JP2010513732A - 改良された繊維分散のためのガラス繊維用化学コーティング組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
典型的には、ガラス繊維は、溶融ガラス材料の流れをブッシングから減衰することによって形成される。潤滑剤、カップリング剤及びフィルム形成性バインダー樹脂を含有する水性サイズ剤組成物又は化学処理剤が、ブッシングから延伸後のガラス繊維に典型的に施されている。サイズ剤組成物は、繊維をフィラメント間磨耗から保護し、ガラス繊維とガラス繊維を使用すべきマトリックス間の適合性及び接着性を増進させる。繊維を水性サイズ剤組成物で処理した後、繊維は、乾燥させて連続繊維ストランドパッケージとして形成するか、或いは細断してチョップトストランドセグメントとし得る。
一方、連続繊維ストランドパッケージは、長繊維強化熱可塑性樹脂(direct long fiber thermoplastic) (D-LFT)法又はペレット化法を使用する長繊維強化複合体製造において使用し得る。長繊維熱可塑性樹脂法においては、長繊維熱可塑性樹脂複合部品は、低剪断力押出‐、射出‐又は押出‐圧縮法により、1工程で成形し得る。ペレット化法においては、連続繊維ストランドを、含浸ダイ内で、熱可塑性樹脂で含浸し得、その後、コーティングした連続ストランドを所望の長さのペレットに細断する。また、連続繊維ストランドは、熱可塑性樹脂を使用してワイヤーコーティングして、所望の長さのペレットにインラインで細断し得るオーバーコーティング処理ストランドを形成させることもできる。これらの長繊維熱可塑性樹脂ペレットは、その後、低剪断力射出‐又は圧縮‐成形法を使用して、長繊維熱可塑性樹脂部品として成形することができる。
図1においては、連続ガラス繊維を非水性サイズ剤組成物で前以ってサイズ処理してサイズ処理連続ガラス繊維10を形成させている。サイズ処理連続ガラス繊維10は、成形ダイ又はワイヤーコーター12に通して、熱可塑性ポリマー13をガラス繊維10の周りを実質的にコーティングし得る。必要に応じて、添加剤11を、サイズ処理ガラス繊維10に、熱可塑性ポリマー13と一緒に適用し得る。その後、封入繊維14は、冷却装置16に通すか又は風乾又は空冷して(図示せず)、繊維14の周りのポリマーシースを固化させ得る。熱可塑性樹脂包み込み繊維14は、長繊維熱可塑性樹脂加工法及び長繊維熱可塑性樹脂複合部品条件に適する長さに、ペレタイザー18を使用してペレット化し得る。長繊維熱可塑性樹脂ペレット20は、通常の高剪断力射出‐又は圧縮‐成形機或いは低剪断長繊維熱可塑性樹脂(LFT)成形法を使用して、複合部品に成形し得る。
従って、当該技術においては、最終複合物品中での優れた繊維分散性を通常の長繊維熱可塑性樹脂剪断成形条件下において与え、且つ最終強化複合部品に改良された機械的性質を与えるコスト有効性のサイズ剤組成物が求められている。
本発明のもう1つの利点は、上記コーティング組成物が、補強用繊維をポリマーマトリックス中で、ひいては、最終複合物品中で実質的に均一に分散させるのを助長していることである。補強用繊維のそのような改良された分散は、複合物品に少なめの目に見える欠陥しかもたらさない。
本発明のさらなる利点は、複合部品における改良された繊維分散性が複合部品の品質及び性能一貫性を増強させることである。
本発明の更にもう1つの利点は、上記コーティング組成物でコーティングした繊維及び/又はストランドが、高速ワイヤーコーティング又はペレット化法のようなあらゆる通常の又は長繊維熱可塑性樹脂配合及び/又は成形法に適することである。
本発明のもう1つの利点は、上記コーティング組成物でコーティングした繊維及び/又はストランドが、補強用繊維に水性サイズ剤組成物を適用する場合でさえも、最終複合部品において改良された繊維分散性を与えることである。
本発明のさらなる利点は、上記コーティング組成物でコーティングした繊維及び/又はストランドが、補強用繊維に高分子量マレイン酸化ポリプロピレンフィルム形成剤エマルジョンを含む水性サイズ剤組成物を適用し、高周波乾燥装置を使用して乾燥させたときに、最終複合部品において改良された機械的性能及び良好な繊維分散性を与えることである。
本発明のもう1つの利点は、上記コーティング組成物を、最終複合部品として成形する前の補強用繊維又は繊維ストランドに、1工程又は複数の工程で適用し得ることである。
本発明のもう1つの特徴は、上記コーティング組成物を、繊維形成中又は形成後の補強用繊維に適用すべきである通常の水性又は非水性サイズ剤の1部として取込ませ得ることである。
以下、本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明を検討することにより、より十分に明らかとなろう。
また、本発明の利点は、本発明の以下の詳細な開示を検討することにより、とりわけ、添付図面と一緒に理解するときに明らかとなろう。
他で定義しない限り、本明細書において使用する全ての技術的及び科学的用語は、本発明が属する技術における通常の熟練者が一般的に理解しているのと同じ意味を有する。本明細書において説明する方法及び材料と同様な又は等価の任意の方法及び材料を本発明の実施及び試験において使用し得るものの、好ましい方法及び材料は、本明細書においては説明する。
用語“補強用繊維材料”及び“補強繊維”は、本明細書においては互換的に使用し得る。更に、用語“サイズ”、“サイズ剤”、“サイズ組成物”及び“サイズ剤配合物”も、本明細書においては互換的に使用し得る。更に、用語“フィルム形成剤(film former)”及び“フィルム形成剤(film forming agent)”も互換的に使用し得る。また、用語“組成物”及び“配合物”も本明細書において互換的に使用し得る。更に、用語“補強用繊維”及び“補強繊維”も互換的に使用し得る。
図面においては、線、層及び領域の濃さを、明確化のために強調し得る。図面全体に亘って見出される同様な番号は、同様な要素を示すことに留意すべきである。要素を他の要素“上”に存在すると説明する場合、その要素は、他の要素上に又は他の要素に対して直接存在し得るか、或いは介入要素が存在し得る。
1つの典型的な実施態様においては、上記コーティング組成物は、非水性サイズ剤組成物の成分として含ませた場合に補強繊維上に適用し得、更に、非水性サイズ剤が溶融状態にある場合に補強用繊維に適用し得る。望ましくは、所望量の上記コーティング組成物を含有する溶融非水性サイズ剤組成物を、補強繊維形成中に適用する。上記溶融サイズ剤組成物は、補強繊維上で冷却時に固化する。結果として、さらなる乾燥を必要としない。サイズ処理/コーティング処理繊維は、補強用繊維ストランドとして集結させ得、これらのストランドは、高速ワイヤーコーティング過程のようなペレット化過程に備える最終製品パッケージとして、繊維製造中のインラインで巻取り得る。
もう1つの典型的な実施態様においては、上記コーティング組成物又は上記コーティング組成物の成分を、少なくとも1部添加して、補強ストランド上にオーバーコーティング又はワイヤーコーティングすることのできる熱可塑性ポリマー配合用調製物の1部を調製し得る。好ましくは、上記ペレット化過程は、ワイヤーコーティング過程である。
また、補強用繊維材料は、限定するものではないが、ポリエステル、ポリアミド、アラミド、ポリアラミド、ポリプロピレン、ポリエチレン及びこれらの混合物のような1種以上の合成ポリマーのストランドであり得る。ポリマーストランドは、補強用繊維材料として単独で使用してもよく、或いは、上述したストランドのようなガラスストランドと組合せて使用してもよい。さらなる代替物としては、炭素繊維又は他の天然繊維を補強用繊維材料として使用し得る。本発明と関連して使用するときの用語“天然繊維”は、限定するものではないが、幹、種子、葉、根又は師部のような植物の任意の部分から抽出した植物繊維を称する。補強用繊維材料として使用するのに適する天然繊維の例としては、綿、ジュート、竹、ラミー、バガス、麻、コイア、リネン、ケナフ、サイザル麻、亜麻、ヘネッケン、及びこれらの組合せがある。
補強用繊維を形成させた後で、ストランドとして集結させる前に、サイズ剤組成物を、適用ロールによる又はサイズ剤組成物を繊維上に直接スプレーすることによるような通常の方法によって適用し得る。サイズ剤組成物は、補強繊維をその後の加工中の破壊から保護し、フィラメント間の摩耗を抑制するのを助け、更に、補強用繊維のストランド一体性、例えば、ストランドを形成する補強用フィラメントの相互連結を確保する。補強用繊維に適用するサイズ剤組成物は、1種以上のフィルム形成剤(例えば、ポリウレタンフィルム形成剤、ポリエステルフィルム形成剤、ポリオレフィンフィルム形成剤、変性官能化ポリオレフィン、エポキシ樹脂フィルム形成剤、又は他の熱可塑性もしくはワックス状物質)、少なくとも1種の潤滑剤、及び少なくとも1種のシランカップリング剤(例えば、アミノシラン又はメタクリルオキシシランカップリング剤)を含み得る。必要に応じて、酢酸、ホウ酸、メタホウ酸、コハク酸、クエン酸、ギ酸、リン酸及び/又はポリアクリル酸のような弱酸を上記サイズ剤組成物に添加して、例えば、上記シランカップリング剤の加水分解を助長し得るようにする。
本発明のコーティング組成物でコーティングされた繊維から形成した複合物品は、低剪断条件下で成形したときでさえ、改良された機械的性質(例えば、引張強度及び衝撃強度)及び優れた繊維分散性を示している。本発明のコーティング配合物もう1つの利点は、該コーティング組成物が、補強繊維を最終複合物品中で実質的に均一に分散するのを助長することである。補強繊維のそのような改良された分散は、複合物品において目に見える欠陥をより僅かしか生じさせない。上記コーティング組成物のさらなる利点は、改良された繊維分散により、複合部品品質及び性能の一貫性が増進されることである。
実施例
以下の実施例においては、ホモポリプロピレン(MFI = 40)を、ワイヤーコーティング法において使用した。ホモポリプロピレンは、標準のマレイン酸カップリング剤 (Exxelor 1020)及び安定剤パッケージと前以って混合して配合用調製物を調製した。この配合用調製物を、以下の各実施例において使用した。更に、各実施例において、ガラス含有量は、最終ガラス繊維強化配合ペレットの30質量%に維持した。ペレットの成形は、長繊維熱可塑性樹脂(LFT)低剪断成形条件で操作するBattenfeld成形機において実施した。成形複合プレート中の繊維分散の質は、分散していない繊維バンドルを手作業で計数することによる目視検査に基づき評価した;上記バンドルは、プレート表面上、写真及びX線写真において白斑として現れている。
図4の成形プレート(コーティング組成物無し)及び図6の成形プレート(ガラス繊維ストランドに適用させたコーティング組成物)からの試験サンプルを得、引張強度について試験した。図4の成形プレートからの試験サンプルにおいて測定した引張強度は、111MPaであると判定し、図6の成形プレートからのサンプルからの引張強度は、123MPaであると判定した。従って、本発明のコーティング組成物を含有するRF乾燥ガラス繊維ストランドは、成形部品における引張強度の改良を実証していた。
11 添加剤
12 成形ダイ又はワイヤーコーター
13 熱可塑性ポリマー
14 封入繊維
16 乾燥装置
18 ペレタイザー
20 長繊維熱可塑性樹脂ペレット
21 本発明のコーティング組成物、本発明のコーティング組成物を含有するサイズ剤組成物
22 補強繊維ストランド
23 添加剤
24 ワイヤーコーティング装置
25 コーティング処理補強繊維ストランド
26 熱可塑性ポリマー
28 サイズ処理/コーティング処理繊維ストランド
30 冷却装置
32 ペレット化装置
40 補強繊維
42 ブッシング
46 ロールアプリケーター
48 ギャザリングメカニズム
49 コーティング処理補強繊維
50 コーティング処理補強繊維ストランド
Claims (20)
- 補強用繊維ストランドであって、
サイズ剤組成物で少なくとも部分的にコーティングされた複数の個々の補強用繊維から形成された補強用繊維ストランドを含み、前記個々の補強用繊維及び前記補強用繊維ストランドの少なくとも1つが、前記複数の補強用繊維のポリマーマトリックス中での分散を改善する1種以上の化学化合物を含むコーティング組成物で少なくとも部分的にコーティングされていることを特徴とする補強用繊維ストランド。 - 前記サイズ剤組成物を前記個々の補強用繊維上に位置させ、前記コーティング組成物が前記補強用繊維ストランド上の外側コーティングを形成し、前記サイズ剤組成物が、フィルム形成剤、カップリング剤及び潤滑剤からなる群から選ばれる少なくとも1員を含有する、請求項1記載の補強用繊維ストランド。
- 前記サイズ剤組成物が非水性サイズ剤組成物であり、前記コーティング組成物を前記非水性サイズ剤組成物の成分として取込ませ、前記コーティング組成物を含有する前記非水性サイズ剤組成物を前記個々の補強用繊維上に位置させる、請求項1記載の補強用繊維ストランド。
- 前記サイズ剤組成物が、フィルム形成剤、カップリング剤及び潤滑剤からなる群から選ばれる少なくとも1員を含む水性サイズ剤組成物であり、前記サイズ剤組成物を前記個々の補強用繊維上に位置させ、前記コーティング組成物の第1の一部を前記水性サイズ剤組成物の成分として取込ませている、請求項1記載の補強用繊維ストランド。
- 前記コーティング組成物の第2の一部を前記補強用繊維ストランドに適用する、請求項4記載の補強用繊維ストランド。
- 前記補強用繊維ストランドが、熱可塑性ポリマーによって少なくとも部分的に円周状に包み込まれている、請求項1記載の補強用繊維ストランド。
- 前記1種以上の化学化合物が、エトキシ化脂肪酸、エトキシ化脂肪族アルコール、ポリエチレンオキシド、エチレンオキシド-プロピレンオキシドコポリマー、C6〜C15-ポリエチレンオキシド、C16-ポリエチレンオキシド、C17-ポリエチレンオキシド、C18-ポリエチレンオキシド、C19〜C40-ポリエチレンオキシド、エトキシ化脂肪族連鎖物、エトキシ化ポリエチレン、エトキシ化ポリプロピレン、枝分れポリエチレン、ポリエチレン枝分れワックス、官能化線状マイクロワックス、非官能化線状マイクロワックス、枝分れ官能化線状マイクロワックス、非官能化マイクロワックス、官能化線状ポリオレフィン、官能化枝分れポリオレフィン、官能化過枝分れポリオレフィン、官能化デントリマーポリオレフィン、非官能化線状ポリオレフィン、非官能化枝分れポリオレフィン、非官能化過枝分れポリオレフィン、非官能化デントリマーポリオレフィン、マレイン酸化ポリオレフィン、酸化ポリオレフィン、部分酸化ポリオレフィン、酸化ワックス、部分酸化ワックス、カルボキシル化ポリオレフィン、カルボキシル化ワックス、ポリオレフィン類のコポリマー、オレフィンとアクリル酸のコポリマー、オレフィンとメタクリル酸のコポリマー、オレフィンとアクリル酸のグラフトコポリマー、オレフィンとメタクリル酸のグラフトコポリマー、接着促進剤、相溶化剤、及びカップリング剤からなる群から選ばれる、請求項1記載の補強用繊維ストランド。
- 複数の補強用繊維から形成された2本以上の補強用繊維ストランドを含み、前記補強用繊維ストランド及び前記補強用繊維の片方又は双方が、前記複数の補強用繊維のポリマーマトリックス中での分散を改善する1種以上の化学化合物を含むコーティング組成物で少なくとも部分的にコーティングされていることを特徴とする補強用繊維製品。
- 前記複数の補強用繊維が、その上に、潤滑剤、カップリング剤及びフィルム形成性バインダー樹脂からなる群から選ばれる少なくとも1員を含む水性サイズ剤組成物の層を有し、前記コーティング組成物が前記2本以上の補強用繊維ストランド上の外側コーティングを形成する、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 前記サイズ剤組成物が非水性サイズ剤組成物であり、前記コーティング組成物を前記非水性サイズ剤組成物の成分として取込ませ、前記コーティング組成物を含有する前記非水性サイズ剤組成物を前記補強用繊維上に位置させる、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 前記サイズ剤組成物が、フィルム形成剤、カップリング剤及び潤滑剤からなる群から選ばれる少なくとも1員を含む水性サイズ剤組成物であり、前記サイズ剤組成物を前記補強用繊維上に位置させ、前記コーティング組成物の一部を前記水性サイズ剤組成物の成分として取込ませている、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 前記コーティング組成物が、前記補強用繊維製品に所望の性質又は特徴を付与する添加剤を更に含む、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 前記化学化合物が、エトキシ化脂肪酸、エトキシ化脂肪族アルコール及びこれらの混合物からなる群から選ばれる、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 前記2本以上の補強用繊維ストランドが、熱可塑性ポリマーによって少なくとも部分的に包み込まれている、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 前記補強用繊維製品が、ペレットの形である、請求項8記載の補強用繊維製品。
- 下記の工程、
サイズ剤組成物で少なくとも部分的にコーティングした複数の個々の補強用繊維から形成された補強用繊維を少なくとも部分的にコーティングして、前記個々の補強用繊維及び前記補強用繊維ストランドの片方又は双方を、前記複数の個々の補強用繊維のポリマーマトリックス中での分散を改善する1種以上の化学化合物を含むコーティング組成物で少なくとも部分的にコーティングしてコーティング処理繊維ストランドを形成する工程、
前記コーティング処理繊維ストランドを熱可塑性ポリマーで少なくとも部分的に取巻く工程、
前記ポリマーコーティング処理繊維ストランドをペレット化してペレットにする工程、及び、
前記ペレットを、通常の長繊維熱可塑性樹脂加工法よりも低い剪断力を有する成形条件下に成形して強化複合物品を形成する工程、
を含むことを特徴とする、強化複合物品の形成方法。 - 前記コーティング組成物の1部を前記サイズ剤組成物中に混入する工程を含み、前記サイズ剤組成物が水性サイズ剤組成物である、請求項16記載の方法。
- 前記補強用繊維及び前記補強用繊維ストランドの一方又は双方を、前記コーティング処理繊維ストランドをペレット化する前に、高周波乾燥装置によって乾燥させる工程を更に含む、請求項16記載の方法。
- 下記の工程、
補強用繊維を、該補強用繊維のポリマーマトリックス中での分散を改善する少なくとも1種の化学化合物を含有するコーティング組成物を含む非水性サイズ剤組成物で少なくとも部分的にコーティングする工程、
前記コーティング処理補強用繊維を集結させて、コーティング処理補強用繊維ストランドを形成する工程、
前記コーティング処理補強用繊維ストランドを熱可塑性ポリマーで少なくとも部分的に囲い込む工程、
前記ポリマーコーティング処理繊維ストランドをペレット化してペレットにする工程、及び、
前記ペレットを、通常の成形加工法よりも低い剪断力を有する成形条件下に成形して強化複合物品を形成する工程、
を含むことを特徴とする、強化複合物品の形成方法。 - 前記少なくとも1種の化学化合物を、エトキシ化脂肪酸、エトキシ化脂肪族アルコール及びこれらの混合物からなる群から選択する、請求項19記載の方法。
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