JP4476363B2 - 高1,2―含有量熱可塑性エラストマー/油/ポリオレフィン組成物 - Google Patents
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Description
加工能およびその他機械的ならびに化学的特性を強化改善するために、オレフィンポリマーを熱可塑性エラストマー組成物に導入することはよく知られている。例えば、高融点オレフィンポリマー、例えばポリプロピレンは組成物の高使用温度およびオゾン耐性を改善する。更に、また、パラフィン油は単独で、またはオレフィンポリマーと組み合わせて、熱可塑性エラストマー組成物を柔軟にし、そして加工能を改善するために、使用することも知られている。しかしながら、油の量を増加させることは、限られた手段であって、なぜなら、高い油量では、油の流動が起こって、表面粘着性が生じる結果となる。
しかしながら、多くの用途において、より大きな柔軟性が望まれている。
本発明の目的は、より大きな柔軟性を有する熱可塑性エラストマー組成物を提供するにある。
本発明の更に別の目的は、油の量の増加なしに、低い硬度と改善されたメルトフローを有する熱可塑性エラストマー組成物を提供することにある。
今や、驚くべきことに、知られている熱可塑性エラストマー組成物に関して、より大きな柔軟性、低硬度、改善されたメルトフローおよび/またはその他の利点を有する、熱可塑性エラストマー組成物が見出された。それゆえに、本発明は、
(i)それぞれ少なくとも20,000の分子量を有する重合モノビニル芳香族末端ブロック、少なくとも二個とブタジエンの少なくとも51モル%が1,2−位で重合している水素化重合ブタジエンの中間ブロック一個を有し、少なくとも130,000の分子量を有するブロック共重合体15〜60重量%と、
(ii)パラフィン油5〜80重量%と、
(iii)少なくとも50%の結晶化度を有する結晶性ポリオレフィン5〜25重量%と、
を含む基礎(ベース)組成物を含む熱可塑性エラストマー組成物に関する。
驚くべきことに、ゴム/油/ポリオレフィン組成物において高1,2−付加(ハイビニル)熱可塑性エラストマーを用いることにより、1,2−付加が通常の18〜50モル%の範囲であるエラストマーを用いる類似の組成物と比較して、より大きな柔軟性をもたらすことが見出された。更にまた、これら新規組成物は、例えば圧縮セットにより測定された、改善された加工能およびよりよい弾力特性を有している。
熱可塑性エラストマー
熱可塑性エラストマーとは、重合モノビニル芳香族化合物で形成され、従ってガラス状の(樹脂状の)芳香族セグメントを与える末端ブロックA少なくとも二個と、および少なくとも主に重合化1,3−ブタジエンモノマーで形成され、従って非晶質エラストマーセグメントを与える中間ブロックB一個とを有するブロック共重合体を意味する。共重合体は鎖状A−B−A、放射状(A−B)nX、またはこれらの混合体であり得る。いくらかのA−Bジブロックポリマーが存在し得るが、好ましくはブロック共重合体の少なくとも70重量%はA−B−Aまたは放射状(あるいは別に分枝していて、それにより一分子当り二個以上の末端(樹脂性)Aブロックを有している)であり、それで強度を与えている。一般的に、ブロック共重合体の80〜100重量%は一分子当り二個以上の末端樹脂性ブロックを有しており、実質的にジブロックを有しないことが好ましい。上記した放射状の式で、nは少なくとも3である整数であり、一般的に3〜50、より一般的には6〜13であり、そしてXはカップリング剤の残余を示す。
A−B−A組成物は逐次重合またはカップリングにより形成することができる。逐次重合技術において、まずモノビニル芳香族モノマーを導入して、芳香族ブロックを生成し、次いでブタジエンモノマーを導入して、ゴム状中間ブロックを生成し、次いでモノビニル芳香族化合物を追加して、他方の末端芳香族ブロックを生成する。これは、広く、米国特許第3,231,635号に開示されている。このような重合体および放射状集合体の生成については広く、米国特許第5,194,530号に開示されている。有機アルカリ金属重合開始剤を用いる熱可塑性エラストマーのアニオン重合を広く開示する特許は米国特許第4,764,572号である。
ブタジエンの1,2−付加に重合を進める技術は公知である。これは、広範には有機極性化合物、例えば、環状エーテル、ポリエーテルおよびチオエーテルを包含するエーテル、あるいは二級および三級アミンを含むアミンの使用により達成することができる。好ましくは、キレートエーテルおよびアミンである。キレートエーテルとは、複数の酸素を有するエーテル、例えば式R(OR’)m(OR”)。ORであり、式中、Rは、それぞれ、一〜八個、好ましくは二〜三個の炭素原子を有するアルキル基から選択され、R’およびR”はそれぞれ、一〜六個、好ましくは二〜三個の炭素原子を有するアルキレン基から選択され、mおよびoはそれぞれ1〜3、好ましくは1〜2の整数から選択される。mまたはoの一つはゼロであり得る。好ましくはエーテルの例は、ジエトキシプロパン、1,2−ジオキシエタン(ジオキソ)および1,2−ジメトキシエタン(グリム)を含む。他の好適な物質はCH3−OCH2−CH2−OCH2−CH2−OCH3(ジグリム)およびCH3−CH2−OCH2−CH2−OCH2−CH2−OCH2−CH3を含む。キレートアミンは、複数の窒素を有するアミン、例えばN,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミンを意味する。モノアミンは使用可能ではあるが、好ましくはない。また余り好ましくはない(しかし使用可能ではある)ものは、鎖状および環状モノエーテル、例えばジメチルエーテル、ジエチルエーテル、アニソール、およびテトラヒドロフランである。
微細構造促進剤は、有機アルカリ金属重合開始剤、例えば有機リチウム重合開始剤1モル当り少なくとも0.1モル、好ましくは1〜50モル、より好ましくは2〜25モル使用する。また、濃度は、溶媒およびモノマーの総重量に基づいて、重量による百万分の1部(ppm)で表すことができる。この基準に基づくと、10ppm〜約1重量%、好ましくは100ppm〜2000ppmが使用される。しかしながらこの値は、ある種の好ましい重合促進剤の極少量が非常に有効であるので、広範囲に変動させることができる。別の極端な場合、特に効果の劣る重合促進剤の場合は、重合促進剤それ自体が溶媒でありうる。再度、これらの技術は当分野ではよく知られており、例えば、米国特許第3,686,366号、同第3,700,748号および同第5,194,535号に開示されている。
その結果得られる本発明において有用なポリマーに対する1,2−ビニル含量は、少なくとも51モル%、好ましくは多くとも90モル%、より好ましくは少なくとも56モル%、なおより好ましくは65−90モル%、最も好ましくは65−80モル%である。
実際に本発明で使用される熱可塑性エラストマーは水素化されているので、それゆえビニル不飽和はほとんどあるいは全く残っていない。それにもかかわらず、高1,2付加ポリマー(高ビニル前駆物質からの)である。水素化物でも一般に「高ビニル」と称するのは、その起源に基づいている。
本発明の組成物中で利用される熱可塑性エラストマーは選択的に水素化されているので、1,2−位で重合しなかったモノマーからの高分子主鎖中のほとんどのビニル不飽和およびエチレン性不飽和は除かれている。選択的水素化は、大部分の芳香族不飽和に影響を与えず、脂肪族不飽和を著しく除去することを意味する。この反応を実施するための適当な知られている触媒は、還元剤、例えばアルキルアルミニウムとの組み合わせるニッケル化合物を含む。水素化は米国特許第3,634,549号、同第3,670,054号、同第3,700,633号および再発行特許明細書第27,145号に教示されている。
各芳香族末端ブロックは、少なくとも20,000の分子量を有していなければならない。好ましくは、末端ブロックは、20,000〜50,000、より好ましくは25,000〜40,000、最も好ましくは25,000〜37,000の範囲内の分子量を有する。
本発明で利用される熱可塑性エラストマーは、一般の熱可塑性エラストマーに比べて比較的高い総分子量を有している。分子量は少なくとも130,000である。鎖状A−B−Aポリマーについては、分子量は一般的に150,000〜300,000の範囲内である。実際、上限は粘度を考慮して定まり、そして耐え得るだけ高く、また加工し得るだけ高くすることができる。鎖状A−B−Aポリマーの最も好ましい分子量は180,000〜250,000である。放射状ポリマーは総分子量に対して低粘度を有しているので、分子量をさらに大きくすることができる。それゆえ、放射状ポリマーに対して、分子量は一般的に130,000〜1,000,000、好ましくは130,000〜500,000の範囲内である。
ブロック共重合体の総モノビニル芳香族含量は、一般的に、ブロック共重合体の総重量を基にして20〜48重量%、好ましくは22〜45、より好ましくは25〜35重量%の範囲内である。上限は、物質が樹脂化に対抗して弾力性を有するように耐えることができる最大限に設定される。約50重量%およびそれ以上で物質は樹脂化する。20重量%未満では、熱可塑性エラストマー組成物中の油保持力は高油含量においてはある程度低くなる(最初からまたは加齢と共に)。
本発明で利用されるブロック共重合体は水素化されて上記したように脂肪族不飽和が除かれているため、S−EB−Sポリマーとして見ることができる。ここで、Sはモノビニル芳香族、一般的にはスチレン、末端ブロックである。EBは重合1,3−ブタジエンの水素化から得られる構造であるエチレン/ブタジエンを表す。
油
油はエラストマーブロック共重合体のエラストマー中間ブロックセグメントと相溶性であり、いかなる程度にも芳香族末端ブロック部分に入り込むことのないものである。それゆえ、油はパラフィン系であると見ることができる。パラフィン系油は、エラストマー組成物中に使用されうるが、分解することなくエラストマー組成物の他の成分と共に溶融処理され得るものでなければならない。特に重要なことは、最終組成物が溶融押出し成形されうることである。例示的なパラフィン系油は、Pennzoil Co., Pennreco Divisionから商品名DRAKEOL 34として得られる白色の鉱油である。DRAKEOL 34は、15.6℃(60°F)で比重0.864〜0.878、引火点237.8℃(460°F)、および37.8℃(100°F)で粘度0.8〜0.9cm2/秒(370−420 SUS)を有する。
ポリオレフィン
本発明で利用されるポリオレフィンは結晶性ポリオレフィンである。即ち、結晶化度が少なくとも50%(即ち、少なくとも50重量%が結晶である)を有するポリオレフィンである。ポリオレフィンの結晶化度は、示差走査熱量測定により得られる溶融の熱損失(エネルギー/質量×デルタ温度)に関するデータおよびポリオレフィンの知られている単結晶(即ち100%結晶化度)についての融解熱(エネルギー/デルタ温度)の基準値を用いて計算することができる。最も好ましいのは、結晶化度80〜90%を有する高密度ポリエチレン、および結晶性ポリプロピレンである。結晶性ポリプロピレンはそれが有する改善された高温性の故に多くの用途に最も適している。その他の好適なポリオレフィンはポリブテン、エチレン/高級α-オレフィン共重合体、プロピレン共重合体およびブチレン共重合体、または上記したポリオレフィンのいずれかの混合物を含む。最も好ましいのは、射出成形級結晶性ポリプロピレン、例えばポリプロピレン5A15ホモポリマー(メルトフローレート5g/10分、Shell Chemical Co.製)である。
配合
本発明の熱可塑性エラストマー組成物は、エラストマーのブロック共重合体、パラフィン系油および結晶性ポリオレフィンからつくられた炭化水素成分を含むと考えられる。この炭化水素成分に他の成分、例えばエラストマー組成物中に典型的に見出される成分を加えることができる。
顔料、香料、安定剤、難燃剤、界面活性剤、ワックス、流動促進剤、溶剤、および組成物の加工性およびペレットの取り扱い性を増強するために加えられる物質を含む組成物の必須のエラストマーの性質に影響しない他の成分が存在してもよい。組成物はまた、炭化水素成分の重量を基にして5〜40重量%の充填剤、例えば硬質無機ミネラル充填剤を含むことができる。
安定剤は、通常の安定剤または安定化システムでありえ、しばしば、単に抗酸化剤、例えばヒンダードフェノールを単独またはチオシネルギスト(thiosynergist、イオウ共力剤)と組合わせて使用する。特に好ましいものはIRGANOX 1010(R)を単独またはDLTDPなどのチオ相乗剤と組み合わせたものである。IRGANOX 1010(R)テトラキス[メチレン(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシヒドロシンナメート)]メタンである。DLTDPはチオジプロピオン酸ジラウリルである。適当な安定剤は米国特許5,149,741および同4,835,200に示されている。より揮発性の物質、例えば2,6−ジ−t−ブチルフェノールは、その揮発性ゆえに余り好ましくない。
安定剤は一般的に、基礎組成物の重量を基にして0.01〜4、好ましくは0.5〜1重量%の範囲内の量で存在する。
本発明の組成物は、
(A)
(i)エラストマーブロック共重合体と、
(ii)油と、
(iii)結晶性ポリオレフィンと
を含む組成物と、
(B)その他の成分と
に基づいて案出される。
基礎組成物は、水素化高1,2−エラストマーブロック共重合体15〜60重量%、前記パラフィン系油5〜80重量%、好ましくは25〜60重量%、より好ましくは35〜60重量%、および結晶性ポリオレフィン5〜25重量%、好ましくは5〜20重量%、より好ましくは5〜15重量%、最も好ましくは10〜15重量%を含む。基礎組成物はブロック共重合体を55重量%まで、より好ましくは50重量%まで、さらに好ましくは45重量%まで含むのが好ましい。好ましくは、基礎組成物は、ブロック共重合体を少なくとも25重量%含む。全てのパーセンテイジは基礎組成物、即ちブロック共重合体、油およびポリオレフィンの総重量を基にしている。
成分は、好ましくは、ブロック共重合体を油に接触させることにより、そして共重合体に油が吸収されるに充分な時間をとることにより、配合される。一般的に、共重合体は、乾燥したような外観で油が吸収される。その後、油/ブロック共重合体組成物をポリオレフィンおよび抗酸化剤と共にタンブルブレンダ中でドライブレンドし、その後、この混合物を溶融押出し成形する。
別の態様によると、本発明は熱可塑性エラストマー組成物の製造法に関し、この方法は、
それぞれ少なくとも20,000の分子量を有する重合モノビニル芳香族末端ブロック、少なくとも二個とブタジエンの少なくとも51モル%が1、2−位で重合している水素化重合ブタジエンの中間ブロック一個を有し、少なくとも130,000の分子量を有する、ブロック共重合体をパラフィン系油と配合する段階と、
前記ブロック共重合体が前記パラフィン系油を吸収して、油含有ブロック共重合体組成物を与えるに充分な時間おく段階と;
前記油含有ブロック共重合体組成物を結晶性ポリオレフィンとタンブルブレンドして、ブロック共重合体/油/ポリオレフィン混合物を得る段階と;
該混合物を溶融押出し成形する段階とを含み、ここで、前記ブロック共重合体、油およびポリオレフィンの総重量を基にして、該ブロック共重合体は15〜60重量%の範囲内の量で存在し、該油は5〜80重量%の範囲内の量で存在し、そして該結晶性ポリオレフィンは5〜25重量%の範囲内の量で存在する。
熱可塑性エラストマー組成物は、例えば、硬質基板、グリップ、医療用チューブのような医療用品およびその他のゴム製品などへのオーバーモールディングなどの用途に使用できる。
それゆえに、更なる態様によれば、本発明は上記したような熱可塑性エラストマー組成物を含有する物品に関する。
定義
本明細書で使用される「引張り強さ」あるいは「TS」とは、伸長されたエラストマー材料の伸びに対する耐性を意味し、ASTM D−412に従って、試験用型片から切り出した幅0.318cm(0.125インチ)および厚さ0.203cm(0.080インチ)のダンベル形試料を用いて測定したものである。引張試験は、クロスヘッド速度25.4cm/分(10インチ/分)でINSTRON(商標)1123型万能材料試験機で行われる。
本明細書で使用される「伸び」あるいは「Eb」とは、上記したASTM D−412に従って測定された、弾性体材料が破壊するまでの伸長百分率を意味する。機械的伸び測定器が、より正確な伸長を得るために試験中使用された。伸び測定器の間隙距離は2.54cm(1インチ)である。
本明細書で使用される「圧縮永久歪」または「CS」とは、ASTM−D−395、方法A、型Iにより測定された値を意味する。直径2.54cm(1インチ)のディスクを押出し成形片から切り取る。これらのディスクを高さ約1.27cm(0.5インチ)に積み重ね、二つの平らなクロームプレート間で圧縮する。圧縮の程度は、標準金属スペーサーを用いて制御される。積層したディスクは、室温または70℃で22時間圧縮下におき、30分間回復させた後、最終的な厚さを測定する。
本明細書で使用される「硬度」とは、ショアーA硬度スケールで10秒間抵抗の後のASTM−D2240に従って測定された値を意味する。硬度の値は、10.16cm(4インチ)×12.7cm(5インチ)の射出成形片の異なった位置で5回測定した平均である。
本明細書で使用されるメルトフローインデックス(「MFI」)とは、230℃、ピストン負荷2.16kg(旧条件L)で、ASTM−D1238、方法Aにより測定された溶融粘度の指標である。方法は死重ピストンプラストメータを用いる。
本明細書で使用される「分子量」は以下を意味する。鎖状ブロック共重合体の分子量は、系を適宜較正したゲル濾過クロマトグラフィ(GPC)により簡便に測定される。既知の分子量のポリマーを較正に使用し、これらは、測定される未知の鎖状ポリマーまたはセグメントと同じ分子構造および化学組成でなければならない。陰イオン重合した鎖状ポリマーについて、ポリマーは実質的に単分散しており、狭い分子量分布で観察された「ピーク」分子量を報告するのに簡便で充分説明できるものである。従って、以上が本明細書で言及される鎖状ポリマーの意味するものである。同様に、本明細書で言及される芳香族樹脂状Aブロックの分子量も意味するものである。ポリスチレンが較正に使われるので、ポリスチレン末端ブロックの絶対分子量を直接得られる。このことおよび既知のスチレンのパーセントから、中間ブロックの絶対分子量が計算される。即ち、重合化の第一段階の後にアリコートを取り、重合を停止して、重合開始剤を不活化し、分子量を測定する。
最終的に結合した星形ポリマーの真の分子量の測定は、GPCを用いて行う場合ほど簡単で容易なことではない。それは、星形の分子は、較正に使われる鎖状状ポリマーと同様には充填GPCカラムを通して分離、溶出されないからである。そのため、UVあるいは屈折率検出器に達した時間は分子量のよい指標とはならない。星形ポリマーに使われる良好な解析手段は、光散乱技術により重量平均分子量を測定することである。試料を溶媒100ml当たり試料1.0g未満の濃度で適当な溶媒に溶解し、注射器および孔径0.5ミクロン未満の多孔性膜フィルターで濾過して、直接光散乱セルに入れる。光散乱測定は、標準的な方法を用いて、散乱角とポリマー濃度の関数として行われる。試料の示差屈折率(DRI)を光散乱に使用したものと同じ波長、同じ溶媒で測定する。従って、最終的な星形または放射状のポリマーについての分子量は、この方法で測定された分子量を意味する。しかしながら、星形ポリマーについても、末端ブロックは、鎖状ポリマーについて記載したと同様にアリコートをとり、GPCを用いて測定することができる。
実施例I
以下の実施例では、二つのポリマーが用いられた。第一の、「A」とするポリマーは、下記のように製造された高ビニル熱可塑性エラストマーである。常法により二級ブチルリチウム重合開始剤を使用し、スチレン、次いで1,3−ブタジエン、次にスチレンが逐次導入し、A−B−Aポリマーを製造した。ここで各セグメントの分子量は25,000−145,000−37,000であった。ポリスチレン含量は30重量%であった。ブタジエンセグメントの重合は50℃で行い、溶媒およびグリムモノマーの重量を基にして300ppmのシクロヘキサン溶媒を使用して、高1,2−付加を行った。得られたポリマーは75.2モル%の1,2−付加を有していた。常法によりニッケル/アルミニウム水素化触媒を用いてポリマーを水素化し、S−EB−S構造を得た。
ポリマーBは、グリムを使用せずに代わりに、溶媒およびモノマーの重量に基づいて、6重量%のジエチルエーテルを使って、同様な方法により、逐次重合したポリマーである。そのため、1,2−付加は通常の38.0モル%であった。得られたA−B−Aポリマーの分子量は29,000−123,000−29,000であった。ポリスチレン含量は32重量%であった。このポリマーをポリマーAと同様に水素化した。
慣用のポリマーBのアリコート三個および高ビニルポリマーAのアリコート四個を以下の表に示す種々の量の油およびポリオレフィンと別々に配合した。配合は、油とブロック共重合体を接触させ、8時間ブロック共重合体に油を吸収させることによって行った。その後、組成物をポリオレフィンと共に15分間、ねり混ぜ、225℃で押出し成形した。この押出し成形品から、引張り試験用試料および圧縮永久歪試験用試料を成形し、メルトフローを測定した。結果を以下に示す。
ラン1と2を比較して判るように、比較対照ラン2と比べて本発明のラン1では有意に低い硬度(より大きな柔軟さ)が得られた。更に判るように、これは良好な圧縮永久歪(49.6対56.5)、低い数字で示される良好な弾力性、即ち永久的な変形が少ないことが達成されたことでもある。最後に、メルトフローインデックスの比較では、これら全ての有益な結果が、メルトフローにおける損失ではなく改善として得られていることが示された。
同様に、比較的低油比の本発明のラン3および4と比較対照のラン5との比較では、同様の低い硬度(良好な柔軟性)および圧縮永久歪およびメルトフローにおける同様の改善が示される。
本発明のラン6と比較対照ラン7の比較では、使用した条件におけるメルトフロー試験は粘性組成物を有意に区別はできなかったが、更に改善された柔軟性(低硬度)、改善された(低)圧縮永久歪および少し改善されたメルトフロー、が示される。
実施例II
表IIに記載したような別の異なった高ビニルブロック共重合体を用いて、実施例Iを繰り返した。
実施例Iに述べられたように、コンパウンドをポリマーから製造した。コンパウンド(ブレンド)の組成および試験結果は表IIIに示した。
本発明のラン8、11、14、15、16、17で対照のラン5に比較して、低硬度(より大きな柔軟性)が得られたことが判る。同時に良好な圧縮永久歪およびメルトフローにおける損失ではなく改善が得られた。表IIIでは、本発明のラン9および12は充填剤を含むコンパウンドの結果を示し、表IIIにおいて本発明のラン10および13はポリプロピレンを大量に含有するコンパウンドでの結果を示している。
本発明を、説明のために詳細に記載したが、本発明はそれによって限定的に解釈されるべきではなく、本発明の精神および範囲内での全ての変更および修飾を包含することを意図するものである。
Claims (2)
- 熱可塑性エラストマー組成物であって:
(i)それぞれ、少なくとも20,000の分子量を有する重合モノビニル芳香族末端ブロックを、少なくとも二個と、ブタジエンの少なくとも51モル%が1,2−位で重合している水素化重合ブタジエンの中間ブロック一個を有し、少なくとも130,000の分子量を有しているブロック共重合体15〜60重量%と、
(ii)パラフィン系油5〜80重量%と、
(iii)少なくとも50%の結晶化度を有する結晶性ポリオレフィン5〜25重量%と、
を含むベース組成物を含有する熱可塑性エラストマー組成物。 - 請求の範囲第1項に記載の熱可塑性エラストマー組成物を含有する物品。
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