JP2007501313A - 熱可塑性樹脂のための難燃性ホスホネート添加剤 - Google Patents

熱可塑性樹脂のための難燃性ホスホネート添加剤 Download PDF

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Abstract

本発明は難燃性を有するホスホネート組成物に関する。本発明のホスホネート組成物は一般式(I)
Figure 2007501313

(式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、RはH又はC〜Cアルキルであり、Rは直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、nは0又は1である)を有する。本発明は難燃性を有するホスホネート組成物の製造方法にも関する。

Description

本発明は2003年8月1日に出願された米国特許出願番号第60/491,914号による優先権を主張する。
発明の分野
本発明は、アルキル、シクロアルキル、アリールもしくはアラルキルホスホネートに関し、特定のホスホネートに関し、そして、熱可塑性樹脂中における、このようなホスホネートの難燃剤としての使用もしくは難燃剤との組み合わせでの使用に関する。
発明の背景
難燃剤は安全のために多くの製品中に導入され、該製品をとおした火の拡がりを抑制しようとしている。難燃剤は、たとえば、炎の急速な消失を生じさせること又は製品に火が着きにくくすることで作用することができる。難燃剤は従来から布帛、柔軟服飾品などを処理するために使用され、そしてフォーム、ペイント及びエポキシ樹脂などの樹脂中に導入されてきたが、現在では、多くの他の用途も、特に、エレクトロニクス、自動車、航空宇宙及び建築業界において活発に探求されている。
既知のホスホネート難燃剤は、熱可塑性樹脂に難燃性を付与するのに有用であるが、その使用を制限する欠点を有する。本発明は既知のホスホネート難燃剤の欠点を回避するホスホネート難燃剤を提供し、もって、有用な組成物を提供する。
既知のホスホネート難燃剤の1つの欠点は、既知の難燃剤は熱可塑性樹脂組成物に種々の性能上の問題及び他の欠点を付与することである。これらの問題は特定の熱可塑性樹脂、特に、ポリオレフィンについてはその有用性を制限し又は無くすことがある。気体発生(オフガス化)及び液体ブリードは特にこれらの熱可塑性樹脂系に見られており、これらの欠点はホスホネート塩/相乗剤の相互作用により生じるものと信じられる。
多くの従来の難燃剤は時間の経過とともに熱可塑性樹脂からマイグレートし及び/又は揮発する傾向があることが判っている。難燃剤のマイグレーションは対象物の難燃性を最終的に弱めることになる。既知のホスホネート難燃剤のさらに別の欠点は吸湿性であり、この吸湿性により、この添加剤を含む熱可塑性樹脂対象物は時間の経過とともに湿分又は水を吸収することになる。さらに、既知のホスホネート難燃剤は熱安定性に乏しい。この難燃剤は種々の熱可塑性樹脂加工温度で、特に、熱可塑性樹脂押出加工の間に分解することが知られている。
本発明はより安定なホスホネート難燃剤を提供することで従来の添加剤の欠点を克服しようとするものである。
発明の要旨
本発明は難燃性を有するホスホネート組成物に関する。本発明のホスホネート組成物は一般式
Figure 2007501313
(式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
はH又はC〜Cアルキルであり、
は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
nは0又は1である)を有する。好ましくは、RはC10〜C18アルキル又はC10〜C12シクロアルキルである。
本発明は、また、難燃性を有するホスホネート組成物の製造方法、特に、一般式
Figure 2007501313
(式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
はH又はC〜Cアルキルであり、
は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
nは0又は1である)の難燃性ホスホネートの製造方法に関する。この方法は
(1)最初に、一般式
Figure 2007501313
のトリメチロールアルカンを、
Figure 2007501313
の一般式の環式ホスフィットを生じるのに十分なモル比で、一般式P(OR)(式中、Rはアルキル、アリール又はアラルキルである)のホスフィットと反応させること、及び、
(2)前記環式ホスフィットを、本発明の難燃性ホスホネートを生じるために十分なモル比で、
Figure 2007501313
の一般式のホスホネートを反応させること、
の工程を含む。
本発明の詳細な説明及び好ましい態様
本発明の第一の主題は難燃性を有するホスホネート組成物である。本発明に有用な多くのホスホネート化合物がある。一般に、これらのホスホネート化合物は以下の一般式
Figure 2007501313
(式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
はH又はC〜Cアルキルであり、
は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
nは0又は1である)を有する。好ましくは、RはC10〜C18アルキル又はC10〜C12シクロアルキルである。
約9個を超える炭素原子の嵩高さのR基を有する組成物は改良された疎水性を有し、他の熱可塑性樹脂材料との相溶性がより高いものと信じられる。改良された相溶性はより安定な組成物を提供し、ホスホネート化合物のマイグレーションはより起こりにくい。添加剤の疎水性の増加により、本発明によるホスホネートを含む熱可塑性樹脂材料はより湿分を吸収しにくい傾向がある。さらに、より長鎖のホスホネート化合物はより熱安定性である傾向がある。したがって、本発明によるホスホネート組成物は従来のホスホネート化合物よりも改良された安定性を有する。
本発明による化合物は、(1)最初に、たとえば、一般式(I)
Figure 2007501313
のトリメチロールアルカンを、
Figure 2007501313
の一般式(II)の環式ホスフィットを生じるのに十分なモル比で、一般式P(OR)(式中、Rはアルキル、アリール又はアラルキルである)のホスフィットと反応させることで製造されうる。反応は、好ましくは、約50℃〜約200℃の温度で起こる。
反応はトランスエステル化触媒の存在下もしくは非存在下に行われてよい。
本発明の方法は十分な収率で所望の化合物を生じるために十分な時間にわたって行われる。反応時間は、反応温度、反応体の濃度及び選択、触媒の存在、及び当業者に知られている他のファクターによって有意な程度に影響を受ける。一般に、反応時間は数時間から数日又はそれ以上であることができる。
トリメチロールアルカンの例は、トリメチロールメタン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン及びトリメチロールブタンを含む。好ましいトリメチロールアルカンはトリメチロールプロパンである。
ホスフィットの例はトリメチルホスフィット、トリエチルホスフィット、トリプロピルホスフィット、トリブチルホスフィット、トリラウリルホスフィット、トリス(2−エチルヘキシル)ホスフィット、ジメチルエチルホスフィット、トリフェニルホスフィット及びトリトリルホスフィットである。好ましいホスフィットはトリメチルホスフィットである。
トランスエステル化触媒の例は、メチルアシッドホスフェート、ブチルアシッドホスフェート、硫酸及びリン酸である。好ましい触媒はメチルアシッドホスフェートである。
一般式(II)の環式ホスフィットを、その後、一般式(III)
Figure 2007501313
のホスホネートとの反応で、一般式(IV)
Figure 2007501313
(式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
はH又はC〜Cアルキルであり、
は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
nは0又は1である)を有する難燃性化合物を生じるのに十分なモル比で反応させる。
反応は合理的な時間内に反応が完了することができるために十分に高い温度でかつ暴走反応を避けるために十分に低い温度で行なわれることができる。好ましい温度は約180℃〜約220℃である。
反応は触媒としてハロゲン化アルキルの存在下に行われることができる。触媒は、反応の開始時又は反応の間に、1回で、数回で又は連続的に添加されてよい。ハロゲン化アルキルの例はメチルブロミド、エチルブロミド、プロピルブロミド、ブチルブロミド、オクチルブロミド、ベンジルブロミド、エチルクロリド、プロピルクロリド、ブチルクロリド、ベンジルクロリド、メチルヨージド、エチルヨージド、プロピルイージド及びブチルヨージドである。好ましいハロゲン化アルキルはブチルブロミド、オクチルブロミド、メチルヨージド及びエチルヨージドである。
反応は大気圧又は高圧又は真空下に行われてよい。
反応の間の色生成を抑制するために、着色防止剤を添加してよい。着色防止剤の例はN−メチルエタノールアミン、N−ジエタノールアミン、N−トリエタノールアミン、N−エチルエタノールアミン、N−プロピルエタノールアミンである。好ましい着色防止剤はN−メチルエタノールアミンである。
本発明の方法は所望の化合物を十分な収率で生じるのに十分な時間にわたって行われる。反応時間は、反応温度、反応体の濃度及び選択、触媒の存在、及び当業者に知られている他のファクターによって有意な程度に影響を受ける。一般に、反応時間は数時間から数日又はそれ以上であることができる。
一般式(III)のホスホネートの例はジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピルデシルホスホネート、ジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピルラウリルホスホネート、ジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピル(4−t−ブチルシクロヘキシル)ホスホネート、ジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピルカンフィルホスホネート、ジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピル(4−t−ブチルフェニル)ホスホネート、ジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピル(4−t−ブチルベンジル)ホスホネート、及び、ジメチルもしくはジエチルもしくはジプロピル(2−フェニルプロピル)ホスホネートである。
幾つかの特定の実施例を参照して本発明を説明するが、本発明の方法及び組成物の例示として解釈されるべきであり、その範囲を限定するものと解釈されるべきでない。
以下の実施例において、トリメチロールプロパンホスフィット(TMOPP)を用いて本発明の難燃性ホスホネートを製造した。概略的に、TMOPPは以下のとおりに製造した。
トリメチロールプロパンホスフィット(TMOPP)の製造
メカニカルスターラ、窒素ディップチューブ、滴下漏斗、ヒーティングマントル、温度計及び短蒸留カラムであってテークオフとコンデンサーと蒸留物回収ベッセルとを備えたものを備えた反応フラスコに134gのトリメチロールプロパン(TMOP)を入れた。反応器を窒素によってフラッシュし、124gのトリメチルホスフィット(TMP)を滴下漏斗に入れた。TMOPが80℃になるまで反応器を暖めた。その後、TMPを1回で添加した。1滴のメチルアシッドホスフェートを触媒として反応器に添加した。溶液を90℃に加熱し、その点で、副生成物であるメタノールを蒸留し始めた。次の3時間にわたって、カラムのトップの温度を66℃又はそれ以下に維持しながら反応器の温度をゆっくりと140℃に上げた。一旦、反応器の温度が140℃に到達したら、ゆっくりとした窒素スパージを開始した。反応器の温度を160℃に上げることでメタノールの蒸留を完了した。反応器の残留物は160g(98.7%収率)の31P NMRで98%純度のトリメチロールプロパンホスフィットからなり、以下の一般式
Figure 2007501313
を有した。
例1:難燃性ホスホネートAの製造
本発明による以下の式を有する難燃性ホスホネートを本例において記載されるとおりに製造した。
Figure 2007501313
メカニカルスターラ、窒素ブランケット、温度計及び真空ストリッピング装置を備えた、1バールの過圧に備えたジャケット付きガラス反応器中に、上述のとおりに製造した713gの溶融トリメチロールプロパンホスフィット(TMOPP)、550gのジメチルデシルホスホネート(DMDP)、7.5gのオクチルブロミド及び0.5gのN−メチルエタノールアミンを入れた。窒素ブランケット下に混合物を200℃に加熱し、その後、反応器をシールした。温度を200℃で11時間保持した。11時間の間に、観測された最大圧は1000トルであった。31P NMRによる分析はTMOPPの残留を示さなかった。温度を150℃に下げ、圧力を18トルに低減して、揮発性副生成物を除去した。GC分析はDMDPの残留を示さなかった。反応器の残留物は薄い黄色の粘性液体であり、1240g(98.2%収率)であり、予測された31P NMRスペクトルを示した。酸価は5.5であった。理論%Pは16.2であった。ICPによる%Pの分析は15.8%を示した。
例2:難燃性ホスホネートBの製造
本発明による以下の式を有する難燃性ホスホネートを例1において記載されるとおりに製造したが、ジメチルデシルホスホネートの代わりにジメチルカンフィルホスホネート(542g)を使用した。
Figure 2007501313
比較例
本発明の難燃性ホスホネートの耐水性、熱安定性及び外観特性を市販の難燃性ホスホネートであるAMGARD(商標)(Rhodia Inc., Cranbury, NJ)と比較した。
例3:吸水性比較
本例では、例1の難燃性ホスホネートAを、一般式
Figure 2007501313
(式中、nは0及び1である)を有するAMGARD(商標)CUと比較した。
1)81%wtのABS(メルトインデックス6g/10分(230℃)/3.8Kg ASTMD123(8))、
2)16%wtのビスフェノールAビス(ジフェニルホスフェート)、及び、
3)3%wtの難燃性ホスホネート(Amgard CU又はホスホネートA)
からなる2つの予備重量測定したプラスティック(ABS)クーポン(6.5cm×7.5cm×0.5cm)を60℃の水中に浸漬した。6時間後に、クーポンを徹底的に乾燥し、そして再び重量測定した。結果は表1に示されるとおりであり、難燃性ホスホネートAを含むプラスティッククーポンがより改良された耐水性を有したことを示している。
Figure 2007501313
例4:熱安定性比較
例2の難燃性ホスホネートBの熱安定性を、一般式
Figure 2007501313
(式中、nは0である)を有するAMGARD(商標)(Rhodia, Inc.)と比較した。
熱重量分析(TgA)(Mettler Toledo)を用いて、ホスホネートBの熱安定性をAmgard1045と比較した。機器を175℃に予備加熱し、5〜7mgのサンプルをチャンバー内に入れた。サンプルを加熱し、10℃/分の速度で温度を増加させた。サンプル重量損失を温度に対して記録した。表2に示した結果は本発明のホスホネートは市販の製品と比較して熱安定性が改良されていることを示している。
Figure 2007501313

Claims (32)

  1. 一般式
    Figure 2007501313
    (式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
    はH又はC〜Cアルキルであり、
    は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
    nは0又は1である)を有するホスホネート組成物。
  2. 及びRはメチル基であり、Rはエチルであり、Rは置換もしくは未置換C10〜C18アルキルである、請求項1記載の組成物。
  3. はC10〜C12アルキルである、請求項2記載の組成物。
  4. 及びRはメチル基であり、Rはエチルであり、Rは置換もしくは未置換C10〜C12シクロアルキルである、請求項1記載の組成物。
  5. は4−t−ブチルシクロヘキシルである、請求項4記載の組成物。
  6. はカンフィルである、請求項4記載の組成物。
  7. 難燃性を有するホスホネートを含み、前記ホスホネートは一般式
    Figure 2007501313
    (式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
    はH又はC〜Cアルキルであり、
    は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
    nは0又は1である)を有する、難燃化熱可塑性樹脂組成物。
  8. 及びRはメチル基であり、Rはエチルであり、Rは置換もしくは未置換C10〜C18アルキルである、請求項7記載の組成物。
  9. はC10〜C12アルキルである、請求項8記載の組成物。
  10. 及びRはメチル基であり、Rはエチルであり、Rは置換もしくは未置換C10〜C12シクロアルキルである、請求項7記載の組成物。
  11. は4−t−ブチルシクロヘキシルである、請求項10記載の組成物。
  12. はカンフィルである、請求項10記載の組成物。
  13. 一般式(IV)
    Figure 2007501313
    (式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、
    はH又はC〜Cアルキルであり、
    は直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルであり、
    nは0又は1である)を有する難燃性ホスホネート組成物の製造方法であって、前記方法は、(1)最初に、一般式(I)
    Figure 2007501313
    (式中、RはH又はC〜Cアルキルである)のトリメチロールアルカンを、
    Figure 2007501313
    の一般式(II)の環式ホスフィットを生じるのに十分なモル比で、一般式P(OR)(式中、Rはアルキル、アリール又はアラルキルである)のホスフィットと反応させること、及び、
    (2)第二に、一般式(II)の前記環式ホスフィットを、前記一般式(IV)の前記難燃性ホスホネート組成物を生じるために十分なモル比で、
    Figure 2007501313
    の一般式(III)(式中、R及びRは独立にC〜Cアルキルであり、Rは直鎖もしくは枝分かれC〜C22アルキル、C〜C22シクロアルキル、C〜C22アリールもしくはC〜C22アラルキルである)のホスホネートと反応させること、
    の工程を含む、方法。
  14. 一般式(I)のトリメチロールアルカンと、一般式P(OR)の前記ホスフィットとを反応させる前記工程はトランスエステル化触媒の存在下もしくは非存在下に約50℃〜約200℃の温度で行われる、請求項13記載の方法。
  15. 前記工程は約80℃〜約160℃の温度で行われる、請求項14記載の方法。
  16. 前記工程はトランスエステル化触媒の存在下に行われる、請求項14記載の方法。
  17. 酸触媒はメチルアシッドホスフェートである、請求項16記載の方法。
  18. 前記トリメチロールアルカンはトリメチロールプロパンを含む、請求項13記載の方法。
  19. 一般式P(OR)の前記ホスフィットはトリメチルホスフィットを含む、請求項13記載の方法。
  20. 一般式P(OR)の前記ホスフィットはトリフェニルホスフィットを含む、請求項13記載の方法。
  21. 一般式(II)の前記環式ホスフィットを、一般式(III)のホスホネートと反応させる前記工程がハロゲン化アルキル触媒及び/又は着色防止剤の存在下又は非存在下で約150℃〜約250℃の温度で行われる、請求項13記載の方法。
  22. 前記工程はハロゲン化アルキル触媒の存在下に行われる、請求項21記載の方法。
  23. 前記ハロゲン化アルキル触媒はブチルブロミドである、請求項22記載の方法。
  24. 前記ハロゲン化アルキル触媒はオクチルブロミドである、請求項22記載の方法。
  25. 前記ハロゲン化アルキル触媒はメチルヨージドである、請求項22記載の方法。
  26. 前記工程は着色防止剤の存在下に行われる、請求項21記載の方法。
  27. 前記着色防止剤はN−メチルエタノールアミンである、請求項26記載の方法。
  28. 前記工程は約180℃〜約220℃の温度で行われる、請求項21記載の方法。
  29. 一般式(III)の前記ホスホネートはジメチルデシルホスホネートである、請求項21記載の方法。
  30. 一般式(III)の前記ホスホネートはジメチルラウリルホスホネートである、請求項21記載の方法。
  31. 一般式(III)の前記ホスホネートはジメチル(4−t−ブチルシクロヘキシル)ホスホネートである、請求項21記載の方法。
  32. 一般式(III)の前記ホスホネートはジメチルカンフィルホスホネートである、請求項21記載の方法。
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