JPWO2015098264A1 - 共役ジエン系重合体および共役ジエン系重合体の製造方法 - Google Patents

共役ジエン系重合体および共役ジエン系重合体の製造方法 Download PDF

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Abstract

下記の式(1)または下記の式(2)で表される共役ジエン系重合体。
Figure 2015098264

(式(1)、式(2)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、X,Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、R,Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRまたはRおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよい。式(1)中、nは1〜3の整数であり、mは0〜2の整数であり、pは0〜2の整数であり、n+m+p=3である。また、式(2)中、sは1または2であり、tは0または1であり、uは0または1であり、s+t+u=2である。)

Description

本発明は、共役ジエン系重合体および共役ジエン系重合体の製造方法に関し、さらに詳しくは、低発熱性およびウエットグリップ性に優れ、低燃費タイヤを構成するために好適に用いられるゴム架橋物を与えることができる、共役ジエン系重合体とその製造方法に関する。
近年、自動車用のタイヤには、環境問題および資源問題から低燃費性が強く求められる一方で、安全性の面から優れたウエットグリップ性が求められている。充填剤としてシリカを配合したゴム組成物の架橋物は、カーボンブラックを配合したゴム組成物の架橋物に比べて、低発熱性に優れるため、タイヤを構成した場合の転がり抵抗が小さくなる。そのため、シリカを配合したゴム組成物の架橋物を用いてタイヤを構成することにより、低燃費性に優れたタイヤを得ることができる。
しかし、従来のゴムにシリカを配合しても、ゴムとシリカとの親和性が不十分でこれらが分離しやすいことに起因して、架橋前のゴム組成物の加工性が悪く、また、これを架橋して得られるゴム架橋物の低発熱性が不十分となる。
そこで、ゴムとシリカとの親和性を改良すべく、例えば、特許文献1や特許文献2などに開示されるような種々のシランカップリング剤を、ゴム組成物に添加することが提案されている。しかし、シランカップリング剤を扱うには高度な加工技術が必要であり、また、シランカップリング剤が高価なことから配合量が多くなると、タイヤの製造コストが高くなるという問題がある。
このような問題を解決するために、例えば、特許文献3や特許文献4などに開示されるように、溶液重合法によりゴム重合体を得る際に、重合体の活性末端に変性剤を反応させることにより、ゴム自体にシリカとの親和性を持たせる技術が検討されている。しかしながら、近年の自動車用のタイヤへの低燃費性およびウエットグリップ性への要求の高まりから、さらに低発熱性に優れ、しかもウエットグリップ性にも優れるゴム架橋物を与えることができるゴムが望まれている。
特開2011−46640号公報 特開2012−17291号公報 特開平1−249812号公報 特開2003−171418号公報
そこで、本発明は、低発熱性およびウエットグリップ性に優れたゴム架橋物を与えることができる、共役ジエン系重合体とその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意研究した結果、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖に、変性剤として、8位が3級アミン構造含有基で置換された1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン構造を有する化合物を反応させることによって、共役ジエン系重合体の末端に、特定の構造を有する基を導入することにより、低発熱性およびウエットグリップ性に優れたゴム架橋物を与えることができる共役ジエン系重合体が得られることを見出した。本発明は、この知見に基づいて完成するに至ったものである。
かくして、本発明によれば、下記の式(1)または下記の式(2)で表される共役ジエン系重合体が提供される。
Figure 2015098264
(式(1)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよく、nは1〜3の整数であり、mは0〜2の整数であり、pは0〜2の整数であり、n+m+p=3である。)
Figure 2015098264
(式(2)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよく、sは1または2であり、tは0または1であり、uは0または1であり、s+t+u=2である。)
本発明の共役ジエン系重合体は、前記式(1)または前記式(2)で表される共役ジエン系重合体に加えて、下記式(3)で表される共役ジエン系重合体および/または下記式(4)で表される共役ジエン系重合体を含んでなることが好ましい。
Figure 2015098264
(式(3)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表し、aは1〜4の整数であり、bは0〜3の整数であり、a+b=4である。)
Figure 2015098264
(式(4)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表し、cは0〜3の整数であり、dは0〜3の整数であり、eは0〜3の整数であり、fは0〜3の整数であり、c+d=3であり、e+f=3であり、d+fは1〜6の整数である。)
また、本発明によれば、上記の共役ジエン系重合体を含有するゴム成分100重量部とシリカ10〜200重量部とを含有してなるゴム組成物が提供される。
上記のゴム組成物は、架橋剤をさらに含有してなることが好ましい。
また、本発明によれば、上記のゴム組成物を架橋してなるゴム架橋物が提供される。
また、本発明によれば、上記のゴム架橋物を含んでなるタイヤが提供される。
また、本発明によれば、不活性溶媒中で、重合開始剤を用いて、共役ジエン化合物を含んでなる単量体を重合し、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得る工程と、当該活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端に、下記の式(5)で表される化合物を反応させる工程とを含んでなる共役ジエン系重合体の製造方法が提供される。
Figure 2015098264
(式(5)中、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は互いに結合して環構造を形成していてもよく、rは0〜2の整数である。)
本発明の共役ジエン系重合体の製造方法においては、前記活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得る工程の後に、当該活性末端の一部をハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または下記式(6)で表される化合物と反応させる工程をさらに備えることが好ましい。
Figure 2015098264
(式(6)中、R11は置換基を有していてもよいアルキル鎖を表し、Xはハロゲン基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表す。)
本発明によれば、低発熱性およびウエットグリップ性に優れたゴム架橋物を与えることができる、共役ジエン系重合体とその製造方法を提供することができる。
本発明の共役ジエン系重合体は、下記の式(1)または下記の式(2)で表されるものである。本発明の共役ジエン系重合体としては、下記の式(1)で表されるもののみからなるもの、または下記の式(2)で表されるもののみからなるものであってもよいし、あるいは、下記の式(1)で表されるものと、下記の式(2)で表されるものとの混合物であってもよい。
Figure 2015098264
式(1)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよく、nは1〜3の整数であり、mは0〜2の整数であり、pは0〜2の整数であり、n+m+p=3である。
Figure 2015098264
式(2)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよく、sは1または2であり、tは0または1であり、uは0または1であり、s+t+u=2である。
式(1)、式(2)において「polymer」で表される重合体鎖は、共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖である。共役ジエン単量体単位を構成するために単量体として用いられる共役ジエン化合物は、特に限定されないが、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−フェニル−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン、2−メチル−1,3−ペンタジエン、1,3−ヘキサジエン、4,5−ジエチル−1,3−オクタジエン、3−ブチル−1,3−オクタジエンなどを挙げることができる。これらのなかでも、1,3−ブタジエンおよび/またはイソプレンが好ましい。これらの共役ジエン化合物は、1種類を単独で使用しても2種類以上を組合せて用いてもよい。
式(1)、式(2)において「polymer」で表される重合体鎖は、共役ジエン単量体単位のみからなるものであるものであってもよいが、共役ジエン化合物と共重合可能な化合物からなる単位をさらに含むものであってもよい。共役ジエン化合物と共重合可能な化合物としては、例えば、スチレン、メチルスチレン、エチルスチレン、t−ブチルスチレン、α−メチルスチレン、α−メチル−p−メチルスチレン、クロルスチレン、ブロモスチレン、メトキシスチレン、ジメチルアミノメチルスチレン、ジメチルアミノエチルスチレン、ジエチルアミノメチルスチレン、ジエチルアミノエチルスチレン、シアノエチルスチレン、ビニルナフタレンなどの芳香族ビニル化合物;エチレン、プロピレン、1−ブテンなどの鎖状オレフィン化合物;シクロペンテン、2−ノルボルネンなどの環状オレフィン化合物;1,5−ヘキサジエン、1,6−ヘプタジエン、1,7−オクタジエン、ジシクロペンタジエン、5−エチリデン−2−ノルボルネンなどの非共役ジエン化合物;(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチルなどの(メタ)アクリル酸エステル;(メタ)アクリロニトリル、(メタ)アクリルアミドなどのその他の(メタ)アクリル酸誘導体;などが挙げられる。これらのなかでも、芳香族ビニル化合物が好ましく、そのなかでも特にスチレンが好ましい。これらの共役ジエン化合物と共重合可能な化合物は、1種類を単独で使用しても2種類以上を組合せて用いてもよい。
式(1)、式(2)において「polymer」で表される重合体鎖において、その重合体鎖を構成する全単量体単位に対して、共役ジエン単量体単位が占める割合は、特に限定されないが、通常30重量%以上であり、好ましくは40重量%以上であり、より好ましくは50重量%以上である。また、この重合体鎖の共役ジエン単量体単位部分におけるビニル結合(1,2−ビニル結合および3,4−ビニル結合)の含有量も、特に限定されないが、通常1〜90モル%であり、好ましくは5〜85モル%であり、より好ましくは10〜80モル%である。また、この重合体鎖において、重合体鎖を構成する全単量体単位に対して、芳香族ビニル単量体単位が占める割合も、特に限定されないが、通常70重量%以下であり、好ましくは60重量%以下であり、より好ましくは50重量%以下である。また、この重合体鎖において、重合体鎖を構成する全単量体単位に対して、共役ジエン単量体単位および芳香族ビニル単量体単位以外の単量体単位が占める割合も、特に限定されないが、通常20重量%以下であり、好ましくは10重量%以下であり、より好ましくは5重量%以下である。
式(1)、式(2)において「polymer」で表される重合体鎖が、2種以上の単量体単位から構成されている場合、その結合様式は、たとえば、ブロック状、テーパー状、ランダム状など種々の結合様式とすることができるが、ランダム状の結合様式であることが好ましい。ランダム状にすることにより、得られるゴム架橋物が低発熱性により優れたものとなる。また、式(1)、式(2)において「polymer」で表される重合体鎖は、式(1)、式(2)において「Si」で表されるケイ素原子と結合している側の末端が、実質的にイソプレン単位のみからなる重合体ブロックによって構成されていてもよい。この末端が実質的にイソプレン単位のみからなる重合体ブロックにより構成されることにより、得られる共役ジエン系重合体とシリカとの親和性が良好となり、得られるゴム架橋物を低発熱性および耐摩耗性により優れたものとなる。
式(1)におけるn(すなわち、式(1)において「Si」で表されるケイ素原子と結合している重合体鎖の数)は、1〜3の整数である。本発明の共役ジエン系重合体は、式(1)におけるnが特定の数値であるもののみからなるものであってもよいし、式(1)におけるnが異なるものが混在したものであってもよい。
また、式(2)におけるs(すなわち、式(2)において「Si」で表されるケイ素原子と結合している重合体鎖の数)は、1または2である。本発明の共役ジエン系重合体は、式(2)におけるsが特定の数値であるもののみからなるものであってもよいし、式(2)におけるsが異なるものが混在したものであってもよい。
式(1)、式(2)において、X,Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表す。X,Xで表される官能基となりうるヒドロカルビルオキシ基としては、特に限定されないが、メトキシ基、エトキシ基、n−プロポキシ基、イソプロポキシ基、n−ブトキシ基、イソブトキシ基、sec−ブトキシ基、tert−ブトキシ基などのアルコキシ基;ビニルオキシ基、アリルオキシ基などのアルケニルオキシ基;フェノキシ基、ナフトキシ基などのアリーロキシ基;ベンジルオキシ基などのアラルキルオキシ基;などが挙げられる。これらのなかでも、アルコキシ基またはアリーロキシ基が好ましく、アルコキシ基がより好ましく、メトキシ基またはエトキシ基が特に好ましい。また、X,Xとなりうるハロゲン基としては、特に限定されないが、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基が挙げられ、これらのなかでも、クロロ基が好ましい。また、X,Xは水酸基であってもよく、この水酸基は、ヒドロカルビルオキシ基やハロゲン基であったものが加水分解されて水酸基となったものであってもよい。
なお、式(1)、式(2)において、X,Xとして、アルコキシ基を含有する場合(すなわち、アルコキシシリル基を含有する場合)には、該アルコキシ基は、各種反応により加水分解することによって、ヒドロキシル基に変換し得る(すなわち、シラノール基に変換し得る)。
式(1)におけるm(すなわち、式(1)においてXで表される官能基の数)は、0〜2の整数であり、好ましくは1または2である。本発明の共役ジエン系重合体は、式(1)におけるmが特定の数値であるもののみでなるものであってもよいし、式(1)におけるmが異なるものが混在したものであってもよい。また、mが2である場合において、共役ジエン系重合体1分子中に2個含まれる式(1)においてXで表される官能基は、同一のものであってもよいし、互いに異なるものであってもよい。
また、式(2)におけるt(すなわち、式(2)においてXで表される官能基の数)は、0または1である。本発明の共役ジエン系重合体は、式(2)におけるtが特定の数値であるもののみでなるものであってもよいし、式(2)におけるtが異なるものが混在したものであってもよい。
式(1)、式(2)においてR,Rは、置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。R,Rとなりうる炭化水素基としては、特に限定されないが、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などのアルキル基;ビニル基、アリル基などのアルケニル基;エチニル基、プロピニル基などのアルキニル基;フェニル基、ナフチル基などのアリール基;ベンジル基などのアラルキル基;などが挙げられる。これらのなかでも、アルキル基またはアリール基が好ましく、アルキル基がより好ましい。また、R,Rで表される炭化水素基は、炭化水素基以外の置換基を有していてもよく、その置換基としては、特に限定されないが、カルボキシル基、酸無水物基、ヒドロカルビルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アシルオキシ基などのカルボニル基含有基や、エポキシ基、オキシ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン基などを挙げることができる。
式(1)におけるp(すなわち、式(1)においてRで表される基の数)は、0〜2の整数であり、好ましくは0または1である。本発明の共役ジエン系重合体は、式(1)におけるpが特定の数値であるもののみでなるものであってもよいし、式(1)におけるpが異なるものが混在したものであってもよい。また、pが2である場合において、共役ジエン系重合体1分子中に2個含まれる式(1)においてRで表される基は、同一のものであってもよいし、互いに異なるものであってもよい。
また、式(2)におけるu(すなわち、式(2)においてRで表される基の数)は、0または1である。本発明の共役ジエン系重合体は、式(2)におけるuが特定の数値であるもののみでなるものであってもよいし、式(2)におけるuが異なるものが混在したものであってもよい。
式(1)、式(2)においてRおよびR、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して、式(1)において「N」で表される窒素原子とともに環構造を形成していてもよい。同様に、RおよびRは互いに結合して、式(2)において「N」で表される窒素原子とともに環構造を形成していてもよい。RおよびR、RおよびRが互いに結合しない場合に、RおよびR、RおよびRとなりうる炭化水素基としては、特に限定されないが、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などのアルキル基;ビニル基、アリル基などのアルケニル基;エチニル基、プロピニル基などのアルキニル基;フェニル基、ナフチル基などのアリール基;ベンジル基などのアラルキル基;などが挙げられる。これらのなかでも、アルキル基またはアリール基が好ましく、アルキル基がより好ましく、メチル基またはエチル基が特に好ましい。また、RおよびR、または、RおよびRが互いに結合して環構造を形成する場合に、RおよびRが結合してなる2価の炭化水素基、または、RおよびRが結合してなる2価の炭化水素基としては、特に限定されないが、n−ブチレン基(式(1)、または式(2)において「N」で表される窒素原子とともに1−ピロリジン基を形成する場合)、n−ペンチレン基(1−ピペリジン基を形成する場合)、ブタジエニレン基(1−ピロール基を形成する場合)などが挙げられる。
また、RおよびR、RおよびRで表される炭化水素基は、環構造形成の有無に関わらず、炭化水素基以外の置換基を有していてもよく、その置換基としては、特に限定されないが、カルボキシル基、酸無水物基、ヒドロカルビルカルボニル基、アルコキシカルボニル基、アシルオキシ基などのカルボニル基含有基や、エポキシ基、オキシ基、シアノ基、アミノ基、ハロゲン基などを挙げることができる。さらに、RおよびR、または、RおよびRが互いに結合して環構造を形成する場合には、その環構造を形成する原子として、炭素原子および式(1)、または式(2)において「N」で表される窒素原子以外の原子が含まれていてもよく、そのような原子の例として、窒素原子や酸素原子を挙げることができる。
式(1)において、n+m+p=3である。すなわち、式(1)におけるnとmとpとの和は3である。
また、式(2)において、s+t+u=2である。すなわち、式(2)におけるsとtとuとの和は2である。
本発明の共役ジエン系重合体として、特に好ましいものとして、RおよびR、RおよびRで表される炭化水素基が、互いに結合して、式(1)、式(2)において「N」で表される窒素原子とともに、ピペラジン環構造を形成しているものが挙げられる。より具体的には、本発明の共役ジエン系重合体は、下記の式(7)または下記の式(8)で表される共役ジエン系重合体であることが特に好ましい。本発明の共役ジエン系重合体が、このような構造を有することによって、得られるゴム架橋物を特に低発熱性に優れたものとすることができる。
Figure 2015098264
式(7)中、polymer、X、R、n、m、およびpは、いずれも、式(1)におけるものと同じものを表し、R12は炭化水素基を表し、n+m+p=3である。
Figure 2015098264
式(8)中、polymer、X、R、s、t、およびuは、いずれも、式(2)におけるものと同じものを表し、R13は炭化水素基を表し、s+t+u=2である。
式(7)、式(8)におけるR12、R13は、炭化水素基を表す。R12、R13となりうる炭化水素基としては、特に限定されないが、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などのアルキル基;ビニル基、アリル基などのアルケニル基;エチニル基、プロピニル基などのアルキニル基;フェニル基、ナフチル基などのアリール基;ベンジル基などのアラルキル基;などが挙げられる。これらのなかでも、アルキル基またはアリール基が好ましく、アルキル基がより好ましく、メチル基が特に好ましい。
本発明の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は、特に限定されないが、ポリスチレン換算のゲルパーミエーションクロマトグラフィで測定される値として、通常1,000〜3,000,000、好ましくは10,000〜2,000,000、より好ましくは100,000〜1,500,000の範囲である。共役ジエン系重合体の重量平均分子量を上記範囲とすることにより、共役ジエン系重合体の加工性と機械的強度のバランスが良好なものとなる。
また、本発明の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)で表わされる分子量分布も、特に限定されないが、好ましくは1.0〜5.0であり、より好ましくは1.0〜3.0である。共役ジエン系重合体の分子量分布を上記範囲とすることにより、得られるゴム架橋物がより低発熱性に優れたものとなる。
本発明の共役ジエン系重合体は、充填剤および架橋剤などの配合剤を添加した上で、種々の用途に好適に用いることができる。特に、充填剤としてシリカを配合した場合に、低発熱性およびウエットグリップ性に優れたゴム架橋物を与えることができるゴム架橋物を得るために好適に用いられるゴム組成物を与える。
以上のような本発明の共役ジエン系重合体を製造する方法は、目的の構造が得られる限りにおいて特に限定されないが、次に述べる、本発明の共役ジエン系重合体の製造方法が好適である。すなわち、本発明の共役ジエン系重合体の製造方法は、不活性溶媒中で、重合開始剤を用いて、共役ジエン化合物を含んでなる単量体を重合し、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得る工程と、当該活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端に、下記の式(5)で表される化合物を反応させる工程とを含んでなるものである。
本発明の共役ジエン系重合体の製造方法における2つの必須の工程のうちの1つは、不活性溶媒中で、重合開始剤を用いて、共役ジエン化合物を含んでなる単量体を重合し、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得る工程である。
この工程において、活性末端を有する共役ジエン系重合体を得るために、単量体として用いる共役ジエン化合物としては、前述した、本発明の共役ジエン系重合体において、共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を構成するために用いる共役ジエン化合物として例示したものと同じものを例示できる。
また、単量体として、共役ジエン化合物とともに芳香族ビニル化合物を用いてもよい。単量体として用いる芳香族ビニル化合物としては、前述した、本発明の共役ジエン系重合体において、共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を構成するために用いうる芳香族ビニル化合物として例示したものと同じものを例示できる。さらに、単量体として、共役ジエン化合物とともに、芳香族ビニル化合物以外の、共役ジエン化合物と共重合可能な化合物を用いてもよい。単量体として用いる芳香族ビニル化合物以外の、共役ジエン化合物と共重合可能な化合物としては、前述した、本発明の共役ジエン系重合体において、共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を構成するために用いうる、芳香族ビニル化合物以外の、共役ジエン化合物と共重合可能な化合物として例示したものと同じものを例示できる。
重合に用いる不活性溶媒としては、溶液重合において通常使用されるものであり、重合反応を阻害しないものであれば特に限定されない。不活性溶媒の具体例としては、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの鎖状脂肪族炭化水素;シクロペンタン、シクロヘキサンなどの脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素;などが挙げられる。これらの不活性溶媒は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。不活性溶媒の使用量は、特に限定されないが、単量体濃度が、たとえば1〜50重量%となる量であり、好ましくは10〜40重量%となる量である。
重合に用いる重合開始剤としては、共役ジエン化合物を含んでなる単量体を重合させて、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を与えることができるものであれば、特に限定されない。その具体例としては、有機アルカリ金属化合物、有機アルカリ土類金属化合物、およびランタン系列金属化合物などを主触媒とする重合開始剤を挙げることができる。有機アルカリ金属化合物としては、例えば、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、t−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウム、スチルベンリチウムなどの有機モノリチウム化合物;ジリチオメタン、1,4−ジリチオブタン、1,4−ジリチオ−2−エチルシクロヘキサン、1,3,5−トリリチオベンゼン、1,3,5−トリス(リチオメチル)ベンゼンなどの有機多価リチウム化合物;ナトリウムナフタレンなどの有機ナトリウム化合物;カリウムナフタレンなどの有機カリウム化合物;などが挙げられる。また、有機アルカリ土類金属化合物としては、例えば、ジ−n−ブチルマグネシウム、ジ−n−ヘキシルマグネシウム、ジエトキシカルシウム、ジステアリン酸カルシウム、ジ−t−ブトキシストロンチウム、ジエトキシバリウム、ジイソプロポキシバリウム、ジエチルメルカプトバリウム、ジ−t−ブトキシバリウム、ジフェノキシバリウム、ジエチルアミノバリウム、ジステアリン酸バリウム、ジケチルバリウムなどが挙げられる。ランタン系列金属化合物を主触媒とする重合開始剤としては、例えば、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウムなどのランタン系列金属と、カルボン酸、およびリン含有有機酸などとからなるランタン系列金属の塩を主触媒とし、これと、アルキルアルミニウム化合物、有機アルミニウムハイドライド化合物、有機アルミニウムハライド化合物などの助触媒とからなる重合開始剤などが挙げられる。これらの重合開始剤の中でも、有機モノリチウム化合物、および有機多価リチウム化合物が好ましく用いられ、有機モノリチウム化合物がより好ましく用いられ、n−ブチルリチウムが特に好ましく用いられる。なお、有機アルカリ金属化合物は、予め、ジブチルアミン、ジヘキシルアミン、ジベンジルアミン、ピロリジン、ヘキサメチレンイミン、およびヘプタメチレンイミンなどの第2級アミンと反応させて、有機アルカリ金属アミド化合物として使用してもよい。これらの重合開始剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
重合開始剤の使用量は、目的とする共役ジエン系重合体鎖の分子量に応じて決定すればよいが、単量体1000g当り、通常1〜50ミリモル、好ましくは1.5〜20ミリモル、より好ましくは2〜15ミリモルの範囲である。
重合温度は、通常−80〜+150℃、好ましくは0〜100℃、より好ましくは30〜90℃の範囲である。重合様式としては、回分式、連続式などのいずれの様式をも採用できるが、共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物とを共重合させる場合は、共役ジエン単量体単位と芳香族ビニル単量体単位との結合のランダム性を制御しやすい点で、回分式が好ましい。なお、前述したように、式(1)、式(2)において「polymer」で表される重合体鎖を、式(1)、式(2)において「Si」で表されるケイ素原子と結合している側の末端を、実質的にイソプレン単位のみからなる重合体ブロックによって構成するためには、重合様式を回分式にして、まず、イソプレン単位のみからなる重合体ブロック以外の部分を形成するための単量体を重合させたのち、式(5)で表される化合物を重合反応系に添加する前に、重合反応系に単量体としてイソプレンのみを添加して、重合させればよい。
また、共役ジエン化合物を含んでなる単量体を重合するにあたり、得られる共役ジエン系重合体鎖における共役ジエン単量体単位中のビニル結合含有量を調節するために、不活性有機溶媒に極性化合物を添加することが好ましい。極性化合物としては、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル化合物;テトラメチルエチレンジアミンなどの第三級アミン;アルカリ金属アルコキシド;ホスフィン化合物;などが挙げられる。これらのなかでも、エーテル化合物、および第三級アミンが好ましく、第三級アミンがより好ましく、テトラメチルエチレンジアミンが特に好ましい。これらの極性化合物は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。極性化合物の使用量は、目的とするビニル結合含有量に応じて決定すればよく、重合開始剤1モルに対して、好ましくは0.001〜100モル、より好ましくは0.01〜10モルである。極性化合物の使用量がこの範囲にあると、共役ジエン単量体単位中のビニル結合含有量の調節が容易であり、かつ重合開始剤の失活による不具合も発生し難い。
以上のような工程によれば、不活性溶媒中に、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得ることができる。本発明の共役ジエン系重合体の製造方法における2つの必須の工程のうちの残りの1つは、この活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端に、下記の式(5)で表される化合物を反応させる工程である。
Figure 2015098264
式(5)中、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は互いに結合して環構造を形成していてもよく、rは0〜2の整数である。
式(5)においてXはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表す。Xで表される官能基となりうる官能基の具体例としては、式(1)、式(2)におけるX,Xとなりうる官能基として例示したものと同じものを挙げることができる。
式(5)におけるr(すなわち、式(5)においてXで表される基の数)は、0〜2の整数である。式(5)におけるrが2である場合において、式(5)で表される化合物1分子中に2個含まれる式(5)においてXで表される基は、同一のものであってもよいし、互いに異なるものであってもよい。
式(5)において、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表す。Rで表される置換基を有していてもよい炭化水素基における炭化水素基とその置換基の具体例としては、式(1)、式(2)におけるR,Rとなりうる置換基を有していてもよい炭化水素基について例示したものと同じものを挙げることができる。式(5)におけるrが0である場合において、式(5)で表される化合物1分子中に2個含まれる、式(5)においてRで表される基は、同一のものであってもよいし、互いに異なるものであってもよい。
式(5)においてRおよびR10は、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は互いに結合して環構造を形成していてもよい。RおよびR10で表される置換基を有していてもよい炭化水素基における炭化水素基とその置換基の具体例としては、式(1)、式(2)におけるRおよびR、RおよびRとなりうる置換基を有していてもよい炭化水素基について例示したものと同じものを挙げることができる。
本発明の共役ジエン系重合体として特に好ましいものである、式(7)、式(8)で表される共役ジエン系重合体を得るためには、式(5)で表される化合物として、下記の式(9)で表される化合物を用いればよい。
Figure 2015098264
式(9)中、X、R、およびrは、いずれも、式(5)におけるものと同じものを表し、R14は炭化水素基を表す。
式(9)におけるR14は、炭化水素基を表す。R14となりうる炭化水素基としては、特に限定されないが、メチル基、エチル基、n−プロピル基、イソプロピル基、n−ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基などのアルキル基;ビニル基、アリル基などのアルケニル基;エチニル基、プロピニル基などのアルキニル基;フェニル基、ナフチル基などのアリール基;ベンジル基などのアラルキル基;などが挙げられる。これらのなかでも、アルキル基またはアリール基が好ましく、アルキル基がより好ましく、メチル基が特に好ましい。
式(5)で表される化合物の具体例としては、2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン、2,2−ジエトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン、2,2−ジメトキシ−8−(N,N−ジエチル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン、2−メトキシ−2−メチル−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタンなどが挙げられる。これらの式(5)で表される化合物は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明の共役ジエン系重合体の製造方法において、式(5)で表される化合物の使用量は、特に限定されないが、反応させる活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端1モルに対する式(5)で表される化合物の量として、0.5〜10.0モルであることが好ましく、0.7〜5.0モルであることがより好ましく、1.0〜2.0モルであることが特に好ましい。このような量で、式(5)で表される化合物を用いることにより、得られる共役ジエン系重合体が特に低発熱性に優れたゴム架橋物を与えるものとなる。
なお、通常、式(5)で表される化合物は、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端と反応する場合には、次のようにして反応が進行すると考えられる。すなわち、まず、第1の反応形態を例示すると、1段階目の反応として、式(5)で表される化合物中の8員環構造における酸素−ケイ素結合が開裂して、そのケイ素原子は共役ジエン系重合体鎖の活性末端との間に新たに結合を形成し、酸素原子は活性末端の対イオンと塩構造(なお、この塩構造は、重合反応停止時に重合反応停止剤などに由来するプロトンと反応して水酸基を生じるものである)を形成する。さらに、式(5)で表される化合物が、ヒドロカルビルオキシシリル基を有する場合(式(5)におけるrが1または2である場合)には、そのヒドロカルビルオキシシリル基中のヒドロカルビルオキシ基と共役ジエン系重合体鎖の活性末端が反応して、さらに、ケイ素原子と共役ジエン系重合体鎖の活性末端との間に結合が生じる。
あるいは、第2の反応形態として、1段階目の反応において、式(5)で表される化合物中の8員環構造における酸素−ケイ素結合が開裂することなく、ケイ素原子に結合している、Xが脱離することで、そのケイ素原子が共役ジエン系重合体鎖の活性末端との間に新たに結合を形成し、酸素原子は活性末端の対イオンと塩構造(なお、この塩構造は、重合反応停止時に重合反応停止剤などに由来するプロトンと反応して水酸基を生じるものである)を形成する。さらに、式(5)で表される化合物が、ヒドロカルビルオキシシリル基を有する場合(式(5)におけるrが1または2である場合)には、そのヒドロカルビルオキシシリル基中のヒドロカルビルオキシ基と共役ジエン系重合体鎖の活性末端が反応して、さらに、ケイ素原子と共役ジエン系重合体鎖の活性末端との間に結合が生じる。
本発明において、上記第1の反応形態により反応が進行することにより、式(1)で表される共役ジエン系重合体を得ることができ、一方、上記第2の反応形態により反応が進行することにより、式(2)で表される共役ジエン系重合体を得ることができる。また、上記第1の反応形態による反応と、第2の反応形態による反応とが同時に進行することで(たとえば、主として、第1の反応形態により反応が進行する一方で、副次的に、第2の反応形態による反応が進行する場合等)、共役ジエン系重合体として、式(1)で表されるものと、下記の式(2)で表されるものとの混合物を得ることができる。
式(5)で表される化合物と活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖とを反応させる方法は、特に限定されないが、これらを、それぞれが溶解可能な溶媒中で、混合する方法などが挙げられる。この際に用いる溶媒としては、上述した重合に用いる不活性溶媒として例示したものなどを用いることができる。また、この際においては、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得るための重合に用いた重合溶液に、式(5)で表される化合物を添加する方法が簡便であり好ましい。また、この際においては、式(5)で表される化合物は、不活性溶媒に溶解して重合系内に添加することが好ましく、その溶液濃度は、1〜50重量%の範囲とすることが好ましい。反応温度は、特に限定されないが、通常0〜120℃であり、反応時間も特に限定されないが、通常1分〜1時間である。
活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を含有する溶液に、式(5)で表される化合物を添加する時期は特に限定されないが、重合反応が完結しておらず、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を含有する溶液が単量体をも含有している状態、より具体的には、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を含有する溶液が、100ppm以上、より好ましくは300〜50,000ppmの単量体を含有している状態で、この溶液に式(5)で表される化合物を添加することが望ましい。上記式(5)で表される化合物の添加をこのように行なうことにより、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖と重合系中に含まれる不純物などとの副反応を抑制して、反応を良好に制御することが可能となる。
なお、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖に、式(5)で表される化合物を反応させる前の状態のとき、または反応させた後に活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖が残存している状態のときに、本発明の効果を阻害しない範囲で、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端の一部を、従来から通常使用されているカップリング剤や変性剤などを重合系内に添加して、カップリングや変性を行ってもよい。
特に、本発明においては、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖について、活性末端の一部を、カップリング剤としてのハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または下記式(6)で表される化合物と反応させることが好ましい。
Figure 2015098264
式(6)中、R11は置換基を有していてもよいアルキル鎖を表し、Xはハロゲン基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表す。
ハロゲン化錫としては、四塩化錫、トリフェニルモノクロル錫などが挙げられ、四塩化錫が好ましい。また、ハロゲン化珪素としては、四塩化ケイ素、ヘキサクロロジシラン、トリフェノキシクロロシラン、メチルトリフェノキシシラン、ジフェノキシジクロロシランなどが挙げられ、四塩化ケイ素が好ましい。
また、式(6)中、R11は置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、R11となりうる炭化水素基としては、特に限定されないが、メチレン基、1,2−エチレン基、1,3−プロピレン基、1,4−ブチレン基、1,5−ペンチレン基、1,6−ヘキシレン基、4−メチル−2,2−ペンチレン基、2,3−ジメチル−2,3−ブチレン基などが挙げられる。これらのなかでも、1,2−エチレン基および1,6−ヘキシレン基が好ましい。また、Xとなりうるハロゲン基としては、特に限定されないが、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基が挙げられ、これらのなかでも、クロロ基が好ましい。さらに、Mは珪素原子または錫原子であるが、珪素原子であることが好ましい。
また、式(6)で表される化合物の具体例としては、ビス(トリクロロシリル)メタン、1,2−ビス(トリクロロシリル)エタン、1,3−ビス(トリクロロシリル)プロパン、1,4−ビス(トリクロロシリル)ブタン、1,5−ビス(トリクロロシリル)ペンタン、および1,6−ビス(トリクロロシリル)ヘキサンなどが挙げられる。
本発明の共役ジエン系重合体の製造方法において、ハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または式(6)で表される化合物の使用量は、特に限定されないが、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端1モルに対する量として、0.001〜0.2モルであることが好ましく、0.005〜0.1モルであることがより好ましく、0.01〜0.05モルであることが特に好ましい。このような量で、ハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または式(6)で表される化合物を用いることで、得られる共役ジエン系重合体の形状安定性をより高めることができる。
本発明においては、このように、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖について、活性末端の一部を、カップリング剤としてのハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または式(6)で表される化合物と反応させることにより、本発明の共役ジエン系重合体を、式(1)または式(2)で表される共役ジエン系重合体と、式(3)で表される共役ジエン系重合体および/または式(4)で表される共役ジエン系重合体との混合物(共役ジエン系重合体組成物)とすることができる。そして、これにより、共役ジエン系重合体に分岐構造(好ましくは、3分岐以上の分岐構造)を導入することができ、結果として、共役ジエン系重合体を、形状安定性に優れたもの(すなわち、所定の形状(たとえば、ベール状)に加工した際に、このような所定の形状を良好に維持できるもの)とすることができる。
Figure 2015098264
Figure 2015098264
なお、式(3)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表し、aは1〜4の整数であり、bは0〜3の整数であり、a+b=4である。
式(3)において「polymer」で表される重合体鎖は、共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖であり、式(1)、式(2)におけるものと同様である。また、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Xとなりうるハロゲン基としては、特に限定されないが、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基が挙げられ、これらのなかでも、クロロ基が好ましい。
また、式(4)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表し、cは0〜3の整数であり、dは0〜3の整数であり、eは0〜3の整数であり、fは0〜3の整数であり、c+d=3であり、e+f=3であり、d+fは1〜6の整数である。
式(4)において「polymer」で表される重合体鎖は、共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖であり、式(1)、式(2)におけるものと同様である。また、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Xとなりうるハロゲン基としては、特に限定されないが、フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基が挙げられ、これらのなかでも、クロロ基が好ましい。さらに、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、Rとなりうる炭化水素基としては、式(6)におけるものと同様である。
なお、本発明の共役ジエン系重合体を、式(1)または式(2)で表される共役ジエン系重合体と、式(3)で表される共役ジエン系重合体および/または式(4)で表される共役ジエン系重合体との混合物とする場合における、これらの割合は、(式(1)または式(2)で表される共役ジエン系重合体):(式(3)で表される共役ジエン系重合体および/または式(4)で表される共役ジエン系重合体)の重量比率で、好ましくは60:40〜98:2、より好ましくは80:20〜96:4である。これらの割合を上記範囲とすることにより、形状安定性の向上効果をより適切に得ることができる。
本発明の共役ジエン系重合体のカップリング率は、特に限定されないが、好ましくは10重量%以上、より好ましくは15重量%以上、特に好ましくは20重量%以上であり、また、好ましくは80重量%以下、より好ましくは75重量%以下、特に好ましくは70重量%以下である。このカップリング率が低すぎると、共役ジエン系重合体から得られる架橋物の機械的強度が不十分となるおそれがあり、また、カップリング率が高すぎると、共役ジエン系重合体から得られる架橋物の耐摩耗性が不十分となるおそれがある。なお、カップリング率は、式(5)で表される化合物およびカップリング剤(具体的には、ハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または式(6)で表される化合物)やその他の変性剤と反応させる前の活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖のピークトップ分子量の1.8倍以上の分子量を有する重合体分子の、最終的に得られた共役ジエン系重合体の全量に対する重量分率であり、このときの分子量の測定は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィによりポリスチレン換算分子量として求めるものとする。
活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖に、式(5)で表される化合物、および所望により、カップリング剤(具体的には、ハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または式(6)で表される化合物)やその他の変性剤を反応させた後に、未反応の活性末端が残存している場合、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコールまたは水などの、重合停止剤を重合溶液に添加して、未反応の活性末端を失活させることが好ましい。
以上のようにして得られる共役ジエン系重合体の溶液には、所望により、フェノール系安定剤、リン系安定剤、イオウ系安定剤などの老化防止剤を添加してもよい。老化防止剤の添加量は、その種類などに応じて適宜決定すればよい。さらに、所望により、伸展油を配合して、油展ゴムとしてもよい。伸展油としては、たとえば、パラフィン系、芳香族系およびナフテン系の石油系軟化剤、植物系軟化剤、ならびに脂肪酸等が挙げられる。石油系軟化剤を用いる場合には、IP346の方法(英国のTHE INSTITUTE PETROLEUMの検査方法)により抽出される多環芳香族の含有量が3%未満であることが好ましい。伸展油を使用する場合、その使用量は、共役ジエン系重合体100重量部に対して、通常5〜100重量部である。
そして、このようにして得られた共役ジエン系重合体は、例えば、スチームストリッピングにより、溶媒を除去することにより、反応混合物から分離することで、固形状の共役ジエン系重合体として得ることができる。なお、重合反応により得られる共役ジエン系重合体が、式(1)、式(2)においてX,Xで表される基として、ヒドロカルビルオキシ基またはハロゲン基を有する場合には、この共役ジエン系重合体をスチームストリッピングする際に、これらの基の少なくとも一部が加水分解して水酸基を生じ得るが、そのように生じたX,Xで表される基として水酸基(シラノール基)を有する共役ジエン系重合体も、本発明の共役ジエン系重合体として用いることができる。
本発明のゴム組成物は、例えば以上のようにして得られる本発明の共役ジエン系重合体を含有するゴム成分100重量部とシリカ10〜200重量部とを含有してなるゴム組成物である。
本発明で用いるシリカとしては、たとえば、乾式法ホワイトカーボン、湿式法ホワイトカーボン、コロイダルシリカ、沈降シリカなどが挙げられる。これらのなかでも、含水ケイ酸を主成分とする湿式法ホワイトカーボンが好ましい。また、カーボンブラック表面にシリカを担持させたカーボン−シリカデュアル・フェイズ・フィラーを用いてもよい。これらのシリカは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。用いるシリカの窒素吸着比表面積(ASTM D3037−81に準じBET法で測定される)は、好ましくは50〜300m/gであり、より好ましくは80〜220m/gであり、特に好ましくは100〜170m/gである。また、シリカのpHは、5〜10であることが好ましい。
本発明のゴム組成物におけるシリカの配合量は、ゴム組成物中のゴム成分100重量部に対して、10〜200重量部であり、好ましくは30〜150重量部であり、より好ましくは50〜100重量部である。シリカの配合量をこの範囲とすることにより、ゴム組成物の加工性が優れたものとなり、得られるゴム架橋物の耐摩耗性および低発熱性がより優れたものとなる。
本発明のゴム組成物には、低発熱性をさらに改良するという観点より、さらにシランカップリング剤を配合してもよい。シランカップリング剤としては、たとえば、ビニルトリエトキシシラン、β−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、N−(β−アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−オクタチオ−1−プロピル−トリエトキシシラン、ビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)ジスルフィド、ビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)テトラスルフィド、γ−トリメトキシシリルプロピルジメチルチオカルバミルテトラスルフィド、およびγ−トリメトキシシリルプロピルベンゾチアジルテトラスルフィドなどを挙げることができる。これらのシランカップリング剤は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。シランカップリング剤の配合量は、ゴム組成物中のシリカ100重量部に対して、好ましくは0.1〜30重量部であり、より好ましくは1〜15重量部である。
また、本発明のゴム組成物には、さらに、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、およびグラファイトなどのカーボンブラックを配合してもよい。これらのなかでも、ファーネスブラックが好ましい。これらのカーボンブラックは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。カーボンブラックの配合量は、ゴム組成物中のゴム成分100重量部に対して、通常、120重量部以下である。
本発明の共役ジエン系重合体を含むゴム成分に、シリカを添加する方法は特に限定されず、固形のゴム成分に対して添加して混練する方法(乾式混練法)やゴム成分の溶液に対して添加して凝固・乾燥させる方法(湿式混練法)などを適用することができる。
また、本発明のゴム組成物は、架橋剤をさらに含有していることが好ましい。架橋剤としては、たとえば、硫黄、ハロゲン化硫黄などの含硫黄化合物、有機過酸化物、キノンジオキシム類、有機多価アミン化合物、メチロール基を有するアルキルフェノール樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硫黄が好ましく使用される。架橋剤の配合量は、ゴム組成物中のゴム成分100重量部に対して、好ましくは0.1〜15重量部であり、より好ましくは0.5〜5重量部であり、特に好ましくは1〜4重量部である。
さらに、本発明のゴム組成物には、上記成分以外に、常法に従って、架橋促進剤、架橋活性化剤、老化防止剤、充填剤(上記シリカおよびカーボンブラックを除く)、活性剤、プロセス油、可塑剤、滑剤、粘着付与剤などの配合剤をそれぞれ必要量配合できる。
架橋剤として、硫黄または含硫黄化合物を用いる場合には、架橋促進剤および架橋活性化剤を併用することが好ましい。架橋促進剤としては、たとえば、スルフェンアミド系架橋促進剤;グアニジン系架橋促進剤;チオウレア系架橋促進剤;チアゾール系架橋促進剤;チウラム系架橋促進剤;ジチオカルバミン酸系架橋促進剤;キサントゲン酸系架橋促進剤;などが挙げられる。これらのなかでも、スルフェンアミド系架橋促進剤を含むものが好ましい。これらの架橋促進剤は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いられる。架橋促進剤の配合量は、ゴム組成物中のゴム成分100重量部に対して、好ましくは0.1〜15重量部であり、より好ましくは0.5〜5重量部であり、特に好ましくは1〜4重量部である。
架橋活性化剤としては、たとえば、ステアリン酸などの高級脂肪酸;酸化亜鉛;などを挙げることができる。これらの架橋活性化剤は、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いられる。架橋活性化剤の配合量は、ゴム組成物中のゴム成分100重量部に対して、好ましくは0.05〜20重量部であり、特に好ましくは0.5〜15重量部である。
また、本発明のゴム組成物には、本発明の共役ジエン系重合体以外のその他のゴムを配合してもよい。その他のゴムとしては、たとえば、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、乳化重合スチレン−ブタジエン共重合ゴム、溶液重合スチレン−ブタジエン共重合ゴム、ポリブタジエンゴム(高シス−BR、低シスBRであってもよい。また、1,2−ポリブタジエン重合体からなる結晶繊維を含むポリブタジエンゴムであってもよい。)、スチレン−イソプレン共重合ゴム、ブタジエン−イソプレン共重合ゴム、スチレン−イソプレン−ブタジエン共重合ゴム、アクリロニトリル−ブタジエン共重合ゴム、およびアクリロニトリル−スチレン−ブタジエン共重合ゴムなどのうち、上述した変性共役ジエン系ゴム以外のものをいう。これらのなかでも、天然ゴム、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、および溶液重合スチレン−ブタジエン共重合ゴムが好ましい。これらのゴムは、それぞれ単独で、あるいは2種以上を組み合わせて用いることができる。
本発明のゴム組成物において、本発明の共役ジエン系重合体は、ゴム組成物中のゴム成分の10〜100重量%を占めることが好ましく、50〜100重量%を占めることが特に好ましい。このような割合で、本発明の共役ジエン系重合体がゴム成分中に含まれることにより、より低発熱性および耐摩耗性に優れたゴム架橋物を得ることができる。
本発明のゴム組成物を得るためには、常法に従って各成分を混練すればよく、たとえば、架橋剤や架橋促進剤などの熱に不安定な成分を除く成分とゴム成分とを混練した後、その混練物に架橋剤や架橋促進剤などの熱に不安定な成分を混合して目的のゴム組成物を得ることができる。熱に不安定な成分を除く成分とゴム成分との混練温度は、好ましくは80〜00℃であり、より好ましくは120〜180℃であり、その混練時間は、好ましくは30秒〜30分である。また、その混練物と熱に不安定な成分との混合は、通常100℃以下、好ましくは80℃以下まで冷却した後に行われる。
本発明のゴム架橋物は、以上述べたような本発明のゴム組成物を架橋してなるものである。本発明のゴム架橋物は、本発明のゴム組成物を用い、たとえば、所望の形状に対応した成形機、たとえば、押出機、射出成形機、圧縮機、ロールなどにより成形を行い、加熱することにより架橋反応を行い、架橋物として形状を固定化することにより製造することができる。この場合においては、予め成形した後に架橋しても、成形と同時に架橋を行ってもよい。成形温度は、通常10〜200℃であり、好ましくは25〜120℃である。架橋温度は、通常100〜200℃であり、好ましくは130〜190℃であり、架橋時間は、通常1分〜24時間であり、好ましくは2分〜12時間であり、特に好ましくは3分〜6時間である。
また、ゴム架橋物の形状、大きさなどによっては、表面が架橋していても内部まで十分に架橋していない場合があるので、さらに加熱して二次架橋を行ってもよい。
ゴム組成物を架橋するための加熱方法としては、プレス加熱、スチーム加熱、オーブン加熱、熱風加熱などのゴムの架橋に用いられる一般的な方法を適宜選択すればよい。
例えば以上のようにして得られる本発明のゴム架橋物は、本発明の共役ジエン系重合体を用いて得られるものであるため、低発熱性およびウエットグリップ性に優れたものである。本発明のゴム架橋物は、このような特性を活かし、たとえば、タイヤにおいて、キャップトレッド、ベーストレッド、カーカス、サイドウォール、ビード部などのタイヤ各部位の材料;ホース、ベルト、マット、防振ゴム、その他の各種工業用品の材料;樹脂の耐衝撃性改良剤;樹脂フィルム緩衝剤;靴底;ゴム靴;ゴルフボール;玩具;などの各種用途に用いることができる。とりわけ、本発明のゴム架橋物は、低発熱性およびウエットグリップ性に優れることから、タイヤの材料、特に低燃費タイヤの材料として好適に用いることができ、トレッド用途に最適である。すなわち、本発明のタイヤは、本発明のゴム架橋物を含んでなるタイヤ。
以下に、実施例および比較例を挙げて、本発明についてより具体的に説明する。なお、各例中の「部」および「%」は、特に断りのない限り、重量基準である。
各種の測定および評価については、以下の方法に従って行った。
〔共役ジエン系重合体の分子量〕
重合体の分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィによりポリスチレン換算分子量として求めた。具体的な測定条件は、以下のとおりとした。
測定器:高速液体クロマトグラフ(東ソー社製、商品名「HLC−8220」)
カラム:東ソー社製、商品名「GMH−HR−H」を二本直列に連結した。
検出器:示差屈折計
溶離液:テトラヒドロフラン
カラム温度:40℃
〔共役ジエン系重合体のカップリング率〕
上記の条件のゲルパーミエーションクロマトグラフィにより得られた溶出曲線において、全溶出面積に対する、分子量の最も小さいピークが示すピークトップ分子量の1.8倍以上のピークトップ分子量を有するピーク部分の面積比を、共役ジエン系重合体のカップリング率の値とした。
〔共役ジエン系重合体の形状安定性〕
共役ジエン系重合体を厚さ2mmのシート状にした後に、JIS K6251に定めるダンベル状8号形に打ち抜いた。このダンベル状試験片の中央部に標線間距離が10mmになるように2本の標線をひいた。次に、試験片のつかみ部の片方を上方より固定し吊り下げ、温度23℃、湿度50%、96時間静置し、静置後の標線間距離を求め、これを形状安定性の値とした。この形状安定性の値については、比較例1の測定値を100とする指数で示した。この指数が小さいものほど、形状安定性に優れる。
〔ゴム架橋物の低発熱性〕
低発熱性については、長さ50mm、幅12.7mm、厚さ2mmの試験片を、レオメトリックス社製ARESを用い、動的歪み2.5%、10Hzの条件で60℃におけるtanδを測定することにより評価した。このtanδの値については、比較例1の測定値を100とする指数で示した。この指数が小さいものほど、低発熱性に優れる。
〔ゴム架橋物のウエットグリップ性〕
ウエットグリップ性については、長さ50mm、幅12.7mm、厚さ2mmの試験片を、レオメトリックス社製ARESを用い、動的歪み0.5%、10Hzの条件で0℃におけるtanδの値を測定することにより評価した。このtanδの値については、比較例1の測定値を100とする指数で示した。この指数が大きいものほど、ウエットグリップ性に優れる。
〔実施例1〕
窒素雰囲気下、オートクレーブに、シクロヘキサン800部、1,3−ブタジエン94.8部、スチレン25.2部、およびテトラメチルエチレンジアミン0.164部を仕込んだ後、n−ブチルリチウム0.045部を添加し、60℃で重合を開始した。60分間重合反応を継続し、重合転化率が95%から100%の範囲になったことを確認してから、2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.322部を添加し、30分間反応させた後、重合停止剤としてメタノール0.064部を添加して、共役ジエン系重合体を含有する溶液を得た。そして、得られた重合体成分100部に対して、老化防止剤として2,4−ビス[(オクチルチオ)メチル]−o−クレゾール(チバスペシャルティケミカルズ社製、商品名「イルガノックス1520」)0.15部を溶液に添加した後、スチームストリッピングにより、溶媒を除去し、60℃で24時間真空乾燥して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例1の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は370,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.29、カップリング率は32.8%であった。また、得られた実施例1の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値(比較例1の結果を100とした場合の値。以下、各実施例および比較例において同様。)は、26であった。
〔実施例2〕
窒素雰囲気下、オートクレーブに、シクロヘキサン800部、1,3−ブタジエン94.8部、スチレン25.2部、およびテトラメチルエチレンジアミン0.164部を仕込んだ後、n−ブチルリチウム0.045部を添加し、60℃で重合を開始した。60分間重合反応を継続し、重合転化率が95%から100%の範囲になったことを確認してから、四塩化スズ0.0055部を添加し、10分間反応させた。次に、2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.263部を添加し、30分間反応させた後、重合停止剤としてメタノール0.064部を添加して、共役ジエン系重合体を含有する溶液を得た。そして、得られた重合体成分100部に対して、老化防止剤として2,4−ビス[(オクチルチオ)メチル]−o−クレゾール(チバスペシャルティケミカルズ社製、商品名「イルガノックス1520」)0.15部を溶液に添加した後、スチームストリッピングにより、溶媒を除去し、60℃で24時間真空乾燥して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例2の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は328,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.43、カップリング率は40.0%であった。また、得られた実施例2の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、15であった。
〔実施例3〕
四塩化スズ0.0055部に代えて、四塩化ケイ素0.0036部を用いたこと以外は、実施例2と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例3の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は340,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.41、カップリング率は43.9%であった。また、得られた実施例3の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、9であった。
〔実施例4〕
四塩化スズ0.0055部に代えて、1,6−ビス(トリクロロシリル)ヘキサン0.0075部を用いたこと以外は、実施例2と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例4の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は333,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.44、カップリング率は42.1%であった。また、得られた実施例4の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、12であった。
〔実施例5〕
四塩化スズ0.0055部に代えて、1,2−ビス(トリクロロシリル)エタン0.0063部を用いたこと以外は、実施例2と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例5の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は338,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.46、カップリング率は41.3%であった。また、得られた実施例5の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、12であった。
〔実施例6〕
2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.322部に代えて、2,2−ジエトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.352部を用いたこと以外は、実施例1と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例6の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は285,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.20、カップリング率は19.1%であった。また、得られた実施例6の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、71であった。
〔実施例7〕
2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.263部に代えて、2−ジエトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.310部を用いたこと以外は、実施例2と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例7の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は298,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.30、カップリング率は24.0%であった。また、得られた実施例7の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、52であった。
〔実施例8〕
2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.322部に代えて、2,2−ジメトキシ−8−(N,N−ジエチル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.294部を用いたこと以外は、実施例1と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例8の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は292,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.51、カップリング率は43.0%であった。また、得られた実施例8の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、13であった。
〔実施例9〕
2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.263部に代えて、2,2−ジメトキシ−8−(N,N−ジエチル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.165部を用いたこと以外は、実施例2と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた実施例9の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は345,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.45、カップリング率は45.5%であった。また、得られた実施例9の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、5であった。
〔比較例1〕
2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.322部に代えて、2,2−ジメトキシ−1−フェニル−1−アザ−2−シラシクロペンタン0.236部を用いたこと以外は、実施例1と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた比較例1の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は258,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.12、カップリング率は4.5%であった。また、得られた比較例1の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、100であった。
〔比較例2〕
2,2−ジメトキシ−8−(4−メチルピペラジニル)メチル−1,6−ジオキサ−2−シラシクロオクタン0.322部に代えて、N−フェニル−2−ピロリドン0.188部を用いたこと以外は、実施例1と同様に操作して、固形状の共役ジエン系重合体を得た。得られた比較例2の共役ジエン系重合体の重量平均分子量(Mw)は255,000、分子量分布(Mw/Mn)は1.08、カップリング率は2.2%であった。また、得られた比較例2の共役ジエン系重合体について、上記方法にしたがって、形状安定性の評価を行ったところ、形状安定性のインデックス値は、100であった。
〔ゴム架橋物の製造と評価〕
容量250mlのブラベンダータイプミキサー中で、実施例1の共役ジエン系重合体100部を30秒素練りし、次いでシリカ(ローディア社製、商品名「Zeosil1115MP」)50部、プロセスオイル(新日本石油社製、商品名「アロマックス T−DAE」)20部、およびシランカップリング剤:ビス(3−(トリエトキシシリル)プロピル)テトラスルフィド(デグッサ社製、商品名「Si69」)6.0部を添加して、110℃を開始温度として1.5分間混練後、シリカ(ローディア社製、商品名「Zeosil1115MP」)25部、酸化亜鉛3部、ステアリン酸2部および老化防止剤: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(大内新興社製、商品名「ノクラック6C」)2部を添加し、更に2.5分間混練し、ミキサーから混練物を排出させた。混錬終了時の混練物の温度は150℃であった。混練物を、室温まで冷却した後、再度ブラベンダータイプミキサー中で、110℃を開始温度として2分間混練した後、ミキサーから混練物を排出させた。次いで、50℃のオープンロールで、得られた混練物に、硫黄1.40部、架橋促進剤:N−tert−ブチル−2−ベンゾチアゾリルスルフェンアミド(商品名「ノクセラーNS−P」、大内新興化学工業社製)1.2部、およびジフェニルグアニジン(商品名「ノクセラーD」、大内新興化学工業社製)1.2部を加えてこれらを混練した後、シート状のゴム組成物を取り出した。このゴム組成物を、160℃で20分間プレス架橋して、ゴム架橋物の試験片を作製し、この試験片について、低発熱性およびウエットグリップ性の評価を行なった。実施例2〜9、比較例1および比較例2の共役ジエン系重合体についても、それぞれ、同様にして、ゴム架橋物の試験片を作製し、これらの試験片について、低発熱性およびウエットグリップ性の評価を行なった。表1にこれらの結果をまとめて示す。
Figure 2015098264
表1から判るように、本発明の共役ジエン系重合体の製造方法によって得られる、本発明の共役ジエン系重合体(実施例1〜9)を用いて得られたゴム架橋物は、従来の手法により末端変性した共役ジエン系重合体(比較例1および比較例2)を用いて得られたゴム架橋物に比して、低発熱性およびウエットグリップ性に優れる。

Claims (8)

  1. 下記の式(1)または下記の式(2)で表される共役ジエン系重合体。
    Figure 2015098264
    (式(1)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよく、nは1〜3の整数であり、mは0〜2の整数であり、pは0〜2の整数であり、n+m+p=3である。)
    Figure 2015098264
    (式(2)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびRは互いに結合して環構造を形成していてもよく、sは1または2であり、tは0または1であり、uは0または1であり、s+t+u=2である。)
  2. 請求項1に記載の共役ジエン系重合体に、さらに下記式(3)で表される共役ジエン系重合体および/または下記式(4)で表される共役ジエン系重合体を含むことを特徴とする共役ジエン系重合体。
    Figure 2015098264
    (式(3)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表し、aは1〜4の整数であり、bは0〜3の整数であり、a+b=4である。)
    Figure 2015098264
    (式(4)中、polymerは共役ジエン単量体単位を含んでなる重合体鎖を表し、Xはハロゲン基または水酸基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表し、cは0〜3の整数であり、dは0〜3の整数であり、eは0〜3の整数であり、fは0〜3の整数であり、c+d=3であり、e+f=3であり、d+fは1〜6の整数である。)
  3. 請求項1または2に記載の共役ジエン系重合体を含有するゴム成分100重量部とシリカ10〜200重量部とを含有してなるゴム組成物。
  4. 架橋剤をさらに含有してなる請求項3に記載のゴム組成物。
  5. 請求項4に記載のゴム組成物を架橋してなるゴム架橋物。
  6. 請求項5に記載のゴム架橋物を含んでなるタイヤ。
  7. 不活性溶媒中で、重合開始剤を用いて、共役ジエン化合物を含んでなる単量体を重合し、活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得る工程と、当該活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖の活性末端に、下記の式(5)で表される化合物を反応させる工程とを含んでなる共役ジエン系重合体の製造方法。
    Figure 2015098264
    (式(5)中、Xはヒドロカルビルオキシ基、ハロゲン基および水酸基から選択される官能基を表し、Rは置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は、それぞれ、置換基を有していてもよい炭化水素基を表し、RおよびR10は互いに結合して環構造を形成していてもよく、rは0〜2の整数である。)
  8. 前記活性末端を有する共役ジエン系重合体鎖を得る工程の後に、当該活性末端の一部をハロゲン化錫、ハロゲン化珪素、または下記式(6)で表される化合物と反応させる工程をさらに備える請求項7に記載の共役ジエン系重合体の製造方法。
    Figure 2015098264
    (式(6)中、R11は置換基を有していてもよいアルキル鎖を表し、Xはハロゲン基を表し、Mは珪素原子または錫原子を表す。)
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