JPH09510957A - 2−フルオロアクリル酸エステルポリマー及びその光学材料としての使用 - Google Patents
2−フルオロアクリル酸エステルポリマー及びその光学材料としての使用Info
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Abstract
(57)【要約】
1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル−2−フルオロアクリレート、そのホモポリマー及びコポリマー。前記コポリマーは、a)少なくとも40重量%の1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレート;及びb)60重量%以下の、メチル2−フルオロアクリレート、1H,1H−ペルフルオロオクチル2−フルオロアクリレート、1H,1H−ペルフルオロ(2−(ブトキシ)プロピル)2−フルオロアクリレート及びこれらの組合せからなる群より選ばれたモノマーからなっていてもよい。
Description
【発明の詳細な説明】
2−フルオロアクリル酸エステルポリマー及びその光学材料としての使用
本発明は、2−フルオロアクリル酸と1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシ
ルメタノールとのエステル及びそれらのホモポリマー並びにコポリマーに関し、
さらにこのようなポリマーを光学材料、特に光ファイバーに使用することに関す
る。
プラスチック光ファイバーは、ガラス光ファイバーにより得られる高速データ
伝送の利点と銅ケーブル布線製品に伴う頑丈さ及び低コストとを組み合わせる可
能性を提供することによって、長年にわたって多くの関心を集め、且つ精力的に
研究された産業上の一研究領域である。
この動向及び関心を集めたにもかかわらず、プラスチック光ファイバー(plas
tic optical fibres:POFs)は、現在までのところ、データ伝達媒体として広く
受容されていない。この受容の遅れに寄与している重要な要因の一つは、入手可
能なファイバーの不十分な熱安定性である。自動車及び宇宙空間の双方における
データ伝達システムは、巨大なPOFs市場を提供する。しかしながら、自動車内の
ボンネット下への適用には、100℃以上で高性能が求められ、多くの宇宙環境
においては、140℃を超える温度でのより要求の厳しい性能が求められる。現
在のところ市販入手可能なポリメチルメタクリレート(PMMA)及びポリスチレン
(PS)を母材とするPOFsの使用上限温度は、これらの用途にとって低すぎる約8
0℃である。これらの用途に対するポリマーの高温性能は、Tg近傍及びTgを超
える温度でその機械的特性及び光学的特性が低下するために、そ
のガラス転移温度(Tg)により制限される。PMMA及びPSにおけるTgは、100
℃〜105℃の範囲内である。従って、PMMA及びPSよりも高いTgを有する材料
が、結果として得られるPOFsの最高使用温度を増加させるのに望ましい。
POFsの受容を遅らせている更なる要因は、赤及び近赤外領域(NIR)において
の伝送に対する現在市販入手可能なファイバーの高い光学減衰であり、好ましい
固体光源が作動する。
これらの領域で低減衰を示すプラスチック光ファイバーを製造することは、最
新の高分子ファイバー研究領域である。
光ファイバーに適する殆どのアモルファス高分子材料の赤領域及びNIRでの光
学減衰に対して支配的な因子は、C−H結合の基本振動の倍音(overtone)及び
結合バンドにより起こる吸収である。従って、学究的分野及び特許に関わる当業
者は、これらの減衰を低減化することに集中し、そして減衰の低減化は、水素原
子をより重い重水素又はハロゲン原子により部分的又は完全に置換することによ
り達成された。C−H結合に比してC−X結合(X=D,F,Cl)のより大き
な換算質量により、基本振動及び倍音の周波数は興味ある範囲からシフトする。
水素を重水素で置換することに多くの関心が集まり、これは非常に良好な結果
をもたらした(Appl.Phys.Let.1983,42,567)。20dB/km(650nm)程
度に低い減衰が、完全に重水素化されたPMMAファイバーから得られた。残念なが
ら、重水素のコストの問題によって、基本的にこのアプローチは単なる学究的関
心事になり、重水素を含むファイバーを商品化する試みはなかった。
ハロゲン化は、減衰を低減化させる非常に産業上の魅力ある選択肢である。こ
れらのより重い原子の導入によって、水素の倍音の効果が低減及び/又は薄めら
れ、減衰が重水素化と同様に低減化され
る。塩素及び臭素により置換された両方のポリマーが検討されたが、フッ素化に
よる利点、すなわちC−F結合の安定性、小さな原子嵩高さ等の利点が、このア
プローチを最も魅力的なものにさせている。
主に製造及び加工に関する多くの理由によって、光学ポリマーは、主にアクリ
ル酸エステルを母材とする材料である。このような系におけるフッ素化は、容易
に入手できる短鎖ペルフルオロアルコールを用いた短鎖過フッ素化メタクリル酸
エステルの使用によって主に成される。この分野の概要は、WO/93/030
74に記載されている。このような材料から得られる特にNIRにおける減衰の改
良は重要である。上記文献は、従来のPMMAファイバーの減衰の約25%の減衰を
示す材料を開示している。しかしながら、更に減衰を低減化するためには、ポリ
マーの側鎖エステル基がフッ素化されていなければならないことばかりでなく、
ポリマー主鎖の水素原子を置換することも必要である。これを達成するための最
も効果的な方法の一つは、メタクリレート主鎖のメチル基をフッ素原子で置換し
、2−フルオロアクリレートポリマーを生成することである。同様に、側鎖基を
注意深く選択することによりポリマーの水素原子含量を減少させると、ポリマー
のTgが高温使用にとって適切な程度にまで増加しうる。より高い使用温度をも
たらす高Tgと非常に低い減衰を与える高いフッ素化度との組合せは、使用条件
が厳しい場所、例えば自動車内及び宇宙空間でのネットワークのための光ファイ
バーのコア材として非常に有望な材料が得られる。
2−フルオロアクリル酸のエステルはよく知られている。2−フルオロアクリ
ル酸のメチルエステルは、Macromolecules 1980,13,1031-1036に記載されてい
るように水素化カルシウム及びジメチルオキサレートの存在のもとでメチル2−
フルオロアセテートとホル
ムアルデヒドとの反応により調製することができる。このモノマー、すなわちメ
チル2−フルオロアクリレート(MFA)の重合は、高Tg(128℃)のポリマー
を与えることが報告されている。2−フルオロアクリル酸の他の誘導体の調製法
に関して幾つかの方法が知られている(例えば、J.Fluorine Chem.1991,55,
149-162)。例えば、2H−オクタフルオロシクロペンチルメチル2−フルオロ
アクリレートは、酸塩化物を脱水素化フッ素化し、2,3−ジフルオロプロピオ
ニルクロリドから2−フルオロアクリロイルクロリドを生成させ、次いで塩基の
存在のもとで1H,1H,2H−オクタフルオロペンチルメタノールで処理する
2段階反応により調製される。前記又は他のモノマーの重合は記載されていない
が、2−フルオロアクリル酸エステルポリマーの優れた一般的な光学的特性及び
物理的特性に関する言及がなされている。
2−フルオロアクリル酸エステルを含むポリマーが、光ファイバーのコアの製
造に使用されることは公知である。EP−0128516は、式:H2C=CF
−COORf(式中、Rfは、フッ素含有脂肪族基、好ましくはフッ素含有低級ア
ルキル基である)により表されるモノマーを開示している。125℃以下のガラ
ス転移温度を有する2−フルオロアクリレートホモポリマー[ポリ(3H−1,
1−ジメチルテトラフルオロプロピル2−フルオロアクリレート)]に関する実
施例がある。特開平2−92908号は、C−H結合をC−D結合に置き換える
ことにより、NIRでの結合吸収が低減化された2−フルオロアクリレートを開示
している。このモノマーは、式:D2C=CR1−COOR1(式中、R1は、F、
D又はCD3であり、R2はCnY2n+1(Y=F,Cl)である)により表される
。低級アルキル鎖のみが例示されている。
フッ素化された環を有する2−フルオロアクリレートのモノマー
及びポリマーが、FR−2623510に開示されている。しかしながら、実施
例及び請求の範囲はフッ素化された芳香族物質のみに関係している。
AU−A−13035/88は、置換二環式環を有する2−フルオロアクリレ
ート材を開示している。このモノマー構造は、二環式過フッ素化2−フルオロア
クリレートエステルの可能性を与えるが、しかしながら、全ての実施例は塩素化
されたモノマーに関係している。前記特許は、特に塩素、臭素又はトリフルオロ
メチル置換を推奨しているが、過フッ素化された環を開示していない。
脂環式の高度にフッ素化された(メト)アクリル酸モノマーのポリマーの他の
例は、光学材料として公知である。WO93/03074は、低い光学損失の光
ファイバーのコアとして、特定のモノマー、すなわち1H,1H−ペルフルオロ
シクロヘキシルメチルメタクリレート、及びそれらのホモポリマー、並びに他の
フッ素化モノマー及び非フッ素化モノマーとのコポリマーを開示している。しか
しながら、高温使用は開示されていない。
US−5148511は、フッ素含有メタクリレートモノマーとメチルメタク
リレートとのコポリマーを含んでなるクラッド組成物を開示している。重量比5
0:50の1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチルメタクリレートとメ
チルメタクリレートの溶液型コポリマー(solutlon copolymer)において108
℃以下のガラス転移温度が示された。
本発明は、光学部品を製造するのに適する代替的なフッ素含有物質を提供する
。
本発明の一態様によると、1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2
−フルオロアクリレートが提供される。
本発明の更なる態様によると、1H,1H−ペルフルオロシクロ
ヘキシルメチル2−フルオロアクリレートのホモポリマー又はコポリマーが提供
される。
目的とする用途及び所望の物理的特性に応じ、このコポリマーは、1H,1H
−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレートに加え、例えば
アクリル酸、メタクリル酸、2−フルオロアクリル酸、並びにこれらのエステル
、アミド及びニトリル誘導体のようないかなる付加重合性モノマーを含んでなっ
ていてもよく、これらのモノマーの混合物を含んでよい。光ファイバー用途に対
し、このコポリマーは、好ましくは、
a)少なくとも40重量%、好ましくは少なくとも60重量%の1H,1H−ペ
ルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレート;及び
b)60重量%以下、好ましくは0〜40重量%の、メチル2−フルオロアクリ
ル酸メチル、1H,1H−ペルフルオロオクチル2−フルオロアクリレート、1
H,1H−ペルフルオロ(2−(ブトキシ)プロピル)2−フルオロアクリレー
ト、他の類似のモノマー、又はこのようなモノマーの混合物から選ばれた共重合
性モノマーから形成される。
本発明のポリマーは、例えばWO93/03074に開示されている方法によ
り光ファイバーのコアを製造するために使用されてもよい。一般に、POFsの製造
方法は、以下の工程を含んでなる:
a)遊離基開始剤及び連鎖移動剤と共にモノマー混合物を密閉反応容器内に装入
する工程;
b)重合性混合物を脱気する工程;
c)モノマー混合物の重合が起こる温度まで容器の温度を上昇させる工程;及び
d)ポリマーを、概して0.1〜2.0mmの範囲の直径を有するフ
ァイバーコアに押出する工程。
本発明のプラスチックファイバーは、PMMAを母材とする最も市販入手可能な材
料(一般に、840nmにおいて約3000dB/kmの損失)よりも非常に低いNIR
減衰を示す。第一次近似によると、このようなファイバーにおける減衰は、PMMA
の水素原子濃度に関係しうる。このような計算を行うことによって、本発明のフ
ァイバーの減衰は840nmにおいて約150dB/kmであることが見積もられた。
更に、PMMAの減衰は、光源の僅かな波長ドリフトに非常に敏感であるのに対し、
本発明のフッ素化されたファイバーは、これらの効果に対し比較的影響を受けな
い。しかしながら、ペルフルオロシクロヘキシル基を使用することの主な利点は
、この基が結果として生成されるポリマー及びファイバーに高いガラス転移温度
(約140℃)をも付与しうるという所見に由来する。これは重要な特徴であり
、直鎖又は枝分かれ鎖のペルフルオロアルキル側鎖は、このポリマーにより付与
される高いガラス転移温度を達成することができない。これらのTgは、高温用
途に使用することに適切であるとして主張されたファイバーに匹敵する。例えば
、ポリカーボネート(Tg=130〜160℃)は、高温POFsとして使用されて
いるが、これらの材料は、純粋なモノマー混合物から塊状重合したのではなく、
ポリマーから除去するのが困難な汚染物を含み、製造されたファイバーにおいて
高い光学減衰が生じる。アクリル系置換基(例えば、ボルニル、フェンチル、メ
ンチル)を有するアルキルメタクリレートも高温ファイバーに使用されており、
そしてそれらの高いC−H結合含量及びこれによる高い減衰のために、それらの
特性は低減衰用途にとって許容可能なものでない。
高温POFsとして使用されてきたこれらの他のポリマーと比較すると、本発明の
材料は、非常に望ましい特性の組合せを示す。更に、
高い分解温度(約350℃)が、概して2−フルオロアクリレートポリマーにお
いて観測され、この高い分解温度は、それらの加工を助け、それらのメタクリレ
ート類似体において観測された熱安定性よりも熱安定性を増大させる。
更に、本発明のファイバーは、低減衰材料として報告された他の高度にフッ素
化されたポリマー材と比較した場合に、優れた物理的特性を有する。例えば、ペ
ルフルオロシクロヘキシル基がメタクリレート主鎖上に置換されているWO93
/03074に記載されているようなものは、本発明のものよりもモジュラスが
低く、且つ脆い。
高度の熱安定性(使用上限温度及び分解温度に関する両方において)及び低い
減衰能とともにこの物理的特性は、同様な材料に関していまだ報告されていない
特性の組合せを与える。
本発明のポリマーは、同様な特性が望ましい場合に、他の高性能光学部品、例
えば光ファイバークラッド、レンズ、及び他の形態の導波路の製造に利用できる
ことも見出された。
1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレートは
、下記のスキーム1又はスキーム2のいずれにおいても概略されているような、
一般的な文献(Synthesis,1985,754;J.Org.Chem.,1989,54,5640)に記
載されている方法の変法により調製してよい。
本発明は以下の実施例により更に説明される。
実施例1
a)[1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2,3−ジブロモ−2−
フルオロプロパノエート]の調製
2,3−ジブロモ−2−フルオロプロパノイルブロミド(158g、0.5モ
ル)を、0℃のジクロロメタン(250ml)中の1H,1H−ペルフルオロシク
ロヘキシルメタノール(150g、0.48モル)及びトリエチルアミン(53
.3g、0.52モル)に滴下添加した。この混合物を室温にし、次いで一晩攪
拌した。水(3×250ml)及びブライン(250ml)で洗浄することによって
後処理を行った。減圧下での乾燥(MgSO4)及び溶剤の除去後、溶離液とし
て40〜60℃のペトロリウムスピリット留分を使用し、有機残渣を、通常のア
ルミナを通すクロマトグラフィーにより分離させた。溶剤の除去によって、表題
の化合物を粗精油として得た(収量233g)。
b)スキーム1による1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フル
オロアクリレートの調製
亜鉛粉末(36g、0.5モル)をジイソプロピルエーテル(175ml)中に
添加し、混合物をアルゴンでパージした。反応混合物を還流し、1H,1H−ペ
ルフルオロシクロヘキシルメチル2,3−ジブロモ−2−フルオロプロパノエー
ト(100g、0.18モル)を滴下添加した。反応混合物を冷却する前に還流
を6時間続けた。亜鉛を濾過により除去し、溶剤を減圧下で除去した。残渣をエ
ーテル(250ml)中に溶解させ、水(2×100ml)、ブライン(100ml)
で洗浄し、次いで乾燥(MgSO4)させた。溶剤の除去後、少量のフェノチア
ジン阻害剤(10mg)を添加し、次いで粗精混合物を蒸留し、表題の化合物を粗
精油として得た(収量72g、蒸気圧45〜65℃/0.5mmHg)を得た。分留
によって光ファイバーに使用するために材料の更なる精製を行い、所望のモノマ
ーの純粋な試料(蒸気圧70〜73℃/12mBar)を得た。
c)スキーム2による1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フル
オロアクリレートの調製
2−フルオロプロポ−2−エノイルフルオリド(16.2g、1.1g当量)
をジクロロメタン(100ml)中に溶解させ、次いで溶液を攪拌しながら−50
℃に冷却した。これにジクロロメタン(100ml)中の1H,1H−ペルフルオ
ロシクロヘキシルメタノール(50g、1g当量)、トリエチルアミン(17.
45g、1.
1g当量)及びN,N−ジメチルアミノピリジン(10モル%)を滴下添加した
。添加の完了後(約20分)、一晩攪拌する前に黄色の反応混合物を2時間のあ
いだ室温にした。この段階に、混合物の希釈(200mlのジクロロメタン)、次
いで水(2×100ml)、希塩酸(2×50ml、1M)、水(2×100ml)及
びブライン(100ml)で有機相を洗浄した。有機相を乾燥(Na2SO4)させ
、次いで減圧下で蒸発させ、粗精油を得、蒸留により精製することによって、表
題の化合物を得た(収量55g、蒸気圧62〜74℃/12mBar)。再び、上記
したのと同様な方法における追加精製を実施し、光ファイバーの製造に要求され
る程度までモノマーを精製した。
実施例2
ポリ(1H.1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレー
ト)の調製及び光ファイバーへの加工
WO93/0.3074に記載されているように、開始剤としてt−ブチルヒ
ドロペルオキシド(0.1モル%)及び連鎮移動剤としてブタンチオール(0.
2モル%)を使用し、ガラス予備成形用モノマーを塊状重合させた。プリフォー
ム用チューブ内で、モノマーの融解の際に発生する気泡が最低限になるまで凍結
融解法を用いて予備成形用チューブ内でモノマーを脱気した。以下の条件下で流
動式砂浴内で重合を行った:初期温度138℃、16時間;10℃/分で160
℃に加熱し、24時間保った。重合完了後、プリフォームをファイバー線引き塔
に移し、冷却が最低限に抑えられるようにした。線引き炉の初期温度は180℃
で、窒素の0.16気圧の過剰圧をプリフォームの上部に印加した。ポリマーが
流動しはじめるまで(207℃)、2〜3℃ごとに炉の温度を上昇させた。1.
0m/分の引取速度でファイバーを線引き。カット・バック(cut
back)方法(BS6558第1部「光ファイバー及びケーブル」におけるのと同
様)によりファイバーの減衰測定を行い、レーザー光をファイバーの端に入射し
、次いで幾つかのカットバックを作製した。
ベンサム(Bentham)分光光度計を使用し、633nmのレーザー光により測定
された光学減衰により補正した光学減衰は、重要な840nmの窓(window)内に
おいて約1400dB/kmの一般的な値を示した。
図1には、ポリ(1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオ
ロアクリレート)の減衰スペクトルが、PMMAと比較して示されている。これは、
最適化されたPMMAファイバーに比して前者の材料に大きな散乱ウェッジ(scatte
r wedge)が存在することを示す。しかし、本発明の材料の光学損失は、800n
m以上の波長においてPMMAの光学損失よりも非常に小さい。
ファイバーの物理的特性、例えば、引張強さ、伸び等を分析した。
上記で製造された材料の試料について熱分析も実施した。10℃/分の加熱速
度における示差走査熱量測定によって測定されたガラス転移温度は138℃(中
点値)であった。窒素雰囲気中で30℃/分の加熱速度を用い、熱重量分析によ
り測定された分解開始温度は360℃であった。
実施例3
ポリ(メチルメタクリレート)
このモノマーを、開始剤として2,2’−アゾビス(t−ブタン)(0.1モ
ル%)及び連鎖移動剤としてブタンチオール(0.2
5モル%)を使用し、実施例2において用いたのと同様な方法によって塊状重合
した。混合物を脱気した後、以下の条件下、シリコーン油浴内で重合を実施した
:10℃/時間で160℃に加熱し、4時間保った;10℃/時間で180℃に
加熱し、4時間保った。プレフォームを180℃の線引き炉内に移し、次いで過
剰の窒素圧(0.3気圧)を印加した。温度を202℃に上昇させ、ファイバー
を3m/分で容器の先端から線引きした。
実施例2において用いたのと同様な方法により光学減衰を測定し、840nmに
おいて約2500dB/Kmの光学減衰を得た。実施例2において用いたのと同様な
方法によってこのポリマーファイバーの物理的特性を分析した。結果を以下に示
す。
熱分析も実施し、105℃のガラス転移温度及び290℃の分解温度を得た。
実施例4(比較例)
ポリ(1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチルメタクリレート)
このモノマーを塊状重合させ、次いでWO93/03074の実施例5におい
て用いられたのと同様な方法によって光ファイバーに加工した。
このファイバーに対して行った減衰測定によって、840nmでの減衰は、約8
50dB/kmであった。
製造されたポリマーファイバーの極度に高い脆性のために、このポリマーファ
イバーの物理的特性の分析は行わなかった。しかし、熱分析を行った結果、80
℃のガラス転移温度及び200℃の分解開始温度を得た。
実施例5(比較例)
ポリ(1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチルメタクリレート−コ−
メチルメタクリレート)
このモノマーを塊状重合させ、次いでWO93/03074の実施例1におい
て用いられたのと同様な方法によって光ファイバーに加工した。
このファイバーに対して行った減衰測定によって、840nmでの光学損失は、
約1000dB/kmであった。
このポリマーの物理的特性の分析は、実施例1において用いたのと同様な方法
により実施した。この結果を以下の示す。
熱分析を行った結果、93℃のガラス転移温度及び250℃の分解開始温度を
得た。
この実施例において示される結果は、本発明のポリ(1H,1H−ペルフルオ
ロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレート)から製造されたPOFsの利点
を示す。
PMMAと比較すると、本発明のファイバーは、高いTg及び分解開始温度を示す
とともに、NIRにおいて低い減衰を示し、そして重合及び加工条件の最適化によ
って非常に低い減衰を示す潜在性を有する。
メタクリレート官能性ポリマーを母材とする実施例4及び5に記載したファイ
バーとの比較によって、本発明のファイバーは、改良された熱的特性及び物理的
特性を示すことがわかる。
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(72)発明者 スタシー,ニコラス
イギリス国,エセックス シーエム1 4
キューエル,ハイ イースター,エルム
コッテージーズ 2
(72)発明者 ウィリアムズ,ルーク
イギリス国,エセックス シーエム18 6
イーイー,ハーロー,ピンナクルズ,ミネ
ソタ スリーエム リサーチ リミティド
(番地なし)
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレー ト。 2.1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレー トのホモポリマー。 3.1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル2−フルオロアクリレー トのコポリマー。 4.a)少なくとも40重量%の1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメ チル2−フルオロアクリレート;及び b)60重量%以下のメチル2−フルオロアクリレート、1H,1H−ペルフル オロオクチル2−フルオロアクリレート、1H,1H−ペルフルオロ(2−(ブ トキシ)プロピル)2−フルオロアクリレート及びこれらの組合せからなる群よ り選ばれたモノマー から形成された請求項3に記載のコポリマー。 5.少なくとも60重量%の1H,1H−ペルフルオロシクロヘキシルメチル 2−フルオロアクリレートを含んでなる請求項4に記載のコポリマー。 6.請求項2〜5のいずれか1項に記載のポリマーから形成されたコアを有す るプラスチック光ファイバー。 7.0.1〜2.0mmの範囲の直径を有する請求項6に記載のプラスチック 光ファイバー。 8.請求項2〜5のいずれか1項に記載のポリマーを含んでなる光学成分。
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