JPH07156175A - 高強度・高弾性率ポリオレフィン材料の連続的製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 上下に対向する一対のエンドレスベルトによ
り圧縮成形し次いで圧延、延伸する高強度・高弾性ポリ
オレフィン材料の製造において、入口部の厚みが出口部
分より厚くなるような勾配を有する加圧プレートを用い
て圧縮成形する方法。 【効果】 空気の巻込みがないので延伸切れが減少し、
均質材料が効率良く得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高強度・高弾性率ポリオ
レフィン材料の連続的製造法に関し、更に詳しくは、ポ
リオレフィン粉末を融点未満の温度下に特定装置により
圧縮形成し、次いで圧延し、さらに加熱体と接触させな
がら延伸することにより高強度・高弾性率ポリオレフィ
ン材料を連続的にかつ効率よく製造する方法の改良に関
する。

【０００２】

【従来の技術】分子量が著しく高いいわゆる超高分子量
のポリオレフィンは、耐衝撃性、耐摩耗性に優れ、また
自己潤滑性を有する等特徴のあるエンジニアリングプラ
スチックとして各種の分野で使用されている。この超高
分子量のポリオレフィンは、汎用のポリオレフィンに比
較して遥かに分子量が高いので、高配向させることがで
きれば高強度、高弾性を有する成形物が得られることが
期待されるので、その高配向化が種々検討されてきた。

【０００３】しかしながら、超高分子量のポリオレフィ
ンは、汎用ポリオレフィンに比べ、溶融粘度が高く、通
常の方法では成形加工性が著しく悪く、また、延伸して
高配向化することもできないのが現状である。

【０００４】ポール・スミス、ビーター・ヤーン・レム
ストラ等は超高分子量ポリオレフィンのデカリン溶液
（ドープ）から得たゲルを高倍率に延伸し、高強度・高
弾性率の繊維を製造する方法を提案している（特開昭５
６−１５４０８号）。そのドープ中のポリマー濃度は、
重量平均分子量１５０万のもので３重量％、４００万の
ものでは１重量％と極めて低濃度でしか実施されておら
ず、実用化においては多量の溶媒を使用し、かつ高粘度
の溶液の調製方法、取り扱い面、更に経済性等の面で著
しく不利である。

【０００５】上述の問題点を解決するために、本発明者
らは、超高分子量のポリエチレン粉末を、溶解または溶
融することなしに該粉末の融点未満の温度下に圧縮成形
し、次いで圧延および延伸して高強度・高弾性率ポリエ
チレン材料を製造する方法を提案した（特開昭６３−４
１５１２号及び特開昭６３−６６２０７号）。

【０００６】さらに、本発明者らは、生産性が劣るバッ
チ方式の圧縮成形工程を、ダブルベルト式の連続的加圧
手段を用いる方法に改め、高強度・高弾性率材料を連続
的に製造する方法を提案した（特開平２−２５８２３７
号）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
に開示された方法は加圧手段がバッチ方式のため生産性
が低かったり、連続式の場合においてもポリオレフィン
粉末が加圧部分に入る際に空気を巻き込んだり、またか
さ密度が不均一になる傾向がみられ、これらは延伸切れ
の原因となり、成形安定性に欠けるという問題点があっ
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、これらの
問題点を解決すべく鋭意検討した結果、ポリオレフィン
粉末をダブルベルト式の加圧手段により該粉末の融点未
満の温度の下で圧縮成形し次いで圧延および延伸するこ
とにより高強度・高弾性率のポリオレフィン材料を製造
する方法において、圧縮成形の際に入口部が出口部より
厚くなるような勾配のついた加圧プレートを用いて行う
ことにより、ポリオレフィン粉末が加圧部分に供給され
る際に空気の巻き込みによるボイドの発生が抑制され、
延伸切れがきめて少く、安定した延伸ができることを見
出したものである。

【０００９】すなわち、本発明は、上下に対向させた一
対のエンドレスベルトの間にポリオレフィン粉末を供給
し、該ポリオレフィン粉末をエンドレスベルトで挟みつ
つ移動させるとともに、該エンドレスベルトの内側に設
けられた加圧プレートおよび該加圧プレートとエンドレ
スベルトとの間に回転自在な互いに連結されたローラー
群からなる加圧手段により、ポリオレフィン粉末を該粉
末の融点未満の温度の下に圧縮成形し、次いで圧延およ
び延伸する方法において、加圧部分の入口部の厚みが出
口部分より厚くなるような勾配を有する加圧プレートを
用いて圧縮成形することを特徴とする高強度・高弾性率
ポリオレフィン材料の連続的製造方法に関する。

【００１０】

【発明を実施するための好適な態様】本発明の方法は、
重合および成形加工工程、具体的には圧縮成形、圧延お
よび延伸工程において、ポリオレフィンを溶融あるいは
溶媒中に溶解するような繁雑な操作を経ることなく、特
定する加圧手段を用いることにより、優れた物性を有す
る高強度・高弾性率ポリオレフィン材料を連続的にかつ
容易に製造することができる優れた特徴を有するもので
ある。

【００１１】本発明の高強度・高弾性率ポリオレフィン
材料の連続的製造方法に用いられるポリオレフィンとし
ては、炭素数２〜８、好ましくは２〜６のα−オレフィ
ンの単独重合体、例えば、低密度ポリエチレン、中密度
ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、
ポリブテン−１、ポリ−４−メチルペンテン−１等、あ
るいは、炭素数の異なるα−オレフィンとの共重合体、
例えば、エチレンと炭素数３〜１２、好ましくは３〜８
のα−オレフィンとの共重合体、プロピレンと炭素数４
〜１２、好ましくは４〜８のα−オレフィンとの共重合
体等が挙げられる。

【００１２】なお、本発明で用いられるこれらのポリオ
レフィンは、一般に分子量が高い方がより高強度・高弾
性率を有する材料を得ることができるので望ましい。例
えば、ポリエチレンの場合、粘度平均分子量が５０万〜
１２００万、好ましくは９０万〜９００万、更に好まし
くは１２０万〜６００万、１３５℃、デカリン中におけ
る極限粘度で表記すれば、５〜５０ｄｌ／ｇ、好ましく
は８〜４０ｄｌ／ｇ、より好ましくは１０〜３０ｄｌ／
ｇである、いわゆる超高分子量ポリエチレンであること
が望ましく、また、ポリプロピレンの場合においても、
分子量が１００万以上であることが好ましい。

【００１３】また、これらのポリオレフィンの形状は特
に限定されないが、通常、顆粒状ないしは粉末状のもの
が好ましく用いられる。例えばポリエチレンの場合、粒
径２０００μｍ以下、好ましくは１０００μｍ以下が望
ましい、また、その粒径分布は狭い方が良好なシートが
得られる。

【００１４】本発明の高強度・高弾性率ポリオレフィン
材料の連続的製法においては、まずポリオレフィン粉末
を連続的に圧縮成形し、圧縮成形シートを形成する。

【００１５】この圧縮成形シートを形成するために用い
られる装置について具体例である図１に基づき簡略に説
明する。

【００１６】この装置は、基本的にはロール１〜４によ
り張力がかけられた上下に対向させた一対のエンドレス
ベルト５，６と、このエンドレスベルトを介して、粉末
試料を加圧するための加圧プレート７と、加圧プレート
とエンドレスベルトとの間に回転自在で互いに連結され
たローラー群８とからなる加圧手段を有している。これ
らのローラーは、両端の中心軸がそれぞれチェーン９で
固定され、加圧プレートの前後に配設したスプロケット
１０にこのチェーンを噛み合わされている。

【００１７】エンドレスベルトとしては、通常、肉厚が
０．１〜１．５ｍｍ程度のもので、被圧縮物に接触する
エンドレスベルト表面が鏡面状に研磨されたものが好適
に使用できる。エンドレスベルトの肉厚が薄過ぎると変
形や傷を受けやすくなり、また厚いとエンドレスベルト
に張力を加えるロールの径が大きくなり、装置全体が大
型化するため好ましくない。エンドレスベルトの材質と
しては、ステンレスが代表的なものとして挙げられる
が、適当な他の金属製ベルトの単一体や、これらのベル
トにフッ素樹脂等の樹脂類をコーティングしたもの等も
使用できる。

【００１８】本発明における加圧手段はエンドレスベル
トの内側に設けられた加圧プレートおよび加圧プレート
とエンドレスベルトとの間に回転自在な互いに連結され
たローラー群からなる。

【００１９】ポリオレフィン粉末が上下の加圧プレート
間に挟れて圧縮されるが、該粉末が本格的に加圧される
前に予備圧縮を行うことによって該粉末のかさ密度を均
一化するために、上下加圧プレート間の間隙を入口側が
出口側より大きくなるような水平方向に対して勾配面を
有する加圧プレートが用いられる。

【００２０】この勾配は使用するポリオレフィン粉末の
形状や成形速度により異り、一概に限定はできないが、
通常、１／１０００〜１／１０、好ましくは１／５００
０〜１／５０の範囲である。

【００２１】また、勾配は加圧プレート全長にわたって
均一につけてもよいが、好ましくは入口部のみ、例えば
全長の１／２〜１／２０、好ましくは１／３〜１／１０
の部分に勾配を設け、その他の部分は平行にするのが望
ましい。さらに勾配は上下の加圧プレートの両方につけ
ても片側のみにつけてもよいが、通常は上の加圧プレー
トに勾配がつけられる。また、勾配は単純な直線的なも
のは勿論、入口側から出口側に向かって次第に勾配が大
きくまたは小さくなる曲線状のものでも良い。

【００２２】加圧プレートのエンドレスベルト走行方向
の長さは、通常１０〜５００ｃｍ、好ましくは２０〜２
００ｃｍ程度が適当である。

【００２３】加圧プレートがエンドレスベルトに加える
平均圧力は、通常１００ｋｇ／ｃｍ ² 未満、好ましくは
０．１〜８０ｋｇ／ｃｍ² 、更に好ましくは０．５〜５
０ｋｇ／ｃｍ² 、特に好ましくは１．０〜２０ｋｇ／ｃ
ｍ² 、更に特に好ましくは５．０〜１０ｋｇ／ｃｍ² で
ある。

【００２４】加圧プレートは、エンドレスベルトを介し
てポリオレフィン粉末を加圧することが第一義的な役割
であるが、同時に被圧縮物の加熱手段としても使用する
ことが可能である。本発明の方法においては、被圧縮物
であるポリオレフィン粉末の融点未満の温度で圧縮工程
が実施され、この工程は引き続いて実施される圧延、延
伸工程を経ることによって高強度・高弾性率ポリオレフ
ィン材料を得る上で極めて重要である。しかしながら、
良好な圧縮成形シートを得るには、融点未満の温度では
あっても許容できる範囲内であることが望ましい。すな
わち、例えばポリエチレンについては通常５０℃以上、
好ましくは９０〜１４０℃、ポリプロピレンについては
通常９０℃、好ましくは１３０℃以上で、かつそれぞれ
の融点未満の温度が望ましい。

【００２５】加圧プレートとエンドレスベルトとの間に
介在させる回転自在な互いに連結されたローラー群とし
ては、そのローラー群におけるローラーの回転軸がエン
ドレスベルトの進行方向にほぼ垂直に配置され、かつ相
互に接触しない程度に密接させて多数配列されたものが
適当である。

【００２６】このローラーの外径としては、小径のも
の、具体的には５〜３０ｍｍ程度が好ましい。ローラー
の外径が小さ過ぎる場合には、エンドレスベルトに印加
される局部的な線圧が大きくなり過ぎ、エンドレスベル
トに小径ローラーの跡がつきやすく、かつエンドレスベ
ルトが変形しやすい。また、ローラーの外径が大き過ぎ
る場合には、加圧部（加圧プレート７）を長くすること
が必要である。加圧部が短い場合には、加圧部でのロー
ラーの本数が不足し、良好な圧縮成形シートが得られな
い。このローラー群はエンドレスベルトと加圧プレート
との間に固定して介在させてもよい。

【００２７】この例示された装置を用いて本発明の高強
度・高弾性率ポリオレフィン材料の連続的製造方法を実
施するには、まず、ホッパー１４内に投入されたポリオ
レフィン粉末を所定の断面形状を有するホッパー出口か
ら走行する下方のエンドレスベルト上に落下させる。エ
ンドレスベルトの走行速度は、加圧プレートの長さ、圧
縮条件にも依存するが、通常は５０〜２００ｃｍ／分程
度が適当である。エンドレスベルト上のポリオレフィン
粉末は、必要により予備加熱器１２により所定の温度ま
で予備加熱されたのち、上下のエンドレスベルトによる
挟圧部まで移動され、次いでローラー群と加圧プレート
７とが配設された圧縮部へ移行される。ここで、油圧シ
リンダー（図示せず）からの圧力が、図２により示され
る油圧ピストン１５から加圧プレートへ伝達され、更に
ローラー群、エンドレスベルトを経て被圧縮物に圧縮力
が加えられる。

【００２８】加圧プレート７への加熱手段１１の配設態
様としては、断熱部１３を設けた上で加圧プレート内に
電熱ヒーターを埋め込んでもよいし、加圧プレート内に
熱媒体の循環流路を配設して熱媒体を用いて加熱しても
よい。

【００２９】このようにして圧縮成形された圧縮成形シ
ートは、ロール部を通過したのち、エンドレスベルトか
ら離れる。このようにして圧縮成形シートが連続的に成
形される。なお、これらの圧縮成形されたシートは通常
０．２〜２ｍｍ、好ましくは０．５〜１．５ｍｍの肉厚
とするのが望ましい。

【００３０】本発明においては、高強度・高弾性率ポリ
オレフィン材料を、かくして得られる圧縮成形シートを
更に圧延し、次いで延伸することにより得るものであ
る。

【００３１】圧延方法としては公知の方法を用いること
ができるが、ポリオレフィンを溶融させることなく固相
状態に保持したまま回転方向の異なる圧延ロールにより
挟圧して圧延シートまたはフィルムを得る。この時、圧
延操作による材料の変形比は広く選択することができ、
通常、圧延後の長さ／圧延前の長さで示される圧延倍率
として１．２〜２０、好ましくは１．５〜１０とするの
が望ましい。この時の温度としては２０℃以上融点未
満、好ましくは９０℃以上融点未満である。例えば、ポ
リエチレンを用いる場合においては、通常、５０℃以上
融点未満、好ましくは９０〜１４５℃、更に好ましくは
１００〜１４０℃で圧延操作を実施することが望まし
い。もちろん、上記圧延操作を一回以上の多段圧延する
ことができる。

【００３２】圧延に次いで行われる延伸工程は、圧延物
を加熱体と接触させながら延伸することが好ましく、接
触式の引張延伸装置が用いられる。例えば、延伸張力を
かける手段としては、ニップロール間で張力をかけた
り、クローバーロール間、多段ロール間で張力をかけた
り、ネルソンロール方式で延伸張力を保持する方法等が
挙げられる。

【００３３】加熱体としては、固定式または回転ロール
等のように被延伸物とともに移動するもののいずれでも
よく、具体的には、熱ロール、熱板等が例示できる。も
ちろん、これらの加熱体を延伸張力をかける各種ロール
と兼用してもよく、また複数用いてもよいが、熱ロール
を複数本用いる場合は、ロール間距離をできるだけ接近
させて配置することが望ましい。

【００３４】前記ニップロールは通常ゴムロールと金属
ロールの一対で用いられるが、一本の金属ロールに対し
て複数本のゴムロールでニップしたり、一本のゴムロー
ルが複数本の金属ロールに対してニップしたり、あるい
はこれらのユニットを複数配置する等種々の方式を用い
ることができる。これらニップロールの一部もしくはす
べてのロール、例えば、金属ロールを、加熱体の一部に
兼用することも可能である。更に、２本の金属ロールを
やや傾斜させて配置してこの２本のロール面上を被延伸
物を数回巻回させる、いわゆるコデットロール方式等も
ニップロールの範囲に含まれる。

【００３５】なお、上記の加熱体と接触する操作には、
例えばシリコンオイル等に代表される様な液状熱媒体を
加熱体として用い、この中に被延伸物を浸漬し、液状熱
媒体により接触加熱する手段をも包括するものである。

【００３６】これらの延伸工程について、一例である図
３に基づき簡略に説明する。

【００３７】前記圧延操作で得られた圧延シート２０は
スリッター２１により所定の幅にカットされ入口側ニッ
プロール２２，２２′，２２″を通過後、加熱体２３，
２３′，２３″に接触しながら、所定の延伸温度に昇温
される。被延伸物は各入口側および出口側２２と２
２′、２２′と２２″、２２″と２６それぞれの位置の
通過速度が規制され、両者の速度差により張力が生じ、
延伸される。かくして得られた延伸テープは冷却ロール
２５により冷却されボビン２７に巻き取られる。図３に
おいてはクローバー型に配置された３本の金属ロールを
加熱体および冷却体として使用する一方で、ニップロー
ル２２，２２′，２２″，２６が２本の金属ロールに対
してニップする方式の一例である。

【００３８】延伸速度（図３においては、出口側ニップ
ロール２６の回転速度に相当）は、通常、０．１〜１０
００ｍ／分であるが、経済性を考慮すると高速度の方が
好ましく、通常２ｍ／分を越え、更に好ましくは３〜５
００ｍ／分、特に好ましくは、５〜２００ｍ／分の範囲
で行うことが好ましい。

【００３９】引張延伸における温度は、ポリマーの融点
未満で行われるが、例えば、超高分子量ポリエチレンを
用いた場合、通常２０〜１６０℃、好ましくは２０〜１
５０℃、更に好ましくは９０〜１４５℃、特に好ましく
は９０〜１４０℃の範囲である。

【００４０】必要に応じて、前記接触式加熱体の他に、
該加熱体に接近して赤外線ヒータ等の補助加熱手段を併
用することもできる。また、延伸工程全体を所定の延伸
温度になるように制御された空気層の中に入れて行うこ
ともできる。ただし、この場合、被延伸物を加熱体に接
触させずに加熱空気中を通過させるだけでは２ｍ／分を
越える経済的な速度で延伸することは困難となりやす
い。

【００４１】延伸倍率は高倍率にするほど高強度で高弾
性率が達成できるため、できる限り高めることが望まし
く、本発明の方法においては、例えば、超高分子量ポリ
エチレンを用いた場合には、少なくとも２０倍以上、通
常６０倍以上、好ましくは８０〜２００倍のトータル延
伸倍率（圧延および引張延伸の合計延伸倍率）が可能で
ある。

【００４２】かくして、高強度・高弾性率ポリオレフィ
ン材料が高効率に製造される。本発明の方法によれば、
例えば、ポリオレフィンとしてポリエチレンを用いた場
合、引張弾性率１２０ＧＰａ以上、引張強度２ＧＰａ以
上のポリエチレン材料が得られ、極めて高強度・高弾性
率のポリオレフィン材料が安定的に得られる。

【００４３】

【実施例】

実施例１ （１）圧縮成形装置仕様： １．ロール 径 ５００ｍｍφ 面長 ３００ｍｍ ２．スチールベルト 肉厚 ０．６ｍｍ 巾 ２００ｍｍ ３．小口径ローラー 径 １２ｍｍ 面長 ２５０ｍｍ ４．加圧プレート 長さ １０００ｍｍ 巾 ２００ｍｍ 上方の加圧プレートは長さ１０００ｍｍのうち入口側の
４００ｍｍは２／４００の勾配とし、残りの６００ｍｍ
はストレート、下方の加圧プレートはすべてストレート
とした。

【００４４】 ５．油圧シリンダー 径 １２５ｍｍ 上記の仕様の圧縮成形装置を用いて粘度平均分子量約３
００万の超高分子量ポリエチレン粉末を１３０℃に加熱
し、材料への平均圧力はおよそ４０ｋｇ／ｃｍ ² で加圧
し、肉厚１．１ｍｍ、巾１００ｍｍのシートを１ｍ／分
の速度で、連続的にシートに圧縮成形した。 （２）ロール圧延 次に上記のシートを表面温度が１４０℃に調整された１
ｍ／分の上下同一周速度で反対方向に回転する直径１５
０ｍｍ、面長３００ｍｍ、ロール間距離３０μｍの一対
のロール間に供給し、圧延を行いロール圧延倍率７倍の
シートを得た。 （３）延伸 〔装置仕様〕 予熱用金属ロール：３本／組×３組 ロール径２５０ｍｍφ、面長２００ｍｍ（ロール内部に
熱媒体用オイルを循環） 延伸用熱板 ：３式 熱板長さ ５０ｃｍ（１段目） １００ｃｍ（２段目） ３００ｃｍ（３段目） （熱板内部に埋め込みヒーターを使用し、熱板表面温度
を制御） 冷却用金属ロール：３本／組×１組 ロール径２５０ｍｍφ、面長２００ｍｍ（ロール内部に
水を循環） ニップロール： 入口側：２００ｍｍφシリコンゴムロールが予熱金属用
ロール２本に対してニップ。

【００４５】出口側：２００ｍｍφシリコンゴムロール
が冷却用金属ロール２本に対してニップ。

【００４６】前記で得られた圧延シートをスリッターで
巾５ｍｍにカットしてテープ状とし、これを上記仕様の
延伸装置を使用して引張延伸を行った。

【００４７】引張延伸は下記の条件で３段延伸を行っ
た。

【００４８】圧延による延伸を含めた合計の延伸倍率は
９８倍であり、得られたテープの引張弾性率は１２０Ｇ
Ｐａ、引張強度は２．４ＧＰａであった。

【００４９】

【表１】 なお、引張延伸は、３本のテープを同時に２０時間行
い、その間の延伸切れ回数は１回であった。 比較例１ 実施例１において、圧縮成形装置の１０００ｍｍ長さの
加圧プレートを勾配のついていないストレートのものを
用いて行った他は実施例１と同様に行い、合計延伸倍率
９８倍のテープを得た。

【００５０】テープの引張弾性率は１１８ＧＰａ、強度
は２．１ＧＰａであったが、３本同時に２０時間行った
引張延伸における延伸切れ回数は１２回であった。

【００５１】

【発明の効果】本発明の高強度・高弾性率ポリオレフィ
ン材料の製造においては、加圧部分の入口部の厚みが出
口部分の厚みより厚くなるような勾配を有する加圧プレ
ートを用いて圧縮成形しているので、得られる圧縮成形
シートに空気の巻き込みがなく、次いで行われる圧延お
よび延伸工程における延伸切れがなく、安定した延伸が
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法に用いられる圧縮成形装置の
１例である。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】本発明の製造方法の延伸工程の１例である。

【符号の説明】

１〜４ ロール ５〜６ エンドレスベルト ７ 加圧プレート ８ ローラー群 ９ チェーン １０ スプロケット １１ 加熱手段 １２ 予備加熱器 １３ 断熱部 １４ ホッパー １５ 油圧ピストン ２０ シート ２１ スリッター ２２，２２′，２２″ ニップロール ２３，２３′，２３″ 加熱体 ２４ 加熱プレート ２５ 冷却ロール ２６ ニップロール ２７ ボビン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 7:00

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下に対向させた一対のエンドレスベル
   トの間にポリオレフィン粉末を供給し、該ポリオレフィ
   ン粉末をエンドレスベルトで挟みつつ移動させるととも
   に、該エンドレスベルトの内側に設けられた加圧プレー
   トおよび該加圧プレートとエンドレスベルトとの間に回
   転自在な互いに連結されたローラー群からなる加圧手段
   により、ポリオレフィン粉末を該粉末の融点未満の温度
   の下に圧縮成形し、次いで圧延および延伸する方法にお
   いて、加圧部分の入口部の厚みが出口部分より厚くなる
   ような勾配を有する加圧プレートを用いて圧縮成形する
   ことを特徴とする高強度・高弾性率ポリオレフィン材料
   の連続的製造方法。