JP6539329B2 - 超高分子量ポリエチレン繊維 - Google Patents
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Description
特に近年、釣り糸、船舶係留用ロープにおいては強度、及び耐クリープ性への要求が高い。また、釣り糸、船舶係留用ロープのような組紐は、複数の繊維を撚った構造を有することから、この構造を保つことが必要であり、組紐を構成する繊維には形状保持に優れることが求められる。さらに、このような組紐を構成する繊維の製造においては繊維を巻き取る工程が含まれ、このとき生産性の観点から、高速で糸の巻取りが可能であることが求められる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、強度、耐クリープ性、形状保持に優れること、高速での糸の巻取りが可能であることの全てを両立した超高分子量ポリエチレン繊維を提供することを課題とする。
[1]
粘度平均分子量が、10×104〜1000×104である、超高分子量ポリエチレン繊維であって、
前記超高分子量ポリエチレン繊維の昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)において、少なくとも融解ピークを3本有し、
前記融解ピークにおける、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度と、(II)150℃以上158℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度との差が、10℃以下であり、
融解ピーク全体の面積(ΔH 1 )に対して、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度以下の面積(ΔH 2 )割合が、15%以上35%以下であって、融解ピーク全体の面積(ΔH 1 )に対して、(III)158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピーク温度以上の面積(ΔH 3 )割合が、5%以上10%以下である、超高分子量ポリエチレン繊維。
[2]
配向度が、0.40以上である、[1]に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
[3]
エチレンとコモノマーとの共重合体を含み、
前記共重合体におけるコモノマー単位の含有量が、0.01モル%以上5モル%以下である、[1]又は[2]に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
[4]
チタン含有量が、5ppm以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
[5]
ケイ素含有量が、0.1ppm以上50ppm以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
[6]
Mw/Mnが、3.0以上13以下である、[1]〜[5]のいずれかに記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
[7]
灰分量が、100ppm以下である、[1]〜[6]のいずれかに記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
[8]
温度70℃、破断応力の30%荷重下でのクリープ寿命が、少なくとも72時間である、[1]〜[7]のいずれかに記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、粘度平均分子量が10×104〜1000×104である。
また、本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)において、少なくとも融解ピークを3本有し、
前記融解ピークにおける、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度と、(II)150℃以上158℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度との差が、10℃以下である。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維における超高分子量とは、粘度平均分子量が10×104〜1000×104であることを指す。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維の粘度平均分子量(Mv)は、好ましくは50×104〜950×104であり、より好ましくは100×104〜950×104である。
粘度平均分子量(Mv)が10×104以上であることにより、強度がより向上する。また、粘度平均分子量(Mv)が1000×104以下であることにより、成形性がより向上する。さらに、粘度平均分子量が上記範囲であることにより、生産性により優れ、成形した場合には、強度低下を抑制することができる。なお、本実施形態における粘度平均分子量は、繊維をデカヒドロナフタレンで溶解し、その溶液の比粘度から求めた極限粘度を粘度平均分子量に換算した値を指す。
粘度平均分子量(Mv)は、ポリエチレンの重合工程において、重合温度を調整することや、重合触媒の種類によって調整することができる。
粘度平均分子量(Mv)は、具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
また、本実施形態に係る超高分子量ポリエチレン繊維は、分子量分布(Mw/Mn)の値が、好ましくは3.0以上13以下であり、より好ましくは3.5以上11以下であり、さらに好ましくは4.0以上10以下である。分子量分布(Mw/Mn)の値が3.0以上であることにより、成形性に優れ、高速での糸の巻取りが可能となり、糸径も均一になる傾向がある。また、分子量分布(Mw/Mn)の値が13以下であることにより、強度や弾性率が高くなる傾向にある。
Mwは重量平均分子量であり、Mnは数平均分子量である。
分子量分布は、後述の触媒を使用するか、重合系内の条件(水素濃度、温度、エチレン圧力等)を一定に保つことで、小さくするよう調整できる。一方、エチレン重合体の分子量分布を大きくするよう調整する方法としては、回分式重合で重合中の条件を変化させる(例えば、連鎖移動剤である水素の濃度を重合中に変化させる、温度を変化させる等)、連続式重合で複数の反応器を用いて重合系内の条件を変化させる等の手法が挙げられる。
分子量分布は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定することができる。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)において、少なくとも融解ピークを3本有する。また、前記融解ピークにおける、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度と、(II)150℃以上158℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度との差が、10℃以下である。
超高分子量ポリエチレン繊維は、紡糸工程において、結晶間を繋ぐネットワークが形成されるため、延伸倍率が30倍を超える延伸が可能になり、高強度、高弾性率を有する超高分子量ポリエチレン繊維となる。溶融延伸時には、延伸倍率の向上に伴い、六方晶、斜方晶等の配向結晶の生成及び成長が起きる。従来の超高分子量ポリエチレン繊維では、DSC昇温曲線の140℃以上150℃未満と、155℃以上160℃未満に、各々1ピークが存在する。一方、本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、140℃以上150℃未満、150℃以上158℃未満に、各々少なくとも1ピーク存在し、好ましくは、140℃以上150℃未満、150℃以上158℃未満、158℃以上165℃未満に、各々少なくとも1ピーク存在する。
(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度と、(II)150℃以上158℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度との差を算出するための融解ピークは、140℃以上150℃未満の間又は150℃以上158℃未満の間に発現する最も高い温度のピークである。
(I)と、(II)との差の下限値は、特に制限されないが、好ましくは2℃以上であり、より好ましくは3℃以上であり、さらに好ましくは4℃以上である。
(I)と、(II)との差が2℃以上であることにより、超高分子量ポリエチレン繊維の強度が高くなり、耐クリープ性も高くなる傾向にある。
(I)と、(II)との差が10℃以下であることにより、超高分子量ポリエチレン繊維の強度が高くなり、耐クリープ性が高くなる傾向にあり、これらの性能を両立できる。また、(I)と、(II)との差が10℃以下であることにより、紡糸時に高速で巻き取ることが可能となり、糸の形状保持性能が高くなる傾向にある。
本実施形態における昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)による、融解ピークの観測や、融解ピークのピーク温度の差の測定は、具体的には実施例に記載の方法によって行うことができる。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維の昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)において、融解ピーク全体の面積(ΔH1)に対して、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度以下の面積(ΔH2)割合は、好ましくは15%以上35%以下であり、より好ましくは20%以上30%以下であり、さらに好ましくは20%以上30%未満である。また、融解ピーク全体の面積(ΔH1)に対して、(III)158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピーク温度以上の面積(ΔH3)割合は、好ましくは5%以上10%以下であり、より好ましくは5.5%以上9.5%以下であり、さらに好ましくは6%以上9%以下である。
融解ピーク全体の面積(ΔH1)とは、DSC曲線の140℃未満、及び170℃超過にそれぞれ存在する基底を結んだ直線(x’)と、DSC曲線とに挟まれた部分の面積である。
(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度以下の面積(ΔH2)とは、140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピークトップからx軸に対して垂直に結んだ直線、DSC曲線、及び直線(x’)に囲まれた部分の面積である。
(III)158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピーク温度以上の面積(ΔH3)とは、158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピークトップからx軸に対して垂直に結んだ直線、DSC曲線、及び直線(x’)に囲まれた部分の面積である。
ΔH2及びΔH3を算出するための融解ピークは、140℃以上150℃未満の間又は158℃以上170℃以下の間に発現する最も高い温度のピークである。
また、融解ピーク全体の面積(ΔH1)に対して、(III)158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピーク温度以上の面積(ΔH3)割合が5%以上であることにより、耐クリープ性に優れ、高強度になり、耐切創性にも優れる繊維になる傾向にある。一方、ΔH3の割合が10%以下であることにより、単糸を数本撚った後の形状保持に優れ、糸が解れにくいマルチフィラメントになる傾向にある。
本実施形態においては、融解ピーク全体の面積(ΔH1)に対する(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度以下の面積(ΔH2)と、(III)158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピーク温度以上の面積(ΔH3)割合を上述の範囲に調整することにより、耐クリープ性、強度に加えて、糸の巻き癖が付かず、形状保持に優れる糸になる傾向にある。
融解熱量(ΔH)が高い超高分子量ポリエチレンパウダーほど結晶化度が高いため、延伸成形体の製造に好ましい。一方、ポリエチレンは非晶部から溶けるため、結晶化度が高いほど一般に成形しにくくなる。ここで、本実施形態における結晶化度とは、超高分子量ポリエチレンパウダーの融解熱量(単位:J/g)の、完全結晶のポリエチレンの融解熱量(290.4J/g)に対する百分率を意味する。
本実施形態における昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)による、融解ピークの観測や、融解ピークのピーク温度の差の測定は、具体的には実施例に記載の方法によって行うことができる。
共重合体中のコモノマー単位の含有量は、ポリエチレンの重合工程において、配合するコモノマーの量を調整することにより制御することができる。
共重合体中のコモノマー単位の含有量は、具体的には実施例に記載の方法により測定することができる。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、配向度が0.40以上であることが好ましい。配向度の最大値は1である。超高分子量ポリエチレン繊維を同一原料から紡糸した繊維を比較した場合、配向度が高い程、高強度である傾向にある。
配向度は、溶融混練時のポリマー濃度、温度等を調整し、分子鎖の絡み合いを解くことにより、調整することができる。絡み合いを解すことにより、より高延伸することが可能になる。なお、溶融混練時のポリマー濃度を下げることにより、分子鎖の絡み合いが解け易くなり、また、溶融混練時の温度を上げることにより、分子鎖の絡み合いが解け易くなる。
配向度は、具体的には実施例に記載の方法によって測定することができる。
Re:リタデーション値
Δn0:分子の固有複屈折(PE:0.066)
P:配向度
d:サンプルの厚み(繊維の場合は糸径)
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維の糸径は、例えば、オリンパス(株)製の光学系システム顕微鏡(本体型式:BX51TRF−6(D))を用いて算出することができる。測定に用いた繊維は単糸5本で、単糸1本につき場所違いで3点測定し平均値を算出することで糸径を求める。糸径は、具体的には実施例に記載の方法によって測定することができる。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維の糸径は、好ましくは10μm以上30μm以下である。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維におけるチタン(Ti)含有量は、好ましくは5ppm以下である。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維におけるケイ素(Si)含有量は、好ましくは0.1ppm以上50ppm以下である。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維における灰分量は、好ましくは100ppm以下である。灰分量は、超高分子量ポリエチレン繊維中の無機系添加剤の含有量である。
超高分子量ポリエチレン繊維中のTi、Si含有量、灰分量を上記の範囲にそれぞれ調整することにより、超高分子量ポリエチレン繊維は、熱安定性及び長期安定性がより優れる傾向にある。
Ti含有量、Si含有量、灰分量は、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維の原料となるポリエチレンの製造において、後述するチーグラー・ナッタ触媒及びメタロセン触媒を使用する方法等が挙げられる。
Ti含有量、Si含有量、灰分量は、具体的には実施例に記載の方法によって測定することができる。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維に使用するポリエチレンは、特に限定されないが、一般的なチーグラー・ナッタ触媒及びメタロセン触媒を用いて製造することが好ましい。
チーグラー・ナッタ触媒としては、固体触媒成分[A]及び有機金属化合物成分[B]からなる触媒であって、固体触媒成分[A]が、下記式1で表される不活性炭化水素溶媒に可溶である有機マグネシウム化合物(A−1)と、下記式2で表されるチタン化合物(A−2)とを反応させることにより製造されるオレフィン重合用触媒であるものが好ましい。
(式中、M1は周期律表第12族、第13族及び第14族からなる群に属する金属原子であり、R2及びR3は炭素数2以上20以下の炭化水素基であり、Y1はアルコキシ、シロキシ、アリロキシ、アミノ、アミド、−N=C−R4、R5、−SR6(ここで、R4、R5及びR6は炭素数1以上20以下の炭化水素基を表す。cが2の場合には、Y1はそれぞれ異なっていてもよい。)、β−ケト酸残基のいずれかであり、α、β、a、b及びcは次の関係を満たす実数である。0≦α、0<β、0≦a、0≦b、0≦c、0<a+b、0≦c/(α+β)≦2、nα+2β=a+b+c(ここで、nはM1の原子価を表す。))
(式中、dは0以上4以下の実数であり、R7は炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、X1はハロゲン原子である。)
群(2):R2とR3とが炭素原子数の互いに相異なるアルキル基であること、好ましくはR2が炭素原子数2又は3のアルキル基であり、R3が炭素原子数4以上のアルキル基であること。
群(3):R2、R3の少なくとも一方が炭素原子数6以上の炭化水素基であること、好ましくはR2、R3に含まれる炭素原子数を加算すると12以上になるアルキル基であること。
に炭素数2以上20以下の炭化水素基を表す。)、β−ケト酸残基のいずれかである。
(A−2):Ti(OR7)dX1 (4-d) ・・・式2
(式中、dは0以上4以下の実数であり、R7は炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、X1はハロゲン原子である。)
(式中、M2は周期律表第12族、第13族及び第14族からなる群に属する金属原子であり、R8、R9及びR10はそれぞれ炭素数2以上20以下の炭化水素基であり、γ、δ、e、f及びgは次の関係を満たす実数である。0≦γ、0<δ、0≦e、0≦f、0≦g、0<e+f、0≦g/(γ+δ)≦2、kγ+2δ=e+f+g(ここで、kはM2の原子価を表す。))
(式中、R11は炭素数1以上12以下の炭化水素基であり、hとiは次の関係を満たす実数である。0<h、0<i、0<h+i≦4)
(式中、M1は周期律表第12族、第13族及び第14族からなる群に属する金属原子であり、R2及びR3は炭素数2以上20以下の炭化水素基であり、Y1はアルコキシ、シロキシ、アリロキシ、アミノ、アミド、−N=C−R4,R5、−SR6(ここで、R4、R5及びR6は炭素数1以上20以下の炭化水素基を表す。cが2の場合には、Y1はそれぞれ異なっていてもよい。)、β−ケト酸残基のいずれかであり、α、β、a、b及びcは次の関係を満たす実数である。0≦α、0<β、0≦a、0≦b、0≦c、0<a+b、0≦c/(α+β)≦2、nα+2β=a+b+c(ここで、nはM1の原子価を表す。))
(式中、dは0以上4以下の実数であり、R7は炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、X1はハロゲン原子である。)
群(2):R8とR9とが炭素数の互いに相異なるアルキル基であること、好ましくはR8が炭素数2又は3のアルキル基であり、R9が炭素数4以上のアルキル基であること。
群(3):R8、R9の少なくとも一方が炭素数6以上の炭化水素基であること、好ましくはR8、R9に含まれる炭素数の和が12以上になるアルキル基であること。
(式中、R11は炭素数1以上12以下の炭化水素基であり、hとiは次の関係を満たす実数である。0<h、0<i、0<h+i≦4)
(式中、M1は周期律表第12族、第13族及び第14族からなる群に属する金属原子であり、R2及びR3は炭素数2以上20以下の炭化水素基であり、Y1はアルコキシ、シロキシ、アリロキシ、アミノ、アミド、−N=C−R4,R5、−SR6(ここで、R4、R5及びR6は炭素数1以上20以下の炭化水素基を表す。cが2の場合には、Y1はそれぞれ異なっていてもよい。)、β−ケト酸残基のいずれかであり、α、β、a、b及びcは次の関係を満たす実数である。0≦α、0<β、0≦a、0≦b、0<a+b、0≦c/(α+β)≦2、nα+2β=a+b+c(ここで、nはM1の原子価を表す。))
(式中、dは0以上4以下の実数であり、R7は炭素数1以上20以下の炭化水素基であり、X1はハロゲン原子である。)
本実施形態においては、(C−3)に対する(C−5)の担持方法については特に限定されず、(C−3)に対して過剰な(C−5)を反応させる方法や、第三成分を使用することにより(C−5)を効率的に担持する方法を用いてもよいが、(C−5)と有機マグネシウム化合物(C−4)との反応により担持する方法が好ましい。
(式中、R12は炭素数1以上20以下の炭化水素基、Z1は水素、ハロゲン、アルコキシ、アリロキシ、シロキシ基からなる群に属する基であり、jは2以上3以下の数である。)
(式中、M2は周期律表第12族、第13族及び第14族からなる群に属する金属原子であり、R8、R9及びR10はそれぞれ炭素数2以上20以下の炭化水素基であり、γ、δ、e、f及びgは次の関係を満たす実数である。0≦γ、0<δ、0≦e、0≦f、0≦g、0<e+f、0≦g/(γ+δ)≦2、kγ+2δ=e+f+g(ここで、kはM2の原子価を表す。))
メタロセン触媒を用いた例としては、一般的な遷移金属化合物が用いられる。例えば、日本国特許4868853号に記載の製造方法が挙げられる。このようなメタロセン触媒は、a)環状η結合性アニオン配位子を有する遷移金属化合物及びb)該遷移金属化合物と反応して触媒活性を発現する錯体を形成可能な活性化剤の2つの触媒成分から構成される。
本実施形態における活性化剤として例えば、以下の式(3)で定義される化合物が挙げられる。
(式中、[L2−H]d+はプロトン供与性のブレンステッド酸を表し、但し、L2は中性のルイス塩基を表し、dは1〜7の整数であり;[M5 mQp]d-は両立性の非配位性アニオンを表し、ここで、M5は、周期表第5族〜第15族のいずれかに属する金属又はメタロイドを表し、Qは、各々独立して、ヒドリド、ハライド、炭素数2〜20のジヒドロカルビルアミド基、炭素数1〜30のヒドロカルビルオキシ基、炭素数1〜30の炭化水素基、及び炭素数1〜40の置換された炭化水素基からなる群より選ばれ、ここで、ハライドであるQの数は1以下であり、mは1〜7の整数であり、pは2〜14の整数であり、dは上で定義した通りであり、p−m=dである。)
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、ポリエチレンから製造することができる。上記ポリエチレンの形態は、特に制限されないが、好ましくはポリエチレンパウダーである。
ポリエチレンパウダーの製造方法におけるポリエチレンの重合法としては、懸濁重合法或いは気相重合法により、エチレン、又はエチレンを含む単量体を(共)重合させる方法が挙げられる。このなかでも、重合熱を効率的に除熱できる懸濁重合法が好ましい。懸濁重合法においては、媒体として不活性炭化水素媒体を用いることができ、さらにオレフィン自身を溶媒として用いることもできる。
本実施形態のポリエチレンパウダーには、必要に応じて、スリップ剤、中和剤、酸化防止剤、耐光安定剤、帯電防止剤、顔料等の添加剤を添加することができる。
本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法について以下に記載する。
まず、ポリエチレンパウダーに、必要に応じて酸化防止剤を添加し、溶媒を配合してスラリー状液体を調製する。
また、ポリエチレンパウダーに添加する酸化防止剤の添加量は、ポリエチレンパウダーと酸化防止剤との合計量に対し、好ましくは300〜800ppm、より好ましくは400〜700ppm、さらに好ましくは500〜600ppmである。
溶媒は、大気圧にて少なくとも約180℃の沸点を有する溶媒でもよい。上記溶媒としては、例えば、ハロゲン化炭化水素、鉱油、流動性パラフィン、デカリン、テトラリン、ナフタレン、キシレン、トルエン、ドデカン、ウンデカン、デカン、ノナン、オクテン、シス−デカヒドロナフタレン、トランス−デカヒドロナフタレン、低分子量ポリエチレンワックス、及びこれらの混合物等が挙げられる。これらの中でも、鉱油、デカリン、及びこれらの混合物が好ましい。
ポリエチレンパウダーと溶媒との配合比としては、ポリエチレンパウダーが85wt%以上95wt%以下、溶媒が5wt%以上15wt%以下であることが好ましく、ポリエチレンパウダーと溶媒との合計が100wt%になるように調整する。
ポリエチレンパウダー、溶媒、酸化防止剤等を混合した液体は、スラリー状にした後、真空脱気することにより、パウダー中に存在する気体を完全に溶媒と入れ替えてから押出機に導入することが好ましい。また、スラリー状液体は、スラリー状態で80℃以上、1時間以上撹拌しながら真空脱気した後に押出機に導入することがより好ましい。
押出機でのスラリー状液体の混練は、窒素下で行い、酸素濃度を0.1%以下とすること、及び、押出機に導入する溶媒の10%以上50%以下の量を押出機のダイスとスラリー導入箇所の中間からサイドフィードで導入することが好ましい。また、サイドフィードで導入する溶媒は100℃以上200℃以下に加熱した状態で導入することが好ましい。
ゲル紡糸プロセスは、スラリー状液体を押出機で押出して、ポリエチレンパウダー及び溶媒の混合物、好ましくは均一な混合物を形成することを含んでよい。スラリーを押出すことによる混合物の形成は、ポリエチレンパウダーが溶融する温度よりも高い温度で行ってよい。押出機で形成されるポリエチレンパウダー及び紡糸溶媒の混合物は、従って、溶融ポリエチレンパウダーおよび紡糸溶媒の液体混合物であってよい。溶融ポリエチレンパウダーおよび紡糸溶媒の液体混合物が押出機中で形成される温度は、140℃以上320℃以下であり、好ましくは200℃以上300℃以下、より好ましくは220℃以上280℃以下である。また、押出機内での溶融滞留時間としては5分以上30分以下であり、好ましくは10分以上25分以下であり、より好ましくは15分以上20分以下である。
ついで、該糸から溶媒を除去する。溶媒を除去する方法は紡糸溶液の種類によって異なり、例えばデカリンの場合は、40℃ 、24時間以上の条件で真空乾燥させることで除去し、流動性パラフィンの場合は、ヘキサン等の溶媒に該糸を浸漬させ、抽出作業を行った後、24時間以上真空乾燥させる。
得られた糸を糸温度が100℃以上140℃以下になるように金属ヒータに接触させ、一次延伸し延伸糸を巻き取る。ついで、該延伸糸を延伸糸が140℃以上160℃以下になるように金属ヒータに接触させ更に二次延伸し、糸が切れる直前の延伸倍率を限界延伸倍率とする。なお、限界延伸倍率まで延伸した糸を用いて、破断試験、耐クリープ性試験、形状保持確認を実施した。
クリープ寿命は、70℃の高温条件下で、ポリエチレン繊維破断応力の30%荷重の重りをぶら下げて、ポリエチレン繊維が破断するまでの時間により表される。本実施形態の超高分子量ポリエチレン繊維は、少なくとも72時間、破断しないことが好ましい。
本実施形態におけるクリープ寿命は、70℃の高温条件下で、ポリエチレン繊維破断応力の30%荷重の重りをぶら下げて、ポリエチレン繊維が破断するまでの時間を計ることによって測定される。
実施例及び比較例のポリエチレン繊維の物性を下記の方法で測定した。
1)ポリエチレン繊維10mgを秤量し、試験管に投入した。
2)試験管に20mLのデカリン(デカヒドロナフタレン)を投入した。
3)150℃で2時間攪拌してポリエチレンを溶解させた。
4)その溶液を135℃の恒温槽で、ウベローデタイプの粘度計を用いて、標線間の落下時間(ts)を測定した。
5)同様に、ポリエチレン繊維5mgの場合についても標線間の落下時間(ts)を測定した。
6)ブランクとしてポリエチレン繊維を入れていない、デカリンのみの落下時間(tb)を測定した。
7)以下の式にしたがって求めたポリエチレン繊維の還元粘度(ηsp/C)をそれぞれプロットして、濃度(C)とポリエチレン繊維の還元粘度(ηsp/C)の直線式を導き、ポリエチレン繊維の濃度を0に外挿して、極限粘度(η)を求めた。
ηsp/C=(ts/tb−1)/0.1
8)この極限粘度(η)から以下の式に従い、粘度平均分子量(Mv)を求めた。
Mv=(5.34×104)×[η]1.49
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の融解ピーク及び融解熱量(ΔH)は、PERKIN ELMER社製示差走査熱量分析装置Pyris1(商品名)を用いて測定した。サンプル8.4mgを50℃で1分保持した後、10℃/分の速度で180℃まで昇温し、その際に得られる融解曲線ピークを基に発熱ピークを、融解曲線の全結晶ピーク面積(ΔH1)から算出した総熱量をサンプル重量で割ることで融解熱量(ΔH)を求めた。
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の糸径は、オリンパス(株)製の光学系システム顕微鏡(本体型式:BX51TRF−6(D))を用いて算出した。測定に用いた繊維は単糸5本で、単糸1本につき場所違いで3点測定し平均値を算出することで糸径を求めた。
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の配向度は、オリンパス(株)製の光学系システム顕微鏡(本体型式:BX51TRF−6(D))にオリンパス(株)製のベレックコンペンセータ(本体型式:U−CBE)を装着し、リタデーション値(Re)を計算し、下記式を用いて算出した。なお、測定に用いた繊維は単糸5本で、単糸1本につき配向度(以下、リタデーションともいう)を場所違いで3点測定し平均値を算出することでリタデーション値を求めた。
Re = Δn0 × P × d
Re:リタデーション
Δn0:分子の固有複屈折(PE:0.066)
P:配向度
d:サンプルの厚み(繊維の場合は糸径)
超高分子量エチレン共重合体パウダー中のα−オレフィンに由来する重合単位の含有率(mol%)の測定は、G.J.RayらのMacromolecules,10,773(1977)に開示された方法に準じて行った。α−オレフィン単位の含有量は、13C−NMRスペクトルにより観測されるメチレン炭素のシグナルを用いて、その面積強度より算出した。
測定装置 :日本電子製ECS−400
観測核 :13C
観測周波数 :100.53MHz
パルス幅 :45°(7.5μsec)
パルスプログラム:single pulse dec
PD :5sec
測定温度 :130℃
積算回数 :30,000回以上
基準 :PE(−eee−)シグナルであり29.9ppm
溶媒 :オルトジクロロベンゼン−d4
試料濃度 :5〜10wt%
溶解温度 :130〜140℃
繊維をマイクロウェーブ分解装置(型式ETHOS TC、マイルストーンゼネラル社製)を用い加圧分解し、内部標準法にて、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析装置、型式Xシリーズ X7、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)にて、繊維中の金属としてチタンの元素濃度を測定した。
繊維をマイクロウェーブ分解装置(型式ETHOS TC、マイルストーンゼネラル社製)を用い加圧分解し、内部標準法にて、ICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析装置、型式Xシリーズ X7、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製)にて、繊維中の金属としてケイ素の元素濃度を測定した。
試料0.2gをテフロン(登録商標)製分解容器に秤取り、高純度硝酸を加えてマイルストーンゼネラル社製マイクロウェーブ分解装置ETHOS−TCにて加圧分解後、日本ミリポア社製超純水製造装置で精製した純水で全量を50mLとしたものを検液として使用した。上記検液に対し、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP−MS)Xシリーズ2を使用して、内標準法にて、Al、Mg、Ti、Zr、Cr、Si及びClの定量を行った。
ポリエチレン20mgにo−ジクロロベンゼン15mLを導入して、150℃で1時間撹拌することで調製したサンプル溶液について、下記の条件によりゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)の測定を行った。測定結果から、市販の単分散ポリスチレンを用いて作成した検量線に基づいて、数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、及び分子量分布(Mw/Mn)を求めた。
・装置:Waters社製150−C ALC/GPC
・検出器:RI検出器
・移動相:o−ジクロロベンゼン(高速液体クロマトグラフ用)
・流量:1.00mL/分
・カラム:Shodex製AT−807Sを1本と東ソー製TSK−gelGMH−H6
を2本連結したものを用いた。
・カラム温度:140℃
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の耐クリープ性は、破断限界まで延伸した糸を温度70℃、破断応力の30%荷重下で、糸が伸びて破断するまでの時間を耐クリープ性として算出した。
(評価基準)
◎は、非常に良かったことを表し、破断するまでの時間が72時間以上であったことを意味する。
○は、良好であったことを表し、破断するまでの時間が24時間以上、72時間未満であったことを意味する。
×は、悪かったことを表し、破断するまでの時間が24時間未満であったことを意味する。
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の強度は、破断強度であって、破断限界まで延伸した糸を室温で破断するまで引張り、その際に糸にかかった最高荷重値を繊度で割ることで算出した。なお、繊度は糸1×104m当たりの重量であり、単位はdtexで表す。
(評価基準)
◎は、非常に良かったことを表し、破断強度が30cN/dtex以上であったことを意味する。
○は、良好であったことを表し、破断強度が20cN/dtex以上、30cN/dtex未満であったことを意味する。
×は、悪かったことを表し、破断強度が20cN/dtex未満であったことを意味する。
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の単糸数本を束ねて撚った後の形状保持率については、下記方法で評価した。30cmの長さに切断した単糸10本を同方向に10回転させ、撚りが解れるか否かで評価した。
(評価基準)
◎は、非常に良かったことを表し、撚りが解れることなく形状を保持したこと、すなわち、単糸10本が撚られて1本の糸として形状を保持したことを意味する。
×は、悪かったことを表し、撚りが解れ形状を保持できなかったこと、すなわち、単糸10本がバラバラに解けて形状が保持されていなかったことを意味する。
実施例及び比較例における超高分子量ポリエチレン繊維の巻取速度については、押出機を出た後の巻取速度で評価した。なお、糸が破断することなく巻き取ることが可能な最高速度で比較した。
(評価基準)
◎は、非常に良かったことを表し、巻取速度が30m/分以上であったことを意味する。
○は、良好であったことを表し、巻取速度が20m/分以上30m/分未満であったことを意味する。
×は、悪かったことを表し、巻取速度が20m/分未満であったことを意味する。
[参考例1:触媒合成例1:固体触媒成分[A]の調製]
窒素置換された8Lステンレス製オートクレーブにヘキサン1,600mLを添加した。10℃で攪拌しながら1.5mol/Lの四塩化チタンヘキサン溶液800mLと0.8mol/Lの組成式AlMg5(C4H9)11(OSiH)2で表される有機マグネシウム化合物のヘキサン溶液800mLとを4時間かけて同時に添加した。添加後、ゆっくりと昇温し、10℃で1.5時間反応を継続させた。反応終了後、上澄み液を1,600mL除去し、ヘキサン1,600mLで10回洗浄することにより、固体触媒成分[A]を調製した。この固体触媒成分1g中に含まれるチタン量は3.20mmolであった。
平均粒子径が20μm、表面積が600m2/g、粒子内細孔容積が1.5mL/gの球状シリカを、窒素雰囲気下、500℃で5時間焼成し、脱水した。脱水シリカの表面水酸基の量は、SiO21gあたり1.80mmol/gであった。窒素雰囲気下、容量1.8Lのオートクレーブ内で、この脱水シリカ40gをヘキサン800mL中に分散させ、スラリーを得た。得られたスラリーを攪拌下50℃に保ちながらトリエチルアルミニウムのヘキサン溶液(濃度1mol/L)を80mL加え、その後3時間攪拌し、トリエチルアルミニウムとシリカの表面水酸基とを反応させ、トリエチルアルミニウム処理されたシリカと上澄み液とを含み、該トリエチルアルミニウム処理されたシリカの表面水酸基がトリエチルアルミニウムによりキャッピングされている成分[a]を得た。その後、得られた反応混合物中の上澄み液をデカンテーションによって除去することにより、上澄み液中の未反応のトリエチルアルミニウムを除去した。その後、ヘキサンを適量加え、トリエチルアルミニウム処理されたシリカのヘキサンスラリー850mLを得た。
(ポリエチレンの重合工程)
ヘキサン、エチレン、水素、固体触媒成分[A]を連続的に攪拌装置が付いたベッセル型重合反応器に供給し、ポリエチレン(エチレン単独重合体)を10kg/Hrの速度で製造した。水素は、モレキュラーシーブスとの接触により精製された99.99モル%以上のものを使用した。固体触媒成分[A]は、上記溶媒ヘキサンを移送液とし、水素10NL/Hr(NLはNormal Liter(標準状態に換算した容積))と共に、製造速度が10kg/Hrとなるように0.15mmol/Lの速度で重合反応器の液面と底部の中間から添加した。また、固体触媒成分[A]は、10℃に調整して0.2g/Hrの速度で重合器の底部から添加し、トリイソブチルアルミニウムは22℃に調整して5mmol/Hrの速度で重合器の底部から添加した。触媒活性は11,000g−PE/g−固体触媒成分[A]であった。重合反応器内の湿度は0ppmに保った。ヘキサンは20℃に調整して60L/Hrで重合器に供給した。エチレンは重合反応器の底部より供給して重合圧力を0.8MPaに保った。重合スラリーは、重合反応器のレベルが一定に保たれるように連続的に圧力0.05MPaのフラッシュドラムに抜き、未反応のエチレンを分離した。重合スラリーは、フラッシュドラムのレベルが一定に保たれるように連続的に遠心分離機に送り、ポリマーとそれ以外の溶媒等を分離した。その際、ポリエチレンパウダーに含まれる溶媒等の含有量は、ポリエチレンパウダーの重量に対して10質量%であった。分離されたポリエチレンパウダーは、70℃で5時間乾燥した。なお、この乾燥工程で、重合後のパウダーに対し、スチームを噴霧して、触媒及び助触媒の失活を実施した。得られたポリエチレンパウダーを目開き425μmの篩を用いて、篩を通過しなかったものを除去して実施例1のポリエチレンパウダーを得た。
(超高分子量ポリエチレン繊維の製造工程)
酸化防止剤としてn−オクタデシル−3−(4−ヒドロキ−3,5−ジ−t−ブチルフェニル)プロピオネートを500ppm添加した実施例1のポリエチレンパウダー(95質量%)に、デカリン(広島和光社製)(5質量%)を配合してスラリー状液体を調製した。次に調製したスラリー状液体を80℃で1時間撹拌しながら真空脱気し、パウダー中の気体を完全に溶媒(デカリン)と入れ替えてから押出機に導入した。また、押出機での混練は窒素下で行い酸素濃度を0.1%以下になるように調整した。さらに、押出機に導入する溶媒全量(デカリン)に対して15%重量を押出機のダイスとスラリー導入箇所の中間からサイドフィードで導入した。なお、サイドフィードで導入する溶媒(デカリン)は100℃に加熱した状態で導入した。
スラリーが提供される押出機は、交差反転式共回転二軸押出機(intermeshing co-rotating twin screw extruder)の二軸押出機を使用し、こうして得られた均一溶液を150℃に加温した孔径0.5mmの紡糸口金に通して紡糸した。なお、吐出量は1.5g/分であった。次に、吐出した溶媒を含む糸を、4cmのエアギャップを介して10℃の水浴中に投入し、急冷しながら巻き取った。巻取速度としては、35m/分であった。
次に、得られた糸を40℃ 、24時間の条件で真空乾燥させることで溶媒(デカリン)を除去した。
最後に、溶媒(デカリン)を除去した糸温度が120℃になるように金属ヒータに接触させ、5倍の延伸比で一次延伸し延伸糸を巻き取った。ついで、該延伸糸を延伸糸が150℃になるように金属ヒータに接触させ更に二次延伸し、糸が切れる直前の延伸倍率を限界延伸倍率とした。限界延伸倍率は50倍であった。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
1−ブテンをエチレンに対して6.3mol%気相から導入したこと以外は、実施例1と同様に行って実施例2のポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
(ポリエチレンの重合工程)
ヘキサン、エチレン、水素、担持型メタロセン触媒成分[B]を連続的に攪拌装置が付いたベッセル型重合反応器に供給し、ポリエチレン(エチレン単独重合体)を13kg/Hrの速度で製造した。水素は、モレキュラーシーブスとの接触により精製された99.99モル%以上のものを使用した。担持型メタロセン触媒成分[B]は、上記溶媒ヘキサンを移送液とし、水素15NL/Hr(NLはNormal Liter(標準状態に換算した容積))と共に、製造速度が13kg/Hrとなるように0.16mmol/Lの速度で重合反応器の液面と底部の中間から添加した。また、担持型メタロセン触媒成分[B]は、12℃に調整して0.2g/Hrの速度で重合器の底部から添加し、トリイソブチルアルミニウムは22℃に調整して5mmol/Hrの速度で重合器の中間から添加した。触媒活性は11,000g−PE/g−担持型メタロセン触媒成分[B]であった。重合温度は60℃に保った。重合反応器内の湿度は0ppmに保った。ヘキサンは20℃に調整して60L/Hrで重合器の底部から供給した。エチレンは重合反応器の底部より供給して重合圧力を0.8MPaに保った。重合スラリーは、重合反応器のレベルが一定に保たれるように連続的に圧力0.05MPaのフラッシュドラムに抜き、未反応のエチレンを分離した。重合スラリーは、フラッシュドラムのレベルが一定に保たれるように連続的に遠心分離機に送り、ポリマーとそれ以外の溶媒等を分離した。その際、ポリエチレンパウダーに含まれる溶媒等の含有量は、ポリエチレンパウダーの重量に対して10質量%であった。分離されたポリエチレンパウダーは、100℃で窒素ブローしながら乾燥した。なお、この乾燥工程で、重合後のパウダーに対し、スチームを噴霧して、触媒及び助触媒の失活を実施した。得られたポリエチレンパウダーを目開き425μmの篩を用いて、篩を通過しなかったものを除去して実施例3のポリエチレンパウダーを得た。
(超高分子量ポリエチレン繊維の製造工程)
実施例3のポリエチレンパウダーを実施例1に記載の方法で紡糸した。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
プロピレンをエチレンに対して0.40mol%気相から導入したこと以外は、実施例3と同様に行って実施例4のポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
重合温度を80℃に変更したこと以外は、実施例4と同様に行って実施例5のポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
実施例2で得たポリエチレンパウダーを下記の工程に記載の紡糸条件にて紡糸して、比較例1に記載の超高分子量ポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
(超高分子量ポリエチレン繊維の製造工程)
酸化防止剤としてn−オクタデシル−3−(4−ヒドロキ−3,5−ジ−t−ブチルフェニル)プロピオネートを500ppm添加した実施例2のポリエチレンパウダー(95質量%)に、デカリン(広島和光社製)(5質量%)を配合してスラリー状液体を調製した。次に、調製したスラリー状液体を押出機に導入した。
スラリーが提供される押出機は、交差反転式共回転二軸押出機(intermeshing co-rotating twin screw extruder)の二軸押出機を使用し、こうして得られた均一溶液を150℃に加温した孔径0.5mmの紡糸口金に通して紡糸した。なお、吐出量は0.7g/分であった。次に、吐出した溶媒を含む糸を、4cmのエアギャップを介して10℃の水浴中に投入し、急冷しながら巻き取った。巻取速度としては、18m/分であった。
ついで、得られた糸を40℃ 、24時間の条件で真空乾燥させることで溶媒(デカリン)を除去した。
最後に、溶媒(デカリン)を除去した糸温度が120℃になるように金属ヒータに接触させ、5倍の延伸比で一次延伸し延伸糸を巻き取った。ついで、該延伸糸を延伸糸が150℃になるように金属ヒータに接触させ、さらに二次延伸し、糸が切れる直前の延伸倍率を限界延伸倍率とした。限界延伸倍率は20倍であった。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
実施例3で得たポリエチレンパウダーを比較例1に記載の紡糸条件で紡糸することで比較例2に記載の超高分子量ポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
重合温度を50℃に変更したこと以外は、実施例4と同様に行って比較例3のポリエチレンパウダーを得た。得られたポリエチレンパウダーを比較例1に記載の紡糸条件で紡糸することで比較例3に記載の超高分子量ポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維の物性を表1に示す。
Claims (8)
- 粘度平均分子量が、10×104〜1000×104である、超高分子量ポリエチレン繊維であって、
前記超高分子量ポリエチレン繊維の昇温示差走査熱量測定(DSC曲線)において、少なくとも融解ピークを3本有し、
前記融解ピークにおける、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度と、(II)150℃以上158℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度との差が、10℃以下であり、
融解ピーク全体の面積(ΔH 1 )に対して、(I)140℃以上150℃未満の間で発現する融解ピークのピーク温度以下の面積(ΔH 2 )割合が、15%以上35%以下であって、融解ピーク全体の面積(ΔH 1 )に対して、(III)158℃以上170℃以下の間で発現する融解ピークのピーク温度以上の面積(ΔH 3 )割合が、5%以上10%以下である、超高分子量ポリエチレン繊維。 - 配向度が、0.40以上である、請求項1に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
- エチレンとコモノマーとの共重合体を含み、
前記共重合体におけるコモノマー単位の含有量が、0.01モル%以上5モル%以下である、請求項1又は2に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。 - チタン含有量が、5ppm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
- ケイ素含有量が、0.1ppm以上50ppm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
- Mw/Mnが、3.0以上13以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
- 灰分量が、100ppm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
- 温度70℃、破断応力の30%荷重下でのクリープ寿命が、少なくとも72時間である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の超高分子量ポリエチレン繊維。
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