KR101135575B1 - 아크릴레이트계 커플링제 및 이를 사용하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법 - Google Patents

아크릴레이트계 커플링제 및 이를 사용하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리카와 친화력이 우수한 디엔계 공중합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄화수소 용매, 루이스 염기 및 유기리튬 촉매 존재 하에서, 공역 디엔계 단량체 및 비닐 방향족 단량체를 중합하여 제조된 리빙중합체 말단을 실리카 친화형 커플링제인 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트를 이용하여 변성시킨 디엔계 공중합체 제조 방법으로 이렇게 제조된 공중합체는, 무기 소재인 실리카와 혼합 사용시 실리카와 친화력이 우수하여 실리카 배합물중 실리카의 분산성이 향상되어 실리카 타이어의 가공성과 물성이 기존 타이어 대비 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
아크릴레이트, 커플링제, 스티렌-부타디엔, 공중합체

Description

아크릴레이트계 커플링제 및 이를 사용하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법{The Method of Styren-Butadien Copolymer Using of The Coupling Agent of Acrylate Group And The Coupling Agent Thereof}
본 발명은 공역디엔 단량체와 비닐방향족 단량체로 부터 얻어진 공중합체 제조에 관한 것으로서, 유기리튬 촉매 및 탄화수소 용매 존재 하에 디엔계 단량체와 비닐방향족 단량체를 공중합시켜 형성된 리빙 중합체 말단을 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트로 커플링하여 실리카 친화력을 증대시킨 실리카 친화형 스티렌 부타디엔 공중합체 제조에 관한 것이다.
유기리튬 촉매를 이용하여 제조된 공역디엔 폴리머는 유화중합법으로 조절이 불가능한 공역디엔의 비닐구조 함량을 조절할 수 있어 유화중합 스티렌-부타디엔 고무(SBR)에 비하여 습윤저항과 회전저항 특성이 우수하다. 특히 유기리튬 촉매를 이용하여 중합한 경우 분자말단에 여러 관능기를 도입하여 상온에서의 저온흐름성(cold flow)을 제어할 수 있으며, 특히 타이어에 사용되는 보강재(reinforcing material)인 카본블랙 및 실리카와의 상용성을 높여 내마모도(treadwear) 특성을 향상시킬 수 있고 회전 저항(rolling resistance)을 감소시킬 수 있으며, 또한 습 윤저항(wet traction)을 향상시킬 수 있는 효과를 나타낸다.
유기리튬 촉매를 이용하여 용액중합을 통해 얻어진 공중합체 중 분자의 말단을 틴(tin) 커플링제를 사용하여 커플링한 경우는, 틴 화합물이 카본블랙과 상용성이 높아 카본블랙 배합고무에서는 카본블랙과 상용성이 우수한 고무를 얻을 수 있다. 그러나 실리카 배합물에서 틴 화합물로 커플링된 고무를 타이어 재료로 사용할 경우 틴 화합물과 고분자간의 결합력(Sn-C 결합)이 약해 배합 중 물리적인 힘과 첨가제에 의하여 그 결합이 쉽게 깨져 기계적 물성 저하요인이 된다. 이러한 이유로 실리카 배합에는 틴 커플링된 고무를 사용하는 것이 제한되고 있다(미합중국 특허 제4,397,994호).
한편, 고무와 카본블랙과의 상용성을 증대시키기 위하여 분자말단을 아민 화합물의 일종인 아미노 벤조페논(benzopheone) 화합물로 변성시킴으로써 기존고무 보다 우수한 동적 특성과 기계적 물성을 획득하는 방법도 개발되었다(미합중국 특허 제4,555,548호). 그러나 이러한 방법으로 제조된 고무는 배합시 가공성이 좋지 않고, 보관안정성의 중요요소인 저온흐름성(cold flow)이 높아 장기보관의 문제점을 보이고 있다
또한 이러한 고무를 실리카 타이어에 사용할 경우 실리카와 상용성이 없어 기계적 물성과 타이어의 동적특성이 떨어지는 단점이 있어 이를 실리카 타이어 제조에 사용하는 것은 제한된다. (미합중국 특허 제4,555,548호, 제5,219,945호)
용액중합의 한 방법으로 bi-functional initiator를 사용하여 고무의 양 말단을 기능화한 고무를 제조하여 타이어 제조시 사용되는 보강재와의 상용성을 증대 시키려는 노력이 있었으나, 이렇게 제조된 고무는 음이온중합의 통상적인 반응용매인 비극성 용매에서 높은 용액점도를 보여 용액중합으로 생산하는데 한계를 보여주고 있다(미합중국 특허 제 6,221,975호).
기능성 개시제(functional initiator)를 이용하여 고무를 중합하고 고무의 말단을 아민 또는 실리콘 화합물로 치환하여 고무와 보강제와의 극성을 극대화시키는 기술이 있으나, 이렇게 제조된 고무는 상온에서 저온흐름특성이 높아 보관상 문제가 있다. (미합중국 특허 제 6,133,388호) 이에 따라 실리카와 친화성을 증진시키기 위하여 리빙중합체 음이온과 반응이 가능한 기능성 변성제 또는 커플링제를 사용한 고분자의 개발이 요구되어 왔다.
한편, 중합체의 말단을 틴 할라이드와 실리콘 할라이드 혼합물을 커플링제로 사용하여 카본블랙 배합에서 향상된 물성을 얻는 방법이 보고된 바 있다(미합중국 특허 6,329,467 B1).
또한 음이온 중합된 고무에 과량의 틴 테트라클로라이드 화합물을 투입하여 비대칭형 (asymmetrical polymer) 고무를 제조하여 카본블랙과 친화성을 증가시키고, 가공성 및 저온흐름성을 개선시킨 기술이 보고되었으나(미합중국 특허 6,043,321호), 이러한 기술로 제조된 고무중의 카본-틴 결합은 과량의 틴 클로라이드 투입으로 발생된 염산화합물로 보관중에 커플링 결합이 지속적으로 끊어지는 현상이 발생하여 장기 보관시 기계적 물성과 동적특성 저하가 발생되는 문제가 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기존 제품보다 우수한 고무를 개발하기 위한 연구를 수행하던 중, 기존 커플링제 대비 약품의 분자량이 크고 커플링 가지수가 적어 충분한 투입량 조절이 가능한 기능성 커플링제인 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트로 고분자의 말단을 변성하여 이를 타이어 재료로 사용한 결과 타이어 요구 물성인 내 마모도, 습윤저항 및 회전저항 특성이 개선되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 공중합체는 공역디엔계 단량체와 비닐 방향족 단량체를 탄화수소 용매 및 루이스 염기 하에서 유기리튬 촉매를 이용하여 공중합후 얻어진 리빙중합체 말단을, 실리카와 친화성이 우수한 기능성 커플링제인 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트를 사용하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명은 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조용 아크릴레이트계 커플링제를 제공한다. 또한, 상기 아크릴레이트계 커플링제를 사용하여 리빙중합체를 커플링시켜서 변성시킨 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명으로 제안된 공역디엔계 중합체를 실리카 타이어 재료로 사용할 경우, 기존 타이어 소재에 대비하여 실리카 또는 카본블랙과 같은 무기 필러에 대한 분산성 및 상용성이 현저히 증가하게 되어, 실리카 타이어에 요구되는 내마모도 성 능 향상과 높은 기계적 물성을 얻어 궁극적으로 타이어의 내구성이 증가하게 된다.　　　　 특히, 기존 타이어에 비해 습윤 저항 특성이 개선되어 정지거리가 줄어들어 안전성 측면에서도 유리하다.
본 발명은 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조용 하기 화학식 1의 아크릴레이트계 커플링제:
Figure 112011081958018-pat00008
상기 화학식 1에서, n은 1 내지 100 사이의 정수이고, R은 메틸기 또는 에틸기를 나타낸다.
바람직하게는 본 발명은 상기 아크릴레이트계 커플링제는 폴리에틸렌 글리콜 에틸 에테르 메타아크릴레이트, 또는 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아크릴레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 아크릴레이트계 커플링제에 대한 것이다.
또한 본 발명은 공역디엔계 단량체 또는 비닐 방향족 단량체를 탄화수소 용매 및 루이스 염기 하에서 유기리튬 촉매 존재 하에서 중합하여 리빙중합체를 제조하는 단계; 및 상기 리빙중합체를 하기 화학식 1의 아크릴레이트계 커플링제를 사용하여 커플링시키는 단계;를 포함하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 관 한 것이다.
[화학식 1]
Figure 112011081958018-pat00009
상기 화학식 1에서, n은 1 내지 100 사이의 정수이고, R은 메틸기 또는 에틸기를 나타낸다.
바람직하게는 본 발명은 상기 아크릴레이트계 커플링제는 폴리에틸렌 글리콜 에틸 에테르 메타아크릴레이트, 또는 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아트릴레이트 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
더 바람직하게는 본 발명은 상기 공역디엔계 단량체는 1,3-부타디엔 및 이소프렌 중에서 선택된 1종 또는 2종의 화합물이고, 상기 비닐 방향족 단량체는 스티렌 및 알파 메틸 스티렌 중에서 선택된 1종 또는 2종의 화합물인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
바람직하게는 본 발명은 상기 루이스 염기는 테트라하이드로 퓨란, N,N,N,N-테트라에틸렌디아민 및 디테트라하이드로퓨릴프로판 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
바람직하게는 본 발명은 상기 아크릴레이트계 커플링제는 상기 리빙중합체 1 몰에 대하여 0.16 ~ 0.36 몰을 사용하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
더 바람직하게는 본 발명은 상기 리빙중합체는 공역디엔계 단량체 50 ~ 95 중량% 및 비닐 방향족 단량체 5 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
또한, 바람직하게는 본 발명은 상기 공역디엔계 단량체 또는 비닐 방향족 단량체는 상기 탄화수소용매 중 5 ~ 40 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
더 바람직하게는 본 발명은 상기 유기리튬 촉매는 에틸리튬, 프로필리튬, n-부틸리튬, sec-부틸리튬, tert-부틸리튬, 페닐리튬, 프로페닐리튬, 헥실리튬, 1,4-디리티오-n-부탄, 1,3-디(2-리티오-2-헥실)벤젠 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
바람직하게는 본 발명은 상기 유기리튬 촉매는 상기 공역디엔계 단량체 또는 비닐 방향족 단량체 100 g당 0.1 ~ 5 mmol로 사용하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법에 대한 것이다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 공중합체는 공역디엔계 단량체와 비닐 방향족 단량체로부터 얻어진 것으로서, 이때 사용되는 공역디엔계 단량체는 부타디엔 또는 이소프렌 화합물 류이며, 비닐방향족 화합물은 스티렌 및 알파메틸 스티렌류를 들 수 있다.
공중합체는 일반적으로 비닐 방향족계 화합물이 5 ~ 50 중량%, 공역디엔계 화합물이 50 ~ 95 중량%의 조성이 적합하며, 스티렌계 화합물의 함량이 5 중량% 미만인 경우는 내 마모도 및 습윤저항 특성향상을 기대할 수 없으며, 50 중량% 초과인 경우는 내마모도와 발열특성의 향상을 기대할 수 없다.
본 발명의 공중합체는 상기의 단량체를 유기 리튬 촉매의 존재 하에서 탄화수소 용매 중에서 공중합시켜 리빙 중합체를 얻은 다음, 여기에 커플링제를 이용하여 분자 말단을 커플링시켜 얻어진다. 상기 리빙중합체는 공역디엔계 단량체 50 ~ 95 중량% 및 비닐 방향족 단량체 5 ~ 50 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 리빙 중합체 형성시 유기 리튬 촉매로는 적어도 1개 이상의 리튬원자를 결합한 탄화수소, 예를 들면 에틸 리튬, 프로필 리튬, n-부틸 리튬, sec-부틸 리튬, tert-부틸 리튬, 페닐 리튬, 프로페닐 리튬, 헥실 리튬, 1,4-디리티오-n-부탄, 1,3-디(2-리티오-2-헥실)벤젠 등을 들 수가 있으며, 특히 바람직하기는, n-부틸 리튬, sec-부틸 리튬을 들 수 있다. 이 유기 리튬 촉매는, 1종뿐 아니라 2종 이상의 혼합물로서도 사용된다. 유기 리튬 촉매의 함량은 생성 중합체의 목표 분자량에 따라 달라질 수 있으나, 통상 단량체 100g당 0.1 ~ 5 mmol, 바람직하기는 0.3 ~ 3 mmol이다.
중합에 사용되는 탄화수소 용매로서는, n-헥산, n-헵탄, iso-옥탄, 시클로헥산, 메틸시클로펜탄, 벤젠, 톨루엔 등을 들 수가 있으며, 특히 바람직하기는 n-헥산, n-헵탄, 시클로헥산 등을 들 수 있다. 용액중합에 있어서 단량체들은 탄화 수소 용매 내에서 5 ~ 40 중량%로 존재한다. 더 바람직하게는 약 10 ~ 25 중량%의 단량체를 함유하는 것이 유리하다.
중합반응은 중합용액에 유기리튬 화합물과 루이스 염기인 테트라하이드로퓨란을 가하여 개시시킨다. 루이스 염기인 테트라하이드로퓨란은 중합에 사용되는 탄화수소 용매에 대하여 약 30 ppm 내지 45,000 ppm 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다.
전형적인 중합반응 개시온도는 약 0 ~ 60 ℃ 사이에서 유지한다. 일반적으로 개시온도는 약 5 ~ 50 ℃에서 유지하는 것이 바람직하다. 0 ℃ 이하인 경우 용액 점도가 반응이 진행됨에 따라 급격히 상승하여 원활한 반응이 어렵고, 반응속도가 매우 느려 비경제적이며, 60 ℃ 이상인 경우는 반응온도가 급격히 상승하여 반응기 온도 조절이 용이치 않다. 반응압력은 1 ~ 10 kgf/㎠가 적절하다.
중합반응은 단량체 모두가 공중합체로 전환될 때까지 충분한 시간 동안 진행한다. 달리 말하면 중합반응은 높은 전환율이 실현될 때까지 실행한다. 통상적으로 반응시간은 30분 ~ 200분 사이가 적절하다.
중합물의 미세구조 조절을 위해 사용되는 루이스 염기 화합물로는 테트라하이드로퓨란, N,N,N,N-테트라메틸에틸렌디아민(TMEDA), 디-n-프로필 에테르(di-n-propyl ether), 디이소프로필 에테르(di-isopropyl ether), 디-n-부틸 에테르(di-n-butyl ether), 에틸부틸 에테르(ethyl butyl ether), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 1,2-디메톡시벤젠(1,2-dimethoxybenzene), 트리메틸아민(trimethylamine), 트리에틸아민(triethylamine), 디테트라하이드로퓨릴프로판을 통상적으로 사용하며, 이중 디테트라하이드로퓨릴프로판, 테트라하이드로퓨란, N,N,N,N-테트라 메틸에틸렌디아민이 바람직하다.
[화학식 1]
Figure 112011081958018-pat00010
상기 화학식 1에서, n은 1 내지 100 사이의 정수이고, R은 메틸기 또는 에틸기를 나타낸다.
본 발명의 공중합체는 반응완료 시점에 중합물의 말단을 기능성 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트 화합물로 말단을 커플링하여 중합체를 얻는 것이다. 이때 기능성 커플링 화합물은 상기 화학식 1과 같은 구조를 갖는다. 구체적인 예로는, 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 에틸 에테르 메타아크릴레이트 등을 들 수 있다.
기능성 폴리 에틸렌 글리콜 아크릴레이트 함량은 리빙중합체 1몰 기준으로 0.16 ~ 0.36 몰이며, 바람직하게는 0.12 ~ 0.32 몰이 적절하다. 얻어진 중합체의 무늬점도(ML 1+4@100)는 20 ~ 200 사이 값을 보이며, 바람직하게는 30 ~ 160 사이이다. 미세구조 중 공역디엔계 화합물의 비닐함량은 10 ~ 90 중량%이며, 바람직하게는 30 ~ 80 중량%이다.
본 발명에서 합성된 중합체의 분석은 NMR(nuclear magnetic resonance)을 이용하여 공역디엔 화합물의 미세구조와 공역디엔 화합물과 방향족 비닐 화합물의 조 성비, 공역디엔 화합물과 방향족 비닐 화합물의 랜덤 및 블록비율을 분석하였으며, 커플링수(CN), 커플링효율(CE), 분자량(Mw), 분자량분포도(Mwd)는 GPC(Gel permeation chromatography)를 이용하여 분석하였다. 고무의 무늬점도는 무늬점도기를 이용하여 분석하였다.
또한 고무의 상온에서의 저장안정성을 확인하기 위하여, 열풍건조기(convection vacuum oven)를 사용하여 50 ℃에서 냉간 흐름성 측정기(COLD FLOW TESTER)를 이용하여　측정하였다.　
측정방법은 다음과 같다. 냉간 흐름성 측정기를 약 30분간 오븐(50±1 ℃) 속에 넣어 온도 평형을 이루게 하고 냉간 흐름성 측정기에 고무 시료를 약 1.5 g 넣는다.　　　　 냉간 흐름성 측정기를 꽉 조이고 약 1/8 회전 (45。 정도) 뒤로 돌려 풀어준다. 측정기에서 약간의 고무를 눌려서 빼낸 후 방출된 고무를 면도칼로 잘라내어 버린다. 이 작업이 끝나면 즉시 측정기와 스탠드(STAND)를 오븐 안에 넣고 냉간 흐름성을 측정한다.
본 발명을 실시예로 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다음 실시예는 본 발명에 따른 SBR 랜덤 공중합체의 제조방법과 커플링정도, 무늬점도 및 중합체내의 비닐결합 생성 정도에 대하여 설명하고 있다. 여기에 기재된 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 목적일 뿐 본 발명의 범위를 제한하려는 의도로 제공되는 것은 아니다. 특별한 언급이 없는 한 모든 백분율(%)은 중량기준으로 한다.
실시예 1. 평균분자량 400인 PEGMMA 커플링제를 사용한 중합물 제조
스티렌 126 g, 1,3-부타디엔 468 g과 사이클로헥산 2700 g을 10 L 스테인레스 반응기에 공급한 후 테트라하이드로퓨란 84 g을 반응기에 투입하였다. 투입이 완료되면 교반기를 돌리면서 반응기 내부온도를 25 ℃로 조절하였다. 반응기 온도가 설정한 온도에 도달하면 n-부틸리튬 4 mmol을 반응기에 투입하여 단열 승온 반응을 진행시켰다. 중합반응 정도는 반응온도변화를 관찰하여 결정하며, 반응도중 소량의 반응물을 수시로 취하여 단량체 비율과 반응 전환율을 분석하였다. 반응온도가 최고온도에 도달할 시점에 반응말단을 부타디엔으로 치환시키기 위하여 추가 1,3-부타디엔 12 g을 투입하였다.
추가 부타디엔 공급이 완료되면 평균분자량 400인 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아크릴레이트(PEGMMA; Polyethylene glycol methyl ether methacrylate) 커플링제 0.8 mmol을 반응기에 공급한 후 일정시간 방치하여 커플링 반응을 진행시켰다. 커플링반응이 끝나면 산화방지제인 BHT 3 g(0.5 phr)을 반응기에 투입하여 반응을 종료시켰다. 상기 중합물을 스팀으로 가열된 온수에 넣고 교반하여 용매를 제거한 다음 롤 건조하여 잔량의 용매와 물을 제거하였다.
NMR을 이용하여 분자 미세구조를, GPC를 이용하여 분자량, 커플링수, 커플링율 및 분자량분포도를 분석하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
중합물의 분석결과
커플
링제		 커플
링율
(%)(1) 		커플
링수(1) 		Total 분자랑 (Mw) (1) 무늬
점도		 스티렌
함량(%)(2) 		비닐 함량 (%)(2 냉간
흐름성 (g/min)
실시예 1 PEGMMA 54.4 2.24 227,000 50 21 63 0.051
실시예 2 PEGMMA 37 2.34 222,000 49 21 63 0.049
비교예 1 TTC 50 3.5 238,000 52 21 63 0.052
비교예 2 STC 48 3.5 231,000 49 21 63 0.053
비교예 3 TTC + Amine 30 2.5 230,000 48 21 63 0.089
(주)
(1) 분자량 분포도: total 분자량의 분포도를 표시함.
(2) NMR 분석결과
* PEGMMA: 폴리 에틸렌 글리콜 메노 메타아크릴레이트
* TTC: 사염화 주석
* STC: 실리콘 테트라 클로라이드
* Amine : 4, 4,-비스-디에틸 아미노 벤조페논
실시예 2. 평균분자량 1000인 PEGMMA 커플링제를 사용한 중합물 제조
실시예 1과 같은 방법으로 반응을 진행하되, 커플링제인 폴리 에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아크릴레이트(Polyethylene glycol methyl ether methacrylate)의 분자량이 1000인 것을 사용하여 0.8 mmol을 반응기에 투입한 후 일정시간 방치하여 커플링 반응을 진행하였다. 커플링 반응이 끝나면 산화방지제인 BHT 3 g(0.5 phr)을 반응기에 투입하여 반응을 종료시켰다. 반응종료 후 중합물은 실시예 1과 같은 방법으로 처리하였으며, 중합물에 대한 분석결과는 표 1에 나타내었다.
비교예 1. 0.5 mmole 사염화 주석 커플링제를 사용한 중합물 제조
실시예 1과 같은 방법으로 반응을 진행하되, 커플링제를 사염화 주석 0.5 mmole을 투입하여 커플링 반응을 진행하였다.
비교예 2. 0.5 mmole 실리콘 테트라 클로라이드 커플링제를 사용한 중합물 제조
실시예 1과 같은 방법으로 반응을 진행하되, 커플링제를 실리콘 테트라 클로라이드 0.5 mmole을 투입하여 커플링 반응을 진행하였다.
비교예 3. 0.3 mmole 사염화 주석 커플링제를 사용한 중합물 제조
실시예 1과 같은 방법으로 반응을 진행하되, 커플링제를 사염화 주석 0.3 mmole로 커플링 후, 커플링되지 않은 리빙음이온 중합체에 추가로 4, 4,-비스-디에틸 아미노 벤조페논 2 mmole을 투입하여 변성하였다.
실험예 1. 무기필러 상용성 평가 배합실험
본 실험예에서는 상기 실시예 1-2 및 비교예 1-3에 따라 얻어진 공역 디엔계 중합체가 실리카와의 상용성 정도를 확인하기 위하여 하기와 같은 방법으로 실험을 실시하였다.
1) 실험방법:
상기 실시예 1 및 비교예 1~3에 따라 얻어진 공역디엔계 중합체 100 g을, 하기에 나타낸 무기필러에 배합하여 배합 가공성과 배합 후의 물성 및 동적 특성을 측정하였다.
① 실리카 무기필러의 조성
스테아릭산 2 g, ZnO 3 g, 실리카 (Zeosil #175) 50 g, 방향족 오일 10 g, 비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설판 (Si-69) 4 g, N-사이클로헥실벤조티아졸-2-설펜아미드 (CZ) 2 g, 1,3-디페닐 구아니딘 (DPG) 2 g, 황 1.6 g
② 카본블랙 무기필러의 조성
카본블랙 (노말 330) 50 g, 스테아르산 1 g,　 ZnO 3 g, N-(1,1-디메틸에틸)-2-벤조티아졸술폰아미드 1 g, 황 1.75 g
③ 실리카-카본블랙 혼합 무기필러의 조성
실리카 (#175) 20 g, 카본블랙 (노말 330) 30 g, 스테아르산 2 g,　 ZnO 3 g, 방향족 오일 18 g, 비스(트리에톡시실릴프로필)테트라설판 (Si-69) 1.6 g, N-사이클로헥실벤조티아졸-2-설펜아미드 (CZ) 2 g, 1,3-디페닐 구아니딘 (DPG) 2 g, 황 1.5 g
2) 물성측정방법
경도는 쇼어-에이(SHORE-A) 경도기를 이용하여 측정하였다.　　　　 배합고무의 인장강도, 300 % 모듈러스 및 신장률은 ASTM 3189 Method B 방법에 준하여 만능시험기(UTM)를 이용하여 측정하였다.　　　　 가황고무의 동적물성 값인 tanδ 값은 Rheometric사의 DMTA 5 기기를 이용하여, 주파수 10 Hz, 0.1 %의 변형 조건에서 분석하였다.　　　　 측정된 물성 및 동적 특성 결과는 하기 표 2 내지 표 4에 각각 나타내었다.
실리카 무기필러에 대한 상용성
구 분 실시예 비교예
1 2 1 2 3
컴파운드 무늬점도 80 81 73 89 85
경도 (Shore-A) 65 65 63 65 64
인장강도 (kgf/㎠) 208 209 175 189 185
300% 모듈러스 (kgf/㎠) 91 92 76 85 80
신장률 (%) 530 540 420 480 460
Tg (℃) -0.7 -0.3 -1.8 -1.1 -1.7
tan δ 10 ℃ 0.7523 0.7611 0.6510 0.6985 0.6876
60 ℃ 0.0685 0.0679 0.0795 0.078 0.0775
내마모성(abrasion) 0.2692 0.2595 0.3115 0.2975 0.3012
카본블랙 무기필러에 대한 상용성
구 분 실시예 비교예
1 2 1 2 3
컴파운드 무늬점도 66 67 69 71 69
경도 (Shore-A) 63 63 64 63 63
인장강도 (kgf/㎠) 254 255 245 215 246
300% 모듈러스 (kgf/㎠) 128 129 125 115 121
신장률 (%) 540 550 510 490 510
Tg (℃) 0.6 0.8 0.3 -1.1 0.2
tan δ 10℃ 0.6651 0.6891 0.6531 0.5825 0.6523
60℃ 0.0780 0.0775 0.0795 0.0831 0.0796
내마모성(abrasion) 0.2330 0.2310 0.2463 0.2742 0.2434
실리카-카본블랙 혼합 무기필러에 대한 상용성
구 분 실시예 비교예
1 2 1 2 3
컴파운드 무늬점도 73 72 68 77 69
경도 (Shore-A) 64 64 65 64 64
인장강도 (kgf/㎠) 222 225 190 203 195
300% 모듈러스 (kgf/㎠) 115 120 105 115 108
신장률 (%) 520 540 450 490 480
Tg (℃) -0.2 0.3 -1.3 -1.6 -1.1
tan δ 10℃ 0.7621 0.7653 0.7321 0.7241 0.7421
60℃ 0.0658 0.0646 0.0735 0.0721 0.0712
내마모성(abrasion) 0.2532 0.2499 0.2857 0.2759 0.2768
본 발명의 실시예 1-2와 비교예 1-3을 비교할 때, 가공성의 척도인 컴파운드 무늬 점도가 향상되며, 특히 미끌림 저항을 나타내는 10 ℃ 탄델타 값이 가장 높아 우수한 안정적 물성을 나타내며, 구름 저항을 나타내는 60 ℃ 탄델타 값이 가장 낮아 저연비 성능이 우수하며, 내마모도성 측면에서도 실시예의 값이 비교예에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명으로 제안된 공역디엔계 중합체를 실리카 타이어 재료로 사용할 경우, 기존 타이어 소재에 대비하여 실리카 또는 카본블랙과 같은 무기 필러에 대한 분산성 및 상용성이 현저히 증가하게 되어, 실리카 타이어에 요구되는 내마모도 성능 향상과 높은 기계적 물성을 얻어 궁극적으로 타이어의 내구성이 증가하게 된다.　　　　 특히, 기존 타이어에 비해 습윤 저항 특성이 개선되어 정지거리가 줄어들어 안전성 측면에서도 유리하다.
실험예 2. gel permeation chromatographic 분석
상기 실시예 1 및 비교예 2에 따라 얻어진 공역디엔계 중합체 각각을 Shimaz GPC 10A model을 이용하여 분자량 및 분자량 분포도를 분석하였다.
도 1 및 도 2의 결과에 의하면, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1, 2의 공역디엔계 중합체의 커플링 수는 2.2 ~ 2.3 수준으로 비교예 1, 2, 3으로 제조된 공역디엔계 중합체의 커플링 수 3.5 ~ 3.7 수준보다 낮은 값을 보인다.
이로써, 본 발명에 따라 제조된 공역디엔계 중합체에는 기존 공중합체 대비 기능성 커플링제 투입량을 충분히 투여할 수 있으며, 또한 기존 공중합체 대비 초기 분자량을 충분히 높게 유지할 수 있어 분자말단에서 발생되는 히스테리시스를 줄여 궁극적으로 타이어재료로 사용시 타이어의 rolling resistance 값을 기존 고무 대비 10 % 이상으로 절감할 수 있어 타이어 연비절감의 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 폴리에틸렌 글리콜 아크릴레이트로 커플링된 공중합체 GPC 분석 그래프이다.
도 2는 사염화주석으로 커플링 된 일반 공중합체 GPC 분석그래프이다.

Claims (12)

  1. 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조용 하기 화학식 1의 아크릴레이트계 커플링제:
    [화학식 1]
    Figure 112011081958018-pat00011
    상기 화학식 1에서, n은 1 내지 100 사이의 정수이고, R은 메틸기 또는 에틸기를 나타낸다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아크릴레이트계 커플링제는 폴리에틸렌 글리콜 에틸 에테르 메타아크릴레이트, 또는 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 아크릴레이트계 커플링제.
  3. 부타디엔계 단량체와 스티렌계 단량체를 n-헥산, n-헵탄, iso-옥탄, 시클로헥산, 및 메틸시클로펜탄 중에서 선택된 탄화수소 용매, 테트라하이드로 퓨란 및 디테트라하이드로퓨릴프로판 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 루이스 염기 및 에틸리튬, 프로필리튬, n-부틸리튬, sec-부틸리튬, tert-부틸리튬, 프로페닐리튬, 헥실리튬, 및 1,4-디리티오-n-부탄 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 유기리튬 촉매 존재 하에서 중합하여 리빙중합체를 제조하는 단계; 및
    상기 리빙중합체를 하기 화학식 1의 아크릴레이트계 커플링제를 사용하여 커플링시키는 단계;
    를 포함하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법:
    [화학식 1]
    Figure 112011081958018-pat00012
    n은 1 내지 100 사이의 정수이고, R은 메틸기 또는 에틸기를 나타낸다.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 아크릴레이트계 커플링제는 폴리에틸렌 글리콜 에틸 에테르 메타아크릴레이트, 또는 폴리에틸렌 글리콜 메틸 에테르 메타아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 부타디엔계 단량체는 1,3-부타디엔 및 이소프렌 중에서 선택된 1종 또는 2종의 화합물인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 스티렌계 단량체는 스티렌 및 알파 메틸 스티렌 중에서 선택된 1종 또는 2종의 화합물인 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법..
  7. 삭제
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 아크릴레이트계 커플링제는 상기 리빙중합체 1몰에 대하여 0.16 ~ 0.36 몰을 사용하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 리빙중합체는 부타디엔계 단량체 50 ~ 95 중량% 및 스티렌계 단량체 5 ~ 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 부타디엔계 단량체 또는 스티렌계 단량체는 상기 탄화수소용매 중 5 ~ 40 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 유기리튬 촉매는 상기 부타디엔계 단량체 또는 스티렌계 단량체 100 g당 0.1 ~ 5 mmol로 사용하는 것을 특징으로 하는 스티렌-부타디엔 공중합체의 제조방법.
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