JP2011252113A - 炭素繊維強化ポリ−4−メチル−1−ペンテン複合材料およびその成形体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテンと、前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテンの官能基と反応可能な基が導入されるように表面処理された炭素繊維とを含む、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテンは、ポリ-4-メチル-1-ペンテンをグラフト変性したものであることが好ましく、炭素繊維の表面処理は、サイジング処理であることが好ましい。
【選択図】図2
Description
[1] 官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)と、前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)の官能基と反応可能な基が導入されるように表面処理された炭素繊維(C)とを含む、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
[2] 前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)が、ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)を、前記官能基を有するエチレン性不飽和結合含有モノマーでグラフト変性した変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)である、[1]に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
[3] 前記ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)が、以下の(A−i)および(A−ii)の要件を満たす、[2]に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
(A−i)ASTM D1238に準じて、測定温度260℃、荷重5kgfの条件下にて測定されたメルトフローレートが1〜500g/10minであること
(A−ii)融点(Tm)が220〜250℃であること
[4] 前記変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)が、以下の(D−i)〜(D−iii)の要件を満たす、[2]または[3]に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
(D−i)融点(Tm)が200〜240℃であること
(D−ii)変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)中のエチレン性不飽和結合含有モノマーグラフト量が0.1〜10重量%であること
(D−iii)135℃、デカリン中での極限粘度[η]が0.2〜4dl/gであること
[6] 前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)の官能基が、カルボキシル基、酸無水物基またはこれらの誘導基を有する、[1]〜[5]のいずれかに記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
[7] 前記表面処理が、エポキシ系ポリマー、ナイロン系ポリマーまたはウレタン系ポリマーを用いたサイジング処理である、[1]〜[6]のいずれかに記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
[9] 前記炭素繊維(C)が炭素繊維基布であり、前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)が前記炭素繊維基布に含浸されている、[1]〜[7]のいずれかに記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
(i)ASTM D1238に準じて、測定温度260℃、荷重5kgfの条件下にて測定されたメルトフローレートが、10〜200g/10minであること
(ii)融点(Tm)が220℃以上であること
[11] 前記[1]〜[10]のいずれかに記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料からなる成形体。
官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)は、モノマー単位として4-メチル-1-ペンテンユニットを含むポリオレフィンであって、官能基を含有するポリマーをいう。官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)のオレフィンユニット(モノマーユニット)のうち、50〜100モル%が4-メチル-1-ペンテンユニットであることが好ましい。他のオレフィンユニットは、特に限定されないが、炭素原子数3〜20のオレフィンなどでありうる。
a)チーグラー・ナッタ触媒やメタロセン触媒などの公知のオレフィン重合用触媒の存在下で、4-メチル-1-ペンテンを含む炭化水素系オレフィンと官能基含有オレフィンとを共重合する方法
b)ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)をエチレン性不飽和結合含有モノマーでグラフト変性する方法
官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)の製法である方法b)におけるポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)は、4-メチル-1-ペンテンの単独重合体であってもよく、4-メチル-1-ペンテンと他のモノマーとの共重合体などであってもよい。ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)が共重合体である場合、共重合体を構成する4-メチル-1-ペンテンに由来する単位の含有量は95モル%以上、好ましくは98モル%以上である。
これらのうち、トリエチルアルミニウムおよびトリイソブチルアルミニウムなどのアルキルアルミニウムが好ましい。
変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)は、後述する表面処理された炭素繊維(C)が有する基との反応性を有する官能基を1種以上有することを特徴とする。変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)が有する官能基の例には、ハロゲン原子、カルボキシル基、酸無水物基、エポキシ基、水酸基、アミノ基、アミド基、イミド基、エステル基、アルコキシシラン基、酸ハライド基、芳香族環、およびニトリル基等が挙げられ;特にカルボキシル基や酸無水基またはこれらの誘導基であることが好ましい。誘導基とは、アミド基、エステル基、酸ハライド基などをいう。
ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)をグラフト変性させるためのエチレン性不飽和結合含有モノマーは、1分子内にラジカル重合可能なエチレン性不飽和結合と、1種類以上の官能基とを併せ持つ化合物である。官能基は、表面処理された炭素繊維(C)が有する官能基との反応性を有する官能基である。官能基は、通常極性基であり;官能基の例には、ハロゲン原子、カルボキシル基、酸無水物基、エポキシ基、水酸基、アミノ基、アミド基、イミド基、エステル基、アルコキシシラン基、酸ハライド、芳香族環およびニトリル基などが含まれる。特にカルボキシル基や酸無水基またはこれらの誘導基であることが好ましい。誘導基とは、アミド基、エステル基、酸ハライド基などをいう。
ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)のグラフト変性に用いられる有機過酸化物の例には、1,1-ビス(t-ブチルペルオキシ)-3,3,5-トリメチルシクロヘキサン、1,1-ビス(t-ブチルペルオキシ)シクロヘキサン、2,2-ビス(t-ブチルペルオキシ)オクタン、n-ブチル-4,4-ビス(t-ブチルペルオキシ)バラレートおよび2,2-ビス(t-ブチルペルオキシ)ブタンなどのペルオキシケタール類;ジ-t-ブチルペルオキシド、ジクミルペルオキシド、t-ブチルクミルペルオキシド、α,α'-ビス(t-ブチルペルオキシ)ジイソプロピルベンゼン、2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルペルオキシ)ヘキサンおよび2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルペルオキシ)ヘキシン-3などのジアルキルペルオキシド類;アセチルペルオキシド、イソブチルペルオキシド、オクタノイルペルオキシド、デカノイルペルオキシド、ラウロイルペルオキシド、3,5,5-トリメチルヘキサノイルペルオキシド、ベンゾイルペルオキシド、2,5-ジクロロベンゾイルペルオキシドおよびm-トリオイルペルオキシドなどのジアシルペルオキシド類;t-ブチルオキシアセテート、t-ブチルペルオキシイソブチレート、t-ブチルペルオキシ-2-エチルヘキサノエート、t-ブチルペルオキシラウリレート、t-ブチルペルオキシベンゾエート、ジ-t-ブチルペルオキシイソフタレート、2,5-ジメチル-2,5-ビス(ベンゾイルペルオキシ)ヘキサン、t-ブチルペルオキシマレイックアシッド、t-ブチルペルオキシイソプロピルカーボネート、クミルペルオキシオクテートなどのペルオキシエステル類;ジ(2-エチルヘキシル)ペルオキシジカーボネートおよびジ(3-メチル-3-メトキシブチル)ペルオキシジカーボネートなどのペルオキシジカーボネート類;ならびにt-ブチルハイドロペルオキシド、クメンハイドロペルオキシド、ジイソプロピルベンゼンハイドロペルオキシド、2,5-ジメチルヘキサン-2,5-ジハイドロペルオキシドおよび1,1,3,3-テトラメチルブチルハイドロペルオキシドなどのハイドロペルオキシド類などが挙げられる。
本発明の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料は、官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)と、表面処理された炭素繊維(C)とを含む。表面処理された炭素繊維(C)(以下単に「炭素繊維(C)」ともいう)は、前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)の官能基と反応可能な基が導入されるように表面処理された炭素繊維である。
炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料にはエラストマーを添加してもよい。それにより耐衝撃性を向上させうる。エラストマーとしては、プロピレン・α-オレフィンブロック共重合体、エチレン・α-オレフィンランダム共重合体、エチレン・α-オレフィン・非共役ポリエンランダム共重合体、水素添加プロピレン・α-オレフィンブロック共重合体およびその他の弾性重合体、ならびにこれらの混合物などが挙げられる。α-オレフィンの例には、ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)の共重合体成分として述べたα-オレフィンと同様のものが含まれる。これらのα-オレフィンは一種単独で使用してもよいし、二種以上を組み合わせて使用してもよい。
本発明の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料は、例えば、官能基含有ポリ-4-メチル-1−ペンテン(B)と、炭素繊維(C)と、他の任意成分とを溶融混練して得られる。混練の手段は、特に制限されず、押出機などの溶融混練装置を用いて行えばよい。
[工程1]プロピレン、あるいは、プロピレンと、エチレンおよび/または炭素原子数4以上のα−オレフィンとを公知のオレフィン重合用触媒の存在下で(共)重合し、プロピレン単独重合体またはプロピレン・α−オレフィン共重合体を製造する工程。
[工程2]プロピレンと、エチレンおよび/または炭素原子数4以上のα−オレフィンとを公知のオレフィン重合用触媒の存在下で共重合して、工程1よりもエチレンおよび/またはα−オレフィンが多く含まれるプロピレン・α−オレフィン共重合体を製造する工程。
本発明の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料は、成形体に加工されうる。成形体への加工手段は特に制限されず、混練や含浸により得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料のペレットを、射出成形や圧縮成形などで成形加工したりして加工すればよい。
(1)ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)
三井化学株式会社製、商標名:TPX、銘柄名:DX810UP(融点:233℃ MFR(ASTM D1238、260℃、5kgf):5g/10min)
(2)エチレン性不飽和結合含有モノマー
無水マレイン酸(製品名:クリスタルMAN、日本油脂株式会社製、化学式C4H2O3)
(3)有機過酸化物
2,5-ジメチル-2,5-ビス(t-ブチルペルオキシ)ヘキシン-3(製品名:パーへキシン25B、日本油脂株式会社製、化学式C19H30O4)
(4)炭素繊維(C)
以下の炭素繊維の繊維を用いた。いずれも6000本の繊維束として市販されているものを用いた。
1)ナイロンサイジング処理物(HTA-C6-N、東邦テナックス株式会社製)
2)エポキシサイジング処理物(HTA-C6-S、東邦テナックス株式会社製)
3)ウレタンサイジング処理物(HTA-C6-US、東邦テナックス株式会社製)
4)サイジング未処理物(引張強度3920MPa,引張弾性率235GPaの炭素繊維)
(1)MFR
ASTM D1238に準拠して、260℃、5kgf荷重下で測定した。
(2)融点(Tm)
JIS−K7121に準拠して、30〜280℃の温度範囲において窒素雰囲気下で測定した。この時、昇温速度、及び、冷却速度は、それぞれ10℃/minとした。
(3)炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料の各試験片を作製するための射出成形条件
射出成形機:日精30トン(φ=19mm)
射出温度:280℃、金型温度:60〜80℃、冷却時間:15秒
試験片の種類:引張試験片、曲げ試験片、IZOD衝撃試験片(ノッチ有り)、熱変形温度試験片
(4)引張試験
ASTM−D638に準拠して、40mmのチャック間距離、及び、1mm/minのクロスヘッド速度で測定した。
(5)曲げ試験
ASTM−D790に準拠して、50mmのスパン長さ、及び、1mm/minのクロスヘッド速度で測定した。
(6)Izod衝撃試験
ASTM−D256に準拠して、3.92Jのハンマー容量(40kgf−cm、空振り角度=148.9度)にて測定した。
(7)熱変形速度測定試験
ASTM−D648に準拠して、以下の条件にて測定を実施した。
荷重条件=1.8MPa、スパン長さ=50mm、
たわみ量=0.26mm、昇温速度=120℃/hour
(8)モルフォロジー観察
引張試験片の中心部をTD方向に切り出し、光学顕微鏡による断面観察を行った(実施例1のみ)。それにより、炭素繊維の分散の様子を確認した。また、引張試験後の破断面観察を走査型電子顕微鏡(日本電子(株):JSM6380)にて行った(実施例1および比較例2)。
変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)の合成
上記ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)100重量部と、エチレン性不飽和結合含有モノマー0.04重量部、有機過酸化物0.002重量部とを、2軸押出機(φ=45mm,L/D=30)、シリンダ温度:270℃で溶融混練を3分行い、変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)を得た。得られた変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)の融点(Tm)は232℃であり、エチレン性不飽和結合含有モノマーグラフト量は、変性反応に用いたエチレン性不飽和結合含有モノマーの仕込み量から推定した算出値で0.04重量%であり、135℃、デカリン中での極限粘度[η]は2.5dl/gであった。
合成例1で得られた変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)と、炭素繊維(C)としてHTA-C6-N(ナイロンサイジング処理物)とを、80/20wt%との組成比にて、2軸押出機(φ=15mm、L/D=30、炭素繊維:トップフィード投入、窒素ガスパージ使用、シリンダ温度:290℃)で混練を3分間行い、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料1を得た。得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料1から射出成形により各試験片を得た。各試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。また、図1には、試験片の断面写真を示す。図1の写真の横軸はTD方向である。図2および図3には、引張試験における試験片の引張は界面のSEM写真を示す。図2の拡大倍率は1000倍、図3の拡大倍率は5000倍である。
炭素繊維(C)としてHTA-C6-S(エポキシサイジング処理物)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料2を得た。得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料2の各試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。
炭素繊維(C)としてHTA-C6-US(ウレタンサイジング処理物)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料3を得た。得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料3の各試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。
ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)のみからなる樹脂から射出成形により各試験片を得た。各試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。
変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)に代えてポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料4を得た。得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料4の試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。また、図4および図5には、引張試験における試験片の引張は界面のSEM写真を示す。図4の拡大倍率は1000倍、図5の拡大倍率は5000倍である。
変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)に代えてポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)を用い、かつ炭素繊維(C)としてHTA-C6-N(ナイロンサイジング処理)に代えてサイジング未処理物を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料5を得た。得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料5の各試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。
炭素繊維(C)としてHTA-C6-N(ナイロンサイジング処理)に代えてサイジング未処理物を用いた以外は、実施例1と同様の方法により、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料6を得た。得られた炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料6の試験片のMFR、融点、引張強度、引張伸び、曲げ強度、曲げ弾性率、Izod衝撃値、熱変形温度を測定した結果を表1にまとめた。
Claims (11)
- 官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)と、前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)の官能基と反応可能な基が導入されるように表面処理された炭素繊維(C)とを含む、炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)が、ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)を、前記官能基を有するエチレン性不飽和結合含有モノマーでグラフト変性した変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)である、請求項1に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 前記ポリ-4-メチル-1-ペンテン(A)が、以下の(A-i)および(A-ii)の要件を満たす、請求項2に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
(A-i)ASTM D1238に準じて、測定温度260℃、荷重5kgfの条件下にて測定されたメルトフローレートが1〜500g/10minであること
(A-ii)融点(Tm)が220〜250℃であること - 前記変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)が、以下の(D-i)〜(D-iii)の要件を満たす、請求項2または3に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1−ペンテン複合材料。
(D-i)融点(Tm)が200〜240℃であること
(D-ii)変性ポリ-4-メチル-1-ペンテン(D)中のエチレン性不飽和結合含有モノマーグラフト量が0.1〜10重量%であること
(D-iii)135℃、デカリン中での極限粘度[η]が0.2〜4dl/gであること - 前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)と前記炭素繊維(C)との質量比が、(B):(C)=10:90〜90:10の割合である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)の官能基が、カルボキシル基、酸無水物基またはこれらの誘導基を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 前記表面処理が、エポキシ系ポリマー、ナイロン系ポリマーまたはウレタン系ポリマーを用いたサイジング処理である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)と前記炭素繊維(C)とは、溶融混練されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 前記炭素繊維(C)が炭素繊維基布であり、前記官能基含有ポリ-4-メチル-1-ペンテン(B)が前記炭素繊維基布に含浸されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
- 下記要件(i)および(ii)を満たす、請求項1〜9のいずれか一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料。
(i)ASTM D1238に準じて、測定温度260℃、荷重5kgfの条件下にて測定されたメルトフローレートが、10〜200g/10minであること
(ii)融点(Tm)が220℃以上であること - 請求項1〜10のいずれかに一項に記載の炭素繊維強化ポリ-4-メチル-1-ペンテン複合材料からなる成形体。
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