎖の開始末端に第3級アミノ基を導入しているが、△Tgが22℃と狭いものである。
このような組成と性質を有する各種の共重合体ゴムを用いて、表2に示す配合処方によって製造した配合加硫物の特性を表7に示す。この表7から、実施例7の共重合ゴムを用いたものは、70℃でのtanδの値が小さく、低ヒステリシスロス性に優れている。また、実施例7は、比較例7〜8に比べて50℃と80℃での反発弾性が高く、タイヤにしたときの転がり抵抗の低減とウエットスキッド抵抗向上のバランスが良好になることが期待できる。これは、主として分子鎖中に特定量の3級アミノ基を有する構造に由来するものである。
また、比較例7〜8に比べて25℃の反発弾性が低く、タイヤにした時に優れたウエットスキッド特性を発現すると予想される。更に、25℃と50℃の反発弾性の比、および25℃と80℃の反発弾性の比が大きく、ウエットスキッド性能と低転がり抵抗のバランスに優れたタイヤの材料になる。これは主としてガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が広いこと、即ち、共重合体鎖の片方の端部にスチレンが密に、そして他方の端部にスチレンが粗な状態に分布した構造をとっていることに由来するものである。
本発明の共役ジオレフィン共重合ゴムは、ウエットスキッド特性を損なうことなく、低ヒステリシスロス性、耐摩耗性、破壊特性が改良され、路面グリップ性がより一層改良されたものであり、種々のタイヤ用のゴムとして、特にタイヤのトレッド用材料として有用である。

Claims (17)

  1. 共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合ゴムであって、
    (1)共重合体鎖に結合した第1級アミノ基とアルコキシシリル基とを有しており、
    (2)芳香族ビニル化合物の重合単位の含有量が共重合ゴムの5重量%以上60重量%以下であり、
    (3)芳香族ビニル化合物が共重合ゴムの共重合体鎖の片方の端部に密に、他方の端部に粗に分布しており、かつ
    (4)差動走査熱量計(DSC)によって分析される吸熱曲線におけるガラス転移温度域での変曲点間の温度差(△Tg)が25℃以上、
    である、共役ジオレフィン共重合ゴム。
  2. 芳香族ビニル化合物の重合単位が1個の芳香族ビニル化合物単鎖が全結合芳香族ビニル化合物の40質量%未満であり、かつ芳香族ビニル化合物単位が2〜7個連なった芳香族ビニル化合物連鎖が全結合芳香族ビニル化合物の50質量%以上である、請求項1に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
  3. ヘテロ原子として窒素を含む有機化合物を開始剤として、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合によって得られる、請求項1に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
  4. 第1級アミノ基の含有量が0.5〜200mmol/kg・共重合ゴムポリマーであり、そしてアルコキシシリル基の含有量が0.5〜200mmol/kg・共重合ゴムポリマーである、請求項1に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
  5. ガラス転移温度域での変曲点間の温度差△Tgが、30℃以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
  6. 下記式(1)
    Figure 2008114756
    [ここで、Pは共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物との共重合体鎖であり、Rは炭素数1〜12のアルキレン基であり、RおよびRは各々独立に炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基であり、nは1〜2の整数であり、mは1〜2の整数でありそしてkは1〜2の整数である、ただしn+m+kは3〜4の整数である]、
    または下記式(2)
    Figure 2008114756
    [ここで、P,R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、jは1〜3の整数であり、そしてhは1〜3の整数である、ただしj+hは2〜4の整数である]、
    で表わされる、請求項1〜5のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴム。
  7. ルイス塩基を含有する炭化水素溶媒中で、有機アルカリ金属化合物および有機アルカリ土類金属化合物、リチウムアミド化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を開始剤として用いて、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物を共重合するに際して、反応媒体中にカリウム化合物を添加するとともに、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上の割合となるモノマー組成で重合反応を行うことを含む、共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する方法。
  8. さらに、重合反応により得られた重合活性末端と下記式(3)
    Figure 2008114756
    [ここで、R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、R,RおよびRは、各々独立に炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基であるかあるいはそれらの2つは互いに結合してそれらが結合している珪素原子と一緒になって環を形成してもよく、gは1〜2の整数でありそして、fは1〜10の整数である]、
    または下記式(4)
    Figure 2008114756
    [ここで、R,RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、R,RおよびRの定義は上記式(3)に同じであり、そしてeは1〜2の整数である]、
    で表わされる少なくとも1つのアミノ基含有アルコキシシラン化合物を反応させ、しかる後加水分解することにより、共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する、請求項7に記載の方法。
  9. 上記アミノ基含有アルコキシシラン化合物が、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N,N−ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジエトキシシランまたは1−トリメチルシリル−2,2−ジメトキシ−1−アザ−2−シラシクロペンタンである、請求項8に記載の方法。
  10. ルイス塩基を含有する炭化水素溶媒中で、下記式(5)
    (RSi)−N−R−Li (5)
    [ここで、Rの定義は上記式(1)に同じであり、R,RおよびRの定義は、上記式(3)に同じである]、
    または、下記式(6)
    Figure 2008114756
    [ここで、Rの定義は上記式(1)に同じであり、RおよびRは、各々独立に水素または炭素数1〜20のアルキル基またはアリール基でありそしてdは1〜7の整数である]、
    で表わされるリチウムアミド開始剤を用いて、共役ジオレフィンと芳香族ビニル化合物をアニオン重合させるに際し、反応媒体中にカリウム化合物を添加するとともに、重合反応の開始時に芳香族ビニル化合物と共役ジオレフィンとのモル比が0.5以上の割合となるモノマー組成で重合反応を行い、
    そのようにして得られた重合活性末端と、
    下記式(7)
    Figure 2008114756
    [ここで、RおよびRの定義は上記式(1)に同じであり、Xはハロゲン原子でありcは0〜2の整数であり、そしてbは1〜4の整数である、ただしc+bは2〜4の整数である]、
    で表わされるアルコキシシラン化合物を反応させることにより、共役ジオレフィン共重合ゴムを製造する、請求項7に記載の方法。
  11. 重合反応の初期に芳香族ビニル化合物が過剰の状態で反応を行い、重合反応の後半に全モノマーの30モル%以上の共役ジオレフィンを追加添加する、請求項7〜10のいずれかに記載の方法。
  12. カリウム化合物が、有機スルホン酸カリウム塩、有機カルボン酸カリウム塩、カリウムアルコキシド、カリウムフェノキシド及び有機亜燐酸エステルのカリウム塩からなる群から選ばれる化合物であることを特徴とする、請求項7〜11のいずれかに記載の方法。
  13. カリウム化合物を、開始剤の有機アルカリ金属、有機アルカリ土類金属、又はリチウムアミドから選ばれる開始剤の1g原子あたり0.01〜0.5モル用いる、請求項7〜12に記載の方法。
  14. 請求項1〜6のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴム100質量部に対し、伸展油10〜100質量部を含有してなる、油展共重合ゴム。
  15. 請求項1〜6のいずれかに記載の共役ジオレフィン共重合ゴムが全ゴム成分の30重量%以上を占める全ゴム成分100質量部に対し、フィラー20〜120質量部を含有してなる、ゴム組成物。
  16. 上記フィラーの少なくとも1質量部がシリカであり、さらにシリカ100質量部に対してシランカップリング剤を0.5〜20重量部含有する請求項15に記載のゴム組成物。
  17. 請求項15または16に記載のゴム組成物をトレッド部材に用いたタイヤ。
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