WO2017103191A1 - Composition de caoutchouc comportant de la cellulose greffee - Google Patents

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Anne Veyland
Julien Berriot
Laurent Heux
Sonia BOISSEAU
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
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Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Definitions

  • the present invention relates to diene rubber compositions reinforced with an organic filler for the manufacture of tires or semi-finished products for tires, in particular to the treads of these tires.
  • the cellulose in the native state is in the form of very elongated microfibrils of nanometric diameter, often organized into fibers. This cellulose can be found in higher plants, but also in certain algae, certain fungi, bacteria, amoebae and even certain marine animals.
  • micro-fibrils means these extremely long and fine elements consisting of macromolecular cellulose chains aligned in the fiber direction extracted from the native structure.
  • the micro-fibrils are in the form of highly elongated filaments of indefinite length and consisting of an alternation of crystalline zones and amorphous zones.
  • cellulose nanocrystals or “whiskers” is understood to mean anisotropic crystals of finite length and of nanometric diameter obtained by hydrolysis of the amorphous parts of the microfibrils and constituted by fiber-oriented macromolecular cellulose chains.
  • these cellulose particles have an unfortunate tendency in the elastomeric matrix to agglomerate with each other.
  • JP2009191198 discloses a rubber composition comprising cellulose nano fibers obtained by liquid mixing in an aqueous medium of the elastomer and cellulose fibers in the presence of a silane coupling agent to improve the adhesion of the fibers. and elastomer.
  • EP2072574 describes the use of micro fibrils of chemically modified cellulose by a reaction of acetylation, alkyl esterification, complex esterification, keto-esterification, alkyl carbamation or aryl carbamation, as reinforcing filler in a rubber composition.
  • the processes for implementing and modifying cellulose are limited by the polar and hydrophilic nature of its surface, which leads to obtaining strong interactions between the surfaces of the substrate, and with polar and protic solvents.
  • the dry form obtained is aggregated and has a small specific surface area limiting its reinforcing nature.
  • the alternative generally used is to make a premix or masterbatch of the filler and the matrix in suspension, for example using a latex in water.
  • the chemical modification of the cellulose in the aqueous medium is limited because of the low reactivity of the substrate and the highly protic nature of the water. It is then possible to use organic solvents to allow this modification.
  • cellulose has a strong tendency to aggregate more or less irreversibly depending on the polarity of the solvent used. Moreover, these environments pose problems of toxicity and are not respectful of the environment.
  • the Applicant has discovered that the cellulose formed of micro-fibrils or nanocrystals, chemically modified by grafting on said cellulose of coupling agent molecules, can act as reinforcing filler of a rubber composition, that is to say capable on its own, without any other means than an intermediate coupling agent, a diene rubber composition for the manufacture of tires can be reinforced, in other words capable of replacing, in its reinforcing function, a conventional carbon or silica of pneumatic grade., and in particular the cellulose in the form of an airgel or a finely divided cellulose powder.
  • the Applicant has surprisingly discovered that an additional step of freeze-drying in the process for obtaining the grafted cellulose, significantly increases the reinforcing properties of the rubber composition comprising such a cellulose. reinforcing filler.
  • the subject of the invention is the use of cellulose as reinforcing filler of a rubber composition, that is to say capable of reinforcing on its own, without any other means than an intermediate coupling agent, a diene rubber composition. intended for the manufacture of tires, in other words able to replace, in its reinforcing function, a conventional load of carbon black or silica pneumatic grade.
  • the cellulose formed of nanocrystals can act as a reinforcing filler, and in particular cellulose in the form of an airgel or finely divided cellulose powder and aerated form.
  • airgel means a gel-like material in which the liquid component is replaced by gas. It is a solid with very low density with several remarkable properties, including a very large accessible surface with a significant value of the ratio between the surface and the mass.
  • cellulose powder is understood to mean a solid divided into fine particles, these particles being made of cellulose, or even airgel of cellulose, and having a significant value of the ratio between the surface and the mass.
  • the subject of the invention is therefore a rubber composition based on at least one diene elastomer and at least one reinforcing filler comprising cellulose formed of micro-fibrils or nanocrystals, chemically modified by grafting onto said cellulose of diene molecules. coupling agent capable of binding it to the diene elastomer, these molecules comprising at least one function A and one function B such that:
  • A represents a functional group ("A" function) capable of binding chemically to cellulose, and which comprises at least one heteroatom chosen from oxygen, phosphorus, halogens, nitrogen and sulfur,
  • B represents a functional group (function "B") capable of binding physically and / or chemically to the diene elastomer
  • the cellulose before grafting is in the form of a cellulose airgel, the grafted cellulose being obtained according to the following steps:
  • cellulose airgel formation of a cellulose airgel, the cellulose being formed of micro fibrils or nanocrystals
  • the cellulose airgel is obtained by lyophilization of a colloidal dispersion of micro fibrils or of cellulose nanocrystals in terbutanol, the colloidal dispersion being produced in water before being transferred to terbutanol and freeze-drying.
  • grafted airgel is made in terbutanol.
  • A is chosen from acyl chlorides, anhydrides, carboxylic acids, isocyanates, organic or inorganic esters, alkyl chlorides, epoxides and silanes.
  • B carries mono or polysulfide functions.
  • the coupling agent corresponds to formula (III): AXBXA, in which the group X represents a divalent linking group comprising from 1 to 18 carbon atoms, preferably an alkylene group in Cl-Cl 8 or a C 6 -C 12 arylene group, preferably B is Sp where p is a number greater than or equal to 2, preferably 2 to 8 (preferably 2 to 5).
  • the invention also relates to a tire comprising a composition as described above.
  • DS degree of substitution
  • a quantity of cellulose airgel between 1 and 10 g is stored in a beaker of 50 to 500 ml previously weighed on a Mettler AE 163 scale providing a measurement with an accuracy of 4 * 10 ⁇ 4 g.
  • the substrate is dried for at least 6 h at 60 ° C. in a Jouan oven.
  • the dry substrate is weighed on a Mettler AE 163 balance providing a measure with an accuracy of 4 * 10 -4 g (this m ii i).
  • the product is stored in a beaker of 50 to 500 ml previously calibrated on a Mettler AE 163 scale providing a measurement with an accuracy of 4 * 10 "4 g.
  • the product is dried for at least 6 hours at 60 ° C. in a Jouan oven.
  • the dry product was weighed on a Mettler AE 163 providing a measure with an accuracy of 4 * 10 "4 g (m this ii F).
  • the control of the chemical modification can be reinforced by the use of spectroscopic techniques sensitive to the chemical environment, in our case IR and solid NMR.
  • spectroscopic techniques sensitive to the chemical environment in our case IR and solid NMR.
  • the graft is an acyl chloride
  • it is observed by Infra-Red the appearance of a vibration band of the carbonyl function at about 1750 cm -1 distinct from that of the acyl chloride ( reagent, 1800 cm -1 ), and carboxylic acid (hydrolyzed reactant, 1700 cm -1 )
  • solid NMR we mainly focus on the carbon of the carbonyl function appearing at about 175 ppm.
  • This signal is present in the ester (product), but also in the reagent which also has a specific band at 45 ppm, which makes it possible to differentiate them.It is also present in the acid (hydrolyzed reagent) but has been Then identified at about 180 ppm, these techniques make it possible to characterize the presence of the chemical bond of the graft with the cellulose.
  • FTIR Fourier Transform IR
  • the analyzes are carried out on a Brucker Avance 400 MHz spectrometer, by magic angle rotation (MAS) at 12000Hz, accumulating about 2000 acquisitions.
  • MAS magic angle rotation
  • an average distance of 0.57 nm is considered.
  • two anhydro glucose units represent a length of 1.038 nm for six hydroxyl functions, only half of which are considered to be accessible on the surface of the crystalline structure.
  • n a / 0.57
  • DSg can then be converted into bond density by the formula:
  • Bond density 5 * DSg / DS max area
  • the protocol can be followed identically in the case of a cellulose powder.
  • the BET surface area is determined in a known manner by gas adsorption using the Brunauer-Emmett-Teller method described in "The Journal of the American Chemical Society” Vol. 60, page 309, February 1938, more precisely according to the French standard NF ISO 9277 of December 1996 (method multi-point volumetric (5 points) - gas: nitrogen - with a change from the norm by applying degassing for 5 hours at 50 ° C - relative pressure range p / po: 0.05 to 0.17) Traction tests
  • Figure 1 is a schematic representation of a cellulose single crystal.
  • Figure 2 is a schematic representation of the inter and intramolecular hydrogen bonds of the la and ⁇ allomorphs of cellulose.
  • the present invention relates to a rubber composition based on at least one diene elastomer and at least one reinforcing filler comprising cellulose formed of micro fibrils or nanocrystals, chemically modified by grafting on said cellulose of agent molecules. coupling capable of binding it to the diene elastomer, these molecules comprising at least one function A and one function B such that:
  • A represents a functional group ("A" function) capable of binding chemically to cellulose, and which comprises at least one heteroatom chosen from oxygen, phosphorus, halogens, nitrogen and sulfur,
  • B represents a functional group (function "B") capable of binding physically and / or chemically to the diene elastomer
  • said grafted cellulose having been lyophilized after grafting.
  • composition based on 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, each other. less part, during the various phases of manufacture of the composition, in particular during its crosslinking or vulcanization.
  • 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 expression “from a to b” means the range from a to b (i.e., including the strict limits a and b).
  • Cellulose is an organic polymer of formula It is a linear homopolymer composed of numerous D-Anhydroglucopyranose (AGU) units linked together by ⁇ - (1 ⁇ 4) glycosidic linkages. These linear chains are maintained in extended conformation by intramolecular bonds and associate with each other by intermolecular side bonds of the hydrogen bonding type, which gives the cellulose its fibrous and rigid structure.
  • AGU D-Anhydroglucopyranose
  • the cellulose microfibrils are derived from biosynthetic processes and are in the form of objects of nanometric diameter (typically 4 to 1000 nm) and of indefinite length well above one micron. They consist of a succession of zones with long macro-molecular chains aligned in the direction of the fiber (nanocrystals) and short disordered amorphous zones (defects).
  • the preferential acid hydrolysis of the defect zones in aqueous medium of the cellulose with highly concentrated strong acids such as sulfuric, phosphoric or nitric, hydrochloric acid leads to the at least partial individualization of the crystalline zones called nanocrystals.
  • sulfuric acid and other inorganic esters
  • the grafting of sulphate groups on the surface of the nanocrystals makes it possible to obtain stable aqueous colloidal suspensions of individual nanocrystals as described in several publications such as RH Marchessault, FF Morehead and NM Walter, Nature, 1959, 184, p. 632 or J.-F. Revol, H. Bradford, J.
  • the acid hydrolysis can thus be carried out on "linters" of cotton, fine silky fibers which adhere to the seeds of the plant after ginning, thanks to concentrated sulfuric acid, the dispersion obtained being then washed by repeated centrifugations and then dialyzed up.
  • the conductivity is that of pure water, then sonified for a few minutes, and filtered on a membrane of 8 ⁇ and 1 ⁇ , giving rise to a birefringent suspension of individual nanocrystals. The suspension is then neutralized to neutral pH. To obtain micro fibrils, the following steps are carried out.
  • micro-fibrils or micro-fibrillation
  • the individualization of the micro-fibrils can be obtained by known methods of high pressure mechanical homogenization, as described by way of example in the document US4483743, AF Turbak, "Microfibrillated cellulose", 1984, USA , or enzymatic or chemical or a combination of several of these techniques on cellulosic substrates such as paper pulps, agricultural waste, by-products of the food industry or any other cellulosic source terrestrial or marine, of animal, plant or microbial origin. All these methods have in common the obtaining of a suspension of nanoscale microfibrils whose precise characteristics will depend on both the process and the origin.
  • the fiber dispersion is treated in a high pressure homogenizer (such as, for example, high pressure homogenizers marketed by the company APV Manton).
  • the product obtained is a dispersion in water having mass concentrations of the order of 1 to 2%.
  • the drying step is then carried out by any process that preserves the accessibility of the cellulose surfaces and therefore the formation of airgel or powders having a much larger surface area than a simple evaporative drying and a much less dense structure.
  • cryoprotectant additive rapid freezing, atomization (or spray-drying), supercritical CO 2 , fluidized bed drying or freeze-drying can thus be cited in a non-limiting manner.
  • non-crystallizable solvent The suspension can be pre-concentrated by centrifugation, by gravity filtration or under vacuum or by osmotic pressure or by means of an evaporator / concentrator (Rotavapor).
  • the use of alcoholic solvent before the drying step by lyophilization makes it possible to prevent aggregation of the particles and therefore the formation of open aerogels allowing a greater specific surface area to be obtained.
  • the solvent of the colloidal suspension formed by the cellulose nanocrystals can be modified to contain tertbutanol alcohol. After freezing in liquid nitrogen and lyophilization it is then possible to obtain a cellulose airgel formed of non-aggregated or weakly aggregated nanocrystals.
  • An airgel of cellulose is thus obtained whose BET surface area is greater than or equal to 10 m 2 / g, and preferably greater than or equal to 50 m 2 / g.
  • the airgel obtained or the cellulose powder is then subjected to modification by a graft (the reaction pattern of which follows) carried out in a heterogeneous phase at the surface of the particles and in particular in the gas phase in order to graft a coupling agent onto the nanocrystals. or micro fibrils of cellulose.
  • a graft the reaction pattern of which follows
  • the previously obtained airgel or the powder undergoes a substitution reaction which is preferably carried out in the heterogeneous phase, in particular in the gas phase.
  • the reactions for forming the covalent bond are those conventionally described in the field of cellulose chemistry and can be without exhaustive being carried out by esterification from acid derivatives chosen especially from acyl chloride, anhydrides, acids and the like.
  • carboxylic by carbamylation with isocyanates, by acetalization with aldehydes or by etherification from alkyl chlorides or epoxide. They can be easily performed on a native substrate of cellulose or an oxidized substrate or selectively C6 (TEMPO oxidation, N0 2) by oxidative cleavage of the glycol bonding C2-C3 (periodate oxidation).
  • the modification can be carried out by ester formation with the aid of organic or inorganic alcohol or esters, or else alkylating agents, by formation of acyl chloride by SOCl 2 , or anhydrides with a carboxylic acid, and or amidation with amines (carboxylic acid) or imines (aldehydes).
  • the reaction is carried out by placing in a reactor, the airgel or the powder, formed of nanocrystals or cellulose microfibrils and of the reagent at a temperature and a pressure that are stable so as to vaporize the reagent, and by introducing a controlled flow of nitrogen through the reactor inlet; the reaction products (leaving groups and / or reagent residues) being discharged through the outlet connected to a vacuum pump.
  • the reagent can also be vaporized separately and introduced into the reactor chamber.
  • heterogeneous phase grafting are possible, in particular in the case of a cellulose powder, grafting in a fluidized bed by a stream of vaporized reagent.
  • the degree of grafting of the cellulose is preferably greater than 0.1 bonds per nm 2 measured by gravimetry and relative to the BET surface, it varies more preferably from 1 to 20 bonds per nm 2 and even more preferably from 3 to 12 bonds per nm 2 .
  • this method comprises a further step which consists of freeze-drying the grafted aerogel which has just been obtained, which conventionally has been purified and dried.
  • This additional step therefore consists of redispersing in tert-butanol at a level of 5 or 1.5 by weight, the homogenization is done by ultraturrax (15 min) then sonification (2 min or 8 * 15 s). The cellulose thus dispersed is freeze-dried: the lyophilization is carried out until the mass of freeze-dried substrate is stabilized.
  • the coupling agent is in the form of molecules comprising at least one function A and one function B such that:
  • A represents a functional group ("A" function) capable of binding chemically to cellulose, and which comprises at least one heteroatom chosen from oxygen, phosphorus, halogens, nitrogen and sulfur,
  • B represents a functional group (function "B") capable of binding physically and / or chemically to the diene elastomer
  • A is preferably chosen from acyl chlorides, anhydrides, carboxylic acids, isocyanates, alkyl chlorides, organic or inorganic esters, aldehydes, epoxides or amines, primary or secondary.
  • B carries mono- or polysulfide functions.
  • the coupling agent may correspond to formula (I): AXB (I), in which X represents a divalent linking group comprising from 1 to 18 carbon atoms, and preferably a C 1 -C 18 alkylene group or a group arylene C 6 -C 12 , more particularly a C 1 -C 10 alkylene group, especially C 1 -C 4 .
  • the coupling agent corresponds to formula (II):
  • X is a trivalent group, such as tri-substituted cycloalkyl, especially tri-substituted cyclohexane.
  • B is in the form of a blocked mercapto function of formula:
  • R represents hydrogen or a monovalent hydrocarbon group chosen from alkyls, linear or branched, cycloalkyls or aryls, having from 1 to 18 carbon atoms,
  • n is a number greater than or equal to 1; m preferably ranges from 1 to 8, even more preferably m is equal to 1 (preferably from 2 to 5).
  • B is in the form of a polysulfurized function of formula: ## STR2 ## in which:
  • R represents a monovalent hydrocarbon group chosen from alkyls, linear or branched, cycloalkyls or aryls, having from 1 to 30 carbon atoms, r is a number greater than or equal to 2, preferably from 2 to 8 (preferably from 2 to 5).
  • the coupling agent corresponds to formula (III):
  • the group X represents a divalent linking group comprising from 1 to 18 carbon atoms, preferably a C 1 -C 18 alkylene group or an arylene group in
  • B represents S p where p is a number greater than or equal to 2, preferably from 2 to 8 (preferably from 2 to 5).
  • composition in accordance with the invention comprises at least one reinforcing filler comprising a cellulose grafted with coupling agent molecules as described in the preceding paragraphs.
  • this grafted cellulose represents the majority reinforcing filler.
  • Preferably it is in the form of an airgel or a chemically modified cellulose powder as described above.
  • the reinforcing filler may also comprise other fillers, in particular with an organic filler and / or an inorganic filler.
  • organic filler especially carbon blacks, especially reinforcing carbon blacks of the series 100, 200 or 300 (ASTM grades), such as blacks NI 15, N134, N234, N326, N330, N339, N347 , N375, or, depending on the intended applications, blacks of higher series (for example N400, N660, N683, N772).
  • ASTM grades such as blacks NI 15, N134, N234, N326, N330, N339, N347 , N375, or, depending on the intended applications, blacks of higher series (for example N400, N660, N683, N772).
  • Such a filler is generally characterized by the presence of functional groups, in particular hydroxyl (-OH), at its surface, thereby requiring the use of an agent or coupling system intended to ensure a stable chemical bond between the isoprene elastomer and said charge.
  • the reinforcing inorganic filler is a filler of the siliceous or aluminous type, or a mixture of these two types of filler.
  • the silica (SiO 2 ) 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 area both less than 450 m 2 / g, preferably 30 to 400 m 2 / g.
  • the total reinforcing filler content will be chosen between 10 and 200 phr, more preferably between 10 and 150 phr, more preferably between 20 and 110 phr.
  • composition according to the invention comprises at least one diene elastomer.
  • iene elastomer or indistinctly rubber, whether natural or synthetic, must be understood in known manner an elastomer consisting at least in part (ie, a homopolymer or a copolymer) of monomeric diene units (monomers carrying two carbon-carbon double bonds, conjugated or not).
  • diene elastomers can be classified into two categories: “essentially unsaturated” or “essentially saturated”.
  • the term “essentially unsaturated” is generally understood to mean a diene elastomer derived at least in part from conjugated diene monomers having a level of units or units of diene origin (conjugated dienes) which is greater than 15% (mol%);
  • diene elastomers such as butyl rubbers or copolymers of dienes and alpha-olefins of the EPDM type do not fall within the above definition and may in particular be described as "substantially saturated” diene elastomers ( units of diene origin low or very low, always less than 15% (%> molar)
  • the term “highly unsaturated” diene elastomer is understood to mean a diene elastomer having a diene origin units (conjugated dienes) which is greater than 50%
  • elastomers obtained from ethylene, propylene with a non-conjugated diene monomer of the aforementioned type such as in particular 1,4-hexadiene, ethylidene norbornene, dicyclopentadiene;
  • diene elastomer any type of diene elastomer
  • the person skilled in the tire art will understand that the present invention is preferably implemented with essentially unsaturated diene elastomers, in particular of the type (a) or (b). ) above.
  • conjugated dienes 1,3-butadiene, 2-methyl-1,3-butadiene, 2,3-di (C 1 -C 5) alkyl-1,3-butadienes, such as for example 2 3-dimethyl-1,3-butadiene, 2,3-diethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-ethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-isopropyl-1, 3-butadiene, aryl-1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, 2,4-hexadiene.
  • alkyl-1,3-butadienes such as for example 2 3-dimethyl-1,3-butadiene, 2,3-diethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-ethyl-1,3-butadiene, 2-methyl-3-isopropyl-1, 3-butadiene, aryl-1,3-butadiene, 1,3-pentadiene, 2,4-hexa
  • Suitable vinylaromatic compounds are, for example, styrene, ortho-, meta-, para-methylstyrene, the "vinyl-toluene" commercial mixture, para-tert-butylstyrene, methoxystyrenes, chlorostyrenes, vinylmesitylene, divinylbenzene, vinylnaphthalene.
  • the copolymers may contain between 99% and 20% by weight of diene units and between 80% and 80% by weight of vinylaromatic units.
  • the elastomers may have any microstructure which is a function of the polymerization conditions used, in particular the presence or absence of a modifying and / or randomizing agent and the amounts of modifying and / or randomizing agent used.
  • the elastomers can be for example block, statistical, sequenced, microsequenced, and be prepared in dispersion or in solution; they may be coupled and / or starred or functionalized with a coupling agent and / or starring or functionalization.
  • silanol or polysiloxane functional groups having a silanol end as described, for example, in FR2740778 or US6013718, and WO2008 / 141702
  • alkoxysilane groups such as described for example in FR2765882 or US59772308
  • carboxylic groups as described for example in WO01 / 92402 or US6815473, WO2004 / 096865 or US2006 / 0089445) or even polyether groups (as described for example in EPI 127909 or US6503973, WO2009 / 000750 and WO2009 / 000752).
  • Functional elastomers that may be mentioned are those prepared by the use of a functional initiator, especially those bearing an amine or tin function (see, for example, WO2010 / 072761).
  • elastomers such as SBR, BR, NR or IR
  • elastomers such as SBR, BR, NR or IR
  • Tg glass transition temperature
  • styrene content of between 5% and 60% by weight and more particularly between 20% and 50%, a content (mol%) in 1,2-bonds of the butadiene part of between 4% and 75%; %>, a content (%> molar) in trans-1,4 bonds of between 10%> and 80%>, butadiene-isoprene copolymers and in particular those having an isoprene content of between 5%> and 90%> by weight and a Tg of -40 ° C to -80 ° C, the isoprene-styrene copolymers and in particular those having a styrene content of between 5% and 50% by weight and a Tg between - 5 C and - 50 ° C.
  • butadiene-styrene-isoprene copolymers those having a styrene content of between 5% and 50% by weight and more particularly of between 10% and 40%, and an isoprene content of between 15%, are especially suitable.
  • the diene elastomer (s) of the composition according to the invention are preferably chosen from the group of highly unsaturated diene elastomers. consisting of polybutadienes (abbreviated "BR"), synthetic polyisoprenes (IR), natural rubber (NR), butadiene copolymers, isoprene copolymers and mixtures of these elastomers.
  • BR polybutadienes
  • IR synthetic polyisoprenes
  • NR natural rubber
  • butadiene copolymers isoprene copolymers 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.
  • SBIR butadiene-styrene
  • the diene elastomer is predominantly (ie, for more than 50 phr) an SBR, whether it is an emulsion prepared SBR ("ESBR") or an SBR prepared in solution (“SSBR”), or a blend (mixture) SBR / BR, SBR / NR (or SBR / IR), BR / NR (or BR / IR), or SBR / BR / NR (or SBR / BR / IR).
  • SBR emulsion prepared SBR
  • SSBR SBR prepared in solution
  • an SBR elastomer (ESBR or SSBR)
  • an SBR having an average styrene content for example between 20% and 35% by weight, or a high styrene content, for example 35 to 35% by weight, is used in particular.
  • a BR preferably having more than 90%> (%> molar) of cis-1,4 bonds.
  • the diene elastomer is predominantly (for more than 50 phr) an isoprene elastomer.
  • the compositions of the invention are intended to constitute, in tires, the rubber matrices of certain treads (for example for industrial vehicles), crown reinforcing plies (for example work webs, protective webs or hoop webs), carcass reinforcement plies, flanks, beads, protectors, underlayments, rubber blocks and other internal gums providing the interface between aforementioned areas of the tires.
  • isoprene elastomer in known manner a homopolymer or copolymer of isoprene, in other words a diene elastomer chosen from the group consisting of natural rubber (NR), synthetic polyisoprenes (IR), different isoprene copolymers and mixtures of these elastomers.
  • NR natural rubber
  • IR synthetic polyisoprenes
  • isoprene copolymers mention will in particular be made of copolymers of isobutene-isoprene (butyl rubber - IIR), isoprene-styrene (SIR), isoprene-butadiene (BIR) or isoprene-butadiene-styrene (SBIR).
  • This isoprene elastomer is preferably natural rubber or synthetic cis-1,4 polyisoprene; of these synthetic polyisoprenes, polyisoprenes having a content (%> molar) of cis-1,4 bonds greater than 90%>, more preferably still greater than 98%> are preferably used.
  • the composition according to the invention may contain at least one essentially saturated diene elastomer, in particular at least one EPDM copolymer or a butyl rubber (optionally chlorinated or brominated), that these copolymers are used alone or in admixture with highly unsaturated diene elastomers as previously mentioned, in particular NR or IR, BR or SBR.
  • the rubber composition comprises a blend of one (or more) diene elastomers referred to as "high Tg” having a Tg of between -70 ° C. and 0 ° C. and of a (one or more) diene elastomer called “low Tg” between -110 ° C and -80 ° C, more preferably between -105 ° C and -90 ° C.
  • the high Tg elastomer is chosen from preferably in the group consisting of S-SBR, E-SBR, natural rubber, synthetic polyisoprenes (having a content (mol%) of cis-1,4 chains preferably of greater than 95%), the BIRs SIR, SBIR, and mixtures of these elastomers
  • the low-Tg elastomer preferably comprises butadiene units at a level (mol%) of at least 70% and preferably consists of a polybutadiene (BR). having a rate (mol%) of cis-1,4 chains greater than 90%.
  • the rubber composition comprises, for example, from 30 to 100 phr, in particular from 50 to 100 phr, of a high Tg elastomer in a blend with 0 to 70 phr, in particular from 0 to 50 phr, of a low Tg elastomer; according to another example, it comprises for all 100 pce one or more SBR prepared (s) in solution.
  • the diene elastomer of the composition according to the invention comprises a blend of a BR (as low elastomer Tg) having a rate (mol%) of cis chains -1.4 greater than 90%>, with one or more S-SBR or E-SBR (as elastomer (s) high Tg).
  • composition according to the invention may contain a single diene elastomer or a mixture of several diene elastomers, the diene elastomer or elastomers which may be used in combination with any type of synthetic elastomer other than diene, or even with polymers other than elastomers, for example thermoplastic polymers.
  • Crosslinking system
  • the crosslinking system is preferably a vulcanization system, that is to say a system based on sulfur (or a sulfur-donor agent) and a primary vulcanization accelerator.
  • a vulcanization system that is to say a system based on sulfur (or a sulfur-donor agent) and a primary vulcanization accelerator.
  • various known secondary accelerators or vulcanization activators such as zinc oxide, stearic acid or equivalent compounds, guanidine derivatives (in particular diphenylguanidine).
  • Sulfur is used at a preferential rate of between 0.5 and 12 phr, in particular between 1 and 10 phr.
  • the primary vulcanization accelerator is used at a preferred level of between 0.5 and 10 phr, more preferably between 0.5 and 5.0 phr.
  • zinc oxide ZnO
  • vulcanization activator ZnO
  • accelerator primary or secondary
  • any compound capable of acting as an accelerator of vulcanization of diene elastomers in the presence of sulfur in particular thiazole-type accelerators and their derivatives, accelerators of thiuram type, zinc dithiocarbamates.
  • accelerators are for example selected from the group consisting of 2-mercaptobenzothiazyl disulfide (abbreviated "MBTS”), tetrabenzylthiuram disulfide (“TBZTD”), N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfenamide (“CBS”), N, N dicyclohexyl-2-benzothiazylsulfenamide (“DCBS”), N-tert-butyl-2-benzothiazylsulfenamide (“TBBS”), N-tert-butyl-2-benzothiazylsulfenimide (“TBSI”), zinc dibenzyldithiocarbamate (“ ZBEC ”) and mixtures of these compounds.
  • MBTS 2-mercaptobenzothiazyl disulfide
  • TBZTD tetrabenzylthiuram disulfide
  • CBS N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfen
  • the rubber compositions in accordance with the invention may also comprise all or part of the usual additives normally used in elastomer compositions intended for the manufacture of tires, in particular treads, for example plasticizers or oils. of extension, whether the latter are of aromatic or non-aromatic nature, pigments, protective agents such as anti-ozone waxes, chemical antiozonants, anti-oxidants, anti-fatigue agents, reinforcing resins, acceptors (for example phenolic novolak resin) or methylene donors (for example HMT or H3M) as described for example in the application WO02 / 10269, a crosslinking system based on either sulfur or sulfur donors and / or peroxide and / or bismaleimides, vulcanization accelerators, vulcanization activators.
  • plasticizers or oils for example plasticizers or oils.
  • these compositions comprise, as preferential non-aromatic or very weakly aromatic plasticizing agent, at least one compound chosen from the group consisting of naphthenic, paraffinic, MES, TDAE, ester (especially trioleate) oils.
  • glycerol the hydrocarbon plasticizing resins having a high Tg preferably greater than 30 ° C, and mixtures of such compounds.
  • compositions may also contain, in addition to the coupling agents, coupling activators, reinforcing filler recovery agents or, more generally, processing aid agents that are capable in a known manner, by means of an improvement in the dispersion of the filler in the rubber matrix and a lowering of the viscosity of the compositions, to improve their ability to implement in the green state.
  • processing aid agents that are capable in a known manner, by means of an improvement in the dispersion of the filler in the rubber matrix and a lowering of the viscosity of the compositions, to improve their ability to implement in the green state.
  • inert fillers ie, non-reinforcing
  • inert fillers such as clay particles, bentonite, talc, chalk, kaolin, used for example in flanks or treads of colored tires.
  • the rubber compositions of the invention are manufactured in appropriate mixers, using two successive preparation phases according to a general procedure well known to those skilled in the art: a first phase of work or thermomechanical mixing (sometimes called phase "Non-productive") at a high temperature, up to a maximum temperature of between 130 ° C and 200 ° C, preferably between 145 ° C and 185 ° C.
  • This first phase can be carried out in a single step or in two stages with a gradual introduction of the elastomeric matrix; in the latter case during the 1st time, a mass fraction of the elastomer between 50 and 90%, preferably between 70 and 80% is introduced and then the complementary fraction is introduced in a second time.
  • the second phase of work is a so-called mechanical phase of work (sometimes called “productive" phase) at a lower temperature, typically less than 120 ° C, for example between 60 ° C and 100 ° C, finishing phase during which incorporates the crosslinking or vulcanization system.
  • the airgel of cellulose nanocrystals A is obtained from cotton "linters" according to the method described in J.-F. Revol, H. Bradford, J. Giasson and DJ Gray, "Helico ⁇ dal self-ordering of cellulose microfibrils in aqueous suspension ", Int. J. Biol. Macromol., 1992, 14, P170-171.
  • the acid hydrolysis is then carried out using sulfuric acid at 65% by weight for 30 minutes at 63 ° C.
  • the dispersion obtained is then washed by repeated centrifugation.
  • the dispersion is advantageously dialyzed until the conductivity is that of pure water, then sonified for a few minutes on a Branson B-12 sonifiers equipped with a 3 mm probe at a nominal power of 70%.
  • the aqueous dispersion obtained is diluted in terbutanol.
  • This dispersion is sonished for 5 minutes before being freeze-dried to obtain an "open" airgel A. After drying, the airgel is stored at 60 ° C. until the beginning of the esterification reaction to avoid a water uptake. aerogels.
  • Airgel A has a specific surface area greater than 70 m 2 / g. b) Preparation of a Grafted Airgel Ag Not in Accordance with the Invention
  • the airgel A In order to graft the coupling agent onto the cellulose nanocrystals, the airgel A previously obtained undergoes esterification in the gas phase.
  • the airgel is thus contacted with acyl chloride in a 2L reactor at a controlled temperature under a controlled flow of nitrogen through the reactor inlet; the reaction products (hydrochloric acid and reagent residues) being discharged through the outlet connected to a vacuum pump.
  • the reaction products hydroochloric acid and reagent residues
  • the reagent used for the airgel is the coupling agent 3,3 'dithiopropanoyl chloride
  • Ag-grafted airgel has a specific surface area greater than 80 m 2 / g.
  • the bond density of the obtained graft aerogel, Ag is 11.14 bonds / nm 2, ie a DSg of 0.377.
  • the grafted aerogel Ag obtained above is redispersed in tertbutanol to a level of 5% or 1.5% by weight, the homogenization is done by ultraturrax (15 min) then sonification (2min or 8 * 15s). The cellulose thus dispersed is lyophilized until mass stabilization is 7 days.
  • the aerogel grafted and freeze-dried Ag + has a specific surface greater than 75 m 2 / g, its bond density is identical to that of Ag.
  • the mixture thus obtained is recovered, cooled and the vulcanization system (sulfur and sulfenamide accelerator) is added to the mixer at 70 ° C. at 20 rpm, mixing the whole (productive phase) for about 5 to 6 minutes. .
  • the compositions thus obtained are then hot-pressed ("Carver" press with heating plates) in the form of plates (thickness 0.8 mm) of rubber for the measurement of their physical or mechanical properties.
  • C2 is a composition according to the invention comprising as reinforcing filler Ag + airgel grafted and having undergone a second lyophilization.
  • C3 is a composition according to the invention comprising, as reinforcing filler, a grafted Ag + aerogel which has undergone a second freeze-drying and whose ZnO content has been optimized to 4 phr (according to the preferred embodiment of the invention for which the ZnO> 1.5 + (cellulose * (BET grafted cellulose) * DSg * A) rate
  • the compositions comprise 100 phr of SBR
  • the levels (in phr) of cellulose nanocrystals and the level of the grafted compounds are respectively 32.39 pc and 3.74 pc.
  • Table 1 shows, surprisingly, that the composition C2 and C3 according to the invention comprising, by way of reinforcing filler, the Ag + airgel (grafted and having undergone a second freeze-drying) exhibit significantly higher reinforcing properties (value of M150 / M50) to those of the control composition Cl comprising, as reinforcing filler, the airgel Ag.
  • cellulose aerogels formed of nanocrystals chemically modified by grafting on said cellulose coupling agent molecules, having undergone a new freeze-drying shaping step, make it possible, surprisingly, to improve the airgel reinforcing function of cellulose in tire rubber compositions.
  • This reinforcement is very significantly improved by optimizing the ZnO rate.

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Abstract

L'invention concerne une composition de caoutchouc à base d'au moins un élastomère diénique et d'au moins une charge renforçante comprenant de la cellulose formée de microfibrilles ou de nanocristaux, chimiquement modifiée par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage capable de la lier à l'élastomère diénique, ces molécules comportant au moins une fonction A et une fonction B telles que : - A représente un groupe fonctionnel (fonction « A ») capable de se lier chimiquement à la cellulose, et qui comporte au moins un hétéroatome choisi parmi l'oxygène, le phosphore, les halogènes, l'azote et le soufre, - B représente un groupe fonctionnel (fonction « B ») capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à l'élastomère diénique; les fonctions A et B étant reliées par un groupe X au moins divalent; ladite cellulose greffée ayant été lyophilisée après greffage.

Description

COMPOSITION DE CAOUTCHOUC COMPORTANT DE LA CELLULOSE
GREFFEE
La présente invention se rapporte aux compositions de caoutchoucs diéniques renforcées par une charge organique, destinées à la fabrication de pneumatiques ou de produits semi-finis pour pneumatiques, en particulier aux bandes de roulement de ces pneumatiques.
Pour obtenir les propriétés de renforcement optimales conférées par une charge dans une bande de roulement de pneumatique et ainsi une haute résistance à l'usure, on sait qu'il convient d'une manière générale que cette charge soit présente dans la matrice élastomérique sous une forme finale qui soit à la fois la plus finement divisée possible et répartie de la façon la plus homogène possible. Or, de telles conditions ne peuvent être réalisées que dans la mesure où cette charge présente une très bonne aptitude, d'une part à s'incorporer dans la matrice lors du mélange avec l'élastomère et à se désagglomérer, d'autre part à se disperser de façon homogène dans cette matrice.
De manière connue, le noir de carbone présente de telles aptitudes. Cependant, depuis que les économies de carburant et la nécessité de protéger l'environnement sont devenues une priorité, il s'est avéré nécessaire de produire des pneumatiques ayant une résistance au roulement réduite sans pénalisation de leur résistance à l'usure, d'où l'intérêt constant pour de nouvelles charges renforçantes.
De plus, on cherche également à utiliser des matières naturelles, écologiquement avantageuses. Ainsi certains documents se sont donc intéressés à l'utilisation de fibres naturelles telles que les fibres de cellulose pour des compositions de caoutchouc destinées au pneumatique.
On notera qu'à l'état natif la cellulose se présente sous forme de microfibrilles très allongées de diamètre nanométrique, souvent organisées en fibres. On peut trouver cette cellulose dans les plantes supérieures, mais également dans certaines algues, certains champignons, bactéries, amibes et même certains animaux marins.
On entend par « micro fibrilles », ces éléments extrêmement longs et fins constitués de chaînes macromoléculaires de cellulose alignées dans le sens de la fibre extraits de la structure native. Les micro fibrilles sont en forme de filaments très allongés de longueur indéfinie et constitués d'une alternance de zone cristallines et de zones amorphes.
On entend par « nanocristaux de cellulose » ou « whiskers », des cristaux anisotropes de longueurs finies et de diamètre nanométrique obtenus par hydrolyse des parties amorphes des microfibrilles et constitués de chaînes macromoléculaires de cellulose orientées dans le sens de la fibre. Cependant, pour des raisons de forte polarité, ces particules de cellulose ont une fâcheuse tendance, dans la matrice élastomérique, à s'agglomérer entre elles. Ces interactions ont pour conséquence néfaste de limiter la dispersion de la charge et donc les propriétés de renforcement à un niveau sensiblement inférieur à celui qu'il serait théoriquement possible d'atteindre si toutes les liaisons (charge/élastomère) susceptibles d'être créées pendant l'opération de mélangeage, étaient effectivement obtenues ; ces interactions tendent d'autre part à augmenter la consistance à l'état cru des compositions caoutchouteuses et donc à rendre leur mise en œuvre ("processability") plus difficile qu'en présence de noir de carbone.
Pour "coupler" cette charge renforçante à l'élastomère diénique, c'est-à-dire assurer la liaison entre ladite charge et l'élastomère, il est donc nécessaire d'utiliser un agent de couplage (ou agent de liaison) ou de modifier la surface de cette charge afin d'assurer une connexion suffisante, de nature chimique et/ou physique, entre la charge (surface de ses particules) et l'élastomère diénique.
Ainsi le document JP2009191198 décrit une composition de caoutchouc comprenant des nano fibres de cellulose obtenue par mélangeage liquide dans un milieu aqueux de l'élastomère et des fibres de cellulose en présence d'un agent de couplage de type silane pour améliorer l'adhésion des fibres et de l'élastomère.
Le document EP2072574 décrit quant à lui l'utilisation de micro fibrilles de cellulose modifiée chimiquement par une réaction d'acétylation, d'estérifîcation alkyle, d'estérifîcation complexe, de keto-estérification, de carbamation alkyle ou de carbamation aryle, en tant que charge renforçante dans une composition de caoutchouc.
Les procédés de mise en œuvre et de modification de la cellulose sont limités par la nature polaire et hydrophile de sa surface, qui conduit à l'obtention d'interactions fortes entre les surfaces du substrat, et avec des solvants polaires et protiques. Ainsi, lors du séchage évaporatif d'une suspension de cellulose, la forme sèche obtenue est agrégée et présente une faible surface spécifique limitant son caractère renforçant. L'alternative généralement employée consiste à réaliser un prémélange ou masterbatch de la charge et de la matrice en suspension, en employant par exemple un latex dans l'eau. Cependant, la modification chimique de la cellulose dans le milieu aqueux est limitée en raison de la faible réactivité du substrat et du caractère fortement protique de l'eau. Il est alors possible d'employer des solvants organiques afin de permettre cette modification. Toutefois, la cellulose a une forte tendance à s'agréger de manière plus ou moins irréversible selon la polarité du solvant employé. De plus, ces milieux posent des problèmes de toxicité et ne sont pas respectueux de l'environnement. La demanderesse a découvert que la cellulose formée de micro fibrilles ou de nanocristaux, chimiquement modifiée par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage, pouvait jouer le rôle de charge renforçante d'une composition de caoutchouc, c'est à dire capable de renforcer à elle seule, sans autre moyen qu'un agent de couplage intermédiaire, une composition de caoutchouc diénique destinée à la fabrication de pneumatiques, en d'autres termes apte à remplacer, dans sa fonction de renforcement, une charge conventionnelle de noir de carbone ou de silice de grade pneumatique., et en particulier la cellulose sous forme d'un aérogel ou d'une poudre de cellulose finement divisée. Ces solutions sont décrites dans les documents WO2014/096192 et WO2014/096188.
En poursuivant ses recherches, la demanderesse a découvert de façon étonnante qu'une étape supplémentaire de lyophilisation dans le procédé d'obtention de la cellulose greffée, permettait d'augmenter signifîcativement les propriétés de renforcement de la composition de caoutchouc comprenant une telle cellulose à titre de charge renforçante.
L'invention a pour objet l'utilisation de cellulose en tant que charge renforçante d'une composition de caoutchouc c'est à dire capable de renforcer à elle seule, sans autre moyen qu'un agent de couplage intermédiaire, une composition de caoutchouc diénique destinée à la fabrication de pneumatiques, en d'autres termes apte à remplacer, dans sa fonction de renforcement, une charge conventionnelle de noir de carbone ou de silice de grade pneumatique.
La demanderesse a découvert de façon surprenante que la cellulose formée de nanocristaux, chimiquement modifiée par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage, pouvait jouer ce rôle de charge renforçante, et en particulier la cellulose sous forme d'un aérogel ou d'une poudre de cellulose finement divisée et mise sous forme aérée. On notera que de façon connue pour l'homme du métier, on entend par aérogel, un matériau semblable à un gel où le composant liquide est remplacé par du gaz. C'est un solide à très faible densité avec plusieurs propriétés remarquables, notamment une surface accessible très grande avec une valeur importante du rapport entre la surface et la masse.
En outre, dans la présente demande de brevet, on entend par poudre de cellulose un solide divisé en fines particules, ces particules étant constituée de cellulose, voire d' aérogel de cellulose, et ayant une valeur importante du rapport entre la surface et la masse. L'invention a donc pour objet une composition de caoutchouc à base d'au moins un élastomère diénique et d'au moins une charge renforçante comprenant de la cellulose formée de micro fibrilles ou de nanocristaux, chimiquement modifiée par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage capable de la lier à l'élastomère diénique, ces molécules comportant au moins une fonction A et une fonction B telles que :
- A représente un groupe fonctionnel (fonction « A ») capable de se lier chimiquement à la cellulose, et qui comporte au moins un hétéroatome choisi parmi l'oxygène, le phosphore, les halogènes, l'azote et le soufre,
- B représente un groupe fonctionnel (fonction « B ») capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à l'élastomère diénique ;
les fonctions A et B étant reliées par un groupe X au moins divalent ;
ladite cellulose greffée ayant été lyophilisée après greffage. Avantageusement, la cellulose avant greffage se présente sous la forme d'un aérogel de cellulose, la cellulose greffée étant obtenue selon les étapes suivantes:
- formation d'un aérogel de cellulose, la cellulose étant formée de micro fibrilles ou de nanocristaux,
- greffage en phase hétérogène des molécules d'agent de couplage, de préférence en phase gazeuse,
- séchage de l'aérogel greffé obtenu dans l'étape précédente,
- redispersion dans un solvant lyophilisable
- lyophilisation de l'aérogel greffé. De préférence, l'aérogel de cellulose est obtenue par lyophilisation d'une dispersion colloïdale de micro fibrilles ou de nanocristaux de cellulose dans du terbutanol, la dispersion colloïdale étant réalisée dans de l'eau avant d'être transférée dans le terbutanol et la lyophilisation de l'aérogel greffé est réalisé dans du terbutanol. Selon un mode de réalisation de l'invention, A est choisi parmi les chlorures d'acyle, les anhydrides, les acides carboxyliques, les isocyanates, les esters organiques ou inorganiques, les chlorures d'alkyle, les époxydes et les silanes.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, B porte des fonctions mono ou polysulfures.
Selon une variante de réalisation de l'invention, l'agent de couplage répond à la formule (III) : A-X-B-X-A ,dans laquelle le groupe X représente un groupe de liaison divalent comportant de 1 à 18 atomes de carbone, de préférence un groupement alkylène en Cl -Cl 8 ou un groupement arylène en C6-C12, préférentiellement B représente Sp où p est un nombre supérieur ou égal à 2, de préférence de 2 à 8 (de préférence de 2 à 5).
L'invention a également pour objet un pneumatique comportant une composition telle que décrite ci-dessus.
I. MESURES ET TESTS UTILISES
Taux de liaisons de l'agent de couplage sur la cellulose a) Mesure gravimétrique de DSg (degré de substitution gravimétrique)
La mesure d'un degré de fonctionnalisation de la charge, ici appelé DS (degré de substitution), peut être réalisée à partir de mesures gravimétriques. Cette grandeur permet alors de quantifier au sein de la charge modifiée, la fraction de greffon et la fraction de phase rigide.
Protocole
Pour une réaction CellOH + RX→ CellOR + HX
avec Cell le substrat cellulosique, RX le greffon et X le groupement partant
Une quantité d'aérogel de cellulose comprise entre 1 et 10 g est stockée dans un bêcher de 50 à 500 ml préalablement taré sur une balance Mettler AE 163 fournissant une mesure avec une précision de 4* 10~4 g.
Le substrat est séché au moins 6h à 60°C dans une étuve Jouan.
Le substrat sec est pesée sur une balance Mettler AE 163 fournissant une mesure avec une précision de 4* 10~4 g (mceii i).
Après réaction et purification, le produit est stockée dans un bêcher de 50 à 500 ml préalablement taré sur une balance Mettler AE 163 fournissant une mesure avec une précision de 4* 10"4 g.
Le produit est séché au moins 6h à 60°C dans une étuve Jouan.
Le produit sec est pesée sur une balance Mettler AE 163 fournissant une mesure avec une précision de 4* 10"4 g (mceii F).
Le DSg est alors obtenue à l'aide de la formule :
DSg = (mCeii F - mceui) mceui * 162/(MR/f-MHX) avec MR masse molaire du réactif, 162 masse molaire de l'unité anhydroglucose et Μχ masse molaire du groupement partant X, et f nombre de fonctions réactives du greffon. Par ailleurs on peut également évaluer le gain massique de greffon du substrat pour la formulation de la charge dans le matériau :
% greffon= (mceii F - mcein) / mcein*100
b) Mesures spectroscopiques pour confirmer la présence d'un greffon
Le contrôle de la modification chimique peut être renforcé par l'emploi de techniques spectroscopiques sensibles à l'environnement chimique, dans notre cas IR et RMN du solide. Par exemple, dans le cas où le greffon est un chlorure d'acyle, on observe par Infra-Rouge l'apparition d'une bande de vibration de la fonction carbonyle à environ 1750 cm"1 distincte de celle du chlorure d'acyle (réactif, 1800 cm"1), et de l'acide carboxylique (réactif hydrolysé, 1700 cm"1). Pour le même cas, en RMN du solide, on s'intéresse principalement au carbone de la fonction carbonyle apparaissant à environ 175 ppm. Ce signal est présent dans l'ester (produit), mais aussi dans le réactif qui possède aussi une bande spécifique à 45 ppm, ce qui permet de les différencier. Il est aussi présent dans l'acide (réactif hydrolysé) mais a été identifié alors à environ 180 ppm. Ainsi ces techniques permettent de caractériser la présence de la liaison chimique du greffon avec la cellulose.
Protocole IR
Environ 1 mg de produit et 100 mg de KBr sont mélangés dans un mortier avec un pilon. La poudre résultante est pressée sous forme de pastille à 3000 psi durant une minute. La pastille est analysée sur un équipement d'IR à transformée de Fourrier (FTIR) Perkin Elmer 1720X par 8 acquisitions entre 400 et 4000 cm"1.
Protocole RMN du solide
Environ 100 mg de produit sont introduits dans un rotor en zirconium.
On effectue les analyses sur un spectromètre Brucker Avance 400 MHz, par rotation à l'angle magique (MAS) à 12000Hz, en accumulant de l'ordre de 2000 acquisitions. c) Estimation de la densité d'hydroxyle sur une surface cristalline de cellulose On considère la structure cristalline de l'allomorphe Ιβ, très répandu parmi les structures de cellulose native des végétaux supérieurs. La considération de l'autre allomorphe la rencontrés dans les parois primaires, les algues ou dans la cellulose issue de bactéries n'apporte que des modifications mineures. Considérant un monocristal de section carré, tel que représenté sur la figure 1, de dimension a, et de longueur L dans la direction correspondant à l'axe de chaîne. Les distances interchaînes sont de 0,54 et 0,6 nm (cf. fïgure 1). Pour la suite du traitement on considère une distance moyenne de 0,57 nm. De plus deux unités anhydro glucose représentent une longueur de 1,038 nm pour 6 fonctions hydroxyles dont on considère que seulement la moitié est accessible à la surface de la structure cristalline.
On peut alors estimer la densité surfacique de fonctions hydroxyles comme valant :
Densité OH / nm2 surface = 3 / (0.57*1.038) ~ 5 d) Calcul d'une section carrée équivalente à partir d'une valeur de surface spécifique On peut convertir une valeur de surface spécifique, Ssp en m2/cc, en une dimension latérale d'une fibre équivalente de section carrée de côté a en nm, à l'aide de la relation suivante :
a = 4 * 1000 / Ssp
Pour la conversion d'une BET en m2/g on utilise une valeur de densité cristalline de la cellulose de 1,5. e) Calcul du DS surfacique et conversion en taux de liaisons
On considère la structure cristalline de l'allomorphe Ιβ, toujours avec une distance moyenne interchaîne de 0,57 nm.
On considère un monocristal de section carrée de dimensions a (paramètre pouvant être obtenu à partir de la surface spécifique).
Le nombre de chaînes n par section a vaut :
n = a / 0.57
Le nombre de chaînes de surfaces vaut alors :
% chaîne surface = 4 * n / (n+1)2
Considérant alors que seule la moitié des 3 fonctions hydroxyles par unité anhydroglucose se présente à l'extérieur de la structure cristalline, on obtient :
DS surface max = % chaîne surface * 3/2
En considérant un greffage surfacique, et que DS surface max équivaut à 5 liaisons par nm2, DSg peut alors être converti en densité de liaisons par la formule :
Densité de liaisons = 5 * DSg / DS surface max
Le protocole peut être suivi de façon identique dans le cas d'une poudre de cellulose.
Surface spécifique BET Dans le présent exposé, la surface spécifique BET est déterminée de manière connue par adsorption de gaz à l'aide de la méthode de Brunauer-Emmett-Teller décrite dans « The Journal of the American Chemical Society » Vol. 60, page 309, février 1938, plus précisément selon la norme française NF ISO 9277 de décembre 1996 (méthode volumétrique multipoints (5 points) - gaz: azote - avec une modification par rapport à la norme en appliquant un dégazage pendant 5 heures à 50°C - domaine de pression relative p/po : 0.05 à 0.17) Essais de traction
Ces essais permettent de déterminer les contraintes d'élasticité et les propriétés à la rupture ; ceux effectués sur les mélanges cuits sont réalisés conformément à la norme AFNOR-NF-T46-002 de septembre 1988. On mesure les modules sécants vrais (en MPa) à 50% d'allongement (M50) et à 150% d'allongement (M 150). Sauf indication différente dans le texte, toutes ces mesures de traction sont effectuées dans les conditions normales de température et d'hygrométrie selon la norme AFNOR-NF-T40-101 de décembre 1979. Le rapport M150/M50 est un bon indicateur du renforcement obtenu pour une composition donnée.
II BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 est une représentation schématiquement un monocristal de cellulose.
La figure 2 est une représentation schématique des liaisons hydrogène inter- et intramoléculaires des allomorphes la et Ιβ de la cellulose.
III. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La présente invention concerne une composition de caoutchouc à base d'au moins un élastomère diénique et d'au moins une charge renforçante comprenant de la cellulose formée de micro fibrilles ou de nanocristaux, chimiquement modifiée par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage capable de la lier à l'élastomère diénique, ces molécules comportant au moins une fonction A et une fonction B telles que :
- A représente un groupe fonctionnel (fonction « A ») capable de se lier chimiquement à la cellulose, et qui comporte au moins un hétéroatome choisi parmi l'oxygène, le phosphore, les halogènes, l'azote et le soufre,
- B représente un groupe fonctionnel (fonction « B ») capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à l'élastomère diénique ;
les fonctions A et B étant reliées par un groupe X au moins divalent ;
ladite cellulose greffée ayant été lyophilisée après greffage.
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.
Dans la présente description, sauf indication expresse différente, tous les pourcentages (%) indiqués sont des pourcentages (%) 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).
Aérogel et poudre de cellulose
La cellulose est un polymère organique de formule brute
Figure imgf000011_0001
Il s'agit d'un homopolymère linéaire composé de très nombreuses unités de D-Anhydroglucopyranose (AGU) reliées entre elles par des liaisons glycosidiques β-(1→ 4). Ces chaînes linéaires sont maintenues en conformation étendue par des liaisons intramoléculaires et s'associent entre elles par des liaisons latérales intermoléculaires de type liaison hydrogène, ce qui confère à la cellulose sa structure fibreuse et rigide. La représentation schématique représentée à la figure 2 illustre les liaisons hydrogène inter- et intramoléculaires des 2 allomorphes de la cellulose.
Les micro fibrilles de cellulose sont issues des processus de biosynthèse et se présentent sous forme d'objets de diamètre nanométrique (typiquement 4 à 1000 nm) et d'une longueur indéfinie bien supérieure au micron. Elles sont constituées d'une succession de zones avec des chaînes macro moléculaires longues alignées dans le sens de la fibre (nanocristaux) et de courtes zones amorphes désordonnées (défauts).
Pour obtenir des nanocristaux on réalise les étapes qui suivent.
L'hydrolyse acide préférentielle des zones de défauts en milieu aqueux de la cellulose avec des acides forts très concentrés tels que les acides sulfurique, phosphorique ou nitrique, chlorhydrique conduit à l'individualisation au moins partielle des zones cristallines appelés nanocristaux. Dans le cas de l'acide sulfurique (et d'autres esters inorganiques), le greffage de groupements sulfates en surface des nanocristaux permet d'obtenir des suspensions colloïdales aqueuses stables de nanocristaux individuels telles que décrit dans plusieurs publications telles que R.H. Marchessault, F.F. Morehead and N.M. Walter, Nature, 1959, 184, p. 632 ou J.-F. Revol, H. Bradford, J. Giasson and D.J. Gray, « Hélicoïdal self-ordering of cellulose microfïbrils in aqueous suspension », Int. J. Biol. Macromol., 1992, 14, P170-171. Ainsi on peut notamment réaliser cette opération en partant de tout type de substrat cellulosique précédemment décrits qu'il proviennent - io de végétaux supérieurs, de champignons, d'algue, d'animaux marins ou bien d'origine microbienne. Alternativement, il est également possible d'obtenir des nanocristaux en traitant la matière première cellulosique avec l'ammonium persulfate tel que décrit dans la publication « Characteristics and Properties of Carboxylated Cellulose Nanocrystals Prepared from a Novel One-Step Procédure. » Small 7(3): 302-305
L'hydrolyse acide peut être ainsi réalisée sur des « linters » de coton, fines fibres soyeuses qui adhèrent aux graines de la plante après égrenage, grâce à de l'acide sulfurique concentrée, la dispersion obtenue étant ensuite lavée par centrifugations répétées puis dialysée jusqu'à ce que la conductivité soit celle de l'eau pure, puis sonifîée pendant quelques minutes, et filtrée sur membrane de 8 μιη et 1 μιη, donnant lieu à une suspension biréfringente de nanocristaux individuels. La suspension est ensuite neutralisée jusqu'à pH neutre. Pour obtenir des micro fibrilles on réalise les étapes qui suivent.
L'individualisation des micro fibrilles (ou micro fibrillation) peut être obtenue par des procédés connus d'homogénéisation mécanique sous haute pression, tel que décrit à titre d'exemple dans le document US4483743, A.F. Turbak, « Microfîbrillated cellulose », 1984, USA, ou enzymatique ou chimique ou bien une combinaison de plusieurs de ces techniques sur des substrats cellulosiques tels que les pulpes papetières, les déchets agricoles, les sous-produits de l'industrie agro-alimentaire ou tout autre source cellulosique terrestre ou marine, d'origine animale, végétale ou microbienne. Tous ces procédés ont en commun l'obtention d'une suspension de microfibrilles de diamètre nanométrique dont les caractéristiques précises vont dépendre à la fois du procédé et de l'origine.
On peut par exemple en obtenir à partir de la pulpe de bois de feuillu que l'on traite sur un raffïneur (tel que commercialisé par exemple par la société Valley). Puis la dispersion de fibres est traitée dans un homogénéisateur à haute pression (tel que, par exemple, des homogénéisateurs à haute pression commercialisés par la société APV Manton). Le produit obtenu est une dispersion dans l'eau ayant des concentrations massique de l'ordre de 1 à 2 %.
Qu'il s'agisse des nanocristaux ou des micro fibrilles, l'étape de séchage est ensuite conduite par tout procédé préservant l'accessibilité des surfaces de cellulose et donc la formation d'aérogel ou de poudres ayant une surface spécifique beaucoup plus importante qu'un simple séchage évaporatif et une structure beaucoup moins dense. On peut citer ainsi de manière non- limitante l'utilisation d'additif de cryoprotection, la congélation rapide, l'atomisation (ou spray-drying), le C02 supercritique, le séchage sur lit fluidisé ou la lyophilisation à partir d'un solvant non-cristallisable. La suspension peut être au préalable pré-concentrée par centrifugation, par une fïltration gravitaire ou sous dépression ou par pression osmotique ou encore à l'aide d'un évaporateur/concentrateur (Rotavapor). L'utilisation de solvant alcoolique avant l'étape de séchage par lyophilisation permet d'éviter une agrégation des particules et donc la formation d' aérogels ouverts permettant d'avoir une surface spécifique plus importante. Ainsi, le solvant de la suspension colloïdale formée par les nanocristaux de cellulose peut être modifié pour contenir de l'alcool tertbutanol. Après congélation dans l'azote liquide puis lyophilisation il est alors possible d'obtenir un aérogel de cellulose formée de nanocristaux non-agrégés ou faiblement agrégés.
On obtient ainsi un aérogel de cellulose dont la surface spécifique BET est supérieure ou égale à 10m2/g, et préférentiellement supérieure ou égale à 50m2/g.
L' aérogel obtenu ou la poudre de cellulose subit ensuite une modification par un greffon (dont le schéma de la réaction suit) réalisée en phase hétérogène à la surface des particules et en particulier en phase gazeuse afin de greffer un agent de couplage sur les nanocristaux ou micro fibrilles de cellulose.
CellOH + RX→ CellX + RH
Afin de greffer l'agent de couplage sur les nanocristaux ou micro fibrilles de cellulose, Γ aérogel précédemment obtenu ou la poudre subit une réaction de substitution qui se fait préférentiellement en phase hétérogène, en particulier en phase gazeuse.
Les réactions pour former la liaison covalente sont celles classiquement décrites dans le domaine de la chimie de la cellulose et peuvent être sans être exhaustif réalisées par estérification à partir de dérivés d'acide choisis notamment parmi le chlorure d'acyle, les anhydrides, les acides carboxyliques, par carbamylation avec des isocyanates, par acetalisation avec des aldéhydes ou par éthérification à partir de chlorures d'alkyles ou d'époxyde. Elles peuvent être facilement réalisées sur un substrat de cellulose native ou sur un substrat oxydé, soit sélectivement en C6 (oxydation TEMPO, N02) soit par coupure oxydative de la liaison glycol C2-C3 (oxydation periodate). Sur les substrats oxydés, la modification peut être réalisée par formation d'ester à l'aide d'alcool ou d'ester organiques ou inorganiques, ou encore d'agents alkylants, par formation de chlorure d'acyle par SOCl2, d'anhydrides avec un acide carboxylique, et ou par amidifîcation à l'aide d' aminés (acide carboxylique) ou d'imines (aldéhydes). Avantageusement la réaction est réalisée en mettant dans un réacteur, l'aérogel ou la poudre, formés de nanocristaux ou micro fibrilles de cellulose et du réactif à une température et une pression stables de sorte à vaporiser le réactif, et en introduisant un flux contrôlé d'azote par l'entrée du réacteur ; les produits de la réaction (groupements partants et/ou résidus de réactifs) étant évacués par la sortie connectée à une pompe à vide. Le réactif peut être également être vaporisé séparément et introduit dans l'enceinte du réacteur.
D'autres procédés équivalents de greffage en phase hétérogène sont envisageables, notamment dans le cas d'une poudre de cellulose, le greffage en lit fluidisé par un flux de réactif vaporisé.
Le taux de greffage de la cellulose est préférentiellement supérieur à 0,1 liaisons par nm2 mesurée par gravimétrie et rapporté à la surface BET, il varie plus préférentiellement de 1 à 20 liaisons par nm2 et encore plus préférentiellement de 3 à 12 liaisons par nm2.
Selon l'invention, ce procédé comprend une étape supplémentaire qui consiste en une lyophilisation de l'aérogel greffé que l'on vient d'obtenir, qui de façon classique a été purifié et séché.
Cette étape supplémentaire consiste donc à redisperser dans le tert-butanol à hauteur de 5 ou 1,5 en masse, l'homogénéisation se fait par ultraturrax (15min) puis sonifîcation (2min ou 8* 15s). La cellulose ainsi dispersée est lyophilisée: la lyophillisation est effectuée jusqu'à stabilisation de la masse de substrat lyophilisé.
Alternativement à la lyophilisation, des procédés tels que le spray drying, le séchage par C02 supercritique, la nébulisation sont de nature à obtenir des poudres de celluloses plus aérées. Agent de couplage
L'agent de couplage se présente sous la forme de molécules comportant au moins une fonction A et une fonction B telles que :
- A représente un groupe fonctionnel (fonction « A ») capable de se lier chimiquement à la cellulose, et qui comporte au moins un hétéroatome choisi parmi l'oxygène, le phosphore, les halogènes, l'azote et le soufre,
- B représente un groupe fonctionnel (fonction « B ») capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à l'élastomère diénique ;
les fonctions A et B étant reliées par un groupe X au moins divalent. Comme précisé dans le paragraphe précédent, A est préférentiellement choisi parmi les chlorures d'acyle, les anhydrides, les acides carboxyliques, les isocyanates, les chlorures d'alkyle, les esters organiques ou inorganiques, les aldéhydes, les époxydes ou les aminés, primaires ou secondaires.
Préférentiellement, B porte des fonctions mono- ou polysulfures.
L'agent de couplage peut répondre à la formule (I) : A-X-B (I), dans laquelle X représente un groupe de liaison divalent comportant de 1 à 18 atomes de carbone, et de préférence un groupement alkylène en Ci-Cis ou un groupement arylène en C6-C12, plus particulièrement un groupement alkylène en Ci-Cio, notamment en C1 -C4.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention l'agent de couplage répond à la formule (II) :
A
A— X— B
(H)
dans laquelle X est un groupe trivalent, tel qu'un cycloalkyl tri-substitué, notamment un cyclohexane tri-substitué. Avantageusement lorsque l'agent de couplage répond à la formule (I) ou à la formule (II), B se présente sous forme d'une fonction mercapto bloquée de formule :
- Sm - C (= 0) - R dans laquelle :
R représente l'hydrogène ou un groupe hydrocarboné monovalent choisi parmi les alkyles, linéaires ou ramifiés, les cycloalkyles ou les aryles, ayant de 1 à 18 atomes de carbone,
- m est un nombre supérieur ou égal à 1 ; m varie de préférence de 1 à 8, encore plus préférentiellement m est égal à 1 (de préférence de 2 à 5).
Selon une autre variante préférentielle, B se présente sous forme d'une fonction polysulfurée de formule : - Sr - R dans laquelle :
R représente un groupe hydrocarboné monovalent choisi parmi les alkyles, linéaires ou ramifiés, les cycloalkyles ou les aryles, ayant de 1 à 30 atomes de carbone, - r est un nombre supérieur ou égal à 2, de préférence de 2 à 8 (de préférence de 2 à 5).
Selon un autre mode de réalisation l'agent de couplage répond à la formule (III) :
A-X-B-X-A ,
dans laquelle :
- le groupe X représente un groupe de liaison divalent comportant de 1 à 18 atomes de carbone, de préférence un groupement alkylène en Ci -Ci s ou un groupement arylène en
Selon une variante avantageuse de réalisation, B représente Sp où p est un nombre supérieur ou égal à 2, de préférence de 2 à 8 (de préférence de 2 à 5).
Convient notamment particulièrement le chlorure d'acide 3,3 '-dithio-dipropionique. Charge renforçante
La composition conforme à l'invention comporte au moins une charge renforçante comprenant une cellulose greffée par des molécules d'agent de couplage tel que décrit dans les paragraphes précédents.
Avantageusement cette cellulose greffée représente la charge renforçante majoritaire.
De préférence elle se présente sous forme d'un aérogel ou d'une poudre de cellulose modifiée chimiquement tel que décrit précédemment.
La charge renforçante peut également comprendre d'autres charges, notamment avec une charge organique et/ou une charge inorganique.
A titre de charge organique, conviennent particulièrement les noirs de carbone, notamment les noirs de carbone renforçants des séries 100, 200 ou 300 (grades ASTM), comme par exemple les noirs NI 15, N134, N234, N326, N330, N339, N347, N375, ou encore, selon les applications visées, les noirs de séries plus élevées (par exemple N400, N660, N683, N772).
Par « charge inorganique renforçante », doit être entendu ici, de manière connue, toute charge inorganique ou minérale, quelles que soient sa couleur et son origine (naturelle ou de synthèse), encore appelée charge « blanche », charge « claire » ou encore charge « non-noire » (« non-black fïller ») par opposition au noir de carbone, cette charge inorganique étant capable de renforcer à elle seule, sans autre moyen qu'un agent de couplage intermédiaire, une composition de caoutchouc destinée à la fabrication d'une bande de roulement de pneumatiques, en d'autres termes apte à remplacer, dans sa fonction de renforcement, un noir de carbone conventionnel de grade pneumatique pour bande de roulement. Une telle charge se caractérise généralement par la présence de groupes fonctionnels, notamment hydroxyle (-OH), à sa surface, nécessitant en cela l'emploi d'un agent ou système de couplage destiné à assurer une liaison chimique stable entre l'élastomère isoprénique et ladite charge.
Préférentiellement, la charge inorganique renforçante est une charge du type siliceuse ou alumineuse, ou un mélange de ces deux types de charges. La silice (Si02) 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. De préférence, le taux de charge renforçante total sera choisi compris entre 10 et 200 pce, plus préférentiellement entre 10 et 150 pce, plus préférentiellement entre 20 et 110 pce.
Elastomère diénique La composition conforme à l'invention comprend au moins un élastomère diénique.
Par élastomère (ou indistinctement caoutchouc) "diénique", qu'il soit naturel ou synthétique, doit être compris de manière connue un élastomère constitué au moins en partie (i.e., un homopolymère ou un copolymère) d'unités monomères diènes (monomères porteurs de deux doubles liaisons carbone-carbone, conjuguées ou non).
Ces élastomères diéniques peuvent être classés dans deux catégories : "essentiellement insaturés" ou "essentiellement saturés". On entend en général par "essentiellement insaturé", un élastomère diénique issu au moins en partie de monomères diènes conjugués, ayant un taux de motifs ou unités d'origine diénique (diènes conjugués) qui est supérieur à 15% (% molaire) ; c'est ainsi que des élastomères diéniques tels que les caoutchoucs butyle ou les copolymères de diènes et d'alpha-oléfmes type EPDM n'entrent pas dans la définition précédente et peuvent être notamment qualifiés d'élastomères diéniques "essentiellement saturés" (taux de motifs d'origine diénique faible ou très faible, toujours inférieur à 15% (%>molaire). Dans la catégorie des élastomères diéniques "essentiellement insaturés", on entend en particulier par élastomère diénique "fortement insaturé" un élastomère diénique ayant un taux de motifs d'origine diénique (diènes conjugués) qui est supérieur à 50%> (% molaire). Ces définitions étant données, on entend plus particulièrement par élastomère diénique susceptible d'être utilisé dans les compositions conformes à l'invention:
(a) - tout homopolymère d'un monomère diène conjugué, notamment tout homopolymère obtenu par polymérisation d'un monomère diène conjugué ayant de 4 à 12 atomes de carbone;
(b) - tout copolymère obtenu par copolymérisation d'un ou plusieurs diènes conjugués entre eux ou avec un ou plusieurs composés vinyle aromatique ayant de 8 à 20 atomes de carbone;
(c) - un copolymère ternaire obtenu par copolymérisation d'éthylène, d'une a-oléfme ayant 3 à 6 atomes de carbone avec un monomère diène non conjugué ayant de
6 à 12 atomes de carbone, comme par exemple les élastomères obtenus à partir d'éthylène, de propylène avec un monomère diène non conjugué du type précité tel que notamment l'hexadiène-1,4, l'éthylidène norbornène, le dicyclopentadiène;
(d) - un copolymère d'isobutène et d'isoprène (caoutchouc butyle), ainsi que les versions halogénées, en particulier chlorées ou bromées, de ce type de copolymère.
Bien qu'elle s'applique à tout type d'élastomère diénique, l'homme du métier du pneumatique comprendra que la présente invention est de préférence mise en œuvre avec des élastomères diéniques essentiellement insaturés, en particulier du type (a) ou (b) ci-dessus.
A titre de diènes conjugués conviennent notamment le butadiène-1,3, le 2-méthyl-l,3- butadiène, les 2,3-di(alkyle en Cl-C5)-l,3-butadiènes tels que par exemple le 2,3-diméthyl-l,3-butadiène, le 2,3-diéthyl-l,3-butadiène, le 2-méthyl-3-éthyl-l,3- butadiène, le 2-méthyl-3-isopropyl-l,3-butadiène, un aryl-l,3-butadiène, le 1,3-pentadiène, le 2,4-hexadiène. A titre de composés vinylaromatique conviennent par exemple le styrène, l'ortho-, méta-, para-méthylstyrène, le mélange commercial « vinyle-toluène », le para-tertiobutylstyrène, les méthoxystyrènes, les chlorostyrènes, le vinylmésitylène, le divinylbenzène, le vinylnaphtalène.
Les copolymères peuvent contenir entre 99% et 20% en poids d'unités diéniques et entre P/o et 80%) en poids d'unités vinylaromatique. Les élastomères peuvent avoir toute microstructure qui est fonction des conditions de polymérisation utilisées, notamment de la présence ou non d'un agent modifiant et/ou randomisant et des quantités d'agent modifiant et/ou randomisant employées. Les élastomères peuvent être par exemple à blocs, statistiques, séquencés, microséquencés, et être préparés en dispersion ou en solution ; ils peuvent être couplés et/ou étoilés ou encore fonctionnalisés avec un agent de couplage et/ou d'étoilage ou de fonctionnalisation. Pour un couplage à du noir de carbone, on peut citer par exemple des groupes fonctionnels comprenant une liaison C-Sn ou des groupes fonctionnels aminés tels que aminobenzophénone par exemple ; pour un couplage à une charge inorganique renforçante telle que silice, on peut citer par exemple des groupes fonctionnels silanol ou polysiloxane ayant une extrémité silanol (tels que décrits par exemple dans FR2740778 ou US6013718, et WO2008/141702), des groupes alkoxysilane (tels que décrits par exemple dans FR2765882 ou US5977238), des groupes carboxyliques (tels que décrits par exemple dans WO01/92402 ou US6815473, WO2004/096865 ou US2006/0089445) ou encore des groupes polyéthers (tels que décrits par exemple dans EPI 127909 ou US6503973, WO2009/000750 et WO2009/000752).
On peut aussi citer comme élastomères fonctionnels ceux préparés par l'utilisation d'un amorceur fonctionnel, notamment ceux portant une fonction aminé ou étain (voir par exemple WO2010/072761).
Comme autres exemples d'élastomères fonctionnalisés, on peut citer également des élastomères (tels que SBR, BR, NR ou IR) du type époxydés. Conviennent les polybutadiènes et en particulier ceux ayant une teneur (% molaire) en unités -1,2 comprise entre 4% et 80% ou ceux ayant une teneur (%> molaire) en cis-1,4 supérieure à 80%>, les polyisoprènes, les copolymères de butadiène-styrène et en particulier ceux ayant une Tg (température de transition vitreuse (Tg, mesurée selon ASTM D3418) comprise entre 0°C et - 70°C et plus particulièrement entre - 10°C et - 60°C, une teneur en styrène comprise entre 5%> et 60%> en poids et plus particulièrement entre 20% et 50%, une teneur (% molaire) en liaisons -1,2 de la partie butadiénique comprise entre 4%> et 75%>, une teneur (%> molaire) en liaisons trans- 1,4 comprise entre 10%> et 80%>, les copolymères de butadiène-isoprène et notamment ceux ayant une teneur en isoprène comprise entre 5%> et 90%> en poids et une Tg de - 40°C à - 80°C, les copolymères isoprène-styrène et notamment ceux ayant une teneur en styrène comprise entre 5%> et 50%> en poids et une Tg comprise entre - 5 C et - 50°C. Dans le cas des copolymères de butadiène-styrène-isoprène conviennent notamment ceux ayant une teneur en styrène comprise entre 5% et 50% en poids et plus particulièrement comprise entre 10%> et 40%>, une teneur en isoprène comprise entre 15%> et 60%> en poids et plus particulièrement entre 20%> et 50%>, une teneur en butadiène comprise entre 5%> et 50%) en poids et plus particulièrement comprise entre 20%> et 40%>, une teneur (%> molaire) en unités -1,2 de la partie butadiénique comprise entre 4%> et 85%>, une teneur (% molaire) en unités trans -1,4 de la partie butadiénique comprise entre 6% et 80%), une teneur (%> molaire) en unités -1,2 plus -3,4 de la partie isoprénique comprise entre 5%> et 70%> et une teneur (%> molaire) en unités trans -1,4 de la partie isoprénique comprise entre 10%> et 50%>, et plus généralement tout copolymère butadiène-styrène- isoprène ayant une Tg comprise entre - 5°C et - 70°C.
En résumé, le ou les élastomères diéniques de la composition selon l'invention sont choisis préférentiellement dans le groupe des élastomères diéniques fortement insaturés constitué par les polybutadiènes (en abrégé "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).
Selon un mode de réalisation particulier, l'élastomère diénique est majoritairement (i.e., pour plus de 50 pce) un SBR, qu'il s'agisse d'un SBR préparé en émulsion (« ESBR ») ou d'un SBR préparé en solution (« SSBR »), ou un coupage (mélange) SBR/BR, SBR/NR (ou SBR/IR), BR/NR (ou BR/IR), ou encore SBR/BR/NR (ou SBR/BR/IR). Dans le cas d'un élastomère SBR (ESBR ou SSBR), on utilise notamment un SBR ayant une teneur en styrène moyenne, par exemple comprise entre 20% et 35% en poids, ou une teneur en styrène élevée, par exemple de 35 à 45%>, une teneur en liaisons vinyliques de la partie butadiénique comprise entre 15%> et 70%>, une teneur (% molaire) en liaisons trans-1,4 comprise entre 15% et 75% et une Tg comprise entre - 10°C et - 55°C ; un tel SBR peut être avantageusement utilisé en mélange avec un BR possédant de préférence plus de 90%> (%> molaire) de liaisons cis-1,4.
Selon un autre mode de réalisation particulier, l'élastomère diénique est majoritairement (pour plus de 50 pce) un élastomère isoprénique. C'est le cas en particulier lorsque les compositions de l'invention sont destinées à constituer, dans les pneumatiques, les matrices de caoutchouc de certaines bandes de roulement (par exemple pour véhicules industriels), de nappes d'armature de sommet (par exemple de nappes de travail, nappes de protection ou nappes de frettage), de nappes d'armature de carcasse, de flancs, de bourrelets, de protecteurs, de sous-couches, de blocs de caoutchouc et autres gommes internes assurant l'interface entre les zones précitées des pneumatiques.
Par « élastomère isoprénique », on entend de manière connue un homopolymère ou un copolymère d'isoprène, en d'autres termes un élastomère diénique choisi dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel (NR), les polyisoprènes de synthèse (IR), les différents copolymères d'isoprène et les mélanges de ces élastomères. Parmi les copolymères d'isoprène, on citera en particulier les copolymères d'isobutène-isoprène (caoutchouc butyle - IIR), d'isoprène-styrène (SIR), d'isoprène-butadiène (BIR) ou d'isoprène-butadiène-styrène (SBIR). Cet élastomère isoprénique est de préférence du caoutchouc naturel ou un polyisoprène cis-1,4 de synthèse; parmi ces polyisoprènes de synthèse, sont utilisés de préférence des polyisoprènes ayant un taux (%> molaire) de liaisons cis-1,4 supérieur à 90%>, plus préférentiellement encore supérieur à 98%>.
Selon un autre mode de réalisation particulier, notamment lorsqu'elle est destinée à un flanc de pneumatique, à une gomme intérieure étanche de pneumatique sans chambre (ou autre élément imperméable à l'air), la composition conforme à l'invention peut contenir au moins un élastomère diénique essentiellement saturé, en particulier au moins un copolymère EPDM ou un caoutchouc butyle (éventuellement chloré ou bromé), que ces copolymères soient utilisés seuls ou en mélange avec des élastomères diéniques fortement insaturés tels que cités précédemment, notamment NR ou IR, BR ou SBR.
Selon un autre mode préférentiel de réalisation de l'invention, la composition de caoutchouc comprend un coupage d'un (un ou plusieurs) élastomère diénique dit « à haute Tg" » présentant une Tg comprise entre - 70°C et 0°C et d'un (un ou plusieurs) élastomère diénique dit « à basse Tg » comprise entre -110°C et -80°C, plus préférentiellement entre -105°C et -90°C. L'élastomère à haute Tg est choisi de préférence dans le groupe constitué par les S-SBR, les E-SBR, le caoutchouc naturel, les polyisoprènes de synthèse (présentant un taux (% molaire) d'enchaînements cis-1,4 de préférence supérieur à 95%), les BIR, les SIR, les SBIR, et les mélanges de ces élastomères. L'élastomère à basse Tg comprend de préférence des unités butadiène selon un taux (% molaire) au moins égal à 70% ; il consiste de préférence en un polybutadiène (BR) présentant un taux (% molaire) d'enchaînements cis-1,4 supérieur à 90%.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, la composition de caoutchouc comprend par exemple de 30 à 100 pce, en particulier de 50 à 100 pce, d'un élastomère à haute Tg en coupage avec 0 à 70 pce, en particulier de 0 à 50 pce, d'un élastomère à basse Tg ; selon un autre exemple, elle comporte pour la totalité des 100 pce un ou plusieurs SBR préparé(s) en solution.
Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, l'élastomère diénique de la composition selon l'invention comprend un coupage d'un BR (à titre d' élastomère basse Tg) présentant un taux (% molaire) d'enchaînements cis-1,4 supérieur à 90%>, avec un ou plusieurs S-SBR ou E-SBR (à titre d'élastomère(s) haute Tg).
La composition selon l'invention peut contenir un seul élastomère diénique ou un mélange de plusieurs élastomères diéniques, le ou les élastomères diéniques pouvant être utilisés en association avec tout type d'élastomère synthétique autre que diénique, voire avec des polymères autres que des élastomères, par exemple des polymères thermoplastiques. Système de réticulation
Le système de réticulation est préférentiellement un système de vulcanisation, c'est-à-dire un système à base de soufre (ou d'un agent donneur de soufre) et d'un accélérateur primaire de vulcanisation. A ce système de vulcanisation de base viennent s'ajouter, incorporés au cours de la première phase non-productive et/ou au cours de la phase productive telles que décrites ultérieurement, divers accélérateurs secondaires ou activateurs de vulcanisation connus tels qu'oxyde de zinc, acide stéarique ou composés équivalents, dérivés guanidiques (en particulier diphénylguanidine). Le soufre est utilisé à un taux préférentiel compris entre 0,5 et 12 pce, en particulier entre 1 et 10 pce. L'accélérateur primaire de vulcanisation est utilisé à un taux préférentiel compris entre 0,5 et 10 pce, plus préférentiellement compris entre 0,5 et 5,0 pce.
Avantageusement, on utilise dans les compositions conformes à l'invention, à titre d'activateur de vulcanisation de l'oxyde de zinc, ZnO.
De façon surprenante, il a été découvert que lorsque le taux de ZnO répondait à l'équation suivante :
Taux ZnO > 1,5 + (taux cellulose * (BET cellulose greffée ) * DSg * A )
où A une constante égale à 0,00256, les taux étant donnés en pce et la BET en m2/g, le gain en renforcement était augmenté de façon très significative.
On peut utiliser comme accélérateur (primaire ou secondaire) tout composé susceptible d'agir comme accélérateur de vulcanisation des élastomères diéniques en présence de soufre, notamment des accélérateurs du type thiazoles ainsi que leurs dérivés, des accélérateurs de types thiurames, dithiocarbamates de zinc. Ces accélérateurs sont par exemple choisis dans le groupe constitué par disulfure de 2-mercaptobenzothiazyle (en abrégé « MBTS »), disulfure de tetrabenzylthiurame (« TBZTD »), N-cyclohexyl-2- benzothiazyle sulfénamide (« CBS »), N,N-dicyclohexyl-2-benzothiazyle sulfénamide (« DCBS »), N-ter-butyl-2-benzothiazyle sulfénamide (« TBBS »), N-ter-butyl-2- benzothiazyle sulfénimide (« TBSI »), dibenzyldithiocarbamate de zinc (« ZBEC ») et les mélanges de ces composés.
Additifs divers Les compositions de caoutchouc conformes à l'invention peuvent comporter également tout ou partie des additifs usuels habituellement utilisés dans les compositions d'élastomères destinées à la fabrication de pneumatiques, en particulier de bandes de roulement, comme par exemple des plastifiants ou des huiles d'extension, que ces derniers soient de nature aromatique ou non-aromatique, des pigments, des agents de protection tels que cires anti-ozone, anti-ozonants chimiques, anti-oxydants, des agents anti-fatigue, des résines renforçantes, des accepteurs (par exemple résine phénolique novolaque) ou des donneurs de méthylène (par exemple HMT ou H3M) tels que décrits par exemple dans la demande WO02/10269, 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. De préférence, ces compositions comportent, à titre d'agent plastifiant préférentiel non aromatique ou très faiblement aromatique, au moins un composé choisi dans le groupe constitué par les huiles naphténiques, paraffmiques, huiles MES, huiles TDAE, les esters (en particulier trioléates) de glycérol, les résines plastifiantes hydrocarbonées présentant une haute Tg de préférence supérieure à 30°C, et les mélanges de tels composés.
Ces compositions peuvent également contenir, en complément des agents de couplage, des activateurs de couplage, des agents de recouvrement de la charge renforçante ou plus généralement des agents d'aide à la mise en œuvre susceptibles de manière connue, grâce à une amélioration de la dispersion de la charge dans la matrice de caoutchouc et à un abaissement de la viscosité des compositions, d'améliorer leur faculté de mise en œuvre à l'état cru. A la charge renforçante précédemment décrite, peuvent être également ajoutés, en fonction de l'application visée, des charges inertes (i.e., non renforçantes) telles que particules d'argile, bentonite, talc, craie, kaolin, utilisables par exemple dans des flancs ou des bandes de roulement de pneumatiques colorés. Fabrication des compositions de caoutchouc
Les compositions de caoutchouc de l'invention sont fabriquées dans des mélangeurs appropriés, en utilisant deux phases de préparation successives selon une procédure générale bien connue de l'homme du métier : une première phase de travail ou malaxage thermo-mécanique (parfois qualifiée de phase « non-productive ») à haute température, jusqu'à une température maximale comprise entre 130°C et 200°C, de préférence entre 145°C et 185°C. Cette première phase peut être réalisée en un seul temps ou en deux étapes avec une introduction progressive de la matrice élastomérique ; dans ce dernier cas au cours du 1er temps, une fraction massique de l'élastomère comprise entre 50 et 90%, préférentiellement entre 70 et 80% est introduite puis la fraction complémentaire est introduite dans un deuxième temps.
La seconde phase de travail est une phase de travail dite mécanique (parfois qualifiée de phase « productive ») à plus basse température, typiquement inférieure à 120°C, par exemple entre 60°C et 100°C, phase de finition au cours de laquelle est incorporé le système de réticulation ou vulcanisation. IV- EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION
Les exemples qui suivent permettent d'illustrer l'invention, cette dernière ne saurait cependant être limitée à ces seuls exemples.
IV- 1 Préparation des aérogels de cellulose chimiquement modifiés. a) Préparation d'aérogels A de nanocristaux de cellulose
L'aérogel de nanocristaux de cellulose A est obtenu à partir de « Linters » de coton selon la méthode décrite dans la publication de J.-F. Revol, H. Bradford, J. Giasson and D.J. Gray, « Hélicoïdal self-ordering of cellulose microfïbrils in aqueous suspension », Int. J. Biol. Macromol., 1992, 14, P170-171. L'hydrolyse acide est alors réalisée grâce à de l'acide sulfurique à 65% en poids pendant 30 minutes à 63°C. La dispersion obtenue est ensuite lavée par centrifugations répétées. La dispersion est avantageusement dialysée jusqu'à ce que la conductivité soit celle de l'eau pure, puis sonifïée pendant quelques minutes sur un sonifïcateur Branson B-12 équipé d'une sonde de 3 mm à une puissance nominale de 70%.
La dispersion aqueuse obtenue est diluée dans le terbutanol. Pour se faire la dispersion neutralisée est d'abord concentrée à 5% par dialyse (tube à dialyse Visking Cellulose, type l-7/8ss inch, épaisseur 0.041 mm, diamètre 76 mm, modèle 5358-1, commercialisé par la société Cari Roth GmbH) en utilisant une solution aqueuse de polyéthylèneglycol (M=35000 g/mol) à 30%> p/p puis dilué avec du terbutanol à 80%>. Cette dispersion est sonifîé pendant 5 minutes avant d'être lyophilisée pour obtenir un aérogel « ouvert » A. Après séchage, l'aérogel est conservé à 60°C jusqu'au début de la réaction d'estérifïcation pour éviter une reprise en eau des aérogels.
L'aérogel A a une surface spécifique supérieure à 70 m2/g. b) Préparation d'un aérogel greffé Ag non conforme à l'invention
Afin de greffer l'agent de couplage sur les nanocristaux de cellulose, l'aérogel A précédemment obtenu subit une estérification en phase gazeuse. L'aérogel est ainsi mis en contact avec du chlorure d'acyle dans un réacteur de 2L à une température régulée, sous un flux contrôlé d'azote par l'entrée du réacteur ; les produits de la réaction (acide chlorhydrique et résidus de réactifs) étant évacué par la sortie connectée à une pompe à vide. Ainsi environ 5g d'aérogel A sont placés sur une grille de 5cm au-dessus du réactif
(agent de couplage) afin d'éviter le contact direct entre l'aérogel et le réactif.
Le réactif utilisé pour l'aérogel est l'agent de couplage 3,3' chlorure de dithiopropanoyl
(DTDPC).
Ce réactif, DTPC, est synthétisé comme suit :
- pesée dans un ballon en verre de IL taré, 100 g de 3,3'-dithiodipropionic acid (CAS 1119-62-6, MM=210,27g/mol, pur à 99%, fourni par Aldrich) ;Ajout sous hotte avec protection (gant, lunette) de 4 équivalents molaire de chlorure de thionyle pur soit 226,37g (CAS 7719-09-7, MM=119 g/mol, fourni par Aldrich), - installation du ballon sur un montage sous hotte avec réfrigérant, agitation magnétique et bain d'huile à thermostaté à 50°C, pour une durée de 72h ;
démontage du ballon et purification par extraction sous vide des résidus à environ 1 mbar et 50°C durant 6h à l'aide d'un équipement Rotavapor de Buchi, stockage du produit dans un récipient hermétique au frigo à 5°C,
- contrôle de la qualité du produit par RMN liquide.
Les conditions opératoires suivies ainsi que les réactifs sont détaillés dans le tableau 1, notamment le taux molaire des fonctions acyle introduites dans le réacteur par rapport au nombre de mole d'unité anhydroglucose de la cellulose.
L'aérogel greffé Ag a une surface spécifique supérieure à 80 m2/g.
La densité de liaisons de l'aérogel greffé obtenu, Ag, est de 11,14 liaisons/nm2 soit un DSg de 0,377. c) Préparation d'un aérogel greffé puis lyophilisé Ag+ conforme à l'invention
L'aérogel greffé Ag obtenu précédemment est redispersé dans le tertbutanol à hauteur de 5% ou 1,5% en masse, l'homogénéisation se fait par ultraturrax (15min) puis sonification (2min ou 8* 15s). La cellulose ainsi dispersée est lyophilisée jusqu'à stabilisation de la masse soit 7 jours.
L'aérogel greffé puis lyophilisé Ag+ a une surface spécifique supérieure à 75 m2/g, sa densité de liaisons est identique à celle de Ag.
IV-2 Préparation des compositions de caoutchouc
On procède pour les essais qui suivent de la manière suivante: on introduit dans un mélangeur interne de volume de cuve 28 cm3 (de marque « Brabender » modèle FD0234H), rempli à 70% et dont la température initiale de cuve est d'environ 100°C à 85 tour/minute, Pélastomère diénique (SBR), la charge renforçante (aérogel greffé Ag ou Ag+) complétée par une faible quantité de noir de carbone, l'agent de couplage le cas échéant puis, après une à deux minutes de malaxage, les divers autres ingrédients à l'exception du système de vulcanisation. On conduit alors un travail thermomécanique (phase non-productive) en une étape (durée totale du malaxage égale à environ 5 min), jusqu'à atteindre une température maximale de "tombée" d'environ 165°C.
On récupère le mélange ainsi obtenu, on le refroidit puis on ajoute le système de vulcanisation (soufre et accélérateur sulfénamide) sur le mélangeur à 70°C à 20 tour/minute, en mélangeant le tout (phase productive) pendant environ 5 à 6 min. Les compositions ainsi obtenues sont ensuite pressées à chaud (presse « Carver » avec plateaux chauffants) sous la forme de plaques (épaisseur de 0,8mm) de caoutchouc pour la mesure de leurs propriétés physiques ou mécaniques.
IV-3 Essai
Cet essai a pour but de démontrer l'intérêt des aérogels greffés « mis sous forme aérée » à titre de charge renforçante dans une composition de caoutchouc vis-à-vis d' aérogels simplement greffés à titre de charge renforçante dans une composition de caoutchouc. On prépare pour cela trois compositions à base d'un élastomère diénique (SBR) renforcées respectivement par de la silice (composition témoin) et différents aérogels de cellulose ont été préparées conformément au procédé décrit dans le paragraphe III-2. Ces compositions correspondent toutes à la formulation de base exprimée en parties en poids pour cent parties d'élastomères, pce, qui suit :
SBR (l) 100
Noir de carbone (2) 3
Antioxydant (3) 2
DPG (4) 0,9
Acide stéarique 2
ZnO 2,5
Soufre 1,1
Accélérateur (5) 2 (1) SBR commercilisé par la société Lanxess sous le nom « VSL 2525-OM » (ayant 25%de motif styrène, 25% de motif 1,2, Tg= -54°C)
(2) N234
(3) N-l,3-diméthylbutyl-N-phényl-para-phénylènediamine ("Santoflex 6-PPD" de la société Flexsys)
(4) diphénylguanidine (Perkacit DPG de la société Flexsys) (5) N-cyclohexyl-2-benzothiazyl-sulfénamide ("Santocure CBS" de la société Flexsys).
Ces trois compositions diffèrent les unes des autres essentiellement par les caractéristiques techniques qui suivent :
- Cl est une composition non conforme à l'invention comprenant à titre de charge renforçante un aérogel greffé Ag qui n'a pas subi de seconde lyophilisation, C2 est une composition conforme à l'invention comprenant à titre de charge renforçante un aérogel Ag+ greffé et ayant subi une seconde lyophilisation.
C3 est une composition conforme à l'invention comprenant à titre de charge renforçante un aérogel Ag+ greffé et ayant subi une seconde lyophilisation et dont le taux de ZnO a été optimisé à 4 pce (selon le mode de réalisation préférentiel de l'invention pour lequel le taux ZnO > 1,5 + (taux cellulose * (BET cellulose greffée ) * DSg * A ) On notera que les compositions comprennent 100 pce de SBR. Les taux (en pce) de nanocristaux de cellulose et le taux des composés greffés sont respectivement de 32,39 pce et 3,74 pce.
Les propriétés de renforcement de ces compositions sont mesurées après cuisson à 150°C pendant 60 minutes, les résultats obtenus sont portés sur le tableau 1.
L'observation du tableau 1 montre de façon surprenante que la composition C2 et C3 conformes à l'invention comprenant à titre de charge renforçante l'aérogel Ag+ (greffé et ayant subi une deuxième lyophilisation) présentent des propriétés de renforcement signifïcativement supérieures (valeur de M150/M50) à celles de la composition Cl témoin comprenant à titre de charge renforçante l'aérogel Ag.
Ainsi des aérogels de cellulose formées de nanocristaux, chimiquement modifiées par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage, ayant subi une nouvelle étape de mise en forme par lyophilisation, permettent étonnamment de d'améliorer le la fonction renforçante d'aérogel de cellulose dans des compositions de caoutchouc pour pneumatiques. Ce renforcement est très signifïcativement amélioré en optimisant le taux de ZnO. Tableau 1
Composition M150 /M50
Cl 1
C2 1.2
C3 2.1

Claims

REVENDICATIONS
Composition de caoutchouc à base d'au moins un élastomère diénique et d'au moins une charge renforçante comprenant de la cellulose formée de micro fibrilles ou de nanocristaux, chimiquement modifiée par greffage sur ladite cellulose de molécules d'agent de couplage capable de la lier à l'élastomère diénique, ces molécules comportant au moins une fonction A et une fonction B telles que :
- A représente un groupe fonctionnel (fonction « A ») capable de se lier chimiquement à la cellulose, et qui comporte au moins un hétéroatome choisi parmi l'oxygène, le phosphore, les halogènes, l'azote et le soufre,
- B représente un groupe fonctionnel (fonction « B ») capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à l'élastomère diénique ;
les fonctions A et B étant reliées par un groupe X au moins divalent ;
ladite cellulose greffée ayant été lyophilisée après greffage.
Composition selon la revendication 1, dans laquelle la cellulose avant greffage se présente sous la forme d'un aérogel ou d'une poudre de cellulose.
Composition selon la revendication 2, dans laquelle la cellulose greffée est obtenue selon les étapes suivantes:
- formation d'un aérogel de cellulose, la cellulose étant formée de micro fibrilles ou de nanocristaux,
- greffage en phase hétérogène des molécules d'agent de couplage,
- purification et séchage Γ aérogel greffé obtenu dans l'étape précédente,
- redispersion dans le terbutanol,
- lyophilisation de Γ aérogel greffé,
Composition selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle Γ aérogel de cellulose est obtenue par lyophilisation d'une dispersion colloïdale de micro fibrilles ou de nanocristaux de cellulose dans du terbutanol, la dispersion colloïdale étant réalisée dans de l'eau avant d'être transférée dans le terbutanol.
Composition selon la revendication 3, dans laquelle le greffage est réalisé en phase gazeuse.
Composition selon la revendication 3, dans laquelle la lyophilisation de Γ aérogel greffé est réalisée dans du terbutanol.
Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle l'élastomère diénique étant choisi dans le groupe constitué par les polybutadiènes, les polyisoprènes synthétiques, le caoutchouc naturel, les copolymères de butadiène, les copolymères d'isoprène et les mélanges de ces élastomères.
8) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle A 5 est choisi parmi les chlorures d'acyle, les anhydrides, les acides carboxyliques, les isocyanates, les chlorures d'alkyle, les esters organiques ou inorganiques, les aldéhydes, les époxydes ou les aminés, primaires ou secondaires.
9) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle B 10 porte des fonctions mono ou polysulfures.
10) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'agent de couplage répond à la formule (III):
15 A-X-B-X-A , dans laquelle :
- le groupe X représente un groupe de liaison divalent comportant de 1 à 18 atomes de carbone, de préférence un groupement alkylène en Ci -Ci s ou un 20 groupement arylène en C6-C12.
11) Composition selon la revendication 10, dans laquelle B représente Sp où p est un nombre supérieur ou égal à 2, de préférence de 2 à 8 (de préférence de 2 à 5).
25 12) Composition selon les revendications 10 ou 11 , dans laquelle l'agent de couplage est le chlorure 3,3' dithiopropanoyl.
13) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la cellulose greffée représente la charge renforçante majoritaire.
30
14) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la charge renforçante comprend également une charge inorganique renforçante, de préférence de type siliceuse.
35 15) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la quantité de charge renforçante est comprise entre 10 et 150 pce, de préférence comprise entre 20 et 110 pce.
16) Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le 40 taux de ZnO a été optimisé et répond à l'équation suivante : Taux ZnO > 1,5 + (taux cellulose * (BET cellulose greffée ) * DSg * A ) où A une constante égale à 0,00256, les taux étant donnés en pce et la BET en m2
Pneumatique comprenant une composition selon l'une quelconque revendications 1 à 15.
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