JP2004515623A - ポリスルホン/ポリシロキサンポリカーボネートブロック共重合体 - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の技術的背景】
本発明はポリカーボネートブロック共重合体に関し、具体的には難燃性ポリカーボネートブロック共重合体に関する。
【0002】
ポリカーボネート樹脂は、優れた高い耐熱性能を示すために高温用途で有用である。そのため、かかる樹脂及び/又は樹脂組成物は難燃性をもつことが重要である。従前、難燃性は一般にハロゲン化難燃剤又はポリカーボネートポリマー鎖中のハロゲン化ブロックのような難燃剤の添加によって達成されていた。難燃剤の添加は材料コストの増大をもたらすだけでなく、ハロゲン化材料を用いたプラスチックは高温加熱時に有毒ガスを放出しかねない。そのため、非ハロゲン化耐火材料、特に透明なものが、広範囲の用途のために要望されている。
【0003】
オルガノポリシロキサンブロックとポリカーボネートブロックを有する共重合体は公知である。米国特許第3419635号(Vaughn)(その開示内容は援用によって本明細書に取り込まれる。)には、室温加硫オルガノポリシロキサン−ポリカーボネートブロック共重合体及びその製造方法が開示されている。このオルガノポリシロキサン−ポリカーボネートブロック共重合体はエラストマー用途において有用である。また、米国特許第6072011号(Hoover)には、ポリカーボネートブロックとポリシロキサンブロックを含む成形樹脂として有用なブロック共重合体が開示されている。Vaughnの特許に開示された組成物とは対照的に、Hooverの特許に開示された組成物は熱可塑性である。いずれの組成物も透明であるとは開示されておらず、Hooverの特許の実施例に開示された組成物はハロゲン化難燃剤を用いている。
【0004】
従って、当技術分野では、難燃性の高い非ハロゲン化ポリカーボネート樹脂、特に透明で優れた高温性能を示すポリカーボネート樹脂が求められている。
【0005】
【発明の概要】
上述の短所及び不都合は、式(I)の構造単位と式(II)の構造単位を含んでなるブロック共重合体によって解消もしくは軽減される。
【0006】
【化12】
【0007】
式中、R1はポリスルホン基からなる。
【0008】
【化13】
【0009】
式中、R2はポリシロキサン基からなる。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のブロック共重合体は、式(I)の構造単位と式(II)の構造単位を含んでなる。
【0011】
【化14】
【0012】
式中、R1はポリスルホン基からなる。
【0013】
【化15】
【0014】
式中、R2はポリシロキサン基からなる。本ブロック共重合体は、さらに、式(III)の構造単位を含んでいてもよい。
【0015】
【化16】
【0016】
式中、R3は芳香族及び/又は脂肪族基からなる。式(I)の構造単位は以下、ポリスルホン構造単位という。式(II)の構造単位は以下、ポリシロキサン構造単位という。式(III)の構造単位は以下、芳香族/脂肪族構造単位という。ポリスルホン構造単位及びポリシロキサン構造単位並びに芳香族/脂肪族構造単位(存在する場合)は、ランダムな配列でも、非ランダム繰返し配列で並んでいてもよい。通例、ポリスルホン構造単位はブロック共重合体の約80〜約99.9重量%を占める。ポリシロキサン構造単位は、通例、ブロック共重合体の約0.1〜約20重量%を占める。ブロック共重合体が透明であることが望まれる場合、ポリシロキサン構造単位含有量はブロック共重合体の約4.6重量%未満であるのが好ましい。芳香族/脂肪族構造単位が存在する場合、ブロック共重合体の約0.1〜約98重量%を占める。ブロック共重合体は約10000〜約100000の範囲内の平均分子量(Mw)を有し得るが、約25000〜約35000の範囲が好ましい。
【0017】
ブロック共重合体は、好ましくは、ホスゲンのようなカーボネート前駆体と、ジヒドロキシポリスルホンオリゴマー及びジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーとの反応で製造される。ブロック共重合体がポリスルホン構造単位及びポリシロキサン構造単位と共に芳香族又は脂肪族構造単位を含む場合には、ホスゲンのようなカーボネート前駆体と、ジヒドロキシポリスルホンオリゴマー、ジヒドロキシポリシロキサンオリゴマー及びジヒドロキシ芳香族及び/又はジヒドロキシ脂肪族化合物との反応で製造するのが好ましい。また、米国特許第3154008号に開示されたエステル交換反応のような当技術分野で公知の他のポリカーボネート製造方法でブロック共重合体を製造することも可能である。
【0018】
有用なジヒドロキシポリスルホンオリゴマーには、ジヒドロキシ芳香族ポリスルホンオリゴマーがある。芳香族ポリスルホンオリゴマーは、アリーレン単位、エーテル単位及びスルホン結合が必須の構成単位であり、アリーレン単位がエーテル及びスルホン結合と共に不規則又は規則的に配列したポリアリーレン化合物として定義される。好適なアリーレン単位には、置換及び非置換フェニレン、ナフチレン及び他の多環式芳香族化合物並びに次式の二価芳香族部分がある。
【0019】
−A1−Y1−A2−
式中、A1、Y1及びA2は以下に述べる通りである。
【0020】
ヒドロキシル官能基は末端に位置するのが好ましいが、一方又は両方のヒドロキシル官能基が末端以外の位置にあるのも本発明の技術的範囲に属する。「末端以外」とは、本明細書中では、オリゴマー鎖の末端以外の位置にあることと定義される。ジヒドロキシ芳香族ポリスルホンオリゴマーの有用な分子量は、約500〜約10000である。約2000〜約3500の分子量を有するジヒドロキシ芳香族ポリスルホンオリゴマーが好ましい。
【0021】
好ましい芳香族ポリスルホンオリゴマーは、次の一般式で表される繰返し単位を含んでなる。
【0022】
【化17】
【0023】
式中、nの有用な値は1〜約10の範囲内にある。
【0024】
特に好ましいヒドロキシル末端芳香族ポリスルホンオリゴマーは次式で表される。
【0025】
【化18】
【0026】
式中、nは約5に等しい。特に好ましいヒドロキシル末端芳香族ポリスルホンオリゴマーは公知であり、ジクロロジフェニルスルホンとビスフェノールAとの反応で製造でき、その際ビスフェノールAはわずかに過剰に存在させる。
【0027】
有用なジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーには、特に限定されないが、次の一般式で表される繰返し単位を含んでなるヒドロキシル末端ポリ(ジアルキルシロキサン)オリゴマーがある。
【0028】
【化19】
【0029】
式中、R4及びR5は独立にアルキル基、アルキレン基及びアリール基を始めとする炭素原子数1〜約15の飽和及び不飽和炭化水素から選択される。好ましくは、R4及びR5はメチル又はフェニルである。繰返し単位の数は0〜約120の範囲内にあればよい。好ましいジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーは置換又は非置換ヒドロキシ芳香族基を末端とし、置換基はハロ、炭素原子数1〜約15のアリール、アルキル、アルキレン、アルコキシ又はアリールオキシ基とし得る。特に好ましいジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーは、フェノール又はオイゲノールを末端とする。好ましいオイゲノール末端ポリシロキサンオリゴマーは次式で表される。
【0030】
【化20】
【0031】
式中、M=0〜47であり、R6−11は独立にアルキル基、アルキレン基及びアリール基を始めとする炭素原子数1〜約15の飽和及び不飽和炭化水素から選択される。好ましくは、R6−11はメチル又はフェニルである。
【0032】
有用なジヒドロキシ芳香族又は脂肪族化合物は2〜約50の炭素原子を有する。好ましくは、ジヒドロキシ化合物は次式で表される芳香族ジヒドロキシ化合物である。
【0033】
HO−A1−Y1−A2−OH
式中、A1及びA2は各々単環式アリール基であり、Y1はA1とA2を1又は2の原子で隔てる橋かけ基である。例示的な実施形態では、A1とA2は1原子で隔てられる。このタイプの基の非限定的な具体例には、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)2−、−C(O)−、メチレン、シクロヘキシルメチレン、2−[2.2.1]ビシクロヘプチリデン、エチリデン、イソプロピリデン、ネオペンチリデン、シクロヘキシリデン、シクロペンタデシリデン、シクロドデシリデン及びアダマンチリデンがある。橋かけ基Y1は炭化水素基でよいが、好ましくはメチレン、シクロヘキシリデン又はイソプロピリデンのような飽和炭化水素基である。
【0034】
特に好ましいのは、次の一般式(VIII)で表されるビスフェノール化合物である。
【0035】
【化21】
【0036】
式中、Ra及びRbは各々ハロゲン原子又は一価炭化水素基を表し、同一でも異なるものでもよく、p及びqは各々独立に0〜4の整数であり、Xaは次の式(VII)の基の一つを表す。
【0037】
【化22】
【0038】
式中、Rc及びRdは各々独立に水素原子又は一価線状若しくは環状炭化水素基を表し、Reは二価炭化水素基である。
【0039】
好適なジヒドロキシ化合物の若干の非限定的な具体例には、米国特許第4217438号(その開示内容は援用によって本明細書に取り込まれる)に名称又は式(一般式又は特定式)で開示されているジヒドロキシ置換芳香族炭化水素がある。式(VI)で表すことのできる種類のビスフェノール化合物の具体例の非網羅的なリストには、次のものが包含される。
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)エタン、
2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン(以下、「ビスフェノールA」又は「BPA」という。)、
2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、
2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)オクタン、
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−n−ブタン、
ビス(4−ヒドロキシフェニル)フェニルメタン、
2,2−ビス(4−ヒドロキシ−1−メチルフェニル)プロパン、
2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−ブロモフェニル)プロパンのようなビス(ヒドロキシアリール)アルカン、
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロペンタン、及び
1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンのようなビス(ヒドロキシアリール)シクロアルカン。
【0040】
ブロック共重合体の合成に際しては、末端封鎖剤又は連鎖停止剤を含めるのが好ましい。末端封鎖剤の使用は当技術分野で公知であり、すべての公知末端封鎖剤、特にフェノール、アルキル置換フェノール及びナフトールのような単一のヒドロキシル基をもった芳香族化合物が有用である。末端封鎖剤の有用な量は約0.1〜約2.0重量%である。
【0041】
本発明のブロック共重合体は、それ以上添加・混合せずに、或いは各種添加剤の添加混合後に使用できる。かかる添加剤はプラスチック配合技術分野で公知であり、例えば、約0.5〜約20重量部の充填剤又は補強剤、約0.01〜約0.2重量部の酸化防止剤、約0.1〜約0.7重量部の光安定剤、約0.5〜約3重量部の可塑剤、約0.1〜約3重量部の帯電防止剤、及び約0.1〜約1重量部の離型剤を挙げることができる。上記の添加剤量はポリカーボネート樹脂100重量部を基準とする。
【0042】
充填剤又は補強剤の例には、ガラス繊維、石綿、炭素繊維、シリカ、タルク及び硫酸バリウムがある。
【0043】
熱安定剤の例には、亜リン酸トリフェニル、亜リン酸トリス(2,6−ジメチルフェニル)、亜リン酸トリス(混成モノ/ジノニルフェニル)、ホスホン酸シメチルベンゼン及びリン酸トリメチルがある。
【0044】
酸化防止剤の例には、オクタデシル−3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート及びペンタエリトリチル−テトラキス[3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]がある。
【0045】
光安定剤の例には、2−(2−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)ベンゾトリアゾール、2−(2−ヒドロキシ−5−tert−オクチルフェニル)ベンゾトリアゾール及び2−ヒドロキシ−4−n−オクトキシベンゾフェノンがある。
【0046】
可塑剤の例には、ジオクチル−4,5−エポキシヘキサヒドロフタレート、トリス(オクトキシカルボニルエチル)イソシアヌレート、トリステアリン及びエポキシ化大豆油がある。
【0047】
帯電防止剤の例には、グリセロールモノステアレート、ステアリルスルホン酸ナトリウム及びドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムがある。
【0048】
離型剤の例には、ステアリン酸ステアリル、ミツロウ、モンタンワックス及びパラフィンワックスがある。
【0049】
かかる添加剤は、成分を混合して組成物を形成する際の適当な時点で混合すればよい。
【0050】
ブロック共重合体の合成は、通例、ジヒドロキシポリスルホンオリゴマー、ジヒドロキシポリシロキサンオリゴマー、任意成分の芳香族又は脂肪族ジヒドロキシ化合物、有機溶媒、水、塩基(通例、ヒドロキシル官能基からプロトンを除去するのに十分な塩基性度をもつ有機塩基)及び末端封鎖剤を重合容器に仕込み、得られた混合物を激しく攪拌する。重合反応を進行させるのに十分な速度、一般に約5〜約75グラム/分で溶液にホスゲンを吹き込む。ホスゲンの吹込速度は反応条件に応じて異なるが、当業者が容易に決定し得る。溶液のpHを約8〜約11に維持するため、水酸化ナトリウム水溶液を好ましくは連続的に添加する。生成物が所望の分子量に達したら反応は完了する。分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーその他当技術分野で公知の手段で測定できる。反応完了後、有機相を水性相から分離し、希塩酸で洗浄し、次いで脱イオン水で洗浄する。次いで溶媒を除去すれば、得られる無色物質は、沈殿、押出し及び成形を始めとする当技術分野で公知のあらゆる方法で取り扱うことができる。
【0051】
以下の非限定的な実施例で本発明をさらに例証する。
【0052】
【実施例】
以下の実施例では、分子量の異なるジヒドロキシポリスルホンオリゴマーを使用した。実施例3では、平均分子量(Mw)4426のジヒドロキシポリスルホンオリゴマーを使用した。残りの実施例では、平均Mw3698のジヒドロキシポリスルホンオリゴマーを使用した。ジヒドロキシポリスルホンオリゴマーを合成するため、68.5gのビスフェノールA、71.8gのクロロフェニルスルホン、83gの炭酸カリウム、300ミリリットルのジメチルアセトアミド及び150ミリリットルのトルエンを混合した。得られた混合物を還流下で加熱し、トルエンを除去し、pH約4に酸性化した水−メタノール溶液を用いてポリスルホンオリゴマーを単離した。得られた白色粉末を真空オーブン内で60℃で乾燥した。
【0053】
以下の実施例で使用したジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーは、10又は20個の中間ジ(アルキル)シロキサン基を有するオイゲノール末端ポリシロキサン(EuD10、EuD20)であった。これらは、α−ジメチル−3−(4′−ヒドロキシ−3′−メトキシフェニル)プロピルシリルオキシ,α−ジメチル−3−(4′−ヒドロキシ−3′−メトキシフェニル)プロピルシリルポリジメチルシロキサンという一般名でGE Silicones社から入手できる。実施例1〜19、24及び25では、4−クミルフェノール(PCP)を末端封鎖剤として使用した。実施例20〜23では、フェニルクロロホルメートを末端封鎖剤として使用した。有機塩基はトリエチルアミン(TEA)であった。実施例24及び25では、ビスフェノールA(BPA)を使用した。有機溶媒は塩化メチレンであった。
【0054】
ガラス転移温度(Tg)を測定するため示差走査熱量測定(DSC)分析を用い、Perkin Elmer DSC−7カロリメーターを用いて窒素雰囲気中20℃/分の加熱速度で行った。分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィーで測定した。
【0055】
垂直試験法を用いて燃焼試験を行った。短冊状試験片(ノッチ付アイゾット試験用120mm試験片)を垂直に取り付け、127mmの火炎に5秒間ずつ5回接炎した。5VB評価を得るには、5回目の接炎後に60秒以上有炎又は無炎燃焼する試験片があってはならない。加えて、有炎滴下物によって試験片の直下に置かれた綿が発火することも許されない。5枚の短冊状試験片について手順全体を繰り返す。
【0056】
以下の実施例を大規模(2kg超のジヒドロキシポリスルホンオリゴマー)及び実験室規模(約100g以下のジヒドロキシポリスルホンオリゴマー)の双方で行った。ジヒドロキシポリスルホン、ジヒドロキシポリシロキサン、トリエチルアミン、4−クミルフェノール(PCP)、塩化メチレン及び水を混合し、激しく攪拌した。水酸化ナトリウム水溶液を添加してpHを約10に維持しながら、ホスゲンを吹き込んだ。大規模反応では通例15g/分の速度でホスゲンを吹き込み、小規模反応では通例1g/分の速度でホスゲンを吹き込んだ。ホスゲンの総使用量は、出発原料の合計量を基準にして化学量論量よりも25%過剰であった。実施例を大規模に行った場合には、鉄をキレート化するため、4グラムのグルタミン酸ナトリウムを反応に添加した。大規模反応の完了後、有機相を分離し、塩化メチレンで希釈し、希塩酸で洗浄し、遠心分離し、スチームジェット沈殿で生成物を単離した。小規模反応では、有機相を分離し、希塩酸で洗浄し、脱イオン水で洗浄し、熱水での沈殿で単離した。得られた樹脂は無色であった。実施例で使用した反応体及び溶媒の量を表1に示す。
【0057】
【表1】
【0058】
実施例の分子量、塩化物イオン含有量及びガラス転移温度(Tg)を表2に示す。
【0059】
【表2】
【0060】
実施例1〜3の樹脂をさらに加工して、ノッチ付アイゾット強さ及び難燃性を試験した。実施例1の樹脂を成形して、125mmノッチ付アイゾット(NI)試験片(1A)とした。実施例1(1B)及び実施例2及び3の複数のバッチの樹脂を、樹脂100部当たり0.08部のRimar塩(ペルフルオロブタンスルホン酸カリウム、難燃剤)と均質に混合し、次いで125mmノッチ付アイゾット試験片に成形した。試験片を次いでASTM D256−93aで強度試験し、上述の通り難燃性を試験した。結果を表3に示す。ノッチ付アイゾット試験の結果及び難燃性試験の結果を表3に示す。
【0061】
【表3】
【0062】
1Aと1Bの対比から、難燃性を得るのにRimar塩の添加は不要であり、Rimar塩の存在はノッチ付アイゾット強さを低下させることが分かる。さらに、4.6wt%未満のポリシロキサンを含む実施例は、ノッチ付アイゾット試験片に成形すると事実上透明な材料が得られた。4.6wt%以上のポリシロキサンを含む実施例は、ノッチ付アイゾット試験片に成形すると不透明な材料を与えた。
【0063】
上記の実施例から分かる通り、ブロック共重合体は強度及び高いガラス転移温度を示し、難燃添加剤を添加しなくても優れた難燃性を示す。さらに、ブロック共重合体は約50ppm未満、好ましくは約10ppm未満のCl−濃度を有する。また、ポリシロキサンの量が組成物全体を基準にして4.6wt%未満であると透明であるという追加の利点もある。
【0064】
以上、好ましい実施形態を例示し説明してきたが、本明細書の技術的思想及び範囲から逸脱せずに様々な修正及び置換が可能である。従って、本発明の説明は限定のためではなく例示のためのものである。
Claims (34)
- 前記芳香族及び/又は脂肪族構造単位が当該ブロック共重合体の約0.1〜約98重量%を占める、請求項2記載のブロック共重合体。
- 前記芳香族基が次の一般式で表される、請求項2記載のブロック共重合体。
−A1−Y1−A2−
式中、A1及びA2は各々単環式アリール基であり、Y1はA1とA2を1又は2の原子で隔てる橋かけ基である。 - R4及びR5が独立にメチル及びフェニルからなる群から選択される、請求項7記載のブロック共重合体。
- 繰返し単位の数が1〜120である、請求項7記載のブロック共重合体。
- R6−11が独立にメチル及びフェニルからなる群から選択される、請求項10記載のブロック共重合体。
- 前記ポリスルホン基が当該ブロック共重合体の約80〜約99.9重量%を占め、前記ポリシロキサン基が当該ブロック共重合体の約0.1〜約20重量%を占める、請求項1記載のブロック共重合体。
- 前記ポリシロキサン基が当該ブロック共重合体の約0.1〜約3.5重量%を占める、請求項10記載のブロック共重合体。
- カーボネート前駆体、ジヒドロキシポリスルホンオリゴマー、ジヒドロキシポリシロキサンオリゴマー及び末端封鎖剤を含む混合物を反応させることで製造されるブロック共重合体。
- 前記混合物がさらにジヒドロキシ芳香族化合物及び/又はジヒドロキシ脂肪族化合物を含む、請求項14記載のブロック共重合体。
- 前記ジヒドロキシ芳香族基が次式で表される、請求項15記載のブロック共重合体。
HO−A1−Y1−A2−OH
式中、A1及びA2は各々単環式アリール基であり、Y1はA1とA2を1又は2の原子で隔てる橋かけ基である。 - 前記ジヒドロキシ芳香族基がビスフェノールである、請求項15記載のブロック共重合体。
- 前記カーボネート前駆体がホスゲンである、請求項14記載のブロック共重合体。
- 前記ジヒドロキシポリスルホンオリゴマーがジヒドロキシ芳香族ポリスルホンオリゴマーである、請求項14記載のブロック共重合体。
- 前記ジヒドロキシポリスルホンオリゴマーが約500〜約10000の分子量を有する、請求項14記載のブロック共重合体。
- 前記ジヒドロキシポリスルホンオリゴマーが約2000〜約3500の分子量を有する、請求項19記載のブロック共重合体。
- R2及びR3が独立にメチル及びフェニルからなる群から選択される、請求項24記載のブロック共重合体。
- 前記ジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーがヒドロキシ芳香族基を末端とする、請求項24記載のブロック共重合体。
- 前記ジヒドロキシポリシロキサンオリゴマーがオイゲノール又はフェノールを末端とする、請求項26記載のブロック共重合体。
- R6−11が独立にメチル及びフェニルからなる群から選択される、請求項28記載のブロック共重合体。
- 前記末端封鎖剤が単一のヒドロキシル基をもった芳香族化合物である、請求項14記載のブロック共重合体。
- Cl−含有量が約50ppm未満である、請求項1記載のブロック共重合体。
- Cl−含有量が約10ppm未満である、請求項1記載のブロック共重合体。
- ポリカーボネートブロック共重合体の製造方法であって、
ジヒドロキシポリスルホンオリゴマー、ジヒドロキシポリシロキサンオリゴマー、有機溶媒、水及び塩基を混合して、水性相と有機相とを有する混合物を形成し、
混合物にホスゲンを吹き込み、
混合物のpHを約8〜約11の間に保ち、
有機相から水性相を分離し、
有機相から溶媒を除去する
ことを含んでなる方法。 - さらに、有機相を水性相から分離した後、有機相を最初に希塩酸で、次いで水で洗浄することを含んでなる、請求項33記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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