JP2016526598A - 高分子材料 - Google Patents

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Abstract

本発明は、式:−O−Ph−O−Ph−CO−Ph− Iの繰り返し単位及び式:−O−Ph−Ph−O−Ph−CO−Ph− IIの繰り返し単位(式中、Phはフェニレン部分を表す)を有する高分子材料であって、繰り返し単位I及びIIの相対的なモル比(I:II)が65:35〜95:5であり;log10(X%)>1.50−0.26MV(式中、X%は、実施例31に記載された通りに測定される結晶化度(%)を表し、MVは、実施例30に記載された通りに測定される溶融粘度を表す)である、高分子材料、ならびに、この高分子材料を製造するための方法であって、少なくとも1種のジヒドロキシベンゼン化合物及び少なくとも1種のジヒドロキシビフェニル化合物の、モル比が65:35〜95:5の混合物を、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムの存在下に、少なくとも1種のジハロベンゾフェノンと重縮合させる工程を含み:(i)上記炭酸カリウムのmol%が少なくとも2.5であり、及び/又は(ii)次の関係(式III):【数1】が成立する、方法に関する。

Description

本発明は、高分子材料に関する。好適な実施形態は、高分子材料を含む、例えば複合体産業に使用するための熱可塑性複合体に関する。
産業用として、単独で、又は複合材料の一部として利用可能な熱可塑性高分子材料の種類は幅広い範囲に及ぶ。しかし、産業界においては、既存の材料と比較して少なくとも何らかの点が改善されている特性を有する材料が常に求められている。
ポリフェニレンスルフィド(PPS)は、290℃という比較的低い融解温度(Tm)を有する公知の高分子材料である。しかし、そのガラス転移温度(Tg)は85℃〜100℃であり、一部の用途にとって、この温度は低過ぎる。一方、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)は143℃という好適なTgを有するものの、そのTmは望ましい温度をはるかに超える343℃である。それでも尚、PEEKは、結晶性が高く並外れた耐薬品性を有する材料であることから、多くの商業用途に一般に好適である。
特許文献1(ICI)には、−エーテル−フェニル−エーテル−フェニル−カルボニル−フェニル−(すなわちPEEK)繰り返し単位及び−エーテル−フェニル−フェニル−エーテル−フェニル−カルボニル−フェニル−(すなわちPEDEK)繰り返し単位を含むポリマーが記載されている。この共重合体はTmが低いと言われている。しかし、ここに引用した参考文献には、共重合体の結晶化度及び/又は使用中にどの程度の耐薬品(例えば、溶媒)性を示し得るかに関しては開示されていない。
米国特許第4717761号明細書
本発明の目的は、Tmが比較的低く、Tgが比較的高く、かつ結晶化度が比較的高い高分子材料自体と、そのような高分子材料の製造方法とを提供することにある。
本発明は、米国特許第4717761号明細書に記載されている材料よりも結晶化度が高いPEEK及びPEDEKの共重合体を製造するための方法及び新規なPEEK/PEDEK共重合体自体の発見に基づいている。
本発明の第1の態様によれば、式:
−O−Ph−O−Ph−CO−Ph− I
(式中、Phは、フェニレン部分を表す)の繰り返し単位及び式:
−O−Ph−Ph−O−Ph−CO−Ph− II
の繰り返し単位を有する高分子材料であって、
繰り返し単位I及び繰り返し単位IIの相対的なモル比すなわちI:IIが、65:35〜95:5であり、
かつ
log10(X%)>1.50〜0.26MV
(X%は、実施例31に記載する通りに測定した結晶化度(%)であり、MVは、実施例30に記載する通りに測定した溶融粘度である)である、高分子材料が提供される。
Xが様々な方法を用いて製造された様々なPEEK:PEDEK高分子材料の溶融粘度(MV)に対する結晶化度を表す、log10(X%)のグラフ。 炭酸ナトリウムのD50及び炭酸カリウムの過剰分(mol%)の関係を表す図を示すものである。
各繰り返し単位のフェニレン部分(Ph)は、独立に、これらが結合している原子に対し1,4−パラ結合又は1,3−メタ結合することができる。フェニレン部分が1,3−結合を含む場合、この部分はポリマーの非晶相に存在するであろう。結晶相は、1,4−結合を有するフェニレン部分を含むであろう。多くの用途においては、結晶性の高い高分子材料が好ましく、したがって、本発明の高分子材料は、好適には、1,4−結合を有するフェニレン部分を多量に含む。
好適な実施形態においては、式Iの繰り返し単位に含まれるフェニレン部分(Ph)の数の少なくとも95%、好適には少なくとも99%が、自身が結合している部分に1,4−結合している。特に好適には、式Iの繰り返し単位に含まれるフェニレン部分はそれぞれ、自身が結合している部分に1,4−結合している。 好適な実施形態においては、式IIの繰り返し単位に含まれるフェニレン部分(Ph)の数の少なくとも95%、好適には少なくとも99%が、自身が結合している部分に1,4−結合している。特に好適には、式IIの繰り返し単位に含まれるフェニレン部分はそれぞれ、自身が結合している部分に1,4−結合している。
好適には、式Iの繰り返し単位に含まれるフェニレン部分は無置換である。好適には、式IIの繰り返し単位に含まれるフェニレン部分は無置換である。 上記式Iの繰り返し単位は、好適には、構造:
を有する。
上記式IIの繰り返し単位は、好適には、構造:
を有する。
本発明による好適な高分子材料の結晶化度は、先行技術から予想される結晶化度よりも高い。好適には、log10(X%)>1.50−0.23MVである。より好適には、log10(X%)>1.50−0.28MV+0.06MVである。上述の関係の導出については、図1を参照しながら後述する。
上記高分子材料は、式Iの繰り返し単位を少なくとも68mol%、好適には少なくとも71mol%含むことができる。特に有利な高分子材料は、式Iの繰り返し単位を少なくとも72mol%、さらに有利には、少なくとも74mol%含むことができる。上記高分子材料は、式Iの繰り返し単位を90mol%以下、好適には82mol%以下含むことができる。上記高分子材料は、式Iの単位を68〜82mol%、好適には70〜80mol%、より好適には72〜77mol%含むことができる。
上記高分子材料は、式IIの繰り返し単位を少なくとも10mol%、好適には少なくとも18mol%含むことができる。上記高分子材料は、式IIの繰り返し単位を32mol%未満、好適には29mol%未満含むことができる。特に有利な高分子材料は、式IIの繰り返し単位を28mol%以下又は26mol%以下含むことができる。上記高分子材料は、式IIの単位を18〜32mol%、好適には20〜30mol%、より好適には23〜28mol%含むことができる。
上記高分子材料に含まれる式I及び式IIの単位のmol%の総和は、好適には、少なくとも95mol%、好適には少なくとも98mol%、より好適には少なくとも99mol%、特に、約100mol%である。
式Iの単位のmol%を式IIの単位のmol%で除した値として定義される比は、1.8〜5.6の範囲とすることができ、好適には、2.3〜4の範囲にあり、好適には、2.6〜3.3の範囲にある。
上記高分子材料のTm(好適には、本明細書に記載する通りに測定)は、330℃未満とすることができ、好適には、320℃未満、好適には310℃未満である。幾つかの実施形態においては、Tmは、306℃未満とすることができる。Tmは、280℃超又は290℃超、295℃超又は300℃超とすることができる。Tmは、好適には、300℃〜310℃の範囲にある。
上記高分子材料のTg(好適には、本明細書に記載する通りに測定)は、130℃超、好適には135℃超、より好適には140℃超とすることができる。このTgは、175℃未満、165℃未満、160℃未満又は155℃未満とすることができる。このTgは、好適には、145℃〜155℃の範囲にある。
TmとTgの差(Tm−Tg)は、少なくとも130℃、好適には、少なくとも140℃、より好適には、少なくとも150℃とすることができる。この差は、170℃未満又は165℃未満とすることができる。好適な実施形態においては、この差は、145〜165℃の範囲にある。 好適な実施形態においては、上記高分子材料のTgは145℃〜155℃の範囲にあり、Tmは300℃〜310℃の範囲にあり、Tm及びTgの差は145℃〜165℃の範囲にある。
上記高分子材料は、実施例31に記載したように測定した結晶化度を少なくとも25%とすることができる。
上記高分子材料の溶融粘度(MV)は、好適には、少なくとも0.10kNsm−2
あり、好適には、MVは、少なくとも0.15kNsm−2、より好適には、少なくとも0.20kNsm−2、特に、少なくとも0.25kNsm−2である。MVは、好適には、キャピラリーレオメトリー(capillary rheometry)により、0.5mm×3.175mmの炭化タングステンダイを使用し、剪断速度を1000s−1として、340℃の温度で操作することにより測定する。上記高分子材料のMVは、1.8kNsm−2未満、好適には1.2kNsm−2未満とすることができる。
上記高分子材料は、ISO 527に準拠して測定した引張強さを、少なくとも40MPa、好適には、少なくとも60MPa、より好適には、少なくとも80MPaとすることができる。引張強さは、好適には、80〜110MPaの範囲、より好適には、80〜100MPaの範囲にある。
上記高分子材料は、ISO 178に準拠して測定した曲げ強さを、少なくとも130MPaとすることができる。曲げ強さは、好適には、135〜180MPaの範囲、より好適には、140〜150MPaの範囲にある。
上記高分子材料は、ISO 178に準拠して測定した曲げ弾性率を、少なくとも2GPa、好適には、少なくとも3GPaとすることができる。曲げ弾性率は、好適には、3.0〜4.5GPaの範囲、より好適には、3.0〜4.0GPaの範囲にある。
上記高分子材料は、ペレット又は顆粒の形態とすることができ、このペレット又は顆粒は、上記高分子材料を少なくとも95重量%、好適には少なくとも99重量%、特に約100重量%含む。ペレット又は顆粒は、最大寸法を10mm未満、好適には7.5mm未満、より好適には5.0mm未満とすることができる。
上記高分子材料は、上記高分子材料及び充填媒体(filler means)を含むことができる組成物の一部とすることができる。上記充填媒体は、繊維状充填材又は非繊維状充填材を含むことができる。
上記充填媒体は、繊維状充填材及び非繊維状充填材の両方を含むことができる。上記繊維状充填材は、連続していても不連続であってもよい。
上記繊維状充填材は、無機繊維状材料、アラミド繊維や炭素繊維等の非融解性及び高融点有機繊維状材料から選択することができる。
上記繊維状充填材は、ガラス繊維、炭素繊維、アスベスト繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ素繊維、窒化ケイ素繊維、ボロン繊維、フッ素樹脂繊維及びチタン酸カリウム繊維から選択することができる。好適な繊維状充填材はガラス繊維及び炭素繊維である。
繊維状充填材は、ナノ繊維を含むことができる。
上記非繊維状充填材は、雲母、シリカ、タルク、アルミナ、カオリン、硫酸カルシウム、炭酸カルシウム、酸化チタン、フェライト、クレー、粉末ガラス、酸化亜鉛、炭酸ニッケル、酸化鉄、石英粉末、炭酸マグネシウム、フッ素樹脂、黒鉛、炭素粉、ナノチューブ及び硫酸バリウムから選択することができる。非繊維状充填材は、粉末又は薄片状粒子の形態で導入することができる。
上記組成により複合材料を定義することができ、これは「熱可塑性樹脂をマトリックスとする複合体の含浸技法(Impregnation Techniques for Thermoplastic Matrix Composites)」、A・ミラー(A Miller)及びA・G・ギブソン(A G Gibson)著、高分子及び高分
子複合体(Polymer&Polymer Composites)、第4巻第7号、pp.459−481(1996年)、欧州特許第102158号明細書及び欧州特許第102159号明細書に記載されているように調製することができる。これらの内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。好適には、本発明の方法においては、上記高分子材料及び上記充填媒体を、高温で、好適には、上記高分子材料の融解温度以上の温度で混合する。したがって、好適には、上記高分子材料及び充填媒体を混合しながら高分子材料を融解させる。上記高温とは、好適には、高分子材料の分解温度未満の温度である。上記高温は、好適には、上記高分子材料の融解吸熱(Tm)の主ピーク以上の温度である。上記高温は、好適には、少なくとも300℃である。有利には、融解した高分子材料は、充填材を容易に濡らし、及び/又は繊維マットや織布等の固結した充填材の間に容易に浸透することができるので、調製された複合材料は、高分子材料と、この高分子材料中に実質的に均一に分散した充填媒体とを含む。
本発明の複合材料は、実質的に連続的な方法で調製することができる。この場合、高分子材料及び充填媒体は、これらが混合及び加熱される位置に連続的に供給することができる。このような連続プロセスの例は、押出成形である。他の例(特に、充填媒体が繊維状充填材を含む場合が該当するであろう)は、連続したフィラメントからなる塊を、上記高分子材料を含む溶融物又は水性分散液中を移動させることを含むものである。このフィラメントからなる塊は、ある連続した長さの繊維状充填材、より好適には、少なくともある程度まで固結された複数の連続したフィラメントを含むことができる。この連続した繊維からなる塊は、トウ、粗糸、編組物(braid)、織布又は不織布を含むことができる。繊維性の塊を構成するフィラメントは、この塊内に実質的に均一に又はランダムに配することができる。複合材料は、PCT/GB2003/001872号明細書、米国特許第6372294号明細書又は欧州特許第1215022号明細書に記載されているように調製することができる。
別法として、本発明の複合材料は、不連続なプロセスで調製することができる。その場合、予め定められた量の上記高分子材料及び予め定められた量の上記充填媒体を選択して接触させることができ、複合材料は、高分子材料を融解させて、高分子材料及び充填媒体を混合して実質的に均一な複合材料を形成させることにより調製される。
複合材料は、粒状形態、例えば、ペレット又は顆粒形態に形成することができる。ペレット又は顆粒は、最大寸法を10mm未満、好適には7.5mm未満、より好適には5.0mm未満とすることができる。
上記充填媒体は好適には、ガラス繊維、炭素繊維、カーボンブラック及びフッ素樹脂から選択される1種又は複数種の充填材を含む。上記充填媒体は、より好適にはガラス繊維又は炭素繊維を含む。
ここに記載する組成物又は複合材料は、上記高分子材料を20〜99.9重量%(例えば、20〜70重量%)及び充填媒体を0.1〜80重量%(例えば、30〜80重量%)含むことができる。好適な実施形態は、充填媒体を10重量%超、より好適には40重量%超含む。 本発明の範囲には、上述の複合材料自体も包含される。
本発明の第2の態様によれば、式:
−O−Ph−O−Ph−CO−Ph− I
(式中、Phは、フェニレン部分を表す)の繰り返し単位及び式:
−O−Ph−Ph−O−Ph−CO−Ph− II
の繰り返し単位を有する高分子材料を製造するための方法であって、
少なくとも1種のジヒドロキシベンゼン化合物及び少なくとも1種のジヒドロキシビフェ
ニル化合物を65:35〜95:5のモル比で含む混合物を、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムの存在下に、少なくとも1種のジハロベンゾフェノンと重縮合させることを含み、(i)上記炭酸カリウムのmol%が少なくとも2.5であり、及び/又は
(ii)次の関係(「D50/mol%の関係」と称する):
が成立する、
方法が提供される。
炭酸ナトリウムのD50は実施例29に記載するように測定することができる。 上記炭酸カリウムのmol%は、好適には:
と定義される。
選択肢(i)において、上記炭酸カリウムのmol%は、少なくとも3mol%、好適には、少なくとも3.5mol%、より好適には、少なくとも3.9mol%とすることができる。上記炭酸カリウムのmol%は、10mol%未満、好適には、8mol%未満、より好適には、6mol%未満、特に5mol%未満とすることができる。好適には、上記炭酸カリウムのmol%は、3.5〜6mol%の範囲、より好適には、3.5〜4.9mol%の範囲にある。
本発明の方法において使用される炭酸塩の総mol%(すなわち、この方法において使用される炭酸塩の総モル数を、使用されるヒドロキシモノマーの総モル数で除して、百分率で表したもの)は、好適には、少なくとも100%である。
炭酸塩の総mol%は、100mol%を超えることができる。これは、105mol%未満とすることができる。
本発明の方法に使用される炭酸ナトリウムのmol%は、少なくとも90mol%、好適には、少なくとも92mol%、より好適には、少なくとも95mol%とすることができる。
本発明の方法に使用される炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムのmol%(ヒドロキシモノマーのモル数に対する)の総和は、好適には、少なくとも100mol%であり、より好適には、100mol%を超える。これは、100〜105mol%の範囲とすることができる。
本発明の方法に使用される炭酸ナトリウム及び炭酸カリウム以外の炭酸塩(この語は、
炭酸塩(CO 2−)及び炭酸水素塩(HCO )を包含することを意図している)のmol%は、好適には5mol%未満、より好適には1mol%未満(同じく、ヒドロキシモノマーのモル数に対する)である。
本発明の方法に使用される炭酸塩は好適には、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムのみである。
選択肢(ii)においては、D50/mol%の関係は、好適には、44未満、より好適には、42未満、特に、40未満である。上記関係は、30未満又は26未満とすることができる。D50は、好適には、実施例29に記載するように測定される。
選択肢(i)及び(ii)に記載した関係は、好適には、両方共成立する。
本発明の方法において使用するために選択される炭酸カリウムは、好適には、目開き(mesh size)が500μmの篩を通過することができる。
上記炭酸ナトリウムのD50は、好適には、140μm未満、好適には、125μm未満、より好適には、110μm未満である。D50は、少なくとも50μmとすることができる。
第2の態様においては、式I及び式IIの繰り返し単位は、第1の態様において上述したものと同様にすることができる。したがって、フェニレン部分は、第1の態様において上述したものと同様にすることができる。したがって、好適には、上記式Iの繰り返し単位は、好適には、構造:
を有する。
上記式IIの繰り返し単位は、好適には、構造:
を有する。
第2の態様の方法は、式:
のジヒドロキシベンゼン化合物を選択する工程と、
式:
のジヒドロキシビフェニル化合物を選択する工程と
を含むことができる。
化合物V及び化合物VIのモル比は、好適には、65:35〜95:5の範囲にある。このモル比は、68:32〜90:10の範囲、好適には、70:30〜80:20の範囲、より好適には、72:28〜77:23の範囲とすることができる。 本発明の方法は、式V及び式VIを有する上記化合物を、式:
(式中、X及びXは、独立に、好適には塩素原子及びフッ素原子から選択されるハロゲン原子を表す)を有する化合物と重縮合させる工程を含むことができる。好適には、X及びXは、フッ素原子を表す。
好適には、本発明の方法において重縮合される塩素原子又はフッ素原子を含むモノマーのモル数は、2個のヒドロキシ基を含むモノマー(例えば、化合物V及び化合物VI)のモル数と少なくとも等しい。特に好適には、塩素原子又はフッ素原子を含むモノマー(例えば、化合物VII)のモル数は、2個のヒドロキシ基を含むモノマーのモル数を僅かに上回る。
好適には、本発明の方法に使用されるモノマーの少なくとも95重量%、より好適には少なくとも99重量%が、式V、式VI及び式VIIのモノマーから構成される。好適には、本発明の方法に使用されるモノマーは、実質的に、式V、VI及びVIIのモノマーのみである。
第2の態様の上記方法は、好適には溶媒の存在下に行われる。溶媒としては、式
で表されるものを用いることができる。
(式中、Wは、直接結合、酸素原子又は2個の水素原子(各ベンゼン環に1個ずつ結合している)であり、Z及びZ’は、同一であっても異なっていてもよく、水素原子又はフェニル基である)。この種の芳香族スルホンの例としては、ジフェニルスルホン、ジベンゾチオフェンジオキシド、フェノキサンチンジオキシド及び4−フェニルスルホニルビフェニルが挙げられる。好適な溶媒はジフェニルスルホンである。
本発明の方法は、好適には、実質的に無水条件下で行われる。本発明の方法において、式V、式VI及び式VIIで表される化合物は、好適には、上記溶媒、特にジフェニルスルホンの存在下に接触される。重合は、好適には、150℃〜400℃の範囲の温度で行われる。本発明の方法において、反応体は、好適には、最大温度まで加熱される。この最大温度は、300℃超、例えば300℃〜350℃の範囲とすることができる。しかしながら、好適には、最大温度に到達する前に、最大温度よりも低い1つ又は複数の温度で試剤を保持することができる。例えば、本発明の方法は、160〜200℃の範囲の温度で試剤を少なくとも20分間保持することを含むことができ、及び/又は試剤を200〜240℃の範囲の温度で少なくとも20分間保持することを含むことができる。
第2の態様の方法は、好適には、第1の態様の高分子材料を製造するための方法である。
本明細書に記載する任意の発明を、本明細書に記載する他の任意の発明の任意の特徴と組み合わせることができ、必要に応じて修正を行う。
ここで、本発明の特定の実施形態について例を挙げ、図面を参照しながら説明する。
次に示す語は、本明細書においては、次のものを指す:
PEEK150とは、ビクトレックス・マニュファクチュアリング・リミテッド(Victrex Manufacturing Limited)により供給されているポリエーテルエーテルケトンであり、その溶融粘度(キャピラリーレオメトリーにより、炭化タングステンダイ(0.5mm×3.175mm)を使用して、400℃、剪断速度1000s−1で操作することにより測定)は、0.15kNsm−2である。
(実施例)
実施例1〜28に記載するようにポリマーを調製した。後続の実施例は、実施した手順及び試験の詳細を含む。
実施例1:ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体(0.5mol)の調製
摺合せカバー、スターラー/撹拌シール、窒素導入口及び排出口を備えた0.5リットル容のフランジ付きフラスコに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(111.29g,0.510mol)、1,4−ジヒドロキシベンゼン(41.30g,0.375mol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニル(23.28g,0.125mol)及びジフェニルスルホン(241.07g)を装入し、1時間窒素置換した。次いで内容物を窒素雰囲気中で160℃に加熱することによりほぼ無色の溶液を得た。窒素雰囲気を維持したまま、乾燥させた炭酸ナトリウム(53.00g,0.5mol)及び炭酸カリウム(2.76g,0.02mol)(いずれも目開き500マイクロメートルの篩を通過したもの)を加えた。温度を1℃/分で185℃まで昇温し、100分間保持した。温度を1℃/分で205℃まで昇温し、20分間保持した。温度を1℃/分で315℃まで昇温し、約60分間保持するか、又はスターラーのトルク上昇により示される所望のMVに到達するまで保持した。必要なトルク上昇は、トルク上昇対MVの検量線から求められる。次いで、反応混合物を金属箔のトレイに注いで放冷し、粉砕して、アセトン2リットルで洗浄した後、40〜50℃の温度の温水で、廃水の導電率が<2μSになるまで洗浄した。得られたポリマー粉末を120℃の送風式オーブンで12時間乾燥させた。
実施例2〜9:ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
炭酸カリウムの量及び炭酸ナトリウムの篩別に用いたメッシュサイズを変化させたことを除いて実施例1に記載した手順を繰り返し、表1に示すように結晶化度の異なるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体を得た。
実施例10:米国特許第4717761号の実施例1に基づくポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
摺合せカバー、スターラー/撹拌シール、窒素導入口及び排出口を備えた0.5リットル容のフランジ付きフラスコに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(112.38g,0.515mol)、1,4−ジヒドロキシベンゼン(41.30g,0.375mol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニル(23.28g,0.125mol)及びジフェニルスルホン(243.10g)を装入し、1時間窒素置換した。次いで内容物を窒素雰囲気中で180℃に加熱することによりほぼ無色の溶液を得た。窒素雰囲気を維持したまま、乾燥させた炭酸ナトリウム(53.00g,0.5mol)及び炭酸カリウム(0.35g,0.003mol)(いずれも目開き500マイクロメートルの篩を通過したもの)を添加した。温度を1℃/分で200℃まで昇温し、60分間保持した。温度を1℃/分で250℃に昇温し、60分間保持した。温度を1℃/分で300℃まで昇温し、60分間保持した。次いで、反応混合物を金属箔のトレイに注いで放冷し、粉砕して、アセトン2リットルで洗浄し、次いで40〜50℃の温度の温水で、廃水の導電率が<2μSになるまで洗浄した。得られたポリマー粉末を120℃の送風式オーブンで12時間乾燥させた。
実施例11:ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
実施例11においては実施例10よりも高いトルク値に到達するまで試剤を反応させ、それによって実施例11の共重合体のMVがより高くなるようにしたことを除いて、実施例10の手順に従った。
実施例12:米国特許第4717761号明細書に基づくポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
表1に示すポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の結晶化度に影響を与えるように炭酸ナトリウムの粒度分布を大きくした(D50:約140μm)ことを除いて実施例10に記載した手順を繰り返した。炭酸ナトリウムの粒度がより大きくなると重合が起こらなくなるので、さらに炭酸ナトリウムを4mol%及びヒドロキノンを1mol%を反応物に添加しなければならなかった。
実施例13及び14:ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
摺合せカバー、スターラー/撹拌シール、窒素導入口及び排出口を備えた0.5リットル容のフランジ付きフラスコに、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(111.29g,0.515mol)、1,4−ジヒドロキシベンゼン(41.30g,0.375mol)、4,4’−ジヒドロキシジフェニル(23.28g,0.125mol)及びジフェニルスルホン(24.09g)を装入し、1時間窒素置換した。次いで内容物を窒素雰囲気中で200℃に加熱することによりほぼ無色の溶液を得た。窒素雰囲気を維持したまま、乾燥させた炭酸ナトリウム(53.00g,0.5mol)及び炭酸カリウム(3.46g,0.025mol)(いずれも目開き500マイクロメートルの篩を通過したもの)を添加した。温度を1℃/分で250℃に昇温し、15分間保持した。温度を1℃/分で320℃に昇温し、60分間保持した。反応混合物を放冷し、窒素雰囲気中で一夜静置した。翌日、混合物の温度を320℃に昇温し、150分間保持した。次いでこの容器に4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(5g)を装入し、320℃でさらに30分間保持した。次いで反応混合物を金属箔のトレイに注いで放冷し、粉砕して、アセトン2リットルで洗浄し、次いで40〜50℃の温度の温水で、廃水の導電率が<2μSになるまで洗浄した。得られたポリマー粉末を120℃の送風式オーブンで12時間乾燥させた。
実施例15〜24:200mol規模でのポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
蓋、スターラー/撹拌シール、窒素導入口及び排出口を備えた300リットル容の槽にジフェニルスルホン(125.52kg)を装入し、150℃に加熱した。完全に融解したら、4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(44.82kg,205.4mol)、1,4−ジヒドロキシベンゼン(16.518kg,150mol)及び4,4’−ジヒドロキシジフェニル(9.311kg,50mol)を槽に装入した。次いで内容物を160℃に加熱した。窒素雰囲気を維持したまま、乾燥させた炭酸ナトリウム(21.368kg,201.6mol)及び炭酸カリウム(1.106kg,8mol)(いずれも目開き500マイクロメートルの篩を通過したもの)を添加した。温度を1℃/分で180℃に昇温し、100分間保持した。温度を1℃/分で200℃に昇温し、20分間保持した。温度を1℃/分で305℃に昇温し、所望の溶融粘度(スターラーのトルク上昇により求められる)に到達するまで保持した。必要なトルク上昇は、トルク上昇対MVの検量線から求めた。反応混合物をバンド流延機に注いでから、水浴で放冷し、粉砕して、アセトン及び水で洗浄した。得られたポリマー粉末を、内容物の測定温度が112℃になるまでタンブルドライヤーで乾燥させた。
実施例25〜28:200モル規模でのポリエーテルエーテルケトン(PEEK)−ポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)共重合体の調製
DPSの量を96.72kgとしたことを除いて、実施例15〜24に記載した手順を繰り返した。
下の表1に実施例1〜28を一覧にまとめたものである。本明細書に記載したD50を
実施例29に記載するように測定した。
実施例29:D50を求めるための一般手順
炭酸ナトリウムのD50を、マルバーン・レーザ回折式粒度分布測定装置により、付属のマスターサイザー(Mastersizer)3000ソフトウェアを用いて測定した。試料の屈折率の数値を必要としないフラウンホーファ理論に基づく方法を用いた。マスターサイザー300ソフトウェアを用いて、機器パラメータを次に示すように設定した。
乾燥させた炭酸塩試料(<5g)をすくって装置上部のホッパから投入した。ブランク測定を行った後、試料の測定を2回行った。供給速度を17%から開始し、減衰率の測定値が1〜6%の範囲内に確実に収まるように手動で調整した。
表1に炭酸カリウムの量をmol%で示す。本明細書において特に指定しない限り、炭酸カリウムのmol%は次に示すように定義する:
表1に示す溶融粘度(MV)は実施例30に記載するように測定することができる。
実施例30:ポリマーの溶融粘度(MV)の測定
特に明記しない限り、キャピラリーレオメトリーにより、0.5mm×3.175mmの炭化タングステンダイを使用して、340℃、剪断速度1000s−1で操作することによって測定を行った。MV測定は、ポリマーが完全に融解してから5分後に開始した。これには、ポリマーをレオメータのシリンダに充填してから5分間を要する。
実施例31:実施例1〜28のポリアリ−ルエ−テルケトンの示差走査熱量分析
結晶化度(表2に記載)は、幾つかの方法で、例えば、密度によるか、IR分光測定によるか、X線回折によるか、又は示差走査熱量分析(DSC)により評価することができる。実施例1〜28により得られるポリマー中に構築された結晶化度の評価は、DSC法により、FRS5センサーを備えたメトラー・トレド・DSC1・スター・システム(Mettler Toledo DSC1 Star system)を使用して行った。
実施例1〜28のポリマーに関し、ガラス転移温度(Tg)、冷結晶化温度(Tn)、
融解温度(Tm)ならびに核形成の融解熱量(ΔHn)及び融解の融解熱量(ΔHm)を、次に示すDSC法を用いて測定した。
乾燥させた各ポリマー試料(7g)を金型内で50barで加圧しながら400℃で2分間加熱することにより圧縮成形して非晶性フィルムとした後、冷水で急冷することにより、寸法120×120mm、厚みが0.20mm前後のフィルムを得た。各フィルム(8mg±3mg)を次に示すようにDSCで走査した:
工程1:試料を30℃から400℃まで20℃/分で昇温することによる予備加熱サイクルを行い、記録;
工程2:5分間保持;
工程3:20℃/分で30℃まで降温、5分間保持;
工程4:30℃から400℃まで20℃/分で再び昇温し、Tg、Tn、Tm、ΔHn及びΔHmを記録。
工程4の走査から得られたDSCを追跡することにより、転移が起こる前のベースラインに沿って引いた線と転移の最中に見られる最大の傾きに沿って引いた線との交点として、Tgの開始点を得た。Tnは、冷結晶化による発熱の主ピークが極大点に到達した際の温度とした。Tmは、融解吸熱の主ピークが極大点に到達した際の温度とした。
融解の融解熱量(ΔHm)は、融解吸熱が比較的直線状のベースラインから逸れる2つの点を結ぶことにより得た。時間の関数としての吸熱曲線に囲まれた部分を積分することにより得られた面積から、融解転移のエンタルピー(mJ)が得られる。単位質量当たりの融解熱量は、このエンタルピーを試料の質量で除することにより求められる(J/g)。結晶化度(%)は、試料の融解熱量を、完全に結晶化したポリマーの融解熱量(ポリエーテルエーテルケトンの場合は130J/g)で除することにより求めた。
結果を表2に示す。
実施例32:機械的性質
MVが0.25kNsm−2となる実施例15〜19の材料のブレンド物の機械的性質を一連の試験において評価した。結果を表3に示す。
表3には、比較のため、市販のビクトレックスPEEK 150について行った機械的試験の結果も示す。
考察
総括すると、本明細書に記載した方法を、有利には、予想される結晶化度よりも高い結晶化度を有するPEEK:PEDEK共重合体の製造に使用することができることが見出された。図1は、表1及び表2の結果をプロットしたものである。このグラフは、上に述べたように(すなわち、キャピラリーレオメトリーを用いて、0.5mm×3.175mmの炭化タングステンダイを用いて、340℃、剪断速度1000s−1で操作することにより)求めた溶融粘度(MV)に対するlog10(X%)(すなわち上に述べたようにDSCで測定した結晶化度(%)のlog10)を表したものである。図1において、実施例1及び15〜28の結果を示す第1群の点(四角形で表す)は、選択されたMVに対し、実施例2〜14(三角形で表す)の結果を示す第2群の点よりも高い結晶化度を有する。第1群の点は、ヒドロキシモノマーの総モル量を基準として少なくとも2.5mol%使用した方法により製造された高分子材料に関連するものである。一方、第2群の点は、ヒドロキシモノマーの総モル量を基準として2.5mol%未満の炭酸カリウムを使用した方法によるものである。炭酸カリウムの使用量がPEEK:PEDEK共重合体の結晶化度に影響を及ぼすことは明白であり、例えば、米国特許第4717761号明細書の開示内容に基づき予想されるであろう結晶化度よりも高い結晶化度が得られる。第2群の点に関する直線の式は:
log10(X%)=1.45−0.24MV
であることが分かった。
図1は、第2群の点よりも上側にある第1算出境界線も含む。算出境界線は、本発明の好適な実施形態による高分子材料(すなわち、境界線よりも上側にある材料)と、本発明の好適な実施形態によらない高分子材料(すなわち、境界線よりも下側にある材料)とを視覚的に分けるために含まれるものである。この境界線の式は:
log10(X%)=1.50−0.26MV
である。
したがって、好適な実施形態による高分子材料に関しては次の関係が成り立つ:
log10(X%)>1.50−0.26MV。
図1は、第1算出境界線よりも上側にある第2算出境界線を含み、第2境界線は、より好適な実施形態を定めるものである。したがって、より好適な実施形態は、第2算出境界線よりも上側の領域にあり、次の関係が成り立つ:
log10(X%)>1.50−0.23MV
(式中、X及びMVは上記と同義である)。
図1は、第2算出境界線よりも上側にある第3算出境界線を含む。第3線は、特に好適な実施形態を定めるものである。したがって、特に好適な実施形態は、第3算出境界線よりも上側の領域にあり、次の関係が成り立つ:
log10(X%)>1.51−0.28MV+0.06MV
(式中、X及びMVは、上記と同義である)。
上述の実施例及び他の例に基づき、図2に図式的に表す関係を求めた。「結晶化度不十分」という呼称は、PEEK:PEDEK共重合体の結晶化度が25%未満であったことを意味し、「良好な結晶化度」という呼称は、共重合体の結晶化度が25%を超えていたことを意味する。 図2において、本発明の好適な実施形態は、ヒドロキシモノマーの総モル量を基準とする炭酸カリウムのmol%が2.5mol%を超えるか又は次の関係が成立する方法を用いるものである:
が46以下である。
本発明の好適な実施形態に従う高分子材料と上述の他の材料との違いを検討するために、NMRを用いて実施例28に記載した材料を評価した。
実施例33:PEEK:PEDEKポリマーのNMR分析及びPEEKポリマーとの比較
実施例21の高分子材料(本発明の好適な実施形態に従う材料)、実施例4、実施例10及びPEEK 150から作製した圧縮成形フィルムの構造の違いを確認するために評価を行った。 分析を行うために、各圧縮成形フィルムの一部をメタンスルホン酸/二塩化メチレン溶媒(ポリアリールエーテルケトンポリマーに用いられる標準的な溶媒)に溶解した。各場合において、得られた溶液は肉眼では透明であり、完全に可溶であることを示唆していた。 この溶液をLambda 300機器を用いて25℃で測定を行うことにより13C NMRスペクトルを得た。スペクトルのカルボニル領域が広がっており、次に示す、化学的環境が僅かに異なる3個のカルボニル基が同定された:
199.7ppm PEEK単独重合体(PEEK 150材料を評価に用いた場合に見られる);
199.35ppm PEDEK単独重合体;
199.5ppm PEEK:PEDEK交互単位(interchange unit)(試料が2種類の単独重合体(すなわち、PEEK及びPEDEK)のブレンド物である場合は、この共鳴は存在しないであろうことに注意)。
このPEEK:PEDEK共重合体が75:25の組成を有することに基づき、試料が100%ランダムに配列している場合に上述の共鳴の結果として得られるであろう理論上の面積を求めた。次いで、スペクトルから求められた面積を理論値と比較し、後述する各PEEK:PEDEK材料のランダム性(%)を得た。
(発明の効果)
このように、本発明の好適な実施形態に従い用いられる方法によって、よりランダム性の高い共重合体が生成し、それにより、予想され得る結晶化度よりも高い結晶化度が得られることが明らかである。
本発明は、上述の実施形態の詳細に制限されない。本発明は、本明細書(添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む)に開示された任意の新規な特徴もしくは特徴の新規な組合せにまで、又は本明細書に同じく開示された任意の方法又は方法の新規な工程もしくは工程の新規な組合せにまで及ぶ。

Claims (24)

  1. 式:
    −O−Ph−O−Ph−CO−Ph− I
    (式中、Phは、フェニレン部分を表す)の繰り返し単位及び式:
    −O−Ph−Ph−O−Ph−CO−Ph− II
    の繰り返し単位を含み、
    繰り返し単位I及び繰り返し単位IIの相対的なモル比(I:II)が65:35〜95:5であり、
    log10(X%)>1.50−0.26MV
    (X%は、実施例31に記載された通りに測定される結晶化度(%)を指し、MVは、実施例30に記載された通りに測定される溶融粘度である)である、高分子材料。
  2. 式Iの繰り返し単位のフェニレン部分(Ph)の数の少なくとも95%が、自身が結合している部分に1,4−結合しており、式IIの繰り返し単位のフェニレン部分(Ph)の数の少なくとも95%が、自身が結合している部分に1,4−結合している、請求項1に記載の材料。
  3. log10(X%)>1.50−0.23MVである、請求項1又は請求項2に記載の材料。
  4. log10(X%)>1.50−0.28MV+0.06MVである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の高分子材料。
  5. 式Iの単位を68mol%〜82mol%含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の材料。
  6. 式Iの単位を72〜77mol%含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の材料。
  7. 式IIの単位を18〜32mol%含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の材料。
  8. 式IIの単位を23〜28mol%含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載の材料。
  9. 前記高分子材料の式Iの単位及び式IIの単位のmol%の総和が少なくとも99mol%である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の材料。
  10. Tmが300℃〜310℃の範囲にある、請求項1〜9のいずれか一項に記載の材料。
  11. 前記高分子材料のTgが145℃〜155℃の範囲にあり、Tmが300℃〜310℃の範囲にあり、Tm及びTgの差が145℃〜165℃の範囲にある、請求項1〜10のいずれか一項に記載の材料。
  12. 結晶化度が少なくとも25%である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の材料。
  13. 前記高分子材料及び充填媒体を含む組成物の一部である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の材料。
  14. 前記充填媒体が、ガラス繊維、炭素繊維、カーボンブラック及びフッ素樹脂から選択される1種又は複数種の充填材を含む、請求項13に記載の材料。
  15. 式:
    −O−Ph−O−Ph−CO−Ph− I
    (式中、Phは、フェニレン部分を表す)の繰り返し単位及び式:
    −O−Ph−Ph−O−Ph−CO−Ph− II
    の繰り返し単位を有する高分子材料を製造するための方法において、
    少なくとも1種のジヒドロキシベンゼン化合物及び少なくとも1種のジヒドロキシビフェニル化合物の、モル比が65:35〜95:5である混合物を、炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムの存在下に、少なくとも1種のジハロベンゾフェノンと重縮合させる工程を含み、
    (i)前記炭酸カリウムのmol%が少なくとも2.5であり、及び/又は
    (ii)次の関係(「D50/mol%の関係」と称する):
    が成立する、方法。
  16. 前記炭酸カリウムのmol%が少なくとも3mol%かつ10mol%未満である、請求項15に記載の方法。
  17. 前記炭酸カリウムのmol%が6mol%未満である、請求項15又は請求項16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記方法に使用される炭酸ナトリウムのmol%が少なくとも90mol%である、請求項15〜17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記方法に使用される炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムのmol%の総和が少なくとも100mol%である、請求項15〜18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記方法に使用される炭酸塩が炭酸ナトリウム及び炭酸カリウムのみである、請求項15〜19のいずれか一項に記載の方法。
  21. D50/mol%の関係が30未満である、請求項15〜20のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記炭酸ナトリウムのD50が50〜140μmの範囲にある、請求項15〜21のいずれか一項に記載の方法。
  23. 式:
    のジヒドロキシベンゼン化合物を選択する工程と、
    式:
    のジヒドロキシビフェニル化合物を選択する工程と
    を含み、化合物V及び化合物VIのモル比が65:35〜95:5の範囲にある、請求項15〜22のいずれか一項に記載の方法であって、前記方法が、式V及び式VIの化合物を、式:
    (式中、X及びXは、独立に、ハロゲン原子を表す)の化合物と重縮合させる工程を含む、方法。
  24. 前記方法に使用されるモノマーの少なくとも95重量%が、式V、式VI及び式VIIのモノマーから構成される、請求項15〜23のいずれか一項に記載の方法。
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