JP7639467B2 - ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法、ポリテトラフルオロエチレン膜の製造方法、及び積層体の製造方法 - Google Patents
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Description
ポリテトラフルオロエチレン成形体を製造する際に電離性放射線を照射することは、例えば特許文献2~4にも記載されている。
例えば、PTFEの膜を製造する場合、PTFEを含む成形材料(PTFEを含む分散液など)を支持体に塗布した後、PTFEの結晶融点以上に加熱し、その後冷却する工程を行うと、冷却された膜状の成形物に割れが生じることがあった。また、支持体から剥がれてしまうこともあった。
特に、分子量が小さいPTFEを用いてPTFE膜を製造しようとした場合、このような冷却時の割れや剥がれが発生しやすかった。
(1)380℃における溶融粘度が、7×105Pa・s以下であるポリテトラフルオロエチレンを含む成形材料を、上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上に加熱して第1成形物を得る第1工程と、
(2)第1工程後、上記第1成形物に、無酸素かつ上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上の条件下で電離性放射線を照射して第2成形物を得る第2工程と、
を有するポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法であって、
第1工程の後、第2工程を行う際に、
(a)第1工程の後、上記第1成形物の温度が上記結晶融点未満にならないように維持したまま第2工程を行うか、又は、
(b)第1工程の後、少なくとも上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以下300℃以上の温度域においては、上記第1成形物の温度を2℃/分未満の冷却速度で冷却し、その後、再度上記ポリテトラフルオロエチレンを結晶融点以上に加熱して第2工程を行う、
ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法である。
支持体上に、成形体として膜を製造する上記ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法によって、ポリテトラフルオロエチレン膜を成形した後、上記支持体を除去するポリテトラフルオロエチレン膜の製造方法である。
基材と、上記基材の表面に設けられたポリテトラフルオロエチレン膜を備えた積層体の製造方法であって、
ポリテトラフルオロエチレン膜を、成形体として膜を製造する上記ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法で成形する、積層体の製造方法である。
さらに、上記ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法は、ポリテトラフルオロエチレン膜の製造方法や、基材とポリテトラフルオロエチレン膜とを備えた積層体の製造方法に好適に用いることができる。
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[1]本発明の一実施形態に係るポリテトラフルオロエチレン成形体(PTFE成形体)の製造方法は、
(1)380℃における溶融粘度が、7×105Pa・s以下であるポリテトラフルオロエチレンを含む成形材料を、上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上に加熱して第1成形物を得る第1工程と、
(2)第1工程後、上記第1成形物に、無酸素かつ上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上の条件下で電離性放射線を照射して第2成形物を得る第2工程と、
を有するポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法であって、
第1工程の後、第2工程を行う際に、
(a)第1工程の後、上記第1成形物の温度が上記結晶融点未満にならないように維持したまま第2工程を行うか、又は、
(b)第1工程の後、少なくとも上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以下300℃以上の温度域においては、上記第1成形物の温度を2℃/分未満の冷却速度で冷却し、その後、再度上記ポリテトラフルオロエチレンを結晶融点以上に加熱して第2工程を行う。
一方、PTFE成形体を製造する場合、例えばバッチ方式で、上記第1工程と上記第2工程とを独立して行う場合がある。この場合、第1工程の後、第2工程まで第1成形物の温度を所定の温度に維持するために加熱しつづけることは、エネルギー消費量が過大になり、環境的にも経済的にも好ましくない。よって、上記の場合は、第1工程の後、第2工程を行うまでに、一旦、第1成形物の温度を冷ましたほう有用な場合が多い。そして、この場合は、製造途中の成形物に割れが生じることを抑制するため、(b)の要件を満足するように処理する。
従って、上記(b)の要件を満足する方法は、上記第1工程と上記第2工程とをそれぞれ独立して行う場合に有効な方法である。
[4]上記PTFE成形体の製造方法において、上記電離性放射線の照射量としては、30kGy以上200kGy以下がより好ましい。
電離性放射線の照射量を上記範囲とすることにより、得られるPTFE成形体の機械的特性をさらに高めることができる。これは、上記範囲の照射量が、良好な架橋状態を形成するのにより適しているためと考えられる。
当該製造方法により得られ、機械的特性に優れるPTFE成形体が用いられた摺動部材は、高い耐久性を発揮するのに適している。
当該製造方法に用いられるPTFEは、溶融流動性を有しかつフィブリル化性を有さないため、粉体塗装により塗工することができ、水分散体としての塗工もできる。この場合、成形体としてPTFE膜を効率的に製造することができる。
低分子量のPTFEは、分子鎖が短く、PTFE同士の絡み合いが少ないため、製造途中で成形物に割れが発生しやすい傾向にある。そのため、低分子量のPTFEは、本発明の実施形態に係るPTFE成形体の製造方法でPTFE成形体を製造するための材料とし好適である。
また、低分子量のPTFEを用いることによって、より機械的特性に優れるPTFE成形体を得ることができる。
低分子量のPTFEを用いてPTFE膜を製造する場合、製造途中の膜状の成形物に割れが発生しやすい傾向にある。そのため、PTFE膜は、本発明の実施形態に係るPTFE成形体の製造方法における製造対象として特に好適である。
上記PTFE膜の製造方法によれば、製造途中の成形物における割れの発生や、当該成形物の支持体からのはく離を抑制することができる。また、機械的特性に優れるPTFE膜を製造することができる。
PTFE膜を、上記[9]に記載のPTFE成形体の製造方法を用いて成形する。
上記積層体の製造方法によれば、PTFE膜を備えた積層体を、製造途中における成形物の割れの発生や基材からのはく離を抑制しつつ製造することができる。
また、製造された積層体は、機械的特性に優れるPTFE膜を備えた積層体である。
本発明の実施形態の具体例を、適宜図面を参照しつつ以下に説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
本発明の一実施形態に係るPTFE成形体の製造方法は、
(1)380℃における溶融粘度が、7×105Pa・s以下であるポリテトラフルオロエチレンを含む成形材料を、上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上に加熱して第1成形物を得る第1工程と、
(2)第1工程後、上記第1成形物に、無酸素かつ上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上の条件下で電離性放射線を照射して第2成形物を得る第2工程と、
を有するポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法であって、
第1工程の後、第2工程を行う際に、
(a)第1工程の後、上記第1成形物の温度が上記結晶融点未満にならないように維持したまま第2工程を行うか、又は、
(b)第1工程の後、少なくとも上記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以下300℃以上の温度域においては、上記第1成形物の温度を2℃/分未満の冷却速度で冷却し、その後、再度上記ポリテトラフルオロエチレンを結晶融点以上に加熱して第2工程を行う。
そのため、第2工程を実施する前の第1成形物に割れが発生することを抑制することができ、PTFE成形体の生産性が良好となる。
以下、(a)の要件を満足する実施形態をPTFE成形体の製造方法Aとし、(b)の要件を満足する実施形態をPTFE成形体の製造方法Bとし、それぞれの実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るPTFE成形体の製造方法Aの工程図である。
(第1工程)
第1工程では、まず、380℃における溶融粘度が、7×105Pa・s以下であるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含む成形材料を調製する(S11)。
まず、ポリマー濃度を0.22質量%に調整した水性分散液の波長550nmの投射光の単位長さに対する透過率と、透過型電子顕微鏡写真における定方向径を測定して決定された平均一次粒子径との検量線を作成する。その後、測定対象である水性分散液について、上記透過率を測定し、上記検量線を元に平均一次粒子径を求める。
一方、上記溶融粘度の下限としては、1×102Pa・sが好ましく、1×103Pa・sがより好ましく、1×104Pa・sがさらに好ましく、1×105Pa・sが特に好ましい。
成形材料に含まれるPTFEの溶融粘度が上記上限を超える場合は、優れた機械的特性を有する成形体を得ることができなくなる。また、溶融粘度が上記上限を超えるPTFEは、良好な溶融流動性を有さず、一方、フィブリル化性を有するため、加工成形性が低下する。逆に、この溶融粘度が上記下限未満の場合は、高温での揮発成分が多くなり、電離性放射線の照射や、第1工程の熱処理等の際に、揮発が生じやすくなり、得られる第1成形体の機械的特性が低下する傾向にある。また、上記成形材料や得られる成形体が着色するおそれもある。
(方法X)
PTFEの380℃における溶融粘度とは、以下の方法Xによって測定される値である。まず、以下の手順により試料としての成形体を作製する。内径30mmの円筒状の金型に3gの粉末状のPTFEを充填し、最終圧力が30MPaになるまで圧縮する。30MPaの圧縮を2分間維持することにより、円盤状の成形体(直径30mm、厚み約2mm)としての試料が得られる。得られた試料を金型から取り出し、直径27mmの円盤状に切り取った後、Anton Paar社の「レオメーターMCR500」の直径25mmのパラレルプレート試験台に挟む。試料を挟んだまま、380℃で5分間維持する。その後、プレート間距離を1.5mmに調整し、プレートからはみ出た部分の試料を除き、サンプルの応力が十分に緩和するまで380℃で30分間保持する。測定時の変形量が0.2%、剪断速度が0.1(1/s)の振動モードで、380℃における溶融粘度を測定する。なお、パラレルプレートの場合、測定時の変形量とは、試料厚みに対する、パラレルプレートの最外周の振動振幅の比率である。
PTFEの溶融粘度は、下記方法Yによっても測定することができる。方法Xによる測定値と、方法Yによる測定値とは、実質的に等しくなる。このことは、例えば、上述した特許文献1の実施例においても示されている(特許文献1の表1のPTFE粉末A参照)。
一方、溶融流動しない高分子量のPTFEの溶融粘度は、以下の熱機器分析(TMA)による溶融状態の伸び(クリープ)から溶融粘度を求める方法Zにより求めることができる。具体的には、固体粘弾性スペクトロメーター(エスアイアイ・ナノテクノロジー社の「EXSTAR 6000DMS」)を用いて以下の手順でクリープ試験を行い、(比)溶融粘度を求めることができる。
Lr/Ar=0.80×L(室温での長さ)/A(室温での断面積)・・・(2)
なお、PTFEの数平均分子量は、S.Wuの方法(Polymer Engineering&Science,1988,Vol.28,538、同1989,Vol.29,273)に準処して測定される値である。
一方、上記成形材料における固形分(不揮発成分)中のPTFEの含有量の上限としては、100質量%であってもよいが、90質量%であってもよく、80質量%であってもよく、70質量%であってもよい。
また、上記成形材料がPTFEを含む分散液(ディスパージョン)又は溶液の場合、当該PTFEの含有量は、例えば10質量%以上60質量%以下とすることができる。
上記充填剤(フィラー)としては、例えば、カーボン、グラファイト、ガラス繊維、スーパーエンジニアリングプラスチック等が挙げられる。
また、上記成形材料が分散液(ディスパージョン)の状態においては、分散媒としての水や界面活性剤等が含まれる。なお、この水や界面活性剤等は、第1工程の加熱の際に実質的に全て揮発する。
ここでは、上記成形材料をPTFEの結晶融点以上に加熱する。これによって、PTFEは溶融され、粒子状であったPTFEは一体化する。
この第1工程における加熱温度は、上記結晶融点以上であれば特に限定されないが、例えば350℃以上400℃以下とすることが好ましい。PTFEの粉末を溶融し、一体化するのに適しているからである。
また、第1工程における加熱時間は、例えば1分以上1時間以下とすることができる。
事前に標準サンプルとしてインジウム及び鉛を用いて温度校正した示差走査熱量計(エスアイアイ・ナノテクノロジー社の「X-DSC7000」)を使用する。
PTFE3mgをアルミ製パン(クリンプ容器)に入れ、40ml/分の窒素気流下で、230~380℃の温度領域を昇温速度10℃/分で昇温させて、上記領域における融解ピークの極小点を計測し、この極小点を上記PTFEの結晶融点とする。
上記押出成形は、ペースト押出成形であってもよいが、溶融押出成形が好ましい。フィブリル化性を有さない低分子量PTFE(380℃における溶融粘度が、7×105Pa・s以下のPTFE)においては、ペースト押出成形が困難になる場合がある。一方、低分子量PTFEは、その結晶融点以上の温度領域において溶融流動性を有する。従って、溶融押出成形や射出成形によっても、良好な成形を行うことができる。
この押出成形や射出成形は、公知の方法により行うことができる。
上記支持体は、例えば金属製の支持体であり、本第1工程、及び後述する第2工程の加熱や電離性放射線の照射で、変形したり、著しく劣化したりしないものであれば、その材質や形状は特に限定されない。上記支持体の材料となる金属の具体例としては、第2工程終了後にPTFEの膜を剥離しやすく、また、加熱時に酸化されにくく、耐腐食性に優れる点から、例えばステンレスが好ましい。
上記基材は、上記積層体の構成に応じて適宜選択すればよいが、本第1工程及び後述する第2工程の加熱や電離性放射線の照射で、変形したり、著しく劣化したりするものは適さない。
ここで、未架橋のPTFEを主成分とするとは、未架橋のPTFEが成形体の50質量%以上を占める成分であることを意味する。
PTFE成形体の製造方法Aでは、上記第1工程後、上記第1成形物に、無酸素かつ上記PTFEの結晶融点以上の条件下で電離性放射線を照射して第2成形物を得る(S14)。
本製造方法Aでは、上記第1工程の後、本第2工程を行う際に、
(a)第1工程の後、上記第1成形物の温度が上記結晶融点未満にならないように維持したまま(S13)、第2工程を行うことが重要である。
これによって、上記第1成形物に割れが発生したり、上記第1成形物が上記支持体や上記基材から剥がれたりすることを抑制することができる。
一方、上記照射量の上限としては、2000kGyが好ましく、1000kGyがより好ましく、400kGyがさらに好ましく、200kGyがよりさらに好ましく、125kGyが特に好ましい。
上記電離性放射線の照射量が上記下限未満の場合は、十分な架橋反応が進行せず、優れた耐摩耗性等の機械的特性を有する成形体を得ることができない場合がある。一方、上記照射量が上記上限を超える場合は、生産性が低下し、また得られる成形体の機械的特性が低下する場合もある。
このような第2工程を行うことにより、PTFEの架橋物からなる第2成形体を得ることができる。
図2は、本発明の実施形態に係るPTFE成形体の製造方法Bの工程図である。
(第1工程)
製造方法Bにおける第1工程は、上述した製造方法Aにおける第1工程と同様にして行う。
即ち、まず、380℃における溶融粘度が7×105Pa・s以下であるPTFEを含む成形材料を調製する(S21)。次に、上記成形材料を加熱して第1成形物を成形する(S22)。
PTFE成形体の製造方法Bでは、上記第1工程後、上記第1成形物に、無酸素かつ上記PTFEの結晶融点以上の条件下で電離性放射線を照射して第2成形物を得る(S25)。
本製造方法Bでは、上記第1工程の後、本第2工程を行う際に、
(b)第1工程の後、少なくとも上記PTFEの結晶融点以下300℃以上の温度域では、上記第1成形物の温度を2℃/分未満の冷却速度で冷却し(S23)、その後、再度上記PTFEを結晶融点以上に加熱して(S24)、第2工程を行う、ことが重要である。
上記冷却速度が2℃/分以上になると、冷却後の第1成形物に割れ等が発生することがある。
また、上記冷却速度を0.5℃/分より遅くしても、第1成形物に割れ等が発生することを抑制する効果はほとんど向上しない。
このような第2工程を行うことにより、PTFEの架橋物からなる第2成形体を得ることができる。
(1)PTFEの粉末として、ダイキン工業社製、ルブロンL5(380℃における溶融粘度:2.7×104Pa・s、結晶融点:330℃)と、3%水溶性セルロースとを重量比6:4で混合したPTFEの水系分散液(以下、PTFE分散液ともいう)を調製した。
試験例1:1℃/分
試験例2:2℃/分
試験例3:5℃/分
試験例4:10℃/分
試験例5:20℃/分
試験例6:50℃/分
図3~8に、試験例1~6に係るPTFE塗膜の顕微鏡画像を示した。
上記冷却速度を2℃/分未満とすることで、PTFEの結晶化が進行することは、下記の溶融潜熱の測定で裏付けられる。
PTFE粉末(ダイキン工業社製、ルブロンL5)の冷却速度と、溶融潜熱との関係を下記の方法で測定した。
ここでは、事前に標準サンプルとしてインジウム及び鉛を用いて温度校正した示差走査熱量計(エスアイアイ・ナノテクノロジー社の「X-DSC7000」)を使用して測定を行った。
PTFE3mgをアルミ製パン(クリンプ容器)に入れ、40ml/分の窒素気流下で、230~380℃の温度領域を昇温速度10℃/分で昇温させた。この時の溶融潜熱は、45.96J/gであった。この溶融潜熱を原料初期値とした。
その後、380~230℃の温度領域を表1に示した冷却速度で降温させた。さらに、230℃まで降温した後、再度230~380℃の温度領域を昇温速度10℃/分で昇温させて、PTFE粉末の溶融潜熱を測定した。結果を表1及び図9に示した。
一方、上記製造方法Bでは、第1生成物を再度溶融し、かつ電離性放射線を照射してPTFEの架橋物を生成する第2工程を行う。この第2工程を行うことで、第1生成物に生じた微少な欠陥が消失し、かつ、電離性放射線による架橋で生成物の機械的特性も向上する。
よって、上記製造方法Bでは、一旦溶融したPTFEが再結晶化する工程を有するものの微少な欠陥がなく、機械的強度の高いPTFE成形体を製造することができる。
このような製造方法Bは、機械的強度が確保しにくい低分子量PTFEを用いてPTFE膜を製造するのに好適である。
本発明の実施形態に係るPTFE成形体の製造方法A又はBによって得られるPTFE成形体は、低分子量のPTFEが電離性放射線により架橋されたPTFEの架橋物を主成分とし、優れた機械的特性を有する成形体である。
上記PTFE膜の厚さは特に限定されないが、通常は0.01~5mm程度である。上記PTFE膜は、PTFEの特徴である耐薬品性、高絶縁性や低摩擦性を活かした絶縁部材や摺動部材及び塗装膜として利用する観点から、厚さ20~1000μm程度のPTFE薄膜が好ましい。
上記PTFE膜は、支持体が除去された膜のみの状態で存在するものであってもよいし、基材上に設けられた当該基材とともに使用される積層体であってもよい。
また、上記積層体は、例えば車両、工作機械、家電製品等の摺動部材としても好適に用いることができる。上記摺動部材の具体例としては、例えば軸受、ギア、クランクシャフト、スライドベアリング、ピストン、ガスケット、搬送ローラー、加圧ローラー等が挙げられる。
上記積層体を上記摺動部材に使用する場合、当該摺動部材の相手材と摺接する被覆層を上記PTFE膜とすればよい。
そして、上述した摺動部材は、その全体が上記PTFE成形体で構成されていてもよい。
Claims (11)
- (1)380℃における溶融粘度が、7×105Pa・s以下であるポリテトラフルオロエチレンを含む成形材料を、前記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上に加熱して第1成形物を得る第1工程と、
(2)第1工程後、前記第1成形物に、無酸素かつ前記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以上の条件下で電離性放射線を照射して第2成形物を得る第2工程と、
を有するポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法であって、
第1工程の後、第2工程を行う際に、
(b)第1工程の後、少なくとも前記ポリテトラフルオロエチレンの結晶融点以下300℃以上の温度域においては、前記第1成形物の温度を1.5℃/分以下の冷却速度で冷却し、その後、再度前記ポリテトラフルオロエチレンを結晶融点以上に加熱して第2工程を行う、
ポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。 - 前記溶融粘度が、1×102Pa・s以上である請求項1に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 前記電離性放射線の照射量が、10kGy以上2000kGy以下である、請求項1又は請求項2に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 前記電離性放射線の照射量が、30kGy以上200kGy以下である、請求項3に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 前記ポリテトラフルオロエチレン成形体が、摺動部材に用いられる請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 前記第1工程では、押出成形又は射出成形により第1成形物を成形する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 前記第1工程では、前記成形材料の塗工により第1成形物を成形し、
前記成形材料が、粉体又は水分散体である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。 - 前記成形材料に含まれるポリテトラフルオロエチレンの数平均分子量が、60万以下である請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 製造される成形体が膜である、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法。
- 支持体上に、請求項9に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法によって、ポリテトラフルオロエチレン膜を成形した後、前記支持体を除去するポリテトラフルオロエチレン膜の製造方法。
- 基材と、前記基材の表面に設けられたポリテトラフルオロエチレン膜を備えた積層体の製造方法であって、
ポリテトラフルオロエチレン膜を、請求項9に記載のポリテトラフルオロエチレン成形体の製造方法で成形する、積層体の製造方法。
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