JP7061413B1 - 無機繊維用サイジング剤、及び無機繊維 - Google Patents
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Abstract
Description
上記無機繊維用サイジング剤において、前記脂肪族スルホン酸塩(B)が、脂肪族スルホン酸アルカリ金属塩であることが好ましい。
本発明に係る無機繊維用サイジング剤(以下、サイジング剤ともいう。)を具体化した第1実施形態について説明する。
サイジング剤が、非イオン性界面活性剤(C)を含有することにより、無機繊維用サイジング剤を付着させた無機繊維の毛羽を抑制することができる。また、サイジング剤が、エポキシ化合物(A)と脂肪族スルホン酸塩(B)を含有することにより、繊維強化樹脂複合材料における無機繊維とマトリックス樹脂との接着性を向上させることができる。
エポキシ化合物(A)は、分子中にエポキシ基を有する化合物である。エポキシ化合物(A)は、分子中にエポキシ基を1つ有するモノエポキシ化合物、又は2以上有する多官能エポキシ化合物のいずれであってもよい。
(脂肪族スルホン酸塩(B))
脂肪族スルホン酸塩(B)は、脂肪族の炭化水素基にスルホン酸が結合した化合物の塩である。また、脂肪族スルホン酸塩(B)は、直鎖、もしくは分岐鎖を有する脂肪酸エステルにスルホン酸が結合した化合物の塩を含むものとする。上記炭化水素基としては、特に制限されず、例えば炭素数8以上24以下の炭化水素基を挙げることができる。
脂肪族スルホン酸塩(B)を構成する塩としては、特に制限されず、例えばカリウム塩、ナトリウム塩等のアルカリ金属塩、マグネシウム塩、カルシウム塩等のアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、トリエタノールアミン等のアルカノールアミン塩等が挙げられる。これらの中でも、アルカリ金属塩であると、無機繊維とマトリックス樹脂との接着性をより向上させることができるため好ましい。
非イオン性界面活性剤(C)は、特に制限されないが、分子中にエステル結合を1つとエーテル結合とを有する非イオン性界面活性剤(C1)を含むことが好ましい。分子中にエステル結合を1つとエーテル結合とを有する非イオン性界面活性剤(C1)を含むことにより、無機繊維用サイジング剤を付着させた無機繊維の毛羽をより好適に抑制することができる。
サイジング剤は、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、両性界面活性剤等を含んでいてもよい。これらの界面活性剤は、一種の界面活性剤を単独で使用してもよく、二種以上の界面活性剤を組み合わせて使用してもよい。
アニオン性界面活性剤としては、公知のものを適宜採用できる。アニオン性界面活性剤の具体例としては、例えば(1)ラウリルリン酸エステル塩、セチルリン酸エステル塩、オクチルリン酸エステル塩、オレイルリン酸エステル塩、ステアリルリン酸エステル塩等の脂肪族アルコールのリン酸エステル塩、(2)ポリオキシエチレンラウリルエーテルリン酸エステル塩、ポリオキシエチレンオレイルエーテルリン酸エステル塩、ポリオキシエチレンステアリルエーテルリン酸エステル塩等の脂肪族アルコールにエチレンオキサイド及びプロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも一種のアルキレンオキサイドを付加したもののリン酸エステル塩、(3)ドデシルベンゼンスルホン酸塩等の芳香族スルホン酸塩、(4)ラウリル硫酸エステル塩、オレイル硫酸エステル塩、ステアリル硫酸エステル塩等の脂肪族アルコールの硫酸エステル塩、(5)ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸エステル塩、ポリオキシアルキレン(ポリオキシエチレン、ポリオキシプロピレン)ラウリルエーテル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンオレイルエーテル硫酸エステル塩等の脂肪族アルコールにエチレンオキサイド及びプロピレンオキサイドから選ばれる少なくとも一種のアルキレンオキサイドを付加したものの硫酸エステル塩、(6)ひまし油脂肪酸硫酸エステル塩、ごま油脂肪酸硫酸エステル塩、トール油脂肪酸硫酸エステル塩、大豆油脂肪酸硫酸エステル塩、なたね油脂肪酸硫酸エステル塩、パーム油脂肪酸硫酸エステル塩、豚脂脂肪酸硫酸エステル塩、牛脂脂肪酸硫酸エステル塩、鯨油脂肪酸硫酸エステル塩等の脂肪酸の硫酸エステル塩、(7)ひまし油の硫酸エステル塩、ごま油の硫酸エステル塩、トール油の硫酸エステル塩、大豆油の硫酸エステル塩、菜種油の硫酸エステル塩、パーム油の硫酸エステル塩、豚脂の硫酸エステル塩、牛脂の硫酸エステル塩、鯨油の硫酸エステル塩等の油脂の硫酸エステル塩、(8)ラウリン酸塩、オレイン酸塩、ステアリン酸塩等の脂肪酸塩等が挙げられる。アニオン性界面活性剤の対イオンとしては、例えばカリウム塩、ナトリウム塩等のアルカリ金属塩、アンモニウム塩、トリエタノールアミン等のアルカノールアミン塩等が挙げられる。
カチオン性界面活性剤としては、公知のものを適宜採用できる。カチオン性界面活性剤の具体例としては、例えばラウリルトリメチルアンモニウムクロライド、セチルトリメチルアンモニウムクロライド、ステアリルトリメチルアンモニウムクロライド、ベヘニルトリメチルアンモニウムクロライド、ジデシルジメチルアンモニウムクロライド、1,2-ジメチルイミダゾール、トリエタノールアミン等が挙げられる。
両性界面活性剤としては、公知のものを適宜採用できる。両性界面活性剤の具体例としては、例えばベタイン型両性界面活性剤等が挙げられる。
次に本発明に係る無機繊維を具体化した第2実施形態について説明する。第2実施形態について、下記の記載以外は、第1実施形態と同様の構成が適用される。
本実施形態において適用される無機繊維の種類としては、特に限定されず、例えばガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、金属繊維、鉱物繊維、岩石繊維、スラッグ繊維等が挙げられる。これらの中でも本発明の効果をより有効に発現できる観点からガラス繊維、炭素繊維が好ましい。炭素繊維の種類としては、例えばアクリル繊維を原料として得られたPAN系炭素繊維、ピッチを原料として得られたピッチ系炭素繊維、リサイクル炭素繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン樹脂、フェノール樹脂、セルロース樹脂、リグニン樹脂等を原料として得られる炭素繊維が挙げられる。
次に、本発明に係る複合材料を具体化した第3実施形態について説明する。第3実施形態について、下記の記載以外は、第1、2実施形態と同様の構成が適用される。
マトリックス樹脂は、複合材料の目的、用途等に応じて公知のものから適宜選択される。マトリックス樹脂の具体例としては、例えばエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、PEEK樹脂、フッ素樹脂、フェノキシ樹脂、フェノール樹脂、BMI樹脂、ポリイミド樹脂、ポリイミド樹脂前駆体、ポリエーテルスルホン樹脂等が挙げられる。これらの中で、接着特性をより有効に発揮できる観点から熱硬化性樹脂が適用されることが好ましい。
(1)サイジング剤が、エポキシ化合物(A)、脂肪族スルホン酸塩(B)、及び非イオン性界面活性剤(C)を含有する。
(3)脂肪族スルホン酸塩(B)が、一級スルホン酸基を有する脂肪族スルホン酸塩(B1)、及び二級スルホン酸基を有する脂肪族スルホン酸塩(B2)の両方を含む。したがって、無機繊維とマトリックス樹脂との接着性をより向上させることができる。
上記実施形態は、以下のように変更して実施できる。上記実施形態、及び、以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。
(実施例1)
実施例1のサイジング剤は、原料として、エポキシ化合物(A)、脂肪族スルホン酸塩(B)、及び非イオン性界面活性剤(C)を、表1に示した含有割合にて混合して得た。
実施例2~41、比較例1~4のサイジング剤は、各成分を表1に示した含有割合にて混合して得た。
A-1:ビスフェノールAジグリシジルエーテル(エポキシ当量184以上194以下)
A-2:ポリオキシエチレン30mol付加ラウリルアルコールモノグリシジルエーテル
A-3:ポリオキシエチレン20mol付加p-ter-ブチルフェノールモノグリシジルエーテル
表1に記載した脂肪族スルホン酸塩(B)の詳細について表2に示す。脂肪族スルホン酸塩(B)の構造を「構造」欄に示す。一級スルホン酸基を有する脂肪族スルホン酸塩(B1)と二級スルホン酸基を有する脂肪族スルホン酸塩(B2)の質量比率を、「比率(一級スルホン酸基:二級スルホン酸基)」欄に示す。
X-1:1-ノナノールにエチレンオキサイド6モル、プロピレンオキサイド2モルをランダム付加した化合物とパルミチン酸のエステル
X-2:1-ノナノールにエチレンオキサイド5モルを付加した化合物とパルミチン酸のエステル
X-3:2-エチルヘキシルアルコールにエチレンオキサイド6モル、プロピレンオキサイド2モルをランダム付加した化合物とラウリン酸のエステル
X-4:2-エチルヘキシルアルコールにエチレンオキサイド6モルを付加した化合物とラウリン酸のエステル
X-5:1-ブタノールにエチレンオキサイド22モル、プロピレンオキサイド9モルをランダム付加した化合物とステアリン酸のエステル
X-6:1-ブタノールにエチレンオキサイド10モルを付加した化合物とステアリン酸のエステル
X-7:1-ヘキサノールにエチレンオキサイド4モル、プロピレンオキサイド2モルをランダム付加した化合物とオレイン酸のエステル
X-8:1-ヘキサノールにエチレンオキサイド7モルを付加した化合物とオレイン酸のエステル
X-9:イソトリデシルアルコールにエチレンオキサイド3モル、プロピレンオキサイド3モルをランダム付加した化合物とラウリン酸のエステル
X-10:イソトリデシルアルコールにエチレンオキサイド4モルを付加した化合物とラウリン酸のエステル
X-11:ラウリルアルコールにエチレンオキサイド4モル、プロピレンオキサイド3モルをランダム付加した化合物とラウリン酸のエステル
X-12:ラウリルアルコールにエチレンオキサイド5モルを付加した化合物とラウリン酸のエステル
X-13:2-デシルテトラデカノールにエチレンオキサイド2モル、プロピレンオキサイド2モルをランダム付加した化合物とヘキサン酸のエステル
X-14:2-デシルテトラデカノールにエチレンオキサイド4モルを付加した化合物とヘキサン酸のエステル
(分子中にエステル結合を有さない非イオン性界面活性剤(C2))
Y-1:トリスチレン化フェノールにエチレンオキサイド31モル、プロピレンオキサイド4モルをランダム付加した化合物
Y-2:ジスチレン化フェノールにエチレンオキサイド27モル、プロピレンオキサイド3モルをランダム付加した化合物
Y-3:トリスチレン化フェノールにエチレンオキサイド17モル付加した化合物
Y-4:ドデシルアルコールにエチレンオキサイド9モル付加した化合物
Y-5:イソノナノールにエチレンオキサイド6モル、プロピレンオキサイド2モルをランダム付加した化合物
Y-6:ドデシルアミンにエチレンオキサイド15モル付加した化合物
Y-7:ポリオキシエチレン40モル付加モノスチレン化フェニルエーテル
試験区分2(無機繊維のサイジング、複合材料の作製)
試験区分1で調製した各例のサイジング剤を水で希釈し、固形分が2%の水性液を作成して処理浴に入れた。ポリアクリロニトリル系繊維から得た未サイジングの炭素繊維(引張強度3500MPa、引張弾性率2.3×105MPa、12000フィラメント)を連続的に上記処理浴に浸漬し、サイジング剤(溶媒を含まない)の付着量が炭素繊維に対して2%で一定となるようにローラーの絞り条件を調節してサイジング剤を付着させた。
実施例1~41、及び比較例1~4のサイジング剤について、サイジング剤を付着させた無機繊維の接着性、及び毛羽の有無を評価した。各試験の手順について以下に示す。また、試験結果を表1の“接着性”、“毛羽”欄に示す。
接着性は、市販の複合材界面特性評価装置を用いてマイクロドロップレット法によって測定される応力により評価した。図1に複合材界面特性評価装置10の概略図を示す。
◎◎◎(特に優れる):界面剪断強度が75以上
◎◎(優れる):界面剪断強度が70以上75未満
◎(良好):界面剪断強度が65以上70未満
○(可):界面剪断強度が60以上65未満
×(不可):界面剪断強度が60未満
(毛羽)
直径2mmのクロムめっきされたステンレス棒を5本用意した。ステンレス棒の表面に対して、サイジング剤を付着した炭素繊維束が120°の接触角で接触しながら通過するように、ステンレス棒をジグザクに15mm間隔で配置した。このステンレス棒間に炭素繊維束をジグザグにかけ、1kg重の張力をかけた。巻き取りロール直前で炭素繊維束を、1kg重の荷重をかけた10cm×10cmのウレタンフォーム2枚で挟み、1m/分の速度で5分間擦過させた。この間にウレタンフォームに付着した毛羽の重量を測定して、以下の評価基準で評価した。
◎(良好):0.15mg/m未満
〇(可):0.15mg/m以上、0.20mg/m未満
×(不可):0.20mg/m以上
表1の結果から、本発明によれば、無機繊維用サイジング剤を付着させた無機繊維の毛羽を抑制することができる。また、繊維強化樹脂複合材料における無機繊維とマトリックス樹脂との接着性を向上させることができる。なお、無機繊維であるガラス繊維についても炭素繊維の評価と同様に毛羽の抑制及び接着性の向上効果を確認している。
11…ホルダー
12…炭素繊維
13…樹脂滴
14…接着剤
15…ロードセル
16…基板
17,18…ブレード
Claims (5)
- エポキシ化合物(A)、脂肪族スルホン酸塩(B)、及び非イオン性界面活性剤(C)を含有することを特徴とする無機繊維用サイジング剤。
- 前記脂肪族スルホン酸塩(B)が、脂肪族スルホン酸アルカリ金属塩である請求項1に記載の無機繊維用サイジング剤。
- 前記脂肪族スルホン酸塩(B)が、一級スルホン酸基を有する脂肪族スルホン酸塩(B1)、及び二級スルホン酸基を有する脂肪族スルホン酸塩(B2)を含む請求項1又は2に記載の無機繊維用サイジング剤。
- 前記非イオン性界面活性剤(C)が、分子中にエステル結合を1つとエーテル結合とを有する非イオン性界面活性剤(C1)を含む請求項1~3のいずれか一項に記載の無機繊維用サイジング剤。
- 前記エポキシ化合物(A)、前記脂肪族スルホン酸塩(B)、及び前記非イオン性界面活性剤(C)の含有割合の合計を100質量部とすると、
前記脂肪族スルホン酸塩(B)を0.01質量部以上1.0質量部以下の割合で含有する請求項1~4のいずれか一項に記載の無機繊維用サイジング剤。
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