JPH04289266A

JPH04289266A - 超高分子量ポリエチレン繊維および超高分子量ポリエチレン繊維強化複合体

Info

Publication number: JPH04289266A
Application number: JP5236791A
Authority: JP
Inventors: Takao Yoshikawa; 吉川　高雄; Akira Kojima; 昭小島
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1992-10-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面が改質された超高
分子量ポリエチレン繊維、およびその超高分子量ポリエ
チレン繊維を用いた超高分子量ポリエチレン繊維強化複
合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、繊維強化複合体には、プラスチッ
クス成形体や無機成形体を強化する目的で、それらの成
形体材料として、主にガラス繊維、炭素繊維、有機繊維
等が複合されて用いられてきた。それらの複合体の強度
は、一般的には■強化材としての繊維の強度、■マトリ
ックス自体の強度、■マトリックスと強化材との界面に
おける接着強度、等によって決定されることが知られて
いる。

【０００３】最近では、上記■の性質に関する強度の大
きな有機繊維として、超高分子量ポリエチレン繊維が、
注目されている。そして、この超高分子量ポリエチレン
繊維に関して、上記■の性質を改善するために、この繊
維にコロナ放電処理をして超高分子量ポリエチレン繊維
の表面を改質し、有機高分子マトリックス材との接着強
度を上げる方法が、特開平２−６６４５号公報によって
知られている。

【０００４】また、同じく超高分子量ポリエチレン繊維
の上記■の性質を改善するために、プラズマ処理に化学
処理を併用して、超高分子量ポリエチレン繊維の表面を
改質し、有機高分子マトリックス材との接着強度を上げ
る方法が、特開平２−６６５７号公報によって知られて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
公知の技術に用いられている、コロナ放電処理、電子線
照射処理、プラズマ処理は装置が大掛かりなものであり
、しかも、その操作も面倒であった。また、上記プラズ
マ処理に化学処理を併用する方法は、湿式処理後の水洗
や乾燥等の後処理が必要であり、処理工程が多かった。

【０００６】以上あげた方法ではいずれも、超高分子量
ポリエチレン繊維のフィラメント、織物、不織布等を大
量かつ連続処理を行なう場合に、設備費、運転費等が高
くなるのは避けられなかった。そこで本発明は、超高分
子量ポリエチレン繊維の表面を大量かつ連続的に、比較
的簡単な装置で、大気中で処理でき、処理後の水洗や乾
燥等の処理が不必要な、表面が改質された超高分子量ポ
リエチレン繊維を提供することを目的とするものである
。さらに、本発明は、表面が改質された超高分子量ポリ
エチレン繊維を有機高分子マトリックス材の強化材とし
て使用することにより、機械的特性のすぐれた超高分子
量ポリエチレン繊維強化複合体を提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記した問題点を解決す
るために本発明は、オゾン流通下に紫外線を照射して超
高分子量ポリエチレン繊維としたものである。また、こ
の紫外線照射時に、加熱を行なったものである。さらに
、このようにして得られた超高分子量ポリエチレン繊維
に、有機高分子マトリックス材を含浸させ、これをその
まま、あるいは積層し、硬化させて超高分子量ポリエチ
レン繊維強化複合体の製造方法としたものである。

【０００８】本発明の、紫外線照射処理は、オゾン流通
下に大気中でそのまま行なうことができる。本発明のオ
ゾン流通下に紫外線を照射することを、光酸素化処理と
いう。すなわち、低圧水銀灯から発生する紫外線と、高
濃度オゾン、必要ならば、加熱による熱エネルギーを加
えた相互作用による処理をいう。この低圧水銀灯からは
、主として、１８４．９ｎｍと２５３．７ｎｍの波長を
もつ紫外線が照射されるが、それ以外の波長を持つ光で
も使用可能である。

【０００９】本発明に使用した光酸素化処理装置は、大
別すると次の３つの部分から構成されている。それらは
、（１）オゾン発生装置、（２）低圧水銀灯、および（
３）超高分子量ポリエチレン繊維加熱装置である。オゾ
ンは、酸素ボンベから供給される酸素を、オゾン発生器
中を通過させることにより生成される。低圧水銀灯は、
紫外線を発生するためのもので、石英製の外套に入れら
れ、超高分子量ポリエチレン繊維を設置する基板（直径
２００ｍｍ）上に、一様に紫外線が照射されるように渦
巻き状にしてある。超高分子量ポリエチレン繊維を設置
する基板は、温度調節により、室温から３００℃まで加
熱される。また、光酸素化反応が、均一に行なわれるよ
うに、基板が回転するようになっている。

【００１０】また、光酸素化処理を適用する超高分子量
ポリエチレン繊維の形態は、フィラメント、ファイバー
、ヤーン、織物、不織布およびフィルムが本発明に適し
ている。さらに、本発明に使用されるマトリックス材に
は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂が主として用いられる
。また、セメント等の無機質硬化材料にも適用可能であ
る。そのうち、熱硬化性樹脂には、例えば、フェノール
樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリ
ル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、等が好適に用い
られる。また、熱可塑性樹脂にはポリエチレン、ポリス
チレン、ポリ塩化ビニル、ポリアミド等が好適に用いら
れる。

【００１１】

【作用】本発明は、オゾン流通下に必要ならば加熱を併
用し、紫外線を照射して超高分子量ポリエチレン繊維と
したので、超高分子量ポリエチレン繊維は紫外線と、高
濃度オゾン、さらに加熱による熱エネルギーを加えた相
互作用による強力な気相酸化作用を受ける。

【００１２】すなわち、本発明で使用する低圧水銀灯か
ら発生する紫外線は、１８４．９ｎｍと２５３．７ｎｍ
の波長を有する紫外線が照射されるが、光量として２５
３．７ｎｍの紫外線が多く、全体の９０％を占めている
。また、１８４．９ｎｍの紫外線は、大気中の酸素に吸
収されたオゾンを発生する。発生したオゾンは、２５３
．７ｎｍの紫外線を吸収し、原子状の酸素を生成する。紫外線のもつエネルギーは、波長１８４．９ｎｍで１５
５ｋｃａｌ／ｍｏｌ，波長２５３．７ｎｍで１１３ｋｃ
ａｌ／ｍｏｌであり、超高分子量ポリエチレン繊維の表
面に存在するＣ−Ｃ結合（８３．１ｋｃａｌ／ｍｏｌ）
およびＣ−Ｈ結合（９８．８ｋｃａｌ／ｍｏｌ），Ｃ−
Ｏ結合（８４．０ｋｃａｌ／ｍｏｌ）等を解離すること
ができる。さらに、紫外線照射時に必要により加熱を併
用することにより、この解離反応を早めることができる
。この照射によって、超高分子量ポリエチレン繊維表面
上の汚染物質を除去し、清浄表面にすることができると
ともに、高濃度オゾンは紫外線エネルギーによって、原
子状の酸素を発生し、その強力な酸化力によって、超高
分子量ポリエチレン繊維の表面を酸化する。

【００１３】光酸素化処理を行なった超高分子量ポリエ
チレン繊維表面は、肉眼的にも、走査電子顕微鏡的にも
変化は認められないが、親水性が向上した。フーリエ変
換赤外吸光分析によれば、カルボニル基が増加し、ＥＳ
ＣＡ分析では各種の含酸素基の増加がみられた。また、
光酸素化処理を行なった超高分子量ポリエチレン繊維を
強化材とし、有機高分子をマトリックス材として製造し
た超高分子量ポリエチレン繊維強化複合体の機械的特性
は、曲げ強度が無処理のものに比べて２倍に増加するな
ど著しく向上した。

【００１４】本発明の方法によって製造された超高分子
量ポリエチレン繊維強化複合体は、従来のＦＲＰより軽
量性、機械的特性が優れているので、自動車、鉄道、航
空機などの交通分野、スポーツ用品の分野、漁業、工業
などの広範囲な産業分野において使用可能である。

【００１５】

【実施例１】以下、本発明の実施例について詳細に説明
する。超高分子量ポリエチレン繊維として、ゲル紡糸に
よる超延伸ポリエチレン繊維の平織布（ＤＪ−１２１５
，商品名，東洋紡積株式会社製）を使用した。この超高
分子量ポリエチレン繊維は、配向度７０％以上、分子量
６０万ｇ／モルで、何ら表面処理のなされていないもの
である。この超高分子量ポリエチレン繊維の不織布を光
酸素化処理装置（サムコインタナショナル研究所製ＵＶ
−３０型）の反応槽内の基板上に置き、酸素ボンベから
毎分３ｌの酸素ガスをオゾン発生器を通して高濃度オゾ
ンを発生させて、反応槽へ送り込み、さらに低圧水銀灯
（１２０Ｗ×２本）により、紫外線を７分間照射した。超高分子量ポリエチレン繊維の裏面には紫外線が照射さ
れないため、さらに超高分子量ポリエチレン繊維を裏返
して７分間、表面と同じ処理を行なった。

【００１６】反応槽は各実験ごとに５０、７５、１００
、１２５、１５０℃に加熱した。なお、表面処理後の残
留オゾンは、窒素ガスによってパージした。ＦＴ−ＩＲ分析このようにして表面処理を行なった超高分子量ポリエチ
レン繊維の表面のＦＴ−ＩＲ分析を行なった。図１（Ａ
）に１２５℃で加熱して光酸素化処理をおこなった超高
分子量ポリエチレン繊維のＦＴ−ＩＲチャートを示す。比較として、本発明の光酸素化処理を行なわなかったも
ののＦＴ−ＩＲチャートを図１（Ｂ）に示す。また、前
記各温度での光酸素化処理の結果を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】図１（Ａ）、（Ｂ）、表１からは、光酸素
化処理の有無によって１７２３ｃｍ−１付近のカルボニ
ル基の吸光度に違いがみられた。アルキル基（１４６０
ｃｍ−１）に対するカルボニル基の吸光度比は、無処理
品が０．０１８であるのに対して、１２５℃で熱処理併
用の光酸素化処理品では０．０６２にまで増加しており
、光酸素化処理によりカルボニル基が著しく増加したこ
とが分かる。濡れ性テスト実施例１と同じ処理を行なった超高分子量ポリエチレン
繊維の水に対する濡れ性を測定したところ、親水性が向
上した。

【００１９】超高分子量ポリエチレン繊維平織布の前記
のとおり光酸素化処理したものと無処理のものを各々幅
１ｃｍ、長さ６ｃｍに切り、その一端を水面下２ｍｍに
保持して３０秒後の濡れ張力を測定した。その結果、無
処理品の濡れ張力は２４．４ｍｇｆであるのに対し、光
酸素化処理品では、５０℃で２６．６ｍｇｆ、１００℃
で２７．４ｍｇｆ、１５０℃で３４．３ｍｇｆに増加し
た。このことは、超高分子量ポリエチレン繊維の表面が
光酸素化処理によって改質された結果、表面に極性基が
導入されて、表面が水に濡れやすくなったことを示して
おり、複合体とした複合マトリックスと強化材の相互作
用が強化されることを表す。

【００２０】

【実施例２】実施例１と同じ光酸素化処理を１２５℃で
行なった超高分子量ポリエチレン繊維平織布を幅６ｃｍ
、長さ１２ｃｍに切断したものに、ビスフェノール系エ
ポキシ樹脂を含浸した。この含浸物を４８時間風乾した
後、この風乾物の６枚を積層してプリプレグを作った。つぎに、１３０℃、１時間で成形を行なった後、さらに
、１３０℃、２時間の後処理を行なって、ＦＲＰを製作
した。そのＦＲＰについて、嵩密度、バーコル硬さ、曲
げ強さ、および弾性率からなる機械的特性を測定した。その結果を表２に示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】表２からは、本発明の光酸素化処理を行な
うことにより、嵩密度、バーコル硬さはほとんど変化が
ないか、または若干の上昇であるのに対し、曲げ強さは
約２倍、弾性率は約３０％増加することが分かる。

【００２３】

【発明の効果】本発明は上記したように構成されている
ので、つぎの効果を有する。■無処理の超高分子量ポリ
エチレン繊維に比べて、本発明の光酸素化処理を行なっ
た超高分子量ポリエチレン繊維を用いて製造した超高分
子量ポリエチレン繊維強化複合体は、２倍の曲げ強さ、
および３０％増加した弾性率となり、優れた機械的特性
を有する超高分子量ポリエチレン繊維強化複合体となる
。

【００２４】■本発明に用いた超高分子量ポリエチレン
繊維の改質処理は、紫外線を用いているので、コロナ放
電処理、電子線処理、プラズマ処理等のような大掛かり
な装置を必要とせずに、しかも大量に連続的に処理を行
なうことができる。■超高分子量ポリエチレン繊維表面
に付着していた汚染物質が除去され、清浄な表面とする
ことができるので、超高分子量ポリエチレン繊維のこの
改質処理の後に、水洗、乾燥等の後処理を必要としない
。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光酸素化処理された超高分子量ポリエ
チレン繊維のＦＴ−ＩＲ分析のチャートを（Ａ）、無処
理のものを（Ｂ）に示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　オゾン流通下に紫外線を照射したこと
を特徴とする超高分子量ポリエチレン繊維。
【請求項２】　　オゾン流通下において超高分子量ポリ
エチレン繊維に、紫外線を照射し、得られた超高分子量
ポリエチレン繊維に有機高分子マトリックス材を含浸さ
せ、これをそのまま、あるいは積層し、硬化させたこと
を特徴とする超高分子量ポリエチレン繊維強化複合体。