JP3816716B2

JP3816716B2 - 配向した結晶性高分子材料の製造方法

Info

Publication number: JP3816716B2
Application number: JP2000066747A
Authority: JP
Inventors: 恒久木村; 貴彦河井; 雄三山本; 良太飯島
Original assignee: 独立行政法人日本学術振興会
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001253962A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の方位に配向した結晶性高分子材料、特に所定の方向に配向したアイソタクチックポリプロピレンの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリ（エチレンー２，６−ナフタレンジカルボキシレート）（PEN）、アイソタクチックポリスチレン（ｉＰS）、低分子量アイソタクチックポリプロピレン（メルトフローインデクス240g /10min程度）等の熱可塑性重合体は、結晶化する間に磁場を付与することによって所定の方向に配向することが知られている。一般に、配向した結晶性熱可塑樹脂は、その光学的特性、力学的物性が向上し、光学部材等の材料としてその利用が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、高分子量アイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）等の熱可塑性高分子材料についても配向化した結晶性熱可塑性高分子材料を得ることによって、その優れた物性を生かしつつ結晶方向が配向した結晶性高分子材料を得ることを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、配向化した高分子量アイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）等の配向化した結晶性高分子材料を得るべく、以下の技術的検討を鋭意重ねた結果、本発明に到達したものである。
即ち、高分子量アイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）の高分子材料はある種の結晶造核剤（以下「核剤」ともいう）を用いて溶融・凝固させると熱力学的に準安定なβ晶を優先的に形成するが知られていること、および恐らくその機構としては核剤表面においてアイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）等の高分子材料がエピタキシャル的に結晶成長するためであるとの報告とに着目した。これらの点に着目して、有機低分子結晶は磁場により容易に配向することに鑑み、このような有機低分子結晶として所定の核剤を用いてアイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）等の高分子材料を磁場制御下に溶融・凝固を行うことによりその結晶の配向を制御できるのではないかとの予想のもと、本発明に至ったものである。
【０００５】
かかる目的を達成すべく、本発明の所定の方位に配向した結晶性高分子材料を得るための製造方法は、結晶造核剤と高分子材料とを混合・溶融・混練し、混練して得た結晶造核剤配合高分子材料を成形した後、得られた成形体に対して一定方向の磁場を付与しつつ熱処理することによって、前記結晶造核剤を配向させ、前記結晶造核剤表面で前記高分子材料をエピタキシャル的に結晶成長させることを特徴とする。
【０００６】
即ち、本発明は、結晶造核剤が高分子材料溶融体中で磁場配向し、結晶造核剤表面で、高分子材料がエピタキシャル的に結晶成長することを利用することによって、高分子材料単独では配向し得ない高分子量を有する高分子材料の結晶の配向を制御することができる。図1（ａ）と図１（ｂ）はこの制御を模式的に示し、図1（ｃ）及び図１（ｄ）は磁場を付与していない状態のランダムに配向した核剤及び高分子材料結晶を示す。
【０００７】
高分子材料としては、下記式（１）のアイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）を挙げることができる。核剤を添加することにより物性が向上する結晶性高分子としては、この他に6-ナイロン、アイソタクチックポリスチレン(iPS)、ポリブテン-1、ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)、ポリ(ブチレンテレフタレート) (PBT), ビニリデン/塩化ビニル共重合体、ポリエチレンオキサイド(PEO), アイソタクチックポリ(フェニレンオキサイド) (iPPO)があげられる。また、ｉＰＰの結晶造核剤としては下記式（２）の２，６−ナフチレンジ（シクロヘキシルアミド）の他，β晶を誘起する核剤としてはγ晶線状トランスキナクリドン（C20H12N2O2），トリフェノジチアアジン（ C18H10N2S2），N, N'-ジシクロヘキシルテレフタルアミド（C20H28N2O2）をα晶を誘起する核剤としてはε-カプロラクタム、タルク、テリレン繊維、 Nylon繊維、iPS、デクロラウエ（Dechloraue） B, 環状トリエチレングリコールテレフタレート、タルク、ミョウバン，シリカ，CaO, MgO，カーボンブラック，コハク酸ソーダ，グルタン酸ソーダ，カプロン酸ソーダ，フェニル酢酸アルミニウム，桂皮酸ソーダ，ジ安息香酸アルミニウム，β-ナフトエン酸ソーダ，1,2-シクロヘキサンジカルボン酸ソーダ，塩基性ジ-p-tert-ブチル安息香酸ソーダ，p-tert-ブチル安息香酸ソーダ，ジベンリデンソルビトールを挙げることができる。
式（１）

式（２）

【０００８】
また、結晶造核剤の量は、適宜決定でき、例えば結晶造核剤と高分子材料との配合物全量に対して０より多く3％程度まで加えることができる。3％以上配合しても配向効果の向上は期待できない。また、磁場の強さは適宜決定するが、例えば１Ｔとすることができる。配向度、配向速度の向上の為には磁場の強さは強い程良い。成形体の形状は、例えば、所定厚のフィルム状することができる。
【０００９】
また、核剤と高分子剤材料との混合、溶融、混練等により得られた核剤配合高分子材料の熱処理条件は、核剤無配合の高分子材料を結晶化してランダム配向するのに用いる熱処理条件と概ね同様の熱処理条件を採用でき、例えば、所定の加熱速度で室温から高分子材料の融点以上、分解温度を超えないい所定の温度に加熱し、この温度で著しい分解の起こらない程度の所定の時間保持した後、所定の冷却速度で冷却し、結晶化温度において高分子材料の結晶化を完了するまで或いは目的に応じた配向が達成されるまで保持する。
高分子材料としてアイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）を用い、また、結晶造核剤として２、６−ナフチレンジ（シクロヘキシルアミド）を用いる場合には、所定の加熱速度は、例えば５℃／分とし、室温から高分子材料の融点より高い所定の温度、例えば２００℃に加熱し、この温度で所定の時間、例えば５分間保持した後、所定の冷却速度、例えば−５℃／分にて結晶化温度Ｔｃ、例えば１４２℃以下に冷却し、当該結晶化温度において高分子材料の結晶化を完了するまで保持する。図２参照。
【実施の態様】
【００１０】
２．核剤配合ｉＰＰ試料の磁場配向性及び配向様式
（２−１）核剤配合試料の作成
実験室用小型混練機を用いて、上述のβ晶誘起の核剤、２、６−ナフチレンジ（シクロヘキシルアミド）とｉＰＰ（分子量 12.7×10⁴）との配合比を変え、２３０℃で混練・押出成形をし、各核剤配合ｉＰＰフィルムを得た。核剤の配合量は０、０．００５，０．５、３％とした。作製した試料を熱プレス機を用いて２００℃、１０分間加圧溶融した後、氷水中で急冷し厚さ１００μｍのフィルムに成形した。
【００１１】
（２−２）磁場内外での熱処理試料の作成
前記条件で作製した核剤配合ｉＰＰフィルムを自作の磁場内外熱処理装置によって図2に示す熱処理を行った。即ち、試料を室温から５℃／分で昇温し、２００℃（Ｔｍａｘ）で５分間保持し溶融させた。その後−５℃／分で冷却し等温結晶化温度１３５℃（Ｔｃ）で結晶化完了まで保持した。この操作を６Ｔｅｓlａ超伝導磁石内外で行うことで磁場内外での熱処理試料を得た。
【００１２】
（２−３）配向評価
前述の方法で作成した磁場内外熱処理試料の配向性解析には広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）を用いた。また、磁気内外熱処理試料について内部回転角を測定し、各格子面の方位角強度分布より配向方向及びα、β晶について検討した。図３（ａ）は、広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）の測定方法を示す。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、各々磁気内熱処理及び磁気外熱処理の核剤３．０％配合試料の広角Ｘ線回折チャートを示す。
【００１３】
また、図４（ａ）乃至図４（ｄ）は、それぞれ核剤配合量が０、０．００５，０．５、３％のｉＰＰフィルムの広角Ｘ線回折チャートを示す。更に、図５はβ晶核剤の含有量と（３００）_β面の配向率との関係を示し、図６は、磁場内で作成した試料（核剤３％配合、Ｔｃ＝１３５℃）の各格子面の方位角強度分布を示す。また、図７は、配向したβ晶ｉＰＰ結晶のａ軸と磁場方向の関係を示す。
【００１４】
（２−４）結果及び考察
図４は，磁場内で等温結晶化（Ｔｃ＝１３５℃）して得られたｉＰＰ試料のＷＡＸＤパターンである。図４より、核剤配合量が（a）０の場合はα晶が析出しており，かつ赤道線、子午線方向のプロフィルが概ね一致していることより，磁場による配向は認められない。それに対し，核剤配合量が（ｂ）０．００５，（ｃ）０．５、（ｄ）３％の場合には，β晶が析出しており，かつ赤道線、子午線方向の強度プロフィルが一致していないことより，明らかにβ晶が磁場により配向していることが分かる。
【００１５】
図５から、核剤を、得られる結晶性ｉＰＰ全量に対して２．５〜３．０重量％の割合で混合することによって結晶性ｉＰＰを略完全に磁場配向をすることができることが分かる。
【００１６】
図６に磁場内で作成した試料（核剤３％配合、Ｔｃ＝１３５℃）の各格子面の方位角強度分布を示す。図中の９０°、２７０°が磁場方向に相当する。核剤無添加材料では磁場による配向は見られなかった。（３３０）面の回折は１２点像となっており、０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、３００°、３６０°を中心に６°づつずれている。（３００）面についても同様な１２点像が見られ、（１１２）面では、０°、１８０°、３６０°にややブロードな配向がみられる。またX線を磁場方向に平行に入射した際の方位角強度分布では、すべての格子面がランダム配向を示した。これよりβ晶ｉＰＰが磁場方向から６°傾いたａ＊軸が磁場方向回りに円筒対称的にランダム配向しているものと考えられる。図７参照。
【００１７】
以上の結果から、核剤配合により高分子量ｉＰＰの磁場による配向制御が可能であることが示された。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の所定の方位に配向した結晶性高分子材料の製造方法によれば、結晶造核剤と高分子材料とを混合・溶融・混練し、混練して得た結晶造核剤配合高分子材料を成形した後、得られた成形体に対して一定方向の磁場を付与しつつ熱処理することによって、前記結晶造核剤を配向させ、前記結晶造核剤表面で、前記高分子材料をエピタキシャル的に結晶成長させることによって、高分子材料単味では配向し得ない分子量を有する高分子材料の結晶の配向を容易かつ確実に制御し、配向した結晶性高分子材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】核剤を配合した場合の（ａ）と（ｂ）はこの高分子材料の磁場による結晶配向制御を模式的に示し、（ｃ）及び（ｄ）は磁場を付与していない状態のランダムに配向した核剤及び高分子材料結晶を示す。
【図２】アイソタクチックポリプロピレン（ｉＰＰ）に対し結晶造核剤として２，６−ナフチレンジ（シクロヘキシルアミド）を用いた場合の核剤配合材料の熱処理条件の制御例を示す。
【図３】（ａ）乃至（ｃ）は、広角Ｘ線回折（ＷＡＸＤ）の測定方法を示す。
【図４】（ａ）乃至（ｄ）はそれぞれ核剤配合量が０、０．００５，０．５、３％のｉＰＰフィルムの広角Ｘ線回折チャートを示す。
【図５】β晶核剤の含有量と（３００）_β面の配向率との関係を示す。
【図６】磁場内で作成した試料（核剤３％配合、Ｔｃ＝１３５℃）の各格子面の方位角強度分布を示す。
【図７】配向したβ晶ｉＰＰ結晶のａ軸と磁場方向の関係を示す。

Claims

結晶造核剤と高分子材料とを混合・溶融・混練し、混練して得た結晶造核剤配合高分子材料を成形した後、得られた成形体に対して一定方向の磁場を付与しつつ熱処理することによって、前記結晶造核剤を配向させ、前記結晶造核剤表面で前記高分子材料をエピタキシャル的に結晶成長させて、所定の方位に配向した結晶性高分子材料を得るための製造方法。
前記高分子材料がアイソタクチックポリプロピレンである請求項１に記載した所定の方位に配向した結晶性高分子材料の製造方法。
前記結晶造核剤が、２，６−ナフチレンジ（シクロヘキシルアミド）である請求項１に記載した所定の方位に配向した結晶性高分子材料の製造方法。
前記結晶造核剤が、得られる結晶性高分子材料全量に対して0 ． 00 ５〜３．０重量％の割合で混合される請求項１乃至３のいずれか1 項に記載の所定の方位に配向した結晶性高分子材料の製造方法。