JP6931836B2 - ポリマーの改質方法、それを用いた改質ポリマーの製造方法および改質ポリマー - Google Patents

ポリマーの改質方法、それを用いた改質ポリマーの製造方法および改質ポリマー Download PDF

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Description

本発明は、ポリマーの改質方法、それを用いた改質ポリマーの製造方法および改質ポリマーに関する。
様々な産業において、ポリマーを用いた製品が製造されている。中でも、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、およびポリスチレンは、5大汎用樹脂として、盛んに製造され、成形体の原料として使用されている。そして、ポリマー成形体には、例えば、その用途に応じた所望の機能をさらに付与するために、成形後、その表面への改質処理が試みられている。改質処理によれば、例えば、ポリマーが本来有する耐久性等を維持したまま、接着性の向上、撥水性の制御、化学修飾等が可能になると考えられる。
前記改質処理としては、例えば、コロナ放電処理、プラズマ放電処理、グラフト化処理等が知られている。しかしながら、これらの改質処理は、いずれも物理的な処理方法であり、ここ10年あまり、大きな変化はない状態である。
他方、化学的な処理方法としては、重金属酸化剤を用いる方法が知られている。しかし、この方法では、大量の重金属酸化剤を使用するため、毒性、処理コスト、環境面等の問題がある。
そこで、本発明は、ポリマーを改質できる新たな方法を提供することを目的とする。また、従来、マレイン化変性や酸化変性等の酸素を含む官能基の導入例が報告されている。一方で、ポリマーに機能の多様性を付与するには、周期律表の15族、16族および17族の複数種の元素が特定の比率で含まれる様な重合体が有力と考えられるが、この様なポリマーの報告例は少ない。よって、本発明は、周期律表の15族、16族および17族の複数種の元素を持つポリマーを提供することも目的としている。
前記目的を達成するために、本発明の第1の改質方法は、ポリマーの改質方法であり、化合物ラジカルの存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、前記化合物ラジカルが、15族元素および16族元素からなる群から選択された一つの元素と、17族元素とを含むラジカルであることを特徴とする。
本発明の第2の改質方法は、化合物の存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、前記化合物が、15族元素および16族元素からなる群から選択された一つの元素と、17族元素と、1族元素とを含む化合物であることを特徴とする。
本発明の製造方法は、改質ポリマーの製造方法であり、ポリマーを改質する改質工程を含み、前記改質工程において、前記本発明の改質方法により、前記ポリマーを改質することを特徴とする。
本発明の物性改質方法は、ポリマーの物性を改質する改質工程を含み、前記改質工程において、前記本発明の改質方法により、前記ポリマーを改質して、物性を改質することを特徴とする。
本発明の改質ポリマーは、ポリマーが、15族元素および16族元素からなる群から選択された少なくとも1つの元素(α)と、17族元素(β)とを含み、XPS法で特定される前記ポリマー中の水素とヘリウムとを除く全元素に対する前記元素(α)%[Cα]と、前記ポリマー中の水素とヘリウムとを除く全元素に対する前記元素(β)%[Cβ]との比が、下記条件を満たす部位を含むことを特徴とする。
5000≧[Cα]/[Cβ]>0
本発明の改質方法によれば、、反応系に光照射するのみで、容易に、前記反応系中のポリマーを改質できる。
図1は、二酸化塩素ラジカル(ClO )に光照射した場合についての、UCAM-B3LYP/6-311+G(d,p) def2TZV計算結果による予測の一例である。 図2は、本発明の改質方法における反応工程の一例を模式的に示す図である。 図3は、実施例A1のIRの結果を示すグラフである。 図4は、実施例A1の反応系における二酸化塩素ラジカルの発生を示すEPRの結果を示すグラフである。 図5は、実施例B1における反応工程の状態を模式的に示す断面図である。 図6は、実施例B1のIRの結果を示すグラフである。 図7は、実施例B2のIRの結果を示すグラフである。 図8は、実施例B2のXPSの結果を示すグラフである。 図9は、実施例B3のIRの結果を示すグラフである。 図10は、実施例B4のIRの結果を示すグラフである。 図11は、実施例B5のIRの結果を示すグラフである。 図12は、実施例B6のIRの結果を示すグラフである。
本発明において、15族、16族、および17族は、周期律表の族である。本明細書においては、特に示さない限り、「本発明の改質方法」とは、前記第1の改質方法および前記第2の改質方法を含む。
本発明の改質方法は、例えば、前記15族元素が、NおよびPの少なくとも一方であり、前記16族元素が、O、S、Se、およびTeからなる群から選択された少なくとも一つであり、前記17族元素が、F、Cl、Br、およびIからなる群から選択された少なくとも一つである。
本発明の改質方法は、例えば、前記反応系が、気体反応系である。
本発明の改質方法は、例えば、前記気体反応系が、前記化合物ラジカルを含む。
本発明の改質方法は、例えば、前記反応系が、液体反応系である。
本発明の改質方法は、例えば、前記液体反応系が、有機相を含む。
本発明の改質方法は、例えば、前記反応工程において、少なくとも前記有機相に光照射する。
本発明の改質方法は、例えば、前記液体反応系が、前記有機相と水相とを含む二相反応系である。
本発明の改質方法は、例えば、前記反応工程において、前記液体反応系を空気に接触させながら、前記液体反応系に光照射する。
本発明の改質方法は、例えば、前記液体反応系が、前記有機相と水相とを含む二相反応系であり、前記反応工程において、前記水相に酸素(O)が溶解した状態で光照射する。
本発明の改質方法は、例えば、前記有機相が、有機溶媒を含み、前記有機溶媒が、炭化水素溶媒である。
本発明の改質方法は、例えば、前記有機相が、有機溶媒を含み、前記有機溶媒が、ハロゲン化溶媒である。
本発明の改質方法は、例えば、前記有機相が、有機溶媒を含み、前記有機溶媒が、フルオラス溶媒である。
本発明の改質方法は、例えば、前記化合物ラジカルが、前記17族元素の酸化物ラジカルである。
本発明の改質方法は、例えば、前記17族元素が、ハロゲンである。
本発明の改質方法は、例えば、前記化合物ラジカルが、二酸化塩素ラジカルである。
本発明の改質方法は、例えば、前記化合物ラジカルが、二酸化塩素ラジカルであり、前記反応系は、有機相を含み、前記有機相は、前記二酸化塩素ラジカルを含み、前記有機相中に、前記ポリマーの成形体が配置され、前記反応工程において、前記光照射により、前記ポリマー成形体の表面に露出したポリマーが酸化される。
本発明の改質方法は、例えば、さらに、前記化合物ラジカルを生成させる化合物ラジカル生成工程を含む。
本発明の改質方法は、例えば、前記化合物ラジカル生成工程において、ラジカル生成用反応系を使用し、前記ラジカル生成用反応系が、水相を含む反応系であり、前記水相が、前記化合物ラジカルの発生源を含み、前記化合物ラジカルの発生源から前記化合物ラジカルを生成させる。
本発明の改質方法は、例えば、前記化合物ラジカルが、二酸化塩素ラジカルであり、前記化合物ラジカル生成工程において、前記化合物ラジカルの発生源が亜塩素酸イオン(ClO )であり、前記亜塩素酸イオンにルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方を作用させて前記二酸化塩素ラジカルを生成させる。
本発明の改質方法は、例えば、前記反応工程において、前記反応系として、前記化合物ラジカル生成工程後の前記ラジカル生成用反応系を使用する。
本発明の改質方法は、例えば、さらに、前記ポリマーの変化した部位に、官能基を導入する工程を含む。
本発明の改質方法は、例えば、前記反応工程において、反応温度がマイナス100〜200℃であり、反応圧力が0.1〜10MPaである。または、本発明の改質方法は、例えば、反応温度が0〜100℃、0〜40℃であり、反応圧力が0.1〜0.5MPaである。
本発明の改質方法は、例えば、前記ポリマーが未成形体または成形体である。本発明の改質方法は、例えば、前記成形体が、シート、フィルム、プレート、チューブ、パイプ、棒、ビーズ、およびブロックからなる群から選択された少なくとも一つである。
本発明の改質方法は、例えば、改質対象の前記ポリマーが、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有する。
本発明の改質方法は、例えば、改質対象の前記ポリマーが、ポリオレフィンである。
本発明の第2の改質方法は、例えば、さらに、前記化合物の生成工程を含み、前記生成工程において、前記15族元素および16族元素からなる群から選択された一つの元素と、前記17族元素とを含む化合物イオンに、1族元素を含むルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方を作用させる。
本発明の第2の改質方法は、例えば、前記化合物イオンが、酸化物イオンである。
本発明の第2の改質方法は、例えば、前記酸化物イオンが、亜塩素酸イオン(ClO )である。
本発明の製造方法は、例えば、改質対象の前記ポリマーが、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有する。
本発明の製造方法は、例えば、改質対象の前記ポリマーが、ポリオレフィンである。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記15族元素が、NおよびPの少なくとも一方であり、前記16族元素が、O、S、Se、およびTeからなる群から選択された少なくとも一つであり、前記17族元素が、F、Cl、Br、およびIからなる群から選択された少なくとも一つである。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記ポリマーが、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有する。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記ポリマーが、ポリオレフィンである。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記ポリマーが、15族元素および16族元素からなる群から選択された少なくとも1つの元素(α)を含む官能基と、17族元素(β)を含む官能基とを、含む。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記ポリマーが、未成形体である。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記ポリマーが、成形体である。
以下、本発明について、例をあげて、さらに具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の説明により限定されない。
本発明のポリマーの第1の改質方法は、前述のように、化合物ラジカルの存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、前記化合物ラジカルが、15族元素および16族元素からなる群から選択された一つの元素と、17族元素とを含むラジカルであることを特徴とする。
(1) ポリマー
本発明において、処理対象となるポリマーの形態は、特に制限されず、例えば、固体状であり、未成形体でもよいし、成形体でもよい。前記未成形体とは、例えば、ポリマーそのものである。前記成形体とは、例えば、前記ポリマーから成形された成形体である。本発明により、例えば、ポリマーの未成形体を改質した後、成形してもよいし、ポリマーを予め成形して、得られた成形体を改質することもできる。前記ポリマーに含まれるポリマーの種類は、特に制限されず、例えば、一種類でもよいし、二種類以上の混合物であってもよい。前記ポリマーは、例えば、ポリマーアロイ、ポリマーコンパウンドでもよい。
前記固体状のポリマーは、例えば、室温以上の融点を有するポリマー、室温以上のガラス転移温度を有する重合体があげられる。また、前記ポリマーは、例えば、結晶化度が相対的に高いものでもよい。前記条件の融点であるポリマーの場合、その結晶化度は、例えば、20%以上、30%以上、35%以上である。前記ポリマーは、例えば、加熱による溶融後、形状を整え、冷却するというような、公知の成形方法で成形体を得ることができる。
前記ポリマーは、例えば、流動性を有するポリマー(液状化ポリマー)でもよく、具体的に、室温で流動性を有するポリマーでもよい。前記ポリマーとしては、例えば、合成油、潤滑油、液状エラストマー等である。
前記ポリマーの形態は、例えば、改質後に使用する用途、目的等に応じて、適宜選択できる。例えば、事業への適用範囲が広い傾向にある観点から、前記固体状のポリマーが好ましい。
本発明において、処理対象となるポリマーの種類は、特に制限されない。本発明の改質方法によれば、処置対象の前記ポリマーを改質することができる。本発明の改質方法により、前記ポリマーは、例えば、側鎖が変化してもよいし、主鎖(直鎖)が変化してもよい。主鎖の変化は、例えば、主鎖の末端の変化でもよいし、主鎖の内部の変化でもよい。前記変化(改変ともいう)は、例えば、15族元素、16族元素、17族元素等の導入であり、具体例として、例えば、酸化、硫化、ハロゲン化等があげられる。前記側鎖や前記主鎖等の変化によって、前記ポリマーが改質される。側鎖とは、主鎖から枝分かれした鎖(分岐鎖)である。具体的には、例えば、前記主鎖は、炭素原子および/またはヘテロ原子の連鎖であり、前記側鎖は、主鎖を構成する炭素原子またはヘテロ原子に連結した、前記主鎖から枝分かれした鎖である。
前記ポリマーは、例えば、ホモポリマーでも、コポリマーでもよい。前記コポリマーの場合、例えば、繰り返し単位(モノマー)は、2種類以上である。
前記ポリマーとしては、例えば、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有するポリマーが好ましい。本発明の改質方法においては、例えば、前記ポリマーにおける前記炭素−水素結合が改変(例えば、前述の酸化等)される。前記ポリマーの具体例としては、特に制限されず、例えば、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ乳酸、ポリ酪酸、シリコーン系ポリマー、天然ゴム、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、非晶ポリアリレート等のポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルホン酸(PES)、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)、ポリチオフェン(PAT)、ポリフルオレン(PF)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリパラフェニレン(PPP)、PEDOT/PSS、ポリアニリン/PSS等があげられる。
前記ポリオレフィンは、例えば、炭素数2〜20のオレフィンの重合体(ポリオレフィン)があげられる。前記ポリオレフィンは、例えば、低密度ポリエチレンおよび高密度ポリエチレン等のポリエチレン(PE)、ならびにポリプロピレン(PP)等があげられる。前記ポリオレフィンは、例えば、共重合体でもよい。
側鎖が改変されるポリマーとしては、例えば、側鎖として、炭化水素基またはその誘導体基を有するポリマーがあげられる。本発明において、「炭化水素基またはその誘導体基を、その側鎖に有するポリマー」を、以下、形式的に「ポリマーA」とも呼ぶ。
前記側鎖が改変されるポリマーAの具体例としては、特に制限されず、例えば、前記ポリオレフィン(例えば、低密度ポリエチレンおよび高密度ポリエチレン等のポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP))、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ乳酸、ポリ酪酸、シリコーン系ポリマー、天然ゴム、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、非晶ポリアリレート等のポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルホン酸(PES)、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)、ポリチオフェン(PAT)、ポリフルオレン(PF)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、液晶ポリマー(LCP)、ポリパラフェニレン(PPP)、PEDOT/PSS、ポリアニリン/PSS等があげられる。
前記ポリマーAは、例えば、ホモポリマーでも、コポリマーでもよい。ホモポリマーの場合、例えば、直鎖を形成する繰り返し単位(モノマー)は、側鎖を有する。コポリマーの場合、例えば、直鎖を形成する各繰り返し単位(各モノマー)は、例えば、少なくとも1種類のモノマーが側鎖を有してもよいし、2種類以上のモノマーが側鎖を有してもよい。
前記ポリマーAの側鎖である前記炭化水素基またはその誘導体基は、特に限定されず、例えば、下記炭化水素またはその誘導体の1価基である。前記炭化水素は、例えば、非芳香族でも芳香族でもよく、飽和でも不飽和でもよい。具体的には、前記炭化水素は、例えば、直鎖状または分枝状の飽和または不飽和の炭化水素(例えば、直鎖状または分枝状のアルカン、直鎖状または分枝状のアルケン、直鎖状または分枝状のアルキン等)でもよい。また、前記炭化水素は、例えば、非芳香族の環状構造を含む、飽和または不飽和の炭化水素(例えば、シクロアルカン、シクロアルケン等)でもよい。また、前記炭化水素は、芳香族炭化水素でもよい。また、前記炭化水素は、その構造中に、例えば、芳香族または非芳香族の環を、それぞれ1または複数有していても有してよいし、有していなくてもよい。前記炭化水素は、その構造中に、例えば、直鎖状または分枝状の飽和または不飽和炭化水素の炭化水素基を、それぞれ1または複数有していても有しもよいし、有していなくてもよい。前記不飽和炭化水素は、例えば、カルボニル基(−C(=O)−)を有するケトン、エステル、アミド等でもよい。前記炭化水素の炭素数は、特に制限されず、例えば、1〜40、1〜32、1〜24、1〜18、1〜12、1〜6、1〜2でもよく、前記炭化水素が、不飽和炭化水素の場合、炭素数は、例えば、2〜40、2〜32、2〜24、2〜18、2〜12、2〜6でもよい。前記炭化水素の具体例としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、n−ブタン、2−メチルプロパン、n−ペンタン、n−ヘキサン、エチレン、プロピレン、1,3−ブタジエン、アセチレン、シクロペンタン、シクロヘキサン、シクロヘプタン、シクロオクタン、メチルシクロヘキサン、シクロヘキセン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン、メシチレン、デュレン、ビフェニル、ナフタレン、1−メチルナフタレン、2−メチルナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレン、スチレン等があげられる。
前記炭化水素の「誘導体」は、例えば、ヘテロ元素(炭素および水素以外の元素)を含む有機化合物である。前記ヘテロ元素は、特に限定されず、例えば、酸素(O)、窒素(N)、硫黄(S)、ハロゲン等があげられる。前記ハロゲンは、例えば、フッ素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)等があげられる。前記誘導体は、例えば、炭化水素基と、任意の置換基または原子団とが結合した構造の有機化合物でもよい。前記誘導体は、例えば、複数の炭化水素基が任意の原子団により結合された構造の化合物でもよく、さらに、前記炭化水素基が任意の1または複数の置換基により置換されていてもよく、置換されていなくてもよい。前記炭化水素基は、特に限定されず、例えば、前記炭化水素から誘導される1価または2価以上の基があげられる。前記炭化水素基は、例えば、その炭素原子の1または2以上が、ヘテロ原子に置き換わっていてもよい。具体的には、例えば、フェニル基の1つの炭素原子(およびそれに結合した水素原子)が窒素原子に置き換わっていることで、ピリジル基を形成していても良い。また、前記置換基または原子団は、特に限定されず、例えば、ヒドロキシ基、ハロゲン基(フルオロ基、クロロ基、ブロモ基、ヨード基等)、アルコキシ基、アリールオキシ基(例えば、フェノキシ基等)、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基(例えば、フェノキシカルボニル基等)、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基(例えば、フェニルチオ基等)、置換基を有するアミノ基または置換基を有さないアミノ基(例えば、アミノ基、アルキルアミノ基、ジアルキルアミノ基等)、エーテル結合(−O−)、エステル結合(−CO−O−)、チオエーテル結合(−S−)等があげられる。
つぎに、主鎖の末端が改変されるポリマーとしては、例えば、末端の基として、炭化水素基またはその誘導体基を有するポリマーがあげられる。本発明において、「炭化水素基またはその誘導体基を、その末端に有するポリマー」を、以下、形式的に「ポリマーB」とも呼ぶ。
前記ポリマーBは、例えば、ホモポリマーでも、コポリマーでもよい。ホモポリマーの場合、例えば、直鎖を形成する繰り返し単位(モノマー)は、側鎖を有してもよいし、側鎖を有さなくてもよい。コポリマーの場合、例えば、直鎖を形成する各繰り返し単位(各モノマー)は、例えば、側鎖を有してもよいし、側鎖を有さなくてもよく、また、例えば、少なくとも1種類のモノマーが側鎖を有してもよいし、2種類以上のモノマーが側鎖を有してもよい。前記ポリマーBにおいて、前記側鎖は、例えば、前記ポリマーAと同様の側鎖でもよいし、それ以外の側鎖でもよい。
前記ポリマーBの末端基である前記炭化水素基またはその誘導体基は、特に制限されず、前記ポリマーAと同様の基が列挙できる。
つぎに、主鎖の内部が改変されるポリマーとしては、例えば、前記内部に、炭化水素基またはその誘導体基を有するポリマーがあげられる。本発明において、「炭化水素基またはその誘導体基を、その主鎖の内部に有するポリマー」を、以下、形式的に「ポリマーC」とも呼ぶ。
前記ポリマーCの具体例としては、例えば、炭素数2〜20のオレフィンの重合体(ポリオレフィン)があげられる。前記ポリオレフィンは、例えば、低密度ポリエチレンおよび高密度ポリエチレン等のポリエチレン(PE)、ならびにポリプロピレン(PP)等があげられる。前記ポリオレフィンは、例えば、共重合体でもよい。
前記ポリマーCは、例えば、ホモポリマーでも、コポリマーでもよい。ホモポリマーの場合、例えば、直鎖を形成する繰り返し単位(モノマー)は、側鎖を有してもよいし、側鎖を有さなくてもよい。コポリマーの場合、例えば、直鎖を形成する各繰り返し単位(各モノマー)は、例えば、側鎖を有してもよいし、側鎖を有さなくてもよく、また、例えば、少なくとも1種類のモノマーが側鎖を有してもよいし、2種類以上のモノマーが側鎖を有してもよい。前記ポリマーBにおいて、前記側鎖は、例えば、前記ポリマーAと同様の側鎖でもよいし、それ以外の側鎖でもよい。
前記ポリマーCの内部の前記炭化水素基またはその誘導体基は、特に制限されず、例えば、炭化水素またはその誘導体の二価基である。前記炭化水素は、例えば、不飽和炭化水素であり、前記ポリマーAにおける記載を援用できる。
本発明において、鎖状化合物(例えば、アルカン、不飽和脂肪族炭化水素等)または鎖状化合物から誘導される鎖状置換基(例えば、アルキル基、不飽和脂肪族炭化水素基等の炭化水素基)は、例えば、直鎖状でも分枝状でもよく、その炭素数は、特に限定されず、例えば、1〜40、1〜32、1〜24、1〜18、1〜12、1〜6、または1〜2でもよく、不飽和炭化水素基の場合、炭素数は、例えば、2〜40、2〜32、2〜24、2〜18、2〜12、2〜6でもよい。本発明において、環状の化合物(例えば、環状飽和炭化水素、非芳香族環状不飽和炭化水素、芳香族炭化水素、ヘテロ芳香族化合物等)または環状の化合物から誘導される環状の基(例えば、環状飽和炭化水素基、非芳香族環状不飽和炭化水素基、アリール基、ヘテロアリール基等)の環員数(環を構成する原子の数)は、特に限定されず、例えば、5〜32、5〜24、6〜18、6〜12、または6〜10でもよい。また、置換基等に異性体が存在する場合、例えば、異性体の種類は、特に制限されず、具体例として、単に「ナフチル基」という場合は、例えば、1−ナフチル基でも2−ナフチル基でもよい。
また、本発明において、異性体は、特に制限されず、例えば、互変異性体または立体異性体(例えば、幾何異性体、配座異性体および光学異性体等)等である。また、本発明において、塩とは、特に制限されず、例えば、酸付加塩でも、塩基付加塩でもよい。前記酸付加塩を形成する酸は、例えば、無機酸でも有機酸でもよく、前記塩基付加塩を形成する塩基は、例えば、無機塩基でも有機塩基でもよい。前記無機酸は、特に限定されず、例えば、硫酸、リン酸、フッ化水素酸、塩酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、次亜フッ素酸、次亜塩素酸、次亜臭素酸、次亜ヨウ素酸、亜フッ素酸、亜塩素酸、亜臭素酸、亜ヨウ素酸、フッ素酸、塩素酸、臭素酸、ヨウ素酸、過フッ素酸、過塩素酸、過臭素酸、および過ヨウ素酸等があげられる。前記有機酸は、特に限定されず、例えば、p−トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸、シュウ酸、p−ブロモベンゼンスルホン酸、炭酸、コハク酸、クエン酸、安息香酸および酢酸等があげられる。前記無機塩基は、特に限定されず、例えば、水酸化アンモニウム、アルカリ金属水酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、炭酸塩および炭酸水素塩等があげられ、より具体的には、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、水酸化カルシウムおよび炭酸カルシウム等があげられる。前記有機塩基は、特に限定されず、例えば、エタノールアミン、トリエチルアミンおよびトリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン等があげられる。
本発明において、前記ポリマーは、例えば、前記ポリマーA、ポリマーBおよびポリマーCのいずれか一種類のみを含んでもよいし、二種類以上を含んでもよいし、三種類全てを含んでもよい。また、前記ポリマーとして、例えば、前記ポリマーA、前記ポリマーBおよび前記ポリマーCのうち少なくとも一種類とその他のポリマーとを含んでもよい。前記その他のポリマーは、何ら制限されない。
本発明において、前記ポリマーが前記成形体の場合、前記反応工程は、例えば、前記液体反応系(液相)で行っても、前記気体反応系(気相)で行ってもよい。前記ポリマーが、液体媒体に溶解し易い性質である場合、例えば、前記気相反応系で前記反応工程を行うことが好ましい。前記ポリマーが前記成形体の場合、例えば、成形方法、形状等は、何ら制限されない。前記成形方法は、特に制限されず、例えば、圧縮成形、トランスファ成形、押出成形、カレンダー成形、インフレーション成形、ブロー成形、真空成形、射出成形等、公知の方法があげられる。前記成型体の形状は、特に制限されず、例えば、所望の形状(例えば、シート、フィルム、プレート、チューブ、パイプ、棒、ビーズ、ブロック等)があげられる。前記ポリマー成形体は、例えば、非多孔体でもよいし、多孔体でもよく、不織布でもよいし、織布でもよい。本発明の改質方法によって前記成形体を処理する場合、例えば、その形状は、何ら制限されず、例えば、露出面を有している成形体があげられる。具体的には、例えば、後述する前記反応工程において、前記反応系に接触可能な露出表面を有している成形体が好ましい。前記成形体の露出表面は、特に制限されず、例えば、外部に露出した表面でもよいし、例えば、チューブや多孔体等のように、内部において露出した表面でもよい。前記ポリマーが成形体の場合、本発明の改質方法は、例えば、ポリマー成形体の表面の改質方法ということもできる。
本発明において、前記ポリマーが前記未成形体の場合、前記反応工程は、例えば、前記液体反応系(液相)で行っても、前記気体反応系(気相)で行ってもよい。前記液体反応系の場合、前記ポリマーは、例えば、前記液相中において、スラリー状態でもよいし、溶液状態でもよい。前記液相中で前記反応工程を行う場合、後述するような反応に寄与する成分(例えば、ラジカル等の成分)は、例えば、前記液相中に存在させることが好ましい。一方、前記気体反応系で前記反応工程を行う場合、前記反応に寄与する成分は、例えば、前記気相中に、ガスまたはミスト等の状態で存在することが好ましい。
前記液体反応系で前記反応工程を行う場合、例えば、固体状の前記ポリマーと液体媒体とが混在するスラリー等の状態であることが好ましい。また、前記ポリマーそのものが液状の場合は、例えば、前記液状ポリマーのみを用いてもよいが、前記液状ポリマーと溶媒とを含む溶液状態で用いることが好ましい。また、前記固体状のポリマーが、液体媒体に溶解し易い性質である場合、また、その固体状の形状を維持する場合、例えば、前記気相反応系で前記反応工程を行うことが好ましい。
(2) 化合物ラジカル
本発明において、前記化合物ラジカルは、前記反応系に含まれる。前記化合物ラジカルは、例えば、前記反応系において生成させることで、前記反応系に含ませてもよいし、別途生成させた前記化合物ラジカルを前記反応系に含ませてもよい。前記化合物ラジカルの発生方法は、特に制限されない。なお、前記化合物ラジカルの発生に関しては、具体例を後述する。
前記化合物ラジカルは、前述のように、15族元素および16族元素の少なくとも一方と、17族元素とを含むラジカルである。本発明において、前記化合物ラジカルは、例えば、いずれか一種類を使用してもよいし、二種類以上を併用してもよい。本発明において、前記化合物ラジカルは、例えば、改質する対象のポリマーの種類や、反応条件等に応じて、適宜選択することができる。
前記15族元素は、例えば、N、またはPであり、前記16族元素は、例えば、O、S、Se、またはTeであり、前記17族元素は、例えば、F、Cl、Br、またはIである。前記15族元素と前記16族元素の中では、前記16族元素が好ましい。また、前記16族元素の中では、酸素、硫黄が好ましい例である。前記16族元素と前記17族元素とを含むラジカルは、例えば、F(二フッ化酸素ラジカル)、F (二フッ化二酸素ラジカル)、ClO (二酸化塩素ラジカル)、BrO (二酸化臭素ラジカル)、I5 (酸化ヨウ素(V))等のハロゲンの酸化物ラジカル等があげられる。
(3) 反応系
前記反応工程における前記反応系は、前述のとおり、例えば、気体反応系でもよいし、液体反応系でもよい。
(3A)気体反応系
前記反応系が気体反応系の場合、例えば、前記化合物ラジカルを含む前記気体反応系中に、前記ポリマーを配置し、光照射すればよい。前記気体反応系は、例えば、前記ラジカルを含んでいればよく、前記気体反応系における気相の種類は、特に制限されず、空気、窒素、希ガス、酸素等である。
本発明は、例えば、前記反応工程前または前記反応工程と同時に、前記気体反応系に対して、前記化合物ラジカルを導入してもよいし、前記気体反応系に、前記化合物ラジカルを発生させてもよい。前者の場合、例えば、前記化合物ラジカルを含むガスを、気相に導入すればよい。また、後者の場合、例えば、後述するように、液相のラジカル生成用反応系で発生させた前記化合物ラジカルを、気相に移行させることで導入してもよい。
具体例として、前記化合物ラジカルが前記二酸化塩素ラジカルの場合、例えば、前記気相に、二酸化塩素ガスを導入することによって、前記気相中に前記二酸化塩素ラジカルを存在させることができる。また、前記二酸化塩素ラジカルは、例えば、電気化学的方法により、前記気相中に発生させることもできる。
(3B)液体反応系
前記反応系が液体反応系の場合、例えば、有機相を含む。前記液体反応系は、例えば、前記有機相のみを含む一相反応系でもよいし、前記有機相と水相とを含む二相反応系でもよい。
(3B−1)有機相
前記有機相には、前述のとおり、前記ポリマーが配置されており、例えば、前記化合物ラジカルを含み且つ前記ポリマーが配置された有機溶媒の相である。
前記有機溶媒は、特に限定されない。前記有機溶媒は、例えば、1種類のみ用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。本発明において、前記有機溶媒は、例えば、前述のとおり、炭化水素溶媒、ハロゲン化溶媒、フルオラス溶媒等があげられる。前記液体反応系が前記二相反応系の場合、前記有機溶媒は、例えば、前記二相系を形成し得る溶媒、すなわち、前記水相を構成する後述する水性溶媒と分離する溶媒、前記水性溶媒に難溶性または非溶性の溶媒が好ましい。
前記炭化水素溶媒は、特に限定されず、例えば、芳香族系が好ましく、具体例としては、例えば、n−ヘキサン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン等があげられる。前記炭化水素溶媒は、例えば、前記原料化合物(前記炭化水素またはその誘導体)を兼ねてもよい。前記炭化水素溶媒は、例えば、芳香族系の炭化水素溶媒が好ましい。
「ハロゲン化溶媒」は、例えば、炭化水素の水素原子の全てまたは大部分が、ハロゲンに置換された溶媒をいう。前記ハロゲン化溶媒は、例えば、炭化水素の水素原子数の50%以上、60%以上、70%以上、80%以上、または90%以上が、ハロゲンに置換された溶媒でもよい。前記ハロゲン化溶媒は、特に限定されず、例えば、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、四臭化炭素、および後述するフルオラス溶媒等があげられる。
「フルオラス溶媒」は、前記ハロゲン化溶媒の1種であり、例えば、炭化水素の水素原子の全てまたは大部分がフッ素原子に置換された溶媒をいう。前記フルオラス溶媒は、例えば、炭化水素の水素原子数の50%以上、60%以上、70%以上、80%以上、または90%以上がフッ素原子に置換された溶媒でもよい。本発明において、前記フルオラス溶媒を使用すると、例えば、前記溶媒自体の反応性が低いため、副反応を、より抑制または防止できるという利点がある。前記副反応は、例えば、前記溶媒の酸化反応、前記ラジカルによる前記溶媒の水素引き抜き反応またはハロゲン化反応(例えば、塩素化反応)、および、前記原料化合物由来のラジカルと前記溶媒との反応(例えば、前記ポリマーの側鎖または末端の炭化水素基がエチル基の場合において、エチルラジカルと前記溶媒との反応)等があげられる。前記フルオラス溶媒は、水と混和しにくいため、例えば、前記二相反応系の形成に適している。
前記フルオラス溶媒の例は、例えば、下記化学式(F1)〜(F6)で表される溶媒等があげられ、中でも、例えば、下記式(F1)におけるn=4のCF(CFCF等が好ましい。
Figure 0006931836
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前記有機溶媒の沸点は、特に限定されない。前記有機溶媒は、例えば、前記反応工程の温度条件によって、適宜選択可能である。前記反応工程において、反応温度を高温に設定する場合、前記有機溶媒として、高沸点溶媒を選択することができる。なお、本発明は、例えば、後述するように、加熱が必須ではなく、例えば、常温常圧で行なうことができる。そのような場合、前記有機溶媒は、例えば、高沸点溶媒である必要はなく、取扱い易さの観点から、沸点があまり高くない溶媒が使用できる。
前記有機相は、例えば、前記ポリマー、前記化合物ラジカルおよび前記有機溶媒のみを含んでもよいし、さらに、他の成分を含んでもよい。前記他の成分は、特に限定されず、例えば、ブレーンステッド酸、ルイス酸、および酸素(O)等があげられる。前記有機相において、前記他の成分は、例えば、前記有機溶媒に溶解した状態でもよいし、溶解していない状態でもよい。後者の場合、前記他の成分は、例えば、前記有機溶媒に、分散された状態でもよいし、沈殿した状態でもよい。
前記有機相は、前述のように、前記化合物ラジカルを含む。前記化合物ラジカルは、例えば、前記有機相以外で生成させ、前記有機相により抽出することによって、前記有機相に含ませることができる。すなわち、前記反応系が、有機相のみを含む一相反応系の場合、例えば、前記反応系である前記有機相以外で、別途、前記化合物ラジカルを生成させ、生成した前記化合物ラジカルを前記有機相により抽出し、抽出した前記化合物ラジカルを含む前記有機相を、前記反応系として、前記反応工程に供することができる。前記化合物ラジカルの生成は、例えば、後述するように、別途準備した水相中で行うことができる。他方、前記液体反応系が、前記有機相と前記水相とを含む二相系反応系の場合、例えば、前記水相において、前記化合物ラジカルを生成させ、生成した化合物ラジカルを、前記有機相において前記水相から抽出し、前記水相と前記化合物ラジカルを含む有機相とを、前記二相反応系として、前記反応工程に供することができる。
前記ポリマーは、前記有機相中に配置される。前記ポリマーが前記成形体の場合、前記成形体は、例えば、後述する反応処理の効率の点から、例えば、前記有機相中に固定することが好ましい。
(3B−2)水相
前記水相は、例えば、水性溶媒の相である。前記水性溶媒は、例えば、前記有機相で使用する溶媒と分離する溶媒である。前記水性溶媒は、例えば、HO、DO等の水があげられる。
前記水相は、例えば、後述するように、ルイス酸、ブレーンステッド酸、ラジカル発生源等の任意の成分を含んでもよい。前記水相において、これらの任意の成分は、例えば、前記水性溶媒に溶解した状態でもよいし、溶解していない状態でもよい。後者の場合、前記任意の成分は、例えば、前記水性溶媒に、分散された状態でもよいし、沈殿した状態でもよい。
(4) 反応工程
本発明において、前記反応工程は、前記化合物ラジカルの存在下、前記ポリマーを含む前記反応系に光照射する工程である。前記反応系には、前記ポリマーが配置されており、前記光照射によって、前記ポリマーを改質できる。具体的には、本発明によれば、前記化合物ラジカル存在下の光照射で、容易に、前記ポリマーを改質できる。そして、本発明によれば、例えば、前記化合物ラジカルの量や、光照射の時間の長さ等を調整することにより、前記ポリマーの改質の程度(例えば、酸化等の改変の程度)も容易に調整できる。このため、例えば、過剰な酸化等が原因となる前記ポリマーの分解も、防止でき、例えば、前記ポリマーが本来有する特性を損なうことも回避できる。
前記反応工程において、前記ポリマーおよび前記ラジカルを含む前記反応系に光照射すると、光照射された前記化合物ラジカルは、例えば、図1のようになると予測される。図1は、前記化合物ラジカルの一例として、前記酸化物ラジカルである二酸化塩素ラジカル(ClO )を示す。図1は、UCAM-B3LYP/6-311+G(d,p) def2TZVによる計算結果である。図1において、左側は、光照射前の二酸化塩素ラジカル(ClO )分子の状態を表し、右側は、光照射後の状態を表す。図1に示すとおり、光照射前は、塩素原子Clに2つの酸素原子Oがそれぞれ結合し、Cl−Oの結合長は、1.502Å(0.1502nm)である。これに対し、光照射後は、一方の酸素原子Oのみが、塩素原子Clに結合し、Cl−Oの結合長は、2.516Å(0.2516nm)となり、他方の酸素原子は、前記一方の酸素原子に結合した状態となる。これにより、Cl−O結合が切断されて、塩素ラジカル(Cl)および酸素分子(O)が発生すると考えられる。前記ポリマーに対して、前記塩素ラジカルは、水素引き抜き剤として働き、前記酸素分子は、酸化剤として働く。このため、前記塩素ラジカルは、例えば、前記ポリマーの末端、側鎖または主鎖の内部から水素を引き抜いて、前記ポリマー由来のラジカルを発生させ、さらに、前記酸素分子が、前記ポリマー由来のラジカルを酸化して、前記末端、側鎖または主鎖の内部を酸化する。図1は、計算結果による予測の一例であり、本発明をなんら限定しない。
前記反応工程において、前記ポリマーの側鎖がメチル基の場合、メチル基(-CH)は、例えば、ヒドロキシメチル基(−CHOH)、ホルミル基(−CHO)、およびカルボキシル基(−COOH)の少なくともいずれかに酸化される。これは、以下のメカニズムが推測される。すなわち、光照射によって、前記化合物ラジカル(例えば、二酸化塩素ラジカル)から、前記17族元素のラジカル(例えば、塩素ラジカル(Cl))と、前記15族元素または前記16族元素の分子(例えば、酸素分子)が発生する。そして、前記ポリマーのメチル基(−CH)は、前記17族元素のラジカル(例えば、塩素ラジカル(Cl))が水素引き抜き剤として働きメチルラジカル(−CH2・)となり、つぎに、前記15族元素または前記16族元素の分子(例えば、酸素分子(O))が酸化剤として働きヒドロキシメチル基(−CHOH)となる。また、ヒドロキシメチル基(−CHOH)は、さらなる酸化で、ホルミル基(−CHO)、またはカルボキシル基(−COOH)になる。前記ポリマーがポリプロピレン(PP)の場合、例えば、下記式のような酸化が可能である。
Figure 0006931836
前記反応工程において、前記ポリマーの側鎖がエチル基の場合、エチル基(-CHCH)は、例えば、ヒドロキシエチル基(−CHCHOH)、アセトアルデヒド基(−CHCHO)、カルボキシメチル基(−CHCOOH)に酸化される。
前記反応工程において、光照射の条件は、特に制限されない。照射光の波長は、特に限定されず、下限は、例えば、200nm以上であり、上限は、例えば、800nm以下であり、光照射時間は、特に限定されず、下限は、例えば、1分以上であり、上限は、例えば、1000時間であり、反応温度は、特に限定されず、下限は、例えば、0℃以上であり、上限は、例えば、100℃以下、40℃以下であり、範囲は、例えば、0〜100℃、0〜40℃である。反応時の雰囲気圧は、特に限定されず、下限は、例えば、0.1MPa以上であり、上限は、例えば、100MPa以下、10MPa以下、0.5MPa以下、であり、範囲は、例えば、0.1〜100MPa、0.1〜10MPa、0.1〜0.5MPaである。前記反応工程の反応条件としては、例えば、温度0〜40℃、圧力0.1〜0.5MPaが例示できる。本発明によれば、例えば、加熱、加圧、減圧等を行うことなく、常温(室温)および常圧(大気圧)下で、前記反応工程またはそれを含めた全ての工程を行なうこともできる。「室温」とは、特に限定されず、例えば、5〜35℃である。このため、前記ポリマーが、例えば、耐熱性が低いポリマーを含んでいても、適用可能である。また、本発明によれば、例えば、不活性ガス置換等を行うことなく、大気中で、前記反応工程またはそれを含めた全ての工程を行なうこともできる。
前記光照射の光源は、特に限定されず、例えば、太陽光等の自然光に含まれる可視光が利用できる。自然光を利用すれば、例えば、励起を簡便に行うことができる。また、前記光源として、例えば、前記自然光に代えて、または前記自然光に加え、キセノンランプ、ハロゲンランプ、蛍光灯、水銀ランプ等の光源を使用することもできる。前記光照射においては、例えば、さらに、必要波長以外の波長をカットするフィルターを適宜用いることもできる。
また、本発明によれば、前記ポリマーが前記成形体の場合、例えば、前記成形体に対して、任意の領域にのみ光照射を行うことで、所望の領域のみを改質処理することもできる。このような選択的な光照射の制御方法は、特に制限されず、例えば、任意の領域のみに光照射してもよいし、光照射しない領域のみマスキングして、全体に光照射してもよい。
前記反応系が前記液体反応系の場合、前述のように、例えば、前記有機相のみからなる一相反応系でもよいし、前記有機相と前記水相系とを含む二相反応系でもよい。前者の場合、例えば、前記一相反応系に光照射することで、前記反応工程を実施することができる。後者の場合、例えば、有機相のみに光照射してもよいし、前記二相反応系に光照射することで、前記有機相に光照射を行い、前記反応工程を実施することができる。
前記反応系が前記液体反応系の場合、前記反応工程において、前記液体反応系への光照射は、例えば、前記液体反応系に酸素が溶解した状態で行うことが好ましい。前記液体反応系が前記一相系の場合、例えば、前記有機相に酸素が溶解しており、前記液体反応系が前記二相系の場合、例えば、前記有機相および前記水相の少なくとも一方に酸素が溶解しており、好ましくは、前記水相に酸素が溶解している。前記条件での光照射としては、具体例として、例えば、前記液体反応系を空気または酸素ガスに接触させながら光照射する方法、前記液体反応系に空気または酸素ガスを導入しながら光照射する方法等があげられる。前者の方法は、例えば、前述のように前記液体反応系を撹拌することによって、行うことができる。後者の方法は、例えば、前記液体反応系にチューブ等の先端を差し込み、前記チューブを介して、空気または酸素を送り込むこと等によって、行うことができる。前記液体反応系が酸素を含むことにより、例えば、前記ポリマーの改質反応(例えば、酸化反応)をさらに促進することができる。
本発明によれば、前記反応工程において、前記化合物ラジカルの存在下で光照射するのみの極めて簡便な方法で、前記17族元素のラジカル(例えば、塩素原子ラジカルCl)および前記15族元素または前記16族元素の分子(例えば、酸素分子O)を発生させ、前記ポリマーに対する反応(例えば、酸化反応)を行い、前記ポリマーの改質を行うことができる。そして、例えば、常温および常圧等の極めて温和な条件下でも、そのような簡便な方法で、前記ポリマーを効率よく変化させて、改質を行うことができる。
本発明によれば、例えば、有毒な重金属触媒等を用いずに、前記ポリマーが改質された改質ポリマーを得ることが出来る。このため、前述のように、例えば、極めて温和な条件下で反応が行えることと併せ、環境への負荷がきわめて小さい方法で、前記ポリマーの改質を効率よく得ることもできる。
ポリマーの酸化方法として、従来、パーオキサイドを用いて、PEやPP等のポリマーに対して、マレイン酸またはアクリル酸等の化合物を付加する方法が知られている。しかしながら、これらの化合物は、PE、PPの架橋反応や分解反応等を伴うため、数重量%程度での導入にとどまり、実用化においては導入率が低い。これに対して、本発明によれば、前記従来の方法よりも、相対的に、前記ポリマーに対する酸化される部位の含有率を、相対的に向上することもできる。
(6) 化合物ラジカル生成工程
本発明は、例えば、さらに、前記化合物ラジカルを生成させる化合物ラジカル生成工程を含んでもよい。本発明において、前記化合物ラジカル生成工程は、例えば、前記反応工程の前または前記反応工程と同時に行うことができる。前記化合物ラジカルの生成方法は、特に制限されない。
前記化合物ラジカル生成工程は、例えば、ラジカル生成用反応系を使用して、前記化合物ラジカルを発生させてもよい。前記ラジカル生成用反応系は、例えば、前記化合物ラジカルを生成させた後、そのまま、前記反応工程における前記液体反応系として使用することもできる。以下、前記生成用反応系を、前記反応工程における前記液体反応系として利用する形態を示すが、これには制限されない。
前記反応系が前記液体反応系であり、前述のように、前記水相を含む反応系である場合、例えば、前記水相が、前記化合物ラジカルの発生源を含み、前記化合物ラジカル生成工程において、前記化合物ラジカルの発生源から前記化合物ラジカルを生成させてもよい。前記水相は、例えば、前記化合物ラジカルの発生源を含む水性溶媒の相であり、前記水性溶媒は、前述と同様である。前記水相で発生した前記化合物ラジカルが疎水性の場合、例えば、前記有機相と前記水相とを含む二相反応系とすることで、前記化合物ラジカルを前記有機相に移行できる。また、前述のように、前記反応工程を前記気体反応系で行う場合、前記化合物ラジカルの生成用反応系は、例えば、水相のみでもよいし、水相と有機相との二相反応系のいずれでもよい。前記化合物ラジカルが疎水性の場合、例えば、前記水相で発生した直接、前記気相に移行できることから、前記生成用反応系は、前記水相のみでもよい。
前記化合物ラジカルの発生源は、特に制限されず、例えば、前記化合物ラジカルの種類によって、適宜選択できる。前記化合物ラジカルの発生源は、例えば、1種類のみを用いてもよく、複数種類を併用してもよい。
前記化合物ラジカルが前記16族元素と前記17族元素とを含むラジカルの場合、前記化合物ラジカルとしては、例えば、前記ハロゲンの酸化物ラジカルがあげられる。この場合、前記発生源は、例えば、前記化合物ラジカルに対応する、前記16族元素と前記17族元素とを含む化合物があげられる。具体例として、例えば、亜ハロゲン酸(HXO)またはその塩があげられる。前記亜ハロゲン酸の塩は、特に限定されず、例えば、金属塩があげられる。前記金属塩は、例えば、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、希土類塩等があげられる。前記化合物ラジカルが前記二酸化塩素ラジカルの場合、その発生源は、特に限定されず、例えば、亜塩素酸(HClO)またはその塩であり、具体的には、例えば、亜塩素酸ナトリウム(NaClO)、亜塩素酸リチウム(LiClO)、亜塩素酸カリウム(KClO)、亜塩素酸マグネシウム(Mg(ClO)、亜塩素酸カルシウム(Ca(ClO)等があげられる。これらの中でも、コスト、取扱い易さ等の観点から、亜塩素酸ナトリウム(NaClO)が好ましい。なお、例えば、他の化合物ラジカルの発生源についても、同様の方法が採用できる。具体的な他の発生源としては、例えば、亜臭素酸ナトリウム等の臭素酸塩類、亜要素酸ナトリウム等の亜ヨウ素酸塩類等があげられる。
前記水相において、前記発生源の濃度は、特に限定されない。前記発生源が前記化合物の場合、その濃度は、前記化合物イオン濃度に換算した場合、例えば、下限が0.0001mol/L以上であり、上限が、1mol/L以下であり、また、その濃度は、前記化合物イオンのモル数に換算した場合、例えば、下限が、前記原料のモル数の1/100000倍以上であり、上限が、1000倍以下である。前記発生源が亜ハロゲン酸または亜ハロゲン酸塩(例えば、亜塩素酸または亜塩素酸塩)の場合、その濃度は、亜ハロゲン酸イオン(例えば、亜塩素酸イオン(ClO ))濃度に換算した場合、例えば、下限が0.0001mol/L以上であり、上限が、1mol/L以下である。また、前記発生源の濃度は、亜ハロゲン酸イオン(例えば、亜塩素酸イオン(ClO ))のモル数に換算した場合、例えば、下限が、前記原料のモル数の1/100000倍以上であり、上限が、1000倍以下である。他の発生源についても、例えば、前記濃度が援用できる。
前記水相は、例えば、さらに、ルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方を含んでもよい。前記水相は、例えば、前記ルイス酸および前記ブレーンステッド酸の一方のみを含んでもよいし、両方を含んでもよいし、1つの物質が、前記ルイス酸および前記ブレーンステッド酸の両方を兼ねていてもよい。前記ルイス酸または前記ブレーンステッド酸は、1種類のみを用いてもよいし、複数種類を併用してもよい。本発明において、「ルイス酸」は、例えば、前記化合物ラジカルの発生源に対してルイス酸として働く物質をいう。
前記水相において、前記ルイス酸および前記ブレーンステッド酸の少なくとも一方の濃度は、特に限定されず、例えば、前記改質対象のポリマーの種類等に応じて、適宜設定できる。前記濃度は、例えば、下限が0.0001mol/L以上であり、上限が1mol/L以下である。
前記ルイス酸は、特に制限されず、例えば、有機物質でもよく、無機物質でもよい。前記有機物質は、例えば、アンモニウムイオン、有機酸(例えば、カルボン酸)等があげられる。前記無機物質は、例えば、金属イオン、非金属イオンがあげられ、いずれか一方を含んでもよいし、両方を含んでいてもよい。前記金属イオンは、例えば、典型金属イオン、遷移金属イオンがあげられ、いずれか一方を含んでもよいし、両方を含んでもよい。前記無機物質は、例えば、アルカリ土類金属イオン(例えば、Ca2+等)、希土類イオン、Mg2+、Sc3+、Li、Fe2+、Fe3+、Al3+、ケイ酸イオン、およびホウ酸イオン等があげられ、いずれか一種類を含んでもよいし、二種類以上を含んでもよい。前記アルカリ土類金属イオンは、例えば、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、またはラジウム等のイオンがあげられ、具体的には、例えば、Ca2+、Sr2+、Ba2+、およびRa2+があげられる。「希土類」は、スカンジウム21Scおよびイットリウム39Yの2元素、ならびに、ランタン57Laからルテチウム71Luまでの15元素(ランタノイド)の計17元素の総称である。希土類イオンは、例えば、前記17元素のそれぞれに対する3価の陽イオンがあげられる。前記ルイス酸のカウンターイオンは、特に制限されず、例えば、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CFSO 、またはOTfとも表記する)、トリフルオロ酢酸イオン(CFCOO)、酢酸イオン、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、硫酸イオン、硫酸水素イオン、亜硫酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン、リン酸イオン、亜リン酸イオン等があげられる。前記ルイス酸は、例えば、スカンジウムトリフレート(Sc(OTf))等でもよい。
前記ルイス酸(カウンターイオンも含む)は、例えば、AlCl、AlMeCl、AlMeCl、BF、BPh、BMe、TiCl、SiF、SiCl等があげられ、いずれか一種類でもよいし、二種類以上を含んでもよい。「Ph」は、フェニル基を表し、「Me」は、メチル基を表す。
前記ルイス酸のルイス酸性度は、特に制限されず、例えば、0.4eV以上である。前記ルイス酸性度の上限値は、特に限定されず、例えば、20eV以下である。前記ルイス酸性度は、例えば、Ohkubo, K.; Fukuzumi, S. Chem. Eur. J., 2000, 6, 4532、J. AM. CHEM. SOC. 2002, 124, 10270-10271、またはJ. Org. Chem. 2003, 68, 4720-4726に記載の方法により測定でき、具体的には、下記の方法により測定できる。
(ルイス酸性度の測定方法)
下記化学反応式(1a)に示すコバルトテトラフェニルポルフィリン(CoTPP)飽和Oおよびルイス酸性度の測定対象物(例えば、金属等のカチオンであり、下記化学反応式(1a)ではMn+で表される)を含むアセトニトリル(MeCN)について、室温において、紫外可視吸収スペクトル変化の測定をする。得られた反応速度定数(kcat)から、ルイス酸性度の指標であるΔE値(eV)を算出できる。kcatの値は、相対的に大きいほど、相対的に強いルイス酸性度を示す。また、有機化合物のルイス酸性度は、例えば、量子化学計算によって算出される最低空軌道(LUMO)のエネルギー準位から見積もることもできる。前記エネルギー順位は、正側に大きい値であるほど強いルイス酸性度を示す。
Figure 0006931836
前記ブレーンステッド酸は、特に限定されず、例えば、無機酸でもよいし、有機酸でもよく、具体例として、例えば、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロ酢酸、酢酸、フッ化水素酸、塩化水素酸、臭化水素酸、ヨウ化水素酸、硫酸、亜硫酸、硝酸、亜硝酸、リン酸、亜リン酸等があげられる。前記ブレーンステッド酸の酸解離定数pKは、例えば、10以下である。前記pKの下限値は、特に限定されず、例えば、−10以上である。
前記水相は、例えば、前記化合物イオンとブレーンステッド酸とを含み、例えば、前記化合物とブレーンステッド酸(例えば塩酸)とが水性溶媒に溶解した水相であることが好ましい。具体例として、前記化合物ラジカルが二酸化塩素ラジカルの場合、前記水相は、例えば、亜塩素酸イオン(ClO )とブレーンステッド酸とを含み、例えば、前記亜塩素酸ナトリウム(NaClO)とブレーンステッド酸(例えば塩酸)とが水性溶媒に溶解した水相であることが好ましい。
前記水相において、例えば、前記ルイス酸、前記ブレーンステッド酸、前記ラジカル発生源等は、前記水性溶媒に溶解した状態でもよいし、溶解していない状態でもよい。後者の場合、これらは、例えば、水性溶媒に、分散した状態でもよいし、沈殿した状態でもよい。
前記水相は、例えば、酸素(O)が溶解した状態であることが好ましい。前記水相への前記酸素(O)の溶解は、特に制限されず、例えば、前記化合物ラジカルの発生前でもよいし、発生後でもよく、また、前記反応工程前または前記反応工程中でもよい。具体例としては、例えば、前記化合物ラジカルの発生源、前記ルイス酸、前記ブレーンステッド酸等を加える前または加えた後、前記水相および前記有機相の少なくとも一方に、空気または酸素ガスを吹き込むことにより、酸素を溶解させてもよい。前記水相および前記有機相の少なくとも一方は、例えば、酸素(O)で飽和させてもよい。前記水相および前記有機相の少なくとも一方が酸素を含むことによって、例えば、前記反応工程において、前記ポリマーの改質(例えば、前記ポリマーの酸化等)をより促進することができる。
前記化合物ラジカル生成工程は、特に限定されず、例えば、前記水性溶媒に前記化合物ラジカルの発生源を含有させることによって、前記化合物イオン(例えば、亜塩素酸イオン)から前記化合物ラジカル(例えば、二酸化塩素ラジカル)を自然発生させることができる。前記水相は、例えば、前記発生源が前記水性溶媒に溶解していることが好ましく、また、静置させることが好ましい。前記化合物ラジカル生成工程において、前記水相は、例えば、さらに、前記ルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方を共存させることによって、前記化合物ラジカルの発生を、さらに促進できる。前記化合物ラジカル生成工程は、例えば、前記水相に光照射を施すことで、前記化合物ラジカルを発生させることもできるが、光照射せずに、例えば、単に静置するのみでも、前記化合物ラジカルを発生させることができる。前記反応系における前記水相中の前記発生源から発生した前記化合物ラジカルは、水に難溶であるため、前記反応系における前記有機相中に溶解する。
前記水相において、前記化合物イオンから前記化合物ラジカルが発生するメカニズムは、例えば、下記スキーム1のように推測される。下記スキームでは、前記化合物イオンとして亜塩素酸イオン、前記化合物ラジカルとして二酸化塩素ラジカルを、具体例としてあげる。下記スキーム1は、推測されるメカニズムの一例であり、本発明をなんら限定しない。下記スキーム1において、第1の(上段の)反応式は、亜塩素酸イオン(ClO )の不均化反応であり、水相にルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方が存在することで、平衡が右側に移動しやすくなると考えられる。下記スキーム1において、第2の(中段の)反応式は、二量化反応であり、前記第1の反応式で生成した次亜塩素酸イオン(ClO)と亜塩素酸イオンとが反応して、二酸化二塩素(Cl)を生成する。この反応は、水相にプロトンHが多いほど、すなわち酸性であるほど、進行しやすいと考えられる。下記スキーム1において、第3の(下段の)反応式は、ラジカル生成である。この反応では、前記第2の反応式で生成した二酸化二塩素が、亜塩素酸イオンと反応して、二酸化塩素ラジカルを生成する。
Figure 0006931836
前記反応系が前記液体反応系であり、前記有機相と前記水相とを含む二相反応系である場合、前述のようにして、前記化合物ラジカルを発生させた後、前記液体反応系を、そのまま前述の反応工程に供すればよい。すなわち、前記化合物ラジカルを発生させた前記液体反応系について、さらに、光照射を行うことによって、前記ポリマーを改質する前記反応工程を行うこともできる。この場合、例えば、前記液体反応系に光照射を行うことで、前記化合物ラジカル生成工程と前記反応工程とを連続的に行うこともできる。本発明において、前記二相反応系で、前記化合物ラジカル生成工程と前記反応工程とを行うことにより、例えば、より良い反応効率が得られる。
他方、前述の反応工程における前記反応系が、前記液体反応系であり、前記有機相のみを含む一相反応系である場合、例えば、前記方法により前記水相で前記化合物ラジカルを発生させ、発生した前記化合物ラジカルを前記有機相に溶解(抽出)させた後、前記水相を除去し、前記化合物ラジカルを含む前記有機相を、前記一相反応系として、前記反応工程に供すればよい。
図2に、前記二相反応系を用いた、前記化合物ラジカル生成工程および前記反応工程の一例を模式的に示す。図2において、前記化合物ラジカルとして前記二酸化塩素ラジカル、前記ポリマーとして前記成形体を、具体例として示すが、本発明は、これらの例には、何ら制限されない。図2に示すとおり、前記反応系は、反応容器中において、水層(前記水相)と有機層(前記有機相)との二層が分離し、互いに界面のみで接触している。上層が、水層(前記水相)2であり、下層が、有機層(前記有機相)1である。図2は、断面図であるが、見やすさのために、水層2および有機層1のハッチは、省略している。図2に示すとおり、水層(水相)2中の亜塩素酸イオン(ClO )が酸と反応して、二酸化塩素ラジカル(ClO )が発生する。二酸化塩素ラジカル(ClO )は、水に難溶であるため、有機層1に溶解する。つぎに、二酸化塩素ラジカル(ClO )を含む有機層1に光照射し、光エネルギーhν(hはプランク定数、νは光の振動数)を与えることで、有機層1中の二酸化塩素ラジカル(ClO )が分解して、塩素ラジカル(Cl)および酸素分子(O)が発生する。これにより、有機層(有機相)1中のポリマー成形体が酸化され、表面が改質される。図2は例示であって、本発明をなんら限定しない。
図2では、水層2が上層で、有機層1が下層であるが、例えば、有機層1の方が、密度(比重)が低い場合は、有機層1が上層になる。前記ポリマーが前記成形体の場合、例えば、上層の有機層中に前記ポリマー成形体が配置されるように、前記反応容器中において固定化してもよい。この場合、前記ポリマー成形体を固定する固定部は、例えば、前記反応容器中に設けてもよいし、前記反応容器の外部に設けてもよい。後者の場合、例えば、外部から前記ポリマー成形体を吊るし、前記有機層中に浸漬させる形態等があげられる。
図2では、前記二相反応系を例示したが、本発明の製造方法において、前記反応工程は、有機相のみの一相反応系で行ってもよい。この場合、例えば、前記化合物ラジカルの発生源を含む水相を別途準備し、前記水相で前記化合物ラジカルを生成させた後、前記水相に前記有機相を混合し、前記水相の前記化合物ラジカルを前記有機相に溶解(抽出)させる。そして、前記水相と前記有機相とを分離し、前記有機相を回収し、前記ポリマーを配置し、これを一相反応系として、単独で、前記化合物ラジカルの存在下、前記光照射による前記反応工程を行なう。
本発明の改質方法は、例えば、さらに、前記ポリマーにおける変化した部位に、官能基を導入する工程を含んでもよい。前記ポリマーにおける変化した部位(改変部位)は、例えば、前述のような元素が導入された部位、具体例として、酸化された部位等があげられる。
本発明の改質方法によれば、前述のように、前記反応工程により、前記ポリマーを改変させたり、さらに、官能基化することによって、前記ポリマーの物性を変えることができる。
本発明の改質方法によれば、例えば、さらに官能基を導入することによって、様々な機能を、前記ポリマーに付与することができる。
本発明の改質方法によれば、例えば、前記官能基化によって、物性を変化させることができる。前記官能基化として、例えば、薬剤を前記ポリマーに付与する形態があげられる。このように、前記ポリマーの物性を変化させることによって、例えば、デリバリー材料、除放材料、iPS細胞等の細胞の培養部品等への利用の用途を広げることができる。
本発明の改質方法によれば、前述のような物性の変化によって、例えば、前記ポリマーの抽出、前記ポリマーの分解を可能にすることができる。
本発明の改質方法によれば、例えば、前記官能基化によって、前記ポリマーを、超撥水性、超親水性、導電性、絶縁性、発光性、屈折性等に改質することも可能になる。本発明の界面改質方法によれば、例えば、前記官能基化によって、前記ポリマーの性質の程度を強化または弱化することも可能になる。前記性質としては、例えば、撥水性、親水性、導電性、絶縁性、発光性、屈折性等である。
本発明の改質方法によれば、例えば、様々な分野において、使用されるポリマーを、所望の性質に改質することが可能になる。具体例として、まず、有機EL(エレクトロルミネッセンス)の分野があげられる。この場合、前記ポリマーについて、例えば、絶縁性から導電性に改質したり、導電性の程度を強化または弱化することが可能であり、前記ポリマーとしては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が例示できる。また、前記ポリマーについて、例えば、発光分子の導入等により発光性を導入することが可能であり、前記ポリマーとしては、例えば、ポリカーボネート(PC)、非晶ポリアリレート等のポリアリレート(PAR)、ポリエーテルスルホン酸(PES)等があげられる。また、前記ポリマーが前記成形体の場合、前記成形体を、例えば、発光層または正孔層に改質することが可能であり、前記ポリマーとしては、前記発光層の場合、例えば、ポリパラフェニレンビニレン(PPV)、ポリチオフェン(PAT)、ポリフルオレン(PF)、ポリパラフェニレン(PPP)等があげられ、前記正孔層の場合、例えば、PEDOT/PSS、ポリアニリン/PSS等があげられる。
また、前記分野としては、例えば、カメラ、ムービー、CDまたはDVD等のプレーヤ、投射型テレビ等のテレビ、コンタクトレンズ、眼鏡、血液分析セル等のセル、LEDレンズ等のカバー等の光学的な分野もあげられる。また、前記分野としては、例えば、再生医療の分野等もあげられる。
つぎに、本発明のポリマーの第2の改質方法は、前述のように、化合物の存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、前記化合物が、15族元素および16族元素からなる群から選択された一つの元素と、17族元素と、1族元素とを含む化合物であることを特徴とする。
本発明の第2の改質方法は、前記化合物の存在下で、前記反応系中のポリマーに光照射すればよく、これによって、前記ポリマーを改質できる。本発明は、前記化合物存在下で光照射すればよく、例えば、前記本発明の第1の改質方法のように、前記化合物ラジカルの発生の有無は、特に制限されない。本発明の第2の改質方法は、特に示さない限り、本発明の第1の改質方法の記載を援用できる。
本発明の第2の改質方法において、例えば、前記15族元素が、NおよびPの少なくとも一方であり、前記16族元素が、O、S、Se、およびTeからなる群から選択された少なくとも一つであり、前記17族元素が、F、Cl、Br、およびIからなる群から選択された少なくとも一つであり、前記1族元素が、H、Li、Na、K、Rb、およびCsからなる群から選択された少なくとも一つである。
本発明の第2の改質方法は、例えば、さらに、前記化合物の生成工程を含み、前記生成工程において、前記15族元素および16族元素からなる群から選択された一つの元素と、前記17族元素とを含む化合物イオンに、1族元素を含むルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方を作用させる。
本発明の第2の改質方法において、前記反応工程は、前記化合物の存在下で光照射を行う以外は、例えば、前記第1の改質方法における前記反応工程と同様である。
つぎに、本発明の製造方法は、前述のように、改質ポリマーの製造方法であり、ポリマーを改質する改質工程を含み、前記改質工程において、前記本発明の改質方法により、前記ポリマーを改質することを特徴とする。前記本発明の製造方法における前記改質方法は、例えば、前記第1の改質方法または前記第2の改質方法である。本発明の製造方法は、前記本発明の改質方法により前記ポリマーを改質することが特徴であり、その他の工程および条件は、特に制限されない。本発明の製造方法は、本発明の改質方法の記載を援用できる。
本発明の改質方法、および、それを用いた本発明の製造方法は、新たな方法である。
本発明の改質ポリマーは、前述のように、ポリマーが、15族元素および16族元素からなる群から選択された少なくとも1つの元素(α)と、17族元素(β)とを含み、
XPS法で特定される前記ポリマー中の水素とヘリウムとを除く全元素に対する前記元素(α)%[Cα]と、前記ポリマー中の水素とヘリウムとを除く全元素に対する前記元素(β)%[Cβ]との比が、下記条件を満たす部位を含むことを特徴とする。
5000≧[Cα]/[Cβ]>0
本発明の改質ポリマーは、例えば、本発明のポリマーの改質方法および本発明の改質ポリマーの製造方法により得ることができる。
本発明におけるXPS法は、後述する実施例にも開示するが、市販装置(製品名AXIS−NOVA、KmtoS社製)を使用し、測定条件は、X線源として、単色化 AIKa (1486.6ev)を使用し、分析領域は、300μm×700μm(設定値)の測定条件で行われる。また、この測定方法により、本発明の改質ポリマーにおける、周期律表の15族元素、16族元素、17族元素の含有率が特定される。本発明の改質ポリマーが、前述のように、成形体等の固体形状である場合、XPS測定は、その表面に対して行われる。この場合、本発明の改質ポリマーは、その表面の一部、または全部が、XPS測定で特定される前記の要件を満たすことを特徴とする。本発明の固体状の改質ポリマーが、前述の15族元素、16族元素および17族元素の含有率に係る規定を満たす部位は、その表面の一部であればよいが、好ましくは全表面積の0.1%以上、より好ましくは1%以上、更に好ましくは5%以上、特に好ましくは7%以上あればよい。もちろん、本発明の改質ポリマーにおいて、前記規定を満たす部位の割合の上限値は、100%(すなわち全面)である。
一方、本発明の改質ポリマーが、前述のように液状の場合、表面と言う概念が無い形状であるため、例えば、キャスト法やスピンコート法等により、薄いフィルム様の検体を作製し、これを、前記条件でXPS測定することにより、周期律表の15族元素、16族元素、および17族元素の含有率が特定される。
なお、XPSの測定結果は、得られるスペクトルチャートの情報から、常法により特定する。例えば、一種の元素に対して2群以上の位置にピークが観測されることがあるが、この場合は、高エネルギー側のピークを前記改質ポリマー由来のピークと見做して、含有率が決定される。
本発明の改質ポリマーは、前記条件を満たすことから、例えば、効率的に、優れた導入率で官能基等を導入できる。本発明の改質ポリマーは、前記条件を満たすことによって、例えば、様々な特性を発現させることができる。また、本発明の改質ポリマーが有する17族元素(β)は、例えば、高い反応性または特異的な反応性を有するため、その性質を利用することで、本発明の改質ポリマーを出発物質として、様々な改質方法を適用することによって、さらに、特性を改質させた有用な改質ポリマーに変化させることもできる。なお、これには制限されず、本発明の改質ポリマーが有する15族元素または16族元素(α)を、さらに反応させて、他の構造に改変することも可能である。
本発明の改質ポリマーは、前述のように、前記記元素(α)%と、前記元素(β)%との比が、前記条件を満たし、さらに、例えば、従来のポリマーと比較して、前記元素(α)および前記元素(β)を相対的に高い割合で含むことが好ましい。この場合、本発明の改質ポリマーは、様々な用途に対する素材として、さらに有用であると言える。
本発明の改質ポリマーは、例えば、前記元素(α)%[Cα]が、15族元素および16族元素に属する全元素の合計%であり、前記元素(β)%[Cβ]が、17族元素に属する全元素の合計%であり、[Cα]/[Cβ]は、これらの全元素%から求めた比であり、且つ、前記条件を満たすことが好ましい。15族元素、16族元素および17族元素は、本発明の改質方法における記載を援用できる。
「元素%」とは、ポリマーを構成する元素のうち水素とヘリウムとを除く全元素を100%とした場合における、所定の元素の割合を意味し、具体的には、前記ポリマーのX線光電子分光法による分析で算出される、水素およびヘリウム以外の全元素中における各元素の存在個数の割合を示す指標である。
本発明において、「元素(α)%」は、本発明の改質ポリマーを構成する全元素(水素とヘリウムとを除く)を100%とした場合における、15族元素および16族元素からなる群から選択された少なくとも一つの元素の割合(%)であり、具体的には、15族元素および16族元素に属する全元素の割合(%)であることが好ましい。「元素(β)%」は、本発明の改質ポリマーを構成する全元素(水素とヘリウムを除く)を100%とした場合における、17族元素の割合(%)であり、具体的には、17族元素に属する全元素の割合(%)であることが好ましい。
本発明の改質ポリマーにおいて、[Cα]/[Cβ]は、その下限が、前述のように、0を超え、例えば、0.01以上、0.1以上、0.5以上が好ましく、その上限が、前述のように、5000以下であり、例えば、100以下、20以下であることが好ましい。その範囲は、前述のように、0を超え5000以下、例えば、0.1〜5000、0.1〜100、0.1〜20、0.5〜5000、0.5〜100、0.5〜20を好ましい例としてあげることができる。前記改質ポリマーは、5000≧[Cα]/[Cβ]>0の条件を外れると、例えば、15族元素および16族元素(元素(α))と17族元素(元素(β))との含有率のバランスが崩れる(ずなわち、元素(α)および元素(β)のいずれかの含有率が、相対的に極端に高くなる)ため、さらなる変性等により機能を付与する際に自由度が狭くなる場合がある。
本発明の改質ポリマーにおいて、[Cα]値(単位:元素%)は、その下限が、例えば、1元素%以上、2元素%以上、3元素%以上、4元素%以上が好ましく、その上限が、例えば、50元素%以下、30元素%以下、10元素%以下が好ましく、その範囲は、例えば、1〜50元素%、1〜30元素%、1〜10元素%、2〜50元素%、2〜30元素%、2〜10元素%、3〜50元素%、3〜30元素%、3〜10元素%、4〜50元素%、4〜30元素%、4〜10元素%が好ましい。
本発明の改質ポリマーにおいて、[Cβ]値(単位:元素%)は、
その下限が、例えば、0.01元素%以上、0.02元素%以上、0.05元素%以上、0.5元素%以上であることが好ましい。また、その上限が、例えば、50元素%以下、40元素%以下、15元素%以下、10元素%以下であることが好ましい。また、その範囲は、例えば、0.01〜50元素%、0.01〜40元素%、0.01〜15元素%、0.01〜10元素%、0.02〜50元素%、0.02〜40元素%、0.02〜15元素%、0.02〜10元素%、0.05〜50元素%、0.05〜40元素%、0.05〜15元素%、0.05〜10元素%、0.5〜50元素%、0.5〜40元素%、0.5〜15元素%、0.5〜10元素%であることが好ましい。
本発明の改質ポリマーにおいて、[Cα]値および[Cβ]値が、前述の範囲であれば、例えば、さらなる変性等により機能を付与する際に、自由度が十分に確保できる。
従来、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリマーの改質方法としては、例えば、無水マレイン酸を、ラジカル反応を用いて導入する方法が知られている。しかし、このような従来の方法は、例えば、事業的に好適な条件では、前記ポリマーにおける架橋反応や分解反応が併発することが有り、改質ポリマーにおける無水マレイン酸の導入率は、数重量%程度に留まる例が多い。本発明のポリマーの官能基の導入率は、この様な例と同等かそれ以上であることが好ましい。
本発明の改質ポリマーにおいて、前記元素(α)および前記元素(β)は、それぞれ、例えば、官能基として含まれてもよい。前記元素(α)を含む官能基は、例えば、水酸基、カルボニル基、アミノ基等が例示でき、前記元素(β)を含む官能基は、例えば、塩素基、臭素基、ヨウ素基、塩化アルキル基、臭化アルキル基、ヨウ化アルキル基等が例示できる。
本発明の改質ポリマーにおいて、前記元素(α)および前記元素(β)が含まれるポリマー(ポリマー骨格ともいう)は、例えば、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有するポリマーである。前記ポリマーは、例えば、前述のような、ポリオレフィン等があげられ、前記ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等が例示できる。
本発明の改質ポリマーは、例えば、固体状の場合、未成形体でもよいし、成形体でもよい。また、他のポリマーと併用してもよい。また、本発明の改質ポリマーは、前記の通り、液状であってもよい。本発明の改質ポリマーは、例えば、他の液状ポリマーと組み合わせて用いてもよい。もちろん、本発明の改質ポリマーは、例えば、前記固体状の成形体と前記液状ポリマーとを組み合わせて用いてもよい。本発明の改質ポリマーの形態は、例えば、本発明の改質方法における記載を援用できる。
本発明の改質ポリマーは、前述のように、例えば、本発明の改質方法によって製造でき、前述のように、基材となるポリマーに対して、15族元素および16族元素から選択される元素と17族元素とを含むラジカルを反応させることで得ることができる。ここで、前記基材となるポリマーと、得られる前記改質ポリマーとは、例えば、以下の関係を満たすことが好ましい。
すなわち、XPS法で測定される前記基材ポリマー中の全元素に対する、15族元素および16族元素からなる群から選択された少なくとも1つの元素(α)の元素含有率を元素%「Cα」とし、XPS法で測定される前記基材ポリマー中の全元素に対する前記17族元素(β)の元素含有率を元素%[Cβ]とした場合、前記改質ポリマーは、以下の2つの条件を満たすことが好ましい。以下の2条件は、本発明の改質方法において、15族元素および16族元素から選ばれる元素の方が、前記基材ポリマー中に導入され易い態様が好ましいことを示している。
([Cα]−[Cα])/([Cβ]−[Cβ])>1
[Cβ]−[Cβ]>0
本発明において、([Cα]−[Cα])/([Cβ]−[Cβ])値は、下限値が、例えば、1.5以上、2以上であることが好ましい。一方、上限値が、例えば、50以下、20以下、10以下、8以下であることが好ましい。その範囲は、例えば、1を超え50以下、1を超え20以下、1を超え10以下、1を超え8以下、1.5〜50、1.5〜20、1.5〜10、1.5〜8、2〜50、2〜20、2〜10、2〜8であることが好ましい。
つぎに、本発明の物性改質方法は、前述のように、ポリマーの物性の改質方法であり、ポリマーの物性を改質する改質工程を含み、前記改質工程において、前記本発明の改質方法により、前記ポリマーを改質して、物性を改質することを特徴とする。前記本発明の物性改質方法における前記改質方法は、例えば、前記第1の改質方法または前記第2の改質方法である。本発明の物性改質方法は、前記本発明の改質方法により前記ポリマーを改質することが特徴であり、その他の工程および条件は、特に制限されない。本発明の改質方法は、本発明の改質方法の記載を援用できる。
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は、以下の実施例には限定されない。
[実施例A]
実施例Aとして、液体反応系を用いた改質方法を行った。
[実施例A1]
有機相として、フルオラス溶媒(CF(CFCF)を使用した。一方、前記二酸化ラジカルの発生源である亜塩素酸ナトリウム(NaClO)と、酸であるHClを、水性溶媒(DO、Dは重水素)に溶かし、得られた水溶液を酸素ガス(O)で飽和させ、水相を調製した。前記水相において、亜塩素酸ナトリウムの終濃度は、500mmol/Lとし、HClの終濃度は、500mmol/Lとした。前記水相25mLと前記有機相25mLとを、同一の反応容器中に入れ、接触させて二相反応系とした。前記二相反応系において、前記フルオラス溶媒の有機相は、下層であり、前記水相は、上層となった。そして、前記反応容器中に、ポリプロピレンフィルム(カネカ社製)を投入した。前記フィルムは、前記下層の有機相に沈んだ状態となった。前記フィルムの大きさは、長さ20mm×幅20mm×厚み0.1mmであった。そして、大気中、前記二相反応系に、加圧および減圧を行なわず、室温(約25℃)条件下、波長λ>290nmのキセノンランプ(ウシオ社製 500W、パイレックス(登録商標)ガラスフィルター装着)で、3時間、光照射した。光照射は、前記有機相の上部から、前記有機相中の前記フィルムの上側の全表面に行った。
そして、光照射後、前記フィルムにおける光照射した表面について、IRを行った。また、比較例として、光照射前に、前記フィルムについて、予め、同様にIRを行った。この結果を、図3に示す。図3において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図3(B)に示すように、光照射によって、光照射前の図3(A)には見られなかった水酸基(-OH)、およびカルボキシル基(−COOH)に含まれるカルボニル基(−C(=O)−)を示すピークが確認できた。この結果から、ポリプロピレンフィルムにおいて、ポリマーの側鎖のメチル基がヒドロキシメチル基(−CHOH)およびカルボキシメチル基(−CHCOOH)に酸化され、前記フィルムの表面が改質されていることが確認された。飽和炭化水素基の中でもメチル基は極めて反応性が低い基であることから、他の飽和炭化水素基(エチル基、プロピル基、フェニル基等)についても、酸化が可能であることは明らかである。
なお、前記実施例1では、二相反応系で、二酸化塩素ラジカルを発生させ、さらにポリマーフィルムの酸化を行った。前記反応系における二酸化塩素ラジカルの発生は、EPR(電子スピン共鳴)により確認済みである。前記EPRの結果を、図4に示す。
[実施例B]
実施例Bとして、気相反応系を用いた改質処理を行った。
[実施例B1]
フルオラス溶媒(CF(CFCF)4mLと、水(HO)2mLと、亜塩素酸ナトリウム(NaClO)90mgと、35%塩酸(HCl)20μLとを、同一の反応容器に入れ、5分間撹拌した。前記反応容器を静置し、下から、フルオラス溶媒の有機相、水相、気相に分離させた。そして、前記有機相が黄色になったこと、さらに、前記気相に白色ガスが発生したことを確認した。二酸化塩素ラジカルは、前記水相で発生し、より安定な前記有機相(フルオラス溶媒)に溶解する。つまり、前記有機相の黄色変化は、二酸化塩素ラジカルの発生を意味することから、本実施例において、二酸化塩素ラジカルの発生が確認できた。そして、二酸化塩素ラジカルは、前記有機相への溶解が限界量を超えると、前記気相へと、白色ガスとして流出する。つまり、前記気相における白色ガスの発生は、前記気相における二酸化塩素ラジカルの存在を意味することから、本実施例において、前記気相において二酸化塩素ラジカルが存在することを確認できた。
つぎに、前記反応容器中に、ポリエチレンプレート(品番:2-9217-01、アズワン社)を投入した。前記ポリエチレンプレートの大きさは、長さ50mm×幅15mm×厚み1mmとした。前記反応容器に、前記ポリエチレンプレートを投入した状態の概略図を、図5に示す。図5に示すように、反応容器4内において、有機相1、水相2、気相3は、この順序で分離され、ポリエチレンプレート5は、下部が有機相1に浸漬し、上部が気相3に暴露された状態とした。そして、前記反応容器は、その上部に蓋をすることなく、開放系とし、大気中、前記反応容器内に加圧および減圧を行なわず、室温(約25℃)条件下、波長λ>290nmのキセノンランプ(ウシオ社製 500W、パイレックス(登録商標)ガラスフィルター装着)で、光照射した。前記光照射の間、前記気相には、たえず白色ガスが発生し、二酸化塩素ラジカルが、前記水相にて発生し、前記有機相への溶解の限界量を超え、前記気相に流出していることが確認された。前記ポリエチレンプレートへの光照射は、前記反応容器内の前記気相に暴露された前記ポリエチレンプレートの表面に対して行った。具体的には、前記ポリエチレンプレートの表面に対して、25cmの距離から、前記表面に垂直となるように平行光を照射した。そして、光照射開始から30分後に、前記有機相の黄色の着色が消失したことをもって、反応終了とした。
そして、前記光照射後、前記ポリエチレンプレートにおける光照射した表面について、赤外分光法(Infrared Spectroscopy:IR)を行った。また、比較例として、光照射前に、前記ポリエチレンプレートについて、予め、同様にIRを行った。IRは、製品名:FT/IR−4700(日本分光株式会社製)を使用した。この結果を、図6に示す。図6において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図6(B)に示すように、光照射によって、光照射前の図6(A)には見られなかったカルボキシ基(−COOH)を示すピーク(1700cm−1付近)が確認できた。この結果から、前記ポリエチレンプレートにおいて、ポリエチレンのC−H結合(2900cm−1付近)が、カルボキシ基(1700cm−1付近)に酸化され、前記ポリエチレンプレートの表面が改質されていることが確認された。
[実施例B2]
前記ポリエチレンに代えて、ポリプロピレンを使用した以外は、前記実施例B1と同様にして、気相反応系を用いた改質処理を行った。
(1)ポリプロピレンフィルム
前記ポリエチレンプレートに代えて、ポリプロピレンフィルムを使用した。前記ポリプロピレンフィルムは、ポリプロピレンペレット(製品名:プライムポリプロ(登録商標)、プライムポリマー株式会社製)3gを、160℃、20MPaの条件で、10分間ヒートプレスして成形した。前記ポリプロピレンフィルムは、長さ50mm×幅15mm×厚み0.3mmの大きさに裁断して使用した。そして、前記光照射後、前記ポリプロピレンフィルムにおける光照射した表面について、実施例B1と同様にしてIRを行った。また、比較例として、光照射前に、前記ポリプロピレンフィルムについて、予め、同様にIRを行った。この結果を、図7に示す。図7において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図7(B)に示すように、光照射によって、光照射前の図7(A)には見られなかったカルボキシ基(−COOH)を示すピーク(1700cm−1付近)が確認できた。この結果から、前記ポリプロピレンフィルムにおいて、ポリプロピレンの側鎖のメチル基(−CH)(2900cm−1付近)、およびポリプロピレンの主鎖に含まれるC−H結合(2900cm−1付近)が、カルボキシ基(−COOH)(1700cm−1付近)に酸化され、前記ポリプロピレンフィルムの表面が改質されていることが確認された。
さらに、前記光照射後のポリプロピレンフィルムについて、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)を行った。また、比較例として、光照射前に、前記フィルムについて、予め、同様にXPSを行った。この結果を、図8に示す。図8において、(A1)は光照射前の、XPSによるワイドスキャン分析(XPS_wide)の結果であり、(A2)は、光照射前の、XPSによる炭素1sのナロースキャン分析(XPS_C 1s)の結果であり、(B1)は光照射後の、XPSによるワイドスキャン分析(XPS_wide)の結果であり、(B2)は、光照射後の、XPSによる炭素1sのナロースキャン分析(XPS_C 1s)の結果である。
図8(B1)に示すように、光照射によって、光照射前の図8(A1)と比較して、酸素1s由来のピーク比の増大が確認できた。この結果から、ポリプロピレンフィルムの表面が酸化されたことが確認された。また、図8(B2)に示すように、光照射によって、光照射前の図8(A2)には見られなかったカルボキシ基(−COOH)に由来する289eV付近のピークが確認できた。この結果から、前記ポリプロピレンフィルムにおいて、前記ポリプロピレンフィルムの表面が酸化されたことが確認された。
(2)ポリプロピレンペレット
つぎに、前記ポリプロピレンフィルムの成型に使用した前記ポリプロピレンペレットについて、以下のようにして、改質処理を行った。フルオラス溶媒(CF(CFCF)20mLと、水(HO)20mLと、亜塩素酸ナトリウム(NaClO)200mgと、35%塩酸(HCl)200μLとを、同一の反応容器に入れ、5分間撹拌した。前記反応容器を静置し、下から、フルオラス溶媒の有機相、水相、気相に分離させた。そして、前記有機相が黄色になったことにより、二酸化塩素ラジカルの発生を確認した。
つぎに、前記反応容器中に、ポリプロピレンペレット(製品名:プライムポリプロ(登録商標)、プライムポリマー株式会社製)3gを投入した。前記ポリプロピレンペレットの形状は、粒状であり、大きさは、直径2〜3mm程度であった。前記反応容器中で、前記ポリプロピレンペレットは、前記有機相に沈んだ状態となった。そして、前記反応容器は、その上部に蓋をすることなく、開放系とし、大気中、前記反応容器内に加圧および減圧を行なわず、室温(約25℃)条件下、マグネチックスターラーにより撹拌しながら、波長λ>290nmのキセノンランプ(ウシオ社製 500W、パイレックス(登録商標)ガラスフィルター装着)で、光照射した。具体的には、前記反応容器の側面に対して25cm離れた距離から照射した。そして、光照射開始から30分後に、前記有機相の黄色の着色が消失したことをもって、反応終了とした。原理上、前記ペレットの片面には光が照射されているので、その表面の50%以上の面積が改質されているとみなすことができる。
前記改質処理後の改質ポリプロピレンペレットについて、十分に乾燥した後、前記XPS測定を行い、改質により導入された元素を確認した。
XPS測定条件を改めて記載する。市販装置(製品名AXIS−NOVA、KmtoS社製)を使用し、測定条件は、X線源として、単色化 AIKa (1486.6ev)を使用し、分析領域は、300μm×700μm(設定値)とした。
この測定結果から、常法に基づき、前記改質プロピレンペレットに含まれる元素の組成率(元素%)算出した。結果を、表1に示す。そして、16族元素の[Cα]と17族元素の[Cβ]との比を求めた結果、[Cα]/[Cβ]=5.5/0.9=6.1であった。
Figure 0006931836
[実施例B3]
前記ポリエチレンプレートに代えて、ポリメチルメタクリレート(PMMA)プレートを使用した以外は、前記実施例B1と同様にして、気相反応系を用いた改質処理を行った。
前記PMMAプレート(品番:2-9208-01、アズワン社)は、長さ50mm×幅15mm×厚み1mmのものを使用した。そして、前記光照射後、前記PMMAプレートにおける光照射した表面について、実施例B1と同様にしてIRを行った。また、比較例として、光照射前に、前記PMMAプレートについて、予め、同様にIRを行った。この結果を、図9に示す。図9において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図9に示すように、光照射前の図9(A)と比較して、光照射後の図9(B)では、矢印で示すように、1700cm−1付近が幅広くせり上がっており、肩ピークのブロード化が確認できた。前記ピークは、エステル基(−COOR)、カルボキシ基(−COOH)等に含まれるカルボニル基(−C(=O)−)に対応する。この結果から、前記PMMAプレートにおいて、PMMAの側鎖のメチル基(−CH)等に含まれるC−H結合が、カルボキシ基(−COOH)に酸化され、前記PMMAプレートの表面が改質されていることが確認された。
[実施例B4]
前記ポリエチレンプレートに代えて、ポリジメチルシロキサン(PDMS)フィルムを使用した以外は、前記実施例B1と同様にして、気相反応系を用いた改質処理を行った。
前記PDMSフィルム(製品名:Sylgard 184、東レ・ダウコーニング社製)は、長さ40mm×幅15mm×厚み1mmのものを使用した。前記光照射後、前記PDMSフィルムにおける光照射した表面について、前記実施例B1と同様にしてIRを行った。また、比較例として、光照射前に、前記PDMSフィルムについて、予め、同様にIRを行った。この結果を、図10に示す。図10において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図10に示すように、光照射前の図10(A)では、1700cm−1付近のピークが見らなかったのに対して、光照射後の図10(B)では、1700cm−1付近のピークが確認できた。前記ピークは、カルボキシ基(−COOH)に対応する。この結果から、前記PDMSフィルムにおいて、PDMSの側鎖のメチル基(−CH)(2900cm-1付近のピーク)およびPDMSの主鎖のC−H結合(2900cm−1付近のピーク)が、カルボキシ基(−COOH)(1700cm−1付近のピーク)に酸化され、前記PDMSフィルムの表面が改質されていることが確認された。
[実施例B5]
前記ポリエチレンプレートに代えて、ポリカーボネート(PC)プレートを使用した以外は、前記実施例B1と同様にして、気相反応系を用いた改質処理を行った。
前記ポリカーボネート(PC)プレート(品番:2-9226-01、アズワン社)は、長さ50mm×幅15mm×厚み1mmのものを使用した。前記光照射後、前記PCプレートにおける光照射した表面について、前記実施例B1と同様にしてIRを行った。また、比較例として、光照射前に、前記PCプレートについて、予め、同様にIRを行った。この結果を、図11に示す。図11において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図11に示すように、光照射前の図12(A)と比較して、光照射後の図11(B)では、矢印で示すように、1700cm−1付近が幅広くせり上がっており、肩ピークのブロード化が確認できた。前記ピークは、カーボネート基(−O−(C=O)−O−)、カルボキシ基(−COOH)等に含まれるカルボニル基(−C(=O)−)に対応する。この結果から、前記PCプレートにおいて、PCの側鎖のメチル基(−CH)等に含まれるC−H結合が、カルボキシ基(−COOH)に酸化され、前記PCプレートの表面が改質されていることが確認された。
[実施例B6]
前記ポリエチレンプレートに代えて、液晶ポリマー(LCP)プレートを使用した以外は、前記実施例B1と同様にして、気相反応系を用いた改質処理を行った。
前記LCPプレート(製品名:6030g−mf、上野製薬株式会社製)は、長さ50mm×幅15mm×厚み1mmのものを使用した。前記光照射後、前記LCPプレートにおける光照射した表面について、実施例B1と同様にしてIRを行った。また、比較例として、光照射前に、前記LCPプレートについて、予め、同様にIRを行った。この結果を、図12に示す。図12において、(A)は光照射前の結果であり、(B)は光照射後の結果である。
図12に示すように、光照射前の図12(A)と比較して、光照射後の図12(B)では、矢印で示すように、1700cm−1付近が幅広くせり上がっており、肩ピークのブロード化が確認できた。前記ピークは、エステル基(−COOR)、カルボキシ基(−COOH)等に含まれるカルボニル基(−C(=O)−)に対応する。この結果から、前記LCPプレートにおいて、LCPに含まれるC−H結合が、カルボキシ基(−COOH)に酸化され、前記LCPプレートの表面が改質されていることが確認された。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をできる。
この出願は、2016年12月16日に出願された日本出願特願2016−244690を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
以上のように、 本発明の改質方法によれば、、反応系に光照射するのみで、容易に、前記反応系中のポリマーを改質できる。
1 有機層(有機相)
2 水層(水相)
3 気相
4 反応容器
5 プレート

Claims (12)

  1. 二酸化塩素ラジカルの存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、
    前記ポリマーが、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有し、
    前記反応工程において、前記ポリマーの炭素−水素結合が酸化され
    前記反応系が、液体反応系であり、前記液体反応系が、有機相を含み、前記反応工程において、少なくとも前記有機相に光照射することを特徴とするポリマーの改質方法。
  2. 前記液体反応系が、前記有機相と水相とを含む二相反応系である、請求項記載の改質方法。
  3. 前記反応工程において、前記液体反応系を空気に接触させながら、前記液体反応系に光照射する、請求項または記載の改質方法。
  4. 前記液体反応系が、有機相と水相とを含む二相反応系であり、
    前記反応工程において、前記水相に酸素が溶解した状態で光照射する、請求項からのいずれか一項に記載の改質方法。
  5. 前記有機相が、有機溶媒を含み、前記有機溶媒が、炭化水素溶媒、ハロゲン化溶媒、およびフルオラス溶媒からなる群から選択された少なくとも一つである、請求項からのいずれか一項に記載の改質方法。
  6. 記有機相は、前記二酸化塩素ラジカルを含み、
    前記有機相中に、前記ポリマーの成形体が配置され、
    前記反応工程において、前記光照射により、前記ポリマー成形体の表面に露出したポリマーが酸化される、請求項1からのいずれか一項に記載の改質方法。
  7. 二酸化塩素ラジカルの存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、
    前記ポリマーが、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有し、
    前記反応工程において、前記ポリマーの炭素−水素結合が酸化され、
    記反応系は、有機相を含み、
    前記有機相は、前記二酸化塩素ラジカルを含み、
    前記有機相中に、前記ポリマーの成形体が配置され、
    前記反応工程において、前記光照射により、前記ポリマー成形体の表面に露出したポリマーが酸化されることを特徴とするポリマーの改質方法。
  8. さらに、前記ポリマーの変化した部位に、官能基を導入する工程を含む、請求項1からのいずれか一項に記載の改質方法。
  9. 二酸化塩素ラジカルの存在下、ポリマーを含む反応系に光照射する反応工程を含み、
    前記ポリマーが、炭素と水素とを含み、且つ、炭素−水素結合を有し、
    前記反応工程において、前記ポリマーの炭素−水素結合が酸化され
    さらに、前記ポリマーの変化した部位に、官能基を導入する工程を含むことを特徴とするポリマーの改質方法。
  10. 前記反応系が、気体反応系であり、前記気体反応系が、前記二酸化塩素ラジカルを含む、請求項記載の改質方法。
  11. さらに、前記二酸化塩素ラジカルの生成工程を含み、
    前記生成工程において、亜塩素酸イオンに、1族元素を含むルイス酸およびブレーンステッド酸の少なくとも一方を作用させる、請求項1から10のいずれか一項に記載の改質方法。
  12. ポリマーを改質する改質工程を含み、
    前記改質工程において、請求項1から11のいずれか一項に記載の改質方法により、前記ポリマーを改質することを特徴とする改質ポリマーの製造方法。
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