JP2022099828A - 熱可塑性樹脂組成物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】カーボンブラックを良好に分散させることが可能な熱可塑性樹脂組成物の製造方法を提供する。【解決手段】ニーディングディスクが装着された一対のスクリューをバレル内に有する二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する工程を含む、熱可塑性樹脂の製造方法であって、ニーディングディスクの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍである熱可塑性樹脂組成物の製造方法である。【選択図】なし
Description
本発明は、カーボンブラックを含む熱可塑性樹脂組成物の製造方法に関する。
熱可塑性樹脂は、成形性、機械特性、又は耐候性等の性能に優れることから、射出成形用途を中心として、各種自動車部品、電気・電子部品などの用途に広く使用されている。一般に、熱可塑性樹脂において上記のような性能を更に向上させたり、熱可塑性樹脂の短所を補ったりするため、種々の添加剤を添加して樹脂組成物として用いられる。例えば、熱可塑性樹脂組成物を黒色に着色するには、カーボンブラックを添加するのが一般的である。一例として、熱可塑性樹脂のペレット又は粉末に、カーボンブラックを配合し、押出機により溶融混練してストランド状に押出したものを切断してペレット状にする態様が挙げられる。
カーボンブラックを用いて熱可塑性樹脂組成物を黒色に着色する場合、熱可塑性樹脂との溶融混練時にカーボンブラックの分散不良が発生し、それに由来する凝集塊が問題となる。カーボンブラックの一次粒径を大きくすると分散不良による問題は起こりにくくなるが成形品の機械物性及び漆黒度が低下するという別の問題が発生する。また、漆黒度の低下を抑えるため、カーボンブラックの添加量を増加すると、熱可塑性樹脂組成物の物性に悪影響を及ぼしたり、絶縁性が低下したりする問題が発生する。
以上のことから、成形品の機械強度、絶縁性を維持するため小粒径のカーボンブラックを使用することが好ましい。しかし、上記の通り、一次粒子径の小さなカーボンブラックを溶融混練する場合、カーボンブラックの分散不良による凝集塊の発生を抑制する必要がある。そこで、特許文献１には、一次粒子径が７０～２００ｎｍのカーボンブラックを最大粒子径５０μｍ以下で分散させることで、カーボンブラックの凝集塊を抑えた熱可塑性樹脂組成物が提案されている。
特許文献１においては、カーボンブラックを分散させるに際し、二軸押出機の原料投入位置から吐出位置までの全長（Ｌ）に対し、熱可塑性樹脂及びカーボンブラックの原料投入位置から３Ｌ／１０までの間の熱可塑性樹脂組成物の滞留時間（初期滞留時間）を所定時間としたり、混練部において複数枚のニーディングディスクを設置したりするなどしている。しかし、一次粒子径が小さく凝集し易いカーボンブラックの分散に対しては、満足できる結果が得られているとは言い難い。また、特許文献１には、ニーディングディスクの先端とバレルの内壁との距離を大きくして溶融混練することについては記載されていない。
本発明は、カーボンブラックを良好に分散させることが可能な熱可塑性樹脂組成物の製造方法を提供することにある。
前記課題を解決する本発明の一態様は以下の通りである。
（１）ニーディングディスクが装着された一対のスクリューをバレル内に有する二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する工程を含む、熱可塑性樹脂の製造方法であって、
前記ニーディングディスクの先端部と、前記バレルの内壁における、前記ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍである、熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
（１）ニーディングディスクが装着された一対のスクリューをバレル内に有する二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する工程を含む、熱可塑性樹脂の製造方法であって、
前記ニーディングディスクの先端部と、前記バレルの内壁における、前記ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍである、熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
（２）前記熱可塑性樹脂がポリブチレンテレフタレート樹脂である、前記（１）に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
（３）前記二軸押出機のスクリュー回転数が２５０～６００ｒｐｍであり、前記バレルの内径が４０～８５ｍｍである、前記（１）又は（２）に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
（４）前記カーボンブラックの一次粒子径が１０～６０ｎｍである、前記（１）～（３）のいずれかに記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
（５）前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを溶融混練する工程の前に、前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを予備混練する工程をさらに含み、
前記予備混練する工程において、厚さが０．０５Ｄ～０．３Ｄのニーディングディスクを０．５Ｄ～５．０Ｄの長さとなるように装着された一対のスクリューを用いて前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを溶融混練する、前記（１）～（４）のいずれかに記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
前記予備混練する工程において、厚さが０．０５Ｄ～０．３Ｄのニーディングディスクを０．５Ｄ～５．０Ｄの長さとなるように装着された一対のスクリューを用いて前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを溶融混練する、前記（１）～（４）のいずれかに記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
本発明によれば、カーボンブラックを良好に分散させることが可能な熱可塑性樹脂組成物の製造方法を提供することができる。
本実施形態の熱可塑性樹脂組成物の製造方法は、ニーディングディスクが装着された一対のスクリューをバレル内に有する二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する工程を含む、熱可塑性樹脂の製造方法である。そして、ニーディングディスクの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍであることを特徴としている。
二軸押出機に熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを投入して溶融混練することでカーボンブラックを分散させる場合、二軸押出機への投入当初のカーボンブラックはミリメートルオーダーに凝集している。漆黒度を高めるには、分散に際し、そのような凝集したカーボンブラックを解砕してマイクロメートルオーダーの粒子とすることが望まれる。ところが、カーボンブラックは特に一次粒子径が小さいほど強く凝集しており解砕するのが困難である。
二軸押出機を用いて熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する際にカーボンブラックを細かく解砕しようとする場合、凝集塊の残存を低減するには、カーボンブラック全体に満遍なく剪断応力を付与することが望まれる。そこで、本実施形態においては、二軸押出機において、ニーディングディスクの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値を所定の範囲としている。すなわち、本実施形態においては、ニーディングディスクの先端部と、当該先端部の対向位置にあるバレルの内壁との間隙がより広く設定されているため、溶融混練時に熱可塑性樹脂とカーボンブラックとの混合物の当該間隙を通過する量が増大する。その結果、カーボンブラックの凝集塊を解砕するのに十分な剪断応力が印加されることとなる。従って、カーボンブラックの凝集塊の残存を減少させ、マイクロメートルオーダーへの解砕が可能となる。ひいては、カーボンブラックを良好に分散することが可能となり、特に解砕が困難である、一次粒子径が小さいカーボンブラックであっても良好に分散することができる。また、カーボンブラックの一次粒子径が小さいほど漆黒度見合いでの配合量を少なくすることができるため、本実施形態においては、一次粒子径が小さいカーボンブラックを用いてその配合量を減らしても、十分な漆黒度を確保することができる。
二軸押出機を用いて熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する際にカーボンブラックを細かく解砕しようとする場合、凝集塊の残存を低減するには、カーボンブラック全体に満遍なく剪断応力を付与することが望まれる。そこで、本実施形態においては、二軸押出機において、ニーディングディスクの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値を所定の範囲としている。すなわち、本実施形態においては、ニーディングディスクの先端部と、当該先端部の対向位置にあるバレルの内壁との間隙がより広く設定されているため、溶融混練時に熱可塑性樹脂とカーボンブラックとの混合物の当該間隙を通過する量が増大する。その結果、カーボンブラックの凝集塊を解砕するのに十分な剪断応力が印加されることとなる。従って、カーボンブラックの凝集塊の残存を減少させ、マイクロメートルオーダーへの解砕が可能となる。ひいては、カーボンブラックを良好に分散することが可能となり、特に解砕が困難である、一次粒子径が小さいカーボンブラックであっても良好に分散することができる。また、カーボンブラックの一次粒子径が小さいほど漆黒度見合いでの配合量を少なくすることができるため、本実施形態においては、一次粒子径が小さいカーボンブラックを用いてその配合量を減らしても、十分な漆黒度を確保することができる。
本実施形態の熱可塑性樹脂組成物の製造方法においては、二軸押出機を用い、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する。二軸押出機としては、例えば、図１に示す構成のものが挙げられる。図１に示す二軸押出機１０は、熱可塑性樹脂を投入するためのホッパー１２を備える第１供給口１４、可塑化ゾーン１６、第２供給口１８、予備混練ゾーン２０、混練ゾーン２２、及びダイ部２４を備える。第１供給口１４に投入される粒状の熱可塑性樹脂は、可塑化ゾーン１６に固体輸送され溶融される。熱可塑性樹脂の大部分の溶融が見込まれれば可塑化ゾーン１６のエレメント構成に制限はない。例えば、片側のニーディングディスクの先端部とバレルの内壁との距離が０．４ｍｍである１．０Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ×５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクエレメントを２組と、片側のニーディングディスクの先端部とバレルの内壁との距離が０．４ｍｍである１．０Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ×５枚、ずらし角４５°）の逆送り２条ニーディングディスクエレメント１組とを組み合わせて可塑化ゾーンとすることができる。
第２供給口１８は、例えば、サイドフィーダースクリューを有し、ここからカーボンブラックを二軸押出機１０へ供給することができる。
予備混練ゾーン２０は、混練ゾーン２２の上流側に位置し、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを含む組成物を予備混練する、必要に応じて設けられるゾーンである。予備混練は、混練ゾーン２２において行う、溶融樹脂とカーボンブラックとの混練前に、溶融又は未溶融の状態の熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを積極的に接触（濡れ）させ、カーボンブラックの凝集を抑制するために実施する。
混練ゾーン２２は、予備混練ゾーン２０の下流側に位置し、予備混練を終えた、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを含む組成物を溶融混練するゾーンである。
なお、以下において、混練ゾーン２２において使用するニーディングディスクを「ニーディングディスクＡ」とも呼び、予備混練ゾーン２０において使用するニーディングディスクを「ニーディングディスクＢ」とも呼ぶ。
第２供給口１８は、例えば、サイドフィーダースクリューを有し、ここからカーボンブラックを二軸押出機１０へ供給することができる。
予備混練ゾーン２０は、混練ゾーン２２の上流側に位置し、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを含む組成物を予備混練する、必要に応じて設けられるゾーンである。予備混練は、混練ゾーン２２において行う、溶融樹脂とカーボンブラックとの混練前に、溶融又は未溶融の状態の熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを積極的に接触（濡れ）させ、カーボンブラックの凝集を抑制するために実施する。
混練ゾーン２２は、予備混練ゾーン２０の下流側に位置し、予備混練を終えた、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを含む組成物を溶融混練するゾーンである。
なお、以下において、混練ゾーン２２において使用するニーディングディスクを「ニーディングディスクＡ」とも呼び、予備混練ゾーン２０において使用するニーディングディスクを「ニーディングディスクＢ」とも呼ぶ。
本実施形態においては、二軸押出機１０の混練ゾーン２２において、ニーディングディスクＡが装着された一対のスクリューをバレル内に有する。そして、ニーディングディスクＡの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクＡの先端部の対向位置との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍである。当該距離の最大値が１．０ｍｍ未満であると、剪断応力が与えられる溶融樹脂とカーボンブラックの混練物の量が限られ、混練物全体に対して良好な分散性を確保できなくなり、５．０ｍｍを超えるとカーボンブラックを解砕するのに十分な剪断応力を与えることができなくなる。当該距離の最大値は、１．５～４．５ｍｍが好ましい。
本実施形態に係るニーディングディスクＡについて、図２を参照して説明する。図２は、バレル３２内において、一対のスクリュー（図示しない）に装着されたニーディングディスク３４、３６の配置態様を示している。バレル３２は、２つの筒状体の一部が重なりあった形状であり、当該２つの筒状体のそれぞれにスクリューが配置されている。一対のスクリューは、バレル３２内において、駆動手段により互いに同方向又は逆方向に回転するが、その回転軸の軸心は筒状体の断面を円として見た場合の円の中心と一致する。ニーディングディスク３４、３６はいずれも同じ形状であり、回転軸（それぞれ、バレル３２の内壁３８、４０を円として見た場合の中心）に対して非対称の形状を有する。より具体的には、図２の左側に位置するニーディングディスク３４の場合、上側先端部と、バレル３２の内壁３８における、上側先端部の対向位置との距離はｄ１離間している。当該距離ｄ１の最大値が１．０～５．０ｍｍである。一方、ニーディングディスク３４の下側先端部と、バレル３２の内壁における、下側先端部の対向位置との距離は距離ｄ１よりも短く、例えば０．５ｍｍ以下である。このように、ニーディングディスク３４の先端部はバレル３２の内壁３８から距離ｄ１離間することで、カーボンブラック全体に均一又は均一に近い状態で剪断応力を与えることができる。逆に、下側先端部はバレル３２の内壁３８と近接しており、ニーディングディスク３４が回転することで、バレル３２の内壁３８をクリーニングする機能を有する。図２の右側のニーディングディスク３６も、左側のニーディングディスク３４と同様である。なお、ニーディングディスクの先端部すべてのが、バレルの内壁の対向位置と離間している構成としてもよい。
次いで、本実施形態に係るニーディングディスクの別の形態について説明する。図３に示す形態は、ニーディングディスクの形状において図２の形態とは異なる。図３は、バレル内において、一対のスクリュー（図示しない）に装着されたニーディングディスク４４、４６の配置態様を示している。ニーディングディスク４４、４６は、３回回転対称の略正三角形状を有し、対称中心は点ｂである。一方、スクリューの回転軸、すなわちニーディングディスク４４、４６の回転中心は点ａであり、それぞれ、対称中心である点ｂの位置とは異なる。すなわち、ニーディングディスク４４、４６は、スクリューの回転軸に対して偏心回転するように装着されている。従って、ニーディングディスク４４の場合、先端部と、バレルの内壁４８における、各先端部の対向位置との距離ｄ２は、スクリューの回転によらず一定である。そして、当該距離ｄ２の最大値が１．０～５．０ｍｍである。図３の右側のニーディングディスク４６も、左側のニーディングディスク４４と同様である。
以上、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るニーディングディスクＡの形態について説明したが、本実施形態においては図２及び図３の形態に限定されることはない。すなわち、ニーディングディスクＡの先端部とバレルの内壁との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍを確保できれば特に限定されることはない。通常のニーディングディスク、ショルダーエレメント、偏心エレメントなどいずれでもよい。
ニーディングディスクＡの厚みは、０．０５Ｄ～０．５Ｄが好ましく、０．１Ｄ～０．３Ｄがより好ましい。当該厚みが０．０５Ｄ～０．５Ｄであると、強度や耐久性が十分であるとともに、通過する熱可塑性樹脂に対して十分な剪断応力を与えることができる。また、スクリューに対する負荷が小さい。
なお、本明細書において、Ｄはバレルの内径を意味する。例えば、ニーディングディスクＡの厚みが０．０５Ｄと表記された場合、当該厚みはバレルの内径の０．０５倍であることを意味する。
なお、本明細書において、Ｄはバレルの内径を意味する。例えば、ニーディングディスクＡの厚みが０．０５Ｄと表記された場合、当該厚みはバレルの内径の０．０５倍であることを意味する。
混練ゾーン長さは、０．５Ｄ～１０．０Ｄが好ましく、１．０Ｄ～９．０Ｄ がより好ましく、１．５Ｄ～８．０Ｄがさらに好ましい。混練ゾーン長さが０．５Ｄ～１０．０Ｄであると、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを十分に混練することができるとともに、スクリューの長さが過度に長くならず、他のゾーンの確保が容易となる。なお、ゾーン長さの合計が０．５Ｄ～１０．０Ｄであれば、混練ゾーンは単独存在していても、複数に分割して存在してもよい。
ニーディングディスクＡは、順送りニーディングディスク、逆送りニーディングディスク、直交ニーディングディスクのいずれでもよいが、滞留時間や発熱の点から、順送りニーディングディスクが好ましい。
ニーディングディスクＡの好ましい具体例について以下に示すが、ニーディングディスクの先端部とバレルの内壁との距離の最大値が所定範囲のものであれば、以下に示す例と異なるものを使用してもよい。また、以下のニーディングディスクは単独で使用してもよいし、複数を組合せて使用してもよい。なお、以下においては、ニーディングディスクの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離を「先端部とバレル内壁との距離」と表記している。後記のニーディングディスクＢやその他の説明においても同様に表記している。
（１）先端部とバレル内壁との距離がいずれの側も３．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクエレメント
（２）先端部とバレル内壁との距離がいずれの側も３．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクエレメント
（３）先端部とバレル内壁との距離が各々の側において０．４ｍｍと４．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクショルダーエレメント
（４）先端部とバレル内壁との距離が各々の側において０．４ｍｍ、４．０ｍｍ、４．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り３条偏心エレメント
（１）先端部とバレル内壁との距離がいずれの側も３．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクエレメント
（２）先端部とバレル内壁との距離がいずれの側も３．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクエレメント
（３）先端部とバレル内壁との距離が各々の側において０．４ｍｍと４．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り２条ニーディングディスクショルダーエレメント
（４）先端部とバレル内壁との距離が各々の側において０．４ｍｍ、４．０ｍｍ、４．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り３条偏心エレメント
本実施形態において、カーボンブラックの分散性をより良好にする観点から、スクリュー回転数は２５０～６００ｒｐｍであることが好ましく、２７０～５８０ｒｐｍであることがより好ましい。また、同様の観点から、バレルの内径は４０～８５ｍｍであることが好ましく、４５～８０ｍｍであることがより好ましい。特に、バレルの内径が８５ｍｍ以下であると、剪断速度が過度に上昇することがなく、再凝集を防止することができる。
本実施形態においては、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する工程の前に、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを予備混練する工程をさらに含むことが好ましい。換言すると、図１に示す通り、混練ゾーンの上流側に予備混練ゾーンを設けることが好ましい。予備混練する工程においては、厚さが０．０５Ｄ～０．３Ｄのニーディングディスクを０．５Ｄ～５．０Ｄの長さとなるように装着された一対のスクリューを用いて熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練することが好ましい。予備混練する工程を含むことで、上述の通り、混練ゾーンにおいて行う、溶融樹脂とカーボンブラックとの混練前に、溶融又は未溶融の状態の熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを積極的に接触（濡れ）させ、カーボンブラックの凝集を抑制することができる。
予備混練ゾーンにおいて使用するニーディングディスクＢの厚みは、０．０５Ｄ～０．３Ｄが好ましく、０．１Ｄ～０．２Ｄであることがより好ましい。ニーディングディスクＢの厚みが０．０５Ｄ～０．３Ｄであると、強度や耐久性が十分であるとともに、溶融又は未溶融の状態の熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを積極的に接触（濡れ）させることができる。また、スクリューに対する負荷が小さい。
予備混練ゾーン長さは、０．５Ｄ～５．０Ｄが好ましく、１．０Ｄ～４．０Ｄがより好ましい。予備混練ゾーン長さが０．５Ｄ～５．０Ｄであると、濡れが十分で、スクリューの長さが過度に長くならず、他のゾーンの確保が容易となる。
予備混練ゾーンにおいて使用するニーディングディスクＢの形状は特に制限はなく、ニーディングディスク、ショルダーカットニーディングディスク、偏心ニーディングディスクのいずれでもよい。
ニーディングディスクＢの先端部と、バレルの内壁における、ニーディングディスクＢの先端部の対向位置との距離の最大値は、混練ゾーンにおいて使用するニーディングディスクＡに準ずる。すなわち、剪断発熱抑制の観点から、当該距離の最大値は、０．５～５．０ｍｍとすることが好ましい。もっとも、当該距離は０．１～５．０ｍｍの範囲であれば特に制限はない。
ニーディングディスクＢは、順送りニーディングディスク、逆送りニーディングディスク、直交ニーディングディスクのいずれでもよいが、滞留時間や発熱の点から、順送りニーディングディスクが好ましい。
ニーディングディスクＢの好ましい具体例としては、先端部とバレル内壁との距離がいずれの側も０．４ｍｍである０．５Ｄ（０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送りニーディングディスクを６組用いて、３．０Ｄの長さとしたものである。
ニーディングディスクＢの好ましい具体例としては、先端部とバレル内壁との距離がいずれの側も０．４ｍｍである０．５Ｄ（０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送りニーディングディスクを６組用いて、３．０Ｄの長さとしたものである。
以下に、本実施形態の熱可塑性樹脂組成物の製造方法に用いられる各成分について説明する。
［熱可塑性樹脂］
本実施形態に係る熱可塑性樹脂としては、ポリブチレンテレフタレート樹脂（以下、「ＰＢＴ樹脂」とも呼ぶ。）、液晶性樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂などが挙げられ、本実施形態においては、ＰＢＴ樹脂に特に有用である。以下に、ＰＢＴ樹脂を挙げて説明するが、本実施形態においてはそれに限定されるものではない。
本実施形態に係る熱可塑性樹脂としては、ポリブチレンテレフタレート樹脂（以下、「ＰＢＴ樹脂」とも呼ぶ。）、液晶性樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂などが挙げられ、本実施形態においては、ＰＢＴ樹脂に特に有用である。以下に、ＰＢＴ樹脂を挙げて説明するが、本実施形態においてはそれに限定されるものではない。
（ポリブチレンテレフタレート樹脂）
ＰＢＴ樹脂は、少なくともテレフタル酸又はそのエステル形成性誘導体（Ｃ１－６のアルキルエステルや酸ハロゲン化物等）を含むジカルボン酸成分と、少なくとも炭素原子数４のアルキレングリコール（１，４－ブタンジオール）又はそのエステル形成性誘導体（アセチル化物等）を含むグリコール成分とを重縮合して得られる樹脂である。ＰＢＴ樹脂は、ポリブチレンテレフタレートに限らず、ブチレンテレフタレート単位を６０モル％以上（特に７５モル％以上９５モル％以下）含有する共重合体であってもよい。
ＰＢＴ樹脂は、少なくともテレフタル酸又はそのエステル形成性誘導体（Ｃ１－６のアルキルエステルや酸ハロゲン化物等）を含むジカルボン酸成分と、少なくとも炭素原子数４のアルキレングリコール（１，４－ブタンジオール）又はそのエステル形成性誘導体（アセチル化物等）を含むグリコール成分とを重縮合して得られる樹脂である。ＰＢＴ樹脂は、ポリブチレンテレフタレートに限らず、ブチレンテレフタレート単位を６０モル％以上（特に７５モル％以上９５モル％以下）含有する共重合体であってもよい。
ＰＢＴ樹脂の末端カルボキシル基量は、本実施形態に係る熱可塑性樹脂の効果を阻害しない限り特に限定されない。ＰＢＴ樹脂の末端カルボキシル基量は、３０ｍｅｑ／ｋｇ以下が好ましく、２５ｍｅｑ／ｋｇ以下がより好ましい。
ＰＢＴ樹脂の固有粘度は、０．６５～１．２０ｄＬ／ｇであることが好ましい。かかる範囲の固有粘度のＰＢＴ樹脂を用いる場合には、得られる樹脂組成物が特に機械的特性と流動性に優れたものとなる。逆に固有粘度０．６５ｄＬ／ｇ未満では優れた機械的特性が得られず、１．２０ｄＬ／ｇを超えると優れた流動性が得られないことがある。
また、固有粘度が上記範囲のＰＢＴ樹脂は、異なる固有粘度を有するＰＢＴ樹脂をブレンドして、固有粘度を調整することもできる。例えば、固有粘度０．９ｄＬ／ｇのＰＢＴ樹脂と固有粘度０．７ｄＬ／ｇのＰＢＴ樹脂とをブレンドすることにより、固有粘度０．８ｄＬ／ｇのＰＢＴ樹脂を調製することができる。本明細書中のＰＢＴ樹脂の固有粘度は、ｏ－クロロフェノール中で温度３５℃の条件で測定したときの値である。
また、固有粘度が上記範囲のＰＢＴ樹脂は、異なる固有粘度を有するＰＢＴ樹脂をブレンドして、固有粘度を調整することもできる。例えば、固有粘度０．９ｄＬ／ｇのＰＢＴ樹脂と固有粘度０．７ｄＬ／ｇのＰＢＴ樹脂とをブレンドすることにより、固有粘度０．８ｄＬ／ｇのＰＢＴ樹脂を調製することができる。本明細書中のＰＢＴ樹脂の固有粘度は、ｏ－クロロフェノール中で温度３５℃の条件で測定したときの値である。
ＰＢＴ樹脂において、テレフタル酸及びそのエステル形成性誘導体と併用可能なジカルボン酸成分（コモノマー成分）としては、例えば、イソフタル酸、フタル酸、２，６－ナフタレンジカルボン酸、４，４’－ジカルボキシジフェニルエーテル等のＣ８－１４の芳香族ジカルボン酸；コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸等のＣ４－１６のアルカンジカルボン酸；シクロヘキサンジカルボン酸等のＣ５－１０のシクロアルカンジカルボン酸；これらのジカルボン酸成分のエステル形成性誘導体（Ｃ１－６のアルキルエステル誘導体や酸ハロゲン化物等）が挙げられる。これらのジカルボン酸成分は、単独で又は２種以上を組み合わせて使用できる。
これらのジカルボン酸成分の中では、イソフタル酸等のＣ８－１２の芳香族ジカルボン酸、及び、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸等のＣ６－１２のアルカンジカルボン酸がより好ましい。
ＰＢＴ樹脂において、１，４－ブタンジオールと併用可能なグリコール成分（コモノマー成分）としては、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリメチレングリコール、１，３－ブチレングリコール、ヘキサメチレングリコール、ネオペンチルグリコール、１，３－オクタンジオール等のＣ２－１０のアルキレングリコール；ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール等のポリオキシアルキレングリコール；シクロヘキサンジメタノール、水素化ビスフェノールＡ等の脂環式ジオール；ビスフェノールＡ、４，４’－ジヒドロキシビフェニル等の芳香族ジオール；ビスフェノールＡのエチレンオキサイド２モル付加体、ビスフェノールＡのプロピレンオキサイド３モル付加体等の、ビスフェノールＡのＣ２－４のアルキレンオキサイド付加体；又はこれらのグリコールのエステル形成性誘導体（アセチル化物等）が挙げられる。これらのグリコール成分は、単独で又は２種以上を組み合わせて使用できる。
これらのグリコール成分の中では、エチレングリコール、トリメチレングリコール等のＣ２－６のアルキレングリコール、ジエチレングリコール等のポリオキシアルキレングリコール、又は、シクロヘキサンジメタノール等の脂環式ジオール等がより好ましい。
ジカルボン酸成分及びグリコール成分の他に使用できるコモノマー成分としては、例えば、４－ヒドロキシ安息香酸、３－ヒドロキシ安息香酸、６－ヒドロキシ－２－ナフトエ酸、４－カルボキシ－４’－ヒドロキシビフェニル等の芳香族ヒドロキシカルボン酸；グリコール酸、ヒドロキシカプロン酸等の脂肪族ヒドロキシカルボン酸；プロピオラクトン、ブチロラクトン、バレロラクトン、カプロラクトン（ε－カプロラクトン等）等のＣ３－１２ラクトン；これらのコモノマー成分のエステル形成性誘導体（Ｃ１－６のアルキルエステル誘導体、酸ハロゲン化物、アセチル化物等）が挙げられる。
［カーボンブラック］
カーボンブラックは、その種類、原料種、製造方法に制限はなく、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のいずれをも使用することができる。
カーボンブラックは、その種類、原料種、製造方法に制限はなく、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のいずれをも使用することができる。
カーボンブラックは、熱可塑性樹脂組成物を黒色に着色するために配合する。一般的に、カーボンブラックの一次粒子径が大きくなるほど、配合量見合いの漆黒度は低下し、漆黒度見合いでの絶縁性は低下する。しかし、本実施形態においては、カーボンブラックの凝集塊の個数を大きく低減することができ、カーボンブラックを良好に分散することができる。従って、カーボンブラックが少ない配合量であっても、熱可塑性樹脂組成物を十分な漆黒度で着色することができる。
上記の通り、本実施形態においては、一次粒子径が小さいカーボンブラックであっても、良好に分散することができる。例えば、一次粒子径が１０～６０ｎｍのカーボンブラックであっても良好に分散することができる。従って、少ない配合量であっても十分な漆黒度が得られる。また、カーボンブラックが少ないため、熱可塑性樹脂への悪影響や絶縁性の低下を抑えることができる。
なお、本実施形態におけるカーボンブラックの一次粒子径は、ＡＳＴＭＤ３８４９規格に準じ、取得された拡大画像から３，０００個の単位粒子径を測定し、求められる平均値をいう。
なお、本実施形態におけるカーボンブラックの一次粒子径は、ＡＳＴＭＤ３８４９規格に準じ、取得された拡大画像から３，０００個の単位粒子径を測定し、求められる平均値をいう。
本実施形態において、熱可塑性樹脂１００質量部に対するカーボンブラックの配合量は、所望の漆黒度等に応じて適宜設定することができるが、例えば、１０～２００質量部とすることが好ましく、５～４０質量部とすることがより好ましい。
その他、本実施形態において、カーボンブラックの窒素吸着比表面積（ＮＳＡ）は、特に限定されないが、５０～６００ｍ２／ｇであることが好ましい。カーボンブラックの窒素吸着比表面積は、ＪＩＳ Ｋ６２１７における窒素吸着量からＳ－ＢＥＴ式で求めた比表面積である。一般に、粒子径が小さいほど、比表面積は大きくなる。
また、カーボンブラックのＤＢＰ（ジブチルフタレート）吸収量は、特に限定されないが、４５～２００ｃｍ２／１００ｇが好ましい。カーボンブラックのＤＢＰ吸収量は、カーボンブラック１００ｇが吸収するジブチルフタレート量であり、ＪＩＳ Ｋ６２２１に記載される方法に準じて測定される値である。一般に、カーボンブラック一次粒子の凝集構成体であるストラクチャーが発達しているほど、ＤＢＰ吸収量が大きくなる。
さらに、カーボンブラックの揮発量は、特に制限されないが、７％以下であることが好ましい。カーボンブラックの揮発量は、カーボンブラックを９５０℃で７分間加熱したときの揮発（減量）分（元の質量に対する揮発分質量の割合）である。一般に、表面官能基が多いほど、揮発成分は多くなる。
また、カーボンブラックのＤＢＰ（ジブチルフタレート）吸収量は、特に限定されないが、４５～２００ｃｍ２／１００ｇが好ましい。カーボンブラックのＤＢＰ吸収量は、カーボンブラック１００ｇが吸収するジブチルフタレート量であり、ＪＩＳ Ｋ６２２１に記載される方法に準じて測定される値である。一般に、カーボンブラック一次粒子の凝集構成体であるストラクチャーが発達しているほど、ＤＢＰ吸収量が大きくなる。
さらに、カーボンブラックの揮発量は、特に制限されないが、７％以下であることが好ましい。カーボンブラックの揮発量は、カーボンブラックを９５０℃で７分間加熱したときの揮発（減量）分（元の質量に対する揮発分質量の割合）である。一般に、表面官能基が多いほど、揮発成分は多くなる。
［他の成分］
本実施形態においては、必要に応じて、熱可塑性樹脂に対する一般的な添加剤、例えば、滑剤、離型剤、帯電防止剤、界面活性剤、難燃剤、又は、有機高分子材料、無機若しくは有機の繊維状、粉体状、板状の充填剤等を１種又は２種以上添加することができる。
本実施形態においては、必要に応じて、熱可塑性樹脂に対する一般的な添加剤、例えば、滑剤、離型剤、帯電防止剤、界面活性剤、難燃剤、又は、有機高分子材料、無機若しくは有機の繊維状、粉体状、板状の充填剤等を１種又は２種以上添加することができる。
以下に、実施例により本実施形態をさらに具体的に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１～１８、比較例１～２］
各実施例・比較例において、図１に示す二軸押出機を用い、ポリブチレンテレフタレート樹脂１００質量部と、カーボンブラック（Ａ又はＢ）２８質量部とを以下の押出条件にて溶融混練し、ペレット状の組成物を得た。なお、ポリブチレンテレフタレート樹脂は、第１供給口１４から供給し、カーボンブラックは第２供給口１８から供給した。また、使用した各成分の詳細は以下の通りである。
（１）ポリブチレンテレフタレート樹脂
ポリプラスチックス（株）製、ＰＢＴ樹脂（固有粘度（ｏ－クロロフェノール中において温度３５℃で測定）：０．８８ｄＬ／ｇ））
（２）カーボンブラック
カーボンブラックＡ：三菱ケミカル（株）製、＃７５０Ｂ（粒子径：２２ｎｍ）
カーボンブラックＢ：三菱ケミカル（株）製、＃１０（粒子径：７５ｎｍ）
各実施例・比較例において、図１に示す二軸押出機を用い、ポリブチレンテレフタレート樹脂１００質量部と、カーボンブラック（Ａ又はＢ）２８質量部とを以下の押出条件にて溶融混練し、ペレット状の組成物を得た。なお、ポリブチレンテレフタレート樹脂は、第１供給口１４から供給し、カーボンブラックは第２供給口１８から供給した。また、使用した各成分の詳細は以下の通りである。
（１）ポリブチレンテレフタレート樹脂
ポリプラスチックス（株）製、ＰＢＴ樹脂（固有粘度（ｏ－クロロフェノール中において温度３５℃で測定）：０．８８ｄＬ／ｇ））
（２）カーボンブラック
カーボンブラックＡ：三菱ケミカル（株）製、＃７５０Ｂ（粒子径：２２ｎｍ）
カーボンブラックＢ：三菱ケミカル（株）製、＃１０（粒子径：７５ｎｍ）
（押出条件）
・シリンダー温度：２６０℃
・バレル径：各実施例・比較例において、バレル径の異なる以下の二軸押し出し機を用いた。
３２ｍｍ 型番名：ＴＥＸ３０αII、日本製鋼所（株）製
４７ｍｍ 型番名：ＴＥＸ４４αII、日本製鋼所（株）製
５８ｍｍ 型番名：ＴＥＸ５４αII、日本製鋼所（株）製
６９ｍｍ 型番名：ＴＥＸ６５αII、日本製鋼所（株）製
８２．５ｍｍ 型番名：ＴＥＸ７７ＨＣＴ、日本製鋼所（株）製
・ニーディングディスクＡ（混練ゾーン）
ニーディングディスクＡ１：２条ニーディングディスク
形状：先端部とバレル内壁との距離が互いに等しく、片側における先端部とバレル内壁との距離の最大値（表１において「最大クリアランス」と示す。）が表１に示す通りである０．５Ｄ（０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送りニーディングエレメントを４組用いて、２．０Ｄの長さとした。
ニーディングディスクＡ２：偏心３条ニーディングディスク
形状：先端部とバレル内壁との距離が各々０．４ｍｍ、４．０ｍｍ、４．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り３条偏心エレメントを４組用いて、４．０の長さとした。
・ニーディングディスクＢ（予備混練ゾーン）
ニーディングディスクＢ：ニーディングディスク
形状：片側の先端部の隙間が０．４ｍｍである０．５Ｄ（０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送りニーディングエレメントを６組用いて３．０Ｄの長さとした。
・シリンダー温度：２６０℃
・バレル径：各実施例・比較例において、バレル径の異なる以下の二軸押し出し機を用いた。
３２ｍｍ 型番名：ＴＥＸ３０αII、日本製鋼所（株）製
４７ｍｍ 型番名：ＴＥＸ４４αII、日本製鋼所（株）製
５８ｍｍ 型番名：ＴＥＸ５４αII、日本製鋼所（株）製
６９ｍｍ 型番名：ＴＥＸ６５αII、日本製鋼所（株）製
８２．５ｍｍ 型番名：ＴＥＸ７７ＨＣＴ、日本製鋼所（株）製
・ニーディングディスクＡ（混練ゾーン）
ニーディングディスクＡ１：２条ニーディングディスク
形状：先端部とバレル内壁との距離が互いに等しく、片側における先端部とバレル内壁との距離の最大値（表１において「最大クリアランス」と示す。）が表１に示す通りである０．５Ｄ（０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送りニーディングエレメントを４組用いて、２．０Ｄの長さとした。
ニーディングディスクＡ２：偏心３条ニーディングディスク
形状：先端部とバレル内壁との距離が各々０．４ｍｍ、４．０ｍｍ、４．０ｍｍである０．５Ｄ（ディスク厚み０．２Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送り３条偏心エレメントを４組用いて、４．０の長さとした。
・ニーディングディスクＢ（予備混練ゾーン）
ニーディングディスクＢ：ニーディングディスク
形状：片側の先端部の隙間が０．４ｍｍである０．５Ｄ（０．１Ｄ × ５枚、ずらし角４５°）の順送りニーディングエレメントを６組用いて３．０Ｄの長さとした。
［評価］
（１）カーボンブラックの分散度合い
各実施例・比較例において、得られたペレット状の組成物を、ポリブチレンテレフタレート樹脂２，０００ｇに対して４０ｇ配合し、一ヶ所のベント口を有し、吐出部に３００メッシュのスクリーンメッシュを装着したバレル径３０ｍｍの二軸押出機を用いて、Ｌ／Ｄ＝３５、押出温度２６０℃、スクリュー回転数１６０ｒｐｍ、ベント真空度－７００ｍｍＨｇ、吐出量１８ｋｇ／ｈｒの条件で押出操作を行った。押出操作完了後、スクリーンメッシュを取り出し、付着樹脂を除去した。次いで、顕微鏡を用いて、３００メッシュのスクリーンメッシュの観察を行い、１４ｃｍ２の面積の凝集塊の数を数えて、以下のＡ～Ｄの基準で分類して評価した。評価結果を表１～３に示す。
Ａ：凝集物が２０個未満
Ｂ：凝集物が２０個以上８０個未満
Ｃ：凝集物が８０個以上１００個未満
Ｄ：凝集物が１００個以上
（１）カーボンブラックの分散度合い
各実施例・比較例において、得られたペレット状の組成物を、ポリブチレンテレフタレート樹脂２，０００ｇに対して４０ｇ配合し、一ヶ所のベント口を有し、吐出部に３００メッシュのスクリーンメッシュを装着したバレル径３０ｍｍの二軸押出機を用いて、Ｌ／Ｄ＝３５、押出温度２６０℃、スクリュー回転数１６０ｒｐｍ、ベント真空度－７００ｍｍＨｇ、吐出量１８ｋｇ／ｈｒの条件で押出操作を行った。押出操作完了後、スクリーンメッシュを取り出し、付着樹脂を除去した。次いで、顕微鏡を用いて、３００メッシュのスクリーンメッシュの観察を行い、１４ｃｍ２の面積の凝集塊の数を数えて、以下のＡ～Ｄの基準で分類して評価した。評価結果を表１～３に示す。
Ａ：凝集物が２０個未満
Ｂ：凝集物が２０個以上８０個未満
Ｃ：凝集物が８０個以上１００個未満
Ｄ：凝集物が１００個以上
（２）漆黒度（Ｌ値）
実施例１４及び１６において得られたペレット状の組成物をＰＢＴ樹脂ペレット１００質量部に対して１０質量部配合し、射出成形機（日本製鋼所（株）製、Ｊ５５ＡＤ）を用い、縦５０ｍｍ×横９０ｍｍ×厚さ２ｍｍの平板状の試験片を射出成形した。成形した試験片に対し、日本電飾工業（株）製、Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ ＳＥ６０００を用いて明度（Ｌ値）を測定した。Ｌ値が小さいほど漆黒度は高く、黒着色を目的とした場合に着色が良好であることを示す。
実施例１４及び１６において得られたペレット状の組成物をＰＢＴ樹脂ペレット１００質量部に対して１０質量部配合し、射出成形機（日本製鋼所（株）製、Ｊ５５ＡＤ）を用い、縦５０ｍｍ×横９０ｍｍ×厚さ２ｍｍの平板状の試験片を射出成形した。成形した試験片に対し、日本電飾工業（株）製、Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ ＳＥ６０００を用いて明度（Ｌ値）を測定した。Ｌ値が小さいほど漆黒度は高く、黒着色を目的とした場合に着色が良好であることを示す。
表１及び表２より、実施例１～１８においてはいずれも、カーボンブラックを良好に分散することができたことが分かる。特に、予備混練を行った実施例１７及び１８においては分散性が極めて良好であった。また、実施例１４と実施例１６の漆黒度を比較すると、一次粒子径が小さいカーボンブラックを用いた実施例１４の方が漆黒度が高かった。この結果から、カーボンブラックの濃度見合いで高い漆黒度を求められる場合はカーボンブラックの一次粒子径が小さいほうが好ましいことが分かる。
Claims (5)
- ニーディングディスクが装着された一対のスクリューをバレル内に有する二軸押出機を用いて、熱可塑性樹脂とカーボンブラックとを溶融混練する工程を含む、熱可塑性樹脂の製造方法であって、
前記ニーディングディスクの先端部と、前記バレルの内壁における、前記ニーディングディスクの先端部の対向位置との距離の最大値が１．０～５．０ｍｍである、熱可塑性樹脂組成物の製造方法。 - 前記熱可塑性樹脂がポリブチレンテレフタレート樹脂である、請求項１に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 前記二軸押出機のスクリュー回転数が２５０～６００ｒｐｍであり、前記バレルの内径が４０～８５ｍｍである、請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 前記カーボンブラックの一次粒子径が１０～６０ｎｍである、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを溶融混練する工程の前に、前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを予備混練する工程をさらに含み、
前記予備混練する工程において、厚さが０．０５Ｄ～０．３Ｄのニーディングディスクを０．５Ｄ～５．０Ｄの長さとなるように装着された一対のスクリューを用いて前記熱可塑性樹脂と前記カーボンブラックとを溶融混練する、請求項１～４のいずれか１項に記載の熱可塑性樹脂組成物の製造方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020213848A JP2022099828A (ja) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 熱可塑性樹脂組成物の製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2022099828A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023234220A1 (ja) * | 2022-06-01 | 2023-12-07 | ポリプラスチックス株式会社 | 熱可塑性樹脂組成物の製造方法 |
-
2020
- 2020-12-23 JP JP2020213848A patent/JP2022099828A/ja active Pending
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