JP2018087347A - 架橋化有機ポリマー組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法第119条(e)項の下、発明の名称が「架橋化有機ポリマー組成物および加工可能性を増大させるためのその改変方法」である2013年6月10日出願の米国仮特許出願第61/833,351号および発明の名称が「架橋化有機ポリマー組成物およびその形成のために架橋反応速度を制御する方法」である2013年10月22日出願の同第61/716,800号の利益を主張する。
本発明は、架橋化有機ポリマー(ポリマー鎖内に芳香族基を有する架橋化有機ポリマーが含まれる)、架橋組成物、およびかかるポリマーを作製する方法に関する。より詳細には、高ガラス転移温度の有機ポリマーを形成するためにかかる組成物中の架橋化合物の架橋反応速度を制御する方法、ならびに例えば、ダウンホールツールに適用するために使用することができる成形部品の形成におけるかかる架橋化有機ポリマーおよびポリマー組成物の加工可能性を増大させる方法に関する。
高ガラス転移温度のポリマーは、多数の高温での適用において有用であった。かかる高ガラス転移温度の有機ポリマーの改変により、一般に、非改変有機ポリマーと比較して極端な温度環境で必要とされる部品および製品として使用するための高温での性能、強度、および耐薬品性が改良される。
架橋剤は有効であり得るが、架橋の速度および程度を制御することは困難であり得る。架橋化ポリアリーレンエーテルポリマー(架橋化ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)が含まれる)などの骨格中に芳香族基を有する架橋化有機ポリマーは、本明細書中に記載の架橋を制御するための薬剤を使用して作製した場合でさえ、高温(Tgが約270℃超である)で十分に機能する無定形ポリマーである。架橋により、ベースポリマーの高温特性に強化された耐薬品性が付加される。上記で確認した特許および特許出願公開に記述の技術および本明細書中に記載の出願人の技術を使用して架橋することができる。成形において、制御された架橋化ポリマーは、約250℃(または材料のTgよりいくらか低い温度)で十分に機能する。しかし、成形温度が上昇するにつれて、反応が加速されて1分以内に完全に硬化し得る。しかし、射出成形品(管材、ロッド、または電気コネクタなど)のサイクル時間は、一般に、3〜5分以上である。1分未満での完全硬化は、成形部品の形成における従来の成形技術(射出成形または押出しなど)の有用性を妨害し得る。
先行技術は、化合物を使用して架橋反応を遅延または抑制し、緩和することを試みており、その反応は公知である。Vanderbilt Rubber Handbook、第13版、1990、281頁を参照のこと。しかし、かかる反応を制御および抑制し、伝統的な成形技術を使用してかかるポリマーをより容易に加工する能力を改良することが当該分野で依然として必要である。
本発明は、架橋化合物ならびに有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物を含む架橋組成物であって、前記架橋化合物が、式(IV):
(式中、Aは、10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、x=2.0〜6.0)の構造を有し、
前記架橋反応添加物が架橋化合物と反応してオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができ、反応性中間体オリゴマーが有機ポリマーを架橋することができる、架橋組成物を含む。
を有し得る。
(式中、MはI族金属またはII族金属であり;R2はアルキル、アリール、またはアラルキル基であり、アルキル基は、炭化水素基の鎖に沿ってか鎖中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基、好ましくは約0〜約5個のエステル基またはエーテル基を有する1〜約30個の炭素原子、好ましくは約1〜約15個の炭素原子の炭化水素基であり、R2は、1つまたは複数のスルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、またはカリウムであり得る0〜約10個、好ましくは約0〜約5個の官能基を有し得る)の構造を有するアセテート化合物であり得る。より好ましくは、アセテート化合物は、酢酸リチウム水和物、酢酸ナトリウム、および/または酢酸カリウム、ならびにその塩および誘導体であり得る。
テルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリ尿素、ポリウレタン、ポリフタルアミド、ポリアミド−イミド、ポリ(ベンズイミダゾール)、およびポリアラミドから選択されるポリマーである。
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、そしてn=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)であるポリマーであり得る。
の構造を有する繰り返し単位を有する。
ルミニウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ホウ砂(ホウ酸ナトリウム)、活性炭、パーライト、亜鉛テレフタレート、グラファイト、タルク、マイカ、炭化ケイ素のウィスカまたは板状結晶、ナノフィラー、モリブデンジスルフィド、フルオロポリマー充填剤、カーボンナノチューブ、およびフラーレンチューブから選択される1つまたは複数の充填剤から選択される。
加するにつれて、速度制御のためにかかる架橋反応添加物を使用することによって達成され得る抑制度は常に十分でないかもしれず、その結果、本明細書中のいくつかの実施形態では、硬化速度および架橋速度を減少および/または制御するように末端効果を改善するためのさらなる改変が望ましいことを観察した。
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の構造を有する。
からなる群から選択される構造を有する。
(式中、MはI族金属またはII族金属であり;R2は、アルキル基、アリール基、またはアラルキル基であり、アルキル基は、基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基、好ましくは0〜約5個のかかる基を有する1〜約30個の炭素原子の炭化水素基を含み、R2は、スルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、またはカリウムから選択される0〜約10個の官能基を含む)の構造を有するアセテート化合物である。
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、そしてn=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)であるポリマーであり得る。
の構造を有する繰り返し単位を有する。
置換であってよい。
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、そしてn=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)である。1つの実施形態では、かかる有機ポリマーはポリ(アリーレンエーテル)であり、mは1であり、nは0であり、前記ポリマーは、その骨格に沿
って、式(V):
の構造を有する繰り返し単位を有する。
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の構造を有する。
(式中、MはI族金属またはII族金属であり;R2は、アルキル基、アリール基、またはアラルキル基であり、アルキル基は、基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基、好ましくは0〜約5個のかかる基を有する1〜約30個の炭素原子の炭化水素基を含み、R2は、スルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、またはカリウムから選択される0〜約10個の官能基を含む)の構造を有するアセテート化合物であり得る。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1) 架橋化合物ならびに有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物を含む組成物であって、該架橋化合物が、式(IV):
(式中、Aは、10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の構造を有し、
該架橋反応添加物が該架橋化合物と反応してオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができ、反応性中間体オリゴマーが有機ポリマーを架橋することができる、組成物。
(項目2) 前記架橋化合物は、
からなる群から選択される構造を有する、項目1に記載の組成物。
(項目3) 前記アレーン部分が約1,000g/mol〜約9,000g/molの分子量を有する、項目1に記載の組成物。
(項目4) 前記アレーン部分が約2,000g/mol〜約7,000g/molの分子量を有する、項目3に記載の組成物。
(項目5) 前記架橋反応添加物が、氷酢酸、ギ酸、および/または安息香酸から選択される有機酸である、項目1に記載の組成物。
(項目6) 前記架橋反応添加物が、式(II):
(式中、MはI族金属またはII族金属であり;R2は、アルキル基、アリール基、またはアラルキル基であり、前記アルキル基は1〜約30個の炭素原子の炭化水素基を含み、前記アルキル基は、前記基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基を有し、R2は、スルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、またはカリウムから選択される0〜約10個の官能基を含む)の構造を有するアセテート化合物である、項目1に記載の組成物。
(項目7) 前記アセテート化合物が、酢酸リチウム水和物、酢酸ナトリウム、および/または酢酸カリウム、ならびにその塩および誘導体から選択される、項目6に記載の組成物。
(項目8) 前記架橋化合物の前記架橋反応添加物に対する重量百分率が約10:1〜約10,000:1である、項目1に記載の組成物。
(項目9) 前記架橋化合物の前記架橋反応添加物に対する重量百分率が約20:1〜約1000:1である、項目8に記載の組成物。
(項目10) 少なくとも1つの有機ポリマーをさらに含み、前記架橋反応添加物が前記架橋化合物と反応してオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができ、反応性中間体オリゴマーが有機ポリマーを架橋することができる、項目1に記載の組成物。
(項目11) 前記有機ポリマーが、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリ尿素、ポリウレタン、ポリフタルアミド、ポリアミド−イミド、ポリ(ベンズイミダゾール)、およびポリアラミドから選択される、項目10に記載の有機ポリマー組成物。
(項目12) 前記有機ポリマーが、以下の構造:
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、そしてn=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)である、項目11に記載の有機ポリマー組成物。
(項目13) 前記有機ポリマーがポリ(アリーレンエーテル)であり、mが1であり、nが0であり、前記ポリマーが、式(V):
の構造を有する繰り返し単位を有する、項目12に記載の有機ポリマー組成物。
(項目14) 前記架橋反応添加物が、氷酢酸、ギ酸、および/または安息香酸から選択される有機酸である、項目10に記載の有機ポリマー組成物。
(項目15) 前記架橋反応添加物が、式(II):
(式中、MはI族金属またはII族金属であり;R2は、アルキル基、アリール基、またはアラルキル基であり、前記アルキル基は1〜約30個の炭素原子の炭化水素基を含み、前記アルキル基は、前記基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基を有し、R2は、スルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、またはカリウムから選択される0〜約10個の官能基を含む)の構造を有するアセテート化合物である、項目10に記載の有機ポリマー組成物。
(項目16) 前記有機ポリマーの前記架橋化合物および前記架橋反応添加物の組み合わせ重量に対する重量百分率が約1:1〜約100:1である、項目10に記載の有機ポリマー組成物。
(項目17) 前記有機ポリマーの前記架橋化合物と前記架橋反応添加物との組み合わせ重量に対する重量百分率が約3:1〜約10:1である、項目16に記載の有機ポリマー組成物。
(項目18) 前記組成物が、炭素繊維、グラスファイバー、織物状グラスファイバー、織物状炭素繊維、アラミド繊維、ホウ素繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、セラミック繊維、ポリアミド繊維から選択される連続または不連続、長繊維または短繊維の強化用繊維;ならびにカーボンブラック、シリケート、ファイバーグラス、硫酸カルシウム、ホウ素、セラミック、ポリアミド、アスベスト、フルオログラファイト、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ホウ砂(ホウ酸ナトリウム)、活性炭、パーライト、亜鉛テレフタレート、グラファイト、タルク、マイカ、炭化ケイ素のウィスカまたは板状結晶、ナノフィラー、モリブデンジスルフィド、フルオロポリマー、カーボンナノチューブ、およびフラーレンチューブから選択される1つまたは複数の充填剤から選択される少なくとも1つの添加物をさらに含む、項目10に記載の有機ポリマー組成物。
(項目19) 前記組成物が、約0.5重量%〜約65重量%の前記少なくとも1つの添加物を含む、項目18に記載の有機ポリマー組成物。
(項目20) 前記組成物が、安定剤、難燃剤、色素、可塑剤、界面活性剤、および/または分散剤をさらに含む、項目10に記載の有機ポリマー組成物。
(項目21) 項目10に記載の組成物から形成される成形品。
(項目22) 前記物品を、押出し、射出成形、ブロー成形、ブローフィルム成形、圧縮成形、または射出/圧縮成形を使用して成形する、項目21に記載の成形品。
(項目23) 項目10に記載の組成物から形成された製品であって、前記製品が、耐酸コーティング;化学的流延フィルム;押出しフィルム;溶媒流延フィルム;ブローフィルム;カプセル化製品;絶縁材;包装材;複合セル;コネクタ;シーリングアセンブリ(Oリング、Vリング、Uカップ、ガスケットが含まれる);ベアリング;バルブシート;アダプタ;ワイパリング;シェブロンバックアップリング;および管材料から選択される、製品。
(項目24) 架橋化有機ポリマーの形成で用いる有機ポリマー組成物であって、
有機ポリマー;および
式(IV):
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、または/およびアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の構造を有する架橋化合物と有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物との反応生成物である反応性架橋オリゴマー
を含む、組成物。
(項目25) 項目24に記載の組成物から形成された成形品。
(項目26) 有機ポリマーの架橋で用いる架橋化合物の架橋反応速度を制御する方法であって、
a)架橋化合物ならびに有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物を含む架橋組成物を提供する工程であって、該架橋化合物が、式(IV):
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の構造を有し、該架橋反応添加物が該架橋化合物と反応して有機ポリマーの架橋のためのオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができる、工程;および
b)該架橋化合物のオリゴマー化が起こるように該架橋組成物を加熱する工程
を含む、方法。
(項目27) 工程(b)が、熱成形前に前記架橋組成物を加熱することをさらに含む、項目26に記載の方法。
(項目28) 前記架橋反応添加物は、氷酢酸、ギ酸、および/もしくは安息香酸から選択される有機酸、ならびに/または酢酸リチウム、酢酸ナトリウム水和物、および/もしくは酢酸カリウムから選択されるアセテート化合物、ならびにその塩および誘導体である、項目26に記載の方法。
(項目29) 前記架橋化合物と前記架橋反応添加物とを工程(a)において固体形態で合わせることをさらに含む、項目26に記載の方法。
(項目30) 前記架橋化合物と前記架橋反応添加物とを工程(a)において溶媒中で合わせ、前記架橋化合物と前記架橋反応添加物とを反応させて反応性のオリゴマー化した架橋化合物を形成する工程をさらに含む、項目26に記載の方法。
(項目31) (c)前記反応性のオリゴマー化した架橋化合物を有機ポリマーに添加して架橋性組成物を形成する工程、および
(d)前記有機ポリマー組成物を架橋して架橋化有機ポリマーを形成する工程
をさらに含む、項目30に記載の方法。
(項目32) 工程(c)において少なくとも1つの添加物を添加することをさらに含む、項目31に記載の方法。
(項目33) 前記有機ポリマーが、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリ尿素、ポリウレタン、ポリフタルアミド、ポリアミド−イミド、ポリ(ベンズイミダゾール)、および/またはポリアラミドから選択される、項目26に記載の方法。
(項目34) 前記有機ポリマーが、以下の構造:
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、n=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)である、項目33に記載の方法。
(項目35) 架橋化有機ポリマーの形成で用いる有機ポリマー組成物であって、
脱ハロゲン化有機ポリマー、および
少なくとも1つの架橋化合物
を含む、有機ポリマー組成物。
(項目36) 前記脱ハロゲン化有機ポリマーが脱臭素化有機ポリマーである、項目35に記載の有機ポリマー組成物。
(項目37) 前記架橋化合物が、式(IV):
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の構造を有する、項目35に記載の有機ポリマー組成物。
(項目38) 有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物をさらに含み、前記架橋反応添加物が前記架橋化合物と反応してオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができ、反応性中間体オリゴマーが前記脱ハロゲン化有機ポリマーを架橋することができる、項目35に記載の有機ポリマー組成物。
(項目39) 前記脱ハロゲン化有機ポリマーが、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリ尿素、ポリウレタン、ポリフタルアミド、ポリアミド−イミド、ポリ(ベンズイミダゾール)、およびポリアラミドから選択されるポリマーである、項目35に記載の有機ポリマー組成物。
(項目40) 前記脱ハロゲン化有機ポリマーが、その骨格に、以下の構造:
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、そしてn=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)である、項目39に記載の有機ポリマー組成物。
(項目41) 前記脱ハロゲン化有機ポリマーがポリ(アリーレンエーテル)であり、mが1であり、nが0であり、前記ポリマーが、その骨格に沿って、式(V):
の構造を有する繰り返し単位を有する、項目40に記載の有機ポリマー組成物。
(項目42) 前記組成物が、炭素繊維、グラスファイバー、織物状グラスファイバー、織物状炭素繊維、アラミド繊維、ホウ素繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、セラミック繊維、ポリアミド繊維から選択される連続または不連続、長繊維または短繊維の強化用繊維;ならびにカーボンブラック、シリケート、ファイバーグラス、硫酸カルシウム、ホウ素、セラミック、ポリアミド、アスベスト、フルオログラファイト、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ホウ砂(ホウ酸ナトリウム)、活性炭、パーライト、亜鉛テレフタレート、グラファイト、タルク、マイカ、炭化ケイ素のウィスカまたは板状結晶、ナノフィラー、モリブデンジスルフィド、フルオロポリマー、カーボンナノチューブ、およびフラーレンチューブから選択される1つまたは複数の充填剤から選択される少なくとも1つの添加物をさらに含む、項目35に記載の有機ポリマー組成物。
(項目43) 前記脱ハロゲン化有機ポリマーを、
少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーをアルカリ金属化合物と反応させて前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する前記有機ポリマーと前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基中のハロゲン原子との間の結合を破壊し、カルボカチオンを有する中間体を形成すること;および
前記カルボカチオンを有する中間体を酢酸と反応させて前記脱ハロゲン化有機ポリマーを形成すること
によって形成する、項目35に記載の有機ポリマー組成物。
(項目44) 前記アルカリ金属化合物がR3−M’からなる群から選択され、M’がアルカリ金属であり、R3が、Hであるか、基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基を有する1〜約30個の炭素原子のアルキル基、アルケニル基、アリール基、およびアラルキル基から選択される分枝鎖または直鎖の有機基であり、R3が置換または非置換であってよい、項目43に記載の有機ポリマー組成物。
(項目45) 前記アルカリ金属化合物がt−ブチルリチウムである、項目44に記載の有機ポリマー組成物。
(項目46) 前記ハロゲン含有反応基が臭素含有反応基である、項目43に記載の有機ポリマー組成物。
(項目47) 前記少なくとも1つのハロゲン含有末端基を有する有機ポリマーを溶媒中でアルカリ金属化合物と反応させ、前記少なくとも1つのハロゲン含有末端基を有する有機ポリマーを溶媒中での反応前に乾燥させる、項目43に記載の有機ポリマー組成物。
(項目48) 項目35に記載の組成物から形成される成形品。
(項目49) 架橋反応中に少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーの架橋反応速度を制御する方法であって、
a)前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーをアルカリ金属化合物と反応させて前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーと前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基中のハロゲン原子との間の結合を破壊してカルボカチオンを有する中間体を形成する工程;
b)前記カルボカチオンを有する中間体を酢酸と反応させて脱ハロゲン化有機ポリマーを形成する工程;および
c)架橋反応を使用して前記脱ハロゲン化有機ポリマーを架橋する工程
を含む、方法。
(項目50) 前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基が末端基であり、前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーが、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリ尿素、ポリウレタン、ポリフタルアミド、ポリアミド−イミド、ポリ(ベンズイミダゾール)、およびポリアラミドから選択されるポリマーである、項目49に記載の方法。
(項目51) 前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基が−R4−(X)pで示され、R4は、炭素であるか、基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基を有する1〜約30個の炭素原子のアルキル基、アルケニル基、アリール基、およびアラルキル基から選択される分枝鎖または直鎖の有機基であり、R4は置換または非置換であってよく;Xはハロゲン原子であり、pは1または2である整数である、項目49に記載の方法。
(項目52) 前記アルカリ金属化合物がR3−M’からなる群から選択され、M’はアルカリ金属であり、R3はHであるか、基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基を有する1〜約30個の炭素原子のアルキル基、アルケニル基、アリール基、およびアラルキル基から選択される分枝鎖または直鎖の有機基であり、R3は置換または非置換であってよい、項目49に記載の方法。
(項目53) 前記アルカリ金属化合物がt−ブチルリチウムである、項目52に記載の方法。
(項目54) 前記少なくとも1つのハロゲン含有末端基を有する有機ポリマーを、溶媒中で前記アルカリ金属化合物と反応させる、項目49に記載の方法。
(項目55) 前記溶媒が、前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーを溶解することができ、かつ、工程(a)のための反応条件下でハロゲン含有反応基中のハロゲンと反応する官能基を含まない、項目54に記載の方法。
(項目56) 前記溶媒が、ヘプタン、ヘキサン、テトラヒドロフラン、およびジフェニルエーテルから選択される、項目55に記載の方法。
(項目57) 前記少なくとも1つのハロゲン含有末端基を有する有機ポリマーを、前記溶媒中での前記アルカリ金属化合物との反応前に乾燥させる、項目54に記載の方法。
(項目58) 工程(a)を約−20℃未満の温度で行う、項目49に記載の方法。
(項目59) 工程(a)を約−70℃未満の温度で約2時間行う、項目58に記載の方法。
(項目60) 工程(c)が、
前記脱ハロゲン化有機ポリマーを架橋化合物と反応させる工程
をさらに含む、項目49に記載の方法。
(項目61) 工程(c)が有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物を提供することをさらに含み、前記架橋反応添加物が前記架橋化合物と反応してオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができ、反応性中間体オリゴマーが前記脱ハロゲン化有機ポリマーを架橋することができる、項目60に記載の方法。
(項目62) 工程(c)の前に、前記架橋化合物および前記架橋反応添加物を、個別の組成物中で、前記架橋化合物がオリゴマー化して反応性中間体オリゴマーを形成するように加熱する工程をさらに含む、項目61に記載の方法。
(項目63) 前記架橋化有機ポリマーを熱成形して熱成形製品を形成する工程をさらに含む、項目49に記載の方法。
(項目64) 前記製品を、押出し、射出成形、ブロー成形、ブローフィルム成形、圧縮成形、または射出/圧縮成形を使用して熱成形する、項目63に記載の方法。
(項目65) 前記製品が、耐酸コーティング;化学的流延フィルム;押出しフィルム;溶媒流延フィルム;ブローフィルム;カプセル化製品;絶縁材;包装材;複合セル;コネクタ;シーリングアセンブリ(Oリング、Vリング、Uカップ、ガスケットが含まれる);ベアリング;バルブシート;アダプタ;ワイパリング;シェブロンバックアップリング;および管材料から選択される、項目63に記載の方法。
前述の概要および以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読んだ場合により理解が含まる。本発明を例示するために、現在好ましいとされる図の実施形態を示す。しかし、本発明は示された正確な順序および手段に制限されないと理解すべきである。
架橋化合物および1つまたは複数の反応性架橋添加物を含む架橋組成物、架橋化有機ポリマーの形成で用いる有機ポリマー組成物、かかる組成物およびポリマーの調製方法、ならびにダウンホール適用などでの極端な条件下での究極的適用で有用なかかる方法によって上記組成物から形成した製品を本明細書中に記載する。
橋によって相互に連結したゲルの形成開始を示す。硬化が継続するに連れて、G’が増加し、これは架橋密度を示す。硬化が継続するにつれて、最終的にG’は横ばいになり、これはほとんどの硬化が完了していることを示す。明白な交点を決定することができない場合、ガラス化の開始を示す屈曲点G’を使用することもできる(以下のグラフ1を参照のこと)。G’、G”交点、またはガラス化の開始を達成するのに必要な時間を、熱硬化材料の加工時間の上限として使用することができる。
グラフ1.380℃でのブレンド3の平行平板応力。J. Mercelら、“Thermal Analysis of Polymers:Fundamentals and Applications、”445頁、Wiley発行、1(2009)を参照のこと。
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分である)の構造を有する。R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドであってよく、xは約2.0〜約6.0である。
アレーン部分Aは、異なる構造(以下が含まれるが、これらに限定されない)を有するように変動し得る。
アレーン部分Aを、必要に応じて、1つまたは複数の官能基(例えば、スルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、またはメルカプトなどであるが、これらに限定されない)を使用して官能化することもできる。
(式中、MはI族金属またはII族金属である)。式(II)中のR2は、好ましくは、アルキル基、アリール基、またはアラルキル基であり得る。例えば、R2は、1〜約30個の炭素原子、好ましくは1〜約15個の炭素原子の炭化水素基(直鎖および異性体のメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、エテニル、プロペニル、ブテニル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、ノネニル、およびデセニルなどが含まれる)であり得る。R2はまた、炭化水素基の鎖に沿ってか鎖中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基、好ましくは約0〜約5個のかかるエステル基またはエーテル基を有し得る。適切なR2は、アリール基およびアラルキル基(0〜約10個の炭素原子、好ましくは約0〜約5個の炭素原子のアリール構造上に任意選択的な低級アルキル基をそれぞれ含み得るフェニル基、ナフチル基、および類似の基に基づいたアリール基およびアラルキル基が含まれる)であり得る。R2は、さらに、必要に応じて、構造上にスルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、および/またはカリウムなどの0〜約10個、好ましくは0〜約5個の官能基をさらに含むことができる。
好ましくは、架橋反応添加物は、酢酸リチウム水和物、酢酸ナトリウム、および/または酢酸カリウム、ならびにかかる化合物の塩および誘導体である。架橋化合物のうちの1つを使用したオリゴマー化反応を、以下のように進行することができる。
ちの1つであり得る。好ましくは、ポリマーは、これらのポリマーが化学的に不活性であり、かつダウンホールツール製品または究極的適用での使用に有害であるいかなる官能基も持たないという点で、非官能化されている。
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は、同一または異なるアリールラジカル(架橋化合物についてのアレーン部分として上記列挙の基など)であってよく、m=0〜1.0、n=1−m)のポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)である。
かかる有機ポリマーは、例えば、Greene、Tweed and Co.,Inc.、Kulpsville、PennsylvaniaのUltura(商標)として購入することができる。
化合物のR1官能性を化合物の残部から解離してカルボカチオンを得て、次いで、有機ポリマーをフリーデル・クラフツアルキル化に供して結合を形成することができる。本発明の方法の別の実施形態では、架橋化合物のオリゴマー化は、ドーピングによって生じ得る。約−100℃〜約−300℃の低温で組成物中の固体反応物を物理的に混合することによるドーピング後、得られた組成物を硬化および/または熱成形するために組成物全体を反応させて製品を形成させる。
有機酸架橋添加物を使用した架橋組成物の調製。国際公開第2013/074120A1号中の実施例2および4でジオール−2と同定された架橋化合物のうちの15.34gを、20mLの氷酢酸と300mLのシクロヘキサノンとの混合物に溶解した。溶液を、全部で13.5時間加熱還流し、その後、氷酢酸およびシクロヘキサノンを常圧蒸留によって除去した。生成物はペースト状の固体残渣であった。1HNMRおよび13CNMRのデータは、架橋化合物のC−OHのカルド炭素に対するモル比が1:00:1:00であることを示す。
有機酸架橋添加物を使用した架橋化合物のオリゴマー化後の有機ポリマー組成物の調製。実施例1の残渣のうちの0.85gを、9.15gの5000FPポリエーテルエーテルケトン(PEEK)粉末と合わせた。8mm平行板および不活性窒素パージを備えたAR2000レオメータによって分析して硬化速度を決定した。サンプルをロードし、380℃で4.5分間安定化し、60分掃引試験を行ってモジュラスの変化を記録して50分間の硬化速度を決定した。結果を図1に示す。
有機酸架橋添加物を使用した架橋化合物のオリゴマー化中の有機ポリマー組成物の調製。13.725gの5000FBポリエーテルエーテルケトン(PEEK)粉末を、1.275gの前述の架橋化合物ジオール−2、100mLシクロヘキサノン、および20mL氷酢酸とマグネチックスターラーバーを備えた500mlのRBF中で合わせた。還流4時間後、氷酢酸およびシクロヘキサノンを、短経路型蒸留器を使用して除去後、真空オーブン内で120℃にて20時間乾燥させた。8mm平行板および不活性窒素パージを備えたAR2000レオメータによって分析して硬化速度を決定した。サンプルをロードし、380℃で4.5分間安定化し、60分掃引試験を行ってモジュラスの変化を記録して50分間の硬化速度を決定した。結果を表1にまとめ、図2および2Aに示す。
アセテート化合物架橋添加物を使用した架橋組成物の調製。4ブレンドの上記で同定した架橋化合物ジオール−2および酢酸リチウム脱水物を、Spex(登録商標)6870フリーザーミルを使用して調製した。サンプルを、液体窒素中にておよそ−195℃で15分間冷却し、次いで、3分間粉砕後5分間冷却を12サイクル行った。粉砕時間は−196℃、速度10サイクル/秒にて全部で96分間であった。本実施例では溶媒を使用しなかった。組成物の各成分の重量を、以下の表2に列挙する。
アセテート化合物架橋添加物を使用した架橋化合物のオリゴマー化後の有機ポリマー組成物の調製。実施例4中のブレンド2のオリゴマー化架橋剤組成物のうちの8.0gを、92gの5000FPポリエーテルエーテルケトン(PEEK)粉末と500mLボトル中で合わせ、45rpmで30分間震盪した。8mm平行板および不活性窒素パージを備えたAR2000レオメータによって分析して硬化速度を決定した。サンプルをロードし、380℃で4.5分間安定化し、60分掃引試験を行ってモジュラスの変化を記録して50分間の硬化速度を決定した。結果を表3にまとめ、図3および3Aに示す。
かかる末端基は、架橋化有機ポリマーの加工および性質に負の影響を及ぼし得る。かかる末端基を除去するために架橋用化合物を使用して典型的に形成したかかるポリマーの処理により、かかる処理を使用しなかった同一のポリマーより有意に加工性が高い材料が得ら
れる。
9,9’−(ビフェニル−4,4’−ジイル)ビス(9H−フルオレン−9−オール)のヒドロキシル基の喪失によって生成される熱生成カルボカチオンは、反応性中間体となり、これは、架橋反応開始の律速段階となりやすい。9,9’−(ビフェニル−4,4−ジイル)ビ(9H−フルオレン−9−オール)および関連変異体を使用した有機ポリマーの架橋反応についての提案される反応機構(B)を以下に示す。
用してこの評価を継続すると、生成され得るHBrまたは他の類似の酸の理論的モル量は、反応抑制添加物として添加した酢酸リチウム二水和物(塩基)のモル量のおよそ2.4倍である。したがって、この問題を克服するための自然な方法は、生成された酸を中和する抑制効果を有する高濃度の酢酸リチウムまたは他の反応性添加物を組み込むこと。不運なことに、非常に過剰および/または大量のかかる反応性阻害添加物(例えば、酢酸リチウム)を使用する場合、過剰な添加物が実質的に反応を加速し始める可能性があり、したがって、複雑な反応機構において上記の本発明で記述した添加物の有効範囲を制限するので、ハロゲン酸の存在下での逆効果に寄与し得る。
and Daniels Methodを参照のこと。この方法により、活性化エネルギーおよび他の動態パラメーターの計算が可能である。一旦これらの速度係数が得られると、種々の温度における反応半減期を計算することができる。次いで、ポリマーおよび抑制剤の種々の処理のために得た半減期を比較して、特定の処理によって得た硬化時間(架橋反応時間)の改善を評価することができる。
ーとして使用した場合、熱形成中に熱硬化速度をさらにより遅延させることができ、より広い範囲およびより良好な制御ならびに反応速度の抑制が可能である。
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は、同一または異なるアリールラジカル(架橋化合物についてのアレーン部分として上記列挙の基など)であってよく、m=0〜1.0、n=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含む前述のポリ(アリーレンエーテル)など)である。
分子量(Mn)が約10,000〜約30,000である上記の一般的構造(nは0であり、mは1である)を有するポリ(アリーレンエーテル)である。
前述のように、かかる有機ポリマーは、例えば、Greene、Tweed and Co.,Inc.、Kulpsville、PennsylvaniaのUltura(商標)として購入することができる。
ル基またはエーテル基、好ましくは0〜約5個のかかるエーテル基またはエステル基を有する1〜約30個の炭素原子、好ましくは1〜約20個の炭素原子のアルキル基、アルケニル基、アリール基、およびアラルキル基から選択される分枝鎖または直鎖の有機基であり、R4は置換または非置換であってよい。適切なアルキルには、メチル、エチル、プロピル、イソ−プロピル、ブチル、イソ−ブチル、tert−ブチル、ペンチル、ヘキシル、およびヘプチルなどが含まれる。適切なアルケニルには、メテニル、エテニル、プロペニル、イソ−プロペニル、ブテニル、イソ−ブテニル、tert−ブテニル、およびペンテニルなどが含まれる。アリール基は、単環構造または多環構造(ベンジル(benyl)、フェニル、キシリル、ビフェニル、およびジベンジルなど)であってよく、かかる基をアリール基またはアラルキル基または側鎖を有するように修飾してアラルキル構造を形成することもできる。Xはハロゲン、臭素、ヨウ素、塩素、およびフッ素などを示し、pは1または2の整数である。
over Palladium−Supported Catalysts”、3巻、6号、Comptes Rendus L’Academie des Sciences−Chemistry、465−470頁(2000年11月)を参照のこと。グリニャール試薬での処理によって脱ハロゲン化することもできる。Grignard Degradation、Comprehensive Organic Name Reactions and Reagents、1271−1272頁(2010年9月)。
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは約2.0〜約6.0である)の前述の構造を有する架橋化合物が好ましい。
アレーン部分Aを、異なる構造(以下が含まれるが、これらに限定されない)を有するように変化させることができる。
アレーン部分Aを、必要に応じて、1つまたは複数の官能基(例えば、スルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、またはメルカプトなどであるが、これらに限定されない)を使用して官能化することもできる。架橋化合物を、前述のように形成することができる。
(式中、MはI族金属またはII族金属である)。式(II)中のR2は、好ましくは、アルキル基、アリール基、またはアラルキル基であり得る。例えば、R2は、1〜約30個の炭素原子、好ましくは約1〜約15個の炭素原子の炭化水素基(直鎖および異性体のメチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、エテニル、プロペニル、ブテニル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、ノネニル、およびデセニルなどが含まれる)であり得る。R2はまた、炭化水素基の鎖に沿ってか鎖中に0〜約10個のエステル基またはエーテル基、好ましくは約0〜約5個のかかる基を有し得る。適切なR2は、アリール基およびアラルキル基(0〜約5個の炭素原子のアリール構造上に任意選択的な低級アルキル基をそれぞれ含み得るフェニル基、ナフチル基、および類似の基に基づいたアリール基およびアラルキル基が含まれる)であり得る。R2は、さらに、必要に応じて、構造上にスルフェート、ホスフェート、ヒドロキシル、カルボニル、エステル、ハライド、メルカプト、および/またはカリウムなどの0〜約5個の官能基をさらに含むことができる。
00℃の低温で組成物中の固体反応物を物理的に混合することによるドーピング後、得られた組成物を硬化および/または熱成形するために組成物全体を反応させて製品を形成させる。
以下の実施例では、DSCデータを、TA InstrumentsモデルQ100DSCにて加熱速度20℃/分で収集した。
使用して−70℃未満に冷却した。
Claims (14)
- 架橋化有機ポリマーの形成で用いる有機ポリマー組成物であって、
脱ハロゲン化有機ポリマー、および
少なくとも1つの架橋化合物
を含み、該脱ハロゲン化有機ポリマーは、少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーをアルカリ金属化合物と反応させて前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する前記有機ポリマーと前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基中のハロゲン原子との間の結合を破壊し、中間体を形成することを含むプロセスによって形成される、有機ポリマー組成物。 - 前記脱ハロゲン化有機ポリマーが脱臭素化有機ポリマーである、請求項1に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記架橋化合物が、式(IV):
(式中、Aは10,000g/mol未満の分子量を有するアレーン部分であり、R1は、ヒドロキシド(−OH)、アミン(−NH2)、ハライド、エーテル、エステル、またはアミドからなる群から選択され、xは2.0〜6.0である)の構造を有する、請求項1に記載の有機ポリマー組成物。 - 有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加物をさらに含み、前記架橋反応添加物が前記架橋化合物と反応してオリゴマー形態の反応性中間体を形成することができ、反応性中間体オリゴマーが前記脱ハロゲン化有機ポリマーを架橋することができる、請求項1に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記脱ハロゲン化有機ポリマーが、ポリ(アリーレンエーテル)、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリ尿素、ポリウレタン、ポリフタルアミド、ポリアミド−イミド、ポリ(ベンズイミダゾール)、およびポリアラミドから選択されるポリマーである、請求項1に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記脱ハロゲン化有機ポリマーが、その骨格に、以下の構造:
(式中、Ar1、Ar2、Ar3、およびAr4は同一のまたは異なるアリールラジカルであり、m=0〜1.0、そしてn=1−m)を有するポリマー繰り返し単位を含むポリ(アリーレンエーテル)である、請求項5に記載の有機ポリマー組成物。 - 前記脱ハロゲン化有機ポリマーがポリ(アリーレンエーテル)であり、mが1であり、nが0であり、前記ポリマーが、その骨格に沿って、式(V):
の構造を有する繰り返し単位を有する、請求項6に記載の有機ポリマー組成物。 - 前記組成物が、炭素繊維、グラスファイバー、織物状グラスファイバー、織物状炭素繊維、アラミド繊維、ホウ素繊維、ポリテトラフルオロエチレン繊維、セラミック繊維、ポリアミド繊維から選択される連続または不連続、長繊維または短繊維の強化用繊維;ならびにカーボンブラック、シリケート、ファイバーグラス、硫酸カルシウム、ホウ素、セラミック、ポリアミド、アスベスト、フルオログラファイト、水酸化アルミニウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ホウ砂(ホウ酸ナトリウム)、活性炭、パーライト、亜鉛テレフタレート、グラファイト、タルク、マイカ、炭化ケイ素のウィスカまたは板状結晶、ナノフィラー、モリブデンジスルフィド、フルオロポリマー、カーボンナノチューブ、およびフラーレンチューブから選択される1つまたは複数の充填剤から選択される少なくとも1つの添加物をさらに含む、請求項1に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記脱ハロゲン化有機ポリマーを、
少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する有機ポリマーをアルカリ金属化合物と反応させて前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基を有する前記有機ポリマーと前記少なくとも1つのハロゲン含有反応基中のハロゲン原子との間の結合を破壊し、中間体を形成すること;および
前記中間体を酢酸と反応させて前記脱ハロゲン化有機ポリマーを形成すること
によって形成する、請求項1に記載の有機ポリマー組成物。 - 前記アルカリ金属化合物がR3−M’からなる群から選択され、M’がアルカリ金属であり、R3が、Hであるか、基の鎖もしくは構造に沿ってまたは鎖もしくは構造中に0〜10個のエステル基またはエーテル基を有する1〜30個の炭素原子のアルキル基、アルケニル基、アリール基、およびアラルキル基から選択される分枝鎖または直鎖の有機基であり、R3が置換または非置換であってよい、請求項9に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記アルカリ金属化合物がt−ブチルリチウムである、請求項10に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記ハロゲン含有反応基が臭素含有反応基である、請求項9に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記少なくとも1つのハロゲン含有末端基を有する有機ポリマーを溶媒中でアルカリ金属化合物と反応させ、前記少なくとも1つのハロゲン含有末端基を有する有機ポリマーを溶媒中での反応前に乾燥させる、請求項9に記載の有機ポリマー組成物。
- 請求項1に記載の組成物から形成される成形品。
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