KR20100106365A

KR20100106365A - 아크릴계 고무 개질된 열경화성 조성물

Info

Publication number: KR20100106365A
Application number: KR1020107012674A
Authority: KR
Inventors: 스콧 씨. 슈미트; 로버트 제이. 바소티; 노아 이. 메이시; 라비 이누블리; 피에르 제라르
Original assignee: 알케마 인코포레이티드
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-10-01
Also published as: JP5676270B2; CN101896513A; CN101896513B; KR101584053B1; JP2011506679A; US8492482B2; US20100273958A1; WO2009076069A1; EP2231729A4; EP2231729A1; EP2231729B1

Abstract

본 발명은 액상 고무 아크릴 블록 공중합체, 및 열경화성 조성물을 개질하는데 있어서 그의 용도에 관한 것이다. 액상 고무 아크릴 블록 공중합체는 열경화성 조성물에 인성 및 가요성을 부여한다. 아크릴 블록 공중합체는 특히 에폭시 조성물을 개질하는데 유용하다.

Description

아크릴계 고무 개질된 열경화성 조성물{ACRYLIC-BASED RUBBER MODIFIED THERMOSET COMPOSITION}

본 발명은 액상 고무 아크릴 블록 공중합체, 및 열경화성 조성물을 개질(변성)하는데 있어서 그의 용도에 관한 것이다. 액상 고무 아크릴 블록 공중합체는 열경화성 조성물에 인성 및/또는 가요성을 부여한다. 아크릴 블록 공중합체는 특히 에폭시 조성물을 개질하는데 유용하다.

고강성, 저크립성, 저경화수축율, 내부식성 및 우수한 접착성 덕분에 에폭시 수지는 구조 접착제, 복합재(composites), 표면 코팅재 및 적층재로 폭넓게 사용되고 있는 열경화성 고분자의 한 부류이다. 주된 단점이라면 경화된 상태에서 에폭시가 갖는 고유 취성으로, 이는 다양한 산업적 응용에 방해가 된다. 취성 고분자에 인성을 부여하기 위해 이용되는 한 가지 잘 알려진 방법은 고무입자의 불연속상을 강직한 고분자 매트릭스에 통합시키는 것이다. 복합재 자체의 고유 성질들 이외에, 이들 하이브리드(복합) 재료의 최종 기계적 성질에 원인이 되는 확고부동한 요인은 재료의 최종 형태(morphology)이다. 이러한 형태를 제어하는 일은 목표로 하는 최종 용도 특성들을 갖는 강인화된 개질 에폭시 복합재를 제조하는데 중요하다. 한 가지 효과적인 기법은 상분리가 가능한 성분, 예컨대 반응성 액상 고무 또는 양친매성 블록 공중합체를 첨가하는 것이다. 또한 종래의 코어-쉘 첨가제가 분산효율의 문제들로 인해 제한된 성공을 보이며 사용되어 왔다. 코어-쉘 첨가제의 또 다른 불리한 점이라면 이들에 의해 열경화성 불투명 상태(투명도의 손실)가 된다는 것이다.

에폭시 수지를 강인화시키는 한 가지 잘 알려진 방법은 반응성 "액상 고무"와의 배합(blending)을 통한 것이다. 이를 위해 흔히 이용되는 재료는 부타디엔과 아크릴로니트릴의 카복실-말단(화) 공중합체(CTBN)이다. 이들 중합체의 장점은 에폭시 수지와의 혼화도 및 재료의 낮은 유리전이온도(이하, Tg) 특성으로 인해 배합이 용이하며 점도에 미치는 영향을 최소로 한다는 것이다. 반응성 CTBN 중합체는 에폭시 수지와 경화되면 분자량이 증가하며, 이는 수지 분자량의 증가와 함께 수지 내에서의 고무 용해도를 저하시킨다. 저하된 용해도는 고무의 상분리를 야기시킨다. 이러한 분리의 결과로 각 이산 고무 입자가 에폭시 매트릭스에 공유결합된다. 불행히도, 불완전한 상분리는 매트릭스의 Tg의 원치않는 감소로 이어진다. 게다가, 최종 상분리된 형태와 그 후의 복합재 특성들은 잘 제어되지 않으며 경화 시스템 및 경화 프로파일에 크게 의존한다. 끝으로, CTBN의 불포화도가 높음에 따라, (특히 고온에서) 원치 않는 분해 및 가교 반응들이 발생하며, CTBN에는 미량의 발암성 자유 아크릴로니트릴이 잠재적으로 함유되어 있다. 이들 약점은 본 발명의 아크릴레이트 시스템으로 예방될 수 있다.

에폭시 수지를 강인화시키는 두 번째 방법은 고무 성분을 함유한 양친매성 블록 공중합체(에폭시 혼화성 세그먼트와 에폭시 불혼화성 세그먼트)를 통한 것이다. 이들 블록 공중합체는, 에폭시가 경화되기 이전에 발생하는 양친매성 블록의 자기조립을 통해 에폭시 수지를 강인화시키는 것이라 생각된다.

US 2004/0034124는 에폭시 열경화물을 강인화시키기 위한 양친매성 블록 공중합체의 용도에 대해 기재하고 있다. PMMA를 함유한 양친매성 블록 공중합체의 용도에 대해 구체적으로 주장하고 있다. 이들 블록 공중합체는 열경화물이 경화되기 전에 가조립(pre-assemble)됨으로써, 최종 열경화물의 Tg를 손상시키지 않고 강인화를 가능하게 한다. 이는 앞서 언급한 CTBN형 시스템을 넘어서는 장점을 제공한다. 양친매성은 PMMA 블록의 높은 Tg와 연동하여, 예비 경화된 배합물의 점도를 현저히 증가시키며, 이는 여러 용도에 불리할 수 있다. 더욱이, 열경화성 수지 내 PMMA 블록 공중합체의 용해작업이 고온에서 수행되어야 함에 따라 공정상 어려움에 부닥칠 수 있다. 또한, PMMA 블록은 에폭시 수지와의 혼화성을 제공하되 고무의 강인화에는 기여하지 않거나, 효과적인 고무 강인화 효율이 최적은 아니다.

WO 2006/052727은 위에 언급한 특허와 유사하되, PMMA 대신에, 하나 이상의 폴리에테르 구조를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(PEO)계 양친매성 블록 공중합체를 에폭시 수지 첨가제로서 사용하는 것에 대해 기재하고 있다. 이들 양친매성 폴리에테르 블록이 에폭시 수지의 1-10 중량% 수준으로 이용되는 경우에는, 자기조립(경화된 에폭시 시스템에서 미셀 구조로 형성됨)으로 인해 나노크기(15-25nm)의 영역들(domains)이 형성된다. PEO 시스템의 한 가지 문제점은 PEO가 낮은 Tg를 가지기는 하였지만 여전히 결정성(결정성 PEO 단일중합체의 용융점(Tm)은 약 60℃임)이라는 것이다. 이러한 결정성은 블록 공중합체의 오더링(ordering)에 영향을 미치고, 효과적인 고무 강인화 효율을 감소시킬 수 있으며, 열경화성 수지의 PEO 블록 공중합체의 용해작업이 고온에서 수행될 필요가 있음에 따라 공정상 어려움에 부닥칠 수도 있다. 또한, PEO가 수용성이고 쉽게 수분을 흡수하므로 에폭시 경화 용도에서 수분을 제한하도록 주의해야 하는데, 그 이유는 물이 에폭시 매트릭스의 Tg에 불리한 영향(현저한 감소)을 미치기 때문이다.

더욱이, PEO계 블록 공중합체는 리빙(living) 음이온 중합 기법을 이용하여 제조된다. 리빙 음이온 중합 기법에는 몇 가지 약점들이 있는데, 예컨대 극성 공단량체와 무극성 공단량체 간의 낮은 공중합 반응, 그리고 쉽게 양성자가 제거될 수 있는 단량체를 사용할 수 없다는 것이다. 따라서 기능성 단량체를 직접 혼합시킬 수는 없으며, 단량체 혼합물의 공중합 또한 문제가 될 수 있고/있거나 실행 가능하지 않을 수 있다. 이는 용해도, 반응도 및 Tg와 같은 특성을 조정(tailor)하는 능력을 떨어뜨린다. 게다가, 이 방법은 대량의 산업적 규모로 수행하기에는 비용이 많이 들고, 어렵거나 비실용적일 수 있으며, 에멀젼 기법을 이용할 수 없기 때문에 대단히 순도가 높은 시약이 요구되고(심지어 미량의 양성자성 물질도 중합반응을 저해함), 비활성 분위기가 필수적이다. 끝으로, 조정용(tailoring) 블록 조성물의 중요성이나, 용해도 및 최종 형태의 제어를 위한 구배 조성(gradient compositions)의 형성이 설명되어 있지 않다.

WO 2006/052727은 또한 다른 유용한 유사 양친매성 블록 공중합체(예컨대 반응성 폴리(에폭시이소프렌)-b-폴리부타디엔)에 대해 기재하고 있다. 앞서 언급한 한계점들 이외에도, 이들 유형의 구조는 다단계 공정을 필요로 하고 따라서 응용 용도를 제한하며 경제적으로 매력적이지 않은, 제조하기 복잡한 것으로 확인되었다. 게다가, 이들 구조는 높은 불포화도로 인한 단점들을 가지며, 이는 (특히 고온에서) 원치 않는 분해 및 가교 반응들로 이어질 수 있다.

에폭시 수지 개질에 사용되는 폴리(에틸렌옥사이드)-b-폴리(프로필렌옥사이드)의 유사한 자기조립식 양친매성 블록 공중합체가 또한 공지되어 있다(Macromolecules, 2000, 33, 5235-5244.).

US 2004/0247881은 난연성 에폭시 수지의 특정 부류를 위한 에폭시 개질제로서의 양친매성 블록 공중합체의 용도에 대해 기재하고 있다. 예로는 폴리에테르계 블록 공중합체와, 반응성 폴리(메틸 메트아크릴레이트-co-글리시딜 메트아크릴레이트)-b-폴리(2-에틸헥실메트아크릴레이트)가 주어졌다. 이들 종류의 블록 공중합체 (높은 Tg를 가지며, PEO계임)의 단점들이 앞서 언급한 본문에 개시되어 있다. 또한 US 2004/0247881에는 낮은 Tg를 가진 메트아크릴계 블록 공중합체의 가능한 용도에 대해 언급되어 있지만, 그의 용도나 어떠한 장점도 개시되어 있지 않다.

앞서 언급한 한계점들 이외에도, 이들 개시물의 어떠한 것도, 모두 낮은 Tg 세그먼트를 함유하는 아크릴 블록 공중합체들의 중요성에 대해, 또는 공중합 블록 구조나 구배 블록 구조를 통해 두개의 블록을 조정하여 용해도 및 최종 형태를 제어함으로써 열경화성 최종 용도 특성들을 제어하는 것의 장점에 대해 설명하고 있지 않다.

놀랍게도, 모두 낮은 Tg("액상 고무" 유형)를 가진 아크릴계 블록 중합체들은, 이들이 기능화되었든 안되었든 간에, 열경화성 수지를 효과적으로 개질하는데 사용될 수 있으며, 더군다나 쉽게 제조되고 조정가능하므로 원하는 개질을 제공할 수 있다. 아크릴계 블록 공중합체는 낮은 Tg 세그먼트를 함유하여, 배합하기 쉽고 현재 제조 공정에 사용하기 용이해지며, 열경화성 수지에 인성 및/또는 가요성을 제공한다. 아크릴 블록 중합체는 특히 에폭시 수지를 개질하는데 유용하다. 본 발명의 아크릴 블록 중합체는 "액상 고무"의 장점들과 블록 공중합체의 장점들을 동일한 재료에 통합하여 "액상-고무" 형 아크릴 블록 공중합체를 제공한다. 더욱이, 이들 재료를 제조하는 방법은 간단하고 비용효율적이며, 누구든지 공중합 및 구배 구조들을 통해 중합체의 특성들(예컨대, Tg 및 용해도)을 쉽게 조정할 수 있게 한다. 이러한 조정작업으로 누구든지 열경화성 재료의 최종 특성을 제어할 수 있게 된다.

본 발명은 모두 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록들을 포함하는 블록 공중합체에 관한 것으로, 상기 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록들 중 하나 이상은 열경화성의 혼화가능한 블록이다.

또한 본 발명은 모두 낮은 Tg를 가진 아크릴 블록들이 포함된 블록 공중합체가 분산되어 있는 열경화성 매트릭스를 함유하는 열경화성 조성물에 관한 것으로, 상기 낮은 Tg를 가진 아크릴 블록들 중 하나 이상은 열경화성의 혼화가능한 블록이다.

도1 및 도2: 이산 입자들의 형태를 보여주는, 개질 에폭시(실시예 25)의 원자간력 현미경(AFM)의 사진들.
도3 및 도4: 연속상(continuous phase) 형태를 보여주는, 개질 에폭시(실시예 26)의 원자간력 현미경(AFM)의 사진들.

본 발명은 열경화성 재료, 특히 에폭시 재료에 인성 및/또는 가요성을 부여하여 모두 낮은 Tg를 가진 아크릴계 블록 중합체들을 포함하는, 열경화성 조성물에 관한 것이다.

본원에 사용된 바와 같은 "블록 공중합체"는, 당해 분야의 숙련자라면 자명하듯이, 이중-블록, 삼중-블록 또는 다중-블록, 그래프트- 블록 중합체, 분지형 블록 공중합체(선형 성형 중합체(linear star polymers)로도 알려짐)를 의미한다. 또한 본원에 사용된 바와 같은 "블록 공중합체"에는 구배 중합체 또는 구배 블록 공중합체가 포함된다. 구배 중합체는 제어된 중합 공정에 의해 만들어지는 선형 또는 분지형 중합체로, 그 조성은 중합체 사슬들을 따라 가능하게는 랜덤 구조에서 블록형 구조의 범위로 변화한다.

공중합체 세그먼트가 나이트록사이드를 이용한 중합법(nitroxide-mediated polymerization)과 같은 제어-라디칼 중합(CRP) 기법으로 합성되는 경우, 종종 구배 또는 "프로파일된(profiled)" 공중합체로 지칭된다. 이러한 종류의 공중합체는 종래의 자유 라디칼 공정에 의해 수득되는 중합체와는 다르며, 단량체의 조성물, 제어제(control agent) 및 중합 조건에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 종래의 자유 라디칼 중합법에 의해 단량체 혼합물을 중합하는 경우에는, 이러한 단량체 혼합물의 조성물이 성장 사슬의 수명(약 1초)에 걸쳐 정적인 상태에 유지되므로 통계적 공중합체가 생성된다. 게다가, 반응동안 내내 자유 라디칼이 일정하게 생성되기 때문에, 단량체 농도가 변동(fluctuate)하게 되면 사슬들의 조성도 균일하지 않게 될 것이다. 제어-라디칼 중합반응 동안 사슬들은 중합반응동안 내내 활성 상태에 유지되며, 이로써 조성은 균일하고, 반응시간에 대해 대응되는 단량체 혼합물에 따라 결정된다. 그러므로, 한 단량체가 나머지보다 더 빠르게 반응하는 2-단량체 시스템에서 단량체 단위들은 한 단량체의 농도가 중합체 세그먼트의 말단에서 더 높게 되도록 분포되거나 또는 '프로파일'된다.

블록 공중합체들의 각 블록은 그 자체가 단일중합체, 공중합체(삼원공중합체, 및 2종 이상의 상이한 단량체들의 기타 조합물을 포함함), 또는 구배 중합체일 수 있다. 구배 블록 공중합체는, 예를 들어 제1 블록으로부터의 미반응 단량체가 제2 블록의 형성에서도 계속 반응하도록 함으로써 형성될 수 있다. 따라서 A-B 블록 구배 공중합체에서는 A 블록이 먼저 형성된다. B 블록을 위한 단량체(들)가 첨가되면, 미반응 A 블록 단량체(들)가 혼합물에 남아 반응하게 되면서, B 블록 내에 A 블록의 구배를 갖는 A-B 블록 공중합체가 생성된다. 바람직한 블록 공중합체는 A-B 이중블록 공중합체 및 A-B-A 삼중블록 공중합체이다.

"모두 낮은 Tg"를 갖는 아크릴 블록 중합체는, 본원에 사용된 바와 같이, 그의 모든 중합체 블록의 Tg가 50℃ 미만, 바람직하게는 40℃ 미만, 더욱 바람직하게는 35℃ 미만, 훨씬 더욱 바람직하게는 25℃ 미만인, 본 발명에 따른 아크릴 블록 중합체를 의미한다. 더욱이, 이들 중합체는 비결정성이다.

"아크릴 블록 중합체"는, 본원에 사용된 바와 같이, 중합체의 각 블록이 아크릴 단량체 단위를 5 mol% 이상, 바람직하게는 아크릴 단량체 단위를 25 mol% 이상, 더욱 바람직하게는 아크릴 단량체 단위를 50 mol% 이상, 훨씬 더욱 바람직하게는 아크릴 단량체 단위를 70 mol% 이상으로 함유한다는 것을 의미한다. 일 구현예에 의하면, 아크릴 블록 중합체는 아크릴 단량체 단위를 100 mol%로 함유할 수 있다.

"아크릴" 블록 중합체는, 본원에 사용된 바와 같이, 아크릴 산, 아크릴 염, 아크릴 에스테르, 아크릴 무수물 및 이들의 아미드, 그리고 이들의 혼합물을 포함하는 아크릴레이트 단량체의 단량체 단위를 의미한다는 것은 당해 분야의 숙련자에 공지된 바와 같다. 여기서 염은 통상의 금속, 암모늄 또는 치환된 암모늄 상대 이온들, 예컨대 나트륨, 칼륨, 암모늄 및 테트라메틸 암모늄 중 임의의 것으로부터 유도될 수 있다. 에스테르는, C₁ _-40 직쇄, C₃ _-40 분지쇄, 또는 C₃ _-40 카보사이클릭 알콜; 약 2 내지 약 8개의 탄소 원자들과 약 2 내지 약 8개의 하이드록시기를 갖는 다가알콜, 예컨대 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 헥실렌 글리콜, 글리세린 및 1,2,6-헥산트리올; 아미노 알콜, 예컨대 아미노에탄올, 디메틸아미노에탄올, 디에틸아미노에탄올 및 이들의 4급화된(quaternized) 유도체; 또는 알콜 에테르, 예컨대 메톡시에탄올 및 에톡시에탄올 중 임의의 것에서 유도될 수 있다. 전형적인 에스테르로는, 예를 들어, 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, n-프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 이소-부틸 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트 및 이들의 혼합물이 포함된다. 단량체들을 함유한 전형적인 하이드록실 또는 알콕시로는, 예를 들어, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트, 하이드록시프로필 아크릴레이트, 글리세릴 모노아크릴레이트, 3-하이드록시프로필 아크릴레이트, 2,3-디하이드록시프로필 아크릴레이트, 2-메톡시에틸 아크릴레이트, 2-에톡시에틸 아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 아크릴레이트 및 이들의 혼합물이 포함된다. 아미드는 비치환되거나, 또는 N-알킬 또는 N-알킬아미노 일치환되거나, 또는 N,N-디알킬이거나, 또는 N,N-디알킬아미노 이치환될 수 있으며, 여기서 알킬 또는 알킬아미노기는 C₁ _-40 (바람직하게는 C₁ _-10) 직쇄, C₃ _-40 분지쇄, 또는 C₃ _-40 카보사이클릭기일 수 있다. 또한, 알킬아미노기는 4급화될 수 있다. 전형적인 아미드로는, 예를 들어, 아크릴아미드, N-메틸 아크릴아미드, N,N-디메틸 아크릴아미드, N,N-디-n-부틸 아크릴아미드, N-t-부틸 아크릴아미드, N-페닐 아크릴아미드, N,N-디메틸아미노에틸 아크릴아미드가 포함된다.

아크릴 중합체는 1종 이상의 에틸렌성 불포화 비-아크릴 단량체들을 최대 95 mol%까지 함유할 수 있으며, 이들 단량체들로는 스티렌, 알파-메틸 스티렌, 중합가능한 디엔, 비닐 화합물, 비닐리덴 플루오라이드, 비닐리덴 클로라이드, 비닐 설폰, 비닐 설파이드, 비닐 에테르 및 비닐 설옥사이드가 포함되되 이에 제한되지는 않는다. 전형적인 비닐 화합물로는, 예를 들어, 비닐 아세테이트, 비닐 부티레이트, 비닐 피롤리돈, 비닐 이미다졸, 메틸 비닐 에테르, 메틸 비닐 케톤, 비닐 피리딘, 비닐 피리딘-N-옥사이드, 비닐 퓨란, 비닐 카프로락탐, 비닐 아세트아미드 및 비닐 포름아미드가 포함된다. 전형적인 중합가능한 디엔으로는, 예를 들어, 부타디엔 및 이소프렌이 포함된다. 메트아크릴 단량체들도 사용될 수 있다. "메트아크릴"은, 본원에 사용된 바와 같이, 메트아크릴 산, 메트아크릴 염, 메트아크릴 에스테르, 메트아크릴 무수물 및 이들의 아미드, 그리고 이들의 혼합물을 포함하는 메트아크릴레이트 단량체의 단량체 단위를 의미한다는 것은 당해 분야의 숙련자에 공지된 바와 같다. 여기서 염은 통상의 금속, 암모늄 또는 치환된 암모늄 상대 이온들, 예컨대 나트륨, 칼륨, 암모늄 및 테트라메틸 암모늄 중 임의의 것으로부터 유도될 수 있다. 에스테르는, C₁ _-40 직쇄, C₃ _-40 분지쇄, 또는 C₃ _-40 카보사이클릭 알콜; 약 2 내지 약 8개의 탄소 원자들과 약 2 내지 약 8개의 하이드록시기를 갖는 다가알콜, 예컨대 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 부틸렌 글리콜, 헥실렌 글리콜, 글리세린 및 1,2,6-헥산트리올; 아미노 알콜, 예컨대 아미노에탄올, 디메틸아미노에탄올, 디에틸아미노에탄올 및 이들의 4급화된(quaternized) 유도체; 또는 알콜 에테르, 예컨대 메톡시에탄올 및 에톡시에탄올 중에서 유도될 수 있다. 전형적인 에스테르로는, 예를 들어, 메틸 메트아크릴레이트, 에틸 메트아크릴레이트, n-프로필 메트아크릴레이트, n-부틸 메트아크릴레이트, 이소-부틸 메트아크릴레이트, t-부틸 메트아크릴레이트, 2-에틸헥실메트아크릴레이트, 옥틸 메트아크릴레이트, 데실 메트아크릴레이트 및 이들의 혼합물이 포함된다. 단량체들을 함유한 전형적인 하이드록실 또는 알콕시로는, 예를 들어, 2-하이드록시에틸 메트아크릴레이트, 하이드록시프로필 메트아크릴레이트, 글리세릴 모노메트아크릴레이트, 3-하이드록시프로필 메트아크릴레이트, 2,3-디하이드록시프로필 메트아크릴레이트, 2-메톡시에틸 메트아크릴레이트, 2-에톡시에틸 메트아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 메트아크릴레이트 및 이들의 혼합물이 포함된다. 아미드는 비치환되거나, 또는 N-알킬 또는 N-알킬아미노 일치환되거나, 또는 N,N-디알킬이거나, 또는 N,N-디알킬아미노 이치환될 수 있으며, 여기서 알킬 또는 알킬아미노기는 C₁ _-40 (바람직하게는 C₁ _-10) 직쇄, C₃ _-40 분지쇄, 또는 C₃ _-40 카보사이클릭기일 수 있다. 또한, 알킬아미노기는 4급화될 수 있다. 전형적인 아미드로는, 예를 들어, 메트아크릴아미드, N-메틸 메트아크릴아미드, N,N-디메틸 메트아크릴아미드, N,N-디-n-부틸 메트아크릴아미드, N-t-부틸 메트아크릴아미드, N-페닐 메트아크릴아미드, N,N-디메틸아미노에틸 메트아크릴아미드가 포함된다.

아크릴 블록 중합체

각 세그먼트가 한 가지의 단량체 종류를 갖는 종래의 "순수한" 블록 공중합체와는 달리, 블록 공중합체의 바람직한 성질들을 가진 프로파일된 공중합체의 호의적인 특징들을 조합하면, 단량체 조성물의 조정 및 연속 배열(sequencing)에 의해 유리한 최종 사용 성질들을 갖는 재료가 얻어진다는 것이 밝혀졌다. 프로파일된 블록 구조나 구배 블록 구조를 사용하면 최종 중합체 성질들이 응용분야 요구사항들에 근거하여 조정이 가능해진다. 예를 들어, 통상 종래 공중합체에서 달성된 성질들은 혼합되는 최종 단량체들에 의해 부여되는 특징들의 평균인 반면에, 블록 공중합체는 각 모(parent)중합체 블록 세그먼트의 고유의 특징적인 성질을 가진 복합재를 제공한다. 프로파일된 세그먼트의 혼합은 각 블록 세그먼트의 조정이 가능하게 하고 때때로 더 나아가 중합체 합성 공정을 단순화시킨다. 제한하고자 하는 바는 아니지만, 그 일례로, 낮은 Tg를 갖는 단량체를 높은 Tg를 갖는 중합체 세그먼트에 혼합시킴으로써 세그먼트의 유리전이온도(Tg)를 조정하는 것이며, 이는 세트먼트 Tg의 전체적인 감소가 가능하게 한다. 두 번째 예는, 소수성 공단량체를 혼합함으로써 세그먼트의 친수성을 저하시키는 것이다.

본 발명의 중요한 특징은 조성물, 상분리강도(phase segregation strength), Tg 및 모두 낮은 Tg를 갖는 블록 공중합체들의 추후의 용해도가 공단량체 함량 및 구배형 구조의 변화를 통해 쉽게 조정될 수 있다는 것이다. 이러한 조정작업은 예비경화된 열경화물과 최종 경화된 열경화물의 물리적 및 기계적 성질들(예컨대, 탄성률, 강도/충격, 열경화물 Tg, 점도, 용해온도 등)을 광범위하게 제어할 수 있게 한다.

아크릴 블록 중합체는 열경화성 수지와 혼화가능한 블록 하나 이상을 함유하며, 이러한 블록의 예로는 폴리메틸 아크릴레이트, 폴리메틸 아크릴레이트-co-N, N 디메틸아크릴아미드, 폴리메틸 아크릴레이트-co-아크릴산, 폴리메틸 아크릴레이트-co-폴리에틸렌글리콜 메트아크릴레이트, 폴리부틸 아크릴레이트-co-N,N 디메틸아크릴아미드, 및 폴리부틸 아크릴레이트-co-폴리에틸렌글리콜 메트아크릴레이트가 있다. 개시된 아크릴 중합체의 나머지 블록 세그먼트들은 혼화성, 비혼화성 또는 부분 혼화성일 수 있다. 놀랍게도, 양친매성 블록 공중합체(에폭시 혼화성(miscible) 세그먼트와 에폭시 비혼화성 세그먼트)의 경우에, 에폭시 혼화성 단량체들을 에폭시 비혼화성 세그먼트에 혼합하고/하거나 에폭시 비혼화성 단량체들을 에폭시 혼화성 세그먼트에 혼합함으로써 몇몇 예비경화 및 후경화 성질들을 제어할 수 있게 된다.

에폭시 혼화성 단량체들과 에폭시 비혼화성 단량체들을 블록 세그먼트에 혼합하는 작업은 에폭시의 경화 이전에 용해도 및 상분리 정도(the level of phase segregation)를 조절하는 방법을 제공한다. 또 다른 예는, 에폭시 혼화성 단량체들을 에폭시 비혼화성 세그먼트에 혼합함으로써 에폭시 수지에서의 용해가 쉬워지고, 가공처리 및 사용에 도움이 되도록 용액의 점도를 낮춘다는 것이다. 예를 들어, 폴리부틸 아크릴레이트(PBA)는 에폭시 수지와 혼화되지 않는 반면에, 충분한 함량의 N,N 디메틸아크릴아미드(DMA)와 PBA의 공중합체는 가용성이다. PBA 세그먼트 내 DMA의 함량을 조정함으로써, 에폭시 수지에 완전히 불용성에서 완전히 가용성인 범위의 세그먼트를 가질 수 있게 된다. 이는 예비경화된 에폭시 수지의 점도에 영향을 미치게 되며, 또한 형태 및 최종 사용 성질들에도 영향을 미치게 된다. 예를 들면, PBA 에폭시 비혼화성 B 세그먼트와의 AB 블록 공중합체에, 50% 디메틸 아크릴아미드(DMA, 에폭시에 혼화됨) 및 50% 폴리부틸 아크릴레이트(PBA, 에폭시에 혼화되지 않음)로 된 에폭시 혼화성 블록을 사용하여, K1C(인성 및 내크랙성에 대한 측정치)값 1.69를 얻었다. 20% DMA와 80% PBA로 된 동일한 중합체를 에폭시 혼화성 블록에 이용하여, 단지 1.04인 K1C값을 얻었다.

상당히 에폭시 혼화성인 블록(DMA)을 다른 에폭시 혼화성 블록(폴리메틸 아크릴레이트)과 사용하는 경우 조차도 형태와 강인화를 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 10% DMA를, 20k PMA-b-30k PBA 이중블록 공중합체로 된 PMA 블록에 첨가하면, 연속상 형태가 이산 나노 구형체의 형태로 변하며, K1C값은 1.21에서 1.54(실시예 1과 실시예 2 참조)로 향상된다. 연속상이 의미하는 것은, 에폭시 매트릭스에서, 5 마이크론 이상의 추가적 상이 발견될 수 있고, 가로세로비가 10을 초과한다는 것이다. 이는 크기가 큰(1 마이크론 초과) 고무 입자들, 웜형태(wormlike) 미셀들(micelles) 또는 웜형태 소포들(vesicles)은 포함하지 않는다.

생성된 세그먼트의 Tg는 단량체들의 조합에 의해서도 조정될 수 있는데, 단량체들이 중합되는 경우에 유리전이온도는 유사한 각각의 단일중합체들의 Tg들의 중간이다(즉, 단량체들 A와 B로 된 공중합체의 Tg는 단일중합체들 A 및 B 각각의 Tg의 중간이다). 따라서, 폴리(DMA)가 에폭시 가용성이기는 하되, 그 물질의 Tg는 > 50℃으로, 이는 가공처리상의 문제를 야기할 수 있다. 그러나 DMA를 낮은 Tg를 갖는 단량체, 예컨대 BA와 공중합하게 되면, 용해도가 부여되고 Tg가 낮아지게 된다.

어떤 특정의 이론에 구속되고자 함은 아니지만, 중합체의 조성과 구조(architecture)를 제어하는 작업이 최종 형태, 그리고 결과적으로는 최종 용도 성질들에 영향을 미칠수 있다는 것을 보여 주었다. 예를 들어, 20k PMA/DMA-b-30k PBA를 사용하면 K1C값으로 1.54를 얻게 되는 반면에, 비대칭 블록 공중합체(20k PMA/DMA-block-60k PBA)를 사용하면 더 낮은 K1C값인 1.42를 얻게 된다. 에폭시의 가요성 역시 비대칭성에 의해 영향을 받을 수 있으며, 그 예로 20k PMA-b-30K PBA는 1109 MPa의 굴곡탄성률(flexural modulus)을 제공하고, 20k PMA-b-50k PBA는 605 MPa의 굴곡탄성률을 제공하며, 10k PMA-b-50k PBA는 190 MPa의 굴곡탄성률을 제공한다.

그러므로, 개시된 본 발명의 중요한 이점은, 원하는 형태학적 거동과 공정상 특징들을 달성하기 위해, 의도된 열경화성 수지용으로 적용된 제형법(formulation)을 기반으로, 해당되는 블록 공중합체의 특정 조성 및 구조를 조정하는 작업이 용이하다는 데에 있다.

본 발명의 아크릴 블록 공중합체는 제어-라디칼 공중합 공정에 의해 형성된다. 제어-라디칼 공중합 기법들의 예들은 당해 분야의 숙련자라면 자명하다 할 것이며, 이들은 원자이동 라디칼 중합법(ATRP), 가역적 첨가와 연쇄 이동 중합법(RAFT), 나이트록사이드를 이용한 중합법(NMP), 붕소를 이용한 중합법 및 촉매성 연쇄 이동 중합법(CCT)을 포함하되 이에 제한되지는 않는다. 이들 종류의 중합법에 대한 설명과 비교사항들이 ACS Symposium Series 768 entitled Controlled / Living Radical Polymerization : Progress in ATRP , NMP , and RAFT, edited by Krzystof Matyjaszewski, American Chemical Society, Washington, D.C., 2000에 기재되어 있다.

원칙적으로, 선택되는 단량체들에 적합한 임의의 리빙- 또는 제어- 중합 기법을 이용하여 블록 공중합체를 만들 수 있다. 제어-라디칼 중합반응으로 바람직한 한 가지 방법은 나이트록사이드를 이용하는 CRP이다. 나이트록사이드를 이용하는 CRP가 바람직한 이유는 삼중블럭 공중합체에서 더 다양한 단량체들을 사용(아크릴, 아크릴아미드 및 특히 산 기능성 아크릴의 사용을 포함)하는 것이 가능하기 때문이다.

나이트록사이드를 이용한 중합은 벌크, 용매 및 수성 중합매질 내에서 수행될 수 있으며, 기타 유리 라디칼 중합과 유사한 반응시간 및 반응온도에서 기존의 장치 내에 활용될 수 있다. 나이트록사이드를 이용하는 CRP의 한 장점은 나이트록사이드가 일반적으로 무해하고, 반응 혼합물에 잔류되어도 좋다는 것인 반면에, 기타 CRP 기법들은 종종 조절용 화합물을 최종 중합체로부터 제거할 것을 요구한다. 또한, 나이트록사이드를 이용하는 CRP에서는, 시약들을 철저하게 정제시키지 않아도 된다.

이러한 제어의 반응원리는 아래와 같이 도식적으로 나타내어질 수 있다:

(식 중 M은 중합가능한 단량체를 나타내고, P는 성장 중합체 사슬을 나타냄).

이러한 제어의 비결은 상수들 K_deact, k_act 및 k_p (T. Fukuda and A. Goto, Macromolecules 1999, 32, pages 618 to 623)와 관련된다. 만일 k_deact/k_act의 비율이 너무 높으면 중합반응이 차단되는 반면에, k_p/k_deact의 비율이 너무 높거나 k_deac/k_act의 비율이 너무 낮으면 중합반응을 제어할 수 없게 된다.

β-치환된 알콕시아민이 여러 부류 단량체들의 중합반응을 효율적으로 개시하고 제어할 수 있다는 것이 밝혀졌으며(P. Tordo et al., Polym. Prep. 1997, 38, pages 729 and 730; and C.J. Hawker et al., Polym. mater. Sci. Eng., 1999, 80, pages 90 and 91), 반면 TEMPO계 알콕시아민[예컨대 Macromolecules 1996, 29, pages 5245-5254에 언급된 (2',2',6',6'-테트라메틸-1'-피페리딜옥시-)메틸벤젠]은 스티렌 및 스티렌성 유도체들의 중합반응만을 제어한다. TEMPO 및 TEMPO계 알콕시아민은 아크릴의 제어 중합반응에 적합하지 않다.

나이트록사이드를 이용하는 CRP 공정은 본원에 참조로써 통합된 US 6,255,448, US 2002/0040117 및 WO 00/71501에 기재되어 있다. 앞서 명시한 특허문헌들에는, 다양한 방법들에 의해 수행되는, 나이트록사이드를 이용한 중합반응이 개시되어 있다. 이들 방법 각각을 이용하여 본 발명에 기술된 중합체들을 합성할 수 있다.

한 방법에 의하면, 대상이 되는 단량체 또는 단량체들을 위해, 당해 분야의 숙련자에 공지되어 있는 바와 같은 통상의 조건 하에서(단, β-치환된 안정적 유리 라디칼을 혼합물에 첨가시킨다는 차이점이 있음), 유리 라디칼 중합반응 또는 공중합 반응이 수행된다. 중합 대상이 되는 단량체 또는 단량체들에 따라, 종래의 유리 라디칼 개시제를 중합 혼합물에 도입할 필요가 있음은 당해 분야의 숙련자라면 자명하다 할 것이다.

다른 방법에서는, 하기 화학식 I의 β-치환된 나이트록사이드로부터 수득된 알콕시아민을 사용하여, 대상이 되는 단량체 또는 단량체들을 중합하는 것이 기재되어 있다:

[화학식 I]

(식 중 A는 1가- 또는 다가 구조를 나타내고, R_L는 15를 초과하는 분자량을 가진 1가 라디칼이며, n≥1임).

또 다른 방법에서는, 제어된 온도에서의 (비제한적인 예로서)아크릴레이트 단량체 및 알콕시아민과 같은 다기능성 단량체들의 반응에 기초하여, 화학식 I의 다가 알콕시아민을 형성하는 것이 기재되어 있다. n≥2인 경우에는, 화학식(I)의 다기능성 알콕시아민을 이용하여, 대상이 되는 단량체 또는 단량체들로부터 선형, 성형(star) 및/또는 분지형 중합체 및 공중합체 물질들을 합성할 수 있다.

또 다른 방법은 다원성(multimodal) 중합체의 제조에 대해 기재하고 있으며, 이에 따르면 대상이 되는 단량체들 1종 이상은 화학식 I의 연속 단위를 갖는 몇몇 알콕시아민류(식 중 n은 영(0)이 아닌 정수이고, 알콕시아민류는 서로 다른 n의 값을 나타냄)의 존재 하에 자유 라디칼 중합된다.

전술한 바와 같은 알콕시아민과 (해당되는 알콕시아민과는 별개로 공지된 방법에 의해 제조가능한) 나이트록실이 당해 분야에 잘 알려져 있다. 이들의 합성은 예를 들어 US 특허 6,255,448 및 WO 00/40526에 기재되어 있다.

안정적 유리 라디칼의 유용한 일 예로는 하기의 구조를 갖는 N-t-부틸-N-[1-디에틸포스포노-(2,2,-디메틸프로필)]나이트록사이드 (DEPN)가 있다:

DEPN 라디칼은 이소부틸산(isobutyric acid) 라디칼 또는 에스테르 또는 이들의 아미드에 연결될 수 있다. 유용한 개시제로는 하기의 구조를 갖는 iBA-DEPN 개시제가 있다:

(식 중 SG1은 DEPN기임).

iBA-DEPN 개시제는 가열되면 두 개의 자유 라디칼로 분리되며, 이 중 하나는 중합반응을 개시하고, 다른 하나는 SG1 나이트록사이드 라디칼로서 역으로 중합반응을 종료한다. SG1 나이트록사이드 라디칼은 약 25℃를 초과하는 온도에서는 메트아크릴레이트로부터 단리되며, 약 90℃를 초과하는 온도에서는 아크릴레이트로부터 단리된다.

기타 유용한 개시제들로는 에스테르 및 화학식 CH₃CH(SG1)CO₂H의 아미드가 포함된다. 에스테르 또는 아미드를 사용하는 경우, 이들은 바람직하게 저급 알킬알콜 또는 아민, 예를 들어, 메틸 에스테르, CH₃CH(SG1)CO₂CH₃에서 각각 유도된다. 다중기능적 에스테르, 예를 들어 1,6-헥산디올[CH₃CH(SG1)CO₂]₂[(CH₂)₆]의 디에스테르를 또한 사용할 수 있다. 이중 기능적(difunctional) 개시제를 사용하여 대칭적 A-B-A 블록 공중합체를 제조할 수 있다. 고기능의 개시제들, 예를 들어 펜타에리트리톨 [CH₃CH(SG1)CO₂CH₂]₄C]의 테트라에스테르를 사용하여 I(BA)_n형(식 중 I는 개시제이고, n은 개시제의 기능기임)의 성형(star) 공중합체를 제조할 수도 있다.

통상, 단일기능적(monofunctional) 알콕시아민을 사용하여 AB 블록 공중합체를 제조한다. 이중기능적 알콕시아민을 사용하여 삼중블록 ABA 공중합체를 생성할 수 있다. 하지만, 삼중블록 공중합체는 또한 추가적 A 세그먼트를 사용하여 AB 이중블록 공중합체를 연장시키는 방법(즉, A 세그먼트, 다음으로는 B 세그먼트, 다음으로는 또 다른 A 세그먼트의 3 가지 순차적 반응들)에 의해 단일기능적 알콕시아민으로부터 만들어질 수도 있다. 단일기능적 알콕시아민으로부터 삼중블록 공중합체를 만들기 위한 또 다른 방법은 먼저 단일기능성 알콕시아민을 디아크릴레이트(예컨대 부탄디올 디아크릴레이트)와 반응시켜 이중기능적 알콕시아민을 생성하는 것이다. 비록 일부 경우에서 잔류 단량체를 "추적(chase)"하기 위해 반응 도중에 과산화물을 사용하기도 하지만, 전술된 반응들 중 어느 것도 추가적인 개시공급원(예컨대 유기과산화물)의 첨가를 필요로하지 않는다. 나이트록사이드-말단화된 사슬말단의 "리빙" 특징을 보존하는 것이 바람직하다면, 나이트록사이드 단리 온도 미만의 온도에서 "추적" 단계를 수행하는 것은 당해 분야의 숙련자라면 자명하다 할 것이다.

당해 분야의 숙련자에게 잘 공지된 조건하에, 대상이 되는 단량체들 및 원하는 생성물을 감안하여 공중합 반응이 수행될 수 있다. 따라서, 중합 또는 공중합 반응은 0℃ 내지 250℃ 범위의, 바람직하게는 25℃ 내지 150℃ 범위의 온도에서, 예를 들면 벌크, 용액, 에멀젼 또는 현탁액 중에 수행될 수 있다.

"연속 배열된(sequenced)" 블록 공중합체는, 1) 단량체 또는 단량체들의 혼합물을 알콕시아민의 존재 하에 25℃ 내지 250℃ 범위의, 바람직하게는 25℃ 내지 150℃ 범위의 온도에서 중합시키는 단계; 2) 온도가 낮아지도록 하고 선택적으로는 잔류 단량체(들)를 증발시키는 단계; 3) 새로운 단량체(들) 또는 혼합물을 반응 혼합물에 도입하는 단계; 및 4) 새로운 단량체 또는 단량체들의 혼합물을 중합하도록 온도를 상승시키는 단계에 의해서 생성될 수 있다. 이 방법을 반복하여 추가 블록들을 형성할 수도 있다. 이 방법에 의해 만들어진 중합체는 나이트록사이드 말단기를 다소 포함하게 된다. 이들은 중합체 사슬의 말단에 남아 있거나, 또는 추가 공정 단계에 의해 제거될 수 있다.

합성 공정 중 어느 시점에서든지 추가적인 개시공급원(예컨대 유기과산화물)을 사용함으로써, 제어 블록 구조와 단일중합체의 혼합물을 함유하는 복합재를 생성할 수 있다. 존재하는 단량체(들)에 따라, 비-블록 구조가 단일중합체이거나 또는 랜덤 공중합체일 수 있다. 더욱이, 이들 단일중합체 또는 랜덤 공중합체는 사실상 주로 소수성이나 친수성이되, 이는 물론 존재하는 단량체(들)에 따라 결정된다.

블록 공중합체는 제어 분자량 및 제어 분자량 분포를 갖는다. 바람직하게, 공중합체의 중량평균 분자량(M_w)은 1,000 내지 1,000,000 g/mol이고, 가장 바람직하게는 5,000 내지 300,000 g/mol이다. 수평균 분자량에 대한 중량평균 분자량의 비율로 측정된 분자량 분포도(M_w/M_n)(즉 다분산도)는 일반적으로 4.0 미만이고, 바람직하게는 2.5 이하이며, 더욱 바람직하게는 2.0 이하이거나 더 적다. 본 발명의 방법에 의해, 1.5 이하 및 1.3 이하이거나 더 적은 다분산도를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 에폭시-혼화성 블록은 1 내지 75 mol%의 기능기, 바람직하게는 20 내지 50 mol%의 기능기를 함유한다. 이는 기능화된 블록이 에폭시 매트릭스와 반응할 수 있게 하여 강인화를 더 촉진하거나, 기능화된 블록의 에폭시 매트릭스와의 혼화성을 증가(분리강도를 증가)시킨다. 기능성 단량체들을 이용하거나, 후-중합 기능화를 통해 기능기를 블록 중합체에 혼합시킬 수 있다. 유용한 기능기로는 산, 수산화물, 아크릴아미드 및 글리시딜기가 포함된다. 기능기를 아크릴 블록 중합체에 혼합시키는데 유용한 기능성 단량체로는 아크릴산, 메트아크릴산, 글리시달 메트아크릴레이트, 디메틸 아크릴레이트가 포함되되 이에 제한되지는 않는다.

본 발명의 유용한 아크릴 블록 중합체의 예로는, 폴리부틸 아크릴레이트-블록-플로메틸 아크릴레이트(PBA-b-PMA); 폴리부틸 아크릴레이트-블록-폴리메틸 아크릴레이트/아크릴산(PBA-b-PMA/AA); 폴리부틸 아크릴레이트-블록-폴리메틸 아크릴레이트/디메틸아크릴아미드(PBA-b-PMA/DMA); 폴리부틸 아크릴레이트-블록-폴리메틸 아크릴레이트/폴리에틸렌글리콜 메트아크릴레이트(PBA-b-PMA/PEGM); 폴리부틸 아크릴레이트-블록-폴리부틸 아크릴레이트/폴리에틸렌글리콜 메트아크릴레이트(PBA-PBA/PEGM); 폴리메틸 아크릴레이트-블록-폴리에틸헥실 아크릴레이트(PMA-b-PEHA); 폴리부틸 아크릴레이트-블록-폴리부틸 아크릴레이트/디메틸아크릴아미드(PBA-b-PBA/DMA)가 포함되되, 이에 제한되지는 않는다.

열경화성 수지

본 발명의 아크릴 블록 중합체는 열경화성 수지를 개질하는데 사용된다. 열경화성 수지로는, 에폭시 수지, 시아노아크릴레이트, 비스말리이미드, 불포화 폴리에스테르 수지, 폴리우레탄, 폴리아크릴 및 비닐 에스테르 수지가 포함되되, 이제 제한되지는 않는다. 바람직한 일 구현예에 의하면, 열경화성 수지는 에폭시 수지이다.

본 발명에 유용한 에폭시 수지의 부류는 개환반응에 의해 중합될 수 있는 옥시란 기능기를 2개 이상 갖는 에폭시 수지이다. 바람직한 에폭시 수지는 25℃에서 액체이다. 에폭시 수지는 지방족, 사이클로지방족, 헤테로사이클릭족 또는 방향족이다. 유용한 에폭시 수지로는, 레조시놀 디글리시딜 에테르, 비스페놀 A 디글리시딜 에테르, 트리글리시딜-p-아미노-페놀, 브로모비스페놀 F 디글리시딜 에테르, m-아미노-페놀의 트리글리시딜 에테르, 테트라글리시딜메틸렌디아닐, (트리하이드록시-페놀)메탄의 트리글리시딜 에테르, 페놀-포름알데하이드 노볼락의 폴리글리시딜 에테르, 오르토-크레졸 노볼락의 폴리글리시딜 에테르 및 테트라페닐-에탄의 테트라글리시딜 에테르의, 에폭시 수지류가 포함되되, 이에 제한되지는 않는다. 이들 수지류 중 2종 이상으로 된 혼합물이 또한 사용될 수 있다.

경화제

경화제는 통상 에폭시를 경화하는데 사용된다. 이들 경화제로는 실온 이상의 온도에서 에폭시와 반응하는 그런 경화제들이 포함된다. 이들 경화제로는 산 무수물, 방향족 또는 지방족 폴리아민, 예컨대 디아미노디페닐 설폰(DDS), 메틸렌디아닐린, 4,4,'-메틸렌비스(3-클로로-2, 6-디에틸-아닐린(MCDEA) 또는 4,4'-메틸렌비스(2,6-디에틸-아닐린(M-DEA), 디시안디아미드(DICY) 및 그의 유도체, 이미다졸, 폴리카복실산 및 폴리페놀이 포함될 수 있되, 이에 제한되지는 않는다.

가공처리

에폭시 수지 또는 경화제에 용해함으로써 블록 공중합체를 에폭시에 혼합시키는 것은 당해 분야의 숙련자라면 자명하다 할 것이다. 바람직하게는, 수지와 블록 공중합체를 가열하고(30℃-160℃), (기계식 교반기를 이용하여 50rpm에서) 5 - 60분 동안 가볍게 교반시켜, 이중블록을 에폭시 수지에 용해한다. 바람직하게는, 경화제를 혼합한 후 즉시 경화작업을 수행하여도 된다. 이는 경화제 및 수지의 특성에 따라 설정된 온도 및 시간 동안 교반함으로써 구현된다. 경화제의 혼합 후 즉시 경화작업을 수행하며, 이러한 경화작업은 에폭시 수지 및 경화제의 특정에 따라 결정되는, 주어진 시간 동안 일정 온도 분포를 적용하는 단계를 포함한다. 대안으로는, 수지/블록 공중합체 용액을 실온으로 다시 냉각시키고나서 경화작업 이전에 수일 동안 저장하여도 된다. 용매는 앞서 언급한 공정들의 어떠한 공정에서라도 사용될 수 있다. 블록 공중합체 첨가제에 대한 (수지와 경화제)의 비는 99.9:0.1 내지 25:75로, 바람직하게는 97.5:2.5 내지 80:20으로 다양할 수 있다.

성질/용도

본 발명의 아크릴 블록 중합체 첨가제는 열경화성 조성물에 인성 및/또는 가요성을 부여한다. 아크릴 블록 중합체가 기본(base) 에폭시 수지에 용해되거나 분산되면서 초기에 균질액 또는 분산액이 각각 생성된다. 액체 아크릴계 블록 중합체는 분산시키기 쉬우며, 용해도/분산도를 극대화하도록 열경화물에서의 용해도를 조절할 수 있다. 이는 단량체 조성물과 블록 크기의 선택작업을 통해 블록 중합체의 용해도 및/또는 기능기를 개질함으로써 행해질 수 있다.

경화가 진행됨에 따라, 에폭시의 분자량이 증가하며, 상분리가 발생하여 나노- 또는 마이크로상 분리 형태(경화 동력학 및 배합물 혼화성에 따라 결정됨)가 형성된다. 중합체 디자인에 따라, 경화 이전에 상분리 형태가 결정될 수 있으며(강하게 분리된 블록 공중합체들의 경우), 이로써 경화 동력학에의 의존성을 없애어 필요한 상분리를 유도하게 된다. 그러므로, 경화작업 도중에 상이 분리되기 보다는, 에폭시가 경화되기 이전에, 나노미터 길이 규모로 규칙상과 불규칙상으로의 자기조립현상이 발생하게 된다.

어떤 이론에 구속되고자 함은 아니지만, 강하게 분리된 블록 공중합체들은 초기 경화 이전에 완전히 분리되는 반면에, 더 약하게 분리된 블록 공중합체들은 경화가 진행됨에 따라 분리될 것으로 추측된다. 분리강도, 그리고 이에 따른 상분리는 블록 유형(예컨대, 용해도, 조성물 등)에 의해 주로 제어된다.

분산된 고무상이 파괴 에너지를 약화시키므로, 본 발명의 아크릴 블록 공중합체/에폭시 시스템은 우수한 파단성을 보인다. 이는, 크랙이 열경화성 수지를 통과하여 전파되는 능력을 측정하는 응력확대계수(stress intensity factor)인 K1C, 그리고 크랙의 전파에 요구되는 에너지의 측정치인 G1C를 측정함으로써 분명하게 알 수 있다. 두 번째로 중요한 장점은 에폭시 수지의 Tg에 있어서의 적은 감소폭(바람직하게는 10℃ 미만)이며, 이는 강인화된 에폭시를 고온 응용분야에 여전히 사용할 수 있게 해 준다.

본 발명의 아크릴 블록 공중합체를 함유하는 열가소성 조성물의 추가적 이점들에는 하기의 사항들을 포함한다:

- 고무 영역(domain) 형상 및 크기를 제어하는 능력;

- 단량체의 조성 및 블록 길이의 선택에 따라 결정되는 탄성률을 유지하거나 감소시키는 능력;

- 낮은 중합체 로딩(loadings)에서 더 높은 고무 함량을 가질 수 있게 전체 중합체가 고무임(낮은 Tg);

- 개질 조성물의 개선된 심미감 및 안정성;

- 전체 중합체가 낮은 Tg를 가짐에 따라 가공성이 용이해짐(저온에서 에폭시 수지에 쉽게 용해됨); 및

- 점도의 제한조건들을 완화시키도록 쉽게 조정될 수 있는 구조.

실시예

하기의 보편적 프로토콜을 이용하여 제어된 구조의 양친매성 블록 공중합체들을 합성하였다. 단량체 대 개시제의 농도([M]/[I])를 조작하여 분자량을 정하였다. 따라서, [M]/[I] 비율을 설정하여 분자량 목표치를 얻고, 그런 후에는, 상기 분자량 목표치에 도달하는데 요구되는 원하는 전환도까지 중합반응을 수행한다. 단량체의 전환은 가스 크로마토그래피(GC) 분석에 의해, 또는 진공 하에서 미반응 단량체의 플래쉬 증발제거(flash devolitization)를 통해 편리하게 감시하였다. 중합체 실시예들은 니트 또는 용액의 상태로 사용되었다. 통상의 용매를 사용하였으며, 이러한 용매로는 디옥산, n-메틸피롤리디논, 디메틸아세트아미드, 디메틸포름아미드, 터트-부틸알콜, n-부틸알콜, 톨루엔, 에틸 벤젠, 아세톤, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트, 에탄올, 사이클로헥사논, 사이클로펜타논 및 메틸에틸케톤이 포함된다. 중합반응들을 대기 압력에서 수행하거나, 최대 60 psi의 질소압력 하에 실시하였다. 비록 적당한 혼합 능력이 바람직하지만, 전단내력을 가진 표준 중합 용기들과 전단내력을 가지지 않은 표준 중합 용기들 모두에서 중합반응이 실시되었다.

일반적 과정으로서, 하기에 보편적으로 기술되고 당해 분야의 숙련자에게 자명한 바와 같이, 특정의 이중블록 공중합체 조성물들을, 원하는 최종 블록 조성물에 따라 결정되는 종래의 다양한 단량체 첨가 프로토콜 및 중합체 분리 프로토콜에 의해 특정 이중블록 공중합체 조성물들을 제조하였다.

예를 들어, 제1 블록의 합성이 완료되면 침전기법을 이용하거나 또는 잔류 단량체를 증발시켜 순수 제1 블록을 분리하고, 그런 후에는 첫 번째 것과는 다른 제2 단량체 조성물을 첨가함으로써 순수 블록 공중합체를 제조한다. 이러한 제2 단량체 조성물은 나중에 중합된다.

2종 이상 단량체들의 혼합물을 중합하여, 프로파일된 블록 공중합체들을 합성하였다. 이 혼합물은, 예를 들어, 잔류하는 제1 단량체가 증발되기 전에 제2 단량체를 초기 중합매질에 첨가하여 생성될 수 있고, 또는 다중-단량체 혼합물을 제1 블록으로서 중합할 수 있고, 또는 다중-단량체 혼합물을 분리된 순수 제1 블록에 첨가할 수 있다.

하나 이상의 단량체가 나머지 단량체(들)보다 훨씬 빨리 반응하는 단량체들의 혼합물로부터 순수 구배(pure gradients)가 형성되었다. 이렇게 생성된 구배 중합체는 중합체 사슬의 한 말단에 심하게 농축되는 반응성 단량체를 함유하게 된다.

제1 블록으로부터의 미반응 단량체가 제2 블록의 형성에서도 계속 반응하도록 함으로써 구배 블록 공중합체를 형성하였다. 따라서 A-B 블록 구배 공중합체에서는 A 블록이 먼저 형성된다. B 블록을 위한 단량체(들)가 첨가되면, 미반응 A 블록 단량체(들)가 혼합물에 남아 반응하게 되면서, B 블록 내에 A 블록의 구배를 갖는 A-B 블록 공중합체가 생성된다.

잘 알려진 추적 기법을 이용하여 블록 공중합체/단일공중합체 배합물들을 제조하였다. 예를 들어, 단량체 또는 단량체 혼합물을 원하는 전환도(100% 미만)까지 중합시켜 제1블록을 합성하였다. 그런 후에는 반응 혼합물을 나이트록사이드가 안정적인 상태로 있게 되는 온도까지 냉각시키고, 이 시점에서 제2 개시공급원(예컨대 유기과산화물)을 첨가하여 잔류하는 제1 블록 단량체들을 비-제어 중합시킨다. 추적 단계가 완료되면, 제2 블록 단량체(들)를 첨가하고, 온도를 승온시켜 나이트록사이드 말단기들이 활성화되도록 하며, 이는 결과적으로 블록 공중합체의 형성으로 이어진다. 이렇게 수득된 복합재는 추적된 단일중합체(특성 면에서 제1 블록과 유사함)와 블록 공중합체로 이루어지게 된다. 이러한 추적 단계는 제2 블록으로 다시 수행될 수 있으며, 또는 제1 블록 추적 대신에 이용될 수도 있다.

전술된 바와 같은 본 발명에 따른 공중합체의 합성을 3 가지의 중합 방법들(a, b 및 c)을 참조하여 더 설명하기로 하며, 해당되는 특정 중합체 실시예들을 아래에 열거하였다. 본 발명의 기타 공중합체들도 유사한 방식으로 제조될 수 있음은 당해 분야의 숙련자라면 자명하다 할 것이다.

블록 A는 제1 블록의 합성에 사용된 단량체(들)에 대해 기술하고 있다. 블록 B는 제2 블록의 합성에 사용된 일차 단량체에 대해 기술하고 있으며, 하기의 합성 실시예들에 기술된 바와 같이, 최종블록은 제1 블록의 합성으로부터의 단량체 잔류물을 어느 정도 함유하거나 함유하지 않을 수 있다. 상당한 양(>5 중량%)의 잔류 단량체가 B 블록에 존재하는 경우에는, 이를 중량%로 표기하였다. A 블록 및 B 블록에 대한 수평균 분자량(Mn)을 표기하였다. 초기 [M]/[I]비 및 GC 분석법에 의해 측정된 단량체 전환도 데이터에 기초하여 Mn값들을 산출하였다. 약어 NM은 미측정을 나타낸다. 단량체 약어들은 다음과 같다: MA = 메틸 아크릴레이트, BA = 부틸 아크릴레이트, AA = 아크릴산, DMA = N,N 디메틸아크릴아미드, 및 PEGM = 폴리에틸렌글리콜 메트아크릴레이트.

합성법 A:

합성법 A는 AB 블록 공중합체의 제조 방법으로, 제1 블록의 합성 후에 남은 잔류 단량체들을 최종블록의 합성에 앞서 제거한다(진공 하에 탈거(stripped)됨). 본 합성법의 구체적인 실시예(표 1에서의 실시예 1)를 하기에 기술하기로 한다.

실시예 1:

알콕시아민 BlocBuilder (iBA-DEPN)를 이용하여 폴리(메틸 아크릴레이트)의 제1 리빙 블록을 제조하였다. 32.2g의 iBA-DEPN(84.4 mmol)을 603g의 메틸 아크릴레이트(7.01 mol)에 첨가하였다. 질소를 이용하여 혼합물에 15분간 기포를 생성한 후에 1-리터 스테인리스 강 재질의 반응기에 첨가하였다. 반응기를 밀봉하여 2 시간 동안 110℃로 가열하였으며, 이 시점에서 Mn 4.9 kg/mol에 해당되는 메틸 아크릴레이트의 63%가 중합체로 전환되었다. 다음으로는, 혼합물을 300g의 부틸 아크릴레이트 단량체로 희석하고, 잔류되는 메틸 아크릴레이트를 50-60℃에서 진공 하에 탈거하였다. 최종 조성은 MA 5.4%, BA 28.5% 및 PMA 66% 이었다.

상기 용액 37.94g을, 39.99g의 추가 부틸 아크릴레이트와 30.88g의 톨루엔이 함유되어 있는 250ml 중합반응 용기에 첨가하였다. 생성된 혼합물을 3.5 시간 동안 110℃로 가열하여 76.2%의 전환도를 이루었다(MA 및 BA). 용매와 잔류 단량체들을 110℃에서 진공 하에 제거하여 높은 점도를 가진 액성 고무를 생성하였다.

실시예 2-9(표 1):

이들 블록 공중합체 실시예들 각각을 표 1에 정리하였다. 각 조성물은 iBA-DEPN을 사용하고, 합성법 A에 기술된 바와 같은 유사한 방법을 이용하여 제조되었다. 각 실시예에 대해, 위의 실시예 1에 기술된 프로토콜을 따라 중합반응을 실시하였다. 제1 블록은 목표 전환도 및 이용되는 단량체 유형에 따라 결정된 100-120℃의 온도에서 용매 중 또는 니트 중에 중합되었다. 통상 전환도는 60 내지 90%의 범위에 속했으며, 보통 2-5 시간이 걸렸다. 각각의 경우에, 단량체의 목표 전환도에 도달되면, 여분의 단량체를 80℃ 미만의 온도에서 진공 하에 제거하였다. 그런 후, 탈거된 제1 블록을 제2 블록 단량체와 선택적으로는 용매와 함께 더 혼합하였다. 제2 블록을 110-120℃에서 중합하였다. 통상 전환도는 60 내지 90%의 범위에 속했다. 이어서, 블록 공중합체들을 진공 하에 건조시킴으로써 분리하였다.

합성법 B:

합성법 B는 AB 구배 블록 공중합체의 제조 방법으로, 제1 블록의 합성 후에 남은 잔류 단량체들을 최종블록의 합성에 앞서 제거하지 않는다. 제2 블록 중합 단계를 위해 단량체 혼합물을 첨가한다는 점을 제외하면, 합성법 A를 사용할 수도 있음을 주목한다. 본 합성법 B의 구체적인 실시예(표 1에서의 실시예 10)를 하기에 기술하기로 한다.

실시예 10:

알콕시아민 BlocBuilder (iBA-DEPN)를 이용하여 폴리(메틸 아크릴레이트)의 제1 리빙 블록을 제조하였다. 7.5g의 iBA-DEPN(19.7 mmol)을 492g의 메틸 아크릴레이트(5.72 mol)에 첨가하였다. 질소를 이용하여 혼합물에 15분간 기포를 생성한 후에 1-리터 스테인리스 강 재질의 반응기에 첨가하였다. 반응기를 밀봉하여 2.5 시간 동안 110℃로 가열하였으며, 이 시점에서 Mn 18.5 kg/mol에 해당되는 메틸 아크릴레이트의 74%가 중합체로 전환되었다. 잔류하는 MA 단량체를 제거하지 않았다. 상기 용액 100g에, 254g의 부틸 아크릴레이트와 102g의 톨루엔을 첨가하였다. 생성된 혼합물을 2 시간 동안 약 113℃로 가열하여 67%의 전환도를 이루었다(MA 및 BA). 용매와 잔류 단량체들을 2 시간 동안 110℃에서 진공 하에 제거하여 높은 점도를 가진 액성 고무를 생성하였다.

실시예 11-18(표 1):

이들 블록 공중합체 실시예들 각각을 표 1에 정리하였다. 각 조성물은 iBA-DEPN을 사용하고, 합성법 B에 기술된 바와 같은 유사한 방법을 이용하여 제조되었다. 각 실시예에 대해, 위의 실시예 10에 기술된 프로토콜을 따라 중합반응을 실시하였다. 제1 블록은 목표 전환도 및 이용되는 단량체 유형에 따라 결정된 100-120℃의 온도에서 용매 중 또는 니트 중에 중합되었다. 통상 전환도는 60 내지 90%의 범위에 속했으며, 보통 2-5 시간이 걸렸다. 각각의 경우에, 단량체의 목표 전환도에 도달되면, (여분의 단량체를 제거하지 않고) 용액을 있는 그대로 사용하였다. 그런 후, 제1 블록을 제2 블록 단량체와 선택적으로는 용매와 함께 더 혼합하였다. 제2 블록을 110-120℃에서 중합하였다. 통상 전환도는 60 내지 98%의 범위에 속했다. 이어서, 블록 공중합체들을 진공 하에 건조시킴으로써 분리하였다. 실시예 11에서는, 단량체 잔유물(BA)이 제2 블록 단량체와 동일함을 주목한다. 실시예 13-18에서는, 추가 제1 블록 단량체(BA)를 제2 블록 공단량체(DMA)와 함께 첨가하였다.

합성법 C

상기 모든 과정들의 후속으로는 통상의 자유-라디칼 개시제(예컨대 유기과산화물, 아조니트릴) 또는 심지어 추가의 알콕시아민을 이용하여 잔류 단량체들의 반응성 소비(또는 "추적")가 이루어질 수 있다.

실시예 19:

잔류물을 제거하기 이전에 0.37g의 Luperox 531을 반응 혼합물(2 pph vs 단량체)에 첨가한다는 점을 제외하고는, 본 합성을 실시예 1에서와 같이 수행하였다. 생성된 혼합물을 2 시간 동안 120℃로 가열하였으며, 단량체의 총 함량이 2000ppm 미만이 될 때까지 지속하였다. 잔류 단량체들이 더 감소되도록 추적 단계를 반복할 수 있다.

실시예 20:

이하, 삼중블록 공중합체의 제조에 사용되는 이중기능적 알콕시아민의 합성에 대해 기술하기로 한다. 비스-알콕시아민의 제조를 위해, 47.0g(0.237 moles)의 1,4-부탄디올 디아크릴레이트를 355.9g의 무수에탄올(absolute ethanol)과 혼합하고, 질소를 이용하여 혼합물에 10분간 기포를 생성하였다. 그런 후에는 생성된 혼합물을 190.25g(.499 moles)의 iBA-DEPN 개시제에 첨가하였다. 이렇게 생성된 용액을 교반하면서 78-80 ℃에서 환류시키고, 그 상태로 4 시간 동안 유지시켜 반응을 완성하였다. NMR 분석은 새로운 디알콕시아민의 >95%이 반응했음을 보여준다. 따라서, 에탄올 중 용액이 대략 38%가 활성상태이다. BlocBuilder (iBA-DEPN)을 출발물질로 하는 대신에, 디알콕시아민을 출발물질로 하고, 합성법 A, B 또는 C를 이용하여 삼중블록 공중합체를 합성할 수 있다. 각 경우에, 잔류 단량체들은 추적하거나, 증발제거법(devolatilization)을 통해 제거될 수 있다. 몇몇 삼중블록 공중합체의 예들을 아래에 열거하였다:

실시예 20-A: PBA/DMA-b-PBA-b-PBA/DMA

실시예 20-B: PMA/DMA-PBA-PMA/DMA

실시예 20-C: PMA-PBA-PMA

실시예 20-D: PMA/PEGM-PBA-PMA/PEGM

실시예 20-E: PBA/PEGM-PBA-PBA/PEGM

실시예 20-F: PMA/AA-PBA-PMA/AA

실시예 20-G: PBA/DMA/AA-PBA-PBA/DMA/AA

실시예 21:

본 실시예는 본 발명의 모두 낮은 Tg를 가진 아크릴 블록 공중합체를 에폭시 수지 중 희석물로서 직접 제조하는 방법을 보여준다. 모노-알콕시아민과 실시예 9에서의 표준 중합 조건을 이용하여 부틸 아크릴레이트의 중합반응을 수행하였다. 몇 시간이 지나고 나서, 중합 혼합물에 DMA와 에틸 아세테이트를 첨가하였다. 이렇게 형성된 PBA-b-PBA/DMA 중합체를 에폭시 수지로 희석하고, 잔류하는 단량체와 용매를 탈거시켰으며, 에폭시 수지 내에 용해된 블록 공중합체는 남겨 두었다. 에폭시 수지를 첨가하기 이전에, 탈거 단계 대신 추적 단계를 수행할 수 있다.

실시예 22:

실시예 6-20으로부터의 이중블록 공중합체들에, 1/2 몰당량의 디비닐벤젠을 첨가하고 DGEBA 수지에 < 80℃에서 용해하였다. 생성된 용액을 혼합 및 경화하여 이중블록 공중합체를 가교시키는데 적용하되, 형태로는 액체 상태를 유지하였다.

실시예 22-A: 실시예 22에서와 동일하되, 부탄디올 디메트아크릴레이트를 사용했음.

실시예 22-B: 실시예 22에서와 동일하되, 부탄디올 디아크릴레이트를 사용했음.

실시예 22-C: 실시예 22에서와 동일하되, 트리알릴시아누레이트를 사용했음.

실시예 23:

산 기능기를 함유한 블록 공중합체를 터트-부틸 아민과 같은 일차 아민과 반응시켜 고분자 경화제를 생성하였다.

실시예 24:

표 1에서의 실시예 4, 5 및 6과 같은 산-함유 이중블록 공중합체들을 4급화된 수산화암모늄으로 중화시켰다.

블록 공중합체의 에폭시에서의 용도. 하기의 생성물들을 사용하였다.

에폭시 수지:

DER331의 제품명 하에 DOW Chemical사에서 시판되며 382 g/mol의 몰질량을 가진 비스페놀 A 디글리시딜 에테르(BADGE), 또는 LY566의 제품명 하에 Huntsman사에서 시판되며 383 g/mol의 몰질량을 가진 BADGE.

경화제:

아민 경화제, Amicure 1200의 제품명 하에 Air Products사에서 시판되는 디시안디아미드(DICY).

방향족 디아민인 아민 경화제, Aldrich사에서 시판되며 248 g/mol의 질량을 가진 디아미노디페닐 설폰(DDS).

첨가제:

MDB2030: 10% 디메틸아크릴아미드를 함유한 폴리메틸 아크릴레이트 블록 및 폴리부틸아크릴레이트 블록으로 구성된 이중블록 중합체로서, 전자는 20 kg/mol의 분자량을 가지고 후자는 30 kg/mol의 분자량을 가진다(표 1에서의 실시예 12).

MB2030: 폴리메틸 아크릴레이트 블록 및 폴리부틸아크릴레이트 블록으로 구성된 이중블록 중합체로서, 전자는 20 kg/mol의 분자량을 가지고 후자는 30 kg/mol의 분자량을 가진다(표 1에서의 실시예 3).

BDB1212: 50% 부틸 아크릴레이트와 50% 디메틸아크릴아미드로 된 랜덤 혼합물 블록 및 폴리부틸아크릴레이트 블록으로 구성된 이중블록 중합체로서, 전자는 12 kg/mol의 분자량을 가지고 후자는 12 kg/mol의 분자량을 가진다(표 1에서의 실시예 16).

MAM: 27.5 kg/mol의 분자량을 갖는 두 MMA 블록 모두로 부틸 아크릴레이트 블록을 둘러 싸고 있는 2개의 메틸메트아크릴레이트 블록, 및 55 kg/mol의 분자량을 갖는 부틸 아크릴레이트 블록을 함유한 삼중블록 중합체.

CTBN: 카복시 말단화 부타디엔 아크릴로니트릴: EPON 58005의 상표 하에 에폭시 수지 내 부가물(adduct) 형태로 사용된 부타디엔과 아크릴로니트릴의 랜덤 공중합체.

PEOPBO: 폴리에틸렌 에폭사이드 블록 및 폴리부틸렌 옥사이드 블록으로 구성된 실험용 이중블록.

경화 조건:

경화제 DICY를 사용: 10% 첨가제를 포함하는 배합물을 70분간 190℃에서 경화시켰다.

경화제 DDS를 사용: 10% 첨가제를 포함하는 배합물을 2 시간 동안 150℃에서 경화하고 난 후, 이어서 3 시간 동안 220℃에서 후경화처리함.

측정:

재료를 강인화하는 첨가제의 능력을 K1C에 의해 측정하였다. K1C는 ASTM에 의해 제공된 과정에 따라 실온에서 노치형(notched) 3-점 굽힘(bedning) 시료들 상에서 측정하였다. 다이아몬드 톱을 이용하여 시편들을 미리 노치시켰다. 미세 크랙이 시료들 상에 형성되었으며, 레이저 블레이드를 사용하여 바이스(vice) 안에 고정(clamp)시켰으며, 이때 레이저 블레이드로 부드럽게 태핑하여 크래킹(cracking)을 야기하였다. 이로 인해, 자연적 크랙과 유사한, 아주 미세한 크랙 루트(crack root)를 얻을 수 있다.

재료의 유리전이온도는, Rheometrics Scientific RDA-111 변형율 유변물성측정기(strain rheometer)를 이용하여 경화된 시료들 상에서 동적-기계적 분석법에 의해 측정하였다. 적당한 치수 2”’0.5”’¼”의 비틀림(torsion) 직사각형 구조를 유변물성측정기에 장착하였다. 동적 온도 램프 실험을 1 Hz의 주파수에서 2 deg. C/ min의 가열 속도로 수행하였다. 모든 실험을 질소 분위기 하에 수행하였다. 유리전이온도를 최고 tan δ에서 취하였다.

(Curative 첨가 이전의) 개질 에폭시 수지 내의 점도를 40mm 평행판 구조가 장착된 ARES-F 변형율 유변물성측정기(strain rheometer) 상에서 측정하였다. 동적 온도 램프 실험을 1 Hz의 주파수와 20℃ 내지 120℃에서, 3 deg. C/ min의 속도로 수행하였다.

실시예 25(본발명에 따름):

수지 DER331 및 경화제 DICY와 함께 MDB2030을 사용하였다. 위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 2에 결과를 제공하였다. AFM 이미지를 도 1과 도 2에 나타내었다.

실시예 26(본발명에 따름):

수지 DER331 및 경화제 DICY와 함께 MB2030를 사용하였다. 위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 2에 결과를 제공하였다. AFM 이미지를 도 3과 도 4에 나타내었다.

실시예 27(비교예):

수지 DER331 및 경화제 DICY와 함께 MAM을 사용하였다. 위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 2에 결과를 제공하였다.

실시예 28(비교예):

수지 DER331 및 경화제 DICY와 함께 CTBN(EPON 58005)을 사용하였다.

위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 2에 결과를 제공하였다.

실시예 29(본 발명에 따름):

수지 LY566 및 경화제 DDS와 함께 BDB1212를 사용하였다. 위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 3에 결과를 제공하였다.

실시예 30(비교예):

수지 LY566 및 경화제 DDS와 함께 MAM을 사용하였다. 위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 3에 결과를 제공하였다.

실시예 31(비교예):

수지 LY566 및 경화제 DDS와 함께 PEOPBO를 사용하였다. 위에 개략적으로 설명된 바와 같은 과정을 사용하였다. 표 3에 결과를 제공하였다.

참조: 비개질 BADGE-DICY 시스템의 K1C는 0.88이고, Tg는 148.1이다.

(주) 실시예 25 및 실시예 26에서는, 단순히 본 발명의 블록 공중합체의 용해도 및/또는 분리강도를 개질함으로써 어떻게 구조와 이에 따른 인성이 조정될 수 있음을 알 수 있다. 실시예 25에서는, 상당히 에폭시 혼화성인 블록을 함유한 DMA 10%를 첨가한 덕분에, DMA는 BADGE-DICY 매트릭스와의 혼화성과 블록 분리강도를 증가시킴으로써, 관찰된 이산 고무 영역들이 나노구조화 되었음을 알 수 있다. 이러한 형태는 인성을 현저하게 증가시킨다. DMA가 제거되면, 블록은 덜 강하게 분리되고(실시에 26), 나노구조화는 연속상 형태로 변화된다. 이는 인성 효과를 저감시키지만, 열경화물의 Tg를 낮추지 않고도, 탄성율을 상당히 감소시킴으로써 열경화물의 가요성을 크게 개선한다.

실시예 25와 실시예 27을 비교해보면, 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록 공중합체는 K1C 면에서 MAM보다 우수한 성능을 보였다.

실시예 25와 실시예 28을 비교해보면, CTBN은 K1C 면에서 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록 공중합체보다 약간의 장점을 가지지만, 9℃ 더 낮은 Tg 문제를 안고 있다. 아크릴 이중블록이 가장 좋게 균형 잡힌 특성들을 유지하였다.

참조: 비개질 BADGE-DDS 시스템의 K1C는 0.82이다.

(주) 실시예들 29, 30 및 31을 비교해 보면, 상당히 에폭시 혼화성 단량체인 DMA의 첨가에 의해 단량체 조성물을 조정함으로써, 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록 공중합체에서 양호한 혼화성 및 가장 높은 K1C값을 얻을 수 있다.

점도 측정

실시예 32(본 발명에 따름): 수지 DER331과 함께 10%(weight loading)의 MDB2030을 사용하였다.

실시예 33(본 발명에 따름): 수지 DER331과 함께 10%(weight loading)의 MB2030을 사용하였다.

실시예 34(본 발명에 따름): 수지 DER331과 함께 10%(weight loading)의 BDB1212를 사용하였다.

실시예 35(비교예): 수지 DER331과 함께 10%(weight loading)의 MAM을 사용하였다.

(주) 실시예들 32, 33, 34 및 35를 비교해 보면, 낮은 Tg를 갖는 에폭시 혼화성 블록을 사용함으로써, PMMA 에폭시 혼화성 블록들을 가진 MAM 블록 공중합체에 비해 점도 면에서 현저한 (3-7X) 감소를 이루었다.

Claims

모두 낮은 유리전이온도(Tg)를 갖는 아크릴 블록들로 구성된 블록 공중합체로, 상기 공중합체는 열경화성의 혼화가능한 블록을 하나 이상 포함하는 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 열경화성의 혼화가능한 블록을 하나 이상 및 구배 블록을 하나 이상 포함하며, 상기 열경화성의 혼화가능한 블록과 구배 블록은 동일하거나 상이한 블록들일 수 있는, 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 열경화성의 혼화가능한 블록 하나 이상은 기능기를 0.5 내지 15 mol%로 함유하는 것인, 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 상기 열경화성의 혼화가능한 블록 하나 이상은 메틸 아크릴레이트 단량체 단위들을 포함하는 것인, 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 상기 열경화성의 혼화가능한 블록 하나 이상은 N,N-디메틸아크릴아미드 단량체 단위들 및 낮은 Tg를 갖는 기타 아크릴레이트 단량체 하나 이상을 포함하는 랜덤 공중합체를 포함하는 것인, 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 상기 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록들은 100% (메트)아크릴 단량체 단위들을 함유하는 것인, 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 상기 블록 공중합체는 제어-라디칼 중합(CRP) 공정에 의해 형성되는, 블록 공중합체.
제1항에 있어서, 상기 블록 공중합체는 폴리(부틸아크릴레이트-co-디메틸아크릴아미드)의 열경화성의 혼화가능한 세그먼트를 포함하고, 추가로 폴리(부틸아크릴레이트)의 비혼화성 블록을 포함하는, 블록 공중합체.
a) 열경화성 중합체 수지 매트릭스와,
b) 제1항에 따른 상기 블록 공중합체를 포함하는 열경화성 조성물.
제9항에 있어서, 상기 열경화성 중합체 수지가 에폭시 수지인 것인, 열경화성 조성물.
제9항에 있어서, 상기 열경화성 조성물이 에폭시 수지이고, 모두 낮은 Tg를 갖는 아크릴계 블록 공중합체는 구배 블록을 하나 이상 포함하는 것인, 열경화성 조성물.
제9항에 있어서, 상기 모든 아크릴 블록 공중합체는, 비개질 열경화물에 비해 K1C의 증가로 측정된 바와 같이 강인화된 열경화물을 야기하는 이산 고무 입자 형태를 형성하며, 상기 열경화성 조성물의 Tg는 비개질 열경화성 수지의 Tg보다 15℃ 더 낮은, 열경화성 조성물.
제9항에 있어서, 상기 모든 아크릴 블록 공중합체는, 열경화성 조성물의 탄성율이 비개질 열경화성 수지의 탄성율보다 25 퍼센트 이상 낮은 연속상을 형성하며, 상기 열경화성 조성물의 Tg는 비개질 열경화성 수지의 Tg보다 15℃ 더 낮은, 열경화성 조성물.
제9항에 있어서, 가요성 인쇄회로기판, 코팅제 또는 구조적 접착제를 위한 동박적층판을 포함하는 것인 열경화성 조성물.
열경화성 수지 내 모두 낮은 Tg를 갖는 아크릴 블록 공중합체의 예측가능한 형태를 얻는 방법으로, 상기 블록 공중합체의 크기와 조성을 조정함으로써 조정된 최종 사용 특성들을 얻는 단계를 포함하는 방법.