TW202336114A - 包含生物彈性體之橡膠組成物及其製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於具有優異黏彈性特性及磨耗抗性,同時避免隨著時間老化,因此能夠長時間使用的橡膠組成物,及其製備方法。
Description
本發明係關於具有優異黏彈性特性及磨耗抗性,同時避免隨著時間老化,因此能夠長時間使用的橡膠組成物,及其製備方法。
相關申請案交互參照
此申請案主張2021年11月12日在韓國智慧財產局申請的韓國專利申請案第2021-0155903號之權益,此揭露整體以引用方式併入本文。
隨著最近對汽車低油耗的需求,需要共軛之二烯系聚合物作為輪胎的橡膠材料,其中,聚合物具有低滾動抗性、優異磨耗抗性和拉伸特性以及由濕路面抗性所表示之控制穩定性。
為了降低輪胎的滾動抗性,有降低硫化橡膠的滯後損失的方法,且作為此硫化橡膠的評價指數,使用50℃至80℃的斥力彈性(repulsive elasticity)、tanδ、古德里奇熱生成(Goodrich heat generation)等等。即,較佳具有在上述溫度下的斥力彈性大、或具有tanδ或古德里奇熱生成小的橡膠材料。
作為具有滯後損失小的橡膠材料,已知天然橡膠、聚異戊二烯橡膠、聚丁二烯橡膠等,但存在濕路面抗性低的問題。因此,近年來,藉由乳化聚合或溶液聚合來製造諸如:苯乙烯-丁二烯橡膠(以下稱為SBR)或丁二烯橡膠(以下稱為BR)之共軛之二烯系聚合物或共聚物,並用作為輪胎的橡膠。其中,溶液聚合相對於乳化聚合的最大優點是可以任意調節定義橡膠物理性質的乙烯基結構含量和苯乙烯含量,並且可以藉由偶合或改性來調節分子量、物理特性等。因此,很容易改變最終生產的SBR或BR的結構,並且可以藉由鏈端的偶合或改性來減少鏈端的移動並增加與填料諸如:氧化矽,或碳黑的偶合力,使得藉由溶液聚合的SBR被廣泛用作輪胎的橡膠材料。
當這種溶液聚合SBR用作輪胎的橡膠材料時,可以增加SBR中乙烯基的含量,從而提高橡膠的玻璃轉化溫度以調節輪胎所需的物理特性,例如行駛抗性和制動力,且亦可適當調整玻璃轉化溫度,以降低油耗。溶液聚合SBR是使用陰離子聚合起始劑製造,並藉由使用各種改性劑,偶合或改性所形成之聚合物的鏈端來使用。例如,美國專利案第4,397,994號揭露在非極性溶劑存在下,使用偶合劑(諸如:錫化合物)偶合活性陰離子的技術,該陰離子係在藉由使用為單官能起始劑的烷基鋰來聚合苯乙烯-丁二烯而獲得的聚合物鏈端。
此外,為了改善溶液聚合SBR的加工性,已經開發並使用介電質SBR(充油(oil-extended)SBR)。
介電質SBR一般藉由乳化聚合或溶液聚合製備SBR,在移除溶劑之前加入石油系油,然後移除溶劑來製備,且由於石油系油殘留在聚合物中,SBR之加工性受改善。介電質SBR應用於包含介電質SBR的橡膠組成物時,容易與其他橡膠和添加劑混合,在加工過程中不易分解,且具有為最終產品提供更優異特徵的特性,因此被用於各種領域以獲得一些有益的特性。
然而,石油系油引起各種環境問題,因此有必要開發藉由具有介電質SBR的有效特徵同時環保的可應用於各種產業的產品。
[先前技術文件]
[專利文獻]
(專利文獻1) US 4397994 A
(專利文獻2) KR 10-2020-0031529 A
技術問題
本發明之一態樣提供橡膠組成物,其具有優異黏彈性特性和磨耗抗性,同時防止隨時間老化,因此能夠長期使用。
技術方案
根據本發明之一態樣,提供橡膠組成物及其製備方法。
(1) 本發明提供橡膠組成物,其包括(a)包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元的生物彈性體,其中,第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量,及(b)第二共軛之二烯系聚合物。
(2) 在上述(1)中,本發明提供橡膠組成物,其中,第一共軛之二烯系聚合物具有1,000 g/mol至80,000 g/mol之重量平均分子量。
(3) 在上述(1)或(2)中,本發明提供橡膠組成物,其中,植物油係選自由下列所組成群組之一或多者:大豆油、菜籽油、芥花油、葵花油、亞麻仁油、米糠油、棕櫚油、橄欖油、花生油、棕櫚油、棉籽油、及椰子油。
(4) 在上述(1)至(3)中任一項中,本發明提供橡膠組成物,其中,植物油為環氧化植物油,且係選自由下列所組成群組之一或多者:環氧化大豆油、環氧化菜籽油、環氧化芥花油、環氧化葵花油、環氧化亞麻仁油、環氧化米糠油、環氧化棕櫚油、環氧化橄欖油、環氧化花生油、環氧化棕櫚油、環氧化棉籽油、及環氧化椰子油。
(5) 在上述(1)至(4)中任一項中,本發明提供橡膠組成物,其中,第二共軛之二烯系聚合物包含衍生自共軛之二烯系單體的重複單元及衍生自芳香族乙烯基系單體之重複單元。
(6) 在上述(1)至(5)中任一項中,本發明提供橡膠組成物,其中,以100重量份之第二共軛之二烯系聚合物為基準計,生物彈性體為5重量份至50重量份。
(7) 在上述(1)至(6)中任一項中,本發明提供橡膠組成物,其進一步包括填料。
(8) 在上述(7)中,本發明提供橡膠組成物,其中,填料係選自由下列所組成群組之一或多者:氧化矽系填料及碳黑填料。
(9) 本發明提供用於製備橡膠組成物之方法,方法包括下述步驟:(S1)製備包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元的生物彈性體,其中,第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量,(S2)藉由在聚合起始劑存在下,在烴溶劑中,聚合共軛之二烯系單體、或共軛之二烯系單體與芳香族乙烯基系單體來製備第二共軛之二烯系聚合物,以及(S3)混合生物彈性體及第二共軛之二烯系聚合物。
(10) 在上述(9)中,本發明提供用於製備橡膠組成物之方法,其中,藉由包括下述步驟進行步驟(S1):藉由聚合共軛之二烯系單體來製備具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量之活性聚合物,以及將活性聚合物與植物油反應。
(11) 在上述(10)中,以100重量份之共軛之二烯系單體為基準計,本發明提供用於製備橡膠組成物之方法,其中,植物油為0.1重量份至50重量份。
有利功效
根據本發明之橡膠組成物具有優異黏彈性特性和磨耗抗性,同時防止隨時間老化,因此能夠長期使用。
在下文中,將更詳細地描述本發明以促進對本發明的理解。
咸理解,在本發明的說明書和請求項中所使用的用語或術語不應被解釋為限於具有在常用字典中所定義的含義。還應當理解,基於發明人可以適當定義用語或術語的含義以最佳地解釋本發明的原則下,用語或術語應當被解釋為具有與其在本發明的相關領域和技術思想的背景中之含義一致的含義。
以下,對本發明詳細說明。
通常,為了改善諸如共軛之二烯系聚合物之合成橡膠的可撓性、彈性、可混合性等,將合成橡膠與石油系油混合來製造產品。然而,由於石油系油不是環保材料並且會引起許多環境問題,因此開發環保材料的需求增加。
在這方面,已經設計使用為環保材料的植物衍生之植物油代替石油系油之方法。然而,當在混合橡膠組成物以改善磨耗抗性時加入諸如植物油之天然油或具有低分子量的液態橡膠,或將天然油加入聚合橡膠中以藉由剝離方法製造產品時,磨耗特性受到改善,但是由於低黏度,存在發生輸入設備大量損失和燃料效率降低的問題。
此外,由於遷移現象,當將天然油應用於產品,諸如輪胎時,存在凸顯因老化引起的物理特性劣化的限制。
為解決上述問題,本發明使用藉由將陰離子共軛之二烯系聚合物與植物油反應所製備的生物彈性體代替在製備橡膠組成物時典型使用的石油系油或天然油。因此,根據本發明的橡膠組成物表現出同樣優異的黏彈性特性、磨耗抗性等,並且具有藉由抑制老化現象來改善物理特性的穩定性之功效。
橡膠組成物
本發明之橡膠組成物包括(a)包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元的生物彈性體,其中,第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量,以及(b)第二共軛之二烯系聚合物。
(a)生物彈性體
在本發明中,生物彈性體包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元和植物油-衍生之單元。
在本說明書中,術語「-衍生之單元」可以指衍生自材料或材料本身的組分或結構。第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元可以指當構成第一共軛之二烯系聚合物的共軛之二烯系單體聚合時所形成的重複單元,並且植物油-衍生之單元可以指衍生自植物油化合物的結構。
本發明的生物彈性體可以指為可再生有機資源的生質,即,藉由植物油與第一共軛之二烯系聚合物反應所獲得的介電質共軛之二烯系聚合物。例如,生物彈性體可以是藉由植物油(諸如:從植物中獲得的三酸甘油酯)與藉由對共軛之二烯系單體進行活性陰離子聚合所製備的活性聚合物(即,陰離子共軛之二烯系聚合物)反應而獲得的材料。
藉由包括衍生自第一共軛之二烯系聚合物的第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元和衍生自植物油的植物油-衍生之單元的反應來製備生物彈性體。
第一共軛之二烯系聚合物可以藉由聚合共軛之二烯系單體來製備,因此可以包括共軛之二烯系單體-衍生之單元,其中,共軛之二烯系單體可為選自由下述所組成群組之一或多者:1,3-丁二烯、2,3-二甲基-1,3-丁二烯、戊二烯、3-丁基-1,3-辛二烯、異戊二烯、2-苯基-1,3-丁二烯、及2-鹵-1,3-丁二烯(鹵意指鹵素原子),且特別是,可為1,3-丁二烯,但不限於此。
此外,第一共軛之二烯系聚合物可進一步包括芳香族乙烯基系單體-衍生之重複單元,在這種情況下第一共軛之二烯系聚合物可以是包括共軛之二烯系單體-衍生之重複單元及芳香族乙烯基單體-衍生之重複單元的共聚物。此處,芳香族乙烯基單體-衍生之重複單元可以指當芳香族乙烯基系單體聚合時所形成的重複單元。
芳香族乙烯基單體可為,例如,選自由下述所組成群組之一或多者:苯乙烯、α-甲基苯乙烯、3-甲基苯乙烯、4-甲基苯乙烯、4-丙基苯乙烯、1-乙烯基萘、4-環己基苯乙烯、4-(對甲基苯基)苯乙烯、1-乙烯基-5-己基萘、3-(2-N-吡咯啶基乙基)苯乙烯、4-(2-N-吡咯啶基乙基)苯乙烯(4-(2-N-吡咯啶基乙基))苯乙烯)、及3-(2-N-吡咯啶基-1-甲基乙基)甲基苯乙烯,但不限於此。
第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量。此外,重量平均分子量較佳可為1,000 g/mol或更大、5,000 g/mol或更大、10,000 g/mol或更大、80,000 g/mol或更小、50,000 g/mol或更小、30,000 g/mol或更小,例如,1,000 g/mol至80,000 g/mol、或5,000 g/mol至50,000 g/mol。
如上所述,藉由使用具有少於100,000 g/mol的低重量平均分子量的共軛之二烯系聚合物獲得生物彈性體,可以藉由呈現優異的加工性將生物彈性體用於各種目的。
生物彈性體具有其中植物油-衍生之單元與具有上述範圍內的低重量平均分子量的共軛之二烯系聚合物-衍生之單元偶合的形式,並且相較於當使用液態聚合物時,具有就穩定性及持久性而言之優點,以及可以顯著抑制由於輪胎中發生的油遷移現象所引起的物理特性下降。
例如,當共軛之二烯系單體為1,3-丁二烯時,第一共軛之二烯系聚合物可為藉由聚合直到1,3-丁二烯之重量平均分子量低於100,000 g/mol所製備的聚丁二烯。
生物彈性體包括與第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元一起之植物油-衍生之單元。
通常,植物油是由下式1表示的三酸甘油酯分子。
[式1]
在上式1中,
R
1至R
3各自為衍生自脂肪酸的酯基,且各自為不飽和或飽和烴基。
此處,R
1與R
3的相對比例可以根據植物油的類型而變化,並且可例示性地如下表1所示。
作為另一個例子,植物油可以是環氧化植物油。環氧化植物油是藉由植物油環氧化反應所獲到的有機化合物,且根據植物油的種類,環氧化程度(環氧率)也不同。植物油的環氧化是藉由在植物油分子中的不飽和鍵上加氧原子,並生成環氧化物來實現,且環氧化的程度可受植物油中不飽和鍵比例的影響。環氧化植物油可為選自下述所組成群組之一或多者:環氧化大豆油、環氧化菜籽油、環氧化芥花油、環氧化葵花油、環氧化亞麻仁油、環氧化米糠油、環氧化棕櫚油、環氧化橄欖油、環氧化花生油、環氧化棕櫚油、環氧化棉籽油、及環氧化椰子油,較佳為環氧化大豆油、環氧化棉籽油、或其組合,且更佳為環氧化大豆油,但不限於此。
在本發明中,以生物彈性體的總重量為基準計,植物油-衍生之單元可為1 wt%至50 wt%,較佳地,1 wt%至30 wt%、或1 wt%至20 wt%。植物油-衍生之單元的含量可以藉由製備生物彈性體時所使用之植物油的輸入量來確定,且例如,以用於製備第一共軛之二烯系聚合物的100重量份的共軛之二烯系單體為基準計,植物油的重量份可以是生物彈性體中植物油-衍生之單元的含量。
在上述範圍內,促進與第一共軛之二烯系聚合物的偶合,從而具有有效地形成生物彈性體的優點。
在本發明中,以橡膠組成物中100重量份之第二共軛之二烯系聚合物為基準計,生物彈性體可為5重量份至50重量份,具體為5重量份或更多、7重量份或更多、30重量份或更少、20重量份或更少、或15重量份或更少。
此外,以橡膠組成物之總重量為基準計,生物彈性體可為5 wt%至50 wt%,較佳地,5 wt%至40 wt%、或5 wt%至30 wt%。
在上述範圍內,生物彈性體可呈現優異的加工性,從而用於各種目的,並且橡膠組成物可呈現異黏彈性特性和磨耗抗性。
(b)第二共軛之二烯系聚合物
在本發明中,橡膠組成物包括與生物彈性體一起之第二共軛之二烯系聚合物。
藉由比第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元的第一共軛之二烯系聚合物具有更高的重量平均分子量而區別之第二共軛之二烯系聚合物包括在生物彈性體中,以及第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元與生物彈性體中之植物油-衍生之單元形成鍵,而第二共軛之二烯系聚合物作為與橡膠組成物中之生物彈性體分開的材料包含在內。
第二共軛之二烯系聚合物包括共軛之二烯系單體-衍生之重複單元,其中,共軛之二烯系單體-衍生之重複單元可指當聚合共軛之二烯系單體時所形成之重複單元。
此外,第二共軛之二烯系聚合物可進一步包括芳香族乙烯基系單體-衍生之重複單元,在這種情況下,第二共軛之二烯系聚合物可為包括共軛之二烯系單體-衍生之重複單元及芳香族乙烯基單體-衍生之重複單元的共聚物。此處,芳香族乙烯基單體-衍生之重複單元可指當聚合芳香族乙烯基系單體時所形成之重複單元。
根據本發明的具體實施例,共軛之二烯系單體可為選自由下述所組成群組之一或多者:1,3-丁二烯、2,3-二甲基-1,3-丁二烯、戊二烯、3-丁基-1,3-辛二烯、異戊二烯、2-苯基-1,3-丁二烯、及2-鹵-1,3-丁二烯(鹵意指鹵素原子),但不限於此。
芳香族乙烯基單體可為,例如,選自由下述所組成群組之一或多者:苯乙烯、α-甲基苯乙烯、3-甲基苯乙烯、4-甲基苯乙烯、4-丙基苯乙烯、1-乙烯基萘、4-環己基苯乙烯、4-(對甲基苯基)苯乙烯、1-乙烯基-5-己基萘、3-(2-N-吡咯啶基乙基)苯乙烯、4-(2-N-吡咯啶基乙基)苯乙烯(4-(2-N-吡咯啶基乙基))苯乙烯)、及3-(2-N-吡咯啶基-1-甲基乙基)甲基苯乙烯,但不限於此。
第二共軛之二烯系聚合物可為進一步包括C1至C10二烯系單體-衍生之重複單元與共軛之二烯系單體-衍生之重複單元一起的共聚物。二烯系單體-衍生之重複單元可為衍生自不同於共軛之二烯系單體的二烯系單體的重複單元,且不同於共軛之二烯系單體的二烯系單體可為,例如,1,2-丁二烯。當第二共軛之二烯系聚合物為進一步包括二烯系單體的共聚物時,第二共軛之二烯系聚合物可包括大於0 wt%至1 wt%、大於0 wt%至0.1 wt%、大於0 wt%至0.01 wt%、或大於0 wt%至0.001 wt%之量的二烯系單體-衍生之重複單元,並且在範圍內,具有防止凝膠產生的功效。
根據本發明的具體實施例,共聚物可以是隨機共聚物,在這種情況下,具有物理特性之間的平衡為優異的功效。隨機共聚物可以指構成共聚物的重複單元隨機排列。
在本發明中,第二共軛之二烯系聚合物可具有1,000 g/mol至2,000,000 g/mol、10,000 g/mol至1,000,000 g/mol、或100,000 g/mol至800,000 g/mol之數量平均分子量,並且在範圍內,可以具有滾動抗性和濕路面抗性均優異的功效。
在本發明中,第二共軛之二烯系聚合物可具有1,000 g/mol至3,000,000 g/mol或10,000 g/mol至2,000,000 g/mol之重量平均分子量,並且在相應的範圍內,可以具有滾動抗性、濕路面抗性、磨耗抗性均優異的功效。
此外,第二共軛之二烯系聚合物可具有5 wt%或更多、10 wt%或更多、15 wt%或更多、20 wt%或更多、60 wt%或更少、50 wt%或更少、40 wt%或更少、30 wt%或更少,例如,10 wt%至60 wt%、20至50 wt%、20至40 wt%、或20至30 wt%之乙烯基含量。此處,以由具有乙烯基的單體及芳香族乙烯基系單體所組成之第二共軛之二烯系聚合物的總重量為基準計,乙烯基含量可指1,2-加成之共軛之二烯系單體(非1,4-加成之共軛之二烯系單體)的含量。
在本發明中,以橡膠組成物的總重量為基準計,第二共軛之二烯系聚合物可以10 wt%或更多、10 wt%至100 wt%、或20 wt%至90 wt%的量包括在內,且在上述範圍內,可具有諸如拉伸強度及磨耗抗性之機械特性優異、與物理特性之間平衡優異的功效。
在本發明中,除了第二共軛之二烯系聚合物之外,橡膠組成物可進一步包括,如需要,另一種橡膠組分。
以橡膠組成物之總重量為基準計,另一種橡膠組分可以90 wt%或更少的量包括在內。作為特定例子,以100重量份之第二共軛之二烯系聚合物為基準計,另一種橡膠組分可以1重量份至900重量份的量包括在內。
橡膠組分可為,例如,天然橡膠或合成橡膠,且作為特定例子,可為天然橡膠(NR)(包括順式-1,4-聚異戊二烯);改性之天然橡膠(諸如:環氧化天然橡膠(ENR))、去蛋白之天然橡膠(DPNR)、及藉由改性或精製一般天然橡膠所獲得的氫化之天然橡膠;合成橡膠,諸如:苯乙烯-丁二烯共聚物(SBR)、聚丁二烯(BR)、聚異戊二烯(IR)、丁基橡膠(IIR)、乙烯-丙烯共聚物、聚異丁烯-共-異戊二烯、氯丁烯橡膠、聚(乙烯-共-丙烯)、聚(苯乙烯-共-丁二烯)、聚(苯乙烯-共-異戊二烯)、聚(苯乙烯-共-異戊二烯-共-丁二烯)、聚(異戊二烯-共-丁二烯)、聚(乙烯-共-丙烯-共-二烯)、多硫橡膠、丙烯酸系橡膠、胺甲酸乙酯橡膠、聚矽氧橡膠、環氧氯丙烷橡膠、及鹵化丁基橡膠,且可使用任一或其二或更多者之混合物。
在本發明中,橡膠組成物可進一步包括填料,且以100重量份之第二共軛之二烯系聚合物為基準計,填料可以0.1重量份至200重量份、或10重量份至120重量份之量包括在內。
填料例如可以是氧化矽系填料,且作為特定例子,可以是濕式氧化矽(含水矽酸)、乾式氧化矽(無水矽酸)、矽酸鈣、矽酸鋁、膠態氧化矽等,且例如可較佳地為具有改善斷裂特性和濕抓力的最優異雙重功效的濕式氧化矽。此外,如果需要,橡膠組成物可進一步包括碳系填料。
當使用氧化矽作為填料時,為了提高增強特性和低放熱特性,可以一起使用矽烷偶合劑,並且作為特定例子,矽烷偶合劑可為四硫化雙(3-三乙氧基矽基丙基)、三硫化雙(3-三乙氧基矽基丙基)、二硫化雙(3-三乙氧基矽基丙基)、四硫化雙(2-三乙氧基矽基乙基)、四硫化雙(3-三甲氧基矽基丙基)、四硫化雙(2-三甲氧基矽基乙基)、3-巰基丙基三甲氧基矽烷、3-巰基丙基三乙氧基矽烷、2-巰基乙基三甲氧基矽烷、2-巰基乙基三乙氧基矽烷、四硫化3-三甲氧基矽基丙基-N,N-二甲基胺硫甲醯基、四硫化3-三乙氧基矽基丙基-N,N-二甲基胺硫甲醯基、四硫化2-三乙氧基矽基乙基-N,N-二甲基胺硫甲醯基、四硫化3-三甲氧基矽基丙基苯并噻唑基、四硫化3-三乙氧基矽基丙基苄醯基、一硫化3-三乙氧基矽基丙基甲基丙烯酸酯、一硫化3-三甲氧基矽基丙基甲基丙烯酸酯、四硫化雙(3-二乙氧基甲基矽基丙基)、3-巰基丙基二甲氧基甲基矽烷、四硫化二甲氧基甲基矽基丙基-N,N-二甲基胺硫甲醯基、四硫化二甲氧基甲基矽基丙基苯并噻唑基等,且可使用任一或其二或更多者之混合物。較佳地,當考量到改善增強特性之功效,矽烷偶合劑可為多硫化雙(3-三乙氧基矽基丙基)或四硫化3-三甲氧基矽基丙基苯并噻唑基。
以100重量份之氧化矽為基準計,矽烷偶合劑可以1重量份至20重量份、或5重量份至15重量份的量使用,且在此範圍內,矽烷偶合劑具有防止橡膠組分凝膠化,同時充分呈現作為偶合劑的功效。
在本發明中,橡膠組成物可以是硫可交聯,並且可以進一步包括硫化劑。具體而言,硫化劑可為硫粉,且以100重量份之橡膠組分為基準計,可以0.1重量份至10重量份的量包括在內,及在此範圍內,確保硫化橡膠組成物所需的彈性模量和強度,與同時具有優異低燃油效率特性的功效。
在本發明中,橡膠組成物除了上述組分外,可進一步包括橡膠產業中常用的各種添加劑,具體為硫化促進劑、加工油、抗氧劑、塑化劑、抗老劑、防焦劑、鋅白、硬脂酸、熱固性樹脂、熱塑性樹脂等。
例如,作為硫化促進劑,可以使用諸如:2-巰基苯并噻唑(M)、二硫化二苯并噻唑(DM)、及N-環己基-2-苯并噻唑基次磺醯胺(CZ)之噻唑系化合物,或諸如:二苯胍(DPG)等胍系化合物。
加工油在橡膠組成物中作用為軟化劑,且例如可以是石蠟系、環烷、或芳香族化合物,及當考慮拉伸強度和磨耗抗性時,可使用芳香族加工油,且當考慮滯後損失和低溫特性時,可以使用環烷或石蠟系加工油。以100重量份的橡膠組分為基準計,加工油可以例如100重量份或更少的量包括在內,並且在該範圍內,具有防止硫化橡膠之拉伸強度和低放熱特性(低油耗特性)劣化的功效。
抗氧化劑可為,例如,2,6-二三級丁基對甲酚(2,6-di-t-butylparacresol)、二丁基羥基甲苯基、2,6-雙((十二烷基硫基)甲基)-4-壬基酚、或2-甲基-4,6-雙((辛基硫基)甲基)酚,並且以100重量份的橡膠組分為基準計,可以0.1重量份至6重量份的量使用。
抗老劑可為例如,N-異丙基-N'-苯基-對苯二胺、N-(1,3-二甲基丁基)-N'-苯基-對苯二胺、6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2-二氫喹啉,或二苯胺與丙酮的高溫縮合物,且以100重量份的橡膠組分為基準計,可以0.1重量份至6重量份的量使用。
在本發明中,橡膠組成物可藉由使用諸如班布里混合機、輥機、及密閉混合機的捏合機根據上述配方捏合而獲得,並且模造加工後藉由硫化方法可獲得為低放熱且具有優異磨耗抗性的橡膠組成物。
因此,橡膠組成物可用於製造輪胎的各構件,諸如:輪胎胎面、底胎面、側壁、胎體塗覆之橡膠、皮帶塗覆之橡膠、胎圈填料、刮水器和胎圈塗佈之橡膠、及各種產業用橡膠產品,諸如:防塵橡膠、皮帶輸送機、軟管等。
製備橡膠組成物之方法
用於製備本發明橡膠組成物之方法包括下述步驟:(S1) 製備包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元的生物彈性體,其中,第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量,(S2) 在聚合起始劑存在下,在烴溶劑中,藉由聚合共軛之二烯系單體、或共軛之二烯系單體與芳香族乙烯基系單體來製備第二共軛之二烯系聚合物,以及(S3) 混合生物彈性體及第二共軛之二烯系聚合物。
生物彈性體、第一共軛之二烯系聚合物、植物油、及第二共軛之二烯系聚合物與上述那些相同。
步驟(S1)
在步驟(S1)中,製備包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元的生物彈性體,其中,第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量。
例如,步驟(S1)可藉由包括下述步驟進行:藉由聚合共軛之二烯系單體來製備具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量的活性聚合物,以及將活性聚合物及植物油反應。
此處,共軛之二烯系單體可為選自由下述所組成群組之一或多者:1,3-丁二烯、2,3-二甲基-1,3-丁二烯、戊二烯、3-丁基-1,3-辛二烯、異戊二烯、2-苯基-1,3-丁二烯、及2-鹵-1,3-丁二烯(鹵意指鹵素原子),且可為,特別是1,3-丁二烯,但不限於此。
在本發明中,以100重量份之共軛之二烯系單體為基準計,植物油可為0.1重量份至50重量份、0.1重量份或更多、1重量份或更多、3重量份或更多、50重量份或更少、30重量份或更少、20重量份或更少、或15重量份。在上述範圍內,活性聚合物及植物油以優異的效率反應,從而包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元之生物彈性體可輕易製備。
步驟(S2)
在步驟(S2)中,在聚合起始劑存在下,在烴溶劑中,藉由聚合共軛之二烯系單體、或共軛之二烯系單體及芳香族乙烯基系單體來製備第二共軛之二烯系聚合物。
烴溶劑沒有特別限制,但可以是例如選自由下述所組成群組之一或多者:正戊烷、正己烷、正庚烷、異辛烷、環己烷、甲苯、苯和二甲苯。
在本發明中,以100 g之單體的總量為基準計,聚合起始劑可以0.01至10 mmol、0.05至5 mmol、0.1至2 mmol、0.1至1 mmol、或0.15至0.8 mmol的量使用。
聚合起始劑沒有特別限制,但可以是例如,選自由下述所組成群組之一或多者:甲基鋰、乙基鋰、丙基鋰、正丁基鋰、二級丁基鋰、三級丁基鋰、己基鋰、正癸基鋰、三級辛基鋰、苯基鋰、1-萘基鋰、正二十基鋰、4-丁基苯基鋰、4-甲苯基鋰、環己基鋰、3-5-二正庚基環己基鋰、4-環戊基鋰、萘基鈉、萘基鉀、醇鋰、醇鈉(sodium alkoxide)、醇鉀(potassium alkoxide)、磺酸鋰、磺酸鈉、磺酸鉀、鋰胺、鈉胺、胺化鉀、異丙基胺基鋰(lithium isopropylamide)。
在本發明中,步驟(S2)的聚合可為,例如,陰離子聚合,且作為特定例子,可以是藉由陰離子的生長聚合反應在聚合末期具有陰離子活性位點的活性陰離子聚合。此外,步驟(S1)中的聚合可為升溫聚合、等溫聚合或恆溫聚合(絕熱聚合),其中,恆溫聚合可以是指包括加入聚合起始劑,然後不任意施加熱而以自反應熱來進行聚合之步驟的聚合方法,升溫聚合可以是指加入聚合起始劑,然後任意施加熱以增加溫度的聚合方法,及等溫聚合可以是指加入聚合起始劑,然後施加熱以增加熱或移除熱以保持聚合物恆定的溫度的聚合方法。
步驟(S2)的聚合可以藉由除了共軛之二烯系單體之外,還包含C1至C10二烯系化合物來進行,在這種情況下,具有防止在長期操作期間,在反應器壁上凝膠形成的功效。二烯系的化合物的例子可為1,2-丁二烯。
步驟(S2)的聚合可以在80℃或更低、-20至80℃、0至80℃、0至70℃、或10至70℃的溫度範圍內進行,並且在此溫度範圍內,可以將聚合物的分子量分布控制得較窄,從而具有改善物理特性之優異功效。
同時,步驟(S2)的聚合可藉由包含極性添加劑來進行,其中,以100 g之單體的總量為基準計,極性添加劑可以0.001 g至50 g、0.001 g至10 g、或0.005 g至0.1 g的比例添加。作為另一個例子,以總共1 mmol之有機鋰化合物為基準計,極性添加劑可以0.001 g至10 g、0.005 g至5 g、或0.005 g至4 g的比例添加。
極性添加劑可為,例如,選自由下述所組成群組之一或多者:四氫呋喃、2,2-二(2-四氫呋喃基)丙烷、二乙基醚、環戊基醚、二丙基醚、乙烯甲基醚、乙烯二甲基醚、二乙二醇、二甲基醚、三級丁氧基乙氧基乙烷、雙(3-二甲基胺基乙基)醚、(二甲基胺基乙基)乙基醚、三甲基胺、三乙基胺、三丙基胺、N,N,N',N'-四甲基乙二胺、薄荷醇鈉(sodium mentholate)及2-乙基四氫糠基醚,且較佳可為三乙基胺、四甲基乙二胺、薄荷醇鈉、或2-乙基四氫糠基醚,且當包括極性添加劑時,在共聚合共軛之二烯系單體或共軛之二烯系單體及芳香族乙烯基系單體的情況下,其反應速率的差異被補償,從而具有誘導隨機共聚物容易形成的功效。
步驟(S2)可以包括通過聚合共軛之二烯系單體或共聚共軛之二烯系單體及芳香族乙烯基系單體來製備活性聚合物,然後終止反應的步驟,其中活性聚合物可以指其中聚合物陰離子和有機金屬陽離子鍵合的聚合物。
或者,步驟(S2)可以包括在製備活性聚合物之後,使活性聚合物與變性劑反應或偶合的步驟。以100 g之單體的總量為基準計,可以以0.01 mmol to 10 mmol的量使用變性劑。作為另一個例子,以1莫耳的步驟(S2)的聚合起始劑為基準計,變性劑可以1:0.1至10、1:0.1至5、或1:0.1至1:3的莫耳比使用。
步驟(S3)
步驟(S3)是製備橡膠組成物的步驟,且可藉由將步驟(S1)中所製備的生物彈性體與步驟(S2)中所製備的第二共軛之二烯系聚合物混合來進行。
此外,本發明提供藉由使用橡膠組成物所製造的輪胎。
輪胎可包括輪胎或輪胎胎面。
實施例
在下文中,將參考實施例詳細描述本發明。然而,以下實施例僅用於說明本發明,並不旨在限制本發明的範疇。
[生物彈性體的製備]
製備例1
將700 g之正己烷、100 g之1,3-丁二烯和0.4 g之2,2-雙(2-氧雜環己烷基)丙烷(作為極性添加劑)加到2 L高壓釜反應器中,然後將16.4 g(己烷中6 wt%)之正丁基鋰加入其中,且將反應器內的溫度設定為50℃,接著進行絕熱升溫反應。在60℃下進行額外的絕熱升溫反應約30分鐘以製備第一共軛之二烯系聚合物。此時,在反應後收集一部分聚合物,並用作為測量第一共軛之二烯系聚合物鏈的重量平均分子量的樣品。此時,將樣品在140℃的烘箱中乾燥以除去殘留溶劑,然後溶解在THF中以供使用。
此後,加入5 g之大豆油並在70℃下混合20分鐘。使用乙醇停止反應,且將3 g之其中將作為抗氧化劑的30 wt%之Wingstay K溶解在己烷中的溶液加入。將由此所獲得的聚合物放入用蒸汽加熱的熱水中,然後攪拌以除去溶劑,並滾動乾燥以除去殘留溶劑和水以製備生物彈性體。
製備例2
以與製備例1相同的方式製備生物彈性體,除了使用5 g之環氧化大豆油代替5 g之大豆油。
製備例3
將700 g之正己烷、100 g之1,3-丁二烯和0.03 g之2,2-雙(2-氧雜環己烷基)丙烷(作為極性添加劑)加到2 L高壓釜反應器中,然後將16.4 g(己烷中6 wt%)之正丁基鋰添加到其中,且將反應器內的溫度設定為60℃,接著進行絕熱升溫反應。在70℃下進行額外的絕熱升溫反應約30分鐘。此時,在反應後收集一部分聚合物,並用作用為測量第一共軛之二烯系聚合物鏈的重量平均分子量的樣品。
此後,加入5 g之大豆油並在70℃下混合20分鐘。使用乙醇停止反應,且將3 g之其中將作為抗氧化劑的30 wt%之Wingstay K溶解在己烷中的溶液加入。將由此所獲得的聚合物放入用蒸汽加熱的熱水中,然後攪拌以除去溶劑,並滾動乾燥以除去殘留溶劑和水以製備生物彈性體。
製備例4
以與製備例3相同的方式製備生物彈性體,除了使用5 g之環氧化大豆油代替5 g之大豆油。
製備例5
以與製備例3相同的方式製備生物彈性體,除了使用10 g之大豆油代替5 g之大豆油。
比較製備例1
將700 g之正己烷、100 g之1,3-丁二烯、及0.4 g之2,2-雙(2-氧雜環己烷基)丙烷(作為極性添加劑)加到2 L高壓釜反應器中,然後將16.4 g(己烷中6 wt%)之正丁基鋰添加到其中,且將反應器內的溫度設定為50℃,接著進行絕熱升溫反應。在60℃下進行額外的絕熱升溫反應約30分鐘。使用乙醇停止反應,且將3 g之其中將作為抗氧化劑的30 wt%之Wingstay K溶解在己烷中的溶液加入。將由此所獲得的聚合物放入用蒸汽加熱的熱水中,然後攪拌以除去溶劑,並滾動乾燥以除去殘留溶劑和水以製備液態聚合物。
比較製備例2
將700 g之正己烷、100 g之1,3-丁二烯、及0.03 g之2,2-雙(2-氧雜環己烷基)丙烷(作為極性添加劑)加到2 L高壓釜反應器中,然後將16.4 g(己烷中6 wt%)之正丁基鋰添加到其中,且將反應器內的溫度設定為60℃,接著進行絕熱升溫反應。在70℃下進行額外的絕熱升溫反應約30分鐘。使用乙醇停止反應,且將3 g之其中將作為抗氧化劑的30 wt%之Wingstay K溶解在己烷中的溶液加入。將由此所獲得的聚合物放入用蒸汽加熱的熱水中,然後攪拌以除去溶劑,並滾動乾燥以除去殘留溶劑和水以製備液態聚合物。
[生物彈性體之分析]
實驗例1
1)乙烯基含量(wt%)
使用Varian VNMRS 500 MHz NMR測量和分析各聚合物中的乙烯基含量。
NMR測定期間,使用1,1,2,2-四氯乙烷作為溶劑,並計算溶劑峰為5.97 ppm,且將75.8至5.1 ppm設定為1,4-乙烯基和1,2-乙烯基的峰,且將5.1至4.5 ppm設定為1,2-乙烯基的峰,以算出乙烯基含量。
2)重量平均分子量(Mw,X10
3g/mol)、數量平均分子量(Mn,X10
3g/mol)及分子量分布(PDI,MWD)
使用凝膠滲透層析儀(GPC) (PL GPC220,Agilent Technologies),在以下條件下測定重量平均分子量(Mw)及數量平均分子量(Mn),並獲得分子量分布曲線,以及從各所測量的分子量計算並獲得分子量分佈(PDI,MWD,Mw/Mn)。
-管柱:組合使用2個PLgel Olexis (Polymer Laboratories Co., Ltd)管柱和1個PLgel mixed-C (Polymer Laboratories Co., Ltd)管柱。
- 溶劑:使用2 wt% 的胺化合物在四氫呋喃中之混合物
- 流速:1 ml/min
- 樣品濃度:1至2 mg/ml (在THF中稀釋)
- 注射量:100 ㎕
- 管柱溫度:40℃
- 檢測器:折射率
- 標準品:聚苯乙烯 (用三級功能(tertiary function)校準)
如以上結果所示,確認用於本發明的生物彈性體包含衍生自具有100,000 g/mol或更小之重量平均分子量的第一共軛之二烯系聚合物的單元。
[橡膠組成物的製備]
實施例1
作為第二共軛之二烯系聚合物,使用LG化學的SSBR F3626Y作為生橡膠,且使用下表3的混合(Ga)方法製備橡膠試樣。下表中的原料含量顯示以100重量份的生橡膠為基準的重量份。
具體地,通過第一階段捏合和第二階段捏合來捏合橡膠試樣。在第一階段捏合,採用具有溫度控制裝置的班布里混合機,將生橡膠、氧化矽(填料)、有機矽烷偶合劑(X50S,Evonik)、根據製備例1的生物彈性體、鋅白劑(ZnO)、硬脂酸、抗氧化劑(TMQ(RD)) (2,2,4-三甲基-1,2-二氫喹啉聚合物)、抗老劑(6PPD((二甲基丁基)-N-苯基-苯二胺)))和蠟(微晶蠟)捏合。此時,將捏合機的初始溫度控制在70℃,且混合結束後,在145至155℃的排出溫度下獲得初級混合物。在第二階段捏合中,將初級混合物冷卻至室溫,然後將初級混合物、硫、橡膠促進劑(二苯基鳥嘌呤(DPD))和硫化促進劑(N-環己基-2-苯并噻唑基次磺醯胺(N-cyclohexyl-2-benzothiazylsulfenamide)(CZ))添加到捏合機中,然後在100℃或更低的溫度下混合以獲得次級混合物。此後,在160℃下進行20分鐘的固化過程以製備橡膠試樣。
實施例2
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用製備例2的生物彈性體代替製備例1的生物彈性體。
實施例3
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用實施例3的生物彈性體代替製備例1的生物彈性體。
實施例4
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用製備例4的生物彈性體代替製備例1的生物彈性體。
實施例5
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用製備例5的生物彈性體代替製備例1的生物彈性體。
比較例1
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用表3的混合(Na)方法。
比較例2
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用比較製備例1的液態聚合物代替製備例1的生物彈性體。
比較例3
以與實施例1相同的方式製備橡膠試樣,除了使用比較製備例2的液態聚合物代替製備例1的生物彈性體。
[橡膠組成物之分析]
實驗例2
1)黏彈性特性
藉由使用動態機械分析儀(GABO公司)在10 Hz的頻率和測量溫度(60℃)下,以Film Tension模式測量相對於動態變形的黏彈性行為,以tanδ值確認黏彈性特性。測定值中的60℃tanδ值越低,則滯後損耗越低且低行駛抗性(燃料經濟性)越好,但指定黏彈性特性(比較例1)的參考值,然後表示為指數(%)來描述值越高越好。
2)磨耗抗性
對於各橡膠試樣,根據ASTM D5963進行DIN磨耗試驗,且基於比較例1的測量值,磨耗抗性是由DIN損失指數(損失體積指數):ARIA (磨耗抗性指數,方法A)表示。數字越大越好。
如以上結果所示,確認實施例1至5以平衡的方式呈現出優異水平的黏彈性特性和磨損抗性。另一方面,比較例1使用加工油代替生物彈性體,在這種情況下,可以看出黏彈性特性和磨損抗性略低於實施例。此外,比較例2使用比較製備例1的混合物且比較例3使用比較製備例2的混合物代替生物彈性體,並且比較例2和3均顯示顯著降低的黏彈性特性。
實驗例3
老化特性藉由各橡膠試樣的熱老化前後的拉伸特性的變化來確認,且從老化前後老化特性保持不變的事實可以確認老化特性優異。
具體而言,將各橡膠試樣在100℃下放置24小時以進行熱老化,並且對於各橡膠試樣,老化前後使用Universal Test Machine 4204(Instron公司)拉伸試驗機,根據ASTM 412的拉伸試驗方法,在室溫下測量拉伸應力。
此時,記載老化前的拉伸應力值和老化後的拉伸應力值,且計算老化後的拉伸應力值相對於老化前的拉伸應力值的比率,並一併表示。
如以上結果所示,與比較例1至3的橡膠組成物相比,實施例1至5的橡膠組成物的老化特性得到改善,因此確認老化前後的拉伸特性的變化減少。如上所述,確認本發明的橡膠組成物包含生物彈性體、和第二共軛之二烯系聚合物,該生物彈性體包括具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量的第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元,因此呈現出同樣優異的黏彈性特性、磨損抗性和老化特性。
Claims (11)
- 一種橡膠組成物,包含: (a) 生物彈性體,包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元,其中,該第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量;以及 (b) 第二共軛之二烯系聚合物。
- 如請求項1之橡膠組成物,其中,該第一共軛之二烯系聚合物具有1,000 g/mol至80,000 g/mol之重量平均分子量。
- 如請求項1之橡膠組成物,其中,該植物油為選自由下列所組成群組之一或多者:大豆油、菜籽油、芥花油、葵花油、亞麻仁油、米糠油、棕櫚油、橄欖油、花生油、棕櫚油、棉籽油、及椰子油。
- 如請求項1之橡膠組成物,其中,該植物油為環氧化植物油,且為選自由下列所組成群組之一或多者:環氧化大豆油、環氧化菜籽油、環氧化芥花油、環氧化葵花油、環氧化亞麻仁油、環氧化米糠油、環氧化棕櫚油、環氧化橄欖油、環氧化花生油、環氧化棕櫚油、環氧化棉籽油、及環氧化椰子油。
- 如請求項1之橡膠組成物,其中,該第二共軛之二烯系聚合物包含衍生自共軛之二烯系單體的重複單元及衍生自芳香族乙烯基系單體的重複單元。
- 如請求項1之橡膠組成物,其中,以100重量份之該第二共軛之二烯系聚合物為基準計,該生物彈性體為5重量份至50重量份。
- 如請求項1之橡膠組成物,進一步包含填料。
- 如請求項7之橡膠組成物,其中,該填料為選自由下列所組成群組之一或多者:氧化矽系填料及碳黑填料。
- 一種製備橡膠組成物之方法,該方法包含下述步驟: (S1) 製備包括第一共軛之二烯系聚合物-衍生之單元及植物油-衍生之單元的生物彈性體,其中,該第一共軛之二烯系聚合物具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量。 (S2) 藉由在聚合起始劑存在下,在烴溶劑中,聚合共軛之二烯系單體、或共軛之二烯系單體及芳香族乙烯基系單體來製備第二共軛之二烯系聚合物;以及 (S3) 混合該生物彈性體及該第二共軛之二烯系聚合物。
- 如請求項9之方法,其中,該步驟 (S1) 藉由包括下述步驟而進行: 藉由聚合共軛之二烯系單體來製備具有少於100,000 g/mol之重量平均分子量之活性聚合物;以及 將該活性聚合物與植物油反應。
- 如請求項10之方法,其中,以100重量份之該共軛之二烯系單體為基準計,該植物油為0.1重量份至50重量份。
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