JP7182607B2 - 臭化ポリマー難燃剤を含む組成物 - Google Patents
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Description
1.SIOPLAS(商標)プロセス(ケーブル押出プロセスで使用する前に別のステップで作製)、または
2.MONOSIL(商標)プロセス(ケーブル製造プロセス中にその場で作製-過酸化物、シラン、および触媒を含有するエチレン系ポリマー組成物の一段階溶融ブレンド、反応、および押出による)。
(A)10~79重量%のアルコキシシラン官能化エチレン系ポリマーと、
(B)重量平均分子量(Mw)が、(≧)1000グラム/モル(g/mol)以上、好ましくは≧10,000g/mol、より好ましくは≧25,000g/mol、さらにより好ましくは≧50,000g/mol、なおより好ましくは≧75,000g/mol、最も好ましくは≧100,000g/molの、16~70重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(C)0.01~20重量%のシラノール縮合触媒と、を含む、水分架橋性組成物である。
(A)4.0~83.67重量%のエチレン系ポリマーと、
(B)0.3~5重量%のグラフト可能なシラン含有化合物、例えば、アルコキシシランと、
(C)0.02~1.0重量%の過酸化物開始剤と、
(D)重量平均分子量(Mw)が、(≧)1000グラム/モル(g/mol)以上、好ましくは≧10,000g/mol、より好ましくは≧25,000g/mol、さらにより好ましくは≧50,000g/mol、なおより好ましくは≧75,000g/mol、最も好ましくは≧100,000g/molの、16~70重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(E)0.01~20重量%のシラノール縮合触媒と、を含む、水分架橋性組成物である。
(A)10~79重量%のアルコキシシラン官能化エチレン系ポリマーと、
(B)重量平均分子量(Mw)が、(≧)1000グラム/モル(g/mol)以上、好ましくは≧10,000g/mol、より好ましくは≧25,000g/mol、さらにより好ましくは≧50,000g/mol、なおより好ましくは≧75,000g/mol、最も好ましくは≧100,000g/molの、16~70重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(C)0.01~20重量%のシラノール縮合触媒と、を含む、水分架橋済組成物である。
元素周期表へのいかなる参照も、CRC Press,Inc.,1990-1991によって出版されたものへの参照である。この周期表における元素の族への参照は、族の番号付けの新しい表記法による。
エチレン性ポリマー
本発明の実施で使用されるエチレン系ポリマーは、分岐状、直鎖状、または実質的に直鎖状であってもよく、反応器内の重合もしくは共重合(低圧もしくは高圧)によって、または後反応器改質(グラフトコポリマーを作製するための反応押出など)によって作製され得る。本明細書で使用される場合、「高圧反応器」または「高圧プロセス」という用語は、少なくとも5000ポンド/平方インチ(psi)(34.47メガパスカルまたはmPa)の圧力で操作される任意の反応器またはプロセスである。当業者に既知であるように、「分岐状」エチレン系ポリマーは、多くの場合、高圧反応器またはプロセス(それだけではないが)で調製され、分岐がポリマー主鎖上および分岐自体上の両方に見られる高度に分岐したポリマー構造を有する傾向がある。対照的に、「実質的に直鎖状」は、1,000個の炭素原子当たり0.01~3個の長鎖分岐で置換されている主鎖を有するポリマーを示す。いくつかの実施形態では、エチレン性ポリマーは、1,000個の炭素原子当たり0.01~1個の長鎖分岐、または1,000個の炭素原子当たり0.05~1個の長鎖分岐で置換されている主鎖を有することができる。
エチレンと効果的に共重合するか、またはエチレン系ポリマーにグラフトし、したがってエチレン系ポリマーの架橋を可能にする任意のシラン(またはシラン含有化合物)が、本発明の実施で使用され得、以下の式によって記載されるものは、例示的であり、
ポリマー臭化難燃剤は、既知の化合物であり、多くは市販されている。本発明の一の実施形態では、臭化難燃剤は、≧1000g/mol、好ましくは≧10,000g/mol、より好ましくは≧25,000g/mol、さらにより好ましくは≧50,000g/mol、なおより好ましくは≧75,000g/mol、最も好ましくは≧100,000g/molのMwを有する。一実施形態では、臭化難燃剤は、≦1,000,000g/mol、好ましくは≦500,000g/mol、最も好ましくは≦200,000g/molのMwを有する。
他のハロゲン化難燃剤
一実施形態では、本発明の組成物は、架橋を促進し、水分硬化を確実にするために、シラノール縮合触媒を含む。アルコキシシランポリマーを架橋するための当該技術分野において既知のシラノール縮合触媒が、本発明の組成物に用いられ得る。そのような触媒としては、有機塩基、カルボン酸、および有機チタネートを含む有機金属化合物、ならびに鉛、コバルト、鉄、ニッケル、亜鉛、およびスズの錯体またはカルボキシレート、例えば、ジブチルスズジラウレート、ジオクチルスズマレアート、ジブチルスズジアセテート、ジブチルスズジオクトエート、第一スズアセテート、第一スズオクトエート、ナフテン酸鉛、カプリル酸亜鉛、ナフテン酸コバルトなどが挙げられる。カルボキシレート、特にジブチルスズジラウレートおよびジオクチルスズマレアートは、本発明の組成物にとって特に有用なシラノール縮合触媒である。シラノール縮合触媒は、組成物の総重量に基づき、0.01~20重量%、または0.025~10重量%、または0.05~5重量%、または0.1~3重量%の量で存在する。シラノール縮合触媒は、マスターバッチの形態で導入され得る。一実施形態では、シラノール縮合触媒は、0重量%超、好ましくは40重量%未満の量のマスターバッチの構成成分である。
臭化難燃剤を含む架橋済シラン官能化ポリオレフィン製品は、充填されていてもいなくてもよい。充填される場合、存在する充填剤の量は、シラン架橋済オレフィンポリマーの機械的および/または化学的特性の許容できないほど大きな劣化を引き起こすであろう量を好ましくは超えるべきではない。典型的には、存在する充填剤の量は、ポリマーの重量に基づいて、2~80、好ましくは5~70重量パーセント(重量%)である。代表的な充填剤としては、カオリン粘土、水酸化マグネシウム、シリカ、炭酸カルシウム、カーボンブラックが挙げられる。充填剤は、難燃特性を有していても、または有していなくてもよい。充填剤が存在する場合の本発明の好ましい一実施形態では、充填剤は、充填剤がシラン硬化反応を妨げかねない可能性がある傾向を防止または遅延させる材料でコーティングされる。ステアリン酸は、そのような充填剤被覆の実例である。充填剤および触媒は、望ましくない相互作用および反応を回避するように選択され、この選択は、通常の技術の範囲内で良好である。
一実施形態では、本発明の組成物は、火炎の生成を抑制、抑制、または遅延させることができる少なくとも1つのハロゲンを含まない難燃剤(HFFR)を含む。ハロゲンを含まない難燃剤は、無機材料であり得る。本発明の組成物に使用するのに好適なハロゲン非含有難燃剤の例には、金属水酸化物、赤リン、シリカ、アルミナ、酸化チタン、カーボンナノチューブ、タルク、粘土、有機改質粘土、炭酸カルシウム、ホウ酸亜鉛、三酸化アンチモン、珪灰石、マイカ、オクタモリブデン酸アンモニウム、フリット、中空ガラス微小球、膨張性化合物、膨張グラファイト、およびそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。一実施形態では、ハロゲン非含有難燃剤は、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択され得る。
本発明の組成物は、組成物の重量に基づく重量パーセント(重量%)で、
(A)20~75、または30~70、または35~65、または37~60重量%のアルコキシシラン官能化ポリオレフィンと、
(B)重量平均分子量が、≧1,000g/mol、好ましくは、≧10,000g/mol、より好ましくは、≧25,000g/mol、さらにより好ましくは≧50,000g/mol、なおより好ましくは≧≧75,000、最も好ましくは≧≧100,000g/molの、20~60、または25~55、または30~50、または35~45重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(C)0.05~20、または0.10~10、または0.15~5、または0.20~3重量%のシラノール縮合触媒と、を含む。
(A)水平燃焼性能:(<)100ミリメートル(mm)未満、より好ましくは<75mm、最も好ましくは<40mmの合計チャー、
(B)水平燃焼性能:<80秒(s)、好ましくは<40秒、より好ましくは<20秒、最も好ましくは<10秒の消火までの時間、
(C)耐湿潤絶縁性:(>)100メガオーム(Mohm)超、より好ましくは>1000Mohm超、
(D)高温クリープ:90℃の水浴で4時間(h)の劣化後、<175%、好ましくは<100%、より好ましくは<75%、最も好ましくは<50%。
アルコキシシラン官能化ポリオレフィン、臭化難燃剤、シラノール縮合触媒、および任意な充填剤および添加剤の配合は、当業者に既知の標準的な手段によって実施することができる。配合装置の例は、BANBURY(商標)またはBOLLING(商標)などの内部バッチ混合機である。あるいは、FARREL(商標)連続混合機、WERNERおよびPFLEIDERER(商標)二軸スクリュー混合機、またはBUSS(商標)混錬連続押出機などの、連続単軸または二軸スクリュー混合機または押出機を使用してもよい。利用される混合機の種類、および混合機の操作条件は、粘度、体積抵抗率、および押出表面の滑らかさなどの組成物の特性に影響を及ぼす。
一実施形態では、本発明の組成物は、既知の量および既知の方法によって(例えば、米国特許第USP5,246,783号および同第USP4,144,202号に記載の設備および方法を用いて)、シース、半導体、または絶縁層としてケーブルに適用することができる。典型的には、組成物は、ケーブルコーティング用ダイを備える反応器-押出機内で調製され、組成物の構成成分が配合された後、ケーブルがダイから引き出される際に、組成物はケーブル上に押し出される。反応器-押出機内で硬化が開始されてもよい。必要または好ましいわけではないが、成形物品は、高温および外部水分のいずれかまたは両方に曝露されてもよく、高温の場合、典型的には、物品が所望の架橋度に達するような期間の間、周囲温度以上であるがポリマーの融点未満である。成形後硬化の温度は、0℃超であるべきである。本発明のポリマー組成物から作製され得る他の製造物品としては、繊維、リボン、シート、テープ、チューブ、パイプ、隙間充填材、密封材、ガスケット、ホース、発泡体、履物、およびベロが挙げられる。これらの物品は、既知の設備および技術を使用して製造され得る。
密度をASTM D-792に従って測定する。
ρ=エチレン系ポリマーの密度(23℃でのグラム/cc)
ρa=非晶質画分の密度(0.855g/cc)
ρc=結晶画分の密度(1.00g/cc)
(A)ベースライン較正機器。ソフトウェア較正ウィザードを使用する。まず、アルミニウムDSCパン中に試料を全く含まずにセルを-80℃~280℃に加熱することによってベースラインを得る。次いで、較正ウィザードの指示に従ってサファイア標準を使用する。標準試料を180℃に加熱し、10℃/分の冷却速度で120℃に冷却し、次いで標準試料を等温で120℃に1分間保持し、続いて標準試料を10℃/分の加熱速度で120℃から180℃まで加熱することによって、1~2ミリグラム(mg)の新鮮なインジウム試料を分析する。インジウム標準試料が、融解熱=28.71±0.50ジュール/グラム(J/g)、および溶融開始=156.6±0.5℃を有することを決定する。
(B)同じDSC機器を使用して、試験試料に対するDSC測定を実施する。半結晶性エチレン系ポリマーの試験試料を160℃の温度で薄膜にプレスする。DSC皿に5~8mgの試験試料フィルムを秤量する。パンを蓋で閉じてクリンプし、密閉雰囲気を確保する。密閉したパンをDSCセル内に配置し、30℃でセルを平衡化し、約100℃/分の速度で190℃に加熱する。試料を190℃で3分間保持し、試料を10℃/分の速度で-60℃に冷却して、冷却曲線融解熱(Hf)を得て、等温で-60℃に3分間保持する。次いで、試料を10℃/分の速度で190℃に再度加熱して、第2の加熱曲線融解熱(ΔHf)を得る。第2の加熱曲線を使用して、-20℃(エチレンホモポリマー、エチレンと加水分解性シランモノマーとのコポリマー、および0.90g/cm3以上の密度のエチレンアルファオレフィンコポリマーの場合)、または-40℃(エチレンと不飽和エステルとのコポリマー、および0.90g/cm3未満の密度のエチレンアルファオレフィンコポリマーの場合)から溶融終了までを積分して「全」融解熱(J/g)を計算する。第2の加熱曲線を使用して、23℃で垂直に降下することによって、23℃(室温)から溶融終了までの「室温」融解熱(J/g)を計算する。「全結晶化度」(「全」融解熱から算出される)、ならびに「室温での結晶化度」(「室温」融解熱から算出される)を測定および報告する。結晶化度を、試験試料の第2の加熱曲線融解熱(ΔHf)および100%結晶性ポリエチレンの融解熱に対するその正規化からの、ポリマーのパーセント(%)または重量パーセント(重量%)結晶化度として測定および報告し、%結晶化度または重量%結晶化度=(ΔHf*100%)/292J/gであり、式中、ΔHfは、上で定義した通りであり、*は、数学的乗算を示し、/は、数学的除算を示し、292J/gは、100%結晶性ポリエチレンについての融解熱(ΔHf)の文献値である。
LOIは、酸素の最小濃度であり、ポリマーの燃焼をサポートするであろう割合として表される。酸素および窒素の混合物を燃焼試験片に通過させ、臨界レベルに達するまで酸素レベルを低減することによって測定する。本明細書で報告されるLOI値は、ASTM D2863試験方法によって測定する。
綿を発火させる任意の試験片が、発火もしくは発光粒子、または炎滴を発した時点で(綿の無炎炭化は無視するものとする)、ワイヤ、ケーブル、またはアセンブリは、近くにある可燃物を延焼する可能があると判断する。綿で覆われた試験面の領域外側に落ちる、かつ/あるいはくさびもしくはバーナーの上に落ちると、任意の試験片が発火もしくは発光粒子、または炎滴を発した時点で、試験結果を破棄し、試験を繰り返す。繰り返し試験の場合、試験片の水平軸を中心に、幅12インチすなわち305mmx深さ14インチすなわち355mmの試験面の領域を綿で覆い、指定された綿を把持するか、あるいはくさびに(くさびの下に綿はない)およびバーナーの基部周りに固定する。いずれの綿も繰り返し試験で発火せず、いずれの試験片も全長が3~15/16インチ、すなわち100mmを超えて炭化しない。本明細書で報告される水平燃焼値は、UL1581,1100.4試験方法によって測定する。
高温クリープ試験は、150℃で0.2MPaを使用してワイヤで行う。3つの試験片を試験し、各試料について平均値を報告する。本明細書で報告される高温クリープ値は、UL2556試験方法によって測定する。
BRABENDER(商標)押出機を使用して、耐乾燥絶縁性すなわち単にIR試験、および湿潤IR試験すなわち湿潤IR用に試料を調製する。典型的には、両方に10メートル(m)の長さのワイヤを使用する。試験前に、コーティングしたワイヤの外被の両端を約1.5cm剥がし、銅ストランドを撚り合わせる。ワイヤを蒸留水に浸し、IRおよび湿潤IRの両方の試験中に、導体と水との間に500ボルト(V)の直流(DC)を印加する。IRの場合、DCを1分間印加した後、耐電圧テスターによって測定する。湿潤IRの場合、ワイヤを事前に接地した水に1時間浸し、同じ様式で測定する。本明細書で報告されるIR値および湿潤IR値は、UL44規格によって測定する。
材料
混合ボウルで表1、表6および表10に列挙されている組成物を調製するための手順
カムロータを備えた420mLのBRABENDER(商標)混合ボウルを使用して、組成物を調製する。混合ボウルを難燃剤配合物で70%充填するように、バッチ質量を計算する。混合ボウルを125℃の設定温度に予熱し、ロータ速度を毎分25回転(rpm)に設定する。ポリマーのうちの半分をボウルに添加し、ポリマー溶融物が形成されるまで溶かす。次に、難燃剤を添加し、ポリマー溶融物に組み込む。次いで、残りの量のポリマーおよび酸化防止剤を添加し、次いでロータ速度を40rpmに上げる。バッチをさらに5分間流動体化する。混合ボウルから取り出した後、配合物を5分間コールドプレス内に配置する。得られたプラークを、8インチ×8インチ×150ミルの金型内に配置されるより小さい片に切断し、以下の条件:500psi、125℃で5分間、続いて2500psiで5分間、続いて金型温度が40℃に達するまでこの圧力でゆっくり冷却することで圧縮成形する。次いで、圧縮成形したプラークをストリップにギロチン裁断し、Wileyミル内に配置して、小型チップを製作する。次いで、チップを、24:1押出機を備えたBrabender(商標)モデルPrep Mixer/Measuring Head実験室用電気バッチ混合機に供給する。24:1 Maddox混合ヘッドスクリューを用いて、ストランドダイを通してポリマーを運搬および溶融する(ゾーン1、ゾーン2、ゾーン3、およびダイにわたって20/40/60/20メッシュスクリーンパック、および140℃の均一に設定された温度プロファイルを使用して、40rpmのスクリュー速度で)。ストランド押出物を再度Wileyミルで粉砕して、ペレットを製作する。これらの組成物はすべて熱可塑性であり、ワイヤ構造物の熱可塑性難燃シースならびに他の構成成分とのブレンド中の難燃性マスターバッチを作製するために使用することができる。
3ゾーンバレル、25:1L/D(長さ対直径)、0.050インチチップおよび0.125ダイを備えた3/4インチBRABENDER(商標)押出機を、MADDOX(商標)混合ヘッドを備えた3:1圧縮比スクリューとともに使用する。ブレーカープレートおよび40メッシュスクリーンパックを使用する。むき出しの銅導体は、公称直径0.064インチの14AWG/単一ストランドである。ゾーン温度は、ダイを含むすべてのゾーンで150℃に設定される。試料でコーティングしたワイヤは、ダイから4~5インチ離れた水槽で直ちに冷却する。
Claims (10)
- 水分架橋性組成物であって、前記組成物の重量に基づく重量パーセント(重量%)で、
(A)10~79重量%のアルコキシシラン官能化エチレン系ポリマーと、
(B)重量平均分子量(Mw)が1000グラム/モル(g/mol)以上の、16~70重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(C)0.01~20重量%のシラノール縮合触媒と、を含む、水分架橋性組成物。 - 前記アルコキシシラン官能化エチレン系ポリマーが、エチレン-シランコポリマーまたはシラングラフトエチレン系ポリマーのうちの少なくとも1つである、請求項1に記載の組成物。
- 水分架橋性組成物であって、前記組成物の重量に基づく重量パーセント(重量%)で、
(A)4.0~83.67重量%のエチレン系ポリマーと、
(B)0.3~5重量%のグラフト可能なシラン含有化合物と、
(C)0.02~1.0重量%の過酸化物開始剤と、
(D)重量平均分子量(Mw)が1000グラム/モル(g/mol)以上の、16~70重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(E)0.01~20重量%のシラノール縮合触媒と、を含む、水分架橋性組成物。 - 前記ポリマー臭化難燃剤が、1,000~1,000,000g/mol超のMwを有する、請求項1~3のいずれかに記載の組成物。
- 前記ポリマー臭化難燃剤が、臭化ポリフェニルエーテルまたは臭化スチレン/ブタジエンブロックコポリマーである、請求項1~4のいずれかに記載の組成物。
- 前記シラノール縮合触媒が、カルボン酸スズである、請求項1~5のいずれかに記載の組成物。
- 水分架橋済組成物であって、前記組成物の重量に基づく重量パーセント(重量%)で、
(A)10~79重量%のアルコキシシラン官能化エチレン系ポリマーと、
(B)重量平均分子量(Mw)が1000グラム/モル(g/mol)以上の、16~70重量%のポリマー臭化難燃剤と、
(C)0.01~20重量%のシラノール縮合触媒と、を含む、水分架橋済組成物。 - 90℃の水浴で4時間(h)の劣化後、175%以下の高温クリープを有する、請求項7に記載の水分架橋済組成物。
- 請求項1~8のいずれかに記載の組成物から作製されたポリマーシースを含む、ケーブル。
- 以下の特性:
(A)水平燃焼性能:100ミリメートル(mm)未満の合計チャー、
(B)水平燃焼性能:80秒(s)未満の消火までの時間、および
(C)耐湿潤絶縁性:100メガオーム(Mohm)超、のうちの少なくとも1つを有する、請求項9に記載のケーブル。
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