JPH05117446A - 短繊維含有ポリマー組成物およびポリマー組成物の電気抵抗制御方法 - Google Patents
短繊維含有ポリマー組成物およびポリマー組成物の電気抵抗制御方法Info
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Abstract
縁性能を有するポリマー組成物、およびそれを可能にす
るための電気抵抗の制御方法を提供する。 【構成】 体積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcmである
1種以上の短繊維10〜40重量部およびポリマー90
〜60重量部からなる、体積固有抵抗値が105 〜10
13Ωcmの短繊維含有ポリマー組成物、および体積固有抵
抗値が10-1Ωcm以下である1種以上の短繊維および体
積固有抵抗値が10-1Ωcm以上である1種以上の短繊維
の混合物10〜40重量部ならびにポリマー90〜60
重量部からなる、体積固有抵抗値が105 〜1013Ωcm
の短繊維含有ポリマー組成物、およびポリマー組成物の
体積固有抵抗値を105 〜1013Ωcmに制御する方法。
Description
体積固有抵抗値が一定の範囲に制御された短繊維含有ポ
リマー組成物、および特定の体積固有抵抗値を有する短
繊維または短繊維混合物を用いることを特徴とする、ポ
リマー組成物の体積固有抵抗値を制御する方法に関す
る。
易さのため、あらゆる産業において広く用いられてい
る。特に高分子化合物は、一般に優れた電気絶縁性を示
すことから、電子部品の用途に用いられることも多い。
高分子複合材料系の電子部品にたいしては、より高い電
気絶縁性が求められているのではあるが、実際に機器の
一部として使われる際には、そのままでは帯電が起こ
り、塵埃の吸着のような不都合が生じる。そのため、高
分子化合物の有する絶縁性が通常は体積固有抵抗値にし
て1015〜1016Ωcmであるのに対し、実際に用いる際
には何等かの手段を用いて若干の導電性を付与し、10
9 〜1011Ωcm程度にする必要がある。
代表的な方法論として、カーボンブラックの添加という
手段があり、これについては、例えば日本接着協会誌V
ol.23,No.3,103〜111ページ(198
7)の住田の総説にこれまでの基礎研究の成果がまとめ
られている。
容易に導電性を付与することはできるが、実際にはそれ
が強力な導電性を有することと粉体であることから、分
散性を高くすると電気の導通状態を段階的に高くするこ
とが難しく、添加量がある程度を超えると急激に導電性
が上昇する。そのため、カーボンブラックを用いること
によっては、109 〜1011Ωcm程度の微弱な導電性を
有するポリマー組成物またはポリマー成形体を高い生産
性で製造することは極めて難しい。
超極細炭素繊維をポリマーに配合してなる表面抵抗の低
い高分子材料が記載されている。
維では、単に帯電防止、あるいは静電気障害の除去を目
的とするのであれば有効であるが、導電性が非常に高い
ためこれのみを用いては、カーボンブラックの場合と同
様109 〜1011Ωcm程度の微弱な導電性を有するポリ
マー組成物を得ることは難しく、更にその範囲における
特定の抵抗値を有する組成物を工業的に製造する事は極
めて難しく、通常は考え得ない事である。
極細炭素繊維の使用のみでは克服できない問題を解決す
る試みの一つが、特開昭63−22861号公報に記載
されている。この公報には、選ばれた表面抵抗率を有す
る充填剤としてチャーカーボンを用いたポリマー組成物
が記載されている。
然の植物のわらであるため、品質安定性が悪く、得られ
るチャーカーボンにも性質にバラツキが生じやすい。更
に、原料植物が豊作か不作かによって原料わらの入手し
易さ及び原料価格に変動が起こるため工業材料として不
適である。また、この公報の発明の実施例に従えば、チ
ャーカーボンを添加したところでその他の充填物がカー
ボンブラックなので、組成物の体積固有抵抗値は安定し
たものとはならない。さらにチャーカーボンもまた、そ
の形状はむしろ不定形から粒状であり、厳密に繊維形状
を取るものではなく、これによりやはり、107 〜10
11Ωcmの範囲での微妙な抵抗値制御は難しい。
性が抑制されかつ実用的な絶縁性能を有するポリマー組
成物を提供すること、およびそれを可能にするための電
気抵抗の制御方法を提供することにある。
解決するために鋭意研究を重ねた結果、比較的高い電気
抵抗を有する物質の短繊維、または導電性の短繊維と高
い電気抵抗を有する短繊維との混合物をポリマーに添加
することにより、組成物の導電性制御が容易になること
を見出だし、この知見に基づいて本発明をなすに至っ
た。
-1〜103 Ωcmである1種以上の短繊維10〜40重量
部およびポリマー90〜60重量部からなる、体積固有
抵抗値が105 〜1013Ωcmの短繊維含有ポリマー組成
物を第1の要旨とし、体積固有抵抗値が10-1Ωcm以下
である1種以上の短繊維および体積固有抵抗値が10-1
Ωcm以上である1種以上の短繊維の混合物10〜40重
量部ならびにポリマー90〜60重量部からなる、体積
固有抵抗値が105 〜1013Ωcmの短繊維含有ポリマー
組成物を第2の要旨とし、体積固有抵抗値が10-1〜1
03Ωcmである1種以上の短繊維をポリマーに混合させ
ることを特徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵抗値
を105 〜1013Ωcmに制御する方法を第3の要旨と
し、体積固有抵抗値が10-1Ωcm以下である1種以上の
短繊維および体積固有抵抗値が10-1Ωcm以上である1
種以上の短繊維の混合物をポリマーに混合させることを
特徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵抗値105 〜
1013Ωcmに制御する方法を第4の要旨とするものであ
る。
制御する方法については特に、体積固有抵抗値が10-1
〜103 Ωcmである1種以上の短繊維をポリマーに混合
させることを特徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵
抗値を105 〜1013Ωcmの範囲中の特定値に制御する
方法を第5の要旨とするものであり、体積固有抵抗値が
10-1Ωcm以下である1種以上の短繊維および体積固有
抵抗値が10-1Ωcm以上である1種以上の短繊維の混合
物をポリマーに混合させることを特徴とする、ポリマー
組成物の体積固有抵抗値105 〜1013Ωcmの範囲中の
特定値に制御する方法を第6の要旨とするものである。
よびポリマー組成物の体積固有抵抗値を制御する方法を
詳細に説明する。
積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcmであるものは、酸化
処理を施された炭素繊維、焼成温度を800℃未満にし
て炭化の進行を不完全にして得た炭素繊維、ゲルマニウ
ムの繊維化物などがあげられ、体積固有抵抗値が10-1
Ωcm以下であるものは、酸化処理を施されていない通常
の焼成温度で完全に炭化されて得た一般の炭素繊維、ア
ルミニウム、スチール、銅など高い導電性を有する金属
の繊維化物などがあげられ、体積固有抵抗値が10-1Ω
cm以上であるものは、上記の体積固有抵抗値を高くした
炭素繊維、ゲルマニウムの繊維化物、ガラス繊維、炭化
ケイ素繊維などがあげられる。
〜103 Ωcmであれば、1種類だけで用いることも2種
類以上を併用することも可能である。体積固有抵抗値が
10 -1〜103 Ωcmの短繊維とそれ以外の体積固有抵抗
値をとる短繊維を共に用いることもまた可能であり、更
にそれら短繊維を2種類以上ずつ用いることも可能であ
る。
のを用いる場合は、体積固有抵抗値が10-1Ωcm以上で
あるものを併用して用いる。この場合も、それぞれの体
積固有抵抗値を有する短繊維を2種類以上ずつ用いるこ
とが可能である。併用のときは、10-1Ωcm以上のもの
が樹脂に配合する全短繊維の20%以上となるようにす
る。それぞれの体積固有抵抗値を有する短繊維の組み合
わせとしては、体積固有抵抗値が10-1Ωcm以下の一般
の炭素繊維と体積固有抵抗値が10-1Ωcm以上の体積固
有抵抗値を高くした炭素繊維またはガラス繊維の組み合
わせが好ましい。これらは、ポリマー、特に樹脂補強用
繊維として研究成果の蓄積が大きいため、工業化する際
に具体的な添加量及び配合方法を検討する上で他の繊維
材に比べて検討が容易だからである。
繊維長が50μm〜5cmの範囲、特に50μm〜15mm
の範囲にあることが好ましい。
路の形成がカーボンブラックの場合同様ある添加量を臨
界点として起こるようになるため、急激に導電性が高く
なり、109 〜1011Ωcmの範囲での抵抗値制御が難し
くなる。
に困難が生じ始め、且つポリマー中での繊維の分散性が
悪くなり、やはり109 〜1011Ωcmの範囲での抵抗値
制御が難しくなる。
ましい理由は、この繊維長の範囲のものは、射出成形用
に熱可塑性樹脂に配合する上で扱いやすいためである。
が10-1〜103 Ωcmである事が都合が良い理由は、体
積固有抵抗値が10-1Ωcm未満の場合、少量の配合によ
り樹脂組成物に急激な導電性を与えるために制御が難し
く、また、103 Ωcmを超える場合、多量の配合によっ
ても樹脂組成物に導電性が付与しにくい不都合を生じる
ためである。
を得るためには、体積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcm
である物質を繊維化したもの、または繊維素材を体積固
有抵抗値が10-1〜103 Ωcmとなるように加工したも
のを用いるのが便利である。
る短繊維を用いない場合は、体積固有抵抗値が10-1Ω
cm以下の導電型の短繊維と体積固有抵抗値が10-1Ωcm
以上の絶縁型の短繊維とを混合して用いることも不利で
はない。導電性の短繊維と絶縁性の短繊維の組み合わせ
としては、ガラス繊維と炭素繊維、金属の繊維化物と炭
化ケイ素繊維のように極端な導電性を有するものと極端
な絶縁性を有するものとの組み合わせも可能である。こ
の組み合わせで最も理想的なものがガラス繊維と炭素繊
維である事は前述の通りである。
のは、体積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcmとなるよう
に導電性を抑制された炭素繊維のチョップドストラン
ド、または一般の高い導電性を有する炭素繊維チョップ
ドストランドと導電性を抑制された炭素繊維チョップド
ストランドとを混合して用いたものである。
酸による薬液酸化、または空気、酸素、オゾンなどによ
る気相酸化のような酸化処理を施す、炭素繊維の焼成温
度を800℃未満にして炭化の進行を不完全にすると言
った方法で得られる。
可塑性樹脂が最も好ましいが、熱硬化性樹脂、ゴムなど
も使用が可能である。熱可塑性樹脂については、例え
ば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポ
リアクリルスチレンなどに代表される汎用ポラスチック
ス、ABS(アクリル−ブタジエン−スチレン)樹脂、
ポリフェニルエーテル、ポリアセタール、ポリカーボネ
ート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレ
フタレート、ナイロン6、ナイロン6、6等に代表され
るエンジニアリングプラスチックス、ポリエーテルエー
テルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフ
ォン、ポリフェニレンサルファイドなどのいわゆるスー
パーエンプラと呼ばれるものも用いることができ、熱硬
化性樹脂についてもフェノール樹脂、エポキシ樹脂、不
飽和ポリエステル樹脂などこれまでに知られているもの
についてはほぼ例外なく用いることができ、ゴム類であ
れば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ス
チレン−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリル
ゴム、エチレン−プロピレンゴム、アクリルゴム、エピ
クロルヒドリンゴム、多硫化ゴム、ウレタンゴムなど種
々のゴム材料を用いることができる。
っては、短繊維10重量部に対しポリマー90重量部か
ら短繊維40重量部に対しポリマー60重量部の範囲に
調整する。
して用いられているわけではないので、組成物を成形体
としたときの機械的強度についてはそれほど高いものを
求められる事はないが、短繊維の比率が10重量部未満
であれば、導電性付与が不十分であり、一方短繊維の比
率が40重量部を超えると本発明に限らずコンパウンド
化が難しいと言った不都合が生じる。
Ωcm、好ましくは106 〜1012Ωcm、さらに好ましく
は107 〜1011Ωcmの範囲にあることが必要である。
10 5 Ωcm未満にするのであれば、通常の導電性フィラ
ーを用いることが効果的であり、1013Ωcmを超えると
帯電防止、除塵の効果が得られないと言った不都合が生
じるためである。
は、熱可塑性樹脂であればエクストルーダーでコンパウ
ンドとし、射出成形をする、熱可塑性樹脂であればBM
C(バルクモールディングコンパウンド)、SMC(シ
ートモールディングコンパウンド)とする、ゴム材料で
あれば、熱可塑性樹脂と同様ポリマーに加熱しながら混
練するなど、従来公知の方法を用いることができる。む
ろん、射出成形法あるいはSMC法のみに限定されるも
のではない。
ることは、組成物の体積固有抵抗値が105 〜1013Ω
cmの範囲にある限りこれを妨げられない。
る。むろん、本発明は以下の実施例のみに限定されるも
のではない。
抵抗値は次の方法で測定した。
〜5cmのモノフィラメントを取り、スパン25mmの銅プ
レート上に導電塗料で固定する。
SC−7402(岩崎通信機(株)製)で行った。
ある。
プレートのスパンとして計算する
繊維の展開と評価方法」225〜226ページ参照。
ストランドの製造 光学的に等方性の炭素繊維用プリカーサーピッチをブッ
シングが1000ホールの紡糸装置より溶融紡糸し、ピ
ッチ繊維のストランドを得た。このピッチ繊維を空気中
0.5℃/min の速度で300℃まで昇温し、その温度
で10分間保持して不融化した。上記不融化繊維を窒素
気流中10℃/min の速度で900℃まで昇温し、その
温度で10分間保持して炭素繊維とした。得られた炭素
繊維の体積固有抵抗値は、8.0×10-3Ωcmであっ
た。次に、この炭素繊維を空気中400℃で120分間
熱処理し、繊維の表面を酸化した。この繊維の体積固有
抵抗値は、2.5Ωcmであった。
固形分2%のエポキシ樹脂エマルジョン中に浸漬し、そ
の後乾燥機中で水分を除去し、それからこのストランド
を3mm長のチョップドストランドとした。
min の速度で1000℃まで昇温し、その温度で10分
間保持して炭素繊維とした。得られた炭素繊維の体積固
有抵抗値は、5.3×10-3Ωcmであった。
同様、固形分2%のエポキシ樹脂エマルジョン中に浸漬
し、その後乾燥機中で水分を除去し、それからこのスト
ランドを3mm長のチョップドストランドとした。
ストランドの製造 参考例1で記載した不融化繊維を、窒素気流中10℃/
min の速度で800℃まで昇温し、その温度で10分間
保持して炭素繊維とした。得られた炭素繊維の体積固有
抵抗値は、3.1×10-2Ωcmであった。次に、この炭
素繊維を空気中400℃で60分間熱処理し、繊維の表
面を酸化した。この繊維の体積固有抵抗値は、3.5×
101 Ωcmであった。
同様、固形分2%のエポキシ樹脂エマルジョン中に浸漬
し、その後乾燥機中で水分を除去し、それからこのスト
ランドを3mm長のチョップドストランドとした。
ドを利用した熱可塑性樹脂組成物及び電気抵抗制御方法 参考例1で得たチョップドストランドをABS樹脂GR
−2000〔電気化学工業(株)製〕に総重量の10、
20、30重量%となるように配合し、ドライブレンド
したものを単軸スクリューの押し出し機に投入し、コン
パウンドとした。次いで、そのコンバウンドのペレット
を射出成形機により、シリンダー温度230℃、金型温
度70℃の条件下で厚さ2mm、幅24.5mm、長さ4
9.5mmの樹脂組成物成形体の試験片とした。
のはHiresta IP(三菱油化製)リング状プロ
ーブを用い、104 Ω以下のものはLoresta A
P(三菱油化製)4端子プローブを用い測定した。結果
を表1に示す。
ドとガラス繊維チョップドストランドを利用した熱可塑
性樹脂組成物及び電気抵抗制御方法 参考例2の炭素繊維チョップドストランド10重量部と
ガラス繊維チョップドストランド CS 3PE 33
1〔日東紡績(株)製〕15重量部とを実施例1と同様
の条件でABSとのコンパウンドとし、射出成形して樹
脂組成物成形体の試験片とした。なお、このガラス繊維
の体積固有抵抗値は、1015Ωcmである。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、1.3×108 Ωcmであった。
ドストランドを利用した熱可塑性樹脂組成物及び電気抵
抗制御方法 参考例2の炭素繊維チョップドストランド10重量部と
参考例3のチョップドストランド10重量部とを実施例
1と同様の条件でABSとのコンパウンドとし、射出成
形して樹脂組成物成形体の試験片とした。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、6.8×107 Ωcmであった。
ドによる熱可塑性樹脂組成物及び組成物の電気抵抗値 参考例2の炭素繊維チョップドストランドを実施例1と
同様にABS樹脂GR−2000(電気化学工業(株)
製)に総重量の10、20、30重量%となるように配
合し、実施例1と同様の条件でコンパウンドとし、射出
成形して樹脂組成物成形体の試験片とした。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値の測定結果を表2に示す。
をそれぞれ図1にプロットして示す。
ップドストランドによれば、配合量の変化によるポリマ
ー組成物の体積固有抵抗値変化が急激でないため、組成
物の導電性制御が容易である事を示す(実施例1のプロ
ット参照)。一方、参考例2の通常の炭素繊維チョップ
ドストランドでは、106 〜1013Ωcmの領域における
体積固有抵抗値変化が僅か数パーセントの配合量の相違
で急激に起こるため、導電性制御には不適であることが
判る(実施例2のプロット参照)。
ドストランドを利用した熱可塑性樹脂組成物及び電気抵
抗制御方法 参考例2の炭素繊維チョップドストランド10重量部と
参考例3のチョップドストランド10重量部とを実施例
3と同様にポリアセタール樹脂ジュラコン〔ポリプラス
チックス(株)製〕80重量部とのコンパウンドとし、
シリンダー温度200℃、金型温度90℃の条件下で射
出成形して、厚さ2mm、幅24.5mm、長さ49.5mm
の樹脂組成物成形体の試験片とした。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、4.5×107 Ωcmであった。
ドストランドを利用した熱可塑性樹脂組成物及び電気抵
抗制御方法 参考例2の炭素繊維チョップドストランド10重量部と
参考例3のチョップドストランド10重量部とを実施例
3と同様にポリカーボネート樹脂パンライトL−125
0J〔帝人化成(株)製〕80重量部とのコンパウンド
とし、シリンダー温度300℃、金型温度120℃の条
件下で射出成形して、厚さ2mm、幅24.5mm、長さ4
9.5mmの樹脂組成物成形体の試験片とした。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、3.8×107 Ωcmであった。
ドストランドを利用した熱可塑性樹脂組成物及び電気抵
抗制御方法 参考例2の炭素繊維チョップドストランド10重量部と
参考例3のチョップドストランド10重量部とを実施例
3と同様にポリフェニレンサルファイド樹脂ライトンR
−6〔フィリップス(株)製〕80重量部とのコンパウ
ンドとし、シリンダー温度320℃、金型温度130℃
の条件下で射出成形して、厚さ2mm、幅24.5mm、長
さ49.5mmの樹脂組成物成形体の試験片とした。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、9.5×106 Ωcmであった。
ドを利用した熱可塑性樹脂組成物及び電気抵抗制御方法 参考例3の炭素繊維チョップドストランド40重量部を
実施例1と同様にポリエーテルイミド樹脂ウルテム〔日
本ジーイープラスチックス(株)製〕60重量部とのコ
ンパウンドとし、シリンダー温度400℃、金型温度1
30℃の条件下で射出成形して、厚さ2mm、幅24.5
mm、長さ49.5mmの樹脂組成物成形体の試験片とし
た。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、6.3×107 Ωcmであった。
ドをミルドファイバーにして利用した熱可塑性樹脂組成
物及び電気抵抗制御方法 参考例3の炭素繊維チョップドストランドをボールミル
中で粉砕し、平均繊維長50μmのミルドファイバーに
した。このミルドファイバー30重量部を実施例7と同
様にポリエーテルイミド樹脂ウルテム(日本ジーイープ
ラスチックス(株)製)70重量部とのコンパウンドと
し、シリンダー温度400℃、金型温度130℃の条件
下で射出成形して、厚さ2mm、幅24.5mm、長さ4
9.5mmの樹脂組成物成形体の試験片とした。
抗を測定した。この樹脂組成物の試験片の体積固有抵抗
値は、9.9×1012Ωcmであった。
繊維形状の素材、とくに導電性を抑制した炭素短繊維を
ポリマーに含有させる事で従来困難とされてきた絶縁性
と帯電防止性が共に適切である範囲の電気抵抗を有する
繊維含有ポリマー組成物を、容易にかつ高い生産性で得
ることが可能となった。
す図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 体積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcmで
ある1種以上の短繊維10〜40重量部およびポリマー
90〜60重量部からなる、体積固有抵抗値が105 〜
1013Ωcmの短繊維含有ポリマー組成物。 - 【請求項2】 体積固有抵抗値が10-1Ωcm以下である
1種以上の短繊維および体積固有抵抗値が10-1Ωcm以
上である1種以上の短繊維の混合物10〜40重量部な
らびにポリマー90〜60重量部からなる、体積固有抵
抗値が105 〜1013Ωcmの短繊維含有ポリマー組成
物。 - 【請求項3】 体積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcmで
ある1種以上の短繊維をポリマーに混合させることを特
徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵抗値を105 〜
1013Ωcmに制御する方法。 - 【請求項4】 体積固有抵抗値が10-1Ωcm以下である
1種以上の短繊維および体積固有抵抗値が10-1Ωcm以
上である1種以上の短繊維の混合物をポリマーに混合さ
せることを特徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵抗
値105 〜1013Ωcmに制御する方法。 - 【請求項5】 体積固有抵抗値が10-1〜103 Ωcmで
ある1種以上の短繊維をポリマーに混合させることを特
徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵抗値を105 〜
1013Ωcmの範囲中の特定値に制御する方法。 - 【請求項6】 体積固有抵抗値が10-1Ωcm以下である
1種以上の短繊維および体積固有抵抗値が10-1Ωcm以
上である1種以上の短繊維の混合物をポリマーに混合さ
せることを特徴とする、ポリマー組成物の体積固有抵抗
値を105 〜1013Ωcmの範囲中の特定値に制御する方
法。
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