WO2015018743A1 - Elastomère diénique modifié, son procédé de synthèse et composition de caoutchouc le comprenant - Google Patents

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WO2015018743A1
WO2015018743A1 PCT/EP2014/066553 EP2014066553W WO2015018743A1 WO 2015018743 A1 WO2015018743 A1 WO 2015018743A1 EP 2014066553 W EP2014066553 W EP 2014066553W WO 2015018743 A1 WO2015018743 A1 WO 2015018743A1
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elastomer
diene elastomer
species
reinforcing filler
weight
Prior art date
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PCT/EP2014/066553
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Charlotte Dire
Jean-Marc Marechal
Margarita Dorato
Mathieu Manceau
Nuno PACHECO
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Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
Michelin Recherche Et Technique S.A.
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    • C08L2205/02—Polymer mixtures characterised by other features containing two or more polymers of the same C08L -group

Definitions

  • the present invention relates to a diene elastomer modified with an alkoxysilane group, optionally partially or completely hydrolysed, carrying, where appropriate, another function capable of interacting with a reinforcing filler within a rubber composition.
  • the present invention also relates to a reinforced rubber composition, usable especially for the manufacture of tires, comprising this elastomer.
  • patent EP 0 992 537 describes a rubber composition which comprises an extended elastomer modified at the end of the chain by an alkoxysilane function and bearing at the other end or along its chain one or more amine functional groups. Furthermore, it has also been proposed to improve the properties of the rubber compositions by using end-functionalized elastomers with alkoxysilane functional groups carrying an amine group, whether in a black, silica or hybrid mixture.
  • WO 2009133068 A1 a functionalized diene elastomer consisting essentially of the coupled species of an elastomer having, within the chain, a group carrying an alkoxysilane function and an amine function, the atom of silicon of this group linking the two parts of the chain of the diene elastomer.
  • This functionalized elastomer gives the composition containing the improved mechanical and dynamic properties, including improved hysteresis, while maintaining a satisfactory raw implementation, in particular for use in tread tire. It is a constant concern of the designers of materials intended for the manufacture of tires to improve the compromises in the mechanical and dynamic properties of the rubber compositions in order to improve the performance of the tire containing them, without penalizing the stages of its manufacture.
  • a functionalized diene elastomer composed of a diene elastomer functionalized at one end of the chain by a silanol function and, to a certain extent, a diene elastomer coupled or star-labeled to tin base.
  • This elastomer gives a rubber composition containing it hysteresis and processing properties quite satisfactory and acceptable for use in a tire, while having a significantly improved cold flow resistance.
  • the technical problem to be solved by the invention is to further improve the compromise of hysteresis property and implementation of a rubber composition for application in pneumatic, without penalizing its manufacture or properties of the elastomer contained in this composition, especially its resistance to cold creep.
  • a predominantly coupled diene elastomer of specific composition including in particular certain proportions of star species and obtained by reaction with a trialkoxysilane compound or not carrying another function capable of interacting with a reinforcing filler, gives the rubber compositions containing it a remarkable and unexpected improvement in the compromise implemented at raw / hysteresis, while preserving a satisfactory cold flow of the elastomer.
  • the subject of the invention is therefore a modified diene elastomer based on a) of at least 55% by weight relative to the total weight of the modified diene elastomer, of species coupled by a functional group carrying a function of formula -SiOR, in which R is a hydrogen atom or an alkyl radical having 1 to 10 carbon atoms, and possibly another function capable of to interact with a reinforcing filler, the group being bonded to the two branches of the diene elastomer via the silicon atom, b) from 5% by weight to 30% by weight relative to the total weight of the modified diene elastomer, of star-shaped species having three elastomeric branches connected to the same silicon atom belonging to a functional group which may or may not carry another function capable of interacting with a reinforcing filler, c) of a lower level or equal to 15% by weight relative to the total weight of the modified diene elastomer, of species functionalized at the chain end by a
  • the invention also relates to a process for synthesizing said modified diene elastomer.
  • Another object of the invention is a reinforced rubber composition based at least on a reinforcing filler and an elastomeric matrix comprising at least said modified diene elastomer.
  • any range of values designated by the expression "between a and b" represents the range of values from more than a to less than b (i.e. terminals a and b excluded) while any range of values designated by the term “from a to b” means the range from a to b (i.e., including the strict limits a and b).
  • iene elastomer is understood to mean a diene elastomer which comprises a functional group comprising at least one silicon atom and optionally a function capable of interacting with a reinforcing filler, and which is derived from the modification by means of a functionalization agent of the trialkoxysilane type, which may or may not carry another function capable of interacting with a reinforcing filler. It is generally an elastomer obtained by reaction of a living diene elastomer resulting from the anionic polymerization step on the functionalization agent in question.
  • the diene elastomer is functionalized at the end or end of the chain.
  • the diene elastomer is coupled or functionalized in the middle of the chain, as opposed to the position "at the end of the chain” and although the grouping is not precisely in the middle of the elastomeric chain.
  • the silicon atom of this group links the two branches of the chain of the diene elastomer.
  • the diene elastomer When the group is central to which three chains or elastomer branches are bonded forming a star structure of the elastomer, it will be said that the diene elastomer is starred.
  • the silicon atom of this group binds the three branches of the diene elastomer modified with one another.
  • the subject of the invention is a modified diene elastomer composed of species a), b), c) and d) in the proportions indicated above.
  • the modified diene elastomer preferably comprises at least 10% by weight relative to the total weight of the modified diene elastomer of said star species b).
  • the modified diene elastomer comprises at most 25%, more preferably at most 20% by weight relative to the total weight of the modified diene elastomer of said star species b).
  • the modified diene elastomer preferably comprises a level strictly greater than 0% by weight and less than 10% by weight, relative to the total weight of the modified diene elastomer of said non-functional species. d).
  • the modified diene elastomer preferably comprises a level greater than or equal to 65%, or even greater than or equal to 70%, by weight relative to the total weight of the modified diene elastomer of said coupled species. at).
  • the modified diene elastomer preferably comprises a content of less than or equal to 10% by weight, relative to the total weight of the modified diene elastomer of said species functionalized at the end of the chain. vs).
  • the preferential aspects concerning species a), b), c) and d) are combinable with one another.
  • diene elastomer is meant according to the invention any homopolymer obtained by polymerization of a conjugated diene monomer having from 4 to 12 carbon atoms, or any block copolymer, random, sequential or microsequenced, obtained by copolymerization of one or more dienes conjugated to one another or to one or more vinylaromatic compounds having 8 to 20 carbon atoms.
  • copolymers these contain from 20% to 99% by weight of diene units, and from 1% to 80% by weight of vinylaromatic units.
  • conjugated dienes 1,3-butadiene, 2-methyl-1,3-butadiene, 2,3-di (C 1 -C 5 alkyl) -1,3-butadienes, such as, for example, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2,3-diethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-ethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-isopropyl-1 , 3-butadiene, aryl-1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, 2,4-hexadiene, etc.
  • Suitable vinyl aromatic compounds are, for example, styrene, ortho-, meta-, para-methylstyrene, the commercial "vinyl-toluene" mixture, para-tert-butylstyrene, methoxystyrenes, chlorostyrenes, vinylmesitylene, divinylbenzene, vinylnaphthalene, etc.
  • the diene elastomer is chosen from polybutadienes, butadiene-styrene copolymers, butadiene-styrene-isoprene copolymers, styrene-isoprene copolymers, butadiene-isoprene copolymers and synthetic polyisoprene.
  • the diene elastomer is a butadiene-styrene copolymer.
  • the modified diene elastomer has no other function than that comprising the silicon atom directly bonded to the elastomeric chain.
  • the modified diene elastomer also comprises another function capable of interacting with a reinforcing filler, this function being carried by the group containing the silicon atom.
  • This variants do not exclude the fact that the function comprising the silicon atom directly bonded to the elastomeric chain interacts in a privileged manner with the reinforcing filler.
  • "Group” or “function capable of interacting with a reinforcing filler” means any group or function capable of forming, within a composition of rubber reinforced by means of a filler, a physical or chemical bond with said charge. This interaction can be established for example by means of covalent, hydrogen, ionic and / or electrostatic bonds between said function and functions present on charges.
  • the term "function capable of interacting with a reinforcing filler” preferably means functional groups comprising at least one heteroatom selected from among N, S, O and P. Examples of primary and secondary amines are exemplified by these functions. or tertiary, cyclic or otherwise, isocyanates, imines, cyano, thiols, carboxylates, epoxides, primary, secondary or tertiary phosphines.
  • secondary or tertiary amine functional groups mention may be made of amines substituted with C 1 -C 10 alkyl radicals, preferably C 1 -C 4 alkyl radicals, more preferably methyl or ethyl radicals, or else cyclic amines forming a heterocycle containing a nitrogen atom and at least one carbon atom, preferably from 2 to 6 carbon atoms.
  • a carboxylate function mention may be made of acrylates or methacrylates. Such a function is preferably a methacrylate.
  • epoxy As an epoxide function, mention may be made of epoxy or glycidyloxy groups.
  • phosphines substituted with C 1 -C 10 alkyl radicals preferably C 1 -C 4 alkyl radicals, more preferentially methyl or ethyl radicals, or diphenylphosphine radicals.
  • C 1 -C 10 alkyl radicals preferably C 1 -C 4 alkyl radicals, more preferentially methyl or ethyl radicals, or diphenylphosphine radicals.
  • metylphosphino-, dimethylphosphino-, ethylphosphino-, diethylphosphino, ethylmethylphosphino- and diphenylphosphino- groups are suitable.
  • the other function capable of interacting with a reinforcing filler is directly related to the silicon atom itself directly linked to the diene elastomer.
  • the other function capable of interacting with a reinforcing filler and the silicon atom directly bonded to the diene elastomer are linked via a spacer group which can be a atom or group of atoms.
  • the spacer group may be a divalent hydrocarbon radical, linear or branched, aliphatic C1-C18, saturated or unsaturated, cyclic or not, or a divalent aromatic hydrocarbon radical C6-C18 and may contain one or more aromatic radicals and / or a or more heteroatoms.
  • the hydrocarbon radical may optionally be substituted.
  • the spacer group is a divalent hydrocarbon radical, linear or branched, C1-C10 aliphatic, more preferably a linear aliphatic divalent hydrocarbon radical in the form of C6, more preferably still the linear divalent C3 hydrocarbon radical.
  • the other function capable of interacting with a reinforcing filler is a tertiary amine, more particularly a diethylamino or dimethylamino group; -.
  • the spacer group is a C1-C6 linear hydrocarbon radical, more preferably the C3 linear hydrocarbon radical.
  • R is a hydrogen atom or an alkyl radical having 1 to 4 carbon atoms, preferably methyl or ethyl.
  • the diene elastomer is a butadiene-styrene copolymer.
  • the modified diene elastomer according to the invention may be prepared according to a process that includes modifying the elastomer by reacting a living diene elastomer with a trialkoxysilane agent that may or may not carry another function capable of interacting with a reinforcing filler, known to those skilled in the art to react with a piece of living elastomeric chain.
  • the process can be continuous or discontinuous.
  • Such a synthesis method comprises the following steps:
  • a functionalizing agent non-polymerizable, trialkoxysilane type, the alkoxy functional groups being hydrolysable or not silanol function, optionally carrying another function capable of interacting with a reinforcing filler, said functionalizing agent end-chain binding to at least one living chain of the elastomer by its silicon atom.
  • a polymerization initiator any known monofunctional anionic initiator can be used. However, an initiator containing an alkali metal such as lithium is used in a preferred manner. Suitable organolithium initiators include those having a carbon-lithium bond and a nitrogen-lithium bond.
  • Representative compounds are aliphatic organoliths such as ethyllithium, n-butyllithium (n-BuLi), isobutyl lithium, lithium amides obtained from a cyclic secondary amine, such as pyrrolidine and hexamethyleneimine.
  • aliphatic organoliths such as ethyllithium, n-butyllithium (n-BuLi), isobutyl lithium, lithium amides obtained from a cyclic secondary amine, such as pyrrolidine and hexamethyleneimine.
  • the polymerization is preferably carried out in the presence of an inert hydrocarbon solvent which may be for example an aliphatic or alicyclic hydrocarbon such as pentane, hexane, heptane, isooctane, cyclohexane, methylcyclohexane or a hydrocarbon aromatic such as benzene, toluene, xylene.
  • an inert hydrocarbon solvent which may be for example an aliphatic or alicyclic hydrocarbon such as pentane, hexane, heptane, isooctane, cyclohexane, methylcyclohexane or a hydrocarbon aromatic such as benzene, toluene, xylene.
  • the polymerization can be carried out continuously or discontinuously, in dispersion or in solution.
  • the polymerization is generally carried out at a temperature of between 20 ° C. and 150 ° C. and preferably in the region of 30 ° C. to 110 ° C.
  • the diene elastomer may have any microstructure which is a function of the polymerization conditions used.
  • the elastomer may be block, random, sequenced, microsequential, etc.
  • the microstructure of this elastomer may be determined by the presence or absence of a modifying and / or randomizing agent and the amounts of modifying agent and / or or randomizing used.
  • the living diene elastomer resulting from the polymerization is then modified to prepare the modified diene elastomer according to the invention by reaction with the functionalization agent.
  • the reaction time between the living diene elastomer resulting from the polymerization and the functionalizing agent may be between 10 seconds and 2 hours. Those skilled in the art will be able to determine the operating conditions of the modification reaction to result in the composition of the desired modified diene elastomer.
  • the modified diene elastomer according to the invention is obtained by mixing at least two diene elastomers of the same nature, modified with the same functionalizing agent, and having a different composition, in order to obtain the referred in cash coupled, starred, functionalized at the end of the chain and not functional.
  • the non-functional species ratio in the mixture may be adjusted by adding a non-functional diene elastomer whose polymerization is stopped, for example by addition of methanol, and which does not undergo a modification step directly to the mixture or to each diene elastomer before mixing.
  • the modified diene elastomers of different composition of the mixture are respectively obtained by carrying out the modification step by varying the molar ratio of the functionalization agent to the polymerization initiator.
  • a ratio ranging from 0.40 to 0.75 preferably from 0.45 to 0.65 and even more preferentially from 0.45 to 0.55
  • a ratio ranging from 0.15 to 0.40, preferably from 0.20 to 0.35, even more preferentially from 0.30 to 0.35 stellate species (3 branches) are predominantly formed.
  • a ratio greater than or equal to 0.75 preferably greater than 1, the functionalized species at the end of the chain are predominantly formed.
  • At least two modified diene elastomers of different composition are prepared, the elastomer being before modification of the same nature (identical microstructure and macrostructure) with the same functionalization agent, the proportions of which are varied according to FIG. majority target species.
  • the level of non-functional elastomer is adjusted to about 8%.
  • the composition of the modified diene elastomers is determined, for example, by the high resolution SEC technique.
  • the proportion of each elastomer in the mixture can then be easily evaluated by the skilled person to achieve the target rate of each species in the modified diene elastomer according to the invention.
  • the mixing of these elastomers can be carried out in an inert solvent, for example an aliphatic or alicyclic hydrocarbon such as pentane, hexane, heptane, isooctane, cyclohexane or an aromatic hydrocarbon such as benzene or toluene.
  • xylene which may be the same as the polymerization solvent.
  • the mixing will then be carried out at a temperature of between 20 ° C. and 120 ° C. and preferably in the region of 30 ° C. to 90 ° C.
  • elastomers of different compositions can be synthesized preferably batchwise in a stirred reactor, supposed perfectly stirred according to the skilled person, in a manner known per se.
  • the inventors have also developed an innovative process making it possible to prepare the modified elastomer according to the invention continuously whereas until now the control of the distributions of species could only be envisaged in batch mode.
  • the polymerization and modification steps by the functionalization agent take place on the same continuous production line.
  • the step of modifying the diene elastomer proceeds continuously in a functionalization device, by contacting the living diene elastomer carrying an active site obtained after polymerization with a non-polymerizable functionalization agent comprising ( a) if appropriate, a function capable of interacting with a reinforcing filler and (b) a trialkoxysilane group, the alkoxy radical, which may or may not be hydrolysable, having 1 to 10 carbon atoms,
  • A represents the functionalising agent
  • PLi represents a living elastomeric chain
  • PA represents the functionalized elastomer at the end of the chain
  • P2A represents the coupled elastomer
  • P3A represents the stellate elastomer with three branches
  • k 1 , k 2 and k 3 are the kinetic constants respectively of the reactions R 1, R 2 and R 3 (expressed in (m 3 / mol) s -1 ),
  • [PA] is the end-functionalized elastomer concentration (expressed in mol / m 3 ),
  • [P 2 A] is the concentration of coupled elastomer (expressed in mol / m 3 ),
  • [P3A] is the concentration of three-branched star elastomer (expressed in mol / m 3 ),
  • P is the adimensional parameter of resistance to dispersion
  • ⁇ 1 is the residence time defined as the ratio reactor volume / total volume flow, preferably equal to at least 0.1 minute and at most 10 minutes, more preferably at most 5 minutes,
  • t is the time variable of the residence time distribution.
  • a functionalization device which is a combination of the device (i) and a device with at least one stirred continuous reactor, having a residence time distribution characterized by the following equation: e Eq 2
  • ⁇ 2 is the residence time defined as the ratio reactor volume / total volume flow, preferably between 0 and 60 minutes, more preferably between 5 and 50 minutes,
  • t is the time variable of the residence time distribution
  • P is the adimensional parameter of resistance to dispersion as defined in the bibliography "Villermeaux, J; Engineering of the chemical reaction; 1993 ". It is preferably greater than 6.9, more preferably greater than or equal to 9.6, or even greater than or equal to 12. P is not limited by a maximum value within the scope of the invention. He can tend towards infinity. If it tends to infinity, then the device in which the operation takes place behaves like an ideal reactor with a piston type flow.
  • One of the essential elements of the invention lies in the choice of this functionalizing agent to correspond to the kinetic model of the operation defined above with a ratio of kinetic constants, denoted K, greater than 1.
  • This ratio K is greater than 1, preferably greater than or equal to 10, or even greater than or equal to 100. Below this value of 1, the distribution of the different species results in a modified elastomer whose use in reinforced rubber composition results in processing and hysteresis properties which are not always optimized for satisfactory use in tire treads. There is no upper limit to K. Those skilled in the art will understand that the larger K is, the more the reaction is managed by the molar ratio of functionalizing agent to polymerization initiator. When this value goes to infinity, the process is quantitative and stoichiometric.
  • the functionalization agent in accordance with the invention may carry a silanol-functional alkoxysilane function or a non-hydrolysable alkoxysilane function, and possibly another function capable of interacting with a reinforcing filler, both functions being directly related to each other or via a spacer group.
  • the other function capable of interacting with a reinforcing filler and the spacer group are as defined above.
  • the functionalization agent may be represented by the following formula 1: GOLD'
  • - R is a divalent aliphatic hydrocarbon radical, saturated or unsaturated, cyclic or not, C1-C18, aromatic C6-C18, preferably a divalent hydrocarbon radical, linear or branched, aliphatic C1-C10, more preferably a hydrocarbon radical divalent linear C1-C6 aliphatic, more preferably still linear hydrocarbon radical C 3 .
  • X is a hydrogen atom or a function capable of interacting with a reinforcing filler
  • R 'radicals substituted or unsubstituted, identical or different, represent a C1-C10 or Ci-Cs, preferably an alkyl group Ci-C 4, more preferably methyl and ethyl.
  • the function likely to interact with a reinforcing filler is as defined above.
  • the function likely to interact with a reinforcing filler is a primary amine, protected or not, secondary, protected or not, or tertiary.
  • the nitrogen atom may then be substituted with two identical or different groups, which may be a trialkyl silyl radical, the alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, or a C 1 -C 10 alkyl radical, preferably C 1 -C alkyl. -C4, more preferably a methyl or ethyl radical, or both nitrogen substituents form with it a heterocycle containing a nitrogen atom and at least one carbon atom, preferably from 2 to 6 carbon atoms,
  • functionalizing agents include (N, N-dialkylaminopropyl) trialkoxysilanes, (N-alkylaminopropyl) trialkoxysilanes, the secondary amine function of which is protected by a trialkyl silyl group and aminopropyltnalkoxysilanes, the primary amine function of which is protected by two trialkyl silyl groups.
  • the functionalizing agent may be chosen from 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane, 3- (N, N-dimethylaminopropyl) triethoxysilane, 3- (N, N-diethylaminopropyl) trimethoxysilane, 3- (N, N-diethylaminopropyl) triethoxysilane, 3- (N, N-dipropylaminopropyl) trimethoxysilane, 3- (N, N-dipropylaminopropyl) triethoxysilane, 3- (N, N-dibutylaminopropyl) trimethoxysilane, 3- (N N- (dibutylaminopropyl) triethoxysilane, 3- (N, N-dipentylaminopropyl) trimethoxysilane, 3- (N, N-dipentylaminopropyl) triethoxysilane, 3- (
  • the coupling agent is 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane.
  • the functionalization agent may be chosen from 3- (N, N-methyltrimethylsilylaminopropyl) trimethoxysilane,
  • the coupling agent is 3- (N, N-methyltrimethylsilylaminopropyl) trimethoxysilane.
  • the functionalising agent may be chosen from 3- (N, N-bistrimethylsilylaminopropyl) trimethoxysilane and 3- (N, N-) bistriméthylsilylaminopropyl) triethoxysilane.
  • the coupling agent is 3- (N, N-bisthymethylsilylaminopropyl) thmethoxysilane.
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is an isocyanate function.
  • the functionalizing agent may be chosen from 3- (isocyanatopropyl) trimethoxysilane and 3- (isocyanatopropyl) triethoxysilane.
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is an imine function.
  • the functionalizing agent may be chosen from N- (1,3-dimethylbutylidene) -3- (trimethoxysilyl) -1-propanamine, N- (1,3-dimethylbutylidene) -3- (triethoxysilyl) -1 propanamine, N- (1,3-methylethylidene) -3- (trimethoxysilyl) -1-propanamine, N- (1,3-methylethylidene) -3- (triethoxysilyl) -1-propanamine, N-ethylidene- 3-
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is a cyano function.
  • the functionalizing agent may be chosen from 3- (cyanopropyl) trimethoxysilane and 3- (cyanopropyl) triethoxysilane.
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is a thiol function, protected or not.
  • thiol function protected or not.
  • the functionalizing agent may be chosen from (S-trimethylsilylmercaptopropyl) trimethoxysilane, (S-trimethylsilylmercaptopropyl) triethoxysilane, and (S-tert-butyl) butyldimethylsilylmercaptopropyl) trimethoxysilane, (S-tert-butyldimethylsilylmercaptopropyl) triethoxysilane.
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is a carboxylate function.
  • a carboxylate function mention may be made of acrylates or methacrylates. Such a function is preferably a methacrylate.
  • the functionalizing agent may be chosen from 3- (methacryloyloxypropyl) trimethoxysilane, and 3-
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is an epoxide function.
  • the functionalizing agent may be chosen from 2- (glycidyloxyethyl) trimethoxysilane, 2- (glycidyloxyethyl) triethoxysilane, 3- (glycidyloxypropyl) trimethoxysilane, 3- (glycidyloxypropyl) triethoxysilane, 2- (3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltriethoxysilane.
  • the function capable of interacting with a reinforcing filler is a primary phosphine function, protected or not, secondary, protected or not, or tertiary.
  • the functionalizing agent may be chosen from 3- (P, P-bistrimethylsilylphosphinopropyl) trimethoxysilane, the 3-
  • the synthesis process may be continued by a step of deprotection of the primary or secondary amine. This step is implemented after the modification reaction.
  • This deprotection step may have the effect of hydrolyzing all or part of the hydrolyzable alkoxysilane functions of the modified diene elastomer to transform them into silanol functions.
  • the synthesis process may be continued by a thiol deprotection step.
  • This step is implemented after the modification reaction.
  • This deprotection step may have the effect of hydrolyzing all or part of the hydrolyzable alkoxysilane functions of the modified diene elastomer to transform them into silanol functions.
  • the synthesis process may be continued by a step of deprotection of the phosphine.
  • This step is implemented after the modification reaction.
  • This deprotection step may have the effect of hydrolyzing all or part of the hydrolyzable alkoxysilane functions of the modified diene elastomer to transform them into silanol functions.
  • the synthesis process may comprise a step of hydrolysis of the hydrolyzable alkoxysilane functions, by adding a acidic, basic or neutral compound as described in EP 2 266 819 A1
  • the hydrolysable functions are then converted into silanol function.
  • the method of synthesis of the modified diene elastomer according to the invention can be continued in a manner known per se by the recovery steps of the modified elastomer.
  • these steps comprise a stripping step in order to recover the elastomer from the previous steps in dry form.
  • This stripping step may have the effect of hydrolyzing all or part of the hydrolyzable alkoxysilane functions of the modified diene elastomer to turn them into silanol functions.
  • at least 50 to 70 mol% of the functions can thus be hydrolysed.
  • the invention also relates to a reinforced rubber composition based on at least one reinforcing filler and an elastomeric matrix comprising at least one modified diene elastomer according to the invention.
  • the elastomeric matrix may comprise up to 100 phr of modified diene elastomer according to the invention.
  • modified diene elastomer according to the invention also means any mixture of at least two modified elastomers according to the invention.
  • the elastomer matrix may also comprise at least one diene elastomer different from said modified diene elastomer according to the invention.
  • This or these diene elastomers different from the modified diene elastomer according to the invention may be chosen from the diene elastomers conventionally used in tires, such as natural rubber or a synthetic elastomer, or another functionalized, coupled or star-shaped elastomer.
  • This or these different diene elastomers of said modified diene elastomer according to the invention can then be present from 1 to 70 parts by weight per 100 parts of modified diene elastomer according to the invention.
  • the matrix consists solely of this modified diene elastomer according to the present invention.
  • a reinforcing filler it is possible to use any type known for its ability to reinforce a rubber composition that can be used for the manufacture of tires, for example carbon black, a reinforcing inorganic filler such as silica with which it is associated with known a coupling agent, or a mixture of these two types of charge.
  • the reinforcing filler is predominantly other than carbon black, more preferably it comprises more than 50% by weight of the total weight of the filler, of one or more fillers other than black.
  • carbon especially a reinforcing inorganic filler such as silica, or it consists exclusively of such a filler.
  • carbon black when carbon black is also present, it may be used at a level of less than 20 phr, more preferably less than 10 phr (for example between 0.5 and 20 phr, in particular from 1 to 10 phr).
  • the total reinforcing filler content is between 10 and 200 phr, more preferably between 30 and 150 phr, the optimum being in a known manner different according to the particular applications targeted.
  • Suitable carbon blacks are all carbon blacks, used individually or in the form of mixtures, especially blacks conventionally used in tires or their treads (so-called pneumatic grade blacks). These carbon blacks can be used in the isolated state, as commercially available, or in any other form, for example as a carrier for some of the rubber additives used.
  • any other inorganic or inorganic filler irrespective of its color and origin (natural or synthetic), capable of reinforcing on its own, without any other means than an intermediate coupling agent, must be understood to mean any other inorganic or inorganic filler.
  • rubber composition for use in the manufacture of tires; such a charge is generally characterized, in known manner, by the presence of hydroxyl groups (OH) on its surface.
  • Suitable reinforcing inorganic fillers are in particular mineral fillers of the siliceous type, preferentially silica (SiO 2).
  • the silica used may be any reinforcing silica known to those skilled in the art, in particular any precipitated or fumed silica having a BET surface and a CTAB specific surface both less than 450 m 2 / g, preferably from 30 to 400 m 2 / g, especially between 60 and 300 m 2 / g. Mention may also be made of mineral fillers of the aluminous type, in particular alumina (Al 2 O 3) or aluminum (oxide) hydroxides, or reinforcing titanium oxides, for example described in US 6,610,261 and US 6,747,087.
  • Reinforcing fillers of another nature are also suitable as reinforcing fillers, provided that these reinforcing fillers are covered with a siliceous layer, or else comprise at their surface functional sites, in particular hydroxyl sites, which require use of a coupling agent to establish the bond between the filler and the elastomer.
  • a coupling agent to establish the bond between the filler and the elastomer.
  • reinforcing filler is present indifferent, whether in the form of powder, microbeads, granules, or beads.
  • reinforcing inorganic filler is also understood to mean mixtures of different reinforcing fillers, in particular highly dispersible silicas as described above.
  • silica When the silica is present in the composition as a reinforcing filler, it is possible to use as coupling agents organosilanes, especially polysulfurized alkoxysilanes or mercaptosilanes, or at least bifunctional polyorganosiloxanes.
  • organosilanes especially polysulfurized alkoxysilanes or mercaptosilanes, or at least bifunctional polyorganosiloxanes.
  • Silica / elastomer bonding agents in particular, have been described in a large number of documents, the best known of which are bifunctional alkoxysilanes such as polysulfurized alkoxysilanes.
  • the level of coupling agent is advantageously less than 20 phr, it being understood that it is generally desirable to use as little as possible. Its rate is preferably between 0.5 and 12 phr.
  • the presence of the coupling agent depends on that of the load reinforcing inorganic. Its rate is easily adjusted by the skilled person according to the rate of this charge; it is typically of the order of 0.5% to 15% by weight relative to the amount of reinforcing inorganic filler.
  • the rubber compositions in accordance with the invention may also contain, in addition to the coupling agents, coupling activators, charge-recovery agents or, more generally, processing aid agents which can be used in a known manner, thanks to to improve the dispersion of the filler in the rubber matrix and to lower the viscosity of the compositions, to improve their ability to use in the green state, these agents being, for example, hydrolysable silanes such as alkylalkoxysilanes, polyols, polyethers, primary, secondary or tertiary amines, hydroxylated or hydrolyzable polyorganosiloxanes.
  • these agents being, for example, hydrolysable silanes such as alkylalkoxysilanes, polyols, polyethers, primary, secondary or tertiary amines, hydroxylated or hydrolyzable polyorganosiloxanes.
  • the rubber compositions according to the invention may also contain reinforcing organic fillers which may replace all or part of the carbon blacks or other reinforcing fillers described above.
  • reinforcing organic fillers that may be mentioned are functionalized polyvinyl organic fillers as described in applications WO-A-2006/069792, WO-A-2006/069793, WO-A-2008/003434 and WO-A- 2008/003435.
  • the rubber compositions in accordance with the invention may also comprise all or part of the usual additives normally used in elastomer compositions intended for the manufacture of tires, for example pigments, protective agents such as anti-ozone waxes, chemical antioxidants, anti-oxidants, anti-fatigue agents, reinforcing or plasticizing resins, acceptors (for example phenolic novolak resin) or methylene donors (for example HMT or H3M) as described, for example, in the application WO 02/10269, a crosslinking system based on either sulfur, or sulfur and / or peroxide donors and / or bismaleimides, vulcanization accelerators, vulcanization activators, adhesion promoters such as compounds based on cobalt, plasticizing agents, preferably non-aromatic or very weakly aromatic selected from the group consisting of naphthenic, paraffinic, MES oils, TDAE oils, ethers plasticizers, ester plasticizers, hydrocarbon resins having a high Tg, preferably greater
  • the invention also relates to a process for preparing a rubber composition as described above.
  • composition is manufactured in appropriate mixers, using two successive preparation phases well known to those skilled in the art: a first phase of work or thermomechanical mixing (so-called “nonproductive” phase) at high temperature, up to a maximum of maximum temperature between 1 10 ° C and 190 ° C, preferably between 130 ° C and 180 ° C, followed by a second phase of mechanical work (so-called “productive” phase) to a lower temperature, typically lower at 110 ° C, for example between 40 ° C and 100 ° C, finishing phase during which the crosslinking system is incorporated.
  • the process according to the invention for preparing a rubber composition according to the invention comprises at least the following steps:
  • thermomechanical working time (sometimes referred to as a "non-productive" phase) of the constituents basis of the rubber composition, with the exception of the crosslinking system and optionally an adhesion promoter, by intimately incorporating, by kneading into one or more steps, the elastomer matrix comprising the diene elastomer modified according to the invention, ingredients of the composition, then
  • the process for preparing the rubber composition comprises the steps for preparing the modified diene elastomer according to the invention as described above according to its various synthetic methods.
  • the final composition thus obtained can then be calendered, for example in the form of a sheet, a plate or extruded, for example to form a rubber profile usable as a semi-finished rubber product for the tire.
  • the invention also relates to a semi-finished rubber product comprising a reinforced rubber composition according to the invention.
  • the invention also relates to a tire of which at least one of its constituent elements is a semi-finished rubber product comprising a reinforced rubber composition according to the invention. Due to the improvement of the hysteresis / implementation compromise which characterizes a reinforced rubber composition according to the invention, it will be noted that such a composition may constitute any semi-finished product of the tire, and more particularly the tread, decreasing thus its rolling resistance.
  • the SEC (Size Exclusion Chromatography) technique separates macromolecules in solution according to their size through columns filled with a porous gel.
  • the macromolecules are separated according to their hydrodynamic volume, the larger ones being eluted first.
  • the conventional SEC allows to apprehend the distribution of the molar masses of a polymer.
  • Ip Mw / Mn
  • the equipment used is a chromatographic chain "WATERS alliance".
  • the elution solvent is either tetrahydrofuran or tetrahydrofuran + 1 vol% diisopropylamine + 1 vol% triethylamine, the flow rate is 1 ml. min “1 , the system temperature of 35 ° C and the analysis time of 30 min
  • a set of two WATERS columns, with the trade name" STYRAGEL HT6E ", is used
  • the injected volume of the sample solution The detector is a differential refractometer "WATERS 2410" and the chromatographic data exploitation software is the "WATERS EMPOWER" system.
  • the calculated average molar masses relate to a calibration curve produced for SBRs with the following microstructure: 25% by mass of styrene type units, 23% by mass of type 1, 2 and 50% by mass units of 1,4-trans type units. .
  • the high resolution SEC technique is used to determine the mass percentages of the different chain populations present in a polymer sample.
  • the equipment used is a chromatographic chain "WATERS alliance 2695".
  • the elution solvent is tetrahydrofuran, the flow rate of 0.2 ml. min- 1 , the system temperature of 35 ° C.
  • a set of three identical columns in series is used (Shodex, length 300 mm, diameter 8 mm) The number of theoretical plates in the set of columns is greater than 22,000.
  • the injected volume of the solution of the polymer sample is 50 ⁇
  • the detector is a differential refractometer "WATERS 2414" and the chromatographic data exploitation software is the "WATERS EMPOWER" system.
  • the calculated molar masses relate to a calibration curve produced for SBRs with the following microstructure: 25% by mass of styrene type units, 23% by mass of type 1, 2 and 50% by mass units of type 1, 4-trans units.
  • NIR Near infrared spectroscopy
  • the acquisition of the spectrum is carried out in transmission mode between 4000 and 6200 cm “1 with a resolution of 2 cm “ 1 , using a Bruker Tensor 37 Fourier transform infrared near-infrared spectrometer equipped with a cooled InGaAs detector. by Peltier effect.
  • An oscillatory consistometer is used as described in ASTM D-1646.
  • the Mooney plasticity measurement is carried out according to the following principle: the elastomer (or the raw composition (ie before firing)) is molded in a cylindrical chamber heated to 100 ° C. After one minute preheating, the rotor turns within the test sample at 2 tr.min "1 and the torque used for maintaining this movement after 4 minutes of rotation is measured.
  • the inherent viscosity is determined by measuring the flow time t of the polymer solution and the flow time fo of toluene in a capillary tube.
  • the die has a diameter of 6.35 mm, a thickness of 0.5 mm and is located at the bottom and the center of a cylindrical cut-out cut of 52 mm in diameter.
  • tan ⁇ max are measured on a viscoanalyzer (Metravib VA4000), according to the ASTM D 5992-96 standard.
  • the response of a sample of vulcanized composition (cylindrical specimen 2 mm thick and section 79 mm 2 ) subjected to sinusoidal stress in alternating simple shear at a frequency of 10 Hz is recorded under normal conditions. temperature (23 ° C) according to ASTM D 1349-99.
  • a peak-to-peak deformation amplitude sweep of 0.1% to 50% (forward cycle) and then 50% to 0.1% (return cycle) is performed.
  • the result exploited is the loss factor tan ⁇ .
  • tan ⁇ max the maximum value of tan ⁇ observed (tan ⁇ max) is indicated. This value is representative of the hysteresis of the material and in this case the rolling resistance: the lower the value of tan ⁇ max, the lower the rolling resistance. Determination of the species distribution of a modified elastomer.
  • the monomer conversion rate reaches 95%. This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. A control bottle (bottle no. 1) is stopped with an excess of methanol relative to lithium. The inherent viscosity "initial" was 0.66 dl g "1.
  • the solutions are antioxidized by the addition of 0.4 parts per hundred parts of elastomer (phr) of 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0 , 2 parts per hundred parts elastomer (phr) of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • elastomer (phr) 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0 , 2 parts per hundred parts elastomer (phr) of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the “final” inherent viscosities, the viscosity leaps defined as the ratios of the “final” inherent viscosities on the “initial” inherent viscosity as well as the mass percentages of the deactivated (P) chains, chain end functionalized chains (PA) in middle chain (P2A) and star (P3A) are shown in Table 1 below.
  • the living diene elastomer is functionalized according to the reaction mechanism described above in the description.
  • the kinetic model of integrated operation makes it possible to determine the distribution of the different species.
  • the chains can be deactivated (P) during the polymerization step and / or functionalization.
  • the final product is a mixture of deactivated elastomer (P), end-chain functionalized elastomer (PA), functionalized middle-chain elastomer (P2A) and star-shaped elastomer (P3A).
  • Figure 1 represents the distribution of the species P, PA, P 2 A and P 3 A as a function of the molar ratio functionalizing agent / living polymer chains (PLi): simulated (lines) and measured (points).
  • the monomer conversion rate reaches 95%. This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. 0.88 mL of a solution of 0.1 mol.L- 1 (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane in methylcyclohexane are added to the living polymer solutions (0.48 molar eq. the remaining twenty-one bottles.
  • the solutions are antioxidized by addition of 0.4 parts per hundred parts of elastomer (pce) of 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0.2 part per cent elastomer (pce) of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p- phenylenediamine.
  • the polymers thus treated are separated from their solution by drying at 60 ° C. under reduced pressure and nitrogen flow for 12 hours.
  • the functionalization section consists of a kenics-type static mixer with 36 elements of 4 L and a stirred continuous reactor of volume 32.5 L, supposed to be perfectly agitated.
  • the minimum residence time in agitated reactors is 20 minutes.
  • N-Butyllithium (n-BuLi) is introduced in sufficient quantity to neutralize the protic impurities provided by the various constituents present in the line inlet. At the inlet of the reactor, 850 ⁇ of n-BuLi per 100 g of monomers are introduced.
  • the different flow rates are calculated so that the average residence time in the reactor is 40 min.
  • the temperature is maintained at 90 ° C.
  • the conversion rate measured on a sample taken at the outlet of the reactor, is 92.6%.
  • 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane dissolved in methylcyclohexane is added to the living polymer solution in different amounts (different molar ratios 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane / PLi ) to characterize the functionalization process.
  • This solution is mixed in a static mixer consisting of 36 Kenics KMR type mixing elements and then passes through an empty tube, the total residence time in the tube being 3 minutes (static mixer + empty tube), and a continuous stirring reactor of 32 minutes. , 5 L, supposed perfectly stirred according to the man of the art, 40 minutes of residence time.
  • the polymers are then subjected to an antioxidant treatment with addition of 0.4 phr 2,2'-methylene-bis (4-methyl-6-tert-butylphenol) and 0.2 phr of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the polymers thus treated are separated from their solution by a stripping operation with steam, and then dried on a roll tool at 100 ° C.
  • the inherent viscosity jumps (SV) measured are shown in FIG. 3.
  • the kinetic functionalization model described above is integrated, according to one skilled in the art, into a tubular reactor model (representative of the Kenics static mixer) followed a perfectly stirred continuous reactor (representative of the agitated reactor of functionalization) (Bibliography: Villermeaux, J. Chemical reaction engineering, 1993) and makes it possible to determine the distribution of PLi, P, PA, P 2 A and P species 3 A.
  • wP, A is the mass fraction of the species PA, PLi, P; Mw is the weight average molecular weight; a is the parameter of the equation MHS (Mark Houwink Sakurada) and equal to 0.75 g, is a correction for star polymers, for example:
  • the ratio of kinetic constants K is estimated by minimizing the differences SV experimental and calculated.
  • the value of K is 10 ⁇ 1 as shown in Figure 3.
  • the calculated SV is determined from the species distribution calculated by the kinetic model integrated into the tubular reactor models and perfectly stirred continuously (Figure 4).
  • N-Butyllithium (n-BuLi) is introduced at the entry line in sufficient quantity to neutralize the protic impurities provided by the various constituents present in the line inlet. At the inlet of the reactor, 850 ⁇ of n-BuLi per 100 g of monomers are introduced.
  • the different flow rates are calculated so that the average residence time in the reactor is 40 min.
  • the temperature is maintained at 90 ° C.
  • the conversion rate measured on a sample taken at the outlet of the reactor, is 92.6% and the inherent viscosity is 1.68 dL.g -1 .
  • the polymer is then subjected to an antioxidant treatment with the addition of 0.4 phr of 2,2'-methylene-bis (4-methyl-6-tert-butylphenol) and 0.2 phr of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the polymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with steam, and then dried on a roll tool at 100 ° C., to obtain the polymer 1 functionalized with 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane in the middle of the chain according to the invention.
  • the inherent viscosity of this polymer 1 is 2.15 dLg -1 , the viscosity jump is 1.28 and the viscosity ML ( i + ) 100 ° C. is 72.0.
  • Mn of the polymer, determined by the conventional SEC technique, is 145,000 gmol -1 and the polymolecularity index Ip is 1.72.
  • the CF ( +6 ) 100 ° C cold flow of this elastomer is 0.452.
  • the microstructure of this polymer is determined by the NIR method: the mass ratio of units 1, 2 is 24.1%, this ratio relating to the butadiene units. The mass content of styrene is 26.5%.
  • N-Butyllithium (n-BuLi) is introduced at the entry line in sufficient quantity to neutralize the protic impurities provided by the various constituents present in the line inlet. At the reactor inlet, 845 ⁇ of n-BuLi per 100 g of monomers are introduced.
  • the different flow rates are calculated so that the average residence time in the reactor is 40 min.
  • the temperature is maintained at 90 ° C.
  • the conversion rate measured on a sample taken at the outlet of the reactor, is 92.7% and the inherent viscosity is 1.66 dL.g -1 .
  • the polymer is then subjected to an antioxidant treatment with addition of 0.4 phr of 2,2'-methylene-bis (4-methyl-6-tert-butylphenol) and 0.2 phr of N- (1,3-dimethylbutyl) ) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the polymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with steam, and then dried on a roll tool at 100 ° C., to obtain the polymer 2 functionalized with 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane in the middle of the chain according to the invention.
  • the inherent viscosity of this polymer 2 is 2.12 dLg -1 , the viscosity jump is 1.28 and the viscosity ML ( i + ) 100 ° C. is 70.4.
  • Mn of the polymer, determined by the conventional SEC technique, is 142,000 gmol -1 , the molecular weight and the polymolecularity index Ip is 1.73.
  • the CF ( +6 ) 100 ° C cold flow of this elastomer is 0.614.
  • microstructure of this polymer is determined by the NIR method: the mass ratio of units 1, 2 is 23.6%, this ratio relating to the butadiene units. The mass content of styrene is 26.6%.
  • Preparation of polymer 3 Polymer functionalized with 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane in the middle of the chain
  • N-Butyllithium (n-BuLi) is introduced at the entry line in sufficient quantity to neutralize the protic impurities provided by the various constituents present in the line inlet. At the reactor inlet, 840 ⁇ of n-BuLi per 100 g of monomers are introduced.
  • the different flow rates are calculated so that the average residence time in the reactor is 40 min.
  • the temperature is maintained at 90 ° C.
  • the conversion rate, measured on a sample taken at the outlet of the reactor, is 93.5% and the inherent viscosity is 1.66 dL.g -1 .
  • This living polymer solution is introduced continuously into a second stirred continuous reactor of 32.5 L, presumably perfectly stirred according to the man of the art, of 40 minutes of residence time in which 393 micromoles per 100 g of monomers of 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane in solution in methylcyclohexane are introduced continuously.
  • the polymer is then subjected to an antioxidant treatment with addition of 0.4 phr of 2,2'-methylene-bis (4-methyl-6-tert-butylphenol) and 0.2 phr of N- (1,3-dimethylbutyl) ) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the polymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with steam and then dried on a roll tool at 100 ° C., to obtain the polymer 3 functionalized with 3- (N, N-dimethylaminopropyl) trimethoxysilane in the middle of the chain.
  • the inherent viscosity of this polymer 3 is 2.14 dLg -1 , the viscosity jump is 1.29 and the viscosity ML ( i + ) 100 ° C. is 76.4.
  • Mn of the polymer, determined by the conventional SEC technique, is 144,000 g mol -1 and the polymolecularity index I p is 1.80.
  • the CF (i +6 ) 100 ° C cold flow of this elastomer is 0.216.
  • the microstructure of this polymer is determined by the NIR method: the mass ratio of 1,2 units is 24.4%, this ratio relating to the butadiene units. The mass content of styrene is 27.0%.
  • the modified diene elastomers synthesized previously are introduced into an 85 cm 3 Polylab internal mixer, filled to 70% and having an initial tank temperature of about 110.degree. Then, the reinforcing fillers, the coupling agent and then, after one to two minutes of mixing, the various other ingredients with the exception of the vulcanization system, are introduced into the mixer. Theromechanical work (non-productive phase) is then carried out in one step (total mixing time equal to about 5 minutes), until a maximum temperature of "fall” of 160 ° C. is reached. The mixture thus obtained is recovered, cooled and the vulcanization system (sulfur) is added to an external mixer (homo-finisher) at 25 ° C, mixing the whole (productive phase) for about 5 to 6 min.
  • compositions thus obtained are then calendered either in the form of plates (thickness of 2 to 3 mm) or thin sheets of rubber for the measurement of their physical or mechanical properties.
  • the rubber compositions are given in Table 4. The amounts are expressed in parts per 100 parts by weight of elastomer (phr).
  • the elastomers 1 and 2 have Cold Flow values considered to be sufficiently low to limit the creep problems, while minimizing the value of tan ⁇ in the reinforced rubber composition, expressing a reduced hysteresis.
  • the elastomer 3 has a cold flow value further reduced, but to the detriment of the hysteresis of the reinforced rubber composition containing it.
  • the compromise cold creep elastomers - hysteresis of the rubber composition containing them is optimized and quite satisfactory for the elastomers 1 and 2 of the invention.

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Abstract

La présente invention est relative à un élastomère diénique modifié composé de: a) au moins 55% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce couplée par un groupement fonctionnel porteur d'une fonction de formule - SiOR, dans laquelle R est un atome d'hydrogène ou un radical alkyle, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, b) de 5% en poids à 30% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce étoilée possédant trois branches élastomériques reliées à un même atome de silicium appartenant à un groupement fonctionnel porteur ou non d'une fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, c) d'un taux inférieur ou égal à 15% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce fonctionnalisée en extrémité de chaîne par un groupement fonctionnel porteur d'une fonction-Si(OR)2, dans laquelle R est un atome d'hydrogène ou un radical alkyle, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, et d) d'un taux inférieur ou égal à 15% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié d'élastomère diénique non fonctionnel. Cet élastomère permet d'optimiser le compromis fluage à froid de l'élastomère - hystérèse de la composition de caoutchouc le contenant, qui est tout à fait satisfaisant pour une utilisation dans la fabrication de pneumatiques.

Description

Elastomère diénique modifié, son procédé de synthèse et composition de caoutchouc le comprenant.
La présente invention est relative à un élastomère diénique modifié par un groupement alcoxysilane, éventuellement partiellement ou totalement hydrolysé, porteur, le cas échéant, d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante au sein d'une composition de caoutchouc. La présente invention concerne également une composition de caoutchouc renforcée, utilisable notamment pour la fabrication de pneumatiques, comprenant cet élastomère.
Depuis que les économies de carburant et la nécessité de protéger l'environnement sont devenues une priorité, il est souhaitable de produire des polymères possédant de bonnes propriétés mécaniques et une hystérèse aussi faible que possible afin de pouvoir les mettre en œuvre sous forme de compositions de caoutchouc utilisables pour la fabrication de divers produits semi-finis entrant dans la constitution des pneumatiques. Pour atteindre l'objectif de baisse d'hystérèse, de nombreuses solutions ont déjà été expérimentées. En particulier, on peut citer la modification de la structure des polymères et des copolymères diéniques en fin de polymérisation au moyen d'agents de fonctionnalisation dans le but d'obtenir une bonne interaction entre le polymère ainsi modifié et la charge, qu'il s'agisse du noir de carbone ou d'une charge inorganique renforçante. Il a notamment été proposé d'utiliser des polymères diéniques fonctionnalisés par des dérivés alcoxysilanes.
A titre d'illustration de cet art antérieur relatif à des charges inorganiques renforçantes, on peut par exemple citer le brevet américain US-A-5 066 721 , qui décrit une composition de caoutchouc comprenant un polymère diénique fonctionnalisé par un alcoxysilane ayant au moins un reste alcoxyle non hydrolysable en mélange avec de la silice. On peut également citer la demande de brevet EP A 0 299 074 qui décrit des polymères fonctionnalisés comportant des fonctions alcoxysilanes en bout de chaîne. Ces polymères fonctionnalisés ont été décrits dans l'art antérieur comme efficaces pour réduire l'hystérèse et améliorer la tenue à l'abrasion, cependant leurs propriétés restent insuffisantes pour permettre la mise en œuvre de ces polymères dans des compositions destinées à constituer des bandes de roulement de pneumatiques. Il a également été proposé de combiner la fonctionnalisation par des fonctions alcoxysilanes à la fonctionnalisation par d'autres fonctions, notamment la fonction amine. Ainsi, le brevet EP 0 992 537 décrit une composition de caoutchouc qui comprend un élastomère étendu modifié en bout de chaîne par une fonction alcoxysilane et portant à l'autre extrémité ou le long de sa chaîne une ou plusieurs fonctions amine. Par ailleurs, il a également été proposé d'améliorer les propriétés des compositions de caoutchouc en utilisant des élastomères fonctionnalisés en bout de chaîne par des fonctions alcoxysilanes portant un groupement amine, que ce soit en mélange noir, silice ou hybride. On peut citer, par exemple, la demande de brevet US 2005/0203251 qui décrit une composition de caoutchouc renforcée par de la silice contenant un élastomère fonctionnalisé en bout de chaîne par un alcoxysilane portant un groupement amine. Néanmoins, il s'avère que les compositions contenant des élastomères ainsi modifiés, qu'il s'agisse de mélange noir, silice ou hybride, ne présentent pas toujours une mise en œuvre acceptable et une hystérèse satisfaisante pour une utilisation en bande de roulement pour pneumatique.
Les Demanderesses ont décrit dans le document WO 2009133068 A1 un élastomère diénique fonctionnalisé essentiellement constitué par l'espèce couplée d'un élastomère possédant au sein de la chaîne un groupement porteur d'une fonction alcoxysilane et d'une fonction amine, l'atome de silicium de ce groupement liant les deux parties de la chaîne de l'élastomère diénique. Cet élastomère fonctionnalisé confère à la composition le contenant des propriétés mécaniques et dynamiques améliorées, notamment une hystérèse améliorée, tout en conservant une mise en œuvre à cru satisfaisante, en vue notamment d'une utilisation en bande de roulement pour pneumatique. II est une préoccupation constante des concepteurs de matériaux destinés à la fabrication de pneumatiques d'améliorer les compromis de propriétés mécaniques et dynamiques des compositions de caoutchouc en vue d'améliorer les performances du pneumatique les contenant, sans pour autant pénaliser les étapes de sa fabrication ou les propriétés de l'élastomère. Ainsi, par exemple, l'amélioration du compromis de propriétés ne doit pas se faire au détriment du fluage à froid de l'élastomère qui entraîne des inconvénients importants lors du transport et du stockage des caoutchoucs. Il a déjà été proposé par le passé d'ajouter des élastomères couplés ou étoilés à l'aide d'agents de couplage ou d'étoilage supplémentaires à l'étain ou au silicium pour modérer le fluage à froid. Ainsi par exemple, la demande de brevet WO 2009/077837 décrit des élastomères fonctionnalisés à chaque extrémité de chaîne associés à des élastomères étoilés, particulièrement par du silicium. Toutefois, les associations illustrées conduisent à une composition de caoutchouc renforcée dont le compromis de propriétés mise en œuvre / hystérèse n'est pas satisfaisant pour une application en pneumatique. Les Demanderesses ont décrit dans la demande de brevet WO 201 1/042507 un élastomère diénique fonctionnalisé composé d'un élastomère diénique fonctionnalisé en une extrémité de chaîne par une fonction silanol et, dans une certaine proportion, d'un élastomère diénique couplé ou étoilé à base d'étain. Cet élastomère confère à une composition de caoutchouc le contenant des propriétés hystérétiques et de mise en œuvre tout à fait satisfaisantes et acceptables pour une utilisation en pneumatique, tout en présentant une résistance au fluage à froid significativement améliorée.
Le problème technique que se propose de résoudre l'invention est d'améliorer encore le compromis de propriété hystérèse et mise en œuvre d'une composition de caoutchouc en vue d'une application en pneumatique, sans pénaliser sa fabrication ou les propriétés de l'élastomère contenu dans cette composition, notamment sa résistance au fluage à froid.
Les Inventeurs ont maintenant mis en évidence qu'un élastomère diénique majoritairement couplé de composition spécifique comprenant notamment certaines proportions d'espèce étoilée et obtenu par réaction avec un composé trialcoxysilane porteur ou non d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, confère aux compositions de caoutchouc le contenant une amélioration remarquable et inattendue du compromis mise en œuvre à cru / hystérèse, tout en préservant un fluage à froid satisfaisant de l'élastomère.
L'invention a donc pour objet un élastomère diénique modifié à base a) d'au moins 55% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce couplée par un groupement fonctionnel porteur d'une fonction de formule -SiOR, dans laquelle R est un atome d'hydrogène ou un radical alkyle ayant 1 à 10 atomes de carbone, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, le groupement étant lié aux deux branches de l'élastomère diénique par l'intermédiaire de l'atome de silicium, b) de 5% en poids à 30% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce étoilée possédant trois branches élastomériques reliées à un même atome de silicium appartenant à un groupement fonctionnel porteur ou non d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, c) d'un taux inférieur ou égal à 15% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce fonctionnalisée en extrémité de chaîne par un groupement fonctionnel porteur d'une fonction de formule -Si(OR)2, dans laquelle R est un atome d'hydrogène ou un radical alkyle ayant 1 à 10 atomes de carbone, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, le groupement étant lié à l'élastomère diénique par l'intermédiaire de l'atome de silicium, et d) d'un taux inférieur ou égal à 15% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié d'élastomère diénique non fonctionnel, lesdits élastomères diéniques a), b) c) et d) étant, avant modification, de mêmes macrostructure et microstructure.
L'invention a également pour objet un procédé de synthèse dudit élastomère diénique modifié. Un autre objet de l'invention est une composition de caoutchouc renforcée à base au moins d'une charge renforçante et d'une matrice élastomère comprenant au moins ledit élastomère diénique modifié.
Dans la présente description, sauf indication expresse différente, tous les pourcentages (%) indiqués sont des % en masse. D'autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs allant de plus de a à moins de b (c'est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "de a à b" signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b (c'est-à-dire incluant les bornes strictes a et b).
Il convient de préciser qu'il est connu de l'homme du métier que lorsqu'on modifie un élastomère par réaction d'un agent de fonctionnai isation sur l'élastomère vivant issu d'une étape de polymérisation anionique, on obtient un mélange d'espèces modifiées de cet élastomère dont la composition dépend notamment de la proportion de sites réactifs de l'agent de fonctionnalisation par rapport au nombre de chaînes vivantes. Ce mélange comprend des espèces fonctionnalisées en extrémité de chaîne, couplées, étoilées et/ou non fonctionnalisées.
Dans la présente description, on entend par élastomère diénique modifié un élastomère diénique qui comporte un groupement fonctionnel comprenant au moins un atome de silicium et éventuellement une fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, et qui est issu de la modification au moyen d'un agent de fonctionnalisation de type trialcoxysilane porteur ou non d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante. C'est généralement un élastomère obtenu par réaction d'un élastomère diénique vivant issu de l'étape de polymérisation anionique sur l'agent de fonctionnalisation en question.
Lorsque le groupement se situe en bout de chaîne, on dira alors que l'élastomère diénique est fonctionnalisé en bout ou extrémité de chaîne.
Lorsque le groupement se situe dans la chaîne élastomère principale linéaire, on dira alors que l'élastomère diénique est couplé ou encore fonctionnalisé en milieu de chaîne, par opposition à la position "en bout de chaîne" et bien que le groupement ne se situe pas précisément au milieu de la chaîne élastomère. L'atome de silicium de ce groupement lie les deux branches de la chaîne de l'élastomère diénique.
Lorsque le groupement est central auquel trois chaînes ou branches élastomères sont liées formant une structure en étoile de l'élastomère, on dira alors que l'élastomère diénique est étoilé. L'atome de silicium de ce groupement lie les trois branches de l'élastomère diénique modifié entre elles. Ainsi, l'invention a pour objet un élastomère diénique modifié composé des espèces a), b), c) et d) dans les proportions indiquées précédemment.
Concernant l'espèce étoilée b), l'élastomère diénique modifié comprend de préférence au moins 10% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié de ladite espèce étoilée b). Préférentiellement également, l'élastomère diénique modifié comprend au plus 25%, de préférence encore au plus 20% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié de ladite espèce étoilée b).
Concernant l'espèce non fonctionnelle d), l'élastomère diénique modifié comprend de préférence un taux strictement supérieur à 0% en poids et inférieur à 10% en poids, par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié de ladite espèce non fonctionnelle d).
Concernant l'espèce couplée a), l'élastomère diénique modifié comprend de préférence un taux supérieur ou égal à 65%, voire supérieur ou égal à 70%, en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié de ladite espèce couplée a).
Concernant l'espèce fonctionnalisée en extrémité de chaîne c), l'élastomère diénique modifié comprend de préférence un taux inférieur ou égal à 10% en poids, par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié de ladite espèce fonctionnalisée en extrémité de chaîne c). Les aspects préférentiels concernant les espèces a), b), c) et d) sont combinables entre eux.
Par élastomère diénique, on entend selon l'invention tout homopolymère obtenu par polymérisation d'un monomère diène conjugué ayant de 4 à 12 atomes de carbone, ou tout copolymère à bloc, statistique, séquencé ou microséquencé, obtenu par copolymérisation d'un ou plusieurs diènes conjugués entre eux ou avec un ou plusieurs composés vinylaromatiques ayant de 8 à 20 atomes de carbone. Dans le cas de copolymères, ceux-ci contiennent de 20% à 99% en poids d'unités diéniques, et de 1 % à 80% en poids d'unités vinylaromatiques.
A titre de diènes conjugués conviennent notamment le butadiène-1 ,3, le 2-méthyl- 1 ,3-butadiène, les 2,3-di(alkyle en Ci-C5)-1 ,3-butadiènes tels que par exemple le 2,3- diméthyl-1 ,3-butadiène, le 2, 3-diéthyl-1 ,3-butadiène, le 2-méthyl-3-éthyl-1 ,3- butadiène, le 2-méthyl-3-isopropyl-1 ,3-butadiène, un aryl-1 ,3-butadiène, le 1 ,3- pentadiène, le 2,4-hexadiène, etc. A titre de composés vinylaromatique conviennent par exemple le styrène, l'ortho-, méta-, para-méthylstyrène, le mélange commercial "vinyle-toluène", le para-tertiobutylstyrène, les méthoxystyrènes, les chlorostyrènes, le vinylmésitylène, le divinylbenzène, le vinylnaphtalène, etc. A titre préférentiel, l'élastomère diénique est choisi parmi les polybutadiènes, les copolymères butadiène-styrène, les copolymères butadiène-styrène-isoprène, les copolymères styrène-isoprène, les copolymères butadiène-isoprène et le polyisoprène de synthèse. Avantageusement, l'élastomère diénique est un copolymère butadiène-styrène.
Selon des variantes de l'invention, l'élastomère diénique modifié ne comporte pas d'autre fonction que celle comprenant l'atome de silicium directement lié à la chaîne élastomérique.
Selon d'autres variantes de l'invention, l'élastomère diénique modifié comporte également une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, cette fonction étant portée par le groupement contenant l'atome de silicium. Ces variantes s'entendent comme n'excluant pas le fait que la fonction comprenant l'atome de silicium directement lié à la chaîne élastomérique interagit de manière privilégiée avec la charge renforçante. On entend par "groupement" ou "fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante", tout groupement ou fonction capable de former, au sein d'une composition de caoutchouc renforcée au moyen d'une charge, une liaison physique ou chimique avec ladite charge. Cette interaction peut s'établir par exemple par le biais de liaisons covalentes, hydrogène, ioniques et/ou électrostatiques entre ladite fonction et des fonctions présentes sur des charges.
Par fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, on entend de préférence des fonctions comprenant au moins un hétéroatome choisi parmi N, S, O, P. On peut, à titre d'exemple, citer parmi ces fonctions les aminés primaires, secondaires ou tertiaires, cycliques ou non, les isocyanates, les imines, les cyano, les thiols, les carboxylates, les époxydes, les phosphines primaires, secondaires ou tertiaires.
Ainsi, à titre de fonction amine secondaire ou tertiaire, on peut citer les aminés substituées par des radicaux alkyle en C1-C10, de préférence alkyle en Ci-C4, plus préférentiellement un radical méthyle ou éthyle, ou alors les aminés cycliques formant un hétérocycle contenant un atome d'azote et au moins un atome de carbone, de préférence de 2 à 6 atomes de carbone. Par exemple, conviennent les groupements métylamino-, diméthylamino-, éthylamino-, diéthylamino-, propylamino-, dipropylamino-, butylamino-, dibutylamino-, pentylamino-, dipentylamino-, hexylamino-, dihexylamino-, hexaméthylèneamino-, de préférence les groupements diéthylamino- et diméthylamino-. A titre de fonction imine, on peut citer les cétimines. Par exemple, conviennent les groupements (1 ,3-diméthylbutylidène)amino-, (éthylidène)amino-, (1 - méthylpropylidène)amino-, (4-N,N-diméthylaminobenzylidène)amino-, (cyclohexylidène)amino-, dihydroimidazole et imidazole.
Ainsi, à titre de fonction carboxylate, on peut citer les acrylates ou les méthacrylates. Une telle fonction est de préférence un méthacrylate.
A titre de fonction époxyde, on peut citer les groupements époxy ou glycidyloxy.
A titre de fonction phosphine secondaire ou tertiaire, on peut citer les phosphines substituées par des radicaux alkyle en C1-C10, de préférence alkyle en Ci-C4, plus préférentiellement un radical méthyle ou éthyle, ou alors la diphénylphosphine. Par exemple, conviennent les groupements métylphosphino-, diméthylphosphino-, éthylphosphino-, diéthylphosphino, éthylméthylphosphino- et diphénylphosphino-.
Selon des variantes de l'invention, l'autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est directement liée à l'atome de silicium lui-même directement lié à l'élastomère diénique. Selon d'autres variantes de l'invention, l'autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante et l'atome de silicium directement lié à l'élastomère diénique sont liés par l'intermédiaire d'un groupement espaceur qui peut être un atome ou un groupe d'atomes. Le groupement espaceur peut être un radical hydrocarboné divalent, linéaire ou ramifié, aliphatique en C1-C18, saturé ou non, cyclique ou non, ou un radical hydrocarboné divalent aromatique en C6-C18 et peut contenir un ou plusieurs radicaux aromatiques et/ou un ou plusieurs hétéroatomes. Le radical hydrocarboné peut éventuellement être substitué.
Selon des variantes préférées de l'invention, le groupement espaceur est un radical hydrocarboné divalent, linéaire ou ramifiée, aliphatique en C1-C10, plus préférentiellement un radical hydrocarboné divalent linéaire aliphatique en d- Ce, plus préférentiellement encore le radical hydrocarboné divalent linéaire en C3.
Les différents aspects, préférentiels ou non, qui précèdent et qui concernent notamment la nature de l'autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, la nature du groupement espaceur, la nature de l'élastomère diénique, la nature de la fonction comprenant l'atome de silicium et les proportions des différentes espèces, sont combinables entre eux.
Selon des variantes avantageuses de l'invention, au moins une des quatre caractéristiques suivantes est respectée et de préférence les quatre : - l'autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une aminé tertiaire, plus particulièrement un groupement diéthylamino- ou diméthylamino-.
- le groupement espaceur est un radical hydrocarboné linéaire en C1 -C6, plus préférentiellement encore le radical hydrocarboné linéaire en C3.
- dans les formules -SiOR et -Si(OR)2, R est atome d'hydrogène ou un radical alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone, de préférence méthyle ou éthyle.
- l'élastomère diénique est un copolymère butadiène-styrène.
L'élastomère diénique modifié selon l'invention peut être préparé selon un procédé incluant la modification de l'élastomère par réaction d'un élastomère diénique vivant sur un agent de type trialcoxysilane porteur ou non d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, connu par l'homme de l'art pour réagir avec un bout de chaîne élastomérique vivante. Selon l'invention, le procédé peut être continu ou discontinu. Un tel procédé de synthèse, comprend les étapes suivantes:
- polymérisation anionique d'au moins un monomère diène conjugué en présence d'un initiateur de polymérisation,
- modification de l'élastomère diénique vivant porteur d'un site actif obtenu à l'étape précédente par un agent de fonctionnalisation, non polymérisable, de type trialcoxysilane, les fonctions alcoxy étant hydrolysables ou non en fonction silanol, éventuellement porteur d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, ledit agent de fonctionnai isation se liant en extrémité de chaîne à au moins une chaîne vivante de l'élastomère par son atome de silicium. En tant qu'initiateur de polymérisation, on peut utiliser tout initiateur anionique monofonctionnel connu. Toutefois un initiateur contenant un métal alcalin tel que le lithium est utilisé à titre préférentiel. Comme initiateurs organolithiens conviennent notamment ceux comportant une liaison carbone-lithium et une liaison azote-lithium. Des composés représentatifs sont les organolithiens aliphatiques tels que l'éthyllithium, le n-butyllithium (n-BuLi), l'isobutyllithium, les amidures de lithium obtenus à partir d'une amine secondaire cyclique, telle que la pyrrolidine et l'hexaméthylèneimine.
La polymérisation est de préférence effectuée en présence d'un solvant hydrocarboné inerte qui peut être par exemple un hydrocarbure aliphatique ou alicyclique comme le pentane, l'hexane, l'heptane, l'iso-octane, le cyclohexane, le méthylcyclohexane ou un hydrocarbure aromatique comme le benzène, le toluène, le xylène.
La polymérisation peut être effectuée en continu ou en discontinu, en dispersion ou en solution. On effectue généralement la polymérisation à une température comprise entre 20 °C et 150 °C et de préférence voisine de 30 °C à 1 10 °C.
L'élastomère diénique peut avoir toute microstructure qui est fonction des conditions de polymérisation utilisées. L'élastomère peut être à blocs, statistiques, séquencés, microséquencés, etc.... La microstructure de cet élastomère peut être déterminée par la présence ou non d'un agent modifiant et/ou randomisant et les quantités d'agent modifiant et/ou randomisant employées.
L'élastomère diénique vivant issu de la polymérisation est ensuite modifié pour préparer l'élastomère diénique modifié selon l'invention par réaction sur l'agent de fonctionnalisation.
Le temps de réaction entre l'élastomère diénique vivant issu de la polymérisation et l'agent de fonctionnalisation peut être compris entre 10 secondes et 2 heures. L'homme du métier saura déterminer les conditions opératoires de la réaction de modification pour aboutir à la composition de l'élastomère diénique modifié souhaitée.
Selon une variante de préparation, l'élastomère diénique modifié selon l'invention est obtenu par mélangeage d'au moins deux élastomères diéniques de même nature, modifiés par le même agent de fonctionnalisation, et présentant une composition différente, afin d'obtenir les taux visés en espèces couplée, étoilée, fonctionnalisée en bout de chaîne et non fonctionnelle.
Le taux en espèce non fonctionnelle dans le mélange peut être réglé en ajoutant un élastomère diénique non fonctionnel dont la polymérisation est stoppée, par exemple par adjonction de méthanol, et qui ne subit pas d'étape de modification directement au mélange ou à chaque élastomère diénique avant mélangeage.
Les élastomères diéniques modifiés de composition différente du mélange sont respectivement obtenus en mettant en œuvre l'étape de modification en faisant varier le rapport molaire de l'agent de fonctionnalisation à l'initiateur de polymérisation. Ainsi, avec un rapport allant de 0,40 à 0,75, préférentiellement de 0,45 à 0,65 et encore plus préférentiellement de 0,45 à 0,55, on privilégie la formation d'espèces couplées. De la même manière, avec un rapport allant de 0,15 à 0,40, préférentiellement de 0,20 à 0,35, encore plus préférentiellement de 0,30 à 0,35, on forme majoritairement des espèces étoilées (3 branches). Avec un rapport supérieur ou égal à 0,75, préférentiellement supérieur à 1 , on forme majoritairement des espèces fonctionnalisées en bout de chaîne.
Ainsi, à titre d'exemple, on prépare au moins deux élastomères diéniques modifiés de composition différente, l'élastomère étant avant modification de même nature (microstructure et macrostructure identiques) avec un même agent de fonctionnalisation dont on fait varier les proportions selon l'espèce majoritaire ciblée. Pour chaque élastomère diénique modifié, on règle à environ 8% le taux d'élastomère non-fonctionnel.
A l'issue de leur synthèse en discontinu, la composition des élastomères diéniques modifiés est déterminée par exemple par la technique de SEC haute résolution. La proportion de chaque élastomère dans le mélange peut ensuite être aisément évaluée par l'homme du métier afin d'atteindre le taux visé de chacune des espèces dans l'élastomère diénique modifié selon l'invention.
Le mélangeage de ces élastomères peut s'effectuer dans un solvant inerte par exemple un hydrocarbure aliphatique ou alicyclique comme le pentane, l'hexane, l'heptane, l'iso-octane, le cyclohexane ou un hydrocarbure aromatique comme le benzène, le toluène, le xylène, qui peut être le même que le solvant polymérisation. On effectuera alors le mélangeage à une température comprise entre 20°C et 120°C et de préférence voisine de 30°C à 90°C.
Ces élastomères de compositions différentes peuvent être synthétisés de préférence en discontinu dans un réacteur agité, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, de manière connue en soi.
Les inventeurs ont également mis au point un procédé innovant permettant de préparer l'élastomère modifié selon l'invention en continu alors que jusqu'à présent la maîtrise des répartitions d'espèces n'était envisageable qu'en discontinu. Les étapes de polymérisation et de modification par l'agent de fonctionnalisation se déroulent sur une même ligne de production en continu.
L'homme du métier saura mettre en œuvre la polymérisation anionique en continu d'au moins un monomère diène conjugué connue en soi.
Concernant l'étape de modification de l'élastomère vivant porteur d'un site actif obtenu après polymérisation par un agent de fonctionnalisation, celle-ci est caractérisée par une distribution de temps de séjour particulière et un modèle cinétique spécifique.
Ainsi, l'étape de modification de l'élastomère diénique se déroule en continu dans un dispositif de fonctionnalisation, par mise en contact de l'élastomère diénique vivant porteur d'un site actif obtenu après polymérisation avec un agent de fonctionnalisation non polymérisable comprenant (a) le cas échéant, une fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante et (b) un groupement trialcoxysilane, le radical alcoxy, hydrolysable ou non, ayant 1 à 10 atomes de carbone,
la modification comprenant trois réactions en série Réaction Mécanisme
RI
PLi + A—→PA
R2
PLi + PA kl > P2A
R3 PLi + P2A > P3A
OU
- A représente l'agent de fonctionnalisation,
- PLi représente une chaîne élastomère vivante,
- PA représente l'élastomère fonctionnalisé en bout de chaîne,
- P2A représente l'élastomère couplé,
- P3A représente l'élastomère étoilé à trois branches, et
- k, représente la constante cinétique de la réaction R,,
s'effectuant selon la loi de vitesse suivante :
Figure imgf000015_0001
OU
- ki, k2 et k3 sont les constantes cinétiques respectivement des réactions R1 , R2 et R3 (exprimées en (m3/mol).s"1),
- [PLi] est la concentration de chaînes vivantes (exprimée en mol/m3),
- [A] est la concentration en agent de modification A (exprimée en mol/m3),
- [PA] est la concentration en élastomère fonctionnalisé en bout de chaîne (exprimée en mol/m3),
- [P2A] est la concentration en élastomère couplé (exprimée en mol/m3),
- [P3A] est la concentration en élastomère étoilé à trois branches (exprimée en mol/m3),
le rapport K des constantes cinétiques défini comme: K =— =— étant supérieur à k2 k3
1 , et
la distribution de temps de séjour dans le dispositif de fonctionnalisation s'exprimant selon l'une des équations 1 et 3 suivantes : (i) dans un dispositif de fonctionnalisation à au moins un réacteur continu tubulaire ou à au moins une cascade d'au moins deux réacteurs agités,
Figure imgf000016_0001
dans laquelle :
P est le paramètre adimensionnel de résistance à la dispersion,
Θ1 est le temps de séjour défini comme le ratio volume de réacteur/débit volumique total, égal de préférence à au moins 0,1 minute et au plus à 10 minutes, plus préférentiellement au plus à 5 minutes,
t est la variable temps de la distribution de temps de séjour.
(ii) dans un dispositif de fonctionnalisation qui est une combinaison du dispositif (i) et d'un dispositif à au moins un réacteur continu agité, présentant une distribution de temps de séjour caractérisée par l'équation suivante : e Eq 2
E2 (t) =
0. dans laquelle :
Θ2 est le temps de séjour défini comme le ratio volume de réacteur/débit volumique total, compris de préférence entre 0 et 60 minutes, plus préférentiellement entre 5 et 50 minutes,
t est la variable temps de la distribution de temps de séjour,
le dispositif (ii) présentant une distribution de temps de séjour caractérisée par l'équation 3 suivante, qui est le résultat de la convolution des équations 1 et 2 :
Figure imgf000016_0002
dans laquelle : θι et θ2 sont les temps de séjours tels que définis plus haut,
P est le paramètre adimensionnel de résistance à la dispersion • t est la variable temps de la distribution de temps de séjour,
• T est la variable d'intégration.
Dans ces équations, P est le paramètre adimensionnel de résistance à la dispersion comme défini dans la bibliographie « Villermeaux, J; Génie de la réaction chimique; 1993 ». Il est de préférence supérieur à 6,9, plus préférentiellement supérieur ou égal à 9,6, voire supérieur ou égal à 12. P n'est pas limité par une valeur maximale dans le cadre l'invention. Il peut tendre vers l'infini. S'il tend vers l'infini, le dispositif dans lequel se déroule la fonctionnai isation se comporte alors comme un réacteur idéal avec un écoulement de type piston. Un des éléments essentiels de l'invention réside dans le choix de cet agent de fonctionnalisation pour correspondre au modèle cinétique de la fonctionnai isation défini plus haut avec un rapport des constantes cinétiques, noté K, supérieur à 1 .
Ce rapport K est supérieur à 1 , de préférence supérieur ou égal à 10, voire supérieur ou égal à 100. En dessous de cette valeur de 1 , la répartition des différentes espèces conduit à un élastomère modifié dont l'utilisation en composition de caoutchouc renforcée se traduit par des propriétés de mise en œuvre et d'hystérèse qui ne sont pas toujours optimisées pour une utilisation satisfaisante en bande de roulement pour pneumatique. Il n'y a pas de limite supérieure à K. L'homme du métier comprendra que plus K est grand, plus la réaction est gérée par le ratio molaire de l'agent de fonctionnalisation à initiateur de polymérisation. Lorsque cette valeur tend vers l'infini, le procédé est quantitatif et stœchiométrique.
L'agent de fonctionnalisation conforme à l'invention peut être porteur d'une fonction alcoxysilane hydrolysable en fonction silanol ou encore d'une fonction alcoxysilane non hydrolysable, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, les deux fonctions étant directement liées entre elles ou par l'intermédiaire d'un groupement espaceur. L'autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante et le groupement espaceur sont tels que définis plus haut.
L'agent de fonctionnalisation peut être représenté par la formule 1 suivante: OR'
Figure imgf000018_0001
R
X
Formule 1
dans laquelle,
- R est un radical hydrocarboné divalent aliphatique, saturé ou non, cyclique ou non, en C1-C18, aromatique en C6-C18, de préférence un radical hydrocarboné divalent, linéaire ou ramifié, aliphatique en C1-C10, plus préférentiellement un radical hydrocarboné divalent linéaire aliphatique en C1-C6, plus préférentiellement encore le radical hydrocarboné linéaire en C3.
- X est un atome d'hydrogène ou une fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante,
- les radicaux R', substitués ou non substitués, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle en C1-C10, voire en Ci-Cs, de préférence un groupe alkyle en Ci-C4, plus préférentiellement méthyle et éthyle.
La fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est telle que définie plus haut.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une aminé primaire, protégée ou non, secondaire, protégée ou non, ou tertiaire. L'atome d'azote peut alors être substitué par deux groupements, identiques ou différents, pouvant être un radical trialkyl silyl, le groupement alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone, ou un radical alkyle en C1-C10, de préférence alkyle en C1-C4, plus préférentiellement un radical méthyle ou éthyle, ou alors les deux substituants de l'azote forment avec celui-ci un hétérocycle contenant un atome d'azote et au moins un atome de carbone, de préférence de 2 à 6 atomes de carbone,
On peut citer par exemple à titre d'agent de fonctionnalisation les (N,N- dialkylaminopropyl)trialcoxysilanes, les (N-alkylaminopropyl)trialcoxysilanes dont la fonction amine secondaire est protégée par un groupement trialkyl silyl et les aminopropyltnalcoxysilanes dont la fonction amine primaire est protégée par deux groupements trialkyl silyl. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triéthoxysilane , le 3-(N,N-diéthylaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-(N,N-diéthylaminopropyl)triéthoxysilane, le 3-(N,N- dipropylaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-(N,N-dipropylaminopropyl)triéthoxysilane, le 3-(N,N-dibutylaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-(N,N- dibutylaminopropyl)triéthoxysilane, le 3-(N,N-dipentylaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-(N,N-dipentylaminopropyl)triéthoxysilane, le 3-(N,N- dihexylaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-(N,N-dihexylaminopropyl)triéthoxysilane, le 3-(hexamethylèneaminopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(hexamethylèneaminopropyl)triéthoxysilane, le 3-(morpholinopropyl)triméthoxysilane, le 3-(morpholinopropyl)triéthoxysilane, le 3-(piperidinopropyl)triméthoxysilane, le 3- (piperidinopropyl)triéthoxysilane. Plus préférentiellement, l'agent de couplage est le 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane.
Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(N,N- méthyltriméthylsilylaminopropyl)triméthoxysilane,
méthyltriméthylsilylaminopropyl)triéthoxysilane,
éthyltriméthylsilylaminopropyl)triméthoxysilane,
éthyltriméthylsilylaminopropyl)triéthoxysilane,
propyltriméthylsilylaminopropyl)triméthoxysilane,
propyltriméthylsilylaminopropyl)triéthoxysilane. Plus préférentiellement, l'agent de couplage est le 3-(N,N-méthyltriméthylsilylaminopropyl)triméthoxysilane.
Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(N,N- bistriméthylsilylaminopropyl)triméthoxysilane et le 3-(N,N- bistriméthylsilylaminopropyl)triéthoxysilane. . Plus préférentiellement, l'agent de couplage est le 3-(N,N-bisthméthylsilylaminopropyl)thméthoxysilane.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction isocyanate. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(isocyanatopropyl)triméthoxysilane et le 3-(isocyanatopropyl)triéthoxysilane.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction imine. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le N-(1 ,3-diméthylbutylidène)-3-(triméthoxysilyl)-1 - propanamine, le N-(1 ,3-diméthylbutylidène)-3-(triéthoxysilyl)-1 -propanamine, le N- (1 ,3-méthyléthylidène)-3-(triméthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(1 ,3- méthyléthylidène)-3-(triéthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-ethylidène-3-
(triméthoxysilyl)-l -propanamine, le N-ethylidène-3-(triéthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(1 -méthylpropylidène)-3-(triméthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(1 - méthylpropylidène)-3-(triéthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(4-N,N- diméthylaminobenzylidène)-3-(triméthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(4-N,N- diméthylaminobenzylidène)-3-(triéthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(cyclohexylidène)- 3-(triméthoxysilyl)-1 -propanamine, le N-(cyclohexylidène)-3-(triéthoxysilyl)-1 - propanamine, le N-(3-triméthoxysilylpropyl)-4,5-dihydroimidazole, le N-(3- triéthoxysilylpropyl)-4,5-dihydroimidazole, le N-(3-triméthoxysilylpropyl)-4,5- imidazole, N-(3-triéthoxysilylpropyl)-4,5-imidazole.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction cyano. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(cyanopropyl)triméthoxysilane et le 3- (cyanopropyl)triéthoxysilane.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction thiol, protégée ou non. On peut citer à titre d'exemple les (S-trialkylsilylmercaptopropyl)trialcoxysilanes. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le (S- triméthylsilylmercaptopropyl)triméthoxysilane, le (S- triméthylsilylmercaptopropyl)triéthoxysilane, le (S-tert- butyldiméthylsilylmercaptopropyl)triméthoxysilane, le (S-tert- butyldiméthylsilylmercaptopropyl)triéthoxysilane.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction carboxylate. A titre de fonction carboxylate, on peut citer les acrylates ou les méthacrylates. Une telle fonction est de préférence un méthacrylate. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(méthacryloyloxypropyl)triméthoxysilane, et le 3-
(méthacryloyloxypropyl)triéthoxysilane.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction époxyde. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 2-(glycidyloxyéthyl)triméthoxysilane, le 2- (glycidyloxyéthyl)triéthoxysilane le 3-(glycidyloxypropyl)triméthoxysilane, le 3- (glycidyloxypropyl)triéthoxysilane, le 2-(3,4-époxycyclohexyl)-éthyltriméthoxysilane, le 2-(3,4-époxycyclohexyl)-éthyltriéthoxysilane.
Selon des variantes de l'invention, la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction phosphine primaire, protégée ou non, secondaire, protégée ou non, ou tertiaire. Préférentiellement, l'agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi le 3-(P,P-bistriméthylsilylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(P,P-bistriméthylsilylphosphinopropyl)triéthoxysilane, le 3-
(méthyltriméthylsilylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(méthyltriméthylsilylphosphinopropyl)triéthoxysilane, le 3-
(éthyltriméthylsilylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(éthyltriméthylsilylphosphinopropyl)triéthoxysilane, le 3-
(diméthylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(diméthylphosphinopropyl)triéthoxysilane, le 3-
(diéthylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(diéthylphosphinopropyl)triéthoxysilane, le 3-
(éthylméthylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3-
(éthylméthylphosphinopropyl)triéthoxysilane, le 3-
(diphénylphosphinopropyl)triméthoxysilane, le 3- (diphénylphosphinopropyl)triéthoxysilane. Selon les variantes de l'invention selon lesquelles l'agent de fonctionnalisation est porteur d'une fonction aminé primaire ou secondaire protégée, le procédé de synthèse peut se poursuivre par une étape de déprotection de l'aminé primaire ou secondaire. Cette étape est mise en œuvre après la réaction de modification. On peut à titre d'exemple faire réagir les chaînes fonctionnalisées par le groupement aminé protégé avec un acide, une base, un dérivé fluoré tel le fluorure de tétrabutylammonium, un sel d'argent tel que le nitrate d'argent, etc...pour déprotéger cette fonction aminé. Ces différentes méthodes sont décrites dans l'ouvrage « Protective Groups in Organic Synthesis, T. W. Green, P. G. M. Wuts, Third Edition, 1999 ». Cette étape de déprotection peut avoir pour effet d'hydrolyser tout ou partie des fonctions alcoxysilanes hydrolysables de l'élastomère diénique modifié pour les transformer en fonctions silanol.
Selon les variantes de l'invention selon lesquelles l'agent de fonctionnalisation est porteur d'une fonction thiol protégée, le procédé de synthèse peut se poursuivre par une étape de déprotection du thiol. Cette étape est mise en œuvre après la réaction de modification. On peut à titre d'exemple faire réagir les chaînes fonctionnalisées par le groupement thiol protégé avec de l'eau, un alcool, ou un acide (acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide carboxylique). Cette étape de déprotection peut avoir pour effet d'hydrolyser tout ou partie des fonctions alcoxysilanes hydrolysables de l'élastomère diénique modifié pour les transformer en fonctions silanol.
Selon les variantes de l'invention selon lesquelles l'agent de fonctionnalisation est porteur d'une fonction phosphine primaire ou secondaire protégée, le procédé de synthèse peut se poursuivre par une étape de déprotection de la phosphine. Cette étape est mise en œuvre après la réaction de modification. On peut à titre d'exemple faire réagir les chaînes fonctionnalisées par le groupement phosphine protégé avec de l'eau, un alcool, ou un acide (acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide carboxylique). Cette étape de déprotection peut avoir pour effet d'hydrolyser tout ou partie des fonctions alcoxysilanes hydrolysables de l'élastomère diénique modifié pour les transformer en fonctions silanol.
Selon des variantes de l'invention, le procédé de synthèse peut comprendre une étape d'hydrolyse des fonctions alcoxysilanes hydrolysables, par adjonction d'un composé acide, basique ou neutre tel que décrit dans le document EP 2 266 819 A1 Les fonctions hydrolysables sont alors transformées en fonction silanol.
Le procédé de synthèse de l'élastomère diénique modifié selon l'invention peut se poursuivre de manière connue en soi par les étapes de récupération de l'élastomère modifié.
Selon des variantes de ce procédé, ces étapes comprennent une étape de stripping en vue de récupérer l'élastomère issu des étapes antérieures sous forme sèche. Cette étape de stripping peut avoir pour effet d'hydrolyser tout ou partie des fonctions alcoxysilanes hydrolysables de l'élastomère diénique modifié pour les transformer en fonctions silanol. Avantageusement, au moins 50 à 70% molaire des fonctions peuvent ainsi être hydrolysées.
L'invention a encore pour objet une composition de caoutchouc renforcée à base d'au moins une charge renforçante et d'une matrice élastomère comprenant au moins un élastomère diénique modifié selon l'invention. La matrice élastomère peut comprendre jusqu'à 100 pce d'élastomère diénique modifié selon l'invention. Dans le cadre de la composition de caoutchouc renforcée, par "élastomère diénique modifié selon l'invention", on entend par là également tout mélange d'au moins deux élastomères modifiés selon l'invention.
Selon des variantes de l'invention, la matrice élastomère peut également comprendre au moins un élastomère diénique différent dudit élastomère diénique modifié selon l'invention. Ce ou ces élastomères diéniques différents de l'élastomère diénique modifié selon l'invention peuvent être choisis parmi les élastomères diéniques conventionnellement utilisés dans les pneus, tels que le caoutchouc naturel ou un élastomère synthétique, ou encore un autre élastomère fonctionnalisé, couplé ou étoilé. Ce ou ces élastomères diéniques différents dudit élastomère diénique modifié selon l'invention peuvent alors être présents de 1 à 70 parties en poids pour 100 parties d'élastomère diénique modifié selon l'invention.
Selon d'autres variantes, la matrice est uniquement constituée de cet élastomère diénique modifié selon la présente invention. A titre de charge renforçante, on peut utiliser tout type connu pour ses capacités à renforcer une composition de caoutchouc utilisable pour la fabrication de pneumatiques, par exemple du noir de carbone, une charge inorganique renforçante telle que de la silice à laquelle est associé de manière connue un agent de couplage, ou encore un mélange de ces deux types de charge.
Selon une variante particulièrement intéressante de l'invention, la charge renforçante est majoritairement autre que du noir de carbone, plus préférentiellement elle comprend plus de 50% en poids du poids total de la charge, d'une ou de plusieurs charges autres que du noir de carbone, notamment une charge inorganique renforçante telle que la silice, voire elle est exclusivement constituée d'une telle charge.
Selon cette autre variante, lorsque du noir de carbone est également présent, il peut être utilisé à un taux inférieur à 20 pce, plus préférentiellement inférieur à 10 pce (par exemple entre 0,5 et 20 pce, notamment de 1 à 10 pce). De manière préférentielle, le taux de charge renforçante total (noir de carbone et/ou autre charge renforçante telle que la silice) est compris entre 10 et 200 pce, plus préférentiellement entre 30 et 150 pce, l'optimum étant de manière connue différent selon les applications particulières visées.
Comme noirs de carbone conviennent tous les noirs de carbone, utilisés individuellement ou sous forme de mélanges, notamment les noirs conventionnellement mis en œuvre dans les pneumatiques ou leurs bandes de roulement (noirs dits de grade pneumatique). Ces noirs de carbone peuvent être utilisés à l'état isolé, tels que disponibles commercialement, ou sous toute autre forme, par exemple comme support de certains des additifs de caoutchouterie utilisés.
Comme charge inorganique renforçante, doit être entendu ici toute autre charge inorganique ou minérale, quelles que soient sa couleur et son origine (naturelle ou de synthèse), capable de renforcer à elle seule, sans autre moyen qu'un agent de couplage intermédiaire, une composition de caoutchouc destinée à la fabrication de pneumatiques; une telle charge se caractérise généralement, de manière connue, par la présence de groupes hydroxyles (OH) à sa surface. Comme charges inorganiques renforçantes conviennent notamment des charges minérales du type siliceux, préférentiellement la silice (S1O2). La silice utilisée peut être toute silice renforçante connue de l'homme du métier, notamment toute silice précipitée ou pyrogénée présentant une surface BET ainsi qu'une surface spécifique CTAB toutes deux inférieures à 450 m2/g, de préférence de 30 à 400 m2/g, notamment entre 60 et 300 m2/g. On citera également les charges minérales du type alumineux, en particulier de l'alumine (AI2O3) ou des (oxyde)hydroxydes d'aluminium, ou encore des oxydes de titane renforçants, par exemple décrits dans US 6 610 261 et US 6 747 087. Comme charges renforçantes conviennent également des charges renforçantes d'une autre nature, notamment du noir de carbone, dès lors que ces charges renforçantes seraient recouvertes d'une couche siliceuse, ou bien comporteraient à leur surface des sites fonctionnels, notamment hydroxyles, nécessitant l'utilisation d'un agent de couplage pour établir la liaison entre la charge et l'élastomère. A titre d'exemple, on peut citer par exemple des noirs de carbone pour pneumatiques tels que décrits par exemple dans les documents brevet WO 96/37547, WO 99/28380.
L'état physique sous lequel se présente la charge renforçante est indifférent, que ce soit sous forme de poudre, de microperles, de granulés, ou encore de billes. Bien entendu on entend également par charge inorganique renforçante des mélanges de différentes charges renforçantes, en particulier de silices hautement dispersibles telles que décrites ci-dessus.
Lorsque la silice est présente dans la composition à titre de charge renforçante, on peut utiliser comme agents de couplage des organosilanes, notamment des alcoxysilanes polysulfurés ou des mercaptosilanes, ou encore des polyorganosiloxanes au moins bifonctionnels. Des agents de liaison silice/élastomère, notamment, ont été décrits dans un grand nombre de documents, les plus connus étant des alcoxysilanes bifonctionnels tels que des alcoxysilanes polysulfurés.
Dans les compositions conformes à l'invention, le taux d'agent de couplage est avantageusement inférieur à 20 pce, étant entendu qu'il est en général souhaitable d'en utiliser le moins possible. Son taux est préférentiellement compris entre 0,5 et 12 pce. La présence de l'agent de couplage dépend de celle de la charge inorganique renforçante. Son taux est aisément ajusté par l'homme du métier selon le taux de cette charge; il est typiquement de l'ordre de 0,5% à 15% en poids par rapport à la quantité de charge inorganique renforçante.
Les compositions de caoutchouc conformes à l'invention peuvent également contenir, en complément des agents de couplage, des activateurs de couplage, des agents de recouvrement des charges ou plus généralement des agents d'aide à la mise en œuvre susceptibles de manière connue, grâce à une amélioration de la dispersion de la charge dans la matrice de caoutchouc et à un abaissement de la viscosité des compositions, d'améliorer leur faculté de mise en œuvre à l'état cru, ces agents étant par exemple des silanes hydrolysables tels que des alkylalcoxysilanes, des polyols, des polyéthers, des aminés primaires, secondaires ou tertiaires, des polyorganosiloxanes hydroxylés ou hydrolysables.
Les compositions de caoutchouc conformes à l'invention peuvent également contenir des charges organiques renforçantes qui peuvent remplacer tout ou partie des noirs de carbone ou des autres charges renforçantes décrites plus haut. Comme exemples de charges organiques renforçantes, on peut citer les charges organiques de polyvinyle fonctionnalisées telles que décrites dans les demandes WO-A- 2006/069792, WO-A-2006/069793, WO-A-2008/003434 et WO-A-2008/003435.
Les compositions de caoutchouc conformes à l'invention peuvent comporter également tout ou partie des additifs usuels habituellement utilisés dans les compositions d'élastomères destinées à la fabrication de pneumatiques, comme par exemple des pigments, des agents de protection tels que cires anti-ozone, anti- ozonants chimiques, anti-oxydants, des agents anti-fatigue, des résines renforçantes ou plastifiantes, des accepteurs (par exemple résine phénolique novolaque) ou des donneurs de méthylène (par exemple HMT ou H3M) tels que décrits par exemple dans la demande WO 02/10269, un système de réticulation à base soit de soufre, soit de donneurs de soufre et/ou de peroxydes et/ou de bismaléimides, des accélérateurs de vulcanisation, des activateurs de vulcanisation, des promoteurs d'adhésion tels que des composés à base de cobalt, des agents plastifiants, préférentiellement non aromatiques ou très faiblement aromatiques choisis dans le groupe constitué par les huiles naphténiques, paraffiniques, huiles MES, huiles TDAE, les plastifiants éthers, les plastifiants esters, les résines hydrocarbonées présentant une haute Tg, de préférence supérieure à 30 °C, telles que décrites par exemple dans les demandes WO 2005/087859, WO 2006/061064 et WO 2007/017060, et les mélanges de tels composés.
L'invention a également pour objet un procédé de préparation d'une composition de caoutchouc telle que décrite précédemment.
La composition est fabriquée dans des mélangeurs appropriés, en utilisant deux phases de préparation successives bien connues de l'homme du métier : une première phase de travail ou malaxage thermomécanique (phase dite "non- productive") à haute température, jusqu'à une température maximale comprise entre 1 10°C et 190°C, de préférence entre 130°C et 180°C, suivie d'une seconde phase de travail mécanique (phase dite "productive") jusqu'à une plus basse température, typiquement inférieure à 1 10°C, par exemple entre 40°C et 100°C, phase de finition au cours de laquelle est incorporé le système de réticulation.
Le procédé conforme à l'invention pour préparer une composition de caoutchouc selon l'invention comporte au moins les étapes suivantes :
• la réalisation, à une température maximale comprise entre 1 10 °C et 190 °C, de préférence entre 130°C et 180°C, d'un premier temps de travail thermomécanique (parfois qualifié de phase " non productive") des constituants de base nécessaires de la composition de caoutchouc, à l'exception du système de réticulation et le cas échéant un promoteur d'adhésion, par incorporation de manière intime, par malaxage en une ou plusieurs étapes, à la matrice élastomère comprenant l'élastomère diénique modifié selon l'invention, d'ingrédients de la composition, puis
• la réalisation, à une température inférieure à ladite température maximale dudit premier temps, de préférence inférieure à 1 10 °C, d'un second temps de travail mécanique au cours duquel est incorporé ledit système de réticulation et le cas échéant un promoteur d'adhésion.
Selon des variantes de l'invention, le procédé de préparation de la composition de caoutchouc comprend les étapes de préparation de l'élastomère diénique modifié selon l'invention telles que décrites plus haut selon ses différentes méthodes de synthèse. La composition finale ainsi obtenue peut ensuite être calandrée, par exemple sous la forme d'une feuille, d'une plaque ou encore extrudée, par exemple pour former un profilé de caoutchouc utilisable comme produit semi-fini en caoutchouc destiné au pneumatique. L'invention a également pour objet un produit semi-fini en caoutchouc comprenant une composition de caoutchouc renforcée selon l'invention.
L'invention a également pour objet un pneumatique dont au moins un de ses éléments constitutifs est un produit semi-fini en caoutchouc comprenant une composition de caoutchouc renforcée selon l'invention. En raison de l'amélioration du compromis hystérèse / mise en œuvre qui caractérise une composition de caoutchouc renforcée selon l'invention, on notera qu'une telle composition peut constituer tout produit semi-fini du pneumatique et tout particulièrement la bande de roulement, diminuant ainsi sa résistance au roulement.
Les caractéristiques précitées de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux comprises à la lecture de la description suivante de plusieurs exemples de réalisation de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatif.
I- MESURES ET TESTS UTILISES (a) Détermination de la distribution de masses molaires des élastomères par la technique de chromatographie d'exclusion stérique (SEC conventionnelle)
La technique SEC (Size Exclusion Chromatography) permet de séparer les macromolécules en solution suivant leur taille à travers des colonnes remplies d'un gel poreux. Les macromolécules sont séparées suivant leur volume hydrodynamique, les plus volumineuses étant éluées en premier.
Sans être une méthode absolue, la SEC conventionnelle permet d'appréhender la distribution des masses molaires d'un polymère. A partir de produits étalons commerciaux, les différentes masses molaires moyennes en nombre (Mn) et en poids (Mw) peuvent être déterminées et l'indice de polymolécularité (Ip = Mw/Mn) calculé via un étalonnage dit de MOORE. Il n'y a pas de traitement particulier de l'échantillon de polymère avant analyse. Celui-ci est simplement solubilisé dans le solvant d'élution à une concentration d'environ 1 g.L"1. Puis la solution est filtrée sur filtre de porosité 0,45μηη avant injection.
L'appareillage utilisé est une chaîne chromatographique "WATERS alliance". Le solvant d'élution est soit le tétrahydrofurane, soit le tétrahydrofurane + 1 vol.% de diisopropylamine + 1 vol.% de triéthylamine, le débit de 1 ml. min"1, la température du système de 35 °C et la durée d'analyse de 30 min. Un jeu de deux colonnes WATERS, de dénomination commerciale "STYRAGEL HT6E", est utilisé. Le volume injecté de la solution de l'échantillon de polymère est 100 μί. Le détecteur est un réfractomètre différentiel "WATERS 2410" et le logiciel d'exploitation des données chromatographiques est le système "WATERS EMPOWER".
Les masses molaires moyennes calculées sont relatives à une courbe d'étalonnage réalisée pour des SBR de microstructure suivante : 25 % massique de motifs type styrène, 23 % massique de motifs type 1 ,2 et 50 % massique de motifs type 1 ,4- trans.
(b) Détermination de la répartition des chaînes fonctionnalisées en extrémité de chaîne, en milieu de chaîne et étoilées 3 branches par la technique de chromatographie d'exclusion stérique haute résolution (SEC haute résolution).
La technique de SEC haute résolution est utilisée pour déterminer les pourcentages massiques des différentes populations de chaînes présentes dans un échantillon de polymère.
II n'y a pas de traitement particulier de l'échantillon de polymère avant analyse. Celui-ci est simplement solubilisé dans le solvant d'élution à une concentration d'environ 1 g.L"1. Puis la solution est filtrée sur filtre de porosité 0,45μηη avant injection.
L'appareillage utilisé est une chaîne chromatographique "WATERS alliance 2695". Le solvant d'élution est le tétrahydrofurane, le débit de 0,2 ml. min"1, la température du système de 35 °C. Un jeu de trois colonnes identiques en série est utilisé (Shodex, longueur 300 mm, diamètre 8 mm). Le nombre de plateaux théoriques du jeu de colonnes est supérieur à 22 000. Le volume injecté de la solution de l'échantillon de polymère est 50 μί. Le détecteur est un réfractomètre différentiel "WATERS 2414" et le logiciel d'exploitation des données chromatographiques est le système "WATERS EMPOWER".
Les masses molaires calculées sont relatives à une courbe d'étalonnage réalisée pour des SBR de microstructure suivante : 25 % massique de motifs type styrène, 23 % massique de motifs type 1 ,2 et 50 % massique de motifs type 1 ,4-trans.
(c) Caractérisation de la microstructure des élastomères par la technique de spectroscopie proche infrarouge (NIR)
La spectroscopie proche infrarouge (NIR) est utilisée pour déterminer quantitativement le taux massique de styrène dans l'élastomère ainsi que sa microstructure (répartition relative des unités butadiène 1 ,2, 1 ,4-trans et 1 ,4 cis). Le principe de la méthode repose sur la loi de Beer-Lambert généralisée à un système multicomposants. La méthode étant indirecte, elle fait appel à un étalonnage multivarié [Vilmin, F.; Dussap, C; Coste, N. Applied Spectroscopy 2006, 60, 619-29] réalisé à l'aide d'élastomères étalons de composition déterminée par RMN 13C. Le taux de styrène et la microstructure sont alors calculés à partir du spectre NIR d'un film d'élastomère d'environ 730 μιτι d'épaisseur. L'acquisition du spectre est réalisée en mode transmission entre 4000 et 6200 cm"1 avec une résolution de 2 cm"1, à l'aide d'un spectromètre proche infrarouge à transformée de Fourier Bruker Tensor 37 équipé d'un détecteur InGaAs refroidi par effet Peltier.
(d) Détermination des viscosités Mooney ML(1+4)100 °C pour les élastomères et les compositions de caoutchouc selon la norme ASTM D-1646
Un consistomètre oscillant est utilisé tel que décrit dans la norme ASTM D-1646. La mesure de plasticité Mooney se fait selon le principe suivant : l'élastomère (ou la composition à l'état cru (i.e. avant cuisson)) est moulé(e) dans une enceinte cylindrique chauffée à 100 °C. Après une minute de préchauffage, le rotor tourne au sein de l'éprouvette à 2 tr.min"1 et le couple utile pour entretenir ce mouvement après 4 minutes de rotation est mesuré. La plasticité Mooney (ML(i+ )) est exprimée en "unité Mooney" (UM, avec 1 UM = 0,83 N.m).
(e) Détermination des températures de transition vitreuse (Tg) des élastomères au moyen d'un calorimètre différentiel ("differential scanning calorimeter"). (f) Détermination de la viscosité inhérente des élastomères à 25 °C à partir d'une solution d'élastomère à 0,1 g.dL"1 dans le toluène, selon le principe suivant :
La viscosité inhérente est déterminée par la mesure du temps d'écoulement t de la solution de polymère et du temps d'écoulement fo du toluène, dans un tube capillaire.
Dans un tube Ubbelhode (diamètre du capillaire 0,46 mm, capacité 18 à 22 ml_), placé dans un bain thermostaté à 25 ± 0,1 °C, le temps d'écoulement du toluène et celui de la solution polymère à 0,1 g.dL"1 sont mesurés,
La viscosité inhérente est obtenue par la relation suivante :
Figure imgf000031_0001
avec :
C : concentration de la solution de polymère dans le toluène en g.dL"1 ,
t : temps d'écoulement de la solution de polymère dans le toluène en seconde,
fo : temps d'écoulement du toluène en seconde,
■ viscosité inhérente exprimée en dL.g"1.
La mesure de la viscosité inhérente "initiale", qui est la viscosité du polymère avant fonctionnalisation, et de la viscosité inhérente "finale", qui est la viscosité du polymère après fonctionnalisation, nous permet de calculer le saut de viscosité qui est le rapport de ladite viscosité inhérente "finale" sur ladite viscosité inhérente "initiale".
(g) Détermination du cold flow des élastomères (CF(1+6)100oC) selon la méthode de mesure suivante :
Il s'agit de mesurer la masse de gomme extrudée à travers une filière calibrée pendant un temps donné (6 heures) et dans des conditions fixées (T = 100 °C). La filière a un diamètre de 6,35 mm, une épaisseur de 0,5 mm et est située au fond et au centre d'une coupe cylindrique évidée de 52 mm de diamètre.
Dans ce dispositif sont placés 40 ± 4 g de gomme préalablement mise sous forme de pastille (2 cm d'épaisseur et 52 mm de diamètre). Sur la pastille de gomme est positionné un piston calibré de 1 kg (± 5 g). L'ensemble est ensuite placé dans une étuve à 100 ± 0,5 °C.
Les conditions n'étant pas stabilisées lors de la première heure dans l'étuve, le produit extrudé à t = 1 heure est découpé puis jeté.
La mesure est ensuite poursuivie pendant 6 heures ± 5 mn, durant lesquelles le produit est laissé dans l'étuve. A l'issue des 6 heures, l'échantillon de produit extrudé est découpé puis pesé. Le résultat de la mesure est la masse de gomme pesée. Plus ce résultat est faible, plus l'élastomère résiste au fluage à froid. Détermination des propriétés dynamiques tan δ max
Les propriétés dynamiques notamment tan δ max sont mesurées sur un viscoanalyseur (Metravib VA4000), selon la norme ASTM D 5992-96. La réponse d'un échantillon de composition vulcanisée (éprouvette cylindrique de 2 mm d'épaisseur et de 79 mm2 de section), soumis à une sollicitation sinusoïdale en cisaillement simple alterné, à la fréquence de 10 Hz, est enregistrée dans les conditions normales de température (23 °C) selon la norme ASTM D 1349-99. Un balayage en amplitude de déformation crête-crête de 0,1 % à 50 % (cycle aller), puis de 50 % à 0,1 % (cycle retour), est réalisé. Le résultat exploité est le facteur de perte tan δ. Pour le cycle retour, la valeur maximale de tan δ observée (tan δ max) est indiquée. Cette valeur est représentative de l'hystérèse du matériau et dans le cas présent de la résistance au roulement : plus la valeur de tan δ max est faible, plus la résistance au roulement est basse. Détermination de la répartition des espèces d'un élastomère modifié.
1 - Exemple de détermination du rapport de constantes cinétiques (K) du modèle cinétique de fonctionnalisation en réacteur agité discontinu
Détermination expérimentale du pourcentage massique des chaînes fonctionnalisées en extrémité de chaîne, en milieu de chaîne et étoilées (3 branches) et du saut de viscosité en fonction du rapport molaire 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane/n-BuLi
Dans onze bouteilles en verre (bouteilles steinie) de 250 mL sont introduits 91 ,6 mL (70,5 g) de méthylcyclohexane, 14,8 mL (9,65 g) de butadiène et 0,49 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl éther dans le méthylcyclohexane à 0,078 mol.L"1. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-Butyllithium (n-BuLi), 1 ,90 ml_ de n-BuLi à 0,097 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. La polymérisation est conduite à 60 °C.
Après 15 minutes, le taux de conversion en monomère atteint 95 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Une bouteille témoin (bouteille n°1 ) est stoppée avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente "initiale" est de 0,66 dL.g"1. 0,88 mL d'une solution de 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés aux solutions de polymère vivant (0,48 éq. molaire vs Li) contenues dans les bouteilles 2 à 9, 0,73 mL de cette même solution sont ajoutés dans la bouteille 10 (0,40 éq. molaire vs Li) et 1 ,83 mL de cette même solution sont ajoutés dans la bouteille 1 1 (1 ,0 éq. molaire vs Li). Après 15 minutes de réaction à 60 °C, les solutions sont antioxydées par addition de 0,4 partie pour cent parties d'élastomère (pce) de 4,4'-méthylène-bis-2,6-tert- butylphénol et de 0,2 partie pour cent parties d'élastomère (pce) de A/-(1 ,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Les polymères ainsi traités sont séparés de leur solution par séchage à 60 °C sous pression réduite et courant d'azote pendant 12 heures.
Les viscosités inhérentes "finales", les sauts de viscosité définis comme les rapports des viscosités inhérentes "finales" sur la viscosité inhérente "initiale" ainsi que les pourcentages massiques des chaînes désactivées (P), des chaînes fonctionnalisées en extrémité de chaîne (PA), en milieu de chaîne (P2A) et étoilées (P3A) sont présentées dans le Tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1 - Evolution de la répartition des espèces P+PA/P2A/P3A et du saut de viscosité en fonction du rapport molaire 3-(N,N-diméthylaminopropyl)trinriéthoxysilane/n-BuLi.
Bouteille Rapport molaire Saut P+PA/P2A/P3A
3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane / de (wt.%)
Li viscosité
2 0,48 12/77/10
3 0,48 13/77/9
4 0,48 13/78/9
5 0,48 13/82/5
6 0,48 13/83/5
7 0,48 13/83/4
8 0,48 14/83/4
9 0,48 1,54 11/84/4
10 0,40 1,61 15/53/25
11 1,00 1,09 72/20/7 L'élastomère diénique vivant est fonctionnalisé selon le mécanisme réactionnel décrit plus haut dans la description.
Le modèle cinétique de fonctionnai isation intégré, selon l'homme d'art, à un modèle de réacteur parfaitement agité discontinu (bibliographie : Villermeaux, J; Génie de la réaction chimique; 1993) permet de déterminer la répartition des différentes espèces. De plus, les chaînes peuvent être désactivées (P) lors de l'étape de polymérisation ou/et fonctionnalisation. Ainsi, le produit final est un mélange d'élastomère désactivé (P), élastomère fonctionnalisé bout de chaîne (PA), élastomère fonctionnalisé milieu de chaîne (P2A) et élastomère étoilé (P3A).
Pour les points expérimentaux du Tableau 1 ci-dessus, nous avons estimé la valeur de K=102±1 selon la description du modèle de réacteur parfaitement agité discontinu, qui représente le réacteur utilisé pour ces expériences.
La Figure 1 représente la répartition des espèces P, PA, P2A et P3A en fonction du rapport molaire agent de fonctionnalisation/chaînes polymère vivantes (PLi) : simulé (lignes) et mesuré (points).
2- Exemple de détermination de la cinétique de fonctionnalisation en réacteur agité discontinu
Détermination expérimentale du pourcentage massique des chaînes fonctionnalisées en extrémité de chaîne, en milieu de chaîne et étoilées (3 branches) en fonction du temps de couplage avec le 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane (~ 0,5 éq. mol vs Li)
Dans vingt-deux bouteilles en verre (bouteilles steinie) de 250 mL sont introduits 91 ,6 mL (70,5 g) de méthylcyclohexane, 14,8 mL (9,65 g) de butadiène et 0,49 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl éther dans le méthylcyclohexane à 0,078 mol.L"1. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-Butyllithium (n-BuLi), 1 ,90 mL de n-BuLi à 0,097 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. La polymérisation est conduite à 60 °C.
Après 15 minutes, le taux de conversion en monomère atteint 95 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. 0,88 mL d'une solution de 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés aux solutions de polymère vivant (0,48 éq. molaire vs Li) contenues dans les vingt et une bouteilles restantes. Après 10 secondes (bouteilles 12, 13 et 14), 15 secondes (bouteilles 15, 16 et 17), 20 secondes (bouteilles 18, 19 et 20), 30 secondes (bouteilles 21 et 22), 2 minutes (bouteille 23) et 15 minutes (bouteilles 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 et 32) de réaction à 60 °C, les solutions sont antioxydées par addition de 0,4 partie pour cent parties d'élastomère (pce) de 4,4'-méthylène-bis-2,6-tert-butylphénol et de 0,2 partie pour cent parties d'élastomère (pce) de A/-(1 ,3-diméthylbutyl)-N'-phényl- p-phénylènediamine. Les polymères ainsi traités sont séparés de leur solution par séchage à 60 °C sous pression réduite et courant d'azote pendant 12 heures.
Les pourcentages massiques des chaînes désactivées (P), des chaînes fonctionnalisées en extrémité de chaîne (PA), en milieu de chaîne (P2A) et étoilées (P3A) sont présentées dans le Tableau 2 ci-dessous.
Tableau 2 - Evolution de la répartition des espèces P+PA/P2A/P3A en fonction du temps de réaction avec le 3-(N,N-diméthylaminopropyl)trinriéthoxysilane.
Figure imgf000035_0001
En utilisant le même modèle cinétique de l'exemple précèdent et la valeur de K=102±1, la valeur de ki[PLi], dans le modèle cinétique, est estimée à 104±0 2. La Figure 2 compare les rendements simulés aux rendements mesurés en fonction du temps de réaction en réacteur discontinu parfaitement agité. 3- Exemple de détermination du rapport de constantes cinétiques (K) de fonctionnalisation en configuration continue
Dans une installation pilote de polymérisation continue, à la sortie du réacteur agité de polymérisation continu, supposé parfaitement agité, une quantité variable d'agent de fonctionnalisation est injectée afin de caractériser la section de fonctionnalisation continue. La section de fonctionnalisation est composée d'un mélangeur statique type kenics à 36 éléments de 4 L et d'un réacteur continu agité de volume 32,5 L, supposé parfaitement agité. Le temps de séjour minimal dans les réacteurs agités est de 20 minutes.
Dans un réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, sont introduits en continu du méthylcyclohexane, du butadiène, du styrène et du tétrahydrofurfuryl éthyle éther, selon les proportions suivantes : débit massique butadiène = 2,85 kg. h"1, débit massique styrène = 1 ,25 kg. h"1, concentration massique en monomère = 1 1 wt.%, 60 ppm tétrahydrofurfuryl éthyle éther. Du n-butyllithium (n-BuLi) est introduit en quantité suffisante afin de neutraliser les impuretés protiques apportées par les différents constituants présents dans l'entrée de ligne. À l'entrée du réacteur, 850 μιτιοΙ de n-BuLi pour 100 g de monomères sont introduits.
Les différents débits sont calculés afin que le temps de séjour moyen dans le réacteur soit de 40 min. La température est maintenue à 90 °C.
Le taux de conversion, mesuré sur un prélèvement réalisé en sortie de réacteur, est de 92,6 %.
En sortie de réacteur de polymérisation, du 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en solution dans le méthylcyclohexane est ajouté à la solution de polymère vivant en différentes quantités (différents rapports molaires 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane / PLi) pour caractériser le procédé de fonctionnalisation. Cette solution est mélangée dans un mélangeur statique constitué de 36 éléments de mélangeage de type Kenics KMR puis traverse un tube vide, le temps de séjour total en tube étant de 3 minutes (mélangeur statique + tube vide), et un réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, de 40 minutes de temps de séjour. Les polymères sont ensuite soumis à un traitement anti-oxydant avec ajout de 0,4 pce de 2,2'-nnéthylène-bis(4-nnéthyl-6-tertiobutylphénol) et 0,2 pce de N-(1 ,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediannine.
Les polymères ainsi traités sont séparés de leur solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séchés sur un outil à cylindres à 100 °C.
Les sauts de viscosité inhérente (SV) mesurés sont présentés sur la Figure 3. Le modèle cinétique de fonctionnalisation décrit ci-dessus est intégré, selon l'homme d'art, à un modèle de réacteur tubulaire (représentatif du mélangeur statique Kenics) suivi d'un réacteur parfaitement agité continu (représentatif du réacteur agité de fonctionnalisation) (bibliographie : Villermeaux, J; Génie de la réaction chimique; 1993) et permet de déterminer la répartition d'espèces PLi, P, PA, P2A et P3A.
Pour faire le lien entre la répartition des espèces PLi, P, PA, P2A et P3A calculée par le modèle cinétique de fonctionnalisation et le rapport expérimental de viscosités inhérentes avant et après fonctionnalisation (SV), le SV est calculé de manière théorique par l'équation ci-dessous :
Figure imgf000037_0001
Où, wP,A est la fraction massique des espèces PA, PLi, P ; Mw est la masse moléculaire moyenne en poids ; a est le paramètre de l'équation MHS (Mark Houwink Sakurada) et égal à 0,75 g,' est une correction pour les polymères étoilés, par exemple :
Figure imgf000037_0002
Où, b est égal à 0,58 (Livre : Structure and Rheology of Molten Polymers)
En supposant que le temps de séjour est assez long pour être considéré comme infini, on estime le rapport de constantes cinétiques K par minimisation des écarts de SV expérimental et calculé. La valeur de K est de 101±1 comme représenté sur la Figure 3.
Le SV calculé est déterminé à partir de la répartition d'espèces calculée par le modèle cinétique intégré aux modèles de réacteurs tubulaire et parfaitement agité continu (Figure 4).
Il- ESSAIS 11-1. Préparation des élastomères
Préparation du polymère 1 : Polymère fonctionnalisé par le 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en milieu de chaîne selon l'invention
Dans un réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, sont introduits en continu du méthylcyclohexane, du butadiène, du styrène et du tétrahydrofurfuryl éthyle éther, selon les proportions suivantes : débit massique butadiène = 2,85 kg. h"1, débit massique styrène = 1 ,25 kg. h"1, concentration massique en monomère = 1 1 wt.%, 60 ppm tétrahydrofurfuryl éthyle éther. Du n-butyllithium (n-BuLi) est introduit en entrée de ligne en quantité suffisante afin de neutraliser les impuretés protiques apportées par les différents constituants présents dans l'entrée de ligne. À l'entrée du réacteur, 850 μιτιοΙ de n-BuLi pour 100 g de monomères sont introduits.
Les différents débits sont calculés afin que le temps de séjour moyen dans le réacteur soit de 40 min. La température est maintenue à 90 °C.
Le taux de conversion, mesuré sur un prélèvement réalisé en sortie de réacteur, est de 92,6 % et la viscosité inhérente est de 1 ,68 dL.g"1.
En sortie de réacteur, 386 micromoles pour 100 g de monomères de 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en solution dans le méthylcyclohexane sont ajoutées à la solution de polymère vivant. Cette solution est mélangée dans un mélangeur statique constitué de 36 éléments de mélangeage de type Kenics KMR puis traverse un tube vide, le temps de séjour total en tube étant de 3 minutes (mélangeur statique + tube vide), et dans un réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, de 40 minutes de temps de séjour. Le polymère est ensuite soumis à un traitement anti-oxydant avec ajout de 0,4 pce de 2,2'-méthylène-bis(4-nnéthyl-6-tertiobutylphénol) et 0,2 pce de N-(1 ,3-diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediannine.
Le polymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur un outil à cylindres à 100 °C, pour obtenir le polymère 1 fonctionnalisé par le 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en milieu de chaîne selon l'invention.
La viscosité inhérente de ce polymère 1 est de 2,15 dL.g"1, le saut de viscosité est de 1 ,28 et la viscosité ML(i+ )100°C est de 72,0. La masse molaire moyenne en nombre Mn du polymère, déterminée par la technique SEC conventionnelle, est de 145 000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité Ip est de 1 ,72. Le cold flow CF(i+6)100°C de cet élastomère est de 0,452.
La microstructure de ce polymère est déterminée par la méthode NIR : le taux massique de motifs 1 ,2 est de 24,1 %, ce taux se rapportant aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 26,5 %.
Préparation du polymère 2 : Polymère fonctionnalisé par le 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en milieu de chaîne selon l'invention
Dans un réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, sont introduits en continu du méthylcyclohexane, du butadiène, du styrène et du tétrahydrofurfuryl éthyle éther, selon les proportions suivantes : débit massique butadiène = 2,85 kg. h"1, débit massique styrène = 1 ,25 kg. h"1, concentration massique en monomère = 1 1 wt.%, 60 ppm tétrahydrofurfuryl éthyle éther. Du n-butyllithium (n-BuLi) est introduit en entrée de ligne en quantité suffisante afin de neutraliser les impuretés protiques apportées par les différents constituants présents dans l'entrée de ligne. À l'entrée du réacteur, 845 μιτιοΙ de n-BuLi pour 100 g de monomères sont introduits.
Les différents débits sont calculés afin que le temps de séjour moyen dans le réacteur soit de 40 min. La température est maintenue à 90 °C.
Le taux de conversion, mesuré sur un prélèvement réalisé en sortie de réacteur, est de 92,7 % et la viscosité inhérente est de 1 ,66 dL.g"1.
En sortie de réacteur, 396 micromoles pour 100 g de monomères de 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en solution dans le méthylcyclohexane sont ajoutées à la solution de polymère vivant. Cette solution est mélangée dans un mélangeur statique constitué de 36 éléments de mélangeage de type Kenics KMR puis traverse un tube vide, le temps de séjour total en tube étant de 3 minutes (mélangeur statique + tube vide). Le polymère est ensuite soumis à un traitement anti-oxydant avec ajout de 0,4 pce de 2,2'-méthylène-bis(4-méthyl-6- tertiobutylphénol) et 0,2 pce de N-(1 ,3-diméthylbutyl)-N'-phényl-p- phénylènediamine.
Le polymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur un outil à cylindres à 100 °C, pour obtenir le polymère 2 fonctionnalisé par le 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en milieu de chaîne selon l'invention.
La viscosité inhérente de ce polymère 2 est de 2,12 dL.g"1, le saut de viscosité est de 1 ,28 et la viscosité ML(i+ )100°C est de 70,4. La masse molaire moyenne en nombre Mn du polymère, déterminée par la technique SEC conventionnelle, est de 142 000 g. mol"1, la masse molaire et l'indice de polymolécularité Ip est de 1 ,73. Le cold flow CF(i+6)100°C de cet élastomère est de 0,614.
La microstructure de ce polymère est déterminée par la méthode NIR : le taux massique de motifs 1 ,2 est de 23,6 %, ce taux se rapportant aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 26,6 %. Préparation du polymère 3 : Polymère fonctionnalisé par le 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en milieu de chaîne
Dans un réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, sont introduits en continu du méthylcyclohexane, du butadiène, du styrène et du tétrahydrofurfuryl éthyle éther, selon les proportions suivantes : débit massique butadiène = 2,85 kg. h"1, débit massique styrène = 1 ,25 kg. h"1, concentration massique en monomère = 1 1 wt.%, 60 ppm tétrahydrofurfuryl éthyle éther. Du n-butyllithium (n-BuLi) est introduit en entrée de ligne en quantité suffisante afin de neutraliser les impuretés protiques apportées par les différents constituants présents dans l'entrée de ligne. À l'entrée du réacteur, 840 μιτιοΙ de n-BuLi pour 100 g de monomères sont introduits.
Les différents débits sont calculés afin que le temps de séjour moyen dans le réacteur soit de 40 min. La température est maintenue à 90 °C. Le taux de conversion, mesuré sur un prélèvement réalisé en sortie de réacteur, est de 93,5 % et la viscosité inhérente est de 1 ,66 dL.g"1.
Cette solution de polymère vivant est introduite en continu dans un second réacteur agité continu de 32,5 L, supposé parfaitement agité selon l'homme de l'art, de 40 minutes de temps de séjour dans lequel 393 micromoles pour 100 g de monomères de 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en solution dans le méthylcyclohexane sont introduites en continu. Le polymère est ensuite soumis à un traitement anti-oxydant avec ajout de 0,4 pce de 2,2'-méthylène-bis(4- méthyl-6-tertiobutylphénol) et 0,2 pce de N-(1 ,3-diméthylbutyl)-N'-phényl-p- phénylènediamine.
Le polymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur un outil à cylindres à 100 °C, pour obtenir le polymère 3 fonctionnalisé par le 3-(N,N-diméthylaminopropyl)triméthoxysilane en milieu de chaîne.
La viscosité inhérente de ce polymère 3 est de 2,14 dL.g"1, le saut de viscosité est de 1 ,29 et la viscosité ML(i+ )100°C est de 76,4. La masse molaire moyenne en nombre Mn du polymère, déterminée par la technique SEC conventionnelle, est de 144 000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité Ip est de 1 ,80. Le cold flow CF(i+6)100°C de cet élastomère est de 0,216.
La microstructure de ce polymère est déterminée par la méthode NIR : le taux massique de motifs 1 ,2 est de 24,4 %, ce taux se rapportant aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 27,0 %.
Les caractéristiques des différents élastomères sont reportées dans le Tableau 3:
Tableau 3:
Exemples Exemple
comparatif
1 2 3
ML(1 +4) 100°C 72,0 70,4 76,4
CF(1 +6) 100°C 0,452 0,614 0,216
Saut de viscosité (dL.g ) 1 ,28 1 ,28 1 ,29
Chaînes non fonctionnelles (%) * 8,0 8,0 8,0
Chaînes vivantes non fonctionnalisées (%) * 0,0 5,4 0,0
Chaînes fonctionnalisées en extrémité de chaîne 5,4 9,0 8,9
(%) *
Chaînes fonctionnalisées en milieu de chaîne 70,5 66,8 51 ,3
(%) *
Chaînes étoilées (%) * 16, 1 10,8 31 ,8
* Estimation théorique des répartitions de chaîne (en faisant l'hypothèse du mécanisme réactionnel (plus haut), du modèle cinétique (plus haut) et K=10).
II-2. Préparation des compositions
On procède pour les essais qui suivent de la manière suivante: on introduit dans un mélangeur interne Polylab de 85cm3, rempli à 70% et dont la température initiale de cuve est d'environ 1 10°C, les élastomères diéniques modifiés synthétisés précédemment. Ensuite, les charges renforçantes, l'agent de couplage puis, après une à deux minutes de malaxage, les divers autres ingrédients à l'exception du système de vulcanisation, sont introduits dans le mélangeur. On conduit alors un travail thermomécanique (phase non-productive) en une étape (durée totale du malaxage égale à environ 5 min), jusqu'à atteindre une température maximale de "tombée" de 160°C. On récupère le mélange ainsi obtenu, on le refroidit puis on ajoute le système de vulcanisation (soufre) sur un mélangeur externe (homo-finisseur) à 25°C, en mélangeant le tout (phase productive) pendant environ 5 à 6 min.
Les compositions ainsi obtenues sont ensuite calandrées soit sous la forme de plaques (épaisseur de 2 à 3 mm) ou de feuilles fines de caoutchouc pour la mesure de leurs propriétés physiques ou mécaniques. Les compositions de caoutchouc sont données dans le Tableau 4. Les quantités sont exprimées en parties pour 100 parties en poids d'élastomère (pce).
Tableau 4:
Exemple
Exemples
comparatif
Composition 1 2 3
Polymère 1 100
Polymère 2 100
Polymère 3 100
Silice (1 ) 80 80 80
N234 1 1 1
Huile MES (2) 15 15 15
Résine (3) 15 15 15
Agent de couplage (4) 6,4 6,4 6,4
ZnO 2,5 2,5 2,5
Acide stéarique 2 2 2
Anti-oxydant (5) 1 ,9 1 ,9 1 ,9
Cire anti-ozone "C32ST"
1 ,5 1 ,5 1 ,5
(6)
Diphénylguanidine 1 ,5 1 ,5 1 ,5
Soufre 1 ,2 1 ,2 1 ,2
Sulfénamide (7) 2 2 2
(1 ) Silice "Zeosil 1165MP " de Rhodia.
(2) Catenex® SBR de Shell.
(3) Résine Dercolyte L120 de DRT.
(4) "Si69" de Degussa.
(5) N-(1 ,3-dimethylbutyl)-N'-phenyl-p-phenylened'
(6) Anti-ozone de Repsol.
(7) N-cyclohexyl-2-benzothiazylsulphenamide. Les résultats de mesures des propriétés dynamiques sont exprimés dans le Tableau 5 qui suit:
Tableau 5
Exemples Exemple
comparatif
Compositions 1 2 3 tan δ max 23°C 0, 197 0,203 0,217
On constate que les élastomères 1 et 2 présentent des valeurs de Cold Flow considérées comme suffisamment faibles pour limiter les problèmes de fluage, tout en minimisant en composition de caoutchouc renforcée la valeur de tan δ, exprimant une hystérèse réduite. A l'inverse, l'élastomère 3 présente une valeur de Cold Flow encore réduite, mais au détriment de l'hystérèse de la composition de caoutchouc renforcée le contenant. Le compromis fluage à froid des élastomères - hystérèse de la composition de caoutchouc les contenant est optimisé et tout à fait satisfaisant pour les élastomères 1 et 2 selon l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Elastomère diénique modifié composé : a) au moins 55% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce couplée par un groupement fonctionnel porteur d'une fonction de formule -SiOR, dans laquelle R est un atome d'hydrogène ou un radical alkyle ayant 1 à 10 atomes de carbone, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, le groupement étant lié aux deux branches de l'élastomère diénique par l'intermédiaire de l'atome de silicium, b) de 5% en poids à 30% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce étoilée possédant trois branches élastomériques reliées à un même atome de silicium appartenant à un groupement fonctionnel porteur ou non d'une fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, c) d'un taux inférieur ou égal à 15% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié, d'espèce fonctionnalisée en extrémité de chaîne par un groupement fonctionnel porteur d'une fonction-Si(OR)2, dans laquelle R est un atome d'hydrogène ou un radical alkyle ayant 1 à 10 atomes de carbone, et éventuellement d'une autre fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, le groupement étant lié à l'élastomère diénique par l'intermédiaire de l'atome de silicium, et d) d'un taux inférieur ou égal à 15% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié d'élastomère diénique non fonctionnel, lesdits élastomères diéniques a), b) c) et d) étant, avant modification de mêmes macrostructure et microstructure.
2. Elastomère selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend de préférence au moins 10% en poids et au plus 25% en poids, de préférence encore au plus 20% en poids, par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié dudit élastomère diénique étoilé b).
3. Elastomère selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un taux strictement supérieur à 0% en poids et inférieur à 10% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié dudit élastomère diénique non fonctionnel d).
4. Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un taux supérieur ou égal à 65% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié dudit élastomère diénique couplé a)
5. Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un taux inférieur ou égal à 10% en poids par rapport au poids total de l'élastomère diénique modifié de ladite espèce fonctionnalisée en extrémité de chaîne c).
6. Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction choisie parmi les aminés primaires, secondaires ou tertiaires, cycliques ou non, les isocyanates, les imines, les cyano, les thiols, les carboxylates, les époxydes, les phosphines primaires, secondaires ou tertiaires.
7. Elastomère selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante est une fonction aminé tertiaire, de préférence diéthylamine ou diméthylamine.
8. Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante et l'atome de silicium lié à l'élastomère sont reliés entre eux par un groupement espaceur défini comme étant un radical hydrocarboné divalent, linéaire ou ramifiée, aliphatique en C1-C18, saturé ou non, cyclique ou non, ou un radical hydrocarboné divalent aromatique en C6-C18, et peut contenir un ou plusieurs radicaux aromatiques et/ou un ou plusieurs hétéroatomes.
9. Elastomère selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le groupement espaceur est un radical hydrocarboné divalent linéaire aliphatique en Ci- Ce, préférentiel lement le radical linéaire aliphatique en C3.
10. Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que dans les formules -SiOR et -Si(OR)2 représentant les fonctions alcoxysilanes des espèces a) et c), R est un radical alkyle ayant 1 à 4 atomes de carbone, de préférence méthyle ou éthyle.
1 1 . Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que dans les formules -SiOR et -Si(OR)2 représentant les fonctions alcoxysilanes des espèces a) et c), R est atome d'hydrogène.
12. Elastomère selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'élastomère diénique est choisi parmi les polybutadiènes, les copolymères butadiène-styrène, les copolymères butadiène-isoprène, les copolymères isoprène- styrène, les terpolymères butadiène-styrène-isoprène et le polyisoprène de synthèse, de préférence un copolymère butadiène - styrène.
13. Procédé de synthèse d'un élastomère tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mélangeage d'au moins deux élastomères diéniques de même nature, modifiés par un même agent de fonctionnalisation, et présentant une composition différente, ces élastomères diéniques de compositions différentes étant obtenus en mettant en œuvre une étape de modification, après une étape de polymérisation anionique, en faisant varier le rapport molaire de l'agent de fonctionnalisation à l'initiateur de polymérisation:
- de 0,40 à 0,75, pour privilégier la formation d'espèces couplées - de 0,20 à 0,35, pour privilégier la formation d'espèces étoilées, et / ou
- au moins égal à 0,75, pour privilégier la formation d'espèces fonctionnalisées en bout de chaîne,
l'agent de fonctionnalisation répondant à la formule 1 suivante: OR'
Figure imgf000048_0001
R
X
Formule 1
dans laquelle, o R est un radical hydrocarboné divalent aliphatique, saturé ou non, cyclique ou non, en C1 -C18, aromatique en C6-C18, de préférence un radical hydrocarboné divalent, linéaire ou ramifié, aliphatique en C1 -C10, plus préférentiellement un radical hydrocarboné divalent linéaire aliphatique en C1 -C6, plus préférentiellement encore le radical hydrocarboné linéaire en C3. o X est un atome d'hydrogène ou une fonction susceptible d'interagir avec une charge renforçante, o les radicaux R', substitués ou non substitués, identiques ou différents, représentent un groupe alkyle en C1 -C10, voire en Ci -Cs, de préférence un groupe alkyle en Ci-C4, plus préférentiellement méthyle et éthyle.
14. Composition de caoutchouc renforcée à base d'au moins une charge renforçante et d'une matrice élastomère, caractérisée en ce que la matrice élastomère comprend au moins un élastomère diénique modifié tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 12.
15. Composition de caoutchouc renforcée selon la revendication 14, caractérisée en ce que la charge renforçante comprend au moins 50% en poids de silice par rapport au poids total de la charge renforçante.
16. Pneumatique caractérisé en ce que un de ses éléments constitutifs comprend une composition de caoutchouc, réticulable ou réticulée, telle que définie dans la revendication 14 ou 15.
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