JP3718645B2 - ガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料 - Google Patents

ガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料に関するものである。より具体的には、スチレン−アクリロニトリル共重合体樹脂(以下SAN)をガラス繊維で強化させ、マトリックスである樹脂とガラス繊維間の界面接着力を向上させるためカップリング剤を導入して衝撃強度をより向上させたスチレン系熱可塑性複合材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
一般的に熱可塑性樹脂は寸法安定性、耐クリープ(creep)性、耐熱性及び剛性が低いため、高強度及び精密性を要求する部品の素材として用いるには不適合であるという短所がある。このような問題点を補完するため、ガラス繊維のような無機充鎮剤を補強材として用いるのが一般的な方法と知られている。かかる熱可塑性複合材料を製造することにおいて、補強材と樹脂間の界面結合力を増加させるのが非常に重要である。樹脂と補強材間の界面結合力が低下すると、熱可塑性複合材料に加えられる応力が樹脂と補強材間の界面に作用して界面を中心にして破壊が進行するため、目標とする剛性の増加効果が得られない。
【0003】
米国特許第3,671,378号を始め、米国特許第4,405,727号などの文献では樹脂と補強材間の界面接着力を向上させるため、樹脂と反応できる反応基を含む物質で補強材の表面をコーティングする方法を開示している。
【0004】
国際公開第86/05445号ではマトリックスをなす樹脂と相溶性を有して補強ガラス繊維と反応できる反応基含有ゴム質中間層を補強材の上にコーティングすることにより、樹脂と補強材間の界面結合力を向上させた例を開示している。
【0005】
しかし、前記の方法ではマトリックス樹脂が反応性を含むポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート樹脂である場合には効果が優れる反面、反応性のないスチレン系樹脂をマトリックスとして用いた場合には機械的物性の向上を期待し難しい。
【0006】
国際公開第86/05445号に開示された方法はガラス繊維を別の工程を経てゴム質重合体でコーティングすべきわずらわしさがある。
【0007】
ヨーロッパ特許第485793(92.05.20)号では補強材の表面を別の工程を経てコーティングしないで、スチレン系樹脂と補強材間の界面接着力を向上させる方法を開示している。前記第485793(92.05.20)号記載の方法はABS(アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体)系樹脂をマトリックスとする複合材料において3次アルキルエステル基を含むゴム質グラフト共重合体を添加し、樹脂とガラス繊維間の界面接着力を向上させて衝撃強度を向上させるのである。
【0008】
米国特許第5,304,591号ではSAN共重合体にスチレン−メチルメタクリレート−無水マレイン酸3重共重合体(styrene−methyl methacrylate−maleic anhydride terpolymer)を一緒にブレンドし、マトリックス樹脂とガラス繊維間の界面接着力を向上させて耐衝撃性と機械的物性を改善させた技術を開示している。
【0009】
また、米国特許第5,426,149号ではSAN共重合体にエポキシ基を導入してマトリックス樹脂とガラス繊維間の界面接着力を向上させる技術を開示している。
【0010】
米国特許第5,656,684号ではポリカーボネート
(Polycarbonate)のガラス繊維補強樹脂において樹脂とガラス繊維との界面接着力向上のためにフタルイミド基を有するシラン化合物を用いた。その外にも樹脂と補強材間の界面接着力を向上させて複合材料の物性を改善しようとする研究が進行している。
【0011】
これに対して、本発明者らはスチレン系共重合体と表面にカップリング剤処理されたガラス繊維間の反応性が低いために複合材料の物性が低下する問題点を克服するため、アミノシラン系カップリング剤をコンパウンジング時に別に導入してマトリックスと表面にカップリング剤処理されたガラス繊維間の界面接着力をより向上させることにより、衝撃強度を始め機械的強度が優れるスチレン系熱可塑性複合材料を開発することに至る。
【0012】
本発明の目的は、ガラス繊維で強化して衝撃強度が向上したスチレン系熱可塑性複合材料を提供することにある。
【0013】
本発明の他の目的は、衝撃強度及び屈曲弾性率が優れるスチレン系熱可塑性複合材料を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記及びその他の目的は、下記で説明される本発明によって全て達成できる。以下、本発明の内容を下記に詳細に説明する。
【0015】
本発明のスチレン系熱可塑性複合材料は、(A)スチレン系共重合体樹脂50ないし95重量部と、(C)カップリング剤(Coupling agent)0.01ないし5重量部、好ましくは0.05ないし1.5重量部とでマトリックス樹脂とし、このマトリックス樹脂に、(B)表面処理されたガラス繊維5ないし50重量部を、(A)との合計が100重量部となるよう添加して製造される。これらそれぞれの成分の詳細は、以下に説明する。
【0016】
また、マトリックス樹脂として、(A)と(C)に、変性ビニル芳香族グラフト共重合体(D)を添加し、このマトリックス樹脂に、(B)表面処理されたガラス繊維5ないし50重量部を、(A)と(C)との合計が100重量部となるよう添加して製造される。変性ビニル芳香族グラフト共重合体(D)が本発明のマトリックス樹脂中に含まれる場合の、変性ビニル芳香族グラフト共重合体については以下(A)の項目中に記載した。
【0017】
(A)スチレン系共重合体樹脂
本発明に用いられるスチレン系共重合体は、スチレン、α−メチルスチレン、ハロゲンまたはアルキル置換スチレンまたはこれらの混合物(a1)50〜95重量部とアクリロニトリル、メタクリロニトリル、C1−8メタクリル酸アルキルエステル類、C1−8アクリル酸アルキルエステル類、無水マレイン酸、C1−4アルキルまたはフェニルN−置換マレイミドまたはこれらの混合物(a2)5〜50重量部とを共重合して得たスチレン系共重合体またはこれら共重合体の混合物である。前記(a2)成分の含量は30〜50重量部を維持するのが好ましい。前記スチレン系共重合体樹脂は50〜95重量部の範囲で用いられる。
【0018】
前記C1−8メタクリル酸アルキルエステル類またはC1−8アクリル酸アルキルエステル類はそれぞれメタクリル酸またはアクリル酸のエステル類として、1〜8個の炭素原子を含むモノヒドリルアルコールから得られたエステル類である。これらの具体例としては、メタクリル酸メチルエステル、メタクリル酸エチルエステル、アクリル酸エチルエステルまたはメタクリル酸プロピルエステルがあり、この中でメタクリル酸メチルエステルが特に好ましい。
【0019】
前記スチレン系共重合体(A)の好ましい具体例としては、スチレンとアクリロニトリルそして選択的にメタクリル酸メチルエステルの単量体混合物、α−メチルスチレンとアクリロニトリルそして選択的にメタクリル酸メチルエステルの単量体混合物またはスチレン、α−メチルスチレンとアクリロニトリルそして選択的にメタクリル酸メチルエステルの単量体混合物から製造されたものがある。構成成分(A)であるスチレン/アクリロニトリル共重合体は乳化重合、懸濁重合、溶液重合、または塊状重合法で製造でき、重量平均分子量が15,000〜200,000であるのを用いるのが好ましい。
【0020】
他の好ましいスチレン系共重合体(A)はスチレンと無水マレイン酸との共重合体として、連続塊状重合法及び溶液重合法を用いて製造できる。二つの単量体成分の組成比は広い範囲で変化でき、好ましくは無水マレイン酸の含量がスチレン系共重合体(A)100重量部に対して5〜25重量部であるのが好ましい。スチレン/無水マレイン酸共重合体の分子量も広い範囲のものが用いられるが、重量平均分子量が20,000〜200,000及び固有粘度が0.3〜0.9であるのを用いるのが好ましい。
【0021】
本発明の樹脂組成物の製造に用いられるスチレン系共重合体(A)の製造に用いられるスチレン単量体は、p−メチルスチレン、ビニルトルエン、2,4−ジメチルスチレン及びα−メチルスチレンのような他の置換されたスチレン系単量体に代替して用いることができる。
【0022】
前述した本発明の樹脂組成物の製造に用いられるスチレン系共重合体(A)は単独またはこれらの2種以上の混合物形態で用いられる。
【0023】
本発明のマトリックス樹脂は変性ビニル芳香族グラフト共重合体(D)を含むことができる。変性ビニル芳香族グラフト共重合体は1〜80重量部のゴム質重合体に20〜99重量部の単量体混合物をグラフト重合させた共重合体である。ゴム質重合体としてはジエン系ゴム、エチレン系ゴム及び/またエチレン/プロピレン/ジエン単量体の3元共重合体ゴムがあり、ゴム質重合体のゴム粒子の平均粒径は1.0μm以下であるのが用いられ、好ましくは0.05〜0.5μmである。
【0024】
前記単量体混合物としては、(D)スチレン、パラt−ブチルスチレン、α−メチルスチレン、β−メチルスチレン、ビニルキシレン、モノクロロスチレン、ジクロロスチレン、ジブロモスチレン、クロロスチレン、エチルスチレン、ビニルナフタリン、ジビニルベンゼンまたはこれらの混合物;及び(D)アクリロニトリル、メタクリロニトリル、アクリル酸エステル、無水マレイン酸、またはこれらの混合物がある。
【0025】
前記のグラフト共重合体を製造する方法は本発明分野における通常の知識を有する者の間にすでによく知られているものとして、乳化重合法、懸濁重合法、溶液重合法、または塊状重合法の中からいずれも用いることができ、好ましい製造方法としてはゴム質重合体の存在下で前述した芳香族ビニル系単量体を投入して重合開始剤により乳化重合または塊状重合することである。
【0026】
本発明の変性ビニル芳香族共重合体の製造に用いられる有機過酸化物としては、ジイソプロピルベンゼンヒドロパオキサイド、ジ−t−ブチルパオキサイド、p−エタンヒドロパオキサイド、t−ブチルクミルパオキサイド、ジクミルパオキサイド、2,5−ジメチル2,5−ジ(t−ブチルパオキシ)ヘキサン、ジ−t−ブチルジパオキシフタレート、琥珀酸(succinic acid)パオキサイド、t−ブチルジパオキシベンゾエート、t−ブチルパオキシマレイン酸、t−ブチルパオキシイソプロピルカーボネート、メチルエチルケトンパオキサイド、シクロヘキサノンパオキサイドなどがあり、これらは1種または2種以上組み合せて用いられ、この中で反応性及び加工性を考慮するとジクミルパオキサイドを用いるのが好ましい。
【0027】
(B)ガラス繊維
本発明で用いられるガラス繊維(glass fiber)はカップリング剤で表面処理されたものを用いる。本発明に用いられるガラス繊維はE−glassであり、一般的に用いられるガラス繊維の直径は8〜20μmであり、3〜6mm程度の長さを有するチョップ(chopped)ガラス繊維が好ましい。その使用量は5〜50重量部であり、(A)との合計が100重量部、または(A)と(D)との合計が100重量部となるよう添加する。
【0028】
ガラス繊維処理剤(sizing compositions)は繊維製造の時または後工程で処理するのが一般的である。ガラス繊維処理剤としては潤滑剤(lubricant)、カップリング剤、界面活性剤などが用いられる。
【0029】
滑剤はガラス繊維の製造時に良好なストランドを形成するため適合の添加剤を用いる。カップリング剤はガラス繊維と樹脂との良好な接着のために用いられる。多様なガラス繊維処理剤が開発されているため、用いる樹脂とガラス繊維の種類によって適切に選んで用いるとガラス繊維補強材料に良好な物性を付与することができる。
【0030】
一般的にガラス繊維に処理するカップリング剤はシラン系カップリング剤としてYRSiX3のような構造式を有する。
【0031】
前記Yはマトリックス樹脂と反応できる有機官能基である。有機官能基は一般的にビニル基、エポキシ基、メルカプタン基、アミン基及びアクリル基などである。
【0032】
前記Xはエトキシ基及びハロゲン基などから構成されるが、空気中または無機材料中の水分と結合して加水分解シラノールを形成する。このシラノールは無機充鎮剤と結合する。それでシラン系カップリング剤は樹脂相と無機充鎮剤と反応して結合できる構造を有する。
【0033】
ガラス繊維へのシラン系カップリング剤の処理は特別な制限がなく、一般的な方法で製造される。
【0034】
本実験に使用可能なガラス繊維は、アミン系、アクリル系、エポキシ系であるγ−アミノプロピルトリエトキシシラン(γ−amino propyltriethoxy silane)、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(γ−amino propyltrimethoxy silane)、N−(β−アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(N−(β−amino ethyl)γ−amino propyltriethoxysilane)、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン(γ− methacryloxy propyltriethoxy silane)、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(γ− methacryloxy propyltrimethoxy silane)、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(γ−glycidoxy propyltrimethoxy silane)、β(3,4−エポキシエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(β(3,4− epoxyethyl)γ−amino propyltrimethoxy silane)などのカップリング剤で処理されたのである。この中でアクリル系カップリング剤であるγ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランカップリング剤で処理されたガラス繊維が最も良好である。
【0035】
(C)カップリング剤
本発明ではガラス繊維に処理されたカップリング剤の他に別のカップリング剤をコンパウンジング段階で追加的に用いるのが重要な特徴である。このように追加的に投入されるカップリング剤としてはアミノシラン系カップリング剤が最も好ましい。
【0036】
前記カップリング剤の具体的な例としては、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(γ−amino propyltriethoxy silane)、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(γ−amino propyltrimethoxy silane)、γ−アミノプロピル−トリス(2−メトキシ−エトキシ)シラン(γ−aminopropyl−tris(2−methoxy−ethoxy)silane)、N−(β−アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(N−(β−amino ethyl)γ−amino propyltrimethoxy silane)、N−(β−アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(N−(β−amino ethyl)γ−amino propyltriethoxy silane)、β(3,4−エポキシエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(β(3,4− epoxyethyl)γ−amino propyltrimethoxy silane)などがある。
【0037】
本発明のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料は、ガラス繊維の切断を減らすためにマトリックス樹脂であるスチレン系共重合体(A)とカップリング剤(C)とをミキサーで混合し、押出機を用いて溶融させた状態でカップリング剤で表面処理されたガラス繊維(B)を押出機の中間部分でサイドフィージング(side−feeding)して製造する。本発明のカップリング剤は0.01〜5重量部の範囲が好ましい。より好ましくは0.05〜1.5重量部の範囲内で用いられる。
【0038】
本発明は下記の実施例により一層理解でき、下記の実施例は本発明の例示目的のためで、添付された特許請求の範囲によって限られる保護範囲を制限しようとするのではない。
【0039】
【実施例】
下記の実施例及び比較例で用いられた(A)スチレン系共重合体樹脂、(B)ガラス繊維、(C)カップリング剤、(D)変性ビニル芳香族グラフト共重合体の仕様は次の通りである。
【0040】
(A)スチレン系共重合体樹脂
アクリロニトリルの含量が28%、重量平均分子量が120,000であるスチレン/アクリロニトリル共重合体(A1)、及びアクリロニトリルの含量が35%、重量平均分子量が140,000であるスチレン/アクリロニトリル共重合体(A2)を用いた。
【0041】
(B)ガラス繊維
(B1)ガラス繊維
ガラス繊維は直径が13μm、チョップ(chop)長さが3mmであり、カップリング剤としてメタクリロキシシランで表面処理されたガラス繊維 (glass fiber)を用いた。
【0042】
(B2)ガラス繊維
ガラス繊維は直径が13μm、チョップ(chop)長さが3mmであり、カップリング剤としてエポキシシランで表面処理されたガラス繊維(glass
fiber)を用いた。
【0043】
(C)カップリング剤
信越シリコン社(Shinetsu Silicon Co.)のエポキシ系であるKBM403(C1)、アミノシラン系であるKBM603(C2)、アクリル系であるKBM503(C3)を用いた。
【0044】
(D)変性ビニル芳香族グラフト共重合体
実施例で用いられた変性ビニル芳香族グラフト共重合体は、ポリブタジエンゴム含量の重量百分率が50%、アクリロニトリル含量が14%、スチレン含量が36%の、アクリロニトリルブタジエンスチレングラフト共重合体である。
【0045】
実施例1−3
ガラス繊維の切断を減らすためにまずSAN樹脂とアミノシラン系カップリング剤とをミキサーで混合し、L/D=34、φ=40mmである二軸押出機を用いて押出温度220〜280℃、スクリュー回転数200rpmで溶融させた状態でガラス繊維(B1)を押出機の中間部分に投入してペレットに製造した。ペレットは80℃で3時間乾燥後、10oz射出機で成形温度220〜280℃、金型温度40〜80℃条件で射出して物性試片を製造した。
【0046】
実施例1はアクリロニトリル含量28%であるSAN樹脂(A1)のみを用いたのであり、実施例2はアクリロニトリル含量35%であるSAN樹脂(A2)を用いたのであり、実施例3はA1とA2とを混合して用いたのである。ガラス繊維としては実施例1−3について、全てガラス繊維(B1)を用いた。
【0047】
実施例4−6
ガラス繊維としてガラス繊維(B2)を用いたこと以外には実施例1−3と同様に試片を製造した。
【0048】
実施例7−10
実施例7−9は、カップリング剤(C2)の量を各々変えて実施例1と同様の方法で試片を製造した。実施例7−9は、スチレンを含む共重合体(A1)をマトリックス樹脂として用い、実施例10はスチレンを含む共重合体(A1)及び変性ビニル芳香族グラフト共重合体(D)の混合物をマトリックス樹脂として用いた。
【0049】
比較例1−3
カップリング剤を用いない点を除外しては実施例1−3と同様に試片を製造した。
【0050】
比較例4−6
カップリング剤としてエポキシ系を用いたこと以外には、実施例1−3と同様に試片を製造した。
【0051】
比較例7−9
カップリング剤としてアクリル系を用いたこと以外には、実施例1−3と同様に試片を製造した。
【0052】
比較例10−13
エポキシカップリング剤(C1)、或いはアクリルカップリング剤(C3)を用いたこと以外には、実施例7−10と同様の方法で試片を製造した。
【0053】
実施例1−10及び比較例1−13について成分及び組成を表1及び表2に示した。
【0054】
【表1】
Figure 0003718645
【0055】
【表2】
Figure 0003718645
【0056】
前記実施例及び比較例で成形された試片に対してアイゾドノッチ衝撃強度はASTM D256規格により測定し、屈曲弾性率はASTM D790により測定した。衝撃強度はアイゾド衝撃強度だけでなく、ジュポンドロップテスト (Dupont Drop test)法により1kgの錘を用いて20個の試片をテストした時に50%が破壊される高さを測定した。これに対する測定結果を表3に示した。
【0057】
【表3】
Figure 0003718645
【0058】
表3の結果からガラス繊維(B)にアミノシラン系カップリング剤(C2)が投入されると衝撃強度が大きく上昇し、ジュポンドロップテストの結果50%破壊が発生する高さも大きく増加することが分かる。また、屈曲弾性率のような機械的強度が低下しないことが分かる。特に、SAN樹脂としてアクリロニトリル基の含量が高い(A2)成分を添加する場合に物性がより高くなった。
【0059】
【発明の効果】
本発明は、マトリックス樹脂であるスチレン系共重合体と補強材であるガラス繊維にアミノシラン系カップリング剤をコンパウンジング工程で追加的に導入して樹脂とガラス繊維間の界面接着力を向上させることにより、衝撃強度を始め機械的強度が向上されたスチレン系熱可塑性複合材料を提供する効果を有する。
【0060】
本発明の単純な変形ないし変更は、この分野の通常の知識を有する者により容易に実施でき、かかる変形や変更はすべて本発明の領域に含まれる。

Claims (8)

  1. (A)(a1)スチレン、α−メチルスチレン、ハロゲンまたはアルキル置換スチレンまたはこれらの混合物50〜95重量部と(a2)アクリロニトリル、メタクリロニトリル、C1−8メタクリル酸アルキルエステル類、C1−8アクリル酸アルキルエステル類、無水マレイン酸、C1−4アルキルまたはフェニルN−置換マレイミドまたはこれらの混合物5〜50重量部とを共重合して得たスチレン系共重合体またはこれらの混合物50〜95重量部、及び
    (C)アミノシラン系カップリング剤0.01〜5重量部、好ましくは0.05〜1.5重量部からなるマトリックス樹脂に、
    (B)カップリング剤で表面処理されたガラス繊維5〜50重量部を、(A)との合計が100重量部になるよう添加して、
    製造されることを特徴とするガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料。
  2. (A)と(C)に、更に変性ビニル芳香族グラフト共重合体(D)0〜35重量部を加えてマトリックス樹脂とし、
    (B)表面処理されたガラス繊維5〜50重量部を、(A)と(D)との合計が100重量部になるよう前記マトリックス樹脂に添加して、
    製造される請求項1記載のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料。
  3. 前記アミノシラン系カップリング剤(C)は、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(γ−amino propyltriethoxy silane)、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(γ−amino propyltrimethoxy silane)、γ−アミノプロピル−トリス(2−メトキシ−エトキシ)シラン(γ−aminopropyl−tris(2−methoxy−ethoxy)silane)、N−(β−アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン(N−(β−amino ethyl)γ−amino propyltrimethoxy silane)、N−(β−アミノエチル)γ−アミノプロピルトリエトキシシラン(N−(β− aminoethyl)γ−amino propyltriethoxy silane)、及びβ(3,4−エポキシエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシランよりなる群から選択されることを特徴とする請求項1または2記載のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料。
  4. 前記ガラス繊維(B)に表面処理されたカップリング剤がアクリル系カップリング剤であることを特徴とする請求項1または2記載のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料。
  5. 前記ガラス繊維(B)は、直径が8〜20μmであり、3〜6mm程度の長さを有するチョップ(chopped)ガラス繊維である請求項4記載のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料。
  6. 請求項1から請求項のいずれかによる複合材料を用いて製造された成形品。
  7. 請求項1のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料を製造する方法において、マトリックス樹脂であるスチレン系共重合体(A)とカップリング剤(C)とをミキサーで混合し、押出機を用いて溶融させた状態でガラス繊維(B)を押出機の中間部分にサイドフィージング(side−feeding)して製造されることを特徴とするガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料の製造方法。
  8. 請求項2のガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料を製造する方法において、マト リックス樹脂であるスチレン系共重合体(A)とカップリング剤(C)と変性ビニル芳香族グラフト共重合体(D)とをミキサーで混合し、押出機を用いて溶融させた状態でガラス繊維(B)を押出機の中間部分にサイドフィージングして製造されることを特徴とするガラス繊維強化スチレン系熱可塑性複合材料の製造方法。
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