JP3670542B2 - ポリマー組成物及びポリマー材料 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、架橋し得るポリマー組成物及びそれを架橋して得られるポリマー材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゴム工業において架橋とは、ゴム弾性を発現させる上での最重要技術である。ゴムの架橋は架橋(促進)剤として硫黄やその化合物を用いて行われることが多いが、硫黄架橋は生物への毒性、ゴム製品表面へのブルーム、ゴム製品と接する金属部分の腐食、オイルの汚染等で問題とされる場合がある。硫黄架橋に次いで多用される架橋法は、過酸化物を架橋剤とする方法である。この架橋法は上記したような問題は生じないが、一般に非酸素雰囲気下でしか行うことができず、それ故適用し得る用途が限られる。また、過酸化物架橋剤は概して高価であり、品種によっては爆発のおそれも有する。さらに、これら硫黄系、過酸化物系の架橋剤は、使用するゴムによって、架橋速度や相容性が異なる。それ故、ブレンドゴムの架橋に用いられた場合、成分毎の架橋密度の相違、物性低下等の問題を生じることがある。
【０００３】
Ｄｅらは、反応性基を有するゴム２種をブレンドして加熱成形すると架橋反応が生じることを見出し、Ｓelf-vulcanizable rubber blend systemとして提唱した(例えばJ.Polymer Science,Polymer Letters,27,p361(1989)、Plast.Rubber Proc.Appl.,14(4),p223(1990)、Polymer reports,31,p118(1990)、Kautsch.Gummi Kunstst.,43,p1002(1990)，45,p537(1992)、日本ゴム協会誌,68(11),p767(1995)、ポリファイル,1996年8月号,p56を見よ)。この架橋は硫黄(化合物)のような架橋剤を必要とせず、また、酸素雰囲気下でも進行するので、上記したようなオイル汚染、爆発等の問題を生じない。しかも２種のゴムを相互に架橋させるので、ゴム成分毎に架橋密度が相違することもない。このようなSelf-架橋型のブレンド系として、エポキシ化天然ゴム(ＥＮＲ)／カルボキシル化ニトリルゴム(c-ＮＢＲ)系(前掲の文献を見よ)、ＥＮＲ／ポリアクリル酸系(Polym.Plast.Technol.Eng.,32,p343(1993)、J.Elastmers Plastics,29,p239(1997)、J.Appl.Polym.sci.,50,p1627(1993)、Polym.Networks Blends,3,p51(1993))、ＥＮＲ／各種塩素化ポリマーの系、c-ＮＢＲ／エポキシ樹脂の系(Rubber Chem.Technol.,36,p931(1963)、J.Appl.Polym.Sci.,27,p4561(1982))、c-ＮＢＲ／各種塩素化ポリマーの系、三者ブレンド系、並びに、ＥＮＲ／ジカルボキシル化ポリ(ε-カプロラクトン)系(J.Mater.Chem.,6(12),p1865(1996))等が報告されている。
【０００４】
類似の手法として、グリシジル基含有ポリエポキシ化合物と（共役）塩基とを用いてカルボキシル基含有アクリルゴムを架橋させる技術(特公昭60-8007号) 、２個以上のエポキシ基を含む化合物及び窒素またはリン化合物を用いてc-ＮＢＲを架橋させる技術(特開平10-36563号) が知られている。後者技術においては、窒素またはリン化合物として第三アミンもしくはホスフィンまたは第四アンモニウムもしくはホスホニウム塩が使用されており、エポキシ化合物としてはグリシジル化合物、エポキシ樹脂、エポキシ変性シリコーンオイルが列挙されている。また、特公平3-68052号公報には、分子中に複数のカルボキシル基を有する化合物によってエポキシ基含有アクリルゴムを架橋させる技術が記載されており、カルボキシル基含有化合物の一つとしてc-ＮＢＲが用いられている。これらの技術においては、第四アンモニウム塩等の(共役)塩基が架橋促進剤として必須成分となっており、それらを用いない系では良好な架橋物は得られていない。他に、カルボキシル基とエポキシ基とを有するアクリルゴムを、特定のアンモニウム塩で架橋させる技術(日本ゴム協会誌,60,p469(1987)、A.C.S.Polymer Preprints,26,p32(1985)、Rubber Chemistry and Technology,56,p21(1983))、ＥＮＲをジカルボン酸(モノマー)や酸無水物等で架橋させる技術(Trans.Inst.Rubb.Ind.,38,T11(1962))、エポキシ基含有エラストマーをジカルボン酸及びホスフェンを用いて架橋させる技術(特開平3-97720号) 、両末端カルボキシル変性液状ニトリルゴムを反応させたエポキシ樹脂の繊維複合材(高分子論文集,45,p1(1988)、中尾他)等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらゴム中のエポキシ基をカルボキシル基と反応させる上記の系では、高エポキシ化率ゴムを使用する必要がある。Ｄｅらは、Self-架橋させる上でエポキシ化率５０％のＥＮＲ(ＥＮＲ５０)が必要であり、エポキシ化率２５％のＥＮＲ(ＥＮＲ２５)では架橋が生じないと報告している。また、我々が追試したところによると、ＥＮＲ５０を用いてもc-ＮＢＲの品種によっては長い架橋時間を要し、しかも架橋物の物性は必ずしも満足できるものではない(後記実施例参照)。Ｄｅらの報告を見ても、架橋に４５〜６０分間と言う長い時間を掛けている。c-ＮＢＲ／エポキシ樹脂の系の文献においても、架橋反応に１８０℃で３０分間以上を要しており、中尾らもカルボキシル変性ゴムとエポキシ樹脂との反応に、窒素気流下で２時間掛けている。こうした架橋条件は工業的観点からは非現実的であり、実用化する上で解決すべき問題点の一つである。特公昭60-8007号公報、特開平10-36563号公報、特公平3-68052号公報に記載の技術に従い、アンモニウム塩等を用いても、架橋速度や架橋物の物性改善は成されない（後記実施例、比較例参照）。
【０００６】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、架橋に過酷な条件を必要としない架橋可能なポリマー組成物、並びにこのポリマー組成物からなり、強度に優れ、ゴム的な特性を示す各種のポリマー材料を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記問題点を解決すべく検討を重ねたところ、Self-架橋型のブレンド系に特定の酸の配合が有効であることを見出した。
【０００８】
すなわち本発明は、A)エポキシ基を有し、エポキシ基含有モノマーの成分比０．１〜３０ mol ％であるゴム１〜９０重量部、B)カルボキシル基を有するポリマー９９〜１０重量部、及びC)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を含有するポリマー組成物である。
【０００９】
ここで、C)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を使用することが、本発明の重要な要件である。このことによって、より低官能基量のポリマー、特に低エポキシ基量のゴムを使用することができ、また、架橋速度や架橋物の物性を大きく改善することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。本発明において、成分A)エポキシ基を有するゴム自体は公知である。例えば、主鎖にエポキシ基を有するゴム、側鎖にエポキシ基を有するゴム、末端基にエポキシ基を有するゴムのいずれをも使用することができる。主鎖、側鎖、末端の三者または二者にエポキシ基を有していても良い。また、複数のエポキシ化ゴムを併用することも可能である。ゴム分子中のエポキシ基含有モノマーの成分比率（以下、エポキシ化率と言う）にも特に制限はない。Ｄｅらの研究結果とは異なり、本発明においては低エポキシ化率ゴムを使用することが可能である。しかしながら、エポキシ化率は０．１〜３０mol％、好ましくは約１〜２５mol％とする。エポキシ化率が高いと、貯蔵安定性にやや欠け、低過ぎると架橋が困難となる。
【００１１】
上記の主鎖にエポキシ基を有するゴムは、例えばエポキシ基の両側に重合性基を有する化合物を(共)重合するか、あるいは主鎖に二重結合を有するゴムをエポキシ化する(例えば天然ゴムやブタジエンゴムを過酢酸等で酸化する)ことにより、製造することができる。
【００１２】
この主鎖にエポキシ基を有するゴム自体は公知であり、例えばエポキシ化天然ゴム(ＥＮＲ)がMaraysian Rubber Producers' Research Association U.K.からエポキシプレン５０及びエポキシプレン２５の商標で、またエポキシ化ＳＢＳ（スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体、熱可塑性のゴム）がダイセル化学工業（株）からエポフレンドの商標でそれぞれ市販されている。また、ゴムをエポキシ化する方法が例えばTRANSACTIONS,38,T11(1962)に記載されており、それに従って製造することもできる。本発明においてはこれら主鎖にエポキシ基を有するゴムのいずれをも使用することができ、その分子量、分子構造等に特に制限はない。複数の主鎖にエポキシ基を有するゴムを併用することも可能である。
【００１３】
しかしながら、これら主鎖にエポキシ基を有するゴムは、エポキシ化ポリイソプレンであることが好ましい。そのことによって、架橋後のゴム弾性や強度を良好なものとすることができる。これらエポキシ化ポリイソプレンにおける二重結合の形態に制限はない。例えば1,2-結合、1,4-結合、トランス構造、シス構造等の任意の形態を、任意の比率で採ることができる。しかし、エポキシ化天然ゴム(ＥＮＲ)の使用が、特に好ましい。
【００１４】
また、上記の側鎖にエポキシ基を有するゴム自体も公知である。たとえば日本ゼオン（株）のＡＲ-３１、ＡＲ-３２、ＡＲ-４２、ＡＲ-４２Ｗ、ＡＲ-５１、ＡＲ-５４、ＪＳＲ（株）のＡＲＥＸ120,ＡＲＥＸ220,ＡＲＥＸ320、日本メクトロン（株）のNOXTITE PA301,NOXTITE PA301K,NOXTITE PA302,NOXTITE PA312,NOXTITE PA303等のアクリルゴム；住友化学（株）のエスプレンＥＭＡ2752、ＥＭＡ2755等のエチレン-アクリルゴム；日本石油（株）のＥ1500-8.0,Ｅ1800-6.5、日本曹達（株）のＢＦ-1000、長瀬産業（株）のデナレックスR-45EPT等のエポキシ変性ブタジエンゴム等が挙げられるが、これらに限定されない。本発明においては、側鎖にエポキシ基を有するゴムのいずれをも使用することが出来る。複数のエポキシ基を有するゴムを併用することも可能である。
【００１５】
上記したように、本発明においては成分A)として、複数のエポキシ化ゴムを併用することもできる。その際のブレンド比等に特に制限はなく、例えば主鎖にエポキシ基を有するゴムと側鎖にエポキシ基を有するゴムとを、９０：１０〜１：９９の重量比で、特に７０：３０〜１０：９０の重量比で使用しても良い。概して、主鎖にエポキシ基を有するゴムはエポキシ化率が高い故、目的によってはエポキシ基を側鎖に有するゴムを主体とするのが好ましい。また、これらブレンドゴムにさらに、主鎖と側鎖の双方にエポキシ基を有するゴムをブレンドすることもできる。
【００１６】
成分B)カルボキシル基を有するポリマー(以下、カルボキシル化ポリマーと言うことがある)もまた、公知である。例としてカルボキシル化ニトリルゴム、カルボキル化エチレン−アクリルゴム、カルボキシル化ポリブタジエン、ポリアクリル酸等が挙げられるが、これらに限定されない。複数のポリマーを併用することもできる。これらの内、カルボキシル化ニトリルゴム、カルボキル化エチレン−アクリルゴム及び／またはカルボキシル化ポリブタジエン、特にカルボキシル化ニトリルゴムが好ましい。
【００１７】
カルボキシル化ニトリルゴム(以下、c-ＮＢＲと言うことがある)に特に制限はなく、種々のモノマー比のものをも使用することができる。ブタジエン成分の一部が水素化されていてもよい。c-ＮＢＲとしては、例えばバイエルポリサー社からＫＲＹＮＡＣ X7.50,ＫＲＹＮＡＣ X7.40,ＫＲＹＮＡＣ X1.46,ＫＲＹＮＡＣ X1.60,ＫＲＹＮＡＣ X9.50,ＫＲＹＮＡＣ２２１が、日本ゼオン（株）からＮipol１０７２Ｊ、ＮipolＤＮ６３１、ＮipolＤＮ６０１が、ＪＳＲ（株）からＮ６３２Ｓが、グッドイヤー社からケミガムＮＸ７７５が、それぞれ市販されている。c-ＮＢＲとして、ブタジエン部分を水素化したものを用いることもできる。
【００１８】
カルボキシル化ポリブタジエンの構造にも特に制限はなく、1,2-結合、1,4-結合、トランス構造、シス構造等の任意の形態を、任意の比率で採ることができる。二重結合の一部が水素化されていても良い。例として、日本曹達（株）のＮＩＳＳＯ-ＰＢ Ｃ-1000、CI-1000、日本石油化学（株）の日石ポリブタジエンMM-1000-80等が市販されている。
【００１９】
成分B)カルボキシル化ポリマー中のカルボキシルモノマー成分の量にも、特に制限はない。しかしながら、当該モノマー成分量が好ましくは約０.１〜２０mol％、より好ましくは０.５〜１５mol％、特に好ましくは３〜１０mol％のポリマーを使用する。カルボキシルモノマー成分の量が多いと架橋物が硬化劣化を起こし易くなり、少な過ぎると架橋が困難となる。また、カルボキシル化ポリマーは、常温で固形のゴムであることが好ましい。このことによって、架橋物に優れた柔軟性、高い架橋度を導入することができる。
【００２０】
成分A)エポキシ化ゴムと成分B)カルボキシル化ポリマーとの重量比は、１：９９〜９０：１０とする。一般にエポキシ化ゴムとカルボキシル化ポリマーとは相容性が良く、それ故広いブレンド比で良好な物性の組成物を得ることができる。従って、両者のブレンド比は上記範囲内から任意に選択することができるが、好ましくは３：９７〜６０：４０、より好ましくは５：９５〜５０：５０、特に好ましくは８：９２〜４０：６０とする。特に成分B)としてc-ＮＢＲを用いた場合には、ブレンド比をこれら範囲内とすることによって、架橋反応が促進され、また、強度や耐油性に優れる架橋物を得ることができる。
【００２１】
本発明の最大の要件は、成分C)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を使用することである。このことによって架橋を促進し、かつ架橋物の物性、例えば強度を著しく改善することができる。特に成分A)エポキシ化ゴムまたは成分B)カルボキシル化ポリマーとして比較的低官能基量のものを用いた場合、この効果が顕著である。中でもpＫa４.５以下の酸の添加は、架橋速度を大いに高める。
【００２２】
これら酸に特に制限はなく、p Ｋ a が上記範囲内の公知の酸を使用することができる。例えば、塩酸(pKa:-7.0、以下括弧内の数値はpKa値を示す)、トリフロロ酢酸(0.2)、トリクロロ酢酸(0.65)、ジクロロ酢酸(1.29)、2,6-ジオキシ安息香酸(1.30)、ニトロ酢酸(1.68)、シアノ酢酸(2.47)、フロロ酢酸(2.66)、クロロ酢酸(2.90)、ブロモ酢酸(2.90)、サリチル酸(2.98)、フェノキシ酢酸(3.12)、フッ酸(3.2)、亜硝酸(3.3)、メトキシ酢酸(3.53)、蟻酸(3.77)、安息香酸(4.20)、o-,m-,p-クロロ安息香酸(それぞれ2.94,3.83,3.99)、o-,m-,p-ニトロ安息香酸(それぞれ2.17,3.45,3,43)、リン酸(pＫa-1:2.12,pＫa-2:7.24)、マレイン酸(pＫa-1:1.92,pＫa-2:6.23)、フマル酸(pＫa-1:3.02,pＫa-2:4.38)等が挙げられるが、これらに限定されない。ＢＦ3、ＡlＣl3等のルイス酸を使用することもできる。ここで、ＢＦ3等のルイス酸は、単独では使用し難い場合がある。これらルイス酸は、好ましくはジエチルエーテルのような含酸素化合物または含窒素化合物等との錯体の形で使用する。
【００２４】
しかしながら、本発明においては、成分C)としてpＫa約３.００以下の酸または強ルイス酸を使用するのが好ましい。このことによって架橋反応の促進、架橋物の物性改善が、より顕著なものとなる。尚、成分A)エポキシ化ゴムのエポキシ化率によっては、あまり強い酸を用いると架橋速度が高まり過ぎ、架橋物の外観を損なうことがある。例えば、エポキシ化率が１０mol％程度以上の場合、使用する酸のpＫa値は約１.００〜３.００、特に約２.００〜３.００とするのが好ましい。逆に、エポキシ化率が３mol％以下の場合には、pＫa値約２．５０以下の酸またはＢＦ3等の強ルイス酸の使用が好適である。使用するゴムのエポキシ化率が高いほど、pＫa値の高い酸を用いるといった方法を採ることもできる。また、二塩基酸等はエポキシ基と反応して成分A)同士を架橋させ得るので、成分A)と成分B)との相互架橋を目的とするならば、一塩基酸またはpＫa-2値が４.５以上の二塩基酸を使用するのが好ましい。また、二塩基酸、三塩基酸等においては、水素イオンの一部が他のイオン、例えばアルカリ金属イオン、アンモニウムイオン等で置換されていても良く、ＮaＨ2ＰＯ4、Ｎa2ＨＰＯ4等を使用することもできる。
【００２６】
成分C)酸の配合量に特に制限はなく、目的とする架橋速度、架橋物の物性、酸の強度及び成分A),B)として用いたポリマーの種類に応じ、任意に設定することができる。当業者であれば、各種の条件を基に、所望の架橋速度及び物性を与える配合量を選定することは容易であろう。しかしながら、一般的にはゴム１００重量部に対し、酸を約０.０１〜１０重量部、特に０.１〜５重量部配合するのが好ましい。酸の配合量が少な過ぎると架橋があまり促進されず、多過ぎると架橋物表面状態の悪化、永久ひずみの増大等の問題を生じることがある。特に成分A)のエポキシ化率が１０mol％以上と高く、かつpＫa３.００以下の酸を使用した場合には、酸の配合量を約０.０１〜３重量部、特に０.０１〜１重量部とするのが好ましい。
【００２７】
本発明のポリマー組成物は、任意の慣用の方法で製造することができる。例えば二本ロール、バンバリーミキサー、加圧ニーダー、押出機等で混練することができ、また、各成分を溶剤に溶解させた後に混ぜ合わせても良い。
【００２８】
本発明のポリマー組成物にはまた、カーボンブラック、シリカ等の汎用のゴム用補強性フィラーを任意的成分として配合することも出来る。特に、シリカの添加により、架橋をさらに促進させることも可能となる。
【００２９】
本発明のポリマー組成物にはまた、任意の添加剤、例えば老化防止剤、カーボンブラック、シリカ、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、粘土鉱物等のフィラー、ガラス繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の有機繊維、顔料、分散剤、カップリング剤、相容化剤、難燃剤、表面平滑剤、可塑剤、加工助剤等を添加することもできる。代表的な老化防止剤の幾つかは第二級アミンであるが、これらの塩基性は概して弱く、本発明のポリマー組成物中に添加しても架橋速度や架橋形態に殆ど影響を及ぼさない。
【００３０】
本発明のポリマー組成物は、外部から硫黄(化合物)等の架橋剤を加えずとも、単に加熱するだけで十分に架橋させることができる。架橋条件は任意であり、各成分として使用する原材料、目的とする架橋物性に応じて設定することができる。例えば約１００〜２００℃の温度で、約１〜１２０分間加熱する。条件に応じて、約１００〜２００℃で１〜２４時間の二次架橋を施すこともできる。こうした架橋の結果、成分A)エポキシ化ゴムと成分B)カルボキシル化ポリマーとが、両者の官能基の反応により生じるエステル結合によって相互に架橋される。但し、成分A)のエポキシ化率が高い場合、成分A)または成分C)の配合量が多い場合、成分C)の酸が強いまたは二塩基酸の場合等には、成分A)エポキシ化ゴム同士が結合した架橋形態も生じる。架橋方法も任意であり、プレス架橋、蒸気架橋、熱空気架橋、放射線架橋等、種々の慣用の架橋方法を採用することができる。特に、成分B)としてカルボキシル化ニトリルゴム、カルボキシル化エチレン−アクリルゴム及び／またはカルボキシル化ポリブタジエンを用いた場合には、ゴム工業界で通常用いられる架橋法のいずれをも使用することが可能である。
【００３１】
以上のように、本発明のポリマー組成物は、架橋に際して硫黄(化合物)や過酸化物等の汎用架橋剤を必要としない。そのため硫黄化合物に起因する問題を回避することができ、医薬・食品関係、半導体関係、電子部品、精密機械部品等、硫黄(化合物)による汚染を嫌う用途に特に有用である。本発明はまた、上記ポリマー組成物から成るシール材料をも包含する。本発明のポリマー組成物は、過酸化物架橋とは異なり、空気中でも架橋させることができるので、連続生産を行う場合に特に有用である。例えば本発明のポリマー組成物を溶剤に溶解して金属面に塗布し、続いて溶剤の乾燥・架橋を連続的に空気中で行って、複合材料を作成することができる。本発明はまた、上記ポリマー組成物と金属板とを積層して成る複合材料をも包含する。
【００３２】
尚、本発明の効果の一つは、硫黄(化合物)や過酸化物等の慣用の架橋剤を必要としない点にあるが、用途によっては、例えば硫黄の存在が問題とならないような場合には、任意にこれらの汎用の架橋剤を添加し、架橋をより強固なものとすることもできる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜２、比較例１〜４、参考例１〜４］
表１に示す配合のサンプルを調製し、架橋の条件、架橋物の物性について検討した。
【００３４】
・原料ゴムとしては、以下のものを使用した：
ＥＮＲ-1：Maraysian Rubber Producers' Research Association U.K.のエポキシプレン２５；エポキシ化率２５mol％
ＥＮＲ-2：Maraysian Rubber Producers' Research Association U.K.のエポキシプレン５０；エポキシ化率５０mol％
尚、ＥＮＲ-1〜２は主鎖にエポキシ基を有するゴムである。
c-ＮＢＲ-1：バイエルポリサー社のカルボキシル化ＮＢＲ、ＫＲＹＮＡＣ221；カルボキシル化モノマー量７mol％、中高ニトリル
c-ＮＢＲ-2：カルボキシル化ＮＢＲ；カルボキシモノマー量６．４（±0.3)wt％、ニトリル量２７％、ＭＬ1+4(100℃)４５
c-ＮＢＲ-3：カルボキシル化ＮＢＲ；カルボキシモノマー量０．８（±0.1)wt％、ニトリル量３３.５％、ＭＬ1+4(100℃)５０
尚、c-ＮＢＲ-2〜3のカルボキシモノマー量は、中和滴定の結果を基に、当該モノマー成分がメタクリル酸であると仮定して算出した値である。
Ｃ-1000：日本曹達（株）の両末端カルボキシル化ポリブタジエン；酸価５５〜７０KOHmg/g、1,2-ビニル構造85%、1,4-トランス構造15%ＣＩ-1000：日本曹達（株）の両末端カルボキシル化水素添加ポリブタジエン；酸価４４〜５９KOHmg/g、ヨウ素価＜２１Ｉ2mg/100g
ＨＡＦ−ＣＢ：三菱化学（株）製カーボンブラック、ダイアブラックＡ、平均粒径３１nm
NipsilＡＱ：日本シリカ（株) 製のシリカ
【００３５】
・サンプルの調製は、特記しない限り、以下の方法で行った：
表１に記載の配合物を慣用の方法に従ってロール練りし、得られた混練物を数時間後に再練りした後、熱プレスで所定の温度にて所定時間架橋させてサンプルを調製した。サンプルの幾つかについては、さらにギアーオーブンで１５０℃×４ｈの二次架橋も施した。
【００３６】
・引張試験は、ＪＩＳ K６２５１(加硫ゴムの引張試験方法)に従い、ＪＩＳ６号ダンベルを用い、引張速度５００mm／minにて行った。極限強さとは引張応力が最高に達した点での強さを、切断時強さとはサンプルが切断した際の強さを、それぞれ表す。
各サンプルの配合と物性試験結果を、表１に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
・ 「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 単位:phr
ａ）「−」は切断時に応力が最大であったことを示す
【００３９】
表１より、リン酸(pＫa2.12)またはジブチルアミン(pＫb2.72)の添加によって、架橋物の引張強さが改善されること、また最大応力が切断時に現れ、ゴム的な引張特性が示されるようになったことが明らかである。特に、リン酸を添加した場合には、架橋条件をよりマイルドかつ実用的なものとすることができた。実施例１〜２、参考例１のように、Ｄｅらが殆ど架橋しないと報告したエポキシプレン２５(ＥＮＲ-1)を用いた場合にも、実用的な架橋条件でゴム的な引張特性を示す架橋物が得られた。
【００４０】
［比較例５〜１２、参考例５〜１３］
使用する酸または塩基の種類を種々に変化させた以外は、実施例１〜２、参考例１〜４と同じ操作を行った。各サンプルの配合、架橋に要した条件及び物性試験結果を、表２に示す。尚、ショアーＡ硬さの測定は、ＪＩＳ Ｋ６２５３（加硫ゴムの硬さ試験方法）に従い行った。
【００４１】
【表２】
【００４２】
＊単位：phr （１）老化防止剤 （２）テトラブチルアンモニウム＝ブロミドＧＰＦ−ＣＢ：旭カーボン（株）製カーボンブラック、旭＃５５Ｇ、平均粒径６６nm
低カルボキシル基量のc-ＮＢＲ-3を用いた場合、Self-架橋物は引張強さの小さいものとなる(比較例９)。ここに、特公昭60-8007号公報、特開平10-36563号公報、特公平3-68052 号公報に記載の技術に従ってアンモニウム塩を添加しても、架橋速度、架橋物の物性は改善されない(比較例１０)。一方、 pＫa４.５以下の酸またはpＫb３.０以下の塩基を加えた系では、引張特性または架橋速度の少なくともいずれかが改善されることが分かる。特にpＫa３.００以下の酸を用いた系では、両者の改善が顕著である（参考例９、１０）。また、参考例１２、１３より、リン酸のナトリウム塩も引張特性改善効果を示すことが分かる。
【００４３】
尚、第一級ジアミン(p-フェニレンジアミン)を添加した場合、二次架橋後の引張特性が改善されている(比較例７)。おそらくは第一級ジアミンによってＥＮＲが架橋され、未架橋成分が殆ど消失したためであろう(J.Polym.Sci.A,32,p1149(1994)参照)。
【００４４】
［比較例１３〜１９、参考例１４〜２７］
成分A)ＥＮＲと成分B)c-ＮＢＲとのブレンド比を変化させる検討を行った。結果を表３に示す。尚、表３に示した架橋物は、いずれも１５０℃×４ｈの二次架橋を施したものである。
【００４５】
【表３】
【００４６】
＊ベース配合、単位:phr ＃老化防止剤 ＄添加剤：１phr
ＧＰＦ−ＣＢ：旭カーボン（株）製カーボンブラック、旭＃５５Ｇ、平均粒径６６nm
成分A)ＥＮＲのブレンド比が５wt％程度であっても、本発明による効果の生じることが明らかである。尚、比較例１８と、それにＤＢＵを添加した参考例２６とを比べると、前者の方が引張強さが大となっているが、後者は切断時に応力が最大となっており、ＤＢＵによってゴムらしさが付与されたことが分かる。
【００４７】
［実施例３、参考例２８］
実施例１と同一配合の未架橋組成物をトルエン／酢酸プロピル(1/1)混合液に溶解し、これをステンレス板の片面に塗布した。これを７０℃で２０分間乾燥後、反対側の面にも同様にしてゴム組成物を塗布した。これを１７０℃のオーブン中に１５分間保持し、熱空気架橋させた（実施例３）。参考例１の配合についても同じ操作を行い、金属板−ゴム積層複合材を作成した（参考例２８）。得られた複合材の塗膜は、いずれもトルエン／酢酸プロピル(1/1)混合液に溶解せず、しっかりと架橋されていることが判明した。本発明のポリマー組成物は空気中でも架橋が進行すると言うことが明らかである。
【００４８】
［実施例４〜６、比較例２０〜２２、参考例２９〜３１］
成分A)エポキシ化ゴムとして以下のもの（何れも主鎖にエポキシ基を有する）を用い、実施例１と同様の操作を行った。
ＥＳＢＳ−１：ダイセル化学工業（株）のエポフレンドＡ１０１０、エポキシ当量９５０〜１０５０（エポキシ化率約６mol％）
ＥＳＢＳ−２：ダイセル化学工業（株）のエポフレンドＡ１０２０、エポキシ当量４８０〜５４０（エポキシ化率約１１mol％）
但し、始めに密閉混合機中で成分A)と成分B)とを１６０℃に加熱して５０rpmで３分間混練し、室温程度にまで放冷した後に、慣用の方法に従うロール練りによってカーボンブラック、酸・塩基等の添加物を配合した。配合及び物性試験結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
【００５０】
ＭＴ−ＣＢ：CANCARB THERMAX 社のカーボンブラック、平均粒径２００nm前後
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す ＃単位:phr
a)「−」は切断時に応力が最大であったことを示す
表４より、リン酸またはＤＢＵの添加によって、架橋物の引張強さが改善されること、また最大応力が切断時に現れ、ゴム的な引張特性が示されるようになったことが明らかである。特に、リン酸を添加した場合には、架橋条件をよりマイルドかつ実用的なものとすることができた。
【００５１】
［実施例７〜９、比較例２３〜２５、参考例３２］
ＡＲ-５１(日本ゼオン（株）製アクリルゴム、エポキシ側鎖を有する)３３.３重量部、c-ＮＢＲ-3 を６６.７重量部、ＳＲＦカーボン(三菱化学（株）製のダイアブラックＬＲ)６５.０重量部を、慣用の方法に従ってロール練りした。この混練物にさらに、表５に示した添加剤を１.０重量部練り込んだ。得られた混練物を数時間後に再練りした後、熱プレスにて１８０℃×３０分間(実施例７)または２００℃×３０分間(実施例８、９、比較例２３〜２５、参考例３２)架橋させてシート状サンプルとした。実施例８、９、比較例２３〜２５、参考例３２のサンプルについては、さらにギアーオーブンで１５０℃×４時間の二次架橋も施した。これらのシートからＪＩＳ３号ダンベルを打ち抜き、ＪＩＳ K６２５１(加硫ゴムの引張試験方法)に従う引張試験(引張速度５００mm／min)を行った。その結果を、添加剤の種類と共に、表５に示す。
【００５２】
【表５】
【００５３】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 酸の場合はpＫa、塩基の場合はpＫb、ＢＦ3 は強ルイス酸
添加量の単位：phr
pＫa４.５以下の酸(実施例８、９)、強ルイス酸(実施例７)、またはpＫb４.０以下の塩基(参考例３２)を添加したサンプルは、酸・塩基無添加のサンプル(比較例２３)に比べ、引張特性に優れることが明らかである。特に、強ルイス酸ＢＦ3を添加した場合には、引張強さが改善されるだけでなく、より穏やかな架橋条件を用い得る利点が生じている。一方、弱塩基、アンモニウム塩を添加しても、引張強さはむしろ低下することが分かる。
【００５４】
［実施例１０、比較例２６、参考例３３］
ＡＲ-５１を６６.７重量部、ベイマックＧＬＳ(三井デュポン（株）製エチレン-アクリルゴム、カルボキシル基を有する)３３.３重量部、ＨＡＦカーボン(三菱化学（株）製ダイアブラックＨ)４０.０重量部を、慣用の方法に従ってロール練りした。この混練物にリン酸またはＤＢＵを配合し、実施例８と同様に調製したサンプルの物性を、表６に示す。
【００５５】
【表６】
【００５６】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
※シートへと架橋成形できず、計測不可能であった。
酸、塩基無添加の場合にはシート状サンプルへと架橋することができなかったのに対し、 pＫa４.５以下の酸またはpＫb４.０以下の塩基を添加した場合には、架橋物を得ることができた。特にpＫa２.１２のリン酸を添加した場合には、より高強度の架橋ゴムを得ることができた。
【００５７】
［参考例３４、比較例２７］
参考例３３、比較例２６と同一配合のゴム１０gを、ＴＨＦ１０g＋ＭＥＫ１０gの混合溶媒に溶解し、ステンレス板上に塗布した。これらをオーブン中に入れ、８０℃で１５分間乾燥させた後、２００℃のオーブン中で３０分間保持した。ＤＢＵを配合したゴム(参考例３４)は、２００℃×３０分間の熱処理後、ＴＨＦやＭＥＫに不溶となった。熱空気中で十分に架橋されたことが明らかである。一方、酸・塩基を配合していないゴム(比較例２７)は、熱処理後もＴＨＦやＭＥＫ中で崩壊し、架橋が十分に進行していないことが示された。
【００５８】
［実施例１１〜１３、比較例２８〜３０、参考例３５〜３７］
エスプレンＥＭＡ(住友化学（株）製のエチレン-アクリルゴム（エポキシ側鎖を有する）、エポキシ化ビニルモノマーが２.５wt%共重合されている)とc-ＮＢＲ-1を表７に示す配合でブレンドし、それぞれの配合比における酸・塩基の添加効果について検討した。尚、ＧＰＦカーボンとしては、旭カーボン（株）製の旭５５Ｇを使用した。また、いずれのサンプルも、２００℃×３０分間プレス架橋の後、１５０℃×４時間の二次架橋に付した。配合及び引張試験結果を表７に示す。
【００５９】
【表７】
【００６０】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 単位：phr
いずれの配合比においても、pＫa４.５以下の酸またはpＫb４.０以下の塩基の添加効果が発現していることが分かる。
【００６１】
［実施例１４、１５、比較例３１〜３２、参考例３８、３９］
表８に示す配合のゴムサンプルを調製し、酸・塩基の添加効果について検討した。プレス(一次架橋)条件及び引張試験結果を表８に示す。尚、いずれのサンプルについても、１５０℃×４時間の二次架橋を行った。
【００６２】
【表８】
【００６３】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 単位：phr
pＫa４.５以下の酸またはpＫb４.０以下の塩基を配合することにより、引張特性が改善されることが明らかである。特に、酸の添加により、架橋が促進され、より低温での架橋が可能となった。
【００６４】
［実施例１６］
ＡＲ-５１を２５重量部、ＥＮＲ−１を２５重量部、c-ＮＢＲ-2を５０重量部ゴム練りロール上で練り合わせ、これに老化防止剤１.５重量部、ＳＲＦカーボン（旭カーボン（株）製旭＃50G）６５.０重量部、リン酸(85%)１.０重量部を練り込み、混練した。この練りゴムを１８０℃×１０分間プレスし、ゴムシートを得た。このシートの引張強さは７.７１MPa 、切断時伸びは２９０％であった。本実施例より、主鎖にエポキシ基を有するゴムと、側鎖にエポキシ基を有するゴムとの混合物を使用しても、良好な物性の架橋ゴムが得られることが明らかである。
【００６５】
【発明の効果】
上記のように、本発明によって、硫黄(化合物)を必要とせず、空気中で架橋し得るポリマー組成物が提供された。本発明のポリマー組成物は実用的な条件で架橋でき、強度に優れ、ゴム的な特性を示す架橋物を与える。従来の類似の組成物は、限られた種類のゴムしか架橋できず、しかも良好な物性が得られなかったことに鑑み、本発明の効果は顕著である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、架橋し得るポリマー組成物及びそれを架橋して得られるポリマー材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゴム工業において架橋とは、ゴム弾性を発現させる上での最重要技術である。ゴムの架橋は架橋(促進)剤として硫黄やその化合物を用いて行われることが多いが、硫黄架橋は生物への毒性、ゴム製品表面へのブルーム、ゴム製品と接する金属部分の腐食、オイルの汚染等で問題とされる場合がある。硫黄架橋に次いで多用される架橋法は、過酸化物を架橋剤とする方法である。この架橋法は上記したような問題は生じないが、一般に非酸素雰囲気下でしか行うことができず、それ故適用し得る用途が限られる。また、過酸化物架橋剤は概して高価であり、品種によっては爆発のおそれも有する。さらに、これら硫黄系、過酸化物系の架橋剤は、使用するゴムによって、架橋速度や相容性が異なる。それ故、ブレンドゴムの架橋に用いられた場合、成分毎の架橋密度の相違、物性低下等の問題を生じることがある。
【０００３】
Ｄｅらは、反応性基を有するゴム２種をブレンドして加熱成形すると架橋反応が生じることを見出し、Ｓelf-vulcanizable rubber blend systemとして提唱した(例えばJ.Polymer Science,Polymer Letters,27,p361(1989)、Plast.Rubber Proc.Appl.,14(4),p223(1990)、Polymer reports,31,p118(1990)、Kautsch.Gummi Kunstst.,43,p1002(1990)，45,p537(1992)、日本ゴム協会誌,68(11),p767(1995)、ポリファイル,1996年8月号,p56を見よ)。この架橋は硫黄(化合物)のような架橋剤を必要とせず、また、酸素雰囲気下でも進行するので、上記したようなオイル汚染、爆発等の問題を生じない。しかも２種のゴムを相互に架橋させるので、ゴム成分毎に架橋密度が相違することもない。このようなSelf-架橋型のブレンド系として、エポキシ化天然ゴム(ＥＮＲ)／カルボキシル化ニトリルゴム(c-ＮＢＲ)系(前掲の文献を見よ)、ＥＮＲ／ポリアクリル酸系(Polym.Plast.Technol.Eng.,32,p343(1993)、J.Elastmers Plastics,29,p239(1997)、J.Appl.Polym.sci.,50,p1627(1993)、Polym.Networks Blends,3,p51(1993))、ＥＮＲ／各種塩素化ポリマーの系、c-ＮＢＲ／エポキシ樹脂の系(Rubber Chem.Technol.,36,p931(1963)、J.Appl.Polym.Sci.,27,p4561(1982))、c-ＮＢＲ／各種塩素化ポリマーの系、三者ブレンド系、並びに、ＥＮＲ／ジカルボキシル化ポリ(ε-カプロラクトン)系(J.Mater.Chem.,6(12),p1865(1996))等が報告されている。
【０００４】
類似の手法として、グリシジル基含有ポリエポキシ化合物と（共役）塩基とを用いてカルボキシル基含有アクリルゴムを架橋させる技術(特公昭60-8007号) 、２個以上のエポキシ基を含む化合物及び窒素またはリン化合物を用いてc-ＮＢＲを架橋させる技術(特開平10-36563号) が知られている。後者技術においては、窒素またはリン化合物として第三アミンもしくはホスフィンまたは第四アンモニウムもしくはホスホニウム塩が使用されており、エポキシ化合物としてはグリシジル化合物、エポキシ樹脂、エポキシ変性シリコーンオイルが列挙されている。また、特公平3-68052号公報には、分子中に複数のカルボキシル基を有する化合物によってエポキシ基含有アクリルゴムを架橋させる技術が記載されており、カルボキシル基含有化合物の一つとしてc-ＮＢＲが用いられている。これらの技術においては、第四アンモニウム塩等の(共役)塩基が架橋促進剤として必須成分となっており、それらを用いない系では良好な架橋物は得られていない。他に、カルボキシル基とエポキシ基とを有するアクリルゴムを、特定のアンモニウム塩で架橋させる技術(日本ゴム協会誌,60,p469(1987)、A.C.S.Polymer Preprints,26,p32(1985)、Rubber Chemistry and Technology,56,p21(1983))、ＥＮＲをジカルボン酸(モノマー)や酸無水物等で架橋させる技術(Trans.Inst.Rubb.Ind.,38,T11(1962))、エポキシ基含有エラストマーをジカルボン酸及びホスフェンを用いて架橋させる技術(特開平3-97720号) 、両末端カルボキシル変性液状ニトリルゴムを反応させたエポキシ樹脂の繊維複合材(高分子論文集,45,p1(1988)、中尾他)等が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらゴム中のエポキシ基をカルボキシル基と反応させる上記の系では、高エポキシ化率ゴムを使用する必要がある。Ｄｅらは、Self-架橋させる上でエポキシ化率５０％のＥＮＲ(ＥＮＲ５０)が必要であり、エポキシ化率２５％のＥＮＲ(ＥＮＲ２５)では架橋が生じないと報告している。また、我々が追試したところによると、ＥＮＲ５０を用いてもc-ＮＢＲの品種によっては長い架橋時間を要し、しかも架橋物の物性は必ずしも満足できるものではない(後記実施例参照)。Ｄｅらの報告を見ても、架橋に４５〜６０分間と言う長い時間を掛けている。c-ＮＢＲ／エポキシ樹脂の系の文献においても、架橋反応に１８０℃で３０分間以上を要しており、中尾らもカルボキシル変性ゴムとエポキシ樹脂との反応に、窒素気流下で２時間掛けている。こうした架橋条件は工業的観点からは非現実的であり、実用化する上で解決すべき問題点の一つである。特公昭60-8007号公報、特開平10-36563号公報、特公平3-68052号公報に記載の技術に従い、アンモニウム塩等を用いても、架橋速度や架橋物の物性改善は成されない（後記実施例、比較例参照）。
【０００６】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、架橋に過酷な条件を必要としない架橋可能なポリマー組成物、並びにこのポリマー組成物からなり、強度に優れ、ゴム的な特性を示す各種のポリマー材料を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記問題点を解決すべく検討を重ねたところ、Self-架橋型のブレンド系に特定の酸の配合が有効であることを見出した。
【０００８】
すなわち本発明は、A)エポキシ基を有し、エポキシ基含有モノマーの成分比０．１〜３０ mol ％であるゴム１〜９０重量部、B)カルボキシル基を有するポリマー９９〜１０重量部、及びC)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を含有するポリマー組成物である。
【０００９】
ここで、C)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を使用することが、本発明の重要な要件である。このことによって、より低官能基量のポリマー、特に低エポキシ基量のゴムを使用することができ、また、架橋速度や架橋物の物性を大きく改善することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して詳細に説明する。本発明において、成分A)エポキシ基を有するゴム自体は公知である。例えば、主鎖にエポキシ基を有するゴム、側鎖にエポキシ基を有するゴム、末端基にエポキシ基を有するゴムのいずれをも使用することができる。主鎖、側鎖、末端の三者または二者にエポキシ基を有していても良い。また、複数のエポキシ化ゴムを併用することも可能である。ゴム分子中のエポキシ基含有モノマーの成分比率（以下、エポキシ化率と言う）にも特に制限はない。Ｄｅらの研究結果とは異なり、本発明においては低エポキシ化率ゴムを使用することが可能である。しかしながら、エポキシ化率は０．１〜３０mol％、好ましくは約１〜２５mol％とする。エポキシ化率が高いと、貯蔵安定性にやや欠け、低過ぎると架橋が困難となる。
【００１１】
上記の主鎖にエポキシ基を有するゴムは、例えばエポキシ基の両側に重合性基を有する化合物を(共)重合するか、あるいは主鎖に二重結合を有するゴムをエポキシ化する(例えば天然ゴムやブタジエンゴムを過酢酸等で酸化する)ことにより、製造することができる。
【００１２】
この主鎖にエポキシ基を有するゴム自体は公知であり、例えばエポキシ化天然ゴム(ＥＮＲ)がMaraysian Rubber Producers' Research Association U.K.からエポキシプレン５０及びエポキシプレン２５の商標で、またエポキシ化ＳＢＳ（スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体、熱可塑性のゴム）がダイセル化学工業（株）からエポフレンドの商標でそれぞれ市販されている。また、ゴムをエポキシ化する方法が例えばTRANSACTIONS,38,T11(1962)に記載されており、それに従って製造することもできる。本発明においてはこれら主鎖にエポキシ基を有するゴムのいずれをも使用することができ、その分子量、分子構造等に特に制限はない。複数の主鎖にエポキシ基を有するゴムを併用することも可能である。
【００１３】
しかしながら、これら主鎖にエポキシ基を有するゴムは、エポキシ化ポリイソプレンであることが好ましい。そのことによって、架橋後のゴム弾性や強度を良好なものとすることができる。これらエポキシ化ポリイソプレンにおける二重結合の形態に制限はない。例えば1,2-結合、1,4-結合、トランス構造、シス構造等の任意の形態を、任意の比率で採ることができる。しかし、エポキシ化天然ゴム(ＥＮＲ)の使用が、特に好ましい。
【００１４】
また、上記の側鎖にエポキシ基を有するゴム自体も公知である。たとえば日本ゼオン（株）のＡＲ-３１、ＡＲ-３２、ＡＲ-４２、ＡＲ-４２Ｗ、ＡＲ-５１、ＡＲ-５４、ＪＳＲ（株）のＡＲＥＸ120,ＡＲＥＸ220,ＡＲＥＸ320、日本メクトロン（株）のNOXTITE PA301,NOXTITE PA301K,NOXTITE PA302,NOXTITE PA312,NOXTITE PA303等のアクリルゴム；住友化学（株）のエスプレンＥＭＡ2752、ＥＭＡ2755等のエチレン-アクリルゴム；日本石油（株）のＥ1500-8.0,Ｅ1800-6.5、日本曹達（株）のＢＦ-1000、長瀬産業（株）のデナレックスR-45EPT等のエポキシ変性ブタジエンゴム等が挙げられるが、これらに限定されない。本発明においては、側鎖にエポキシ基を有するゴムのいずれをも使用することが出来る。複数のエポキシ基を有するゴムを併用することも可能である。
【００１５】
上記したように、本発明においては成分A)として、複数のエポキシ化ゴムを併用することもできる。その際のブレンド比等に特に制限はなく、例えば主鎖にエポキシ基を有するゴムと側鎖にエポキシ基を有するゴムとを、９０：１０〜１：９９の重量比で、特に７０：３０〜１０：９０の重量比で使用しても良い。概して、主鎖にエポキシ基を有するゴムはエポキシ化率が高い故、目的によってはエポキシ基を側鎖に有するゴムを主体とするのが好ましい。また、これらブレンドゴムにさらに、主鎖と側鎖の双方にエポキシ基を有するゴムをブレンドすることもできる。
【００１６】
成分B)カルボキシル基を有するポリマー(以下、カルボキシル化ポリマーと言うことがある)もまた、公知である。例としてカルボキシル化ニトリルゴム、カルボキル化エチレン−アクリルゴム、カルボキシル化ポリブタジエン、ポリアクリル酸等が挙げられるが、これらに限定されない。複数のポリマーを併用することもできる。これらの内、カルボキシル化ニトリルゴム、カルボキル化エチレン−アクリルゴム及び／またはカルボキシル化ポリブタジエン、特にカルボキシル化ニトリルゴムが好ましい。
【００１７】
カルボキシル化ニトリルゴム(以下、c-ＮＢＲと言うことがある)に特に制限はなく、種々のモノマー比のものをも使用することができる。ブタジエン成分の一部が水素化されていてもよい。c-ＮＢＲとしては、例えばバイエルポリサー社からＫＲＹＮＡＣ X7.50,ＫＲＹＮＡＣ X7.40,ＫＲＹＮＡＣ X1.46,ＫＲＹＮＡＣ X1.60,ＫＲＹＮＡＣ X9.50,ＫＲＹＮＡＣ２２１が、日本ゼオン（株）からＮipol１０７２Ｊ、ＮipolＤＮ６３１、ＮipolＤＮ６０１が、ＪＳＲ（株）からＮ６３２Ｓが、グッドイヤー社からケミガムＮＸ７７５が、それぞれ市販されている。c-ＮＢＲとして、ブタジエン部分を水素化したものを用いることもできる。
【００１８】
カルボキシル化ポリブタジエンの構造にも特に制限はなく、1,2-結合、1,4-結合、トランス構造、シス構造等の任意の形態を、任意の比率で採ることができる。二重結合の一部が水素化されていても良い。例として、日本曹達（株）のＮＩＳＳＯ-ＰＢ Ｃ-1000、CI-1000、日本石油化学（株）の日石ポリブタジエンMM-1000-80等が市販されている。
【００１９】
成分B)カルボキシル化ポリマー中のカルボキシルモノマー成分の量にも、特に制限はない。しかしながら、当該モノマー成分量が好ましくは約０.１〜２０mol％、より好ましくは０.５〜１５mol％、特に好ましくは３〜１０mol％のポリマーを使用する。カルボキシルモノマー成分の量が多いと架橋物が硬化劣化を起こし易くなり、少な過ぎると架橋が困難となる。また、カルボキシル化ポリマーは、常温で固形のゴムであることが好ましい。このことによって、架橋物に優れた柔軟性、高い架橋度を導入することができる。
【００２０】
成分A)エポキシ化ゴムと成分B)カルボキシル化ポリマーとの重量比は、１：９９〜９０：１０とする。一般にエポキシ化ゴムとカルボキシル化ポリマーとは相容性が良く、それ故広いブレンド比で良好な物性の組成物を得ることができる。従って、両者のブレンド比は上記範囲内から任意に選択することができるが、好ましくは３：９７〜６０：４０、より好ましくは５：９５〜５０：５０、特に好ましくは８：９２〜４０：６０とする。特に成分B)としてc-ＮＢＲを用いた場合には、ブレンド比をこれら範囲内とすることによって、架橋反応が促進され、また、強度や耐油性に優れる架橋物を得ることができる。
【００２１】
本発明の最大の要件は、成分C)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を使用することである。このことによって架橋を促進し、かつ架橋物の物性、例えば強度を著しく改善することができる。特に成分A)エポキシ化ゴムまたは成分B)カルボキシル化ポリマーとして比較的低官能基量のものを用いた場合、この効果が顕著である。中でもpＫa４.５以下の酸の添加は、架橋速度を大いに高める。
【００２２】
これら酸に特に制限はなく、p Ｋ a が上記範囲内の公知の酸を使用することができる。例えば、塩酸(pKa:-7.0、以下括弧内の数値はpKa値を示す)、トリフロロ酢酸(0.2)、トリクロロ酢酸(0.65)、ジクロロ酢酸(1.29)、2,6-ジオキシ安息香酸(1.30)、ニトロ酢酸(1.68)、シアノ酢酸(2.47)、フロロ酢酸(2.66)、クロロ酢酸(2.90)、ブロモ酢酸(2.90)、サリチル酸(2.98)、フェノキシ酢酸(3.12)、フッ酸(3.2)、亜硝酸(3.3)、メトキシ酢酸(3.53)、蟻酸(3.77)、安息香酸(4.20)、o-,m-,p-クロロ安息香酸(それぞれ2.94,3.83,3.99)、o-,m-,p-ニトロ安息香酸(それぞれ2.17,3.45,3,43)、リン酸(pＫa-1:2.12,pＫa-2:7.24)、マレイン酸(pＫa-1:1.92,pＫa-2:6.23)、フマル酸(pＫa-1:3.02,pＫa-2:4.38)等が挙げられるが、これらに限定されない。ＢＦ3、ＡlＣl3等のルイス酸を使用することもできる。ここで、ＢＦ3等のルイス酸は、単独では使用し難い場合がある。これらルイス酸は、好ましくはジエチルエーテルのような含酸素化合物または含窒素化合物等との錯体の形で使用する。
【００２４】
しかしながら、本発明においては、成分C)としてpＫa約３.００以下の酸または強ルイス酸を使用するのが好ましい。このことによって架橋反応の促進、架橋物の物性改善が、より顕著なものとなる。尚、成分A)エポキシ化ゴムのエポキシ化率によっては、あまり強い酸を用いると架橋速度が高まり過ぎ、架橋物の外観を損なうことがある。例えば、エポキシ化率が１０mol％程度以上の場合、使用する酸のpＫa値は約１.００〜３.００、特に約２.００〜３.００とするのが好ましい。逆に、エポキシ化率が３mol％以下の場合には、pＫa値約２．５０以下の酸またはＢＦ3等の強ルイス酸の使用が好適である。使用するゴムのエポキシ化率が高いほど、pＫa値の高い酸を用いるといった方法を採ることもできる。また、二塩基酸等はエポキシ基と反応して成分A)同士を架橋させ得るので、成分A)と成分B)との相互架橋を目的とするならば、一塩基酸またはpＫa-2値が４.５以上の二塩基酸を使用するのが好ましい。また、二塩基酸、三塩基酸等においては、水素イオンの一部が他のイオン、例えばアルカリ金属イオン、アンモニウムイオン等で置換されていても良く、ＮaＨ2ＰＯ4、Ｎa2ＨＰＯ4等を使用することもできる。
【００２６】
成分C)酸の配合量に特に制限はなく、目的とする架橋速度、架橋物の物性、酸の強度及び成分A),B)として用いたポリマーの種類に応じ、任意に設定することができる。当業者であれば、各種の条件を基に、所望の架橋速度及び物性を与える配合量を選定することは容易であろう。しかしながら、一般的にはゴム１００重量部に対し、酸を約０.０１〜１０重量部、特に０.１〜５重量部配合するのが好ましい。酸の配合量が少な過ぎると架橋があまり促進されず、多過ぎると架橋物表面状態の悪化、永久ひずみの増大等の問題を生じることがある。特に成分A)のエポキシ化率が１０mol％以上と高く、かつpＫa３.００以下の酸を使用した場合には、酸の配合量を約０.０１〜３重量部、特に０.０１〜１重量部とするのが好ましい。
【００２７】
本発明のポリマー組成物は、任意の慣用の方法で製造することができる。例えば二本ロール、バンバリーミキサー、加圧ニーダー、押出機等で混練することができ、また、各成分を溶剤に溶解させた後に混ぜ合わせても良い。
【００２８】
本発明のポリマー組成物にはまた、カーボンブラック、シリカ等の汎用のゴム用補強性フィラーを任意的成分として配合することも出来る。特に、シリカの添加により、架橋をさらに促進させることも可能となる。
【００２９】
本発明のポリマー組成物にはまた、任意の添加剤、例えば老化防止剤、カーボンブラック、シリカ、炭酸カルシウム、硫酸バリウム、粘土鉱物等のフィラー、ガラス繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の有機繊維、顔料、分散剤、カップリング剤、相容化剤、難燃剤、表面平滑剤、可塑剤、加工助剤等を添加することもできる。代表的な老化防止剤の幾つかは第二級アミンであるが、これらの塩基性は概して弱く、本発明のポリマー組成物中に添加しても架橋速度や架橋形態に殆ど影響を及ぼさない。
【００３０】
本発明のポリマー組成物は、外部から硫黄(化合物)等の架橋剤を加えずとも、単に加熱するだけで十分に架橋させることができる。架橋条件は任意であり、各成分として使用する原材料、目的とする架橋物性に応じて設定することができる。例えば約１００〜２００℃の温度で、約１〜１２０分間加熱する。条件に応じて、約１００〜２００℃で１〜２４時間の二次架橋を施すこともできる。こうした架橋の結果、成分A)エポキシ化ゴムと成分B)カルボキシル化ポリマーとが、両者の官能基の反応により生じるエステル結合によって相互に架橋される。但し、成分A)のエポキシ化率が高い場合、成分A)または成分C)の配合量が多い場合、成分C)の酸が強いまたは二塩基酸の場合等には、成分A)エポキシ化ゴム同士が結合した架橋形態も生じる。架橋方法も任意であり、プレス架橋、蒸気架橋、熱空気架橋、放射線架橋等、種々の慣用の架橋方法を採用することができる。特に、成分B)としてカルボキシル化ニトリルゴム、カルボキシル化エチレン−アクリルゴム及び／またはカルボキシル化ポリブタジエンを用いた場合には、ゴム工業界で通常用いられる架橋法のいずれをも使用することが可能である。
【００３１】
以上のように、本発明のポリマー組成物は、架橋に際して硫黄(化合物)や過酸化物等の汎用架橋剤を必要としない。そのため硫黄化合物に起因する問題を回避することができ、医薬・食品関係、半導体関係、電子部品、精密機械部品等、硫黄(化合物)による汚染を嫌う用途に特に有用である。本発明はまた、上記ポリマー組成物から成るシール材料をも包含する。本発明のポリマー組成物は、過酸化物架橋とは異なり、空気中でも架橋させることができるので、連続生産を行う場合に特に有用である。例えば本発明のポリマー組成物を溶剤に溶解して金属面に塗布し、続いて溶剤の乾燥・架橋を連続的に空気中で行って、複合材料を作成することができる。本発明はまた、上記ポリマー組成物と金属板とを積層して成る複合材料をも包含する。
【００３２】
尚、本発明の効果の一つは、硫黄(化合物)や過酸化物等の慣用の架橋剤を必要としない点にあるが、用途によっては、例えば硫黄の存在が問題とならないような場合には、任意にこれらの汎用の架橋剤を添加し、架橋をより強固なものとすることもできる。
【００３３】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１〜２、比較例１〜４、参考例１〜４］
表１に示す配合のサンプルを調製し、架橋の条件、架橋物の物性について検討した。
【００３４】
・原料ゴムとしては、以下のものを使用した：
ＥＮＲ-1：Maraysian Rubber Producers' Research Association U.K.のエポキシプレン２５；エポキシ化率２５mol％
ＥＮＲ-2：Maraysian Rubber Producers' Research Association U.K.のエポキシプレン５０；エポキシ化率５０mol％
尚、ＥＮＲ-1〜２は主鎖にエポキシ基を有するゴムである。
c-ＮＢＲ-1：バイエルポリサー社のカルボキシル化ＮＢＲ、ＫＲＹＮＡＣ221；カルボキシル化モノマー量７mol％、中高ニトリル
c-ＮＢＲ-2：カルボキシル化ＮＢＲ；カルボキシモノマー量６．４（±0.3)wt％、ニトリル量２７％、ＭＬ1+4(100℃)４５
c-ＮＢＲ-3：カルボキシル化ＮＢＲ；カルボキシモノマー量０．８（±0.1)wt％、ニトリル量３３.５％、ＭＬ1+4(100℃)５０
尚、c-ＮＢＲ-2〜3のカルボキシモノマー量は、中和滴定の結果を基に、当該モノマー成分がメタクリル酸であると仮定して算出した値である。
Ｃ-1000：日本曹達（株）の両末端カルボキシル化ポリブタジエン；酸価５５〜７０KOHmg/g、1,2-ビニル構造85%、1,4-トランス構造15%ＣＩ-1000：日本曹達（株）の両末端カルボキシル化水素添加ポリブタジエン；酸価４４〜５９KOHmg/g、ヨウ素価＜２１Ｉ2mg/100g
ＨＡＦ−ＣＢ：三菱化学（株）製カーボンブラック、ダイアブラックＡ、平均粒径３１nm
NipsilＡＱ：日本シリカ（株) 製のシリカ
【００３５】
・サンプルの調製は、特記しない限り、以下の方法で行った：
表１に記載の配合物を慣用の方法に従ってロール練りし、得られた混練物を数時間後に再練りした後、熱プレスで所定の温度にて所定時間架橋させてサンプルを調製した。サンプルの幾つかについては、さらにギアーオーブンで１５０℃×４ｈの二次架橋も施した。
【００３６】
・引張試験は、ＪＩＳ K６２５１(加硫ゴムの引張試験方法)に従い、ＪＩＳ６号ダンベルを用い、引張速度５００mm／minにて行った。極限強さとは引張応力が最高に達した点での強さを、切断時強さとはサンプルが切断した際の強さを、それぞれ表す。
各サンプルの配合と物性試験結果を、表１に示す。
【００３７】
【表１】
・ 「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 単位:phr
ａ）「−」は切断時に応力が最大であったことを示す
【００３９】
表１より、リン酸(pＫa2.12)またはジブチルアミン(pＫb2.72)の添加によって、架橋物の引張強さが改善されること、また最大応力が切断時に現れ、ゴム的な引張特性が示されるようになったことが明らかである。特に、リン酸を添加した場合には、架橋条件をよりマイルドかつ実用的なものとすることができた。実施例１〜２、参考例１のように、Ｄｅらが殆ど架橋しないと報告したエポキシプレン２５(ＥＮＲ-1)を用いた場合にも、実用的な架橋条件でゴム的な引張特性を示す架橋物が得られた。
【００４０】
［比較例５〜１２、参考例５〜１３］
使用する酸または塩基の種類を種々に変化させた以外は、実施例１〜２、参考例１〜４と同じ操作を行った。各サンプルの配合、架橋に要した条件及び物性試験結果を、表２に示す。尚、ショアーＡ硬さの測定は、ＪＩＳ Ｋ６２５３（加硫ゴムの硬さ試験方法）に従い行った。
【００４１】
【表２】
＊単位：phr （１）老化防止剤 （２）テトラブチルアンモニウム＝ブロミドＧＰＦ−ＣＢ：旭カーボン（株）製カーボンブラック、旭＃５５Ｇ、平均粒径６６nm
低カルボキシル基量のc-ＮＢＲ-3を用いた場合、Self-架橋物は引張強さの小さいものとなる(比較例９)。ここに、特公昭60-8007号公報、特開平10-36563号公報、特公平3-68052 号公報に記載の技術に従ってアンモニウム塩を添加しても、架橋速度、架橋物の物性は改善されない(比較例１０)。一方、 pＫa４.５以下の酸またはpＫb３.０以下の塩基を加えた系では、引張特性または架橋速度の少なくともいずれかが改善されることが分かる。特にpＫa３.００以下の酸を用いた系では、両者の改善が顕著である（参考例９、１０）。また、参考例１２、１３より、リン酸のナトリウム塩も引張特性改善効果を示すことが分かる。
【００４３】
尚、第一級ジアミン(p-フェニレンジアミン)を添加した場合、二次架橋後の引張特性が改善されている(比較例７)。おそらくは第一級ジアミンによってＥＮＲが架橋され、未架橋成分が殆ど消失したためであろう(J.Polym.Sci.A,32,p1149(1994)参照)。
【００４４】
［比較例１３〜１９、参考例１４〜２７］
成分A)ＥＮＲと成分B)c-ＮＢＲとのブレンド比を変化させる検討を行った。結果を表３に示す。尚、表３に示した架橋物は、いずれも１５０℃×４ｈの二次架橋を施したものである。
【００４５】
【表３】
＊ベース配合、単位:phr ＃老化防止剤 ＄添加剤：１phr
ＧＰＦ−ＣＢ：旭カーボン（株）製カーボンブラック、旭＃５５Ｇ、平均粒径６６nm
成分A)ＥＮＲのブレンド比が５wt％程度であっても、本発明による効果の生じることが明らかである。尚、比較例１８と、それにＤＢＵを添加した参考例２６とを比べると、前者の方が引張強さが大となっているが、後者は切断時に応力が最大となっており、ＤＢＵによってゴムらしさが付与されたことが分かる。
【００４７】
［実施例３、参考例２８］
実施例１と同一配合の未架橋組成物をトルエン／酢酸プロピル(1/1)混合液に溶解し、これをステンレス板の片面に塗布した。これを７０℃で２０分間乾燥後、反対側の面にも同様にしてゴム組成物を塗布した。これを１７０℃のオーブン中に１５分間保持し、熱空気架橋させた（実施例３）。参考例１の配合についても同じ操作を行い、金属板−ゴム積層複合材を作成した（参考例２８）。得られた複合材の塗膜は、いずれもトルエン／酢酸プロピル(1/1)混合液に溶解せず、しっかりと架橋されていることが判明した。本発明のポリマー組成物は空気中でも架橋が進行すると言うことが明らかである。
【００４８】
［実施例４〜６、比較例２０〜２２、参考例２９〜３１］
成分A)エポキシ化ゴムとして以下のもの（何れも主鎖にエポキシ基を有する）を用い、実施例１と同様の操作を行った。
ＥＳＢＳ−１：ダイセル化学工業（株）のエポフレンドＡ１０１０、エポキシ当量９５０〜１０５０（エポキシ化率約６mol％）
ＥＳＢＳ−２：ダイセル化学工業（株）のエポフレンドＡ１０２０、エポキシ当量４８０〜５４０（エポキシ化率約１１mol％）
但し、始めに密閉混合機中で成分A)と成分B)とを１６０℃に加熱して５０rpmで３分間混練し、室温程度にまで放冷した後に、慣用の方法に従うロール練りによってカーボンブラック、酸・塩基等の添加物を配合した。配合及び物性試験結果を表４に示す。
【００４９】
【表４】
ＭＴ−ＣＢ：CANCARB THERMAX 社のカーボンブラック、平均粒径２００nm前後
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す ＃単位:phr
a)「−」は切断時に応力が最大であったことを示す
表４より、リン酸またはＤＢＵの添加によって、架橋物の引張強さが改善されること、また最大応力が切断時に現れ、ゴム的な引張特性が示されるようになったことが明らかである。特に、リン酸を添加した場合には、架橋条件をよりマイルドかつ実用的なものとすることができた。
【００５１】
［実施例７〜９、比較例２３〜２５、参考例３２］
ＡＲ-５１(日本ゼオン（株）製アクリルゴム、エポキシ側鎖を有する)３３.３重量部、c-ＮＢＲ-3 を６６.７重量部、ＳＲＦカーボン(三菱化学（株）製のダイアブラックＬＲ)６５.０重量部を、慣用の方法に従ってロール練りした。この混練物にさらに、表５に示した添加剤を１.０重量部練り込んだ。得られた混練物を数時間後に再練りした後、熱プレスにて１８０℃×３０分間(実施例７)または２００℃×３０分間(実施例８、９、比較例２３〜２５、参考例３２)架橋させてシート状サンプルとした。実施例８、９、比較例２３〜２５、参考例３２のサンプルについては、さらにギアーオーブンで１５０℃×４時間の二次架橋も施した。これらのシートからＪＩＳ３号ダンベルを打ち抜き、ＪＩＳ K６２５１(加硫ゴムの引張試験方法)に従う引張試験(引張速度５００mm／min)を行った。その結果を、添加剤の種類と共に、表５に示す。
【００５２】
【表５】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 酸の場合はpＫa、塩基の場合はpＫb、ＢＦ3 は強ルイス酸
添加量の単位：phr
pＫa４.５以下の酸(実施例８、９)、強ルイス酸(実施例７)、またはpＫb４.０以下の塩基(参考例３２)を添加したサンプルは、酸・塩基無添加のサンプル(比較例２３)に比べ、引張特性に優れることが明らかである。特に、強ルイス酸ＢＦ3を添加した場合には、引張強さが改善されるだけでなく、より穏やかな架橋条件を用い得る利点が生じている。一方、弱塩基、アンモニウム塩を添加しても、引張強さはむしろ低下することが分かる。
【００５４】
［実施例１０、比較例２６、参考例３３］
ＡＲ-５１を６６.７重量部、ベイマックＧＬＳ(三井デュポン（株）製エチレン-アクリルゴム、カルボキシル基を有する)３３.３重量部、ＨＡＦカーボン(三菱化学（株）製ダイアブラックＨ)４０.０重量部を、慣用の方法に従ってロール練りした。この混練物にリン酸またはＤＢＵを配合し、実施例８と同様に調製したサンプルの物性を、表６に示す。
【００５５】
【表６】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
※シートへと架橋成形できず、計測不可能であった。
酸、塩基無添加の場合にはシート状サンプルへと架橋することができなかったのに対し、 pＫa４.５以下の酸またはpＫb４.０以下の塩基を添加した場合には、架橋物を得ることができた。特にpＫa２.１２のリン酸を添加した場合には、より高強度の架橋ゴムを得ることができた。
【００５７】
［参考例３４、比較例２７］
参考例３３、比較例２６と同一配合のゴム１０gを、ＴＨＦ１０g＋ＭＥＫ１０gの混合溶媒に溶解し、ステンレス板上に塗布した。これらをオーブン中に入れ、８０℃で１５分間乾燥させた後、２００℃のオーブン中で３０分間保持した。ＤＢＵを配合したゴム(参考例３４)は、２００℃×３０分間の熱処理後、ＴＨＦやＭＥＫに不溶となった。熱空気中で十分に架橋されたことが明らかである。一方、酸・塩基を配合していないゴム(比較例２７)は、熱処理後もＴＨＦやＭＥＫ中で崩壊し、架橋が十分に進行していないことが示された。
【００５８】
［実施例１１〜１３、比較例２８〜３０、参考例３５〜３７］
エスプレンＥＭＡ(住友化学（株）製のエチレン-アクリルゴム（エポキシ側鎖を有する）、エポキシ化ビニルモノマーが２.５wt%共重合されている)とc-ＮＢＲ-1を表７に示す配合でブレンドし、それぞれの配合比における酸・塩基の添加効果について検討した。尚、ＧＰＦカーボンとしては、旭カーボン（株）製の旭５５Ｇを使用した。また、いずれのサンプルも、２００℃×３０分間プレス架橋の後、１５０℃×４時間の二次架橋に付した。配合及び引張試験結果を表７に示す。
【００５９】
【表７】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 単位：phr
いずれの配合比においても、pＫa４.５以下の酸またはpＫb４.０以下の塩基の添加効果が発現していることが分かる。
【００６１】
［実施例１４、１５、比較例３１〜３２、参考例３８、３９］
表８に示す配合のゴムサンプルを調製し、酸・塩基の添加効果について検討した。プレス(一次架橋)条件及び引張試験結果を表８に示す。尚、いずれのサンプルについても、１５０℃×４時間の二次架橋を行った。
【００６２】
【表８】
＊「比」は比較例を示す 「参」は参考例を示す
＃ 単位：phr
pＫa４.５以下の酸またはpＫb４.０以下の塩基を配合することにより、引張特性が改善されることが明らかである。特に、酸の添加により、架橋が促進され、より低温での架橋が可能となった。
【００６４】
［実施例１６］
ＡＲ-５１を２５重量部、ＥＮＲ−１を２５重量部、c-ＮＢＲ-2を５０重量部ゴム練りロール上で練り合わせ、これに老化防止剤１.５重量部、ＳＲＦカーボン（旭カーボン（株）製旭＃50G）６５.０重量部、リン酸(85%)１.０重量部を練り込み、混練した。この練りゴムを１８０℃×１０分間プレスし、ゴムシートを得た。このシートの引張強さは７.７１MPa 、切断時伸びは２９０％であった。本実施例より、主鎖にエポキシ基を有するゴムと、側鎖にエポキシ基を有するゴムとの混合物を使用しても、良好な物性の架橋ゴムが得られることが明らかである。
【００６５】
【発明の効果】
上記のように、本発明によって、硫黄(化合物)を必要とせず、空気中で架橋し得るポリマー組成物が提供された。本発明のポリマー組成物は実用的な条件で架橋でき、強度に優れ、ゴム的な特性を示す架橋物を与える。従来の類似の組成物は、限られた種類のゴムしか架橋できず、しかも良好な物性が得られなかったことに鑑み、本発明の効果は顕著である。
Claims (9)
- A)エポキシ基を有し、エポキシ基含有モノマーの成分比０．１〜３０ mol ％であるゴム１〜９０重量部、
B)カルボキシル基を有するポリマー９９〜１０重量部、及び
C)強ルイス酸またはpＫa４.５以下の酸を含有するポリマー組成物。 - A)エポキシ基を有するゴムが、エポキシ化天然ゴム、アクリルゴムまたはエチレン−アクリルゴムであることを特徴とする、請求項１記載のポリマー組成物。
- B) カルボキシル基を有するポリマーが、カルボキシルモノマー成分量が０ . １〜２０ mol ％のものであることを特徴とする、請求項１または２記載のポリマー組成物。
- B)カルボキシル基を有するポリマーが、カルボキシル化ニトリルゴム、カルボキシル化エチレン−アクリルゴム及び／またはカルボキシル化ポリブタジエンであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のポリマー組成物。
- B)カルボキシル基を有するポリマーが、常温で固形のゴムであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
- 成分C)として、pＫa３.００以下の酸または強ルイス酸を使用することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のポリマー組成物。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載のポリマー組成物を架橋して成る架橋ポリマー組成物。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載のポリマー組成物または請求項７に記載の架橋ポリマー組成物から成るシール材料。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載のポリマー組成物または請求項７に記載の架橋ポリマー組成物と金属板とを積層して成る複合材料。
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