JP7156309B2 - 含フッ素弾性共重合体及び含フッ素弾性共重合体の製造方法 - Google Patents

含フッ素弾性共重合体及び含フッ素弾性共重合体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、含フッ素弾性共重合体及び含フッ素弾性共重合体の製造方法に関する。
含フッ素弾性共重合体は耐熱性、耐薬品性、耐油性、耐候性等に優れるため、通常の炭化水素材料が耐え得ない過酷な環境下での用途にも適用される。
含フッ素弾性共重合体及びその製造方法に関する技術として、例えば、特許文献1、2に記載の技術が知られている。
特許文献1はラジカル重合開始剤及びRI(式中、Rは炭素数3以上のアルキレン基又はパーフルオロアルキレン基である。)で表されるヨウ素化合物の存在下に、テトラフルオロエチレン、プロピレン及び必要に応じてパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)を、重合温度0℃~50℃の範囲で共重合することを特徴とする、含フッ素弾性共重合体の製造方法を開示している。
特許文献2は官能基(X)を有しガラス転移温度が10℃以下でフッ素含有量40重量%以上の重合体(A)と、官能基(X)と反応する官能基(Y)を有し溶融温度が150℃以上でフッ素含有量40重量%以上の重合体(B)を溶融下で混練し官能基(X)と官能基(Y)を反応せしめることを特徴とするフッ素化熱可塑性エラストマーの製造方法を開示している。
特許第5321580号公報 特開平8-12838号公報
しかしながら、特許文献1に記載の含フッ素弾性共重合体にあっては他材料と接着させた積層体又は複合体とすることが困難であり、接着性を付与することが望まれている。
一方、特許文献2の[参考例2]では、ペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)の60gとI(CFIの9.3gとテトラフルオロエチレンの7gとKの0.1gとを仕込み、50℃に昇温して重合を開始し、テトラフルオロエチレン/ペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)の重合単位組成が60/40(モル比)である共重合体の176gを得た後に、該共重合体の80gと、アリルグリシジルエーテルの16gとt-ブチルペルオキシイソブチレートの5gとトリクロロトリフルオロエタンの1kgとを仕込み、60℃にて5時間反応させた後、共重合体(IV)を得ている。これらの記載から共重合体(IV)の質量平均分子量を算出すると、共重合体(IV)の質量平均分子量は50程度と低い。そのため共重合体(IV)は、加工性、機械特性が低い可能性がある。
共重合体(IV)のグリシジル基含有量は2×10-4当量/gであるため、算出した共重合体(IV)の質量平均分子量50を用いて計算すると、グリシジル基含有量が3.2モル%程度と高い。そのため共重合体(IV)は、成形加工性、耐熱性及び耐薬品性が低い可能性がある。
本発明は、接着性、加工性、機械特性、耐熱性及び耐薬品性に優れる含フッ素弾性共重合体、及び、接着性、加工性、機械特性、耐熱性及び耐薬品性に優れる含フッ素弾性共重合体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、下記の態様を有する。
[1]下記単量体(a)に基づく単位と、下記単量体(b)に基づく単位と、任意に下記単量体(c)に基づく単位とを含有する含フッ素弾性共重合体であり、
前記含フッ素弾性共重合体の分子鎖の末端に結合するヨウ素原子と、前記ヨウ素原子と隣接する前記単量体(b)に基づく単位とを有し、
前記単量体(b)に基づく単位の割合が前記含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09~2.0モル%である、含フッ素弾性共重合体。
単量体(a):テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)及び2,3,3,3-テトラフルオロプロペンからなる群より選ばれる単量体。
単量体(b):エポキシ基、ヒドロキシ基、カルボニル基含有基及びイソシアネート基からなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基を有する単量体。
単量体(c):エチレン及びプロピレンからなる群から選ばれる単量体。
[2]テトラフルオロエチレンに基づく単位とプロピレンに基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、テトラフルオロエチレンに基づく単位とパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)に基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、フッ化ビニリデンに基づく単位とヘキサフルオロプロピレンに基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、テトラフルオロエチレンに基づく単位とフッ化ビニリデンに基づく単位とヘキサフルオロプロピレンに基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、フッ化ビニリデンに基づく単位とテトラフルオロエチレンに基づく単位とパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)に基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体からなる群より選ばれる共重合体である、[1]に記載の含フッ素弾性共重合体。
[3]前記単量体(b)が、アリルグリシジルエーテル、ビニルグリシジルエーテル、4-グリシジルオキシブチルビニルエーテル、4-ヒドロキシブチルビニルエーテルからなる群より選ばれる単量体である、[1]又は[2]に記載の含フッ素弾性共重合体。
[4]前記単量体(a)に基づく単位の割合が、含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し、30~98モル%である、[1]~[3]のいずれかに記載の含フッ素弾性共重合体。
[5]前記単量体(c)に基づく単位を含有する、[1]~[4]のいずれかに記載の含フッ素弾性共重合体。
[6]前記単量体(a)に基づく単位と前記単量体(c)に基づく単位との合計の割合が、含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し、50~99.91モル%である、[5]に記載の含フッ素弾性共重合体。
[7]前記単量体(c)に基づく単位の割合が、前記単量体(a)に基づく単位と前記単量体(c)に基づく単位との合計に対し、1~70モル%である、[5]又は[6]に記載の含フッ素弾性共重合体。
[8]質量平均分子量が、10,000~2,000,000である、[1]~[7]のいずれかに記載の含フッ素弾性共重合体。
[9]下記単量体(a)に基づく単位と、下記単量体(b)に基づく単位と、任意に下記単量体(c)に基づく単位とを含有する含フッ素弾性共重合体を製造する方法であり、
ヨウ素原子を2個有するヨウ素化合物の存在下、前記含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位が生成するまで、前記単量体(a)と任意に前記単量体(c)とを含み前記単量体(b)を含まない単量体成分を重合し、
次いで、前記含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09~2.0モル%の前記単量体(b)に基づく単位が生成するまで、前記単量体(a)と前記単量体(b)と任意に前記単量体(c)とを含む単量体成分を共重合する、含フッ素弾性共重合体の製造方法。
単量体(a):テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)及び2,3,3,3-テトラフルオロプロペンからなる群より選ばれる単量体。
単量体(b):エポキシ基、ヒドロキシ基、カルボニル基含有基及びイソシアネート基からなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基を有する単量体。
単量体(c):エチレン及びプロピレンからなる群から選ばれる単量体。
[10]前記ヨウ素化合物が下式(1)で表される化合物である、[9]に記載の製造方法。
I-Rf1-I ・・・(1)
ただし、Rf1は炭素数4~12のパーフルオロアルキレン基である。
[11]乳化剤の存在下、前記単量体(a)と任意に前記単量体(c)とを重合する、[9]又は[10]に記載の製造方法。
本発明によれば、接着性、加工性、機械特性、耐熱性及び耐薬品性に優れる含フッ素弾性共重合体が得られる。
本明細書における以下の用語の意味は以下の通りである。
「単量体」とは、重合性不飽和結合を有する化合物を意味する。重合性不飽和結合としては、炭素原子間の二重結合、三重結合が例示される。
「単量体に基づく単位」とは、単量体1分子が重合することで直接形成される原子団と、該原子団の一部を化学変換することで得られる原子団との総称である。単量体に基づく単位を「単量体単位」とも記す。
「分子鎖の末端」とは、主鎖の末端及び分岐鎖の末端の両方を含む概念である。
「カルボニル基含有基」とは、構造中にカルボニル基(-C(=O)-)を有する基を意味する。
<含フッ素弾性共重合体>
本発明の含フッ素弾性共重合体は、単量体(a)に基づく単位(以下、単位(a)と記す。)と、単量体(b)に基づく単位(以下、単位(b)と記す。)と、任意に単量体(c)に基づく単位(以下、単位(c)と記す。)とを含有する。含フッ素弾性共重合体は、本発明の効果を損なわない範囲内で、単量体(a)、単量体(b)及び単量体(c)以外の単量体(以下、単量体(d)と記す。)に基づく単位(以下、単位(d)と記す。)をさらに含有してもよい。
また、本発明の含フッ素弾性共重合体は、融点を持たない。
単量体(a)はテトラフルオロエチレン(以下、TFEと記す。)、ヘキサフルオロプロピレン(以下、HFPと記す。)、フッ化ビニリデン(以下、VdFと記す。)、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(以下、PAVEと記す。)及び2,3,3,3-テトラフルオロプロペンからなる群より選ばれる単量体である。
PAVEとしては、式(2)で表わされる化合物が好ましい。
CF=CF-O-Rf2 ・・・(2)
ただし、Rf2は、炭素数1~8のパーフルオロアルキル基又は炭素数1~8のエーテル性酸素原子を有するパーフルオロアルキル基である。
f2におけるパーフルオロアルキル基の炭素数は1~6が好ましく、1~5がより好ましい。
PAVEの具体例としては、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(3,6-ジオキサ-1-ヘプテン)、パーフルオロ(3,6-ジオキサ-1-オクテン)、パーフルオロ(5-メチル-3,6-ジオキサ-1-ノネン)が例示される。
単量体(a)としては、TFEが好ましい。
単量体(a)は、2種以上を併用してもよい。
単量体(b)はエポキシ基、ヒドロキシ基、カルボニル基含有基及びイソシアネート基からなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基(以下、「接着性官能基」とも記す。)を有する単量体である。
単量体(b)が有する接着性官能基は、1個であっても2個以上であってもよい。2個以上の接着性官能基を有する場合、2個以上の接着性官能基は、それぞれ同じであってもよく、異なっていてもよい。
単量体(b)としては、接着性官能基を1個有し、重合性炭素-炭素二重結合を1個有する化合物が好ましい。
エポキシ基を有する単量体(b)としては、不飽和グリシジルエーテル、不飽和グリシジルエステル、2-[2-(3-ブテニル)エチル]オキシラン、2-[3-(2-ブテニル)プロピル]オキシラン、2-[4-(2-ブテニル)ブチル]オキシランが例示される。
不飽和グリシジルエーテルとしては、アリルグリシジルエーテル(以下、AGEと記す。)、2-メチルアリルグリシジルエーテル、ビニルグリシジルエーテル、4-グリシジルオキシブチルビニルエーテル(以下、GO-BVEと記す。)が例示される。
不飽和グリシジルエステルとしては、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸グリシジルが例示される。
ヒドロキシ基を有する単量体(b)としては、ヒドロキシ基含有ビニルエーテル、ヒドロキシ基含有ビニルエステル、ヒドロキシ基含有アリルエーテル、ヒドロキシ基含有(メタ)アクリレート、クロトン酸ヒドロキシエチル、アリルアルコールが例示される。
ヒドロキシ基含有ビニルエーテルとしては、2-ヒドロキエチルビニルエーテル、4-ヒドロキシブチルビニルエーテル(以下、HBVEと記す。)、シクロヘキサンジメタノールモノビニルエーテル、ジエチレングリコールモノビニルエーテルが例示される。
ヒドロキシ基含有アリルエーテルとしては、3-アリルオキシ-1,2-プロパンジオール、5-(2-プロペニルオキシ)-1-ペンタノール、6-(2-プロペニルオキシ)-1-ヘキサノール、2-(2-プロペニルオキシ)-1,4-ブタンジオール、4-(2-プロペニルオキシ)-1,2-ブタンジオールが例示される。
カルボニル基含有基としては、炭化水素基の炭素原子間にカルボニル基を有する基、カーボネート基、カルボキシ基、ハロホルミル基、アルコキシカルボニル基、酸無水物残基、ポリフルオロアルコキシカルボニル基が例示される。
炭化水素基の炭素原子間にカルボニル基を有する基における炭化水素基としては、炭素数2~8のアルキレン基が例示される。アルキレン基の炭素数は、カルボニル基を構成する炭素を含まない状態での炭素数である。アルキレン基は、直鎖状であっても分岐状であってもよい。
ハロホルミル基は、-C(=O)-X(ただし、Xはハロゲン原子である。)で表される。ハロホルミル基におけるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子が例示され、フッ素原子が好ましい。
アルコキシカルボニル基におけるアルコキシ基としては、直鎖状であっても分岐状であってもよく、炭素数1~8のアルコキシ基が好ましく、メトキシ基及びエトキシ基がより好ましい。
カルボニル基含有基を有する単量体(b)としては、酸無水物残基含有環状単量体、カルボキシ基含有単量体、ビニルエステル、(メタ)アクリレート、式(3)で表わされる化合物が例示される。
CF=CFORf3CO ・・・(3)
ただし、Rf3は、炭素数1~10のパーフルオロアルキレン基又は炭素数2~10のエーテル性酸素原子を有するパーフルオロアルキレン基であり、Xは、水素原子又は炭素数1~3のアルキル基である。
酸無水物残基含有環状単量体としては、不飽和ジカルボン酸無水物(無水イタコン酸、無水シトラコン酸、5-ノルボルネン-2,3-ジカルボン酸無水物、無水マレイン酸等)が例示される。
カルボキシ基含有単量体としては、不飽和ジカルボン酸(イタコン酸、シトラコン酸、5-ノルボルネン-2,3-ジカルボン酸、マレイン酸等)、不飽和モノカルボン酸(アクリル酸、メタクリル酸等)が例示される。
(メタ)アクリレートとしては、(ポリフルオロアルキル)アクリレート、(ポリフルオロアルキル)メタクリレートが例示される。
イソシアネート基を有する単量体(b)としては、2-(メタ)アクリロイルオキシエチルイソシアネート、2-(2-(メタ)アクリロイルオキシエトキシ)エチルイソシアネート、1,1-ビス((メタ)アクリロイルオキシメチル)エチルイソシアネートが例示される。
単量体(b)としては、含フッ素弾性共重合体の接着性がさらに優れることから、エポキシ基含有単量体及びヒドロキシ基含有単量体が好ましく、AGE、ビニルグリシジルエーテル、GO-BVE及びHBVEがより好ましく、AGE及びHBVEが特に好ましい。
単量体(b)は、2種以上を併用してもよい。
単量体(c)はエチレン及びプロピレンからなる群から選ばれる単量体である。単量体(c)としてはプロピレンが好ましい。単量体(c)は2種を併用してもよい。
単量体(d)としては、フルオロエチレン、トリフルオロエチレン、ジクロロジフルオロエチレン、トリフルオロプロピレン、ペンタフルオロプロピレン、ヘキサフルオロイソブテン、パーフルオロシクロブテン、CH=CHCFCF、CH=CHCFCFCF、CH=CHCFCFCFCF及びCH=CHCFCFCFCFCFの(パーフルオロアルキル)エチレン、CF=CFOCFCFCF=CF、CF=CFOCFCFCFOCF=CF、CF=CFOCFCFCFCFOCF=CF等のパーフルオロジビニルエーテル等のフッ素原子を有する単量体、1-ブテン、イソブチレン、1-ペンテン等のα-オレフィン、メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、プロピルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、シクロヘキシルビニルエーテル等のビニルエーテル、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、カプロン酸ビニル、カプリル酸ビニル、クロトン酸ビニル、安息香酸ビニル、クロロ酢酸ビニル等のビニルエステル、塩化ビニル、塩化ビニリデン、トリフルオロスチレンが例示される。
単量体(d)は2種以上を併用してもよい。
単量体(d)として、ヨウ素原子を有する単量体を用いてもよい。ヨウ素原子を有する単量体を共重合させると、含フッ素弾性共重合体の側基にヨウ素原子を導入できる。
ヨウ素原子を有する単量体としては、ヨードエチレン、4-ヨード-3,3,4,4-テトラフルオロ-1-ブテン、2-ヨード-1,1,2,2-テトラフルオロ-1-ビニロキシエタン、2-ヨードエチルビニルエーテル、アリルヨージド、1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロ-2-ヨード-1-(パーフルオロビニロキシ)プロパン、3,3,4,5,5,5-ヘキサフルオロ-4-ヨードペンテン、ヨードトリフルオロエチレン、2-ヨードパーフルオロ(エチルビニルエーテル)が例示される。
含フッ素弾性共重合体において、単位(a)の割合は含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し30~98モル%が好ましく、30~70モル%がより好ましく、45~65モル%がさらに好ましく、50~60モル%が特に好ましい。単位(a)の割合が30モル%以上であると、含フッ素弾性共重合体の耐熱性及び耐薬品性がさらに優れる。単位(a)の割合が98モル%以下であると、含フッ素弾性共重合体の加工性及び接着性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体において、単位(b)の割合は含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し0.09~2.0モル%であり、0.1~1.5モル%が好ましく、0.15~1.0モル%がより好ましく、0.2~0.8モル%が特に好ましい。単位(b)の割合が0.09モル%以上であることにより、含フッ素弾性共重合体の接着性が優れる。単位(b)の割合が2.0モル%以下であることにより、含フッ素弾性共重合体の耐熱性及び耐薬品性が優れる。
含フッ素弾性共重合体が単位(c)を含有する場合において、単位(a)と単位(c)との合計の割合は含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し、50~99.91モル%が好ましく、60~99.9モル%がより好ましく、65~99.85モル%がさらに好ましく、70~99.8モル%が特に好ましい。単位(a)と単位(c)との合計の割合がこの範囲内であると、含フッ素弾性共重合体の加工性、密着性、耐熱性が優れる。
含フッ素弾性共重合体が単位(c)を含有する場合において、単位(c)の割合は単位(a)と単位(c)との合計に対し、1~70モル%が好ましく、30~70モル%がより好ましく、40~60モル%がさらに好ましい。この場合単位(c)の割合が1~70モル%の範囲内であると、含フッ素弾性共重合体の加工性及び機械特性がさらに優れ、架橋物のゴム物性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体が単位(d)を含有する場合において、単位(d)の割合は含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し、0.001~2.0モル%が好ましく、0.01~1.5モル%がより好ましく、0.01~1.0モル%がさらに好ましい。
含フッ素弾性共重合体としては、生産性がさらに優れ、得られる架橋物の機械特性、耐熱性、耐薬品性、耐油性及び加工性がさらに優れることから、下記共重合体(X1)~(X5)からなる群より選ばれる共重合体が好ましく、共重合体(X1)、共重合体(X3)及び共重合体(X4)がより好ましく、共重合体(X1)がさらに好ましい。
共重合体(X1):TFE単位とプロピレン単位(以下、P単位と記す。)と単位(b)とを含有する共重合体。
共重合体(X2):TFE単位とPAVE単位と単位(b)とを含有する共重合体。
共重合体(X3):VdF単位とHFP単位と単位(b)とを含有する共重合体。
共重合体(X4):TFE単位とVdF単位とHFP単位と単位(b)とを含有する共重合体。
共重合体(X5):VdF単位とTFE単位とPAVE単位と単位(b)とを含有する共重合体。
共重合体(X1)~(X5)を構成する単位(b)以外の単位のモル比又は割合は、架橋物の機械的物性、耐熱性、耐薬品性、耐油性及び耐候性がさらに優れることから、下記の数値範囲が好ましい。
共重合体(X1):TFE単位/P単位=40/60~60/40(モル比)。
共重合体(X2):TFE単位/PAVE単位=55/45~75/25(モル比)。
共重合体(X3):VdF単位/HFP単位=70/20~85/15(モル比)。
共重合体(X4):共重合体(X4)を構成する全単位の合計に対し、TFE単位の割合が15~30モル%、VdF単位の割合が45~60モル%、HFP単位の割合が15~30モル%。
共重合体(X5):共重合体(X5)を構成する全単位の合計に対し、VdF単位の割合が65~80モル%、TFE単位の割合が4~12モル%、PAVE単位の割合が10~25モル%。
含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子を有する。これにより、含フッ素弾性共重合体は架橋性に優れる。
含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子と隣接する単位(b)を有する。すなわち、本発明の含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の各末端に単位(b)を少なくとも1個有し、分子鎖の各末端に存在する単位(b)にヨウ素原子が結合している。これにより、含フッ素弾性共重合体は接着性に優れる。
含フッ素弾性共重合体が、分子鎖の末端にヨウ素原子を有し、該ヨウ素原子に隣接する単位(b)を有することは、ダブルショットパイロライザー(PY-2020iD、フロンティアラボ社製)を用いて、含フッ素弾性共重合体を600℃で熱分解した後、ガスクロマトグラフィー・飛行時間型質量分析計(以下、GC/TOFMSと記す。)(7890A、Agilent社製及びJMS-T100GC、JEOL社製)でEI+のイオン化法により分析することで確認することができる。
含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域に単位(b)を有することが好ましい。含フッ素弾性共重合体において、単位(b)が存在する領域は、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し8モル%以内の領域がより好ましく、5モル%以内の領域がさらに好ましい。含フッ素弾性共重合体が各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域に単位(b)を有すると、含フッ素弾性共重合体の接着性が優れる。分子鎖の各末端から10モル%以内の領域に単位(b)を導入する方法としては、例えば後述の本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法を適用できる。
含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域にのみ単位(b)を有することがさらに好ましい。含フッ素弾性共重合体において、単位(b)が存在する領域は、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し8モル%以内の領域がより好ましく、5モル%以内の領域がさらに好ましい。含フッ素弾性共重合体が各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域にのみ単位(b)を有すると、含フッ素弾性共重合体の接着性がさらに優れる。分子鎖の各末端から10モル%以内の領域にのみ単位(b)を導入する方法としては、例えば後述の本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法を適用できる。
例えば、熱分解ガスクロマトグラフィー質量分析を行なうと、分子鎖の両末端に結合するヨウ素原子と単位(b)とが結合した分子に相当するスペクトルが検出されることから、分子鎖の両末端に結合するヨウ素原子と隣接する単位(b)が導入されていることを確認できる。
含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域以外には単位(b)を有しないことが好ましい。含フッ素弾性共重合体が分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域以外には単位(b)を有しないと、単位(b)の部分を起点として分子鎖が途中で切断しないため、含フッ素弾性共重合体の耐熱性及び耐薬品性がさらに優れる。
分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域に存在する単位(b)の数は、1~20個が好ましく、1~10個がより好ましく、1~5個がさらに好ましい。分子鎖の各末端から10モル%以内の領域に存在する単位(b)の数が1個以上であると、本発明の含フッ素弾性共重合体の接着性がさらに優れる。分子鎖の各末端から10モル%以内の領域に存在する単位(b)の数が20個以下であると、耐熱性及び耐薬品性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体はヨウ素原子を0.01~5.0質量%含有することが好ましく、0.1~1.0質量%含有することがより好ましい。含フッ素弾性共重合体がヨウ素原子を含フッ素弾性共重合体の100質量%に対し、0.01~5.0質量%含有すると、含フッ素弾性共重合体の架橋性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体の質量平均分子量は、10,000~2,000,000が好ましく、100,000~1,000,000がより好ましく、100,000~500,000がさらに好ましい。ただし、質量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法によってポリスチレン換算で測定される値である。
質量平均分子量が10,000以上であると、含フッ素弾性共重合体の機械特性、耐薬品性及び耐熱性がさらに優れる。質量平均分子量が2,000,000以下であると、含フッ素弾性共重合体の柔軟性が優れ、加工性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体の貯蔵せん断弾性率G’は、10~1000kPaが好ましく、50~700kPaがより好ましく、100~500kPaがさらに好ましい。ただし、貯蔵せん断弾性率G’はASTM D6204に準じて、温度:100℃、変位:0.5°、周波数:50cpmで測定される値である。貯蔵せん断弾性率G’は分子量と流動性の目安であり、貯蔵せん断弾性率G’が大きいと分子量が大きく、流動性が低い。
貯蔵せん断弾性率G’が10kPa以上であると、含フッ素弾性共重合体の密着性、機械特性、耐薬品性及び耐熱性がさらに優れる。貯蔵せん断弾性率G’が1000kPa以下であると、含フッ素弾性共重合体の流動性が優れ、加工性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体のムーニー粘度は、5~200が好ましく、10~170がより好ましく、20~100がさらに好ましい。ただし、ムーニー粘度は、JIS K6300に準じて、直径38.1mm、厚さ5.54mmのL型ローターを用い、100℃で、予熱時間を1分間、ローター回転時間を10分間に設定して測定される値である。ムーニー粘度は分子量の目安であり、ムーニー粘度が大きいと分子量が大きく、ムーニー粘度が小さいと分子量が小さい。ムーニー粘度が5~200の範囲内であると、含フッ素弾性共重合体が流動性と架橋性のバランスに優れる。
含フッ素弾性共重合体のガラス転移温度は、-40~20℃が好ましく、-20~10℃がより好ましい。ガラス転移温度が-40~20℃の範囲内であると、加工性及び密着性がさらに優れる。
含フッ素弾性共重合体の密度は、1.3~2.2mg/mが好ましく、1.4~2.0mg/mがより好ましく、1.5~1.7mg/mがさらに好ましい。密度が1.3~2.2mg/mの範囲内であると、機械物性及び密着性がさらに優れる。
(作用機序)
以上説明した本発明の含フッ素弾性共重合体は分子鎖の末端に結合するヨウ素原子と隣接する単位(b)を有するため、接着性官能基が分子鎖の末端の付近に結合している。さらに単位(b)の割合は含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09モル%以上である。よって、本発明の含フッ素弾性共重合体は接着性に優れる。さらに、含フッ素弾性共重合体は全単位に対して単位(b)の割合が2.0モル%以下であるため、機械特性、耐熱性及び耐薬品性に優れる。
<含フッ素弾性共重合体の製造方法>
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法は、単位(a)と単位(b)と任意に単位(c)とを含有する含フッ素弾性共重合体を製造する方法である。単位(a)と単位(b)と単位(c)については、本発明の含フッ素弾性共重合体で述べた内容と同様である。
まず本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、ヨウ素原子を2個有するヨウ素化合物の存在下、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位が生成するまで、単量体(a)と任意に単量体(c)とを含み、単量体(b)を含まない単量体成分(以下、単量体成分(1)と記す。)を共重合する。単量体成分(1)は本発明の効果を損なわない範囲内で単量体(d)を含んでもよい。
ヨウ素原子を2個有するヨウ素化合物の存在下で共重合することにより、含フッ素弾性共重合体の分子量を適切に制御できる。
含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位が生成するまで、単量体成分(1)を共重合することにより、得られる含フッ素弾性共重合体の耐熱性及び耐薬品性が優れる。
単量体成分(1)を共重合すると、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位を有する中間体が生成する。
中間体を得る際には、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して90モル%以上の単位が生成することが好ましく、92モル%以上の単位が生成することがより好ましく、95モル%以上の単位が生成することがさらに好ましい。含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも90モル%の単位が生成するまで、単量体(a)と任意に単量体(c)とを共重合すると、得られる含フッ素弾性共重合体の耐熱性及び耐薬品性がさらに優れる。
中間体を得る際には、特に制限されないが、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して99.91モル%以下の単位が生成することが好ましい。
次いで本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09~2.0モル%の単位(b)が生成するまで、単量体(a)と単量体(b)と任意に単量体(c)と含む単量体成分(以下、単量体成分(2)と記す。)を共重合する。単量体成分(2)は本発明の効果を損なわない範囲内で単量体(d)を含んでもよい。
単量体成分(2)を共重合する際には、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.1~2.0モル%の単位(b)が生成することが好ましく、0.1~1.5モル%の単位(b)が生成することがより好ましい。
含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09モル%以上の単位(b)が生成するまで、単量体成分(2)を共重合することにより、得られる含フッ素弾性共重合体の接着性が優れる。含フッ素弾性共重合体の全単位に対して2.0モル%以下の単位(b)が生成するまで、単量体成分(2)を共重合することにより、得られる含フッ素弾性共重合体の機械物性、耐熱性及び耐薬品性が優れる。
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、中間体の伸長が継続した状態で、単量体成分(2)を共重合することが好ましい。このような製造方法による含フッ素弾性共重合体の構造への影響は必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。
中間体の一部は、単位(b)の導入により分子鎖の伸長が停止し、中間体の残りは、単位(b)が導入されていない間は、さらに単位(a)と任意に単位(c)が導入され、分子鎖の伸長が継続する。そのため、単位(b)の導入の有無によって中間体の伸長の継続時間に差異が生じ、得られる含フッ素弾性共重合体のそれぞれの分子鎖の分子量に差異が生じる。その結果、得られる含フッ素弾性共重合体の分子量分布が広くなり、分子量が相対的に高い含フッ素弾性共重合体の分子鎖と分子量が相対的に低い含フッ素弾性共重合体の分子鎖とを同時に製造できる。
含フッ素弾性共重合体が、このような構造を有することから、高い耐熱性、耐薬品性を維持しつつ、広い分子量分布により流動性が高く、末端に導入される接着性官能基の反応性が高い等の優れた特性を発現すると考えられる。
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、まず前記ヨウ素化合物の存在下で、単量体成分(1)を重合し、前記中間体を合成する。次いで、単量体成分(2)を共重合する。これにより、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域にのみ単位(b)を有し、分子鎖の各末端から分子鎖の全単位に対し10モル%以内の領域以外には単位(b)を有しない含フッ素弾性共重合体を製造できる。
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、含フッ素弾性共重合体の全単位に対する各単位の生成量は、例えば各単量体成分の量によって制御できる。この場合において、単量体成分(1)の量は単量体成分(1)と単量体成分(2)との合計に対し、80~95モル%が好ましく、80~90モル%がより好ましい。各単量体成分の量が前記範囲内であると、得られる含フッ素弾性共重合体の全単位に対する各単位の生成量を所定の範囲に制御しやすくなる。
ヨウ素原子を2個有するヨウ素化合物としては、式(1)で表わされる化合物が好ましい。
I-Rf1-I ・・・(1)
ただし、Rf1は炭素数4~12のパーフルオロアルキレン基である。
f1におけるパーフルオロアルキレン基の炭素数は3~8が好ましい。
上記化合物の具体例としては、1,3-ジヨードパーフルオロプロパン、1,4-ジヨードパーフルオロブタン、1,6-ジヨードパーフルオロヘキサン、1,8-ジヨードパーフルオロオクタンが例示される。
上記化合物としては、1,4-ジヨードパーフルオロブタンが好ましい。
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法において、ヨウ素化合物の量は単量体成分(1)と単量体成分(2)との合計100質量部に対し、0.01~5.0質量部が好ましく、0.1~1.0質量部がより好ましい。
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、ラジカル重合開始剤の存在下で重合を開始することが好ましい。
ラジカル重合開始剤としては、水溶性開始剤及びレドックス系開始剤が好ましい。ラジカル重合開始剤の量は、単量体成分(1)と単量体成分(2)との合計の100質量部に対し、0.0001~3質量部が好ましく、0.001~1質量部がより好ましい。
水溶性開始剤としては、過硫酸塩(過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウム等)、有機系開始剤(ジコハク酸過酸化物、アゾビスイソブチルアミジン二塩酸塩等)が例示される。これらの中でも過硫酸塩が好ましく、過硫酸アンモニウムが特に好ましい。
レドックス系開始剤としては、還元剤と上述した過硫酸塩との組合せが例示される。
還元剤としては、チオ硫酸塩、亜硫酸塩、亜硫酸水素塩、ピロ亜硫酸塩、ヒドロキシメタンスルフィン酸塩が例示される。これらの中でも、ヒドロキシメタンスルフィン酸塩が好ましく、ヒドロキシメタンスルフィン酸ナトリウム塩がより好ましい。
レドックス系開始剤は、還元剤と過硫酸塩とに加えて第三成分として、少量の鉄、第一鉄塩等の鉄塩、硫酸銀等を含むことが好ましい。鉄塩の中でも、水溶性鉄塩が特に好ましい。水溶性鉄塩の具体例としては、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄、硝酸第一鉄、硝酸第二鉄、塩化第一鉄、塩化第二鉄、硫酸第一鉄アンモニウム、硫酸第二鉄アンモニウム及びそれらの水和物が例示される。
レドックス系開始剤に加えて、キレート剤を用いることも好ましい。キレート剤の好ましい具体例としては、エチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩二水和物が例示される。
過硫酸塩の量は、後述する水性媒体の100質量%に対し、0.001~3質量%が好ましく、0.01~1質量%がより好ましく、0.05~0.5質量%がさらに好ましい。
還元剤の量は、水性媒体の100質量%に対し、0.001~3質量%が好ましく、0.01~1質量%がより好ましく、0.05~0.5質量%がさらに好ましい。
鉄、第一鉄塩等の鉄塩、硫酸銀等の第三成分の量は、水性媒体の100質量%に対し、0.0001~0.3質量%が好ましく、0.001~0.1質量%がより好ましく、0.01~0.1質量%がさらに好ましい。
キレート剤は、水性媒体の100質量%に対し、0.0001~0.3質量%が好ましく、0.001~0.1質量%がより好ましく、0.01~0.1質量%がさらに好ましい。
重合方法としては、乳化重合法、溶液重合法、懸濁重合法、塊状重合法が例示される。これらの中でも、分子量及び共重合組成を調整しやすく、生産性に優れることから、乳化剤の存在下、水性媒体中で単量体成分を共重合する乳化重合法が好ましい。
水性媒体は水であるか又は水溶性有機溶媒を含む水であることが好ましく、水溶性有機溶媒を含む水がより好ましい。
水溶性有機溶媒としては、tert-ブタノール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールが例示される。これらの中でも、tert-ブタノール、プロピレングリコール及びジプロピレングリコールモノメチルエーテルが好ましく、tert-ブタノールがより好ましい。
水溶性有機溶媒の量は水の100質量部に対し、1~50質量部が好ましく、3~20質量部がより好ましい。
水性媒体のpHは7~14が好ましく、7~11がより好ましく、7.5~11がさらに好ましく、8~10.5が特に好ましい。pHが7より低いと、ヨウ素化合物の安定性が低下し、得られる含フッ素弾性共重合体の架橋反応性が低下する場合がある。
水性媒体のpHを前記範囲に維持するのは、重合開始から重合終了までの間の全重合期間の80%以上が好ましく、90%以上がより好ましく、95%以上がさらに好ましく、100%が特に好ましい。
pHの調整には、pH緩衝剤を用いることが好ましい。pH緩衝剤としては無機塩が例示される。無機塩としてはリン酸水素二ナトリウム、リン酸二水素ナトリウム等のリン酸塩、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム等の炭酸塩が例示される。リン酸塩の好ましい具体例としては、リン酸水素二ナトリウム2水和物、リン酸水素二ナトリウム12水和物が例示される。
乳化剤としては、アニオン性乳化剤、ノニオン性乳化剤、カチオン性乳化剤が例示される。これらの中でもラテックスの機械的及び化学的安定性がさらに優れることから、アニオン性乳化剤及びカチオン性乳化剤が好ましく、アニオン性乳化剤がより好ましい。
アニオン性乳化剤の具体例としては、ラウリル硫酸ナトリウム、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等の炭化水素系乳化剤、パーフルオロオクタン酸アンモニウム、パーフルオロヘキサン酸アンモニウム等の含フッ素アルカン酸塩、式(4)で表わされる化合物等の含フッ素エーテルカルボン酸化合物が例示される。
f4ORf5COOA ・・・(4)
ただし、Rf4は炭素数1~8のパーフルオロアルキル基であり、Rf5は、含フッ素アルキレン基又はエーテル性酸素原子を有する含フッ素アルキレン基であり、Aは水素原子、アルカリ金属又はNHである。Rf5は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基の側鎖を有してもよい。
f5の炭素数は、1~12が好ましく、1~8がより好ましい。
乳化剤としては、フッ素原子を有する乳化剤が好ましく、含フッ素アルカン酸塩又は含フッ素エーテルカルボン酸化合物がより好ましく、式(5)で表わされる化合物がさらに好ましい。
F(CFO(CF(X)CFO)CF(X)COOA ・・・(5)
ただし、Xはフッ素原子又は炭素数1~3のパーフルオロアルキル基であり、Aは水素原子、アルカリ金属又はNHであり、pは1~10の整数であり、qは0~3の整数である。
式(4)及び(5)におけるAがNHの場合、式(4)で表される化合物及び式(5)で表される化合物の具体例としては、下記の化合物が例示される。
OCFCOONH、COCFCOONH、C11OCFCOONH、CFO(CFOCFCOONH、CO(CFOCFCOONH、COCF(CF)COONH、COCF(CF)COONH、COCF(CF)COONH、CFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH、COCF(CF)CFOCF(CF)COONH、CFO(CFOCFHCFCOONH、CFO(CFOCFCOONH、CFO(CFO(CFCOONH、CO(CFO(CFCOONH、CFO(CFOCF(CF)COONH、CO(CFOCF(CF)COONH、CFOCFOCFOCFCOONH
好ましい具体例としては、CO(CFOCFCOONH、CFO(CFOCFHCFCOONH、CFOCF(CF)CFOCF(CF)COONH、COCF(CF)COONHが挙げられる。
乳化剤の量は、水性媒体の100質量部に対し、0.01~15質量部が好ましく、0.1~10質量部がより好ましく、0.1~3質量部がさらに好ましい。
乳化重合法によって含フッ素弾性共重合体を含むラテックスが得られる。含フッ素弾性共重合体は凝集によってラテックスから分離できる。
凝集方法としては、金属塩を添加して塩析する方法、塩酸等の無機酸を添加する方法、機械的剪断による方法、凍結又は解凍による方法が例示される。
重合条件は、単量体組成、ラジカル重合開始剤の分解温度等によって適宜選択できる。
重合温度は0℃~50℃が好ましく、10℃~40℃がより好ましく、20℃~30℃がさらに好ましい。重合温度が50℃以下であると、得られる含フッ素弾性共重合体の架橋反応性がさらに優れる。重合温度が0℃以上であると、得られる含フッ素弾性共重合体の架橋反応性がさらに優れ、架橋物の機械特性がさらに優れる。
重合圧力は1.0~10MPaGが好ましく、1.5~5.0MPaGがより好ましく、2.0~4.0MPaGがさらに好ましい。重合圧力が1.0~10MPaGの範囲内であると、重合速度が適切な値となり、重合速度を制御しやすく、また、生産性が優れる。
重合速度は10~100g/L・時間が好ましく、5~70g/L・時間がより好ましく、30~50g/L・時間がさらに好ましい。重合速度が10g/L・時間以上であると、実用的な生産性が優れる。重合速度が70g/L・時間以下であると、含フッ素弾性共重合体の分子量が低下しにくく、架橋性がさらに優れる。
重合時間は、0.5~50時間が好ましく、1~30時間がより好ましく、2~20時間がさらに好ましい。
(作用機序)
以上説明した本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、ヨウ素原子を2個有するヨウ素化合物の存在下、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位が生成するまで、単量体(a)と任意に単量体(c)とを共重合するため、耐熱性及び耐薬品性に優れる含フッ素弾性共重合体が得られる。次いで、本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも0.09モル%以上の単位(b)が生成するまで、単量体(a)と単量体(b)と任意に単量体(c)とを共重合するため、接着性、加工性、機械特性、耐熱性及び耐薬品性に優れる含フッ素弾性共重合体が得られる。
本発明の含フッ素弾性共重合体の製造方法では、分子量が相対的に高い分子鎖と、分子量が相対的に低い分子鎖とを同時に製造できる。分子量が相対的に低い含フッ素弾性共重合体の分子鎖は滑剤として機能するため、加工性に優れる含フッ素弾性共重合体が得られる。
(用途)
本発明の含フッ素弾性共重合体及び本発明の製造方法で得られる含フッ素弾性共重合体は、そのまま含フッ素弾性共重合体組成物として用いてもよく、ロール、ニーダー、バンバリーミキサー、押し出し機等の混練装置を用いる混練方法によって有機過酸化物等の架橋剤、架橋助剤、その他の添加剤等と配合して含フッ素弾性共重合体組成物として用いてもよい。
特に本発明の製造方法で得られる含フッ素弾性共重合体は分子量分布が広いため、分子量が低い滑剤等を加えなくとも加工性に優れる。そのため、本発明の製造方法で得られる含フッ素弾性共重合体は、滑剤等を加えずに押出成形又は射出成形にそのまま適用できる。
有機過酸化物としては、ジアルキルパーオキシド(ジtert-ブチルパーオキシド、tert-ブチルクミルパーオキシド、ジクミルパーオキシド、α,α-ビス(tert-ブチルパーオキシ)-p-ジイソプロピルベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルパーオキシ)ヘキサン等。)、1,1-ジ(tert-ブチルパーオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、2,5-ジメチルヘキサン-2,5-ジヒドロキシパーオキシド、ベンゾイルパーオキシド、tert-ブチルパーオキシベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ジ(ベンゾイルパーオキシ)ヘキサン、tert-ブチルパーオキシマレイン酸、tert-ブチルパーオキシソプロピルカーボネートが例示される。これらの中でもジアルキルパーオキシドが好ましい。
有機過酸化物の配合量は、含フッ素弾性共重合体の100質量部に対し、0.3~10質量部が好ましく、0.3~5質量部がより好ましく、0.5~3質量部がさらに好ましい。有機過酸化物の配合量が前記範囲内であると、架橋速度が適切な値となり、架橋物の引張強度と伸びとのバランスに優れる。
架橋助剤としては、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、トリメタクリルイソシアヌレート、1,3,5-トリアクリロイルヘキサヒドロ-1,3,5-トリアジン、トリアリルトリメリテート、m-フェニレンジアミンビスマレイミド、p-キノンジオキシム、p,p’-ジベンゾイルキノンジオキシム、ジプロパルギルテレフタレート、ジアリルフタレート、N,N’,N’’,N’’’-テトラアリルテレフタールアミド、ビニル基含有シロキサンオリゴマー(ポリメチルビニルシロキサン、ポリメチルフェニルビニルシロキサン等)が例示される。これらの中でも、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、トリメタリルイソシアヌレートが好ましく、トリアリルイソシアヌレートがより好ましい。
架橋助剤の配合量は、含フッ素弾性共重合体の100質量部に対し、0.1~20質量部が好ましく、1~10質量部がより好ましい。架橋助剤の量が前記範囲内であると、架橋速度が適切な値となり、架橋物の引張強度と伸びとのバランスに優れる。
含フッ素弾性共重合体組成物には金属酸化物を配合してもよい。金属酸化物としては、2価金属の酸化物が好ましい。2価金属の酸化物の好ましい具体例としては、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化亜鉛、酸化鉛が例示される。
金属酸化物の配合量は、含フッ素弾性共重合体の100質量部に対し、0.1~10質量部が好ましく、0.5~5質量部がより好ましい。
金属酸化物の配合により、含フッ素弾性共重合体の架橋性がさらに向上する。
その他の添加剤としては、充填剤、受酸剤、安定剤、着色剤、酸化防止剤、加工助剤、滑剤、潤滑剤、難燃剤、帯電防止剤、顔料、補強剤、加硫促進剤が例示される。これらのその他の添加剤は2種以上を併用してもよい。
含フッ素弾性共重合体組成物には、目的に応じて、含フッ素弾性共重合体以外の他の高分子材料を配合してもよい。他の高分子材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリクロロトリフルオロエチレン、TFE単位とエチレン単位(以下、E単位と記す。)とからなる2元系共重合体等のフッ素樹脂、VdF単位とHFP単位とを含有し、単位(b)を含有しない共重合体、TFE単位とP単位とを含有し、単位(b)を含有しない共重合体、TFE単位とHFP単位とVdF単位とを含有し、単位(b)を含有しない共重合体、TFE単位とPAVE単位とを含有し、単位(b)を含有しない共重合体等の含フッ素エラストマー、E単位とP単位と非共役ジエン単位とを含有する共重合体等の炭化水素系エラストマーが例示される。
例えば、含フッ素弾性共重合体組成物にフッ素樹脂を配合すると、成形性及び強度がさらに向上する。他にも、含フッ素弾性共重合体組成物にE単位とP単位と非共役ジエン単位とを含有する共重合体等の炭化水素系エラストマーを配合すると、架橋性がさらに向上する。
含フッ素弾性共重合体組成物は、加熱プレス等の方法によって成形と同時に架橋してもよく、あらかじめ成形した後に架橋してもよい。
成形方法としては、圧縮成形、射出成形、押し出し成形、カレンダー成形、ディッピング、コーティングが例示される。
架橋条件は、成形方法や架橋物の形状を考慮して加熱プレス架橋、スチーム架橋、熱風架橋、被鉛架橋など種々の条件が採用される。架橋温度は例えば100~400℃とすることができる。架橋時間は例えば数秒~24時間とすることができる。
架橋物の機械特性及び圧縮永久歪の向上並びにその他の特性の安定化を目的として、二次架橋を施してもよい。二次架橋の架橋温度は例えば100~300℃とすることができる。二次架橋の架橋時間は例えば30分間~48時間とすることができる。
成形した含フッ素弾性共重合体組成物を放射線照射により架橋することも好ましい。照射する放射線としては、電子線、紫外線が例示される。電子線照射における照射量は、0.1~30Mradが好ましく、1~20Mradがより好ましい。
上述したように本発明の含フッ素弾性共重合体は、接着性に優れる。そのため、本発明の含フッ素弾性共重合体は、含フッ素弾性共重合体若しくは含フッ素弾性共重合体組成物の架橋物と金属又は樹脂とが接着した構造体の製造に好適に使用できる。かかる構造体においては、本発明の含フッ素弾性共重合体の架橋物と金属又は樹脂とが良好に接着する。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されない。なお、例1~4は実施例であり、例5~8は比較例である。
<略号>
C4DI:1,4-ジヨードパーフルオロブタン
ロンガリット:水酸化ナトリウムでpHが10.0に調整されたヒドロキシメタンスルフィン酸ナトリウム2水和物の2.5質量%水溶液。
SUS:ステンレス鋼フィルム(SUS304)。
PI:ポリイミドフィルム。
<測定方法>
(共重合組成)
含フッ素弾性共重合体を構成する各単位の割合(モル%)は、H及び19F-核磁気共鳴(NMR)分析により求めた。
(ヨウ素原子の含有量)
含フッ素弾性共重合体のヨウ素含有量は、自動試料燃焼装置イオンクロマトグラフ用前処理装置(AQF-100型、ダイアインスツルメンツ社製)とイオンクロマトグラフを組み合わせた装置で定量した。
(貯蔵せん断弾性率G’)
ASTM D6204に準じて、Rubber Process Analyzer(RPA2000、アルファテクノロジー社製)を用いて、サンプル量:7.5g、温度:100℃、変位:0.5°の条件下で周波数を1~2000cpmまで変化させてトルクを測定した際の、50cpmにおけるトルクの値を含フッ素弾性共重合体の貯蔵せん断弾性率G’とした。
(含フッ素弾性共重合体の分子鎖の末端構造)
ダブルショットパイロライザー(PY-2020iD、フロンティアラボ社製)を用いて、含フッ素弾性共重合体を600℃で熱分解した後、ガスクロマトグラフィー・飛行時間型質量分析計(以下、GC/TOFMSと記す。)(7890A、Agilent社製及びJMS-T100GC、JEOL社製)でEI+のイオン化法により分析し、末端のヨウ素原子に結合した構造を検出した。
<評価方法>
(接着性)
含フッ素弾性共重合体の5gを2枚のSUS又はPIの間にはさみ、圧力:10MPa、温度:170℃の条件下で5分間熱プレスを行い、含フッ素弾性共重合体の架橋物と金属又は樹脂とを接着し、構造体を得た。その後、構造体を常温(25℃)まで冷却し、構造体について手で剥離試験を行った。
剥離試験の結果、架橋物と金属又は樹脂との界面が剥離せずに、架橋物の全体が材料破壊した構造体の接着性を○と判定し、架橋物の一部が材料破壊した構造体の接着性を△と判定し、界面が剥離した構造体の接着性を×と判定した。
<含フッ素弾性共重合体の製造>
(例1)
撹拌用アンカー翼を備えた内容積3200mLのステンレス鋼製の耐圧反応器の内部を脱気した後、反応器にイオン交換水の1500g、リン酸水素二ナトリウム12水和物の60g、水酸化ナトリウムの0.9g、tert-ブタノールの198g、ラウリル硫酸ナトリウムの8.9g及び過硫酸アンモニウムの3.8gを加えた。さらに、200gのイオン交換水にエチレンジアミン四酢酸二ナトリウム塩二水和物の0.4g及び硫酸第一鉄7水和物の0.3gを溶解させた水溶液を反応器に加えた。このときの反応器内の水性媒体のpHは9.5であった。
次いで、25℃でTFE/P=88/12のモル比の単量体混合ガスを、反応器の内圧が2.47MPaGになるように圧入した。アンカー翼を300rpmで回転させ、C4DIの4.0gを添加した。その後、ロンガリットを反応器に添加し、重合反応を開始させた。重合反応の開始以降も、高圧ポンプを用いて、ロンガリットを連続的に反応器に添加した。
TFE/Pの単量体混合ガスの圧入量が400gになった時点で、ロンガリットの添加を停止し、AGEの12.4mLを反応器内に窒素背圧で圧入した。TFE/Pの単量体混合ガスの圧入量の総量が500gとなった時点で、反応器の内温を10℃まで冷却して重合反応を停止し、ラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は40gであった。重合時間は5時間であった。
得られたラテックスに塩化カルシウムの5質量%水溶液を添加して、ラテックスを凝集させ、例1の含フッ素弾性共重合体を析出させた。析出した例1の含フッ素弾性共重合体をろ過し、回収した後、イオン交換水により洗浄し、100℃のオーブンで15時間乾燥させ、白色の例1の含フッ素弾性共重合体の500gを得た。例1の含フッ素弾性共重合体の共重合組成は、TFE単位/P単位/AGE単位=56/44/0.4(モル比)であった。
(例2)
圧入するAGEを37.2mLとした以外は例1と同様にして単量体の重合を行い、例2の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。例2ではTFE/Pの単量体混合ガスの圧入量の総量が420gとなった時点で、重合反応が停止した。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は39gであった。重合時間は4.5時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例2の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、白色の例2の含フッ素弾性共重合体の420gを得た。例2の含フッ素弾性共重合体の共重合組成は、TFE単位/P単位/AGE単位=56/44/0.5(モル比)であった。
(例3)
圧入する単量体(b)をGO-BVEの18.8mLとした以外は例1と同様にして単量体の重合を行い、例3の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は39gであった。重合時間は5時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例3の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、薄黄色の例3の含フッ素弾性共重合体の500gを得た。例3の含フッ素弾性共重合体の共重合組成は、TFE単位/P単位/GO-BVE単位=56/44/0.5(モル比)であった。
(例4)
圧入する単量体(b)をHBVEの13.2mLとした以外は例1と同様にして単量体の重合を行い、例4の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は39gであった。重合時間は約6時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例4の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、例4の含フッ素弾性共重合体の482gを得た。例4の含フッ素弾性共重合体の共重合組成は、TFE単位/P単位/HBVE単位=56/44/0.6(モル比)であった。
(例5)
AGEを添加しなかった以外は、例1と同様にして単量体の重合を行い、例5の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は40gであった。重合時間は約5.5時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例5の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、白色の例5の含フッ素弾性共重合体の477gを得た。例5の含フッ素弾性共重合体の共重合組成は、TFE単位/P単位=56/44(モル比)であった。
(例6)
圧入するAGEを4.0mLとした以外は例1と同様にして単量体の重合を行い、例6の例6の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は41gであった。重合時間は約5.5時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例6の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、白色の例6の含フッ素弾性共重合体の518gを得た。例6の含フッ素弾性共重合体の共重合組成は、TFE単位/P単位/AGE単位=56/44/0.08(モル比)であった。
(例7)
C4DIを添加しなかった以外は例1と同様にして単量体の重合を行い、例7の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は42gであった。重合時間は約6時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例7の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、白色の例7の含フッ素弾性共重合体の410gを得た。
(例8)
C4DIを添加せず、圧入するAGEの12.4mLを4分割してTFE/Pの単量体混合ガスの圧入量が100g増えるごとにAGEの3.1mLを断続的に添加した以外は例1と同様にして単量体の重合を行い、例8の含フッ素弾性共重合体を含むラテックスを得た。重合開始から重合停止までのロンガリットの添加量は40gであった。重合時間は約6時間であった。
例1と同様にして、ラテックスから例8の含フッ素弾性共重合体を回収し、次いで洗浄し、乾燥して、白色の例8の含フッ素弾性共重合体の428gを得た。
<含フッ素弾性共重合体の分析及び評価>
例1~例6の含フッ素弾性共重合体について単位(b)の含有の有無をNMRにより分析した。なお、例7,8の含フッ素弾性共重合体は溶解性が低く、NMRで分析できなかった。
例1~4,6の含フッ素弾性共重合体のNMRスペクトルには、炭素-酸素結合に基づくピークが確認されたことから、例1~4,6の含フッ素弾性共重合体は単位(b)を有することを確認した。
さらに、例1~例8の含フッ素弾性共重合体の末端の構造について熱分解ガスクロマトグラフにより分析した。
例1,2,6の含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子を有し、前記ヨウ素原子と隣接するAGE単位を有することを確認した。
例3の含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子を有し、前記ヨウ素原子と隣接するGO-BVE単位を有することを確認した。
例4の含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子を有し、前記ヨウ素原子と隣接するHBVE単位を有することを確認した。
例5の含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子を有するが、単位(b)を有しないことを確認した。
例7,8の含フッ素弾性共重合体は、ヨウ素原料を添加しなかったことから、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子を有しないことを確認した。
例5の含フッ素弾性共重合体をTHFに溶解させ、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法によってポリスチレン換算で測定したところ、質量平均分子量は、150,000であった。
例1~例4、例6~例8の含フッ素弾性共重合体については、そのTHFへの溶解度が、例5の含フッ素弾性共重合体のTHFへの溶解性と異なったため、同条件での測定を行わなかった。
ただし、前述の通り、貯蔵せん断弾性率G’は分子量と流動性の目安であり、貯蔵せん断弾性率G’が大きいと分子量が大きく、流動性が低い。後述の通り、例1~例4、例6の含フッ素弾性共重合体の貯蔵せん断弾性率G’は、例5の含フッ素弾性共重合体の貯蔵せん断弾性率G’に近い値 を示しているので、例1~例4、例6の含フッ素弾性共重合体の質量平均分子量は、例5の含フッ素弾性共重合体に近い値を示すと推測される。
例1~例8の含フッ素弾性共重合体の架橋物について、密度及び貯蔵せん断弾性率G’を測定し、SUS又はPIとの接着性を評価した。評価結果を表1に示す。
Figure 0007156309000001
例1~4の含フッ素弾性共重合体は、分子鎖の末端に結合するヨウ素原子と、前記ヨウ素原子と隣接する単位(b)とを有し、単位(b)の割合が0.09~2.0モル%であるため接着性、耐熱性及び耐薬品性に優れていた。
例1~4では含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位が生成した後に、単量体(a)と単量体(b)と単量体(c)とを共重合しているため、得られる含フッ素弾性共重合体が加工性及び機械特性に優れていた。
例5の含フッ素弾性共重合体は単位(b)を有しないため、接着性に劣っていた。
例6の含フッ素弾性共重合体は単位(b)の割合が0.09モル%未満であるため接着性に劣っていた。
例7,8の含フッ素弾性共重合体は、接着性に劣っていた。また、C4DIを添加しなかったため、分子量の制御ができず、含フッ素弾性共重合体の流動性が低くかった。
本発明の含フッ素弾性共重合体及び本発明の製造方法で得られる含フッ素弾性共重合体は、複合シール材、O-リング、シート、ガスケット、オイルシール、ダイヤフラム、V-リング等の材料に適する。また、耐熱性耐薬品性シール材、耐熱性耐油性シール材、電線被覆材、半導体装置用シール材、耐蝕性ゴム塗料、耐ウレア系グリース用シール材等の用途が例示される。
なお2017年12月06日に出願された日本特許出願2017-234569号の明細書、特許請求の範囲及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (11)

  1. 下記単量体(a)に基づく単位と、下記単量体(b)に基づく単位と、任意に下記単量体(c)に基づく単位とを含有する含フッ素弾性共重合体であり、
    前記含フッ素弾性共重合体の分子鎖の末端に結合するヨウ素原子と、前記ヨウ素原子と隣接する前記単量体(b)に基づく単位とを有し、
    前記単量体(b)に基づく単位の割合が前記含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09~2.0モル%である、含フッ素弾性共重合体。
    単量体(a):テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)及び2,3,3,3-テトラフルオロプロペンからなる群より選ばれる単量体。
    単量体(b):エポキシ基及びヒドロキシ基からなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基を1個有し、重合性炭素-炭素二重結合を1個有する単量体。
    単量体(c):エチレン及びプロピレンからなる群から選ばれる単量体。
  2. テトラフルオロエチレンに基づく単位とプロピレンに基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、テトラフルオロエチレンに基づく単位とパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)に基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、フッ化ビニリデンに基づく単位とヘキサフルオロプロピレンに基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、テトラフルオロエチレンに基づく単位とフッ化ビニリデンに基づく単位とヘキサフルオロプロピレンに基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体、フッ化ビニリデンに基づく単位とテトラフルオロエチレンに基づく単位とパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)に基づく単位と前記単量体(b)に基づく単位とを含有する共重合体からなる群より選ばれる共重合体である、請求項1に記載の含フッ素弾性共重合体。
  3. 前記単量体(b)が、アリルグリシジルエーテル、ビニルグリシジルエーテル、4-グリシジルオキシブチルビニルエーテル、4-ヒドロキシブチルビニルエーテルからなる群より選ばれる単量体である、請求項1又は2に記載の含フッ素弾性共重合体。
  4. 前記単量体(a)に基づく単位の割合が、含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し、30~98モル%である、請求項1~3のいずれか1項に記載の含フッ素弾性共重合体。
  5. 前記単量体(c)に基づく単位を含有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の含フッ素弾性共重合体。
  6. 前記単量体(a)に基づく単位と前記単量体(c)に基づく単位との合計の割合が、含フッ素弾性共重合体の全単位の合計に対し、50~99.91モル%である、請求項5に記載の含フッ素弾性共重合体。
  7. 前記単量体(c)に基づく単位の割合が、前記単量体(a)に基づく単位と前記単量体(c)に基づく単位との合計に対し、1~70モル%である、請求項5又は6に記載の含フッ素弾性共重合体。
  8. 質量平均分子量が、10,000~2,000,000である、請求項1~7のいずれか1項に記載の含フッ素弾性共重合体。
  9. 下記単量体(a)に基づく単位と、下記単量体(b)に基づく単位と、任意に下記単量体(c)に基づく単位とを含有する含フッ素弾性共重合体を製造する方法であり、
    ヨウ素原子を2個有するヨウ素化合物の存在下、前記含フッ素弾性共重合体の全単位に対して少なくとも80モル%の単位が生成するまで、前記単量体(a)と任意に前記単量体(c)とを含み前記単量体(b)を含まない単量体成分を重合し、
    次いで、前記含フッ素弾性共重合体の全単位に対して0.09~2.0モル%の前記単量体(b)に基づく単位が生成するまで、前記単量体(a)と前記単量体(b)と任意に前記単量体(c)とを含む単量体成分を共重合する、含フッ素弾性共重合体の製造方法。
    単量体(a):テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)及び2,3,3,3-テトラフルオロプロペンからなる群より選ばれる単量体。
    単量体(b):エポキシ基及びヒドロキシ基からなる群から選ばれる少なくとも1種の官能基を1個有し、重合性炭素-炭素二重結合を1個有する単量体。
    単量体(c):エチレン及びプロピレンからなる群から選ばれる単量体。
  10. 前記ヨウ素化合物が下式(1)で表される化合物である、請求項9に記載の製造方法。
    I-Rf1-I ・・・(1)
    ただし、Rf1は炭素数4~12のパーフルオロアルキレン基である。
  11. 乳化剤の存在下、前記単量体(a)と任意に前記単量体(c)とを重合する、請求項9又は10に記載の製造方法。
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