JP2009510229A - 硬化促進剤としての金属化ナノ構造化学物質 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2005年9月29日に出願された米国仮特許出願番号60/722,322の利益を主張するものである。
本発明は、一般的には、ポリマーの物理的、化学的及び電子的特性を向上するための、硬化促進剤、触媒及びアロイ化剤としての金属化ナノ構造化学物質を使用するための方法に関する。
ポリマーの特性は、形態学、組成、熱力学及び加工条件のような変数によって、高度に制御できるものと長い間認識されてきた。同様に、ポリマーの形態学とその結果得られる物理的特性の双方をある程度制御するために、種々のサイズ及び形のフィラー(例、炭酸カルシウム、シリカ、カーボンブラック等)が、ポリマーへ挿入されることができることが知られている。更に、金属は、ポリマー鎖の硬化(連結性)を触媒するために使用されることが知られている。結果得られるポリマーの物理的特性は、触媒の性質、硬化の程度及び硬化メカニズムにより制御することができる。例えば、ポリウレタン、シリコ−ン、ビニルエステル及びポリジエンは、金属により触媒された化学的架橋の形成により通常硬化する。追加的に、ビスマレインイミド、フェノール、ノボラック、ジエン及びビニルポリマーは、金属触媒の助けにより硬化することができる。
本発明は、ポリマー中に、ごく普通にPOMSと称される金属化ナノ構造化学物質を組み込むことによって、ポリマー組成物を調製する方法を記載する。得られたポリマーは、それ自体、また、積層体或いは相互貫入ネットワークを形成する他のポリマーと組み合わせて、または繊維、クレー、ガラスミネラル、ナノ金属化POSS籠、金属粒子及び他のフィラーのような巨視的補強と組み合わせると、全体として有益である。得られたポリマーは、ポリマー、複合材料及び金属表面、皮膚及び頭髪への接着性、改善された親水性及び表面特性のような所望の物理的特性を有するポリマー組成物を製造するために、特に有益である。POSS上のR基が全体的に有機基であると、それらは、撥水性、減少した溶融粘度、低誘電定数、磨耗抵抗性、耐火性、生物学的適合性及び光学的品質を提供する。
本発明の化学組成物を理解するために、ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン(POSS)及びポリヘドラルオリゴメリックシリケート(POS)の表現式について、以下の定義がなされる。
ヘテロレプティック組成物に対しては、[(RSiO1.5)n(R´SiO1.5)m]Σ#(ここで、RとR´は、異なる。)
官能化ヘテロレプティック組成物に対しては、[(RSiO1.5)n(RXSiO1.0)m]Σ#(ここで、R基は、同じか、同じでないかであり得る。)
ヘテロ官能化ヘテロレプティック組成物に対しては、[(RSiO1.5)n(RSiO1.0)m(M)j]Σ#
上記Rすべては、上記定義と同じであり、Xは、限定するものではないが、ONa、OLi、OK、OH、Cl、Br、I、アルコキシド(OR)、アセテート(OOCR)、パーオキサイド(OOR)、アミン(NR2)、イソシアネート(NCO)及びRを包含する。記号Mは、s及びpブロック金属、d及びfブロック遷移、ランタニド及びアクチニド金属を含む高及び低Z金属を含む組成物内の金属元素を指す。特に、Al、B、Ga、Gd、Ce、W、Re、Ru、Nb、Fe、Co、Ni、Eu、Y、Zn、Mn、Os、Ir、Ta、Cd、Cu、Ag、V、As、Tb、In、Ba、Ti、Sm、Sr、、Pd、Pt、Pb、Lu、Cs、Tl、Teが含まれる。記号m、n及びjは、組成物の化学量論に関連する。記号Σは、組成物がナノ構造を形成することを示し、記号#は、ナノ構造内に含まれる珪素原子の数をいう。#の値は、通常はmとnの和であり、nの範囲は、典型的には1〜24であり、mの範囲は、典型的には1〜12である。Σ#は、化学量論を決定する乗数と混同されるべきではなく、単に、システムの全体のナノ構造特性(籠サイズとして知られる)を説明するものであることが留意されるべきである。
本発明は、触媒、硬化促進剤及び硬化可能なポリマーのコイル、ドメーン、鎖及びセグメントの補強のためのアロイ化剤としての金属化ナノ構造化学物質の使用を教示する。
全プロセスに適用可能な一般的プロセス変数
化学的プロセスに典型的なように、純度、選択性、速度及び任意のプロセスメカニズムを制御するために使用される多くの変数がある。金属化ナノ構造化学物質(例、POMS)をプラスチックス中に組み込むためのプロセスに影響する変数は、サイズ、多分散性及びナノ構造化学物質の組成を含む。同様に、ポリマー系の分子量、多分散性及びその組成は、ナノ構造化学物質のそれとを調和もさせねばならない。最後に、配合プロセス中に使用される動力学、熱力学及び加工助剤もまた、使用量レベルとナノ構造化学物質のポリマー中への組み込みから生じる向上度に影響することのできるトレードツールでもある。溶融ブレンド、乾式ブレンド及び溶液混合ブレンドのような配合プロセスは、金属化ナノ構造化学物質をプラスチックス中に混合しアロイ化することに全て有効である。
POMSの熱的安定性が、分解をこうむることなく、ポリマー硬化を触媒的に促進する能力を維持することができるかどうかを決定するために調査された。POMSは、低温度により影響されないことが見出され、250℃(480°F)及び550℃(1022°F)までの熱的安定性を示した。(図3)
例2.POMSの紫外線及び真空紫外線安定性
POMS籠は、その放射線吸収特性(図4)の故に、ポリマー中で追加的に有益である。吸収波長は、籠上のR基の性質及び金属原子のタイプに依存して広範囲にかつ高度に調製可能である。高度な熱安定性と結びついた吸収範囲は、全体として有機吸収体の性能を超えるものであり、UV損傷から、高温ポリマー、複合材料及び被覆の保護のための新しい機会を提供する。
POMSのための構造及び組成には大きな多様性が存在する。(図1)
これら系の多くは、異なる樹脂系で、触媒及び硬化促進剤として機能することができる。ポリウレタンのための好ましい組成は、図5に示された、[(RSiO1.5)7(HOTiO1.5)]Σ8、[(RSiO1.5)7(イソプロピルOTiO1.5)]Σ8及び[(RSiO1.5)7(Me3SiO)(イソプロピルO)2TiO0.5)]Σ8である。ポリウレタン硬化に対するPOMSの活性は、0.001〜50重量%の使用量好ましくは0.1〜10%の使用量のPOMS範囲にわたり可能である。
エポキシ樹脂のための好ましいPOMSは、図5に示される[(RSiO1.5)14(AlO1.5)2]Σ18及び[(RSiO1.5)14(MeZn) 2(ZnO1.5)2]Σ18(R=フェニル)である。エポキシ硬化に対するPOMSの活性は、0.001〜50重量%の使用量好ましくは0.1〜10%の使用量のPOMS範囲にわたり可能である。
無水物硬化若しくはアミン硬化エポキシ樹脂とは対照的に、POMSは、通常の硬化系と類似の熱的機械的特性を有するネットワークポリマー中に、エポキシ樹脂をホモポリマー化するために使用することができる。加えて、得られたポリマーは優れた湿潤性能を与えるポリエーテル結合を含む。
通常の無水物硬化若しくはアミン硬化エポキシ樹脂とは対照的に、[(フェニルSiO1.5)14(AlO1.5)2]Σ18POMSは、脂環式エポキシ樹脂の硬化に極度に活性である。全ての脂環式エポキシ樹脂が硬化されることができる。好ましい組成物は、[(エポキシシクロヘキシエチルSiO1.5)8]Σ8、[(エポキシシクロヘキシエチルSiO1.5)10]Σ10、[(エポキシシクロヘキシエチルSiO1.5)12]Σ12、[(エポキシシクロヘキシエチルSiO1.5)∞を含むシェルERL4221及びハイブリッドプラスチックスEP0408である。有効なPOMS使用量は、0.01〜10重量%、好ましくは、0.1〜3重量%の範囲である。POMSは、優秀な熱的性質及び優秀な湿気及び水蒸気、オゾン、過酸化水素のような酸化剤に対する抵抗性を持つ光学的に透明で硬い樹脂にするために、脂環式樹脂に混合添加され、室温で、重合を促進する。POMS及び脂環式エポキシ樹脂の使用は、殺菌を必要とする医用素子用或いはアンダーフィル(underfills)及びカプセル剤のような電子接着剤用に理想的である。[(フェニルSiO1.5)14(MeZn) 2(ZnO1.5)2]Σ18POMSもこれら樹脂系に対して効果的である。
アルミニウムのような金属は、いずれもBMI樹脂の硬化を生じるエン及びディールス・アルダー反応を触媒することができることが知られている。歴史的に、BMI樹脂の触媒としての有機アルミニウム金属化合物及び無機アルミニウム化合物の使用は、このような系の湿気及び空気感受性に妨害されてきた。[(RSiO1.5)14(AlO1.5)2]Σ18POMS(R=フェニル)は、ビスマレイミド樹脂(BMI)において最高の総合安定性及び触媒活性を示す。これは、籠上の芳香族R=フェニル基と樹脂系の芳香族ビスフェノールA成分との間の高水準の適合性に基づくものであるらしい。更に、[(フェニルSiO1.5)14(AlO1.5)2]Σ18は、空気及び湿気に対して安定である。
Claims (25)
- (a)ポリヘドラルオリゴメリックメタラセスキオキサン及びポリヘドラルオリゴメリックメタロシリケートから成る群より選ばれる金属化ナノ構造化学物質及び
(b)アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコ−ン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリイミド、スチレン樹脂、アミド、ニトリル、オレフィン、芳香族オキシド、芳香族スルフィド、エステル及び炭化水素並びにシリコ−ン由来のイオノマー或いはゴム状ポリマーから成る群より選ばれるポリマー
を含み、金属化ナノ構造化学物質が、反応性若しくは非反応性ブレンドによって、ポリマー中に配合される複合材料。 - 反応性若しくは非反応性ブレンドによって、ポリマー中に配合されるPOSS及びPOSから成る群より選ばれる非金属化ナノ構造化学物質を更に含む、請求項1記載の材料。
- 複数の金属化ナノ構造化学物質がポリマー中に配合される、請求項1記載の材料。
- 複数の金属化ナノ構造化学物質がポリマー中に配合される、請求項2記載の材料。
- 複数の非金属化ナノ構造化学物質がポリマー中に配合される、請求項4記載の材料。
- ポリヘドラルオリゴメリックメタラセスキオキサン及びポリヘドラルオリゴメリックメタロシリケートから成る群より選ばれる金属化ナノ構造化学物質を、アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコ−ン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリイミド、スチレン樹脂、アミド、ニトリル、オレフィン、芳香族オキシド、芳香族スルフィド、エステル及び炭化水素並びにシリコ−ン由来のイオノマー或いはゴム状ポリマーから成る群より選ばれるポリマー中にアロイ化する方法であって、金属化ナノ構造化学物質が、反応性若しくは非反応性ブレンドによって、ポリマー中に配合される工程を含む方法。
- 反応性若しくは非反応性ブレンドによって、ポリマー中に配合されるPOSS及びPOSから成る群より選ばれる非金属化ナノ構造化学物質を配合することを更に含む、請求項6記載の方法。
- 複数の金属化ナノ構造化学物質がポリマー中に配合される、請求項6記載の方法。
- 複数の金属化ナノ構造化学物質がポリマー中に配合される、請求項7記載の方法。
- 複数の非金属化ナノ構造化学物質がポリマー中に配合される、請求項9記載の方法。
- ポリマーが、非晶質、半結晶、結晶質、エラストマー状及びゴム状からなる群より選択される物理的状態である、請求項6記載の方法。
- ポリマーが、化学的配列及び関連するポリマー微細構造を含む請求項6記載の方法。
- ポリマーが、ポリマーコイル、ポリマードメーン、ポリマー鎖及びポリマーセグメントから成る群より選ばれる、請求項6記載の方法。
- 金属化ナノ構造化学物質が、ポリマーを分子レベルで補強する、請求項6記載の方法。
- 配合が、非反応的である、請求項1記載の方法。
- 配合が、反応的である、請求項1記載の方法。
- ポリマーの物理的特性が、ポリマー中への金属化ナノ構造化学物質の組み込みの結果として改善される、請求項6記載の方法。
- 物理的特性が、ポリマー表面への接着性、複合材料表面への接着性、金属表面への接着性、撥水性、密度、低誘電定数、熱伝導性、ガラス転移、粘度、融解転移、貯蔵弾性率、緩和性、応力転移、磨耗抵抗性、耐火性、生物学的適合性、ガス透過性、多孔性、光学的品質及び放射線遮蔽性から成る群より選ばれる、請求項17記載の方法。
- 配合が、金属化ナノ構造化学物質をポリマー中に配合することによりなされる、請求項6記載の方法。
- 配合が、溶融ブレンド、乾式ブレンド及び溶液ブレンドから成る群より選ばれる配合プロセスによりなされる、請求項19記載の方法。
- 金属化ナノ構造化学物質が、可塑剤、フィラー、相溶化剤、抗酸化剤及び安定化剤から選ばれる少なくとも1つの機能を果たす、請求項6記載の方法。
- 金属化及び非金属化ナノ構造化学物質が、相溶化剤として機能する、請求項7記載の方法。
- 金属化ナノ構造化学物質が、金属化ナノ構造化学物質がポリマーの予め決められた領域に組み込まれるようにポリマー中へ選択的に配合される、請求項6記載の方法。
- 金属化ナノ構造化学物質のポリマー中への配合の結果として、物理的特性が向上する、請求項23記載の方法。
- 特性が、Tg、HDT、弾性率、クリ−プ性、硬化性及び透過性から成る群より選ばれる、請求項24記載の方法。
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