JP2023534729A - 架橋性オルガノシロキサン変性反応用樹脂 - Google Patents

架橋性オルガノシロキサン変性反応用樹脂 Download PDF

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Abstract

本発明は、官能性シアネートエステル基を有する架橋性オルガノシロキサン変性反応樹脂、その製造方法およびそれから得られる加硫ゴムおよび複合材に関する。本特許出願の基礎となる発明は、連邦教育研究省の資金援助コード03XP0170Cによるプロジェクトの成果である。本特許出願の内容に関する責任は、出願人にある。

Description

本発明は、官能性シアネートエステル基を有する架橋性オルガノシロキサン変性反応樹脂、その製造方法およびそれから得られる加硫剤と複合材料に関するものである。
エポキシ(EP)樹脂またはエポキシ樹脂系は、数多くの用途に使用されており、現在では、例えばガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維と組み合わせた複合材料において、最もよく使用される熱硬化性樹脂の1つとして定着している。さらに、シアネートエステル(CE)、ビスマレイミド(BMI)、ポリイミド(PI)、ベンゾオキサジンまたはフタロニトリル樹脂などの他の有機樹脂系や、産業、自動車、および航空宇宙分野で使用される炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の繊維複合材料のマトリックス樹脂として、ビス(ベンゾシクロブテンイミド)ビスマレイミド、シアネートエステル-エポキシド、ビスマレイミド-トリアジン(BT樹脂)などの混合樹脂系の使用の重要性がますます高まっている。エポキシ樹脂と比較して、CE、BMIまたはPIをベースとするポリマーマトリックス樹脂は、特に、非常に優れた機械的特性、熱復元性、長期安定性および高いガラス転移温度を示し、特に高温領域において、その可能性を大きく拡大するものである。しかしながら、これらのいわゆる高温熱硬化性樹脂には、例えば、高い架橋密度による脆性の増加などの欠点もある。さらに、硬化したポリマーネットワークは、時に高い吸水率を示し、それに応じて、不十分な加水分解安定性を示す。したがって、すでに市販されているこれらの樹脂系に対して、その加水分解劣化を最小にするための吸水率を低減するための適切な改質剤を提供し、それによって得られる高温熱硬化物を、要求の厳しい複合材料用途、好ましくは航空宇宙産業用に商業的に用いることを可能にすることが望ましいと思われる。
シアネートエステル樹脂の硬化は、反応性シアネートエステル基の三量化により環状トリアジン環を生成し、高い架橋密度を有するネットワークを形成する。このようにして得られた熱硬化性樹脂は高い機械的強度を示すが、脆性も高く、水分による分解が早い。
シロキサン含有成分の衝撃改質、シアネートエステル熱硬化性ネットワークの熱的および誘電的特性の改善への使用は、すでに文献に何度も記載されているが、シロキサンの吸水への影響についてはほとんど分かっていない。
Polym.Adv.Technol.2020,31,1245-1255で、著者らは、特に末端に反応性シラノール基(Si-OH)またはシラン基(Si-H)を有する線状シリコーンが、加硫2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパンの吸水に及ぼす影響について報告している。未変性の架橋2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパン(CR-0とする)と比較して、吸水率に対して、Si-H末端シリコーン(CR-3とする)は小さな効果を示し、Si-OH末端シリコーン(CR-2とする)は大きな効果を示した。
Polym.Int.2011;60:1277-1286は、2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパンとポリフェニルシルセスキオキサンの共重合により、未変性のシアネートエステル樹脂に比べて硬化物の衝撃強度と曲げ弾性率の両方を向上できる可能性を示している。ポリフェニルシルセスキオキサンの改質剤は、フェニルトリメトキシシランの酸触媒による加水分解と縮合で得られ、反応性の高いケイ素結合のメトキシ基とシラノール基を多く含んでいる。
しかしながら、シアネートエステル樹脂の改質剤として反応性アルコキシおよび/またはシラノール単位を有する線状シリコーンまたはポリフェニルシルセスキオキサンを使用することは、いくつかの欠点を有する。第一に、架橋反応中、シラノール基は、好ましくないことにシアネートエステル基と反応してアミンおよびガス状二酸化炭素を形成し、泡の形成を引き起こす水を排除し、第二に、反応性シラノール基およびケイ素結合反応性メトキシ基は、シロキサンの熱酸化安定性およびトリアジン-熱硬化性ネットワークに悪影響を及ぼす。さらに、言及した改質剤は、硬化したシアネートエステル-熱硬化性ネットワークとの相溶性が低く、その結果、シアネートエステルの硬化により、マクロ的に、すなわち視覚的に、不均一で曇った加硫物が得られ、これはシリコーンを望ましくない方法で湿り、吸水率に有害な影響を与えるものであった。
本発明の目的は、成形および硬化工程の後に、減少した吸水性、したがって改善された耐加水分解性および任意に改善された破壊靭性および任意に改善された誘電特性を有する熱硬化物が得られ、一方で熱硬化物に固有の有利な特性、例えば耐熱変形性、機械強度、耐熱酸化性および耐化学性も、このように改質した熱硬化物にほぼ保持されるように、反応性シアネート基を有する有機樹脂を改質することにある。
この目的は、本発明によれば、反応性シアネートエステル基を有する有機化合物に非常に容易に混和する環状フェニル含有シロキサンを用いることによって達成され、架橋性エステルマトリックスと加硫した後、脱混合、すなわち表面におけるシロキサン成分の漏出または湿りが見られない、均一で透明な熱硬化物を生じることになる。未変性のシアネートエステル樹脂と比較して、熱硬化物を得るために硬化した後の本発明による改質シアネートエステル樹脂は、減少した吸水性、したがって加水分解に対するより大きな耐性、および高い熱酸化安定性、すなわち高温度での保存中にわずかに高い質量損失によって特徴づけられる。
本発明は、以下:
(A)少なくとも2つの反応性シアネートエステル基(「NC-O-」)を有する、シロキサン単位を含まない少なくとも1種の有機化合物と、
(B)一般式(I):
[R SiO2/2 (I)
(式(I)中、
Rは、同一または異なっていてもよく、一価のSiC結合の飽和脂肪族炭化水素基を表し、
は、同一または異なっていてもよく、任意にハロゲンまたはリンで置換された一価のSiC結合の芳香族炭化水素基を表し、
aは、0、1または2であり、好ましくは0または1であり、特に好ましくは0であり、
bは、0、1または2であり、好ましくは1または2であり、特に好ましくは2であり、
mは、3、4または5であり、好ましくは3または4であり、特に好ましくは4であり、
但し、a+bは2であり、シロキサン分子(B)1つあたり少なくとも3つ基Rが存在する。)
の少なくとも1種のシクロシロキサンと、
を含む、架橋性組成物を提供する。
本願明細書のページ数が過剰にならないように、個々の特徴についての好ましい実施形態のみを記載する。
しかしながら、当業者は、この種の開示が、異なる好ましい水準のあらゆる組み合わせも明示的に開示され、明示的に望まれること、すなわち、単一の化合物内および異なる化合物間の両方のあらゆる組み合わせを意味するものとして、明示的に理解すべきである。
化合物(A)
反応性シアネートエステル基(「NC-O-」)を1分子あたり少なくとも2つ有する有機シロキサンフリー化合物である。(A)は置換されていてもよく、またヘテロ原子を含んでいてもよい。成分(A)は、任意に置換された、任意にヘテロ原子を含有する芳香族炭化水素化合物から選択されることが好ましく、ここで、芳香族炭化水素-結合シアネートエステル基が1分子あたり少なくとも2つ存在する。成分(A)が、1分子あたり少なくとも2つの任意に置換された、任意にヘテロ原子を含有する芳香族炭化水素基を含み、それぞれが芳香族炭素原子結合シアネートエステル基を有することが特に好ましく、成分(A)においては、任意に置換された、任意にヘテロ原子を含有する芳香族炭化水素基であって、それぞれが、互いに独立して、共有結合を介して互いに結合した芳香族炭素原子結合シアネートエステル基、または、-CR -、-O-、-S-、-N=N-、-CH=N-、-CO-、-C(O)O-、-SO-、-SO-、OP(O-);フェニレン、ビフェニレン、ナフチレンなどの2価の芳香族基;または、トリシクロ[5.2.1.02,6]デカンジイル、ビシクロ[2.2.1]ヘプタンジイルなどのシクロアルキレン基;から選ばれる少なくとも1つの官能基を含む架橋単位を有している。
基Rは、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、または、任意に置換基もしくは他の基Rのいずれかで環状単位に結合されてもよい1~30個の炭素原子を有する任意に置換された炭化水素基である。
任意に置換された炭化水素基Rの例としては、メチル、エチル、トリフルオロメチル、フルオレニル、1,1-シクロヘキサンジイル、9H-フルオレン-9,9-ジイル、N-フェニルフタリミド-3,3-ジイル、1(3H)-イソベンゾフラノン-3,3-ジイル、アントラセン-9(10H)-オン-10,10-ジイル、フェニルおよび3,3,5-トリメチルシクロヘキサン-1,1-ジイルが挙げられる。
本発明によって用いられる成分(A)の例としては、モノ芳香族炭化水素のジおよびポリシアネートエステル、例えばフェニレン-1,2-ジシアネート、フェニレン-1,3-ジシアネート(CAS 1129-88-0)、フェニレン-1,4-ジシアネート(CAS 1129-80-2)、2,4,5-トリフルオロフェニレン-1,3-ジシアネート、1,3,5-トリシアナトベンゼン、メチル(2,4-ジシアナトフェニル)ケトン、および2,7-ジシアナトナフタレン;ビスフェノール類のシアネートエステル、例えば2,2-ビス(4-シアナトフェニル)ブタン、2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパン(CAS 1156-51-0、ビスフェノールAシアネートエステル)、2,2-ビス(4-シアナトフェニル)-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン(CAS 32728-27-1、ビスフェノールAFシアネートエステル)、2,2-ビス(3-メチル-4-シアナトフェニル)プロパン(ビスフェノールCシアネートエステル)、1,1-ビス(4-シアナトフェニル)エタン(CAS 47073-92-7、ビスフェノールEシアネートエステル)、1,1-ビス(4-シアナトフェニル)-1-フェニルエタン(ビスフェノールAPシアネートエステル)、ビス(4-シアナトフェニル)メタン(ビスフェノールFシアネートエステル)、ビス(4-シアナト-3,5-ジメチルフェニル)メタン(CAS 101657-77-6,テトラメチル-ビスフェノールFシアネートエステル)、1,3-ビス(2-(4-シアナトフェニル)プロパン-2-イル)ベンゼン(CAS 127667-44-1、ビスフェノールMシアネートエステル)、ビス(4-シアナトフェニル)チオエーテル)、ビス(4-シアナトフェニル)エーテル、9,9-ビス(4-シアナトフェニル)フルオレン(ビスフェノールFLシアネートエステル)、ビス(4-シアナトフェニル)スルホン(ビスフェノールSシアネートエステル)、ビス(4-シアナトフェニル)ケトン、ビス(4-(4-シアナトフェノキシ)フェニル)ケトン、ビス(4-(4-シアナトフェノキシ)フェニル)スルホン、ビス(4-(4-シアナトフェノキシ)フェニル)(フェニル)ホスフィンオキサイド、ビス(4-シアナトフェニル)(メチル)ホスフィンオキサイド、1,1-ジブロモ-2,2-ビス(4-シアナトフェニル)エチレン、1,1-ジクロロ-2,2-ビス(4-シアナトフェニル)エチレン(CAS 14868-03-2)、3,3-ビス(4-シアナトフェニル)-N-フェニルフタルイミド、3,3-ビス(4-シアナトフェニル)-1(3H)-イソベンゾフラノン、3,3-ビス(4-シアナトフェニル)-2-ベンゾフラノン-1オン、10,10-ビス(4-シアナトフェニル)アントラセン-9(10H)-オン、1-エチル-2-メチル-3-(4-シアナトフェニル)-5-シアナトインデン、1,1-ジメチル-3-メチル-3-(4-シアナトフェニル)シアナトインダン、ビス(2-シアナト-3-メトキシ-5-メチルフェニル)メタン、および1,1-ビス(3-メチル-4-シアナトフェニル)シクロヘキサン(ビスフェノールZシアネートエステル);プロペニル置換ビスフェノールのシアン酸エステル、例えばビス(4-(4-(2-(3-(2-プロペニル)-4-シアナトフェニル)プロパン-2-イル)フェノキシ)フェニル)スルホン、2,2-ビス(3-(2-プロペニル)-4-シアナトフェニル)プロパン、2,2-ビス(3-(1-プロペニル)-4-シアナトフェニル)プロパン、2,2-ビス(3-(2-プロペニル)-4-シアナトフェニル)プロパン、およびビス(4-(4-シアナト-3-(2-プロペニル)フェノキシ)フェニル)スルホン;ビフェニルのシアネートエステル、例えば4,4’-ジシアナトビフェニル(CAS 1219-14-3)、2,4’-ジシアナトビフェニル、および2,2’-ジシアナトビフェニル;フェノールジシクロペンタジエンシアネートエステル樹脂、例えばCAS 135507-71-0(商品名AroCy(商標)XU-71787);フェノール-、ナフトール-、ナフタレンジオール-またはクレゾール-ホルムアルデヒド縮合物のシアネートエステル、例えばクレゾールノボラックシアネートエステルまたはフェノールノボラックシアネートエステル、例えばCAS 87397-54-4,CAS 153191-90-3,CAS 268734-03-8,CAS 30944-92-4、およびCAS 173452-35-2(商品名の例はPrimaset(商標)PT-15、PT-30、PT-60、PT-90、およびCT-90、およびAroCy(商標)XU-371);1,1,1-トリス(4-シアナトフェニル)エタン(CAS 113151-22-7);1,6-ジシアナトパーフルオロヘキサン;ポリフェノールのシアン酸エステル;シアネートエステル樹脂のホモポリマーまたはコポリマー、例えばビスフェノールAジシアン酸ホモポリマー(CAS 25722-66-1);フェノール基を有するシランのシアネートエステル、例えばジメチルビス(4-シアナトフェニル)シラン;および少なくとも2つの同一または異なる繰り返し単位からなる末端シアネートエステルポリマー樹脂(A1)であって、各繰り返し単位の骨格が、フェニレン、ビフェニレンおよびナフチレンなどの少なくとも1つの二価の芳香族基、または、9H-フルオレン-9,9-ジイル、および-O-、-S-、-SO-、-SO-、-CO-、-C(O)O-、-CH-、-CF-、-CHF-、-C(CF-、-C(CH-、-CH(CH)-、-N=N-、-CH=N-、OP(O-)から選ばれる少なくとも一つの官能基、またはシクロアルキレン基、例えばトリシクロ[5.2.1.02.6]デカンジイル、ビシクロ[2.2.1]ヘプタンジイルを含む末端シアネートエステルポリマー樹脂(A1)が挙げられる。(A1)の繰り返し単位の例としては、アリーレンエーテル、アリーレンエーテルスルホン、またはアリーレンエーテルケトンが挙げられる。また、異なる成分(A)/(A1)の混合物も用いることができる。
成分(A)は、2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパン、1,1-ビス(4-シアナトフェニル)エタン、ビス(4-シアナトフェニル)メタン、1,3-ビス(2-(4-シアナトフェニル)プロパン-2-イル)ベンゼン、2,2-ビス(3-(2-プロペニル)-4-シアナトフェニル)プロパン、ビス(4-シアナトフェニル)チオエーテル、ビス(4-シアナトフェニル)スルホン、フェノール-ジシクロペンタジエンシアン酸エステル樹脂およびフェノール-またはクレゾール-ホルムアルデヒド縮合物のシアネートエステルから選ばれることが好ましい。成分(A)は、2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパン、ビス(4-シアナトフェニル)メタン、1,1-ビス(4-シアナトフェニル)エタン、1,3-ビス(2-(4-シアナトフェニル)プロパン-2-イル)ベンゼン、ビス(4-シアナトフェニル)チオエーテル、ビス(4-シアナトフェニル)スルホン、フェノールジシクロペンタジエンシアネートエステル樹脂、フェノール-またはクレゾール-ホルムアルデヒド縮合物のシアネートエステルから選ばれることが特に好ましい。
成分(A)は、1種のみを用いることも、異なる成分(A)を混合して用いることも可能である。
硬化後、成分(A)および(B)は、好ましくは、脱混合、すなわち表面におけるシロキサン成分の染み出しまたは発汗を示さない、顕微鏡的に均質で透明な熱硬化物を形成する。
化合物(B)
(B)は、本明細書に記載される一般式(I)のシクロシロキサンである。シクロシロキサン(B)は、23℃、1013hPaにおいて、固体であっても液体であってもよく、固体が好ましい。
シクロシロキサン(B)は、好ましくは30℃より高い、好ましくは80℃より高い、特に好ましくは130℃より高い、特に好ましくは150℃より高い、非常に特に好ましくは180℃より高い融点を、それぞれのケースで1013hPaにおいて有する。
一価のSiC結合の飽和脂肪族炭化水素基Rの例としては、アルキル基、例えば、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、1-n-ブチル、2-n-ブチル、イソブチル、tert-ブチル、n-ペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、tert-ペンチル、n-ヘキシル、n-ヘプチル、n-オクチル、2,4,4-トリメチルペンチル、2,2,4-トリメチルペンチル、2-エチルヘキシル、n-ノニル、n-デシル、n-ドデシル、n-ヘキサデシル、n-オクタデシル;シクロアルキル基、例えば、シクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチルおよびメチルシクロヘキシル;等が挙げられる。
基Rは、好ましくは、1~8個の炭素原子を有する一価のSiC結合の炭化水素基から選択され、特に好ましくはメチルである。
任意に置換された一価のSiC結合の芳香族炭化水素基Rの例としては、アリール基、例えば、フェニル、ビフェニル、ナフチル、アントリル、およびフェナンスリル;アルカリル基、例えば、o-、m-、p-トリル;キシリル基およびエチルフェニル基;アラルキル基、例えばベンジル、(9,10-ジヒドロ-9-オキサ-10-ホスファフェナンスレン-10-オキサイド10-イル)エチル、α-およびβ-フェニルエチル;ハロアリル基、例えば、フルオロフェニル、クロロフェニルおよびブロモフェニル;等が挙げられる。
基Rは、好ましくは、ハロゲンおよびリンを含まない芳香族炭化水素基、特に好ましくはフェニルから選択される。
成分(B)は、好ましくは、mが3又は4であり、aが1であり、bが1である式(I)のシクロシロキサンから選択される。成分(B)は、特に好ましくは、mが3又は4であり、m単位の少なくとも1つにおいてaが0であり、bが2である式(I)のシクロシロキサンから選択される。成分(B)は、特にmが4であり、aが0であり、bが2である式(I)のシクロシロキサンから選択される。
本発明によって用いられるシクロシロキサン(B)の例としては、オクタフェニルシクロテトラシロキサン(CAS 546-56-5)、ヘキサフェニルシクロトリシロキサン(CAS 512-63-0)、2,4,6,8-テトラメチル-2,4,6,8-テトラフェニルシクロテトラシロキサン(CAS 77-63-4),2,4,6-トリメチル-2,4,6-トリフェニルシクロトリシロキサン(CAS 546-45-2)、1,1,3,3,5,5-ヘキサフェニル-7,7-ジメチルシクロテトラシロキサン(CAS 1693-46-5)、および1,1,3,3-テトラメチル-5,5,7,7-テトラフェニルシクロテトラシロキサン(CAS 1693-47-6)が挙げられ、オクタフェニルシクロテトラシロキサンおよびヘキサフェニルシクロトリシロキサンが特に好ましい。
一つの成分(B)のみを用いることも、異なる成分(B)の混合物を用いることも可能である。
本発明による組成物は、シクロシロキサン(B)を、成分(A)100重量部を基準として、好ましくは1~100重量部、特に好ましくは5~50重量部、特に5~25重量部の量で含有する。
成分(A)及び(B)に加えて、本発明による組成物は、成分(A)及び(B)とは異なるさらなる物質、例えば改質剤(C)、反応性樹脂(D)、充填剤(E)、促進剤(F)、溶媒(G)及びさらなる構成要素(H)を含んでもよい。
化合物(C)
改質剤(C)は、式(II):
(ORSiO(4-m-n)/2 (II)
(式中、
は、同一であっても異なっていてもよく、水素、または、任意に置換された、例えばヘテロ原子で置換された、一価もしくは二価のSiC結合の炭化水素基を表し、
は、同一であっても異なっていてもよく、水素、または、任意に置換された、1~18個の炭素原子を有する一価の炭化水素基を表し、
mは、0、1、2または3であり、好ましくは1、2または3であり、
nは、0、1、2または3であり、好ましくは0、1または2であり、特に好ましくは0または1であり、特に0であり、
但し、式(II)においてmおよびnの合計は3以下であり、オルガノポリシロキサン(C1)中の式(II)の全てのシロキサン単位に基づいて、式(II)の単位の20%以下、好ましくは15%以下、特に好ましくは10%以下、特に5%以下でm=0であり、式(II)の単位の1.0%以下、好ましくは0.5%以下、特に好ましくは0.3%、特に0.2%以下でRが水素であり、m=2かつn=0の式(II)の環状シロキサンが、Rが反応性の、ハロゲンおよびリンを含まない官能基である式(II)の少なくとも1つの単位を含む。)
の単位を含むオルガノポリシロキサン(C1)から選択される。
任意に置換された一価または二価のSiC結合の炭化水素基Rの例としては、フェニレンおよびビフェニレン、RおよびRで記載された基;反応性官能基、例えば脂肪族炭素-炭素多重結合を有する一価の炭化水素基、例えばビニル、1-プロペニル、2-プロペニル、ビニルシクロヘキシル、ノルボルネニル、ノルボルネニルエチル、ビシクロ[2.2.1]ヘプト-5-エン-2-イル、ジシクロペンテニル、シクロヘキセニル、4-ビニルフェニル、スチリル、アリールエチニル、エチニルフェニル、1-プロペニルフェニル、および2-プロペニルフェニル等;イミド基、例えばN-(5-エチニルフタルイミド)フェニル、N-(5-(フェニルエチニル)フタルイミド)フェニル、ナジミドフェニル、マレイミドフェニル、および3-マレイミドプロピル等;エポキシ基、例えば3-グリシドキシプロピル、4-(オキシラン-2-イル)フェニル、オキシラン-2-イルおよび2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチル等;アクリレートおよびメタクリレート基、例えば3-メタクリロキシプロピル、アクリロキシメチルおよびメタクリロキシメチル;アミン基、例えばアミノフェニル、3-アミノプロピル、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルおよびN-フェニルアミノメチル等;ヒドロキシアルキル基およびヒドロキシアリール基、例えばヒドロキシプロピルおよびヒドロキシフェニル等;ビシクロ[4. 2.0]オクタ-1,3,5-トリエニル(ベンゾシクロブテニル)、シアナトフェニル、イソシアナトフェニルおよび3-イソシアナトプロピル等が挙げられる。
基Rは、好ましくは水素、または、フェニレン、フェニル、メチル、ヒドロキシフェニル、マレイミドフェニル、シアナトフェニルおよびアミノフェニルから選択され、特に好ましくはメチル、フェニルおよびヒドロキシフェニルから選択される。
基Rは、好ましくはメチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、sec-ブチル、tert-ブチルまたはイソブチルから選択され、特に好ましくはメチルまたはエチルから選択される。
オルガノポリシロキサン(C1)の例としては、1,3,5,7-テトラキス(2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチル)-1,3,5,7-テトラメチルシクロテトラシロキサン(CAS 121225-98-7)、ビス[2-(3,4-エポキシシクロサヘキサ-1-イル)エチル]-1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン(CAS 18724-32-8)、1,3-ビス(ノルボルネンイルエチル)-1,1,3,3-テトラメチルジシロキサン、2,4,6,8-テトラメチル-2,4,6,8-テトラキス[3-(グリシドキシ)プロピル]シクロテトラシロキサン(CAS 257284-60-9)、平均組成(PhSiO3/220(PhSi(OMe)O2/266(PhSi(OMe)1/214および重量平均分子量Mw=2190g/モルのオルガノポリシロキサン、オクタ(エポキシシクロヘキシル)-POSS(CAS 187333-74-0)、オクタフェニル-POSS(CAS 5256-79-1)および1,1,3,5,5-ペンタフェニル-1,2,3-トリメチルトリシロキサン(CAS 3390-61-2)等が挙げられる。
改質剤(C)は、さらに、シアネートエステルを含まない熱可塑性有機ポリマー(C2)から選択されてもよい。熱可塑性プラスチック(C2)は、反応性末端基または化学的に不活性な末端基のいずれかを有する。反応性末端基は、例えば、モノマーの対応する反応性基から重合反応において製造された結果として残存する。この基は、好ましくは、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基およびイソシアナト基である。化学的に不活性な末端基の例としては、メチル基またはフェニル基が挙げられる。熱可塑性プラスチック(C2)は、100℃以上、好ましくは130℃~450℃、特に好ましくは150℃~400℃、特に180℃~350℃のガラス転移温度を有し、(C2)の数平均モル質量Mnは好ましくは1000~100000g/molであり、好ましくは2000~50000g/molであり、特に好ましくは2000~30000g/molであり、特に3000~20000g/molである。(C2)の例としては、ポリアリーレン、ポリアリーレンエーテル、ポリアリーレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトン、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリアミド、ポリ(アミドイミド)、ポリアリレート、ポリエステルイミド、ポリエーテルイミド、ポリアラミド、ポリアクリレート、ポリヒダントイン、液晶ポリマー、ポリカーボネート、ポリエステルカーボネートおよびポリエチレンテレフタレート、および、これらの混合物または共重合体化合物も挙げられる。
改質剤(C)は、さらに、一般式(III):
-OCN (III)
(式中、Rは、任意に置換された(例えば、ヘテロ原子で置換された)、一価の芳香族炭化水素基を表わし、但し、シアネートエステル基が芳香族炭素原子に直接結合している。)
の単官能シアネートエステル(C3)から選択することができる。
好適な成分(C3)の例としては、シアナトベンゼン(CAS 1122-85-6)、1-シアナト-4-クミルベンゼン(CAS 110215-65-1)、1-シアナト-4-tert-ブチルベンゼン、1-シアナト-2-tert-ブチルベンゼン、4-シアノトビフェニル.1-シアナトナフタレン、2-シアナトナフタレン、4-シアナトノニルベンゼン、4-クロロシアナトベンゼン、4-シアナトジフェニルスルホン、4-シアナトトルエン、4-シアナトジフェニルエーテル、4-シアナトジフェニルケトン、4-(シアナト)メトキシベンゼン;およびプロペニル置換された単官能シアネートエステル、例えば2-(2-プロペニル)シアナトベンゼン等が挙げられる。
改質剤(C3)は、好ましくは、1013hPaにおける沸点が少なくとも150℃であり、特に好ましくは少なくとも180℃であり、特に少なくとも220℃である。
改質剤(C)は、重合反応に適した更なる反応性官能基を含まないヒドロキシル-及び任意にプロペニル-官能化有機化合物(C4)から更に選択されてもよい。
改質剤(C4)において、存在するヒドロキシル基および任意のプロペニル基は、好ましくは、芳香族炭素原子に直接結合している。
プロペニル基を有しない改質剤(C4)の例としては、トリシクロデカンジメタノール(CAS 26896-48-0);任意に置換された一価のフェノール、例えばフェノール、クレゾール。ナフトール、チモール、4-クミルフェノール、4-ベンジルフェノール、4-イソプロピルフェノール、2,4-ビス(α,α-ジメチルベンジル)フェノール、2,4-ジ-tert-ブチルフェノール、ノニルフェノール、キシレノールまたは2,6-ジノニルフェノール;任意に置換された多価フェノール、例えばジヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン;ヒドロキシフェニル基を2つ有する芳香族化合物(ビスフェノール)もしくはそれ以上有する芳香族化合物、例えばビス(2-ヒドロキシフェニル)メタン、2,2-ビス(3-メチル-4-ヒドロキシフェニル)プロパン(ビスフェノールC)、1,1-ビス(4-ヒドロキシフェニル)エタン(ビスフェノールE)、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)プロパン(ビスフェノールA)、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン(ビスフェノールAF)、9,9-ビス(4-ヒドロキシフェニル)フルオレン(ビスフェノールFL)、ビス(4-ヒドロキシフェニル)スルホン(ビスフェノールS)、1,3-ビス(2-(4-ヒドロキシフェニル)-2-プロピル)ベンゼン(ビスフェノールM)、ビス(4-ヒドロキシフェニル)メタン(ビスフェノールF)、ビス(4-ヒドロキシフェニル)エーテル、ビス(4-ヒドロキシフェニル)チオエーテル、および1,1,1-トリス(4-ヒドロキシフェニル)エタンが挙げられる。
プロペニル基を有する改質剤(C4)の例としては、2,2-ビス(3-(2-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)プロパン(CAS 1745-89-7)、2-(2-プロペニル)フェノール(CAS 1745-81-9)、5,5’-ビス(2-プロペニル)-2,2’-ビフェニルジオール(CAS 528-43-8)、3’,5-ビス(2-プロペニル)-2,4’-ビフェニルジオール(CAS 35354-74-6)、α,α’-ビス(3-(2-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)-p-ジイソプロピルベンゼン、2,2’-ビス(3-(2-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)パーフルオロプロパン、9,9’-ビス(3-(2-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)フルオレン、α,α’-ビス(3-(1-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)-p-ジイソプロピルベンゼン、2,2’-ビス(3-(1-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)パーフルオロプロパン、9,9’-ビス(3-(1-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)フルオレン、およびビス(3-(2-プロペニル)-4-ヒドロキシフェニル)スルホン(CAS 41481-66-7)が挙げられる。
本発明による組成物が改質剤(C)を含む場合、1つの改質剤(C)のみを用いることも、2つ以上の異なる改質剤(C)を用いることも可能である。
本発明による組成物が改質剤(C1)、(C2)及び(C3)を含む場合、成分(A)及び(B)の混合物100重量部を基準として、好ましくは1~40重量部、特に好ましくは1~30重量部、特に1~20重量部の量のものが用いられる。
本発明による組成物が改質剤(C4)を含む場合、本発明による組成物中に存在するシアネートエステル基の合計と成分(C4)中の反応性官能基水酸化物基の合計とのモル比は、好ましくは60:40~99:1であり、特に好ましくは70:30~95:5である。
化合物(D)
反応性樹脂(D)は、エポキシド(D1)およびイミド(D2)からなる群から選ばれるシアネートエステルおよびシロキサンを含まない有機化合物であり、但し、イミド(D2)は、1分子あたり少なくとも2つの、好ましくは少なくとも2つの、任意に置換された、重合可能な5-エチニルフタルイミド基、5-(フェニルエチニル)フタルイミド基、ナジミド基、ベンゾシクロブテンフタルイミド基またはマレイミド基を含み、これらの基は任意にヘテロ原子を含んでもよく、芳香族炭素原子に結合してもよい。エポキシド(D1)は、1分子あたり少なくとも2つ、好ましくは少なくとも2つの、任意に置換されたグリシジルオキシ基、グリシジルオキシカルボニル基、グリシジルアミノ基、ジグリジルアミノ基またはオキシラニル基を含み、これらの基は任意にヘテロ原子を含んでもよく、芳香族炭素原子に結合してもよい。マレイミド基、グリシジルオキシ基、グリシジルアミノ基およびジグリジルアミノ基が特に好ましい。
重合性反応性樹脂(D)は、好ましくは1分子あたり少なくとも2つの、任意に置換された、例えばヘテロ原子で置換された、芳香族炭素原子に結合したマレイミド基、グリシジルオキシ基、グリシジルオキシカルボニル基、グリシジルアミノ基又はジグリシジルアミノ基をそれぞれ有する芳香族炭化水素基を含む場合が好ましい。(D)が、
少なくとも2つの、任意に置換された、例えばヘテロ原子で置換された、芳香族炭素原子に結合したマレイミド基、グリシジルオキシ基、グリシジルアミノ基またはジグリシジルアミノ基をそれぞれ有する芳香族炭化水素基を有する化合物から選択される場合が特に好ましく、ここで、任意に置換された、例えばヘテロ原子で置換された芳香族炭化水素基は、共有結合、または、-CR -、-O-、-S-、-N=N-、-CH=N-、-CO-、-C(O)O-、-S(O)-、OP(O-)、フェニレン、アリーレン、ビフェニレン、ビアリーレン、ナフチレン、または、シクロアルキレン基、例えばトリシクロ[5.2.1.02,6]デカンジイルまたはビシクロ[2.2.1]ヘプタンジイルから選択される少なくとも1つの官能基を含む架橋単位を介して互いに結合している。
基Rは、それぞれ独立して、水素原子、フッ素原子、または任意に置換基または他の基Rのいずれかで環状単位に結合されていてもよい1~30個の炭素原子を有する任意に置換された炭化水素基である。
化合物(D)は、好ましくは、ヘテロ原子含有芳香族炭化水素基を有さない。
エポキシ樹脂(D1)は、成分(A)と共重合可能であることが好ましい。
イミド樹脂(D2)は、成分(A)と共重合可能でないことが好ましい。
エポキシ樹脂(D1)の例としては、フェノール化合物のグリシジルエーテル、例えば2,2-ビス(4-グリシジルオキシフェニル)プロパン(CAS 1675-54-3)、ビス(4-グリシジルオキシフェニル)メタン(CAS 2095-03-6)、1,2-ビス(グリシジルオキシ)ベンゼン(CAS 2851-82-3)、1,3-ビス(グリシジルオキシ)ベンゼン(CAS 101-90-6)、1,4-ビス(グリシジルオキシ)ベンゼン(CAS 129375-41-3)、3,5,3’,5’-テトラメチル-4,4’-ジグリシジルオキシビフェニル(CAS 85954-11-6)、2,2-ビス(3,5-ジブロモ-4-グリシジルオキシフェニル)プロパン(CAS 3072-84-2)、トリス(4-グリシジルオキシフェニル)メタン(CAS 66072-38-6)、1,1,2,2-テトラキス(4-グリシジルオキシフェニル)エタン(CAS 7328-97-4)、4,4’-ビス(グリシジルオキシフェニル)スルホン(CAS 878-43-1)、9,9-ビス(4-グリシジルオキシフェニル)フルオレン(CAS 47758-37-2)、1,6-(ジグリジルオキシ)ナフタレン(CAS 27610-48-6);フェノール、ナフトール、ナフタレンジオール、ビスフェノールまたはクレゾール-ホルムアルデヒド縮合物のグリシジルエーテル、例えばクレゾールノボラックグリシジルエーテル(CAS 29690-82-2)、フェノールノボラックグリシジルエーテル(CAS 9003-36-5,CAS 28064-14-4、CAS 158163-01-0)、およびビスフェノールA-エピクロロヒドリン-ホルムアルデヒドコポリマー(CAS 28906-96-9);フェノール-またはクレゾール-ジシクロペンタジエン縮合生成物のグリシジルエーテル、例えばCAS 68610-51-5およびCAS 119345-05-0;芳香族カルボン酸のグリシジルエステル、例えばフタル酸ジグリシジル(CAS 7195-45-1)、テレフタル酸ジグリシジル(CAS 7195-44-0)、イソフタル酸ジグリシジル(CAS 7195-43-9)、トリグリシジル1,2,3-ベンゼントリカルボキシレート、トリグリシジル1,2,4-ベンゼントリカルボキシレート(CAS 7237-83-4)およびトリグリシジル1,3,5-ベンゼントリカルボキシレート(CAS 7176-19-4);芳香族アミンおよびアミノフェノールのグリシジル誘導体、例えばN,N-ジグリシジル-4-グリシジルオキシアニリン(CAS 5026-74-4)、4,4’-メチレンビス(N,N-ジグリシジルアニリン)(CAS 28768-32-3)、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタン(CAS 130728-76-6)およびm-(グリシジルオキシ)-N,N-ジグリシジルアニリン(CAS 71604-74-5);例えばアミノまたはヒドロキシ-末端熱可塑性プラスチック(C2)とエピクロロヒドリンとの反応によって製造可能なグリシジル末端熱可塑性プラスチックポリマー、例えばグリシジルオキシ-またはジグリシジルアミノ-末端ポリスルホン;ホモポリマーまたはコポリマーエポキシ樹脂、例えばビスフェノールAエピクロロヒドリンコポリマー(CAS 25036-25-3)、2,2’,6,6’-テトラブロモビスフェノールA-エピクロロヒドリンコポリマー(CAS 40039-93-8)およびジグリシジルビスフェノールAとm-フェニレンビス(メチルアミン)(CAS 110839-13-9)の反応生成物;および異なるエポキシ樹脂(D1)の混合物が挙げられる。
重合性マレイミド樹脂(D2)の例としては、N-(4-ヒドロキシフェニル)マレイミド(CAS 7300-91-6)、4,4’-ビス(マレイミドフェニル)メタン(CAS 13676-54-5)、ビス(4-マレイミド-3-メチルフェニル)メタン、ビス(4-マレイミド-3,5-ジメチルフェニル)メタン、1,1-ビス(4-マレイミドフェニル)シクロヘキサン、2,4-ビスマレイミドトルエン(CAS 6422-83-9)、N,N’-1,2-フェニレンビスマレイミド(CAS 13118-04-2)、N,N’-1,3-フェニレンビスマレイミド(CAS 3006-93-7)、N,N’-1,3-フェニレンビスマレイミド(CAS 3278-31-7);ビスマレイミドと芳香族アミンのコポリマー、例えば4,4’-ビス(マレイミドフェニル)メタン/4,4’-ビス(アミノフェニル)メタンコポリマー(CAS 26140-67-0);ビス(4-マレイミドフェニル)エーテル、2,2-ビス[4-(マレイミドフェノキシ)フェニル]プロパン(CAS 79922-55-7)、ビス(4-マレイミドフェニル)スルホン(CAS 13102-25-5)、ビス(4-マレイミドフェニル)ケトン、1,1’-(ベンゼン-1,3-ジイルジメタンジイル)ビス(1H-ピロール-2,5-ジオン)(CAS 13676-53-4)、4,4’-ビス(マレイミド)-1,1’-ビフェニル(CAS 3278-30-6)、4,4’-ビス(3-マレイミドフェノキシ)ジフェニルスルホン、またはアミノ末端熱可塑性プラスチック(C2)と無水マレイン酸との反応によって製造されたマレイミド末端熱可塑性ポリマー(D2)、例えばマレイミド末端ポリスルホンエーテル;および異なるマレイミド樹脂(D2)の混合物。
本発明による組成物が重合性反応性樹脂(D)を含む場合、本発明による組成物中に存在するシアネートエステル基の合計と成分(D)中の反応性官能性エポキシドまたはイミド基の合計とのモル比は、好ましくは20:80~99:1であり、特に好ましくは40:70~95:5であり、特に60:40~90:10である。
本発明による組成物が重合性イミド樹脂(D2)を含む場合、シアネートエステル基と、イミド基、好ましくはマレイミド基との両方と共重合可能な成分をさらに添加することが好ましい。これは、芳香族炭素原子に結合したプロペニル基を有するシアネートエステル(A)、改質剤(C3)または改質剤(C4)から選択することができる。
本発明による組成物が重合性イミド樹脂(D2)を含む場合、(A)、(C3)及び(C4)からのイミド基の合計とプロペニル基の合計のモル比は、好ましくは50:50~95:5、特に好ましくは60:40~90:10、特に70:30~80:20の範囲にある。
化合物(E)
本発明による組成物に用いられるフィラー(E)は、任意の公知のフィラーであってよい。
本発明によって用いられるフィラー(E)は、好ましくは、23℃および1000hPaのトルエン中で1重量%未満を示すものである。
フィラー(E)の例としては、非強化性粒子状フィラー、即ち 好ましくは最大で50m/gのBET表面積を有するフィラー、例えば石英、ガラス、クリストバライト、珪藻土;水に不溶性のケイ酸塩、例えばケイ酸カルシウム、メタケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸ジルコニウム、タルク、マイカ、長石、カオルーン、ゼオライト;金属酸化物、例えばアルミニウム、チタン、鉄、ホウ素または亜鉛の酸化物またはそれらの混合酸化物;硫酸バリウム、炭酸カルシウム、大理石粉、石膏、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素;プラスチック粉、例えばポリアクリロニトリル粉またはポリエーテルイミド粉;補強充填剤、即ち、50m/g以上のBET表面積を有するフィラー、例えば焼成シリカ、沈殿シリカ、沈殿チョーク、カーボンブラック、例えばファーネスブラックおよびアセチレンブラック、大きなBET表面積を有するケイ素-アルミニウム混合酸化物、三水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム;中空球状フィラー、例えばガラスマイクロバルーン、ガラス球、フェノール熱球またはセラミック微球、例えば3M Deutschland GmbH(ドイツ、ノイス)からZeeosphere(商標)という商品名で入手可能なもの;繊維状充填材、例えばウォラストナイト、モンモリロナイト、玄武岩、ベントナイト、刻んだもしくは粉砕したガラス繊維(短ガラス繊維)またはミネラルウール、金属繊維;金属酸化物、ガラス、セラミック、カーボンまたはプラスチックからなる繊維;セルロース、亜麻、麻、木材またはサイザルからなる天然繊維等が挙げられる。
高性能複合材料を製造するために、本発明による樹脂組成物は、好ましくは、任意の公知の繊維形成材料、好ましくはポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエステルからなる繊維強化材(E1);鋼からなる金属繊維;酸化性および非酸化性セラミックス、例えば炭化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化ホウ素;ガラス、石英、カーボン、アラミド、アスベスト、グラファイト、アクリロニトリル、ポリ(ベンゾチアゾール)、ポリ(ベンズイミダゾール)、ポリ(ベンゾオキサゾール)、二酸化チタン;ボロンおよび芳香族ポリアミドファイバー、例えばポリ(p-フェニレンテレフタルアミド)等を含む。繊維(E1)は、例えば、それぞれが1000~400000本の個々のフィラメントを有する連続ロープ、織物、非クリンプファブリック、編物、ブレード、マット、不織布、ウィスカー、刻んだもしくは粉砕した短繊維またはランダム繊維フェルトとして異なる形態で用いられ得る。好ましい繊維は、炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維、セラミック繊維、ガラス繊維である。
列挙したフィラーは、任意に、例えば、オルガノシランまたはオルガノシロキサン、ステアリン酸、または1つ以上の改質剤(C)による処理によって表面処理、例えば疎水化されてもよい。フィラー(E)は、好ましくは表面処理されている。
本発明によって用いられるフィラー(E)は、単独で、または互いに任意の混合物で用いることができる。異なるフィラー(E)の混合物が用いられる場合、それは好ましくはフィラー(E1)から選択される。
本発明による組成物がフィラー(E)を含む場合、未硬化複合材料を基準とした成分(E)の割合は、好ましくは5重量%~80重量%、特に好ましくは10重量%~70重量%、特に15重量%~60重量%である。前記充填材は、好ましくは繊維状充填材(E1)である。
本発明による組成物が繊維強化材(E1)と非繊維状フィラー(E)の両方を含む場合、成分(E):(E1)の重量比は、好ましくは50%以下である。
化合物(F)
本発明による組成物は、先行技術から知られているような促進剤(F1)の存在下で架橋されてもよい。好適な硬化促進剤(F1)は、例えば、酸および塩基、例えば塩酸、リン酸;脂肪族および芳香族アミン、例えばトリエチルアミン、N,N-ジメチルアニリンおよびピリジン;アミジン、グアニジン、水酸化ナトリウム、ホスフィン類;ハロゲン化物、例えば塩化アルミニウム、塩化リチウム、フッ化ホウ素、塩化鉄、塩化亜鉛、フッ化亜鉛、塩化スズ、塩化コバルト、塩化チタン;有機金属化合物、例えばアルミニウム、銅、亜鉛、チタン、鉄、マンガン、コバルト、クロムまたはニッケルの、金属アルコキシド、金属カルボン酸塩または金属-キレート錯体が挙げられる。有機金属化合物の例としては、ナフテン酸コバルト(II)、ナフテン酸ニッケル(II)、ナフテン酸鉄(III)、ナフテン酸銅(II)、ナフテン酸マンガン(II)、ナフテン酸アルミニウム(III)、ナフテン酸亜鉛(II)、ナフテン酸ニッケル(II)、オクタン酸亜鉛(II)、亜鉛(II)アセチルアセトナート、鉄(III)アセチルアセトナート、コバルト(II)アセチルアセトナート、クロム(III)アセチルアセトナート、アルミニウム(III)アセチルアセトナート、および銅(II)アセチルアセトナートが挙げられる。
本発明による組成物を架橋するために促進剤(F1)が用いられる場合、これは好ましくは有機金属化合物と少なくとも1つの活性プロトンを有する共促進剤との組み合わせ、特に好ましくは有機金属化合物とフェノール(C4)、例えばノニルフェノールの組み合わせである。
本発明による組成物が促進剤(F1)を含む場合、その量は、成分(A)100重量部を基準として好ましくは0.00001~5重量部であり、有機金属化合物(F1)は、成分(A)100重量部を基準として0.0001~0.02重量部の量で特に好ましくは用いられる。
本発明による組成物がイミド含有改質剤(C1)またはイミド樹脂(D2)を含む場合、基形成促進剤(F2)、例えば有機過酸化物、例えばジクミルパーオキサイド、ジ-tert-ブチルパーオキサイド、ジベンゾイルパーオキサイド、ジラウロイルパーオキサイド、1,1-ビス(tert-ブチルパーオキシ)シクロヘキサンおよびtert-ブチルパーベンゾエート、または、アゾ化合物、例えばアゾビス(イソブチロニトリル)を単独または(F1)に加えて硬化促進剤として用いることができる。本発明による組成物が遊離基形成促進剤(F2)を含む場合、その量は、イミド含有改質剤(C1)とイミド樹脂(D2)の合計100重量部を基準として、0.1~2重量部であることが好ましい。なお、遊離基生成促進剤(F2)は用いないことが好ましい。
化合物(G)
任意に用いられる溶媒(G)の例としては、一価および多価アルコール類、例えばメタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、イソブタノール、sec-ブタノール、1,2-エタンジオール、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、ポリブチレングリコールおよびグリセロール;エーテル類、例えばメチルtert-ブチルエーテル、ジ-tert-ブチルエーテルおよびジ-、トリ-またはテトラエチレングリコールジメチルエーテル;飽和炭化水素、例えばn-ヘキサン、シクロヘキサン、n-ヘプタン、n-オクタン、および異性体オクタン、例えば2-エチルヘキサン、2,4,4-トリメチルペンタン、2,2,4-トリメチルペンタン、2-メチルヘプタン、トリクロレチレン;ならびに60~300℃の沸点を有する飽和炭化水素の混合物(Exxsol(商標)、Hydroseal(登録商標)またはShellsol(登録商標)という製品名で販売されている);芳香族溶媒、例えばベンゼン、トルエン、スチレン、o-、m-またはp-キシレン、ナフサ溶媒、フタル酸ジメチル、フタル酸ジイソブチル、フタル酸ジシクロヘキシル、メシチレン、クロロベンゼン;アルデヒドアセタール、例えばメチラール、エチルヘキシラール、ブチラール、1,3-ジオキソラン、グリセロールホルマール;炭酸塩類、例えば1,3-ジオキソラン-2-オン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、炭酸ジプロピル、炭酸プロピレングリコール、炭酸エチレン;ケトン類、例えばアセトン、メチルイソブチルケトン、メチルエチルケトン、メチルイソアミルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、シクロヘキサノン;エステル類、例えば酢酸エチル、酢酸n-ブチル、エチレングリコールジアセテート、ガンマブチロラクトン、2-メトキシプロピルアセテート(MPA)、ジプロピレングリコールジベンゾエート、プロピオン酸エチルエトキシ;アミド、例えばN,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル-2-ピロリドン、N-エチル-2-ピロリドン;アセトニトリル;およびジメチルスルホキシドが挙げられる。
好ましい溶媒(G)は、芳香族炭化水素類およびケトン類である。
本発明による組成物が溶媒(G)を含む場合、その量は、成分(A)及び(B)の合計100重量部を基準として、いずれの場合も、好ましくは10~500重量部、特に好ましくは50~300重量部である。本発明による組成物は、好ましくは溶媒(G)を含有しない。
化合物(H)
本発明によって任意に用いられる成分(H)は、好ましくは、顔料、染料、香料、加工助剤、例えばタックに影響を与える剤、潤滑剤、脱型剤、アンチブロッキング剤、分散剤;加水分解、光、酸化、熱、変色に対する安定剤;難燃剤又は可塑剤から選択される。
本発明による組成物がさらなる成分(H)を含む場合、その量は、成分(A)及び(B)の合計の100重量部を基準として、それぞれ好ましくは0.01~20重量部、特に好ましくは0.1~10重量部である。本発明による組成物は、好ましくは、さらなる成分(H)を含有しない。
本発明による組成物は、好ましくは以下を含むものである。
(A)少なくとも1種のシアン酸エステル樹脂、
(B)少なくとも1種のシクロシロキサン、
任意に(C)少なくとも1種の改質剤、
任意に(D)少なくとも1種の反応性樹脂、
(E)少なくとも1種のフィラー、
任意に(F)少なくとも1種の促進剤、
任意に(G)少なくとも1種の溶媒、および
任意に(H)さらなる成分。
本発明による組成物は、好ましくは以下を含むものである。
(A)少なくとも1種のシアン酸エステル樹脂、
(B)少なくとも1種のシクロシロキサン、
(C)少なくとも1種の改質剤、
任意に(D)少なくとも1種の反応性樹脂、
(E1)少なくとも1種の繊維強化フィラー、
任意に(F)少なくとも1種の促進剤、
任意に(G)少なくとも1種の溶媒、および
任意に(H)さらなる成分。
特に好ましい実施形態では、本発明による組成物は、以下を含むものである。
(A)少なくとも1種のシアン酸エステル樹脂、
(B)少なくとも1種のシクロシロキサン、
任意に(C)少なくとも1種の改質剤、
(D1)少なくとも1種のエポキシ樹脂、
(E1)少なくとも1種の繊維強化充填剤、
任意に(F)少なくとも1種の促進剤、
任意に(G)少なくとも1種の溶媒、および
任意に(H)さらなる成分。
本発明による組成物は、特に以下を含むものである。
(A)少なくとも1種のシアン酸エステル樹脂、
(B)少なくとも1種のシクロシロキサン、
(C)少なくとも1種の改質剤、
(D1)少なくとも1種のエポキシ樹脂、
(E1)少なくとも1種の繊維強化充填剤、
任意に(F)少なくとも1種の促進剤、
任意に(G)少なくとも1種の溶媒、および
任意に(H)さらなる成分。
さらなる特に好ましい実施形態において、本発明による組成物は、以下を含むものである。
(A)少なくとも1種のシアン酸エステル樹脂、
(B)少なくとも1種のシクロシロキサン、
任意に(C)(C1)~(C4)の群から選択される改質剤、
(D2)少なくとも1種のマレイミド樹脂、
(E1)少なくとも1種の繊維強化フィラー、
任意に(F)少なくとも1種の促進剤、
任意に(G)少なくとも1種の溶媒、および
任意に(H)さらなる成分。
但し、芳香族炭素原子に直接結合したプロペニル基を有する少なくとも1種の成分(A)、(C3)又は(C4)が存在することを条件とする。
本発明による組成物は、特に以下を含むものである。
(A)少なくとも1種のシアン酸エステル樹脂、
(B)少なくとも1種のシクロシロキサン、
任意に(C)(C1)~(C4)の群から選択される少なくとも1種の改質剤、
(C)(C4)とは異なる少なくとも1種の更なる改質剤、
(D)少なくとも1種の重合可能なマレイミド樹脂、
(E1)少なくとも1種の繊維強化フィラー、
任意に(F)少なくとも1種の促進剤、
任意に(G)少なくとも1種の溶媒、および
任意に(H)さらなる成分。
但し、芳香族炭素原子に直接結合したプロペニル基を有する少なくとも1種の成分(A)、(C3)又は(C4)が存在することを条件とする。
本発明による組成物は、成分(A)、(B)、任意に用いられる成分(C)~(H)、および場合によっては原料特有の不純物、例えば残留触媒、例えば塩化ナトリウムまたは塩化カリウム;および技術等級のシアン酸エステル樹脂モノマー中の不純物、混合中/保存中に形成される使用成分の反応生成物に加えて、さらなる成分を含有しない。
本発明による組成物において、上述した成分はそれぞれ個別に、またはそれぞれの成分の少なくとも2つの混合物の形態で用いることができる。
本発明による組成物の製造は、公知の方法に従って、例えば、個々の成分を任意の所望の順序で、公知の方法で混合することにより実施することができる。
本発明はさらに、個々の成分を任意の所望の順序で混合することによって、本発明による組成物を製造するための方法を提供する。
本発明による方法において、混合は、好ましくは20℃~150℃の範囲の温度、特に好ましくは50℃~130℃の範囲の温度、特に60℃~120℃の温度で実施されてもよい。原料の温度に混合中のエネルギー投入による温度上昇を加えた温度で混合を行うことが非常に特に好ましく、必要に応じて混合物を加熱又は冷却してもよい。
混合は、周囲雰囲気の圧力、すなわち約900~1100hPaで実施されてもよい。混合はさらに、揮発性化合物および/または空気を除去するために減圧下、例えば絶対圧30~500hPaで、または正圧、例えば絶対圧1100hPa~3000hPaで、特に連続プロセスモードにおいて、これらの圧力が、例えば閉システムにおいてポンプ輸送中の圧力の結果として、および高温における採用材料の蒸気圧の結果として確立される場合に、断続的または永久的に実施されても良い。
本発明による方法は、連続的、非連続的または半連続的に、好ましくは非連続的に実施することができる。
本発明による組成物を製造するための方法の好ましい実施形態では、個々の成分は任意の所望の順序で混合され、用いられる充填材(F)は成分(F1)である。
本発明による組成物は、熱硬化性樹脂のプレポリマーを従来使用していた任意の目的のために用いることができる。
本発明による組成物は、公知の加工技術、例えばプリプレグ(溶融物、溶液又は懸濁液から)、樹脂転写成形、フィラメント巻、圧縮成形、粉末塗装、及び引抜成形によって成形品にすることができる。
本発明による方法の1つの変形例では、成分(A)及び(B)並びに任意成分(C)、(D)、(G)及び(H)は、好ましくは最初に任意の所望の順序で混合されて予混合物を与え、次に成分(E1)、好ましくはロープ、織布、非圧着布、編布又は組紐は、任意に圧力下で予混合物を含浸され任意に脱気される。多層織物又はノンクリンプ織物(E1)の場合、含浸及び脱気は、各層に対して個別に、又は全ての層を一緒に行うことができる。
本発明による方法のさらに好ましい変形例では、成分(A)および(B)ならびに任意成分(C)、(D)、(G)および(H)は、最初に任意の所望の順序で混合されて予混合物を与え、次に成分(E1)、好ましくはロープ、織布、非圧着布、編物または組物を含む型キャビティに注入し、ここで脱気は、注入と同時に実行されることが望ましい。
本発明による方法のさらに好ましい変形例では、成分(A)および(B)ならびに任意成分(C)、(D)、(G)および(H)は、最初に任意の所望の順序で混合されて予混合物が得られ、その後剥離紙に適用される。その後、成分(E1)、好ましくは配向ロープ、織布、ノンクリンプ布、編布または編組は、二つの被覆紙シート間でプレスされ、一連の加熱ローラを通過させて成分(E1)の完全湿潤性が保証される。
本発明による組成物は、周囲温度または任意に昇温した温度での機械的圧力により、任意の所望の形状にすることができる。
本発明による組成物は、好ましくは成形可能であり、特に好ましくは、金型キャビティ内/成形品の周囲で成形され、硬化される。
したがって、本発明は、組成物を成形し、硬化させることによって、成形品を製造するための方法をさらに提供する。
したがって、本発明は、成形された物品を製造するための、本発明による組成物の使用をさらに提供する。
したがって、本発明は、成形および硬化によって本発明による組成物から得られる成形品をさらに提供する。
本発明による/本発明に従って製造された組成物は、任意に促進剤(F1)の存在下で、(A)、任意に(C1)および任意に(C3)からのシアネートエステル基のシクロトリマー化により架橋を受けて、1,3,5-トリアジン単位を得ることができ、任意に炭素-炭素三重結合のシクロトリマー化およびシクロテトラマー化、付加反応、アルダー-エン反応、ディールス-アルダー環化付加反応および重合により、分子内転位、異性化および再芳香族化工程も発生しうる。本発明による硬化が付加反応および任意に転位によってさらに進行する場合、(C1)および(D1)からの任意のエポキシ基および(A)からのトリアジン単位に環化されたシアネートエステル基は、好ましくは互いに反応し、および/または(C1)、(C2)および(C4)からの任意の水酸化基が、好ましくは(A)からのシアネートエステル基と反応する。本発明による硬化がさらに炭素-炭素三重結合のシクロトリマー化およびシクロテトラマー化によって進行する場合、イミド樹脂(D2)および/または改質剤(C1)の任意の反応性炭素-炭素三重結合が、好ましくは互いに反応する。本発明による硬化がさらに重合によって進行する場合、任意の反応性ナジミド基またはマレイミド基、あるいはイミド樹脂(D2)および/または改質剤(C1)の炭素-炭素三重結合は、好ましくは互いに反応し、重合は、場合によっては転位および場合によっては環化付加が続く可能性がある。本発明による硬化がさらにアルダー-エンまたはディールス-アルダー反応によって進行する場合、イミド樹脂(D2)、特に好ましくはマレイミド樹脂(D2)からの任意の反応性基、および(A)、(C1)、(C3)および/または(C4)からの任意のプロペニル基は好ましくは互いに反応し、さらなるディールス-アルダー反応および再芳香化工程が特に好ましく後続する。
本発明による/本発明に従って製造された混合物は、好ましくは硬化前に、特に好ましくは成形後かつ硬化前に脱気される。
本発明による架橋は、好ましくは50℃~350℃、特に好ましくは100℃~300℃、特に120℃~270℃の範囲の温度で実施される。本発明による架橋を120℃~270℃の温度で段階的に実施することが非常に特に好ましい
架橋は、温度を上げることによって促進することができ、したがって、成形および架橋は、共通の工程で実施することもできる。
本発明による成形品は、好ましくは、繊維複合体である。
本発明はさらに、本発明による組成物を成形し、架橋することを特徴とする、繊維複合材料の製造方法を提供する。
本発明による(A)および(B)の組成物は、好ましくは硬化して巨視的に均質な透明性を有する熱硬化物を得る。
本発明による組成物は、100℃および1013hPaで固体または液体であってよく、好ましくは100℃および1013hPaで液体である。
本発明による組成物が100℃および1013hPaで液体である場合、当該組成物は、100℃および1013hPaで、好ましくは1mPa・s超5000mPa・s未満、好ましくは1mPa・s超2000mPa・s未満、特に好ましくは1mPa・s超1000mPa・s未満、特に1mPa・s超500mPa・s未満の動的粘度を有する。
本発明において、動的粘度は、特に断らない限り、温度23℃、気圧1013hPaでDIN 53019に従って決定される。測定は、Anton Paar社の「Physica MCR 300」回転式レオメーターで行われる。1~200mPa・sの粘度には、1.13mmの環状測定ギャップを有する同軸円筒測定システム(CC 27)を使用し、200mPa・s超の粘度にはコーンプレート測定システム(CP 50-1測定コーン付きのSearleシステム)を使用する。せん断速度は、ポリマー粘度(100s-1で1~99mPa・s;200s-1で100~999mPa・s;120s-1で 1000~2999mPa・s;80s-1で3000~4999mPa・s;62s-1で 5000~9999mPa・s;50s-1で10000~12499mPa・s;38.5s-1で12500~15999mPa・s;33s-1で16000~19999mPa・s、25s-1で20000~24999mPa・s、20s-1で25000~29999mPa・s、17s-1で30000~39999mPa・s、10s-1で40000~59999mPa・s、5s-1で60000~149999mPa・s、3.3s-1で150000~199999mPa・s、2.5s-1で200000~299999mPa・s、1.5s-1で300000~1000000mPa・s)に適応させることができる。
測定系を測定温度に温度制御した後、慣らし運転、予備せん断、粘度測定の3段階の測定プログラムが採用されます。慣らし運転では、1分間かけてせん断速度を徐々に上げ、測定時に予想される粘度依存性のせん断速度にする。このせん断速度に達すると、一定のせん断速度で30秒間予備せん断を行い、その後、25回の測定をそれぞれ4.8秒間行い、粘度を測定し、その平均値を取る。その平均値を動的粘度(単位:mPa・s)として表示する。
230℃で800時間保存した後、本発明による(A)及び(B)の硬化した熱硬化性組成物は、対応する未変性のシアネートエステル樹脂(A)と比較して、好みにより100%以下、好ましくは80%以下、特に好ましくは60%以下、特に40%以下高い重量減少を示す。
70℃の水中に2000時間保存した後、本発明による(A)及び(B)の硬化した熱硬化性組成物は、対応する未変性のシアネートエステル樹脂(A)と比較して、好みにより少なくとも10%、好ましくは少なくとも20%、特に好ましくは少なくとも30%、特に少なくとも40%低い吸水率を示す。
本発明による(A)および(B)の硬化した組成物の、それぞれの硬化した未変性のシアネートエステル樹脂(A)に対する曲げ弾性率Eの商は、いずれの場合も23℃で測定して、好ましくは1未満である。
本発明による(A)および(B)の硬化した組成物の、それぞれの硬化した未変性のシアネートエステル樹脂(A)に対する応力拡大係数KIcの商は、いずれの場合も23℃で測定して、好ましくは1以上である。
本発明による組成物は、容易に入手可能な原材料から、簡便な方法で製造可能であるという利点を有する。
本発明による成形品は、熱的に安定であり、純粋な有機、シアネートエステルベースの結合剤からなる複合材料と比較して、火災負荷が低減されているという利点を有する。
本発明による成形品は、顕著に低減された吸水性を示し、したがって、より良好な耐加水分解性を有するという利点を有する。
本発明による成形品は、それらが高い熱酸化安定性を有するという利点を有する。
本発明による組成物は、高い耐熱性、高いガラス転移温度、高い剛性および臨界応力拡大係数(KIc)で表される高い破壊靭性を有する、いわゆる複合体の製造を可能にするという利点を有する。
本発明による組成物は、その処理によって、先行技術によって使用されたシアネートエステル樹脂で典型的に発生する程度の有害な排出物が生じないという利点を有する。
例示的な実施形態
以下に続く実施例は、本発明が原理的にどのように実施され得るかを説明するが、そこに開示されるものに当該発明が限定されるものではない。
以下に続く例は、周囲雰囲気の圧力、すなわち約1000hPaで、室温、すなわち約20℃、または追加の加熱もしくは冷却なしに室温で反応物を結合した際に確立される温度で実施されたものである。
重量平均モル質量Mw
本発明の文脈において、重量平均モル質量Mwは、DIN 1333:1992-02のセクション4に従って四捨五入され、DIN 55672-1/ISO160414-1及びISO160414-3に準拠したサイズ排除クロマトグラフィー(SEC/GPC)を用いて、ポリスチレン標準で、ポリスチレン-共-ジビニルベンゼンを固定相とし、排除サイズが450000g/mol超であり、10 000Å、500Å及び100Åの順に異なる孔径分布を有する3本のカラムからなるカラムセットを校正することによって測定される。フェニル基含有成分はTHFを溶離液として、非フェニル基含有成分はトルエンを溶離液として測定される。分析は、カラム温度40±1℃、屈折率検出器を用いて行う。
試験片の作製
シアネートエステル樹脂(A)は、加工性を良くするために、最初に、攪拌しながら100℃に加熱した。次にシクロシロキサン(B)を加え、120℃で1時間均質化した後、10mbarの圧力で120℃で1時間脱気し、窒素で真空を解除した後、直ちに120℃に予熱した2分割のネジ締めアルミ型に熱いまま充填し、金型キャビティ寸法は、曲げ試験用試験片を作製する場合は100mm×12.7mm×2.5mm(長さ×幅×高さ)であり、破壊靱性、吸水率、熱酸化安定性を測定するための試験片を作製する場合は200mm×100mm×6.5mm(長さ×幅×高さ)であった。金型内側の金型キャビティ表面は、固着や漏れを防ぐためにポリテトラフルオロエチレンのスプレーで処理し、金型キャビティの周囲には硬度75ショアAを有するフッ素ゴム製の2mm厚の丸紐を配置した。硬化は、充填した金型を以下の温度プログラムに従い、コンベクションオーブンにて保管した。
1)180℃で18時間硬化
2)200℃まで30分かけて昇温
3)200℃で3時間硬化
4)240℃まで30分かけて温度上昇
5)240℃で2時間硬化
その後、試験片を金型内で常温まで冷却し、脱型した。金型内での硬化中に開いて空気に触れていた加硫物側の上部10mmを切り取って廃棄し、さらに使用した。次に、破壊靱性、吸水率、及び熱酸化安定性を測定するための試験片は、高さ6.5mmの大型加硫シートから長さ×幅の適当な寸法に切り出し、高さ6.5mmの試験片横面4面すべてが製材されるようにし、吸水率測定用の厚さ1.00mmの試験片を内孔式ダイヤモンドソーで切り出し、これらの試験片6面すべてが製材されるようにした。
破壊靭性KIC
破壊靱性/臨界応力拡大係数KICの測定は、23℃、相対湿度50%で、刊行物「Reactive and Functional Polymers 142(2019)159-182」に記載の方法で行った。試験片の厚さは6.5mmであった。表1に報告された破壊靭性KICの値は、DIN1333:1992-02の第4節に従って、MN×m-3/2で表示し、小数点以下3桁に四捨五入したものである。
曲げ弾性率E
本発明において、曲げ弾性率は、ISO 178:2011-04の方法Aに従い、接触距離Lを38mmで、試験速度2mm/minで測定した。測定は、23℃、相対湿度50%の条件下で行った。長さ×幅×厚み=60.0mm×12.7mm×2.5mmの寸法の立方体試験片を使用した。測定はそれぞれ5枚の試験片に対して行った。表1の曲げ弾性率E(GPa)は、DIN1333:1992-02の第4節に従い、個々の測定値の平均値を小数点以下1桁に四捨五入したものである。
吸水率
本発明では、吸水率の重量測定は、長さ×幅×厚さ=30.00mm×17.00mm×1.00mmの寸法の立方体試験片を用い、重量測定の精度は±0.01mgであった。試験片は、まず70℃、30mbarの真空オーブン内で一定重量まで乾燥させ、24時間毎に重量を測定した。48時間経過しても重量減少が見られない場合、試験片は「乾燥」していると判断した。次に、各ケースで乾燥した試験片1個を、適切な密閉容器に入れた45mlの脱イオン水に浸した。密閉容器は、次に70℃に予熱した対流オーブンに入れ、試験期間中この温度を維持した。2000時間後、試験片を取り出し、周囲温度まで冷却した後、表面を布で拭いて乾燥させ、試験片の重量を再決定した。吸水率は、

に従って算出した。表1は、DIN 1333:1992-02の第4節に従って、吸水率の値を%で表示し、小数点以下2桁に四捨五入したものである。
熱酸化安定性
本発明では、熱酸化安定性の重量測定は、長さ×幅×厚さ=12.00mm×6.50mm×6.50mmの寸法の立方体試験片を用い、重量測定の精度は±0.01mgであった。試験片は、まず70℃、30mbarの真空オーブン内で一定重量まで乾燥させ、24時間毎に重量を測定した。48時間経過しても重量減少が見られない場合、試験片は「乾燥」していると判断した。その後、試験片を230℃の対流式オーブン中に保管した。800時間後、試験片を取り出し、試験片の重量を再測定した。吸水率は、
に従って計算した。表1は、DIN 1333:1992-02の第4節に従って、吸水率の値を%で表示し、小数点以下2桁に四捨五入したものである。
実施例B1
成分(A)として85gの2,2-ビス(4-シアナトフェニル)プロパン(CAS 1156-51-0;TCIドイツ社、D-65760エシュボーンから市販)および成分(B)として15gのオクタフェニルシクロテトラシロキサン(CAS 546-56-5;Sigma-Aldrich Chemie社、D-スタインハイムから市販)を「試験体の製造」の記載に従って一緒に混合して型に注入し、硬化させた。この結果、シロキサン成分の表面への発汗がなく、均一で透明な加硫物を得ることができた。
比較例V1
成分(A)にオクタフェニルシクロテトラシロキサンを添加しないことを除いて、実施例1に記載の手順を繰り返した。

Claims (11)

  1. (A)少なくとも2つの反応性シアネートエステル基(=「NC-O-」)を有する、シロキサン単位を含まない少なくとも1種の有機化合物と、
    (B)一般式(I):
    [R SiO2/2(I)
    (式(I)中、
    Rは、同一または異なっていてもよく、一価のSiC結合の飽和脂肪族炭化水素基を表し、
    は、同一または異なっていてもよく、任意にハロゲンまたはリンで置換された一価のSiC結合の芳香族炭化水素基を表し、
    aは、0、1または2であり、好ましくは0または1であり、特に好ましくは0であり、
    bは、0、1または2であり、好ましくは1または2であり、特に好ましくは2であり、
    mは、3、4または5であり、好ましくは3または4であり、特に好ましくは4であり、
    但し、a+bは2であり、シロキサン分子(B)1つあたり少なくとも3つ基Rが存在する。)
    の少なくとも1種のシクロシロキサンと、
    を含む、架橋性組成物。
  2. (E)少なくとも1種のフィラーをさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
  3. (C)少なくとも1種の改質剤と、
    (E1)少なくとも1種の繊維強化フィラーと、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
  4. (D1)少なくとも1種のエポキシ樹脂と、
    (E1)少なくとも1種の繊維強化フィラーと、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
  5. (C)少なくとも1種の改質剤と、
    (D1)少なくとも1種のエポキシ樹脂と、
    (E1)少なくとも1種の繊維強化フィラーと、
    をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
  6. をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
    任意に(C)(C1)~(C4)の群から選択される改質剤と、
    (D2)少なくとも1種のマレイミド樹脂と、
    (E1)少なくとも1種の繊維補強フィラーと、
    をさらに含み、
    但し、芳香族炭素原子に直接結合したプロペニル基を有する成分(A)、(C3)または(C4)の少なくとも1種が存在することを条件とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
  7. をさらに含むことを特徴とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
    任意に(C)(C1)~(C4)の群から選択される少なくとも1種の改質剤と、
    (C)(C4)とは異なる少なくとも1種の更なる改質剤と、
    (D)少なくとも1種の重合性マレイミド樹脂と、
    (E1)少なくとも1種の繊維強化フィラーと、
    をさらに含み、
    但し、芳香族炭素原子に直接結合したプロペニル基を有する成分(A)、(C3)または(C4)の少なくとも1種が存在することを条件とする、請求項1に記載の架橋性組成物。
  8. 個々の成分を任意の所望の順序で混合することにより、請求項1~7のいずれか一項に記載の架橋性組成物を製造する方法。
  9. 請求項1~7のいずれか一項に記載の架橋性組成物を成形し、その後硬化させることにより、成形品を製造する方法。
  10. 成形品を製造するための請求項1~7のいずれか一項に記載の架橋性組成物の使用。
  11. 請求項8または9に記載の方法から得られる成形品。
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