JP4721687B2 - ガラス繊維処理用変性ポリオレフィン系樹脂、表面処理ガラス繊維及び繊維強化ポリオレフィン系樹脂 - Google Patents
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Description
低分子極性成分(沸騰メチルエチルケトン可溶分)の成分及び発生原因について完全には分かっていない。その成分としては、有機過酸化物残基及びその反応物、あるいは極低分子(いわゆるオリゴマー)の酸変性ポリオレフィン等の反応副生成物、酸(マレイン酸や無水マレイン酸に代表されるカルボン酸類等)や有機過酸化物等の未反応原料、酸化防止剤や脂肪酸金属塩類等の添加剤が考えられる。
[1](1)沸騰メチルエチルケトン抽出量が8質量%以下であり、
(2)ガスパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した数平均分子量(Mn)が6,000〜48,000の範囲内であり、かつ、
(3)フーリエ変換赤外線分光法で測定した酸付加量が0.1〜12質量%の範囲内である、ガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂;
[2]マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂である、上記[1]に記載のガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂;
[3]上記[1]又は[2]に記載のガラス繊維処理用変性ポリオレフィン系樹脂を含むサイジング剤で処理された、ガラス繊維の繊維径が3〜30μmの範囲内である表面処理ガラス繊維;
[4]上記[3]に記載の表面処理ガラス繊維を含む、ガラス繊維のアスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)が50〜6000である繊維強化ポリオレフィン系樹脂;
[5]ポリプロピレン系樹脂である、上記[5]に記載の繊維強化ポリオレフィン系樹脂;
[6]上記[3]に記載の表面処理ガラス繊維を用いたペレット長2〜200mmの長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット;
[7]樹脂中に0.2〜50質量%の酸変性ポリオレフィン系樹脂を含む上記[6]に記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット;
[8]ポリプロピレン系樹脂である、上記[6]又は[7]に記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット;
[9]上記[6]〜[8]のいずれかに記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットと熱可塑性樹脂とをドライブレンドしたドライブレンド混合物;
[10]熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂である上記[9]に記載のドライブレンド混合物;
[11]熱可塑性樹脂が、マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂を含んだポリオレフィン系樹脂である、上記[9]又は[10]に記載のドライブレンド混合物;
[12]ポリプロピレン系樹脂100質量部、一分間半減期(t1/2)80〜260℃の有機過酸化物0.01〜20質量部、及び不飽和カルボン酸0.1〜30質量部を、シリンダー温度100〜230℃で溶融反応させた後、脱気・洗浄・精製のうち1以上の低分子極性成分の除去(削減)処理を行なう酸変性ポリプロピレン系樹脂の製造方法;
[13]請求項1又は2に記載のガラス繊維処理用変性ポリオレフィン系樹脂を含有するサイジング剤で一旦サイジング処理された繊維束の連続物を引きながら、オレフィン系樹脂成分を該繊維束中に含浸させ、組成物中に5〜80質量%のガラス繊維を含有させる、長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットの製造方法;
[14]請求項4〜11のいずれかに記載の繊維強化ポリオレフィン系樹脂、長繊維強化樹脂ペレット又はドライブレンド混合物を成形してなる成形品;
[15]平均残存繊維長が0.4mm以上である、上記[14]に記載の成形品を提供する。
I.ガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂
本発明のガラス繊維処理用変性ポリオレフィン系樹脂(以下、本発明の処理用樹脂という)は、下記(1)〜(3)を満たすことを特徴とする。
(1)沸騰メチルエチルケトン(MEK)抽出量が、8質量%以下
(2)ガスパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した数平均分子量(Mn)が、6,000〜48,000の範囲内
(3)フーリエ変換赤外線分光法で測定した酸付加量が、0.1〜12質量%の範囲内
上記(1)〜(3)を満たす酸変性ポリオレフィン系樹脂を用いて処理されたガラス繊維を含むポリオレフィン系樹脂(繊維強化ポリオレフィン系樹脂)によれば、振動疲労強度が飛躍的に改善された成形品を製造できる。
本発明の処理用樹脂に用いる変性前のポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレン系樹脂、特にプロピレン単独重合体又はエチレン・プロピレンランダム共重合体が好ましく、プロピレン単独重合体がより好ましい。
また、その135℃デカリン中での極限粘度(η)は、通常0.5〜40、好ましくは1〜30、より好ましくは2〜20、さらに好ましくは3〜15、特に好ましくは4〜10である。0.5より小さいと変性時に低分子量化し過ぎるおそれがあり、40より大きいと工業的に生産が困難である。また、そのGPCで測定した分子量分布(Mw/Mn)は、通常2〜10、好ましくは2.1〜6より好ましくは2.2〜5、さらに好ましくは2.3〜4、特に好ましくは2.4〜3である。分子量分布が2より小さいポリプロピレン系樹脂の製造は困難であり、10を超えると変性後に低分子極性成分が発生して振動疲労強度を低下させるおそれがある。
また、変性前のポリオレフィン系樹脂の立体規則性(mmmm分率)は、通常90%以上、好ましくは93%以上、より好ましくは96%以上、さらに好ましくは98%以上である。90%より小さいと、振動疲労強度が不十分となるおそれがある。
また、変性前のポリオレフィン系樹脂の形態に制限はないが、一部或いは全部がパウダー又はグラニュー状態であると、反応効率が上がるため低分子極性成分が少なくなるので好ましい。
(1)出光石油化学(株)製
プロピレン単独重合体:J−2003GP(MFR=21)、J−2000GP(MFR=21)、J−903GP(MFR=13)、J−900GP(MFR=13)、J−700GP(MFR=8)、J−3003GV(MFR=30)、J−3000GV(MFR=30)、J−3000GP(MFR=30)、H−50000(MFR=500)、H−100M(MFR=0.5)、H−700(MFR=7)、Y−2000GP(MFR=20)、Y−6005GM(MFR=60)、E−105GM(MFR=0.5)、F−300SV(MFR=3)、Y−400GP(MFR=4)、E−100GV(MFR=0.5)
プロピレン・エチレンブロック共重合体:J−6083HP(MFR=60)、J−5066HP(MFR=50)、J−5085H(MFR=50)、J−5051HP(MFR=50)、J−3054HP(MFR=40)、J−3056HP(MFR=40)、J−950HP(MFR=32)、J−762HP(MFR=13)、J−466HP(MFR=3)、JR3070HP(MFR=30)、J−786HV(MFR=13)、J−785H(MFR=13)、J−784HV(MFR=13)
プロピレン・エチレンランダム共重合体:J−3021GA(MFR=30)、J−3021GR(MFR=30)、J−2021GR(MFR=20)
プロピレン単独重合体:PM900M(MFR=30)、PM900A(MFR=30)、PM802A(MFR=20)、PM801Z(MFR=13)、PM600Z(MFR=7.5)、PM600M(MFR=7.5)、PM600H(MFR=7.5)、PM600A(MFR=7.5)、PF−611(MFR=30)、PF−814(MFR=3)
プロピレン・エチレンブロック共重合体:PMB70X(MFR=63)、PMB65X(MFR=63)、PMB60W(MFR=63)、PMB60A(MFR=63)、PMA60Z(MFR=45)、PMA80X(MFR=43)、PMA60A(MFR=43)、PM965C(MFR=35)、PM953M(MFR=30)、PM761A(MFR=9.5)
プロピレン・エチレンランダム共重合体:PVC20M(MFR=85)、PMC20M(MFR=85)、PMA20V(MFR=45)、PV940M(MFR=30)、PM822V(MFR=20)、PM811M(MFR=13)、PM731V(MFR=9.5)
プロピレン単独重合体:MA3(MFR=11)、MA3AH(MFR=12)、MA03(MFR=25)、SA05(MFR=50)
プロピレン・エチレンブロック共重合体:BC06C(MFR=60)、BC05B(MFR=50)、BC03GS(MFR=30)、BC03B(MFR=30)、BC03C(MFR=30)、BC2E(MFR=16)、BC3L(MFR=10)、BC3H(MFR=8.5)、BC3F(MFR=8.5)、BC4ASW(MFR=5)、BC6DR(MFR=2.5)、BC6C(MFR=2.5)、BC8(MFR=1.8)、BC03HRS (MFR=30)
プロピレン単独重合体:J139(MFR=50)、J136(MFR=20)、CJ700(MFR=10)、J108M(MFR=45)、J107G(MFR=30)、J106G(MFR=15)、J105G(MFR=9)、S119(MFR=50)、S128G(MFR=50)、J105H(MFR=9)
プロピレン・エチレンブロック共重合体:J709UG(MFR=55)、J708UG(MFR=45)、J830HV(MFR=30)、J717ZG(MFR=32)、J707EG(MFR=30)、J707G(MFR=30)、J715M(MFR=9)、J705UG(MFR=9)、J704UG(MFR=5)、J702LB(MFR=1.8)
プロピレン・エチレンランダム共重合体:J229E(MFR=52)、J226E(MFR=20)
上記ポリオレフィン系樹脂を酸変性させるために用いる酸としては、通常、カルボン酸又はその誘導体等のカルボキシル基あるいはその誘導体(無水物等)を持つものが挙げられる。
また、飽和カルボン酸よりも不飽和カルボン酸の方がポリオレフィン系樹脂に付加させやすいため、不飽和カルボン酸又はその誘導体がより好ましい。
不飽和カルボン酸あるいはその誘導体としては、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、ナジック酸、フマル酸、イタコン酸、無水マレイン酸、無水ナジック酸、無水イタコン酸等が挙げられる。
不飽和カルボン酸あるいはその誘導体の中でも融点が30〜280℃のものがさらに好ましく、融点が50〜210℃のものが特に好ましい。
中でもマレイン酸あるいは無水マレイン酸が最も好ましい。
酸変性ポリオレフィン系樹脂としては、カルボン酸又はその誘導体で変性された酸変性ポリプロピレン系樹脂が好ましく、マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂が特に好ましい。
酸変性ポリオレフィン系樹脂(サンプル)を、すり鉢で粉砕した後、ソックスレー抽出機を用い沸騰メチルエチルケトンで6時間抽出を行い抽出物の質量を測定し、下記式により沸騰メチルエチルケトン抽出量を求める。
沸騰メチルエチルケトン抽出量(質量%)=(抽出物の質量)/(元のサンプルの質量)
沸騰MEK可溶分(低分子極性成分)を、8質量%以下に低減するための除去方法は特に限定されないが、例えば、次の方法を用いることができる
(1)脱気:ベント減圧(押出し機使用の場合)、減圧(真空)加熱、熱風乾燥
(2)洗浄:溶剤洗浄、スチーム洗浄、温水洗浄
(3)精製:加熱溶剤(パラキシレン、キシレン、トルエン、ベンゼン、n−ヘプタン、クロルベンゼン等)に溶解させ、再沈溶剤(アセトン、アセトン/メタノール混合溶剤等)に投入して再度沈殿させる。濾過後、真空乾燥などで乾燥させる。
脱気の時期としては、(i)変性時(押出機等使用の場合、ベント減圧等を行なう)、(ii)変性後(酸変性ポリオレフィン系樹脂を得た後、減圧加熱、真空加熱、熱風乾燥等を行う)に行うことができる。品質の安定性の点から(ii)の変性後に脱気することが好ましい。
(ii)の変性後に脱気する場合、温度は50〜150℃が好ましく、60〜145℃がより好ましく、70〜140℃が特に好ましい。温度は50℃より低いと除去に時間がかかり、150℃以上では樹脂が固着するおそれがある。
変性前のポリオレフィン系樹脂(100質量部)に対する有機過酸化物の添加量は、通常、0.01〜20質量部、好ましくは0.03〜8質量部、より好ましくは0.06〜4質量部、さらに好ましくは0.1〜3質量部、特に好ましくは0.12〜1.5質量部、最も好ましくは0.15〜0.8質量部である。0.01部より少ないと付加が不十分となるおそれがあり、20部より多いと残留過酸化物が増えたり低分子極性成分が増えたりするおそれがある。
反応温度(溶液温度やシリンダー温度)は、100〜230℃の範囲内が好ましく、120〜210℃がより好ましく、130〜200℃がさらに好ましく、135〜185℃が特に好ましく、155〜175℃が最も好ましい。
反応温度が100℃より低いと付加反応が十分に起こらないおそれがある。230℃より高いと、分解反応が早く進みすぎるおそれがある。
また有機化酸化物の一分間半減期温度(t1/2)と、反応温度(ta)との関係は、通常、t1/2−80<ta<t1/2+50、好ましくはt1/2−30<ta<t1/2+40、より好ましくはt1/2−20<ta<t1/2+30、特に好ましくはt1/2−15<ta<t1/2+20である。
また、反応時間は通常0.5〜300分、好ましくは1〜180分、より好ましくは1.5〜30分、さらに好ましくは2〜15分、特に好ましくは2.5〜10分、最も好ましくは3〜6分である。押出機を用いて反応させる場合は、押出条件(吐出量を下げる等)に加え、押出機のL/Dを長くしたり、混練回数を増やすことで反応時間を長くできる。反応時間が0.5分より小さいと、未反応物や副生成物が多量に発生し、物性が低下するおそれがある。300分以上では生産性が低下し、工業的に実用化が難しい。
酸付加量の測定は、ドデカルコハク酸と濃度調整用のポリプロピレンパウダー(商品名:H−700;出光石油化学(株)製)を用いて、ピーク面積とマレイン酸量との関係式を算出して検量線とする。 次に、酸変性ポリオレフィン系樹脂の試料から、230℃の熱プレスにより、10分余熱後、4分間加圧(5MPa)、冷却プレスにより3分間加圧(5MPa)を行い、厚みが0.1mm程度のフィルムを作製する。
その後、このフィルムの一部(15mm×20mm×0.1mm)をメチルエチルケトン(MEK)100mL中に70℃で3時間浸し、洗浄後、フィルムを取り出し風乾した後、130℃で2時間真空乾燥する。
乾燥後2時間以内に、フィルムのFT−IR透過スペクトルを測定し、FR−IRスペクトルの1670〜1810cm−1におけるピーク面積を計算し、上記検量線と比較して、マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂のカルボン酸付加量(MEK不溶分)(b)を求める。
1分子当たりの官能基数=(0.01×A/Mr)/(1/Mn)
=0.01×A×Mn/Mr
式中、A:官能基付加量(質量%)
Mr:官能基の分子量
Mn:官能基含有ポリオレフィン系樹脂の数平均分子量
である。
官能基がマレイン酸基(Mr=98)の場合、
1分子当たりの官能基数≒A×Mn/10,000
となる。
また、精製処理前後の極限粘度(135℃デカリン中で測定)の増加は、通常0.18以下、好ましくは0.12以下、より好ましくは0.09以下、さらに好ましくは0.06以下、特に好ましくは0.03以下、最も好ましくは0.02以下である。0.18より大きいと低分子極性成分が増え、振動疲労強度や引張り強度が低下するおそれがある。
酸変性ポリオレフィン系樹脂(官能基含有ポリオレフィン系樹脂)の製造方法としては、特開平8−143739号公報、特開2002−20560号公報、特開平7−316239号公報、特開平8−127697号公報、特開平7−232324号公報等に記載の公知の方法を使用することができる。
(1)有機過酸化物、マレイン酸、ポリプロピレンを溶媒中で反応させる(溶液法)
(2)有機過酸化物、マレイン酸、ポリプロピレンをバンバリーミキサーや押出し機などで溶融混練する(溶融法)
(3)熱分解したポリプロピレンにマレイン酸を反応させる(熱分解法)
等の方法が挙げられ、(1)溶液法や(3)熱分解法では、溶媒や触媒残渣が残り、臭気等の問題が発生するおそれがあるため、上記(2)の溶融法が好ましい。押出機を用いて溶融混練して製造すると、生産性が高く、特に好ましい。
本発明の表面処理ガラス繊維は、上記本発明のガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂を含むサイジング剤で処理されており、ガラス繊維の繊維径が3〜30μmの範囲内であることを特徴とする。
本発明で用いるサイジング剤は、上記本発明のガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂及びシランカップリング剤を含む。
また、サイジング剤の調整方法としては、平均粒子系3〜10μmのポリオレフィン粒子を利用する(特開2003−277103号公報)、ポリウレタン樹脂エマルジョンと変性ポリプロピレン樹脂エマルジョン等を併用する(特開2000−281391号公報)、アミノ基・アミド基含有化合物く利用する(特表2004−505883)、安定剤等を使用する(特表平09−510427)等の公知な方法を利用できる。
本発明で用いるシランカップリング剤としては、アミノシランカップリング剤が好ましく、ジアミノシランカップリング剤が特に好ましい。
これらのうちKBE−903、KBM−603が好ましい。
表面処理用樹脂/シランカップリング剤比率(=ガラス繊維処理用樹脂の質量÷シランカップリング剤の質量)は、通常1〜20の範囲、好ましくは2〜10、より好ましくは4〜8、特に好ましくは5〜7の範囲である。この比率が1より小さいとガラス繊維処理用樹脂が不足するため収束性が低下し、ペレット製造時に繊維破断が起きるおそれがあり、20より大きいと、シランカップリング剤が不足し成形品の強度が低下するおそれがある。
本発明で用いるガラス繊維としては、特に制限されないが、C−ガラス又はE−ガラスが好ましく、E−ガラスが特に好ましい。
ガラス繊維の形態は、ロービング・ケーキ・ヤーン等の巻き形態としたものやチョップドストランド、ミルドファイバー、カットファイバー、クロス、マット、テープ等公知の形態をとることができる。繊維長の長い成形品が得やすいことから、巻き形態としたものが好ましく、撚りを掛けていないロービング(ダイレクトロービング)・ケーキ等の形態が特に好ましい。
(1)サイジング剤のガラス繊維への付着量(強熱減量、平均値)は、使用するガラス繊維の質量100質量%に対し、0.03〜2.0質量%の範囲内、好ましくは0.05〜1.0、より好ましくは0.2〜0.8、さらに好ましくは0.3〜0.6、特に好ましくは0.3〜0.5、最も好ましくは0.36〜0.44%の範囲内である。サイジング剤のガラス繊維への付着量が0.03質量%より少ないと、カップリング剤の密度が不十分となり成形品の強度が低下するおそれがある。また、ガラス繊維の収束性が低下し繊維破断が起きやすくなるおそれがある。2.0質量%より多いと過剰のカップリング剤が自己縮合を起こし、酸変性ポリプロピレン系樹脂と結合して官能基を失活させ強度が低下するおそれがある。また、工業的にはコストアップとなる。
シランカップリング剤の固着分量Cは、下記式によって算出する。
シランカップリング剤の固着分量C(質量%)=Ca×(Kc/Ka)
上記式中、
Ka(質量%):サイジング剤中の全固形分量
Kc(質量%):シランカップリング剤の使用量
Ca(質量%):サイジング剤のガラス繊維固着分量
である。
本発明の表面処理ガラス繊維は、溶液(一般には水溶液)にしたサイジング剤を、ローラー等で塗布あるいは噴霧した後に、所定の形状に巻き取り乾燥させる等の方法で製造することができる。
ガラス繊維の表面処理方法としては、サイジング処理し収束された繊維束をケーキ巻きにして乾燥(特許第3453393号公報)、チョップドストランドを切断後に直接乾燥させ、又は集めて流動床連続工程式乾燥機で乾燥させる(特表平09−510427号公報)等公知の方法を制限なく利用できる。
生産性及び品質の安定性の観点から、紡糸直後にサイジング処理し、収束された400〜10,000本の繊維からなる繊維束をロービングあるいはケーキ巻きにした後、乾燥させることが好ましい。その場合の乾燥温度は、通常60〜180℃、好ましくは80〜160℃、より好ましくは90〜150℃、特に好ましくは100〜140℃である。
乾燥時間は、通常1〜100時間、好ましくは2〜80時間、より好ましくは3〜60時間、さらに好ましくは6〜40時間、特に好ましくは10〜30時間である。
本発明の繊維強化ポリオレフィン系樹脂(以下、本発明の強化樹脂という)は、上記本発明の表面処理ガラス繊維及びポリオレフィン系樹脂を含むことを特徴とする。
本発明の強化樹脂に用いる表面処理ガラス繊維は、アスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)が、50〜6000の範囲内、好ましくは70〜2000、より好ましくは150〜1500、特に好ましくは250〜1200の範囲内である。アスペクト比が50より小さいと成形品の強度が不十分となるおそれがある。6000より大きいと、成形時の流動性が低下するおそれがある。
本発明の強化樹脂に用いるポリオレフィン系樹脂は、ポリプロピレン系樹脂、特にプロピレン系単独重合体又はエチレン・プロピレンブロック共重合体が好ましく、プロピレン単独重合体であることが好ましい。
ポリプロピレン系樹脂は、1種単独でも、複数のものを組み合わせてもよいが、有機過酸化物による分解工程を経ていないものが最も好ましい。分解工程を経たものを利用する場合は、使用された有機過酸化物の量がポリプロピレン系樹脂に対して0.5質量部以下のものが好ましく、0.1質量部以下のものがより好ましく、0.05質量部以下のものがさらに好ましく、0.02質量部以下が特に好ましい。0.5質量部を超えるものを用いると、副生成物が増え臭気が発生したり、色相が悪化するおそれがある。
ポリオレフィン系樹脂は、下記特性を有することが好ましい。
本発明の強化樹脂に用いるポリプロピレ系樹脂の市販品の例としては、前記本発明の処理用樹脂についての説明(I−1)で記載したものと同じものが挙げられる。
本発明の強化樹脂に用いる酸変性ポリオレフィン系樹脂を製造するための、酸変性前のポリオレフィン系樹脂としては、ポリプロピレン系樹脂、特にプロピレン単独重合体又はエチレン・プロピレンランダム共重合体が好ましく、特にプロピレン単独重合体が好ましい。
MEK抽出量が8質量%より多いと、極性を有する低分子量成分がガラス表面のカップリング剤と結合し、このような酸変性ポリオレフィン系樹脂を用いても、成形品の振動疲労強度が不十分となるおそれがある。
数平均分子量(Mn)が10,000より小さいとガラス繊維表面と結合できなかったり、低分子量成分により、成形品の靭性が失われるおそれがある。80,000より大きいと流動性が低下し成形が困難となるおそれがある。
酸付加量が0.1質量%より少ないと成形品の強度が低下するおそれがあり、12質量%より多いと分散不良を起こすおそれがある。
酸付加量の変化が1.6質量%より多いと極性を有する低分子量成分が多くなるおそれがあり、成形品の振動疲労強度が不十分となるおそれがある。
「1分子当たりの平均官能基数」の算出方法は、前記したとおりである。
また、精製処理前後の極限粘度(135℃デカリン中で測定)の増加は、通常0.18以下、好ましくは0.12以下、より好ましくは0.09以下、さらに好ましくは0.06以下、特に好ましくは0.03以下、最も好ましくは0.02以下である。0.18より大きいと、低分子極性成分が増え、振動疲労強度が不十分となるおそれがある。
尚、繊維強化ポリオレフィン系樹脂の(VI)極限粘度は、前記酸変性ポリオレフィン系樹脂の(p)極限粘度よりも大きい方が好ましい。
本発明の強化樹脂中の、(A)表面処理ガラス繊維、(B)ポリオレフィン系樹脂及び(C)酸変性ポリオレフィン系樹脂の配合割合は次のとおりである。
「酸変性ポリオレフィン系樹脂の、ガラス繊維積当たりの量(M)」が、0.5×10−5〜10×10−5mol/m2の範囲内、好ましくは0.8×10−5〜6×10−5、より好ましくは1.2×10−5〜6×10−5、さらに好ましくは1.3×10−5〜×10−5、特に好ましくは1.3×10−5〜4×10−5、最も好ましくは1.4×10−5〜3.5×10−5mol/m2の範囲内である。「酸変性ポリオレフィン系樹脂の、ガラス繊維表面面積当たりの量(M)」が0.5×10−5mol/m2より少ないと酸変性ポリオレフィン系樹脂が不足し振動疲労が低下するおそれがある。10×10−5mol/m2より多いとガラス繊維の表面に対して酸変性ポリオレフィン系樹脂が過剰となりガラス繊維に結合できない、遊離の酸変性ポリオレフィン系樹脂によって、剛性や曲げ強度など物性が低下するおそれがある。
本発明の強化樹脂は、長繊維強化ポリプロピレン系樹脂ペレットであることが好ましく、その製造方法については後述する。
また、衝撃強度を上げるため、各種エラストマーやオレフィン系TPO等のTPO(サーモプラスチックポリオレフィン)を加えることができ、特開2002−3616号公報に記載のようなオレフィン系エラストマーが好ましい。
本発明の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットは、前記本発明の強化樹脂からなり、ペレット長が2〜200mmの範囲内であり、かつペレット径が0.5〜4.0mmの範囲内であることを特徴とする。ペレット長が2mmより小さいと含まれる繊維の長さが短くなり成形品の強度が低下するおそれがある。200mmより大きいと成形時にホッパーなどで詰まったり、分級したりするおそれがある。
本発明の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットは、特許第3234877号公報、文献(成形加工、第5巻、第7号、454(1993))等に記載の方法やその他の公知の方法で製造することができるが、例えば、以下の方法で製造できる。
また、異形断面(楕円形、まゆ型、扁平)ガラス繊維を用いると、含浸性が向上し好ましい。
本発明のドライブレンド混合物は、前記本発明の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット及び熱可塑性樹脂をドライブレンドしたことを特徴とする。
本発明の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットの製造方法(以下、本発明の製造方法という)は、上記本発明のガラス繊維処理用変性ポリオレフィン系樹脂を含有するサイジング剤で一旦サイジング処理された繊維束の連続物を引きながら、オレフィン系樹脂成分を該繊維束中に含浸させ、組成物中に5〜80質量%のガラス繊維を含有させることを特徴とする。
溶融したガラスをブッシング等を通し繊維化した後、上記本発明のガラス線処理用ポリオレフィン系樹脂及びシランカップリング剤を含むサイジング剤を塗布し収束させ繊維束(通常400〜10,000本発明の繊維(フィラメント)からなる)とする。
この繊維束を乾燥させ、表面処理ガラス繊維とする。乾燥は、一旦ロービングやケーキ等の形態に巻き取ってから行っても、連続して行ってもよい。また、乾燥条件は通常60〜180℃の範囲内、好ましくは80〜160℃、より好ましくは100〜140℃、特に好ましくは110〜130℃の範囲内である。上記温度範囲内であれば、カップリング剤の結合が無理なく行われ、界面の強度が出やすい。
繊維束の含浸ダイ内の通過時間は、適宜選択すればよいが、0.3〜30秒の範囲内が好ましく、0.5〜15秒がより好ましく、1.0〜10秒がさらに好ましく、1.5〜6秒が特に好ましい。0.3秒より短いと樹脂が十分含浸せず、成形品中で分散不良を起こし、成形品の振動疲労強度が低下するおそれがある。30秒以上では、ガラス繊維の表面処理が劣化したり、樹脂の滞留時間がながくなったりして、成形品の振動疲労強度が低下するおそれがある。
尚、開口部は、繊維の引入れ口と兼用してもよい。
また、押出機を用いて樹脂を溶融して含浸ダイス(含浸箱)に送り込む場合、ベント付き押出機を用いることが好ましい。
本発明の成形品は、前記本発明の繊維強化ポリオレフィン系樹脂、長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット又はドライブレンド混合物を成形して得られることを特徴とする。
成形品のトルエン、キシレン、アセトアルデヒドの各々の発生量は、通常300μg/m3以下、好ましくは100μg/m3以下、より好ましくは50μg/m3以下、さらに好ましくは40μg/m3以下、特に好ましくは30μg/m3以下、最も好ましくは20μg/m3以下である。300μg/m3より多いと臭気が悪くなるおそれがある。
本発明の成形品の成形方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。
また、本発明の表面処理ガラス繊維を用いて、マット(ガラスマットシート)やプレプリグを経て成形品を得たり、成形Plastics Info World 11/2002 P20-35に記載されているようなインラインコンパウンド、直接コンパウンディング等の射出コンパウンディングで成形品を得ることもできる。
生産性や品質安定性の点から、樹脂ペレット、特に長繊維強化樹脂ペレットあるいはそのブレンド物を経て成形品を得ることが好ましい。
(1)振動疲労強度
図2に示す形状の試験片(成形品)を樹脂温度240℃、型温度40℃の成形条件で作製し、一定条件下、振動疲労引張り(片振りモード)で、試験片が破断するまでの振動回数を測定することにより求める。
JIS K 7161−1994に準拠して測定する。
加熱発生ガスのガスクロマトグラフィー(GC)を測定することによって得られる。ガスクロマトグラフィーでの測定条件は次の通りである。
トランスファーライン温度:300℃
TDS熱抽出温度:80℃(30分)
カラム:HP−SMS
キャリアガス:He、31cm/sec
検出器(FID)温度:330℃
(1)マレイン酸変性ポリプロピレン(EM)の製造
(1−1)変性方法−1:溶融法(EM−1〜9、EM−11及びEM−12)
下記表2に示すように、ベント付き二軸押出し機に、ポリプロピレン、マレイン酸及び有機過酸化物を投入し、所定条件で溶融混練してマレイン酸変性ポリプロピレンを製造した。
得られたマレイン酸変性ポリプロピレン中に含まれる沸騰メチルエチルケトン抽出可能成分を、下記の精製方法又は洗浄方法によって除去した。
上記で得られたマレイン酸変性ポリプロピレンを、p−キシレン中で攪拌しながら加熱(130℃程度)して完全に溶解させ、この溶液をメチルエチルケトンに投入して再沈殿させた。濾過後、真空乾燥(130℃×6時間)させた。
上記で得られたマレイン酸変性ポリプロピレン1kgを、10リットルのオートクレーブ中のアセトン(3リットル)/ヘプタン(3リットル)混合溶液中で85℃×2時間洗浄後、一旦、液を抜出し、10リットルのアセトン中で12時間放置した。液抜き後、130℃で6時間真空乾燥した。
EM−10については、ポリプロピレン単独重合体(J−700G;出光石油化学(株)製、MFR=7g/10分)100phr、ポリブタジエン(ポリbd R−45HT;出光石油化学(株)製)2phr、無水マレイン酸((株)日本触媒製)10phr、ジ−t−ブチルパーオキサイド(パーブチルD、有機過酸化物;化薬アクゾ(株)製)0.4phrを、4リットルのオートクレーブ中(トルエン)に仕込み、145℃まで昇温し反応させた。冷却後、2リットルのメチルエチルケトンに抜出した樹脂を、遠心分離にて分離した。常温のメチルエチルケトンを噴霧して洗浄後、60℃×24時間真空乾燥させた。
EM−1〜13について、下記物性を測定し、得られた結果を下記表3に示す。
数平均分子量は、特開平11−71431号公報に記載の方法に準拠して、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法でポリスチレン基準の分子量分布曲線から求めた。測定条件は、以下の通りである。
検量線:Universal Calibration
カラム:TOSOH GMHHR−H(S)HT 2本
溶媒:1,2,4−トリクロロベンゼン
温度:145℃
流速:1.0mL/min
検出器:RI(Waters alliance GPC2000)
解析プログラム:HTGPC(v 1.00)
上記EMのサンプルを、すり鉢で粉砕した後、ソックスレー抽出機を用い沸騰メチルエチルケトンで6時間抽出を行い抽出物の質量を測定した。
「(抽出物の質量)/(元のサンプルの質量)」(質量%)を沸騰メチルエチルケトン抽出量とした。
ドデカルコハク酸と濃度調整用のポリプロピレンパウダー(商品名:H−700;出光石油化学(株)製)を用いて、ピーク面積とマレイン酸量との関係式を算出して検量線とした。
ドデカルコハク酸と濃度調整用のポリプロピレンパウダー(商品名:H−700;出光石油化学(株)製)を用いて、ピーク面積とマレイン酸量との関係式を算出して検量線とした。
上記(2−3)で求めた全マレイン酸付加量(a)から上記(2−4)で求めたマレイン酸付加量(b)(MEK不溶分)を引いて、「低分子カルボン酸基含有成分量(=MEKにて70℃、3時間処理した前後の酸付加量の変化量)」を求めた。
135℃のデカリン中で測定した。
特開平11−71431号公報に記載の方法に準拠して、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法でポリスチレン基準の分子量分布曲線から求めた。測定条件は以下の通りである。
検量線:Universal Calibration
カラム:TOSOH GMHHR−H(S)HT 2本
溶媒:1,2,4−トリクロロベンゼン
温度:145℃
流速:1.0mL/min
官能基(マレイン酸基)付加量A(質量%)、官能基の分子量Mr(マレイン酸基:Mr=98)及び酸変性ポリプロピレン系樹脂の数平均分子量Mnとして、
1分子辺りの官能基数=(0.01×A÷Mr)÷(1÷Mn)
=0.01×A×Mn/Mr
≒A×Mn/10,000
となる。
加熱発生ガスのガスクロマトグラムを測定して、トルエン、キシレンの発生量を求めた。測定条件は以下の通りである。
トランスファーライン温度:300℃
TDS熱抽出温度:80℃(30分)
カラム:HP−SMS
キャリアガス:He、31cm/sec
検出器(FID)温度:330℃
ポリプロピレン:
A:H−100M;出光石油化学(株)製;MFR=0.5g/10分
B:H−700;出光石油化学(株)製;MFR=8g/10分
有機過酸化物:
C:PC14/40C;化薬アクゾ(株)製
D:AD−2;化薬アクゾ(株)製
E:パーカドックス14;化薬アクゾ(株)製
直径17μmのE−ガラス繊維(比重2.55g/cm3)を、下記表4に示すとおり、上記製造例1で製造したガラス繊維処理用マレイン酸変性ポリプロピレン及びシランカップリング剤を含むサイジング剤で処理した後、加熱乾燥し、ロービングとした。
CP−1:3−アミノプロピルトリエトキシシラン(KBE−903;信越化学(株)製;分子量221.4、最小被覆面積353m2/g)
CP−2:N−2−(アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン(KBM−603;信越化学(株)製;分子量222.4、最小被覆面積351m2/g)
上記製造例2で製造した表面処理ガラス繊維を用い、図1に示す製造装置により、下記表5に示すとおり、下記製造条件で、ペレット長8mm、ペレット平均径(直径)2.1mmの長繊維強化ポリプロピレン系樹脂ペレットを製造した。
引取り速度:25m/分
余熱温度:200℃
樹脂温度:260℃
冷却温度:35℃
ダイス径:2.3φ
ポリプロピレン:
PP−1:J−3000GV(出光石油化学(株)製)(100%)と有機過酸化物パーカドックス14(化薬アクゾ(株)製)(0.02%)を、2軸押出し機で、200℃で溶融混練して作製;MFR=120
PP−2:H−50000(出光石油化学(株)製;MFR=500)(50%)/J−3000GV(50%)を、2軸押出し機で、200℃で溶融混練して作製;MFR=120
長繊維強化ポリプロピレン系樹脂ペレットの製造に用いたマレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂(MPP)の製造方法を、下記表6に示す。マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂の製造方法及び沸騰メチルエチルケトン抽出成分の除去方法の詳細は、前記製造例1と同様である。また、マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂(MPP)の物性を表7に示す。各種物性の測定方法等は、上記製造例1(2)に記載したとおりである。
ポリプロピレン:
A:H−100M;出光石油化学(株)製;MFR=0.5g/10分
B:H−700;出光石油化学(株)製;MFR=8g/10分
有機過酸化物:
C:PC14/40C;化薬アクゾ(株)製
D:AD−2;化薬アクゾ(株)製
E:パーカドックス14;化薬アクゾ(株)製
下記表8に記載の配合割合で、製造例3で製造した長繊維強化樹脂ペレット(GFMB)を用い、下記条件で成形品サンプルを作製し、成形品の下記物性を測定した。結果を表8に示す。
(1)振動疲労強度(回数):
図2に示す形状(R=50の射出ダンベル)の試験片(成形品)を、樹脂温度240℃、型温度40℃の成形条件で作製し、下記装置及び測定条件に従い、振動疲労引張り(片振りモード)で、破断するまでの振動回数を測定することによって求めた。
<使用装置及び測定条件>
使用装置:島津サーボパルサEHF−ED10KN−10L型((株)島津製作所製)
チャック間距離:60mm
温度:23℃
周波数:10Hz
最大応力(=応力振幅×2):80MPa
JIS K 7161−1994に準拠して測定した。
小型チャンバー法(JIS A 1901:2003)に準じて測定した。
希釈樹脂:
PP−3:J−3000GV、出光石油化学(株)製、MFR=30
PP−4:J−6083HP、出光石油化学(株)製、MFR=60
M−MB:上記PP−3(80質量部)及び前記表6に記載の変性ポリプロピレンMPP−1(120質量部)を、ベント付き2軸押出し機を用いて、200℃で溶融混練して作製
80MPaでの振動疲労強度が5,000回は、35MPaでは107回(=1,000万回)に相当し、107回は、車両の寿命レベルに相当する。従って、本発明によれば、ほぼ車両の寿命まで35MPaの振動疲労に耐えることができることがわかる。
Claims (14)
- (1)沸騰メチルエチルケトン抽出量が8質量%以下であり、
(2)ガスパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した数平均分子量(Mn)が6,000〜48,000の範囲内であり、かつ、
(3)フーリエ変換赤外線分光法で測定した酸付加量が0.1〜12質量%の範囲内である、ガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂を含むサイジング剤で処理された、ガラス繊維の繊維径が3〜30μmの範囲内である表面処理ガラス繊維。 - 前記ガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂がマレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂である、請求項1に記載の表面処理ガラス繊維。
- 請求項1又は2に記載の表面処理ガラス繊維を含む、ガラス繊維のアスペクト比(平均繊維長/平均繊維径)が50〜6000である繊維強化ポリオレフィン系樹脂。
- ポリプロピレン系樹脂である、請求項3に記載の繊維強化ポリオレフィン系樹脂。
- 請求項1又は2に記載の表面処理ガラス繊維を用いたペレット長2〜200mmの長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット。
- 樹脂成分中に0.2〜50質量%の酸変性ポリオレフィン系樹脂を含む請求項5に記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット。
- ポリプロピレン系樹脂である、請求項5又は6に記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット。
- 請求項5〜7のいずれか1項に記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットと熱可塑性樹脂とをドライブレンドしたドライブレンド混合物。
- 熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン系樹脂である請求項8に記載のドライブレンド混合物。
- 熱可塑性樹脂が、マレイン酸変性樹脂を含んだポリオレフィン系樹脂である、請求項8又は9に記載のドライブレンド混合物。
- (1)沸騰メチルエチルケトン抽出量が8質量%以下であり、
(2)ガスパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した数平均分子量(Mn)が6,000〜48,000の範囲内であり、かつ、
(3)フーリエ変換赤外線分光法で測定した酸付加量が0.1〜12質量%の範囲内である、ガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂を含有するサイジング剤で一旦サイジング処理された繊維束の連続物を引きながら、オレフィン系樹脂成分を該繊維束中に含浸させ、組成物中に5〜80質量%のガラス繊維を含有させる、長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットの製造方法。 - 前記ガラス繊維処理用酸変性ポリオレフィン系樹脂がマレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂である、請求項11に記載の長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレットの製造方法。
- 請求項3〜10のいずれかに記載の繊維強化ポリオレフィン系樹脂、長繊維強化ポリオレフィン系樹脂ペレット又はドライブレンド混合物を成形してなる成形品。
- 平均残存繊維長が0.4mm以上である、請求項13に記載の成形品。
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