JPS63223028A - 高温成形型用エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

高温成形型用エポキシ樹脂組成物

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JPS63223028A
JPS63223028A JP63036434A JP3643488A JPS63223028A JP S63223028 A JPS63223028 A JP S63223028A JP 63036434 A JP63036434 A JP 63036434A JP 3643488 A JP3643488 A JP 3643488A JP S63223028 A JPS63223028 A JP S63223028A
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    • C08G59/42Polycarboxylic acids; Anhydrides, halides or low molecular weight esters thereof

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】 本発明は一般的にプラスチック材料の射出成形およびシ
ートモールディングコンパウンド(SMC)成形に使用
される注入成形型(casL−to−sizetool
s)のための、高温成形型用エポキシ樹脂組成物(hi
gh temperature epoxy resi
n toolingcomposition)に関する
ものであり、さらに詳しくは、200℃までの成形温度
で行われる射出成形およびSMC成形に使用される注入
成形型を製作するための強じんな高温成形型用エポキシ
樹脂組成物に関するものである。
従来、射出成形やSMC成形用の型は、剛性と耐久度の
点で高強度工具鋼で製作きれて来た。自動車工業でも熱
可塑性樹脂材料または熱硬化性樹脂材料を自動車部品と
するための射出成形用または圧縮成形用に工具鋼で製作
された金型が用いられて来た。しかしながら、これら工
具鋼製の金型は、型製作に多くの機械加工を要し非常に
高価である。
自動車工業においては、新型車を生産する場合には、そ
れに先立って、試験のためにある限られた台数のコンセ
プトカー(concept car)または試作車を製
作するのが通例となっている。このような試作車に使用
されるプラスチック部品を成形するために工具鋼による
成形型を設計するのは、いくつかの理由で実質的ではな
い。第一に、試作車は比較的短期間で製作する必要があ
るために、成形型に多くの機械加工を要する工具鋼を使
用することができない。第二は、最終的な生産モデルに
達する迄には、試作車にはもとの設計から何回もの設計
変更が加えられるものである。従って、特定の部品の設
計が最終的に承認される迄には、多数の成形型を製作し
なければなら蛙い。このために、工具鋼による型製作は
、コストの面から不可能である。
上記のような問題を解決するため、最近試作用のシート
メタルスタンピング型製作用に注型可能な高分子材料が
使用されるようになって来た。こ@材料の一つがエポキ
シ樹脂である。例えば、米国特許第4,423.094
号(Dearloveら)には、シートメタルスタンピ
ング型製作用として強じんで耐久性のあるエポキシ−ノ
ボラック材料が開示されている。この材料は型製作に対
しては良好な機械的性質を示すけれども、成形温度が僅
が100℃までしか使用できない。このためこの材料の
シートメタルスタンピング型への使用は制約される。
大ていの射出成形やSMC成形用の型にあっては型を製
作するための材料よしては、150”C以上の温度にお
いて安定性を保持していなければならない。米国特許第
4.423.094号に開示されているエポキシ−ノボ
ラック型用組成物のもう一つの欠点は、エポキシ−ノボ
ランク樹脂が高価なことである。
従って本発明の目的は、150’c以上の成形温度で射
出成形またはSMC成形を行なう型に使用できる型用エ
ポキシ樹脂組成物を提供するところにある。
さらに本発明の別の目的は、150’lll:以上の成
形温度で射出成形またはSMC成形を行なうための注入
成形型に使用できる型用エポキシ樹脂組成物を提供する
ところにある。
さらに本発明のもう一つ別の目的は、150”C以上の
成形温度で射出成形またはSMC成形を行なうだめの注
入成形型に使用できる高い圧縮強さをもつエポキシ樹脂
型用組成物を提供するところにある。
本発明による注入成形による成形型に使用される強じん
で耐久性のある型用高温エポキシ樹脂組成物は、ビスフ
ェノール−Aエポキシ樹脂を100重量部、三官能性芳
香族エポキシ樹脂を20ないし30重量部、無水物硬化
剤を100ないし115重量部およびイミダゾール触媒
を2ないし6重量部含み、該組成物は硬化後、少なくと
も80MPaの引張り強さと、少なくとも170’Cの
熱変形温度を有するものである。
本発明はまた前記の型用エポキシ樹脂組成物と約670
重量部の間隙的整合充填剤 (intersti tially−+matched
口11er)との混合物がら得られる充填エポキシ樹脂
組成物を含み、咳型用充填剤含有エポキシ樹脂組成物は
硬化後、少なくとも160℃の使用可能温度と、少なく
とも40MPaの引張り強さを存するものである。
本発明を好ましく実施することにより、高温射出成形ま
たは高温SMC成形用の型を注入成形するのに使用でき
る新規な型用エポキシ樹脂組成物が得られる。本発明組
成物によって注入成形されたエポキシ樹脂製の型は、1
50℃以上の成形温度で使用することができ−る。本発
明の樹脂組成物によって熱変形温度が181’Cに達す
ることにより、75容量%の充填剤を添加した場合、本
発明組成物で注入成形によって製作された成形型の最高
使用温度は200℃になる。型用エポキシ樹脂組成物の
粘度は、75容量%とい゛う多量の充填剤を添加した場
合でも、薄肉部および厚肉部(bulksection
)を有する型に注入できる程十分低いものである。エポ
キシ樹脂型においてri肉部」とは、6.35mm(!
4インチ)より十分大きい肉厚を有する部分と定義する
。「薄肉部」とは、6.35 ++n(2インチ)以下
の肉厚を有する部分と定義する。
厚肉部を有する型を注入成形するためには、硬化中にエ
ポキシ樹脂から発生する反応熱をコントロールしなけれ
ばならないことがすでに見出されている。エポキシ樹脂
の単位重量当りの発熱量は一定であるので、過熱により
生ずる問題を避けるため独特の注入成形法が考案されて
いる。第一に、反応中にエポキシ樹脂から発生する全反
応熱量を最小限にするため、間隙的整合充填剤を利用し
てエポキシ樹脂使用量を最小限にすることである。
速硬性エポキシ樹脂に多量の充填剤を使用する試みがな
されたが成功しなかった。この理由は、臨界量以上の充
填剤をエポキシ樹脂注形用組成物に添加した場合、注入
が不可能になる程組成物粘度が上昇するためである。
充填剤の粒径に間隙的整合性をもたせることにより、充
填エポキシ樹脂の粘度を例え充填剤量を非常に多量にし
た場合でも一定水準に維持できることが見出された。充
填剤が間隙的整合性をもつには、小さい微粒子が大きな
微粒子間の間隙にうまく詰まるように、充填剤微粒子の
粒径を慎重に選択する必要がある。このような不可欠の
要求が満されると、エポキシ樹脂組成物の注入性を維持
しながら、充填剤を75容量%という高い量にすること
ができる。
充填剤の充填量を高めることによるもう一つの利点は、
充填剤が硬化反応によって発生する反応熱を吸収する緩
衝剤としての役目をすることである。この結果、型の大
きな収縮や大きな変形原因となりうる熱衝撃や局部的な
過熱部の発生を防出することができる。
本発明の新規なエポキシ樹脂組成物は、ビスフェノール
−Aタイプのエポキシ樹脂、三官能性芳香族エポキシ樹
脂、無水物硬化剤、イミダゾール触媒および必要に応じ
間隙的整合充填剤が含まれろ。2種類のエポキシ樹脂、
無水物硬化剤およびイミダゾール触媒の独特の組成物に
あって、正確な組合せが不可欠である。いずれか1つの
成分を他の種類の成分に置き換えると、熱変形温度や引
張り性能のような特性が大幅に低下する0本発明の好ま
しい実施態様においては、3種類の間隙的整合充填剤が
用いられている。全組成物に対し充填剤を75容量%と
いう高い量で使用した場合、組成物の硬化反応によって
発生する反応熱は顕著に減少させられる。新規な型用エ
ポキシ樹脂組成物は、2段階で硬化させることができる
。第一段階の予備硬化は、室温で2日間または60℃で
8時間のいずれかの方法で行われる。予備硬化後、型成
形枠を取り外し、ついで型を180℃で2時間にわたり
後硬化させる。
本発明のその他の目的、特徴および利点は、以下の明細
書を考察することにより明らかになるであろう。
本発明において、充填剤の大きい径の微粒子と中間の径
の微粒子間で形成してい北間隙空間に、充填剤の小さい
径の微粒子が詰めこまれるような間隙的整合充填剤を使
用する手段は、最初には市販のエポキシ゛樹脂を用いて
開発されたものである。
この市販のエポキシ樹脂であるマグノリア(Magno
lia)  6013 Aは、米国マグノリアブラスチ
・ンクス社(Magnolia Plastics C
ompany。
USA)から入手したものである。このものは粒径20
μm(20μ)の鉄微粒子を27容量%含有している。
本発明に使用する間隙的整合充填剤を試験するために、
粒径が126μm(126μ)の鉄微粒子を第2充填剤
として添加し、粘度に対するこの第2充填剤の影響を観
察した。鉄微粒子量が27容量%のときは70Pa、s
 (70X 10’ cp)であったものが、鉄微粒子
量が33容量%になると470Pa、s (470X4
0’ cp)と急激に増加するのが観察された。すなわ
ち鉄粉充填が6容量%増加することにより粘度が7倍増
加したことになる。経験により、粘度がl 50Pa、
s (150cp)に達すると、注入用組成物の流動性
は、組成物が注入できない程まで低下すること示わかっ
ている。
つぎに粒径279μm(279μ)の鉄微粒子を用いて
間隙的整合充填剤を試験した。鉄の粉末量を漸次増加し
40容量%にしたが、組成物の粘度は70Pa、s (
70X 103cp)から僅か100Pa、s (10
0X 10” cp)に増加したにとトマッた。100
Pa、5(100X10’cp)の粘度では、注入用組
成物は流動上の問題を起すことなく、薄肉部に対し注入
することができた。
本発明の好ましい新規な組成物の混合は、ロスミキサー
(Ross m1xer)で行なった。好ましい組成物
に使用される第1のエポキシ樹脂としては、アラルダイ
ト(Araldjte @)6005の商標名で米国チ
バーガイギー社から市販されているジグリシジルエーテ
ルが挙げられる。このエポキシ樹脂は、大よそのエポキ
シ当量が約180ないし196で、粘度は25℃におい
て約7.5ないし9.6Pa、s(7,500ないし9
.500 cp)である。このエポキシ樹脂とほぼ同等
の市販製品としては、ダウケミカル(Dow Che+
aical) D、E、R,@330樹脂、セラニーズ
(Celanese)のエビーレズ(Ep’1−Rez
 ” ) 509およびシェル(Shell)のエポキ
シ(Epon ” ) 826が挙げられる。
好ましい組成物に使用される第2のエポキシ樹脂成分と
しては、アラルダイト[有]0510の商標名で市販さ
れているトリグリシジルp−アミノフェノールの三官能
性芳香族エポキシ樹脂が挙げられる。このエポキシ樹脂
の大よそのエポキシ当量は約95ないし107で、粘度
は25℃で約0.55ないし0.85Pa、s (55
0ないし850cp)の範囲にある。その他の市販製品
で、上記のものと同等の作用を有することが判明してい
るものは、ダウケミカル社により市販されているタクチ
ックス(Tactix■)742である。
本発明の好ましい組成物は、室温で約2時間または60
℃で約8時間で予備硬化することができる。この予備硬
化段階では、通常の型枠製作技術により、木材、石膏お
よび粘土のような通常の材料で作られた型枠が使用され
る。この初期硬化後、型枠をとり去り、木材、石膏また
は粘土が除去される。ついで型を180℃で2吋藺、後
硬化を行なうが寸法変化は生じない。
上記の2段硬化法を実施するために、無水物硬化剤とイ
ミダゾール促進剤が使用されて来た。使用する無水物は
、「ハードナー906」なる名称で米国チバーガイギー
社から市販されている無水メチルナト酸(nadic 
methylanhydride)であった。
その粘度は25℃で0.175ないし0.275 Pa
、5(175ないし275cp)で、無水物含有率は9
3%、沸点は278℃である。使用するイミダゾール促
進剤は、AP−5なる名称で米国アーケム社(Arch
em Co、U、S、八、)から市販されている1−2
−ヒドロキシプロピル−2−メチルイミダゾールであっ
た。その粘度は室温でI Pa、s (1、0OOcp
)で、沸点は241 ”Cである。
本発明による新規な組成物を組成物■とし、これを含め
組成物■ないし■の6種類の組成物の配合と特性を第1
表に掲げた。各成分の量は重量部である。
第1表に示された各種成分はつぎのとおりである。エビ
ーレズ(Epi−Rez■)5648は、米国セラネー
ズ社から市販されているトリグリシジル脂肪族エーテル
である。アルダイト(Araldite @)MY−7
20は、米国チバーガイギー社から市販されているテト
ラグリシジルメチレンジアニリンである。 MTPHA
は、アーケム社から市販されている無水メチルテトラヒ
ドロフタル酸である。XU−213は、米国チバーガイ
ギー社から市販されている三塩化ホウ素アミン複合体で
ある。
6種類のエポキシ樹脂組成物の物性は、つぎのASTM
規格試験法によって測定した。例えば熱変形温度(HD
T)は264psi(約18.6 kg/cm2)にお
いてASTM D−648で測定した。引張り強さと引
張り弾性率はASTM D−638で測定した。圧縮強
さと圧縮弾性率はASTM D−695で測定した。
組成物■のどの成分を他の材料に置き換えても物性が顕
著に低下することが明らかとなった。例えば無水メチル
ナト酸(NMA)の代りに無水メチルテトラヒドロフタ
ルM (MTHPA)を使用すると、HDTは140℃
に低下し、引張り強さは25%低下する。AP−5を、
ベンジルジメチルアミン(BDMA)または三塩化ホウ
素アミン錯体のような他の触媒に代えると、HDTはそ
れぞれ162℃と153℃に低下し、引張り強さは23
%低下する。王宮脂性芳香族エポキシ樹脂 アラルダイト[有]0510の代りに四官能性芳香族エ
ポキシ樹脂アラルダイト■MY−720または脂肪族エ
ポキシ樹脂エピーレズ■5048のような他の多官能性
エポキシ樹脂に換えると、HDTは5048では155
℃に低下し、引張り強さはMY−720では40%まで
低下す弘アラルダイト■6005と同様の分子量を有す
るダウD、E、R,■330またはエビーレズ@509
のような他の液状エポキシ樹脂を使用した場合は、物性
に同等影響を与えない。
さらに、NMAを含有しない組成物を、BDM^または
三ハロゲン化ホウ素で硬化する場合は、初期の硬化温度
を相当高(0110℃以上)する必要があり、このこと
は型枠材料を損傷させ、また後硬化時間も長くなる。ま
たHDTも低下(約150℃)するようになる。またA
P−5のような置換イミダゾールのみで硬化すると、発
生する反応熱を抑制できない危険性が生ずる。
組成物■で使用する成分の量は、0510については2
0ないし30重量部、906については110ないし1
15重量部、AP−5については2ないし6重量部の範
囲で変えることができる。
6005樹脂は、ダウの0.11!、R,■330また
はセラニーズのエピーレズ[有]509のような同様の
分子量を有する他のエポキシ樹脂で代替することができ
る。
さらにまたり、E、N、■431のようなノボラック樹
脂で代替することもできる。多官能エポキシ樹脂051
0は、米国ダウケミカル社が市販している新材料タクチ
ックス■(Tactix) 742で代替することかで
きる。
本発明の新規なエポキシ樹脂組成物に使用される間隙的
整合充填剤は、0.5から200μmの間の範囲にある
異なった粒径を有する剛性微粒子充填剤から成っている
。第1の間隙的整合充填剤は、2種類の炭化ケイ素微粒
子と1種類のシリカ微粒子から成るものである。各充填
剤の使用重量部は第2表にIAとして示されている。′
炭化ケイ素微粒子はその優れた耐摩耗性を理由に選択さ
れたものであり、優れた耐久性を有する成形型が得られ
ることになる。シリカ微粒子は、その剛さと低コストを
理由に選択されたものである。2種類の異った粒径の炭
化ケイ素を使用した。これらは米国ソハイオ社(Soh
io Company 、 U、S、A、)から市販さ
れている。炭化ケイ素5iC100は、63ないし20
3μmの範囲の粒径を有し、平均粒径が122μmのも
のである。5iC400は、1ないし25μmの範囲の
粒径を有し、平均粒径が4μmのものである。ライタツ
カ−、クラーク アンド ダニニル社(Whittak
er、 C1erk & DanielInc、)から
市販されている微粒径のシリカ5i−21が、大きな炭
化ケイ素微粒子間の間隙充填のため選択された。S+−
21の粒度分布は、5μm以下が51%、15μm以下
が90%で、平均粒径は2μmである。
2種類の別の充填剤もエポキシ樹脂組成物に十分適合し
ていることが判明した。これらは第2表にIBおよびI
Cとして掲げてあ北。この2種類の充填剤は、炭化ケイ
素とシリカの代りに、シリカのみ、またはシリカとアル
ミニウムを組合わせたもののいずれかを使用している。
5i−85は、米国ウェルドロン シリカ社(讐eld
ron 5ilic。
Co、、 U、S、A、 )が市販している約0.15
8+n (85メツシユ)の水洗けい砂(silica
 5and)である。
AL−120は米国アルコア社(Alcoa Co、+
11、S、A、)が市販しているアルミニウム粉末であ
る。
このものの平均粒径は25ないし30μmで、44μm
以下の粒径のものが95%で、アルミニウム含有量は9
9.7%である。5i−23は、米国ライタンカー、ク
ラークアンドダニエル社が市販している他のシリカであ
る。その粒度分布は、200メソシユ以下が80%、3
25以下が70%で、平均粒径は125μmである。
第2表 本発明の新規なエポキシ樹脂組成配合物を混合するには
、全ての充填剤を回転ドラムミキサーで一緒に混合する
。各充填剤成分をその重量部に従って秤量し、各充填剤
をドラムに入れ、ミキサー中で3時間回転させる。混合
速度は約IOないし2Qrpm とする。
エポキシ樹脂、硬化剤および触媒の適当量をつぎに秤量
し、ロスミキサーのステンレススチール製ポールに注入
する。予備混合した充填剤をつぎにステンレススチール
製ボールに添加する。全成分は真空度30インチ下でモ
ータ ー駆動混合ブレードで1時間混合する。真空とするのは
混合工程中に発生する気泡を除去するためである。混合
したエポキシ樹脂組成配合物の保存寿命は約2日間であ
る。
シートメタルスタンピング法に使用されるプラスチック
成形型を注形する手段については、1986年7月22
日発行の米国特許第4.601,867号に十分に記載
されている。大物の成形型を注形する場合には、スチー
ル製金網のような物理的補強材を使用して、型の構造的
完全性を高めることができる。
本発明の新規な高温エポキシ樹脂注入成形用組成物は、
室温で2日間または60℃で8時間のいずれかで予備硬
化し、ついで180℃で2時間で後硬化することができ
る。75容量%の充填剤で充填した場合には、型温度を
200℃という高い温度で使用することができる。この
ことは、市販のエポキシ樹脂型用コンパウンドの最高使
用温度が僅か150℃とされているのに対し明らかに改
善されている。新規組成物は、毒性上の危険があると一
般的に考えられている芳香族アミンを含有していない。
さらに、間隙的整合充填剤は、充填組成物の流動性を維
持しながら、充填量を極めて高くすることができる。
本発明については、特定の3種類の実施態様のみ記載し
ているが、当業者にとっては同一の結果を得るために他
のB様を採用することは容易である0例えば、適当な粒
径を有する適当な他の充填剤微粒子を組合わせることに
より、間隙的整合充基剤を形成させることができる。適
合させなければならない不可欠の問題は、充填剤量を多
量に使用しても、混合した全体のエポキシ樹脂の粘度が
顕著に増加しないように間隙的整合性を有していなけれ
ばならないことである。炭化ケイ素、シリカおよびアル
ミニウム微粉末に代って、良好な剛性と耐摩耗性を有す
る他の充填剤微粒子も適当に使用することができる。
本発明は、製作した型の熱変形温度や引張り強度がとも
に高くなるように、エポキシ樹脂注入成形用組成物中の
反応物、硬化剤および触媒の組合せが独特なものである
。成形型が同類の金型の何分の−かのコストで2.3日
間で一作できるため、試作型を製作する上で安価で迅速
な方法を提供するものである。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、注入成形用の成形型に使用するための、強じんで耐
    久性をもつ高温成形型用エポキシ樹脂組成物において、
    該組成物が、ビスフェノール−Aエポキシ樹脂を100
    重量部、三官能性芳香族エポキシ樹脂を20ないし30
    重量部、無水物硬化剤を100ないし115重量部およ
    びイミダゾール触媒を2ないし6重量部含み、該組成物
    の硬化後の引張り強さが少なくとも80MPaであり、
    熱変形温度が少なくとも170℃であることを特徴とす
    る型用組成物。 2、強じんで耐久性を有する高温成形型用エポキシ樹脂
    組成物において、該組成物が、ビスフェノール−Aエポ
    キシ樹脂を100重量部、三官能性芳香族エポキシ樹脂
    を20ないし30重量部、無水物硬化剤を100ないし
    115重量部およびイミダゾール触媒を2ないし6重量
    部含む組成物と、約670重量部以下の間隙的整合充填
    剤とを混合した成形型用充填エポキシ樹脂組成物であっ
    て、硬化後の使用温度が少なくとも160℃で、引張り
    強さが少なくとも40MPaであることを特徴とする型
    用組成物。 3、前記の間隙的整合充填剤が、0.5ないし200μ
    mの範囲にある異った粒径を有する剛性微粒子充填剤の
    混合物から成る請求項2記載の型用組成物。 4、前記の組成物が、ビスフェノール−Aのジグリシジ
    ルエーテルを100重量部、トリグリシジルp−アミノ
    フェノールを20ないし30重量部、無水メチルナジ酸
    を100ないし115重量部、1−(2−ヒドロキシプ
    ロピル)−2−メチルイミダゾールを2ないし6重量部
    および約670重量部までの間隙的整合充填剤から成り
    、該充填剤が該組成物の注入性能を犠牲にすることなく
    最大量使用できるような間隙的整合性の直径を有する充
    填剤微粒子から成る請求項2または3記載の型用組成物
    。 5、前記の組成物が、60ないし200μmの範囲の粒
    径を有する炭化ケイ素微粒子約400重量部、1ないし
    25μmの範囲の粒径を有する炭化ケイ素微粒子約15
    0重量部および1ないし15μmの範囲の粒径を有する
    シリカ微粒子約120重量部から成る請求項2または3
    記載の型用組成物。 6、前記の組成物が、458μm(85メッシュ)の平
    均粒径を有するシリカ微粒子約400重量部、125μ
    mの平均粒径を有するシリカ微粒子約150重量部およ
    び2μmの平均粒径を有するシリカ微粒子約120重量
    部から成る請求項2または3記載の型用組成物。 7、前記の組成物が、25ないし30μmの間の平均粒
    径を有するアルミニウム微粒子約400重量部、125
    μmの平均粒径を有するシリカ微粒子約150重量部お
    よび2μmの平均粒径を有するシリカ微粒子約120重
    量部から成る請求項2または3記載の型用組成物。 8、前記請求項の強じんで耐久性をもつ高温成形用エポ
    キシ樹脂の型用組成物の反応生成物である、強じんで耐
    久性をもつ注入成形用エポキシ型。
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