JP2007502351A - 導電性組成物及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

導電性組成物を製造する方法は、ポリマー前駆体を単層カーボンナノチューブ組成物とブレンドし、ポリマー前駆体を重合して有機ポリマーを形成することからなる。この方法は、導電率特性が望ましい自動車用部品、コンピューター部品、及びその他の部品を製造するのに有利に使用できる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、導電性組成物及びその製造方法に関する。
有機ポリマーから作成された物品は、静電気消散又は電磁シールドが重要な要件である包装用フィルム、チップキャリア、コンピューター、プリンター及びコピー機部品のような材料取扱及び電子機器に広く利用されている。静電気消散(本明細書中では以後ESDとする)は、異なる電位の物体間の直接接触又は誘導静電場による静電荷の移動と定義される。電磁シールド(本明細書中では以後EMシールドとする)効果は、そのシールドに入射する電磁場がそれを介して伝送される割合(単位デシベル)と定義される。電子素子が小型化され高速化されるにつれて、静電荷に対する感受性が増大し、従って改良された静電気消散性が得られるように改変された有機ポリマーを利用するのが一般に望ましい。同じように、改良された電磁シールドを提供すると同時に有機ポリマーの有利な機械的性質の幾らか又は全部を保持することができるように有機ポリマーを改変することが望ましい。
電気的性質を改良し、ESD及びEMシールドを達成するために、ピッチやポリアクリロニトリルから誘導された直径が2マイクロメートルより大きいグラファイト繊維のような導電性充填材が有機ポリマー中に混入されることが多い。しかし、これらのグラファイト繊維はその大きさが大きいために、かかる繊維を混入すると一般に耐衝撃性のような機械的性質が低下する。従って、当技術分野では、適切なESD及びEMシールドを提供しつつ、その機械的性質を保持することができる導電性ポリマー組成物に対するニーズが残されている。
導電性組成物を製造する方法は、ポリマー前駆体を単層カーボンナノチューブ組成物とブレンドし、ポリマー前駆体を重合して有機ポリマーを形成することからなる。
本明細書には、ポリマー前駆体の重合工程の前又はその間に有機ポリマーと単層カーボンナノチューブ(SWNT)をポリマー前駆体に添加することによって製造された有機ポリマーとSWNT組成物からなる組成物が開示されている。また、本明細書には、有機ポリマーと有効量の単層カーボンナノチューブ(SWNT)からなる組成物が開示されている。有効量のSWNTとは、組成物が約1012ohm−cm以下の体積抵抗率を有する一方約5キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性とクラスAの表面仕上げを示すのに充分な量を意味する。一実施形態では、組成物は、約10ohm/□(ohm/sq)以上の表面抵抗率及び約1012ohm−cm以下の体積抵抗率を有する一方約5キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性及びクラスAの表面仕上げを示す。別の実施形態では、組成物は、約10ohm/□(ohm/sq)以下の表面抵抗率及び約10ohm−cm以上の体積抵抗率を有し、約5キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性及びクラスAの表面仕上げを示す。一実施形態では、組成物は約10キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性を有し、別の実施形態では、組成物は約15キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性を有する。
一実施形態では、組成物は、約1010ohm−cm以下の体積抵抗率を有し、約5キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性及びクラスAの表面仕上げを示す。別の実施形態では、組成物は、約10ohm−cm以下の体積抵抗率を有し、約5キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性及びクラスAの表面仕上げを示す。さらに別の実施形態では、組成物は、約10ohm−cm以下の体積抵抗率を有し、約5キロジュール/平方メートル以上の衝撃特性及びクラスAの表面仕上げを示す。
かかる組成物は、静電荷から保護する必要があるコンピューター、電子物品、半導体部品、回路基板などに有利に利用することができる。また、所望により静電塗装することができる自動車の内装及び外装部品用の自動車のボディーパネルにも有利に使用することができる。
一実施形態では、SWNTは、重合工程の前にポリマー前駆体に添加する。別の実施形態では、SWNTはポリマー前駆体の重合工程中に添加する。さらに別の実施形態では、SWNTの一部分を重合工程の前にポリマー前駆体に添加し、SWNTのもう一方の部分を重合工程中にポリマー前駆体に添加する。本明細書で定義されるポリマー前駆体は、モノマー、オリゴマー又はポリマーでありさらに重合することができる反応性化学種からなる。
ポリマー前駆体の重合により得ることができる有機ポリマーは、熱可塑性ポリマー、熱可塑性ポリマーのブレンド、又は熱可塑性ポリマーと熱硬化性ポリマーのブレンドである。有機ポリマーはまた、ポリマー、コポリマー、ターポリマー、相互侵入型網状ポリマー、又は以上の有機ポリマーを1種以上含む組合せのブレンドであってもよい。熱可塑性ポリマーの例としては、ポリアセタール、ポリアクリル、ポリカーボネート、ポリアルキド、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアラミド、ポリアミドイミド、ポリアリーレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンズイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリハロゲン化ビニル、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリウレア、ポリホスファゼン、ポリシラザンなど、又は以上の有機ポリマーを1種以上含む組合せがある。
熱可塑性ポリマーのブレンドの具体例としては、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン/ナイロン、ポリカーボネート/アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、ポリフェニレンエーテル/ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル/ポリアミド、ポリカーボネート/ポリエステル、ポリフェニレンエーテル/ポリオレフィン、及び以上の熱可塑性ポリマーのブレンドを1種以上含む組合せがある。
一実施形態では、導電性組成物中に使用できる有機ポリマーはポリアリーレンエーテルである。用語ポリ(アリーレンエーテル)ポリマーには、ポリフェニレンエーテル(PPE)及びポリ(アリーレンエーテル)コポリマー、グラフトコポリマー、ポリ(アリーレンエーテル)エーテルアイオノマー、及びアルケニル芳香族化合物とポリ(アリーレンエーテル)、ビニル芳香族化合物、及びポリ(アリーレンエーテル)などとのブロックコポリマー、並びに以上を1種以上含む組合せが包含される。ポリ(アリーレンエーテル)ポリマー自体は、次式(I)の複数の構造単位を含むポリマーである。
Figure 2007502351
式中、各構造単位に対して、各Qは独立して水素、ハロゲン、第一又は第二低級アルキル(例えば、7個以下の炭素原子を含有するアルキル)、フェニル、ハロアルキル、アミノアルキル、炭化水素オキシ、2個以上の炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを隔てているハロ炭化水素オキシなどであり、各Qは独立して水素、ハロゲン、第一又は第二低級アルキル、フェニル、ハロアルキル、炭化水素オキシ、2個以上の炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを隔てているハロ炭化水素オキシなどである。好ましくは、各Qがアルキル又はフェニル、殊にC1−4アルキルであり、各Qは水素である。
ホモポリマーとコポリマーのポリ(アリーレンエーテル)が両方とも包含される。好ましいホモポリマーは2,6−ジメチルフェニレンエーテル単位を含有するものである。適切なコポリマーとしては、例えば、かかる単位を2,3,6−トリメチル−1,4−フェニレンエーテル単位と組み合わせて含有するランダムコポリマー、又は2,6−ジメチルフェノールと2,3,6−トリメチルフェノールとの共重合から誘導されたコポリマーがある。また、ビニルモノマー又はポリスチレンのようなポリマーをグラフト化することにより製造された部分を含有するポリ(アリーレンエーテル)、並びに低分子量のポリカーボネート、キノン類、複素環及びホルマールのようなカップリング剤を2つのポリ(アリーレンエーテル)鎖のヒドロキシ基と反応させてより高い分子量のポリマーを生成させてなるカップル化ポリ(アリーレンエーテル)もある。ポリ(アリーレンエーテル)はさらに、上記のものを1種以上含む組合せを包含する。
ポリ(アリーレンエーテル)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより決定して約10000〜約30000グラム/モル(g/モル)の数平均分子量、及び約30000〜約60000g/モルの重量平均分子量を有している。このポリ(アリーレンエーテル)は、クロロホルム中25℃で測定して約0.10〜約0.60デシリットル/グラム(dl/g)の固有粘度を有し得る。また、高い固有粘度のポリ(アリーレンエーテル)と低い固有粘度のポリ(アリーレンエーテル)を組み合わせて利用することも可能である。2つの固有粘度を使用する場合、正確な割合の決定は、使用するポリ(アリーレンエーテル)の正確な固有粘度及び目的とする最終的な物理的性質に依存する。
ポリ(アリーレンエーテル)は通例、2,6−キシレノールや2,3,6−トリメチルフェノールのような1種以上のモノヒドロキシ芳香族化合物の酸化カップリングによって製造される。かかるカップリングには一般に触媒系を使用するが、これらは通例、銅、マンガン又はコバルトの化合物のような1種以上の重金属化合物を、通常は様々な他の物質と組み合わせて含有している。
多くの目的に特に有用なポリ(アリーレンエーテル)は、1以上のアミノアルキル含有末端基を有する分子を含むものである。このアミノアルキル基は通例ヒドロキシ基に対してオルト位に位置している。かかる末端基を含有する生成物は、ジ−n−ブチルアミンやジメチルアミンのような適当な第一又は第二モノアミンを酸化カップリング反応混合物の構成成分の一つとして混入することによって得ることができる。また、4−ヒドロキシビフェニル末端基が存在することも多く、これは通例、殊に銅−ハロゲン化物−第二又は第三アミン系において、副生物のジフェノキノンが存在する反応混合物から得られる。実質的な割合のポリマー分子、通例ポリマーの約90重量%もを構成する割合が1種以上のアミノアルキル含有末端基及び4−ヒドロキシビフェニル末端基を含有し得る。
別の実施形態では、組成物中に使用する有機ポリマーはポリカーボネートであってもよい。芳香族カーボネート連鎖単位を含むポリカーボネートとしては、次式(II)の構造単位を有する組成物がある。
Figure 2007502351
式中、R基は芳香族、脂肪族又は脂環式基である。好ましくは、Rは芳香族有機基、より好ましくは次式(III)の基である。
Figure 2007502351
式中、各A及びAは単環式二価アリール基であり、YはAとAを隔てる0、1、又は2個の原子を有する橋かけ基である。代表的な実施形態では、1個の原子がAとAを隔てている。このタイプの基の具体例は、−O−、−S−、−S(O)−、−S(O)−、−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、アダマンチリデンなどである。橋かけ基Yは炭化水素基又はメチレン、シクロヘキシリデン若しくはイソプロピリデンのような飽和炭化水素基であることができる。
ポリカーボネートは、カーボネート前駆体とジヒドロキシ化合物とのSchotten−Bauman界面反応によって製造できる。通例、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどの水性塩基を、ジヒドロキシ化合物を含有するベンゼン、トルエン、二硫化炭素、又はジクロロメタンのような有機の水不混和性溶媒と混合する。一般に、相間移動剤を用いて反応を促進する。分子量調節剤を単独で又は混合物として反応体混合物に添加してもよい。また、上記枝分れ剤も単独で又は混合物として添加することもできる。
本発明で使用することができる芳香族ジヒドロキシ化合物コモノマーは次の一般式(IV)のものからなる。
Figure 2007502351
式中、Aは二価置換及び非置換芳香族基から選択される。
幾つかの実施形態で、Aは次式(V)の構造を有する。
Figure 2007502351
式中、Gはフェニレン、ビフェニレン、ナフチレンなどの芳香族基を表す。Eは、メチレン、エチレン、エチリデン、プロピレン、プロピリデン、イソプロピリデン、ブチレン、ブチリデン、イソブチリデン、アミレン、アミリデン、イソアミリデンなどのアルキレン又はアルキリデン基であってもよいし、また、芳香族結合、第三アミノ結合、エーテル結合、カルボニル結合、ケイ素含有結合、又はスルフィド、スルホキシド、スルホンなどのイオウ含有結合、又はホスフィニル、ホスホニルなどのリン含有結合のようなアルキレン又はアルキリデンとは異なる部分によって連結された2以上のアルキレン又はアルキリデン基からなっていてもよい。加えて、Eは環式脂肪族基であってもよい。Rは水素、又はアルキル、アリール、アラルキル、アルカリール、若しくはシクロアルキルのような一価炭化水素基を表す。Yはハロゲン(フッ素、臭素、塩素、ヨウ素)のような無機原子、ニトロのような無機基、アルケニル、アリル、若しくは上記Rのような有機基、又はORのようなオキシ基でよく、必要なことは、Yがポリマーを製造するのに使用する反応体及び反応条件に対して不活性であると共にそれらに影響されないということだけである。文字mは0からG上で置換に利用できる位置の数までの整数を表し、pは0からE上で置換に利用できる位置の数までの整数を表し、「t」は1以上に等しい整数を表し、「s」は0又は1であり、「u」は0を含む任意の整数を表す。
Eの適切な例としては、シクロペンチリデン、シクロヘキシリデン、3,3,5−トリメチルシクロヘキシリデン、メチルシクロヘキシリデン、2−[2.2.1]−ビシクロヘプチリデン、ネオペンチリデン、シクロペンタデシリデン、シクロドデシリデン、アダマンチリデンなど、スルフィド、スルホキシド若しくはスルホンのようなイオウ含有結合、ホスフィニル、ホスホニルのようなリン含有結合、エーテル結合、カルボニル基、第三窒素基、又はシラン若しくはシロキシのようなケイ素含有結合がある。Aが上記式(IV)で表される芳香族ジヒドロキシコモノマー化合物(III)で、1つより多くのY置換基が存在する場合、それらは同じであっても異なっていてもよい。同じことがR置換基についてもいえる。式(IV)においてsが0で、uが0でない場合、芳香環はアルキリデンその他の橋かけを介在することなく直接結合する。芳香核残渣G上のヒドロキシル基とYの位置はオルト、メタ、又はパラ位で変化することができ、炭化水素残渣の2以上の環炭素原子がY及びヒドロキシル基で置換されている場合その配置は隣接、非対称又は対称の関係であることができる。幾つかの特定の実施形態では、パラメーター「t」、「s」、及び「u」は各々1であり、両方のG基は非置換フェニレン基であり、Eはイソプロピリデンのようなアルキリデン基である。特定の実施形態では両方のG基がp−フェニレンであるが、両方がo−若しくはm−フェニレンであってもよいし、又は一方がo−若しくはm−フェニレンで、他方がp−フェニレンであってもよい。式(IV)の芳香族ジヒドロキシ化合物の適切な例は、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン(すなわちビスフェノールA)、2,2−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−イソプロピルフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシ−5−イソプロピルフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシ−5−イソプロピルフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−t−ブチル−5−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−5−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−クロロ−5−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3−ブロモ−5−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジイソプロピル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(3,5−ジフェニル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラクロロフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラブロモフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラメチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(2,6−ジクロロ−3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(2,6−ジブロモ−3,5−ジメチル−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)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−イソプロピルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシ−5−イソプロピルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシ−5−イソプロピルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−t−ブチル−5−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−5−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−5−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−5−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジイソプロピル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジフェニル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラクロロフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラブロモフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラメチルフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(2,6−ジクロロ−3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(2,6−ジブロモ−3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−3−イソプロピルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジクロロ−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジブロモ−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシ−5−メチルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−クロロ−4−ヒドロキシ−5−イソプロピルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−4−ヒドロキシ−5−イソプロピルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−t−ブチル−5−クロロ−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−5−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、ビス(3−クロロ−5−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3−ブロモ−5−フェニル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジイソプロピル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(3,5−ジフェニル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラクロロフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラブロモフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(4−ヒドロキシ−2,3,5,6−テトラメチルフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(2,6−ジクロロ−3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(2,6−ジブロモ−3,5−ジメチル−4−ヒドロキシフェニル)−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン、4,4′−ジヒドロキシ−1,1−ビフェニル、4,4′−ジヒドロキシ−3,3′−ジメチル−1,1−ビフェニル、4,4′−ジヒドロキシ−3,3′−ジオクチル−1,1−ビフェニル、4,4′−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4′−ジヒドロキシジフェニルチオエーテル、1,3−ビス(2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−プロピル)ベンゼン、1,3−ビス(2−(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−2−プロピル)ベンゼン、1,4−ビス(2−(4−ヒドロキシフェニル)−2−プロピル)ベンゼン及び1,4−ビス(2−(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)−2−プロピル)ベンゼンである。好ましい芳香族ジヒドロキシ化合物はビスフェノールA(BPA)である。
式(IV)で表すことができる他のビスフェノール化合物としては、Xが−O−、−S−、−SO−又は−SO−であるものがある。かかるビスフェノール化合物の幾つかの例は、4,4′−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4′−ジヒドロキシ−3,3′−ジメチルフェニルエーテルなどのビス(ヒドロキシアリール)エーテル、4,4′−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、4,4′−ジヒドロキシ−3,3′−ジメチルジフェニルスルフィドなどのビス(ヒドロキシジアリール)スルフィド、4,4′−ジヒドロキシジフェニルスルホキシド、4,4′−ジヒドロキシ−3,3′−ジメチルジフェニルスルホキシドなどのビス(ヒドロキシジアリール)スルホキシド、4,4′−ジヒドロキシジフェニルスルホン、4,4′−ジヒドロキシ−3,3′−ジメチルジフェニルスルホンなどのビス(ヒドロキシジアリール)スルホン、又は以上のビスフェノール化合物を1種以上含む組合せである。
ポリカーボネートの重縮合に利用できるその他のビスフェノール化合物は次式(VI)で表される。
Figure 2007502351
式中、Rは1〜10個の炭素原子を有する炭化水素基のハロゲン原子又はハロゲン置換炭化水素基であり、nは0〜4の値である。nが2以上である場合、Rは同じであっても異なっていてもよい。式(V)で表すことができるビスフェノール化合物の例は、レゾルシノール、3−メチルレゾルシン、3−エチルレゾルシン、3−プロピルレゾルシン、3−ブチルレゾルシン、3−t−ブチルレゾルシン、3−フェニルレゾルシン、3−クミルレゾルシン、2,3,4,6−テトラフルオロレゾルシン、2,3,4,6−テトラブロモレゾルシンなどの置換レゾルシノール化合物、カテコール、ヒドロキノン、3−メチルヒドロキノン、3−エチルヒドロキノン、3−プロピルヒドロキノン、3−ブチルヒドロキノン、3−t−ブチルヒドロキノン、3−フェニルヒドロキノン、3−クミルヒドロキノン、2,3,5,6−テトラメチルヒドロキノン、2,3,5,6−テトラ−t−ブチルヒドロキノン、2,3,5,6−テトラフルオロヒドロキノン、2,3,5,6−テトラブロモヒドロキノンなどの置換ヒドロキノン、又は以上のビスフェノール化合物を1種以上含む組合せである。
次式(VII)で表される2,2,2′,2′−テトラヒドロ−3,3,3′,3′−テトラメチル−1,1′−スピロビ−[IH−インデン]−6,6′−ジオールのようなビスフェノール化合物も使用できる。
Figure 2007502351
好ましいビスフェノール化合物はビスフェノールAである。
典型的なカーボネート前駆体には、ハロゲン化カルボニル、例えば塩化カルボニル(ホスゲン)及び臭化カルボニル、ビス−ハロホルメート、例えばビスフェノールA、ヒドロキノンなどの二価フェノールのビス−ハロホルメート、及びエチレングリコールやネオペンチルグリコールのようなグリコールのビス−ハロホルメート、並びにジフェニルカーボネート、ジ(トリル)カーボネート、及びジ(ナフチル)カーボネートのようなジアリールカーボネートがある。界面反応に好ましいカーボネート前駆体は塩化カルボニルである。
また、ホモポリマーではなくカーボネートコポリマーを使用したい場合には、2種以上の異なる二価フェノールの重合で得られたポリカーボネート、又は二価フェノールと、グリコール若しくはヒドロキシ−若しくは酸−末端終止ポリエステル若しくは二塩基酸若しくはヒドロキシ酸若しくは脂肪族二酸とのコポリマーを使用することも可能である。一般に、有用な脂肪族二酸は約2〜約40個の炭素を有している。好ましい脂肪族二酸はドデカン二酸である。
枝分れポリカーボネート、並びに線状ポリカーボネートと枝分れポリカーボネートのブレンドも組成物中に使用することができる。枝分れポリカーボネートは重合中に枝分れ剤を添加することによって製造することができる。これらの枝分れ剤はヒドロキシル、カルボキシル、カルボン酸無水物、ハロホルミルなどの官能基を3個以上含有する多官能性有機化合物、並びに以上の枝分れ剤を1種以上含む組合せでよい。特定の例としては、トリメリト酸、トリメリト酸無水物、トリメリト酸三塩化物、トリス−p−ヒドロキシフェニルエタン、イサチン−ビス−フェノール、トリス−フェノールTC(1,3,5−トリス((p−ヒドロキシフェニル)イソプロピル)ベンゼン)、トリス−フェノールPA(4(4(1,1−ビス(p−ヒドロキシフェニル)−エチル)α,α−ジメチルベンジル)フェノール)、4−クロロホルミルフタル酸無水物、トリメシン酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸など、又は以上の枝分れ剤を1種以上含む組合せがある。枝分れ剤は、所与の層でポリカーボネートの総重量を基準にして約0.05〜約2.0重量パーセント(wt%)のレベルで添加することができる。
一実施形態では、ポリカーボネートは、ジヒドロキシ化合物と炭酸ジエステルとの溶融重縮合反応によって製造することができる。ポリカーボネートを製造するのに利用することができる炭酸ジエステルの例は、ジフェニルカーボネート、ビス(2,4−ジクロロフェニル)カーボネート、ビス(2,4,6−トリクロロフェニル)カーボネート、ビス(2−シアノフェニル)カーボネート、ビス(o−ニトロフェニル)カーボネート、ジトリルカーボネート、m−クレジルカーボネート、ジナフチルカーボネート、ビス(ジフェニル)カーボネート、ビス(メチルサリチル)カーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジシクロヘキシルカーボネートなど、又は以上の炭酸ジエステルを1種以上含む組合せである。好ましい炭酸ジエステルはジフェニルカーボネート又はビス(メチルサリチル)カーボネートである。
好ましくは、ポリカーボネートの数平均分子量は約3000〜約1000000グラム/モル(g/モル)である。この範囲内で、数平均分子量は約10000以上、好ましくは約20000以上、より好ましくは約25000g/モル以上であるのが望ましい。また、約100000以下、好ましくは約75000以下、より好ましくは約50000以下、最も好ましくは約35000g/モル以下の数平均分子量が望ましい。
環式脂肪族ポリエステルは一般にジオールと二塩基酸又は誘導体との反応によって製造される。環式脂肪族ポリエステルポリマーの製造に有用なジオールは直鎖、枝分れ、又は環式脂肪族、好ましくは直鎖又は枝分れのアルカンジオールであり、2〜12個の炭素原子を含有することができる。
ジオールの適切な例としては、エチレングリコール、プロピレングリコール、すなわち、1,2−及び1,3−プロピレングリコール、ブタンジオール、すなわち、1,3−及び1,4−ブタンジオール、ジエチレングリコール、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール、2−エチル,2−メチル,1,3−プロパンジオール、1,3−及び1,5−ペンタンジオール、ジプロピレングリコール、2−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、特にそのシス−及びトランス−異性体、トリエチレングリコール、1,10−デカンジオール、並びに以上のものの任意の混合物がある。特に好ましいのはジメタノールビシクロオクタン、ジメタノールデカリン、環式脂肪族ジオール又はその化学的等価体、特に1,4−シクロヘキサンジメタノール又はその化学的等価体である。1,4−シクロヘキサンジメタノールをジオール成分として用いる場合、一般に約1:4〜約4:1のモル割合のシス対トランス−異性体の混合物を使用するのが好ましい。この範囲内で、一般に約1:3のモル割合のシス対トランス−異性体を使用するのが好ましい。
環式脂肪族ポリエステルポリマーの製造に有用な二酸は、各々が飽和環内の飽和炭素に結合している2つのカルボキシル基を有するカルボン酸を包含する脂肪族二酸である。環式脂肪族酸の適切な例としては、デカヒドロナフタレンジカルボン酸、ノルボルネンジカルボン酸、ビシクロオクタンジカルボン酸がある。好ましい環式脂肪族二酸は1,4−シクロヘキサンジカルボン酸及びトランス−1,4−シクロヘキサンジカルボン酸である。線状脂肪族二酸も、ポリエステルが環式脂肪族環を含有する1種以上のモノマーを有するときには有用である。線状脂肪族二酸の具体例はコハク酸、アジピン酸、ジメチルコハク酸、及びアゼライン酸である。二酸とジオールの混合物を使用して環式脂肪族ポリエステルを作成することもできる。
シクロヘキサンジカルボン酸及びその化学的等価体は、例えば、炭素又はアルミナの適切な担体に担持されたロジウムのような適切な触媒を用いて、適切な溶媒、水又は酢酸中、室温大気圧で、イソフタル酸、テレフタル酸又はナフタレン酸のようなシクロ芳香族二酸及び対応する誘導体の水素化によって製造することができる。また、反応条件下で酸が少なくとも部分的に可溶である不活性液体媒質を使用し、炭素又はシリカ中パラジウム又はルテニウムの触媒を用いて製造してもよい。
通例、水素化中に、カルボン酸基がシス位又はトランス位にある2種以上の異性体が得られる。このシス及びトランス異性体は溶媒、例えばn−ヘプタンを用いる若しくは用いない結晶化により、又は蒸留により分離することができる。シス異性体はより良好にブレンドする傾向があるが、トランス異性体はより高い融解温度及び結晶化温度を有しており、一般に好ましい。シス及びトランス異性体の混合物を使用してもよく、かかる混合物を使用する場合、トランス異性体はシス及びトランス異性体を合わせた総重量を基準にして約75wt%以上からなるのが好ましく、シス異性体はその残りからなる。異性体の混合物又は1種より多くの二酸を用いる場合、コポリエステル又は2種のポリエステルの混合物を環式脂肪族ポリエステル樹脂として使用することができる。
エステルを始めとするこれらの二酸の化学的等価体も環式脂肪族ポリエステルの製造に使用することができる。二酸の化学的等価体の適切な例は、アルキルエステル、例えばジアルキルエステル、ジアリールエステル、無水物、酸塩化物、酸臭化物など、又は以上の化学的等価体を1種以上含む組合せである。好ましい化学的等価体は環式脂肪族二酸のジアルキルエステルからなり、最も好ましい化学的等価体は酸のジメチルエステル、特にジメチル−トランス−1,4−シクロヘキサンジカルボキシレートからなる。
ジメチル−1,4−シクロヘキサンジカルボキシレートはジメチルテレフタレートの環水素化で得ることができ、この場合カルボン酸基がシス位及びトランス位にある2種の異性体が得られる。これらの異性体は分離することができ、トランス異性体が殊に好ましい。
上記に詳述したように異性体の混合物も使用できる。
ポリエステルポリマーは一般に、ジオール又はジオール化学的等価体成分と二酸又は二酸化学的等価体成分との縮合又はエステル交換重合により得られ、次式(VIII)の繰返し単位を有している。
Figure 2007502351
式中、Rは直鎖、枝分れ若しくは環式脂肪族アルカンジオール又はその化学的等価体の残基であるアリール、アルキル又はシクロアルキル基を表し、Rは二酸から誘導された脱カルボキシル化残基であるアリール、アルキル又は環式脂肪族基であり、ただしR又はRの1つ以上がシクロアルキル基である。アリール基は所望により置換アリール基であってもよい。
好ましい環式脂肪族ポリエステルは、次式(IX)の繰返し単位を有するポリ(1,4−シクロヘキサン−ジメタノール−1,4−シクロヘキサンジカルボキシレート)である。
Figure 2007502351
ここで、式(VIII)中のRはシクロヘキサン環であり、Rはシクロヘキサンジカルボキシレート又はその化学的等価体から誘導されたシクロヘキサン環であり、そのシス−若しくはトランス−異性体又はシス−及びトランス−異性体の混合物から選択される。環式脂肪族ポリエステルポリマーは、一般に、適切な量で、通例最終生成物の総重量を基準にして約50〜400ppmのチタンの量のテトラ(2−エチルヘキシル)チタネートのような適切な触媒の存在下で作成することができる。ポリ(1,4−シクロヘキサンジメタノール−1,4−シクロヘキサンジカルボキシレート)は一般にポリカーボネートと共に適切なブレンドを形成する。
好ましくは、コポリエステルカーボネート又はポリエステルの数平均分子量は約3000〜約1000000g/モルである。この範囲内で、数平均分子量は、約10000以上、好ましくは約20000以上、より好ましくは約25000g/モル以上であるのが望ましい。また、数平均分子量は、約100000以下、好ましくは約75000以下、より好ましくは約50000以下、最も好ましくは約35000g/モル以下であるのが望ましい。
別の好ましいポリエステルはポリアリーレートである。ポリアリーレートとは一般に、芳香族ジカルボン酸とビスフェノールのポリエステルをいう。アリールエステル結合に加えてカーボネート結合を含むポリアリーレートコポリマーはポリエステル−カーボネートといわれ、これも混合物中に有利に利用できる。ポリアリーレートは溶液中で、又は芳香族ジカルボン酸又はそのエステル形成性誘導体とビスフェノール又はその誘導体の溶融重合によって製造することができる。
一般に、ポリアリーレートは1種以上のジフェノール残基を1種以上の芳香族ジカルボン酸残基と組み合わせて含むのが好ましい。次式(X)に例示する好ましいジフェノール残基は、本明細書を通じてレゾルシノール又はレゾルシノール部分という1,3−ジヒドロキシベンゼン部分から誘導される。レゾルシノール又はレゾルシノール部分には、非置換の1,3−ジヒドロキシベンゼンと置換1,3−ジヒドロキシベンゼンの両者が包含される。
Figure 2007502351
式(X)で、Rは1種以上のC1−12アルキル又はハロゲンであり、nは0〜3である。適切なジカルボン酸残基としては、単環式部分、好ましくはイソフタル酸、テレフタル酸、又はイソフタル酸とテレフタル酸の混合物、又はジフェニルジカルボン酸、ジフェニルエーテルジカルボン酸、及びナフタレン−2,6−ジカルボン酸など、並びに以上の多環式部分を1種以上含む組合せのような多環式部分から誘導された芳香族ジカルボン酸残基がある。好ましい多環式部分はナフタレン−2,6−ジカルボン酸である。
好ましくは、芳香族ジカルボン酸残基は一般に次式(XI)に示されるようにイソフタル酸及び/又はテレフタル酸の混合物から誘導される。
Figure 2007502351
従って、一実施形態では、ポリアリーレートは次式(XII)に示されるようなレゾルシノールアリーレートポリエステルからなる。
Figure 2007502351
式中、Rは1以上のC1−12アルキル又はハロゲンであり、nは0〜3であり、mは約8以上である。Rは水素であるのが好ましい。好ましくは、nは0であり、mは約10〜約300である。イソフタレート対テレフタレートのモル比は約0.25:1〜約4.0:1である。
別の実施形態では、ポリアリーレートは、次式(XIII)に示されるように多環式芳香族基を有する熱的に安定なレゾルシノールアリーレートポリエステルからなる。
Figure 2007502351
式中、Rは1以上のC1−12アルキル又はハロゲンであり、nは0〜3であり、mは約8以上である。
別の実施形態では、ポリアリーレートは共重合して、カーボネートブロックとアリーレートブロックを含むブロックコポリエステルカーボネートを形成している。これらの中には、次式(XIV)の構造単位を含むポリマーがある。
Figure 2007502351
式中、各Rは独立してハロゲン又はC1−12アルキルであり、mは1以上であり、pは約0〜約3であり、各Rは独立して二価有機基であり、nは約4以上である。好ましくは、nは約10以上、より好ましくは約20以上、最も好ましくは約30〜約150である。好ましくはmは約3以上であり、より好ましくはmは約10以上であり、最も好ましくはmは約20〜約200である。代表的な実施形態では、mは約20〜50の量で存在する。
一般に、ポリアリーレートの重量平均分子量は約500〜約1000000グラム/モル(g/モル)であるのが望ましい。一実施形態では、ポリアリーレートは約10000〜約200000g/モルの重量平均分子量を有する。別の実施形態では、ポリアリーレートは約30000〜約150000g/モルの重量平均分子量を有する。さらに別の実施形態では、ポリアリーレートは約50000〜約120000g/モルの重量平均分子量を有する。キャップ層に利用されるポリアリーレートの代表的な分子量は60000〜120000g/モルである。
一実施形態では、ポリマー前駆体はエチレン性不飽和基を含む。使用されるエチレン性不飽和基は重合することができるいかなるエチレン性不飽和官能基であることもできる。適切なエチレン性不飽和官能性としては、ラジカル重合又はカチオン重合により重合することができる官能性がある。適切なエチレン性不飽和の特定の例は、アクリレート、メタクリレート、スチレンのようなビニル芳香族ポリマー、ビニルエーテル、ビニルエステル、N−置換アクリルアミド、N−ビニルアミド、マレイン酸エステル、フマル酸エステルなどを含有する基である。好ましくは、エチレン性不飽和は、アクリレート、メタクリレート、又はスチレン官能性、最も好ましくはスチレンを含有する基によって提供される。
ビニル芳香族樹脂は、好ましくは、次式(XV)のモノマーから誘導された構造単位を25重量%以上含有するポリマー前駆体から誘導される。
Figure 2007502351
式中、Rは水素、低級アルキル又はハロゲンであり、Zはビニル、ハロゲン又は低級アルキルであり、pは0〜約5である。これらのポリマーには、スチレン、クロロスチレン若しくはビニルトルエンのホモポリマー、スチレンと、アクリロニトリル、ブタジエン、α−メチルスチレン、エチルビニルベンゼン、ジビニルベンゼン及び無水マレイン酸により例示される1種以上のモノマーとのランダムコポリマー、並びにゴムがポリブタジエン若しくは約98〜70%スチレンと約2〜30%ジエンモノマーのゴム状コポリマーであるブレンド及びグラフトを含むゴムで変性されたポリスチレンが含まれる。ポリスチレンはポリフェニレンエーテルとあらゆる割合で混和性であり、かかるブレンドは本ポリマーの総重量を基準にして約5〜95%、最も多くの場合約25〜75%のポリスチレンを含有する。
さらに別の実施形態では、ポリイミドを組成物中の有機ポリマーとして使用してもよい。有用な熱可塑性ポリイミドは次の一般式(XVI)を有する。
Figure 2007502351
式中、「a」は約1以上、好ましくは約10以上、より好ましくは約1000以上であり、Vはいかなる四価リンカーでもよいが、このリンカーはポリイミドの合成又は使用を妨害するものであってはならない。適切なリンカーとしては、(a)約5〜約50個の炭素原子を有する置換若しくは非置換の飽和、不飽和若しくは芳香族単環式及び多環式基、(b)1〜約30個の炭素原子を有する置換若しくは非置換で線状若しくは枝分れの飽和若しくは不飽和アルキル基、又はこれらの組合せがある。適切な置換及び/又はリンカーとしては、限定されることはないが、エーテル、エポキシド、アミド、エステル、及びこれらの組合せがある。好ましいリンカーとして、限定されることはないが、次式(XVII)のような四価芳香族基がある。
Figure 2007502351
式中、Wは−O−、−S−、−C(O)−、−SO−、−SO−、−C2y−(yは1〜5の整数である)、及びこのハロゲン化誘導体、例えばペルフルオロアルキレン基、又は式−O−Z−O−の基からなる群から選択される二価部分であり、−O−又は−O−Z−O−基の二価結合は3,3′、3,4′、4,3′、又は4,4′位にあり、Zとしては、限定されることはないが、次式(XVIII)の二価基がある。
Figure 2007502351
式(XVI)中のRとしては、(a)約6〜約20個の炭素原子を有する芳香族炭化水素基及びそのハロゲン化誘導体、(b)約2〜約20個の炭素原子を有する直鎖若しくは枝分れ鎖アルキレン基、(c)約3〜約20個の炭素原子を有するシクロアルキレン基、又は(d)次の一般式(XIX)の二価基のような置換若しくは非置換二価有機基がある。
Figure 2007502351
式中、Qとしては、−O−、−S−、−C(O)−、−SO−、−SO−、−C2y−(yは1〜5の整数である)、及びそのハロゲン化誘導体、例えばペルフルオロアルキレン基からなる群から選択される二価部分がある。
好ましい種類のポリイミドとしては、ポリアミドイミド及びポリエーテルイミド、特に溶融加工処理可能なポリエーテルイミドがある。
好ましいポリエーテルイミドポリマーは1より多く、通例約10〜約1000以上、より好ましくは約10〜約500の次式(XX)の構造単位を含んでいる。
Figure 2007502351
式中、Tは−O−又は式−O−Z−O−の基であり、−O−又は−O−Z−O−基の二価結合は3,3′、3,4′、4,3′、又は4,4′位にあり、Zとしては、限定されることはないが、上記定義の式(XVIII)の二価基がある。
一実施形態では、ポリエーテルイミドは、上記エーテルイミド単位に加えてさらに次式(XXI)のポリイミド構造単位を含有するコポリマーであってもよい。
Figure 2007502351
式中、Rは式(XVI)に対して既に定義したとおりであり、Mとしては、限定されることはないが、次式(XXII)の基がある。
Figure 2007502351
ポリエーテルイミドは、次式(XXIII)の芳香族ビス(エーテル無水物)と次式(XIV)の有機ジアミンとの反応を始めとする方法のいずれによっても製造することができる。
Figure 2007502351
Figure 2007502351
式中、T及びRは式(XVI)及び(XX)で上記した通り定義される。
式(XXIII)の芳香族ビス(エーテル無水物)の具体例としては、2,2−ビス[4−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物、4,4′−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物、4,4′−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物、4,4′−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物、4,4′−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物、2,2−ビス[4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物、4,4′−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物、4,4′−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物、4,4′−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物、4,4′−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物、4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4′−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニル−2,2−プロパン二無水物、4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4′−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物、4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4′−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物、4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4′−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物及び4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4′−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物、並びにこれらの様々な混合物がある。
ビス(エーテル無水物)は、双極性非プロトン性溶媒の存在下、ニトロ置換フェニルジニトリルと二価フェノール化合物の金属塩との反応生成物の加水分解とその後の脱水によって製造することができる。上記式(XXIII)に包含される好ましい種類の芳香族ビス(エーテル無水物)としては、限定されることはないが、Tが次式(XXV)のものであり、エーテル結合が、例えば好ましくは3,3′、3,4′、4,3′、又は4,4′位にある化合物、及びこれらの混合物がある。
Figure 2007502351
式中、Qは上記定義の通りである。
ポリイミド及び/又はポリエーテルイミドの製造にはいかなるジアミノ化合物でも使用できる。適切な化合物の例は、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、トリメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラアミン、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、1,12−ドデカンジアミン、1,18−オクタデカンジアミン、3−メチルヘプタメチレンジアミン、4,4−ジメチルヘプタメチレンジアミン、4−メチルノナメチレンジアミン、5−メチルノナメチレンジアミン、2,5−ジメチルヘキサメチレンジアミン、2,5−ジメチルヘプタメチレンジアミン、2、2−ジメチルプロピレンジアミン、N−メチル−ビス(3−アミノプロピル)アミン、3−メトキシヘキサメチレンジアミン、1,2−ビス(3−アミノプロポキシ)エタン、ビス(3−アミノプロピル)スルフィド、1,4−シクロヘキサンジアミン、ビス−(4−アミノシクロヘキシル)メタン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、2,4−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、m−キシリレンジアミン、p−キシリレンジアミン、2−メチル−4,6−ジエチル−1,3−フェニレン−ジアミン、5−メチル−4,6−ジエチル−1,3−フェニレン−ジアミン、ベンジジン、3,3′−ジメチルベンジジン、3,3′−ジメトキシベンジジン、1,5−ジアミノナフタレン、ビス(4−アミノフェニル)メタン、ビス(2−クロロ−4−アミノ−3、5−ジエチルフェニル)メタン、ビス(4−アミノフェニル)プロパン、2,4−ビス(b−アミノ−t−ブチル)トルエン、ビス(p−b−アミノ−t−ブチルフェニル)エーテル、ビス(p−b−メチル−o−アミノフェニル)ベンゼン、ビス(p−b−メチル−o−アミノペンチル)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−イソプロピルベンゼン、ビス(4−アミノフェニル)スルフィド、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ビス(4−アミノフェニル)エーテル及び1,3−ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサンがある。これらの化合物の混合物が存在することもできる。好ましいジアミノ化合物は芳香族ジアミン、殊にm−及びp−フェニレンジアミン、及びこれらの混合物である。
代表的な実施形態では、ポリエーテルイミド樹脂は、各Rが独立してp−フェニレン若しくはm−フェニレン又はこれらの混合物であり、Tが次式(XXVI)の二価基である式(XX)の構造単位を含んでいる。
Figure 2007502351
一般に、反応はo−ジクロロベンゼン、m−クレゾール/トルエンなどの溶媒を用いて行い、約100〜約250℃の温度で式(XVIII)の無水物と式(XIX)のジアミンを反応させることができる。また、ポリエーテルイミドは、出発物質の混合物を同時に撹拌しながら高温に加熱することにより、式(XVIII)の芳香族ビス(エーテル無水物)と式(XIX)のジアミンとの溶融重合によって製造することもできる。一般に、溶融重合では約200〜約400℃の温度を使用する。連鎖停止剤及び枝分れ剤もこの反応に使用できる。ポリエーテルイミド/ポリイミドコポリマーを使用する場合、ピロメリト酸無水物のような二無水物をビス(エーテル無水物)と組み合わせて使用する。場合により、ポリエーテルイミドポリマーは、ジアミンが反応混合物中に約0.2モル以下の過剰、好ましくは約0.2モル未満の過剰で存在する芳香族ビス(エーテル無水物)と有機ジアミンの反応で製造することができる。かかる条件下で、ポリエーテルイミド樹脂は、氷酢酸中33重量パーセント(wt%)の臭化水素酸溶液を用いるクロロホルム溶液による滴定で示されるように約15マイクロ当量/グラム(μeq/g)未満の酸で滴定可能な基、好ましくは約10μeq/g未満の酸で滴定可能な基を有する。酸で滴定可能な基は本質的にポリエーテルイミド樹脂中のアミン末端基に起因する。
一般に、有用なポリエーテルイミドは、6.6キログラム(kg)の荷重を用いて295℃で米国材料試験協会(ASTM)D1238によって測定して約0.1〜約10グラム/分(g/min)のメルトインデックスを有する。好ましい実施形態では、ポリエーテルイミド樹脂は、ポリスチレン標準を用いてゲルパーミエーションクロマトグラフィーにより測定して約10000〜約150000グラム/モル(g/モル)の重量平均分子量(Mw)を有する。かかるポリエーテルイミドポリマーは通例、m−クレゾール中25℃で測定して約0.2デシリットル/グラム(dl/g)より大きく、好ましくは約0.35〜約0.7dl/gの固有粘度を有している。
さらに別の実施形態では、ポリアミドを組成物中の有機ポリマーとして使用してもよい。ポリアミドは一般に4〜12個の炭素原子を有する有機ラクタムの重合によって誘導される。好ましいラクタムは次式(XXVII)で表される。
Figure 2007502351
式中、nは約3〜約11である。極めて好ましいラクタムはnが5に等しいε−カプロラクタムである。
ポリアミドはまた、4〜12個の炭素原子を有するアミノ酸から合成することもできる。好ましいアミノ酸は次式(XXVIII)で表される。
Figure 2007502351
式中、nは約3〜約11である。極めて好ましいアミノ酸はnが5に等しいε−アミノカプロン酸である。
ポリアミドはまた、4〜12個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸と2〜12個の炭素原子を有する脂肪族ジアミンから重合することもできる。適切で好ましい脂肪族ジカルボン酸はポリエステルの合成に関して上記したものと同じである。好ましい脂肪族ジアミンは次式(XXIX)で表される。
Figure 2007502351
式中、nは約2〜約12である。極めて好ましい脂肪族ジアミンはヘキサメチレンジアミン(HN(CHNH)である。ジカルボン酸とジアミンのモル比は約0.66〜約1.5であるのが好ましい。この範囲内で、一般に、モル比は約0.81以上、好ましくは約0.96以上であるのが望ましい。また、この範囲内で、約1.22以下、好ましくは約1.04以下の量が望ましい。好ましいポリアミドはナイロン6、ナイロン6,6、ナイロン4,6、ナイロン6,12、ナイロン10など、又は以上のナイロンを1種以上含む組合せである。
また、ポリアミドエステルの合成は、4〜12個の炭素原子を有する脂肪族ラクトンと4〜12個の炭素原子を有する脂肪族ラクタムとからでも達成できる。脂肪族ラクトンはポリエステル合成に関して上記したものと同じであり、脂肪族ラクタムはポリアミドの合成に関して上記したものと同じである。脂肪族ラクトンと脂肪族ラクタムの比は、最終コポリマーの所望の組成及びラクトンとラクタムの相対的反応性に応じて広く変化し得る。脂肪族ラクタムと脂肪族ラクトンの現在好ましい初期モル比は約0.5〜約4である。この範囲内で約1以上のモル比が望ましい。また、約2以下のモル比が望ましい。
本組成物はさらに触媒又は開始剤を含んでいてもよい。一般に、対応する熱重合に適切ないかなる公知の触媒又は開始剤でも使用し得る。また、重合は触媒も開始剤も用いないで行ってもよい。例えば、脂肪族ジカルボン酸と脂肪族ジアミンからのポリアミドの合成では触媒は必要とされない。
ラクタムからのポリアミドの合成の場合、適切な触媒としては水及びその合成に使用した開環した(加水分解した)ラクタムに対応するω−アミノ酸がある。他の適切な触媒としては、金属アルミニウムアルキラート(MAl(OR)H、ここでMはアルカリ金属又はアルカリ土類金属であり、RはC〜C12アルキルである)、ナトリウムジヒドロビス(2−メトキシエトキシ)アルミネート、リチウムジヒドロビス(tert−ブトキシ)アルミネート、アルミニウムアルキラート(Al(OR)R、ここでRはC〜C12アルキルである)、N−ナトリウムカプロラクタム、ε−カプロラクタムのマグネシウム塩化物又は臭化物塩(MgXC10NO、X=Br又はCl)、ジアルコキシアルミニウム水素化物がある。適切な開始剤としては、イソフタロイルビスカプロラクタム、N−アセタールカプロラクタム、イソシアネートε−カプロラクタム付加物、アルコール(ROH、ここでRはC〜C12アルキルである)、ジオール(HO−R−OH、ここでRはC〜C12アルキレンである)、ω−アミノカプロン酸、及びナトリウムメトキシドがある。
ラクトンとラクタムからのポリアミドエステルの合成の場合、適切な触媒としては、式LiAl(H)(Rを有するリチウムアルミニウム水素化物触媒のような金属水素化物化合物がある。ここで、式中のxは約1〜約4であり、yは約0〜約3であり、x+yは4に等しく、RはC〜C12アルキル及びC〜C12アルコキシからなる群から選択される。極めて好ましい触媒には、LiAl(H)(ORもあり、ここでRはC〜Cアルキルからなる群から選択される。殊に好ましい触媒はLiAl(H)(OC(CHである。その他の適切な触媒及び開始剤としては、ポリ(ε−カプロラクタム)とポリ(ε−カプロラクトン)の重合に関して上記したものがある。
ポリアミドの好ましいタイプは、第1のポリアミドと、第2のポリアミド、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリ(アルケニル芳香族)ホモポリマー、ゴム変性ポリ(アルケニル芳香族)樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)グラフトコポリマー、ブロックコポリマー、並びに以上のものを2種以上含む組合せからなる群から選択されるポリマー材料との反応によって得られるものである。第1のポリアミドは式(XXX)を有する繰返し単位を含む。
Figure 2007502351
式中、Rは9個の炭素を有する枝分れ又は非枝分れアルキル基である。Rは好ましくは1,9−ノナン及び/又は2−メチル−1,8−オクタンである。ポリアミド樹脂は、カルボン酸とアミンの縮合生成物であるアミド基(−C(O)NH−)の存在によって特徴付けられる。第1ポリアミドは通例、炭素数9のアルキル部分を含む1種以上のジアミンをテレフタル酸(1,4−ジカルボキシベンゼン)と反応させることによって作成される。1種より多くのジアミンを使用する場合、それらジアミンの比は得られるポリマーの融解温度のような物理的性質の幾つかに影響を及ぼす可能性がある。ジアミンとジカルボン酸の比は通例等モルであるが、末端基官能性を決定するためにいずれか一方を過剰に使用してもよい。加えて、反応はさらに、連鎖停止剤として機能し、少なくとも部分的に末端基官能性を決定するモノアミン及びモノカルボン酸を含むことができる。幾つかの実施形態では、アミン末端基の含量は約30meq/g以上、より好ましくは約40meq/g以上であるのが好ましい。
第2のポリアミドは次式(XXXI)及び/又は次式(XXXII)を有する繰返し単位を含んでいる。
Figure 2007502351
式中、Rは4〜7個の炭素を有する枝分れ又は非枝分れアルキル基であり、Rは6個の炭素を有する芳香族基又は4〜7個の炭素を有する枝分れ又は非枝分れアルキル基である。Rは好ましくは式XXXIでは1,6−ヘキサンであり、式XXXIIでは1,5−ペンタンであることができる。Rは好ましくは1,4−ブタンである。
第1のポリアミドは、他のポリアミドと比較してより良好な寸法安定性、耐熱性、耐吸湿性、耐磨耗性及び耐薬品性を有する。従って、第1のポリアミドを含む組成物は、第1のポリアミドの代わりに他のポリアミドを含有する匹敵する組成物と比較したときにこれらの改良された性質を示す。幾つかの実施形態では、第1及び第2のポリアミドの組合せでは、多相組成物においてポリアミド相とポリ(アリーレンエーテル)のような他の相との相溶性が改良され、そのため耐衝撃性が改良される。理論に縛られることはないが、第2のポリアミドは利用できる末端アミノ基の量を増大させると考えられる。この末端アミノ基は、場合によって、他の相の成分と反応するか、又は他の相と反応するように官能化されることにより、相溶性を改良することができる。
有機ポリマーは一般に組成物中に約5〜約99.999重量パーセント(wt%)の量で存在する。この範囲内で、一般に、有機ポリマー又はポリマーブレンドは、組成物の総重量の約10wt%以上、好ましくは約30wt%以上、より好ましくは約50wt%以上の量で使用するのが望ましい。また、有機ポリマー又はポリマーブレンドは一般に、組成物の総重量の約99.99wt%以下、好ましくは約99.5wt%以下、より好ましくは約99.3wt%以下の量で使用する。
組成物中に使用するSWNTはグラファイトのレーザー蒸発、炭素アーク合成又は高圧一酸化炭素変換プロセス(HIPCO)法によって製造することができる。これらのSWNTは一般に、外径約0.7〜約2.4ナノメートル(nm)のグラフェンシートからなる単一の壁を有している。約5以上、好ましくは約100以上、より好ましくは約1000以上のアスペクト比を有するSWNTが一般に組成物中に利用される。一般にSWNTはそれぞれのチューブの両端に半球状キャップを有する閉鎖構造であるが、単一の開放端又は両方の開放端を有するSWNTも使用できると考えられる。SWNTは一般に中央部を含んでおり、これは中空であるが無定形炭素で充填されていてもよい。
代表的な実施形態では、SWNTを有機ポリマー中に分散させる目的は、SWNTをほぐして、SWNTのアスペクト比にできるだけ近い有効アスペクト比を得るためである。有効アスペクト比とアスペクト比の比は、分散の効果の尺度である。有効アスペクト比は、単一のSWNTの回転半径の二倍をそれぞれ個々のナノチューブの外径で割った値である。一般に、有効アスペクト比とアスペクト比の比の平均値は、約10000倍以上の倍率の電子顕微鏡写真で測定して約0.5以上、好ましくは約0.75以上、より好ましくは約0.90以上であるのが望ましい。
一実施形態では、SWNTはロープ様凝集体の形態で存在し得る。これらの凝集体は一般に「ロープ」といわれ、個々のSWNT間のファンデルワールス力の結果として形成される。ロープ内の個々のナノチューブは互いに対して滑り動くことができ、自由エネルギーが最小になるようにロープ内で自ら再配列し得る。一般に10〜10のナノチューブを有するロープを組成物中に使用することができる。この範囲内で、一般に、ロープは約100以上、好ましくは約500以上のナノチューブを有するのが望ましい。また、約10以下のナノチューブ、好ましくは約5000以下のナノチューブを有するロープが望ましい。
さらに別の実施形態では、SWNTロープは分散後枝分れの形態で互いに連結するのが望ましい。この結果、SWNT網状組織の枝間でロープが共有されて、有機ポリマーマトリックス中に三次元網状組織が生成する。このタイプの網状組織中の枝分れ点同士は約10nm〜約10マイクロメートルの距離で隔てられているであろう。一般に、SWNTは2000ワット/メートル・ケルビン(W/m−K)以上の固有熱伝導率を有し、SWNTロープは10ジーメンス/センチメートル(S/cm)の固有導電率を有するのが望ましい。また、一般に、SWNTは80ギガパスカル(GPa)以上の引張強さ及び約0.5テラパスカル(TPa)以上の剛性を有するのが望ましい。
別の実施形態では、SWNTは金属ナノチューブと半導体ナノチューブの混合物を含んでいてもよい。金属ナノチューブは金属に似た電気特性を示すものであり、一方半導体ナノチューブは電気的に半導体であるものである。一般に、グラフェンシートを巻き上げることにより、様々な螺旋構造のナノチューブが生成する。ジグザグ型及び椅子型のナノチューブは2つの可能な立体構造を構成する。組成物中に利用するSWNTの量を最小にするために、一般に、組成物ができるだけ大きな割合の金属性SWNTを含むのが望ましい。一般に、組成物中に使用するSWNTが、SWNTの総重量の約1wt%以上、好ましくは約20wt%以上、より好ましくは約30wt%以上、さらにより好ましくは約50wt%以上、最も好ましくは約99.9wt%以上の量で金属性ナノチューブを含むのが望ましい。ある種の状況では、一般に、組成物中に使用するSWNTがSWNTの総重量の約1wt%以上、好ましくは約20wt%以上、より好ましくは約30wt%以上、さらにより好ましくは約50wt%以上、最も好ましくは約99.9wt%以上の量で半導体ナノチューブを有するのが望ましい。
SWNTは一般に、所望の場合組成物の総重量の約0.001〜約80wt%の量で使用する。この範囲内で、SWNTは一般に、組成物の総重量の約0.25wt%以上、好ましくは約0.5wt%以上、より好ましくは約1wt%以上の量で使用する。また、SWNTは一般に、組成物の総重量の約30wt%以下、好ましくは約10wt%以下、より好ましくは約5wt%以下の量で使用する。
一実施形態では、SWNTは生産関連不純物を含有していてもよい。本明細書で定義されるSWNT中に存在する生産関連不純物は、実質的にSWNTの生産に関連する工程中に生成した不純物である。上述したように、SWNTは、例えばレーザーアブレーション、化学蒸着、炭素アーク、高圧一酸化炭素変換プロセスなどのプロセスで製造される。生産関連不純物は、前記プロセス又は類似の製造方法によるSWNTの製造中に必然的に形成されるか又は意図的に形成される不純物である。必然的に形成される生産関連不純物の好適な例はSWNTの生産に使用した触媒粒子である。意図的に形成される生産関連不純物の好適な例は、製造工程中に意図的に添加される小量の酸化剤によるSWNTの表面上に形成されるぶら下がり結合である。
生産関連不純物としては、例えば、欠陥SWNT、多層カーボンナノチューブ、枝分れ又はコイル状多層カーボンナノチューブ、無定形炭素、煤煙、ナノ−オニオン、ナノホーン、コークなどの炭素質反応副生物、製造工程で利用される触媒に由来する残渣、例えば金属、金属酸化物、金属炭化物、金属窒化物 など、又は以上の反応副生物を1種以上含む組合せがある。実質的にSWNTの生産に関連する方法は、SWNTの割合が生産関連不純物のいかなる他の割合と比較しても大きいものである。ある方法が実質的にSWNTの生産に関連するというためには、SWNTの割合が上記反応副生物又は触媒残渣のいずれの割合より大きくなければならないであろう。例えば、SWNTの割合は多層ナノチューブの割合、又は煤煙の割合、又はカーボンブラックの割合より大きくなければならないであろう。その方法が実質的にSWNTの生産用であると考えられるためには、SWNTの割合が、生産関連不純物の任意の組合せの割合の合計より大きい必要はないであろう。
一般に、組成物中に使用するSWNTは約0.1〜約80wt%の量の不純物を含み得る。この範囲内で、SWNTは、SWNTの総重量の約3wt%以上、好ましくは約7wt%以上、より好ましくは約8wt%以上の不純物含量を有することができる。また、この範囲内で、不純物含量はSWNTの総重量の約50wt%以下、好ましくは約45wt%以下、より好ましくは約40wt%以下であるのが望ましい。
一実施形態では、組成物中に使用するSWNTは約0.1〜約50wt%の量の触媒残渣を含み得る。この範囲内で、SWNTは、SWNTの総重量の約3wt%以上、好ましくは約7wt%以上、より好ましくは約8wt%以上の触媒残渣含量を有し得る。また、この範囲内で、触媒残渣含量はSWNTの総重量の約50wt%以下、好ましくは約45wt%以下、より好ましくは約40wt%以下であるのが望ましい。
多層カーボンナノチューブ(MWNT)及びVGCFのような他のカーボンナノチューブを、ポリマー前駆体の重合中に組成物に添加することもできる。組成物に添加されるMWNT及びVGCFは、SWNTの製造中に生成するわけではないので、不純物とは考えられない。SWNTのためではないレーザーアブレーションや炭素アーク合成のような工程に由来するMWNTも組成物中に使用できる。MWNTは内側の中空コア付近で結合した2以上のグラフェン層を有する。一般に半球状キャップがMWNTの両端を閉鎖しているが、片方だけの半球状キャップを有するMWNT又は両方のキャップがないMWNTを使用することが望ましいときもある。MWNTは一般に直径が約2〜約50nmである。この範囲内で、一般に、約40nm以下、好ましくは約30nm以下、より好ましくは約20nm以下の直径を有するMWNTを使用するのが望ましい。MWNTを使用する場合、平均アスペクト比が約5以上、好ましくは約100以上、より好ましくは約1000以上であるのが好ましい。
MWNTは、一般に、所望の場合組成物の総重量の約0.001〜約50wt%の量で使用する。この範囲内で、MWNTは、一般に、組成物の総重量の約0.25wt%以上、好ましくは約0.5wt%以上、より好ましくは約1wt%以上の量で使用する。また、MWNTは、一般に、組成物の総重量の約30wt%以下、好ましくは約10wt%以下、より好ましくは約5wt%以下の量で使用する。
場合により、気相成長炭素繊維、カーボンブラック、導電性金属充填材、固体非金属導電性充填材など、又は以上を1種以上含む組合せのような他の導電性充填材を組成物中に使用することもできる。直径が約3.5〜約2000ナノメートル(nm)で、アスペクト比が約5以上である気相成長炭素繊維又は小さい黒鉛型若しくは部分的に黒鉛型の炭素繊維[気相成長炭素繊維(VGCF)ともいわれる]も使用できる。VGCFを使用する場合、約3.5〜約500nmの直径が好ましく、約3.5〜約100nmの直径がより好ましく、約3.5〜約50nmの直径が最も好ましい。また、平均アスペクト比は約100以上であるのが好ましく、約1000以上であるのがより好ましい。
VGCFは一般に、所望の場合組成物の総重量の約0.001〜約50wt%の量で使用する。この範囲内で、VGCFは一般に組成物の総重量の約0.25wt%以上、好ましくは約0.5wt%以上、より好ましくは約1wt%以上の量で使用される。また、VGCFは、一般に、組成物の総重量の約30wt%以下、好ましくは約10wt%以下、より好ましくは約5wt%以下の量で使用される。
組成物中に利用されるSWNT又はその他のカーボンナノチューブはいずれも、官能基で誘導体化して有機ポリマーとの相溶性を改良すると共にそのポリマーとの混合を促進することもできる。SWNTその他のカーボンナノチューブは、側壁を構成するグラフェンシート、半球状キャップ、又は側壁と半球状末端キャップの両方で官能化することができる。官能化されたSWNTその他のカーボンナノチューブは次式(XXXIII)を有するものである。
Figure 2007502351
式中、nは整数であり、Lは0.1n未満の数であり、mは0.5n未満の数であり、各Rは同一であり、−SOH、−NH、−OH、−C(OH)R′、−CHO、−CN、−C(O)Cl、−C(O)SH、−C(O)OR′、−SR′、−SiR′、−Si(OR′)R′(3−y)、−R”、−AlR′、ハロゲン化物、エチレン性不飽和官能性、エポキシド官能性などから選択され、yは3以下の整数であり、R′は水素、アルキル、アリール、シクロアルキル、アラルキル、シクロアリール、ポリ(アルキルエーテル)などであり、R”はフルオロアルキル、フルオロアリール、フルオロシクロアルキル、フルオロアラルキル、シクロアリールなどである。炭素原子Cはカーボンナノチューブの表面炭素である。均一又は不均一に置換されたSWNTその他のカーボンナノチューブの両者で、表面原子Cが反応する。
不均一に置換されたSWNTその他のカーボンナノチューブも組成物中に使用することができる。これらには、前記式(I)の組成物が包含され、式中のn、L、m、R及びSWNT自体は上記定義の通りであるが、各Rは酸素を含有しないか、又は各Rが酸素含有基である場合、COOHは存在しない。
さらにまた、次式(XXXIV)を有する官能化されたSWNTも包含される。
Figure 2007502351
式中、n、L、m、R′及びRは上記と同じ意味を有する。カーボンナノチューブの表面層にある殆どの炭素原子は基底平面炭素である。基底平面炭素は化学的な攻撃に対して相対的に不活性である。例えば黒鉛型平面がカーボンナノチューブの回りに十分に伸張していない欠陥部位には、グラファイト平面の縁部炭素原子に類似した炭素原子がある。この縁部炭素は反応性であり、炭素の原子価を満たすために幾らかのヘテロ原子又は基を含有しているはずである。
上記の置換されたSWNTその他のカーボンナノチューブは有利なことにさらに官能化することができる。かかる組成物としては次式(XXXV)の組成物がある。
Figure 2007502351
式中、n、L及びmは上記の通りであり、Aは−OY、−NHY、−CR′−OY、−C(O)OY、−C(O)NR′Y、−C(O)SY、又は−C(O)Yから選択され、Yはタンパク質、ペプチド、酵素、抗体、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、抗原、又は酵素基質、酵素 阻害剤 又は酵素基質の遷移状態類似体の適当な官能基であるか、又は−R′OH、−R′NH、−R′SH、−R′CHO、−R′CN、−R′X、−R′SiR′、−RSi−(OR′)−R′(3−y)、−R′Si−(O−SiR′)−OR′、−R′−R”、−R′−NCO、(CO)Y、−(CO)H、−(CO)R′、−(CO)R′及びR”から選択され、ここでwは1より大きく200未満の整数である。
また、構造(XXXIV)の官能性SWNTその他のカーボンナノチューブを官能化して次式(XXXVI)を有する組成物を製造することもできる。
Figure 2007502351
式中、n、L、m、R′及びAと上記定義の通りである。
また、組成物には、ある種の環状化合物が吸着しているSWNTその他のカーボンナノチューブが包含される。これらには、次式(XXXVII)を有するナノチューブが含まれる。
Figure 2007502351
式中、nは整数であり、Lは0.1n未満の数であり、mは0.5n未満であり、aは0又は10未満の数であり、Xは多核芳香族、ポリ異核芳香族又は金属ポリ異核芳香族部分であり、Rは上記の通りである。好ましい環状化合物は、ポルフィリン類及びフタロシアニン類のような平面状の大環状化合物である。
吸着された環状化合物は官能化されていてもよい。かかる組成物は次式(XXXVIII)の化合物を含む。
Figure 2007502351
式中、m、n、L、a、X及びAは上記定義の通りであり、炭素はSWNT又はMWNT、VGCFなどの他のナノチューブ上にある。
特定の理論に縛られることはないが、官能化されたSWNTその他のカーボンナノチューブは、その改変された表面特性によりそのカーボンナノチューブが有機ポリマーとより相溶性になり得るため、又は、改変された官能基(特にヒドロキシル又はアミン基)が末端基として直接有機ポリマーに結合するため、より良好に有機ポリマー中に分散する。このようにして、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルイミドなどの有機ポリマーが結合カーボンナノチューブに直接結合し、従ってカーボンナノチューブは有機ポリマーに対する改良された接着性をもってより容易に分散することになる。
一般に、SWNTその他のカーボンナノチューブの外面に官能基を導入するには、それぞれの外面を、SWNTその他のカーボンナノチューブの表面を酸化するのに充分な時間強い酸化剤と接触させ、さらにそれぞれの外面を、その酸化された表面に官能基を添加するのに適した反応体と接触させればよい。好ましい酸化剤はアルカリ金属塩素酸塩の強酸溶液からなる。好ましいアルカリ金属塩素酸塩は塩素酸ナトリウム又は塩素酸カリウムである。使用される代表的な強酸は硫酸である。酸化に充分な時間は約0.5〜約24時間である。
場合により、カーボンブラックも組成物中に使用できる。好ましいカーボンブラックは約200nm未満、好ましくは約100nm未満、より好ましくは約50nm未満の平均粒度を有するものである。また、好ましい導電性カーボンブラックは約200平方メートル/グラム(m/g)より大きい、好ましくは約400m/gより大きい、さらにより好ましくは約1000m/gより大きい表面積を有し得る。さらに、好ましい導電性カーボンブラックは約40立方センチメートル/100グラム(cm/100g)より大きく、好ましくは約100cm/100gより大きく、より好ましくは約150cm/100gより大きい細孔容積(フタル酸ジブチル吸収)を有し得る。代表的なカーボンブラックとして、Columbian Chemicalsから商標Conductex(登録商標)で市販されているカーボンブラック、Chevron Chemicalから商標S.C.F.(Super Conductive Furnace)及びE.C.F.(Electric Conductive Furnace)で入手できるアセチレンブラック、Cabot Corp.から商標Vulcan XC72及びBlack Pearlsで入手できるカーボンブラック、並びにAkzo Co.Ltdから商標Ketjen Black EC 300及びEC 600で市販されているカーボンブラックがある。好ましい導電性カーボンブラックは組成物の総重量を基準にして約2〜約25wt%の量で使用できる。
固体導電性金属充填材も場合により導電性組成物中に使用できる。これらは、有機ポリマー中に混入する際、及びそれから完成品を製造する際に使用する条件下で融解しない導電性金属又は合金でよい。アルミニウム、銅、マグネシウム、クロム、スズ、ニッケル、銀、鉄、チタン、及び以上の金属のいずれか1種を含む混合物のような金属を導電性充填材として有機ポリマー中に混入することができる。物理的混合物及びステンレス鋼、青銅などの真の合金も導電性充填材粒子として機能することができる。加えて、これらの金属のホウ化物、炭化物などの数種の金属間化合物(例えば、二ホウ化チタン)も導電性充填材粒子として機能し得る。また、場合により、酸化スズ、インジウムスズ酸化物などの固体非金属導電性充填材粒子を添加して有機ポリマーを導電性にすることもできる。これらの固体金属及び非金属導電性充填材は、粉末、針金、ストランド、繊維、チューブ、ナノチューブ、フレーク、積層体、小板、楕円体、ディスク、その他市販されている幾何学的形状の形態で存在し得る。
固体導電性金属の密着した(コヒーレントな)層でその表面の実質的な部分が被覆された非導電性非金属充填材も場合により導電性組成物中に使用できる。この非導電性非金属充填材は一般に基材といわれ、固体導電性金属の層で被覆された基材は「金属被覆充填材」ということができる。アルミニウム、銅、マグネシウム、クロム、スズ、ニッケル、銀、鉄、チタン、及び以上の金属のいずれか1種を含む混合物のような典型的な導電性金属を使用して基材を被覆することができる。基材の例としては、「Plastic Additives Handbook、5th Edition」、Hans Zweifel編、Carl Hanser Verlag Publishers、Munich、2001に記載されているものがある。かかる基材の例としては、溶融石英及び結晶質シリカのようなシリカ粉末、窒化ホウ素粉末、ホウケイ酸塩粉末、アルミナ、酸化マグネシウム(すなわちマグネシア)、表面処理ウォラストナイトを始めとするウォラストナイト、硫酸カルシウム(無水物、二水和物三水和物)、一般に粉砕微粒子の形態のチョーク、石灰石、大理石及び合成沈降炭酸カルシウムを始めとする炭酸カルシウム、繊維状、モジュラー、針状、及びラメラ状タルクを始めとするタルク、中空及び中実両方のガラス球、硬質、軟質、カ焼カオリン、及びポリマーマトリックスポリマーとの相溶性を促進する様々なコーティングを含むカオリンを始めとするカオリン、雲母、長石、シリケート球、煙塵、セノスフェア、フィライト、アルミノケイ酸塩(アーモスフェア)、天然珪砂、石英、石英岩、真珠岩、トリポリ石、ケイ藻土、合成シリカ、並びに以上のいずれか種を含む混合物がある。以上の基材は全て導電性組成物中に使用するために金属材料の層で被覆することができる。
固体金属及び非金属導電性充填材粒子の正確な大きさ、形状及び組成に関わりなく、これらは所望の場合組成物の総重量の約0.001〜約50wt%の充填量で有機ポリマー中に分散させることができる。この範囲内で、一般に、組成物の総重量の約1wt%以上、好ましくは約1.5wt%以上、より好ましくは約2wt%以上の量で固体金属及び非金属導電性充填材粒子を有するのが望ましい。固体金属及び非金属導電性充填材粒子の充填量は、組成物の総重量の40wt%以下、好ましくは約30wt%以下、より好ましくは約25wt%以下でよい。
一実施形態では、組成物を製造する一つの方法では、モノマー、オリゴマー、又はポリマーの形態のポリマー前駆体を反応容器に添加する。反応容器の適切な例は、ケトル、薄膜型蒸発器、単軸又は多軸押出機、Bussニーダー、Henschelミキサー、ヘリコーン、Rossミキサー、Banbury、ロールミル、射出成形機、真空成形機、ブロー成形機などの成形機、又は以上の機械を1種以上含む組合せである。次いで、SWNT並びに場合によりその他のカーボンナノチューブ及び導電性充填材を含む導電性組成物をポリマー前駆体の重合中に反応容器に添加することができる。
一実施形態では、SWNTはポリマー前駆体の重合の前に反応容器に添加することができる。ポリマー前駆体の重合は溶媒中で、又は溶媒を存在させないで、所望によりメルト(溶融体)中で行うことができる。別の実施形態では、SWNTはポリマー前駆体の重合中に反応容器に添加してもよい。さらに別の実施形態では、SWNTをポリマー前駆体の重合の前に反応容器に添加し、他の導電性及び非導電性充填材を有機前駆体の重合が実質的に完了した後に反応容器に添加することができる。さらに別の実施形態では、反応容器が重合工程の初期段階中高い割合のSWNT並びに他の導電性及び非導電性充填材を含有していて、SWNT及び他の充填材のもつれをほぐすのを容易にするのに有効であるように反応容器内の粘度を調節することができる。反応溶液を所望の時間撹拌した後、追加のポリマー前駆体を反応容器に添加して重合工程を続ける。
一実施形態では、SWNTは他の導電性及び非導電性充填材と一緒にマスターバッチの形態で反応容器に添加してもよい。マスターバッチを使用する別の実施形態では、SWNTを含む第1のマスターバッチを第1の時点で反応容器に添加し、一方他の非導電性充填材を含む第2のマスターバッチをポリマー前駆体の重合工程中第2の時点で反応容器に添加してもよい。
上述したように、組成物はメルト中で又は溶媒を含む溶液中で製造することができる。組成物の溶融反応法では、剪断力、伸張力、圧縮力、超音波エネルギー、電磁エネルギー、熱エネルギー又は以上の力若しくはエネルギー形態を1種以上含む組合せを利用し、単一のスクリュー、複数のスクリュー、噛合式同方向回転型又は逆方向回転型スクリュー、非噛合式同方向回転型又は逆方向回転型スクリュー、往復運動型スクリュー、ピン付きスクリュー、スクリーン付きスクリュー、ピン付きバレル、ロール、ラム、ヘリカルローター、バッフル、又は以上を1種以上含む組合せにより前記力を働かせる加工処理装置で行われる。
一実施形態では、超音波エネルギーを利用してSWNTを分散させることができる。最初に、ポリマー前駆体をSWNT及び他の任意の導電性又は非導電性充填材と共に超音波処理機で音波処理してSWNTを分散させる。この音波処理後、ポリマー前駆体を重合する。所望であれば重合工程中超音波処理を続けてもよい。超音波エネルギーは、重合を実施することができるケトル、押出機などの様々な反応容器でかけることができる。
前記力を利用する溶融反応法は、限定されることはないが、単軸若しくは多軸押出機、Buss混練機、Henschel、ヘリコーン、Rossミキサー、Banbury、ロールミル、射出成形機、真空成形機、ブロー成形機などの成形機、又は以上の機械を1種以上含む組合せのような機械で実施することができる。溶液反応法は一般に、ケトルのような容器で行う。
一実施形態では、粉末形態、ペレット形態、シート形態などのポリマー前駆体を、最初にSWNT及び所望によりその他任意の充填材と共にHenschel又はロールミルでドライブレンドした後、押出機又はBuss混練機のような反応容器に供給することができる。一般に反応容器内の剪断力はSWNTを全体としてポリマー前駆体中に分散させるのが望ましいが、反応中にSWNTのアスペクト比を保存することも望ましい。そのためには、SWNTをマスターバッチの形態で反応容器中に導入するのが望ましいであろう。かかるプロセスにおいて、マスターバッチはポリマー前駆体の下流で反応容器中に導入することができる。
マスターバッチはSWNTと共に有機ポリマー又はポリマー前駆体を含んでいることができる。マスターバッチを使用する場合、SWNTは、約0.01〜約50wt%の量でマスターバッチ中に存在し得る。この範囲内で、一般に、マスターバッチの総重量の約0.1wt%以上、好ましくは約0.2wt%以上、より好ましくは約0.5wt%以上の量でSWNTを使用するのが望ましい。また、マスターバッチの総重量の約30wt%以下、好ましくは約10wt%以下、より好ましくは約5wt%以下の量のSWNTが望ましい。マスターバッチを使用する一実施形態では、SWNTを含有するマスターバッチはストランドの形態で押し出されたとき又はドッグボーン(犬用の骨)形態に成形されたとき測定可能な体積又は表面抵抗率をもたないが、得られるマスターバッチが混入された組成物は、組成物中のSWNTの重量割合がマスターバッチより低いにもかかわらず測定可能な体積又は表面抵抗率を示す。かかるマスターバッチ中の有機ポリマーは半結晶質であるのが好ましい。これらの特性を示しマスターバッチ中に使用できる半結晶質有機ポリマーの例は、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステルなど、又は以上の半結晶質有機ポリマーを1種以上含む組合せである。
また組成物は、所望であればマスターバッチとして使用することができる。組成物をマスターバッチとして使用する場合、SWNTは約0.01〜約50wt%の量でマスターバッチ中に存在し得る。この範囲内で、一般に、マスターバッチの総重量の約0.1wt%以上、好ましくは約0.2wt%以上、より好ましくは約0.5wt%以上の量でSWNTを使用するのが望ましい。また、SWNTはマスターバッチの総重量の約30wt%以下、好ましくは約10wt%以下、より好ましくは約5wt%以下の量であるのが望ましい。
有機ポリマーのブレンドを含む組成物の製造の際にマスターバッチを使用する別の実施形態では、ポリマー前駆体の重合によって誘導された有機ポリマーと同じ有機ポリマーを含むマスターバッチが望ましいことがある。この特徴により、有機ポリマーの連続相のみが組成物に必要な体積及び表面抵抗率を付与するSWNTを含むので、実質的により少ない割合のSWNTを使用することが可能になる。ポリマーブレンド中にマスターバッチを使用するさらに別の実施形態では、組成物中に使用される他のポリマーとは化学が異なる有機ポリマーを含むマスターバッチが望ましいであろう。この場合、マスターバッチの有機ポリマーはブレンド中の連続相を形成する。さらに別の実施形態では、多層ナノチューブ、気相成長炭素繊維、カーボンブラック、導電性金属充填材、固体非金属導電性充填材など、又は以上を1種以上含む組合せを含む別個のマスターバッチを組成物中に使用するのが望ましいことがある。
有機ポリマー及びSWNTを含む組成物は、所望により、複数のブレンド及び成形段階に付すことができる。例えば、組成物は最初に押し出してペレットに成形してもよい。その後このペレットを成形機に供給することができ、そこではコンピューターのハウジング、静電塗装することができる自動車用パネルなどの他の望ましい形状に成形することができる。或いは、単一のメルトブレンダーから出て来た組成物をシート又はストランドに成形し、アニーリング、一軸又は二軸配向のような押出後の処理にかけてもよい。
一実施形態では、有機ポリマー前駆体を最初にケトルのような反応容器でSWNTと混合し、次いで重合中剪断、拡張及び/又は伸張力の組合せを使用する装置内で重合することができる。重合を実施するのに適切な装置は単一のスクリュー、複数のスクリュー、噛合式同方向回転型若しくは逆方向回転型スクリュー、非噛合式同方向回転型若しくは逆方向回転型スクリュー、往復運動型スクリュー、ピン付きスクリュー、スクリーン付きスクリュー、ピン付きバレル、ロール、ラム、ヘリカルローター、バッフル、又は以上の1種以上を含む組合せを有するものである。
溶液ブレンド法も組成物を製造するのに使用することができる。また溶液ブレンド法では、剪断、圧縮、超音波振動などの追加のエネルギーを使用してSWNTと有機ポリマーとの均一化を促進することもできる。一実施形態では、ポリマー前駆体をSWNTと共に超音波処理機中に導入することができる。この混合物は、ポリマー前駆体の合成の前又はその間に、SWNTを有機ポリマー粒子上に分散させるのに有効な時間音波処理することによって溶液ブレンドすることができる。所望により、その後有機ポリマーをSWNTと共に乾燥し、押し出し、成形することができる。
場合により、溶媒のような流体をSWNT及び有機ポリマー前駆体と共に音波処理機中に導入してもよい。音波処理のための時間は一般に、有機ポリマー前駆体によるSWNTの分散及び/又はカプセル化を促進するのに有効な量である。カプセル化後、有機ポリマー前駆体を重合させて、SWNTが中に分散している有機ポリマーを形成する。SWNTを有機ポリマー中に分散させるこの方法は、SWNTのアスペクト比の保存を促進し、従って組成物はより少ない充填量のSWNTで導電率を示すことが可能になる。
一般に、有機ポリマー、有機ポリマー前駆体、流体及び/又はSWNTの混合物を約1分〜約24時間音波処理するのが望ましい。この範囲内で、約5分以上、好ましくは約10分以上、より好ましくは約15分以上混合物を音波処理するのが望ましい。また、この範囲内で、約15時間以下、好ましくは約10時間以下、より好ましくは約5時間以下の時間が望ましい。
生産関連不純物を有するSWNTの分散に関する一実施形態では、高めの割合の不純物を有するSWNT組成物を、低めの割合の不純物を有するSWNT組成物と比べてより少ないエネルギーを用いて分散させることができる。理論に縛られることはないが、ある種の有機ポリマーの場合、不純物同士が相互作用してファンデルワールス力の低下を促進することにより、ナノチューブの有機ポリマー内へのより容易な分散が促進されると考えられる。
生産関連不純物を有するSWNTの分散に関する別の実施形態では、高めの割合の不純物を有するSWNT組成物は低めの割合の不純物を有する組成物より多くの混合量を必要とし得る。しかし、より低い割合の不純物のSWNTを有する組成物は一般に追加の混合の際に導電率を失い、より高い割合のSWNT不純物を有する組成物は一般に混合量が増大するにつれて導電率を獲得する。これらの組成物は、流動性、衝撃性、及び伝導率の優れたバランスを必要とする用途に使用することができる。またこれらは、燃料電池、静電塗装用途などのように、導電性材料が使用され、かつその導電性材料が非常に小さいレベルの導電性充填材を有する用途にも使用できる。
上記組成物は多種多様の工業用途に使用できる。これらは、静電気消散から保護する必要があるコンピューター、電子製品、半導体部品、回路基板などの電子部品の包装用フィルムとして有利に利用できる。また、コンピューターその他の電子製品の内部に使用して、コンピューターの外部に位置するパーソネルその他の電子機器に対する電磁シールドを提供すると共に内部のコンピューター部品を他の外部の電磁障害から保護することができる。さらにまた、所望により静電塗装することができる自動車の内装用及び外装用の両方の部品として自動車用ボディーパネルにも有利に使用することができる。
例示であって限定の意味のない以下の実施例で、本明細書に記載した様々な実施形態の組成物の幾つかの組成物及び製造方法を例証する。
実施例1
この実施例は、ポリカーボネート(PC)中にSWNTを分散させてPC中SWNTのマスターバッチを作るために実施した。最初に、超音波処理用ホーンを30分用いることにより、Carbon Nanotechnologies社から入手した250ミリグラム(mg)のSWNTを120ミリリットル(ml)の1,2−ジクロロエタン中に分散させた。この超音波ホーンは超音波処理機を80%振幅(600ワット、プローブ直径13mm、Sonics & Materials社から入手可能)で使用した。30gmのビス(メチルサリチル)カーボネート(BMSC)と20.3467gmのビスフェノールA(BPA)(molBMSC/molBPA=1.02)を分散物及びSWNTに加え、反応混合物を再び30分間音波処理した。この音波処理した物質をガラス製反応器に移した。この反応器は、最初に、1モル濃度の塩酸水溶液を含有する浴に24時間反応器を漬けた後脱イオン水で激しく濯ぐことによって不動態化した。低圧で窒素を流しながらガラス反応器を100℃に加熱することにより溶媒を乾燥した。次に、注射器を用いて適当な量の触媒溶液を反応器に導入した。触媒の量は、BPA1モルにつき4.5×10−6モルのNaOHとBPA(ビスフェノールA)1モルにつき3.0×10−4モルのTBPA(酢酸テトラブチルホスホニウム )からなっていた。
次に、真空源を用いて反応器内部の雰囲気を排気し、窒素でパージした。このサイクルを3回繰り返した後、反応器の中身を加熱して、モノマー混合物(ビス(メチルサリチル)カーボネート(BMSC)とビスフェノールA(BPA))を溶融させた。混合物の温度が約180℃に達したとき、反応器内の攪拌機を動かし、約60回転/分(rpm)に調節して、固体塊全体を完全に溶融させた。このプロセスには通常約15〜約20分かかった。次に、反応混合物を約220℃に加熱し、一方真空源を用いて反応器内部の圧力をゆっくり約100ミリバールに調節した。反応塊をこの条件で約15分撹拌した後、反応温度を約280℃に上げる一方で圧力を20ミリバール付近に再度調節した。この条件に約10分間維持した後、反応混合物の温度を300℃に上げる一方で圧力を約1.5ミリバールに下げた。これらの条件で約2〜約5分反応を進行させた後、反応器内部の圧力を大気圧にし、反応器を通気して過大な圧力を解放した。反応器底部のガラス製ニップルを破壊し、物質を回収することによって生成物を単離した。ガラス製反応器を取り外し、反応器チューブから残りのポリマーを採取した。
分子量を測定するために、得られたポリカーボネートを塩化メチレンに溶解させた後、ポリマーをメタノールから再沈殿させた。ポリマーの分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィーによってポリスチレン標準に対して決定した。重量平均分子量は55756g/モルであり、一方数平均分子量は23938g/モルで、多分散度指数は2.32であった。
実施例2
この実施例は、SWNTをPCCD(ポリ(1,4−シクロヘキサン−ジメタノール−1,4−シクロヘキサンジカルボキシレート)ポリマーに分散させてPCCD中SWNTのマスターバッチを作るために行った。Carbon Nanotechnologies社から入手したSWNTの存在下で溶融重縮合によりPCCDポリマーを合成した。SWNT(0.24gm、1wt%)のスラリーは、SWNTを1,4−ジメチルシクロヘキサンジカルボキシレート(14.01gm、0.07モル)(DMCD)、1,4−シクロヘキサンジメタノール(10.09gm、0.07モル)(CHDM)及び1,2−ジクロロエタン(50mL)と高撹拌下で混合することによって調製した。このスラリーをガラス反応器チューブに移した。この反応器チューブを、サイドアーム、オーバーヘッド撹拌モーターにより駆動されるメカニカルスターラー、及びストップコックを有するサイドアームを備えた溶融重縮合反応器に取り付けた。このサイドアームは、窒素ガスをパージするためと真空にするために使用される。最初に、反応器チューブを窒素下で加熱して1,2−ジクロロエタンを除去し、室温に冷却した。反応器の中身を排気し、窒素で三回パージして痕跡量の酸素を除去した。反応器を窒素でパージし、大気圧にし、反応混合物の中身を一定に撹拌しながら(100rpm)200℃に加熱した。サイドアームを介して400ppm(百万部当たりの部)のチタン(IV)イソプロポキシドを触媒として加え、メタノール[サイドアームを介してメスシリンダー(受器)に収集した]を蒸留しながらエステル交換反応を進行させた。メルトの温度を250℃に上げ、1時間窒素下で撹拌した。反応器内の圧力を900mmHgから700、500、300、100、50、25、そして10mm水銀(Hg)まで段階的に低下させることによって重縮合を行った。最後に、反応器を0.5〜0.1mbarの高真空にし、重合を30分続けた。重合完了後、窒素でパージすることにより反応器内部の圧力を大気圧にし、ポリマー複合材を反応器チューブから取り出した。固有粘度法を用いて分子量を測定するためにこのポリマーをジクロロメタンに溶解させた。溶液粘度をフェノール/テトラクロロエタン(体積比2:3、25℃)溶液中で測定したところ、0.58デシリットル/グラム(dL/g)であり、これは50000g/モルの粘度平均分子量に相当する。
その後、実施例1及び2で調製したマスターバッチを、小規模の実験室用混合及び成形機でポリマーと共にメルトブレンドしてSWNTの充填量を低減した。成形機から出たストランドを液体窒素下で破砕し、露出した末端に導電性銀塗料を塗り、導電率を測定した。導電率の値を下記表1に示す。
Figure 2007502351
上の表から分かるように、試料2〜4は実施例1のPCマスターバッチ(試料#1)から製造されたものであり、試料6〜9は実施例2のマスターバッチ(試料#5)から製造されたものである。これらの実施例から明らかなように、SWNTのレベルが増大すると、抵抗率が低下する。また、明らかなように、マスターバッチはSWNTをポリマーに分散させるのに有利に使用することができる。
実施例3
この実施例は、ポリアミドの重合中にナイロン6中のSWNTのマスターバッチを調製するために使用した。24.8gmのε−カプロラクタムをビーカーに入れ、90℃に加熱した。化合物が溶融した後、約10wt%の不純物を含有するSWNT(Carbon Nanotechnologies社から市販されている)
250ミリグラム(mg)をε−カプロラクタムに加えた。80%振幅の超音波処理機(600ワット、プローブ直径13mm、Sonics & Materials社から入手可能)を用いて、混合物を同温度で30分間超音波処理した。次に、溶融したε−カプロラクタムに分散したSWNTを反応器チューブに移し、一晩維持してSWNTロープをゲル化させた(網状組織を形成した)。次いで、1.5gmのアミノカプロン酸を反応器に加え、窒素下でゆっくり撹拌しながら9時間260℃で開環重合によりカプロラクタムを重合させてナイロン−6にした。
実施例4
この実験は、溶媒を使用することなくその場で重合させることによりPCCD中でSWNT複合材を調製するために行った。この実施例では、17.29gmの1,4−シクロヘキサンジカルボキシレート、24.03gmの1,4−シクロヘキサンジメタノールをビーカー中で混合し、80℃で溶融させた。約10wt%の不純物を含有するSWNT(Carbon Nanotechnologies社から市販)33mgをビーカーに加えた。80%振幅で超音波処理機(600ワット、プローブ直径13mm、Sonics & Materials社、USA)を用いて混合物を同温度で30分超音波処理した。次に、溶融したモノマー混合物に分散したSWNTを反応器チューブに移し、一晩保ってSWNTロープをゲル化させた(網状組織を形成した)。次いで、実施例2と同じ手順を用いてモノマーを重合してPCCDにした。
上で調製した複合材の一部分を、実施例3のナイロン6複合材の場合は240℃(ナイロン6の融点以上)に、実施例4のPCCD複合材の場合は230℃に、それぞれ1時間加熱した。次にこの複合材をゆっくり室温に冷却し、表2に示すように導電率を測定した。同様に、実施例3と4の複合材料を追加のポリマーと共に溶融混合し、小規模の実験室用混合及び成形機に通してプレスしてストランドを形成し、次にこれを用いて実施例2に詳述したようにして導電率を測定した。これらの結果も表4に示す。
Figure 2007502351
上のデータから分かるように、アニーリングした試料はアニーリングした試料より優れた電気的特性を示していた。アニーリングにより、SWNTロープがポリマーマトリックス中で再配列し、SWNTロープ−枝の再結合/共有が増大し、広範囲な長距離網状組織形態を作りだし、これが複合材のより高い導電率をもたらすことが可能になる。
代表的な実施形態に関連して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更をなすことができ、またその要素を等価物で置換することができるということが当業者には了解されよう。さらに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるべく、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正をなし得る。従って、本発明は、本発明を実施する上で考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されることはない。

Claims (17)

  1. 導電性組成物の製造方法であって、
    ポリマー前駆体を有効量の単層カーボンナノチューブ組成物とブレンドし、
    ポリマー前駆体を重合して有機ポリマーを形成する
    ことを含んでなり、前記組成物が約1012ohm−cm以下の体積抵抗率及び約5キロジュール/平方メートル以上のノッチ付アイゾット衝撃強さを有する、前記方法。
  2. 有効量の単層カーボンナノチューブ組成物が1〜約99wt%の金属性カーボンナノチューブを含む、請求項1記載の方法。
  3. 有効量の単層カーボンナノチューブ組成物が1〜約99wt%の半導体性カーボンナノチューブを含む、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の方法。
  4. 組成物が約1012ohm/□以下の表面抵抗率を有する、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の方法。
  5. 組成物が以下の群から選択されるポリマー前駆体を含む、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の方法。
    a)次式の構造(I)のポリマー前駆体。
    Figure 2007502351
    式中、各構造単位に対して、各Qは独立して水素、ハロゲン、第一若しくは第二低級アルキル、フェニル、ハロアルキル、アミノアルキル、炭化水素オキシ、又は2個以上の炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを隔てているハロ炭化水素オキシであり、各Qは独立して水素、ハロゲン、第一若しくは第二低級アルキル、フェニル、ハロアルキル、炭化水素オキシ、又は2個以上の炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを隔てているハロ炭化水素オキシである。
    b)2,6−ジメチルフェノール及び2,3,6−トリメチルフェノール。
    c)エチレン性不飽和モノマー。
  6. 組成物が以下の群から選択される有機ポリマーを含む、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の方法。
    a)カルボニル化合物と次の一般式(IV)を有するジヒドロキシ化合物との重合生成物。
    Figure 2007502351
    式中、Aは次式(V)の構造を有する。
    Figure 2007502351
    式中、Gは芳香族基を表し、Eはアルキレン、アルキリデン基又は環式脂肪族基を表し、Rは水素又は一価炭化水素基を表し、Yは無機原子であり、mはゼロからG上で置換に利用可能な位置の数までの任意の整数を表し、pはゼロからE上で置換に利用可能な位置の数までの整数を表し、tは1以上の整数を表し、sはゼロ又は1であり、uはゼロを含む任意の整数を表す。
    b)次式(VIII)の繰返し単位を有するポリエステルポリマー。
    Figure 2007502351
    式中、Rは約2個以上の炭素原子を有するアリール、アルキル若しくはシクロアルキル基を表し、直鎖、枝分れ、又は環式脂肪族アルカンジオールの残基であり、Rはアリール、アルキル又は環式脂肪族基である。
    c)ジオール又はジオール化学的等価体と二酸又は二酸化学的等価体との重合生成物。
    d)次式(IX)の繰返し単位を有するポリ(1,4−シクロヘキサン−ジメタノール−1,4−シクロヘキサンジカルボキシレート)。
    Figure 2007502351
    e)芳香族ジカルボン酸とビスフェノールの重合生成物。
    f)次式(XIV)の構造単位を含む有機ポリマー。
    Figure 2007502351
    式中、各Rは独立してハロゲン又はC1−12アルキルであり、mは1以上であり、pは約3以下であり、各Rは独立して二価有機基であり、nは約4以上である。
    g)次式(XV)のポリマー前駆体の重合生成物。
    Figure 2007502351
    式中、Rは水素、低級アルキル又はハロゲンであり、Zはビニル、ハロゲン又は低級アルキルであり、pは0〜約5である。
    h)スチレンのコポリマー。
    i)次の一般式(XVI)を有するポリイミド。
    Figure 2007502351
    式中、aは約1以上であり、Vは(a)約5〜約50個の炭素原子を有する置換若しくは非置換で飽和、不飽和若しくは芳香族の単環式及び多環式基、(b)1〜約30個の炭素原子を有する置換若しくは非置換で線状若しくは枝分れの飽和若しくは不飽和アルキル基、又は以上の四価リンカーの組合せからなる四価リンカーであり、Rは約6〜約20個の炭素原子を有する置換若しくは非置換二価芳香族炭化水素基、約2〜約20個の炭素原子を有する直鎖若しくは枝分れ鎖アルキレン基、約3〜約20個の炭素原子を有するシクロアルキレン基、又は次の一般式(XIX)の二価基である。
    Figure 2007502351
    式中、Qとしては、−O−、−S−、−C(O)−、−SO−、−SO−、−C2y−又はハロゲン化誘導体からなる群から選択される二価部分があり、yは約1〜約5である。
    j)次式(XXVII)で表される有機ラクタムの重合生成物であるポリアミド。
    Figure 2007502351
    式中、nは約3〜約11であり、アミノ酸は次式(XXVIII)で表される。
    Figure 2007502351
    式中、nは約3〜約11である。
    k)4〜12個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸と2〜12個の炭素原子を有する脂肪族ジアミンとの重合生成物であるポリアミド。
    l)第1のポリアミドと第2のポリアミドとの重合生成物であるポリアミド。ここで、第1のポリアミドは次式(XXX)を有する繰返し単位を含む。
    Figure 2007502351
    式中、Rは9個の炭素を有する枝分れ又は非枝分れアルキル基である。また、前記第2のポリアミドは次式(XXXI)及び/又は次式(XXXII)を有する繰返し単位を含む。
    Figure 2007502351
    式中、Rは4〜7個の炭素を有する枝分れ又は非枝分れアルキル基であり、Rは6個の炭素を有する芳香族基又は4〜7個の炭素を有する枝分れ若しくは非枝分れアルキル基である。
  7. 組成物が、一般式(XVI)を有するポリイミドを含む有機ポリマーを含んでなり、四価リンカーが次式(XVII)の芳香族基を含む、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の方法。
    Figure 2007502351
    式中、Wは−O−、−S−、−C(O)−、−SO−、−SO−、−C2y−若しくはそのハロゲン化誘導体(ここでyは1〜5である)、又は式−O−Z−O−の基であり、ここで−O−又は−O−Z−O−基の二価結合は3,3′、3,4′、4,3′、若しくは4,4′位にあり、ここでZは次式(XVIII)の二価基である。
    Figure 2007502351
  8. 組成物が有機ポリマーを含み、有機ポリマーがポリアセタール、ポリアクリル、ポリアルキド、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリアラミド、ポリアミドイミド、ポリアリーレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンゾオキサゾール、ポリオキサジアゾール、ポリベンゾチアジノフェノチアジン、ポリベンゾチアゾール、ポリピラジノキノキサリン、ポリピロメリトイミド、ポリキノキサリン、ポリベンズイミダゾール、ポリオキシインドール、ポリオキソイソインドリン、ポリジオキソイソインドリン、ポリトリアジン、ポリピリダジン、ポリピペラジン、ポリピリジン、ポリピペリジン、ポリトリアゾール、ポリピラゾール、ポリカルボラン、ポリオキサビシクロノナン、ポリジベンゾフラン、ポリフタリド、ポリアセタール、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリハロゲン化ビニル、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリウレア、ポリホスファゼン、ポリシラザン、又は以上の熱可塑性ポリマーを1つ以上含む組合せである、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の方法。
  9. さらにカーボンナノチューブを含んでおり、このカーボンナノチューブが多層カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維、又は以上のタイプのカーボンナノチューブを1種以上含む組合せである、請求項1乃至請求項8のいずれか1項記載の方法。
  10. 単層カーボンナノチューブが約10ジーメンス/センチメートルの固有導電率を有する、請求項1乃至請求項10のいずれか1項記載の方法。
  11. 単層カーボンナノチューブ組成物が以下の群から選択される単層カーボンナノチューブを含む、請求項1乃至請求項10のいずれか1項記載の方法。
    a)加工処理の前にロープの形態であって、加工処理の後に三次元の単層カーボンナノチューブ網状組織の形態である単層カーボンナノチューブ。
    b)金属性カーボンナノチューブ、半導体性カーボンナノチューブ、又は以上の単層カーボンナノチューブを1種以上含む組合せ。
    c)椅子型ナノチューブ、ジグザグ型ナノチューブ、又は以上のナノチューブを1種以上含む組合せ。
    d)官能基で誘導体化された単層カーボンナノチューブ。
    e)側壁上又は半球状末端上で官能基により誘導体化された単層カーボンナノチューブ。
    f)半球状末端が結合していないか、又は1以上の半球状末端が結合している単層カーボンナノチューブ。
    g)以上のナノチューブを1種以上含む組合せ。
  12. ブレンドすることが、以下
    a)音波処理する、
    b)溶媒を含む溶液中で、
    c)溶融形態で、
    d)剪断力、伸張力、圧縮力、超音波エネルギー、電磁エネルギー、熱エネルギー、又は以上の力及びエネルギーを1種以上含む組合せを使用して加工処理装置で行われ、単一のスクリュー、複数のスクリュー、噛合式同方向回転型若しくは逆方向回転型スクリュー、非噛合式同方向回転型若しくは逆方向回転型スクリュー、往復運動型スクリュー、ピン付きスクリュー、ピン付きバレル、スクリーンパック、ロール、ラム、ヘリカルローター、バッフル、超音波処理機によって前記力を働かせる、
    e)以上の1種以上を含む組合せ
    の一つによって達成される、請求項1乃至請求項11のいずれか1項記載の方法。
  13. 組成物をさらに追加の有機ポリマーとブレンドする、請求項1乃至請求項12のいずれか1項記載の方法。
  14. 組成物と共にさらにブレンドされる有機ポリマーが半結晶質又は非晶質であり、約100〜約1000000g/モルの分子量を有する、請求項13記載の方法。
  15. 組成物をブレンドすることがケトル内で行われ、一方、重合が、単一のスクリュー、複数のスクリュー、噛合式同方向回転型若しくは逆方向回転型スクリュー、非噛合式同方向回転型若しくは逆方向回転型スクリュー、往復運動型スクリュー、ピン付きスクリュー、スクリーン付きスクリュー、ピン付きバレル、ロール、ラム、ヘリカルローター、バッフル、又は以上の1種以上を含む組合せを有する装置で行われる、請求項1乃至請求項14のいずれか1項記載の方法。
  16. 請求項1乃至請求項15のいずれか1項記載の方法で製造された導電性組成物であって、前記組成物がマスターバッチとして使用される、前記導電性組成物。
  17. 請求項1乃至請求項16のいずれか1項記載の方法によって製造された組成物を含んでなる物品。
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