JP2008133288A - ガラス転移点Tgが低く、ビニリデンのフッ化物を主成分とし、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物の重合体で、架橋することのできるエラストマー、及びその製法 - Google Patents
ガラス転移点Tgが低く、ビニリデンのフッ化物を主成分とし、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物の重合体で、架橋することのできるエラストマー、及びその製法 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】化学式:Z2C=CWX(CY2)nCNで表せる出発原料モノマー。(ここでXは酸素原子又は他の原子を表わしており;Yは水素原子又はフッ素原子を表わしており;Zは水素原子又はフッ素原子を表わしており;Wは水素原子又はフッ素原子、或いは原子団CF3を表わしており;そしてnは0〜10迄の(ただし10を含む)整数(自然数)である。)該モノマーは、新規な共重合化法及び架橋法を可能にし、非常に低いガラス転移点(Tg)を有するフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーに供される。
【選択図】なし
Description
本発明は又、ガラス転移点(Tg)が低く、架橋できるエラストマーを合成し得る独創的な方法に関するものであり、さらに、このようなエラストマーを、特に、航空機産業,石油産業,自動車産業,鉱業及び原子力産業やプラスチック加工(plasturgie)用の安定した部品の製造に用いるその使用法にも関するものである。例えば、このようなエラストマーは、次のような機械的にも化学的にも安定した部品の製造に用いると役に立つ。次のような部品というのは、即ち、薄膜,ポリマーの電解質,アイオノマー,水素もしくはメタノールに供される燃料電池の成分,気密継ぎ手,円環面状継ぎ手,(自動車燃量管・冷水管用の)特殊ゴム管,パイプ,ポンプ本体,振動板やピストンのヘッドである。
本発明はさらに、モノマー(単量体)となる化合物に関するものであるが、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物から、架橋し得るエラストマーを合成する際に特に利用できる化合物に関するものである。
多くの分野というのは即ち、気密性の継ぎ手(宇宙産業,航空機産業),半導体(マイクロエレクトロニクス),(導管連結用の)特殊ゴム管、パイプ、ポンプ本体や隔膜(化学産業,自動車産業及び石油産業)の諸分野である。
使途、あるいはもっと最近では、薄膜とか燃料電池の成分といった使途にはお誂え向きのポリマーである。これらのポリマーは、過酷な条件に対して耐性がある。つまり、還元作用のある条件や酸化作用のある条件に対して耐性があるばかりでなく、炭化水素,溶剤,潤滑剤に対しても耐性があるのである(Prog.Polym.Sci.26号(2001)138〜144ページ)。
このように、架橋し得る官能基を含み反応性で、《Cure Site モノマー》(CSM)に属する新規のモノマーを使用することは、基の共重合化によって、フッ素を含むエラストマーを寸法に合わせて製造する際、特に有利である。
しかしながら、フッ素を含むニトリル化合物のエラストマーは、文献中では余り説明されていない。それは、モノマーの合成が複雑だからである:Breazeale〔USP 4,281,092(1981)〕又はNakagawa〔USP 4,499,249(1985)〕が、それぞれ4段階と6段階から成るF2C=CF〔OCF2CF(CF3)〕nO(CF2)mCNの合成と、F2C=CFOC4F8CNの合成とについて説明している。
ところで、様々な会社では、トリフルオロビニル・エーテルを使用している。これはニトリル化合物は含んでいないが、ガラス転移(Tg)温度を下げる働きのある他の橋かけエーテルを含む基が備わっているものである。これらの基を含むモノマーは、産業製品となっている。
指摘できることは、ニトリル化合物のモノマーとトリフルオロビニル・エーテルとを主成分とする合成の大部分では、テトラフルオロエチレン(TFE)を介入させているということで、たとえば、ターポリマーTFE/過フルオロ(8‐シアノ‐5‐メチル‐3,6‐ジオキサ‐1‐オクテン)〔USP 4,281,092〕とか、TFE/過フルオロ(4‐シアノブチル・ビニル・エーテル)〔USP 4,499,249〕である。さらに、過フルオロビニル・エーテルを介入させるターポリマー化に於いては、主として、過フルオロメチル・ビニル・エーテル(PMVE)が使用されている〔USP 4,281,092(1981);USP 4,972,038(1990);USP 5,677,389(1997);WO97/19982及びヨーロッパ特許願11,853(1980)〕。
ニトリル化合物のモノマーの合成は、複雑且つ微妙なもので、多くの段階を要するものである。それ故、重要なのは、簡単且つ迅速にモノマーを得ることのできる独創的な合成手段を見つけることであり、つまりは、工業的に入手できるエラストマーを見出すことである。
これ迄に知られている文献では、ニトリル化合物を含むオレフィンをPFSO2Fと共に重合する共重合化について言及しているものはなく、これら二つのモノマーをVDFと共に重合するターポリマー化について言及しているものもないが、これこそが、本発明の特徴となっているものなのである。
最後に、本発明は、上記のようにして得られたエラストマーを、様々な適用分野―特に膜や気密継ぎ手の製造とかプラスチック加工(plasturgie)の分野に使用することに関するものでもある。
化学式Iに合致する化合物であって、化学式Iとは
Z2C=CWX(CY2)nCN (I)であり、
この化学式(I)に於いて:
Xは酸素原子か何らかの原子を表わし;
Yは水素原子かフッ素原子を表わし;
Zは水素原子かフッ素原子を表わし;
Wは、水素原子かフッ素原子か原子団CF3を表わし;そして
nは端を含む0〜10の範囲の自然数の整数とした化合物である。
請求項1に記載の、化学式IIに合致する化合物であって、化学式IIとは、
F2C=CF(CH2)nCN (II)であり、
この化学式(II)に於いて:nは端を含む0〜10の範囲の自然数の整数とした化合物
である。
ラジカル共重合化によってフッ化コポリマーを作成する方法であって、この方法は、化学式Iに合致する化合物を、化学式III1に合致する化合物もしくは化学式III2に合致する化合物と反応させることから成っているが、化学式Iとは:
Z2C=CWX(CY2)nCN (I)
で、請求項1に記した通りのものであり、化学式III1とは:
F2C=CFORF1 (III1)
であって、この化学式III1に於いてRF1は:化学式がCnF2n+1(nは1〜10の自然数の整数を示す)の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示しており、化学式III2とは:
F2C=CFORF2‐G (III2) であって、この化学式III2に於いてRF2は:化学式が(CF2CFX’)y〔O(CF2)l〕mの直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示しており、この化学式に於いて、X’は、フッ素原子又は原子団CF3を表わし;y、l及びmは、それぞれ端を含む1〜5、1〜4及び0〜6という範囲の自然数の整数とし;そして、Gは:官能基の原子団SO2F、CO2H、CO2Rを表わし(ただし、Rは、CpH2p+1という化学式の原子団を示すものとし、且つpは0〜5の自然数の整数を表わすものとし)或いは、Gは、官能基の原子団P(O)(OR’)を示すものとし、ただし、R’は、水素原子か、C1〜C5のアルキル基かのいずれかであるものとした方法である。
請求項3によるフッ化コポリマーの作成方法であって、この方法は、化学式II’に合致する化合物を、化学式III1の化合物もしくは化学式III2の化合物と反応させて、(統計をとれば)化学式IVに合致するコポリマーを得るようにすることから成っているが、化学式II’とは:
F2C=CF(CH2)3CN (II’)
であり、化学式III1とIII2とは請求項3に於いて定義した通りのものであり、化学式IVとは:
RFは、請求項3に於いて定義された原子団RF1又はRF2を表わし、RFがRF1を表わしている時には原子団Gは存在せず、RFがRF2を表わしている時には原子団Gが存在するが、この原子団Gは、請求項3に於いて定義された通りのものとし;そして、
q、r及びsは、それぞれ自然数の整数を表わしているが、q/r比の値が1〜30の範囲で且つsが20〜300の範囲のものとし、好ましくはq/rが1〜25の範囲で且つsが25〜250の範囲、さらに好ましくはq/rが3〜20の範囲で且つsが30〜220のものとした方法である。
共重合化の方法であって、化学式II’に合致する化合物を、化学式III1又は化学式III2に合致する化合物、及び化学式Vの化合物と反応させて、(統計をとれば)化学式VIに合致するコポリマー(共重合体)を得るようにする方法であるが、化学式II’とは:
F2C=CF(CH2)3CN (II’)
であり、化学式III1とは:
F2C=CFORF1 (III1) であって、この化学式III1に於いて、RF1は、化学式がCnF2n+1(ただし、nは1〜10の範囲の自然数の整数を示す)の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示すものとし;又、化学式III2とは:
F2C=CFORF2‐G (III2) であって、この化学式(III2)に於いて、RF2は、化学式が(CF2CFX’)y〔O(CF2)l〕mの直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示すものとし、ただし、X’はフッ素原子か、CF3という原子団を表わし、y、l及びmは、それぞれ、端を含む1〜5、1〜4及び0〜6という範囲の自然数の整数であり、そしてGは、官能基の原子団SO2F、CO2H、CO2R(ただし、Rは、CpH2p+1という原子団を示しており、pは0〜5の範囲の自然数の整数を表わしている)か、或いは官能基の原子団P(O)(OR’)−ただし、R’は水素原子かC1〜C5のアルキル原子団を示す−を表わしているものとし、そして化学式Vとは:
FCX=CYZ (V)
であって、この化学式(V)に於いて、X、Y及びZは、水素原子かフッ素原子か塩素原子か化学式がCnF2n+1(ただし、nは1、2又は3)の原子団を表わすが、いずれの場合にもX=Y=Z=Fであるものとし、そして化学式VIとは:
請求項4又は5による共重合化の方法であって、反応が桶一杯の分量ずつ(《バッチ》式)で行われることを特徴とする方法である。
請求項4〜6のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が、エマルション、マイクロ‐エマルション、懸濁液又は溶液の状態で行われることを特徴とする方法である。
請求項4〜7のいずれかによる共重合化の方法であって、反応は、少なくとも一つの有機ラジカル反応開始剤の存在するところで、開始され、該少なくとも一つの有機ラジカル反応開始剤は、好ましくは、過酸化物、パーエステル、パーカーボネート、アルキルの過酸化ピバレート及びジアゾ化合物より成る物質群から選ばれることを特徴とする方法である。
請求項4〜8のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が:
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)、t‐ブチルのヒドロ過酸化物(hydroperoxyde de t-butyl)、t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)、及びt‐アミルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-amyle)より成る物質群から、好ましくは選ばれる過酸化物少なくとも一つ;及び/又は、
‐好ましくは、ベンゾイルの過酸化物(peroxyde de benzoyle)であるパーエステル少なくとも一つ;及び/又は
‐好ましくは、t‐ブチル・シクロヘキシル・過オキシジカーボネイト(t-butyl cyclohexyle peroxydicarbonate)であるパーカーボネイト少なくとも一つ
の存在するところで行われることを特徴とする方法である。
請求項8又は9による共重合化の方法であって、反応の起こる環境に於ける過酸化物及び/又はパーエステル及び/又はパーカーボネイトの濃度は、反応開始剤とモノマーとの間の最初のモル比(〔amorceur〕0/〔monomeres〕0)が0.1〜2%、そして好ましくは、0.5〜1%の範囲にあるようなものとし、反応開始剤は、化学式がtBuO‐OtBu又は、tBuO‐OC(O)tBuの化合物であり、モノマーは、化学式がI、II、III1、 III2、 II’及びVの化合物であって、〔amorceur〕
0という表現は、反応開始剤の最初のモル濃度を表わし、〔monomeres〕0という表現は、モノマーの最初の全体の濃度を表わしていることを特徴とする方法である。
請求項4〜10のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が:
‐t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)の存在するところで、
70〜80℃の範囲の反応温度に於いて、好ましくは、およそ75℃の温度に於いて行われるか;或いは、
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)の存在するところで135〜145℃の範囲の反応温度に於いて、好ましくは、およそ140℃に於いて行われることを特徴とする方法である。
請求項4〜11のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が、少なくとも一つの有機溶剤の存在下に於いて、溶液の状態で行われることを特徴とする方法である。
請求項12による共重合化の方法であって、過フルオロ‐n‐ヘキサン、アセトニトリル、又は、過フルオロ‐n‐ヘキサンとアセトニトリルとの混合物とより成る物質群から有機溶剤を選ぶことを特徴とする方法である。
請求項12又は13による共重合化の方法であって、反応の起こる環境に於いて、溶剤中の含有量は、溶剤とモノマーとの最初の質量比が0.5〜1.5の範囲、好ましくは、0.6〜1.2の範囲であるような量とすることを特徴とする方法である。
請求項4〜14のいずれかによる共重合化の方法であって、化学式III2の反応体は、スルフォニルの過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(perfluoro(4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ene)fluorure de sulfonyle)であり、化学式Vの化合物は、ビニリデンのフッ化物(fluorure de vinylidene)であることを特徴とする方法である。
請求項3〜15のいずれかに従って得られる可能性のあるフッ化ポリマー、好ましくはフッ化コポリマーである。
請求項3〜16のいずれかに従って得られる可能性のあるフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーである。
請求項17に従ったフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーであって:
‐1〜20%の5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN)と;
‐20〜33%のスルフォニルの過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(perfluoro(4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ene)fluorure de sulfonyle)
と;
‐65〜79%のビニリデンのフッ化物(VDF)、を含むコポリマーで、ただし上の百分率は、モル百分率を表わしているものとしたコポリマーである。
請求項18に従ったフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーであって:
‐2〜14%の5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN)と;
‐20〜30%のスルフォニルの過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(PFSO2F)と;
‐66〜78%のビニリデンのフッ化物(VDF)、を含むコポリマーで、ただし上の百分率は、モル百分率を表わしているものとしたコポリマーである。
請求項18又は19に従ったフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーであって、次のような化学的官能基もしくはフッ化原子団、即ち、
‐SO2F;
‐OCF 2CF(CF 3)OCF 2CF2SO2F;
tBuO‐CF 2CH2‐;
‐CH2CF 2‐CH2CF 2‐CH2CF2‐;
‐CF2CF(RF)‐CH2CF 2‐CH2CF2‐;
‐CF2CF(RF)‐CH2CF 2‐CH2CF2‐CF2CF(RF)‐;
‐CH2CF 2‐CH2CF2‐CF2CH2‐;
‐CF2CF(ORFSO2F)‐CH2CF 2‐CF2CF(ORFSO2F)‐;
‐CH2CF2‐CH2CF 2‐CF2CF(RF)‐;
‐OCF2CF(CF3)OCF2CF 2SO2F;
‐CH2CF2‐CH2CF 2‐CF2CH2‐;
‐CH2CF2‐CF 2CH2‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF 2CF(C3H6CN)‐CH2CF2‐;
‐CF2CF(ORF‐SO2F)‐CF 2CF(C3H6CN)‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF 2CF(ORFSO2F)‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF2CF(ORFSO2F)‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF2CF(ORFSO2F)‐CF 2CH2‐;
‐OCF2CF(CF3)OC2F4SO2F;
‐CH2CF2‐CF2CF(C3H6CN)‐CH2CF2‐;及び
‐CH2CF2‐CF2CF(C3H6CN)‐CF2‐;
を持ち、これらは、それぞれ、19FのRMN(resonance magnetique nucleaire:核磁気共鳴)によってppmで表わした次のような化学的な移動に結びつけられており、即ち:
+45;
−77〜−80;
−83;
−91;
−92;
−93;
−95;
−108;
−110;
−112;
−113;
−116;
−119;
−120;
−122;
−125;
−127;
−144;
−161〜−165;及び
−178〜−182と結びつけられているコポリマーである。
フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーを作成する方法であって、請求項3〜16のいずれかに於いて得られたコポリマーが、架橋の処理段階を経るようにし、この架橋は、好ましくは、テトラフェニル錫又は銀の酸化物(d'oxyde d'argent:酸化銀)の存在するところで、しかも、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーの重量を100とすると、重量が0.1〜10の割合で存在するところで行われ、これらの混合物が、175℃に於いて2時間加圧され(20バールの圧力)、次いで200℃に於いて24時間、そして最後に220℃に於いて12時間加圧されるようにすることを特徴とする方法である。
請求項21の方法によって得ることのできるフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーである。
請求項22に従った、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーであって、ガラス転移(Tg)温度が非常に低く、これらのガラス転移温度は、ASTME‐1356‐98規格に従って測定され、好ましくは、−43〜−22℃の範囲、さらに好ましくは、−34〜−29℃の範囲であるようにすることを特徴とするエラストマーである。
請求項22又は23による、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーであって、ASTMD‐2857‐95法によって測定した固有の粘度が0.9〜2.0mL/gの範囲であることを特徴とするエラストマーである。
請求項23又は24による、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーであって、5%の質量損が計測される温度数値である10℃/分に於いて、空気中で297℃迄、熱安定性ATGが示されることを特徴とするエラストマーである。
請求項22〜25のいずれかによる、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物の架橋し得るエラストマーの一つ以上の使用法であって:
‐膜、ポリマーの電解質、アイオノマー、たとえば水素もしくはメタノールに供される燃料電池の成分の製造;
‐気密継ぎ手、円環面状の継ぎ手、特殊ゴム管、パイプ、ポンプ本体、振動板、ピストンのヘッド(航空機産業、石油産業、自動車産業、鉱山業、原子力産業に用途のあるもの)の入手;及び
‐プラスチック加工(plasturgie)(実施補助製品)
のための使用法である。
請求項22〜26のいずれかに規定されている、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマー群の中から選ばれたスルフォン化されたポリマーのスルフォニル原子団を架橋する方法であって:
‐該ポリマーを、架橋剤と接触させて、隣り合っているポリマーの鎖状部から出ている二つのスルフォニル原子団同士の間に反応が起こって、架橋結合が形成され得るようにし;そして
‐架橋の際に形成される結合の少なくとも一部分はイオン電荷を持っているようにしてある方法である。
最後に、本発明は、上記のようにして得られたエラストマーを、様々な適用分野―特に膜や気密継ぎ手の製造とかプラスチック加工(plasturgie)の分野に使用することに関するものでもある。
Z2C=CWX(CY2)nCN (I)
この化学式Iに於いて:Xは酸素原子又は他の原子を表わしており;Yは水素原子又はフッ素原子を表わしており;Zは水素原子又はフッ素原子を表わしており;Wは水素原子又はフッ素原子、或いは原子団CF3を表わしており;そしてnは0〜10迄の、(ただし10を含む)整数(自然数)である。
好ましい実施態様によれば、本発明は、化学式IIにあて嵌まる化合物の小群によって構成されている:
F2C=CF(CH2)nCN (II)
この化学式IIに於いて:nは0〜10迄の(ただし10を含む)の整数(自然数)である。
Z2C=CWX(CY2)nCN (I)
F2C=CFORF1 (III1)
F2C=CFORF2‐G (III2)
化学式III1に於いて、RF1は:CnF2n+1という化学式の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を表わしており、CnF2n+1という化学式に於けるnは、1〜10の整数
(自然数)を表わしている;
化学式III2に於いて、RF2は:(CF2CFX’)y〔O(CF2)1〕mという化学式の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を表わしており、この化学式に於けるX’は、フッ素原子もしくはCF3という原子団を表わしており;y,lとmは、それぞれ、1〜5,1〜4,0〜6という範囲(それぞれ両端を含む)の整数(自然数)である;そして、Gは、SO2F,CO2H,CO2Rという基を表すか(ただし、CO2RのRは、CPH2P+1という化学式の原子団を表わし、pは0〜5の整数((自然数))を表わしている)或いは,P(O)(OR’)という基を表わしている(ただし、R’は、単独の水素原子か、C1〜C5のアルキル基を表わしているものとする)。
F2C=CF(CH2)3CN (II’)
なお、化学式III1と化学式III2については先に定めた通りである:
F2C=CF(CH2)3CN (II’)
F2C=CFORF1 (III1)
なお、この(III1)の化学式に於いて、RF1は、化学式がCnF2n+1の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を表わしており、この化学式のnは1〜10の範囲の整数(自然数)を表わしている;
F2C=CFORF2‐G (III2)
FCX=CYZ (V)
なお、この(V)の化学式に於いて、X,Y及びZは、水素原子かフッ素原子か、或いは化学式CnF2n+1(nは1,2又は3)の原子団を表わしているが、どの場合でもX=Y=Z=Fである;
この反応は、好ましいやり方で、始められる。即ち、遊離基を含む有機質の触媒が少なくとも一つ存在するところで始められるが、少なくとも一つの触媒は、過酸化物,パーエステル,過炭酸塩,アルキルの過酸化ピバレート,及びジアゾ化合物によって構成される物質群から選ぶようにする方が好ましい。
特に好ましいやり方では、反応は、次の物質の存在下に於いて行われる。即ち:
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl),t‐ブチルのヒドロ過酸化物(hydroperoxyde de t-butyl),t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl),及びt‐アミルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-amyle)によって構成される物質群から、好ましくは選ばれた過酸化物少なくとも一つ;及び/又は、
‐好ましくは過酸化ベンゾイルであるが、パーエステル少なくとも一つ;及び/又は、
‐好ましくは、t‐ブチル・シクロヘキシル・過オキシジカーボネイト(t-butyl cyclohexyle peroxydicarbonate)であるが、過炭酸塩少なくとも一つ、の存在下に於いて行われる。
‐t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)の存在下に於いて、70〜80℃の範囲の反応温度、好ましくは、およそ75℃の反応温度に於いて;あるいは、
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)の存在下に於いて、135〜145℃の範囲の反応温度、好ましくは、およそ140℃の反応温度に於いて、行われる。
反応は、少なくとも一つの有機溶剤の存在元において、溶液の状態で行うのが有利である。この有機溶剤は、次の物質群から選ぶのが好ましい。即ち、過フルオロ‐n‐ヘキサン,アセトニトリル,もしくは、過フルオロ‐n‐ヘキサンとアセトニトリルとの混合物によって構成される物質群から選ぶのが好ましい。そして、反応の起こる環境に於ける溶剤の濃度は、溶剤とモノマーとの最初の質量比が、0.5〜1.5、好ましくは0.6〜1.2の範囲の値であるようにする。
本発明独特の実施態様によれば、化学式III2の反応体は、スルフォン酸基の過フルオロ
(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(perfluoro(4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ene)fluorure de sulfonyle)であり、化学式Vの化合物は、ビニリデンのフッ化物(fluorure de vinylidene)である。
本発明の目的である、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーの好ましい小群は、次のものを含むコポリマーによって構成されている:即ち、
‐1〜20%の5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN);
‐20〜33%の、スルフォン酸基の過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(PFSO2F);及び
‐65〜79%の、ビニリデンのフッ化物(VDF),
を含むコポリマーによって構成されている。ただし、パーセンテージは、モルで表われた数値である。
フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーの中で、さらに好ましいのは次のものを含むコポリマーである:即ち、
‐2〜14%の5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN);
‐20〜30%の、スルフォン酸基の過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(PFSO2F);及び
‐66〜78%の、ビニリデンのフッ化物(VDF),
を含むコポリマーである。ただし、パーセンテージは、モルで表された数値である。
本発明特有のフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーは、後出の第2表に示されているのと同じか類似した分光学的な特徴を備えている。
本発明による、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーの中で、ガラス転移(Tg)の温度が極めて低いものには特別の利点がある。さらに、ガラス転移温度が、ASTME‐1356‐98規格に従って計測した場合で、好ましくは−43〜−22℃の範囲,より好ましくは−34〜−29℃の範囲であるエラストマーだと、ハイテクの分野での使用という興味深い可能性があるのである。
これらのエラストマーの中で、次のエラストマーによって、好ましいエラストマー小群が構成されている。即ち、ASTMD‐2857‐95法に従って計測した固有の粘度が0.9〜2.0mL/gであるエラストマー、及び/又は、5%の質量損が計測される温度数値である10℃/分に於いて、空気中で297℃迄、熱安定性ATGを示すエラストマーによって、好ましいエラストマー小群が構成されている。
‐薄膜,ポリマーの電解質,アイオノマー,例えば水素もしくはメタノールに供される燃料電池の成分の製造;
‐機密継ぎ手と円環面上の継ぎ手、特殊ゴム管,パイプ,パイプ本体,振動板やピストンのヘッドの獲得(これらは、航空機産業,石油産業,自動車産業,鉱業,原子力産業に用途を見出せる);及び
‐プラスチック加工(plasturgie)(実施に当たっての補助製品)
のために使用する使用法によって構成されている。
‐該ポリマーを架橋剤と接触させ、隣り合ったポリマーの鎖から出ているスルフォン酸基を含む二つの物質群同士の間で反応が起こり得るようにして、架橋結合が形成されるようにし;そして、
‐この架橋の際に形成される結合の少なくとも一部分は、イオン電荷を担うようにしている。
このように、本発明は、独創的なフッ素を含むコポリマーのエラストマーの合成について特に説明しているものであるが、このコポリマーは(F‐CNのような)フッ素を含むニトリル化合物のモノマーを共重合して合成したものを主成分としており、さらに、官能基を持つ過フルオロアルキル・ビニル・エーテル及び/又は、官能基を持つ過フルオロアルコキシアルキル・ビニル・エーテルと、場合によっては他のフッ化アルケンを含んでいる。この発明の独創性は、特に次の1°)〜6°)の諸点に存している:
、nは0〜10(10を含む)とする。又、上記のPCT出願WO99/38897の内容は、ここに言及して本発明に組み込まれるものとする。
この架橋は、ポリマーが、イオン化されていない前駆体ポリマーの形をとっている場合に、しかし、望みの形に合わせてかたどられるか、もしくはプレスされた後で、実施されると好都合である。架橋を行うと、力学的に(行う前よりも)はるかに抵抗力のある素材が得られる。本発明は又、架橋したポリマーを、膜、もしくは中空の繊維(以後は“膜”と呼ぶことにする)の形に成形もしくはプレスすることにも関している。このような形に成形するのは、燃料電池,水中の電解槽,塩素‐ナトリウム法,電子合成,水の処理やオゾンの生産に利用するためである。架橋したポリマーを、或る種の化学反応の触媒として使用することも、本発明の一部をなしている。架橋したポリマーは、架橋の技法によって導入されるイオン化した原子団が極めて解離しやすく、ポリマーの鎖が解けないために触媒として使用できるのである。
隣り合ったポリマーの鎖状部から出ている二つの原子団‐SO2L同士の間で反応を起こさせることによって、安定した架橋が作り出される。反応は、架橋を起こさせる作用物質によって始められ、次の化学式により誘導体が形成される:
rは0又は1である;
Mは無機又は有機の陽イオンから成る;
YはN又はCRを含んでおり、CRのRには、H,CN,F,SO2R3,置換されたものであれ置換されていないものであれC1〜20のアルキル基;置換されたものであれ置換されていないものであれC1〜20のアリル基;置換されたものであれ置換されていないものであれC1〜20のアルキレン基が含まれている。ただし、上記の基に於いて、置換基には一つ以上のハロゲン原子が含まれており、鎖状部には一つ以上の置換基F,SO2R,アザ(aza),オキサ(oxa),チア(thia)又はジオキサチア(dioxathia)が含まれているものとする;
ただし、これらの基に於いて、置換基には一つ以上のハロゲン原子が含まれているものとする;Qには、2価の基C1〜20のアルキル基,C1〜20のオキサアルキル基,C1〜20のアザアルキル基,C1〜20のチアアルキル基,C1〜20のアリル基又は、C1〜20のアルキルアリル基が含まれており、これらはそれぞれ、任意選択で一つ以上のハロゲン原子によって置換されるようにしてもよく、これらの鎖状部には、一つ以上の置換基オキサ(oxa),アザ(aza)又は、チア(thia)が含まれているものとする;
Aには、M,Si(R’)3,Ge(R’)3又はSn(R’)3が含まれており、これらにおけるR’は、C1〜18のアルキル基である;
ポリマーの鎖状部同士の間に端をかける結合は一部のみでよいという場合には、残りの部分の‐SO2Lの原子団を、従来からのやり方で加水分解して、アルカリ加水分解によるスルフォン酸塩の形にしておくことができる。
1°)市販のニトリル化合物を含むオレフィンを使用すること、及び/又は、簡単な合成という手段によって、独特の、フッ素を含むニトリル化合物のモノマーを作成すること;
2°)共重合化を行う際に反応し得るフッ素を含むニトリル化合物のモノマーが使用されること;
3°)合成方法は、(《バッチ》式というやり方で)桶一杯の分量ずつで行われること;
4°)本発明で問題となっている方法は、溶液の状態で行われ、古典的な有機溶剤で、簡単に市販品を入手できる溶剤が使用されること;
5°)本発明の方法は、市販されていて容易に入手できる反応開始剤の存在下に於いて基の重合を行う点に存していること;
6°)本発明に於いては、テトラフルオロエチレン(TFE)は使用されないので、コポリマー(共重合体)合成の費用が目立って節減されるようになっていること;
7°)本発明によって作成されるフッ化エラストマーの組成に含まれる過フッ化オレフィンはビニリデンのフッ化物(VDF)である;これは、TFEよりも明らかに費用がかからず、はるかに危険が少なく、作成されたエラストマーに酸化に対するすぐれた耐性,化学物質,有極性溶剤や石油に対するすぐれた耐性を付与し、ガラス転移(Tg)温度を下げるものであること;
8°)本発明で問題としているフッ化エラストマーは、モノマーPFSO2Fから作ることができる。このモノマーを、アクリロニトリルもしくは5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN)と共に共重合化することや、アクリロニトリルもしくはF‐CN及びVDFと共にターポリマー化することについては、これまで文献中に研究対象として説明された例はない。さらに、スルフォン化したこのモノマーは、フッ化スルフォン酸基(‐SO2F)の機能のおかげで、エラストマーの中に架橋の部位を作り出せること;
9°)この方法によって得られるフッ化エラストマーは、ガラス転移(Tg)温度が極めて低く、−43〜−22℃の範囲であること;
10°)フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のこれらのコポリマー(共重合体)は、テトラフェニル錫もしくは銀の酸化物(d'oxyde d'argent:酸化銀)を用いて、容易に架橋することができ、このようにして、安定していて不活性で、あらゆる溶剤・炭化水素又は強酸に不溶の物質を作り出せること。
本発明の第一の面は、フッ化オレフィンと共重合化する際に反応でき、端にニトリル化合物を含む新規のトリフルオロビニル・モノマーを作成することにある。問題となっている化合物は、例をあげるなら、次の化学式I及びIIによって表わすことができる;
H2C=CHX(CH2)nCN (I)
F2C=CFX(CY)nCN (II)
上の化学式に於いて:Xは酸素原子又は何らかの原子を表わしている;
Yは、水素原子又はフッ素原子をあらわしている;
nは0〜10(10を含む)の範囲の整数(自然数)である。
より詳しく言えば、本発明は、次の化学式III及びIVに合致する化合物について説明しているものである。
H2C=CH(CH2)nCN (III)
F2C=CF(CH2)nCN (IV)
上の化学式に於いて、nは先に定めた通りである。
たとえば、5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F2C=CFC3H6CN)の合成は次のような反応図式に従って行われる:
本発明の領域は、一般に用いられているあらゆるタイプの方法に及んでいるが、特に、エマルションの状態に於ける重合、マイクロエマルションの状態に於ける重合、塊の状態に於ける重合、懸濁液の状態に於ける重合と溶液の状態に於ける重合に及んでいる。溶液の状態に於ける重合は、しかしながら、特別のやり方で用いられている。
使用されている様々なフッ化アルケンには炭素原子は多くて4個含まれているだけであり、フッ化アルケンは、R1R2C=CR3R4という構造を備えているが、この構造に於いて、置換基Riは、Riの少なくとも一つがフッ化されているか、過フッ化となっているようなものである。従って、次のようなものが含まれている:ビニルのフッ化物(VF)、ビニリデンのフッ化物(VDF),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‐ヒドロペンタフルオロプロピレン、ヘキサフルオロイソブチレン、3,3,3‐トリフルオロプロペン、1,2‐ジフルオロ‐1,2‐ジクロロエチレン、1,1‐ジフルオロ‐2‐クロロエチレン、そして、普通のやり方でフッ化されているか、又は過フッ化となっているすべてのビニル化合物。その上、過フルオロビニル・エーテルもコモノマーの役割を演じているが、中でも、過フルオロアルキル・ビニル・エーテル(PAVE)を挙げることができる。このPAVEのアルキル原子団には、1〜3個の炭素原子が含まれている:たとえば、過フルオロメチル・ビニル・エーテル(PMVE)、過フルオロエチル・ビニル・エーテル(PEVE)、及び、過フルオロプロピル・ビニル・エーテル(PPVE)、である。これらのモノマーとしては、過フルオロアルコキシ・アルキル・ビニル・エーテル(PAAVE)でもかまわない。PAAVEについては、米国特許3,291,843や、Prog.Polym.Sci誌のA.L.Logothetis、第14巻(1989)251ページやB.Ameduri et coll.の第26巻(2001)105ページに説明されており、たとえば、過フルオロ(2‐n‐プロポキシ)プロピル‐ビニル・エーテルとか、過フルオロ(2‐メトキシ)プロピル‐ビニル・エーテル;過フルオロ(3‐メトキシ)プロピル‐ビニル・エーテルとか過フルオロ(2‐メトキシ)エチル‐ビニル・エーテル;過フルオロ(3,6,9‐トリオキサ‐5,8‐ジメチル)ドデカ‐1‐エンとか過フルオロ(5‐メチル‐3,6‐ジオキソ)‐1‐ノネンのようなものである。さらに、過フルオロアルコキシアルキル・ビニル・エーテルのモノマーであって、端にカルボキシル基を持つか、又はスルフォニル基のフッ化物を持つモノマーとしては、過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)スルフォニルフッ化物(perfluoro(4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ene)fluorure de sulfonyle)のようなものがあるが、これらのモノマーも又、本発明に於いて説明されているフッ化エラストマーの合成に使用することができる。PAVEとPAAVEの混合物がコポリマー中に存在しているようにしてもかまわない。
さらに詳しくいえば、過フルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクト−7−エン)スルフォニルフッ化物(PFSO2F)が、コモノマーとして使用される。
溶液の状態に於いて重合を行うために用いられる溶剤は次の通りである:
--)ClCF2CFCl2、C6F14、n‐C4F10、過フルオロ‐2‐ブチルテトラヒドロフラン(FC75)といったタイプのフッ素を含む溶剤;そして
--)アセトン、1,2‐ジクロロエタン、イソプロパノール、ターチオブタノール、アセトニトリル、もしくは、ブチロニトリル;
反応温度の範囲は、反応開始剤の分解温度によって決めることができるが、20〜200℃の枠内でこの範囲は様々に変動する。本発明の方法の好ましい実施態様によれば、反応は次のようにして実施される:
‐t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)の存在するところで、
そして、70〜80℃の範囲の反応温度、好ましくは、およそ75℃の反応温度に於いて;もしくは
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)の存在するところで、そして、135〜145℃の範囲の反応温度、好ましくは、およそ140℃の反応温度に於いて実施される。
重合化を行う方法の一つとしては、マイクロ‐エマルションによる方法もあるが、この方法は、ヨーロッパ特許EP.250,767で説明されている。或いは、分散による方法もあるが、この方法については、米国特許4,789,717又はヨーロッパ特許196,904,280,312及び360,292中に示されている。
反応の際の圧力は、実験条件によって2〜120バールの範囲で、様々である。
連鎖部を移動させる作用物質も、コポリマーのモル量を調節し、主として減らすために広く使用することができる。これらの作用物質の中では、テロゲン(telogenes)を挙げることができる。テロゲン(telogenes)は、1〜10個の炭素原子を含み、末端原子として臭素又はヨウ素を持っているもので、たとえば、RFXタイプの化合物(ただし、RFは、化学式がCnF2n+1、n=1〜10の過フッ化原子団であり、Xは、臭素原子又はヨウ素原子を示している)とか、XR’FXタイプの化合物(ただし、R’Fは、化学式が(CF2)n、n=1〜6)とか、アルコール、エーテル、エステルである。フッ化モノマーのテロメリゼーション(telomerisation)の際に使用される様々な連鎖移動物質のリストは、1997年Springer Verlag刊(R.D.Chambers編集)《現代化学の諸問題》の192巻(1997)165ページのB.AmeduriとB.Boutevin執筆の《フルオロアルカンのTelomerization反応》中に示されている。
生成物は、アセトン又はDMF重水(deuteries)中の1Hと19FのRMN(resonance magnetique nucleaire:核磁気共鳴)で分析された。この分析方法によれば、生成物中に導入されているコモノマーのパーセンテージを明確に知ることができたのである。たとえば、19FのRMNに於けるコポリマーVDF/PFSO2F/F‐CNの特徴的なしるしと生成物の構造との間の関係を、我々は文献中に規定されているマイクロ構造から、完全に明らかにしている([Polymer28号(1987)224ページ、J.Fluorine Chem.78号(1996)145ページ]、[PCT出願WO 01/49757]、[PCT出願WO 01/49760]及び[CA2,312,194])。この分析によって、diadeF‐CN/PFSO2F、VDF/PFSO2F、及びF‐CN/VDF並びに、構成単位となるVDFのブロック同士の頭と末尾、頭と頭のつながり(それぞれ、91及113、116ppmに於ける)が明らかにされている。
A=L83+L91+L92+L93+L95+L108+L110+L113+L116+L127
B=L144
C=L161〜165+L178〜182
ただし、Liは、19FのスペクトルRMN上の‐ippmに位置するシグナルの統合値である。
示差走査熱量測定(DSC)によって、我々はコポリマーが無定形であること、ガラス転移温度(Tg)が独特で、融解温度がないことに気付いている(表1)。このようにTgの値が低いということは、増大したエラストマーの特徴、特に、フッ化ニトリルのポリマーとしては独創的な特徴を示している。
同時に、フッ化スルフォン酸基を含むニトリルのこれらのコポリマーの、空気中で算定した温度安定性(ATG)は、極めて満足のいくものである。
t‐Bu=t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)。
t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)が反応開始剤の場合は、
温度74℃、t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)が反応開始剤の場合は135℃。
継続時間15時間。
C0=[反応開始剤]0/([VDF]0+[PFSO2F]0+[F‐CN]0)
本発明のエラストマーは、テトラフェニル錫もしくは銀の酸化物(d'oxyde d'argent:酸化銀)を用いて架橋することができる。テトラフェニル錫もしくは銀の酸化物(d'oxyde d'argent:酸化銀)が、ニトリル原子団に働きかけて環式のトリアジンヘと導くのである。このような方式はよく知られているもので、たとえば、Prog.Polym.Sci.誌14号(1989)251ページ及び同誌26号(2001)105ページや、《Macromolecular Design of Polymeric Materials(ポリマー物質の項分離設計)》という書物(1997)の《Perfluoroelastomers and their Functionalization》という章で説明されている方式がある。これらのエラストマーは又、イオンによる方法によったり、放射によったり、或いは電子衝突によったりして加硫することもできるが、これらの方法については、《Modern Fluoropolymers》(1997)(J.Scheirs編)という書物の第18章、335〜347ページのLyonsの記事中に説明されている。
このような組成のコポリマーは、エラストマーとしての良好な性質、特に低温に対して非常に抵抗力があることと結びついて、次のようなものの製造に用途を見出すことができる。即ち、円環面状の継ぎ手、ポンプ本体、(燃料、精油、t‐ブチル・メチル・エーテル、アルコール、モーター油、強酸−たとえば、HCl、HNO3やH2SO4−に対して非常に耐性の強い)隔膜の製造に用途を見出すことができる。これらのコポリマーには又従来から使用されている作用物質の存在するところで、架橋することができるという利点がある。
Carius管(内径:78mm、厚み:2.5mm、長さ:310mm)には、磁石の格子、175.5g(1.08モル)のヨウ素の−塩化物(ICl)、1.1g(0.006モル)のベンゾフェノン及び150gのメチルの塩化物が含まれているが、このCarius管を液体窒素/アセトンの混合物の中で冷やす(−80℃)。真空/窒素サイクルを三度繰返してから、131g(1.12モル)のクロロトリフルオロエチレン(CTFE)を管に導入する。管を密閉してから、周囲温度に迄、徐々にあたため、次いで、溶液を紫外線の下で(UV、水銀蒸気ランプPhilips HPK 125W)6時間ゆり動かす。ナトリウムのチオ硫酸塩の存在下で処理してから、マグネシウムの硫酸塩上で乾燥させ、メチレンの塩化物を蒸発させて蒸留すると、68%の収率で204.9gのローズ液(TEb=99〜101℃)が得られる。こうして得られる生成物は、二つの異性体の混合物で、二つの異性体というのは、1‐ヨード‐1,2‐ジクロロトリフルオロエタン(92%)と1,1‐ジクロロ‐2‐ヨードトリフルオロエタン(8%)である。
第一の異性体(CDCl3)δのRMN19F:システムABXδ(F2a)=−62.31;δ(F2b)=−65.25;δ(F1)=−72.87;J(F2a‐F2b)=163.9Hz;J(F2a‐F1)=14.4Hz;J(F2b‐F1)=15.6Hz
第二の異性体(CDCl3)δのRMN19F:システムA2X:δ(F1)=−55.60;δ(F2)=−67.65;J(F1‐F2)=14.4Hz
冷却装置と、窒素除去システムとを備えた三口フラスコの中に、279.0g(1.00モル)のClCF2CFClIと、70.5g(1.05モル)のアリル基のシアン化物とを導入する。反応作用のあるこの混合物は、80℃迄徐々に熱せられ、それから、前以てメタノール中で再結晶させておいた2.48g(15ミリモル)のAIBNが加えられる。反応作用のあるこの混合物は、2時間の間、ゆり動かし続け、AIBN(2.50g;15.2ミリモル)を又、加えてから、検体採取を行う。このようにして反応は、80℃に於いてそのまま放置され、追跡調査は、気体相に於けるクロマトグラフィ(CPV)によって行われる。反応を6時間続けた後、反応作用のある原油のクロマトグラムCPVは、1,2‐ジクロロ‐1‐ヨードトリフルオロエタンのほぼ全量が転換されたことを示している。全体の収率は、およそ90%である。反応しないで余ったアリル基のシアン化物を蒸留した後、IRTF(IR Nicolet510P)及びRMN(Bruker200MHz)で分析された色の黒ずんだ残留物310gを回収する。
IRTF(KBr,cm−1):2936.0(υC‐C);2270.8(υCN);1450(υCH2);1248〜1293(υCH2);1079及び1265(υC‐F);705.2(υC‐Cl);502.3(υC‐I)。
3‐ヨード‐5,6‐ジクロロ‐5,6,6‐トリフルオロ‐ヘキサンニトリルの特徴づけRMN
RMN1H(CDCl3)δ:2.5‐3.4(m,CFClCH 2及びCH 2CN,4H); 4.45(m,CHI,1H)。
RMN19F(CDCl3)δ:−68(システムAB,ClCF2‐,2F);−118.5及び−122.5(システムABXのX部分、二つのピークは、二つのジアステレオマー、CFCl,1Fに割り当てられている)。
冷却装置を備えた枝付きフラスコ(bicol)には、あらかじめアルゴンを飽和させてあり、且つ、ゆり動かしてまぜた溶液−108.1g(0.312モル)の誘導体、先にも記したフルオロ−ヨードニトリルと、100gの無水THFとから成る溶液−を入れておき、この枝付きフラスコ(bicol)の中に、トリブチル錫の水素化物の100.0g(0.344モル)を、0〜5℃に於いて一滴ずつ、アルゴンの下に加えていく。このように追加した後、ゆり動かされて反応作用のある混合物を、1時間、周囲温度に達する迄、徐々に熱し、次いで、40℃に達する迄2時間、熱する。冷却後、総体を蒸留する。まず、THFをとり除くと、黄色い液体部分(60.4g)が得られるが、これは、ヨウ素をもはや含んでいないフッ化ヘキサンニトリルに相当している。収率は、88%。TEb=104〜109℃/22mmHg。
5,6‐ジクロロ‐5,6,6‐トリフルオロ‐ヘキサンニトリル(ClCF2CFClCH2CH2CH2CN)の特徴づけ
IRTF(KBr,cm‐1):2951.5(υCC);2271.0(υCN);
1250〜1295(υCH2);1050〜1215(υCF);703.5(υCCl)。
1H(CDCl3)δのRMN:2.05(q,3JHH=7.0Hz、CH 2CH2CN、2H);2.2〜2.5(m,CFClCH 2CH 2,4H)。
19F(CDCl3)δのRMN:−68.5(システムAB、ClCF2、2F);
−120.5(m、CFCl、1F)。
(CF2=CF‐CH2CH2CH2CN)
冷却装置を備えた枝付きフラスコ(bicol)には、21.34g(0.326モル)の亜鉛、6.62g(0.048モル)のZnCl2及び130gのDMFとから成る溶液を入れ、ゆり動かしてまぜる。この枝付きフラスコ(bicol)の中に、65.3g(0.44モル)の5,6‐ジクロロ‐5,6,6‐トリフルオロ‐ヘキサンニトリルと40gのDMFとから成る溶液を、40℃に於いて一滴ずつ加えていく。このように追加した後、ゆり動かして反応作用のある混合物全体を、90℃に迄熱し、4時間の間、この温度に保っておく。冷却してから、全体を酸性溶液(HCl 10%)で処理し、次いで、NaHCO3で中和し、水で洗う。MgSO4上で乾燥させてから、ClCF2CFCl2(F‐113)に於いて抽出を行い、F‐113を蒸留すると、18.6gのF2C=CFC3H6C6CNが得られるが、これは42%の収率に相当している。紫色の液体が得られ、TEb=76〜78℃/21mmHgである。
IRTF(KBr,cm−1):2945.7(υCC);2270.5(υCN);1799.81(υ=CF);1448.7(υCH2);1294〜1246(υCH2);1028〜1188(υCF).
RMN1H(CDCl3)δ:2.45(t,3JHH=6.5Hz,CH2CN,2H);2.35(dddt,3JHFC=22.5Hz,4JHFa=2.4Hz,4JHFb=4.0Hz,3JHH=6.8Hz,CH2CF=,2H);1.85(q,3JHH=6.9Hz,CH 2CH2CN)。
RMN19F(CDCl3)δ:−103.5(dd,2JFaFb=82.8Hz,
3JFaFc=33.3Hz;Fa);−124.0(ddq,2JFbFa=82.8Hz,3JFbFc=114.3Hz,4JFbH=3.7Hz;Fb);−175.5(ddt,3JFcFb=114.2Hz,3JFcFa=33.1Hz,3JFcH=21.0Hz;Fc)。
VDF/F2C=CFC3H6CN/CF2=CFOCF2CF(CF3)OC2F4SO2F
実施例5の場合(表I参照)、我々は、160mlのHastelloy形式の反応装
置を使用した。この反応装置は二つの弁、即ち、破断式のディスクとマノメーターとを備えたもので、この反応装置の中に、4.6g(0.030モル)のCF2=CFC3H6CN,28.4g(0.062モル)のPFSO2F、或いは、CF2=CFOCF2CF(CF3)OC2F4SO2F、0.22g(1,5,10−3モル)のターチオブチルの過酸化物及び30.0gのアセトニトリルが入れられる。反応装置は閉じられ、真空下に置かれ、そして、アセトン/液体窒素の混合物中で冷やされる。ひとたび、温度が−80℃に達すると、14.0g(0.218モル)のビニリデンのフッ化物(fluorure de vinylidene)が導入される。反応装置が周囲温度に戻る迄は放置しておき、それから15時間過熱して温度を135℃に迄あげる。氷の中で冷やしてから、反応装置からガスを取り除き、反応していなかった2.8gのVDFを塩析させる(VDFの転換率は80%)。反応作用のある総量の19FのRMNによる特徴でづけでわかることは、スルフォン化したモノマーの80%が反応したということである(−138.5ppmに中心を置く特徴的なシグナルが存在することから、すっかりは反応しきらなかったモノマーが存在することがわかる)。アセトニトリルを部分的に蒸発させてから、コポリマーを、一滴ずつ、200mlの強くまぜた冷たいペンタン中に加えて沈澱させる。コポリマーは、エルレンマイヤー(三角フラスコ)の隔壁にくっつき、デカンテーション(上澄みの移しとり)、分離、乾燥を、80℃に於いて真空下で、一定の重量に達する迄行うと、38gの非常に粘り気があって、コハク色がかった茶褐色の生成物が得られる。重量収率は75%である。19FのRMNスペクトルによれば、VDF(モルで72%)、PFSO2F(モルで25%)及びニトリル・モノマーF‐CN(モルで3.0%)(表2参照)の主要構成要素中に含まれる様々なフッ化原子団の特徴を示す信号から、三つのコモノマーのモル百分率を明確に知ることができる。コポリマー(表2参照)のフッ化原子団の19FのRMNに於ける化学的な移動は、表1に実験の細目と結果が示されているポリマーすべてから、明確に、求められる。示差走査熱量測定(DSC)は、約15mgの試料から、インジウム及びオクタデカンに於いて検定されるPerkin Elmer Pyris 1の装置を用いて、−100℃から+165℃迄熱し(40次いで20℃/分に於いて)ては+165℃から−100℃迄冷却する(320℃/分に於いて)というサイクルを3回繰り返すことによって行われる。コポリマーについての結果からは、唯一のガラス転移(Tg)温度が明らかとなるが、この温度は、エンタルピーの動きの転換点に対応している。二回目と三回目のサイクルでは、再生可能なTg値が与えられる。このように、DSC分析の結果、融解に帰されるピークは存在しないが、唯一のガラス転移温度に帰されるエンタルピーの動きは存在していることがわかる。Tgは−31℃である。
Texas InstrumentsのTGA51〜133という装備を用いて、空気中で、10℃/分という加熱速度で行われる熱天秤測定分析(ATG)の結果、このコポリマーは、285℃に於いて、その質量の約5%を失うことがわかる。様々なフッ化原子団の様々な漸次的化学変化を特徴づける19FのRMN分析は、表2に報告されている。
IRTF(KBr,cm−1):2948.7(υCC);2266.8(υCN);
1464.6(υSO2F);1445.3(υCH2);1113〜1210(υCF)。
VDF/F2C=CFC3H6CN/CF2=CFOCF2CF(CF3)OC2F4SO2F
合成は、先の実施例5に於いて詳細に記した実験プロセスに従って行われる。ただし、モノマーVDF、PFSO2F及びF‐CNの質量は例外で、これらの質量は、実施例5より増しており、反応開始剤も(実施例5とは)違った性質のもので、この反応開始剤の使用温度も違っている。以上のことは、比較表IのCo欄に示されている。
赤外線スペクトルは、実施例5の赤外線スペクトルと類似している。
の合成
VDF/F2C=CFC3H6CN/CF2=CFOCF2CF(CF3)OC2F4SO2F
合成は、先の実施例5に於いて詳述されている実験プロセスに従って行われる。ただし、モノマーVDF、PFSO2F及びF‐CNの質量は例外で、これらの質量は(実施例5より)増しているが、このことは、比較表1に示されている。その上、モノマーPFSO2FとF‐CNの質量は、実施例6に於いて使用された質量よりも増している。
赤外線スペクトルは、実施例5の赤外線スペクトルと類似している。
実施例5に記したコポリマー10.05gを、30.5gのアセトン中に溶かす。そこに、3.2gのカーボンブラック、0.53g(1.3モル)のテトラフェニル錫(Aldrich)を加える。溶液が均質になってから、アセトンを蒸発させ、次いで粘り気のある残留物を型の中に塗り伸ばしてPTFEの二枚の薄板の間に配し、175℃に於いて2時間(20バールの圧力で)加圧し、次いで200℃に於いて24時間、そして最後に220℃に於いて12時間加圧する。こうして得られるフィルム(薄膜)は極めて薄く(15〜20μm)均質で、すべての有機溶剤や炭化水素、それに濃縮したHClやH2SO4にも不溶である。
IRTF(KBr,cm−1):2962.8(υCH);1580及び1502(υC=N,トリアジン);1464.2(υSO2F);1110〜1207(υCF)。
Claims (27)
- 化学式Iに合致する化合物であって、化学式Iとは
Z2C=CWX(CY2)nCN (I)であり、
この化学式(I)に於いて:
Xは酸素原子か何らかの原子を表わし;
Yは水素原子かフッ素原子を表わし;
Zは水素原子かフッ素原子を表わし;
Wは、水素原子かフッ素原子か原子団CF3を表わし;そして
nは端を含む0〜10の範囲の自然数の整数とした化合物。 - 請求項1に記載の、化学式IIに合致する化合物であって、化学式IIとは、
F2C=CF(CH2)nCN (II)であり、
この化学式(II)に於いて:nは端を含む0〜10の範囲の自然数の整数とした化合物。 - ラジカル共重合化によってフッ化コポリマーを作成する方法であって、この方法は、化学式Iに合致する化合物を、化学式III1に合致する化合物もしくは化学式III2に合致する
化合物と反応させることから成っているが、化学式Iとは:
Z2C=CWX(CY2)nCN (I)
で、請求項1に記した通りのものであり、化学式III1とは:
F2C=CFORF1 (III1)
であって、この化学式III1に於いてRF1は:化学式がCnF2n+1(nは1〜10
の自然数の整数を示す)の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示しており、化学式III2と
は:
F2C=CFORF2‐G (III2)
であって、この化学式III2に於いてRF2は:化学式が(CF2CFX’)y〔O(C
F2)l〕mの直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示しており、この化学式に於いて、X
’は、フッ素原子又は原子団CF3を表わし;y、l及びmは、それぞれ端を含む1〜5
、1〜4及び0〜6という範囲の自然数の整数とし;そして、Gは:官能基の原子団SO
2F、CO2H、CO2Rを表わし(ただし、Rは、CpH2p+1という化学式の原子
団を示すものとし、且つpは0〜5の自然数の整数を表わすものとし)或いは、Gは、官
能基の原子団P(O)(OR’)を示すものとし、ただし、R’は、水素原子か、C1〜
C5のアルキル基かのいずれかであるものとした方法。 - 請求項3によるフッ化コポリマーの作成方法であって、この方法は、化学式II’に合致
する化合物を、化学式III1の化合物もしくは化学式III2の化合物と反応させて、(統計を
とれば)化学式IVに合致するコポリマーを得るようにすることから成っているが、化学式
II’とは:
F2C=CF(CH2)3CN (II’)
であり、化学式III1とIII2とは請求項3に於いて定義した通りのものであり、化学式IV
とは:
であって、この化学式IVに於いて:
RFは、請求項3に於いて定義された原子団RF1又はRF2を表わし、RFがRF1
を表わしている時には原子団Gは存在せず、RFがRF2を表わしている時には原子団G
が存在するが、この原子団Gは、請求項3に於いて定義された通りのものとし;そして、
q、r及びsは、それぞれ自然数の整数を表わしているが、q/r比の値が1〜30の範囲で且つsが20〜300の範囲のものとし、好ましくはq/rが1〜25の範囲で且つsが25〜250の範囲、さらに好ましくはq/rが3〜20の範囲で且つsが30〜220のものとした方法。 - 共重合化の方法であって、化学式II’に合致する化合物を、化学式III1又は化学式III2
に合致する化合物、及び化学式Vの化合物と反応させて、(統計をとれば)化学式VIに合致するコポリマー(共重合体)を得るようにする方法であるが、化学式II’とは:
F2C=CF(CH2)3CN (II’)
であり、化学式III1とは:
F2C=CFORF1 (III1)
であって、この化学式III1に於いて、RF1は、化学式がCnF2n+1(ただし、nは1〜10の範囲の自然数の整数を示す)の直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示すものとし;又、化学式III2とは:
F2C=CFORF2‐G (III2)
であって、この化学式(III2)に於いて、RF2は、化学式が(CF2CFX’)y〔O(CF2)l〕mの直鎖状もしくは分岐鎖状の原子団を示すものとし、ただし、X’は
フッ素原子か、CF3という原子団を表わし、y、l及びmは、それぞれ、端を含む1〜5、1〜4及び0〜6という範囲の自然数の整数であり、そしてGは、官能基の原子団SO2F、CO2H、CO2R(ただし、Rは、CpH2p+1という原子団を示しており
、pは0〜5の範囲の自然数の整数を表わしている)か、或いは官能基の原子団P(O)(OR’)−ただし、R’は水素原子かC1〜C5のアルキル原子団を示す−を表わして
いるものとし、そして化学式Vとは:
FCX=CYZ (V)
であって、この化学式(V)に於いて、X、Y及びZは、水素原子かフッ素原子か塩素原子か化学式がCnF2n+1(ただし、nは1、2又は3)の原子団を表わすが、いずれの場合にもX=Y=Z=Fであるものとし、そして化学式VIとは:
であって、この化学式(VI)に於いて、RFは、請求項3に於いて定義された原子団RF1又はRF2を表わし、RFがRF1を表わしている時には、原子団Gは存在しないものとし;そして、e、f、g及びhは、それぞれ自然数の整数を表わしているが、比f/eが5〜50の範囲、比f/gが1〜20の範囲でhが10〜250の範囲であるような、好ましくは、比f/eが5〜30の範囲、比f/gが2〜10の範囲でhが15〜200の範囲であるような、さらに好ましくは、比f/eが10〜25の範囲、比f/gが2〜5の範囲でhが20〜150の範囲であるような自然数の整数を表わしているものとした方法。 - 請求項4又は5による共重合化の方法であって、反応が桶一杯の分量ずつ(《バッチ》式)で行われることを特徴とする方法。
- 請求項4〜6のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が、エマルション、マイクロ‐エマルション、懸濁液又は溶液の状態で行われるということを特徴とする方法。
- 請求項4〜7のいずれかによる共重合化の方法であって、反応は、少なくとも一つの有機ラジカル反応開始剤の存在するところで、開始され、該少なくとも一つの有機ラジカル反応開始剤は、好ましくは、過酸化物、パーエステル、パーカーボネート、アルキルの過酸化ピバレート及びジアゾ化合物より成る物質群から選ばれることを特徴とする方法。
- 請求項4〜8のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が:
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)、t‐ブチルのヒドロ過酸化物(hydroperoxyde de t-butyl)、t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)、及びt‐アミルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-amyle)より成る物質群から、好ましくは選ばれる過酸化物少なくとも一つ;及び/又は、
‐好ましくは、ベンゾイルの過酸化物(peroxyde de benzoyle)であるパーエステル少なくとも一つ;及び/又は
‐好ましくは、t‐ブチル・シクロヘキシル・過オキシジカーボネイト(t-butyl cyclohexyle peroxydicarbonate)であるパーカーボネイト少なくとも一つの存在するところで行われることを特徴とする方法。 - 請求項8又は9による共重合化の方法であって、反応の起こる環境に於ける過酸化物及び/又はパーエステル及び/又はパーカーボネイトの濃度は、反応開始剤とモノマーとの間の最初のモル比(〔amorceur〕0/〔monomeres〕0)が0.1〜2%、そして好ましくは、0.5〜1%の範囲にあるようなものとし、反応開始剤は、化学式がtBuO‐OtBu又は、tBuO‐OC(O)tBuの化合物であり、モノマーは、化学式がI、II、III1、 III2、 II’及びVの化合物であって、〔amorceur〕0という表現は、反応開始剤の最初のモル濃度を表わし、〔monomeres〕0という表現は、モノマーの最初の全体の濃度を表わしていることを特徴とする方法。
- 請求項4〜10のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が:
‐t‐ブチルの過酸化ピバレート(peroxypivalate de t-butyl)の存在するところで、
70〜80℃の範囲の反応温度に於いて、好ましくは、およそ75℃の温度に於いて行われるか;或いは、
‐t‐ブチルの過酸化物(peroxyde de t-butyl)の存在するところで135〜145℃
の範囲の反応温度に於いて、好ましくは、およそ140℃に於いて行われることを特徴とする方法。 - 請求項4〜11のいずれかによる共重合化の方法であって、反応が、少なくとも一つの有機溶剤の存在下に於いて、溶液の状態で行われることを特徴とする方法。
- 請求項12による共重合化の方法であって、過フルオロ‐n‐ヘキサン、アセトニトリル、又は、過フルオロ‐n‐ヘキサンとアセトニトリルとの混合物とより成る物質群から有機溶剤を選ぶことを特徴とする方法。
- 請求項12又は13による共重合化の方法であって、反応の起こる環境に於いて、溶剤中の含有量は、溶剤とモノマーとの最初の質量比が0.5〜1.5の範囲、好ましくは、0.6〜1.2の範囲であるような量とすることを特徴とする方法。
- 請求項4〜14のいずれかによる共重合化の方法であって、化学式III2の反応体は、スルフォニルの過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(perfluoro(4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ene)fluorure de sulfonyle)であり、化学式Vの化合物は、ビニリデンのフッ化物(fluorure de vinylidene)であることを特徴とする方法。
- 請求項3〜15のいずれかに従って得られる可能性のあるフッ化ポリマー、好ましくはフッ化コポリマー。
- 請求項3〜16のいずれかに従って得られる可能性のあるフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマー。
- 請求項17に従ったフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーであって:
‐1〜20%の5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN)と;
‐20〜33%のスルフォニルの過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(perfluoro(4-methyl-3,6-dioxaoct-7-ene)fluorure de sulfonyle)
と;
‐65〜79%のビニリデンのフッ化物(VDF)、を含むコポリマーで、ただし上の百分率は、モル百分率を表わしているものとしたコポリマー。 - 請求項18に従ったフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーであって:
‐2〜14%の5,6,6‐トリフルオロ‐5‐ヘキセンニトリル(F‐CN)と;
‐20〜30%のスルフォニルの過フルオロ(4‐メチル‐3,6‐ジオキサオクト‐7‐エン)フッ化物(PFSO2F)と;
‐66〜78%のビニリデンのフッ化物(VDF)、を含むコポリマーで、ただし上の百分率は、モル百分率を表わしているものとしたコポリマー。 - 請求項18又は19に従ったフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーであって、次のような化学的官能基もしくはフッ化原子団、即ち、
‐SO2F;
‐OCF 2CF(CF 3)OCF 2CF2SO2F;
tBuO‐CF 2CH2‐;
‐CH2CF 2‐CH2CF 2‐CH2CF2‐;
‐CF2CF(RF)‐CH2CF 2‐CH2CF2‐;
‐CF2CF(RF)‐CH2CF 2‐CH2CF2‐CF2CF(RF)‐;
‐CH2CF 2‐CH2CF2‐CF2CH2‐;
‐CF2CF(ORFSO2F)‐CH2CF 2‐CF2CF(ORFSO2F)‐;
‐CH2CF2‐CH2CF 2‐CF2CF(RF)‐;
‐OCF2CF(CF3)OCF2CF 2SO2F;
‐CH2CF2‐CH2CF 2‐CF2CH2‐;
‐CH2CF2‐CF 2CH2‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF 2CF(C3H6CN)‐CH2CF2‐;
‐CF2CF(ORF‐SO2F)‐CF 2CF(C3H6CN)‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF 2CF(ORFSO2F)‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF2CF(ORFSO2F)‐CH2CF2‐;
‐CH2CF2‐CF2CF(ORFSO2F)‐CF 2CH2‐;
‐OCF2CF(CF3)OC2F4SO2F;
‐CH2CF2‐CF2CF(C3H6CN)‐CH2CF2‐;及び
‐CH2CF2‐CF2CF(C3H6CN)‐CF2‐;
を持ち、これらは、それぞれ、19FのRMN(resonance magnetique nucleaire:核
磁気共鳴)によってppmで表わした次のような化学的な移動に結びつけられており、即
ち:
+45;
−77〜−80;
−83;
−91;
−92;
−93;
−95;
−108;
−110;
−112;
−113;
−116;
−119;
−120;
−122;
−125;
−127;
−144;
−161〜−165;及び
−178〜−182と結びつけられているコポリマー。 - フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーを作成する方法であって、請求項3〜16のいずれかに於いて得られたコポリマーが、架橋の処理段階を経るようにし、この架橋は、好ましくは、テトラフェニル錫又は銀の酸化物(d'oxyde d'argent:酸化銀)の存在するところで、しかも、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のコポリマーの重量を100とすると、重量が0.1〜10の割合で存在するところで行われ、
これらの混合物が、175℃に於いて2時間加圧され(20バールの圧力)、次いで200℃に於いて24時間、そして最後に220℃に於いて12時間加圧されることを特徴とする方法。 - 請求項21の方法によって得ることのできるフッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマー。
- 請求項22に従った、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーであって、ガラス転移(Tg)温度が非常に低く、これらのガラス転移温度は、ASTME‐1356‐98規格に従って測定され、好ましくは、−43〜−22℃の範囲、さらに好ましくは、−34〜−29℃の範囲であることを特徴とするエラストマー。
- 請求項22又は23による、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーであって、ASTMD‐2857‐95法によって測定した固有の粘度が0.9〜2.0mL/gの範囲であることを特徴とするエラストマー。
- 請求項23又は24による、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマーであって、5%の質量損が計測される温度数値である10℃/分に於いて、空気中で297℃迄、熱安定性ATGが示されることを特徴とするエラストマー。
- 請求項22〜25のいずれかによる、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物の架橋し得るエラストマーの一つ以上の使用法であって:
‐膜、ポリマーの電解質、アイオノマー、たとえば水素もしくはメタノールに供される燃料電池の成分の製造;
‐気密継ぎ手、円環面状の継ぎ手、特殊ゴム管、パイプ、ポンプ本体、振動板、ピストンのヘッド(航空機産業、石油産業、自動車産業、鉱山業、原子力産業に用途のあるもの)の入手;及び
‐プラスチック加工(plasturgie)(実施補助製品)
のための使用法。 - 請求項22〜26のいずれかに規定されている、フッ化スルフォン酸基を含むニトリル化合物のエラストマー群の中から選ばれたスルフォン化されたポリマーのスルフォニル原子団を架橋する方法であって:
‐該ポリマーを、架橋剤と接触させて、隣り合っているポリマーの鎖状部から出ている二つのスルフォニル原子団同士の間に反応が起こって、架橋結合が形成され得るようにし;そして
‐架橋の際に形成される結合の少なくとも一部分はイオン電荷を持っているようにしてある方法。
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