JP2019515988A - 硬化性組成物 - Google Patents

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Abstract

本出願は、硬化性組成物に関する。本出願は、外部での交流磁場の印加によって熱を発生する内部熱源をフタロニトリル化合物およびその硬化剤とともに含む硬化性組成物が提供される。前記硬化性組成物は、前記内部熱源の発生熱を交流磁場の強さによって精密に調節することができ、硬化性組成物の硬化条件を精密に制御することができる。

Description

本出願は、2016年11月30日付けで提出された韓国特許出願第10−2016−0162151号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本出願は、硬化性組成物に関する。
フタロニトリル樹脂は、フタロニトリル化合物とそれに対する硬化剤を硬化反応に適用して製造することができ、このように製造されたフタロニトリル樹脂は、多様な用途に使用され得る。例えば、フタロニトリル樹脂をガラス繊維または炭素繊維等のような充填剤に含浸させて形成される複合体(composite)は、自動車、飛行機または船舶などの素材に使用され得る。前記複合体の製造過程は、例えば、フタロニトリルと硬化剤の混合物または該混合物の反応により形成されるプレポリマーと充填剤を混合した後に硬化させる過程を含んでいてもよい(例えば、特許文献1参照)。
フタロニトリル樹脂の製造過程では、前記言及された硬化反応として、ホットプレス(hot press)またはオーブンなどを適用した熱硬化方式が採用されている。
韓国特許登録第0558158号公報
本出願は、硬化性組成物に関する。本出願は、外部からの交流磁場の印加によって熱を発生する内部熱源をフタロニトリル化合物およびその硬化剤とともに含む硬化性組成物が提供される。前記硬化性組成物は、前記内部熱源の発生熱を交流磁場の強さによって精密に調節することができ、硬化性組成物の硬化条件およびそれによる硬化度を精密に制御することができ、最終的に優れた物性の樹脂を得ることができる。
本出願の硬化性組成物は、フタロニトリル化合物、前記フタロニトリル化合物に対する硬化剤および磁性粒子を含んでいてもよい。前記で磁性粒子は、外部交流磁場を通じて磁気反転(magnetic reversal)振動現象によって熱を発生させることができるように選択され得る。
本明細書で磁性粒子は、別には磁性体とも呼称され得、一例において、ナノ磁性粒子またはナノ磁性体とも呼称され得る。
硬化性組成物は、フタロニトリル化合物と硬化剤を含んでいてもよい。本出願で前記フタロニトリル化合物と硬化剤は、前記硬化性組成物内に主成分として含まれてもよい。本出願で用語「主成分」は、当該成分が重量比で約55%以上、60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、80%以上、85%以上、90%以上または95%以上含まれる場合を意味する。前記で主成分として含まれる成分の比率の上限は、特に制限されず、例えば約100%以下または99%以下であってもよい。また、前記でフタロニトリル化合物と硬化剤の比率は、硬化性組成物の固形分内での比率である。前記で用語「固形分」は、硬化性組成物が溶媒を実質的に含んでいない状態であり、例えば、溶媒の比率が重量比で5%以下、4%以下、3%以下、2%以下、1%以下または0.5%以下である硬化性組成物を意味する。
硬化性組成物に含まれ得るフタロニトリル化合物の種類は、特に制限されない。
例えば、硬化剤との反応を通じてフタロニトリル樹脂を形成できるフタロニトリル構造を1個以上、2個以上、2個〜20個、2個〜16個、2個〜12個、2個〜8個または2個〜4個程度含む化合物が使用できる。フタロニトリル樹脂の形成に適合したものと公知となっている化合物は、多様に存在し、本出願では、前記のような公知の化合物が全部使用され得る。一例において、化合物の例としては、米国特許第4,408,035号、米国特許第5,003,039号、米国特許第5,003,078号、米国特許第5,004,801号、米国特許第5,132,396号、米国特許第5,139,054号、米国特許第5,208,318号、米国特許第5,237,045号、米国特許第5,292,854号または米国特許第5,350,828号などで公知となっている化合物が例示でき、前記文献によるもの以外にも、当業界で公知となっている多様な化合物が前記例示に含まれ得る。
一例において、硬化性組成物に含まれるフタロニトリル化合物は、単量体形態、オリゴマー形態またはプレポリマー形態などであってもよい。
一例において、本出願で使用されるフタロニトリル化合物としては、下記化学式1で表示される化合物が例示できるが、これに限定されるものではない。
Figure 2019515988
化学式1でR11〜R16は、それぞれ独立して、水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アリール基、下記化学式2または3の置換基である。化学式1でR11〜R16のうち少なくとも1個は、下記化学式2または3の置換基であってもよい。
一例において、化学式1でR11〜R16のうち少なくとも1個、2個以上、3個以上、4個以上または5個以上は、下記化学式2または3の置換基であってもよい。
この際、前記化学式2または3の置換基の数の上限は、特に制限されず、例えば、10個以下、9個以下、8個以下、7個以下または6個以下であってもよい。
化学式1で少なくとも2個または2個〜3個存在する化学式2または3の置換基は、相互に対してオルソ(ortho)、メタ(meta)またはパラ(para)位置に存在することができる。
Figure 2019515988
化学式2でLは、単一結合、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、カルボニル基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、−C(=O)−X−または−X−C(=O)−であり、前記Xは、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、アルキレン基、アルケニレン基またはアルキニレン基であり、R17およびR21は、それぞれ独立して、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基またはシアノ基であるが、R17〜R21のうち2個以上または2個は、シアノ基である。化学式2で少なくとも2個存在するシアノ基は、相互に対してオルソ、メタまたはパラ位置に存在することができる。
Figure 2019515988
化学式3でLは、単一結合、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、カルボニル基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、−C(=O)−X−または−X−C(=O)−であり、前記Xは、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、アルキレン基、アルケニレン基またはアルキニレン基であり、R22およびR26は、それぞれ独立して、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基または前記化学式2の置換基であるが、R22〜R26のうち1個以上または1個は、前記化学式2の置換基である。化学式6で少なくとも1個存在する前記化学式2の置換基は、Lを基準としてオルソ、メタまたはパラ位置に存在することができる。
化学式2または3が存在する場合、前記化学式2のLが化学式1または化学式3に連結されるか、化学式3のLが化学式1に連結され得る。
本明細書で用語「アルキル基」は、特に別途規定しない限り、炭素数1〜20、炭素数1〜16、炭素数1〜12、炭素数1〜8または炭素数1〜4のアルキル基を意味する。前記アルキル基は、直鎖状、分岐状または環状アルキル基であってもよく、任意に一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本明細書で用語「アルコキシ基」は、特に別途規定しない限り、炭素数1〜20、炭素数1〜16、炭素数1〜12、炭素数1〜8または炭素数1〜4のアルコキシ基を意味する。前記アルコキシ基は、直鎖状、分岐状または環状アルコキシ基であってもよく、任意に一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本明細書で用語「アルケニル基またはアルキニル基」は、特に別途規定しない限り、炭素数2〜20、炭素数2〜16、炭素数2〜12、炭素数2〜8または炭素数2〜4のアルケニル基またはアルキニル基を意味する。前記アルケニル基またはアルキニル基は、直鎖状、分岐状または環状であってもよく、任意に一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本明細書で用語「アルキレン基」は、特に別途規定しない限り、炭素数1〜20、炭素数1〜16、炭素数1〜12、炭素数1〜8または炭素数1〜4のアルキレン基を意味する。前記アルキレン基は、直鎖状、分岐状または環状アルキレン基であってもよく、任意に一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本明細書で用語「アルケニレン基またはアルキニレン基」は、特に別途規定しない限り、炭素数2〜20、炭素数2〜16、炭素数2〜12、炭素数2〜8または炭素数2〜4のアルケニレン基またはアルキニレン基を意味する。前記アルケニレン基またはアルキニレン基は、直鎖状、分岐状または環状であってもよく、任意に一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本明細書で用語「アリール基またはアリレン基」は、特に別途規定しない限り、一つのベンゼン環構造、2個以上のベンゼン環が一つまたは二つの炭素原子を共有しつつ連結されているか、または任意のリンカーにより連結されている構造を含む化合物またはその誘導体に由来する1価または2価残基を意味する。前記アリール基またはアリレン基は、特に別途規定しない限り、例えば、炭素数6〜30、炭素数6〜25、炭素数6〜21、炭素数6〜18または炭素数6〜13のアリール基であってもよい。
本出願でアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アルコキシ基、アリール基またはアリレン基などに任意に置換されていてもよい置換基としては、ヒドロキシ基、ハロゲン原子、カルボキシル基、グリシジル基、アクリロイル基、メタクリロイル基、アクリロイルオキシ基 、メタクリロイルオキシ基、チオール基、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、アルコキシ基またはアリール基などが例示できるが、これらに限定されるものではない。
硬化性組成物において前記フタロニトリル化合物とともに含まれる硬化剤の種類も、フタロニトリル化合物と反応して高分子を形成できるものであれば、特に制限されず、例えば、いわゆるフタロニトリル樹脂の形成に有用なものと知られている化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。フタロニトリル樹脂の形成に適合したものと知られている硬化剤としては、芳香族アミン化合物、フェノール化合物、無機酸、有機酸、金属または金属塩などが例示できるが、これらに限定されるものではない。
一例においては、硬化剤として芳香族アミン化合物のようなアミン化合物またはフェノールなどのヒドロキシ化合物が使用できる。本出願でヒドロキシ化合物は、分子内に少なくとも一つまたは二つのヒドロキシ基を含む化合物を意味する。フタロニトリル化合物を硬化させて樹脂を形成できる硬化剤は、多様に公知となっており、このような硬化剤は、本出願で大部分が適用され得る。
一例において、硬化剤としては、下記化学式4の化合物が使用できる。
Figure 2019515988
化学式4でR11〜R16は、それぞれ独立して、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アミン基または下記化学式5の置換基であり、ただし、R11〜R16のうち2個以上は、アミン基であるか、下記化学式5の置換基である。
Figure 2019515988
化学式5でLは、アルキレン基、アルキリデン基、酸素原子または硫黄原子であり、R17〜R21は、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基またはアミン基であるが、R17〜R21のうち少なくとも一つは、アミン基である。
化学式5の置換基が存在する場合、前記構造でLが化学式9のベンゼン環に連結され得る。
一例において、前記硬化剤は、化学式4でR11〜R16のうち2個が前記化学式5の置換基である化合物であってもよい。この場合、化学式4で前記2個の化学式5の置換基は、そのうちのいずれか一つを基準として他の一つがオルト、メタまたはパラ位置に存在する構造であってもよい。また、この場合、前記化学式5の置換基でR18〜R20のうちいずれか一つがアミン基であってもよい。
硬化性組成物において硬化剤の比率は、特に制限されない。前記比率は、例えば、組成物に含まれているフタロニトリル化合物などの硬化性成分の比率や種類などを考慮して目的とする硬化性が確保され得るように調節され得る。例えば、硬化剤は、硬化性組成物に含まれているフタロニトリル化合物1モル当たり約0.02モル〜1.5モル程度で含まれていてもよい。しかしながら、前記比率は、本出願の例示に過ぎない。通常、硬化性組成物において硬化剤の比率が高くなると、プロセスウィンドウが狭くなる傾向にあり、硬化剤の比率が低くなると、硬化性が不充分になる傾向があるので、このような点などを考慮して好適な硬化剤の比率が選択され得る。
硬化性組成物は、磁性粒子を含み、このような磁性粒子は、内部熱源として作用して硬化性組成物を硬化させることができる。磁性粒子としては、二つ以上の磁区(Multi−Magnetic Domains)が形成されているマルチドメイン磁性粒子を適用することが有利になり得る。このような磁性粒子は、外部磁場が存在しない時には、前記磁区がランダムに配列されており、外部磁場が印加されると、印加された磁場の方向によって磁化され得る。前記で磁区が不規則に配列されるという意味は、磁区に存在する磁性方向がそれぞれ異なり、整列されていない状態を意味するが、この場合、磁化のnet値が実質的に0に近接して磁性がない状態で存在することができる。外部電磁場が印加されると、磁区の磁性方向が整列されることにより、磁化が起こり得る。このような磁性粒子は、超常磁性粒子(super−paramagnetic particle)であってもよいが、これに限定されるものではない。
磁性粒子がマルチドメインを有するものであるか否かは、通常、その磁性粒子の粒径によって決定される。
例えば、磁性粒子が下記数式1を満たす粒径D以上の粒径を有する場合、その磁性粒子は、マルチドメインを有することができる。
Figure 2019515988
数式1でμは、真空下での磁気透過率定数(magnetic permittivity constant in vacuum、1.26×10−6H/m)であり、Msは、磁性粒子の飽和磁化度(saturation magnetization)(単位:A/mまたはemu/g)であり、Aは、磁性粒子の交換スティフネス(exchange stiffness、単位:J/m)であり、aは、磁性粒子の格子定数(lattice constant)(単位m)である。
前記数式1で真空下での磁気透過率定数を除いた変数、すなわち磁性粒子の飽和磁化度(saturation magnetization)、交換スティフネスおよび格子定数は、具体的な磁性粒子の種類によって変更される。したがって、適用しようとする磁性粒子について前記各数値を確認した後、その数値を数式1に代入して求められたD以上で磁性粒子のサイズを制御することにより、マルチドメインを有する磁性粒子を形成することができる。
前記数式によって求められるD以上から磁性粒子はマルチドメイン化し、したがって、本出願で適用される磁性粒子は、前記粒径D以上の粒径を有することができる。前記で磁性粒子の粒径の上限は、特に制限されない。通常、磁性粒子の粒径がDを超えることに伴い、当該磁性粒子の保磁力は劣る傾向を示すが、本出願で適用される磁性粒子は、後述する保磁力を有することができる範囲で粒径を有することができる。
前記のような磁性粒子を適用すると、当該粒子が外部磁場が存在しない場合は、磁性がないものと類似に行動するので、組成物内で凝集せず、均一に分散した状態で存在することができる。
当該磁性粒子は、いわゆる渦電流(エディカレント、eddy current)やヒステリシス損失(hysteresis loss)により熱を発生させるものではなく、磁性粒子自らのヒステリシス損失は小さく、飽和磁化値(saturation magnetization value)のみが実質的に存在して、振動熱を発生させることができるように選択され得る。例えば、外部電磁場の印加時に磁性粒子の保磁力(coercive force)により磁性粒子が振動をするようになり、これにより、熱が発生するように選択され得る。
前記磁性粒子は、2以上の磁区を含んでいてもよい。用語「磁区(Magnetic Domain)」とは、一般的に磁性粒子の内部に磁化の方向が互いに異なるように分けられた領域を意味する。本出願で2以上の磁区を有する磁性粒子は、外部交流磁場によって磁区が強く磁化して振動熱を発生させ、磁場を除去すると、元の状態の磁区に戻り、これにより、ヒステリシス損失の残留磁化が低い磁性粒子を提供することができる。
一例において、前記磁性粒子は、保磁力が1〜200kOe、10〜150kOe、20〜120kOe、30〜100kOe、40〜95kOe、または50〜95kOeの範囲内にあってもよい。用語「保磁力」とは、磁性粒子の磁化を0に減少させるために必要な臨界磁場の強さを意味する。外部磁場によって磁化した磁性粒子は、磁場を除去しても、ある程度の磁化した状態を維持し、このように磁化した磁性粒子に逆方向の磁場をかけて、磁化度を0に作ることができる磁場の強さを保磁力という。磁性粒子の保磁力は、軟磁性粒子または硬磁性粒子を区分する基準になり得、本出願の磁性粒子は、軟磁性粒子であってもよい。本出願は、磁性粒子の保磁力を前記範囲に制御することにより、磁性粒子の磁性転換をより容易に具現して、本出願で目的とする程度の振動熱を発生させることにより、樹脂の均一な硬化で目的とする程度の硬化物性を満足させることができる。
本出願で言及する数値が当該数値の測定温度によって変化する数値である場合、特に別途言及しない限り、当該数値は、常温で測定したものである。用語「常温」は、加温されるか減温されない自然そのままの温度を意味し、例えば、約10℃〜30℃の範囲内のいずれか一つの温度、約23℃または約25℃程度の温度であってもよい。
一例において、前記磁性粒子は、常温での飽和磁化値が20〜150emu/g、30〜130emu/g、40〜100emu/g、50〜90emu/g、50〜85emu/gまたは50〜80emu/gの範囲内にあってもよい。本出願は、磁性粒子の飽和磁化値を相対的に大きく制御することができ、これにより、エディカレントでない磁性粒子間の振動による熱を発生させることにより、樹脂の均一な硬化で硬化物性を満足させることができる。本出願で磁性粒子の物性の測定は、VSM(Vibrating Sample Magnetometer)で算出することができる。VSMは、Hall probeにより加えた印加磁場を記録し、試料の磁化値は、ファラデー法則によって試料に振動を加える時に得られる起電力を記録して、試料の磁化値を測定する装置である。ファラデー(Faraday)法則は、もし棒磁石のN極をコイル側に向かうようにして、コイル側に押すと、検流計が動いてコイルに電流が流れることが分かる。このような結果として現れる電流を誘導電流と言い、誘導起電力によって作られたと言う。VSMは、このような基本作動原理によって試料に振動を加える時に発生する誘導起電力をサーチコイルで検出して、この起電力により試料の磁化値を測定する方法である。材料の磁気的特性を磁場、温度、時間の関数で簡単に測定することができ、最大2テスラの磁力と2K〜1273K温度範囲の速い測定が可能である。
一例において、前記磁性粒子は、平均粒径が20nm〜300nm、30nm〜250nm、40nm〜230nmまたは45nm〜220nmの範囲内にあってもよい。前記で磁性粒子の平均粒径は、他の例において、約10nm以上、20nm以上、30nm以上、40nm以上、50nm以上、60nm以上、70nm以上、80nm以上または90nm以上であってもよく、場合によって、約300nm以下、280nm以下、260nm以下、240nm以下、220nm以下、200nm以下、180nm以下、160nm以下、140nm以下または120nm以下であってもよい。前記磁性粒子の磁区の平均のサイズは、10〜50nmまたは20〜30nmの範囲内であってもよい。本出願は、前記粒径範囲内で、磁性粒子の磁区の数および保磁力のサイズが適正範囲に制御されることにより、前記組成物内で樹脂の均一な硬化を進行できる熱を発生させることができる。本出願は、粒子のサイズを20nm以上に制御することにより、低い保磁力と多数の磁区を通じて硬化時に十分な振動熱を発生させることができ、300nm以下に制御することにより、磁性粒子自体のヒステリシス損失を小さくしつつ、飽和磁化値(saturation magnetization value)のみが存在するようにし、これにより、均一で且つ安定した硬化を具現することができる。
本出願の磁性粒子は、電磁気誘導加熱を通じて熱を発生することができるものであれば、その素材は、特に制限されない。一例において、磁性粒子は、下記化学式6で示される粒子であってもよい。
[化学式6]
MX
化学式6で、Mは、金属または金属酸化物であり、Xは、Fe、Mn、Co、NiまたはZnであり、|a×c|=|b×d|を満たし、前記cは、Xのカチオン電荷であり、前記dは、酸素のアニオン電荷である。一例において、Mは、Fe、Mn、Mg、Ca、Zn、Cu、Co、Sr、Si、Ni、Ba、Cs、K、Ra、Rb、Be、Li、Y、Bまたはこれらの酸化物であってもよい。例えば、XがFeである場合、cは、+3であり、dは、−2であってもよい。また、例えば、XがFeである場合、これは、FeOFeで表現され得るので、cは、それぞれ+2および+3であり、dは、−2であってもよい。本出願の磁性粒子は、前記化学式6を満たす限り、特に制限されず、例えば、MFeであってもよい。
一例において、本出願の組成物は、磁性粒子であって、前記化学式6の化合物を単独で含むか、化学式6の化合物の混合物または化学式6の化合物に無機物がドープされた化合物を含んでいてもよい。前記無機物は、1価〜3価のカチオン金属またはこれらの酸化物を含むことができ、2種以上の複数のカチオン金属が使用できる。
前記磁性粒子は、粒子表面に表面処理されたものを含んでいてもよい。すなわち、本出願の組成物は、前記磁性粒子の表面に、金属、金属酸化物、有機物または無機物で表面処理された粒子を含んでいてもよい。本出願は、前記表面処理を通じて、空気中での酸化によって前記磁性粒子が磁性粒子の保磁力(coercive force)を喪失することを防止することができる。また、表面処理は、後述するフィラー、分散剤有機溶媒などとの相溶性を増加させ、組成物の分散性を改善させることができる。一例において、前記表面処理は、表面にカルボキシル基を有する磁性粒子にメチルメタクリレート(MMA)モノマーを付けて表面にポリメチルメタクリレート(PMMA)の高分子を形成することができる。また、磁性粒子の表面を酸処理して表面の酸化膜を除去し、表面処理することができ、シリカ粒子をコーティングする方法を通じても表面処理が可能である。
本出願の具体例で、磁性粒子は、磁性粒子クラスタを形成することができる。ナノ粒子のサイズの磁性粒子は、ナノクラスタを形成することにより、磁性粒子間の凝集を防止し、分散性が向上し、これにより、振動熱により効果的に樹脂を硬化させることができる。
本出願の硬化性組成物において前記磁性粒子の比率は、特に制限されず、当該硬化性組成物の硬化のために必要な熱等を考慮して選択することができる。一例において、硬化性組成物は、前記フタロニトリル化合物100重量部に対して0.01〜25重量部、0.1〜20重量部、1〜15重量部、3〜13重量部または5〜12重量部の磁性粒子を含んでいてもよい。本明細書では、特に別途規定しない限り、単位「重量部」は、各成分間の重量比を意味する。
硬化性組成物は、必要な場合、任意の他の添加剤をも含んでいてもよい。硬化性組成物にさらに含まれ得る物質としては、導電性粒子が例示できる。このような導電性粒子は、外部交流磁場の印加を通じていわゆるエディカレント(eddy current)によるジュール熱を発生させることができるように選択され得る。
一例において、前述した前記磁性粒子は、低磁場領域で前記振動熱を発生させ、導電性粒子は、高磁場領域で前記ジュール熱を発生させることができるように選択される。このような選択によって各粒子を単独で適用した場合に比べて、交流磁場の印加によって発生する熱の量をより精密に制御することができ、また、より多くの量の熱を発生させることができ、硬化時の作業領域(process window)も広く確保することができる。
本出願で用語「導電性粒子」は、20℃での導電率が約8MS/m以上、9MS/m以上、10MS/m以上、11MS/m以上、12MS/m以上、13MS/m以上または14.5MS/m以上である粒子を意味する。前記導電率の上限は、特に制限されず、例えば、約30MS/m以下、25MS/m以下または20MS/m以下であってもよい。
導電性粒子が金属粒子である場合、当該金属粒子は、単一金属粒子または合金金属粒子であってもよい。
このような導電性粒子は、外部の交流磁場の印加によっていわゆるエディカレントを介したジュール熱を発生させることができる。場合によって、前述した磁性粒子が振動熱を発生する交流磁場の強さと前記ジュール熱が発生する交流磁場の強さは、相異に調節され得る。
導電性粒子としては、平均粒径が約5μm〜500μmの範囲内にある粒子が使用できる。このような粒径範囲で目的とするジュール熱の発生効率を高めることができる。前記平均粒径は、他の例において、約7μm以上または約9μm以上であってもよい。前記平均粒径は、他の例において、約450μm以下、約400μm以下、約350μm以下、約300μm以下、約250μm以下、約200μm以下、約150μm以下、100μm以下、90μm以下、80μm以下、70μm以下、60μm以下、50μm以下、40μm以下、30μm以下または20μm以下であってもよい。硬化性組成物内の導電性粒子としては、互いに平均粒径が異なるものを適用することもできる。
導電性粒子としては、前述した導電率と粒径を有するものであれば、特別な制限なしに好適な種類が選択されて適用され得る。
導電性粒子、例えば、導電性金属粒子の例としては、ニッケル、鉄、コバルト、は、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、リチウム、鉄、白金、スズ、鉛、チタン、マンガン、マグネシウムまたはクロムなどが例示できるが、これらに限定されるものではない。
一例において、前記導電性粒子では、適正な比透磁率を有するものを選択することができる。このような選択によって誘導加熱による熱の発生効率をより改善することができる。
例えば、前記導電性粒子としては、比透磁率が90以上の粒子が使用できる。前記で比透磁率(μ)は、当該物質の透磁率(μ)と真空中の透磁率(μ)の比率(μ/μ)である。本出願で使用する前記粒子は、比透磁率が95以上、100以上、110以上、120以上、130以上、140以上、150以上、160以上、170以上、180以上、190以上、200以上、210以上、220以上、230以上、240以上、250以上、260以上、270以上、280以上、290以上、300以上、310以上、320以上、330以上、340以上、350以上、360以上、370以上、380以上、390以上、400以上、410以上、420以上、430以上、440以上、450以上、460以上、470以上、480以上、490以上、500以上、510以上、520以上、530以上、540以上、550以上、560以上、570以上、580以上または590以上であってもよい。前記比透磁率は、その数値が高いほど後述する誘導加熱のための交流磁場の印加時に、より高い熱を発生するので、その上限は、特に制限されない。一例において、前記比透磁率の上限は、例えば、約300,000以下であってもよい。
本出願の硬化性組成物において前記導電性粒子の比率は、特に制限されず、当該硬化性組成物の硬化のために必要な熱等を考慮して選択することができる。一例において、硬化性組成物は、前記フタロニトリル化合物100重量部に対して0.01〜25重量部、0.1〜20重量部、1〜15重量部、3〜13重量部または5〜12重量部の導電性粒子を含んでいてもよい。
一例において、前記導電性粒子が含まれる場合、その比率は、前記磁性粒子より低い範囲で調節され得る。
硬化性組成物は、前述した成分に、さらに硬化性組成物で要求される任意の添加剤をさらに含んでいてもよい。このような添加剤としては、例えば、硬化剤、酸化防止剤、ラジカル生成物質、有・無機顔料ないし染料、分散剤、フィラー、機能性高分子または光安定剤などが例示できるが、これらに限定されるものではない。
硬化性組成物に含まれ得る添加剤の例としては、多様な充填剤が例示できる。充填剤として使用され得る物質の種類は、特に制限されず、目的する用途によって適合した公知の充填剤が全部使用され得る。例示的な充填剤としては、金属物質、セラミック物質、ガラス、金属酸化物、金属窒化物または炭素系物質などがあるが、これらに限定されるものではない。また、前記充填剤の形態も特に制限されず、アラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維またはセラミック繊維等のような繊維状物質、またはその物質により形成された織布、不織布、ひもまたはロープ、ナノ粒子を含む粒子状、多角形またはその他無定形など多様な形態であってもよい。前記で炭素系物質としては、グラファイト(graphite)、グラフェン(graphene)または炭素ナノチューブなどやそれらの酸化物等のような誘導体ないし異性体などが例示できる。
本出願は、また、前記硬化性組成物の硬化反応により形成されるプレポリマー(prepolymer)に関する。
本出願で用語「プレポリマー状態」は、前記硬化性組成物内でフタロニトリル化合物と硬化剤がある程度の重合が起こった状態(例えば、いわゆるAまたはBステージ段階の重合が起こった状態)や、完全に重合された状態には至らず、好適な流動性を示して、例えば、後述するような複合体の加工が可能な状態を意味する。一例において、前記プレポリマー状態は、前記硬化性組成物の重合がある程度進行された状態を意味する。
プレポリマーも、やはり優れた硬化性、好適な加工温度および広いプロセスウィンドウ(process window)を示すことができる。また、前記プレポリマーは、常温で長期間保管される場合にも、経時的に安定性を示すことができる。
例えば、前記プレポリマーの加工温度、例えば、ガラス転移温度または溶融温度は、150℃以下であってもよい。前記加工温度は、他の例において、約140℃以下、約130℃以下、約120℃以下、約110℃以下、約100℃以下、約90℃以下、約80℃以下、約70℃以下、約60℃以下または約50℃以下であってもよく、また、約−20℃以上、約−10℃以上または約0℃以上であってもよい。この場合、前記プレポリマーのプロセスウィンドウ、すなわち前記加工温度(Tp)と前記プレポリマーの硬化温度(Tc)の差(Tc−Tp)の絶対値は、50℃以上、70℃以上または100℃以上であってもよい。一例において、前記硬化温度(Tc)が前記加工温度(Tp)に比べて高くてもよい。このような範囲は、プレポリマーを使用して、例えば後述する複合体を製造する過程で好適な加工性を確保することに有利になり得る。前記でプロセスウィンドウの上限は、特に制限されるものではないか、例えば、前記加工温度(Tp)と硬化温度(Tc)の差(Tc−Tp)の絶対値は、300℃以下または200℃以下であってもよい。
プレポリマーは、前記成分の他に公知の任意の添加剤をさらに含んでいてもよい。このような添加剤の例としては、前述した充填剤などが例示されるが、これに限定されるものではない。
また、本出願は、複合体(composite)に関する。前記複合体は、前記記述したフタロニトリル樹脂および充填剤を含んでいてもよい。このように形成された複合体は、前記フタロニトリル樹脂と充填剤を含むことができ、例えば、自動車、飛行機または船舶などの耐久材などを含む多様な用途に適用され得る。
充填剤の種類は、特に制限されず、目的とする用途を考慮して適宜選択され得る。使用され得る充填剤としては、既に記述した種類が例示できるが、これに限定されるものではない。
充填剤の比率も、特に制限されるものではなく、目的する用途に応じて適正範囲に設定され得る。
また、本出願は、前記複合体を製造するための前駆体に関するものであり、前記前駆体は、例えば、前記記述した硬化性組成物と前記充填剤を含むか、あるいは前記記述したプレポリマーと前記充填剤を含んでいてもよい。
複合体は、前記前駆体を使用した公知の方式で製造することができる。例えば、前記複合体は、前記前駆体を硬化させて形成することができる。
また、本出願は、前記のような硬化性組成物を硬化させる方法に関する。このような硬化工程により前述したプレポリマーまたは複合体の形成が可能になる。一例において、前記硬化性組成物の硬化は、誘導加熱方式で行うことができる。
前述したように、前記硬化性組成物は、磁性粒子を含むので、誘導加熱方式が適用され得る。
前記誘導加熱を通じて交流磁場を印加すると、印加される交流磁場の強さによって磁性粒子の振動熱が発生し得、組成物の内部に均一に分散している前記粒子の熱によって短時間内に均一な硬化物を形成することができる。
前記硬化工程は、前記硬化性組成物に交流磁場を印加する段階を含んでいてもよい。前記交流磁場の印加によって前記磁性粒子の振動熱が発生し、これにより、組成物は、硬化することができる。この際、交流磁場を印加する条件は、硬化性組成物内の粒子の種類および比率と硬化のために要求される熱の量などによって決定されるものであって、特に制限されない。例えば、前記誘導加熱は、コイルなどの形態で形成された誘導加熱器を使用して交流磁場を印加して進めることができる。
前記で交流磁場は、例えば、0.001〜0.5Tesla(Wb/m)の範囲内の強さで印加され得る。前記加えられる交流磁場のサイズは、他の例において、0.45Tesla以下、0.4Tesla以下、0.35Tesla以下、0.3Tesla以下、0.25Tesla以下、0.2Tesla以下、0.15Tesla以下、0.1Tesla以下、0.05Tesla以下または0.045Tesla以下であってもよい。前記交流磁場の強さは、他の例において、約0.002Tesla以上、約0.003Tesla以上、約0.004Tesla以上、0.005Tesla以上、0.01Tesla以上、0.015Tesla以上または0.02Tesla以上であってもよい。
誘導加熱は、例えば、交流磁場を約10kHz〜1,000kHzの周波数で印加して行うことができる。前記周波数は、他の例において、900kHz以下、800kHz以下、700kHz以下、600kHz以下、500kHz以下または450kHz以下であってもよい。前記周波数は、他の例において、約30kHz以上、約50kHz以上、約70kHz以上、約100kHz以上、約150kHz以上、約200kHz以上または約250kHz以上であってもよい。
前記誘導加熱のための交流磁場の印加は、例えば、約5秒〜10時間の範囲内で行うことができる。前記印加時間は、他の例において、約9時間以下、約8時間以下、約7時間以下、約6時間以下、約5時間以下、約4時間以下、約3時間以下、約2時間以下、約1時間以下、約50分以下、約40分以下または約30分以下であってもよい。また、前記印加時間は、他の例において、約1分以上、約5分以上、約10分以上または約15分以上であってもよい。
また、前記硬化工程は、多段階で進行され得るが、例えば、前記製造方法は、硬化性組成物に交流磁場を印加する第1段階と、前記第1段階に引き続いて、前記第1段階とは異なる条件で交流磁場を硬化性組成物に印加する第2段階とを含んでもよく、やはり他の条件で交流磁場を印加する第3段階以上の段階をさらに含んでいてもよい。
一例において、印加条件が異なるというのは、印加される交流磁場の強さおよび/または印加時間が互いに異なる場合を意味する。
前記言及した誘導加熱条件、例えば、印加される交流磁場、周波数および印加時間などは、前述したように、硬化性組成物の硬化のために要求される熱の量、粒子の種類および比率などを考慮して変更され得る。
前記硬化性組成物の硬化は、前記言及した誘導加熱によってのみ行うか、必要な場合、前記誘導加熱、すなわち交流磁場の印加とともに好適な熱を印加しつつ行うこともできる。
本出願は、外部からの交流磁場の印加によって熱を発生する内部熱源をフタロニトリル化合物およびその硬化剤とともに含む硬化性組成物が提供される。前記硬化性組成物は、前記内部熱源の発生熱を交流磁場の強さによって精密に調節することができ、硬化性組成物の硬化条件およびそれによる硬化度を精密に制御することができ、最終的に優れた物性の樹脂を得ることができる。
以下、実施例および比較例により本出願を具体的に説明するが、本出願の範囲が下記実施例に制限されるものではない。
1.DSC(Differential scanning calorimetry)分析
DSC分析は、TAインスツルメント社のQ20システムを使用して行った。測定は、温度を35℃から400℃まで10℃/分の昇温速度で昇温しつつ、Nフロー雰囲気で行い、硬化前と硬化後に試験片の発熱量を測定し、これにより、下記数式によって硬化度を測定した。
<硬化度測定数式>
硬化度=1−(硬化後の試験片の発熱量/硬化前の試料の発熱量)
2.TGA(Thermogravimetric Analysis)分析
TGA分析は、Mettler−Toledo社のTGA e850装備を使用して行った。測定は、実施例または比較例の組成物について25℃から900℃まで10℃/分の昇温速度で昇温しつつ、Nフロー雰囲気で分析した。
実施例1
化学式Aで表示される化合物をアルミニウムティシュィを利用して240℃のホットプレート上で10分間溶融させた。完全に溶融した前記化合物に硬化剤(1,3−Bis(3−aminophenoxy)benzene)を前記化合物1モル当たり約0.15モルの割合で添加し、さらに、240℃のホットプレートで10分間均一に混合させ、冷却して、プレポリマー形態の重合性組成物を製造した。
製造されたプレポリマーを粉砕して、微細なパウダー形態で準備した後、これにナノ磁性体を約10重量%の割合で混合した。
ナノ磁性体としては、飽和磁化値が約76emu/g程度であり、保磁力が約89kOe程度であるMn−ferriteを使用し、前記磁性体の粒径は、約100nm程度であった。
ナノ磁性体が混合された重合性組成物に磁場を印加して硬化させた。硬化は、2段階に分けて行い、各段階での磁場印加条件と時間は、下記表1に整理した。また、磁場の印加は、Ambrell社のeasyheat 830をパワーサプライとして利用して行い、ワーキングコイルは、直径が約50mm程度である巻数5turnsのパンケーキコイルを利用した。
交流磁場の強さを熱画像カメラでコイル内部の温度をモニタリングして確認しつつ、印加電流の強さおよび印加時間にて硬化条件を調節した。
Figure 2019515988
実施例2
硬化条件を下記表1に示されたように調節したことを除いて、実施例1と同一に硬化を進めた。
実施例3
硬化条件を下記表1に示されたように調節したことを除いて、実施例1と同一に硬化を進めた。
実施例4
硬化条件を下記表1に示されたように3段階で調節したことを除いて、実施例1と同一に硬化を進めた。
実施例5
ナノ磁性体として、飽和磁化値が約55emu/g程度であり、保磁力が約73kOe程度であり、粒径が約100nm程度であるMn−Mg−St−ferriteを使用し、硬化条件を下記表1のようにしたことを除いては、実施例1と同一に硬化を進めた。
比較例1
実施例1で使用した化学式Aの化合物をアルミニウムティシュィを利用して240℃のホットプレート上で10分間溶融させた。溶融した前記化合物に硬化剤(1,3−Bis(3−aminophenoxy)benzene)を前記化合物1モル当たり約0.15モルの割合で添加した。前記硬化剤が添加された組成物を、さらに240℃のホットプレートで10分間均一に混合させた後、冷却して、プレポリマー形態の重合性組成物を製造した。前記組成物をホットプレスで250℃で5分間維持し、さらに260℃で15分間維持して硬化させた。
比較例2
比較例1と同一に製造された重合性組成物をホットプレスで250℃で5分間維持し、さらに300℃で15分間維持して硬化させた。
前記実施例および比較例に対する測定結果は、下記表1の通りである。
Figure 2019515988
表1から分かるように、本出願の方式によれば、優れた硬化度と耐熱特性を有するフタロニトリル樹脂が得られることが確認できる。特に、実施例1と他の実施例および比較例1と2の比較から分かるように、既存方式によれば、硬化熱源の温度を高める場合にも、達成される硬化度の上昇には限界があるが、本願の方式によれば、硬化条件の調節を通じて硬化度を大きく上昇させることができ、硬化度の調節の自由度を大きく改善することができるという点を確認することができる。

Claims (17)

  1. フタロニトリル化合物と、前記フタロニトリル化合物の硬化剤および粒径が20nm〜300nmの範囲内にある磁性粒子を含む硬化性組成物。
  2. フタロニトリル化合物は、下記化学式1で表示される化合物または前記化合物のプレポリマーである、請求項1に記載の硬化性組成物:
    Figure 2019515988
    化学式1でR11〜R16は、それぞれ独立して、水素原子、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アルコキシ基、アリール基、下記化学式2または3の置換基であり、R11〜R16のうち少なくとも1個は、下記化学式2または3の置換基である:
    Figure 2019515988
    化学式2でLは、単一結合、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、カルボニル基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、−C(=O)−X−または−X−C(=O)−であり、前記Xは、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、アルキレン基、アルケニレン基またはアルキニレン基であり、R17およびR21は、それぞれ独立して、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基またはシアノ基であるが、R17〜R21のうち2個以上は、シアノ基である:
    Figure 2019515988
    化学式3でLは、単一結合、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、カルボニル基、アルキレン基、アルケニレン基、アルキニレン基、−C(=O)−X−または−X−C(=O)−であり、前記Xは、酸素原子、硫黄原子、−S(=O)−、アルキレン基、アルケニレン基またはアルキニレン基であり、R22およびR26は、それぞれ独立して、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基または前記化学式2の置換基であるが、R22〜R26のうち1個以上は、前記化学式2の置換基である。
  3. 磁性粒子は、マルチドメイン型磁性粒子である、請求項1に記載の硬化性組成物。
  4. 磁性粒子は、下記数式1を満たす粒径D以上の粒径を有する、請求項1に記載の硬化性組成物:
    Figure 2019515988
    数式1でμは、真空下での磁気透過率定数であり、Mは、磁性粒子の飽和磁化度であり、Aは、磁性粒子の交換スティフネスイであり、aは、磁性粒子の格子定数である。
  5. 磁性粒子の磁区の平均のサイズは、10〜50nmの範囲内にある、請求項3に記載の硬化性組成物。
  6. 磁性粒子は、保磁力が1〜200kOeの範囲内にある、請求項1に記載の硬化性組成物。
  7. 磁性粒子は、飽和磁化値が20〜150emu/gの範囲内にある、請求項1に記載の硬化性組成物。
  8. 磁性粒子は、下記化学式6で表示される、請求項1に記載の硬化性組成物:
    [化学式6]
    MX
    化学式6で、Mは、金属または金属酸化物であり、Xは、Fe、Mn、Co、NiまたはZnを含み、|a×c|=|b×d|を満たし、前記cは、Xのカチオン電荷であり、前記dは、酸素のアニオン電荷である。
  9. Mは、Fe、Mn、Mg、Ca、Zn、Cu、Co、Sr、Si、Ni、Ba、Cs、K、Ra、Rb、Be、Li、Y、Bまたはこれらの酸化物である、請求項8に記載の硬化性組成物。
  10. 20℃での導電率が8MS/m以上である導電性粒子をさらに含む、請求項1に記載の硬化性組成物。
  11. 導電性粒子は、黒鉛、カーボンブラック、カーボン繊維、炭素ナノチューブ、ニッケル、鉄、コバルト、銀、銅、金、アルミニウム、カルシウム、タングステン、亜鉛、リチウム、鉄、白金、スズ、鉛、チタン、マンガン、マグネシウムまたはクロム粒子である、請求項10に記載の硬化性組成物。
  12. 導電性粒子は、比透磁率が90以上である、請求項10に記載の硬化性組成物。
  13. 請求項1に記載の硬化性組成物に交流磁場を印加して、前記磁性粒子の誘導加熱によって生成される熱によりフタロニトリル化合物と硬化剤の硬化反応を誘導する段階を含むフタロニトリル樹脂の製造方法。
  14. 硬化性組成物に交流磁場を印加する第1段階と、前記第1段階に引き続いて、前記第1段階とは異なる条件で交流磁場を硬化性組成物に印加する第2段階とを含む、請求項13に記載のフタロニトリル樹脂の製造方法。
  15. 硬化性組成物内でフタロニトリル化合物は、プレポリマー形態である、請求項13に記載のフタロニトリル樹脂の製造方法。
  16. 誘導加熱時に交流磁場を、1〜500mTeslaの範囲内の強さで印加する、請求項13に記載のフタロニトリル樹脂の製造方法。
  17. 誘導加熱時に交流磁場を、10kHz〜1,000kHzの範囲内の周波数で印加する、請求項13に記載のフタロニトリル樹脂の製造方法。
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