JP5012027B2 - 変性ポリテトラフルオロエチレン成形体及びその製造方法 - Google Patents

変性ポリテトラフルオロエチレン成形体及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、変性ポリテトラフルオロエチレン成形体及び変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法に関する。
ポリテトラフルオロエチレン〔PTFE〕の成形体の一用途として、ポンプ、ベローズ、ダイヤフラム等の著しく耐屈曲性を要する装置部材がある。
これらのPTFE成形体を得る方法としては、従来一般に、圧縮成形が頻用されてきた。PTFEの圧縮成形としては、金型に樹脂粉末を入れ圧縮して予備成形体を形成したのち焼成するバッチ式の成形方法、及び、長軸の金型に粉末を投入して圧縮と焼成とを連続して行うラム押出成形がある。
PTFE成形体の耐屈曲性の向上を目的として、成形体における結晶化度を低下させることが知られており、例えば、結晶化度が30〜50%、長手方向の強度と直径方向の強度の比が2.5:1〜1:1である可動部用耐スパッタポリテトラフルオロエチレンチューブが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。しかしながら、この技術は、乳化重合により得たファインパウダーを用いるものであり、適用可能な成形方法が限定される不都合がある。
結晶化度を低下させたPTFEからなるシールリングとして、また、耐久性向上を目的として、結晶化度を25〜35%に管理したものが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
その一方、PTFE成形体の結晶化度は、ガス・薬液バリア性に大きく影響し、バリア性向上のためには結晶化度を高くする必要がある。
高結晶化度PTFE成形体として、PTFE成形体を該樹脂の融点以上の温度にて焼結したのち結晶化温度付近の温度にて0.5〜10分間かけて冷却する方法が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。この方法は、多孔質体を得るものであるが、焼成後の冷却を徐々に行う必要があるので、焼成・冷却工程に時間を要し、生産性に劣る問題があった。
狭義の圧縮成形によりPTFE成形体を得る際には、耐屈曲性を要する用途の場合、結晶化度を低下させる目的のために、予備成形体(プレフォーム)を焼成する工程にて急冷することが一般的である(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、焼成炉内にて急冷しようとしても、余熱等の影響により急冷が不充分となる問題がある。また、炉内から溶融状態のまま一気に炉外に取り出して水中に投じる方法によれば、比較的容易に急冷することができるが、作業性、操作性に問題がある。
狭義の圧縮成形としてはまた、予備成形したプレフォームを金型内に残したまま、押しパンチのみを取り除き、焼成炉にてPTFEが溶融するまで加熱し、溶融状態のまま焼成炉から金型ごと取り出し、溶融状態のまま再び加圧下に保持し、水冷する方法が知られている(ホットコイニング)。この方法であれば、結晶化度を容易に下げることができ、耐屈曲性に優れたPTFE成形体を得ることができる。しかしながら、生産性に乏しい問題がある。
これに対し、ラム押出成形は、一般に、生産性に優れている。ラム押出成形により得られたPTFE成形体は、その製法上、結晶化度は低い。しかしながら、狭義の圧縮成形やホットコイニングに比べて、機械的物性に乏しい問題がある。そのため、引張り強さ、引張り伸びが低く、節と呼ばれる継目が極端に悪影響を及ぼす場合があり、ラム押出成形により得たPTFE成形体は、一般的に重要部品には使用されていないのが現状である。
狭義の圧縮成形、ラム押出成形に好適な成形用粉末として、特定のパーフルオロビニルエーテル単位を特定量含有し特定の結晶化熱を有する変性PTFEの粉末であって、特定の比表面積と平均粒径を有し、且つ、得られる成形品において特定の曲げ寿命と耐クリープ性とを有する粉末が提案されている(例えば、特許文献4参照。)。しかしながら、近年では、更なる高度な成形品物性が要求されている。
特開平11−70558号公報 特開2001−304420号公報 特開平6−8344号公報 国際公開第93/16126号パンフレット
本発明の目的は、上記現状に鑑み、引張り強度及び引張り伸びを損なうことなく、耐屈曲性に優れたPTFEの成形体を得ることにある。
本発明は、変性ポリテトラフルオロエチレン成形用粉末を用いて形成してなる変性ポリテトラフルオロエチレン成形体であって、上記変性ポリテトラフルオロエチレン成形用粉末は、溶融成形できず、上記変性ポリテトラフルオロエチレン成形用粉末を構成する変性ポリテトラフルオロエチレンは、下記式(I):
Figure 0005012027
(式中、Xは、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基又は炭素数4〜9のパーフルオロアルコキシアルキル基である)で表わされるパーフルオロビニルエーテル単位を0.01〜1質量%含有するものであり、且つ、示差走査型熱量計により測定する結晶化熱が18.0〜25.0J/gであるものであり、上記変性ポリテトラフルオロエチレン成形体は、融解熱が28J/g以下、且つ、曲げ寿命が200万回以上であることを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン成形体である。
本発明は、変性ポリテトラフルオロエチレン粉末を用いてなる処理前焼成圧縮成形体に焼成処理を施すことよりなる変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法であって、上記処理前焼成圧縮成形体は、変性ポリテトラフルオロエチレン粉末を用いてなる未焼成圧縮成形体を上記変性ポリテトラフルオロエチレン粉末の融点以上の温度にて焼成したのち上記変性ポリテトラフルオロエチレン粉末の融点未満の温度に冷却することにより得られたものであり、上記焼成処理は、上記変性ポリテトラフルオロエチレン粉末の融点以上の温度にて焼成することにより行うものであることを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法である。
本発明は、上記変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法により製造したことを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン成形体である。
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明の変性ポリテトラフルオロエチレン[変性PTFE]成形体は、変性PTFE粉末を用いて形成してなるものである。該変性PTFE粉末は、溶融成形することができないものであれば特に限定されないが、なかでも、後述の変性PTFE成形用粉末が好ましい。
上記変性PTFE成形用粉末を構成する変性PTFEは、テトラフルオロエチレン[TFE]に由来するTFE単位に加え、下記式(I):
Figure 0005012027
(式中、Xは、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基又は炭素数4〜9のパーフルオロアルコキシアルキル基である)で表わされるパーフルオロビニルエーテル単位を含有するものである。
上記パーフルオロビニルエーテル単位は、パーフルオロビニルエーテルに由来するものである。
上記パーフルオロビニルエーテルとしては、例えば、炭素数1〜6のパーフルオロアルキル基を有するパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)、炭素数4〜9のアルコキシアルキル基を有するパーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)等が挙げられる。
上記パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)としては、例えば、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)[PMVE]、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)[PEVE]、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)[PPVE]、パーフルオロ(ブチルビニルエーテル)等が挙げられる。
上記パーフルオロ(アルコキシアルキルビニルエーテル)としては、例えば、パーフルオロ(2−メトキシプロピルビニルエーテル)、パーフルオロ(2−プロポキシプロピルビニルエーテル)等が挙げられる。
上記パーフルオロビニルエーテルとしては、熱的安定性の点で、PPVE、PEVE、PMVEであることが好ましく、PPVEであることがより好ましい。
上記変性PTFEは、上記パーフルオロビニルエーテル単位を0.01〜1質量%含有するものである。
上記パーフルオロビニルエーテル単位の含有量は、上記範囲より低い場合、耐クリープ性が低下し、上記範囲より高い場合、引張り強度、耐クラック性が低下し、また、コスト上不利である。
上記パーフルオロビニルエーテル単位の含有量は、好ましい下限が0.03質量%であり、好ましい上限が0.2質量%である。
本発明において、上記変性PTFEは、上記範囲内であれば、上記パーフルオロビニルエーテル単位を1種有するものであってもよいし、2種以上有するものであってもよい。
本明細書において、上記パーフルオロビニルエーテル単位は、特性吸収1040〜890cm−1の範囲で赤外分光分析を行うことにより得られる値である。
上記変性PTFEは、示差走査型熱量計により測定する結晶化熱が18.0〜25.0J/gであるものである。
上記結晶化熱は、好ましい上限が23.5J/gである。
上記結晶化熱は、示差走査型熱量計DSC−50(島津製作所製)にて、約3mgの試料を50℃/分の速度にて250℃に昇温させ、一旦該温度に保持し、更に10℃/分の速度にて380℃に昇温することにより結晶を融解させた後、10℃/分の速度で降温させた際に測定される結晶化点のピークから換算される熱量である。
上記変性PTFEは、TFEとパーフルオロビニルエーテルとを重合することにより得ることができる。
上記変性PTFEは、特に限定されないが、懸濁重合により得られるものが好ましい。
上記懸濁重合は、例えば、重合温度を0〜100℃に設定して、水性媒体の存在下にて行うことが好ましい。
また、上記懸濁重合において、乳化剤等を使用することもできる。重合開始剤として過硫酸アンモニウム等の過硫酸塩等を使用することが好ましい。
上記乳化剤及び上記重合開始剤の使用量は、使用する単量体等の種類、所望の変性PTFEの組成等に応じて適宜設定することができる。
例えば、上記乳化剤を水性媒体の1〜200ppmの量にて使用した場合、後述するような比表面積が大きい変性PTFE成形用粉末を得ることができる。
懸濁重合により得られる変性PTFE成形用粉末は、モールディングパウダーと称されることがある。
上記変性PTFE成形用粉末は、上記重合を行うことにより得られた変性PTFEを、例えば、国際公開第93/16126号パンフレットに記載の方法等、公知の方法にて乾燥、粉砕処理等を行うことにより得ることができる。
上記粉砕処理としては、例えば、剪断式粉砕、衝撃式粉砕が挙げられる。
本明細書において、剪断式粉砕は、剪断力による破砕や摩砕を基本とする粉砕方法である。剪断式粉砕は、通常、高速で回転するハンマーの衝撃作用による粉砕であり、例えば、ハンマーミル等の粉砕機を用いた粉砕が挙げられる。
本明細書において、衝撃式粉砕は、剪断力を実質的に与えずに、衝撃力による粉砕を基本とする粉砕方法である。衝撃式粉砕は、通常、高速の気流によって粒子を衝突させることによる粉砕であり、例えば、エアジェットミル等の粉砕機を用いた粉砕が挙げられる。
上記変性ポリマー成形用粉末を調製する際における粉砕方法としては、耐屈曲性の点で、衝撃式粉砕が好ましい。
本発明における変性PTFE成形用粉末は、重合後に得られる重合反応液から得た粉末そのもの、該粉末を適宜粉砕してなる微粉末、又は、該粉末若しくは微粉末を造粒したものの何れであってもよいが、取り扱い性、作業性の点で、造粒したものが好ましい。
変性PTFE成形用粉末は、粒度分布が小さいものが好ましい。
上記変性PTFE成形用粉末は、着色剤、帯電防止剤等の添加剤を配合するものであってもよい。
上記変性PTFE成形用粉末は、比表面積が0.5〜9.0m/gであるものが好ましい。
上記比表面積は、より好ましい下限が0.8m/gであり、より好ましい上限が4.0m/gである。
本明細書において、上記比表面積は、アナリティカル・ケミストリー(Anal.Chem),vol.30,1387頁(1985年)記載の窒素吸着法に従い、モノソープ(湯浅アイオニクス社製)にて測定したものである。
本発明における変性PTFE成形用粉末は、懸濁重合により得られるものである場合、例えば、粉砕により小粒径化することができ、平均粒径が小さいと、得られる変性PTFE成形体におけるボイドを減少させる傾向にある点で、好ましい。
上記変性PTFE成形用粉末は、造粒していないものである場合、乾式レーザー法により測定した平均粒径が100μm以下であることが好ましく、より好ましい上限は50μm、更に好ましい上限は40μm、特に好ましい上限は30μmである。
上記変性PTFE成形用粉末は、剪断式粉砕を行うことにより得られる場合、乾式レーザー法により測定した平均粒径が100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましく、これらの範囲内であれば、3μm以上であってよい。剪断式粉砕により得られる粉末は、通常、不定形微粉末である。
上記変性PTFE成形用粉末は、衝撃式粉砕を行うことにより得られる場合、乾式レーザー法により測定した平均粒径が50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、これらの範囲内の微粉末であれば、3μm以上であってよい。
本発明における変性PTFE成形用粉末は、造粒したもの、即ち造粒品である場合、造粒前の粉末又は造粒前の微粉末において、上記範囲内の平均粒径を有するものであることが好ましく、造粒後の平均粒径が1000μm以下であるものが好ましく、900μm以下であるものがより好ましく、200〜900μmであるものが更に好ましく、600μm以下であることが特に好ましい。
上記平均粒径は、造粒していないもの又は造粒前のものである場合、粒子径分布測定装置HELOS&RODOS(SYMPATEC社製)を用いて、乾式レーザー法により測定したものである。
上記造粒後の平均粒径は、ドライシーブ法、具体的には国際公開第99/12996号パンフレット、12頁23行目〜13頁4行目に記載の平均粒径測定方法にて測定したものである。
上記変性PTFE成形用粉末は、通常、上述の範囲内で比表面積及び平均粒径を有するものであるので、成形時の圧力伝達性が良いため成形加工しやすく、また、稠密性に優れた成形体を得ることができる。
本発明における変性PTFE成形用粉末は、見掛密度が0.60〜0.95g/mlであることが好ましい。
上記見掛密度は、より好ましい下限が0.65g/ml、より好ましい上限が0.90g/mlである。
本明細書において、上記見掛密度は、JIS K 6891−5.3に準拠して測定した値である。
本発明における変性PTFE成形用粉末は、耐屈曲性の点、その他電気的及び機械的物性の点で、見掛密度が0.60〜0.95g/mlであって、平均粒径が1000μm以下であるものが好ましく、見掛密度が上記範囲内であり平均粒径が600μm以下であるものがより好ましい。
見掛密度が上記範囲内である、平均粒径が上記範囲内である、又は、見掛密度と平均粒径とが上記範囲内である、各変性PTFE成形用粉末は、例えば、(1)剪断式粉砕により得られ乾式レーザー法により測定した平均粒径が100μm以下、好ましくは50μmの微粉末を造粒する、(2)衝撃式粉砕により得られ乾式レーザー法により測定した平均粒径が50μm以下、好ましくは30μm以下の微粉末を造粒する、等して調製することができる。
上記各種粉砕方法により得られる微粉末を造粒して得られる造粒品は、通常、顆粒状粉末である。上記範囲内の見掛密度を有する顆粒状粉末としては、上述のとおり、該造粒後の平均粒径が好ましくは1000μm以下、より好ましくは900μm以下、更に好ましくは20〜900μm、特に好ましくは600μm以下である造粒品であることが望ましい。
上記変性PTFE成形用粉末は、見掛密度及び造粒後の平均粒径がそれぞれ上述の範囲内である場合、耐屈曲性に優れ、屈曲寿命が長い成形体にすることができる。
本発明の変性PTFE成形体は、好ましくは上述の変性PTFE成形用粉末を用いて形成してなるものである。
上記変性PTFE成形用粉末は、溶融成形することができないものであるが、例えば、後述の本発明の変性PTFE成形体の製造方法により好適に製造することができる。
本発明の変性PTFE成形体は、融解熱が28J/g以下であるものである。
上記融解熱は、上記範囲内であれば、18J/g以上であってもよく、また25J/g以下であることが好ましく、23J/g以下であることがより好ましい。
本発明の変性PTFE成形体は、融解熱が上記範囲内にあるので、結晶化度が低く、耐屈曲性に優れている。
本明細書において、上記融解熱は、変性PTFE成形体から小片を切り出し、該小片約3mgを示差走査型熱量計RDC220(セイコー電子工業社製)にて、窒素雰囲気下50℃/分の速度にて250℃まで昇温して1分間保持し、更に10℃/分の速度にて380℃まで昇温して結晶を充分融解させた後、次いで380℃から10℃/分の速度にて250℃まで降温した際に測定される結晶化点の曲線ピークを換算した値である。
本発明の変性PTFE成形体は、曲げ寿命[MIT]が200万回以上であるものである。
上記MITは、好ましくは250万回以上である。上記MITは、上記範囲内であれば、例えば、300万回以下とすることができ、また280万回以下とすることもできる。
本発明の変性PTFE成形体は、上記範囲内のMITを有するものであるので、耐屈曲性に非常に優れている。
上記MITは、JIS P8115に準拠して、各変性PTFE成形体から幅5mm、厚み0.5mm、長さ最小120mmに切り出した試験片について、MIT耐折度試験機(安田精機社製)を用いて測定したものである。
本発明の変性PTFE成形体は、長さ中央部に切込みがある特定形状のダンベルを用いJIS K 6301に準拠したデマッチャ試験(以下、「特殊デマッチャ試験」ということがある。)における−10℃での屈曲寿命を一般に30万回以上とすることができる。
本明細書において、上記特殊デマッチャ試験による屈曲寿命は、長さ中央部に90度角に切り込んだ切込部の幅が10mmであり、幅20mm×長さ150mm×厚み1mmである試験片を作成し、JIS K 6301に準拠したデマッチャ試験機(安田精機社製)を用いて測定することにより求めた値である。
上記特殊デマッチャ試験による屈曲寿命は、被試験体の耐屈曲性を上述のMITよりも高い精度で測定するものである。従って、一般に、MIT値が上述の範囲内であっても、上記特殊デマッチャ試験による屈曲寿命は上述の範囲を下回ることがある一方、上記特殊デマッチャ試験による屈曲寿命が上述の範囲内であれば、MIT値は上述の範囲内に入る。本発明の変性PTFE成形体は、上述の範囲内のMIT値を有するものであり、また更に、上述の範囲内の特殊デマッチャ試験による屈曲寿命をも達成することができたものである。
本発明の変性PTFE成形体は、引張り強度が30MPa以上であるものが好ましい。
上記引張り強度は、より好ましい下限が35MPaであり、更に好ましい下限が40MPaであるが、上記範囲内であれば、60MPa以下であってもよい。
本発明の変性PTFE成形体は、引張り伸びが300%以上であることが好ましい。
上記引張り伸びは、より好ましい下限が350%であり、更に好ましい下限が380%であるが、上記範囲内であれば、500%以下であってもよい。
上記引張り強度及び上記引張り伸びは、JIS K6891に準拠して測定したものである。
本発明の変性PTFE成形体は、上記引張り強度、上記引張り伸び等の機械的強度を損なうことなく、優れた耐屈曲性を得ることができたものである。
以下、本明細書において、上記変性PTFE成形用粉末を用いて形成してなる本発明の変性PTFE成形体を「本発明の変性PTFE成形体(A)」ということがある。
本発明の変性PTFE成形体の製造方法は、変性PTFE粉末を用いてなる処理前焼成圧縮成形体に焼成処理を施すことにより変性PTFE成形体を製造する方法である。該製造方法において、上記変性PTFE粉末としては、上述の変性PTFE成形用粉末を用いることが好ましい。
上記「処理前焼成圧縮成形体」は、変性PTFE粉末を用いてなる未焼成圧縮成形体を上記変性PTFE粉末の融点以上の温度にて焼成(本明細書において、「第一次焼成工程」ということがある。)したのち上記変性PTFE粉末の融点未満の温度に冷却(本明細書において、「第一次冷却工程」ということがある。)することにより得られたものである。
上記「未焼成圧縮成形体」は、金型に変性PTFE粉末を入れて圧縮することにより形成される成形体であって、変性PTFE粉末の融点以上の温度に加熱した履歴がないものである。
上記未焼成圧縮成形体を形成するために圧縮する際の加圧としては、0.1MPa〜100MPaが好ましく、より好ましい下限は1MPa、より好ましい上限は80MPaである。
上記「未焼成圧縮成形体」を変性PTFE粉末の融点以上の温度にて焼成する第一次焼成工程は、未焼成圧縮成形体の厚み、焼成時間等にもよるが、345〜400℃の温度にて加熱することにより行うことが好ましく、該焼成温度のより好ましい下限は360℃、より好ましい上限は390℃である。上記第一次焼成工程は、通常、室温にて作製した未焼成圧縮成形体を、予め上記範囲内の焼成温度に調温した焼成炉内に入れることにより行うことができる。
本明細書において、上記変性PTFE粉末の融点は、3mgの試料を示差走査型熱量計DSC−50(島津製作所社製)にて10℃/分の速度で380℃まで昇温させた際に測定できる融解熱ピークの温度として求めた値である。
上記第一次焼成工程ののち、変性PTFE粉末の融点未満の温度に冷却する第一次冷却工程は、通常、常温〜300℃にまで冷却することが好ましく、より好ましくは、常温〜150℃まで冷却する。
最終的に得られる変性PTFE成形体の結晶化度は、後述の第二次焼成工程後の冷却速度により実質的に決まるので、上記第一次冷却工程における冷却速度としては特に限定されないが、例えば、大気放冷にて行ってもよい。
上記未焼成圧縮成形体を作製する際に行う「圧縮成形」としては、(i)金型に樹脂粉末を入れ圧縮して予備成形体(プレフォーム)を形成したのち焼成する「狭義の圧縮成形」であってもよいし、(ii)長軸の金型に樹脂粉末を投入して形成した圧縮体を該金型内の焼成部に下降させて焼成するラム押出成形であってもよい。
本発明において、(1)上記処理前焼成圧縮成形体を上記により作製したのち引き続いて後述の焼成処理を施す方法を用いてもよいし、(2)上記処理前焼成圧縮成形体を作製し終えた時点と、後述の焼成処理を開始する時点とが不連続的である方法を用いてもよい。
前者(1)の処理前焼成圧縮成形体を作製したのち引き続いて焼成処理を施す方法としては、例えば、ラム押出成形により、処理前焼成圧縮成形体の作製と焼成処理とを連続して長軸の金型内を移送させながら行う方法等が挙げられる。
後者(2)の不連続的方法としては、例えば、上記処理前焼成圧縮成形体に相当する市販品を購入してきて、後述の焼成処理を施す方法であってもよいし、いわゆるバッチ式により処理前焼成圧縮成形体を作製したのち後述の焼成処理を施す方法であってもよい。後者のバッチ式による方法は、狭義の圧縮成形を用いる場合、好適な方法である。
本発明の変性PTFE成形体の製造方法における焼成処理は、上述の処理前焼成圧縮成形体に対して行う。
上記焼成処理は、変性PTFE粉末の融点以上の温度にて焼成(本明細書において、「第二次焼成工程」ということがある。)することにより行うものである。
上記第二次焼成工程は、処理前焼成圧縮成形体の厚み、焼成時間等にもよるが、345〜400℃の温度にて加熱することにより行うことが好ましく、該焼成温度のより好ましい下限は350℃、更に好ましい下限は360℃、より好ましい上限は395℃、更に好ましい上限は390℃である。
上記第二次焼成工程における焼成を開始する際の昇温速度としては特に限定されず、例えば、上述の(1)のラム押出成形により処理前焼成圧縮成形体の作製と連続して焼成処理を行う場合、長軸の金型を軸方向に例えば約三等分し、350〜400℃に設定した第一次焼成工程を行うゾーン、第一次冷却工程を行うゾーン、及び、350〜400℃に設定した第二次焼成工程を行うゾーンに分け、この順に圧縮成形体を移動させることにより行うことが好ましい。
上記第二次焼成工程における焼成を開始する際の昇温速度としては、また、上述の(2)のバッチ式等の場合、通常、室温にて用意した処理前焼成圧縮成形体を、予め上記範囲内の焼成温度に設定した焼成炉内に入れることにより行うことが好ましい。
上記焼成処理において、第二次焼成工程を経た焼成圧縮成形体は、冷却される(本明細書において、「第二次冷却工程」ということがある。)。上記第二次冷却工程は、変性PTFE粉末の融点未満の温度に冷却するものである。本工程における冷却温度としては特に限定されず、通常、得られる変性PTFE成形体が保管又は使用される温度であればよい。
上記第二次冷却工程における冷却速度は、成形体の形状や大きさによるが、冷却速度を管理・調整することにより、目的とする耐屈曲性に応じて結晶化度を調整し得ることがあり、一般的には、上記冷却速度は、管理容易等の点で、実際には、(a)第二次焼成工程終了後直ちに水中に投じることによる急冷、又は、(b)第二次焼成工程終了後、焼成炉から取り出し、室温下の大気中に放置することによる徐冷を行うことで充分である。
本発明の変性PTFE成形体の製造方法は、上述の焼成処理を施すものであるので、例えば、該焼成処理の代わりに、樹脂の融点未満の温度にて加熱するアニーリングを行う従来法の場合、上述の第一次焼成工程に相当する焼成の後に結晶部と非晶部との境界に生じた一種の緊張を該アニーリングにより緩和していたものと考えられるが、この緩和が耐屈曲性向上の点で不充分であったのに対し、本発明の変性PTFE成形体の製造方法は、上記焼成処理を変性PTFE粉末の融点以上の温度にて行うことにより、上記緊張の緩和を促進するものと考えられる。
上述した本発明の変性PTFE成形体の製造方法を行うことにより得られる変性PTFE成形体もまた、本発明の1つである。
以下、本明細書において、本発明の変性PTFE成形体の製造方法を行うことにより得られる上記変性PTFE成形体を「本発明の変性PTFE成形体(B)」と称することがある。
本発明の変性PTFE成形体(B)は、上述した本発明の変性PTFE成形体の製造方法を行うことにより得られるものであり、本発明の変性PTFE成形体(A)と同じく、結晶化度が低く、耐屈曲性等の機械的物性等に優れている。
本明細書において、以下、(A)及び(B)の符号を付さずに用いる「本発明の変性PTFE成形体」なる用語は、上述の「本発明の変性PTFE成形体(A)」及び「本発明の変性PTFE成形体(B)」を含み得る概念を表す。
本発明の変性PTFE成形体は、機械的特性、特に耐屈曲性及び耐クリープ性に優れているので、耐屈曲性成形体、耐クリープ性成形体等として好適に使用することができる。
上記耐屈曲性成形体としては、例えば、ベローズ、ダイヤフラム、ホース、ピストンリング、バタフライバブル等が挙げられる。
上記耐クリープ性成形体としては、例えば、ボールバブルシート、ダイヤフラム、パッキン、ガスケット、ピストンリング、ベローズ、ダイヤフラム、バタフライバブル等が挙げられる。
本発明の変性PTFE成形体は、耐薬品性にも優れているので、更に、耐薬品性透過性成形体としても好適に使用することができる。
上記耐薬品性透過性成形体としては、ケミカルポンプのベローズやダイヤフラム等が挙げられる。
上記ケミカルポンプは、化学工業や半導体製造装置等において使用する腐食性が強い流体;例えば、フッ素、塩化水素、硫黄酸化物、窒素酸化物等の気体;フッ化水素、塩酸、硫酸、硝酸、オキシ塩化リン、塩化チオニル、塩化スルフリル、クロム酸等の各種有機酸及び酸ハロゲン化酸等の液体;等の輸送に使用することができる。
本発明の変性PTFE成形体は、上述の構成よりなるので、引張り強度及び引張り伸びを損なうことなく、耐屈曲性に優れたものである。
本発明の変性PTFE成形体の製造方法は、上述の構成よりなるので、上記特性を有する変性PTFE成形体を簡便な方法により製造することができる。
以下に実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例及び比較例に限定されるものではない。
合成例1
炭酸アンモニウム3.3gを純水(水性媒体)54.8Lに溶かした溶液を170L容のオートクレーブに仕込み、イカリ型撹拌翼で撹拌(110r.p.m.)する。脱気したのちテトラフルオロエチレン[TFE]を0.5kg/cm(ゲージ圧)まで仕込む。この操作を3回繰り返したのちパーフルオロ(プロピルビニルエーテル)[PPVE]85gをTFEと合わせて圧入し、反応系の温度を50℃に上昇させた後、TFEを反応系内圧が8kg/cmになるまで圧入する。続いて、過硫酸アンモニウム水溶液(濃度約0.36質量%)0.2Lを加えて重合を開始した。上記重合は、反応系内圧が8kg/cmに維持されるようTFEを連続的に圧入して行い、水性媒体の22.5質量%のTFEが消費された時点で、オートクレーブからTFE及びPPVEを放出して、反応を終了させた。上記重合の終了後、室温にまで冷却し、乾燥させて変性PTFE粉末を得た。
得られた変性PTFE粉末を取り出し、ハンマーミルにて平均粒径が42μmになるまで粉砕し、変性PTFE成形用粉末1を得た。
得られた変性テトラフルオロエチレン[変性PTFE]成形用粉末及び後述の造粒粉末について、以下の方法に従い、PPVE含有量、比表面積、結晶化熱、見掛密度及び平均粒径を測定した。
(1)PPVE含有量
特性吸収1040〜890cm−1の間において赤外分光分析を行うことにより測定した。
(2)比表面積
アナリティカル・ケミストリー(Anal.Chem.)30巻、1387頁(1985年)記載の窒素吸着法に従い、モノソーブ(湯浅アイオニクス社製)にて測定した。
(3)結晶化熱
3mgの試料を、示差走査型熱量計DSC−50(島津製作所社製)にて、10℃/分の速度で380℃まで昇温させた際に測定できる融解熱ピークを解析して求めた。
(4)見掛密度
JIS K6891−5.3に準拠して測定した。
(5)粉砕粉末の平均粒径
粒子径分布測定装置HELOS&RODOS(SYMPATEC社製)を用いて、乾式レーザー法により測定した。
(6)造粒後の平均粒径
JIS K 6891−5.4に準拠して、10分間の振動時間にて測定した。
本合成例から得られた変性PTFE成形用粉末は、PPVE含有量が0.062質量%、比表面積が1.5m/gであった。
この粉末を公知の方法で造粒したところ、見掛密度が0.8g/ml、平均粒径が500μm、結晶化熱が21.9J/gの造粒粉末を得た。
参考例1
上部300mmを380℃、中部300mmを380℃、下部300mmを350℃の温度に設定した金型内径46φ、金型長さ1100mm、加熱長さ900mmのラム押出し金型を用いて、合成例1により得られた変性PTFE成形用粉末1の造粒粉末を、充填長60mm、圧力3MPa、加圧時間55秒、1サイクル65秒にて押出した後、室温に冷却して、処理前焼成圧縮成形体を得た。
得られた処理前焼成圧縮成形体を、任意の長さに切断し、予め380℃に設定した電気炉で30分間、焼成処理し、室温にて放冷して変性PTFE成形体1を得た。
参考例2
上部300mmを380℃、中部300mmを380℃、下部300mmを350℃の温度に設定した金型内径46φ、金型長さ1100mm、加熱長さ900mmのラム押出し金型を用いて、合成例1により得られた変性PTFE成形用粉末1の造粒粉末を、充填長60mm、圧力3MPa、加圧時間55秒、1サイクル65秒にて、押し出すことにより第一次焼成工程を行い、続いて、上記ラム押出し金型の下部に接続したジャケット付(ジャケット内は5℃の冷媒を通水)の冷却ゾーン(長さ約300mm)に通過させて、処理前焼成圧縮成形体を得た。引き続き、得られた処理前焼成圧縮成形体を、380℃に設定した金型内径50φ、長さ500mmの押出金型に通過させ、再度溶融させて第二次焼成工程を行い、金型から取り出して室温にて放冷し、変性PTFE成形体2を得た。
参考例3
金型内径50φ、金型長さ500mmの圧縮成形用金型に、合成例1により得られた変性PTFE成形用粉末1の造粒粉末210gを投入し、室温で29.4MPaに加圧したまま5分間保持して、未焼成圧縮成形体を得た。
得られた未焼成圧縮成形体を、上記金型から取り出して、370℃にて5時間焼成した後、室温にて放冷することにより処理前焼成圧縮成形体を得た。得られた処理前焼成圧縮成形体を、予め380℃に設定した電気炉にて5時間焼成したのち炉外に取り出し、室温にて放冷して変性PTFE成形体3を得た。
比較例1
合成例1により得られた変性PTFE成形用粉末1の造粒粉末を、上部300mmを380℃、中部300mmを380℃、下部300mmを350℃の温度に設定した金型内径46φ、金型長さ1100mm、加熱長さ900mmのラム押出し金型を用いて、充填長60mm、圧力3MPa、加圧時間55秒、1サイクル65秒にて押出し、得られた焼成物を金型から取り出し、任意の長さに切断して、成形体Aを得た。
比較例2
合成例1により得られた変性PTFE成形用粉末1の造粒粉末210gを、金型内径50φ、金型長さ500mmの圧縮成形用金型に投入し、室温にて29.4MPaに加圧したまま5分間保持して、続いて上記金型内から取り出した後、電気炉で50℃/時間の速度にて370℃に昇温し、370℃にて5時間焼成した後、50℃/時間の速度にて室温にまで降温して、成形体Bを得た。
比較例3
金型内径50φ、金型長さ500mmの圧縮成形用金型に、市販のPTFE粉末(三井デュポンフルオロケミカル社製70J)を210g投入し、室温にて29.4MPaに加圧したまま5分間保持した後、上記金型内から取り出し、電気炉内で50℃/時間の速度にて370℃に昇温し、370℃にて5時間焼成した後、50℃/時間の速度にて室温にまで降温し、成形体Cを得た。
比較例4
上部300mmを390℃、中部300mmを380℃、下部300mmを370℃に設定した金型内径46φ、金型長さ1100mm、加熱長さ900mmのラム押出し金型を用いて、市販のPTFE(旭硝子社製G307)粉末を、充填長60mm、圧力2.5MPa、加圧時間55秒、1サイクル65秒にて押出し、得られた焼成物を金型から取り出し、任意の長さに切断して、成形体Dを得た。
試験例
参考例1〜3及び比較例1〜4から得られた各成形体について、下記試験方法にて、曲げ寿命(MIT)、引張り強度(TS)、引張り伸び(EL)及び融解熱を測定した。
試験方法
1)MIT
JIS P 8115に準拠して、各成形体から幅5mm、厚み0.5mm、長さ最小120mmに切り出して作成した試験片について、MIT耐折度試験機(安田精機社製)を用いて測定した。
2)TS及びEL
JIS K 6891に準拠して、各成形体からJISダンベル3号を用いて打ち抜いた試験片について、測定した。
3)融解熱
成形体から小片を切り出し、該小片約3mgを精秤し、専用のアルミパンに収納し、DSC装置RDC220(セイコー電子工業社製)にて測定した。測定は、まずアルミパンを窒素雰囲気下50℃/分の速度にて250℃まで昇温して1分間保持し、更に10℃/分の速度にて380℃まで昇温して結晶を充分融解させた。次いで380℃から10℃/分の速度にて250℃まで降温し、結晶化点における熱ピークを換算した。
Figure 0005012027
処理前焼成圧縮成形体を焼成して得た変性PTFE成形体1〜3は、第二次焼成工程を行わない成形体A並びに上記市販の変性PTFEを用いて得た成形体B及びCに比較して、MIT、引張り強度及び引張り伸びの何れにおいても優れていた。
第二次焼成工程を行わない狭義の圧縮成形により得た成形体Bは、引張り強度に優れていたが、変性PTFE成形体1〜3は、成形体Bと比べ、引張り強度を損なうことなくMIT及び引張り伸びに優れていた。
合成例2
合成例1と同様に変性PTFE粉末を調製した。得られた変性PTFE粉末についてエアジェットミルを用いて衝撃式粉砕を行い、平均粒径20μmの微粉末を調製し、更に該微粉末を造粒して、見掛密度0.80g/ml、平均粒径600μm、結晶化熱22.1J/gの顆粒粉末(変性PTFE成形用粉末2)を得た。
参考例4
内径50mm、長さ500mmの円筒状の圧縮成形用金型に変性PTFE成形用粉末2を210g充填し、室温にて成形圧力29.4MPaで5分間保持し、予備成形品を作製した。得られた予備成形品を50℃/時間で365℃まで昇温し、365℃で5時間焼成したのち50℃/時間で降温し、融解熱26J/g、曲げ寿命280万回の変性PTFE成形体4を得た。
得られた変性PTFE成形体4について特殊デマッチャ試験を行い、−10℃の耐久試験を行ったところ、屈曲寿命が30万回であった。
上記特殊デマッチャ試験は、長さ中央部に90度角に切り込んだ切込部の幅が10mmであり、幅20mm×長さ150mm×厚み1mmである試験片を作成し、JIS K 6301に準拠したデマッチャ試験機(安田精機社製)を用い、−10℃±1℃の雰囲気で屈曲ストローク距離50mm、屈曲疲労300回分を与える条件下で行い、上記屈曲寿命は、屈曲疲労による破断を反射型レーザーセンサーの強度変化により検出した。上記試験は同一サンプルについて5回を行い、最大値と最小値を除いた3回の試験値に関する平均値を測定値として求めた。
参考例5
内径50mm、長さ500mmの円筒状の圧縮成形用金型に変性PTFE成形用粉末2を210g充填し、室温にて成形圧力29.4MPaで5分間保持し、50φ、高さ50mmの未焼成圧縮成形体を作製した。得られた未焼成圧縮成形体を365℃で5時間焼成したのち放冷して処理前焼成圧縮成形体を作製し、更に380℃で5時間焼成したのち放冷し、融解熱22J/g、曲げ寿命370万回の変性PTFE成形体5を得た。
この変性PTFE成形体5について参考例4と同様に特殊デマッチャ試験を行い、−10℃の耐久試験を行ったところ、屈曲寿命が50万回であった。
参考例6
変性PTFE成形用粉末2について参考例1と同様に成形を行い、融解熱22J/g、曲げ寿命380万回の変性PTFE成形体6を得た。
この変性PTFE成形体6について参考例4と同様に特殊デマッチャ試験を行い、−10℃の耐久試験を行ったところ、屈曲寿命が50万回であった。
合成例3
合成例1と同様に調製した変性PTFE粉末についてハンマーミルを用いて剪断式粉砕を行い、結晶化熱24J/g、平均粒径42μmの変性PTFE成形用粉末3を調製した。
合成例4〜7
合成例2と同様に衝撃式粉砕を行い、平均粒径20μm、結晶化熱23J/gの変性PTFE成形用粉末4、平均粒径25μm、結晶化熱23J/gの変性PTFE成形用粉末5、平均粒径27μm、結晶化熱23J/gの変性PTFE成形用粉末6、及び、平均粒径34μm、結晶化熱24J/gの変性PTFE成形用粉末7を調製した。
参考例7〜11
変性PTFE成形用粉末3〜7をそれぞれ内径50mm、長さ500mmの円筒状の圧縮成形用金型に210g充填し、室温にて成形圧力29.4MPaで5分間保持し、50φ、高さ50mmの予備成形品を作り、365℃で5時間焼成したのち50℃/時間の速度で降温し、変性PTFE成形用粉末3〜7の順に、融解熱27J/g、曲げ寿命230万回の変性PTFE成形体7、融解熱26J/g、曲げ寿命390万回の変性PTFE成形体8、融解熱26J/g、曲げ寿命360万回の変性PTFE成形体9、融解熱26J/g、曲げ寿命340万回の変性PTFE成形体10、及び、融解熱27J/g、曲げ寿命300万回の変性PTFE成形体11を得た。
各変性PTFE成形体について参考例4と同様に特殊デマッチャ試験を行い、−10℃の耐久試験を行ったところ、屈曲寿命は変性PTFE成形体7〜11の順に32万回、50万回、44万回、42万回、41万回であった。
参考例4〜11の各変性PTFE成形体について、データを表2に示す。
Figure 0005012027
参考例12及び実施例1〜4
変性PTFE成形用粉末3〜7をそれぞれ内径50mm、長さ500mmの円筒状の圧縮成形用金型に210g充填し、室温にて成形圧力29.4MPaで5分間保持し、50φ、高さ50mmの未焼成圧縮成形体を作製した。得られた未焼成圧縮成形体をそれぞれ365℃で5時間焼成したのち放冷して処理前焼成圧縮成形体を得た。得られた処理前焼成圧縮成形体をそれぞれ380℃で5時間焼成し、放冷して変性PTFE成形体12〜16を得た。
各変性PTFE成形体12〜16について参考例4と同様に特殊デマッチャ試験を行い、−10℃の耐久試験を行ったところ、屈曲寿命は変性PTFE成形体12〜16の順に36万回、66万回、54万回、49万回、48万回であった。
比較例5〜9
市販されている未変性PTFEの微粉末I(製品名7AJ、三井デュポンフルオロケミカル社製;見掛密度0.45g/ml、平均粒径36μm)、未変性の顆粒粉末II(製品名810J、三井デュポンフルオロケミカル社製;見掛密度0.86g/ml、平均粒径440μm)、変性PTFEの微粉末III(製品名70J、三井デュポンフルオロケミカル社製;平均粒経35μm)、変性PTFEの顆粒粉末IV(製品名TFM1600、ダイネオン社製;見掛密度0.84g/ml、平均粒経480μm)、変性PTFEの顆粒粉末V(製品名TG170JS、三井デュポンフルオロケミカル社製;見掛密度0.58g/ml、平均粒経630μm)を、それぞれ内径50mm、金型長さ500mmの円筒状の圧縮成形用金型に210g充填し、室温にて成形圧力29.4MPaで5分間保持して、50φ、高さ50mmの予備成形品を作製した。得られた予備成形品をそれぞれ365℃にて5時間焼成し、50℃/時間の速度で降温し成形体E〜Iを得た。
各成形体について参考例4と同様に特殊デマッチャ試験を行い、−10℃の耐久試験を行ったところ、屈曲寿命は成形体E〜Iの順に9万回、8万回、2万回、1.8万回、1.7万回であった。
参考例12、実施例1〜4及び比較例5〜9で得られた各成形体について、データを表3に示す。
Figure 0005012027
本発明の変性PTFE成形体は、上述の構成よりなるので、引張り強度、引張り伸びを損なうことなく、耐屈曲性に優れている。
本発明の変性PTFE成形体の製造方法は、上述の構成よりなるので、上記特性を有する変性PTFE成形体を容易に製造することができる。

Claims (4)

  1. 変性ポリテトラフルオロエチレン粉末を用いてなる処理前焼成圧縮成形体に焼成処理を施すことよりなる変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法であって、
    前記処理前焼成圧縮成形体は、変性ポリテトラフルオロエチレン粉末を用いてなる未焼成圧縮成形体を前記変性ポリテトラフルオロエチレン粉末の融点以上の温度にて焼成したのち前記変性ポリテトラフルオロエチレン粉末の融点未満の温度に冷却することにより得られたものであり、
    前記焼成処理は、前記変性ポリテトラフルオロエチレン粉末の融点以上の温度にて焼成することにより行うものであり、
    変性ポリテトラフルオロエチレン粉末は、乾式レーザー法により測定した平均粒径が40μm以下である
    ことを特徴とする変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
  2. 変性ポリテトラフルオロエチレン粉末は、剪断式粉砕により得られる請求項1記載の変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
  3. 変性ポリテトラフルオロエチレン粉末は、衝撃式粉砕により得られる請求項1記載の変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
  4. 変性ポリテトラフルオロエチレン成形体は、融解熱が25J/g以下である請求項1、2又は3記載の変性ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
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