JP2012041447A - 架橋可能な高分子材料及び架橋高分子材料並びにこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ニトリルオキシドが付加反応する多重結合を有する高分子材料に、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドを付加反応させる付加過程と、前記付加過程の後に、ジアミン化合物又はジヒドラジド化合物の架橋剤によって架橋する架橋過程とを備えることを特徴とする架橋高分子材料の製造方法。
【選択図】図1
Description
そこで、グリシジル基又はエトキシカルボニル基を有する置換基を1−ナフトニトリルオキシドの2位に導入した、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドをNR等に付加反応させることで、分子内にグリシジル基又はエトキシカルボニル基を導入することができ、ジアミン化合物又はジヒドラジド化合物の架橋剤によって架橋できる架橋可能なNR等になることを見出した。
高分子材料の多重結合としては、特に限定はされないが、C=S(炭素−硫黄二重結合)、N=N(窒素−窒素二重結合)、P(V)=C(5価のリン−炭素二重結合)、C=P(III)(炭素−3価のリン二重結合)、C=As(炭素−ヒ素二重結合)、C=C(炭素−炭素二重結合)、C=N(炭素−窒素二重結合)、C=Se(炭素−セレン二重結合)、B=N(ホウ素−窒素二重結合)、C≡P(炭素−リン三重結合)、C≡C(炭素−炭素三重結合)、P(V)=N(5価のリン−窒素二重結合)、C≡N(炭素−窒素三重結合)、C=O(炭素−酸素二重結合)等が例示できる。
高分子材料としては、特に限定はされないが、炭素−窒素三重結合を有するニトリル基を分子内に有するPAN(ポリアクリロニトリル)、炭素−炭素二重結合を分子内に有するNR(天然ゴム)、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム)、炭素−窒素三重結合を有するニトリル基及び炭素−炭素二重結合を分子内に有するNBR(ニトリルゴム)等が例示できる。
2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドの添加量としては、架橋高分子材料等の用途等によっても異なり、特に限定はされないが、敢えていうならば、高分子材料中のニトリルオキシドが付加反応する多重結合に対して、0.1〜1.0当量であることが好ましい。
付加過程としては、特に限定はされないが、有機溶媒中又は無溶媒(有機溶媒を用いない)で行うことが好ましい。
有機溶媒としては、特に限定はされないが、高分子材料と2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は高分子材料と2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドが共に溶解し易いものであることが好ましい。具体的には、クロロホルム、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)等が例示できる。
また、付加過程を無溶媒で行う場合に、混練装置で行うことが好ましい。
混練装置としては、特に限定はされないが、二軸混練機、密閉式混練機、バンバリーミキサー、インターミックス等の混練機や二軸押出機、単軸押出機、多軸押出機等の押出機等が例示できる。
付加過程の温度としては、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドが高分子材料に付加反応する温度であれば、特に限定はされない。敢えていうならば、化学反応であることから温度が高ければ反応が促進され、また加熱等の温度調節を行わなければ付加過程の管理が容易になることから、0℃〜200℃であることが好ましい。より好ましくは、50〜100℃である。
架橋過程としては、特に限定はされないが、有機溶媒中又は無溶媒(有機溶媒を用いない)で行うことが好ましい。
有機溶媒としては、特に限定はされないが、架橋可能な高分子材料とジアミン化合物の架橋剤又は架橋可能な高分子材料とジヒドラジド化合物の架橋剤が共に溶解し易いものであることが好ましい。具体的には、クロロホルム、DMF等が例示できる。
架橋過程の温度としては、ジアミン化合物又はジヒドラジド化合物の架橋剤が架橋可能な高分子材料と架橋反応する温度であれば、特に限定はされない。敢えていうならば、40〜200℃であることが好ましい。
架橋剤の添加量としては、架橋高分子材料の用途等によっても異なり、特に限定はされないが、敢えていうならば、付加過程により高分子材料に導入されたグリシジル基又はエトキシカルボニル基に対して、1〜50mol%であることが好ましい。
架橋剤のジアミン化合物としては、活性水素を一つ又は二つ有するアミノ基を二つ有するものであれば、特に限定はされない。具体的には、エチレンジアミン、プロパンジアミン、テトラメチレンジアミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、フェニレンジアミン等の活性水素を二つ有するアミノ基を二つ有するジアミン化合物や、N−メチルエチレンジアミン、N−メチルプロパンジアミン、N−メチルテトラメチレンジアミン、N−メチルペンタメチレンジアミン、N−メチルヘキサメチレンジアミン、N−メチルフェニレンジアミン、N−エチルエチレンジアミン、N−エチルプロパンジアミン、N−エチルテトラメチレンジアミン、N−エチルペンタメチレンジアミン、N−エチルヘキサメチレンジアミン、N−エチルフェニレンジアミン等の活性水素を一つ有するアミノ基と活性水素を二つ有するアミノ基とを有するジアミン化合物や、N,N’−ジメチルエチレンジアミン、N,N’−ジメチルプロパンジアミン、N,N’−ジメチルテトラメチレンジアミン、N,N’−ジメチルペンタメチレンジアミン、N,N’−ジメチルヘキサメチレンジアミン、N,N’−ジメチルフェニレンジアミン、N,N’−ジエチルエチレンジアミン、N,N’−ジエチルプロパンジアミン、N,N’−ジエチルテトラメチレンジアミン、N,N’−ジエチルペンタメチレンジアミン、N,N’−ジエチルヘキサメチレンジアミン、N,N’−ジエチルフェニレンジアミン等の活性水素を一つ有するアミノ基を二つ有するジアミン化合物等が例示できる。
架橋剤のジヒドラジド化合物としては、特に限定はされない。具体的には、シュウ酸ジヒドラジド、マロン酸ジヒドラジド、こはく酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、オクタン二酸ジヒドラジド、セバシン酸ジヒドラジド、フタル酸ジヒドラジド 、イソフタル酸ジヒドラジド 、テレフタル酸ジヒドラジド等が例示できる。
本発明に使用した、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド(化1参照)及び2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシド(化3参照)の合成方法について説明する。
化2に示すように、エピクロロヒドリン(2)196mL(2.47mol)中に、2−ヒドロキシ−1−ナフトアルデヒド(1)17.1g(99.0mmol)を溶解させ、ここにベンジルトリエチルアンモニウムクロライド2.26g(9.92mmol)を加え15分間還流して反応させた。そして、この反応液をクロロホルム200mLに溶解させ、水150mLで3回洗浄した後、有機相をMgSO4(硫酸マグネシウム)で乾燥後、溶媒を減圧濃縮した。残渣をイソプロピルアルコールで再結晶し、得られた針状結晶をイソプロピルアルコールで洗浄することにより、16.1g (収率71%)の針状結晶である2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトアルデヒド(3)を得た。
化2に示すように、エタノール110mLに、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトアルデヒド(3)5.03g(22.0mmol)を十分に溶解させたエタノール溶液を調整した。別に、水110mLに酢酸ナトリウム三水和物4.48g(32.9mmol)とヒドロキシルアミン塩酸塩2.29g(32.9mmol)とを溶解させた水溶液を調整し、この水溶液を前記エタノール溶液中に加え、室温で4時間攪拌して反応させた。そして、この反応液に水を加え、沈殿物をろ過によって回収し、真空乾燥して5.36g(収率100%)の白色粉末である2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトアルデヒドオキシム(4)を得た。
化2に示すように、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトアルデヒドオキシム(4)3.00g(12.3mmol)を氷浴下でクロロホルム66mLに溶解させ、N−クロロスクシンイミド(NCS)1.84g(13.5mmol)を加え攪拌しているところに、トリエチルアミン1.63mL(16.0mmol)を加えた後、6時間攪拌して反応させた。そして、この反応溶液を純水50mL及びBrine(ブライン)50mLで3回ずつ洗浄し、有機相をMgSO4で乾燥後、溶媒を減圧濃縮することで収率79%で2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシドBを得た
化4に示すように、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)20mL中に2−ヒドロキシ−1−ナフトアルデヒド(1)1.09g(6.33mmol)及び炭酸カリウム1.22g(8.86mmol)を溶解させて1時間攪拌した後、6−ブロモへキサン酸エチル(5)1.94g(8.72mmol)を加えて100℃で13時間攪拌して反応させた。そして、この反応液に水50mLを加え酢酸エチル50mLで抽出した後、純水50mL及びBrine(ブライン)50mLで3回ずつ洗浄し、有機相をMgSO4で乾燥後、溶媒を減圧濃縮した。得られた緑色粗生成物をhexane−AcOEt(ヘキサン−酢酸エチル)で再結晶し、1.67g(収率84%)の板状結晶である2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトアルデヒド(6)を得た。
化4に示すように、エタノール2mLと水1mLとの混合液に、2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトアルデヒド(6)0.206g(0.654mmol)を溶解させた混合溶液を調整した。別に、水1mLに水酸化ナトリウム25.1mg(0.628mmol)とヒドロキシルアミン塩酸塩68.7mg(0.994mmol)とを氷浴中で溶解させた水溶液を調整し、この水溶液を前記混合溶液中に加え、室温で30分間攪拌して反応させた。しかし、サンプリングによって原料の残留が確認されたため、同様に水酸化ナトリウム27.3mg(0.683mmol)とヒドロキシルアミン塩酸塩55.8mg(0.803mmol)とを加え、室温で1時間攪拌して反応させた。得られた固体をろ過によって回収し、粗生成物をhexane−EtOH(ヘキサン−エタノール)で再結晶し、127mg(収率59%)の無色結晶である2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトアルデヒドオキシム(7)を得た。
化4に示すように、2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトアルデヒドオキシム(7)88.2mg(0.268mmol)をクロロホルム30mLに溶解させ、氷浴下でN−クロロスクシンイミド(NCS)38.2mg(0.325mmol)とトリエチルアミン48.3μL(0.348mmol)とを加えた後、10分間攪拌して反応させた。そして、この反応溶液を純水10mLで洗浄し、有機相をMgSO4で乾燥後、溶媒を減圧濃縮することで十分に使用可能な粗生成物の2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドCを81.9mg得た。
この2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドを高分子材料に付加反応させ、高分子材料にグリシジル基又はエトキシカルボニル基を導入して、本発明の実施例の架橋可能な高分子材料を製造した。
高分子材料としては、NR(天然ゴム)、PAN(ポリアクリロニトリル)、NBR(ニトリルゴム)、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン共重合ゴム)を用いた。この内、NBRはアクリロニトリルの質量比が33%のものを、EPDMはジエンの質量比が10%のものを用いた。
実施例D1は、CHCl3(クロロホルム)の溶媒中にNRを溶解させ、そこに、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド(以下、ニトリルオキシドBと省略することがある)を0.1当量添加し、70℃の温度で24時間攪拌して付加反応を行った。また、この反応式を次(化6)に示す。
実施例D3は、有機溶媒を用いず(無溶媒)、乳鉢中で、NRにニトリルオキシドCを1.0当量添加し、70℃の温度で1時間加圧混合して付加反応を行った。
実施例D5は、ニトリルオキシドBの替わりにニトリルオキシドCを1.0当量添加した以外は実施例D4と同じ条件で付加反応を行った。
実施例D7は、ニトリルオキシドBの替わりにニトリルオキシドCを1.0当量添加した以外は実施例D6と同じ条件で付加反応を行った。
実施例D8は、有機溶媒を用いず(無溶媒)、乳鉢中で、NBRにニトリルオキシドCを1.0当量添加し、70℃の温度で1時間加圧混合して付加反応を行った。
実施例D10は、ニトリルオキシドBの替わりにニトリルオキシドCを1.0当量添加した以外は実施例D9と同じ条件で付加反応を行った。
実施例D11は、有機溶媒を用いず(無溶媒)、乳鉢中で、EPDMにニトリルオキシドCを1.0当量添加し、70℃の温度で1時間加圧混合して付加反応を行った。
比較例D1は、CHCl3の溶媒中にNRを溶解させ、そこに、2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシド(以下、ニトリルオキシドAと省略することがある)を1.0当量添加し、70℃の温度で48時間攪拌して付加反応を行った。
(1)修飾率
修飾率、即ち、高分子材料中の炭素−炭素二重結合及びニトリル基に、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド、2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシド又は2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシドが付加した割合を、IR測定、1HNMR測定及び13CNMR測定により算出した。なお、NBRは、炭素−炭素二重結合及びニトリル基にそれぞれ付加するため、修飾率は、炭素−炭素二重結合(表中olefinと表示)とニトリル基(表中CNと表示)のそれぞれについて算出した。
一方、比較例D1は、修飾率が39%であったことから、2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシドが付加されたNRを製造することができた。
実施例D1、実施例D2又は実施例D7で製造された架橋可能な高分子材料(架橋可能なNR、NBR)をジアミン化合物又はジヒドラジド化合物の架橋剤によって架橋した本発明の実施例の架橋高分子材料を製造した。
また、比較例として、比較例D1で製造され、2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシドが付加されたNRについて、ジアミン化合物の架橋剤によって架橋を行った。
実施例C1は、実施例D1で製造され、グリシジル基を有する架橋可能なNR(2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシドが付加されたNR)をCHCl3の溶媒中に溶解させ、そこに、N,N’−ジエチルヘキサメチレンジアミン(以下架橋剤Dと省略することがある)を5mol%添加し、40℃の温度で24時間攪拌して架橋を行った。また、この架橋の反応式を次(化9)に示す。
実施例C3は、架橋剤Dの添加量を50mol%に変更した以外は実施例C1と同じ条件で架橋を行った。
比較例C1は、比較例D1で製造され、2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシドが付加されたNRをCHCl3の溶媒中に溶解させ、そこに、架橋剤Dを4質量%添加し、40℃の温度で24時間攪拌して架橋を行った。
比較例C2は、比較例D1で製造され、2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシドが付加されたNRに、架橋剤Dを4質量%添加し、それを加熱プレス機を用い180℃で10気圧の条件で20分間加熱プレスして架橋を行った。
前記の架橋により、架橋高分子材料が生成されている否かを、有機溶媒(トルエン)中に浸漬したときの状態によって確認した。
具体的には、前記の架橋によって作製したものをシート状にし、それをトルエンに浸漬した。
そして、トルエンに浸漬したときに、ゲル化した(溶解しなかった)ものは、架橋高分子材料が生成されているものと判断し、○と判定した。
一方、トルエンに浸漬したときに、溶解した(ゲル化しなかった)ものは、架橋高分子材料が生成されていないものと判断し、×と判定した。
また、実施例C5、C6は、無溶媒(有機溶媒を用いない)で、架橋することができた。
一方、2−メトキシ−1−ナフトニトリルオキシドが付加されたNRは、分子内にグリシジル基及びエトキシカルボニル基を有しないことから、N,N’−ジエチルヘキサメチレンジアミンにより架橋することができなかった。
次に、実施例C2、実施例C3の架橋高分子材料(架橋NR)のフィルムを作製し、このフィルムを用いて膨潤試験及び引張試験を行い、その結果を表3に示す。
また、NR(未架橋)についてもフィルムを作製し、このフィルムを用いて引張試験を行い、その結果を表3に示す。
これらのひずみと引張応力との関係のグラフを図1に示す。
各フィルムから1辺が1.0cmの正方形状の試験片を作成した。この試験片を洗浄し、よく乾燥させた後、有機溶媒(トルエン)中に浸漬させ、1日間静置して試験を行った。
このように、有機溶媒に浸漬させた試験片について、試験(浸漬)直後の重量から試験(浸漬)前の重量を引いた値を試験前の重量で割って、膨潤度を算出した。
また、次に示す修正Flory−Rehnerの式(数2)を用いて、網目鎖濃度vを算出した。
V :有機溶媒(トルエン)の分子容
g :試験前における試験片中の架橋高分子材料の容積分率
μ :有機溶媒と試料(NR)との相互作用定数
VR:膨潤した試験片中の架橋高分子材料の容積分率
引張試験は、JIS K 6251「加硫ゴム及び熱可塑性ゴム−引張特性の求め方」に準拠し、幅2.00mmで試験を行った。
これら架橋可能な高分子材料は、N,N’−ジエチルヘキサメチレンジアミン又はアジピン酸ジヒドラジドにより架橋して架橋高分子材料とすることができた。
また、本発明の架橋可能な高分子材料及び架橋高分子材料は、2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドが付加することで、分子内の炭素−炭素二重結合がなくなり又は少なくなり、耐候性等を向上させることができた。
Claims (10)
- ニトリルオキシドが付加反応する多重結合を有する高分子材料に、
2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は
2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドを付加反応させる付加過程により前記高分子材料にグリシジル基又はエトキシカルボニル基を導入することを特徴とする架橋可能な高分子材料の製造方法。 - 前記高分子材料は、NR、PAN、NBR又はEPDMである請求項1記載の架橋可能な高分子材料の製造方法。
- 前記付加過程は、有機溶媒中又は無溶媒で行う請求項1又は2記載の架橋可能な高分子材料の製造方法。
- ニトリルオキシドが付加反応する多重結合を有する高分子材料に、
2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は
2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドを付加反応させる付加過程と、
前記付加過程の後に、ジアミン化合物又はジヒドラジド化合物の架橋剤によって架橋する架橋過程とを備えることを特徴とする架橋高分子材料の製造方法。 - 前記高分子材料は、NR、PAN、NBR又はEPDMである請求項4記載の架橋高分子材料の製造方法。
- 前記付加過程は、有機溶媒中又は無溶媒で行う請求項4又は5記載の架橋高分子材料の製造方法。
- 前記架橋過程は、有機溶媒中又は無溶媒で行う請求項4〜6のいずれか一項に記載の架橋高分子材料の製造方法。
- ニトリルオキシドが付加反応する多重結合を有する高分子材料に、
2−(グリシジルオキシ)−1−ナフトニトリルオキシド又は
2−[5−(エトキシカルボニル)ペンチルオキシ]−1−ナフトニトリルオキシドを付加反応させることによりグリシジル基又はエトキシカルボニル基を導入してなる架橋可能な高分子材料。 - 前記高分子材料は、NR、PAN、NBR又はEPDMである請求項8記載の架橋可能な高分子材料。
- 請求項8又は9記載の架橋可能な高分子材料をジアミン化合物又はジヒドラジド化合物の架橋剤によって架橋してなる架橋高分子材料。
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