KR20230148821A - 다층 어셈블리용 필름 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제1 성분 및 제2 성분(각각의 성분은 중합체를 포함함)뿐만 아니라, 제1 성분과 제2 성분 사이에 위치하고 이들에 접합된 필름을 포함하는 어셈블리에 관한 것이다. 필름은 적어도 하나의 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체 및 적어도 하나의 조핵제를 포함하도록 한 것이다. 어셈블리는 개선된 파괴 인성 및 전반적으로 우수한 기계적 특성을 갖는다.
Description
본 출원은 2021년 2월 22일에 출원된 가출원 US 63/151820호 및 2021년 6월 25일에 출원된 유럽 특허 출원 EP 21181637.6호의 우선권을 주장하며, 이의 내용은 모든 목적을 위해 전체적으로 본원에 참조로 포함된다. 본 출원과 PCT 출원 사이에 용어 또는 표현의 명확성에 영향을 미칠 임의의 모순이 있는 경우, 본 출원만이 참조되어야 한다.
기술분야
본 발명은 제1 성분 및 제2 성분(각각의 성분은 중합체를 포함함)뿐만 아니라, 제1 성분과 제2 성분 사이에 위치하고 이들에 접합된 필름을 포함하는 어셈블리에 관한 것이다. 필름은 적어도 하나의 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체 및 적어도 하나의 조핵제를 포함하도록 한 것이다. 어셈블리는 특히 항공우주 및 자동차 산업용 부품 및 물품을 제조하는 데 사용될 수 있다.
많은 산업, 특히 항공우주 산업 내에서, 상이한 물질들(각각의 물질은 최종 어셈블리에 특정 특성을 제공함)의 다수의 층을 포함하는 라미네이트, 복합재 및 다른 어셈블리가 많이 사용된다. 복합재 또는 라미네이트에 이용될 필요가 있을 수 있는 상이한 층들 사이에 직접적으로 만족스러운 접착 또는 접합을 달성하는 것은 대개 난해한 것으로 입증되었다. 복합재 층 사이의 불량한 상용성은 이러한 어셈블리에 의해 나타나는 특성을 제한할 수 있다. 특히, 특정 열가소성 중합체(특히 결정질 및/또는 고온 서모플라스틱)는 다른 물질에 대한 불량한 접착력을 나타내고, 이는 어셈블리가 매우 까다로운 환경에서 사용될 때 박리 및 구조적 무결성의 손실과 관련된 문제를 야기한다.
열가소성 성분을 함께 고정 및/또는 접합하기 위해 다수의 기법이 제안되었다. 특히, 제1 및 제2 열가소성 성분을 함께 고정하기 위해 초음파 용접, 유도 용접(induction welding) 및 핫-플레이트 용접과 같은 많은 상이한 용접 공정이 제안되었다. 그러나, 용접 영역에서 제1 및 제2 부품의 국소적 용융은 부품의 무결성 및/또는 형상에 영향을 미칠 수 있다. 이는 또한 용접 영역에서 서모플라스틱의 용융 및/또는 냉각 동안 부품에서의 잔류 응력 축적으로 인한 왜곡을 야기할 수 있다.
용접 공정과 관련된 문제들 중 일부를 해결하기 위해, 부품 및/또는 층 사이에 필름 및/또는 접착제를 제공하여 이들을 함께 접합하는 것이 제안되었다.
WO 2011/001103A2호에는 복합재 및 라미네이트와 같은 어셈블리 내의 타이 층으로서의 비정질 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 필름의 용도가 기재되어 있다. 그러나, 필름의 비정질 성질을 고려해보면, 이는 항공우주 산업에서의 구조적 적용에 사용하기에 적합한 것으로 간주되지 않는다. 일반적으로, 복합재에서 접합 층으로서 비정질 물질을 사용하면, 내용매성과 같은 특성이 비교적 낮은, 구조의 가장 약한 부분이 나타날 수 있다. 따라서, 조인트는 유체에 의해 공격당하기 쉽고, 이는 구조의 조기 파손을 야기할 수 있다.
WO 2015/198063A1호에는 폴리아릴에테르케톤 중합체, 특히 PEEK를 포함하는 제2 부품과 제1 부품 사이의 접착제로서 하기 화학식 I의 반복 단위 및 하기 화학식 II의 반복 단위를 갖는 중합체인 PEEK-PEDEK 중합체를 포함하는 중합체 물질의 용도가 개시되어 있다:
[화학식 I]
[화학식 II]
[상기 식에서, Ph는 페닐렌 모이어티를 나타냄]. 그러나, PEEK-PEDEK 중합체의 기계적 특성은 다른 폴리아릴에테르케톤 중합체의 기계적 특성만큼 좋은 것은 아니다.
WO 2021/085797호, WO 2019/243433호 및 WO 2018/115233호는 당 분야의 다른 출원이지만, 청구항 1의 주제는 개시하고 있지 않다.
기술적 문제
개선된 내화학성 및 개선된 기계적 특성을 나타내는 어셈블리를 제조하기 위해, 중합체로 제조된 2개의 성분(또는 부품)을 함께 강하게 접합할 수 있는 필름이 필요하다. 필름은 결합될 2개의 성분의 용융 온도보다 더 낮은 온도에서, 유리하게는 310℃ 미만의 온도에서 가공되어야 한다.
본 발명은 이러한 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 간단한 설명
본 발명은 첨부된 청구항 세트에 제시되어 있다. 따라서, 본 발명의 목적은 청구항 1 내지 33에 정의된 바와 같은 어셈블리이다.
본 발명의 또 다른 목적은 청구항 34 내지 40 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 어셈블리를 제조하기 위한 방법이다.
본 발명의 또 다른 목적은 청구항 41에 정의된 바와 같은 부품 또는 물품이다.
본 발명의 또 다른 목적은 청구항 42에 정의된 바와 같은 용도이다.
또 다른 목적은 청구항 43에 정의된 바와 같은 PEKK 중합체를 포함하는 조성물이다.
이러한 목적에 관한 더 많은 정확한 사항 및 세부사항이 이제 하기에 제공된다.
본 발명의 분야는 상이한 물질의 다수의 층을 포함하는 라미네이트, 복합재 및 다른 어셈블리이며, 각각의 물질은 어셈블리에 대한 특정 특성에 기여한다. 이러한 어셈블리는 동일하거나 상이할 수 있는 적어도 2개의 성분뿐만 아니라 본원에서 때때로 "접합 필름"으로 지칭되는 적어도 하나의 필름을 포함한다.
본 개시에 기재된 사용된 필름은, 이를 어셈블리 구조, 특히 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK) 중합체로 제조된 어셈블리 구조에서 중합체 성분을 접합하기에 적합하게 만드는 특성 세트를 나타낸다. 이러한 필름은 적어도 하나의 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체 및 적어도 하나의 조핵제를 포함한다. PEKK 중합체는 이의 T/I 비가 50:50 내지 56:44의 범위가 되도록 하고, 바람직하게는 T/I 비가 51:49 내지 55:45 범위가 되도록 한다. 이러한 PEKK 중합체는 항공우주 산업에서 복합재 구조의 경우와 같이 내화학성 및 기계적 특성이 필요한 어셈블리 구조에 아주 적합한 결정도를 추가적으로 나타낸다.
본원에 기재된 필름은 유리하게는 결합될 중합체 성분과 상용성이다.
본 출원에서,
- 임의의 설명은 특정 구현예와 관련하여 설명되더라도, 본 개시의 다른 구현예에 적용 가능하고 이와 상호교환 가능하며;
- 요소 또는 성분이, 인용된 요소 또는 성분의 목록에 포함되고/되거나 그로부터 선택된다고 하는 경우, 본원에서 명시적으로 고려되는 관련 구현예에서, 요소 또는 성분은 개별 인용된 요소 또는 성분 중 임의의 하나일 수도 있거나, 명시적으로 열거된 요소 또는 성분 중 임의의 2개 이상으로 구성되는 군으로부터 선택될 수도 있으며; 요소 또는 성분의 목록에서 인용된 임의의 요소 또는 성분은 이러한 목록으로부터 생략될 수 있는 것으로 이해되어야 하고;
- 본원에서 종점에 의한 수치 범위의 임의의 언급은 언급된 범위 내에 포함된 모든 숫자뿐만 아니라 범위 및 등가물의 종점을 포함한다.
본 발명의 제1 목적은
- 중합체 (P1)을 포함하는 제1 성분,
- 중합체 (P2)를 포함하는 제2 성분 및
- 제1 성분과 제2 성분 사이에 위치하고 이들에 접합된 필름
을 포함하는 어셈블리이며,
여기서, 필름은 특정 T/I 비를 나타내는 적어도 하나의 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체, 및 적어도 하나의 조핵제를 포함한다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "접합된"은 성분이 서로(one another 또는 each other), 바람직하게는 영구적으로 부착되는 것을 의미한다.
어셈블리의 필름은 용융 흐름을 조절하고/하거나 접합을 위한 균일한 표면을 제공하는 데 도움이 되는 스크림(들) 및/또는 부직포 보강재(들) 및/또는 경량 직물(들)을 추가적으로 포함할 수 있으며, 이는 접합 라인(bond line)에서 국소 모폴로지에 잠재적으로 영향을 미치기도 한다.
본 발명의 어셈블리는 또한 구축될 복합재 부품에 따라 추가 성분(제3, 제4, 제5,....) 및 필름을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 어셈블리는 중합체 (P3)을 포함하는 제3 성분, 및 제2 성분과 제3 성분 사이의 필름을 포함할 수 있으며, 여기서 이러한 추가적인 필름은 제2 및 제3 성분을 함께 결합한다.
PEKK 중합체
본원에 기재된 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체는 적어도 50 mol.%의 하기 화학식 M 및 P의 반복 단위를 포함하도록 한 것이며, mol.%는 중합체에서 총 몰 수를 기준으로 하며,
여기서, 반복 단위(P) 대 반복 단위(M)의 몰비(본원에서 "T/I 비"로도 불림)는 50:50 내지 56:44, 바람직하게는 51:49 내지 55:45이다:
[화학식 P]
[화학식 M]
[상기 식에서,
- R1 및 R2는 각각의 경우에, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민, 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
- i 및 j는 각각의 경우에, 0 내지 4 범위의 독립적으로 선택된 정수임].
구현예에 따르면, R1 및 R2는 상기 화학식 P 및 M의 각 위치에서, 하나 이상의 헤테로원자를 선택적으로 포함하는 C1-C12 모이어티; 설폰산 및 설포네이트 기; 포스폰산 및 포스포네이트 기; 아민 및 4차 암모늄 기로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택된다.
본 개시의 구현예에 따르면, PEKK에서 반복 단위의 적어도 55 mol.%, 적어도 60 mol.%, 적어도 70 mol.%, 적어도 80 mol.%, 적어도 90 mol.%, 적어도 95 mol.%, 적어도 99 mol.% 또는 그 모두는 화학식 M 및 P의 반복 단위이다.
구현예에서, PEKK의 실질적으로 모든 반복 단위는 화학식 M 및 P의 반복 단위이다. 구현예에서, PEKK의 반복 단위는 화학식 M 및 P의 반복 단위로 구성된다.
필름의 중합체 성분으로서 사용되는 PEKK의, "T/I 비"로도 불리는 반복 단위(P) 대 반복 단위(M)의 몰비는 50:50 내지 56:44, 바람직하게는 51:49 내지 55:45의 범위이다. PEKK는 바람직하게는 54:46 또는 53:47의 T/I 비를 갖는다.
또 다른 구현예에 따르면, i 및 j는 각각의 R1 및 R2 기에 대해 0이다. 이러한 구현예에 따르면, PEKK 중합체는 적어도 50 mol.%의 하기 화학식 M' 및 P'의 반복 단위를 포함하며, mol.%는 중합체에서 총 몰 수를 기준으로 한다:
[화학식 P']
[화학식 M']
본 개시의 구현예에 따르면, PEKK에서 반복 단위의 적어도 55 mol.%, 적어도 60 mol.%, 적어도 70 mol.%, 적어도 80 mol.%, 적어도 90 mol.%, 적어도 95 mol.%, 적어도 99 mol.% 또는 그 모두는 화학식 M' 및 P'의 반복 단위이다.
구현예에서, PEKK의 실질적으로 모든 반복 단위는 화학식 M' 및 P'의 반복 단위이다. 구현예에서, PEKK의 반복 단위는 화학식 M' 및 P'의 반복 단위로 구성된다.
필름의 중합체 성분으로서 사용되는 PEKK의, "T/I 비"로도 불리는 반복 단위(P') 대 반복 단위(M')의 몰비는 50:50 내지 56:44, 바람직하게는 51:49 내지 55:45의 범위이다. PEKK는 바람직하게는 54:46 또는 53:47의 T/I 비를 갖는다.
상기 기재된 바와 같이, 필름의 중합체 성분으로서 사용되는 PEKK의, "T/I 비"로도 불리는 반복 단위 (P)/(P') 대 반복 단위 (M)/(M')의 몰비는 50:50 내지 56:44, 바람직하게는 51:49 내지 55:45이다. PEKK는 바람직하게는 54:46 또는 53:47의 T/I 비를 갖는다.
본 개시의 구현예에 따르면, 본원에 기재된 PEKK 중합체는 ASTM D3418에 따라 시차 주사 열량측정법(DSC)에 의해 측정하는 경우 270 내지 310℃, 바람직하게는 280 내지 305℃ 범위의 Tm을 갖는다.
보다 구체적으로, 용융 온도 Tm은 ASTM D3418에 따라 및 10℃/분의 가열 및 냉각 속도를 사용하여 DSC에 의해 측정된다. Tm은 제2 열 스캔에서 결정된다. 하기 사이클을 따를 수 있다:
- 제1 가열 사이클: 10.00℃/분으로 30.00℃로부터 400.00℃까지, 400.00℃에서 1분 동안 등온;
- 제1 냉각 사이클: 10.00℃/분으로 400.00℃로부터 30.00℃까지, 1분 동안 등온;
- 제2 가열 사이클: 10.00℃/분으로 30.00℃로부터 400.00℃까지, 400.00℃에서 1분 동안 등온.
본 개시의 구현예에 따르면, 본원에 기재된 PEKK 중합체는 융해열 ΔHf가 하기 수학식을 충족하도록 한 것이다:
[수학식 1]
[상기 식에서,
- Tm은 ℃ 단위의 PEKK 용융 온도이며,
- ΔHf는 J/g 단위임].
이러한 수학식은 본 발명의 맥락에서, 주어진 용융 온도(Tm)에 대한 허용 가능한 결정도의 PEKK를 동일한 Tm에서의 허용 불가능한 결정도의 PEKK와 구별하는 실험적 수학식이다.
본 개시의 구현예에 따르면, 본원에 기재된 PEKK 중합체는 융해열 ΔHf가 적어도 5 J/g, 적어도 6 J/g 또는 적어도 7 J/g이도록 한 것이다. 융해열은 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에서 정의된 바와 같을 수 있다.
보다 구체적으로, 융해열은 ASTM D3418에 따라 및 10℃/분의 가열 및 냉각 속도를 사용하여 제2 열 스캔에서 DSC에 의해 측정된다. 하기 사이클을 따를 수 있다:
- 제1 가열 사이클: 10.00℃/분으로 30.00℃로부터 400.00℃까지, 400.00℃에서 1분 동안 등온;
- 제1 냉각 사이클: 10.00℃/분으로 400.00℃로부터 30.00℃까지, 1분 동안 등온;
- 제2 가열 사이클: 10.00℃/분으로 30.00℃로부터 400.00℃까지, 400.00℃에서 1분 동안 등온.
PEKK 중합체의 합성
PEKK 중합체의 합성은 통상적으로 PEKK 중합체를 수득하기 위해 용매에서 단량체를 중축합시키는 단계, 및 용매 및 염을 추출하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 단량체의 중축합은 루이스 산의 부재 하에 발생하거나, 단량체의 총 중량을 기준으로 2 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 중량% 미만의 양의 루이스 산의 존재 하에서 발생한다.
본 발명의 맥락에서, 루이스 산은 BF3, AlCl3, FeCl3, CF3SO3H 및 CH3SO3H로 구성되는 군으로부터 선택되는 것으로 정의될 수 있다.
바람직한 구현예에서, PEKK 중합체의 합성은
단계 a) 루이스 산의 부재 하에서 또는 단량체의 총 중량을 기준으로 2 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 중량% 미만의 양의 루이스 산의 존재 하에서 DPS와 같은 용매에서 하기 단량체 (P-OH), (M-OH), (P-F) 및/또는 (M-F)를 중축합시키는 단계로서:
[화학식 P-OH]
[화학식 M-OH]
[화학식 P-F]
[화학식 M-F]
[상기 식에서,
- R3, R4, R5 및 R6은 각각의 경우에, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민, 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
- p, q, r 및 s는 각각의 경우에, 0 내지 4로부터 독립적으로 선택됨];
여기서, (P-F) 및 (M-F)의 몰에 대한 (P-OH) 및 (M-OH)의 몰의 몰비는
이도록 한 것이고,
바람직하게는 몰비는 0.985 이상, 0.990 이상 또는 0.995 이상이며,
바람직하게는 몰비는 1.015 이하, 1.010 이하 또는 1.005 이하인, 단계;
단계 b) 분말을 수득하기 위해, 용매 및 염을 추출하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, p=q=r=s=0이다.
상기 기재된 방법은 특히 낮은 휘발성 물질 함량을 갖는 특정 PEKK 분말을 생산하며, 이는 특정 특성, 특히 특정의 더 높은 융해 엔탈피 ΔHf를 갖는 PEKK를 수득하는 데 도움이 된다. 구현예에 따르면, PEKK 중합체는 10℃/분의 가열 속도를 사용하여 질소 하에 30℃로부터 800℃까지 가열하면서, ASTM D3850에 따른 열 중량 분석에 의해 측정한 경우, 적어도 500℃, 바람직하게는 적어도 505℃, 더욱 바람직하게는 적어도 510℃의 Td(1%)를 갖는다. Td(1%)는 결정된 양의 휘발성 물질(= 1,0 중량%)이 샘플을 이탈하는 온도를 나타낸다.
구현예에서, R3, R4, R5 및 R6은 상기 화학식 P-OH, P-F, M-OH 및 M-F의 각 위치에서, 하나 이상의 헤테로원자를 선택적으로 포함하는 C1-C12 모이어티, 설폰산 및 설포네이트 기; 포스폰산 및 포스포네이트 기; 아민 및 4차 암모늄 기로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택된다.
T/I 비는 (P-F)+(P-OH) 및 (M-F)+(M-OH)의 양에 의해 제어된다.
바람직한 구현예에서, PEKK 중합체를 야기하는 중축합은 하기 단량체만을 포함한다: (P-OH), (M-OH) 및 (P-F).
단계 a): 단계 a)의 중축합은 친핵성 치환에 기반한다. 중축합은 Na2CO3, K2CO3 또는 이들의 조합의 군에서 선택된 염 적어도 하나의 염기의 존재 하에 DPS와 같은 용매에서 일어난다. 단계 a)의 온도는 일반적으로 250℃ 내지 350℃, 보다 구체적으로는 300℃ 내지 350℃이다.
염기(들)의 양은 바람직하게는 단량체의 모든 OH 기를 활성화시키기에 충분해야 한다. 염기의 양은 일반적으로 OH 기의 양보다 약간 더 높다. 1.0 내지 5.0%의 몰 과량이 사용될 수 있다.
구현예에 따르면, 염기(들)는 용매 및 단량체를 포함하는 혼합물에 첨가되며, 혼합물은 바람직하게는 250℃ 초과, 특히 250℃ 내지 350℃의 온도에 있다. 염기(들)의 도입 기간은 10분 내지 120분, 바람직하게는 30분 내지 90분일 수 있다.
또 다른 바람직한 구현예에 따르면, 중축합의 종료 시에, 단량체 (P-F) 및/또는 (M-F), 바람직하게는 (P-F)가 혼합물에 첨가된다. 이는 PEKK 중합체가 불소-말단 기를 함유하는 것을 보장한다.
단계 b)에서, 단계 a)에서 수득된 중합체는 용매 및 염을 제거하기 위해 처리된다. 예를 들어, 단계 b)는 중합체를 물, 알코올, 에테르, 케톤 및 이들의 조합의 군에서 선택된 액체와 접촉시킴으로써 수행될 수 있다. 액체는 간편하게는 물과 물, 알코올, 에테르, 케톤 및 이들의 조합의 군에서 선택된 액체의 혼합물일 수 있다. 액체는 또한 산 또는 염기를 포함할 수 있다.
합성 접근법은 PEKK를 소듐 디하이드로겐 포스페이트(NaH2PO4), 디소듐 하이드로겐 포스페이트(Na2HPO4), 포타슘 디하이드로겐 포스페이트(KH2PO4) 및 디포타슘 하이드로겐 포스페이트(K2HPO4), 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나의 용액과 접촉시키는, 바람직하게는 이를 이용하여 PEKK를 세척하는 추가 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, PEKK는 NaH2PO4 및 Na2HPO4 둘 모두를 포함하는, 용액, 예를 들어, 수용액과 접촉(예를 들어, 이를 이용하여 세척)될 수 있다. 본원에 의해 사용되는 용액의 사용되는 포스페이트 염은 예를 들어, 무수, 일수화물, 이수화물 또는 칠수화물일 수 있다.
PEKK 중합체를 소듐 디하이드로겐 포스페이트(NaH2PO4), 디소듐 하이드로겐 포스페이트(Na2HPO4), 포타슘 디하이드로겐 포스페이트(KH2PO4) 및 디포타슘 하이드로겐 포스페이트(K2HPO4), 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나의 용액과 접촉시키는 단계 외에도, 합성 접근법은 또한 PEKK 중합체를 중화시키기에 충분한 양의 산 또는 염기를 포함하는 용액과 PEKK를 접촉시키고, 바람직하게는 이를 이용하여 PEKK를 세척하는 적어도 하나의 단계를 포함할 수 있다.
적합한 산 및 염기는 용매의 비점 미만의 온도에서 알코올, 케톤, 아미드, 방향족 탄화수소와 같은 유기 용매에서 또는 물에서 적어도 0.1 중량%의 용해도를 나타내는 임의의 유기 또는 무기 산 또는 염기를 포함한다. 바람직하게는, 용매는 최대 250℃, 더욱 바람직하게는 최대 150℃ 및 가장 바람직하게는 최대 100℃의 비점을 갖는다. 산은 바람직하게는 3.0 내지 7.5 범위의 pKa를 가지며, 염기는 바람직하게는 -1.0 내지 8.0 범위의 pKb를 갖는다.
일부 구현예에서, 산은 아세트산, 모노 알칼리 금속 시트레이트 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 염기는 유기 아민, 테트라알킬암모늄 하이드록사이드, 테트라알킬암모늄 아세테이트, 테트라알킬포스포늄 하이드록사이드, 테트라알킬포스포늄 아세테이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 하이드록사이드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 모노하이드로겐포스페이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스페이트, 및 이들의 조합으로부터 선택된다.
바람직한 용매는 비점이 최대 150℃인 물, 알코올, 에테르, 또는 케톤이지만; 적어도 0.1 중량%의 산 또는 염기를 용해시킬 수 있고 PEKK 중합체와 불리하게 반응하지 않는 임의의 용매가 사용될 수 있다. 바람직하게는 용매는 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 또는 이소프로판올이다. 더욱 바람직하게는 용매는 물, 메탄올, 또는 에탄올이다. 일부 구현예에서, 하나 초과의 용매가 사용될 수 있다.
PEKK 중합체는 보다 구체적으로는 실시예 1 내지 3에 개시된 레시피에 따라, 특히 실시예 3에 따라 제조될 수 있으며, T/I 비는 단량체의 양의 변화에 의해 변형된다(표 1 및 2 참조).
본원에 개시된 제조 방법은 일반적으로 또는 개시된 특정 구현예에 따라 하기 특성 중 하나 이상을 갖는 특정 PEKK 중합체를 수득하는 것을 가능하게 한다:
- PEKK 중합체는 일반적으로 100 ppm 초과, 바람직하게는 200 ppm 초과, 훨씬 더 바람직하게는 300 ppm 초과의 양으로 불소를 함유한다. 이러한 중합체-결합된 불소는 불소-함유 단량체의 사용에 의한 불가피한 흔적이다;
- PEKK 중합체는 알루미늄을 실질적으로 함유하지 않는다. PEKK 중합체에서 Al의 양은 일반적으로 50 ppm 미만, 바람직하게는 25 ppm 미만, 더욱 바람직하게는 10 ppm 미만이다;
- PEKK 중합체는 10℃/분의 가열 속도를 사용하여 질소 하에 30℃로부터 800℃까지 가열하면서, ASTM D3850에 따라 열 중량 분석에 의해 측정한 경우 적어도 500℃, 바람직하게는 적어도 505℃, 더욱 바람직하게는 적어도 510℃의 Td(1%)를 갖는다.
Al 및 F 함량은 Al에 대한 ICP-OES 분석 및 불소에 대한 연소-이온 크로마토그래피와 같은 원소 분석에 의해 간편하게 결정된다.
조핵제(들)
본 발명에 따르면, 필름은 적어도 하나의 조핵제를 추가로 포함한다. 조핵제는 붕소-함유 화합물(예를 들어, 붕소 니트라이드, 소듐 테트라보레이트, 포타슘 테트라보레이트, 칼슘 테트라보레이트 등), 알칼리 토금속 카보네이트(예를 들어, 칼슘 마그네슘 카보네이트), 옥사이드(예를 들어, 티타늄 옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 아연 옥사이드, 안티몬 트리옥사이드 등), 실리케이트(예를 들어, 탈크, 소듐-알루미늄 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 등), 알칼리 토금속의 염(예를 들어, 칼슘 카보네이트, 칼슘 설페이트 등), 니트라이드 등으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 조핵제는 또한 탄소 기반일 수 있다. 이러한 카테고리 내의 조핵제는 그래파이트, 그래핀, 그래파이트계 나노플레이틀릿(graphitic nanoplatelet) 및 그래핀 옥사이드를 포함한다. 이는 또한 카본 블랙뿐만 아니라 다른 형태의 탄소일 수 있다.
조핵제가 붕소 니트라이드였던 경우 특히 우수한 결과가 얻어졌다.
조핵제의 비율은 일반적으로 PEKK 중합체의 중량에 대해 2.0 중량% 미만, 심지어 1.5 중량% 미만이다. 이러한 비율은 일반적으로 0.1 중량% 초과, 심지어 0.5 중량% 초과이다. 이러한 비율은 일반적으로 0.5 내지 2.0 중량% 또는 0.5 내지 1.5 중량%이다.
다른 첨가제
일부 구현예에서, 필름은 PEKK 중합체(들) 및 조핵제(들) 이외의 추가 성분으로서 적어도 하나의 첨가제를 포함한다. 적합한 첨가제는 (i) 착색제, 예컨대, 염료 (ii) 안료, 예컨대, 티타늄 디옥사이드, 아연 설파이드 및 아연 옥사이드 (iii) 광 안정화제, 예를 들어, UV 안정화제, (iv) 열 안정화제, (v) 산화방지제, 예컨대, 유기 포스파이트 및 포스포나이트, (vi) 산 스캐빈저, (vii) 가공 보조제, (ix) 내부 윤활제 및/또는 외부 윤활제, (x) 난연제, (xi) 연기-억제제, (x) 정전기 방지제, (xi) 블로킹 방지제, (xii) 전도성 첨가제, 예컨대, 카본 블랙 및 탄소 나노피브릴, (xiii) 가소제, (xiv) 유동 개질제, (xv) 증량제, (xvi) 금속 불활성화제 및 (xvii) 실리카와 같은 유동 보조제를 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 필름은 상기에 나열된 바와 같은 동일한 카테고리 또는 상이한 카테고리의 하나의 첨가제, 2개, 3개 또는 몇 개의 첨가제, 예를 들어, 하나의 열 안정화제 및 하나의 안료를 포함할 수 있다.
이러한 구현예에 따르면, 이러한 첨가제(들)의 양은 필름의 총 중량을 기준으로 20 중량% 미만, 바람직하게는 10 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 5 중량% 미만 및 훨씬 더 바람직하게는 2 중량% 미만, 가장 바람직하게는 1 중량% 미만의 첨가제이다.
또 다른 구현예에서, 필름은 임의의 충전제를 함유하지 않거나, 0.5 중량% 미만, 바람직하게는 0.1 중량% 미만의 임의의 충전제를 함유한다.
또 다른 구현예에서, 필름은 임의의 충전제를 함유하지 않지만, 하기에 기재된 바와 같은 "보강 섬유질 섬유", 예컨대, 스크림, 부직포 또는 경량 직물을 함유한다. 용어 "보강 섬유질 섬유"는 복합 구조물의 보강에 적합한 하나 이상의 섬유질 물질, 즉, "보강 섬유"를 포함할 수 있다. 용어 "섬유"는 적어도 0.5 mm의 길이를 갖는 유기 및/또는 무기 섬유를 지칭하기 위해 본원에서 사용된다.
본원에 기재된 바와 같이, 필름은 적어도 하나의 PEKK 중합체인 중합체 성분뿐만 아니라 적어도 하나의 조핵제를 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "중합체 성분"은 반복 단위 및 적어도 2,000 g/mol의 분자량을 갖는 화합물을 의미한다.
일부 구현예에서, 상기 상술된 바와 같이, PEKK 중합체는 필름에서 유일한 중합체 성분이다.
일부 다른 구현예에서, 필름의 중합체 성분은 하나 초과의 중합체의 블렌드, 예를 들어, 몇몇 PEKK 중합체 또는 별개의 중합체의 블렌드를 포함한다.
예를 들어, 필름의 중합체 성분은 PEKK 및 하나의 추가적인 별개의 중합체의 블렌드로 구성될 수 있으며, 여기서 중합체 성분의 적어도 60 중량%는 상기 기재된 바와 같은 PEKK로 구성되며, 40 중량% 미만은 상기 기재된 PEKK 중합체와는 별개인 적어도 하나의 중합체로 구성된다. 또 다른 예로서, 필름의 중합체 성분은 적어도 70 중량%의 상기 기재된 PEKK, 및 30 중량% 미만의, 상기 기재된 PEKK 중합체와는 별개인 적어도 하나의 중합체로 구성된다. 추가로 또 다른 예로서, 필름의 중합체 성분은 적어도 80 중량%의 상기 기재된 PEKK, 및 20 중량% 미만의, 상기 기재된 PEKK 중합체와는 별개인 적어도 하나의 중합체로 구성된다. 또 다른 예로서, 필름의 중합체 성분은 적어도 90 중량%의 상기 기재된 PEKK, 및 10 중량% 미만의, 상기 기재된 PEKK 중합체와는 별개인 적어도 하나의 중합체로 구성된다.
일부 구현예에서, 필름의 중합체 성분은 3 중량% 미만, 2 중량% 미만, 1 중량% 미만, 또는 0.5 중량% 미만의, 상기 기재된 PEKK 중합체와는 별개인 중합체를 포함한다.
이러한 별개의 중합체는 폴리(아릴 에테르 설폰)(PAES) 중합체 및 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK) 중합체로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 추가적인 중합체 성분이 PAES 중합체인 경우, 이는 폴리설폰(PSU), 폴리페닐설폰(PPSU), 및 폴리(에테르 설폰)(PES)으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 추가의 중합체 성분이 PAEK 중합체인 경우, 이는 유리하게는 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 중합체, 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체, 폴리(에테르케톤)(PEK), 폴리(에테르 케톤 에테르 케톤 케톤)(PEKEKK) 및 PEEK-PEDEK 공중합체로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 추가적인 중합체 성분은 또한 폴리이미드, 예컨대, 폴리에테르이미드(PEI) 또는 폴리(아미드이미드)(PAI)일 수 있다.
특정 구현예에서, 필름은 적어도 90 중량%의 PEKK 중합체 및 적어도 하나의 첨가제를 포함한다. 가장 바람직하게는, 필름은 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 95 중량%, 바람직하게는 적어도 98 중량%의 PEKK 중합체 및 적어도 하나의 첨가제를 포함한다.
스크림, 부직포 및 경량 보강재
어셈블리의 필름은 용융 흐름을 조절하고/하거나 접합을 위한 균일한 표면을 제공하는 데 도움이 되는 스크림(들) 및/또는 부직포 보강재(들) 및/또는 경량 직물(들)을 추가적으로 포함할 수 있으며, 이는 접합 라인에서 국소 모폴로지에 잠재적으로 영향을 미치기도 한다.
본원에 기재된 필름은 유리하게는 스크림, 또는 스크림 층을 포함할 수 있다. 스크림은 천연 직물, 합성 직물, 부직포, 니트(위사 삽입 니트를 비제한적으로 포함함) 또는 플라스틱으로 제조될 수 있다.
본원에 기재된 필름은 또한 유리하게는 부직포 직물 또는 섬유 웹으로도 불리는 부직포를 포함할 수 있다.
이러한 스크림, 부직포 또는 경량 직물은 이들이 균일한 접합라인 두께를 유지하는 데 도움이 되기 때문에 유리하다.
필름을 제조하는 공정
본원에 기재된 필름은 15 내지 800 ㎛, 25 내지 600 ㎛, 바람직하게는 30 내지 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 40 내지 300 ㎛, 가장 바람직하게는 50 내지 250 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다.
기재된 필름은 중합체 가공 분야에 공지된 임의의 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 필름의 성분은 선택적으로 일축 또는 이축 배향으로, 캐스트 압출에 의해 필름의 형태로 가공될 수 있다.
일부 구현예에서, 필름을 제조하는 방법은 필름의 성분의 물리적 혼합물을 용융 컴파운딩하는 단계를 포함한다. 동시-회전 및 역회전 압출기, 단축 압출기, 공동-니더(co-kneader), 디스크-팩 프로세서(disc-pack processor) 및 다양한 다른 유형의 압출 장비와 같은 통상적인 용융 컴파운딩 디바이스가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 압출기, 더욱 바람직하게는 이축 압출기가 사용될 수 있다.
구현예에 따르면, 필름의 구성성분은 DPS와 같은 PEKK의 용매에서 접촉되고, 혼합물은 중합체가 용매에 완전히 또는 부분적으로 용해되는 온도에서 교반된다. 이후, 용매는 예를 들어 상기 이미 개시된 방법을 이용하여 추출된다. 실시예 4는 이러한 구현예를 예시한다.
구현예에 따르면, 필름의 구성성분을 함유하는 물리적 혼합물은 압출기에서 컴파운딩된 후, 펠렛 또는 과립으로 세절된다. 과립 또는 펠렛은 이후 추가로 가공되어 필름을 제조할 수 있다.
대안적으로, 물리적 혼합물은 압출기에서 컴파운딩된 다음 필름으로 직접 형성된다.
필름의 제조에 특히 적합한 기법은 세장형 형상(elongated shape)을 갖는 다이를 통해 용융된 조성물을 압출하여, 압출된 테이프를 수득하는 단계 및 상기 압출된 테이프를 캐스팅/캘린더링하여 필름을 수득하는 단계를 포함한다. 테이프는 요구되는 두께를 달성하기 위해 적절한 온도에서 유지될 수 있고 속도가 조정될 수 있는 적절한 롤을 통해 통과시킴으로써 필름으로 캘린더링될 수 있다. 필름의 두께는 다이에서 조정된다. 필름은 필름을 고형화하는 데 이용되는 냉각 온도에 따라, 이의 완성된(압출된) 형태에서 비정질 또는 반결정질일 수 있다.
유리한 구현예에서, 필름은 단층 필름이며, 즉, 이는 PEKK 공중합체를 포함하는 단 하나의 층으로 구성된다.
필름이 스크림, 부직포 또는 경량 직물을 포함하는 경우, 이러한 보강 층 또는 직물 보강재는 APC 공정, 슬러리 함침 공정 또는 필름 라미네이션과 같은 다양한 방법에 의해 PEKK 중합체로 함침될 수 있다. 예를 들어, 공정은 다음을 포함할 수 있다:
- 중합체 분말 입자 형상의 PEKK 성분, 적어도 수성 용매 및 적어도 하나의 계면활성제를 포함하는 액체 매질에 직물을 함침시키는 단계,
- 함침된 직물을 PEKK의 용융 온도 초과까지 가열하는 단계, 및
- 예를 들어, 특정 기하학적 구조의 적어도 하나의 다이를 사용하여 직물을 형상화하는 단계.
중합체 (P1) 및 (P2)
"중합체 (P1)을 포함하는 제1 성분"이라는 표현은 본원에서 중합체 (P1)을 포함하는, 적어도 하나의 표면, 특히 접합 필름과 접촉하는 표면을 갖는 성분을 지칭하기 위해 사용된다. 제1 성분은 상기 중합체 (P1)로 구성될 수 있다. 대안적으로, 제1 성분은 중합체 (P1)을 포함하는 하나의 표면을 포함한다. 중합체 (P1)을 포함하는 표면은 통상적으로 접합 필름과의 접합을 형성하기에 적합한 두께를 갖는다. 상기 두께는 간편하게는 5 ㎛ 이상일 수 있다.
"중합체 (P2)를 포함하는 제2 성분"이라는 표현은 본원에서 중합체 (P2)를 포함하는, 적어도 하나의 표면, 특히 접합 필름과 접촉하는 표면을 갖는 성분을 지칭하기 위해 사용된다. 제2 성분은 상기 중합체 (P2)로 구성될 수 있다. 대안적으로, 제2 성분은 중합체 (P2)를 포함하는 하나의 표면을 포함한다. 중합체 (P2)를 포함하는 표면은 통상적으로 접합 필름과의 접합을 형성하기에 적합한 두께를 갖는다. 상기 두께는 간편하게는 5 ㎛ 이상일 수 있다.
중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 동일하거나 별개일 수 있다.
중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 결정질 및/또는 고온 열가소성 중합체로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 비제한적인 예는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK), 폴리(에테르이미드)(PEI), 폴리(아미드 이미드)(PAI), 폴리(아릴 에테르 설폰)(PAES), 폴리(아릴렌 설파이드)(PAS), 폴리(프탈아미드)(PPA), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 액정 중합체(LCP), 폴리(방향족 에스테르)(PAE) 및 이들의 블렌드를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
바람직한 구현예에서, 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 PAEK 및 PAEK의 블렌드로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택된다. PAEK는 예를 들어, 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK) 중합체, PEEK 공중합체, 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체, 폴리(에테르케톤)(PEK) 및 폴리(에테르 케톤 에테르 케톤 케톤)(PEKEKK)으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. PEEK 공중합체는 예를 들어 PEEK-PEDEK 공중합체일 수 있다.
폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK)
본원에서 사용되는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK)은 Ar'-C(=O)-Ar* 기를 포함하는 반복 단위(RPAEK)를 포함하는 임의의 중합체를 나타내며, 여기서 Ar' 및 Ar*는 서로 동일하거나 상이하고, 방향족 기이며, mol.%는 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 한다. 반복 단위(RPAEK)는 하기 화학식 J-A 내지 J-D의 단위로 구성되는 군으로부터 선택된다:
[화학식 J-A]
[화학식 J-B]
[화학식 J-C]
[화학식 J-D]
[상기 식에서,
R'는 각 위치에서, 할로겐, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
j'는 독립적으로 0 또는 1 내지 4 범위의 정수임].
반복 단위(RPAEK)에서, 각각의 페닐렌 모이어티는 독립적으로, 반복 단위(RPAEK)에서 R'와는 상이한 다른 모이어티에 대한 1,2-, 1,4- 또는 1,3-결합을 가질 수 있다. 바람직하게는, 페닐렌 모이어티는 1,3- 또는 1,4-결합을 가지며, 더욱 바람직하게는, 이들은 1,4-결합을 갖는다.
반복 단위(RPAEK)에서, j'는 바람직하게는 페닐렌 모이어티가 중합체의 주 사슬을 연결하는 것 이외의 다른 치환체를 갖지 않도록 각 위치에서 0이다.
일 구현예에 따르면, PAEK는 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK)이다.
본원에서 사용되는 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK)은 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 하기 화학식 J-A의 반복 단위(RPEEK)를 포함하는 임의의 중합체를 나타낸다:
[화학식 J-A]
[상기 식에서,
R'는 각 위치에서, 할로겐, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
j'는 각각의 R'에 대해, 독립적으로 0 또는 1 내지 4(예를 들어, 1, 2, 3 또는 4) 범위의 정수임].
화학식 J-A에 따르면, 반복 단위(RPEEK)의 각각의 방향족 사이클은 1 내지 4개의 라디칼 기 R'를 함유할 수 있다. j'가 0일 때, 상응하는 방향족 사이클은 임의의 라디칼 기 R'를 함유하지 않는다.
반복 단위(RPEEK)의 각각의 페닐렌 모이어티는 서로 독립적으로, 다른 페닐렌 모이어티에 대한 1,2-, 1,3- 또는 1,4-결합을 가질 수 있다. 구현예에 따르면, 반복 단위(RPEEK)의 각각의 페닐렌 모이어티는 서로 독립적으로, 다른 페닐렌 모이어티에 대한 1,3- 또는 1,4-결합을 갖는다. 추가로 또 다른 구현예에 따르면, 반복 단위(RPEEK)의 각각의 페닐렌 모이어티는 다른 페닐렌 모이어티에 대한 1,4-결합을 갖는다.
구현예에 따르면, R'는 상기 화학식 J-A의 각 위치에서, 선택적으로 하나 이상의 헤테로원자를 포함하는 C1-C12 모이어티; 설폰산 및 설포네이트 기; 포스폰산 및 포스포네이트 기; 아민 및 4차 암모늄 기로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택된다.
구현예에 따르면, j'는 각각의 R'에 대해 0이다. 즉, 이러한 구현예에 따르면, 반복 단위(RPEEK)는 하기 화학식 J'-A에 따른다:
[화학식 J'-A]
본 개시의 또 다른 구현예에 따르면, 폴리(에테르 에테르 케톤)(PEEK)은 적어도 10 mol.%의 반복 단위를 포함하는 임의의 중합체가 하기 화학식 J-A"의 반복 단위(RPEEK)임을 나타내며:
[화학식 J"-A]
mol.%는 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 한다.
본 개시의 구현예에 따르면, PEEK에서 반복 단위의 적어도 10 mol.%(중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 함), 적어도 20 mol.%, 적어도 30 mol.%, 적어도 40 mol.%, 적어도 50 mol.%, 적어도 60 mol.%, 적어도 70 mol.%, 적어도 80 mol.%, 적어도 90 mol.%, 적어도 95 mol.%, 적어도 99 mol.% 또는 그 모두는 화학식 J-A, J'-A 및/또는 J"-A의 반복 단위(RPEEK)이다.
이에 따라, PEEK 중합체는 단독중합체 또는 공중합체일 수 있다. PEEK 중합체가 공중합체인 경우, 이는 랜덤, 교대(alternate) 또는 블록 공중합체일 수 있다.
PEEK가 공중합체인 경우, 이는 하기 화학식 J-D의 반복 단위와 같은 반복 단위(RPEEK)외의, 그리고 그와는 상이한 반복 단위(R* PEEK)로 제조될 수 있다:
[화학식 J-D]
[상기 식에서,
R'는 각 위치에서, 할로겐, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
j'는 각각의 R'에 대해, 독립적으로 0 또는 1 내지 4 범위의 정수임].
화학식 J-D에 따르면, 반복 단위(R* PEEK)의 각각의 방향족 사이클은 1 내지 4개의 라디칼 기 R'를 함유할 수 있다. j'가 0일 때, 상응하는 방향족 사이클은 임의의 라디칼 기 R'를 함유하지 않는다.
구현예에 따르면, R'는 상기 화학식 J-D의 각 위치에서, 하나 이상의 헤테로원자를 선택적으로 포함하는 C1-C12 모이어티; 설폰산 및 설포네이트 기; 포스폰산 및 포스포네이트 기; 아민 및 4차 암모늄 기로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택된다.
구현예에 따르면, j'는 각각의 R'에 대해 0이다. 즉, 이러한 구현예에 따르면, 반복 단위(R* PEEK)는 하기 화학식 J'-D에 따른다:
[화학식 J'-D]
본 개시의 또 다른 구현예에 따르면, 반복 단위(R* PEEK)는 하기 화학식 J"-D에 따른다:
[화학식 J"-D]
본 개시의 일 구현예에 따르면, PEEK에서 반복 단위의 90 mol.% 미만(중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 함), 80 mol.% 미만, 70 mol.% 미만, 60 mol.% 미만, 50 mol.% 미만, 40 mol.% 미만, 30 mol.% 미만, 20 mol.% 미만, 10 mol.% 미만, 5 mol.% 미만, 1 mol.% 미만 또는 그 모두는 화학식 J-D, J'-D, 및/또는 J"-D의 반복 단위(R* PEEK)이다.
구현예에 따르면, PEEK 중합체는 PEEK-PEDEK 공중합체이다. 본원에서 사용되는 PEEK-PEDEK 공중합체는 화학식 J-A, J'-A 및/또는 J"-A의 반복 단위(RPEEK) 및 화학식 J-D, J'-D 또는 J"-D의 반복 단위(R* PEEK)(본원에서 반복 단위(RPEDEK)로도 불림)를 포함하는 중합체를 나타낸다. PEEK-PEDEK 공중합체는 95/5 내지 5/95, 90/10 내지 10/90, 또는 85/15 내지 15/85 범위의 반복 단위의 상대 몰비율(RPEEK/RPEDEK)을 포함할 수 있다. 반복 단위 (RPEEK) 및 (RPEDEK)의 합은 예를 들어, PEEK 공중합체에서 반복 단위의 적어도 60 mol.%, 70 mol.%, 80 mol.%, 90 mol.%, 95 mol.%, 99 mol.%를 나타낸다. 반복 단위 (RPEEK) 및 (RPEDEK)의 합은 또한 PEEK 공중합체에서 반복 단위의 100 mol.%를 나타낼 수 있다.
PEEK는 Solvay Specialty Polymers USA, LLC로부터 KetaSpire® PEEK로서 상업적으로 입수 가능하다.
본 개시의 일 구현예에 따르면, PEEK 중합체는 55,000 내지 105,000 g/mol, 예를 들어, 65,000 내지 85,000 g/mol 범위의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다(폴리스티렌 표준물과 함께, 160℃에서 페놀 및 트리클로로벤젠(1:1)을 사용한 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 결정됨).
또 다른 구현예에서, PAEK는 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK)이다. 중합체 (P1) 및 (P2)와 관련하여 기재된 PEKK는 어셈블리의 2개의 성분을 접합하는 필름을 제조하는 데 사용된 것과는 별개일 수 있다. 특히, 이러한 PEKK 중합체는 상이한 T/I 비를 가질 수 있다. 중합체 (P1) 및 (P2)는 동일하거나 별개인 PEKK 그 자체, 예를 들어, 상이한 T/I 비를 갖는 PEKK일 수 있다.
더욱 정확하게는, 어셈블리의 제1 및 제2 성분의 중합체(들)로서 사용될 수 있는 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK)은 실제로 50 mol.% 초과의 화학식 J-B1 및 J-B2의 반복 단위를 포함하는 중합체를 나타내며, mol.%는 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 한다:
[화학식 J-B1]
[화학식 J-B2]
[상기 식에서,
R1 및 R2는 각각의 경우에, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민, 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
i 및 j는 각각의 경우에, 0 내지 4 범위의 독립적으로 선택된 정수임].
구현예에 따르면, R1 및 R2는 상기 화학식 J-B2 및 J-B1의 각 위치에서, 하나 이상의 헤테로원자를 선택적으로 포함하는 C1-C12 모이어티; 설폰산 및 설포네이트 기; 포스폰산 및 포스포네이트 기; 아민 및 4차 암모늄 기로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택된다.
또 다른 구현예에 따르면, i 및 j는 각각의 R1 및 R2 기에 대해 0이다. 이러한 구현예에 따르면, PEKK 중합체는 적어도 50 mol.%의 하기 화학식 J'-B1 및 J'-B2의 반복 단위를 포함하며, mol.%는 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 한다:
[화학식 J'-B1]
[화학식 J'-B2]
본 개시의 구현예에 따르면, PEEK에서 반복 단위의 적어도 55 mol.%, 적어도 60 mol.%, 적어도 70 mol.%, 적어도 80 mol.%, 적어도 90 mol.%, 적어도 95 mol.%, 적어도 99 mol.% 또는 그 모두는 화학식 J-B1 및 J-B2의 반복 단위이다.
특정 구현예에서, 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 55/45 내지 85/15, 바람직하게는 57/43 내지 80/20, 더욱 바람직하게는 58/42 내지 75/25 범위의, T/I 비로도 불리는, 반복 단위 (J-B1)/(J'-B1) 대 반복 단위 (J-B2)/(J'-B2)의 몰비로 상기 정의된 바와 같은 PEKK 중합체로부터 독립적으로 선택된다.
PEKK 중합체는 중합체에 존재하는 테레프탈로일(T) 대 이소프탈로일(I) 모이어티의 몰비인 T/I 비를 특징으로 하는 것으로 공지되어 있다.
다른 구현예에서, 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 제1 및 제2 PEKK 중합체를 포함하는 조성물로부터 독립적으로 선택될 수 있으며, 각각의 PEKK 중합체는 T/I 비를 특징으로 하며, 여기서 제1 PEKK 중합체의 T/I 비는 제2 PEKK 중합체, 특히 330℃ 이하의 용융 온도를 갖는 그러한 조성물의 T/I 비와 상이하다. 이러한 구현예의 양태에서, 제1 PEKK 중합체는 바람직하게는 a) 적어도 50/50, 바람직하게는 적어도 54/46, 더욱 바람직하게는 적어도 56/44, 가장 바람직하게는 적어도 57/43의 T/I 비 및/또는 b) 최대 64/36, 바람직하게는 최대 63/37, 더욱 바람직하게는 최대 62/38의 T/I 비를 갖는다. 제2 PEKK 중합체는 바람직하게는 a) 적어도 65/35, 바람직하게는 적어도 66/34, 더욱 바람직하게는 적어도 67/33의 T/I 비, 및/또는 b) 최대 85/15, 바람직하게는 최대 83/17, 더욱 바람직하게는 최대 82/18의 T/I를 갖는다.
PEKK는 특히 Solvay Specialty Polymers USA, LLC로부터 NovaSpire® PEKK로서, 또는 Cypek® FC 및 Cypek® DS로서 상업적으로 입수 가능하다.
일 구현예에서, 중합체(들) (P1) 및/또는 (P2)는 친핵성 PEKK, 즉, 루이스 산의 부재 하에 단량체의 중축합에 의해 생산된 PEKK이며, 여기서 단량체는 디-하이드록시 및 디-플루오로 벤조일-함유 방향족 화합물 및/또는 하이드록실-플루오로 벤조일-함유 방향족 화합물을 갖는다.
대안적인 구현예에서, 중합체 PEKK는 친전자성 PEKK이다.
또 다른 구현예에서, PAEK는 폴리(에테르 케톤)(PEK)이다. 본원에서 사용되는 표현 "폴리(에테르 케톤)" 및 "중합체(PEK)"는 반복 단위(RPEK)의 50 mol.% 초과가 하기 화학식 K'-C의 반복 단위인 임의의 중합체를 나타낸다:
[화학식 K'-C]
mol.%는 PEK에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 한다.
이러한 구현예에 따르면, PEK 중합체는 반복 단위(RPEK)의 적어도 60 mol.%, 적어도 70 mol.%, 적어도 80 mol.%, 적어도 mol.%, 적어도 95 mol.%, 적어도 99 mol.%, 또는 심지어 실질적으로 그 모두가 반복 단위(K'-C)이도록 한 것일 수 있다. 바람직한 PEK 중합체는 실질적으로 모든 반복 단위가 화학식 K'-C의 단위인 것들이며, 이는 말단-기, 결함 및 소량의 불순물이 존재할 수 있는 것으로 이해된다.
일부 구현예에서, 중합체(PAEK)는 폴리(에테르 디페닐 에테르 케톤)(PEDEK)이다. 본원에서 사용되는 표현 "폴리(에테르 디페닐 에테르 케톤)" 또는 "중합체(PEDEK)"는 반복 단위(RK)의 50 mol.% 초과가 하기 화학식 K'-D의 반복 단위인 임의의 중합체를 나타낸다:
[화학식 K'-D]
mol.%는 PEDEK에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 한다.
이러한 구현예에 따르면, 적어도 60 mol.%, 적어도 70 mol.%, 적어도 80 mol.%, 적어도 mol.%, 적어도 95 mol.%, 적어도 99 mol.%의, 또는 심지어 실질적으로 모든 반복 단위(RK)는 상기 상세히 기재된 바와 같은 반복 단위(K'-D)이다. 바람직한 PEDEK 중합체는 실질적으로 모든 반복 단위가 화학식 K'-D의 단위인 것들이며, 이는 말단-기, 결함 및 소량의 불순물이 존재할 수 있는 것으로 이해된다.
일부 구현예에서, 어셈블리의 제1 성분은 중합체 (P1)뿐만 아니라 충전제를 포함할 수 있다. 상기 충전제는 섬유질 충전제 또는 비-섬유질 충전제를 포함할 수 있다. 상기 충전제는 섬유질 충전제 및 비-섬유질 충전제 둘 모두를 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 어셈블리의 제2 성분은 중합체 (P2)뿐만 아니라 충전제를 포함할 수 있다. 상기 충전제는 섬유질 충전제, 또는 비-섬유질 충전제를 포함할 수 있다. 상기 충전제는 섬유질 충전제 및 비-섬유질 충전제 둘 모두를 포함할 수 있다.
바람직한 구현예에 따르면, 어셈블리의 제1 및 제2 성분 둘 모두는 동일하거나 상이할 수 있는 적어도 하나의 충전제를 포함한다. 이러한 구현예에 따르면, 제1 성분과 제2 성분 사이에 위치한 필름은 자체적으로 충전제를 포함할 수 있고, 이는 어셈블리의 제1 또는 제2 성분에 사용되는 충전제와 동일하거나 상이할 수 있다. 대안적으로, 제1 성분과 제2 성분 사이에 위치한 필름은 바람직하게는 충전제를 포함하지 않는다(또는 필름의 총 중량을 기준으로 1 중량% 미만, 0.5 중량% 미만, 또는 심지어 0.1 중량% 미만의 양으로 충전제를 포함한다).
적합한 섬유질 충전제는 예를 들어, 탄소 섬유, 그래파이트 섬유, 유리 섬유, 예컨대, E 유리 섬유, 세라믹 섬유, 예컨대, 실리콘 카바이드 섬유, 합성 중합체 섬유, 예컨대, 방향족 폴리아미드 섬유, 폴리이미드 섬유, 고-모듈러스 폴리에틸렌(PE) 섬유, 폴리에스테르 섬유 및 폴리벤족사졸 섬유, 예컨대, 폴리-p-페닐렌-벤조비스옥사졸(PBO) 섬유, 아라미드 섬유, 붕소 섬유, 현무암 섬유, 석영 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 및 이들의 혼합물을 포함한다. 섬유는 연속적이거나 불연속적일 수 있고, 정렬되거나 무작위로 배향될 수 있다.
일부 구현예에서, 섬유는 적어도 하나의 탄소 섬유를 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "탄소 섬유"는 흑연화, 부분 흑연화, 및 비흑연화 탄소 보강 섬유뿐만 아니라 이들의 혼합물을 포함하기 위한 것이다. 탄소 섬유는 예를 들어, 레이온, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 방향족 폴리아미드 또는 페놀 수지와 같은 상이한 중합체 전구체의 열처리 및 열분해에 의해 수득될 수 있으며; 탄소 섬유는 또한 피치 물질(pitchy material)로부터 수득될 수 있다. 용어 "그래파이트 섬유"는 탄소 섬유의 고온 열분해(2000℃ 초과)에 의해 수득된 탄소 섬유를 나타내기 위한 것이며, 여기서 탄소 원자는 그래파이트 구조와 유사한 방식으로 배치된다. 탄소 섬유는 바람직하게는 PAN-기반 탄소 섬유, 피치 기반 탄소 섬유(pitch based carbon fibers), 그래파이트 섬유, 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된다.
일부 구현예에서, 섬유는 적어도 하나의 유리 섬유를 포함한다. 유리 섬유는 원형 단면 또는 비원형 단면(예컨대, 타원형 또는 직사각형 단면)을 가질 수 있다. 사용된 유리 섬유는 원형 단면을 가질 때 바람직하게는 3 내지 30 ㎛의 평균 유리 섬유 직경을 가지며, 특히 바람직한 평균 유리 섬유 직경은 5 내지 12 ㎛이다. 원형 단면을 갖는 상이한 유형의 유리 섬유는 이를 이루는 유리의 유형에 따라 시중에서 입수 가능하다. E- 또는 S-유리로부터 제조된 유리 섬유가 특히 언급될 수 있다. 일부 구현예에서, 유리 섬유는 비-원형 단면을 갖는 표준 E-유리 물질이다. 일부 구현예에서, 어셈블리의 제1 및 제2 성분은 원형 단면을 갖는 S 유리 섬유를 포함한다.
구현예에서, 본 발명의 어셈블리의 제1 및 제2 성분은 연속 섬유를 포함한다. 본원에서 언급되는 바와 같이, "연속 섬유"는 3 mm 이상, 더욱 통상적으로 10 mm 이상의 길이 및 500 이상, 더욱 통상적으로 5000 이상의 종횡비를 갖는 섬유를 지칭한다.
본 발명의 구현예에서, 제1 성분은 하나 이상의 층을 포함하는, 라미네이트로도 불리는 복합 물질이며, 이들 층은 예를 들어 중합체 (P1) 및 섬유를 포함한다. 중합체 (P1)은 예를 들어, 섬유 상에 함침, 코팅 또는 라미네이팅될 수 있다.
본 발명의 추가 구현예에서, 제2 성분은 하나 이상의 층을 포함하는, 라미네이트로도 불리는 복합 물질이며, 이들 층은 예를 들어 섬유 및 중합체 (P2)를 포함한다. 중합체 (P2)는 예를 들어, 섬유 상에 함침, 코팅 또는 라미네이팅될 수 있다.
본 발명의 제2 목적은 상기 기재된 바와 같은 필름을 사용하여 어셈블리를 제조하는 방법이다. 상기 방법은
a) 중합체 (P1)을 포함하는 제1 성분과 중합체 (P2)를 포함하는 제2 성분 사이에 필름을 배치하는 단계; 및
b) 필름을 온도(Tm x)에 노출시키는 단계를 포함하며, 여기서:
[수학식 1]
[수학식 2]
[수학식 3]
[수학식 4]
여기서, Tm은 필름의 용융 온도(℃)이다.
즉, 온도(Tm x)는 필름을 용융시키기에 적합한 가공 온도이다. 온도(Tm x)는 필름의 용융 온도(Tm)와 동일하고, 바람직하게는 그보다 높다.
온도(Tm x)는 330℃ 미만, 바람직하게는 320℃ 미만, 더욱 바람직하게는 310℃ 미만일 수 있다. 온도(Tm x)는 270℃ 초과, 예를 들어, 275℃ 초과일 수 있다. 온도(Tm x)는 274℃ 내지 328℃의 범위, 예를 들어, 278℃ 내지 315℃의 범위일 수 있다.
일부 구현예에 따르면, 온도(Tm x)는 중합체 (P1)의 용융 온도(Tm1)보다 더 낮고/낮거나 중합체 (P2)의 용융 온도(Tm2)보다 더 낮다:
[수학식 5]
[수학식 6]
여기서, Tm1 및 Tm2는 각각 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)의 용융 온도이다.
유리하게는, 온도(Tm x)는 중합체 (P1)(Tm1) 및 중합체 (P2)(Tm2)의 용융 온도 둘 모두보다 더 낮다.
일부 구현예에 따르면:
[수학식 7]
[수학식 8]
[수학식 9]
[수학식 10]
일부 바람직한 구현예에서, 필름 및 어셈블리의 제1 및 제2 성분이 온도(Tm x)에 노출되는 동안, 방법은 어셈블리를 압밀시키기 위해 어셈블리에 압력을 가하는 단계를 추가로 포함한다. 다시 말해서, 방법은 바람직하게는 단계 b)와 동시에, 제1 및 제2 성분에 압력을 가하는 단계, 및 필름을 온도(Tm x)에 노출시키는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 어셈블리의 제어된 냉각으로 구성되는 단계 c)를 추가로 포함한다. 이러한 추가 단계는 필름에 결정도를 구축하는 데 유리하다. 어셈블리에서 필름은 바람직하게는 냉각 후 적어도 3%, 바람직하게는 적어도 5%, 더욱 바람직하게는 적어도 15%, 특히 적어도 20%의 결정도를 나타내며, 결정도는 하기 실시예에 기재된 바와 같이 측정된다.
본 발명의 제3 양태는 다양한 최종 용도 용품에 사용될 부품 또는 물품을 제조하기 위한 본원에 기재된 어셈블리의 용도에 관한 것이다. 항공우주 및 자동차 산업에서의 적용이 언급될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 어셈블리를 포함하거나 이로 구성되는 부품 및 물품은 브래킷, 클립, 스티프너 및 다른 유사한 유형의 부품을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 이후 비제한적인 실시예에 의해 하기 섹션에서 더 상세히 예시될 것이다.
본원에 참조로 포함되는 임의의 특허, 특허 출원, 및 간행물의 개시가 용어를 불명확하게 할 수 있는 정도로 본 출원의 설명과 충돌하는 경우, 본 설명이 우선한다.
실시예
사용된 원료
1,2-디클로로벤젠, 테레프탈로일 클로라이드, 이소프탈로일 클로라이드, 3,5-디클로로벤조일클로라이드, 알루미늄 클로라이드(AlCl 3 ), 메탄올을 Sigma Aldrich로부터 구입하였다.
1,4-비스(4-페녹시벤조일)벤젠을 IN 특허 제193687호(1999년 6월 21일에 출원되고 본원에 참조로 포함됨)에 따라 제조하였다.
디페닐 설폰(중합체 등급)을 Proviron으로부터 입수하였다(99.8% 순도).
소듐 카보네이트, 경질 소다회를 프랑스의 Solvay S.A.로부터 입수하고, 사용 전에 건조시켰다. 이의 입자 크기는 이의 d90이 130 ㎛이도록 하는 것이었다.
d90 < 45 ㎛의 포타슘 카보네이트를 Armand 제품으로부터 입수하고, 사용 전에 건조시켰다.
리튬 클로라이드(무수 분말)를 Acros로부터 입수하였다.
NaH 2 PO 4 ·2H 2 O 및 Na 2 HPO 4 를 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다.
1,4-비스(4'-플루오로벤조일)벤젠(1,4-DFDK) 및 1,3 비스(4'-플루오로벤조일)벤젠(1,3-DFDK)을 Gilb 등의 미국 특허 제5,300,693호(1992년 11월 25일에 출원되고 그 전문이 본원에 참조로 포함됨)의 실시예 1에 따라 플루오로벤젠의 Friedel-Crafts 아실화에 의해 제조하였다. 1,4-DFDK의 일부를 미국 특허 제5,300,693호에 기재된 바와 같이 클로로벤젠에서의 재결정화에 의해 정제하였고, 1,4-DFDK의 일부를 DMSO/에탄올에서의 재결정화에 의해 정제하였다. DMSO/에탄올에서 재결정화에 의해 정제된 1,4-DFDK를 하기 기재된 PEKK를 제조하기 위한 중합 반응에서 1,4-DFDK로서 사용하는 한편, 클로로벤젠에서 재결정화된 1,4-DFDK를 1,4-비스(4'-하이드록시벤조일)벤젠(1,4-BHBB)에 대한 전구체로서 사용하였다.
1,4-BHBB 및 1,3-비스(4'-하이드록시벤조일)벤젠(1,3-BHBB)을 Hackenbruch 등의 미국 특허 제5,250,738호(1992년 2월 24일에 출원되고 그 전문이 본원에 참조로 포함됨)의 실시예 1에 기재된 절차에 따라 각각 1,4-DFDK 및 1,3-DFDK의 가수분해에 의해 제조하였다. 이들을 DMF/에탄올에서 재결정화에 의해 정제하였다.
붕소 니트라이드: 3M Corporation으로부터 상업적으로 입수 가능한 육방정계 붕소 니트라이드 등급인 Boronid® S1-SF
유리 전이 온도(Tg), 용융 온도(T
m
), 결정화 온도(Tc) 및 융해열(ΔH
f
)의 결정
유리 전이 온도(Tg), 용융 온도(Tm), 결정화 온도(Tc) 및 융해열(ΔHf)을 10℃/분의 가열 및 냉각 속도를 사용하여, ASTM D3418에 따라 시차 주사 열량계(DSC)에 의해 결정하였다.
Tg(중간점, 반-높이 방법(half-height method) 사용), 융해열 ΔHf 및 Tm(용융 흡열의 피크 온도)을 2차 열 스캔에서 결정하였다. Tc를 제1 냉각 스캔에서 결정화 발열의 피크 온도로서 결정하였다.
조성물의 용융은 220℃로부터 마지막 흡열 초과의 온도까지 그려진 선형 기준선 위의 면적으로 간주하였다. 접합된 구조(부품)에서 필름의 결정도를 평가할 때, 제1 열 스캔에서 융해열을 결정하였다.
절차의 세부사항은 다음과 같다: TA Instruments DSC Q20을 캐리어 가스로서의 질소(99.998% 순도, 50 mL/분)와 함께 사용하였다. 온도 및 열 흐름 보정을 인듐을 사용하여 수행하였다. 샘플 크기는 5 내지 7 mg이었다. 중량을 ±0.01 mg으로 기록하였다. 열 사이클은 다음과 같다:
- 제1 가열 사이클: 10.00℃/분으로 30.00℃로부터 400.00℃까지, 1분 동안 400.00℃에서 등온;
- 제1 냉각 사이클: 10.00℃/분으로 400.00℃로부터 30.00℃까지, 1분 동안 등온;
- 제2 가열 사이클: 10.00℃/분으로 30.00℃로부터 400.00℃까지, 1분 동안 400.00℃에서 등온.
용융 흐름 지수의 결정
용융 흐름 지수를 3.8 kg 중량과 함께 지시된 온도(물질의 융점에 따라 340 내지 380℃)에서 ASTM D1238에 따라 결정하였다. 얻은 값에 2.35를 곱하여 8.4 kg 중량에 대한 최종 MFI를 얻었다.
합성예
T/I = 71/29인 PEKK#1
교반기, N2 유입구 튜브, 반응 매질에 박힌 열전대를 갖는 Claisen 어댑터, 및 콘덴서 및 드라이 아이스 트랩을 갖는 Dean-Stark 트랩이 장착된 500 mL 4-구 반응 플라스크에 112.50 g의 디페닐 설폰(DPS), 23.054 g의 1,3-BHBB, 16.695 g의 1,4-BHBB 및 41.292 g의 1,4-DFDK를 도입하였다. 플라스크 내용물을 진공 하에 배기시킨 다음, 고순도 질소(10 ppm 미만의 O2 함유)로 충전하였다. 이어서, 반응 혼합물을 일정한 질소 퍼지(60 mL/분) 하에 두었다. 반응 혼합물을 270℃까지 서서히 가열하였다. 270℃에서, 13.725 g의 Na2CO3 및 0.078 g의 K2CO3을 분말 디스펜서를 통해 반응 혼합물에 60분에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 종료 시에, 반응 혼합물을 1℃/분으로 310℃까지 가열하였다. 310℃에서 2분 후, 반응기 상에서 질소 퍼지를 유지하면서 1.107 g의 1,4-DFDK를 반응 혼합물에 첨가하였다. 5분 후, 0.741 g의 리튬 클로라이드를 반응 혼합물에 첨가하였다. 10분 후, 또 다른 0.402 g의 1,4-DFDK를 반응기에 첨가하고, 반응 혼합물을 15분 동안 그 온도에서 유지하였다. 15 g의 디페닐 설폰의 또 다른 장입물을 반응 혼합물에 첨가하고, 이를 15분 동안 교반 하에 유지하였다.
이어서, 반응기 내용물을 반응기로부터 스테인리스강 팬 내에 붓고 냉각시켰다. 고형물을 파쇄하고, 2 mm 스크린을 통해 어트리션 밀(attrition mill)에서 분쇄하였다. 디페닐 설폰 및 염을 pH 1 내지 12에서 아세톤 및 물을 사용하여 혼합물로부터 추출하였다. 0.67 g의 NaH2PO4·2H2O 및 0.62 g의 Na2HPO4를 마지막 세척을 위해 1200 mL DI 수에 용해시켰다. 이후, 분말을 반응기로부터 제거하고, 진공 하에 120℃에서 12시간 동안 건조시켜 72 g의 황색 분말을 산출하였다.
PEKK#2 및 PEKK#3: 가변 T/I 및 상이한 용융 점도(MV)를 갖는 PEKK 중합체
실시예 1과 동일한 절차를 하기 표 1에 나타낸 시약의 양으로 진행하였다.
[표 1]
[표 2]
실시예 4의 PEKK 조성물의 용액 블렌딩을 위한 일반적인 절차
교반기, N2 유입구 튜브, 반응 매질에 박힌 열전대를 갖는 Claisen 어댑터, 및 응축기가 장착된 500 mL 4-구 반응 플라스크에 235.00 g의 디페닐 설폰(DPS)뿐만 아니라 조핵제로서 붕소 니트라이드를 도입하였다(표 3). 플라스크 내용물을 330℃까지 서서히 가열하였다. 330℃에서, 100 g의 PEKK 중합체 분말 #3을 플렉스 튜브를 통해 용융된 DPS 내에 서서히 첨가하였다. 첨가의 종료 시에, 교반 속도를 증가시켜 우수한 혼합을 제공하고, 혼합물을 330℃에서 추가로 1시간 동안 유지하였다.
이어서, 반응기 내용물을 반응기로부터 스테인리스강 팬 내에 붓고 냉각시켰다. 고형물을 파쇄하고, 2 mm 스크린을 통해 어트리션 밀에서 분쇄하였다. 디페닐 설폰을 아세톤 및 물을 사용하여 혼합물로부터 추출하였다. 0.67 g의 NaH2PO4·2H2O 및 0.62 g의 Na2HPO4를 마지막 세척을 위해 1200 mL DI 수에 용해시켰다. 이후, 분말을 반응기로부터 제거하고, 진공 하에 120℃에서 12시간 동안 건조시켜 90 내지 95 g의 황색 분말을 산출하였다.
[표 3]
열적 특성
상기 수집된 데이터에 의해 제시된 바와 같이, (본 발명에 따른) 실시예 4의 PEKK 조성물은 실시예 1 내지 3(조핵제 없음)의 PEKK 조성물과 비교하여 개선된 결정화 및 결정도를 나타낸다.
실시예 4의 PEKK 조성물의 측정된 융해 엔탈피 ΔHf는 하기 수학식 1에 따라 계산된 바와 같이 최소 ΔHf보다 높으며, 이는 실시예 4의 PEKK 조성물이 하기 수학식을 충족함을 의미한다:
[수학식 1]
[상기 식에서,
- Tm은 ℃ 단위의 융점이며,
- ΔHf는 J/g 단위임].
따라서, 본 발명에 따른 실시예 4의 PEKK 조성물은 하기 특성 세트를 나타내며:
● 융점 Tm ≤ 310℃;
● 융해열 ΔHf > 5 J/g; 및
● 수학식 1을 충족하는 ΔHf,
이는 라미네이트 구조에 사용될 필름으로 가공하기에 아주 적합하다.
비교예에 관한 한:
- T/I 비가 71/29인 PEEK#1은 310℃ 초과의 너무 높은 Tm을 나타내고, 수학식 1을 충족하지 않으며;
- T/I 비가 58/42인 PEKK#2는, 수학식 1에서 계산된 바와 같이 이의 측정된 융해열 ΔHf가 최소 융해열 ΔHf와 동일하기 때문에, 수학식 1을 충족하지 못하며;
- T/I 비가 본 발명의 범위(50:50 내지 56:44) 내인 PEKK#3은 비정질(Tm 없음)이므로, 유체에 의해 공격당하기 쉽고 이에 의해 구조의 조기 파손을 야기하기 때문에 구조적 적용에 사용하기에 적합하지 않다.
Claims (43)
- - 중합체 (P1)을 포함하는 제1 성분,
- 중합체 (P2)를 포함하는 제2 성분 및
- 제1 성분과 제2 성분 사이에 위치하고 이들에 접합된 필름
을 포함하는 어셈블리로서,
필름은
a) 적어도 하나의 폴리(에테르 케톤 케톤)(PEKK) 중합체, 및
b) 적어도 하나의 조핵제를 포함하거나 이로 제조되며,
PEKK 중합체는 적어도 50 mol.%의 하기 화학식 M 및 P의 반복 단위를 포함하며, mol.%는 중합체에서 총 몰 수를 기준으로 하며,
반복 단위(P) 대 반복 단위(M)의 몰비는 50:50 내지 56:44인, 어셈블리:
[화학식 P]
[화학식 M]
[상기 식에서,
- R1 및 R2는 각각의 경우에, 알킬, 알케닐, 알키닐, 아릴, 에테르, 티오에테르, 카복실산, 에스테르, 아미드, 이미드, 알칼리 또는 알칼리 토금속 설포네이트, 알킬 설포네이트, 알칼리 또는 알칼리 토금속 포스포네이트, 알킬 포스포네이트, 아민, 및 4차 암모늄으로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며;
- i 및 j는 각각의 경우에, 0 내지 4 범위의 독립적으로 선택된 정수임]. - 제1항에 있어서, i 및 j는 각각의 R1 및 R2 기에 대해 0인, 어셈블리.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, PEKK 중합체는 적어도 90 mol.%의 화학식 M 및 P의 반복 단위를 포함하는, 어셈블리.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, PEKK 중합체는 적어도 95 mol.%의 화학식 M 및 P의 반복 단위를 포함하는, 어셈블리.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, PEKK 중합체는 적어도 99 mol.%의 화학식 M 및 P의 반복 단위를 포함하는, 어셈블리.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, PEKK의 실질적으로 모든 반복 단위는 화학식 M 및 P의 반복 단위인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 반복 단위(P) 대 반복 단위(M)의 또는 반복 단위(P') 대 반복 단위(M')의 몰비는 51:49 내지 55:45인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 반복 단위(P) 대 반복 단위(M)의 또는 반복 단위(P') 대 반복 단위(M')의 몰비는 54:46 내지 53:47인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체는 ASTM D3418에 따라 DSC에 의해 측정한 경우 270 내지 310℃, 바람직하게는 280 내지 305℃ 범위의 용융 온도 Tm을 나타내는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체는 하기 특성 세트를 준수하는, 어셈블리:
● 융점 Tm ≤ 310℃; 및
● 융해열 ΔHf > 5 J/g; 및
● ΔHf > 1.69 × Tm - 480 (수학식 1)
[여기서,
● Tm은 ℃ 단위의 PEKK 용융 온도이며,
● ΔHf는 J/g 단위임]. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체의 융해열 ΔHf는 적어도 5.0 J/g인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체의 융해열 ΔHf는 적어도 6.0 J/g인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체의 융해열 ΔHf는 적어도 7.0 J/g인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 필름은 붕소-함유 화합물, 알칼리 토금속 카보네이트, 옥사이드, 실리케이트, 알칼리 토금속의 염, 니트라이드 및 탄소-기반 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 조핵제를 포함하는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 조핵제는 붕소 니트라이드인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체는 루이스 산의 부재 하에 또는 단량체의 총 중량을 기준으로 2 중량% 미만, 바람직하게는 1 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 0.5 중량% 미만의 양의 루이스 산의 존재 하에 용매 중에서 제조되도록 한 것인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체는 일반적으로 100 ppm 초과, 바람직하게는 200 ppm 초과, 훨씬 더 바람직하게는 300 ppm 초과의 양의 불소를 함유하는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체는 일반적으로 100 ppm 초과, 바람직하게는 200 ppm 초과, 훨씬 더 바람직하게는 300 ppm 초과의 양의 중합체-결합된 불소를 함유하는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체에는 알루미늄이 실질적으로 존재하지 않는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체에서 Al의 양이 50 ppm 미만, 바람직하게는 25 ppm 미만, 더욱 바람직하게는 10 ppm 미만인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, PEKK 중합체는 10℃/분의 가열 속도를 사용하여 질소 하에서 30℃로부터 800℃까지 가열하면서, ASTM D3850에 따른 열중량 분석에 의해 측정한 경우, 적어도 500℃, 바람직하게는 적어도 505℃, 더욱 바람직하게는 적어도 510℃의 Td(1%)를 나타내는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 필름은 15 내지 800 ㎛, 25 내지 600 ㎛, 바람직하게는 30 내지 500 ㎛, 더욱 바람직하게는 40 내지 300 ㎛, 가장 바람직하게는 50 내지 250 ㎛ 범위의 두께를 갖는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 필름은 단층 필름인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK), 폴리(에테르이미드)(PEI), 폴리(아미드 이미드)(PAI), 폴리(아릴 에테르 설폰) 5PAES), 폴리(아릴렌 설파이드)(PAS), 폴리(프탈아미드)(PPA), 폴리아미드(PA), 폴리카보네이트(PC), 액정 중합체(LCP), 폴리(방향족 에스테르)(PAE) 및 이들의 블렌드로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 폴리(아릴 에테르 케톤)(PAEK), 폴리(에테르이미드)(PEI), 폴리(아미드 이미드)(PAI), 폴리(아릴 에테르 설폰)(PAES), 폴리(아릴렌 설파이드)(PAS), 폴리(프탈아미드)(PPA), 및 이들의 블렌드로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 (P1) 및/또는 중합체 (P2)는 PEEK 및 PEKK로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 (P1) 및/또는 중합체 (P2)는 PEEK 및 PEKK로 구성되는 군으로부터 독립적으로 선택되며,
PEEK는 적어도 10 mol.%의 반복 단위가 하기 화학식 J-A"의 반복 단위(RPEEK)인 것을 포함하는 임의의 중합체를 나타내며:
[화학식 J"-A]
mol.%는 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 하며,
PEEK는 적어도 50 mol.%의 하기 화학식 J'-B1 및 J'-B2의 반복 단위를 포함하는 임의의 중합체를 나타내며, mol.%는 중합체에서 반복 단위의 총 몰 수를 기준으로 하는, 어셈블리:
[화학식 J'-B1]
[화학식 J'-B2]
. - 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)는 55/45 내지 85/15, 바람직하게는 57/43 내지 80/20, 더욱 바람직하게는 58/42 내지 75/25 범위의 T/I 비를 갖는 PEKK 중합체 및 이들의 혼합물로부터 독립적으로 선택되는, 어셈블리.
- 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
- 제1 성분은 섬유 및 중합체 (P1)을 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 복합 물질이고/이거나,
- 제2 성분은 섬유 및 중합체 (P2)를 포함하는 하나 이상의 층을 포함하는 복합 물질이고/이거나,
- 필름은 적어도 하나의 스크림, 부직포 또는 경량 직물을 포함하는, 어셈블리. - 제31항에 있어서, 섬유는 탄소 섬유 또는 유리 섬유, 바람직하게는 연속 탄소 섬유 또는 유리 섬유인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 조핵제(들)의 비율이 PEKK 중합체의 중량에 대해 2.0 중량% 미만, 심지어 1.5 중량% 미만인, 어셈블리.
- 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항의 어셈블리를 제조하는 방법으로서,
- 중합체 (P1)을 포함하는 제1 성분과 중합체 (P2)를 포함하는 제2 성분 사이에 필름을 배열하는 단계; 및
- 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)를 용융시키지는 않지만 필름을 용융시키기에는 적합한 온도(Tm x)에 필름을 노출시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제34항 또는 제35항에 있어서, 온도(Tm x)는 필름의 용융 온도보다 더 크고, 바람직하게는 중합체 (P1) 및 중합체 (P2)의 용융 온도보다 더 낮은, 방법.
- 제34항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 온도(Tm x)는 280℃ 내지 315℃에서 변하는, 방법.
- 제34항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 필름을 상기 온도(Tm x)에 노출시키는 동안, 압력을 가하여 성분을 압밀(consolidate)시키는, 방법.
- 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항의 어셈블리를 포함하는, 바람직하게는 브래킷, 클립 및 스티프너로 구성되는 군으로부터 선택되는, 부품 또는 물품.
- 항공우주 또는 자동차 산업용 부품 또는 물품을 제조하는 물품 또는 부품을 제조하기 위한, 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항의 어셈블리의 용도.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 PEKK 중합체 및 적어도 하나의 조핵제, 바람직하게는 붕소 니트라이드를 포함하는 조성물.
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