JP5828283B2 - 変性ポリテトラフルオロエチレン粒子、その製造方法、及び、変性ポリテトラフルオロエチレン成形体 - Google Patents
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Description
コモノマー(a)は、下記一般式(I)
CH2=CH−Rf (I)
(Rfは炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基を表す。)で表される(パーフルオロアルキル)エチレンである。コモノマー(b)は、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレン(CF2=CH−CF3)、及び、1,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレン(CFH=CF−CF3)からなる群より選択される少なくとも1種の単量体である。
粒子全体に対する粒子芯部の割合が多すぎると、成形性が劣って押出物の外観が荒れたりする傾向があり、粒子全体に対する粒子芯部の割合が少なすぎると、粒子殻部(シェル部)が増えるので押出圧が低下することにより、押出物の強度が劣るおそれがある。
CH2=CH−Rf (I)
(Rfは炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基を表す。)で表される(パーフルオロアルキル)エチレンである。Rfは、炭素数4〜10のパーフルオロアルキル基であることが好ましい。更に好ましくは炭素数5〜8のパーフルオロアルキル基である。コモノマー(a)は、(パーフルオロヘキシル)エチレンであることが特に好ましい。
また、本発明の変性PTFE粒子は、上記構成よりなることから、成形時の欠陥発生を抑制することもできる。更に、押出圧力が低くなるとともに、得られる成形品の誘電損失を小さくすることができるため電気特性に優れ、これにより、電線の被覆材として特に好適に利用できる。
例えば、特許第3764752号明細書に記載されているPTFE粒子は、SSGが大きく、分子量が低いものであるため、被覆材に用いると電線被覆成型時にクラックが生じやすい。
平均一次粒子径は、変性PTFE粒子が分散している変性PTFE水性分散体を固形分0.15重量%に調整してセルに入れ、550nmの光を入射したときの透過率と、透過型電子顕微鏡写真により定方向径を測定して算出した数平均一次粒子径との相関を検量線にまとめ、得られた検量線と各試料について測定した上記透過率とから決定することができる。
本明細書において、上記「円柱押出圧力」は、変性PTFE粒子100質量部に対して押出助剤として炭化水素油(商品名:アイソパーG、エクソン化学社製)を20.5質量部添加し、室温(25±2℃。本明細書において、以下同じ。)にて押し出す際のリダクションレシオ1500における値である。
上記生伸びは、該変性PTFE粒子からなり、リダクションレシオ1500で押し出されて得られた押出物を、一定の温度で乾燥させた後に、引張試験機を使用して破断するまでの距離を測定し算出した値である。
コモノマー(a)の仕込み量が多すぎると反応速度が遅くなるおそれや、得られる変性PTFE粒子の平均一次粒子径が小さくなり過ぎるおそれがある。また、粒子殻部の重合において、粒子芯部の重合で消費し切れなかったコモノマー(a)がコモノマー(b)の反応性を低下させるおそれもある。
重合開始剤は単独で又は2種以上を併用して用いることができる。中でも、APS及び/又はDSPは、連鎖移動剤としての作用をも有するため好ましい。
工程(1)は、重合開始剤を水性媒体100質量部あたり0.0001〜0.02質量部となる量添加して行うことが好ましい。APS及びDSPを併用することも好ましい。
X−Rf1COOM1 (i)
で表されるカルボン酸系界面活性剤が挙げられる。式中、XはH、F、又はClである。Rf1は炭素数4〜14、好ましくは炭素数5〜7の直鎖又は分岐のフルオロアルキレン基であり、例えば、炭素数7の直鎖又は分岐のフルオロアルキレン基であり、とりわけ、直鎖又は分岐のパーフルオロアルキレン基である。M1は1価のアルカリ金属、NH4又はHを表す。
X1(CF2)p−O−CX2X3−(CF2)q−O−CX4X5−(CF2)r−COOM1 (ii)
(式中、X1、X2、X3、X4及びX5は、同一又は異なって、H、F又はCF3を表し、M1は1価のアルカリ金属、NH4又はHを表し、pは1又は2を表し、qは1又は2を表し、rは0又は1を表す。)で表されるカルボン酸系界面活性剤が挙げられる。一般式(ii)で表されるカルボン酸系界面活性剤としては、例えば、CF3OCF(CF3)CF2OCF(CF3)COONH4、CF3CF2OCF2CF2OCF2COONH4、CF3OCF2CF2CF2OCHFCF2COONH4等が挙げられる。
X−(CF2)m−O−(CF(CF3)CF2O)n−CF(CF3)COOM1(iii)
で表されるカルボン酸系界面活性剤であってもよい。式中、XはH、F、又はClであり、mは1〜10の整数、例えば5であり、そしてnは0〜5の整数、例えば1である。M1は1価のアルカリ金属、NH4又はHを表す。
X−(CF2)m−O−(CF(CF3)CF2O)n−CHFCF2COOM1(iv)
で表されるカルボン酸系界面活性剤であってもよい。式中、X、m、n及びM1は上記と同じである。
X−(CF2)m−O−(CF(CF3)CF2O)n−CH2CF2COOM1 (v)
で表されるカルボン酸系界面活性剤であってもよい。式中、X、m、n及びM1は上記と同じである。
Rf3OCF2CF2O(CF2)pCOOM1 (vi)
(式中、Rf3は部分又は全部フッ素置換されたアルキル基を表し、M1は1価のアルカリ金属、NH4又はHを表し、pは1又は2を表す。)で表されるカルボン酸系界面活性剤が挙げられる。Rf3は、炭素数が1〜3のアルキル基であることが好ましい。一般式(vi)で表されるカルボン酸系界面活性剤としては、例えば、CF3CF2OCF2CF2OCF2COONH4、CF3CF2OCF2CF2OCF2COOH等が挙げられる。
Rf4OCHFCF2COOM1 (vii)
(式中、Rf4は部分又は全部フッ素置換された、直鎖の脂肪族基又は1以上の酸素原子が挿入された直鎖の脂肪族基、M1は1価のアルカリ金属、NH4又はHを表す。)で表されるカルボン酸系界面活性剤が挙げられる。Rf4は、炭素数が1〜3の脂肪族基であることが好ましい。一般式(vii)で表されるカルボン酸系界面活性剤としては、例えば、CF3OCF2CF2CF2OCHFCF2COONH4、CF3OCF2CF2CF2OCHFCF2COOH等が挙げられる。
シャーレに10gの変性PTFE水性分散体を採取し、150℃にて約3時間加熱した後に秤量した固形分の質量から、変性PTFE水性分散体の質量と固形分の質量との割合として算出した。
変性PTFE水性分散体を固形分0.15重量%に調整してセルに入れ、550nmの光を入射したときの透過率と、透過型電子顕微鏡写真により定方向径を測定して算出した数平均一次粒子径との相関を検量線にまとめ、得られた検量線と各試料について測定した上記透過率とから決定した。
重合反応全体において消費したモノマー量に対する、重合開始後、殻部変性モノマーの追加前に消費したモノマー量の質量比から算出した。
1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレン(CF3CH=CF2)の含有量は、赤外吸収バンドの983cm−1の吸収と、935cm−1の吸収との比に0.3の係数を乗じて得られる値(重量%)を、CF3CH=CF2の含有量とした。
(パーフルオロ−n−ヘキシル)エチレン(PFHE)の含有量は、PTFEの溶融下、300MHzの19F−NMRを用いて得られたチャートより、以下の式により計算した。
テトラフルオロエチレンの含有率={A−(10B/3)}/(A−2B)
PFHEの含有率=(4B/3)/(A−2B)
なお、PTFEの主鎖CF2を−120ppmとした場合のケミカルシフトを考慮して、A及びBを下記の積分値とした。
A=−160〜−85ppmの範囲の積分値
B=−85〜−80ppmの範囲の積分値
なお、表2中の芯部・殻部における変性モノマーの含有量は、粒子全体に対する変性モノマーの割合を示している。
ASTM D4895−89に準拠して、水中置換法に基づき測定した。
ASTM D4895に準拠した押出機を用い、リダクションレシオ1500における押出圧力を測定した。まず、変性PTFEパウダー60.00gと押出助剤である炭化水素油(商品名:アイソパーG、エクソン化学社製)12.30gとをガラスビン中で混合し、室温(25±2℃)で1時間熟成した。次に、押出機のシリンダーに上記混合物を充填し、室温において1分間保持したのち、直ぐにシリンダーに挿入したピストンに5.7MPaの負荷を加えて、直ちに室温においてラム速度20mm/分でオリフィスから押出した。押出操作で圧力が平衡状態になる時点の荷重(N)をシリンダー断面積で除した値を押出圧力(MPa)とした。
上記によって押出したビードを70℃で24hr乾燥した後、210℃で15分乾燥する。
押出の安定した領域の間を10cm×5本準備する。室温(25±2℃)で24時間放置した後、引張試験機(テンシロン万能試験機RTC1250A、島津製作所社製)を使用し、チャック間を40mmに調整し、サンプルを上下で挟んで上のチャックが速度20mm/分で上昇し、サンプルが切断する時点で停止する。その時のチャックの位置から下記のように算出した。
生伸び(%)=(切断した時点距離(mm)/40mm)×100
SSG測定用と同様に試料を作成し、それを5時間380℃で焼成し、この試料の比重(ESG)を測定し以下の式により熱安定性指数を求める。
熱安定性指数=(ESG−SSG)×1000
上記(7)の測定によるサンプルの断面積当りの強度(MPa/cm2)を求めた。
上記(7)の測定による押出圧力のチャートを用い、MAX圧力(A)から安定した圧力(B)になるまでの差を求めた。この値が小さいほど押出安定性が良好であることから、安定した成形品を得ることができる。
上記(7)の測定したビードの外観を下記に従い、ランク付けした。
A:表面に全く損傷が見られない。
B:表面にいくつか損傷が見られる。
粉末を円柱状に圧縮成形し、この円柱から切り出した厚さ0.5mmのシートを380℃にて5分間加熱焼成し、次いで60℃/時間の冷却速度で常温にまで放冷してフィルムを作成する。
ネットワークアナライザー(ヒューレットパッカード社製 HO8510C)を使用し、空洞共振器により上記作成したフィルムの共振周波数及びQ値の変化を測定し、12GHzにおける誘電正接(tanδ)を次式に従って算出した。
tanδ=(1/Qu)×{1+(W2/W1)}−(Pc/ωW1)
式中の符号は以下の通りである。
また、12GHzにおける比誘電率(εr)を次式に従って算出した。
式中の符号は以下の通りである。
D:空洞共振器直径(mm)
M:空洞共振器片側長さ(mm)
L:サンプル長さ(mm)
c:光速(m/s)
Id:減衰量(dB)
F0:共振周波数(Hz)
F1:共振点からの減衰量が3dBである上側周波数(Hz)
F2:共振点からの減衰量が3dBである下側周波数(Hz)
ε0:真空の誘電率(H/m)
εr:サンプルの比誘電率
μ0:真空の透磁率(H/m)
Rs:導体空洞の表面粗さも考慮した実効表面抵抗(Ω)
J0:−0.402759
J1:3.83171
オートクレーブの長さ方向に回転する4×4枚(合計16枚)のブレードを有する攪拌機が備わっていて、容量が6000mlの水平配置ステンレス製オートクレーブに、脱イオン水3600ml及びパラフィンワックス180g、脱イオン水に対して800ppmになる量のパーフルオロオクタン酸アンモニウム(PFOA)を仕込んだ。このオートクレーブの真空排気と窒素置換を65℃で3回行ったのち、さらにTFEで2回置換を行った。
パーフルオロオクタン酸アンモニウムの代わりに、CF3−O−CF(CF3)CF2O−CF(CF3)COONH4(PMPA)を仕込んだことと、PFHEの量を0.99gに、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレン(CF3CH=CF2)の仕込み量を0.47gに、メタノール量を0.25gに変更したこと以外は、実施例1と同じ方法で変性PTFE粒子の分散液を得た。得られた分散液は、変性PTFE粒子の一次粒子径が227nmで、固形分濃度が31.9重量%であった。本実施例に係る重合条件を表1に示す。
この分散液を用いて、実施例1と同じ方法で変性PTFEファインパウダーを得た。その変性PTFEファインパウダーのSSGは2.146、PFHE含有量は0.015重量%、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレンの含有量は0.010重量%、芯部割合は90重量%、RR1500での押出圧力は54.8MPa、RR1500での押出物の生伸び(Green Elongation)は239%であった。また、熱安定性指数、生強度、押出安定性、押出物外観について評価した。結果を表2又は3に示す。
コア反応での重合圧力を1.5MPaとしたことと、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレン(CF3CH=CF2)の仕込み量を0.93gに、メタノール量を0.50gに変更したこと以外は、実施例2と同じ方法で変性PTFE粒子の分散液を得た。得られた分散液は、変性PTFE粒子の一次粒子径が226nmで、固形分濃度が32.1重量%であった。本実施例に係る重合条件を表1に示す。
この分散液を用いて、実施例1と同じ方法で変性PTFEファインパウダーを得た。その変性PTFEファインパウダーのSSGは2.149、PFHE含有量は0.012重量%、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレンの含有量は0.024重量%、芯部割合は90重量%、RR1500での押出圧力は38.3MPa、RR1500での押出物の生伸び(Green Elongation)は190%であった。また、熱安定性指数、生強度、押出安定性、押出物外観について評価した。結果を表2又は3に示す。
コア反応での重合圧力を1.2MPaとしたことと、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレンの添加量を0.23gに、メタノール量を0.13gに変更したこと以外は、実施例3と同じ方法で、変性PTFE粒子の分散液を得た。得られた分散液は、変性PTFE粒子の一次粒子径が226nmで、固形分濃度が31.8重量%であった。本実施例に係る重合条件を表1に示す。
この分散液を用いて、実施例1と同じ方法で変性PTFEファインパウダーを得た。その変性PTFEファインパウダーのSSGは2.144、PFHE含有量は0.014重量%、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレンの含有量は0.004重量%、芯部割合は90重量%、RR1500での押出圧力は63.9MPa、RR1500での押出物の生伸び(Green Elongation)は201%であった。また、熱安定性指数、生強度、押出安定性、押出物外観について評価した。結果を表2又は3に示す。
本発明の変性PTFE成形体は、上述の構成からなるものであるので、透明性、耐熱性、耐薬品性等に優れ、例えば、航空機、自動車、医療機器、精密機械等に使用する電線被覆、チューブ等として好適に使用することができる。
Claims (11)
- 粒子芯部と粒子殻部とから構成されるコア−シェル構造の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子であって、
粒子芯部は、テトラフルオロエチレン及びコモノマー(a)に基づく繰り返し単位からなり、
粒子殻部は、テトラフルオロエチレン及びコモノマー(b)に基づく繰り返し単位からなり、
コモノマー(a)及びコモノマー(b)はそれぞれ下記に示すコモノマーである
ことを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
コモノマー(a)は、下記一般式(I)
CH2=CH−Rf (I)
(Rfは炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基を表す。)で表される(パーフルオロアルキル)エチレンである。
コモノマー(b)は、1,1,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレン、及び、1,2,3,3,3−ペンタフルオロ−1−プロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の単量体である。 - 粒子芯部が粒子全体の75〜95重量%であり、粒子殻部が粒子全体の5〜25重量%である請求項1記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
- 粒子殻部のコモノマー(b)に基づく繰り返し単位が、粒子全体の0.001〜0.050重量%である請求項1又は2記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
- 粒子芯部のコモノマー(a)に基づく繰り返し単位が、粒子全体の0.010〜0.030重量%である請求項1、2又は3記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
- コモノマー(a)及びコモノマー(b)に基づく繰り返し単位の合計が、変性ポリテトラフルオロエチレン粒子を構成する粒子全体の0.011〜0.060重量%である請求項1、2、3又は4記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
- コモノマー(a)は、(パーフルオロヘキシル)エチレンである請求項1、2、3、4又は5記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
- 標準比重が2.140〜2.160である請求項1、2、3、4、5又は6記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子。
- 請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子を含むことを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン水性分散体。
- 請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子からなることを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレンファインパウダー。
- 請求項1、2、3、4、5、6又は7記載の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子からなることを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン成形体。
- 請求項1、2、3、4、5、6又は7の変性ポリテトラフルオロエチレン粒子の製造方法であって、
テトラフルオロエチレン及びコモノマー(a)を重合する工程(1)、及び、
工程(1)の後、テトラフルオロエチレン及びコモノマー(b)を重合する工程(2)、
を含むことを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン粒子の製造方法。
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