JP3764752B2 - 修飾ポリテトラフルオロエチレン微粉末 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、水分散重合で微粉末型のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を得ることで製造した溶融加工不能で繊維形成性のPTFE、より詳細には、上記ポリマーの基本的な性質が変わることなく上記ポリマーの性能が向上するようにコモノマーを少量含めたPTFE、別の言い方をすると「修飾」PTFE微粉末に関する。
発明の背景
PTFE微粉末の調製は、重合開始剤と分散剤が入っている水媒体にテトラフルオロエチレン(TFE)を入れて撹拌しながらそれの重合を行う結果としてRDPSが0.05から0.5μmのPTFE一次粒子が入っている安定な水分散液を生じさせることを通して行われている。その分散液を凝集させて乾燥させてもよく、そしてその結果として生じた凝集物を通常は15から20重量%の滑剤と一緒に混合してペースト(滑剤添加)押出し加工することで、それの加工を行うことができる。このペースト押出し加工は典型的に円柱形のビードが生じるように実施されており、そのようなビードには、絶縁導電体を生じさせるためのワイヤーが含まれる。焼結後の絶縁体に傷がないことが重要であり、傷が存在していると電気的性能が悪化し得る。また、高い生産率を得ることができるのが望ましく、このことは、絶縁体に電気的な傷が生じないように適度に低い押出し加工圧力で圧延比をできるだけ高くすべきであることを意味する。更に、ワイヤーが絶縁体から離れて引っ張られる傾向がないように絶縁ワイヤーの物理的一体性が得られるに充分なほど焼結後の絶縁体がワイヤーに接着するのが望ましい。
米国特許第4,792,594号(GangalおよびMalhotra)には微粉末型および粒状型両方の修飾PTFEコポリマーが開示されており、そこでの修飾剤は0.004から0.5重量%のパーフルオロ(n−ブチル)エチレン(PFBE)である。このPFBEをTFEと一緒に共重合させることでPTFEに修飾を受けさせている。しかしながら、その修飾PTFEの溶融粘度が1X108Pa・s以上であることで示されるように、PTFEが有する溶融加工不能特性は変化しないままである。
この’594特許における微粉末型の修飾PTFEは、PFBEとTFEを共重合用反応槽に連続的に供給するが重合終点以前にはPFBEをモノマーがポリマーに変化する変換率を基準にして少なくとも5%供給しないことを通して製造されている。PFBE修飾PTFE微粉末を高い圧延比でペースト押出し加工すると、押出し加工圧力が望ましくないレベルにまで高くなることで、結果として生じるワイヤーの絶縁体に電気的な傷が生じてしまう。
ワイヤーへの接着力が高いことと押出し加工圧力が低いことの両方を与えるPTFE微粉末が必要とされている。
発明の要約
本発明の修飾PTFE微粉末に、共重合したテトラフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキル)エチレン[このアルキル基は炭素原子を1から10個含む]、およびフルオロ(アルキルビニルエーテル)(FAVE)[このアルキル基は炭素原子を1から10個含む]または式CFX=CF2[式中、XはClまたはRfであり、ここで、Rfは炭素原子数が1から6の線状もしくは分枝パーフルオロアルキルである]で表されるフルオロオレフィンを含めることで、上記必要性を満足させる。存在させる修飾剤の全体量はPTFEが有する溶融加工不能特性を変化させない量であり、このような特性は、上記修飾PTFEの溶融粘度が1X108Pa・s以上であることとペースト押出し加工可能であることを特徴とする。上記修飾剤の全体量は、典型的に、PTFE微粉末の総重量を基準にして0.01から1重量%であり、この範囲内において、個々の修飾剤を、ワイヤーへの高い接着力と低い押出し加工圧力の組み合わせが得られるに有効な量で用いる。
語句「PTFE微粉末」および「修飾PTFE微粉末」は、通常、水分散重合で得られるポリマー分散液を凝集させて乾燥させることで得られる製品を指す。しかしながら、「修飾PTFE微粉末」を本明細書で用いる場合、これは、一次粒子が分散液に分散している形態であるか、一次粒子を凝集させた凝集物であるか、或はそれから加工した製品(焼結前および焼結後)であるかに拘らず、水分散重合方法で得られる種類のポリマーを指す。
重合開始剤と分散剤が入っている水の中でTFEをPFAEおよび他のフルオロオレフィンまたはFAVEと一緒に共重合させることで修飾を受けた微粉末を一次粒子が入っている安定な水分散液として生じさせ、そして共重合の終点に向かって、分子量を低くする作用剤を共重合反応に加えることで、コポリマーの一次粒子の分子量を低くして行く、ことを含む方法を用いて、本発明の修飾PTFE微粉末を製造する。そのような作用剤は重合開始剤(供給速度を反応初期よりも高くしてゆく)、連鎖移動剤またはそれらの組み合わせであり得る。その上、その結果として生じたコポリマーは、ペースト押出し加工において、一次粒子の分子量を共重合反応の終点に向かって低くするようにして得たものでないコポリマーのレオメーター(rheometer)押出し圧力に比較してレオメーター押出し圧力が低いことを特徴とする。
PFAE修飾PTFE微粉末にFAVEまたはフルオロオレフィンを存在させると、驚くべきことに、それとワイヤーの接着力が向上する。
発明の詳細な説明
本発明の修飾PTFE微粉末は溶融粘度が1X108Pa・s以上であることで示されるように溶融加工不能である。溶融粘度を米国特許第4,792,594号に開示されている手順に従って測定する。従って、上記微粉末の加工を典型的にはよく知られているペースト(滑剤添加)押出し加工方法で行い、この加工では、上記微粉末に滑剤をある量、通常はブレンド物の重量を基準にして15から20重量%の範囲内の量でブレンドした後にペースト押出し加工段階を行う。
上記パーフルオロ(アルキル)エチレン(PFAE)は式CH2=CYR’f[式中、YはH、FまたはCF3であり、そしてR’fは、炭素原子数が1−10のパーフルオロアルキル基であるが、但しY=CF3の時にはR’f=CF3であることを条件とする]で描写可能である。PFAEの例にはパーフルオロ(n−ブチル)エチレン(PFBE)およびヘキサフルオロイソブチレンが含まれる。本修飾PTFE微粉末に入れるPFAE修飾剤の量は一般に0.01から0.5重量%、好適には0.05から0.15重量%である。好適には、上記PFAEはPFBEである、即ち上記式において、YはHでありそしてR’fは炭素原子を4個含む。本修飾PTFE微粉末に入れるFAVE修飾剤の量またはフルオロオレフィン修飾剤の量は、本明細書の以下に記述するように、望まれるワイヤーへの接着力を向上させる目的で用いる個々のコモノマーに依存するが、一般的にはそれぞれ0.0001から0.05重量%および0.0005から0.2重量%である。本修飾微粉末に入れるコモノマーの全体量は通常0.5重量%未満である。本明細書において、重量%はポリマー組成物の総量を基準にした重量%を表し、ここでは一般にTFEで本修飾PTFE微粉末の少なくとも99重量%を構成させ、好適にはそれの少なくとも99.5重量%を構成させる。本微粉末に追加的修飾剤を含めることも可能であるが、但しその量が本微粉末の溶融加工不能特性を変えない量であることを条件とする。従って、例えばFAVEと他のフルオロオレフィンの両方を存在させることも可能である。
上記FAVEモノマーの例はフルオロ(アルキルアルコキシビニルエーテル)類であり、これは水素または塩素を含んでいてもよいが、それが有するフッ素原子の数は水素原子または塩素原子の数の少なくとも2倍である。パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)類が好適であり、これらの中で、アルキル基中の炭素原子数が1から5、より好適には炭素原子数が1から3のPAVEが好適である。好適なフルオロオレフィン類には、例えばクロロトリフルオロエチレン(CTFE)およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)などが含まれる。
本発明の修飾PTFE微粉末は、重合用媒体としての水、PFBEおよび他の修飾剤の全体量、分散剤、および凝塊物の生成を抑制するためのパラフィンワックスを入れたオートクレーブにTFEおよび通常のフリーラジカル開始剤を加圧下で入れることを通して製造可能である。別法として、重合反応の終点に向かって他の修飾剤、例えばCTFE、パーフルオロオレフィンまたはPAVEなどをオートクレーブに加えることも可能である。その結果として生じた重合反応混合物を穏やかに撹拌しながら適切な圧力、例えば0.3から7MPaの圧力下、適切な温度、例えば10から110℃または50から110℃の温度で重合を実施する。この重合を水媒体の固体含有量が所望含有量になるまで、通常は、水媒体中に存在する修飾微粉末[これは、生分散粒子サイズ(RDPS、測定方法に関しては米国特許第4,837,267号を参照)が0.05から0.5μmの一次分散粒子として存在]の重量と水媒体の重量を一緒にした重量を基準にして20から60重量%の範囲内の固体含有量になるまで実施する。好適な開始剤には、無機過硫酸塩、例えば過硫酸アンモニウムなど、パーオキサイド類、例えばジこはく酸パーオキサイドなど、そして無機過マンガン酸塩、例えば過マンガン酸カリウムなどが含まれ、これを、存在する水の重量を基準にして2−1000ppmまたは2−500ppmの量で用い、そして好適な分散剤はパーフルオロアルカン酸およびそれの塩類(このアルカン基は炭素原子を6から10個含む)であり、これを、存在する水の重量を基準にして100から5000ppmの量で用いる。ワックスを存在させる場合、これを、存在する水の重量を基準にして0.1から12重量%のレベルで用いる。
重合で生じる一次粒子の分子量が反応の終点に向かって低くなるように水分散重合反応を修飾する。これは、分子量を低くする作用剤を反応に加えることで達成可能である。分子量の低下は、重合反応に存在させる開始剤の量を多くする、即ち開始剤をより多い量で反応に加えることで達成可能である。また、連鎖移動剤を重合反応の初期段階に存在させることも可能であり、また、連鎖移動剤の添加量を多くすることでも分子量が低下する。他の様式では、重合反応の終点に向かう初期に連鎖移動剤を添加することも可能である。分子量低下の達成で両方を利用することも可能である。
このような重合方法の効果は、水媒体に分散していて修飾を受けたPTFE微粉末の一次粒子を生じさせてその粒子の表面、即ち殻の部分の分子量を低下させる効果である。このように表面の分子量が低いことは、本修飾PTFE微粉末(凝集させて乾燥させた後)が低下した押出し加工圧力を示すことで特徴づけられる。このような押出し加工圧力の低下は、ASTM D1457、セクション13.10に従ってレオメーター(ペースト押出し加工装置)を用い、滑剤であるIsopar(商標)Gを18.4重量%用いて圧延比を1600:1にすることで測定可能である。微粉末の一次粒子が有する表面の分子量を低くした本発明の修飾PTFE微粉末が示すレオメーター押出し加工圧力は、重合反応の終点に向かって分子量を低くすることで得たものでない微粉末が示すレオメーター押出し加工圧力に比べて、少なくとも20%低く、好適には少なくとも40%低い。このレオメーター押出し加工圧力は好適には550kg/cm2以下である。
分子量を低くする作用剤の量は、望まれる個々のレオメーター押出し加工圧力低下度合に依存する。この分子量を低くする段階を、ポリマーが少なくとも50重量%生じた後、好適にはポリマーが少なくとも60重量%生じた後に実施する。レオメーター押出し加工圧力を少なくとも40%以上低下させることを達成する目的で添加する上記分子量低下作用剤の量は、使用する分子量低下作用剤、即ち上記作用剤の個々の同定、そしてそれが開始剤であるか或は連鎖移動剤であるかに依存する。この量は、また、分子量を低くする段階を重合反応中のどの時点で始めるかに依存する。上記作用剤の量は、少なくとも、この上に示した最小限のレオメーター押出し加工圧力低下度合を得るに有効な量である。本発明の修飾PTFE微粉末は、このように分子量を低くしたとしても、溶融粘度が1X108Pa・sであることで特徴づけられる如く、全体的に高い分子量をまだ保持している。
本修飾PTFE微粉末の分散一次粒子の凝集は、通常の手段、例えば激しく撹拌して上記一次粒子の凝集物を生じさせることなどで実施可能であり、その後、それを乾燥させてもよい。その結果として生じた凝集物は柔らかであり、ペースト押出し加工方法で行われるようにそれにせん断をかけると、それは繊維を形成する。ペースト押出し加工方法で本発明の修飾PTFE微粉末をワイヤー(固体状導電体またはストランドを一緒にして捩ることで作られたワイヤー)に被覆した後、それに焼結を受けさせると、本質的に電気的欠陥を含まない絶縁体(上記ワイヤー用の)が生じる。
本発明の修飾PTFE微粉末の焼結品は絶縁ワイヤーの一体性が得られるように上記ワイヤーに対して高い接着力を示す。このように接着力が高いことは、修飾剤であるフルオロ(アルキルビニルエーテル)またはフルオロオレフィンがPFAE修飾PTFE微粉末に対して成す驚くべき貢献である。接着力は、絶縁体をワイヤーから剥がすに要する力で測定可能である。剥がす力を測定する方法を本実施例に開示する。本発明に従い、上記PFBE修飾微粉末に存在させるフルオロ(アルキルビニルエーテル)またはフルオロオレフィン修飾剤の量は、剥がす力が上記修飾剤のいずれも存在させていない場合に比較して少なくとも10%高くなる、好適には剥がす力が少なくとも20%高くなるに有効な量である。このようにワイヤーへの接着力が高いにも拘らず、上記絶縁体はワイヤーから奇麗に剥がれる。
実施例
この実施例ではパーフルオロ(n−ブチル)エチレン(PFBE)をPFAEとして用いそして修飾PTFE微粉末のPFBE含有量を米国特許第4,792,594号に開示されている手順で測定する。この修飾微粉末中のパーフルオロ(プロピルビニルエーテル)含有量およびヘキサフルオロプロピレン含有量を米国特許第4,837,267号に開示されている手順で測定する。
剥がし力を下記の手順で製造したケーブルに関して測定した:樹脂を600gづつふるい分けして個々のガラス製ボトルに入れた。各ボトルにナフサ(118.6g、16.5重量%)を注ぎ込んで、Turbula(商標)3軸ブレンダーに入れてそれを6分間ゆらした。ワイヤー絶縁体のペースト押出し加工では、レオメーター試験で要求される如きIsopar(商標)Gではなくナフサ滑剤が好適である。次に、予備成形および押出し加工を行うに先立って、上記ブレンド物を32℃で24時間熟成させた。滑剤を添加した樹脂の熟成を行いそして予備成形を行ってロッドを生じさせた後、この予備成形ロッドをペースト押出し加工機のバレルに仕込んで、そのバレルをマスターダイスで閉じた。押出し加工機のラムで上記ペーストを先端部(0.8x1.16mm)そしてダイス(2.46mm)構造配置に通して21.7−21.9mm/分の速度でワイヤー[銀メッキされている0.254mmのストランド7本から成っていて外径が0.76mmのAWG22]に面するように押出しながら上記ワイヤーを押出し加工機に通して連続的に引っ張り、そしてそれを130℃の滑剤除去用オーブン(ワイヤーを9.1mに渡って処理する)に通した後、225℃、380℃、420℃および200℃の温度プロファイルを有する一連の3メートルオーブンに7.4m/分のワイヤー速度で通した。完成したワイヤーをエアブロワー(air blowers)で室温に冷却した後、スパーク欠陥(spark−faults)に関して試験した。66m後のサンプルを集めた。
この上に記述したのと同様に絶縁ワイヤー(ケーブル)サンプルを調製して室温に安定させた。80mmの絶縁ワイヤーサンプルの1つの末端から絶縁体を30ミリメートル剥がしたが、この時、上記試験片の残りの絶縁部分のワイヤーと絶縁体の間の接着を乱さないような注意を払った。露出した絶縁末端部がワイヤーに関して正方形になるように絶縁体を剥がした。この剥がした末端を上部のクランプに取り付けるよう上記試験片を引張り試験機に挿入した。この引張り試験機はASTM D638に記述されている如き装置であり、ここでは、導電体の直径よりも5−10%大きい穴が開いている金属板を用いて張力モードで操作できるように上記装置を装備した。引張り試験機(上方のクランプ)で試験片にかける力が上記ワイヤーに関しては充分な遊びを与えるが絶縁体を曲げないで保持するように上記金属板を位置させる。ワイヤーがクランプから滑って外れないようにするに必要な度合で上方クランプをしっかりとむらなく締め付けたが、この時、上記ワイヤーを潰さないような注意を払った。クロスヘッドの速度を50mm/分に設定して応力−歪み曲線を記録した。試験中にかかる力のピーク値が剥がし力である。用いた結果は、絶縁ワイヤーを巻き上げロールに66m集めた後に取った少なくとも5サンプルの平均であった。
対照A−修飾剤であるフルオロ(アルキルビニルエーテル)もフルオロオレフィンも無使用
4枚のブレードが付いていてオートクレーブの長さ方向に回転する撹拌機が備わっていて長さと直径の比率が約1.5:1で容量が36.250mlの水平配置筒状ステンレス鋼製オートクレーブに脱イオン水を18kgおよびパラフィンワックスを600g仕込んだ。このオートクレーブの真空排気とTFEによるパージ洗浄を65℃の温度で3回行った。3回目の排気を行った後、オートクレーブがまだ真空下にある間に、500mlの脱イオン水に溶解させた1.1gのパーフルオロカプリル酸アンモニウム分散剤、0.10gのZnCl2および5.6mlのパーフルオロ(n−ブチル)エチレンを仕込み、そして重合反応で用いる全体量のPFBEを仕込んだ。撹拌機を46rpmで回転させながらオートクレーブを75℃に持って行き、テトラフルオロエチレンモノマーで370psig(2.65MPa)に加圧した後、250mlの脱イオン水に溶解させた0.4gの過硫酸アンモニウム(APS)開始剤と0.06gのメタノールを50ml/分の添加速度で加えた。開始(kick−off)後、このバッチが終了するまで圧力を370psigに維持した。開始後1.4kgのTFEが反応した後、1000mlの脱イオン水に溶解させた55gのパーフルオロカプリル酸アンモニウム界面活性剤を50ml/分の添加速度で加えた。オートクレーブに添加されたTFEが12.3kgになった後、500mlの脱イオン水に溶解させた1.8gのAPSと2.4gのメタノールを50ml/分の添加速度で加えそしてこのバッチが終了するまで重合速度が0.5ポンド/分以内に保持されるように撹拌機のrpmを調整した。オートクレーブに添加されたTFEモノマーの全量が15.9kgになった時点で、それの供給バルブを閉じて撹拌機の電源を切り、オートクレーブの排気を行った。全重合時間は90分であった。
その結果として生じた分散液をオートクレーブから排出させて冷却し、その上澄みワックスを除去することにより、RDPSが0.219ミクロメートル(一次粒子サイズ)で固体が47.4%入っている分散液を得た。この分散液を脱イオン水で固体量が15%になるように希釈し、炭酸アンモニウムを1%(上記分散液の重量を基準)加えた後、凝集が起こるまで激しく撹拌し、そして凝集が起こった後更に3分間撹拌した。凝集した生成物を150℃で乾燥させた。この樹脂が示すSSGは2.176でレオメーター押出し加工圧は5530psig(38.2MPa)であり、ケーブルに関する剥がし力は8.6ニュートン(N)であった。
実施例1−フルオロ(アルキルビニルエーテル)修飾剤
PFBEと一緒に前以てパーフルオロ(プロピルビニル)エーテル(PPVE)を0.5g仕込んでおく以外は全て同じ材料および手順を用いて対照Aを繰り返した。94分の重合時間後、RDPSが0.206ミクロメートルで固体が45.0%入っている分散液を得た。凝集させて乾燥させた生成物が示すSSGは2.182で、PPVE含有量は0.002重量%で、レオメーター押出し加工圧は6090psig(48.2MPa)で、ケーブルに関する剥がし力は13.5Nであった。
実施例2−フルオロオレフィン修飾剤
PFBEと一緒に前以てヘキサフルオロプロピレン(HFP)を3g仕込んでおく以外は全て同じ材料および手順を用いて対照Aを繰り返した。88分の重合時間後、RDPSが0.235ミクロメートルで固体が44.3%入っている分散液を得た。凝集させて乾燥させた生成物が示すSSGは2.187で、HFP含有量は0.022重量%で、レオメーター押出し加工圧は5270psig(36.4MPa)で、ケーブルに関する剥がし力は17.9Nであった。
実施例1および2は剥がし力が50%以上向上したことを示している。反応槽に添加されたTFEが12.3kgになった時点でAPS開始剤とメタノールの添加を止めて対照Aを実施した時のレオメーター押出し加工圧は9840psig(68.0MPa)であり、このことは、分子量を低くする段階を用いると結果として生じる修飾PTFE微粉末のレオメーター圧力が35%以上低下することを示している。
Claims (11)
- 修飾ポリテトラフルオロエチレン微粉末であって、共重合したテトラフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキル)エチレン[このアルキル基は炭素原子を1から10個含む]、およびフルオロ(アルキルビニルエーテル)[このアルキル基は炭素原子を1から10個含む]または式CFX=CF2[式中、XはClまたはRfであり、ここで、Rfは炭素原子数が1から6の線状もしくは分枝パーフルオロアルキルである]で表されるフルオロオレフィンを含有していて1X108Pa・s以上の溶融粘度を示す微粉末。
- 上記パーフルオロ(アルキル)エチレンが式CH2=CYR’f[式中、YはH、FまたはCF3であり、そしてR’fは、炭素原子数が1−10のパーフルオロアルキル基であるが、但しY=CF3の時にはR’f=CF3であることを条件とする]で表される請求の範囲第1項の微粉末。
- YがHでありそして上記R’fが炭素原子を4個含む請求の範囲第2項の微粉末。
- 上記修飾微粉末がワイヤーの絶縁体として上記ワイヤーに対して示す接着力が上記フルオロ(アルキルビニルエーテル)および上記フルオロオレフィンを存在させていない相当するパーフルオロ(アルキル)エチレン修飾ポリテトラフルオロエチレン微粉末が示す接着力より少なくとも10%大きい請求の範囲第1項の微粉末。
- 上記フルオロ(アルキルビニルエーテル)または上記フルオロオレフィンの量が上記接着力を得るに有効な量である請求の範囲第4項の微粉末。
- 上記テトラフルオロエチレンと一緒に用いるコモノマーの全体量が1重量%以下である請求の範囲第1項の微粉末。
- 上記パーフルオロ(アルキル)エチレンの量が0.01から0.5重量%である請求の範囲第1項の微粉末。
- 上記フルオロ(アルキルビニルエーテル)または上記フルオロオレフィンの量がそれぞれ0.0001から0.05重量%および0.0005から0.2重量%である請求の範囲第7項の微粉末。
- 上記微粉末が表面の分子量が低い一次粒子で構成されている請求の範囲第1項の微粉末。
- 上記フルオロ(アルキルビニルエーテル)がパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)でありそして上記アルキル基が炭素原子を1から5個含む請求の範囲第1項の微粉末。
- 上記フルオロオレフィンがヘキサフルオロプロピレンまたはクロロトリフルオロエチレンである請求の範囲第1項の微粉末。
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