JP2001049068A - 溶融加工性ポリテトラフルオロエチレン組成物 - Google Patents
溶融加工性ポリテトラフルオロエチレン組成物Info
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Abstract
ルオロエチレン組成物の提供。 【解決手段】 少なくとも50重量%のポリテトラフル
オロエチレンと、組成物に溶融加工性を付与するに有効
な量のポリアリーレンエーテルケトンとを含む組成物で
あって、前記ポリテトラフルオロエチレンの少なくとも
20重量%が少なくとも108Pa・sの溶融粘度を有
することを特徴とする組成物。
Description
ロエチレン組成物および前記組成物からの物品の加工に
関する。
E)は非溶融加工性が知られており、すなわち、例え
ば、380℃で少なくとも108Pa・sという非常に
高い溶融粘度を有しているため、溶融状態では流動しな
い。したがって、PTFEは射出成形を含む押出の通常
の溶融加工プロセスで加工することができない。そのか
わりに、溶融流れを含まない二次可能プロセスが開発さ
れてきている。剪断にかけるとフィブリル化できる微粉
末型のPTFEでは、PTFEをペースト押出する。ペ
ースト押出とは、微粉末型のPTFEと潤滑油の混合物
に対して実施する低温(75℃未満)押出法である。顆
粒型のPTFEは圧縮成形で加工する。圧縮成形は、鋳
型に冷たい顆粒状のPTFEを充填し、次いで、これを
ラムで圧縮し、加熱して、成形した物品を形成すること
を含んでいる。
る問題には、ペースト押出後に潤滑油を除去しなければ
ならないことがある。顆粒状のPTFEの圧縮成形は単
純な形状に限定される。特にペースト型および顆粒型の
どちらの型のPTFEも射出成形できず、そのため、複
雑な形状のPTFEが所望な場合には、圧縮成形したP
TFEブロックから機械加工する必要があるという問題
があった。
したがって、射出成形により溶融加工可能なポリテトラ
フルオロエチレン組成物を提供する。組成物は、少なく
とも50重量%のポリテトラフルオロエチレンと、残部
であるポリアリーレンエーテルケトンをこの2つの樹脂
を合わせた合計100重量%まで含み、ポリテトラフル
オロエチレンの少なくとも20重量%が少なくとも10
8Pa・sの溶融粘度を有する。
のマトリックスを有し、ポリアリーレンエーテルケトン
が溶融物から固化した細かい粒子(ドメイン)としてそ
の中に分散されている。したがって、溶融加工した組成
物の成形物品はPTFEの特性、すなわち、高い使用温
度、化学的不活性、潤滑性(低摩擦性)の多くを有して
いる。本明細書以下に説明するように、組成物は少なく
とも90重量%のPTFEを含有することができ、その
結果、さらに、成形した物品の属性が純粋なPTFEに
近くなる。
は、反復単位
よび反復単位
よく知られている樹脂の一群であり、上式中、ポリエー
テルケトンケトンのケトン基の間にあるアリーレン基は
一般にパラアリーレン基とメタアリーレン基の混合物で
あり、例えば、樹脂を構成する反復単位内に存在するイ
ソフタリルハライドおよびテレフタリルハライドに由来
する。これらの樹脂はそれぞれPEK、PEEKおよび
PEKKとして一般に知られており、米国特許第3,0
65,205号、第3,441,538号、第3,44
2,857号、第5,357,040号、第5,13
1,827号、第4,578,427号、第3,51
6,966号、第4,704,448号および4,81
6,556号の1つまたは複数に開示されている。ポリ
アリールエーテルケトンは一般に、少なくとも300℃
の融点を有し、エンジニアリングプラスチックの高い分
子量、高い強度および高いモジュラス特性を有してい
る。樹脂の固有粘度は、例えば、30℃で0.5重量%
濃硫酸溶液について測定して、少なくとも0.4とする
ことができる。PEKKは、低い溶融粘度を有し、結晶
化を遅くすることができ、その結果、樹脂とPTFEと
の混合を促進し、得られた組成物に溶融流動性を付与す
るため、好ましい。PEKKは一般に、テレフタリル
(T)ハライドとイソフタリル(I)ハライドの両者に
由来する単位を90:10から30:70、より一般的
には80:20から60:40の比で含有する。T単位
の割合が低下し、I単位が増加すると、60:40とな
るまで、PEKKの結晶化度は低下する。PEKKは非
常にゆっくりと結晶化するため、融点を示すこと以外
は、非晶質ポリマーに類似している。本発明は、すべて
のポリアリーレンエーテルケトン樹脂に適用でき、すな
わち、ポリアリーレンエーテルケトン樹脂はすべてPT
FEに溶融加工性を付与する。
微粉末型が好ましく、これは水分散重合により調製され
る。得られた微粉末型のPTFEはフィブリル化できる
樹脂である。米国特許第4,952,636号に開示の
ような、これも水分散重合で調製される非フィブリル
化、非溶融加工性のPTFE樹脂も本発明に使用するこ
とができる。PTFEはテトラフルオロエチレンのホモ
ポリマー、または米国特許第3,142,665号に開
示されたものなどの改質ホモポリマー、すなわち、樹脂
のフィルム形成特性を改善する共重合したモノマーを少
量、例えば、0.5モル%含む改質ホモポリマーとする
ことができる。PTFEは一般に、380℃で少なくと
も108Pa・sの溶融粘度を有する。
セスの一部として、溶融混合することができ、または予
め混合してから、少なくともポリアリーレンエーテルケ
トンが溶融している温度で溶融混合することができる。
射出成形の場合、好ましくは、組成物を最初に、例え
ば、高剪断スクリューを備えたツインスクリュー押出機
を使用して、溶融混合し、成形用顆粒(ペレット)を形
成し、次いで、射出成形する。この手順では、PTFE
マトリックス内のポリアリーレンエーテルケトンドメイ
ンの分散の均一性が促進される。一般に、溶融混合温度
は少なくとも350℃である。この条件下で、ポリアリ
ーレンエーテルケトンは組成物を流動化し、PTFE成
分中に細かい溶融ドメインとして均一に分散し、組成物
を溶融押出可能にする。得られた押出物は、射出成形し
た物品または押出した管、シートまたはコーティングの
場合などの最終的な成形物品とすることができ、また
は、切って成形用顆粒とし、次いで所望の物品に溶融加
工することもできる。PTFEマトリックス内にポリア
リーレンケトン成分が個別の粒子(ドメイン)として存
在することは、2つの樹脂が不相溶性であることを示し
ている。しかし、本発明の組成物から成形した物品は優
れた特性を有している。
として維持しながら組成物に溶融押出性を付与するのに
有効な量のポリアリーレンエーテルケトンが組成物中に
存在する。PTFEが微粉末型である場合、得られる組
成物に溶融加工性を付与するのに必要なポリアリーレン
エーテルケトン組成物はわずか約20重量%とすること
ができ、したがって、組成物はポリアリーレンエーテル
ケトンを20重量%から50重量%、好ましくは20重
量%から30重量%含有する。特記しない限り、成分の
重量%はPTFE成分とポリアリーレンエーテルケトン
成分の総重量に基づく。
中のポリアリーレンエーテルケトン量を減少させうるこ
とも発見された。組成物にPTFEのミクロ粉末を添加
するとこの結果が得られ、組成物に溶融押出性を付与す
るのに必要なポリアリーレンエーテルケトンはわずか約
4重量%とすることができる。この4重量%とは、PT
FE成分とポリアリーレンエーテルケトン成分を合わせ
た重量に基づく。この実施の形態では、PTFE成分は
高溶融粘度(非溶融加工性)PTFEとPTFEミクロ
粉末の両者を含む。PTFEミクロ粉末は単にPTFE
の微粉末なのではない。そのかわりに、PTFEミクロ
粉末は、通常の高い溶融粘度を有するPTFE、例え
ば、上記のPTFE微粉末よりかなり低い分子量を有す
るテトラフルオロエチレンのホモポリマーまたは改質ホ
モポリマーであり、その結果、PTFEミクロ粉末は単
独で溶融流動性とすることができる。米国特許第4,3
80,618号に開示のように変更したASTM D−
1239−52Tの手順に従って、372℃で測定する
と、このミクロ粉末の溶融粘度は50Pa・sから1×
105Pa・sである。好ましくは、PTFEミクロ粉
末の溶融粘度は372℃で100Pa・sから1×10
4Pa・sである。PTFEミクロ粉末については、さ
らに、Kirk−OthmerのJohn Wiley
&Sons発行のEncyclopedia of C
hemical Technology、第4版(19
94)の第11巻、637〜639ページと、H.−J
Hendriockの論文「PTFE Microp
owders」、Kunstoffe German
Plastics、76、920〜926ページ(19
86)に述べられている。これらの文献は、ミクロ粉末
が重合または高分子量(高溶融粘度)PTFEの照射分
解により得られると述べている。直接的にミクロ粉末と
する重合は、例えば、PCT WO95/23829に
開示されており、ここではミクロ粉末は低溶融粘度PT
FEと呼ばれている。PTFEミクロ粉末は溶融流動性
であるが、ミクロ粉末の分子量が低いために得られた製
品が実用的な強度を有していないことから、単独では溶
融加工性を有していない。従って、溶融粘度を判定する
溶融流れ速度試験で得られたビーズは非常にわずかに曲
げても壊れるほど脆弱である。
FE組成物の溶融加工特性に必要なポリアリーレンエー
テルケトンの量を少なくとも40%減らすことができる
のに有効な量で組成物に存在するのが好ましい。したが
って、ミクロ粉末が存在すると、組成物の溶融押出によ
る溶融加工性に必要とされるポリアリーレンエーテルケ
トンの量はわずか4重量%または5重量%とすることが
できる。射出成形には、溶融物の流動性を高めるため
に、少なくとも約10重量%のポリアリーレンエーテル
ケトンが望ましい。PTFEが微粉末型である場合、組
成物は4重量%から10重量%のポリアリーレンエーテ
ルケトンを含み、残部をPTFE微粉末とPTFEミク
ロ粉末とすることができ、それぞれの場合のミクロ粉末
の量は組成物を溶融加工性とするのに有効な量である。
PTFEミクロ粉末を組成物に使用する場合、その量は
一般に、ミクロ粉末とPTFE(高溶融粘度)の合計重
量に基づき20重量%から80重量%、好ましくは30
重量%から75重量%であり、従って、全PTFE含量
に対して少なくとも20重量%、好ましくは少なくとも
25重量%の高溶融粘度PTFEが存在する。もちろ
ん、PTFE/ポリアリーレンエーテルケトン混合物の
全PTFE含量を高分子量PTFEとすることができ
る。
を組み合わせることにより、この2つの型のPTFEが
その中にポリアリーレンエーテルケトンを分散させるた
めのマトリックスを形成するPTFE樹脂の見分けのつ
かない混合物である、加工した物品が提供される。PT
FE樹脂は非常に熱に安定であり、強度があるが、ポリ
アリーレンエーテルケトンおよびPTFE樹脂のPTF
Eミクロ粉末画分の存在に大きく影響されることはな
い。
の顔料、繊維状または他の特定の形状の雲母、ガラス、
炭素またはアラミドなどの充填剤などの他の成分を含む
ことができる。ポリアリーレンエーテルケトンは充填剤
のPTFEマトリックスへの分散を容易にする。充填剤
が存在する場合には、その存在する量はPTFEと充填
剤の合計重量に基づき0.5重量%から30重量%であ
る。
N(登録商標)PFAフルオロポリマー樹脂(DuPo
nt)などの溶融加工性フルオロポリマーの押出と同じ
方法で実施し、シートや管、ワイアの絶縁材などの被覆
支持体など広範な形状とすることができる。同様に、射
出成形は例えば330℃から370℃の温度で、PFA
フルオロポリマーの射出成形と同じ方法で実施できる。
PTFE微粉末は、ペースト押出した微粉末から作製し
たテープの場合を除き、通常、非溶融加工後に焼結す
る。本発明組成物の溶融加工では、所望の保全性を有す
る成形した物品を提供するために必要なのは、加工プロ
セスで溶融曝露することだけである。さらに強化するこ
とが望ましい場合には、引き続き焼結を使用することが
できる。
ルケトンとPTFEの混合物を、後部370℃、中心部
380℃、前部380℃のスクリュー/ラムチャンバ温
度プロフィールを有する6オンス(170g)の射出成
型機を使用して、引張試験棒(「イヌの骨」形、試験領
域の長さ8.5インチ(21.6cm)、幅0.5イン
チ(1.27cm)、太さ0.125インチ(0.32
cm))に溶融加工した。スクリュー速度は120rp
m、バックプレッシャは50psi(0.35Mpa)
であった。成形温度は約110℃、成形サイクルは20
秒/20秒であった。実施例で使用するPEKK樹脂は
米国特許第4,816,556号(Gay他)の方法で
製造する。
N(登録商標)フルオロポリマー樹脂(DuPont)
(溶融粘度1×108Pa・s超)であり、ポリアリー
レンエーテルケトンはTとIの比が80:20のPEK
Kであった。このPEKK自体の引張弾性率は530k
si(3657MPa)である。1ksiは1000p
siであることに留意されたい。PTFEとPEKKを
乾燥混合した。各成分は混合物全体の50%を構成し
た。次いで、混合物を射出成型機で溶融混合してから、
射出し、引張試験用の棒を含む成形した物品とした。混
合物の試験棒の引張弾性率は375ksi(2588M
Pa)であった。引張弾性率はASTM D638の手
順を使用して試験した。本明細書に報告したその他の引
張弾性率の試験結果もこの試験手順を使用して得た。こ
の実施例は、最高量のPEKKが存在するPTFEの溶
融加工を示している。
Eとポリアリーレンエーテルケトンを使用した。この実
施例ではPEKKの一部をPTFEミクロ粉末、特にZ
ONYL(登録商標)フルオロ添加物グレードMP16
00(DuPont)(MFR17g/10分、溶融粘
度3×103Pa・s(372℃))で置き換えた。P
EKKを20重量%、PTFEを50重量%、MP16
00を30重量%含有する混合物の射出成形した試験棒
の引張弾性率は201ksi(1387MPa)であっ
た。PEKKを10重量%のみ、PTFEを30重量
%、MP1600を60重量%含有する混合物の射出成
形した試験棒の引張弾性率は283ksi(1953M
Pa)であった。このフルオロポリマーの組み合わせ
(PTFEとMP1600)はそれぞれ、この混合物の
80重量%および90重量%を構成し、高いフルオロポ
リマー特性を付与したが、溶融加工性の利点を有してい
た。MP1600のみから成形した試験棒は、引張試験
機の留め金で把持したときに壊れ、引張弾性率を持たな
い。この低い強度はこのPTFEミクロ粉末の分子量が
低いことに起因する。驚くべきことに、混合物中にMP
1600が存在すると、混合物の引張強度が破壊されな
い。さらに驚くべきことに、MP1600の含有量が大
きな混合物では引張弾性率が高くなった。PTFEの高
い溶融粘度によりこのような溶融加工が妨げられるた
め、PTFEの試験棒は単独で射出成形することができ
なかった。PTFEの焼結ブロックから削り出して作成
した同等の試験棒の引張弾性率は80ksi(552M
Pa)であった。
り、使用したポリアリーレンエーテルケトンは重量比6
0:40のT単位とI単位からなるPEKKであった。
PEKKは10重量%のTiO2顔料も含有し、495
ksi(3416MPa)の引張弾性率を有していた。
PEKK/TiO2の混合物を20重量%、PTFEを
30重量%、MP1600を50重量%含む混合物の引
張弾性率は249ksi(1718MPa)であった。
Claims (9)
- 【請求項1】 少なくとも50重量%のポリテトラフル
オロエチレンと、組成物に溶融加工性を付与するに有効
な量のポリアリーレンエーテルケトンとを含む組成物で
あって、前記ポリテトラフルオロエチレンの少なくとも
20重量%が少なくとも108Pa・sの溶融粘度を有
することを特徴とする組成物。 - 【請求項2】 前記ポリテトラフルオロエチレンが微粉
末型であり、前記組成物が20重量%から50重量%の
前記ポリアリーレンエーテルケトンを含有することを特
徴とする請求項1に記載の組成物。 - 【請求項3】 前記組成物が、前記ポリアリーレンエー
テルケトンの量を少なくとも40%減少させることがで
きるPTFEミクロ粉末を含むことを特徴とする請求項
1に記載の組成物。 - 【請求項4】 前記組成物がPTFEミクロ粉末を含
み、存在する前記ミクロ粉末の量が前記ミクロ粉末と前
記PTFEの合計重量の20重量%から80重量%であ
ることを特徴とする請求項1に記載の組成物。 - 【請求項5】 前記PTFEミクロ粉末が50Pa・s
から1×105Pa・sの溶融粘度を有することを特徴
とする請求項4に記載の組成物。 - 【請求項6】 前記ポリアリーレンエーテルケトンがポ
リエーテルケトンケトンであることを特徴とする請求項
1に記載の組成物。 - 【請求項7】 請求項1に記載の組成物を溶融押出する
ことを含む方法。 - 【請求項8】 溶融押出に射出成形を含むことを特徴と
する請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 前記ポリアリーレンエーテルケトンの量
を4重量%までも減少させることを特徴とする請求項3
に記載の組成物。
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