JP6520662B2 - 繊維強化プラスチック成形体用基材及び繊維強化プラスチック成形体 - Google Patents
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また、特許文献2には、酸変性ポリオレフィンで集束されたガラス繊維が開示されている。ここでは、このようなガラス繊維をポリプロピレン樹脂及び酸変性ポリプロピレン樹脂と溶融混練し、射出成形することで繊維強化プラスチック成形体が製造されている。
具体的に、本発明は、以下の構成を有する。
[2]さらにシランカップリング剤を含む[1]に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材。
[3]シランカップリング剤は、アミノ基及びエポキシ基から選択される少なくとも1種の基を含有する[2]に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材。
[4]ポリオレフィン樹脂繊維は、ポリプロピレン樹脂繊維である[1]〜[3]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体用基材。
[5]非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂は、マレイン酸変性ポリオレフィン樹脂である[1]〜[4]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体用基材。
[6]非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂の含有量は、不織布100質量部に対して0.1〜5質量部である[1]〜[5]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体用基材。
[7]ガラス繊維の繊維長は、3〜50mmである[1]〜[6]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体用基材。
[8]ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維を含む不織布を形成する工程と、不織布に非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を含む溶液又はエマルジョンを付着させる工程とを含む繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。
[9]さらにシランカップリング剤を付与する工程を含み、シランカップリング剤を付与する工程は、不織布を形成する工程の後であって、非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を含む溶液又はエマルジョンを付着させる工程の前に設けられる[8]に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。
[10]シランカップリング剤を付与する工程は、シランカップリング剤を付与した後に乾燥工程を含み、乾燥温度は100〜135℃である[9]に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。
[11]シランカップリング剤は、アミノ基及びエポキシ基から選択される少なくとも1種の基を含有する[9]又は[10]に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。
[12][8]〜[11]のいずれかに記載の方法で製造された繊維強化プラスチック成形体用基材。
[13][1]〜[7]及び[12]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体用基材を加熱加圧成形して形成された繊維強化プラスチック成形体。
本発明は、ガラス繊維、ポリオレフィン樹脂繊維及び非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を含む繊維強化プラスチック成形体用基材に関する。ここで、非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂の少なくとも一部は、ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維の表面に付着している。すなわち、本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は表面に非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を有する不織布に関するものである。
本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は、ポリオレフィン樹脂繊維を含む。本発明では、ポリオレフィン樹脂繊維は、不織布形成用として用いられる。
ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維の表面には、非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂が付着している。このような非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を有する繊維強化プラスチック成形体用基材を加熱加圧成形すると、高強度の繊維強化プラスチック成形体を得ることができる。また、非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂をガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維の表面に存在させることにより、プレス成形時のガラス繊維とポリオレフィン樹脂繊維の界面密着性を効率よく向上させることができ、結果として繊維強化プラスチック成形体の強度を向上させ、スプリングバックの発生を抑制することができる。さらに、界面密着性が向上することで、界面破壊を抑えてガラス繊維の高強度を活かすことができ、経時における界面剥離による厚み上昇を抑制することができる。なお、非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂は、ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維の表面に水掻き膜状に存在する樹脂である。
ポリオレフィンやα−ポリオレフィンの具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体(エチレン−プロピレンランダム共重合体、エチレン−プロピレンブロック共重合体)、エチレン−ポリブテン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体、エチレン−プロピレン−ブテン三元共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−(メタ)アクリル酸共重合体、エチレン−(メタ)アクリル酸メチル共重合体、エチレン−(メタ)アクリル酸ブチル共重合体、エチレン−ビニルアルコール共重合体、エチレン−ビニルアルコール−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリロニトリル共重合体、エチレン−(メタ)アクリル酸−アクリロニトリル共重合体、エチレン−スチレン共重合体などが挙げられる。中でも、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体が好ましく用いられる。
本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は、強化繊維としてガラス繊維を含む。本発明で用いるガラス繊維としては、Eガラス(Electrical glass)、Cガラス(Chemical glass)、Aガラス(Alkali glass)、Sガラス(High strength glass)及び耐アルカリガラス等のガラスを溶融紡糸してフィラメント状の繊維にしたものを挙げることができる。
また、ガラス繊維の繊維長を上記範囲内とすることにより、繊維強化プラスチック成形体用基材からガラス繊維が脱落することを抑制することができ、かつ、強度に優れた繊維強化プラスチック成形体を成形することが可能となる。また、ガラス繊維の繊維長を上記範囲内とすることにより、ガラス繊維の分散性を良好にすることができる。これにより、加熱加圧成形後の繊維強化プラスチック成形体は良好な強度と外観を有する。
なお、本明細書において、質量平均繊維長は、100本の繊維について測定した繊維長の平均値である。
ここで、丸ガラスとは、繊維の断面形状が略円形のものである。なお、繊維の断面形状とは、ガラス繊維の長さ方向に対し、垂直方向のカット面の形状のことをいう。扁平ガラスとは、繊維の断面形状が扁平(異形)であるものであり、略円形ではないものをいう。具体的には、扁平形状とは、繊維の断面形状が、中心点を通過する最大長で定義される長径と、中心点を通過する最小長で定義される短径を有する形状をいう。扁平形状としては、例えば、ひょうたん型、まゆ型、長円型、楕円型等を例示することができる。
本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は、後述するように、シランカップリング剤を含有することが好ましいが、シランカップリング剤は、予めガラス繊維に付着したものではないことが好ましい。
本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は、さらにシランカップリング剤を含むことが好ましい。繊維強化プラスチック成形体用基材がシランカップリング剤を含むことにより、より高強度の繊維強化プラスチック成形体を得ることができる。
また、分子内にエポキシ基を有するシランカップリング剤の具体的な例としては、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルメチルジメトキシシランなどを挙げることができる。
本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は、バインダー成分をさらに含んでもよい。バインダー成分は、ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維を含む不織布の全質量に対して0.1〜10質量%となるように含有されることが好ましく、0.3〜10質量%であることがより好ましく、0.4〜9質量%であることがさらに好ましく、0.5〜8質量%であることが特に好ましい。バインダー成分の含有量を上記範囲内とすることにより、製造工程中の不織布の強度を高めることができ、ハンドリング性を向上させることができる。なお、バインダー成分の量は多くなると表面強度・層間強度共に強くなるが、逆に加熱成形時の臭気の問題が発生しやすくなる。しかし、上記の範囲において臭気はほとんど発生せず、また断裁工程を経ても層間剥離などを発生しない不織布又は繊維強化プラスチック成形体用基材を得ることができる。
共重合ポリエチレンテレフタレートは、融点が140℃以下のものが好ましく、120℃以下ものがより好ましい。また、特公平1−30926号公報に記載のような変性ポリエステル樹脂を使用してもよい。変性ポリエステル樹脂の具体例として、特に、ユニチカ社製商品名「メルティ4000」(繊維全てが共重合ポリエチレンテレフタレートである繊維)が好ましく挙げられる。また、芯鞘構造のバインダー繊維としては、ユニチカ社製商品名「メルティ4080」や、クラレ社製商品名「N−720」等が好適に使用できる。
本発明は、ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維を含む不織布を形成する工程と、不織布に非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を含む溶液又はエマルジョンを付着させる工程とを含む繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法に関するものでもある。本発明の繊維強化プラスチック成形体用基材は、上記の工程を経て製造されるものであることが好ましい。このような製造方法により製造された繊維強化プラスチック成形体用基材は、高強度の繊維強化プラスチック成形体を成形することができる。
なお、シランカップリング剤のカップリング反応は、後述する繊維強化プラスチック成形体の製造工程における加熱加圧工程において完全に進行する。このようなカップリング反応を行うことにより、繊維強化プラスチック成形体の強度をより効果的に高めることができる。
本発明の繊維強化プラスチック成形体は、上述した繊維強化プラスチック成形体用基材を加熱加圧成形することにより成形される。繊維強化プラスチック成形体用基材は、目的とする形状や成形法に合わせて任意の形状に加工することができる。繊維強化プラスチック成形体は、繊維強化プラスチック成形体用基材を、1枚単独、或いは所望の厚さとなるように積層して熱プレスで加熱加圧成形したり、あらかじめ赤外線ヒーター等で予熱した金型によって加熱加圧成形したりすることで成形される。また、繊維強化プラスチック成形体が多層構造である場合、他種の繊維強化プラスチック成形体用基材を積層して熱プレスで加熱加圧成形することもできる。本発明の繊維強化プラスチック成形体は、一般的な繊維強化プラスチック成形体用基材の加熱加圧成形方法を用いて加工される。
本発明の繊維強化プラスチック成形体の曲げ強度は130MPa以上であることが好ましく、150MPa以上であることがより好ましく、180MPa以上であることがさらに好ましく、200MPa以上であることが特に好ましい。なお、本明細書において、繊維強化プラスチック成形体の曲げ強度とは、繊維強化プラスチック成形体用基材のマシンディレクション方向(以下、MD方向という)およびMD方向と直交するクロスディレクション方向(以下、CD方向という)の曲げ強度の相乗平均値である。なお、各方向の曲げ強度は、JIS K 7074(炭素繊維プラスチック成形体の曲げ試験方法)に準じて測定することができる。
曲げ強度の相乗平均値=√(MD方向の曲げ強度×CD方向の曲げ強度)
なお、繊維強化プラスチック成形体のMD方向とCD方向は、以下の通り求めた。繊維強化プラスチック成形体の3辺(縦、横、厚さ)のうち、最短の辺を厚みとし、厚み方向に垂直の面を繊維強化プラスチック成形体の面とした。ここで、繊維強化プラスチック成形体のMD方向は、繊維強化プラスチック成形体の面上に存在する方向のうち、最も強度が強い方向である。また、CD方向は、面上に存在する方向であって、MD方向に直交する方向である。繊維強化プラスチック成形体のMD方向は、繊維強化プラスチック成形体の面上の任意の1点を中心点とし、その中心点を基準として各方向(縦、横方向を含む面内に存在する方向)の強度を計測することで決定した。各方向の強度は中心点から10°刻みで36方向測定した。
曲げ弾性率の相乗平均値=√(MD方向の曲げ弾性率×CD方向の曲げ弾性率)
ここで、繊維強化プラスチック成形体のスプリングバック(厚みの変化率)は、繊維強化プラスチック成形体を90℃の恒温器中に350時間保管し、処理前後の厚み変化率を下式より求める。
厚み変化率=(処理後の厚み−処理前の厚み)÷処理前の厚み×100
本発明の繊維強化プラスチック成形体の用途としては、例えば、「OA機器、携帯電話、スマートフォン、携帯情報端末、タブレットPC、デジタルビデオカメラなどの携帯電子機器、エアコンその他家電製品などの筐体、及び筐体に貼り付けるリブ等の補強材、「支柱、パネル、補強材」などの土木、建材用部品、「各種フレーム、各種車輪用軸受、各種ビーム、ドア、トランクリッド、サイドパネル、アッパーバックパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、などの外板またはボディー部品及びその補強材」、「インストルメントパネル、シートフレームなどの内装部品」、または「ガソリンタンク、各種配管、各種バルブなどの燃料系、排気系、または吸気系部品」、「エンジン冷却水ジョイント、エアコン用サーモスタットベース、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング」、などの自動車、二輪車用部品、「ウィングレット、スポイラー」などの航空機用部品、「鉄道車両用の座席用部材、外板パネル、外板パネルに貼り付ける補強材、天井パネル、エアコン等の噴出し口」などの鉄道車両用部品、「樹脂(熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂)からなる成形体の補強材、樹脂と強化繊維からなる成形体の補強材、植物由来のシート(クラフト紙、段ボール、耐油紙、絶縁紙、導電紙、剥離紙、含浸紙、グラシン紙、セルロースナノファイバーシートなど)の補強材」などの部材等に好適に使用される。さらに、本発明の繊維強化プラスチック成形体は薄くても難燃性に優れるため、電気絶縁性の高いガラス繊維を強化繊維として用いることで、電気絶縁用基板としても好適に用いることができる。
このように、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、強度が高く、また優れた難燃性を有するため安全性が高いので、電気、電子機器用の筐体、自動車用の構造部品、航空機用の部品、土木、建材用のパネル、その他多種多様な用途に好ましく用いられる。
以下のようにして、表1に示す割合で各繊維を含む繊維強化プラスチック成形体用基材(以下、湿式不織布または不織布ということもある)を傾斜型抄紙機(傾斜ワイヤー型抄紙機)を用いた抄紙工程を経て製造した。なお、ガラス繊維としては、質量平均繊維長が18mm、直径が9μmのユージー基材社製のガラス繊維(丸断面繊維)を用いた。ポリプロピレン繊維(熱可塑性樹脂繊維)としては、質量平均繊維長が15mm、直径が18μmの未変性ポリプロピレン繊維(「PZ」ダイワボウポリテック社製)を用いた。
ついで、ポリプロピレン繊維と、バインダー成分としてポリビニルアルコール繊維(「VPB105−2」クラレ社製)を表1の配合比(質量比)となるように投入し、回転数250rpmで攪拌を続けた。ポリビニルアルコール繊維は水溶性であるため、得られた不織布中では繊維の形態を維持していない。
その後、これに水を加え、固形分濃度(ガラス繊維、ポリプロピレン繊維、ポリビニルアルコール繊維の合計濃度。)が0.5質量%となるように調整した。
その後、50℃に冷却し、厚み1.1mmの繊維強化プラスチック成形体を得た。
実施例1の抄紙工程で得られた不織布(酸変性ポリオレフィン樹脂水溶液含浸前の不織布)エポキシ系シランカップリング剤水溶液(「KBM−403」信越化学工業社製)中に浸した後、真空吸引によって吸着量を調節し、110℃の恒温機で60分間乾燥させた後、シランカップリング剤が1.4質量部付着した不織布を得た。その後、さらに「NZ−1022」水溶液中に浸して酸変性ポリオレフィン樹脂が1.4質量部付着した不織布を得た。それ以外は、実施例1と同様に行った。
「NZ−1022」の代わりに酸変性ポリオレフィン樹脂水溶液(「NZ−1015」東洋紡社製)を用いて酸変性ポリオレフィン樹脂が1.4質量部付着した不織布を得たこと以外は、実施例2と同様に行った。
「KBM−403」の代わりにアミン系シランカップリング剤水溶液(「KBM−603」信越化学工業社製)を用いてシランカップリング剤が1.8質量部付着した不織布を得たこと、及び酸変性ポリオレフィン樹脂の付着量を表1の通りとなるように変更した以外は、実施例2と同様に行った。
未変性ポリプロピレン繊維「PZ」の代わりに 酸変性ポリプロピレン繊維(「PZ−AD」ダイワボウポリテックス社製)を用い、シランカップリング剤及び酸変性ポリオレフィン樹脂の付着量を表1の通りとなるように変更した以外は、実施例2と同様に行った。
ガラス繊維の代わりに、質量平均繊維長が13mm、長径が28μm、短径が7μm、比(長径/短径)が4の日東紡社製の扁平ガラス繊維を用い、シランカップリング剤及び酸変性ポリオレフィン樹脂の付着量を表1の通りとなるように変更した以外は、実施例2と同様に行った。
シランカップリング剤を付着させる工程の前に「NZ−1022」水溶液を用いて酸変性ポリオレフィン樹脂が0.9質量部付着した不織布を得た後、「KBM−403」水溶液を用いてシランカップリング剤が0.8質量部付着した不織布を得たこと以外は、実施例2と同様に行った。
「NZ−1022」と「KBM−403」の等重量混合水溶液を用いて酸変性ポリオレフィン樹脂とシランカップリング剤が0.8質量部ずつ付着した不織布を得たこと以外は、実施例1と同様に行った。
質量平均繊維長が各々25mm、50mmのガラス繊維を用い、シランカップリング剤及び酸変性ポリオレフィン樹脂の付着量を表1の通りとなるように変更した以外は、実施例2と同様に行った。
「NZ−1022」処理を実施しなかった以外は、実施例1と同様に行った。
「NZ−1022」処理を実施しなかった以外は、実施例2と同様に行った。
「KBM−403」処理、及び「NZ−1022」処理を実施しなかった以外は、実施例5と同様に行った。
<曲げ強度及び曲げ弾性率>
得られた繊維強化プラスチック成形体について、JIS K 7074(炭素繊維プラスチック成形体の曲げ試験方法)に準じて、繊維の配向方向(マシンディレクション、以下「MD方向」という。)およびMD方向と直交する方向(クロスディレクション、以下「CD方向」という。)の曲げ強度、曲げ弾性率を測定した。
そして、MD方向とCD方向の値の相乗平均値を下式にて求めた。
相乗平均値=√(MD方向の曲げ強度×CD方向の曲げ強度)
曲げ強度の値を表1及び2に示す。
スプリングバックは、得られた繊維強化プラスチック成形体を90℃の恒温器中に350時間保管し、処理前後の厚み変化率を下式より求め、n=3の平均値を算出した。
厚み変化率=(処理後の厚み−処理前の厚み)÷処理前の厚み×100
厚み変化率を表1に示す。
Claims (3)
- ガラス繊維及びポリオレフィン樹脂繊維を含む不織布を形成する工程と、
シランカップリング剤を付与する工程と、
前記不織布に非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を含む溶液又はエマルジョンを付着させる工程を含み、
前記シランカップリング剤を付与する工程は、前記不織布を形成する工程の後であって、前記非繊維状の酸変性ポリオレフィン樹脂を含む溶液又はエマルジョンを付着させる工程の前に設けられる繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。 - 前記シランカップリング剤を付与する工程は、シランカップリング剤を付与した後に乾燥工程を含み、前記乾燥温度は100〜135℃である請求項1に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。
- 前記シランカップリング剤は、アミノ基及びエポキシ基から選択される少なくとも1種の基を含有する請求項1又は2に記載の繊維強化プラスチック成形体用基材の製造方法。
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