JP2018537600A - 低クリープ繊維 - Google Patents

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Abstract

本発明は、少なくとも8dl/gの固有粘度(IV)、少なくとも0.05SCB/1000TCのコモノマー含有量(CBR)、少なくとも0.05のコモノマーの質量平均分布(CMAD)を有する超高分子量ポリエチレン組成物を提供する工程であって、コモノマーが少なくとも4個の炭素原子を有する工程と、組成物を溶媒中に溶解して2〜40wt%の間のUHMWPE濃度を有するポリマー溶液を形成する工程と、複数オリフィスダイプレートを通してポリマー溶液を紡糸して溶液繊維を形成する工程と、溶液繊維を80℃未満に冷却してゲル繊維を形成する工程と、繊維を少なくとも1つの工程において延伸して延伸繊維を形成する工程と、延伸の前、間または後に溶媒の少なくとも一部を除去する工程とを含むゲル紡糸UHMWPE繊維を調製するための方法に関し、そこでCMAD対CBRの比が1.0より大きい。本発明はさらに、この方法によって得ることができるゲル紡糸UHMWPE繊維および上記ゲル紡糸UHMWPE繊維を含む製品に関する。【選択図】なし

Description

発明の詳細な説明
本発明は、クリープ最適化超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)繊維を製造するための方法、このような方法によって得ることができる繊維および上記UHMWPE繊維を含有するロープ、ネット、鎖、医療用具、布、積層体、複合物品および耐弾道性物品などの様々な製品に関する。
この数十年間の間、合成繊維の耐クリープ性を改良することに多くの研究プロジェクトが集中しているが、それというのも、このような繊維は軽量および強度が推進要因である広範囲の用途に非常に適しているからである。合成繊維の一例は、重量および強度要件をより良く満たす、UHMWPE繊維である。耐紫外線性、耐薬品性、耐切断および耐磨耗性、およびその他の好ましい性質と組み合わせられたUHMWPE繊維の無比といえる強度は、これらの繊維がロープ係留、複合強化材、医療用具、貨物用ネット等においてすぐにといってもいい利用度がある理由である。
しかしながら、UHMWPE繊維は、長期用途においてそれらの最適な利用の妨げとなる1つの欠点があり、この欠点は、それらのクリープ挙動に関連している。UHMWPE繊維を使用するシステムおよび特に、長期荷重下に置かれるそれらのシステムの最終不良モードは、クリープによる破裂または不良であることが観察された。もっと最近ではUHMWPE繊維の耐クリープ性は良好に改良されており、それらを上述の用途に適したものにして、商品名DM20としてオランダのDSM Dyneemaによって販売されるUHMWPEヤーンなどの最初の商用クリープ最適化製品をもたらしている。
良いクリープ挙動を有するUHMWPE繊維およびそれらの製造方法の例は欧州特許第1,699,954号明細書から公知であり、600Mpaの荷重下で70℃において測定された時に1×10−6sec−1しかないクリープ速度および4.1GPaもの引張強さを有するUHMWPE繊維を開示している。
また、国際公開第2009/043597号パンフレットには、クリープ速度と引張強さとの良い組合せ、例えば600Mpaの荷重下で70℃において測定された時に最大でも5x10−7sec−1のクリープ速度および少なくとも4GPaの引張強さを有するUHMWPE繊維が開示されている。
国際公開第2012/139934号パンフレットおよび国際公開第2014/187948号パンフレットには、実質的に増加したクリープ寿命時間を有するUHMWPE繊維が開示されており、例えば、600Mpaの荷重下で70℃において測定された時に500時間超の寿命を有するヤーンを報告している。
分岐UHMWPEポリマーから繊維を製造することによって良い耐クリープ性を有する繊維を製造する場合があることはとりわけ特開平6 280111号公報の発明者によって以前から認識されていた。良い耐クリープ性がUHMWPE中の分岐の十分な長さおよび量によって達成され得ることが観察された。それにもかかわらず、分岐の長さおよび量の増加は紡糸プロセスに悪影響を与える場合がある。さらに、高レベルのコモノマーを有するUHMWPEポリマーは製造するのがいっそう難しく、経済的に魅力に乏しいが、分岐の長さおよび数が繊維性質に悪影響を有する繊維構造を破壊する場合がある。
したがって本発明の目的は、改良されたUHMWPE繊維ゲル紡糸法を提供することである場合があり、そこでは、商業的に関心をそそるレベルにクリープおよび強度特性を維持しながら、上述の問題は存在しないかまたはより低い程度に存在している。特に本発明によるゲル紡糸法は、より経済的である場合があり、UHMWPE中の分岐の量とゲル紡糸繊維の機械的性質との間のバランスを与える場合がある。
したがって本発明の一実施形態は、少なくとも8dl/gの固有粘度(IV)、少なくとも0.05の短鎖分岐/合計1000の炭素(SCB/1000TC)のコモノマー含有量(CBR)、少なくとも0.05のコモノマーの質量平均分布(CMAD)を有するUHMWPE組成物を提供する工程と、UHMWPE組成物を溶媒中に溶解して2〜40wt%の間のUHMWPE濃度を有するポリマー溶液を形成する工程と、複数オリフィスダイプレートを通してポリマー溶液を紡糸して溶液繊維を形成する工程と、溶液繊維を80℃未満に冷却してゲル繊維を形成する工程と、繊維を少なくとも1つの工程において延伸して延伸繊維を形成する工程と、延伸の前、間または後に溶媒の少なくとも一部を除去する工程とを含むクリープ最適化UHMWPE繊維の製造方法を提供し、それによってCMAD対CBRの比が1.0より大きい。
MAD対CBRの比が1.0より大きいUHMWPE組成物を提供することによって、先行技術の製品よりも実質的に良いクリープ性能を有するクリープ最適化繊維を製造できることが観察された。あるいはより低量の短鎖分岐(SCB)を有するUHMWPE組成物を提供することによって先行技術のヤーンと整合する強度および耐クリープ性を有するヤーンを達成できることが観察された。本発明者は、UHMWPE組成物のより低量の短鎖分岐のより効率的な使用によって性質のバランスが変化してしまって、等しい機械的性能を達成する場合があることを仮定する。
先行技術の方法において短鎖分岐の低減によって製造耐性が改良される場合、このような変化はまた、得られたヤーンのクリープ性能に悪影響を与える。本発明の観点から、SCBの全体にわたる低減から生じる耐クリープ性の低下は、SCB/1000TCで表されるコモノマー含有量より大きいコモノマーの質量平均分布を有するUHMWPE組成物を提供することによって補償され得ることが観察された。UHMWPE組成物の上記特性は、コモノマーの、分子量にわたる不均質分布として、それほど科学的でない用語で表わされてもよく、それによってコモノマーの相対濃度はポリエチレン鎖の分子量の増加と共に増加する。UHMWPE組成物の特性は、コモノマーの質量平均分布、CMADで表わされ、式1によって求められる。
Figure 2018537600

上式中、
Figure 2018537600

はUHMWPEの分子量分布であり、br(M)は、モル質量Mを有する、UHMWPEの分子中の分岐数/合計1000の炭素として表わされる、コモノマー分布である。
UHMWPE組成物についてのパラメーター
Figure 2018537600

およびbr(M)は、この方法で提供されるように便宜的に確定することができる。
本発明の方法に提供されるUHMWPE組成物は、少なくとも8dl/gの固有粘度、少なくとも0.05SCB/1000TCの短鎖分岐濃度(CBR)、少なくとも0.05のコモノマーの質量平均分布(CMAD)および1.0より大きいCMAD対CBRの比を有する。好ましくはCMAD対CBRの比は1.05より大きく、好ましくは1.1より大きい。より高いレベルへの比のこのような増加は、本発明の繊維のUHMWPE組成物の全分岐含有量のさらなる低減を可能にする場合がある。比を増加させることは、両方、CMADもしくはCBRまたはそれらの組合せを調節することによって達成することができ、達成される意図された改良形態に依存する。
エチレン重合法またはこのような方法の組合せによって相当するUHMWPE組成物を製造するなど、本発明の方法に従ってUHMWPE組成物を提供する異なった手段があるが、UHMWPEを提供するための適した手段は、UHMWPE組成物が少なくとも2つの異なったUHMWPEポリマー、AおよびBを含むことであることを本発明者は明らかにした。UHMWPE組成物を提供するこのような方法は、適した商用UHMWPEポリマーの入手可能性に依拠しないので好ましく、それは発明者の知る限りでは容易に入手可能でないが、異なったUHMWPEポリマーAおよびBを賢明に選択することによって提供することができる。異なったとは、分子量、コモノマー濃度、分子量分布などの少なくとも1つの物理的または化学的性質によって2つのUHMWPEポリマーが互いに異なることと理解される。好ましい実施形態においてUHMWPE組成物は、8〜40dl/gのIV、および0.1SCB/1000TC未満、好ましくは0.05SCB/1000TC未満のCBRを有するUHMWPEポリマーA、および/または8〜40dl/gのIV、および0.1〜5.0SCB/1000TC、より好ましくは0.2〜2.5SCB/1000TCおよびさらにより好ましくは0.3〜1.5SCB/1000TCのCBRを有するUHMWPEポリマーBを含む。ポリマーAおよびBのこのような好ましい組合せは、本発明の特性を与えるCMADおよびCBRを有するUHMWPE組成物を提供する。
本発明のさらなる好ましい実施形態においてポリマーAのIV対ポリマーBのIVの比は1未満、好ましくは最大でも0.9、より好ましくは最大でも0.8、さらにより好ましくは最大でも0.7および最も好ましくは最大でも0.5である。上記特定のIV比を有するポリマーAおよびBを提供することによってクリープ最適化繊維の製造プロセスの耐性をさらに改良してもよい。このような好ましい実施形態によるUHMWPE組成物を特性決定する別の方法は、UHMWPE組成物の分子量分布が、ピークとして表わされる双峰性を示すかまたは少なくとも、例えばガウス、対数正規またはSchulz−Flory分子量分布によって記述される典型的な単峰分布からの偏差を示す場合があることである。
UHMWPE組成物のUHMWPEポリマーAおよびBはそれぞれ任意の比で組み合わせられてもよく、好ましくはポリマーA対ポリマーBの重量比は0.02〜50の間、好ましくは0.05〜20の間、より好ましくは0.1〜10の間および最も好ましくは0.25〜4の間である。好ましい範囲から実質的に逸脱するポリマーA対ポリマーBの比についてはプロセスのごく小さな改良が観察される場合があるかまたはポリマーAおよびBの間の、例えば短鎖分岐またはIVの実質的な差が必要とされることを本発明者は明らかにした。
UHMWPE組成物および/またはUHMWPEポリマーAおよびBは、本技術分野に公知の重合方法によって得られてもよい。好ましくは、本発明に従って使用されるUHMWPEは、重合温度においてオレフィン重合触媒の存在下でスラリー重合法によって得られ、それによって重合触媒は、それらの単一部位性質を特徴とするチーグラー(Ziegler)(Z)または分子触媒(MC)であってもよく、それには公知のメタロセン触媒が属する。好ましくは、使用されるチーグラー重合触媒は、UHMWPEを製造するためのチタン系触媒である。適した触媒の例は、参照によって本願明細書に含まれる国際公開第2008/058749号パンフレットまたは欧州特許第1749574号明細書に記載されている。
分子触媒およびそれを使用して製造されたUHMWPEは、例えば参照によって本願明細書に含まれる国際公開第2015/059280号パンフレットに記載されている。それぞれ個々の触媒システムは、UHMWPEポリマーに本発明のための特定の特性および利点を提供する場合があるが、本発明者は、ZN触媒によって製造されるポリマーAおよび単一部位触媒によって製造されるポリマーBを選択することによって有利な加工条件を達成できることを明らかにした。したがって本発明の好ましい実施形態は、ポリマーAがZポリマーでありポリマーBがMCポリマーである方法である。
好ましい一実施形態において、本発明の方法において使用されるUHMWPE組成物は、分子量分布Mw/Mnとも一般に呼ばれる、多分散指数(PDI)が少なくとも2.5、好ましくは少なくとも3.0、より好ましくは3.5および最も好ましくは少なくとも4.0である。このような好ましいUHMWPE組成物は、さらにもっと改良されたゲル紡糸加工を示す場合がある。本出願の文脈においてPDIとは、Mw/Mnの比であると理解される。UHMWPEのMwおよび/またはMn値を測定する方法についての文献において矛盾する教示がある場合があり、分子量分布の相違をもたらす場合があるので、本明細書において理解されるPDIは、実験の項においてさらに説明されるSEC技術によって測定されるPDIである。本発明の方法において使用されるUHMWPE組成物のPDIは、最大でも50の上限を有する場合がある。
UHMWPE組成物が少なくとも2つのポリマーAおよびBを組み合わせることによって得られる場合、個々のポリマーAおよびBは上記の限定条件によって縛られない。本発明の好ましい実施形態において、ポリマーAは、少なくとも2.5、好ましくは少なくとも3.0、より好ましくは3.5および最も好ましくは少なくとも4.0のPDIを有する。本発明の別の好ましい実施形態においてポリマーBは、最大でも4.0、好ましくは最大でも3.5、より好ましくは最大でも3.0および最も好ましくは最大でも2.5のPDIを有する。本発明のさらに好ましい実施形態においてポリマーAのPDIはポリマーBのPDIよりも大きい。
UHMWPE組成物中に存在しているコモノマー、UHMWPEポリマーAおよび/またはUHMWPEポリマーBは、少なくとも4個の炭素原子を有し、UHMWPEの短鎖分岐(SCB)をもたらす。コモノマーの性質は、少なくとも1つの重合性C−C二重結合を含むということ以外は特に限定されない。好ましくはコモノマーは、少なくとも4個の炭素原子を有するアルファ−オレフィン、5〜20個の炭素原子を有する環状オレフィンおよび4〜20個の炭素原子を有する直鎖、分岐または環状ジエンからなる群から選択される1つまたは複数のモノマーであり、より好ましくはコモノマーは、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテンからなる群から選択される1つまたは複数のモノマーである。良い結果は、エチルおよびブチル分岐をUHMWPE組成物に、より好ましくはUHMWPEポリマーBに提供する1−ブテンおよび1−ヘキセンを使用して得られた。
本発明の別の実施形態は、本明細書に記載された本発明の方法によって得ることができるゲル紡糸UHMWPE繊維に関する。本発明の繊維のUHMWPEは、上述の革新的な調製方法において使用されるUHMWPE組成物の性質に実質的に相当する性質を有する。それにもかかわらず、上記UHMWPE組成物が供される化学的、熱的および/または機械的方法のためにUHMWPE組成物のいくつかまたは全ての性質が本発明の繊維のUHMWPEにおいて同じレベルにおいて存在していなくてもよい。好ましくは本発明によるゲル紡糸繊維は、少なくとも4dl/gの固有粘度(IV)、少なくとも0.05SCB/1000TCのコモノマー含有量(CBR)、少なくとも0.05のコモノマーの質量平均分布(CMAD)を有するUHMWPEを含み、それによってCMAD対CBRの比が1より大きく、好ましくは1.05より大きく、より好ましくは1.1より大きく、最も好ましくは1.2より大きい。
繊維とは、細長体、例えば長さおよび横断寸法を有する物体であると本明細書において理解され、そこで物体の長さはその横断寸法よりもずっと長い。繊維は規則的なまたは不規則な横断面を有してもよい。また、繊維は、連続したおよび/または不連続な長さを有してもよい。好ましくは、繊維は、連続した長さを有し、このような繊維はフィラメントとして本技術分野に公知である。また、本明細書中で用いられる繊維という用語は、フィラメント、ステープルファイバー、テープ、ストリップおよびリボンなどの様々な実施形態を含めてもよい。本発明の文脈内で、ヤーンは、複数の繊維を含む細長体であると理解される。
好ましくは、UHMWPE繊維、特に、エチルまたはブチル分岐を有するUHMWPE組成物から紡糸されたUHMWPE繊維は、少なくとも25cN/dtex、より好ましくは少なくとも32cN/dtex、最も好ましくは少なくとも38cN/dtexの靭性を有する。好ましくは、本発明のUHMWPE繊維、特に、エチルまたはブチル分岐を有するUHMWPE組成物から紡糸されたUHMWPE繊維は、少なくとも1100cN/dtex、より好ましくは少なくとも1200cN/dtex、最も好ましくは少なくとも1300cN/dtexの弾性率を有する。すぐれた耐クリープ性の他に、本発明のUHMWPE繊維は良い引張特性も有することが観察された。
本発明によれば、本発明のUHMWPE繊維はゲル紡糸法によって得られ、本技術分野においてこのような繊維はまた、「ゲル紡糸UHMWPE繊維」とも称される。本発明のために、ゲル紡糸法とは、(a)組成物を溶媒中に溶解して2〜40wt%の間のUHMWPE濃度を有するポリマー溶液を形成する工程と、(b)複数オリフィスダイプレートを通してポリマー溶液を紡糸して溶液繊維を形成する工程と、(c)溶液繊維を80℃未満に冷却してゲル繊維を形成する工程と、(d)繊維を少なくとも1つの工程において延伸して延伸繊維を形成する工程と、(e)延伸の前、間または後に溶媒の少なくとも一部を除去する工程とを少なくとも含む方法を意味する。ゲル紡糸法は2つ以上の延伸工程を任意選択により備えてもよく、そこでゲル繊維および/または固体繊維は特定の延伸比で延伸される。ゲル紡糸法は本技術分野に公知であり、例えば国際公開第2005/066400号パンフレット、欧州特許第1,699,954号明細書および「Advanced Fibre Spinning Technology」、T.Nakajima編、Woodhead Publ.Ltd(1994)、ISBN 185573 182 7に開示されており、これらの刊行物およびそこに引用された文献は参照によって本願明細書に含まれる。
本発明によれば、ゲル紡糸法を使用して本発明のUHMWPE繊維を製造し、そこですでに上述したように、UHMWPE複合材を使用してUHMWPE溶液を製造し、それをその後、紡糸口金を通して紡糸し、得られたゲル繊維を乾燥させて固体繊維を形成する。
UHMWPE溶液は好ましくは、少なくとも3wt%、より好ましくは少なくとも5wt%のUHMWPE濃度によって調製される。好ましくは溶媒中のUHMWPE濃度は3〜25wt%の間、より好ましくは5〜15wt%の間である。好ましくは、濃度は、8〜40dl/g、好ましくは12〜30dl/gの範囲のUHMWPE組成物のIVを使用してUHMWPEについて3〜25wt%の間である。
UHMWPE溶液を調製するために、UHMWPEをゲル紡糸するために適した公知の溶媒のいずれかを用いてもよい。このような溶媒はまた、本明細書において「紡糸溶媒」と称される。溶媒の適した例には、脂肪族および脂環式炭化水素、例えば、それらの異性体を含めて、オクタン、ノナン、デカンおよびパラフィン;石油留分;鉱油;ケロシン;芳香族炭化水素、例えばトルエン、キシレン、およびナフタレンの他、その水素化誘導体、例えばデカリンおよびテトラリン;ハロゲン化炭化水素、例えばモノクロロベンゼン;およびシクロアルカンまたはシクロアルケン、例えばカレーン(careen)、フッ素、カンフェン、メンタン、ジペンテン、ナフタレン、アセナフタレン、メチルシクロペンタンジエン、トリシクロデカン、1,2,4,5−テトラメチル−1,4−シクロヘキサジエン、フルオレノン、ナフトインダン(naphtindane)、テトラメチル−p−ベンゾジキノン、エチルフオレン(ethylfuorene)、フルオランテンおよびナフテノンが含まれる。UHMWPEのゲル紡糸のために上に列挙された溶媒の組合せも使用されてよく、溶媒の組合せはまた、簡単に溶媒と称されてもよい。好ましい実施形態において、一般に好まれる溶媒は室温において揮発性でなく、例えばパラフィン油である。また、本発明の方法は室温において比較的揮発性の溶媒、例えばデカリン、テトラリンおよびケロシン銘柄に特に有利であることが見出された。最も好ましい実施形態において一般に好まれる溶媒はデカリンである。
次に、UHMWPE溶液は、紡糸口金とも呼ばれる、複数オリフィスダイプレートを通して上記溶液を紡糸することによってゲルフィラメントに形成される。複数オリフィスダイプレートとは、好ましくは少なくとも100、さらにまたより好ましくは少なくとも300、最も好ましくは少なくとも500の紡糸孔を含有する紡糸口金であると本明細書において理解される。好ましくは、紡糸温度は150℃〜300℃の間であり、より好ましくは、上記温度は紡糸溶媒の沸点未満で選択される。例えばデカリンが紡糸溶媒として使用される場合、紡糸温度は好ましくは最大でも190℃である。
紡糸口金を通してUHMWPE溶液を紡糸することによって形成されるゲルフィラメントをエアギャップ内に押し出し、そして次にそれらが80℃未満に冷却される冷却領域内に押し出してゲル繊維またはゲルフィラメントを形成してもよく、そこからそれらは第1の駆動ローラーで引き取られる。好ましくは、ゲルフィラメントはエアギャップ内で伸長される。冷却領域において、ゲルフィラメントは好ましくはガス流内でおよび/または液槽内で冷却される。
ゲルフィラメントを形成した後、上記ゲルフィラメントを溶媒抽出工程に供し、そこでUHMWPE溶液を製造するために使用される紡糸溶媒をゲルフィラメントから少なくとも部分的に除去して固体フィラメントを形成する。溶媒除去プロセスは、公知の方法によって、例えば、比較的揮発性の紡糸溶媒、例えばデカリンが使用される時には蒸発によってまたは例えばパラフィンが紡糸溶媒として使用される時には抽出液体を使用することによって、または両方の方法の組合せによって行われてもよい。ゲルフィラメントは、好ましくは少なくとも1.2、より好ましくは少なくとも1.5、最も好ましくは少なくとも2.0の延伸比で延伸されることが好ましい。
好ましくは、固体フィラメントはまた、溶媒の上記除去の間および/または後に延伸される。好ましくは、固体フィラメントの延伸は、好ましくは少なくとも4、より好ましくは少なくとも7、さらにより好ましくは少なくとも10の延伸比を使用して少なくとも1つの延伸工程において行われる。より好ましくは、固体フィラメントの延伸は、少なくとも2つの工程において、さらにより好ましくは少なくとも3つの工程において行われる。
ゲル紡糸繊維を含む本発明のゲル紡糸繊維またはヤーンは、典型的な繊維用途のための適した繊維およびヤーンである。したがって本発明の一実施形態は、本発明のゲル紡糸繊維を含む製品に関し、好ましくは、製品は、ヤーン、ロープ、ケーブル、ネット、布、および耐弾道物品などの防護具からなる群から選択される。
本発明のUHMWPE繊維は、ロープ、索類等、好ましくは例えば海洋、工業およびオフショア運転などの強力運転のために設計されたロープにおいて使用するために魅力的な材料にする性質を有する。また、ヨット操縦、クライミング、凧揚げ、パラシューティング等のスポーツ用途において使用されるリギングロープおよびロープは、本発明の繊維が十分に機能する場合がある用途である。特に、本発明のUHMWPE繊維は長期および超長期の強力運転のために特に有用であることが観察された。
強力運転には、クレーンロープ、深海配備または機材の回収のためのロープ、アンカーハンドリング、オフショア再生可能エネルギー発電のための支持プラットフォームの係留、海底油井掘削機およびオフショア生産プラットフォーム等の生産プラットフォームの係留がさらに含まれてもよいが、これらに限定されない。このような運転のために、そして特にオフショア係留のために、そのために設計されたロープの設置が最適化されてもよく、例えばそれほど複雑でない機材またはより小さく軽量の設置機器を使用してロープを設置することができることが驚くべきことに観察された。
また、本発明のUHMWPE繊維は、ホース、パイプ、加圧容器、電気および光ケーブルなどの強化製品のための、例えばライナーにおいて強化用要素として使用するのに非常に適しており、自由懸垂する時に強化製品の荷重を支持するために強化材が必要とされる大水深環境において上記強化製品が使用される時に特に、非常に適している。したがって本発明はまた、ライナーと、強化用要素を含有するかまたは上記ライナーを含有する強化製品とに関し、そこで強化用要素またはライナーは、本発明のUHMWPE繊維を含有する。
最も好ましくは、本発明のUHMWPE繊維は、上記繊維が静的伸張または静荷重、特に長期および超長期の静的伸張または静荷重を受ける用途において使用される。静的伸張とは、張力が一定のレベルであるか(例えば、繊維を含むロープにおいて自由懸垂する重量)または変化するレベルであるか(例えば熱膨脹または水波の動きに暴露される場合)に関係なく適用中の繊維が常にまたはほとんどいつも張力を受けていることを本明細書において意味する。静的伸張が生じる用途の例は、例えば多くの医療用途(例えばケーブルおよび縫合糸)であるが、また、係留ロープ、および引張補強要素であり、当該繊維の改良されたクリープ寿命時間はこれらおよび同様な用途の改良された性能をもたらす。本発明のUHMWPE繊維の特定用途はクレーンロープであり、そこではロープは(1)周囲温度および/または(2)クレーンシーブの周りの摩擦による内部熱発生の結果として高温に達し得る。
本発明はさらに、本発明のUHMWPE繊維を含有する複合物品に関する。好ましい実施形態において、複合物品は、本発明のUHMWPE繊維を含む少なくとも1つの単層を含有する。単層という用語は、繊維の層、すなわち1つの平面における繊維を意味する。さらなる好ましい実施形態において、単層は、一方向単層である。一方向単層という用語は、一方向に配向された繊維の層、すなわち、平行に本質的に配向されている1つの平面における繊維を意味する。さらにまた好ましい実施形態において、複合物品は、複数の一方向単層を含有する複数層複合物品であり、各単層の繊維の方向は好ましくは、隣接した単層の繊維の方向に対して特定の角度で回転されている。好ましくは、角度は少なくとも30°、より好ましくは少なくとも45°さらにより好ましくは少なくとも75°であり、最も好ましくは角度は約90°である。複数層複合物品は、弾道用途において、例えば防弾衣、ヘルメット、硬質および可撓性シールドパネル、車の外装用パネル等において非常に有用であることがわかった。
したがって、本発明はまた、本発明のUHMWPE繊維を含有する上に列挙された耐弾道性物品として耐弾道性物品に関する。
本発明のUHMWPE繊維はまた、医療用具、例えば縫合糸、医療ケーブル、移植材料、外科的修復製品等において使用するために適している。したがって、本発明はさらに、医療用具、特に、外科的修復製品、およびより詳しくは、縫合糸に関し、ならびに本発明のUHMWPE繊維を含む医療ケーブルに関する。
本発明のUHMWPE繊維はまた、例えば、合成チェーン、コンベヤーベルト、テンセグリティ構造物、コンクリート補強材、釣り糸および魚網、接地網、貨物用ネットおよびカーテン、凧糸、デンタルフロス、テニスラケットストリング、キャンバス(例えばテントキャンバス)、不織布およびその他のタイプの布、ウェッビング、電池隔離板、キャパシタ、圧力容器(例えば圧力シリンダー、空気入れ製品)、ホース、(オフショア)アンビリカルケーブル、電気、光ファイバー、および信号ケーブル、自動車機器、伝動ベルト、建築材料、刺切抵抗性および切断抵抗性の物品、保護手袋、複合スポーツ用具、例えばスキー板、ヘルメット、カヤック、カヌー、自転車ならびに艇体やスパーなど、スピーカーコーン、高性能電気絶縁、レードーム、帆、ジオテキスタイル、例えばマット、バッグおよびネット等のような他の用途において使用するのに適していることもまた観察された。したがって、本発明はまた、本発明のUHMWPE繊維を含有する上に列挙した用途に関する。
また、本発明は、本発明の複数のUHMWPE繊維を含む細長い物体に関し、そこで上記繊維は互いに少なくとも部分的に融着される。一実施形態において上記細長い物体はモノフィラメントである。異なった実施形態において、上記細長い物体はテープである。少なくとも部分的に融着した繊維とは、個々の繊維がそれらの長さに沿って複数の位置で融着され、上記位置の間で分離されることであると本明細書において理解される。好ましくは、上記繊維は互いに完全に融着され、すなわち個々の繊維は、本質的にそれらの全長にわたって互いに融着される。好ましくは、融着は、繊維の融解温度よりも低い温度で上記複数のUHMWPE繊維を少なくとも圧縮することによって実施される。繊維の融解温度は、国際公開第2009/056286号パンフレットの13ページに記載された手順を使用してDSCによって求めることができる。モノフィラメントおよびテープへの融着UHMWPE繊維の加工は本技術分野に公知であり、例えば国際公開第2006/040190号パンフレット、国際公開第2009/056286号パンフレットおよび国際公開第2013/131996号パンフレットに開示されている。本発明の繊維を使用することによって、最適化耐クリープ性を有するモノフィラメントおよびテープが得られることが観察された。このような製品は、釣り糸、ライナー、強化用要素、装甲などの対弾道弾物品、車の部品、およびドアなどの建築用途などの用途において利用するために適している。
本発明は、以下の実施例および比較実験によってさらに説明されるが、しかしながら最初に、先に使用された様々なパラメーターを決定するのに使用される方法が示される。
[測定方法]
・IV:UHMWPEの固有粘度は、2g/l溶液の量において酸化防止剤としてBHT(ブチル化ヒドロキシトルエン)を使用して16時間にわたって混合物を振とうしながら、デカリン中で135℃においてASTM D1601/2004に従って決定される。IVは、異なった濃度において測定された粘度を濃度ゼロに外挿することによって得られる。
・dtex:繊維のタイター(dtex)は100メートルの繊維を秤量することにより測定した。繊維のdtexはミリグラム単位の重量を10で除すことにより計算した。
・繊維およびヤーンの引張特性:引張強さ(または強度)、引張弾性率(または弾性率)および破断点伸びは、ASTM D885Mに規定されているように定義し、マルチフィラメントのヤーンについて、繊維の公称ゲージ長さ500mm、クロスヘッド速度50%/分およびInstron 2714クランプの「Fiber Grip D5618C」型を使用して測定する。弾性率は、測定した応力−歪み曲線に基づき、0.3〜1%の間の歪みの勾配として決定される。弾性率および強度の計算については、測定した引張力をタイターで除し、UHMWPEの密度を0.97g/cmと仮定してGPa単位の値を計算する。
・分岐(CBR)、すなわち、炭素原子合計1000個当たりの短鎖分岐(SCB/1000TC)、例えばエチルまたはブチル側鎖の数を、例えば欧州特許第0269151号明細書(特に、その4ページ)にあるように、NMR測定に基づく校正曲線を使用して、厚さ2mmの圧縮成形フィルムについてFTIRにより、1375cm−1の吸収を定量し、決定した。
・耐クリープ性は、論文「Predicting the Creep Lifetime of HMPE Mooring Rope Applications」M.P.VlasblomおよびR.L.M.Bosman著−Proceedings of the MTS/IEEE OCEANS 2006 Boston Conference and Exhibition、2006年9月15〜21日にBoston Massachusettsで開催、Session Ropes and tension Members(Wed 1:15PM−3:00PM)に記載の方法に従って測定され、国際公開第2009/043597号パンフレット、18〜20ページにさらに詳述される。
・SEC−MALS:分子質量分布(Mn、Mw、Mz、Mw/Mn)は、マルチバンド赤外線検出器(IR5 PolymerChar)およびWyattからのマルチアングル光散乱(MALS)検出器(レーザー波長690nm)(タイプDAWNEOS)に連結されたPL−210粒径排除クロマトグラフィーを使用して測定された。2つのPL混合Aカラムを使用した。1,2,4−トリクロロベンゼンが溶媒として使用され、流量は0.5ml/分であり、測定温度は160℃であった。データ獲得および計算はWyatt(Astra)ソフトウェアによって実施された。UHMWPEは、ポリマーの分解が当業者に公知の方法によって防がれるこのような条件下で完全に溶解されるのがよい。
・コモノマー分布またはモル質量にわたるコモノマーの導入、br(M)は、赤外線検出器IR5によって集められた赤外線データから得られた。検出器および分析技法は、Ortinらによって記載されている(Journal of Chromatography A,1257,2012,66−73)。検出器は、クロマトグラフィー作動中にCH3およびCH2信号を分離することを可能にすると共にモル質量分布にわたる炭素合計1000個当たりのメチル基の数を決定するバンドフィルターを備える。検出器は、NMRによって特性決定されたポリエチレン短鎖分岐較正基準で較正される。基準は、異なったコモノマーのタイプ(エチルおよびブチル分岐)。を有する試料である。
実際的な目的のために、ポリエチレン試料のコモノマー分布br(M)がIR測定の精度を下回る場合、以下の手順が用いられた。
最初に、基準ポリエチレン試料が、反応中により高いコモノマー用量を使用して合成され、他の重合条件はスコープ下の試料と同じであった。ポリマーの合成中の基準試料のコモノマーレベルは、当業者によって判断できるように、IR法によって十分に検出可能なコモノマー分布brref(M)をもたらすように選択された。
次に、基準試料の分岐CBRrefおよびスコープ下の試料の分岐CBRが、上に記載されたように、相当する方法によって測定された。最後に、スコープ下の試料のコモノマー分布br(M)は式2によって計算された。
Figure 2018537600

コモノマーの質量平均分布(CMAD):
ポリマーの分子量にわたってコモノマーが分布される度合を特性決定するために、オンラインIRを有するSEC−MALSを使用して、コモノマー質量平均分布、CMADと呼ばれるパラメーターを計算した。その定義は式1によって与えられる。
Figure 2018537600

上式中、
Figure 2018537600

は、例えば、SEC−IRによって得られた、UHMWPE組成物の分子量分布であり;br(M)は、SEC−IRによって測定された、モル質量Mを有する、UHMWPE組成物の分子中の分岐の数/合計1000の炭素として表される、コモノマー分布(モル質量にわたるコモノマーの導入)である。
実際的な目的のために、式1の積分は式3に示される加算によって代用することができる。
Figure 2018537600

上式中、wは、UHMWPE組成物中のモル質量Mを有する材料分率の正規化された重量分率である。重量分率wは、例えばSEC−IRによって求めることができる。
式1および3はまた、少なくとも2つのポリマーAおよびBのブレンドが使用される場合に適用できる。
Figure 2018537600

上式中、XおよびXはブレンド中のポリマーAおよびBの質量分率であり(X=1−X)、下付き文字AおよびBは、相当する総計がポリマーAまたはポリマーBそれぞれについて計算されなければならないことを示す。
3つ以上のポリマー(A、B、C等々)がブレンドされる場合、式4は式5の形をとる。
Figure 2018537600

上式中、k=A、B、C等々であり、XはUHMWPE組成物中のポリマーkの質量分率であり、それによってΣ=1である。
連続した定義、式1、およびその離散的な別形態、式3の両方が、分子量分布の低いおよび高いモル質量部分へのコモノマーの導入の非対称を強調する。実際に:
o コモノマーが均質に導入される場合、br(M)は、モル質量Mの全範囲にわたって一定であり、したがって、CMAD=CBRである。
o コモノマーがより高モル質量分子中に優先的に存在している場合、CMAD>CBRである。
o コモノマーがより低モル質量分子中に優先的に存在している場合、CMAD<CBRである。
[UHMWPEの調製]
分子触媒重合UHMWPE:7つのUHMWPEポリマーがエチレンホモポリマーとしてまたはエチレンと1−ブテンまたは1−ヘキセンとのコポリマーとして合成された。重合手順は国際公開第2015/059280号パンフレットに記載された通りであり、そこに記載された実施例4の分子触媒(MC)を用いる。製造されたポリマーI、III、IV、V、VIIおよびVIIIの詳細は表1に記録される。
チーグラー触媒重合UHMWPE:2つのUHMWPEポリマーが、担持チーグラー触媒(Z)を使用して国際公開第2012/139934号パンフレットに記載された一般的は調製方法に従って合成された。製造されたポリマーIIおよびVIの詳細は表1に記録される。
[UHMWPE組成物の調製]
繊維をゲル紡糸する前に、調製されたUHMWPEポリマーを混転によってブレンドし、その後で、紡糸溶媒中に分散させてUHMWPE組成物を形成した。ポリマーのブレンドの場合、CBRおよびCMADは、個々のポリマーのCBRおよびCMADならびに組成物中のそれらの重量比を考慮することによって確定された。
[ゲル紡糸法]
国際公開第2005/066401号パンフレットに開示された方法などの方法を使用して、記載されたUHMWPEポリマーまたは組成物からUHMWPE繊維を製造した。特に、UHMWPE溶液は、180℃の温度設定において25の紡糸孔を有する紡糸口金を通してデカリンおよび水蒸気も含有する空気雰囲気中に孔1個当たり約1.5g/分の速度で押し出された。
紡糸孔は円形断面を有し、15°の円錐角で2mmから0.8mmまで初期直径の漸減と、その後に、長さ0.5mmの定直径の部分とからなり、紡糸孔のこの特定の幾何学的形状が紡糸口金において延伸比6.25を導入する。
紡糸口金から流体繊維がエアギャップに入り、次に、水槽に入ってそこで流体繊維が紡糸口金出口でのそれらの速度の10倍の速度で引き取られ、エアギャップにおいて延伸比10を導入する。
流体繊維を水槽内で冷却してゲル繊維を形成し、水槽が約40℃に維持され、そこで水流は、槽に入る繊維に垂直に約50リットル/時間の流量で提供されていた。水槽からゲル繊維は90℃の温度の炉内に引き取られ、そこで部分的な溶媒蒸発が生じて固体繊維を形成した。
固体繊維は、全固体延伸比を適用することによって約130℃の第1の工程においておよび約145℃の第2の工程において延伸され、そのプロセスの間に溶媒の大部分が蒸発した。全固体延伸比は、第1および第2の延伸工程において使用される固体延伸比の積である。
全ての記録される試料を延伸して、約1200cN/dtexの弾性率および約35cN/dtexの強度を達成した。
比較実験A〜Dおよび実施例1〜3の繊維のクリープ速度および測定条件(温度および荷重)を表1に記載する。等しいタイプの分岐および同等の全短鎖分岐濃度について本発明の繊維は実質的に増加したクリープ速度を有することを上記表から見ることができる。あるいは、UHMWPE組成物の短鎖分岐CBRの実質的に低い全量において同様なクリープ速度を本発明の繊維によって達成できることを観察することができる。
Figure 2018537600

Claims (12)

  1. − 少なくとも8dl/gの固有粘度(IV)、
    少なくとも0.05SCB/1000TCのコモノマー含有量(CBR)、
    少なくとも0.05のコモノマーの質量平均分布(CMAD)を有する超高分子量ポリエチレン組成物を提供する工程であって、前記コモノマーが少なくとも4個の炭素原子を有する工程と、
    − 前記組成物を溶媒中に溶解して2〜40wt%の間のUHMWPE濃度を有するポリマー溶液を形成する工程と、
    − 複数オリフィスダイプレートを通して前記ポリマー溶液を紡糸して溶液繊維を形成する工程と、
    − 前記溶液繊維を80℃未満に冷却してゲル繊維を形成する工程と、
    − 前記繊維を少なくとも1つの工程において延伸して延伸繊維を形成する工程と、
    − 前記延伸の前、間または後に前記溶媒の少なくとも一部を除去する工程とを含むゲル紡糸UHMWPE繊維を調製するための方法であって、
    MAD対CBRの比が1.0より大きいことを特徴とする、方法。
  2. MAD対CBRが1.05より大きく、好ましくは1.1より大きい、請求項1に記載の方法。
  3. 前記UHMWPE組成物が、少なくとも2つの異なったUHMWPEポリマーAおよびBを含む、請求項1または2に記載の方法。
  4. UHMWPEポリマーAが8〜40dl/gのIV、および0.1SCB/1000TC未満のCBRを有し、および/または
    UHMWPEポリマーBが8〜40dl/gのIV、および0.1〜5.0SCB/1000TCのCBRを有する、請求項3に記載の方法。
  5. ポリマーAの前記IV対ポリマーBの前記IVの比が1未満、好ましくは最大でも0.9、より好ましくは最大でも0.8である、請求項3または4に記載の方法。
  6. ポリマーA対ポリマーBの重量比が0.02〜50の間、好ましくは0.1〜10の間である、請求項3〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. ポリマーAがチーグラー触媒ポリマーであり、およびポリマーBが分子触媒ポリマーである、請求項3〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記コモノマーが、少なくとも4個の炭素原子を有するアルファ−オレフィン、5〜20個の炭素原子を有する環状オレフィンおよび4〜20個の炭素原子を有する直鎖、分岐または環状ジエンからなる群から選択される1つまたは複数のモノマーであり、好ましくは前記コモノマーが、1−ブテン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテンからなる群から選択される1つまたは複数のモノマーである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項によって得ることができるゲル紡糸UHMWPE繊維。
  10. 前記繊維の前記UHMWPEが、少なくとも4dl/gの固有粘度(IV)、
    少なくとも0.05SCB/1000TCのコモノマー含有量(CBR)、
    少なくとも0.05のコモノマーの質量平均分布(CMAD)を有し、それによってCMAD対CBRの比が1より大きい、請求項9に記載のゲル紡糸UHMWPE繊維。
  11. MAD対CBRが1.05より大きく、好ましくは1.1より大きい、請求項10に記載のゲル紡糸UHMWPE繊維。
  12. 好ましくは製品が、ヤーン、ロープ、ケーブル、ネット、布、および耐弾道物品などの防護具からなる群から選択される、請求項9〜11のいずれか一項に記載のゲル紡糸物品を含む製品。
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