JPH07102016A - 金属化合物イオン架橋型ポリマー及びその製造方法 - Google Patents

金属化合物イオン架橋型ポリマー及びその製造方法

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JPH07102016A
JPH07102016A JP25166093A JP25166093A JPH07102016A JP H07102016 A JPH07102016 A JP H07102016A JP 25166093 A JP25166093 A JP 25166093A JP 25166093 A JP25166093 A JP 25166093A JP H07102016 A JPH07102016 A JP H07102016A
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JP
Japan
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polymer
metal compound
hardness
crosslinking
compound ion
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JP25166093A
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English (en)
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Kaneo Hamashima
兼男 浜島
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F8/00Chemical modification by after-treatment
    • C08F8/44Preparation of metal salts or ammonium salts

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属架橋型ポリマーよりも物性の改良された
ポリマーを提供する。 【構成】 イオン性ポリマーが金属化合物微粒子により
架橋した構造を有することを特徴とする、金属化合物イ
オン架橋型ポリマー。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属化合物イオン架橋
型ポリマーに関し、更に詳細に述べるならば、本発明
は、金属化合物微粒子でイオン架橋することにより物性
が改良されたポリマーに関する。
【0002】
【従来の技術】ポリマーの弾性率、硬度及び耐熱性等の
特性を高めるため、ポリアクリル酸等のイオン性ポリマ
ーを金属イオンにより高密度に架橋することが行われて
おり、このようなポリマーは「金属代替ポリマー」とし
ての期待を集めている。
【0003】例えば、特開昭62−74905 号公報におい
て、ポリアクリル酸と金属イオンをアルカリ金属水酸化
物の存在下において反応させ、沈澱として析出させるこ
とにより金属架橋型ポリマーを製造している。このポリ
マーの構造を図1に示す。このポリマーが高い物性を示
すのは、金属イオンZn2+とポリマーの反応サイトCO
- との間の強力な静電相互作用によるものであると考
えられる。このようなポリマーの物性は、ポリマーとし
ては高く、例えば、Zn2+イオンにより架橋すると、弾
性率は25GPa 、硬さはHv200 程度になり、通常のポリマ
ーの10倍近くの値を示す。しかしながら、金属のレベル
には到っていない。
【0004】さらに物性を向上させるため、架橋イオン
として価数の大きなものを選択することによりより大き
な静電相互作用を発現させることが有効であると考えら
れるが、現実問題として、3価以上の多価金属イオンは
不安定であり酸化し易く、合成・成形段階において酸化
して主鎖ポリマーが劣化し、また仮に真空成形により成
形することができても同様の理由により成形材の耐熱性
が低下し、実質的に弾性率の上限は20〜30GPa であり、
また硬さの上限はHv200 程度であり、さらなる物性の向
上は困難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属イオン
で架橋したポリマーの有する前記の如き欠点を解消し、
より物性を改善したイオン架橋型ポリマーを提供しよう
とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、金属イオン
で架橋したポリマーの上記問題点を解決すべく鋭意研究
を重ねた結果、イオン性ポリマーを金属化合物微粒子に
より架橋させることにより、弾性率、硬度等の物性が極
めて高いポリマーが得られることを見出し、本発明を完
成した。
【0007】すなわち、本発明のイオン架橋型ポリマー
は、イオン性ポリマーが金属化合物微粒子により架橋し
た構造を有することを特徴とするものである。
【0008】本発明の金属化合物イオン架橋型ポリマー
の具体的製造方法において、まずイオン性ポリマーを水
に溶解し、これにNaOHを加え、反応性基をNaの塩
の形状にする。反応性基のままでは金属化合物とイオン
結合しにくいからである。次いでこの溶液に金属化合物
微粒子を加え、攪拌し、反応性基と金属化合物の架橋反
応を進行させる。その後水洗、濾過により未反応物を除
去し、乾燥し、本発明の金属化合物イオン架橋型ポリマ
ーが得られる。
【0009】イオン性ポリマーとしては、溶媒中で解離
し、金属化合物と架橋可能な反応性基を有するイオン性
ポリマーであればよく、例えば、ポリアクリル酸、ポリ
スルホン酸、ポリスチレンスルホン酸等のアニオン性ポ
リマー又はカチオン性ポリマーが例示される。このポリ
マーは通常の方法により合成される。例えば、ポリアク
リル酸は、アクリル酸と他のビニルモノマーとを共重合
させることにより製造される。また、市販品を用いても
よい。
【0010】上記ポリマーと架橋する金属化合物として
は、ポリマーの反応性基と静電相互作用を有する化合物
であり、例えば、Al2O3 、ZrO2、Sb2O5 、TiO2、SiO2
の酸化物及びBN、AlN 等の窒化物が例示される。また、
この金属化合物は単独種である必要はなく、2種以上の
混合物であってもよい。この金属化合物は、ポリマーの
反応性基と静電相互作用を有することが必要であること
より、極めて微細なもの、例えば0.5 μm 以下、より好
ましくは0.1 μm 以下であることが望ましい。金属化合
物が大きなものであるとイオン性を有しなくなるからで
ある。
【0011】金属化合物の量は、少量であっても有効で
あるが、合成したポリマー中10重量%以上で明らかな特
性向上効果が認められる。この含有量を増すことにより
さらに特性も向上するが、70重量%を越えると成形性が
低下し、緻密な材料が得られなくなることがあり、従っ
て、10〜70重量%の範囲が好ましい。
【0012】本発明の架橋型ポリマーの構造を図2に示
す。この図では、イオン性ポリマーとしてポリアクリル
酸を、金属化合物微粒子としてアルミナを用いている。
この例では、ポリアクリル酸の反応基は水中で電離し、
−COO- となり、従って金属化合物として+に帯電し
た化合物を用いている。ポリマーとしてカチオン性のも
のを用いる場合には、金属化合物としては−に帯電して
いるもの、例えばシリカを用いる。
【0013】
【作用】本発明のポリマーは、水中に入れると電荷を帯
びる金属化合物の微粒子を架橋成分としてイオン性ポリ
マーを架橋させたものである。この金属化合物はそれ自
体が高い硬度を有しており、従って、本発明のポリマー
は、イオン結合の結合力に加え、金属化合物自体の硬さ
を有しており、従来の金属イオン架橋ポリマーに比べて
硬度が向上しているのである。
【0014】イオン性ポリマーに熱を加えると、最初に
反応性基が分解し、次いで主鎖が分解する。本発明のポ
リマーでは、この反応性基が金属化合物とイオン結合し
ているため、最初に分解される反応性基がイオン結合に
より固定され、従って耐熱性が向上するのである。
【0015】
【実施例】本発明を下記実施例によりさらに詳細に説明
するが、本発明はこれらに制限されるものではない。
【0016】実施例1 架橋ポリマーの合成 250000の分子量を有するポリアクリル酸を20g 溶解した
水溶液2000ml及びNaOHを12g 溶解した水溶液500ml
をポリエチレンビーカーに加え、十分に攪拌した後、攪
拌しながらAl2 3 の超微粒子の3重量%スラリー水
400ml を徐々に添加した。尚、Al2 3 として、日産
化学(株)製「アルミナゾル-100」を用いた。Al2
3 添加終了後、架橋反応をさらに進行させるため、約1
時間攪拌を続けた。
【0017】この結果、ビーカー内には、ポリマーとA
2 3 との架橋体、すなわち目的とする架橋ポリマー
が沈澱した。この沈澱を、濾過、純水による水洗を繰り
返し分離し、さらに乾燥粉砕し、ポリマー粉体30.5g を
得た。
【0018】ポリマーの成形 上記ポリマー粉体5.5gを、幅10mm、長さ80mmのキャビテ
ィー寸法を有する金型内に投入した。次いで300 ℃にお
いて8000kg/cm2の圧力を10分間加えることにより、大気
中で圧縮成形を行った。こうして、厚さ約3mmの平板状
テストピースを得た。用いたポリマー粉体は、熱重量分
析により測定したところ、分解温度が約480 ℃であり、
300 ℃に加熱しても酸化劣化を生ずることはなかった。
【0019】こうして製造したテストピースを取り出
し、組織観察を行ったところ、ボイド等の欠陥もなく、
均一な成形材であった。このテストピースを、JIS3
点曲げにより曲げ弾性率を、ビッカース硬度計により硬
さを、そして粘弾性によりガラス転移点を測定し、以下
の結果を得た。 曲げ弾性率:60 GPa 硬さ :Hv 430 ガラス転移点:480 ℃以上(分解するまで軟化しなかっ
た)
【0020】この用いたポリマーを高温において焼成す
ることにより有機成分を焼き飛ばし、残留したAl2
3 量を測定することにより、合成したポリマー中のAl
2 3 量を測定したところ、40重量%であった。
【0021】実施例2 合成時に加えるAl2 3 超微粒子の量のみを変化さ
せ、実施例1と同様の方法によりポリマーを合成・成形
した。以下の表1に、Al2 3 超微粒子3重量%スラ
リー水の添加量、合成されたポリマーの重量及びそれぞ
れのポリマー中のAl2 3 含有量を示す。
【0022】
【表1】
【0023】用いたポリマーはいずれも合成もしくは成
形時に酸化することなく、良好な成形材が得られた。但
し、Al2 3 超微粒子含有量が極めて多いjの材料で
は、組織中にボイドが点在して認められた。
【0024】これらの成形体及び実施例1において得ら
れた成形体の弾性率及び硬さの測定値を図3に示す。架
橋成分であるAl2 3 超微粒子の含有量の増加に伴っ
て弾性率・硬さ共に急激に上昇することがわかる。この
含有量が70重量%を越えても、この材料は高い特性を有
しているが、成形性が低下することにより、成形体中に
ボイドが増加する傾向を示し、従ってAl2 3 超微粒
子の含有量は70重量%以下であることが好ましい。Al
2 3 超微粒子含有量50〜65重量%において、弾性率は
73〜74GPa 程の最も高い値を示し、これはアルミ合金に
匹敵するほどの高い値である。この際の硬さはHv 600前
後であり、これは鋼を上回る硬さである。
【0025】実施例3 Al2 3 超微粒子の大きさのみを変化させ、実施例1
と同様の方法によりポリマーを合成・成形した。以下の
表1に、Al2 3 超微粒子の大きさを示す。
【0026】
【表2】
【0027】上記Al2 3 超微粒子はいずれも、アル
ミニウムアルコキシドを加水分解することにより製造し
た。上記k〜nはいずれもポリマーを合成することがで
きたが、oはほとんど合成できなかった。これは、Al
2 3 超微粒子の大きさが1μmを越えると、陽電荷が
小さくなるためであると考えられる。これらのポリマー
k〜nより製造した成形体の物性の測定結果を図4に示
す。
【0028】架橋成分であるAl2 3 超微粒子は、そ
の大きさが0.5 μm 以下においてポリマーの特性向上に
有効であり、0.1 μm 以下であればさらに好ましいこと
がわかる。これらのポリマーは高温において軟化するこ
となく、分解するまでの広い温度域において安定な材料
であり、熱分解温度は480 ℃以上であった。
【0029】実施例4 Al2 3 に代えて、以下に示すカチオン性超微粒子を
用い、実施例1と同様の方法によりポリマーを製造し
た。
【0030】これらはいずれもポリマーを架橋すること
が可能であり、ポリマーを合成することができた。この
ポリマーより製造した成形体の物性を図5に示す。これ
らのポリマーのいずれよりも高い物性及び硬さを有する
成形体が得られ、合成・成形過程においても安定であっ
た。これらのポリマーはいずれも熱分解温度が450 ℃以
上であり、高い耐熱性を有していた。
【0031】比較例 架橋成分として、Al2 3 に代えて、以下の4種の金
属イオン、Zn2+、Al3+、Cr3+、Fe3+を用いて、
実施例1と同様の方法によりポリマーを製造した。これ
らの金属イオンはいずれも塩化物水溶液として用い、ポ
リアクリル酸0.28当量に対し十分に過剰となるよう、各
0.33当量づつ添加して合成を行った。
【0032】上記のいずれの金属イオンによってもポリ
マーを合成することができたが、Cr3+とFe3+の場合
には合成時にすでに一部酸化が認められ、さらに成形時
においては、Al3+、Cr3+、Fe3+は明らかに酸化
し、ポリマーが劣化して変色し、かつ成形体組織中に粗
大な酸化物及び炭化したポリマーのクラスターが認めら
れた。また成形体中に多数のクラックが存在し、良好な
成形体が得られなかった。
【0033】一方、これらの金属イオンのうち、価数の
小さなZn2+は酸化することなく良好な成形体が得ら
れ、それは400 ℃近い耐熱性を有するが、その弾性率は
25GPaであり、硬さはHv 200であった。Al3+、C
3+、Fe3+においても真空乾燥及び成形により良好な
成形体を得ることが可能であるが、これらは大気中で20
0 ℃を越えると酸化しはじめるため好ましくない。
【0034】
【発明の効果】本発明の金属化合物イオン架橋型ポリマ
ーは、金属化合物微粒子が安定な化合物であり、従って
合成・成形時に酸化による発熱を起こしてポリマー主鎖
を劣化させることなく、従来の金属イオン架橋型ポリマ
ーに比べさらに物性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の金属イオン架橋型ポリマーの一例の構造
を示す略図である。
【図2】本発明の金属化合物イオン架橋型ポリマーの一
例の構造を示す略図である。
【図3】金属化合物微粒子の含有量と得られたポリマー
の弾性率及び硬さとの関係を示すグラフである。
【図4】金属化合物微粒子の粒径と得られたポリマーの
弾性率及び硬さとの関係を示すグラフである。
【図5】実施例4における、アルミナ以外の架橋成分を
用いた場合の得られたポリマーの弾性率及び硬さの結果
を示すグラフである。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イオン性ポリマーが金属化合物微粒子に
    より架橋した構造を有することを特徴とする、金属化合
    物イオン架橋型ポリマー。
  2. 【請求項2】 イオン性ポリマーの溶液に金属化合物微
    粒子分散液を混合し、架橋反応させ、ポリマーを析出さ
    せることを特徴とする、金属化合物イオン架橋型ポリマ
    ーの製造方法。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の金属化合物イオン架橋型
    ポリマーを金型内に入れ、加熱圧縮成形することを特徴
    とする、金属化合物イオン架橋型ポリマー成形体の製造
    方法。
JP25166093A 1993-10-07 1993-10-07 金属化合物イオン架橋型ポリマー及びその製造方法 Pending JPH07102016A (ja)

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