JP5547399B2 - 高分子材料 - Google Patents

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Description

本発明は、高分子材料に関し、特に高分子材料を構成する組成と複合材料に関するが、それに限らない。
高分子材料単独よりも少なくとも一部の面で改良された特性を持つ複合材料を提供するため、高分子材料にフィラーを混合することはよく知られている。例えば、ポリエーテルエーテルケトンのようなポリアリルエーテルケトンは、30重量%までのガラスファイバーもしくはカーボンファイバーが混合されている。当該の材料は、長年にわたって、ヴィクトレックス ピーエルシーから、それぞれヴィクトレックス PEEK 150GL30および150CA30の名称で市販されてきた。これらの材料は、溶融粘度0.15kNsm−2のポリエーテルエーテルケトンと30重量%の繊維状フィラーを含む。
溶解した複合物は通常の溶解工程の機器には粘性が高すぎるため、および/または、フィラー材料が完全に浸潤するのが難しいため、ポリエーテルエーテルケトンのような高分子材料に30重量%以上のフィラー材料を取り入れるのは困難である。これらの問題は、下記で述べるように先行技術で取り組まれてきた。
特許文献1は、用いる高分子の溶解物の粘性が高すぎる場合、繊維のトウまたはロービングの迅速な含浸の実現に付随した問題を認めている。この問題は、熱可塑性高分子と熱に対しては安定しているが組成から揮発する可能性があるポリマーのための比較的高濃度の可塑剤の混合物を含む溶解物中に、多数の連続フィラメントを引き込むことによって解決される。可塑剤を使用することで溶解物中の高分子は可塑化し、また高分子単独での溶融粘度と比べて粘性が低下した溶解物が得られる。本出願は、実施例1では溶融粘度が110Ns/mのポリエーテルエーテルケトン(70重量%)と可塑剤であるジフェニルスルホン(30重量%)の混合物の使用について、また実施例3では、溶融粘度が25Nd/mのポリエーテルエーテルケトン(重量比100)とジフェニルスルホン(重量比100)の利用について述べる。69重量%の繊維添加剤について述べる。不都合なことに、述べられた方法の使用には、多量の可塑剤の使用(および廃棄)が必要であり、結果として工程の費用が増大する。
特許文献2は、非常に溶融粘度が低く30Ns/m未満で望ましくは1から10Ns/mの範囲でフィラメントの浸潤が可能である、熱可塑性高分子で同じ問題を解決している。本開示は、特性を向上させるために複合物の調整後に高分子化合物の分子量を上げるための加工段階を想定している。
更に最近では、特許文献3は、特性を向上させるために高度に充てん剤を加えたポリアリルエーテルケトンの複合物を提供するにあたっての問題を扱った。前記の溶液はポリアリルエーテルケトンマトリックスと、それぞれが独特の特性を与える2種類のフィラーを使用する。一つめのフィラーは、高い強度と剛性をもたらす強化フィラーである。二つめのフィラーは、部分的結晶構造のポリアリルエーテルケトン高分子の不定形部分を固定化し、高温吸収への抵抗性を与える、非熱可塑性の固定化フィラーである。
米国特許第4541884号 米国特許第5213889号 米国特許第5844036号
本出願は、0.15kNsm−2の溶融粘度を有するICI Victrexの等級PEEKTM 150FPのポリエーテルエーテルケトンの使用について述べる。不都合なことに、特許文献3は、記述された特定の二つの特性を有する、異なる2種類のフィラーの使用への応用が制限されている。
本発明の目的は、高分子材料、特にフィラーを加えた組成材料に関連するがそれに限らない問題に取り組むことである。
本発明の第一の態様によると、複合材料の製造方法が提供され、その方法において、
(i) 0.05〜0.12kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有した高分子材料を選択する工程と、
(ii)前記0.05〜0.12kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有する高分子材料をフィラー剤と接触させる工程とを備え、当該高分子材料がその高分子骨格に非置換のフェニル部分、カルボニル部分、およびエーテル部分を含む種類である。
溶融粘度は、0.5x3.175mmのタングステンカーバイドの金型を用い、1000s−1の剪断速度で400℃で動作する毛管レオメータを用いて適切に測定する。
本発明は溶融粘度に関して述べるが、これは以下の図1に基づいて、ほぼ固有粘度(欧州特許第0001879Bに述べられたように測定される)と同等に扱うことができる。
上記の方法では、高分子材料として、少なくとも1kg、より好適には少なくとも5kg、さらに好適には少なくとも10kg、最適には少なくとも25kgが選択される。この方法では、フィラー剤として、少なくとも1kg、より好適には少なくとも5kg、さらに好適には少なくとも10kg、最適には少なくとも25kgが選択される。
好適には、少なくとも5kg(より好適には少なくとも10kg、最適には少なくとも25kg)の高分子材料が選択され、少なくとも5kg(より好適には少なくとも10kg、最適には少なくとも25kg)のフィラー剤と接触させる。
上記の方法において、複合材料のバッチは少なくとも10kgの重量を有するように製造され、より好適には20kg、最適には少なくとも50kgである。
この方法では、複合材料を微粒子の形態、例えば、グラニュールやペレットに形成するのであってもよい。微粒子は、少なくとも0.5mg、好適には1.0mg、より好適には少なくとも1.5mgの平均重量を有する粒子からなるものであり得る。平均重量は、100mg未満、好適には60mg未満、より好適には40mg未満であってもよい。
微粒子は5〜100mm、好適には10〜50mm、より好適には15〜35mmの範囲内の平均体積を有する。
微粒子の形態にある複合材料の容積はパックに入れて提供されてもよい。パックは少なくとも10,000、好適には少なくとも50,000、より好適には少なくとも250,000粒子の複合材料を微粒子の形態で収容することができる。パックは1,000,000粒子未満を収容しうる。
高分子材料は、好適に少なくとも0.06kNsm−2の溶融粘度を有し、望ましくは少なくとも0.07kNsm−2の溶融粘度、より望ましくは少なくとも0.08kNsm−2の溶融粘度を有する。
高分子材料は、少なくとも0.11kNsm−2未満、好適には0.10kNsm−2未満の溶融粘度を有する。
高分子材料は、0.07〜0.12kNsm−2の範囲の溶融粘度、好適に0.08〜0.11kNsm−2の範囲の溶融粘度、より好適には0.08から0.10kNsm−2の範囲の溶融粘度を有する可能性がある。
高分子材料は、好適には0.07〜0.10kNsm−2の範囲の溶融粘度、より好適に0.08〜0.10kNsm−2の範囲の溶融粘度、より好適には0.085から0.095kNsm−2の範囲の溶融粘度を有する可能性がある。
高分子材料は、ASTM D790に従って測定された、少なくとも80MPaの抗張力を有する可能性がある。抗張力は、望ましくは80〜110MPaの範囲、より望ましくは80〜100MPaの範囲である。
高分子材料は、ASTM D790に従って測定された、少なくとも145MPaの曲げ強度を有する可能性がある。曲げ強度は望ましくは145〜180MPaの範囲であり、より望ましくは145〜165MPaの範囲である。
高分子材料は、ASTM D790に従って測定された、少なくとも3.5GPaの曲げ弾性率を有する可能性がある。曲げ弾性率は望ましくは3.5〜4.5GPaの範囲であり、より望ましくは3.5〜4.1GPaの範囲である。
望ましくは、高分子材料は、化学式Iの部分、
Figure 0005547399
および/または化学式IIの部分を有し、
Figure 0005547399
式中、m、r、sおよびwは単独でゼロもしくは正の整数を表し、EおよびE’は単独で酸素原子もしくは直接結合を表し、Gは酸素原子、直接結合、もしくはPhがフェニル基を示す−O−Ph−O−部分を示し、Arは一つ以上のフェニル部分を介して隣接する部分に結合された、(i)から(vi)から選択された部分の一つであり、
Figure 0005547399
本明細書に特に明記しない限り、フェニル部分は結合する部分との1,4−結合を有する。
(i)において、中央のフェニルは1,4−または1,3−置換される場合がある。望ましくは、1,4−置換である。
高分子材料は、一つ以上の異なる種類の化学式Iの反復単位、また一つ以上の異なる種類の化学式IIの反復単位を含む場合がある。しかし、望ましくは化学式IまたはIIの1種類のみの反復単位が提供される。
前記の部分IおよびIIは、好適な反復単位である。高分子材料において、単位IおよびIIは、間に結合した他の原子もしくは官能基なしに、互いに好適に結合する。
式中、wはゼロより大きく、化学式IIの反復単位において、それぞれのフェニレン部分は、別の部分との1,4−もしくは1,3−結合を個別に有する場合がある。望ましくは、当該フェニレン部分は1,4−結合を有する。
好適には、「a」は高分子材料において化学式Iの単位のモル%を表し、好適には各単位Iは同じであり;「b」は高分子材料において化学式IIの単位のモル%を表し、好適には各単位IIは同じである。望ましくは、aは45−100の範囲であり、より望ましくは45−55の範囲であり、特に48−52の範囲である。望ましくは、bは0−55の範囲であり、より望ましくは45−55の範囲であり、特に48−52の範囲である。望ましくはbに対するaの比は、0.9から1.1の範囲であり、より望ましくは約1である。好適には、aとbの合計は少なくとも90であり、望ましくは少なくとも95であり、より望ましくは少なくとも99であり、特に約100である。望ましくは、高分子材料は基本的に部分IとIIを含む。
高分子材料は、一般化学式IVの反復単位を有するホモ重合体か、
Figure 0005547399
あるいは異なる少なくとも二つの化学式IVの単位の任意もしくは一組の共重合体である場合があり、式中、AおよびBは単独で0または1を表し、E、E’、G、Ar、m、r、sおよびwは、本明細書の任意の記載で述べる通りである。
上述の単位IVを含む高分子材料の代替物として、当該の高分子材料は、一般化学式IV*の反復単位を有するホモ重合体か、
Figure 0005547399
あるいは異なる少なくとも二つの化学式IV*の単位の任意もしくは一組の共重合体である場合があり、式中、AおよびBは単独で0または1を表し、E、E’、G、Ar、m、r、sおよびwは、本明細書に任意に記載されている通りである。
望ましくは、mは0−3の範囲であり、より望ましくは0−2、特に0−1の範囲である。望ましくは、rは0−3の範囲であり、より望ましくは0−2、特に0−1の範囲である。望ましくは、sは0もしくは1である。望ましくは、wは0もしくは1である。
望ましくは高分子材料は、一般化学式IVの反復単位を有するホモ重合体である。
望ましくは、Arは次の(vii)から(xiii)の部分から選択される。
Figure 0005547399
(vii)において、中央のフェニルは1,4−または1,3−置換される場合がある。望ましくは、1,4−置換である。
望ましくは、(xi)は1,2−、1,3−または1,5−部分から選択され、また(xii)は1,6−、2,3−、2,6−または2,7−部分から選択される。
好適なAr部分は、部分(i)、(ii)、(iii)、(iv)であり、部分(i)、(ii)、および(iv)が望ましい。別の望ましいAr部分は、部分(vii)、(viii)、(ix)、および(x)であり、部分(vii)、(viii)、および(x)は特に望ましい。
特に望ましい高分子材料群は、基本的にケトン部分および/またはエーテル部分と結合したフェニル部分からなる高分子(または共重合体)である。望ましい一群において、高分子材料は、−S−、−SO−、もしくはフェニル以外の芳香族基を含む反復単位を含まない。記載されている望ましい高分子材料の種類は、
(a) 基本的に化学式IVの単位から成る高分子であり、式中、Arが(iv)部分を表し、EおよびE’が酸素原子を表し、mが0を表し、wが1を表し、Gが直接結合を表し、sが0を表し、AとBが1を表す高分子(即ち、ポリエーテルエーテルケトン)。
(b) 基本的に化学式IVの単位から成る高分子であり、式中、Eが酸素原子を表し、E’が直接結合を表し、Arが(i)構造の部分を表し、mが0を表し、Aが1を表し、Bが
0を表す高分子(即ち、ポリエーテルケトン)であり、
(c) 基本的に化学式IVの単位から成る高分子であり、式中、Eが酸素原子を表し、Arが(i)部分を表し、mが0を表し、E’が直接結合を表し、Aが1を表し、Bが0を表す高分子(即ち、ポリエーテルケトンケトン)である。
(d) 基本的に化学式IVの単位から成る高分子であり、式中、Arが(i)部分を表し、EおよびE’が酸素原子を表し、Gが直接結合を表し、mが0を表し、wが1を表し、rが0を表し、sが1を表し、AおよびBが1を表す高分子(即ち、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン)。
(e) 基本的に化学式IVの単位から成る高分子であり、式中、Arが(iv)部分を表し、EおよびE’が酸素原子を表し、Gが直接結合を表し、mが0を表し、wが0を表し、s、r、AおよびBが1を表す高分子(即ち、ポリエーテルエーテルケトンケトン)。
(f) 化学式IVの単位から成る高分子であり、式中、Arが(iv)部分を表し、EおよびE’が酸素原子を表し、mが1を表し、wが1を表し、Aが1を表し、Bが1を表し、rとsが0を表し、Gが直接結合を表す高分子(即ち、ポリエーテル−ジフェニル−エーテル−フェニル−ケトン−フェニル−)。
前記の高分子材料は、望ましくは半結晶性である。高分子における結晶化度の程度と範囲は、望ましくは、例えばブランデルとオズボーンによる論文(Polymer 24,
953, 1983)に述べられたように、広角X線回折(広角X線散乱またはWAXSとも呼ばれる)によって測定される。あるいは、結晶化度は、示差走査熱量測定法(DSC)で評価される場合もある。
前記の高分子材料における結晶化度の程度は、少なくとも1%、好適には少なくとも3
%、望ましくは少なくとも5%、より望ましくは少なくとも10%である。特に望ましい実施態様では、結晶化度は30%を超え、より望ましくは40%を超え、特に45%を超える可能性がある。
前記の高分子材料のガラス転移温度(Tg)は、少なくとも140℃、好適には少なくとも144℃である。一部の例では、154℃以上、160℃以上、164℃以上、170℃以上、190℃以上、または、250℃もしくは更に300℃以上である場合もある。望ましい実施態様では、ガラス転移温度は、140℃から145℃の範囲である。
(結晶である場合)前記の高分子材料の溶解内部温度(Tm)は、少なくとも300℃である可能性がある。
前記の高分子材料は、基本的に前記で定義された(a)から(f)の単位の一つから成る可能性がある。あるいは、高分子材料は、前記で定義された(a)から(f)の単位の二つから成る共重合体を含む可能性がある。望ましい共重合体は、単位(a)を含む。例えば、共重合体は、(a)と(f)の単位を含むか、あるいは(a)と(e)の単位を含む可能性がある。
前記の高分子材料は、望ましくは化学式の反復単位を含み、より望ましくは基本的に化学式の反復単位で構成され、
Figure 0005547399
式中、tとvは単独で0または1を表す。望ましい高分子材料は、t=1またはv=0、t=0およびv=0、もしくはt=0およびv=1のいずれかである前記反復単位を有する。より望ましい高分子材料は、t=1およびv=0、もしくはt=0およびv=0を有する。最も望ましくは、t=1およびv=0を有する。
望ましい実施態様では、前記の高分子材料はポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、およびポリエーテルケトンケトンから選択される。より望ましい実施態様では、前記の高分子材料はポリエーテルケトン、およびポリエーテルエーテルケトンから選択される。特に望ましい実施態様では、前記の高分子材料はポリエーテルエーテルケトンである。
前記フィラー剤は、繊維状のフィラーもしくは非繊維状のフィラーを含む場合がある。当該のフィラー剤は、繊維状のフィラーと非繊維状のフィラーの両方を含む場合もある。
当該の繊維状フィラーは、連続性、もしくは非連続性である場合がある。好適な実施態様では、当該の繊維状のフィラーは非連続性である。
当該の繊維状フィラーは、無機繊維状材料、非溶解性、およびアラミド繊維やカーボンファイバーといった高融点有機繊維状材料から選択しても良い。
当該の繊維状フィラーは、ガラスファイバー、カーボンファイバー、アスベスト繊維、シリカファイバー、アルミナ繊維、ジルコニア繊維、窒化ホウ繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維、フルオロカーボン樹脂繊維、およびチタン酸カリウム繊維から選択しても良い。好適な繊維状フィラーは、ガラスファイバーとカーボンファイバーである。
繊維状フィラーは、ナノファイバーからなる可能性もある。
当該の非繊維性フィラーは、マイカ、シリカ、タルク、アルミナ、カオリン、硫酸カルシウム、カルシウム炭素、酸化チタン、フェライト、粘土、ガラス粉末、酸化亜鉛、炭酸ニッケル、酸化鉄、石英粉末、炭酸マグネシウム、フッ化炭素樹脂、グラファイト、炭素粉末、カーボンブラック、ナノチューブ、および硫酸バリウムから選択しても良い。非繊維性フィラーは、粉末もしくは薄片状の粒子の形で導入される場合がある。
上記の複合材料は、国際特許出願第PCT/GB2003/001872 号に記載された方法(本願明細書に援用する)で調製することができる。好適には、上記の方法では、高分子材料とフィラー剤は高温、適切には高分子材料の融点以上の温度、で混合される。従って、適切には、上記の高分子材料とフィラー剤は、高分子材料が融解されている間に混合されることとなる。上記の高温は、高分子材料の分解温度よりも適切に低い。上記の高温は、好適には高分子材料の溶融吸熱の主ピーク以上である。上記の高温は、好適には少なくとも300℃、より好適には少なくとも350℃である。溶融した高分子材料はフィラーを予めぬらし、及び/又は一体となっているフィラー、例えば繊維状マット又は織られた織布に浸透することによって、製造された複合材料は、高分子材料と、その高分子材料全体にほぼ均一に分散されたフィラー剤とからなるので、有利である。
複合材料は、ほぼ連続したプロセスによって調整されてもよい。この場合、高分子材料とフィラー剤は、それらが混合され、加温される場所へ、連続して供給される。そのような連続したプロセスの一例には押出がある。他の例(フィラー剤が繊維状フィラーからなる場合には特に関係する)は、連続した繊維状物質の集合体を、高分子材料からなる溶融物の中を通過させる工程を使用する。連続した繊維状物質の集合体は、長さ方向に連続的である繊維状フィラー、或いは、より好適には、少なくともある程度までは一体化されている連続した複数のフィラメントからなるのでもよい。連続した繊維状物質の集合体は、ロープ、ロービング、編組ひも、織布、又は不織布からなるものでもよい。繊維状物の集合体を形成するフィラメントはその集合体の内部でほぼ均一に、又はランダムに配置され
うる。
代替手段として、複合材料は不連続のプロセスによって調製される。この場合、所定量の高分子材料と、祖定量のフィラー材料が選択され、および接触され、複合材料は、高分子材料を溶融させ、高分子材料とフィラー材料をほぼ均一な複合材料を形成するように混合させることによって、製造される。
複合材料は、例えばペレットもしくは顆粒といった微粒子型であってもよい。ペレットもしくは顆粒は、最大寸法が10mm未満、望ましくは7mm未満、より望ましくは4mm未満である可能性がある。
望ましくは、前記フィラー剤は、ガラスファイバー、カーボンファイバー、カーボンブラック、およびフッ化炭素樹脂から選択した一つ以上のフィラーで構成される。より望ましくは、前記フィラー剤はガラスファイバーもしくはカーボンより成り、特に例えば刻まれたガラスファイバーもしくはカーボンファイバーといった非連続性の繊維から成る。好適な非連続性の繊維は、高分子材料との接触前に、10mm未満、好適には7mm未満の平均長を有する。平均長は1mmより大きく、好適には2mmより大きい。好適には、繊維状フィラー剤は、高分子材料と接触させる前の長さが10mm未満の長さを有する繊維から、概ね構成される。
前記複合材料は、述べられたような溶融粘度の上述の一つ以上の様々な高分子材料から成る場合がある。望ましくは、前記複合材料は、単一種類のみの高分子材料から成る。当該の単一種類は、望ましくはポリエーテルエーテルケトンである。
前記複合材料は好適には、70重量%未満、好適には65重量%未満、望ましくは55重量%、より望ましくは45重量%、特に35重量%未満の前記の高分子材料を含む(特に、ポリエーテルエーテルケトン)。前記複合材料は好適には、少なくとも35重量%、望ましくは少なくとも45重量%、より望ましくは少なくとも55重量%、最適には少なくとも65重量%のフィラー剤を含む可能性がある(この場合、重量%は各フィラーの存在の重量%の合計を表す)。フィラー剤は、異なる種類のフィラーを含むものであってもよいが、望ましくは単一種類のフィラーから成る。
前記複合材料は好適には、20〜60重量%の、上記の溶融粘度を有する高分子材料(望ましくは、単一種類の高分子材料であり、特にポリエーテルエーテルケトン)と、40〜60重量%のフィラー剤を含む。望ましくは、前記複合材料は、20〜50重量%の高分子材料と、50〜80重量%のフィラー剤とから成る。より望ましくは、前記複合材料は、20〜45重量%の高分子材料と、55〜80重量%のフィラー剤とから成る。
上記の溶融粘度を有する高分子材料の、フィラー剤に対する重量%での比率は、0.6〜1.6の範囲内、好適には、0.65〜1.5の範囲内にある。上記の溶融粘度を有した高分子材料の重量%での比率は好適には1、又はより好適には1未満である。
高分子材料とフィラー剤を接触させた後に調整された混合物は、1重量%未満、好適には0.9重量%未満、より好適には0.7重量%未満、最適には0.5重量%未満の可塑剤を、高分子材料のために適切に含む。可塑剤は、例えば、同一の条件のもと測定した、高分子材料単体の溶融粘度よりも低い溶融粘度を有した高分子材料の溶融物をもたらす材料、例えば、ジフェニルスルホンである。好適には、上記の方法において、高分子材料又はこの高分子材料を含む混合物のいずれに対しても、ジフェニルスルホンなどの可塑剤をほぼ加えない。
高分子材料とフィラー剤を接触させた後に調整された混合物は、100重量部(pbw)の高分子材料に対して、I族又はII族金属のアルカリ塩を0.005pbw未満にて含んでいてもよい。混合物は、100pbwの高分子材料に対して、0.005pbwを超える濃度でいかなる塩も含まないことが好適である。好適には、混合物は、0.004pbw未満、より好適には0.003pbw未満、最適には0.001pbw未満を含む。混合物又はそれから派生する、本方法によって複合材料を製造するために使用するいかなる成分も、I族又はII族金属のアルカリ塩などの塩を、一切含まないことが望ましい。
第1の実施形態の方法は、低濃度のI族又はII族金属イオンを含む複合材料を好適に製造する。上記の複合材料は好適には、1000ppm未満、望ましくは500ppm未満、より望ましくは150ppm未満の任意のアルカリ金属カチオン(例えばNa、Li、もしくはK)を含み、ここでppmは複合材料中の高分子材料の量に基づいている。複合材料は好適には、1000ppm未満、望ましくは500ppm未満、より望ましくは150ppm未満の任意のII族金属カチオン(例えば、Ca2+)を含み、ここでppmは複合物中の高分子材料の量に基づいている。望ましくは、前記複合材料中のI族およびII族金属カチオンのppmの合計は、2000ppm未満、望ましくは1000ppm未満、より望ましくは500ppm未満、特に250ppm未満である。
記載のppmでのイオン濃度は、ICPAES(誘導結合プラズマ発光分光分析)を用いて評価してもよい。
本発明の第2の実施形態によると、上記の第1の実施形態に従って調製された複合材料が提供される。この複合材料は、
(i) 0.01〜0.12kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有する高分子材料と、(ii) フィラー剤とを含み、
ここで高分子材料はそのポリマー骨格に未置換フェニル部分、カルボニル部分、及びエーテル部分を含むものである。
第2の実施形態の複合材料は、第1の実施形態の複合材料のあらゆる特徴をも有する可能性がある。
好適な複合材料は、
(i) 0.06〜0.11kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有する高分子材料と、この材料は好適には、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、及びポリエーテルケトンケトンからなる群から選択された材料であることと、
(ii) 少なくとも45重量%、好適には少なくとも55重量%のフィラー剤と、フィラー剤は好適には繊維状フィラー剤、より好適には非連続な繊維状フィラー剤であることとを備え、ここで複合材料はあらゆるI族金属カチオンであっても1000ppm未満にて、及びあらゆるII族金属カチオンであっても1000ppm未満にて含んでいる。
複合材料は、成分の製造に射出成形または押し出し成形に有利に用いる場合がある。従って、本発明の第3の実施形態によると、第1,2の実施形態に記載された複合材料の押し出し成形もしくは射出成形から成る成分の製造方法が提供される。
上記複合材料は、上記の任意の実施形態に従って記載された前記複合材料の任意の特徴を有する可能性がある。
上記方法は、望ましくは、前駆材料が前記複合材料と対象となる前駆材料からなる成分を作る前駆材料の選択と、押し出し成形もしくは射出成形の装置において前記複合材料の高分子材料を溶解する温度に前駆材料を供する段階を含む。好適には、前記前駆材料は、300℃以上、望ましくは340℃以上の温度に加熱される。好適には450℃を越える温度には加熱されない。
前記前駆材料は、基本的に本明細書に記載の前記複合材料で構成されてもよい。
この方法において、上記の成分を形成するために少なくとも0.5g、好適には少なくとも1.0g、より好適には少なくとも5g、特に少なくとも12gを選択する。
好適には、製造された成分は、少なくとも25g、より好適には少なくとも50gの複合材料を含む。
前記方法は、比較的薄い壁を有する成分を製造するために用いてもよい。従って本発明は、第4の実施形態では3mm以下の厚さの部位を含む壁を有する成分の製造方法に関連し、当該の方法は、
(A)第3の実施形態に述べられたような前駆材料の選択と、
(B)前記成分を形成するための前記前駆材料の処理とからなる。
望ましくは、前記成分は2mm以下、より望ましくは1mm以下の厚さの領域を含む。
(B)に記載の前記処理は、前記前駆材料の溶解物処理を含む。溶解物処理は、望ましくは押し出し成形もしくは射出成形で行われる。
好適には、前記成分は、記載のような厚みがある少なくとも0.5cm、望ましくは少なくとも1cm、より望ましくは少なくとも5cmの面積を有する領域を含む。従って、一実施対応において、前記成分は、3mmの厚さ、望ましくは2mm以下の、少なくとも0.5cmの領域を含んでも良い。
本明細書に記載の高分子材料は、任意の適切な方法で製造されてもよい。米国特許第6566484B2号に記載の求電子プロセスを用いてもよく、もしくは欧州特許第00001879B号またはPCT/GB/02833に述べられたような求核プロセスを用いてもよい。求核プロセスが望ましい。
溶融粘度は、欧州特許第1879B号に記載されたように制御されても良い。
本明細書に記載の任意の発明もしくは実施態様の任意の態様の特性は、必要な変更を加えて本明細書に述べられた別の任意の発明もしくは実施態様の任意の態様の特性と組み合わされてもよい。
本発明の具体的な実施態様は、溶融粘度と固有粘度の間の関係を表すプロットである添付の図を参照しながら、実施例としてこれから説明する。
VICTREX PEEKTM 150P(登録商標)、VICTREX PEEKTM 150GL30、及びVICTREX PEEKTM 150CA30(登録商標)(登録商標)は、英国ヴィクトレックス ピーエルシーから入手しても良い。
本明細書に引用した全ての化学薬品は、特に明記しない限りは、英国ドーセットのシグマ−アルドリッチ ケミカル カンパニーから入手したままで使用した。
(実施例1−ポリエーテルエーテルケトンの調製)
すりガラスのクイックフィット(商標)の蓋部がついた250mLのフランジフラスコ、撹拌棒/攪拌機、窒素の吸気口と排気口に4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(22.48g、0.103モル)、ヒドロキノン(11.01g、0.1モル)、およびジフェニルスルホン(49g)を充てんし、窒素で1時間以上にわたってパージした。内容物は次に窒素ブランケット下でほとんど無色の溶液になるまで140℃と150℃の間で加熱した。窒素ブランケットを維持したまま、乾燥した炭酸ナトリウム(10.61g、0.1モル)と炭酸カリウム(0.278g、0.002モル)を添加した。温度を200℃に上げて1時間維持し、250℃に上げて1時間維持し、315℃に上げて2時間維持した。
反応混合物を冷却し、粉砕し、アセトンと水で洗浄した。結果として生じた高分子化合
物を120℃の空気乾燥器で乾燥させて粉末にした。高分子化合物の400℃、1000sec−1での溶解粘度は0.089kNsm−2だった。
高分子化合物は400℃でプレス機(20トン、5分)で約0.2mm厚の薄いフィルムに圧縮成形し、完全な結晶化を誘導するために400℃から120℃に30分で冷却し、その後室温まで冷却した。
フィルムを次に180℃、その後、360℃の条件にした。この過程を5回反復し、破損せずに残ったフィルムは丈夫であると見なした。
(実施例2a〜2d−溶解粘度が異なるポリエーテルエーテルケトン試料の調製)
溶解粘度が異なるポリエーテルエーテルケトンを作成するため、重合時間が様々である点を除いて実施例1に述べられた方法を反復した。詳細は下の表1に示す。
Figure 0005547399
(実施例3−ポリエーテルエーテルケトンの大規模生成)
機械的検査とメルト・フロー試験を行うのに十分な材料を生成するため、実施例1に記載の方法が大規模に繰り返された。400℃、1000s−1で測定した溶解粘度がそれぞれ0.144、0.110、0.089、0.076、0.059kNsm−2の実施例3a〜3eの5バッチを生成した。
(実施例4a〜4d−ポリエーテルエーテルケトンのメルト・フロー・インデックス)
実施例3c、3e、ヴィクトレックス PEEKTM 150Pの試料、および実施例3dと3aの重量比77:23のブレンドと実施例3eと3aの重量比64:36のブレンドのポリエーテルエーテルケトン試料のメルト・フロー・インデックスをCEASTメルト・フロー・テスター装置 6941.000で測定した。高分子化合物をメルト・フロー・テスターの容器に置き、400℃に加熱した。高分子化合物は次に加重(2.16kg)したピストンを容器に挿入することで一定のせん断応力下で押し出し成形し、2.095mm径×8.000mmのタングステンカーバイドの金型を通して押し出した。MIF(メルト・フロー・インデックス)は、10分で押し出された高分子化合物の平均質量(g)である。結果は下の表2に詳細に示す。
Figure 0005547399
(実施例5−低粘度ポリエーテルエーテルケトンのスパイラルフロー)
370〜390℃の融点で、かつ、140Barの射出圧、モールド温度185℃でのモールド深さ1〜2mm、かつフロー長が所定の場合での、スパイラルフローモールドにおける、スパイラルフロー測定を行った。結果は下記表3に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例6a〜6e−低粘度ポリエーテルエーテルケトンの機械的特性)
実施例3c、3d、3e、ヴィクトレックス PEEKTM 150Pの試料、実施例3dと3bの重量比60:40のブレンド、実施例3b、3c、3d、3eの重量比30:30:30:10のブレンド、実施例3dと3aの重量比77:23のブレンド、ならびに実施例3eと3aの重量比64:36のブレンドを、バーレル温度350〜360℃、ノズル温度365℃、モールド温度145〜155℃、保持圧力30バール、射出圧140バール、スクリュー速度45rpmを使用して射出成形して、機械的特性評価のための標準的テストピースを作成した。結果は、下記の表4に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例7a〜7d−充填された低粘度ポリエーテルエーテルケトンの、メルト・フロー・インデックスと機械的特性)
実施例3eと3aの重量比64:36のブレンドによるポリエーテルエーテルケトンが、それぞれ別個にガラスファイバー(オーエンズ コーニング OCP CS D165−11C)30重量%、及びカーボンファイバー(SGLシグラフィル C25 S006 APS)と、ZSK25WLEツイン・スクリュー・エクストルーダ上で混合され、それぞれ実施例7a、7cとされた。2つの混合物の400℃、2.16kgでのメルト・フロー・インデックスが判定され、それぞれ30重量%のガラスファイバー、カーボンファイバーを含むポリエーテルエーテルケトンの市販のグレードである、ヴィクトレックスPEED 150GL30,150CA30と比較した。結果は表5に詳細に記載した。
混合物7a、7dは、バーレル温度370〜380℃、ノズル温度380℃、モールド温度180〜200℃、保持圧力30バール、射出圧140バール、スクリュー速度45rpmを使用して射出成形して、機械的特性評価のための標準的テストピースを作成し、ヴィクトレックスPEEK 150GL30,150CA30のテストピースと比較した。結果は表5に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例8a〜8g−高充填された低粘度ポリエーテルエーテルケトンの、メルト・フロー・インデックスと機械的特性)
実施例3eと3aの重量比64:36のブレンドによるポリエーテルエーテルケトンが、それぞれ別個に、ガラスファイバー(オーエンズ コーニング OCF D165A−11C)40重量%、50重量%、60重量%、70重量%、及びカーボンファイバー(SGLシグラフィル C25 S006 APS)40重量%、50重量%、60重量%と、ZSK25WLEツイン・スクリュー・エクストルーダ上で混合され、それぞれ実施例8a〜8gとした。混合物の400℃、2.16kgでのメルト・フロー・インデックスが判定され、それぞれ30重量%のガラスファイバー、カーボンファイバーを含むポリエーテルエーテルケトンの市販のグレードである、ヴィクトレックスPEE 150G
L30,150CA30と比較した。結果は表6a、6bに詳細に記載した。
実施例8a〜8gの化合物を、バレル温度370〜380℃、ノズル温度380℃、成型温度180〜200℃、保持圧力30バール、及びスクリュー速度45rpmにて標準テストピースに射出成型し、機械特性を判定し、ヴィクトレックスPEEK 150GL30及び150CA30と比較した。結果は表6a、6b(下記)に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(a) ポリエーテルエーテルケトン試料 ブレンド3e(64重量%)+3a(36重量%)
(b) ISO527
(c) ISO 178−1993(E)
(d) ISO 180
Figure 0005547399
(実施例9a〜9b−マイカが充填された低粘度ポリエーテルエーテルケトンの、メルト・フロー・インデックスと機械的特性)
実施例3eと3aの重量比64:36のブレンドによるポリエーテルエーテルケトン、及びヴィクトレックス150Pが、30重量%のマイカ(CAMP,マイクロンズ マイカ 325メッシュ)と、ZSK25WLEツイン・スクリュー・エクストルーダ上で混合され、それぞれ実施例9a、9bとされた。混合物の400℃、2.16kgでのメルト・フロー・インデックスが判定された。結果は表7に詳細に記載した。
混合物9a、9bは、バーレル温度370〜380℃、ノズル温度380℃、モールド温度180〜200℃、保持圧力30バール、スクリュー速度45rpmを使用して、標準的テストピースに射出成形した。これらの機械的特性評価を行った。結果は表7に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例10a、10b−高充填された低粘度ポリエーテルエーテルケトンの、メルト・フロー・インデックスと機械的特性)
実施例3eと3aの重量比64:36のブレンドによるポリエーテルエーテルケトン、及びヴィクトレックス150Pが、カーボンファイバー(SGLシグラフィル C25 S006)15重量%、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)(アサヒ ガラス フルオロポリマーズ フルオン FL1650)15重量%、ポリエーテルスルホン(PES)(BASF Ultrason E3010)21重量%と、ZSK25WLEツイン・スクリュー・エクストルーダ上で混合され、それぞれ実施例10a、10bとされた。混合物の400℃、10kgでのメルト・フロー・インデックスが判定された。結果は表8aに詳細に記載した。
Figure 0005547399
混合物10a、10bは、バーレル温度370〜380℃、ノズル温度380℃、モールド温度180〜200℃、保持圧力30バール、スクリュー速度45rpmを使用して、標準的テストピースに射出成形した。これらの機械的特性評価を行った。結果は表8bに詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例11−ポリエーテルケトンの調製)
すりガラスのクイックフィット(登録商標)蓋部がついた250mLのフランジフラスコ、撹拌棒/攪拌機、窒素の吸気口と排気口に4,4’−ジフルオロベンゾフェノン(33.49g、0.153モル)、4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(32.13g、0.150モル)、およびジフェニルスルホン(124.5g)を充てんし、窒素で1時間以上にわたってパージした。内容物は次に窒素ブランケット下でほとんど無色の溶液になるまで160℃で加熱した。窒素ブランケットを維持たまま、乾燥した炭酸ナトリウム(16.59g、0.156モル)を添加した。温度を1℃/分で340℃に上げて、2時間維持した。
反応混合物を冷却し、粉砕し、アセトンと水で洗浄した。結果として生じた高分子化合物を120℃の空気乾燥器で乾燥して粉末にした。高分子化合物の400℃、1000sec−1での溶解粘度は0.12kNsm−2だった。
(実施例12a〜12d−ポリエーテルケトンの大規模生成)
機械的検査とメルト・フロー試験を行うのに十分な材料を生成するため、実施例5に述べられた方法が大規模に繰り返された。400℃、1000s−1で測定した溶解粘度がそれぞれ0.12、0.10、0.09、および0.08kNsm−2の実施例12a−dの4バッチを生成した。
(実施例13a、13b−ポリエーテルケトンのメルト・フロー・インデックス)
実施例12cによるポリエーテルケトン試料と、ヴィクトレックスPEKP22試料の、400℃、2.16kgでのメルト・フロー・インデックスが測定された。結果は表9に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例14a〜14e−低粘度ポリエーテルケトンの機械的特性)
実施例12a、12b、12c、12dのポリエーテルケトン及びヴィクトレックス PEKTM 22Pの試料を、バーレル温度380〜390℃、ノズル温度385℃、モールド温度155〜165℃、保持圧力30バール、射出圧140バール、スクリュー速度45rpmを使用して射出成形して、機械的特性評価のための標準的テストピースを作成した。結果は、下記の表10に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例15a〜15b−充填された低粘度ポリエーテルエーテルケトンの、メルト・フロー・インデックスと機械的特性)
実施例12cのポリエーテルケトンとヴィクトレックス PEKTM 22Pの試料が、ガラスファイバー(オーエンズ コーニング OCP CS D165A−11C)30重量%とZSK25WLEツイン・スクリュー・エクストルーダ上で混合され、それぞれ実施例15a、15bとされた。混合物の400℃、2.16kgでのメルト・フロー・インデックスが判定された。結果は表11に詳細に記載した。
混合物15a、15bは、バーレル温度375〜410℃、ノズル温度390℃、モールド温度180〜200℃、保持圧力30バール、スクリュー速度45rpmを使用して標準的テストピースに射出成形して、機械的特性評価を行った。結果は表11に詳細に記載した。
Figure 0005547399
(実施例16a〜16i−高濃度で充てんされた低粘性ポリエーテルエーテルケトンの粘性及び力学的性質)
実施例3e,3aの64:36重量%の混合物のポリエーテルエーテルケトンを実施例16a−16eそれぞれにおいて、0、3、6、9および12%の液晶高分子(LCP)高分子化合物(Ticoma T130、融点370℃、ガラス含量30%)と、総ガラス含量60重量%を得るために追加のガラスファイバー(オウェンズ コーニング D165−11C)とをZSK 25 WLE ツイン スクリュー エクストルーダで混合した。LCP化合物は、混合前に予め150℃で16時間乾燥した。追加のLCPT130が押し出し成形機のトルクを減少させ、繊維の浸潤が改善するのが観察された。
0、5、10、および15%のLCP T130と総ガラス含量30重量%を得るために追加のガラスファイバーを混合したヴィクトレックス150Pポリケトンで、比較試験を実施例16f−16iをそれぞれ実施した。
化合物の溶解粘度を380℃1000s−1で、メルト・フロー・インデックスを380℃、2.16kgで測定した。
実施例16a−16iの化合物を350−360℃のバーレル温度、ノズル温度365℃、モールド温度145−155℃、保持圧力30Bar、およびスクリュー速度45rpmを用いて標準的なテストピースに射出成形し、力学的性質を測定した。結果は下の表12a、12bに詳細に示す。
Figure 0005547399
Figure 0005547399
本発明は前述の実施態様の詳細に限定されない。本発明は本明細書(添付された任意の
請求項、要約および図)に開示された特徴の任意の新規一つまたは任意の新規の組合せ、あるいは本明細書に開示された任意の方法もしくは工程の段階の任意の一つの新規または任意の新規の組合せに及ぶ。
PEEKにおける固有粘度と溶解粘度の比較を示すグラフ。

Claims (20)

  1. 複合材料の製造方法であって、
    0.05〜0.12kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有した高分子材料を選択する工程と、
    前記0.05〜0.12kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有した高分子材料を、不連続の繊維状のフィラー又は非繊維状のフィラーから選択され、前記繊維状のフィラーは10mm未満の平均長を有するフィラー剤と接触させる工程とを備え、
    前記高分子材料は少なくとも10%の結晶化度を有したポリエーテルエーテルケトンであり、前記溶融粘度は0.5x3.175mmのタングステンカーバイドの金型を用い、1000s−1の剪断速度で400℃で動作する毛管レオメータを用いて測定する、複合材料の製造方法。
  2. 複合材料のバッチは少なくとも10kgの重量を有するように製造される、請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記複合材料は微粒子の形態に形成される、請求項1又は2に記載の製造方法。
  4. 前記高分子材料は0.08〜0.11kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
  5. 前記高分子材料は0.085〜0.095kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
  6. 前記繊維状フィラーは、無機繊維状材料、非溶融及び高融点の有機繊維状材料、及び炭素ファイバーからなる群から選択される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
  7. 前記フィラー剤は、不連続ガラスファイバー、不連続炭素ファイバー、カーボンブラック及びフッ化炭素樹脂からなる群から選択する1つ以上のフィラーを含有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
  8. 前記複合材料は高分子材料とフィラー剤からなる混合物の押出からなるプロセスで製造される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の製造方法。
  9. 前記複合材料は前記高分子材料を65重量%以下とフィラー剤を少なくとも35重量%とで含有する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の製造方法。
  10. 前記複合材料は前記高分子材料を20〜60重量%とフィラー剤を40〜60重量%とで含有する、請求項1〜9のいずれか一項に記載の製造方法。
  11. 前記複合材料は前記高分子材料を20〜50重量%とフィラー剤を50〜80重量%とで含有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の製造方法。
  12. 前記高分子材料の前記フィラー剤に対する重量%での比は1未満である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. 前記高分子材料の結晶化度は30%を超える、請求項1〜12のいずれか一項に記載の製造方法。
  14. 請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法によって製造される、複合材料。
  15. 高分子材料及びフィラー剤からなる複合材料であって、前記高分子材料は少なくとも10%の結晶化度を有し、0.06〜0.11kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有し、前記溶融粘度は0.5x3.175mmのタングステンカーバイドの金型を用い、1000s−1の剪断速度で400℃で動作する毛管レオメータを用いて測定したものであり、かつ、ポリエーテルエーテルケトンであり、前記複合材料は、不連続の繊維状フィラー及び非繊維状フィラーからなる群から選択されたフィラー剤を少なくとも45重量%にて含有し、前記不連続の繊維状フィラーは10mm未満の平均長を有する、複合材料。
  16. 前記高分子材料は0.085〜0.095kNsm−2の範囲にある溶融粘度を有するポリエーテルエーテルケトンからなり、不連続の繊維状フィラー剤を含む、請求項14又は15に記載の複合材料。
  17. 前記高分子材料の結晶化度は30%を超える、請求項15又は16に記載の複合材料。
  18. 請求項14〜17のいずれか一項に記載の複合材料を押出成形又は射出成形する工程を備える、部品の製造方法。
  19. 3mm以下の厚さを有する領域を含む壁部を有した部品の製造方法であって、
    (a) 請求項14〜17のいずれか一項に記載の複合材料を選択する工程と、
    (b) 前記部品を形成すべく、前記複合材料を処理する工程とを備える、製造方法。
  20. 工程(b) に記載の処理は、前記複合材料の溶融処理を伴う、請求項19に記載の製造方法。
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