JP2018162363A - ポリアミド複合材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
したがって本発明の課題は、ラクタム類のアルカリ重合によるポリアミドの製造方法においてナノレベル(1μm以下)の充填剤を実用可能に分散させることにある。
(1)ラクタム類をアルカリ触媒および開始剤の存在下で重合するに際し、寸法のいずれかが1μm以下である固体充填剤を該ラクタム類において分散配合させた状態で重合することを特徴とするポリアミド複合材料の製造方法。
(2)前記固体充填剤がカーボンブラック、カーボンナノチューブおよびセルロースナノファイバーからなる群から選ばれる、上記(1)記載のポリアミド複合材料の製造方法。
(3)得られたポリアミド複合材料を熱プレス機で圧縮成型させ厚さ30μmのフィルムにして透過式顕微鏡で観察した場合に、該フィルムに存在する前記固体充填剤の直径5μm以上の球状の凝集塊が存在しない、上記(1)または(2)記載のポリアミド複合材料の製造方法。
(4)前記ラクタム類がカプロラクタムまたはラウロラクタムである、上記(1)記載のポリアミド複合材料の製造方法。
(5)前記固体充填剤がカーボンブラックまたはカーボンナノチューブであって、前記重合後のポリアミド複合材料を熱プレス機で厚さ1mmディスク状に圧縮成型させる工程を含み、得られたディスクの表面抵抗が1×1014Ω/□以下である、上記(1)〜(4)のいずれか1項に記載のポリアミド複合材料の製造方法。
(ラクタム類)
原料のラクタム類としては、ブチロラクタム、カプロラクタム、ラウロラクタム、エナントラクタム、バレロラクタム、カプリルラクタム、ラウリンラクタム、ウンデカノラクタム、等が挙げられる。なかでもカプロラクタム、ラウロラクタムが好ましい。これらのラクタム類は市販品として入手することができ、また単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
アルカリ触媒としては、ラクタム類のアルカリ重合法で使用される公知の化合物を用いることができる。その具体例として、アルカリ金属、アルカリ土類金属、それらの金属の水素化物、酸化物、水酸化物、アルキル化物またはグリニャール化合物、ならびにこれらとラクタム類との反応生成物、等が挙げられる。なかでも、特開平7−62089号公報に記載のアルカリ性金属ラクタメートをアルカリ触媒として使用することが好ましい。アルカリ性金属ラクタメートの具体例としては、カリウムピロリドン、ナトリウムピロリドン、カリウムカプロラクタム、ナトリウムカプロラクタム、ブロムマグネシウムカプロラクタム、クロルマグネシウムカプロラクタム等が挙げられる。アルカリ触媒の使用量は、原料のラクタム類に対して0.05〜10モル%、特に0.2〜5モル%の範囲であることが好ましい。
開始剤としては、ラクタム類のアルカリ重合法で使用される公知の化合物を用いることができる。その具体例として、N−アシルラクタム、有機イソシアネート、カルボジイミド、ケテン、酸塩化物、酸無水物、尿素誘導体、等が挙げられる。開始剤の使用量は、原料のラクタム類に対して0.03〜10モル%、特に0.1〜5モル%であることが好ましい。なお、重合温度を高めることで開始剤を添加しなくても所期のポリアミド複合材料を製造することは可能である。
本発明においてラクタム類に分散配合される固体充填剤としては、所期の目的に合わせて、寸法のいずれかが1μm以下であるいずれの固体充填剤を用いてもよい。その具体例として、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、セルロースナノファイバー、その他の各種ナノ粒子、ナノフィラーが挙げられる。
アルカリ触媒は水分により容易に分解するため、本発明で使用するラクタム類、アルカリ触媒、開始剤および固体充填剤は乾燥したものを用いることが好ましい。すなわち、水分量は配合時点で実現可能なレベルにまで低減されていることが好ましく、具体的には1000ppm以下、さらには500ppm以下であることがより好ましい。
本発明によりラクタム類を重合する手順としては、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中で、ラクタム類に所定量のアルカリ触媒、開始剤および固体充填剤を配合し、均一に混合しながら当該ラクタム類の融点以上に加熱することで重合を開始させることができる。また、ラクタム類およびアルカリ触媒からなる溶融成分Aと、ラクタム類および開始剤からなる溶融成分Bと、ラクタム類および固体充填剤からなる溶融成分Cとを別々に調製してから、これら成分A〜Cを混合することで重合を開始させてもよい。重合温度は、使用する原材料や目的のポリアミド複合材料の物性にもよるが、概ね100℃〜300℃の範囲内にあればよい。また重合時間も同様に、概ね1分〜2時間の範囲内にあればよい。重合で得られた塊状ポリアミド複合材料を適当な大きさに切断してペレット状にし、熱水で洗浄することにより残存モノマー/オリゴマーを除去することができる。
本発明により、ラクタム類、アルカリ触媒、開始剤および固体充填剤を混合する方法としては、特に限定されないが、ミキサー、ブレンダー、単軸スクリュー混練機、二軸スクリュー混練機、ニーダー、ブラベンダー、ラボプラストミル、ラインミキサー、スタティックミキサーなどの混合又は攪拌できる装置で混合する方法が挙げられる。
窒素ボックス中で、カプロラクタム(和光純薬工業製試薬)を4.75g(44mmol)、カプロラクタムで10%に希釈したN-ナトリウムカプロラクタム(アルカリ触媒:特開平7−62089号公報参照による合成品)を0.30g(0.22mmol)、N-アセチルカプロラクタム(開始剤:Alfa Aesar製試薬)を0.048g(0.31mmol)、およびケッチェンブラックEC300J(固体充填剤:ライオン製:平均粒径40nm)を0.25g(4.7質量%)秤取り、メノウ乳鉢で混合した。
窒素で置換した試験菅に上記混合物と回転子を入れシリコン栓で封止後、250℃に過熱したシリコンオイル中に試験管を浸漬し、混合物を溶融させた。溶融後約3分で回転子が停止しカプロラクタムの重合が始まった。そのまま20分静置させ重合した内容物を取り出した後、ニッパーで約3mm角のペレット状に切断し、次いでヘキサフルオロ-2−プロパノール(HFIP)に溶解し高速液体クロマトグラフィ(HPLC)で残存モノマー/オリゴマーを定量したところ、カプロラクタムが17.59質量%、ダイマーが0.92質量%、トリマーからペプタマーまでの合計が2.85質量%であった。この切断した別のペレットを熱水約100gで2時間×3回洗浄を行い、真空乾燥機(100℃-1torr)で24時間水分を除去後、再度同様にHPLCでモノマー/オリゴマーを定量したところカプロラクタムが0.11質量%、ダイマーが0.10質量%、トリマーからペプタマーまでの合計が1.29質量%であった(表1)。
上記のように洗浄、乾燥したペレットをアルミ箔に挟み込み、これをφ22×厚さ1mmの金型に入れ、280℃に加熱した小型熱プレス機(アズワン製)10MPaで3分間圧縮成型を行った。成型後ただちに冷却プレス機で冷却を行いφ22×1mmtの成型体を得た。その成型体を三菱化学製ロレスタ―GP(印加電圧90V)で表面抵抗を測定したところ3.2×104Ω/□であった(表2)。
ケッチェンブラックEC300Jの配合量を表1に示す量に変更したことを除き、実施例1と同様に重合および導電性測定を行った。得られたポリアミド複合材料の水洗前後のモノマー/オリゴマー量及び成型体の表面抵抗率の測定結果を表1および表2に示す。
ケッチェンブラックEC300Jの配合量を0.35g(6.5質量%)および0.50g(8.93質量%)に変更したことを除き、実施例1と同様に重合を行ったが、実質的に重合は起こらず、反応内容物には原材料のカプロラクタムが78.0質量%および97.86質量%残留したままであった。
ナイロン(登録商標)6(宇部興産製1011)凍結粉砕品5.0gとケッチェンブラックEC300J0.10gをメノウ乳鉢で混合後、その混合物2.5gをラボプラストミル(東洋精機製作所製、型番:4C150)のセグメントミキサーKF6に充填し、ディスク回転数150rpmで250℃-10分混練を行った。混練物を取り出した後、実施例1と同様に成型し、導電性を測定した。三菱化学製ハイレスタ(印加電圧500V)で表面抵抗を測定したところOVER(>1014 [Ω/□])であった。
ケッチェンブラックEC300Jの配合量を表1に示す量に変更したことを除き、比較例3と同様に混練を行い、そして実施例1と同様に成型し、導電性を測定した。表2に示す表面抵抗率測定結果のとおり、いずれも三菱化学製ハイレスタ(印加電圧500V)で測定した表面抵抗がOVER(>1014 [Ω/□])であった。
ケッチェンブラックEC300Jを宇部興産製カーボンナノチューブAMC(登録商標)(平均繊維径10nm)に変更し、配合量を0.5質量%及び1質量%に変更したことを除き、実施例1と同様に重合および導電性測定を行った。得られたポリアミド複合材料の水洗前後のモノマー/オリゴマー量及び成型体の表面抵抗率の測定結果を表1および表2に示す。
ケッチェンブラックEC300Jを宇部興産製カーボンナノチューブAMC(登録商標)(平均繊維径10nm)に変更し、配合量を0.5質量%及び1質量%に変更したことを除き、比較例3と同様に混練を行い、そして実施例1と同様に成型し、導電性を測定した。成型体の表面抵抗率の測定結果を表2に示す。
窒素ボックス中で、カプロラクタム(和光純薬工業製試薬)を4.75g(44mmol)、カプロラクタムで10%に希釈したN-ナトリウムカプロラクタム(アルカリ触媒:特開平7−62089号公報参照による合成品)を0.30g(0.22mmol)、N-アセチルカプロラクタム(開始剤:Alfa Aesar製試薬)を0.048g(0.31mmol)、乾燥後に粉砕したセルロースナノファイバー(セリッシュKY100S、ダイセルファインケム製:繊維径100nm)を0.05g(0.97質量%)秤取り、メノウ乳鉢で混合した。
窒素で置換した試験菅に上記混合物と回転子を入れシリコン栓で封止後、140℃に加熱したシリコンオイル中に試験管を浸漬し、混合物を溶融させた。溶融後約10分で回転子が停止しカプロラクタムの重合が始まった。そのまま20分静置させて重合物を得た。重合物の一部についてHPLCで残存モノマー/オリゴマーを定量したところ、カプロラクタムが13.16質量%、ダイマーが0.52質量%、トリマーからペプタマーまでの合計が1.25質量%であった。
固体充填剤としてケッチェンブラックを配合した代表例として実施例2と比較例3について、またカーボンナノチューブを配合した代表例として実施例7と比較例9について、それぞれの導電性測定サンプルの光学顕微鏡写真により固体充填剤の分散性を目視にて評価した。
図3と図4を比較すると、ポリマーに対して1質量%のカーボンナノチューブを溶融混練した比較例9ではカーボンナノチューブの大きな凝集体が存在するのに対し(図2)、本発明により重合モノマーに対して1質量%のカーボンナノチューブを配合した実施例7では大きな凝集体は存在しないことがわかる。
一般に、ナノレベルの固体充填剤はマトリックス中に凝集体で存在する傾向が強くなる。そのような固体充填剤をポリマーに配合して分散させた場合、高いせん断力を利用しても1次粒子として十分に分散させることは困難である。一方、重合前の原料(モノマー)に固体充填剤を混合することで、固体充填剤の凝集体の内部に低粘度のモノマー溶融物が浸透し得るため、その後の重合において凝集体が解れやすくなり、高いせん断力をかけなくても固体充填剤の分散性が向上するものと考えられる。
また、固体充填剤の凝集体が減少することにより、より少ない配合量で所期の効果を得ることができる。
Claims (5)
- ラクタム類をアルカリ触媒および開始剤の存在下で重合するに際し、寸法のいずれかが1μm以下である固体充填剤を該ラクタム類において分散配合させた状態で重合することを特徴とするポリアミド複合材料の製造方法。
- 前記固体充填剤がカーボンブラック、カーボンナノチューブおよびセルロースナノファイバーからなる群から選ばれる、請求項1に記載のポリアミド複合材料の製造方法。
- 得られたポリアミド複合材料を熱プレス機で圧縮成型させ厚さ30μmのフィルムにして透過式顕微鏡で観察した場合に、該フィルムに存在する前記固体充填剤の直径5μm以上の球状の凝集塊が存在しない、請求項1または2に記載のポリアミド複合材料の製造方法。
- 前記ラクタム類がカプロラクタムまたはラウロラクタムである、請求項1に記載のポリアミド複合材料の製造方法。
- 前記固体充填剤がカーボンブラックまたはカーボンナノチューブであって、前記重合後のポリアミド複合材料を熱プレス機で厚さ1mmディスク状に圧縮成型させる工程を含み、得られたディスクの表面抵抗が1×1014Ω/□以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリアミド複合材料の製造方法。
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