JP3547178B2 - テトラフルオロエチレンと他のパーフルオロ化モノマーとの共重合体の製造法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は、非常に高い化学的及び熱安定性を有する他のパーフルオロ化モノマーとのテトラフルオロエチレン共重合体の製造法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
テトラフルオロエチレンと他のパーフルオロ化モノマーとの共重合体を水性エマルジョンでの重合で作る場合に、過酸化開始剤、連鎖移動剤と分散剤が使用される。
過酸化開始剤と連鎖移動剤がポリマー鎖中に不安定な末端基を生成さすことが知られている。
【0003】
これら不安定な基は、ポリマーの加工中に、物品に泡を生じたり、物品を着色させるような問題を生ずる。その上に、ハンドメード物品(パイプや電子部品)にF-の放出現象が生じ、これらの共重合体の高純度が必要とされる用途には、不飽和末端基の量をできるだけ減少させる必要がある。
無機の過硫酸塩を開始剤として用いて、不安定なカルボン酸(−COOH)末端基及び/又はカルボキシレート(−COO- )末端基が得られることが知られている。
【0004】
連鎖移動剤は、その化学的性質により異なる不安定な末端基を生ずる。例えば、メタノールは不安定な−COOCH3と−CH2OH基を形成する(ヨーロッパ特許出願第457,255号)、メタンは不安定な−CF2−CH3基(ヨーロッパ特許出願第220,910号)を与える。一方、メタンの工業的な使用では、大量に用いる必要があり、その結果高い分圧を利用することになって、重合率が低下し、プラントの生産性を減少さす不便を伴う。
【0005】
不安定な末端基を有するポリマーを異なった処理をして安定な末端基とすることができる。弗素での処理は一般に高温(通常100〜190℃)で行われる。異なるタイプの不安定末端基(例えば、−COOH、−COOCH3、−CH2OH)が得られたときには、安定化処理には、上記のヨーロッパ特許出願第457,255号に記載のように2つの工程を必要とする。
【0006】
この発明の目的には、他のパーフルオロ化モノマーとのテトラフルオロエチレン共重合体は、これからの物品が水とメタノールの混合物中でF- 放出(2ppm以下)が少なければ、かつ高温での物品から発生したHFが以後に記載の方法によって低い(50ppm以下)であれば安定と考えられる。
本出願人は、弗素での安定化は、室温で望まれない大きさでのF- の放出をするため安定化製品にCOOHと−COF基が存在しなくても満足する結果とならないことを見出しいる。
【0007】
ヨーロッパ特許出願第545173号は、水性分散液中でのTFE(テトラフルオロエチレン)のホモ重合と共重合で、CF3−CH2F(HFC 134a)を連鎖移動剤として使用することを示唆している。この連鎖移動剤は重合率をかなり低下させ結果としてプラント生産性の減少を伴う。
本出願人の行った実験では、この連鎖移動剤で得られる不安定な末端基は、異なるタイプ(−COOHと−CF=CF2)でその安定化には何れにしても弗素との処理を必要とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的はTFEと他のパーフルオロ化モノマーとの乳化共重合を、重合率がごく限定した程度に減少する連鎖移動剤を使用して行う方法を提供し、また比較的低分子量の共重合体が作られる方法を提供するものである。
【0009】
この発明の他の目的は、連鎖移動剤が不安定な末端基を与えるがこれらの全ては開始剤から誘導されるものと同一か等しく、安定化処理は一段階のみで効果的に行うことができる方法を提供する。
他の目的は所望により安定化を重合中に行うことができ安定な−CONH2末端基を生ずる方法を提供することである。
【0010】
分散剤の存在下での上記の乳化共重合に連鎖移動剤としてCHF2−CH3(HFC 152a)を使用することにより、このHFCは不安定末端基としてカルボン酸基(−COOH)又はカルボキシレート基(−COO- )のみを与え、そのため上記不安定末端基のみを与える開始剤、すなわち無機過酸化合物の使用が生成共重合体は不安定基としてカルボン酸基又はカルボキシレート基のみを含有することを意外にも見出した。式CHF2CH3の連鎖移動剤は水素原子に富んでおり、不安定末端基が水素に富んだものを与えることが予期されることから全く意外な結果である。
またHFC152aは重合率に制限された効果を有することも意外に見出している。
【0011】
この発明の第1の目的は、連鎖移動剤として、不斉ジフルオロエタンCHF2−CH3をテトラフルオロエチレンと他のパーフルオロ化モノマー(類)との混合物に対して0.55〜30モル%の間の量で使用し、重合開始剤として無機過酸化化合物を使用することを特徴とする分散剤の存在下の水性エマルジョンの重合反応により、不安定な末端基としてカルボン酸基又はカルボキシレート基のみを有し、テトラフルオロエチレンとエチレン性不飽和含有の1以上のパーフルオロ化モノマーとの共重合体の製造法を提供することにある。
【0012】
上記の弗素化コモノマーとしては、次のものが挙げられる。
−パーフルオロアルケン、例えばヘキサフルオロプロペン
−パーフルオロアルキルビニルエーテル、例えばパーフルオロプロピルビニルエーテル
−パーフルオロジオキソール、これは本出願人のイタリア特許出願MI 93A001445号に記載の共重合体を得る、
−1以上のエーテルの酸素原子含有の他の線状又は環状パーフルオロアルキルビニルエーテルとの組合せでのパーフルオロメチルビニルエーテル、これは本出願人のイタリア特許出願MI 93A 001444号に記載の共重合体を得る。
【0013】
上記の方法で得ることができる共重合体は、通常、上記コモノマーの0.05〜10モル%を含有する。
152aの量は、パーフルオロ化モノマーの混合物に対し、0.55〜10モル%が好ましく、1〜10モル%がより好ましい。
無機過酸化化合物は、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム、過炭酸ナトリウム、過炭酸カリウム、過酸化ナトリウム、過酸化カリウムから特に選択される。過硫酸ナトリウム又はカリウムの使用が好ましい。過酸化化合物の使用量は、温度に、一般には反応条件に従属することが知られている。その使用量は、通常、モノマー混合物に対して0.01〜2重量%である。
【0014】
分散剤としては、パーフルオロアルキルカルボン酸(例、パーフルオロカプリン酸)のナトリウム又はカリウム塩、パーフルオロアルコキシエーテル酸のナトリウム又はカリウム塩から特に選択するのが好ましい。その量は、分散液中に存在する水の1リットル当り0.05〜10gが普通である。
重合反応は、水溶性の塩基もしくは塩基性塩を7に等しいかそれ以上のpHを保証するような量を用いて行うのが好ましい。このような物質の存在下で反応を行うと、全ての不安定末端基は、カルボキシレート基(−COO- )として存在する。この目的でナトリウム又はカリウムの塩基性塩を使用するのが好ましく、これは重合反応中pHを一般に7〜10の間に、好ましくは7〜8の間に保持することができる。
【0015】
特に適する塩としては、テトラ硼酸、硝酸、亜硝酸、重亜硫酸、硫酸又は亜硫酸のナトリウム又はカリウムが挙げられる。代わりに、重合反応をこのような物質の非存在下で行うことができ、その際は重合の終わりに全ての不安定末端基はカルボン酸基(−COOH)として存在する。このような場合、続いて、ラテックス中7〜8の間のpHになるまで塩基、又はナトリウムあるいはカリウムの塩基性塩とポリマーを処理し、カルボン酸基をカルボキシレート基に変換することが必要である。重合反応は、パーフルオロアルキル末端基含有のパーフルオロポリエーテルの存在下で行うのが好ましい。このようなパーフルオロポリエーテルは、ヨーロッパ特許出願第247,379号に記載のように、パーフルオロ化分散剤の存在下に水性エマルジョンの形か、好ましくは米国特許第4,864,006号に記載のように、常にパーフルオロ化分散剤の存在下の水性マイクロエマルジョンの形で、反応媒体に添加することができる。
【0016】
重合反応は、一般に、10〜40気圧(atm)の圧力下で20〜100℃、好ましくは55〜95℃の温度で行われる。
不安定末端基として−COO- 基を含有するポリマーの安定化処理は、このような基を安定な−CHF2基に変換できる公知の方法(米国特許第3,085,083号、同第5,180,803号参照)で行うことができる。
【0017】
pH7〜8の分散液の熱処理は、CF2−COO- 基の安定な−CF2H基への脱炭酸による変換と共重合体の凝結を同時に達成するため、180〜300℃の間の温度で行うのが好ましい。熱処理は、200〜280℃の温度で行うのがより好ましい。生成物のIR分析で、不安定末端基のない安定化した共重合体が得られることが分る。
【0018】
この発明の他の具体例によれば、上記の発明思想を利用して、重合反応中で直接安定な−CONH2末端基を得ることができる。その方法は、上記の塩基又は塩基性塩使用すると共に、水性液のアンモニアを全ての末端基−COO- を−CONH2に変換するのに必要な化学量論量より過剰を用いて、上記と同じ条件下で行うことからなる。この具体例で、分散液のpHは、重合中、一般に7〜9の値に保持される。得られる共重合体は、IR分析で不安定な末端基を含まない。
【0019】
この方法を用いるに当り、分散剤、開始剤、塩基もしくは塩基性塩の一部、又はより良好には全てのカウンターイオンがNH4 + イオンであるのが好ましい。
この発明は次の共重合体にも適用される。
− −COOH又は−CONH2末端基を有するエチレン−テトラフルオロエチレン、
− −CONH2末端基を有するポリビニリデンフルオライド、
− −CONH2末端基を有し、TFE及び/又はHFPを含有するVDFをベースとし、任意にパーフルオロアルキルビニルエーテルとオレフィンで修飾した(本出願人のヨーロッパ特許出願第518,073号記載)共重合体又はターポリマー。
− −COOH又は−CONH2末端基を有するエチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー。
【0020】
次に、この発明を実施例を用いて説明するが、これによって限定されるものではない。
共重合体の末端基のIR分析と化学安定性の評価は次のようにして行った。
IR分析
末端基の測定は、製品のペレットを室温で成形して得たフィルムで行う。フィルムは、スペクトロメータIRニコレット20SXフォリアートランスフォームインフラレッドで検査した。
【0021】
参照材として、完全フッ素化で得たフルオロ化パラフィン性末端基のみを有するポリマーを用いた。
この材料は、検査するサンプルと同様に処理し検査し、その吸収スペクトルを、ニコレットソフトウェアプログラムを利用して、サンプルのスペクトルから控除される。
【0022】
2367cm-1での−CF2基の付加バンド(オーバートーン)を、サンプルと参照のフィルムの厚みの差を保償するのに用いる。差異スペクトルを4000〜2700cm-1の範囲と2000〜1500cm-1の範囲で調べ、末端基の光学濃度をその吸収波長で測定する。
末端基の濃度は次式で計算される。
【0023】
ここで、Cは末端基の濃度(モルKg-1)、Dは基の吸収バンドの光学濃度、Sはフィルム表面積(cm2)、Wはフィルム重量(g)、Eは基のモル抽出係数(cm-1モル-1)。
【0024】
分子吸光係数は、標準化合物を使用して算出される。
抽出性弗素の含量
抽出性弗素の含量測定用に、380℃での射出成形でスパイラルを作る。スパイラルのセクションサイズは6×4mm、次いで、スパイラルを各6cmにカットし、10gの片をポリエチレンボトルに入れ、水/メタノール1:1の混合液10mlを添加し、次いでTISABイオン強度補正液10mlを添加する。メタノールは、サンプルからのフッ素イオンの抽出を容易にする。アルコール性混合物を24時間ゆるく撹拌し、この混合物を予め調整したイオン特異性電極を用いてフルオライドイオン濃度を直接測定する。
【0025】
この方法は、加水分解性フッ素含量>1mg/Kgのサンプルに適用でき、1ppm以下の加水分解性フッ素の値は、イオンクロマトグラフィーで測定される。
高温でのHF発生
約200mgのペレットサンプルをオーブン(Adamel Lhomargy)のサンプルホルダーに入れ、乾燥窒素気流中360℃で2時間放置し、発生したガスをアルカリ液中に集める。集めた液中のF-1の測定は、イオンクロマトグラフィーで行う。
メルトフローインデックスの測定
MFI(メルトフローインデックス)は、実施例1〜4と9ではASTM D3307−86により、実施例5〜8ではASTM D 1238−65Tにより測定した。
【0026】
【実施例】
実施例1(比較例)
この例は、TFE−パーフルオロプロピルビニルエーテル(FPVE)共重合体の製造に、この発明によらない連鎖移動剤(CHCl3)を用い、比較例を示すものである。
【0027】
5リットルのクロムプレートAISIスチールオートクレーブで、650rpmを作動する撹拌器付のものを用いる。排気後に、3リットルの脱イオン水、EPVE3.7g/1リットル水、クロロホルム1.23g/1リットル水を、続いて界面活性剤2g/1リットル水を有するパーフルオロポリエーテルマイクロエマルジョン(米国特許第4,864,006号の実施例1記載による)を導入する。オートクレーブを75℃の作動温度にし、次いでTFE−FPVE54.55/1リットルの混合物で20バール絶対圧にする。作動圧に達してから、過硫酸カリウム(KPS)の0.0032モル液を連続して供給する。重合圧は、前の混合物を供給して一定に保つ。
【0028】
210分の反応後に、1530gのポリマーが得られる。反応器を室温に冷却し、エマルジョンを排出して、65%濃度のHNO3の添加で凝結させる。ポリマーを分解し、水洗し、乾燥する。
IR分析で、末端基として、−COOH、−CONH2と−CF=CF2が同定され、さらにガスマススペクトルでクロル化された末端基の存在が明らかであった。
【0029】
MFI、重合率、ポリマー安定性のデータは表1に示す。
実施例1A
実施例1によって得たポリマーを比較用に、F2での安定化工程に付して、より詳しくは、実施例1の粉末を140℃で6時間フッ素化する。蛍光とマススペクトルでクロル化基の存在が分る。IR分析では、−COOH、−CONH2、CH=CF2基が消失しているのが分かる。
【0030】
MFI、重合率、化学安定性のデータは表1に示す。
実施例2
実施例1と同じ反応器を用いる。温度と圧、充填PFVE、供給混合物などの合成条件も実施例1と同じである。パーフルオロポリエーテルマイクロエマルジョンの量は実施例1と同じ、但し、界面活性剤は、NH3の代わりにKOHで塩にされる。KPS溶液の重量モル濃度は0.012モルとする。その上、テトラ硼酸ナトリウム10水和物2.33g/1リットル水を導入する。重合温度に達してから、2.5絶対バールに対応する152a(CF2HCH3)の量を充填する。116分後に、1400gのポリマーが作られる。ラテックスの一部をHNO3の添加で凝結させ、乾燥する。
【0031】
IR分析結果は表2に示す。
MFI、重合率と化学安定性のデータは表1に示す。
実施例2A
実施例2で得たラテックスを硝酸液でpH7に中和し、固体/液相比20重量%で5リットルのオートクレーブに導入する。
【0032】
オートクレーブを250℃にする。この温度に達してから、加熱処理を約1時間で終わり、次いで、システムを冷却し、凝結したポリマーを取り出す。湿潤した粉末を水洗、乾燥、押出した。そのIR分析結果は表2に示す。連鎖移動剤の分圧、MFI、重合率、化学的安定性のデータは表1に示す。
【0033】
【表1】
【0034】
【表2】
【0035】
実施例3
5リットルのクロムプレートAISI316スチールオートクレーブで、684rpmの撹拌器付きのものを用いた。実施例2と同様に、但し、硼砂を加えず、152aの分圧を1.6バールにして行った。77分後に、1500gのポリマーを得た。合成とポリマーの主なデータを表3に示す。
【0036】
IR分析はカルボキシル基の存在を示す。
実施例4
実施例3と同様に、但し、この発明によらない連鎖移動剤、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(HFC 134a)を比較のため用いた。オートクレーブでの分圧は5バール、85分後に1510gのポリマーを得る。合成とポリマーの主なデータを表3に示す。
【0037】
IR分析では次の末端基の存在を示す。
− CF2H :なし
− COOH :4.4×10-3モル/Kg
− CF2=CF2:1.1×10-3モル/Kg
− CONH2 :1×10-4モル/Kg
【0038】
【表3】
【0039】
実施例5
この実施例は、比較例で、C3F6(HFP)とのTFE共重合体の製造を示す。
(式中RfとRf 1は−CF3、−C2F5又は−C3F7)
で、n/m比40、平均分子量800のパーフルオロポリエーテル(Ausimont S.P.A.製Galden LS)の8mlを蒸留水250mlに加える。懸濁液を5分間撹拌機(Ika WerkeのUltraturrax Mod.T65)で撹拌した。次いで
式
で、酸定量分子量690を有するパーフルオロポリエーテル界面活性剤4g含有の水性液を加える。さらに得られるエマルジョンを5分間均質化し、予め減圧にした4.2リットルのAISI316スチールオートクレーブに充填する。次いで蒸留水を全量2000mlまで加える。
【0040】
反応温度を95℃とし、C3F6の62モル%とTFEの38モル%含有のガス混合物で20atmに加圧する。
次いで、KPS(過硫酸ナトリウム)1.46gを水500mlに溶解した液の62mlをオートクレーブに導入する。反応器圧が低下する傾向にあると速やかに、HFP7.6モル%含有のHFP/TFEガス混合物をコンプレッサーを用いて供給してもとにもどす。15分後に上記のKPS液を88ml/hの流速で供給する。
【0041】
65分後に撹拌を中止し、内容物を取り出し、重合樹脂230g/l含有の水性分散液を得る。この分散液を機械的撹拌で、凝結させ、次いで濾過をする。固体を蒸留水で繰り返し洗浄し、200℃で通風ストーブ中で乾燥する。MFI0.5〔ASTM D1238−65T(重量5Kg,372℃)で測定〕を有する共重合体520gを得る。
実施例6〜8
実施例5と同様に、152aを連鎖移動剤として用い、但し分圧を変えて行った。結果を表4に示した。
【0042】
【表4】
【0043】
実施例9
この実施例は、安定な−CONH2末端基を有するTFE−FPVE共重合体の製法に関する。
650rpmで作動する撹拌器付の5リットルのクロムプレートしたAISI316スチールオートクレーブを用いた。排気後に、脱イオン水3リットル、FPVE 3.7g/リットルH2O、四硼酸ナトリウム10水和物0.67g/リットルH2O、28%NH3液1.6ml/リットルH2O及び最後にパーフルオロポリエーテルエマルジョン(ヨーロッパ特許出願第250,767号の実施例1で記載のようにして作る)を、界面活性剤が2g/リットルH2Oであるように、連続的に導入する。オートクレーブを75℃の作業温度にし、次いで152aの3バール(3モル%で相当)を充填し、最後に、TFE−FPVE混合物で20バールの絶体圧にする。なおTFE/PFVEのモル比は54.55/1である。作業圧に達してから、過硫酸カリウム(KPS)の0.0062モル液を連続的に供給する。重合圧は前記混合物を供給して一定に保つ。
【0044】
190分の反応時間後に、1400gのポリマーを得る。反応器を室温に冷却し、エマルジョンを取り出し、65%濃度のHNO3を加えて凝結させる。ポリマーを分解し、水洗、乾燥する。
合成とポリマー特性のデータは次の通り。
MFI(g/10′)=7
重合率(ポリマーg/水リットル/分)=2.25
【0045】
【発明の効果】
この発明は、TFEと他のパーフルオロ化モノマーとの乳化重合を、重合率がごく限定した程度に減少する連鎖移動剤を使用して行う方法を提供し、また比較的分子量の共重合体が作られる方法を提供する。また、この発明の方法により得られた共重合体は、ポリマー鎖中に不安定な末端基を有しないので、F-の放出現象が抑制され、加工中に泡や着色を生じることもない。
Claims (15)
- 連鎖移動剤として、不斉ジフルオロエタンCHF2−CH3をテトラフルオロエチレンと他のパーフルオロ化モノマー(類)との混合物に対して0.55〜30モル%の間の量で使用し、重合開始剤として無機過酸化化合物を使用することを特徴とする分散剤の存在下の水性エマルジョンの重合反応により、不安定な末端基としてカルボン酸基又はカルボキシレート基のみを有し、テトラフルオロエチレンとエチレン性不飽和含有の1以上のパーフルオロ化モノマーとの共重合体の製造法。
- CHF2−CH3の量が、テトラフルオロエチレンと他のパーフルオロ化モノマー(類)との混合物に対し0.55〜10モル%の間であることを特徴とする請求項1による製造法。
- 重合反応が、重合終末で全ての不安定な基がカルボキシレート基の形にあるような量での塩基又は塩基性塩の存在下で行われることを特徴とする請求項1又は2による製造法。
- 塩基性塩がナトリウム又はカリウム塩基性塩であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1つによる製造法。
- 塩基又は塩基性塩が重合反応中7〜10のpH値に維持するような量で用いられることを特徴とする請求項1〜4の何れか1つによる製造法。
- 重合反応が、重合終末で全ての不安定な末端基がカルボン酸基の形であるように、塩基又は塩基性塩の非存在下で行われることを特徴とする請求項1又は2による製造法。
- 無機過酸化化合物が過硫酸ナトリウム又はカリウムであることを特徴とする請求項1〜6何れか1つによる製造法。
- 分散剤が、パーフルオロアルキルカルボン酸及びパーフルオロアルコキシエーテル酸のナトリウム又はカリウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項1〜7の何れか1つによる製造法。
- 重合反応が、分散剤としてパーフルオロ化分散剤を使用し、パーフルオロアルキル末端基を有するパーフルオロポリエーテルの水性エマルジョン又はマイクロエマルジョンの存在下で行われる請求項1〜8の何れか1つによる製造法。
- 請求項3〜5及び7〜9の何れか1つに記載の方法によって得られた不安定な末端基としてカルボキシレート基のみを有する共重合体の水性分散液が7〜8の間のpHにされ、続いて180〜300℃の温度で熱処理に付されることを特徴とする、不安定な末端基を有さず安定な−CF2H末端基を有する、テトラフルオロエチレンとエチレン性不飽和含有の1以上のパーフルオロ化モノマーとの共重合体の製造法。
- 請求項6に記載の方法によって得られた不安定な末端基としてカルボン酸基のみを有する共重合体の水性分散液を、7〜8のpHに達するまで塩基又はナトリウムもしくはカリウムの塩基性塩と処理し、続いて、180〜300℃の熱処理に施すことを特徴とする不安定な末端基を有さず安定な−CF2H末端基を有する、テトラフルオロエチレンとエチレン性不飽和含有の1以上のパーフルオロ化モノマーとの共重合体の製造法。
- 重合反応が、
i)連鎖移動剤として、テトラフルオロエチレンと他のパーフルオロ化モノマー(類)との混合物に対して0.55〜30モル%の量でのCHF2−CH3、
ii) 無機過酸化化合物
iii)重合反応中7〜9のpH値に維持するような量での塩基又は塩基性塩、iv) 連鎖移動剤と重合開始剤からの全ての末端基−COO- を−CONH2基に変換するのに必要な化学量論量に比して過剰の水性アンモニア溶液の存在下で行うことを特徴とする分散剤の存在下の水性エマルジョン中での重合反応により、不安定な末端基を有さず安定な−CONH2末端基を有する、テトラフルオロエチレンとエチレン性不飽和含有の1以上のパーフルオロ化モノマーとの共重合体の製造法。 - CHF2−CH3の量が、テトラフルオロエチレンと他のフルオロ化モノマー(類)との混合物に対し0.55〜10モル%であることを特徴とする請求項12による製造法。
- 過硫酸アンモニウムを無機過酸化化合物として、アンモニウムの塩基性塩を塩基又は塩基性物質として、かつパーフルオロアルキルカルボン酸又はパーフルオロアルコキシエーテル酸のアンモニウム塩を分散剤として使用することを特徴とする請求項12又は13による製造法。
- 重合反応が、分散剤としてパーフルオロ化分散剤を使用し、パーフルオロアルキル末端基を有するパーフルオロポリエーテルの水性エマルジョン又はマイクロエマルジョンの存在下で行うことを特徴とする請求項12〜14の何れか1つによる製造法。
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