JP4414577B2 - Method for producing polymer whisker composite - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子ウィスカーを結晶性高分子の非晶部位中で固相重合により直接重合させて、該結晶性高分子の非晶部位に該高分子ウィスカーが微分散した、高分子ウィスカー複合体の製造する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、複合化による超高性能材料の開発が求められるようになり、補強材としての高分子ウィスカーが注目されている。ウィスカーは一般にアスペクト比(軸比)が10以上の短繊維であり、一次元的な補強効果しか示さない高弾性、高強度繊維(グラファイト、アラミド等)と異なり、そのアスペクト比を調製することにより長さ100μm、太さ5μm以下の均一な短繊維に成形可能で、そのため被強化素材を二次元的かつ等方的に強化することができる。またウィスカーは、そのサイズ的に、繊維強化材と異なり、再溶融、成形後も強化剤としての効果を維持することより、リサイクルによる繰り返し使用が可能であるという利点も有する。更に高分子ウィスカーは従来のチタン酸バリウム等の無機系ウィスカーと比べ軽比重であり、高い比強度を発現することができる。従来高分子ウィスカーとして例えばポリオキシメチレンや特定のエポキシ、ポリエステル、ポリウレタン系樹脂が知られていたがこれらは低融点であり、強化材としては耐熱性に課題があった。一方、耐熱性の高融点ウィスカーとして、剛直な芳香環を有するポリ−p−オキシベンゾイル、ポリ(2−オキシ−6−ナフトイル)、ポリ−p−メルカプトベンゾイル、芳香族ポリイミド等が開示されている。これら高分子ウィスカーの製造方法としては例えば、ポリオキシメチレンはトリオキサンを希薄条件下でカチオン重合することで、またポリ−p−オキシベンゾイル、ポリ(2−オキシ−6−ナフトイル)、ポリ−p−メルカプトベンゾイル等は、対応するモノマーを高沸点パラフィン系溶媒中、希薄条件下に高温溶液重合することで溶液からウィスカー結晶として析出、単離する方法が特開昭61−136516号公報、特開昭61−276819号公報及び特開昭61−285217号公報に開示されている。また芳香族ポリイミドのウィスカーはモノマーをウィスカー結晶化しておき、これを結晶状態で重合することにより製造される。このように従来技術においては、ウィスカー形成モノマーを希薄条件、あるいは特殊な形態に成形後に重合して単離する方法が取られており、その低い生産性や単離後の被強化材への難分散性といった問題があった。特にウィスカーの難分散性は、複合化工程を煩雑化するのみならず、ウィスカーの欠損などを引き起こすことが指摘されている。
【0003】
これに対して、特開平8−90677号公報には、被強化材である熱可塑性樹脂中にウィスカー形成モノマーを溶融混練し、250〜350℃下に直接重合することによる高分子ウィスカー複合体の製造方法が開示されている。この方法ではウィスカー重合と単離、樹脂への再分散といったプロセスを大幅に簡略化できる利点がある。しかしながらこの方法では、熱可塑性樹脂として非晶性の樹脂を用いており、しかも300℃以上の高温下に長時間(3時間以上)重合するという過酷な条件で製造されている。この方法では、折角被強化材である熱可塑性樹脂をウィスカーにより強化しても、熱可塑性樹脂自体が熱による劣化を受けてしまうという問題がある。さらに、熱可塑性樹脂の溶融状態でウィスカー形成モノマーの重合が進行するため、高分子ウィスカーは熱可塑性樹脂全体に微分散することになり、熱可塑性樹脂として結晶性高分子を用いると、熱劣化による高分子の劣化(高分子の一次構造の変性)が起こるため、結晶部位の構造に悪影響を与えることになるので、被強化材である高分子自体の性能の低下という問題がある。またこの方法では、結晶性高分子の非晶部のみを強化することは困難である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、単に高分子ウィスカーの製造及び被強化材への複合化プロセスを簡略化するのみならず、結晶性高分子を熱劣化を防ぎつつ、強度が高められた高分子ウィスカー複合体の製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決し、結晶性の熱可塑性高分子Yを強化するために、高分子ウィスカーを用い、これをYの非晶部位に分散してYの非晶部位を強化することを検討した。その結果、高分子ウィスカーXを形成可能なモノマーXmを、結晶性の熱可塑性高分子Y中にほぼ均一に混合ブレンドし、Yからなるマトリクスの非晶部位にXmを溶解させ、ついでこれを被強化高分子Yの融点以下の低温においてXmの固相重合を行うと、非晶部位においてXmの重合が進行し、Xに生長させることにより、非晶部位に高分子ウィスカーが微分散し強化され、Yの熱劣化を大幅に抑制した高分子ウィスカー複合体を得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0006】
すなわち本発明は、高分子ウィスカーを形成しうるモノマーを結晶性高分子と混合し、ついで、その混合物を該結晶性高分子の融点以下の温度に加熱して、該結晶性高分子の非晶部位に溶解した該モノマーを固相重合し高分子ウィスカーを形成させることを特徴とする、高分子ウィスカーが結晶性高分子の非晶部位に微分散された高分子ウィスカー複合体の製造方法である。
【0007】
また本発明は、上記の高分子ウィスカーを形成可能なモノマー(Xm)がp−アセトキシ安息香酸、2−アセトキシ−6−ナフタレンジカルボン酸、p−アセトアミノ安息香酸、p−アセトキシ−メルカプト安息香酸、p−オキシベンゾイルクロリド、2−オキシ−6−ナフトイルクロリド、フェニル(p−オキシベンゾエート)、フェニル(2−オキシ−6−ナフトエート)、p−アミノ安息香酸クロリド、p−メルカプトベンゾイルクロリドであることを特徴とする高分子ウィスカー複合体の製造方法である。
【0008】
また本発明は上記の結晶性高分子がポリオレフィン、芳香族ポリアミドであり、高分子ウィスカーを形成可能なモノマーがp−アセトキシ安息香酸、2−アセトキシ−6−ナフタレンジカルボン酸、p−アセトアミノ安息香酸、p−アセトキシ−メルカプト安息香酸、p−オキシベンゾイルクロリド、2−オキシ−6−ナフトイルクロリド、フェニル(p−オキシベンゾエート)、フェニル(2−オキシ−6−ナフトエート)、p−アミノ安息香酸クロリド、p−メルカプトベンゾイルクロリドであることを特徴とする高分子ウィスカー複合体の製造方法である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の方法について詳細に説明する。
本発明に用いる高分子ウィスカーXは、形状が直径1nm〜10μm、長さ0.2μm〜1mmの短繊維状の高分子結晶である。このものは一般に無機ウィスカーとして知られる金属、黒鉛、酸化物、炭化物、窒化物などから得られるウィスカーと類似のものであり、ポリマー鎖から成る結晶が一軸方向に生長した状態の、いわゆる伸びきり鎖構造をとっており、結晶欠陥を殆ど含まない。得られた高分子結晶がウィスカーであることは、電子顕微鏡、X線回折などで確認できる。
【0010】
また本発明における高分子ウィスカーXは、複合強化材として大幅な強度の向上を求められるため、剛直系高分子であることが好ましい。即ちポリマー鎖を形成する結合が強固で、分子鎖の占有断面積が小さく、かつ鎖の伸びが小さい構造から成ることが望まれる。これらの構造から反映される物理的な条件を定量的に表現すると、理論結晶弾性率が150Gpa以上で理論強度が2.0Gpa以上であること、又は引張り弾性率が100Gpa以上で引張り強度が2.0Gpa以上の力学物性を有する素材と考えられる。この条件を満たす素材としては、ポリ(p−オキシベンゾイル)、ポリ(2−オキシ−6−ナフトイル)、ポリ(p−ベンズアミド)、ポリ(p−メルカプトベンゾイル)、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)、ポリアゾメチン、ポリ(p−フェニレンピロメリトイミド)、ポリベンゾビスオキサゾール、ポリベンゾビスチアゾール、ポリベンゾオキサゾールなどが挙げられる。この中で、本発明に用いる素材としては、出発物質である高分子ウィスカーを形成しうるモノマーXmを用いて形成される高分子ウイスカーとして、芳香族ヒドロキシカルボン酸類としてp−アセトキシ安息香酸を用いて形成されるポリ(p−オキシベンゾイル)、2−アセトキシ−6−ナフタレンジカルボン酸を用いて形成されるポリ(2−オキシ−6−ナフトイル)、芳香族アミノカルボン酸類としてp−アセトアミノ安息香酸を用いて形成されるポリ(p−ベンズアミド)、及び芳香族メルカプトカルボン酸としてp−アセトキシ−メルカプト安息香酸を用いて形成されるポリ(p−メルカプトベンゾイル)が好ましい。これらのモノマーXmは、複合体のマトリクスとなる結晶性の熱可塑性高分子と均一にブレンドすることができ、かつ重合条件が加熱のみによる縮合反応であるために好適である。なお、これらの高分子ウィスカーの出発モノマーXmとしては、上記以外にも、例えばXがポリ(p−オキシベンゾイル)、ポリ(2−オキシ−6−ナフトイル)の場合ではXmとしてp−オキシベンゾイルクロリド、2−オキシ−6−ナフトイルクロリド、 フェニル(p−オキシベンゾエート)、フェニル(2−オキシ−6−ナフトエート)を、またポリ(p−ベンズアミド)ではp−アミノ安息香酸クロリド、またポリ(p−メルカプトベンゾイル)の場合では、Xmとしてp−メルカプトベンゾイルクロリドなどを用いることができる。
【0011】
本発明において、上記Xmの固相重合のマトリクスとなりうる結晶性高分子Yとしては、高分子ウィスカーの原料モノマーXmをYと混合した場合に、XmがY中に均一に分散処理できるような、Xmに対し可溶及び/または可融性の一般の素材を用いることができるが、モノマーXmの固相重合が進行する温度以上の融点を有することが必要である。モノマーの固相重合は、用いるモノマーの種類によりかなりの幅があるが、酸クロリドの様な活性モノマーであれば100℃以上、またその他のカルボン酸類であれば200℃以上の温度があれば重合が可能である。これらの範疇に入る結晶性高分子Yとしては、例えばシンジオタクティックポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン−2,6−ナフタレートのようなポリエステル、ナイロン6、ナイロン6,6のような脂肪族ポリアミド、ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)のような芳香族ポリアミド、ポリ(デカメチレンピロメリトイミド)のような半芳香族ポリイミド、その他ポリ(p−フェニレンスルフィド)、ポリ(エーテルエーテルケトン)などを用いることができる。このうち、実用面よりポリオレフィン、芳香族ポリアミド、ポリ(p−フェニレンスルフィド)などが好ましく、シンジオタクティックポリスチレン、ポリ(m−フェニレンテレフタルアミド)が特に好ましい。
【0012】
本発明において、固相重合のマトリクスとなりうる結晶性高分子Yと高分子ウィスカーの原料モノマーXmをブレンドする方法としては、次の二つの方法が好ましく挙げられる。
1)Yを融点以上の温度で融解し、これにXmを速やかに加え、攪拌釜又は2軸押し出し機などで短時間に混練する。
2)Yを適当な良溶媒に溶解又は膨潤し、これにXmを加え攪拌釜又は2軸押し出し機などで均一に攪拌溶解し、その後乾式又は湿式法により溶媒を除去する。
【0013】
上記1)の方法において、溶融混合はせん断応力下に行なうことで上記モノマーXmのマトリクスYへの均一なブレンド分散性を高めることができる。
【0014】
本発明において、結晶性高分子マトリクスにブレンドした高分子ウィスカー原料モノマーXmの固相重合は、マトリクスポリマーである結晶性高分子Yの融点以下の温度で静置条件下又は攪拌下に行なうことができる。ここで、前述した様に、モノマーXmの重合が進行する温度は使用する原料モノマーにより幅があるため、マトリクスポリマーの融点との兼ね合いでモノマーの活性を選択することが好ましい。本発明においては、融点が100〜200℃の結晶性高分子Yを用いる場合、酸クロリドをモノマーに使用することが好ましく、融点が200℃以上の場合はアセチル誘導体又は活性フェニルエステル系のモノマーが好ましい。また、固相重合は窒素等の不活性ガス雰囲気下に行なっても、または高真空下に行なってもよい。いずれの場合も固相重合はマトリクスの融点以下で行なうことで効率よくウィスカーの重合を行なうことができる。更に重合時間を操作することにより、形成するウィスカーのサイズ、形態(アスペクト比)を制御することができる。
【0015】
上記結晶性高分子Yに対するモノマーXmのブレンド率は、得られるべき複合体の機械的特性によって決定することができるが、例えば結晶性高分子Yがシンジオタクティックポリスチレンで、モノマーXmがp−アセトキシ安息香酸である場合、マトリクスである結晶性高分子Yに対してモノマーXmが0.5〜10重量%、好ましくは0.5〜5重量%である。結晶性高分子がポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)で、モノマーがp−アセトアミノ安息香酸である場合、マトリクスに対してモノマーが0.5〜15重量%、好ましくは0.5〜8重量%である。結晶性高分子がポリ(p−フェニレンスルフィド)、モノマーが2−アセトキシ−6−ナフタレンジカルボン酸である場合、マトリクスに対してモノマーが0.5〜5重量%、好ましくは0.5〜3重量%である。ブレンド率が上限値を越えるとウィスカー結晶成長より球晶等の成長が優先して望むアスペクト比(>10)のウィスカーを得ることが難しい。また下限値未満であると、高分子ウィスカーの複合強化材としての効果が有効に発現しない。
【0016】
また、本発明の複合材料の製造においてモノマーのブレンド混合時に必要であれば添加剤や重合開始剤を添加しても良い。
【0017】
【発明の効果】
本発明によれば、結晶性高分子の非晶部位に高分子ウイスカーが微分散されているので、結晶性高分子をより強化した、高分子ウイスカー複合体を提供することができる。結晶性高分子は複合強化により実用に供せられる前に高分子ウィスカー形成モノマーをブレンドするため、モノマーが効率的にマトリクスの非晶部位に取り込まれる。これを比較的低温での固相重合にかけることで、重合したウィスカーをあらためて採取することなく、成型可能な複合素材として使用することができる。このことは、単に高分子ウィスカーの製造及び被強化材への複合化プロセスを簡略化するのみならず、更に結晶性の熱可塑性高分子素材の熱劣化を防ぎつつ、しかも被強化材の非晶部位でウィスカー重合と微分散を進行せしめ、結果的に非晶部位が効率的に強化された高分子ウィスカー複合材料を製造することができる。このようにして高分子ウィスカーで複合強化された材料は、微細構造に対応した力学特性、特に高い引っ張り強度と高い耐衝撃性を発現することができる。
【0018】
本発明により得られる高分子ウイスカー複合体は、従来から結晶性高分子を用いて射出成形等により製造されている各種成形体の用途(例えば自動車部品、ロープ、シート、フィルム等の産業用資材)に有用である。
【0019】
【実施例】
以下、参考例及び実施例によって本発明を更に詳しく説明する。ただし、本発明は、以下の参考例、実施例によっていささかも限定されるものではない。なお、例中の「部」は特にことわらない限り「重量部」を表す。また、高分子ウィスカーの形態は走査型電子顕微鏡(日立S−510)により観察した。
各実施例については、表1に結果をまとめた。
【0020】
[実施例1]
<シンジオタクティックポリスチレンをマトリクスに用いたp−アセトキシ安息香酸の固相重合による高分子ウィスカー複合体の製造>
シンジオタクティックポリスチレン29.4部を100mlガラス製フラスコにとり、窒素雰囲気下、270℃で融解した。これにモノマーとしてp−アセトキシ安息香酸0.9部をすばやく加え、5分間攪拌混練した。この均一ブレンド体を室温に冷却、結晶化させることでモノマー分散マトリクスを調整した。ついでこの20部を粒径約1mmに粉砕し、再度ガラス製フラスコに取り、今度は窒素雰囲気下、230℃で24時間固相重合を行なうことでシンジオタクティックポリスチレン/ポリ(p−オキシベンゾイル)ウィスカー=98/2(重量比)複合体を得た。この複合体内で生成した高分子ウィスカーの走査型電子顕微鏡による観察形態は、マトリクスポリマーをテトラヒドロフランで抽出した後、不溶のウィスカーを採取して行なった。
【0021】
[実施例2]
<ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)をマトリクスに用いたp−アセトアミノ安息香酸の固相重合による高分子ウィスカー複合体の製造>
ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)29.4部を100mlのN−メチル−2−ピロリドンに加熱溶解することで均一なドープ溶液を得た。これにモノマーとしてp−アセトアミノ安息香酸0.9部を加え、攪拌することで均一に溶解した。このブレンド溶液をガラス板上に流延し、150℃、窒素気流下に4時間乾燥、ついで100℃、1mmHgで4時間乾燥することでモノマー分散マトリクスフィルムを調整した。ついでこれを短冊状に加工し、その20部を再度ガラス製フラスコに取り、窒素雰囲気下、290℃で24時間固相重合を行なうことでポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)/ポリ(p−ベンズアミド)ウィスカー=98/2(重量比)複合体を得た。この複合体内で生成したウィスカーの走査型電子顕微鏡による観察形態は、マトリクスポリマーをNMPの10wt%塩化リチウム溶液で熱時抽出した後、不溶のウィスカーを採取して行なった。
【0022】
[実施例3]
<ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)をマトリクスに用いたp−アセトキシ安息香酸の固相重合による高分子ウィスカー複合体の製造>
実施例2のp−アセトアミノ安息香酸の代わりにp−アセトキシ安息香酸0.9部を加え、同様の方法によりポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)/ポリ(p−オキシベンゾイル)ウィスカー=98/2(重量比)複合体を得、生成したウィスカーの走査型電子顕微鏡による観察形態を行なった。
【0023】
上記実施例の結果を下記表1に纏めた。これらの実施例の実験結果から、得られた高分子ウィスカー複合体はマトリクスの非晶部位に効率的に取り込まれたモノマーが、比較的低温で、マトリクスの熱劣化を抑制しつつ円滑に固相重合される。このような方法によって、ウィスカーを重合後に改めて分離、精製しウィスカー単体として採取することなく、固相重合によりウィスカー製造と被強化材である結晶性高分子の非晶部位への分散を単一プロセスで行い、マトリクスポリマー中の非晶部位が効率的に強化された複合体として使用できることが明らかである。
【0024】
また、上記複合体は強化材として、再利用が困難なガラス繊維などを用いずリサイクル可能なウイスカーを用いて結晶性高分子が強化されているので、リサイクルによる繰り返し使用が可能な複合素材として使用できることも利点である。
【0025】
【表1】

Figure 0004414577
【0026】
1)Synd.Pst:シンジオタクティックポリスチレン
PMPIA:ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)
2)p-AcOBA:p−アセトキシ安息香酸
p-AcABA:p−アセトアミノ安息香酸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polymer whisker composite in which a polymer whisker is directly polymerized by solid phase polymerization in an amorphous part of a crystalline polymer, and the polymer whisker is finely dispersed in the amorphous part of the crystalline polymer. The present invention relates to a method for manufacturing a body.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of ultra-high performance materials by compounding has come to be demanded, and polymer whiskers as reinforcing materials have attracted attention. Whisker is generally a short fiber with an aspect ratio (axial ratio) of 10 or more, and unlike high-elasticity and high-strength fibers (graphite, aramid, etc.) that exhibit only a one-dimensional reinforcing effect, by adjusting its aspect ratio It can be formed into uniform short fibers having a length of 100 μm and a thickness of 5 μm or less, so that the material to be reinforced can be reinforced two-dimensionally and isotropically. In addition, whisker has an advantage that it can be repeatedly used by recycling because it maintains its effect as a reinforcing agent even after remelting and molding, unlike the fiber reinforcing material. Further, the polymer whisker has a light specific gravity compared to conventional inorganic whiskers such as barium titanate, and can exhibit high specific strength. Conventionally, for example, polyoxymethylene, specific epoxy, polyester, and polyurethane resin have been known as polymer whiskers, but these have a low melting point, and the reinforcing material has a problem in heat resistance. On the other hand, poly-p-oxybenzoyl having a rigid aromatic ring, poly (2-oxy-6-naphthoyl), poly-p-mercaptobenzoyl, aromatic polyimide, and the like are disclosed as heat resistant high melting point whiskers. . As a method for producing these polymer whiskers, for example, polyoxymethylene is obtained by cationic polymerization of trioxane under dilute conditions, poly-p-oxybenzoyl, poly (2-oxy-6-naphthoyl), poly-p- Mercaptobenzoyl and the like are obtained by precipitating and isolating corresponding monomers as whisker crystals from a solution by high-temperature solution polymerization in a high-boiling paraffinic solvent under dilute conditions. No. 61-276819 and JP-A 61-285217. The aromatic polyimide whisker is produced by crystallizing the monomer in the crystalline state after whisker crystallization of the monomer. Thus, in the prior art, a method of polymerizing and isolating the whisker-forming monomer in a dilute condition or in a special form after molding is taken, and its low productivity and difficulty in reinforcing the material after isolation are taken. There was a problem of dispersibility. In particular, it has been pointed out that the difficult dispersibility of whiskers not only complicates the compounding process but also causes whisker defects.
[0003]
On the other hand, JP-A-8-90677 discloses a polymer whisker composite obtained by melt-kneading a whisker-forming monomer in a thermoplastic resin as a material to be reinforced and directly polymerizing at 250 to 350 ° C. A manufacturing method is disclosed. This method has an advantage that processes such as whisker polymerization and isolation, and redispersion into a resin can be greatly simplified. However, in this method, an amorphous resin is used as the thermoplastic resin, and the resin is produced under severe conditions such as polymerization at a high temperature of 300 ° C. or higher for a long time (3 hours or longer). In this method, there is a problem that even if the thermoplastic resin that is a corner reinforcement material is reinforced with whiskers, the thermoplastic resin itself is deteriorated by heat. Furthermore, since the polymerization of the whisker-forming monomer proceeds in the molten state of the thermoplastic resin, the polymer whisker is finely dispersed throughout the thermoplastic resin, and if a crystalline polymer is used as the thermoplastic resin, Since deterioration of the polymer (modification of the primary structure of the polymer) occurs, the structure of the crystal part is adversely affected, so that there is a problem that the performance of the polymer itself, which is a material to be reinforced, is deteriorated. In this method, it is difficult to reinforce only the amorphous part of the crystalline polymer.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The object of the present invention is not only to simplify the manufacturing process of polymer whiskers and the process of compounding to a to-be-reinforced material, but also to prevent the thermal deterioration of the crystalline polymer while increasing the strength of the polymer whisker composite It is in providing the manufacturing method of.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems and strengthen the crystalline thermoplastic polymer Y, the present inventors use polymer whiskers, which are dispersed in the amorphous part of Y, and the amorphous part of Y is dispersed. Considered strengthening. As a result, the monomer Xm capable of forming the polymer whisker X is almost uniformly mixed and blended in the crystalline thermoplastic polymer Y, and the Xm is dissolved in the amorphous portion of the matrix composed of Y, and then covered. When solid phase polymerization of Xm is performed at a low temperature below the melting point of the reinforced polymer Y, the polymerization of Xm proceeds in the amorphous part, and the polymer whisker is finely dispersed and strengthened in the amorphous part by growing to X. , Y has been found to obtain a polymer whisker composite that significantly suppresses thermal degradation of Y, and has led to the completion of the present invention.
[0006]
That is, the present invention mixes a monomer capable of forming a polymer whisker with a crystalline polymer, and then heats the mixture to a temperature not higher than the melting point of the crystalline polymer. A method for producing a polymer whisker composite in which a polymer whisker is finely dispersed in an amorphous part of a crystalline polymer, wherein the monomer dissolved in the part is solid-phase polymerized to form a polymer whisker .
[0007]
In the present invention, the monomer (Xm) capable of forming the polymer whisker is p-acetoxybenzoic acid, 2-acetoxy-6-naphthalenedicarboxylic acid, p-acetaminobenzoic acid, p-acetoxy-mercaptobenzoic acid, p -Oxybenzoyl chloride, 2-oxy-6-naphthoyl chloride, phenyl (p-oxybenzoate), phenyl (2-oxy-6-naphthoate), p-aminobenzoic acid chloride, p-mercaptobenzoyl chloride. It is a manufacturing method of the characteristic polymer whisker composite.
[0008]
In the present invention, the crystalline polymer is a polyolefin or an aromatic polyamide, and monomers capable of forming a polymer whisker are p-acetoxybenzoic acid, 2-acetoxy-6-naphthalenedicarboxylic acid, p-acetaminobenzoic acid, p-acetoxy-mercaptobenzoic acid, p-oxybenzoyl chloride, 2-oxy-6-naphthoyl chloride, phenyl (p-oxybenzoate), phenyl (2-oxy-6-naphthoate), p-aminobenzoic acid chloride, A method for producing a polymer whisker complex, which is p-mercaptobenzoyl chloride .
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the method of the present invention will be described in detail.
The polymer whisker X used in the present invention is a short fiber-like polymer crystal having a diameter of 1 nm to 10 μm and a length of 0.2 μm to 1 mm. This is similar to whiskers obtained from metals, graphites, oxides, carbides, nitrides, etc., commonly known as inorganic whiskers, and is a so-called stretched chain in which a crystal composed of polymer chains is grown in a uniaxial direction. It has a structure and contains almost no crystal defects. That the obtained polymer crystal is a whisker can be confirmed by an electron microscope, X-ray diffraction or the like.
[0010]
Further, the polymer whisker X in the present invention is preferably a rigid polymer because it is required to significantly improve the strength as a composite reinforcing material. That is, it is desirable to have a structure in which the bond forming the polymer chain is strong, the occupation cross-sectional area of the molecular chain is small, and the chain elongation is small. When the physical conditions reflected from these structures are expressed quantitatively, the theoretical crystal elastic modulus is 150 Gpa or higher and the theoretical strength is 2.0 Gpa or higher, or the tensile elastic modulus is 100 Gpa or higher and the tensile strength is 2. It is considered to be a material having mechanical properties of 0 Gpa or more. Materials satisfying this condition are poly (p-oxybenzoyl), poly (2-oxy-6-naphthoyl), poly (p-benzamide), poly (p-mercaptobenzoyl), poly (p-phenylene terephthalamide). , Polyazomethine, poly (p-phenylenepyromellitimide), polybenzobisoxazole, polybenzobisthiazole, polybenzoxazole and the like. Among them, as a material used in the present invention, as a polymer whisker formed using a monomer Xm capable of forming a polymer whisker as a starting material, p-acetoxybenzoic acid is used as an aromatic hydroxycarboxylic acid. Poly (p-oxybenzoyl) formed, poly (2-oxy-6-naphthoyl) formed using 2-acetoxy-6-naphthalenedicarboxylic acid, p-acetaminobenzoic acid used as aromatic aminocarboxylic acids Poly (p-benzamide) formed in this manner and poly (p-mercaptobenzoyl) formed using p-acetoxy-mercaptobenzoic acid as the aromatic mercaptocarboxylic acid are preferred. These monomers Xm are suitable because they can be uniformly blended with a crystalline thermoplastic polymer serving as a composite matrix, and the polymerization conditions are a condensation reaction only by heating. As the starting monomer Xm for these polymer whiskers, in addition to the above, for example, when X is poly (p-oxybenzoyl) or poly (2-oxy-6-naphthoyl), Xm is p-oxybenzoyl chloride. 2-oxy-6-naphthoyl chloride, phenyl (p-oxybenzoate), phenyl (2-oxy-6-naphthoate), and for poly (p-benzamide), p-aminobenzoic acid chloride, and poly (p In the case of -mercaptobenzoyl), p-mercaptobenzoyl chloride or the like can be used as Xm.
[0011]
In the present invention, as the crystalline polymer Y that can be a matrix for the solid phase polymerization of Xm, when the raw material monomer Xm of the polymer whisker is mixed with Y, Xm can be uniformly dispersed in Y. A general material that is soluble and / or fusible with respect to Xm can be used, but it is necessary to have a melting point equal to or higher than the temperature at which solid-phase polymerization of monomer Xm proceeds. The solid phase polymerization of monomers varies considerably depending on the type of monomer used, but polymerization is possible at temperatures of 100 ° C or higher for active monomers such as acid chloride, and at temperatures of 200 ° C or higher for other carboxylic acids. Is possible. Examples of the crystalline polymer Y that falls into these categories include syndiotactic polystyrene, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyesters such as polyethylene-2,6-naphthalate, nylon 6, and nylon. Aliphatic polyamides such as 6,6, poly (m-phenylene isophthalamide), aromatic polyamides such as poly (p-phenylene terephthalamide), semi-aromatic polyimides such as poly (decamethylenepyromellitimide), In addition, poly (p-phenylene sulfide), poly (ether ether ketone), and the like can be used. Among these, polyolefin, aromatic polyamide, poly (p-phenylene sulfide) and the like are preferable from the practical aspect, and syndiotactic polystyrene and poly (m-phenylene terephthalamide) are particularly preferable.
[0012]
In the present invention, as a method of blending the crystalline polymer Y that can be a matrix for solid phase polymerization and the raw material monomer Xm of the polymer whisker, the following two methods are preferably mentioned.
1) Melt Y at a temperature equal to or higher than the melting point, quickly add Xm thereto, and knead in a short time with a stirring vessel or a twin screw extruder.
2) Y is dissolved or swollen in a suitable good solvent, Xm is added thereto, and the mixture is uniformly stirred and dissolved in a stirring vessel or a twin screw extruder, and then the solvent is removed by a dry or wet method.
[0013]
In the above method 1), the melt blending is performed under a shear stress, whereby uniform blend dispersibility of the monomer Xm in the matrix Y can be improved.
[0014]
In the present invention, the solid phase polymerization of the polymer whisker raw material monomer Xm blended with the crystalline polymer matrix may be performed at a temperature below the melting point of the crystalline polymer Y as the matrix polymer under standing conditions or with stirring. it can. Here, as described above, since the temperature at which the polymerization of the monomer Xm proceeds varies depending on the raw material monomer used, it is preferable to select the activity of the monomer in consideration of the melting point of the matrix polymer. In the present invention, when the crystalline polymer Y having a melting point of 100 to 200 ° C. is used, it is preferable to use an acid chloride as the monomer. When the melting point is 200 ° C. or more, an acetyl derivative or an active phenyl ester monomer is used. preferable. The solid phase polymerization may be performed under an inert gas atmosphere such as nitrogen or under a high vacuum. In either case, whisker polymerization can be carried out efficiently by carrying out the solid phase polymerization below the melting point of the matrix. Furthermore, the size and form (aspect ratio) of the whisker to be formed can be controlled by manipulating the polymerization time.
[0015]
The blend ratio of the monomer Xm to the crystalline polymer Y can be determined by the mechanical properties of the composite to be obtained. For example, the crystalline polymer Y is syndiotactic polystyrene and the monomer Xm is p-acetoxy. In the case of benzoic acid, the monomer Xm is 0.5 to 10% by weight, preferably 0.5 to 5% by weight, based on the crystalline polymer Y as a matrix. When the crystalline polymer is poly (m-phenylene isophthalamide) and the monomer is p-acetaminobenzoic acid, the monomer is 0.5 to 15% by weight, preferably 0.5 to 8% by weight, based on the matrix. is there. When the crystalline polymer is poly (p-phenylene sulfide) and the monomer is 2-acetoxy-6-naphthalenedicarboxylic acid, the monomer is 0.5 to 5% by weight, preferably 0.5 to 3% by weight based on the matrix. %. When the blend ratio exceeds the upper limit, it is difficult to obtain whiskers having an aspect ratio (> 10) that is preferred for growth of spherulites or the like over whisker crystal growth. Moreover, if it is less than the lower limit, the effect as a composite reinforcing material of the polymer whisker is not effectively exhibited.
[0016]
Further, in the production of the composite material of the present invention, an additive and a polymerization initiator may be added if necessary at the time of blending the monomers.
[0017]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the polymer whisker is finely dispersed in the amorphous part of the crystalline polymer, it is possible to provide a polymer whisker composite in which the crystalline polymer is further strengthened. Since the crystalline polymer is blended with the polymer whisker-forming monomer before being put into practical use due to the composite reinforcement, the monomer is efficiently incorporated into the amorphous portion of the matrix. By subjecting this to solid phase polymerization at a relatively low temperature, the polymerized whisker can be used as a moldable composite material without collecting it again. This not only simplifies the production of polymer whiskers and the process of compounding to the to-be-reinforced material, but also prevents thermal deterioration of the crystalline thermoplastic polymer material, while still ensuring that the to-be-reinforced material is amorphous. The whisker polymerization and fine dispersion are allowed to proceed at the site, and as a result, a polymer whisker composite material in which the amorphous site is efficiently reinforced can be produced. In this way, the material reinforced with the composite whisker can exhibit mechanical properties corresponding to the fine structure, particularly high tensile strength and high impact resistance.
[0018]
The polymer whisker composite obtained by the present invention can be used for various molded products conventionally produced by injection molding using a crystalline polymer (for example, industrial materials such as automobile parts, ropes, sheets, films). Useful for.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference examples and examples. However, the present invention is not limited in any way by the following reference examples and examples. In the examples, “parts” represents “parts by weight” unless otherwise specified. The morphology of the polymer whiskers was observed with a scanning electron microscope (Hitachi S-510).
The results are summarized in Table 1 for each example.
[0020]
[Example 1]
<Production of polymer whisker complex by solid phase polymerization of p-acetoxybenzoic acid using syndiotactic polystyrene as matrix>
29.4 parts of syndiotactic polystyrene was placed in a 100 ml glass flask and melted at 270 ° C. in a nitrogen atmosphere. To this, 0.9 part of p-acetoxybenzoic acid was quickly added as a monomer and stirred and kneaded for 5 minutes. The homogeneous dispersion was cooled to room temperature and crystallized to prepare a monomer dispersion matrix. Next, 20 parts of this were pulverized to a particle size of about 1 mm, and again taken into a glass flask. This time, solid phase polymerization was performed at 230 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere, thereby syndiotactic polystyrene / poly (p-oxybenzoyl). A whisker = 98/2 (weight ratio) composite was obtained. The observation mode of the polymer whisker produced in the composite by a scanning electron microscope was obtained by extracting the matrix polymer with tetrahydrofuran and then collecting insoluble whiskers.
[0021]
[Example 2]
<Production of Polymer Whisker Complex by Solid Phase Polymerization of p-Acetaminobenzoic Acid Using Poly (m-phenyleneisophthalamide) as a Matrix>
A uniform dope solution was obtained by dissolving 29.4 parts of poly (m-phenyleneisophthalamide) in 100 ml of N-methyl-2-pyrrolidone with heating. To this was added 0.9 part of p-acetaminobenzoic acid as a monomer, and the mixture was uniformly dissolved by stirring. The blended solution was cast on a glass plate, dried at 150 ° C. under a nitrogen stream for 4 hours, and then dried at 100 ° C. and 1 mmHg for 4 hours to prepare a monomer-dispersed matrix film. Next, this was processed into a strip shape, and 20 parts thereof were again taken into a glass flask, and subjected to solid phase polymerization at 290 ° C. for 24 hours in a nitrogen atmosphere, thereby poly (m-phenyleneisophthalamide) / poly (p-benzamide). ) Whisker = 98/2 (weight ratio) composite was obtained. The whisker formed in the composite was observed with a scanning electron microscope by extracting the matrix polymer with NMP in a 10 wt% lithium chloride solution and then collecting insoluble whiskers.
[0022]
[Example 3]
<Production of polymer whisker complex by solid-phase polymerization of p-acetoxybenzoic acid using poly (m-phenylene isophthalamide) as a matrix>
In place of p-acetaminobenzoic acid of Example 2, 0.9 part of p-acetoxybenzoic acid was added, and poly (m-phenyleneisophthalamide) / poly (p-oxybenzoyl) whisker = 98/2 (by the same method). (Weight ratio) A composite was obtained, and the formed whisker was observed with a scanning electron microscope.
[0023]
The results of the above examples are summarized in Table 1 below. From the experimental results of these examples, the obtained polymer whisker composite has a monomer that has been efficiently incorporated into the amorphous part of the matrix, and can be solid-phased smoothly at a relatively low temperature while suppressing thermal degradation of the matrix. Polymerized. By such a method, whisker is separated and purified after polymerization, and is collected as a single whisker without solidifying the whisker and dispersing the crystalline polymer, which is a material to be reinforced, into a single part. It is clear that the amorphous part in the matrix polymer can be used as a composite that is efficiently strengthened.
[0024]
In addition, the above composite is used as a composite material that can be used repeatedly by recycling because the crystalline polymer is reinforced using whiskers that can be recycled without using glass fibers that are difficult to reuse. It is also an advantage to be able to do it.
[0025]
[Table 1]
Figure 0004414577
[0026]
1) Synd.Pst: Syndiotactic polystyrene
PMPIA: Poly (m-phenylene isophthalamide)
2) p-AcOBA: p-acetoxybenzoic acid
p-AcABA: p-acetaminobenzoic acid

Claims (3)

高分子ウィスカーを形成しうるモノマーを結晶性高分子と混合し、ついで、その混合物を該結晶性高分子の融点以下の温度に加熱して、該結晶性高分子の非晶部位に溶解した該モノマーを固相重合し高分子ウィスカーを形成させることを特徴とする、高分子ウィスカーが結晶性高分子の非晶部位に微分散された高分子ウィスカー複合体の製造方法であって、上記高分子ウィスカーを形成しうるモノマーがp−アセトキシ安息香酸、2−アセトキシ−6−ナフタレンジカルボン酸、p−アセトアミノ安息香酸、p−アセトキシ−メルカプト安息香酸、p−オキシベンゾイルクロリド、2−オキシ−6−ナフトイルクロリド、フェニル(p−オキシベンゾエート)、フェニル(2−オキシ−6−ナフトエート)、p−アミノ安息香酸クロリド、p−メルカプトベンゾイルクロリドであることを特徴とする製造方法。 A monomer capable of forming a polymer whisker is mixed with a crystalline polymer, and then the mixture is heated to a temperature below the melting point of the crystalline polymer to dissolve the amorphous polymer in the amorphous part. A method for producing a polymer whisker complex in which a polymer whisker is finely dispersed in an amorphous part of a crystalline polymer, wherein the monomer is solid-phase polymerized to form a polymer whisker. Monomers capable of forming whiskers are p-acetoxybenzoic acid, 2-acetoxy-6-naphthalenedicarboxylic acid, p-acetaminobenzoic acid, p-acetoxy-mercaptobenzoic acid, p-oxybenzoyl chloride, 2-oxy-6-naphtho Yl chloride, phenyl (p-oxybenzoate), phenyl (2-oxy-6-naphthoate), p-aminobenzoic acid chloride, p Manufacturing process, which is a mercapto benzoyl chloride. 上記高分子ウィスカーを形成しうるモノマーがp−アセトキシ安息香酸、2−アセトキシ−6−ナフタレンジカルボン酸、p−アセトアミノ安息香酸またはp−アセトキシ−メルカプト安息香酸であることを特徴とする請求項1記載の高分子ウィスカー複合体の製造方法。The monomer capable of forming the polymer whisker is p-acetoxybenzoic acid, 2-acetoxy-6-naphthalenedicarboxylic acid, p-acetaminobenzoic acid or p-acetoxy-mercaptobenzoic acid. A method for producing a polymer whisker composite. 上記結晶性高分子がポリオレフィンまたは芳香族ポリアミドであることを特徴とする請求項1または2記載の高分子ウィスカー複合体の製造方法。  3. The method for producing a polymer whisker composite according to claim 1, wherein the crystalline polymer is a polyolefin or an aromatic polyamide.
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