JPWO2005110695A1 - ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維及びポリカーボネート樹脂成形品 - Google Patents

ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維及びポリカーボネート樹脂成形品 Download PDF

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Abstract

ガラス繊維の屈折率をポリカーボネート樹脂と同程度まで向上でき、繊維強化後に成形品の透明性を維持できるガラス繊維及びそれを用いたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品を提供する。 ポリカーボネート樹脂の強化用ガラス繊維として用い、ガラス繊維全体における無機成分として、例えば、SiO2を50〜60質量%、Al2O3を10〜15質量%、CaOを15〜25質量%、TiO2を2〜10質量%、B2O3を2〜8質量%、MgOを0〜5質量%、ZnOを0〜5質量%、BaOを0〜5質量%、ZrO2を0〜5質量%、Li2Oを0〜2質量%、Na2Oを0〜2質量%、K2Oを0〜2質量%含有し、かつ、Li2OとNa2OとK2Oとの合計がガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590である。

Description

本発明は、透明性に優れる繊維強化樹脂成形品に関し、更に詳しくはガラス繊維で強化されたポリカーボネート樹脂成形品に関する。
ポリカーボネート樹脂は、その優れた透明性、耐熱性から、工業用の透明材料として、電気、機械、自動車分野等に広く用いられている。また、光学材料用のプラスチックとしてレンズや光学ディスクなどにも使用されている。
このポリカーボネート樹脂の強度を更に向上するためには、ガラス繊維で強化することが有効であるが、その際には、ポリカーボネート樹脂自身のもつ優れた透明性を低下させずに繊維強化することが求められている。
すなわち、一般のガラス繊維材料の一例であるEガラスの屈折率(ナトリウムD線における屈折率:以下nDとする)は1.555程度であり、これに対してポリカーボネート樹脂の屈折率は1.580〜1.590と高いので、ポリカーボネート樹脂中に通常のEガラスからなる繊維を分散させると、両者の屈折率差によって透明性が低下するという問題がある。
これに対して、ガラス繊維の組成を変更することにより屈折率を向上させてポリカーボネート樹脂と同程度の屈折率とし、ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品の透明性を維持することが検討されている。
例えば、特許文献1には、重量%で、SiOが50〜65%、Alが0〜6%、MgOが0〜5%、CaOが3〜10%、BaOが2〜10%、ZnOが0〜7%、SrOが0〜5%、NaOが3〜8%、KOが3〜8%、LiOが0〜5%、ZrOが3〜10%、TiOが5.3〜10%からなる、ポリカーボネート樹脂の強化に用いるガラス繊維組成物が開示されている。
また、特許文献2には、重量百分率で、SiO54.0〜62.0%、Al8.0〜12.0%、MgO0〜5.0%、CaO18.0〜22.0%、BaO0〜5.0%、ZnO0〜5.0%、NaO+KO+LiO0〜1.0%、ZrO0.6〜5.0%、TiO0.5〜1.9%からなり、屈折率が1.5700〜1.6000であり、ポリカーボネート樹脂の強化に用いられるガラス組成物が開示されている。
また、特許文献3には、屈折率が1.570〜1.600、アッベ数が50以下の光学定数を有するポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維が開示されている。
また、市販のガラス繊維を用いてポリカーボネート樹脂を改良することが検討されており、例えば、特許文献4には、末端停止剤としてヒドロキシアラルキルアルコールとラクトンとの反応生成物を用いた芳香族ポリカーボネート樹脂と、該芳香族ポリカーボネート樹脂との屈折率の差が0.01以下であるガラス系充填剤とを含む樹脂組成物が開示されている。
また、特許文献5には、芳香族ポリカーボネート樹脂と、該芳香族ポリカーボネート樹脂との屈折率の差が0.015以下であるガラス繊維と、ポリカプロラクトンとを含む樹脂組成物が開示されている。
特開昭58−60641号公報 特開平5−155638号公報 特開平5−294671号公報 特開平7−118514号公報 特開平9−165506号公報
上記従来技術のうち、特許文献1のガラス組成においては、アルカリ成分である酸化ナトリウム(NaO)と酸化カリウム(KO)をそれぞれ3%以上含有している。この場合、アルカリ成分を多く含むことでガラスの耐水性が劣ることにより、ガラスからアルカリ成分が溶出し易くなる。また、成形中にガラス繊維表面のアルカリ成分とポリカーボネート樹脂とが反応して、ポリカーボネート樹脂の分子量が低下して成形品としての物性の低下を引き起こすという問題があった。また、高比重であるBaOを2%以上、ZrOを3%以上含有しているため樹脂成形品の重量が増加するという問題もあった。
また、特許文献2のガラス組成においては、TiOの含有量が0.5〜1.9%と低いため、該ガラス組成とポリカーボネート樹脂との屈折率の差を小さくし、ガラス組成の屈折率を1.580以上にするためには、屈折率を上げる成分として高比重であるZrO、ZnO、BaOの含有量を増やし、5%以上とする必要があり、その結果としてガラスの比重が大きくなり、樹脂成形品の比重が増加する傾向にあった。
また、特許文献3のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維においては、実施例の組成に記載されているように、やはりアルカリ成分である酸化ナトリウム(NaO)や酸化カリウム(KO)を16.5wt%以上と多量に含有していることから、特許文献1と同様のポリカーボネート樹脂の分子量低下によって成形品の物性が低下するという問題がある。
また、特許文献4の芳香族ポリカーボネート樹脂組成物においては、芳香族ポリカーボネート樹脂の原料が高価であり、得られる成形品が高価になるという問題がある。
また、特許文献5の芳香族ポリカーボネート樹脂組成物においては、ポリカプロラクトンを含むために、成形品の耐熱性や機械的な物性が低下し易くなるという問題がある。
したがって、本発明の目的は、ガラス繊維の屈折率をポリカーボネート樹脂の屈折率と同程度にすることができ、該ガラス繊維で強化したポリカーボネート樹脂の成形品の透明性を維持しつつ、加えて、成形中にガラス繊維表面のアルカリ成分による該樹脂の分子量低下による成形品の物性低下を抑えることができ、工業的に生産が可能であり実用的なガラス繊維およびそれを用いたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品を提供することにある。
本発明者は鋭意研究を進めたところ、上記目的を達成できるポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維に到達したものであり、本発明は以下の要旨を有する。
(1)ポリカーボネート樹脂を強化するためのガラス繊維であって、該ガラス繊維全体における無機成分として、
二酸化ケイ素(SiO)50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al)10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO)2〜10質量%、酸化ホウ素(B)2〜8質量%、酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO)0〜5質量%、酸化リチウム(LiO)0〜2質量%、酸化ナトリウム(NaO)0〜2質量%、酸化カリウム(KO)0〜2質量%を含有し、
かつ、前記酸化リチウム(LiO)と前記酸化ナトリウム(NaO)と前記酸化カリウム(KO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、前記ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590であることを特徴とするポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(2)前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜5質量%である上記(1)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(3)ポリカーボネート樹脂を強化するためのガラス繊維であって、該ガラス繊維全体における無機成分として、
二酸化ケイ素(SiO)50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al)10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO)3〜5質量%、酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO)0〜5質量%、酸化リチウム(LiO)0〜2質量%、酸化ナトリウム(NaO)0〜2質量%、酸化カリウム(KO)0〜2質量%を含有し、
かつ、前記酸化リチウム(LiO)と前記酸化ナトリウム(NaO)と前記酸化カリウム(KO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、前記ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590であることを特徴とするポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(4)酸化ホウ素(B)を実質的に含有しない上記(3)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(5)前記酸化ジルコニウム(ZrO)の含有量が2〜5質量%であって、前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して2〜5質量%である上記(3)又は(4)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(6)前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)との合計含有量が1〜5質量%であって、前記酸化チタン(TiO)と前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8質量%である上記(3)又は(4)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(7)上記(1)〜(6)のいずれかに記載のガラス繊維と、ポリカーボネート樹脂とを含む樹脂組成物を成形して得られたことを特徴とするガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
(8)前記樹脂成形品おけるガラス繊維の含有量が5〜60質量%である上記(7)に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
(9)前記ポリカーボネート樹脂の屈折率と、前記ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維の屈折率との差が0.001以下である上記(7)又は(8)に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、繊維強化後でも成形品の透明性を維持しつつ、加えて、ガラス繊維中のアルカリ成分の含有量が少ないため、成形中に樹脂の分子量低下を抑えることができ、成形品の物性低下を防止できる。また、ポリカーボネート樹脂の屈折率と、前記ガラス繊維の屈折率との差を0.001以下にできることで、ポリカーボネート樹脂単独の場合に近い、極めて透明性の高い成形品を得ることができる。
本発明の透明性に優れたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、例えば、電気機器や電子機器の表示部のカバー、自動車や建材に用いる板ガラスの代替品のような、透明性及び強度の両方の物性が要求される成形品として好適に使用できる。
以下に、ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維についてさらに詳しく説明するが、本発明では、特に説明のない限り、「%」は「質量%」を意味する。また、含有成分は、各成分の酸化物の形態で表しているが、必ずしも各成分は酸化物の形態で含有されていなくてもよい。
本発明のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維における1つの態様(A)は、ガラス繊維全体における無機成分として、
二酸化ケイ素(以下、SiOとする)50〜60%、酸化アルミニウム(以下、Alとする)10〜15%、酸化カルシウム(以下、CaOとする)15〜25%、酸化チタン(以下、TiOとする)2〜10%、酸化ホウ素(以下、Bとする)2〜8%、酸化マグネシウム(以下、MgOとする)0〜5%、酸化亜鉛(以下、ZnOとする)0〜5%、酸化バリウム(以下、BaOとする)0〜5%、酸化ジルコニウム(以下、ZrOとする)0〜5%、酸化リチウム(以下、LiOとする)0〜2%、酸化ナトリウム(以下、NaOとする)0〜2%、酸化カリウム(以下、KOとする)0〜2%を含有し、かつ、LiOとNaOとKOとの合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2%である。
また、本発明のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維における別の態様(B)は、ガラス繊維全体における無機成分として、
SiO:50〜60%、Al:10〜15%、CaO:15〜25%、TiO:3〜5%、MgO:0〜5%、ZnO:0〜5%、BaO:0〜5%、ZrO:0〜5%、LiO:0〜2%、NaO:0〜2%、KO:0〜2%を含有し、かつ、LiOとNaOとKOとの合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2%である。
上記のガラス繊維の態様(A)及び(B)の組成において、SiOの含有量は50〜60%であることが必要である。SiOが50%未満であると、ガラス繊維の強度が低下するので好ましくない。また、60%を超えるとガラスとしての溶解性が低下するので好ましくない。また、Alの含有量は10〜15質量%であることが必要である。Alが10%未満であると、耐水性などの化学的耐久性が低下するので好ましくない。また、15%を超えるとガラスとしての溶解性が低下し、ガラスが不均質になり易くなるので好ましくない。
また、CaOの含有量は15〜25%であることが必要である。CaOが15%未満であると、ガラスとしての溶解性が低下するので好ましくない。また、25%を超えると結晶化し易くなるので好ましくない。MgOは任意成分であり、0〜5%含有できる。MgOを含有させることにより、上記のCaOのCaの一部をMgに置き換えることができ、ガラス繊維としての引っ張り強度などの機械物性を向上できる。MgOの含有量が5%を超えるとガラスとしての溶解性が低下するので好ましくない。MgOの含有量は、好ましくは0.1〜5.0%である。
また、Bの含有量は2〜8%であるか、又は実質的に含有しない。すなわち、本発明のガラス組成は、Eガラスのような標準的にBを2〜8%含有する場合にも適用できる。この場合、Bの含有量が8%を超えるとガラス繊維としての強度が低下するので好ましくない。また、耐酸性や耐アルカリ性に優れるECRガラス組成のようにBを実質的に含有しない場合にも適用できる。なお、本発明においてBを実質的に含有しないとは、Bの含有量が0.1%以下であることを意味する。
ガラス繊維の態様(A)において、TiOの含有量は、2〜10%であることが必要である。これは屈折率を下げる成分であるBの含有量が2〜8%であるため、TiOの含有量をこの範囲とすることで、ガラスの屈折率を充分に向上でき、ポリカーボネート樹脂の屈折率に近づけることができる。TiOが2%未満であると、屈折率の向上が不充分である。また、含有量の上限が10%を超えるとガラスとして失透し易くなること、また、ガラス繊維の強度が低下したり、ガラス繊維が黄色く着色したりするので好ましくない。TiOの含有量は、ガラス繊維の黄色味を抑えることから、好ましくは8%以下、より好ましくは6%以下である。
を2〜8%含む場合には、ZnO、BaO、ZrOは任意成分であり、それぞれ0〜5%含有できる。ZnO、BaOを含有することにより、屈折率を上げることができ、また、失透を抑制することができる。それぞれの含有量が5%を超えると、液相温度が上昇し、失透し易くなるので好ましくない。ZrOを含有することにより、屈折率を上げることができ、化学的耐久性を向上させることができる。ZrOの含有量が5%を超えると、ガラスとしての溶解性が低下し、また、失透し易くなるので好ましくない。さらに、ZnO、BaO及びZrOの合計含有量が、ガラス繊維全体に対して0〜5%であることが好ましく、実質的に含有しないことがより好ましい。なお、実質的に含有しないとは含有量が0.1%未満であることを意味する。
また、ガラス繊維の態様(B)において、TiOの含有量は、3〜5%であることが必要である。これは、Bの含有量が少ない場合又は実質的に含まない場合には、屈折率を上げる成分であるTiOの含有量が少なくてすむためである。TiOが3%未満であると、屈折率を上げることが不充分である。また、5%を超えると屈折率が上がり過ぎて、ポリカーボネート樹脂の屈折率との差が大きくなるので好ましくない。上記TiOと同様に屈折率を上げる成分として、ZnO、BaO及びZrOから選ばれる少なくとも1種の成分が含まれる。
を実質的に含まない場合であって、ZrOが2〜5%である場合には、ZnO、BaOは任意成分であり、それぞれ0〜5%含有できる。ZrOを含有することにより、屈折率を上げることができ、また、化学的耐久性を向上させることができる。ZrOの含有量が5%を超えると、ガラスとしての溶解性が低下し、また、失透し易くなるので好ましくない。上記のZnO、BaO及びZrOの合計含有量が、ガラス繊維全体に対して2〜5%であることが好ましい。ZnO、BaO及びZrOの合計含有量を上記範囲であれば、ガラス繊維の屈折率とポリカーボネート樹脂の屈折率との差が小さく、機械的強度などに優れたガラス繊維とすることができる。また、重金属元素の酸化物の含有量が少ないので、得られる樹脂成形品の重量増加を抑えることができる。
また、Bを実質的に含まない場合であって、ZnOとBaOとの合計含有量が1〜5%である場合には、ZrOは任意成分であり、TiO、ZnO、BaO及びZrOの合計含有量がガラス繊維全体に対して6〜8%であることが好ましい。ZnO、BaOを含有することにより、屈折率を上げることができ、また、失透を抑制することができる。1%未満では、屈折率を上げることが困難となり、5%を超えると、液相温度が上昇し、失透し易くなる。TiO、ZnO、BaO及びZrOの合計含有量を上記範囲にすることにより、ポリカーボネート樹脂の屈折率との差を小さくできる。さらにガラスの比重が重くなるのを抑えるために、ZrOは実質的に含有しないことがより好ましい。TiO、ZnO、BaO及びZrOの合計含有量を上記範囲であれば、ガラス繊維の屈折率とポリカーボネート樹脂の屈折率との差が小さく、機械的強度などに優れたガラス繊維とすることができる。また、重金属元素の酸化物の含有量が少ないので、得られる樹脂成形品の重量増加を抑えることができる。
本発明においては、ZnO、BaO、ZrOの他に、酸化ストロンチウム(以下、SrOとする)を必要に応じて含有させてもよい。SrOを含有することで、ガラス繊維の屈折率をポリカーボネート樹脂の屈折率に合わせやすくなる。そして、ガラス組成にSrOを含有させる場合、ZnO、BaO及びSrOの合計含有量が、ガラス繊維全体に対して、1〜5%となるようにSrOを含有させることが好ましい。
アルカリ成分である、LiO、NaO、KOは、それぞれ0〜2%含有でき、かつ、これらの合計含有量がガラス繊維全体に対して0〜2%であることが本発明の特徴となっている。アルカリ成分の合計含有量が2%を超えると、ガラスの耐水性が低下して、アルカリが溶出し易くなる。また、成形中にガラス表面のアルカリ成分によってポリカーボネート樹脂の分子量が低下して、成形品の物性低下の要因となる。アルカリ成分の合計含有量は0〜1%であることが好ましい。
このようにアルカリ成分の合計含有量が低くても、上記のようにBを2〜8%含有する場合にはTiOを2〜10%含有することにより、また、Bを実質的に含まない場合にはTiOを3〜5%含有することにより、屈折率を充分に向上でき、ポリカーボネート樹脂の屈折率に近づけることができる。そして、アルカリ成分が少ないことで、ポリカーボネート樹脂の分解による分子量低下を抑えることができ、成形品の強度等の物性低下を防止できる。
本発明のガラス繊維の屈折率は1.580〜1.590であり、1.582〜1.590が好ましく、1.583〜1.586であることがより好ましい。これによって、通常のポリカーボネート樹脂の屈折率と同じ範囲の屈折率を有するガラス繊維を得ることができる。このように、上記組成の本発明のガラス繊維においては、通常のEガラスの屈折率(nD)である約1.555に比べて屈折率を充分に向上でき、強化繊維として成形品に分散させた際にも透明性を維持できる。
本発明のガラス繊維においては、上記のガラス成分以外に、紡糸性、耐水性等に悪影響を及ぼさない範囲で、下記成分を含んでもよい。例えば、ガラスの屈折率を上げる成分として、ランタン(La)、Y(イットリウム)、ガドリニウム(Gd)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)またはタングステン(W)などの元素を含む酸化物を含んでもよい。また、ガラスの着色を抑える成分として、コバルト(Co)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)またはネオジウム(Nd)などの元素を含む酸化物を含んでもよい。
また、本発明のガラス繊維を得るのに必要なガラス原料には、ガラスの着色を抑えることから、原料中の不純物として、酸化物基準でFe含有量が、ガラス全体に対して0.01%未満であることが好ましい。
本発明のガラス繊維は、上述のようにガラス成分を含む組成を全体でバランスさせることにより、従来のEガラス繊維又はECRガラス繊維などの強化用繊維と同等の紡糸性、機械的強度および化学的耐久性などを有することができる。
本発明のガラス繊維は、従来公知のガラス長繊維の紡糸方法を用いて得ることができる。例えば、溶融炉でガラス原料を連続的にガラス化してフォアハースに導き、フォアハースの底部にブッシングを取り付けて紡糸するダイレクトメルト(DM)法、または、溶融したガラスをマーブル、カレット、棒状に加工してから再溶融して紡糸する再溶融法などの各種の方法を用いてガラスを繊維化することができる。
ガラス繊維の径は特に限定されないが、3〜25μmのものが好ましく用いられる。3μmよりも細い場合には、ガラス繊維と樹脂との接触面積が増大して乱反射の原因となり、成形品の透明性が低下する場合がある。25μmよりも太い場合には、ガラス繊維の強度が弱くなり、結果として成形品の強度が低下する場合がある。
ガラス繊維の形態は、成形方法や成形品に求められる特性に応じて、適宜選択可能であり特に限定されない。例えば、チョップドストランド、ロービング、マット、クロス、ミルドファイバーなどが挙げられる。
ガラス繊維は、ポリカーボネート樹脂とガラス繊維との親和性を増し密着性を増大して空隙形成による成形品の透明性低下を抑制するために、カップリング剤を含む処理剤で表面処理されることが好ましい。上記カップリング剤としては、シラン系カップリング剤、ボラン系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤またはチタネート系カップリング剤などを使用することができる。特に、ポリカーボネート系樹脂とガラスとの接着性が良好である点からシラン系カップリング剤を用いるのが好ましい。上記シラン系カップリング剤としては、アミノシラン系カップリング剤、エポキシシラン系カップリング剤、アクリルシラン系カップリング剤などを使用することができる。それらのシラン系カップリング剤の中でも、アミノシラン系カップリング剤を用いるのが最も好ましい。
また、処理剤に含まれるカップリング剤以外の成分としては、フィルムフォーマー、潤滑剤および帯電防止剤などが挙げられ、これらを単独で用いても複数の成分を併用してもよい。前記フィルムフォーマーとしては、酢酸ビニル樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂もしくはポリオレフィン樹脂などのポリマーまたはそれらの変性物を使用することができる。前記潤滑剤としては、脂肪族エステル系、脂肪族エーテル系、芳香族エステル系または芳香族エーテル系の界面活性剤を使用することができる。前記帯電防止剤としては、塩化リチウムもしくはヨウ化カリウムなどの無機塩またはアンモニウムクロライド型もしくはアンモニウムエトサルフェート型などの4級アンモニウム塩を使用できる。
本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、上記のガラス繊維と、ポリカーボネート樹脂とを含む樹脂組成物を成形して得られる。ポリカーボネート樹脂としては特に限定されず、例えばビスフェノールAとホスゲンを反応させて得られるものが使用できる。その粘度平均分子量としては12,000〜35,000であることが好ましい。
ポリカーボネート樹脂の屈折率(nD)は、一般的に1.580から1.590の範囲にある。本発明に用いられるポリカーボネート樹脂としては、従来公知のポリカーボネート樹脂を用いることができ、好ましく用いることができる樹脂に、例えば、屈折率1.585の「レキサン121R」(日本ジーイープラスチックス社、商品名)や屈折率1.583の「ユーピロンS−2000」(三菱エンジニアリングプラスチックス社、商品名)が挙げられる。
樹脂組成物、及び成形品におけるガラス繊維の含有量は特に限定されないが、成形品では、その全体に対して5〜60%であることが好ましく、10〜55%であることがより好ましい。5%未満では繊維強化による物性向上が不充分であるので好ましくなく、60%を超えると、樹脂とガラスとの接触面積が増大して成形品の透明性が低下し、また、成形性が低下するので好ましくない。
更に、本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物には、屈折率等の特性を損なわない範囲で、周知の添加剤を用いることができる。例えば、酸化防止剤は、ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物の製造時や成形時の樹脂の分解を抑制することができる。
本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物の製造方法としては従来公知の方法を用いることができる。例えば、ポリカーボネート樹脂とガラス繊維と、任意の添加剤とを混合機などを用いて混合し、押出し機で溶融混練してペレット化する方法が好ましく用いることができる。その後、従来公知の成形方法、例えば、射出成形、押出成形、圧縮成形、カレンダー成形等により成形して、成形品を得ることができる。製造条件、成形条件は、適宜選択可能であり、特に限定されないが、溶融混練時の加熱温度や射出成形時の樹脂の温度は、樹脂の分解を抑制することから、通常220℃〜300℃の範囲から適宜選ぶのが好ましい。
成形品における、ポリカーボネート樹脂の屈折率と、上記のガラス繊維の屈折率との差が0.001以下であることが好ましい。ポリカーボネート樹脂の屈折率とガラス繊維の屈折率との差が0.001を超えると成形品の透明性が不充分となるので好ましくない。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
[ガラス繊維の製造]
表1に示すような組成(質量%)で、実施例1〜4、比較例1〜6のガラス繊維を製造した。
[表1]
Figure 2005110695
ガラス繊維は、従来公知の方法により繊維径13μmで紡糸し、バインダーとしてアミノシラン+ウレタンを0.5質量%となるように添加した。
上記のガラス繊維及び試験片の物性を表2にまとめて示す。表2において、紡糸特性は、ガラス繊維についてそれぞれ粘度測定法及び失透温度法によって測定した値である。また、比重はアルキメデス法によって測定した値であり、屈折率(nD)は試験片をJIS−K−7142のB法による浸液法によって測定した値である。
ここで、紡糸特性のガラスの溶融粘度については、5mm程度に粉砕したガラスカレットを白金合金製ルツボに入れ溶解した後、粘度計に直結したスピンドルを沈め回転させて、溶融ガラスの粘度を測定する回転円筒法によって、ガラスの溶融粘度が10gη=3.0となる温度を測定した。回転円筒法としては、米国特許第3056283号明細書に開示されているような高温でのガラスの粘度を測定する装置を用いて、白金製ルツボにガラスを入れて、ガラスを溶融させ、その溶融ガラス中に白金合金製のスピンドル(またはゴブと呼ぶ)を浸漬させ、そのスピンドルを回転させ、スピンドルにかかるトルクを、スピンドルに直結した粘度計により測定して、溶融ガラスの粘度を求めた。
ガラスの溶融粘度がlogη=3.0における温度は、回転円筒法による米国特許第3056283号明細書に開示されている装置と同等の装置を用いて、下記の条件で測定して求めた。粘度計は、トキメック社製のTV−20型を用いて、測定レンジをHとして、回転数は溶融ガラスの粘度が測定範囲になるように1〜50rpmに調整した。
[測定条件]
5mm程度に粉砕したガラスカレット76gを直径25mmで高さ65mmの白金合金製ルツボに入れ、温度が安定するまで約15分待ち、直径9mmで高さ33mmのスピンドルを沈め、回転させ、さらに温度が安定するまで15分待った。スピンドルに連結したシャフト(直径5mm)の反対側を粘度計に接続して、粘度計のトルクと溶融ガラスの温度を読み取った。順次温度設定を下げ、安定させてから同様に粘度計のトルクと温度を読み取った。なお、設定回転数でのトルク測定範囲がスケールオーバーする場合には回転数を下げて測定した。
また、紡糸特性の失透温度については、300μm程度に粉砕したガラスカレットを白金合金製ボートに入れ、温度勾配を有する電気炉に入れ24時間保持した後、空気中で放冷し、顕微鏡で失透物の析出した位置を測定することにより失透温度(単位:℃)を求めた。
[表2]
Figure 2005110695
表2の結果より、実施例1〜4のガラス繊維は、比較例1、2の従来のEガラス、ECRガラスと同等の紡糸性が得られており、かつ、屈折率が1.584〜1.585と、Eガラスの1.555、ECRガラスの1.579より高くなっていることがわかる。
また、TiOの含有量が本発明の上限を超えている比較例3及び5、ZrOの含有量が本発明の上限を超えている比較例6については、屈折率が本発明の上限である1.590を超えている。一方、TiOを含有しない比較例4においては、屈折率が本発明の下限である1.580未満であることがわかる。
[ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品の製造]
実施例1、2及び比較例1、2のガラス繊維を用いて、以下の条件でコンパウンド及び射出成形を行い、ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品を製造した。
コンパウンド条件
ポリカーボネート樹脂:レキサン121R(日本ジーイープラスチック社製、分子量21000、nD=1.585)
ガラス繊維:13μm径、3mm長のチョップトストランド、集束本数400本
ガラス繊維含有率:10質量%
押し出し機:TEM−35B(東芝機械社製)
押し出し温度:280℃
射出成形条件
成形機:IS−80G(東芝機械社製)
シリンダー温度:300℃
金型温度:120℃
上記の樹脂成形品の光学物性及び機械物性を表3にまとめて示す。ここで、光学物性である全光線透過率及び平行光線透過率は、日本電色株式会社製NDHセンサーを用い、JIS−K−7361に準じて厚さ2mmのサンプルを測定した値であり、Haze値は日本電色株式会社製NDHセンサーを用い、JIS−K−7105方法aに準じて厚さ2mmのサンプルを測定した値である。
また、機械物性である曲げ強度、曲げ弾性率は、それぞれASTM D−790に準じて厚さ3mmのサンプルを測定した値である。
また、樹脂の分子量は、溶媒として塩化メチレンを用い、温度20℃で測定された溶液粘度より換算した粘度平均分子量の値である。
[表3]
Figure 2005110695
表3より、実施例の成形品は比較例と同程度の機械物性を有しており、分子量の低下も生じていない。また、Hazeは比較例に比べて低く、屈折率の向上によって優れた透明性が得られていることがわかる。
本発明により得られるポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維、及びそれを用いたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、透明性及び強度の両方の物性が要求される成形品として、例えば、電気機器や電子機器の表示部のカバー、自動車や建材に用いる板ガラスの代替品などに好適に用いることができる。
なお、2004年5月13日に出願された日本特許出願2004−143237号の明細書、特許請求の範囲及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
本発明は、透明性に優れる繊維強化樹脂成形品に関し、更に詳しくはガラス繊維で強化されたポリカーボネート樹脂成形品に関する。
ポリカーボネート樹脂は、その優れた透明性、耐熱性から、工業用の透明材料として、電気、機械、自動車分野等に広く用いられている。また、光学材料用のプラスチックとしてレンズや光学ディスクなどにも使用されている。
このポリカーボネート樹脂の強度を更に向上するためには、ガラス繊維で強化することが有効であるが、その際には、ポリカーボネート樹脂自身のもつ優れた透明性を低下させずに繊維強化することが求められている。
すなわち、一般のガラス繊維材料の一例であるEガラスの屈折率(ナトリウムD線における屈折率:以下nDとする)は1.555程度であり、これに対してポリカーボネート樹脂の屈折率は1.580〜1.590と高いので、ポリカーボネート樹脂中に通常のEガラスからなる繊維を分散させると、両者の屈折率差によって透明性が低下するという問題がある。
これに対して、ガラス繊維の組成を変更することにより屈折率を向上させてポリカーボネート樹脂と同程度の屈折率とし、ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品の透明性を維持することが検討されている。
例えば、特許文献1には、重量%で、SiOが50〜65%、Alが0〜6%、MgOが0〜5%、CaOが3〜10%、BaOが2〜10%、ZnOが0〜7%、SrOが0〜5%、NaOが3〜8%、KOが3〜8%、LiOが0〜5%、ZrOが3〜10%、TiOが5.3〜10%からなる、ポリカーボネート樹脂の強化に用いるガラス繊維組成物が開示されている。
また、特許文献2には、重量百分率で、SiO2 54.0〜62.0%、Al23 8.0〜12.0%、MgO 0〜5.0%、CaO 18.0〜22.0%、BaO 0〜5.0%、ZnO 0〜5.0%、Na2O+K2O+Li2O 0〜1.0%、ZrO2 0.6〜5.0%、TiO2 0.5〜1.9%からなり、屈折率が1.5700〜1.6000であり、ポリカーボネート樹脂の強化に用いられるガラス組成物が開示されている。
また、特許文献3には、屈折率が1.570〜1.600、アッベ数が50以下の光学定数を有するポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維が開示されている。
また、市販のガラス繊維を用いてポリカーボネート樹脂を改良することが検討されており、例えば、特許文献4には、末端停止剤としてヒドロキシアラルキルアルコールとラクトンとの反応生成物を用いた芳香族ポリカーボネート樹脂と、該芳香族ポリカーボネート樹脂との屈折率の差が0.01以下であるガラス系充填剤とを含む樹脂組成物が開示されている。
また、特許文献5には、芳香族ポリカーボネート樹脂と、該芳香族ポリカーボネート樹脂との屈折率の差が0.015以下であるガラス繊維と、ポリカプロラクトンとを含む樹脂組成物が開示されている。
特開昭58−60641号公報 特開平5−155638号公報 特開平5−294671号公報 特開平7−118514号公報 特開平9−165506号公報
上記従来技術のうち、特許文献1のガラス組成においては、アルカリ成分である酸化ナトリウム(NaO)と酸化カリウム(KO)をそれぞれ3%以上含有している。この場合、アルカリ成分を多く含むことでガラスの耐水性が劣ることにより、ガラスからアルカリ成分が溶出し易くなる。また、成形中にガラス繊維表面のアルカリ成分とポリカーボネート樹脂とが反応して、ポリカーボネート樹脂の分子量が低下して成形品としての物性の低下を引き起こすという問題があった。また、高比重であるBaOを2%以上、ZrOを3%以上含有しているため樹脂成形品の重量が増加するという問題もあった。
また、特許文献2のガラス組成においては、TiOの含有量が0.5〜1.9%と低いため、該ガラス組成とポリカーボネート樹脂との屈折率の差を小さくし、ガラス組成の屈折率を1.580以上にするためには、屈折率を上げる成分として高比重であるZrO、ZnO、BaOの含有量を増やし、5%以上とする必要があり、その結果としてガラスの比重が大きくなり、樹脂成形品の比重が増加する傾向にあった。
また、特許文献3のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維においては、実施例の組成に記載されているように、やはりアルカリ成分である酸化ナトリウム(NaO)や酸化カリウム(KO)を16.5wt%以上と多量に含有していることから、特許文献1と同様のポリカーボネート樹脂の分子量低下によって成形品の物性が低下するという問題がある。
また、特許文献4の芳香族ポリカーボネート樹脂組成物においては、芳香族ポリカーボネート樹脂の原料が高価であり、得られる成形品が高価になるという問題がある。
また、特許文献5の芳香族ポリカーボネート樹脂組成物においては、ポリカプロラクトンを含むために、成形品の耐熱性や機械的な物性が低下し易くなるという問題がある。
したがって、本発明の目的は、ガラス繊維の屈折率をポリカーボネート樹脂の屈折率と同程度にすることができ、該ガラス繊維で強化したポリカーボネート樹脂の成形品の透明性を維持しつつ、加えて、成形中にガラス繊維表面のアルカリ成分による該樹脂の分子量低下による成形品の物性低下を抑えることができ、工業的に生産が可能であり実用的なガラス繊維およびそれを用いたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品を提供することにある。
本発明者は鋭意研究を進めたところ、上記目的を達成できるポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維に到達したものであり、本発明は以下の要旨を有する。
(1)ポリカーボネート樹脂を強化するためのガラス繊維であって、該ガラス繊維全体における無機成分として、
二酸化ケイ素(SiO)50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al)10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO3〜5質量%酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO)0〜5質量%、酸化リチウム(LiO)0〜2質量%、酸化ナトリウム(NaO)0〜2質量%、酸化カリウム(KO)0〜2質量%を含有し、
前記酸化リチウム(LiO)と前記酸化ナトリウム(NaO)と前記酸化カリウム(KO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、
前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)との合計含有量が1〜5質量%、かつ、前記酸化チタン(TiO )と前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO )との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8質量%であり、
前記ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590であることを特徴とするポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(2)酸化ホウ素(B )を実質的に含有しない上記(1)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(3)前記酸化ジルコニウム(ZrO )の含有量が2〜5質量%であって、前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO )との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して2〜5質量%である上記(1)又は(2)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(4)前記酸化ジルコニウムを実質的に含有しない上記(1)又は(2)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(5)前記ガラス繊維の屈折率が1.583〜1.586である上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(6)ガラス繊維と、ポリカーボネート樹脂とを含む樹脂組成物を成形して得られたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品であって、
前記ガラス繊維が、該ガラス繊維全体における無機成分として、二酸化ケイ素(SiO )50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al )10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO )3〜5質量%、酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO )0〜5質量%、酸化リチウム(Li O)0〜2質量%、酸化ナトリウム(Na O)0〜2質量%、酸化カリウム(K O)0〜2質量%を含有し、前記酸化リチウム(Li O)と前記酸化ナトリウム(Na O)と前記酸化カリウム(K O)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)との合計含有量が1〜5質量%、かつ、前記酸化チタン(TiO )と前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO )との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8質量%であり、
前記ポリカーボネート樹脂の屈折率と、前記ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維の屈折率との差が、0.001以下であることを特徴とするガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
(7)前記ガラス繊維は、酸化ホウ素(B )を実質的に含有しない上記(6)に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
(8)前記ガラス繊維は、前記酸化ジルコニウム(ZrO )の含有量が2〜5質量%であって、前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO )との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して2〜5質量%である上記(6)又は(7)に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
(9)前記ガラス繊維は、前記酸化ジルコニウムを実質的に含有しない上記(6)又は(7)に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品
(10)前記樹脂成形品におけるガラス繊維の含有量が5〜60質量%である上記(6)〜(9)のいずれか一つに記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、繊維強化後でも成形品の透明性を維持しつつ、加えて、ガラス繊維中のアルカリ成分の含有量が少ないため、成形中に樹脂の分子量低下を抑えることができ、成形品の物性低下を防止できる。また、ポリカーボネート樹脂の屈折率と、前記ガラス繊維の屈折率との差を0.001以下にできることで、ポリカーボネート樹脂単独の場合に近い、極めて透明性の高い成形品を得ることができる。
本発明の透明性に優れたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、例えば、電気機器や電子機器の表示部のカバー、自動車や建材に用いる板ガラスの代替品のような、透明性及び強度の両方の物性が要求される成形品として好適に使用できる。
以下に、ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維についてさらに詳しく説明するが、本発明では、特に説明のない限り、「%」は「質量%」を意味する。また、含有成分は、各成分の酸化物の形態で表しているが、必ずしも各成分は酸化物の形態で含有されていなくてもよい。
本発明のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維は、ガラス繊維全体における無機成分として、二酸化ケイ素(以下、SiOとする)50〜60%、酸化アルミニウム(以下、Alとする)10〜15%、酸化カルシウム(以下、CaOとする)15〜25%、酸化チタン(以下、TiOとする)3〜5酸化マグネシウム(以下、MgOとする)0〜5%、酸化亜鉛(以下、ZnOとする)0〜5%、酸化バリウム(以下、BaOとする)0〜5%、酸化ジルコニウム(以下、ZrOとする)0〜5%、酸化リチウム(以下、LiOとする)0〜2%、酸化ナトリウム(以下、NaOとする)0〜2%、酸化カリウム(以下、KOとする)0〜2%を含有しLiOとNaOとKOとの合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2%であり、ZnOとBaOとの合計含有量が1〜5質量%、かつ、TiO とZnOとBaOとZrO との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8質量%である。
上記のガラス繊維において、SiOの含有量は50〜60%であることが必要である。SiOが50%未満であると、ガラス繊維の強度が低下するので好ましくない。また、60%を超えるとガラスとしての溶解性が低下するので好ましくない。また、Alの含有量は10〜15質量%であることが必要である。Alが10%未満であると、耐水性などの化学的耐久性が低下するので好ましくない。また、15%を超えるとガラスとしての溶解性が低下し、ガラスが不均質になり易くなるので好ましくない。
また、CaOの含有量は15〜25%であることが必要である。CaOが15%未満であると、ガラスとしての溶解性が低下するので好ましくない。また、25%を超えると結晶化し易くなるので好ましくない。MgOは任意成分であり、0〜5%含有できる。MgOを含有させることにより、上記のCaOのCaの一部をMgに置き換えることができ、ガラス繊維としての引っ張り強度などの機械物性を向上できる。MgOの含有量が5%を超えるとガラスとしての溶解性が低下するので好ましくない。MgOの含有量は、好ましくは0.1〜5.0%である。
また、Bの含有量は実質的に含有しないことが好ましい。なお、本発明においてBを実質的に含有しないとは、Bの含有量が0.1%以下であることを意味する。
また、TiOの含有量は、3〜5%であることが必要であるTiOが3%未満であると、屈折率を上げることが不充分である。また、5%を超えると屈折率が上がり過ぎて、ポリカーボネート樹脂の屈折率との差が大きくなるので好ましくない。上記TiOと同様に屈折率を上げる成分として、ZnO、BaO及びZrOから選ばれる少なくとも1種の成分が含まれる。
また、ZnOとBaOとの合計含有量は、1〜5%であり、かつ、TiO 、ZnO、BaO及びZrO の合計含有量は、6〜8%であることが必要である。ZnO、BaOを含有することにより、屈折率を上げることができ、また、失透を抑制することができる。ZnOとBaOとの合計含有量が1%未満では、屈折率を上げることが困難となり、5%を超えると、液相温度が上昇し、失透し易くなる。そして、TiO 、ZnO、BaO及びZrO の合計含有量を上記範囲にすることにより、ポリカーボネート樹脂の屈折率との差を小さくでき、ガラス繊維の屈折率とポリカーボネート樹脂の屈折率との差が小さく、機械的強度などに優れたガラス繊維とすることができる。また、重金属元素の酸化物の含有量が少ないので、得られる樹脂成形品の重量増加を抑えることができる。
また、ZrO は任意成分であり、ZrO を含有することにより、屈折率を上げることができ、化学的耐久性を向上させることができる。また、ガラスの比重が重くなることがあるため、ZrO は実質的に含有しなくてもよい。
ZrO の含有量が2〜5%である場合には、ZnO、BaOは任意成分であって、それぞれ0〜5%含有でき、ZnO、BaO及びZrO の合計含有量を、2〜5%とすることが好ましい。ZrO の含有量が5%を超えると、ガラスとしての溶解性が低下し、また、失透し易くなるので好ましくない。そして、ZnO、BaO及びZrO の合計含有量が上記範囲であれば、ガラス繊維の屈折率とポリカーボネート樹脂の屈折率との差が小さく、機械的強度などに優れたガラス繊維とすることができる。また、重金属元素の酸化物の含有量が少ないので、得られる樹脂成形品の重量増加を抑えることができる。
本発明においては、ZnO、BaO、ZrOの他に、酸化ストロンチウム(以下、SrOとする)を必要に応じて含有させてもよい。SrOを含有することで、ガラス繊維の屈折率をポリカーボネート樹脂の屈折率に合わせやすくなる。そして、ガラス組成にSrOを含有させる場合、ZnO、BaO及びSrOの合計含有量が、ガラス繊維全体に対して、1〜5%となるようにSrOを含有させることが好ましい。
アルカリ成分である、LiO、NaO、KOは、それぞれ0〜2%含有でき、かつ、これらの合計含有量がガラス繊維全体に対して0〜2%であることが本発明の特徴となっている。アルカリ成分の合計含有量が2%を超えると、ガラスの耐水性が低下して、アルカリが溶出し易くなる。また、成形中にガラス表面のアルカリ成分によってポリカーボネート樹脂の分子量が低下して、成形品の物性低下の要因となる。アルカリ成分の合計含有量は0〜1%であることが好ましい。
このようにアルカリ成分の合計含有量が低くても、上記のようにTiOを3〜5%含有することにより、屈折率を充分に向上でき、ポリカーボネート樹脂の屈折率に近づけることができる。そして、アルカリ成分が少ないことで、ポリカーボネート樹脂の分解による分子量低下を抑えることができ、成形品の強度等の物性低下を防止できる。
本発明のガラス繊維の屈折率は1.580〜1.590であり、1.582〜1.590が好ましく、1.583〜1.586であることがより好ましい。これによって、通常のポリカーボネート樹脂の屈折率と同じ範囲の屈折率を有するガラス繊維を得ることができる。このように、上記組成の本発明のガラス繊維においては、通常のEガラスの屈折率(nD)である約1.555に比べて屈折率を充分に向上でき、強化繊維として成形品に分散させた際にも透明性を維持できる。
本発明のガラス繊維においては、上記のガラス成分以外に、紡糸性、耐水性等に悪影響を及ぼさない範囲で、下記成分を含んでもよい。例えば、ガラスの屈折率を上げる成分として、ランタン(La)、Y(イットリウム)、ガドリニウム(Gd)、ビスマス(Bi)、アンチモン(Sb)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)またはタングステン(W)などの元素を含む酸化物を含んでもよい。また、ガラスの着色を抑える成分として、コバルト(Co)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)またはネオジウム(Nd)などの元素を含む酸化物を含んでもよい。
また、本発明のガラス繊維を得るのに必要なガラス原料には、ガラスの着色を抑えることから、原料中の不純物として、酸化物基準でFe含有量が、ガラス全体に対して0.01%未満であることが好ましい。
本発明のガラス繊維は、上述のようにガラス成分を含む組成を全体でバランスさせることにより、従来のEガラス繊維又はECRガラス繊維などの強化用繊維と同等の紡糸性、機械的強度および化学的耐久性などを有することができる。
本発明のガラス繊維は、従来公知のガラス長繊維の紡糸方法を用いて得ることができる。例えば、溶融炉でガラス原料を連続的にガラス化してフォアハースに導き、フォアハースの底部にブッシングを取り付けて紡糸するダイレクトメルト(DM)法、または、溶融したガラスをマーブル、カレット、棒状に加工してから再溶融して紡糸する再溶融法などの各種の方法を用いてガラスを繊維化することができる。
ガラス繊維の径は特に限定されないが、3〜25μmのものが好ましく用いられる。3μmよりも細い場合には、ガラス繊維と樹脂との接触面積が増大して乱反射の原因となり、成形品の透明性が低下する場合がある。25μmよりも太い場合には、ガラス繊維の強度が弱くなり、結果として成形品の強度が低下する場合がある。
ガラス繊維の形態は、成形方法や成形品に求められる特性に応じて、適宜選択可能であり特に限定されない。例えば、チョップドストランド、ロービング、マット、クロス、ミルドファイバーなどが挙げられる。
ガラス繊維は、ポリカーボネート樹脂とガラス繊維との親和性を増し密着性を増大して空隙形成による成形品の透明性低下を抑制するために、カップリング剤を含む処理剤で表面処理されることが好ましい。上記カップリング剤としては、シラン系カップリング剤、ボラン系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤またはチタネート系カップリング剤などを使用することができる。特に、ポリカーボネート系樹脂とガラスとの接着性が良好である点からシラン系カップリング剤を用いるのが好ましい。上記シラン系カップリング剤としては、アミノシラン系カップリング剤、エポキシシラン系カップリング剤、アクリルシラン系カップリング剤などを使用することができる。それらのシラン系カップリング剤の中でも、アミノシラン系カップリング剤を用いるのが最も好ましい。
また、処理剤に含まれるカップリング剤以外の成分としては、フィルムフォーマー、潤滑剤および帯電防止剤などが挙げられ、これらを単独で用いても複数の成分を併用してもよい。前記フィルムフォーマーとしては、酢酸ビニル樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド樹脂、エポキシ樹脂もしくはポリオレフィン樹脂などのポリマーまたはそれらの変性物を使用することができる。前記潤滑剤としては、脂肪族エステル系、脂肪族エーテル系、芳香族エステル系または芳香族エーテル系の界面活性剤を使用することができる。前記帯電防止剤としては、塩化リチウムもしくはヨウ化カリウムなどの無機塩またはアンモニウムクロライド型もしくはアンモニウムエトサルフェート型などの4級アンモニウム塩を使用できる。
本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、上記のガラス繊維と、ポリカーボネート樹脂とを含む樹脂組成物を成形して得られる。ポリカーボネート樹脂としては特に限定されず、例えばビスフェノールAとホスゲンを反応させて得られるものが使用できる。その粘度平均分子量としては12,000〜35,000であることが好ましい。
ポリカーボネート樹脂の屈折率(nD)は、一般的に1.580から1.590の範囲にある。本発明に用いられるポリカーボネート樹脂としては、従来公知のポリカーボネート樹脂を用いることができ、好ましく用いることができる樹脂に、例えば、屈折率1.585の「レキサン121R」(日本ジーイープラスチックス社、商品名)や屈折率1.583の「ユーピロンS−2000」(三菱エンジニアリングプラスチックス社、商品名)が挙げられる。
樹脂組成物、及び成形品におけるガラス繊維の含有量は特に限定されないが、成形品では、その全体に対して5〜60%であることが好ましく、10〜55%であることがより好ましい。5%未満では繊維強化による物性向上が不充分であるので好ましくなく、60%を超えると、樹脂とガラスとの接触面積が増大して成形品の透明性が低下し、また、成形性が低下するので好ましくない。
更に、本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物には、屈折率等の特性を損なわない範囲で、周知の添加剤を用いることができる。例えば、酸化防止剤は、ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物の製造時や成形時の樹脂の分解を抑制することができる。
本発明のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂組成物の製造方法としては従来公知の方法を用いることができる。例えば、ポリカーボネート樹脂とガラス繊維と、任意の添加剤とを混合機などを用いて混合し、押出し機で溶融混練してペレット化する方法が好ましく用いることができる。その後、従来公知の成形方法、例えば、射出成形、押出成形、圧縮成形、カレンダー成形等により成形して、成形品を得ることができる。製造条件、成形条件は、適宜選択可能であり、特に限定されないが、溶融混練時の加熱温度や射出成形時の樹脂の温度は、樹脂の分解を抑制することから、通常220℃〜300℃の範囲から適宜選ぶのが好ましい。
成形品における、ポリカーボネート樹脂の屈折率と、上記のガラス繊維の屈折率との差が0.001以下であることが好ましい。ポリカーボネート樹脂の屈折率とガラス繊維の屈折率との差が0.001を超えると成形品の透明性が不充分となるので好ましくない。
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。
[ガラス繊維の製造]
表1に示すような組成(質量%)で、参考例1、実施例1〜、比較例1〜6のガラス繊維を製造した。
Figure 2005110695
ガラス繊維は、従来公知の方法により繊維径13μmで紡糸し、バインダーとしてアミノシラン+ウレタンを0.5質量%となるように添加した。
上記のガラス繊維及び試験片の物性を表2にまとめて示す。表2において、紡糸特性は、ガラス繊維についてそれぞれ粘度測定法及び失透温度法によって測定した値である。また、比重はアルキメデス法によって測定した値であり、屈折率(nD)は試験片をJIS−K−7142のB法による浸液法によって測定した値である。
ここで、紡糸特性のガラスの溶融粘度については、5mm程度に粉砕したガラスカレットを白金合金製ルツボに入れ溶解した後、粘度計に直結したスピンドルを沈め回転させて、溶融ガラスの粘度を測定する回転円筒法によって、ガラスの溶融粘度がlogη=3.0となる温度を測定した。回転円筒法としては、米国特許第3056283号明細書に開示されているような高温でのガラスの粘度を測定する装置を用いて、白金製ルツボにガラスを入れて、ガラスを溶融させ、その溶融ガラス中に白金合金製のスピンドル(またはゴブと呼ぶ)を浸漬させ、そのスピンドルを回転させ、スピンドルにかかるトルクを、スピンドルに直結した粘度計により測定して、溶融ガラスの粘度を求めた。
ガラスの溶融粘度がlogη=3.0における温度は、回転円筒法による米国特許第3056283号明細書に開示されている装置と同等の装置を用いて、下記の条件で測定して求めた。粘度計は、トキメック社製のTV−20型を用いて、測定レンジをHとして、回転数は溶融ガラスの粘度が測定範囲になるように1〜50rpmに調整した。
[測定条件]
5mm程度に粉砕したガラスカレット76gを直径25mmで高さ65mmの白金合金製ルツボに入れ、温度が安定するまで約15分待ち、直径9mmで高さ33mmのスピンドルを沈め、回転させ、さらに温度が安定するまで15分待った。スピンドルに連結したシャフト(直径5mm)の反対側を粘度計に接続して、粘度計のトルクと溶融ガラスの温度を読み取った。順次温度設定を下げ、安定させてから同様に粘度計のトルクと温度を読み取った。なお、設定回転数でのトルク測定範囲がスケールオーバーする場合には回転数を下げて測定した。
また、紡糸特性の失透温度については、300μm程度に粉砕したガラスカレットを白金合金製ボートに入れ、温度勾配を有する電気炉に入れ24時間保持した後、空気中で放冷し、顕微鏡で失透物の析出した位置を測定することにより失透温度(単位:℃)を求めた。
Figure 2005110695
表2の結果より、実施例1〜のガラス繊維は、比較例1、2の従来のEガラス、ECRガラスと同等の紡糸性が得られており、かつ、屈折率が1.584〜1.585と、Eガラスの1.555、ECRガラスの1.579より高くなっていることがわかる。
また、TiOの含有量が本発明の上限を超えている比較例3及び5、ZrOの含有量が本発明の上限を超えている比較例6については、屈折率が本発明の上限である1.590を超えている。一方、TiOを含有しない比較例4においては、屈折率が本発明の下限である1.580未満であることがわかる。
[ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品の製造]
参考例1、実施例及び比較例1、2のガラス繊維を用いて、以下の条件でコンパウンド及び射出成形を行い、ガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品を製造した。
コンパウンド条件
ポリカーボネート樹脂:レキサン121R(日本ジーイープラスチック社製、分子量21000、nD=1.585)
ガラス繊維:13μm径、3mm長のチョップトストランド、集束本数400本
ガラス繊維含有率:10質量%
押し出し機:TEM−35B(東芝機械社製)
押し出し温度:280℃
射出成形条件
成形機:IS−80G(東芝機械社製)
シリンダー温度:300℃
金型温度:120℃
上記の樹脂成形品の光学物性及び機械物性を表3にまとめて示す。ここで、光学物性である全光線透過率及び平行光線透過率は、日本電色株式会社製NDHセンサーを用い、JIS−K−7361に準じて厚さ2mmのサンプルを測定した値であり、Haze値は日本電色株式会社製NDHセンサーを用い、JIS−K−7105方法aに準じて厚さ2mmのサンプルを測定した値である。
また、機械物性である曲げ強度、曲げ弾性率は、それぞれASTM D−790に準じて厚さ3mmのサンプルを測定した値である。
また、樹脂の分子量は、溶媒として塩化メチレンを用い、温度20℃で測定された溶液粘度より換算した粘度平均分子量の値である。
Figure 2005110695
表3より、実施例の成形品は比較例と同程度の機械物性を有しており、分子量の低下も生じていない。また、Hazeは比較例に比べて低く、屈折率の向上によって優れた透明性が得られていることがわかる。
本発明により得られるポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維、及びそれを用いたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品は、透明性及び強度の両方の物性が要求される成形品として、例えば、電気機器や電子機器の表示部のカバー、自動車や建材に用いる板ガラスの代替品などに好適に用いることができる。
(1)ポリカーボネート樹脂を強化するためのガラス繊維であって、該ガラス繊維全体における無機成分として、
二酸化ケイ素(SiO)50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al)10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO3〜5質量%酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO)0〜5質量%、酸化リチウム(LiO)0〜2質量%、酸化ナトリウム(NaO)0〜2質量%、酸化カリウム(KO)0〜2質量%を含有し、
前記酸化リチウム(LiO)と前記酸化ナトリウム(NaO)と前記酸化カリウム(KO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、
前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)との合計含有量が1〜5質量%、かつ、前記酸化チタン(TiO)と前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8質量%であり、
酸化ホウ素(B )の含有量が0.1質量%以下であり、
前記ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590であることを特徴とするポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(2)前記酸化ジルコニウム(ZrO )の含有量が2〜5質量%であって、前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO )との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して2〜5質量%である上記(1)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(3)前記酸化ジルコニウム(ZrO )を含有しない上記(1)に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(4)前記ガラス繊維の屈折率が1.583〜1.586である上記(1)〜(3)のいずれか一つに記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
(5)ガラス繊維と、ポリカーボネート樹脂とを含む樹脂組成物を成形して得られたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品であって、
前記ガラス繊維が、請求項1〜4のいずれかに記載のガラス繊維であり、
前記ポリカーボネート樹脂の屈折率と、前記ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維の屈折率との差が、0.001以下であることを特徴とするたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
(6)前記樹脂成形品おけるガラス繊維の含有量が5〜60質量%である上記(5)に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
本発明のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維は、ガラス繊維全体における無機成分として、二酸化ケイ素(以下、SiOとする)50〜60%、酸化アルミニウム(以下、Alとする)10〜15%、酸化カルシウム(以下、CaOとする)15〜25%、酸化チタン(以下、TiOとする)3〜5%、酸化マグネシウム(以下、MgOとする)0〜5%、酸化亜鉛(以下、ZnOとする)0〜5%、酸化バリウム(以下、BaOとする)0〜5%、酸化ジルコニウム(以下、ZrOとする)0〜5%、酸化リチウム(以下、LiOとする)0〜2%、酸化ナトリウム(以下、NaOとする)0〜2%、酸化カリウム(以下、KOとする)0〜2%を含有し、LiOとNaOとKOとの合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2%であり、ZnOとBaOとの合計含有量が1〜5質量%、かつ、TiOとZnOとBaOとZrOとの合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8%であり、B の含有量が0.1%以下である。
また、Bの含有量は0.1%以下である。

Claims (9)

  1. ポリカーボネート樹脂を強化するためのガラス繊維であって、該ガラス繊維全体における無機成分として、
    二酸化ケイ素(SiO)50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al)10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO)2〜10質量%、酸化ホウ素(B)2〜8質量%、酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO)0〜5質量%、酸化リチウム(LiO)0〜2質量%、酸化ナトリウム(NaO)0〜2質量%、酸化カリウム(KO)0〜2質量%を含有し、
    かつ、前記酸化リチウム(LiO)と前記酸化ナトリウム(NaO)と前記酸化カリウム(KO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、
    前記ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590であることを特徴とするポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
  2. 前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜5質量%である請求項1に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
  3. ポリカーボネート樹脂を強化するためのガラス繊維であって、該ガラス繊維全体における無機成分として、
    二酸化ケイ素(SiO)50〜60質量%、酸化アルミニウム(Al)10〜15質量%、酸化カルシウム(CaO)15〜25質量%、酸化チタン(TiO)3〜5質量%、酸化マグネシウム(MgO)0〜5質量%、酸化亜鉛(ZnO)0〜5質量%、酸化バリウム(BaO)0〜5質量%、酸化ジルコニウム(ZrO)0〜5質量%、酸化リチウム(LiO)0〜2質量%、酸化ナトリウム(NaO)0〜2質量%、酸化カリウム(KO)0〜2質量%を含有し、
    かつ、前記酸化リチウム(LiO)と前記酸化ナトリウム(NaO)と前記酸化カリウム(KO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して0〜2質量%であり、
    前記ガラス繊維の屈折率が1.580〜1.590であることを特徴とするポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
  4. 酸化ホウ素(B)を実質的に含有しない請求項3に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
  5. 前記酸化ジルコニウム(ZrO)の含有量が2〜5質量%であって、前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して2〜5質量%である請求項3又は4に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
  6. 前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)との合計含有量が1〜5質量%であって、前記酸化チタン(TiO)と前記酸化亜鉛(ZnO)と前記酸化バリウム(BaO)と前記酸化ジルコニウム(ZrO)との合計含有量が、前記ガラス繊維全体に対して6〜8質量%である請求項3又は4に記載のポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維。
  7. 請求項1〜6のいずれかに記載のガラス繊維と、ポリカーボネート樹脂とを含む樹脂組成物を成形して得られたことを特徴とするたガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
  8. 前記樹脂成形品おけるガラス繊維の含有量が5〜60質量%である請求項7に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
  9. 前記ポリカーボネート樹脂の屈折率と、前記ポリカーボネート樹脂強化用ガラス繊維の屈折率との差が0.001以下である請求項7又は8に記載のガラス繊維強化ポリカーボネート樹脂成形品。
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