JP6581746B1 - 変性液状ジエン系重合体 - Google Patents

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Abstract

フィラーを含むゴム組成物から得られる架橋物中のフィラーの分散状態を物性向上のためには理想的な状態とし得る変性ジエン系重合体及びその変性ジエン系重合体の製造方法を提供する。一方の末端のみに特定の官能基を有し、1分子当たりの平均官能基数が0.8〜1である直鎖状変性ジエン系重合体。

Description

本発明は変性ジエン系重合体及び変性ジエン系重合体の製造方法に関する。
従来から、天然ゴムやスチレンブタジエンゴム等のゴム成分に対してシリカやカーボンブラック等のフィラーを配合することにより機械強度を向上させたゴム組成物が、耐摩耗性や機械強度を必要とするタイヤ用途などに広く使用されている。このフィラーが配合されたゴム組成物の架橋物中のフィラーの分散状態が、その架橋物の物性(例えば、機械物性、転がり抵抗など)に影響している可能性が指摘されている。しかし、このフィラーを配合したゴム組成物は、ゴムとフィラーとの親和性は必ずしも高くないため、またフィラー同士で相互作用が生じるため、フィラーの分散性が十分でない場合、架橋物の物性の向上のための理想的な分散状態でない場合がある。
ゴム組成物中のフィラー分散性を向上する手段として、官能基を有する液状ゴムを使用する方法が種々検討されている(例えば特許文献1及び2参照。)。
しかし、ゴム組成物から得られる架橋物の物性、例えば、破断エネルギー、転がり抵抗性能などはいまだ改善の余地があった。
特開2000−344949号公報 特開2013−249359号公報
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、フィラーを含むゴム組成物から得られる架橋物中のフィラーの分散状態を物性向上のためには理想的な状態とし得る変性ジエン系重合体及びその変性ジエン系重合体の製造方法を提供する。
本発明者らが、鋭意検討を行った結果、一方の末端にのみ特定官能基を特定量有する直鎖状の変性ジエン系重合体をゴム組成物に含ませることにより、その組成物から得られる架橋物中のフィラーの分散状態を物性向上のためには理想的な状態となることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は以下〔1〕〜〔4〕に関する。
〔1〕一方の末端のみに下記式(1)で示される官能基を有し、1分子当たりの平均官能基数が0.8〜1である直鎖状変性ジエン系重合体。
(上記式(1)中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチル基、エチル基又はフェニル基である、R1、R2及びR3の少なくとも1つはメトキシ基、エトキシ基又はフェノキシ基であり、Xは炭素数1から6の2価のアルキレン基である。)
〔2〕重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)が1.0〜2.0である〔1〕に記載の直鎖状変性ジエン系重合体。
〔3〕有機溶媒存在下、単官能アニオン重合開始剤により共役ジエンを含む単量体を重合
し、その重合反応をエポキシ基を含む化合物で停止して、一方の末端のみに水酸基を有する直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液を調製する工程(I)、
直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液から単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣を除去する工程(II)、
工程(II)を経た直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液から有機溶媒を除去する工程(III)、及び
直鎖状水酸基変性ジエン系重合体と下記式(1')で示されるシラン化合物とを反応させる工程(IV)を含む、〔1〕又は〔2〕に記載の直鎖状変性ジエン系重合体の製造方法。
(上記式(1')中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチル基、エチル基又はフェニル基である、R1、R2及びR3の少なくとも1つはメトキシ基、エトキシ基又はフェノキシ基であり、Xは炭素数1から6の2価のアルキレン基である。)
〔4〕単官能アニオン重合開始剤がアルキルモノリチウムである〔3〕に記載の直鎖状変性ジエン系重合体の製造方法。
本発明によれば、フィラーを含むゴム組成物から得られる架橋物中のフィラーの分散状態を物性向上のためには理想的な状態とし得る変性ジエン系重合体が得られる。またかかる変性ジエン系重合体を効率よく製造できる。
[直鎖状変性ジエン系重合体(A)]
本発明の変性液状ジエン系重合体は、直鎖状の重合体であり、2つの末端の一方の末端(片末端)のみに、下記式(1)で示される官能基を有しており、その官能基の1分子当たりの平均官能基数が0.8〜1である(以下、直鎖状変性ジエン系重合体(A)ともいう。)。直鎖状変性ジエン系重合体(A)を、例えば、フィラーを含むゴム組成物に含ませることにより、そのゴム組成物の架橋物の物性が向上するように、フィラーの分散が理想的な状態になる。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)の原料となる未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')は、その重合体を構成する単量体単位として共役ジエン単位を含む。共役ジエンとしては、例えば、ブタジエン、イソプレン;2,3−ジメチルブタジエン、2−フェニルブタジエン、1,3−ペンタジエン、2−メチル−1,3−ペンタジエン、1,3−ヘキサジエン、1,3−オクタジエン、1,3−シクロヘキサジエン、2−メチル−1,3−オクタジエン、1,3,7−オクタトリエン、ミルセン、及びクロロプレン等のブタジエン及びイソプレン以外の共役ジエン(a1)が挙げられる。未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')に含まれる共役ジエン単位としては、ブタジエン及び/又はイソプレンの単量体単位が含まれていることが好ましい。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)の原料となる未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')は、その重合体を構成する全単量体単位のうち、50質量%以上がブタジエン及び/又はイソプレンの単量体単位であることが好ましい一態様である。ブタジエン単位及びイソプレン単位の合計含有量は、直鎖状ジエン系重合体(A')の全単量体単位に対して60〜100質量%であることが好ましく、70〜100質量%であることがより好ましい。
上記直鎖状ジエン系重合体(A')に含まれ得るブタジエン単位及びイソプレン単位以外の他の単量体単位としては、前述したブタジエン及びイソプレン以外の共役ジエン(a1)単位、芳香族ビニル化合物(a2)単位などが挙げられる。
芳香族ビニル化合物(a2)としては、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、2−メチルスチレン、3−メチルスチレン、4−メチルスチレン、4−プロピルスチレン、4−t−ブチルスチレン、4−シクロヘキシルスチレン、4−ドデシルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、2,4−ジイソプロピルスチレン、2,4,6−トリメチルスチレン、2−エチル−4−ベンジルスチレン、4−(フェニルブチル)スチレン、1−ビニルナフタレン、2−ビニルナフタレン、ビニルアントラセン、N,N−ジエチル−4−アミノエチルスチレン、ビニルピリジン、4−メトキシスチレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、及びジビニルベンゼンなどが挙げられる。これら芳香族ビニル化合物の中では、スチレン、α−メチルスチレン、及び4−メチルスチレンが好ましい。
上記未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')における、ブタジエン単位及びイソプレン単位以外の他の単量体単位の含有量は、50質量%以下であることが好ましく、40質量%以下がより好ましく、30質量%以下がさらに好ましい。例えば、ビニル芳香族化合物(a2)単位が上記範囲以下であると、ゴム組成物から得られる架橋物の転がり抵抗性能が向上する傾向にある。
本発明の直鎖状変性ジエン系重合体(A)は、未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')の一方の末端のみに下記式(1)の官能基を導入した重合体である。かかる官能基が変性直鎖状ジエン系重合体(A)の一方の末端に存在することにより、その直鎖状変性ジエン系重合体(A)を含むゴム組成物の架橋物の物性が向上、例えば、該ゴム組成物に後述する固形ゴム(B)、フィラー(C)がさらに含まれる場合には、破断エネルギー、転がり抵抗性能などが向上する。
上記式(1)中、R1、R2及びR3はそれぞれ独立に、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチル基、エチル基又はフェニル基を示す。ただし、R1、R2及びR3の少なくとも1つはメトキシ基、エトキシ基又はフェノキシ基である。Xは炭素数1から6の2価のアルキレン基である。二価の炭素数1〜6のアルキレン基としては、例えばメチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、ペンチレン基、ヘキシレン基が挙げられる。
上記式(1)で示される官能基の1分子当たりの平均官能基数が0.8〜1である。1分子当たりの平均官能基数が0.8未満であると、フィラーと直鎖状変性ジエン系重合体(A)の相互作用が十分ではなく、直鎖状変性ジエン系重合体(A)を含むゴム組成物の架橋物の物性向上の効果が不十分になる。また、平均官能基数が1を超える(片末端だけでなく、もう一方の末端又は重合体鎖中の末端以外の部分に官能基が存在する)場合には、フィラーと直鎖状変性ジエン系重合体(A)の相互作用が強すぎるため、物性の向上効果が損なわれる。上記式(1)で示される官能基の1分子当たりの平均官能基数は、直鎖状変性ジエン系重合体(A)を含むゴム組成物の架橋物の物性をより向上させる観点から、0.85〜1であることが好ましく、0.9〜1であることがより好ましい。
また、上記式(1)で示される官能基の1分子当たりの平均官能基数は0.8以上1未満であることも好ましい一態様である。1分子当たりの平均官能基数が0.8未満であると、フィラーと直鎖状変性ジエン系重合体(A)の相互作用が十分ではなく、直鎖状変性ジエン系重合体(A)を含むゴム組成物の架橋物の物性向上の効果が不十分になるおそれがある。また、平均官能基数が1以上(完全な片末端変性および片末端だけでなく、もう一方の末端又は重合体鎖中の末端以外の部分に官能基が存在する)場合には、直鎖状変性ジエン系重合体(A)の官能基に起因する相互作用(官能基同士の相互作用も含む)が強すぎるため、物性の向上効果が損なわれる場合がある。上記式(1)で示される官能基の1分子当たりの平均官能基数は、直鎖状変性ジエン系重合体(A)を含むゴム組成物の架橋物の物性をより向上させる観点から、0.85以上であることが好ましく、0.9以上であることがより好ましい。また、同様の観点から該平均官能基数は1未満であることが好ましく、0.99以下であることがより好ましい。
なお、直鎖状変性ジエン系重合体(A)1分子当たりの平均官能基数は、1H−NMRを用いて重合開始剤由来のピークとウレタン結合由来のピークから算出することができる。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)は、好ましくは液状の重合体である。上記直鎖状変性ジエン系重合体(A)の38℃で測定した溶融粘度は、0.1〜4,000Pa・sが好ましく、0.1〜2,000Pa・sがより好ましく、0.1〜1,500Pa・sがさらに好ましく、1〜1,000Pa・sが特に好ましい。直鎖状変性ジエン系重合体(A)の溶融粘度が前記範囲内であると、直鎖状変性ジエン系重合体(A)をゴム組成物に含ませることにより、柔軟性が向上するため、加工性が向上する。なお、本発明において、溶融粘度は、38℃においてブルックフィールド型粘度計により測定した値である。
また、直鎖状変性ジエン系重合体(A)の取り扱い性、ゴム組成物およびその架橋物の物性向上の観点から、上記直鎖状変性ジエン系重合体(A)の38℃で測定した溶融粘度は、0.1〜20Pa・sであること、好ましくは1〜15Pa・sであることが望ましい一態様である。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)の重量平均分子量(Mw)は1,000以上120,000以下であることが好ましい。本発明において、Mwは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)の測定から求めたポリスチレン換算の重量平均分子量である。直鎖状変性ジエン系重合体(A)のMwが前記範囲内であると、製造時の工程通過性に優れ、経済性が良好となる。また、直鎖状変性ジエン系重合体(A)をゴム組成物に含ませることによりゴム組成物の加工性が良好となり、後述する固形ゴム(B)及びフィラー(C)がさらにゴム組成物に含まれる場合には、フィラー(C)の分散性も所望の物性向上(例えば、転がり抵抗性能、破断エネルギー)のために理想的な状態になる。
転がり抵抗性能の観点からは、直鎖状変性ジエン系重合体(A)のMwは好ましくは1,000以上120,000以下、より好ましくは15,000以上100,000以下、さらに好ましくは15,000以上80,000以下が望ましい一態様である。
ゴム組成物の加工性向上、破断エネルギー向上の観点からは、直鎖状変性ジエン系重合体(A)のMwは好ましくは1,000以上15,000未満、より好ましくは2,000以上10,000未満、さらに好ましくは3,000以上10,000未満、よりさらに好ましくは5,000超6,000未満が望ましい他の一態様である。
本発明においては、Mwが異なる2種以上の直鎖状変性ジエン系重合体(A)を組み合わせて用いてもよい。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)の重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比、分子量分布(Mw/Mn)は1.0〜2.0が好ましく、1.0〜1.6がより好ましく、1.0〜1.4がさらに好ましく、1.0〜1.2がよりさらに好ましく、1.0〜1.09が特に好ましい。Mw/Mnが前記範囲内であると、得られる直鎖状変性ジエン系重合体(A)の粘度のばらつきが小さく、またゴム組成物およびその架橋物の物性向上から、より好ましい。なお、数平均分子量(Mn)及び分子量分布(Mw/Mn)は、それぞれ、GPCの測定により求めた標準ポリスチレン換算の、数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)/数平均分子量(Mn)の比を意味する。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)のビニル含量は90モル%以下であることが好ましく、85モル%以下がより好ましく、80モル%以下がさらに好ましく、70モル%以下がよりさらに好ましい。直鎖状変性ジエン系重合体(A)のビニル含量は、0.5モル%以上が好ましく、1モル%以上がより好ましく、30モル%以上がさらに好ましく、50モル%以上がよりさらに好ましい。本発明において、「ビニル含量」とは、直鎖状変性ジエン系重合体に含まれる、イソプレン単位、ブタジエン単位及びイソプレン単位、ブタジエン単位以外の共役ジエン(a1)単位の合計100モル%中、1,2−結合又は3,4−結合で結合をしている共役ジエン単位(1,4−結合以外で結合をしている共役ジエン単位)の合計モル%を意味する。ビニル含量は、1H−NMRを用いて1,2−結合又は3,4−結合で結合をしている共役ジエン単位由来のピークと1,4−結合で結合をしている共役ジエン単位に由来するピークの面積比から算出することができる。
ビニル含量が90モル%を超えると、例えば、後述する固形ゴム(B)及びフィラー(C)が含まれているゴム組成物をさらに含むゴム組成物に直鎖状変性ジエン系重合体(A)を使用する場合には、直鎖状変性ジエン系重合体(A)が後述する固形ゴム(B)との相溶性が悪くなるために、直鎖状変性ジエン系重合体(A)を含ませたとしても、フィラー(C)のゴム組成物中の分散状態が得られる架橋物の物性発現のためには理想的とはいえず、例えばゴム組成物中の分散性が悪化してしまう場合もあり、得られる架橋物の物性(例えば、転がり抵抗性能、破断エネルギー)も悪化する傾向にある。
耐摩耗性向上の観点からは、直鎖状変性ジエン系重合体(A)のビニル含量は好ましくは30モル%未満、より好ましくは25モル%未満、さらに好ましくは20モル%未満が望ましい一態様である。
ウェットグリップ性能向上の観点からは、直鎖状変性ジエン系重合体(A)のビニル含量は好ましくは30モル%以上80モル%以下、より好ましくは40モル%以上80モル%以下、さらに好ましくは50モル%以上70モル%以下が望ましい一態様である。
なお、直鎖状変性ジエン系重合体(A)のビニル含量は、例えば、未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')を製造する際に使用する溶媒の種類、必要に応じて使用される極性化合物、重合温度などを制御することにより所望の値とすることができる。
直鎖状変性ジエン系重合体(A)のガラス転移温度(Tg)は、イソプレン単位、ブタジエン単位及び共役ジエン(a1)単位のビニル含量、共役ジエン(a1)の種類、共役ジエン以外の単量体に由来する単位の含量などによって変化し得るが、−150〜50℃が好ましく、−130〜50℃がより好ましく、−130〜30℃がさらに好ましく、−100〜0℃がよりさらに好ましく、−60〜−30℃が特に好ましい。Tgが上記範囲であると、例えば、ゴム組成物から得られる架橋物からなるタイヤの転がり抵抗性能が良好となる。また粘度が高くなるのを抑えることができ取り扱いが容易になる。
上記直鎖状変性ジエン系重合体(A)は、1種単独で用いられてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記直鎖状変性ジエン系重合体(A)の製造方法としては、特に制限はされないが、例えば下記工程(I)〜(IV)を含む製造方法が好適な一態様である。
工程(I):有機溶媒存在下、単官能アニオン重合開始剤により共役ジエンを含む単量体を重合し、その重合反応をエポキシ基を含む化合物で停止して、一方の末端のみに水酸基を有する直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液を調製する工程。
工程(II):直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液から単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣を除去する工程。
工程(III):工程(II)を経た直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液から有機溶媒を除去する工程。
工程(IV):直鎖状水酸基変性ジエン系重合体と下記式(1')で示されるシラン化合物とを反応させる工程。
以下、各工程について詳細に説明する。
(工程(I))
工程(I)では、まず、有機溶媒存在下、単官能アニオン重合開始剤により共役ジエンを含む単量体(共役ジエン及び必要に応じて含まれる共役ジエン以外の他の単量体)を重合(溶液重合)する。
有機溶媒としては、例えば、n−ブタン、n−ペンタン、イソペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、イソオクタン等の脂肪族炭化水素;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン等の脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素などが挙げられる。
単官能アニオン重合開始剤は、通常、アニオン重合可能な、単官能の活性金属又は単官能の活性金属化合物である。
アニオン重合可能な単官能の活性金属化合物としては、単官能の有機アルカリ金属化合物が好ましい。単官能の有機アルカリ金属化合物としては、例えば、メチルリチウム、エチルリチウム、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、t−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウム、スチルベンリチウム等のアルキルモノリチウムなどが挙げられる。単官能の有機アルカリ金属化合物の中でも、アルキルモノリチウムが好ましい。
単官能アニオン重合開始剤の使用量は、未変性の直鎖状ジエン系重合体(A')及び直鎖状変性ジエン系重合体(A)の溶融粘度、分子量などに応じて適宜設定できるが、共役ジエンを含む全単量体100質量部に対して、通常0.01〜3質量部の量で使用される。
上記溶液重合の際には、得られるジエン系重合体のビニル含量を制御する等のために、必要に応じて極性化合物を添加してもよい。極性化合物としてはアニオン重合反応を失活させない化合物が望ましい。極性化合物としては、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテル、2,2−ジ(2−テトラヒドロフリル)プロパン等のエーテル化合物;テトラメチルエチレンジアミン、トリメチルアミン等の3級アミン;アルカリ金属アルコキシド、ホスフィン化合物などが挙げられる。極性化合物は、単官能アニオン重合開始剤1モルに対して、通常0.01〜1000モルの量で使用される。
溶液重合の温度は、通常−80〜150℃の範囲、好ましくは0〜100℃の範囲、より好ましくは10〜90℃の範囲である。重合様式は回分式あるいは連続式のいずれでもよい。
工程(I)では、上記重合反応を、重合停止剤となるエポキシ基を含む化合物を添加することにより停止する。この重合反応の停止により、一方の末端のみに水酸基を有する直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")を含む溶液が得られる。重合停止剤となるエポキシ基を含む化合物としては、エポキシ基を1つ有する化合物が望ましく、例えば、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイド、1,2−ブチレンオキサイド、2,3−ブチレンオキサイドなどが挙げられる。これらの中でも、直鎖状ジエン系重合体の一方の末端に効率よく水酸基を導入できることから、エチレンオキサイド、プロピレンオキサイドが好ましい。
最終的に得られる直鎖状変性ジエン系重合体(A)1分子当たりの平均官能基数を所望の範囲とする点からは、単官能アニオン重合開始剤のモル数(i)に対する、エポキシ基を含む化合物中のエポキシ基のモル数(t)の比、(t)/(i)は、2〜0.8であることが好ましく、1.5〜1であることが好ましい。また、重合反応をエポキシ基を含む化合物を添加することにより停止させる際の溶液の温度は、10〜90℃であることが好ましく、30〜70℃であることがより好ましい。
(工程(II))
工程(II)では、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")を含む溶液から単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣を除去する。この工程(II)では、単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣を十分除去することが望ましく、例えば、単官能アニオン重合開始剤として、単官能の活性金属又は単官能の活性金属化合物を用いた場合には、その単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣量が、金属換算で0〜200ppmの範囲にあることが好ましく、0〜150ppmの範囲にあることがより好ましく、0〜100ppmの範囲にあることがさらに好ましい。例えば、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")を製造するための重合触媒としてアルキルモノリチウム等の単官能の有機アルカリ金属化合物を用いた場合には、触媒残渣量の基準となる金属は、リチウム等のアルカリ金属になる。触媒残渣量が上記範囲にあることにより、後述する工程(IV)での反応が効率よく行うことができる。なお、触媒残渣量は、例えば偏光ゼーマン原子吸光分光光度計を用いることにより測定できる。
単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣を十分除去する方法としては、得られた直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")を含む溶液を精製する方法などが挙げられる。精製する方法としては、水、又はメタノール、アセトンなどに代表される有機溶媒若しくは超臨界流体二酸化炭素による洗浄が好ましく、経済性等を考慮すると水による洗浄がより好ましい。洗浄回数としては、経済的な観点から1〜20回が好ましく、1〜10回がより好ましい。また、洗浄温度としては、20〜100℃が好ましく、40〜90℃がより好ましい。なお、重合反応前に、重合の阻害を行うような不純物を蒸留や吸着剤により除去し、単量体の純度を高めた後に重合を行うことによっても、必要な重合触媒量が少なくてすむため、触媒残渣量を低減することができる。
(工程(III))
工程(III)では、工程(II)を経て得られた直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")を含む溶液から有機溶媒を除去する。有機溶媒を除去する方法は特に制限はないが、経済性等を考慮した場合、工程(II)を経て得られた直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")を含む溶液を加熱して、有機溶媒を除去する方法が好ましい。加熱温度は、重合に使用された有機溶媒の沸点等を考慮して適宜設定すればよいが、通常80〜200℃、好ましくは120〜180℃である。また、加熱により有機溶媒の除去を行う際には、必要に応じて減圧又加圧条件下で行ってもよい。
(工程(IV))
工程(IV)では、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")と下記式(1')で示されるシラン化合物とを反応させる。
上記式(1')中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチル基、エチル基又はフェニル基である、R1、R2及びR3の少なくとも1つはメトキシ基、エトキシ基又はフェノキシ基であり、Xは炭素数1から6の2価のアルキレン基である。)
上記シラン化合物(1')としては、例えば、イソシアネートエチルトリエトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリメトキシシラン、イソシアネートイソプロピルトリエトキシシラン、5−イソシアネートペンチルトリエトキシシランなどが挙げられる。これらシラン化合物(1')は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
シラン化合物(1')のイソシアネート基(−NCO)が、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")の末端に存在する水酸基(−OH)と反応(ウレタン反応)することにより、上記式(1)で示される官能基が、直鎖状ジエン系重合体の一方の末端に導入された直鎖状変性ジエン系重合体(A)が得られる。
直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")とシラン化合物(1')とを反応する方法は特に限定されず、例えば、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")にシラン化合物(1')、さらに必要に応じてウレタン反応を促進する触媒を加えて、有機溶媒の存在下又は非存在下に加熱する方法が採用できる。
ウレタン反応を促進する触媒としては、例えば、オクチル酸錫、ナフテン酸錫、ステアリン酸錫、ジブチル錫ジオクトエート、ジブチル錫ジラウレート、ジオクチル錫ジバーサテート、ジブチル錫ビストリエトキシシリケート、ジブチル錫ジオレイルマレート、ジブチル錫ジアセテート、1,1,3,3−テトラブチル−1,3−ジラウリルオキシカルボニル−ジスタノキサン、ジブチル錫オキシビスエトキシシリケート、ジブチル錫オキサイド、ジブチル錫オキサイドとフタル酸エステルとの反応物、ジブチル錫オキサイドとマレイン酸ジエステルとの反応物、ジブチル錫ジアセチルアセトナートなどが挙げられる。その他の有機金属化合物としては、ビスマス、バリウム、カルシウム、インジウム、チタン、ジルコニウム、カルシウム、亜鉛、鉄、コバルト、鉛のカルボン酸(例えば、オクチル酸)塩など、例えば、オクチル酸ビスマス、オクチル酸カルシウムなどが挙げられる。これらは、単独で用いても2種以上を併用してもよい。
上記方法で使用される有機溶媒としては、一般的には炭化水素系溶媒、ハロゲン化炭化水素系溶媒が挙げられる。これら有機溶媒の中でも、n−ブタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレン等の炭化水素系溶媒が好ましい。
工程(IV)での反応を行う時には、副反応を抑制する観点等から老化防止剤を添加してもよい。
この時に用いる好ましい老化防止剤としては、例えば、2,6−ジt−ブチル−4−メチルフェノール(BHT)、2,2'−メチレンビス(4−メチル−6−t−ブチルフェノール)、4,4'−チオビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)、4,4'−ブチリデンビス(3−メチル−6−t−ブチルフェノール)(AO−40)、3,9−ビス[1,1−ジメチル−2−[3−(3−t−ブチル−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロピオニルオキシ]エチル]−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5.5]ウンデカン(AO−80)、2,4−ビス[(オクチルチオ)メチル]−6−メチルフェノール(Irganox1520L)、2,4−ビス[(ドデシルチオ)メチル]−6−メチルフェノール(Irganox1726)、2−[1−(2−ヒドロキシ−3,5−ジt−ペンチルフェニル)エチル]−4,6−ジt−ペンチルフェニルアクリレート(SumilizerGS)、2−tブチル−6−(3−t−ブチル−2−ヒドロキシ−5−メチルベンジル)−4−メチルフェニルアクリレート(SumilizerGM)、6−t−ブチル−4−[3−(2,4,8,10−テトラ−t−ブチルジベンゾ[d,f][1,3,2]ジオキサホスフェピン−6−イルオキシ)プロピル]−2−メチルフェノール(SumilizerGP)、亜りん酸トリス(2,4−ジt−ブチルフェニル)(Irgafos168)、ジオクタデシル3,3'−ジチオビスプロピオネート、ヒドロキノン、p−メトキシフェノール、N−フェニル−N'−(1,3−ジメチルブチル)−p−フェニレンジアミン(ノクラック6C)、ビス(2,2,6,6−テトラメチル−4−ピペリジル)セバケート(LA−77Y)、N,N−ジオクタデシルヒドロキシルアミン(IrgastabFS042)、ビス(4−t−オクチルフェニル)アミン(Irganox5057)などが挙げられる。上記老化防止剤は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
老化防止剤の添加量は、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")100質量部に対して0〜10質量部が好ましく、0〜5質量部がより好ましい。
直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")とシラン化合物(1')との混合割合は、例えば、最終的に得られる直鎖状変性ジエン系重合体(A)1分子当たりの平均官能基数を所望の値とになるように適宜設定すればよいが、例えば、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")の末端に存在する水酸基のモル数(o)に対するシラン化合物(1')のモル数(s)の比(s)/(o)が0.8〜1.2となるように混合すればよい。
工程(IV)においては、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体と下記式(1')で示されるシラン化合物との反応を適切な反応温度において、充分な反応時間で反応させることが望ましい。例えば、反応温度は10〜120℃が好ましく、40℃〜100℃がより好ましい。また反応時間は1〜10時間が好ましく、1〜8時間がより好ましく、1〜6時間がさらに好ましい。
なお、工程(I)よりも後、下記工程(IV)前までの間で、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A")中に含まれる不飽和結合の少なくとも一部を水素添加した後に、工程(IV)の反応が行われてもよく、あるいは、工程(IV)を経た後に、得られた直鎖状変性ジエン系重合体中に含まれる不飽和結合の少なくとも一部を水素添加してもよい。かかる水素添加を行った重合体についても、直鎖状変性ジエン系重合体(A)として用いることができる。
本発明で得られた、直鎖状変性ジエン系重合体(A)は、例えば、下記固形ゴム(B)、フィラー(C)などを含むゴム組成物の一成分をして用いることが好ましい一態様である。直鎖状変性ジエン系重合体(A)は、このような、固形ゴム、フィラーなどを含むゴム組成物から得られる架橋物中のフィラーの分散状態を物性向上のためには理想的な状態とし得る。
[固形ゴム(B)]
上記ゴム組成物で用いる固形ゴム(B)とは、20℃において固形状で取り扱うことができるゴムをいい、固形ゴム(B)の100℃におけるムーニー粘度ML1+4は通常20〜200の範囲にある。上記固形ゴム(B)としては、例えば、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム(以下、「SBR」ともいう。)、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ブタジエンアクリロニトリル共重合体ゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、及びウレタンゴム等が挙げられる。これら固形ゴム(B)の中でも、天然ゴム、SBR、ブタジエンゴム、及びイソプレンゴムが好ましく、天然ゴム、及びSBRがさらに好ましい。これら固形ゴム(B)は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記固形ゴム(B)の数平均分子量(Mn)は、得られるゴム組成物及び架橋物における特性を十分に発揮させる観点から、80,000以上であることが好ましく、100,000〜3,000,000の範囲内であることがより好ましい。なお、本明細書における数平均分子量とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の数平均分子量である。
上記天然ゴムとしては、例えばSMR(マレーシア産TSR)、SIR(インドネシア産TSR)、STR(タイ産TSR)等のTSR(Technically Specified Rubber)やRSS(Ribbed Smoked Sheet)等のタイヤ工業において一般的に用いられる天然ゴム、高純度天然ゴム、エポキシ化天然ゴム、水酸基化天然ゴム、水素添加天然ゴム、グラフト化天然ゴム等の改質天然ゴムが挙げられる。中でも、品質のばらつきが少ない点、及び入手容易性の点から、SMR20、STR20やRSS#3が好ましい。これら天然ゴムは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
SBRとしては、タイヤ用途に用いられる一般的なものを使用できるが、具体的には、スチレン含量が0.1〜70質量%のものが好ましく、5〜50質量%のものがより好ましく、15〜35質量%のものがさらに好ましい。また、ビニル含量が0.1〜60質量%のものが好ましく、0.1〜55質量%のものがより好ましい。
SBRの重量平均分子量(Mw)は100,000〜2,500,000であることが好ましく、150,000〜2,000,000であることがより好ましく、200,000〜1,500,000であることがさらに好ましい。上記の範囲である場合、加工性と機械強度を両立することができる。なお、本明細書における重量平均分子量とは、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)の測定から求めたポリスチレン換算の重量平均分子量である。
本発明において使用するSBRの示差熱分析法により求めたガラス転移温度は、−95〜0℃であることが好ましく、−95〜−5℃であることがより好ましい。ガラス転移温度を上記範囲にすることによって、SBRの粘度を取り扱いが容易な範囲とできる。
本発明において用いることができるSBRは、スチレンとブタジエンとを共重合して得られる。SBRの製造方法について特に制限はなく、乳化重合法、溶液重合法、気相重合法、バルク重合法のいずれも用いることができるが、これら製造方法の中でも、乳化重合法、溶液重合法が好ましい。
乳化重合スチレンブタジエンゴム(以下、E−SBRともいう。)は、公知又は公知に準ずる通常の乳化重合法により製造できる。例えば、所定量のスチレン及びブタジエン単量体を乳化剤の存在下に乳化分散し、ラジカル重合開始剤により乳化重合することにより得られる。
溶液重合スチレンブタジエンゴム(以下、S−SBRともいう。)は、通常の溶液重合法により製造でき、例えば、溶媒中でアニオン重合可能な活性金属を使用して、所望により極性化合物の存在下、スチレン及びブタジエンを重合する。
溶媒としては、例えば、n−ブタン、n−ペンタン、イソペンタン、n−ヘキサン、n−ヘプタン、イソオクタン等の脂肪族炭化水素;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン等の脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン等の芳香族炭化水素等が挙げられる。これらの溶媒は通常、単量体濃度が1〜50質量%となる範囲で用いることが好ましい。
アニオン重合可能な活性金属としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属;ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム等のアルカリ土類金属;ランタン、ネオジム等のランタノイド系希土類金属等が挙げられる。これら活性金属の中でもアルカリ金属及びアルカリ土類金属が好ましく、アルカリ金属がより好ましい。さらにアルカリ金属の中でも、有機アルカリ金属化合物がより好ましく用いられる。
有機アルカリ金属化合物としては、例えば、n−ブチルリチウム、sec−ブチルリチウム、t−ブチルリチウム、ヘキシルリチウム、フェニルリチウム、スチルベンリチウム等の有機モノリチウム化合物;ジリチオメタン、1,4−ジリチオブタン、1,4−ジリチオ−2−エチルシクロヘキサン、1,3,5−トリリチオベンゼン等の多官能性有機リチウム化合物;ナトリウムナフタレン、カリウムナフタレン等が挙げられる。中でも有機リチウム化合物が好ましく、有機モノリチウム化合物がより好ましい。有機アルカリ金属化合物の使用量は、要求されるS−SBRの分子量によって適宜決められる。有機アルカリ金属化合物は、ジブチルアミン、ジヘキシルアミン、ジベンジルアミン等の第2級アミンと反応させて、有機アルカリ金属アミドとして使用することもできる。
極性化合物としては、アニオン重合において、反応を失活させず、ブタジエン部位のミクロ構造やスチレンの共重合体鎖中の分布を調整するために通常用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、ジブチルエーテル、テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテル等のエーテル化合物;テトラメチルエチレンジアミン、トリメチルアミン等の3級アミン;アルカリ金属アルコキシド、ホスフィン化合物等が挙げられる。
重合反応の温度は、通常−80〜150℃、好ましくは0〜100℃、さらに好ましくは30〜90℃の範囲である。重合様式は、回分式あるいは連続式のいずれでもよい。また、スチレン及びブタジエンのランダム共重合性を向上させるため、重合系中のスチレン及びブタジエンの組成比が特定範囲になるように、反応液中にスチレン及びブタジエンを連続的あるいは断続的に供給することが好ましい。
重合反応は、重合停止剤としてメタノール、イソプロパノール等のアルコールを添加して停止できる。重合反応停止後の重合溶液は、直接乾燥やスチームストリッピング等により溶媒を分離して、目的のS−SBRを回収できる。なお、溶媒を除去する前に、予め重合溶液と伸展油とを混合し、油展ゴムとして回収してもよい。
上記SBRとしては、本発明の効果を損ねない範囲であれば、SBRに官能基が導入された変性SBRを用いてもよい。官能基としては、例えばアミノ基、アルコキシシリル基、水酸基、エポキシ基、カルボキシル基等が挙げられる。
変性SBRの製造方法としては、例えば、重合停止剤を添加する前に、重合活性末端と反応し得る四塩化錫、テトラクロロシラン、ジメチルジクロロシラン、ジメチルジエトキシシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、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、2,4−トリレンジイソシアネート等のカップリング剤や、4,4'−ビス(ジエチルアミノ)ベンゾフェノン、N−ビニルピロリドン等の重合末端変性剤、又は特開2011−132298号公報に記載のその他の変性剤を添加する方法が挙げられる。この変性SBRにおいて、官能基が導入される重合体の位置については重合末端であってもよく、重合体鎖の側鎖であってもよい。
上記ブタジエンゴムとしては、例えば、四ハロゲン化チタン−トリアルキルアルミニウム系、ジエチルアルミニウムクロライド−コバルト系、トリアルキルアルミニウム−三弗化ホウ素−ニッケル系、ジエチルアルミニウムクロライド−ニッケル系等のチーグラー系触媒;トリエチルアルミニウム−有機酸ネオジム−ルイス酸系等のランタノイド系希土類金属触媒、又はS−SBRと同様に有機アルカリ金属化合物を用いて重合された、市販のブタジエンゴムを用いることができる。チーグラー系触媒により重合されたブタジエンゴムが、シス体含量が高く好ましい。また、ランタノイド系希土類金属触媒を用いて得られる超高シス体含量のブタジエンゴムを用いてもよい。
ブタジエンゴムのビニル含量は、好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下である。ビニル含量が50質量%を超えると転がり抵抗性能が悪化する傾向にある。ビニル含量の下限は特に限定されない。またガラス転移温度はビニル含量によって変化するが、−40℃以下であることが好ましく、−50℃以下であることがより好ましい。
ブタジエンゴムの重量平均分子量(Mw)は90,000〜2,000,000であることが好ましく、150,000〜1,500,000であることがより好ましい。Mwが上記範囲にある場合、加工性と機械強度が良好となる。
上記ブタジエンゴムは、本発明の効果を損ねない範囲であれば、その一部が多官能型変性剤、例えば四塩化錫、四塩化珪素、エポキシ基を分子内に有するアルコキシシラン、又はアミノ基含有アルコキシシランのような変性剤を用いることにより分岐構造又は極性官能基を有していてもよい。
上記イソプレンゴムとしては、例えば、四ハロゲン化チタン−トリアルキルアルミニウム系、ジエチルアルミニウムクロライド−コバルト系、トリアルキルアルミニウム−三弗化ホウ素−ニッケル系、ジエチルアルミニウムクロライド−ニッケル系等のチーグラー系触媒;トリエチルアルミニウム−有機酸ネオジム−ルイス酸系等のランタノイド系希土類金属触媒、又はS−SBRと同様に有機アルカリ金属化合物を用いて重合された、市販のイソプレンゴムを用いることができる。チーグラー系触媒により重合されたイソプレンゴムが、シス体含量が高く好ましい。また、ランタノイド系希土類金属触媒を用いて得られる超高シス体含量のイソプレンゴムを用いてもよい。
イソプレンゴムのビニル含量は好ましくは50質量%以下、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下である。ビニル含量が50質量%を超えると転がり抵抗性能が悪化する傾向にある。ビニル含量の下限は特に限定されない。またガラス転移温度はビニル含量によって変化するが、−20℃以下であることが好ましく、−30℃以下であることがより好ましい。
イソプレンゴムの重量平均分子量(Mw)は90,000〜2,000,000であることが好ましく、150,000〜1,500,000であることがより好ましい。Mwが上記範囲にある場合、加工性と機械強度が良好となる。
上記イソプレンゴムは、本発明の効果を損ねない範囲であれば、その一部が多官能型変性剤、例えば四塩化錫、四塩化珪素、エポキシ基を分子内に有するアルコキシシラン、又はアミノ基含有アルコキシシランのような変性剤を用いることにより分岐構造又は極性官能基を有していてもよい。
上記ゴム組成物において、固形ゴム(B)100質量部に対する直鎖状変性ジエン系重合体(A)の含有量は、0.1〜50質量部が好ましく、0.1〜45質量部がより好ましく、0.5〜40質量部がさらに好ましく、1〜40質量部がよりさらに好ましく、2〜40質量部が特に好ましい。直鎖状変性ジエン系重合体(A)の含有量が上記範囲内であると、ゴム組成物中でのフィラー(C)の分散状態が理想的となり、物性の向上(例えば、破断エネルギーの向上、タイヤ等の転がり抵抗性能の向上、)がみられる傾向にある。
[フィラー(C)]
上記ゴム組成物で用いるフィラー(C)としては、例えば、カーボンブラック、シリカ、クレー、マイカ、炭酸カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、酸化チタン、ガラス繊維、繊維状フィラー、ガラスバルーン等の無機フィラー;樹脂粒子、木粉、及びコルク粉等の有機フィラーなどが挙げられる。このようなフィラーがゴム組成物に含まれることにより、機械強度、耐熱性、又は耐候性等の物性の改善、硬度の調整、ゴムの増量をすることができる。機械強度の向上等の物性の改善などの観点からは、上記フィラー(C)の中でも、カーボンブラック及びシリカが好ましい。
上記カーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック、及びケッチェンブラックなどが挙げられる。架橋速度や機械強度向上の観点からは、これらカーボンブラックの中でも、ファーネスブラックが好ましい。これらカーボンブラックは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
前記カーボンブラックの平均粒径としては、分散性、機械強度、硬度などを向上させる観点から5〜100nmが好ましく、5〜80nmがより好ましく、5〜70nmがさらに好ましい。なお、カーボンブラックの平均粒径は、透過型電子顕微鏡により粒子の直径を測定してその平均値を算出することにより求めることができる。
上記ファーネスブラックの市販品としては、例えば、三菱化学株式会社「ダイヤブラック」、東海カーボン株式会社製「シースト」などが挙げられる。アセチレンブラックの市販品としては、例えば、電気化学工業株式会社製「デンカブラック」などが挙げられる。ケッチェンブラックの市販品としては、例えば、ライオン株式会社製「ECP600JD」などが挙げられる。
上記カーボンブラックは、固形ゴム(B)への濡れ性、分散性などを向上させる観点から、硝酸、硫酸、塩酸又はこれらの混合酸等による酸処理や、空気存在下での熱処理による表面酸化処理を行ってもよい。また、上記ゴム組成物及びこの組成物から得られる架橋物の機械強度向上の観点から、黒鉛化触媒の存在下に2,000〜3,000℃で熱処理を行ってもよい。なお、黒鉛化触媒としては、ホウ素、ホウ素酸化物(例えば、B22、B23、B43、B45等)、ホウ素オキソ酸(例えば、オルトホウ酸、メタホウ酸、四ホウ酸等)及びその塩、ホウ素炭化物(例えば、B4C、B6C等)、窒化ホウ素(BN)、その他のホウ素化合物が好適に用いられる。
上記カーボンブラックは、粉砕等により粒度を調整した後、用いることもできる。カーボンブラックの粉砕には、高速回転粉砕機(ハンマーミル、ピンミル、ケージミル)や各種ボールミル(転動ミル、振動ミル、遊星ミル)、撹拌ミル(ビーズミル、アトライター、流通管型ミル、アニュラーミル)等が使用できる。
上記シリカとしては、湿式シリカ(含水ケイ酸)、乾式シリカ(無水ケイ酸)、ケイ酸カルシウム、ケイ酸アルミニウム等を挙げることができる。これらシリカの中でも、加工性、機械強度及び耐摩耗性を一層向上させる観点から、湿式シリカが好ましい。これらシリカは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
シリカの平均粒径は、加工性、転がり抵抗性能、機械強度、及び耐摩耗性を向上する観点から、0.5〜200nmが好ましく、5〜150nmがより好ましく、10〜100nmがさらに好ましい。なお、シリカの平均粒径は、透過型電子顕微鏡により粒子の直径を測定して、その平均値を算出することにより求めることができる。
これらカーボンブラック及びシリカの中でも、得られるゴム組成物及びその架橋物の転がり抵抗性能向上等の観点からは、シリカがより好ましい。
上記ゴム組成物において、固形ゴム(B)100質量部に対するフィラー(C)の含有量は20〜200質量部であり、20〜180質量部が好ましく、25〜150質量部がより好ましい。フィラー(C)の含有量が前記範囲内であると、加工性、転がり抵抗性能、機械強度及び耐摩耗性が向上する。
またフィラー(C)として、シリカ及びカーボンブラック以外のフィラーを用いる場合には、その含有量は、固形ゴム(B)100質量部に対して、20〜120質量部が好ましく、20〜110質量部がより好ましく、50〜110質量部がさらに好ましい。
これらフィラー(C)は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
[その他の成分]
上記ゴム組成物は、そのゴムを架橋するために、さらに架橋剤(D)を含有していてもよい。架橋剤(D)としては、例えば、硫黄、硫黄化合物、酸素、有機過酸化物、フェノール樹脂、アミノ樹脂、キノン及びキノンジオキシム誘導体、ハロゲン化合物、アルデヒド化合物、アルコール化合物、エポキシ化合物、金属ハロゲン化物及び有機金属ハロゲン化物、及びシラン化合物などが挙げられる。硫黄化合物としては、例えば、モルホリンジスルフィド、及びアルキルフェノールジスルフィドなどが挙げられる。有機過酸化物としては、例えば、シクロヘキサノンパーオキサイド、メチルアセトアセテートパーオキサイド、t−ブチルパーオキシイソブチレート、t−ブチルパーオキシベンゾエート、ベンゾイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、ジt−ブチルパーオキサイド、及び1,3−ビス(t−ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼンなどが挙げられる。これら架橋剤(D)は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。上記架橋剤(D)は、架橋物の力学物性の観点から、固形ゴム(B)100質量部に対し、通常0.1〜10質量部、好ましくは0.5〜10質量部、より好ましくは0.8〜5質量部含有される。
上記ゴム組成物は、例えばゴムを架橋(加硫)するための架橋剤(D)として硫黄、硫黄化合物等が含まれている場合には、さらに加硫促進剤(E)を含有していてもよい。加硫促進剤(E)としては、例えば、グアニジン系化合物、スルフェンアミド系化合物、チアゾール系化合物、チウラム系化合物、チオウレア系化合物、ジチオカルバミン酸系化合物、アルデヒド−アミン系化合物、アルデヒド−アンモニア系化合物、イミダゾリン系化合物、及びキサンテート系化合物などが挙げられる。これら加硫促進剤(E)は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。上記加硫促進剤(E)は、固形ゴム(B)100質量部に対し、通常0.1〜15質量部、好ましくは0.1〜10質量部含有される。
上記ゴム組成物は、例えばゴムを架橋(加硫)するための架橋剤(D)として硫黄、硫黄化合物等が含まれている場合には、さらに加硫助剤(F)を含有していてもよい。加硫助剤(F)としては、例えば、ステアリン酸等の脂肪酸、亜鉛華等の金属酸化物、ステアリン酸亜鉛等の脂肪酸金属塩が挙げられる。これら加硫助剤(F)は1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。上記加硫助剤(F)は、固形ゴム(B)100質量部に対し、通常0.1〜15質量部、好ましくは1〜10質量部含有される。
上記ゴム組成物では、フィラー(C)としてシリカを含有する場合は、シランカップリング剤を含有することが好ましい一態様である。シランカップリング剤としては、例えば、スルフィド系化合物、メルカプト系化合物、ビニル系化合物、アミノ系化合物、グリシドキシ系化合物、ニトロ系化合物、クロロ系化合物等が挙げられる。
スルフィド系化合物としては、例えば、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリエトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、ビス(2−トリメトキシシリルエチル)テトラスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)トリスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(3−トリメトキシシリルプロピル)ジスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、2−トリメトキシシリルエチル−N,N−ジメチルチオカルバモイルテトラスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルベンゾチアゾールテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピルベンゾチアゾールテトラスルフィド、3−トリエトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィド、3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートモノスルフィドなどが挙げられる。
メルカプト系化合物としては、例えば、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、2−メルカプトエチルトリメトキシシラン、及び2−メルカプトエチルトリエトキシシランなどが挙げられる。
ビニル系化合物としては、例えばビニルトリエトキシシラン、及びビニルトリメトキシシランなどが挙げられる。
アミノ系化合物としては、例えば、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリエトキシシラン、及び3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシランなどが挙げられる。
グリシドキシ系化合物としては、例えば、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、及びγ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシランなどが挙げられる。
ニトロ系化合物としては、例えば、3−ニトロプロピルトリメトキシシラン、及び3−ニトロプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
クロロ系化合物としては、例えば、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−クロロプロピルトリエトキシシラン、2−クロロエチルトリメトキシシラン、及び2−クロロエチルトリエトキシシランなどが挙げられる。
これらシランカップリング剤は、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。これらシランカップリング剤の中でも、添加効果が大きい観点及びコストの観点から、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド、ビス(3−トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、及び3−メルカプトプロピルトリメトキシシランが好ましい。
上記シランカップリング剤は、シリカ100質量部に対して好ましくは0.1〜30質量部、より好ましくは0.5〜20質量部、さらに好ましくは1〜15質量部含有される。シランカップリング剤の含有量が前記範囲内であると、分散性、カップリング効果、補強性、耐摩耗性が向上する。
上記ゴム組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲で、加工性、流動性等の改良を目的とし、必要に応じてシリコンオイル、アロマオイル、TDAE(Treated Distilled Aromatic Extracts)、MES(Mild Extracted Solvates)、RAE(Residual Aromatic Extracts)、パラフィンオイル、ナフテンオイル等のプロセスオイル、脂肪族炭化水素樹脂、脂環族炭化水素樹脂、C9系樹脂、ロジン系樹脂、クマロン・インデン系樹脂、フェノール系樹脂等の樹脂成分を軟化剤として含有していてもよい。上記ゴム組成物が上記プロセスオイルを軟化剤として含有する場合には、その含有量は、固形ゴム(B)100質量部に対して50質量部より少ないことが好ましい。
上記ゴム組成物は、本発明の効果を阻害しない範囲で、耐候性、耐熱性、耐酸化性等の向上を目的として、必要に応じて老化防止剤、ワックス、酸化防止剤、滑剤、光安定剤、スコーチ防止剤、加工助剤、顔料や色素等の着色剤、難燃剤、帯電防止剤、艶消し剤、ブロッキング防止剤、紫外線吸収剤、離型剤、発泡剤、抗菌剤、防カビ剤、香料等の添加剤を含有してもよい。酸化防止剤としては、例えば、ヒンダードフェノール系化合物、リン系化合物、ラクトン系化合物、ヒドロキシル系化合物等が挙げられる。老化防止剤としては、例えば、アミン−ケトン系化合物、イミダゾール系化合物、アミン系化合物、フェノール系化合物、硫黄系化合物及びリン系化合物等が挙げられる。これら添加剤は、1種単独で用いられてもよく、2種以上を併用してもよい。
[ゴム組成物の製造方法]
上記ゴム組成物の製造方法は、上記各成分を均一に混合できれば特に限定されない。ゴム組成物の製造に用いる装置としては、例えば、ニーダールーダー、ブラベンダー、バンバリーミキサー、インターナルミキサー等の接線式又は噛合式の密閉式混練機、単軸押出機、二軸押出機、ミキシングロール、及びローラーなどが挙げられる。上記ゴム組成物を製造は、通常70〜270℃の温度範囲で行うことができる。
[架橋物]
上記ゴム組成物を架橋することにより、架橋物を得ることができる。ゴム組成物の架橋条件は、その用途等に応じて適宜設定できる。例えば、硫黄又は硫黄化合物を架橋剤とし
、ゴム組成物を金型により架橋(加硫)する場合には、架橋温度は通常120〜200℃、加圧条件は通常0.5〜2.0MPaとし、架橋(加硫)することができる。
架橋物中からの、直鎖状変性ジエン系重合体(A)の抽出率は、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下がさらに好ましい。
なお、上記抽出率は、架橋物2gをトルエン400mL中に浸漬し、23℃で48時間後にトルエン中に抽出された直鎖状変性ジエン系重合体(A)の量から算出することができる。
上記ゴム組成物及び該ゴム組成物の架橋物は、タイヤの少なくとも一部として用いることもできる。このようにして得られるタイヤは、フィラー(C)の分散状態が理想的な状態となっているため、転がり抵抗性能に優れ、また破断エネルギーが良好である。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例及び比較例において使用した各成分は以下のとおりである。
<直鎖状変性ジエン系重合体(A)>
後述の製造例1、2で得られた直鎖状変性ジエン系重合体
<直鎖状変性ジエン系重合体(α)>
後述の製造例3、5で得られた直鎖状変性ジエン系重合体
<直鎖状未変性ジエン系重合体(A')>
後述の製造例4で得られた直鎖状未変性ジエン系重合体
〈固形ゴム(B)〉
溶液重合スチレンブタジエンゴム:HPR355(JSR株式会社製、スチレン含量:28質量%、ビニル含量56質量%)
ブタジエンゴム:BR01(JSR株式会社製、Mw:55万、シス体含有量95質量%)
<フィラー(C)>
シリカ :ULTRASIL7000GR(エボニック デグサ ジャパン製、湿式シリカ、平均粒径14nm)
<架橋剤(D)>
硫黄(微粉硫黄200メッシュ、鶴見化学工業株式会社製)
<加硫促進剤(E)>
加硫促進剤(1):ノクセラーCZ−G (大内新興化学工業株式会社製)
加硫促進剤(2):ノクセラーD (大内新興化学工業株式会社製)
加硫促進剤(3):ノクセラーTBT−N(大内新興化学工業株式会社製)
<加硫助剤(F)>
ステアリン酸 :ルナックS−20(花王株式会社製)
亜鉛華 :酸化亜鉛(堺化学工業株式会社製)
<任意成分>
TDAE :VivaTec500(H&R社製)
シランカップリング剤:Si−75(エボニック デグサ ジャパン製)
老化防止剤 :ノクラック6C(大内新興化学工業株式会社製)
ワックス :サンタイトS(精工化学株式会社製)
製造例1:直鎖状変性ジエン系重合体(A−1)の製造
十分に乾燥した5Lオートクレーブを窒素置換し、ヘキサン1680g、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン6.2g及びn−ブチルリチウム(15.6質量% ヘキサン溶液)122gを仕込み、50℃に昇温した後、撹拌条件下、重合温度を50℃となるように制御しながら、ブタジエン850gを逐次添加した。ブタジエンを全量添加し終わってから1分後にエチレンオキサイド14.5gを添加し60分撹拌して重合反応を停止した。その後メタノール11.5gを添加して重合体溶液を得た。得られた重合体溶液に、60℃の温水を、重合溶液/温水 体積比=2/1となるように添加し、30分撹拌した後30分静置し、重合溶液相と水相とが分離していることを確認した後、水相を除去した。この洗浄操作を、水相、重合溶液相pHが6〜8になるまで繰り返し、触媒残渣を除去した。洗浄操作により得た重合体溶液を160℃になるまで8時間加熱しながら溶媒を除去し、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A"−1)を得た。
続いて、容量1Lのオートクレーブ中に得られた直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A"−1)700g、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン66.9g、ジブチル錫ジラウレート14mgを仕込み、60℃で3時間撹拌しながら反応させて、直鎖状変性ジエン系重合体(A−1)を得た。
製造例2:直鎖状変性ジエン系重合体(A−2)の製造
十分に乾燥した5Lオートクレーブを窒素置換し、ヘキサン1680g、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン6.2g及びn−ブチルリチウム(15.6質量% ヘキサン溶液)122gを仕込み、50℃に昇温した後、撹拌条件下、重合温度を50℃となるように制御しながら、ブタジエン850gを逐次添加した。ブタジエンを全量添加し終わってから15分後にエチレンオキサイド14.5gを添加し60分撹拌して重合反応を停止した。その後メタノール11.5gを添加して重合体溶液を得た。得られた重合体溶液に、60℃の温水を、重合溶液/温水 体積比=2/1となるように添加し、30分撹拌した後30分静置し、重合溶液相と水相とが分離していることを確認した後、水相を除去した。この洗浄操作を、水相、重合溶液相のpHが6〜8になるまで繰り返し、触媒残渣を除去した。洗浄操作により得た重合体溶液を160℃になるまで8時間加熱しながら溶媒を除去し、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A"−2)を得た。
続いて、容量1Lのオートクレーブ中に得られた直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A"−2)700g、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン59.3g、ジブチル錫ジラウレート14mgを仕込み、60℃で3時間撹拌しながら反応させて、直鎖状変性ジエン系重合体(A−2)を得た。
製造例3:直鎖状変性ジエン系重合体(α−1)の製造
十分に乾燥した5Lオートクレーブを窒素置換し、ヘキサン1680g、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン6.2g及びn−ブチルリチウム(15.6質量% ヘキサン溶液)122gを仕込み、50℃に昇温した後、撹拌条件下、重合温度を50℃となるように制御しながら、ブタジエン850gを逐次添加した。ブタジエンを全量添加し終わってから30分後にエチレンオキサイド14.5gを添加し60分撹拌して重合反応を停止した。その後メタノール11.5gを添加して重合体溶液を得た。得られた重合体溶液に、60℃の温水を、重合溶液/温水 体積比=2/1となるように添加し、30分撹拌した後30分静置し、重合溶液相と水相とが分離していることを確認した後、水相を除去した。この洗浄操作を、水相、重合溶液相のpHが6〜8になるまで繰り返し、触媒残渣を除去した。洗浄操作により得た重合体溶液を160℃になるまで8時間加熱しながら溶媒を除去し、直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A"−3)を得た。
続いて、容量1Lのオートクレーブ中に得られた直鎖状水酸基変性ジエン系重合体(A"−3)700g、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン51.7g、ジブチル錫ジラウレート14mgを仕込み、60℃で3時間撹拌しながら反応させて、直鎖状変性ジエン系重合体(α−1)を得た。
製造例4:直鎖状未変性ジエン系重合体(A'−1)の製造
十分に乾燥した5Lオートクレーブを窒素置換し、ヘキサン1680g、N,N,N',N'−テトラメチルエチレンジアミン6.2g及びn−ブチルリチウム(15.6質量% ヘキサン溶液)122gを仕込み、50℃に昇温した後、撹拌条件下、重合温度を50℃となるように制御しながら、ブタジエン850gを逐次添加した。ブタジエンを全量添加し終わってから30分後にメタノール11.5gを添加して重合反応を停止し、重合体溶液を得た。得られた重合体溶液に、60℃の温水を、重合溶液/温水 体積比=2/1となるように添加し、30分撹拌した後30分静置し、重合溶液相と水相とが分離していることを確認した後、水相を除去した。この洗浄操作を、水相、重合溶液相中の水滴のpHが6〜8になるまで繰り返し、触媒残渣を除去した。洗浄操作により得た重合体溶液を160℃になるまで8時間加熱しながら溶媒を除去し、直鎖状未変性ジエン系重合体(A'−1)を得た。
製造例5:直鎖状グラフト変性ジエン系重合体(α−2)の製造
容量1Lのオートクレーブ中に、製造例4で得られた直鎖状未変性ジエン系重合体(A'−1)700gを仕込み、60℃で3時間撹拌をしながら窒素脱気をした。1,1−ビス(t−ヘキシルパーオキシ)シクロヘキサン0.2gと3−メルカプトプロピルトリエトキシシラン65gを添加し、105℃で8時間反応させて、直鎖状変性ジエン系重合体(α−2)を得た。
なお、製造例で得られた直鎖状変性ジエン系重合体等の各物性の測定方法及び算出方法は以下の通りである。
(Mn、Mw、Mw/Mnの測定方法)
製造例で得られた直鎖状変性ジエン系重合体および直鎖状未変性ジエン系重合体のMn、Mw、およびMw/Mnは、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグラフィー)により標準ポリスチレン換算分子量で求めた。測定装置及び条件は、以下の通りである。
・装置 :東ソー株式会社製GPC装置「GPC8020」
・分離カラム :東ソー株式会社製「TSKgelG4000HXL」
・検出器 :東ソー株式会社製「RI−8020」
・溶離液 :テトラヒドロフラン
・溶離液流量 :1.0mL/分
・サンプル濃度:5mg/10mL
・カラム温度 :40℃
(ビニル含量)
直鎖状変性ジエン系重合体(A)および直鎖状未変性ジエン系重合体(A')のビニル含量を、日本電子株式会社製1H−NMR(500MHz)を使用し、サンプル/重クロロホルム=50mg/1mLの濃度、積算回数1024回で測定した。得られたスペクトルのビニル化されたジエン化合物由来の二重結合のピークと、ビニル化されていないジエン化合物由来の二重結合のピークとの面積比から、ビニル含量を算出した。
(ガラス転移温度)
直鎖状変性ジエン系重合体(A)および直鎖状未変性ジエン系重合体(A')10mgをアルミパンに採取し、示差走査熱量測定(DSC)により10℃/分の昇温速度条件においてサーモグラムを測定し、DDSCのピークトップの値をガラス転移温度とした。
(38℃における溶融粘度の測定方法)
直鎖状変性ジエン系重合体(A)および直鎖状未変性ジエン系重合体(A')の38℃における溶融粘度をブルックフィールド型粘度計(BROOKFIELD ENGINEERING LABS. INC.製)により測定した。
(1分子当たりの平均官能基数の測定方法)
直鎖状変性ジエン系重合体(A−1)、(A−2)および(α−1)の1分子当たりの平均官能基数を、日本電子株式会社製1H−NMR(500MHz)を使用し、サンプル/重クロロホルム=50mg/1mLの濃度、積算回数1024回で測定した。得られたスペクトルの重合開始剤由来のピークと、ウレタン結合由来ピークとの面積比から、1分子当たりの平均官能基数を算出した。
また直鎖状グラフト変性ジエン系重合体(α−2)1分子当たりの平均官能基数は、直鎖状グラフト変性ジエン系重合体(α−2)の官能基の当量(g/eq)とスチレン換算の数平均分子量Mnより求めることができる。
(1分子当たりの平均官能基数)=[(数平均分子量Mn)/(スチレン単位の分子量)×(共役ジエン及び必要に応じて含まれる共役ジエン以外の他の単量体単位の平均分子量)]/(官能基の当量)
なお、直鎖状グラフト変性ジエン系重合体(α−2)の官能基の当量は、官能基1個当たりに結合しているブタジエン及び必要に応じて含まれるブタジエン以外の他の単量体の質量を意味する。官能基の当量は、1H−NMR又は13C−NMRを用いて官能基由来のピークと重合体主鎖に由来するピークの面積比から算出することができる。なお、官能基由来のピークとは、アルコキシ基由来のピークを指す。
以下、製造例1〜3および5で得られた直鎖状変性ジエン系重合体(A−1)、(A−2)、(α―1)、(α―2)、及び製造例4で得られた直鎖状未変性ジエン系重合体(A'−1)の物性を表1にまとめる。
実施例1〜3及び比較例1〜6
表2、3に記載した配合割合(質量部)にしたがって、直鎖状変性ジエン系重合体(A)、直鎖状変性ジエン系重合体(α)、直鎖状未変性ジエン系重合体(A')、固形ゴム(B)、フィラー(C)、TDAE、シランカップリング剤、亜鉛華、ステアリン酸、ワックス、及び老化防止剤を、それぞれ密閉式バンバリーミキサーに投入して開始温度60℃、樹脂温度が150℃となるように6分間混練した後、ミキサー外に取り出して室温まで冷却した。次いで、この混合物を再度バンバリーミキサーに入れ、開始温度90℃、樹脂温度が150℃となるように4分間混練した後、ミキサー外に取り出して室温まで冷却した。さらに、この混合物を再度バンバリーミキサーに入れ、加硫剤(硫黄)及び加硫促進剤を加えて開始温度50℃、到達温度100℃となるように75秒混練することでゴム組成物を得た。
また、得られたゴム組成物をプレス成形(160℃、30〜50分)して加硫ゴムシート(厚み2mm)を作製し、下記の方法に基づき、転がり抵抗性能、破断エネルギーを評価した。その結果を表2、3に示す。
なお、各評価の測定方法は以下のとおりである。
(転がり抵抗性能)
実施例及び比較例で作製したゴム組成物のシートから縦40mm×横5mmの試験片を切り出し、GABO社製動的粘弾性測定装置を用いて、測定温度60℃、周波数10Hz、静的歪み10%、動的歪み2%の条件で、tanδを測定し、転がり抵抗性能の指標とした。各実施例及び比較例の数値は、表2の比較例4、表3の比較例6の値を100とした際の相対値である。なお、数値が小さいほどゴム組成物の転がり抵抗性能が良好である。
(破断エネルギー)
実施例及び比較例で作製したゴム組成物のシートからJISダンベル状3号形試験片を打ち抜き、インストロン社製引張試験機を用いて、JIS K 6251に準じて引張試験(引張速度:500mm/分)を行い、応力−ひずみ曲線を求め、破断するまでの応力−ひずみ曲線の積算値として引張破断エネルギーを算出した。各実施例及び比較例の数値は、表2の比較例4、表3の比較例6の値を100とした際の相対値である。なお、数値が大きいほど当該組成物は強度に優れる。
本発明で得られる直鎖状変性ジエン系重合体(A)は、固形ゴム、フィラーなどを含むゴム組成物に添加することにより、作業性に優れ、またこのゴム組成物から得られる架橋物は、フィラーの分散状態が理想的な状態となっているため、物性の向上がみられる。そのため、種々の産業用製品、日用品、タイヤなどに有用である。

Claims (4)

  1. 一方の末端のみに下記式(1)で示される官能基を有し、1分子当たりの平均官能基数が0.8〜1である直鎖状変性ジエン系重合体。
    (上記式(1)中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチル基、エチル基又はフェニル基である、R1、R2及びR3の少なくとも1つはメトキシ基、エトキシ基又はフェノキシ基であり、Xは炭素数1から6の2価のアルキレン基である。)
  2. 重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)との比(Mw/Mn)が1.0〜2.0である請求項1に記載の直鎖状変性ジエン系重合体。
  3. 有機溶媒存在下、単官能アニオン重合開始剤により共役ジエンを含む単量体を重合し、その重合反応をエポキシ基を含む化合物を、単官能アニオン重合開始剤のモル数(i)に対する、エポキシ基を含む化合物中のエポキシ基のモル数(t)の比、(t)/(i)が2〜0.8であるように添加することにより停止して、一方の末端のみに水酸基を有する直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液を調製する工程(I)、
    直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液から単官能アニオン重合開始剤に由来する触媒残渣を除去する工程(II)、
    工程(II)を経た直鎖状水酸基変性ジエン系重合体を含む溶液から有機溶媒を除去する工程(III)、及び
    直鎖状水酸基変性ジエン系重合体と下記式(1')で示されるシラン化合物(1')とを直鎖状水酸基変性ジエン系重合体の末端に存在する水酸基のモル数(o)に対するシラン化合物(1’)のモル数(s)の比(s)/(o)が0.8〜1.2となるように混合して反応させる工程(IV)を含む、請求項1又は2に記載の直鎖状変性ジエン系重合体の製造方法。
    (上記式(1')中、R1、R2、及びR3はそれぞれ独立に、メトキシ基、エトキシ基、フェノキシ基、メチル基、エチル基又はフェニル基である、R1、R2及びR3の少なくとも1つはメトキシ基、エトキシ基又はフェノキシ基であり、Xは炭素数1から6の2価のアルキレン基である。)
  4. 単官能アニオン重合開始剤がアルキルモノリチウムである請求項3に記載の直鎖状変性ジエン系重合体の製造方法。

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