EP4543692A1 - Composition de caoutchouc comprenant un élastomère diénique fortement saturé - Google Patents

Composition de caoutchouc comprenant un élastomère diénique fortement saturé

Info

Publication number
EP4543692A1
EP4543692A1 EP23733735.7A EP23733735A EP4543692A1 EP 4543692 A1 EP4543692 A1 EP 4543692A1 EP 23733735 A EP23733735 A EP 23733735A EP 4543692 A1 EP4543692 A1 EP 4543692A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phr
copolymer
rubber composition
composition according
units
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23733735.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thomas Ferrand
José-Carlos ARAUJO DA SILVA
Maxime PRAS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Original Assignee
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA filed Critical Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
Publication of EP4543692A1 publication Critical patent/EP4543692A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F210/00—Copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond
    • C08F210/02—Ethene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C1/00—Tyres characterised by the chemical composition or the physical arrangement or mixture of the composition
    • B60C1/0025—Compositions of the sidewalls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L7/00—Compositions of natural rubber

Definitions

  • Rubber composition comprising a highly saturated diene elastomer
  • the field of the present invention is that of rubber compositions comprising a highly saturated diene elastomer, in particular compositions intended to be used in a tire, more particularly in a tire sidewall.
  • the sidewalls of a tire are exposed both to the action of ozone and to deformation cycles such as bending during the rolling of the tire.
  • Deformation cycles combined with the action of ozone can cause cracks or fissures to appear in the sidewall, preventing the tire from being used regardless of tread wear. Consequently, rubber compositions are sought which are very cohesive to constitute, for example, tire sidewalls due to their ability to undergo large deformations without breaking, even in the presence of incipient cracks.
  • copolymers having a lower sensitivity to oxidation such as for example highly saturated diene elastomers, elastomers comprising ethylene units at a molar rate. greater than 50% of the monomer units of the elastomer.
  • the use of copolymers of ethylene and 1,3-diene in a sidewall composition is also, for example, described in document EP 2 682 423 Al to increase ozone resistance.
  • diene rubber compositions comprising copolymers of ethylene and 1,3-butadiene, once crosslinked, can have a much higher rigidity than the diene rubber compositions traditionally used as shown in document WO 2014/114607 AL
  • this increased rigidity although favorable for improved wear resistance for use in treads, can sometimes prove inappropriate for certain applications.
  • the subject of the invention is a rubber composition based on at least:
  • polyisoprene comprising a mass content of 1,4-cis bonds of at least 90% of the mass of the polyisoprene
  • reinforcing filler comprising more than 50% by mass of carbon black relative to the total mass of reinforcing filler
  • Tg glass transition temperature
  • the invention also relates to a rubber article comprising a composition according to the invention, in particular a pneumatic tire of which at least one sidewall comprises a composition according to the invention.
  • composition based on we mean a composition comprising the mixture and/or the in situ reaction product of the different constituents used, some of these constituents being able to react and/or being intended to react with each other, at least partially, during the different phases of manufacturing the composition; the composition can thus be in the totally or partially crosslinked state or in the non-crosslinked state.
  • elastomeric matrix we mean all of the elastomers in the composition, including the copolymer defined below.
  • the rates of units resulting from the insertion of a monomer into a copolymer are expressed as a molar percentage relative to all the monomer units of the copolymer.
  • part by weight per hundred parts by weight of elastomer (or phr), in the sense of the present invention, is meant the part, by mass per hundred parts by mass of the elastomer matrix.
  • any interval of values designated by the expression "between a and b" represents the range of values going from more than a to less than b (that is to say limits a and b excluded) while any interval of values designated by the expression “from a to b” means the range of values going from a to b (that is to say including the strict limits a and b).
  • any interval of values designated by the expression “from a to b” means the range of values going from a to b (that is to say including the strict limits a and b).
  • a majority compound we mean in the sense of the present invention, that this compound is the majority among the compounds of the same type in the composition, that is to say that it is the one which represents the greatest quantity by mass among compounds of the same type.
  • a majority elastomer is the elastomer representing the greatest mass in relation to the total mass of the elastomers in the composition.
  • a so-called majority charge is that representing the greatest mass among the charges in the composition.
  • a “minority” compound is a compound that does not represent the largest mass fraction among compounds of the same type.
  • majority we mean present at more than 50%, preferably more than 60%, 70%, 80%, 90%, and more preferably the “majority” compound represents 100%.
  • the compounds mentioned in the description may be of fossil or biosourced origin. In the latter case, they can be, partially or totally, derived from biomass or obtained from renewable raw materials from biomass. In the same way, the compounds mentioned can also come from the recycling of materials already used, that is to say they can be, partially or totally, from a recycling process, or even obtained from materials raw materials themselves resulting from a recycling process. This concerns in particular polymers, plasticizers, fillers, etc.
  • glass transition temperature “Tg” values described herein are measured in a known manner by DSC (Differential Scanning Calorimetry) according to ASTM D3418 (1999).
  • composition according to the invention is based on at least:
  • polyisoprene comprising a mass content of 1,4-cis bonds of at least 90% of the mass of the polyisoprene.
  • the 1,3-diene of formula (I) is a substituted 1,3 diene, which can give rise to units of 1,2 configuration represented by formula (1), of 3,4 configuration represented by formula (2 ) and of configuration 1,4 whose trans form is represented below by formula (3).
  • the ethylene unit is a “-(CH2- CH 2 )-” unit.
  • the copolymer useful for the purposes of the invention is a copolymer containing units of ethylene and 1,3-diene of formula (I), which implies that monomer units of the copolymer are units resulting from the polymerization of the ethylene and 1,3-diene of formula (I).
  • the copolymer therefore comprises ethylene units and 1,3-diene units of formula (I).
  • the 1,3-diene can be a single compound, that is to say a single 1,3-diene of formula (I) or be a mixture of 1, 3-dienes of formula (I), the 1,3-dienes of the mixture differing from each other by the group represented by the symbol R.
  • the copolymer useful for the purposes of the invention is advantageously a random copolymer according to any one of the embodiments of the invention.
  • the copolymer is an atactic polymer according to any one of the embodiments of the invention.
  • the hydrocarbon chain represented by the symbol R is an unsaturated chain of 3 to 20 carbon atoms.
  • the symbol R represents a hydrocarbon chain having 6 to 16 carbon atoms.
  • the hydrocarbon chain represented by the symbol R can be a saturated or unsaturated chain.
  • the symbol R represents an aliphatic chain, in which case in formula (I) of 1,3-diene, the hydrocarbon chain represented by the symbol R is an aliphatic hydrocarbon chain. It can be a linear or branched chain, in which case the symbol R represents a linear or branched chain.
  • the hydrocarbon chain is acyclic, in which case the symbol R represents an acyclic chain. More preferably, the symbol R represents an unsaturated and branched acyclic hydrocarbon chain.
  • the hydrocarbon chain represented by the symbol R is advantageously an unsaturated and branched acyclic chain containing from 3 to 20 carbon atoms, in particular from 6 to 16 carbon atoms.
  • the 1,3-diene is myrcene, P-famesene or a mixture of myrcene and P-farnesene. Even more preferably, the 1,3-diene is myrcene.
  • the copolymer contains 1,3-diene units of formula (I) which represent between 10% and 40%, preferably between 15% and 30%, in moles of the monomer units of the copolymer.
  • the copolymer contains ethylene units which represent from 60% to 90% by moles of the monomer units of the copolymer, that is to say from 60% to 90% by moles of the ethylene units and the 1,3- units. diene.
  • the copolymer contains ethylene units which represent from 70% to 85% by mole, of the monomer units of the copolymer.
  • the copolymer may comprise a second 1,3-diene chosen from 1,3-butadiene, isoprene or their mixture.
  • the copolymer is a copolymer of ethylene, a 1,3-diene of formula (I) and a second 1,3-diene chosen from 1,3-butadiene, isoprene or their mixture
  • the monomer units of the copolymer are units resulting from the polymerization of ethylene, the 1,3-diene of formula (I) and the second 1,3-diene.
  • the copolymer can thus comprise ethylene units, units of the 1,3-diene of formula (I) and units of the second 1,3-diene.
  • the second 1,3-diene of the copolymer is 1,3-butadiene.
  • the copolymer contains units of the second 1,3-diene, these advantageously represent between 1% and 49%, preferably between 4% and 29%, preferably between 4% and 25%, in moles of the monomer units of the copolymer.
  • the copolymer contains more than 60% to 90% by mole of ethylene units and at most 20% by mole, preferably at most 15% by mole of 1,3-diene units. of formula (I). According to this embodiment of the invention, the copolymer preferably contains less than 30% by mole of units of the second 1,3-diene or preferably contains less than 20% by mole of units of the second 1,3-diene.
  • the copolymer may additionally contain 1,2-cyclohexanediyl unit units.
  • the presence of these cyclic structures in the copolymer results from a very specific insertion of ethylene and 1,3-butadiene during polymerization.
  • the content of 1,2-cyclohexanediyl unit units in the copolymer varies depending on the respective contents of ethylene and 1,3-butadiene in the copolymer.
  • the copolymer preferably contains less than 15 mole % of 1,2-cyclohexanediyl unit units.
  • the copolymer has a glass transition temperature lower than -35°C, preferably between -90°C and -35°C, more preferably between -70°C and
  • the copolymer can be prepared by a process which comprises the copolymerization of ethylene, 1,3-diene of formula (I) and the optional second 1,3-diene, in the presence of a catalytic system based at least a metallocene of formula (II) and an organomagnesium of formula (III)
  • Cp 1 and Cp 2 identical or different, being chosen from the group consisting of the cyclopentadienyl group of formula C5H4, the unsubstituted fluorenyl group of formula C13IL and substituted fluorenyl groups,
  • - P being a group bridging the two groups Cp 1 and Cp 2 and representing a ZR 3 R 4 group, Z representing a silicon or carbon atom, R 3 and R 4 , identical or different, each representing an alkyl group comprising 1 to 20 carbon atoms, preferably methyl,
  • R 1 and R 2 identical or different, representing a carbon group.
  • substituted fluorenyl groups mention may be made of those substituted by alkyl radicals having 1 to 6 carbon atoms or by aryl radicals having 6 to 12 carbon atoms.
  • the choice of radicals is also oriented by the accessibility to the corresponding molecules which are the substituted fluorenes, because the latter are commercially available or easily synthesized.
  • Positions 2, 3, 6 and 7 respectively designate the position of the carbon atoms of the rings as shown in the diagram below, position 9 corresponding to the carbon atom to which the bridge P is attached.
  • the catalytic system can be prepared in a traditional manner by a process similar to that described in patent application WO 2007054224 or WO 2007054223.
  • the organomagnesium and the metallocene are reacted in a hydrocarbon solvent typically at a temperature ranging from 20 to 80°C for a period of between 5 and 60 minutes.
  • the catalytic system is generally prepared in a hydrocarbon solvent, aliphatic such as methylcyclohexane or aromatic such as toluene.
  • the catalytic system is used as is in the process for synthesizing the copolymer according to the invention.
  • the catalytic system can be prepared by a process similar to that described in patent application WO 2017093654 Al or in patent application WO 2018020122 AL
  • the catalytic system also contains a preformation monomer chosen from a diene conjugated, ethylene or a mixture of ethylene and a conjugated diene, in which case the catalytic system is based at least on metallocene, organomagnesium and the preformation monomer.
  • the organomagnesium and the metallocene are reacted in a hydrocarbon solvent typically at a temperature of 20 to 80°C for 10 to 20 minutes to obtain a first reaction product, then with this first reaction product we react at a temperature ranging from 40 to 90°C for 1h to 12h the preformation monomer chosen from a conjugated diene, ethylene or a mixture of ethylene and a conjugated diene.
  • the conjugated diene as preformation monomer is preferably a 1,3-diene such as 1,3-butadiene, isoprene or even a 1,3-diene of formula (I), in particular myrcene or P-famesene.
  • the catalytic system thus obtained can be used immediately in the process according to the invention or be stored under an inert atmosphere before its use in the process according to the invention.
  • the metallocene used to prepare the catalytic system can be in the form of crystallized powder or not, or in the form of single crystals.
  • the metallocene can be in a monomeric or dimeric form, these forms depending on the method of preparation of the metallocene, as for example described in the patent application WO 2007054224 or WO 2007054223.
  • the metallocene can be prepared in a traditional manner by a process similar to that described in patent application WO 2007054224 or WO 2007054223, in particular by reaction under inert and anhydrous conditions of the salt of an alkali metal of the ligand with a rare earth borohydride in a suitable solvent, such as an ether, such as diethyl ether or tetrahydrofuran or any other solvent known to those skilled in the art. After reaction, the metallocene is separated from the reaction by-products by techniques known to those skilled in the art, such as filtration or precipitation in a second solvent. The metallocene is finally dried and isolated in solid form.
  • a suitable solvent such as an ether, such as diethyl ether or tetrahydrofuran or any other solvent known to those skilled in the art.
  • the organomagnesium useful for the purposes of the invention has the formula MgR'R. 2 in which R 1 and R 2 , identical or different, represent a carbon group.
  • carbon group we mean a group which contains one or more carbon atoms.
  • R 1 and R 2 contain 2 to 10 carbon atoms. More preferably, R 1 and R 2 each represent an alkyl.
  • the organomagnesium is advantageously a dialkylmagnesium, better still butylethylmagnesium or butyloctylmagnesium, even better butyloctylmagnesium.
  • the molar ratio of the organomagnesium to the Nd metal constituting the metallocene is preferably included in a range ranging from 1 to 100, more preferably is greater than or equal to 1 and less than 10.
  • the range of values going from 1 to less than 10 is particularly more favorable for obtaining copolymers of high molar masses.
  • the copolymer useful for the purposes of the invention is a copolymer which has a microstructure as defined according to the first variant of the invention, it is prepared according to the process mentioned in the present application using a metallocene of formula (II) in which Cp 1 and Cp 2 , identical or different, are chosen from the group consisting of substituted fluorenyl groups and the unsubstituted fluorenyl group of formula CBHS.
  • a metallocene of formula (II) in which Cp 1 and Cp 2 , identical or different, are chosen from the group consisting of substituted fluorenyl groups and the unsubstituted fluorenyl group of formula CBHS.
  • metallocenes of the following formulas are particularly suitable in which the symbol Flu presents the fluorenyl group of formula C13H8: [ ⁇ Me 2 SiFlu2Nd(p-BH 4 )2Li(THF) ⁇ 2]; [Me 2 SiFlu 2 Nd(p-BH 4 )2Li(THF)]; [Me 2 SiFlu 2 Nd(p- BH 4 )(THF)]; [ ⁇ Me 2 SiFlu 2 Nd(p-BH 4 )(THF) ⁇ 2]; [Me 2 SiFlu 2 Nd(p-BH 4 )].
  • the polymerization is preferably carried out in solution, continuously or discontinuously.
  • the polymerization solvent may be a hydrocarbon, aromatic or aliphatic solvent.
  • polymerization solvent we can cite toluene and methylcyclohexane.
  • the monomers can be introduced into the reactor containing the polymerization solvent and the catalytic system or conversely the catalytic system can be introduced into the reactor containing the polymerization solvent and the monomers.
  • the copolymerization is typically carried out under anhydrous conditions and in the absence of oxygen, possibly in the presence of an inert gas.
  • the polymerization temperature generally varies in a range from 30 to 150°C, preferably from 30 to 120°C.
  • the copolymerization is carried out at constant ethylene pressure.
  • a continuous addition of ethylene and 1,3 -diene of formula (I) and the possible second 1,3-diene can be produced in the polymerization reactor, in which case the polymerization reactor is a powered reactor.
  • This embodiment is particularly suitable for the synthesis of statistical copolymers.
  • Polymerization can be stopped by cooling the polymerization medium.
  • the polymer can be recovered according to conventional techniques known to those skilled in the art, such as for example by precipitation, by evaporation of the solvent under reduced pressure or by steam stripping.
  • the level of the copolymer is advantageously within a range ranging from 20 to 45 phr, preferably from 31 to 45 phr. It is understood that the copolymer can consist of a mixture of copolymers which differ by their microstructure or by their macrostructure. Furthermore, the level of polyisoprene comprising a mass level of 1,4-cis bonds of at least 90% of the mass of the polyisoprene is advantageously included in a range ranging from 55 to 80 phr, preferably from 55 to 69 phr. Advantageously, the polyisoprene has a mass content of 1,4-cis bonds of at least 98% of the mass of the polyisoprene.
  • the polyisoprene is chosen from the group consisting of natural rubber (NR), synthetic polyisoprenes (IR) and their mixtures. More preferably, the polyisoprene is a natural rubber.
  • the total content of the copolymer and the polyisoprene is included in a range ranging from 90 to 100 phr, preferably from 95 to 100 phr.
  • the total content of the copolymer and the polyisoprene is 100 phr, that is to say that the copolymer and the polyisoprene are the only elastomers in the composition.
  • the composition according to the invention is based on at least one reinforcing filler comprising more than 50% by mass of carbon black relative to the total mass of reinforcing filler.
  • a reinforcing filler typically consists of nanoparticles whose average size (by mass) is less than one micrometer, generally less than 500 nm, most often between 20 and 200 nm, in particular and more preferably between 20 and 150 nm.
  • the reinforcing filler of the composition according to the invention comprises more than 80% by mass of carbon black. More preferably, the reinforcing filler consists exclusively of carbon black, that is to say that the carbon black represents 100% by mass of the reinforcing filler.
  • All carbon blacks are suitable as carbon blacks, in particular blacks conventionally used in tires or their treads.
  • the reinforcing carbon blacks of the 100, 200, 300 series, or the 500, 600 or 700 series blacks (ASTM D-1765-2017 grades), such as for example the blacks NI 15, N134. , N234, N326, N330, N339, N347, N375, N550, N683, N772.
  • These carbon blacks can be used in the isolated state, as commercially available, or in any other form, for example as a support for some of the rubber additives used.
  • the carbon blacks could for example already be incorporated into the diene elastomer, in particular isoprene in the form of a masterbatch (see for example applications WO97/36724-A2 or W099/16600-A1 ).
  • the aforementioned carbon blacks those having a BET specific surface area within a range ranging from 21 to 69 m 2 /g, preferably from 33 to 60 m 2 /g, preferably from 40 to 49 m 2 /g, are particularly preferred.
  • the reinforcing filler comprises more than 50% by weight, preferably more than 80% by weight, of at least one carbon black having a BET specific surface area included in a range ranging from 21 to 69 m 2 / g, preferably 33 to 60 m 2 /g, preferably 40 to 49 m 2 /g.
  • the BET specific surface area of carbon blacks is measured according to standard ASTM D6556-10 [multi-point method (at least 5 points) - gas: nitrogen - relative pressure range P/P0: 0.1 to 0.3],
  • the reinforcing filler rate can easily be adjusted by those skilled in the art depending on the use of the rubber composition.
  • the level of reinforcing filler, in the composition according to the invention is included in a range ranging from 15 to 80 phr, preferably from 20 to 55 phr, more preferably from 25 to 45 phr.
  • the level of carbon black, in the composition according to the invention is included in a range ranging from 15 to 80 phr, preferably from 20 to 55 phr, more preferably from 25 to 45 phr, and the composition does not comprise any filler other than carbon black or comprises less than 10 phr, preferably less than 5 phr, more preferably the composition does not comprise any filler other than carbon black.
  • the rubber composition according to the invention is based on at least one liquid phosphate plasticizer having a glass transition temperature, denoted Tg, lower than -70°C.
  • preferential phosphate plasticizers we will cite those which contain from 3 to 24 carbon atoms; such as trioctyl phosphate (in particular tri-2-ethylhexyl phosphate), tri-butoxyethyl phosphate, tri-ethyl phosphate, tri-methyl phosphate and tri-butyl phosphate.
  • trioctyl phosphate in particular tri-2-ethylhexyl phosphate
  • tri-butoxyethyl phosphate tri-ethyl phosphate
  • tri-ethyl phosphate tri-methyl phosphate
  • tri-butyl phosphate tri-butyl phosphate
  • the liquid phosphate plasticizer has a Tg of between -200°C and -70°C, preferably -160°C and -80°C, preferably between -140°C and -90°C.
  • liquid phosphate plasticizer can be a mixture of several liquid phosphate plasticizers having a Tg lower than -70°C.
  • the level of liquid phosphate plasticizer having a Tg less than -70°C, in the composition is included in a range ranging from 5 to 50 phr, preferably from 7 to 40 phr and more preferably from 8 to 30 pce.
  • the composition may comprise a liquid plasticizer other than the liquid phosphate plasticizer having a Tg lower than -70°C, but this is neither obligatory nor preferred.
  • a liquid plasticizer is liquid at room temperature (20°C, 1 atm).
  • the total level of liquid plasticizer is preferably included in a range ranging from 5 to 150 phr, preferably from 10 to 100 phr.
  • the composition does not comprise any liquid plasticizer other than the liquid phosphate plasticizer having a Tg lower than -70°C or comprises less than 30 phr, preferably less than 15 phr, preferably less than 10 phr. More preferably, the composition does not comprise any liquid plasticizer other than the liquid phosphate plasticizer having a Tg lower than -70°C.
  • the crosslinking system of the composition according to the invention is a vulcanization system, that is to say a sulfur-based crosslinking system.
  • the sulfur can be provided in any form, in particular in the form of molecular sulfur, or of a sulfur-donating agent. Those skilled in the art know how to adapt the quantity of sulfur donor agent to obtain the desired quantity of sulfur in the composition.
  • the sulfur is provided in the form of molecular sulfur.
  • At least one vulcanization accelerator is also present and, optionally and preferentially, various known vulcanization activators can be used such as zinc oxide, stearic acid or equivalent compound such as stearic acid salts. and transition metal salts, guanidic derivatives (in particular diphenylguanidine), or even known vulcanization retarders.
  • various known vulcanization activators can be used such as zinc oxide, stearic acid or equivalent compound such as stearic acid salts. and transition metal salts, guanidic derivatives (in particular diphenylguanidine), or even known vulcanization retarders.
  • Sulfur is used at a preferential rate of between 0.5 and 12 pce, in particular between 1 and 10 pce.
  • the vulcanization accelerator is used at a preferential rate of between 0.5 and 10 phr, more preferably between 0.5 and 5.0 phr. More preferably, the composition comprises from 0.6 to 2 phr, preferably from 0.7 to 1.8 phr of sulfur and from 0.6 to 1 phr, preferably from 0.6 to 0.9 phr of at least one vulcanization accelerator.
  • the mass ratio of sulfur to vulcanization accelerator can be included in a range ranging from 0.75 to 3.00, preferably from 1.00 to 2.75, more preferably from 1.30 to 2.33.
  • Any compound capable of acting as an accelerator for the vulcanization of diene elastomers in the presence of sulfur can be used as an accelerator, in particular accelerators of the thiazole type as well as their derivatives, accelerators of the sulfenamide, thiuram, dithiocarbamate, dithiophosphate, thiourea and xanthate types.
  • MBTS 2-mercaptobenzothiazyl disulfide
  • CBS N-cyclohexyl-2-benzothiazyl sulfenamide
  • DCBS N,N-dicyclohexyl- 2-benzothiazyl sulfenamide
  • TBBS N-ter-butyl-2-benzothiazyl sulfenamide
  • TZTD tetrabenzylthiuram disulfide
  • ZBEC zinc dibenzyldithiocarbamate
  • the vulcanization accelerator is chosen from sulfenamide type accelerators and their mixtures, preferably chosen from the group consisting of CBS, TBBS, DCBS and their mixtures.
  • the vulcanization accelerator is CBS.
  • the composition does not comprise any vulcanization accelerator other than sulfenamide type accelerators, preferably other than CBS.
  • the rubber compositions according to the invention may optionally also comprise all or part of the usual additives usually used in elastomer compositions for tires, such as for example plasticizers (such as plasticizing oils and/or plasticizing resins), pigments. , protective agents such as anti-ozone waxes, chemical anti-ozonants, anti-oxidants, anti-fatigue agents, etc. II-6 Preparation of rubber compositions
  • compositions which can be used in the context of the present invention can be manufactured in suitable mixers, using two successive preparation phases well known to those skilled in the art:
  • thermomechanical mixing (so-called “nonproductive” phase), which can be carried out in a single thermomechanical step during which it is introduced into a suitable mixer such as a usual internal mixer (for example of the “ Banbury”), all the necessary constituents, in particular the elastomeric matrix, the reinforcing filler, any other various additives, with the exception of the crosslinking system.
  • a suitable mixer such as a usual internal mixer (for example of the “ Banbury”)
  • a usual internal mixer for example of the “ Banbury”
  • the incorporation of any filler into the elastomer can be carried out in one or several times by thermomechanical mixing.
  • the filler is already incorporated in whole or in part into the elastomer in the form of a masterbatch as described for example in applications WO 97/36724 or WO 99 /16600, it is the masterbatch which is directly kneaded and if necessary the other elastomers or fillers present in the composition which are not in the form of masterbatch are incorporated, as well as any other various additives other than the reticulation system.
  • the non-productive phase can be carried out at high temperature, up to a maximum temperature of between 110°C and 200°C, preferably between 130°C and 185°C, for a duration generally between 2 and 10 minutes.
  • a second phase of mechanical work (called “productive” phase), which can be carried out in an external mixer such as a roller mixer, after cooling the mixture obtained during the first non-productive phase to a higher low temperature, typically below 120°C, for example between 40°C and 100°C.
  • the crosslinking system is then incorporated, and everything is then mixed for a few minutes, for example between 5 and 15 min.
  • the final composition thus obtained is then calendered for example in the form of a sheet or a plate, in particular for characterization in the laboratory, or even extruded (or co-extruded with another rubber composition) in the form of a semi-finished (or profile) of rubber usable for example as a tire sidewall.
  • These products can then be used for the manufacture of tires, according to techniques known to those skilled in the art.
  • the composition can be either in the raw state (before crosslinking or vulcanization), or in the cooked state (after crosslinking or vulcanization), and can be a semi-finished product which can be used in a tire.
  • crosslinking of the composition can be carried out in a manner known to those skilled in the art, for example at a temperature between 130°C and 200°C, under pressure.
  • the present invention also relates to a rubber article comprising at least one composition according to the invention.
  • the rubber article is a tire.
  • the term pneumatic means a pneumatic or non-pneumatic tire.
  • a pneumatic tire usually has two beads intended to come into contact with a rim, a top composed of at least one crown reinforcement and a tread, two sidewalls, the tire being reinforced by a carcass reinforcement anchored in the two beads .
  • a non-pneumatic tire for its part, usually comprises a base, designed for example for mounting on a rigid rim, a crown reinforcement, ensuring the connection with a tread and a deformable structure, such as spokes, ribs or cells, this structure being arranged between the base and the top.
  • Such non-pneumatic tires do not necessarily include a sidewall.
  • Non-pneumatic tires are described for example in documents WO 03/018332 and FR2898077.
  • the tire according to the invention is preferably a pneumatic tire.
  • the invention also relates to a tire comprising a rubber composition according to the invention, the composition being present in at least one sidewall of the tire.
  • the composition according to the invention can constitute part or all of the sidewall of the tire.
  • the spectral characterization and measurements of the microstructure of the Ethylene-Myrcene copolymers are carried out by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy.
  • Spectrometer For these measurements, a Bruker Avance III HD 400 MHz spectrometer is used, equipped with a Bruker cryo-BBFO z-grad 5 mm probe.
  • 1H experiments are recorded using a radio frequency pulse with a flip angle of 30°, the number of repetitions is 128 with a recycle delay of 5 seconds.
  • the 1H-13C HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence) and HMBC (Heteronuclear Multiple-Bond Correlation) NMR experiments are recorded with a number of repetitions of 128 and a number of increments of 128. The experiments are carried out at 25°C .
  • Motifs A, B and C correspond to the 3,4-configuration, 1,2-configuration and 1,4-trans configuration units, respectively. . Quantifications were carried out from the integration of 1D 'H NMR spectra using Topspin software. The integrated signals for the quantification of the different patterns are: Ethylene: signal at 1.2 ppm corresponding to 4 protons
  • molar percentage 1H integral of a pattern * 100 / X (1H integrals of each pattern).
  • Size exclusion chromatography or SEC (Size Exclusion Chromatography) makes it possible to separate macromolecules in solution according to their size through columns filled with a porous gel. The macromolecules are separated according to their hydrodynamic volume, the largest being eluted first.
  • 3 detectors 3D
  • a refractometer a viscometer
  • a 90° light scattering detector SEC makes it possible to understand the distribution of absolute molar masses of a polymer.
  • Mn number average absolute molar masses
  • Mw weight average
  • Ip Mw/Mn
  • the number average molar mass (Mn), the weight average molar mass (Mw) and the polydispersity index of the polymer (hereinafter sample) are determined absolutely, by steric exclusion chromatography (SEC: Size Exclusion Chromatography) triple detection.
  • SEC Size Exclusion Chromatography
  • Triple detection size exclusion chromatography has the advantage of measuring average molar masses directly without calibration.
  • the refractive index increment value dn/dc of the sample solution is measured online using the peak area detected by the refractometer (RI) of the liquid chromatography equipment. To apply this method, it is necessary to verify that 100% of the sample mass is injected and eluted through the column.
  • the RI peak area depends on the sample concentration, the RI detector constant and the dn/dc value.
  • the solution at lg/1 previously prepared and filtered is used, which is injected into the chromatographic system.
  • the equipment used is a “WATERS alliance” chromatographic chain.
  • the elution solvent is tetrahydrofuran containing 250 ppm of BHT (2,6-diter-butyl 4-hydroxy toluene), the flow rate is 1 mL.min' 1 , the system temperature is 35° C and the duration of 60 min analysis.
  • the columns used are a set of three AGILENT columns with the trade name “PL GEL MIXED B LS”.
  • the injected volume of the sample solution is 100 pL.
  • the detection system is composed of a Wyatt differential viscometer with the commercial name “VISCOSTAR II”, a Wyatt differential refractometer with the commercial name “OPTILAB T-REX” with a wavelength of 658 nm, a diffusion detector of Wyatt multi-angle static light with a wavelength of 658 nm and the commercial name “DAWN HELEOS 8+”.
  • the value of the refractive index increment dn/dc of the sample solution obtained above is integrated.
  • the software for using the chromatographic data is the “ASTRA system from Wyatt”.
  • the dynamic properties G'(10%) and G” max are measured at a temperature of 23°C on a viscoanalyzer (Metravib VA4000), according to the ASTM D 5992-96 standard.
  • the response of a sample of reticulated composition (cylindrical specimen 4 mm thick and 400 mm 2 section), subjected to a sinusoidal stress in alternating simple shear, at a frequency of 10 Hz, under the defined conditions was recorded. temperature for example at 23°C according to standard ASTM D 1349-99.
  • a deformation amplitude sweep is carried out from 0.1 to 50% (forward cycle), then from 50% to 0.1% (return cycle).
  • the results used are the dynamic shear modulus G' and the viscous modulus G”.
  • For the return cycle we indicate the maximum value of G” observed, denoted G”max, as well as the dynamic shear modulus G'(10%) at 10% deformation, at 23 °C.
  • the value of G’ (10%) at 23°C is representative of the rigidity of the material.
  • the performance results G’(10%) at 23°C are expressed in base 100, the value 100 being assigned to the control.
  • G’ (10%) at 23°C a result greater than 100 indicates that the composition of the example considered is less rigid, translating, for a tire sidewall undergoing imposed deformation, better endurance.
  • G”max at 23°C is representative of the hysteresis of the material.
  • the G”max performance results at 23°C are expressed in base 100, the value 100 being assigned to the control.
  • a result greater than 100 indicates that the composition of the example considered is less hysteretic, reflecting, for a tire sidewall undergoing imposed deformation, less rolling resistance.
  • Tearability indices are measured at 60°C.
  • the force to be exerted to obtain rupture is determined (FRD, in MPa (in N/mm 2 )) and the strain at rupture (DRD, in %) is measured on a specimen measuring 10 x 85 x 2.5 mm. cut in the center of its length by 3 cuts to a depth of 3 mm, to cause the test specimen to break.
  • FRD force to be exerted to obtain rupture
  • DRD strain at rupture
  • the copolymer is recovered by drying in a vacuum oven to constant mass.
  • the catalyst system is a preformed catalyst system. It is prepared in methylcyclohexane from a metallocene, [Me2SiFlu2Nd(p-BH4)2Li(THF)], a cocatalyst, butyloctylmagnesium (BOMAG), and a preformation monomer, 1,3 - butadiene, in the contents indicated in Table 2. It is prepared according to a preparation method in accordance with paragraph II.1 of patent application WO 2017/093654 AL
  • Table 3 shows the microstructure of Telastomer El and its properties.
  • Table 3 shows the molar ratios of ethylene (Eth) units and myrcene units. It also shows the molar proportion of myrcene units depending on whether they are of configuration 1.4, configuration 1.2 and 3.4.
  • the rubber compositions were produced as described in point II-6 above.
  • the “non-productive” phase was carried out in a 0.4 liter mixer for 3.5 minutes, for an average paddle speed of 50 revolutions per minute until reaching a maximum drop temperature of 160°. vs.
  • the “productive” phase was carried out in a cylinder tool at 23°C for 5 minutes.
  • the crosslinking of the composition was carried out at a temperature of 150° C., under pressure, for a period of 15 minutes.
  • Table 4 presents the compositions tested (in pce), as well as the results obtained.

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Abstract

L'invention concerne une composition de caoutchouc présentant une résistance améliorée à la déchirabilité. Cette composition est à base de 20 à 50 pce de copolymère contenant des unités éthylène et des unités d'un 1,3-diène de formule CH2=CR-CH=CH2, le symbole R représentant une chaîne hydrocarbonée ayant 3 à 20 atomes de carbone, les unités éthylène dans le copolymère représentant entre 50% et 95% en mole des unités monomères du copolymère; 50 à 80 pce de polyisoprène comportant un taux massique de liaisons 1,4-cis d'au moins 90% de la masse du polyisoprène; comprenant plus de 50% en masse de noir de carbone par rapport à la masse totale de charge renforçante; un plastifiant liquide phosphate présentant une température de transition vitreuse, notée Tg, inférieure à -70°C; et un système de vulcanisation. L'invention concerne également des articles en caoutchouc comprenant une composition selon l'invention, en particulier des bandages pneumatiques dont au moins un flanc comprend une composition selon l'invention.

Description

Composition de caoutchouc comprenant un élastomère diénique fortement saturé
Le domaine de la présente invention est celui des compositions de caoutchouc comportant un élastomère diénique fortement saturé, en particulier des compositions destinées à être utilisées dans un pneumatique, plus particulièrement dans un flanc de pneumatique.
Les flancs d’un pneumatique sont exposés à la fois à l'action de l'ozone et à des cycles de déformation comme la flexion au cours du roulage du pneumatique. Les cycles de déformation conjugués à l'action de l'ozone peuvent faire apparaître des craquelures ou fissures dans le flanc, empêchant l'utilisation du pneumatique indépendamment de l'usure de la bande de roulement. Par conséquent, il est recherché des compositions de caoutchouc qui soient très cohésives pour constituer par exemple des flancs de pneumatique par leur capacité à subir de grandes déformations sans se rompre, même en la présence d’amorces de fissures.
Pour minimiser l'action de l'ozone sur des compositions de caoutchouc, il est connu d'utiliser des copolymères présentant une sensibilité moindre à l'oxydation, comme par exemple les élastomères diéniques fortement saturés, élastomères comprenant des unités éthylène à un taux molaire supérieur à 50% des unités monomères de l'élastomère. L'utilisation de copolymères d'éthylène et de 1,3-diène dans une composition pour flanc est aussi par exemple décrite dans le document EP 2 682 423 Al pour augmenter la résistance à l'ozone. Néanmoins, il apparaît une déchéance des propriétés de cohésion de la composition de caoutchouc dès lors que le taux molaire d'éthylène dans le copolymère est supérieur à 50%.
Par ailleurs, des compositions de caoutchouc diénique comprenant des copolymères d'éthylène et de 1,3-butadiène , une fois réticulées, peuvent présenter une rigidité bien plus élevée que les compositions de caoutchouc diénique traditionnellement utilisées comme cela ressort du document WO 2014/114607 AL Toutefois, cette rigidité accrue, bien que favorable à une résistance à l'usure améliorée pour une utilisation en bande de roulement, peut parfois s'avérer inappropriées pour certaines applications.
Il a donc été recherché de diminuer la rigidité à cuit de telles compositions comprenant un caoutchouc diénique à base d'éthylène. Pour cela, il est connu de diminuer la densité pontale de la composition de caoutchouc. Toutefois, cette solution s'accompagne d'une augmentation de l'hystérèse de la composition de caoutchouc ce qui est préjudiciable pour la résistance au roulement. Le document WO 2021/053296 Al a fourni une solution permettant de diminuer la rigidité à cuit de compositions comprenant un caoutchouc diénique à base d’éthylène sans pénaliser l’hystérèse en utilisant des compositions de caoutchouc qui comprennent un copolymère d'éthylène et d'un 1,3-diène de formule CH2=CR-CH=CH2, le symbole R représentant une chaîne hydrocarbonée ayant 3 à 20 atomes de carbone.
Il serait donc intéressant pour les manufacturiers de pneumatiques de disposer de compositions de caoutchouc, utilisables notamment dans les flancs, améliorant à la fois la résistance améliorée à la propagation de fissures et l’hystérèse, tout en diminuant la rigidité de la composition.
Poursuivant ses recherches, la Demanderesse a découvert de manière inattendue que l’utilisation d’un plastifiant liquide spécifique dans une composition à base de copolymère spécifique contenant des unités éthylène et d'un 1,3-diène permet de résoudre le problème technique précité.
Ainsi l’invention a pour objet une composition de caoutchouc à base d’au moins :
- 20 à 50 pce de copolymère contenant des unités éthylène et des unités d’un 1,3-diène de formule (I), les unités éthylène dans le copolymère représentant entre 50% et 95% en mole des unités monomères du copolymère,
CH2=CR-CH=CH2 (I) le symbole R représentant une chaîne hydrocarbonée ayant 3 à 20 atomes de carbone ;
- 50 à 80 pce de polyisoprène comportant un taux massique de liaisons 1,4-cis d'au moins 90% de la masse du polyisoprène ;
- une charge renforçante comprenant plus de 50% en masse de noir de carbone par rapport à la masse totale de charge renforçante ;
- un plastifiant liquide phosphate présentant une température de transition vitreuse, notée Tg, inférieure à -70°C ; et
- un système de vulcanisation.
L’invention a également pour objet un article en caoutchouc comprenant une composition selon l’invention, en particulier un bandage pneumatique dont au moins un flanc comprend une composition selon l’invention.
I- DÉFINITIONS
Par l’expression « à base de » utilisée pour définir les constituants d’un système catalytique, on entend le mélange de ces constituants, ou le produit de la réaction d’une partie ou de la totalité de ces constituants entre eux.
Par l'expression « composition à base de », il faut entendre une composition comportant le mélange et/ou le produit de réaction in situ des différents constituants utilisés, certains de ces constituants pouvant réagir et/ou étant destinés à réagir entre eux, au moins partiellement, lors des différentes phases de fabrication de la composition ; la composition pouvant ainsi être à l’état totalement ou partiellement réticulé ou à l’état non-réticulé.
Par « matrice élastomère », on entend l’ensemble des élastomères de la composition, y compris le copolymère défini ci-dessous.
Sauf indication contraire, les taux des unités résultant de l’insertion d’un monomère dans un copolymère sont exprimés en pourcentage molaire par rapport à la totalité des unités monomères du copolymère.
Par l’expression « partie en poids pour cent parties en poids d’ élastomère » (ou pce), il faut entendre au sens de la présente invention, la partie, en masse pour cent parties en masse de la matrice élastomère.
D'autre part, tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "entre a et b" représente le domaine de valeurs allant de plus de a à moins de b (c’est-à-dire bornes a et b exclues) tandis que tout intervalle de valeurs désigné par l'expression "de a à b" signifie le domaine de valeurs allant de a jusqu'à b (c’est-à-dire incluant les bornes strictes a et b). Dans la présente, lorsqu’on désigne un intervalle de valeurs par l’expression "de a à b", on désigne également et préférentiellement l’intervalle représenté par l’expression "entre a et b".
Lorsqu’on fait référence à un composé "majoritaire", on entend au sens de la présente invention, que ce composé est majoritaire parmi les composés du même type dans la composition, c’est-à-dire que c’est celui qui représente la plus grande quantité en masse parmi les composés du même type. Ainsi, par exemple, un élastomère majoritaire est l’ élastomère représentant la plus grande masse par rapport à la masse totale des élastomères dans la composition. De la même manière, une charge dite majoritaire est celle représentant la plus grande masse parmi les charges de la composition. A titre d’exemple, dans un système comprenant un seul élastomère, celui-ci est majoritaire au sens de la présente invention ; et dans un système comprenant deux élastomères, l’ élastomère majoritaire représente plus de la moitié de la masse des élastomères. Au contraire, un composé "minoritaire" est un composé qui ne représente pas la fraction massique la plus grande parmi les composés du même type. De préférence par majoritaire, on entend présent à plus de 50%, de préférence plus de 60%, 70%, 80%, 90%, et plus préférentiellement le composé « majoritaire » représente 100%.
Les composés mentionnés dans la description peuvent être d'origine fossile ou biosourcés. Dans ce dernier cas, ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus de la biomasse ou obtenus à partir de matières premières renouvelables issues de la biomasse. De la même manière, les composés mentionnés peuvent également provenir du recyclage de matériaux déjà utilisés, c’est-à-dire qu’ils peuvent être, partiellement ou totalement, issus d’un procédé de recyclage, ou encore obtenus à partir de matières premières elles-mêmes issues d’un procédé de recyclage. Sont concernés notamment les polymères, les plastifiants, les charges, etc.
Sauf indications contraires, toutes les valeurs de température de transition vitreuse « Tg » décrite dans la présente sont mesurées de manière connue par DSC (Differential Scanning Calorimetry) selon la norme ASTM D3418 (1999).
II- DESCRIPTION DE L’INVENTION
II- 1 Matrice élastomère
La composition selon l’invention est à base d’au moins :
- 20 à 50 pce d’au moins un copolymère contenant des unités éthylène et des unités d’un 1,3-diène de formule (I), les unités éthylène dans le copolymère représentant entre 50% et 95% en mole des unités monomères du copolymère,
CH2=CR-CH=CH2 (I) le symbole R représentant une chaîne hydrocarbonée ayant 3 à 20 atomes de carbone ;
- 50 à 80 pce de polyisoprène comportant un taux massique de liaisons 1,4-cis d'au moins 90% de la masse du polyisoprène .
Dans la présente, sauf indication contraire, l’expression « le copolymère » désigne « l’au moins un copolymère contenant des unités éthylène et des unités d’un 1,3-diène de formule (I), les unités éthylène dans le copolymère représentant entre 50% et 95% en mole des unités, CH2=CR-CH=CH2 (I), le symbole R représentant une chaîne hydrocarbonée ayant 3 à 20 atomes de carbone » pour un souci de simplification de rédaction.
Le 1,3-diène de formule (I) est un 1,3 diène substitué, qui peut donner lieu à des unités de configuration 1,2 représentée par la formule (1), de configuration 3,4 représentée par la formule (2) et de configuration 1,4 dont la forme trans est représentée ci-après par la formule (3).
(1) (2) (3) Comme cela est également bien connu, l’unité éthylène est une unité de motif « -(CH2- CH2)- ».
Le copolymère utile aux besoins de l’invention est un copolymère contenant des unités d’éthylène et du 1,3-diène de formule (I), ce qui implique que des unités monomères du copolymère sont des unités résultant de la polymérisation de l’éthylène et du 1,3-diène de formule (I). Le copolymère comprend donc des unités éthylène et des unités du 1,3-diène de formule (I). Selon l’invention, le 1,3-diène peut être un seul composé, c’est-à-dire un seul (en anglais « one ») 1,3-diène de formule (I) ou être un mélange de 1,3-diènes de formule (I), les 1,3-diènes du mélange se différenciant les uns des autres par le groupe représenté par le symbole R.
Le copolymère utile aux besoins de l’invention est avantageusement un copolymère statistique selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention. Très avantageusement, le copolymère est un polymère atactique selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention.
Dans la formule (I) du 1,3-diène, la chaîne hydrocarbonée représentée par le symbole R est une chaîne insaturée de 3 à 20 atomes de carbone. De préférence, le symbole R représente une chaîne hydrocarbonée ayant 6 à 16 atomes de carbone.
La chaîne hydrocarbonée représentée par le symbole R peut être une chaîne saturée ou insaturée. De préférence, le symbole R représente une chaîne aliphatique, auquel cas dans la formule (I) du 1,3-diène, la chaîne hydrocarbonée représentée par le symbole R est une chaîne hydrocarbonée aliphatique. Elle peut être une chaîne linéaire ou ramifiée, auquel cas le symbole R représente une chaîne linéaire ou ramifiée. De préférence, la chaîne hydrocarbonée est acyclique, auquel cas le symbole R représente une chaîne acyclique. De préférence encore, le symbole R représente une chaîne hydrocarbonée acyclique insaturée et ramifiée. Ainsi, la chaîne hydrocarbonée représentée par le symbole R est avantageusement une chaîne acyclique insaturée et ramifiée contenant de 3 à 20 atomes de carbone, en particulier de 6 à 16 atomes de carbone. Très avantageusement, le 1,3-diène est le myrcène, le P-famésène ou un mélange de myrcène et de P-farnésène. Encore plus avantageusement, le 1,3-diène est le myrcène.
Avantageusement, le copolymère contient des unités du 1,3-diène de formule (I) qui représentent entre 10% et 40%, de préférence entre 15% et 30%, en moles des unités monomères du copolymère. Avantageusement également, le copolymère contient des unités éthylène qui représentent de 60% à 90% en moles des unités monomères du copolymère, c’est-à-dire de 60% à 90% en moles des unités éthylène et des unités 1,3-diène. De manière très préférentielle, le copolymère contient des unités éthylène qui représentent de 70% à 85% en moles, des unités monomères du copolymère.
Le copolymère peut comprendre un deuxième 1,3-diène choisi parmi le 1,3-butadiène, l’isoprène ou leur mélange. Dans ce cas, le copolymère est un copolymère d’éthylène, d’un 1,3-diène de formule (I) et d’un deuxième 1,3-diène choisi parmi le 1,3-butadiène, l’isoprène ou leur mélange, les unités monomères du copolymère sont des unités résultant de la polymérisation de l’éthylène, du 1,3-diène de formule (I) et du deuxième 1,3-diène. Le copolymère peut ainsi comprendre des unités éthylène, des unités du 1,3-diène de formule (I) et des unités du deuxième 1,3-diène. Avantageusement, le deuxième 1,3-diène du copolymère est le 1,3-butadiène.
Lorsque le copolymère contient des unités du deuxième 1,3-diène, ceux-ci représentent avantageusement entre 1% et 49%, de préférence entre 4% et 29%, de préférence entre 4% et 25%, en moles des unités monomères du copolymère.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le copolymère contient plus de 60% à 90% en mole d’unités éthylène et au plus 20% en mole, préférentiellement au plus 15% en mole d’unités du 1,3-diène de formule (I). Selon ce mode de réalisation de l’invention, le copolymère contient préférentiellement moins de 30% en mole d’unités du deuxième 1,3- diène ou contient préférentiellement moins de 20% en mole d’unités du deuxième 1,3- diène.
Lorsque le deuxième 1,3-diène est le 1,3-butadiène ou un mélange de 1,3-butadiène et d’isoprène, le copolymère peut contenir en outre des unités de motif 1,2-cyclohexanediyle. La présence de ces structures cycliques dans le copolymère résulte d’une insertion très particulière de l’éthylène et de 1,3-butadiène lors de la polymérisation. La teneur en unités de motif 1,2-cyclohexanediyle dans le copolymère varie selon les teneurs respectives en éthylène et en 1,3-butadiène dans le copolymère. Le copolymère contient de préférence moins de 15% en mole d’unités de motif 1,2-cyclohexanediyle.
De préférence, le copolymère présente une température de transition de vitreuse inférieure à -35°C, de préférence comprise entre -90°C et -35°C, de préférence encore entre -70°C et Le copolymère peut être préparé par un procédé qui comprend la copolymérisation d’éthylène, du 1,3-diène de formule (I) et de l’éventuel deuxième 1,3-diène, en présence d’un système catalytique à base au moins d’un métallocène de formule (II) et d’un organomagnésien de formule (III)
P(Cp1Cp2) Nd(BH4)w Nx (H)
MgRW (III) dans lesquels :
- Cp1 et Cp2, identiques ou différents, étant choisis dans le groupe constitué par le groupe cyclopentadiényle de formule C5H4 , le groupe fluorényle non substitué de formule C13IL et les groupes fluorényles substitués,
- P étant un groupe pontant les deux groupes Cp1 et Cp2 et représentant un groupe ZR3R4, Z représentant un atome de silicium ou de carbone, R3 et R4, identiques ou différents, représentant chacun un groupe alkyle comprenant de 1 à 20 atomes de carbone, de préférence un méthyle,
- y, nombre entier, étant égal ou supérieur à 0,
- x, nombre entier ou non, étant égal ou supérieur à 0,
- L représentant un métal alcalin choisi dans le groupe constitué par le lithium, le sodium et le potassium,
- N représentant une molécule d’un éther, de préférence diéthyléther ou tétrahydrofuranne,
- R1 et R2, identiques ou différents, représentant un groupe carboné.
A titre de groupes fluorényles substitués, on peut citer ceux substitués par des radicaux alkyles ayant 1 à 6 atomes de carbone ou par des radicaux aryles ayant 6 à 12 atomes de carbone. Le choix des radicaux est aussi orienté par l’accessibilité aux molécules correspondantes que sont les fluorènes substitués, parce que ces derniers sont disponibles commercialement ou facilement synthétisables.
A titre de groupes fluorényles substitués, on peut citer plus particulièrement les groupes 2,7-ditertiobutyle-fluorényle et 3,6-ditertiobutyle-fluorényle. Les positions 2, 3, 6 et 7 désignent respectivement la position des atomes de carbone des cycles comme cela est représenté dans le schéma ci-après, la position 9 correspondant à l’atome de carbone auquel est attaché le pont P.
Le système catalytique peut être préparé de façon traditionnelle par un procédé analogue à celui décrit dans la demande de brevet WO 2007054224 ou WO 2007054223. Par exemple on fait réagir dans un solvant hydrocarboné l’organomagnésien et le métallocène typiquement à une température allant de 20 à 80°C pendant une durée comprise entre 5 et 60 minutes. Le système catalytique est généralement préparé dans un solvant hydrocarboné, aliphatique comme le méthylcyclohexane ou aromatique comme le toluène. Généralement après sa synthèse, le système catalytique est utilisé en l’état dans le procédé de synthèse du copolymère conforme à l’invention.
Alternativement, le système catalytique peut être préparé par un procédé analogue à celui décrit dans la demande de brevet WO 2017093654 Al ou dans la demande de brevet WO 2018020122 AL Selon cette alternative, le système catalytique contient en outre un monomère de préformation choisi parmi un diène conjugué, l’éthylène ou un mélange d’éthylène et d’un diène conjugué, auquel cas le système catalytique est à base au moins du métallocène, de l’organomagnésien et du monomère de préformation. Par exemple on fait réagir dans un solvant hydrocarboné l’organomagnésien et le métallocène typiquement à une température de 20 à 80°C pendant 10 à 20 minutes pour obtenir un premier produit de réaction, puis avec ce premier produit de réaction on fait réagir à une température allant de 40 à 90°C pendant Ih à 12h le monomère de préformation choisi parmi un diène conjugué, l’éthylène ou un mélange d’éthylène et d’un diène conjugué. Le diène conjugué à titre de monomère de préformation est de préférence un 1,3-diène tel que le 1,3-butadiène, l’isoprène ou encore un 1,3-diène de formule (I), en particulier le myrcène ou le P- famésène. Le système catalytique ainsi obtenu peut être utilisé de suite dans le procédé conforme à l’invention ou être stocké sous atmosphère inerte avant son utilisation dans le procédé conforme à l’invention.
Le métallocène utilisé pour préparer le système catalytique peut se trouver sous la forme de poudre cristallisée on non, ou encore sous la forme de monocristaux. Le métallocène peut se présenter sous une forme monomère ou dimère, ces formes dépendant du mode de préparation du métallocène, comme par exemple cela est décrit dans la demande de brevet WO 2007054224 ou WO 2007054223. Le métallocène peut être préparé de façon traditionnelle par un procédé analogue à celui décrit dans la demande de brevet WO 2007054224 ou WO 2007054223, notamment par réaction dans des conditions inertes et anhydres du sel d’un métal alcalin du ligand avec un borohydrure de terre rare dans un solvant adapté, tel un éther, comme le diéthyléther ou le tétrahydrofuranne ou tout autre solvant connu de l’homme de l’art. Après réaction, le métallocène est séparé des sous- produits de réaction par les techniques connues de l’homme de l’art, telles que la filtration ou la précipitation dans un second solvant. Le métallocène est au final séché et isolé sous forme solide.
Comme toute synthèse faite en présence de composé organométallique, la synthèse du métallocène et celle du système catalytique ont lieu dans des conditions anhydres sous atmosphère inerte. Typiquement, les réactions sont conduites à partir de solvants et de composés anhydres sous azote ou argon anhydre.
L’organomagnésien utile aux besoins de l’invention est de formule MgR'R.2 dans laquelle R1 et R2, identiques ou différents, représentent un groupe carboné. On entend par groupe carboné un groupe qui contient un ou plusieurs atomes de carbone. De préférence, R1 et R2 contiennent 2 à 10 atomes de carbone. De manière plus préférentielle, R1 et R2 représentent chacun un alkyle. L’organomagnésien est avantageusement un dialkylmagnésien, mieux le butyléthylmagnésium ou le butyloctylmagnésium, encore mieux le butyloctylmagnésium.
Selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention, le rapport molaire de l’organomagnésien sur le métal Nd constituant le métallocène est de préférence compris dans un domaine allant de 1 à 100, de manière plus préférentielle est supérieur ou égal à 1 et inférieur à 10. La plage de valeurs allant de 1 à moins de 10 est notamment plus favorable pour l’obtention de copolymères de masses molaires élevées.
Lorsque le copolymère utile aux besoins de l’invention est un copolymère qui a une microstructure telle que définie selon la première variante de l’invention, il est préparé selon le procédé mentionné dans la présente demande en utilisant un métallocène de formule (II) dans laquelle Cp1 et Cp2, identiques ou différents, sont choisis dans le groupe constitué par les groupes fluorényles substitués et le groupe fluorényle non substitué de formule CBHS. Pour cette variante, conviennent en particulier les métallocènes de formules suivantes dans lesquelles le symbole Flu présente le groupe fluorényle de formule C13H8 : [{Me2SiFlu2Nd(p-BH4)2Li(THF)}2] ; [Me2SiFlu2Nd(p-BH4)2Li(THF)] ; [Me2SiFlu2Nd(p- BH4)(THF)] ; [{Me2SiFlu2Nd(p-BH4)(THF)}2] ; [Me2SiFlu2Nd(p-BH4)]. L’homme du métier sait adapter aussi les conditions de polymérisation et les concentrations en chacun des réactifs (constituants du système catalytique, monomères) selon le matériel (outils, réacteurs) utilisé pour conduire la polymérisation et les différentes réactions chimiques. Comme cela est connu de l’homme du métier, la copolymérisation ainsi que la manipulation des monomères, du système catalytique et du ou des solvants de polymérisation se font dans des conditions anhydres et sous atmosphère inerte. Les solvants de polymérisation sont typiquement des solvants hydrocarbonés, aliphatiques ou aromatiques.
La polymérisation est conduite de préférence en solution, en continu ou discontinu. Le solvant de polymérisation peut être un solvant hydrocarboné, aromatique ou aliphatique. A titre d’exemple de solvant de polymérisation, on peut citer le toluène et le méthylcyclohexane. Les monomères peuvent être introduits dans le réacteur contenant le solvant de polymérisation et le système catalytique ou inversement le système catalytique peut être introduit dans le réacteur contenant le solvant de polymérisation et les monomères. La copolymérisation est conduite typiquement dans des conditions anhydres et en l’absence d’oxygène, en présence éventuelle d’un gaz inerte. La température de polymérisation varie généralement dans un domaine allant de 30 à 150°C, préférentiellement de 30 à 120°C. De préférence, la copolymérisation est conduite à pression constante d’éthylène.
Au cours de la polymérisation de l’éthylène, du 1,3-diène de formule (I) et de l’éventuel deuxième 1,3-diène, dans un réacteur de polymérisation, un ajout continu d’éthylène et du 1,3-diène de formule (I) et de l’éventuel deuxième 1,3-diène, peut être réalisé dans le réacteur de polymérisation, auquel cas le réacteur de polymérisation est un réacteur alimenté. Ce mode de réalisation est tout particulièrement adapté pour la synthèse de copolymère statistique.
La polymérisation peut être stoppée par refroidissement du milieu de polymérisation. Le polymère peut être récupéré selon les techniques classiques connues de l’homme du métier comme par exemple par précipitation, par évaporation du solvant sous pression réduite ou par stripping à la vapeur d’eau.
Le taux du copolymère est avantageusement compris dans un domaine allant de 20 à 45 pce, de préférence de 31 à 45 pce. Il est entendu que le copolymère peut être constitué par un mélange de copolymères qui se différencient par leur microstructure ou par leur macrostructure. Par ailleurs, le taux de polyisoprène comportant un taux massique de liaisons 1,4-cis d'au moins 90% de la masse du polyisoprène est avantageusement compris dans un domaine allant de 55 à 80 pce, de préférence de 55 à 69 pce. Avantageusement, le polyisoprène comporte un taux massique de liaisons 1,4-cis d'au moins 98% de la masse du polyisoprène.
De préférence, le polyisoprène est choisi dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel (NR), les polyisoprènes de synthèse (IR) et leurs mélanges. De préférence encore, le polyisoprène est un caoutchouc naturel.
De manière particulière préférée, le taux total du copolymère et du polyisoprène est compris dans un domaine allant de 90 à 100 pce, de préférence de 95 à 100 pce. De préférence le taux total du copolymère et du polyisoprène est de 100 pce, c’est-à-dire que le copolymère et le polyisoprène sont les seuls élastomères de la composition.
II-2 Charge renforçante
La composition selon l’invention est à base d’au moins une charge renforçante comprenant plus de 50% en masse de noir de carbone par rapport à la masse totale de charge renforçante. Une telle charge renforçante consiste typiquement en des nanoparticules dont la taille moyenne (en masse) est inférieure au micromètre, généralement inférieure à 500 nm, le plus souvent comprise entre 20 et 200 nm, en particulier et plus préférentiellement comprise entre 20 et 150 nm.
Avantageusement, la charge renforçante de la composition selon l’invention comprend plus de 80% en masse, de noir de carbone. De préférence encore la charge renforçante est exclusivement constituée de noir de carbone, c’est-à-dire que le noir de carbone représente 100% en masse de la charge renforçante.
Comme noirs de carbone conviennent tous les noirs de carbone, notamment les noirs conventionnellement utilisés dans les pneumatiques ou leurs bandes de roulement. Parmi ces derniers, on citera plus particulièrement les noirs de carbone renforçants des séries 100, 200, 300, ou les noirs de série 500, 600 ou 700 (grades ASTM D-1765-2017), comme par exemple les noirs NI 15, N134, N234, N326, N330, N339, N347, N375, N550, N683, N772. Ces noirs de carbone peuvent être utilisés à l'état isolé, tels que disponibles commercialement, ou sous tout autre forme, par exemple comme support de certains des additifs de caoutchouterie utilisés. Les noirs de carbone pourraient être par exemple déjà incorporés à l'élastomère diénique, notamment isoprénique sous la forme d'un mélange- maître (« masterbatch » en anglais) (voir par exemple demandes WO97/36724-A2 ou W099/16600-A1). Parmi les noirs de carbone précités, ceux présentant une surface spécifique BET comprise dans un domaine allant de 21 à 69 m2/g, de préférence de 33 à 60 m2/g, de préférence de 40 à 49 m2/g, sont particulièrement préférés.
Ainsi, de préférence, la charge renforçante comprend plus de 50% en poids, de préférence plus de 80% en poids, d’au moins un noir de carbone présentant une surface spécifique BET comprise dans un domaine allant de 21 à 69 m2/g, de préférence de 33 à 60 m2/g, de préférence de 40 à 49 m2/g. La surface spécifique BET des noirs de carbone est mesurée selon la norme ASTM D6556-10 [méthode multipoints (au minimum 5 points) - gaz : azote - domaine de pression relative P/P0 : 0,1 à 0,3],
La composition selon l’invention peut comprendre des charges autres que du noir de carbone mais cela n’est pas obligatoire ni préférable. Il peut s’agir notamment de charge inorganique telle que de la silice.
Le taux de charge renforçante peut facilement être ajusté par l’homme du métier en fonction de l’usage de la composition de caoutchouc. Avantageusement, le taux de charge renforçante, dans la composition selon l’invention, est compris dans un domaine allant de 15 à 80 pce, de préférence de 20 à 55 pce, de préférence encore de 25 à 45 pce.
De préférence, le taux de noir de carbone, dans la composition selon l’invention, est compris dans un domaine allant de 15 à 80 pce, de préférence de 20 à 55 pce, de préférence encore de 25 à 45 pce, et la composition ne comprend pas de charge autre que du noir de carbone ou en comprend moins de 10 pce, de préférence moins de 5 pce, de préférence encore la composition ne comprend pas de charge autre que du noir de carbone.
II-3 Système plastifiant
La composition de caoutchouc selon l’invention est à base d’au moins un plastifiant liquide phosphate présentant une température de transition vitreuse, notée Tg, inférieure à -70°C.
A titre d'exemples de plastifiants phosphates préférentiels, on citera ceux qui contiennent de 3 à 24 atomes de carbone; tels que le trioctyle phosphate (en particulier le tri-2- éthylhexyle phosphate), le tri-butoxyéthyle phosphate le tri-éthyl phosphate, le tri-méthyl phosphate et le tri-butyl phosphate.
Ces phosphates préférentiels sont bien connus et disponibles commercialement ; à titre d'exemple, on peut citer le trioctyle phosphate (C24 H51 O4 P) commercialisé notamment sous la dénomination "Disflamoll TOF" par la société Lanxess, ou encore le Tris(2- éthylhexyl) phosphate "Selectophore" de chez Sigma Aldrich Chimie. Avantageusement, le plastifiant liquide phosphate présente une Tg comprise entre -200°C et -70°C, de préférence -160°C et -80°C, de préférence entre -140°C et -90°C.
Bien entendu, le plastifiant liquide phosphate peut être un mélange de plusieurs plastifiants liquides phosphate présentant une Tg inférieure à -70°C.
De préférence pour les besoins de l’invention, le taux de plastifiant liquide phosphate présentant une Tg inférieure à -70°C, dans la composition, est compris dans un domaine allant de 5 à 50 pce, de préférence de 7 à 40 pce et plus préférentiellement de 8 à 30 pce.
Selon l’invention, la composition peut comprendre un plastifiant liquide autre que le plastifiant liquide phosphate présentant une Tg inférieure à -70°C, mais cela n’est ni obligatoire ni préféré. Par définition, un plastifiant liquide est liquide à température ambiante (20°C, 1 atm).
Lorsque la composition comprend un autre plastifiant liquide, le taux total de plastifiant liquide est de préférence compris dans un domaine allant de 5 à 150 pce, de préférence de 10 à 100 pce.
De préférence, la composition ne comprend pas de plastifiant liquide autre que le plastifiant liquide phosphate présentant une Tg inférieure à -70°C ou en comprend moins de 30 pce, de préférence moins de 15 pce, de préférence moins de 10 pce. De préférence encore, la composition ne comprend pas de plastifiant liquide autre que le plastifiant liquide phosphate présentant une Tg inférieure à -70°C.
II-4 Système de réticulation
Le système de réticulation de la composition conforme à l’invention est un système de vulcanisation, c’est-à-dire un système de réticulation à base de soufre.
Le soufre peut être apporté sous toute forme, notamment sous forme de soufre moléculaire, ou d'un agent donneur de soufre. L’homme du métier sait adapter la quantité d’agent donneur de soufre pour obtenir la quantité souhaitée de soufre dans la composition. De préférence, le soufre est apporté sous forme de soufre moléculaire.
Au moins un accélérateur de vulcanisation est également présent et, de manière optionnelle, et préférentielle, on peut utiliser divers activateurs de vulcanisation connus tels qu'oxyde de zinc, acide stéarique ou composé équivalent tel que les sels d’acide stéarique et sels de métaux de transition, dérivés guanidiques (en particulier diphénylguanidine), ou encore des retardateurs de vulcanisation connus.
Le soufre est utilisé à un taux préférentiel compris entre 0,5 et 12 pce, en particulier entre 1 et 10 pce. L'accélérateur 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. De préférence encore, la composition comprend de 0,6 à 2 pce, de préférence de 0,7 à 1,8 pce de soufre et de 0,6 à 1 pce, de préférence de 0,6 à 0,9 pce d’au moins un accélérateur de vulcanisation.
Le rapport massique de soufre sur accélérateur de vulcanisation peut être compris dans un domaine allant de 0,75 à 3,00, de préférence de 1,00 à 2,75, de préférence encore de 1,30 à 2,33.
On peut utiliser comme accélérateur tout composé susceptible d'agir comme accélérateur de vulcanisation des élastomères diéniques en présence de soufre, notamment des accélérateurs du type thiazoles ainsi que leurs dérivés, des accélérateurs de types sulfénamides, thiurames, dithiocarbamates, dithiophosphates, thiourées et xanthates. A titre d'exemples de tels accélérateurs, on peut citer notamment les composés suivants : disulfure de 2-mercaptobenzothiazyle (en abrégé "MBTS"), N-cyclohexyl-2-benzothiazyle sulfénamide ("CBS"), N,N-dicyclohexyl-2-benzothiazyle sulfénamide ("DCBS"), N-ter- butyl-2-benzothiazyle sulfénamide ("TBBS"), N-ter-butyl-2-benzothiazyle sulfénimide ("TBSI"), disulfure de tetrabenzylthiurame ("TBZTD"), dibenzyldithiocarbamate de zinc ("ZBEC") et les mélanges de ces composés.
Avantageusement, l’accélérateur de vulcanisation est choisi parmi les accélérateurs de type sulfénamide et leurs mélanges, de préférence choisi dans le groupe constitué par le CBS, le TBBS, le DCBS et leurs mélanges. De manière particulièrement avantageuse, l’accélérateur de vulcanisation est le CBS. Avantageusement, également, la composition ne comprend pas d’accélérateur de vulcanisation autre que des accélérateurs de type sulfénamide, de préférence autre que le CBS.
II-5 Additifs possibles
Les compositions de caoutchouc selon l'invention peuvent comporter optionnellement également tout ou partie des additifs usuels habituellement utilisés dans les compositions d'élastomères pour pneumatique, comme par exemple des plastifiants (tels que des huiles plastifiantes et/ou des résines plastifiantes), des pigments, des agents de protection tels que cires anti-ozone, anti-ozonants chimiques, anti-oxydants, des agents anti-fatigue, etc. II-6 Préparation des compositions de caoutchouc
Les compositions utilisables dans le cadre de la présente invention peuvent être 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 thermomécanique (phase dite « nonproductive »), qui peut être conduite en une seule étape thermomécanique au cours de laquelle on introduit, dans un mélangeur approprié tel qu'un mélangeur interne usuel (par exemple de type « Banbury »), tous les constituants nécessaires, notamment la matrice élastomérique, la charge renforçante, les éventuels autres additifs divers, à l'exception du système de réticulation. L’incorporation de la charge éventuelle à l’élastomère peut être réalisée en une ou plusieurs fois en malaxant thermomécaniquement. Dans le cas où la charge est déjà incorporée en totalité ou en partie à l’élastomère sous la forme d’un mélange-maître (« masterbatch » en anglais) comme cela est décrit par exemple dans les demandes WO 97/36724 ou WO 99/16600, c’est le mélange-maître qui est directement malaxé et le cas échéant on incorpore les autres élastomères ou charges présents dans la composition qui ne sont pas sous la forme de mélange-maître, ainsi que les éventuels autres additifs divers autres que le système de réticulation. La phase non-productive peut être réalisée à haute température, jusqu'à une température maximale comprise entre 110°C et 200°C, de préférence entre 130°C et 185°C, pendant une durée généralement comprise entre 2 et 10 minutes.
- une seconde phase de travail mécanique (phase dite « productive »), qui peut être réalisée dans un mélangeur externe tel qu'un mélangeur à cylindres, après refroidissement du mélange obtenu au cours de la première phase non-productive jusqu'à une plus basse température, typiquement inférieure à 120°C, par exemple entre 40°C et 100°C. On incorpore alors le système de réticulation, et le tout est alors mélangé pendant quelques minutes, par exemple entre 5 et 15 min.
De telles phases ont été décrites par exemple dans les demandes EP-A-0501227, EP-A- 0735088, EP-A-0810258, WO00/05300 ou WO00/05301.
La composition finale ainsi obtenue est ensuite calandrée par exemple sous la forme d'une feuille ou d'une plaque, notamment pour une caractérisation au laboratoire, ou encore extrudée (ou co-extrudée avec une autre composition de caoutchouc) sous la forme d'un semi-fini (ou profilé) de caoutchouc utilisable par exemple comme flanc de pneumatique. Ces produits peuvent ensuite être utilisés pour la fabrication de pneumatiques, selon les techniques connues de l’homme du métier. La composition peut être soit à l’état cru (avant réticulation ou vulcanisation), soit à l’état cuit (après réticulation ou vulcanisation), peut être un produit semi-fini qui peut être utilisé dans un pneumatique.
La réticulation de la composition peut être conduite de manière connue de l’homme du métier, par exemple à une température comprise entre 130°C et 200°C, sous pression.
II-7 Article en caoutchouc
La présente invention a également pour objet un article de caoutchouc comprenant au moins une composition selon l’invention. De préférence, l’article de caoutchouc est un pneumatique.
Dans la présente invention, on entend par pneumatique (en anglais « tyre ») un bandage pneumatique ou non pneumatique. Un bandage pneumatique comporte usuellement deux bourrelets destinés à entrer en contact avec une jante, un sommet composé d’au moins une armature de sommet et une bande de roulement, deux flancs, le pneumatique étant renforcé par une armature de carcasse ancrée dans les deux bourrelets. Un bandage non- pneumatique, quant à lui, comporte usuellement une base, conçue par exemple pour le montage sur une jante rigide, une armature de sommet, assurant la liaison avec une bande de roulement et une structure déformable, tels que des rayons, nervures ou alvéoles, cette structure étant disposée entre la base et le sommet. De tels bandages non-pneumatiques ne comprennent pas nécessairement de flanc. Des bandages non-pneumatiques sont décrits par exemples dans les documents WO 03/018332 et FR2898077. Selon l’un quelconque des modes de réalisation de l’invention, le pneumatique selon l’invention est préférentiellement un bandage pneumatique.
Plus particulièrement, l’invention a également pour objet un pneumatique comprenant une composition de caoutchouc selon l’invention, la composition étant présente dans au moins un flanc du pneumatique. La composition selon l’invention peut constituer une partie ou la totalité du flanc du pneumatique.
Le pneumatique selon l’invention peut être destiné à équiper tout type de véhicules, en particulier des véhicules à moteur, sans limitation particulière. III- EXEMPLES
III-l Mesures et tests utilisés
III- 1.1 Détermination de la microstructure des copolymères Ethylène-Myrcène (Elastomère El) :
La caractérisation spectrale et les mesures de la microstructure des copolymères Ethylène- Myrcène sont réalisées par spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).
Spectromètre : Pour ces mesures, un spectromètre Bruker Avance III HD 400 MHz est utilisé, équipé d’une sonde Bruker cryo-BBFO z-grad 5 mm.
Expériences : Les expériences 1H sont enregistrées à l’aide d’une impulsion radiofréquence avec un angle de basculement de 30°, le nombre de répétitions est de 128 avec un délai de recyclage de 5 secondes. Les expériences RMN de corrélation 1H-13C HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence) et HMBC (Heteronuclear Multiple- Bond Correlation) sont enregistrées avec un nombre de répétitions de 128 et un nombre d’incréments de 128. Les expériences sont réalisées à 25°C.
Préparation de l’échantillon : 25 mg d’échantillon sont solubilisés dans 1 mL de chloroforme deutéré (CDCh).
Calibration de l’échantillon : Les axes des déplacements chimiques 'H et 13C sont calibrés par rapport à l’impureté protonée du solvant (CHCI3) à ôin = 7,2 ppm (pour le signal le plus déblindé) et 813c = 77 ppm (pour le signal le moins déblindé).
Attribution spectrale pour les copolymères d’éthylène et du 1,3-myrcène : Dans les représentations A, B, C ci-dessous, les symboles Ri et R2 représentent les points de rattachement de l’unité à la chaîne polymère. Les signaux des formes d’insertion du 1,3- diène A, B et C ont été observés sur les différents spectres enregistrés. D’après S. Georges et al., (Polymer 55 (2014) 3869-3878), le signal du groupement -CH= n°8” caractéristique de la forme C présente des déplacements chimiques 'H et 13C identiques au groupement - CH= n°3. Les déplacements chimiques des signaux caractéristiques des motifs A, B et C sont présentés dans le Tableau 1. Les motifs A, B et C correspondent respectivement aux unités de configuration 3,4, de configuration 1,2 et de configuration 1,4-trans. Les quantifications ont été effectuées à partir de l’intégration des spectres RMN 1D 'H à l’aide du logiciel Topspin. Les signaux intégrés pour la quantification des différents motifs sont : Ethylène : signal à 1,2 ppm correspondant à 4 protons
Myrcène total : signal n°l (1,59 ppm) correspondant à 6 protons
Forme A : signal n°7 (4,67 ppm) correspondant à 2 protons
Forme B : signal n°8’ (5,54 ppm) correspondant à 1 proton
La quantification de la microstructure est réalisée en pourcentage molaire (%molaire) comme suit : %molaire d’un motif = intégrale 1H d’un motif * 100 / X (intégrales 1H de chaque motif). [Tableau 1]
III- 1.2 Détermination de la macrostructure des polymères par chromatographie d’exclusion stérique (SEC) : a) Principe de la mesure :
La chromatographie d’exclusion stérique ou SEC (Size Exclusion Chromatography) permet de séparer les macromolécules en solution suivant leur taille à travers des colonnes remplies d’un gel poreux. Les macromolécules sont séparées suivant leur volume hydrodynamique, les plus volumineuses étant éluées en premier. Associée à 3 détecteurs (3D), un réfractomètre, un viscosimètre et un détecteur de diffusion de la lumière à 90°, la SEC permet d’appréhender la distribution de masses molaires absolues d’un polymère. Les différentes masses molaires absolues moyennes en nombre (Mn), en poids (Mw) et l’indice de polydispersité (Ip = Mw/Mn) peuvent également être calculées. b) Préparation du polymère :
Chaque échantillon est solubilisé dans du tétrahydrofurane à une concentration d’environ 1 g/L. Puis la solution est filtrée sur filtre de porosité 0,45 pm avant injection. c) Analyse SEC 3D :
Pour déterminer la masse molaire moyenne en nombre (Mn), et le cas échant la masse molaire moyenne en poids (Mw) et l’indice de polydispersité (Ip) des polymères, on utilise la méthode ci-dessous.
La masse molaire moyenne en nombre (Mn), la masse molaire moyenne en poids (Mw) et l’indice de polydispersité du polymère (ci-après échantillon) sont déterminés de manière absolue, par chromatographie d’exclusion stérique (SEC : Size Exclusion Chromatography) triple détection. La chromatographie d’exclusion stérique triple détection présente l’avantage de mesurer des masses molaires moyennes directement sans calibration.
La valeur de l’incrément d’indice de réfraction dn/dc de la solution de l’échantillon est mesurée en ligne en utilisant l’aire du pic détecté par le réfractomètre (RI) de l’équipement de chromatographie liquide. Pour appliquer cette méthode, il faut vérifier que 100% de la masse d’échantillon est injectée et éluée au travers de la colonne. L’aire du pic RI dépend de la concentration de l’échantillon, de la constante du détecteur RI et de la valeur du dn/dc.
Pour déterminer les masses molaires moyennes, on utilise la solution à lg/1 précédemment préparée et filtrée que l’on injecte dans le système chromatographique. L’appareillage utilisé est une chaîne chromatographique « WATERS alliance ». Le solvant d’élution est le tétrahydrofurane contenant 250 ppm de BHT (2,6-diter-butyle 4-hydroxy toluène), le débit est de 1 mL.min'1, la température du système de 35° C et la durée d’analyse de 60 min. Les colonnes utilisées sont un jeu de trois colonnes AGILENT de dénomination commerciale « PL GEL MIXED B LS». Le volume injecté de la solution de l’échantillon est 100 pL. Le système de détection est composé d’un viscosimètre différentiel Wyatt de dénomination commerciale « VISCOSTAR II », d’un réfractomètre différentiel Wyatt de dénomination commerciale « OPTILAB T-REX » de longueur d’onde 658 nm, d’un détecteur à diffusion de lumière statique multi angle Wyatt de longueur d’onde 658 nm et de dénomination commerciale « DAWN HELEOS 8+ ».
Pour le calcul des masses molaires moyennes en nombre et de l’indice de polydispersité, est intégrée la valeur de l’incrément d’indice de réfraction dn/dc de la solution de l’échantillon obtenue ci-dessus. Le logiciel d’exploitation des données chromatographiques est le système « ASTRA de Wyatt ».
Ill- 1.3 Propriétés dynamiques
Les propriétés dynamiques G’(10%) et G” max sont mesurées à une température de 23°C sur un viscoanalyseur (Metravib VA4000), selon la norme ASTM D 5992-96. On a enregistré la réponse d’un échantillon de composition réticulée (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, dans les conditions définies de température par exemple à 23°C selon la norme ASTM D 1349-99. On effectue un balayage en amplitude de déformation de 0,1 à 50% (cycle aller), puis de 50% à 0,1% (cycle retour). Les résultats exploités sont le module de cisaillement dynamique G’ et le module visqueux G”. Pour le cycle retour, on indique la valeur maximale de G” observée, notée G”max, ainsi que le module de cisaillement dynamique G’(10%) à 10% de déformation, à 23 °C.
On rappelle que, de manière bien connue de l'homme du métier, la valeur de G’ (10%) à 23°C est représentative de la rigidité du matériau. Les résultats de performance G’(10%) à 23 °C sont exprimés en base 100, la valeur 100 étant attribuée au témoin. Pour G’ (10%) à 23 °C un résultat supérieur à 100 indique que la composition de l'exemple considéré est moins rigide, traduisant, pour un flanc de pneumatique subissant une déformation imposée, une meilleure endurance.
On rappelle également que, de manière bien connue de l'homme du métier, la valeur de G”max à 23°C est représentative de l’hystérèse du matériau. Les résultats de performance G”max à 23°C sont exprimés en base 100, la valeur 100 étant attribuée au témoin. Pour G”max à 23°C un résultat supérieur à 100 indique que la composition de l'exemple considéré est moins hystérétique, traduisant, pour un flanc de pneumatique subissant une déformation imposée, une moindre résistance au roulement.
III- 1.4 Déchirabilité
Les indices de déchirabilité sont mesurés à 60°C. On détermine notamment la force à exercer pour obtenir la rupture (FRD, en MPa (en N/mm2)) et on mesure la déformation à rupture (DRD, en %) sur une éprouvette de dimensions 10 x 85 x 2,5 mm entaillée au centre de sa longueur par 3 entailles sur une profondeur de 3 mm, pour provoquer la rupture de l'éprouvette. Ainsi on peut déterminer l'Energie pour provoquer la rupture (Energie Rupture) de l'éprouvette qui est le produit de la FRD et de la DRD.
III-2 Synthèse des polymères :
Dans la synthèse de polymères, tous les réactifs sont obtenus commercialement exceptés les métallocènes. Le butyloctylmagnésium BOMAG (20% dans l’heptane, C = 0,88 mol.L' ') provient de Chemtura et est stocké dans un tube de Schlenk sous atmosphère inerte. L’éthylène, de qualité N35, provient de la société Air Liquide et est utilisé sans purification préalable. Le myrcène (pureté > 95%) est obtenu chez Sigma-Aldrich.
Le copolymère d’éthylène et de myrcène : élastomère El a été synthétisé selon le mode opératoire décrit ci-après :
Dans un réacteur contenant à 80°C du méthylcyclohexane, ainsi que de l’éthylène (Et) et du myrcène (Myr) dans les proportions indiquées dans le Tableau 3, on ajoute du butyloctylmagnésium (BOMAG) pour neutraliser les impuretés du réacteur, puis le système catalytique (voir Tableau 2). A ce moment, la température de réaction est régulée à 80°C et la réaction de polymérisation démarre. La réaction de polymérisation se déroule à une pression constante de 8 bars. Le réacteur est alimenté tout au long de la polymérisation en éthylène et en myrcène (Myr) dans les proportions définies dans le Tableau 3. La réaction de polymérisation est stoppée par refroidissement, dégazage du réacteur et ajout d’éthanol. Un anti-oxydant est ajouté à la solution de polymère. Le copolymère est récupéré par séchage en étuve sous vide jusqu’à masse constante. Le système catalytique est un système catalytique préformé. Il est préparé dans le méthylcyclohexane à partir d’un métallocène, le [Me2SiFlu2Nd(p-BH4)2Li(THF)], d’un cocatalyseur, le butyloctylmagnésium (BOMAG), et d’un monomère de préformation, le 1,3- butadiène, dans les teneurs indiquées dans le Tableau 2. Il est préparé selon une méthode de préparation conforme au paragraphe II.1 de la demande de brevet WO 2017/093654 AL
La microstructure de Télastomère El et ses propriétés figurent dans le Tableau 3. Pour la microstructure, le Tableau 3 indique les taux molaires des unités éthylène (Eth) et des unités myrcène. Y figure également la proportion molaire des unités myrcène selon qu’elles sont de configuration 1,4, de configuration 1,2 et 3,4.
[Tableau 2]
[Tableau 3] III-3 Préparation des compositions
Dans les exemples qui suivent, les compositions caoutchouteuses ont été réalisées comme décrit au point II-6 ci-dessus. En particulier, la phase « non-productive » a été réalisée dans un mélangeur de 0,4 litres pendant 3,5 minutes, pour une vitesse moyenne de palettes de 50 tours par minute jusqu’à atteindre une température maximale de tombée de 160°C. La phase « productive » a été réalisée dans un outil à cylindre à 23°C pendant 5 minutes. La réticulation de la composition a été conduite à une température de 150°C, sous pression, pendant une durée de 15 minutes.
III-3 Essais de compositions de caoutchouc
Les exemples présentés ci-dessous ont pour objet de comparer les performances de déchirabilité, de rigidité et d’hystérèse d’une composition conforme à l’invention (Cl) à une composition témoin (Tl).
Le Tableau 4 présente les compositions testées (en pce), ainsi que les résultats obtenus.
[Tableau 4] (1) Caoutchouc naturel
(2) Elastomère El préparé selon le procédé décrit au point III-2 ci-dessus
(3) Noir de carbone de grade N550 selon la norme ASTM D-1765
(4) Huile paraffinique « Tudalen 1968 » de la société Klaus Dahleke (5) Trioctyl phosphate (tri-2-ethylhexyl phosphate) « Disflamoll TOF » de la société Lanxess (Tg = -110°C)
(6) 2,2,4-triméthyl-l,2-dihydroquinoline « Pilnox TMQ » de la société Nocil
(7) Cire anti-ozone « VARAZON 4959 » de la société Sasol Wax
(8) N-l,3-diméthylbutyl-N-phénylparaphénylènediamine « Santoflex 6-PPD » de la société Flexsys
(9) Oxyde de zinc de grade industriel de la société Umicore (10) Acide stéarique « Pristerene 4931 » de la société Uniqema
(11) N-cyclohexyl-2-benzothiazyle sulfénamide « Santocure CBS » de la société Flexsys
Les résultats présentés dans le Tableau 4 ci-dessus montrent que l’utilisation du plastifiant spécifique permet d’améliorer à la fois la résistance à la déchirabilité, l’endurance et la résistance au roulement de composition de caoutchouc à base d’un élastomère diénique fortement saturé.

Claims

Revendications Composition de caoutchouc à base d’au moins :
- 20 à 50 pce de copolymère contenant des unités éthylène et des unités d’un 1,3- diène de formule (I), les unités éthylène dans le copolymère représentant entre 50% et 95% en mole des unités monomères du copolymère,
CH2=CR-CH=CH2 (I) le symbole R représentant une chaîne hydrocarbonée ayant 3 à 20 atomes de carbone ;
- 50 à 80 pce de polyisoprène comportant un taux massique de liaisons 1,4-cis d'au moins 90% de la masse du polyisoprène ;
- une charge renforçante comprenant plus de 50% en masse de noir de carbone par rapport à la masse totale de charge renforçante ;
- un plastifiant liquide phosphate présentant une température de transition vitreuse, notée Tg, inférieure à -70°C ; et
- un système de vulcanisation. Composition de caoutchouc selon la revendication 1, dans laquelle le copolymère contient des unités éthylène qui représentent de 60% à 90%, de préférence de 70% à 85%, en moles des unités monomères du copolymère. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le 1,3-diène de formule (I) est le myrcène, le P-farnésène ou un mélange de myrcène et de P-farnésène, de préférence le myrcène. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le copolymère contient des unités du 1,3-diène de formule (I) qui représentent entre 10% et 40%, de préférence entre 15% et 30%, en moles des unités monomères du copolymère. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le taux du copolymère est compris dans un domaine allant de 20 à 45 pce, et dans laquelle le polyisoprène est présent à un taux compris dans un domaine allant de 55 à 80 pce. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le taux total du copolymère et du polyisoprène est compris dans un domaine allant de 90 à 100 pce, de préférence de 95 à 100 pce, de préférence le taux total du copolymère et du polyisoprène est de 100 pce. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le polyisoprène est choisi dans le groupe constitué par le caoutchouc naturel, les polyisoprènes de synthèse et leurs mélanges, de préférence le polyisoprène est un caoutchouc naturel. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le taux de charge renforçante est compris dans un domaine allant de 15 à 80 pce, de préférence de 20 à 55 pce, de préférence de 25 à 45 pce. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le taux du plastifiant liquide phosphate est compris dans un domaine allant de 5 à 50 pce, de préférence de 7 à 40 pce et plus préférentiellement de 8 à 30 pce. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le plastifiant liquide phosphate présente une Tg comprise entre -200°C et -70°C, de préférence -160°C et -80°C, de préférence entre -140°C et -90°C. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, la composition de caoutchouc ne contenant pas de plastifiant liquide autre que le plastifiant liquide phosphate, ou en contenant moins de 30 pce, de préférence moins de 15 pce, de préférence moins de 10 pce. Composition de caoutchouc selon l’une quelconque des revendications précédentes, la composition de caoutchouc ne comprenant pas de plastifiant liquide autre que le plastifiant liquide phosphate. Article en caoutchouc comprenant une composition de caoutchouc définie à l’une quelconque des revendications 1 à 12. Pneumatique comprenant une composition de caoutchouc définie à l’une quelconque des revendications 1 à 12, la composition étant présente dans au moins un flanc du pneumatique.
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