ポリフェニルエーテル

フェニルエーテルポリマーは、エーテル結合の繰り返し基としてフェノキシ基またはチオフェノキシ基を含むポリマーのクラスです。市販のフェニルエーテルポリマーは、ポリフェニルエーテル( PPE ) とポリフェニレンオキシド( PPO ) の 2 つの化学クラスに属します。前者のクラスのポリマーのフェノキシ基には置換基が含まれませんが、後者のクラスのポリマーにはフェニル環に 2 ～ 4 個のアルキル基が含まれます。酸素含有 PPE の構造を図 1 に示し、2, 6-キシレノール由来の PPO の構造を図 2 に示します。どちらのクラスでも、環の周囲のさまざまな位置に酸素原子が結合している可能性があります。

フェニルエーテルポリマーの正式名称はポリ(フェニルエーテル)またはポリフェニルポリエーテルですが、ポリフェニルエーテルという名称が広く受け入れられています。ポリフェニルエーテル(PPE)は、銅触媒によるアルカリ金属フェネートとハロゲン化ベンゼンの反応であるウルマンエーテル合成法を繰り返し適用することで得られます。^[1]

オキシエーテルとチオエーテルの両方を含む、最大 6 個のフェニル環を持つ PPE が市販されています。表 1 を参照してください。^{[2]これらは、各環の置換パターンを示し、続いてフェニル環の数とエーテル結合の数を示すことによって特徴付けられます。したがって、図 1 の}n が 1 の構造はpmp5P4E として識別され、3 つの中央環のパラ、メタ、パラ置換、合計 5 つの環、および 4 つのエーテル結合を示しています。これらの材料のアリール環のメタ置換は最も一般的であり、多くの場合望まれています。最大 10 個のベンゼン環を持つより長い鎖の類似体も知られています。

フェニルエーテル ファミリーの最も単純なメンバーはジフェニルエーテル(DPE) で、ジフェニルオキシドとも呼ばれ、その構造は図 4 に示されています。低分子量のポリフェニルエーテルとチオエーテルは、さまざまな用途に使用されており、高真空デバイス、光学、電子機器、高温および耐放射線性の流体やグリースに使用されています。図 5 は、図 3 に示した 3-R ポリフェニルエーテルの硫黄類似体の構造を示しています。

ポリフェニルエーテルの代表的な物理的性質は表2に示されている。^[3] 特定のPPEの物理的性質は、芳香族環の数、その置換パターン、およびエーテルかチオエーテルかによって異なります。混合構造の製品の場合、構造的特徴のみから特性を予測することは困難であるため、測定によって決定する必要があります。

PPE の重要な特性には、熱安定性、酸化安定性、電離放射線に対する安定性などがあります。PPE には、流動点がやや高いという欠点があります。たとえば、ベンゼン環を 2 つまたは 3 つ含む PPE は、実際には室温では固体です。通常は固体の PPE の融点は、m-フェニレン環、アルキル基を多く含む場合、または異性体の混合物である場合は低下します。o- および p- 置換環のみを含む PPE の融点は最も高くなります。

PPE は優れた高温特性と良好な酸化安定性を備えています。揮発性に関しては、p 誘導体は最も揮発性が低く、o 誘導体は最も揮発性が高いです。引火点と燃焼点については逆のことが言えます。ポリフェニルエーテルの自然発火温度は 550 ～ 595 °C (1,022 ～ 1,103 °F) ですが、アルキル置換によりこの値は約 50 °C (122 °F) 低下します。PPE は、高温用途で一般的に使用されるほとんどの金属やエラストマーと互換性があります。通常、一般的なシール材を膨張させます。^[4]

非置換 PPE の酸化安定性は非常に良好です。これは、容易に酸化される炭素水素結合が存在しないことが一因です。アイソテニスコープ法で測定された熱分解温度は、440 ～ 465 °C (824 ～ 869 °F) です。

電離放射線はすべての有機化合物に影響を及ぼし、その特性の変化を引き起こします。これは、放射線が有機化合物に最も多く存在する共有結合を破壊するためです。電離の結果、有機分子が不均衡になり、より小さな炭化水素分子とより大きな炭化水素分子が形成されます。これは、蒸発損失の増加、引火点と発火点の低下、粘度の増加に反映されます。放射線によって引き起こされるその他の化学反応には、酸化と異性化があります。前者は酸性度、腐食性、コークス形成の増加につながり、後者は粘度と揮発性の変化を引き起こします。

PPEは極めて高い耐放射線性を持っています。合成潤滑剤（パーフルオロポリエーテルを除く）の中で、ポリフェニルエーテルは最も耐放射線性があります。^[5] PPEの優れた耐放射線性は、イオン化可能な炭素-炭素結合と炭素-水素結合の数が限られていることに起因しています。ある研究では、1 × 10 99 °C (210 °F) で^{11 ergs/g の放射線に対する耐性を、合成エステル、合成炭化水素、およびシリコン流体と比較しました。 [6]} PPE の粘度増加はわずか 35% でしたが、他のすべての流体は 1700% の粘度増加を示し、ゲル化しました。さらにテストを行ったところ、PPE は 1 × 10 最高 315 °C (599 °F) の温度で ^{10 erg/g。}

PPEは表面張力が高いため、金属表面を濡らす傾向が低くなります。市販されている5R4Eの表面張力は49.9ダイン/cmで、純粋な有機液体の中で最も高いものの1つです。^[7] この特性は、潤滑剤が周囲の環境に移行するのを避けなければならない用途で役立ちます。

もともと PPE は航空宇宙用途で経験される過酷な環境での使用のために開発されましたが、現在では低揮発性、優れた熱酸化および電離放射線安定性を必要とする他の用途にも使用されています。このような用途には、拡散ポンプ流体、高真空流体、ジェットエンジン潤滑剤、高温油圧潤滑剤およびグリース、熱伝達流体の配合などがあります。さらに、これらの流体は優れた光学特性を備えているため、光学デバイスにも使用されています。

真空ポンプは、密閉された空間からガスを除去して圧力を大幅に下げる装置です。フォアポンプと組み合わせたオイル拡散ポンプは、最もよく使用されています。拡散ポンプは、低蒸気圧の高沸点液体を使用して高速ジェットを作成し、システム内の排気対象のガス分子に衝突させて、フォアポンプによって排気されている空間に導きます。したがって、優れた拡散流体は、低蒸気圧、高引火点、高熱安定性、高酸化安定性、耐薬品性を備えている必要があります。拡散ポンプが電離放射線源の近くで動作している場合は、優れた放射線安定性も求められます。

表3に示すデータは、ポリフェニルエーテルが拡散ポンプで一般的に使用される他の流体よりも優れていることを示しています。^{[8] PPEは、25℃で4} × 10-10torr の最高真空を達成するのに役立ちます。このような高真空は、電子顕微鏡、質量分析計、^さまざま な表面物理学の研究に使用される機器に必要です。真空ポンプは、電球、真空管、ブラウン管（CRT）の製造、半導体処理、真空工学にも使用されます。

5R4E PPE の表面張力は 49.9 ダイン/cm で、これは純粋な有機液体の中で最も高い部類に入ります。このため、この PPE および他の PPE は金属表面を効果的に濡らしません。この特性は、特定の電子機器など、機器の一部から別の部分への潤滑剤の移動を回避する必要がある場合に役立ちます。表面上のポリフェニルエーテルの薄膜は、想像されるような薄い連続した膜ではなく、むしろ小さな液滴で構成されています。この PPE の特性により、膜は静止したままになるか、または少なくとも潤滑が必要な領域に留まり、広がって新しい表面を形成することによって移動することはありません。その結果、潤滑剤を必要としない他のコンポーネントや機器の汚染が回避されます。したがって、PPE は表面張力が高いため、電子接点の潤滑に役立ちます。

ポリフェニルエーテル潤滑剤は、通信、自動車、航空宇宙、計測機器、および汎用アプリケーションにおける貴金属および卑金属接点を備えたコネクタ向けの商用サービスで30年の歴史があります。^{[9] [10]} 電流の流れを維持し、長期的な潤滑を提供することに加えて、PPEはコネクタを攻撃的な酸性および酸化環境から保護します。保護表面フィルムを提供することで、ポリフェニルエーテルはコネクタを腐食から保護するだけでなく、フレッティング摩耗につながる振動関連の摩耗や擦り切れからも保護します。PPEの特殊な特性の恩恵を受けるデバイスには、携帯電話、プリンター、およびその他のさまざまな電子機器が含まれます。保護は数十年または機器の寿命まで持続します。

ポリフェニルエーテル (PPE) は、優れた光学的透明性、高い屈折率、およびその他の有益な光学特性を備えています。これらの特性により、PPE は高度なフォトニクス システムにおける信号処理の厳しい性能要件を満たすことができます。PPE の光学的透明性は他の光学ポリマーと同様で、屈折率は 1.5 ～ 1.7 で、約 400 nm ～ 1700 nm の光の伝播が良好です。材料間の屈折率 (RI) の密接な一致は、光が材料を適切に伝播するために重要です。RI の一致が容易なため、PPE は多くの光学デバイスで光学流体として使用されています。電離放射線に対する極めて高い耐性により、PPE は高屈折率ガラスおよび半導体で作られた太陽電池、固体 UV/青色エミッター、通信機器の製造においてさらなる利点があります。

PPE は優れた熱酸化安定性と耐放射線性を備えているため、耐放射線性も求められる高温用途で広く使用されています。さらに、PPE は、特にベアリングに使用すると、鉱油よりも優れた摩耗制御と耐荷重能力を発揮します。

PPE は、高速摩擦に伴う温度が 320 °C (608 °F) にも達するジェット エンジン用に開発されました。PPE はコストが高いため、ジェット エンジンの潤滑にはあまり使用されなくなりましたが、航空宇宙用途では今でも使用されています。PPE は、原子力発電所の機構に使用される耐放射線グリースのベース フルイドとしても使用されています。PPE とその誘導体は、ガス タービンやカスタム ベアリング、および過酷な環境条件が存在するあらゆる場所での気相潤滑剤としても使用されています。気相潤滑は、液体潤滑剤をその沸点以上に加熱することで実現されます。生成された蒸気は、次に高温のベアリング表面に運ばれます。ベアリング表面の温度が潤滑剤の沸点以下に保たれると、蒸気は再凝縮して液体潤滑を提供します。

ポリフェニルエーテル技術は、ベアリングの設計に応じて、優れた耐火性と疲労寿命も提供します。この用途では、PPE は低温では液体として、315 °C (599 °F) を超える温度では蒸気として潤滑を提供するという利点があります。低揮発性と優れた高温熱酸化安定性により、PPE は窯、金属加工工場、ガラス成形および製造装置の内外で使用されるチェーンの潤滑剤としても使用されています。これらの高温用途では、PPE はスラッジや硬い堆積物を形成しません。残った低軟質炭素残留物は拭くだけで簡単に除去できます。PPE は低揮発性、低可燃性、優れた熱力学的特性を備えているため、熱伝達流体やヒートシンク用途にも最適です。^[11]

これらのポリマーは、酸素、銅、アミンを含む触媒（臭化第一銅、ピリジンなど）の存在下で、置換フェノールを酸化カップリングさせることで作られます。PPOの構造については図2を参照してください。PPOポリマーはプラスチック樹脂に分類できます。ポリスチレン、ガラス、ナイロンとの複合材料は、コンピューター、通信、自動車部品など、多くの業界で高強度で耐湿性のエンジニアリングプラスチックとして使用されています。PPOは、SABICイノベーティブプラスチックスによってNorylという商標名で販売されています。^[12]