JP2009520081A - 分散助剤及び摩擦低減剤としてのpossナノ構造化学物質 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的には、分散助剤、表面変性剤及び界面摩擦低減剤としてのPOSSナノ構造化学物質の使用により、ポリマー本体及び表面の特性を向上させるための方法に関する。
ポリマー、有機、無機、人工若しくは天然材料の粒子を、それ自身により或いは2次的材料により粒子の表面特性を変更しようとして又はその分散特性を改善しようとして、シランカップリング剤、界面活性剤、ポリマー被覆、化学的酸化処理、化学的還元処理、熱及び冷却処理並びに放射線暴露で変性することは通常のことである。
本発明は、ナノ構造化学物質の使用によりナノスコピックレベルで表面特性を制御することによって、ポリマー中に粒子を分散する方法を記載する。その方法は、化学的マスターバッチの作成に対して大いに望ましい。本発明は、ポリマー、金属、セラミックスの表面及び界面特性並びに天然、人工或いは生物学的材料由来の表面を、ナノ構造化学物質によりそれらのナノスコピックな表面トポロジー、表面積及び同伴体積を制御することにより、制御する方法を教示する。
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)、ポリヘドラルオリゴメタラロセスキオキサン(POMS)及びポリヘドラルオリゴメリックシリケート(POS)ナノ構造の表現式について、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、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し、特に、Al、B、Ga、Gd、Ce、W、Ni、Eu、U、Y、Zn、Mn、Os、Ir、Ta、Cd、Cu、Ag、V、As、Tb、In、Ba、Ti、Sm、Sr、Pt、Pb、Lu、Cs、Tl及びTeである。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(籠の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、顕著な特性向上が、ナノ構造化学物質による粒子とポリマー表面の変性により実現することができることを認識する。先行技術は、表面積、体積若しくはナノスコピックトポロジーを制御せず、界面制御剤としても、ポリマーモルホロジー内或いは異種物質間のアロイ化剤としても機能しないことから、これは、表面変性を多いに単純化する。
加えて、POSS籠が与えるトポロジー制御は、表面のこぶとして有利に使用することができる。(図6)生じる表面粗さは、結合可能な表面積の量を増加するだろうし、フィラー粒子同士の相互作用を妨害するために使用することができる。フィラー-フィラー相互作用は、自己クエンチング、凝集及び不十分なフィラー及び添加剤の分散につながることがよく知られている。POSSは、粒子表面上及びポリマー鎖間のナノスコピックなスペーサーを提供することにより、フィラー-フィラー相互作用及び自己会合を大いに低減する。
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することができる多くの変数がある。ナノ構造化学物質(例、POSS、POMS、POS)をプラスチックスに組み込むためのプロセスに影響する変数は、ナノ構造化学物質のサイズ、多分散性、トポロジー、組成及び剛性を含む。同様にポリマー系の分子量、多分散性及び組成も、ナノ構造化学物質のそれと適合させなければならない。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、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使用量レベルと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。溶融配合、乾式配合、摩砕、細砕及び溶液混合配合のような配合プロセスは、ナノ構造化学物質を使用することに全て有効である。組み込み方法の連続的、反連続的及びバッチプロセスが使用することができる。
粒子のマスターバッチ分散
POSSトリシラノールは、ジクロロメタン中にPOSSを溶解し、引き続き金属粒子粉末を添加することにより金属粒子に添加された。溶媒は、次いで減圧下回収され、固形物は、Si-O-M結合形成による、表面へのPOSSの結合を促進するために加熱された。
成型プラスチックスのトポグラフィー制御
オクタイソブチルPOSS(#MS0825)5及び10重量%とポリプロピレン(PP)を含むマスターバッチが、40:1のL:D比の連続共回転2軸スクリューエクストルーダーを使用して調製された。表面トポグラフィー測定が、清浄なシリコンウェファーと導電性タッピングモード表面トポグラフィー(conduting tapping mode surface topography)との間で押出し物をホットプレスすることによりなされた。10%のMS0825 POSSの組み込みからの相対的表面粗さは、(PPに対して0.61nmから)(図10)POSS-PPに対して2.23nmまでと4倍に増加した(図11)。トポグラフィー測定は、ナノスコピック長さ規模での表面粗さと1.5-50nm領域でのPP全体へのMS0825 POSSの均一な組み込みの制御を証明している。
表面摩擦制御
表面トポロジー制御は、必然的に表面摩擦特性に対する制御を与える。ナノスケール表面摩擦研究は、熱可塑性ポリマー中のPOSSのマスターバッチに対して1μm×1μm走査サイズでの横力様態(LFM)でのAFMを介してなされた。相対摩擦係数(μ)は、全垂直力(FN)に対する全横摩擦力(Ff)の比として定義される。LFM AFMにおいて、表面は、片持ちばりの長軸に対して垂直方向に走査され、プローブは、走査方向とは逆方向の摩擦力を経験する。PPに対する相対摩擦係数とMS0825 POSSの5重量%及び10重量%を含むPPのマスターバッチは、表1に示される。PP中のMS0825 POSSの10重量%の組み込みは、殆ど60%の相対摩擦係数(COF)の減少を生じる。表面摩擦での減少は、低摩擦織物と成型製品に有益なPOSSを含むポリマーを与える。
弾丸の摩擦低減
図7に図解されたように、ナノ構造化学物質は、表面積を減少し、その後の異種表面の摩擦係数を減少するために使用することができる。この応用は、低摩擦弾丸としての応用に特に魅力的である。
減口径弾用装填筒の摩擦低減
低摩擦ポリマー表面を達成するためのナノスコピックPOSSの使用は、減口径弾用装填筒がエネルギー損失を低減するためにも望ましい。広範囲の一連のPOSSポリオレフィンとポリアミドマスターバッチが調製され、散弾銃ワッドに射出成型された。ワッドは、次いで同一のロットの、製造所調整粉末装填を使用して、1.25オンスの#2鋼製散弾を装填された。次いで、一斉射撃がなされ、散弾速度及びパターンが共に測定された(表3)。散弾速度の増加と著しくより密な散弾パターンが見出された。このような向上は、スポーツマン、法執行及び軍に大いに価値がある。POSS被覆弾丸と低摩擦減口径弾用装填筒の組み合わせも想定される。
Claims (12)
- (a)(i)アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコーン、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、フェノール樹脂、シアネートエステル、ポリウレア、レゾール、ポリアナリン、フルオロポリマー、シリコーン、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ー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及び(ii)金属、金属合金、酸化物、セラミックス、セラミックス合金、マイクロチューブ、ナノチューブ、無機化合物、有機化合物、人工材料及び天然材料から成る群より選択される粒子、から成る群より選択されるポリマー若しくは粒子材料を準備すること、並びに
(b)POSS、POS及びPOMSから成る群より選ばれるナノ構造化学物質を、混合により材料に組み込むこと
の工程を含み、混合物の表面粗さは、未混合材料の表面粗さに対して少なくとも25%増加若しくは低減する、材料の表面又は界面の特性を変性するための方法。 - 材料の表面積が、ナノ構造化学物質により変性されている、請求項1記載の方法。
- 材料の体積が、ナノ構造化学物質により変性されている、請求項1記載の方法。
- ナノ構造化学物質が、分子レベルで材料を補強している、請求項1記載の方法。
- ナノ構造化学物質が、反応的に混合物に配合される、請求項1記載の方法。
- ナノ構造化学物質が、非反応的に混合物に配合される、請求項1記載の方法。
- 材料が、弾丸若しくは装填筒であり、材料の表面粗さが低減される、請求項1記載の方法。
- 潤滑性及び摩擦性から成る群より選ばれる物理的性質が、ナノ構造化学物質を材料に組み込むことにより改善される、請求項1記載の方法。
- (a)アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコーン、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、フェノール樹脂、シアネートエステル、ポリウレア、レゾール、ポリアナリン、フルオロポリマー、シリコーン、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ー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準備すること
(b)金属、金属合金、酸化物、セラミックス、セラミックス合金、マイクロチューブ、ナノチューブ、無機化合物、有機化合物、人工材料及び天然材料から成る群より選択される粒子材料を準備すること、並びに
(c)POSS、POS及びPOMSから成る群より選ばれるナノ構造化学物質を混合によりポリマーと粒子に組み込むこと
の工程を含み、ナノ構造材料がポリマー中の粒子の分散を容易にする、ポリマー中へ粒子を分散するための方法。 - 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9記載の方法。
- ナノ構造化学物質が、ポリマー若しくは粒子と反応的に結合する、請求項9記載の方法。
- ナノ構造化学物質が、非反応的に混合物に配合される、請求項9記載の方法。
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