JP2013504666A - エチレン及びポリ(アルコキシド)由来の単位を含むポリマー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2009年9月14日に出願され、参照により完全に本明細書に組み込まれる、米国特許仮出願第61/242133号の利益を主張する。
A.第1反応器又は複数部分反応器の第1部分において、フリーラジカル開始剤の存在下、少なくとも1種のポリ(アルコキシド)をエチレンと接触させるステップ、及び
B.少なくとも1つの他の反応器又は複数部分反応器の後部において、フリーラジカル開始剤の存在下、ポリ(アルコキシド)を追加のエチレンと反応させて、ポリ(アルコキシド)に結合したエチレン系ポリマー分岐を形成するステップを含む。
以下の考察は、開示される組成物及び方法を当業者が製造及び使用できるようにするために提示される。記載した一般的な原理は、開示される組成物及び方法の精神及び範囲から逸脱することなく、詳述した以外の実施形態及び応用例に適用することができる。開示される組成物及び方法は、示した実施形態に限定されることを意図せず、開示される原理及び特徴に矛盾しない最大の範囲に一致するものである。
用語「エチレン系ポリマー分岐」は、重合エチレンを含むポリマー単位を指し、これはポリアルキレンに結合している。一実施形態において、本発明のポリマー(「エチレンポリマー」と称されることもある)は、式1の構造式を含む。
適切なポリ(アルコキシド)ベースポリマーは、式2に例示される繰り返し単位を含み、
高度分岐エチレン系ポリマー、例えば低密度ポリエチレン(LDPE)は、エチレンモノマーを重合するためのフリーラジカル化学反応を用いる高圧法を用いて製造することができる。典型的なポリマーの密度は、0.91から0.94g/cm3である。低密度ポリエチレンは、メルトインデックス(I2)0.01から150g/10分を有することができる。高度分岐エチレン系ポリマー、例えばLDPEは、「高圧エチレンポリマー」と称することもでき、ポリマーが、フリーラジカル開始剤、例えば過酸化物を用いて、13000psigを超える圧力でオートクレーブ又は管型反応器において、部分的又は完全に単独重合又は共重合されていることを意味する(例えば、米国特許第4599392号(McKinneyら)を参照のこと)。この方法によって、モノマー/コモノマー材料から、長鎖分岐を含む、顕著な分岐を有するポリマーが作られる。
ポリ(アルコキシド)は、高度分岐エチレン系ポリマーとの反応工程前、又は反応工程とは別に生成することができる。開示される他の方法では、ポリ(アルコキシド)は、十分に攪拌された反応器、例えば管型反応器又はオートクレーブ反応器において、in situで高度分岐エチレン系ポリマーの存在下、形成することができる。高度分岐エチレン系ポリマーは、エチレンの存在下形成される。
実施形態エチレンポリマーは、キャスト、インフレーション、カレンダー加工、又は押出しコーティング法によって調製された少なくとも1つのフィルム層、例えば単層フィルム、又は多層フィルムの少なくとも1つの層を含む物体、成形物品、例えばブロー成形、射出成形、又は回転成形物品、押出し物、繊維、及び織布又は不織布を含む、有用な物品を製造するための、多種多様な通常の熱可塑性物質製作方法に用いることができる。実施形態エチレンポリマーを含む熱可塑性組成物には、他の天然又は合成材料、ポリマー、添加剤、強化剤、耐燃性添加剤、抗酸化剤、安定剤、着色剤、増量剤、架橋剤、発泡剤、及び可塑剤とのブレンドが含まれる。
反対のことが述べられるか、文脈から暗示されるか、又は当分野において慣例であるのでないかぎり、すべての部及びパーセントは重量に基づき、すべての試験法は本開示の出願日現在のものである。米国特許実施のために、参照したいずれの特許、特許出願、又は刊行物の内容も、特に定義の開示(本開示に具体的に示されるいずれの定義にも矛盾しない範囲で)、及び当分野における一般知識に関して、それらの全体を参照により組み込まれる(又は、その等価の米国版を参照によりそのように組み込まれる)。
本発明の一実施形態において、ポリマーは、エチレン及びポリ(アルコキシド)由来の単位を含み、該ポリマーは、13C核磁気共鳴(NMR)によって求められる、1000炭素原子当たり少なくとも0.15、又は少なくとも0.5、又は少なくとも0.8単位のアミル基を有する。
A.第1反応器又は複数部分反応器の第1部分において、フリーラジカル開始剤の存在下、少なくとも1種のポリ(アルコキシド)をエチレンと接触させるステップ、及び
B.少なくとも1つの他の反応器又は複数部分反応器の後部において、フリーラジカル開始剤の存在下、ポリ(アルコキシド)を追加のエチレンと反応させて、ポリ(アルコキシド)に結合したエチレン系ポリマー分岐を形成するステップを含む。
Tm<771.5(℃・cc/g)×(密度)−604(℃)。
Tm<771.5(℃・cc/g)×(密度)−605.5(℃)。
Hf<2333(J・cc/g2)×(密度)−2009(J/g)。
Hf<2333(J・cc/g2)×(密度)−2020(J/g)。
A.第1反応器又は複数部分反応器の第1部分において、フリーラジカル開始剤の存在下、少なくとも1種のポリ(アルコキシド)をエチレンと接触させるステップ、及び
B.少なくとも1つの他の反応器又は複数部分反応器の後部において、フリーラジカル開始剤の存在下、ポリ(アルコキシド)を追加のエチレンと反応させて、エチレンポリマーを形成するステップを含む方法によって製造される。
参照樹脂
30種の市販のLDPE樹脂(「市販樹脂」又は「CAR」と称する)を、密度、メルトインデックス(I2)、融解熱、ピーク溶融温度、g’、gpcBR、及びLCBfに関して、すべて以下に記載する、密度、メルトインデックス、DSC結晶化度、Gel浸透クロマトグラフィ、3D−GPCによるg’、及び3D−GPCによるgpcBR分岐指数法を用いて試験する。市販樹脂は、表1に記載した特性を有する。
密度
密度を測定するサンプルは、ASTM D1928に従って調製する。サンプルを、374°F(190℃)及び30000psiで3分間、次いで、70°F(21℃)及び30000psiで1分間プレスする。密度の測定は、ASTM D792、方法Bを用いて、サンプルをプレスして1時間以内に行う。
メルトインデックス、すなわちI2は、ASTM D1238、条件190℃/2.16kgに従って測定し、10分間当たりに溶出したグラムで報告する。I10は、ASTM D1238、条件190℃/10kgで測定し、10分間当たりに溶出したグラムで報告する。
100000センチストークスまでの粘度は、ASTM D−445、IP71(25℃、恒温水浴、平衡時間少なくとも15分)によって、ガラス細管粘度計、例えばUbbelohde粘度計を用いて測定できる。100000センチストークスを超える粘度は、回転粘度計、例えば、Brookfield Engineering Laboratoriesから入手可能な、Brookfield Synchrolectric粘度計又はWells−Brookfield Core/Plate粘度計を用い、25Cで試験法ASTM D−1084(カップ/スピンドル粘度計の場合)及び25CでASTM D−4287(コーン/プレート粘度計の場合)を用いて測定できる。
示差走査熱量測定法(DSC)を用いて、広い温度範囲の所与の温度でサンプルの結晶化度を測定することができる。実施例では、RCS(冷蔵冷却システム)冷却付属装置及びオートサンプラモジュールを備えたTA Q1000型DSC(TA Instruments;New Castle、DE)を用いて、これらの試験を行う。試験中、50ml/分の窒素パージガス流を用いる。樹脂を、空気中1500psiの圧力下、350℃で5分間、厚さ3mm、1インチ円形プラークに圧縮成形する。その後、サンプルを圧縮機から取り出し、台上に置いて、室温(約25℃)に冷却する。冷却した材料の3〜10mgのサンプルを、直径6mmのディスクにカットし、秤量し、軽量アルミニウムパン(約50mg)に入れ、圧着して閉じる。その後、熱的挙動に関して、サンプルを試験する。
結晶化度%=((Hf)/(292J/g))×100(式1)。
GPCシステムは、内蔵示差屈折計(RI)を備えた、Waters(Milford、MA)150℃高温クロマトグラフからなる(他の適切な高温GPC装置にはPolymer Laboratories(Shropshire、UK)210型及び220型が含まれる)。さらなる検出器には、Polymer ChAR(Valencia、スペイン(Spain))のIR4赤外検出器、Precision Detectors(Amherst、MA)の2角レーザ光散乱検出器2040型、及びViscotek(Houston、TX)150R 4キャピラリ溶液粘度計を含むことができる。これら後者の2つの独立した検出器及び少なくとも1つの前者の検出器を備えたGPCは、「3D−GPC」と呼ばれることがあり、用語「GPC」単独では一般に通常のGPCを指す。算出のために、サンプルに応じて15°角又は90°角の光散乱検出器を用いる。データ収集は、Viscotek TriSECソフトウエア、バージョン3及び4チャンネルViscotek Data Manager DM400を用いて行う。このシステムはさらに、Polymer Laboratories(Shropshire、UK)のオンライン溶媒脱気デバイスを備えている。適切な高温GPCカラムを用いることができ、例えば4本の長さ30cmのShodex HT803 13ミクロンカラム、又は4本の30cm Polymer Labsカラム20ミクロン混合細孔径パッキング(MixA LS、Polymer Labs)である。サンプル回転(carousel)区画は140℃で操作し、カラム区画は150℃で操作する。サンプルは、溶媒50ミリリットル中ポリマー0.1グラムの濃度で調製する。クロマトグラフィ用溶媒及びサンプル調製溶媒は、200ppmのブチル化ヒドロキシトルエン(BHT)を含有する。両方の溶媒を窒素でスパージする。ポリエチレンサンプルを、160℃で4時間、穏やかに攪拌する。注入容量は200マイクロリットルである。GPCを通る流量は1ml/分に設定する。
Mポリエチレン=A×(Mポリスチレン)B(式2)
式中、Mはポリエチレン又はポリスチレンの分子量であり(表示どおり)、Aは0.43の値を有し、Bは1.0である。分子量分布及び関連する統計値を得るためのこのポリエチレン較正法の使用は、Williams及びWardの方法として定義される。式3のA及びBの他の値は、ポリスチレン及びポリエチレンのMark−HouwinkのK及びa(αと呼ばれることもある)値の様々な選択によって得られる可能性があり、一般に、通常どおり較正された3D−GPCとされる。
3D−GPC構成において、ポリエチレン及びポリスチレン標準を用いて、2種のポリマー型、ポリスチレン及びポリエチレンに関してそれぞれ独立してMark−Houwink定数K及びαを求めることができる。これらの値は、以下の方法の適用において、Williams及びWardのポリエチレン等価分子量を精密化するために用いることができる。
サンプルは、NORELL1001−7 10mmNMR管において、0.025MのCr(AcAc)3(トリス(アセチルアセトナト)−クロム(III))を含有する約2.7gのテトラクロロエタン−d2/オルトジクロロベンゼンの50/50混合物を、0.025gのサンプルに添加することによって調製する。加熱ブロック及びヒートガンを用いて、管及びその内容物を150℃に加熱することによって、サンプルを溶解し、均質にする。それぞれのサンプルを目視で検査して、均質性を確認する。
図1は、LDPE(以下のサンプルC−3)の13C NMRスペクトルを示し、種々の分岐長に起因する特徴的なピークを表示する。もっとも重要な識別ピークのみを標識する。残りのピークの配置を表2に示す。C53は、炭素1とみなしたメチルを有する5−炭素分岐の第3炭素を指す。
C5(アミル)分岐は、32.7ppmのピークによって決定する。約40から5ppmの全LDPEスペクトルの積分値を1000の値に設定し、32.7ppmのピークを積分することによって、1000全炭素当たりのC5分岐の数を求める。32.7ppmのピーク積分値が、1000炭素当たりのC5分岐数の直接計量となる。図2の例は、1.67 C5分岐/1000Cを含有する。
C1分岐は、約20、33.3、37.6、及び27.5ppmにピークを生じる。図3は、連鎖移動剤(CTA)としてプロピレンを用いて生成したサンプル384561の13C NMRスペクトルを示し、したがって、顕著なレベルのC1(メチル)分岐が示される。これは、プロピレンがCTA及びコモノマーの両方として作用し、エチレン−プロピレンLLDPEに認められるようにC1分岐を導入するためである。
C3分岐は、37.9、37.0、20.3、及び14.7ppm(並びに、LDPEスペクトルで不明瞭となる他の値)にピークを生じる。図4は、ペンテンコモノマーを用いて製造したHEPEの13C NMRスペクトルを示し、したがってC3分岐を含有する。この特定のサンプルは、非常に低いレベルのブテン由来のC2分岐も含有する。
C6及びそれ以上の分岐(C6+)は、LDPEスペクトルで代数的に求める。これは、C4、C5、及びC6+分岐のピークのオーバーラップのためである。C4及びC5は独立して求めることができ、その合計をこれら2つ以上の寄与を含有するピークから減じる。C6+分岐は、LDPEの6+分岐の直接計量によって求めるが、長分岐は「鎖末端」と区別されない。6個以上の炭素のすべての鎖又は分岐の末端由来の第3炭素を表わす32.2ppmのピークをC6+決定に用いる。
100mLの広口瓶に、2.0gのLDPEグラフト化ポリ(アルコキシド)を0.0001g単位まで秤量した。この固体に50±1gのHPLCグレードテトラヒドロフランを添加し、混合物を48時間振盪した。混合物を、風袋計量した2ozの広口瓶に#41無灰濾紙で濾過した。溶媒を、窒素流下で一晩、蒸発乾固した。溶解していない固体も窒素流下で一晩、乾燥した。テトラヒドロフラン溶液の残留物を秤量し、乾燥した未溶解固体も秤量した。
樹脂を、空気中1500psiの圧力下、350°F(177℃)で5分間、厚さ3mm×1インチ円形プラークに圧縮成形する。その後、サンプルを圧縮機から取り出し、台上に置いて冷却する。
Aldrichから入手可能なPEGPG(ポリ(エチレングリコール−ran−プロピレングリコール)、平均Mn12000、25Cの粘度35000cStを反応器に添加する。100mlの高圧ステンレス鋼バッチ式反応器を閉鎖した後、攪拌装置を1000rpm(毎分回転数)で作動させる。系を真空にし、窒素で加圧することによって、反応器の酸素を除去する。これを3回繰り返す。次いで、反応器を周囲温度において、エチレンで2000バールまで加圧し、その後排気する。これを3回繰り返す。反応器から最後にエチレンを排気すると、圧力はわずか約100バールの圧力まで降下し、ここで反応器の加熱サイクルが開始される。内部温度約225℃が得られたら、反応器を開始圧力までエチレンで加圧する。エチレン/PEGPG混合物を攪拌し、225℃で少なくとも30分間保持する。次いで、エチレンを用いて、n−ヘプタン中、連鎖移動剤として0.2395mmol/mlのプロピオンアルデヒド、0.00599mmol/mlのジ−tert−ブチルペルオキシド、及び開始剤として0.00239mmol/mlのtert−ブチルペルオキシ2−エチルヘキサノアートの混合物1.32mlを反応器に掃引する。開始剤の添加に伴う圧力の上昇により、エチレンモノマーがフリーラジカル重合される。重合により温度が上昇する。反応器を継続して5分間混合し、225℃に冷却した後、n−ヘプタン中、0.00599mmol/mlのジ−tert−ブチルペルオキシド及び0.00239mmol/mlのtert−ブチルペルオキシ2−エチルヘキサノアートの混合物1.32mlの第2回注入を、エチレンを用いて反応器に掃引する。開始剤の添加に伴う圧力の上昇により、エチレンモノマーがフリーラジカル重合される。2回目の重合により温度が上昇する。第2回と同じ供給条件で、第3回注入を行う。形成されたポリマーを反応器から、1600バールで5分間、エチレンでパージする。この手順で4種のサンプルを製造する。サンプルPEGPG−1と−2、及びサンプルPEGPG−3と−4を合わせ、より大きい2つのサンプルを形成する。工程条件を表3A〜3Dに示す。13C NMRプロファイルを図5に示す。
表5Aは、同等のメルトインデックスの市販LDPEと比較した、実施例の測定されたメルトインデックス(I2)、メルトインデックス比(I10/I2)、及び密度を示す。実施例は、比較例(I10/I2=9.7−9.9及びI2=11.7−24.7)と比較して、比較的高いメルトインデックス(I2)13.7及び15.2においても、はるかに高いメルトインデックス比(I10/I2)(19.1及び22.0)を示す。実施例の密度は高く(0.9349−0.9353g/cc)、これは市販LDPEで典型的に得ることのできる密度より高い。市販のLDPE比較例の密度は、0.9181−0.9226g/ccではるかに低い。
すべての値は、表6の記載を除いて、1000全炭素当たりの分岐数である。グラフト化サンプルの分岐の値は、グラフト化ポリマー(PDMS)のものを含めて、観察される全炭素に基づいて、及びLDPE炭素のみに基づいて算出される。C3(プロピル)分岐は、いずれのサンプルでも認められない。
Claims (15)
- エチレン及びポリ(アルコキシド)由来の単位を含むポリマーであって、前記ポリマーが、13C核磁気共鳴(NMR)によって求められる、1000炭素原子当たり少なくとも0.15単位のアミル基を有するポリマー。
- ポリ(アルコキシド)の1個又はそれ以上の主鎖炭素原子に結合したエチレンの一部分を含む、請求項1に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、ポリ(アルコキシド)の主鎖炭素原子に結合した少なくとも1つのエチレン系ポリマー分岐を含む、請求項1に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、13C NMRによって求められる、感知できるメチル分岐を含まない、請求項1から3のいずれか一項に記載のポリマー。
- 前記ポリマーが、13C NMRによって求められる、感知できるプロピル分岐を含まない、請求項1から4のいずれか一項に記載のポリマー。
- 密度少なくとも0.92g/cm3を有する、請求項1から5のいずれか一項に記載のポリマー。
- 前記ポリ(アルコキシド)の60重量パーセント未満が、溶媒抽出によって抽出可能である、請求項1から6のいずれか一項に記載のポリマー。
- 下記の数学的関係を満たす、ピーク溶融温度Tm(℃)及び密度(g/cm3)を有する:
Tm<771.5(℃・cc/g)×(密度)−604(℃)
請求項1から7のいずれか一項に記載のポリマー。 - 下記の数学的関係を満たす、融解熱(Hf)(ジュール/グラム(J/g))及び密度(g/cm3)を有する:
Hf<2333(J・cc/g2)×(密度)−2009(J/g)
請求項1から8のいずれか一項に記載のポリマー。 - 請求項1から9のいずれかに記載の前記ポリマーを含む組成物。
- 請求項10に記載の前記組成物から形成された少なくとも1つの成分を含む物品。
- フィルムの形態である、請求項11に記載の物品。
- エチレン及びポリ(アルコキシド)由来の単位を含むポリマーを形成する方法であって、前記方法が、
A.第1反応器又は複数部分反応器の第1部分において、フリーラジカル開始剤の存在下、少なくとも1種のポリ(アルコキシド)をエチレンと接触させるステップ、及び
B.少なくとも1つの他の反応器又は複数部分反応器の後部において、前記フリーラジカル開始剤の存在下、前記ポリ(アルコキシド)を追加のエチレンと反応させて、前記ポリ(アルコキシド)に結合したエチレン系ポリマー分岐を形成するステップを含む方法。 - 前記エチレン系ポリマー分岐が、エチレンモノマーをポリ(アルコキシド)と結合して、エチレン−ポリ(アルコキシド)部分を形成し、前記得られた部分を少なくとも追加のエチレンモノマーと重合して、前記エチレン系ポリマー分岐を形成することによって形成される、請求項13に記載の方法。
- 前記エチレン系ポリマー分岐が、前記ポリ(アルコキシド)とは独立して形成され、その後、前記ポリ(アルコキシド)にグラフト化される、請求項13に記載の方法。
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