JP2022500523A - 架橋した有機ポリマーを形成するための架橋組成物、有機ポリマー組成物、それを形成する方法、およびそれから製造された成形品 - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、架橋した高ガラス転移ポリマー系を形成するための、架橋組成物および混合物に関する。さらに、本発明は、そのようなポリマーを製造する方法、および例えば坑内ツール用途で使用するための、シールおよび他の耐摩耗性のコンポーネントを形成するために使用することができる高ガラス転移温度有機ポリマーを形成するそのような組成物中で架橋化合物の架橋反応速度を制御する方法に関する。本発明はさらに、従来のおよび/または高純度エラストマーがポリマー劣化により性能を失うエラストマーとしての高温最終用途での、または高温シーリング用途のコンポーネントのはみ出し耐性およびクリープ耐性を改善する方法としての、そのような架橋した有機ポリマー材料の使用に関する。
高ガラス転移温度ポリマーは、本明細書において「高Tg」ポリマーとも称せられ、幾つかの高温用途に有用である。そのような高Tg有機ポリマーを修飾することによって、一般に未修飾有機ポリマーと比べて極端な温度環境で必要な製作部品および製作品として使用するための高温性能、強度および耐薬品性が改善される。
米国特許第9,127,138号および米国特許出願公開第2015/0544688号は、出願人に帰属し、参照によって関連部分で本明細書において組み込まれ、有機芳香族ポリマーおよび架橋化合物から形成されたシーリングコンポーネント関し、はみ出し耐性およびクリープ耐性があるシーリングコンポーネントを提供する。しかし、その中の架橋化合物は、製造することが困難で、高価であり得る。架橋化合物をより少ない費用で製造することができるように、穏やかな反応条件下でより容易に製造される架橋化合物を使用し苛酷な試薬をあまり使用せずに耐はみ出し性および耐クリープ性のシーリングコンポーネントを形成することが望ましい。
このように、出願人は、以前に架橋した芳香族ポリマーを使用する新しい方法を開発したが、少なくとも出願人の先行特許中のものと同様に働くが、使用は容易でよりコスト的に効果的な代替法を提示する代替架橋化合物に対する必要性が当技術分野で存在する。そのような代替の架橋化合物は、シーリングコンポーネント、シールコネクターおよび類似の部品としてなお効果的に働かなければならない。なお良好な機械的性能を維持し、シールされる2表面間のギャップに、またはピンに沿ってシールまたはコネクター材料のはみ出しに抵抗し、脆くならず、著しくその延性を失わずに使用される場合にクリープに抵抗しつつ、架橋化合物は、油田および他の苛酷な条件および工業的用途と関連した、高い使用温度での操作ために役立たなければならない。
試料調製
本発明の架橋化合物の、有機ポリマーおよび架橋添加剤とのブレンドを凍結ミルで調製した。ブレンドは、粉末の形をしており、式:
(実施例2)
示差走査熱量測定法
(実施例3)
レオロジー
発振レオメーターを使用して、実施例1の試料を検討した。歪み発振を、発明のブレンドおよび比較試料のタブレットに平行プレート形状で印加した。レオロジー実験は窒素雰囲気下、0.1%の歪み印加、380℃の等温および1Hzの振動数で行った。機器を380℃に加熱し、次いで試料を導入した。試料の挿入後、温度を380℃に維持し、30分間貯蔵弾性率(G’)および損失弾性率(G”)を記録した。貯蔵弾性率は、材料の固体の応答を表わし、損失弾性率は粘性挙動を表わす。したがって、G’がG”より小さい場合、材料が粘性のある液体状態であるが、G’がG”より大きい場合、材料はゲル化点を超え固体である。ポリマーが架橋している場合、液体状態から、G’がG”より大きい固体状態へ材料は転移する。図6を参照すると、比較試料および発明のブレンドについて380℃で結果として得られたレオロジー時間掃引を示す。比較試料については、損失弾性率(G”)は貯蔵弾性率(G’)より常に大きく、比較試料が380℃で架橋を受けず、ポリマー溶融物として流動状態にあり、これは熱可塑性材料について典型的であることを示す。対照的に、発明のブレンドは、損失弾性率(G”)より常に大きい貯蔵弾性率(G’)を示した。これは、発明のブレンドが380℃で架橋を迅速に受けて固体状態であったことを示す。
Claims (77)
- 有機ポリマーを架橋するための架橋化合物を含む架橋組成物であって、前記架橋化合物は、
架橋組成物。 - Aが、約1,000g/mol〜約9,000g/molの分子量を有する、請求項1に記載の架橋組成物。
- 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(ベンゾイミダゾール)およびポリアラミドから選択される少なくとも1種の有機ポリマーをさらに含む、請求項1に記載の架橋組成物。
- 前記架橋組成物が、連続または不連続の、長繊維または短繊維である、炭素繊維、ガラス繊維、織物状ガラス繊維、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強化繊維;ならびに、カーボンブラック、シリケート、繊維ガラス、硫酸カルシウム、ホウ素、セラミック、ポリアミド、石綿、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、テレフタル酸亜鉛、グラファイト、タルク、雲母、炭化ケイ素ウィスカーまたは小板、ナノ充填剤、二硫化モリブデン、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つの添加剤をさらに含む、請求項6に記載の架橋組成物。
- 前記架橋組成物が、約0.5重量%〜約65重量%の前記少なくとも1種の添加剤を含む、請求項9に記載の架橋組成物。
- 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剤をさらに含む、請求項1に記載の架橋組成物であって、前記架橋反応添加剤が、前記架橋化合物と反応して、オリゴマーの形態の反応性中間体を形成することができ、その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。
- 前記架橋反応添加剤が、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、請求項11に記載の架橋組成物。
- 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、請求項13に記載の架橋組成物。
- 前記架橋化合物対前記架橋反応添加剤の重量百分率比が約10:1〜約10,000:1である、請求項11に記載の架橋組成物。
- 少なくとも1種の有機ポリマーをさらに含む、請求項11に記載の架橋組成物であって、前記架橋反応添加剤が、前記架橋化合物と反応して、オリゴマーの形態の反応性中間体を形成することができ、その反応性中間体オリゴマーが前記有機ポリマーを架橋することができる、架橋組成物。
- 前記有機ポリマー対前記架橋化合物および前記架橋反応添加剤の合計重量の重量百分率比が約1:1〜約100:1である、請求項16に記載の架橋組成物。
- 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(ベンゾイミダゾール)およびポリアラミドから選択される、請求項16に記載の架橋組成物。
- 前記架橋組成物が、連続または不連続の、長繊維または短繊維である、炭素繊維、ガラス繊維、織物状ガラス繊維、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強化繊維;ならびにカーボンブラック、シリケート、繊維ガラス、硫酸カルシウム、ホウ素、セラミック、ポリアミド、石綿、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、テレフタル酸亜鉛、グラファイト、タルク、雲母、炭化ケイ素ウィスカーまたは小板、ナノ充填剤、二硫化モリブデン、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種の添加剤をさらに含む、請求項16に記載の架橋組成物。
- 前記架橋組成物が、約0.5重量%〜約65重量%の前記少なくとも1種の添加剤を含む、請求項21に記載の架橋組成物。
- 前記架橋組成物が、安定剤、難燃剤、顔料、可塑剤、界面活性剤および分散剤の1つまたは複数をさらに含む、請求項16に記載の架橋組成物。
- 請求項16に記載の架橋組成物から形成された成形品。
- 前記成形品が、押出、射出成形、ブロー成形、インフレーションフィルム成形、圧縮成形または射出/圧縮成形を使用して成形される、請求項24に記載の成形品。
- 請求項16に記載の組成物から形成された製作品であって、前記製作品が、耐酸性コーティング、化学注型フィルム、押出フィルム、溶媒注型フィルム、インフレーションフィルム、カプセル化製品、断熱材、包装材、複合セル、コネクター、ならびにOリング、Vリング、Uカップ、ガスケットの形状のシーリング組立体、ベアリング、バルブシート、アダプター、ワイパーリング、山形裏張りリングおよび管材から選択される、製作品。
- 有機ポリマーを架橋するのに使用するための架橋化合物の架橋反応速度を制御する方法であって、
(a)少なくとも1種の架橋化合物、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剤を含む架橋組成物を用意するステップであって、前記架橋化合物が以下の構造
(b)前記架橋化合物のオリゴマー化が起こるように前記架橋組成物を加熱するステップを含む、方法。 - 前記架橋組成物が1つまたは複数の追加の架橋化合物をさらに含む、請求項27に記載の方法。
- ステップ(b)が熱成形の前に前記架橋組成物を加熱するステップをさらに含む、請求項27に記載の方法。
- 前記架橋反応添加剤が、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水和物、酢酸ナトリウムおよび/もしくは酢酸カリウムおよびその塩および誘導体から選択されるアセテート化合物である、請求項27に記載の方法。
- ステップ(a)において溶媒中で前記架橋化合物と前記架橋反応添加剤を合わせるステップ、ならびに前記架橋化合物と前記架橋反応添加剤を反応させて反応性オリゴマー化架橋化合物を形成するステップをさらに含む、請求項27に記載の方法。
- (c)前記反応性オリゴマー化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ステップ、および
(d)前記有機ポリマー組成物を架橋して、架橋した有機ポリマーを形成するステップ
をさらに含む、請求項31に記載の方法。 - 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(ベンゾイミダゾール)および/またはポリアラミドから選択される、請求項32に記載の方法。
- 架橋した有機ポリマーの形成において使用するための有機ポリマー組成物であって、前記有機ポリマー組成物は、
脱ハロゲン化有機ポリマー、および
以下からなる群から選択される構造
前記脱ハロゲン化有機ポリマーは、少なくとも1個のハロゲン含有反応性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個のハロゲン含有反応性基を有する前記有機ポリマーと、前記少なくとも1個のハロゲン含有反応性基中のハロゲン原子との間の結合を切断して中間体を形成するステップを含むプロセスにより形成される、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35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剤をさらに含む、請求項35に記載の有機ポリマー組成物であって、前記架橋反応添加剤が、前記架橋化合物と反応して、オリゴマーの形態の反応性中間体を形成することができ、その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、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(ベンゾイミダゾール)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35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、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り形成される、請求項35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、R5−M’[式中、M’はアルカリ金属であり、R5は、H、または分枝鎖状もしくは直鎖の有機基であって、前記基の鎖もしくは構造に沿ってもしくは前記基の鎖もしくは構造の中に0〜約10個のエステルもしくはエーテル基を有する炭素原子1〜約30個のアルキル、アルケニル、アリールおよびアラルキル基から選択される分枝鎖状もしくは直鎖の有機基であり、R5は置換されていてもいなくてもよい]からなる群から選択される、請求項40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41に記載の有機ポリマー組成物。
- 前記ハロゲン含有反応性基が臭素含有反応性基である、請求項40に記載の有機ポリマー組成物。
- 少なくとも1個のハロゲン含有終端基を有する前記有機ポリマーを、前記アルカリ金属化合物と溶媒中で反応させ、前記少なくとも1個のハロゲン含有終端基を有する前記有機ポリマーを前記溶媒中で反応させる前に乾燥させる、請求項40に記載の有機ポリマー組成物。
- 請求項35に記載の有機ポリマー組成物を使用して形成された成形品。
- 前記成形品が、押出、射出成形、ブロー成形、インフレーションフィルム成形、圧縮成形、または射出/圧縮成形を使用して形成された、請求項45に記載の成形品。
- 請求項35に記載の組成物から形成された製作品であって、前記製作品が、耐酸性コーティング;化学注型フィルム;押出フィルム;溶媒注型フィルム;インフレーションフィルム;カプセル化製品;断熱材;包装材;複合セル;コネクター;Oリング、Vリング、Uカップ、ガスケットを含むシーリング組立体;ベアリング;バルブシート;アダプター;ワイパーリング;山形裏張りリング;および管材から選択される、製作品。
- 架橋反応中の少なくとも1個のハロゲン含有反応性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)少なくとも1個のハロゲン含有反応性基を有する前記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個のハロゲン含有反応性基を有する前記有機ポリマーと、前記少なくとも1個のハロゲン含有反応性基中のハロゲン原子との間の結合を切断し、カルボカチオンを有する中間体を形成するステップ;
(b)前記カルボカチオンを有する前記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ステップ;および、
(c)以下
- 前記少なくとも1個のハロゲン含有反応性基が、−R6−(X)pによって表され、ここで、R6は、炭素、または分枝鎖状もしくは直鎖の有機基であって、前記基の鎖もしくは構造に沿ってもしくは前記基の鎖もしくは構造の中に0〜約10個のエステルもしくはエーテル基を有する炭素原子1〜約30個のアルキル、アルケニル、アリールおよびアラルキル基から選択される分枝鎖状もしくは直鎖の有機基であり、R6は置換されていてもいなくてもよく;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、請求項48に記載の方法。
- 前記アルカリ金属化合物が、R5−M’[ここで、M’はアルカリ金属であり、R5は、H、または分枝鎖状もしくは直鎖の有機基であって、前記基の鎖もしくは構造に沿ってもしくは前記基の鎖もしくは構造の中に0〜約10個のエステルもしくはエーテル基を有する炭素原子1〜約30個のアルキル、アルケニル、アリールおよびアラルキル基から選択される分枝鎖状もしくは直鎖の有機基であり、R5は置換されていてもいなくてもよい]からなる群から選択される、請求項48に記載の方法。
- 前記少なくとも1個のハロゲン含有終端基を有する前記有機ポリマーを前記アルカリ金属化合物と溶媒中で反応させ、前記溶媒は、ヘプタン、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、請求項48に記載の方法。
- 前記少なくとも1個のハロゲン含有終端基を有する前記有機ポリマーを、前記アルカリ金属化合物と前記溶媒中で反応させる前に乾燥させる、請求項51に記載の方法。
- ステップ(a)が約−20℃より低い温度で起こる、請求項48に記載の方法。
- ステップ(a)が、約−70℃より低い温度で、約2時間起こる、請求項53に記載の方法。
- ステップ(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剤を用意するステップをさらに含み、前記架橋反応添加剤が、前記架橋化合物と反応して、オリゴマーの形態の反応性中間体を形成することができ、その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48に記載の方法。
- 前記架橋化合物のオリゴマー化が起きて前記反応性中間体オリゴマーを形成するように、別の組成物中で前記架橋化合物および前記架橋反応添加剤を加熱するステップを、ステップ(c)の前に、さらに含む、請求項55に記載の方法
- エラストマー材料を調製する方法であって、
(a)室温で非エラストマーである芳香族ポリマーを用意するステップ;
(b)架橋化合物を使用して前記芳香族ポリマーを架橋して実質上硬化した架橋した芳香族ポリマーを形成するステップであって、前記架橋化合物は以下
(c)前記架橋した芳香族ポリマーのガラス転移温度またはそれより高い温度に前記架橋した芳香族ポリマーを加熱するステップを含む、方法。 - ステップ(b)において、前記芳香族ポリマーが少なくとも80%硬化される、請求項57に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- 前記芳香族ポリマーが少なくとも約90%硬化される、請求項58に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- ステップ(b)が、前記架橋化合物、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剤を用いて前記有機ポリマーを架橋するステップをさらに含み、前記架橋反応添加剤が、前記架橋化合物と反応して、オリゴマーの形態の反応性中間体を形成することができ、その反応性中間体オリゴマーが前記有機ポリマーを架橋することができる、請求項57に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- 前記方法が、前記架橋した有機ポリマーを含む組成物を形成するステップと、前記組成物を加熱して成形品を形成するステップをさらに含み、ステップ(c)は、使用時に、前記架橋した有機ポリマーのガラス転移温度またはそれより高い温度に前記成形品を置くステップをさらに含む、請求項57に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- 請求項57の方法によって形成されたエラストマー物品。
- Oリング、Vリング、Uカップ、ガスケット、シール積層物の少なくとも1つのコンポーネント、パッカー素子、ダイヤフラム、シール、ベアリング、バルブシート、アダプター、ワイパーリング、山形シール裏張りリング、および管材からなる群から選択される、請求項63に記載のエラストマー物品。
- エラストマー用途において室温でエラストマーでない有機ポリマーを使用する方法であって、
架橋化合物を使用して前記有機ポリマーを架橋して、架橋した有機ポリマーを形成し、前記芳香族ポリマーを実質上硬化させるステップであって、前記架橋化合物が以下
使用時に、前記架橋したポリマーのガラス転移温度またはそれより高い温度で前記架橋したポリマーを加熱し、その結果、それがエラストマーになるステップと
を含む、方法。 - 前記架橋した有機ポリマーを含む組成物を形成するステップと、前記組成物を成形品に成形するステップと、前記成形品を使用時に置くステップと、前記架橋したポリマーのガラス転移温度にまたはそれより高い温度で前記架橋したポリマーを加熱するために前記成形品を使用時に加熱するステップとをさらに含む、請求項65に記載のエラストー組成物において有機ポリマーを使用する方法。
- エラストマー材料を調製する方法であって、
(a)室温で非エラストマーである芳香族ポリマーを用意するステップ;
(b)架橋化合物を使用して前記芳香族ポリマーを架橋して、架橋した芳香族ポリマーを形成するステップであって、前記架橋化合物は以下:
(c)前記架橋した芳香族ポリマーのガラス転移温度またはそれより高い温度に前記架橋した芳香族ポリマーを加熱するステップ
を含む、方法。 - ステップ(b)において、前記芳香族ポリマーが少なくとも約80%硬化される、請求項67に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- 前記芳香族ポリマーが少なくとも約90%硬化される、請求項68に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- 前記芳香族ポリマーが、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、ポリアリーレンスルフィド、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(ベンゾイミダゾール)、ポリアリレート、液晶ポリマー(LCP)およびポリアラミドからなる群から選択される、請求項67に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- ステップ(b)が前記架橋化合物、および有機酸および/またはアセテート化合物から選択される架橋反応添加剤を用いて前記有機ポリマーを架橋するステップをさらに含み、前記架橋反応添加剤は、前記架橋化合物と反応して、オリゴマーの形態の反応性中間体を形成することができ、その反応性中間体オリゴマーが前記有機ポリマーを架橋することができる、請求項71に記載のエラストマー材料を調製する方法。
- 高温のシーリング素子またはシールコネクターでの使用のためのコンポーネントのはみ出し耐性およびクリープ耐性を改善する方法であって、
芳香族ポリマーおよび架橋化合物を含む組成物を用意するステップであって、前記架橋化合物は、以下
前記組成物を熱成形プロセスに供して前記コンポーネントを形成し前記芳香族ポリマーを架橋するステップと
を含む、方法。 - 前記組成物が充填されない、請求項73に記載の方法。
- 前記芳香族ポリマーが、ポリアリーレンポリマー、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、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、アラミド、ポリベンゾイミダゾール、ならびにそのブレンド、コポリマーおよび誘導体からなる群から選択される、請求項73に記載の方法。
- 請求項73に記載の方法によって形成されたシーリングコンポーネント。
- 前記組成物が充填されない、請求項76に記載のシーリングコンポーネント。
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