WO2006125534A1 - Composition de caoutchouc pour pneumatique comportant un systeme de couplage organosilicique - Google Patents

Composition de caoutchouc pour pneumatique comportant un systeme de couplage organosilicique Download PDF

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WO2006125534A1
WO2006125534A1 PCT/EP2006/004437 EP2006004437W WO2006125534A1 WO 2006125534 A1 WO2006125534 A1 WO 2006125534A1 EP 2006004437 W EP2006004437 W EP 2006004437W WO 2006125534 A1 WO2006125534 A1 WO 2006125534A1
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compound
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PCT/EP2006/004437
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Inventor
José Carlos ARAUJO DA SILVA
Nathalie Binde
Pierre Robert
Sébastien STERIN
Anne Veyland
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Societe De Technologie Michelin
Michelin Recherche Et Technique S.A.
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    • Y10T156/1352—Work traversing type with liquid applying means
    • Y10T156/1357—Slitting and severing

Definitions

  • the present invention relates to compositions of diene elastomers reinforced with an inorganic filler such as silica, intended for the manufacture of tires or semi-finished products for tires, in particular to the treads of these tires.
  • an inorganic filler such as silica
  • Coupled agent inorganic filler / elastomer
  • Y represents a functional group ("Y" function) which is capable of binding physically and / or chemically to the inorganic filler, such a bond being able to be established, for example, between a silicon atom of the coupling agent and the surface hydroxyl (OH) groups of the inorganic filler (for example surface silanols in the case of silica);
  • X represents a functional group ("X" function) capable of binding physically and / or chemically to the diene elastomer, for example via a sulfur atom;
  • W represents a divalent group for connecting "Y" and "X".
  • the coupling agents must not be confused with simple inorganic filler agents which, in a known manner, may comprise the active "Y” function with respect to the inorganic filler but are in any case without the function "X” active vis-à-vis the diene elastomer.
  • Coupling agents in particular (silica / diene elastomer), have been described in a large number of patent documents, the best known being bifunctional sulphide silanes, in particular alkoxysilanes, which are nowadays considered as products providing, for vulcanizates loaded with silica, the best compromise in terms of safety when roasting, ease of implementation and strengthening power.
  • TESPT bis 3-triethoxysilylpropyl tetrasulfide
  • TESPT bis 3-triethoxysilylpropyl tetrasulfide
  • Green Tires for the energy saving offered (“Energy-saving Green Tires” concept).
  • the need is particularly present in the case of rubber matrices based on an isoprene elastomer such as those used in the treads of heavy-duty tires, in which, in known manner, an effective bond with the elastomer is much more difficult to obtain compared to the use of carbon black.
  • a first object of the invention relates to a rubber composition for the manufacture of tires, based on at least one isoprene elastomer, an inorganic filler as a reinforcing filler; a coupling system (inorganic filler / isoprene elastomer) providing the connection between the inorganic filler and the isoprene elastomer, said composition being characterized in that said coupling system comprises:
  • Compound I a sulphurized silane compound
  • an organosilicon compound (hereinafter "Compound II") that is at least bifunctional and graftable on the one hand to the inorganic filler by means of a silylated functional group G, on the other hand on the elastomer by means of an azodicarbonyl functional group, said organosilicon compound having the formula:
  • a - CO - N N - CO - Z - G
  • G is the silyl functional group bearing a hydroxyl or hydrolyzable group attached to a silicon atom of the compound;
  • Z is a divalent linking group linking the azo-dicarbonyl functional group to the silyl functional group;
  • A represents a monovalent hydrocarbon group or the group of formula Z'-G 'in which: Z', identical to or different from Z, is a divalent linking group making it possible to connect the azo-dicarbonyl functional group to another group functional silylated
  • G 1 identical to or different from G, is a silyl functional group bearing another hydroxyl or hydrolyzable group attached to a silicon atom;
  • Z and optionally Z ' may comprise, independently, a heteroatom.
  • Such a coupling system makes it possible to further reduce, and in a notable manner, the hysteresis of the rubber compositions, consequently the rolling resistance of the tires and the energy consumption of the motor vehicles equipped with such tires.
  • the invention also relates to a process for preparing a rubber composition intended for the manufacture of tires or semi-finished products for tires, having an improved hysteresis, this composition being based on an isoprene elastomer, a load reinforcing inorganic and coupling system, said method comprising the following steps: inco ⁇ orer to an isoprene elastomer, during a first so-called “non-productive" step, at least one reinforcing inorganic filler and all or a first part of a coupling system ensuring the connection between said reinforcing inorganic filler and the elastomer isoprenic, kneading thermomechanically all, in one or more times, until a maximum temperature between 0 ° C and 190 ° C;
  • the subject of the invention is also the use of a composition according to the invention for the manufacture of tires or semi-finished rubber products intended for these tires, these semi-finished products being in particular chosen from the group consisting of treads, crown reinforcement plies, sidewalls, carcass reinforcement plies, beads, guards, underlayments, rubber blocks and other internal rubbers, in particular decoupling rubbers, for to provide the connection or the interface between the aforementioned zones of the tires.
  • the invention also relates to these tires and these semi-finished products themselves, when they comprise a rubber composition according to the invention.
  • the invention particularly relates to tire treads, which treads can be used in the manufacture of new tires or for retreading used tires; thanks to the compositions of the invention, these treads have both high wear resistance and reduced rolling resistance.
  • composition according to the invention is particularly suitable for the manufacture of tires or tire treads intended to equip passenger vehicles, light trucks, 4x4 vehicles (four-wheel drive), two-wheelers, "heavy vehicles” - that is, metro, bus, road transport equipment (trucks, tractors, trailers), off-the-road vehicles), aircraft, civil engineering, agrarian, or handling equipment.
  • the rubber compositions are characterized, before and after firing, as indicated below.
  • the measurements are carried out at 15O 0 C with an oscillating chamber rheometer according to DIN 53529 - Part 3 (June 1983).
  • the evolution of the rheometric torque as a function of time describes the evolution of the stiffening of the composition as a result of the vulcanization reaction.
  • the measurements are processed according to DIN 53529 - Part 2 (March 1983): Ti is the induction time, that is to say the time required for the beginning of the vulcanization reaction; T ⁇ (for example T 99 ) is the time necessary to reach a conversion of ⁇ %, that is to say ⁇ % (for example 99%) of the difference between the minimum and maximum couples.
  • the conversion rate constant denoted by K (expressed in min -1 ), of order 1, calculated between 30% and 80% conversion, which makes it possible to evaluate the kinetics of vulcanization, is also measured.
  • Traction data processing also makes it possible to plot the modulus curve as a function of elongation (see attached figure), the modulus used here being the true secant modulus measured in first elongation, calculated by reducing to the actual section of the specimen and not to the initial section as before for the nominal modules.
  • the dynamic properties ⁇ G * and tan ( ⁇ ) max are measured on a viscoanalyzer (Metravib VA4000), according to the ASTM D 5992-96 standard.
  • the response of a sample of vulcanized composition (cylindrical specimen 4 mm in thickness and 400 mm 2 in section), subjected to a sinusoidal stress in alternating simple shear, at the frequency of 10 Hz, at 60 ° C., is recorded.
  • a strain amplitude sweep of 0.1 to 50% (forward cycle) and then 50% to 1% (return cycle) are performed.
  • the exploited results are the complex module of dynamic shear (G *) and the loss factor tan ⁇ .
  • the rubber compositions according to the invention are based on at least one (i.e. at least one) isoprenic elastomer; one (at least one) inorganic filler as a reinforcing filler; a coupling system comprising Compounds I and II described in detail below, providing the bond between said inorganic filler and the isoprene elastomer.
  • composition based on means a composition comprising the mixture and / or the reaction product of the various constituents used, some of these basic constituents (for example the coupling system and the feedstock). reinforcing inorganic) being capable of, or intended to react with each other, at least in part, during the various phases of manufacture of the compositions, in particular during their vulcanization (cooking).
  • diene elastomer or rubber, the two terms being considered synonymous here synonymous
  • diene an elastomer derived at least in part (Le., A homopolymer or a copolymer) of monomers dienes that is to say monomers bearing two carbon-carbon double bonds, conjugated or otherwise.
  • essentially unsaturated diene elastomer is meant here a diene elastomer derived at least in part from conjugated diene monomers having a level of units or units of diene origin (conjugated dienes) which is greater than 15% (mol%) .
  • the term “highly unsaturated” diene elastomer is particularly understood to mean a diene elastomer having a content of units of diene origin (conjugated dienes) which is greater than 50%.
  • isoprene elastomer in the present patent application is understood to mean a homopolymer or copolymer of isoprene, in other words a diene elastomer chosen from the group consisting of natural rubber (NR). ), the synthetic polyisoprenes (IRs), the various isoprene copolymers and the mixtures of these elastomers.
  • NR natural rubber
  • IRs synthetic polyisoprenes
  • isoprene copolymers examples include isobutene-isoprene (butyl rubber - IIR), isoprene-styrene (SIR), isoprene-butadiene (BIR) or isoprene-butadiene-styrene (SBIR).
  • IIR isobutene-isoprene
  • SIR isoprene-styrene
  • BIR isoprene-butadiene
  • SBIR isoprene-butadiene-styrene
  • This isoprene elastomer is preferably natural rubber or a synthetic polyisoprene of cis-1,4 type.
  • synthetic polyisoprenes polyisoprenes having a content (mol%) of cis-1,4 bonds greater than 90%, more preferably still greater than 98%, are preferably used.
  • compositions of the invention may contain diene elastomers other than isoprenic, in a minority (ie, for less than 50% by weight) or majority (ie, for more than 50%). % by weight), depending on the intended applications. They could also comprise non-diene elastomers, or even polymers other than elastomers, for example thermoplastic polymers.
  • non-isoprenic diene elastomers By way of examples of such non-isoprenic diene elastomers, mention may be made in particular of any highly unsaturated diene elastomer, chosen in particular from the group consisting of polybutadienes (BR) and butadiene copolymers, in particular styrene-butadiene copolymers (SBR). and mixtures of these different elastomers.
  • BR polybutadienes
  • SBR styrene-butadiene copolymers
  • the coupling enhancement provided by the invention is particularly noticeable on rubber compositions whose elastomeric base consists predominantly (i.e., greater than 50% by weight) of polyisoprene, i.e., natural rubber or synthetic polyisoprene.
  • composition according to the invention is particularly intended for a tread for a tire, whether it be a new or used tire (retreading), in particular for a tire intended for industrial or commercial vehicles such as "weight - heavy "- ie, metro, bus, road transport equipment (trucks, tractors, trailers), off-the-road vehicles.
  • the best known embodiment of the invention is to use as isoprene elastomer only polyisoprene, more preferably natural rubber. It is for such conditions that the best performance in terms of rolling resistance and wear resistance has been observed.
  • the composition conforms to The invention may contain at least one essentially saturated diene elastomer, in particular at least one EPDM copolymer or a butyl rubber (optionally chlorinated or brominated), whether these copolymers are used alone or in a mixture with diene elastomers which are highly unsaturated as mentioned above, in particular NR or IR, BR or SBR.
  • any inorganic or mineral filler regardless of its color and origin (natural or synthetic), also called “white” charge, “clear” charge or charge “non-black”
  • the reinforcing inorganic filler is a filler of the siliceous or aluminous type, or a mixture of these two types of filler.
  • the silica (SiO 2 ) used may be any reinforcing silica known to those skilled in the art, in particular any precipitated or fumed silica having a BET surface and a CTAB specific surface area both less than 450 m 2 / g, preferably 30 to 400 m 2 / g.
  • Highly dispersible precipitated silicas are preferred, in particular when the invention is used for the manufacture of tires having a low rolling resistance;
  • examples of such silicas include Ultrasil 7000 silicas from the company Degussa, the silicas Zeosil 1165 MP, 1135 MP and 1115 MP from the company Rhodia, the silica Hi-SiI EZ 150G from the company PPG, the silicas Zeopol 8715 , 8745 or 8755 of the Huber Company, the silicas as described in the application WO 03/016387.
  • the reinforcing alumina (Al 2 O 3) preferably used is a highly dispersible alumina having a BET surface area ranging from 30 to 400 m 2 / g, more preferably between 60 and 250 m 2 / g, an average particle size at most equal to 500 nm, more preferably at most equal to 200 nm.
  • aluminas "Baikalox A125” or "CR125” (Baikowski company), "APA-100RDX” (Condea), "Aluminoxid C” (Degussa) or "AKP-G015" (Sumitomo Chemicals).
  • inorganic filler suitable for use in the rubber compositions of the invention, mention may also be made of aluminum (oxide) hydroxides, aluminosilicates, titanium oxides, carbides or nitrides of silicon, all of the reinforcing type as described for example in the applications WO 99/28376, WO 00/73372, WO 02/053634, WO 2004/003067, WO 2004/056915.
  • the reinforcing inorganic filler used in particular if it is silica, preferably has a BET surface area of between 60 and 350 m 2 / boy Wut.
  • An advantageous embodiment of the invention consists in using a reinforcing inorganic filler, in particular a silica, having a high BET specific surface area, in a range of 130 to 300 m 2 / g, because of the high reinforcing power of such charges.
  • a reinforcing inorganic filler in particular a silica, having a BET specific surface area of less than 130 m 2 / g, preferably in such a case of between 60 and 130 m 2. / g (see for example WO03 / 002648 and WO03 / 002649).
  • the physical state in which the reinforcing inorganic filler is present is indifferent whether in the form of powder, microbeads, granules, beads or any other suitable densified form.
  • the term "reinforcing inorganic filler” also refers to mixtures of different reinforcing inorganic fillers, in particular highly dispersible siliceous and / or aluminous fillers as described above.
  • this level of reinforcing inorganic filler will be chosen between 20 and 200 phr, more preferably between 30 and 150 phr, in particular greater than 40 phr (for example between 40 and 120 phr, in particular between 40 and 80 phr).
  • the BET surface area is determined in a known manner by gas adsorption using the Brunauer-Emmett-Teller method described in "The Journal of the American Chemical Society” Vol. 60, page 309, February 1938, more precisely according to the French standard NF ISO 9277 of December 1996 (multipoint volumetric method (5 points) - gas: nitrogen - degassing: time at 160 ° C. - field of relative pressure p / po: 0.05 to 0.17).
  • the CTAB specific surface is the external surface determined according to the French standard NF T 45-007 of November 1987 (method B).
  • a coupling agent inorganic filler / diene elastomer
  • Y inorganic filler / diene elastomer
  • X sulfur function
  • the essential feature of the coupling system used according to the invention is that it comprises, in combination, two polyfunctional (at least bifunctional) coupling agents (inorganic filler / isoprene elastomer), both Compound I and Compound II, of the organosilicon type.
  • Compound I is a sulphurized silane, of the monosulphide type, such as polysulphide (disulphide included).
  • the bifunctional sulphide silanes that can be used as a coupling agent in diene elastomer compositions reinforced with an inorganic filler such as silica are well known to a person skilled in the art.
  • silane belonging to the family of polysulfurized silanes called “symmetrical” or “asymmetrical” according to their particular structure, as described for example in the aforementioned WO03 / 002648 and WO03 / 002649 applications.
  • x is an integer of 2 to 8, preferably 2 to 5;
  • Z 1 and Z 2 identical or different, each represent a divalent hydrocarbon radical having 1 to 18 carbon atoms;
  • Y 1 and Y 2 identical or different, each respond to one of the formulas below:
  • the R 1 radicals, substituted or unsubstituted, identical or different represent an alkyl group Ci-C 18 cycloalkyl, C 5 -Cu aryl or C 6 -C 18;
  • the average value of "x" is a fractional number preferably between 2 and 5, more preferably close to
  • Z 1 and Z 2 are preferably selected from the group consisting of alkylenes and Ci-Ci 8 arylenes CO-C I2, more preferably from alkylene Ci-C 1O, particularly C 4 -C; more preferably, Z 1 and Z 2 represent propylene.
  • R 1 substituted or unsubstituted, identical or different, are chosen from alkyls C-6, cyclohexyl and phenyl, more preferably from alkyl C 1 -C 4 alkyl; even more preferentially, R 1 represents methyl.
  • radicals R 2 substituted or unsubstituted, which are identical or different from each other, are preferably chosen from hydroxyl, C 1 -C 8 alkoxyls and C 5 -C 8 cycloalkoxyls, more preferentially from hydroxyl and C 1 -C alkoxyls. 4 ; even more preferably, R 2 is selected from the group consisting of hydroxyl, methoxyl and ethoxyl.
  • polysulphide silanes mention may be made more particularly of polysulfides (in particular disulfides, trisulphides or tetrasulfides) of bis (C 1 -C 4 alkoxy) -alkyl (C 1 -C 4 ) silyl-alkyl (C 1 -C 4 ) )), such as polysulfides of bis (3-trimethoxysilylpropyl) or bis (3-triethoxysilylpropyl).
  • TESPT bis (3-triethoxysilylpropyl) tetrasulfide
  • TESPD bis (3-triethoxysilylpropyl) tetrasulfide
  • TESPD bis (3-triethoxysilylpropyl) tetrasulfide
  • TESPD is marketed for example by Degussa under the name Si75 (as a mixture of disulfide - 75% by weight - and polysulfides), or by the company Witco under the name Silquest Al 589.
  • the TESPT is marketed for example by the company Degussa under the name Si69 (or X50S when supported at
  • particularly preferred coupling agents are polysulfides (especially disulfides, trisulphides or tetrasulfides) of bis (monoalkoxyl (C 1 -C 4 ) -dialkyl (C 1 -C 4 ) silylpropyl), more particularly tetrasulfide or disulphide of bis-monoethoxydimethylsilylpropyl, respectively MESPT of formula [(CH 3 ) 2 (C 2 H 5 O) Si (CH 2 ) 3 S 2] 2) and MESPD of formula [(CH 3 MC 2 H 5 O) Si (CH 2) 3 S] 2 ), as described in the application WO02 / 083782.
  • Compound II is a polyfunctional (at least bifunctional) organosilicon compound graftable on the one hand to the reinforcing inorganic filler by means of (at least one) silylated functional group G, and on the other hand to the isoprene elastomer by means of one (at least one) azo-dicarbonyl functional group, said organosilicon compound having the formula:
  • G is the silyl functional group carrying a (at least one) hydroxyl or hydrolysable group attached to a silicon atom of the compound;
  • Z is a divalent linking group linking the azo-dicarbonyl functional group to the silyl functional group;
  • A represents a monovalent hydrocarbon group or the group of formula
  • Z 1 is a divalent linking group for linking the azo-dicarbonyl functional group to another silylated functional group G ';
  • G 1 which is identical to or different from G, is a silyl functional group carrying a (at least one) other hydroxyl or hydrolyzable group attached to a silicon atom (identical to or different from that of group G); o A, Z and optionally Z 'may comprise, independently, a heteroatom.
  • organosilicon or "organosilicon” compound
  • organosilicon compound an organic compound containing at least one carbon-silicon bond
  • group “silylated” a group carrying a single (it is then called monosilyl) or several (it is then called polysilyl) atom (s) of silicon.
  • silylated group G which therefore has the characteristic essential to carry a (at least one) hydroxyl group or hydrolyzable attached to its silicon atom (if this group G is of the monosilyl type) or on at least one of its silicon atoms (if this group G is of the polysilyl type).
  • the monovalent hydrocarbon group which may be represented by A may be aliphatic, linear or branched, or carbocyclic, in particular aromatic; it may be substituted or unsubstituted, saturated or unsaturated.
  • the divalent group Z preferably comprising from 1 to 18 carbon atoms, preferentially connects the azo-dicarbonyl functional group to the silylated functional group G via a silicon atom, which may be identical to or different from the silicon atom to which the hydroxyl or hydrolyzable group is attached.
  • Z is preferably chosen from saturated or unsaturated aliphatic hydrocarbon groups, saturated, unsaturated and / or aromatic, monocyclic or polycyclic carbocyclic groups, and groups having a saturated or unsaturated aliphatic hydrocarbon portion and a carbocyclic portion as defined herein; -above. It is more preferably an alkylene chain, a saturated cycloalkylene group, an arylene group, or a divalent group consisting of a combination of at least two of these groups.
  • aliphatic hydrocarbon group is understood to mean a linear or branched group, preferably comprising from 1 to 18 carbon atoms, which may be optionally substituted.
  • said aliphatic hydrocarbon group comprises from 1 to 12 carbon atoms, better still from 1 to 8 carbon atoms, more preferably still from 1 to 6 carbon atoms.
  • alkyl groups such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, t-butyl, pentyl, isopentyl, neopentyl, 2-methylbutyl, 1-ethylpropyl, hexyl, isohexyl, neohexyl, 1-methylpentyl, 3-methylpentyl, 1,1-dimethylbutyl, 1,3-dimethylbutyl, 2-ethylbutyl, 1-methyl-1-ethylpropyl, heptyl, 1-methylhexyl, 1-propylbutyl, 4,4-dimethylbutyl, dimethylpentyl, octyl, 1-methylheptyl, 2-ethylhexyl, 5,5-dimethylhexyl, nonyl, decyl, 1-methyln
  • the unsaturated aliphatic hydrocarbon groups that may be used comprise one or more unsaturations, preferably one, two or three unsaturations of the ethylenic (double bond) or / and acetylenic (triple bond) type.
  • unsaturations preferably one, two or three unsaturations of the ethylenic (double bond) or / and acetylenic (triple bond) type.
  • the unsaturated aliphatic hydrocarbon groups comprise a single unsaturation.
  • carbocyclic radical is meant a monocyclic or polycyclic radical, optionally substituted, preferably C3-C50.
  • it is a C 3 -C 8 radical, preferably mono-, bi- or tricyclic.
  • the carbocyclic radical comprises more than one ring nucleus (in the case of polycyclic carbocycles)
  • the cyclic rings are condensed in pairs. Two fused rings may be ortho-condensed or pericondensed.
  • the carbocyclic radical may comprise, unless otherwise indicated, a saturated part and / or an aromatic part and / or an unsaturated part.
  • saturated carbocyclic radicals are cycloalkyl groups.
  • the cycloalkyl groups are C 3 -C S, more preferably C 5 -C 10.
  • Mention may in particular be made of cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, adamantyl or norbornyl radicals.
  • the unsaturated carbocycle or any unsaturated carbocyclic moiety present one or more ethylenic unsaturation, preferably one, two or three. It advantageously comprises from 6 to 50 carbon atoms, more preferably from 6 to 20, for example from 6 to 18 carbon atoms.
  • Examples of unsaturated carbocycles are cycloalkenyl groups, C 6 -C io-
  • aromatic carbocyclic radicals are aryl groups, C 6 -C 1S and especially phenyl, naphthyl, anthryl and phenanthryl.
  • a group having both a hydrocarbon aliphatic moiety and a carbocyclic moiety as defined above is, for example, an arylalkyl group such as benzyl, or an alkylaryl group such as tolyl.
  • substituents of the hydrocarbon aliphatic groups or moieties and carbocyclic groups or moieties are, for example, alkoxyl groups in which the alkyl moiety is preferentially as defined above.
  • the groups Z 'and G' have the same definitions and preferred characteristics as those described above for the Z and G groups.
  • Z ' may be identical to or different from Z, it makes it possible to connect the azo-dicarbonyl functional group to a second silyl functional group G' carrying a (at least one) second hydroxyl or hydrolyzable group attached to a at least one) silicon atom, identical or different from that of the group G, G 'may itself be identical to G or different from the latter.
  • At least one of the groups A, Z and, where appropriate, Z ' comprises a (at least one) heteroatom chosen preferentially from O, S and N. This heteroatom is preferably directly connected to the adjacent carbonyl bond.
  • the monovalent hydrocarbon radical A is preferably in the form of a monovalent hydrocarbon radical chosen from -OR, -NR and -SR
  • R monovalent hydrocarbon radical any preferably having from 1 to 18 carbon atoms
  • the residue -OR is preferred, with R representing a C 1 -C 6 alkyl, preferably C 4 -C 4 (methyl, ethyl, propyl, butyl), more preferably C 1 (methyl) or C 2 (ethyl).
  • Z 'alone, or both it is preferably in the form of a divalent hydrocarbon residue selected from the radicals -R'-NH-;-R'-O-; and -R'-S (R 'any divalent hydrocarbon radical preferably having 1 to 18 carbon atoms); the rest -R'-NH- is preferred, with R 'representing a C 1 -C 6 alkylene, preferably C 1 -C 4 alkylene (methylene, ethylene, propylene, butylene), more preferably C 3 (propylene).
  • Compound II is an organosilane whose silyl group G preferably corresponds to one of the formulas below:
  • G2 G2 G2 wherein: the G 1 radicals, substituted or unsubstituted, identical or different, are selected from the group consisting of alkyl Ci-Cis, cycloalkyl C 5 -C S and aryls C 6 -Cj 8 ; - the radicals G 2, substituted or unsubstituted, identical or different, are selected from the group consisting of hydroxyl, alkoxyls C] 8 cycloalkoxyls C 5 -C 8.
  • a is an integer equal to 1, 2 or 3;
  • A, Z, G 1 and G 2 have the definitions given above.
  • a variant of Compound II of formula (III) consists of a "symmetrical" type azosilane dicarbonyl of formula:
  • b identical to or different from a, is an integer equal to 1, 2 or 3;
  • G and G 4 respectively identical to or different from G and G, have the same definitions as those given supra, respectively, for G and G;
  • Z ' identical to or different from Z, has the same definition as that given above for Z.
  • radicals G and G 3 which are identical to or different from each other, are chosen from the group consisting of C 1 -C 6 alkyl, cyclohexyl or phenyl groups; -
  • the radicals G and G 4 identical or different from each other, are selected from the group consisting of hydroxyl groups, C 1 -C 8 alkoxyls and C 5 -C 8 cycloalkoxyls.
  • At least one, more preferably all, of the following characteristics has the following characteristics: which is verified:
  • radicals G 1 and G 3 are chosen from C 1 -C 4 alkyls, more particularly from methyl and ethyl; the radicals G and G 4 are chosen from hydroxyl and C 1 -C 4 alkoxyls, more particularly from hydroxyl, methoxyl and ethoxyl.
  • Z (and optionally Z ') is C 1 -C 10 alkylene having a heteroatom preferably selected from O, S and N; more preferably Z (and optionally Z ') is a divalent radical selected from the group consisting of - (CH 2 ) y -; -NH- (CH 2 ) y -; -O- (CH 2 ) y -; y being an integer preferably from 1 to 6, more preferably from 1 to 4, in particular equal to 3.
  • G 1 and G 2 on the one hand, and G 3 and G 4, on the other hand, could also form, together with the silicon atom carrying them, a monocyclic or polycyclic carbocyclic group having from 2 to 10 ring carbon atoms and capable of have one or more oxygenated cyclic heteroatom (s).
  • RO-CO-N N-CO-Z-SiG 1 P -3 ) G 2 Ca)
  • Azosilane compounds symmetrical or asymmetric, in which Z has a nitrogen atom as a heteroatom, are for example those corresponding to the following formulas (VI) or (VII) in which y and y ', which are identical or different for the same formula, are integers from 1 to 6, preferably from 1 to 4, more preferably equal to 3:
  • A-CO-N N-CO-NH- (CH 2 ) y -Si G 1 Q +) G 2 (a )
  • VH-e (CH 3 ) (C 2 H 5 O) 2 Si -
  • V -HN-CO-N N-CO-NH- (CH 2 ) y -Si (OC 2 H 2 ) 2 ( CH 3 ) (VII-f) (CH 3 ) 2 (C 2 H 5 O) Si - (CH 2 ) y .
  • -HN-CO-N N-CO -NH- (CH 2 ) y -Si (OC 2 H 5 ) (CH 3 ) 2
  • a - CO - N N - CO - O - (CH 2 ) y - Si G 1 (a) G 2 (a )
  • CH 3 -O- -CO-N N-CO-O- (CH 2 ) y -Si (OH) 2 (CH 3 )
  • azosiloxanes also polyfunctional (at least bifunctional) comprising, as groups G and / or G ', in the formula (II) above, one or more siloxane unit (s) instead of the silane unit (s), or mixtures of such siloxanes with such silanes.
  • Compound II is an organosilicon compound comprising the siloxyl units of the following general formulas:
  • n, o, p each represents an integer or fractional number equal to or greater than O;
  • q represents an integer or fractional number equal to or greater than 1;
  • c represents an integer selected from O, 1, 2 and 3;
  • G 0 which may be identical or different, each represent one of the groups corresponding to G 2 or G 1 ; - A, Z, G 1 and G 2 have the definitions given above for the general formula (II) and for the particular formulas (III) to (IX).
  • organosilicon compound chosen from the group consisting of azosilanes, azosiloxanes (including oligomers and siloxane polymers) and mixtures of such compounds.
  • This simplified notation is particularly well known in the field of organosiloxanes; it encompasses the different particular formulas that are possible for the siloxyl units, regardless of their degree of functionalization, their position on the molecule or the siloxane chain (for example along the chain or at the end of the chain) or the nature siloxane (for example a linear, branched or cyclic polyorganosiloxane, a random, block or block copolymer).
  • the azosilanes of ( ⁇ ) type above can be prepared according to a synthetic process comprising the steps described below.
  • Oxidation occurs easily by operating with an oxidizing system based for example on N-bromosuccinimide and pyridine, used in stoichiometric amounts or in excess of the latter.
  • a precursor silane of formula (G 2 ) a (G 1 ) 3-a Si- (CH 2 ) y -NCO is reacted with a precursor hydrazo derivative of formula H ⁇ N-NH-CO-A to obtain the silane hydrazo of formula:
  • the organosilicon compounds functionalized type ( ⁇ ) and ( ⁇ ) may be prepared according to a synthetic method of oxidizing the hydrazo group of the precursor silane (G 2 J 0 (G 1 J c 'Si-Z-CO-NH-NH -CO-A using an oxidizing system comprising at least one oxidant (for example a halogen such as bromine) and at least one base (for example a mineral base such as Na 2 CO 3 ), this time involving an additional reagent chosen from mono- and polyalkoxysilanes (for example trimethylethoxysilane), and preferably operating in an organic liquid medium (for example using a solvent such as dichloromethane).
  • an oxidizing system comprising at least one oxidant (for example a halogen such as bromine) and at least one base (for example a mineral base such as Na 2 CO 3 ), this time involving an additional reagent chosen from mono- and polyalkoxysilanes (for example trimethylethoxysilane
  • An advantageous procedure for carrying out this process consists of charging to the reactor at room temperature (23 ° C.): the precursor silane (G 2 Jc (G 1 ) Si-Z-CO-NH-NH-CO-A) the base (its amount depending on the oxidizing agent used, for example, in the case of bromine, two molar equivalents of base with respect to bromine), the organic solvent and the additional reagent (its corresponding amount by example to at least one molar equivalent relative to the precursor), then to add progressively in the reaction medium the oxidizing system (its molar amount being for example stoichiometric with respect to that of the precursor).
  • the precursor silane G 2 Jc (G 1 ) Si-Z-CO-NH-NH-CO-A
  • the base its amount depending on the oxidizing agent used, for example, in the case of bromine, two molar equivalents of base with respect to bromine
  • the organic solvent and the additional reagent its corresponding amount by example to at least one molar equivalent relative to the precursor
  • reaction mixture is then filtered and then concentrated in vacuo. 9.77 g of a fluid bright orange liquid are obtained. Analysis by 1 H NMR showed that the compound 1 has been completely consumed, that the azo group was selectively formed and the loss SiOEt is limited.
  • the final product obtained is a mixture of the two siloxane species of formula (XI-1) and (XII-1) and of the silane species (VI-j):
  • the azoorganosiloxanes of ( ⁇ ) type are preferably siloxane oligomers comprising from 2 to 20, more preferably from 2 to 12 (for example from 2 to 6) silicon atoms (number corresponding to the sum m + n + o + p + q of the formula (X)).
  • the overall content of the coupling system is preferably between 2 and 15 phr, more preferably between 2 and 12 phr (for example between 4 and 8 phr). But it is generally desirable to use as little as possible.
  • the coupling system level typically represents between 0.5 and 15% by weight relative to the amount of inorganic filler; preferably, it is less than 12%, more preferably less than 10% by weight relative to this amount of filler.
  • the weight ratio (Compound I: Compound II) is preferably between 1: 10 and 10: 1, more preferably between 1: 5 and 5: 1, even more preferably between 1: 3 and 3: 1, for example between 1 : 2 (0.5) and 2: 1 (2.0). All or part of the coupling system according to the invention could be previously grafted (via the "X" functions) on the isoprene elastomer of the composition of the invention, the elastomer thus functionalized or "pre-coupled” then having the functions " Y "free for the reinforcing inorganic filler.
  • the tread rubber compositions according to the invention also comprise all or part of the usual additives normally used in elastomer compositions intended for the production of treads, for example plasticizers or extension oils. whether the latter are of aromatic or non-aromatic nature, pigments, protective agents such as antiozone waxes, chemical antiozonants, antioxidants which it is preferable to keep present in the mass, anti-oxidising agents, fatigue, reinforcing or plasticizing resins, acceptors (for example phenolic novolak resin) or methylene donors (for example HMT or H3M) as described, for example, in the aforementioned application WO 02/10269, a crosslinking system based either on of sulfur, either of sulfur and / or peroxide and / or bismaleimide donors, vulcanization accelerators, vulcanizate activators ion.
  • plasticizers or extension oils whether the latter are of aromatic or non-aromatic nature, pigments, protective agents such as antiozone waxes, chemical antiozonants, antioxidants
  • these compositions comprise, as preferred non-aromatic or very weakly aromatic plasticizing agent, at least one compound selected from the group consisting of naphthenic, paraffinic, MES, TDAE oils, esters (especially trioleate) oils.
  • glycerol hydrocarbon plasticizing resins having a high Tg preferably greater than 30 ° C., and mixtures of such compounds.
  • the overall level of such a preferred plasticizer is preferably between 15 and 45 phr, more preferably between 20 and 40 phr.
  • the reinforcing filler described above that is to say the non-black (in particular inorganic) reinforcing filler plus carbon black, if appropriate, may also be added, depending on the intended application, to the inert fillers ( ie, non-reinforcing) such as clay particles, bentonite, talc, chalk, kaolin, usable for example in colored tire sidewalls or treads.
  • inert fillers ie, non-reinforcing
  • compositions may also contain, in addition to the coupling agents, coupling activators, coating agents (for example comprising the only function Y) of the non-black reinforcing filler or, more generally, processing aids which can be used in known manner, by improving the dispersion of the non-black filler in the rubber matrix and by lowering the viscosity of the compositions, to improve their ability to implement in the green state, these agents being for example hydroxylated or hydrolysable silanes such as hydroxysilanes, alkylalkoxysilanes (especially alkyltriethoxysilanes), polyols, polyethers ( for example polyethylene glycols), primary, secondary or tertiary amines (for example trialkanol amines), hydroxylated or hydrolysable polyorganosiloxanes, for example ⁇ , ⁇ -dihydroxy-polyorganosiloxanes (in particular ⁇ , ⁇ -dihydroxy-polydimethylsiloxanes),
  • compositions are manufactured in appropriate mixers, using two successive preparation phases well known to those skilled in the art: a first phase of work or thermomechanical mixing (sometimes called a "non-productive" phase) at high temperature, to a maximum temperature (denoted T max) of between 1 10 0 C and 190 0 C, preferably between 13O 0 C and 180 0 C, followed by a second mechanical working stage
  • a finishing phase at a lower temperature, typically less than 120 ° C., for example between 60 ° C. and 100 ° C., a finishing phase during which the crosslinking or vulcanization system is incorporated.
  • the manufacturing method according to the invention is characterized in that at least the reinforcing inorganic filler and all or part of the coupling system are incorporated by kneading with the diene elastomer, during the first so-called non-productive phase, c that is to say that is introduced into the mixer and that thermomechanically kneaded, in one or more steps, at least these various basic constituents until a maximum temperature of between 110 0 C and 190 0 C, preferably between 130 ° C. and 180 ° C.
  • the first (non-productive) phase is carried out in a single thermomechanical step during which, in a suitable mixer such as a conventional internal mixer, all the necessary basic constituents are first introduced. (Diene elastomer, reinforcing inorganic filler and all or part of the coupling system) > then, in a second step, for example after one to two minutes of mixing, any additional coating or processing agents and other miscellaneous additives, the exception of the vulcanization system.
  • the total mixing time, in this non-productive phase is preferably between 2 and 10 minutes.
  • the second part of the coupling system and then the vulcanization system at low temperature are then incorporated, where appropriate.
  • an external mixer such as a roll mill; the whole is then mixed (productive phase) for a few minutes, for example between 5 and 15 minutes.
  • all of the compound I is introduced during the non-productive phase, at the same time as the reinforcing inorganic filler, while the The introduction of Compound II (azosilane) can be fractionated (for example 25/75, 50/50 or 75/25 parts respectively) on the two successive phases, initially non-productive (ie, in the internal mixer). ) then productive (ie, in the external mixer); however, in other possible embodiments, all of the Compound II could be introduced into either the non-productive phase or the productive phase.
  • the final composition thus obtained is then calendered, for example in the form of a sheet, a plate or extruded, for example to form a rubber profile used for the manufacture of semi-finished products such as treads, crown reinforcement plies, sidewalls, carcass plies, heels, protectors, inner tubes or tubeless tire inner liner.
  • the vulcanization (or cooking) is conducted in a known manner at a temperature generally between 130 ° C. and 200 ° C., preferably under pressure, for a sufficient time which may vary, for example, between 5 and 90 min, depending in particular on the temperature cooking, the vulcanization system adopted and the kinetics of vulcanization of the composition in question.
  • the vulcanization system itself is preferably based on sulfur and a primary vulcanization accelerator, in particular a sulfenamide type accelerator.
  • a primary vulcanization accelerator in particular a sulfenamide type accelerator.
  • various known secondary accelerators or vulcanization activators such as zinc oxide, stearic acid, guanidine derivatives (especially diphenylguanidine), etc.
  • Sulfur is used at a preferential rate of between 0.5 and 10 phr, more preferably between 0.5 and 5.0 phr, for example between 0.5 and 3.0 phr, when the invention is applied to a strip. rolling of tire.
  • the primary vulcanization accelerator is used at a preferential rate of between 0.5 and 10 phr, more preferably between 0.5 and 5.0 phr, in particular when the invention is applied to a tire tread.
  • the invention relates to the rubber compositions described above both in the so-called “raw” (i.e., before firing) state and in the so-called “cooked” or vulcanized (i.e., after crosslinking or vulcanization) state.
  • the compositions according to the invention can be used alone or in a blend (i.e., in a mixture) with any other rubber composition that can be used for the manufacture of tires.
  • the azosilane of formula (VI-j) is obtained in one step from the oxidative precursor of the azo-functional hydrazino function using an N-Bromosuccinimide (NBS) and pyridine-based oxidant system added in stoichiometric amounts relative to to the precursor.
  • NBS N-Bromosuccinimide
  • pyridine-based oxidant system added in stoichiometric amounts relative to to the precursor.
  • the precursor, pyridine and dichloromethane are charged to a reactor which is placed under an argon atmosphere; the reaction medium is substantially colorless homogeneous.
  • N-Bromosuccinimide is added in 30 minutes with a spatula. The temperature is kept below 25 ° C. From the first addition of NBS, the reaction medium becomes bright orange. The reaction medium is stirred at room temperature for 2 hours after the end of the addition of NBS. The reaction medium is concentrated under reduced pressure on a rotary evaporator.
  • the residue which is in the form of an orange paste, is taken up in 100 ml of a heptane / iPr 2 O mixture (1/1: vol / vol) and then filtered on sintered glass (125 ml) of porosity 4
  • the filter cake is washed with an additional 4 x 25 ml of the solvent mixture. previous.
  • the mother liquors are filtered a second time on the cake.
  • the filtrate is concentrated under reduced pressure.
  • azosilane of formula VI 94.5%; precursor compound: 0.2%; succinimide: 5%; pyridine residues: 0.3%.
  • compositions thus obtained are then calendered either in the form of plates (thickness of 2 to 3 mm) or thin sheets of rubber for the measurement of their physical or mechanical properties, or in the form of profiles that can be used directly, after cutting and / or or assembly to the desired dimensions, for example as semi-finished products for tires, in particular as treads of tires.
  • This test aims to demonstrate the improved coupling performance provided by the coupling system of the invention, compared to a conventional coupling agent.
  • compositions based on natural rubber reinforced with carbon black or with an HDS silica are prepared, these three compositions essentially differing in the following technical characteristics:
  • composition CI black carbon charge (therefore without coupling agent); composition C-2: silica filler with conventional silane coupling agent; composition C-3: silica filler with coupling system according to the invention.
  • the coupling system of the composition C-3 is used at an isomolar silicon content compared to the control composition C-2, that is to say that the same number of moles is used regardless of the composition.
  • "Y" functions Si (OEt) 3 ) reactive with silica and its surface hydroxyl groups.
  • Tables 1 and 2 give the formulation of the various compositions (Table 1 - levels of the different products expressed in parts per weight per hundred parts of elastomer) as well as their rheometric properties, and properties after curing (about 20 minutes to 150 ° C.).
  • VS the vulcanization system is sulfur and sulfenamide.
  • the attached single figure reproduces the modulus curves (in MPa) as a function of the elongation (%); these curves are denoted C1, C2 and C3 and correspond to compositions CI, C-2 and C-3, respectively.
  • Table 2 shows first, for the composition according to the invention C-3, compared to the control composition C-2, a much faster vulcanization kinetics, illustrated by a constant K of conversion speed which is significantly higher (multiplied by 1.4), as well as a significantly reduced cooking time (T 99 -T1) (divided by 1, 4).
  • the composition in accordance with the invention exhibits substantially equivalent breaking properties, but the highest values of modulus under high strain (M300) and ratio M300 / M100, a clear indicator for those skilled in the art. better reinforcement provided by the inorganic filler and the new coupling system.
  • the appended figure confirms the previous observation: the composition of the invention C-3 (curve C3) compared to the control composition C-2 (curve C2) reveals a higher level of reinforcement (modulus) whatever the level of elongation under large deformation (elongations of 100% and more), the difference between the two curves being all the more pronounced as the elongation increases; such behavior clearly illustrates an improved coupling between the reinforcing inorganic filler and the diene elastomer.
  • composition of the invention C-3 compared to C-2 reveals a markedly improved hysteresis, as demonstrated by values of tan ( ⁇ ) max and ⁇ G * significantly decreased, which is the recognized indicator of a reduction. the rolling resistance of the tires and, consequently, the energy consumption of motor vehicles equipped with such tires.
  • the ratio (M300 / M100) achieved on the composition of the invention C-3 is greater than that obtained on the natural rubber matrix conventionally charged with carbon black (control composition CI ), sign of an excellent level of reinforcement, confirmed in the appended figure by very similar traction curves C1 and C3; such results suggest a very good ability of the composition of the invention to resist wear.
  • the invention finds particularly advantageous applications in rubber compositions intended for the manufacture of tire treads based on isoprene elastomer, in particular when these treads are intended for tires for industrial vehicles of the heavy truck type. .
  • Table 1
  • silica "Zeosil 1165 MP” from Rhodia in the form of microbeads BET and CTAB: about 150-160 m 2 / g

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Abstract

Pneumatique et composition de caoutchouc pour pneumatique à base d'au moins un élastomère isoprénique (par exemple du caoutchouc naturel), une charge inorganique à titre de charge renforçante (par exemple de la silice), un système de couplage assurant la liaison entre ladite charge inorganique renforçante et l'élastomère isoprénique, ledit système de couplage comportant en combinaison : • à titre de premier agent de couplage, un composé silane sulfuré ; • à titre de second agent de couplage, un composé organosilicié (par exemple un organosilane ou un organosiloxane) au moins bifonctionnel greffable sur l'élastomère au moyen d'un groupe fonctionnel azo-dicarbonyle (-CO-N=N-CO-).

Description

COMPOSITION DE CAOUTCHOUC POUR PNEUMATIQUE COMPORTANT UN SYSTEME DE COUPLAGE ORGANOSILICIQUE
La présente invention est relative aux compositions d'élastomères diéniques renforcées d'une charge inorganique telle que silice, destinées à la fabrication de pneumatiques ou de produits semi-finis pour pneumatiques, en particulier aux bandes de roulement de ces pneumatiques.
Elle se rapporte plus particulièrement aux agents de couplage destinés à assurer la liaison, dans de telles compositions, entre ces élastomères diéniques et ces charges inorganiques renforçantes.
De façon à réduire la consommation de carburant et les nuisances émises par les véhicules à moteur, des efforts importants ont été réalisés par les concepteurs de pneumatiques afin d'obtenir des pneumatiques présentant à la fois une très faible résistance au roulement, une adhérence améliorée tant sur sol sec que sur sol humide ou enneigé, ainsi qu'une bonne résistance à l'usure.
Ceci a été rendu possible notamment grâce à la mise au point de nouvelles compositions d'élastomères renforcées de charges inorganiques spécifiques qualifiées de "renforçantes", présentant une haute dispersibilité, capables de rivaliser avec le noir de carbone conventionnel du point de vue renforçant, et offrant en outre à ces compositions une hystérèse réduite synonyme d'une plus basse résistance au roulement pour les pneumatiques les comportant. De telles compositions de caoutchouc, comportant des charges inorganiques renforçantes par exemple du type silices ou alumines, ont par exemple été décrites dans les brevets ou demandes de brevet EP 501 227 ou US 5 227 425, EP 735 088 ou US 5 852 099, EP 810 258 ou US 5 900 449, EP 881 252, WO99/02590, WO99/06480, WOOO/05300, WO00/05301. WO02/10269.
La mise en œuvre (ou "processabilité") des compositions de caoutchouc contenant de telles charges reste néanmoins plus difficile que pour les compositions de caoutchouc chargées conventionnellement de noir de carbone. En particulier, il est nécessaire d'utiliser un agent de couplage, encore appelé agent de liaison, qui a pour fonction d'assurer la connexion entre la surface des particules de charge inorganique et l'élastomère, tout en facilitant la dispersion de cette charge inorganique au sein de la matrice élastomérique.
Par agent de "couplage" (charge inorganique/élastomère), on rappelle ici que doit être entendu, de manière connue, un agent apte à établir une connexion suffisante, de nature chimique et/ou physique, entre la charge inorganique et l'élastomère diénique. Un tel agent de couplage, au moins bifonctionnel, a comme formule générale simplifiée « Y- W- X », dans laquelle:
Y représente un groupe fonctionnel (fonction "Y") qui est capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à la charge inorganique, une telle liaison pouvant être établie, par exemple, entre un atome de silicium de l'agent de couplage et les groupes hydroxyle (OH) de surface de la charge inorganique (par exemple les silanols de surface lorsqu'il s'agit de silice) ;
X représente un groupe fonctionnel (fonction "X") capable de se lier physiquement et/ou chimiquement à l'élastomère diénique, par exemple par l'intermédiaire d'un atome de soufre ;
W représente un groupe divalent permettant de relier "Y" et "X".
Les agents de couplage ne doivent en particulier pas être confondus avec de simples agents de recouvrement de la charge inorganique qui, de manière connue, peuvent comporter la fonction "Y" active vis-à-vis de la charge inorganique mais sont en tout cas dépourvus de la fonction "X" active vis-à-vis de l'élastomère diénique.
Des agents de couplage, notamment (silice/ élastomère diénique), ont été décrits dans un grand nombre de documents brevet, les plus connus étant des silanes sulfurés bifonctionnels, en particulier des alkoxysilanes, considérés aujourd'hui comme les produits apportant, pour des vulcanisats chargés à la silice, le meilleur compromis en terme de sécurité au grillage, de facilité de mise en oeuvre et de pouvoir renforçant. Parmi ces silanes sulfurés, doit être cité tout particulièrement le tétrasulfure de bis 3-triéthoxysilylpropyle (en abrégé TESPT), agent de couplage de référence dans les pneumatiques à basse résistance au roulement qualifiés de
"Pneus Verts" pour l'économie d'énergie offerte (concept "Energy-saving Green Tyres").
On cherche toujours aujourd'hui à améliorer les performances de ces agents de couplage pour charge inorganique telle que silice.
Le besoin est particulièrement présent dans le cas de matrices de caoutchouc à base d'un élastomère isoprénique telles que celles utilisées dans les bandes de roulement de pneumatiques Poids-lourd, dans lesquelles, de manière connue, une liaison efficace avec l'élastomère est beaucoup plus difficile à obtenir comparativement à l'emploi de noir de carbone.
Poursuivant leurs recherches, les Demanderesses ont découvert un nouveau système de couplage qui, grâce à la combinaison de deux types d'agents de liaison bien différents, permet d'améliorer de manière très sensible les performances de couplage sur un élastomère isoprénique. En conséquence, un premier objet de l'invention concerne une composition de caoutchouc destinée à la fabrication de pneumatiques, à base d'au moins un élastomère isoprénique, une charge inorganique à titre de charge renforçante; un système de couplage (charge inorganique/ élastomère isoprénique) assurant la liaison entre la charge inorganique et l'élastomère isoprénique, ladite composition étant caractérisée en ce que ledit système de couplage comporte :
• à titre de premier agent de couplage, un composé silane sulfuré (ci-après "Composé I") ;
• à titre de second agent de couplage, un composé organosilicié (ci-après "Composé II") au moins bifonctionnel greffable d'une part sur la charge inorganique au moyen d'un groupe fonctionnel silylé G, d'autre part sur l'élastomère au moyen d'un groupe fonctionnel azo- dicarbonyle, ledit composé organosilicié ayant pour formule :
A - CO - N = N - CO - Z - G
dans laquelle:
- G est le groupe fonctionnel silylé, porteur d'un groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium du composé ; - Z est un groupe de liaison divalent reliant le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle au groupe fonctionnel silylé ;
- A représente un groupe hydrocarboné monovalent ou le groupement de formule Z'-G' dans laquelle : o Z', identique à ou différent de Z, est un groupe de liaison divalent permettant de relier le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle à un autre groupe fonctionnel silylé
G' ; o G1, identique à ou différent de G, est un groupe fonctionnel silylé porteur d'un autre groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium ;
- A, Z et le cas échéant Z' pouvant comporter, indépendamment, un hétéroatome.
Un tel système de couplage permet d'abaisser encore, et de manière notable, l'hystérèse des compositions de caoutchouc, par voie de conséquence la résistance au roulement des pneumatiques et la consommation d'énergie des véhicules automobiles équipés de tels pneumatiques.
L'invention a également pour objet un procédé pour préparer une composition de caoutchouc destinée à la fabrication de pneumatiques ou de produits semi-finis pour pneumatiques, présentant une hystérèse améliorée, cette composition étant à base d'un élastomère isoprénique, d'une charge inorganique renforçante et d'un système de couplage, ledit procédé comportant les étapes suivantes : incoφorer à un élastomère isoprénique, au cours d'une première étape dite "non- productive", au moins une charge inorganique renforçante et tout ou une première partie d'un système de couplage assurant la liaison entre ladite charge inorganique renforçante et l'élastomère isoprénique, en malaxant thermomécaniquement le tout, en une ou plusieurs fois, jusqu'à atteindre une température maximale comprise entre HO0C et 19O0C ;
- refroidir l'ensemble à une température inférieure à 1000C ;
- incorporer ensuite, au cours d'une seconde étape dite "productive", le cas échéant la seconde partie du système de couplage, puis un système de réticulation (ou vulcanisation) ;
- malaxer le tout jusqu'à une température maximale inférieure à 12O0C,
et étant caractérisé en ce ledit système de couplage comporte en combinaison les Composés I et II ci-dessus.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'une composition selon l'invention pour la fabrication de pneumatiques ou de produits semi-finis en caoutchouc destinés à ces pneumatiques, ces produits semi-finis étant notamment choisis dans le groupe constitué par les bandes de roulement, les nappes d'armature de sommet, les flancs, les nappes d'armature de carcasse, les bourrelets, les protecteurs, les sous-couches, les blocs de caoutchouc et autres gommes internes, notamment les gommes de découplage, destinés à assurer la liaison ou l'interface entre les zones précitées des pneumatiques.
L'invention a également pour objet ces pneumatiques et ces produits semi-finis eux-mêmes, lorsqu'ils comportent une composition de caoutchouc conforme à l'invention. L'invention concerne en particulier les bandes de roulement de pneumatiques, ces bandes de roulement pouvant être utilisées lors de la fabrication de pneumatiques neufs ou pour le rechapage de pneumatiques usagés ; grâce aux compositions de l'invention, ces bandes de roulement présentent à la fois une résistance élevée à l'usure et une résistance au roulement réduite.
La composition conforme à l'invention est particulièrement adaptée à la fabrication de pneumatiques ou de bandes de roulement de pneumatiques destinés à équiper des véhicules de tourisme, camionnettes, véhicules 4x4 (à 4 roues motrices), deux roues, "Poids-lourd" - c'est-à-dire métro, bus, engins de transport routier (camions, tracteurs, remorques), véhicules hors-la-route) - , avions, engins de génie civil, agraire, ou de manutention.
L'invention ainsi que ses avantages seront aisément compris à la lumière de la description et des exemples de réalisation qui suivent, ainsi que de la figure unique annexée qui reproduit des courbes de variation de module en fonction de l'allongement pour différentes compositions de caoutchouc, conformes ou non à l'invention. I. MESURES ET TESTS UTILISES
Les compositions de caoutchouc sont caractérisées, avant et après cuisson, comme indiqué ci-après.
I- 1. Rhéométrie:
Les mesures sont effectuées à 15O0C avec un rhéomètre à chambre oscillante, selon la norme DIN 53529 - partie 3 (juin 1983). L'évolution du couple rhéométrique en fonction du temps décrit l'évolution de la rigidification de la composition par suite de la réaction de vulcanisation. Les mesures sont traitées selon la norme DIN 53529 - partie 2 (mars 1983) : Ti est le délai d'induction, c'est-à-dire le temps nécessaire au début de la réaction de vulcanisation ; Tα (par exemple T99) est le temps nécessaire pour atteindre une conversion de α%, c'est-à-dire α% (par exemple 99%) de l'écart entre les couples minimum et maximum. On mesure également la constante de vitesse de conversion notée K (exprimée en min'1), d'ordre 1, calculée entre 30% et 80% de conversion, qui permet d'apprécier la cinétique de vulcanisation.
1-2. Essais de traction
Ces essais permettent de déterminer les contraintes d'élasticité et les propriétés à la rupture. Sauf indication différente, ils sont effectués conformément à la norme française NF T 46-002 de septembre 1988. On mesure en seconde élongation (i.e. après un cycle d'accommodation) les modules sécants nominaux (ou contraintes apparentes, en MPa) à 10% d'allongement (notés MlO), 100% d'allongement (MlOO) et 300% d'allongement (M300). On mesure également les contraintes à la rupture (en MPa) et les allongements à la rupture (en %).
Un traitement des enregistrements de traction permet également de tracer la courbe de module en fonction de l'allongement (voir figure annexée), le module utilisé ici étant le module sécant vrai mesuré en première élongation, calculé en se ramenant à la section réelle de l'éprouvette et non à la section initiale comme précédemment pour les modules nominaux.
1-3. Propriétés dynamiques
Les propriétés dynamiques ΔG* et tan(δ)max sont mesurées sur un viscoanalyseur (Metravib VA4000), selon la norme ASTM D 5992-96. On enregistre la réponse d'un échantillon de composition vulcanisée (éprouvette cylindrique de 4 mm d'épaisseur et de 400 mm2 de section), soumis à une sollicitation sinusoïdale en cisaillement simple alterné, à la fréquence de 10Hz, à 6O0C. On effectue un balayage en amplitude de déformation de 0,1 à 50% (cycle aller), puis de 50% à 1% (cycle retour). Les résultats exploités sont le module complexe de cisaillement dynamique (G*) et le facteur de perte tan δ. Pour le cycle retour, on indique la valeur maximale de tan δ observée (tan(δ)max), ainsi que l'écart de module complexe (ΔG*) entre les valeurs à 0,1% et à 50% de déformation (effet Payne).
II. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les compositions de caoutchouc selon l'invention sont à base d'au moins un (c'est-à-dire au moins un) élastomère isoprénique ; une (au moins une) charge inorganique à titre de charge renforçante ; un système de couplage comportant les Composés I et II décrits en détail ci- après, assurant la liaison entre ladite charge inorganique et l'élastomère isoprénique.
Bien entendu, par l'expression composition "à base de", il faut entendre une composition comportant le mélange et/ou le produit de réaction des différents constituants utilisés, certains de ces constituants de base (par exemple le système de couplage et la charge inorganique renforçante) étant susceptibles de, ou destinés à, réagir entre eux, au moins en partie, lors des différentes phases de fabrication des compositions, en particulier au cours de leur vulcanisation (cuisson).
Dans la présente description, sauf indication expresse différente, tous les pourcentages (%) indiqués sont des % en masse.
II- 1. Elastomère isoprénique
Rappelons tout d'abord que par élastomère (ou caoutchouc, les deux termes étant ici considérés comme synonymes) "diénique", doit être entendu par définition un élastomère issu au moins en partie (Le., un homopolymère ou un copolymère) de monomères diènes c'est-à-dire de monomères porteurs de deux doubles liaisons carbone-carbone, conjuguées ou non. Par élastomère diénique "essentiellement insaturé", on entend ici un élastomère diénique issu au moins en partie de monomères diènes conjugués, ayant un taux de motifs ou unités d'origine diénique (diènes conjugués) qui est supérieur à 15% (% en moles). Dans la catégorie des élastomères diéniques "essentiellement insaturés", on entend en particulier par élastomère diénique "fortement insaturé" un élastomère diénique ayant un taux de motifs d'origine diénique (diènes conjugués) qui est supérieur à 50%.
Ces définitions générales étant données, on entend dans la présente demande par "élastomère isoprénique", de manière connue, un homopolymère ou un copolymère d'isoprène, en d'autres termes un élastomère diénique choisi dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel (NR), les polyisoprènes de synthèse (IR), les différents copolymères d'isoprène et les mélanges de ces élastomères. Parmi les copolymères d'isoprène, on citera en particulier les copolymères d'isobutène-isoprène (caoutchouc butyle - IIR), d'isoprène-styrène (SIR), d'isoprène-butadiène (BIR) ou d'isoprène-butadiène-styrène (SBIR).
Cet élastomère isoprénique est de préférence du caoutchouc naturel ou un polyisoprène de synthèse du type cis-1,4. Parmi ces polyisoprènes de synthèse, sont utilisés de préférence des polyisoprènes ayant un taux (% molaire) de liaisons cis-1,4 supérieur à 90%, plus préférentiellement encore supérieur à 98%.
En coupage avec l'élastomère isoprénique ci-dessus, les compositions de l'invention peuvent contenir des élastomères diéniques autres qu'isopréniques, à titre minoritaire (i.e., pour moins de 50% en poids) ou majoritaire (i.e., pour plus de 50% en poids), selon les applications visées. Elles pourraient également comporter des élastomères non diéniques, voire des polymères autres que des élastomères, par exemple des polymères thermoplastiques. A titre d'exemples de tels élastomères diéniques non isopréniques, on citera notamment tout élastomère diénique fortement insaturé, choisi en particulier dans le groupe constitué par les polybutadiènes (BR), les copolymères de butadiène, notamment les copolymères de styrène-butadiène (SBR), et les mélanges de ces différents élastomères.
L'amélioration du couplage apportée par l'invention est particulièrement notable sur des compositions de caoutchouc dont la base élastomérique est constituée majoritairement (i.e., à plus de 50% en poids) de polyisoprène, i.e., de caoutchouc naturel ou de polyisoprène de synthèse.
La composition conforme à l'invention est particulièrement destinée à une bande de roulement pour pneumatique, qu'il s'agisse d'un pneumatique neuf ou usagé (rechapage), en particulier pour pneumatique destiné à des véhicules industriels ou utilitaires tels que "Poids- lourd" - i.e., métro, bus, engins de transport routier (camions, tracteurs, remorques), véhicules hors-la-route.
Dans un tel cas, le meilleur mode de réalisation connu de l'invention consiste à utiliser comme élastomère isoprénique uniquement du polyisoprène, plus préférentiellement du caoutchouc naturel. C'est pour de telles conditions que l'on a observé les meilleures performances en termes de résistance au roulement et de résistance à l'usure.
Mais l'homme du métier des pneumatiques comprendra que divers coupages entre élastomère isoprénique, notamment caoutchouc naturel, et d'autres élastomères diéniques, en particulier SBR et/ou BR, sont également possibles dans des compositions de caoutchouc conformes à l'invention utilisables par exemple pour diverses parties du pneumatique autres que sa bande de roulement, par exemple de nappes d'armature de sommet (par exemple de nappes de travail, nappes de protection ou nappes de frettage), de nappes d'armature de carcasse, de flancs, de bourrelets, de protecteurs, de sous-couches, de blocs de caoutchouc et autres gommes internes assurant l'interface entre les zones précitées des pneumatiques.
Selon un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention, notamment lorsqu'elle est destinée à un flanc de pneumatique ou à une gomme intérieure étanche de pneumatique sans chambre (ou autre élément imperméable à l'air), la composition conforme à l'invention peut contenir au moins un élastomère diénique essentiellement saturé, en particulier au moins un copolymère EPDM ou un caoutchouc butyle (éventuellement chloré ou brome), que ces copolymères soient utilisés seuls ou en mélange avec des élastomères diéniques fortement insaturés tels que cités précédemment, notamment NR ou IR, BR ou SBR.
II-2. Charge inorganique renforçante
Par "charge inorganique renforçante", doit être entendu ici, de manière connue, toute charge inorganique ou minérale, quelles que soient sa couleur et son origine (naturelle ou de synthèse), encore appelée charge "blanche", charge "claire" ou encore charge "non-noire"
Ç'non-blackfiiler") par opposition au noir de carbone, cette charge inorganique étant capable de renforcer à elle seule, sans autre moyen qu'un agent de couplage intermédiaire, une composition de caoutchouc destinée à la fabrication d'une bande de roulement de pneumatiques, en d'autres termes apte à remplacer, dans sa fonction de renforcement, un noir de carbone conventionnel de grade pneumatique pour bande de roulement. Une telle charge se caractérise généralement par la présence de groupes fonctionnels, notamment hydroxyle (-OH), à sa surface, nécessitant en cela l'emploi d'un agent ou système de couplage destiné à assurer une liaison chimique stable entre l'élastomère isoprénique et ladite charge.
Préférentiellement, la charge inorganique renforçante est une charge du type siliceuse ou alumineuse, ou un mélange de ces deux types de charges.
La silice (SiO2) utilisée peut être toute silice renforçante connue de l'homme du métier, notamment toute silice précipitée ou pyrogénée présentant une surface BET ainsi qu'une surface spécifique CTAB toutes deux inférieures à 450 m2/g, de préférence de 30 à 400 m2/g. Les silices précipitées hautement dispersibles (dites "HDS") sont préférées, en particulier lorsque l'invention est mise en œuvre pour la fabrication de pneumatiques présentant une faible résistance au roulement ; comme exemples de telles silices, on peut citer les silices Ultrasil 7000 de la société Degussa, les silices Zeosil 1165 MP, 1135 MP et 1115 MP de la société Rhodia, la silice Hi-SiI EZ 150G de la société PPG, les silices Zeopol 8715, 8745 ou 8755 de la Société Huber, les silices telles que décrites dans la demande WO 03/016387.
L'alumine (AI2O3) renforçante utilisée préférentiellement est une alumine hautement dispersible ayant une surface BET allant de 30 à 400 m2/g, plus préférentiellement entre 60 et 250 m2/g, une taille moyenne de particules au plus égale à 500 nm, plus préférentiellement au plus égale à 200 nm. Comme exemples non limitatifs de telles alumines renforçantes, on peut citer notamment les alumines "Baikalox A125" ou "CR125" (société Baïkowski), "APA-100RDX" (Condéa), "Aluminoxid C" (Degussa) ou "AKP-G015" (Sumitomo Chemicals).
A titre d'autres exemples de charge inorganique susceptible d'être utilisée dans les compositions de caoutchouc de l'invention peuvent être encore cités des (oxyde-)hydroxydes d'aluminium, des aluminosilicates, des oxydes de titane, des carbures ou nitrures de silicium, tous du type renforçants tels que décrits par exemple dans les demandes WO 99/28376, WO 00/73372, WO 02/053634, WO 2004/003067, WO 2004/056915.
Lorsque les bandes de roulement de l'invention sont destinées à des pneumatiques à faible résistance au roulement, la charge inorganique renforçante utilisée, en particulier s'il s'agit de silice, a de préférence une surface BET comprise entre 60 et 350 m2/g. Un mode de réalisation avantageux de l'invention consiste à utiliser une charge inorganique renforçante, en particulier une silice, ayant une surface spécifique BET élevée, comprise dans un domaine de 130 à 300 m2/g, en raison du haut pouvoir renforçant reconnu de telles charges. Selon un autre mode préférentiel de réalisation de l'invention, on peut utiliser une charge inorganique renforçante, en particulier une silice, présentant une surface spécifique BET inférieure à 130 m2/g, préférentiellement dans un tel cas comprise entre 60 et 130 m2/g (voir par exemple demandes WO03/002648 et WO03/002649).
L'état physique sous lequel se présente la charge inorganique renforçante est indifférent, que ce soit sous forme de poudre, de microperles, de granulés, de billes ou toute autre forme densifiée appropriée. Bien entendu on entend également par charge inorganique renforçante des mélanges de différentes charges inorganiques renforçantes, en particulier de charges siliceuses et/ou alumineuses hautement dispersibles telles que décrites ci-dessus.
L'homme du métier saura adapter le taux de charge inorganique renforçante selon la nature de la charge inorganique utilisée et selon le type de pneumatique concerné, par exemple pneumatique pour moto, pour véhicule de tourisme ou encore pour véhicule utilitaire tel que camionnette ou Poids lourd. De préférence, ce taux de charge inorganique renforçante sera choisi compris entre 20 et 200 pce, plus préférentiellement entre 30 et 150 pce, en particulier supérieur à 40 pce (par exemple compris entre 40 et 120 pce, notamment entre 40 et 80 pce).
Dans le présent exposé, la surface spécifique BET est déterminée de manière connue par adsorption de gaz à l'aide de la méthode de Brunauer-Emmett-Teller décrite dans "The Journal of the American Chemical Society" Vol. 60, page 309, février 1938, plus précisément selon la norme française NF ISO 9277 de décembre 1996 (méthode volumétrique multipoints (5 points) - gaz: azote - dégazage: lheure à 1600C - domaine de pression relative p/po : 0.05 à 0.17). La surface spécifique CTAB est la surface externe déterminée selon la norme française NF T 45-007 de novembre 1987 (méthode B).
Enfin, l'homme du métier comprendra qu'à titre de charge équivalente de la charge inorganique renforçante décrite dans le présent paragraphe, pourrait être utilisée une charge renforçante d'une autre nature, notamment organique, dès lors que cette charge renforçante serait recouverte d'une couche inorganique telle que silice, ou bien comporterait à sa surface des sites fonctionnels, notamment hydroxyles, nécessitant l'utilisation d'un agent de couplage pour établir la liaison entre la charge et l'élastomère.
II-3. Système de couplage
Comme expliqué précédemment, un agent de couplage (charge inorganique/ élastomère diénique) est, de manière connue, porteur d'au moins deux fonctions, notées ici "Y" et "X", lui permettant de pouvoir se greffer, d'une part sur la charge inorganique renforçante au moyen de la fonction "Y", par exemple un groupe hydroxyle ou un groupe hydrolysable, d'autre part sur l'élastomère diénique au moyen de la fonction "X", par exemple une fonction soufrée.
Le système de couplage utilisé conformément à l'invention a pour caractéristique essentielle de comporter en combinaison deux agents de couplage (charge inorganique/ élastomère isoprénique) polyfonctionnels (au moins bifonctionnels), le Composé I et le Composé II, tous deux du type organosilicique.
A) Composé I
Le Composé I est un silane sulfuré, du type monosulfure comme polysulfure (disulfure compris). Les silanes sulfurés bifonctionnels utilisables comme agent de couplage dans les compositions d'élastomère diénique renforcées d'une charge inorganique telle que silice sont bien connus de l'homme du métier.
On utilise de préférence un silane appartenant à la famille des silanes polysulfurés, dits "symétriques" ou "asymétriques" selon leur structure particulière, tels que décrits par exemple dans les demandes WO03/002648 et WO03/002649 précitées.
Conviennent en particulier pour la mise en œuvre de l'invention, sans que la définition ci- après soit limitative, des silanes polysulfurés dits "symétriques" répondant à la formule (I) suivante :
(D
Y1 - Z1 - Sx - Z2 - Y2 dans laquelle:
x est un entier de 2 à 8, de préférence de 2 à 5 ; Z1 et Z2, identique ou différents, représentent chacun un radical hydrocarboné divalent comportant de 1 à 18 atomes de carbone ; Y1 et Y2, identique ou différents, répondent chacun à l'une des formules ci-après:
R1 R1 R2
— Si— R1 ; — Si— R2 ; — Si— R2 , R2 R2 R2
dans lesquelles : les radicaux R1 , substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, représentent un groupe alkyle en Ci-C18, cycloalkyle en C5-Cu ou aryle en C6-C18 ; - les radicaux R2, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, représentent un groupe hydroxyle, alkoxyle en Ci-Ci8 ou cycloalkoxyle en Cs-C18.
Dans le cas d'un mélange de silanes polysulfurés répondant à la formule (1) ci-dessus, notamment des mélanges usuels disponibles commercialement, la valeur moyenne des "x" est un nombre fractionnaire de préférence compris entre 2 et 5, plus préférentiellement proche de 4. Mais l'invention peut être aussi avantageusement mise en œuvre par exemple avec des silanes disulfurés (x = 2).
Z1 et Z2 sont choisis de préférence dans le groupe constitué par les alkylènes en Ci-Ci8 et les arylènes en CO-CI2, plus préférentiellement parmi les alkylènes en Ci-C1O, notamment en Ci- C4 ; encore plus préférentiellement, Z1 et Z2 représentent le propylène.
Les radicaux R1, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis de préférence parmi alkyles en Ci-C6, cyclohexyle et phényle, plus préférentiellement parmi les alkyles en C1-C4 ; encore plus préférentiellement R1 représente le méthyle.
Les radicaux R2, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis de préférence parmi hydroxyle, alkoxyles en C1-C8 et cycloalkoxyles en C5-C8, plus préférentiellement parmi hydroxyle et alkoxyles en C1-C4 ; encore plus préférentiellement, R2 est choisi dans le groupe constitué par hydroxyle, méthoxyle et éthoxyle. A titre d'exemples de silanes polysulfurés, on citera plus particulièrement les polysulfures (notamment disulfures, trisulfures ou tétrasulfures) de bis-(alkoxyl(C1-C4)-alkyl(Ci-C4)silyl- alkyl(Cι-C4)), comme par exemple les polysulfures de bis(3-triméthoxysilylpropyl) ou de bis(3-triéthoxysilylpropyl). Parmi ces composés, on utilise en particulier le tétrasulfure de bis(3-triéthoxysilylρropyl), en abrégé TESPT, de formule [(C2H5θ)3Si(CH2)3S2]2 ou le disulfure de bis-(triéthoxysilylpropyle), en abrégé TESPD, de formule [(C2H5O)3Si(CH2)3S]2.
Le TESPD est commercialisé par exemple par la société Degussa sous la dénomination Si75 (sous forme d'un mélange de disulfure - à 75% en poids - et de polysulfures), ou encore par la société Witco sous la dénomination Silquest Al 589. Le TESPT est commercialisé par exemple par la société Degussa sous la dénomination Si69 (ou X50S lorsqu'il est supporté à
50% en poids sur du noir de carbone), ou encore par la société Osi Specialties sous la dénomination Silquest A 1289 (dans les deux cas, mélange commercial de polysulfures avec une valeur moyenne pour n qui est proche de 4).
On citera également comme autres exemples d'agents de couplage particulièrement préférentiels les polysulfures (notamment disulfures, trisulfures ou tétrasulfures) de bis- (monoalkoxyl(Ci-C4)-dialkyl(Cj-C4)silylpropyl), plus particulièrement le tétrasulfure ou le disulfure de bis-monoéthoxydiméthylsilylpropyl, respectivement MESPT de formule [(CH3)2(C2H5O)Si(CH2)3S2]2) et MESPD de formule [(CH3MC2H5O)Si(CHz)3S]2), tels que décrits dans la demande WO02/083782.
A titre d'exemples d'agents de couplage particulièrement préférentiels autres que les alkoxysilanes polysulfurés précités, on citera notamment des polyorganosiloxanes bifonctionnels ou encore des polysulfures d'hydroxysilane (R2 = OH dans la formule I ci- dessus), notamment des polysulfures d'hydroxy-méthyl-silane (R1 = méthyle dans la formule I), tels que décrits dans les demandes WO 02/30939 et WO 02/31041.
B) Composé II
Le Composé II est un composé organosilicié polyfonctionnel (au moins bifonctionnel) greffable d'une part sur la charge inorganique renforçante au moyen d'un (au moins un) groupe fonctionnel silylé G, d'autre part sur l'élastomère isoprénique au moyen d'un (au moins un) groupe fonctionnel azo-dicarbonyle, ledit composé organosilicié ayant pour formule :
(H) A - CO - N = N - CO - Z - G
dans laquelle: o G est le groupe fonctionnel silylé, porteur d'un (au moins un) groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium du composé ; o Z est un groupe de liaison divalent reliant le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle au groupe fonctionnel silylé ; o A représente un groupe hydrocarboné monovalent ou le groupement de formule
Z'-G' dans laquelle :
Z1, identique à ou différent de Z, est un groupe de liaison divalent permettant de relier le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle à un autre groupe fonctionnel silylé G' ;
G1, identique à ou différent de G, est un groupe fonctionnel silylé porteur d'un (au moins un) autre groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur atome de silicium (identique ou différent de celui du groupe G) ; o A, Z et le cas échéant Z' pouvant comporter, indépendamment, un hétéroatome.
On rappelle ici que, selon des définitions bien connues de l'homme du métier, doit être entendu :
par composé "organosilicié" ou "organosilicique" ("organosilicon compound"), un composé organique renfermant au moins une liaison Carbone-Silicium ; par groupe "silylé" un groupe porteur d'un seul (il est alors qualifié de monosilylé) ou de plusieurs (il est alors qualifié alors de polysilylé) atome(s) de Silicium.
Dans la formule (II) ci-dessus, l'homme du métier comprendra immédiatement que la fonction (notée "X" en introduction de la présente demande) destinée à assurer la liaison avec l'élastomère isoprénique est assurée par le groupement central azo-dicarbonyle
(-CO-N=N-CO-), tandis que la fonction (notée "Y" en introduction de la présente demande) destinée à assurer la liaison avec la charge inorganique renforçante est assurée par le groupe silylé G qui a donc pour caractéristique essentielle de porter un (au moins un) groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur son atome de silicium (si ce groupe G est du type monosilylé) ou sur au moins un de ses atomes de silicium (si ce groupe G est du type polysilylé).
Le groupe hydrocarboné monovalent pouvant être représenté par A peut être aliphatique, linéaire ou ramifié, ou carbocyclique, notamment aromatique ; il peut être substitué ou non substitué, saturé ou insaturé.
Le groupe divalent Z, comportant de préférence de 1 à 18 atomes de carbone, relie préférentiellement le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle au groupe fonctionnel silylé G par l'intermédiaire d'un atome de silicium, ce dernier pouvant être identique ou différent de l'atome de silicium sur lequel est fixé le groupe hydroxyle ou hydrolysable. Z est préférentiellement choisi parmi les groupes hydrocarbonés aliphatiques, saturés ou insaturés, les groupes carbocycliques, saturés, insaturés ou/et aromatiques, monocycliques ou polycycliques, et les groupes présentant une partie hydrocarbonée aliphatique, saturée ou insaturée et une partie carbocyclique telle que définie ci-dessus. Il représente plus préférentiellement une chaîne alkylène, un groupe cycloalkylène saturé, un groupe arylène, ou un groupe divalent constitué d'une combinaison d'au moins deux de ces groupes.
Dans la présente description, on entend par groupe hydrocarboné aliphatique, un groupe linéaire ou ramifié, comprenant de préférence de 1 à 18 atomes de carbone, éventuellement substitué. Avantageusement, ledit groupe hydrocarboné aliphatique comprend de 1 à 12 atomes de carbone, mieux de 1 à 8 atomes de carbone, plus préférentiellement encore de 1 à 6 atomes de carbone.
A titre de groupe hydrocarboné aliphatique saturé, on peut citer les groupes alkyle tels que méthyle, éthyle, propyle, isopropyle, n-butyle, isobutyle, t-butyle, pentyle, isopentyle, néopentyle, 2-méthylbutyle, 1-éthylpropyle, hexyle, isohexyle, néohexyle, 1-méthylpentyle, 3-méthylpentyle, 1,1-diméthylbutyle, 1,3-diméthylbutyle, 2-éthylbutyle, 1-méthyl-l- éthylpropyle, heptyle, 1-méthylhexyle, 1-propylbutyle, 4,4-diméthylpentyle, octyle, 1- méthylheptyle, 2-éthylhexyle, 5,5-diméthylhexyle, nonyle, décyle, 1-méthylnonyle, 3,7- diméthyloctyle, 7,7-diméthyloctyle et hexadécyle.
Les groupes hydrocarbonés aliphatiques insaturés utilisables comprennent une ou plusieurs insaturations, de préférence une, deux ou trois insaturations de type éthylénique (double liaison) ou/et acétylénique (triple liaison). Des exemples en sont les groupes alcényle ou alcynyle dérivant des groupes alkyle définis ci-dessus par élimination de deux atomes d'hydrogène, ou plus. De manière préférée, les groupes hydrocarbonés aliphatiques insaturés comprennent une seule insaturation.
Par radical carbocyclique, est entendu un radical monocyclique ou polycyclique, éventuellement substitué, de préférence en C3-C50. De façon avantageuse, il s'agit d'un radical en C3-Ci8 de préférence mono-, bi- ou tricyclique. Lorsque le radical carbocyclique comprend plus d'un noyau cyclique (cas des carbocycles polycycliques), les noyaux cycliques sont condensés deux à deux. Deux noyaux condensés peuvent être orthocondensés ou péricondensés. Le radical carbocyclique peut comprendre, sauf indications contraires, une partie saturée et/ou une partie aromatique et/ou une partie insaturée.
Des exemples de radicaux carbocycliques saturés sont les groupes cycloalkyle. De manière préférée, les groupes cycloalkyle sont en C3-CiS, mieux encore en C5-C10. On peut citer notamment les radicaux cyclopentyle, cyclohexyle, cycloheptyle, cyclooctyle, adamantyle ou norbornyle. Le carbocycle insaturé ou toute partie insaturée de type carbocyclique présente une ou plusieurs insaturation éthyléniques, de préférence une, deux ou trois. Il comporte avantageusement de 6 à 50 atomes de carbone, mieux encore de 6 à 20, par exemple de 6 à 18 atomes de carbone. Des exemples de carbocycles insaturés sont les groupes cycloalcényles en C6-C io- Des exemples de radicaux carbocycliques aromatiques sont les groupes aryle en C6-C1S et notamment phényle, naphtyle, anthryle et phénanthryle.
Un groupe présentant à la fois une partie aliphatique hydrocarbonée et une partie carbocyclique telles que définies ci-dessus est, par exemple, un groupe arylalkyle tel que benzyle, ou un groupe alkylaryle tel que tolyle.
Les substituants des groupes ou parties aliphatiques hydrocarbonés et des groupes ou parties carbocycliques sont, par exemple, des groupes alkoxyle dans lesquels la partie alkyle est préférentiellement telle que définie ci-dessus.
Les groupements Z' et G' ont les mêmes définitions et caractéristiques préférentielles que celles décrites ci-dessus pour les groupements Z et G.
Z' peut être identique à Z ou différent de ce dernier, il permet de relier le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle à un second groupe fonctionnel silylé G' porteur d'un (au moins un) second groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un (au moins un) atome de silicium, identique ou différent de celui du groupe G, G' pouvant être lui-même identique à G ou différent de ce dernier.
Selon un mode de réalisation particulièrement préférentiel, au moins l'un des groupes A, Z et le cas échéant Z' comporte un (au moins un) hétéroatome choisi préférentiellement parmi O, S et N. Cet hétéroatome est de préférence relié directement à la liaison carbonyle adjacente.
Lorsqu'un tel hétéroatome est porté par le radical hydrocarboné monovalent A, il l'est de préférence sous la forme d'un reste hydrocarboné monovalent choisi parmi -OR, -NR et -SR
(R radical hydrocarboné monovalent quelconque comportant de préférence de 1 à 18 atomes de carbone) dont la valence libre est, plus préférentiellement, reliée directement à la liaison carbonyle adjacente ; le reste -OR est préféré, avec R représentant un alkyle en Ci-C6, de préférence en CpC4 (méthyle, éthyle, propyle, butyle), plus préférentiellement Ci (méthyle) ou C2 (éthyle).
Lorsqu'un tel hétéroatome est porté par Z et/ou le cas échéant Z' (soit par Z seulement, par
Z' seulement, ou par les deux), il l'est de préférence sous la forme d'un reste hydrocarboné divalent choisi parmi les restes -R' -NH- ; -R'-O- ; et -R'-S (R' radical hydrocarboné divalent quelconque comportant de préférence de 1 à 18 atomes de carbone) ; le reste -R'-NH- est préféré, avec R' représentant un alkylène en Ci-C6, de préférence en C1-C4 (méthylène, éthylène, propylène, butylène), plus préférentiellement C3 (propylène).
Selon un mode de réalisation particulièrement préférentiel, le Composé II est un organosilane dont le groupe silylé G répond de préférence à l'une des formules ci-après :
G1 G1 G2
— Si— G1 ; — Si— G2 ; — Si— G2 ,
G2 G2 G2 dans lesquelles : les radicaux G1, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par les alkyles en Ci-Cis, les cycloalkyles en C5-CiS et les aryles en C6-Cj8 ; - les radicaux G2, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par l'hydroxyle, les alkoxyles en Ci-C]8 et les cycloalkoxyles en C5-Ci8.
En d'autres termes, le Composé II préférentiel ci-dessus répond à la formule :
(III)
A - CO - N = N - CO - Z - Si G'e-o G2 (a)
dans laquelle :
a est un entier égal à 1 , 2 ou 3 ;
A, Z, G1 et G2 ont les définitions données supra.
Une variante du Composé II de formule (III) consiste en un azosilane dicarbonyle du type "symétrique" de formule :
(IV) G4 (b) G3 (3-b) Si - Z1 - CO - N = N - CO - Z - Si G1^-3) G2 (a)
dans laquelle :
b, identique à ou différent de a, est un entier égal à 1 , 2 ou 3 ;
G et G4, respectivement identiques à ou différents de G et G , ont les mêmes définitions que celles données supra, respectivement, pour G et G ; Z', identique à ou différent de Z, a la même définition que celle donnée supra pour Z.
Selon un mode de réalisation préféré, on a dans les formules (III) et (IV) ci-dessus et dans les formules (V) à (X) qui suivent, au moins une, plus préférentiellement l'ensemble, des caractéristiques suivantes qui est vérifié(e) :
les radicaux G et G3, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par les groupes alkyle en C1-C6, cyclohexyle ou phényle ; - les radicaux G et G4, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par les groupes hydroxyle, alkoxyles en C1-C8 et cycloalkoxyles en C5-C8.
Selon un mode de réalisation plus préféré, on a dans les formules (III) et (IV) ci-dessus et dans les formules (V) à (X) qui suivent, au moins une, plus préférentiellement l'ensemble, des caractéristiques suivantes qui est vérifié(e) :
les radicaux G1 et G3 sont choisis parmi les alkyles en C1-C4, plus particulièrement parmi méthyle et éthyle ; les radicaux G et G4 sont choisis parmi hydroxyle et alkoxyles en C1-C4, plus particulièrement parmi hydroxyle, méthoxyle et éthoxyle.
Selon un mode de réalisation particulièrement préférentiel, on a dans les formules (III) et (IV) qui précédent et dans les formules (V) à (X) qui suivent les caractéristiques suivantes qui sont vérifiées :
Z (et le cas échéant Z') est un alkylène en Ci-C10 comportant un hétéroatome choisi de préférence parmi O, S et N ; plus préférentiellement Z (et le cas échéant Z') est un radical divalent choisi dans le groupe constitué par -(CH2)y- ; -NH-(CH2)y- ; -O-(CH2)y- ; y étant un entier de préférence de 1 à 6, plus préférentiellement de 1 à 4, notamment égal à 3.
G1 et G2 d'une part, G3 et G4 d'autre part pourraient aussi former ensemble et avec l'atome de silicium qui les porte un groupe carbocyclique monocyclique ou polycyclique ayant de 2 à 10 atomes de carbone cyclique et pouvant comporter un ou plusieurs hétéroatome(s) cyclique(s) oxygéné(s). A titre d'exemple, on citera par exemple les cycles :
Figure imgf000019_0001
Des azosilanes "symétriques" de formule (IV) dans lesquels A représente le groupement de formule Z'-G' (avec G'=G), et répondant aux caractéristiques préférentielles énoncées précédemment, sont notamment ceux répondant aux formules particulières (IV -n) qui suivent dans lesquelles y et y', identiques ou différents pour une même formule, sont des entiers de 1 à 6, de préférence de 1 à 4, plus préférentiellement égaux à 3 (Z et Z' = propylène) :
(IV-a) (CH3O)3 Si - (CH2V -CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OCHj)3
(IV-b) (CH3)(CH3O)2 Si - (CH2V -CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3) (IV-c) (CH3MCH3O) Si - (CH2V -CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(IV-d) (C2H5O)3 Si - (CH2V "CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OC2Hj)3
(IV-e) (CH3)(C2H5O)2 Si - (CH2V -CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OC2Hs)2(CH3)
(IV-f) (CH3)2(C2HSO) Si - (CH2V -CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OC2H5X CH3)2
(IV-g) (HO)3 Si - (CH2V -CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OH)3 (IV-h) (CH3)(HO)2Si-(CH2V-CO-N = N-CO-(CH2V-Si(OH)2(CH3)
(IV-i) (CHj)2(HO) Si - (CH2V -CO -N=N- CO- (CH2)y - Si (OH)(CH3)2
(IV-j) (CH3)(HO)2 Si - (CH2V' "CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OH)2(CH3)
(IV-k) (CHj)2(HO) Si - (CH2V -CO -N=N- CO- (CH2)y - Si (0H)( CH3)2
Des azosilanes "asymétriques" de formule (III) dans lesquels A comporte un atome d'oxygène à titre d'hétéroatome, et répondant aux caractéristiques préférentielles énoncées précédemment, sont notamment ceux répondant à la formule particulière (V) qui suit :
(V)
R-O-CO-N = N-CO-Z-SiG1P-3)G2Ca)
dans laquelle :
- a, Z, G1 et G2 ont les définitions données supra ;
R représente un alkyle en C1-CO, de préférence en CpC4, plus préférentiellement le méthyle ou Péthyle, à titre d'exemple ceux répondant aux formules particulières (V-n) qui suivent dans lesquelles y est un entier de 1 à 6, de préférence de 1 à 4, plus préférentiellement égal à 3 (Z = propylène) :
(V-a) CH3-O-CO-N = N-CO-(CH2)y-Si(OCH3)3
(V-b) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3)
(V-C) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(V-d) C2H5 -O- CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OCH3)3
(V-e) C2H5 -O- CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3) (V-f) C2H5 -O- CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(V-g) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OC2Hs)3
(V-h) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OC2Hs)2(CH3)
(V-i) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OC2H5)( CH3)2
(V-j) C2H5 -O- CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (OC2Hs)3 (V-k) C2H5 -O -CO -N = N- CO -(CH2)y- Si(OC2Hs)2(CH3)
(V-I) C2H5 -O- CO -N=N- CO- (CH2)y - Si (OC2H5X CH3)2
(V-m) C2H5 -O- CO -N=N- CO- (CH2X, - Si (OH)3
(V-n) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OH)3
(V-o) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OH)2(CH3) (V-p) CH3 - O - CO - N = N - CO - (CH2)y - Si (OH)(CH3)2
(V-q) C2H5 -O- CO -N=N- CO- (CH2)y - Si (OH)2(CH3)
(V-r) C2H5 -O- CO -N = N- CO- (CH2)y - Si (0H)( CH3)2
Des composés azosilanes, symétriques ou asymétriques, dans lesquels Z comporte un atome d'azote à titre d'hétéroatome, sont par exemple ceux correspondants aux formules (VI) ou (VII) qui suivent dans lesquelles y et y', identiques ou différents pour une même formule, sont des entiers de 1 à 6, de préférence de 1 à 4, plus préférentiellement égaux à 3 :
(VI)
A-CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si G1Q+) G2 (a)
(VII) G4 (b) G3 (3-b) Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si G'(3-a) G2 (a) Des exemples particuliers de composés de formule (VI) sont ceux de formules (VI -n):
(Vl-a) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OCH3)3
(Vl-b) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3) (VI-c) CH3-O-CO-N=N-CO-NH-(CH2)y-Si(OCH3)(CH3)2
(Vl-d) C2H5 -O- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OCH3)3
(Vl-e) C2H5 -O- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3)
(Vl-f) C2H5 -O- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(Vl-g) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OC2Hj)3 (Vl-h) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OC2Hj)2(CH3)
(Vl-i) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OC2H5X CH3)2
(VI-j) C2H5 -O- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OC2H5)3
(Vl-k) C2H5 -O- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OC2Hj)2(CH3)
(Vl-I) C2H5 -O- CO -N=N- CO -NH- (CH2)y - Si (OC2H5X CH3)2 (Vl-m) CH3-O-CO-N = N-CO-NH-(CH2)y- Si (OH)3
(Vl-n) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OH)2(CH3)
(VI-o) CH3 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OH)(CH3)2
(VI-p) C2H5 -O- CO -N=N- CO -NH- (CH2)y - S i (OH)3
(Vl-q) C2H5 -O- CO -N=N- CO -NH- (CH2)y - Si (OH)2(CH3) (Vl-r) C2H5-O-CO-N=N-CO-NH-(CH2)y-Si(OH)(CH3)2
Des exemples particuliers de composés de formule (VII) sont ceux de formules (VH-n) :
(VH-a) (CH3O)3 Si - (CH2)yl -HN - CO -N=N -CO -NH -(CH2)y- Si (OCH3)3
(VH-b) (CH3)(CH3O)2 Si - (CH2Jy. -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3)
(VII-c) (CHj)2(CH3O) Si - (CH2)y. -HN- CO -N=N- CO -NH- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(Vll-d) (C2H5O)3 Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OC2H5)3
(VH-e) (CH3)(C2H5O)2 Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OC2Hj)2(CH3) (Vll-f) (CH3)2(C2H5O) Si - (CH2)y. -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OC2H5)( CH3)2
(VH-g) (HO)3 Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OH)3
(VH-h) (CH3)(HO)2 Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OH)2(CH3)
(VH-i) (CH3)2(HO) Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OH)(CH3)2
(VH-k) (C2H5)(HO)2 Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OH)2(C2H5) (VII-I) (C2Hj)2(HO) Si - (CH2V -HN- CO -N = N- CO -NH- (CH2)y - Si (OH)(C2Hj)2 Des composés azosilanes, symétriques ou asymétriques, dans lesquels A et Z comportent un atome d'oxygène à titre d'hétéroatome, sont par exemple ceux correspondants aux formules (VIII) ou (IX) qui suivent dans lesquelles y et y1, identiques ou différents pour une même formule, sont des entiers de 1 à 6, de préférence de 1 à 4, plus préférentiellement égaux à 3 :
(VIII)
A- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si G1^a) G2 (a)
(IX) G4 (b) G3(3-b) Si - (CH2)y. -O- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si G1^a) G2 (a)
Des exemples particuliers de composés de formule (VIII) sont ceux de formules (VlII-n):
(VlII-a) CH3-O- CO -N=N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)3
(VlII-b) CH3-O- CO -N=N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3)
(VIII-c) CH3-O- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(VlII-d) C2H5 - O - CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)3
(VlII-e) C2H5 - O - -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3)
(VlII-f) C2H5 - O - CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(VlII-g) CH3-O- CO -N=N- CO -O- (CH2)y - Si (OC2H5)3
(VlII-h) CH3-O- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OC2H5)2(CH3)
(VlII-i) CH3-O- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OC2H5X CH3)2
(VIII-j) C2H5 - O - - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OC2H5)3
(VHI-k) C2H5 - O - -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OC2Hs)2(CH3C2H5)
(VIII-I) C2H5 - O - -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OC2H5X CH3C2H5)2
(VlII-m) CH3-O- -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OH)3
(VlII-n) CH3-O- -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OH)2(CH3)
(VIII-O) CH3-O- -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OH)(CH3)2
(VIH-P) C2H5 - O - -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OH)3
(VUI-q) C2H5 - O -CO -N=N- CO -O- (CH2)y - Si (OH)2(CH3C2H5)
(VIH-r) C2H5 - O -CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (0H)( CH3C2Hs)2
Des exemples particuliers de composés de formule (IX) sont ceux de formules (IX-n) : (IX-a) (CH3O)3 Si - (CH2V -O- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)-,
(IX-b) (CH3)(CH3O)2 Si - (CH2)y -0- CO -N = N- CO -O- (CH2)y - Si (OCH3)2(CH3)
(IX-c) (CH3)2(CH3O) Si - (CH2V -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OCH3)(CH3)2
(IX-d) (C2H5O)3 Si - (CH2)y. -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OC2H5)3 (IX-e) (CH3C2H5)(C2H5O)2 Si - (CH2V -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OC2Hj)2(CH3C2H5)
(IX-f) (CH3C2Hj)2(C2H5O) Si - (CH2)y -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OC2H5)( CH3C2Hj)2
(IX-g) (HO)3 Si - (CH2V -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OH)3
(IX-h) (CH3)(HO)2 Si - (CH2V -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OH)2(CH3)
(IX-i) (CHj)2(HO) Si - (CH2)y. -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OH)(CHj)2 (IX-k) (C2Hs)(HO)2 Si - (CH2)y. -0- CO -N=N- CO-O- (CH2)y - Si (OH)2(C2H5)
(IX-I) (C2Hj)2(HO) Si - (CH2)y. -0- CO -N = N- CO-O- (CH2)y - Si (OH)(C2Hs)2
Toutes les formules particulières (III) à (IX) ci-dessus couvraient des Composés II se présentant sous forme d'azosilanes, mais d'autres composés organosiliciques sont également utilisables, par exemple des azosiloxanes eux aussi polyfonctionnels (au moins bifonctionnels) comportant, à titre de groupes G et/ou G', dans la formule (II) supra, un ou plusieurs motif(s) siloxane en lieu et place du ou des motif(s) silane, ou des mélanges de tels siloxanes avec de tels silanes. On rappelle que par "siloxane" doit être entendu de manière connue tout composé, oligomère, polymère comportant au moins un (i.e., un ou plusieurs) groupement(s) = Si-O-Si =.
Ainsi, selon une autre représentation symbolique possible, le Composé II est un composé organosilicique comportant les motifs siloxyle de formules générales suivantes :
(X)
[(G°)3Si01/2]m [(G°)2Si02/2]n [G0SiO3/2]o [SiO4Z2Jp [(G2)c(G1)c<A-CO-N=N-CO-Z)SiO(3-c-cy2]q
dans lesquelles :
- m, n, o, p représentent chacun un nombre entier ou fractionnaire égal ou supérieur à O ;
- q représente un nombre entier ou fractionnaire égal ou supérieur à 1 ;
- c représente un nombre entier choisi parmi O, 1 , 2 et 3 ;
- c' représente un nombre entier choisi parmi O, 1 et 2 ; - la somme c+c' se situe dans l'intervalle allant de O à 3 avec les conditions selon lesquelles : o quand c = O, alors au moins un symbole G0 répond à la définition donnée pour G2 ; o quand c+c' = 3, alors m = n = o = p = 0 (zéro) ;
- les symboles G0, identiques ou différents, représentent chacun l'un des groupes correspondant à G2 ou G1 ; - A, Z, G1 et G2 ont les définitions données supra pour la formule générale (II) et pour les formules particulières (III) à (IX).
L'homme du métier comprend qu'une telle formule générique (X) permet de définir un composé organosilicique choisi dans le groupe constitué par les azosilanes, les azosiloxanes (y compris oligomères et polymères siloxane) et les mélanges de tels composés. Cette notation simplifiée est notamment bien connue dans le domaine des organosiloxanes ; elle englobe les différentes formules particulières possibles pour les motifs siloxyle, quels que soient notamment leur taux de fonctionnalisation, leur position sur la molécule ou la chaîne siloxane (par exemple le long de la chaîne ou en bout(s) de chaîne) ou la nature du siloxane (par exemple un polyorganosiloxane linéaire, branché ou cyclique, un copolymère statistique, séquence ou à blocs). En particulier, doit être bien entendu compris que le groupement (A-CO-N=N-CO-Z) est relié à l'atome de Si du motif SiO(3.c-C'y2 via le radical divalent -Z-.
En d'autres termes, on entend définir par la formule (X), au sens de l'invention, les composés suivants :
(α) au moins un azoorganosilane fonctionnalisé correspondant à la formule (III) ou, ce qui est totalement équivalent, à la formule (X) dans laquelle m = n = p = o = 0 (zéro), q = 1 et c+c' = 3 ;
(β) au moins un azoorganosiloxane fonctionnalisé correspondant à la formule (X) dans laquelle la somme c + c' se situe alors dans l'intervalle allant de 0 à 2, et soit au moins un des nombres m, n, o, p est différent de 0 (zéro) et q est égal ou supérieur à 1 ; soit q est supérieur à 1 et chacun des nombres m, n, o, p a alors une valeur quelconque ; et
(γ) tout mélange des composés (α) et (β) ci-dessus.
Les azosilanes de type (α) ci-dessus peuvent être préparés selon un procédé de synthèse comportant les étapes décrites ci-après.
On fait tout d'abord réagir un silane précurseur de formule (G2)c(G')C' Si-P1 avec un dérivé hydrazo précurseur de formule P2-NH-NH-CO-A, formules dans lesquelles les symboles G1, G2 et A sont tels que définis ci-avant, c + c' = 3 et P1 et P2 représentent des groupes dont la structure et la fonctionnalité de chacun sont telles que ces groupes sont capables de réagir l'un avec l'autre pour donner naissance à l'enchaînement central -Z-CO- de manière à conduire au silane hydrazo de formule :
(G2)c(G1)c' Si-Z-CO-NH-NH-CO-A
auquel on fait subir ensuite une réaction d'oxydation du groupe hydrazo selon le schéma suivant : (G2MG1)* Si-Z-CO-NH-NH-CO-A -» (G2MG1Jc- Si-Z-CO-N=N-CO-A
L'oxydation se produit facilement en opérant à l'aide d'un système oxydant à base par exemple de N-bromosuccinimide et de pyridine, utilisés en quantité stoechiométrique ou en excès par rapport à cette dernière.
Dans le cas par exemple de la préparation des organosilanes de formule (VI) qui conviennent particulièrement bien, dans la structure desquels le symbole Z représente alors le radical divalent -NH-(CH2)y- (y entier de 1 à 6, de préférence 1 à 4, plus préférentiellement égal à 3), le schéma de synthèse appliqué est par exemple le suivant :
" On fait réagir un silane précurseur de formule (G2)a(G1)3-a Si-(CH2)y-NCO avec un dérivé hydrazo précurseur de formule H∑N-NH-CO-A, pour obtenir le silane hydrazo de formule :
(G2Ja(G1J3-3 Si-(CH2)y-NH-C0-NH-NH-C0-A
" Puis, on fait subir à ce silane hydrazo une réaction d'oxydation du groupe hydrazo selon le schéma suivant :
(G2Ja(G1J3-3Si-(CH2Jy-NH-CO-NH-NH-CO-A ^ (G2Ja(G1J3-HSi-(CH2Jy-NH-CO-N=N-CO-A
En ce qui concerne la manière pratique de mettre en œuvre le procédé qui vient d'être décrit pour l'obtention du silane hydrazo décrit ci-dessus, on pourra se reporter par exemple au document de brevet FR- A-2 340 323 (ou US-A-4,118,367).
Les composés organosiliciques fonctionnalisés de type (β) et (γ) peuvent être préparés selon un procédé de synthèse consistant à oxyder le groupe hydrazo du silane précurseur (G2J0(G1Jc' Si-Z-CO-NH-NH-CO-A à l'aide d'un système oxydant comprenant au moins un oxydant (par exemple un halogène comme le brome) et au moins une base (par exemple une base minérale comme Na2CO3), en faisant intervenir cette fois un réactif supplémentaire choisi parmi mono- et polyalkoxysilanes (à titre d'exemple le triméthyléthoxysilane), et en opérant de préférence au sein d'un milieu liquide organique (par exemple en utilisant un solvant comme le dichlorométhane).
Un mode opératoire avantageux pour conduire ce procédé consiste à charger dans le réacteur à température ambiante (230C) : le silane précurseur ((G2Jc(G1Jc' Si-Z-CO-NH-NH-CO-A), la base (sa quantité dépendant de l'agent oxydant mis en œuvre ; par exemple, dans le cas du brome, on utilise deux équivalents molaires de base par rapport au brome), le solvant organique et le réactif supplémentaire (sa quantité correspondant par exemple à au moins un équivalent molaire par rapport au précurseur), puis à additionner progressivement dans le milieu réactionnel le système oxydant (sa quantité molaire étant par exemple stœchiométrique par rapport à celle du précurseur).
Comme azoorganosiloxanes de type (β) conviennent particulièrement ceux correspondant à la formule (X) dans laquelle la somme c + c' est égal à 1 ou 2 ; m se situe dans l'intervalle de 1 à 2 ; n = o = p = 0 (zéro) et q = 1.
A titre d'exemple d'un tel composé azosiloxane (β) de formule générique (X) dans lequel :
- c = 2 ;
- c1 = 0 (zéro) ;
- q = U
- m = 1 ; - n = p = o = 0 (zéro),
peut être cité par exemple le composé de formule (Me = méthyle, Et = éthyle):
(XI) [Me3SiOiZ2] [(EtO)2 (A-CO-N=N-CO-Z)SiO1Z2]
notamment le composé de formule particulière :
(XI-I) [Me3SiO1Z2] [(EtO)2 (Et-O-CO-N=N-CO-NH-(CH2)3)SiOi,2]
On rappelle que la représentation des formules (XI) et (XI-I) ci-dessus signifie, de manière bien connue de l'homme du métier, qu'il existe donc un premier atome de Si porteur à la fois de la fonction "X" (azo activée) et de deux fonctions "Y" (éthoxy), cet atome de Si partageant (sur sa 4ème valence) un atome d'oxygène avec un second atome de Si porteur des trois groupes méthyle.
Un tel composé de formule (XI-I) présente donc la forme développée qui suit :
Figure imgf000026_0001
A titre d'un autre exemple d'un composé azosiloxane de formule générique (X) dans lequel par exemple :
- c = l ; - c' = O (zéro) ;
- q - 1 ;
- m = 2 ;
- n = p = o = O (zéro),
peut être cité par exemple le composé de formule (Me = méthyle, Et = éthyle) :
(XII) [Me3SiOiQ]2 [(EtO) (A-CO-N=N-CO-Z)SiO2/2]
notamment le composé de formule particulière :
(XII-I) [Me3SiOiQ]2 [(EtO) (Et-O-CO-N=N-CO-NH-(CH2)3)SiO2/2]
La représentation ci-dessus des formules (XII) et (XII-I) signifie de manière connue qu'il existe un atome de Si central porteur de la fonction "X" (azo activée) et de la fonction "Y" (éthoxy) sur deux de ses valences, partageant un atome d'oxygène avec deux atomes de Si adjacents porteurs des groupe méthyle.
Un tel composé de formule (XII-I) présente donc la forme développée qui suit :
Figure imgf000027_0001
Dans le cas par exemple de la préparation des organosiloxanes de formule (XI) et (XII) qui conviennent particulièrement bien, dans la structure desquels le symbole A représente le radical monovalent Et-O- et le symbole Z représente le radical divalent -NH-(CHb)3-, le schéma de synthèse appliqué est par exemple le suivant.
Dans un réacteur de 250 mL, sont introduits 10 g (28,4 mmol, 1 éq) du composé J. suivant (Et = éthyle) :
Figure imgf000028_0001
puis 7,53 g (71 mmol, soit 2,5 éq) de Na2CO3 sec et 50 mL d'un mélange 50/50 (vol/vol) de triméthyléthoxysilane et de dichlorométhane. Une solution de 4,55 g de brome (28,4 mmol, soit 1 éq) dans 15 mL de dichlorométhane est ajoutée goutte à goutte en 1 heure. Le mélange réactionnel est agité 30 min supplémentaires après la fin de l'addition du brome.
Le mélange réactionnel est ensuite filtré puis concentré sous vide. 9,77 g d'un liquide orange vif fluide sont obtenus. L'analyse par RMN1H montre que le composé 1 a été entièrement consommé, que la groupement azo a été formée sélectivement et que la perte en SiOEt est limitée.
Le produit final obtenu (composé (γ) ci-dessus) est un mélange des deux espèces siloxane de formule (XI- 1 ) et (XII- 1 ) et de l'espèce silane (VI-j) :
(VI-j) C2H5 - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si (OC2Hs)3
(XI-I) [Me3SiO1Z2] [(EtO)2 (Et-O-CO-N=N-CO-NH-(CH2)3)SiO1/2]
(XII-I) [Me3Si01/2]2 [(EtO) (Et-O-CO-N=N-CO-NH-(CH2)3)SiO2/2]
Plus généralement, les azoorganosiloxanes de type (β) sont de préférence des oligomères siloxanes comportant de 2 à 20, plus préférentiellement de 2 à 12 (par exemple de 2 à 6) atomes de silicium (nombre correspondant à la somme m+n+o+p+q de la formule (X)).
Dans les compositions de caoutchouc conformes à l'invention, la teneur globale en système de couplage est préférentiellement comprise entre 2 et 15 pce, plus préférentiellement entre 2 et 12 pce (par exemple entre 4 et 8 pce). Mais il est en général souhaitable d'en utiliser le moins possible. Par rapport au poids de charge inorganique renforçante, le taux de système de couplage représente typiquement entre 0,5 et 15% en poids par rapport à la quantité de charge inorganique ; de préférence, il est inférieur à 12%, plus préférentiellement inférieur à 10% en poids par rapport à cette quantité de charge.
Le rapport pondéral (Composé I : Composé II) est de préférence compris entre 1 : 10 et 10: 1, plus préférentiellement entre 1:5 et 5:1, encore plus préférentiellement entre 1 :3 et 3:1, par exemple entre 1 :2 (0,5) et 2: 1 (2,0). Tout ou partie du système de couplage selon l'invention pourrait être préalablement greffé (via les fonctions "X") sur l'élastomère isoprénique de la composition de l'invention, l'élastomère ainsi fonctionnalisé ou "précouplé" comportant alors les fonctions "Y" libre pour la charge inorganique renforçante. Tout ou partie de ce système de couplage pourrait également être préalablement greffé (via les fonctions "Y") sur la charge inorganique renforçante, la charge ainsi "précouplée" pouvant ensuite être liée à l'élastomère diénique par l'intermédiaire des fonctions libres "X". On préfère toutefois, notamment pour des raisons de meilleure mise en œuvre des compositions de caoutchouc à l'état cru, utiliser tout ou partie de l'agent de couplage soit greffé sur la charge, soit à l'état libre (i.e., non greffé).
II-4. Additifs divers
Les compositions de caoutchouc des bandes de roulement conformes à l'invention comportent également tout ou partie des additifs usuels habituellement utilisés dans les compositions d'élastomères destinées à la fabrication de bandes de roulement, comme par exemple des plastifiants ou des huiles d'extension, que ces derniers soient de nature aromatique ou non-aromatique, des pigments, des agents de protection tels que cires antiozone, anti-ozonants chimiques, des agents anti-oxydants qu'il est préférable de conserver présents dans la masse, des agents anti-fatigue, des résines renforçantes ou plastifiantes, des accepteurs (par exemple résine phénolique novolaque) ou des donneurs de méthylène (par exemple HMT ou H3M) tels que décrits par exemple dans la demande WO 02/10269 précitée, un système de réticulation à base soit de soufre, soit de donneurs de soufre et/ou de peroxyde et/ou de bismaléimides, des accélérateurs de vulcanisation, des activateurs de vulcanisation.
De préférence, ces compositions comportent, à titre d'agent plastifiant préférentiel non aromatique ou très faiblement aromatique, au moins un composé choisi dans le groupe constitué par les huiles naphténiques, paraffiniques, huiles MES, huiles TDAE, les esters (en particulier trioléates) de glycérol, les résines plastifiantes hydrocarbonées présentant une haute Tg de préférence supérieure à 3O0C, et les mélanges de tels composés. Le taux global d'un tel agent plastifiant préférentiel est de préférence compris entre 15 et 45 pce, plus préférentiellement entre 20 et 40 pce.
A la charge renforçante précédemment décrite, c'est-à-dire la charge renforçante non-noire (en particulier inorganique) plus noir de carbone le cas échéant, peuvent être également ajoutés, en fonction de l'application visée, des charges inertes (i.e., non renforçantes) telles que particules d'argile, bentonite, talc, craie, kaolin, utilisables par exemple dans des flancs ou des bandes de roulement de pneumatique colorés.
Ces compositions peuvent également contenir, en complément des agents de couplage, des activateurs de couplage, des agents de recouvrement (comportant par exemple la seule fonction Y) de la charge renforçante non-noire ou plus généralement des agents d'aide à la mise en œuvre susceptibles de manière connue, grâce à une amélioration de la dispersion de la charge non-noire dans la matrice de caoutchouc et à un abaissement de la viscosité des compositions, d'améliorer leur faculté de mise en œuvre à l'état cru, ces agents étant par exemple des silanes hydroxylés ou hydrolysables tels que des hydroxysilanes, des alkylalkoxysilanes (notamment des alkyltriéthoxysilanes), des polyols, des polyéthers (par exemple des polyéthylèneglycols), des aminés primaires, secondaires ou tertiaires (par exemple des trialcanol-amines), des polyorganosiloxanes hydroxylés ou hydrolysables, par exemple des α,ω-dihydroxy-polyorganosiloxanes (notamment des α,ω-dihydroxy- polydiméthylsiloxanes), et les mélanges de tels composés.
II-5. Préparation des compositions de caoutchouc
Les compositions sont fabriquées dans des mélangeurs appropriés, en utilisant deux phases de préparation successives bien connues de l'homme du métier : une première phase de travail ou malaxage thermo-mécanique (parfois qualifiée de phase "non-productive") à haute température, jusqu'à une température maximale (notée Tmax) comprise entre 1 100C et 1900C, de préférence entre 13O0C et 1800C, suivie d'une seconde phase de travail mécanique
(parfois qualifiée de phase "productive") à plus basse température, typiquement inférieure à 1200C, par exemple entre 6O0C et 1000C, phase de finition au cours de laquelle est incorporé le système de réticulation ou vulcanisation.
Le procédé de fabrication selon l'invention est caractérisé en ce qu'au moins la charge inorganique renforçante et tout ou partie du système de couplage sont incorporés par malaxage à l'élastomère diénique, au cours de la première phase dite non-productive, c'est-à- dire que l'on introduit dans le mélangeur et que l'on malaxe thermomécaniquement, en une ou plusieurs étapes, au moins ces différents constituants de base jusqu'à atteindre une température maximale comprise entre 1100C et 1900C, de préférence comprise entre 13O0C et 1800C.
A titre d'exemple, la première phase (non-productive) est conduite en une seule étape thermomécanique au cours de laquelle on introduit, dans un mélangeur approprié tel qu'un mélangeur interne usuel, dans un premier temps tous les constituants de base nécessaires (élastomère diénique, charge inorganique renforçante et tout ou partie du système de couplage)> puis dans un deuxième temps, par exemple après une à deux minutes de malaxage, les éventuels agents de recouvrement ou de mise en oeuvre complémentaires et autres additifs divers, à l'exception du système de vulcanisation. La durée totale du malaxage, dans cette phase non-productive, est de préférence comprise entre 2 et 10 minutes. Après refroidissement du mélange ainsi obtenu, on incorpore alors, le cas échéant la seconde partie du système de couplage, puis le système de vulcanisation à basse température, généralement dans un mélangeur externe tel qu'un mélangeur à cylindres ; le tout est alors mélangé (phase productive) pendant quelques minutes, par exemple entre 5 et 15 minutes.
En ce qui concerne l'introduction du système de couplage, selon un mode de réalisation particulièrement préférentiel, la totalité du composé I (silane sulfuré) est introduite pendant la phase non-productive, en même temps que la charge inorganique renforçante, tandis que l'introduction du Composé II (azosilane) peut être fractionnée (par exemple à raison de 25/75, 50/50 ou 75/25 parties respectives) sur les deux phases successives, d'abord non- productive (i.e., dans le mélangeur interne) puis productive (i.e., dans le mélangeur externe) ; toutefois, selon d'autres modes de réalisation possibles, la totalité du Composé II pourrait être introduite soit dans la phase non-productive, soit dans la phase productive .
Il convient de noter qu'il est possible d'introduire tout ou partie du système de couplage (Composé I et/ou Composé II) sous une forme supportée (la mise sur support étant réalisée au préalable) sur un solide compatible avec les structures chimiques correspondant à ces Composés ; un tel support est notamment du noir de carbone. Par exemple, lors du fractionnement entre les deux phases successives ci-dessus, il peut être avantageux d'introduire la seconde partie du système de couplage, sur le mélangeur externe, après une mise sur support afin de faciliter l'incorporation et la dispersion du ou des Composé(s) concernés.
La composition finale ainsi obtenue est ensuite calandrée, par exemple sous la forme d'une feuille, d'une plaque ou encore extrudée, par exemple pour former un profilé de caoutchouc utilisé pour la fabrication de semi-finis tels que des bandes de roulement, des nappes d'armatures de sommet, des flancs, des nappes d'armatures de carcasse, des talons, des protecteurs, des chambres à air ou des gommes intérieures étanches pour pneu sans chambre.
La vulcanisation (ou cuisson) est conduite de manière connue à une température généralement comprise entre 13O0C et 200°C, de préférence sous pression, pendant un temps suffisant qui peut varier par exemple entre 5 et 90 min en fonction notamment de la température de cuisson, du système de vulcanisation adopté et de la cinétique de vulcanisation de la composition considérée.
Le système de vulcanisation proprement dit est préférentiellement à base de soufre et d'un accélérateur primaire de vulcanisation, en particulier un accélérateur du type sulfénamide. A ce système de réticulation viennent s'ajouter, incorporés au cours de la première phase non- productive et/ou au cours de la phase productive, divers accélérateurs secondaires ou activateurs de vulcanisation connus tels que oxyde de zinc, acide stéarique, dérivés guanidiques (en particulier diphénylguanidine), etc. Le soufre est utilisé à un taux préférentiel compris entre 0,5 et 10 pce, plus préférentiellement compris entre 0,5 et 5,0 pce, par exemple entre 0,5 et 3,0 pce lorsque l'invention est appliquée à une bande de roulement de pneumatique. L'accélérateur primaire de vulcanisation est utilisé à un taux préférentiel compris entre 0,5 et 10 pce, plus préférentiellement compris entre 0,5 et 5,0 pce en particulier lorsque l'invention s'applique à une bande de roulement de pneumatique.
L'invention concerne les compositions de caoutchouc précédemment décrites tant à l'état dit "cru" (i.e., avant cuisson) qu'à l'état dit "cuit" ou vulcanisé (i.e., après réticulation ou vulcanisation). Les compositions conformes à l'invention peuvent être utilisées seules ou en coupage (i.e., en mélange) avec toute autre composition de caoutchouc utilisable pour la fabrication de pneumatiques.
III. EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION
III- 1. Synthèse du Composé II
Cet exemple illustre la préparation d'un azosilane particulier de formule (VI-j) :
(C2H5O)3Si-(CH2)3-NH-CO-N=N-CO-O-C2H5
en deux étapes, comme suit :
- par réaction d'un silane isocyanate sur un éthyl carbazate pour formation d'un précurseur hydrazino, selon le schéma réactionnel suivant :
(C2H5O)3Si-(CH2)S-NCO + H2N-NH-CO-O-C2H5 -> (C2H5O)3Si-(CH2)3-NH-CO-NH-NH-CO-O-C2H5
- puis oxydation du précurseur ci-dessus pour obtention du composé Ethyl-N-(3- triéthoxysilylpropyl)carbamoylazoformate.
A) Synthèse de l'ingrédient précurseur :
a) charges :
Figure imgf000032_0001
b) protocole opératoire : Le carbazate d'éthyle et le toluène anhydre sont chargés à température ambiante (23°C) dans le réacteur qui est mis sous atmosphère d'argon. Le réacteur est mis sous agitation à 300 tours/min et le mélange réactionnel est ensuite chauffé à 60°C. Le mélange réactionnel devient pratiquement homogène à chaud. Les 99,8 g de silane sont ensuite additionnés en 60 min à l'aide d'une ampoule de coulée isobare. Le mélange réactionnel est maintenu 2 heures sous agitation à 6O0C avant retour à température ambiante. Le mélange réactionnel est laissé au repos quelques heures à température ambiante. Un solide blanc cristallise. Il est ensuite filtré, lavé par 2 fois 150 ml d'éther isopropylique puis essoré sous vide. Le solide est finalement mis à séché à l'étuve à 6O0C jusqu'à poids constant égal à 131,5 g. Le produit est analysé par RMN (pureté molaire > 99%). Rendement = 97,4%.
B) Synthèse du composé II (azosilane final) :
L'azosilane de formule (VI-j) est obtenu en une étape à partir du précurseur par oxydation de la fonction hydrazino en fonction azo utilisant un système oxydant à base de N- Bromosuccinimide (NBS) et de pyridine ajoutés en quantités stœchiométriques par rapport au précurseur.
Figure imgf000033_0001
b) protocole opératoire :
Le précurseur, la pyridine et le dichlorométhane sont chargés dans un réacteur qui est mis sous atmosphère d'argon ; le milieu réactionnel est homogène pratiquement incolore. Le N- Bromosuccinimide est ajouté en 30 minutes à la spatule. La température est maintenue inférieure à 25°C. Dès le premier ajout de NBS, le milieu réactionnel devient orange vif. Le milieu réactionnel est maintenu sous agitation à température ambiante pendant 2 heures après la fin de l'addition du NBS. Le milieu réactionnel est concentré sous pression réduite à l'évaporateur rotatif.
Le résidu, qui se présente sous la forme d'une pâte orangée, est repris par 100 ml d'un mélange heptane/iPr2O (1/1 : vol/vol) puis filtré sur verre fritte (125 ml) de porosité 4. Le gâteau de filtration est lavé par 4 fois 25 ml supplémentaires du mélange de solvant précédent. Les eaux-mères sont filtrées une seconde fois sur le gâteau. Le filtrat est concentré sous pression réduite. Un liquide orange vif inodore est obtenu : m = 18,8 g.
Ce liquide est analysé par RMN, sa composition molaire est la suivante (% en mole) :
azosilane de formule Vl-j : 94,5% ; - composé précurseur : 0,2% ; succinimide : 5% ; résidus pyridiniques : 0,3%.
IH-2. Préparation des compositions de caoutchouc
On procède pour les essais qui suivent de la manière suivante: on introduit dans un mélangeur interne, rempli à 70% et dont la température initiale de cuve est d'environ 80°C, le caoutchouc naturel, la charge renforçante, le système de couplage (Composé I + environ 50% du Composé II), puis, après une à deux minutes de malaxage, les divers autres ingrédients à l'exception du système de vulcanisation. On conduit alors un travail thermomécanique (phase non-productive) en une étape (durée totale du malaxage égale à environ 4 min), jusqu'à atteindre une température maximale de "tombée" d'environ 1600C. On récupère le mélange ainsi obtenu, on le refroidit, on ajoute le reste du Composé II (environ 50%), puis le système de vulcanisation (soufre et accélérateur sulfénamide) sur un mélangeur externe (homo-finisseur), en mélangeant le tout (phase productive) pendant environ 5-10 min.
Les compositions ainsi obtenues sont ensuite calandrées soit sous la forme de plaques (épaisseur de 2 à 3 mm) ou de feuilles fines de caoutchouc pour la mesure de leurs propriétés physiques ou mécaniques, soit sous la forme de profilés utilisables directement, après découpage et/ou assemblage aux dimensions souhaitées, par exemple comme produits semi- finis pour pneumatiques, en particulier comme bandes de roulement de pneumatiques.
III-3. Caractérisation des compositions de caoutchouc
Cet essai a pour but de démontrer les performances de couplage améliorées apportées par le système de couplage de l'invention, comparée à un agent de couplage conventionnel.
On prépare pour cela trois compositions à base de caoutchouc naturel renforcées de noir de carbone ou d'une silice HDS, ces trois compositions différant essentiellement par les caractéristiques techniques qui suivent :
- composition C-I : charge noir de carbone (donc sans agent de couplage) ; composition C-2 : charge silice avec agent de couplage silane conventionnel ; composition C-3 : charge silice avec système de couplage selon l'invention.
Le système de couplage de la composition C-3 est utilisé à un taux isomolaire en silicium comparativement à la composition témoin C-2, c'est-à-dire qu'on utilise, quelle que soit la composition, le même nombre de moles de fonctions "Y" (Si(OEt)3) réactives vis-à-vis de la silice et de ses groupes hydroxyle de surface.
L'agent de couplage conventionnel de la composition témoin C-2 est le TESPT. On rappelle que le TESPT est le tétrasulfure de bis(3-triéthoxysilylpropyl), commercialisé notamment par la société Degussa sous la dénomination "Si69", de formule (Et = éthyle):
(EtO)3Si-(CH2)3-S4-(CH2)3-Si-(OEt)3
ou, sous forme développée :
Figure imgf000035_0001
Dans la composition de l'invention C-3, le TESPT ci-dessus est combiné à l'azosilane de formule (Et = éthyle) :
(VI-j)
Et - O - CO - N = N - CO - NH - (CH2)3 - Si (OEt)3
ou, sous une forme développée :
Figure imgf000035_0002
Les tableaux 1 et 2 donnent la formulation des différentes compositions (tableau 1 - taux des différents produits exprimés en pce - parties en poids pour cent parties d'élastomère) ainsi que leurs propriétés rhéométriques, et propriétés après cuisson (environ 20 min à 15O0C) ; le système de vulcanisation est constitué par soufre et sulfénamide. La figure unique annexée reproduit les courbes de module (en MPa) en fonction de l'allongement (%) ; ces courbes sont notées Cl, C2 et C3 et correspondent respectivement aux compositions C-I, C-2 et C-3. L 'examen des différents résultats du tableau 2 montre tout d'abord, pour la composition conforme à l'invention C-3, comparée à la composition témoin C-2, une cinétique de vulcanisation nettement plus rapide, illustrée par une constante K de vitesse de conversion qui est nettement supérieure (multipliée par 1,4), ainsi que par un temps de cuisson (T99-T1) nettement réduit (divisé par 1 ,4).
Après cuisson, la composition conforme à l'invention présente des propriétés à la rupture sensiblement équivalentes, mais les valeurs les plus élevées de module sous forte déformation (M300) et de rapport M300/M100, indicateur clair pour l'homme du métier d'un meilleur renforcement apporté par la charge inorganique et le système de couplage nouveau. La figure annexée confirme bien le constat précédent : la composition de l'invention C-3 (courbe C3) comparée à la composition témoin C-2 (courbe C2) révèle un niveau de renforcement (module) supérieur quel que soit le taux d'allongement sous grande déformation (allongements de 100% et plus), l'écart entre les deux courbes étant d'autant plus prononcé que l'allongement augmente ; un tel comportement illustre de manière claire un couplage amélioré entre la charge inorganique renforçante et l'élastomère diénique.
Surtout, la composition de l'invention C-3 comparée à C-2 révèle une hystérèse nettement améliorée, comme démontré par des valeurs de tan(δ)max et ΔG* sensiblement diminuées, ce qui est l'indicateur reconnu d'une réduction de la résistance au roulement des pneumatiques et par voie de conséquence de la consommation d'énergie des véhicules automobiles équipés de tels pneumatiques.
Enfin, fait surprenant pour l'homme du métier, le rapport (M300/M100) atteint sur la composition de l'invention C-3 est supérieur à celui obtenu sur la matrice de caoutchouc naturel conventionnellement chargée de noir de carbone (composition témoin C-I), signe d'un excellent niveau de renforcement, confirmé sur la figure annexée par des courbes de traction Cl et C3 très voisines ; de tels résultats laissent présager une très bonne aptitude de la composition de l'invention à résister à l'usure.
L'invention trouve des applications particulièrement avantageuses dans les compositions de caoutchouc destinées à la fabrication de bandes de roulement de pneumatiques à base d'élastomère isoprénique, en particulier lorsque ces bandes de roulement sont destinées à des pneumatiques pour véhicules industriels du type Poids-lourd. Tableau 1
Figure imgf000037_0001
(1) NR caoutchouc naturel peptisé ;
(2) silice "Zeosil 1165 MP" de la société Rhodia sous forme de microperles (BET et CTAB : environ 150-160 m2/g) ;
(3) noir de carbone N234 (société Degussa) ;
(4) TESPT ("Si69" société Degussa) ;
(5) azosilane (formule VI-j) ;
(6) N-1 ,3-diméthylbutyl-N-phényl-para-phénylènediamine ("Santoflex 6-PPD" de la société Flexsys) ;
(7) N-cyclohexyl-2-benzothiazyl-sulfénamide ("Santocure CBS" de la société Flexsys).
Tableau 2
Figure imgf000037_0002

Claims

REVENDICATIONS
1. Composition de caoutchouc destinée à la fabrication de pneumatiques ou produits semi-finis pour pneumatiques, à base d'au moins un élastomère isoprénique, une charge inorganique à titre de charge renforçante, un système de couplage (charge inorganique/ élastomère isoprénique) assurant la liaison entre la charge inorganique et l'élastomère isoprénique, caractérisée en ce que ledit système de couplage comporte :
1 à titre de premier agent de couplage, un composé silane sulfuré (ci-après "Composé I") ; • à titre de second agent de couplage, un composé organosilicique (ci-après "Composé II") au moins bifonctionnel greffable d'une part sur la charge inorganique au moyen d'un groupe fonctionnel silylé G, d'autre part sur l'élastomère au moyen d'un groupe fonctionnel azo-dicarbonyle, ledit composé organosilicique ayant pour formule :
(H) A - CO - N = N - CO - Z - G
dans laquelle:
G est le groupe fonctionnel silylé, porteur d'un groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium du composé ;
Z est un groupe de liaison divalent reliant le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle au groupe fonctionnel silylé ;
- A représente un groupe hydrocarboné monovalent ou le groupement de formule Z'-G' dans laquelle : o Z1, identique à ou différent de Z, est un groupe de liaison divalent permettant de relier le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle à un autre groupe fonctionnel silylé G1 ; o G', identique à ou différent de G, est un groupe fonctionnel silylé porteur d'un autre groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium ; A, Z et le cas échéant Z1 pouvant comporter, indépendamment, un hétéroatome.
2. Composition de caoutchouc selon la revendication 1, le Composé I étant un silane polysulfuré.
3. Composition de caoutchouc selon la revendication 2, le silane polysulfuré répondant à la formule (I): (D
Y1 - Z1 - Sx - Z2 - Y2
dans laquelle:
x est un entier de 2 à 8, de préférence de 2 à 5 ;
Z1 et Z2, identique ou différents, représentent chacun un radical hydrocarboné divalent comportant de 1 à 18 atomes de carbone ;
Y1 et Y2, identique ou différents, répondent chacun à l'une des formules ci-après:
R1 R1 R2
— Si— R1 ; — Si— R2 ; — Si— R2 , R2 R2 R2
dans lesquelles : les radicaux R1, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, représentent un groupe alkyle en Ci-Ci8, cycloalkyle en C5-Ci8 ou aryle en C6-CiS ; les radicaux R2, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, représentent un groupe hydroxyle, alkoxyle en Cj -Ci g ou cycloalkoxyle en C5-C18.
4. Composition de caoutchouc selon la revendication 3, Z1 et Z2 étant choisis dans le groupe constitué par les alkylènes en C1-C10, de préférence en C1-C4.
5. Composition de caoutchouc selon la revendication 4, Z1 et Z2 représentant le propylène.
6. Composition selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, les radicaux R1 étant choisis parmi les alkyles en C)-C4, de préférence représentant le méthyle.
7. Composition selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, les radicaux R2 étant choisis dans le groupe constitué par l'hydroxyle et les alkoxyles en C)-C4, de préférence dans le groupe constitué par hydroxyle, méthoxyle et éthoxyle.
8. Composition selon les revendications 6 et 7, le silane polysulfuré étant un polysulfure de bis-(alkoxyl(Ci-C4)-alkyl(Ci-C4)silyl-alkyl(Ci-C4)), de préférence un polysulfure de bis(3-triméthoxysilylpropyl) ou de bis(3-triéthoxysilylpropyl).
9. Composition selon la revendication 8, le silane polysulfuré étant le disulfure ou le tétrasulfure de bis(3-triéthoxysilylpropyl).
10. Composition selon la revendication 8, le silane polysulfuré étant un polysulfuré de bis- (monoalkoxyl(Ci-C4)-dialkyl(d-C4)silylpropyl), de préférence un polysulfuré de bis- monométhoxydiméthylsilylpropyl ou de bis-monoéthoxydiméthylsilylpropyl.
11. Composition selon la revendication 10, le silane polysulfuré étant le disulfure ou le tétrasulfure de bis-monoéthoxydiméthylsilylpropyl.
12. Composition selon les revendications 6 ou 7, le silane polysulfuré étant un polysulfuré d'hydroxy-méthyl-silane (R1 = méthyle et R2 = hydroxyle dans la formule I), de préférence un disulfure ou tétrasulfure de bis-monohydroxydiméthylsilylpropyl.
13. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle au moins l'un des groupes A, Z et le cas échéant Z' comporte un hétéroatome.
14. Composition selon la revendication 13, l'hétéroatome étant choisi parmi O, S et N.
15. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, le Composé II étant un organosilane.
16. Composition selon la revendication 15, le Composé II étant un organosilane de formule : (III)
A - CO -N = N - CO - Z - Si G'(3-a) G2 (a)
dans laquelle :
- a est un entier égal à 1, 2 ou 3 ; les radicaux G1, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par les alkyles en Ci-Ci8, les cycloalkyles en C5-Ci8 et les aryles en C6-Ci8 ; les radicaux G2, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par l'hydroxyle, les alkoxyles en C]-Ci8 et les cycloalkoxyles en C5-Cj8.
17. Composition selon la revendication 16, l'organosilane ayant pour formule : (IV) G4 (b) G3 (3-b) Si - Z' - CO - N = N - CO - Z - Si
Figure imgf000041_0001
G2 (a)
dans laquelle :
b, identique à ou différent de a, est un entier égal à 1 , 2 ou 3 ; G et G4, respectivement identiques à ou différents de G et G , ont les mêmes définitions que celles données pour G et G ; Z', identique à ou différent de Z, a la même définition que Z.
18. Composition selon la revendication 16, l'organosilane ayant pour formule :
(V)
R - O - CO - N = N - CO - Z - Si G1O-H) G2^)
dans laquelle R représente un alkyle en Ci-C6, de préférence en C1-C4.
19. Composition selon la revendication 18, R représentant le méthyle ou l'éthyle.
20. Composition selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, Z et le cas échéant Z' étant un alkylène en Ci-Ci0.
21. Composition selon la revendication 20, l'alkylène comportant un hétéroatome, choisi de préférence parmi O, S et N.
22. Composition selon la revendication 21, Z et le cas échéant Z1 étant choisi dans le groupe constitué par -(CH2)y- ; -NH-(CH2)y- ; -O-(CH2)y- ; y étant un entier de préférence de 1 à 6.
23. Composition selon les revendications 16 et 22, l'organosilane ayant pour formule :
(VI) A - CO - N = N - CO - NH - (CH2)y - Si G'p-a) G2 (a)
24. Composition selon la revendication 23, A représentant R-O-, R représentant un alkyle en Ci-C6, de préférence en C1-C4, et y étant un entier de préférence de 1 à 4.
25. Composition selon la revendication 24, R représentant le méthyle ou l'éthyle, et y étant égal à 3.
26. Composition selon les revendications 17 et 22, l'organosilane ayant pour formule :
(VU)
G4 (b) G3 (3-b) Si - (CH2V - HN - CO - N =N - CO - NH - (CH2)y - Si G'p-a) G2 (a)
27. Composition selon la revendication 26, y étant un entier de 1 à 4.
28. Composition selon les revendications 16 et 22, l'organosilane ayant pour formule :
(VIII)
A - CO -N =N - CO - O - (CH2)y - Si GVa) G2 (a)
29. Composition selon la revendication 28, A représentant R-O-, R représentant un alkyle en Ci-C6, de préférence en C1-C4, et y étant un entier de préférence de 1 à 4.
30. Composition selon la revendication 29, R représentant le méthyle ou l'éthyle, et y étant égal à 3.
31. Composition selon les revendications 17 et 22, l'organosilane ayant pour formule :
(IX)
G4 (b) G3 (3-b) Si - (CH2)y. - O - CO - N = N - CO - O - (CH2)y - Si G1O-.) G2 (a)
32. Composition selon la revendication 31, y et y' étant chacun un entier de 1 à 6, de préférence de 1 à 4.
33. Composition selon l'une quelconque des revendications 16 à 32, dans laquelle :
les radicaux G1 et le cas échéant G3 sont choisis parmi les alkyles en Ci -C4, de préférence parmi méthyle et éthyle ; les radicaux G et le cas échéant G4 sont choisis parmi l'hydroxyle et les alkoxyles en CpC4, de préférence parmi hydroxyle, méthoxyle et éthoxyle.
34. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, le Composé II étant un organosiloxane de formule :
(X)
[(G°)3Si01/2]m [(G°)2Si02/2]n [G0SiO3/2]o [SiO4/2]P [(G2)c(G1)c<A-CO-N=N-CO-Z)SiO(3-c.cy2]q
dans laquelle : les radicaux G1, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par les alkyles en Ci-C18, les cycloalkyles en C5-C1S et les aryles en CO-CI8 ; - les radicaux G2, substitués ou non substitués, identiques ou différents entre eux, sont choisis dans le groupe constitué par l'hydroxyle, les alkoxyles en Ci-C18 et les cycloalkoxyles en C5-Ci8 ;
- les symboles G0, identiques ou différents, représentent chacun l'un des groupes correspondant à G2 ou G1 ; - c représente un nombre entier choisi parmi 0, 1 et 2; c1 représente un nombre entier choisi parmi 0, 1 et 2; m, n, o, p représentent chacun un nombre entier ou fractionnaire égal ou supérieur à 0;
- q représente un nombre entier ou fractionnaire égal ou supérieur à 1 ; - la somme c+c' se situe dans l'intervalle allant de 0 à 2 avec la condition selon laquelle quand c = 0, alors au moins un symbole G0 répond à la définition de G2 ; et o soit au moins un des m, n, o, p est un nombre entier ou fractionnaire différent de
0 (zéro) et q représente un nombre entier ou fractionnaire égal ou supérieur à 1 ; o soit q est supérieur à 1 et alors chacun des m, n, o, p a une valeur quelconque.
35. Composition selon la revendication 34, dans laquelle :
les radicaux G1 sont choisis parmi les alkyles en C1-C4, de préférence parmi méthyle et éthyle ; - les radicaux G sont choisis parmi l'hydroxyle et les alkoxyles en Ci-C4, de préférence parmi hydroxyle, méthoxyle et éthoxyle.
36. Composition selon la revendication 34 ou 35, Z et le cas échéant Z' étant un alkylène
37. Composition selon la revendication 36, l'alkylène comportant un hétéroatome choisi de préférence parmi O, S et N.
38. Composition selon la revendication 37, Z et le cas échéant Z1 étant choisi dans le groupe constitué par -(CH2)y- ; -NH-(CH2)y- ; -O-(CH2)y- ; y étant un entier de préférence de 1 à 6.
39. Pneumatique ou produit semi-fini pour pneumatique comportant une composition de caoutchouc selon l'une quelconque des revendications 1 à 38.
40. Bande de roulement de pneumatique comportant une composition comportant une composition de caoutchouc selon l'une quelconque des revendications 1 à 38.
41. Utilisation d'une composition de caoutchouc selon l'une quelconque des revendications 1 à 38, pour la fabrication d'un pneumatique ou d'un produit semi-fini pour pneumatique.
42. Procédé pour préparer une composition de caoutchouc destinée à la fabrication d'un pneumatique ou d'un produit semi-fini pour pneumatique, cette composition étant à base d'un élastomère isoprénique, d'une charge inorganique renforçante et d'un système de couplage, ledit procédé comportant les étapes suivantes :
- incorporer à un élastomère isoprénique, au cours d'une première étape dite "non- productive", au moins une charge inorganique renforçante et tout ou une première partie d'un système de couplage assurant la liaison entre ladite charge inorganique renforçante et l'élastomère isoprénique, en malaxant thermomécaniquement le tout, en une ou plusieurs fois, jusqu'à atteindre une température maximale comprise entre 1100C et 19O0C ;
- refroidir l'ensemble à une température inférieure à 1000C ; - incorporer ensuite, au cours d'une seconde étape dite "productive", le cas échéant la seconde partie du système de couplage, puis un système de réticulation ;
- malaxer le tout jusqu'à une température maximale inférieure à 12O0C,
et étant caractérisé en ce ledit système de couplage comporte :
" à titre de premier agent de couplage, un composé silane sulfuré (ci-après "Composé I") ; • à titre de second agent de couplage, un composé organosilicique (ci-après "Composé II") au moins bifonctionnel greffable d'une part sur la charge inorganique au moyen d'un groupe fonctionnel silylé G, d'autre part sur l'élastomère au moyen d'un groupe fonctionnel azo-dicarbonyle, ledit composé organosilicique ayant pour formule (II):
(H) A - CO - N = N - CO - Z - G
dans laquelle:
G est le groupe fonctionnel silylé, porteur d'un groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium du composé ;
Z est un groupe de liaison divalent reliant le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle au groupe fonctionnel silylé ; A représente un groupe hydrocarboné monovalent ou le groupement de formule Z'-G' dans laquelle : o Z', identique à ou différent de Z, est un groupe de liaison divalent permettant de relier le groupe fonctionnel azo-dicarbonyle à un autre groupe fonctionnel silylé G1 ; o G', identique à ou différent de G, est un groupe fonctionnel silylé porteur d'un autre groupe hydroxyle ou hydrolysable fixé sur un atome de silicium ; A, Z et le cas échéant Z' pouvant comporter, indépendamment, un hétéroatome.
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