JP4795685B2 - 過酸化物硬化性フルオロエラストマー - Google Patents

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Description

本発明は、フッ化ビニリデン又はテトラフルオロエチレンと、少なくとも1種の他のフッ化主モノマーと、一般式、CH=CH−(CFI(式中、nは2〜8の整数である)を有する硬化部位モノマーとの共重合単位を含む過酸化物硬化性フルオロエラストマーに関し、前記フルオロエラストマーは、鎖末端にヨウ素原子を有する。
優れた耐熱性、耐油性、および、耐薬品性を有するフルオロエラストマーは、シーリング材、容器、およびホースに広く使用されてきた。フルオロエラストマーの例には、フッ化ビニリデン(VF)の単位、および、少なくとも1種の他の共重合可能なフッ素含有主モノマー(例えば、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、フッ化ビニル(VF)、およびパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)などのフルオロビニルエーテル)の単位を含むコポリマーが挙げられる。PAVEの具体例には、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)、およびパーフルオロ(プロピルビニルエーテル)が挙げられる。フルオロエラストマーの他の例には、テトラフルオロエチレンと、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)などのパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)とのコポリマーが挙げられる。
ほとんどの最終用途に必要な物理的特性を発現させるため、フルオロエラストマーは架橋されなければならない。多くの最終用途に好ましい硬化系は、有機過酸化物と多官能性不飽和架橋助剤との組合せである。架橋助剤は、フルオロエラストマーポリマー鎖の硬化部位と反応することによって架橋を形成する。好ましい硬化部位は、フルオロエラストマー鎖の炭素原子に結合しているヨウ素原子である。
フルオロエラストマー中にヨウ素含有硬化部位を使用する際の主な課題は、十分な耐熱性と、許容可能な加工性およびレオロジーとのバランスをとることである。鎖1本当り最少でも平均2.5個のヨウ素原子を有するポリマーを合成することによって、十分な耐熱性が付与される。鎖1本当りヨウ素原子が平均2.5個未満では、熱老化中に架橋部位が破壊されるため、網目構造の強度に寄与せず、硬化した物品の引張強度を弱める過剰量の交絡ポリマー鎖が生じることになる(非特許文献1)。
ヨウ素硬化部位をフルオロエラストマーに導入する方法の1つは、ヨウ素を含有する連鎖移動剤の存在下で重合を実施することである。この方式では、ヨウ素原子は、得られるフルオロエラストマーポリマー鎖に末端部分の一方又は両方で結合する。このような連鎖移動剤は、典型的には、式RI(式中、Rは、C〜C炭化水素、C〜Cフルオロ炭化水素若しくはクロロフルオロ炭化水素、又はC〜Cパーフルオロ炭化水素であってもよく、nは1又は2である)を有する(米国特許公報(特許文献1))。しかし、フルオロエラストマー重合にヨウ素含有連鎖移動剤を単独で使用すると、必然的に、鎖1本当り2個未満のヨウ素原子を含有するポリマー鎖が生じる。従って、このプロセスを使用して製造されるフルオロエラストマーは、多くの用途に対して耐熱性が不十分である。
この問題を解決するため、多量のヨウ素含有連鎖移動剤を、2つのオレフィン部分を含有するモノマーと一緒に使用する(米国特許公報(特許文献2))。ジオレフィン含有モノマーを使用すると、重合中に2本の短いポリマー鎖が架橋され、少なくとも平均2.5個のヨウ素原子を含有する1本のより大きい鎖が生じる。しかし、得られるポリマーは分岐状であり、不良なレオロジーおよび流動特性を示す場合がある。
ヨウ素原子硬化部位をフルオロエラストマーポリマー鎖上に導入する別の一般的な方法は、少量のヨウ素含有フルオロオレフィン又はフルオロビニルエーテル硬化部位モノマーを、主モノマー(例えば、VF、HFP、TFE、PAVEなど)と共に共重合することである。この方式では、硬化部位は、得られるフルオロエラストマーポリマー鎖に沿ってランダムに分布する場合がある(米国特許公報(特許文献3)、米国特許公報(特許文献4))。しかし、このような方法で導入される各ヨウ素含有硬化部位モノマーは、それ自体連鎖移動剤の役割をする。重合中、これらの部位は分岐点の役割をする。得られるフルオロエラストマーは、高度に分岐しており、許容できないほど不良なレオロジーを示す場合がある。多くの場合、得られるフルオロエラストマーは、不溶性ゲルになる程度に分岐する(特許文献5)。このようなポリマーは、圧縮永久歪などの優れた物理的特性を示すが、流動挙動が不良であるため実用されず、そのようなゲル含有量により、高温引裂強度および成形品の取出しが不良である。
更に、ヨウ素硬化部位は、フルオロエラストマーポリマー鎖に沿って、及び末端部分との両方で、前記方法の組合せにより導入されてもよいが((特許文献5)および米国特許公報(特許文献6))、全分子量が小さくなるにも関わらず、同様に高分岐ポリマーが得られる場合がある。特に、そのようなフルオロエラストマーの分子量は小さすぎて、圧縮成形中に捕捉された空気を除去できない場合があるか、又は、金型の汚れ、引張強度の不良、若しくは圧縮永久歪の不良に繋がる場合がある。
アーセラ(Arcella)ら米国特許公報(特許文献7)は、ヨウ素が短鎖の炭化水素鎖に結合している硬化部位を使用することによって、この問題に対処しようと試みている。この場合、硬化部位モノマーは、重合中、活性な連鎖移動剤の役割をしない。しかし、硬化中、−CHCHI部位の反応性は、−CFCFI部位の反応性より低く、硬化時間が長くなる。更に、重合中、−CHCHI基が存在すると非常に速度が遅くなり、所望の重合速度を維持するために過剰量の重合開始剤が必要になる。
従って、高分子量で、低分岐又は分岐がなく、適切な耐熱性を付与するのに十分なヨウ素硬化部位を含有するポリマーを提供することは、依然として、フルオロエラストマーの分野における全般的な課題である。
フルオロエラストマーの分野における二次的な問題は、式、CH=CH−(CFI(n=2〜10)のモノマーを硬化部位として使用することである。これらのモノマーは、(非特許文献2)に記載のように容易に調製され、従って、硬化部位モノマーとして重要である。しかし、(特許文献5)に記載のように、それらを連続重合プロセスで使用すると、高分岐生成物が得られ、それらをバッチ重合プロセスで使用すると、ポリマー主鎖に沿って不均一に分布し、その結果、物理的特性が不良になる。この部類の硬化部位モノマーをバッチプロセスで使用するときの別の問題は、それらが非常に速度を遅くし、重合時間が望ましくない長さまで延長されるということである。
米国特許第4,243,770号明細書 米国特許第5,585,449号明細書 米国特許第4,529,759号明細書 米国特許第4,694,045号明細書 EP−A−0171290号明細書 米国特許第5,717,036号明細書 米国特許第5,625,019号明細書 米国特許第4,320,216号明細書 フローリー、P.J.著、「ポリマー化学の原理」、432頁、コーネル大学出版、1952年(Flory,P.J.Principles of Polymer Chemistry,p432,Cornell University Press,1952) 有機化学誌、42、1985〜90頁(1977年)(J.Org.Chem.42,1985−90(1977)
一態様では、本発明は、優れた加工性を有し、硬化したフルオロエラストマーが優れた引張特性を有する過酸化物硬化性フルオロエラストマーを提供する。フルオロエラストマーは、
(A)フッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンからなる群から選択される第1のフルオロモノマーと、
(B)前記第1のフルオロモノマーとは異なる、少なくとも1種の第2のフルオロモノマーと、
(C)一般式、CH=CH−(CFI(式中、nは2〜8の整数である)を有する硬化部位モノマーをフルオロエラストマーの総重量を基準にして0.05〜4重量%と、
(D)フルオロエラストマーポリマー鎖の末端部分で結合しているヨウ素をフルオロエラストマーの総重量を基準にして0.01〜1重量%と、
の共重合単位を含む。
本発明の別の態様は、
(A)前記フルオロエラストマー、
(B)有機過酸化物、および
(C)架橋助剤
を含む、硬化性フルオロエラストマー組成物である。
本発明の別の態様は、
(A)界面活性剤を含む一定量の水溶液を反応器に仕込む工程、
(B)一定量の初期の主要なモノマー混合物を前記反応器に供給し、反応媒体を形成する工程であって、前記初期の主要なモノマー混合物が、i)フッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンからなる群から選択される第1のモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして10〜70重量%と、ii)前記第1のモノマーとは異なる、フッ素含有オレフィン、フッ素含有エーテル、およびその混合物からなる群から選択される1種以上の追加の共重合可能なモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして75〜30重量%と、を含む工程、
(C)前記反応媒体をpH1〜7、圧力0.5〜10MPa、温度25℃〜130℃に維持しながら、フリーラジカル開始剤の存在下で前記モノマーを重合させ、フルオロエラストマー分散体を形成する工程、および、
(D)主要なモノマー混合物の増加量を前記反応器に供給し、前記反応器内の圧力を一定に維持する工程であって、前記主要なモノマー混合物の増加が、i)フッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンからなる群から選択される第1のモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして20〜70重量%と、ii)前記第1のモノマーとは異なる、フッ素含有オレフィン、フッ素含有エーテル、およびその混合物からなる群から選択される1種以上の追加の共重合可能なモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして80〜30重量%と、を含み、前記主要なモノマー混合物の増加量の0%〜50%が前記反応器に供給される間のいずれかの時点で、一定量の連鎖移動剤を前記反応器に添加し始め、前記連鎖移動剤が、式、RIx(式中、Rは、3〜10個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル基であり、xは1又は2である)を有し、前記主要なモノマー混合物の増加量の10%〜90%が前記反応器に供給される間のいずれかの時点で、一定量の硬化部位モノマーを前記反応器に添加し始め、前記硬化部位モノマーが、一般式、CH=CH−(CFI(式中、nは、2〜8の整数である)を有する工程
を含む、前記フルオロエラストマーを製造するためのセミバッチ重合プロセスである。
本発明は、優れた加工性と引張特性を有する過酸化物硬化性フルオロエラストマーに関する。フルオロエラストマーは、たとえ付着又は金型の汚れがあっても極僅かであり、成形、および成形品の取出しが良好である。
本発明のフルオロエラストマーは、フッ化ビニリデン(VF)又はテトラフルオロエチレン(TFE)であってもよい第1の主要なモノマーと、前記第1のモノマーとは異なり、フッ素含有オレフィン、フッ素含有エーテル、およびその混合物からなる群から選択される1種以上の追加の主要なモノマーとの共重合単位を含む。好ましくは、フルオロエラストマーは、第1のモノマーをフルオロエラストマーの重量を基準にして20〜70重量%と、1種以上の追加の主要なモノマーを合計80〜30重量%と、を含有する。「主要なモノマー」は、硬化部位モノマー以外の、フルオロエラストマーポリマー鎖の主鎖を構成する共重合単位を形成するモノマーを意味する。
本発明によれば、第1のモノマーと共重合可能なフッ素含有オレフィンには、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、テトラフルオロエチレン(TFE)、1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(1−HPFP)、クロロトリフルオロエチレン(CTFE)、およびフッ化ビニルが挙げられるが、これらに限定されない。
本発明に使用されるフッ素含有エーテルには、パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、パーフルオロ(アルキルアルケニルエーテル)およびパーフルオロ(アルコキシアルケニルエーテル)が挙げられるが、これらに限定されない。
モノマーとして使用するのに好適なパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)には、次式のものが挙げられる。
CF2=CFO(Rf’O)(Rf”O) (I)
(式中、Rf’およびRf”は2〜6個の炭素原子を含む、異なる直鎖又は分岐鎖パーフルオロアルキレン基であり、mおよびnは、独立に0〜10であり、Rは1〜6個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル基である。)
好ましい部類のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)には、次式の組成物が挙げられる。
CF=CFO(CFCFXO) (II)
(式中、XはF又はCFであり、nは0〜5であり、Rは1〜6個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル基である。)
最も好ましい部類のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)には、nが0又は1であり、Rが1〜3の炭素原子を含むエーテルが挙げられる。このような過フッ素化エーテルの例には、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)およびパーフルオロ(プロピルビニルエーテル)(PPVE)が挙げられる。他の有用なモノマーには、次式の化合物が挙げられる。
CF2=CFO[(CFCFCFZO] (III)
(式中、Rは1〜6個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル基であり、m=0又は1、n=0〜5、およびZ=F又はCFである。)
この部類の好ましい要素は、RがC、m=0、およびn=1のものである。
追加のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)モノマーには、次式の化合物が挙げられる。
CF=CFO[(CFCF{CF}O)(CFCFCFO)(CF]C2x+1 (IV)
(式中、mおよびnは、独立に=0〜10、p=0〜3、およびx=1〜5である。)
この部類の好ましい要素には、n=0〜1、m=0〜1、およびx=1の化合物が挙げられる。
有用なパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)の他の例には、次式のものが挙げられる。
CF=CFOCFCF(CF)O(CFO)2n+1 (V)
(式中、n=1〜5、m=1〜3、および、好ましくは、n=1である。)
モノマーとして使用するのに好適なパーフルオロ(アルキルアルケニルエーテル)には、式VIのものが挙げられる。
O(CFCF=CF (VI)
(式中、Rは、1〜20個、好ましくは1〜10個、最も好ましくは1〜4個の炭素原子を含む過フッ素化直鎖又は分岐鎖脂肪族基であり、nは1〜4の整数である。)具体例には、パーフルオロ(プロポキシアリルエーテル)およびパーフルオロ(プロポキシブテニルエーテル)が挙げられるが、これらに限定されない。
パーフルオロ(アルコキシアルケニルエーテル)は、式VI中のRが脂肪族鎖中に少なくとも1つの酸素原子を含有するという点で、パーフルオロ(アルキルアルケニルエーテル)とは異なる。具体例には、パーフルオロ(メトキシエトキシアリルエーテル)が挙げられるが、これに限定されない。
フッ素含有エーテルの共重合単位が本発明のフルオロエラストマー中に存在する場合、エーテル単位の含有量は、フルオロエラストマーの総重量を基準にして、概ね25〜75重量%の範囲である。パーフルオロ(メチルビニル)エーテルを使用する場合、フルオロエラストマーは、好ましくは、30〜55重量%の共重合PMVE単位を含有する。
また、本発明のフルオロエラストマーは、一般式、CH=CH−(CFI(式中、nは2〜8の整数である)の硬化部位モノマーの共重合単位を含有してもよい。好ましくは、nは2であり、硬化部位モノマーは、4−ヨード−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1(ITFB)である。硬化部位モノマーの単位は、典型的には、フルオロエラストマー中に0.05〜4重量%、好ましくは0.1〜2重量%、最も好ましくは0.2〜1重量%の濃度で存在する。
更に、ヨウ素含有末端基は、フルオロエラストマーの調製中に連鎖移動剤又は分子量調整剤を使用する結果として、フルオロエラストマーポリマー鎖末端の一方又は両方に存在する。連鎖移動剤の量は、フルオロエラストマー中のヨウ素濃度(硬化部位モノマーからのヨウ素を含めない)が0.005〜2重量%、好ましくは0.05〜1重量%、最も好ましくは0.075〜0.5重量%の範囲になるように計算される。
連鎖移動剤は、式、RI(式中、Rは、3〜10個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル、又はクロロパーフルオロアルキル基であり、xは1又は2である)のものである。使用する連鎖移動剤は、実際は、後者の一般式を有する化合物の混合物であってよい。具体例には、1,3−ジヨードパーフルオロプロパン、1,4−ジヨードパーフルオロブタン、1,6−ジヨードパーフルオロへキサン、1,8−ジヨードパーフルオロクタン、1,10−ジヨードパーフルオロデカン、およびモノヨードパーフルオロブタンが挙げられるが、これらに限定されない。また、式、RBr(Rは前記の定義通りであり、nおよびmは、それぞれ1又は2である)のものなどの他の連鎖移動剤を使用してもよい。特に好ましいのは、二ヨウ素化(diiodinated)パーフルオロアルカン連鎖移動剤およびその混合物である。
本発明の好ましいフルオロエラストマーの具体例には、i)VFを30〜60重量%/TFEを15〜30重量%/HFPを25〜45重量%/ITFBを0.1〜0.4重量%および鎖末端にIを0.05〜0.40重量%、ii)VFを20〜65重量%/TFEを5〜30重量%/PMVEを30〜45重量%/ITFBを0.1〜0.4重量%および鎖末端にIを0.05〜0.40重量%、並びにiii)TFEを44〜60重量%/PMVEを39〜55重量%/ITFBを0.1〜0.4重量%および鎖末端にIを0.05〜0.40重量%、の共重合単位を含むフルオロエラストマーが挙げられる。
本発明のフルオロエラストマーは、数平均分子量(Mn)が最小でも70,000であり、たとえ分岐があっても極僅かである。分岐によって、ゲル、即ち、エラストマーゴムの高分子量で不溶性の部分が生じる。従って、ポリマー中の分岐の相対量は、溶解しているフルオロエラストマーを除いた残りの不溶状態の固体(即ち、ゲル)の(フルオロエラストマーの総重量を基準にした)重量%を測定することによって決定されてもよい。本発明のフッ化ビニリデン含有フルオロエラストマーに適切な溶媒は、メチルエチルケトンである。フルオリナート(Fluorinert)(商標)FC−77(3Mから入手可能)を本発明のTFE/PMVEフルオロエラストマーに使用してもよい。溶媒中のフルオロエラストマーの1重量%分散体を室温で一晩放置する。次いで、分散体を濾過又は遠心分離により分離し、固体は、秤量によって直接、又は、ろ液若しくは上澄み液中に溶解しているフルオロエラストマーの量を最初に決定することによって間接的に測定される(米国特許公報(特許文献8))。本発明のフルオロエラストマーは、5重量%未満のゲル、好ましくは2重量%未満のゲル、最も好ましくは1重量%未満のゲルを含有する。ゲル濃度がこのように低いため、本発明のフルオロエラストマーは優れた高温引裂強度を有し、金型からの取出しが容易である。
本発明のセミバッチ乳化重合プロセスでは、水溶液を収容する反応器に所望の組成の気体の主要なモノマー混合物(初期仕込み主要モノマー)を導入する。反応器は、典型的には、水溶液で完全には満たされないため、蒸気の空間が残る。水溶液は、パーフルオロクタン酸アンモニウム、ゾニール(Zonyl)(登録商標)FS−62(デュポンから入手可能)又はフォラファック(Forafac)(登録商標)1033D(アトフィナ(Atofina)から入手可能)などのフッ素系界面活性剤分散剤を含む。任意に、水溶液は、重合反応のpHを調整するため、リン酸緩衝剤又は酢酸緩衝剤などのpH緩衝剤を含有してもよい。緩衝剤の替わりに、NaOHなどの塩基を使用してpHを調整してもよい。pHは、概ね、製造されるフルオロエラストマーの種類に応じて、1〜7(好ましくは3〜7)に調整される。pH緩衝剤又は塩基を替わりに又は追加で、重合反応中の様々な時点で、単独で、又は重合開始剤、液体硬化部位モノマー、若しくは連鎖移動剤などの他の成分と組合せて反応器に添加してもよい。また任意に、初期水溶液は、水溶性無機過酸化物重合開始剤(例えば、過硫酸アンモニウム(若しくは、他の過硫酸塩)など)、又は無機過酸化物と還元剤の組合せ(例えば、過硫酸アンモニウムと亜硫酸ナトリウムの組合せなど)を含有してもよい。
初期仕込みモノマーは、一定量のTFE又はVFのいずれかの第1の主要なモノマー、および、第1のモノマーとは異なる1種以上の追加の主要なモノマーを含有する。初期仕込み中に含有される主要なモノマー混合物の量は、反応器内圧力が0.5〜10MPa(好ましくは0.5〜3.5MPa)になるように設定される。初期仕込み気体モノマーでは、各モノマーの相対量は、反応速度論によって規定され、所望の共重合モノマー単位比を有するフルオロエラストマーが得られるように設定される(即ち、非常に反応の遅いモノマーは、他のモノマーと比較して、製造されるフルオロエラストマーの組成物中に所望される量よりも多量に存在しなければならない)。
主要なモノマー混合物を水性媒体中に分散させ、この時点で、典型的には機械撹拌により反応混合物を撹拌しながら、連鎖移動剤を導入してもよい。或いは、主要なモノマー混合物の増加(下記に定義される)の総量の50%(好ましくは20%以前)が反応器に供給される時までのいずれかの時点で連鎖移動剤を導入してもよい。連鎖移動剤の全量を一度に添加しても、又は、主要なモノマー混合物の増加の100%が反応器に添加される時点までの時間にわたって、添加を行ってもよい。最も好ましくは、連鎖移動剤は、重合が開始する前に、又はその直後に反応器に導入され、連鎖移動剤の全量は、主要なモノマー混合物の増加の総量の5%が反応器に供給される時までに、反応器に供給される。
セミバッチ反応混合物の温度は、25℃〜130℃、好ましくは30℃〜90℃の範囲に維持される。開始剤が熱分解するか又は還元剤と反応し、得られるラジカルが分散しているモノマーと反応するとき、重合は開始する。
制御された温度で一定の反応器内圧力を維持するため、重合中、追加量の主要なモノマー(本明細書では、主要なモノマー混合物の増加の供給と称される)が、制御された速度で添加される。主要なモノマー混合物の増加の供給中に含有される主要なモノマーの相対比は、得られるフルオロエラストマー中における所望の共重合モノマー単位比とほぼ同じであるように設定される。従って、主要なモノマー混合物の増加の供給は、TFE又はVFのいずれかの第1のモノマーをモノマー混合物の総重量を基準にして20〜70重量%と、第1のモノマーとは異なる1種以上の追加の主要なモノマーを(合計)80〜30重量%と、を含有する。また任意に、重合のこの工程のいずれかの時点で追加の連鎖移動剤を反応器に添加し続けてもよい。追加のフッ素系界面活性剤および重合開始剤をこの工程中に、反応器に供給してもよい。形成されるポリマーの量は、主要なモノマー混合物の増加の供給の累積量にほぼ等しい。初期仕込み組成は、正確に、所望の最終フルオロエラストマーの組成に必要なものでなくてもよいため、又は、主要なモノマー混合物の増加の供給中のモノマーの一部は、反応することなく、既に形成されているポリマー粒子に溶解する場合があるため、主要なモノマー混合物の増加の供給中のモノマーのモル比は、得られるフルオロエラストマー中の所望の共重合モノマー単位組成物のモル比と、必ずしも正確に同じではないことを当業者は認識するであろう。
主要なモノマー混合物の増加の99%が供給される時までに硬化部位モノマーの全量が反応器に供給されるような速度で、主要なモノマー混合物の増加の総量の10%が反応器に仕込まれた後、主要なモノマー混合物の増加の90%が反応器に供給される前に、硬化部位モノマー流を反応器に供給し始める。好ましくは、主要なモノマー混合物の増加の25%が供給された後、最も好ましくは、主要なモノマー混合物の増加の33%が反応器に供給された後、反応器への硬化部位モノマー供給を開始する。
主要なモノマー混合物の増加の10%が供給される前に、硬化部位モノマーを反応器に導入し始めると、重合速度が非常に遅くなるか、又は完全に抑制される。主要なモノマー混合物の増加の90%が供給された後に、硬化部位モノマーを添加し始めると、得られるフルオロエラストマーの耐熱性が不良になり、成長するポリマー鎖に沿った硬化部位モノマーの組込みが不良になることを示している。驚くべきことに、主要なモノマー混合物の増加の総量の10%〜90%が反応器に供給される間のいずれかの時点で、硬化部位モノマー供給を開始すると、望ましいフルオロエラストマーが製造される場合がある。当業者には、望ましい特性を有するポリマーを得るため、反応の開始時から硬化部位モノマーを添加すべきであることが予測される。
このセミバッチ重合プロセスでは、典型的には、2〜30時間の範囲の総重合時間が使用される。
得られるフルオロエラストマー分散体を、フルオロエラストマー製造業で使用される慣用的な技術で単離、ろ過、洗浄、および乾燥してもよい。
本発明の過酸化物硬化性フルオロエラストマー組成物は、a)本発明のフルオロエラストマー(前記に定義される)、b)有機過酸化物、およびc)架橋助剤を含む。好ましくは、組成物は、また、2価金属水酸化物、2価金属酸化物、プロトンスポンジ(ProtonSponge)(登録商標)(アルドリッチ(Aldrich)から入手可能)などの強塩基性(即ち、pKa>10)有機アミン、又は後者のいずれかの組合せなどの酸受容体を含有する。2価金属酸化物および2価金属水酸化物の例には、CaO、Ca(OH)、およびMgOが挙げられる。
使用するのに好適な有機化酸化物には、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)−3,5,5−トリメチルシクロヘキサン、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)シクロヘキサン、2,2−ビス(t−ブチルパーオキシ)オクタン、n−ブチル−4,4−ビス(t−ブチルパーオキシ)バレレート、2,2−ビス(t−ブチルパーオキシ)ブタン、2,5−ジメチルへキサン−2,5−ジヒドロキシパーオキサイド、ジ−t−ブチルパーオキサイド、t−ブチルクミルパーオキサイド、ジクミルパーオキサイド、α,α’−ビス(t−ブチルパーオキシ−m−イソプロピル)ベンゼン、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン−3、ベンゾイルパーオキサイド、t−ブチルパーオキシベンゼン、2,5−ジメチル−2,5−ジ(ベンゾイルパーオキシ)−ヘキサン、t−ブチルパーオキシマレイン酸、およびt−ブチルパーオキシソプロピルカーボネートが挙げられるが、これらに限定されない。有機過酸化物の好ましい例には、2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキサン、ジクミルパーオキサイド、およびα,α’−ビス(t−ブチルパーオキシ−m−イソプロピル)ベンゼンが挙げられる。配合される量は、概ね、フルオロエラストマー100重量部当り、0.05〜5重量部の範囲、好ましくは0.1〜3重量部の範囲である。過酸化物が0.05重量部未満の量で存在する場合、加硫速度が不十分であり、離型性が不良になるため、この特定の範囲が選択される。他方、過酸化物が5重量部より多い量で存在する場合、硬化したポリマーの圧縮永久歪は、許容できないほど高くなる。更に、有機化酸化物を単独で、又は2種類以上の組合せで使用してもよい。
本発明の硬化性組成物中に使用される架橋助剤は、トリアリルシアヌレート、トリメタクリルイソシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、トリメタリルイソシアヌレート、トリアクリルホルマール、トリアリルトリメリテート、N,N’−m−フェニレンビスマレイミド、ジアリルフタレート、テトラアリルテレフタルアミド、トリ(ジアリルアミン)−s−トリアジン、トリアリルホスファイト、ビスオレフィン、およびN,N−ジアリルアクリルアミドなどの多官能性不飽和化合物である。配合される量は、概ね、フルオロエラストマー100重量部当り、0.1〜10重量部の範囲である。架橋助剤が0.1重量部未満の量で存在する場合、硬化したポリマーの架橋密度が許容不可能であるため、この特定の濃度範囲が選択される。他方、架橋助剤が10重量部を超える量で存在する場合、成形中に表面ブルームが現れ、離型特性が不良になる。架橋助剤の好ましい範囲は、フルオロエラストマー100重量部当り、0.2〜6重量部である。不飽和化合物を単独で、又は2種類以上の組合せとして使用してもよい。
任意に、他の構成成分、例えば、カーボンブラック、オースチンブラック(Austin black)、グラファイト、熱可塑性フルオロポリマーマイクロパウダー、シリカ、粘土、珪藻土、タルク、ウォラストナイト、炭酸カルシウム、珪酸カルシウム、フッ化カルシウム、および、硫酸バリウムなどのフィラー、高脂肪酸エステル、脂肪酸カルシウム塩、脂肪酸アミド(例えば、エルカミド)、低分子量ポリエチレン、シリコーン油、シリコーングリース、ステアリン酸、ステアリン酸ナトリウム、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸アルミニウム、およびステアリン酸亜鉛などの加工助剤、チタン白、および赤色酸化鉄などの着色剤を本発明の組成物中に配合添加剤として使用してもよい。このようなフィラーの量は、概ね、フルオロエラストマー100重量部当り0.1〜100重量部、好ましくは1〜60重量部の範囲である。フィラーが0.1重量部未満の量で存在する場合、ほとんど又は全く効果がなく、他方、100重量部より多く使用する場合、弾性が犠牲になるため、この範囲が選択される。配合される加工助剤の量は、概ね、フルオロエラストマー100重量部当り10重量部未満、好ましくは5重量部未満である。使用する量が制限を超える場合、耐熱性に悪影響がある。配合される着色剤の量は、概ね、フルオロエラストマー100重量部当り50重量部未満、好ましくは30重量部未満である。50重量部より多く使用する場合、圧縮永久歪が損われる。
フルオロエラストマー、有機過酸化物、架橋助剤、および他の任意の成分は、概ね、密閉式混合機又はゴム用ロールミルで本発明の硬化性組成物中に組込まれる。次いで、得られる組成物を付形し(例えば、成形又は押出成形し)、硬化させてもよい。硬化は、典型的には、約150℃〜200℃で1〜60分間行われる。好適な加熱および硬化手段を備える慣用的なゴム硬化プレス機、金型、および押出機などを使用できる。また、物理的特性および寸法安定性を最適にするため、後硬化操作を実施することが好ましく、後硬化操作では、成形物品又は押出成形物品は、オーブンなどの中で更に約1〜48時間、典型的には約180℃〜275℃で、通常、空気雰囲気中で加熱される。
本発明のフルオロエラストマーは、シール、ワイヤコーティング、管材料、およびラミネートを含む多くの工業用途に有用である。
(試験方法)
ムーニー粘度、ML(1+10)は、ASTM D1646に従い、L型(大型)ロータを用いて121℃で(別途記載がない場合)、1分の予備加熱時間、および10分のロータ運転時間を使用して決定した
固有粘度は30℃で測定した。フッ化ビニリデンの共重合単位を含有するフルオロエラストマー用の溶媒として、メチルエチルケトンを使用した(溶媒100ml中ポリマー0.1g)。テトラフルオロエチレンとパーフルオロ(メチルビニルエーテル)の共重合単位を含有するフルオロエラストマーに、ヘプタフルオロ−2,2,3−トリクロロブタン、パーフルオロ(α−ブチルテトラヒドロフラン)およびエチレングリコールジメチルエーテルの体積比60/40/3の混合溶媒を使用した(溶媒100ml中ポリマー0.2g)。
(引張特性)
次の物理的特性パラメータを記録した。試験方法を括弧内に記載する。
:引張強度、MPa単位(ISO37)
:破断点伸び、%単位(ISO37)
:ガラス転位温度は、示差走査熱量測定で10℃/分の加熱速度を使用して測定した。
硬さ(ショアA、ISO868)
次の実施例で本発明を更に説明するが、それらに限定されない。
(参考例1)
40リットルの反応器に、パーフルオロクタン酸アンモニウム290gおよび水24,710gを含有する溶液を仕込んだ。溶液を80℃に加熱した。微量酸素の除去後、フッ化ビニリデン(VF)52.7重量%、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)42.4重量%、およびテトラフルオロエチレン(TFE)4.9重量%の混合物732gを反応器に仕込み、反応器内圧力は1453kPaになった。次いで、1,4−ジヨードパーフルオロブタン49.3モル%、1,6−ジヨードパーフルオロへキサン34.8モル%、1,8−ジヨードパーフルオロクタン12.6モル%、および1,10−パーフルオロデカン3.3モル%の混合物32.0gを反応器に仕込み、反応器を60分間、撹拌した。次いで、過硫酸アンモニウム1重量%およびリン酸二ナトリウム5重量%を含有し、緩衝剤を添加した重合開始剤水溶液50mlを反応器に仕込んだ。重合反応中のモノマーの消費により反応器内圧力が低下したため、VF54.7重量%、PMVE34.8重量%、およびTFE10.5重量%の混合物(増分の供給)を反応器に供給した。追加の開始剤溶液を添加し、重合速度を維持した。添加する開始剤溶液合計77mlに相当する、後者のモノマー混合物4000gを供給した後、液体硬化部位モノマー4−ヨード−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1(ITFB)を、モノマー1000g当りITFB3.19gの供給量で反応器に導入した。開始剤溶液131mlおよびITFB13.3gに相当する、合計で主要なモノマー8170gの増加の供給を反応器に導入した後、モノマーおよび開始剤の供給を両方とも停止し、反応器を冷却した。得られる分散体は固体含有量25.2重量%、およびpH5.3であった。硫酸でpH3に酸性化し、カリウムミョウバン溶液で凝集させることにより、フルオロエラストマーを単離した。粒塊をろ過し、脱イオン水で洗浄し、乾燥させた。得られるフルオロエラストマー(ポリマー1)は固有粘度が0.99dl/g、121℃におけるML(1+10)が78であり、VFの共重合単位を53.6重量%、PMVEを33.3重量%、TFEを13.0重量%、およびIを0.18重量%含有した。サイズ排除クロマトグラフィーで決定された数平均分子量(Mn)は、185,600であった。
(実施例1)
フォラファック(Forafac)(登録商標)1033D界面活性剤溶液125.0g、およびリン酸二ナトリウム七水和物27.7gを脱イオン水24,847gに添加した。これを40リットルの反応器に仕込み、溶液を80℃に加熱した。微量酸素を反応器から除去した。次いで、テトラフルオロエチレン(TFE)28.1重量%およびパーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)71.9重量%の混合物2275gを反応器に仕込んだ。このため、反応器の圧力は2101kPaになった。次いで、1重量%過硫酸アンモニウム/5%リン酸二ナトリウム七水和物開始剤水溶液を40.0ml反応器に仕込み、重合を開始した。モノマーの消費により反応器内圧力が低下したため、TFE51.8重量%およびPMVE48.2重量%の混合物を反応器に供給し、反応器内圧力を2101kPaに維持した。このモノマー混合物90gを供給した後、1,4−ジヨードパーフルオロブタン49.3モル%、1,6−ジヨードパーフルオロへキサン34.8モル%、1,8−ジヨードパーフルオロクタン12.6モル%、および1,10−ジヨードパーフルオロデカン3.3モル%の混合物23.6gを反応器に仕込んだ。追加の開始剤溶液を添加して、重合速度を維持した。開始剤溶液3mlの添加に相当する、後者のモノマー混合物4170gを供給した後、4−ヨード−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1(ITFB)を、モノマー1000g当りITFB4.59gの供給量で反応器に導入した。合計112mlの開始剤溶液および19.1gのITFBに相当する、合計8333gの増加の主要なモノマーを供給した後、モノマーおよび開始剤の供給を停止し、反応器を冷却した。得られるラテックスは固体含有量22.8%、およびpH3.62であった。硫酸アルミニウム溶液で凝集させることにより、ラテックスを単離した。粒塊をろ過し、脱イオン水で4回洗浄し、乾燥させた。得られるフルオロエラストマー(ポリマー2)は固有粘度が0.31dl/g、149℃におけるML(1+10)が68であり、TFEを55.4重量%、PMVEを44.5重量%、およびIを0.22重量%含有した。フルオロエラストマーのガラス転位温度は2.9℃であった。
(実施例2)
ゾニール(Zonyl)(登録商標)FS−62界面活性剤溶液110.0g、および20%水酸化ナトリウム溶液16.3gを脱イオン水27,373.7gに添加した。これを40リットルの反応器に仕込み、溶液を80℃に加熱した。微量酸素を反応器から除去した。次いで、反応器に、フッ化ビニリデン25.0重量%、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)72.8重量%およびテトラフルオロエチレン2.2重量の混合物948gを仕込み、圧力は1618kPaになった。次いで、1重量%過硫酸アンモニウム開始剤水溶液90.0mlを反応器に仕込み、重合を開始した。モノマーの消費により反応器の圧力が低下したため、VF50.0重量%、HFP30.0重量%、およびTFE20.0重量%の混合物を反応器に供給し、反応器内圧力を1618kPaに維持した。モノマー90gを反応器に供給した後、1,4−ジヨードパーフルオロブタン49.3モル%、1,6−ジヨードパーフルオロへキサン34.8モル%、1,8−ジヨードパーフルオロクタン12.6モル%、および1,10−ジヨードパーフルオロデカン3.3モル%の混合物38.7gを反応器に仕込んだ。追加の開始剤溶液を添加して、重合速度を維持した。追加の開始剤溶液62mlの添加に相当する、後者のモノマー混合物4625gを供給した後、4−ヨード−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1(ITFB)を、モノマー1000g当りITFB3.20gの供給量で反応器に導入した。合計194mlの開始剤溶液および14.80gのITFBに相当する、合計9250gのモノマーを供給した後、モノマーおよび開始剤の供給を停止し、反応器を冷却した。得られるラテックスは固体含有量26.48%、およびpH2.68であった。硫酸アルミニウム溶液で凝集させることにより、ラテックスを単離した。粒塊をろ過し、脱イオン水で4回洗浄し、乾燥させた。得られるフルオロエラストマー(ポリマー3)は、固有粘度が0.43dl/g、121℃におけるML(1+10)が50であり、VFを49.8%、TFEを19.5重量%、HFPを30.5重量%、およびIを0.20重量%含有した。フルオロエラストマーのTgは−17℃であった。
(比較例A)
パーフルオロクタン酸アンモニウム界面活性剤溶液313.2gを脱イオン水24,686.6gに添加した。これを40リットルの反応器に仕込み、溶液を80℃に加熱した。微量酸素を反応器から除去した。次いで、1,4−ジヨードパーフルオロブタン49.3モル%、1,6−ジヨードパーフルオロへキサン34.8モル%、1,8−ジヨードパーフルオロクタン12.6モル%、および1,10−ジヨードパーフルオロデカン3.3モル%の混合物32.0gを反応器に仕込んだ。反応器を15分間撹拌した。次いで、VF43.0重量%、PMVE50.0重量%、およびTFE7.0重量%の混合物650gを反応器に仕込み、圧力は1280kPaになった。次いで、1重量%過硫酸アンモニウム/5重量%リン酸二ナトリウム七水和物開始剤水溶液を40.0ml反応器に仕込み、重合を開始した。モノマーの消費により反応器内圧力が低下したため、VF55.0重量%、PMVE35.0重量%、およびTFE10.0重量%の混合物を反応器に供給し、反応器内圧力を1280kPaに維持した。追加の開始剤溶液を添加して、重合速度を維持した。開始剤溶液合計101mlに相当する、合計8170gのモノマーを供給した後、モノマーおよび開始剤の供給を停止し、反応器を冷却した。得られるラテックスは、固体含有量26.17%、およびpH3.96であった。硫酸カリウムアルミニウム溶液で凝集させることにより、ラテックスを単離した。粒塊をろ過し、脱イオン水で4回洗浄し、乾燥させた。得られるフルオロエラストマー(対照ポリマーA)は固有粘度が0.83dl/g、121℃におけるML(1+10)が64であり、VFを54.0重量%、TFEを11.8重量%、HFPを34.1重量%、およびIを0.12重量%含有した。フルオロエラストマーのTgは−29℃であった。

Claims (7)

  1. (A)界面活性剤を含む一定量の水溶液を反応器に仕込む工程、
    (B)一定量の初期の主要なモノマー混合物を前記反応器に供給し、反応媒体を形成する工程であって、前記初期の主要なモノマー混合物が、i)フッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンからなる群から選択される第1のモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして25〜70重量%と、ii)前記第1のモノマーとは異なる、フッ素含有オレフィン、フッ素含有エーテル、およびその混合物からなる群から選択される1種以上の追加の共重合可能なモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして75〜30重量%と、を含む工程、
    (C)前記反応媒体をpH1〜7、圧力0.5〜10MPa、温度25℃〜130℃に維持しながら、フリーラジカル開始剤の存在下で前記モノマーを重合させ、フルオロエラストマー分散体を形成する工程、および、
    (D)主要なモノマー混合物の増加量を前記反応器に供給し、前記反応器内の圧力を一定に維持する工程であって、前記主要なモノマー混合物の増加は、i)フッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンからなる群から選択される第1のモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして20〜70重量%と、ii)前記第1のモノマーとは異なる、フッ素含有オレフィン、フッ素含有エーテル、およびその混合物からなる群から選択される1種以上の追加の共重合可能なモノマーを前記モノマー混合物の総重量を基準にして80〜30重量%と、を含み、前記主要なモノマー混合物の増加量の0%〜50%が前記反応器に供給される間のいずれかの時点で、一定量の連鎖移動剤を前記反応器に添加し始め、前記連鎖移動剤は、式、RIx(式中、Rは、3〜10個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル基であり、xは1又は2である)を有し、前記主要なモノマー混合物の増加量の10%〜90%が前記反応器に供給される間のいずれかの時点で、一定量の硬化部位モノマーを前記反応器に添加し始め、前記硬化部位モノマーが、一般式、CH=CH−(CFI(式中、nは、2〜8の整数である)を有する工程
    を含むことを特徴とするフルオロエラストマーを製造するためのセミバッチ重合プロセス。
  2. 前記主要なモノマー混合物の増加量の20%が前記反応器に供給される前に、一定量の前記連鎖移動剤を前記反応器に添加し始めることを特徴とする請求項1に記載のセミバッチ重合プロセス。
  3. 前記主要なモノマー混合物の増加量の5%が前記反応器に供給される前に、一定量の前記連鎖移動剤を前記反応器に添加し始めることを特徴とする請求項2に記載のセミバッチ重合プロセス。
  4. 前記主要なモノマー混合物の増加量の25%が前記反応器に供給された後に、一定量の前記硬化部位モノマーを前記反応器に添加し始めることを特徴とする請求項1に記載のセミバッチ重合プロセス。
  5. 前記主要なモノマー混合物の増加量の33%が前記反応器に供給された後に、一定量の前記硬化部位モノマーを前記反応器に添加し始めることを特徴とする請求項4に記載のセミバッチ重合プロセス。
  6. 前記硬化部位モノマーが、4−ヨード−3,3,4,4−テトラフルオロブテン−1であることを特徴とする請求項1に記載のセミバッチ重合プロセス。
  7. 前記連鎖移動剤が、式、RI(式中、Rは、3〜10個の炭素原子を含むパーフルオロアルキル基である)を有することを特徴とする請求項1に記載のセミバッチ重合プロセス。
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