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JP4357638B2 - 二酸化炭素中でのフルオロポリマーの製造方法 - Google Patents

二酸化炭素中でのフルオロポリマーの製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はフルオロモノマーの重合方法の技術分野に属する。本方法に適するフルオロモノマーは、フッ化ビニリデンおよびテトラフルオロエチレンを含む。
【0002】
【従来の技術】
水性媒体中のフッ化ビニリデン(VF2)の重合は周知である。例えば、使用可能な水溶性開始剤の中の過硫酸塩およびジコハク酸過酸化物(disuccinic acid peroxide)および使用可能なモノマー可溶性開始剤の中のジアルキルペルオキシジカーボネートを記載している、Kirk−Othmerの「Encyclopedia of Chemical Technology」第4版、第11巻、694ページ(1994)を参照のこと。VF2の重合は過酸化ベンゾイルおよび過硫酸アンモニウムのような開始剤を用いる米国特許第2435537号においてFordおよびHanfordによって、初めて開示された。続いて、Hauptscheinは米国特許第3193539号において、アゾ開始剤を例示しているが、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)を用いるものでは非常に低収率であり、Isersonは米国特許第3245971号においてAIBNは効果がないことを発見した。
【0003】
液体または超臨界二酸化炭素中のある種のフッ素化モノマーの重合は、例えば、特公昭45−003390(Fukuiら、1970)および特公平06−345824(Ezakiら、1994)、特公昭46−015511(Ukihashi、1971)および米国特許第5496901号(DeSimone)および米国特許第5618894号(DeSimoneおよびRomack)に開示されている。これらの文献は、電離放射線および各種ラジカル開始剤の使用を含む種々の重合開始手段を開示している。第5496901号特許は、数種のアゾ化合物を含む使用可能な開始剤の広範なリストを開示しており、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)が好ましいと述べている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
下記に要約される試験に示すように、二酸化炭素中でVF2などのフルオロオレフィンの重合を試みる場合、重合の開始に一般的に用いられるアゾ化合物では、全くでないとしても、あまり良く働かないことがわかった。注目すべきことに、AIBNでは少量のポリマーしか得られない。
【0005】
しかし、アゾ開始剤は動力学が予測可能なために望ましい。Polymer Engineering and Science、19巻、597ページ(1979)、においてSheppardおよびKamathが論じているように、アゾ開始剤はラジカル誘導分解を受けず、それらの分解率は環境により影響を受けない。従って、二酸化炭素中でのVF2などのフルオロオレフィンの重合用に効果的なアゾ開始剤を得ることが望ましい。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の態様は、少なくとも1つのフッ素化モノマーをアゾ開始剤を用いて流動媒体中で重合させ、前記流動媒体は二酸化炭素を含み、前記開始剤はジアルキル(2,2’−アゾビスイソブチレート)であるフルオロポリマーの製造方法を含むことを特徴とする。
【0007】
本発明の第2の態様は、前記モノマーがフルオロオレフィンであることを特徴とする。
【0008】
本発明の第3の態様は、前記ポリマーがフルオロオレフィンと少なくとも1つの共重合性フッ素化コモノマーとのコポリマーであることを特徴とする。
【0009】
本発明の第4の態様は、前記コモノマーが前記フルオロオレフィンを除く炭素数2〜8のフルオロオレフィンおよび炭素数3〜8のフッ素化ビニルエーテルから選択されることを特徴とする。
【0010】
本発明の第5の態様は、前記フルオロオレフィンがフッ化ビニリデンまたはテトラフルオロエチレンであることを特徴とする。
【0011】
本発明の第6の態様は、前記コモノマーがテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロ(メチルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エチルビニルエーテル)、およびペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)のうちの少なくとも1つであることを特徴とする。
【0012】
本発明の第7の態様は、前記ポリマーがエラストマー性であることを特徴とする。
【0013】
本発明の第8の態様は、前記ポリマーが熱可塑性であることを特徴とする。
【0014】
本発明の第9の態様は、前記ポリマーがホモポリマーであることを特徴とする。
【0015】
本発明の第10の態様は、前記二酸化炭素が液体または超臨界であることを特徴とする。
【0016】
本発明の第11の態様は、前記媒体が本質的に二酸化炭素からなることを特徴とする。
【0017】
本発明の第12の態様は、前記アルキルが独立にメチル、エチル、プロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、およびn−アミルから選択されることを特徴とする。
【0018】
本発明の第13の態様は、前記アルキルの各々がメチルであることを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明は、流動媒体において、アゾ開始剤を用い、少なくとも1つのフッ素化モノマーを重合させることを含むフルオロポリマーを作製する手段を提供し、前記流動媒体は二酸化炭素を含み、前記開始剤はジアルキル(2,2’−アゾビスイソブチレート)である。ジメチル(2,2’−アゾビスイソブチレート)が好ましい開始剤である。
【0020】
このアゾ開始剤は、フッ化ビニリデンの重合に特に効果的であり、テトラフルオロエチレンの改善された重合法を提供する。
【0021】
ジアルキル(2,2’−アゾビスイソブチレート)が、二酸化炭素(CO2)を含む媒体中における、フッ化ビニリデン(VF2)の重合の開始に効果的であり、高収率で高分子量ポリマーを生産することが発見されている。さらに、この化合物は、アゾ化合物の中でもテトラフルオロエチレン(TFE)の重合の開始において特に効果的である。
【0022】
本発明の方法は、特定のアゾ開始剤を選択する以外は、CO2を含む媒体中におけるフッ素化モノマー重合用の他の方法と概ね同様である。下記の実施例は回分法で実施されるが、当業者は他の重合法も使用できることを認識するであろう。すなわち、成分が重合の間に添加される半回分重合法、生成物が断続的に回収され、成分が連続的または断続的に添加される半連続重合法、および生成物が連続的に回収される連続重合法などが含まれる。いかなる実施可能温度および圧力も、本発明の方法において用いることができる。一般に、温度は40℃〜125℃の範囲で、好ましくは60℃〜90℃であり、圧力は900〜10000psig(6.3〜69.1MPa)の範囲で、好ましくは1500〜6000psig(10.4〜41.5MPa)である。
【0023】
本発明の方法に用いられる開始剤は、ジアルキル(2,2’−アゾビスイソブチレート)である。好ましくは、前記アルキル基は、メチル、エチル、プロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、およびn−アミルから独立に選択される。より好ましくは、アルキル基は同じである。好ましいアルキル基はメチルおよびエチルを含む。メチルは特に好ましいアルキル基である。エチルはもう1つの特に好ましいアルキル基である。通常、使用される開始剤の量は、生産されるポリマー1gあたり、0.001〜25mgの範囲、より一般的には生産されるポリマー1gあたり、0.005〜10mgの範囲である。
【0024】
本発明は広範な種類のフルオロポリマーの製造に有用である。本明細書において用いられる「フルオロポリマー」とは、少なくとも1つのフッ素化モノマーの熱可塑性およびエラストマー性ポリマーの広範な範囲を包含することを意図する。これらのフルオロポリマーは、フルオロモノマーのホモポリマーであっても、2種以上のフルオロモノマーのコポリマーであっても、または少なくとも1つのフルオロモノマーと少なくとも1つのフッ素非含有モノマーとのコポリマーであってもよい。一般的に、このようなフルオロポリマーは少なくとも35重量%のフッ素を含む。
【0025】
本明細書において「フルオロモノマー」は、遊離基重合することができるビニル基を含む化合物を意味するものとして用いられ、重合をうけるビニル基に結合する少なくとも1つのフッ素原子、フルオロアルキル基、またはフルオロアルコキシ基を含む。好ましいフルオロモノマーは、フルオロオレフィンである。本発明の方法はVF2およびTFEの重合に特に有益であり、有用なフルオロモノマーは、フッ化ビニル;トリフルオロエチレン;クロロトリフルオロエチレン(CTFE);1,2−ジフルオロエチレン;テトラフルオロエチレン(TFE);ヘキサフルオロプロピレン(HFP);ペルフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)、ペルフルオロ(エチルビニルエーテル)(PEVE)およびペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)(PPVE)などのペルフルオロ(アルキルビニルエーテル);ペルフルオロ(1,3−ジオキソール);ペルフルオロ(2,2−ジメチル−1,3−ジオキソール)(PDD);CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2X(XはSO2F、CO2H、CH2OH、CH2OCNまたはCH2OPO3H)、CF2=CFOCF2CF2SO2F;F(CF2nCH2OCF=CF2(nは1、2、3、4または5)、R1CH2OCF=CF2(R1は水素またはF(CF2m−であり、mは1、2または3である);およびR3OCF=CH2(R3はF(CF2z−であり、zは1、2、3または4である);ペルフルオロブチルエチレン(PFBE);3,3,3−トリフルオロプロペンおよび2−トリフルオロメチル−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンを含むがこれらに限定されない。3,3,3−トリフルオロプロペン、2−トリフルオロメチル−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン、PFBE、フッ化ビニル、VF2、HFP、PMVE、PEVE、PPVE、CTFE、およびPDDが好ましいフルオロモノマーである。
【0026】
フルオロモノマーがホモ重合できる場合、フルオロモノマーはホモポリマーを形成するよう単独で重合させることができ、または1つ以上の他のフルオロモノマーもしくはフルオロモノマーでない他のモノマーとコポリマーを形成するよう重合させることができる。コポリマーを形成する場合、選択されるモノマーは共重合できなければならない。コポリマーにおいて、他のモノマーは好ましくはフッ素化モノマーであり、より好ましくは炭素数2〜8を有するフルオロオレフィンであるか、または炭素数3〜8を有するフッ素化ビニルエーテルである。特に好ましいコモノマーはテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロ(メチルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エチルビニルエーテル)およびペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)である。フルオロモノマーとのある組み合わせで共重合するフッ素非含有モノマーには、プロピレンおよびエチレンが含まれる。有用なホモポリマーであるフルオロポリマーの例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVF2)およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が含まれる。ホモポリマーPTFEとして分類されるものとして、変性ポリマーがPTFEの非溶融二次加工可能な特性を保持するような、少量のTFE以外のフルオロモノマーを含む変性PTFEポリマーがある。有用なコポリマーの例としては、TFEとHFPおよび/またはPPVEまたはPEVEなどのペルフッ素化ビニルエーテルとのコポリマー、TFEとPMVEとのコポリマー、TFEとPDDとのコポリマー、およびTFEまたはCTFEとエチレンとのコポリマーが含まれる。さらなる例としては、VF2とHFP、またはHFPおよびTFEとのコポリマーが含まれる。上記で含意したように、コポリマーは名称を挙げた以外のさらなるモノマーを含むことができる。例えば、PFBE、HFP、PPVEまたは2−トリフルオロメチル−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンなどの嵩高い側鎖基を導入する付加的モノマーを含み、およびエラストマー性ポリマーが硬化部位モノマーおよび/または連鎖移動剤(CTA)から由来する低濃度の硬化部位部分を頻繁に含む場合、TFE/エチレンコポリマーは、最も有用である。
【0027】
【実施例】
下記に記載するように重合反応用のシェーカーチューブ(shaker tube)にガス成分を装填する際の通常の操作は、低圧ガスから開始し、高圧ガス気体に移行する、ソース圧(source pressure)により決定される順序でガスを装填することである。CO2用のシリンダーの圧は通常低いので、初めにCO2を装填するのが一般的である。TFEを用いる場合、通常重量で50/50の割合でCO2との混合物として装填し、規定されたCO2装填量に達するまで追加のCO2を別に装填する。
【0028】
19F NMR分光法により、コポリマー組成物を測定し、ポリフッ化ビニリデンの構造を確認するのにも用いる。PTFEの構造を確認するために、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いる。
【0029】
ポリマーの熱特性をASTM D−4591に従い、示差走査熱分析(DSC)により測定する。特記しない限り、融解温度(melting temperature)(Tm)および融解熱(heat of fusion)(ΔHf)は、融解温度をピーク温度として、2回目の加熱における融解吸熱(melting endotherm)に由来する。
【0030】
フルオロポリマーのメルトフローレート(MFR)を、ASTM規格D−2116−91aに記載されているように耐蝕性アロイの使用によって修正されたプラストメーターを用い、全てのVF2ポリマーに対し232℃の温度、およびPTFEに対し372℃の温度で負荷5kgを用いて、ASTM法 D−1238−94aに従い、測定する。メルトフローは、下記のいくつかの実施例において0であり、高分子量であることが示唆された。このことは、PTFE微粉を除く、PTFEに期待され、かつ望ましいものであるが、このような高分子量は他のポリマーの慣用の溶融加工では相容れないものである。分子量は、開始剤の濃度を調整したり、連鎖移動剤の使用などにより、溶融流れ可能なポリマー用に商業的に望ましい範囲の溶融粘度(例えば、50Pa・sから1×105Pa・s、好ましくは、500Pa・sから5×104Pa・s)を達成するよう調整できることを当業者は認識するであろう。
【0031】
比較例A
400mLステンレス製容器(シェーカーチューブ)を充分に洗浄し、およそ0℃にまで冷却する。全ての酸素を除去するために容器に窒素を流し、0.09gの2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルペンタンニトリル)(VAZO(登録商標)52、DuPont)をすばやく容器に加える。次いで、容器を密封し、排気し、−40℃以下にまで冷却する。高圧封止バルブを装備した挿入口を通して、次いで100gのフッ化ビニリデン(VF2)および225gのCO2(純度99.99%、O2 9ppm未満、Colemanグレード、M−G Industries)を加え、封止バルブを閉じる。撹拌させながら、内容物の温度が55℃に上昇するまで容器を加熱し、このときの自生圧力(autogenous pressure)は約4100psig(28.4MPa)である。10時間後、容器を冷却し、圧力を解放し容器を開ける。ポリマーは生産されない。
【0032】
比較例B
VAZO(登録商標)52の代りに0.06gの2,2’−アゾビス(2−メチルプロパンニトリル)(DuPontのVAZO(登録商標)64、アゾビスイソブチロニトリルまたはAIBNとも呼ぶ)を用い、温度は68℃、および結果として生じる自生圧力が約5100psig(35.3MPa)であることを除き、本質的に比較例Aの方法を繰り返す。開始剤の量および温度は、比較例Aで生産されたのと同じ数の遊離基が10時間で生産されるよう設定する。10時間後、自生圧力は約5000psig(34.6MPa)に減少し、容器を冷却し、圧力を解放し、容器を開ける。白色のポリマーが2.6gだけ回収された。ポリマーは、4.3モル%の頭−頭結合単位を有するポリフッ化ビニリデンであることが室温でのアセトン中19F NMRにより確認され、およびポリマーはTm=169℃およびΔHf=62J/gを有する。
【0033】
実施例1
VAZO(登録商標)52の代りに0.082gのジメチル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)(和光純薬工業のV−601)を用い、温度は69.5℃、および結果として生じる自生圧力がおよそ5000psig(34.6MPa)であることを除き、本質的に比較例Aの方法を繰り返す。開始剤の量および温度は、比較例AおよびBで生産されたのと同じ数の遊離基が10時間で生産されるよう設定する。10時間後、自生圧力は約4400psig(30.4MPa)に減少し、容器を冷却し、圧力を解放し、容器を開ける。白色の粉末として回収されたポリマーの量は、22.8gであり、他のアゾ開始剤に対比してジアルキル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)の有効性が示された。ポリマーは、4.6モル%の頭−頭結合単位を有するポリフッ化ビニリデンであることが100℃でのDMAC中19F NMRにより確認される。Tmは169℃、ΔHfは58J/g、およびMFRは0g/10分である。メルトフロー装置から除去されたプラグは、緩く溶融(loosely fused)し、オフホワイト色である。
【0034】
比較例C
VAZO(登録商標)52の代りに0.10gの2,2’−アゾビス(N,N’−ジメチレンイソブチルアミジン)二塩酸塩(和光純薬のVA−044)を用い、CO2の量は275g、VF2の代りにTFE50gを用い、温度は55℃で、実施時間は4時間であることを除き、本質的に比較例Aの方法を繰り返す。結果として生じる自生圧力は、約3250psig(22.5MPa)であり、実施期間を通じほぼ一定である。生成物は0.04gだけ回収され、熱重量分析により、低分子量PTFEであることが示唆される。
【0035】
比較例D
VA−044の代りに0.06gのAIBNを用い、温度は68℃で、自生圧力は4600psig(31.8MPa)、および実施時間は10時間であることを除き、本質的に比較例Cの方法を繰り返す。実施の終了時には、圧力は4000psig(27.7MPa)である。白色粉末として回収されたポリマーの量は、33.1gである。Tmは330℃、ΔHfは72J/gである。ポリマーはPTFEであることがFTIRにより確認される。MFRは0g/10分である。
【0036】
実施例2
AIBNの代りに0.082gのV−601を用い、温度は吸熱反応のために160℃まで上昇した後、68℃に戻ることを除き、本質的に比較例Dの方法を繰り返す。実施の終了時には、圧力は3000psig(20.8MPa)である。白色粉末として回収されたポリマー(Tm=331℃およびΔHf=71J/g)の量は、45.2g(収率90.4%)であり、TFEの重合においてジアルキル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)の有効性が示された。ポリマーはPTFEであることがFTIRにより確認され、MFRは0g/10分であり、高分子量であることが示唆される。メルトフロー装置から除去されたプラグは、溶融し、白色である。
【0037】
実施例3〜6
VF2単独で用いる代りにVF2およびTFEモノマーの混合物を用い、反応時間は5時間(但し、実施例4では反応時間は1.5時間)であることを除き、本質的に実施例1の方法を繰り返す。モノマー装填量、部分結晶ポリマーの収率、および生成物コポリマーの融解温度(Tm)を表1に示す。結果はジアルキル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)がVF2/TFEコポリマーの重合の開始に有効であることを示している。MFRは232℃で測定される。実施例5および6では、MFR装置における樹脂プラグは、緩く溶融し、非常に高分子量であることをさらに示し、白色である。実施例3および4では、MFR装置における樹脂プラグは、溶融し、オフホワイト色である。
【0038】
【表1】
Figure 0004357638
実施例7〜10
VF2単独で用いる代りにVF2およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)モノマーの混合物を用い、CO2装填量は表2に示す様に変化させることを除き、本質的に実施例1の方法を繰り返す。モノマー装填量、試験圧力(p)、およびポリマー収率をも表2に示す。結果はジアルキル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)がVF2/HFPコポリマーの重合の開始に有効であることを示している。
【0039】
【表2】
Figure 0004357638
実施例11
フッ化ビニリデンの代りにフッ化ビニルを用いることを除き、本質的に実施例1の方法を繰り返す。実施の終了時には、圧力は3100psig(21.5MPa)である。白色の粉末として回収されたポリマーの量は、61.7gであり、フッ化ビニルの重合におけるジアルキル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)の有効性が示された。生成物は、2.1モル%の3級フッ素(通常の分枝)(tertiary fluorine(normal branching))および12.3mol%の直鎖頭−頭結合単位を有するポリフッ化ビニルであることがNMRにより確認される。Tmは186℃、ΔHfは43J/gである。分子量の相対測度は150℃で操作するレオメーターを用いるジメチルアセトアミド中の40重量%ポリマー混合物での細管レオメトリーにより得られる。粘度は23.4sec-1から3516sec-1の範囲の剪断速度で測定される。これらのデータの対数プロットは1次最小二乗方程式に適合し、これを100sec-1での粘度を計算するのに用いる。こうして得られる溶融粘度は266Pa・sである。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、二酸化炭素中でのフルオロオレフィンの重合用にアゾ開始剤としてジアルキル(2,2’−アゾビスイソイソブチレート)を用いると表1および表2に示すように、収率が格段に向上した。
以下に、本発明の好ましい態様を示す。
1. 少なくとも1つのフッ素化モノマーをアゾ開始剤を用いて流動媒体中で重合させ、前記流動媒体は二酸化炭素を含み、前記開始剤はジアルキル(2,2’−アゾビスイソブチレート)であることを特徴とするフルオロポリマーの製造方法。
2. 前記モノマーはフルオロオレフィンであることを特徴とする1.に記載の方法。
3. 前記ポリマーはフルオロオレフィンと少なくとも1つの共重合性フッ素化コモノマーとのコポリマーであることを特徴とする1.に記載の方法。
4. 前記コモノマーは前記フルオロオレフィンを除く炭素数2〜8のフルオロオレフィンおよび炭素数3〜8のフッ素化ビニルエーテルから選択されることを特徴とする3.に記載の方法。
5. 前記フルオロオレフィンはフッ化ビニリデンまたはテトラフルオロエチレンであることを特徴とする2.に記載の方法。
6. 前記コモノマーはテトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、ペルフルオロ(メチルビニルエーテル)、ペルフルオロ(エチルビニルエーテル)、およびペルフルオロ(プロピルビニルエーテル)のうちの少なくとも1つであることを特徴とする4.に記載の方法。
7. 前記ポリマーはエラストマー性であることを特徴とする3.に記載の方法。
8. 前記ポリマーは熱可塑性であることを特徴とする3.に記載の方法。
9. 前記ポリマーはホモポリマーであることを特徴とする1.に記載の方法。
10. 前記二酸化炭素は液体または超臨界であることを特徴とする1.に記載の方法。
11. 前記媒体は本質的に二酸化炭素からなることを特徴とする1.に記載の方法。
12. 前記アルキルは独立にメチル、エチル、プロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、およびn−アミルから選択されることを特徴とする1.に記載の方法。
13. 前記アルキルの各々はメチルであることを特徴とする1.に記載の方法。

Claims (1)

  1. 少なくとも1つのフッ素化モノマーをアゾ開始剤を用いて流動媒体中で重合させ、前記流動媒体は二酸化炭素を含み、前記開始剤はジアルキル(2,2’−アゾビスイソブチレート)であることを特徴とするフルオロポリマーの製造方法。
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