(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
少なくとも70時間にわたる225℃の水への曝露後にASTM D1414に従って測定した体積膨潤度が5%未満であり、ASTM D395に従って測定した300℃、70時間、25%圧縮での圧縮永久歪が70%未満である、請求項4に記載の硬化物。
【背景技術】
【0002】
フルオロエラストマーは傑出した商業的成功を収めており、厳しい環境に遭遇する多種多様な応用分野で使用され、特に高温および攻撃的な化学物質に曝される最終用途で使用される。例えば、このポリマーは、航空機のエンジン用のシールで、石油採掘装置で、および高温で作動する産業機器用の封止要素で使用されることが多い。
【0003】
フルオロエラストマーの傑出した特性は、この組成物中におけるポリマー骨格の大部分を構成する、共重合したフッ素化モノマー単位の安定性および不活性に負うところが大きい。そのようなモノマーとして、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレンおよびペルフルオロ(アルキルビニル)エーテルが挙げられる。エラストマー特性を十分に発現させるために、フルオロエラストマーは典型的には架橋される、即ち加硫される。この目的のため、フッ素化モノマー単位と共重合する硬化部位モノマーはわずかである。少なくとも1個のニトリル基を含有する硬化部位モノマー、例えばペルフルオロ−8−シアノ−5−メチル−3,6−ジオキサ−1−オクテンが特に好ましい。そのような組成物は、米国特許第4,281,092号明細書、米国特許第4,394,489号明細書、米国特許第5,789,489号明細書、米国特許第5,789,509号明細書および国際公開第2011084404号パンフレットに記載されている。
【0004】
ビスアミドキシム(米国特許第5,668,221号明細書)およびビスアミドラゾン(米国特許第5,605,973号明細書、米国特許第5,637,648号明細書)が、ニトリル基硬化部位を有するフルオロエラストマー用の加硫剤として使用されている。これらの硬化はスコーチ性である可能性がある、即ち組成物の最終成形前に架橋が始まる可能性がある。また、この硬化剤は、高価な出発物質からの複雑な多段階合成も必要とする。
【0005】
その他の窒素含有求核性化合物を用いて、ニトリル基硬化部位を有するフルオロエラストマーが架橋されている(米国特許第6,638,999B2号明細書)。この硬化剤の内のいくつかはスコーチ性であるが、その他はゴムの圧延温度で揮発性である。
【0006】
ペンダントのアミドラゾン基またはアミドキシム基を有するフルオロポリマーも既知である(米国特許第7,300,985B2号明細書)。このポリマーは、架橋を形成するために追加のポリマー修飾工程を必要とする。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本発明の組成物で用いることができるフルオロエラストマーを、部分的にフッ素化することができる、または部分的に過フッ素化することができる。フルオロエラストマーは、フルオロエラストマーの全重量に基づいて25〜70重量パーセントの、フッ化ビニリデン(VF
2)またはテトラフルオロエチレン(TFE)であることができる第1のモノマーの共重合単位を好ましくは含有する。フルオロエラストマー中の残余の単位は、フルオロモノマー、炭化水素オレフィンおよびそれらの混合物からなる群から選択される、前記第1のモノマーと異なる1種または複数種の追加の共重合モノマーで構成される。フルオロモノマーとして、フッ素含有オレフィンおよびフッ素含有ビニルエーテルが挙げられる。
【0010】
フルオロエラストマーの製造に用いることができるフッ素含有オレフィンとして、フッ化ビニリデン(VF
2)、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)、1,1,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(2−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。
【0011】
フルオロエラストマーの製造に用いることができるフッ素含有ビニルエーテルとして、ペルフルオロ(アルキルビニル)エーテルが挙げられるがこれに限定されない。モノマーとしての使用に適したペルフルオロ(アルキルビニル)エーテル(PAVE)として、式
CF
2=CFO(R
F’O)
n(R
f’’O)
mR
f (I)
(式中、R
F’およびR
f’’は2〜6個の炭素原子の異なる直鎖のまたは分岐したペルフルオロアルキレン基であり、mおよびnは独立して0〜10であり、R
fは1〜6個の炭素原子のペルフルオロアルキル基である)のものが挙げられる。
【0012】
ペルフルオロ(アルキルビニル)エーテルの好ましい種類として、式
CF
2=CFO(CF
2CFXO)
nR
f (II)
(式中、XはFまたはCF
3であり、nは0〜5であり、R
fは1〜6個の炭素原子のペルフルオロアルキル基である)の組成物が挙げられる。
【0013】
ペルフルオロ(アルキルビニル)エーテルの最も好ましい種類として、nが0または1であり、R
fが1〜3個の炭素原子を含有するこれらのエーテルが挙げられる。そのような過フッ素化エーテルの例として、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)が挙げられる。その他の有用なモノマーとして、式
CF
2=CFO[(CF
2)
mCF
2CFZO]
nR
f (III)
(式中、R
fは1〜6個の炭素原子を有するペルフルオロアルキル基であり、m=0または1、n=0〜5、Z=FまたはCF
3)のものが挙げられる。この種類の好ましいメンバーは、R
fがC
3F
7であり、m=0およびn=1のものである。
【0014】
追加のペルフルオロ(アルキルビニル)エーテルモノマーとして、式
CF
2=CFO[(CF
2CF{CF
3}O)
n(CF
2CF
2CF
2O)
m(CF
2)
p]C
xF
2x+1 (IV)
(式中、mおよびnは独立して0〜10、p=0〜3およびx=1〜5)の化合物が挙げられる。この種類の好ましいメンバーとして、n=0〜1、m=0〜1およびx=1の化合物が挙げられる。
【0015】
有用なペルフルオロ(アルキルビニルエーテル)の他の例として、
CF
2=CFOCF
2CF(CF
3)O(CF
2O)
mC
nF
2n+1 (V)
(式中、n=1〜5、m=1〜3、好ましくはn=1)が挙げられる。
【0016】
本発明で用いるフルオロエラストマー中にPAVEの共重合単位が存在する場合、PAVEの含有量は一般に、フルオロエラストマーの全重量に基づいて25〜75重量パーセントの範囲である。ペルフルオロ(メチルビニルエーテル)が使用される場合、フルオロエラストマーは30〜65重量%の共重合PMVE単位を好ましくは含有する。
【0017】
本発明で用いるフルオロエラストマーに有用な炭化水素オレフィンとして、エチレンおよびプロピレンが挙げられるがこれらに限定されない。フルオロエラストマー中に炭化水素オレフィンの共重合単位が存在する場合、炭化水素オレフィンの含有量は一般に、4〜30重量パーセントである。
【0018】
フルオロエラストマーは、一般に0.1〜5モルパーセントの量で、少なくとも1種の硬化部位モノマーの共重合単位を更に含有する。この範囲は、好ましくは0.3〜1.5モルパーセントである。複数種の硬化部位モノマーが存在することができるが、最も一般的には1種の硬化部位モノマーが使用され、その硬化部位モノマーは少なくとも1種のニトリル置換基を含有する。好適な硬化部位モノマーとして、ニトリル含有フッ素化オレフィンおよびニトリル含有フッ素化ビニルエーテルが挙げられる。有用なニトリル含有硬化部位モノマーとして、以下に示す式のものが挙げられる。
【0019】
CF
2=CF−O(CF
2)
n−CN (VI)
(式中、n=2〜12、好ましくは2〜6);
CF
2=CF−O[CF
2−CFCF
3−O]
n−CF
2−CFCF
3−CN (VII)
(式中、n=0〜4、好ましくは0〜2);
CF
2=CF−[OCF
2CFCF
3]
x−O−(CF
2)
n−CN (VIII)
(式中、x=1〜2、n=1〜4);および
CF
2=CF−O−(CF
2)
n−O−CF(CF
3)CN (IX)
(式中、n=2〜4)。
式(VIII)のものが好ましい。特に好ましい硬化部位モノマーは、ニトリル基およびトリフルオロビニルエーテル基を有する過フッ素化ポリエーテルである。最も好ましい硬化部位モノマーは、
CF
2=CFOCF
2CF(CF
3)OCF
2CF
2CN (X)
である、即ちペルフルオロ(8−シアノ−5−メチル−3,6−ジオキサ−1−オクテン)または8−CNVEである。
【0020】
本発明の第1の態様は、A)ニトリル基含有硬化部位モノマーの共重合単位を含むフルオロエラストマーと、B)ヒドラジンまたはヒドロキシルアミンのフタルヒドラジド塩とを含む硬化性組成物である。
【0021】
フタルヒドラジドは、芳香環上に1個または複数個の官能基、例えば炭化水素基、ハロゲン、ニトリル、エーテル、芳香族基、アミン、エステル、ニトロ基またはスルホンを任意選択で含有することができる。また、フタルヒドラジドのN−H基の内の1個をN−R(Rはアルキル基またはアリール基である)に任意選択で置換することもできる。フタルヒドラジドは、モノ−ヒドラジド、ジ−ヒドラジドまたはポリ−ヒドラジドであることができる。
【0022】
溶媒中でのヒドラジンまたはヒドロキシルアミンによるフタルヒドラジドの処理、続いて塩の単離により、ヒドラジンまたはヒドロキシルアミンのフタルヒドラジド塩を製造することができる。
【0023】
このフタルヒドラジド塩は、ニトリル基に結合しているポリマー鎖を二量化して1,2,4−トリアゾール環またはオキサジアゾ−ル環を形成し、そのためフルオロエラストマーを架橋することにより硬化剤として作用するという説がある。フタルヒドラジド塩の揮発性はヒドラジンまたはカルバジン酸t−ブチル等の硬化剤に比べて低く、これにより混合プロセスおよび成形プロセス中にフタルヒドラジド塩硬化剤が逸散しにくくなる。
【0024】
このフルオロエラストマー用の主要な硬化剤として、または唯一の硬化剤として有用であるために、フタルヒドラジド塩のレベルは、100部のフルオロエラストマー当たり約0.05〜7部のフタルヒドラジド塩でなければならず、好ましくは100部のフルオロエラストマー当たり約0.1〜3部のフタルヒドラジド塩でなければならず、最も好ましくは100部のフルオロエラストマー当たり約0.5〜2部のフタルヒドラジド塩でなければならない。本明細書で使用する場合、「部」は別段の指示がない限り重量部を指す。
【0025】
硬化特性を考慮して、例えば硬化性組成物の最大の移動式ダイレオメータ(MDR)トルクおよび最小のムーニースコーチを発現させる時間を考慮して、フタルヒドラジド塩の適切なレベルを選択することができる。最適なレベルを、フルオロエラストマーとフタルヒドラジド塩との特定の組み合わせによって決めることができる。
【0026】
任意選択で、硬化促進剤、例えば硬化温度でアンモニアを放出する化合物を、フタルヒドラジド塩硬化剤と組み合わせて使用することができる。硬化温度で分解してアンモニアを放出する化合物の例として、米国特許第6,281,296B1号明細書および米国特許出願公開第2011/0009569号明細書で開示されているものが挙げられる。
【0027】
任意選択で、フタルヒドラジド塩に加えて、ニトリル基硬化部位を有するフルオロエラストマーを架橋するために一般に用いられる別の硬化剤を使用することができる。そのような他の硬化剤の例として、ジアミノビスフェノールAF、2,2−ビス(3−アミノ−4−アニリノフェニル)ヘキサフルオロプロパン、モノ−アミジンもしくはビス−アミジン、モノ−アミドラゾンもしくはビス−アミドラゾン、モノ−アミドキシムもしくはビス−アミドキシム、または助剤を加えた有機過酸化物が挙げられるがこれらに限定されない。
【0028】
フルオロエラストマーの配合で典型的に用いられるカーボンブラック、フルオロポリマー微粉末、安定剤、可塑剤、潤滑剤、充填剤および加工助剤等の添加剤を、意図した使用条件に関してそれらが適切な安定性を有するという条件で、本発明の組成物中に包含させることができる。
【0029】
標準的なゴム配合手順を使用してフルオロエラストマー、フタルヒドラジド塩および他の構成成分を混合することにより、本発明の硬化性組成物を調製することができる。例えば、ゴム用2本ロール圧延機上で、内部ミキサー(例えばBanbury(登録商標)内部ミキサー)中で、または押出し機中で構成成分を混合することができる。次いで、熱および/または圧力を印加することにより硬化性組成物を架橋(即ち硬化)させることができる。圧縮成形を用いる場合、一般にプレス硬化サイクル後に後硬化サイクルが続き、後硬化サイクル中に、プレス硬化した組成物を数時間にわたり300℃を超える高温で加熱する。
【0030】
本発明の硬化性組成物は、ガスケット、管類およびシールの生産で有用である。そのような硬化物は一般に、加圧下で様々な添加剤を含む硬化性組成物の配合調合物を成形し、その部品を硬化させ、次いで部品を後硬化サイクルにかけることによって生産される。硬化した組成物は、優れた熱安定性、耐水蒸気性および耐薬品性を有する。少なくとも70時間にわたる、好ましくは168時間にわたる、最も好ましくは少なくとも336時間にわたる225℃の水への曝露後の体積膨潤度(ASTM D1414)は5%未満である。また、300℃、70時間、25%圧縮での圧縮永久歪(ASTM D395)は70%未満である。硬化した組成物は、半導体デバイスを製造するためのシールおよびガスケット等の応用分野で、ならびに高温での自動車用途向けのシールで特に有用である。
【0031】
本発明の組成物中のフルオロエラストマーを、フルオロプラスチック等の、ニトリル硬化部位を含有する他のフルオロポリマーに置換することができる。
【0032】
これより、いくつかの実施形態により本発明を例証し、全ての部は別段の規定がない限り重量部である。
【0033】
[実施例]
試験方法
硬化特性
以下の条件下でモンサントMDR2000計器を使用して硬化特性を測定した:
移動式ダイの周波数:1.66Hz
振動振幅:±0.5度
温度:別段の注記がない限り190℃
試料サイズ:直径が1.5インチ(38mm)であるディスク
試験の持続時間:30分。
【0034】
以下の硬化パラメータを記録した:
M
H:最大トルクレベル、単位dN・m
M
L:最小トルクレベル、単位dN・m
Tc90:最大トルクの90%までの時間、分。
【0035】
以下の実施例で列挙する調合物中に記載するように、適切な添加剤と配合したエラストマーから試験片を調製した。配合をゴム用ロール圧延機上で実施した。圧延した組成物をシート状に成形し、10gの試料をディスク状に打ち抜いて試験片を成形した。
【0036】
Oリング型試料の圧縮永久歪をASTM D395に従って決定した。平均値を報告する。
【0037】
水中における体積膨潤度を、ASTM D1414に従い表に示す時間にわたって225℃で測定した。
【0038】
10℃/分の加熱速度で20〜350℃のN
2雰囲気下で硬化剤の熱重量分析(TGA)を実施した。
【0039】
以下のフルオロエラストマーポリマーを実施例で使用した:
FFKM1−61.8モルパーセント単位のTFE、37.4モルパーセント単位のPMVEおよび0.80モルパーセント単位の8−CNVEを含有するターポリマーを、米国特許第5,789,489号明細書に記載の一般的なプロセスに従って調製した。
FFKM2−空気乾燥器中で3時間にわたり275℃で加熱処理し、ポリマーの末端基を少なくとも部分的に脱炭酸させているFFKM1ポリマー。
【0040】
実施例で使用するために以下の硬化剤を調製した。
【0041】
ヒドラジンフタルヒドラジド
H.J.Barber et al.,Journal of the Chemical Society,1948,page 1458の一般的な手順に従った。磁気撹拌子および凝縮器を備え、更にN
2供給源に取り付けられている250mLの丸底フラスコに、10.0g(61.7mmol、Aldrichから入手可能)のフタルヒドラジド、9.57g(191mmol、Aldrichから入手可能)のヒドラジン水和物および60mLの水を充填した。混合物を、その混合物が実質的に均一になる90℃に加熱し、次いで温めつつろ過した。ろ液を約1Lのエタノールに添加し、次いで調製物をろ過で回収し、室温で真空中において乾燥させ、9.0g(46mmol、75%収率)の綿状の白色粉末を得た。TGA分析は、150℃で15.7重量%の喪失を示した(16.5%はヒドラジンの理論的喪失である)。
【0042】
ヒドロキシルアミンフタルヒドラジド
磁気撹拌子、滴下漏斗および凝縮器を備え、更にN
2供給源に取り付けられている500mLの丸底フラスコに、2.5g(15mmol、Aldrichから入手可能)のフタルヒドラジドおよび100mLの無水DMF(Aldrichから入手可能)を充填した。混合物を100℃に加熱してフタルヒドラジドを溶解させ、室温に冷却し、次いで3.0g(45mmol、Aldrichから入手可能、H
2O中に50重量%)のヒドロキシルアミンを滴下漏斗により迅速に添加した。得られた淡黄色透明の溶液を室温で2時間撹拌し、次いで、1Lのトルエンへの滴下により沈殿させた。細かい白色粉末をろ過により取り出し、トルエンで洗浄し、次いで室温で真空中において乾燥させ、2.9g(15mmol、100%収率)の産物を得た。TGA分析は、110℃で16.9重量%の喪失を示した(16.9%はヒドロキシルアミンの理論的喪失である)。
【0043】
実施例1〜2
硬化性組成物を、表Iに示す割合でゴム用2本ロール圧延機上において配合した。表Iにおいて、配合した組成物を実施例1(ヒドラジンフタルヒドラジド)および実施例2(ヒドロキシルアミンフタルヒドラジド)と標識する。配合した組成物の硬化特性も表Iに示す。Tc90プラス5分にわたり190℃の温度で硬化性組成物をプレス硬化させ、続いて室温からの緩慢な温度上昇の後に26時間にわたる305℃の温度での窒素雰囲気中における後硬化により、Oリングを製造した。圧縮永久歪および体積膨潤度の値も表Iに示す。
【0044】
本発明の組成物の体積膨潤度と先行技術の組成物とを比較するために、類似の化合物であるがフタルヒドラジド塩ではなく0.25phrの尿素を硬化剤として含有する化合物からOリングを製造した。225℃の水へのわずか168時間の曝露後に、尿素で硬化したOリングは15.7%の体積膨潤度を示した。