JP6807878B2 - 長鎖分岐ポリマーおよび製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、長鎖分岐ポリマーの新規成形方法およびその方法から得られる長鎖分岐ポリマーに関する。
ポリプロピレン組成物は、比較的低コストのポリマーであり、かつそれらが所望の特性を示すため、広範囲で商業的に容認されており、かつ多くの用途において使用されてきた。商業的に入手可能なアイソタクチックポリプロピレンは、高度に線形の構造を有するポリマーであり、比較的低い溶融強度を有し、かつ溶融状態で不十分な歪み硬化挙動を示す。これらのアイソタクチックポリプロピレンは、製造が比較的容易であるが、それらは、それらの不十分な伸長性能、不十分なフィルム強靭特性および低い溶融強度のため、熱成形、発泡成形、吹込み成形、フィルム成形、押出コーティングなどのプロセスにおける応用が非常に限定されている。
本発明の一態様は、(a)ポリオレフィンベースポリマーを、(b)変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端において反応性カップリング基を有する変性ポリオレフィンであるポリマーカップリング剤を含み、分子カップリング剤とブレンドされていてもよいカップリング剤と、反応させ、ポリオレフィンベースポリマー(a)を、ポリマーカップリング剤(b)とカップリングさせることによって調製される長鎖分岐ポリマーに関する。
本発明は、長鎖分岐を有するポリオレフィンを調製するための改善された方法に関する。長鎖分岐ポリマーは、単に、ポリマー中に増加した長鎖分岐度および異なる種類の分岐を含有するのみならず、同時に、取扱いプロセスにおける改善された性能および最終ポリマー生成物における改善された性状を提供する。
カップリング反応を使用して、長鎖分岐をいずれかのベースポリマー、ポリオレフィン(a)に導入することができる。適切なポリオレフィンベースポリマーとしては、5,000g/モルより高い、10,000g/モルより高い、20,000g/モルより高い、30,000g/モルより高い、40,000g/モルより高い、または50,000g/モルより高い数平均分子量を有するポリマーが含まれる。模範的なポリオレフィンベースポリマーとしては、限定されないが、エチレン、プロピレン、1−ブテン、2−ブテン、1−ペンテン、3−メチル−1−ブテン、1−ヘキセン、4−メチル−1−ペンテン、3−メチル−1−ペンテン、4,6−ジメチル−1−ヘプテン、1−オクテン、1−デセン、1−ウンデセン、1−ドデセン、1−テトラデセン、1−ヘキサデセン、1−オクタデセン、1−エイコセンおよびそれらの組合せを含む、2〜20個の炭素原子、2〜16個の炭素原子または2〜12個の炭素原子を有する線形または分岐α−オレフィンから調製されたものが含まれる。これらのオレフィンは、それぞれ、酸素、窒素またはケイ素原子などのヘテロ原子を含有していてもよい。
ポリマーカップリング剤
カップリング反応は、適切なカップリング剤とのポリマーの反応を意味する。本明細書に使用されるカップリング剤は、線形または分岐鎖の1つ以上の末端において反応性カップリング基を含有する変性ポリオレフィンを含み、それによって、「ポリマーカップリング剤」と記載される。カップリング反応で使用されるポリマーカップリング剤の量は、得られる長鎖分岐ポリマー中で望ましい長鎖分岐度および溶融強度、または最終ポリマー生成物の表面エネルギーを乱すために必要とされる量に依存する。例えば、ポリマーカップリング剤の量は、0.01重量%未満、0.05重量%未満、0.1重量%未満、0.5重量%未満、1重量%未満、2重量%未満、3重量%未満または6重量%未満であることが可能である。
の構造を有する。
1つ以上の分子カップリング剤を、ポリマーカップリング剤とブレンドすることができる。ポリマーカップリング剤が、比較的高い熱安定性を有する場合、ポリオレフィンベースポリマー(a)とポリマーカップリング剤との間のカップリング反応を促進するために、分子カップリング剤を使用してもよい。例えば、これらの分子カップリング剤は、より低い温度でラジカルを生成させ、それによってカップリング反応を促進することによって、カップリング反応を促進するために添加することができる。
ポリオレフィンベースポリマー(a)および(ポリマーカップリング剤またはポリマー/分子カップリング剤ブレンドを含有する)カップリング剤(b)の間のカップリング反応の反応温度は、140℃より高い、または220℃より高いことが可能である。典型的に、カップリング反応は、ポリマーカップリング剤またはポリマー/分子カップリング剤ブレンドの第1の分解温度以上であるが、350℃未満の温度で生じる。例えば、VPNなどのポリマーカップリング剤の第1の分解温度は、190℃以上である。他方、ポリマー/分子カップリング剤ブレンドは、140℃以上の分解温度を有することが可能である。分解温度は、熱重量分析(TGA)または当業者に既知の他の手段によって決定され得る。模範的なポリマーカップリング剤およびポリマー/分子カップリング剤ブレンドのTGA測定およびサーモグラムは実施例1〜6において提供される。分解曲線が分析され、そして図3および8ならびに表1に示された。
本発明の別の態様は、上記実施形態で議論される方法によって調製された長鎖分岐ポリマーに関する。長鎖分岐ポリマーは、(a)ポリオレフィンベースポリマーを、(b)変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端において反応性カップリング基を有する変性ポリオレフィンであるポリマーカップリング剤を含み、分子カップリング剤とブレンドされていてもよいカップリング剤と反応させ、ポリオレフィンベースポリマー(a)を、カップリング剤(b)とカップリングさせることによって形成される。適切なポリオレフィンベースポリマー(a)、ポリマーカップリング剤およびポリマー/分子カップリング剤ブレンド、反応性カップリング基および非反応性官能基(すなわち、ベースポリオレフィンに対して、およびポリマーカップリング剤自体に対して非反応性であるが、他の基または無機材料などの材料に対しては反応性であることが可能である)、ならびにこれらの長鎖分岐ポリマーを調製するための適切なカップリング反応条件は、上記実施形態で議論される方法に関連する記載と同一である。得られる長鎖分岐ポリマーは、使用される出発材料および反応条件次第である。
(Rg、環動半径)および固有粘度[η]から決定することができる。長鎖分岐の形成の結果として、分岐数が増加することによって、ポリマーは、溶液中でよりコンパクトになり、そしてRg値は減少し、そしてη値は増加する。したがって、ベースポリオレフィン樹脂に対するRgの減少値およびηの増加値は、ポリマー中の長鎖分岐の形成を示すであろう。この場合、得られる長鎖分岐ポリマーの分子あたりの分岐点数は、ゼロより高くあるべきである。Rheotens実験などの溶融引張り技術も、ポリマーの溶融強度の結果を示すために使用することができる。典型的に、力(F)はポリマーの溶融強度に対するものであるため、0.1Nより高い値は、長鎖分岐ポリプロピレンの形成を理由とすることができる。
上記方法から得られる長鎖分岐ポリマーは、長鎖分岐ポリマーとは異なる相に存在する第2のポリオレフィンとさらにブレンドされることができる。これによって、変性インパクトコポリマーを得ることができる。(バンパー、ボディーパネル、ダッシュボードまたはドアクラッディングなどの自動車部品などの)自動車用途において、ポリマーの異相ブレンド、すなわち、連続相中のポリマーおよびエラストマー分散相中のポリマーがブレンドされていることが望ましい。例えば、ポリプロピレンベースポリマー(例えば、ホモポリマーポリプロピレン)およびエチレン−プロピレンコポリマー(EPR)のブレンドは、ポリプロピレンベースのポリマーが連続相であり、かつEPRが分散相である異相ブレンドである。ゴム包含物は、バランスがとれた剛性−インパクト挙動を有するグレードを提供するインパクト変性剤としての役割を果たすのに対して、ポリプロピレンベースマトリックスは材料の剛性を与える。一実施形態において、長鎖分岐ポリマーは、ベースポリオレフィン(a)としてポリプロピレンから調製されて、そして異相ポリマーブレンドの連続相として使用されることができる。このような長鎖分岐ポリプロピレンベースのポリマーは、変性インパクトコポリマーを調製するために、EPRなどの異なる相(すなわち、エラストマー分散相)に存在する第2のポリオレフィンとさらにブレンドされる。
本発明の方法に従って調製された長鎖分岐ポリマーは、当該技術において既知の標準的な形成方法によって、例えば、吹込フィルム押出成形、キャストフィルム押出成形、射出またはブロー成形、ペレット化、発泡、熱形成、ポリマー溶融物形態でのコンパウンディングまたは繊維紡糸によって、有用な物品に成形され得る。例えば、溶融プロセスを記載する実施形態において上記で議論されたいずれの技術も、長鎖分岐ポリマーを調製し、それによって、使用される溶融プロセス技術の種類に応じて、様々な有用な物品を形成するために使用することができる。
カップリング反応は、構造ブロックとして変性ポリオレフィンを使用してポリオレフィンを官能化するために、かつ/または無機材料とのポリオレフィンの適合性を改善するためにも使用することができる。ポリマーカップリング剤は、変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端の反応性カップリング基と、ポリオレフィンベースポリマー(a)およびポリマーカップリング剤自体に対して非反応性である1つ以上の異なる非反応性官能基を有し得る。適切なポリマーカップリング剤、ならびにそれらの反応性および非反応性末端基は、上記実施形態において議論された方法に関連するそれらの記載と同一である。ベースポリオレフィンポリマーまたはポリマーカップリング剤と反応しない非反応性官能基を導入する1つの目的は、複合体形成のためにベースポリオレフィンポリマーおよび無機材料の間の適合性を改善すること、ならびに塗料性のためにベースポリオレフィンポリマーおよびインク/顔料の間の相互作用を改善することである。
以下の実施例は、説明目的のみのためであり、かついずれかの様式で、本発明の範囲を限定するように意図されない。
VPNは、出発材料としての、およびポリマー非カップリング剤としての参照材料としてのVPIから調製された。アジド基へのヨウ素基の置換反応のため、2つのポリマーは、類似の分子量、類似の分子量分布、同一主鎖を有する。2つのポリマーは、図1の1H NMRスペクトルに示されるように、ポリマー鎖の1つの末端の官能基のみ異なる。図2に示されるように、FTIRによってアジド基の存在も確認された。
製造されたVPN(ポリマーカップリング剤)を回収した後、41.3gのVPN試料を40℃において0.6Lのトルエン中に分散し、そして全ポリマー試料が膨潤するまで、混合物を攪拌した。次いで、0.3Lのトルエン中の34.45gの分子カップリング剤、4,4’−オキシビス(ベンゼンスルホニルアジド):ペンタエリトリトールテトラキス(3−(3,5−ジ−tert−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート)(25:75重量%)の溶液を系に添加し、それによって良好な分散を達成することができた。得られた混合物を40℃でさらに30分間撹拌し、次いで、室温まで冷却し、そして溶媒を減圧下で回収し、白色固体を得た。白色固体を減圧下で約6時間乾燥させ、そして粉砕し、2:1のポリマーカップリング剤:分子カップリング剤のモル比のブレンドB1の微細白色粉末を得た。
ポリマーカップリング剤:分子カップリング剤のモル比が1:1であったことを除き、実施例2においてブレンドB1に関して記載されたものと同一の手順を使用した。
ポリマーカップリング剤:分子カップリング剤のモル比が10:1であったことを除き、実施例2においてブレンドB1に関して記載されたものと同一の手順を使用した。
使用された分子カップリング剤がビス(tert−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカルボネートであったこと、およびポリマーカップリング剤:分子カップリング剤のモル比が1:1であったことを除き、実施例2においてブレンドB1に関して記載されたものと同一の手順を使用した。
図8に示されるように、TGAによって分解分析を実行し、Tonsetを比較した。これは、ポリマー非カップリング剤VPI(参照)、ポリマーカップリング剤(VPN)およびポリマーカップリング剤ブレンド(B2およびB3)のアジド基の第1の分解と、それに続く、窒素ガスの損失に帰属される。結果は、Tonsetの約50℃の減少を示し、このことは、分子カップリング剤の存在が、アジド基の分解を促進することを示唆した。ポリマーカップリング剤および分子カップリング剤の自己カップリング化反応後の分子量の増加の結果として、参照と比較した場合のT20%の増加も観察された。
VPNおよび2.0dg/分のメルトフローインデックスのホモポリプロピレン(HPP)の間のカップリング反応をBrabender混合機で実行した。ブレンドプロセス後の最終ポリマーの完全性に及ぼす剪断および温度効果を評価するために、HPPの参考試料も同一条件下で、Brabender混合機で処理された。例えば、ベース樹脂としての20gのHPPを最初にBrabender混合機に添加し、そして温度を45秒間、またはHPPが完全に溶解するまで、窒素流下で240℃に維持した。反応に続いて、同一条件下で0.4gのポリマーカップリング剤VPN(2.0重量%)を添加し、そして得られた混合物をさらに120秒間反応させた。
VPNおよび2.0dg/分のメルトフローのホモポリプロピレン(HPP)の間のカップリング反応をBrabender混合機で実行した。本実験において、20gのHPPおよび1.0gのポリマーカップリング剤VPN(5.0重量%)を240℃において一緒にBrabender混合機に添加した。反応を窒素下で保持し、そしていくつかの試料を30秒および180秒の間で回収した。ブレンドプロセス後の最終ポリマーの完全性に及ぼす剪断および温度効果を評価するために、HPPの参考試料も同一条件下で、Brabender混合機で処理され、そしてHPPの試料も30秒および180秒の間で回収した。
2.0dg/分のメルトフローのホモポリプロピレン(HPP)とポリマーカップリング剤との間のカップリング反応を実施例7および8に記載の条件で実行した。ポリマー生成物は、図13に示されるように、FTIRによって検出された、アジド残基の存在を示した。試料は、それぞれ、約45秒(P1aおよびP2a)、100秒(P1bおよびP2b)、180秒(P1cおよびP2c)、240秒(P1dおよびP2d)、360秒(P1eおよびP2e)ならびに420秒(P1fおよびP2f)において回収された。これらの結果は、420秒の反応後さえも、N≡Nに帰属される2092および2098cm−1の間の対称伸長振動バンドを観察することが可能であったことを実証し、最終生産物における未反応アジド基の存在を示唆した。
Claims (31)
- (a)ポリオレフィンベースポリマーを、(b)変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端において反応性カップリング基を有する変性ポリオレフィンであるポリマーカップリング剤を含み、分子カップリング剤とブレンドされていてもよいカップリング剤と、反応させ、前記ポリオレフィンベースポリマー(a)を、前記カップリング剤(b)とカップリングさせ、前記ポリオレフィンベースポリマーと比べて長鎖分岐および/またはより高い表面エネルギーを有する長鎖分岐ポリマーを形成することを含む、長鎖分岐ポリマーの形成方法であって、
前記ポリオレフィンベースポリマーが、2〜20個の炭素原子を有する線形または分岐の1種以上のα−オレフィンから調製されたホモポリマーまたはコポリマーであり、
前記変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端に存在する前記反応性カップリング基が、アジド基である、前記方法。 - 前記カップリング剤が、ペルオキシド、アルキルボラン、アゾ化合物、アジド化合物またはそれらの組合せからなる群から選択される1つ以上の分子カップリング剤とブレンドされた前記ポリマーカップリング剤を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリマーカップリング剤が、2つ以上の反応性カップリング基を有し、かつ前記反応性カップリング基が、前記変性ポリオレフィン鎖のそれぞれの末端において異なる、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリマーカップリング剤が、2つ以上の反応性カップリング基を有し、かつ前記反応性カップリング基が、前記変性ポリオレフィン鎖のそれぞれの末端において同一である、請求項1に記載の方法。
- 前記変性ポリオレフィン鎖の1つの末端の前記反応性カップリング基が、アジド基であり、かつ前記変性ポリオレフィン鎖の他の末端が、1つ以上の異なる反応性カップリング基または非反応性官能基を含有する、請求項1に記載の方法。
- 前記非アジド反応性カップリング基または非反応性官能基が、ペルオキシド、アルキルボラン、ハロゲン、チオール、アミン、アルデヒド、アルコール、カルボン酸、エステル、イソシアネート、シラン、リン含有基、ジチオエステル、ジチオカルバメート、ジチオカルボネート、トリチオカルボネート、アルコキシアミン、アリールスルホニルハライド、ビニル、ジエン、ポルフィリン、染料またはそれらの誘導体からなる群から選択される、請求項5に記載の方法。
- 前記反応で使用される前記ポリマーカップリング剤の量が6重量%未満である、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリマーカップリング剤が、20,000g/モル未満の数平均分子量を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記ポリオレフィンベースポリマー(a)が、2〜12個の炭素および50,000g/モルより高い数平均分子量を有する1種以上のオレフィンのポリマーまたはコポリマーである、請求項1に記載の方法。
- 前記1種以上のオレフィンが、エチレン;プロピレン;1−ブテン;2−ブテン;1,3−ブタジエン;1−ペンテン;1,3−ペンタジエン;1,4−ペンタジエン;3−メチル−1−ブテン;3−メチル−1,4−ペンタジエン;3,3−ジメチル−1,4−ペンタジエン;1−ヘキセン;1,3−ヘキサジエン;1,4−ヘキサジエン;1,5−ヘキサジエン;4−メチル−1−ペンテン;3−メチル−1−ペンテン;3−メチル−1,5−ヘキサジエン;3,4−ジメチル−1,5−ヘキサジエン;4,6−ジメチル−1−ヘプテン;1,3−ヘプタジエン;1,4−ヘプタジエン;1,5−ヘプタジエン;1,6−ヘプタジエン;1−オクテン;1,3−オクタジエン;1,4−オクタジエン;1,5−オクタジエン;1,6−オクタジエン;1,7−オクタジエン;1−デセン;1−ウンデセン;1−ドデセン;1−テトラデセン;1−ヘキサデセン;1−オクタデセン;1−エイコセン;およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項9に記載の方法。
- 前記ポリオレフィンベースポリマー(a)が、ポリエチレン、ポリプロピレン、それらのコポリマー、またはポリエチレンおよび/もしくはポリプロピレンおよび/もしくはそれらのコポリマーを含有するポリマーブレンドである、請求項9に記載の方法。
- 前記ポリオレフィンベースポリマー(a)が、エチレンプロピレンゴム(EPR)を含有するポリマーブレンドである、請求項11に記載の方法。
- 前記反応ステップが、
前記ポリオレフィンベースポリマー(a)およびカップリング剤(b)を溶融プロセスに付して、前記ポリオレフィンベースポリマーおよび前記カップリング剤をブレンドすること、
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記反応ステップが、無溶媒反応条件下で実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融プロセスが、押出成形プロセスである、請求項13に記載の方法。
- 前記反応ステップが、前記ポリオレフィンベースポリマー(a)および前記カップリング剤(b)を、前記カップリング剤(b)の分解温度まで加熱して、ポリオレフィンベースポリマー鎖と反応する、前記ポリマーカップリング剤の前記アジド基に由来するナイトレンを形成することを伴う、請求項1に記載の方法。
- 前記分解温度が、140℃以上である、請求項16に記載の方法。
- 前記カップリング剤が、自己カップリング化して、前記ポリオレフィンベースポリマー(a)との反応が可能である、自己カップリング化カップリング剤を形成する、請求項1に記載の方法。
- 前記長鎖分岐ポリマーを、前記長鎖分岐ポリマーとは異なる相に存在する第2のポリオレフィンとブレンドすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記反応ステップにおいて、極性基を含有する無機材料を添加することをさらに含み、前記無機材料が、ガラス繊維、無機繊維、官能化シリカナノ粒子、多面体オリゴマーシルセスキオキサン(POSS)、官能化カーボンナノチューブ、クレーおよびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 請求項1に記載の方法によって調製される長鎖分岐ポリマー。
- 1つ以上のカップリング剤が、前記ポリオレフィンベースポリマー鎖に沿った1つ以上の結合部位で共有結合している、請求項21に記載の長鎖分岐ポリマー。
- 請求項18に記載の方法によって調製される長鎖分岐ポリマー。
- 前記ポリマーが、前記ポリオレフィンベースポリマー(a)と前記カップリング剤(b)との反応、および前記ポリオレフィンベースポリマー(a)と前記自己カップリング化カップリング剤との反応の両方から得られる分岐鎖を含有する、請求項23に記載の長鎖分岐ポリマー。
- 前記ポリオレフィンベースポリマー鎖に沿った1つ以上の結合部位で1つ以上のポリマーカップリング剤が共有結合することによって形成される、1つ以上の長鎖分岐を含有するポリオレフィンベースポリマーを含み、
前記ポリオレフィンベースポリマーに共有結合する前に、前記ポリマーカップリング剤が、変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端において反応性カップリング基を有する変性ポリオレフィンである、長鎖分岐ポリマー。 - 前記カップリング剤の前記変性ポリオレフィンが、20,000g/モル未満の数平均分子量を有する、請求項25に記載の長鎖分岐ポリマー。
- 前記ポリオレフィンベースポリマーが、2〜12個の炭素および50,000g/モルより高い数平均分子量を有する1種以上のオレフィンのポリマーまたはコポリマーである、請求項25に記載の長鎖分岐ポリマー。
- 前記ポリオレフィンベースポリマーが、ポリエチレン、ポリプロピレン、それらのコポリマー、またはポリエチレンおよび/もしくはポリプロピレンを含有するポリマーブレンドである、請求項25に記載の長鎖分岐ポリマー。
- 少なくとも1つの長鎖分岐が、2つ以上のポリマーカップリング剤を自己カップリング化することによって形成される、請求項25の記載の長鎖分岐ポリマー。
- 前記長鎖分岐ポリマーが、架橋または多分岐ポリマーである、請求項25の記載の長鎖分岐ポリマー。
- 前記変性ポリオレフィン鎖の1つ以上の末端が、ペルオキシド、アルキルボラン、ハロゲン、チオール、アミン、アミド、アルデヒド、アルコール、カルボン酸、エステル、イソシアネート、シラン、リン含有基、ジチオエステル、ジチオカルバメート、ジチオカルボネート、トリチオカルボネート、アルコキシアミン、アリールスルホニルハライド、アリールスルホニルアジド、ホスホリルアジド、ビニル、ジエン、ポルフィリン、染料、アルキルアジドまたはそれらの誘導体からなる群から選択される反応性カップリング基または非反応性官能基を更に含有する、請求項21に記載の長鎖分岐ポリマー。
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