JP6774782B2 - 変性ジエン系重合体の製造方法 - Google Patents
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Description
アミノリチウムを含む開始剤溶液を特定の連続的方法により調製し、これを連続重合に供する特定の変性ジエン系重合体の連続的製造方法に関する。
[1]
不活性有機溶媒中で、有機リチウムと2級アミンとを連続的に反応させ、アミノリチウムを含む開始剤溶液を得る調製工程と、
前記開始剤溶液を連続的に重合器に導入する工程と、
共役ジエン単量体50部〜100部、及び共重合可能な単量体50部〜0部を含む重合用単量体を連続的に前記重合器に導入する工程と、
不活性有機溶媒中で、前記重合用単量体を単独重合又は共重合して重合体溶液を得る重合工程と、
前記重合体溶液を前記重合器から連続的に排出する工程と、
を含み、
前記調製工程が、前記有機リチウムを導入する第1の導入部と、前記2級アミンを導入する第2の導入部と、前記開始剤溶液を導出する導出部と、前記有機リチウムと前記2級アミンと前記不活性有機溶媒とを撹拌する混合手段と、を備える反応器で行われ、
前記調製工程における前記開始剤溶液の平均滞留時間が1時間以内である、変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
[2]
前記反応器が、前記混合手段としての回転式攪拌機を備える槽型反応器である、[1]に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
[3]
前記回転式攪拌機が、前記槽型反応器に対して垂直に配置され、
前記第1の導入部及び第2の導入部が、前記回転式攪拌機における攪拌羽根の最下端よりも下側に位置し、前記導出部が、前記攪拌羽根の最上端よりも上側に位置する、[2]に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
[4]
前記混合手段がスタティックミキサーである、[1]に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
[5]
前記調製工程において、第1の導入部及び第2の導入部と前記導出部との温度差を検出し、前記有機リチウムと2級アミンとの反応率を調整する、[1]〜[4]のいずれかに記載の変性重合体の連続的製造方法。
[6]
前記重合用単量体又は重合用単量体の溶液に有機金属化合物を混合することにより、当該重合用単量体に含まれる不純物を不活性化する工程と、
前記不活性化後の重合用単量体又は重合用単量体の溶液を前記重合器に導入する工程と、
をさらに含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
[7]
前記重合体溶液に末端変性剤を連続的に加える変性工程と、
前記変性工程を経た前記重合体溶液から溶剤を除去する工程と、
をさらに含む、[1]〜[6]のいずれかに記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
[8]
前記調製工程において、下記式で算出される前記開始剤溶液のリチウム濃度が、0.01%〜3%である、[1]〜[7]のいずれかに記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
リチウム濃度(%)=(前記有機リチウムの平均供給速度)/(前記反応器に供給する全成分の平均供給速度の合計)×(リチウム原子量)/(前記有機リチウムの分子量)×100
このように構成されているため、本実施形態に係る変性ジエン系重合体の連続的製造方法によれば、アミノリチウムを調製する反応における収率(すなわち、2級アミンの転化率)が高く、かつ、難溶性の3量体又は4量体のクラスター組成物の生成を抑えられるため、重合開始位置にアミノ基を有する変性ジエン系重合体を効率良く得ることができ、当該変性ジエン系重合体は、加硫物とした際のウェットグリップ性及び省燃費性に優れる。上記のように得られた変性ジエン系重合体は、低ヒステリシスロスを指向したタイヤ用ゴム、防振ゴム、履物などに好適な加硫ゴム組成物とすることができる。特に、加硫ゴム組成物が補強性充填材を含み、補強性充填剤が沈降性シリカ、又は沈降性シリカ及びカーボンブラックである場合、その効果はより顕著となる。
本実施形態における調製工程は、不活性有機溶媒中で、有機リチウムと2級アミンとを連続的に反応させ、アミノリチウムを含む開始剤溶液を得る工程である。
本実施形態における不活性有機溶媒は、有機リチウムと2級アミンに対し不活性な有機溶媒として一般に知られているものを含む。好ましい不活性有機溶剤としては、炭化水素溶媒である。炭化水素溶媒としては、以下に限定されないが、例えば、飽和炭化水素、芳香族炭化水素等が挙げられる。より詳細には、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ペンタン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素;シクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロペンタン、メチルシクロヘキサン等の脂環族炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素及びそれらの混合物からなる炭化水素等を用いることができる。特に、調製工程及び後述する重合工程で共通して使用できるような、各工程における溶解性及び後述する仕上げ工程における溶媒の除去の容易性から、ヘキサン、シクロヘキサン又はそれらの混合物が好ましい。
より反応の進行を促進する観点から、槽型反応器を用いる場合、単位体積当たりの撹拌動力を0.1〜10kW/m3とすることが好ましい。ここで、撹拌動力とは、撹拌に要する動力であり、混合時の消費電力を測定することで容易に求めることができる。また、同様の観点から、管状反応器、すなわち、スタティックミキサーを用いる場合、レイノルズ数が乱流領域(好ましくはRe=4000以上)となるようにし、かつ、内径及びエレメント数を適宜調整することが好ましい。例えば、供給する物質の基本物性と想定する総流量と反応器内径から線速度が決定され、レイノルズ数が決定される。このレイノルズ数の領域に応じて、適宜エレメント数を選択することができる。さらに、使用する反応原料の反応速度から予め滞留時間を想定しておき、それに応じた配管長を算出し、かかる配管長に応じて必要となるエレメント数を決定できる。上記要領で反応器の内径やエレメント数を選定し、さらにその際の圧力損失も考慮することが好ましい。
上記平均滞留時間は、例えば、反応器容積や開始剤溶液中のリチウム濃度(すなわち、全供給量に対する有機リチウム量)等により上記範囲に調整することができる。具体的には、下流側の重合工程において必要なリチウム量(レート)が変動すると、調製工程における反応レートが変動し、結果として平均滞留時間も変動する傾向にある。ここで、下流側の重合工程において必要なリチウム量(レート)は、当該重合工程において得られるポリマーが目標とする分子量の高低に応じて決定される。より具体的には、重合工程で必要なリチウム量レートをy(kg/min)、調製工程における反応器の容積をV(L)とし、反応器へのリチウム供給レート(平均供給速度)をx(kg/min)とし、(反応器内の)開始剤溶液中のリチウム濃度をd(kg/L)とすると、y=x×dが成立する。また、平均滞留時間をθとすると、θ=V/x=(d×V)/yとなる。ここで、製造する重合体の分子量をほぼ均一とする観点から、yは一定とすることが通常であり、Vも一定であるため、上記式からわかるようにθはdに比例する。したがって、リチウム濃度が上昇すると平均滞留時間も上昇する傾向にある。
本実施形態におけるリチウム濃度は、具体的には、(有機リチウムの平均供給速度)/(反応器に供給する全成分の平均供給速度の合計)×(リチウム原子量)/(有機リチウム分子量)×100で算出することができ、上記のとおり重合工程において所望とするポリマーの分子量に応じて決定すればよいが、0.01%〜3%であることが好ましく、より好ましくは0.1%〜2.5%である。上記範囲である場合、開始剤溶液中に難溶性の3量体又は4量体のクラスター組成物が生成することをより効果的に防止できる傾向にあり、結果として配管での析出、詰まり等の発生や、次の重合工程において開始速度の遅延やばらつき発生をより効果的に防止できる傾向にある。
上述の構成を有する槽型反応器の一例を表す説明図を図1に示す。本実施形態における槽型反応器10は、反応原料である有機リチウムと2級アミンとを反応系内に供給するための第1の導入部1及び第2の導入部2を備えており、反応原料は回転式撹拌機6により撹拌されながら反応し、開始剤溶液として導出部3から導出される。
回転式撹拌機6は、回転軸の上下方向に沿って複数の撹拌羽根を備えるものであってよく、図1では最上端に位置する攪拌羽根最上部4、及び最下端に位置する攪拌羽根最下部5のみを図示している。
図1においては、第1の導入部1及び第2の導入部2は回転式攪拌機6における攪拌羽根最下部5よりも下側に位置しており、導出部3は攪拌羽根最上部4よりも上側に位置している。槽型反応器10がこのような構成を有する場合、反応効率が一層向上する傾向にある。
本実施形態における重合工程で用いられる重合用単量体は、共役ジエン単量体50部〜100部、及び共重合可能な単量体50部〜0部を含む。すなわち、本実施形態における重合は、共役ジエン単量体の単独重合、及び共役ジエン単量体及びこれに共重合可能な1種以上の単量体との共重合のいずれであってもよい。なお、上記した各含有量については、本実施形態に係る変性ジエン系重合体の連続的製造方法に使用される重合用単量体の供給比率として示している。
低ヒステリシスロスを指向した加硫ゴム組成物を得る目的においては、ランダム共重合体が好ましい。
(1)エーテル類
(2)オルトジメトキシベンゼン類
(3)アルカリ金属とケトン又は亜リン酸トリエステルとのコンプレックス
(4)下記一般式で表される化合物
R(OM1)n、(RO)2M2、R(COOM1)n、ROCOOM1、RSO3M1、ROSO3M1
(ここで、Rは脂肪族、脂環族及び芳香族の各炭化水素基から選ばれるものであり、M1はアルカリ金属であり、特に、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム又はセシウムを表し、M2はアルカリ土類金属であり、具体的にはカルシウム又はバリウムを表し、nは1〜3の整数である。)
(5)第3級アミン
(6)エーテル結合を有する第3級アミン
以下、ランダマイザーについて具体的に説明するが、これらのランダマイザーは、単独で用いることもできるし、これらを併用してもよい。
(2)オルトジメトキシベンゼン類の具体例としては、以下に限定されないが、ベラトロール、イソホモベラトロール等が挙げられる。
(3)アルカリ金属とケトン又は亜リン酸トリエステルとのコンプレックスの具体例としては、以下に限定されないが、アセトン、メチルエチルケトン、ジイソプロピルケトン、ベンゾフェノン、アセトフェノン、ジベンジルケトン、フルオレノン、キサントン、ミヒラーケトン、アセチルアセトンのようなケトン類及び、トリエチルホスファイト、トリオクチルホスファイト、トリベンジルホスファイト、トリノニルホスファイトのような亜リン酸トリエステルと、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム又はセシウムとのコンプレックス等が挙げられる。
一般式R(OM1)n又は(RO)2M2で示されるアルコール、フェノールのアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩の具体的な例には、以下に限定されないが、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、tert−ブチルアルコール、tert−アミルアルコール、シクロヘキシルアルコール、アリルアルコール、2−ブテニルアルコール、ベンジルアルコール、フェノール、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノン、1−ナフチルアルコール、p−ノニルフェノール、ピロガロール等のリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、カルシウム及びバリウムの各塩が含まれる。好ましくは、tert−アミルアルコキシナトリウム、p−ノニルフェノキシナトリウムである。
本実施形態における重合体溶液を重合器から連続的に排出する工程で、さらに、重合体溶液に末端変性剤を連続的に加える工程を含むことが好ましく、より好ましくは重合体溶液に末端変性剤を連続的に加える変性工程と、変性工程を経た重合体溶液から溶剤を除去する工程と、をさらに含む。末端変性剤を連続的に加える工程により、終了末端が変性された変性ジエン系重合体とすることができる。末端変性剤としては、特に限定されないが、単官能の化合物を用いると、直鎖状の両末端変性ジエン系重合体が得られ、多官能の化合物を用いると、分岐状の両末端変性ジエン系重合体が得られる。好ましくは、末端変性剤として窒素、ケイ素、スズ、リン、酸素、硫黄、ハロゲンからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む単官能又は多官能の化合物が用いられる。また、オニウム生成剤を含む末端変性剤を加えて反応させ、上記変性共役ジエン系重合体にオニウム構造を導入することができる。また、これらの元素を含む官能基を分子中に複数含有する末端変性剤、又はこれらの元素を複数含む官能基を含有する末端変性剤を用いることもできる。これらの末端変性剤を連続的に加える工程により、より低ヒステリシスロスを指向した加硫ゴム組成物が得られる傾向にある。
末端変性剤としての窒素含有化合物としては、以下に限定されないが、例えば、イソシアナート化合物、イソチオシアナート化合物、イソシアヌル酸誘導体、窒素基含有カルボニル化合物、窒素基含有ビニル化合物、窒素基含有エポキシ化合物等が挙げられる。
ミクロ構造(上記変性共役ジエン系重合体中の各結合量)が上記範囲にあり、さらに変性共役ジエン系重合体のガラス転移温度が−45〜−15℃の範囲にあるときに、省燃費性とウェットグリップ性のバランスにより一層優れた加硫物が得られる傾向にある。ガラス転移温度については、ISO22768:2006に従い、所定の温度範囲で昇温しながらDSC曲線を記録し、DSC微分曲線のピークトップ(Inflection point)をガラス転移温度とする。
本実施形態において、得られる変性ジエン系重合体は、必要により他のゴム状重合体を配合し、補強性充填材を配合した組成物とすることができる。さらに架橋剤を配合して加硫ゴム組成物とすることができる。
各種の測定は下記の方法によった。
平均滞留時間は、反応器容積(撹拌翼/エレメントの体積を除いた容積)を2級アミンの平均供給速度及び溶媒の平均供給速度の和で除した値として算出した。具体的には、表1に示されている「供給アミン(mL/分)」(ピペリジン単体の平均供給速度)の値と、「溶媒(mL/分)」(n−ブチルリチウムを溶解する溶媒及びピペリジンと合流する溶媒の全体としての平均供給速度)の値とを用いて算出した。
アミノリチウムを含む開始剤溶液に、リチウムに対し過剰量のテトラメトキシシランを加え、反応を停止させた。反応停止後の溶液を試料として、ガスクロマトグラフィー(GC)測定装置(Agilent社製の商品名「GC7890A」)を使用して、FID検出器を用いて残存する2級アミン量を測定した。濃度既知の試料により作成した検量線に基づき、2級アミン量を定量し、仕込量に対する減少率を転化率とした。カラムはAgilent社製の商品名「CP7447」を使用し、その他の測定条件は以下のとおりとした。
<注入口条件>
注入口温度:270℃
注入方法:スプリット法 30:1
注入量:3μL
<カラム条件>
昇温条件:100℃で16分保持し、次いで30℃/分で昇温し、次いで250℃×4分保持
カラム流量:1.8mL/分
<検出器条件>
検出器温度:300℃
変性共役ジエン系重合体を試料として、試料100mgを、クロロホルムで100mLにメスアップし、溶解して測定サンプルとした。スチレンのフェニル基による紫外線吸収波長(254nm付近)の吸収量により、試料である変性共役ジエン系重合体100質量%に対しての結合スチレン量(質量%)を測定した(島津製作所社製の分光光度計「UV−2450」)。
変性共役ジエン系重合体を試料として、試料50mgを、10mLの二硫化炭素に溶解して測定サンプルとした。溶液セルを用いて、赤外線スペクトルを600〜1000cm-1の範囲で測定して、所定の波数における吸光度によりハンプトンの方法(R.R.Hampton,Analytical Chemistry 21,923(1949)に記載の方法)の計算式に従い、ブタジエン部分のミクロ構造、すなわち、1,2−ビニル結合量(mol%)を求めた(日本分光社製のフーリエ変換赤外分光光度計「FT−IR230」)。
共役ジエン系重合体又は変性共役ジエン系重合体を試料として、ポリスチレン系ゲルを充填剤としたカラムを3本連結したGPC測定装置(東ソー社製の商品名「HLC−8320GPC」)を使用して、RI検出器(東ソー社製の商品名「HLC8020」)を用いてクロマトグラムを測定し、標準ポリスチレンを使用して得られる検量線に基づいて、重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)と分子量分布(Mw/Mn)と、変性共役ジエン系重合体のピークトップ分子量(Mp1)と共役ジエン系重合体のピークトップ分子量(Mp2)とその比率(Mp1/Mp2)と、分子量200万以上500万以下の割合と、を求めた。溶離液はTHFを使用した。カラムは、東ソー社製の商品名「TSKgel SuperMultiporeHZ−H」を3本接続し、その前段にガードカラムとして東ソー社製の商品名「TSKguardcolumn SuperMP(HZ)−H」を接続して使用した。測定用の試料10mgを20mLのTHFに溶解して測定溶液とし、測定溶液10μLをGPC測定装置に注入して、オーブン温度40℃、THF流量0.35mL/分の条件で測定した。
変性共役ジエン系重合体を試料として、ムーニー粘度計(上島製作所社製の商品名「VR1132」)を用い、JIS K6300に準拠し、L形ローターを用いてムーニー粘度を測定した。まず、試料を1分間試験温度で予熱した後、ローターを2rpmで回転させ、4分後のトルクを測定してムーニー粘度(ML(1+4))とした。
共役ジエン系重合体又は変性共役ジエン系重合体を試料として、シリカ系ゲルを充填剤としたGPCカラムに、変性した塩基性重合体成分が吸着する特性を応用することにより、測定した。試料及び低分子量内部標準ポリスチレンを含む試料溶液を、ポリスチレン系カラムで測定したクロマトグラムと、シリカ系カラムで測定したクロマトグラムと、の差分よりシリカ系カラムへの吸着量を測定し、変性率を求めた。具体的には、以下に示すとおりとした。
試料溶液の調製:試料10mg及び標準ポリスチレン5mgを20mLのTHFに溶解させて、試料溶液とした。
ポリスチレン系カラムを用いたGPC測定条件:東ソー社製の商品名「HLC−8320GPC」を使用して、THFを溶離液として用い、試料溶液10μLを装置に注入し、カラムオーブン温度40℃、THF流量0.35mL/分の条件で、RI検出器を用いてクロマトグラムを得た。カラムは、東ソー社製の商品名「TSKgel SuperMultiporeHZ−H」を3本接続し、その前段にガードカラムとして東ソー社製の商品名「TSKguardcolumn SuperMP(HZ)−H」を接続して使用した。THFを溶離液として用い、試料溶液200μLを装置に注入して測定した。カラムは、ガードカラム:東ソー社製の商品名「TSKguardcolumn SuperH−H」、カラム:東ソー社製の商品名「TSKgel SuperH5000」、「TSKgel SuperH6000」、「TSKgel SuperH7000」を使用した。カラムオーブン温度40℃、THF流量1.0mL/分の条件で、RI検出器(東ソー社製 HLC8020)を用いて測定しクロマトグラムを得た。
シリカ系カラムを用いたGPC測定条件:東ソー社製の商品名「HLC−8320GPC」を使用して、THFを溶離液として用い、試料溶液50μLを装置に注入し、カラムオーブン温度40℃、THF流量0.5ml/分の条件で、RI検出器を用いてクロマトグラムを得た。カラムは、商品名「Zorbax PSM−1000S」、「PSM−300S」、「PSM−60S」を接続して使用し、その前段にガードカラムとして商品名「DIOL 4.6×12.5mm 5micron」を接続して使用した。
変性率の計算方法:ポリスチレン系カラムを用いたクロマトグラムのピーク面積の全体を100として、試料のピーク面積をP1、標準ポリスチレンのピーク面積をP2、シリカ系カラムを用いたクロマトグラムのピーク面積の全体を100として、試料のピーク面積をP3、標準ポリスチレンのピーク面積をP4として、下記式より変性率(%)を求めた。
変性率(%)=[1−(P2×P3)/(P1×P4)]×100
(ここで、P1+P2=P3+P4=100である。)
<開始剤の調製工程>
内容量230mL(撹拌翼の体積を除いた容積207mL)で、内径53mm、長さ105mmの槽型反応器であって、反応器の底部から15mm上を最下端とする幅20mm、径40mmの攪拌翼及び反応器の頂部から15mm下を最上端とする幅20mm、径40mmの攪拌翼から構成される上下2段の攪拌翼を有し、回転数100rpmである回転式攪拌機を備えた反応器を用いた。すなわち、2級アミンとしてピペリジン、有機リチウムとしてn−ブチルリチウムのシクロヘキサン溶液を用い、溶媒としてシクロヘキサンを用い、それぞれ一定の供給速度で反応器に連続的に導入した。ピペリジンとシクロヘキサンは反応器手前で予め配管で合流させ混液とし、それぞれの溶液は底部に設けた2本のノズルから導入し、頂部の1本のノズルから排出した。すなわち、導入ノズルは攪拌翼の最下端から15mm下に、排出ノズルは攪拌翼の最上端から15mm上に設けた。各成分の平均供給速度を表1に示す。ここで、n−ブチルリチウム(ノルマルブチルリチウム)の平均供給速度はノルマルブチルリチウムのシクロヘキサン溶液の平均供給速度を示し、ピペリジン(供給アミン)の平均供給速度はシクロヘキサンと合流する前の平均供給速度を示す。
反応器内のリチウム濃度は0.16質量%、ピペリジンとnーブチルリチウムのモル比は0.9:1、反応物の平均滞留時間は13.5分であった。導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は26℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの転化率は99.2%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質は見られなかった。
上記のように得られた開始剤溶液を反応器から重合器まで移送するまでの滞留時間(表1中、「重合反応器までの滞留時間」と記す。)は2.0分とした。
内容積が110Lで、内部の高さ(L)と直径(D)との比(L/D)が4.0であり、底部に入口、頂部に出口を有し、攪拌機及び温度制御用のジャケットを有する槽型圧力容器を重合反応器とした。予め水分を除去した、1,3−ブタジエンを263g/分、スチレンを197g/分、n−ヘキサンを2779g/分、及び極性物質として2,2−ビス(2−オキソラニル)プロパンを0.219g/分のフィード速度で連続的に混合し、この混合溶液を反応基の入口に供給する配管の途中に設けたスタティックミキサーにおいて、残存不純物不活性処理用有機金属としてn−ブチルリチウム(表1中、「不純物処理NBL」と記す。)を0.854mmol/分で添加、混合した後、反応基の底部に連続的に供給した。更に、1,3−ブタジエン(表1中、「インクレメントBd」と記す。)を87.5g/分、n−ヘキサン(表1中、「インクレメントnHex」と記す。)を204g/分で、その混合液を重合反応機の底部から全体の2/3の高さの位置にあるノズルから供給した。前記開始剤調製工程で得られたアミノリチウムを含む重合開始剤をトータルリチウムとして2.74mmol/分の速度で、攪拌機で激しく混合する重合反応器の底部へ別のノズルから供給し、連続的に重合反応を継続させた。
なお、トータルリチウムとしては、アミドリチウム及び未反応n−ブチルリチウムの両方のリチウムを含むものとした。反応器頂部出口における重合溶液の温度が75℃となるように温度を制御した。重合が十分に安定したところで、反応器頂部出口より、末端変性剤を加える工程前の変性重合体(開始変性重合体)溶液を少量抜出し、酸化防止剤(BHT)を重合体100gあたり0.2gとなるように添加した後に溶媒を除去し、分子量及び変性率を測定した。その他の物性も併せて表1に示す。
次に、反応器の出口より流出した変性重合体溶液に、末端変性剤として2,2−ジメトキシ−1−(3−トリメトキシシシリルプロピル)−1−アザ−2−シラシクロペンタン(DTMPAS)を0.680mmol/分の速度で連続的に添加し、末端変性剤を添加した重合体溶液はスタティックミキサーを通して混合し、終了末端を変性した。終了末端を変性した重合体溶液に、酸化防止剤(BHT)を重合体100gあたり0.2gとなるように0.055g/分(n−ヘキサン溶液)で連続的に添加し、カップリング反応を終了した。酸化防止剤と同時に、重合体100gに対してオイル(JX日鉱日石エネルギー社製 JOMOプロセスNC140)が25.0gとなるように連続的に添加し、スタティックミキサーで混合した。スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料A)を得た。試料Aの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
内容量34.2mL(エレメントの体積を除いた容積31mL)で、内径11mm、長さ360mmであり、エレメント数が21であるスタティックミキサー型反応器を用い、2級アミンとしてピペリジン、有機リチウムとしてn−ブチルリチウムを用い、それぞれシクロヘキサン溶液として、反応器に連続的に導入した。
反応器内のリチウム濃度は0.16質量%、ピペリジンとnーブチルリチウムのモル比は0.6:1、反応物の平均滞留時間は2分であった。導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は25℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は98.9%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質は見られなかった。
末端変性剤としてビス(3−トリメトキシシリルプロピル)メチルアミン(BTESPA)を用いた以外は、実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料B)を得た。試料Bの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
内容量525mL(撹拌翼の体積を除いた容積473mL)で、内径69mm、長さ139mmの槽型反応器であって、反応器の底部から20mm上を最下端とする幅25mm及び反応器の頂部から20mm下を最上端とする幅25mmの、径50mmの上下2段の攪拌翼を有し、回転数60rpmである回転式攪拌機を備えた反応器を用い、2級アミンとしてピペリジン、有機リチウムとしてn−ブチルリチウムを用い、それぞれシクロヘキサン溶液として、反応器に連続的に導入した。それぞれのシクロヘキサン溶液は底部に設けた2本のノズルから導入し、頂部の1本のノズルから排出した。すなわち、導入ノズルは攪拌翼の最下端から20mm下に、排出ノズルは攪拌翼の最上端から20mm上に設けた。
反応器内のリチウム濃度は0.16質量%、ピペリジンとnーブチルリチウムのモル比は0.9:1、反応物の平均滞留時間は30.9分であった。導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は26℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は99.4%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質は見られなかった。
実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料C)を得た。試料Cの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
2級アミンのシクロヘキサン溶液及び有機リチウムのシクロヘキサン溶液をそれぞれ反応器に連続的に導入する際に、それぞれのシクロヘキサン溶液は底から25mmの高さに設けた2本のノズルから導入し、頂部から25mm下がった高さに設けた1本のノズルから排出した以外は、実施例1と同様に開始剤の調製を行った。すなわち、導入ノズルは下の攪拌翼の高さにあり、排出ノズルは上の攪拌翼の高さにある。
導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は26℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は97.7%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質は見られなかった。
実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料D)を得た。試料Dの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
実施例1と同様に開始剤の調製を行った。反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は99.1%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質は見られなかった。
残存不純物不活性処理用有機金属としてのn−ブチルリチウムを添加しない以外は、実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料E)を得た。試料Eの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
内容量34.2mL(エレメントの体積を除いた容積31mL)で、内径11mm、長さ360mmであり、エレメント数が21であるスタティックミキサー型反応器を用い、2級アミンとしてピペリジン、有機リチウムとしてn−ブチルリチウムを用い、それぞれシクロヘキサン溶液として、反応器に連続的に導入した。
反応器内のリチウム濃度は1.1質量%、ピペリジンとnーブチルリチウムのモル比は0.9:1、反応物の平均滞留時間は15.4分であった。導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は25℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は99.5%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質は見られなかった。
実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料F)を得た。試料Fの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
内容量1150mL(撹拌翼の体積を除いた容積1035mL)で、内径90mm、長さ180mmの槽型反応器であって、反応器の底部から25mm上を最下端とする幅30mm及び反応器の頂部から25mm下を最上端とする幅30mmの、径70mmの2枚の攪拌翼を有し、回転数60rpmである回転式攪拌機を備えた反応器を用い、2級アミンとしてピペリジン、有機リチウムとしてn−ブチルリチウムを用い、それぞれシクロヘキサン溶液として、反応器に連続的に導入した。それぞれのシクロヘキサン溶液は底部に設けた2本のノズルから導入し、頂部の1本のノズルから排出した。すなわち、導入ノズルは攪拌翼の最下端から25mm下に、排出ノズルは攪拌翼の最上端から25mm上に設けた。
反応器内のリチウム濃度は0.16質量%、ピペリジンとnーブチルリチウムのモル比は0.9:1、反応物の平均滞留時間は67.7分であった。導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は26℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は99.6%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質が確認された。
上記のとおり、比較例1では、反応器の容積に対する各反応原料の平均供給速度が比較的小さかったため、平均滞留時間としては1時間を超える結果となり、開始剤溶液中に難溶性物質が生じたものと考えられる。
実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料G)を得た。試料Gの物性を表1に示す。
<開始剤の調製工程>
内容量34.2mL(エレメントの体積を除いた容積31mL)で、内径11mm、長さ360mmであり、エレメント数が21であるスタティックミキサー型反応器を用い、2級アミンとしてピペリジン、有機リチウムとしてn−ブチルリチウムを用い、それぞれシクロヘキサン溶液として、反応器に連続的に導入した。
反応器内のリチウム濃度は3.5質量%、ピペリジンとnーブチルリチウムのモル比は0.6:1、反応物の平均滞留時間は66.9分であった。導入したピペリジン溶液及びn−ブチル溶液の温度はそれぞれ15℃であり、出口における反応溶液の温度は25℃であった。
反応器出口からサンプリングした溶液をガスクロマトグラフィーにより分析した結果、2級アミンの反応率は99.8%であった。また、窒素雰囲気下にてサンプリングした開始剤溶液を目視したところ、難溶性の物質が確認された。
上記のとおり、比較例2では、リチウム濃度が高く、平均滞留時間としては1時間を超える結果となり、開始剤溶液中に難溶性物質が生じたものと考えられる。
実施例1と同様に連続重合を実施し、末端変性剤を反応させた後に酸化防止剤及びオイルを加え、スチームストリッピングにより溶媒を除去して、変性共役ジエン系重合体(試料H)を得た。試料Hの物性を表1に示す。
表1に示す(試料A〜H)を原料ゴムとして、以下に示す配合に従い、それぞれの原料ゴムを含有するゴム組成物を得た。
変性共役ジエン系重合体(試料A〜F):100質量部(オイル抜き)
シリカ1(エボニック デグサ社製の商品名「Ultrasil 7000GR」窒素吸着比表面積170m2/g):50.0質量部
シリカ2(ローディア社製の商品名「Zeosil Premium 200MP」窒素吸着比表面積220m2/g):25.0質量部
カーボンブラック(東海カーボン社製の商品名「シーストKH(N339)」):5.0質量部
シランカップリング剤(エボニック デグサ社製の商品名「Si75」、ビス(トリエトキシシリルプロピル)ジスルフィド):6.0質量部
S−RAEオイル(JX日鉱日石エネルギー社製の商品名「プロセスNC140」):37.5質量部
亜鉛華:2.5質量部
ステアリン酸:1.0質量部
老化防止剤(N−(1,3−ジメチルブチル)−N‘−フェニル−p−フェニレンジアミン):2.0質量部
硫黄:2.2質量部
加硫促進剤1(N−シクロヘキシル−2−ベンゾチアジルスルフィンアミド):1.7質量部
加硫促進剤2(ジフェニルグアニジン):2.0質量部
合計:239.4質量部
レオメトリックス・サイエンティフィック社製の粘弾性試験機「ARES」を使用し、ねじりモードで粘弾性パラメータを測定した。各々の測定値は、比較例1のゴム組成物に対する結果を100として指数化した。0℃において周波数10Hz、ひずみ1%で測定したtanδをウェットグリップ性の指標とした。値が大きいほどウェットグリップ性が良好であることを示す。また、50℃において周波数10Hz、ひずみ3%で測定したtanδを省燃費性の指標とした。値が小さいほど省燃費性が良好であることを示す。
2 第2の導入部
3 導出部
4 撹拌羽根最上部
5 撹拌羽根最下部
6 回転式攪拌機
10 槽型反応器
L 槽型反応器の長さ
D 槽型反応器の径
Claims (8)
- 不活性有機溶媒中で、有機リチウムと2級アミンとを連続的に反応させ、アミノリチウムを含む開始剤溶液を得る調製工程と、
前記開始剤溶液を連続的に重合器に導入する工程と、
共役ジエン単量体50部〜100部、及び共重合可能な単量体50部〜0部を含む重合用単量体を連続的に前記重合器に導入する工程と、
不活性有機溶媒中で、前記重合用単量体を単独重合又は共重合して重合体溶液を得る重合工程と、
前記重合体溶液を前記重合器から連続的に排出する工程と、
を含み、
前記調製工程が、前記有機リチウムを導入する第1の導入部と、前記2級アミンを導入する第2の導入部と、前記開始剤溶液を導出する導出部と、前記有機リチウムと前記2級アミンと前記不活性有機溶媒とを撹拌する混合手段と、を備える反応器で行われ、
前記調製工程における前記開始剤溶液の平均滞留時間が1時間以内である、変性ジエン系重合体の連続的製造方法。 - 前記反応器が、前記混合手段としての回転式攪拌機を備える槽型反応器である、請求項1に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
- 前記回転式攪拌機が、前記槽型反応器に対して垂直に配置され、
前記第1の導入部及び第2の導入部が、前記回転式攪拌機における攪拌羽根の最下端よりも下側に位置し、前記導出部が、前記攪拌羽根の最上端よりも上側に位置する、請求項2に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。 - 前記混合手段がスタティックミキサーである、請求項1に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
- 前記調製工程において、第1の導入部及び第2の導入部と前記導出部との温度差を検出し、前記有機リチウムと2級アミンとの反応率を調整する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の変性重合体の連続的製造方法。
- 前記重合用単量体又は重合用単量体の溶液に有機金属化合物を混合することにより、当該重合用単量体に含まれる不純物を不活性化する工程と、
前記不活性化後の重合用単量体又は重合用単量体の溶液を前記重合器に導入する工程と、
をさらに含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。 - 前記重合体溶液に末端変性剤を連続的に加える変性工程と、
前記変性工程を経た前記重合体溶液から溶剤を除去する工程と、
をさらに含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。 - 前記調製工程において、下記式で算出される前記開始剤溶液のリチウム濃度が、0.01%〜3%である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の変性ジエン系重合体の連続的製造方法。
リチウム濃度(%)=(前記有機リチウムの平均供給速度)/(前記反応器に供給する全成分の平均供給速度の合計)×(リチウム原子量)/(前記有機リチウムの分子量)×100
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