JP5337692B2 - ポリアミドおよびセピオライト型粘土のナノ複合材料組成物 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性ポリアミドと未変性セピオライト型粘土ナノ粒子とを含むナノ複合材料を指向する。本発明は、また、ナノ複合材料でできた物品も含む。

ナノ複合材料は、自動車プラスチックおよび複合材料が必要としている、現在提示される課題の多くを満たす組成物である。これらの材料は、低い熱膨張係数、高い熱変形温度、軽量、改善された耐引っ掻き性、および良好な外観をはじめとする様々な望ましい特性を提供する。ナノ複合材料組成物は、ナノメートルサイズの粒子（「ナノ粒子」）、すなわち、典型的には約１〜数百ナノメートルの寸法の粒子で強化されたポリマーである。これらの材料は、とりわけ、構造、半構造、高熱アンダーフード、およびクラスＡ自動車構成部品に使用することができる。言い換えれば，これらのナノ複合材料は、小さい粒子がプラスチックマトリックス中に分散されている組成物である。

射出成形可能な熱可塑性樹脂は長い間、剛性、寸法安定性、および温度耐性などの機械的特性を改善するために微粒子および繊維フィラーの添加で機械的に強化されてきた。典型的なフィラーには、大幅な機械的強化を得るために２０〜４０％のフィラー使用量で加えられる、刻んだガラス繊維およびタルクが含まれる。しかしながら、これらの使用量レベルでは、低温衝撃性能および材料靱性は通常犠牲にされる。ポリマー−シリケートナノ複合材料、言い換えれば、シリケートが非常に小さな粒子として分散されている組成物はこれらの問題に対処することができる。

ポリマー層状シリケートナノ複合材料は普通、ポリマーマトリックス中に層状粘土鉱物フィラーを組み入れる。層状シリケートは、紡錘体として知られる規則正しい小束へ積み重ねられた数百の薄い小板層で構成されている。これらの小板のそれぞれは、大きいアスペクト比（約１００〜１０００の直径／厚さ）によって特徴づけられる。従って、粘土が均一に分散され、そしてポリマーマトリックスの全体にわたって個々の小板として剥離されるとき、ポリマーとフィラーとの間の大きな表面積接触のために強度、曲げ弾性率およびヤング率、ならびに熱変形温度の劇的な増加が非常に低いフィラー使用量（１０重量％未満）で観察される。

粘土鉱物およびそれらの工業的用途は（非特許文献１）にレビューされている。２つのタイプの粘土鉱物：カオリンおよびスメクタイトがナノ複合材料に一般に使用される。カオリンの分子は、２つのシートまたはプレート、シリカの１つおよびアルミナの１つに配置されている。最も広範に使用されるスメクタイトは、ナトリウムモンモリロナイトおよびカルシウムモンモリロナイトである。スメクタイトは、２つのシリカシートおよび１つのアルミナシートに配置されている。モンモリロナイト粘土鉱物の分子は、カオリン群のそれらほど強く結合しておらず、従って遠くに離れている。

ポリアミドナノ複合材料は典型的には、ポリアミドを無機層状シリケート、通常はスメクタイト粘土と組み合わせる。層状シリケート中のアルカリおよびアルカリ土類金属イオンは、挿入およびその後の剥離を容易にするためにオニウムイオン、典型的にはアルキルアンモニウム塩（例えば塩化オクタデシルアンモニウムもしくは第四級アンモニウム獣脂）からのアルキルアンモニウムイオン、またはω−アミノ酸（例えば、１２−アミノラウリン酸）と交換される。そのように処理された粘土は、「（有機的に）変性された粘土」または「有機粘土」としばしば言われる。しかしながら、これらの化合物は、高温配合されるそれらのポリアミド、特に半芳香族ポリアミドと一緒に使用されるほど十分に熱的に安定ではない。

ポリアミドナノ複合材料は、溶融配合（「溶融混合」とも言われる）によって調製されてきた。（特許文献１）で、小田らは、１５および３０重量％のセピオライトを、セピオライトを１００℃で２４時間乾燥した後にセピオライトをポリアミド６中へ溶融配合した。それは、通常約０．０５〜０．３μｍのようなセピオライトの繊維径、および約１〜１００μｍの繊維長を記載している。セピオライトの繊維径または繊維長さに関して特定の制限は全く開示されていないが、約０．１〜０．２μｍの繊維径および約３〜３０μｍの繊維長さのセピオライトが入手しやすく、優れた結果を提供することが開示されている。５重量％未満のセピオライトの使用は機械的強度、耐熱性および反りの特性の向上を達成しないこともまた開示されている。

特開平２−１８２７５８号公報 欧州特許出願公開第０４５４２２２Ａ号明細書 欧州特許出願公開第０１７０２９９Ａ号明細書 米国特許第２，０７１，２５０号明細書 米国特許第２，０７１，２５１号明細書 米国特許第２，１３０，５２３号明細書 米国特許第２，１３０，９４８号明細書 米国特許第２，２４１，３２２号明細書 米国特許第２，３１２，９６６号明細書 米国特許第２，５１２，６０６号明細書 米国特許第３，３９３，２１０号明細書 米国特許第５，３７８，８００号明細書 米国特許第５，３２２，９２３号明細書 米国特許第５，４２４，１０４号明細書 米国再発行特許第３４，４４７号明細書 米国特許第６，１４０，４５９号明細書 米国特許第４，１７４，３５８号明細書 米国特許第５，１１２，９０８号明細書 Ｈ．Ｍ．マリー（Ｈ．Ｍ．Ｍｕｒｒａｙ）著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｌａｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ １７（２０００）、２０７−２２１ページ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ５３（２００４）、１０６０−１０６５ページ Ｈ．Ｆ．マーク（Ｈ．Ｆ．Ｍａｒｋ）、Ｊ．Ｉ．クロシュビッツ（Ｊ．Ｉ．Ｋｒｏｓｃｈｗｉｔｚ）編、「ポリマー科学技術百科辞典（Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」、第２版、第８巻、３９３−３９６ページ リ、Ｄ．（Ｌｉ，Ｄ．）、イー、Ａ．Ｆ．（Ｙｅｅ，Ａ．Ｆ．）、パワーズ、Ｋ．Ｗ．（Ｐｏｗｅｒｓ，Ｋ．Ｗ．）ワング、Ｈ．Ｃ．（Ｗａｎｇ，Ｈ．Ｃ．）、ユ、Ｔ．Ｃ．（Ｙｕ，Ｔ．Ｃ．）著、Ｐｏｌｙｍｅｒ ３４（１９９３）、４４７１ページ

上に述べられた理由のために、高温で加工し、そして改善された特性をもたらすことができる、低濃度のナノ粒子での改善されたポリアミドナノ複合材料に対する必要性が存在する。本発明はかかる必要性を満たす。

本発明は、少なくとも１種の熱可塑性ポリアミドと、粒子の幅および厚さがそれぞれ５０ｎｍ未満である未変性セピオライト型粘土ナノ粒子とを含む、ナノ複合材料組成物を指向する。

本発明は、少なくとも１種の熱可塑性ポリアミドと、未変性セピオライト型粘土ナノ粒子とを含有するナノ複合材料組成物に関する。本発明は、かかる組成物を含有する物品を含む。本明細書で用いるところでは、用語「ナノ複合材料」または「ポリマーナノ複合材料」または「ナノ複合材料組成物」は、ポリマー材料の全体にわたって分散されたナノ粒子を含有するポリマー材料であって、ナノ粒子が５０ｎｍ未満の少なくとも１つの寸法を有する（「ナノ粒子」）ポリマー材料を意味する。用語「ポリアミド複合材料」は、ポリマー材料が少なくとも１種のポリアミドを含むナノ複合材料を意味する。

一連の数値が本明細書に列挙される場合、特に明記しない限り、この範囲は、それの終点、ならびにこの範囲内の全ての整数および分数を含むことを意図される。本発明の範囲が範囲を画定するときに列挙される具体的な値に限定されることは意図されない。

（セピオライト型粘土）
本明細書で用いるところでは、用語「セピオライト型粘土」は、セピオライトおよびアタパルジャイト（パリゴルスカイト）粘土の両方ならびにそれらの混合物を意味する。

セピオライト型粘土は、各層がマグネシウムイオンを含有する正八面体単位の中心シートに結合した正四面体シリカ単位の２つのシートから構成される層状の繊維状材料である（例えば、（非特許文献２）を参照されたい）。

セピオライト（Ｍｇ₄Ｓｉ₆Ｏ₁₅（ＯＨ）₂・６（Ｈ₂Ｏ）は、その繊維状構造のために高いアスペクト比を示す水和ケイ酸マグネシウムフィラーである。シリケートの中で独特な、セピオライトは、シリカ鎖が繊維の軸に平行に走る長いラス様の結晶子からなる。この材料は２つの形、αおよびβ形からなることが示されてきた。α形は繊維の長い束であることが知られており、β形は非晶質集合体として存在する。

アタパルジャイト（パリゴルスカイトとしても知られる）は、アタパルジャイトが僅かにより小さい単位セルを有することを除いてセピオライトと構造的におよび化学的にほとんど同一である。本明細書で用いるところでは、用語「セピオライト型粘土」はセピオライトそのものだけでなくアタパルジャイトも含む。

セピオライト型粘は、高純度の、未変性形態で入手可能である（例えば、トルサ・グループ、スペイン国マドリード（Ｔｏｌｓａ Ｇｒｏｕｐ，Ｍａｄｒｉｄ，Ｓｐａｉｎ）製のパンゲル（Ｐａｎｇｅｌ）（登録商標）Ｓ−９セピオライト粘土）。好ましくはこの粘土は微細な微粒子の形態にあり、だからそれはポリアミド溶融物中に容易に分散されるかもしれない。

本明細書に記載される組成物に使用されるセピオライト型粘土は未変性である。用語「未変性」は、セピオライト型粘土の表面がオニウム化合物（例えば、その表面の極性をより少なくするための）などの有機化合物で処理されなかったことを意味する。

本明細書に記載される組成物中に含有されるセピオライト型粘土繊維の幅（ｘ）および厚さ（ｙ）はそれぞれ５０ｎｍ未満である（図１）。セピオライト型繊維の長さ（ｚ）もまた図１に例示される。ある実施形態では、セピオライト型粘土は、（特許文献２）および（特許文献３）に記載され、そしてトルサ社、スペイン国マドリードによって商標パンゲル（登録商標）で市販されているなどの、レオロジー添加剤グレードである。それらに記載されているように、「レオロジー添加剤グレード」は、１２０ｍ²／ｇ（Ｎ₂、ＢＥＴ）より大きい比表面積、ならびに典型的な繊維寸法：長さ２００〜２０００ｎｍ、幅１０〜３０ｎｍ、および厚さ５〜１０ｎｍのセピオライト型粘土を提供する。

レオロジー添加剤グレードセピオライトは、セピオライトが水および他の極性液体に容易に分散するように、セピオライト繊維の破壊を実質的に防ぐ特別な超微粉砕法を用いて天然セピオライトから得られ、高度の不規則性と、３００ｍ²／ｇ超の高い比表面積と、活性中心と比較的容易に水素結合を形成できる時に非常に高い水保持容量をそれに与える吸着のための高密度の活性中心とを持った外面を有する。レオロジー添加剤グレードセピオライトナノ粒子の微小繊維状性質は、セピオライトを、高い間隙率および低い見掛け密度の材料にする。

さらに、レオロジー添加剤グレードのセピオライトは、非常に低いカチオン交換容量（１０〜２０ミリ当量／１００ｇ）を有し、電解質との相互作用は非常に弱く、それは順繰りにレオロジー添加剤グレードセピオライトに、それが見いだされる媒体中の塩の存在によって実質的に影響を及ぼされないようにし、それ故、それは幅広いｐＨ範囲で安定のままである。

レオロジー添加剤グレードセピオライトの上述の品質はまた、例えば、会社エンゲルハルト・コーポレーション、米国（Ｅｎｇｅｌｈａｒｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ）によって製造され、市販されるアタゲル（ＡＴＴＡＧＥＬ）商品（例えばアタゲル４０およびアタゲル５０）の範囲、およびフロリジン・カンパニー（Ｆｌｏｒｉｄｉｎ Ｃｏｍｐａｎｙ）のＭＩＮ−Ｕ−ＧＥＬ範囲などの、４０ミクロンより小さい粒度のレオロジー添加剤グレードアタパルジャイトに帰することができる。

好ましくは、本発明に使用されるセピオライト型粘土の量は、最終組成物中のセピオライト型粘土およびポリアミドの総量を基準として約０．１〜約３０重量％、最も好ましくは約０．１〜約４重量％の範囲である。選ばれる具体的な量は、当該技術でよく理解されているように、ナノ複合材料組成物の意図される使用に依存するであろう。例えば、フィルムでは、所望の光学的特性を保持するために、できるだけ少ないセピオライト型粘土を使用することが有利であるかもしれない。比較的高い濃度のセピオライト型粘土を含有するナノ複合材料組成物の「マスターバッチ」がまた使用されてもよい。例えば、３０重量％のセピオライト型粘土を含有するナノ複合材料組成物マスターバッチが使用されてもよい。３重量パーセントのセピオライト型粘土を有する組成物が必要とされる場合、３重量パーセントを含有する組成物は、１重量部の３０％マスターバッチを９重量部の「純粋」ポリアミドと溶融混合することによって製造されてもよい。この溶融混合中に、他の所望の成分を加えて最終所望組成物を形成することができる。

（ポリアミド）
本明細書で用いるところでは、「ポリアミド」は、繰り返し単位を連結する基の５０パーセントより多くがアミド基である縮合ポリマーを意味する。従って、「ポリアミド」には、連結基の半分より多くがアミド基である限り、ポリアミド、ポリ（エステル−アミド）およびポリ（アミド−イミド）が含まれてもよい。一実施形態では連結基の少なくとも７０％がアミドであり、別の実施形態では連結基の少なくとも９０％がアミドであり、別の実施形態では連結基の全てがアミドである。エステル連結基の割合は、ポリアミドを製造するために使用されたモノマーのモル量によって第一近似で試算することができる。

本明細書に記載されるナノ複合材料に用いるために好適なポリアミドは、熱可塑性ポリアミドホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、またはより多元系のポリマー（ブロックおよびランダムの両方）を含む。本明細書で用いるところでは、用語「熱可塑性ポリアミド」は、加熱されたときに軟化し、流れるようにすることができ、そして高温で与えられた形状を保持して、冷却時に硬化するポリアミドを意味する。好ましくは、かかるポリアミドは脂肪族または半芳香族である。

（脂肪族ポリアミド）
脂肪族ポリアミドは当該技術で周知である。好適なポリアミドには、例えば、米国特許公報（特許文献４）、米国特許公報（特許文献５）、米国特許公報（特許文献６）、米国特許公報（特許文献７）、米国特許公報（特許文献８）、米国特許公報（特許文献８）、米国特許公報（特許文献９）、米国特許公報（特許文献１０）、および米国特許公報（特許文献１１）に記載されているものが含まれる。製造方法は当該技術で周知である。例えば、ポリアミド樹脂は、等モル量の４〜１２個の炭素原子を含有する飽和ジカルボン酸と４〜１４個の炭素原子を含有するジアミンとの縮合によって製造することができる。ポリアミド中に過剰のアミン末端基を与えるために過剰のジアミンを用いることができる。そのように製造される脂肪族ポリアミドの例には、ポリ（テトラメチレンアジパミド）（ポリアミド４，６）、ポリ（ヘキサメチレンアジパミド）（ポリアミド６，６）、ポリ（ヘキサメチレンアゼラアミド）（ポリアミド６，９）、ポリ（ヘキサメチレンセバカミド）（ポリアミド６，１０）、ポリ（ヘキサメチレンドデカノアミド）（ポリアミド６，１２）、ビス（パラ−アミノシクロヘキシル）メタンドデカノアミドなどが挙げられるが、それらに限定されない。脂肪族ポリアミドはまた、ε−カプロラクタム（ポリカプロラクタム、ポリアミド６としても知られる）およびポリ−１１−アミノ−ウンデカン酸（ポリアミド１１）などの、ラクタムの開環重合によって製造することもできる。上記のポリマーの２つの共重合または上記ポリマーまたはそれらの成分の三元共重合によって製造されたポリアミドを使用することもまた可能である。共重縮合ポリアミドの例には、ポリアミド６／６６、ポリアミド６／６１０、ポリアミド６／１２、ポリアミド６／４６などが挙げられる。脂肪族ポリアミドの中で、ポリアミド６および６，６が好ましい。

（半芳香族ポリアミド）
熱可塑性半芳香族ポリアミドは、本明細書に記載されるナノ複合材料にとって特に好ましい。本明細書で用いるところでは、「半芳香族ポリアミド」は、二価の芳香族基および二価の非芳香族基の両方を含有するポリアミドを意味する。本明細書で用いるところでは、「二価芳香族基」は、大環状分子の他の部分に結合した芳香族基を意味する。例えば、二価芳香族基には、メタ−またはパラ−結合単環式芳香族基が含まれてもよい。好ましくは、自由原子価は芳香環炭素原子に対するものである。

半芳香族ポリアミドは当該技術で周知である。好適なポリアミドおよび製造方法には、例えば、米国特許公報（特許文献１２）、米国特許公報（特許文献１３）、米国特許公報（特許文献１４）、米国特許公報（特許文献１５）、および米国特許公報（特許文献１６）に記載されているものが含まれる。

熱可塑性半芳香族ポリアミドは、二価芳香族基を含有するモノマーに一部由来する、１種または複数種のホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、またはより多元系のポリマーであってもよい。それはまた、二価芳香族基を含有するモノマーに一部由来する、１種または複数種の脂肪族ポリアミドと１種または複数種のホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、またはより多元系のポリマーとのブレンドであってもよい。

二価芳香族基を含有する好ましいモノマーは、テレフタル酸およびその誘導体、イソフタル酸およびその誘導体、ならびにｍ−キシリレンジアミンである。本明細書に記載されるナノ複合材料に使用される半芳香族ポリアミドを製造するために使用されるモノマーの約５〜約７５モルパーセントは二価芳香族基を含有することが好ましく、モノマーの約１０〜約５５モルパーセントは二価芳香族基を含有することがより好ましい。従って、好ましくは、本明細書に記載されるナノ複合材料に使用される全ポリアミドの繰り返し単位の約５〜約７５モルパーセント、またはより好ましくは、１０〜約５５モルパーセントは二価芳香族基を含有する。

半芳香族ポリアミドは場合により、アジピン酸、セバシン酸、アゼライン酸、ドデカン二酸などの１種または複数種の追加の脂肪族ジカルボン酸モノマーまたはそれらの誘導体、および６〜２０個の炭素原子を有する他の脂肪族または脂環式ジカルボン酸モノマーに由来する繰り返し単位を含有してもよい。本明細書で用いるところでは、「脂環式」は、それらの中に環状構造を含有する二価の非芳香族炭化水素基を意味する。

半芳香族ポリアミドは場合により、４〜２０個の炭素原子を有する１種または複数種の脂肪族または脂環式ジアミンモノマーに由来する繰り返し単位を含有してもよい。好ましい脂肪族ジアミンは線状または分岐であってもよく、ヘキサメチレンジアミン、２−メチル−１，５−ペンタンジアミン、１，８ジアミノオクタン、１，９−ジアミノノナン、メチル−１，８−ジアミノオクタン、１，１０−ジアミノデカン、および１，１２−ジアミノドデカンを含む。脂環式ジアミンの例には、１−アミノ−３−アミノメチル−３，５，５−トリメチルシクロヘキサン、１，４−ビス（アミノメチル）シクロヘキサン、およびビス（ｐ−アミノシクロヘキシル）メタンが挙げられる。

半芳香族ポリアミドは場合により、カプロラクタム、１１−アミノウンデカン酸、およびラウロラクタムなどの、ラクタムおよびアミノカルボン酸（または酸誘導体）に由来する繰り返し単位を含有してもよい。

好ましい半芳香族ポリアミドの例には、ポリ（ｍ−キシリレンアジパミド）（ポリアミドＭＸＤ，６）、ヘキサメチレアジパミド／ヘキサメチレンテレフタルアミド・コポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／６，６）、ヘキサメチレンテレフタルアミド／２−メチルペンタメチレンテレフタルアミド・コポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔ）、ポリ（ドデカメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド１２，Ｔ）、ポリ（デカメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド１０，Ｔ）、デカメチレンテレフタルアミド／デカメチレンドデカノアミド・コポリアミド（ポリアミド１０，Ｔ／１０，１２）、ポリ（ノナメチレンテレフタルアミド）（ポリアミド９，Ｔ）、ヘキサメチレンイソフタルアミドおよびヘキサメチレンアジパミドのポリアミド（ポリアミド６，Ｉ／６，６）；ヘキサメチレンテレフタルアミド、ヘキサメチレンイソフタルアミド、およびヘキサメチレンアジパミドのポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／６，Ｉ／６，６）；ならびにこれらのポリマーのコポリマーおよび混合物が挙げられる。

半芳香族ポリアミドは、少なくとも約２８０℃である、好ましくは約３４０℃未満である融点を好ましくは有するであろう。

半芳香族ポリアミドの中で、ヘキサメチレンアジパミド／ヘキサメチレンテレフタルアミド・コポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／６，６）およびヘキサメチレンテレフタルアミド／２−メチルペンタメチレンテレフタルアミド・コポリアミド（ポリアミド６，Ｔ／Ｄ，Ｔ）が好ましい。

（固体微粒子フィラー（セピオライト型粘土を除く））
本明細書で用いるところでは、「セピオライト型粘土を除く固体微粒子フィラー」は、溶融混合条件（下記を参照されたい）下に組成物中へ分散されるのに十分に細分されている任意の固体（組成物が普通に曝される温度で不溶融性の）を意味する。

固体微粒子フィラーは、溶融混合条件（下記を参照されたい）下に組成物中へ分散されるのに十分に細分されていなければならない。典型的には、固体微粒子フィラーは、顔料、補強剤、難燃剤、およびフィラーなどの、熱可塑性組成物に既に使用されているかもしれない材料であろう。固体微粒子フィラーは、それの上にコーティング、例えば、組成物のポリマーへの固体微粒子フィラーの接着性を改善するためのサイジングおよび／またはコーティングを有しても有さなくてもよい。固体微粒子フィラーは有機であってもまたは無機であってもよい。

有用な具体的な補強剤には、カオリン粘土、タルク、ウォラストナイト、雲母、および炭酸カルシウム；繊維、粉砕ガラス、非中空または中空の球などの様々な形態のガラス；カーボンブラックまたは炭素繊維；二酸化チタン；短繊維、フィブリルまたはフィブリドの形態のアラミド；ならびにこれらの２種以上の混合物などの鉱物が含まれる。他の補強剤は、ウォラストナイト、雲母、タルク、およびガラス特にガラス繊維、ならびにこれらの２種以上の混合物である。これらの補強剤は、熱可塑性樹脂に使用される補強剤をコートするために一般に使用される接着促進剤または他の材料でコートされていてもよい。補強剤は、全組成物を基準として０〜約６０重量％で存在してもよい。

典型的な難燃剤には、臭素化ポリスチレン、臭素化ポリフェニレンオキシド、赤リン、水酸化マグネシウム、および炭酸マグネシウムが含まれる。これらは典型的には、五酸化アンチモン、三酸化アンチモン、アンチモン酸ナトリウムまたはホウ酸亜鉛などの、難燃相乗剤と共に使用される。

固体微粒子材料は通常、例えば、二軸スクリュー押出機またはバス（Ｂｕｓｓ）混練機で、ナノ複合材料と溶融混合されてもよい。多くの微粒子材料が加えられる場合、それは粘度を増加させるかもしれないが、それはセピオライト型粘土と同時に加えられてもよく、粘度を余りにも高く増加させないように注意すべきである。

セピオライト型粘土を除いて固体微粒子材料は、全組成物の０〜約６０重量パーセントで存在してもよい。

（ポリマー強化剤）
ポリアミド樹脂の衝撃強度、または靱性の改善は長い間興味あるものであった。ポリアミド成形品の衝撃時の破砕または脆い破壊への耐性は、いかなる成形品にも望ましい特徴である。脆くも（延性のある風よりむしろ）衝撃時に破壊するいかなる傾向も、かかる物品の有用性を著しく制限する。延性のある材料における破壊は、亀裂のエッジで降伏する大容量の隣接材料での引裂によってまたは分子変位がほとんどない鋭い、きれいな破壊よりむしろ引裂によって一層特徴づけられる。良好な延性を有する樹脂は、衝撃によってもたらされる亀裂伝播に抵抗するものである。

従って、本発明の組成物中の好ましい任意の原料はポリマー強化剤である。ポリマー強化剤の一タイプは、ポリアミド（および場合により存在する他のポリマー）と反応して強化されていないポリアミドに対して改善された衝撃強度の複合多相樹脂を生み出すことができる官能基をそれに結合したポリマー、必ずしもではないが典型的にはエラストマーである。ポリアミドと反応することができる幾つかの官能基は、カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、金属中和カルボキシル基、アミン基、無水物基、エポキシ基、および臭素基である。ポリアミドは通常、存在するカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）およびアミン基を有するので、これらの官能基は通常、カルボキシル基および／またはアミン基と反応することができる。かかる官能基は通常、既存のポリマー上へ小さな分子をグラフトすることによって、またはポリマー強化剤分子が共重合によって製造されるときに所望の官能基を含有するモノマーを共重合させることによってポリマー強化剤に「結合させ」られる。グラフト化の一例として、無水マレイン酸がフリーラジカルグラフト技法を用いて炭化水素ゴム上へグラフトされてもよい。生じたグラフト化ポリマーは、それに結合したカルボン酸無水物および／またはカルボキシル基を有する。

様々な添加剤が強度および延性を改善するためにポリアミド樹脂に添加されてきた。例えば、参照により本明細書に援用される、イプシュタイン（Ｅｐｓｔｅｉｎ）に付与された、１９７９年１１月１３日に出された、米国特許公報（特許文献１７）は、ポリアミドに接着する、選択されたランダム共重合体を加えることによる衝撃強度および延性の改善を記載している。参照により本明細書に援用される、１９９０年５月１２日に出された、米国特許公報（特許文献１８）で、イプシュタインは、ポリアミド用のある種のポリマー強化剤で、ポリアミドとの接着を促進するサイト（「グラフトサイト」）が好ましくは金属中和カルボキシル、隣接カルボキシル（すなわち、金属中和カルボキシルモノマー単位に隣接するカルボン酸モノマー単位）、無水物、またはエポキシ官能基として存在するであろうが、スルホン酸またはアミンなどの他の官能性サイトが有効であるかもしれないと教示している。これらのサイトは、必要なグラフト化を与える量で存在するであろう。

好ましいポリマー強化剤は、エチレン、プロピレンおよび１，４−ヘキサジエンならびに、場合により、ノルボルナジエンの共重合体であり、前記共重合体はフマル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、エステルのアルキル基が１〜３個の炭素原子を有する前記酸のモノアルキルエステルからなるクラスから取られた不飽和モノマーをそれにグラフトされている。例えば、かかる一ポリマーは、ダウ・ケミカル・カンパニー（米国ミシガン州ミッドランド）（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｍｉｄｌａｎｄ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，ＵＳＡ））から入手可能な、ＴＲＸ３０１である。

別のタイプのポリマー強化剤は、ある種のタイプのイオン性基を含有するアイオノマーである。用語「アイオノマー」は、本明細書で用いるところでは、無機塩基がポリマー鎖に結合したポリマーを意味する（（非特許文献３））。ポリアミド強化剤としての役割を果たすアイオノマーは、必ずしもポリアミドと反応しないが、ポリアミド溶融物へのイオン（例えば、リチウム、亜鉛、マグネシウム、およびマンガンイオン）の溶解性によってもたらされる、それらのイオン性基とポリアミドとの相溶性によって強くなるイオン性基を含有する。このタイプの好ましいポリマー強化剤は、式ＲＣＨ＝ＣＨ₂（式中、ＲはＨかまたは１〜８個の炭素原子を有するアルキルである）を有するアルファ−オレフィンに由来する単位と、アルファ，ベータ−エチレン系不飽和モノ−またはジカルボン酸に由来する０．２〜２５モルパーセントの単位とのアイオノマーであって、前記単位の酸基の少なくとも１０％が両端を含めて１〜３の範囲の原子価を有する金属イオンで中和されているアイオノマーである。好ましくは、アイオノマーは、Ｌｉ⁺、Ｚｎ⁺²、Ｍｇ⁺²および／またはＭｎ⁺²などの金属イオンで少なくとも１０％中和されたエチレンとアクリル酸またはメタクリル酸との共重合体であろう。例えば、かかる一ポリマーは、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）^TMサーリン（Ｓｕｒｌｙｎ）（登録商標）（本願特許出願人）である。

上記のポリマー強化剤に加えて、２種のハロゲン化エラストマー、すなわち、ハロゲン化イソブチレン−イソプレン共重合体、および臭素化ポリ（イソブチレン−コ−４−メチルスチレン）がポリアミド用の有効な強化剤として特定されてきた。後者は、エクソン・モービル・ケミカル（米国テキサス州ヒューストン）（Ｅｘｘｏｎ Ｍｏｂｉｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，Ｔｅｘａｓ，ＵＳＡ））からエキスプロ（Ｅｘｘｐｒｏ）スペシャルティエラストマーとして商業的に入手可能である。それは、そのベンジル位臭素とポリアミドアミン末端基またはアミド基との反応によってポリアミドに結合すると考えられる［（非特許文献４）］。

一実施形態では組成物中に全組成物の、約２〜約３０重量パーセント、別の実施形態では５〜約２５重量パーセント、別の実施形態では約８〜約２０重量パーセントのポリマー強化剤が存在する。

ポリマー強化剤は２種以上のポリマーの混合物を含んでもよく、その少なくとも１種は上記のような反応性官能基またはイオン性基を含有しなければならない。他のものはかかる官能基またはイオン性基を含有しても、しなくてもよい。例えば、本明細書に記載される組成物で用いるために好ましいポリマー強化剤は、無水マレイン酸でグラフトされたエチレン／プロピレン／ヘキサジエン三元共重合体と、エンゲージ（Ｅｎｇａｇｅ）（登録商標）８１８０、ダウ・ケミカル・カンパニー（米国ミシガン州ミッドランド）から入手可能なエチレン／１−オクテン共重合体などのプラストマーポリエチレンとの混合物を含む。

（添加剤）
他の原料、特に熱可塑性樹脂に一般に使用されるものが場合により、熱可塑性樹脂に一般に使用される量で本組成物に加えられてもよい。かかる材料には、酸化防止剤、帯電防止添加剤、熱安定剤、滑剤、離型剤、（ペイント）接着促進剤、他のタイプのポリマー（ポリマーブレンドを形成するための）などが含まれる。好ましくはこれらの全原料の合計は、組成物の約６０重量パーセント未満、より好ましくは約４０未満、特に好ましくは約２５重量パーセント未満である。

（溶融混合）
本明細書に記載される組成物は、典型的な溶融混合技法によって製造することができる。例えば、原料は、単軸もしくは二軸スクリュー押出機または混練機に加えられ、通常の方法で混合されてもよい。材料が混合された後、それらはペレットにまたは溶融物形成機に供給するのに好適な他の粒子に成形（カット）されてもよい。溶融物形成は、射出成形、熱成形、もしくは押出、またはこれらの方法の任意の組み合わせなどの、熱可塑性樹脂のための通常の方法によって実施することができる。フィラー、可塑剤、および滑剤（離型剤）などの原料の幾つかは、フィラーなどの固形分の摩耗を減らす、および／または分散を向上させる、および／または比較的熱に不安定な原料の熱履歴を低減する、および／または揮発性原料の蒸発による損失を減らすために、押出機の１つまたは複数の下流ポイントで加えられてもよい。

セピオライト型粘土は、その所望の最終濃度で他の原料と直接溶融混合されてもよい。あるいはまた、比較的高い濃度（例えば、選り抜きのポリアミド中２０〜３０重量％）のセピオライト型粘土を含有するマスターバッチが溶融混合によって調製されてもよく、次にマスターバッチが順繰りに追加の原料と溶融混合されて最終組成物を達成する。

「溶融混合」または、より正確には、ポリアミド／セピオライト型粘土ナノ複合材料の溶融物に剪断応力をかけることは時々、既に形成されたナノ複合材料中にナノ粒子のより良好な分散系をもたらすことがまた注目される。従って、溶融物の剪断処理による最初に形成されたナノ複合材料の後処理は好ましいプロセスである。これは、分散系の改善に簡単にささげられるプロセスであり得るか、またはより好ましくは、ポリアミド複合材料が他の材料に混ぜ入れるおよび／またはナノ複合材料組成物を溶融形成するなどの、別の理由のために液化され、そして剪断にかけられるときに起こり得る。この目的のために有用なタイプの装置には、単軸および二軸スクリュー押出機ならびに混練機が含まれる。

混合強度［例えば、押出機スピード（回転数毎秒、ｒｐｍ）で測定されるような］は組成物の特性、特に靱性に影響を及ぼすかもしれないことがまた分かった。比較的より高いｒｐｍが好ましいが、靱性は高すぎるミキサー回転子スピードで低下するかもしれない。最適混合強度は、ミキサーの立体配置、温度、混合中の組成物などに依存し、簡単な実験によって容易に決定される。

任意の好ましい原料および／または原料量は本明細書で任意の他の好ましい原料および／または原料量と組み合わせられてもよいことが理解されるべきである。

本組成物を含む部品は、組成物をポリアミドの融点（またはポリアミドが非晶質である場合はガラス転移温度）より上に加熱し（そして従ってポリアミドを液化させ）、次にそれらを融点より下に冷却して組成物を凝固させることによって製造され、造形部品を形成してもよい。好ましくは、部品は融点の少なくとも５０℃下に、より好ましくは融点の少なくとも１００℃下に冷却される。最も普通には、究極的に組成物は周囲温度、最も典型的には１５〜４５℃に冷却されるであろう。

本発明によって製造されたナノ複合材料組成物を含む物品は、射出成形、溶融紡糸、押出、ブロー成形、熱成形、またはフィルムブローイングなどの、しかしそれらに限定されない、当該技術で公知の任意の方法によって製造されてもよい。

本明細書に記載されるナノ複合材料組成物は、ナノ複合材料組成物中の粘土の濃度が比較的低いときに特に、溶融粘度および衝撃強度などの他の特性に有意に悪影響を及ぼすことなく、引張強度および弾性率、曲げ強度および弾性率、ならびに熱変形温度特性のような特性を高める。

驚くべきことに、強化されたポリアミド／セピオライト型粘土ナノ複合材料は、弾性エネルギー容量の増加もまた同様に実証することができる（図３）。本明細書で用いるところでは、「弾性エネルギー容量」は、それが弾性的に変形されるときにエネルギーを吸収し、次に、アンローディング時に、このエネルギーが回収される材料の能力を意味する。それは、応力−歪み図における弾性領域での曲線の下方の面積によって表される。正式には、
弾性エネルギー容量の係数＝０．５＊弾性率²／弾性歪み
その結果として、かかる強化ナノ複合材料組成物を含む物品は、増加した耐衝撃性、すなわち、適度な衝撃または衝撃負荷の優れた減衰を示すはずである。

（用途）
本明細書に記載されるナノ複合材料のための用途分野には、自動車、電気／電子、消費者商品、および工業用途での構成部品が含まれるが、それらに限定されない。半芳香族ポリアミドを含有する本明細書に記載されるナノ複合材料は、アンダーフード自動車用途および高温電気／電子用途などの、高温に曝されるであろう自動車部品に特に有用である。

自動車分野では、本明細書に記載されるナノ複合材料は、アンダーフード用途（例えば、ラジエータエンド・タンク、コネクタ、吸気マニホールド、空気取入共振器、フロントエンド・モジュール、エンジン冷却水出口、燃料レール、点火コイル、エンジンカバー）などの用途に、内部用途（例えば、スイッチ、ハンドル、シートベルト構成部品、エアバッグ容器、ペダル、ペダルボックス、シートシステム）に、および外部用途（例えば、ホイールカバー、サンルーフ囲み、ドアの取っ手、燃料給油口フラップ）に使用することができる。

電気／エレクトロニクス分野では、本明細書に記載されるナノ複合材料は、コネクタ、巻型、モーター電機子絶縁体、ライトハウジング、プラグ、スイッチ、スイッチギア、ハウジング、リレー、回路遮断器構成部品、端子板、プリント回路基板、および電子装置用のハウジングなどの用途に使用することができる。

消費者商品分野では、本明細書に記載されるナノ複合材料は、電動工具ハウジング、スポーツ用品（例えば、スキーブーツ、スキービンディング、アイススケート、ローラースケート、テニスラケット）、ライター、台所用品、電話用ジャック、小型電化製品（例えば、スチームアイロン・ニードル）、大型電化製品（例えば、オーブンファンおよびガラスホルダー）、家具（例えば、椅子ベースおよびアーム）、眼鏡フレーム、ならびに包装フィルムなどの用途に使用することができる。

工業分野では、本明細書に記載されるナノ複合材料は、ギア、滑車、ベアリングおよびベアリングケージ、バルブ、競技場用座席座部、コンベヤ用のスライドレール、キャスター、ＨＶＡＣボイラーマニホールドおよび転換バルブ、ならびにポンプハウジングなどの用途に使用することができる。

本発明は、以下の実施例でさらに明確にされる。これらの実施例は本発明の好ましい実施形態を示すが、例示のみの目的で与えられることが理解されるべきである。

省略形の意味は次の通りである：「ｃｍ」はセンチメートルを意味し、「ｍｉｎ」は分を意味し、「ｇ」はグラムを意味し、「ｍｇ」はミリグラムを意味し、「ｋｓｉ」は平方インチ当たりキログラムを意味し、「ｗｔ％」は重量パーセント（百分率）を意味し、「Ｔ_g」はガラス転移温度を意味し、「Ｔ_hc」は溶融物からの冷却時の結晶化の温度を意味し、「Ｔ_m」は融点を意味し、「Ｍ」はモルを意味し、「Ｍ_n」は数平均分子量を意味し、「ＰＤＩ」は多分散性インデックスを意味し、Ｍ_nで割った重量平均分子量に等しく、「ＭＰａ」はメガパスカルを意味し、「ＤＳＣ」は示差走査熱量測定法を意味し、「ＴＥＭ」は透過電子顕微鏡法を意味し、「ＨＤＴ」は熱変形温度を意味し、そして「ｒｐｍ」は回転数毎秒を意味する。

（原材料用語解説）
ステアリン酸アルミニウム、滑剤は、ケムツラ・コーポレーション（コネチカット州０６７４９、ミドルベリ、１９９ベンソンロード）（Ｃｈｅｍｔｕｒａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（１９９ Ｂｅｎｓｏｎ Ｒｄ，Ｍｉｄｄｌｅｂｕｒｙ，ＣＴ ０６７４９））から購入した。

アタパルジャイト４２０−Ｐおよび６０１−Ｐは、ゼメックス・インダストリアル・ミネラルズ・カンパニー（米国ジョージア州３９８１５、アタプルグス）（Ｚｅｍｅｘ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ａｔｔａｐｕｌｇｕｓ，ＧＡ ３９８１５，ＵＳＡ））から購入したアタパルジャイト鉱物である。

エンゲージ（登録商標）ポリオレフィンエラストマーは、本願特許出願人によって提供されたものであり、現在、ダウ・ケミカル・カンパニー（米国ミシガン州ミッドランド）によって製造されている。エンゲージ（登録商標）８１８０は、４２重量％コモノマーのエチレン／１−オクテン共重合体である。

ＨＳ７．１．１Ｓ、熱安定剤は、シェファード・ケミカル社（オハイオ州４５２１２、ノーウッド、４９００ビーチ・ストリート、シェファード・ノーウッド）（Ｓｈｅｐｈｅｒｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．（Ｓｈｅｐｈｅｒｄ Ｎｏｒｗｏｏｄ，４９００ Ｂｅｅｃｈ Ｓｔｒｅｅｔ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，Ｏｈｉｏ ４５２１２））から購入した。イルガノックス（Ｉｒｇａｎｏｘ）（登録商標）１０１０、酸化防止剤はチバ・スペシャルティ・ケミカルズ（米国ニューヨーク州タリータウン）（Ｃｉｂａ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ（Ｔａｒｒｙｔｏｗｎ，ＮＹ，ＵＳＡ））から購入した。

リコワックス（Ｌｉｃｏｗａｘ）（登録商標）ＰＥＤ５２１は、クラリアント社（米国ノースカロライナ州２８２０５、シャルロッテ）（Ｃｌａｒｉａｎｔ Ｃｏｒｐ．（Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ，ＮＣ ２８２０５，ＵＳＡ））から入手可能な離型剤として使用される酸化ポリエチレンワックスである。それは、約１８ｍｇのＫＯＨ／ｇワックスの酸価を有すると報告されている。

Ｍ１０ ５２タルクは、ミネラルズ・テクノロジーズ社（米国ニューヨーク州、ニューヨーク）（Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＮＹ，ＵＳＡ））から購入した。

パンゲル（登録商標）Ｓ−９、パンシル（Ｐａｎｓｉｌ）（登録商標）、およびパンゲル（登録商標）ＨＶセピオライトは、ＥＭサリバン・アソシエート社（米国ペンシルバニア州パオリ）（ＥＭ Ｓｕｌｌｉｖａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．（Ｐａｏｌｉ，ＰＡ，ＵＳＡ）、製造業者トルサ社（スペイン国マドリード２８００１）の代理店から購入した。パンゲル（登録商標）ＨＶは、超微粉砕された、未変性表面を有するレオロジー添加剤グレードのセピオライトである。パンゲル（登録商標）Ｓ−９は、未変性表面を有する、パンゲル（登録商標）ＨＶと同じように超微粉砕された、しかし第２粉砕工程で加工されたレオロジー添加剤グレードのセピオライトである。パンシル（登録商標）は、未変性表面を有する、乾式粉砕法ですり潰されたセピオライトの銘柄である。

ペレスタット（Ｐｅｌｅｓｔａｔ）（登録商標）６５００、ナトリウム含有帯電防止ポリエーテルエステルアミドゴムは、ペレスタット（ニューヨーク州１００１９、ニューヨーク、１２８５アベニュー・オブ・アメリカス（Ｐｅｌｅｓｔａｔ（１２８５ Ａｖｅｎｕｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｓ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＮＹ１００１９））から購入した。

ナトリウムモンモリロナイトは、パイコン（台湾）（Ｐａｉｋｏｎｇ（Ｔａｉｗａｎ））から購入した。

ＴＲＸ３０１、２．１％無水マレイン酸でグラフトされたエチレン／プロピレン／ヘキサジエン三元共重合体は、ダウ・ケミカル（米国ミシガン州ミッドランド）から購入した。

３種のポリアミドは、本願特許出願人によって提供された：
ポリアミドＡは、２つのジアミンが１：１のモル比で使用される、テレフタル酸、ヘキサメチレンジアミン、および２−メチル−ペンタメチレンジアミンのコポリアミドである。
ポリアミドＢは、テレフタル酸、アジピン酸、およびヘキサメチレンジアミンから製造された約３１５℃の融点のコポリアミドである。
ザイテル（Ｚｙｔｅｌ）（登録商標）１０１は未強化ポリアミド６，６である。

（試験方法）
分子量測定。ウォーターズ４１０ＴＭ屈折率検出器（ＤＲＩ）と固定直角光散乱および示差毛細管粘度計検出器を組み込んだビスコテック・コーポレーション（テキサス州ヒューストン）（Ｖｉｓｃｏｔｅｋ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｏｕｓｔｏｎ，ＴＸ））モデルＴ−６０ＡＴＭデュアル検出器モジュールとを備えた、ウォーターズ・コーポレーション（マサチューセッツ州ミルフォード）（Ｗａｔｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｍｉｌｆｏｒｄ，ＭＡ））製のモデル・アライアンス（Ｍｏｄｅｌ Ａｌｌｉａｎｃｅ）２６９０ＴＭからなるサイズ排除クロマトグラフィーシステムを、分子量キャラクタリゼーションのために用いた。移動相は、０．０１Ｍのトリフルオロ酢酸ナトリウム入り１，１，１，３，３，３−ヘキサフルオロ−２−プロパノール（ＨＦＩＰ）であった。ｄｎ／ｄｃをポリマーについて測定し、サンプルの全てが測定中に完全に溶出されたと仮定した。

引張弾性率、強度および伸び率は、ＡＳＴＭ（米国材料試験協会）方法Ｄ２５６を用いて５．０８ｃｍ（２インチ）毎分の伸長速度で測定した。この方法はまた、図３の応力−歪み曲線を得るためにも用いた。

曲げ弾性率（３点）は、ＡＳＴＭ方法Ｄ７９０を用いて測定した。

熱変形温度（「熱たわみ温度」、「負荷下のたわみ温度」、またはＤＴＵＬとしても知られる）は、ＡＳＴＭ方法Ｅ２０９２−０３を用いて測定した。

ノッチ付およびノッチなしアイゾッド（Ｉｚｏｄ）振子衝撃強度は、ＡＳＴＭ Ｄ２５６−０６に従って測定した。

転移温度。融点Ｔ_mは、ＡＳＴＭ Ｄ３４１８−８２に従って１０℃／分の加熱速度で測定した。溶融吸熱のピークを融点として取った。結晶化温度Ｔ_hcは、溶融物からの冷却時の結晶化発熱のピークとして取った。ガラス転移温度Ｔ_gは、第２加熱サイクル中の熱容量の変曲点として取った。

（配合および成形方法）
全てのポリアミド樹脂を押出前および成形前に９０℃で１２時間乾燥させた。鉱物添加剤は、特に記載のない限り受け取ったまま使用した。

配合方法Ａ ポリマー組成物は、３０ｍｍワーナー・アンド・プフライデラー（Ｗｅｒｎｅｒ ａｎｄ Ｐｆｌｅｉｄｅｒｅｒ）二軸スクリュー押出機で配合することによって調製した。パンゲル（登録商標）Ｓ−９および他の鉱物はバレル５（１０バレルの）へ側方供給（ｓｉｄｅ−ｆｅｄ）し、そして可塑剤は液体注入ポンプを用いて加えたことを除いて、全ての原料を混ぜ合わせ、押出機の後方供給口（バレル１）を通して加えた。この方法のいかなる例外も実施例に注記される。バレル温度は、組成物ならびに押出機速度およびスクリューｒｐｍに依存して溶融温度２９０〜３５０℃をもたらす、３４０℃に設定した。

配合方法Ｂ ポリマー組成物は、３０ｍｍバス共混練機（Ｂｕｓｓ ＣｏＫｎｅａｄｅｒ）で配合することによって調製した。ベース樹脂（ポリアミドＡまたはポリアミドＢ）を押出機の後方供給口（バレル１）を通して加え、パンゲル（登録商標）Ｓ−９セピオライトは第２供給口に加えた。この方法のいかなる例外も実施例に注記される。バレル温度は、組成物ならびに押出機速度およびスクリューｒｐｍに依存して溶融温度２９０〜３５０℃をもたらす、３４０℃に設定した。

配合方法Ｃ ポリマー組成物は、３０ｍｍワーナー・アンド・プフライデラー二軸スクリュー押出機で配合することによって調製した。パンゲル（登録商標）Ｓ−９セピオライトおよび他の鉱物はバレル５（１０バレルの）へ側方供給したことを除いて、全ての原料を混ぜ合わせ、押出機の後方供給口（バレル１）を通して加えた。この方法のいかなる例外も実施例に注記される。バレル温度は、組成物ならびに押出機速度およびスクリューｒｐｍに依存して溶融温度２９０〜３００℃をもたらす、２９０℃に設定した。

成形方法。樹脂を、アーバーグ（Ａｒｂｕｒｇ）１．５オンス（４３ｇ）またはニッセイ（Ｎｉｓｓｅｉ）６オンス（１７０ｇ）射出成形機でＡＳＴＭ試験検体へ成形した。ザイテル（登録商標）１０１（ポリアミド６，６）についての溶融温度は２９０℃であり、金型温度は７０〜８０℃であった。ポリアミドＡおよびポリアミドＢについての溶融温度は３１０℃であり、金型温度は、特に記載のない限り１４０℃であった。

（実施例１）
（二軸スクリュー押出機を用いるポリアミドＡ／セピオライトナノ複合材料マスターバッチの調製）
２０重量％パンゲル（登録商標）Ｓ−９セピオライトを含有するポリアミドＡのマスターバッチを、配合方法Ａを用いて調製した。ＳＥＣキャラクタリゼーションは、ポリマーＭ_nが１１３７０であり、ＰＤＩ＝３．５４であることを示唆した。ＴＥＭ分析は、マスターバッチが好適なナノ複合材料を形成することを示唆した。セピオライトナノ粒子は、幾らかのより大きい集合体が依然として存在して十分に分散されていた（図２）。対照としてのポリアミドＡベース樹脂の試験検体だけでなく、試験検体を上記の通り成形した。ＨＤＴおよび曲げ弾性率結果を表２に示す。

（実施例２）
（二軸スクリュー押出機を用いるポリアミドＢ／セピオライトナノ複合材料マスターバッチの調製）
２０重量％パンゲル（登録商標）Ｓ−９セピオライト入りポリアミドＢのマスターバッチサンプルを、配合方法Ａを用いて調製した。ＳＥＣキャラクタリゼーションは、押出後のポリマーＭ_nが２０９９０であり、ＰＤＩ＝２．０４であることを示唆した。試験検体を上記の通り成形した。ＨＤＴおよび曲げ弾性率結果を表２に示す。

（実施例３）
（バス共混練機を用いるポリアミドＡ／セピオライトナノ複合材料マスターバッチの調製）
１４．３重量％パンゲル（登録商標）Ｓ−９セピオライト入りポリアミドＡのマスターバッチサンプルを、配合方法Ｂを用いて調製した。ＳＥＣキャラクタリゼーションは、ポリマーＭ_nが１１３７０であり、ＰＤＩ＝３．５４であることを示唆した。ＴＥＭ分析は、粒子が十分に分散され、幾らかのより大きい集合体が依然として存在して、マスターバッチが好適なナノ複合材料を形成することを示唆した。

（実施例４）
（ポリアミドＡ／３重量％セピオライトナノ複合材料の調製）
実施例１で調製したマスターバッチ（ポリアミドＡ中の２０重量％Ｓ−９セピオライト）のサンプルを、配合方法Ａを用いて、追加のポリアミドＡ（１５重量％マスターバッチ、８５重量％ポリアミドＡ）と共に押し出して３重量％セピオライトを含有するナノ複合材料を調製した。熱分析結果を表１に示す。生じたナノ複合材料は、ポリアミドＡ対照（２５５℃）より溶融物からの冷却時で高い温度（２７７℃）で結晶化し、セピオライトがポリアミドＡにとって有効な核剤であることを示唆した。試験検体を上記の通り成形した。ＨＤＴおよび曲げ弾性率結果を表２に示す。

（実施例５）
（ポリアミドＢ／３重量％セピオライトナノ複合材料の調製）
実施例２で調製したマスターバッチ（ポリアミドＢ中の２０重量％Ｓ−９セピオライト）のサンプルを、配合方法Ａを用いて、追加のポリアミドＢ（１５重量％マスターバッチ、８５重量％ポリアミドＢ）と共に押し出して３重量％セピオライトを含有するナノ複合材料を調製した。熱分析結果を表１に示す。試験検体を上記の通り成形した。ＨＤＴおよび曲げ弾性率結果を表２に示す。

（実施例６）
（ポリアミドＢ／１重量％セピオライトナノ複合材料の調製）
実施例２で調製したマスターバッチ（ポリアミドＢ中の２０重量％Ｓ−９セピオライト）のサンプルを、配合方法Ａを用いて、追加のポリアミドＢ（５重量％マスターバッチ、９５重量％ポリアミドＢ）と共に押し出して３重量％セピオライトを含有するナノ複合材料を調製した。熱分析結果を表１に示す。試験検体を上記の通り成形した。ＨＤＴおよび曲げ弾性率結果を表２に示す。

（実施例７）
（ポリアミドＡ／１重量％セピオライトナノ複合材料の調製）
実施例２で調製したマスターバッチ（ポリアミドＡ中の２０重量％Ｓ−９セピオライト）のサンプルを、配合方法Ａを用いて、追加のポリアミドＢ（５重量％マスターバッチ、９５重量％ポリアミドＡ）と共に押し出して１重量％セピオライトを含有するナノ複合材料を調製した。熱分析結果を表１に示す。試験検体を上記の通り成形した。ＨＤＴおよび曲げ弾性率結果を表２に示す。

（実施例８、比較例Ａ）
（強化半芳香族ポリアミドナノ複合材料の調製および特性）
２種の強化半芳香族ポリアミド材料を表３に示すような組成で調製した。それらは、実施例１で調製したマスターバッチを実施例８では後方供給口で加えたことを除いて、配合方法Ａを用いて調製した。試験検体を、ペレスタット（登録商標）６５００を射出成形前に配合ペレットに加えたことを除いて上記の通り成形した。表３に示される結果は、ノッチなしアイゾッド衝撃強度への影響を最小限に抑えて、対照（比較例Ａ）と比べてナノ複合材料の剛性および強度が高まったことを実証する。

（実施例９〜１１、比較例Ｂ）
（脂肪族ポリアミドナノ複合材料の調製および特性）
ザイテル（登録商標）１０１ポリアミド６，６および２０重量％Ｓ−９セピオライトのナノ複合材料マスターバッチを、配合方法Ｃを用いて調製した。このナノ複合材料マスターバッチ（「実施例９」）を次に使用して３重量％（実施例１０）および１重量％（実施例１１）セピオライトを含有するザイテル（登録商標）１０１／セピオライトナノ複合材料を調製した。３種のナノ複合材料、およびザイテル（登録商標）１０１ベースの樹脂の試験検体を上記の通り成形した。実施例１０および１１は、比較例Ｂと比べてナノ複合材料での引張弾性率、引張強度、曲げ弾性率、および熱たわみ温度の改善を実証する。

（実施例１２〜１５、比較例Ｃ）
（強化脂肪族ポリアミドナノ複合材料の調製および特性）
実施例９で調製したナノ複合材料マスターバッチを使用して、配合方法Ｃを用いて、１、２、３および５重量％Ｓ−９セピオライトを含有する強化ザイテル（登録商標）１０１ナノ複合材料樹脂を調製した。組成を表５に示す。４種のナノ複合材料、およびセピオライトを全く含有しない対照の試験検体を上記の通り成形した。実施例１２〜１５は、少量のセピオライトを添加するだけで引張および曲げ弾性率、引張強度、およびＨＤＴにおいて比較例Ｃと比べてかなりの改善が達成されたことを強調する。

標準引張測定中に得られた応力−歪み曲線は、強化ポリアミドマトリックスへのセピオライトの添加によって提供される改善された剛性および強度に加えて、実施例１４ナノ複合材料の弾性エネルギー容量もまた対照（比較例Ｃ）と比べて４５％だけ改善されることを示した（図３）。

（実施例１６〜２０；比較例Ｄ）
（レオロジー添加剤グレードセピオライト・パンゲルＳ−９と他の鉱物添加剤との比較）
アタパルジャイト４２０−Ｐは、水性システムおよび溶剤ベースのシステムの両方を含む様々な用途に粘度保留性を与えるために処理された高品質アタパルジャイトである。アタパルジャイト６０１−Ｐは、入手可能な粘土をゲル化させる最微細等級のアタパルジャイトと記載されている。それは特別サイズであり、ペイント、プラスチックコーティング、フレキソ印刷インク、および接着剤などの工業製品を増粘するために処理される。パンゲル（登録商標）ＨＶは、非常に純粋なセピオライトから調製された、水性システム用のレオロジー添加剤である。パンシル（登録商標）は、猫用の砂箱などの吸収用途向けにデザインされた精製バージョンのセピオライトである。パンゲル（登録商標）Ｓ−９およびパンゲル（登録商標）ＨＶは両方ともレオロジー添加剤グレードセピオライトであり、パンシル（登録商標）はそうではない。

サンプルは、ミクロン−サイズの鉱物添加剤を樹脂と共に押出機の後方で加えたことを除いて、配合方法Ａを用いて調製した。サンプルは全て、９７％ポリアミドＡおよび３重量％の指定の鉱物添加剤を使用して調製した。サンプルを３１０℃の溶融温度と共に１１５℃の金型温度で成形した。

熱変形温度を表６に示す。実施例１７は、すり潰しおよび超微粉砕等級のセピオライトを含有し、他の実施例と比べて劇的に増加したＨＤＴを示した。加えて、実施例の全てが比較例Ｄと比べてＨＤＴのかなりの改善を示した。

以下に本明細書に記載される主な発明を列記する。
１．
ａ．少なくとも１種の熱可塑性ポリアミドと、
ｂ．粒子の幅および厚さがそれぞれ５０ｎｍ未満である未変性セピオライト型粘土ナノ粒子と、
を含むことを特徴とするナノ複合材料組成物。
２．
前記ナノ粒子がポリアミドとナノ粒子を合わせた重量を基準として、約０．１〜約３０重量パーセントで存在することを特徴とする前記１．に記載の組成物。
３．
前記未変性セピオライト型粘土がポリアミドと未変性セピオライト型粘土を合わせた重量を基準として、約０．１〜約４重量パーセントで存在することを特徴とする前記２．に記載の組成物。
４．
前記セピオライト型粘土ナノ粒子がレオロジー添加剤グレードであることを特徴とする前記１．に記載の組成物。
５．
前記少なくとも１種のポリアミドが脂肪族ポリアミドまたは半芳香族ポリアミドであることを特徴とする前記１．に記載の組成物。
６．
前記脂肪族ポリアミドがポリテトラメチレンアジパミド、ポリヘキサメチレンアジパミド、ポリヘキサメチレンアゼラアミド、ポリヘキサメチレンセバカミド、ポリヘキサメチレンドデカノアミド、ビス（パラ−アミノシクロヘキシル）メタンドデカノアミド、ポリカプロラクタム、ポリ−１１−アミノ−ウンデカン酸、上記ポリマーもしくはそれらの成分の２種からなるコポリマー、および／または上記ポリマーもしくはそれらの成分の３種からなるターポリマーから選択されることを特徴とする前記５．に記載の組成物。
７．
前記半芳香族ポリアミドが、二価芳香族基を含有するモノマーに一部由来する、１種または複数種のホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、およびより多元系のポリマー、ならびに１種または複数種の脂肪族ポリアミドと、二価芳香族基を含有するモノマーに一部由来する、１種または複数種のホモポリマー、コポリマー、ターポリマー、またはより多元系のポリマーとのブレンドから選択されることを特徴とする前記５．に記載の組成物。
８．
前記半芳香族ポリアミドが、ポリ（ｍ−キシリレンアジパミド）、ヘキサメチレンアジパミド／ヘキサメチレンテレフタルアミド・コポリアミド；ヘキサメチレンテレフタルアミド／２−メチルペンタメチレンテレフタルアミド・コポリアミド；ポリ（ドデカメチレンテレフタルアミド）；ポリ（デカメチレンテレフタルアミド）；デカメチレンテレフタルアミド／デカメチレンドデカノアミド・コポリアミド；ポリ（ノナメチレンテレフタルアミド）；ヘキサメチレンイソフタルアミドおよびヘキサメチレンアジパミドのポリアミド；ヘキサメチレンテレフタルアミド、ヘキサメチレンイソフタルアミド、およびヘキサメチレンアジパミドのポリアミド；ならびにこれらのポリマーのコポリマーまたは混合物から選択されることを特徴とする前記５．に記載の組成物。
９．
全組成物を基準として約２〜約３０重量％で存在するポリマー強化剤をさらに含むことを特徴とする前記１．に記載の組成物。
１０．
前記ポリマー強化剤がカルボキシル基、無水物基、アミン基、エポキシ基、ハロゲン基、およびこれらの混合物から選択された官能基を含有することを特徴とする前記９．に記載の組成物。
１１．
前記ポリマー強化剤が、式ＲＣＨ＝ＣＨ ₂ （式中、ＲはＨまたは１〜８個の炭素原子を有するアルキルである）を有するアルファ−オレフィンに由来する単位と、アルファ，ベータ−エチレン系不飽和モノ−またはジカルボン酸に由来する０．２〜２５モルパーセントの単位とのアイオノマーであって、前記単位の酸基の少なくとも１０％が両端を含めて１〜３の範囲の原子価を有する金属イオンで中和されているアイオノマーであることを特徴とする前記９．に記載の組成物。
１２．
組成物中の全原料の合計を基準として、約０．１〜約５０重量パーセントの補強剤をさらに含み、該補強剤は、セピオライト型粘土を除き、カオリン粘土、タルク、ウォラストナイト、雲母、および炭酸カルシウム；繊維、粉砕ガラス、非中空または中空の球などの様々な形態のガラス；カーボンブラックまたは炭素繊維としてのカーボン；二酸化チタン；短繊維、フィブリルまたはフィブリドの形態のアラミド；ならびにこれらの２種以上の混合物から選択されることを特徴とする前記１．に記載の組成物。
１３．
ａ．約０．１〜４重量％の未変性セピオライト型粘土ナノ粒子と、
ｂ．ポリアミド６，６；ポリアミド６；テレフタル酸、ヘキサメチレンジアミン、および２−メチル−ペンタメチレンジアミンのコポリアミド；テレフタル酸、アジピン酸、およびヘキサメチレンジアミンから製造されたコポリアミドから選択された少なくとも１種のポリアミドと、
ｃ．０〜約２０重量％のポリマー強化剤であって、
ｉ．無水マレイン酸でグラフトされたエチレン／プロピレン／ヘキサジエン共重合体、および
ｉｉ．金属イオンで少なくとも１０％中和されているエチレンとアクリル酸またはメタクリル酸との共重合体、
の少なくとも１種を含むポリマー強化剤と、
を含むことを特徴とする前記１．に記載のナノ複合材料組成物。
１４．
前記１．に記載の組成物を含むことを特徴とする製品。
１５．
自動車構成部品であることを特徴とする前記１４．に記載の物品。
１６．
前記自動車構成部品がラジエータエンド・タンク、吸気マニホールド、空気取入共振器、フロントエンド・モジュール、エンジン冷却水出口、燃料レール、点火コイル、エンジンカバー、スイッチ、ハンドル、シートベルト構成部品、エアバッグ容器、ペダル、ペダルボックス、シートシステム、ホイールカバー、サンルーフ囲み、ドアの取っ手、および燃料給油口フラップから選択されることを特徴とする前記１５．に記載の物品。
１７．
コネクタ、巻型、モーター電機子絶縁体、ライトハウジング、プラグ、スイッチ、スイッチギア、ハウジング、リレー、回路遮断器構成部品、端子板、プリント回路基板、および電子装置用のハウジングから選択されることを特徴とする前記１５．に記載の物品。
１８．
電動工具ハウジング、スポーツ用品、ライター、台所用品、電話用ジャック、小型電化製品、大型電化製品、家具、眼鏡フレーム、包装フィルム、ギア、滑車、ベアリング、ベアリングケージ、バルブ、競技場用座席座部、コンベヤ用のスライドレール、キャスター、ＨＶＡＣボイラーマニホールド、転換バルブ、およびポンプハウジングから選択されることを特徴とする前記１５．に記載の物品。
１９．
前記スポーツ用品がスキーブーツ、スキービンディング、アイススケート、ローラースケート、およびテニスラケットから選択されることを特徴とする前記１８．に記載の物品。

セピオライト型粘土繊維の寸法の略図である。 ２０重量％セピオライト（パンゲル（登録商標）Ｓ−９）を含有する、二軸スクリュー押出機を用いて調製されたポリアミドＡ／セピオライトナノ複合材料マスターバッチの透過電子顕微鏡写真である。 セピオライト（パンゲル（登録商標）Ｓ−９）あり（実施例１４）およびなし（比較例Ｃ）の強化ポリアミド樹脂についての応力対歪み曲線を描く。

Claims (8)

1. ポリアミドをセピオライト粒子と溶融混合する工程を含む、ポリアミドナノ複合材料の製造方法であって、前記溶融混合前の前記粒子が、２００〜２０００ｎｍ長さ、１０〜３０ｎｍ幅および５〜１０ｎｍ厚さであり、そして前記粒子が未変性であり、前記ポリアミドが半芳香族ポリアミドである、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記粒子が、前記ナノ複合材料の０．１〜３０重量パーセントであり、前記百分率が、存在する前記ポリアミドおよび前記セピオライト粒子の総重量を基準とすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ポリアミドが、ポリ（ｍ−キシリレンアジパミド）、ヘキサメチレンアジパミド／ヘキサメチレンテレフタルアミド・コポリアミド；ヘキサメチレンテレフタルアミド／２−メチルペンタメチレンテレフタルアミド・コポリアミド；ポリ（ドデカメチレンテレフタルアミド）；ポリ（デカメチレンテレフタルアミド）；デカメチレンテレフタルアミド／デカメチレンドデカノアミド・コポリアミド；ポリ（ノナメチレンテレフタルアミド）；ヘキサメチレンイソフタルアミドおよびヘキサメチレンアジパミドのポリアミド；ヘキサメチレンテレフタルアミド、ヘキサメチレンイソフタルアミド、およびヘキサメチレンアジパミドのポリアミド；ならびにこれらのポリマーのコポリマーまたは混合物から選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記ポリアミドナノ複合材料が、全ナノ複合材料を基準として２〜３０重量％で存在するポリマー強化剤をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. ポリマー強化剤が、式ＲＣＨ＝ＣＨ_２（式中、ＲはＨまたは１〜８個の炭素原子を有するアルキルである）を有するアルファ−オレフィンに由来する単位と、アルファ，ベータ−エチレン系不飽和モノ−またはジカルボン酸に由来する０．２〜２５モルパーセントの単位とのアイオノマーであって、前記単位の酸基の少なくとも１０％が両端を含めて１〜３の範囲の原子価を有する金属イオンで中和されているアイオノマーであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記ポリアミドナノ複合材料が、全ナノ複合材料を基準として０．１〜５０重量パーセントの補強剤をさらに含み、該補強剤が、セピオライト型粘土を除き、カオリン粘土、タルク、ウォラストナイト、雲母、および炭酸カルシウム；ガラス；カーボンブラックまたは炭素繊維；二酸化チタン；短繊維、フィブリルまたはフィブリドの形態でのアラミド；ならびにこれらの２種以上の混合物から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ポリアミドナノ複合材料が、
   ａ．０．１〜４重量％のセピオライト粒子と、
   ｂ．テレフタル酸、ヘキサメチレンジアミン、および２−メチルペンタメチレンジアミンのコポリアミド；テレフタル酸、アジピン酸、およびヘキサメチレンジアミンから製造されたコポリアミドから選択された少なくとも１種のポリアミドと、
   ｃ．０〜２０重量％のポリマー強化剤であって、
   ｉ．無水マレイン酸でグラフトされたエチレン／プロピレン／ヘキサジエン共重合体、および
   ｉｉ．金属イオンで少なくとも１０％中和されているエチレンとアクリル酸またはメタクリル酸との共重合体の少なくとも１種を含む０〜２０重量％のポリマー強化剤と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記溶融混合後に溶融物中の前記ポリアミドナノ複合材料を剪断する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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