JP6576333B2 - 樹脂複合材料および樹脂複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
500≦(π×D×R)/X 数式(I)
〔数式(I)中、Dはスクリューの外径(mm)、Rはスクリューの回転数(1/s)、Xはバレルの内周面とスクリューとの隙間における最狭窄部の幅(mm)を表す。〕
本実施形態の樹脂複合材料は、(A)温度370℃、せん断速度1220[1/s]における溶融粘度が210〜350[Pa・s]であるポリアリールエーテルケトン樹脂100体積部と、(B)無機粒子20〜60体積部とを含むことを特徴とする。以下に、本実施形態の樹脂複合材料を構成する材料等の詳細について説明する。
本実施形態の樹脂複合材料では、樹脂マトリックスを構成する樹脂材料として、少なくともポリアリールエーテルケトン樹脂が用いられる。ここで、樹脂マトリックスを構成する樹脂材料としては、ポリアリールエーテルケトン樹脂のみを用いてもよいが、ポリアリールエーテルケトン樹脂の他に、必要に応じてその他の樹脂を併用することもできる。但し、ポリアリールエーテルケトン樹脂と、その他の樹脂とをブレンドして用いる場合でも、樹脂複合材料の機械的強度を確保する観点から、樹脂マトリックスを構成する樹脂材料の主成分は、ポリアリールエーテルケトン樹脂であることが必要である。ここで、「主成分」とは、樹脂マトリックスを構成する樹脂材料100質量部中に占めるポリアリールエーテルケトン樹脂の割合が、70質量部以上であることを意味する。なお、樹脂マトリックスを構成する樹脂材料100質量部中に占めるポリアリールエーテルケトン樹脂の割合は、95質量部以上であることが好ましい。また、ポリアリールエーテルケトン樹脂と併用可能なその他の樹脂としては剛性および強靭性を大幅に劣化させるもので無い限り特に制限されないが、樹脂複合材料の機械的強度、色調、化学的耐久性等の確保が容易である観点からは、たとえば、ポリアリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリフタルアミド樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂を用いることが好適である。
本実施形態の樹脂複合材料は、ポリアリールエーテルケトン樹脂100体積部に対して、20体積部〜60体積部の割合で無機粒子を配合してなる。この無機粒子は、本実施形態の樹脂複合材料を構成するポリアリールエーテルケトン樹脂マトリックス中に分散した状態で含有される。樹脂複合材料が無機粒子を含むことによって、高い剛性を得ることができる。配合割合が20体積部よりも少ない量の場合、高い剛性を得る事が出来ない。配合割合が60体積部よりも多い量の場合、樹脂複合材料に脆さが発現し強靭性が低下する傾向にある。配合割合のより好ましい範囲は、30体積部〜50体積部の範囲である。無機粒子の体積量の調整方法としては、あらかじめ無機粒子の真密度を比重計などで求めておき、必要な体積部となるような質量を秤にて計測してポリアリールエーテルケトン樹脂に配合してもよいし、無機粒子の嵩密度やタップ密度と真密度との関係を粉体物性測定機や比重計などで予め求めておき、容器などに充填した無機粒子から必要な体積部となるような条件にて混練機に供給することでポリアリールエーテルケトン樹脂に配合してもよい。無機粒子の形状・内部構造は特に限定されず如何様な形状および内部構造を有していてもよいが、チューブ状や中空構造を有する無機粒子は用いないことが好ましい。なお、無機粒子の好ましい形状としては、球状、不定形状、ウィスカー状等が挙げられ、好ましい内部構造としては中実構造が挙げられる。
〔一般式(II)中、R1は、末端に、エチレン性不飽和基、メチル基、または芳香族基を有する、直鎖部分を構成する原子数が2〜30の有機基であり、R2は炭素数1〜6の炭化水素基であり、Bは炭素数1〜6の炭化水素を有するアルコキシ基、ハロゲン基、あるいはイソシアナート基である。ここで、m、nは整数であり、mとnとの和は3であり、mは0〜2の範囲の整数である。
なお、本実施形態の樹脂複合材料には、本実施形態の樹脂複合材料の使用目的に応じてその他の成分を適宜添加することができ、たとえば、帯電防止剤、紫外線吸収剤、X線像影剤、顔料等を添加することができる。
本実施形態の樹脂複合材料の用途は特に制限されず、機械部品や構造材として使用することができる。本実施形態の樹脂複合材料を歯科材料として使用する場合は、義歯、人工歯、義歯床、歯科用インプラント(フィクスチャー、アバットメント、上部構造)、歯冠修復材料、支台築造材料などに好適に使用することができるが、剛性が高く破折やチッピングを起こしにくいという特性から、特に歯科用インプラントや歯冠修復材料として使用することが好適である。本実施形態の樹脂複合材料が歯科用途に用いられる場合の好適な形状は、義歯、人工歯、義歯床、歯科用インプラント(フィクスチャー、アバットメント、上部構造)、歯冠修復材料(クラウン、ブリッジ)、支台築造材料などの最終製品の形状でもよいし、歯科医院や歯科技工所などで最終製品に加工することが容易なブロック状、ディスク状等の半製品の形状でもよい。このような歯科用の樹脂複合材料の一般的な大きさは、一辺が5〜120mmであり、歯科修復の用途によって適宜選択される。
本実施形態の樹脂複合材料は、加熱溶融した(A)ポリアリールエーテルケトン樹脂に(B)無機粒子を配合し、溶融混練する溶融混練工程を経て製造される。加熱溶融温度は、(A)ポリアリールエーテルケトン樹脂の融点以上の温度から選択され、350〜450℃の範囲から選択されるのが好ましい。溶融混練工程において用いる装置としては、公知の溶融混練装置であれば特に限定されず、たとえば、加熱装置付きミキサー、単軸溶融混練装置や、二軸溶融混練装置、ニーダーなどを用いることができる。溶融混練工程において用いる装置としては単軸溶融混練装置(単軸押出成形装置)や、二軸溶融混練装置(二軸押出成形装置)などのように、原料投入口を有するバレルとバレル内に回転可能に配置されたスクリューとを備えた溶融混練装置(押出成形装置)を用いることが好ましく、各種の押出成形装置の中でも特に二軸押出成形装置を用いることがより好ましい。この押出成形装置を用いる場合、溶融混練工程は、ポリアリールエーテルケトン樹脂および無機粒子を含む原料を原料投入口から投入して溶融混練することで実施される。なお、使用する押出成形装置の仕様、スクリュー形状や運転条件は目的に応じて任意に選択してよい。しかしながら、溶融混練工程は下記数式(I)に示す条件を満たすように実施されることが好ましい。
ここで、数式(I)中、πは円周率であり、Dはスクリューの外径(mm)、Rはスクリューの回転数(1/s)、Xはバレルの内周面とスクリューとの隙間における最狭窄部の幅(mm)を表す。なお、外径D(mm)は、より正確には、スクリューの軸方向と直交する断面における最大半径の2倍の値を意味する。また、スクリューの軸方向に対して、スクリューの外径が変化する場合は、式(I)における外径Dは、最狭窄部の幅Xにおけるスクリューの外径を意味する。
−ポリアリールエーテルケトン樹脂−
P1: VESTAKEEP M2G(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ダイセルエボニック社製、溶融粘度238Pa・s)
P2: VESTAKEEP ZV7401(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ダイセルエボニック社製、溶融粘度224Pa・s)
P3: VESTAKEEP ZV7402(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ダイセルエボニック社製、溶融粘度254Pa・s)
P4: PEEK OPTIMA LT2(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ビクトレックス社製、溶融粘度330Pa・s)
P5: VICTREXPEEK 90G(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ビクトレックス社製、溶融粘度131Pa・s)
P6: VESTAKEEP 1000G(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ダイセルエボニック社製、溶融粘度174Pa・s)
P7: VESTAKEEP 3300G(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ダイセルエボニック社製、溶融粘度450Pa・s)
P8: VICTREXPEEK381G(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ビクトレックス社製、溶融粘度360Pa・S)
P9: VICTREXPEEK450G(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ビクトレックス社製、溶融粘度452Pa・S)
P10: VESTAKEEP4000P(ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ダイセルエボニック社製、溶融粘度539Pa・S)
−無機粒子−
F1:シリカ(球状、体積平均粒径1.0μm)
F2:シリカ(球状、体積平均粒径3.8μm)
F3:シリカ(球状、体積平均粒径0.07μm)
F4:チタニア(不定形、体積平均粒径0.3μm)
MPS:γ−メタクリロイロキシプロピルトリメトキシシラン
BPS:ベンゾイルプロピルトリメトキシシラン
長さ10.0mm、直径φ1.0mmのサイズを有する少なくとも400度の加熱機構付きのキャピラリーレオメータであるキャピログラフ1D(東洋精機製作所製)を用い、試験温度370度、せん断速度が1220[1/s]となるようにピストンの試験速度を調整し、溶融粘度[Pa・s]を測定した。
縦2mm×横2mm×長さ25mmの試験片を作製し、オートグラフ(島津製作所製)にて支点間距離20mm、クロスヘッドスピード1mm/minにて3点曲げ試験を行なった。そして、JIS T6517に基づき、曲げ強さ[MPa]を求めた。
計10本の試験片(縦2mm×横2mm×長さ25mm)について試験を行い、ストローク3mmのひずみを負荷させた場合に破折を起こさなかった割合を破折耐性[%]で表した。
曲げ弾性率は接線法(JIS K7074)に基づき、縦2mm×横2mm×長さ25mmの試験片について応力5Nから10Nまでの曲げ荷重−たわみ曲線の勾配より算出した。
上述した各種のフィラー成分は、以下に示す手順で表面処理した。まず、無機粒子を100g、トルエンを200ml計量混合したのちホモジナイザーで一次粒子まで分散させたスラリーを作製した。次に、還流冷却管をセットした三口フラスコ中に、上記スラリーを投入した後、さらに表面処理剤を2.4g加えた。続いて、三口フラスコ内の溶液を攪拌しながら2時間加熱還流を行った。続いて、遠心分離機を用いて、加熱還流処理された溶液から固形分を分別した。その後、この固形分を、トルエンで2回洗浄した後、真空乾燥機にて90℃10時間乾燥を行った。これにより表面処理された無機粒子を得た。
(A)ポリアリールエーテルケトン樹脂P1を100体積部、(B)無機粒子F1を39体積部計量し、これを二軸押出成形装置(スクリューの外径D:14.40mm、最狭窄部の幅X:0.15mm、外径Dおよび幅Xの測定時の温度25℃)へ投入した。試験温度:370℃、スクリューの回転数R:16.67s−1(1000rpm)の条件で溶融混練を行った後に、溶融混練物を回収し、これを熱プレス成形機を用いて板状(縦40mm×横40mm×厚み2mm)に加圧プレス成形し、徐冷することで樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。
用いた(A)ポリアリールエーテルケトン樹脂および(B)無機粒子の種類・配合量、ならびに試験条件を表1に示す条件に変更した以外は、実施例1と同様の方法により樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。なお、表1中、(π×D×R)/Xの値が実施例1とは異なる値を持つ実施例11〜14については、実施例1で用いた二軸押出成形装置において、スクリューの回転数Rを変更することで(π×D×R)/Xの値を調整した。
使用した二軸押出成形装置について、スクリューの外径Dを10.64mm、最狭窄部の幅Xを0.18mm(外径Dおよび幅Xの測定時の温度25℃)に変更し、さらに、スクリューの回転数Rを実施例16、18については8.33s−1(500rpm)に変更し、実施例17については5.00s−1(300rpm)に変更した以外は実施例1と同様の方法により樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。なお、表1中において、実施例18の「(A)ポリアリールエーテルケトン樹脂」の欄の括弧内に示す値は、樹脂全量を100質量%とした場合の質量基準の配合比率(質量%)である。
原料としてポリアリールエーテルケトン樹脂P5を用いた以外は、実施例1と同様の方法により樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。曲げ試験の結果、全ての試験片が破断し強靭性は低かった。
原料としてポリアリールエーテルケトン樹脂P6を用いた以外は、実施例1と同様の方法により樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。曲げ試験の結果、全ての試験片が破断し強靭性は低かった。
原料としてポリアリールエーテルケトン樹脂P7を用いた以外は、実施例1と同様の方法により溶融混練を行ったが、混練中に二軸押出成形装置が過負荷により停止したため樹脂複合材料を得る事が出来なかった。
無機粒子の配合量を15体積部に変更した以外は、実施例1と同様の方法により樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。曲げ試験の結果、弾性率が低く剛性に劣っていた。
無機粒子の配合量を89体積部に変更した以外は、実施例1と同様の方法により樹脂複合材料を得た。得られた樹脂複合材料の原料組成及び評価結果を表1に示す。曲げ試験の結果、全ての試験片が破断し強靭性は低かった。
原料としてポリアリールエーテルケトン樹脂P8、P9を用いた以外は、実施例1と同様の方法により溶融混練を行ったが、混練中に二軸押出成形装置が過負荷により停止したため樹脂複合材料を得る事が出来なかった。
2 スクリュー
r スクリュー2の最大半径
X 最狭窄部の幅
Claims (6)
- (A)温度370℃、せん断速度1220[1/s]における溶融粘度が210〜350[Pa・s]であるポリアリールエーテルケトン樹脂100体積部と、
(B)無機粒子20〜60体積部と、を含み、
(B)無機粒子が、シリカ系無機粒子、シリカ粒子、アルミナ粒子、チタニア粒子およびジルコニア粒子からなる群より選択される少なくとも1種の粒子であることを特徴とする樹脂複合材料(但し、繊維状の樹脂複合材料を除く)。 - (B)無機粒子が、シランカップリング剤により表面処理されてなることを特徴とする請求項1に記載の樹脂複合材料。
- (B)無機粒子の体積平均粒子径が0.01〜10μmであることを特徴とする請求項1または2に記載の樹脂複合材料。
- 歯科用である請求項1〜3のいずれか一項に記載の樹脂複合材料。
- 顔料をさらに含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の樹脂複合材料。
- (A)温度370℃、せん断速度1220[1/s]における溶融粘度が210〜350[Pa・s]であるポリアリールエーテルケトン樹脂100体積部および(B)無機粒子20〜60体積部を含む原料を、原料投入口を有するバレルと前記バレル内に回転可能に配置されたスクリューとを備えた溶融混練装置の前記原料投入口から投入し、且つ、下式(I)を満たすように溶融混練する溶融混練工程を、少なくとも経て樹脂複合材料(但し、繊維状の樹脂複合材料を除く)を製造し、
(B)無機粒子が、シリカ系無機粒子、シリカ粒子、アルミナ粒子、チタニア粒子およびジルコニア粒子からなる群より選択される少なくとも1種の粒子であることを特徴とする樹脂複合材料の製造方法。
500≦(π×D×R)/X 数式(I)
〔前記数式(I)中、Dは前記スクリューの外径(mm)、Rは前記スクリューの回転数(1/s)、Xは前記バレルの内周面と前記スクリューとの隙間における最狭窄部の幅(mm)を表す。〕
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