WO2020203984A1 - 架橋物及びタイヤ - Google Patents
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- C08L9/00—Compositions of homopolymers or copolymers of conjugated diene hydrocarbons
- C08L9/06—Copolymers with styrene
Definitions
- This disclosure relates to crosslinked products and tires.
- Conjugated diene-based polymers for example, styrene-butadiene copolymers, etc.
- Conjugated diene-based polymers have good properties such as heat resistance, abrasion resistance, mechanical strength, and moldability, and therefore, therefore, pneumatic tires and anti-vibration rubbers.
- Widely used in various industrial products such as hoses.
- the present disclosure has been made in view of the above problems, and its main purpose is to provide a crosslinked product having high strength and excellent low temperature characteristics.
- the present inventors crosslinked a polymer composition containing a highly saturated conjugated diene polymer, an inorganic filler and a crosslinking agent in a predetermined ratio. It has been found that the above-mentioned problems can be solved by exhibiting a predetermined property. Specifically, the present disclosure provides the following means.
- a rubber component a structural unit represented by the following formula (1), a structural unit represented by the following formula (2), a structural unit represented by the following formula (3), and the following formula (4).
- the composition ratios (molar ratios) of the structural units represented by are p, q, r, and s, respectively, the value ⁇ represented by the following mathematical formula (i) is 0.80 or more and 0.97 or less.
- a method for producing a crosslinked product which comprises cross-linking a polymer composition containing a rubber component, an inorganic filler and a cross-linking agent and satisfying the above conditions (a) to (d).
- the crosslinked product of the present disclosure is obtained by cross-linking a polymer composition containing a rubber component, an inorganic filler and a cross-linking agent.
- the "rubber component” contained in the polymer composition refers to a polymer capable of obtaining a cured product exhibiting rubber elasticity by thermosetting. This cured product undergoes a large deformation at room temperature with a small force (for example, a deformation that stretches more than twice when stretched at room temperature), and rapidly returns to almost its original shape when the force is removed.
- "Vulcanized rubber” refers to a cured product obtained by thermosetting a rubber component.
- the polymer composition according to the present disclosure is a conjugated diene-based polymer as a rubber component, and has a structural unit represented by the following formula (1) and a structural unit represented by the following formula (2).
- the constituent ratios (molar ratios) of the structural unit represented by the following formula (3) and the structural unit represented by the following formula (4) in the polymer are p, q, r, and s, respectively, the following
- the polymer (A) having a value ⁇ represented by the formula (i) of 0.80 or more and 0.97 or less is contained.
- ⁇ (p + (0.5 ⁇ r)) / (p + q + (0.5 ⁇ r) + s)... (i)
- the polymer (A) is, for example, a step of polymerizing a monomer containing a conjugated diene compound to obtain a conjugated diene-based polymer having an active terminal (polymerization step) and a step of hydrogenating the conjugated diene-based polymer (water). It can be produced by a method including (additional step) and. Further, the method may optionally include a step of modifying the conjugated diene-based polymer obtained by the polymerization step (modification step). Specifically, according to the method described in International Publication No. 2014/133097, the molecular weight, the amount of aromatic vinyl compound, the vinyl bond content, the hydrogenation rate, the type of denaturant, etc. are appropriately adjusted according to the purpose of use.
- the polymer (A) can be produced by modifying it. Further, the polymer (A) can also be produced by copolymerizing a diene-based monomer such as 1,3-butadiene with a non-conjugated olefin according to the method described in International Publication No. 2015/199373. Hereinafter, the polymer (A) and its production method will be described in detail, taking a hydrogenated conjugated diene-based polymer as an example.
- 1,3-butadiene can be preferably used as the conjugated diene compound.
- a conjugated diene compound other than 1,3-butadiene may be used.
- Specific examples of the conjugated diene compound other than 1,3-butadiene include isoprene, 2,3-dimethyl-1,3-butadiene, 1,3-pentadiene and the like.
- isoprene is particularly preferable.
- the conjugated diene compound one kind of compound may be used alone, or two or more kinds of compounds may be used in combination.
- the polymer (A) may be a homopolymer using a conjugated diene compound, but is preferably a copolymer of a conjugated diene compound and an aromatic vinyl compound from the viewpoint of increasing the strength of the crosslinked product. ..
- the aromatic vinyl compound used for the polymerization include styrene, 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, ⁇ -methylstyrene, N, N-dimethylaminoethylstyrene, diphenylethylene and the like.
- the aromatic vinyl compound is particularly preferably one or more compounds selected from styrene and ⁇ -methylstyrene.
- the aromatic vinyl compound one type can be used alone or two or more types can be used in combination.
- the polymer (A) When the polymer (A) is a copolymer of a conjugated diene compound and an aromatic vinyl compound, it has a high living property in anionic polymerization, and among these, a copolymer of 1,3-butadiene and styrene. Is preferable.
- the polymer (A) is preferably a random copolymer having an irregular distribution of the conjugated diene compound and the aromatic vinyl compound in that the dispersibility of the filler can be improved.
- the random copolymer of the conjugated diene compound and the aromatic vinyl compound may further have a block portion composed of the conjugated diene compound or the aromatic vinyl compound as long as the effects of the present disclosure can be obtained.
- the amount of the aromatic vinyl compound used improves the low temperature characteristics (specifically, flexibility at low temperature) and low hysteresis loss characteristics of the crosslinked product. From the viewpoint, it is preferably 3 to 33% by mass with respect to the total amount of the monomer used for the polymerization.
- the amount of the aromatic vinyl compound used is more preferably 4% by mass or more, and further preferably 5% by mass or more, based on the total amount of the monomers used for the polymerization.
- the amount of the aromatic vinyl compound used is more preferably 30% by mass or less, and further preferably 25% by mass or less, based on the total amount of the monomers used for the polymerization.
- the monomer used in the production of the polymer (A) is 50 to 97 parts by mass of 1,3-butadiene and 3 to 33 parts by mass of an aromatic vinyl compound with respect to 100 parts by mass of the total amount of the monomers used in the polymerization. , And 0 to 30 parts by mass of a conjugated diene compound other than 1,3-butadiene is preferable. Such a blending amount is preferable in that a good balance between the strength of the crosslinked product and the low temperature characteristics can be maintained.
- conjugated diene compound and the aromatic vinyl compound exemplified above all have the same action in that a conjugated diene-based polymer having an active terminal can be obtained. Therefore, even those not described in the examples described later can be used in the present disclosure.
- monomers other than conjugated diene compounds and aromatic vinyl compounds can be used.
- examples of other monomers include acrylonitrile, methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate and the like.
- the amount of the other monomer used is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and further preferably 10% by mass or less, based on the total amount of the monomers used for the polymerization. preferable.
- any of a solution polymerization method, a gas phase polymerization method, and a bulk polymerization method may be used, but the solution polymerization method is particularly preferable.
- the polymerization type either a batch type or a continuous type may be used.
- the solution polymerization method as an example of a specific polymerization method, a method of polymerizing a monomer containing a conjugated diene compound in an organic solvent in the presence of a polymerization initiator and a randomizer used as needed. Can be mentioned.
- the polymerization initiator at least one of an alkali metal compound and an alkaline earth metal compound can be used.
- the alkali metal compound and the alkaline earth metal compound those usually used as an initiator of anionic polymerization can be used.
- Specific examples of the polymerization initiator include alkyllithium such as methyllithium, ethyllithium, n-propyllithium, n-butyllithium, sec-butyllithium and t-butyllithium, 1,4-dilithiobutane, phenyllithium and stillbenlithium.
- the polymerization initiator is preferably a lithium compound.
- At least one of the above-mentioned alkali metal compound and alkaline earth metal compound is mixed with a compound having a functional group that interacts with the inorganic filler (hereinafter, also referred to as “compound (C1)”). It may be carried out in the presence of the obtained compound (hereinafter, also referred to as “Compound (R)”).
- a functional group having an interaction with the inorganic filler can be introduced into the polymerization initiation terminal of the polymer (A).
- reaction means an intermolecular force which forms a covalent bond between molecules or is weaker than a covalent bond (for example, ion-dipole interaction, dipole-dipole interaction, etc. It means forming an electromagnetic force acting between molecules such as a hydrogen bond and a van der Waals force.
- the "functional group that interacts with the inorganic filler” means a group that has at least one atom that interacts with the inorganic filler.
- the polymer (A) preferably has a functional group that interacts with silica.
- a “functional group that interacts with silica” is a group that has at least one atom that interacts with silica, such as a nitrogen atom, a sulfur atom, a phosphorus atom, an oxygen atom, and a silicon atom.
- the silicon atom of the "functional group that interacts with silica” is the silicon atom in the hydrocarbyloxysilyl group.
- the compound (C1) is preferably a nitrogen-containing compound such as a secondary amine compound.
- the compound (R) is preferably a reaction product of a lithium compound such as alkyllithium and a nitrogen-containing compound such as a secondary amine compound.
- the nitrogen-containing compound as the compound (C1) include dimethylamine, diethylamine, dipropylamine, dibutylamine, dodecamethyleneimine, N, N'-dimethyl-N'-trimethylsilyl-1,6-diaminohexane, piperidine, and the like.
- the compound (R) is prepared by mixing the alkali metal compound or the alkaline earth metal compound and the compound (C1) in advance, and the prepared compound ( R) may be added to the polymerization system to carry out the polymerization.
- the compound (R) may be prepared and polymerized by adding an alkali metal compound or an alkaline earth metal compound and the compound (C1) to the polymerization system and mixing the two in the polymerization system. Good.
- the randomizer can be used for the purpose of adjusting the content of 1,2-vinyl bonds (vinyl bond content) in the polymer obtained by the above polymerization.
- randomizers include dimethoxybenzene, tetrahydrofuran, dimethoxyethane, diethylene glycol dibutyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, 2,2-di (tetrahydrofuryl) propane, 2- (2-ethoxyethoxy) -2-methylpropane, triethylamine, pyridine. , N-Methylmorpholine, tetramethylethylenediamine and the like.
- the randomizer one type can be used alone or two or more types can be used in combination.
- the organic solvent used for the polymerization may be any organic solvent that is inert to the reaction, and for example, aliphatic hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons and the like can be used. Of these, hydrocarbons having 3 to 8 carbon atoms are preferable, and specific examples thereof include n-pentane, isopentane, n-hexane, cyclohexane, propene, 1-butene, isobutene, trans-2-butene, and cis.
- the monomer concentration in the reaction solvent is preferably 5 to 50% by mass, preferably 10 to 30% by mass, from the viewpoint of maintaining a balance between productivity and ease of polymerization control. More preferred.
- the temperature of the polymerization reaction is preferably ⁇ 20 to 150 ° C., more preferably 0 to 120 ° C., and particularly preferably 20 to 100 ° C.
- the polymerization reaction is preferably carried out under a pressure sufficient to keep the monomer substantially in the liquid phase. Such pressure can be obtained by a method such as pressurizing the inside of the reactor with a gas that is inert to the polymerization reaction.
- the 1,2-vinyl content (vinyl bond content) of the conjugated diene polymer obtained by the above polymerization is preferably 5 to 70 mol%, more preferably 10 to 60 mol%, and 15 to 50. It is more preferably mol%.
- the vinyl bond content is a value measured by 1 H-NMR.
- the active terminal of the conjugated diene polymer obtained by the above polymerization step is reacted with a compound having a functional group that interacts with the inorganic filler (hereinafter, also referred to as “compound (C2)”). It is a process.
- a functional group that interacts with the inorganic filler can be introduced at the end of polymerization of the polymer (A).
- the active terminal means a portion (more specifically, a metal terminal) other than the structure derived from the monomer having a carbon-carbon double bond, which is present at the end of the molecular chain.
- the conjugated diene polymer used for the reaction with the compound (C2) may be a polymer having an unmodified polymerization initiation terminal as long as it has an active terminal, or is modified by the compound (C1). It may be a polymer.
- the compound (C2) is not particularly limited as long as it is a compound capable of reacting with the active terminal of the conjugated diene polymer, but is a kind selected from the group consisting of a nitrogen atom, a sulfur atom, a phosphorus atom, an oxygen atom and a silicon atom. It is preferable that the compound has an atom and active hydrogen is not bonded to the atom.
- the compound (C2) is an amino group, a group having a carbon-nitrogen double bond, a nitrogen-containing heterocyclic group, a phosphino group, a cyclic ether group, a cyclic thioether group, a protected hydroxyl group, a protected thiol group and a hydrocarbyl.
- a compound having one or more functional groups (hereinafter, also referred to as "specific functional group") selected from the group consisting of oxysilyl groups is preferable.
- the amino group is preferably a protected primary amino group, a secondary amino group, or a tertiary amino group.
- Specific examples of the compound (C2) include, for example, the respective compounds (I) to (IV) below.
- a 1 has at least one atom selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, oxygen, sulfur and silicon, does not have active hydrogen, and has a nitrogen atom with respect to R 5 .
- R 3 and R 4 are hydrocarbyl groups. in and, R 5 is hydrocarbylene group, r is an integer of 0-2. However, if R 3 and R 4 there are a plurality, the plurality of R 3 and R 4 are each the same group or It is a different group.)
- a 2 has at least one atom selected from the group consisting of nitrogen, phosphorus, oxygen, sulfur and silicon, has no active hydrogen, and has a nitrogen atom with respect to R 9 . It is a monovalent functional group bonded with a phosphorus atom, an oxygen atom, a sulfur atom or a silicon atom, or a hydrocarbyl group having 1 to 20 carbon atoms.
- R 6 and R 7 are independently hydrocarbyl groups, respectively.
- R 8 is hydrocarbylene group
- R 9 is a single bond or a hydrocarbylene group
- m is 0 or 1. However, if R 7 there is a plurality, a plurality of R 7 are each identical Or a different group.
- At least one functional group P selected from the group consisting of a cyclic ether group, a (thio) carbonyl group and an iso (thio) cyanato group in the molecule, and a nitrogen atom, a phosphorus atom, an oxygen atom and sulfur. It has at least one atom selected from the group consisting of atoms (provided that at least one of the nitrogen atom, the phosphorus atom and the sulfur atom is protected by a trisubstituted hydrocarbylsilyl group) and is active.
- (IV) A compound having two or more iso (thio) cyanate groups in the molecule (B-4);
- the hydrocarbyl group of R 3, R 4, R 6 and R 7 are linear or branched alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, having 3 to 20 carbon atoms It is preferably a cycloalkyl group or an aryl group having 6 to 20 carbon atoms.
- the hydrocarbylene groups of R 5 and R 9 are preferably a linear or branched alkanediyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkylene group having 3 to 20 carbon atoms, or an arylene group having 6 to 20 carbon atoms.
- r and m are preferably 0 or 1 from the viewpoint of enhancing the reactivity with the conjugated diene polymer.
- a 1 is the monovalent functional group
- the active hydrogen means a hydrogen atom bonded to an atom other than a carbon atom, and preferably has a lower binding energy than the carbon-hydrogen bond of polymethylene.
- the protecting group is a functional group that converts A 1 and A 2 into a functional group that is inactive with respect to the polymerization active terminal.
- the (thio) epoxy group means to include an epoxy group and a thioepoxy group.
- a 1 may be a group that can become an onium ion by an onium salt producing agent.
- a 1 for example, a nitrogen-containing group in which two hydrogen atoms of a primary amino group are substituted by two protecting groups, and one hydrogen atom of a secondary amino group is substituted by one protecting group.
- a phosphorus-containing group consisting of two hydrogen atoms of a nitrogen-containing group, a tertiary amino group, an imino group, a pyridyl group, and a primary phosphino group substituted with two protecting groups, and one hydrogen atom of a secondary phosphino group is one.
- protecting group a tertiary phosphino group
- an epoxy group a group in which the hydrogen atom of a hydroxyl group is protected by a protecting group
- a thioepoxy group a sulfur in which the hydrogen atom of a thiol group is substituted with a protecting group.
- Examples thereof include groups containing an containing group, a hydrocarbyloxycarbonyl group and the like.
- a 1 in terms affinity with silica is satisfactory is preferably a group having a nitrogen atom, a tertiary amino group, secondary one one protecting group is a hydrogen atom of an amino group It is more preferable that the nitrogen-containing group is substituted with a nitrogen-containing group, or the group contains a nitrogen-containing group in which two hydrogen atoms of the primary amino group are substituted with two protecting groups.
- compound (B-1) examples include, for example, N, N-bis (trimethylsilyl) aminopropyltrimethoxysilane, N, N-bis (trimethylsilyl) aminopropylmethyldiethoxysilane, N, N-dimethyl-3-.
- Trimethoxysilyl propylamine N, N-dimethyl-3- (triethoxysilyl) propylamine, N, N', N'-tris (trimethylsilyl) -N- (2-aminoethyl) -3-aminopropyl
- examples thereof include triethoxysilane, 3- (4-trimethylsilyl-1-piperazino) propylmethyldimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, and 3-glycidoxypropyltriethoxysilane.
- the compound (B-2) include, for example, 2,2-dimethoxy-1- (3-trimethoxysilylpropyl) -1,2-azacilolidine, 2,2-diethoxy-1- (3-trimethoxysilyl).
- the compound (B-3) is preferably a group in which the group Q contains a nitrogen atom that is not bonded to active hydrogen.
- Specific examples of the compound (B-3) include an epoxyamine compound such as tetraglycidyl-1,3-bisaminomethylcyclohexane as a compound having a cyclic ether group; and a compound having a (thio) carbonyl group, for example.
- 4-Aminoacetophenone such as 4-N, N-dimethylaminobenzophenone; Bis (dihydrocarbylaminoalkyl) ketone such as 1,7-bis (methylethylamino) -4-heptanone: Di-dimethylaminoethyl acrylate and the like Hydrocarbylaminoalkyl (meth) acrylate; Hydrocarbylimidazolidinone such as 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone; N-hydrocarbylpyrrolidone such as 1-phenyl-2-pyrrolidone; N such as N-methyl- ⁇ -caprolactam -Hyrodokalbircaptolactam; N-dihydrocarbylformamide such as N, N-diethylformamide; N, N-dihydrocarbylacetamide such as N, N-dimethylacetamide; (meth) acrylamide such as N, N-dimethylacrylamide; As a
- Examples of the compound (B-4) include 2,4-tolylene diisocyanate, 2,6-tolylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, naphthalenedi isocyanate, triphenylmethane triisocyanate, and p-phenylenedi isocyanate. , Tris (isocyanatophenyl) thiophosphate, xylene diisocyanate, benzene-1,2,4-triisocyanate, naphthalene-1,2,5,7-tetraisocyanate, 1,4-phenylenediisocyanate And so on.
- the compound (C2) it is preferable to use at least one selected from the group consisting of the compound (B-1) and the compound (B-2) in that the affinity with silica is strong, and the compound (B-1) is preferably used. ) Is more preferable.
- the compound (C2) one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
- the above terminal denaturation reaction can be carried out as, for example, a solution reaction.
- This solution reaction may be carried out using a solution containing an unreacted monomer after the completion of the polymerization reaction in the above polymerization step, and the conjugated diene polymer contained in the solution is isolated and used in an appropriate solvent such as cyclohexane. It may be done after dissolving.
- the terminal denaturation reaction may be carried out by either a batch type or a continuous type.
- the method of adding the compound (C2) is not particularly limited, and examples thereof include a method of adding the compound (C2) all at once, a method of adding the compound (C2) separately, and a method of continuously adding the compound (C2).
- the amount of the compound (C2) used in the terminal modification reaction may be appropriately set according to the type of the compound used in the reaction, but is preferably 0. With respect to the metal atoms involved in the polymerization reaction of the polymerization initiator. It is 1 molar equivalent or more, more preferably 0.3 molar equivalent or more. By setting the amount of the compound (C2) to 0.1 molar equivalent or more, the modification reaction can be sufficiently proceeded, and the dispersibility of silica can be suitably improved.
- the temperature of the terminal denaturation reaction is usually the same as the temperature of the above-mentioned polymerization reaction, preferably ⁇ 20 to 150 ° C., more preferably 0 to 120 ° C., and particularly preferably 20 to 100 ° C. preferable.
- the reaction time of the denaturation reaction is preferably 1 minute to 5 hours, more preferably 2 minutes to 1 hour.
- a coupling agent such as (for example, tetraglycidyl-1,3-bisaminomethylcyclohexane) may be reacted with a conjugated diene-based polymer having an active terminal.
- the proportion of the coupling agent used can be appropriately set according to the desired Mooney viscosity of the polymer (A), the compound used in the reaction, etc., but with respect to the metal atoms involved in the polymerization reaction of the polymerization initiator. It is preferably 0.01 to 0.8 molar equivalent.
- the coupling agent one type can be used alone or two or more types can be used in combination.
- the polymer (A) can be obtained by hydrogenating the modified or unmodified conjugated diene-based polymer obtained above.
- any method and conditions can be used as long as a conjugated diene polymer having a desired hydrogenation rate (hydrogenation rate) can be obtained.
- these hydrogenation methods include a method using a catalyst containing an organic metal compound of titanium as a main component as a hydrogenation catalyst, and a catalyst composed of an organic compound of iron, nickel and cobalt and an organic metal compound such as alkylaluminum.
- Method to be used method to use organic complex of organic metal compound such as ruthenium, rhodium, method to use catalyst in which metal such as palladium, platinum, ruthenium, cobalt and nickel is supported on a carrier such as carbon, silica and alumina. and so on.
- a homogeneous catalyst composed of an organometallic compound of titanium alone or an organometallic compound of titanium and an organometallic compound of lithium, magnesium, and aluminum (Japanese Patent Publication No. 63-4841A, No. 1-377970).
- the method of hydrogenating under mild conditions of low pressure and low temperature using the publication is industrially preferable, and the hydrogenation selectivity for the double bond of butadiene is also high, which is suitable for the object of the present disclosure.
- Hydrohydration of the conjugated diene polymer is carried out in a solvent that is inert to the catalyst and in which the conjugated diene polymer is soluble.
- Preferred solvents include aliphatic hydrocarbons such as n-pentane, n-hexane and n-octane, alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane and cycloheptane, aromatic hydrocarbons such as benzene and toluene, and diethyl ether. , Tetrahydrofuran alone or a mixture containing them as a main component.
- the conjugated diene polymer is held at a predetermined temperature under hydrogen or an inert atmosphere, a hydrogenation catalyst is added under stirring or non-stirring, and then hydrogen gas is introduced to determine the hydrogenation. It is carried out by pressurizing the pressure.
- the inert atmosphere means an atmosphere that does not react with the substances involved in the hydrogenation reaction, and examples thereof include helium, neon, and argon. Air and oxygen are not preferable because they oxidize the catalyst and cause the catalyst to be deactivated. In addition, nitrogen acts as a catalytic poison during the hydrogenation reaction and reduces the hydrogenation activity, which is not preferable. In particular, it is most preferable that the hydrogenation reactor has an atmosphere of hydrogen gas alone.
- the hydrogenation reaction process for obtaining a hydrogenated conjugated diene polymer can be used in any of a batch process, a continuous process, and a combination thereof.
- a titanocene diaryl compound used as the hydrogenation catalyst, it may be added alone to the reaction solution or as a solution of an inert organic solvent.
- an inert organic solvent used when the catalyst is used as a solution, various solvents that do not react with the substances involved in the hydrogenation reaction can be used. It is preferably the same solvent as the solvent used for the hydrogenation reaction.
- the amount of the catalyst added is 0.02 to 20 mmol per 100 g of the conjugated diene polymer before hydrogenation.
- the value ⁇ specified by is 0.80 or more and 0.97 or less. By setting ⁇ to 0.80 or more, a crosslinked product having sufficiently high strength can be obtained. Further, it is preferable in that the ozone resistance of the crosslinked product can be made excellent.
- ⁇ is preferably 0.82 or more, more preferably 0.85 or more, and even more preferably 0.88 or more. Further, ⁇ is preferably 0.96 or less from the viewpoint of sufficiently ensuring the low hysteresis loss characteristic of the crosslinked product.
- the value ⁇ defined by the above mathematical formula (i) corresponds to the hydrogenation rate of the polymer (A).
- ⁇ is 0.80
- the hydrogenation rate of the polymer (A) is 80%.
- the hydrogenation rate in the polymer (A) can be adjusted by the time of the hydrogenation reaction and the like. This hydrogenation rate can be measured by 1 1 H-NMR.
- the value of ⁇ can be adjusted by changing the ratio of the monomers to be copolymerized.
- a preferred method for obtaining the polymer (A) is to solution-polymerize a monomer containing butadiene in the presence of an alkali metal compound, perform a modification step using the obtained polymer solution as it is, and then subject it to a hydrogenation step. Yes, it is industrially useful.
- the polymer (A) is obtained by removing the solvent from the solution obtained above and isolating the polymer.
- the polymer can be isolated by a known desolvation method such as steam stripping and a drying operation such as heat treatment.
- the weight average molecular weight of the polymer (A) (Mw) is preferably 1.0 ⁇ 10 5 ⁇ 2.0 ⁇ 10 6. When Mw is less than 1.0 ⁇ 10 5, may wear resistance and low fuel consumption performance of the cross-linked product to be obtained is lowered, the 2.0 ⁇ 10 greater than 6, processability tends to decrease .. Mw of the polymer (A) is more preferably 1.0 ⁇ 10 5 or more, further preferably 1.2 ⁇ 10 5 or more. Also, Mw of the polymer (A) is more preferably 1.5 ⁇ 10 6 or less, more preferably 1.5 ⁇ 10 6 or less. In this specification, the weight average molecular weight is a polystyrene-equivalent value measured by gel permeation chromatography (GPC).
- the polymer (A) preferably has a glass transition point (Tg) of ⁇ 25 ° C. or lower from the viewpoint of obtaining a crosslinked product exhibiting excellent material strength and flexibility at low temperature.
- the glass transition point of the polymer (A) is more preferably ⁇ 30 ° C. or lower, further preferably ⁇ 40 ° C. or lower, still more preferably ⁇ 45 ° C. or lower, and particularly preferably ⁇ 50 ° C. or lower. is there.
- the glass transition point of the polymer (A) is, for example, ⁇ 70 ° C. or higher.
- the glass transition point of the polymer is a value measured by differential scanning calorimetry (DSC) in accordance with ASTM D3418.
- the polymer (A) preferably has a heat of fusion ( ⁇ H) of 3 J / g or more from the viewpoint of ensuring the green strength of the polymer composition.
- the amount of heat of fusion of the polymer (A) is more preferably 5 J / g or more, further preferably 10 J / g or more, and particularly preferably 15 J / g or more.
- the heat of fusion of the polymer (A) is a value measured by the differential scanning calorimetry (DSC method). Specifically, using a differential scanning calorimetry (DSC), the sample polymer was held at 180 ° C. for 1 minute, cooled to -100 ° C.
- the polymer (A) preferably has a melting point (Tm) of ⁇ 10 ° C. or higher from the viewpoint of ensuring the green strength of the polymer composition.
- the melting point of the polymer (A) is more preferably 0 ° C. or higher, further preferably 5 ° C. or higher, and particularly preferably 10 ° C. or higher.
- the melting point of the polymer (A) is a value measured by the DSC method. Specifically, the melting point of the polymer (A) is determined by using DSC, holding the sample polymer at 180 ° C. for 1 minute, cooling it to -100 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and then-. This is the peak temperature of the heat flow rate when the temperature is raised to 200 ° C. at a rate of 20 ° C./min after holding at 100 ° C. for 1 minute.
- the melting point (Tm) of the polymer (A) is ⁇ 10 ° C. or higher and the heat of fusion ( ⁇ H) is 3 J / g or higher, the green strength of the polymer composition can be further increased, and rubber molding can be performed. It is preferable in that the design of the product can be enhanced.
- the blending ratio of the polymer (A) is 10% by mass or more with respect to the total amount of the rubber components blended in the polymer composition. If the blending ratio of the polymer (A) is less than 10% by mass, the strength of the obtained crosslinked product is not sufficient, and the low temperature characteristics are inferior. For this reason, the blending ratio of the polymer (A) is preferably 20% by mass or more, more preferably 50% by mass or more, and further, with respect to the total amount of the rubber components blended in the polymer composition. It is preferably 70% by mass or more. As the polymer (A), one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
- the polymer composition may contain only the polymer (A) as a rubber component, but in addition to the polymer (A), it may be combined with the polymer (A) as long as the effects of the present disclosure are not impaired. May contain different rubber components (hereinafter, also referred to as "other rubber components").
- the type of such other rubber components is not particularly limited, but is butadiene rubber (BR.
- BR butadiene rubber
- SPB syndiotactic-1,2-polybutadiene
- the other rubber component is at least one selected from the group consisting of NR, BR and SBR.
- the blending ratio of the other rubber components is preferably 80% by mass or less, more preferably 50, with respect to the total amount of the rubber components (polymer (A) and other rubber components) contained in the polymer composition. It is less than mass%.
- the inorganic filler various reinforcing fillers such as carbon black, silica, clay, and calcium carbonate can be used.
- carbon black, silica, or a combination of carbon black and silica is used.
- Silica is preferable from the viewpoint of obtaining a static ratio and good low hysteresis loss characteristics
- carbon black is preferable from the viewpoint of the strength of the polymer composition and the vulcanized rubber.
- silica include wet silica (hydrous silicic acid), dry silica (silicic anhydride), colloidal silica and the like, and wet silica is preferable.
- the carbon black include furnace black, acetylene black, thermal black, channel black, graphite and the like, and among them, furnace black is preferable.
- the ratio of the inorganic filler (the total amount when two or more kinds are contained) to 100 parts by mass of the rubber component contained in the polymer composition is 40 to 150 parts by mass. It is contained in. If the blending ratio of the inorganic filler is less than 40 parts by mass, the effect of improving the strength and low temperature characteristics of the vulcanized rubber is not sufficient, and if it exceeds 150 parts by mass, the wear resistance of the vulcanized rubber is inferior.
- the mixing ratio of the inorganic filler in the polymer composition is preferably 50 parts by mass or more, and more preferably 55 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the total amount of the rubber component.
- the blending ratio of the inorganic filler is preferably 150 parts by mass or less, and more preferably 140 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the total amount of the rubber component.
- the type of the crosslinking agent contained in the polymer composition according to the present disclosure is not particularly limited.
- Specific examples of the cross-linking agent include organic peroxide, phenol resin, sulfur, sulfur compound, p-quinone, p-quinone dioxime derivative, bismaleimide compound, epoxy compound, silane compound, amino resin, polyol, polyamine, Examples thereof include triazine compounds and metal soaps. Of these, at least one selected from the group consisting of organic peroxides, phenolic resins and sulfur is preferable.
- the cross-linking agent one type alone or two or more types can be used in combination.
- organic peroxides examples include 1,3-bis (t-butylperoxyisopropyl) benzene and 2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) hexin-3,2,5-dimethyl. -2,5-bis (t-butylperoxy) hexene-3,2,5-dimethyl-2,5-bis (t-butylperoxy) hexane, 2,2'-bis (t-butylperoxy) -P-Isopropylbenzene, dicumylperoxide, di-t-butyl peroxide, t-butyl peroxide and the like can be mentioned.
- phenol resin examples include a p-substituted phenolic compound represented by the following general formula (8), an o-substituted phenol / aldehyde condensate, an m-substituted phenol / aldehyde condensate, a brominated alkylphenol / aldehyde condensate, and the like. Can be mentioned. Of these, p-substituted phenolic compounds are preferable.
- X is a hydroxyl group, an alkyl halide group, or a halogen atom
- R is a saturated hydrocarbon group having 1 to 15 carbon atoms
- n is an integer of 0 to 10.
- the p-substituted phenolic compound can be obtained by a condensation reaction between the p-substituted phenol and an aldehyde (preferably formaldehyde) in the presence of an alkaline catalyst.
- phenolic resins include the trade name “Tackiroll 201” (alkylphenol formaldehyde resin, manufactured by Taoka Chemical Industry Co., Ltd.) and the trade name “Tackiroll 250-I” (bromination alkylphenol formaldehyde resin with a bromization rate of 4%, Taoka Chemical Industry Co., Ltd.
- the amount of the cross-linking agent used is preferably 0.01 to 20 parts by mass, preferably 0.1 to 15 parts by mass, based on 100 parts by mass of the total rubber components contained in the polymer composition. More preferably, it is 0.5 to 10 parts by mass.
- the polymer composition according to the present disclosure may contain a resin component together with a rubber component.
- the type of the resin component is not particularly limited, and examples thereof include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.
- the blending ratio of the resin component is preferably 1 to 50 parts by mass, and more preferably 5 to 40 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the total amount of the rubber component contained in the polymer composition.
- the polymer composition according to the present disclosure is generally used in rubber compositions for obtaining vulcanized rubber for various purposes such as for tires, hoses, vibration isolation, and belts.
- Various additives can be blended.
- the additive include an antiaging agent, zinc oxide, stearic acid, a softener, sulfur, a vulcanization accelerator and the like.
- the blending ratio thereof can be appropriately selected depending on the type of additive as long as the effects of the present disclosure are not impaired.
- the crosslinked product of the present disclosure is obtained by subjecting the polymer composition to a crosslinking treatment.
- a rubber molded product is obtained as a crosslinked product, usually, the polymer composition is molded into a predetermined shape and then crosslinked.
- the rubber molded product can be manufactured according to a conventional method. For example, in the production of tires, the above-mentioned polymer composition is mixed with a mixer such as a roll or a mixer, and the tire is formed into a predetermined shape and arranged outside according to a conventional method for vulcanization and molding. And one or both of the sidewalls are formed to give a pneumatic tire.
- the crosslinked product of the present disclosure exhibits excellent flexibility at low temperatures because the glass transition point (Tg) is -25 ° C or lower.
- the glass transition point of the crosslinked product is preferably ⁇ 35 ° C. or lower, more preferably ⁇ 40 ° C. or lower, from the viewpoint of making the crosslinked product more excellent in flexibility at low temperature while maintaining high material strength. More preferably, it is ⁇ 45 ° C. or lower.
- the glass transition point of the crosslinked product is the temperature at which tan ⁇ is maximized when the viscoelasticity is measured at a shear strain of 0.07% and an angular velocity of 100 radians per second.
- the crosslinked product (vulcanized rubber) of the present disclosure is excellent in high strength and low temperature characteristics, it can be applied to various rubber molded products. Specifically, materials for tire treads and sidewalls; rolls for industrial machinery and equipment, anti-vibration rubbers; various hoses and hose covers such as diaphragms, radiator hoses, and air hoses; packings, gaskets, etc. Seals such as weather strips, O-rings and oil seals; Belts such as power transmission belts; Can be used as materials for linings, dust boots, wire harnesses, shoe soles and the like.
- the crosslinked product of the present disclosure is particularly suitable for tire members because it is excellent in fuel efficiency in addition to strength and low temperature characteristics, and is particularly suitable for winter tires and all-season tires among tire members. ing. Further, the crosslinked product has excellent ozone resistance and is suitable as a material for a portion susceptible to ultraviolet rays (for example, a tire sidewall).
- the measurement sample was prepared by encapsulating 10 mg of a polymer in aluminum sample pans (model numbers "900486.9901” and "90079.9901", manufactured by TA Instruments Japan). For measurement, the measurement sample is warmed from room temperature to 180 ° C., held at 180 ° C. for 1 minute, cooled to -100 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and then held at -100 ° C. for 1 minute. The temperature was raised to 200 ° C. at a rate of 20 ° C./min. The total amount of heat absorbed due to crystal melting in the step of raising the temperature from ⁇ 100 ° C. to 200 ° C.
- the catalyst E bis ( ⁇ 5-cyclopentadienyl) titanium (tetrahydrofurfuryloxy) chloride] ("[chlorobis (2,4-2,4-) Cyclopentadienyl) titanium (IV) tetrahydrofurfuryl alkoxide] ”) was obtained. The yield was 95%.
- an aqueous solution (temperature: 80 ° C.) adjusted to pH 8.5 (pH at 80 ° C. by the glass electrode method) with ammonia, which is a pH adjuster, is placed in a solvent removal tank, and the above polymer solution is further added (polymer).
- Desolventization was performed by steam stripping (steam temperature: 190 ° C.) for 2 hours at a temperature of the liquid phase of the desolvation tank at 95 ° C. (ratio of 200 parts by mass of the aqueous solution to 100 parts by mass of the solution).
- the conjugated diene-based rubber P1 was obtained by drying with a hot roll whose temperature was adjusted to ° C.
- the analytical values of the obtained conjugated diene rubber P1 are shown in Table 2 below.
- Desolventization was performed by performing steam stripping (steam temperature: 190 ° C.) for 2 hours at a temperature of the liquid phase of the desolvation tank at 95 ° C. (ratio of 200 parts by mass of the aqueous solution to 100 parts by mass of the solution).
- the conjugated diene-based rubber P2 was obtained by drying with a hot roll adjusted to a temperature of ° C.
- the analytical values of the obtained conjugated diene rubber P2 are shown in Table 1 below.
- the formulation obtained above was cooled to room temperature, and then sulfur and a vulcanization accelerator were kneaded. This was molded and vulcanized at 160 ° C. for a predetermined time with a vulcanization press.
- the following characteristic evaluations (1) to (6) were carried out using the rubber composition, the rubber before vulcanization and the vulcanized rubber.
- the types and proportions of the conjugated diene rubber used in each Example and Comparative Example are as shown in Table 4 below.
- the numerical value in the "polymer" column in Table 4 represents the blending ratio of each polymer with respect to the total 100 parts by mass of the conjugated diene rubber used for blending the rubber composition.
- the vulcanized rubber using the unhydrogenated polymer had the lowest breaking strength, and the strength was not sufficient.
- the elastic modulus at ⁇ 20 ° C. was also slightly high.
- the polymer (conjugated diene rubber P1) used for producing the vulcanized rubber of Comparative Example 1 did not have a heat of melting, and the green strength of the vulcanized rubber was low.
- the vulcanized rubber having a glass transition point of ⁇ 20 ° C. (Comparative Example 2) has a high tensile strength (TB) value but a large elastic modulus value at ⁇ 20 ° C., and is flexible at low temperatures. Was inferior to.
- the vulcanized rubber (Comparative Example 3) produced using a polymer having a low hydrogenation rate had a low breaking strength and a low green strength as in Comparative Example 1.
- the rubber compositions of Examples 1 to 12 showed good values in both strength and elastic modulus at ⁇ 20 ° C. as compared with Comparative Example 1. Further, comparing the rubber compositions of Examples 1 to 12 with Comparative Example 2, the rubber compositions of Examples 1 to 12 have a greatly improved elastic modulus at ⁇ 20 ° C., that is, flexibility at low temperature. It was. Further, the conjugated diene rubbers P2 to P5 and P7 to P13 have crystallinity from the heat of fusion and the melting point, and the rubber compositions of Examples 1 to 12 containing the conjugated diene rubbers P2 to P5 and P7 to P13 are green. The strength was high. From these results, it was found that according to the rubber compositions of Examples 1 to 12, a crosslinked product having improved processability can be obtained.
- a vulcanized rubber having a sufficiently low glass transition point can be obtained, and further, with high strength. It was found that a vulcanized rubber that was present and had excellent flexibility at low temperatures could be obtained. Further, the vulcanized rubbers of Examples 1 to 12 are superior to the vulcanized rubbers of Comparative Example 1 in ozone resistance, low hysteresis loss characteristics (fuel consumption characteristics) and green strength, and the vulcanized rubbers of Comparative Example 2 It was superior in low hysteresis loss characteristics (low fuel consumption characteristics). Further, the vulcanized rubbers of Examples 1 to 12 were superior in green strength to the vulcanized rubbers of Comparative Example 3.
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Abstract
ゴム成分、無機フィラー及び架橋剤を含有し、かつ(a)~(d)の条件を満たす重合体組成物を架橋してなる架橋物。(a)前記ゴム成分として、式(1)~式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である共役ジエン系重合体(A)を含有する。(b)重合体(A)の配合割合が、ゴム成分の全量に対して10質量%以上である。(c)無機フィラーの配合割合が、ゴム成分100質量部に対して40~150質量部である。(d)架橋物のガラス転移点(Tg)が-25℃以下である。 α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s) …(i)
Description
本出願は、2019年4月1日に出願された日本特許出願番号2019-70194号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、架橋物及びタイヤに関する。
共役ジエン系重合体(例えば、スチレン-ブタジエン共重合体等)は、耐熱性、耐摩耗性、機械的強度、成形加工性等の各種特性が良好であることから、空気入りタイヤや防振ゴム、ホース等の各種工業製品に広く使用されている。また従来、共役ジエン系重合体が有する不飽和結合の一部を水素化した水添共役ジエン系重合体を使用することにより、高強度かつ低摩耗な加硫ゴムを得ることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
高飽和共役ジエン系重合体を用いて製造された従来の加硫ゴムは、低温下における柔軟性が十分でなく、低温環境下での使用が想定される用途への適用が制限されることがあった。
本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高強度であって、かつ低温特性に優れた架橋物を提供することを主たる目的とする。
本発明者らは、上記のような従来技術の課題を解決するべく鋭意検討した結果、高飽和の共役ジエン系重合体、無機フィラー及び架橋剤を所定割合で含む重合体組成物を架橋した架橋物が所定の性質を示すことにより、上記課題を解決可能であることを見出した。具体的には、本開示により以下の手段が提供される。
[1]ゴム成分、無機フィラー及び架橋剤を含有し、かつ下記の(a)~(d)の条件を満たす重合体組成物を架橋してなる架橋物。
(a)前記ゴム成分として、下記式(1)で表される構造単位、下記式(2)で表される構造単位、下記式(3)で表される構造単位、及び下記式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、下記数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である共役ジエン系重合体(A)を含有する。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s)…(i)
(b)前記共役ジエン系重合体(A)の配合割合が、前記ゴム成分の全量に対して10質量%以上である。
(c)前記無機フィラーの配合割合が、前記ゴム成分100質量部に対して40~150質量部である。
(d)前記架橋物のガラス転移点(Tg)が-25℃以下である。
[2]ゴム成分、無機フィラー及び架橋剤を含有し、かつ上記の(a)~(d)の条件を満たす重合体組成物を架橋する、架橋物の製造方法。
[3]上記[1]の架橋物によりトレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成されたオールシーズンタイヤ。
[4]上記[1]の架橋物によりトレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成された冬用タイヤ。
[5]防振用部材、ベルト用部材、ロール用部材、ホース用部材、ワイヤーハーネス用部材又は靴底用部材であるゴム成形品であって、上記[1]の架橋物からなるゴム成形品。
(a)前記ゴム成分として、下記式(1)で表される構造単位、下記式(2)で表される構造単位、下記式(3)で表される構造単位、及び下記式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、下記数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である共役ジエン系重合体(A)を含有する。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s)…(i)
(b)前記共役ジエン系重合体(A)の配合割合が、前記ゴム成分の全量に対して10質量%以上である。
(c)前記無機フィラーの配合割合が、前記ゴム成分100質量部に対して40~150質量部である。
(d)前記架橋物のガラス転移点(Tg)が-25℃以下である。
[3]上記[1]の架橋物によりトレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成されたオールシーズンタイヤ。
[4]上記[1]の架橋物によりトレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成された冬用タイヤ。
[5]防振用部材、ベルト用部材、ロール用部材、ホース用部材、ワイヤーハーネス用部材又は靴底用部材であるゴム成形品であって、上記[1]の架橋物からなるゴム成形品。
本開示によれば、高強度であって、かつ低温特性(特に、低温下における柔軟性)に優れた架橋物を得ることができる。
以下、本開示の実施に関連する事項について詳細に説明する。本開示の架橋物は、ゴム成分、無機フィラー及び架橋剤を含有する重合体組成物を架橋することにより得られる。なお、本明細書において、重合体組成物に含まれる「ゴム成分」は、熱硬化によりゴム弾性を示す硬化物を得ることが可能な重合体をいう。この硬化物は、室温において小さな力で大きな変形(例えば、室温で伸ばすと2倍以上に伸びる変形)を起こし、力を取り除くと急速にほぼ元の形状に戻る性質を示す。「加硫ゴム」は、ゴム成分を熱硬化することにより得られる硬化物をいう。
<重合体組成物>
・ゴム成分
本開示に係る重合体組成物は、ゴム成分として、共役ジエン系重合体であって、かつ下記式(1)で表される構造単位、下記式(2)で表される構造単位、下記式(3)で表される構造単位、及び下記式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、下記数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である重合体(A)を含有する。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s)…(i)
・ゴム成分
本開示に係る重合体組成物は、ゴム成分として、共役ジエン系重合体であって、かつ下記式(1)で表される構造単位、下記式(2)で表される構造単位、下記式(3)で表される構造単位、及び下記式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、下記数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である重合体(A)を含有する。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s)…(i)
重合体(A)は、例えば、共役ジエン化合物を含むモノマーを重合して、活性末端を有する共役ジエン系重合体を得る工程(重合工程)と、共役ジエン系重合体を水添する工程(水添工程)と、を含む方法により製造することができる。また、当該方法は、任意に、重合工程により得られた共役ジエン系重合体を変性する工程(変性工程)を含んでいてもよい。具体的には、国際公開第2014/133097号に記載の方法に従って、使用目的に合う様に、分子量や、芳香族ビニル化合物量、ビニル結合含有量、水添率、変性剤の種類等を適宜変更することにより重合体(A)を製造することができる。また、国際公開第2015/190073号に記載の方法に従い、1,3-ブタジエン等のジエン系モノマーと、非共役オレフィンとを共重合することにより重合体(A)を製造することもできる。以下、水添共役ジエン系重合体を例にとり、重合体(A)及びその製造方法について詳細に説明する。
(重合工程)
重合に際し、共役ジエン化合物としては1,3-ブタジエンを好ましく用いることができる。また、上記重合では、1,3-ブタジエンの他、1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物を用いてもよい。1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物の具体例としては、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン等が挙げられる。1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物としては、中でもイソプレンが好ましい。なお、共役ジエン化合物は、1種の化合物が単独で使用されてもよく、又は2種以上の化合物が組み合わされて使用されてもよい。
重合に際し、共役ジエン化合物としては1,3-ブタジエンを好ましく用いることができる。また、上記重合では、1,3-ブタジエンの他、1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物を用いてもよい。1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物の具体例としては、イソプレン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、1,3-ペンタジエン等が挙げられる。1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物としては、中でもイソプレンが好ましい。なお、共役ジエン化合物は、1種の化合物が単独で使用されてもよく、又は2種以上の化合物が組み合わされて使用されてもよい。
重合体(A)は、共役ジエン化合物を用いた単独重合体であってもよいが、架橋物の強度を高める観点から、共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物との共重合体であることが好ましい。重合に使用する芳香族ビニル化合物としては、例えばスチレン、2-メチルスチレン、3-メチルスチレン、4-メチルスチレン、α-メチルスチレン、N,N-ジメチルアミノエチルスチレン、ジフェニルエチレン等が挙げられる。芳香族ビニル化合物は、これらの中でも、スチレン及びα-メチルスチレンから選ばれる1種以上の化合物であることが特に好ましい。なお、芳香族ビニル化合物としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
重合体(A)が、共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物との共重合体である場合、アニオン重合におけるリビング性が高い点で、これらのうち、1,3-ブタジエンとスチレンとの共重合体であることが好ましい。重合体(A)は、フィラーの分散性をより良好にすることができる点で、共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物との分布が不規則なランダム共重合体であることが好ましい。なお、共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物とのランダム共重合体は、本開示の効果が得られる限り、共役ジエン化合物又は芳香族ビニル化合物からなるブロック部分をさらに有していてもよい。
共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物との共重合体において、芳香族ビニル化合物の使用量は、架橋物の低温特性(具体的には、低温下における柔軟性)や低ヒステリシスロス特性を良好にする観点から、重合に使用するモノマーの全体量に対して、3~33質量%であることが好ましい。芳香族ビニル化合物の使用量は、重合に使用するモノマーの全体量に対して、4質量%以上であることがより好ましく、5質量%以上であることが更に好ましい。また、芳香族ビニル化合物の使用量は、重合に使用するモノマーの全体量に対して、30質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましい。芳香族ビニル化合物の含量を上記範囲内にすることで、生産性と強度の両立が可能となる。重合体(A)の製造に使用されるモノマーは、重合に使用されるモノマーの全量100質量部に対し、1,3-ブタジエンを50~97質量部、芳香族ビニル化合物を3~33質量部、及び、1,3-ブタジエン以外の共役ジエン化合物を0~30質量部含むことが好ましい。こうした配合量とすることにより、架橋物の強度と低温特性とのバランスを良好に保持できる点で好適である。
なお、上記で例示した共役ジエン化合物及び芳香族ビニル化合物は、活性末端を有する共役ジエン系重合体を得ることが可能である点において、いずれも同様の作用を有するものである。したがって、後述の実施例に記載されていないものであっても、本開示において使用することが可能である。
重合に際しては、共役ジエン化合物及び芳香族ビニル化合物以外の他のモノマーを使用することができる。他のモノマーとしては、例えばアクリロニトリル、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル等を挙げることができる。他のモノマーの使用量は、重合に使用するモノマーの全体量に対して、30質量%以下とすることが好ましく、20質量%以下とすることがより好ましく、10質量%以下とすることが更に好ましい。
重合体(A)を得るための重合法としては、溶液重合法、気相重合法、バルク重合法のいずれを用いてもよいが、溶液重合法が特に好ましい。また、重合形式としては、回分式及び連続式のいずれを用いてもよい。溶液重合法を用いる場合、具体的な重合方法の一例としては、有機溶媒中において、共役ジエン化合物を含むモノマーを、重合開始剤及び必要に応じて用いられるランダマイザーの存在下、重合を行う方法が挙げられる。
重合開始剤としては、アルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物のうち少なくともいずれかを用いることができる。アルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物としては、アニオン重合の開始剤として通常用いるものを使用することができる。重合開始剤の具体例としては、メチルリチウム、エチルリチウム、n-プロピルリチウム、n-ブチルリチウム、sec-ブチルリチウム、t-ブチルリチウムなどのアルキルリチウム、1,4-ジリチオブタン、フェニルリチウム、スチルベンリチウム、ナフチルリチウム、ナフチルナトリウム、ナフチルカリウム、ジ-n-ブチルマグネシウム、ジ-n-ヘキシルマグネシウム、エトキシカリウム、ステアリン酸カルシウム等を挙げることができる。これらの中でも、重合開始剤はリチウム化合物が好ましい。
重合反応は、上記のアルカリ金属化合物及びアルカリ土類金属化合物のうち少なくともいずれかと、無機フィラーと相互作用する官能基を有する化合物(以下、「化合物(C1)」ともいう。)とを混合して得られる化合物(以下、「化合物(R)」ともいう。)の存在下で行ってもよい。化合物(R)の存在下で重合を行うことにより、重合体(A)の重合開始末端に、無機フィラーと相互作用を有する官能基を導入することができる。また、重合体(A)として、開始末端が変性された重合体を用いることにより、加硫ゴムの低ヒステリシスロス性能を向上させることができ好適である。
なお、本明細書において「相互作用」とは、分子間で共有結合を形成するか、又は共有結合よりも弱い分子間力(例えば、イオン-双極子相互作用、双極子-双極子相互作用、水素結合、ファンデルワールス力等といった分子間に働く電磁気学的な力)を形成することを意味する。「無機フィラーと相互作用する官能基」は、無機フィラーと相互作用する原子を少なくとも1つ有する基を意味する。重合体組成物が無機フィラーとしてシリカを含有する場合、重合体(A)は、シリカと相互作用する官能基を有していることが好ましい。「シリカと相互作用する官能基」とは、窒素原子、硫黄原子、リン原子、酸素原子、ケイ素原子等のシリカと相互作用する原子を少なくとも1つ有する基である。ただし、「シリカと相互作用する官能基」が有するケイ素原子は、ヒドロカルビルオキシシリル基中のケイ素原子である。
化合物(C1)は、第2級アミン化合物などの窒素含有化合物が好ましい。上記化合物(R)としては、中でもアルキルリチウム等のリチウム化合物と、第2級アミン化合物などの窒素含有化合物との反応生成物であることが好ましい。化合物(C1)としての窒素含有化合物としては、例えばジメチルアミン、ジエチルアミン、ジプロピルアミン、ジブチルアミン、ドデカメチレンイミン、N,N’-ジメチル-N’-トリメチルシリル-1,6-ジアミノヘキサン、ピペリジン、ピロリジン、ヘキサメチレンイミン、ヘプタメチレンイミン、ジシクロヘキシルアミン、N-メチルベンジルアミン、ジ-(2-エチルヘキシル)アミン、ジアリルアミン、モルホリン、N-(トリメチルシリル)ピペラジン、N-(tert-ブチルジメチルシリル)ピペラジン、1,3-ジトリメチルシリル-1,3,5-トリアジナン等が挙げられる。
なお、化合物(R)の存在下で重合を行う場合、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物と、化合物(C1)とを予め混合することにより化合物(R)を調製し、その調製した化合物(R)を重合系中に添加して重合を行ってもよい。あるいは、重合系中に、アルカリ金属化合物又はアルカリ土類金属化合物と、化合物(C1)とを添加し、重合系中で両者を混合することにより化合物(R)を調製して重合を行ってもよい。
ランダマイザーは、上記重合により得られる重合体における1,2-ビニル結合の含有率(ビニル結合含量)の調整等を目的として用いることができる。ランダマイザーの例としては、ジメトキシベンゼン、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、2,2-ジ(テトラヒドロフリル)プロパン、2-(2-エトキシエトキシ)-2-メチルプロパン、トリエチルアミン、ピリジン、N-メチルモルホリン、テトラメチルエチレンジアミン等が挙げられる。ランダマイザーとしては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
重合に使用する有機溶媒としては、反応に不活性な有機溶剤であればよく、例えば脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、芳香族炭化水素などを用いることができる。中でも、炭素数3~8の炭化水素が好ましく、その具体例としては、例えばn-ペンタン、イソペンタン、n-へキサン、シクロへキサン、プロペン、1-ブテン、イソブテン、トランス-2-ブテン、シス-2-ブテン、1-ペンチン、2-ペンチン、1-ヘキセン、2-ヘキセン、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、ヘプタン、シクロペンタン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン、1-ペンテン、2-ペンテン、シクロヘキセン等を挙げることができる。なお、有機溶媒としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
溶液重合を用いる場合、反応溶媒中のモノマー濃度は、生産性と重合コントロールの容易性のバランスを維持する観点から、5~50質量%であることが好ましく、10~30質量%であることがより好ましい。重合反応の温度は、-20~150℃であることが好ましく、0~120℃であることがより好ましく、20~100℃であることが特に好ましい。また、重合反応は、モノマーを実質的に液相に保つのに十分な圧力の下で行うことが好ましい。このような圧力は、重合反応に対して不活性なガスによって、反応器内を加圧する等の方法によって得ることができる。
上記重合により得られる共役ジエン系重合体の1,2-ビニル含量(ビニル結合含量)は、5~70モル%であることが好ましく、10~60モル%であることがより好ましく、15~50モル%であることが更に好ましい。ビニル結合含量が5モル%以上であると、グリップ特性が良好になる傾向があり、70モル%以下であると、良好な耐摩耗性を示す傾向にある。なお、ビニル結合含量は1H-NMRによって測定した値である。
(変性工程)
変性工程は、上記重合工程により得られた共役ジエン系重合体の活性末端と、無機フィラーと相互作用する官能基を有する化合物(以下、「化合物(C2)」ともいう。)と、を反応させる工程である。この工程により、重合体(A)の重合終了末端に、無機フィラーと相互作用する官能基を導入することができる。これにより、低ヒステリシスロス性能に優れた架橋物を得ることができ好適である。なお、本明細書において活性末端とは、分子鎖の端に存在する、炭素-炭素二重結合を有するモノマーに由来する構造以外の部分(より具体的には金属末端)を意味する。
変性工程は、上記重合工程により得られた共役ジエン系重合体の活性末端と、無機フィラーと相互作用する官能基を有する化合物(以下、「化合物(C2)」ともいう。)と、を反応させる工程である。この工程により、重合体(A)の重合終了末端に、無機フィラーと相互作用する官能基を導入することができる。これにより、低ヒステリシスロス性能に優れた架橋物を得ることができ好適である。なお、本明細書において活性末端とは、分子鎖の端に存在する、炭素-炭素二重結合を有するモノマーに由来する構造以外の部分(より具体的には金属末端)を意味する。
本工程において、化合物(C2)との反応に用いる共役ジエン系重合体は、活性末端を有している限り、重合開始末端が未変性の重合体でもよいし、化合物(C1)により変性された重合体でもよい。化合物(C2)としては、共役ジエン系重合体の活性末端と反応し得る化合物であれば特に限定されないが、窒素原子、硫黄原子、リン原子、酸素原子及びケイ素原子からなる群より選ばれる一種の原子を有し、かつ当該原子に活性水素が結合していない化合物であることが好ましい。特に、化合物(C2)は、アミノ基、炭素-窒素二重結合を有する基、窒素含有複素環基、ホスフィノ基、環状エーテル基、環状チオエーテル基、保護された水酸基、保護されたチオール基及びヒドロカルビルオキシシリル基よりなる群から選ばれる1種以上の官能基(以下、「特定官能基」ともいう。)を有する化合物であることが好ましい。ここで、アミノ基は、保護された1級アミノ基若しくは2級アミノ基、又は3級アミノ基であることが好ましい。重合体(A)を、特定官能基を末端に有する重合体とすることにより、低ヒステリシスロス性能に優れた架橋物を得ることができる点で好ましい。
化合物(C2)の具体例としては、例えば、下記(I)~(IV)のそれぞれの化合物等が挙げられる。
(I)下記式(5)で表される化合物(B-1);
(式(5)中、A1は、窒素、リン、酸素、硫黄及びケイ素からなる群より選択される少なくとも一種の原子を有し、活性水素を有さず、かつR5に対して窒素原子、リン原子、酸素原子、硫黄原子、ケイ素原子、若しくはカルボニル基に含まれる炭素原子で結合する1価の官能基であるか、又は(チオ)エポキシ基である。R3及びR4はヒドロカルビル基であり、R5はヒドロカルビレン基であり、rは0~2の整数である。ただし、R3及びR4が複数存在する場合、複数のR3及びR4は、それぞれ同一の基又は異なる基である。)
(I)下記式(5)で表される化合物(B-1);
(II)下記式(6)で表される化合物(B-2);
(式(6)中、A2は窒素、リン、酸素、硫黄及びケイ素からなる群より選択される少なくとも一種の原子を有し、活性水素を有さず、かつR9に対して窒素原子、リン原子、酸素原子、硫黄原子若しくはケイ素原子で結合する1価の官能基であるか、又は炭素数1~20のヒドロカルビル基である。R6及びR7は、それぞれ独立してヒドロカルビル基であり、R8はヒドロカルビレン基であり、R9は単結合又はヒドロカルビレン基であり、mは0又は1である。ただし、R7が複数存在する場合、複数のR7は、それぞれ同一の基又は異なる基である。)
(III)分子中に、環状エーテル基、(チオ)カルボニル基及びイソ(チオ)シアナート基からなる群より選択される少なくとも1種である官能基Pと、窒素原子、リン原子、酸素原子及び硫黄原子からなる群より選択される少なくとも一種の原子(但し、窒素原子、リン原子及び硫黄原子は、少なくともいずれかが3置換のヒドロカルビルシリル基で保護されていてもよい。)を有し、かつ活性水素を有していない、上記官能基Pとは異なる基Qと、を各々1つ以上有する化合物(B-3);
(IV)分子中に、イソ(チオ)シアナート基を2つ以上有する化合物(B-4);
(IV)分子中に、イソ(チオ)シアナート基を2つ以上有する化合物(B-4);
上記式(5)及び式(6)において、R3、R4、R6及びR7のヒドロカルビル基は、炭素数1~20の直鎖状若しくは分岐状のアルキル基、炭素数3~20のシクロアルキル基又は炭素数6~20のアリール基であることが好ましい。
R5及びR9のヒドロカルビレン基は、炭素数1~20の直鎖状若しくは分岐状のアルカンジイル基、炭素数3~20のシクロアルキレン基又は炭素数6~20のアリーレン基が好ましい。
r及びmは、共役ジエン系重合体との反応性を高める観点から、0又は1が好ましい。
A1が上記1価の官能基である場合においてA1が有する、窒素、リン、酸素、硫黄及びケイ素からなる群より選択される少なくとも1種の原子、並びにA2が有する、窒素、リン、酸素、硫黄及びケイ素からなる群より選択される少なくとも1種の原子は、活性水素に結合しておらず、保護基(例えば3置換のヒドロカルビルシリル基等)で保護されていることが好ましい。なお、本明細書において活性水素とは、炭素原子以外の原子に結合した水素原子をいい、好ましくはポリメチレンの炭素-水素結合よりも結合エネルギーが低いものを指す。保護基とは、A1、A2を重合活性末端に対して不活性な官能基に変換しておく官能基である。(チオ)エポキシ基とは、エポキシ基及びチオエポキシ基を包含する意味である。
R5及びR9のヒドロカルビレン基は、炭素数1~20の直鎖状若しくは分岐状のアルカンジイル基、炭素数3~20のシクロアルキレン基又は炭素数6~20のアリーレン基が好ましい。
r及びmは、共役ジエン系重合体との反応性を高める観点から、0又は1が好ましい。
A1が上記1価の官能基である場合においてA1が有する、窒素、リン、酸素、硫黄及びケイ素からなる群より選択される少なくとも1種の原子、並びにA2が有する、窒素、リン、酸素、硫黄及びケイ素からなる群より選択される少なくとも1種の原子は、活性水素に結合しておらず、保護基(例えば3置換のヒドロカルビルシリル基等)で保護されていることが好ましい。なお、本明細書において活性水素とは、炭素原子以外の原子に結合した水素原子をいい、好ましくはポリメチレンの炭素-水素結合よりも結合エネルギーが低いものを指す。保護基とは、A1、A2を重合活性末端に対して不活性な官能基に変換しておく官能基である。(チオ)エポキシ基とは、エポキシ基及びチオエポキシ基を包含する意味である。
A1は、オニウム塩生成剤によってオニウムイオンになり得る基であってもよい。A1の具体例としては、例えば1級アミノ基の2つの水素原子が2つの保護基によって置換されてなる窒素含有基、2級アミノ基の1つの水素原子が1つの保護基によって置換されてなる窒素含有基、3級アミノ基、イミノ基、ピリジル基、1級ホスフィノ基の2つの水素原子が2つの保護基によって置換されてなるリン含有基、2級ホスフィノ基の1つの水素原子が1つの保護基によって置換されてなるリン含有基、3級ホスフィノ基、エポキシ基、水酸基の水素原子が保護基によって保護された基、チオエポキシ基、チオール基の水素原子が保護基によって置換されてなる硫黄含有基、ヒドロカルビルオキシカルボニル基等を含む基が挙げられる。これらのうち、A1は、シリカとの親和性が良好である点において、窒素原子を有する基であることが好ましく、3級アミノ基、2級アミノ基の1つの水素原子が1つの保護基によって置換されてなる窒素含有基、又は1級アミノ基の2つの水素原子が2つの保護基によって置換されてなる窒素含有基を含む基であることがより好ましい。
化合物(B-1)の具体例としては、例えばN,N-ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルトリメトキシシラン、N,N-ビス(トリメチルシリル)アミノプロピルメチルジエトキシシラン、N,N-ジメチル-3-(トリメトキシシリル)プロピルアミン、N,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン、N,N’,N’-トリス(トリメチルシリル)-N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-(4-トリメチルシリル-1-ピペラジノ)プロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
化合物(B-2)の具体例としては、例えば2,2-ジメトキシ-1-(3-トリメトキシシリルプロピル)-1,2-アザシロリジン、2,2-ジエトキシ-1-(3-トリメトキシシリルプロピル)-1,2-アザシロリジン、2,2-ジメトキシ-1-フェニル-1,2-アザシロリジン、1-トリメチルシリル-2,2-ジメトキシ-1-アザ-2-シラシクロペンタン、2-(2,2-ジメトキシ-1,2-アザシロリジン-1-イル)-N,N-ジエチルエタン-1-アミン、2-(2,2-ジメトキシ-1,2-アザシロリジン-1-イル)-N,N-ジメチルエタン-1-アミン、3-(2,2-ジメトキシ-1,2-アザシロリジン-1-イル)-N,N-ジエチルプロパン-1-アミン等が挙げられる。
化合物(B-3)は、上記基Qが、活性水素に結合していない窒素原子を含む基であることが好ましい。化合物(B-3)の具体例としては、環状エーテル基を有する化合物として、例えばテトラグリシジル-1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサン等のエポキシアミン化合物を;(チオ)カルボニル基を有する化合物として、例えば4-N,N-ジメチルアミノベンゾフェノン等の4-アミノアセトフェノン;1,7-ビス(メチルエチルアミノ)-4-ヘプタノン等のビス(ジヒドロカルビルアミノアルキル)ケトン:2-ジメチルアミノエチルアクリレート等のジヒドロカルビルアミノアルキル(メタ)アクリレート;1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン等のヒドロカルビルイミダゾリジノン;1-フェニル-2-ピロリドン等のN-ヒドロカルビルピロリドン;N-メチル-ε-カプロラクタム等のN-ヒロドカルビルカプトラクタム;N,N-ジエチルホルムアミド等のN-ジヒドロカルビルホルムアミド;N,N-ジメチルアセトアミド等のN,N-ジヒドロカルビルアセトアミド;N,N-ジメチルアクリルアミド等の(メタ)アクリルアミド;などを;イソ(チオ)シアナート基を有する化合物として、例えば3-イソシアナトプロピルトリメトキシシラン等を;挙げることができる。
化合物(B-4)としては、2,4-トリレンジイソシアナート、2,6-トリレンジイソシアナート、ジフェニルメタンジイソシアナート、ナフタレンジイソシアナート、トリフェニルメタントリイソシアナート、p-フェニレンジイソシアナート、トリス(イソシアナートフェニル)チオホスフェート、キシレンジイソシアナート、ベンゼン-1,2,4-トリイソシアナート、ナフタレン-1,2,5,7-テトライソシアナート、1,4-フェニレンジイソチオシアナート等が挙げられる。
化合物(C2)としては、シリカとの親和性が強い点において、特に化合物(B-1)及び化合物(B-2)よりなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることが好ましく、化合物(B-1)を用いることがより好ましい。化合物(C2)としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
上記の末端変性反応は、例えば溶液反応として行うことができる。この溶液反応は、上記重合工程における重合反応の終了後の未反応モノマーを含む溶液を用いて行ってもよく、当該溶液に含まれる共役ジエン系重合体を単離し、シクロヘキサン等の適当な溶媒に溶解した上で行ってもよい。また、末端変性反応は、回分式及び連続式のいずれを用いて行ってもよい。このとき、化合物(C2)の添加方法は特に制限されず、一括して添加する方法、分割して添加する方法、連続的に添加する方法などが挙げられる。
末端変性反応に使用する化合物(C2)の量は、反応に使用する化合物の種類に応じて適宜設定すればよいが、重合開始剤が有する重合反応に関与する金属原子に対し、好ましくは0.1モル当量以上、より好ましくは0.3モル当量以上である。化合物(C2)の使用量を0.1モル当量以上とすることにより、変性反応を十分に進行させることができ、シリカの分散性を好適に改良することができる。末端変性反応の温度は、通常、上記重合反応の温度と同じであり、-20~150℃であることが好ましく、0~120℃であることがより好ましく、20~100℃であることが特に好ましい。変性反応の温度が低いと、変性共役ジエン系重合体の粘度が上昇する傾向がある。一方、変性反応の温度が高いと、重合活性末端が失活しやすくなる。変性反応の反応時間は、好ましくは1分~5時間であり、より好ましくは2分~1時間である。
なお、重合体(A)のムーニー粘度の調整等を目的として、化合物(C2)を用いた変性反応の前若しくは後、又は化合物(C2)による変性反応と同時に、四塩化ケイ素や多官能エポキシ化合物(例えば、テトラグリシジル-1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサンなど)等のカップリング剤と、活性末端を有する共役ジエン系重合体とを反応させてもよい。カップリング剤の使用割合は、所望とする重合体(A)のムーニー粘度や、反応に使用する化合物等に応じて適宜設定できるが、重合開始剤が有する重合反応に関与する金属原子に対し、0.01~0.8モル当量とすることが好ましい。なお、カップリング剤としては、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて使用することができる。
(水添反応)
重合体(A)は、上記で得られた変性又は未変性の共役ジエン系重合体を水添することにより得ることができる。水添反応の方法及び条件は、所望の水素添加率(水添率)の共役ジエン系重合体が得られるのであれば、いずれの方法及び条件を用いることも可能である。それらの水添方法の例としては、チタンの有機金属化合物を主成分とする触媒を水添触媒として使用する方法、鉄、ニッケル、コバルトの有機化合物とアルキルアルミニウム等の有機金属化合物からなる触媒を使用する方法、ルテニウム、ロジウム等の有機金属化合物の有機錯体を使用する方法、パラジウム、白金、ルテニウム、コバルト、ニッケル等の金属を、カーボン、シリカ、アルミナ等の担体に担持した触媒を使用する方法などがある。各種の方法の中では、チタンの有機金属化合物単独、又はチタンの有機金属化合物とリチウム、マグネシウム、アルミニウムの有機金属化合物とから成る均一触媒(特公昭63-4841号公報、特公平1-37970号公報)を用い、低圧、低温の穏和な条件で水添する方法は工業的に好ましく、またブタジエンの二重結合への水添選択性も高く本開示の目的に適している。
重合体(A)は、上記で得られた変性又は未変性の共役ジエン系重合体を水添することにより得ることができる。水添反応の方法及び条件は、所望の水素添加率(水添率)の共役ジエン系重合体が得られるのであれば、いずれの方法及び条件を用いることも可能である。それらの水添方法の例としては、チタンの有機金属化合物を主成分とする触媒を水添触媒として使用する方法、鉄、ニッケル、コバルトの有機化合物とアルキルアルミニウム等の有機金属化合物からなる触媒を使用する方法、ルテニウム、ロジウム等の有機金属化合物の有機錯体を使用する方法、パラジウム、白金、ルテニウム、コバルト、ニッケル等の金属を、カーボン、シリカ、アルミナ等の担体に担持した触媒を使用する方法などがある。各種の方法の中では、チタンの有機金属化合物単独、又はチタンの有機金属化合物とリチウム、マグネシウム、アルミニウムの有機金属化合物とから成る均一触媒(特公昭63-4841号公報、特公平1-37970号公報)を用い、低圧、低温の穏和な条件で水添する方法は工業的に好ましく、またブタジエンの二重結合への水添選択性も高く本開示の目的に適している。
共役ジエン系重合体の水添は、触媒に不活性であって、かつ共役ジエン系重合体が可溶な溶剤中で実施される。好ましい溶媒としては、n-ペンタン、n-ヘキサン、n-オクタンのような脂肪族炭化水素、シクロヘキサン、シクロヘプタンのような脂環族炭化水素、ベンゼン、トルエンのような芳香族炭化水素、ジエチルエーテル、テトラヒドロフランのようなエーテル類の単独又はそれらを主成分とする混合物である。
水添反応は、一般には共役ジエン系重合体を水素又は不活性雰囲気下、所定の温度に保持し、攪拌下又は不攪拌下にて水添触媒を添加し、次いで水素ガスを導入して所定圧に加圧することによって実施される。不活性雰囲気とは、水添反応の関与体と反応しない雰囲気を意味し、例えばヘリウム、ネオン、アルゴン等が挙げられる。空気や酸素は、触媒を酸化等して触媒の失活を招くので好ましくない。また、窒素は、水添反応時に触媒毒として作用し、水添活性を低下させるので好ましくない。特に、水添反応器内は水素ガス単独の雰囲気であることが最も好適である。
水添共役ジエン系重合体を得る水添反応プロセスは、バッチプロセス、連続プロセス、それらの組合せのいずれでも用いることができる。また、水添触媒としてチタノセンジアリール系化合物を用いる場合は、単独でそのまま反応溶液に加えてもよいし、不活性有機溶媒の溶液として加えてもよい。触媒を溶液として用いる場合に使用する不活性有機溶媒は、水添反応の関与体と反応しない各種溶媒を用いることができる。好ましくは水添反応に用いる溶媒と同一の溶媒である。また、触媒の添加量は、水添前の共役ジエン系重合体100g当り0.02~20ミリモルである。
重合体(A)は、下記数式(i):
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s) …(i)
(数式(i)中、p、q、r及びsは、上記式(1)~式(4)のそれぞれで表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)を表す。)
により特定される値αが0.80以上0.97以下である。αを0.80以上とすることにより、強度が十分に高い架橋物を得ることができる。また、架橋物の耐オゾン性を優れたものとすることができる点で好適である。こうした理由から、αは0.82以上であることが好ましく、0.85以上であることがより好ましく、0.88以上であることが更に好ましい。また、αは、架橋物の低ヒステリシスロス特性を十分に確保する観点から、0.96以下であることが好ましい。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s) …(i)
(数式(i)中、p、q、r及びsは、上記式(1)~式(4)のそれぞれで表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)を表す。)
により特定される値αが0.80以上0.97以下である。αを0.80以上とすることにより、強度が十分に高い架橋物を得ることができる。また、架橋物の耐オゾン性を優れたものとすることができる点で好適である。こうした理由から、αは0.82以上であることが好ましく、0.85以上であることがより好ましく、0.88以上であることが更に好ましい。また、αは、架橋物の低ヒステリシスロス特性を十分に確保する観点から、0.96以下であることが好ましい。
なお、上記数式(i)により規定される値αは、重合体(A)の水添率に相当する。例えば、αが0.80の場合、重合体(A)の水添率は80%である。重合体(A)中の水添率は、水添反応の時間等により調整することができる。この水添率は1H-NMRにより測定することができる。重合体(A)がジエン系モノマーと非共役オレフィンとを共重合して得られる重合体の場合、αの値は共重合させるモノマー比率を変更することで調整することができる。
重合体(A)を得る好ましい方法は、ブタジエンを含むモノマーをアルカリ金属化合物の存在下で溶液重合し、得られた重合体溶液をそのまま用いて変性工程を行い、次いで水添工程に供することであり、工業的に有用である。この場合、重合体(A)は、上記で得られた溶液から溶媒を除去し、重合体を単離することにより得られる。重合体の単離は、例えばスチームストリッピング等の公知の脱溶媒方法及び熱処理等の乾燥の操作によって行うことができる。
重合体(A)の重量平均分子量(Mw)は、好ましくは1.0×105~2.0×106である。Mwが1.0×105よりも小さいと、得られる架橋物の耐摩耗性及び低燃費性能が低下することがあり、2.0×106よりも大きいと、加工性が低下しやすくなる。重合体(A)のMwは、より好ましくは1.0×105以上であり、更に好ましくは1.2×105以上である。また、重合体(A)のMwは、より好ましくは1.5×106以下であり、更に好ましくは1.5×106以下である。なお、本明細書において重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した、ポリスチレン換算の値である。
重合体(A)は、優れた材料強度及び低温下における柔軟性を示す架橋物を得る観点から、ガラス転移点(Tg)が-25℃以下であることが好ましい。重合体(A)のガラス転移点は、より好ましくは-30℃以下であり、更に好ましくは-40℃以下であり、より更に好ましくは-45℃以下であり、特に好ましくは-50℃以下である。また、重合体(A)のガラス転移点は、例えば-70℃以上である。なお、重合体のガラス転移点は、ASTM D3418に準拠して示差走査熱量測定(DSC)によって測定した値である。
重合体(A)は、重合体組成物のグリーンストレングスを確保する観点から、融解熱量(ΔH)が3J/g以上であることが好ましい。重合体(A)の融解熱量は、より好ましくは5J/g以上であり、更に好ましくは10J/g以上であり、特に好ましくは15J/g以上である。なお、本明細書において、重合体(A)の融解熱量は、示差走査熱量測定法(DSC法)により測定された値である。具体的には、示差走査熱量計(DSC)を使用し、サンプルとなる重合体を180℃で1分保持した後、-100℃まで10℃/分の速度で冷却し、次いで-100℃で1分間保持した後、20℃/分の速度で200℃まで昇温したときの熱流量変化の積算値である。
重合体(A)は、重合体組成物のグリーンストレングスを確保する観点から、融点(Tm)が-10℃以上であることが好ましい。重合体(A)の融点は、より好ましくは0℃以上であり、更に好ましくは5℃以上であり、特に好ましくは10℃以上である。なお、本明細書において、重合体(A)の融点はDSC法により測定された値である。具体的には、重合体(A)の融点は、DSCを使用し、サンプルとなる重合体を180℃で1分保持した後、-100℃まで10℃/分の速度で冷却し、次いで-100℃で1分間保持した後、20℃/分の速度で200℃まで昇温したときの熱流量のピーク温度である。
特に、重合体(A)の融点(Tm)が-10℃以上であって、かつ融解熱量(ΔH)が3J/g以上であると、重合体組成物のグリーンストレングスをより高くでき、ゴム成形品の意匠性を高めることができる点で好ましい。
重合体(A)の配合割合は、重合体組成物に配合されるゴム成分の全量に対して、10質量%以上である。重合体(A)の配合割合が10質量%未満であると、得られる架橋物の強度が十分でなく、また低温特性が劣る。こうした理由から、重合体(A)の配合割合は、重合体組成物に配合されるゴム成分の全量に対して、好ましくは20質量%以上であり、より好ましくは50質量%以上であり、更に好ましくは70質量%以上である。なお、重合体(A)としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
上記重合体組成物は、ゴム成分として重合体(A)のみを含有していてもよいが、重合体(A)に加えて、本開示の効果を損なわない範囲において、重合体(A)とは異なるゴム成分(以下、「他のゴム成分」ともいう。)が配合されていてもよい。かかる他のゴム成分の種類は、特に限定されないが、ブタジエンゴム(BR。例えば、シス-1,4結合90%以上のハイシスBR、シンジオタクチック-1,2-ポリブタジエン(SPB)含有BRなど)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、天然ゴム(NR)、イソプレンゴム(IR)、スチレンイソプレン共重合体ゴム、ブタジエンイソプレン共重合体ゴム、ハロゲン化ゴム等が挙げられる。他のゴム成分としてより好ましくは、NR、BR及びSBRよりなる群から選ばれる少なくとも1種である。他のゴム成分の配合割合は、重合体組成物に含まれるゴム成分(重合体(A)及び他のゴム成分)の合計量に対して、好ましくは80質量%以下であり、より好ましくは50質量%以下である。
・無機フィラー
無機フィラーとしては、カーボンブラック、シリカ、クレー、炭酸カルシウム等の各種の補強性充填剤を用いることができる。好ましくは、カーボンブラック、シリカ、又は、カーボンブラックとシリカとの併用である。シリカは、静動比及び良好な低ヒステリシスロス特性が得られる点で好ましく、カーボンブラックは、重合体組成物及び加硫ゴムの強度の点から好ましい。シリカとしては、例えば湿式シリカ(含水ケイ酸)、乾式シリカ(無水ケイ酸)、コロイダルシリカ等が挙げられ、中でも湿式シリカが好ましい。カーボンブラックとしては、例えばファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、グラファイト等が挙げられ、中でもファーネスブラックが好ましい。
無機フィラーとしては、カーボンブラック、シリカ、クレー、炭酸カルシウム等の各種の補強性充填剤を用いることができる。好ましくは、カーボンブラック、シリカ、又は、カーボンブラックとシリカとの併用である。シリカは、静動比及び良好な低ヒステリシスロス特性が得られる点で好ましく、カーボンブラックは、重合体組成物及び加硫ゴムの強度の点から好ましい。シリカとしては、例えば湿式シリカ(含水ケイ酸)、乾式シリカ(無水ケイ酸)、コロイダルシリカ等が挙げられ、中でも湿式シリカが好ましい。カーボンブラックとしては、例えばファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、グラファイト等が挙げられ、中でもファーネスブラックが好ましい。
本開示に係る重合体組成物は、無機フィラー(2種以上含有する場合にはその合計量)を、重合体組成物中に含まれるゴム成分100質量部に対し、40~150質量部の割合で含有する。無機フィラーの配合割合が40質量部未満では、加硫ゴムの強度及び低温特性を良好にする効果が十分でなく、150質量部を超えると、加硫ゴムの耐摩耗性が劣ってしまう。重合体組成物中における無機フィラーの配合割合は、ゴム成分の全体量100質量部に対して、好ましくは50質量部以上であり、より好ましくは55質量部以上である。また、無機フィラーの配合割合は、ゴム成分の全体量100質量部に対し、好ましくは150質量部以下であり、より好ましくは140質量部以下である。
・架橋剤
本開示に係る重合体組成物に含有される架橋剤の種類は特に限定されない。架橋剤の具体例としては、有機過酸化物、フェノール樹脂、硫黄、硫黄化合物、p-キノン、p-キノンジオキシムの誘導体、ビスマレイミド化合物、エポキシ化合物、シラン化合物、アミノ樹脂、ポリオール、ポリアミン、トリアジン化合物、金属石鹸等を挙げることができる。これらのうち、有機過酸化物、フェノール樹脂及び硫黄よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。なお、架橋剤としては、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
本開示に係る重合体組成物に含有される架橋剤の種類は特に限定されない。架橋剤の具体例としては、有機過酸化物、フェノール樹脂、硫黄、硫黄化合物、p-キノン、p-キノンジオキシムの誘導体、ビスマレイミド化合物、エポキシ化合物、シラン化合物、アミノ樹脂、ポリオール、ポリアミン、トリアジン化合物、金属石鹸等を挙げることができる。これらのうち、有機過酸化物、フェノール樹脂及び硫黄よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。なお、架橋剤としては、1種単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
有機過酸化物としては、例えば1,3-ビス(t-ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルパーオキシ)ヘキシン-3、2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルパーオキシ)ヘキセン-3、2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルパーオキシ)ヘキサン、2,2’-ビス(t-ブチルパーオキシ)-p-イソプロピルベンゼン、ジクミルパーオキシド、ジ-t-ブチルパーオキシド、t-ブチルパーオキシド等を挙げることができる。
フェノール樹脂としては、例えば、下記一般式(8)で表されるp-置換フェノール系化合物、o-置換フェノール・アルデヒド縮合物、m-置換フェノール・アルデヒド縮合物、臭素化アルキルフェノール・アルデヒド縮合物等を挙げることができる。なかでも、p-置換フェノール系化合物が好ましい。
上記式(8)中、Xはヒドロキシル基、ハロゲン化アルキル基、又はハロゲン原子であり、Rは炭素数1~15の飽和炭化水素基であり、nは0~10の整数である。なお、p-置換フェノール系化合物は、アルカリ触媒の存在下における、p-置換フェノールとアルデヒド(好ましくはホルムアルデヒド)との縮合反応により得ることができる。
フェノール樹脂の市販品としては、商品名「タッキロール201」(アルキルフェノールホルムアルデヒド樹脂、田岡化学工業社製)、商品名「タッキロール250-I」(臭素化率4%の臭素化アルキルフェノールホルムアルデヒド樹脂、田岡化学工業社製)、商品名「タッキロール250-III」(臭素化アルキルフェノールホルムアルデヒド樹脂、田岡化学工業社製)、商品名「PR-4507」(群栄化学工業社製)、商品名「ST137X」(ローム&ハース社製)、商品名「スミライトレジンPR-22193」(住友デュレズ社製)、商品名「タマノル531」(荒川化学工業社製)、商品名「SP1059」、商品名「SP1045」、商品名「SP1055」、商品名「SP1056」(以上、スケネクタディ社製)、商品名「CRM-0803」(昭和ユニオン合成社製)を挙げることができる。これらの中でも、「タッキロール201」が好ましく使用される。
架橋剤の使用量は、重合体組成物中に含まれるゴム成分の合計100質量部に対して、0.01~20質量部とすることが好ましく、0.1~15質量部とすることがより好ましく、0.5~10質量部とすることが更に好ましい。
・その他の成分
本開示に係る重合体組成物には、ゴム成分と共に樹脂成分が配合されてもよい。樹脂成分の種類としては特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。樹脂成分の配合割合は、重合体組成物中に含まれるゴム成分の全体量100質量部に対して、好ましくは1~50質量部、より好ましくは5~40質量部である。
本開示に係る重合体組成物には、ゴム成分と共に樹脂成分が配合されてもよい。樹脂成分の種類としては特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。樹脂成分の配合割合は、重合体組成物中に含まれるゴム成分の全体量100質量部に対して、好ましくは1~50質量部、より好ましくは5~40質量部である。
本開示に係る重合体組成物には、上記した成分の他に、例えばタイヤ用、ホース用、防振用、ベルト用等の各種用途の加硫ゴムを得るためのゴム組成物において一般に使用される各種添加剤を配合することができる。当該添加剤としては、例えば老化防止剤、亜鉛華、ステアリン酸、軟化剤、硫黄、加硫促進剤等が挙げられる。それらの配合割合は、本開示の効果を損なわない範囲において、添加剤の種類に応じて適宜選択することができる。
(架橋工程)
本開示の架橋物は、上記重合体組成物を架橋処理することにより得られる。架橋物としてゴム成形品を得る場合、通常、上記重合体組成物を所定形状に成形した後、架橋処理を行う。ゴム成形品の製造は、常法に従い行うことができる。例えばタイヤの製造は、上述した重合体組成物を、ロールやミキサー等の混合機で混合し、所定の形状に成形にしたものを常法に従い外側に配して加硫成形することにより、トレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成され、空気入りタイヤが得られる。
本開示の架橋物は、上記重合体組成物を架橋処理することにより得られる。架橋物としてゴム成形品を得る場合、通常、上記重合体組成物を所定形状に成形した後、架橋処理を行う。ゴム成形品の製造は、常法に従い行うことができる。例えばタイヤの製造は、上述した重合体組成物を、ロールやミキサー等の混合機で混合し、所定の形状に成形にしたものを常法に従い外側に配して加硫成形することにより、トレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成され、空気入りタイヤが得られる。
本開示の架橋物は、ガラス転移点(Tg)が-25℃以下であることにより、低温下において優れた柔軟性を示す。架橋物のガラス転移点は、高い材料強度を保持しつつ、低温下における柔軟性により優れた架橋物とする観点から、好ましくは-35℃以下であり、より好ましくは-40℃以下であり、更に好ましくは-45℃以下である。なお、架橋物のガラス転移点は、剪断歪0.07%、角速度100ラジアン毎秒で粘弾性測定を行った際のtanδが最大となる温度である。
本開示の架橋物(加硫ゴム)は、高強度かつ低温特性に優れていることから、各種ゴム成型品に適用することができる。具体的には、タイヤのトレッド、サイドウォール用の材料;産業機械用や設備用などのロール、防振ゴム類;ダイヤフラム、ラジエータホース、エアーホース等の各種ホース及びホースカバー類;パッキン、ガスケット、ウェザーストリップ、O-リング、オイルシール等のシール類;動力伝達用ベルトなどのベルト類;ライニング、ダストブーツ、ワイヤーハーネス、靴底等の材料として用いることができる。これらの中でも、タイヤ用部材、防振用部材、ベルト用部材、ロール用部材、ホース用部材、ワイヤーハーネス用部材及び靴底用部材として好適であり、タイヤ用部材、防振用部材、ロール用部材及びベルト用部材として更に好適である。
また、本開示の架橋物は、強度及び低温特性に加え、低燃費性能に優れているため、タイヤ用部材に特に適しており、タイヤ用部材の中でも特に、冬用タイヤ及びオールシーズンタイヤに適している。さらに、当該架橋物は耐オゾン性に優れており、紫外線を受けやすい箇所(例えば、タイヤのサイドウォール等)の材料としても好適である。
以下、本開示を実施例に基づいて具体的に説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例、比較例中の「部」及び「%」は、特に断らない限り質量基準である。重合体の各種物性値の測定方法を以下に示す。
[結合スチレン含量(質量%)]:400MHzの1H-NMRによって求めた。
[ビニル結合含量(モル%)]:400MHzの1H-NMRによって求めた。
[1stピーク重量平均分子量]:ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)(HLC-8120GPC(商品名(東ソー社製)))を使用して得られたGPC曲線の最大ピークの頂点に相当する保持時間から、ポリスチレン換算で求めた。
(GPCの条件)
カラム;商品名「GMHXL」(東ソー社製)2本
カラム温度;40℃
移動相;テトラヒドロフラン
流速;1.0ml/分
サンプル濃度;10mg/20ml
[ガラス転移点Tg(℃)]:ASTM D3418に準拠して示差走査熱量測定(DSC)によって測定した。
[融点Tm(℃)及び融解熱量ΔH(J/g)]:DSC(商品名「DSC 250」、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製)を用いて測定を行い、測定により得られた融解曲線から求めた。測定用サンプルは、アルミニウム製サンプルパン(型番「900786.901」と「900779.901」、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製)に10mgの重合体を封入して作製した。測定は、測定用サンプルを室温から180℃まで加温し、180℃で1分間保持した後、-100℃まで10℃/分の速度で冷却し、次いで-100℃で1分間保持してから、20℃/minの速度で200℃まで昇温する方法により行った。この-100℃から200℃に昇温する工程における結晶融解に起因する吸熱量の総和を融解熱量(J/g)とし、吸熱量がピークを示す温度(℃)を融点とした。
[水素添加率(%)]及び[α]:400MHzの1H-NMRによって求めた。
[ビニル結合含量(モル%)]:400MHzの1H-NMRによって求めた。
[1stピーク重量平均分子量]:ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)(HLC-8120GPC(商品名(東ソー社製)))を使用して得られたGPC曲線の最大ピークの頂点に相当する保持時間から、ポリスチレン換算で求めた。
(GPCの条件)
カラム;商品名「GMHXL」(東ソー社製)2本
カラム温度;40℃
移動相;テトラヒドロフラン
流速;1.0ml/分
サンプル濃度;10mg/20ml
[ガラス転移点Tg(℃)]:ASTM D3418に準拠して示差走査熱量測定(DSC)によって測定した。
[融点Tm(℃)及び融解熱量ΔH(J/g)]:DSC(商品名「DSC 250」、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製)を用いて測定を行い、測定により得られた融解曲線から求めた。測定用サンプルは、アルミニウム製サンプルパン(型番「900786.901」と「900779.901」、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン社製)に10mgの重合体を封入して作製した。測定は、測定用サンプルを室温から180℃まで加温し、180℃で1分間保持した後、-100℃まで10℃/分の速度で冷却し、次いで-100℃で1分間保持してから、20℃/minの速度で200℃まで昇温する方法により行った。この-100℃から200℃に昇温する工程における結晶融解に起因する吸熱量の総和を融解熱量(J/g)とし、吸熱量がピークを示す温度(℃)を融点とした。
[水素添加率(%)]及び[α]:400MHzの1H-NMRによって求めた。
<高飽和ジエン系重合体の製造>
〈水添触媒の製造〉
〔製造例1:触媒Eの合成〕
撹拌機、滴下漏斗を備えた1L容量の三つ口フラスコを乾燥窒素で置換し、無水テトラヒドロフラン200ml及びテトラヒドロフルフリルアルコール0.2モルを加えた。その後、n-ブチルリチウム/シクロヘキサン溶液(0.2モル)を三つ口フラスコ中に15℃にて滴下して反応を行い、テトラヒドロフルフリルオキシリチウムのテトラヒドロフラン溶液を得た。
次に、撹拌機、滴下漏斗を備えた1L容量の三つ口フラスコを乾燥窒素で置換し、ビス(η5-シクロペンタジエニル)チタニウムジクロライド49.8g(0.2モル)及び無水テトラヒドロフラン250mlを加えた。そして、上記記載の方法により得られたテトラフルフリルオキシリチウムのテトラヒドロフラン溶液を室温撹拌下にて約1時間で滴下した。約2時間後、赤褐色液を濾過し、不溶部をジクロロメタンで洗浄した。
その後、ろ液及び洗浄液を合わせて減圧下にて溶媒を除去することにより、触媒E[ビス(η5-シクロペンタジエニル)チタニウム(テトラヒドロフルフリルオキシ)クロライド](「[クロロビス(2,4-シクロペンタジエニル)チタン(IV)テトラヒドロフルフリルアルコキシド]」ともいう。)を得た。なお、収率は95%であった。
〈水添触媒の製造〉
〔製造例1:触媒Eの合成〕
撹拌機、滴下漏斗を備えた1L容量の三つ口フラスコを乾燥窒素で置換し、無水テトラヒドロフラン200ml及びテトラヒドロフルフリルアルコール0.2モルを加えた。その後、n-ブチルリチウム/シクロヘキサン溶液(0.2モル)を三つ口フラスコ中に15℃にて滴下して反応を行い、テトラヒドロフルフリルオキシリチウムのテトラヒドロフラン溶液を得た。
次に、撹拌機、滴下漏斗を備えた1L容量の三つ口フラスコを乾燥窒素で置換し、ビス(η5-シクロペンタジエニル)チタニウムジクロライド49.8g(0.2モル)及び無水テトラヒドロフラン250mlを加えた。そして、上記記載の方法により得られたテトラフルフリルオキシリチウムのテトラヒドロフラン溶液を室温撹拌下にて約1時間で滴下した。約2時間後、赤褐色液を濾過し、不溶部をジクロロメタンで洗浄した。
その後、ろ液及び洗浄液を合わせて減圧下にて溶媒を除去することにより、触媒E[ビス(η5-シクロペンタジエニル)チタニウム(テトラヒドロフルフリルオキシ)クロライド](「[クロロビス(2,4-シクロペンタジエニル)チタン(IV)テトラヒドロフルフリルアルコキシド]」ともいう。)を得た。なお、収率は95%であった。
〈共役ジエン系ゴムの製造〉
〔製造例2:共役ジエン系ゴムP1の合成〕
窒素置換された内容積50リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン25900g、テトラヒドロフラン91g、スチレン370g、1,3-ブタジエン3219gを仕込んだ。反応器内容物の温度を35℃に調整した後、n-ブチルリチウム(39mmol)を含むシクロヘキサン溶液を添加して重合を開始した。重合は断熱条件で実施し、最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達したことを確認した後、ブタジエン111gを追加し、更に5分重合させ、重合体を含む反応液を得た。得られた反応液に四塩化ケイ素2mmolを加えて10分間反応させ、N,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン28mmolを加え、さらに20分間反応させた。
得られた共役ジエン系共重合体を含む重合体溶液に、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾールを7.4g添加した。次いで、pH調整剤であるアンモニアによりpH8.5(ガラス電極法による、80℃におけるpH)に調整した水溶液(温度:80℃)を脱溶媒槽に入れ、更に上記重合体溶液を加え(重合体溶液100質量部に対して、上記水溶液200質量部の割合)、脱溶媒槽の液相の温度95℃で2時間スチームストリッピング(スチーム温度:190℃)を行うことにより脱溶媒を行い、110℃に調温された熱ロールにより乾燥を行うことで、共役ジエン系ゴムP1を得た。得られた共役ジエン系ゴムP1の分析値を下記表2に示す。
〔製造例2:共役ジエン系ゴムP1の合成〕
窒素置換された内容積50リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン25900g、テトラヒドロフラン91g、スチレン370g、1,3-ブタジエン3219gを仕込んだ。反応器内容物の温度を35℃に調整した後、n-ブチルリチウム(39mmol)を含むシクロヘキサン溶液を添加して重合を開始した。重合は断熱条件で実施し、最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達したことを確認した後、ブタジエン111gを追加し、更に5分重合させ、重合体を含む反応液を得た。得られた反応液に四塩化ケイ素2mmolを加えて10分間反応させ、N,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン28mmolを加え、さらに20分間反応させた。
得られた共役ジエン系共重合体を含む重合体溶液に、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾールを7.4g添加した。次いで、pH調整剤であるアンモニアによりpH8.5(ガラス電極法による、80℃におけるpH)に調整した水溶液(温度:80℃)を脱溶媒槽に入れ、更に上記重合体溶液を加え(重合体溶液100質量部に対して、上記水溶液200質量部の割合)、脱溶媒槽の液相の温度95℃で2時間スチームストリッピング(スチーム温度:190℃)を行うことにより脱溶媒を行い、110℃に調温された熱ロールにより乾燥を行うことで、共役ジエン系ゴムP1を得た。得られた共役ジエン系ゴムP1の分析値を下記表2に示す。
〔製造例3:共役ジエン系ゴムP2の合成〕
窒素置換された内容積50リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン25900g、テトラヒドロフラン130g、スチレン370g、1,3-ブタジエン3219gを仕込んだ。反応器内容物の温度を35℃に調整した後、n-ブチルリチウム(39mmol)を含むシクロヘキサン溶液を添加して重合を開始した。重合は断熱条件で実施し、最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達したことを確認した後、ブタジエン111gを追加し、更に5分重合させ、重合体を含む反応液を得た。得られた反応液に四塩化ケイ素2mmolを加えて10分間反応させ、さらにN,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン28mmolを加え、20分間反応させた。
次いで、反応液を80℃以上にして系内に水素を導入した後、触媒E0.32g、テトラクロロシラン0.39gを加え、水素圧0.7MPa以上を保つようにして、所定の水素積算値となるまで水素を供給して反応させた後、反応液を常温、常圧に戻して反応容器より抜き出し、重合体溶液を得た。
得られた水添共役ジエン系共重合体を含む重合体溶液に、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾールを7.4g添加した。次いで、pH調整剤であるアンモニアによりpH8.5(ガラス電極法による、80℃におけるpH)に調整した水溶液(温度:80℃)を脱溶媒槽に入れ、更に上記重合体溶液を加え(重合体溶液100質量部に対して、上記水溶液200質量部の割合)、脱溶媒槽の液相の温度95℃で2時間スチームストリッピング(スチーム温度:190℃)を行うことにより脱溶媒を行い、110℃に調温された熱ロールにより乾燥を行うことで、共役ジエン系ゴムP2を得た。得られた共役ジエン系ゴムP2の分析値を下記表1に示す。
窒素置換された内容積50リットルのオートクレーブ反応器に、シクロヘキサン25900g、テトラヒドロフラン130g、スチレン370g、1,3-ブタジエン3219gを仕込んだ。反応器内容物の温度を35℃に調整した後、n-ブチルリチウム(39mmol)を含むシクロヘキサン溶液を添加して重合を開始した。重合は断熱条件で実施し、最高温度は85℃に達した。
重合転化率が99%に達したことを確認した後、ブタジエン111gを追加し、更に5分重合させ、重合体を含む反応液を得た。得られた反応液に四塩化ケイ素2mmolを加えて10分間反応させ、さらにN,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン28mmolを加え、20分間反応させた。
次いで、反応液を80℃以上にして系内に水素を導入した後、触媒E0.32g、テトラクロロシラン0.39gを加え、水素圧0.7MPa以上を保つようにして、所定の水素積算値となるまで水素を供給して反応させた後、反応液を常温、常圧に戻して反応容器より抜き出し、重合体溶液を得た。
得られた水添共役ジエン系共重合体を含む重合体溶液に、2,6-ジ-tert-ブチル-p-クレゾールを7.4g添加した。次いで、pH調整剤であるアンモニアによりpH8.5(ガラス電極法による、80℃におけるpH)に調整した水溶液(温度:80℃)を脱溶媒槽に入れ、更に上記重合体溶液を加え(重合体溶液100質量部に対して、上記水溶液200質量部の割合)、脱溶媒槽の液相の温度95℃で2時間スチームストリッピング(スチーム温度:190℃)を行うことにより脱溶媒を行い、110℃に調温された熱ロールにより乾燥を行うことで、共役ジエン系ゴムP2を得た。得られた共役ジエン系ゴムP2の分析値を下記表1に示す。
〔製造例4~6:共役ジエン系ゴムP3、P4、P6~P14の合成〕
使用する原料を表1のとおりに変更し、水添の時間を変更した以外は製造例3と同様の操作を行い、共役ジエン系ゴムP3,P4,P6~P14をそれぞれ得た。共役ジエン系ゴムP3,P4,P6~P14の分析値を表2に示す。
〔製造例7:共役ジエン系ゴムP5の合成〕
製造例3において、n-ブチルリチウムを使用する替わりに、39mmolのn-ブチルリチウムと27mmolのピペリジンを使用した以外は製造例3と同様の操作を行い、水添共役ジエン系ゴムP5を得た。共役ジエン系ゴムP5の分析値を表2に示す。
使用する原料を表1のとおりに変更し、水添の時間を変更した以外は製造例3と同様の操作を行い、共役ジエン系ゴムP3,P4,P6~P14をそれぞれ得た。共役ジエン系ゴムP3,P4,P6~P14の分析値を表2に示す。
〔製造例7:共役ジエン系ゴムP5の合成〕
製造例3において、n-ブチルリチウムを使用する替わりに、39mmolのn-ブチルリチウムと27mmolのピペリジンを使用した以外は製造例3と同様の操作を行い、水添共役ジエン系ゴムP5を得た。共役ジエン系ゴムP5の分析値を表2に示す。
表1及び表2中、化合物の略称は以下の化合物を表す。
化合物A:ピペリジン
化合物B:N,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン
化合物C:四塩化ケイ素
表1及び表2中、「-」は、該当する欄の化合物を使用しなかったことを表す。
化合物A:ピペリジン
化合物B:N,N-ジメチル-3-(トリエトキシシリル)プロピルアミン
化合物C:四塩化ケイ素
表1及び表2中、「-」は、該当する欄の化合物を使用しなかったことを表す。
<ゴム組成物の製造及び特性評価>
[実施例1~12及び比較例1~3]
温度制御装置を付属したプラストミル(内容量250cc)を使用し、一段目の混練として、充填率72%、回転数60rpmの条件で、下記表3の配合処方により、水添又は未水添の共役ジエン系ゴム、シリカ、シランカップリング剤、伸展油、ステアリン酸、酸化亜鉛、老化防止剤を混練した。次いで、二段目の混練として、上記で得た配合物を室温まで冷却後、硫黄、加硫促進剤を混練した。これを成型し、160℃で所定時間、加硫プレスにて加硫した。ゴム組成物、加硫前のゴム及び加硫ゴムを用いて、以下の(1)~(6)の特性評価を実施した。なお、各実施例及び比較例において、使用した共役ジエン系ゴムの種類及び割合は下記表4に記載のとおりである。表4中の「重合体」欄の数値は、ゴム組成物の配合に使用した共役ジエン系ゴムの合計100質量部に対する、各重合体の配合割合を表す。
[実施例1~12及び比較例1~3]
温度制御装置を付属したプラストミル(内容量250cc)を使用し、一段目の混練として、充填率72%、回転数60rpmの条件で、下記表3の配合処方により、水添又は未水添の共役ジエン系ゴム、シリカ、シランカップリング剤、伸展油、ステアリン酸、酸化亜鉛、老化防止剤を混練した。次いで、二段目の混練として、上記で得た配合物を室温まで冷却後、硫黄、加硫促進剤を混練した。これを成型し、160℃で所定時間、加硫プレスにて加硫した。ゴム組成物、加硫前のゴム及び加硫ゴムを用いて、以下の(1)~(6)の特性評価を実施した。なお、各実施例及び比較例において、使用した共役ジエン系ゴムの種類及び割合は下記表4に記載のとおりである。表4中の「重合体」欄の数値は、ゴム組成物の配合に使用した共役ジエン系ゴムの合計100質量部に対する、各重合体の配合割合を表す。
≪特性評価≫
(1)破壊強度
加硫ゴムを測定用試料として、JISK6251:2010に従って、切断時の引張強さ(TB)を測定した。測定結果は、数値が大きいほど引張強さ(破壊強度)が高く、良好であることを示す。
(2)-20℃における弾性率
加硫前のゴムを測定用試料として、ARES-RDA(TA Instruments社製)を使用し、剪断歪0.14%、角速度100ラジアン毎秒、-20℃の条件で、弾性率を測定した。数値が小さいほど、低温環境下(-20℃)における柔軟性が高く、低温特性が良好であることを示す。
(3)低ヒステリシスロス特性(50℃tanδ)
加硫ゴムを測定用試料として、ARES-RDA(TA Instruments社製)を使用し、剪断歪0.7%、角速度100ラジアン毎秒、50℃の条件で、損失係数(tanδ(50℃))を測定した。比較例1を100とした指数で示し、数値が大きいほどエネルギーロスが小さく、低ヒステリシスロス特性(低燃費性)が良好であることを示す。
(4)耐オゾン性
加硫ゴムを測定用試料として、JIS K6259-1:2015の10.2のA法に準拠し、72時間オゾンに曝し、静的オゾン劣化試験を行った。結果は、以下のとおりランク付けした。
<亀裂の数によるランク付け>
A:亀裂少数
B:亀裂多数
C:亀裂無数
<亀裂の大きさ及び深さによるランク付け>
1:肉眼では見えないが10倍の拡大鏡では確認できるもの
2:肉眼で確認できるもの
3:亀裂が深くて比較的大きいもの(1mm未満)
4:亀裂が深くて大きいもの(1mm以上3mm未満)
5:3mm以上の亀裂又は切断を起こしそうなもの
表4中、例えば「A-4」の表記は、亀裂の数によるランク付けが「A」、亀裂の大きさ及び深さによるランク付けが「4」であることを表す。
(5)ガラス転移点(Tg)
加硫ゴムを測定用試料として、剪断歪0.07%、角速度100ラジアン毎秒で粘弾性測定を行い、tanδが最大となる温度をガラス転移点とした。
(6)グリーンストレングス
未加硫ゴムを、JIS K6251:2017に従って3号ダンベルに打ち抜いて試験片とし、室温、200mm/minの引張速度で引張強さを測定した。比較例1で得られた値を100と規格化し、以下の通りランク付けすることにより評価した。
<グリーンストレングスのランク付け>
A:130を超える
B:110を超えて130以下
C:110以下
実施例1~12及び比較例1~3の特性評価の結果を下記表4に示す。
(1)破壊強度
加硫ゴムを測定用試料として、JISK6251:2010に従って、切断時の引張強さ(TB)を測定した。測定結果は、数値が大きいほど引張強さ(破壊強度)が高く、良好であることを示す。
(2)-20℃における弾性率
加硫前のゴムを測定用試料として、ARES-RDA(TA Instruments社製)を使用し、剪断歪0.14%、角速度100ラジアン毎秒、-20℃の条件で、弾性率を測定した。数値が小さいほど、低温環境下(-20℃)における柔軟性が高く、低温特性が良好であることを示す。
(3)低ヒステリシスロス特性(50℃tanδ)
加硫ゴムを測定用試料として、ARES-RDA(TA Instruments社製)を使用し、剪断歪0.7%、角速度100ラジアン毎秒、50℃の条件で、損失係数(tanδ(50℃))を測定した。比較例1を100とした指数で示し、数値が大きいほどエネルギーロスが小さく、低ヒステリシスロス特性(低燃費性)が良好であることを示す。
(4)耐オゾン性
加硫ゴムを測定用試料として、JIS K6259-1:2015の10.2のA法に準拠し、72時間オゾンに曝し、静的オゾン劣化試験を行った。結果は、以下のとおりランク付けした。
<亀裂の数によるランク付け>
A:亀裂少数
B:亀裂多数
C:亀裂無数
<亀裂の大きさ及び深さによるランク付け>
1:肉眼では見えないが10倍の拡大鏡では確認できるもの
2:肉眼で確認できるもの
3:亀裂が深くて比較的大きいもの(1mm未満)
4:亀裂が深くて大きいもの(1mm以上3mm未満)
5:3mm以上の亀裂又は切断を起こしそうなもの
表4中、例えば「A-4」の表記は、亀裂の数によるランク付けが「A」、亀裂の大きさ及び深さによるランク付けが「4」であることを表す。
(5)ガラス転移点(Tg)
加硫ゴムを測定用試料として、剪断歪0.07%、角速度100ラジアン毎秒で粘弾性測定を行い、tanδが最大となる温度をガラス転移点とした。
(6)グリーンストレングス
未加硫ゴムを、JIS K6251:2017に従って3号ダンベルに打ち抜いて試験片とし、室温、200mm/minの引張速度で引張強さを測定した。比較例1で得られた値を100と規格化し、以下の通りランク付けすることにより評価した。
<グリーンストレングスのランク付け>
A:130を超える
B:110を超えて130以下
C:110以下
実施例1~12及び比較例1~3の特性評価の結果を下記表4に示す。
表4に示すように、未水添の重合体を用いた加硫ゴム(比較例1)は、破断強度が最も低く、強度が十分でなかった。また、-20℃における弾性率もやや高い値を示した。更に、比較例1の加硫ゴムの製造に用いた重合体(共役ジエン系ゴムP1)は融解熱量を持たず、加硫ゴムのグリーンストレングスが低かった。また、ガラス転移点が-20℃である加硫ゴム(比較例2)は、引張強さ(TB)の値は高いものの、-20℃における弾性率の値が大きく、低温下での柔軟性に劣っていた。水添率が低い重合体を用いて製造した加硫ゴム(比較例3)は、比較例1と同じく破断強度が低く、またグリーンストレングスが低かった。
これに対し、実施例1~12のゴム組成物は、比較例1と比較すると、強度及び-20℃での弾性率のいずれも良好な値を示した。また、実施例1~12のゴム組成物と比較例2とを比較すると、実施例1~12のゴム組成物は、-20℃での弾性率、すなわち低温下での柔軟性が大きく改善された。また、共役ジエン系ゴムP2~P5、P7~P13は融解熱量と融点から結晶性を有し、共役ジエン系ゴムP2~P5、P7~P13を含有する実施例1~12のゴム組成物はグリーンストレングスが高かった。これらの結果により、実施例1~12のゴム組成物によれば、加工性が改善された架橋物を得ることができることが分かった。
以上の結果から、高飽和共役ジエン系重合体、無機フィラーを所定割合で含有するゴム組成物を架橋することにより、ガラス転移点が十分に低い加硫ゴムが得られ、更には、高強度であってかつ低温下における柔軟性に優れた加硫ゴムが得られることが分かった。また、実施例1~12の加硫ゴムは、比較例1の加硫ゴムに比べて耐オゾン性、低ヒステリシスロス特性(低燃費特性)及びグリーンストレングスに優れ、また比較例2の加硫ゴムに比べて低ヒステリシスロス特性(低燃費特性)に優れていた。更に、実施例1~12の加硫ゴムは、比較例3の加硫ゴムに比べて、グリーンストレングスに優れていた。
Claims (11)
- ゴム成分、無機フィラー及び架橋剤を含有し、かつ下記の(a)~(d)の条件を満たす重合体組成物を架橋してなる架橋物。
(a)前記ゴム成分として、下記式(1)で表される構造単位、下記式(2)で表される構造単位、下記式(3)で表される構造単位、及び下記式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、下記数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である共役ジエン系重合体(A)を含有する。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s) …(i)
(b)前記共役ジエン系重合体(A)の配合割合が、前記ゴム成分の全量に対して10質量%以上である。
(c)前記無機フィラーの配合割合が、前記ゴム成分100質量部に対して40~150質量部である。
(d)前記架橋物のガラス転移点(Tg)が-25℃以下である。
- 前記共役ジエン系重合体(A)は、前記無機フィラーと相互作用する官能基を有する、請求項1に記載の架橋物。
- 前記共役ジエン系重合体(A)のガラス転移点が-45℃以下である、請求項1又は2に記載の架橋物。
- 前記共役ジエン系重合体(A)は、融点が-10℃以上であり、かつ示差走査熱量計により-100℃から200℃まで20℃/分で昇温することにより測定される融解熱量が3J/g以上である、請求項1~3のいずれか一項に記載の架橋物。
- 前記共役ジエン系重合体(A)は、共役ジエン化合物と芳香族ビニル化合物とのランダム共重合体である、請求項1~4のいずれか一項に記載の架橋物。
- 前記共役ジエン系重合体(A)における芳香族ビニル化合物に由来する構造単位の含有割合が、前記共役ジエン系重合体(A)の全モノマー単位量に対して、3~33質量%である、請求項5に記載の架橋物。
- ゴム成分、無機フィラー及び架橋剤を含有し、かつ下記の(a)~(d)の条件を満たす重合体組成物を架橋する、架橋物の製造方法。
(a)前記ゴム成分として、下記式(1)で表される構造単位、下記式(2)で表される構造単位、下記式(3)で表される構造単位、及び下記式(4)で表される構造単位の重合体中の構成比(モル比)をそれぞれp、q、r、sとしたとき、下記数式(i)で表される値αが0.80以上0.97以下である共役ジエン系重合体(A)を含有する。
α=(p+(0.5×r))/(p+q+(0.5×r)+s) …(i)
(b)前記重合体(A)の配合割合が、前記ゴム成分の全量に対して10質量%以上である。
(c)前記無機フィラーの配合割合が、前記ゴム成分100質量部に対して40~150質量部である。
(d)前記架橋物のガラス転移点(Tg)が-25℃以下である。
- 前記共役ジエン系重合体(A)のガラス転移点が-45℃以下である、請求項7に記載の架橋物の製造方法。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の架橋物によりトレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成されたオールシーズンタイヤ。
- 請求項1~6のいずれか一項に記載の架橋物によりトレッド及びサイドウォールの一方又は両方が形成された冬用タイヤ。
- 防振用部材、ベルト用部材、ロール用部材、ホース用部材、ワイヤーハーネス用部材又は靴底用部材であるゴム成形品であって、請求項1~6のいずれか一項に記載の架橋物からなるゴム成形品。
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