JP7085562B2 - フタロニトリル反応性希釈剤とジフタロニトリル樹脂とを含有する樹脂ブレンド、プリプレグ、及び物品 - Google Patents
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Description
249.5kgのNALCO15827を、撹拌しながらケトルに添加した。203.2kgの1-メトキシ-2-プロパノール中の2.105kgのトリメトキシフェニルシランのプレミックスを、NALCO15827を入れたケトル内にポンプで送り、30分間混合した。溶液を、149℃の反応温度及び20.4気圧(2.07MPa)の圧力で、米国特許第8,394,977号に記載されているように、高温管反応器内にポンプで送った。混合物を149℃で35分間保持し、次いで周囲温度まで冷却した。熱重量分析(TGA)により測定された固形分含有量は、24重量%のPS-ナノシリカであった。
平行板形状の応力制御レオメータTA instruments Discovery Series HR-2(TA Instruments(New Castle,DE)から入手)を使用して、複素剪断粘度を測定した。ツーリングは、上部の40ミリメートル(mm)のトッププレートと下部の温度制御ペルチェプレートを利用した。上部プレートと下部プレートとの間の間隙は0.5mmであった。粘度は、1%ひずみ振動を1Hzの周波数で6秒間(3秒間のコンディショニングステップと3秒間の測定ステップとに分けて)適用することによって測定した。
TA Instruments QシリーズDSC(TA Instruments(New Castle,DE)から入手)を使用して、一定の昇温速度適用下における材料の動的熱流を測定した。約5ミリグラム(mg)の樹脂を、アルミニウムDSCパン内に量り取った。試料パンをDSC装置内に入れ、試料の熱流を、毎分指定された摂氏温度(℃/分)の昇温速度にて、動的DSC測定で測定した。
TA Instruments QシリーズDMA(TA Instruments(New Castle,DE)から入手)を使用して、低ひずみ線形粘弾性を測定した。動的機械測定は、単一片持ち梁形状(single cantilever beam geometry)を使用して実施した。1ヘルツ(Hz)の周波数で20マイクロメートル(μm)の制御された変形振幅にて、連続振動力を適用したときの、低ひずみ同相及び位相外れの変形応答を測定し、測定中に昇温して、得られる貯蔵弾性率及び損失弾性率、並びに損失正接を計算した。温度を3℃/分で上昇させた。
TA Instruments QシリーズTGA(TA Instruments(New Castle,DE)から入手)を使用して、一定の昇温速度適用下における材料の動的重量損失を測定した。約5mgの試料を白金パンにのせ、TGA内に入れた。試料の質量損失を、窒素雰囲気下にて、1℃/分の熱傾斜で測定した。
Thermo Scientific Nicolet 6700 FTIR分光計にSmart iTRアクセサリを使用して(Thermo Fisher Scientific(Waltham,MA)から入手)、減衰全反射(ATR)によって赤外吸光度を測定した。ニトリルの炭素-窒素三重結合伸縮及びアリルの炭素-炭素二重結合伸縮を特定する分光吸光度フィーチャを、フタロニトリルモノマー系(樹脂+希釈剤)及び重合ポリマーネットワークについて測定した。
Bruker Ultrashield 500+NMRスペクトル計(Bruker(Billerica,MA)から入手)を使用して、プロトン及び炭素化学シフトを測定した。プロトン及び炭素の化学シフトは、TMSを基準にして列挙される。プロトン共鳴周波数の吸収の積分により、観察されたプロトンの数を特定した。プロトン及び炭素の化学シフト及びプロトンピークの積分を使用して、材料生成物を同定した。
比較例A~E
比較例A~E(CE-A~CE-E)は、表2に指定された量及び温度で最初にフタロニトリル成分を溶融ブレンドすることによって調製した。CE-Bフタロニトリル樹脂の複素剪断粘度を図2に示す。次いで、4,4’-(1,3-フェニレンジオキシ)ジアニリンを、表2に従って樹脂ブレンドに添加した。得られた樹脂を空気循環オーブンに入れ、以下のように硬化させた。
APPN、アリルフェノールフタロニトリル(すなわち、4-(2-アリルフェノキシ)フタロニトリル)を、4-ニトロフタロニトリル及び2-アリルフェノールの求核置換反応から誘導した。5000ミリリットル(mL)の三つ口反応フラスコに、400g(2.31mol)の4-ニトロフタロニトリル、310.0g(2.31mol)の2-アリルフェノール、400g(2.89mol)の無水K2CO3、及び2250gの乾燥DMSOを添加し、室温にて窒素雰囲気下で48時間撹拌した。反応溶液を、ワットマン#4濾紙を有するブフナー漏斗に通して濾過して、未溶解塩を除去した。濾過した溶液を、4000mLの冷メタノール/水(質量で60/40)にゆっくりと添加し、-25℃未満の温度まで冷却し、これを、テフロン撹拌羽根を取り付けたガラス撹拌シャフトによって機械的に撹拌した。メタノール/水溶液の温度を、反応溶液の添加中に-15℃未満に維持した。反応溶液の添加により、生成物の沈殿がもたらされた。生成物を、ワットマン#4濾紙を有する卓上型ブフナー型フィルタを使用して真空濾過により回収し、2000mLの周囲温度メタノール/水(質量で60/40)で洗浄した。液体を回収し、120℃に設定した対流式オーブンで乾燥させた。冷却すると、樹脂が結晶化した。生成物は、495g(82.3%)で、示差走査熱量測定法で測定したときに63℃の融解温度を有し、赤外及びNMR分析で、所望の化合物であると同定した。
EuPN、オイゲノールフタロニトリル(すなわち、4-(2-メトキシ-4-アリルフェノキシ)フタロニトリル)を、4-ニトロフタロニトリル及びオイゲノール(すなわち、2-メトキシ-4-アリルフェノール)の求核置換反応から誘導した。5000mLの三つ口反応フラスコに、400g(2.31mol)の4-ニトロフタロニトリル、379.4g(2.31mol)のオイゲノール、400g(2.89mol)の無水K2CO3、及び2500gの乾燥DMSOを添加し、室温にて窒素雰囲気下で48時間撹拌した。反応溶液を、ワットマン#4濾紙を有するブフナー漏斗に通して濾過して、未溶解塩を除去した。濾過した溶液を、4000mLの氷冷メタノール/水(質量で60/40、1400gの氷に2080gのメタノールを注ぐことによって調製)にゆっくりと添加し、これを、テフロン撹拌羽根を取り付けたガラス撹拌シャフトによって機械的に撹拌した。反応溶液の添加により、生成物の沈殿がもたらされた。生成物を、ワットマン#4濾紙を有する卓上型ブフナー型フィルタを使用して真空濾過により回収し、2000mLの周囲温度メタノール/水(質量で60/40)で洗浄した。生成物ケーキをすくい取ってアルミニウムパンに入れ、130℃に設定した対流式オーブンに一晩入れて乾燥させた。冷却すると、樹脂が結晶化した。生成物は、528g(78.7%)で、示差走査熱量測定法で測定したときに100℃の融解温度を有し、赤外及びNMR分析で、所望の化合物であると同定した。
tBPPN、4-tertブチルフェノールフタロニトリル(すなわち、4-(4-tert-ブチルフェノキシ)フタロニトリル)を、4-ニトロフタロニトリル及び4-tert-ブチルフェノールの求核置換反応から誘導した。5000mLの三つ口反応フラスコに、300g(1.73mol)の4-ニトロフタロニトリル、260.3g(1.73mol)の4-tert-ブチルフェノール、300g(2.17mol)の無水K2CO3、及び1900gの乾燥DMSOを添加し、室温にて窒素雰囲気下で48時間撹拌した。反応溶液を、ワットマン#4濾紙を有するブフナー漏斗に通して濾過して、未溶解塩を除去した。濾過した溶液を、3000mLの氷冷メタノール/水(質量で60/40、1050gの氷に1560gのメタノールを注ぐことによって調製)にゆっくりと添加し、これを、テフロン撹拌羽根を取り付けたガラス撹拌シャフトによって機械的に撹拌した。反応溶液の添加により、生成物の沈殿がもたらされた。生成物を、ワットマン#4濾紙を有する卓上型ブフナー型フィルタを使用して真空濾過により回収し、1500mLの周囲温度メタノール/水(質量で60/40)で洗浄した。生成物ケーキをすくい取ってアルミニウムパンに入れ、130℃に設定した対流式オーブンに一晩入れて乾燥させた。冷却すると、樹脂が結晶化した。生成物は、429g(89.6%)で、示差走査熱量測定法で測定したときに120℃の融解温度を有し、赤外及びNMR分析で、所望の化合物であると同定した。
m-CPN、m-クレゾールフタロニトリル(すなわち、4-(3-メチルフェノキシ)フタロニトリル)を、4-ニトロフタロニトリル及びm-クレゾールの求核置換反応から誘導した。5000mLの三つ口反応フラスコに、300g(1.73mol)の4-ニトロフタロニトリル、187.4g(1.73mol)のm-クレゾール、300g(2.17mol)の無水K2CO3、及び1700gの乾燥DMSOを添加し、室温にて窒素雰囲気下で48時間撹拌した。反応溶液を、ワットマン#4濾紙を有するブフナー漏斗に通して濾過して、未溶解塩を除去した。濾過した溶液を、3000mLの氷冷メタノール/水(質量で60/40、1050gの氷に1560gのメタノールを注ぐことによって調製)にゆっくりと添加し、これを、テフロン撹拌羽根を取り付けたガラス撹拌シャフトによって機械的に撹拌した。反応溶液の添加により、生成物の沈殿がもたらされた。生成物を、ワットマン#4濾紙を有する卓上型ブフナー型フィルタを使用して真空濾過により回収し、1500mLの周囲温度メタノール/水(質量で60/40)で洗浄した。生成物ケーキをすくい取ってアルミニウムパンに入れ、130℃に設定した対流式オーブンに一晩入れて乾燥させた。冷却すると、樹脂が結晶化した。生成物は、340g(83.9%)で、示差走査熱量測定法で測定したときに95℃の融解温度を有し、赤外及びNMR分析で、所望の化合物であると同定した。
実施例1~12(EX-1~EX-12)は、表3に指定された量及び温度で最初に多官能性フタロニトリル成分を溶融ブレンドすることによって調製した。次いで、樹脂を冷却した後、希釈剤フタロニトリル成分を表3に列挙した量で添加し、均質になるまで撹拌した。EX-1、EX-5、及びEX-8のフタロニトリル樹脂の各々の複素剪断粘度を図2に示す。次いで最後に、4,4’-(1,3-フェニレンジオキシ)ジアニリンの樹脂100部に対して4部(pph)を150℃で樹脂ブレンドに添加し、均質になるまで撹拌した(それぞれ175℃及び190℃で撹拌したEX-11及びEX-12を除いて)。得られた樹脂を空気循環オーブンに入れ、以下のように重合した。
実施例13~19(EX-13~EX-19)を、各々、表4に指定された量及び温度で最初にフタロニトリル成分を溶融ブレンドすることによって調製した。次いで、4,4’-(1,3-フェニレンジオキシ)ジアニリンを、表4により指定された温度にて、樹脂ブレンドに添加し、撹拌した。得られた樹脂を空気循環オーブンに入れ、以下のように重合した。
質量比2/1のBMPN及びRPN 640gを、200mm×260mmのアルミニウムパン内に量り取り、200℃に設定した空気対流式オーブンで溶融した。樹脂ブレンドを均質になるまで撹拌した。BMPN/RPNブレンドを、オーブンの温度を下げることによって150℃まで冷却した。320gのAPPNをBMPN/RPNブレンドに添加し、均質になるまで撹拌した。38.4gの4,4’-(1,3-フェニレンジオキシ)ジアニリンを樹脂ブレンドに添加し、均質になるまで150℃で樹脂中に撹拌した。樹脂を、加熱されたポンプと、押出機出口で100mm幅のダイとを装着した4ゾーン二軸押出機に注いだ。各押出機ゾーンを120℃まで加熱した。ポンプ温度を105℃に設定し、ダイ温度を65℃に設定した。ダイを出る樹脂を、2つのポリエチレンテレフタレート(PET)剥離ライナーの間に供給し、2つのローラーを通過させて、押出樹脂を均一なコーティングに広げた。ライン速度を較正して、5mil(0.13mm)の樹脂フィルム厚を得た。
実施例20のフタロニトリル樹脂ブレンドを使用して、実験室関連環境においてプリプレグを調製した。実施例20のフタロニトリル樹脂ブレンドフィルムから1つのPET剥離ライナーを除去し、フィルムを第2の剥離ライナー上に担持されたままにした。フタロニトリルフィルムを、70℃の温度に加熱した9インチ×9インチ(22.9cm×22.9cm)のホットプレート上に剥離ライナー側を下にして置き、ここでフタロニトリル樹脂は10パスカル秒(Pa・s)の粘度を有した。HexForce C-370-8HS-6K-8HBG-IM IM7(370g/m2の面密度)の連続炭素繊維布地(Hexel Corporation(Stamford,CT))の4.5インチ×6.5インチ(11.4cm×16.5cm)試験片をフタロニトリルフィルム上に置いた。第2のPET剥離ライナーを炭素繊維布地の上に置き、PET剥離ライナー、フタロニトリルフィルム、炭素繊維布地、及びPET剥離ライナーの積層体を作製した。炭素繊維布地に、Marshalltown 2インチの硬いゴムシームローラーの補助により、フタロニトリル樹脂フィルムを含浸させた。手の圧力をローラーに適用した。連続ローラーストーク(stokes)を、上部剥離ライナーを横切って使用して、布地から空気を押し出し、布地に樹脂を含浸させた。最終物品は、2つの剥離ライナーの間に実施例20のフタロニトリル樹脂ブレンドを含浸させている連続炭素繊維布地からなった。
400gのBMPN、RPN、及びAPPN樹脂を所定の質量比でブレンドし、実施例7に記載の方法で調製した。樹脂100部に対して4部(pph)の4,4’-(1,3-フェニレンジオキシ)ジアニリンを、135℃で樹脂ブレンドに添加し、均質になるまで撹拌し、周囲温度まで放冷した。樹脂ブレンド系を、2100ccシリーズRTMインジェクタ(Radius Engineering,Inc.(Souths Salt Lake,UT)から)のインジェクタシリンダに添加した。固体樹脂を、135℃のインジェクタシリンダで溶融し、撹拌用エアミキサーヘッドを用いて真空下(0.1Torr(13.33Pa)未満)で脱気した。対称な擬似等方性層構成で積層した、6K HEXTOW IM7 CARBON FIBER(Hexcel Corp.(Stamford,CT)からの、商標名HEXTOW IM7 CARBON FIBER)の5つのハーネスサチン織布地の14個の層を、閉じた金属成形型に配置した。2部品成形型の内部寸法は、330mm×330mm×4mmであった。成形型は、約180kNの型締力(約870kPaの型締力)を有するホットプレスに保持した。成形型を0.1Torr(13.33Pa)未満の絶対圧力まで真空引きし、175℃の注入温度まで予熱した。注入は、135℃まで加熱されたインジェクタシリンダ、インジェクタシリンダから175℃まで加熱された成形型までの加熱線、175℃の成形型温度で行われた。成形型充填プロセス中に、0.1Torr(13.3Pa)未満の真空を適用した。成形型出口で樹脂を検出したときに、出口弁を閉じた。樹脂を100psi(690kPa)の圧力まで注入した。パネルを175℃で3時間、205℃で3時間硬化させた。パネルを成形型から取り出し、300℃の空気対流式オーブン内で4時間後硬化させた。パネルは、低空隙率を有する良好な全体的品質を示した。布地特性及び測定されたパネル厚に基づいて、繊維体積分率は67%と算出された。
240gのBMPN、RPN、及びAPPN樹脂を質量比でブレンドし、実施例7に記載の方法で5Lの丸底フラスコ中で調製し、90℃まで放冷した。5Lの丸底フラスコを、90℃に設定された油浴温度を有するビュッヒ(Buchi)ロータリーエバポレーター上に配置した。質量で1/1の1-メトキシ-2-プロパノール/ブチルアセテート溶媒系中の283.5gのPS-ナノシリカ懸濁液(水のPS-ナノシリカゾルをストリッピングし、ブチルアセテートを逆添加することによって調製した0.378質量分率のシリカ)を、90℃に予熱し、フタロニトリル樹脂ブレンドに添加した。1-メトキシ-2-プロパノール及びブチルアセテート溶媒を、PS-ナノシリカ/フタロニトリル混合物から90℃の浴温度にてストリッピングし、フラスコ圧力を制御して、溶液の突沸を防止した。初期圧力を500mbarに設定し、3時間にわたって50mbarまで徐々に減圧させた。3時間後、溶媒の大部分は、PS-ナノシリカ/樹脂ブレンドからストリッピングされていた。浴温度を140℃まで上昇させ、更に3時間ストリッピングした。フラスコをロータリーエバポレーターから取り外し、ナノシリカ充填樹脂を、ゴムスパチュラで吐き出して掻き取りすることによってフラスコから取り出した。PS-ナノシリカの重量を除いた樹脂ブレンドの重量に基づいて、4,4’-(1,3-フェニレンジオキシ)ジアニリンの100部に対して4部(pph)を、PSナノシリカ充填樹脂ブレンドに135℃で添加し、均質になるまで撹拌した。樹脂を135℃に加熱された真空チャンバ内で脱気して、捕捉された空気を除去した。樹脂を、175℃の温度に予熱した一方の端部で開いた1/8”厚のプラーク成形型に注いだ。プラークは、FREKOTE 55NC型離型剤で前処理された。プラークを175℃で3時間、205℃で3時間硬化させた。部分的に硬化した樹脂プラークを成形型から取り外し、300℃で更に12時間後硬化させた。ナノシリカ充填量は、TGA重量損失測定により29重量%であると決定された。単一片持ち梁形状における剛性(E’)、軟化温度(E’(開始))及びガラス転移温度(tanδピーク)をDMA測定するために、試験片をプラークから切り取った。25℃で測定された剛性は3625MPaであり;E’(開始)温度は314℃であり;tanδピーク温度は362℃であった。
Claims (14)
- 前記少なくとも1種の希釈剤が、4-(2-メトキシ-4-アリルフェノキシ)フタロニトリル、又は4-(2-アリルフェノキシ)フタロニトリルのうちの少なくとも1つを含む、請求項1又は2に記載の樹脂ブレンド。
- 少なくとも1種のジフタロニトリル樹脂の前記少なくとも1種の希釈剤に対するモル比が、0.95~50(両端の値を含む)の範囲である、請求項1~3のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド。
- 前記少なくとも1種のジフタロニトリル樹脂が、ビスフェノールMジフタロニトリルエーテル樹脂、ビスフェノールPジフタロニトリルエーテル樹脂、ビスフェノールTジフタロニトリルエーテル樹脂、又はこれらの組み合わせを含む、請求項1~4のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド。
- レゾルシノールジフタロニトリルエーテル樹脂を更に含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド。
- 強化連続繊維又は強化不連続繊維のうちの少なくとも1つを含むフィラーを更に含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド。
- 前記樹脂ブレンドの総重量に基づいて、1重量%~40重量%(両端の値を含む)の量のナノフィラーを更に含む、請求項1~7のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド。
- 前記樹脂ブレンドの総重量に基づいて、1重量%~90重量%(両端の値を含む)の量のマイクロフィラーを更に含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド。
- 連続強化繊維と、前記連続強化繊維に含浸されている請求項1~9のいずれか一項に記載の樹脂ブレンドと、を含む、プリプレグ。
- 布と、前記布に含浸されている請求項1~9のいずれか一項に記載の樹脂ブレンドと、を含む、プリプレグ。
- 請求項1~9のいずれか一項に記載の樹脂ブレンド中に分布している細断強化繊維を含む、成形調合物。
- 請求項1~9のいずれか一項に記載の樹脂ブレンドの重合生成物を含む物品。
- 基材と、前記基材上に配置されている請求項1~9のいずれか一項に記載の樹脂ブレンドの層と、を備える、物品。
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