JP2012067170A

JP2012067170A - 繊維補強樹脂組成物

Info

Publication number: JP2012067170A
Application number: JP2010212234A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nagase; 諭司長瀬; Fuyuki Terasaka; 冬樹寺阪
Original assignee: Teijin Fibers Ltd
Current assignee: Teijin Frontier Co Ltd
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】剛性および耐衝撃性に優れた繊維補強樹脂組成物を提供すること。
【解決手段】ポリカーボネート繊維と樹脂からなる繊維補強樹脂組成物であって、該ポリカーボネート繊維の単糸繊度が１〜２０ｄｔｅｘであり、強度３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上かつ伸度２２．５％以上であり、繊維補強樹脂組成物中のポリカーボネート繊維含有率が１０〜７０重量％の範囲である繊維補強樹脂組成物。さらには、ポリカーボネート繊維があらかじめ表面処理されたものであることや、ポリカーボネート繊維が織編物を構成していることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、ポリカーボネート繊維により補強された繊維補強樹脂組成物に関する。

現在、さまざまな合成繊維により補強された樹脂組成物が使用されている。これは合成樹脂を繊維状に加工した合成繊維を補強材に用いることにより、その合成樹脂の本来的に有する高い強度等の物性を引き出し、補強材として活用せんとするものである。

しかしポリカーボネート樹脂は工業用用途としてはさまざまな形状にて使用されているものの、繊維状に加工したり、ポリカーボネート繊維補強樹脂組成物としては、あまり用いられていないのが現状である。これは、ポリカーボネート樹脂を用いた繊維については、これまでに種々の構成のものが提案されてはいるものの、ポリカーボネート樹脂が吐出直後に脆化し糸切れを起こしやすいために、工業的に効率よく製造できないという問題があったからである。特に樹脂補強用途としては、体積に比して表面積の大きい細繊度の繊維が有用であるが、このような細繊度の、かつ高物性のポリカーボネート繊維は、なかなか得られないのが実情であった。

この問題の解決法としては、例えば特許文献１では、ポリカーボネートとポリプロピレンを均一に混合溶融し、溶融紡糸して得られる繊維が提案されている。この技術によれば、ポリカーボネート成分中に発生したクレイズの伝播や発生そのものを、混合溶融されたポリプロピレンが阻止することにより、ポリカーボネート繊維の脆化を抑制する効果が謳われている。しかし、このような複合繊維では元来ポリカーボネートが有する耐熱性や機械的特性および透明性といった特徴を阻害してしまい、高物性の補強用に適したポリカーボネート繊維を得ることができない。

一方、ポリカーボネートを単独で脆化を抑制しつつ製糸する技術としては、例えば特許文献２には、溶融されたポリカーボネートを、ノズル吐出口から、３５℃以上、ポリカーボネートのガラス転移点温度未満、の雰囲気温度下で、かつ温風雰囲気中に吐出することでポリカーボネートの脆化を抑制した製糸方法が開示されている。

しかしながら、この特許文献２記載の技術では、細繊度のポリカーボネート繊維こそ得られているものの、最終的にはシート状の不織布の製造を目的とした技術であって、工業用繊維として十分な繊度や機械的特性を満たしていないという問題があった。例えばその好ましい態様としてはポリカーボネート成分を芯成分とし、他の熱可塑性ポリマー成分を鞘成分とすることにより、芯成分のポリカーボネート繊維を鞘成分が被覆し、芯成分のポリカーボネート成分の温度低下を防止し、脆化現象を抑制する技術が記載されているが、このような芯鞘構造繊維では、元来ポリカーボネートが有する耐熱性や機械的特性および透明性といった特徴を阻害してしまい、樹脂補強用繊維として使用する高物性のポリカーボネート繊維を得ることはできないという問題があった。

このように、現状では樹脂組成物の補強材料としてのポリカーボネート繊維は十分な発明がなされておらず、結局のところ、ポリカーボネート繊維により補強された十分な物性を有する繊維補強樹脂組成物は得られていなかったのである。しかし、元来、ポリカーボネートは耐熱性や剛性、耐衝撃性ならびに寸法安定性といった樹脂補強材料として有用な基本的物性を有しており、その基本的物性に優れた繊維を補強材として用いた繊維補強樹脂組成物の発明は有用であり、期待されていたのである。

特開昭５１−０７２６１０号公報特開２００９−０８４７３６号公報

本発明は、剛性および耐衝撃性に優れた繊維補強樹脂組成物を提供することにある。

本発明の繊維補強樹脂組成物は、ポリカーボネート繊維と樹脂からなる繊維補強樹脂組成物であって、該ポリカーボネート繊維の単糸繊度が１〜２０ｄｔｅｘであり、強度３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上かつ伸度２２．５％以上であり、繊維補強樹脂組成物中のポリカーボネート繊維含有率が１０〜７０重量％の範囲であることを特徴とする。
さらには、ポリカーボネート繊維があらかじめ表面処理されたものであることや、ポリカーボネート繊維が織編物を構成していることが好ましい。

本発明によれば、剛性および耐衝撃性に優れた繊維補強樹脂組成物が提供される。

本発明の繊維補強樹脂組成物は、ポリカーボネート繊維と樹脂からなる繊維補強樹脂組成物である。そしてこの本発明において用いられるポリカーボネート繊維に用いられるポリカーボネートポリマーとしては、汎用的なポリカーボネートポリマーであればいずれも用いることができる。また、ポリカーボネートポリマー中に少量であれば、適当な第３成分を含む共重合体であっても差し支えなく、基本的には繊維の８０重量％以上がポリカーボネートからなることが好ましいが、ポリカーボネートの高いポリマー物性を活かすためには、できるだけポリカーボネートポリマーの比率が高いことが良く、ホモポリマーであることが最も好ましい。

本発明に用いられるポリカーボネート繊維は、その一本の単繊維の繊度としては１〜２０ｄｔｅｘであることが必要だが、さらには５〜１５ｄｔｅｘの範囲であることが好ましい。このような細繊度の繊維であるために、強度と柔軟性が両立した補強用繊維に適した物性を確保できるようになった。

またこの補強用のポリカーボネート繊維はその強度が３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上かつ伸度が２２．５％以上であることを必須とする。強度としては８．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以下、さらには３．２〜６．０ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲であることが好ましい。伸度としては５０％以下、さらには２５〜４０％の範囲であることが好ましい。ちなみに繊維においては強度と伸度は反比例の関係にあることが多いが、本発明に用いられるポリカーボネート繊維は強度、伸度の両方の値が上記範囲内であることが必要である。

さらにこの補強用のポリカーボネート繊維はその「強度」と「伸度の平方根」との積であるタフネスが１５以上であることが好ましい。通常先に述べたように、繊維においては強度と伸度は反比例の関係にあることが多いが、本発明に用いられるポリカーボネート繊維はそのバランスに優れ、従来の細繊度繊維よりも強度、伸度の両方の値が高くなっており、「強度」と「伸度の平方根」の積で定義あれるタフネスの値は１５以上であることが好ましく、さらには１６〜２０の範囲にあることが好ましい。

強度が低すぎる場合には樹脂組成物を十分に補強することができなくなる可能性があり、高すぎる場合には延伸工程で断糸しやすい傾向にあり、その繊維を用いた繊維補強樹脂組成物の品質安定性を確保できなくなる傾向にある。また、伸度については強度とのバランスが重要となるが、極力溶融温度を低く設定するなどの製造方法を採用することによりポリマーの熱分解が抑制され、高タフネス化（高強度、高伸度）繊維を得ることができる。このような高タフネスなポリカーボネート繊維を補強材として用いることで、最終的な樹脂組成物の剛性や耐衝撃性の向上をはかることができたのである。

さらに本発明の繊維補強樹脂組成物中のポリカーボネート繊維含有率は１０〜７０重量％の範囲であること必須とする。さらには２０重量％以上５０重量％以下であることが好ましい。繊維の含有率は低すぎても高すぎても繊維補強樹脂組成物としての剛性や耐衝撃性が低くなる。また繊維の含有率によって繊維補強樹脂組成物の重量も変化してくるため、詳細な調製においては、繊維補強樹脂組成物として必要な機械的特性と重量や外観とのバランスで繊維の割合を決定しなければならない。

そして本発明において、上記ポリカーボネート繊維を樹脂組成物の補強に用いる形態としては短繊維状に切断して樹脂内に分散してもよく、また基布にして樹脂内に浸漬されてもよい。ここで用いられる基布の形態としては、織物、編物、不織布など任意のものを採用することができるが、強度、および経方向、緯方向のバランスの面から、平織物であることがもっとも好ましい。

基布として用いる場合、ポリカーボネート繊維の総繊度としては、３００ｄｔｅｘ以上３０００ｄｔｅｘ以下のマルチフィラメントポリカーボネート繊維であることが好ましい。また総フィラメント数としては１０〜２０００本程度であることが好ましく、さらには２０〜５００本程度であることが好ましい。総繊度は大きいほど、樹脂補強とされる際の補強効果や樹脂接着において効率的とはなるが、逆に樹脂組成物中での分布に偏りが生じる傾向にある。また、単糸繊度や総繊度が高すぎるとポリマーの吐出量が増加することで口金から吐出される際に持ち込む熱量が増えてしまい、ポリマーが口金下で冷却不十分となり、紡糸が困難になり、最終的に繊維や繊維樹脂補強用樹脂組成物の物性が低下する傾向にある。
そしてこのような本発明に用いるポリカーボネート繊維は、例えば次のような製造方法にて得ることが可能である。

本発明に用いられるこのようなポリカーボネート繊維は、ポリカーボネートポリマーを溶融紡糸することによって得ることができるものである。このときの溶融温度としては、２８０℃以上３２０℃未満、さらには３００℃以上３１５℃以下であることが好ましい。溶融温度が低すぎると口金上部の圧力が高くなりすぎ、製糸性が悪化する懸念が生じる。逆に溶融温度が高すぎるとポリマーの熱分解が促進され、強度低下やタフネスの減少が考えられる。また、紡糸口金から吐出された直後のポリカーボネートポリマーは脆化しやすく、単糸切れを発生しやすいため、加熱紡糸筒をもちいて遅延冷却させることが好ましい。加熱紡糸筒の長さは１００ｍｍ以上８００ｍｍ以下が好ましく、特には２００ｍｍ〜５００ｍｍの範囲であることが好ましい。長い加熱紡糸筒ほど遅延冷却効果が得られやすい傾向にある。さらには加熱紡糸筒に２５０℃以上４５０℃以下の加温を施すことは、遅延冷却効果を得るに効果的であり、好ましくは３００℃以上４００以下であることが好ましい。加熱紡糸筒が短すぎる場合や温度が低すぎる場合は、口金から吐出されたポリカーボネートポリマーの脆化が起こりやすくなり、逆に加熱紡糸筒が長く高温すぎる場合はポリカーボネートポリマーの冷却が不十分になり、紡糸が困難になる。

そしてこの遅延冷却の効果をより発揮させるためには、紡糸後の引き取り速度が３００ｍ／分以上８００ｍ／分以下の範囲とすることが好ましい。さらに直接延伸法を用い、延伸後の巻き取り速度が１０００ｍ／分以上４０００ｍ／分以下であることが好ましい。このように繊維に対して連続して高速処理を行うことにより、繊維の温度を低下させずに、脆化の発生もより有効に防止しうる。

本発明にて用いる繊維を得るためには、このようにして溶融ポリマーを紡糸口金から吐出成形した後、さらに延伸する方法が、高効率の生産が行える点から好ましい。紡糸後に連続して延伸することによって、より高強度のポリカーボネート繊維を得ることが可能となる。さらには、延伸を複数回に分け、各延伸段階で最適な温度下で延伸することは、強度やモジュラスを向上させる点から好ましい。本発明では、引取ローラーと第１延伸ローラーとの間において、熱セット温度が６０℃以上１２０℃以下であり、第１延伸時の第１延伸ローラーと第２延伸ローラー間において、熱セット温度が６０℃以上１２０℃以下であり、第２延伸時の第２延伸ローラーと第３延伸ローラー間において、熱セット温度が６０℃以上１６０℃以下であり、その後の延伸も含めた総延伸倍率を２倍以上６倍以下とすることが、毛羽や断糸などが起こり難く、より高タフネスなポリカーボネート繊維を製糸性よく得るためには好ましい条件である。

さらには、延伸速度は１０００ｍ／分以上４０００ｍ／分以下であることが好ましい。このように延伸速度を高く保つことにより工程途中での繊維の温度低下を防止し、一定条件で、高い温度を保ったままの処理を行うことが可能となる。

本発明の繊維補強樹脂組成物は、上記のような方法にて得られる単糸繊度が１〜２０ｄｔｅｘであり、強度３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、伸度２２．５％以上であるポリカーボネート繊維と樹脂からなる繊維補強樹脂組成物であって、繊維補強樹脂組成物中のポリカーボネート繊維含有率が１０〜７０重量％の範囲であるものである。

ここで本発明の繊維補強樹脂組成物に用いられる樹脂としては、熱可塑性樹脂であっても熱硬化性樹脂であってもよく、用途によって任意に定めることができる。例えば、熱可塑性樹脂の種類としては、ＡＢＳ、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンエーテル、ナイロン、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ウレタン、フッ素樹脂などが挙げられ、一方熱硬化性樹脂の種類としては、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂などを挙げることができる。

また、ポリカーボネート繊維と上記樹脂との接着性を高めることは、繊維補強樹脂組成物の機械的特性を向上させるために有用であり、本発明に用いられるポリカーボネート繊維はあらかじめ表面処理されたものであることが好ましい。表面処理としては、ポリカーボネート繊維と上記樹脂との接着性を高めるために、ポリカーボネート繊維またはポリカーボネート繊維から成る基布に表面処理剤や接着剤を含浸させてもよいが、製糸の段階でこれらを付与する方法が効率的であり、コストの面からも有利である。ここで使用する表面処理剤や接着剤としては、使用する樹脂種によって任意に定めればよく、特に限定されないが、例えばエポキシ系の表面処理剤などが好ましく用いられる。繊維に対する付着量としては０．１〜５重量％程度であることが好ましい。

このような本発明の繊維補強樹脂組成物は、剛性が高く、耐衝撃性に優れた特長を持ち、バンパーなどの自動車用の内外装部品、コンクリートパネルや防音壁の如き土木建築資材、パレットやコンテナなどの輸送部品、椅子や机などの家具部品などに有効に活用できる。

本発明をさらに下記実施例により具体的に説明するが、本発明の範囲はこれら実施例により限定されるものではない。また各種特性は下記の方法により測定した。

（ア）繊維の強伸度及び中間荷伸
万能試験機オートグラフ（島津製作所製）を用い、ＪＩＳＬ１０１３に準拠した方法にて引張試験を実施した。尚、中間荷伸は強度４ｃＮ／ｄｔｅｘ時の伸度を表した。

（イ）繊維含有率
積層する繊維と作製後の樹脂板の重量を測定し、その比率にて算出した。

（ウ）樹脂板の曲げ強度、歪み
卓上万能材料試験機５５６５型（インストロン社製）を用いて、ＪＩＳＫ７０７４に準拠した方法にて3点曲げ試験を実施した。

（エ）樹脂板の耐衝撃性
デジタル衝撃試験機ＤＧ−ＣＢ（東洋精機製作所製）を用いて、ＪＩＳＫ７０７７に準拠した方法にてシャルピー衝撃試験を実施した。

［実施例１］
ポリカーボネートチップを、窒素雰囲気下１３０℃にて８時間乾燥した。これをポリマー溶融温度３１３℃にて口径直径０．４ｍｍ、３６孔数の紡糸口金より紡出し、口金直下に具備した長さ３００ｍｍの４００℃に加熱した円筒状加熱帯を通じ、次次いで脂肪族エステル化合物を主体成分とする油剤を、繊維の油剤付着量が０．５％となるように油剤付与したのち、ローラーにて５００ｍ／ｍｉｎの速度で引き取った。
この吐出糸条を一旦巻き取ることなく引き続いて連続的に合計２．７４倍の２段延伸と１２０℃熱セットを行い、５１８デシテックス／３６フィラメントのポリカーボネートマルチフィラメントを得た。得られたポリカーボネートマルチフィラメントの強度は３．２６ｃＮ／ｄｔｅｘ、伸度２６．５％でタフネスは１６．８であった。毛羽欠点もなく、製糸性に優れたものであった。
上記製法によって得られたポリカーボネート繊維を経緯共に使用した平織布（密度４０本／２．５４ｃｍ（インチ）、目付１７５ｇ／ｍ^２）を作成した。この基布とエポキシ樹脂を交互に４枚積層し、厚さ２．５ｍｍとなるように固定した後、常温硬化した。得られたポリカーボネート繊維補強樹脂組成物は目付が２７８５ｇ／ｍ^２であった。
このポリカーボネート繊維補強樹脂組成物について、曲げ強度・歪み・弾性率および衝撃強度の測定を行った。得られたポリカーボネート繊維補強樹脂組成物の物性を表１に示す。

［実施例２］
実施例１において製糸時に付着量０．５％となるようにエポキシ接着剤を付着したポリカーボネート繊維を用いたこと以外は実施例１と同様に実施した。このとき得られたポリカーボネート繊維補強樹脂組成物の目付は３１４６ｇ／ｍ^２であった。得られた結果を表１に併せて示す。

［比較例１］
実施例１において繊維をポリエチレンテレフタレート繊維としたこと以外は実施例１と同様に実施し、目付け２８５２ｇ／ｍ^２の繊維補強樹脂組成物を得た。得られた結果を表１に併せて示す。

Claims

ポリカーボネート繊維と樹脂からなる繊維補強樹脂組成物であって、該ポリカーボネート繊維の単糸繊度が１〜２０ｄｔｅｘであり、強度３．０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上かつ伸度２２．５％以上であり、繊維補強樹脂組成物中のポリカーボネート繊維含有率が１０〜７０重量％の範囲であることを特徴とする繊維補強樹脂組成物。
ポリカーボネート繊維があらかじめ表面処理されたものである請求項１記載の繊維補強樹脂組成物。
ポリカーボネート繊維が織編物を構成している請求項１または２記載の繊維補強樹脂組成物。