JP2019517611A - 優れた延性および寸法安定性を有するポリアリーレンスルフィド樹脂組成物 - Google Patents

優れた延性および寸法安定性を有するポリアリーレンスルフィド樹脂組成物 Download PDF

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Abstract

本発明は、マーク−ホーウィンク式による、0.4ないし0.7のα(枝分かれ比)を有するポリアリーレンスルフィドと、ガラス繊維と、相溶化剤とを含む樹脂組成物に関し、前記樹脂組成物は優れた延性および寸法安定性を有することによって薄膜部品の製造に適している。

Description

本発明は、優れた延性および寸法安定性を有し、薄膜の製造に適したポリアリーレンスルフィド樹脂組成物に関する。
ポリフェニレンスルフィド(「PPS」ともいわれる)は、線状および枝分かれ状PPSに分類され、構造に応じて様々な利点および欠点を有している。線状PPSは、枝分かれ状PPSと比較して、その寸法安定性にもかかわらず、その主鎖の柔軟性により高い延性を有する。一方、2種類の枝分かれPPSがある。その1つは重合中に主鎖から分枝を形成することによって製造され、他の枝分かれ状PPSは線状PPSを熱的に酸化することによって製造される。枝分かれ状PPSは、線状PPSと比較して、延性が低いが、寸法安定性および耐クリープ性が優れている。
一方、自動車分野における重量減少傾向に従って、射出成形品の厚さは徐々に薄くなっているが、強度の改善が要求されている(韓国公開特許第2005−0023929号公報および韓国特許第10−0444618号公報を参照のこと)。さらに、電気および電子デバイスの分野においては、その微細化および集積化により、薄膜成形性が要求されている。
しかし、従来のPPSを薄膜成形した場合、枝分かれ状PPSから製造した薄膜は、その低い延性により容易にもろくなり、そのため薄膜成形は限定される。この理由のため、高い延性を有する線状PPSが薄膜成形に用いられている。しかし、線状PPSを薄膜成形した場合、成形品の寸法安定性が低減し、物理特性たとえば耐薬品性および耐クリープ性が低減する。加えて、線状PPSを、高いせん断速度を必要とする射出成形に用いた場合、射出成形による薄膜形成が困難になる。
したがって、本発明の1つの目的は、改善された延性および寸法安定性を有するポリアリーレンスルフィド(「PAS」ともいう)樹脂組成物を提供することである。
本発明の他の目的は、前記樹脂組成物を成形することによって製造した成形品を提供することである。
上記の目的を達成するために、本発明は、マーク−ホーウィンク式で0.4ないし0.7のα(枝分かれ比)を有するポリアリーレンスルフィドと、ガラス繊維と、相溶化剤とを含む樹脂組成物を提供する。
加えて、本発明は、前記樹脂組成物を成形することによって製造した成形品を提供する。
本発明による樹脂組成物は、線状PPSおよび枝分かれ状PPSの利点を有し、そのため優れた寸法安定性および耐クリープ性ならびに改善された延性を有する。したがって、上記の樹脂組成物は、優れた延性および寸法安定性を要する種々の分野たとえば自動車、電気および電子部品に広く用いることができる。
本発明は、マーク−ホーウィンク式で0.4ないし0.7のα(枝分かれ比)を有するPASと、ガラス繊維と、相溶化剤とを含む樹脂組成物を提供する。
マーク−ホーウィンク式における値α(下記の式2)は、ポリマーの枝分かれの程度を示す。αが1に近ければ、ポリマーは線状PPSの性質を有し、αが0に近ければ、ポリマーは枝分かれ状PPSの性質を有する。
[式2]
[η]=K×Mα
上式において、ηは固有粘度、Mは分子量、Kは定数である。
本発明によれば、PASは、0.4ないし0.7、0.45ないし0.65、または0.5ないし0.6のαを有するであろう。
PASは、約265ないし290℃、約270ないし285℃、または約275ないし283℃の融点を有するであろう。
PASは、5000ないし50000、8000ないし40000、または10000ないし30000の数平均分子量を有し、重量平均分子量の数平均分子量に対する比として定義される多分散性は、約2.0ないし4.5、約2.0ないし約4.0、または約2.0ないし3.5であろう。
PASは、300℃で測定したときに、10ないし50000ポワズ、100ないし20000ポワズ、または300ない10000ポワズの溶融粘度を有するであろう。
PASの製造方法は、それが上述した物理的性質を満足する限り、特に限定されない。たとえば、ジヨード芳香族化合物と硫黄元素とを含む反応物を溶融重合によって製造してもよい。
溶融重合に用いるジヨード芳香族化合物は、ジヨードベンゼン(DIB)、ジヨードナフタレン、ジヨードジフェニル、ジヨードビスフェノール、およびジヨードベンゾフェノンからなる群より選択される少なくとも1つでよいが、これらに限定されない。また、置換基たとえばアルキル基、スルホン基などによって結合されたジヨード芳香族化合物、および酸素または窒素が芳香族基に含まれているジヨード芳香族化合物を用いてもよい。さらに、ジヨード芳香族化合物は、ヨウ素原子が結合している位置によってジヨード化合物の様々な異性体を有し、これらの異性体のうち、ヨウ素原子がパラ位に結合した化合物たとえばパラ−ジヨードベンゼン(pDIB)、2,6−ジヨードナフタレン、またはp,p’−ジヨードビフェニレンがより適している。
ジヨード芳香族化合物と反応する硫黄元素の形態は特に限定されない。一般的に、硫黄元素は、室温で8原子が連結した環状形態(シクロオクタ硫黄、S)で存在するが、上の構造をもたない、固体または液体状態にある任意の他の市販の硫黄を特別の限定なしに用いてもよい。
反応物はさらに枝分かれ剤を含んでいてもよい。具体的には、枝分かれ剤はトリヨード芳香族化合物、ヨウ素原子の位置がオルトもしくはメタであるジヨード芳香族化合物、またはこれらの組合せであろう。
たとえば、トリヨード芳香族化合物は、トリヨードベンゼン(TIB)、トリヨードナフタレン、トリヨードビフェニル、トリヨードビスフェノール、およびトリヨードベンゾフェノンからなる群より選択される少なくとも1つでよいが、これらに限定されない。加えて、置換基たとえばアルキル基、スルホン基などによって結合されたトリヨード芳香族化合物、および酸素または窒素原子が芳香族基に含まれているトリヨード芳香族化合物を用いてもよい。
ヨウ素原子がオルトまたはメタ位で結合したジヨード芳香族化合物は、ジヨードベンゼン、ジヨードナフタレン、ジヨードジフェニル、ジヨードビスフェノール、ジヨードフェニルジスルフィドおよびジヨードベンゾフェノンからなる群より選択されるジヨード芳香族化合物のうち、ヨウ素原子がオルトまたはメタ位で結合した異性体でよいが、これらに限定されない。加えて、それは、置換基たとえばアルキル基、スルホン基などによって結合されたジヨード芳香族化合物、および酸素または窒素原子が芳香族基に含まれているジヨード芳香族化合物の異性体でよい。
より具体的には、枝分かれ剤は、トリヨードベンゼン、トリヨードビフェニル、オルト−ジヨードベンゼン(o−DIB)、メタ−ジヨードベンゼン(m−DIB)およびこれらの組合せから選択されるであろう。
反応物はさらに、重合開始剤、安定化剤、またはこれらの混合物を含んでいてもよい。具体的には、重合開始剤は、1,3−ジヨード−4−ニトロベンゼン、メルカプトベンゾチアゾール、2,2’−ジチアベンゾチアゾール、シクロヘキシル−ベンゾチアゾールスルフェンアミド、およびブチル−ベンゾチアゾールスルフェンアミドからなる群より選択される少なくとも1つを含んでいてもよいが、これらに限定されない。また、安定化剤は、それが樹脂の重合反応に普通に用いられる限り、特に限定されない。
一方、反応物の溶融重合のあいだに、重合停止剤を加えてもよい。重合停止剤は、それが、製造されるポリマーに含まれるヨウ素基を取り去ることによって重合を止めることができる化合物である限り、特に限定されない。具体的には、重合停止剤は、ジフェニル、ベンゾフェノン、モノヨードアリール、ベンゾチアゾール、ベンゾチアゾールスルフェンアミド、チウラム、ジチオカルバメートからなる群より選択される少なくとも1つでよい。より具体的には、重合停止剤は、ジフェニルスルフィド、ジフェニルエーテル、ジベンゾチアゾールジスルフィド、ヨードビフェニル、ヨードフェノール、ヨードアニリン、ヨードベンゾフェノン、2−メルカプトベンゾチアゾール、2,2’−ジチオビスベンゾチアゾール、N−シクロヘキシルベンゾチアゾール−2−スルフェンアミド、2−モルホリノチオベンゾチアゾール、N,N−ジシクロヘキシルベンゾチアゾール−2−スルフェンアミド、テトラメチルチウラムモノスルフィド、テトラメチルチウラムジスルフィド、亜鉛ジメチルジチオカルバメート、亜鉛ジエチルジチオカルバメート、およびジフェニルジスルフィドからなる群より選択される少なくとも1つでよい。
一方、重合停止剤の添加タイミングは、PASの目標粘度または目標分子量を考慮して決定してもよい。具体的には、重合停止剤は、初期反応物に含まれるジヨード芳香族化合物の70ないし100重量%が反応して消費されたときに添加してもよい。
上述した溶融重合反応条件は、ジヨード芳香族化合物および硫黄化合物を含む反応物の重合が開始される限り、特に限定されない。たとえば、溶融重合は、高温および減圧条件下で行ってもよい。具体的には、温度上昇および圧力低下を、180ないし250℃の温度および50ないし450torrの圧力という初期反応条件を、270ないし350℃の温度および0.001ないし20torrの圧力という最終反応条件に、1ないし30時間かけて変化させることによって行った。より具体的には、重合を、280ないし300℃の温度および0.1ないし1torrの圧力という最終反応条件で行ってもよい。
一方、PASの製造方法はさらに、溶融重合に先立って、ジヨード化合物および硫黄を含む反応物を溶融ブレンドする工程を含んでいてもよい。このような溶融ブレンドは、混合物を溶融混合できる限り、特に限定されない。たとえば、これを、130ないし200℃、具体的には160ないし190℃の温度で行ってもよい。溶融重合に先立って溶融ブレンド工程を行うと、溶融重合がより容易に行われるであろう。
本発明の実施形態によれば、PASを製造するための溶融重合を、ニトロベンゼン系触媒の存在中で行ってもよい。また、上述したように、溶融重合に先立って溶融ブレンド工程をさらに含む場合、ニトロベンゼン系触媒を溶融ブレンド工程で加えてもよい。ニトロベンゼン系触媒の例は、これらに限定されないが、1,3−ジヨード−4−ニトロベンゼンまたは1−ヨード−4−ニトロベンゼンを含むであろう。
ガラス繊維は、樹脂組成物の耐熱性および機械強度を改善するのに役立つ。ガラス繊維は、6ないし15nmの平均径および2ないし5mmの平均長さを有するであろう。具体的には、ガラス繊維は、8ないし12nmの平均径および3ないし5mmの平均長さを有するであろう。
ガラス繊維は、エポキシ基、アミノ基または両方を有するシランによって表面処理されていてもよい。表面処理されたガラス繊維を用いた場合、PASとガラス繊維との間の界面接着性が改善されるであろう。具体的には、ガラス繊維は、アルミノ−ボロシリケートガラス繊維であろう。
相溶化剤は、PASとガラス繊維との相溶性を改善する物理特性増強剤であり、樹脂組成物の界面接着性を改善する。具体的には、相溶化剤は、シラン系化合物であろう。シラン系化合物は、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、およびこれらの組合せからなる群より選択されるであろう。
さらに、相溶化剤は、ドライシランでもよい。ドライシランはマイクロポアを含む無機物質に液体シランを含浸させることによって製造される。ドライシランに含まれるシランの量は、ドライシランの全重量に基づいて、50ないし80重量%、具体的には60ないし75重量%であろう。液体シランは、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、およびこれらの組合せからなる群より選択してもよい。
樹脂組成物は、40ないし70重量%のPAS、20ないし60重量%のガラス繊維、および0.01ないし1.5重量%の相溶化剤を含むであろう。具体的には、樹脂組成物は、50ないし65重量%のPAS、20ないし55重量%のガラス繊維、および0.05ないし1.5重量%の相溶化剤を含むであろう。より具体的には、樹脂組成物は、55ないし65重量%のPAS、30ないし55重量%のガラス繊維、および0.05ないし1.0重量%の相溶化剤を含むであろう。
樹脂組成物は、射出成形した正方形試料に関して、下記式1で表される成形収縮比が0.9ないし1.0であろう。
[式1]
成形収縮比=横方向(TD)長さ/縦方向(MD)長さ。
樹脂組成物はさらに、熱安定剤、潤滑剤、帯電防止剤、核形成剤、スリップ剤、顔料およびこれらの組合せを含んでいてもよい。
本発明の樹脂組成物は、線状PPSおよび枝分かれ状PPSのそれぞれの利点を有し、そのため改善された寸法安定性および耐クリープ性ならびに改善された延性を有する。したがって、上記の樹脂組成物は、優れた延性および寸法安定性を要する自動車、電気および電子部品のような種々の分野に広く用いることができる。
本発明は、上述した樹脂組成物を成形することによって製造した成形品も提供する。
成形品は、自動車部品、電気部品、または電子部品でありうる。
成形品は、二軸延伸、射出成形などのようなこの分野で公知の方法によって本発明の樹脂組成物を成形することによって製造されるであろう。成形品は、膜、シート、薄膜、および繊維のような種々の形態でありうる。加えて、成形品は、射出成形品、押出成形品、薄膜成形品またはブロー成形品でありうる。
具体的には、成形品を射出成形によって製造する場合、成形温度は約130℃以上であろう。成形品が膜またはシートの形態である場合、無配向法、一軸配向法、二軸配向法などによって種々の膜またはシートとして製造しうる。成形品が繊維である場合、無延伸繊維、延伸繊維、または超延伸繊維のような種々の種類でありえ、布、編物製品、不織布(スパンボンド、メルトブロー、またはステープル)、ロープ、またはネットとして用いうる。成形品は、コンピューター部品のような電気または電子部品、建築材料、自動車部品、機械部品、基本的な日用品、薬品と接触するコーティング、耐薬品性を要する工業繊維などとして用いうる。
以下、本発明を下記のように実施例によって詳細に説明する。下記の実施例は、本発明を、その範囲を限定することなく、さらに説明することを意図している。
製造例1:PPS1の製造
5130gのp−ヨードベンゼン(p−DIB)および450gの硫黄を、反応器の内部温度を測定できる熱電対ならびに窒素パージおよび真空引きが可能な真空ラインを備えた5Lの反応器に入れた。反応器を180℃に加熱してp−DIBおよび硫黄を完全に溶融して混合した後、段階的な温度上昇および圧力低下の条件下で重合反応を行った。具体的には、初期反応条件すなわち220℃の温度および350torrの圧力から最終反応条件すなわち300℃および0.6ないし0.9torrの圧力へと変化させることによって温度上昇および圧力低下を行いながら、19gの硫黄を7回供給した。重合反応の進行度を、現在粘度の目標粘度に対する相対比として、式「(現在粘度/目標粘度)×100%」によって計算した。目標粘度は2000ポワズであり、重合中に試料を採取し、これを粘度計で測定することによって、現在粘度を測定した。重合反応が80%まで進行した時に、35gのジフェニルジスルフィドを重合停止剤として添加し、反応をさらに1時間行った。その後、真空を0.1ないし0.5torrで徐々に適用して目標粘度に到達させた後、反応を停止してポリフェニレンスルフィド樹脂1(PPS1)を生成させた。得られた樹脂を、小型ストランドカッターを用いてペレットの形態にした。
PPS1についての結果に関して、融点(Tm)、数平均分子量(Mn)、多分散性指数(PDI)、溶融粘度(MV)、枝分かれ比を、下記の方法で測定した。結果として、PPS1は、280℃の融点、18100のMn、2.8のPDI、2050ポワズの溶融粘度、および0.71の枝分かれ比を有していた。
融点
示差走査熱量計(DSC)を用い、温度を30℃から320℃まで10℃/分の速度で上昇させ、30℃まで冷却させた後、再び30℃から320℃まで10℃/分の速度で上昇させながら、融点を測定した。
数平均分子量(Mn)および多分散性指数(PDI)
PPS樹脂を1−クロロナフタレンに溶解して0.4重量%のPPS濃度を得て、250℃で25分間撹拌することによって、試料を製造した。続いて、試料を、1mL/分の流速で高温ゲル浸透クロマトグラフィー(HT−GPC)システムのカラム(210℃)に導入し、異なる分子量を有するPPSを順次分離し、分離したPPSの分子量に対応する強度を、RI検出器を用いることによって測定した。分子量が既知の標準試料(ポリスチレン)で校正曲線を決定した後、PPS樹脂の数平均分子量(Mn)および多分散性指数(PDI)を計算した。
溶融粘度(MV)
溶融粘度を、回転ディスク粘度計を用いて300℃で測定した。周波数掃引法で、角周波数を0.6rad/秒から500rad/秒まで測定し、1.84rad/秒での粘度を溶融粘度と定義した。
枝分かれ比(α)
PPS樹脂を1−クロロナフタレンに加えて0.4%(w/v)のPPS濃度を得て、250℃で30分間撹拌して溶解した後、2μmポーラスステンレススチール(SUS)フィルターを用いてろ過した。固有粘度および分子量を、Agilient社の高温ゲル透過クロマトグラフィー(210℃、モデルPL−220)のトリプルシステム検出器(RI、粘度計、光散乱15°および90°)を用いて測定した後、マーク−ホーウィンクプロットを表示し、平均勾配を用いて枝分かれ比(α)を計算した。値αは、ポリマーの枝分かれの程度を表す。αが1に近ければ、ポリマーは線状PPSの性質を有し、αが0に近ければ、ポリマーは枝分かれ状PPSの性質を有する。
製造例2:PPS2の製造
目標粘度を2000ポワズとし、5080gのパラ−ジヨードベンゼン(p−DIB)、51gのメタ−ジヨードベンゼン(m−DIB)および450gの硫黄を原料として用いた以外、製造例1と同じ方法によってPPS2を製造した。PPS2は、2130ポワズのMV、279℃の融点、17500のMn、2.8のPDI、および0.56の枝分かれ比を有していた。
製造例3:PPS3の製造
目標粘度を2000ポワズとし、メタ−ジヨードベンゼンの代わりにトリヨードベンゼンを用いた以外、製造例2と同じ方法によってPPS3を製造した。PPS3は、2070ポワズのMV、279℃の融点、17700のMn、2.8のPDI、および0.55の枝分かれ比を有していた。
製造例4:PPS4の製造
目標粘度を600ポワズとし、5030gのパラ−ジヨードベンゼン(p−DIB)、103gのメタ−ジヨードベンゼンおよび450gの硫黄を原料として用いた以外、製造例1と同じ方法によってPPS4を製造した。PPS4は、700ポワズのMV、279℃の融点、11400のMn、2.8のPDI、および0.53の枝分かれ比を有していた。
製造例5:PPS5の製造
目標粘度を3750ポワズとし、5100gのパラ−ジヨードベンゼン(p−DIB)、26gのメタ−ジヨードベンゼンおよび450gの硫黄を原料として用いた以外、製造例1と同じ方法によってPPS5を製造した。PPS5は、3850ポワズのMV、280℃の融点、19050のMn、2.8のPDI、および0.58の枝分かれ比を有していた。
製造例6:PPS6の製造
目標粘度を2000ポワズとし、4870gのパラ−ジヨードベンゼン(p−DIB)、257gのトリヨードベンゼンおよび450gの硫黄を原料として用いた以外、製造例1と同じ方法によってPPS6を製造した。PPS6は、2260ポワズのMV、277℃の融点、18750のMn、2.8のPDI、および0.31の枝分かれ比を有していた。
実施例1:樹脂組成物の製造
二軸スクリュー押出機で、59.7重量%の、製造例1で製造したPPS1、および40重量%の、エポキシシランで表面処理されたガラス繊維(オーウェンスコーニング、FT−523)をブレンドして樹脂組成物を製造した。
SMプラテックによって製造された、40mmの径と44のL/Dを有する二軸スクリュー押出機を用いた。プロセス条件は、250rpmのスクリュー、40kg/時の供給速度、280℃ないし300℃のバレル温度および60%のトルクであった。
実施例2ないし6および比較例1ないし6:樹脂組成物の製造
表2および3に示した成分およびその含有量を用いた以外、実施例1と同じ方法でPPS樹脂組成物を製造した。
実施例1ないし6および比較例1ないし6で用いた成分を表1に示す。
実験例:物理特性の確認
実施例1ないし6および比較例1ないし6で製造した樹脂組成物の物理特性を下記の方法に従って測定し、測定結果を表4および5に示した。
まず、実施例1ないし6および比較例1ないし6で製造した各々の樹脂組成物を310℃で射出成形し、射出成形試料を製造した。
(1)引張強度
射出成形試料の引張強度を、ISO527に従って測定した。
(2)引張伸び
射出成形試料の引張伸びを、ISO527−1に従って測定した。
(3)衝撃強度
ISO179に従って、80mm×10mm×4mm(長さ×幅×厚さ)の寸法を有する射出成形試料の衝撃強度を、ノッチなしシャルピー法によって測定した。
(4)破断靭性
0.8mmの厚さを有するASTM破断試料を射出成形して3mm/分の速度で破断試験にかけ、応力−ひずみ曲線を得て、応力−ひずみ曲線の面積を測定した。
(5)寸法安定性
100mm×100mm×3mm(幅×長さ×厚さ)の寸法を有する射出成形試料を製造した後、樹脂流動の方向(MD、成形方向、縦方向)における長さおよび樹脂流動に垂直な方向(TD、横方向)における長さを、三次元測定装置を用いて測定し、成形収縮比(TD/MD)を計算した。1により近い成形収縮比は樹脂流れ方向に対して小さい寸法変化、したがって優れた寸法安定性を示す。
(6)流動長さ
0.8mm厚さのASTM破断試料を射出成形し、射出成形の長さについて測定した。
表4および5に示すように、実施例1ないし6は、比較例1ないし6と比較して、優れた延性を示しながら、より優れた靭性および寸法安定性を示した。
さらに、0.5ないし0.6の枝分かれ比を有する単一種類のPPSを用いた実施例1ないし5は、0.35未満の枝分かれ比を有する単一種類のPPSを用いた比較例2ないし5と比較して、より優れた引張強度、引張伸びおよび靭性を示した。
さらに、溶融重合法によって製造したPPSを用いた実施例1ないし5は、溶液重合法によって製造したPPSを用いた比較例6と比較して、より優れた寸法安定性および流動長さを示した。

Claims (11)

  1. マーク−ホーウィンク式で0.4ないし0.7のα(枝分かれ比)を有するポリアリーレンスルフィドと、ガラス繊維と、相溶化剤とを含む樹脂組成物。
  2. 前記ポリアリーレンスルフィドは、5000ないし50000の数平均分子量を有する、請求項1に記載の樹脂組成物。
  3. 前記ポリアリーレンスルフィドは、300℃で10ないし50000ポワズの溶融粘度を有する、請求項1に記載の樹脂組成物。
  4. 前記ガラス繊維は、6ないし15μmの平均径と2ないし5mmの平均長さを有する、請求項1に記載の樹脂組成物。
  5. 前記ガラス繊維は、エポキシ基、アミノ基または両方を有するシランで表面処理されている、請求項1に記載の樹脂組成物。
  6. 前記相溶化剤は、シラン系化合物である、請求項1に記載の樹脂組成物。
  7. 前記シラン系化合物は、エポキシシラン、メルカプトシラン、アミノシラン、およびこれらの組合せから選択される、請求項6に記載の樹脂組成物。
  8. 前記樹脂組成物は、40ないし70重量%のポリアリーレンスルフィドと、20ないし60重量%のガラス繊維と、0.01ないし1.5重量%の相溶化剤とを含む、請求項1に記載の樹脂組成物。
  9. 前記樹脂組成物の射出成形した正方形試料の成形収縮比が、式1で表したときに0.9ないし1.0である、請求項1に記載の樹脂組成物。
    [式1]
    成形収縮比=横方向(TD)長さ/縦方向(MD)長さ。
  10. 請求項1ないし9のいずれか1項に記載の樹脂組成物を成形することによって製造した成形品。
  11. 前記成形品は、自動車部品、電気部品、または電子部品である、請求項10に記載の成形品。
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