JP7410310B2 - ポリアリーレンエーテルケトン樹脂 - Google Patents
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Description
(a)を用いた場合には、例えば4,4’-ジフルオロベンゾフェノンとヒドロキノンの二種のモノマーをジフェニルスルホン中で炭酸カリウムを作用させる芳香族求核置換型の重縮合反応により、ポリエーテルエーテルケトン樹脂(以下、PEEK樹脂と略称することがある)が製造される(特許文献1)。
(b)を用いた場合には、例えばテレフタル酸ジクロリドとジフェニルエーテルの二種のモノマーを用い、無機ルイス酸を作用させることによる芳香族求電子置換型の重縮合反応により、ポリエーテルケトンケトン樹脂(以下、PEKK樹脂と略称することがある)が製造される(特許文献2)。
特許文献3は、AlCl3を触媒として用いたフリーデルクラフツ反応による芳香族PAEK樹脂の製造について開示し、生成したポリマー中でアルミニウムが強固に骨格中のカルボニル基と錯形成する為、取り除くことは困難であると言及している。そこでマレスカらは、モノマーとしてテレフタル酸クロリド、イソフタル酸クロリド、ジフェニルエーテルを用いて、1,2-ジクロロエタン中で無水塩化アルミニウムを作用させることによるPAEK樹脂の製造を試み、さらには生じた当該樹脂を2,4-ペンタンジオンのアセトン溶液で加熱洗浄することで残存アルミニウム量が1/10までしか除去できない。
1.水分に対して高い反応性を示すため取り扱いが困難である。
2.加水分解によって生じたリン酸は、回収・脱水処理により再生することは一般に困難であり、PAEK樹脂重合の停止時の加水分解処理により抽出され排水処理される。
3.再生利用することが困難なため、製造原材料費コストの増大を招く。
4.リン酸等の加水分解生成物はポリマー中に残存し、公知の方法で精製しても残留元素を低くできない。
昨今の社会情勢を踏まえ、循環型経済の構築の一環とした使用済み樹脂の高効率なリサイクルや再生原料としての価値を高めるためにも、金属元素やClやBrなどを含まない樹脂材およびその製法開発に課題が残っている。
本実施形態のPAEK樹脂は、耐熱性に優れ、高いガラス転移温度及び融点を維持し、結晶性並びに融点を制御することが可能で、かつ良好な成形加工性を有するPAEK樹脂であることが好ましい。
また、剛直な下記繰り返し単位(1-1)と柔軟でありかつ結晶融点制御を可能とする繰り返し単位(2-1)とを共重合させたPAEK樹脂が、繰り返し単位(1-1)と繰り返し単位(2-1)との割合を適宜調節することで、結晶化度及び融点を制御することが可能で、良好な成形加工性を発現できることを見出した。
[1]
下記(A)~(D)を満たし、
樹脂中に含まれる全繰り返し単位中の全炭素数に対する、全繰り返し単位中のケトン基のモル割合が9.5モル%以上でありかつ全繰り返し単位中のエーテル基のモル割合が4.5モル%以上であり、
数平均分子量Mnが8000以上である、
ことを特徴とする、ポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
(A)安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類されるそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(B)Cl及びBrのそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(C)Pの残存量が100ppm以下である
(D)下記一般式(1-1)で表される繰り返し単位(1-1)を含み、さらに下記一般式(2-1)で表される繰り返し単位(2-1)を含んでいてもよい。
下記(A)(B)(C’)(D)を満たし、
樹脂中に含まれる全繰り返し単位中の全炭素数に対する、全繰り返し単位中のケトン基のモル割合が9.5モル%以上でありかつ全繰り返し単位中のエーテル基のモル割合が4.5モル%以上であり、
数平均分子量Mnが8000以上である、
ことを特徴とする、ポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
(A)安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類されるそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(B)Cl及びBrのそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(C’)リン酸イオン(PO4 3-)の残存量が100ppm以下である
(D)下記一般式(1-1)で表される繰り返し単位(1-1)を含み、さらに下記一般式(2-1)で表される繰り返し単位(2-1)を含んでいてもよい。
前記Cl元素の残存量が20ppm以下である、[1]又は[2]に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
[4]
前記繰り返し単位(1-1)と、前記繰り返し単位(2-1)との割合(繰り返し単位(1-1):繰り返し単位(2-1))が、モル比で100:0~50:50の範囲である、[1]~[3]のいずれかに記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
[5]
ガラス転移温度が145℃以上であり、かつ融点が300℃以上である、[1]~[4]のいずれかに記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
[6]
下記式(1-2)で表されるモノマー(1-2)と、下記式(3-1)で表されるモノマー(3-1)とを含み、さらに下記式(2-2)で表されるモノマー(2-2)を含んでいてもよいモノマー成分を、下記一般式(4-1)で表されるフッ素原子含有スルホン酸と下記一般式(5-1)で表されるフッ素原子含有酢酸無水物又は下記一般式(6-1)で表されるフッ素原子含有スルホン酸無水物との存在下で反応させることを特徴とする、[1]~[5]のいずれかに記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂の製造方法。
[7]
[1]~[5]のいずれかに記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂を含むことを特徴とする、組成物。
[8]
[1]~[5]のいずれかに記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂を含むことを特徴とする、成形品。
本実施形態のPAEK樹脂は、従来のPAEK樹脂と同様に耐熱性に優れ、高いガラス転移温度を有し、高い結晶性を保持したまま融点を調節することが可能であることが好ましい。さらに、良好な成形加工性を有することが好ましい。
本実施形態のPAEK樹脂は、樹脂中に含まれる全繰り返し単位中の全炭素数に対する、全繰り返し単位中に含まれるケトン基のモル割合が9.5モル%以上でありかつ全繰り返し単位中に含まれるエーテル基のモル割合が4.5モル%以上である。本実施形態のポリアリーレンエーテルケトン樹脂は、以下の(A)(B)(C)(D)又は(A)(B)(C’)(D)を満たす。
(A)安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類されるそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(B)Cl及びBrのそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(C)Pの残存量が100ppm以下である
(C’)リン酸イオン(PO4 3-)の残存量が100ppm以下である
(D)一般式(1-1)で表される繰り返し単位(1-1)を含み、さらに一般式(2-1)で表される繰り返し単位(2-1)を含んでいてもよい。
本実施形態のPAEK樹脂は、樹脂中に含まれる全繰り返し単位中のケトン基数量とエーテル基数量が上記範囲を満たし、上述の条件を満たすことで、良好な金属密着性が発現させられる。
式(7-1)、(7-2)、(7-3)、(7-4)中の左右のEは、それぞれ同一であっても異なってもよく、それぞれ一価の置換基として選択され、例えば下記一般式(7-5)及び下記一般式(7-6)から選択され得るが、それぞれ本実施形態のPAEK樹脂を用いる用途によってその適否は異なり、本例示をもってその選択肢が制限されることはない。例えば、一般的に本実施形態のPAEK樹脂の熱的な安定性や加熱時のガス発生またはいかなる熱時反応による繰り返し単位内に構造変化をもたらすような反応性を考慮する場合には、Eは一般式(7-5)の中でもR3がカルボン酸(-COOH)を含まない原子または原子団から選択される置換基及び一般式(7-6)が好ましく、より好ましくは一般式(7-5)の中でもR3がカルボン酸(-COOH)、スルホン酸(-S(O2)OH)を含まない原子または原子団から選択される。また、本実施形態のPAEK樹脂を他の樹脂や素材との、共有結合や単一もしくはいかなる組み合わせの分子間相互作用を介した組み合わせでの使用を考慮する場合には、Eは一般式(7-5)の中でもR3がカルボン酸(-COOH)またはスルホン酸(-S(O2)OH)を含む原子または原子団から選択されることが好ましい。
R3の置換位置はいずれの組み合わせでもよく、より好ましくは一般式(7-5)中のカルボニル炭素―芳香環炭素の単結合周りでの回転を考えた際にC2対称となる組み合わせがよい。R4およびR5の置換位置はいずれの組み合わせでもよく、より好ましくは一般式(7-6)中の芳香環炭素-X間の単結合周りでの回転を考えた際にC2対称となる組み合わせがよい。
本実施形態のPAEK樹脂100質量%中の、アルミニウム元素の残存質量の割合は、100ppm以下であり、好ましくは90ppm以下、より好ましくは80ppm以下である。残存質量の割合が上記範囲であることにより、重合生成物の分解や変色の発生が抑制できる。例えば、医療用用途等に適する。
繰り返し単位(1-1)と繰り返し単位(2-1)との割合(繰り返し単位(1-1):繰り返し単位(2-1))は、モル比で100:0~50:50の範囲であることが好ましく、100:0~52:48の範囲であることがより好ましく、100:0~55:45の範囲であることが特に好ましい。上記モル割合の範囲内で、繰り返し単位(2-1)のモル量に対する、繰り返し単位(1-1)のモル量比を大きくすることで、ガラス転移温度(Tg)、結晶化度及び融点(Tm)を高くすることが可能で、耐熱性に優れたPAEK樹脂を得ることができる。また、上記モル割合の範囲内で、繰り返し単位(2-1)のモル量に対する、繰り返し単位(1-1)のモル量比を小さくすること、融点(Tm)を比較的低温に調節することができ、成形加工性に優れるPAEK樹脂とすることができる。
本実施形態のPAEK樹脂は、繰り返し単位(1-1)と繰り返し単位(2-1)との割合を適宜最適化すること、適宜最適な数平均分子量Mnに重合度を調整することで、耐熱性と成形加工性及び成形体の強度に優れるPAEK樹脂とすることができる。
数平均分子量が上記上限値以下であることにより、成形加工性に優れる。また、上記下限値以上であることにより、強度に優れる成形体を得ることができる。
なお、数平均分子量は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
上記の低分子量成分の割合が上記上限値以下であることにより、変色の発生や加熱時に発生するガス成分の発生を抑制することができる。例えば、この上限値以上である場合には低分子量成分の熱分解によるガスの発生や、低分子量成分の高温化での化学変換や当該PAEK樹脂の変質に寄与することで変色や不可逆的な化学変換等が生じ、溶融加工時の粘度上昇や成形加工性の低下につながりうる。また、上記の低分子量成分の割合が上記上限値以下であることにより、強度に優れる成形体を得ることができる。
なお、微分分子量分布曲線は、後述に記載のGPCによる分子量分布測定方法で測定することができる。
上記ガラス転移温度は、例えば、繰り返し単位(1-1)と繰り返し単位(2-1)との割合を適宜選択することで、調整することができる。
なお、ガラス転移温度は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
上記融点は、例えば、繰り返し単位(1-1)と繰り返し単位(2-1)との割合を適宜選択することで、調整することができる。
なお、融点は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
上記結晶化度は、例えば、繰り返し単位(1-1)と繰り返し単位(2-1)との割合を適宜選択することで、調整することができる。
なお、結晶化度は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
本実施形態のPAEK樹脂の製造方法は、上述の本実施形態のPAEK樹脂を製造できる方法であれば特に限定されない。
中でも、本実施形態のPAEK樹脂の製造方法は、下記式(1-2)で表されるモノマー(1-2)と、下記式(3-1)で表されるモノマー(3-1)とを含み、さらに下記式(2-2)で表されるモノマー(2-2)を含んでいてもよいモノマー成分を、下記式(4-1)で表されるフッ素原子含有スルホン酸と下記式(5-1)で表されるフッ素原子含有酢酸無水物又は下記式(6-1)で表されるフッ素原子含有スルホン酸無水物との存在下で反応させる方法(本明細書において、製造方法(I)と称する場合がある)が好ましい。なお、上記モノマー成分には、オリゴマー成分が含まれていてもよい。
本実施形態の製造方法は、上記モノマー成分に対して、上記フッ素原子含有スルホン酸と上記フッ素原子含有酢酸無水物又は上記フッ素原子含有スルホン酸無水物とを添加し、昇温させ、撹拌することでPAEK樹脂を製造することができる。
あるいはモノマー(1-2)と、モノマー(3-1)と、下記一般式(8-3)で表されるオリゴマー及び/又は下記一般式(8-4)で表されるオリゴマーとを、上記フッ素原子含有スルホン酸と、上記フッ素原子含有酢酸無水物又は上記フッ素原子含有スルホン酸無水物の存在下で反応させることによっても製造することができる。
具体的には、上記モノマー成分と、一般式(8-1)で表されるオリゴマー、一般式(8-2)で表されるオリゴマー、下記一般式(8-3)で表されるオリゴマー、下記一般式(8-4)で表されるオリゴマー等のオリゴマー成分とを、上記フッ素原子含有スルホン酸と、上記フッ素原子含有酢酸無水物又は上記フッ素原子含有スルホン酸無水物との存在下で反応させ、昇温させ、撹拌することでPAEK樹脂を製造することができる。
上記フッ素原子含有スルホン酸と上記フッ素原子含有酢酸無水物又は上記フッ素原子含有スルホン酸無水物との存在下で反応開始段階温度は20~80℃であることが好ましい。特に上記フッ素原子含有スルホン酸と上記フッ素原子含有酢酸無水物の組み合わせでの反応開始段階は20℃~45℃であることがより好ましい。
本実施形態の組成物は、上述の本実施形態のPAEK樹脂を含む。
本実施形態の組成物は、さらに添加剤を含んでいてもよい。上記添加剤としては、2,4,8,10-テトラ(tert-ブチル)-6-ヒドロキシ―12H-ジベンゾ[d,g][1,3,2]ジオキサホスホシン 6-オキシドナトリウム塩(CAS番号:85209-91-2)、テトラキス(2,4-ジ-tert-ブチルフェニル)[1,1’-ビフェニル]-4,4’-ジイルビスホスホナイト(119345-01-6)などが挙げられるが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
本実施形態の組成物100質量%中の上述の本実施形態のPAEK樹脂の質量割合としては、50質量%以上であることが好ましく、より好ましくは70質量%以上、さらに好ましくは80質量%以上、特に好ましくは90質量%以上である。
本実施形態のPAEK樹脂は、金属密着性に優れる。さらに、耐熱性に優れ、高いガラス転移温度(Tg)を有するとともに、高い結晶性を保持したまま融点(Tm)を調整することが可能であり、良好な成形加工性を有することが好ましい。
本実施形態のPAEK樹脂は、ニートレジンとしての使用の他にも、ガラス繊維、炭素繊維、セルロース繊維、フッ素樹脂等をコンパウンドして複合材料としての使用が可能である。
本実施形態のPAEK樹脂は成形加工することで、ペレット、フィルム、ロッド、ボード、フィラメント等の一次加工品や、各種射出成形品あるいは切削加工品により、例えば、ギア、コンポジット、インプラント、3Dプリント成形品等の二次加工品とすることができる。
本実施形態のPAEK樹脂を含む成形品は、特にその用途を限定するものではないが、上述のように、本来、PAEK樹脂の構成元素に含まれない、アルミニウムや鉄等に代表される金属元素や、リン元素およびリン酸イオン(PO4 3-)、塩素等の不要元素の含有量が低いため、従来のPEAK樹脂成形品の用途である、自動車、航空機等の他にも、元素含有量規制のある電気電子材料や、健康・安全上を考慮する必要が特に高い医療用部材等での利用が可能である。
[ガラス転移温度(Tg)及び結晶融点(Tm)]
実施例及び比較例にて得たPAEK樹脂について、NETZSCH製DSC装置(DSC3500)を用いて、アルミニウムパンに重合後に特別な熱処理をしていない状態の試料5mgを採取したのち、20mL/minの窒素気流下、20℃/minの昇温条件で50℃から400℃までの測定を行い、10℃/minの条件で400℃から50℃まで降温する条件プログラムにより測定した。特に断りのない限りガラス転移温度(Tg)及び結晶融点(Tm)は、上記の昇温条件で測定開始してから2周目のプログラムサイクルに検出されるガラス転移点の変曲点及び融点ピークのピークトップの温度として求めた。
実施例及び比較例にて得たPAEK樹脂について、NETZSCH製DSC装置(DSC3500)を用いて、アルミニウムパンに重合後に特別な熱処理をしていない状態の試料5mgを採取したのち、20mL/minの窒素気流下、20℃/minの昇温条件で50℃から400℃まで加熱し、次に5℃/minの降温条件で50℃まで冷却した後、20℃/minの昇温条件で50℃から400℃まで測定を行い、融解熱量を求め、次式で結晶化度を計算した。
結晶化度(%)=ΔHm/ΔHc×100
ここで、ΔHmは試料PAEK樹脂の融解熱量であり、ΔHcはPEEK樹脂の完全結晶の融解熱量である130J/gを用いた。
実施例及び比較例にて得たPAEK樹脂について、東ソー株式会社製GPC装置(HPLC8320)、装置コントロールソフトは、HLC-83220GPC EcoSEC System Control Version1.14を使用し、検出器は同装置標準装備のRI検出器を用い、溶離液にトリフルオロ酢酸ナトリウム塩を0.4質量%溶解させたヘキサフルオロイソプロパノールを用いて測定した。標準物質にはポリメタクリル酸メチル(PMMA)を使用した。測定結果の解析はHLC-83220GPC EcoSEC Data Analysis Version1.15を用い、ベースラインはクロマトグラフのピークの立ち上がりベースラインから立下りベースラインまでで引き、得られたピークよりそれぞれ数平均分子量Mn、重量平均分子量Mw、分子量分布Mw/Mnを標準物質のPMMA検量線より換算して算出した。
実施例及び比較例にて得たPAEK樹脂試料約0.1gをテトラフルオロメタキシール(TFM)製分解容器に精秤し、硫酸及び硝酸を加えて、マイクロウェーブ分解装置で加圧酸分解を行った。得られた分解液を50mLに定容して、ICP-MS測定に供した。ICP-MS測定には、アジレント・テクノロジー社製装置(Agilent 7900)を使用し、安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類される元素を定量した。また、塩素及び臭素元素の分析にはDionex社イオンクロマトグラフ(ICS-1500)を使用して定量した。
後述の実施例及び比較例にて得たPAEK樹脂試料の粉末約1gを精秤し、ソックスレー抽出器を用いて、水およびエタノールそれぞれを用いて24時間抽出し、抽出物をエバポレーターで濃縮後、100℃で6時間真空乾燥した。Dionex社イオンクロマトグラフ(Model 10)を使用し、同社の低交換容量陰イオン交換樹脂を充填したプレカラムと分離カラム及び高交換容量イオン交換樹脂を用いて充填した除去カラムを連結して用いた。データ処理はPerkin-Elmer社製のラボデータシステムSigma10を接続して用いた。試薬はいずれも特級品をそのまま用いた。試料は溶離液溶液としてサンプリングループから注入した。溶離液は0.003M炭酸水素ナトリウム―0.0024M炭酸ナトリウム(pH 10.3)を用い、上記でソックスレー抽出により得た残留物を溶解させ分析を行った。本条件でのリン酸イオン由来のピークトップ保持時間は10.0分から11.5分に観測される。定量はここで得られたクロマトグラフのピークの立ち上がりベースラインから立下りベースラインまでの間でのピーク面積値から行った。
後述の実施例及び比較例のPAEK樹脂について、窒素下にてDSC測定によって明らかとしたそれぞれの結晶融点に20℃を加えた温度で溶融させ、平滑なSUS304板に対してインサート成形により接合し、SUS304-PAEK樹脂試験片をISO19095に基づき引張せん断試験により得られたせん断強度から密着性を評価した。また、JIS K6850を用いて引張せん断試験により、接合したPAEK樹脂部重量(接合樹脂総重量)に対する、せん断試験後のSUS304-PAEK樹脂接合部に密着残留したPAEK樹脂の重量(残留樹脂重量)の割合からも密着性を評価した
後述の実施例及び比較例にて得たPAEK樹脂について、HFIP-d2にPAEK樹脂を溶解させ、日本電子製NMR装置(ECZ-500)を使用し、13Cを観測核、待ち時間を5秒、測定温度を25℃、積算回数を250,000回の条件で測定し、樹脂中に含まれる全繰り返し単位炭素に由来する積分値数の和に対する、ケトン基炭素に由来する積分値数又はエーテル基イプソ炭素に由来する積分値の和の半数から、それぞれポリマー中の繰り返し単位中のケトン基数及びエーテル基数を算出した。化学シフトはHFIP-d2の化学シフト(68.95ppm)を標準として用い、ケトン基炭素に由来するシグナル及びエーテル基イプソ芳香環炭素に由来するシグナルは、別途dept135°で消失する第四級炭素に由来するシグナルであることを確認し、それぞれの定量には195~205ppm及び155~165ppmに観測されるシグナルを基に算出した。
又は、ペンタフルオロフェノールにPAEK樹脂を40℃で溶解させ、HFIP-d2入りの細管を内部標準として導入し、ECZ-500を使用し、13Cを観測核、待ち時間を5秒、測定温度を40℃、積算回数を250,000回の条件で測定し、繰り返し単位炭素に由来する積分値数の和に対するケトン基炭素に由来する積分値数又はエーテル基イプソ炭素に由来する積分値の和の2/3から、それぞれポリマー中の繰り返し単位中のケトン基数及びエーテル基数を算出した。化学シフトはHFIP-d2の化学シフト(68.95ppm)を標準として用い、ケトン基炭素に由来するシグナル及びエーテル基イプソ芳香環炭素に由来するシグナルは、別途dept135°で消失する第四級炭素に由来するシグナルであることを確認し、それぞれの定量には195~205ppm及び155~165ppmに観測されるシグナルを基に算出した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量及び分子量分布を測定したところ、Mnが10,400、Mwが58,200、Mw/Mnが5.6であり、実施例1にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例1に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸90gとイソフタル酸10gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが10,000、Mwが40,400、Mw/Mnが4.0であり、実施例2にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例2に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸80gとイソフタル酸20gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが10,000、Mwが38,400、Mw/Mnが3.8であり、実施例3にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例3に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸70gとイソフタル酸30gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが10,000、Mwが31,400、Mw/Mnが3.1であり、実施例4にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例4に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸50gとイソフタル酸50gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが10,100、Mwが30,900、Mw/Mnが3.1であり、実施例5にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例5に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸90gと一般式(7-1)でオリゴマー(n=1)37gとジフェニルエーテル92g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが10,000、Mwが38,400、Mw/Mnが3.8であり、実施例6にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例6に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で30℃まで昇温させ24時間撹拌した。その後、室温まで冷却し、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところMnが5,400、Mwが19,400、Mw/Mnが3.6であり、実施例7にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例7に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で50℃まで昇温させ12時間撹拌した。その後、室温まで冷却し、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが4,800、Mwが16,000、Mw/Mnが3.3であり、実施例8にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例8に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸2886g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが4,700、Mwが15,800、Mw/Mnが3.4であり、実施例9にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例9に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとジフェニルエーテル103g、トリフルオロメタンスルホン酸271g、トリフルオロメタンスルホン酸無水物357gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量及び分子量分布を測定したところ、Mnが4,600、Mwが15,640、Mw/Mnが3.4であり、実施例10にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、実施例10に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表1に示した。
[五酸化ニリンを使用した重合例]
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、トリフルオロメタンスルホン酸1915gとテレフタル酸100gを仕込み、窒素雰囲気下の室温で20時間撹拌した。その後これに、ジフェニルエーテル103gと五酸化ニリン205gを撹拌したフラスコに仕込み、100℃まで昇温後、4時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが10,400、Mwが41,600、Mw/Mnが4.0であり、比較例1にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例1に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。
[酸クロリドモノマー及び無水塩化アルミニウム触媒を使用した重合例]
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸ジクロリド122gとジフェニルエーテル103g、o-ジクロロベンゼン525gを仕込み、窒素雰囲気下で5℃以下を保ちながら無水三塩化アルミニウム204gを加え、0℃で30分撹拌した。その後、o-ジクロロベンゼン2000gを加え、130℃で1時間撹拌し、室温まで冷却後、上澄み液をデカンテーションで取り除き、残留した反応懸濁液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが8,000、Mwが28,400、Mw/Mnが3.6であり、比較例3にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例2に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。
[酸クロリドモノマー及び無水塩化アルミニウム触媒を使用した重合例]
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸ジクロリド85gとイソフタル酸ジクロリド37gとジフェニルエーテル103g、o-ジクロロベンゼン525gを仕込み、窒素雰囲気下で5℃以下を保ちながら無水三塩化アルミニウム204gを加え、0℃で30分撹拌した。その後、o-ジクロロベンゼン2000gを加え、130℃で1時間撹拌し、室温まで冷却後、上澄み液をデカンテーションで取り除き、残留した反応懸濁液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが8,700、Mwが28,400、Mw/Mnが3.3であり、比較例3にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例3に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。
比較例4にかかわるPEKK樹脂として、Goodfellow社製:PEKKを準備し、GPCを用いた分子量分布測定、ガラス転移温度(Tg)、結晶融点(℃)及び結晶化度等を測定し、結果を表2に示した。
比較例5にかかわるPEEK樹脂として、Aldrich社製:PEEKを準備し、ガラス転移温度(Tg)、結晶融点(℃)及び結晶化度を測定し、結果を表2示した。
[ジフェニルエーテルの代わりにビフェニルを使用した重合例]
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとビフェニル92.4g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量及び分子量分布を測定したところ、Mnが9,400、Mwが50,200、Mw/Mnが5.3であり、比較例6にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例6に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。
[ジフェニルエーテルの代わりに1,4-ジフェノキシベンゼンを使用した重合例]
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gと1,4-ジフェノキシベンゼン157g、トリフルオロメタンスルホン酸339g、トリフルオロ酢酸無水物315gを仕込み、窒素雰囲気下で35℃まで昇温させ6時間撹拌した。その後、60℃まで昇温させ6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量及び分子量分布を測定したところ、Mnが10,400、Mwが51,200、Mw/Mnが4.9であり、比較例7にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例7に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。
[数平均分子量Mnの低下を指向した重合例]
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、トリフルオロメタンスルホン酸1915gとテレフタル酸100gを仕込み、窒素雰囲気下の室温で20時間撹拌した。その後これに、ジフェニルエーテル103gと五酸化ニリン205gを撹拌したフラスコに仕込み、100℃まで昇温後、1時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量分布を測定したところ、Mnが5,000、Mwが15,600、Mw/Mnが3.1であり、比較例8にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例8に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。このサンプルの元素分析の結果ではリン元素が1100ppm検出され、残留リン酸イオン(PO4 3-)分析ではリン酸イオンが1500ppm検出された。
窒素導入管、温度計、還流冷却管、及び撹拌装置を備えた4つ口セパラブルフラスコに、テレフタル酸100gとジフェニルエーテル103gを仕込み、窒素雰囲気下でトリフルオロメタンスルホン酸無水物1000gを加え、60℃で30分間攪拌後、トリフルオロメタンスルホン酸192.3gを加えて、そのままの温度で6時間撹拌した。室温まで冷却後、反応溶液を強撹拌した1N水酸化ナトリウム水溶液に注ぎ込み、ポリマーを析出させ、ろ過した。さらに、ろ別したポリマーを蒸留水とエタノールで2回ずつ洗浄した。その後、ポリマーを150℃の真空下で8時間乾燥させた。GPCを用いて分子量及び分子量分布を測定したところ、微分分子量分布はベースラインで分離した二峰性のピークを与える曲線を示し、それぞれを独立のピークとして解析するとMnが2,280および396、Mwが2,400および492、Mw/Mnが1.1および1.2であり、比較例9にかかわるPAEK樹脂が得られていることを確認できた。
また、比較例9に関するPAEK樹脂のガラス転移温度(Tg)、結晶融点(Tm)及び結晶化度を測定し、結果を表2に示した。
実施例1~10及び比較例1~4、8、9のPAEK樹脂について、各種元素分析、残留リン酸イオン分析の結果を表3に示した。実施例1~10のPAEK樹脂は、安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類される全元素、Cl、Br、及びPの残存量、さらには残留リン酸イオン量がいずれも100ppm以下であった。
実施例1~10及び比較例1~9のPAEK樹脂について、金属密着性評価、すなわち、引っ張りせん断強度から密着性を評価しし、その結果を表4および表5に示した。
実施例1~10及び比較例1~9のPAEK樹脂について、NMR測定により定量したポリマー中の繰り返し単位の炭素の総数に対するケトン基及びエーテル基の定量値を表4および表5に示した。
また、実施例1~10のPAEK樹脂は、表3に示されるように従来の芳香族求電子置換型の重縮合反応によるPAEK樹脂の製造方法で課題となっていたAl、Cl、P等の不要元素をほとんど含まないことが判る。テレフタルロイル骨格とイソフタロイル骨格の割合が同一の比較例1~4と比較して、結晶融点(Tm)が低く、良好な成形加工性を有することが判る。
また、引っ張りせん断強度からPAEK樹脂-金属間での密着性を評価したところ、実施例1~4のPAEK樹脂の密着性は、繰り返し組成が同等な比較例1~4に比べて優れ、比較例5と比べて良好であることが判る。また、実施例1~6では、せん断試験後のSUS304-PAEK樹脂接合部に密着残留したPAEK樹脂の重量の割合は、比較例1~7と比較して高いことが判る。これらの結果は、実施例1~6のPAEK樹脂が比較例5のPEEK樹脂と比べて、繰り返し単位中のケトン基数量が多いことにより、極性官能基数が増加したことによって、せん断試験後のSUS304-PAEK樹脂接合部に密着残留したPAEK樹脂の重量の割合も増え、金属への密着性が向上していることを確認している。
一方で、実施例7~10のPAEK樹脂は、実施例1~6のPAEK樹脂と比較してせん断強度と金属密着性が低下していることが判る。この結果は、実施例7~10のPAEK樹脂が実施例1~6のPAEK樹脂と比べて、数平均分子量Mnが低下したことにより、もろくなったことを反映したものと考えられる。
さらに、実施例1~10のPAEK樹脂は、比較例6及び7と比較して、せん断試験後のSUS304-PAEK樹脂接合部に密着残留したPAEK樹脂の重量の割合が良好であることが判る。比較例6の結果は、繰り返し単位中のケトン基数量が同じ実施例1~9と同等であるがエーテル基が含まれないため、極性官能基数が減少したことによって金属への密着性が低下したためと考えられる。比較例7の結果は、繰り返し単位中のケトン基数量とエーテル基数量の和が同等であるにもかかわらず、金属密着性が低下している。これらの事実から、良好な金属密着性が発現する為には、繰り返し単位中に9.5モル%以上のケトン基数量と4.5モル%以上のエーテル基数量が必要である。
実施例7~10は、不要元素や残留リン酸イオン量以外の条件が同程度である比較例8よりも高いせん断強度、せん断試験後のSUS304-PAEK樹脂接合部に密着残留したPAEK樹脂の重量の割合が良好であり、優れた効果が得られる。
実施例7~10は、残留元素の分析値が同等で、数平均分子量Mnが低下している比較例9よりも高いせん断強度、せん断試験後のSUS304-PAEK樹脂接合部に密着残留したPAEK樹脂の重量の割合が良好であり、優れた効果が得られる。
Claims (8)
- 下記(A)~(D)を満たし、
樹脂中に含まれる全繰り返し単位中の全炭素数に対する、全繰り返し単位中のケトン基のモル割合が9.5モル%以上でありかつ全繰り返し単位中のエーテル基のモル割合が4.5モル%以上であり、
数平均分子量Mnが8000以上である、
ことを特徴とする、ポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
(A)安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類されるそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(B)Cl及びBrのそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(C)Pの残存量が100ppm以下である
(D)下記一般式(1-1)で表される繰り返し単位(1-1)を含み、さらに下記一般式(2-1)で表される繰り返し単位(2-1)を含んでいてもよい。
- 下記(A)(B)(C’)(D)を満たし、
樹脂中に含まれる全繰り返し単位中の全炭素数に対する、全繰り返し単位中のケトン基のモル割合が9.5モル%以上でありかつ全繰り返し単位中のエーテル基のモル割合が4.5モル%以上であり、
数平均分子量Mnが8000以上である、
ことを特徴とする、ポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
(A)安定同位体の存在しないTc(テクネチウム)、Pm(プロメチウム)を除く、周期表3族から13族元素のうち、第2から第6周期に分類されるそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(B)Cl及びBrのそれぞれの元素の残存量が100ppm以下である
(C’)リン酸イオン(PO4 3-)の残存量が100ppm以下である
(D)下記一般式(1-1)で表される繰り返し単位(1-1)を含み、さらに下記一般式(2-1)で表される繰り返し単位(2-1)を含んでいてもよい
- 前記Cl元素の残存量が20ppm以下である、請求項1又は2に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
- 前記繰り返し単位(1-1)と、前記繰り返し単位(2-1)との割合(繰り返し単位(1-1):繰り返し単位(2-1))が、モル比で100:0~50:50の範囲である、請求項1~3のいずれか一項に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
- ガラス転移温度が145℃以上であり、かつ融点が300℃以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂。
- 下記式(1-2)で表されるモノマー(1-2)と、下記式(3-1)で表されるモノマー(3-1)とを含み、さらに下記式(2-2)で表されるモノマー(2-2)を含んでいてもよいモノマー成分を、下記一般式(4-1)で表されるフッ素原子含有スルホン酸と下記一般式(5-1)で表されるフッ素原子含有酢酸無水物又は下記一般式(6-1)で表されるフッ素原子含有スルホン酸無水物との存在下で反応させることを特徴とする、請求項1~5のいずれか1項に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂の製造方法。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂を含むことを特徴とする、組成物。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のポリアリーレンエーテルケトン樹脂を含むことを特徴とする、成形品。
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