JP2005068430A - 熱可塑性エラストマー組成物及びその製造方法 - Google Patents

熱可塑性エラストマー組成物及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】流れ性、機械的物性、弾性及び耐油性に優れるうえ、低硬度化が可能なスチレン系熱可塑性エラストマー及びパラフィン系オイルを含有する熱可塑性エラストマー組成物及びその製造方法を提供する。
【解決手段】100重量部のEPDMゴム、5〜1000重量部のスチレン系熱可塑性エラストマー、50〜3000重量部のパラフィン系オイル、10〜200重量部のポリオレフィン樹脂、架橋剤として1〜15重量部のフェノール樹脂及び0.5〜5重量部の架橋促進剤を含む熱可塑性エラストマー組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱可塑性エラストマー組成物及びその製造方法に関し、さらに具体的には、既存のPP/EPDM熱可塑性エラストマーにスチレン系熱可塑性エラストマーとパラフィン系オイルをさらに添加して流れ性、機械的物性及び耐油性を向上させ、且つ、低硬度化を図った熱可塑性エラストマー組成物及びその製造方法に関する。
ゴムは、再生使用が不可能であり、及び生産性が低いという欠点があり、最近、その代替必要性が大きく増加しつつある。このようなゴムの問題点を解決するための素材として熱可塑性エラストマー(thermoplastic elastomer,TPE)が
開発されてきた。
熱可塑性エラストマーは、プラスチックとゴムの中間素材としてリサイクルが可能なゴム素材と認識されることにより、主に車両部品においてゴムの代替素材として用いられてきた。また、熱可塑性エラストマーは、最近、PVCの環境問題の台頭に伴い、軟質PVCの代替素材としてさらに有望になっている。
現在、商業的に有用なTPEとしては、スチレン系熱可塑性エラストマー(styrenic thermoplastic elastomer, STPE)及びPP(ポリプロピレン(polypropylene))/EPDM(エチレンプロピレンジエン三元共重合体)のブレンドから動的架橋(dynamic vulcanization)によって作られたオレフィン系熱可塑性エラストマー(thermoplastic vulcanizate, TPV)などがある。
一方、車両ゴム部品素材として用いられるためには、圧縮永久歪み率、機械的物性、加工性、高温における耐熱性及び耐油性が要求される。
ところが、STPEの場合は、耐薬品性、耐油性及び高温における圧縮永久歪み率などが良好ではないために産業の主要部品素材として使用されず、主に雑貨分野に使用されており、TPVの場合は、車両分野の主要部品素材として使用されているが、低硬度の製品を作ることが非常に難しく、現実的には55A硬度以上の機能部品に主に用いられている。TPVで低硬度の製品を作り難い理由は、それ自体が高い硬度のものであるPPがマトリックス(鋳型)を形成し、EPDMゴムがその中にドメインとして分散するためである。
したがって、TPVの問題を解決するための研究が多く行われ、特許文献1、特許文献2、特許文献3及び特許文献4などは、EPDMゴムを部分架橋させるために、ペルオキシド架橋方法によりポリオレフィン樹脂とEPDMゴムのブレンドを処理する方法を開示している。この方法によって製造された組成物は、再加工が可能で及び成形物の表面特性が良好であるという特徴を示しているが、圧縮永久歪み率が高く、耐油性に乏しいために車両ゴム部品への使用が制限されるという問題点をもっている。
特許文献5は、架橋促進剤の存在下、フェノール樹脂系架橋剤を用いてゴムを完全架橋させたポリオレフィン樹脂とEPDMゴムのブレンドからなる熱可塑性エラストマー組成物を開示しているが、かかる組成物は、圧縮永久歪み率及び機械的物性に優れるうえ、高温における耐油性が大きく改善されるという特徴を示している。ところが、前述の組成物は、依然として高温における耐油性(体積変化率)が不十分であり、流れ性に乏しく複雑な成形物を作り難いうえ、一定水準以上の機械的強度を有する硬度45A以下の組成物を作ることが不可能であって、車両部品の中でも55A以上の部品にのみ適用が制限される。
米国特許第3,662,206号明細書 米国特許第3,758,643号明細書 米国特許第3,806,558号明細書 ヨーロッパー特許公開第0,338,880号明細書 米国特許第4,311,628号明細書
本発明者は、かかる問題点を解決するために広範囲な研究を行った結果、スチレン系熱可塑性エラストマー及びパラフィン系オイルを添加することにより、流れ性、機械的物性、弾性及び耐油性が向上され且つ低硬度化が図られた熱可塑性エラストマー組成物を得ることができることを見出し、本発明の完成に至った。
したがって、本発明の目的は、流れ性、機械的物性、弾性及び耐油性に優れるうえ、低硬度化が可能な、スチレン系熱可塑性エラストマー及びパラフィン系オイルを含有する熱可塑性エラストマー組成物を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記熱可塑性エラストマー組成物を製造する方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の熱可塑性エラストマー組成物は、100重量部のEPDMゴム、5〜1000重量部のスチレン系熱可塑性エラストマー、50〜3000重量部のパラフィン系オイル、10〜200重量部のポリオレフィン樹脂、架橋剤として1〜15重量部のフェノール樹脂及び0.5〜5重量部の架橋促進剤を含む。
前記他の目的を達成するための本発明の熱可塑性エラストマー組成物の製造は、二軸スクリュー押出機(twin screw extruder)を用いた動的架橋(dynamic vulcanization)方法によって行われる。
本発明に係る熱可塑性エラストマー組成物は、流れ性、機械的物性、耐油性などに優れ且つ低硬度化を図ることができるという利点があって、車両の低硬度部品だけでなく、産業全般において複雑な部品などに適用可能であるという利点がある。
以下、本発明をより具体的に説明する。
前述したように、本発明の熱可塑性エラストマー組成物は、エチレンプロピレンジエン三元共重合体(EPDM)、スチレン系熱可塑性エラストマー(STPE)、パラフィン系オイル、ポリオレフィン樹脂、フェノール樹脂系架橋剤及び架橋促進剤を含む。
本発明で使用されるEPDMゴムは、2種またはそれ以上のモノオレフィンを共重合させたランダム共重合体を使用し、特にエチレンとプロピレンを主成分として共重合されたエチレンプロピレンジエン三元共重合体を主に使用する。ジエン成分としてはジシクロペンタジエン、1,4−ヘキサジエン、シクロオクタジエン、メチレンノルボルネン、エチリデンノルボルネン、プロフェニルノルボルネンまたはシクロヘキサジエンなどがあり、エチリデンノルボルネンをジエン成分としたエチレンプロピレンエチリデンノルボルネン三元共重合体が最も好ましい。
本発明におけるスチレン系熱可塑性エラストマーは、水素化されたスチレン系熱可塑性エラストマー(STPE)であって、内部に二重結合を持っていないため耐候性に優れる。その種類には、スチレン−エチレン/ブチレン−スチレンブロックコポリマー(水素化ポリ−ブタジエンポリマー)、スチレン−エチレン/プロピレン−スチレンブロックコポリマー(水素化ポリ−イソプレンポリマー)及びスチレン−エチレン/エチレン/プロピレン−スチレンブロックコポリマー(水素化ポリ−イソプレン/ブタジエンポリマー)などがある。本発明において、STPEの含量は、EPDMゴム100重量部に対し5〜1
000重量部、好ましくは20〜500重量部である。STPEの含量が5重量部未満であれば、添加効果が殆どなく、1000重量部超過であれば、最終熱可塑性エラストマー組成物が単純なSTPEコンパウンドに近くなるので、オレフィン系熱可塑性エラストマー(TPV)が有する固有特性の耐油性及び高温での圧縮永久歪み率などが著しく悪化し、本発明の組成物の特性、すなわちTPVの特性を保つと同時に流れ性及び低硬度を有するという特性が達成されなくなる。
STPEは、TPVの製造時に添加されるか或いはTPV製造後に別途混合され得、TPVの製造時にも、動的架橋(dynamic vulcanization)が起こる前、動的架橋が起こる間、または動的架橋が完了した後に全て添加可能である。
前記ポリオレフィン樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはプロピレン共重合体を使用し、特に結晶性プロピレンホモポリマー(PP)が最も好ましい。PPのメルトインデックス(Melt Index、MI)は230℃、2.16kg荷重の条件下で測
定した値であって、0.3〜40(g/10分)の範囲が好ましく、より好ましくは0.5〜10(g/10分)の範囲である。
前記ポリオレフィン樹脂の含量は、EPDMゴム100重量部に対し10〜200重量部、好ましくは30〜100重量部である。前記含量が10重量部未満であれば、TPVの基本形状を成すことができず、200重量部超過であれば、STPEコンパウンドに近くなる傾向がある。
一方、通常、オイルは構成成分によってパラフィン系オイル、ナフテン系オイル及びアロマチック系オイルに分類されるが、本発明では、耐光性及び耐候性が有利なパラフィン系オイルを使用する。一般に、パラフィン系オイルは、アロマチック成分とナフテン成分を一部含有しており、黄色を帯びる。このような黄色は、アロマチック成分によるもので、光と熱に弱いという欠点を持っている。特に、光による変色が激しい。かかる問題を補完するために、アロマチック成分が全くない白色オイルを主に使用している。
本発明では、この2タイプのパラフィン系オイルを両方とも使用し、混合して使用することもできる。通常、オイル投入は様々な方法によって行われる。EPDMゴム自体にオイルが含有されている油田等級を用いて間接的に投入する方法、ゴムまたはSTPEとオイルを予め混練して使用する方法、及び熱可塑性エラストマーを製造する装置で直接投入する方法のいずれも可能であり、また、これらの方法を組み合わせて使用することもできる。
本発明において、オイルの含量はEPDMゴム100重量部に対し50〜3000重量部、好ましくは100〜1000重量部である。オイルの含量が50重量部未満であれば、流れ性が悪くて加工上に問題があり、3000重量部超過であれば、オイルブリーディング(oil bleeding)の問題がある。
本発明では、フェノール樹脂を架橋剤として用いる。フェノール樹脂の例には商業的にジメチロールフェノール樹脂とハロゲン化ジメチルフェノール樹脂がある。ジメチロールフェノール樹脂は、架橋速度が遅いため、架橋促進剤としてハロゲン供与体が必要である。ハロゲン供与体としては主にハロゲン金属化合物が使用されるが、強い腐食性により使用上に問題がある。本発明では、ハロゲン化フェノール樹脂を使用し、ハロゲン供与体が不要であり、単に架橋速度を促進させるための架橋促進剤として金属酸化物を使用する。
本発明において、架橋剤の含量は、EPDMゴム100重量部に対して1〜15重量部、好ましくは5〜12重量部である。前記架橋剤の含量が1重量部未満であれば、EPDMの架橋が殆ど行われないという問題があり、15重量部超過であれば、EPDMの架橋が初期に急進してEPDM粒子サイズが大きくなり、良い形状(morphology)を得ることができないという問題がある。
本発明で使用される架橋促進剤としてはZnO、MgOなどが挙げられ、特にZnOが
好ましい。前記架橋促進剤の含量は0.5〜5重量部、好ましくは1.5〜3.5重量部である。
本発明の熱可塑性エラストマー組成物を変性するために、従来のゴム配合物及びプラスチック配合物で使用される様々な種類の添加剤を添加することができる。このような添加剤としては、無機充填剤、難燃剤、加工助剤、カーボンブラック、顔料、酸化防止剤、UV安定剤及び離型剤などがある。前記無機充填剤の含量は、EPDMゴム100重量部のい基づきおよそ5〜500重量部が好ましい。
本発明の熱可塑性エラストマー組成物の製造は、通常コンパウンディング装備である二軸スクリュー押出機(twin screw extruder)またはバンバリー混合機(Banbury mixer)などのような慣用の配合機を用いて行われ得る。
特に、二軸スクリュー押出機を用いた動的架橋方法は、高せん断応力(high shear)によってEPDM粒子のサイズを小さく且つ均一にするため、良好な形状のTPVの製造に有利であるという利点がある。
一方、本発明の熱可塑性エラストマー組成物は、既存のPP/EPDM TPVにスチ
レン系熱可塑性エラストマー及びパラフィンオイルを本発明の混合割合に基づいてさらに添加して二軸スクリュー押出機またはバンバリー混合機などの通常の配合機によって単純に混合して製造できる。
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
本発明の実施例で使用された成分の特性は次の通りである。
−EPDM:100重量部オイル含有
エチレン−プロピレン−エチリデンノルボルネン(ENB)三元重合体
エチレン/プロピレンの割合70/30、ENB含量4.7重量%、
ML1+8(125℃)=46.5
−PP:ポリプロピレンホモポリマー、
MI(230℃、2.16kg)=1.5g/10分
−フェノール樹脂:臭素化オクチルフェノール/ホルムアルデヒド熱反応性樹脂、
メチロール含量11.1%、臭素含量3.8%
−ZnO(酸化亜鉛):KS−1(ハンイルケミカル社、韓国)
−STPE:クラトン(Kraton)G1651(クラトンポリマー社、米国)
スチレン−エチレン/ブチレン−スチレンブロックコポリマー
ポリスチレン含量=31.2〜34.6重量%、粉末状
−パラフィンオイルI:Miclube1460(ミチャンオイル社、韓国)
動粘度(kinematic viscosity)40℃=
483cSt
−パラフィンオイルII:白色オイル1900(ミチャンオイル社、韓国)
動粘度(40℃)=187cSt
−Talc(タルク)=KCM−6300(KOCH社、韓国)
−着色剤:BK−3(SEIGI Produces社、韓国)
カーボンブラック含量=45重量%
−酸化防止剤:SONGNOX21B(ソンウォン産業、韓国)
−加工助剤:L−C 102N(リオンカムテック社、韓国)
ポリエチレンワックス
実施例1
STPE100重量部に対してパラフィンオイルII(白色オイル)100重量部を含浸させてプレミックス(premix)を作り、従来のTPV(比較例1)と二軸スクリュー押出機中でブレンドした。混合割合は表1に示した。二軸スクリュー押出機は、40Φ(スクリュー直径=40mm)、L(長さ)/D(直径)=38の仕様を有する同時回転及びかみ合い(intermeshing)タイプを使用した。主フィーダーを通して供給される間、全ての原料は、180〜210℃において、200rpmのスクリュー回転速度にて加工した。
実施例2
実施例1と同一の方法で行い、但し、STPE100重量部に対してパラフィンオイルII(白色オイル)150重量部を混合した。
実施例3
実施例1と同一の方法で行われ、但し、STPE100重量部に対してパラフィンオイルII(白色オイル)200重量部を混合した。
実施例4
実施例3と同一の方法で行われ、但し、STPE100重量部に対してパラフィンオイルII(白色オイル)200重量部を混合比として固定させ、TPV100重量部に対してSTPEの含量を10重量部に増加させた。
実施例5
実施例4と同一に行われ、但し、TPV100重量部に対してSTPEの含量を16.7重量部に増加させた。
実施例6
実施例4と同一で行われ、但し、TPV100重量部に対してSTPEの含量を33.3重量部に増加させた。
実施例7
実施例4と同一に行われ、但し、パラフィンオイルIIをオイルフィーダーによって供給した。
比較例1
従来の完全架橋型TPVであって、EPDMゴムを架橋度98%まで動的架橋させ、PPとEPDMの組成比を40:60とした硬度70Aの組成物である。
TPVの製造のため、58Φ(スクリュー直径=58mm)、L(長さ)/D(直径)=48の仕様を有する同時回転及びかみ合いタイプの二軸スクリュー押出機を使用した。350rpmのスクリュー回転速度と共に、180〜210℃において、表1に示す成分を加工した。パラフィンオイルIはEPDMに予め含浸させてプレミックスを作って使用した。
実施例1〜7及び比較例1によって製造された組成物は、200℃でプレス(press)し、厚さ2mm、150mm×150mmのシートに成形した後、物性評価のために各種試験片に加工した。
使用した試験方法は次の通りであり、その結果は表2に示した。
−比重(Specific Gravity):ASTM D297
−硬度(Hardness):ASTM D2240、5秒後に測定。
−引張強さ(Tensile strength)、伸び率(Elongation)、
100%モジュラス:ASTM D412
−永久伸び率(Tension set):ASTM D412
−圧縮永久歪み率(Compression set):ASTM D395−B、
厚さ12.7mmの試験片
−耐熱性(オーブン老化試験(Oven aging test)):ASTM D8
65
(120℃、168時間)
−耐油性(体積変化率(Volume change):ASTM D471(AST

#3 オイル)
−MI:ASTM D1238(200℃、7.06kg)

また、押出時に押出成形物の表面の滑らかさ及び不均一なゲルの有無などを観察するために、チューブ押出ダイ(tube die)を装備したブラベンダー一軸スクリュー押出機(Brabender single extruder)(直径19mm、L/D=24)を80rpmの速度で回転させながら、組成物を200℃にて押し出した。この際、押出物の表面を1メートル単位で観察した。

押出物の外観に対する表面評価基準
○:滑らかでゲル塊がない。
△:ゲル塊はないが、波模様が存在する。
×:ゲル塊が存在し、外観も多少粗い。

Figure 2005068430
Figure 2005068430
表2の結果から分かるように、従来の完全架橋型PP/EPDM TPV(比較例1)
にSTPE及びパラフィン系オイルをさらに添加することにより、常温における弾性率(永久伸び率)が向上し且つ流れ性(MI)も改善されることを確認することができる。一方、従来の完全架橋型PP/EPDM TPVの場合は、硬度が低くなるにつれてEPD
Mの相対的な含量が増加して流れ性が悪くなるうえ、耐油性実験時に体積変化率が上昇する。前記実施例1〜7においては、STPE及びパラフィンオイルを添加して硬度を低めることができ、それによる体積変化率も改善されるうえ、このような効果がオイルの含量を増加させることによりさらに大きい効果を示すことが分かる。
実施例1〜7の結果に基づくと、従来の組成成分、STPE及びオイルなどを二軸スクリュー押出機で動的架橋させることが経済的に好ましい。表1及び2に基づいて二軸スクリュー押出機で動的架橋を行って、実施例8〜13によって良質の熱可塑性エラストマーを得た。その特性は表4の通りである。
実施例8
STPE、オイル及びタルクを含有したプレミックスを製造した後、比較例1の製造工程を用いて二軸スクリュー押出機の後部のサイドフィーダーによって供給した。PPとEPDMの配合比を45:55として製造し、具体的な成分組成は表3に示した。
実施例9
プレミックスの含量を増加させたことを除いては実施例7と同一であり、その具体的な成分組成は表3に示した。
実施例10
実施例8と同一の組成であり、但し、プレミックスを主フィーダーとサイドフィーダーに分けて供給した。
実施例11
実施例8と同一の組成であり、但し、プレミックスを主フィーダーに供給した。
実施例12
低硬度の組成を示すための例であって、実施例7と同一工程を使用し、PPとEPDMの配合比を40:60として製造した。その具体的な成分組成は表3に示した。
実施例13
実施例12よりさらに低い硬度の組成を示すためのもので、プレミックスの含量を除いた全ての組成及び工程は実施例12と同一である。その具体的な成分組成は表3に示した。
比較例2
比較例1と同一の方法で作られた完全架橋型PP/EPDM TPVであって、PPと
EPDMの配合比は25:75である。その具体的な成分組成は表3に示した。

Figure 2005068430
Figure 2005068430
従来のPP/EPDM TPVでは低硬度組成物を製造し難いだけでなく、機械的強度
(引張強さ)が弱くて商業的に有用ではない。ところが、前記表4の結果から分かるように、本発明によって製造された熱可塑性エラストマー組成物は、STPE/オイルが含まれたプレミックスの含量を調節することにより、機械的強度に優れた低硬度組成物を非常に容易に得ることができた。実施例12及び13の場合、35A以下の組成物の引張強さが50kgf/cm2以上の値を示した。また、流れ性(MI)の赫々たる改善を示して
いる。
比較例2は従来の完全架橋型PP/EPDM TPVの55A硬度組成物であり、MI
値が0.1の水準に過ぎず、成形物の製造にいろいろの制約を受ける。反面、実施例8〜13から分かるように、本発明の組成物は、流れ性の改善を示すので、各種成形物の製造に有利である。
一方、本発明によって製造された組成物の結果から、体積変化率の改善が分かった。一般に、従来のPP/EPDM TPVの場合には、硬度が低くなるにつれて耐油実験後に
体積変化率が増加する傾向を示すが、これとは逆に、本発明の場合には、却って減少する傾向を示す。また、本発明による組成物はSTPEとオイルがマトリックスに寄与することにより、成形時に秀麗な外観を示す。
押出物外観の結果から分かるように、従来の完全架橋型PP/EPDM TPV(比較
例2)の場合、マトリックスを成しているPP成分があまり少なくて流れ性のみならず、押出物の外観にゲルが現れる現象を示すことができる。
本発明において、STPEとオイルの供給の仕方が流れ性の影響することが分る。実施例9、10及び11から分かるように、プレミックスを動的架橋が起こる前に供給した場合(実施例9)と、動的架橋を行った後に供給する場合(実施例11)とは流れ性において差異を示した。それにも拘らず、2つの方法の双方とも従来のPP/EPDM TPV
の流れ性に比べて著しい改善を示した。

Claims (5)

  1. 100重量部のEPDMゴム、5〜1000重量部のスチレン系熱可塑性エラストマー、50〜3000重量部のパラフィン系オイル、10〜200重量部のポリオレフィン樹脂、架橋剤として1〜15重量部のフェノール樹脂、及び0.5〜5重量部の架橋促進剤を
    含むことを特徴とする熱可塑性エラストマー組成物。
  2. 前記組成物は、100重量部のEPDMゴム、20〜500重量部のスチレン系熱可塑性エラストマー、100〜1000重量部のパラフィン系オイル、30〜100重量部のポリオレフィン系樹脂、架橋剤として5〜12重量部のフェノール樹脂、及び1.5〜3.5重量部の架橋促進剤を含むことを特徴とする請求項1記載の熱可塑性エラストマー組成物。
  3. 前記スチレン系熱可塑性エラストマーは、スチレン−エチレン/ブチレン−スチレンブロックコポリマー(水素化ポリ−ブタジエンポリマー)、スチレン−エチレン/プロピレン−スチレンブロックコポリマー(水素化ポリ−イソプレンポリマー)、及びスチレン−エチレン/エチレン/プロピレン/スチレンブロックコポリマー(水素化ポリ−イソプレン/ブタジエンポリマー)からなる群より選択されることを特徴とする請求項1又は2記載の熱可塑性エラストマー組成物。
  4. 前記組成物が、EPDMゴム100重量部に基づき、5〜500重量部の無機充填剤をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の熱可塑性エラストマー組成物。
  5. 二軸スクリュー押出機の使用により、請求項1または2記載の熱可塑性エラストマー組成物を動的架橋させることを特徴とする熱可塑性エラストマーの製造方法。
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