JP5547399B2 - 高分子材料 - Google Patents
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Description
(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。
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。
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、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、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。
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。
望ましくは、Arは次の(vii)から(xiii)の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。
(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−)。
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。
%、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。
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、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。
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。
うる。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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PEEK 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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
Claims (20)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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