説明

ポリマーの変性方法

【課題】 分子量の低下やゲル化、またホモポリマーの生成がなく、ポリマーに所望の官能基を簡便に導入する。
【解決手段】 ポリマー(A)、ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)、ラジカル開始剤(C)及びラジカル重合性モノマー(D)を非溶媒系で混練機中で混合反応させてポリマー(A)にモノマー(D)をグラフトさせることによりポリマーを変性する方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はポリマーの変性方法に関し、更に詳しくはポリマー、ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物、ラジカル開始剤及びラジカル重合性モノマーを非溶媒系で反応させてポリマーにラジカル重合性モノマーをグラフトさせることによりポリマーを変性する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ブチルゴムやエチレン−プロピレン共重合体(EPM)などの熱可塑性ポリマーやジエン系ゴム、また、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂は、極性が低いため、ポリアミドやポリエステルなどの樹脂に対し相溶性が低く、またガラスなどへの接着性も劣るという問題がある。
【0003】
例えば特許文献1及び特許文献2にはTEMPO(即ち、2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシラジカル)又はその誘導体とラジカル開始剤によるポリマーへの官能基導入が提案されている。しかしながら、ポリマーはその用途により種々の官能基を有することが所望されるため、各種TEMPO誘導体を前もって合成しておく必要があり、コストが高くなるという問題がある。更に特許文献3には溶媒系でニトロキシドラジカル化合物をポリマーと反応させた後に、モノマーを添加してグラフト反応を行う方法が開示されている。ニトロキシドラジカル化合物をポリマーに反応させグラフトさせる第1段階の反応には、水素引抜能の高いラジカル開始剤の使用が必須である。溶媒系の場合、高温での反応に限界があるため温和な条件でも高い水素引抜き能を有するラジカル開始剤を用いる必要があるが、こうしたラジカル開始剤は非常に危険な化合物であり取扱いが難しい。また、溶媒からの水素引抜きが反応効率を低下させるため、特許文献3では水素をすべて塩素に置換した溶媒を用いているが、こうした溶媒は環境への負荷が高い。さらに溶媒系は非溶媒系よりも反応効率が低い。従って、第1段階の反応におけるTEMPO部位の導入率が低いため、その部位を起点とする第2段階のグラフト反応による官能基の導入率も低くなるという問題が生じる。
【0004】
【特許文献1】特開2004−182926号公報
【特許文献2】特願2004−108986号明細書
【特許文献3】米国特許第4581429号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、前述のように、ポリマーの極性を高めたり、界面での反応を発現させたりするなどの機能付与を行なう方法として、ポリマーを変性するにあたり、変性中に分子量の低下やゲル化が起こらず、またホモポリマーが系内に生成したりすることがなく、種々の官能基を簡便に導入する方法を開発しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明に従えば、ポリマー(A)、ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)、ラジカル開始剤(C)及びラジカル重合性モノマー(D)を非溶媒系で混練機中で混合反応させてポリマー(A)にモノマー(D)をグラフトさせることによってポリマーを変性する方法が提供される。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、ポリマー(A)、TEMPO誘導体などのニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)ラジカル開始剤(C)及びラジカル重合性モノマー(D)を非溶媒系で混合反応させることによってポリマー(A)にモノマー(D)をグラフトさせてポリマーを変性することができるので、モノマー(D)を適宜選択することにより、ポリマー鎖中に所望の官能基を有するグラフト化ポリマーを簡便に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0008】
本発明者らは、ポリマー(A)、TEMPO誘導体のようなニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)、ラジカル開始剤(C)及びラジカル重合性モノマー(D)を非溶媒系で、加熱しながら混合反応させることにより、モノマー(D)がグラフトされたポリマー(A)が得られ、種々の官能基を簡便に導入し得ることを見出した。これを模式的に示せば大略は以下の通りである。
【0009】
【化1】

【0010】
本発明に従って変性することができるポリマー(A)としては、例えばポリイソブチレン、ポリブテン、ブチルゴム、イソブチレン−パラメチルスチレン共重合体、ハロゲン化ブチルゴム、臭素化イソブチレン−パラメチルスチレン共重合体、スチレン−イソプレン−ブタジエン共重合体、クロロプレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエン3元共重合体ゴム、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ブテン3元共重合体、スチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体、スチレン−エチレン−ブテン−スチレンブロック共重合体、スチレン−エチレン−プロピレン−スチレン共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ芳香族ビニル、ポリオレフィン、ポリイソプレン、各種スチレン−ブタジエン共重合体、各種ポリブタジエン、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、水素化アクリロニトリル−ブタジエン共重合体、アクリルゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム、エピクロロヒドリンゴム、各種ポリメタクリル酸エステル、各種ポリエーテル、各種ポリスルフィド、各種ポリビニルエーテル、各種ポリエステル、各種ポリアミド、セルロース、デンプン、各種ポリウレタン、各種ポリウレア、各種ポリアミンなどを挙げることができる。
【0011】
本発明において使用することができる、ニトロキシドラジカル(−N−O・)を分子内に含む化合物(B)としては、以下の化合物を例示することができる。なお、これら化合物の添加量は、ポリマー(A)100重量部に対し、0.01〜40重量部であるのが好ましく、0.05〜30重量部であるのが更に好ましい。
【0012】
【化2】

【0013】
【化3】

【0014】
(上記式(1)〜(6)において、Rは炭素数1〜30のアルキル基、アリル基、アミノ基、イソシアネート基、ヒドロキシル基、チオール基、ビニル基、エポキシ基、チイラン基、カルボキシル基、カルボニル基含有基(例えば、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水グルタン酸、無水フタル酸などの環状酸無水物)、アミド基、エステル基、イミド基、ニトリル基、チオシアン基、炭素数1〜20のアルコキシ基、シリル基、アルコキシシリル基、ニトロ基などの官能基を含む有機基を示す。)
【0015】
【化4】

【0016】
【化5】

【0017】
その他の例をあげれば以下の通りである。
【0018】
【化6】

【0019】
【化7】

【0020】
【化8】

【0021】
【化9】

【0022】
【化10】

【0023】
【化11】

【0024】
【化12】

【0025】
【化13】

【0026】
前記ポリマーに炭素ラジカルを発生させる手段としては、ラジカル開始剤(C)を反応系に添加する。本発明において使用することができるラジカル開始剤(C)としては、例えばベンゾイルパーオキサイド(BPO)、t−ブチルパーオキシベンゾエート(Z)、ジクミルパーオキサイド(DCP)、t−ブチルクミルパーオキサイド(C)、ジ−t−ブチルパーオキサイド(D)、2,5−ジメチル−2,5−ジ−t−ブチルパーオキシヘキサン(2,5B)、2,5−ジメチル−2,5−ジ−t−ブチルパーオキシ−3−ヘキシン(Hexyne−3)、2,4−ジクロロ−ベンゾイルパーオキサイド(DC−BPO)、ジ−t−ブチルパーオキシ−ジ−イソプロピルベンゼン(P)、1,1−ビス(t−ブチルパーオキシ)−3,3,5−トリメチル−シクロヘキサン(3M)、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)ブタンなどの有機過酸化物、及びアゾジカーボンアミド(ADCA)、アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)、2,2’−アゾビス−(2−アミジノプロパン)ジハイドロクロライド、ジメチル2,2’−アゾビス(イソブチレート)、アゾビス−シアン吉草酸(ACVA)、1,1’−アゾビス−(シクロヘキサン−1−カルボニトリル)(ACHN)、2,2’−アゾビス−(2,4−ジメチルバレロニトリル)(ADVN)、アゾビスメチルブチロニトリル(AMBN)、2,2’−アゾビス−(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)などのラジカル発生剤が挙げられる。これらはポリマーと前記のようなニトロキシドラジカルを有する化合物との反応系(混合系、接触系)に添加することによって、ポリマーに炭素ラジカルを発生させることができる。ラジカル開始剤(C)の添加量は、ポリマー(A)100重量部に対し、好ましくは0.001〜30重量部、更に好ましくは0.002〜25重量部である。
【0027】
本発明において使用することができるラジカル重合性モノマー(D)としては、例えばスチレン、α−メチルスチレン、p−メチルスチレン、m−メトキシスチレン、o−クロロスチレン、N,N−ジメチル−p−アミノメチルスチレン、p−アセトキシスチレン、p−t−ブトキシスチレン、ジビニルベンゼンなどの芳香族ビニル化合物類;メチル(メタ)アクリレート(ここでメチル(メタ)アクリレートという表記はメチルメタアクリレート及びメチルアクリレートの両方を含んでいる。以下、化合物が変わっても同様)、エチル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、t−ブチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレートなどのアルキル(メタ)アクリレート類;クロトン酸メチル、クロトン酸エチル、ケイ皮酸メチル、ケイ皮酸エチルなどの不飽和モノカルボン酸エステル類;トリフルオロエチル(メタ)アクリレート、ペンタフルオロプロピル(メタ)アクリレート、ヘプタフルオロブチル(メタ)アクリレートなどのフロオロアルキル(メタ)アクリレート類;トリメチルシロキサニルジメチルシリルプロピル(メタ)アクリレート、トリス(トリメチルシロキサニル)シリルプロピル(メタ)アクリレート、ジ(メタ)アクロイルプロピルジメチルシリルエーテルなどのシロキサニル化合物類;3−(トリメトキシシリル)プロピル(メタ)アクリレート、ビニルトリエトキシシランなどのアルコキシシラン化合物類;エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,6−ヘキサンジオールなどのアルキレングリコールのモノ−またはジ−(メタ)アクリレート類;2−メトキシエチル(メタ)アクリレート、2−エトキシエチル(メタ)アクリレート、3−エトキシプロピル(メタ)アクリレートなどのアルコキシアルキル(メタ)アクリレート類;ジアノエチル(メタ)アクリレート、シアノプロピル(メタ)アクリレートなどのシアノアルキル(メタ)アクリレート類及びアクリロニトリル、メタクリロニトリルなどのシアノ化合物類;N,N−ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N−t−ブチルアミノエチル(メタ)アクリレートなどの窒素含有(メタ)アクリレート類;(メタ)アクリルアミド、N,N−ジメチル(メタ)アクリルアミド、N−イソプロピル(メタ)アクリルアミドなどの(メタ)アクリルアミド類;2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレートなどのヒドロキシアルキル(メタ)アクリレート類;クロトン酸2−ヒドロキシエチル、クロトン酸2−ヒドロキシプロピル、ケイ皮酸2−ヒドロキシプロピルなどの不飽和カルボン酸のヒドロキシアルキルエステル類;(メタ)アリルアルコールなどの不飽和アルコール類;(メタ)アクリル酸、クロトン酸、ケイ皮酸などの不飽和(モノ)カルボン酸類;(無水)マレイン酸、フマル酸、(無水)イタコン酸、シトラコン酸などの不飽和ポリカルボン酸(無水物)類;及びこれらのモノ、ジエステル類;2−イソシアナートエチル(メタ)アクリレートなどのイソシアネート化合物類;アリルグリシジルエーテル、グリシジル(メタ)アクリレートなどのエポキシ基含有不飽和化合物ならびにこれらをチイランに誘導したチイラン基含有不飽和化合物;ブタジエン、イソプレンなどのジエン系化合物類などをあげることができる。モノマー(D)の添加量には特に限定はないが、ポリマー(A)100重量部に0.01〜100重量部反応させるのが好ましい。
【0028】
ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)とラジカル重合性モノマー(D)の添加量比は、(D)/(B)=0.005〜100(モル比)であることが好ましい。この比率が0.005より小さいと官能基導入の効果が発現しないおそれがあり、逆にこの比率が100より大きいとホモポリマーの生成が懸念されるため好ましくない。さらに、ポリマー中に導入された(B)部分1箇所に対して、1分子程度の(D)が装入されればよく、またコスト的な点からも(D)/(B)=0.005〜1(モル比)であることがさらに好ましい。
【0029】
本発明に従って成分(A)〜(D)を混合反応させる方法には非溶媒系で混合する限りにおいて特に限定はないが、(A)〜(C)をまず反応させてから、(D)を反応させるより効果的な変性を行なうことができるので好ましい。この工程は、連続的であっても、連続的でなくても良い。この変性は例えば密閉型混練機(バンバリー、ニーダー、ブラベンダー)、二軸混練機、一軸混練、ロールなどを用いて行なうことができる。
【0030】
本発明に従って、ポリマーの変性によってポリマー中に導入される有機基としては、例えば炭素数1〜30のアルキル基、フェニル基、アミノ基、イソシアネート基、ヒドロキシル基、ビニル基、エポキシ基、チイラン基、カルボキシル基、カルボニル基含有基(例えば、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水グルタン酸、無水フタル酸などの環状酸無水物)、アミド基、エステル基、イミド基、ニトリル基、チオシアン基、炭素数1〜20のアルコキシ基、シリル基、アルコキシシリル基などが例示される。
【0031】
本発明に係る変性ポリマーはジエン系ゴム、ポリオレフィン系ゴム、熱可塑性TPE、ポリオレフィン、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などのポリマー、カーボンブラックやシリカなどの補強性充填剤、加硫又は架橋剤、加硫又は架橋促進剤、各種オイル、老化防止剤、可塑性剤などの一般的に配合されている各種添加剤を配合することができ、かかる配合物は一般的な方法で混練、加硫して組成物とし、加硫又は架橋するのに使用することができる。これらの添加剤の配合量も本発明の目的に反しない限り、従来の一般的な配合量とすることができる。
【実施例】
【0032】
以下、実施例によって本発明を更に説明するが、本発明の範囲をこれらの実施例に限定するものでないことはいうまでもない。
【0033】
実施例1〜2及び比較例1〜2
実施例及び比較例において以下の原料を用いた。
IIR:ブチルゴム〔バイエル(株)製、BUTYL301〕
ジ−t−ブチルパーオキサイド:〔日本油脂(株)製、パーブチルD〕
OH−TEMPO:4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニル−1−オキシル〔旭電化工業(株)製、LA7RD〕
GMA:グリシジルメタクリレート〔関東化学(株)製〕
スチレン:〔関東化学(株)製〕
【0034】
TEMPO誘導体とIIRの反応(OHT−IIRの製造)(合成例)
IIR350.0g、ジ−t−ブチルパーオキサイド30.4g及びOH−TEMPO32.2gを温度を60℃に設定した密閉型バンバリーに入れ、10分間混合した。得られた混合物を、100℃に温度設定した密閉型バンバリー中で混練しながら、5分間窒素置換した。混練しながら温度を175℃まで上昇させ、30分間混練した。得られたポリマーの一部をトルエンに溶解し、再沈殿操作によりポリマーを単離精製した。精製品を用いて1H−NMRにて分析を行うことにより、TEMPO部位の導入(アルコキシアミノ基)を確認した。その導入率は0.30mol%であった。
【0035】
実施例1:変性IIR(1)の製造
OHT−IIR350.0g及びグリシジルメタクリレート26.5gを、温度を100℃に設定した密閉型バンバリー中で混練しながら、5分間窒素置換した。混練しながら温度を185℃まで上昇させ、更に15分間混練した。得られたポリマーの一部をトルエンに溶解し、再沈殿操作によりポリマーを単離精製した。精製品を用いてIR分析並びに1H−NMR分析を行った。グリシジルメタクリレート由来のエポキシ基の導入率(mol%)を1H−NMRのシグナルの積算比により求め、その結果を表Iに示す。
実施例2:変性IIR(2)の製造
OHT−IIR350.0g及びスチレン19.4gを、温度を100℃に設定した密閉型バンバリー中で混練しながら、5分間窒素置換した。混練しながら温度を185℃まで上昇させ、更に15分間混練した。得られたポリマーの一部をトルエンに溶解し、再沈殿操作によりポリマーを単離精製した。この精製品を用いて1H−NMRにて分析を行った。スチレン由来のフェニル基の導入率(mol%)を1H−NMRのシグナルの積算比により求め、その結果を表Iに示す。
【0036】
比較例1
IIR350.0g及びグリシジルメタクリレート26.5gを温度を100℃に設定した密閉型バンバリー中で混練しながら、5分間窒素置換した。混練しながら、温度を185℃まで上昇させ、15分間混練した。得られたポリマーの一部をトルエンに溶解し、再沈殿操作によりポリマーを単離精製した。精製品を用いてIR分析並びに1H−NMR分析を行った。結果を表Iに示す。
【0037】
比較例2
IIR350.0g及びスチレン19.4gを温度を100℃に設定した密閉型バンバリー中で混練しながら、5分間窒素置換した。混練しながら、温度を185℃まで上昇させ、更に15分間混練した。得られたポリマーの一部をトルエンに溶解し、再沈殿操作によりポリマーを単離精製した。この精製品を用いてIR分析及び1H−NMR分析を行った。結果を表Iに示す。
【0038】
比較例3
容積20mLのフラスコ中、IIR0.5g、をt−ブチルベンゼン3.0mLに溶解させ、OH−TEMPO0.077g、ジ−t−ブチルパーオキサイド0.033gを加え、脱気して窒素置換した。温度を150℃に保ち5時間攪拌した。反応溶液をメタノールに注ぎ、ポリマーを沈殿させた後、トルエン−メタノールにて再沈殿し、60℃にて減圧乾燥した。1H−NMRにて分析を行うことによりTEMPO部位の導入を確認し、その導入率は0.10mol%であった。
続いて、このOHT−IIR0.5gをt−ブチルベンゼン3.0mLに溶解させ、グリシジルメタクリレート0.064gを添加して窒素置換した後、150℃にて1時間攪拌した。反応溶液をメタノールに注ぎ、ポリマーを沈殿させた後、トルエン−メタノールにて再沈殿し、60℃にて減圧乾燥した。1H−NMRにて分析を行うことによりグリシジルメタアクリレート由来のエポキシ基の導入を確認し、その導入率は0.09mol%であった。
【0039】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0040】
以上の通り、本発明によれば、分子量の低下やゲル化を起こすことなく、またホモポリマーを系内に生成せしめることなく、ポリマーに所望の官能基を導入することができるのでポリマーが本来有している性能を損なうことなく、無機材料との接着性やフィラーとのぬれ性、また極性の高い(低い)ポリマーとの相溶性などを改良する変性方法として有用である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポリマー(A)、ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)、ラジカル開始剤(C)及びラジカル重合性モノマー(D)を非溶媒系で混練機中で混合反応させてポリマー(A)にモノマー(D)をグラフトさせることによりポリマーを変性する方法。
【請求項2】
ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)が2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシラジカル又はその誘導体である請求項1に記載の変性方法。
【請求項3】
前記ポリマー(A)がその構成単位中にイソモノオレフィンユニットを有するポリマーである請求項1又は2に記載の変性方法。
【請求項4】
前記ラジカル重合性モノマー(D)がアクリル系モノマーもしくは芳香族ビニル系モノマーである請求項1〜3に記載の変性方法。
【請求項5】
前記成分(B)及び(D)の添加量の割合が(B):(D)=1:0.005〜100(モル比)である請求項1〜4のいずれか1項に記載の変性方法。
【請求項6】
前記成分(B)及び(D)の添加量の割合が(B):(D)=1:0.005〜1(モル比)である請求項1〜5のいずれか1項に記載の変性方法。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1項に記載の変性方法により得られる変性ポリマー。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポリマー(A)、ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)、ラジカル開始剤(C)及びラジカル重合性モノマー(D)を非溶媒系で混練機中で混合反応させてポリマー(A)にモノマー(D)をグラフトさせることによりポリマーを変性する方法。
【請求項2】
ニトロキシドラジカルを分子中に有する化合物(B)が2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシラジカル又はその誘導体である請求項1に記載の変性方法。
【請求項3】
前記ポリマー(A)がその構成単位中にイソモノオレフィンユニットを有するポリマーである請求項1又は2に記載の変性方法。
【請求項4】
前記ラジカル重合性モノマー(D)がアクリル系モノマーもしくは芳香族ビニル系モノマーである請求項1〜3のいずれか1項に記載の変性方法。
【請求項5】
前記成分(B)及び(D)の添加量の割合が(B):(D)=1:0.005〜100(モル比)である請求項1〜4のいずれか1項に記載の変性方法。
【請求項6】
前記成分(B)及び(D)の添加量の割合が(B):(D)=1:0.005〜1(モル比)である請求項1〜5のいずれか1項に記載の変性方法。
【請求項7】
請求項1〜6のいずれか1項に記載の変性方法により得られる変性ポリマー。

【公開番号】特開2006−199745(P2006−199745A)
【公開日】平成18年8月3日(2006.8.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−10400(P2005−10400)
【出願日】平成17年1月18日(2005.1.18)
【出願人】(000006714)横浜ゴム株式会社 (4,905)
【Fターム(参考)】