KR102301066B1 - 작용화된 중합체를 포함하는 중합체 조성물의 제조 방법 - Google Patents

작용화된 중합체를 포함하는 중합체 조성물의 제조 방법 Download PDF

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제시카 씨. 쿠라치
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카렌 매그리원
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Abstract

용매 내에서, 선택적으로 공중합성 단량체와 함께, 공액 다이엔 단량체를 중합하여 반응성 말단을 갖는 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 중합하는 단계, 반응성 말단을 갖는 중합체의 일부를 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링시켜 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체 및 반응성 말단을 갖는 잔류 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 커플링시키는 단계, 반응성 말단을 갖는 잔류 중합체를 하나 이상의 하이드로카르빌옥시 작용기를 갖는 작용화제와 반응시켜 작용화된 중합체 및 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 반응시키는 단계, 및 작용화된 중합체 및 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 탈용매화하는 단계를 포함하는, 작용화된 중합체의 제조 방법.

Description

작용화된 중합체를 포함하는 중합체 조성물의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING POLYMERIC COMPOSITIONS INCLUDING FUNCTIONALIZED POLYMERS}
본 출원은 본 명세서에 참고로 포함된, 2013년 12월 12일자로 출원된 미국 가출원 제61/915,287호의 우선권을 주장한다.
본 발명의 실시 형태는 작용화된 중합체를 포함하는 중합체 조성물의 제조 방법에 관한 것이다. 중합체 조성물은 용액 중합 조건 하에서 합성되고, 부분적으로 커플링 및 작용화되고, 최종적으로 탈용매화된다.
타이어 산업과 같은 고무 산업에서는 미립자 충전제로 고무 조성물을 보강하는 것이 일반적이다. 그렇게 하는 것의 이점들 중에서, 미립자 충전제는 고무 조성물의 모듈러스를 강화시킬 수 있다. 예를 들어, 실리카가 충전제로서 유리하게 이용되어 왔다. 타이어 트레드(tread) 내의 실리카 충전제의 사용은, 다른 이점들 중에서도, 개선된 마모성을 가져온다.
충전제는 고무 조성물에 이점을 제공하지만, 충전제의 존재는 고무 조성물의 동적 특성에 영향을 준다. 즉, 충전제 농도에 비례하여 이력 손실(hysteretic loss)이 증가한다. 이는, 특히 타이어 트레드에서, 불리할 수 있는데, 이력 손실이 회전 저항(rolling resistance)에 반비례하기 때문이다.
충전제와 반응하거나 상호작용하는 소정 작용기로 중합체를 개질할 수 있으며 그에 의해 이력 손실을 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 중합체 작용기와 충전제 입자 사이의 이러한 반응 또는 상호작용은 중합체의 유리된(loose) 말단을 감소시키고 충전제 응집체를 해체시키는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 실리카 충전제와 반응하거나 상호작용하는, 또는 실리카 충전제와 반응하거나 상호작용하는 작용기를 형성하도록 가수분해될 수 있는 규소-함유 작용기로 중합체 사슬을 작용화하는 것이 알려져 있다. 이러한 작용기는 이력 손실을 감소시키는 데 유용한 것으로 입증되었지만, 이러한 작용기의 존재는 가공 문제를 야기할 수 있다.
먼저, 충전제와 반응하거나 상호작용하도록 설계된 작용성 화합물과 중합체를 반응시키는 것에 의해, 중합체를 달리 반응시키는 능력이 희생될 수 있다. 예를 들어, 중합체 단리 및/또는 취급을 용이하게 하기 위해서 중합체 사슬들을 커플링시켜서 분자량을 구축하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 일단 중합체 사슬이 작용화제와 반응되었으면, 중합체를 커플링제와 반응시키는 것은 불가능해진다.
또한, 실라놀 작용기로 가수분해될 수 있는, 알콕시실란 작용기와 같은, 규소-함유 작용기의 존재는, 특히 시간 경과에 따라, 중합체 사슬들이 커플링할 수 있는 위치의 역할을 한다. 상기에 제시된 바와 같이, 중합체 커플링은 중합체 단리를 위해 유리할 수 있지만, 무니(Mooney) 성장으로도 알려져 있는, 중합체 분자량의 장기간 성장은 바람직하지 않다. 실제로, 장기간 무니 성장은, 예를 들어, 중합체를 타이어 생산에 이용할 때 일어나는 추후의 중합체 가공을 방해할 수 있다.
이러한 무니 성장을 경감시키려는 시도가 이루어져 왔다. 예를 들어, 미국 특허 제5,659,056호는 중합체 작용기와 반응하지 않고 대신에 중합체 개시제로부터 존재할 수 있는 부산물 리튬 화합물을 중화시키는 역할을 하는 안정제의 첨가를 교시한다. 중성 pH에서는, 무니 점도 급증이 덜 심하다. 대안적으로, 미국 특허 제6,279,632호는 이러한 중합체를 장쇄 알코올로 처리하여 무니 점도 성장을 안정화시키는 방법을 교시한다. 그리고, 미국 특허 제6,255,404호는 규소-함유 작용기를 갖는 중합체를 알킬 알콕시실란으로 처리하여 무니 점도 성장을 안정화시키는 방법을 교시한다.
전술한 접근법들이 유용하였지만, 많은 유용한 중합체 상의 규소-함유 작용기는 물에 의한 가수분해 반응을 겪는 데 매우 높은 친화성을 가지며 (즉 가수분해되며), 그러므로 무니 점도 성장으로부터 중합체를 안정화하기 위해 더욱 적극적인 수단을 개발할 필요가 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시 형태는 작용화된 중합체의 제조 방법을 제공하며, 상기 방법은, 용매 내에서, 선택적으로 공중합성 단량체와 함께, 공액(conjugated) 다이엔 단량체를 중합하여 반응성 말단을 갖는 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 중합하는 단계, 반응성 말단을 갖는 중합체의 일부를 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링시켜 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체 및 반응성 말단을 갖는 잔류 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 커플링시키는 단계, 반응성 말단을 갖는 잔류 중합체를 하나 이상의 하이드로카르빌옥시 작용기를 갖는 작용화제와 반응시켜 작용화된 중합체 및 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 반응시키는 단계, 및 작용화된 중합체 및 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 탈용매화하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시 형태는 중합체 조성물의 제조 방법을 제공하며, 상기 방법은, 반응성 중합체 배치(batch)를 하이드로카르빌옥시실록산과 부분적으로 커플링시키는 단계, 및 상기 부분적으로 커플링시키는 단계 후에 남아 있는 반응성 중합체를 작용화제로 종결(terminating)시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 하나 이상의 실시 형태는, 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체 및 작용화된 중합체를 포함하는 중합체 블렌드를 포함하는, 중합체 조성물을 제공한다.
본 발명의 실시 형태는 작용화된 중합체를 포함하는 중합체 조성물을 제공하는 방법의 발견에 적어도 부분적으로 기초한다. 중합체 조성물은 커플링된 중합체 및 작용화된 중합체를 포함한다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합체는 용액-중합 조건 하에서 합성되고, 부분적으로 커플링 및 작용화되고, 후속하여 탈용매화된다. 커플링은 유리하게는 하이드로카르빌옥시실록산을 사용하여 달성되며, 커플링의 유형과 함께 커플링의 정도는 유리하게는 상업적으로 효율적인 기술을 사용하여 탈용매화할 수 있는 조성물을 제공하고, 에이징 시에 해로운 무니 성장을 나타내지 않고 상업적으로 효율적인 기술을 사용하여, 보강 충전제와의 혼합을 비롯한, 후속 가공될 수 있는 탈용매화된 중합체 조성물을 제공하는 것으로 여겨진다.
중합체의 제조
하나 이상의 실시 형태에서, 중합체는 음이온 중합 기술을 이용하여 제조된다. 음이온 중합 기술을 이용하는 것에 의한 중합체의 제조는 일반적으로 공지되어 있다. 일반적으로, 음이온성 개시제가 단량체의 중합을 개시하는 데 사용된다. 음이온 중합의 중요한 기계론적 특징은 도서 (예를 들어, 문헌[Hsieh, H. L.; Quirk, R. P. Anionic Polymerization: Principles and Practical Applications; Marcel Dekker: New York, 1996]) 및 리뷰 논문 (예를 들어, 문헌[Hadjichristidis, N.; Pitsikalis, M.; Pispas, S.; Iatrou, H.; Chem. Rev. 2001, 101(12), 3747-3792])에 기재되어 있다. 음이온성 개시제는 유리하게는 반응성 중합체 (예를 들어, 리빙 중합체(living polymer) 또는 반응성 말단을 갖는 중합체)를 생성할 수 있는데, 이는 켄칭(quenching) 전에, 추가의 사슬 성장을 위해 추가적인 단량체와 반응할 수 있거나 또는 소정 작용화제와 반응하여 작용화된 중합체를 제공할 수 있다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 이러한 반응성 중합체는, 이온성인 것으로 여겨지는, 반응성 사슬 말단을 포함하며, 이러한 반응성 사슬 말단에서는 작용화제와 중합체의 꼬리 말단 사이의 반응이 일어날 수 있고 그에 의해 작용기를 중합체의 꼬리 말단에 부여할 수 있다. 또한, 음이온 중합 기술에서는 중합체의 머리에 부여될 수 있는 작용기를 함유하는 개시제의 사용이 가능하다.
음이온 중합되어 이러한 중합체를 형성할 수 있는 단량체는 공액 다이엔 단량체를 포함하며, 이는 선택적으로, 비닐-치환된 방향족 단량체와 같은 다른 단량체와 공중합될 수 있다. 공액 다이엔 단량체의 예에는 1,3-부타다이엔, 아이소프렌, 1,3-펜타다이엔, 1,3-헥사다이엔, 2,3-다이메틸-1,3-부타다이엔, 2-에틸-1,3-부타다이엔, 2-메틸-1,3-펜타다이엔, 3-메틸-1,3-펜타다이엔, 4-메틸-1,3-펜타다이엔, 및 2,4-헥사다이엔이 포함된다. 둘 이상의 공액 다이엔의 혼합물이 공중합에 또한 이용될 수 있다. 공액 다이엔 단량체와 공중합 가능한 단량체의 예에는 비닐-치환된 방향족 화합물, 예를 들어, 스티렌, p-메틸스티렌, α-메틸스티렌, 및 비닐나프탈렌이 포함된다.공액 다이엔 단량체 및 비닐-치환된 방향족 (예를 들어,폴리다이엔 공중합체) 단량체를 함유하는 것들과 같은 공중합체를 제조할 때, 공액 다이엔 단량체 및 비닐-치환된 방향족 단량체는 95:5 내지 50:50, 또는 다른 실시 형태에서, 95:5 내지 65:35의 비로 사용될 수 있다. 공중합에서의 공단량체들의 랜덤화를 촉진하고 중합체의 미세구조 (예를 들어 공액 다이엔 단량체의 1,2-결합)를 제어하기 위해서, 전형적으로 극성 배위자(coordinator)인 랜덤화제(randomizer)가 음이온성 개시제와 함께 이용될 수 있다.
본 발명의 실시는 임의의 특정 음이온성 개시제의 선택에 의해 제한되지 않는다. 특정 실시 형태에서, 가수분해성 작용기 또는 기는 개시제 또는 작용화제 중 어느 하나에 의해 중합체에 부여된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 음이온성 개시제는 중합체 사슬의 머리 (즉, 중합체 사슬이 시작하는 위치)에 작용기를 부여하는 작용성 개시제이다. 특정 실시 형태에서, 작용기는 하나 이상의 헤테로원자 (예를 들어, 질소, 산소, 붕소, 규소, 황, 주석, 및 인 원자) 또는 헤테로사이클릭 기를 포함한다. 소정 실시 형태에서, 작용기는, 작용기를 포함하지 않는 중합체로부터 제조되는 유사한 카본 블랙 충전된 가황물과 비교하여, 작용기를 함유하는 중합체로부터 제조되는 카본 블랙 충전된 가황물의 50℃ 이력 손실을 감소시킨다.
예시적인 음이온성 개시제에는 유기리튬 화합물이 포함된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 유기리튬 화합물은 헤테로원자를 포함할 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 유기리튬 화합물은 하나 이상의 헤테로사이클릭 기를 포함할 수 있다.
유기리튬 화합물의 유형에는 알킬리튬 화합물, 아릴리튬 화합물, 및 사이클로알킬리튬 화합물이 포함된다. 유기리튬 화합물의 구체적인 예에는 에틸리튬, n-프로필리튬, 아이소프로필리튬, n-부틸리튬, sec-부틸리튬, t-부틸리튬, n-아밀리튬, 아이소아밀리튬, 및 페닐리튬이 포함된다. 또 다른 음이온성 개시제에는 유기소듐 화합물, 예를 들어, 페닐소듐 및 2,4,6-트라이메틸페닐소듐이 포함된다. 중합체 사슬의 양측 말단이 리빙인 다이-리빙 중합체가 생성되게 하는 그러한 음이온성 개시제가 또한 고려된다. 그러한 개시제의 예에는, 1,3-다이아이소프로페닐벤젠과 sec-부틸리튬을 반응시켜 제조되는 것들과 같은 다이리티오 개시제가 포함된다. 이들 및 관련된 2작용성 개시제는, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제3,652,516호에 개시되어 있다. 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,552,483호에 기재된 것들을 포함하는 라디칼 음이온성 개시제가 또한 이용될 수 있다.
특정 실시 형태에서, 유기리튬 화합물에는 환형 아민-함유 화합물, 예를 들어, 리티오헥사메틸렌이민이 포함된다. 이들 및 관련된 유용한 개시제는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제5,332,810호, 제5,329,005호, 제5,578,542호, 제5,393,721호, 제5,698,646호, 제5,491,230호, 제5,521,309호, 제5,496,940호, 제5,574,109호, 및 제5,786,441호에 개시되어 있다. 다른 실시 형태에서, 유기리튬 화합물에는 2-리티오-2-메틸-1,3-다이티안과 같은 알킬티오아세탈 (예를 들어, 다이티안)이 포함된다. 이들 및 관련된 유용한 개시제는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제7,153,919호, 및 미국 특허 출원 공개 제2006/0264590호, 및 제2006/0264589호에 개시되어 있다. 또 다른 실시 형태에서, 유기리튬 화합물에는 알콕시실릴-함유 개시제, 예를 들어, 리튬화 t-부틸다이메틸프로폭시실란이 포함된다. 이들 및 관련된 유용한 개시제는, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제7,335,712호에 개시되어 있다. 추가적인 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된, 국제 특허 공개 WO 2004/020475호, 미국 특허 출원 제60/644,164호 및 미국 특허 제6,596,798호에 개시된 바와 같은 환형 황-함유 또는 산소-함유 아자헤테로사이클이 포함된다. 다른 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 제60/591,065호에 개시된 바와 같은 붕소-함유 종결제(terminator)가 포함된다. 또 다른 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된 공계류 중인 미국 특허 출원 제60/622,188호에 개시된 것들을 포함하는, 헥사메틸사이클로트라이실록산과 같은 환형 실록산이 포함된다. 또한, 다른 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된, 공계류 중인 미국 특허 출원 제60/624,347호 및 제60/643,653호에 개시된 것들을 포함하는, 1-(3-브로모프로필)-2,2,5,5-테트라메틸-1-아자-2,5-다이실라사이클로펜탄과 같은, α-할로-ω-아미노 알칸이 포함된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 음이온성 개시제는 트라이알킬주석리튬 화합물, 예를 들어, 트라이-n-부틸주석리튬이다. 이들 및 관련된 유용한 개시제는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제3,426,006호 및 제5,268,439호에 개시되어 있다. 또 다른 실시 형태에서, 중합체의 머리는 비닐 실란 또는 비닐 실라잔 및 유기리튬 화합물의 존재 하에 중합을 개시함으로써 작용화된다. 이러한 특정 중합체는 실라잔-개시 중합체로 지칭될 수 있다. 실라잔-개시 중합체를 제조하는 기술은, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 출원 공개 제2010/0056713호, 제2010/056712호, 제2010/0056711호, 제2010/0056710호, 제2010/0056709호, 제2010/0056703호, 제2010/0016499호, 제2009/0247696호, 및 제2009/0247692호에 기술되어 있다. 일반적으로, 모노-, 다이-, 및 트라이-실라잔은 사전 형성 설정에서 또는 동일 반응계 내에서(in situ), 알킬리튬과 반응되어 개시제 화학종을 형성할 수 있다.
음이온 중합은 극성 용매, 비극성 용매, 및 이들의 혼합물 중에서 수행될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 개시제를 중합 시스템으로 전달하는 것을 촉진하기 위하여 개시제를 용해 또는 현탁하는 데에 용매가 담체로서 이용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 단량체가 담체로서 사용될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 개시제는 임의의 용매 없이 그들의 니트(neat) 상태로 사용될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합 혼합물의 용매 함량은 중합 혼합물의 총 중량을 기준으로 20 중량% 초과, 다른 실시 형태에서 50 중량% 초과, 및 또 다른 실시 형태에서 80 중량% 초과일 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 적합한 용매에는 촉매의 존재 하에서 단량체의 중합 동안 증식(propagating) 중합체 사슬로의 혼입 또는 중합을 겪지 않는 그러한 유기 화합물이 포함된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이러한 유기 화학종은 주위 온도 및 압력에서 액체이다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이러한 유기 용매는 촉매에 대해 불활성이다. 예시적인 유기 용매에는 낮은 또는 비교적 낮은 비점을 갖는 탄화수소, 예를 들어, 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 및 지환족 탄화수소가 포함된다. 방향족 탄화수소의 비제한적인 예에는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에틸벤젠, 다이에틸벤젠, 및 메시틸렌이 포함된다. 지방족 탄화수소의 비제한적인 예에는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-노난, n-데칸, 아이소펜탄, 아이소헥산, 아이소펜탄, 아이소옥탄, 2,2-다이메틸부탄, 석유 에테르, 등유, 및 석유 스피릿(petroleum spirit)이 포함된다. 그리고, 지환족 탄화수소의 비제한적인 예에는 사이클로펜탄, 사이클로헥산, 메틸사이클로펜탄, 및 메틸사이클로헥산이 포함된다. 상기 탄화수소들의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 지방족 및 지환족 탄화수소는 바람직하게는 환경적인 이유로 이용될 수 있다. 저비점 탄화수소 용매는 전형적으로 중합의 완료 시에 중합체로부터 분리된다. 유기 용매의 다른 예에는 고분자량의 고비점 탄화수소, 예를 들어, 파라핀 오일, 방향족 오일, 또는 오일-증량(oil-extend) 중합체에 보통 사용되는 다른 탄화수소 오일이 포함된다. 이러한 탄화수소는 비휘발성이기 때문에, 전형적으로 분리를 필요로 하지 않으며 중합체에 포함된 채로 남아 있다.
음이온 중합은 랜덤화제 또는 비닐 개질제의 존재 하에 수행될 수 있다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 이중의 역할을 할 수 있는 이러한 화합물은 중합체 사슬 전반에 공단량체를 랜덤화시키는 데 도움을 줄 수 있고/있거나 다이엔에서 유래하는 머 단위(mer unit)의 비닐 함량을 변경할 수 있다. 랜덤화제로서 유용한 화합물에는 산소 또는 질소 헤테로원자 및 비결합 전자쌍을 갖는 것들이 포함된다. 예에는 선형 및 환형 올리고머성 옥솔라닐 알칸; 모노 및 올리고 알킬렌 글리콜의 다이알킬 에테르 (글라임 에테르로도 알려져 있음); "크라운" 에테르; 3차 아민; 선형 THF 올리고머 등이 포함된다. 선형 및 환형 올리고머성 옥솔라닐 알칸은, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제4,429,091호에 기재되어 있다. 랜덤화제로서 유용한 화합물의 구체적인 예에는 2,2-비스(2'-테트라하이드로푸릴)프로판, 1,2-다이메톡시에탄, N,N,N',N'-테트라메틸에틸렌다이아민 (TMEDA), 테트라하이드로푸란 (THF), 1,2-다이피페리딜에탄, 다이피페리딜메탄, 헥사메틸포스포르아미드, N-N'-다이메틸피페라진, 다이아자바이사이클로옥탄, 다이메틸 에테르, 다이에틸 에테르, 트라이-n-부틸아민, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 다른 실시 형태에서, 포타슘 알콕사이드가 스티렌 분포를 랜덤화시키는 데 사용될 수 있다.
이용되는 랜덤화제의 양은 중합체의 원하는 미세구조, 단량체 대 공단량체의 비, 중합 온도뿐만 아니라, 이용되는 특정 랜덤화제의 속성과 같은 다양한 요인에 따라 좌우될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 랜덤화제의 양은 음이온성 개시제의 몰당 0.01 내지 100 몰의 범위일 수 있다.
음이온성 개시제 및 랜덤화제는 다양한 방법에 의해 중합 시스템에 도입될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 음이온성 개시제 및 랜덤화제는 중합될 단량체에 단계식으로 또는 동시에 개별적으로 첨가될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 음이온성 개시제 및 랜덤화제는 임의의 단량체의 부재 하에 또는 소량의 단량체의 존재 하에 중합 시스템 밖에서 사전 혼합될 수 있으며, 생성되는 혼합물은, 원한다면, 에이징될 수 있고, 이어서, 중합될 단량체에 첨가될 수 있다.
유효한 양의 개시제의 존재 하에, 선택적으로 공액 다이엔 단량체와 공중합 가능한 단량체와 함께, 공액 다이엔 단량체의 중합이 반응성 중합체를 생성한다. 개시제, 공액 다이엔 단량체, 선택적으로 공단량체, 및 이용되는 경우 임의의 용매의 도입은 중합 혼합물을 형성하며, 그러한 중합 혼합물에서 반응성 중합체가 형성된다. 이용되는 개시제의 양은 이용되는 개시제의 유형, 성분들의 순도, 중합 온도, 원하는 중합 속도 및 전환율, 원하는 분자량, 및 다수의 다른 요인과 같은 다양한 요인의 상호 작용에 따라 좌우될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 개시제의 양은 단량체의 중량당 개시제의 mmol로서 표현될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 개시제 로딩은 단량체 100 그램당 약 0.05 내지 약 100 mmol, 다른 실시 형태에서 약 0.1 내지 약 50 mmol, 및 또 다른 실시 형태에서 약 0.2 내지 약 5 mmol의 개시제로 다양할 수 있다.
중합 절차
중합은 본 기술 분야에 공지된 임의의 통상적인 중합 용기에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 중합은 통상적인 교반 탱크 반응기(stirred-tank reactor)에서 수행될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합을 위해 사용되는 모든 성분들이 단일 용기 (예를 들어, 통상적인 교반 탱크 반응기) 내에서 조합될 수 있고, 중합 공정의 모든 단계가 이러한 용기 내에서 수행될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 둘 이상의 성분이 한 용기 내에서 사전 조합되고, 이어서, 단량체 (또는 적어도 그의 대부분)의 중합이 수행될 수 있는 다른 용기로 옮겨질 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 20 중량% 이상, 다른 실시 형태에서 40 중량% 이상, 다른 실시 형태에서 60 중량% 이상, 및 다른 실시 형태에서 70 중량% 이상의 용매를 포함하는 시스템을 지칭하는 용액 중에서 중합이 수행될 수 있다. 단량체 및/또는 중합체 생성물은 용매 중에 용해되거나 현탁될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 단량체가 일반적으로 중합체 생성물이 현탁되거나 용해되는 용매의 역할을 하는 시스템인 벌크 시스템에서 중합이 수행될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 10 중량% 미만, 다른 실시 형태에서 5 중량% 미만, 및 다른 실시 형태에서 3 중량% 미만의 용매 중에서 중합이 수행된다.
중합은 배치 공정, 연속 공정, 또는 반연속 공정으로서 수행될 수 있다. 반연속 공정에서, 단량체는 이미 중합된 그러한 단량체를 대체하는데 필요한 대로 단속적으로 충전된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합이 진행되는 조건은 중합 혼합물의 온도를 약 -10 ℃ 내지 약 200 ℃, 다른 실시 형태에서 약 0 ℃ 내지 약 150 ℃, 및 다른 실시 형태에서 약 20 ℃ 내지 약 100 ℃의 범위 내로 유지하도록 제어될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 열적으로 제어되는 반응기 재킷에 의한 외부 냉각, 반응기에 연결된 환류 응축기의 사용을 통한 단량체의 증발 및 응축에 의한 내부 냉각, 또는 두 방법의 조합에 의해서 중합열이 제거될 수 있다. 또한, 조건은 약 0.1 기압 내지 약 50 기압, 다른 실시 형태에서 약 0.5 기압 내지 약 20 기압, 및 다른 실시 형태에서 약 1 기압 내지 약 10 기압의 압력 하에서 중합을 수행하도록 제어될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합이 수행될 수 있는 압력에는 단량체의 대부분이 액체상인 것을 보장하는 압력이 포함된다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 중합 혼합물은 혐기성 조건 하에서 유지될 수 있다.
커플링 반응
상기에 논의된 바와 같이, 반응성 중합체는 하이드로카르빌옥시실록산을 이용하여 부분적으로 커플링된다. 숙련자는, 커플링이 둘 이상의 반응성 (예를 들어, 리빙) 중합체 사슬의 연결을 지칭함을 이해한다. 하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명에 따른 커플링 반응은, 3개 이상의 중합체 사슬이 커플링제에 의해 연결된, 커플링된 중합체를 제공한다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시실록산 커플링제는 하기 화학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112016057501223-pct00001
상기 식에서, 각각의 R 및 R1은 독립적으로 1가 유기 기이고 n은 1 내지 50의 정수이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 1가 유기 기는 하이드로카르빌 기 또는 하이드로카르빌옥시 기일 수 있다. 특정 실시 형태에서, 각각의 R은 독립적으로 하이드로카르빌 기이고 각각의 R1은 독립적으로 하이드로카르빌옥시 기이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 각각의 R은 알킬 기이고 각각의 R1은 알콕시 기이다. 또 다른 실시 형태에서, 각각의 R은 에틸 기이고, 각각의 R1은 에톡시 기이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, n은 2 이상, 다른 실시 형태에서 3 이상, 다른 실시 형태에서 4 이상, 및 다른 실시 형태에서 5 이상일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, n은 25 이하, 다른 실시 형태에서 20 이하, 다른 실시 형태에서 15 이하, 다른 실시 형태에서 12 이하, 및 다른 실시 형태에서 10 이하일 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, n은 2 내지 12, 다른 실시 형태에서 3 내지 10, 및 다른 실시 형태에서 4 내지 8이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌 기에는, 알킬, 사이클로알킬, 치환된 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 치환된 사이클로알케닐, 아릴, 알릴, 치환된 아릴, 아르알킬, 알크아릴, 또는 알키닐 기가 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 치환된 하이드로카르빌 기는 하나 이상의 수소 원자가 알킬 기와 같은 치환체로 대체되어 있는 하이드로카르빌렌 기를 포함된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이러한 기는 1개의, 또는 기를 형성하기에 적절한 최소한의 개수의 탄소 원자 내지 20개의 탄소 원자를 포함할 수 있다. 이러한 하이드로카르빌 기는, 질소, 붕소, 산소, 규소, 황, 및 인 원자와 같은 그러나 이에 한정되지 않는 헤테로원자를 함유할 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌 기는 에틸 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시 기에는, 알콕시, 사이클로알콕시, 치환된 사이클로알콕시, 알케닐옥시, 사이클로알케닐옥시, 치환된 사이클로알케닐옥시, 아릴옥시, 알릴옥시, 치환된 아릴옥시, 아르알킬옥시, 알크아릴옥시, 또는 알키닐옥시 기가 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시 기는 에톡시 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시실록산은, 작용성 또는 반응성 당량 또는 커플링제 내의 반응성 부위의 개수를 지칭하는, 그의 작용가에 의해 정의될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시실록산은 작용가가 3 이상, 다른 실시 형태에서 5 이상, 다른 실시 형태에서 7 이상, 및 다른 실시 형태에서 9 이상이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시실록산의 작용가는 15 이하, 다른 실시 형태에서 13 이하, 및 다른 실시 형태에서 11 이하이다. 하나 이상의 실시 형태에서, 본 명세서에 정의된 바와 같이, 작용가는 복수의 하이드로카르빌옥시실록산 커플링제 분자를 포함하는 조성물의 평균 작용가를 지칭한다.
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명의 실시에 이용되는 커플링제의 양은 원하는 최종 커플링 정도와 관련하여 한정될 수 있다. 숙련자는 원하는 수준의 커플링을 달성하는 데 사용해야 하는 커플링제의 양을 과도한 실험 없이 결정할 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시실록산 커플링제를 사용하여 달성되는 커플링 정도는, 커플링제로 처리되는 반응성 중합체 분자의 총 개수를 기준으로, 10% 이상, 다른 실시 형태에서 20% 이상, 다른 실시 형태에서 30% 이상, 다른 실시 형태에서 33% 이상, 다른 실시 형태에서 35% 이상, 및 다른 실시 형태에서 37% 이상이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 요구되는 커플링 정도는, 커플링제로 처리되는 반응성 중합체 분자의 총 개수를 기준으로, 80% 이하, 다른 실시 형태에서 60% 이하, 다른 실시 형태에서 50% 이하, 다른 실시 형태에서 47% 이하, 다른 실시 형태에서 45% 이하, 및 다른 실시 형태에서 43% 이하이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 요구되는 커플링 정도는, 커플링제로 처리되는 반응성 중합체 분자의 총 개수를 기준으로, 약 35 내지 약 40%, 다른 실시 형태에서 약 36 내지 약 44%, 및 다른 실시 형태에서 약 37 내지 약 43%이다.
본 발명의 실시에 이용되는 커플링제의 작용가에 대해 언급하였지만, 당업자는 커플링 효율이 임의의 주어진 커플링제에 의해 달성될 수 있는 최종 커플링 정도에 영향을 줄 것임을 인지한다. 커플링 효율은 커플링제 대 반응성 중합체 사슬의 몰 또는 당량 비에 역시 영향을 주는데, 후자는 또한 중합체를 합성하기 위한 시스템에 충전된 개시제 (예를 들어, 리튬)의 몰에 기초하여 언급될 수 있다. 임의의 경우에, 커플링제와 결합된 작용기의 당량 대 중합체를 합성하기 위한 시스템에 충전된 리튬의 당량의 비가 언급될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 커플링제와 결합된 작용기의 당량 대 리튬의 당량의 비는 5:1 이상, 다른 실시 형태에서 7:1 이상, 및 다른 실시 형태에서 9:1 이상일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 커플링제와 결합된 작용기의 당량 대 리튬의 당량의 비는 15:1 이하, 다른 실시 형태에서 13:1 이하, 및 다른 실시 형태에서 11:1 이하일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 커플링제와 결합된 작용기의 당량 대 리튬의 당량의 비는 약 5:1 내지 약 15:1, 다른 실시 형태에서 약 7:1 내지 약 13:1, 및 다른 실시 형태에서 약 9:1 내지 약 11:1이다.
당업자가 쉽게 인지하는 바와 같이, 반응성 중합체의 커플링은 켄칭 전에 일어난다. 마찬가지로, 커플링 반응은 중합체 분자의 단리 전에; 즉, 용매의 제거 전에 일어난다. 하나 이상의 실시 형태에서, 커플링 반응은 중합체의 작용화 전에 일어난다. 다시 말해, 작용화제의 첨가 전에 커플링제가 중합 혼합물에 도입된다. 다른 실시 형태에서, 커플링 및 작용화는 동시에 일어난다. 다시 말해, 커플링제 및 작용화제가 중합 혼합물에 동시에 첨가될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 중합체의 작용화는 커플링 전에 일어난다. 다시 말해, 커플링제 전에 작용화제가 중합 혼합물에 첨가될 수 있다.
말단 작용화
본 발명의 실시는 임의의 특정 작용화제의 선택에 의해 제한되지 않는다. 하나 이상의 실시 형태에서, 작용화제는 가수분해성 기를 중합체 사슬의 종결 말단에 부여한다.
유용한 작용화제에는 본 기술 분야에서 통상적으로 이용되는 것들이 포함된다. 리빙 중합체를 말단-작용화하는 데 사용되어 온 화합물의 유형에는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제3,109,871호, 제3,135,716호, 제5,332,810호, 제5,109,907호, 제5,210,145호, 제5,227,431호, 제5,329,005호, 제5,935,893호에 개시된 것들을 포함하는, 이산화탄소, 벤조페논, 벤즈알데하이드, 이미다졸리돈, 피롤리디논, 카르보다이이미드, 우레아, 아이소시아네이트, 및 쉬프(Schiff) 염기가 포함된다. 다른 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제4,519,431호, 제4,540,744호, 제4,603,722호, 제5,248,722호, 제5,349,024호, 제5,502,129호, 및 제5,877,336호에 개시된 바와 같은, 트라이알킬주석 할라이드, 예를 들어, 트라이부틸주석 클로라이드가 포함된다. 또 다른 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제5,786,441호, 제5,916,976호 및 제5,552,473호에 개시된 바와 같은, 환형 아미노 화합물, 예를 들어, 헥사메틸렌이민 알킬 클로라이드가 포함된다. 다른 예에는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제4,677,165호, 제5,219,942호, 제5,902,856호, 제4,616,069호, 제4,929,679호, 제5,115,035호, 및 제6,359,167호에 개시된 바와 같은 N-메틸-2-피롤리돈 또는 다이메틸이미다졸리디논 (즉, 1,3-다이메틸에틸렌우레아)을 포함하는, N-치환된 아미노케톤, N-치환된 티오아미노케톤, N-치환된 아미노알데하이드, 및 N-치환된 티오아미노알데하이드가 포함된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 규소-함유 작용화제가 이용된다. 실록산 종결제 또는 알콕시실란 종결제로도 지칭될 수 있는 이러한 종결제는 하기 화학식에 의해 정의될 수 있다:
(R11)4- zSi(OR12)z
상기 식에서, R11은 할로겐 원자 또는 1가 유기 기이고, R12는 1가 유기 기이고, z는 1 내지 4의 정수이다. 할로겐은 염소, 브롬, 요오드, 및 불소를 포함한다. 일 실시 형태에서, 할로겐은 염소를 포함된다. 실록산-종결된 중합체를 제조하는 기술은, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제3,244,664호, 제6,008,295호, 제6,228,908호, 및 제4,185,042호에 기술되어 있다.
실록산 종결제의 적합한 예에는 테트라알콕시실란, 알킬알콕시실란, 아릴알콕시실란, 알케닐알콕시실란, 및 할로알콕시실란이 포함된다.
테트라알콕시실란 화합물의 예에는 테트라메틸 오르토실리케이트, 테트라에틸 오르토실리케이트, 테트라프로필 오르토실리케이트, 테트라부틸 오르토실리케이트, 테트라(2-에틸헥실) 오르토실리케이트, 테트라페닐 오르토실리케이트, 테트라톨루일옥시실란 등이 포함된다.
알킬알콕시실란 화합물의 예에는 메틸트라이메톡시실란, 메틸트라이에톡시실란, 메틸트라이-n-프로폭시실란, 메틸트라이-n-부톡시실란, 메틸트라이페녹시실란, 에틸트라이메톡시실란, 에틸트라이에톡시실란, 에틸트라이-n-프로폭시실란, 에틸트라이-n-부톡시실란, 에틸트라이페녹시실란, 다이메틸다이메톡시실란, 다이메틸다이에톡시실란, 다이메틸다이-n-프로폭시실란, 다이메틸다이-n-부톡시실란, 다이메틸다이페녹시실란, 다이에틸다이메톡시실란, 다이페닐다이메톡시실란, 3-글리시독시프로필트라이메톡시실란 (GPMOS), γ-메타크릴옥시 프로필 트라이메톡시실란 등이 포함된다.
아릴알콕시실란 화합물의 예에는 페닐트라이메톡시실란, 페닐트라이에톡시실란, 페닐트라이-n-프로폭시실란, 페닐트라이-n-부톡시실란, 페닐트라이페녹시실란 등이 포함된다.
알케닐알콕시실란 화합물의 예에는 비닐트라이메톡시실란, 비닐트라이에톡시실란, 비닐트라이-n-프로폭시실란, 비닐트라이-n-부톡시실란, 비닐트라이페녹시실란, 알릴트라이메톡시실란, 옥테닐트라이메톡시실란, 다이비닐다이메톡시실란 등이 포함된다.
할로알콕시실란 화합물의 예에는 트라이메톡시클로로실란, 트라이에톡시클로로실란, 트라이-n-프로폭시클로로실란, 트라이-n-부톡시클로로실란, 트라이페녹시클로로실란, 다이메톡시다이클로로실란, 다이에톡시다이클로로실란, 다이-n-프로폭시다이클로로실란, 다이페녹시다이클로로실란, 메톡시트라이클로로실란, 에톡시트라이클로로실란, n-프로폭시트라이클로로실란, 페녹시트라이클로로실란, 트라이메톡시브로모실란, 트라이에톡시브로모실란, 트라이-n-프로폭시브로모실란, 트라이페녹시브로모실란, 다이메톡시다이브로모실란, 다이에톡시다이브로모실란, 다이-n-프로폭시다이브로모실란, 다이페녹시다이브로모실란, 메톡시트라이브로모실란, 에톡시트라이브로모실란, n-프로폭시트라이브로모실란, 페녹시트라이브로모실란, 트라이메톡시요오도실란, 트라이에톡시요오도실란, 트라이-n-프로폭시요오도실란, 트라이페녹시요오도실란, 다이메톡시다이요오도실란, 다이-n-프로폭시다이요오도실란, 다이페녹시다이요오도실란, 메톡시트라이요오도실란, 에톡시트라이요오도실란, n-프로폭시트라이요오도실란, 페녹시트라이요오도실란 등이 포함된다.
다른 유용한 실란에는 비스-(트라이메톡시실란)-에테르, 3-메르캅토프로필트라이에톡시실란, 3-메르캅토프로필트라이메톡시실란, 3,3'-비스 (트라이에톡시실릴프로필) 다이설파이드, Si-69 (비스-(3-트라이에톡시실릴프로필) 테트라설파이드) 등이 포함된다.
또 다른 실시 형태에서, 중합체는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 출원 공개 제2005/0009979호, 제2010/0113683호, 및 제2011/0092633호에 개시된 바와 같은 이미노 기-함유 알콕시실란 화합물로 종결된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 이미노 기-함유 알콕시실란 작용화제는 하기 화학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112016057501223-pct00002
상기 식에서, R2, R3, 및 R7은 1가 유기 기이고, R4는 2가 유기 기이고, R5 및 R6은 각각 독립적으로 하이드로카르빌옥시 기 또는 하이드로카르빌 기이다.
이러한 이미노 기-함유 알콕시실란 화합물의 예에는 3-(1-헥사메틸렌이미노)프로필(트라이에톡시)실란, 3-(1-헥사메틸렌이미노)프로필(트라이메톡시)실란, (1-헥사메틸렌이미노)메틸(트라이메톡시)실란, (1-헥사메틸렌이미노)메틸(트라이에톡시)실란, 2-(1-헥사메틸렌이미노)에틸(트라이에톡시)실란, 2-(1-헥사메틸렌이미노)에틸(트라이메톡시)실란, 3-(1-피롤리디닐)프로필(트라이에톡시)실란, 3-(1-피롤리디닐)프로필(트라이메톡시)실란, 3-(1-헵타메틸렌이미노)프로필(트라이에톡시)실란, 3-(1-도데카메틸렌이미노)프로필(트라이에톡시)실란, 3-(1-헥사메틸렌이미노)프로필(다이에톡시)메틸실란, 3-(1-헥사메틸렌이미노)프로필(다이에톡시)에틸실란, N-(1,3-다이메틸부틸리덴)-3-(트라이에톡시실릴)-1-프로판아민, N-(1-메틸에틸리덴)-3-(트라이에톡시실릴)-1-프로판아민, N-에틸리덴-3-(트라이에톡시실릴)-1-프로판아민, N-(1-메틸프로필리덴)-3-(트라이에톡시실릴)-1-프로판아민, N-(4-N,N-다이메틸아미노벤질리덴)-3-(트라이에톡시실릴)-1-프로판아민, N-(사이클로헥실리덴)-3-(트라이에톡시실릴) 1-프로판아민, 이들 트라이에톡시실릴 화합물에 상응하는, 트라이메톡시실릴 화합물, 메틸다이에톡시실릴 화합물, 에틸다이에톡시실릴 화합물, 메틸다이메톡시실릴 화합물 및 에틸다이메톡시실릴 화합물, 1-[3-(트라이에톡시실릴)프로필]-4,5-다이하이드로이미다졸, 1-[3-(트라이메톡시실릴)프로필]-4,5-다이하이드로이미다졸, 3-[10-(트라이에톡시실릴)데실]-4-옥사졸린, 3-(1-헥사메틸렌이미노)프로필(트라이에톡시)실란, (1-헥사메틸렌이미노)메틸(트라이메톡시)실란, N-(3-트라이에톡시실릴프로필)-4,5-다이하이드로이미다졸, N-(3-아이소프로폭시실릴프로필)-4,5-다이하이드로이미다졸, 및 N-(3-메틸다이에톡시실릴프로필)-4,5-다이하이드로이미다졸이 포함된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 작용화된 중합체를 제조하는 데 이용되는 작용화제의 양은 개시제와 결합된 리튬 또는 금속 양이온의 당량과 관련하여 가장 잘 설명된다. 예를 들어, 리튬의 몰당 작용화제의 몰은 약 0.1 내지 약 10, 다른 실시 형태에서 약 0.2 내지 약 2, 다른 실시 형태에서 약 0.3 내지 약 3, 다른 실시 형태에서 약 0.6 내지 약 1.5, 다른 실시 형태에서 약 0.7 내지 약 1.3, 다른 실시 형태에서 약 0.8 내지 약 1.1, 및 다른 실시 형태에서 약 0.9 내지 약 1.0일 수 있다. 당업자는, 작용화제가 커플링제 후에 첨가되는 경우, 그렇지 않다면 작용화에 이용가능할 반응성 중합체 사슬 말단의 일부가 커플링 반응에 의해 소모되었을 것임을 인지할 것이다. 커플링제가 작용화제 전에 첨가되는 그러한 실시 형태에서는, 과량의 작용화제가 첨가된다. 다시 말해, 커플링 후에 이용가능한 반응성 사슬 말단에 비해 더 많은 당량의 작용화제가 첨가된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 작용화제의 양은 작용화될 중합체의 양과 관련하여 기재될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 작용화 정도는, 작용화제로 처리되는 반응성 중합체 분자의 총 개수를 기준으로, 10% 이상, 다른 실시 형태에서 20% 이상, 다른 실시 형태에서 30% 이상, 다른 실시 형태에서 33% 이상, 다른 실시 형태에서 35% 이상, 및 다른 실시 형태에서 37% 이상이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 요구되는 작용화 정도는, 작용화제로 처리되는 반응성 중합체 분자의 총 개수를 기준으로, 80% 이하, 다른 실시 형태에서 60% 이하, 다른 실시 형태에서 50% 이하, 다른 실시 형태에서 47% 이하, 다른 실시 형태에서 45% 이하, 및 다른 실시 형태에서 43% 이하이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 요구되는 작용화 정도는, 작용화제로 처리되는 반응성 중합체 분자의 총 개수를 기준으로, 약 35 내지 약 40%, 다른 실시 형태에서 약 36 내지 약 44%, 및 다른 실시 형태에서 약 37 내지 약 43%이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 작용화제는 커플링제 후에, 선택적인 켄칭제의 도입 전에, 그리고 중합체 단리 전에 중합 혼합물에 도입된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 작용화제와 반응성 중합체 사이의 반응은 약 10℃ 내지 약 150℃, 및 다른 실시 형태에서 약 20℃ 내지 약 100℃의 온도에서 일어날 수 있다. 작용화제와 반응성 중합체 사이의 반응을 완료하기 위해 필요한 시간은 반응성 중합체를 제조하는 데 사용되는 촉매 또는 개시제의 유형 및 양, 작용화제의 유형 및 양뿐만 아니라 작용화 반응이 수행되는 온도와 같은 다양한 요인에 따라 좌우된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 작용화제와 반응성 중합체 사이의 반응은 약 10 내지 60분 동안 수행될 수 있다.
켄칭
하나 이상의 실시 형태에서, 커플링 및/또는 작용화가 달성되거나 완료된 후에, 임의의 잔류 반응성 중합체 사슬 및/또는 개시제 잔류물을 비활성화시키기 위해 켄칭제가 중합 혼합물에 첨가될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 켄칭제의 첨가는 선택적이며, 따라서 하나 이상의 실시 형태에서, 켄칭제는 중합 혼합물에 도입되지 않는다. 켄칭제는 알코올, 카르복실산, 무기산, 물, 또는 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 양성자성 화합물을 포함할 수 있다. 2,6-다이-tert-부틸-4-메틸페놀과 같은 산화방지제가 켄칭제의 첨가와 함께, 그 전에, 또는 그 후에 첨가될 수 있다. 이용되는 산화방지제의 양은 중합체 생성물의 0.2 중량% 내지 1 중량%의 범위일 수 있다.
안정화
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명에 따라 제조되는 중합체 조성물은 안정화될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 안정화는, 중합체 단리 후에 또는 에이징 시에 일어날 수 있는 무니 성장을 억제하는 것으로 여겨지는 하나 이상의 안정제를 중합 혼합물에 첨가하는 것을 지칭한다. 안정화 기술 및 안정제는, 본 명세서에 참고로 포함된, 국제 특허 공개 WO/2012/092626호, WO/2013/184861호, WO/2013/184783호, WO/2013/184756호, 및 WO/2013/184813호뿐만 아니라, 미국 특허 출원 공개 제2013/0331520호에 기재된 바와 같이, 본 기술 분야에 공지되어 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 커플링 반응이 일어난 후에 (즉, 커플링제의 도입 후에) 그리고 남아 있는 중합체의 작용화가 일어난 후에 (즉, 작용화제의 도입 후에) 중합 혼합물에 도입된다. 소정 실시 형태에서, 안정제는 선택적인 켄칭제의 첨가 후에 첨가된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 중합체 단리 전에 첨가된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 하기 화학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112016057501223-pct00003
상기 식에서, R8은 하이드로카르빌 기이고, R9, R10, 및 R11은 각각 독립적으로 하이드로카르빌 기 또는 하이드로카르빌옥시 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 하기 화학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure 112016057501223-pct00004
상기 식에서, χ는 가수분해 시에 산성 화학종을 형성하는 가수분해성 기이고, R12, R13, 및 R14는 각각 독립적으로 할로겐 원자, 하이드로카르빌 기, 하이드로카르복실레이트 기, 또는 하이드로카르빌옥시 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, χ는 할로겐 원자를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, χ는 하이드로카르보네이트 기로도 지칭될 수 있는 하이드로카르복실레이트 기를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌 기에는, 알킬, 사이클로알킬, 치환된 사이클로알킬, 알케닐, 사이클로알케닐, 치환된 사이클로알케닐, 아릴, 알릴, 치환된 아릴, 아르알킬, 알크아릴, 또는 알키닐 기가 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 치환된 하이드로카르빌 기는 하나 이상의 수소 원자가 알킬 기와 같은 치환체로 대체되어 있는 하이드로카르빌렌 기를 포함된다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이러한 기는 1개의, 또는 기를 형성하기에 적절한 최소한의 개수의 탄소 원자 내지 20개의 탄소 원자를 포함할 수 있다. 이러한 하이드로카르빌 기는, 질소, 붕소, 산소, 규소, 황, 및 인 원자와 같은 그러나 이에 한정되지 않는 헤테로원자를 함유할 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌 기는 에틸 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시 기에는, 알콕시, 사이클로알콕시, 치환된 사이클로알콕시, 알케닐옥시, 사이클로알케닐옥시, 치환된 사이클로알케닐옥시, 아릴옥시, 알릴옥시, 치환된 아릴옥시, 아르알킬옥시, 알크아릴옥시, 또는 알키닐옥시 기가 포함되지만 이에 한정되지 않는다. 하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르빌옥시 기는 에톡시 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 하이드로카르보네이트 기로도 지칭될 수 있는 하이드로카르복실레이트 기에는, 알카노에이트, 사이클로알카노에이트, 치환된 사이클로알카노에이트, 알케노에이트, 사이클로알케노에이트, 치환된 사이클로알케노에이트, 아라노에이트, 알로에이트, 치환된 아라노에이트, 아르알카노에이트, 알크아라노에이트, 또는 알키나노에이트 기가 포함되지만 이에 한정되지 않는다.
하나 이상의 실시 형태에서, 할로겐 원자는 브롬, 염소, 및 요오드로부터 선택될 수 있다.
특정 실시 형태에서, R12는 할로겐 원자이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, R12 및 R13 둘 모두는 할로겐 원자이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 각각의 R12, R13, 및 R14는 할로겐 원자이다. 특정 실시 형태에서, χ, R12, R13, 및 R14는 각각 할로겐 원자, 예를 들어, 염소 원자이다. 다른 실시 형태에서, χ는 할로겐 원자이고, 각각의 R12, R13, 및 R14는 하이드로카르빌 기이다. 또 다른 실시 형태에서, R12는 할로겐 원자이고, 각각의 R13 및 R14는 하이드로카르빌 기이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명을 실시하는 데 이용될 수 있는 안정제의 유형에는 실릴 할라이드 및 실릴 에스테르가 포함된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 트라이알킬실라놀, 트라이아릴실라놀, 및/또는 다이아릴실란다이올을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 트라이페닐실라놀이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 안정제는 하기 화학식에 의해 정의될 수 있다:
R1 n Si(OR2) 4-n
상기 식에서, 각각의 R1은 C1 내지 C20 알킬, C4 내지 C10 사이클로알킬, 또는 C5 내지 C20 방향족 기로 이루어진 군으로부터 선택되고, 각각의 R2는 R1 또는 존재하는 경우 다른 R2와 동일하거나 상이할 수 있으며, C1 내지 C20 알킬, C4 내지 C10 사이클로알킬, 또는 C5 내지 C20 방향족 기로 이루어진 군으로부터 선택되고, n은 1 내지 3의 정수이다. 안정제의 예에는 다이아릴 다이알콕시실란, 즉, 상기에 기술된 구조식에서 n=2인 그러한 알킬 알콕시실란, 예를 들어, 다이페닐다이에톡시실란 또는 다이페닐다이메톡시실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 저분자량 알킬 알콕시실란이 포함된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 안정제의 양은, (예를 들어, 중합체를 합성하는 데 이용되는 리튬의 몰에 상당하는) 처리될 중합체의 몰당 0.2 몰 이상, 다른 실시 형태에서 0.4 몰 이상, 다른 실시 형태에서 0.8 몰 이상, 다른 실시 형태에서 1.0 몰 이상, 및 다른 실시 형태에서 1.1 몰 이상의 안정제일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 이용되는 안정제의 양은, 처리될 중합체의 몰당 5.0 몰 이하, 다른 실시 형태에서 1.5 몰 이하, 다른 실시 형태에서 1.3 몰 이하, 및 다른 실시 형태에서 1.2 몰 이하의 안정제일 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이용되는 안정제의 양은, 처리될 중합체의 몰당 약 0.8 내지 약 1.5 몰, 다른 실시 형태에서 약 1.0 내지 약 1.3 몰, 및 다른 실시 형태에서 약 1.1 내지 약 1.2 몰의 안정제일 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명의 실시에 따라 안정제로 처리된 중합체 시멘트에는 리빙 중합체가 실질적으로 없는 것으로, 이는 리빙 중합체의 양이 중합체 또는 중합체 시멘트의 안정화 및/또는 중화에 상당한 영향을 미칠 것보다 적음을 말한다. 다시 말해, 중합체 시멘트는 실질적으로 비-리빙(non-living)이다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 비-리빙 중합체는 추가적인 단량체를 부가하는 것이 불가능한 그러한 중합체를 포함한다. 상기에 논의된 바와 같이, 리빙 중합체는 그의 반응성 사슬 단부에 추가적인 단량체를 부가하는 것이 가능하다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합체 시멘트는, 중합체 사슬의 총 몰을 기준으로, 10% 미만, 다른 실시 형태에서 5% 미만, 다른 실시 형태에서 2% 미만, 다른 실시 형태에서 1% 미만, 및 다른 실시 형태에서 0.5% 미만의 리빙 중합체를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 중합체 시멘트에는 리빙 중합체가 없다.
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명의 실시는 중합체의 작용성 종결, 커플링, 및/또는 켄칭 후의 안정제의 순차적인 첨가를 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 실시 형태에서, 리빙 중합체 시멘트는 부분적으로 커플링되고, 작용성 종결제로 부분적으로 종결되고, 이어서, 알코올과 같은 양성자성 화합물로 켄칭될 수 있다. 이러한 순서 후에, 안정제를 중합체 시멘트에 첨가하여 중합체를 처리할 수 있으며, 그러한 중합체는 실질적으로 비-리빙이다.
중합체 증량제
하나 이상의 실시 형태에서, 중합체 단리 전에 증량제가 중합 혼합물에 첨가될 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 증량제는 커플링제 후에, 작용화제 후에, 그리고 안정제 후에 첨가된다. 예를 들어, 중합 혼합물은 중합체에 오일을 첨가함으로써 오일 증량될 수 있으며, 이는 중합체 시멘트 또는 중합체의 형태일 수 있다. 본 발명의 실시는 첨가될 수 있는 오일의 양을 제한하지 않으며, 따라서 통상적인 양이 첨가될 수 있다 (예를 들어, 5 내지 50 phr). 이용될 수 있는 유용한 오일 또는 증량제에는, 방향족 오일, 파라핀계 오일, 나프텐계 오일, 피마자유 이외의 식물유, MES, TDAE, 및 SRAE를 포함하는 저 PCA 오일, 및 중질 나프텐계 오일이 포함되지만 이에 한정되지 않는다.
중합체 첨가제
하나 이상의 실시 형태에서, 중합체 단리 전에 중합체 첨가제가 중합 혼합물에 첨가될 수 있다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 중합체 첨가제는 커플링제 후에, 작용화제 후에, 그리고 안정제 후에 첨가된다. 예를 들어, 2,6-다이-tert-부틸-4-메틸페놀과 같은 산화방지제가 선택적인 켄칭제의 첨가와 함께, 그 전에, 또는 그 후에 첨가될 수 있다. 이용되는 산화방지제의 양은 중합체 생성물의 0.2 중량% 내지 1 중량%의 범위일 수 있다.
중합체 단리
하나 이상의 실시 형태에서, 본 기술 분야에 공지된 임의의 통상적인 탈용매화 및 건조 절차를 사용하여 중합 혼합물로부터 중합체 생성물을 회수할 수 있다. 예를 들어, 중합체 시멘트를 스팀 탈용매화한 후에, 생성되는 중합체 크럼(crumb)을 뜨거운 공기 터널에서 건조시킴으로써 중합체를 회수할 수 있다. 대안적으로, 중합체 시멘트를 드럼 건조기에서 직접 건조함으로써 중합체를 회수할 수 있다. 건조된 중합체 내의 휘발성 물질의 함량은 중합체의 1 중량% 미만, 및 다른 실시 형태에서 0.5 중량% 미만일 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 중합체의 형성 후에, 가공 조제 및 다른 선택적인 첨가제, 예를 들어, 오일을 중합체 시멘트에 첨가할 수 있다. 이어서, 중합체 및 다른 선택적인 성분을 용매로부터 단리하고 선택적으로 건조할 수 있다. 통상적인 탈용매화 및 건조 절차가 이용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 스팀 탈용매화 또는 용매의 열수 응집(hot water coagulation) 후 여과에 의해서 용매로부터 중합체를 단리할 수 있다. 오븐 건조 또는 드럼 건조와 같은 통상적인 건조 기술을 사용하여 잔류 용매를 제거할 수 있다. 대안적으로, 시멘트를 직접 드럼 건조할 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 반응성 중합체에 작용화제의 도입 후에, 선택적으로, 켄칭제 및/또는 산화방지제의 첨가 후에, 및 선택적으로, 작용화된 중합체의 회수 또는 단리 후에, 축합 촉진제(condensation accelerator)를 중합 혼합물에 첨가할 수 있다. 유용한 축합 촉진제에는 주석 및/또는 티타늄 카르복실레이트 및 주석 및/또는 티타늄 알콕사이드가 포함된다. 한 가지 구체적인 예는 티타늄 2-에틸헥실 옥사이드이다. 유용한 축합 촉매 및 그의 용도는, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2005/0159554A1호에 개시되어 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 반응성 중합체와 작용화제 사이의 반응이 달성되거나 완료된 후에, 선택적으로, 켄칭제 및/또는 축합 촉매의 첨가 후에, 및 선택적으로, 작용화된 중합체의 회수 또는 단리 후에, 작용화된 중합체를 사용하여 추가의 반응이 수행될 수 있다. 예를 들어, 작용화된 중합체 생성물을, 선택적으로 적절한 촉매의 존재 하에, 알코올로 처리할 수 있는데, 알코올은, 중합체의 작용기와 결합될 수 있는 하이드록시 기 또는 할로겐 원자 대신에 하이드로카르빌옥시 기의 형성을 달성하는 것으로 여겨진다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 중합체의 작용기에 존재하거나 그와 결합될 수 있는 임의의 가수분해성 보호 기를 절단하거나 대체하기 위해, 본 발명의 실시로부터 생성되는 작용화된 중합체를, 선택적으로 촉매의 존재 하에서, 물에 노출시키거나 물로 처리할 수 있다. 본 명세서에 기재된 것들과 같은 강산 촉매가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다.
중합체 조성물의 특성
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명에 따라 제조되는 중합체 조성물은, 통상적인 스팀 탈용매화 기술을 사용하여 중합체의 효율적인 탈용매화를 가능하게 하기에 충분한 무니 점도를 특징으로 한다. 하나 이상의 실시 형태에서, 탈용매화 단계에서의 중합체의 무니 점도 (ML1 +4 @ 100℃)는 40 이상, 다른 실시 형태에서 45 이상, 및 다른 실시 형태에서 50 이상이다. 이러한 또는 다른 실시 형태에서, 탈용매화 단계에서의 중합체의 무니 점도 (ML1 +4 @ 100℃)는 100 미만, 다른 실시 형태에서 95 미만, 다른 실시 형태에서 90 미만, 및 다른 실시 형태에서 85 미만이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명에 따라 제조되는 중합체 조성물은 유리한 에이징 무니 점도를 특징으로 한다. 결과로서, 본 발명의 에이징된 중합체는 효율적으로 가공될 수 있으며, 이는 효율적인 혼합 기술을 사용하여 보강 충전제와 혼합하는 것을 포함한다. 하나 이상의 실시 형태에서, 본 발명의 중합체 조성물은 110 미만, 다른 실시 형태에서 105 미만, 다른 실시 형태에서 100 미만, 및 다른 실시 형태에서 95 미만의 에이징 무니 점도 (100℃에서 2일 동안 2% 습도에서 에이징 후 ML1 +4 @ 100℃)를 나타낸다.
하나 이상의 실시 형태에서, 중합체 조성물은 2년 이하의 기간에 걸친 30 미만, 다른 실시 형태에서 20 미만, 및 다른 실시 형태에서 15 미만의 무니 점도 성장을 특징으로 한다.
산업상 이용가능성
본 발명의 중합체 조성물은 타이어 구성요소를 제조하는 데 사용될 수 있는 고무 조성물을 제조하는 데에 특히 유용하다. 그에 이용되는 고무 배합(rubber compounding) 기술 및 첨가제는 일반적으로 문헌[The Compounding and Vulcanization of Rubber, in Rubber Technology (2nd Ed. 1973)]에 개시되어 있다.
고무 조성물은 본 발명의 중합체 조성물을 단독으로 또는 다른 탄성중합체 (즉, 가황되어서 고무질 또는 탄성중합체성 특성을 갖는 조성물을 형성할 수 있는 중합체)와 함께 사용하여 제조될 수 있다. 사용될 수 있는 다른 탄성중합체에는 천연 및 합성 고무가 포함된다. 합성 고무는 전형적으로 공액 다이엔 단량체의 중합, 공액 다이엔 단량체와 다른 단량체, 예를 들어 비닐-치환된 방향족 단량체의 공중합, 또는 에틸렌과 하나 이상의 α-올레핀 및 선택적으로 하나 이상의 다이엔 단량체의 공중합으로부터 유도된다.
예시적인 탄성중합체에는 천연 고무, 합성 폴리아이소프렌, 폴리부타다이엔, 폴리아이소부틸렌-코-아이소프렌, 네오프렌, 폴리(에틸렌-코-프로필렌), 폴리(스티렌-코-부타다이엔), 폴리(스티렌-코-아이소프렌), 폴리(스티렌-코-아이소프렌-코-부타다이엔), 폴리(아이소프렌-코-부타다이엔), 폴리(에틸렌-코-프로필렌-코-다이엔), 폴리설파이드 고무, 아크릴 고무, 우레탄 고무, 실리콘 고무, 에피클로로하이드린 고무, 및 이들의 혼합물이 포함된다. 이러한 탄성중합체는 선형, 분지형, 및 별(star) 형상 구조를 포함하는 수많은 거대분자 구조를 가질 수 있다.
고무 조성물은 무기 및 유기 충전제와 같은 충전제를 포함할 수 있다. 유기 충전제의 예에는 카본 블랙 및 전분이 포함된다. 무기 충전제의 예에는 실리카, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 운모, 활석 (수화된 마그네슘 실리케이트), 및 점토 (수화된 알루미늄 실리케이트)가 포함된다. 카본 블랙 및 실리카가 타이어 제조에 사용되는 가장 일반적인 충전제이다. 소정 실시 형태에서, 상이한 충전제들의 혼합물이 유리하게 이용될 수 있다.
하나 이상의 실시 형태에서, 카본 블랙에는 퍼니스 블랙(furnace black), 채널 블랙(channel black), 및 램프 블랙(lamp black)이 포함된다. 카본 블랙의 더욱 구체적인 예에는 초마모(super abrasion) 퍼니스 블랙, 중간 초마모 퍼니스 블랙, 고마모 퍼니스 블랙, 신속 압출 퍼니스 블랙, 미세 퍼니스 블랙, 반-보강(semi-reinforcing) 퍼니스 블랙, 중간 가공 채널 블랙, 경성 가공 채널 블랙, 전도 채널 블랙, 및 아세틸렌 블랙이 포함된다.
특정 실시 형태에서, 카본 블랙은 표면적 (EMSA)이 20 m2/g 이상 및 다른 실시 형태에서 35 m2/g 이상일 수 있으며; 표면적 값은 세틸트라이메틸암모늄 브로마이드 (CTAB) 기술을 사용하여 ASTM D-1765에 의해 결정될 수 있다. 카본 블랙은 펠렛화된 형태 또는 펠렛화되지 않은 응집(flocculent) 형태일 수 있다. 카본 블랙의 바람직한 형태는 고무 화합물을 혼합하는 데 사용되는 혼합 장비의 유형에 따라 좌우될 수 있다.
고무 조성물에 이용되는 카본 블랙의 양은 고무 100 중량부당 약 50 중량부 (phr) 이하일 수 있으며, 약 5 내지 약 40 phr이 전형적이다.
사용될 수 있는 일부 구매가능한 실리카에는 Hi-Sil™ 215, Hi-Sil™ 233, 및 Hi-Sil™ 190 (미국 펜실베이니아주 피츠버그 소재의 피피지 인더스트리즈, 인크.(PPG Industries, Inc.))이 포함된다. 구매가능한 실리카의 다른 공급처에는 그레이스 데이비슨(Grace Davison; 미국 메릴랜드주 볼티모어 소재), 데구사 코포레이션(Degussa Corp.; 미국 뉴저지주 파시파니 소재), 로디아 실리카 시스템즈(Rhodia Silica Systems; 미국 뉴저지주 크랜버리 소재), 및 제이.엠. 허버 코포레이션(J.M. Huber Corp.; 미국 뉴저지주 에디슨 소재)이 포함된다.
하나 이상의 실시 형태에서, 실리카는 그의 보강 특성의 척도를 제공하는 그의 표면적에 의해 특성화될 수 있다. 브루나우어, 에메트 및 텔러(Brunauer, Emmet and Teller) ("BET") 방법 (문헌[J. Am. Chem. Soc., vol. 60, p. 309 et seq.]에 기재되어 있음)이 표면적을 결정하는 인지된 방법이다. 실리카의 BET 표면적은 일반적으로 450 m2/g 미만이다. 표면적의 유용한 범위에는 약 32 내지 약 400 m2/g, 약 100 내지 약 250 m2/g, 및 약 150 내지 약 220 m2/g가 포함된다.
실리카의 pH는 일반적으로 약 5 내지 약 7이거나 또는 7보다 다소 초과이거나, 또는 다른 실시 형태에서 약 5.5 내지 약 6.8이다.
하나 이상의 실시 형태에서, 실리카가 충전제로서 (단독으로 또는 다른 충전제와 조합되어) 이용되는 경우, 실리카와 탄성중합체의 상호 작용을 향상시키기 위해 커플링제 및/또는 차폐제(shielding agent)가 혼합 동안 고무 조성물에 첨가될 수 있다. 유용한 커플링제 및 차폐제는, 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제3,842,111호, 제3,873,489호, 제3,978,103호, 제3,997,581호, 제4,002,594호, 제5,580,919호, 제5,583,245호, 제5,663,396호, 제5,674,932호, 제5,684,171호, 제5,684,172호, 제5,696,197호, 제6,608,145호, 제6,667,362호, 제6,579,949호, 제6,590,017호, 제6,525,118호, 제6,342,552호, 및 제6,683,135호에 개시되어 있다.
고무 조성물에 이용되는 실리카의 양은 약 1 내지 약 100 phr 또는 다른 실시 형태에서 약 5 내지 약 80 phr일 수 있다. 유용한 범위 상한은 실리카에 의해 부여되는 높은 점도에 의해 제한된다. 실리카가 카본 블랙과 함께 사용되는 경우, 실리카의 양은 약 1 phr 만큼 낮게 감소될 수 있고; 실리카의 양이 감소됨에 따라, 더 적은 양의 커플링제 및 차폐제가 이용될 수 있다. 일반적으로, 커플링제 및 차폐제의 양은 사용되는 실리카의 중량을 기준으로 약 4% 내지 약 20%의 범위이다.
황 또는 퍼옥사이드-기재 경화 시스템을 포함하는, 다수의 고무 경화제 (가황제로도 칭해짐)가 이용될 수 있다. 경화제는, 본 명세서에 참고로 포함된, 문헌[Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol. 20, pgs. 365-468, (3rd Ed. 1982), particularly Vulcanization Agents and Auxiliary Materials, pgs. 390-402], 및 문헌[A.Y. Coran, Vulcanization, Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, (2nd Ed. 1989)]에 기재되어 있다. 가황제는 단독으로 또는 조합되어 사용될 수 있다.
고무 배합에 전형적으로 이용되는 기타 성분들이 또한 고무 조성물에 첨가될 수 있다. 이들에는 촉진제, 촉진제 활성제, 오일, 가소제, 왁스, 스코치(scorch) 억제제, 가공 조제, 산화아연, 점착 부여 수지, 보강 수지, 지방산, 예를 들어, 스테아르산, 펩타이저(peptizer), 및 분해방지제(antidegradant), 예를 들어, 산화방지제 및 오존분해방지제(antiozonant)가 포함된다. 특정 실시 형태에서, 이용되는 오일에는, 상기에 기재된, 증량제 오일로서 통상적으로 사용되는 것들이 포함된다.
밴버리(Banbury) 또는 브라벤더(Brabender) 혼합기, 압출기, 혼련기(kneader), 및 2-롤 밀과 같은 표준 혼합 장비를 사용하여 고무 조성물의 모든 성분들이 혼합될 수 있다. 하나 이상의 실시 형태에서, 성분들은 둘 이상의 단계로 혼합된다. 제1 단계 (종종 마스터배치 혼합 단계로 지칭됨)에서는, 전형적으로 고무 성분 및 충전제를 포함하는, 소위 마스터배치가 제조된다. 조기 가황 (스코치로도 지칭됨)을 방지하기 위하여, 마스터배치에서는 가황제가 배제될 수 있다. 마스터배치는 약 25 ℃ 내지 약 125 ℃의 출발 온도에서 약 135 ℃ 내지 약 180 ℃의 배출 온도로 혼합될 수 있다. 일단 마스터배치가 제조되면, 최종 혼합 단계에서 가황제를 도입하여 마스터배치에 혼합할 수 있는데, 조기 가황의 기회를 감소시키기 위해 이는 전형적으로 비교적 낮은 온도에서 수행된다. 선택적으로, 마스터배치 혼합 단계와 최종 혼합 단계 사이에, 때때로 리밀(remill)로 불리는, 추가적인 혼합 단계가 이용될 수 있다. 고무 조성물이 실리카를 충전제로서 포함하는 경우에 하나 이상의 리밀 단계가 종종 이용된다. 본 발명의 중합체를 포함하는 다양한 성분들이 이러한 리밀 동안 첨가될 수 있다.
실리카-충전된 타이어 제형에 특히 적용가능한 혼합 절차 및 조건이 미국 특허 제5,227,425호, 제5,719,207호, 및 제5,717,022호뿐만 아니라, 유럽 특허 제890,606호에 기재되어 있으며, 이들 모두는 본 명세서에 참고로 포함된다. 일 실시 형태에서, 초기 마스터배치는, 커플링제 및 차폐제의 실질적인 부재 하에 중합체 및 실리카를 포함함으로써 제조된다.
본 발명의 중합체로부터 제조되는 고무 조성물은 트레드, 서브트레드(subtread), 사이드월, 바디 플라이 스킴(body ply skim), 비드 필러(bead filler) 등과 같은 타이어 구성요소를 형성하기 위해 특히 유용하다. 하나 이상의 실시 형태에서, 이러한 트레드 또는 사이드월 제형은, 제형 내의 고무의 총 중량을 기준으로, 약 10 중량% 내지 약 100 중량%, 다른 실시 형태에서 약 35 중량% 내지 약 90 중량%, 및 다른 실시 형태에서 약 50 중량% 내지 약 80 중량%의 본 발명의 중합체를 포함할 수 있다.
고무 조성물이 타이어의 제조에 이용되는 경우에, 이러한 조성물은 표준 고무 형상화, 성형, 및 경화 기술을 포함하는 보통의 타이어 제조 기술에 따라 타이어 구성요소로 가공될 수 있다. 전형적으로, 가황은 가황성 조성물을 주형 내에서 가열함으로써 달성되며; 예를 들어 가황성 조성물을 약 140 ℃ 내지 약 180 ℃로 가열할 수 있다. 경화된 또는 가교결합된 고무 조성물은 가황물로 지칭될 수 있으며, 이는 일반적으로 열경화된 3차원 중합체성 네트워크를 함유한다. 충전제 및 가공 조제와 같은 기타 성분들이 가교결합된 네트워크 전반에 고르게 분산될 수 있다. 본 명세서에 참고로 포함된, 미국 특허 제5,866,171호, 제5,876,527호, 제5,931,211호, 및 제5,971,046호에 논의된 바와 같이, 공기압(pneumatic) 타이어가 제조될 수 있다.
본 발명의 범주 및 사상을 벗어나지 않는 다양한 변경 및 수정이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태에 마땅히 제한되지 않아야 한다.

Claims (15)

  1. 작용화된 중합체의 제조 방법으로서,
    i. 용매 내에서, 선택적으로 공중합성 단량체와 함께, 공액(conjugated) 다이엔 단량체를 중합하여 반응성 말단을 갖는 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 중합하는 단계;
    ii. 반응성 말단을 갖는 상기 중합체의 일부를 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링시켜 상기 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 중합체 및 반응성 말단을 갖는 잔류 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 커플링시키는 단계;
    iii. 반응성 말단을 갖는 상기 잔류 중합체를 하나 이상의 하이드로카르빌옥시 작용기를 갖는 작용화제와 반응시켜 작용화된 중합체 및 상기 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 상기 중합체를 포함하는 중합 혼합물을 생성하는, 반응시키는 단계; 및
    iv. 상기 작용화된 중합체 및 상기 하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 상기 중합체를 포함하는 상기 중합 혼합물을 탈용매화하는 단계를 포함하되,
    상기 하이드로카르빌옥시실록산은, 하기 화학식:
    Figure 112019119809697-pct00005

    (상기 식에서, 각각의 R 및 R1은 독립적으로 1가 유기 기이고 n은 4 내지 50의 정수임)에 의해 정의되고, 반응성 말단을 갖는 상기 중합체의 30% 내지 50%를 커플링할 수 있는 양이 사용되며,
    상기 작용화제는, 반응성 말단을 갖는 상기 잔류 중합체의 30% 내지 80%를 작용화할 수 있는 양이 사용되는,
    작용화된 중합체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 상기 탈용매화하는 단계 이전에 켄칭(quenching)하는 단계를 추가로 포함하는, 작용화된 중합체의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응시키는 단계 후에 상기 중합 혼합물에 안정제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하는, 작용화된 중합체의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 작용화제는 하기 화학식:
    Figure 112016057501223-pct00006

    (상기 식에서, R2, R3, 및 R7은 1가 유기 기이고, R4는 2가 유기 기이고, R5 및 R6은 각각 독립적으로 하이드로카르빌옥시 기 또는 하이드로카르빌 기임)에 의해 정의되는, 작용화된 중합체의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 안정제는 하기 화학식:
    Figure 112019119809697-pct00007

    (상기 식에서, R8은 하이드로카르빌 기이고, R9, R10, 및 R11은 각각 독립적으로 하이드로카르빌 기 또는 하이드로카르빌옥시 기임)에 의해 정의되는, 작용화된 중합체의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 중합하는 단계는, 유기리튬 개시제를 사용하여, 상기 공액 다이엔 단량체, 및 선택적인 공단량체를 중합하는 단계를 포함하는, 작용화된 중합체의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유기리튬 개시제의 리튬에 대한 상기 작용화제의 몰 비는 0.1 내지 10인, 작용화된 중합체의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 중합체 조성물의 제조 방법으로서,
    i. 반응성 중합체 배치(batch)를 하이드로카르빌옥시실록산과 부분적으로 커플링시키는 단계; 및
    ii. 상기 부분적으로 커플링시키는 단계 후에 남아 있는 반응성 중합체를 작용화제로 종결(terminating)시키는 단계를 포함하되,
    상기 하이드로카르빌옥시실록산은, 하기 화학식:
    Figure 112021016101398-pct00008

    (상기 식에서, 각각의 R 및 R1은 독립적으로 1가 유기 기이고 n은 4 내지 50의 정수임)에 의해 정의되고, 상기 반응성 중합체 배치의 30% 내지 50%를 커플링할 수 있는 양이 사용되며,
    상기 작용화제는, 상기 부분적으로 커플링시키는 단계 이후에 남아 있는 반응성 중합체의 30% 내지 80%를 작용화할 수 있는 양이 사용되는,
    중합체 조성물의 제조 방법.
  13. 중합체 조성물로서,
    하이드로카르빌옥시실록산과 커플링된 30% 내지 50%의 중합체, 및
    30% 내지 50%의 작용화된 중합체,
    를 포함하는 중합체 블렌드
    를 포함하되,
    상기 하이드로카르빌옥시실록산은, 하기 화학식:
    Figure 112021016101398-pct00009

    (상기 식에서, 각각의 R 및 R1은 독립적으로 1가 유기 기이고 n은 4 내지 50의 정수임)에 의해 정의되는,
    중합체 조성물.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 R은 알킬 기인 중합체 조성물.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 R은 에틸 기인 중합체 조성물.
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