JP7267206B2 - 表面改質全芳香族ポリエステル繊維とその製造方法、並びに、繊維強化樹脂 - Google Patents
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Description
FRPの機械強度の維持には、強化繊維とマトリクス樹脂との界面接着が重要である。例えば炭素繊維とエポキシ系樹脂との複合では、あらかじめ炭素繊維の表面に-OH基および-COOH基等の酸素含有官能基を形成することで、炭素繊維とエポキシ系樹脂とを化学結合させ、これらの界面接着を高めることができる。なお、このときの界面接着力は、酸素含有官能基の導入率(O/C比)に依存する傾向がある。
本発明の表面改質全芳香族ポリエステル繊維は、全芳香族ポリエステルポリマーを含み、液晶性ポリエステルを溶融紡糸することにより得ることができる。液晶性ポリエステルは例えば、芳香族ジオール、芳香族ジカルボン酸、および芳香族ヒドロキシカルボン酸等の酸に由来する反復構成単位からなる。本発明の効果を損なわない限り、芳香族ジオール、芳香族ジカルボン酸、および芳香族ヒドロキシカルボン酸に由来する構成単位の化学的構成は特に限定されない。本発明の効果を損なわない限り、液晶性ポリエステルは、芳香族ジアミン、芳香族ヒドロキシアミン、および芳香族アミノカルボン酸等に由来する他の構成単位を含んでいてもよい。以下に好ましい構成単位の例を示す。
ポリマーの種類によってはDSC測定において1st runで明確なピークが現れない場合がある。この場合、いったん50℃/分の昇温速度で予想される流れ温度よりも50℃高い温度まで昇温し、その温度で3分間保持して完全に溶融した後、-80℃/分の降温速度で50℃まで冷却し、しかる後に20℃/分の昇温速度で吸熱ピークを測定するとよい。
なお、本明細書において、特に明記しない限り、「主成分」は50質量%以上の成分である。
O/C比およびカルボキシ基のモル濃度は、後記[実施例]の項に記載の方法にて測定することができる。
熱処理の雰囲気は特に制限されず、不活性雰囲気のみでもよいし、不活性雰囲気下で開始し、途中から活性雰囲気下に切り替えてもよい。ここで、「不活性雰囲気」とは酸素等の活性ガスの濃度が0.1体積%以下の雰囲気であり、具体的には窒素ガス、アルゴンガス、およびヘリウムガス等の不活性ガス雰囲気または減圧雰囲気である。「活性雰囲気」とは酸素等の活性ガスの濃度が1体積%以上の雰囲気であり、好ましくは酸素濃度が10体積%以上の酸素含有雰囲気である。コスト的には、酸素含有ガスとしては空気が好ましい。なお、水分存在下では加水分解反応が進行するため、不活性雰囲気および活性雰囲気はいずれも乾燥雰囲気とする。
熱処理温度は特に制限されず、溶融紡糸前の原料の全芳香族ポリエステルポリマーの融点をTmとしたとき、好ましくはTm-35℃~Tm-2℃の温度範囲である。かかる温度条件で熱処理することにより高温下において高い強度をおよび弾性率を有する全芳香族ポリエステル繊維を得ることができる。なお、熱処理は、一定の温度下で行ってもよいし、加熱により漸進的に上昇する繊維の融点にあわせて順次昇温する温度プロファイルで行ってもよい。
全芳香族ポリエステル繊維は、他の樹脂繊維との混糸の形態としてもよい。
全芳香族ポリエステル繊維に対して、機械捲縮または牽切等の処理を施し、紡績または不織布の加工を行ってもよい。
複数本の全芳香族ポリエステル繊維を一方向に引き揃えてヤーンを得、さらに、複数のヤーンを繊維方向に対して垂直方向に並列配置した異方性二次元構造体に加工してもよい。
織機を用いて、全芳香族ポリエステル繊維を平織または綾織の布状としてもよい。さらにブレーディング処理により、三次元構造体としてもよい。
電子線、UV、電場、および熱等は繊維表面に直接作用させてもよいし、別の空間で生成された活性酸素種を繊維表面に作用させてもよい。
表面改質処理は、繊維表面のO/C比が30~60%となる条件で行う。表面改質処理は、好ましくは繊維表面に存在するカルボキシ基のモル濃度が5~16%となる条件で行う。かかる条件で処理することで、繊維強度を低下させずに、好適な量の極性官能基を導入することができる。
第1の態様のFRPの製造方法は、表面改質全芳香族ポリエステル繊維に対して、マトリクス樹脂となる液状の原料を含浸させた後、液状の原料を固化させる方法である。
第2の態様のFRP化の製造方法は、表面改質全芳香族ポリエステル繊維と、マトリクス樹脂となる液状の原料とを混合した後、液状の原料を固化させる方法である。
マトリクス樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合、マトリクス樹脂となる液状の原料は、熱硬化によりマトリクス樹脂となる熱硬化性の液体原料である。熱硬化性の液体原料は公知のものを使用することができ、熱硬化性樹脂のモノマー、ダイマー、または、比較的低分子の熱硬化性樹脂の前駆体ポリマー等を含むことができる。熱硬化性の液体原料は、熱硬化により固化させることができる。
マトリクス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、マトリクス樹脂となる液状の原料としては、熱可塑性樹脂の加熱溶融物、熱可塑性樹脂を溶媒に溶解させた溶液、および、熱可塑性樹脂を分散媒に分散させた分散液等が挙げられる。熱可塑性樹脂の加熱溶融物は、冷却により固化させることができる。熱可塑性樹脂の溶液または分散液は、溶媒または分散媒を乾燥除去することで、固化させることができる。
本発明の表面改質全芳香族ポリエステル繊維とマトリクス樹脂とを含む繊維強化樹脂(FRP)は、軽量で、比強度および比剛性等の機械特性に優れ、自動車部材、航空機部材、電子機器筐体、家電筐体、スポーツ用品部材、レジャー用品部材、プリント基板、回路基板、多層配線板、セパレータ、ディスプレイ用基材、および太陽電池基材等の用途に好ましく用いることができる。
[HT-1536平織布サンプル、表面改質処理、O/C比および官能基量の測定、界面せん断応力の測定]
全芳香族ポリエステル繊維として、クラレ社製の「ベクトラン繊維平織クロス(HT-1536)」を用意し、15cm角に切り出した。このサンプルをアセトン中で30分間超音波洗浄し、さらにヘキサン中で30分間超音波洗浄した。比較例1では、洗浄後のHT-1536平織布サンプルをそのまま評価に供した。実施例1~3、比較例2では、洗浄後のHT-1536平織布サンプルに対して、表面改質処理を実施した後、評価に供した。
表面改質処理前後のHT-1536平織布サンプルに対して、繊維表面のO/C比および官能基量の測定を行った。また、表面改質処理前後のサンプルから単糸を抜き出し、界面せん断応力の測定を行った。
全芳香族ポリエステル繊維として、HT-1536と同繊維からなる不織布を用意した。具体的には、クラレ社製のHT繊維(15dtex)を38mm長にカットした後に捲縮をかけ、水圧15MPaの圧力で水流絡合にて不織布形態にし、80℃で乾燥した。目付けは89g/m2であった。この不織布を20cm角に切り出した。比較例1では、得られたHT不織布サンプルをそのまま評価に供した。実施例1~3、比較例2では、得られた不織布に対して、表面改質処理を実施した後、評価に供した。
表面改質処理前後のHT不織布サンプルに対して、熱硬化性エポキシ系樹脂のモノマーを含むエポキシ系硬化液を滴下し、0.01MPa以下の真空下でプレスしてエポキシ系樹脂を含浸させた。この処理後に80℃で15分間加熱して熱硬化させて、繊維強化樹脂(FRP)を得た。得られたFRPについて、引張強度を測定した。
評価項目および評価方法は、以下の通りである。
(O/C比および官能基量)
X線光電子分光分析(XPS分析)により、表面改質処理前後のHT-1536平織布サンプルに対して、繊維表面のO/C比および官能基量を求めた。測定条件は以下の通りとした。
XPS装置:PHI Quantera SXM、
X線励起条件:100μm-25W-15kV、
対陰極:Al、
測定範囲:1000μm×1000μm。
O/C比は、528~538eVに現れるO1sに由来するピークの面積強度に対する、282~298eVに現れるC1sに由来するピークの面積強度から算出した。
また、282~298eVに現れるC1sに由来するピークのうち、以下に示す結合種によるピーク分離を行い、ヒドロキシ基とカルボキシ基の官能基量をそれぞれ算出した。
C-C、C=C:284.8eV、
C-O:286.4eV、
C=O:287.6eV、
O-C=O:288.6eV、
O-C(=O)-O:290.3eV。
表面改質処理前後の全芳香族ポリエステル繊維のマトリクス樹脂との界面接着性の評価として、複合材界面特性評価装置を用いたマイクロドロップレット法により、界面せん断応力(IFSS)を測定した。装置としては、東栄産業社製「HM410」を用いた。
表面改質処理前後のHT-1536平織布サンプルから抜き出した単糸に対して、熱硬化性エポキシ系樹脂のモノマーを含むエポキシ系硬化液を滴下した。この操作を繰り返して、サンプル繊維の複数箇所に、間隔を空けてエポキシ系硬化液の液滴を付着させた。その後、付着させたエポキシ系硬化液を大気雰囲気中、80℃で3時間加熱して熱硬化させて、複数のマイクロドロップレットを形成した。
次に、得られたサンプルを複合材界面特性評価装置の台座にセットし、一対のブレードで上記複数のマイクロドロップレットを挟んで固定した。
次に、台座を移動させて引抜試験を行い、引抜荷重をロードセルで検出した。
引抜荷重のデータから、下記式に基づいて、界面せん断強度(IFSS)を算出した。
τ=F/π・d・L
(上記式中、各記号は以下の意味を示す。τ:界面せん断強度、F:引抜荷重、d:繊維径、L:ドロップレット長。)
幅25mmで切り出したFRPサンプル(0.5mm厚)について、引張破断強度を測定した。測定条件は以下の通りとした。
装置:島津製作所社製「AUTOGRAPH AG-2000B」、
チャック間距離:15cm、
引張速度:500mm/分。
実施例1~3、比較例1、2の各例における表面改質処理条件は、以下の通りである。なお、これらの例において、表面改質処理条件以外の条件は共通条件とした。
表面改質処理:エキシマオゾン処理、
装置:エム・ディ・エキシマ社製「MEIRH-M-200-HK-R2」、
ランプ:MEBF-270BHQ(Xeエキシマランプ)、波長172nm、
照度:140mW/cm2、
照射距離:17mm、
処理電圧:14.8V、
空気流量:1000cc/min、
搬送速度:16.6mm/秒、
搬送回数:5回(処理条件1)、25回(処理条件2)、50回(処理条件3)。
表面改質処理:高周波(RF)酸素プラズマ処理、
装置:Mec社製「Plasma matine V-1000」、
電極:サイズ900cm2の一対の電極、電極間距離13.5cm、片方の電極近傍にサンプルを載置、
雰囲気:真空度5.0Pa、酸素を流量115cc/分で流入、
周波数:25MHz、
処理電力:300W(処理条件1)、600W(処理条件2)、900W(処理条件3)、
印加時間:1分。
表面改質処理:大気圧プラズマ(APプラズマ)処理、
装置:PSM社製「APS-70S」、
雰囲気:窒素ガス(流速150L/分)とドライ純エアー(流速0.5L/分)との混合ガス、
処理電圧:11kV、
照射口の搬送方向の幅:20mm、
照射口-サンプル間距離:2mm、
搬送速度:30mm/秒(処理条件1)、10mm/秒(処理条件2)、0.167mm/秒(処理条件3)(サンプルが幅2cmの照射口の直下を通過する時間が0.67秒(処理条件1)、2秒(処理条件2)、2分(処理条件3)となるように、搬送速度を設定)。
表面改質処理:なし。
表面改質処理:UV-オゾン処理、
装置:セン特殊光源社製「PL21-200S」、
ランプ:EUV200GS-14(低圧水銀ランプ)、波長254nm、
照射距離:20mm、
処理力:15mW/cm2。
処理時間:5分(処理条件1)、10分(処理条件2)、15分(処理条件3)。
実施例1~3、比較例1、2の各例における表面改質処理条件と評価結果を表1に示す。
表1に示すように、実施例1~3ではいずれの処理条件においても、表面改質処理なしの比較例1に対して、繊維表面におけるO/C比の向上が見られ、繊維表面におけるO/C比が30~60%、繊維表面に存在するカルボキシ基のモル濃度が5~16%である表面改質全芳香族ポリエステル繊維が得られた。これら実施例(一部未測定)では、表面改質処理なしの比較例1に対して、繊維の界面せん断応力およびFRPの引張強度の評価項目において、顕著な向上が見られた。このように、実施例1~3では、繊維強度に優れ、かつ、マトリクス樹脂との界面接着性に優れる表面改質全芳香族ポリエステル繊維が得られた。
比較例2ではいずれの処理条件においても、表面改質処理なしの比較例1に対して、繊維表面におけるO/C比の向上は見られなかった。
Claims (16)
- 全芳香族ポリエステルポリマーを含み、繊維表面における炭素原子数に対する酸素原子数の割合が41~60%である、表面改質全芳香族ポリエステル繊維。
- 繊維表面における炭素原子数に対する酸素原子数の割合が44~60%である、請求項1に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維。
- 繊維表面に存在するカルボキシ基のモル濃度が5~16%である、請求項1または2に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維。
- 全芳香族ポリエステルポリマーを含む全芳香族ポリエステル繊維に対して活性酸素種を作用させて、繊維表面における炭素原子数に対する酸素原子数の割合を41~60%とする、表面改質全芳香族ポリエステル繊維の製造方法。
- 繊維表面における炭素原子数に対する酸素原子数の割合を44~60%とする、請求項5に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維の製造方法。
- 前記活性酸素種の酸素源が大気中の酸素である、請求項5~7のいずれか1項に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維の製造方法。
- 前記活性酸素種は、酸素源に対して、電子線、紫外線、電場、および熱からなる群より選ばれた少なくとも1種を作用させて発生させる、請求項5~8のいずれか1項に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維の製造方法。
- 前記活性酸素種は、窒素ガス、アルゴンガス、およびヘリウムガスからなる群より選ばれた少なくとも1種の不活性ガスと混合して用いる、請求項5~9のいずれか1項に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維の製造方法。
- 前記活性酸素種と前記全芳香族ポリエステル繊維とを反応させる際の圧力が0.1Pa~0.1MPaである、請求項5~10のいずれか1項に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維の製造方法。
- 請求項1~4のいずれか1項に記載の表面改質全芳香族ポリエステル繊維と、マトリクス樹脂とを含む、繊維強化樹脂。
- 前記マトリクス樹脂は、不飽和ポリエステル、エポキシ系樹脂、アミド系樹脂、およびフェノール系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種の熱硬化性樹脂である、請求項12に記載の繊維強化樹脂。
- 前記マトリクス樹脂は、エポキシ系樹脂である、請求項13に記載の繊維強化樹脂。
- 幅25mm、0.5mm厚のサンプルについて、オートグラフを用い、チャック間距離15cm、引張速度500mm/分の条件で測定される引張破断強度が250MPa以上である、請求項12~14のいずれか1項に記載の繊維強化樹脂。
- 前記引張破断強度が250~301MPaである、請求項15に記載の繊維強化樹脂。
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