WO2015018774A1 - Elastomère diénique couplé possédant une fonction silanol en milieu de chaîne et fonctionnalisé amine en extrémité de chaîne et composition de caoutchouc le comprenant - Google Patents

Elastomère diénique couplé possédant une fonction silanol en milieu de chaîne et fonctionnalisé amine en extrémité de chaîne et composition de caoutchouc le comprenant Download PDF

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WO2015018774A1
WO2015018774A1 PCT/EP2014/066676 EP2014066676W WO2015018774A1 WO 2015018774 A1 WO2015018774 A1 WO 2015018774A1 EP 2014066676 W EP2014066676 W EP 2014066676W WO 2015018774 A1 WO2015018774 A1 WO 2015018774A1
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chain
diene elastomer
modified diene
elastomer
functionalized
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Application number
PCT/EP2014/066676
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Inventor
Charlotte Dire
Jean-Marc Marechal
Nicolas Seeboth
Original Assignee
Compagnie Generale Des Etablissements Michelin
Michelin Recherche Et Technique S.A.
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Definitions

  • a coupled diene elastomer having a silanol function in the middle of the chain and functionalized amine at the end of the chain and a rubber composition comprising the same
  • the invention relates to a modified diene elastomer comprising predominantly diene elastomer functionalized at the end of the chain by an amine function and coupled in the middle of the chain by a silanol group.
  • the invention also relates to a method for preparing such a modified diene elastomer, a composition comprising it, and a semi-finished article and a tire comprising said composition.
  • the reduction of the hysteresis of the mixtures is a permanent objective which must, however, be done while preserving the processability, in particular raw, of the mixtures.
  • patents FR 2 95 1 178 B 1, FR 2 9 15 202 B 1 and EP 778 31 1 B 1 which describe the use of diene polymers functionalized with a silanol group at the chain end or in the medium of chain for decreasing the hysteresis of reinforced rubber compositions based in particular on reinforcing inorganic filler.
  • patent FR 2 915 202 B1 in particular, it is mentioned that the functionalization in the middle of the chain makes it possible to improve the implementation in raw compared to a functionalization at the end of the chain.
  • patent application WO2009077837A1 describes elastomers functionalized with a silanol group at one end of the chain and with an amino group at the other end of the chain.
  • elastomers are also described as being capable of being associated with star-shaped elastomers, in particular with silicon or tin.
  • compositions described in the prior art do not always have a satisfactory hysteresis, an acceptable implementation and satisfactory mechanical properties for use in tread.
  • the object of the present invention is therefore to provide such a composition.
  • an objective is to propose a functionalized elastomer satisfactorily interacting with the reinforcing filler of a rubber composition containing it in order to to reduce the hysteresis, while maintaining an acceptable raw construction and a satisfactory rigidity, in particular with a view to use in tread for tires.
  • the compromise hysteresis / rigidity of such compositions is improved compared to that of compositions containing elastomers having no amine function at the chain end, especially with respect to compositions containing diene elastomers modified with coupling by means of an agent carrying at least one silanol function, but not having an amino function at the chain end.
  • the uncured implementation of such compositions is similar to that of compositions containing unfunctionalized elastomers and remains acceptable.
  • the object of the invention is therefore a modified diene elastomer comprising predominantly the species functionalized in the middle of the chain by a silano group whose silicon atom binds the two pieces of the chain, the chain ends of the diene elastomer.
  • modi fi ed being functionalized at least 70% by mole with respect to the number of end-of-chain units, by an amine function.
  • the subject of the invention is also a process for the synthesis of 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.
  • Figures 1 and 2 show the dynamic properties and Mooney viscosity of compositions comprising different diene elastomers.
  • 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 of values from a to b (ie including the strict limits a and b).
  • functionalization of the chain ends at least 70% by means of an amine function is meant a mechanical end-chain functionalization rate of at least 70% relative to the number of end moes. of chain.
  • at least 70 mol% of the synthesized living chains carry at the non-reactive end of the chain an amine function resulting from the polymerization initiator.
  • At least 70 mol% of the chain ends of the modified diene elastomer obj and of the invention are functionalized by an amine function, and in particular at least 70 mol% of the chain ends of the species functionalized in the middle of the chain by a silano group, whose silicon atom binds the two pieces of the chain, are functionalized by an amine function.
  • the term "coupled species” or "elastomer coupled” by an agent carrying a silanol function l the elastomeric species having the functional group within its elastomeric chain, the silicon atom of this group linking the two pieces of the chain of the diene elastomer. It is said that the elastomer is coupled or functionalized in the middle of the chain, as opposed to the "end of chain” position and although the group is not precisely in the middle of the elastomeric chain.
  • the modified diene elastomer according to the invention may also contain the other species functionalized or not by the silanol group.
  • the functional group When the functional group is at the end of a chain, it will be said that the species is functionalized at the end or end of the chain.
  • the silicon atom of this group is directly linked to the chain of the diene elastomer.
  • the functional group When the functional group is central to which n chains or elastomer branches (n> 2) are linked forming a star structure of the elastomer, it will be said that the species is starred.
  • the silicon atom of this group links the n branches of the modified diene elastomer to one another.
  • a majority elastomer is the elastomer representing the largest weight fraction based on the total weight of the elastomers in the composition.
  • a so-called majority charge is that representing the largest weight fraction relative to the total weight of all the charges of the composition.
  • a functional species of a mdified majority diene elastomer is that representing the largest weight fraction among the functionalized species constituting the diene elastomer, relative to the total weight of the modified diene elastomer. In a system comprising a single compound of a certain type, it is the majority within the meaning of the present invention.
  • composition-based is meant a composition comprising the mixture and / or the reaction product of the various constituents used, some of these basic constituents being capable of or intended to react with one another, less in part, during the various phases of manufacture of the composition, in particular during its crosslinking or vulcanization.
  • the object of the invention is a modified diene elastomer comprising predominantly the species coupled by an agent carrying a silanol function, the silicon atom bonding the two pieces of the chain, and both ends of which of chain are functionalized at least 70% by an amine function.
  • diene elastomer it is to be understood in a known way (one means one or more elastomers) derived at least in part (ie, a homopolymer or a copolymer) from monomers dienes (monomers bearing two carbon-carbon double bonds, conjugated or not). More particularly, diene elastomer is any homopolymer obtained by polymerization of a conjugated diene monomer having 4 to 12 carbon atoms, or any copolymer obtained by copolymerization of one or more conjugated dienes with one another or with one or more vinylaromatic compounds. having from 8 to 20 carbon atoms. In the case of copolymers, these contain from 20% to 99% by weight of diene units, and from 1 to 80% by weight of vinylaromatic units.
  • 1,3-butadiene, 2-methyl-1,3-butadiene, 2,3-di (C 1 to C 5 ) -alkyl-1 are especially suitable.
  • 3-butadiene such as, for example, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 2,3-diethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-ethyl-1,3-butadiene, methyl-3-isopropyl-1,3-butadiene, phenyl-1,3-butadiene, 1,3-pentadiene and 2,4-hexadiene, etc.
  • vinylaromatic compounds examples include styrene, ortho-, meta, para-methylstyrene, the commercial "vinyltoluene" mixture, para-tert-butylstyrene, methoxystyrenes, vinylmesitylene, divinylbenzene and vinylnaphthalene, and the like.
  • the diene elastomer of the composition in accordance with the invention is preferably chosen from the group of highly unsaturated diene elastomers consisting of polybutadienes (BR), synthetic polyisoprenes (IR) and butadiene copolymers, in particular butadiene copolymers. and a vinyl aromatic monomer, isoprene copolymers and mixtures of these elastomers.
  • BR polybutadienes
  • IR synthetic polyisoprenes
  • butadiene copolymers in particular butadiene copolymers.
  • vinyl aromatic monomer isoprene copolymers and mixtures of these elastomers.
  • Such copolymers are more particularly copolymers of butadiene-styrene (SBR), copolymers of isoprene-butadiene (BIR), copolymers of isoprene-styrene (SIR) and copolymers of isoprene-butadiene-styrene (SBIR) .
  • SBR butadiene-styrene copolymers
  • SBR butadiene-styrene copolymers
  • the modified diene elastomer according to the invention comprises at least 50% by weight, more preferably at least 70%, more preferably 80 to 100% by weight, relative to the modified diene elastomer, species functionalized in the middle of the chain by the silanol group, and functionalized at least 70 mol% at the end of the chain, relative to the number of moles of end of chain, by an amine function.
  • the diene species functionalised in the middle of the chain by the silanol group is functionalized at 100% end of chain by an amine function.
  • the modified diene elastomer according to the invention comprises an overall Si function rate T, which is the ratio N s / N p , in which N s represents the number of moles of silicon bound to the coupled polymer. determined by 1H NMR nuclear magnetic resonance and expressed in mmol / kg, N p represents the number of mmol of polymer before coupling per kilogram of polymer, ranging from 0.36 to 0.60, a silanol (SiOH) function level in chain medium T 1, which is the ratio corresponding to the number of SiOH functions on the number of Si (Si) mo, determined by 2D 1 H- 29 Si NMR nuclear magnetic resonance ranging from 80 to 100% and a monomodal distribution of molecular masses by number of coupled polymer chains.
  • T is the ratio N s / N p , in which N s represents the number of moles of silicon bound to the coupled polymer. determined by 1H NMR nuclear magnetic resonance and expressed in mmol / kg, N p represents the number of mmol of poly
  • the number N p is obtained by the ratio of 10 6 of mo lecular weight Mn determined by chromatography size exclusion (SEC).
  • elastomer or monomodal polymer means, in relation to the distribution of the molecular weight, a distribution of molecular masses in number determined by the SEC technique corresponding to a single peak during the decomposition of the SEC chromatogram.
  • the modified diene elastomer has a number average molecular weight Mn determined by the SEC technique of between 100,000 g / mol and 350,000 g / mol.
  • the modified diene elastomer according to the invention may be prepared by a process including the modification of the elastomer by reacting a living diene elastomer with a suitable functionalizing agent, that is to say any molecule at least difunctional for coupling, the function being any type of chemical group known to those skilled in the art to react with a living end of chain. Such a method is also the object of the invention.
  • the modified diene elastomer is obtained by implementing the following steps:
  • the modified diene elastomer comprising predominantly the species functionalized in the middle of the chain by a silanol group; whose silicon atom links the two pieces of the chain.
  • Amino-functional polymerization initiators result in living chains having an amino group at the non-reactive end of the chain.
  • lithium amides products of the reaction of an organolithium compound, preferably alkyl lithium, and of an acyclic or cyclic, preferably cyclic, secondary amine.
  • a secondary amine used to prepare the initiators mention may be made of dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, di-n-butylamine, di-sec-butylamine, dipentylamine, dihexylamine, di-n-octylamine, di- (2-ethylhexyl) amine, di-cyclohexylamine, N-methylbenzylamine, diallylamine, morpholine, piperazine, 2,6-dimethylmorpholine, 2,6-dimethylpiperazine, 1-ethylpiperazine, 2-methylpiperazine, 1-benzylpiperazine, piperidine, 3,3-dimethylpiperidine, 2,6-dimethylpiperidine, 1-methyl-4-
  • the secondary amine when cyclic, is preferably selected from pyrrolidine and hexamethyleneamine.
  • the alkyl lithium compound is preferably ethyllithium, n-butyllithium (n-BuLi), isobutyl lithium, and the like.
  • the amine-functional polymerization initiator is soluble in a hydrocarbon solvent without the use of a salting agent.
  • the amine functional polymerization initiator is a reaction product of an alkyl lithium compound and a secondary amine.
  • the reaction product may comprise residual alkyl lithium.
  • the polymerization initiator may be a mixture of lithium amide and residual alkyl lithium. This residual alkyl lithium leads to the formation of living chains that do not carry an amino group at the chain end.
  • the polymerization initiator does not contain more than 30% alkyl lithium compound. Beyond this value, the desired technical effects, including the improvement of the compromise of hysteretic properties and rigidity, are not satisfactory.
  • the polymerization initiator does not contain an alkyl lithium compound.
  • 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 an aromatic hydrocarbon 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 an aromatic hydrocarbon such as benzene, toluene, xylene.
  • the first step is carried out in the presence of a chelating polar agent having on at least two atoms at least one nonbinding doublet.
  • the chelating polar agent having on at least two atoms at least one non - binder doublet is used in the first step of the process according to the invention when it is desired to obtain the modified diene elastomer having an overall Si function rate T which is the ratio N s / N p , in which N s is the number of silicon moons bound to the coupled polymer determined by 1 H NMR and expressed in mmol / kg, N p is the number of mmol of po the polymer before coupling per kilogram of polymer, ranging from 0.36 to 0.60, a silanol functional level (SiOH) in the middle of the chain T 1, which is the ratio corresponding to the number of moons of SiOH functions over the number of Si (Si) mo, determined by 2D 1 H "29 Si NMR nuclear magnetic resonance ranging from 80 to 100% and a monomodal distribution of the molecular weight in number of the coupled polymer chains.
  • the Applicants have in fact surprisingly discovered that the presence of a particular polar agent during the polymerization step has an influence on the selectivity of the coupling reaction between the living polymer chains and the polymer chain coupling agent.
  • a non-chelating polar agent we observe the formation of various species including three-pointed stars while, when using a polar chelating agent, it is found on the one hand that the T-rate is high, that is, from 0.36 to 0.60, demonstrating that the majority of Si-containing polymer chains are coupled, knowing that the optimum of the coupling reaction is having two polymer chains.
  • the chelating polar agent is preferably brought into contact with the diene monomer (s) and the solvent, when the polymerization is carried out in solution, before addition of the polymerization initiator.
  • agents comprising at least one tertiary amine function or at least one ether function and preferably tetrahydrofurfuryl ethyl ether or tetramethyl ethylenediamine agents are especially suitable.
  • Polymerization can be carried out continuously or batchwise. 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 can be block, random, sequenced, microsequenced, etc. and be prepared in dispersion or in solution.
  • the microstructure of this elastomer can be determined by the presence or absence of a modifying and / or randomizing agent and the amounts of modifying and / or randomizing agent used.
  • the second step of the process according to the invention consists of the modification of the living diene elastomer, obtained at the end of the anionic polymerization step, under operating conditions which favor the coupling reaction of the diene elastomer by a appropriate functionalization agent.
  • This step leads to the synthesis of a modified diene elastomer comprising mainly the coupled species.
  • the modification reaction of the living diene elastomer, obtained at the end of the first step, can take place at a temperature of between -20 ° C. and 100 ° C., by addition to the living polymer chains or conversely of a non-polymerizable functionalization agent capable of forming a silano group, the silicon atom binding two pieces of the elastomeric chain.
  • the functionalizing agent may be chosen from compounds of formula RS1X 3 in which R represents a primary or secondary alkyl, cycloalkyl or aryl group having from 1 to 20 carbon atoms, and X represents a halogen atom and preferably chlorine or bromine.
  • the molar ratio between the functionalizing agent and the metal of the initiator of the living polymer chains varies from 0.35 to 0.65, preferentially from 0.40 to 0.60 and even more preferably from 0.45 to 0. 55.
  • the solvent used for the coupling reaction of the polymer chains is preferably the same as the hydrocarbon solvent.
  • inert agent optionally used for the polymerization and preferably cyclohexane or any other aliphatic hydrocarbon solvent.
  • the mixing of the living diene polymer and the functionalizing agent can be carried out by any suitable means.
  • the reaction time between the living diene polymer and the coupling agent may be between 10 seconds and 2 hours.
  • the process for synthesizing the modified diene elastomer according to the invention can be carried out 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 in particular have the effect of hydrolyzing all or part of the hydrolyzable halosilane functions of the modified diene elastomer to transform them into silano functions.
  • these steps comprise a specific hydrolysis step dedicated to the hydrolysis of all or part of the hydrohalizable halosilane functional groups of the modified diene elastomer in order to transform them into silanol functions.
  • This total or partial hydrolysis step may be carried out in a manner known in itself by adding water in excess of the halosilane functional groups.
  • the process for preparing the modified diene elastomer according to the invention can then, according to one embodiment, comprise a step of forming star species, generally prior to the modification step.
  • This starring step can be carried out by reaction with a starch agent known per se, for example based on tin or silicon, or with the same agent of the RS1X 3 type with a molar ratio of the agent of starch. functionalization to the polymerization initiator of a value less than or equal to 0.33.
  • the stages of these different variants are combinable in them.
  • Another object of the invention is a reinforced rubber composition based on at least one reinforcing filler and an elastomeric matrix comprising at least one modified diene elastomer as described above. It should be understood that the rubber composition may comprise one or more of these modified diene elastomers according to the invention.
  • the reinforced rubber composition according to the invention may be in the crosslinked state or in the uncrosslinked state, that is to say crosslinkable.
  • the diene elastomer modified according to the invention can be, according to different variants, used alone in the composition or in blending with at least one other conventional diene elastomer, whether star-shaped, coupled, functionalized or not.
  • this other diene elastomer used in the invention is selected from the group of highly unsaturated diene elastomers consisting of polybutadienes (BR) synthetic polyisoprenes (IR), natural rubber (NR), butadiene copolymers, copolymers isoprene and mixtures of these elastomers.
  • Such copolymers are more preferably selected from the group consisting of butadiene-styrene copolymers (SBR), isoprene-butadiene copolymers (BIR), isoprene-styrene copolymers (SIR) and isoprene-copolymers.
  • SBR butadiene-styrene copolymers
  • BIR isoprene-butadiene copolymers
  • SIR isoprene-styrene copolymers
  • SBIR butadiene-styrene
  • the elastomer matrix comprises predominantly the modified diene elastomer according to the invention.
  • the conventional elastomer used in cutting is natural rubber and / or one or more diene polymers such as polybutadienes, polyisoprenes, butadiene-styrene or butadiene-styrene-isoprene copolymers, this elastomer or these elastomers, modified or otherwise can then be present from 1 to 70 parts by weight per 100 parts of modified diene elastomer according to the invention.
  • the elastomer matrix consists solely of the modified diene elastomer according to the invention.
  • the rubber composition of the invention comprises, in addition to at least one elastomeric matrix as described above, at least one reinforcing filler.
  • reinforcing filler known for its ability to reinforce a rubber composition that can be used for manufacturing tire treads, for example carbon black, a reinforcing inorganic filler such as silica with which it is associated with known manner a coupling agent, or a mixture of these two types of load.
  • Suitable carbon blacks are all carbon blacks, used individually or in the form of mixtures, in particular blacks of the HAF, ISAF, SAF type conventionally used in tire treads (so-called pneumatic grade blacks).
  • the reinforcing carbon blacks of the series 100, 200 or 300 such as for example the blacks N 15, N 134, N 234, N 326, N330, N339, N347, N375.
  • the carbon blacks could for example already be incorporated into the isoprene elastomer in the form of a masterbatch (see for example applications WO 97/36724 or WO 99/16600).
  • reinforcing inorganic filler is meant by the present application, by definition, any inorganic or inorganic filler whatever its color and its origin (natural or synthetic), capable of reinforcing on its own, without any other means than an agent intermediate coupling, a rubber composition for the manufacture of tires; such a filler is generally characterized, in known manner, by the presence of hydroxyl groups (-OH) on its surface.
  • a filler 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, in particular silica (SiO 2 ), or aluminous type, in particular alumina (Al 2 O 3 ).
  • 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 m2 / g.
  • 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 Pat. No. 6,610,261 and No. 6,747,087.
  • Reinforcing fillers of another nature, in particular carbon black are also suitable as reinforcing fillers, provided that these reinforcing fillers are covered with a siliceous layer, or comprise on their surface functional sites, especially hydroxyls, requiring the use of a coupling agent to establish the bond between the filler and the elastomer.
  • the physical state in which the reinforcing inorganic filler is present is indifferent whether in the form of powder, microbeads, granules, beads or any other suitable densified form.
  • the term "reinforcing inorganic filler” also refers to mixtures of different reinforcing fillers, in particular highly dispersible siliceous fillers as described above.
  • the content of total reinforcing filler is between 10 and 200 phr, more preferably between 30 and 150 phr, and even more preferably between 70 and 130 phr, the optimum being in a known manner different according to the particular applications concerned.
  • the reinforcing filler is predominantly other than carbon black, that is to say it comprises more than 50% by weight of the total weight of the filler, of one or more fillers other than carbon black, 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).
  • a reinforcing filler comprising predominantly carbon black and optionally silica or other inorganic filler is used.
  • the rubber composition according to the invention further comprises, in a conventional manner, an agent capable of effectively provide this link.
  • an agent capable of effectively provide this link 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.
  • 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 reinforcing inorganic filler. Its rate is easily adjusted by the skilled person according to the rate of this charge; it is typically in the range of 0.5% to 15% by weight relative to the amount of reinforcing inorganic filler other than carbon black.
  • the rubber composition according to 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 known manner, thanks to an improvement of the dispersion of the filler in the rubber matrix and a lowering of the viscosity of the composition, to improve its ability to implement 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 in accordance with the invention may also contain reinforcing organic fillers which may replace all or part of the carbon blacks or other reinforcing inorganic fillers described above.
  • reinforcing organic fillers include 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 composition according to the invention may also comprise all or part of the usual additives usually used in elastomer compositions intended for the manufacture of tires, for example pigments, non-reinforcing fillers, protective agents such as waxes anti-ozone, anti-chemical ozonants, anti-oxidants, anti-fatigue agents, plasticizing 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.
  • additives usually used in elastomer compositions intended for the manufacture of tires for example pigments, non-reinforcing fillers, protective agents such as waxes anti-ozone, anti-chemical ozonants, anti-oxidants, anti-fatigue agents, plasticizing agents,
  • the composition is manufactured in suitable mixers, using two well-known successive preparation phases of the skilled person: a first phase of work or thermomechanical mixing (so-called “non-productive” phase) at high temperature, up to a maximum temperature of between 110 ° C. and 190 ° C., preferably between 130 ° C. and 1 80 ° C, followed by a second phase of mechanical work (so-called “productive” phase) to a lower temperature, typically below 1 10 ° C, for example between 40 ° C and 100 ° C, phase in which the crosslinking system is incorporated.
  • a first phase of work or thermomechanical mixing at high temperature, up to a maximum temperature of between 110 ° C. and 190 ° C., preferably between 130 ° C. and 1 80 ° C
  • a second phase of mechanical work typically to a lower temperature, typically below 1 10 ° C, for example between 40 ° C and 100 ° C, phase in which the crosslinking system is incorporated.
  • the process for preparing a composition according to the invention generally comprises:
  • This process may also comprise, prior to carrying out the steps (i) and (ii) above, the steps of preparing the diene elastomer predominantly coupled with a silano group and bonded to the diene elastomer by the atom of silicon according to the method described above.
  • the invention also relates to a semi-finished article of rubber for a tire, comprising a rubber composition according to the invention, crosslinkable or crosslinked or consisting of such a composition.
  • the final composition thus obtained may 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.
  • a semi-finished product is also the object of the invention. Due to the improvement of the compromise hysteresis / implementation raw / stiffness which characterizes a reinforced rubber composition according to the invention, it will be noted that such a composition can constitute any semi-finished product of the tire and particularly the strip of rolling, in particular decreasing its rolling resistance and improving the resistance to wear.
  • the invention therefore finally relates to a tire comprising a semi-finished article according to the invention, in particular a tread.
  • the conversion rate of the monomers reaches 90%. This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. 530 ml of a solution of methanol at 0.15 mol.L -1 in toluene are then added, the solution is then antioxidized by the addition of 0.8 part per hundred parts of elastomer (pce) of 4.4 '. methyl-bis-2,6-tert-butylphenol and 0.2 parts per hundred parts elastomer (phr) of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the copolymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with steam, and then dried on roll tools at 100 ° C. for 15 minutes.
  • the Mooney viscosity of the polymer is 60.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 192,000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.07.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 59% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -
  • the conversion rate of the monomers reaches 90%. This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. A control sample is then taken from the reactor and then stopped with an excess of methanol relative to lithium.
  • the inherent viscosity (“initial" viscosity), which is measured at 25 ° C. to 0.1 ⁇ l -1 in toluene, is 1.10 dL.g- 1 .268 mL of a solution of dimethyldichlorosilane at 0.degree.
  • the “final” inherent viscosity measured is 1.80 dL.g -1 .
  • the viscosity jump, defined as the ratio of said "final” viscosity to said "initial” viscosity, is here 1.63.
  • the polymer thus coupled is 59.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 188,000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.09.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 60% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -
  • the conversion rate of the monomers reaches 90%. This level is determined by weighing an extract dried at 140 ° C. under the reduced pressure of 200 mmHg. A control sample is then taken from the reactor and then stopped with an excess of methanol relative to lithium. The inherent viscosity ("initial" viscosity), which is measured at 25 ° C. to 0.1 ⁇ l -1 in toluene, is 1.10 dL.g -1 . 268 ml of a solution of methyltrichlorosilane at 0.1 mol.L -1 in methylcyclohexane are added After 20 minutes of reaction at 0 ° C., an excess of water is added to hydrolyze the SiCl functions present on the polymer chains.
  • the solution is then antioxidized by the addition of 0.8 part per hundred parts elastomer (phr) of 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0.2 part per hundred parts of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine elastomer (phr)
  • the copolymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with water vapor, then dried on cylinder at 100 ° C for 15 minutes.
  • the “final” inherent viscosity measured is 1.80 dL.g -1 .
  • the viscosity jump, defined as the ratio of said "final” viscosity to said "initial” viscosity, is here 1.64. the polymer thus coupled is 60.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 190000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.10.
  • the mass percentage of coupled species determined by the high resolution SEC technique, is 82%.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 60% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -
  • a reactor of 90 liters, maintained under a nitrogen pressure of about 2 bars containing 44.7 kg of methylcyclohexane, 1.8 kg of styrene and 4.9 kg of butadiene and 395 ml of a solution of tetrahydrofurfuryl ether at 0.1 mol.l -1 in methylcyclohexane are injected after neutralization of the impurities in the solution to be polymerized by addition.
  • n-butyllithium is added 1.07 L of n-butyllithium at 0.05 mol.L -1 in methylcyclohexane.
  • the polymerization is conducted at 50 ° C.
  • the conversion rate of the monomers reaches 90%. This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. A control sample is then taken from the reactor and then stopped with an excess of methanol relative to lithium. The inherent viscosity ("initial" viscosity), which is measured at 25 ° C. at 0.1 g.dL -1 in toluene, is 1.11 dL.g -1 .
  • the "final” inherent viscosity measured is 1.78 dL.g- 1 .
  • the viscosity jump, defined as the ratio of said "final” viscosity to said "initial” viscosity, is here 1.60.
  • Mooney viscosity the polymer thus coupled is 59.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 187,000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.13.
  • the mass percentage of coupled species determined by the high resolution SEC technique, is 85%.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 60% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -
  • the conversion rate of the monomers reaches 90%. This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. A control sample is then taken from the reactor and then stopped with an excess of methanol relative to lithium.
  • the inherent viscosity (“initial" viscosity), which is measured at 25 ° C. at 0.1 g.dL -1 in toluene, is 1.10 dL.g -1 . 268 mL of a solution of 3-
  • the “final” inherent viscosity measured is 1.77 dL.g -1 .
  • the viscosity leap, defined as the ratio of said "final” viscosity on said “initial” viscosity, here is 1.61.
  • the Mooney viscosity of the polymer thus coupled is 58.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 186,000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.14.
  • the mass percentage of coupled species determined by the high resolution SEC technique, is 86%.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 60% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -
  • the solution is then antioxidized by the addition of 0.8 parts per hundred parts of elastomer (phr) of 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0.2 part per hundred parts of elastomer (p) N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the copolymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with steam, and then dried on roll tools at 100 ° C. for 15 minutes.
  • the "final” inherent viscosity measured is 1.76 dL.g -1 .
  • the viscosity jump, defined as the ratio of said "final” viscosity to said "initial” viscosity, is here 1.60.
  • Mooney viscosity the polymer thus coupled is 59.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 186,000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.15.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 60% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -24 ° C.
  • silanol functional SBR at the end of the control chain
  • a 90-liter reactor maintained under a nitrogen pressure of approximately 2 bars, containing 44.7 kg of methylcyclohexane, 1.8 kg of styrene are injected and 4.9 kg of butadiene and 395 ml of a solution of tetrahydrofurfuryl ether at 0.1 mol.l -1 in methylcyclohexane, after neutralization of the impurities in the solution to be polymerized by the addition of n-butyllithium, are added. mL of n-butyllithium at 0.05 mol.L -1 in methylcyclohexane.
  • the polymerization is conducted at 50 ° C.
  • the conversion rate of the monomers reaches 90%. This level is determined by weighing an extract dried at 140 ° C. under the reduced pressure of 200 mmHg. 134 ml of a solution of hexamethylcyclotrisiloxane at 0.1 mol.l -1 in methylcyclohexane is then added After 30 minutes at 60 ° C., 535 ml of a solution of methanol in toluene at 0.15 mol. L "1 are then added.
  • the solution is then antioxidized by the addition of 0.8 parts per hundred parts of elastomer (phr) of 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0.2 part per hundred parts of elastomer (p) N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine.
  • the copolymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with steam, and then dried on roll tools at 100 ° C. for 15 minutes.
  • the Mooney viscosity of the polymer is 59.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 190000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.05
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 59% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -24 ° C.
  • This level is determined by weighing a dried extract at 140 ° C., under the reduced pressure of 200 mmHg. A control sample is then taken from the reactor and then stopped with an excess of methanol relative to lithium.
  • the inherent viscosity (initial" viscosity), which is measured at 25 ° C. to 0.1 ⁇ l -1 in toluene, is 1.09 dL.g -1 . 268 ml of a solution of methyltrichlorosilane at 0.1 mol.L -1 in methylcyclohexane are added After 20 minutes of reaction at 0 ° C., an excess of water is added to hydrolyze the SiCl functions present on the polymer chains.
  • the solution is then antioxidized by the addition of 0.8 part per hundred parts elastomer (phr) of 4,4'-methylene-bis-2,6-tert-butylphenol and 0.2 part per hundred parts of N- (1,3-dimethylbutyl) -N'-phenyl-p-phenylenediamine elastomer (phr)
  • the copolymer thus treated is separated from its solution by a stripping operation with water vapor, then dried on cylinder at 100 ° C for 15 minutes.
  • the “final” inherent viscosity measured is 1.78 dLg- 1 .
  • the viscosity jump, defined as the ratio of said "final” viscosity to said "initial” viscosity, is here 1.63.
  • the polymer thus coupled is 59.
  • the number-average molar mass, M n , of this copolymer, determined by the SEC technique, is 187,000 g. mol "1 and the polymolecularity index, Ip, is 1.12.
  • the mass percentage of coupled species determined by the high resolution SEC technique, is 84%.
  • the microstructure of this copolymer is determined by the NIR method.
  • the level of 1,2 units is 60% relative to the butadiene units.
  • the mass content of styrene is 25%.
  • the glass transition temperature of this copolymer is -24 ° C. Measurements and tests used
  • Size Exclusion Chromatography Separats 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 SEC allows to apprehend the distribution of the molar masses of a polymer.
  • the equipment used is a chromatographic chain
  • the eluting solvent is either tetrahydrofuran or tetrahydrofuran + 1% vol. of diisopropylamine + 1% vol. of triethylamine, the flow rate of 1 mL.min- 1 , the temperature of the system of 35 ° C. and the analysis time of 30 min.A set of two WATERS columns with the trade name "STYRAGEL HT6E" is used. of the solution of the polymer sample is 100 ⁇
  • the detector is a differential refractometer "WATERS 2410" and the chromatographic data exploitation software is the system "WATERS EMPOWER".
  • 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 units and 50% by mass of trans-type-1-4 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
  • 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 of the set of columns is greater than 22000.
  • 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 of microstructure as follows: 25% by weight of styrene type units, 23% by mass of 1,2 type units and 50% by mass of 1,4-trans type units.
  • Mooney ML ( i + 4) 100 ° C viscosities are measured according to ASTM D-1646.
  • An oscillatory consistometer is used as described in ASTM D-1646.
  • the Mooney plasticity measurement is carried out according to the following principle: the composition in the green state (ie before firing) is molded in a cylindrical chamber heated to 100 ° C. After one minute of preheating, the rotor rotates within the test tube. 2 rpm and the torque useful to maintain this movement after 4 minutes of rotation is measured.
  • the glass transition temperatures (Tg) of the elastomers are determined using a differential scanning calorimeter ("differential scanning calorimeter").
  • NIR Near infrared spectroscopy
  • the microstructure of elastomers is characterized by the technique of near infrared spectroscopy (NIR).
  • NIR near infrared spectroscopy
  • NIR Near-infrared spectroscopy
  • the method being indirect, it uses a multivariate calibration [Vilmin, F .; Dussap, C; Coste, N. Applied Spectroscopy 2006, 60, 619-29] carried out using standard elastomers of composition determined by 13 C NMR.
  • the styrene content and the microstructure are then calculated from the NIR spectrum of a film. elastomer approximately 730 ⁇ thick.
  • 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.
  • the samples are solubilized in carbon disulfide (CS 2 ). 100% of deuterated cyclohexane (C 6 D 12 ) are added for the lock signal.
  • the NMR analyzes are carried out on a BRUKER 500 MHz spectrometer equipped with a BBIz 5 mm broadband probe. For the NMR experiment ! H quantitative, the sequence uses a 30 ° pulse and a repeat time of 2 seconds.
  • 2D NMR 1 H- 29 Si makes it possible to verify the nature of the function by virtue of the chemical displacement values of silicon nuclei and protons in the neighborhood 2 J (via 2 links). It uses a constant value of 2 coupling JIH-29S Î 8 Hz.
  • the chemical shift of the silicon product CH 3 Si (SBR) 2 OH mid-chain is about 8 ppm, that of the SBR form (CH 3 ) 2 SiOH at the end of the chain around 11-12 ppm.
  • the inherent viscosity of the elastomers at 25 ° C. is determined from a solution of elastomer at 0.1 g.dL -1 in toluene according to the following principle:
  • the inherent viscosity is determined by measuring the flow time t of the polymer solution and the flow time t 0 of toluene in a capillary tube.
  • the dynamic properties G * and 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 is recorded (cylindrical test specimen of 2 mm thickness and 79 mm 2 section), subjected to a sinusoidal solicitation in alternating single shear, at a frequency of 10 Hz, under normal temperature conditions (40 ° C) according to ASTM D 1349-99.
  • a strain amplitude sweep of from 0.1% to 50% peak-to-peak (forward cycle) is performed and then 50% to 0.1% peak-to-peak (return cycle).
  • the results exploited are the complex dynamic shear modulus (G *) and the loss factor tan ⁇ .
  • tan ⁇ max the maximum value of tan ⁇ observed, denoted tan ⁇ max.
  • 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.
  • the values of G * measured at 40 ° C. are representative of the stiffness, that is to say of the resistance to deformation: the higher the value of G *, the greater the rigidity of the material, and therefore the strength high wear. Comparative Examples of Rubber Compositions
  • compositions 2 to 8 are non-compliant vis-à-vis the composition recommended by the invention:
  • Rhodia "Zeosil 1 165MP" silica Rhodia "Zeosil 1 165MP" silica.
  • compositions are produced, firstly, by a thermomechanical work, then, in a second finishing time, by mechanical work.
  • the elastomer two-thirds of the silica, is introduced into a "Banbury" type laboratory internal mixer, whose capacity is 400 cm 3 , which is 72% filled and whose initial temperature is 90 ° C. the coupling agent, diphenylguanidine and carbon black.
  • thermomechanical work is performed by means of pallets whose average speed is 50 rpm and whose temperature is 90 ° C.
  • the zinc oxide is introduced, the speed of the pallets being 50 rpm.
  • thermomechanical work is again conducted for two minutes, until a maximum temperature of fall of 1 60 ° C.
  • the mixture thus obtained is recovered, cooled and then, in an external mixer (homo-finisher), the sulfur and sulfenamide are added at 30 ° C., mixing again for a period of 3 to 4 minutes (second time). mechanical work).
  • compositions thus obtained are then calendered, either in the form of plates (thicknesses ranging from 2 to 3 mm) or thin rubber sheets, for the measurement of their physical or mechanical properties, or in the form of directly usable profiles. , after cutting and / or assembly to the desired dimensions, for example as semi-finished products for tires, in particular for treads.
  • the crosslinking is carried out at 150 ° C for 40 min.
  • FIG. 1 shows that the composition 1 containing the functional amino-functional SBR at the chain end and silano functional group in the H-chain medium has a value of tan ⁇ max of 40 ° C. lower than the composition 2 comprising the control polymer A (non-functional) composition 3 comprising the control polymer B (functional amino chain end) and the compositions 4-5 -6-7-8 respectively comprising the control polymers C (functional silanol in the middle of the chain), D ( functional aminoalkoxysilane in the middle of the chain), E (functional epoxy + alkoxysilane in the middle of the chain), F (functional silano l + polyether in the middle of the chain), G (functional silano l at the end of the chain). This reflects an improved hysteresis.
  • composition 1 remains nevertheless quite acceptable especially in view of the composition A which contains a non-functional elastomer usually used in semi-finished formulations for the production of tires.
  • Figure 2 shows that the composition 1 has a compromise tan ⁇ max 40 ° C / G * 10%, 40 ° c offset from the other compositions, and in particular with respect to the composition 4 containing the control polymer C (functional silano l in the middle of the chain). This reflects an improved stiffness / hysteresis compromise for composition 1 containing the modified polymer according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par un groupe silanol dont l'atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne, les extrémités de chaîne de l'élastomère diénique modifié étant fonctionnalisées à au moins 70% molaire par rapport au nombre de moles de bout de chaîne, par une fonction aminé.

Description

Elastomère diénique couplé possédant une fonction silanol en milieu de chaîne et fonctionnalisé aminé en extrémité de chaîne et composition de caoutchouc le comprenant
L 'invention se rapporte à un élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l ' élastomère diénique fonctionnalisé en bout de chaîne par une fonction aminé et couplé en milieu de chaîne par un groupe silano l. L ' invention concerne également un procédé de préparation d'un tel élastomère diénique modifié, une composition le comprenant, ainsi qu'un article semi-fini et un pneumatique comprenant cette composition.
Depuis que les économies de carburant et la nécessité de préserver l ' environnement sont devenues une priorité, il est souhaitable de produire des mélanges possédant de bonnes propriétés mécaniques, en particulier une bonne rigidité 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 composition d' enveloppes de pneumatique, tels que par exemple des sous-couches, des flancs, des bandes de roulement, et afin d' obtenir des pneumatiques possédant une résistance au roulement réduite .
La réduction de l'hystérèse des mélanges est un objectif permanent qui doit toutefois se faire en conservant l'aptitude à la mise en œuvre, en particulier à cru, des mélanges.
Pour atteindre l ' obj ectif de baisse d' hystérèse, de nombreuses so lutions ont déj à 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, ou bien l'utilisation d' amorceurs fonctionnels, le but étant d' obtenir une bonne interaction entre le po lymère ainsi modifié et la charge, qu' il s ' agisse du noir de carbone ou d 'une charge inorganique renforçante.
Dans le cadre des mélanges contenant une charge inorganique renforçante, il a été proposé d'utiliser des copolymères diéniques fonctionnalisés par des groupements silanol.
On peut citer les brevets FR 2 95 1 178 B l , FR 2 9 15 202 B l et EP 778 3 1 1 B l qui décrivent l 'utilisation de po lymères diéniques fonctionnalisés par un groupement silanol en extrémité de chaîne ou en milieu de chaîne pour diminuer l ' hystérèse de compositions de caoutchouc renforcées à base notamment de charge inorganique renforçante. Dans le brevet FR 2 915 202 B l en particulier, il est mentionné que la fonctionnalisation en milieu de chaîne permet d' améliorer la mise en œuvre à cru comparativement à une fonctionnalisation en extrémité de chaîne. Plus récemment, la demande de brevet WO2009077837A 1 décrit des élastomères fonctionnalisés par un groupement silanol à une extrémité de chaîne et par un groupement aminé à l ' autre extrémité de chaîne. Ces élastomères sont également décrits comme pouvant être associés à des élastomères étoilés, en particulier par du silicium ou de l ' étain. Les associations illustrées conduisent toutefois à une composition de caoutchouc renforcée dont le compromis mise en œuvre / hystérèse n' est pas satisfaisant pour une application en pneumatique.
Il s ' avère en effet que les compositions décrites dans l ' art antérieur ne présentent pas toujours une hystérèse satisfaisante, une mise en œuvre acceptable et des propriétés mécaniques satisfaisantes pour une utilisation en bande de roulement.
C'est la raison pour laquelle des recherches ont été menées sur d' autres réactions de fonctionnalisation, en vue de l' obtention de compositions de caoutchouc possédant un compromis mise en œuvre à cru / hystérèse / rigidité amélioré .
Le but de la présente invention est donc de proposer une telle composition. Notamment, un obj ectif est de proposer un élastomère fonctionnalisé interagissant de manière satisfaisante avec la charge renforçante d'une composition de caoutchouc le contenant afin d ' en diminuer l ' hystérèse, tout en conservant une mise en œuvre à cru acceptable et une rigidité satisfaisante, en vue notamment d'une utilisation en bande de roulement pour pneumatique.
Ce but est atteint en ce que les inventeurs viennent de découvrir de manière surprenante au cours de leurs recherches qu'un élastomère diénique modifié par couplage au moyen d'un agent porteur d' au moins une fonction silano l, et dont les deux extrémités de chaîne sont fonctionnalisées à au moins 70% par une fonction aminé, confère aux compositions le contenant une amélioration remarquable et inattendue du compromis hystérèse / rigidité / mise en œuvre à cru.
En effet, d'une part le compromis hystérèse / rigidité de telles compositions est amélioré par rapport à celui des compositions contenant des élastomères ne possédant pas de fonction aminé en extrémité de chaîne, notamment par rapport à celui de compositions contenant des élastomères diéniques modifiés par couplage au moyen d'un agent porteur d' au moins une fonction silano l, mais ne possédant pas de fonction aminé en extrémité de chaîne. D ' autre part, la mise en œuvre à cru de telles compositions est similaire à celle de compositions contenant des élastomères non fonctionnalisés et reste acceptable.
L 'invention a donc pour obj et un élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par un groupe silano l dont l ' atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne, les extrémités de chaîne de l ' élastomère diénique mo difié étant fonctionnalisées à au moins 70% mo laire par rapport au nombre de mo les de bout de chaîne, par une fonction aminé.
L 'invention a également pour objet un procédé de synthèse dudit élastomère diénique modifié.
Un autre obj et 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 mo difié. Les Figures 1 et 2 montrent les propriétés dynamiques et la viscosité Mooney de compositions comprenant différents élastomères diéniques.
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) .
Par fonctionnalisation des extrémités de chaîne à au moins 70% mo laire par une fonction aminé, on entend selon l'invention, un taux mo laire de fonctionnalisation en extrémité de chaîne d'au moins 70% par rapport au nombre de mo les de bout de chaîne . En d'autres termes, après la po lymérisation des monomères, au moins 70% mo laire des chaînes vivantes synthétisées portent à l'extrémité non réactive de la chaîne une fonction aminé issue de l'initiateur de polymérisation.
Cela signifie donc que au moins 70%> molaire des extrémités de chaîne de l ' élastomère diénique modifié obj et de l ' invention sont fonctionnalisées par une fonction aminé, et que en particulier au moins 70% mo laire des extrémités de chaîne de l ' espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par un groupe silano l, dont l'atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne, sont fonctionnalisées par une fonction aminé.
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 fonctionnalisation 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 " espèce couplée" ou " élastomère couplé" par un agent porteur d'une fonction silano l, l'espèce élastomérique possédant le groupement fonctionnel au sein de sa chaîne élastomère, l'atome de silicium de ce groupement liant les deux morceaux de la chaîne de l'élastomère diénique. On dit que l'élastomère est couplé ou encore fonctionnalisé en milieu de chaîne, par opposition à la position " en extrémité de chaîne" et bien que le groupement ne se situe pas précisément au milieu de la chaîne élastomère.
L'élastomère diénique modifié selon l'invention peut également contenir les autres espèces fonctionnalisées ou non par le groupe silano l. Lorsque le groupement fonctionnel se situe en un bout de chaîne, on dira alors que l'espèce est fonctionnalisée en bout ou extrémité de chaîne. L ' atome de silicium de ce groupement est directement lié à la chaîne de l'élastomère diénique. Lorsque le groupement fonctionnel est central auquel n chaînes ou branches élastomères (n>2) sont liées formant une structure en étoile de l'élastomère, on dira alors que l'espèce est étoilée. L ' atome de silicium de ce groupement lie les n branches de l' élastomère diénique modifié entre elles .
Dans la présente demande, par "majoritairement" ou "majoritaire" en liaison avec un composé, on entend que ce composé est majoritaire parmi les composés du même type dans la composition, c ' est-à-dire que c ' est celui qui représente la plus grande fraction pondérale parmi les composés du même type. Ainsi, par exemple, un élastomère majoritaire est l' élastomère représentant la plus grande fraction pondérale par rapport au poids total des élastomères dans la composition. De la même manière, une charge dite majoritaire est celle représentant la plus grande fraction pondérale par rapport au poids total de l' ensemble des charges de la composition. Egalement, une espèce fonctionnelle d 'un élastomère diénique mo difié dite majoritaire est celle représentant la plus grande fraction pondérale parmi les espèces fonctionnalisées constituant l ' élastomère diénique, par rapport au poids total de l ' élastomère diénique modifié. Dans un système comprenant un seul composé d'un certain type, celui-ci est majoritaire au sens de la présente invention.
Par l'expression composition " à base de" , il faut entendre une composition comportant le mélange et/ou le produit de réaction des différents constituants utilisés, certains de ces constituants de base étant susceptibles de, ou destinés à, réagir entre eux, au moins en partie, lors des différentes phases de fabrication de la composition, en particulier au cours de sa réticulation ou vulcanisation.
Comme expliqué précédemment, l ' invention a pour obj et un élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l ' espèce couplée par un agent porteur d'une fonction silano l, l ' atome de silicium liant les deux morceaux de la chaîne, et dont les deux extrémités de chaîne sont fonctionnalisées à au moins 70% mo laire par une fonction aminé.
Par élastomère diénique, doit être compris de manière connue un (on entend un ou plusieurs) élastomère issu au moins en partie (i. e . , un homopolymère ou un copolymère) de monomères diènes (monomères porteurs de deux doubles liaisons carbone-carbone, conjuguées ou non) . Plus particulièrement, par élastomère diénique, on entend tout homopolymère obtenu par polymérisation d'un monomère diène conjugué ayant 4 à 12 atomes de carbone, ou tout copolymère 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 utilisables dans le procédé conforme à l' invention conviennent notamment le butadiène- 1 ,3 , le 2- méthyl- l ,3 -butadiène, les 2,3 di(alcoyle en C i à C5)- 1 ,3 -butadiène tels que par exemple le 2,3 -diméthyl- l ,3 -butadiène, 2, 3 -diéthyl- 1 ,3 - butadiène, 2-méthyl-3 -éthyl- l ,3 -butadiène, le 2-méthyl-3 -isopropyl- 1 ,3 -butadiène, le phényl- 1 ,3 -butadiène, le 1 ,3 -pentadiène et le 2 ,4 hexadiène, etc. A titre de composés vinylaromatiques conviennent notamment le styrène, l'ortho-, méta, para-méthylstyrène, le mélange commercial "vinyltoluène", le para-tertiobutylstyrène, les méthoxystyrènes, le vinylmésitylène, le divinylbenzène et le vinylnaphtalène, etc.
L'élastomère diénique de la composition conforme à l'invention est choisi préférentiellement dans le groupe des élastomères diéniques fortement insaturés constitué par les polybutadiènes (BR), les polyisoprènes (IR) de synthèse, les copolymères de butadiène, en particulier les copolymères de butadiène et d'un monomère vinyl aromatique, les copolymères d'isoprène et les mélanges de ces élastomères. De tels copolymères sont plus particulièrement des copolymères de butadiène-styrène (SBR), des copolymères d'isoprène- butadiène (BIR), des copolymères d'isoprène-styrène (SIR) et des copolymères d'isoprène-butadiène-styrène (SBIR). Parmi ces copolymères, les copolymères de butadiène-styrène (SBR) sont particulièrement préférés.
Selon un mode de réalisation préféré, l'élastomère diénique modifié selon l'invention comprend au moins 50% en poids, plus préférentiellement au moins 70%>, mieux 80 à 100% en poids, par rapport à l'élastomère diénique modifié, d'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par le groupe silanol, et fonctionnalisée à au moins 70% molaire en bout de chaîne, par rapport au nombre de moles de bout de chaîne, par une fonction aminé.
Selon un autre mode de réalisation, combinable au précédent, l'espèce diénique fonctionnalisée en milieu de chaîne par le groupe silanol est fonctionnalisée à 100% en bout de chaîne par une fonction aminé.
Selon un mode de réalisation particulier, l'élastomère diénique modifié selon l'invention comporte un taux de fonction Si global T, qui est le rapport Ns/Np, dans lequel Ns représente le nombre de moles de silicium liées au polymère couplé déterminé par résonance magnétique nucléaire RMN 1H et exprimé en mmol/kg, Np représente le nombre de mmoles de polymère avant couplage par kilogramme de polymère, allant de 0,36 à 0,60, un taux de fonction silanol (SiOH) en milieu de chaîne T l qui est le rapport correspondant au nombre de mo les de fonctions SiOH sur le nombre de mo les de Silicium (Si), déterminé par résonance magnétique nucléaire RMN 2D 1 H-29Si allant de 80 à 100 % et une distribution monomodale des masses mo léculaires en nombre des chaînes de polymère couplées .
Le nombre Np est obtenu par le rapport 106 sur masse mo léculaire en nombre Mn déterminée par chromatographie d' exclusion stérique (SEC) .
Le terme élastomère ou polymère monomodal signifie, en relation avec la distribution des masses mo léculaires, une distribution des masses mo léculaires en nombre déterminée par la technique SEC correspondant à un unique pic lors de la décomposition du chromatogramme SEC .
Selon ce mode de réalisation particulier, l ' élastomère diénique modifié présente une masse mo léculaire moyenne en nombre Mn déterminée par la technique SEC comprise entre 100 000 g/mol et 350 000 g/mo l.
L ' élastomère diénique modifié selon l ' invention peut être préparé selon un procédé incluant la mo dification de l'élastomère par réaction d'un élastomère diénique vivant sur un agent de fonctionnalisation approprié, c'est-à-dire toute mo lécule au moins difonctionnelle en vue de coupler, la fonction étant tout type de groupement chimique connu par l'homme de l'art pour réagir avec un bout de chaîne vivant. Un tel procédé fait également l'obj et de l'invention.
Ainsi, selon l' invention, l'élastomère diénique modifié est obtenu par la mise en œuvre des étapes suivantes :
- polymérisation anionique d'au moins un monomère diène conjugué en présence d'un initiateur de polymérisation possédant une fonction aminé,
modification de l'élastomère diénique vivant porteur d'un site actif obtenu à l'étape précédente par un agent de fonctionnalisation, susceptible de coupler les chaînes élastomères, avec un rapport mo laire de l'agent de fonctionnalisation au métal de l'initiateur de polymérisation d'une valeur allant de 0,35 et 0,65 , pour obtenir, après hydro lyse, l ' élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par un groupe silano l dont l ' atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne.
Les initiateurs de polymérisation à fonction aminé conduisent à des chaînes vivantes ayant un groupement aminé à l'extrémité non réactive de la chaîne.
A titre d' initiateurs de polymérisation à fonction aminé, on peut citer de manière préférée les amidures de lithium, produits de la réaction d'un composé organolithien, de préférence alkyllithien, et d'une aminé secondaire acyclique ou cyclique, de préférence cyclique.
A titre d' amine secondaire utilisable pour préparer les initiateurs, on peut citer la diméthylamine, diéthylamine, dipropylamine, di-n-butylamine, di-sec-butylamine, dipentylamine, dihexylamine, di-n-octylamine, di-(2-ethylhexyl)amine, di- cyclohexylamine, N-méthylbenzylamine, diallylamine, morpholine, piperazine, 2,6-diméthylmorpho line, 2,6-diméthylpiperazine, 1 - éthylpiperazine, 2-méthylpiperazine, 1 -benzylpiperazine, piperidine, 3 ,3 -diméthylpiperidine, 2,6-dimethylpiperidine, l -méthyl-4-
(méthylamino)piperidine, 2 ,2,6,6-tetraméthylpiperidine, pyrrolidine, 2,5 -diméthylpyrro lidine, azetidine, hexaméthylèneimine, heptaméthylèneimine, 5 -benzyloxyindole, 3 -azaspiro [5 ,5 ]undecane, 3 - aza-bicycle[3.2.2]nonane, carbazole, bistriméthylsilylamine, la pyrrolidine et l ' hexaméthylèneamine.
L'amine secondaire, lorsqu'elle est cyclique, est de préférence choisie parmi la pyrro lidine et l 'hexaméthylèneamine.
Le composé alkyllithien est de préférence l'éthyllithium, le n- butyllithium (n-BuLi), l'isobutyllithium, etc.
De préférence, l 'initiateur de po lymérisation à fonction aminé est soluble dans un solvant hydrocarboné sans utilisation d'un agent de so lvatation. L'initiateur de polymérisation à fonction aminé est un produit de réaction d'un composé alkyllithien et d'une aminé secondaire. En fonction du rapport mo laire du composé alkyllithien à l'aminé secondaire, le produit de la réaction peut comporter de l'alkyllithien résiduel. En conséquence, l'initiateur de polymérisation peut être constitué d'un mélange d'amidure de lithium et d'alkyllithien résiduel. Cet alkyllithien résiduel conduit à la formation de chaînes vivantes ne portant pas de groupement aminé en extrémité de chaîne. Selon l'invention, l'initiateur de po lymérisation ne contient pas plus de 30% de composé alkyllithien. Au-delà de cette valeur, les effets techniques recherchés, notamment l'amélioration du compromis de propriétés hystérétiques et de rigidité, ne sont pas satisfaisants . Selon une variante du procédé, l'initiateur de polymérisation ne contient pas de composé alkyllithien.
La po lymérisation est de préférence effectuée en présence d'un so lvant 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.
Selon un mode de réalisation particulier de l 'invention, la première étape est effectuée en présence d 'un agent polaire chélatant possédant sur au moins deux atomes au moins un doublet non liant.
L ' agent polaire chélatant possédant sur au moins deux atomes au moins un doublet non liant est utilisé dans la première étape du procédé selon l' invention lorsque l' on veut obtenir l ' élastomère diénique modifié comportant un taux de fonction Si global T, qui est le rapport Ns/Np, dans lequel Ns représente le nombre de mo les de silicium liées au polymère couplé déterminé par résonance magnétique nucléaire RMN 1H et exprimé en mmo l/kg, Np représente le nombre de mmo les de po lymère avant couplage par kilogramme de polymère, allant de 0,36 à 0,60 , un taux de fonction silano l (SiOH) en milieu de chaîne T l qui est le rapport correspondant au nombre de mo les de fonctions SiOH sur le nombre de mo les de Silicium (Si), déterminé par résonance magnétique nucléaire RMN 2D 1 H"29Si allant de 80 à 100 % et une distribution monomodale des masses mo léculaires en nombre des chaînes de po lymère couplées.
Les demanderesses ont en effet découvert de manière surprenante que la présence d'un agent polaire particulier lors de l ' étape de polymérisation a une influence sur la sélectivité de la réaction de couplage entre les chaînes polymères vivantes et l ' agent de couplage de chaînes polymères . Lorsqu'un agent polaire non chélatant est utilisé, on observe la formation de diverses espèces dont notamment des étoiles à trois branches tandis que, lorsque l ' on utilise un agent polaire chélatant, on constate d'une part que le taux T est élevé, c ' est- à-dire allant de 0,36 à 0,60 , ce qui démontre que la majorité des chaînes polymères comportant un atome de Si sont couplées, sachant que l 'optimum de la réaction de couplage consiste à avoir deux chaînes polymères couplées à un atome de Si, ce qui correspond à un taux de fonction Si de 0,5 , et d' autre part qu'on forme très majoritairement (taux de fonctionnalisation T l > 80 %, c ' est-à-dire allant de 80 à 100 %), des élastomères couplés possédant une fonction silano l en milieu de chaîne en raison d'une sélectivité très élevée dudit agent polaire chélatant et que la distribution des masses mo léculaires en nombre des chaînes de polymère couplées est monomodale.
L ' agent polaire chélatant est de préférence mis en présence du ou des monomère(s) diénique(s) et du solvant, lorsque la polymérisation est effectuée en so lution, avant addition de l 'initiateur de po lymérisation.
A titre d ' agents polaires chélatants utilisables dans le procédé conforme à l ' invention conviennent notamment les agents comprenant au moins une fonction aminé tertiaire ou au moins une fonction éther et préférentiellement des agents de type tétrahydrofurfuryle éthyle éther ou tétraméthyle éthylènediamine.
La po lymérisation peut être effectuée en continu ou en discontinu. On effectue généralement la po lymérisation 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 po lymérisation utilisées . L'élastomère peut être à blocs, statistiques, séquencés, microséquencés, etc .. et être préparé en dispersion ou en so lution. 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 .
La deuxième étape du procédé selon l ' invention consiste en la modification de l ' élastomère diénique vivant, obtenu à l ' issue de l ' étape de po lymérisation anionique, selon des conditions opératoires favorisant la réaction de couplage de l ' élastomère diénique par un agent de fonctionnalisation approprié . Cette étape conduit à la synthèse d'un élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l ' espèce couplée.
La réaction de modification de l'élastomère diénique vivant, obtenu à l ' issue de la première étape, peut se dérouler à une température comprise entre - 20°C et 100°C, par addition sur les chaînes polymères vivantes ou inversement d'un agent de fonctionnalisation non po lymérisable susceptible de former un groupement silano l, l'atome de silicium liant deux morceaux de la chaîne élastomérique.
L ' agent de fonctionnalisation peut être choisi parmi les composés de formule RS1X3 dans laquelle R représente un groupe alcoyle primaire ou secondaire, cycloalcoyle, aryle ayant de 1 à 20 atomes de carbone, et X représente un atome d 'halogène et de préférence le chlore ou le brome.
On peut citer à titre d' exemple le méthyltrichlorosilane.
Le rapport mo laire entre l ' agent de fonctionnalisation et le métal de l ' initiateur des chaînes polymères vivantes varie de 0 ,35 à 0,65 , préférentiellement de 0,40 à 0,60 et encore plus préférentiellement de 0,45 à 0,55.
Le so lvant utilisé pour la réaction de couplage des chaînes polymères, de préférence, est le même que le so lvant hydrocarboné inerte éventuellement utilisé pour la polymérisation, et de préférence le cyclohexane ou tout autre solvant hydrocarboné aliphatique.
Le mélangeage du po lymère diénique vivant et de l ' agent de fonctionnalisation peut être réalisé par tout moyen approprié. Le temps de réaction entre le polymère diénique vivant et l ' agent de couplage peut être compris entre 10 secondes et 2 heures .
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 notamment pour effet d' hydrolyser tout ou partie des fonctions halogénosilane hydrolysables de l'élastomère diénique modifié pour les transformer en fonctions silano l.
Selon d'autres variantes de ce procédé, ces étapes comprennent une étape spécifique d'hydrolyse dédiée à l'hydrolyse de tout ou partie des fonctions halogénosilane hydro lysables de l'élastomère diénique modifié pour les transformer en fonctions silano l. Cette étape d'hydrolyse totale ou partielle peut être mise en œuvre de manière connue en soit par adjonction d' eau en excès par rapport aux fonctions halogénosilane.
Selon d'autres variantes encore de l'invention, on peut également prévoir un étoilage supplémentaire de l'élastomère diénique modifié selon l'invention. Cet étoilage est avantageusement mis en œuvre afin de diminuer le fluage à cru de la matrice élastomère. Le procédé de préparation de l'élastomère diénique modifié selon l' invention peut alors, selon une mise en œuvre, comprendre une étape formation d'espèces étoilées, généralement antérieurement à l'étape de modification. Cette étape d'étoilage peut être réalisée par réaction avec un agent d'étoilage connu en soi par exemple à base d'étain ou de silicium, ou encore avec le même agent de type RS1X3 avec un rapport mo laire de l'agent de fonctionnalisation à l'initiateur de po lymérisation d'une valeur inférieure ou égale 0,33. Les étapes de ces différentes variantes sont combinables en elles.
Un autre obj et de l'invention est une composition de caoutchouc renforcée à base d'au moins une charge renforçante et une matrice élastomère comprenant au moins un élastomère diénique modifié tel que décrit p lus haut. Il doit être entendu que la composition de caoutchouc peut comprendre un ou plusieurs de ces élastomères diéniques modifiés selon l' invention.
La composition de caoutchouc renforcée selon l'invention peut se présenter à l'état réticulé ou à l'état non réticulé, autrement dit réticulable.
L ' élastomère diénique modifié selon l'invention peut être, selon différentes variantes, utilisé seul dans la composition ou en coupage avec au moins un autre élastomère diénique conventionnel, qu'il soit étoilé, couplé, fonctionnalisé ou non. Préférentiellement, cet autre élastomère diénique utilisé dans l 'invention est choisi dans le groupe des élastomères diéniques fortement insaturés constitué par les polybutadiènes (BR) les polyisoprènes (IR) de synthèse, le caoutchouc naturel (NR), les copolymères de butadiène, les copolymères d'isoprène et les mélanges de ces élastomères. De tels copolymères sont plus préférentiellement choisis dans le groupe constitué par les copolymères de butadiène-styrène (SBR), les copolymères d' isoprène- butadiène (BIR), les copolymères d'isoprène-styrène (SIR) et les copolymères d' isoprène-butadiène-styrène (SBIR) . On peut également envisager un coupage avec tout élastomère synthétique autre que diénique, voire avec tout polymère autre qu'élastomère, par exemple un po lymère thermoplastique.
On notera que l ' amélioration des propriétés de la composition selon l' invention sera d' autant plus élevée que la proportion du ou des élastomères différents des élastomères diéniques modifiés de l'invention dans cette composition sera réduite .
Ainsi, de préférence, la matrice élastomère comprend à titre majoritaire l ' élastomère diénique modifié selon l' invention. Lorsque l'élastomère conventionnel utilisé en coupage est du caoutchouc naturel et/ou un ou plusieurs polymères diéniques comme par exemple les polybutadiènes, les polyisoprènes, les copolymères butadiène- styrène ou butadiène-styrène-isoprène, cet élastomère ou ces élastomères, modifiés ou non, peuvent alors être présents de 1 à 70 parties en poids pour 100 parties d'élastomère diénique modifié selon l' invention.
Plus préférentiellement, la matrice élastomère est uniquement constituée de l ' élastomère diénique modifié selon l' invention.
La composition de caoutchouc de l'invention comprend, outre au moins une matrice élastomère telle que décrit ci-dessus, au moins une charge renforçante.
On peut utiliser tout type de charge renforçante connue pour ses capacités à renforcer une composition de caoutchouc utilisable pour la fabrication de bandes de roulement 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.
Comme noirs de carbone conviennent tous les noirs de carbone, utilisés individuellement ou sous forme de mélanges, notamment les noirs du type HAF, ISAF, SAF conventionnellement utilisés dans les bandes de roulement des pneumatiques (noirs dits de grade pneumatique). Parmi ces derniers, on citera plus particulièrement les noirs de carbone renforçants des séries 100 , 200 ou 300 (grades ASTM), comme par exemple les noirs N I 15 , N 134 , N234, N326, N330, N339, N347, N375. Les noirs de carbone pourraient être par exemple déj à incorporés à l'élastomère isoprénique sous la forme d'un masterbatch (voir par exemple demandes WO 97/36724 ou WO 99/ 16600) .
Comme charge inorganique renforçante, doit être entendu dans la présente demande, par définition, toute 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 hydroxyle (-OH) à sa surface.
Comme charges inorganiques renforçantes conviennent notamment des charges minérales du type siliceux, en particulier de la silice (Si02), ou du type alumineuse, en particulier de l'alumine (A1203) . 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 (A1203) ou des (oxyde)hydroxydes d'aluminium, ou encore des oxydes de titane renforçants, par exemple décrits dans US 6 610 26 1 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 inorganique renforçante est indifférent, que ce soit sous forme de poudre, de microperles, de granulés, de billes ou toute autre forme densifiée appropriée. Bien entendu, on entend également par charge inorganique renforçante des mélanges de différentes charges renforçantes, en particulier de charges siliceuses hautement dispersibles telles que décrites précédemment.
De manière préférentielle, le taux de charge renforçante totale (noir de carbone et/ou autre charge renforçante telle que silice) est compris entre 10 et 200 pce, plus préférentiellement entre 30 et 150 pce, et encore plus préférentiellement entre 70 et 130 pce, l'optimum étant de manière connue différent selon les applications particulières visées.
Selon une variante de l'invention, la charge renforçante est majoritairement autre que du noir de carbone, c'est-à-dire qu'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 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) .
Selon une autre variante de l'invention, on utilise une charge renforçante comportant majoritairement du noir de carbone, et optionnellement de la silice ou une autre charge inorganique.
Lorsque la charge renforçante comprend une charge nécessitant l'utilisation d'un agent de couplage pour établir la liaison entre la charge et l'élastomère, la composition de caoutchouc selon l ' invention comprend en outre, de manière classique, un agent susceptible d'assurer efficacement cette liaison. Lorsque la silice est présente dans la composition à titre de charge renforçante, on peut utiliser comme agents de couplage des organosilanes, notamment des alkoxysilanes polysulfurés ou des mercaptosilanes, ou encore des polyorganosiloxanes au moins bifonctionnels.
Dans la composition selon 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 autre que du noir de carbone. La composition de caoutchouc selon l'invention peut 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 de la composition, d'améliorer sa faculté de mise en œuvre à l'état cru, ces agents étant par exemple des silanes hydrolysables tels que des alkylalkoxysilanes, des polyo ls, des polyéthers, des aminés primaires , secondaires ou tertiaires, des polyorganosiloxanes hydroxylés ou hydro lysables.
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 inorganiques renforçantes décrites plus haut. Comme exemples de charges organiques renforçantes, on peut citer les charges organiques de polyvinyle fonctionnalisé telles que décrites dans les demandes WO-A-2006/069792, WO-A-2006/069793 , WO-A- 2008/003434 et WO-A-2008/003435.
La composition de caoutchouc selon l'invention peut 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 charges non renforçantes, des agents de protection tels que cires anti-ozone, anti- ozonants chimiques, anti-oxydants, des agents anti-fatigue, des agents plastifiants, des résines renforçantes ou plastifiantes, des accepteurs (par exemple résine phénolique novolaque) ou des donneurs de méthylène (par exemp le 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 peroxyde et/ou de bismaléimides, des accélérateurs de vulcanisation, des activateurs de vulcanisation.
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 1 80°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 de préparation d'une composition selon l' invention, comprend généralement :
(i) la réalisation, à une température maximale comprise entre 130 °C et 200 °C, d'un premier temps de travail thermo-mécanique des constituants de la composition comprenant l'élastomère diénique modifié selon l' invention et une charge renforçante, à l ' exception d'un système de réticulation, puis
(ii) la réalisation, à une température inférieure à ladite température maximale dudit premier temps, d'un second temps de travail mécanique au cours duquel est incorporé ledit système de réticulation.
Ce procédé peut également comprendre, préalablement à la réalisation des étapes (i) et (ii) précitées, les étapes de la préparation de l'élastomère diénique majoritairement couplé par un groupe silano l et lié à l'élastomère diénique par l'atome de silicium selon le procédé décrit plus haut.
L'invention a également pour obj et un article semi-fini en caoutchouc pour pneumatique, comprenant une composition de caoutchouc selon l' invention, réticulable ou réticulée ou constitué d'une telle composition.
La composition finale ainsi obtenue peut ensuite être calandrée, par exemp le 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. Un tel produit semi-fini fait également l'obj et de l'invention. En raison de l'amélioration du compromis hystérèse / mise en œuvre à cru / rigidité 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 notamment sa résistance au roulement et améliorant la résistance à l'usure.
L'invention a donc enfin pour objet un pneumatique comportant un article semi-fini selon l'invention, en particulier une bande de 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. Exemples
Exemples de préparation d'élastomères modifiés
Préparation du polymère A : SBR non fonctionnel - témoin
Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 535 mL de n-butyllithium à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 40 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. 530 mL d'une solution de méthanol à 0,15 mol.L"1 dans le toluène sont alors ajoutés. La solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité Mooney du polymère est de 60.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 192000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,07.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 59 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de -
24 °C.
Préparation du polymère B : SBR fonctionnel aminé en extrémité de chaîne - témoin
Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 1,07 L d'hexaméthylèneamine lithiée à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 32 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Un échantillon témoin est alors prélevé depuis le réacteur puis stoppé avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente (viscosité "initiale"), laquelle est mesurée à 25 °C à 0,1 g.L"1 dans le toluène, est de 1,10 dL.g"1.268 mL d'une solution de diméthyldichlorosilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. Après 20 minutes de réaction à 50 °C, la solution est antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité inhérente "finale" mesurée est de 1,80 dL.g"1. Le saut de viscosité, défini comme le rapport de ladite viscosité "finale" sur ladite viscosité "initiale", est ici de 1,63. La viscosité Mooney du polymère ainsi couplé est de 59.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 188000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,09.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 60 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de -
24 °C.
Préparation du polymère C : SBR fonctionnel silanol en milieu de chaîne - témoin Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 1,07 L de n-butyllithium à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 30 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Un échantillon témoin est alors prélevé depuis le réacteur puis stoppé avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente (viscosité "initiale"), laquelle est mesurée à 25 °C à 0,1 g.L"1 dans le toluène, est de 1,10 dL.g"1. 268 mL d'une solution de méthyltrichlorosilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. Après 20 minutes de réaction à 0 °C, un excès d'eau est ajouté pour hydrolyser les fonctions SiCl présentes sur les chaînes polymère. La solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l ,3-diméthylbutyl)-N'-phényl-p- phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité inhérente "finale" mesurée est de 1,80 dL.g"1. Le saut de viscosité, défini comme le rapport de ladite viscosité "finale" sur ladite viscosité "initiale", est ici de 1,64. La viscosité Mooney du polymère ainsi couplé est de 60.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 190000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,10.
Le pourcentage massique d'espèces couplées, déterminé par la technique de SEC haute résolution, est de 82 %.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 60 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de -
24 °C. Préparation du polymère D : SBR fonctionnel aminoalcoxysilane en milieu de chaîne - témoin
Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 1,07 L de n-butyllithium à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 30 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Un échantillon témoin est alors prélevé depuis le réacteur puis stoppé avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente (viscosité "initiale"), laquelle est mesurée à 25 °C à 0,1 g.dL"1 dans le toluène, est de 1,11 dL.g"1. 268 mL d'une solution de 3-(N,N- diméthylaminopropyl)triméthoxysilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. Après 20 minutes de réaction à 50 °C, la solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité inhérente "finale" mesurée est de 1,78 dL.g"1. Le saut de viscosité, défini comme le rapport de ladite viscosité "finale" sur ladite viscosité "initiale", est ici de 1,60. La viscosité Mooney du polymère ainsi couplé est de 59.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 187000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,13.
Le pourcentage massique d'espèces couplées, déterminé par la technique de SEC haute résolution, est de 85 %.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 60 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %. La température de transition vitreuse de ce copolymère est de -
24 °C.
Préparation du polymère E : SBR fonctionnel époxyde + alcoxysilane en milieu de chaîne - témoin
Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 1,07 L de n-butyllithium à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 30 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Un échantillon témoin est alors prélevé depuis le réacteur puis stoppé avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente (viscosité "initiale"), laquelle est mesurée à 25 °C à 0,1 g.dL"1 dans le toluène, est de 1,10 dL.g"1. 268 mL d'une solution de 3-
(glycidyloxypropyl)triméthoxysilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. Après 20 minutes de réaction à 50 °C, la solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité inhérente "finale" mesurée est de 1,77 dL.g"1. Le saut de viscosité, défini comme le rapport de ladite viscosité "finale" sur ladite viscosité "initiale", est ici de 1,61. La viscosité Mooney du polymère ainsi couplé est de 58.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 186000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,14.
Le pourcentage massique d'espèces couplées, déterminé par la technique de SEC haute résolution, est de 86 %.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 60 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de -
24 °C.
Préparation du polymère F : SBR fonctionnel silanol + polyéther en milieu de chaîne - témoin
Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 1,07 L de n-butyllithium à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 30 minutes, le taux de conversion des monomères atteint
90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Un échantillon témoin est alors prélevé depuis le réacteur puis stoppé avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente (viscosité "initiale"), laquelle est mesurée à 25 °C à 0,1 g.dL"1 dans le toluène, est de 1,10 dL.g"1. 268 mL d'une solution de poly(oxy-l,2-ethanediyl), a-[3- (dichloromethylsilyl)propyl]-ro-[3-(dichloromethylsilyl)propoxy] à 0,1 mol.L"1 dans le diéthyl éther sont ajoutés. Après 90 minutes de réaction à 50 °C, un excès d'eau est ajouté afin de neutraliser les fonctions SiCl présentes sur les chaînes polymère. La solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité inhérente "finale" mesurée est de 1,76 dL.g"1. Le saut de viscosité, défini comme le rapport de ladite viscosité "finale" sur ladite viscosité "initiale", est ici de 1,60. La viscosité Mooney du polymère ainsi couplé est de 59.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 186000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,15.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 60 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de - 24 °C.
Préparation du polymère G : SBR fonctionnel silanol en extrémité de chaîne - témoin Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 535 mL de n-butyllithium à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C.
Après 40 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. 134 mL d'une solution d'hexaméthylcyclotrisiloxane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont alors ajoutés. Après 30 minutes à 60 °C, 535 mL d'une solution de méthanol dans le toluène à 0,15 mol.L"1 sont alors ajoutés. La solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l,3- diméthylbutyl)-N'-phényl-p-phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité Mooney du polymère est de 59.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 190000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,05
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 59 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de - 24 °C.
Préparation du polymère H : SBR fonctionnel aminé en extrémité de chaîne et fonctionnel silanol en milieu de chaîne selon l'invention
Dans un réacteur de 90 litres, maintenu sous une pression d'azote d'environ 2 bars, contenant 44,7 kg de méthylcyclohexane, sont injectés 1,8 kg de styrène et 4,9 kg de butadiène ainsi que 395 mL d'une solution de tetrahydrofurfuryl ether à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. Après neutralisation des impuretés dans la solution à polymériser par addition de n-butyllithium, sont ajoutés 1,07 L d'hexaméthylèneamine lithiée à 0,05 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane. La polymérisation est conduite à 50 °C. Après 30 minutes, le taux de conversion des monomères atteint 90 %. Ce taux est déterminé par pesée d'un extrait séché à 140 °C, sous la pression réduite de 200 mmHg. Un échantillon témoin est alors prélevé depuis le réacteur puis stoppé avec un excès de méthanol par rapport au lithium. La viscosité inhérente (viscosité "initiale"), laquelle est mesurée à 25 °C à 0,1 g.L"1 dans le toluène, est de 1,09 dL.g"1. 268 mL d'une solution de méthyltrichlorosilane à 0,1 mol.L"1 dans le méthylcyclohexane sont ajoutés. Après 20 minutes de réaction à 0 °C, un excès d'eau est ajouté pour hydrolyser les fonctions SiCl présentes sur les chaînes polymère. La solution est ensuite antioxydée par addition de 0,8 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 N-(l ,3-diméthylbutyl)-N'-phényl-p- phénylènediamine. Le copolymère ainsi traité est séparé de sa solution par une opération de stripping à la vapeur d'eau, puis séché sur outils à cylindre à 100 °C pendant 15 minutes.
La viscosité inhérente "finale" mesurée est de 1,78 dL.g"1. Le saut de viscosité, défini comme le rapport de ladite viscosité "finale" sur ladite viscosité "initiale", est ici de 1,63. La viscosité Mooney du polymère ainsi couplé est de 59.
La masse molaire moyenne en nombre, Mn, de ce copolymère, déterminée par la technique SEC, est de 187000 g. mol"1 et l'indice de polymolécularité, Ip, est de 1,12.
Le pourcentage massique d'espèces couplées, déterminé par la technique de SEC haute résolution, est de 84 %.
La microstructure de ce copolymère est déterminée par la méthode NIR. Le taux de motifs 1,2 est de 60 % par rapport aux unités butadiène. Le taux massique de styrène est de 25 %.
La température de transition vitreuse de ce copolymère est de - 24 °C. Mesures et tests utilisés
Chromato raphie d'exclusion stérique 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 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 0,45 μιη avant injection.
L'appareillage utilisé est une chaîne chromatographique
"WATERS alliance". Le solvant d'élution est soit le tétrahydrofurane, soit le tétrahydrofurane + l%vol. de diisopropylamine + l%vol. de triethylamine, 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. Chromatographie d'exclusion stérique 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.
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 0,45 μιη 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 22000. 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.
Viscosité Mooney
Pour les polymères et les compositions de caoutchouc, les viscosités Mooney ML(i+4)100 °C sont mesurées 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 : la composition à l'état cru (i.e. avant cuisson) est moulée dans une enceinte cylindrique chauffée à 100 °C. Après une minute de préchauffage, le rotor tourne au sein de l'éprouvette à 2 tours/minute et le couple utile pour entretenir ce mouvement après 4 minutes de rotation est mesuré. La plasticité Mooney ML(1+4) est exprimée en "unité Mooney" (UM, avec 1 UM = 0,83 N.m). Calorimétrie différentielle
Les températures de transition vitreuse (Tg) des élastomères sont déterminées à l'aide d'un calorimètre différentiel ("differential scanning calorimeter").
Spectroscopie proche infrarouge (NIR)
La microstructure des élastomères est caractérisée 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 μιη 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. Résonance magnétique nucléaire (RMN)
La RMN !H permet de quantifier les groupements méthyl portés par le silicium (S1CH3) par intégration du signal correspondant, situé autour de δ = 0 ppm. Les échantillons sont solubilisés dans le sulfure de carbone (CS2). 100 de cyclohexane deutéré (C6D12) sont ajoutés pour le signal de lock. Les analyses RMN sont réalisées sur un spectromètre 500 MHz BRUKER équipé d'une sonde "large bande" BBIz 5 mm. Pour l'expérience RMN !H quantitative, la séquence utilise une impulsion 30° et un délai de répétition de 2 secondes.
La RMN 2D 1H-29Si permet de vérifier la nature de la fonction grâce aux valeurs de déplacements chimiques des noyaux silicium et des protons au voisinage 2J (via 2 liaisons). Elle utilise une valeur de constante de couplage 2JIH-29SÎ de 8 Hz. Le déplacement chimique du silicium du produit CH3Si(SBR)2OH en milieu de chaîne est d'environ 8 ppm, celui de la forme SBR(CH3)2SiOH en bout de chaîne autour de 11-12 ppm.
Viscosité inhérente
La viscosité inhérente des élastomères à 25 °C est déterminée 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 t0 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 imgf000035_0001
avec :
C : concentration de la so lution de po lymère dans le toluène en g. dL" 1 ,
t : temps d' écoulement de la so lution de polymère dans le toluène en seconde,
t0 : temps d' écoulement du toluène en seconde,
T| inh : viscosité inhérente exprimée en dL. g" 1 . Propriétés dynamiques
Les propriétés dynamiques G* et tan δ max sont mesurées sur un viscoanalyseur (Metravib VA4000), selon la norme ASTM D 5992- 96. On enregistre la réponse d'un échantillon de composition vulcanisée (éprouvette cylindrique de 2 mm d' épaisseur et de 79 mm2 de section), soumis à une so llicitation sinusoïdale en cisaillement simple alterné, à la fréquence de 10Hz, dans les conditions normales de température (40°C) selon la norme ASTM D 1349-99. On effectue un balayage en amplitude de déformation de 0, 1 % à 50% crête-crête (cycle aller), puis de 50%> à 0, 1 % crête-crête (cycle retour) . Les résultats exploités sont le module complexe de cisaillement dynamique (G*) et le facteur de perte tan δ . Pour le cycle retour, on indique la valeur maximale de tan δ observée, noté tan δ max. 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. Les valeurs de G* mesurées à 40° C sont représentatives de la rigidité, c'est-à-dire de la résistance à la déformation: plus la valeur de G* est élevée plus la rigidité du matériau est importante, et donc la résistance à l'usure élevée. Exemples comparatifs de compositions de caoutchouc
On compare huit compositions reportées dans le Tableau 1 ci- après. Sept d' entre elles (compositions 2 à 8) sont non-conformes vis- à-vis de la composition préconisée par l ' invention :
TABLEAU 1
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000037_0001
( 1 ) Silice "Zeosil 1 165MP" de Rhodia.
(2) Catenex® SBR de Shell.
(3 ) Polylimonène.
(4) " Si69" de Degussa.
(5) N-( 1 ,3 -dimethylbutyl)-N' -phenyl-p-phenylenedi aminé.
(6) Anti-ozone de Repsol.
(7) N-cyclohexyl-2-benzothiazylsulphenamide.
Pour les essais qui suivent, on procède de la manière suivante :
Chacune des compositions est réalisée, dans un premier temps, par un travail thermo-mécanique, puis, dans un second temps de finition, par un travail mécanique.
On introduit dans un mélangeur interne de laboratoire de type « Banbury », dont la capacité est de 400 cm3 , qui est rempli à 72% et dont la température initiale est de 90°C , l ' élastomère, deux tiers de la silice, l ' agent de couplage, la diphénylguanidine et le noir de carbone.
Le travail thermo-mécanique est réalisé au moyen de palettes dont la vitesse moyenne est de 50 tr/min et dont la température est de 90°C .
Après une minute, on introduit le dernier tiers de silice, l ' antioxydant, l ' acide stéarique et la cire anti-ozone, l 'huile MES et la résine, toujours sous travail thermo-mécanique.
Après deux minutes, on introduit l 'oxyde de zinc, la vitesse des palettes étant de 50 tr/min.
Le travail thermo-mécanique est encore conduit pendant deux minutes, jusqu' à une température maximale de tombée de 1 60°C environ. On récupère le mélange ainsi obtenu, on le refroidit puis, dans un mélangeur externe (homo-finisseur), on ajoute le soufre et la sulfénamide à 30°C, en mélangeant encore le tout pendant une durée de 3 à 4 minutes (second temps de travail mécanique) .
5 Les compositions ainsi obtenues sont ensuite calandrées, soit sous forme de plaques (d'une épaisseur allant de 2 à 3 mm) ou fines feuilles de caoutchouc, pour la mesure de leurs propriétés physiques ou mécaniques, soit sous la forme de profilés directement utilisables, après découpage et/ou assemblage aux dimensions souhaitées, par 0 exemple comme produits semi-finis pour pneumatiques, en particulier pour des bandes de roulement.
La réticulation est effectuée à 150°C pendant 40 min.
Les résultats sont présentés dans le Tableau 2 et sur les Figures
TABLEAU 2
Résultats caoutchouterie (tan δ max 40°C, G 1 0% , 40 ' c , ML( 1 +4) 100° C)
Figure imgf000038_0001
La Figure 1 montre que la composition 1 contenant le SBR fonctionnel aminé en extrémité de chaîne et fonctionnel silano l en milieu de chaîne H présente une valeur de tan δ max 40°C inférieure à la composition 2 comprenant le polymère témoin A (non fonctionnel) , à la composition 3 comprenant le po lymère témoin B (fonctionnel aminé en extrémité de chaîne) et aux compositions 4-5 -6-7- 8 comprenant respectivement les po lymères témoin C (fonctionnel silano l en milieu de chaîne), D (fonctionnel aminoalcoxysilane en milieu de chaîne), E (fonctionnel époxyde + alcoxysilane en milieu de chaîne), F (fonctionnel silano l + po lyéther en milieu de chaîne), G (fonctionnel silano l en extrémité de chaîne) . Cela traduit une hystérèse améliorée .
La mise en œuvre de la composition 1 reste néanmoins tout à fait acceptable notamment au vue de la composition A qui contient un élastomère non fonctionnel habituellement utilisé dans les formulations pour semi-finis destinés à la réalisation de pneumatiques.
La Figure 2 montre que la composition 1 présente un compromis tan δ max 40 °C / G* i o%,4o ° c décalé par rapport aux autres compositions, et en particulier par rapport à la composition 4 contenant le po lymère C témoin (fonctionnel silano l en milieu de chaîne). Cela traduit un compromis rigidité / hystérèse amélioré pour la composition 1 contenant le polymère modifié selon l' invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Elastomère diénique modifié comprenant majoritairement l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par un groupe silanol dont l'atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne, les extrémités de chaîne de l'élastomère diénique modifié étant fonctionnalisées à au moins 70% molaire par rapport au nombre de moles de bout de chaîne, par une fonction aminé.
2. Elastomère diénique modifié selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins 70% en poids, par rapport à l'élastomère diénique modifié, de l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par le groupe silanol dont l'atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne, les extrémités de chaîne étant fonctionnalisées à au moins 70% molaire par rapport au nombre de moles de bout de chaîne, par une fonction aminé.
3. Elastomère diénique modifié selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend de 80%> à 100% en poids, par rapport à l'élastomère diénique modifié, de l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par le groupe silanol dont l'atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne, les extrémités de chaîne étant fonctionnalisées à au moins 70% molaire par rapport au nombre de moles de bout de chaîne, par une fonction aminé.
4. Elastomère diénique modifié selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un taux de fonction Si global T, qui est le rapport Ns/Np, dans lequel Ns représente le nombre de moles de silicium liées au polymère couplé déterminé par résonance magnétique nucléaire RMN 1H et exprimé en mmol/kg, Np représente le nombre de mmoles de polymère avant couplage par kilogramme de polymère, allant de 0,36 à 0,60, un taux de fonction silanol (SiOH) en milieu de chaîne Tl qui est le rapport correspondant au nombre de moles de fonctions SiOH sur le nombre de moles de Silicium (Si), déterminé par résonance magnétique nucléaire RMN 2D 1 H"29Si allant de 80 à 100 % et une distribution monomodale des masses mo léculaires en nombre des chaînes de polymère couplées.
5. Elastomère diénique modifié selon l 'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élastomère diénique modifié est un copolymère de butadiène et d'un monomère vinylaromatique, notamment un SBR.
6. Procédé de préparation d'un élastomère diénique modifié tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 5 , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
( 1 ) polymérisation anionique d'au moins un monomère diène conjugué en présence d'un initiateur de polymérisation possédant une fonction aminé,
(2) modification de l'élastomère diénique vivant porteur d'un site actif obtenu à l'étape précédente par un agent de fonctionnalisation, susceptible de coupler les chaînes élastomères, avec un rapport mo laire de l'agent de fonctionnalisation au métal de l'initiateur de polymérisation d'une valeur allant de 0,35 à 0,65 , pour obtenir, après hydro lyse, l ' élastomère diénique modifié comprenant majoritairement l'espèce fonctionnalisée en milieu de chaîne par un groupe silano l dont l ' atome de silicium lie les deux morceaux de la chaîne.
7. Procédé de préparation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la première étape est effectuée en présence d 'un agent polaire chélatant possédant sur au moins deux atomes au moins un doublet non liant.
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l' initiateur de polymérisation à fonction aminé est choisi parmi les amidures de lithium obtenus à partir d'une aminé secondaire, de préférence cyclique et d'un composé organolithien.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8 , caractérisé en ce que l ' agent polaire chélatant est choisi dans le groupe constitué par les agents comprenant au moins une fonction aminé tertiaire ou au moins une fonction éther.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l ' agent polaire chélatant est choisi dans le groupe constitué par le tétrahydrofurfuryl éthyle éther et la tétraméthyle éthylènediamine.
1 1 . Procédé selon l 'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que l ' agent de fonctionnalisation de chaînes polymères répond à la formule RS1X3 dans laquelle R représente un groupe alcoyle primaire ou secondaire, cycloalcoyle, aryle ayant de 1 à 20 atomes de carbone, et X représente un atome d 'halogène et de préférence le chlore ou le brome.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 1 1 , caractérisé en ce que le rapport mo laire entre l ' agent de fonctionnalisation et le métal de l ' initiateur varie de 0,45 à 0,55.
13. Composition de caoutchouc renforcée à base d'au moins une charge renforçante et une matrice élastomère comprenant au moins un élastomère diénique modifié tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 5.
14. Composition de caoutchouc selon la revendication 1 3 , caractérisée en ce que la matrice élastomère comprend à titre majoritaire l' élastomère diénique modifié tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 5.
15 . Composition de caoutchouc selon l'une des revendications 13 à 14, caractérisée en ce que ladite charge renforçante comprend une charge inorganique renforçante de type siliceuse selon une fraction massique supérieure à 50 % et allant jusqu' à 100 % .
16. Article semi-fini en caoutchouc pour pneumatique, caractérisé en ce qu' il comprend une composition de caoutchouc réticulable ou réticulée telle que définie à l'une quelconque des revendications 13 à 15.
17. Pneumatique, caractérisé en ce qu' il comporte un article semi-fini tel que défini dans la revendication 16.
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