JP2760852B2 - ポリメタクリルイミド硬質気泡材料、その製造方法、心層として該材料を含有する積層材料、ならびに飛行物体、風洞およびその部品 - Google Patents

ポリメタクリルイミド硬質気泡材料、その製造方法、心層として該材料を含有する積層材料、ならびに飛行物体、風洞およびその部品

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、殊に航空機組立用の積層材料用心材として
適用な新規ポリメタクリルミド硬質気泡材料ならびに該
新規硬質気泡材料の製造方法に関する。
従来の技術 ポリメタクリルイミド硬質気泡材料を積層材料ないし
は気泡材料複合体用心材として使用することは公知であ
る(西ドイツ国特許第2822885号、西ドイツ国特許出願
公開第3304882号、米国嫁越第4316934号参照)。かかる
積層材料を、たとえば航空機組立において高速で流れる
気体中で使用する場合、時時機械的な外部応力からは説
明できない、はがれまたはふくれのような材料の欠陥が
観察される。
発明を達成するための手段 本発明の課題は、かかる材料欠陥の原因を解明して除
去することであつた。かかる材料欠陥は、ポリメタクリ
ルイミド硬質気泡材料が導電性粒子の含量0.1〜10重量
%を有する場合には生じないことが判明した。このこと
から、上述した材料欠陥の原因は、積層材料の表面の静
電気的帯電に基づく電光類似の放電に求められることが
推論された。本発明により使用されるポリメタクリルイ
ミド硬質気泡材料はたとえば伝導カーボン2重量%を含
有する場合、103〜108オームの表面抵抗を有し、これは
静電気による帯電電荷を導出するのには十分であること
が立証された。
伝導カーボンまたは他の導電性粒子を気泡材料に入れ
て該材料を導電性にすることは実際既に公知である。こ
のような気泡材料は、電気的放電に対して敏感な電子構
成部品または類似物用の包装材料として使用される。電
磁線の遮蔽のためにも、カーボン充填気泡材料が使用さ
れる。ヨーロツパ特許第79080号、ヨーロツパ特許出願
公開第105384号、ヨーロツパ特許出願公開第186887号、
ヨーロツパ特許出願公開第223615号および米国特許第44
93788号に記載された気泡材料は、5〜40重量%の伝導
カーボン、実施ではたいてい10〜20重量%のカーボンを
含有し、ポリスチロール、ポリスチレンまたはポリウレ
タンのような素材プラスチツク中に充填されている。ポ
リメタクリルイミド気泡材料の重要な性質は、10重量%
より多いカーボンを含有する場合には失なわれてしま
う。
従来、ポリメタクリルイミド気泡材料のような高価値
の構造硬質フオームに伝導性粒子を充填する動機はなか
つた。それというのも該硬質フオームは包装の目的にま
たは放射線に対する遮蔽材料としては考慮できなかつた
からである。
上述した使用の際には、機械的性質が伝導性添加物の
適含量によつて損なわれるか否かは留意されなかつた。
これとは異なり、本発明によるポリメタクリルイミド硬
質気泡材料は、圧縮強さ、高い温度での耐クリープ性お
よび熱変形安定性のようなその良好な機械的および熱的
性質を、伝導性粒子の添加の場合でも大体において維持
しなければならない。それというのもこれらの性質は積
層材料の心材として使用する場合には不可欠であるから
である。意外にも、ポリメタクリルイミド硬質気泡材料
はたとえば1.6重量%の非常に低い伝導カーボンの含量
で既に106オーム・cmの抵抗に達しうることが判明し
た。有害な静電気の帯電電荷を導出するためおよび最初
に述べた材料欠陥の回避のためには、伝導性材料のこの
含量は十分であることが立証された。気泡材料の機械的
および熱的性質は、これによりなお決定的には損なわれ
ない。
ポリメタクリルイミド−硬質気泡材料は、構造: の繰返し単位が重合体の単位の50重量%より上、望まし
くは60〜90重量%であることによりすぐれている。この
単位は、150〜250℃に加熱する際に、メタクリル酸とメ
タクリルニトリルから環化異性化反応によつて生成する
(西ドイツ国特許第2726259号および同第2726260号参
照)。モノマーとしてメタクリル酸およびメタクリルニ
トリルならびに加熱の際に生成する発泡剤を含有する混
合物のラジカル重合および生成した重合体をポリメタク
リルイミド硬質気泡材料が生成するまで加熱することに
よるポリメタクリルイミド硬質気泡材料の製造方法は公
知である。
本発明によるポリメタクリルイミド硬質気泡材料は、
重合すべきまたは既に部分的に重合した混合物に、導電
性粒子0.1〜10重量%を添加することにより製造され
る。このものは、粉末または繊維の形で存在しうる。そ
の粒度は10nmと10mmの間にある。導電性粒子は、アルミ
ニウム、ニツケル、鉄合金、チタン、スズのような金
属、ニツケル被覆ゴムのような金属被覆不導体、黒鉛ま
たはいわゆる伝導カーボンの形の炭素または公知半導体
からなつていてもよい。伝導カーボンとして、たとえば
アクゾ・ヒエミー(Akzo Chemie)社の“Ketjenblack
EC"なる商標の下で市販されている高伝導性カーボンが
とくにすぐれている。このものは、1%以下の灰分およ
び300〜600ccm/100gの気泡容積によつてすぐれている。
嵩密度はたとえば100〜250kg/cm3であり、比表面積BET
(N2)は、2000m2/gである。
上記した欠点をさけるために必要な、硬質気泡材料中
の導電性粒子の必要量は、第一に導電性材料の品質、さ
らには気泡材料の密度および小部分は積層材料中の硬質
気泡層の密度に依存する。通例、0.5〜5重量%の量で
十分である。とくに望ましいのは、1〜3重量%の範囲
である。
多くの場合、充填された導電性粒子の有効性は、重合
における別のフアクタおよび手段に依存する。重合すべ
き混合物が重合の間できるだけ均一にとどまることが有
効性にとり必要である。多くの場合、なお残留するモノ
マーに既に生成したポリマーが不溶であることに帰する
混合分離の傾向が生じる。混合分離の傾向は混合部がモ
ノマーとしてスチロールおよび/または環状マレイン酸
誘導体を含有する場合に抑制される。このようなものと
しては、無水マレイン酸および炭素原子が非置換である
かまたはメチルのような低級アルキル基によるかまたは
フエニルのようなアリール基によつて置換されていても
よいマレイン酸イミドが挙げられる。これらコモノマー
の割合は、たとえば重合可能モノマーの全重量に対して
10〜30重量%である。この場合には、発泡剤としてホル
ムアミドおよび/または低級アルコールを使用すること
ができる。
低級アルコール、つまり8までのC原子を有するアル
コールは、同様に混合物の均質性に対して有利に作用す
る。イソプロピルアルコールまたはt−ブチルアルコー
ルのような3〜8のC原子を有する第二および第三アル
コールが望ましい。これらのアルコールは、望ましくは
重合可能なモノマーの重量に対して1〜15重量%の量で
使用される。
他のコモノマーとしては、アリルアクリレートまたは
−メタクリレート、エチレングリコール−ジアクリレー
トまたは−ジメタクリレート、またはメタクリル酸マグ
ネシウムのようなアクリル酸またはメタクリル酸の多価
金属塩のような少量の架橋剤を、有利には一緒に使用す
ることができる;量はたとえば0.05〜1重量%である。
さらに導電性粒子を加えた重合可能混合物を重合のは
じめから非常に激しく混合するのが有利であることが立
証された。高速回転の攪拌装置を含有するいわゆるホモ
ジナイザーまたは分散装置が適当である。この種の慣用
の装置は、ヤンケ・ウント・クンケル社(Firma Janke
& Kunkel GmbH & CoKG)のウルトラツラツクス(Ultr
aturrax )なる名称で市販されている。かかる装置に
特徴的なのは、高周波数で回転しかつ攪拌された液体が
高いせん断力を受けるロータ・ステータ装置である。激
しい攪拌は、非導電性凝集体中での導電性粒子の集合を
妨げることが立証された。
混合物の重合は、自体公知の方法で、厚さ10〜40mmの
平らな層で、たとえば2つのガラス板とその中間にあつ
て縁部を囲繞するひも状パツキンから形成される平たい
仕切り中で行なわれる。30〜60℃の水浴中へ浸漬するこ
とによつて、重合は混合物に溶解するラジカル生成開始
剤の作用下に開始され、通常は60〜120℃での後加熱に
よつて完了される。重合は一般に20〜150時間かかる。
板状重合体が得られ、これは180〜250℃に加熱する際1
〜5時間で、30〜300kg/m3の密度を有するポリメタクリ
ルイミド硬質気泡材料に膨脹する。
得られた気泡材料の導電率の測定で、伝導カーボン1
〜2重量%の含量の場合、3×107オーム、望ましくは1
05−2×106オームの表面抵抗、6×105〜109オーム・c
mの絶縁抵抗ないしは10-6シーメンス/cmの導電率が生じ
る。
積層材料の製造のためには、得られる気泡材料ブロツ
クからたとえば厚さ1〜10mmのタブレツトを切出し、片
側または望ましくは両側を被覆材料で積層する。被覆材
料としては金属箔および薄板、プラスチツクシートおよ
び繊維補強のプラスチツク層を使用することができる。
被覆層はたいていポリメタクリレートイミド硬質気泡材
料の心層よりも薄く、たとえば0.1〜5mmの厚さである。
既製の被覆材料は、適当な接着剤を用いて気泡材料に取
付けることができる。繊維補強層は望ましくはいわゆる
ブレプレグ法によつてつくられる。このためには、熱硬
化性合成樹脂の繊維含有層を気泡材料層上に押しつけ、
熱圧下に硬化させると同時に気泡材料と結合する。この
作業法は、ポリメタクリルイミド硬質気泡材料の高い耐
圧性および耐熱性に非常に好適である。さらに、積層技
術に関しては、西ドイツ国特許第2822805号、西ドイツ
国特許出願公告第3304882号および米国特許第4316934号
が指摘される。
この種の積層材料は、構造的軽量建築部品として高い
機械的負荷および場合により160℃までの高められた作
業温度の下でも適当である。代表的な適用範囲は飛行物
体の組立、宇宙空間技術において、風洞の成分または取
付けの際、ならびに一般に高速で流れる気体と接触して
いる機械的外部応力を受ける部品のすべての用途におい
て見出される。
次の実施例において、導電性粒子を含有するポリメタ
クリルイミド硬質気泡材料の製造を記載し、そのつど電
気の絶縁抵抗および表面抵抗を記載する。数量の記載
(T)はそれぞれ重量部である。
実施例 例1 メタクリル酸56.2T、メタクリルニトリル43.8T、イソ
プロパノール4T、アリルメタクリレート0.2Tおよび伝導
カーボン(アクゾ・ヒエミー社の市販品“Ketjenblack
600EC")1.6Tからなる混合物を、高速回転の攪拌装置
(Janke & Kunkel社の“Ultraturrax ”)で強いせん
断下に、50℃に昇温するまで攪拌する。冷後、アゾ−ビ
ス−イソブチロニトリル0.05Tを混入し、混合物を2枚
のガラス板とその中間で縁部を囲繞する異形封止材から
形成される内径30mmの平たい仕切り中へ充填する。平坦
な仕切りを水浴中で70時間45℃に、加温キヤビネツト中
でさらに13時間115℃に加熱する。厚さ25mmの重合体板
が得られ、これを2時間230℃に加熱することにより発
泡させ密度70kg/m3を有する気泡材料を得る。
電気の絶縁抵抗 107オーム・cm 電気の表面抵抗 106オーム 例2 例1と同様に実施するが、発泡させるため200℃に加
熱する。密度190kg/m3を有する気泡材料が生じる。
電気の絶縁抵抗 106オーム 電気の表面抵抗 107オーム・cm 例3 例1に記載した方法に従い、次の混合物を調製し、重
合させる:メタクリル酸52.5T、メタクリルニトリル22.
5T、スチロール15T、無水マレイン酸10T、アリルメタク
リレート0.4T、ホルムアミド1T、伝導カーボン(アクゾ
・ヒエミー社の市販品“Ketjenblack 600EC)1.5T。
得られる重合体板を2時間200℃に加熱する際、密度6
5kg/m3の密度を有する気泡材料が生じる。
電気の表面抵抗 105オーム 電気の絶縁抵抗 106オーム・cm 例4 例3の方法に従うが、伝導カーボン2.2Tを使用し、21
0℃に加熱して、密度69kg/m3を有する気泡材料が生じ
る。
電気の表面抵抗 104オーム 例5 メタクリル酸52.5T、メタクリルニトリル22.5T、スチ
ロール10T、フエニルマレインイミド15T、アリルメタク
リレート0.3T、ホルムアミド1Tおよび伝導カーボン(ア
クゾ・ヒエミー社の市販品“Ketjenblack 600EC")1.5
Tからなる混合物を、例1の方法に応じ処理し、これか
らつくられた重合体板を195℃に加熱する場合に密度98k
g/m3を有する気泡材料が生じる。
電気の表面抵抗 105オーム 例6 例1の方法に従い、次の混合物を処理する:メタクリ
ル酸50T、メタクリルニトリル50T、イソプロパノール5
T、アリルメタクリレート0.2T、伝導カーボン(アクゾ
・ヒエミー社の市販品“Ketjenblack 600EC")1.6T。
得られた重合体板を240℃に加熱する場合、密度85kg/
m3を有する気泡材料が生じる。
電気の表面抵抗 105オーム 電気の絶縁抵抗 105オーム・cm 例7 例1の方法に従い、次の混合物を処理する:メタクリ
ル酸56.2T、メタクリルニトリル43.8T、イソプロパノー
ル4T、アリルメタクリレート0.07T、伝導カーボン(ア
クゾ・ヒエミー社の市販品“Ketjenblack 600EC")1.6
T、炭素繊維(Sigri社の市販品“Sigrafil ”)5T。得
られた重合体板を210℃に加熱する際に、密度105kg/m3
を有する気泡材料が生じる。
電気の表面抵抗 104オーム 例8 50×50cmの大きさの2枚のガラス板とその中間の、縁
部を囲繞する厚み22mmの異形封止材から組立てられてい
る平たい仕切り中へ、非常に房状で、圧縮可能のポリエ
ステル繊維と、不銹鋼からなる金属繊維から形成された
厚さそれぞれ5cmのフリースの2層を挿入する。双方の
フリースは一緒に金属繊維150gを含有する。引き続き、
メタクリルう酸2.81kgおよびメタクリルニトリル2.19k
g、t−ブチルペルピバレート5g、ジベンゾイルペルオ
キシド2.5g、イソプロパノール1.625kgおよびt−ブタ
ノール1.375kgを充填し、仕切りを密閉する。
重合のため、平たい仕切りを3日間48℃の水浴中へ浸
漬し、その後3時間加熱キヤビネツト中で115℃に加熱
する。板状重合体を平たい仕切り枠から取出し、3時間
240℃に加熱することによつて発泡させる。膨脹は、板
面に対して垂直方向では板面の方向よりも明らかに大き
い。生じた気泡材料は150kg/m3の密度を有する。
電気の絶縁抵抗 103オーム・cm 電気の表面抵抗 2×105オーム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // C08L 33:24 (72)発明者 ヴエルナー・ウーデ ドイツ連邦共和国ダルムシユタツト‐ア ルハイルゲン・ビルンガルテンヴエーク 115 (56)参考文献 特開 昭61−272247(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C08J 9/00 - 9/42 C08L 33/00 - 33/26

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導電性粒子0.1〜10重量%を含有すること
    を特徴とするポリメタクリルイミド硬質気泡材料。
  2. 【請求項2】導電性粒子の粒度が10nm〜10mmである、請
    求項1記載のポリメタクリルイミド硬質気泡材料。
  3. 【請求項3】導電性粒子としてカーボンを含有する、請
    求項1または2記載のポリメタクリルイミド硬質気泡材
    料。
  4. 【請求項4】厚さ1〜100mmの板状で存在する、請求項
    1から3までのいずれか1項記載のポリメタクリルイミ
    ド硬質気泡材料。
  5. 【請求項5】積層材料の心を形成する、請求項1から4
    までのいずれか1項記載のポリメタクリルイミド硬質気
    泡材料。
  6. 【請求項6】モノマーとしてメタクリル酸およびメタク
    リルニトリルならびに加熱する際にガスを生成する発泡
    剤を含有する混合物をラジカル重合し、形成した重合体
    をポリメタクリルイミド硬質気泡材料が生成するまで加
    熱することによりポリメタクリルイミド硬質気泡材料を
    製造する方法において、重合すべき混合物に導電性粒子
    0.1〜10重量%を添加することを特徴とするポリメタク
    リルイミド硬質気泡材料の製造方法。
  7. 【請求項7】発泡剤として脂肪族低級アルコールを使用
    する、請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】重合すべき混合物を重合の開始前に、ロー
    タ・ステータ系を用い高周波攪拌にさらす、請求項6ま
    たは7記載の方法。
  9. 【請求項9】他のモノマーとしてスチロールおよび/ま
    たは液状マレイン酸誘導体を含有する混合物を重合させ
    る、請求項6から8までのいずれか1項記載の方法。
  10. 【請求項10】請求項1から5までのいずれか1項記載
    のポリメタクリルイミド硬質気泡材料からなる心層およ
    び片側または両側に貼合された、金属シートまたは薄
    板、プラスチツクシートまたは繊維補強プラスチツク層
    からなる被覆層を含有する積層材料。
  11. 【請求項11】請求項1から5までのいずれか1項に記
    載のポリメタクリルイミド硬質気泡材料または請求項10
    に記載の積層材料が組立のために使用されている飛行物
    体、風洞およびその部品。
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