JP2010514951A - ガラス繊維用のサイズ剤組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
チョップトガラス繊維が、強化複合体中の補強材料として一般的に使用されている。通常、ガラス繊維は、溶融ガラス材料の流れをブッシング又はオリフィスから繊細化(attenuate)することによって形成される。水性サイズ剤組成物又は化学処理は、典型的には、ブッシングから延伸後のガラス繊維に施されている。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一般に含有する水性サイズ剤組成物が繊維に適用されている。サイズ剤組成物は、フィラメント間磨耗からの保護を繊維に与え、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を増進させる。
現行のオフライン法では適切で市場性のある最終製品が製造されているものの、当該オフライン法は、成形と細断とが2つの別々の工程で発生する点のみならず、サイズ剤組成物を十分に硬化させるのに費用高の長い乾燥時間を要する点でも時間消費性である。従って、当該技術においては、ガラス製造過程と連続する工程においてより短時間で製品製造を完了させるコスト有効性で且つ効率的な方法が求められている。
本発明のもう1つの利点は、補強繊維のインライン細断及び乾燥が生産性を向上させることである。
本発明のさらなる利点は、上記サイズ処理チョップト繊維から形成された製品の製造コスト及び製造時間が、インラインでの補強繊維の細断及び乾燥によって低減されることである。
本発明の更にもう1つの利点は、本発明のサイズ剤配合物でもって使用するインライン方法が、オフライン方法よりも低労働集約性であることである。
本発明の特徴は、ポリウレタンフィルム形成剤において使用するブロッキング剤が、上記ポリウレタンフィルム形成剤の同時又はほぼ同時の脱ブロッキングと硬化を可能にする温度で脱ブロッキングすることである。
本発明のもう1つの特徴は、上記ブロッキング剤が、上記フィルム形成剤が短時間で硬化するのを可能にする温度で脱ブロッキングすることである。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下、下記の詳細な説明を検討することによってより十分に明らかになるであろう。
本発明の利点は、とりわけ添付図面と関連して行ったときの、本発明の以下の詳細な開示を検討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、本明細書において説明する。公開された又は相応する米国又は外国特許出願、発行された米国及び外国特許、並びに任意の他の文献のような本明細書において引用する全ての文献は、各々、それら引用文献に存在する全てのデータ、表、図面及びテキストを含むその全体を参考として本明細書に合体させる。
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。用語“補強用繊維”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“サイズ剤組成物”も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。更に、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。
適切なシランカップリング剤の非限定的な例としては、アミノシラン、シランエステル、ビニルシラン、メタクリルオキシシラン、エポキシシラン、イオウシラン、ウレイドシラン、及びイソシアネートシランがある。本発明において使用するシランカップリング剤の特定の例としては、γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(A-1100)、n-フェニル-γ-アミノプロピルトリメトキシシラン(Y-9669)、n-トリメトキシ-シリル-プロピル-エチレン-ジアミン(A-1120)、メチル-トリクロロシラン(A-154)、γ-クロロプロピル-トリメトキシ-シラン(A-143)、ビニル-トリアセトキシシラン(A-188)、メチルトリメトキシシラン(A-1630)、γ-ウレイドプロピルトリメトキシシラン(A-1524)がある。適切なシランカップリング剤の他の例は、下記の表1に示している。上記及び表1に示すシランカップリング剤は、全て、GE Silicones社から商業的に入手可能である。好ましくは、シランカップリング剤は、アミノシラン又はジアミノシランである。
更に、幾つかの典型的な実施態様においては、上記サイズ剤組成物は、必要に応じて、繊維の製造並びに複合体の加工及び製造を容易にする少なくとも1種の潤滑剤を含み得る。潤滑剤を使用する実施態様においては、潤滑剤は、上記サイズ剤組成物中に、組成物全体の0.004〜0.05質量%の量で存在し得る。任意の適切な潤滑剤を使用し得るが、上記サイズ剤組成物において使用する潤滑剤の例としては、限定するものではないが、水溶性エチレングリコールステアレート(例えば、ポリエチレングリコールモノステアレート、ブトキシエチルステアレート、ポリエチレングリコールモノオレアート、及びブトキシエチルステアレート)、エチレングリコールオレアート、エトキシ化脂肪族アミン、グリセリン、乳化鉱油、オルガノポリシロキサンエマルジョン、カルボキシル化ワックス、官能性又は非官能性化学基を有する線状又は(超)分岐ワックス又はポリオレフィン、官能化又は変性ワックス及びポリオレフィン、ナノクレー、ナノ粒子及びナノ分子がある。上記サイズ剤組成物において使用するのに適する潤滑剤の特定の例としては、商品名Lubesize K-12 (AOC社から入手可能);PEG 400 MO、即ち、400個のエチレンオキシド基を有するモノオレイン酸エステル(Cognis社から入手可能);Emery 6760 L、即ち、ポリエチレンイミンポリアミド塩(Cognis社から入手可能);Lutensol ON60 (BASF社から入手可能);Radiacid (Finaから入手し得るステアリン酸);並びに、Astor HP 3040及びAstor HP 8114 (IGI International Waxes社から入手し得る微結晶性ワックス)がある。
図2に更に詳細に示しているように、ガラス繊維12は、ブッシング又はオリフィス30からの溶融ガラス材料(図示せず)の繊細化流によって形成させ得る。サイズ剤組成物は、好ましくは、上記繊維に、10%〜14%の水分含有量を有する繊維を得るに十分な量で適用する。繊細化したガラス繊維12は、9.5ミクロン〜16ミクロンの直径を有する。好ましくは、繊維12は、10ミクロン〜14ミクロンの直径を有する。
その後、繊維ストランド36をギャザーリングシュー38からチョッパー40/コット(cot)60組合せ機に通し、そこで、繊維ストランド36を湿潤チョップトガラス繊維バンドル42として細断する。ストランド36は、0.3175cm(0.125インチ)〜2.54cm(1.0インチ)、好ましくは0.3175cm(0.125インチ)〜1.27cm(0.5インチ)、最も好ましくは0.3175cm(0.125インチ)〜0.635cm(0.25インチ)の長さを有するように細断する。湿潤チョップトガラス繊維バンドル42は、乾燥炉46への搬送用のコンベアー44(有孔コンベアーのような)上に落下し得る。
上記SMC材料は、ドアパネル、トリムパネル、車体外パネル、荷物床、バンパー、フロントエンド、アンダーボディーシールド、ランニングボード、サンシェード、計器パネル構造体及びドア内部の構成物のような自動車用途におけるような多くの用途における各種複合体製品を製造するのに使用し得る。更に、上記SMC材料は、バスケットボールバックボード、浴室及びシャワー室、流し台、農業機器用の部品、キャビネット、貯蔵箱、及び冷蔵有蓋車を製造するのにも使用し得る。上記バルクモールディングコンパウンド材料は、上記SMC材料に関連して上述した品目と同様な品目並びに電化製品キャビネット、コンピュータボックス、家具及び柱のような建築部品を製造するのに使用し得る。
実施例
下記の表2に示すサイズ剤配合物を、バケツ内で、以下で一般的に説明するようにして調製した。サイズ剤組成物を調製するために、90%の水とシランカップリング剤をバケツに加えて混合物を調製した。その後、混合物を、シランが加水分解するのを可能にする時間撹拌した。シランの加水分解後に、フィルム形成剤を上記混合物に撹拌しながら添加して、サイズ剤組成物を調製した。その後、サイズ剤組成物を残りの水で希釈して、6.0%混合固形分の目的混合固形分を達成させた。
表2:本発明のサイズ剤組成物
(a) γ-アミノプロピルトリメトキシシラン(General Electric社)
(b) イソシアネートブロックトポリウレタンフィルム形成性分散液(Chemtura社)
その後、上記乾燥チョップト繊維バンドルをポリエステル系樹脂と混合し、試験用の複合体部品として射出成形した。詳細には、上記チョップト繊維バンドルとポリエステル系樹脂を、加熱モールド内に、射出成形機により注入して熱硬化性樹脂の架橋及び硬化を行った。上記サイズ処理ガラス繊維から形成させた複合体部品を、最も近いオフラインサイズ剤組成物の射出成形による競合品と比較した。また、標準のOwens Corning社のオフラインサイズ剤組成物を使用して、比較試験用の射出成形複合体部品も形成させた。とりわけ、各製品を、曲げ強度、曲げ弾性率、引張強度、及びアイゾッド衝撃強度について試験した。結果は図4〜7に示しており、得られたデータは下記の表3に示している。
下記の表4に示すサイズ剤配合物を、バケツ内で、以下で一般的に説明するようにして調製した。サイズ剤組成物を調製するために、90%の水とシランカップリング剤をバケツに加えて混合物を調製した。その後、混合物を、シランが加水分解するのを可能にする時間撹拌した。シランの加水分解後に、フィルム形成剤を上記混合物に撹拌しながら添加して、サイズ剤組成物を調製した。その後、サイズ剤組成物を残りの水で希釈して、6.0%混合固形分の目的混合固形分を達成させた。
表4:本発明のサイズ剤組成物
(a) γ-アミノプロピルトリメトキシシラン(General Electric社)
(b) イソシアネートブロックトポリウレタンフィルム形成性分散液(Chemtura社)
その後、上記乾燥チョップト繊維バンドルをポリエステル系樹脂と混合してコンパウンド材料を調製し、試験用の複合体部品として圧縮成形した。詳細には、本発明のサイズ剤配合物でサイズ処理したチョップト繊維バンドルとポリエステル系樹脂を、最終製品の所望形状を有する合せ型金属モールドの片方に入れた。その後、モールドを閉じ、昇温に加熱し、高圧に上げた。高加熱及び高圧のこの組合せにより、コンパウンド材料を流動させ且つモールドを充たした。上記ポリエステル系樹脂を高加熱によって硬化させ、それによって最終の熱硬化成形複合体部品を形成させた。
上記サイズ処理ガラス繊維から形成させた複合体部品を、圧縮成形によって製造した最も近いオフライン競合品サイズ剤組成物と比較した。また、標準のOwens Corning社のオフラインサイズ剤組成物を使用して、比較試験用の圧縮成形複合体部品も形成させた。とりわけ、各製品を、曲げ強度、曲げ弾性率、引張強度、及びアイゾッド衝撃強度について試験した。結果は、図8〜11に示しており、得られたデータは、下記の表5に示している。
12 ガラス繊維
14 長さ
16 直径
30 ブッシング又はオリフィス
32 適用ロール
34 スプリッターシュー
36 繊維ストランド
38 ギャザーリングシュー
40 チョッパー
42 湿潤チョップトガラス繊維バンドル
44 コンベアー
46 乾燥炉
60 コット
Claims (29)
- 少なくとも1種のシランカップリング剤と、
1種以上のフィルム形成剤と、
を含む熱硬化性樹脂を補強するのに使用する補強用繊維用の組成物であって、
通常のサイズ剤適用物に典型的に含まれて、サイズ組成物に所望の性質又は特徴を与える添加剤を含まないことを特徴とする、補強用繊維用の組成物。 - 前記1種以上のフィルム形成剤が、ブロックトポリウレタンフィルム形成剤、熱可塑性ポリウレタンフィルム形成剤、エポキシ樹脂フィルム形成剤、ポリオレフィン、変性ポリオレフィン、官能化ポリオレフィン、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリレート、飽和ポリエステル樹脂フィルム形成剤、不飽和ポリエステル樹脂フィルム形成剤、ポリエーテルフィルム形成剤及びこれらの組合せから選ばれる、請求項1記載の組成物。
- 前記1種以上のフィルム形成剤が、ブロックトイソシアネートを含む少なくとも1種のポリウレタンフィルム形成剤である、請求項2記載の組成物。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤が、前記ポリウレタンフィルム形成剤の同時又はほぼ同時の脱ブロッキング及び硬化を可能にする温度で脱ブロッキングする、請求項3記載の組成物。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤が、ブロックトイソシアネートを含有するポリエステル系ポリウレタンフィルム形成剤及びブロックトイソシアネートを含有するポリエーテル系ポリウレタンフィルム形成剤から選ばれる、請求項3記載の組成物。
- 前記ブロックトイソシアネートが、107.2℃(225°F)〜176.7℃(350°F)の温度で脱ブロッキングする、請求項3記載の組成物。
- 前記少なくとも1種のシランカップリング剤が、アミノシラン、シランエステル、ビニルシラン、メタクリルオキシシラン、エポキシシラン、イオウシラン、ウレイドシラン、イソシアネートシラン及びこれらの組合せから選ばれる、請求項3記載の組成物。
- ブロックトイソシアネートを含む前記少なくとも1種のポリウレタンフィルム形成剤が、前記組成物中に、組成物全体の1.0〜10質量%の量で存在し、前記少なくとも1種のシランカップリング剤が、前記組成物中に、組成物全体の0.2〜1.0質量%の量で存在する、請求項3記載の組成物。
- 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を含み、前記サイズ剤組成物が、少なくとも1種のシランカップリング剤とブロックトイソシアネートを含むポリウレタンフィルム形成剤とからなることを特徴とする、補強用繊維ストランド。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤が、ブロックトイソシアネートを含有するポリエステル系ポリウレタンフィルム形成剤及びブロックトイソシアネートを含有するポリエーテル系ポリウレタンフィルム形成剤から選ばれる、請求項9記載の補強用繊維ストランド。
- 前記少なくとも1種のシランカップリング剤が、アミノシラン、シランエステル、ビニルシラン、メタクリルオキシシラン、エポキシシラン、イオウシラン、ウレイドシラン、イソシアネートシラン及びこれらの組合せから選ばれる、請求項9記載の補強用繊維ストランド。
- 前記ブロックトイソシアネートが、107.2℃(225°F)〜176.7℃(350°F)の温度で脱ブロッキングする、請求項9記載の補強用繊維ストランド。
- 前記ブロックトイソシアネートが、110℃(230°F)〜165.6℃(330°F)の温度で脱ブロッキングする、請求項12記載の補強用繊維ストランド。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤が、前記ポリウレタンフィルム形成剤の同時又はほぼ同時の脱ブロッキングと硬化を可能にする温度で脱ブロッキングする、請求項9記載の補強用繊維ストランド。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤が、前記組成物中に、組成物全体の1.0〜10質量%の量で存在し;前記少なくとも1種のシランカップリング剤が、前記組成物中に、組成物全体の0.2〜1.0質量%の量で存在する、請求項9記載の補強用繊維ストランド。
- 強化複合物品の製造方法であって、下記の工程、
1.複数の繊細化ガラス繊維に、少なくとも1種のシランカップリング剤とブロックトイソシアネートを含む1種以上のフィルム形成剤とを含み、通常のサイズ剤適用物に典型的に含まれて、サイズ剤組成物に所望の性質又は特徴を与える添加剤を含まないサイズ剤組成物を適用する工程、
2.前記複数のガラス繊維を、所定数のガラス繊維を有するガラス繊維ストランドに集結させる工程、
3.前記ガラス繊維ストランドを細断して、個別の長さを有する湿潤チョップトガラス繊維バンドル(42)を形成させる工程、
4.前記湿潤チョップトガラス繊維バンドルを、誘電炉、流動床炉及び回転式熱トレー炉から選ばれる乾燥炉(46)内で乾燥させて、チョップトガラス繊維バンドル(10)を形成させる工程、
5.前記チョップト繊維バンドルを熱硬化性樹脂と混合して、チョップト繊維バンドルと熱硬化性樹脂との混合物を形成させる工程、及び、
6.チョップト繊維バンドルと熱硬化性樹脂との前記混合物を加熱モールド内に収容し、熱硬化性樹脂の硬化を行い、複合体製品を形成させる工程、
を有することを特徴とする方法。 - 前記乾燥工程が、前記湿潤チョップトガラス繊維バンドルを、流動床炉内で、148.9℃(300°F)〜260℃(500°F)の温度で乾燥させる工程を含む、請求項16記載の方法。
- 前記収容工程が、前記混合物を、加熱モールド内に、射出成形機によって射出する工程を含む、請求項17記載の方法。
- ブロックトイソシアネートを含む前記1種以上のポリウレタンフィルム形成剤が、前記ポリウレタンフィルム形成剤の同時又はほぼ同時の脱ブロッキングと硬化を可能にする温度で脱ブロッキングする、請求項16記載の方法。
- 前記ブロックトイソシアネートが、107.2℃(225°F)〜176.7℃(350°F)の温度で脱ブロッキングする、請求項16記載の方法。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤を、ブロックトイソシアネートを含むポリエステル系ポリウレタンフィルム形成剤及びブロックトイソシアネートを含むポリエーテル系ポリウレタンフィルム形成剤から選択する、請求項16記載の方法。
- 前記少なくとも1種のシランカップリング剤を、アミノシラン、シランエステル、ビニルシラン、メタクリルオキシシラン、エポキシシラン、イオウシラン、ウレイドシラン、イソシアネートシラン及びこれらの組合せから選択する、請求項16記載の方法。
- 強化複合物品の製造方法であって、下記の工程、
少なくとも1種のシランカップリング剤及びブロックトイソシアネートを含むポリウレタンフィルム形成剤からなる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チョップトガラスストランド(12)を、第1ポリマーフィルム上に付着させる工程、
第2ポリマーフィルムを前記チョップトガラス繊維上に置き、サンドイッチ材料を形成させる工程、及び、
前記サンドイッチ材料を成形して強化複合物品とする工程、
を有することを特徴とする方法。 - 下記の工程、
前記サイズ剤組成物を、複数の繊細化ガラス繊維に適用する工程、
前記複数のガラス繊維をガラス繊維ストランドとして集結させる工程、
前記ガラス繊維ストランドを細断して、個々の長さを有する湿潤チョップトガラス繊維バンドル(42)を形成させる工程、及び、
前記湿潤チョップトガラス繊維バンドルを、誘電炉、流動床炉及び回転式熱トレー炉から選ばれた乾燥炉(46)内で乾燥させ、前記チョップトガラスストランド(10)を形成させる工程、
を更に含む、請求項23記載の方法。 - 前記乾燥工程が、前記湿潤チョップトガラス繊維バンドルを、流動床炉内で、148.9℃(300°F)〜260℃(500°F)の温度で乾燥させる工程を含む、請求項24記載の方法。
- 前記サンドイッチ材料を混練して、前記ガラス繊維と前記第1及び第2ポリマーフィルムとを実質的に均一に分布させる工程を更に含む、請求項24記載の方法。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤が、前記ポリウレタンフィルム形成剤の同時又はほぼ同時の脱ブロッキングと硬化を可能にする温度で脱ブロッキングする、請求項24記載の方法。
- ブロックトイソシアネートを含む前記ポリウレタンフィルム形成剤を、ブロックトイソシアネートを含むポリエステル系ポリウレタンフィルム形成剤及びブロックトイソシアネートを含むポリエーテル系ポリウレタンフィルム形成剤から選択する、請求項23記載の方法。
- 前記少なくとも1種のシランカップリング剤を、アミノシラン、シランエステル、ビニルシラン、メタクリルオキシシラン、エポキシシラン、イオウシラン、ウレイドシラン、イソシアネートシラン及びこれらの組合せから選択する、請求項23記載の方法。
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