JP2008202012A - 長繊維強化熱可塑性樹脂組成物 - Google Patents

長繊維強化熱可塑性樹脂組成物 Download PDF

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Abstract

【課題】線膨張係数の異方性が小さく、寸法安定性及び流動性、耐熱性に優れたポリカーボネート樹脂組成物を提供する。
【解決手段】ポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)からなる組成物100重量部に対して強化繊維11〜200重量部を配合してなる長繊維強化熱可塑性樹脂組成物であり、PCとSRが重量比としてPC/SR=95/5〜30/70であり、SRが、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体との共重合体、またはSRが、ゴム質重合体存在下に芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体とを主成分とするグラト共重合体、またはSRが塊状重合で得られたスチレン系樹脂である長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、樹脂としてポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)の特定された比率におけるアロイを繊維強化した長繊維強化熱可塑性樹脂組成物に関する。
ポリカーボネートは、主鎖に炭酸エステル結合を持つ熱可塑性樹脂で、優れた機械的性質、耐熱性、電気的性質を備えており、エンジニアリングプラスチックの代表的なものである。しかし、約320℃という分解温度を有し、加熱による処理工程が多くなると分解が始まり、その優れた機械的強度を維持することが難しくなる。
特許文献1には、ポリカーボネート樹脂とタルク等の珪素含有無機充填剤からなる樹脂組成物成分に対して、エチレン−(メタ)アクリル酸共重合体やエチレン−(メタ)アクリル酸エステル共重合体を配合すること、また、特許文献2にはチョップドストランド形態のガラス繊維で強化されたポリカーボネート樹脂にリン化合物、フッ素含有ポリマーを添加する方法が提案されている。しかし、更に強靭な性能が必要とされている。
特開2001−294741号公報 特開2003−277597号公報
本発明は、線膨張係数が小さく寸法安定性及び流動性、耐熱性に優れたポリカーボネート樹脂組成物を提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した結果、ロービング状の繊維束を開繊し溶融樹脂を含浸する引き抜き成形法でポリカーボネート樹脂及びスチレン系樹脂を特定の配合により飛躍的な機械的強度の成形体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
従って、本発明の目的は、ポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)が重量比としてPC/SR=95/5〜30/70である組成物100重量部に対して強化繊維11〜200重量部を配合してなる長繊維強化熱可塑性樹脂組成物、及び強化繊維がペレットの長さ方向に実質的に平行に配列しており、円柱状、角柱状またはテープ状に賦形され、4〜50mmのいずれかの長さに切断された上記長繊維強化熱可塑性樹脂組成物を提供する。
本発明のポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)のアロイを引き抜き成形法により繊維強化された熱可塑性樹脂組成物は、流動性、機械的強度、耐熱性、耐衝撃性、寸法精度に優れた成形品のための長繊維強化樹脂組成物を提供するものであり、かかるペレットは特に耐熱性と流動性のバランスに優れたものである。
本発明に使用される繊維は特に限定されるものではないが、例えば、ガラス、炭素、玄武岩、シリコンカーバイド、玄武岩、ボロン等の無機繊維;ステンレス等の金属繊維;アラミド、レーヨン、ナイロン、ポリエステル製の有機繊維;セルロース繊維等からなる群から選ばれた少なくとも一種が挙げられる。
強化繊維としては、少なくともマトリックス樹脂よりも高弾性のものを選択し、マトリックス樹脂の剛性を強化する働きの大きい繊維が好ましい。すなわちガラス、炭素及び玄武岩繊維が特に好ましい。これらの繊維は混合して使用することも可能である。
本発明において、強化繊維は、材質にもよるが、直径が0.1〜50μm、好ましくは3〜30μm、さらに好ましくは4〜20μmである。本発明において、成形用のペレットに含まれる強化繊維は、ペレット長さにもよるが、ペレット長よりも長くなることはなく、平均長さが4〜50mm、好ましくは5〜40mm、さらに好ましくは6〜30mmである。
ガラス繊維の種類としては、E−ガラス、S−ガラス、C−ガラス、AR−ガラス、T−ガラス、D−ガラス及びR−ガラス等の市販品が挙げられる。繊維強化熱可塑性樹脂のペレットを製造する場合には、ガラス繊維は、通常、複数のフィラメントを集めた束を、コイル状に巻きとった、いわゆるガラスロービングの形態をしたものとして利用できる。ガラス繊維径は、3〜40μmのものが適している。3μm未満では、ガラス含有量が多い場合、相対的にガラス繊維数が増すため樹脂の含浸が困難となり、40μmを超えると成形品の表面外観が著しく悪化する。最適なガラス繊維径は9〜20μmである。
ガラス繊維はカップリング剤を含むバインダー(表面処理剤)で表面処理されていてもよい。カップリング剤としてはアミノシラン、エポキシシラン、アミドシラン、アジドシラン、アクリルシランのようなシランカップリング剤、チタネート系カップリング剤及びこれらの混合物が利用できる。これらの内、アミノシランとエポキシシランが好ましく、特にエポキシシランカップリング剤が好ましい。複数のフィラメントを集めて束にするために使用するフイルムフォーマーの種類も、特に限定されず、従来公知のものも含めて適切なものが使用できる。
本発明に使用される炭素繊維としては、サイジング剤で処理されたものが好ましい。サイジング剤で表面処理された炭素繊維の素材としては、ポリアクリロニトリル(PAN)系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が挙げられ、好ましくはPAN系である。炭素繊維は、多数の単糸が集束されたロービング状のものが市販されており、太さ、数、及び長さには特に制限はないが、一般に単糸径で3〜10μm、好ましくは4〜8μm、さらに好ましくは5〜7μmのものが利用できる。炭素繊維は、一般に、各種マトリックス樹脂との複合強化材料として利用され、マトリックス樹脂との接着性を良好にするために、電解処理や活性ガスによる気相表面処理などの表面活性化処理により表面にヒドロキシル基、カルボキシル基、アミノ基などの官能基が導入されているものが好ましい。
本発明で用いられるサイジング剤で表面処理された炭素繊維としては、ストランド強度が好ましくは350kgf/mm(3430MPa)以上、より好ましくは400kgf/mm(3920MPa)以上、さらに好ましくは450kgf/ mm(4410MPa)以上であり、また、弾性率が22tf/ mm(216000MPa)以上、好ましくは24tf/ mm(235000MPa)以上、より好ましくは28tf/ mm(275000MPa)以上のものが使用できる。
本発明に係る炭素繊維のサイジング剤として、複数のエポキシ基を有する脂肪族化合物を用いることができる。上記脂肪族化合物とは、非環式直鎖状飽和炭化水素、分岐状飽和炭化水素、非環式直鎖状不飽和炭化水素、分岐状不飽和炭化水素、または上記炭化水素の炭素原子(CH,CH,CH,C)を酸素原子(O)、窒素原子(NH,N)、硫黄原子(SOH、SH)、カルボニル原子団(CO)に置き換えた鎖状構造の化合物をいう。また、本発明では、複数エポキシ基を有する脂肪族化合物において、2個のエポキシ基間を結ぶ鎖状構造を構成する炭素原子、複素原子(酸素原子、窒素原子等)の総数のうち最も大きい原子鎖を最長原子鎖といい、最長原子鎖を構成する原子の総数を最長原子鎖の原子数という。なお、最長原子鎖を構成する原子に結合した水素等の原子の数は総数に含めない。側鎖の構造については特に限定するものではないが、サイジング剤化合物の分子間架橋の密度が大きくなりすぎないように抑えるために、架橋点となりにくい構造が好ましい。サイジング剤化合物の有するエポキシ基が2つ未満であると、炭素繊維とマトリックス樹脂との橋渡しを有効に行うことができない。従ってエポキシ基の数は、炭素繊維とマトリックス樹脂との橋渡しを有効に行うために2個以上であることが好ましい。一方、エポキシ基の数が多すぎると、サイジング剤化合物の分子間架橋の密度が大きくなり、脆性なサイジング層となって結果としてコンポジットの引張強度が低下してしまうため、好ましくは6個以下、より好ましくは4個以下、さらに好ましくは2個が良い。さらにこの2個のエポキシ基が最長原子鎖の両末端にあるのがより好ましい。すなわち最長原子鎖の両末端にエポキシ基があることにより局所的な架橋密度が高くなることを防ぐので、コンポジット引張強度にとって好ましい。
エポキシ基の構造としては反応性の高いグリシジル基が好ましい。かかる脂肪族化合物の分子量は、樹脂粘度が低すぎる、あるいは高すぎることにより集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、80以上3200以下が好ましく、100以上1500以下がより好ましく、200以上1000以下がさらに好ましい。
本発明における複数エポキシ基を有する脂肪族化合物の具体例としては、例えば、ジグリシジルエーテル化合物では、エチレングリコールジグリシジルエーテル及びポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類、プロピレングリコールジグリシジルエーテル及びポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル類、1,4−ブタンジオールジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、ポリテトラメチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリアルキレングリコールジグリシジルエーテル類等が挙げられる。また、ポリグリシジルエーテル化合物では、グリセロールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル類、ソルビトールポリグリシジルエーテル類、アラビトールポリグリシジルエーテル類、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル類、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル類、脂肪族多価アルコールのポリグリシジルエーテル類等が挙げられる。
好ましくは、反応性の高いグリシジル基を有する脂肪族のポリグリシジルエーテル化合物である。更に好ましくは、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル類、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル類、アルカンジオールジグリシジルエーテル類等が好ましい。複数のエポキシ基を有する脂肪族化合物において、最長原子鎖の原子数が20以上であることが好ましい。すなわち該原子数が20未満ではサイジング層内の架橋密度が高くなるために靭性の低い構造になりやすく、結果としてコンポジット引張強度が発現しにくい場合がある。それに対して最長原子鎖の原子数が大きいとサイジング層が柔軟で靭性の高い構造になりやすいので結果としてコンポジット引張強度が向上しやすく、特に脆い樹脂での引張強度が高いという特長を有するので、より好ましくは最長原子鎖の原子数で25以上、さらに好ましくは30以上がよい。ただし最長原子鎖の原子数は大きいほど柔軟な構造になるが、長すぎると折れ曲がって官能基を封鎖してしまい、結果として炭素繊維と樹脂との接着力が低下してしまう場合があるので好ましくは、原子数で200以下、より好ましくは100以下がよい。脂肪族化合物に環状脂肪族骨格を含む場合には、エポキシ基が環状骨格から十分離れていれば、具体的は、原子数で6以上あれば用いることができる。本発明においては、エポキシ基と芳香環の間の原子数が6以上であるエポキシ基を複数有する芳香族化合物もサイジング剤として用いることができる。エポキシ基と芳香環の間の原子数とは、エポキシ基と芳香環の間を結ぶ鎖状構造を構成する炭素原子、複素原子(酸素原子、窒素原子等)、カルボニル原子団の総数をいう。この場合の直鎖状構造としては前記した鎖状構造と同様のものである。
サイジング剤としてエポキシ基と芳香環との間の原子数が6に満たないと、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面に剛直で立体的に大きな化合物を介在させることになるため、炭素繊維の最表面に存在する表面官能基との反応性が向上せず、その結果コンポジットの横方向特性の向上が望めない。
アルキリデン基で繋がれた二つのフェノール環、即ちビスフェノールA部またはF部は、マトリックス樹脂との相溶性を向上させる効果と耐毛羽性を向上させる効果がある。エポキシ基と芳香環の間の原子数が6以上である複数エポキシ基を有する芳香族化合物の骨格が縮合多環芳香族化合物であってもよい。縮合多環芳香族化合物の骨格としては、例えばナフタレン、アントラセン、フェナントレン、クリセン、ピレン、ナフタセン、トリフェニレン、1,2−ベンズアントラセン、ベンゾピレン等が挙げられる。好ましくは、骨格の小さいナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレンである。複数エポキシ基を有する縮合多環芳香族化合物のエポキシ当量は、接着性の向上効果を十分なものとする観点から、150〜350、さらには200〜300が好ましい。複数エポキシ基を有する縮合多環芳香族化合物の分子量は、樹脂粘度が高くなって集束剤としての取り扱い性が悪化するのを防ぐ観点から、400〜800、さらには400〜600が好ましい。
本発明において、サイジング剤にはエピコート828、エピコート834といった分子量の小さいビスフェノール型エポキシ化合物、直鎖状低分子量エポキシ化合物、ポリエチレングリコール、ポリウレタン、ポリエステル乳化剤あるいは界面活性剤など他の成分を粘度調整、耐擦過性向上、耐毛羽性向上、集束性向上、高次加工性向上等の目的で加えてもよい。さらに、ブタジエンニトリルゴム等のゴム、あるいはエポキシ末端ブタジエンニトリルゴムのようなエラストマー性のある直鎖状エポキシ変性化合物等を添加しても問題はない。このようなサイジング剤(s)で表面処理された炭素繊維としては、市販品として、トレカT700SC−24000−50Cなどのトレカ(登録商標、東レ(株)社製)などが挙げられる。
また、本発明で使用する玄武岩繊維は、熱可塑性樹脂との接着性改良のために各種表面処理剤により処理したものが好ましい。
表面処理剤としてはシランカップリング剤が好ましく、シランカップリング剤としては、分子中にエポキシ基、ビニル基、アミノ基、メタクリル基、アクリル基、及び直鎖アルキル基のいずれか1つを有するシランカップリング剤などが使用できる。シランカップリング剤は1種でも良く、2種以上を混合して用いることもできる。シランカップリング剤の中でも、特に、分子中にエポキシ基、アミノ基、直鎖アルキル基を有するエポキシシラン系、アミノシラン系、直鎖アルキルシラン系が好適である。エポキシシラン系シランカップリング剤のエポキシ基としては、グリシジル基、脂環式エポキシ基等が好適であり、かかるシランカップリング剤としては、日本ユニカー(株)製A−186、A−187、AZ−6137、AZ−6165(以上、商品名)等が具体的に挙げられる。アミノシラン系シランカップリング剤としては、1級アミン、2級アミン或いはその双方を有するものが挙げられ、日本ユニカー(株)製A−1100、A−1110、A−1120、Y−9669、A−1160(以上、商品名)等が具体的に挙げられる。また、直鎖アルキルシラン系としては、ヘキシル基、オクチル基、デシル基を有するものが挙げられ、日本ユニカー(株)製AZ−6171、AZ−6177(以上、商品名)、信越シリコーン(株)製KBM−3103C(商品名)等が具体的に挙げられる。中でもエポキシシラン系が好ましい。
本発明の長繊維強化樹脂ペレットは、強化用連続繊維を引きながら熱可塑性樹脂を繊維に含浸させる引き抜き成形法により得られる。例えば、上記熱可塑性樹脂に必要に応じて樹脂添加剤を加えて、連続繊維をクロスヘッドダイを通して引きながら、熱可塑性樹脂を押出機から溶融状態でクロスヘッドダイに供給して強化用連続繊維に、熱可塑性樹脂を含浸させ、溶融含浸物を加熱し、冷却後、引き抜き方向と直角に切断して得られるので、該ペレットの長さ方向に強化繊維が同一長さで平行配列している。引き抜き成形は、基本的には連続した強化用繊維束を引きながら樹脂を含浸するものであり、上記クロスヘッドの中を繊維束を通しながら押出機等からクロスヘッドに樹脂を供給し含浸する方法の他に、樹脂のエマルジョン、サスペンジョンあるいは溶液を入れた含浸浴の中を繊維束を通し含浸する方法、樹脂の粉末を繊維束に吹きつけるか粉末を入れた槽の中を繊維束を通し繊維に樹脂粉末を付着させたのち樹脂を溶融し含浸する方法等が知られており、本発明ではいずれも利用できる。特に好ましいのはクロスヘッド方法である。また、これらの引き抜き成形における樹脂の含浸操作は1段で行うのが一般的であるが、これを2段以上に分けてもよく、さらに含浸方法を異にして行ってもかまわない。
本発明に使用されるポリカーボネート樹脂(PC)には、ポリカーボネート樹脂の他に、ポリエステルカーボネート系樹脂も含まれる。ポリカーボネート系樹脂は、通常、ジヒドロキシ化合物とホスゲンとの反応(ホスゲン法)、ジヒドロキシ化合物とジフェニルカーボネートなどの炭酸エステルとの反応(エステル交換法)により得られる。ジヒドロキシ化合物は、脂環族化合物などであってもよいが、好ましくはビスフェノール化合物である。
ビスフェノール化合物としては、ビス(4−ヒドロキシフェニル)メタン、1、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン(ビスフェノールA)、1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシ−3−メチルフェニル)プロパン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ブタン、2,2−ビス(4−ヒドロキシフェニル)ヘキサンなどのビス(ヒドロキシアリール)C1-8 アルカン;1,1−ビス(4−ヒドロキシフェニル)シクロヘキサンなどのビス(ヒドロキシアリール)C4-12シクロアルカン;4,4′−ジヒドロキシジフェニルエーテル;4,4′−ジヒドロキシジフェニルスルホン;4,4′−ジヒドロキシジフェニルスルフィドなどが挙げられる。これらのビスフェノール化合物は、一種又は二種以上組み合わせて使用してもよい。
好ましいポリカーボネート系樹脂は、芳香族ポリカーボネートであり、特にビスフェノール型芳香族ポリカーボネート(ビスフェノールA型芳香族ポリカーボネート)が好ましい。
本発明で用いるポリカーボネート樹脂(PC)の粘度平均分子量は、13000〜20000、好ましくは14000〜19000、より好ましくは15000〜18000である。尚、本願で言う粘度平均分子量とは、後記する実施例の方法により測定した値である。
スチレン系樹脂(SR)としては、少なくとも芳香族ビニル系単量体(又はスチレン系単量体)を重合成分とする樹脂(又は重合体)が挙げられる。
芳香族ビニル系単量体としては、例えば、スチレン、アルキル置換スチレン(例えば、ビニルトルエン、ビニルキシレン、p−エチルスチレン、p−イソプロピルスチレン、ブチルスチレン、p−t−ブチルスチレンなど)、ハロゲン置換スチレン(例えば、クロロスチレン、ブロモスチレンなど)、α位にアルキル基が置換したα−アルキル置換スチレン(例えば、α−メチルスチレンなど)などが挙げられる。これらの芳香族ビニル系単量体は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。これらの芳香族ビニル単量体のうち、通常、スチレン、ビニルトルエン、α−メチルスチレン(特にスチレン)などのスチレン系単量体が使用される。
スチレン系樹脂は、芳香族ビニル系単量体と共重合可能な単量体(共重合性単量体)との共重合体であってもよい。共重合性単量体(ビニル系単量体)には、シアン化ビニル系単量体、アクリル系単量体、ビニルエステル系単量体、不飽和多価カルボン酸又はその酸無水物、イミド系単量体などが含まれる。その他、ビニル系単量体は、塩化ビニルなどのハロゲン化ビニル系単量体であってもよい。
シアン化ビニル系単量体としては、例えば、(メタ)アクリロニトリル、ハロゲン化(メタ)アクリロニトリルなどが挙げられる。これらのシアン化ビニル系単量体は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。これらのシアン化ビニル系単量体のうち、通常、アクリロニトリルなどの(メタ)アクリロニトリルが使用される。
本発明では、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体との重量比率が90/10〜60/40、好ましくは85/15〜65/35、より好ましくは85/15〜70/30の共重合体を用いるのが好ましい。
特に、ゴム質重合体存在下に芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体とを主成分として含む単量体成分を重合してなるグラフト共重合体は好ましいものである。
スチレン系樹脂(後述のゴム含有スチレン系樹脂では、ゴムを除くマトリックス樹脂としてのスチレン系樹脂)の重量平均分子量は、例えば、10,000〜1,000,000、好ましくは30,000〜500,000、さらに好ましくは50,000〜500,000程度であってもよい。
また、スチレン系樹脂は、樹脂組成物に耐衝撃性などの優れた特性を付与するという観点から、ゴム成分を含む樹脂(ゴム含有スチレン系樹脂)であってもよい。ゴム含有スチレン系樹脂は、スチレン系樹脂とゴム成分(又はゴム状重合体)との混合(又はブレンド)、共重合(グラフト重合、ブロック重合など)などにより、スチレン系樹脂で構成されたマトリックス中にゴム状重合体(ゴム成分)が粒子状に分散した重合体であってもよい。ゴム含有スチレン系樹脂は、通常、ゴム状重合体の存在下、少なくとも芳香族ビニル単量体を、慣用の方法(塊状重合、塊状懸濁重合、溶液重合、乳化重合など)で重合することにより得られるグラフト共重合体(ゴムグラフトスチレン系重合体)である。なお、後述するように、本発明では、ゴム含有スチレン系樹脂として、塊状重合法で得られた樹脂を好適に用いることができる。
ゴム状重合体としては、例えば、ジエン系ゴム[ポリブタジエン(低シス型又は高シス型ポリブタジエン)、ポリイソプレン、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−イソプレン共重合体、ブタジエン−アクリロニトリル共重合体、イソブチレン−イソプレン共重合体、スチレン−イソブチレン−ブタジエン系共重合ゴムなど]、エチレン−酢酸ビニル共重合体、アクリルゴム(ポリアクリル酸C2−8アルキルエステルを主成分とする共重合エラストマーなど)、エチレン−α−オレフィン系共重合体[エチレン−プロピレンゴム(EPR)など]、エチレン−α−オレフィン−ポリエン共重合体[エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)など]、ウレタンゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、水添ジエン系ゴム(水素化スチレン−ブタジエン共重合体、水素化ブタジエン系重合体など)などが挙げられる。なお、これらのゴム状重合体において、共重合体はランダム又はブロック共重合体であってもよく、ブロック共重合体には、AB型、ABA型、テーパー型、ラジアルテレブロック型の構造を有する共重合体等が含まれる。これらのゴム状重合体は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。
好ましいゴム成分は、共役1,3−ジエン又はその誘導体の重合体、特にポリブタジエン(ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、スチレン−ブタジエン共重合体などのジエン系ゴムである。
ゴム含有スチレン系樹脂において、ゴム成分の含有量は、スチレン系樹脂全体に対して0〜30重量%、好ましくは5〜30重量%、さらに好ましくは10〜30重量%程度である。
スチレン系樹脂で構成されたマトリックス中に分散するゴム状重合体の形態は、特に限定されず、サラミ構造、コア/シェル構造、オニオン構造などであってもよい。
分散相を構成するゴム状重合体の粒子径は、例えば、重量平均粒子径230〜3000nm、好ましくは240〜2000nm、さらに好ましくは240〜1500nm程度の範囲から選択できる。また、ゴム状重合体のグラフト率は、5〜150%、好ましくは10〜150%程度である。
なお、スチレン系樹脂は、慣用の方法(塊状重合、塊状懸濁重合、溶液重合、乳化重合など)を用いて得られる。例えば、ゴム非含有スチレン系樹脂は、芳香族ビニル系単量体(および必要に応じてシアン化ビニル系単量体、アクリル系単量体などの共重合性単量体)を慣用の方法(塊状重合、懸濁重合、塊状懸濁重合、溶液重合、乳化重合など)で重合することにより得ることができる。また、ゴム含有スチレン系樹脂は、通常、ゴム状重合体の存在下、少なくとも芳香族ビニル単量体を、慣用の方法(塊状重合、塊状懸濁重合、懸濁重合、溶液重合、乳化重合など)で重合することにより得られる。しかし、溶液重合、乳化重合などの方法では、反応系中の他の成分に由来する不純物が樹脂中に混在しやすい。
そこで、本発明では、後述の有機酸(又はその塩)などの不純物が樹脂中に混在しにくい重合方法(懸濁重合、塊状重合、塊状懸濁重合など)により得られたスチレン系樹脂を好適に用いることができる。特に、塊状重合で得られたスチレン系樹脂は、乳化重合などで得られた樹脂に比べて、有機酸又はその塩、さらにはナトリウム、塩素および硫酸イオンなどの不純物の含有量を高いレベルで低減しやすく、結果として、樹脂組成物中のこれらの不純物の含有量を低減させるのに有効である。
本発明に使用するスチレン系樹脂(SR)は、ナトリウム、塩素及び硫酸イオンの含有割合が合計で10ppm以下であることが好ましい。尚、ナトリウム、塩素及び硫酸イオンの含有割合は、後記する実施例の方法により測定した値である。
このため、スチレン系樹脂は、塊状重合法で得られた樹脂、すなわち、少なくとも芳香族ビニル系単量体を塊状重合することにより得られた樹脂[例えば、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体及び/又はアクリル系単量体とを塊状重合して得られた共重合体、ゴム状重合体の存在下で少なくとも芳香族ビニル系単量体を塊状重合して得られたゴム含有スチレン系樹脂など]を好適に用いることができる。
代表的なスチレン系樹脂としては、例えば、ゴム成分を含有しないスチレン系樹脂(ゴム非含有スチレン系樹脂){例えば、ポリスチレン(GPPS)、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体及び/又はアクリル系単量体との共重合体[例えば、スチレン−アクリロニトリル共重合体(AS樹脂)、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体(MS樹脂)、アクリロニトリル−スチレン−メタクリル酸メチル共重合体など]、芳香族ビニル系単量体と無水不飽和カルボン酸との共重合体[例えば、スチレン−無水マレイン酸共重合体(SMA樹脂)など]など}、ゴム含有スチレン系樹脂{例えば、耐衝撃性ポリスチレン(HIPS)、メタクリル酸メチル変性HIPS(透明HIPS)、スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン共重合体(ABS樹脂)、メタクリル酸メチル変性ABS樹脂(透明ABS樹脂)、α−メチルスチレン変性ABS樹脂、イミド変性ABS樹脂、スチレン−メタクリル酸メチル−ブタジエン共重合体(MBS樹脂)、AXS樹脂、メタクリル酸メチル変性AXS樹脂など}が挙げられる。なお、前記AXS樹脂とは、ゴム成分X(アクリルゴム、塩素化ポリエチレン、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−酢酸ビニル共重合体など)にアクリロニトリルAとスチレンSとがグラフト重合した樹脂を指し、具体的には、アクリロニトリル−アクリルゴム−スチレン樹脂(AAS樹脂)、アクリロニトリル−エチレン・プロピレンゴム−スチレン樹脂(AES樹脂)などが挙げられる。これらのスチレン系樹脂は、特に塊状重合法で得られた樹脂であるのが好ましい。
これらのスチレン系樹脂のうち、耐衝撃性ポリスチレン、アクリル系単量体及び/又はシアン化ビニル系単量体を重合成分(又は共重合成分)とするスチレン系樹脂[アクリル系単量体単位及び/又はシアン化ビニル系単量体単位を構成単位とするスチレン系樹脂、例えば、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体及び/又はアクリル系単量体との共重合体(例えば、AS樹脂などのスチレン系単量体とシアン化ビニル系単量体との共重合体)などのゴム成分を含有しないスチレン系樹脂、アクリル系単量体及び/又はシアン化ビニル系単量体を共重合成分とするゴム含有(ゴムグラフト)スチレン系樹脂(ゴム成分にアクリル系単量体及び/又はシアン化ビニル系単量体とスチレン系単量体とがグラフト重合した共重合体(例えば、ABS樹脂、AAS樹脂、AES樹脂、MBS樹脂、メタクリル酸変性ABS樹脂など)など)などが好ましい。
これらのスチレン系樹脂は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。
本発明で使用するスチレン系樹脂(SR)は、メルトフローレートが20g/10min以上、好ましくは30g/10min以上、より好ましくは40g/10min以上のものが望ましい。尚、メルトフローレートは、後記する実施例の方法により測定した値である。
本発明において、ポリカーボネート樹脂及びスチレン系樹脂以外の他の熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。このような他の熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエステル系樹脂(ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートなど)、ポリアミド系樹脂(ポリアミド5、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド610、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド612、ポリアミド6/66、ポリアミド6/11などの脂肪族ポリアミド系樹脂;ポリアミド6T、ポリアミド9T、ポリアミドMXDなどの芳香族ポリアミド系樹脂;脂環族ポリアミド系樹脂など)、ポリウレタン系樹脂、オレフィン系樹脂{ポリエチレン(低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンなども含む)、ポリプロピレン、エチレン−プロピレンコポリマー、エチレン−プロピレンゴムなどのオレフィンの単独又は共重合体(エラストマーも含む)、環状オレフィン系樹脂など}、アクリル系樹脂、ビニル系樹脂(塩化ビニル系樹脂、酢酸ビニル系樹脂、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、エチレン−ビニルアルコール共重合体など)、熱可塑性エラストマー(ポリエステル系熱可塑性エラストマーなど)などが挙げられる。これらの他の熱可塑性樹脂は、結晶性樹脂であってもよく、非結晶性樹脂であってもよい。これらの他の熱可塑性樹脂は、単独で又は2種以上組み合わせてもよい。
本発明の樹脂組成物には、樹脂特性を低下させない限り、慣用の添加剤、例えば、相溶化剤、可塑剤、難燃助剤(例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素含有樹脂など)、着色剤、安定剤(酸化防止剤、光安定剤、熱安定剤など)、滑剤、分散剤、発泡剤、抗菌剤などが含まれていてもよい。これらの添加剤は、単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。
本発明の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物は優れた耐熱性を示し、具体的には一般に荷重たわみ温度(1.8MPa)が130℃以上を示す。
本発明の長繊維強化樹脂ペレットは、上記長繊維強化熱可塑性樹脂組成物において、強化繊維がペレットの長さ方向に実質的に平行に配列しており、円柱状、角柱状またはテープ状に賦形され、4〜50mmのいずれかの長さに切断されたものである。好ましいペレット長は6〜25mmであり、より好ましくは6〜20mmである。
本発明の長繊維強化樹脂ペレットを成形品とするための成形方法としては、射出成形法,射出圧縮成形法,押出成形法,ブロー成形法,プレス成形法,発泡成形法などが挙げられる。
また、成形においてはペレットに含まれる繊維を出来る限り長い繊維長で維持することが好ましい。そのためには、一般的な成形方法及び成形装置では、材料を可塑化する際にスクリュの回転によって生じる剪断が大きく、繊維を折損させてしまう確率が大きいため、使用可能ではあるが、あまり好ましくない。従って成形機メーカー各社の長繊維強化熱可塑性樹脂用に開発した可塑化システムを持つ成形機を用いる事が好ましい。また、繊維長を保護する成形条件としては、マトリックス樹脂に対して強化繊維を添加していない(非強化の)状態で成形する際の一般的可塑化温度より10〜30℃高めの温度設定とするなど、可塑化による剪断を低減する事が望ましい。更に金型及び/又はダイの設計においては、特に限定されるものではないが、樹脂の流路はその断面を出来得る限り広く設計し、また樹脂流路の形状についても検討した上で、圧力損失の低減された設計を施す事が繊維長を保護する上で望ましい。
このように成形時においては繊維長を長くするよう条件をとることで、長繊維強化樹脂ペレットから成形される成形体中に分散される強化繊維の重量平均繊維長が0.5mm〜5mmである長繊維強化樹脂成形体を達成できる。強化繊維に含浸するポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)の比率は、通常は重量比としてPC/SR=95/5〜30/70であり、好ましくはPC/SR=90/10〜50/50であり、特に好ましくはPC/SR=80/20〜60/40である。PC/SRの比が95/5より大きくなると、つまりポリカーボネート樹脂が過剰となると流動性悪くなり、成形加工性低下に繋がる。また、PC/SRの比が30/70より小さくなると、つまりPCが少くなると、耐熱性が低下すると共にPC特有の強度が発揮できない。長繊維強化樹脂ペレットに含まれる強化繊維の比率は、通常はペレット100重量部に対して強化繊維が11〜200重量部であり、好ましくは25〜150重量部であり、特に好ましくは30〜100重量部である。強化繊維が11重量部未満では成形品の機械的強度が低下し、強化繊維が200重量部を超えると引き抜き法において樹脂の含浸が充分に出来なくなりペレットの繊維の毛羽立ちが多くなり製造困難となる。
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。また、以下に実施例、比較例で使用した材料及び物性測定方法並びに射出成形装置を示した。
[使用材料]
PC:粘度平均分子量(Mv)=17800
ABS1:ABS樹脂、塊状重合法により得られたポリマー、ゴム種:ポリブタジエン、ゴム含有量20%、マトリックスを構成するモノマー成分の共重合比:スチレン/アクリロニトリル=82/18(重量比)、ゴム重量平均粒径1000nm、メルトフローレート54g/10min
ABS2:ABS樹脂、塊状重合法により得られたポリマー、ゴム種:ポリブタジエン、ゴム含有量20重量%、マトリックスを構成するモノマー成分の共重合比:スチレン/アクリロニトリル=77/23(重量比)、ゴム重量平均粒径1300nm、メルトフローレート40g/10min
AS1:AS樹脂、マトリックスを構成するモノマー成分の共重合比:スチレン/アクリロニトリル=73/27(重量比)、溶液粘度ηsp/c(4mg/ml濃度のクロロホルム溶液、25℃):0.85、メルトフローレート28g/10min
ガラス繊維ロービング:繊維径17μm、エポキシシランカップリング剤処理品
ガラス短繊維(チョップドストランド):繊維径13μm、繊維長3mm、エポキシシランカップリング剤処理品
[物性測定]
粘度平均分子量(Mv):ウベローデ型粘度計を用いて、20℃における塩化メチレン溶液の粘度を測定し、これより極限粘度[η]を求め、次式にて算出した。
[η]=1.23×10−5Mv0.83
メルトフローレート:ISO1133(220℃・10kg)に準拠
ナトリウム濃度:試料2gを白金るつぼ中に精秤し、電熱器及びバーナーで炭化した後、電気炉(400℃、1.5時間及び500℃、2時間)にて灰化を完了した。この灰化物に少量の超純水及び硝酸0.5mlを加えて、砂浴上で加熱し灰分を溶解した。蒸発乾固後、0.1N硝酸水溶液を加えながら20mlにメスアップし、原子吸光分析用検液とした。原子吸光分析器(島津製作所(株)製AA−680)を用いて、この検液中の全ナトリウム量を測定した(単位:ppm(μg/g))。尚、試料を充填しないるつぼを用いたブランク試験を行い、このブランク値を差し引いて試料中の全ナトリウム量とした。また、検量線標準液は、市販の原子吸光分析用標準液を0.1N硝酸水溶液で適宜稀釈し、ナトリウム濃度0、0.02、0.05、0.1、0.5、1.0μg/mlに調整したものを使用した。
塩素濃度:試料20〜30mgを精秤し、塩素分析装置(三菱化学(株)製TOX−100)を用いて、電量滴定法によって試料中の全塩素量を測定した(単位:ppm(μg/g))。
硫酸イオン濃度:試料6gを精秤し、予め超純水で洗浄したポリテトラフルオロエチレン(テフロン:登録商標)製容器に充填し、超純水15gを加えた後、110℃に設定した乾燥機に20時間静置して蒸気で抽出した。この液を適宜稀釈し、0.2μmメンブレンフィルターで濾過した濾液を測定液として、以下の陰イオン分析装置で測定した(単位:ppm(μg/g))。
使用機器:DIONEX DX−320
プレカラム:AG−15
カラム:AS−15
溶離液:5〜70mMのKOHグラジエント
流速:0.5ml/分
検出器:電気伝導検出器
カラム温度:30℃
注入量:200μl
引張試験:ISO527−1に準拠
荷重たわみ温度:ISO75−1(1.80MPa:フラットワイズ)に準拠
シャルピー衝撃試験:ISO179/1eA(エッジワイズ)に準拠
線膨張係数:150角平板(厚み=3,ゲート幅=150)のほぼ中央部を流動方向(MD)と流動直角方向(TD)に試験片を切り出し試験片長手方向での線膨張係数を測定した。
試験片:20×10×3(mm)、測定範囲:40℃〜80℃、単位:×10-5(1/K)(試験片については図1を参照)
繊維長測定方法(重量平均繊維長):成形品から約5gの試料を切出し、650℃で灰化して繊維を取り出す。取り出した繊維の一部(約500本)から重量平均繊維長を求めた。
流動性;スパイラルフロー(断面形状:厚み2mm,幅20mm)の流動長を、シリンダー温度280℃、金型温度120℃、射出圧力98MPaで測定した。測定値はL/Tとした。
[射出成形]
装置:(株)日本製鋼所製、J−150EII
スクリュー:長繊維専用スクリュー
成形温度(シリンダー温度):280℃
金型温度;100℃
成形品:ISO多目的試験片、150角平板成形品
実施例1
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とABS1が30重量部の混合物をクロスヘッドに接続された押出機から溶融状態(280℃)で供給して、ガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、ガラス繊維含有量40重量%、長さ11mmのペレットを得た。得られたペレットを射出成形によりそれぞれの物性測定のためのテストピースを作成した。
実施例2
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、熱可塑性樹脂としてPCが60重量部とABS1が40重量部の混合物をクロスヘッドに接続された押出機から溶融状態(280℃)で供給して、ガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、ガラス繊維含有量40重量%、長さ11mmのペレットを得た。得られたペレットを射出成形によりそれぞれの物性測定のためのテストピースを作成した。
実施例3
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とABS2が30重量部の混合物をクロスヘッドに接続された押出機から溶融状態(280℃)で供給して、ガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、ガラス繊維含有量40重量%、長さ11mmのペレットを得た。得られたペレットを射出成形によりそれぞれの物性測定のためのテストピースを作成した。
実施例4
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とABS1が30重量部の混合物をクロスヘッドに接続された押出機から溶融状態(280℃)で供給して、ガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、ガラス繊維含有量30重量%、長さ11mmのペレットを得た。得られたペレットを射出成形によりそれぞれの物性測定のためのテストピースを作成した。
実施例5
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とABS1が20重量部とAS1が10重量部の混合物をクロスヘッドに接続された押出機から溶融状態(280℃)で供給して、ガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、ガラス繊維含有量30重量%、長さ11mmのペレットを得た。得られたペレットを射出成形によりそれぞれの物性測定のためのテストピースを作成した。
実施例6
連続繊維の通路を波状に加工したクロスヘッドを通して、ガラス繊維ロービングを引きながら、熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とAS1が30重量部の混合物をクロスヘッドに接続された押出機から溶融状態(280℃)で供給して、ガラス繊維に含浸させた後、賦形ダイを通してストランドとして引取り、冷却後、裁断し、ガラス繊維含有量30重量%、長さ11mmのペレットを得た。得られたペレットを射出成形によりそれぞれの物性測定のためのテストピースを作成した。
比較例1
クロスヘッドでの繊維への樹脂含浸方法は実施せずに、熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とABS1が30重量部の混合物70重量部とガラス短繊維(チョップドストランド)30重量部をタンブラーブレンダーにて混合後、押出機で溶融混練してペレット状の樹脂組成物を得た。得られたペレットを射出成形により実施例と同じテストピースを作成した。
比較例2
熱可塑性樹脂としてPCが70重量部とABS1が30重量部の混合物を使用する代わりにPC単独の樹脂を使用した以外は実施例1と同様な操作を実施した。
比較例3
ガラス繊維含有量を5重量%にした以外は実施例1と同様な操作を実施した。
Figure 2008202012
線膨張係数測定用の150mm角平板(厚み=3mm、ゲート幅=150mm)を示し、そのほぼ中央部を流動方向(MD)と流動直角方向(TD)に試験片を切り出している。
符号の説明
1 射出ゲート
2 射出流動方向を示す矢印
3 流動方向(MD)の試験片採取箇所
4 流動直角方向(TD)の試験片採取箇所

Claims (13)

  1. ポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)からなる組成物100重量部に対して強化繊維11〜200重量部を配合してなる長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  2. ポリカーボネート樹脂(PC)とスチレン系樹脂(SR)が重量比としてPC/SR=95/5〜30/70である組成物100重量部に対して強化繊維11〜200重量部を配合してなる請求項1記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  3. スチレン系樹脂(SR)が、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体との共重合体である請求項1〜2の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物(追加請求項)
  4. スチレン系樹脂(SR)が、ゴム質重合体存在下に芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体とを主成分として含む単量体成分を重合してなるグラフト共重合体である請求項1〜2の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物
  5. ゴム質重合体の割合がスチレン系樹脂(SR)に対して1〜30重量%であり、芳香族ビニル系単量体とシアン化ビニル系単量体との重量比率が90/10〜60/40である請求項1〜2、4の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  6. スチレン系樹脂(SR)が塊状重合で得られたスチレン系樹脂である請求項1〜5の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  7. スチレン系樹脂(SR)が、ナトリウム、塩素及び硫酸イオンの含有割合が合計で10ppm以下のスチレン系樹脂である請求項1〜6の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  8. スチレン系樹脂(SR)が、メルトフローレートが20g/10min以上のものである請求項1〜7の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  9. ポリカーボネート樹脂(PC)の粘度平均分子量が13000〜20000である請求項1〜8の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  10. 荷重たわみ温度(1.8MPa)が130℃以上である請求項1〜9の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  11. 強化繊維が、ガラス、炭素、シリコンカーバイト、玄武岩、ボロン製の無機繊維;ステンレス製の金属繊維;アラミド、レーヨン、ナイロン、ポリナフタレート、ポリエステル製の有機繊維;セルロース繊維からなる群から選ばれた少なくとも一種の繊維を含むことを特徴とする請求項1〜10の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  12. 強化繊維が、エポキシ系バインダーで表面処理されたものである請求項1〜11の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物。
  13. 強化繊維がペレットの長さ方向に実質的に平行に配列しており、円柱状、角柱状またはテープ状に賦形され、4〜50mmのいずれかの長さに切断された請求項1〜12の何れか1項記載の長繊維強化熱可塑性樹脂組成物
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