JP6034399B2 - 層状複水酸化物の変性 - Google Patents
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Description
[Mz+ 1−xM’y+ x(OH)2]q+(Xn−)q/n.bH2O
[式中、MおよびM’は金属カチオンであり、zは1または2であり、xは0.1から1までであり、bは0から5までであり、yは3または4であり、Xはアニオンであり、nは1から3までであり、qはx、yおよびzによって決まる]
の層状複水酸化物を含む材料を用意する工程、(b)場合により、前記材料を水と水混和性混合溶媒(mixing solvent miscible with water)との混合物で少なくとも1回は洗浄する工程、および(c)工程aまたはbで得た材料を少なくとも1つの第1溶媒で少なくとも1回は洗浄して変性層状複水酸化物を得る工程であって、前記第1溶媒が水混和性であり、かつ好ましくは3.8から9までの範囲の溶媒極性(P’)を有するものである工程を含む、プロセスを提供する。
の本発明の変性層状複水酸化物の安定分散系を提供する。
特定の溶媒による洗浄でLDHを変性させることによってLDHを分散させた。無機LDHは、キシレンなどの炭化水素溶媒にうまく分散し、例えば直接的かつ簡単なポリオレフィン/無機LDHの合成が可能になった。
キャラクタリゼーション法
定量的燃焼技法を使って元素分析を行った。粉末X線回折(XRD)データは、PAN Analytical X’Pert Pro回折計により、反射モード、40kVおよび40mAで、CuKα線を使って収集した(α1=1.54057Å、α2=1.54433Å、加重平均=1.54178Å)。試料をステンレス製サンプルホルダーにマウントした。TA Instruments Q200示差走査熱量計(DSC)を使ってDSCサーモグラムを得た。実験は約10mgの試料で行った。各試料をまず、10℃/分の加熱速度で室温から220℃まで加熱することで熱履歴を除去した後、10℃/分の速度で40℃まで冷却することで再結晶化温度を記録し、次に10℃/分の速度で220℃まで再加熱することで、融解温度を決定した。実験はアルゴンパージ(50mL/分)下で行った。TEM像はJEOL JEM−2100透過型電子顕微鏡から得た。LDH粒子をH2Oまたはキシレンに分散させてから、カーボン超薄膜で覆われたCuグリッドに添加した。
LDHの合成
LDHは、いくつかの方法、例えば共沈法などによって、合成することができる。
簡単に述べると、0.075molのMg(NO3)2・6H2Oと0.025molのAl(NO3)3・9H2Oとの混合物を含有する塩溶液A(100ml)を、0.05molのNa2CO3を含有する塩基性溶液B(100ml)に滴下した。0.17molのNaOHを含有する溶液C(50ml)の添加によって溶液BのpH値を一定(10〜14)に保った。その結果生じた混合物Dを、撹拌し続けながら、室温で24時間、エージングした。エージングした混合物を濾過し、pH=7になるまで脱イオン水で洗浄した。
共沈およびインターカレーション反応は、適切な溶媒およびピボットリング(pivot ring)付き磁気撹拌子(magnetic follower)が入っている反応スケールに適した丸底フラスコまたはフィンガーアンプル(finger ampoule)で行った。フラスコの内容物を適切な温度で所要の時間、撹拌した。その混合物を冷まし、焼結ガラスフリットを使って濾過した。濾液が必要な場合は、それをブフナーフラスコに収集し、取り除いてから、固形残渣を脱イオン水およびアセトンで洗浄した。
[Mg 2 Al(OH) 6 ]NO 3 ・nH 2 Oおよび[Ca 2 Al(OH) 6 ]Cl・nH 2 Oの合成
共沈によって[Mg2Al(OH)6]NO3・nH2Oを合成した。21.4gのMg(NO3)2・6H2Oおよび10.5gのAl(NO3)3・9H2Oを100mlの水に溶解することによって混合硝酸金属溶液を調製した。これを、100mlの水に溶解した6gのNaOHと9.5gのNaNO3との溶液に、約30分かけて滴下した。全ての段階において窒素ガスで十分にパージしたその混合物を、80℃で24時間、激しく撹拌した。生成物が白色粉末として形成され、それを収集した。
[Ca 2 Al(OH) 6 ]NO 3 ・nH 2 Oの合成
塩−オキシド法によって[Ca2Al(OH)6]NO3・nH2Oを合成した。2.48gのCaOを100mlの水に加え、完全に懸濁するまで撹拌した。次に、この懸濁液に、4.72gのAl(NO3)を加え、溶解するまで撹拌した。全ての段階において窒素ガスで十分にパージしたその混合物を、90℃で12時間、激しく撹拌した。固形生成物を収集した。生成物は白色粉末として形成された。
LDHの変性
Mg3Al1−CO3をpH12において合成し、水で洗浄した。図2の左に示すように、キシレンへの明確な分散は観察されなかった。対照的に、Mg3Al1CO3をエタノール+H2O(1:1)で1回洗浄し、次にアセトンで2回洗浄したところ、pH=10およびpH=12において合成されたLDHは、キシレン溶液に高度に分散した(図2それぞれ中央および右)。次に、異なる量のLDH(1.25g/Lから10g/L)をキシレンに分散させて、安定で光学的に透明な分散系を得た。全てのLDHは、図3に示すように、高度に分散した。
Zn 2 Al−ボレートLDHの合成
100mlのZn(NO3)2・6H2O(0.075mol)およびAl(NO3)3・9H2O(0.0375mol)溶液を、100mlのH3BO3(0.187mol)溶液に滴下することによって、Zn2Al−ボレートLDHを調製した。沈殿溶液のpHはNaOH(1M)溶液を使って約8.3に制御した。雰囲気CO2による汚染を防止するために、合成中は全体を通して、系をN2ガスで保護した。pHが7に近くなるまで試料を脱イオン(DI)水で洗浄した。水洗浄した湿ケーキをさらにアセトンでよく洗浄した(少なくとも3回)。そして、アセトン洗浄湿ケーキを、乾燥することなく、(前述の)ポリマーナノコンポジットの調製に、そのまま使用した。
Mg 3 Al−タートラジン(tartrazine)LDHの合成
まず、共沈法によってMg3Al−NO3を合成した。50mlのH2O中に9.6gのMg(NO3)2・6H2Oと4.7gのAl(NO3)3・9H2Oとを含有する金属前駆体溶液を、50mlのH2O中に2.125gのNaNO3を含有するアニオン溶液に、NaOH(4M)を使ってpHを一定に保ちながら滴下した。その混合物を室温で12時間エージングした後、濾過し、pHが7に近くなるまで、水で洗浄した。得られた水洗浄「湿ケーキ」を、アニオン交換法によるMg3Al−タートラジンの合成に、そのまま使用した。次に、Mg3Al−タートラジンLDHを、アニオン交換法によって合成した。上で得たMg3Al−NO3 LDH「湿ケーキ」を、20.04gのタートラジンを含有する130mlの水溶液に再分散させた。NaOH(4M)を使って溶液のpHを10に調節した後、70℃で12時間のエージングを行った。試料をDI水でpHが7に近くなるまで洗浄した。水洗浄湿ケーキをさらにアセトンでよく洗浄した(少なくとも3回)。そして、アセトン洗浄湿ケーキを、乾燥することなく、ポリマーナノコンポジットの調製に、そのまま使用した。
ポリプロピレン(PP)/LDHナノコンポジットの合成
ナノコンポジットは次のように合成される:
a)所定量のLDH(PPに応じて0〜12重量%)を100mlのキシレン溶液に分散させてから、5gのPPを加える。
b)前記混合物を約140℃に加熱し、この温度を2時間保って、PPを完全に溶解させる。
c)前記混合物を100mlのヘキサン(または水)に注ぎ込み、次に濾過し、真空乾燥器中、80℃で乾燥する。生成物はナノコンポジットである。
(1)pH10および室温でMg3Al1−CO3 LDHを合成する。
(2)最初は水でLDHをpH=7になるまで洗浄し、次に再び、エタノール/H2Oで1回、アセトンで2回洗浄する。
(3)室温でLDHゲルをキシレン(100ml)に分散させる。
(4)5gのHDPEを前記キシレン溶液に入れ、その混合物を140℃に加熱し、その温度を2時間保持することで、HDPEを完全に溶解し、LDHと混合する。
(5)前記混合物を150mlのヘキサンに注ぎ込むことで、急速に冷却し、それを沈殿させる。
(6)濾過し、真空乾燥器中、80℃で乾燥する。
ポリプロピレン(PP)/LDHナノコンポジットの合成
ナノコンポジットは次のように合成される:
a)所定量のLDH(PPに応じて0〜12重量%)を100mlのキシレン溶液に分散させてから、5gのPPを加える。
b)前記混合物を約140℃に加熱し、この温度を2時間保って、PPを完全に溶解させる。
c)前記混合物を100mlのヘキサン(または水)に注ぎ込み、次に濾過し、真空乾燥器中、80℃で乾燥する。生成物はナノコンポジットである。
難燃性能
コーンカロリメトリーを使ってPP/Zn2Al−ボレートナノコンポジットの難燃性能を調べた。図1は、実際の火災条件下でのポリマーナノコンポジットの性能を評価するための重要な測定項目であるピーク発熱速度(PHRR)を示している。Zn2Al−ボレートLDHを添加すると、純PPと比較してPHRRが有意に減少した。15重量%のLDHでは、PHRRが純PPの1588kW/m2から643kW/m2へと減少し、30重量%LDHでは、これをさらに517kW/m2まで減少させることができる。
PP/Mg 3 Al 1 −CO 3 pH10ナノコンポジットの熱安定性
PP/Mg3Al1−CO3の熱安定性を、図6に示すように、TGAによって試験した。最適なLDH添加量は約9重量%であることがわかる。この結果はPPの熱安定性が著しく強化されることを示している。9重量%LDHでは、T0.1およびT0.5が、それぞれ25℃および44℃上昇した。他のいくつかの特性、例えば機械特性、レオロジー特性および難燃性なども改良されるであろうと、本発明者らは考えている。
a)PP/LDHナノコンポジットに関するLDH添加量の効果
DSC分析から、本発明者らは、結晶化温度(Tc)と融解温度(Tm)がどちらも、添加剤としてのMg3Al1−CO3 LDHと共に上昇することに気づいた(表1および図12参照)。LDH含量の増加と共にピーク温度が上昇することは明白である。特に、Tcは、12重量%のLDH添加量で14.6℃上昇した。この現象は、Mg3Al1−CO3 LDHの表面に容易に結合することができるPP高分子セグメントに対するMg3Al1−CO3 LDHナノ粒子の不均一核形成効果(これは、より高い結晶化温度でPPの結晶化が起こることにつながる)によるものでありうる(ただしこれにこだわるわけではない)。
PP/Mg3Al1−X(X=SO4 2−、CO3 2−、NO3 −、およびCl−)の融解および結晶化温度に対する層間アニオンの影響を調べた。表2および図13を参照されたい。試験したLDHは全てナノコンポジットの融解および結晶化温度を上昇させ、その増進効果はアニオンが異なると変化する。最も高いTcは、添加剤としてのMg3Al1−CO3 LDHで観察された。
本発明者らは、Mg3Al1−CO3 LDHの添加が高密度ポリエチレン(HDPE)の融解および結晶化温度に及ぼす効果も調べた。9重量%のLDHの添加後に、Tmには変化がなく、Tcはわずかに2℃上昇した。表3および図14参照。
以下の有機溶媒を調べた。以下の有機溶媒は良好な水混和性を有し、LDHペーストを洗浄するために使用することができる。
多くの異なる溶媒を分散媒として試験したところ、芳香族化合物が良好な分散系を与えるようである。「良好」な分散系とは、光学的に清澄であり透明である安定分散系が形成されたことを意味する。「不良」とは、分散が完全ではなく、多少の沈殿が明白であったことを意味する。
図9および図10は、H2Oおよびキシレンに分散させたMg3−Al−CO3 LDHの一例のTEM像を示す。これら2つの像から、アセトンで洗浄し、キシレンに再分散させた後に、粒径および形状がおおむね変化していないことは明らかである。
UV−可視分光法データ
キシレン中のLDH懸濁液の清澄性、透明性および安定性の証拠は、透過UV−可視分光法によって明らかになった。結果を図16に示す。
着色ポリマーおよびUV吸収
タートラジンは良好な有機UV吸収体である。そこでPP/Mg3Al−タートラジンナノコンポジットのUV吸光度を評価した(図19参照)。1重量%のMg3Al−タートラジンLDHでさえ、350nmで82%のUV吸光度が達成された。この結果は、Mg3Al−タートラジン LDHの添加が、熱安定性およびUV吸収を有意に増加させうることを示唆している。その一方で、着色ポリマーを得ることができる。
本発明には以下の態様も含まれる。
項1. 層状複水酸化物(LDH)を変性させるためのプロセスであって、
a.式:
[Mz+ 1−xM’y+ x(OH)2]q+(Xn−)q/n.bH2O
[式中、MおよびM’は金属カチオンであり、zは1または2であり、xは0.1から1までであり、bは0から5までであり、yは3または4であり、Xはアニオンであり、nは1から3までであり、qはx、yおよびzによって決まる]
の層状複水酸化物を含む材料を用意する工程、
b.場合により、前記材料を水と水混和性混合溶媒との混合物で少なくとも1回は洗浄する工程、および
c.工程aまたはbで得た材料を少なくとも1つの第1溶媒で少なくとも1回は洗浄して変性層状複水酸化物を得る工程であって、前記第1溶媒が水混和性であり、かつ3.8から9までの範囲の溶媒極性P’を有するものである工程を含む、プロセス。
項2. zが2であり、MがCa、Mg、Zn、Feまたはその混合物である、項1に記載のプロセス。
項3. M’がAlである、項1または2のいずれか一項に記載のプロセス。
項4. 前記材料に含まれるLDH粒子の粒径が1nmから50ミクロンまでの範囲にある、項1から3のいずれか一項に記載のプロセス。
項5. Xが、ハライド、無機オキシアニオン、アニオン性界面活性剤、アニオン性発色団、アニオン性UV吸収体またはそれらの混合物から選択されるアニオンである、項1から4のいずれか一項に記載のプロセス。
項6. 混合溶媒がC1〜C3アルコールである、項1から5のいずれか一項に記載のプロセス。
項7. 前記少なくとも1つの第1溶媒が中性またはアルカリ性である、項1から6のいずれか一項に記載のプロセス。
項8. 第1溶媒が、アセトン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、エタノール、メタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、またはテトラヒドロフランの1つまたはそれ以上から選択される、項1から7のいずれか一項に記載のプロセス。
項9. 工程cで得られた変性層状複水酸化物を第2炭化水素溶媒に分散させて炭化水素分散層状複水酸化物を形成させる工程dをさらに含む、項1から8のいずれか一項に記載のプロセス。
項10. 第2炭化水素溶媒が芳香族化合物を含む、項9に記載のプロセス。
項11. 第2炭化水素溶媒が、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ベンジルアルコール、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、またはトリクロロベンゼンの1つまたはそれ以上から選択される、項9または10のいずれか一項に記載のプロセス。
項12. 炭化水素分散層状複水酸化物にポリマー材料を溶解させてポリマー添加炭化水素分散系を形成させる工程をさらに含む、項9から11のいずれか一項に記載のプロセス。
項13. 所定の期間、所定の温度に加熱することによってポリマー材料を炭化水素分散層状複水酸化物に溶解させる、項12に記載のプロセス。
項14. コンポジット材料をポリマー添加炭化水素分散系から沈殿させる工程をさらに含む、項12または13に記載のプロセス。
項15. 変性層状複水酸化物をポリマー材料と混合してLDH/ポリマーコンポジットを形成させる工程をさらに含む、項1から8のいずれか一項に記載のプロセス。
項16. ポリマー材料がポリオレフィン、ビニルポリマー、飽和エステルまたはそれらの混合物から選択される少なくとも1つのポリマーを含む、項12から15のいずれか一項に記載のプロセス。
項17. ポリオレフィンがポリエチレンおよび/またはポリプロピレンを含む、項16に記載のプロセス。
項18. LDHが、ポリマーの重量に基づいて、0.01重量%から85重量%まで、好ましくは0.1重量%から50重量%までの範囲で存在する、項12から17のいずれか一項に記載のプロセス。
項19. 項1から8のいずれか一項に記載のプロセスによって得ることができる変性層状複水酸化物。
項20. 炭化水素溶媒中の、項19に記載の変性層状複水酸化物の安定分散系。
Claims (19)
- 層状複水酸化物(LDH)を変性させるためのプロセスであって、
a.式:[Mz+ 1−xM’y+ x(OH)2]q+(Xn−)q/n.bH2O
[式中、MおよびM’は金属カチオンであり、zは1または2であり、xは0.1から1までであり、bは0から5までであり、yは3または4であり、Xはアニオンであり、nは1から3までであり、qはx、yおよびzによって決まる]
の層状複水酸化物を含む材料を用意する工程、および、
c.前記材料を少なくとも1つの第1溶媒で少なくとも1回は洗浄して変性層状複水酸化物を得る工程であって、前記第1溶媒が水混和性であり、かつ3.8から9までの範囲の溶媒極性P’を有するものである、工程を含む、プロセス。 - さらに、
b.前記工程cの前に、前記工程aで得られた前記材料を、水と水混和性混合溶媒との混合物で少なくとも1回は洗浄する工程を含む、請求項1に記載のプロセス。 - zが2であり、MがCa、Mg、Zn、Feまたはその混合物である、請求項1または2に記載のプロセス。
- M’がAlである、請求項1から3のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記材料に含まれるLDH粒子の粒径が1nmから50ミクロンまでの範囲にある、請求項1から4のいずれか一項に記載のプロセス。
- Xが、ハライド、無機オキシアニオン、アニオン性界面活性剤、アニオン性発色団、アニオン性UV吸収体またはそれらの混合物から選択されるアニオンである、請求項1から5のいずれか一項に記載のプロセス。
- 混合溶媒がC1〜C3アルコールである、請求項1から6のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記少なくとも1つの第1溶媒が中性またはアルカリ性である、請求項1から7のいずれか一項に記載のプロセス。
- 第1溶媒が、アセトン、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、エタノール、メタノール、n−プロパノール、2−プロパノール、またはテトラヒドロフランの1つまたはそれ以上から選択される、請求項1から8のいずれか一項に記載のプロセス。
- 工程cで得られた変性層状複水酸化物を第2炭化水素溶媒に分散させて炭化水素分散層状複水酸化物を形成させる工程dをさらに含む、請求項1から9のいずれか一項に記載のプロセス。
- 第2炭化水素溶媒が芳香族化合物を含む、請求項10に記載のプロセス。
- 第2炭化水素溶媒が、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ベンジルアルコール、クロロベンゼン、o−ジクロロベンゼン、またはトリクロロベンゼンの1つまたはそれ以上から選択される、請求項10または11に記載のプロセス。
- 炭化水素分散層状複水酸化物にポリマー材料を溶解させてポリマー添加炭化水素分散系を形成させる工程をさらに含む、請求項10から12のいずれか一項に記載のプロセス。
- 加熱によってポリマー材料を炭化水素分散層状複水酸化物に溶解させる、請求項13に記載のプロセス。
- コンポジット材料をポリマー添加炭化水素分散系から沈殿させる工程をさらに含む、請求項13または14に記載のプロセス。
- 変性層状複水酸化物をポリマー材料と混合してLDH/ポリマーコンポジットを形成させる工程をさらに含む、請求項1から9のいずれか一項に記載のプロセス。
- ポリマー材料がポリオレフィン、ビニルポリマー、飽和エステルまたはそれらの混合物から選択される少なくとも1つのポリマーを含む、請求項13から16のいずれか一項に記載のプロセス。
- ポリオレフィンがポリエチレンおよび/またはポリプロピレンを含む、請求項17に記載のプロセス。
- LDHが、ポリマーの重量に基づいて、0.01重量%から85重量%までの範囲で存在する、請求項13から18のいずれか一項に記載のプロセス。
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