JPH08501823A - ポリマー状無機−有機組成物の製造方法 - Google Patents
ポリマー状無機−有機組成物の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
ケイ素、チタンまたはジルコニウムの加水分解し得る無機ゲル前駆体と、有機ポリマーと、高くて4.0のpKa値を示す有機カルボン酸(無機成分1モル当たり少なくとも2モルの量で存在させる)とを、これらの3種の成分の均一な溶液が最初に生じるような条件下で密に混合し、この溶液をこれの無機成分のゲル化が起こるまで0−100℃で撹拌した後、この無機−有機組成物を回収することによって、ポリマー状の無機−有機組成物を入手する。初期反応体として水を存在させる必要はない。上記組成物はしばしば透明であり、無機ゲル単独に比較して常に改良されたじん性を示し、そしてこれらは、物理手段を用いたのではこの有機ポリマーの破壊を生じさせることなしにはこれらの2つの成分を互いに分離させることができないような密な様式で無機ゲルの中に有機ポリマーが捕捉されている構造を有していると考えている。
Description
【発明の詳細な説明】
ポリマー状無機−有機組成物の製造方法
共出願に対する交差参照
本出願は、1992年9月28日付けで提出した共出願中の私の出願連続番号
07/952,128の部分的継続である。
発明の背景
本発明は、無機の網状部分と有機ポリマー部分とから本質的に成る、本明細書
において時にはハイブリッド組成物またはハイブリッド材料とも呼ぶ、特定のポ
リマー状無機−有機組成物を製造する方法に関係しており、ここでは、公知物理
方法を用いたのではこれらの2つの成分の1つの破壊を本質的に生じさせること
なしには容易にこれらを互いに分離することができない点にまで、これらの成分
を密に結合させる。
特定の無機材料ゲル、例えばシリカゲルなどは相当するアルコキシ化合物の加
水分解を行うことによって製造されることはよく知られている。例えば、テトラ
アルコキシシラン類の加水分解を行うことによって、
基を有する材料が得られる。上記反応を行うには、水とテトラアルコキシシラン
のための共溶媒を用いる必要があり、そして酸またはアルカリのどちらかを触媒
として用いる必要がある。しかしながら、最近になって、強カルボン酸、特に例
えば蟻酸などは、反応体として共溶媒または
水を用いる必要なく、迅速にテトラアルコキシシラン類と反応して無機網状組織
を生じ得ることが見付け出された。この酸は単に触媒ではなく、少なくとも化学
量論的量でこの酸を存在させる必要がある。
有機ポリマー類を無機充填材とブレンドすることにより、これらのポリマー類
が示すある種の特性を改良するか、或は高価な有機材料をより安価な無機材料に
置き換えることで、このポリマー組成物のコストを低くすることは公知である。
典型的な無機充填材は粒子状または繊維状のどちらかであってもよく、これらは
、天然に存在している鉱物およびガラスを含む多様な材料から誘導可能である。
たいていの場合、その無機充填材は不連続充填材であり、これは、簡単な機械的
方法を用いるか或はポリマー成分をそれから抽出することによって、ポリマーマ
トリックスから分離可能である。有機ポリマーに充填材を添加すると、しばしば
、じん性が低下すると言った望ましくない影響が生じる。
上に記述したように、連続無機網状組織を含んでいるハイブリッド無機−有機
ポリマー組成物が得られたならば、ポリマーが示す特定の属性が有意に改良され
得ると共に新しい属性がポリマーに与えられ得ると考える。このような組成物の
いくつかが例えば共出願中のI.Davidの出願連続番号07/725,16
9の中に記述されている。しかしながら、このDavidの方法は、そのポリマ
ー成分が本質的に水溶液を示すことを要求していることから、上記ハイブリッド
組成物の実用的製造方法に対する要求がまだ存在している。発明の要約
本発明に従い、無機網状成分と有機ポリマー成分との密な組み合わせから本質
的に成る無機−有機組成物を製造する方法をここに提供し、上
記方法は、下記の逐次的段階:
(1)均一な液状溶液を最初に生じさせるような条件下で下記の成分A)からC
):
A)テトラアルコキシシラン類Si(OR1)4、テトラアルキルチタネー
ト類Ti(OR2)4、テトラアルキルジルコネート類Zr(OR3)4、キレート
化テトラアルキルチタネート類Tia(OR4)nXd pおよびキレート化テトラア
ルキルジルコネート類Zra(OR5)nXd p
[ここで、
R1、R2、R3、R4およびR5は、各々独立して、C1−C6アルキルであり、
Xは、キレート配位子であり、
aは、チタンおよびジルコニウムの配位数であって、各場合とも4−6の値を示
す整数であり、
dは、配位子Xのキレート能力に相当する数2または3のどちらかであって、ビ
デンテート(bidentate)配位子に関するdは2でありそしてトリデン
テート(tridentate)配位子に関するdは3であり、
pは、1または2のどちらかであるが、d=3を除きpは常に1であり、
そして
n=a−d・pである]
から成る化合物の群から選択される少なくとも1種の無機網状組織前駆体、
B)改質セルロース誘導体、澱粉、ポリアミド類、ポリエステル類、ポリ
メタアクリレートおよびポリアクリレート類、ポリビニルアル
コール、ビニルアルコールとエチレン系不飽和モノマー類とのコポリマー類、ポ
リ酢酸ビニル、ポリ(アルキレンオキサイド)類、塩化ビニルのホモポリマー類
およびコポリマー類、エチレンと一酸化炭素とアクリル酸エステルもしくはビニ
ルモノマーとのターポリマー類、ポリシロキサン類、ポリフルオロアルキレン類
、ポリ(フルオロアルキルビニルエーテル)類、ハロジオキソール類および置換
ハロジオキソール類のホモポリマー類およびコポリマー類、およびポリ(ビニル
ピロリドン)から成る群から選択される少なくとも1種の有機ポリマー、および
C)(i)成分A)に混和性を示す酸類、および
(ii)成分A)が溶解性を示す液体に混和性を示す酸類、
から成る群から選択される、約40モル%以下の量で水を含んでいてもよい、高
くて4.0のkPa値を示す有機カルボン酸、
を一緒に密に混合するが、ここで、
上記酸を、存在させる全成分A)1モル当たり少なくとも2モルの量で存在させ
、
この反応媒体内に存在させる水の全量を、成分C)の量よりも少なくし、そして
更に、存在させる全成分A)に対する水のモル比が0から20になるようにし、
(2)上記溶液を必要に応じて撹拌しながら無機成分のゲル化が起こるまで約0
−100℃の温度に維持し、そして
(3)その得られる無機−有機組成物を回収する、
段階を含んでいる。図の簡単な説明
図1は、動的機械分析で得られる、本発明の方法で製造するハイブリッ
ド材料が示す引張りモジュラスおよび相当する有機ポリマー単独が示す引張りモ
ジュラスの、温度に対するプロットである。
図2は、本発明のハイブリッド材料サンプルの電子顕微鏡写真をデジタル化し
た表示である。
図3aは、本発明の別のハイブリッド材料を染色したサンプルの電子顕微鏡写
真である。
図3bは、図3aに示すハイブリッド材料の未染色サンプルの電子顕微鏡写真
である。発明の詳細な説明
本発明に従う出発材料として使用できる適切なケイ素、チタンおよびジルコニ
ウム化合物には、例えばテトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラ
イソプロポキシシラン、テトラブトキシシラン、テトラ(2−メチルペントキシ
)シラン、テトラエチルチタネートもしくはジルコネート、テトラプロピルチタ
ネートもしくはジルコネート、テトラブチルチタネートもしくはジルコネート、
並びにチタンまたはジルコニウムのテトライソプロポキサイド−2,4−ペンタ
ンジオネートなどが含まれる。
適切な代表的有機ポリマー類には、例えばポリ(ヘキサメチレンアジパミド)
、ポリ(ε−カプロラクタム)、ポリ(ヘキサメチレンフタルアミドまたはイソ
フタルアミド)、ポリ(エチレンテレフタレート)、ポリ(ブチレンテレフタレ
ート)、エチルセルロースおよびメチルセルロース、ポリ(ビニルアルコール)
、エチレン/ビニルアルコールのコポリマー類、テトラフルオロエチレン/ビニ
ルアルコールのコポリマー類、ポリ(酢酸ビニル)、部分的に加水分解したポリ
(酢酸ビニル)、
ポリ(メタアクリル酸メチル)、ポリ(メタアクリル酸エチル)、ポリ(アクリ
ル酸エチル)、ポリ(アクリル酸メチル)、エチレン/一酸化炭素/酢酸ビニル
のターポリマー類、エチレン/一酸化炭素/メタアクリル酸メチルのターポリマ
ー類、エチレン/一酸化炭素/アクリル酸n−ブチルのターポリマー類、ポリ(
ジメチルシロキサン)、ポリ(フェニルメチルシロキサン)、ポリ(ヘプタフル
オロプロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(1,3−ジオキソール)および
パーフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)のホモポリマー類お
よびコポリマー類、特にテトラフルオロエチレンおよび任意に別のエチレン系不
飽和コモノマーとのコポリマー類、ポリ(エチレンオキサイド)、ポリ(プロピ
レンオキサイド)およびポリ(テトラメチレンオキサイド)などが含まれる。
適切な有機カルボン酸には、例えば蟻酸;全てのブロモ酢酸、クロロ酢酸およ
びフルオロ酢酸類;α−クロロプロピオン酸;o−フルオロ安息香酸:ヒドロキ
シ酢酸(グリコール酸):乳酸;サリチル酸;および酒石酸などが含まれる。こ
れらの有機酸は加水分解と縮合反応の両方を可能にするものであり、これによっ
て、無機成分A)のゲル化がもたらされる。この無機成分、例えばテトラアルコ
キシシランなどと有機酸(例えば蟻酸など)との間の反応全体は、中間的段階を
伴っているが、下記の方程式:
Si(OR)4+2HCOOH=SiO2+2ROH+2HCOORで説明され
得る。
これは、無機成分1モル当たりに酸が少なくとも2モル必要であることを説明
している。
蟻酸は通常水溶液として商業的に入手可能である。これは、水を20%含んで
いる80%(体積/体積)溶液、90%溶液または96%溶液であり得る。例え
ば、市販の96%溶液に無水酢酸を、その溶液の中に存在している水全部か或は
ほとんど全部が消費されるまで加えることでそれの脱水を行うことにより、無水
に近い蟻酸を作り出すことができる。興味の持たれる他のいくつかの有機酸は、
水に対する混和性がより低いか或は全く混和性を示さないものである。このよう
な他の有機酸は、極性を示すか或は極性を示さない有機溶媒に溶解し得る。極性
を示す有機溶媒には、例えばメタノール、エタノール、アセトン、メチルエチル
ケトン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、酢酸、アセトニトリルおよびジメチ
ルスルホキサイドなどが含まれる。極性を示さない有機溶媒には、例えば脂肪族
および芳香族の液状炭化水素およびハロゲン化炭化水素、例えばヘキサン、シク
ロヘキサン、ベンゼン、トルエン、ジブロモメタン、テトラクロロエタン、クロ
ロベンゼンおよびo−ジクロロベンゼンなどが含まれる。
本発明の方法では、ヒドロキシル基を含んでいるポリマー類、例えばポリ(ビ
ニルアルコール)またはエチレン/ビニルアルコールのコポリマー類などの場合
、それらのヒドロキシル基が上記有機酸で本質的にエステル化されることを心に
留めておく必要がある。従って、ポリ(ビニルアルコール)を蟻酸に溶解させる
場合、これは本質的にエステル化されてポリ(蟻酸ビニル)を生じることになる
であろう。本発明の工程条件下では、この無機成分(例えばテトラアルコキシシ
ランなど)とポリマーのヒドロキシル基との間のエステル交換が全く検出され得
ないことを注目することは重要である。従って、ヒドロキシル基を持っているポ
リマー類を存在させたとしても、Si−O−Si結合が生じ、Si−O−C結合
は生じない。従って、ゲル化は、その無機成分の加水分解または酸分解に起因す
るものであり、この無機成分と有機ポリマーとが反応することによるものでない
。
一般的に言って、本発明の方法で用いる3種の塩基性成分を一緒に混合しても
、これらの成分の1つ以上は固体でありそしてその存在させる如何なる液体にも
不溶であること、或は存在させる2つ以上の液相が互いに混和性を示さないこと
から、均一な溶液を生じ得ず、通常、混ぜものなしの成分を用いるのではなく、
この混合物に1種以上の溶媒を添加するか或は最初にその必要とされる成分が入
っている溶液を1つ以上用いることによって、その望まれている均一な溶液を得
ることができる。実際的な事項として、興味の持たれる大部分のポリマー類は室
温で固体であり、従って、高温か或は溶液としてこれらを用いなくてはならない
であろう。各場合とも、このポリマーの良好な溶媒でありその他の液体に混和性
を示す溶媒を選択する必要があるであろう。カルボン酸に関して上に挙げた溶媒
の多くはまた、ある種のポリマー類に良好な溶媒である。他の溶媒、特に個々の
ポリマー類に有効な溶媒も同様に使用可能である。本分野の技術者は、無機ゲル
前駆体と有機カルボン酸とポリマーとの如何なる組み合わせに関してもそれに使
用可能な溶媒系を選択することができるであろう。
本発明の方法で製造するハイブリッド組成物の多くは、可視領域で透過性を示
すに充分な均一性を示し、従って透明性が重要である種々の光学用途、例えばゴ
ーグル、レンズ、並びに科学装置、産業監視装置およびスポーツ品のための覗き
用考案物などで用いるに適切である。これら
の組成物の多くは、その同じ有機ポリマー単独のそれに比較してかなり改良され
たじん性を示す。特に興味の持たれるものは、本発明の方法で製造可能な、高い
耐衝撃性を示すことが望まれている用途における組成物であり、この中に入って
いる有機ポリマーは低い曲げモジュラスを示すと共に室温に近いか或はそれ以下
のガラス転移温度を示す。更に、これらの組成物は有機液体に対して非常に改良
された抵抗力を示し、その度合は、通常は所定の溶媒にそれ自身が易溶であるポ
リマーがそれと同じ溶媒でその組成物から抽出されなくなる所にまで到達する。
このことと、本明細書の実施例から明らかになるであろう他の理由で、この有機
ポリマーと無機ゲルは相互に浸透した網状組織を形成しているか或は少なくとも
これらのポリマー分子がその無機ゲル網状組織の中に浸透していると考えている
。このポリマーに与えられるか或は改良をもたらす他の特性は、とりわけ、粘性
流に対する抵抗力、摩耗に対する抵抗力、並びに熱安定性および/または熱変形
温度である。光学的に透明性を示すおよび/または低い比誘電率を示す本発明の
材料は、通常のガラスよりも低いモジュラスを示すガラスが望まれている用途、
例えば電子用途における層間絶縁材料などで使用可能である。本発明の方法で製
造する別のハイブリッド材料は、相当する有機ポリマー類が用いられているのと
同じ種類の用途、例えばエンジニアリング樹脂または成形樹脂などで有効性を示
すが、但しこれらはその親ポリマーよりも高い性能を示す材料であり、従って、
より厳しい強度、熱安定性または熱変形温度基準に合致させる必要のある用途で
用いるに適切になるであろう。
本発明の代表的な特定態様の実施例を用いて本発明の説明をここに行うが、全
ての部、比率およびパーセントは特に明記しない限り重量であ
る。元はSI単位で得られたものでない重量および測定単位を全てSI単位に変
換した。アルコキシシラン前駆体が完全に網状Si−O部分に変化したと仮定し
てシリカ含有量を計算した。しかしながら、選択した実験では、このハイブリッ
ド材料をそのポリマーの分解点にまで加熱した後、その無機残渣の重量測定を行
った。実験的に得られたシリカ含有量値は計算値に一致していた。実施例1
穏やかに撹拌しながら6.083gの96%蟻酸水溶液に3.156gのテト
ラエトキシシランを加えることによって、均一な溶液が得られた。この溶液に、
96%蟻酸水溶液の中にポリ(ビニルアルコール)(E. I.du Pont
de Nemours and CompanyのElvanol(商標)5
1−05)が10.09%入っている溶液を48.901g加えた。最初このポ
リマーは酢酸基を15モル%そしてアルコール基を85モル%有しており、その
数平均分子量は約24,000であった。ドクターブレードを用いて上記溶液を
ポリプロピレンシート上に広げて厚さが500μmの均一な液層を生じさせるこ
とによって、連続フィルムのキャスティングを行った。この液層を室温の大気に
暴露させると数分以内にゲル化し、これをこの条件下で1時間乾燥させた。その
後、厚さが約58μmの透明な連続フィルムとしてサンプルをその基質から容易
に剥がすことができた。出発テトラエトキシシランが完全にシリカに変化したこ
とを基にして計算して、このハイブリッド材料はポリマーを84.5%そしてシ
リカを15.5%含んでいた。このフィルムを12.5x50mm片に切断し、
これらを20kPaの圧力下100℃の温度で3.5時間乾燥させた後、AST
M D−638に
従う一軸応力/歪み測定を受けさせた。このフィルムの引張りモジュラスは3.
55GPaであり、破壊応力は59.3MPaでありそして破壊伸びは84%で
あった。実施例2(比較)
96%蟻酸の中に前記ポリ(ビニルアルコール)が10.7%入っている溶液
をポリ(メチルペンタン)製皿の中に注ぎ込んだ後、乾燥させて、厚さが約58
μmのフィルムを生じさせた。このフィルムの真空乾燥を行った後、実施例1の
フィルムと同じ応力/歪み測定を受けさせた。このフィルムの引張りモジュラス
は0.44GPaであり、破壊応力は4.83MPaでありそして破壊伸びは3
56%であった。実施例3
実施例1の方法を用い、数平均分子量が25,000−30,000でありそ
してエチレン含有量が30%であるエチレンとビニルアルコールとのコポリマー
を充分に加水分解させた市販コポリマーおよびテトラエトキシシランを用いてハ
イブリッド材料の製造を行った。このハイブリッド組成物はポリマーを78.3
%そしてシリカを21.7%含んでいた。96%蟻酸に入れた均一溶液をポリス
チレン製皿に流し込み、これにゆるく蓋をし、そして空気乾燥させた。乾燥後の
フィルムは透明であり、柔軟性を示し、約100μmの厚さを有していた。また
、この溶液を用いこれを浸漬塗装により2−3cm/分の取り出し率でガラス製
スライドに被覆した。これらの被覆物は非常に滑らかであり、上記ガラスに優れ
た接着性を示した。
このフィルム片に、ASTM方法D 5026−89に従う動的機械分析を−
100℃から100℃の温度範囲に渡って受けさせた。96%
蟻酸内の溶液から回収したコポリマー自身を用いて、比較サンプルを調製した。
図1は温度に対する引張りモジュラスのプロットである。上方の曲線はこのハイ
ブリッドに関して得られた曲線であり、下方の曲線は上記有機ポリマーに関して
得られた曲線である。この図から分かるであろうように、このデータは、ガラス
転移温度に近いか或はそれ以上において、このハイブリッドはその親ポリマーに
比べてずっと高い(約10倍の)モジュラスを示すことを表している。このガラ
ス転移温度は上記モジュラスが最も急速に低下する領域であると解することがで
き、図1は、この領域が22℃付近にあることを示している。このデータはまた
、このハイブリッドの使用温度の方がずっと高いことを示している、即ち純粋な
ポリマーは50℃付近で全ての強度を失うが(粘性流挙動を示す)、このハイブ
リッド材料は100℃、即ちこの実験の高温限界でも損傷を受けないままである
。実施例4
実施例1の方法を用い、ナイロン66(数平均分子量が約23,000である
Zytel(商標)101、DU PONT)およびテトラエトキシシランを用
いてハイブリッド材料の製造を行った。この均一な溶液を、蓋をゆるく取り付け
た5mLのフルオロポリマー製小びんの中に注ぎ込んだ。この溶液を室温に35
分間放置すると透明なゲルが生じた。このゲルを数週間かけてゆっくりと乾燥さ
せることによって、透明なモノリス構造物を生じさせた。テトラエトキシシラン
が完全にシリカに変化したと仮定して計算し、この材料の87.5%はシリカで
ありそして12.5%はポリマーである。示差走査熱量計および複屈折測定で分
析を行った結果、このハイブリッドでは元の結晶性ポリアミドが非晶質に
なったことが示された。実施例5
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとナイロン66からハイブリッ
ド材料を製造し、固体含有量を計算した結果45.4%がシリカでありそして5
4.6%がポリマーであった。この半透明ゲルをゆっくりと乾燥させることによ
り、結晶性ポリマーがいくらか含まれている半透明固体が得られた。この試験片
の熱重量分析(TGA)を行った結果、時間に対する重量損失の一次導関数を用
いて評価した時得られる最大熱分解率は1分当たり4.9%であった。このTG
Aにより、この材料の無機含有量は約44%であることが示された。96%蟻酸
内の溶液から得られた同じナイロン66鋳込み物の最大熱分解率は1分当たり2
7.0%であった。実施例6
グループ−トランスファー(group−transfer)重合で合成した
、数平均分子量が約105,000であるポリ(メタアクリル酸メチル)を蟻酸
/酢酸混合物の中に溶解させたが、この酸混合物は、96%蟻酸水溶液に無水酢
酸を添加することによって製造したものであり、これには蟻酸が約65モル%、
水が0.4モル%そして酢酸が34.6%含まれていた。このような蟻酸水溶液
の乾燥方法は、水含有量を1モル%未満にまで下げる場合に実用的である。96
%蟻酸の中に入れたテトラエトキシシラン溶液に上記溶液を大過剰で連続添加す
ることによって、ハイブリッド材料の製造を行った。各添加を行った後、この溶
液に顕微鏡用ガラス製スライドを入れて2−3cm/分の速度で取り出すことに
よって、これらのスライドに上記ハイブリッド材料を浸漬塗布した。
取り扱った配合範囲は30.0から88.7%のシリカであった。全ての組成物
の被覆物は、塗布した状態および完全に乾燥させた状態の両方において、奇麗で
、透明であり、無色であり、そして滑らかであった。実施例7
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
ら、シリカが30.7%入っている組成物を得ることによって、ハイブリッド材
料の製造を行った。実施例1のようにしてドクターブレードを用いそして空気乾
燥させることにより、厚さが50または125μmの軟質フィルムを製造した。
これらのハイブリッドフィルムを室温のアセトニトリルの中に1週間浸けたが、
溶解または他の有害な影響は生じなかった。比較として、蟻酸の中に同じポリ(
ビニルアルコール)を入れた溶液から製造したフィルムは、室温のアセトニトリ
ルに迅速に溶解して完全に溶けてしまった。実施例8
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
らハイブリッド材料を製造した。これはポリマーを75%そしてシリカを25%
含んでいた。ドクターブレードと空気乾燥を用い、厚さが42μmで直径が10c
mの自立型円形フィルム片を製造した。80%相対湿度(0%ではなく)および
30℃(23℃ではなく)で行うように修飾したASTM D3985−81に
従い、上記フィルムの酸素透過率を測定した。このような変更を行うことにより
、同じサンプルに関して、ASTM試験よりも高い透過値が得られる傾向がある
。酸素に9日間暴露させた後の酸素透過値は約0.003217cm3・μm(厚さ
)/cm2(面積)・kPaであった。同じ試験条件下でポリビニル
アルコールフィルムが示す酸素透過値を測定しようとしたが、ここで採用した実
験条件下で試験するには、このポリマーがあまりにも柔らかすぎることから測定
不可能であった。近い関係のポリマーであるポリ酢酸ビニルの酸素透過値は約0
.0583cm3・μm(厚さ)/cm2(面積)・kPaである。実施例9
ゲル化した材料をゆっくりと乾燥させてかさ高い筒状のモノリス片を生じさせ
る以外は実施例1の方法を用いて、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコ
ール)からハイブリッド材料を生じさせた。このハイブリッド材料の組成はポリ
マーが75%でありシリカが25%であった。熱機械分析を用いてこの材料の軟
化温度を測定した。この筒状サンプルの上表面に探針先端を50gの荷重下で位
置させ、そしてサンプル温度の関数としてこの探針の垂直移動を監視することに
よって、上記分析を行った。この試験の最大温度である200℃以下の温度にお
いて、有意な軟化は全く観察されなかった。相当するポリ(蟻酸ビニル)はこの
試験条件下において20℃以下の温度で軟化した。実施例10
実施例3で用いたのと同じ、エチレンとビニルアルコールとのコポリマーを9
6%蟻酸の中に10%入れた溶液に、テトラエトキシシランを加えることによっ
て、ハイブリッド材料の製造を行った。その得られる均一な溶液の中に溶解して
いる材料の組成は、73.3%がケイ素でありそして26.7%がポリマーであ
った。この溶液を用い、これをポリ(メタアクリル酸メチル)の2.5x7.5
cm片に部分浸漬被覆した。室温で空気乾燥させた後の被覆物は透明であった。次
に、この試験片を
105℃の空気中で一晩加熱した。その後、商業的に入手可能な最微細グレード
である0000グレードの鋼製ウールを用い、このサンプルの被覆部分と未被覆
部分の両方を、この未被覆ポリ(メタアクリル酸メチル)片の表面全体に引っ掻
き傷が生じる条件下でこすった。対照的に、被覆されている部分は、鋼製ウール
による摩耗をほとんど全く示さなかった。実施例11
実施例1の方法に従い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
ら、シリカがそれぞれ10%および30%含まれているハイブリッド材料を製造
した。K.B.BrobergがInt.J.Fracture、4、11(1
968)の中で記述している研究方法を本質的に用いて、厚さが7−50μmの
フィルムにじん性評価を受けさせた。シリカが30%含まれているフィルムが示
す破壊エネルギー(この試験におけるじん性に関連した)は16mJ/mm2である
一方、シリカが10%含まれているフィルムの破壊エネルギーは0.7mJ/mm2
のみであった。比較として、有効なレベルのじん性を示すことが知られているポ
リカーボネートフィルムの破壊エネルギーは10.8から16.2mJ/mm2であ
る。P.McGonigal他、Proc.7th Int. Conf.on
Deformation、Yieldand Fracture of Po
lymers、39頁(1988)参照。実施例12
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
ら、シリカが25%含まれているハイブリッド材料を製造した。
この材料から製造したフィルムに動的機械分析を受けさせた。それらが有する水
分含有量に応じて、これらのフィルムは約20℃から60℃の範囲に明確なガラ
ス転移温度を示した。蟻酸の中にポリ(ビニルアルコール)を入れた溶液から誘
導したフィルムとは異なり、これらのハイブリッドフィルムは全く、それのガラ
ス転移温度近くまたはそれ以上の温度で粘性流を示さなかった。実施例13
96%蟻酸中の溶液内で、テトラエトキシシランとヘキサメチルシクロトリシ
ロキサンを6.61:1のモル比で反応させることによって、ハイブリッド材料
の製造を行った。酸HXを用いた一般的開環重合に関する下記の方程式で示すよ
うに、
本実験室では、蟻酸を用いるとヘキサメチルシクロトリシロキサンの開環重合が
生じることが以前に示されていた。この溶液を室温でゲル化させることによって
半透明の材料が得られた。このゲルは亀裂を生じることなく室温で乾燥可能であ
り、これは疎水性を示す表面を有する滑らかな白色固体を与えた。ポリマーを用
いないで製造した比較ゲルは水で湿っている。この実施例は、シリカがこのハイ
ブリッドの主要な成分である場合、ポリマー成分を生じるモノマー状前駆体を用
いて疎水性ハイブリッドを製造することができることを示している。実施例14
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
ら、シリカが20%含まれているハイブリッド材料を製造した。ドクターブレー
ドを用いて製造した50μm厚のフィルムを小さい片に切って、フルオロポリマ
ーが内張りされている平らな熱板の間に挟んで、150℃および約2758kP
aの圧力下で圧縮した。この材料は透明で滑らかな連続フィルムを生じ、これに
は、このサンプルの元の片が全部組み込まれていた。実施例15
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
らハイブリッド材料のフィルムを製造し、これを室温で空気乾燥した時点で計算
したシリカ含有量は20%でありその厚さは55μmであった。次に、このサン
プルの12.5x50mm片を140℃の空気中で1時間加熱した。この片の外観
は変化しないままであったが、このシリカ網状組織が高密度化することで堅くな
った。実施例1に記述した一軸応力/歪み測定を行った結果、引張りモジュラス
は4.5GPaであることが示された。このサンプルの引張り強度は92MPa
であった。実施例16
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
らハイブリッド材料のフィルムを製造し、これを室温で空気乾燥した時点で計算
したシリカ含有量は25%でありその厚さは40μmであった。鋭利なナイフを
用い、この乾燥させたフィルムから重さが0.075gの小さい片を切り取って
、熱重量分析装置内で窒素下10℃/分の割合で700℃にまで加熱した。時間
の関数として重量損失を監視
した。この実験の終了時において、その有機成分が熱分解を起こすことから、こ
のサンプルはその質量の74.3%を失った。この実験を行っている間、このサ
ンプルは、単一の連続マスを維持していると共に、その切断末端を保持していた
。このサンプルの暴露を行った最終温度は、個々のシリカ粒子が一緒になって焼
結し得る温度よりも充分に低い温度である(C.Brinker他、Sol−G
el Science、Academic Press、1991、12章参照
)。従って、このハイブリッドサンプルはシリカの連続網状組織を含んでいたに
ちがいない。図2は、この材料の40μm厚試験片の縁を示す、380x倍率で
得た電子顕微鏡写真をデジタル化した画像である。この試験片の反対側縁をモデ
リング粘土片の中に挿入することにより、この粘土と試験片の組み立て物を容易
に配向させて見ることができるようにした。接眼鏡の1つを小型ビデオカメラに
置き換えた光学立体顕微鏡の下に上記サンプルを位置させた。この試験片面から
多くて数度の角度で照明光がこれに直接当たるような様式で、この観察すべき試
験片の縁を位置させた。観察している監視者にアナログのビデオシグナルが送ら
れて来ると共に、このシグナルを、アナログ画像をデジタル「グレースケール(
gray scale)」画像に変換する回路板が備わっているApple M
acintosh(商標)コンピューターに送った。このデジタル化した画像を
グラフファイルとして記憶させ、そして1インチ当たり300ドット(1cm当た
り118.1ドット)の分解能を示すレーザープリンターで印刷した。
図2は、この図の中で斜めに配向している平行な2つのラインの間に連続した
材料の塊を示しており、これはシリカ網状組織によるものであ
る。これはこの試験片縁の末端図である。クリーンルーム環境下でこの観察を行
わなかったことから、この縁表面上に見られる数個の白色斑点は埃によるもので
ある。最後に、この縁の長さ方向全体に渡って流れている波状の暗色ラインは、
通常の実験室用ナイフでサンプルを切断したことが原因となる破壊または機械的
損傷であると考える。実施例17
実施例1の方法を用い、計算したシリカ含有量がそれぞれ25%および50%
になるように、テトラエトキシシランとポリ(メタアクリル酸メチル)からハイ
ブリッド材料を製造した。これらのサンプルをポリエチレン製の筒状容器の中に
入れた。次に、これらの容器の両末端に作り出した間隙を通してこれらを大気に
暴露させることにより、これらの乾燥を行って筒状のモノリス固体を生じさせた
。その後、数ミリメートルの高さを有する直円柱の形態である、その乾燥させた
ハイブリッドに、熱機械試験を受けさせた。この試験を行っている間、この試験
片の上部表面に針を位置させて50gの荷重下に置き、この針の垂直移動を温度
の関数として監視した。これは、熱で誘発される軟化挙動を試験するための、充
分に確立された試験である。匹敵する大きさを有する純粋なポリ(メタアクリル
酸メチル)試験片を用いて比較試験を実施した。これらの3種のサンプルに関し
て、各サンプルの元の高さのパーセントとして計算した、200℃の温度におけ
る変形パーセントは、以下の表に示す如きであった。
実施例18−クリープ挙動
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
らハイブリッド材料のフィルムを製造し、これを室温で空気乾燥させた時の計算
シリカ含有量は5%でありその厚さは52μmであった。長さが5.75mmであ
るサンプル片の1つの末端を固定することで垂直に吊した後、その自由末端に0
.67Nの下方向荷重を25℃で受けさせ、そしてこのサンプルの経時的伸長度
を16時間監視した。この実験の終了時におけるサンプルのクリープ度は、それ
の元の長さの0.76%であった。実施例19−比較クリープ挙動
実施例2の方法を用い、96%蟻酸に溶解させたポリ(ビニルアルコール)か
らフィルムを製造した。室温で空気乾燥させた時点でのフィルム厚は100μm
であった。このサンプルに関して、実施例18の方法を用いたクリープ測定を行
う試みを行った。しかしながら、上記ハイブリッドサンプルと同じ荷重である0
.67N下に25℃で置くと、この純粋なポリマーのサンプルは非常に急速に伸
びてそれの元の長さの約300%にまで到達し、この装置の測定限界を充分に越
えてしまった。実施例20
実施例1の方法を用い、計算したシリカ含有量が25%になるように、
96%蟻酸に溶解させたテトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)から
フィルムを製造した。室温で空気乾燥させた時点でのフイルム厚は100μmで
あった。この乾燥させたフィルムを低温でミクロトームにかけることにより、厚
さが100nmの断面片を生じさせた。次に、このサンプルを、メタノール中1%
のホスホタングステン酸溶液に72時間暴露させた。比較断面片は染色しないま
まにした。ホスホタングステン酸はその高密度のタングステン原子を有機分子ま
たはポリマーに付着させる能力を有しており、従って、相間に高いコントラスト
が得られることから、電子顕微鏡検査における染色剤としてこれを利用した。別
の実験において、この試薬に純粋なシリカゲルを72時間暴露させても全く影響
がないことが示された。96%蟻酸の中に入れたポリ(ビニルアルコール)溶液
から回収した純粋なポリマーをホスホタングステン酸で染色したが、これはまた
、その浸漬期間が終了する前にその溶媒の中に溶解してしまった。
この染色したハイブリッド試験片および染色を行わなかつた比較断面片を透過
電子顕微鏡検査で試験した。図3aはその染色したサンプルの電子顕微鏡写真で
ある。図3bはその染色を行わなかったサンプルの電子顕微鏡写真である。この
染色したサンプルでは、染色されたポリマードメインに相当する暗色領域が明ら
かに見分けられるが、その染色を行わなかったサンプルでは、その同等物は全く
見られなかった。このポリマードメインの大きさは3−15nmであると測定され
た。実施例21
実施例1の方法を用い、テトラエトキシシランとポリ(ビニルアルコール)か
らハイブリッド材料を製造し、これを室温で空気乾燥させた時
の計算シリカ含有量は5%でありその厚さは62μmであった。12.5x50m
mの長方形サンプル片を140℃の空気中で1時間加熱した。この片の外観は変
化しないままであったが、これは、そのシリカ網状組織が高密度化する結果とし
て堅くなった。実施例1に記述した一軸応力/歪み測定を行った結果、引張りモ
ジュラスは1.2GPaであり、破壊応力は22.6MPaであり、そして破壊
伸びは148%であることが示された。無機成分量のレベルがこのように低い時
でも(約3体積%)、この材料の引張りモジュラスと破壊応力値はポリ(ビニル
アルコール)自身のそれよりもずっと高かった。
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フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),JP
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 無機ゲル成分と有機ポリマー成分との密な組み合わせから本質的に成る 無機−有機組成物を製造する方法において、下記の逐次的段階: (1)均一な液状溶液を最初に生じさせるような条件下で下記の成分A)からC ): A)テトラアルコキシシラン類Si(OR1)4、テトラアルキルチタネー ト類Ti(OR2)4、テトラアルキルジルコネート類Zr(OR3)4、キレート 化テトラアルキルチタネート類Tia(OR4)nXd pおよびキレート化テトラア ルキルジルコネート類Zra(OR5)nXd p [ここで、 R1、R2、R3、R4およびR5は、各々独立して、C1−C6アルキルであり、 Xは、キレート配位子であり、 aは、チタンおよびジルコニウムの配位数であって、各場合とも4−6の値を示 す整数であり、 dは、配位子Xのキレート能力に相当する数2または3のどちらかであって、ビ デンテート配位子に関するdは2でありそしてトリデンテート配位子に関するd は3であり、 pは、1または2のどちらかであるが、d=3を除きpは常に1であり、 そして n=a−d・pである] から成る化合物の群から選択される少なくとも1種の無機ゲル前駆体、 B)改質セルロース誘導体、澱粉、ポリアミド類、ポリエステル 類、ポリメタアクリレートおよびポリアクリレート類、ポリビニルアルコール、 ビニルアルコールとエチレン系不飽和モノマー類とのコポリマー類、ポリ酢酸ビ ニル、ポリ(アルキレンオキサイド)類、塩化ビニルのホモポリマー類およびコ ポリマー類、エチレンと一酸化炭素とアクリル酸エステルもしくはビニルモノマ ーとのターポリマー類、ポリシロキサン類、ポリフルオロアルキレン類、ポリ( フルオロアルキルビニルエーテル)類、ハロジオキソール類および置換ハロジオ キソール類のホモポリマー類およびコポリマー類、およびポリ(ビニルピロリド ン)から成る群から選択される少なくとも1種の有機ポリマー、および C)(i)成分A)に混和性を示す酸類、および (ii)成分A)が溶解性を示す液体に混和性を示す酸類、 から成る群から選択される、約40モル%以下の量で水を含んでいてもよい、高 くて4.0のkPa値を示す有機カルボン酸、 を一緒に密に混合するが、ここで、 上記酸を、存在させる全成分A)1モル当たり少なくとも2モルの量で存在させ 、 この反応媒体内に存在させる水の全量を、成分C)の量よりも少なくし、そして 更に、存在させる全成分A)に対する水のモル比が0から20になるようにし、 (2)上記溶液を必要に応じて撹拌しながら無機成分のゲル化が起こるまで約0 −100℃の温度に維持し、そして (3)その得られる無機−有機組成物を回収する、 段階を含む方法。 2. 成分A)がテトラアルコキシシランである請求の範囲1の方法。 3. 該テトラアルコキシシランがテトラエトキシシランである請求の範囲2 の方法。 4. 成分C)が、含まれている水の量が約4重量%以下である蟻酸水溶液で ある請求の範囲1の方法。 5. 該蟻酸水溶液に含まれている水が多くて約1モル%である請求の範囲4 の方法。 6. 成分B)がポリビニルアルコール、エチレン/ビニルアルコールコポリ マー類、ポリアミド類およびポリ(メタアクリル酸メチル)から成る群から選択 される請求の範囲1の方法。 7. 段階2)をほぼ室温で実施する請求の範囲1の方法。 8. 該反応媒体の中の水の量が、その存在させる全成分A)に対する水のモ ル比が10未満になるような量である請求の範囲1の方法。
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