JP6616015B2 - 重合性組成物 - Google Patents

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Description

関連出願との相互引用
本出願は、2015年12月4日付け韓国特許出願第10−2015−0172376号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
本出願は、重合性組成物、プレポリマー、フタロニトリル樹脂、複合体、その製造方法及びその用途に関する。
フタロニトリル樹脂は、多様な用途に使用され得る。例えば、フタロニトリル樹脂をガラス繊維や炭素繊維等のような充填剤に含浸させて形成される複合体(composite)は、自動車、飛行機又は船舶等の素材に使用され得る。前記複合体の製造過程は、例えば、フタロニトリルと硬化剤の混合物又は該混合物の反応により形成されるプレポリマーと充填剤を混合した後、硬化させる過程を含むことができる(例えば、特許文献1参照)。
複合体の製造過程が効果的に行われるためには、単量体であるフタロニトリル又はそれから形成された重合性組成物やプレポリマー(prepolymer)が適切な溶融性と流動性を有し、いわゆるプロセスウィンドウ(process window)の広いことが要求される。
また、前記フタロニトリルと硬化剤の混合物やプレポリマーがボイド(void)を含むか、加工あるいは硬化過程でボイドを生成する場合、複合体の物性の低下が発生し得るので、このような問題をも考慮しなければならない。
韓国登録特許第0558158号公報
本出願は、重合性組成物、プレポリマー、フタロニトリル樹脂、複合体、その製造方法及びその用途を提供する。本出願においては、耐熱性に優れ、物性に悪影響を与えることができるボイド(void)等の欠陥を生成させない硬化剤を含む重合性組成物を提供することを一つの目的とする。また、本出願は、前記重合性組成物が、適切な硬化性、加工温度及びプロセスウィンドウを示し、優れた物性の複合体を形成できるようにすることを他の目的とする。本出願においては、原料単量体であるフタロニトリル化合物を、ポリイミド構造を有する硬化剤で硬化させて、フタロニトリル樹脂及びポリイミドの長所を兼備した樹脂を提供することをさらに他の目的とする。
本出願は、重合性組成物に関する。一つの例示で、前記重合性組成物は、いわゆるフタロニトリル樹脂を重合反応を通じて形成できる組成物であることができる。
重合性組成物は、フタロニトリル化合物と硬化剤を含むことができる。
重合性組成物で使用され得るフタロニトリル化合物の種類は、特に限定されず、例えば、硬化剤との反応を通じてフタロニトリル樹脂を形成できるフタロニトリル構造を2個以上、2個〜20個、2個〜16個、2個〜12個、2個〜8個又は2個〜4個程度を含む化合物を使用できる。フタロニトリル樹脂の形成に適したものと公知されている化合物は、多様に存在し、本出願においては、前記のような公知の化合物がすべて使用され得る。一つの例示で、化合物の例としては、米国特許第4,408,035号、米国特許第5,003,039号、米国特許第5,003,078号、米国特許第5,004,801号、米国特許第5,132,396号、米国特許第5,139,054号、米国特許第5,208,318号、米国特許第5,237,045号、米国特許第5,292,854号又は米国特許第5,350,828号等で公知されている化合物が例示され得、前記文献によるもの以外にも、当業界で公知されている多様な化合物が前記例示に含まれることができる。
重合性組成物は、硬化剤をさらに含み、硬化剤としては、下記化学式1の化合物が使用され得る。化学式1の硬化剤は、分子構造内にポリイミド(polyimide)構造を含み、これにより、優れた耐熱性を示し、重合性組成物に過量含まれるか、あるいは重合性組成物が高い温度で加工又は硬化される場合にも、物性に悪影響を与えることができるボイド等を生成させない重合性組成物を形成できる。また、下記化学式1の硬化剤の比率等によってフタロニトリル樹脂及びポリイミドの長所を兼備した樹脂を形成する追加的な利点がある。
化学式1で、Mは、4価ラジカルであり、X1及びX2は、それぞれ独立して、アルキレン基、アルキリデン基又は芳香族2価ラジカルであり、nは、2以上の数である。化学式1で、nは、他の例示で、2〜200、2〜150、2〜100、2〜90、2〜80、2〜70、2〜60、2〜50、2〜40、2〜30、2〜20又は2〜10程度の範囲にあり得る。
本出願において、用語「n価ラジカル」(前記でnは任意の数)は、特に別途規定しない限り、所定の化合物に由来するn価の残基を意味し得る。例えば、前記化学式1で、Mは、脂肪族、脂環族又は芳香族化合物由来の4価ラジカルであることができ、このような場合、Mは、前記脂肪族、脂環族又は芳香族化合物において4個の水素原子が離脱して形成されるラジカルがそれぞれ化学式1のカルボニル基の炭素原子と連結される構造を有することができる。
また、化学式1で、X1及びX2は、それぞれ、芳香族2価ラジカルであることができ、このような場合、X1及びX2は、芳香族化合物において2個の水素原子が離脱して形成されるラジカルが、それぞれ、化学式1の窒素原子と連結される構造を有することができる。本明細書で、芳香族2価ラジカルは、他の用語としてアリレン基とも呼ばれることができ、芳香族1価ラジカルは、他の用語としてアリール基と呼ばれることができる。
前記で脂肪族化合物としては、直鎖型又は分岐鎖型であるアルカン、アルケン又はアルキンが例示され得る。前記脂肪族化合物としては、炭素数2〜20、炭素数2〜16、炭素数2〜12、炭素数2〜8又は炭素数2〜4のアルカン、アルケン又はアルキンが使用され得る。前記アルカン、アルケン又はアルキンは、任意に一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
前記で脂環族化合物としては、炭素数3〜20、炭素数3〜16、炭素数3〜12、炭素数3〜8又は炭素数3〜4の非芳香族環構造を含む炭化水素化合物が例示され得る。このような脂環族炭化水素化合物は、環構成原子として、酸素又は窒素のようなヘテロ原子を少なくとも一つ含むこともでき、必要な場合に、任意に一つ以上の置換基で置換されていてもよい。
また、前記で芳香族化合物は、ベンゼン、ベンゼンを含む化合物又は前記のうちいずれか一つの誘導体が例示され得る。前記でベンゼンを含む化合物としては、2個以上のベンゼン環が1個又は2個の炭素原子を共有しながら縮合されているか、直接連結された構造又は適切なリンカー(linker)により連結されている構造の化合物を意味し得る。前記で2個のベンゼン環を連結することに適用されるリンカーとしては、アルキレン基、アルキリデン基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、−NR11−、−S(=O)−、−S(=O)2−、−C(=O)−O−L1−O−C(=O)−、−L2−C(=O)−O−L3−、−L4−O−C(=O)−L5−又は−L6−Ar1−L7−Ar2−L8−等が例示され得る。前記でL1〜L8は、それぞれ独立に、単一結合、酸素原子、アルキレン基又はアルキリデン基であり、Ar1及びAr2は、それぞれ独立に、アリレン基であることができ、R11は、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であることができる。
芳香族化合物は、例えば、6個〜30個、6個〜28個、6個〜27個、6個〜25個、6個〜20個又は6個〜12個の炭素原子を含むことができ、必要な場合に、一つ以上の置換基により置換されていてもよい。前記で芳香族化合物の炭素原子の数は、該化合物が前述したリンカーを含む場合に、該リンカーに存在する炭素原子をも含む数である。
一つの例示で、前記4価ラジカルを形成する脂環族又は芳香族化合物としては、下記化学式2〜7のうちいずれか一つで表示される化合物が例示され得る。
化学式2で、R1〜R6は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基である。
化学式3で、R1〜R8は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基である。
化学式4で、R1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であり、Xは、単一結合、アルキレン基、アルキリデン基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、−S(=O)−、−S(=O)2−、−C(=O)−O−L1−O−C(=O)−、−L2−C(=O)−O−L3−、−L4−O−C(=O)−L5−又は−L6−Ar1−L7−Ar2−L8−であり、前記でL1〜L8は、それぞれ独立に、単一結合、酸素原子、アルキレン基又はアルキリデン基であり、前記でAr1及びAr2は、それぞれ独立に、アリレン基である。
本明細書で用語「単一結合」は、その部分に原子が存在しない場合を意味する。したがって、前記化学式5でXが単一結合である場合、Xに表示される部分に原子が存在しない場合であり、この場合Xの両側のベンゼン環は、直接連結され、ビフェニル構造を形成できる。
化学式4の前記Xのうち−C(=O)−O−L1−O−C(=O)−、−L2−C(=O)−O−L3−又は−L4−O−C(=O)−L5−においてL1〜L5は、それぞれ独立に、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルキレン基又はアルキリデン基であることができ、前記アルキレン基又はアルキリデン基は、置換又は非置換されていてもよい。
また、化学式4のXのうち−L6−Ar1−L7−Ar2−L8−において、前記でL6及びL8は、酸素原子であることができ、L7は、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルキレン基又はアルキリデン基であることができ、前記アルキレン基又はアルキリデン基は、置換又は非置換されていてもよい。なお、前記でAr1及びAr2は、フェニレン基であることができ、このような場合に、L7を基準に前記L6及びL8は、それぞれ、前記フェニレンのオルト、メタ又はパラ位置に連結されていてもよい。
化学式5でR1〜R4は、それぞれ独立に、水素、アルキル基又はアルコキシ基であり、Aは、アルキレン基又はアルケニレン基である。化学式6でR1〜R4のうち2個は、互いに連結され、アルキレン基を形成することもでき、Aのアルキレン基又はアルケニレン基は、ヘテロ原子として一つ以上の酸素原子を含むことができる。
化学式6でR1〜R4は、それぞれ独立に、水素、アルキル基又はアルコキシ基であり、Aは、アルキレン基である。
化学式7でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基又はアルコキシ基である。
本出願において用語「アルキル基」は、特に別途規定しない限り、炭素数1〜20、炭素数1〜16、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルキル基であることができる。前記アルキル基は、直鎖型、分岐鎖型又は環型であることができ、必要な場合に、一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本出願において用語「アルコキシ基」は、特に別途規定しない限り、炭素数1〜20、炭素数1〜16、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルコキシ基であることができる。前記アルコキシ基は、直鎖型、分岐鎖型又は環型であることができ、必要な場合に、一つ以上の置換基により置換されていてもよい。
本出願において用語「アリール基」は、特に別途規定しない限り、前述した芳香族化合物に由来する1価残基を意味し得る。
本出願において用語「アルキレン基又はアルキリデン基」は、特に別途規定しない限り、炭素数1〜20、炭素数1〜16、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルキレン基又はアルキリデン基を意味し得る。前記アルキレン基又はアルキリデン基は、直鎖型、分岐鎖型又は環型であることができる。また、前記アルキレン基又はアルキリデン基は、任意的に一つ以上の置換基で置換されていてもよい。
本出願において脂肪族化合物、脂環族化合物、芳香族化合物、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、アルキレン基又はアルキリデン基等に任意的に置換されていてもよい置換基としては、塩素又はフッ素等のハロゲン、グリシジル基、エポキシアルキル基、グリシドキシアルキル基又は脂環式エポキシ基等のエポキシ基、アクリロイル基、メタクリロイル基、イソシアネート基、チオール基、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基等が例示され得るが、これに制限されるものではない。
前記で化学式2の化合物としては、ベンゼン又は1、2、4、5−テトラアルキルベンゼン等が例示され得るが、これに制限されるものではない。
また、前記で化学式4の化合物としては、ビフェニルや下記化学式A〜Fのうちいずれか一つの化学式で表示される化合物が例示され得るが、これに制限されるものではない。例えば、化学式4のXが−C(=O)−O−L1−O−C(=O)−、−L2−C(=O)−O−L3−又は−L4−O−C(=O)−L5−であり、前記でL1〜L5は、それぞれ独立に、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルキレン基又はアルキリデン基であることができ、前記アルキレン基又はアルキリデン基は、置換又は非置換されていてもよい化合物や、前記化学式4でXが−L6−Ar1−L7−Ar2−L8−であり、前記でL6及びL8は、酸素原子であり、L7は、炭素数1〜12、炭素数1〜8又は炭素数1〜4のアルキレン基又はアルキリデン基であり、前記でアルキレン基又はアルキリデン基は、置換又は非置換されていてもよく、Ar1及びAr2は、フェニレン基の化合物も使用され得る。前記でL7を基準に前記L6及びL8は、それぞれ前記フェニレンのオルト、メタ又はパラ位置に連結されていてもよい。
また、前記で化学式5の化合物としては、炭素数4〜8のシクロアルカン又は一つ以上のアルキル基で置換されていてもよいシクロヘキセン等や、化学式G〜Iのうちいずれか一つの化学式で表示される化合物が例示され得るが、これに制限されるものではない。
前記で化学式6の化合物としては、一つ以上のアルキル基で置換されていてもよい下記化学式Jで表示される化合物が例示され得るが、これに制限されるものではない。
前記のような化合物で、例えば、4個の水素原子が離脱してラジカルが形成され、該ラジカルが化学式1の構造内に含まれることができる。
このようなラジカルは、化学式2〜7の置換基のR1〜R10が直接離脱して形成されるか、あるいはR1〜R10に存在し得る置換基であるアルキル基、アルコキシ基、アリール基、アルキレン基又はアルケニレン基に属する水素原子が離脱して形成されることもできる。
例えば、前記ラジカルが化学式3の化合物に由来する場合、化学式3のR1〜R6のうち1個以上、2個以上、3個以上又は4個がラジカルを形成するか、あるいは前記R1〜R6に存在するアルキル基、アルコキシ基又はアリール基の水素原子が離脱して前記ラジカルが形成され得る。前記でラジカルを形成するというのは、前記記述したように、その部位が化学式1のカルボニル基の炭素原子に連結されることを意味し得る。
化学式1の4価ラジカルは、化学式4で表示される化合物に由来する4価ラジカルであることができる。このような場合に、化学式4のR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であり、且つ4個以上は、化学式1に連結されるラジカルを形成できる。前記でラジカルを形成しない各々は、水素、アルキル基又はアルコキシ基であるか、水素又はアルキル基であることができる。一つの例示で、化学式4では、R7〜R9のうちいずれか2個とR2〜R4のうちいずれか2個が前記ラジカルを形成でき、他の置換基は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であるか、水素、アルキル基又はアルコキシ基であるか、又は水素又はアルキル基であることができる。
化学式1でX1及びX2は、それぞれ独立に、アルキレン基、アルキリデン基又は芳香族2価ラジカルであり、他の例示で、前記は、同一であるか又は異なる芳香族2価ラジカルであることができる。前記で芳香族2価ラジカルは、前述した芳香族化合物に由来する2価ラジカルであることができる。
一つの例示で、前記化学式1のX1及びX2は、それぞれ独立に、下記化学式8〜10のうちいずれか一つで表示される化合物に由来する2価ラジカルであることができる。
化学式8でR1〜R6は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヒドロキシ基又はカルボキシル基である。
化学式9でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、カルボキシル基又はアリール基であり、Xは、単一結合、アルキレン基、アルキリデン基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、−NR11−、−S(=O)−、−S(=O)2−、−L9−Ar3−L10−又は−L9−Ar3−L10−Ar4−L11−であり、前記でR11は、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であり、前記でAr3及びAr4は、アリレン基であり、L9〜L11は、それぞれ独立に、単一結合、酸素原子、アルキレン基又はアルキリデン基である。
前記で単一結合の意味は、前記で定義された通りである。
化学式10でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、カルボキシル基又はアリール基である。
化学式8の化合物としては、少なくとも一つのヒドロキシ基又はカルボキシル基で置換されていてもよいベンゼンが例示され得るが、これに制限されるものではない。
また、化学式9の化合物としては、少なくとも一つのヒドロキシ基又はカルボキシル基で置換されていてもよいビフェニル又は前記化学式A〜Fのうちいずれか一つで表示され、且つ少なくとも一つのヒドロキシ基又はカルボキシル基で置換されていてもよい化合物又は下記化学式K又はLで表示され、且つ少なくとも一つのヒドロキシ基又はカルボキシル基で置換されていてもよい化合物が例示され得るが、これに制限されるものではない。
化学式10の化合物としては、下記化学式Mで表示され、且つ少なくとも一つのヒドロキシ基又はカルボキシル基で置換されていてもよい化合物が例示され得るが、これに制限されるものではない。
一つの例示で、前記芳香族2価ラジカルは、前記化学式8又は9の化合物由来のラジカルであることができ、その例としては、フェニレンが挙げられるが、これに制限されるものではない。2価ラジカルがフェニレンである場合に、化学式1のX1においてNに連結される部位を基準にするアミン基の置換位置は、オルト(ortho)、メタ(meta)又はパラ(para)位置であることができ、化学式1のX2で、Nに連結される部位を基準にしたアミン基の置換位置は、やはりオルト(ortho)、メタ(meta)又はパラ(para)位置であることができる。
また、化学式1で、X1又はX2が化学式9の化合物由来のラジカルである場合に、化学式9のR7〜R9のうちいずれか一つと化学式9のR2〜R4のうちいずれか一つが化学式1の窒素原子に連結されるラジカルを形成できる。
前記ラジカルを形成する置換基を除いた他の置換基は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であるか、水素、アルキル基又はアルコキシ基であるか、又は水素又はアルキル基であることができる。
化学式1の化合物は、公知の有機化合物の合成法により合成でき、その具体的な方式は、特に制限されない。例えば、化学式1の化合物は、ジアンヒドリド(dianhydride)化合物とジアミン化合物の脱水縮合反応等により形成できる。
化学式1の化合物は、高い沸点を有し、高温で揮発乃至分解されず、これにより、重合性組成物の硬化性が安定的に維持され、且つ高温の加工乃至硬化過程で複合体の物性に悪影響を与えることができるボイド(void)を形成しない。これにより、一つの例示で、前記化合物は、分解温度が300℃以上、350℃以上、400℃以上又は500℃以上であることができる。本出願において用語「分解温度」は、「10%のweight lossにおいての温度」を意味し得る。前記で分解温度の上限は、特に制限されず、例えば、約1,000℃以下であることができる。
また、化学式1の化合物は、コアのMやリンカーであるX1又はX2の選択によって反応性乃至重合性組成物自体のプロセスウィンドウ、すなわち前記重合性組成物又はそれから形成されるプレポリマーの溶融温度と硬化温度の差を容易に調節でき、用途によって多様な物性の硬化剤として作用できる。
重合性組成物内においての硬化剤の比率は、特に制限されない。前記比率は、例えば、組成物に含まれているフタロニトリル化合物等の硬化性成分の比率や種類等を考慮して目的する硬化性が確保され得るように調節され得る。例えば、硬化剤は、重合性組成物に含まれているフタロニトリル化合物1モル当たり約0.02モル〜1.5モル程度に含まれることができる。しかし、前記比率は、本出願の例示に過ぎない。通常、重合性組成物において硬化剤の比率が高くなるが、プロセスウィンドウが狭くなる傾向にあり、硬化剤の比率が低くなると、硬化性が不十分になる傾向があるので、このような点等を考慮して、適切な硬化剤の比率が選択され得る。
本出願の重合性組成物は、前記化学式1の化合物の使用を通じて適切な硬化性、溶融温度及びプロセスウィンドウ(process window)を示し、ボイド等による物性の低下がない優れた物性の複合体を形成できる重合性組成物及びプレポリマーを提供できる。
これにより、一つの例示で、前記重合性組成物の加工温度は、150℃〜350℃の範囲内にあり得る。本出願において用語「加工温度」は、前記化合物、それを含む下記重合性組成物又はプレポリマー等が加工可能な状態で存在する温度を意味し得る。このような加工温度は、例えば、溶融温度Tm又はガラス転移温度Tgであることができる。このような場合に、前記重合性組成物のプロセスウィンドウ、すなわち前記加工温度Tpと前記フタロニトリル化合物と前記化学式1の化合物の硬化温度Tcの差Tc−Tpの絶対値は、30℃以上、50℃以上又は100℃以上であることができる。一つの例示で、前記硬化温度Tcが前記加工温度Tpに比べて高い。このような範囲は、重合性組成物を使用して、例えば後述する複合体を製造する過程で適切な加工性を確保することに有利であることができる。前記でプロセスウィンドウの上限は、特に制限されるものではないが、例えば、前記加工温度Tpと硬化温度Tcの差Tc−Tpの絶対値は、400℃以下又は300℃以下であることができる。
重合性組成物は、多様な添加剤をさらに含むことができる。このような添加剤の例としては、多様な充填剤が例示され得る。充填剤に使用され得る物質の種類は、特に制限されず、目的する用途によって適した公知の充填剤がすべて使用され得る。例示的な充填剤としては、金属物質、セラミック物質、ガラス、金属酸化物、金属窒化物又は炭素系物質等があるが、これに制限されるものではない。また、前記充填剤の形態も、特に制限されず、アラミド繊維、ガラス繊維、炭素繊維又はセラミック繊維等のような繊維状物質、又はその物質により形成された織布、不織布、紐又は綱、ナノ粒子を含む粒子状、多角形又はその他無定形等多様な形態であることができる。前記で炭素系物質としては、グラファイト(graphite)、グラフェン(graphene)又は炭素ナノチューブ等やそれらの酸化物等のような誘導体乃至異性質体等が例示され得る。
重合性組成物には、前記充填剤外にも、例えば、ポリイミド、ポリアミド又はポリスチレン等のようないわゆるエンジニアリングプラスチックの製造に適用され得るものと知られた多様な単量体やその他添加剤も、目的によって制限なしに含まれることができる。
本出願は、また、前記重合性組成物、すなわちフタロニトリル化合物と前記化学式1の化合物を含む重合性組成物の反応により形成されるプレポリマー(prepolymer)に関する。
本出願において用語「プレポリマー状態」は、前記重合性組成物内でフタロニトリル化合物と化学式1の化合物の反応がある程度起こった状態(例えば、いわゆるA又はBステージ段階の重合が起こった状態)や、完全に重合された状態には至らず、適切な流動性を示し、例えば、後述するような複合体の加工が可能な状態を意味し得る。一つの例示で、前記プレポリマー状態は、前記重合性組成物の重合がある程度進行された状態であって、それに対して約150℃〜250℃の範囲内の温度で測定された溶融粘度が100cP〜50,000cP、100cP〜10,000cP又は100cP〜5000cPの範囲内にある状態を意味し得る。
前記プレポリマーも、優れた硬化性、低い溶融温度及び広いプロセスウィンドウ(process window)を示すことができる。
例えば、前記プレポリマーの加工温度は、150℃〜350℃の範囲内にあり得る。このような場合に、前記プレポリマーのプロセスウィンドウ、すなわち前記加工温度Tpと前記プレポリマーの硬化温度Tcの差Tc−Tpの絶対値は、30℃以上、50℃以上又は100℃以上であることができる。一つの例示で、前記硬化温度Tcが前記加工温度Tpに比べて高い。このような範囲は、プレポリマーを使用して、例えば後述する複合体を製造する過程で適切な加工性を確保することに有利であることができる。前記でプロセスウィンドウの上限は、特に制限されるものではないが、例えば、前記加工温度Tpと硬化温度Tcの差Tc−Tpの絶対値は、400℃以下又は300℃以下であることができる。
プレポリマーは、前記成分外に、公知の任意の添加剤をさらに含むことができる。このような添加剤の例としては、前述した充填剤等が例示され得るが、これに制限されるものではない。
また、本出願は、前記重合性組成物の重合体であるフタロニトリル樹脂に関する。このような樹脂は、例えば、前述した重合性組成物又はプレポリマーを重合させて形成できる。
また、本出願は、複合体(composite)に関する。前記複合体は、前記記述したフタロニトリル樹脂及び充填剤を含むことができる。前記記述したように、本出願の重合性組成物を使用すると、適切な硬化性、溶融温度及びプロセスウィンドウ(process window)の達成が可能であり、複合体又は樹脂の形成過程で適用される高温でも物性の悪影響を及ぼすことができるボイド(void)等を防止でき、これにより、優れた物性のいわゆる強化樹脂複合体(reinforced polymer composite)を容易に形成できる。このように形成された複合体は、前記フタロニトリル樹脂と充填剤を含むことができ、例えば、自動車、飛行機又は船舶等の耐久財等を含む多様な用途に適用され得る。
充填剤の種類は、特に制限されず、目的する用途を考慮して適切に選択され得る。使用され得る充填剤としては、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維又はセラミック繊維等のような繊維状物質、又はその物質により形成された織布、不織布、紐又は綱や炭素ナノチューブ又はグラフェン(graphene)のような炭素ナノ物質等が例示され得るが、これに制限されるものではない。
充填剤の比率も、特に制限されるものではなく、目的する用途によって適正範囲に設定され得る。
本出願は、また、前記複合体を製造するための前駆体に関し、前記前駆体は、例えば、前記記述した重合性組成物と前記充填剤を含むか、あるいは前記記述したプレポリマーと前記充填剤を含むことができる。
複合体は、前記前駆体を使用した公知の方式で製造できる。例えば、前記複合体は、前記前駆体を硬化させて形成できる。
一つの例示で、前記前駆体は、フタロニトリル化合物を溶融状態で前記化学式1の化合物と配合して製造された重合性組成物あるいは前記プレポリマーを加熱等により溶融させた状態で前記充填剤と配合して製造し得る。例えば、前記のように製造された前駆体を目的する形状に成形した後に硬化させて、前述した複合体の製造が可能である。前記過程でプレポリマー等を形成する方法、該プレポリマー等と充填剤を配合し、加工及び硬化させて複合体を製造する方法等は、公知された方式によって進行され得る。
本出願においては、耐熱性に優れ、物性に悪影響を与えることができるボイド(void)等の欠陥を生成させない硬化剤を含む重合性組成物を提供できる。また、本出願は、前記重合性組成物が、適切な硬化性、加工温度及びプロセスウィンドウを示し、優れた物性の複合体を形成できるようにすることができる。本出願においては、原料単量体であるフタロニトリル化合物をポリイミド構造を有する硬化剤で硬化させて、フタロニトリル樹脂及びポリイミドの長所を兼備した樹脂を提供できる。
図1は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。 図2は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。 図3は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。 図4は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。 図5は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。 図6は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。 図7は、製造例で製造された化合物に対するNMR測定結果である。
以下、実施例及び比較例を通じて本出願の重合性組成物等を具体的に説明するが、前記重合性組成物等の範囲が下記実施例に制限されるものではない。
1.NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分析
化合物に対するNMR分析は、Agilent社の500MHz NMR装備を使用して製造社のマニュアルによって行った。NMR測定のためのサンプルは、化合物をDMSO(dimethyl sulfoxide)−d6に溶解させて製造した。
2.DSC(Differential Scanning Calorimetry)分析
DSC分析は、TA Instrument社のQ20システムを使用して35℃から450℃まで10℃/分の速度で温度を上昇させながらN2 flow雰囲気で行った。
3.TGA(Thermogravimetric Analysis)分析
TGA分析は、Mettler−Toledo社のTGA e850装備を使用して行った。試料に対して約25℃から800℃まで10℃/分の速度で温度を上昇させながら、N2 flow雰囲気でTGA分析を行った。
製造例1.化合物(CA1)の合成
下記化学式14の化合物は、ジアミンとジアンヒドリドの脱水縮合により合成した。化学式12の化合物(4、4’−oxydianiline)24gとNMP(N−methyl pyrrolidone)60gをRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。ウォーターバス(water bath)で前記を冷却し、下記化学式13の化合物12.3gを徐々に3回に分けて60gのNMPとともに投入した。投入された化合物がすべて溶解されると、アゼオトロープ(azeotrope)反応のために、反応物にトルエン24gを投入した。ディーン・スターク(Dean Stark)装置とリフラックスコンデンサーを設置し、ディーン・スターク(Dean Stark)装置にトルエンを投入して満たした。脱水縮合触媒として、ピリジン4.2mLを投入し、温度を170℃まで昇温させ、3時間撹拌した。イミド環が形成されながら発生する水をディーン・スターク(Dean Stark)装置で除去しつつ、2時間追加撹拌し、残留のトルエンとピリジンを除去した。反応生成物を常温まで冷却し、メタノールに沈殿させて回収した。回収した沈殿物をメタノールでソックスレー(soxhlet)抽出し、残留の反応物を除去し、真空オーブンで乾燥し、化学式14の化合物を約87重量%の収率で収得した。前記化学式14の化合物のNMR分析結果は、図1に示す。
製造例2.化合物(CA2)の合成
下記化学式15の化合物は、ジアミンとジアンヒドリドの脱水縮合により合成した。製造例1の化学式12の化合物(4、4’−oxydianiline)15gとNMP(N−methyl pyrrolidone)40gをRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。ウォーターバス(water bath)で前記を冷却し、製造例1の化学式13の化合物20.5gを徐々に3回に分けて30gのNMPとともに投入した。投入された化合物がすべて溶解されると、アゼオトロープ(azeotrope)反応のために、反応物にトルエン14gを投入した。ディーン・スターク(Dean Stark)装置とリフラックスコンデンサーを設置し、ディーン・スターク(Dean Stark)装置にトルエンを投入して満たした。脱水縮合触媒としてピリジン5.2mLを投入し、温度を170℃まで昇温させ、3時間撹拌した。イミド環が形成されながら発生する水をディーン・スターク(Dean Stark)装置で除去しつつ、2時間追加撹拌し、残留のトルエンとピリジンを除去した。反応生成物を常温まで冷却し、メタノールに沈殿させて回収した。回収した沈殿物をメタノールでソックスレー(soxhlet)抽出し、残留の反応物を除去し、真空オーブンで乾燥し、化学式15の化合物を約92重量%の収率で収得した。前記化学式15の化合物のNMR分析結果は、図2に示す。
化学式15で、nは、約3である。
製造例3.化合物(CA3)の合成
下記化学式16の化合物は、ジアミンとジアンヒドリドの脱水縮合により合成した。製造例1の化学式12の化合物(4、4’−oxydianiline)20gとNMP(N−methyl pyrrolidone)50gをRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。ウォーターバス(water bath)で前記を冷却し、製造例1の化学式13の化合物30.7gを徐々に3回に分けて50gのNMPとともに投入した。投入された化合物がすべて溶解されると、アゼオトロープ(azeotrope)反応のために、反応物にトルエン20gを投入した。ディーン・スターク(Dean Stark)装置とリフラックスコンデンサーを設置し、ディーン・スターク(Dean Stark)装置にトルエンを投入して満たした。脱水縮合触媒としてピリジン5.2mLを投入し、温度を170℃まで昇温させ、3時間撹拌した。イミド環が形成されながら発生する水をディーン・スターク(Dean Stark)装置で除去しつつ、2時間追加撹拌し、残留のトルエンとピリジンを除去した。反応生成物を常温まで冷却し、メタノールに沈殿させて回収した。回収した沈殿物をメタノールでソックスレー(soxhlet)抽出し、残留の反応物を除去し、真空オーブンで乾燥し、化学式16の化合物を約88重量%の収率で収得した。前記化学式16の化合物のNMR分析結果は、図3に示す。
化学式16で、nは、約5である。
製造例4.化合物(CA4)の合成
下記化学式19の化合物は、ジアミンとジアンヒドリドの脱水縮合により合成した。化学式17の化合物(m−phenylene diamine)13.5gとNMP(N−methyl pyrrolidone)70gをRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。ウォーターバス(water bath)で前記を冷却し、下記化学式18の化合物26gを徐々に3回に分けて60gのNMPとともに投入した。投入された化合物がすべて溶解されると、アゼオトロープ(azeotrope)反応のために、反応物にトルエン26gを投入した。ディーン・スターク(Dean Stark)装置とリフラックスコンデンサーを設置し、ディーン・スターク(Dean Stark)装置にトルエンを投入して満たした。脱水縮合触媒としてピリジン5.2mLを投入し、温度を170℃まで昇温させ、3時間撹拌した。イミド環が形成されながら発生する水をディーン・スターク(Dean Stark)装置で除去しつつ、2時間追加撹拌し、残留のトルエンとピリジンを除去した。反応生成物を常温まで冷却し、脱イオン水(deinonized water)に沈殿させて回収した。回収された沈殿物をメタノールでソックスレー(soxhlet)抽出し、残留の反応物を除去し、真空オーブンで乾燥し、化学式19の化合物を約83重量%の収率で収得した。前記化学式19の化合物のNMR分析結果は、図4に示す。
製造例5.化合物(CA5)の合成
下記化学式20の化合物は、ジアミンとジアンヒドリドの脱水縮合により合成した。製造例4の化学式17の化合物(m−phenylene diamine)8.1gとNMP(N−methyl pyrrolidone)50gをRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。ウォーターバス(waterbath)で前記を冷却し、製造例4の化学式18の化合物26gを徐々に3回に分けて60gのNMPとともに投入した。投入された化合物がすべて溶解されると、アゼオトロープ(azeotrope)反応のために、反応物にトルエン23gを投入した。ディーン・スターク(Dean Stark)装置とリフラックスコンデンサーを設置し、ディーン・スターク(Dean Stark)装置にトルエンを投入して満たした。脱水縮合触媒としてピリジン5.2mLを投入し、温度を170℃まで昇温させ、3時間撹拌した。イミド環が形成されながら発生する水をディーン・スターク(Dean Stark)装置で除去しつつ、2時間追加撹拌し、残留のトルエンとピリジンを除去した。反応生成物を常温まで冷却し、メタノールに沈殿させて回収した。回収した沈殿物をメタノールでソックスレー(soxhlet)抽出し、残留の反応物を除去し、真空オーブンで乾燥し、化学式20の化合物を約93重量%の収率で収得した。前記化学式20の化合物のNMR分析結果は、図5に示す。
化学式20で、nは、約3である。
製造例6.化合物(CA6)の合成
下記化学式21の化合物は、ジアミンとジアンヒドリドの脱水縮合により合成した。製造例4の化学式17の化合物(m−phenylene diamine)6.5gとNMP(N−methyl pyrrolidone)50gをRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。ウォーターバス(water bath)で前記を冷却し、製造例4の化学式18の化合物23.4gを徐々に3回に分けて60gのNMPとともに投入した。投入された化合物がすべて溶解されると、アゼオトロープ(azeotrope)反応のために、反応物にトルエン23gを投入した。ディーン・スターク(Dean Stark)装置とリフラックスコンデンサーを設置し、ディーン・スターク(Dean Stark)装置にトルエンを投入して満たした。脱水縮合触媒としてピリジン5.2mLを投入し、温度を170℃まで昇温させ、3時間撹拌した。イミド環が形成されながら発生する水をディーン・スターク(Dean Stark)装置で除去しつつ、2時間追加撹拌し、残留のトルエンとピリジンを除去した。反応生成物を常温まで冷却し、メタノールに沈殿させて回収した。回収した沈殿物をメタノールでソックスレー(soxhlet)抽出して残留の反応物を除去し、真空オーブンで乾燥し、化学式21の化合物を約95重量%の収率で収得した。前記化学式21の化合物のNMR分析結果は、図6に示す。
化学式21で、nは、約4である。
製造例7.化合物(CA7)の合成
下記化学式22の化合物は、TCI(Tokyo Chemical Industry Co.、Ltd.)社の市販製品を入手し、追加精製することなく使用した。
製造例8.化合物(PN1)の合成
下記化学式23の化合物は、次の方式で合成した。下記化学式25の化合物32.7g及び120gのDMF(Dimethyl Formamide)をRBF(3 neck Round Bottom flask)に投入し、常温で撹拌して溶解させた。引き続いて、前記化学式24の化合物51.9gをさらに投入し、DMF50gをも追加した後、撹拌し、溶解させた。引き続いて、炭酸カリウム62.2g及びDMF50gを一緒に投入し、撹拌しながら、温度を85℃まで昇温させた。前記状態で約5時間程度反応させた後、常温まで冷却させた。冷却した反応溶液を0.2N濃度の塩酸水溶液に注いで中和沈殿させ、フィルタリングした後、水で洗浄した。その後、フィルタリングされた反応物を100℃の真空オーブンで1日乾燥し、水と残留溶媒を除去した後、下記化学式23の化合物を約80重量%の収率で収得した。化学式23の化合物に対するNMR結果は、図7に記載した。
製造例1〜7の化合物に対するTGA分析結果を下記表1に記載した。表1から、製造例7の化合物(CA7)に比べて製造例1〜6の化合物(CA1〜CA6)が優れた耐熱特性を示すことを確認できる。CA7化合物は、300℃の近くですべて分解される一方で、CA1〜CA6の化合物は、分解温度(Td10%)がいずれも300℃を大きく上回って、高温焼成時にも熱分解がほとんど発生しないことを確認できる。また、単分子であるCA1、CA4は、CA7に比べて耐熱特性に優れているが、CA2、CA3、CA5及びCA6に比べて耐熱特性が劣り、同一モノマーである場合にも、分子量が高いほど耐熱性が増加する傾向を示すことを確認できる。下記表1で、加工温度としては、DSC分析を通じて確認されるガラス転移温度Tg又は溶融温度Tmを記載した。表1の結果から、加工温度は、分子量が低いほど低く確認されることが分かる。しかし、分子量の増加に比べて、加工温度の上昇は低いため、CA3やCA6のような高い分子量の物質の場合にも、加工温度が高くないため、単量体との溶融混用性が良好であり、硬化効率も良好であり、プロセスウィンドウが広く確保され、加工性が良好であることを予測できる。
実施例1
製造例8の化合物(PN1)及び製造例2の化合物(CA2)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記製造例2の化合物(CA2)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
実施例2
製造例8の化合物(PN1)及び製造例3の化合物(CA3)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記製造例2の化合物(CA3)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
実施例3
製造例8の化合物(PN1)及び製造例5の化合物(CA5)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記製造例5の化合物(CA5)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
実施例4
製造例8の化合物(PN1)及び製造例6の化合物(CA6)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記製造例6の化合物(CA6)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
比較例1
製造例8の化合物(PN1)及び製造例1の化合物(CA1)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記化合物(CA1)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
比較例2
製造例8の化合物(PN1)及び製造例4の化合物(CA4)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記製造例4の化合物(CA4)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
比較例3
製造例8の化合物(PN1)及び製造例7の化合物(CA7)を前記製造例8の化合物(PN1)1モル当たり約0.2モルの前記製造例7の化合物(CA7)が存在するように混合した。引き続いて、TGA分析を通じて、前記混合物の300℃においての残渣(residue)とTd10%(10%のweight lossにおいての温度)を確認した。
前記実施例及び比較例の化合物に対する分析結果を下記表2に整理して記載した。
表2の結果から、一般的な硬化剤であるCA7を使用する場合に、熱分解温度が非常に低く、これにより、熱安定性が劣り、これを使用した場合(比較例3)は、300℃で既に相当量の熱分解が起こり、また、Td10%の温度が最も低い点を確認できる。また、同一の単量体を適用した場合に、CA1又はCA4の化合物を適用した場合(比較例1、2)に比べて、CA2、CA3、CA5、CA6の化合物を適用した場合(実施例1〜4)が、さらに優れた熱安定性を有することを確認できる。このような結果から、本出願の化合物を適用した場合、優れた熱安定性が確保され、高温工程においてのガス抜け(outgassing)を防止し、これにより、加工中にボイド(void)や欠陥を最小化できるという点を確認できる。

Claims (18)

  1. フタロニトリル構造を2個以上有するフタロニトリル化合物及び下記化学式1の化合物を含む重合性組成物。
    化学式1で、Mは、4価ラジカルであり、X1及びX2は、それぞれ独立に、アルキレン基、アルキリデン基又は芳香族2価ラジカルであり、nは、2以上の数である。
  2. 4価ラジカルは、脂肪族、脂環族又は芳香族化合物由来の4価ラジカルである、請求項1に記載の重合性組成物。
  3. 4価ラジカルは、アルカン、アルケン又はアルキン由来の4価ラジカルであるか、下記化学式2〜7のうちいずれか一つで表示される化合物由来の4価ラジカルである、請求項1または2に記載の重合性組成物。
    化学式2でR1〜R6は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基である:
    化学式3でR1〜R8は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基である:
    化学式4でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であり、Xは、単一結合、アルキレン基、アルキリデン基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、−S(=O)−、−S(=O)2−、−C(=O)−O−L1−O−C(=O)−、−L2−C(=O)−O−L3−、−L4−O−C(=O)−L5−又は−L6−Ar1−L7−Ar2−L8−であり、前記でL1〜L8は、それぞれ独立に、単一結合、酸素原子、アルキレン基又はアルキリデン基であり、前記でAr1及びAr2は、それぞれ独立に、アリレン基である:
    化学式5でR1〜R4は、それぞれ独立に、水素、アルキル基又はアルコキシ基であり、Aは、アルキレン基又はアルケニレン基である(但し、前記でR1〜R4のうち2個は、互いに連結されてアルキレン基を形成することもでき、Aのアルキレン基又はアルケニレン基は、ヘテロ原子として一つ以上の酸素原子を含むことができる。):
    化学式6でR1〜R4は、それぞれ独立に、水素、アルキル基又はアルコキシ基であり、Aは、アルキレン基である:
    化学式7でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基又はアルコキシ基である。
  4. 1及びX2は、芳香族2価ラジカルである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の重合性組成物。
  5. 芳香族2価ラジカルは、炭素数6〜28の芳香族化合物由来の2価ラジカルである、請求項4に記載の重合性組成物。
  6. X1及びX2は、下記化学式8〜10のうちいずれか一つで表示される化合物由来の2価ラジカルである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の重合性組成物。
    化学式8でR1〜R6は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基、アリール基、ヒドロキシ基又はカルボキシル基である:
    化学式9でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、カルボキシル基又はアリール基であり、Xは、単一結合、アルキレン基、アルキリデン基、酸素原子、硫黄原子、カルボニル基、−NR11−、−S(=O)−、−S(=O)2−、−L9−Ar3−L10−又は−L9−Ar3−L10−Ar4−L11−であり、前記でR11は、水素、アルキル基、アルコキシ基又はアリール基であり、前記でAr3及びAr4は、アリレン基であり、L9〜L11は、それぞれ独立に、単一結合、酸素原子、アルキレン基又はアルキリデン基である:
    化学式10でR1〜R10は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、アルコキシ基、ヒドロキシ基、カルボキシル基又はアリール基である。
  7. nは、2〜200の範囲内の数である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の重合性組成物。
  8. 化学式1の化合物は、分解温度が350℃以上である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の重合性組成物。
  9. 加工温度Tpが150℃〜350℃の範囲内にある、請求項1〜8のいずれか一項に記載の重合性組成物。
  10. 充填剤をさらに含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の重合性組成物。
  11. 化学式1の化合物は、フタロニトリル化合物1モル当たり約0.02モル〜1.5モルで含まれる、請求項1〜10のいずれか一項に記載の重合性組成物。
  12. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の重合性組成物の反応物であるプレポリマー。
  13. 加工温度Tpが150℃〜350℃の範囲内にある、請求項12に記載のプレポリマー。
  14. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の重合性組成物の重合体であるフタロニトリル樹脂。
  15. 請求項14に記載のフタロニトリル樹脂及び充填剤を含む複合体。
  16. 充填剤は、金属物質、セラミック物質、ガラス、金属酸化物、金属窒化物又は炭素系物質である、請求項15に記載の複合体。
  17. 請求項1〜11のいずれか一項に記載の重合性組成物を硬化させる段階を含む複合体の製造方法。
  18. 請求項12または13に記載のプレポリマーを硬化させる段階を含む複合体の製造方法。
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