JP2014503632A - 難燃性を有する星状及び樹木状分岐ポリマー - Google Patents

難燃性を有する星状及び樹木状分岐ポリマー Download PDF

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Abstract

【解決手段】以下:a)1つ以上の、ポリアミン及び/若しくは多価酸及び/若しくは多価アルコール並びに/又はより一般的にはアミノ、カルボン酸又はヒドロキシル官能基のような少なくとも3つの官能基を有する化合物(例えばPOSS);b)1つ以上の、重合中に1つの反応基としか反応しないリン含有分子;c)任意選択的に、1つ以上の、1つ又は2つの官能基を有する有機酸及び/又はアミン及び/又はアルコールの存在下で、二官能AB型モノマー及び/又はAA+BB型モノマーの重合によって入手できる複雑な分岐構造(星状又は樹木状)を有するポリマーが開示されている。
【選択図】なし

Description

本発明は、難燃性を付与するリン含有分子を特徴とする、複雑な分岐構造、特に星状又は樹木状型のポリマーに関する。
ポリマー材料、特にポリアミドの難燃性は、現在、溶融ポリマーマトリックスを実証された難燃性を有する材料(添加剤)と物理的に混合(コンパウンディング)するプロセスによって得られる。前記プロセスの最大の欠点は、添加剤をマトリックス中に均一に分布することの困難さ、相分離、並びに時間の経過による添加剤の移動及び損失の可能性である。これらの欠点の直接的影響は、添加剤の大量使用の必要性、材料コストの増大、並びにしばしば時間の経過による機械的特性の低下及び特性損失である。さらに、現在使用されている添加剤の分類は多数の問題を提示する:例えば、臭素化化合物が大量に(最大で23〜25w/w%)添加され、相乗剤(通常は三酸化アンチモン)を約6〜8w/w%の量で必要とする;これらの化合物の多くは人体及び環境に有毒であることが知られており、その結果その製造及び使用を制限する国家及び超国家的法規によって管理される。赤リン(5〜10重量%の量で添加される)は、取扱い上の問題(火災のリスク)を示し、多数の用途に適さず、一方で金属水酸化物は効率が低く、大量に(最大で50重量%)使用され、その結果最終材料の特性損失を生じ、一般的にポリアミド及びポリエステルと共に使用されない。最後に、メラミンシアヌレートは、材料の再生利用を不可能にし、いくつかの用途を排除する。すべての場合に、製造される材料は、紡糸技術との不適合性により、紡織繊維の製造に使用できない。これらの問題は、例えば、非特許文献1に記載されている。
特許文献1は、少なくとも1つのジカルボン酸、少なくとも1つのジアミン及び1つのカルボキシホスフィン酸の重縮合によって得られる、難燃性を有する6,6型ポリアミドを記載している。
ポリアミン及び/又は多価酸の存在下でABモノマー(すなわち、カルボキシ官能基A及びアミノ官能基Bを有するモノマー)から入手できる複雑な星状又は樹木状分岐構造を有するポリアミド6も、特許文献2から既知である。
複雑な構造の分岐ポリマーの調製は、非特許文献2で詳細に考察されている。
国際公開第98/52991号 米国特許第6884865号
「Combustion and fire retardancy of aliphatic nylons」S.V.Levchik,E.D.Weil,Polym.Int.49:1033−1073(2000)。
「Hyperbranched and Highly Branched Polymer Architectures: Synthetic Strategies and Major Characterization Aspects」B.I.Voit及びA.Lederer Chem.Rev.2009,109,5924−5973。
複雑な(星状又は樹木状)分岐構造を有するポリマーに有利な難燃性を付与することが可能であり、それはAB二官能モノマー及び/又はAA+BB型モノマーから、リン含有分子を鎖終端剤として使用して入手できることが見出された。ポリアミド及びポリエステルのような本発明によるポリマーは、複雑な巨大分子構造(星/樹木型)が末端官能基の数の変動を可能にし、その結果として難燃性を調節するために導入できるリン含有基の数、並びにポリマーの粘度及び製造プロセスに有用なその他のパラメータの変動を可能にすることから、有利な特性を示す。
したがって、本発明は、
a)1つ以上のポリアミン及び/若しくは多価酸及び/若しくは多価アルコール並びに/又はより一般的には、一級又は二級アミノ官能基、カルボン酸(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)又はヒドロキシル官能基のような少なくとも3つの官能基を有する化合物(例えばポリヘドラルオリゴシルセスキオキサン−POSS);
b)1つ以上の、重合中に1つの反応基としか反応しないリン含有分子;
c)任意選択的に、1つ以上の、1つ又は2つの官能基を有するカルボン酸(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)及び/又はアミン及び/又はアルコール
の存在下で、二官能型ABモノマー及び/又はAA+BB型モノマーを重合することによって入手できる複雑な分岐構造(星状又は樹木状)を有するポリマーを提供する。
図1は、以下を含む二価酸リン試料のコーンカロリーメータ分析を示す。 図2は、TGA(熱重量分析)による熱安定性データを示す。 HBHT+CEPP460添加PA6(曲線1)及び純CEPP(曲線2)のTGAを示す。 HBHT+CEPP460添加PA6(曲線1)及びPA6+20%メラミンシアヌレート(曲線2)のTGAを示す。 HBHT+CEPP460、255、160添加PA6対PA6標準品のDCSを示す。
本発明によると、A=−COOH(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)及びB=−NH又は−OHのAB及び/又はAA+BBモノマーを使用できる。
好ましいポリマー系列はポリアミド系列であり、これは、特に織物分野において、所望の難燃性を有するカーペット、衣類及び装飾品の作製において、特異で有利な用途を有する。
本発明によるポリアミド又はポリエステルの調製に使用できるABモノマーの例としては、カプロラクタム、6−アミノヘキサン酸、パラ−又はメタ−アミノ安息香酸、1 1−アミノウンデカン酸、ラウリルラクタム、12−アミノドデカン酸、カプロラクトン、乳酸及びラクチド;好ましくはカプロラクタム、6−アミノヘキサン酸、 カプロラクトン及びラクチドが挙げられる。
本発明によるポリアミド又はポリエステルの調製に使用できるAA+BBモノマーの例としては、以下が挙げられる:1)ポリアミド調製のためのBBモノマーとして、ヘキサメチレンジアミン、イソホロンジアミン、フェニレンジアミンのようなジアミン分子;ポリエステル調製のためのBBモノマーとして、エチレングリコール、ポリエチレングリコール(PEG)、プロパンジオール、ポリプロピレングリコール(PPG)、1,4−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,6ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ジメチロールシクロヘキサン異性体のようなジオール分子。
2)ポリアミド又はポリエステル調製のためのAA二価酸モノマーとして、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸、シクロヘキサンジカルボン酸、フタル酸、ナフタレンジカルボン酸のような脂肪族又は芳香族ジカルボン酸(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)。
ジアミンは、単独で又は二価酸の塩として使用できる。
本発明によるポリアミンは、一級又は二級官能基を有してもよい(三級アミノ基は非反応性であることから考慮されない)。好適なポリアミンの例としては、いずれもヘキサメチレンジアミンの製造から誘導されるビスヘキサメチレントリアミン、式
NH−(CH−NH−(CH−NH−(CH−NH−(CH−NH−(CH−NH
の六官能アミン、アミノ末端基を有するPOSS、エチレンジアミンオリゴマーが挙げられる。
本発明による多価酸(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)は、一般的に、トリメシン酸、ピロメリト酸、2,2’−6,6’テトラカルボキシエチルシクロヘキサノン又はカルボキシル末端基を有するPOSSから選択される。
本発明による多価アルコールは、一般的にペンタエリスリトール、トリメチロールプロパン、ジペンタエリスリトール、シクロデキストリン、糖、ヒドロキシル末端基を有するPOSSから選択される。
本発明によるリン含有分子は、好ましくは:ポリアミドのための2−カルボキシエチルフェニルホスフィン酸(CEPPA);ポリエステルのための2−(ジフェニルホスフィニル)−エタノールのような一価アルコール;ポリアミド及びポリエステルの両方のための3−(ジフェニルホスフィニル)−プロパン酸のようなリン基を有するモノカルボキシ誘導体である。
本発明による1つ又は2つの官能基を有する有機酸(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)、アミン及びアルコールは一般的には酢酸、安息香酸、アジピン酸、スベリン酸及びセバシン酸、その他の長鎖又は短鎖脂肪族一価/二価酸、テレフタル酸、イソフタル酸、長鎖又は短鎖脂肪族モノ/ジアミン、芳香族モノ/ジアミン、及び長鎖又は短鎖脂肪族一価/二価アルコールから選択される。
本発明によるポリマーは、1000〜70,000ドルトンの分子量を有することができる;最適な難燃性は、ポリマーのリン官能基から誘導されるPが少なくとも500ppmで得ることができる。
本発明のポリマーは、ガラス又は鋼製反応器内又はオートクレーブ内での合成により、以下の条件下で調製できる。
ガラス反応器内での合成:ポリアミド合成は、270℃のオーブン内で窒素流及び機械撹拌下にて又はポリマー融点よりも高温にて、6時間実施される。
ポリエステル合成は、適切な触媒系を用いて3つの温度段階で実施され;例えばPET合成の場合、温度段階は:180℃で2時間、220℃で2時間、280℃で真空下にて良好な溶融粘度が得られるまでの時間である。
合成は、ガラス製装置内で実施され、その下部(フラスコ)はオーブン内に挿入されながら、上部はその外部に維持される。装置の上部には以下を可能にする3本のアームが取り付けられている:
a.窒素流の流入
b.反応混合物の機械的撹拌を提供する撹拌棒の通過
c.窒素流の流出
鋼製反応器内での合成:ポリアミド合成は、オーブン内で270℃又はポリマー融点よりも高温にて、窒素流下、機械的撹拌あり又はなしで6時間実施される。
反応は、上下両方の部分がボルトで締められた鋼製反応器内で実施され;反応器はオーブン内に置かれ、その最上部のみが表れており;反応器には窒素流の流入及び流出のための2本のアームが装備されている。
オートクレーブ内での合成:一例として、ナイロン6の合成が、両方とも280℃で機械的撹拌下にある次の2つの相で実施される:圧力下の第1相(2h)(ラクタム環の開環)、窒素流下の第2相(4h)(重縮合による分子鎖の成長)。ポリマーはリールに巻かれたケーブルの形で反応器から抽出される。
星状又は樹枝状のいずれの構造が得られるかは、既知であり上に引用したVoit及びLedererによる総説に記載されているように、好適な化学量論に依存する。さらに、数学モデルは、星状構造を与えるコモノマーの存在下で重合されたAB型モノマーから得られるポリマーの場合、最終ポリマーの組成の予測を可能にし、その際入力データとして供給物及び達成した変換率のみを必要とする[C.M.Yuan et al. Macromol. Chem. Phys. 202(10), 2086(2001)]。
具体的には、本発明は複雑な構造を有し、ポリマー鎖末端に結合したリン原子を含有するポリアミド又はポリエステルの調製を可能にし、これはマスターとして又は直接的に基本材料として使用でき、種々の標準的材料に使用される通常の製造プラントで得ることができる。マスターとして使用した場合、分子量、巨大分子構造及び結果としての溶融ポリマーの粘度を、ポリマーマトリックス(ナイロン6、ナイロン66等のような)への混和性を助長するように容易に調節でき、難燃性官能基の材料全体への均一な分布を確実とする。
本発明は、難燃性官能基の数をプログラムすること、及びナノ構造の有機/無機構成要素を挿入することも可能にする。材料は、コンパウンディングによってマスターとしてマトリックスに添加することもでき、マスターの活性官能基とマトリックスの反応基との間の接触時間は架橋を引き起こさない。生成物は、ポリマーマトリックスに導入された他の添加剤のキャリアとしても作用できる。その性質を考慮すると、ポリアミドベースを有する場合にはポリアミドと完全に相溶し、ポリエステルベースを有する場合はポリエステルに完全に相溶し、相分離を示さない。もう1つの利点は、最終材料中のリンが少量であり(最大で5重量%)、それが遊離赤リンとして存在しないことである。これらの特性は、現在ポリアミドでは不可能な難燃性ポリアミド又はポリエステル繊維の獲得への道を切り開く。
本発明を以下の実施例でより詳細に説明し、これはポリアミドベースのAB型ポリマーの材料に関するが、本発明に引用される他の分類のポリマーにも拡大できる。
カプロラクタム 85%mol/mol
アミノカプロン酸:8.15%mol/mol
ビス(ヘキサメチレン)トリアミン(HBHT):0.95%mol/mol
CEPPA:5.9%mol/mol
試薬を同時に供給物に導入する。
460meq/KgのCEPPAを有するポリマーが得られる。
本発明による数学モデルでその分子パラメータを決定するため、同じモノマー比を用いるがCEPPAなしでもポリマーを調製した。
カプロラクタム 89.2%mol/mol
アミノカプロン酸:8.55%mol/mol
ビス(ヘキサメチレン)トリアミン(HBHT):0.31%mol/mol
CEPPA:1.94%mol/mol
試薬を同時に供給物に導入する。
160meq/KgのCEPPAを有するポリマーが得られる。
ジメチルテレフタレート(テレフタル酸誘導体)48.5%mol/mol
エチレングリコール 45.0%mol/mol
化学量論的エチレングリコールを基準にして50%過剰分を追加
ペンタエリスリトール 0.5%mol/mol
2−(ジフェニルホスホリル)エタノール6.0%mol/mol
ポリマーの構造を立証するポリアミド6の3つの例が多官能アミンコポリマーの存在下で得られた。有意な比較を得るには、機械的特性に優れる未調節のポリアミド6について、末端アミン基の値がかなり低く(<70)、末端カルボキシル基の数が末端アミンの数と等しいことに注意する必要がある:
末端基の滴定並びにサイズ排除クロマトグラフィー(SEC)で得られた分子量(Mn、直鎖ナイロン6当量で表示)及び分子量分散指数(D)を表に示す。
試料1は多官能コモノマー濃度が最も高い試料であり;試料2は中間濃度、及び試料3は最も低濃度である。SECデータはPA6直鎖当量として表示され;ポリマーは分子量の分散値(D)が2よりも低く、これは星状構造を立証する(D=2は重縮合で得られるポリマーの直鎖の典型的な値である)。
滴定は、アミノ末端基の数が酸性基と比べて非常に大きいことを示す。また、このデータはポリマーの分岐構造を証明するものである。
−COOH及び−POOHの両方の酸性末端基を有する分子との反応後、以下のデータが得られる:
試料1、2及び3における多官能アミンコモノマーの量を上の表に示す。アミノ末端基数が最も高い試料(試料1)の場合、リンを含有する二価酸はそれ自体のカルボキシル基のみと反応し、遊離の末端ホスフィン基が残る。この鎖末端の修飾はポリマーの水力学的挙動を変え(上表で直鎖ナイロン6として測定された値よりも低い、異なるMn値);狭い分布は、鎖の巨大分子構造が維持されており、リン含有二価酸との反応で修飾されなかったことを立証する。
図1は、以下を含む二価酸リン試料のコーンカロリーメータ分析を示す:マスター460(3)は上記表の試料1(実施例1)であり、マスター260(2)は試料2、マスター160(1)は試料3(実施例2)である。
標準的なPA6においてRHR(熱放出速度)は約2040KJ/smであるのに対し、検討されている3試料においてRHRは最大で700KJ/smであり、熱放出速度が非安定化ポリアミドの約3分の1であることを示す。
図2に示すTGA(熱重量分析)による熱安定性データは、試料が通常のPA6よりも早く(すなわち、より低く、より危険の少ない温度で)分解を開始し、完全に分解するまでにより長い時間を要することを実証する。このデータはRHRデータと合わせて、材料が、一般的により「暴力的」でなく、より危険の少ない分解をし、結果として使用の安全性が大きいことを示す。さらに、高温で残留分が高いことは、より大量の残留炭素(チャー)の形成を示し、これが燃焼を妨げる。
数学モデルの使用
使用される数学モデルは、入力データとして供給物及び得られた変換率を使用して、最終ポリマーの組成を予測する:モデルは生成する種のパーセンテージを与え、その分子量及び巨大分子構造を示す。
例えば、数学モデルは、一定供給を維持し反応中に到達する変換率を変えることによって得られるポリマーの数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)、分子量分布(D)、直鎖種(%lin.)及び星状分岐鎖種(%star)のパーセンテージを与える:
供給物:カプロラクタム;HBHT(0.009M−460meq/Kg)−実施例1に類似した供給物でCEPPAなし。
変換率=93.2%
変換率=94.0%
変換率=94.6%
材料の分析
HBHT+CEPP460添加PA6(曲線1)及び純CEPP(曲線2)のTGA;CEPPは純粋な化合物よりもはるかに高いTで分解を開始することから、ポリマーと反応したことを示す(図3)。
HBHT+CEPP460添加PA6(曲線1)及びPA6+20%メラミンシアヌレート(曲線2)のTGA:第2のPA6は工業用途に一般的に使用される物理的混合物である。20%の質量損失があり、これは300℃〜370℃のメラミン損失に対応する(図4)。
HBHT+CEPP460、255、160添加PA6対PA6標準品のDCS:曲線1は純粋な結晶PA6である。融点(下向きピーク)は純PA6のそれよりも数度低い。結晶化(上向きピークのある曲線)は変動がきわめて少ない(図5)。

Claims (14)

  1. a)1つ以上の、ポリアミン及び/若しくは多価酸及び/若しくは多価アルコール並びに/又は一級及び/若しくは二級アミノ官能基及び/若しくはカルボン酸若しくはその誘導体及び/若しくはヒドロキシル官能基から選択される少なくとも3つの官能基を有するポリヘドラルオリゴシルセスキオキサン化合物(POSS);
    b)1つ以上の、重合中に1つの反応基としか反応しないリン含有分子;
    c)任意選択的に、1つ以上の、1つ又は2つの官能基を有するカルボン酸(若しくはエステル及び無水物のようなその誘導体)及び/又はアミン及び/又はアルコール
    の存在下で、AB型の二官能モノマー及び/又はAA+BB型モノマーの重合によって入手できる星状又は樹木状構造を有する分岐ポリマー。
  2. モノマーAB及びAA+BB型のモノマーが、A=−COOH(又はエステル及び無水物のようなその誘導体)及びB=−NH又は−OHを有する、請求項1に記載のポリマー。
  3. ポリアミド及びポリエステルの分類に属する、請求項2に記載のポリマー。
  4. モノマーABが、カプロラクタム、6−アミノヘキサン酸、パラ又はメタアミノ安息香酸、11−アミノウンデカン酸、ラウリルラクタム、12−アミノドデカン酸から選択され、AA+BB型のモノマーが以下:AAモノマーとして、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸、テレフタル/イソフタル酸、シクロヘキサンジカルボン酸又はそれらのエステル;BBモノマーとして、ヘキサメチレンジアミン、1,4ブチレンジアミン、イソホロンジアミン、フェニレンジアミン
    から選択される、請求項3に記載のポリアミド。
  5. モノマーAB又はAA+BBが以下:ABモノマーとして、カプロラクタム、6−アミノヘキサン酸;AAモノマーとして、アジピン酸並びにBBモノマーとして、ヘキサメチレンジアミン及び1,4−ブチレンジアミン
    から選択される、請求項4に記載のポリアミド。
  6. ポリアミンが、ビスヘキサメチレントリアミン、式NH−(CH−NH−(CH−NH−(CH−NH−(CH−NH−(CH−NHの六官能アミン、ヘキサメチレンジアミンの製造から誘導されるポリアミン、アミノ末端基を有するPOSS、エチレンジアミンオリゴマーから選択され;多価酸又はそのエステル及び無水物が、トリメシン酸、ピロメリト酸、2,2’−6,6’−テトラカルボキシエチルシクロヘキサノン、カルボキシル末端基を有するPOSSから選択される、請求項3に記載のポリアミド。
  7. リン含有分子が、2−カルボキシエチルフェニルホスフィン酸(CEPPA)である、請求項3〜6のうちいずれか一項に記載のポリアミド。
  8. モノマーABがカプロラクトン,乳酸、ラクチドから選択され、AA+BBモノマーが以下:AAモノマーとして、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸、テレフタル/イソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、シクロヘキサンジカルボン酸又はそのエステル;BBモノマーとして、エチレングリコール、ポリエチレングリコール(PEG)、プロパンジオール、ポリプロピレングリコール(PPG)、1,4−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,6ヘキサンジオール、シクロヘキサンジオール、ジメチロールシクロヘキサン異性体から選択されるジオール
    から選択される、請求項3に記載のポリエステル。
  9. モノマーAB又はAA+BBが以下:ABモノマーとして乳酸、ラクチド;AAモノマーとして、テレフタル/イソフタル酸又はそのエステル、ナフタレンジカルボン酸又はそのエステル;BBモノマーとして、エチレングリコール、1,4−ブタンジオール
    から選択される、請求項8に記載のポリエステル。
  10. 多価酸又はそのエステル及び無水物が、トリメシン酸、ピロメリト酸、2,2’−6,6’−テトラカルボキシエチルシクロヘキサノン、カルボキシル末端基を有するPOSSから選択され、多価アルコールがペンタエリスリトール、トリメチロールプロパン、ジ−ペンタエリスリトール、シクロデキストリン、糖類、ヒドロキシル末端基を有するPOSSから選択される、請求項3に記載のポリエステル。
  11. リン含有分子が2−(ジフェニルホスホリル)エタノールである、請求項3、8〜10のうちいずれか一項に記載のポリエステル。
  12. 有機酸、一又は二官能アミン又はアルコールが、酢酸、安息香酸、アジピン酸、スベリン酸、セバシン酸、長鎖又は短鎖脂肪族一価/二価酸、テレフタル酸、イソフタル酸、長鎖又は短鎖脂肪族モノ/ジアミン、芳香族モノ/ジアミン、長鎖又は短鎖脂肪族一価/二価アルコールから選択される、請求項3〜11のうちいずれか一項に記載のポリアミド又はポリエステル。
  13. 1000〜70,000ドルトンの範囲の分子量を有する、請求項3〜12のうちいずれか一項に記載のポリアミド又はポリエステル。
  14. リン含有量が少なくとも500ppmである、請求項3〜13のうちいずれか一項に記載のポリアミド又はポリエステル。
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