KR20000017571A - 이미도실란 조성물 - Google Patents

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에드거 제이. 스미스 2세
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Abstract

본 발명은 무기 고체 물질의 표면 처리에 사용하기 위한 실록산이 거의 없는 불포화 이미도실란에 관한 것이다. 본 발명은 또한 부산물로서 물 또는 실록산을 생성시키지 않는 상기 실란을 제조하는 신규 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이미도실란으로 처리된 무기 고체 물질, 수지 물질 및 임의로는 자유 라디칼 생성제를 주성분으로 하는 조성물, 특히, 유리 섬유로 강화된 복합물에 관한 것이다.

Description

이미도실란 조성물{Imidosilane Compositions}
본 발명은 신규 불포화 이미도실란 및 이 실란을 포함하는 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 실록산 및 염화물이 거의 없는 실란을 형성하는 실란의 신규 제조 방법에 관한 것이다.
유기관능성 실란 화합물은 금속 산화물, 규산염, 입자상 규산질 섬유 및 안료 등의 여러 표면과, 유리 섬유, 강철 섬유 및 알루미늄 섬유 등의 섬유의 처리에 사용되어 왔다 (금속 표면은 산화물 표면으로 여겨지는데, 그 이유는 표면 아래는 산화되지 않을지라도 이들은 산화되기 때문임). 일부 유기관능성 실란 처리법은 상기 표면을 단독으로 또는 다른 화합물과 함께 실란의 유기 용액, 수성 유기 용액또는 수용액으로 코팅하는 것을 포함한다.
이러한 처리법은 무기 산화물 및 수지상 매질 사이의 결합을 향상시킨다. 결과적으로, 실란은 무기 산화물 표면에 코팅, 접착제 및 밀봉제를 도포하는 경우 프라이머 성분으로서, 그리고 유리 섬유가 도입된 것과 같은 충전된 수지 조성물의 강도 및 구조적 통합성을 개선하기 위한 예비처리용 충전제로서 사용된다. 이러한 유기관능성 가수분해 가능한 실란은 "커플링제" 또는 "접착 촉진제"로 불리워진다.
유기관능성 실란의 효율은 화학적으로 반응하거나 수지상 매질과 결합하는 능력에 크게 좌우된다. 열경화성 수지의 경화 반응 동안, 유기관능기의 반응성은 열경화성 수지 또는 경화제의 반응성과 일치할 필요가 있다. 이것은 수지상 매질을 구성하는 유기 중합체의 일부분이 되어야 한다. 열가소성 물품을 제조하는데 있어서, 유기관능성 실란은 또한 중합체 상의 유기관능기와 반응하거나, 또는 중합체 골격 상에 그래프팅되어 수지상 매질의 일부분이 될 필요가 있다.
유기관능성 실란은 그를 포함하는 물품의 구조적 통합성을 향상시키기 위해서 모든 수지상 매질과 반응할 필요는 없다. 이러한 향상은 종종, 실란이 수지상 매질의 일부분과만, 또는 수지상 매질과 상용성인 첨가제와 반응하는 경우에 달성될 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유로 강화될 예정인 미충전(virgin) 폴리프로필렌은 통상적으로 미국 특허 제5,300,547호에 교시된 바와 같이 말레산염화 폴리프로필렌과 혼합된다(별칭으로서 커플링된 폴리프로필렌). 말레산염화 폴리프로필렌은 프로필렌 및 불포화 유기산 또는 그의 무수물의 그래프트 또는 공중합체를 가리킨다. 예를 들어, 말레산 무수물은 보통 프로필렌과 반응하여 말레산 무수물-프로필렌 공중합체를 생성시킨다. 미충전 폴리프로필렌 및 말레산염화 폴리프로필렌의 2종의 폴리프로필렌을 유리 섬유와 함께 혼합용 압출기에 동시 공급하고 펠렛화한다. 이러한 공정을 위한 유리 섬유는 말레산 무수물과 화학적으로 상용성인 실란을 포함하도록 표면 처리제(사이징)제를 사용하여 제조한다. 실퀘스트(SILQUEST, 등록상표) A-1100(상표명) 3-아미노프로필트리에톡시실란과 같은 아미노 실란은 말레산 무수물과 상용성인 실란의 한 예일 것이다. 유리 섬유상의 실란 및 말레산염화 폴리프로필렌은 혼합(압출) 동안 화학결합을 형성한다. 실란은 미충전 폴리프로필렌과 반응하지 않는다. 말레산염화 폴리프로필렌에 유리 섬유를 화학결합시키면 유리 섬유로 강화된 유리 섬유의 폴리프로필렌의 성능에 이로움을 준다. 이와 같이 말레산염화 폴리프로필렌을 사용하는 경우 하나의 단점은 커플링되지 않은 폴리프로필렌 또는 미충전 폴리프로필렌에 비해 비용이 든다는 점이다. 말레산염화 폴리프로필렌을 사용하는 경우 또 다른 단점은 구조적 통합성 및 강도에서의 최대 향상이 달성되지 않는다는 점이다. 말레산염화 폴리프로필렌의 미충전 폴리프로필렌과의 혼합 또는 그로의 분산이 균일하지 않을 수 있다. 무기 표면상의 실란의 유기관능기와 화학적으로 반응하는 그의 능력은 미충전 폴리프로필렌의 존재 때문에 억제된다. 실란과 반응하지 않는 폴리프로필렌의 말레산 관능기는 수지상 매질을 보다 친수성으로 만들어 수분으로 인한 분해에 대해 덜 내성을 갖게 하는 것과 같이, 복합물에 바람직하지 않은 특성을 부여할 수 있다. 커플링되지 않은 (미충전)폴리프로필렌에 대해 반응성인 유리 섬유를 제공하여 유리 섬유로 강화된 미충전 폴리프로필렌에 의해 성능을 개선시키는 것이 유용할 것이다.
또한, 무기 물질과 함께 사용되는 다른 유기 수지(예를 들어, 나일론)는 종종 불충분하거나 비반응성인 관능기를 가진다. 이들 물질과 결합하는데 있어서 효과적인 신규 실란은 무기 물질과 함께 사용되는 경우 유기 수지의 특성을 향상시킬 필요(요구)가 있다. 이미도실란이 단독으로 또는 자유 라디칼 생성제와 함께 배합되어 사용되는 경우 여러 수지상 매질과 커플링되거나, 또는 그에 결합하는 능력이 두드러진다.
이미도실란은 예를 들어 미국 특허 제3,755,354호 및 동 제3,249,461호 및 유럽 특허 제0 50861호에 공지되어 있으나, 이들 이미도실란은 상기 실란의 제조법에서는 본래부터 물이 존재한다는 것이 문제점이다. 물은 실란의 가수분해를 일으켜서 실록산을 형성하고 실란을 액체에서 페이스트로 변화시키는데, 이는 실란이 무기 표면의 표면 위에서 가용성이거나 유동성이도록 요구되는 코팅 또는 사이징 제형에 사용하기에는 부적합하다 (예를 들어, 미국 특허 제3,755,354호의 실시예 1). 다른 합성 방법은 복합 매트릭스를 분해하는 염화물의 발생을 초래한다.
본 발명은 신규 불포화 이미도실란 및 이 실란을 포함하는 조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 실록산 및 염화물이 거의 없는 실란의 신규 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 무기 충전제로 강화된 유기 수지의 기계적 습윤 및 건조 강도와, 불포화 이미도실란 및 임의로는 자유 라디칼 생성제를 사용하여 무기 표면 또는 충전제를 표면 처리하여 얻어진 무기 표면에 대한 유기 수지의 접착력을 개선시키는 것에 관한 것이다. 에틸렌계 관능화 실란과, 임의로는 자유 라디칼로 유도된 그래프팅으로 처리된 충전제를 도입하면 보통 성능을 상당히 개선시킨다. 특히, 불포화 이미도실란 및 임의로는 자유 라디칼 생성제로 처리된 충전제, 특히 유리 섬유로 강화된 열가소성 및 열경화성 수지는 조성물에 극도로 향상된 습윤 및 건조 굴곡 강도를 부여한다.
〈실란 구조〉
본 발명의 불포화 이미도 실란은 하기 화학식 (1)의 화합물이다.
((R1)bY)aR2 3-aSiR3N(C=O)2X
식 중, R1및 R2는 1가 라디칼이고, R3은 2가 라디칼이고, X는 하나 이상의 에틸렌계 불포화 결합을 함유하는 2가 라디칼이되, 두 원자가는 질소에 결합된 카르보닐기에 결합되어 있고(즉, -C(=O)NC(=O)-기를 갖는 고리를 형성하고), Y는 산소, 질소 또는 황이고, a는 1 내지 3이고, b는 Y의 원자가에 따라 1 또는 2이다.
상기 화학식 (1)에서, 각 R1은 1가 라디칼, 예를 들어 수소, 이미노기, 디알킬 아민이거나, 또는 바람직하게는 헤테로원자, 예를 들어 산소, 질소 또는 황을 함유할 수 있는 아릴, 알릴, 시클로알킬, 알킬(직쇄 또는 분지쇄) 또는 아랄킬(이 제한되지 않음)을 포함하는 탄화수소 관능기이다. R1은 또한 아실 관능기(예, 아세틸)일 수 있다. R1의 예는 -N=C(CH3)2및 -CH=CHCH3이다. R1은 탄소 원자수 1 내지 10의 알킬, 예를 들어 메틸, 에틸, 이소프로필, 시클로헥실 또는 i-부틸인 것이 가장 바람직하다.
b의 값은 Y의 원자가에 좌우되는데, 즉 Y가 산소 또는 황인 경우 b는 1이고, Y가 질소인 경우 b는 2이다. Y는 산소인 것이 바람직하다.
a는 3인 것이 바람직하지만, a가 3 이하라면 각 R2는 탄화수소 라디칼, 포화 탄화수소, 불포화 탄화수소 또는 시아노(이 제한되지 않음)을 포함하는 1가 라디칼이다. R2는 헤테로원자, 예를 들어 산소, 질소 또는 황과, 1 내지 10 개의 탄소 원자를 함유할 수 있는 시클로알킬, 알킬(직쇄 또는 분지쇄) 또는 아랄킬인 것이 바람직하다. R2의 예로는 페닐, 페닐에틸 또는 2-메톡시프로필이 있다. R2는 메틸 또는 에틸인 것이 가장 바람직하다.
R3은 알킬렌, 알케닐렌, 알카릴렌, 아릴렌(이 제한되지 않음)을 포함하는 2가 브릿지기이지만, 바람직하게는 C1-C12알킬렌(예를 들어, 프로필렌 또는 n-부틸렌)이며, 분지쇄(예를 들어, 네오펜틸렌), 시클릭(예를 들어, 디메틸렌 시클로헥산)일 수 있거나, 또는 불포화(예를 들어, 디메틸렌 시클로헥산 또는 페닐렌)될 수 있다.
신규 실란의 R3은 헤테로원자 치환체를 포함할 수 있는데, 예를 들어 R3은 골격 중에, 또는 골격에 대하여 펜던트로 아미노기를 포함할 수 있다. R3의 특정 예는 에틸렌 프로필렌 아민, 디페닐렌 아민, 디(에틸렌)에틸 아민이다. 특히 R3중에 아민을 갖는 것을 비롯하여 이러한 실란은 유리한데, 그 이유는 이들이 복합물 제조 공정 동안 화학 반응이 더 수행될 수 있게 하기 때문이다.
X는 각 원자가가 카르보닐기에 결합되고 각 카르보닐기가 질소에 결합되어 있어 하나 이상의 고리를 형성하는 2가 라디칼이다. 또한, X는 고리의 내부 또는 외부 중 어느 한 곳에 하나 이상의 에틸렌계 불포화 결합을 포함한다. X는 어느 한 고리 중에 불포화 결합을 갖는 비시클릭 라디칼일 수 있다. X는 이미드기를 갖는 원자수가 5 내지 12인 고리를 형성하는 탄화수소인 것이 바람직하다. (이미도 (-C(=O)NC(=O)- 관능기를 포함하는) X의 특정 예는 (Ⅰ) 이소부테닐숙신이미도, (Ⅱ) (+/-)-2-옥텐-1-일숙신이미도, (Ⅲ) 이타콘이미도, (Ⅳ) 2-도데센-1-일숙신이미도, (Ⅴ) 시스-1,2,3,6-테트라히드로프탈이미도, (Ⅵ) 시스-5-노르보르넨-엔도-2,3-디카르복실이미도, (Ⅶ) 엔도-비시클로[2.2.2]옥트-5-엔-2,3-디카르복실이미도, (Ⅷ) 메틸-5-노르보르넨-2,3-디카르복실이미도, (Ⅸ) 엑소-3,6-에폭시-1,2,3,6-테트라히드로프탈이미도, (Ⅹ) 말레이미도, (ⅩⅠ) 시트라콘이미도, (ⅩⅡ) 2,3-디메틸말레이미도, (ⅩⅢ) 1-시클로펜텐-1,2-디카르복실이미도, (ⅩⅣ) 3,4,5,6-테트라히드로프탈이미도이다.
불포화 이미도실란은 실질적으로 실록산이 없는 것이 바람직하다. 합성 동안 발생된 물은 알콕시 실란을 조기에 가수분해시켜 실록산을 형성시킨다. 바람직하게는, 실록산은 실란의 5 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 2 중량% 미만, 가장 바람직하게는 0.5 중량% 미만으로 존재하고, 매우 더욱 바람직하게는 실록산이 전혀 없는 것이다. 실록산이 거의 없는 것은 아래에 인용된 신규 제조 방법의 결과로 인한 것이다. 이렇게 물이 존재하지 않으면 실란 반응을 방해하지 않는다는 점에서 이롭다. 또한, 물이 존재하면 알콕시 실란을 가수분해시키고 실록산으로 축합시켜 이 실록산이 고체 또는 페이스트로 되어 유리 섬유의 가공처리 시에 사용될 수 없을 것이다.
실란은 바람직하게는, 할로겐, 특히 염소도 없어야 하는데, 그 이유는 이들 할로겐이 복합물에 해로울 수 있기 때문이다. 할로겐 농도는 1 중량% 이하, 더욱 바람직하게는 0.01 중량% 이하이고, 가장 바람직하게는 전혀 없는 것이다.
〈실란을 함유하는 조성물〉
실란은 무기 표면, 예를 들어 충전제 또는 평표면, 수지상 매질 및 임의로는 자유 라디칼 생성제를 함유하는 조성물 중에 포함될 수 있다. 이 조성물로의 실란의 도입 방법은 무기 표면을 단독으로 또는 다른 화학물질과 함께 실란의 유기 용액, 수성 유기 용액 또는 수용액으로 처리하거나, 또는 용매를 사용하지 않고 표면을 실란으로 처리하는 것을 포함한다. 이어서 실란으로 처리된 표면을 수지상 매질과 임의로는 자유 라디칼 생성제와 합할 수 있다. 몇몇 경우 "완전 블렌딩"이라 불리는 공정에서 실란을 수지상 매질에 직접 첨가할 수 있다. 실란으로 처리된 무기 표면과 함께 수지상 매질이 예를 들어, 압출, 사출, 칼렌더링, 캐스팅, 압착, 라미네이팅 및 이송 성형을 비롯한 성형에, 라커, 막 결합, 페인트, 프라이머, 잉크, 염료, 결합제 및 유리 섬유 사이징제를 비롯한 코팅에 사용될 수 있다.
유리하게는, 실란으로 처리될 수 있는 무기 표면은 노출된 표면에 산화물 또는 히드록실기 중 어느 하나를 함유하고 선행 기술 분야에 공지된 커플링제로 처리될 수 있는 모든 물질을 포함하는 무기 고체 물질이다. 무기 고체 물질은 입자이거나, 또는 불규칙 또는 규칙, 예를 들어 구형 형태의 개별 섬유, 직조된 섬유 매트 또는 직물, 또는 시트, 필름, 슬래브 및 성형 조형품 등의 연속성 표면을 비롯한 모든 형태일 수 있다.
적절하게 사용되는 무기 고체 물질의 특정 예는 표면이 산화된 황동, 표면이 산화된 구리 금속, 철, 강철, 알루미나, 알루미늄 삼수화물, 열분해 실리카와 같은 규산질 물질, 칼슘 마그네슘 실리케이트, 점토, 운모, 분자체, 규회석, E-글래스, S-글래스, A-글래스 등이다.
사용되는 실란의 양은 이들이 도입되는 수지상 매질과 보다 상용성이고(거나) 그에 보다 점착성이도록 무기 고체 물질의 표면 특성을 변화시키는 양이다. 실란이 완전 블렌딩 방법에 의해 수지에 공급되는 경우, 실란의 유효양은 수지에 도입되는 고체 무기 물질의 중량을 기준으로 하여 약 0.05 중량% 내지 약 15 중량%로 다양할 수 있고, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 2.0 중량%이다.
실란이 섬유 또는 입자상 충전제, 안료 등의 형태로 무기 고체 물질의 표면에 직접 공급되는 경우, 유효량은 무기 고체 물질의 중량을 기준으로 하여 약 0.01 중량% 내지 약 10 중량%로 다양할 수 있고, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%이다. 실란을 프라이머로서 무기 고체 물질의 표면에 도포하는 경우, 표면에 도포되는 실란의 유효량은 처리된 무기 고체 물질의 표면의 m2당 실란의 중량으로 계산하여, 약 0.005 g/m2내지 약 1.5 g/m2로 다양할 수 있고, 바람직하게는 약 0.01 g/m2내지 0.1 g/m2이다.
수지상 매질은 열가소성 또는 열경화성 물질일 수 있고, "수지상 매질"이라는 용어를 사용하면 물질이 무기 고체 물질과 접촉하면서 그 자리에서 형성되어 1가 물질로부터 유래되는 가능성이 제외되지 않는다. 열가소성 수지가 본 발명에 사용되는 것이 바람직하다.
실란과 함께 사용될 수 있는 수지상 매질에는 적절하게는, 단독으로 또는 임의로는 자유 라디칼 생성제와 함께 실란의 불포화 이미도 관능기와 반응하는 다수의 실란이 포함된다. 예로 들 수 있는 수지상 매질은 알키드 수지, 불포화 폴리에스테르, 비닐 에스테르, 나일론, 열가소성 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리스티렌, 스티렌 및 부타디엔 공중합체, 에틸렌 및 프로필렌 공중합체, SBR, 천연 고무 등일 수 있다. 폴리프로필렌이 사용되는 것이 가장 바람직하다.
사이징제는 수용성 또는 지용성 과산화물(예를 들어, 과산화수소, 과황산암모늄, 과황산칼륨), 다양한 유기 과산화물, 예를 들어, 디알킬 퍼옥시드(예컨대, 디이소프로필 피옥시드, 디라우릴 퍼옥시드, 디-t-부틸 퍼옥시드, 디-(2-t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠); 디쿠밀 퍼옥시드, 알킬 히드록겐 퍼옥시드(예컨대, t-부틸 히드로겐 퍼옥시드, t-아밀 히드로겐 퍼옥시드, 쿠밀 히드로겐 퍼옥시드), 디아실 퍼옥시드(예컨대, 아세틸 퍼옥시드, 라우로일 퍼옥시드, 벤조일 퍼옥시드), 퍼옥시 에스테르(예컨대, 에틸 퍼옥시벤조에이트) 및 아조 화합물(예컨대, 2-아조비스(이소부티로니트릴))로 이루어진 군 중에서 선택된 자유 라디칼 생성제를 포함할 수 있다. 자유 라디칼 생성제는 또한 고전단응력 공정과 관련하여 수지 물질, 특히 열가소성 수지일 수 있다. 고전단응력은 중합체 골격 상에, 또는 사슬 말단에서 라디칼을 발생하도록 열가소성 수지를 분해한다.
무기 표면을 처리하는데 사용되는 코팅은 단독으로 또는 다른 화학물질과 함께 사용되는 실란의 유기 용액, 수성 유기 용액 또는 수용액일 수 있다. 다른 화학물질은 습윤제, 정전기 방지제, 균염제, 결합제, 윤활제, 섬유 보호제, 피막 형성제 등으로서 사용된다.
실란 용액이 유리 섬유를 처리하는데 사용되는 경우, 이들은 "사이징제"로 불리운다. 이러한 조성물은 통상적으로 에멀젼 형태의 피막 형성용 중합체, 예를 들어 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스테르, 에폭시에스테르, 비스페놀-A 에폭시, 비스페놀성 폴리에스테르, 폴리비닐 아세테이트, 비닐 아세테이트 및 아크릴계 공중합체, 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체, 멜라민 포름알데히드 등을 포함할 수 있다. 사이징제는 가소제, 예를 들어 프탈레이트, 포스페이트, 폴리에스테르 등도 포함할 수 있다. 사이징제는 윤활제, 예를 들어 양이온 및 가용화 지방산 아미드, 폴리알킬렌 옥시드, 알킬 이미다졸린 유도체, 아미드로 치환된 폴리에틸렌 아민, 미세결정질 왁스, 지방족 폴리아민 등도 포함할 수 있다. 사이징제는 산(예를 들어, 아세트산 또는 시스-부텐이산), 물, 계면활성제, 소포제, 유화제 또는 다른 실란(예를 들어, 에틸렌계 불포화 실란)을 포함할 수 있다. 물은 유리 섬유에 대하여 실란을 활성화하기 위해 사이징제 중에 필요하다. 사이징제 중에 사용되는 다른 화학물질은 문헌[K.L. Loewenstein, The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibres, 3rd revised ed. (Elsevier, Amsterdam, 1993)]에 인용되어 있다.
사이징제의 내용물 중에 실란 및 물을 함께 첨가하면 사이징제 중에 실란을 분산시킬 수 있지만, 물 및 실란을 예비배합하면 사이징제가 72 시간 이상 동안 노화되어 유용하지 않은 실록산 겔을 형성할 것이다.
사이징제를 중합체 복합물에 도입시키고자 하는 유리 섬유에 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 조성물의 제법은 당업계에 공지되어 있다. 생성된 복합물은 습윤 및 건조 강도가 향상되고 침윤성이 향상되고 스트랜드 통합성이 향상되었다.
〈제조 방법〉
이미도실란은 아미노알킬 디알콕시 실란 또는 아미노 트리알콕시실란(예를 들어, 아미노프로필트리알콕시실란 또는 N-아미노에틸-3-아미노프로필메틸디알콕시 실란) 및 불포화 산 무수물로부터 제조된다. 할로겐 함유 실란을 사용하지 않는 것이 바람직한데, 그 이유는 이들이 바람직하지 않은 할로겐화물을 형성시키기 때문이다. 이러한 반응은 개환된 실란을 형성시킨다. 사용되는 무수물의 예는 이소부테닐숙신산, (+/-)-2-옥텐-1-숙신산, 이타콘산, 2-도데센-1-일숙신산, 시스-1,2,3,6-테트라히드로프탈산, 시스-5-노르보르넨-엔도-2,3-디카르복실산, 엔도-비시클로[2.2.2]옥트-5-엔-2,3-디카르복실산, 메틸-5-노르보르넨-2,3-디카르복실산, 엑소-3,6-에폭시-1,2,3,6-테트라히드로프탈산, 말레산, 시트라콘산, 2,3-디메틸말레산, 1-시클로펜텐-1,2-디카르복실산 및 3,4,5,6-테트라히드로프탈산 무수물이다.
이 최초 단계는 물의 형성을 초래할 수 있기 때문에 가열을 하지 않는 것이 바람직하지만, 가열을 하거나 하지 않으면서 용매의 존재 또는 부재하에서 수행될 수 있다. 적절한 용매로는 메틸렌 클로라이드, 클로로포름, 알콜, 지방족 및 방향족 탄화수소 및 에테르가 있다.
개환된 실란(즉, 아미드산 실란)을 캐핑 물질로 처리하여 고리화 동안 물이 형성되지 않게 한다. 이 단계는 바람직하게는, 가열하지 않으면서 수행하여야 한다. 실릴화제인 적절한 캐핑 물질로는 트리알킬실릴 할라이드, 비스-(트리메틸실릴)트리플루오로아세트아미드, N,O-비스(트리메틸실릴)아세트아미드, N-메틸-N-트리메틸실릴플루오로아세트아미드, 1-(트리메틸실릴)이미다졸, N-트리메틸실릴디에틸아민, 헥사메틸디실라잔 및 그의 혼합물이 있다. 특히 트리메틸클로로실란이 유용하다.
다른 캐핑 물질은 카르복실산을 에스테르로 전환시키는 것, 예를 들어 염소화 탄화수소, 디알킬 카르보네이트, 디알킬 피로카르보네이트, 디알킬 술포네이트, 디아조메탄 등이다. 그러나, 산을 에스테르로 전환시키는데 통상적으로 사용되는 알콜은 캐핑 반응 동안 물을 발생시키기 때문에 적절하지 않다. 캐핑 물질이 할로겐화수소를 발생시키는 경우, 이 반응 단계를 산 스캐빈저(예를 들어, 염기) 존재하에서 수행하는 것이 바람직하다. 염기는 할로겐화물을 제거하는데 사용된다. 염기의 적절한 예로는 트리에틸 아민, 피리딘 또는 디메틸아미노 피리딘 또는 모든 3차 아민이 있다.
세번째 단계는 캐핑된 아미드산 실란을 가열하여 이미도실란을 형성하는 것이다. 캐핑 물질이 실릴화제인 경우, 2 당량이 요구된다. 실릴화제는 카르복실기의 히드록실기 및 아미드의 N-H기 모두와 반응한다. 온도는 진공 상태에서 40 내지 80 ℃이어야 한다. 이 단계 동안, 캐핑 물질의 반응 생성물(예를 들어, 헥사메틸디실록산 (MM))은 원래의 무수물의 산소를 포함하도록 방출될 것이다. 상기 반응된 캐핑제는 이미도실란으로부터 증류되거나, 또는 발화 제거될 수 있다. 캐핑 물질이 카르복실산 에스테르를 형성한다면, 이 때 고리화는 아미드산-에스테르 실란을 가열함으로써 촉진될 수 있다. 온도는 40 내지 220 ℃, 바람직하게는 80 내지 120 ℃이어야 한다. 이 단계 동안, 알콜이 형성될 것이다.
이렇게 생성된 생성물은 실록산이 존재하지 않는 결과 할로겐화물 농도가 낮다.
물 (및 실록산)을 형성시키지 않으면서 이미도실란을 형성하는 또 다른 방법은 불포화 산 무수물을 이소시아네이토실란과 일단계(one step)로 반응시키는 것인데, 이 공정은 이미도실란은 물론 CO2를 방출한다. 촉매, 바람직하게는 포스폴렌 존재하에서 화학량론비의 무수물 및 이소시아네이트를 가열 환류시키고, 냉각 및 여과시킨다.
이와 달리, 비닐 관능기를 갖는 불포화 이미드는 히드리도 알콕시 실란에 의해 히드로실화시킬 수 있다. 히드로실화는 당업계에 공지된 바와 같이 수행할 수 있다 (예를 들어, 본원에 참고로 채택된 문헌[Marciniec, ed., Comprehensive Handbook on Hydrosilylation (1992)]의 관련 부분 참조).
네번째로, 무수 공정은 (촉매를 함유하거나 함유하지 않는 상태에서) 비스(아미도 실란)에서 출발하여, 약 190 내지 240 ℃에서 가열하면 이미도실란 및 아미노실란을 얻게 될 것이다.
〈실시예〉
〈실시예 1〉 실란 A의 합성
5000 ㎖ 반응기를 질소 분위기(버블러)에 두고, 말레산 무수물 과립 352 g 및 메틸렌 클로라이드 574 g으로 충전시켰다. 교반하면서 실퀘스트(등록상표) A-1100(상표명) (Witco Corp. 제품) 3-아미노프로필트리에톡시실란 796 g을 2 시간에 걸쳐 반응기에 첨가하였다. 반응기를 빙염조를 이용하여 10 ℃까지 냉각시켰다. 트리에틸아민 723 g을 반응기에 충전시켰다. 계속 냉각시키면서 트리메틸실릴 클로라이드 777 g을 반응기에 첨가하였다. 트리메틸실릴 클로라이드의 첨가가 끝날 무렵에 메틸렌 클로라이드 300 g을 반응기에 충전시키고 밤새 계속 교반하였다. 반응 혼합물을 30 ㎛에 이어 0.5 ㎛ 필터로 가압 여과하였다. 여액을 5000 ㎖ 플라스크에 넣고, 진공 상태를 200 mmHg까지 서서히 증가시켜 실온에서 메틸렌 클로라이드를 플라스크로부터 증류 제거하였다. 최종 생성물에 대한 고리화를 감압하에서 서서히 가열하면서 수행하였다. 조생성물을 진공 증류하여 여과하였다.1H,13C 및29Si NMR은 말레이미도프로필트리에톡시실란과 일치하였다. 이 공정을 반응식 1에 예시하였다.
〈비교예 Ⅰ〉 미국 특허 제3,755,354호에 따른 말레이미도실란의 합성
3-아미노프로필트리에톡시실란 23.2 g, 말레산 무수물 10.3 g, 피리딘 0.53 g 및 헥산 316 g의 혼합물을 딘 스타르크 (Dean Stark) 트랩이 구비된 1000 ㎖ 3목 둥근 바박 플라스크에 충전시켰다. 혼합물을 13 시간 동안 환류시켰다. 2층이 형성되었다. 하부층을 분리하고 29-Si NMR 분광법으로 분석하였다. 분석 결과 35 몰%의 실록산이 나타났는데, 이것은 실란의 합성 동안 물이 존재하였다는 것을 가리킨다.
본 실시예에서 실란의 수용액을 제조하기 위한 시도가 이루어졌다. 실란 0.2 g, 빙초산 0.1 g, 메탄올 0.6 g 및 물 0.2 g의 혼합물을 20 분 동안 교반하였다. 물 18.95 g을 서서히 교반하면서 첨가하였다. 황색 고체가 거의 즉시 침전되었다. 실란 A의 맑고 안정한 균질 수용액 A가 상기 혼합 공정에 의해 제조되었다.
〈실시예 2〉 과산화물 부재하의 실란 A에 의한 유리 섬유의 처리
유리 섬유 사이징조를 실란 A를 가수분해 원액에 첨가하여 제조하였다. 가수분해 원액은 1440 g의 2-프로판올 및 160 g의 증류수로 이루어졌다. 이 용액을 빙초산을 사용하여 pH 4로 조절하였다. 1.5 g의 실란 A를 교반하면서 298.5 g의 원액에 첨가하여 0.5% (wt/wt) 실란 A 용액을 제조하였다. 용액을 30 분 동안 더 교반하여 실란이 완전히 가수분해되도록 하였다. 유기 섬유 직물을 스트립으로 절단하고 실란 용액에 침지시켰다. 스트립을 훈증 후드에 걸어 공기 중에서 건조시키고 135 ℃ 오븐에서 2.5 분 동안 두었다.
〈실시예 3〉 실란 A 및 과산화물에 의한 유리 섬유의 처리
실시예 2로부터 얻은 실란 A로 처리된 유리 섬유를 과산화물 용액으로 코팅시켰다. 톨루엔 299.55 g에 디쿠밀 퍼옥시드 0.45 g을 용해시켜 0.15 중량(wt/wt) 과산화물 용액을 제조하였다. 실란으로 처리된 유리 직물 스트립을 과산화물 용액에 침지시키고 1 시간 동안 공기 중에서 건조시켰다.
〈실시예 4〉 과산화물이 없는 실란 A로부터 제조된 나일론 라미네이트의 제조 및 시험
실시예 2로부터 얻은 처리된 유리 섬유 스트립을 8 inch x 8 inch(20.3 cm x 20.3 cm)의 정사각형으로 절단하였다. 10 mil(0.025 cm) 나일론 6 및 처리된 유리 직물의 서로 교차하는 층을 11 가닥의 라미네이트를 제조하는데 사용하였다. 라미네이트를 260 ℃에서 모델 Q230H를 이용하여 1500 파운드(680 kg)의 램력으로 0.75 시간 동안 0.125 inch(0.317 cm)의 스톱(stops)으로 압착시켰다.
건식 및 습식 굴곡 시험과 작열감량(%LOI) 분석을 위한 샘플을 다이아몬드 톱으로 절단하였다. 시험 샘플의 치수는 폭이 0.5 inch (1.77 cm), 높이가 0.125 inch(0.317 cm), 길이가 3.5 inch(8.89 cm)이었다. ASTM D790에 따라 인스트론(Instron) 1123 시험기를 이용하여 분 당 0.2 inch(0.51 cm)의 크로스헤드 속도 및 2 inch(5.08 cm)의 스팬 폭으로 건식 굴곡 시험을 수행하였다. 습식 굴곡 시험을 끓는 물에서 24 시간 동안 침지시킨 후의 샘플에서 수행하였다. 습식 시험을 동일한 크기의 샘플에서 건조 샘플과 동일한 방법으로 수행하였다. %LOI를 ASTM D 4963-94에 따라 수행하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈실시예 5〉 실란 A 및 과산화물로부터 제조된 나일론 6 라미네이트의 제조 및 시험
나일론 6 라미네이트를 제조하여 실시예 4와 동일한 방법으로 시험하되, 실시예 3의 처리된 유리 스트립을 사용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅱ〉
처리된 유리 섬유를 실시예 2의 절차로 제조하되 3-아미노프로필트리메톡시실란을 사용하였다. 나일론 6 라미네이트를 실시예 4에 따라 제조하고 시험하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅲ〉
시험된 유리 섬유를 실시예 2 및 3의 절차로 제조하되, 말레산 아미드 실란을 사용하였다. 질소 분위기 하에 둔 5000 ㎖ 반응기에 말레산 무수물 과립 352 g 및 메틸렌 클로라이드 574 g으로 충전시켜 실란을 제조하였다. 교반하면서 실퀘스트(등록상표) A-1100(상표명) (Witco Corp. 제품) 3-아미노프로필트리에톡시실란 796 g을 2 시간에 걸쳐 반응기에 첨가하였다. 진공 상태를 200 mmHg까지 서서히 증가시켜 실온에서 플라스크로부터 메틸렌 클로라이드를 제거하였다.
나일론 6 라미네이트를 실시예 4의 절차에 따라 제조하고 시험하였다.
〈실시예 6〉 실란 A 및 과산화물로부터 제조된 폴리프로필렌 라미네이트의 제조 및 시험
실시예 3의 시험된 유리 섬유 스트립을 8 inch x 8 inch(20.3 cm x 20.3 cm)의 정사각형으로 절단하였다. 15 mil(0.038 cm) 폴리프로필렌 필름 및 처리된 유리 직물의 사로 교차하는 층을 9 가닥의 라미네이트를 제조하는데 사용하였다. 라미네이트를 232 ℃에서 모델 Q230H를 이용하여 1 시간 동안 1500 파운드(680 kg)의 램력으로 0.125 inch(0.317 cm)의 스톱으로 압착시켰다. 라미네이트를 실시예 4의 절차에 따라 시험하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅳ〉
처리된 유리 섬유를 실시예 2 및 3의 절차로 제조하되, Witco Corp.사에서 시판되는 상표명 실퀘스트(등록상표) A-171의 비닐메톡시실란을 사용하였다. 라미네이트를 실시예 6의 절차에 따라 제조하고 시험하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅴ〉
처리된 유리 섬유를 실시예 2 및 3의 절차로 제조하되, Witco Corp.사에서 시판되는 상표명 실퀘스트(등록상표) A-174의 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란을 사용하였다. 라미네이트를 실시예 6의 절차에 따라 제조하고 시험하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅵ〉
처리된 유리 섬유를 실시예 2 및 3의 절차로 제조하되, 비교예 Ⅲ에서 제조된 실란을 사용하였다. 라미네이트를 실시예 6의 절차에 따라 제조하고 시험하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅶ〉
처리된 유리 섬유를 실시예 2의 절차로 제조하되, Witco Corp.사에서 시판되는 상표명 실퀘스트(등록상표) A-1100의 3-아미노프로필트리에톡시실란을 사용하였다. 라미네이트를 실시예 6의 절차에 따라 제조하고 시험하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅷ〉
처리된 유리 섬유 및 라미네이트를 비교예 Ⅶ의 절차에 따라 제조하되, 1500 ppm의 그래프팅된 말레산 무수물을 함유하는 말레산염화 폴리프로필렌 필름을 사용하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
〈비교예 Ⅸ〉
처리된 유리 섬유 및 라미네이트를 비교예 Ⅶ의 절차에 따라 제조하되, 3000 ppm의 그래프팅된 말레산 무수물을 함유하는 말레산염화 폴리프로필렌 필름을 사용하였다. 그 결과를 하기 표1에 나타냈다.
〈실시예 7〉 실란 A로부터 제조된 인발(引拔)된 폴리에스테르 로드의 제조 및 시험
유리 섬유 사이징조를 실란 A를 가수분해 원액에 첨가하여 제조하였다. 그수분해 원액은 1440 g의 2-프로판올 및 160 g의 증류수로 이루어졌다. 이 용액을 빙초산을 사용하여 pH 4로 조절하였다. 1.5 g의 실란 A를 교반하면서 298.5 g의 원액에 첨가하여 0.5% (wt/wt) 실란 A 용액을 제조하였다. 용액을 30 분 동안 더 교반하여 실란이 그의 실라놀 형태로 완전히 가수분해되도록 하였다. Owens Corning 사에서 상표명 OCF 861로 시판되는, 2040 가닥의 필라멘트를 함유하는 물로 사이징된 단일 가닥 조사(粗絲)를 25 ft/분(762 cm/분)의 드로잉율로 사이징조에서 침지시켰다. 섬유를 0.8 분의 체류 시간 동안 25 ft/분(762 cm/분)의 드로잉율로 420 ℉(215 ℃)에서 가열된 튜브로 통과시켜 건조시켰다. 건조된 섬유를 직경 36 inches (91.4 cm)인 스풀(spool) 위에 22 회전 동안 감았다. 섬유를 스풀로부터 떼어내고 한쪽 끝을 묶고 다른 쪽 끝을 잘랐다. 섬유를 Ashland Chemical사에서 시판되는 1200 g의 아로폴 (AROPOL) 7241 폴리에스테르 수지 및 Pennwalt사에서 시판되는 트리크레실포스페이트 중 벤조일 퍼록시드의 용액(50 중량%)인 12 g의 루페르코(LUPERCO) ATC에서 30 분 동안 침지시켰다. 침지된 섬유를 0.25 inch(0.635 cm)의 정밀 천공용 유리 튜브로 끌어당겨 221 ℉(105 ℃)에서 30 분 동안 경화시켰다. 로드를 튜브로부터 제거하고 2.25 inch(5.71 cm)의 길이로 잘랐다. 건조 굴곡 강도를 인스트론 1123 시험기를 이용하여 분 당 0.2 inch(0.51 cm)의 크로스헤드 속도 및 1.75 inch(4.45 cm)의 스팬으로 ASTM D790에 따라 측정하였다. 습한 샘플을 물에서 24 시간 동안 끓이고 유사한 방법으로 시험하였다. 작열감량(%LOI)을 ASTM D 4963-94에 따라 측정하였다. 인스트론 1123 시험기를 이용하여 힘을 분 당 0.2 inch(0.51 cm)의 크로스헤드 속도로 힘을 1 inch(2.54 cm)의 스팬 조사에 가하여, 처리된 유리 조사의 굴곡 강도를 측정하였다. 측정값은 유리의 스트랜드를 구부리는데 필요한 최대힘이다. 그 결과를 하기 표2에 나타냈다.
〈비교예 Ⅹ〉
처리된 유리 섬유 및 로드를 실시예 7의 절차에 따라 제조하고 시험하되, 실란은 비교예 Ⅲ에서 제조된 말레산 아미드 실란이었다. 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
〈비교예 ⅩⅠ〉
처리된 유리 섬유 및 로드를 실시예 7의 절차에 따라 제조하고 시험하되, 실란은 Witco Corp. 사에서 시판되는 상표명 실퀘스트(등록상표) A-174인 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란이었다. 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
실란으로 처리된 유리 섬유 천으로 제조된 유리 섬유 강화 라미네이트의 시험 결과
나일론 실시예 굴곡(건조)MPa 굴곡(습윤)MPa 체류 백분율 글래스 백분율 과산화물
4 468.5 254.9 54.4 58 없음
5 427.2 206.7 48.4 53 디쿠밀
Ⅱ 372.1 179.1 48.1 54 없음
Ⅲ 420.3 227.4 54.1 54 디쿠밀
폴리프로필렌 실시예
6 246.1 224.6 91.3 57 디쿠밀
Ⅳ 170.9 150.2 87.9 52 디쿠밀
Ⅴ 144.7 125.4 86.7 51 디쿠밀
Ⅵ 192.9 165.4 85.7 51 디쿠밀
Ⅶ 124.0 96.5 77.8 47 없음
Ⅷ 199.8 179.1 89.6 52 없음
Ⅸ 213.6 186.1 87.1 51 없음
실란으로 처리된 유리 조사로 제조된 인발 유리 섬유 로드의 시험 결과
폴리에스테르 실시예 굴곡(건식)MPa 굴곡(습식)MPa 체류 백분율 유리 백분율 과산화물 유리 굴곡(g)
7 764.8 716.6 93.7 61.5 벤조일 61
Ⅹ 737.2 496.1 67.3 62.3 벤조일 37
ⅩⅠ 785.5 702.8 89.5 62.5 벤조일 39
본 발명에 의한 불포화 이미도실란으로 처리된 유리 섬유로 강화된 복합물은 습윤 및 건조 굴곡 강도가 향상되고 침윤성이 향상되고 스트랜드 통합성이 개선되었다.

Claims (10)

  1. 실록산 및 할로겐화물이 거의 없는 불포화 이미도실란.
  2. 제1항에 있어서, 하기 화학식 (1)의 실란.
    〈화학식 1〉
    ((R1)bY)aR2 3-aSiR3N(C=O)2X
    식 중, R1및 R2는 1가 라디칼이고, R3은 2가 라디칼이고, X는 하나 이상의 에틸렌계 불포화 결합을 갖는 2가 라디칼이되, 두 원자가는 질소에 결합된 카르보닐기에 결합되어 있고, Y는 산소, 질소 또는 황이고, a는 1 내지 3이고, b는 Y의 원자가에 따라 1 또는 2이다.
  3. 제2항에 있어서, X가 이미드기를 갖는 원자수가 5 내지 12인 고리를 형성하는 탄화수소인 실란.
  4. 제3항에 있어서, a가 3이고, Y가 O이고, R1이 에틸 또는 메틸 중 어느 하나인 실란.
  5. 제3항에 있어서, a가 2이고, Y가 O이고, R2가 알킬이고, R1이 수소, 이미노기, 디알킬아민으로 이루어진 군으로부터 선택되거나, 또는 바람직하게는 헤테로원자를 함유할 수 있는 아릴, 알릴, 시클로알킬, 알킬(직쇄 또는 분지쇄) 또는 아랄킬(이 제한되지 않음)을 포함하는 탄화수소 관능기 및 아실 관능기인 실란.
  6. 화학식 (1)의 실란.
    〈화학식 1〉
    ((R1)bY)aR2 3-aSiR3N(C=O)2X
    식 중, R1및 R2는 1가 라디칼이고, R3은 헤테로원자를 함유하는 2가 라디칼이고, X는 하나 이상의 에틸렌계 불포화 결합을 갖는 2가 라디칼이되, 두 원자가는 질소에 결합된 카르보닐기에 결합되어 있고, Y는 산소, 질소 또는 황이고, a는 1 내지 3이고, b는 Y의 원자가에 따라 1 또는 2이다.
  7. 부산물로서 물이 생성되지 않으면서 불포화 이미도실란을 형성하는 것을 포함하는 실란의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    (a) 아미노 디알콕시 실란 또는 아미노 트리알콕시실란 및 불포화 산 무수물을 반응시켜 아미드산 실란을 형성하고,
    (b) 아미드산 실란을 캐핑 물질로 처리하고,
    (c) 처리된 물질을 가열하여 이미도실란을 얻는 것을 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 불포화 산무수물을 이소시아네이토실란과 반응시켜 CO2를 방출하고 이미도실란을 얻는 것을 포함하는 방법.
  10. 불포화이미도실란, 이미도기와 반응성인 열가소성 수지 물질, 무기 충전제 및 자유 라디칼 생성제를 포함하는 물질.
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