JPH10508646A - No▲下2▼/n▲下2▼o▲下4▼による硫黄含有ポリマーの酸化 - Google Patents
No▲下2▼/n▲下2▼o▲下4▼による硫黄含有ポリマーの酸化Info
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Abstract
(57)【要約】
固体状態のポリマーが、液体又は気体のN2O4に接触させられる硫黄含有ポリマーの酸化方法。得られたポリマーは特別丈夫な機能性成分の製造に適している。
Description
【発明の詳細な説明】
NO2/N2O4による硫黄含有ポリマーの酸化
本発明は酸化剤としてのNO2/N2O4による硫黄含有ポリマーの酸化に関す
るものである。
ポリ(アリーレンチオエーテル)(poly(arylene thioet
her))の様な硫黄含有ポリマーは古くから知られている。かかるポリマーは
その高い加熱ひずみ温度、並びに、良好な化学的耐性により、高応力部品として
用いられる。しかしながら、いくつかの用途において、より高い物質的要求が出
てきた。特に、ポリマーのガラス転移温度の増加がしばしば望まれる。0ないし
+5℃において酢酸中で24時間濃硝酸によりポリ(フェニレンスルフィド)を
ポリマーアナロガス(analogous)に酸化することにより、ポリ(フェニレンスル
フォキシド)への転化が可能であるということが記載されている(US 3,3
03,007)。“ポリマーアナロガス”はある種のポリマーを別のポリマーへ
と転化することを意味する。しかしながら、形成されたポリマーについて引用さ
れている特性は、硫黄/酸素比が1対1のポリマーが得られていないことを示し
ている。なぜならば、そうでなければ熱ひずみ温度の値はより高くなっているは
ずであるからである。記載されている方法の欠点は、まず第1に長い反応時間が
必要であること、第2に求電子的付加の可能性、第3に長い反応時間の場合、チ
オエーテル結合への強い無機酸の攻撃があるということである(分解反応)。
NO2とその2量体であるN2O4は互いに化学平衡にあることが知られている
(Hollemann−Wiberg,Lehrbuch der Anorg
anischen Chemie,[無機化学の教科書],Walter de G
ruyter & Co.Berlin 1964,第70版,238〜239
ページ)。
温度と濃度により、N2O4に対してより多くの又はより少ない割合でNO2が存
在する。閉鎖系においてNO2/N2O4が99%より高い濃度のとき、27℃で
は80%の二酸化窒素がN2O4として存在し、そして50℃でもまだ60%のN2
O4が存在する。135℃になっても1%のN2O4がまだ存在する。
本発明の目的は、ポリ(アリーレンスルフィド)(poly(arylene s
ulfide))のような硫黄含有ポリマーを酸化する方法を開発することであり
、かかる方法は、実質上温和な反応温度においてより短い反応時間を必要とする
。出発原料として比較的大きな分子量を有するポリ(アリーレンスルフィド)を
用いることも並びに望ましい。
NO2/N2O4を酸化剤として用いることにより上記目的は達成され、N2O4
の割合は反応温度により決定される(上記参照)。
酸化に用いられた平衡系NO2/N2O4は以下N2O4と表記する。
本発明は硫黄含有ポリマーを酸化する方法に関し、硫黄含有ポリマーをNO2
またはN2O4と接触させるものである。
本発明のN2O4による硫黄含有ポリマーの酸化は、高い選択性を伴って、スル
フォキシド架橋を生成する。N2O4は極めて強い酸化剤であるので、このことは
より驚くべきことある。適当な量のN2O4の使用と反応継続時間の選択により、
硫黄結合を完全にスルフォキシド結合に変換することも、硫黄含有ポリマーの硫
黄結合の望ましい部分酸化を達成することも可能である。硫黄含有ポリマーの不
均一酸化または部分酸化は、完全にそして物質全体を、あるいは物質の表面のみ
で進行することができる。物質が細かければ細かいほど、物質全体を不均一酸化
することが簡単となる。特に、全体を酸化するのに適切な物質は極薄若しくは極
めて細かい粒子、ファイバー、フィルム、成形体又はコーティングである。この
場合には、非常に均一な酸化が達成される。極薄又は極細は、直径又は厚さが5
0μm以下、好ましくは1から30μmまで、特に5から25μmであることを
意味する。それゆえに本発明は、直径または厚さが50μm以下のポリ(アリー
レンスルフォキシド)の粒子、ファイバー、フィルム、成形体又はコーティング
にさらに関する。
極薄又は極細のポリ(アリーレンスルフォキシド)部分(part)は、適当な大き
さのポリ(アリーレンスルフィド)部分を酸化することにより生成でき、組成の
高い均一性、又は、非常に均一な酸化の程度を特色とし、これは、例えば、機械
的、物理的及び化学的性質が向上することを意味する。極薄又は極細のポリ(ア
リーレンスルフォキシド)部分は、例えばその均一性により熱安定性と化学的耐
性が向上する。
例えば極薄のポリ(アリーレンスルフォキシド)ファイバーからなる織布又は
不織布は、高温用途のフィルターを製造するのに適切である。
ポリ(アリーレンスルフォキシド)の極細粒子は発泡ポリ(アリーレンスルフ
ィド)を製造するのに特に適切である。ポリ(アリーレンスルフィド)の吹き込
み形成剤としてのポリ(アリーレンスルフォキシド)は、1994年8月15日
のドイツ特許出願 P 44 28 737.2号、発明の名称“発泡ポリ(ア
リーレンスルフィド)及びその製造方法”に記載されており、かかる文献はここ
に参照文献として援用される。
硫黄含有ポリマーという用語は、少なくとも一つのアリーレンチオエーテル単
位(−AR−S−;Ar:アリーレン基)又は脂肪族チオエーテル単位(−Al
k−S−;Alk:アルキレン基)を有するポリマーを含むことを表し、かかる
ポリマーは、例えばポリ(アリーレンチオエーテル)、又はポリスルフィドであ
る。アリーレン基は単核又は多核の芳香族を含んでもよい。アリーレン基は少な
くとも一つの5ないし6員環を含み、かかる多員環は一つ以上のヘテロ原子を含
んでいてもよく、無置換でも又は置換されていてもよい。ヘテロ原子は例えば窒
素又は酸素であり、置換基は例えば直鎖又は枝分かれのアルキル基である。硫黄
含有ポリマーは硫黄架橋(−S−)に加えてスルフォキシド(−SO−)基又は
スルフォン基(−SO2)もまた含有できる。アリーレンは、例えばフェニレン
、ビフェニレン(−C6H4−C6H4−)又はナフチレンであり、かかるアリーレ
ンは一置換又は多置換でもよい。置換基は例えば、直鎖、環状又は枝分かれのC1
からC20の炭化水素基、C1からC10のアルキル基、例えばメチル、エチル、n
ープロピル、イソプロピル、nーブチル、tーブチル、若しくは、nーヘキシル
、又は、C6からC14のアリール基、例えばフェニル、若しくは、ナフチル;ハ
ライド、スルフォン酸、アミノ基、ニトロ基、シアノ基、ヒドロキシル基又はカ
ル
ボキシル基などである。
好ましい硫黄含有ポリマーはポリ(アリーレンチオエーテル)であり、かかる
ポリマーはまたポリ(アリーレンスルフィド)とも呼ばれ、特にポリ(フェニレ
ンスルフィド)が好ましい。
N2O4によるポリ(アリーレンスルフィド)の酸化により、ポリ(アリーレン
スルフォキシド)が生成する。ポリ(アリーレンスルフィド)とは少なくとも一
つのアリーレンスルフォキシド単位(−Ar−SO−;Arはアリール基であり,
SOは、スルホキシド基である)を有するポリマーである。
ポリ(アリーレンスルフィド)、特にポリ(フェニレンスルフィド)はEDM
ONDSとHILLによるジハロゲン化芳香族と硫化ナトリウムの反応によって
調製してもよい。ポリ(フェニレンスルフィド)とその調製は、“Ullman
n’s Encyclopedia of Industrial Chemi
stry,Volume A21,B.Elvers,S.Hawkins a
nd G.Schulz(Eds.),VCH,Weinheim−New Y
ork 1992,463−472頁”に記載されており、かかる文献はここに
参照文献として援用される。スルフォン含有ポリ(アリーレンスルフィド)の合
成はChimia 28(1974)567,に記載されており、かかる文献は
ここに参照文献として援用される。
適切な硫黄含有ポリマーは、例えばGPCで決定された平均分子量Mwが40
00ないし400,000のもので、好ましくは10,000ないし150,0
00のもの、特に25,000ないし100,000のものである。
使用されるポリマーの平均粒径D50は一般的に約5x10-7ないし約5x10-2
m、好ましくは約10-5ないし約10-3m、特に約10-5ないし約2x10-4
mの範囲である。
硫黄含有ポリマーは一般的に酸化反応の始めにおいて固体状態で存在する。溶
解した状態又は懸濁液でも用いることができる。
溶解された硫黄含有ポリマーが用いられる場合、N2O4との反応は均一酸化反
応である。固体又は懸濁した硫黄含有ポリマーが用いられる場合、N2O4との反
応は不均一酸化反応である。
硫黄含有ポリマーの懸濁液媒体は、一般的に化学的に不活性な溶媒である。従
って、反応生成物が不溶な液体を用いることができ、かかる液体は例えば、酢酸
、1,1ージクロロエタン、ジクロロメタン、又は1,1,2ートリクロロー1
,2,2ートリフルオロエタンである。しかしながら、酸化生成物が溶解する液
体も用いることができ、かかる液体はジクロロ酢酸、トリクロロ酢酸又はトリフ
ルオロ酢酸などである。
反応温度は一般的にマイナス40ないし+100℃、好ましくはマイナス5な
いし80℃の範囲にある。必要な反応時間はN2O4の供給と選ばれた反応容器の
種類に依存し、一般的に1分ないし5時間、好ましくは15分ないし120分、
特に15分ないし60分である。反応条件が最適化されたとき、反応時間を1分
以下にすることができる。
本発明の酸化は、例えば40モル%以上、好ましくは60モル%以上、特に7
0モル%以上の濃度のN2O4を含む雰囲気下でおこなわれる。反応は、静置して
も又は撹拌しても、大気圧でも又は圧力のかかった状態でも、温度を制御できる
反応容器中でおこなうことができる。N2O4による酸化は液体N2O4によってお
こなわれてもよい。
スルフィド基からスルフォキシド基への酸化の際に、N2O4はN2O3へと還元
される。大気中の酸素との引き続いての反応により、このN2O3はN2O4へと再
酸化されて再生され、これにより、ここに記載される方法は非常に安価なコスト
でおこなうことができる。
N2O3からN2O4への再酸化は、例えばN2O4が循環するループ(loop)
反応器中で起こることができる;反応ループにおいて硫黄含有ポリマーを酸化し
、戻りループにおいて酸素と接触しN2O4へと再酸化される。
反応溶液中へ酸素又は空気が吹き込まれた場合には、化学量論量のN2O4と反
応をおこなうことも可能である。この場合、反応において生成したN2O3は反応
混合物中において直ちにN2O4へと再酸化され、そのため複数のスルフィド基を
スルフォキシド基へ酸化することができる。このような反応条件で用いられるN2
O4は酸素移動剤(oxygen transfer agent)(触媒)と
して作用する。結果的に、ポリマーの酸化の程度は特に反応継続時間により調節
できる。
酸化が完結した後、N2O4は反応容器から、例えば溶液又は懸濁液から勢いの
ある空気流又は酸素流により放出され、そして、冷却装置中で凝縮して、従って
回収することができる。
加えて、化学量論以下の量のN2O4を用いて酸素加圧下、オートクレーブ中で
反応をおこなうこともできる。ここでは酸化により生成したN2O3はただちにN2
O4へと再酸化される。
溶媒又は懸濁液媒体が用いられた場合には、反応は不連続的に撹拌タンク(バ
ッチプロセス)中でも、又は、連続反応器中、例えば複数の容器(pot)を含
む多段式(cascade)反応器中又はフローチューブ中でもおこなうことが
できる。多段式反応器が用いられた場合には、例えば、反応生成物が第1段の容
器中では溶媒又は分散媒体と結合していて、反応及び酸素の付加が第2段の容器
中で起こり、酸化が完結したとき第三段の容器中でN2O4追い出すことができる
。
N2O4(酸素による再酸化後)と、適当な場合には、溶媒又は懸濁液媒体が、
不連続的又は連続的な反応過程において、さらなる反応に用いることができ、こ
れにより、酸化反応において全ての成分が再利用でき、環境を汚染する残渣が生
じない。
達成されるポリマーの酸化の程度は、精密な反応条件に依存する。
空気又は酸素が反応中に加えられた場合には、N2O3が速やかに再酸化されて
N2O4を生成するので、用いられたN2O4の化学量論に比べて高い程度の酸化が
達成される。
N2O4と硫黄含有ポリマーとの反応の酸化生成物は多くの場合ジクロロ酢酸に
可溶であり、従来の方法によりその溶液から処理することができる。
本発明により得られた、酸化された又は部分的に酸化された硫黄含有ポリマー
は、熱可塑性的に処理してもよいし、例えば通例の焼結処理によってさらなる処
理をしてもよい、しかしこれはかかるポリマーの融点に依存する。最初の群、す
なわち熱可塑性的に処理できる化合物は、熱可塑性物質に対して通例の処理方法
により、成形体及び機能性成分へと変換でき、かかる処理方法は例えば射出形成
、又は押し出し形成である。成形体化合物は、例えば、チョーク、タルク、粘土
、
雲母のような既知の微粉充填剤、及び/または、例えば、グラスファイバー及び
炭素繊維、ホィスカーのようなファイバー状の補強剤、並びに、他の従来の添加
剤及び処理剤、例えば潤滑剤、離型剤、酸化防止剤及びUV安定剤、をまた含ん
でもよい。そのような成分は特別丈夫な(heavy−duty)機能性成分と
して用いられ、例えば、飛行機及び自動車の製造、並びに、化学プラントの建設
に用いられる。
第二の群、すなわち焼結処理により処理されうるポリマーは、高温及び耐薬品
性(chemical stress)を有する機能性成分として用いられる。
本発明により得られる化合物は、さらに、他の高温熱可塑性物質(例えばPP
S又は液晶ポリマー)に加えられ、粉末混合物とされてもよい。このポリマー混
合物が鋳型中で急速に加熱された場合には、スルフォキシド架橋がスルフィドへ
と還元され、気体の放出が生じる。この気体の放出が、用いられている熱可塑性
物質を発泡したものへと導く。
実施例において、Tgはガラス転移温度であり、Tmは融点である。実施例
1. 反応容器中、平均粒径が500x10-6mのポリ(フェニレンスルフィド
)(PPS)粉末(Mw 30,000)3gを5mlのN2O4中、マイナス4
0℃にて2時間反応させた。
反応後、ポリマー粉末はN2O4から分離され乾燥された。赤外スペクトル、並
びにESCAスペクトルにおいて、スルフォキシド基が唯一の生成であることが
観測された。
Tg:240℃、Tm:>370℃(分解)
得られたポリマーの硫黄/酸素比はESCA解析において1:1であった、す
なわち用いられたPPSのS架橋はSO基へと酸化された。
2. 反応容器中、平均粒径が500x10-6mのポリ(フェニレンスルフィド
)(PPS)粉末(Mw 30,000)3gを5mlのN2O4中、50℃にて
1時間反応させた。
反応後、ポリマー粉末はN2O4から分離され乾燥された。赤外スペクトル、並
びにESCAスペクトルにおいて、同様に、スルフォキシド基の唯一の生成が観
測された。
Tg:240℃、Tm:>370℃(分解)
得られたポリマーの硫黄/酸素比はESCA解析において1:1であった。
3. ポリ(フェニレンスルフォキシド)(PPSO)
反応容器中、平均粒径が20x10-6mのポリ(フェニレンスルフィド)(P
PS)粉末(Mw 30,000)108gを500mlのジクロロ酢酸中、1
0℃にて分散させた。よく撹拌しながら、40mlのN2O4を40分にわたり滴
下した。反応混合物の温度は40℃に上昇され、50ml/分の空気流が80分
にわたり吹き込まれた。茶色の均一溶液が生じた。N2O4はより勢いの強い空気
流(100l/分)により追い出され、溶液は水中で沈殿させられ、生成物は吸
引ろ過され、水で洗浄され乾燥された。赤外スペクトル、並びにESCAスペク
トルにおいて、スルフォキシド基の唯一の生成が観測された。
Tg:240℃、Tm:>370℃(分解)
得られたポリマーの硫黄/酸素比はESCA解析において1:1であった。
4. ポリ(フェニレンスルフォキシド)(PPSO)
平均粒径が20x10-6mのポリ(フェニレンスルフィド)(PPS)粉末(
Mw 30,000)の酢酸分散液、及び酢酸に溶解したN2O4が、3つの反応
容器を含む多段式反応器中に連続的に加えられた。第1段の容器の温度は40℃
で、第2段と第3段の容器は50℃であった。第2段の容器においては、更に、
50l/分の空気流が通され、そして第3段の容器においては100l/分の空
気流が通された。全ての多段式反応器の平均滞留時間はおよそ90分であった。
多段式反応器を通過した後、ポリマー粉末は吸引ろ過され、水で洗浄され、分離
されて乾燥された。赤外スペクトル、並びにESCAスペクトルにおいて、スル
フォキシド基の唯一の生成が観測された。
Tg:240℃、Tm:>370℃(分解)
得られたポリマーの硫黄/酸素比はESCA解析において1:0.75であっ
た。
5. 極薄ポリ(アリーレンスルフォキシド)ファイバーの製造
極薄ポリ(フェニレンスルフィド)ファイバーの製造は、例えばEP 283
520 B1(実施例4、8ページ)に記載されており、かかる文献はここに参
照文献として援用される。
極薄ポリ(アリーレンスルフィド)又はポリ(フェニレンスルフィド)ファイ
バーは実施例1、2又は4と同様にN2O4で処理される。
極薄ポリ(アリーレンスルフォキシド)又はポリ(フェニレンスルフォキシド
)ファイバーが得られる。
実施例1及び2は異なる反応温度が同じ結果を与えることを示す。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項
【提出日】1996年11月18日
【補正内容】
請求の範囲
1.硫黄含有ポリマーをNO2/N2O4平衡系に接触させる工程を含み、ここで
、40モル%以上の濃度を有するN2O4雰囲気で酸化が起こるか、又は、液体N2
O4を用いて酸化が行われる、硫黄含有ポリマーを酸化する方法。
2.硫黄含有ポリマーが、固体、溶解、又は、懸濁状態で存在する請求項1に記
載の方法。
3.硫黄含有ポリマーが、ポリ(アリーレンスルフィド)、特にポリ(フェニレ
ンスルフィド)である請求項1または2に記載の方法。
4.硫黄含有ポリマーの平均粒径D50は、約5x10-7ないし約5x10-2m、
好ましくは約5x10-5ないし約10-3m、特に約10-5ないし約10-4mの範
囲にある請求項1ないし3の1以上に記載の方法。
5.好ましくは少なくとも60モル%、特に少なくとも70モル%の濃度を有す
る雰囲気において、酸化が行われる請求項1ないし4の1以上に記載の方法。
6.NO2又はN2O4が酸素の存在下、触媒として用いられる請求項1ないし5
の1以上に記載の方法。
7.硫黄含有ポリマーが、酢酸、1,1ージクロロエタン、クロロメタン、1,
1,2ートリクロロー1,1,2ートリフルオロエタン、ジクロロ酢酸、トリク
ロロ酢酸又はトリフルオロ酢酸に懸濁されている請求項1ないし6の1以上に記
載の方法。
8.硫黄含有ポリマーは粉末、ファイバー、不織布、織布、フィルム又は成形体
として用いられる請求項1ないし7の1以上に記載の方法。
9.直径又は厚さが50μm以下のポリ(アリーレンスルフォキシド)の粒子、
ファイバー、フィルム又は成形体。
10.成形体及び機能性成分を製造するための、請求項1ないし8の1以上に記
載の方法で得られた酸化された硫黄含有ポリマーの使用。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),CA,JP,KR,US
(72)発明者 フランク,ゲオルク
ドイツ連邦共和国デー−72074 テュービ
ンゲン,シュトイダッハ 164
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.硫黄含有ポリマーをNO2又はN2O4に接触させる工程を含む、硫黄含有ポ リマーを酸化する方法。 2.硫黄含有ポリマーが、固体、溶解、又は、懸濁状態で存在する請求項1に記 載の方法。 3.硫黄含有ポリマーが、ポリ(アリーレンスルフィド)、特にポリ(フェニレ ンスルフィド)である請求項1または2に記載の方法。 4.硫黄含有ポリマーの平均粒径D50は、約5x10-7ないし約5x10-2m、 好ましくは約5x10-5ないし約10-3m、特に約10-5ないし約10-4mの範 囲にある請求項1ないし3の1以上に記載の方法。 5.N2O4が、少なくとも40モル%、好ましくは少なくとも60モル%、特に 少なくとも70モル%の濃度で酸化に用いられる請求項1ないし4の1以上に記 載の方法。 6.NO2又はN2O4が酸素の存在下、触媒として用いられる請求項1ないし5 の1以上に記載の方法。 7.NO2又はN2O4が液体状態又は気体状態で用いられる請求項1ないし6の 1以上に記載の方法。 8.硫黄含有ポリマーは粉末、ファイバー、不織布、織布、フィルム又は成形体 として用いられる請求項1ないし7の1以上に記載の方法。 9.直径又は厚さが50μm以下のポリ(アリーレンスルフォキシド)の粒子、 ファイバー、フィルム又は成形体。 10.成形体及び機能性成分を製造するための、請求項1ないし8の1以上に記 載の方法で得られた酸化された硫黄含有ポリマーの使用。
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