JPWO2005113667A1 - 繊維強化樹脂組成物及びその成形品 - Google Patents

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Abstract

下記成分を下記配合比で含む繊維強化樹脂組成物。[成分](A)ポリオレフィン系樹脂(B)以下の条件を満たすガラス繊維(B1)平均繊維径が3〜30μm(B2)繊維の平均アスペクト比が50〜6000(C)以下の条件を満たす酸変性ポリプロピレン系樹脂(C1)フーリエ変換赤外分光法で測定した酸付加量の測定において、メチルエチルケトンにて70℃3時間で処理した前後の酸付加量の変化が0.8質量%以下(C2)メルトフローレイト(荷重:2.16kg、温度:230℃)が20〜2000g/10分[配合比(質量)](B):[(A)+(C)]=5〜80:95〜20(A):(C)=0〜99.5:100〜0.5

Description

本発明は、繊維強化樹脂組成物及びその成形品に関する。
ポリプロピレンは、アミノシラン処理されたガラス繊維とカルボン酸基含有ポリプロピレンを添加してガラス繊維強化ポリプロピレン(GFPP)とすることにより、強度を向上させることができる。また、アスペクト比が大きいガラス繊維を用いた長繊維GFPPは、短繊維GFPPよりもさらに強度が高く、大型自動車部品を中心に注目されており、自動車用構造部品に適用するためさらなる高性能化が求められている。しかし、カルボン酸基含有ポリプロピレンに関しては従来のものが使用されており、構造部品等に用いられる長繊維GFPPの実用性能を満たすカルボン酸基含有ポリプロピレンの検討は不十分であった。
GFPP用マレイン酸基含有ポリプロピレンの検討において、分子量や付加量の検討は行なわれていたが、カルボン基含有ポリプロピレン製造時に副生される成分については色相・臭気面改良の検討のみで物性(強度)に与える影響については見落とされていた。
また、特許文献1では、色相改良が目的で製造中にベントから減圧処理する検討は行なわれていたが、この方法では(減圧時間が十分にとれず)揮発性の大きいものしか削減できない、付加量をあげるのが困難、製造が安定しない(ベントアップ)等の問題があった。さらに、特許文献2,3,4では、ポリプロピレンより先に1,2−ブタジエンをグラフトすることで未反応マレイン酸を削減する検討は行なわれていたが、副生成物の発生自体は抑制できなかった。
また、これらの検討はアスペクト比の小さい短繊維GFPPのみの検討で、アスペクト比が大きく強度が高い場合の物性(強度)への影響は全く考慮されていなかった。
一方、特許文献5では、マレイン酸基含有ポリプロピレンの長繊維GFPPの物性に与える影響について検討されているが、マトリックス樹脂の流動性と酸含有量のみに着目していたため、低分子量マレイン酸付加物の影響については検討されていなかった。
特開平7−316239号公報 特開平8−12697号公報 特開平8−134418号公報 特開平8−143739号公報 特開平7−232324号公報
本発明の目的は、強度の高い繊維強化樹脂組成物及びその成形品を提供することである。
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、長繊維GFPPに代表されるアスペクト比が大きいガラス繊維を含む強度の高いGFPPは、マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂製造時に副生される低分子量マレイン酸付加物の影響を強く受けることを見出し、本発明を完成させた。
本発明によれば、以下の繊維強化樹脂組成物及びその成形品が提供される。
1.下記成分を下記配合比で含む繊維強化樹脂組成物。
[成分]
(A)ポリオレフィン系樹脂
(B)以下の条件を満たすガラス繊維
(B1)平均繊維径が3〜30μm
(B2)繊維の平均アスペクト比が50〜6000
(C)以下の条件を満たす酸変性ポリプロピレン系樹脂
(C1)フーリエ変換赤外分光法で測定した酸付加量の測定において、メチルエチルケトンにて70℃3時間で処理した前後の酸付加量の変化が0.8質量%以下
(C2)メルトフローレイト(荷重:2.16kg、温度:230℃)が20〜2000g/10分
[配合比(質量)]
(B):[(A)+(C)]=5〜80:95〜20
(A):(C)=0〜99.5:100〜0.5
2.前記ポリオレフィン系樹脂(A)がポリプロピレン系樹脂である1記載の繊維強化樹脂組成物。
3.1又は2記載の繊維強化樹脂組成物を使用した成形品。
4.以下の条件を満たすマレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂。
(C1)フーリエ変換赤外分光法で測定した酸付加量の測定において、メチルエチルケトンにて70℃3時間で処理した前後の酸付加量の変化が0.8質量%以下
(C2)メルトフローレイト(荷重:2.16kg、温度:230℃)が20〜2000g/10分
本発明によれば、強度の高い繊維強化樹脂組成物及びその成形品を提供できる。
本発明の組成物は、溶剤可溶分を除去することで性能を向上させることができる。
実施例、比較例で使用した長繊維強化樹脂ペレットの製造装置を示す図である。
本発明の繊維強化樹脂組成物は、(A)ポリオレフィン系樹脂、(B)特定のガラス繊維、及び(C)特定の酸変性ポリプロピレン系樹脂を含んで構成される。
ポリオレフィン系樹脂(A)は、ポリプロピレン系樹脂、特にプロピレン単独重合体かエチレン・プロピレンブロック共重合体が好ましく、プロピレン単独重合体が好ましい。
ポリプロピレン系樹脂(A)は下記の条件を満たすものが好ましい。
メルトフローレイト(MFR)(温度230℃、荷重2.16Kg)の値は、通常1〜600g/10分、好ましくは10〜400g/10分、より好ましくは30〜300g/10分、特に好ましくは50〜150g/10分である。600g/10分を超えると靭性が失なわれる恐れがあり、1g/10分未満では成形が困難となる恐れがある。
ホモ(単独重合部)の結晶性(mmmm分率)は、通常90%以上、好ましくは93%以上、より好ましくは96%以上である。
DSCで測定した結晶化温度Tc(B)は通常80〜130℃、好ましくは90〜125℃、より好ましくは110〜120℃である。
GPCで測定した分子量1,000,000以上の成分は、通常0.5%以上、好ましくは1%以上、特に好ましくは2%以上である。
GPCで測定した分子量分布(Mw/Mn)は、通常2〜10、好ましくは2〜6、特に好ましくは3〜5である。
ポリプロピレン系樹脂に含まれる無機系中和剤は、好ましくは0.001〜0.5質量%、より好ましくは0.01〜0.1%、特に好ましくは0.05%である。0.001質量%未満では触媒残さにより成形機の金型等が腐食する恐れがあり、0.5質量%を超えると強度が低下する恐れがある。無機系中和剤には、特開2003−238748号公報等に記載ものが含まれるが、ハイドロタルサイト類が特に好ましい。
ポリプロピレン系樹脂の製造方法は、特開平11−71431号公報、特開2002−249624号公報等に記載の公知の方法で製造できる。例えば、重合用触媒を用いてプロピレン等をスラリー重合、気相重合、あるいは、液層塊状重合することにより製造でき、重合方式としては、バッチ重合、連続重合のどちらの方式も採用することができる。
また、ポリプロピレン系樹脂は市販のものを使用できる。市販のポリプロピレン系樹脂を有機過酸化物で流動性を調整したものや複数のものを混合したものも使用できる。これらは樹脂組成物の成分としても、希釈ブレンド用としても使用できる。
市販のポリプロピレン系樹脂として以下のものが例示される。
1.出光石油化学(株)製
(1)プロピレン単独重合体
J−2003GP(MFR=21)、J−2000GP(MFR=21)、J−903GP(MFR=13)、J−900GP(MFR=13)、J−700GP(MFR=8)、J−3003GV(MFR=30)、J−3000GV(MFR=30)、J−3000GP(MFR=30)、H−100M(MFR=0.5)、H−700(MFR=7)、Y−2000GP(MFR=20)、Y−6005GM(MFR=60)、E−105GM(MFR=0.5)、F−300SV(MFR=3)、Y−400GP(MFR=4)
(2)プロピレン・エチレンブロック共重合体
J−6083HP(MFR=60)、J−5066HP(MFR=50)、J−5051HP(MFR=50)、J−3054HP(MFR=40)、J−3056HP(MFR=40)、J−950HP(MFR=32)、J−762HP(MFR=13)、J−466HP(MFR=3)、JR3070HP(MFR=30)、J−786HV(MFR=13)
(3)プロピレン・エチレンランダム共重合体
J−3021GA(MFR=30)、J−3021GR(MFR=30)、J−2021GR(MFR=20)
2.サンアロマー(株)製
(1)プロピレン単独重合体
PM900M(MFR=30)、PM900A(MFR=30)、PM802A(MFR=20)、PM801Z(MFR=13)、PM600Z(MFR=7.5)、PM600M(MFR=7.5)、PM600H(MFR=7.5)、PM600A(MFR=7.5)、PF−611(MFR=30)、PF−814(MFR=3)
(2)プロピレン・エチレンブロック共重合体
PMB70X(MFR=63)、PMB65X(MFR=63)、PMB60W(MFR=63)、PMB60A(MFR=63)、PMA60Z(MFR=45)、PMA80X(MFR=43)、PMA60A(MFR=43)、PM965C(MFR=35)、PM953M(MFR=30)、PM761A(9.5)
(3)プロピレン・エチレンランダム共重合体
PVC20M(MFR=85)、PMC20M(MFR=85)、PMA20V(MFR=45)、PV940M(MFR=30)、PM822V(MFR=20)、PM811M(MFR=13)、PM731V(MFR=9.5)
3.日本ポリプロ(株)製(ノバテックPP)
(1)プロピレン単独重合体
MA3(MFR=11)、MA3AH(MFR=12)、MA03(MFR=25)
(2)プロピレン・エチレンランダム共重合体
BC06C(MFR=60)、BC05B(MFR=50)、BC03GS(MFR=30)、BC03B(MFR=30)、BC03C(MFR=30)、BC2E(MFR=16)、BC3L(MFR=10)、BC3H(MFR=8.5)、BC3F(MFR=8.5)、BC4ASW(MFR=5)、
BC6DR(MFR=2.5)、BC6C(MFR=2.5)、BC8(MFR=1.8)
4.三井化学(株)製(三井ポリプロ)
(1)プロピレン単独重合体
J139(MFR=50)、J136(MFR=20)、CJ700(MFR=10)、J108M(MFR=45)、J107G(MFR=30)、
J106G(MFR=15)、J105G(MFR=9)
(2)プロピレン・エチレンブロック共重合体
J709UG(MFR=55)、J708UG(MFR=45)、J830HV(MFR=30)、J717ZG(MFR=32)、J707EG(MFR=30)、J707G(MFR=30)、J715M(MFR=9)、J705UG(MFR=9)、J704UG(MFR=5)、J702LB(MFR=1.8)
(3)プロピレン・エチレンランダム共重合体
J229E(MFR=52)、J226E(MFR=20)
本発明の繊維強化樹脂組成物に用いるガラス繊維(B)は、例えば、Eガラス(Electrical glass)、Cガラス(Chemical glass)、Aガラス(Alkali glass)、Sガラス(High strength glass)及び耐アルカリガラス等のガラスを溶融紡糸してフィラメント状の繊維にしたものを挙げることができるが、Eガラスが好ましい。
ガラス繊維(B)の平均繊維径は、3〜30μmであり、好ましくは11〜25μm、さらに好ましくは14〜23μm、特に好ましくは14〜18μmである。繊維径が過小であると、繊維が破損しやすいため、強化繊維束の生産性が低下することがあり、またペレットを連続製造するときに、繊維を多数本束ねなければならなくなり、繊維束をつなぐ手間が煩雑となったり生産性が低下するため好ましくない。また、好ましいペレット長が決まっているときは、繊維径が過大であると、繊維のアスペクト比が低下することとなり、補強効果が充分発揮されなくなることがあることから好ましくない。
また、長繊維ペレットの場合、好ましくはペレット長は4〜20mm、ペレット径は0.5〜4mmである。
ガラス長繊維としては、連続状ガラス繊維束を用いることができ、これはガラスロービングとして市販されている。ガラスロービングの他に、特開平6−114830号公報に記載のケーキ等も制限なしに使用できる。また、ガラスチョップドストランドを用いることもできるが、平均アスペクト比を必要な範囲に収めるためにはガラスロービングやケーキ等、繊維束を巻いたものが好ましい。
さらに、特開昭61−187137号公報、特開昭61−219732号公報、特開昭61−219734号公報、特開平7−291649号公報、特開平7−10591号公報、成形加工 第15巻 第9号 2003 612(山尾他)等に記載の異形断面(楕円形、まゆ型、偏平)ガラス繊維も使用できる。
樹脂組成物中のガラス繊維(B)の平均アスペクト比は、50〜6000、好ましくは75〜2000、さらに好ましくは100〜1500、特に好ましくは200〜1000である。平均アスペクト比が小さすぎると、補強効果が充分発揮されない恐れがあり、平均アスペクト比が大きすぎると、成形時に可塑化が不安定になったり、ガラス繊維の分散不良を起こす恐れがある。
樹脂組成物中のガラス繊維(B)の平均アスペクト比を50以上に調整する方法としては、混練により製造する場合、方法、条件を極力弱くし、破断を抑える、6mm以上の長いチョップドストランドを用いる、繊維径の細い(3〜7μm)のガラス繊維を用いる等の方法がある。しかし、これらの方法では十分なアスペスト比を得ることができない場合がある。引抜き法等で作成した長繊維ペレットを用いることが一般的で好ましい。
本発明のガラス繊維(B)は、シランカップリング剤、特にアミノシランで処理されたものが好ましい。
また、ウレタン系あるいはオレフィン系エマルジョンでサイジング処理されたものが好ましい。特に、本発明の酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)を含む樹脂エマルジョンでいったん処理した後、樹脂組成物の製造に使用することが好ましい。
本発明のガラス繊維(B)に使用できる市販のガラスロービングとして以下のものが例示される。
1.旭ファイバーグラス(株)製
ER2220(繊維径16μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン使用、約4000本を収束)
ER740(繊維径13μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン使用、約2000本を収束)
2.日本電機硝子(株)製
ER2310T−441N(繊維径17μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン使用、約4000本を収束)
3.セントラル硝子(株)
ERS2310−LF701(繊維径17μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系・オレフィン系混合エマルジョン使用、約4000本を収束)
ERS2310−LF702(繊維径17μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系エマルジョン使用、約4000本を収束)
4.エヌエスジー・ヴェトロテックス(株)製
RO99 2400 P319(繊維径17μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン使用、約4000本を収束)
また、市販のチョップドストランドとして以下のものが例示される。
1.旭ファイバーグラス(株)製
03 JA FT17(繊維径10μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系エマルジョン)
03 MA FT170(繊維径13μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系エマルジョン)
03 JA 486A(繊維径10μm、アミノシランカップリング剤、エポキシ系エマルジョン)
03 MA 486A(繊維径13μm、アミノシランカップリング剤、エポキシ系エマルジョン)
03 JA FT760A(繊維径10μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン)
03 MA FT170A(繊維径13μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン)
2.日本電気硝子(株)製
03T−488DE(繊維径6μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系エマルジョン)
T−480H(繊維径10.5μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン)
T−488GH(繊維径10.5μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系エマルジョン)
3.エヌエスジー・ヴェトロテックス(株)製
EC10 968(繊維径10μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン)
EC13 968(繊維径13μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン)
RES03−TP15(繊維径10μm、アミノシランカップリング剤、オレフィン系エマルジョン)
RES03X−TP B0160(繊維径10μm、エポキシシラン/アミノシラン併用カップリング剤、エポキシ系エマルジョン)
4.日東紡
CS 3J−956(繊維径11μm、アミノシランカップリング剤、アクリル系エマルジョン)
CS 3J−254(繊維径13μm、アミノシランカップリング剤、アクリル系エマルジョン)
CS 3PE−956(繊維径11μm、アミノシランカップリング剤、ウレタン系エマルジョン)
本発明の繊維強化樹脂組成物に用いる酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)は、ポリプロピレン系樹脂を酸で変性させたものである。カルボン酸あるいはその誘導体で変性したものが好ましくは、マレイン酸で変性したものが特に好ましい。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の原料となる、ポリプロピレン系樹脂としては、プロピレン単独重合体かエチレン・プロピレンランダム共重合体が好ましく、プロピレン単独重合体が最も好ましい。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の原料となる、ポリプロピレン系樹脂のMFRは、通常0.05〜20g/10分、好ましくは0.1〜10g/10分、さらに好ましくは0.2〜4g/10分、特に好ましくは0.3〜2g/10分である。
尚、酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)に用いるポリプロピレン系樹脂は、ポリオレフィン系樹脂(A)に例示した樹脂を使用できる。
変性に用いる酸として、カルボン酸類及びその誘導体、例えば、酢酸、アクリル酸、マロン酸、コハク酸、マレイン酸、フマル酸、安息香酸、2−ナフトエ酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、イソニコチン酸、2−フロ酸、ギ酸、プロピオン酸、プロピオル酸、酪酸、イソ酪酸、メタクリル酸、パルミチン酸、ステアリン酸、オレイン酸、シュウ酸、グルタル酸、アジピン酸、ケイ皮酸、グリコール酸、乳酸、グリセリン酸、酒石酸、クエン酸、グリオキシル酸、ピルビン酸、アセト酢酸、ベンジル酸、アントラニル酸、エチレンジアミン四酢酸等が挙げられるが、ジカルボン酸が好ましく、マレイン酸が特に好ましい。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の製造法としては、特開平8−143739号公報、特開2002−20560号公報、特開平7−316239号公報、特開平08−127697号公報、特開平07−232324号公報等に記載の公知の方法を使用することができる。
例えば、有機過酸化物、マレイン酸及びポリプロピレンを溶媒中で反応させる(溶液法)、有機過酸化物、マレイン酸及びポリプロピレンを溶融混練する(溶融法)、熱分解したポリプロピレンにマレイン酸を反応させる(熱分解法)等が使用できる。溶液法は、溶媒と副反応を起こしやすく残留有機溶媒が残りやすい、また、熱分解法は、分子量分布が広くなりすぎるため、溶融法が好ましい。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の製造に使用する反応の開始剤としては、有機過酸化物等の公知のものが使用できる。
有機過酸化物は、過酸化水素(H−O−O−H)の誘導体で、過酸化水素の水素原子1個又は2個を、有機の遊離基で置換した構造をしており、その分子内に過酸化結合「O−O」を持つことを特徴としている。
有機過酸化物としては、通常、ジアルキルパーオキサイト類、ケトンパーオキサイト類、ジアシルパーオキサイト類、ハイドロパーオキサイト類、パーオキシケタール類、アルキルパーエステル類、パーカボネイト類等が使用できるが、ジアシルパーオキサイト類が好ましい。
中でも1,3−ビス−(t−ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼン(例えば、パーカドックス14(商品名)、ビスブレークP(商品名)、AD−2やパーカドックス14−C(商品名)等、共に化薬アクゾ(株)製)、2,5−ジメチル−2,5−ジ−(t−ブチルパーオキシ)ヘプタン、3,6,9−トリエチル−3,6,9−トリメチル−1,4,7−トリパーオキソナン(例えばトリゴノックス301(商品名)、化薬アクゾ(株)製)、ジ−t−ブチルパーオキサイト(例えばカヤブチルD(商品名)、化薬アクゾ(株)製)が好ましく、1,3−ビス−(t−ブチルパーオキシイソプロピル)ベンゼンが半減期、臭気、色のバランスから特に好ましい。
有機過酸化物としては通常、半減期が1分となる温度が90〜200℃のものを使用する。120〜200℃のものが好ましく、150℃〜200℃のものがより好ましく、160〜200℃のものが特に好ましい。また、有機過酸化物の活性水素量は通常2〜12%で、3〜6%のものが好ましい。90℃未満では有機過酸化物の失活が早すぎて十分は反応を行えない恐れがある。200℃を超えるものは市販品を入手することが困難である。
本発明の酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)は、フーリエ変換赤外分光法(FT−IR)で測定した酸付加量の測定において、メチルエチルケトンにて70℃3時間で処理した前後の酸付加量の変化が、0.8質量%以下、好ましくは0.4質量%以下、より好ましくは0.3質量%以下、さらに好ましくは0.18質量%以下、特に好ましくは0.08質量%以下、最も好ましくは0.02質量%以下である。
変化量が少ないことは、低分子量マレイン酸付加物の含有量が少ないことを意味する。
低分子量マレイン酸付加物の詳細な組成は完全には分かっていないが、マレイン酸の付加したポリプロピレンオリゴマーや有機過酸化物、架橋剤、溶媒等にマレイン酸が付加したものあるいは未反応のマレイン酸等が考えられる。
低分子量マレイン酸付加物の除去方法としては下記のように、脱気、洗浄、精製等の方法が好ましいが、これらの方法に限定されない。また、脱気では揮発性の低い成分は除去されにくいため、洗浄か精製がより好ましく、30〜120℃の加熱溶剤を用いて洗浄することが効率的で特に好ましい。
(1)脱気
押出し製造時のベントを減圧し、減圧(真空)加熱した後、熱風乾燥させる。
(2)洗浄
メチルエチルケトン、アセトン/ヘプタン混合液等の洗浄溶剤(30〜120℃に加熱して用いることが好ましく、60℃〜110℃に加熱して用いることがさらに好ましい。)で洗浄後、分離乾燥させる。その他の洗浄方法として、スチーム洗浄、温水洗浄及び水洗も利用できるが、洗浄溶剤を用いる方法が効率的で好ましい。
(3)精製
加熱溶剤(パラキシレン、キシレン、トルエン、ベンゼン、n−ヘプタン、クロルベンゼン等)に溶解させ、再沈溶剤(アセトン、アセトン/メタノール混合溶剤等)に投入して再度沈殿させる。濾過後、真空乾燥等で乾燥させる。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の酸付加量(メチルエチルケトン不溶分)は、通常0.4〜10質量%、好ましくは0.7〜2.9質量%、より好ましくは0.7〜1.8質量%、さらに好ましくは0.9〜1.8質量%、特に好ましくは0.9〜1.5質量%である。0.4質量%未満では強度が不十分となる恐れがあり、10質量%を超えるとメルトフローレイトが上がりすぎたり、可溶物の除去が難しくなる恐れがある。
フィルムをメチルエチルケトンで70℃3時間処理した処理前後の付加量の変化率(=処理前後の付加量の変化÷処理後の付加量)は、通常0.4以下、好ましくは0.3以下、より好ましくは0.2以下、さらに好ましくは0.1以下、特に好ましくは0.05以下である。
また、酸変性ポリプロピレン系樹脂のメルトフローレイト(MFR)(ASTM D−1238に準拠して測定、荷重:2.16kg、温度:230℃)は、20〜2000g/10分、好ましくは60〜1500g/10分、より好ましくは130〜1000g/10分、さらに好ましくは260〜750g/10分、特に好ましくは260〜550g/10分である。
尚、MFRが600g/10分以上では測定精度が落ちるため、600g/10分以上の場合は、荷重1.05kg温度190℃で測定し下記式で換算し測定値とする。
MFR(230℃、2.16kg)=6.2×MFR(190℃、1.05kg)
酸変性ポリプロピレン系樹脂のメルトフローレイトが2000g/10分を超えると強度や耐久性が低下する恐れがある。20g/10分未満では、強度が低下したり外観不良が発生する恐れがある。
酸変性ポリプロピレン系樹脂(マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂)のMFRの調整方法としては、ポリプロピレンの分子量による調整(特開2002−20560)、反応温度による調整、マレイン酸・有機過酸化物の濃度による調整、橋かけ型ポリマー(ポリブタジエン等)の添加による調整(特開平8−143739)及び多官能化合物の添加による調整が挙げられる。
酸変性ポリプロピレン系樹脂のGPCで測定した数平均分子量(Mn)は、通常12,000〜60,000、好ましくは14,000〜55,000、より好ましくは16,000〜50,000、さらに好ましくは18,000〜46,000、特に好ましくは23,000〜38,000、最も好ましくは26,000〜34,000である。
GPCで測定した分子量分布Mw/Mnは、通常2〜10、好ましくは2〜4、特に好ましくは2.5〜3.5である。
GPCで測定した分子量20,000以下の成分は、通常40%以下、好ましくは30%以下、特に好ましくは20%以下である。
GPCで測定した分子量5,000以下の成分は、通常10%以下、好ましくは6%以下、さらに好ましくは4%以下、特に好ましくは3%以下である。
FT−IRで測定した官能基付加量及びGPCで測定した数平均分子量から計算した酸変性ポリプロピレン系樹脂1分子当たりの平均官能基数は、通常1.5〜12(個/分子)、好ましくは1.5〜6、より好ましくは1.5〜4、さらに好ましくは2〜4、特に好ましくは2.4〜3.6である。
1分子当たりの平均官能基数が、12(個/分子)を超えると、ガラス繊維表面と複数の点で結合し、強度が出なくなる恐れがある。1.5(個/分子)未満ではマレイン酸基の付かないものが発生し効率が低下する恐れがある。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の極限粘度(135℃テトラリン中で測定)は、通常0.4〜1.8、好ましくは0.4〜1.1、より好ましくは0.40〜1.05、さらに好ましくは0.50〜1.00、特に好ましくは0.60〜0.95である。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の結晶性(mmmm分率)は、通常85〜99.9%、好ましくは88〜98%、特に好ましくは90〜94%である。
酸変性ポリプロピレン系樹脂のDSCで測定した結晶化温度Tc(C)は、通常80〜130℃、好ましくは90〜125℃、より好ましくは110〜120℃)である。Tc(C)<Tc(B)−5℃を満たすことが好ましい。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の残留過酸化物量は、通常1000ppm以下、好ましくは500ppm以下、さらに好ましくは100ppm以下、特に好ましくは50ppm以下である。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の黄色度(YI:JIS K7105−1981に準拠し測定)は、通常0〜80、好ましくは0〜50、特に好ましくは0〜20である。80を超える場合には成形品が黄変し外観が悪化する恐れがある。
酸変性ポリプロピレン系樹脂のFT−IRで測定したマレイン酸基の開環率は、通常80%以下、好ましくは70%以下、より好ましくは50%以下である。80%を超える場合には、開環したマレイン酸基が成形時に閉環し水分が発生し、シルバー等外観不良となる恐れがある。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の低分子量成分(キシレン溶融し、スラリー化してアセトンで洗浄し、その洗浄液を濃縮乾固して重量を測定)は、通常3質量%以下、好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.3質量%以下、特に好ましくは0.1質量%以下である。
酸変性ポリプロピレン系樹脂の揮発分(過剰乾燥前後の重量を比較)は、通常0.5質量%以下、好ましくは0.3質量%以下、より好ましくは0.1質量%以下、さらに好ましくは0.05質量%以下、特に好ましくは0.02質量%以下である。0.5質量%を超えると、臭気や外観の悪化(ガス巻きの発生)の原因となる恐れがある。
酸変性ポリプロピレン系樹脂のゲル量(溶融加圧透過法で5μミリポアフィルターを通過しない量)は、通常2質量%以下、好ましくは1質量%以下、より好ましくは0.5質量%以下、特に好ましくは0.2質量%以下である。2質量%を超えると、外観不良を起こす可能性がある。
本発明の繊維強化樹脂組成物のポリオレフィン系樹脂(A)、ガラス繊維(B)及び酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)の配合比は、(B):[(A)+(C)]=5〜80:95〜20であり、好ましくは10〜70:90〜30、より好ましくは35〜55:65〜45である。
また、(A):(C)は通常、0〜99.5:100〜0.5、より好ましくは、80〜99:20〜1、さらに好ましくは、90〜98:10〜2、特に好ましくは、94〜98:6〜2である。
本発明の組成物には、用途に応じて各種の添加剤、例えば、分散剤、滑剤、可塑剤、離型剤、難燃剤、酸化防止剤(フェノール系酸化防止剤、リン酸化防止剤、イオウ系酸化防止剤)、帯電防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、金属不活性剤、結晶化促進剤(造核剤)、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム等のアルカリ土類金属化合物、発泡剤、架橋剤、抗菌剤等の改質用添加剤、カーボンブラック、硫化亜鉛、顔料、染料等の着色剤、酸化チタン、ベンガラ、アゾ顔料、アントラキノン顔料、フタロシアニン、タルク、炭酸カルシウム、マイカ、クレー、グラファイト、ガラスフレーク等の粒子状充填剤、ワラストナイト、ミルドファイバー等の短繊維状充填剤、セルロース、竹繊維、アラミド繊維等の有機系充填剤、チタン酸カリウム等のウィスカー等の公知の添加剤を添加することができる。
本発明の組成物には、用途に応じて各種のエラストマーを添加することができる。オレフィン系エラストマーとしては例えば、特開2002−3616号公報の記載のものが利用できる。
本発明の繊維強化樹脂組成物はマット(ガラスマットシート)、プレプリグ、樹脂ペレット等の形態で使用できるが、加工が容易な樹脂ペレットであることが好ましい。
次に本発明の繊維強化樹脂組成物の製造方法について説明する。
本発明の繊維強化樹脂組成物は、長繊維ペレットであることが好ましく、特許3234877号、文献(成形加工、第5巻、第7号、454(1993))等に記載の方法やその他公知の方法で作ることができるが、例えば、以下の方法で製造できる。
長繊維強化樹脂ペレットは、数千本からなる強化繊維のロービングを含浸ダイスに導き、フィラメント間に溶融したポリオレフィン系樹脂を均一に含浸させた後、必要な長さに切断することにより容易に得ることができる。
例えば、押出機先端に設けられた含浸ダイス中に、押出機より溶融樹脂を供給する一方、連続状ガラス繊維束を通過させ、ガラス繊維束に溶融樹脂を含浸させたのちノズルを通して引抜き、所定の長さにペレタイズする方法がとられる。ポリオレフィン系樹脂、変性剤、有機過酸化物等をドライブレンドして押出機のホッパーに投入し、変性も同時に行いながら供給する方法も取り得る。
含浸させるための方法としては、特に制限はなく、ロービングを樹脂粉体流動床に通した後、樹脂の融点以上に加熱する方法(特開昭46−4545号公報)、強化繊維のロービングをポリオレフィン系樹脂粉体流動層中に通して、これにポリオレフィン系樹脂粉体を付着させた後、ポリオレフィン系樹脂の融点以上に加熱してポリオレフィン系樹脂を含浸させる方法(特開昭46−4545号公報)、クロスヘッドダイを用いて強化繊維のロービングに溶融させたポリオレフィン系樹脂を含浸させる方法(特開昭62−60625号公報、特開昭63−132036号公報、特開昭63−264326号公報、特開平1−208118号公報)、樹脂繊維と強化繊維のロービングとを混繊した後、樹脂の融点以上に加熱して樹脂を含浸させる方法(特開昭61−118235号公報)、ダイ内部に複数のロッドを配置し、これをロービングをじぐざぐ状に巻き掛けて開繊させ、溶融樹脂を含浸させる方法(特開平10−264152号公報)、開繊ピン対の間をピンに接触させずに通過させる方法(WO97/19805)、ローラーによって撚りを与え含浸させる方法(特開平5−169445号公報)、ガラス繊維とポリオレフィン系樹脂の混合系を作り加熱させる方法(Vetrotex社)、吸気エアーを利用する方法(特開平9−323322号公報)、ガラスフィラメントの直径の変動を一定内に制御する方法(特開2003−192911号公報)等、何れの方法も用いることができる。
また、上記の異形断面(楕円形、まゆ型、偏平)ガラス繊維を用いると、含浸性が良く、好ましい。
短繊維強化ペレットは、(A)〜(C)成分の一部又は全部を溶融混練して製造できる。アスペクト比は、原料のガラス繊維の選択、混練条件の調整等により所望の範囲にする。例えば、スクリューの回転速度を調整したり、繊維が折れ難いスクリューを使用したりする。
本発明の成形品は、射出成形法、押出成形法、中空成形法、圧縮成形法、射出圧縮成形法、ガス注入射出成形、又は発泡射出成形等の公知の成形法により製造できる。特に射出成形法、圧縮成形法及び射出圧縮成形法が好ましい。
また、Plastics Info World 11/2002 P20-35に記載されているようなインラインコンパウンド、直接コンパウンド等の射出成形コンパウンドにも利用することができる。
また、通常、成形時に繊維が破断するため、成形品中の平均アスペクト比は組成物中の平均アスペクト比よりも小さくなる傾向にある。成形品中のアスペクト比は通常40〜2000、好ましくは60〜1000、さらに好ましくは75〜750、特に好ましくは100〜500である。平均アスペクトが40未満だと強度が不十分となる恐れがあり、2000を超えると分散が不十分となり外観が悪化する恐れがある。
成形品は、本発明の組成物をそのまま成形してもよいし、希釈材とブレンドしてから成形してもよい。繊維強化樹脂ペレットと希釈材(繊維強化ペレットと同じポリオレフィン系樹脂等)との配合は、ドライブレンド方式でかまわない。むしろ、組成物中の繊維長を保持し、より高い剛性、耐衝撃性、耐久性の改良効果を得るためには、ドライブレンド後は押出機を通さず、直接射出成形機等の成形機に供する方が好ましい。希釈材の配合比率については、繊維強化樹脂組ペレットの強化繊維含有量と、最終成形品に求められる強化繊維含有量とによって決まるが、剛性、耐衝撃性、耐久性の改良効果の点から、20〜85重量%が好ましい。
[実施例]
実施例と比較例で使用した成分(A)〜(C)は以下の通りであった。
1.ポリオレフィン系樹脂(A)
PP−A: J−3000GV(ポリプロピレン単独重合体、出光石油化学(株)製、MFR=30)をパーカドックス-14(過酸化物)で分解し、MFRを80に調整したもの。
PP−B: J−6083HP(プロピレン・エチレンブロック共重合体、出光石油化学(株)製、MFR=60)
2.ガラス繊維(強化繊維)(B)
GF−1: ER2220(ガラスロービング、旭ファイバーグラス(株)製、アミノシランカップリング剤とオレフィン系エマルジョンで処理、平均繊維径16μm)
GF−2: 03 JA FT17(カット長3mmのチョップドストランド、旭ファイバーグラス(株)製、アミノシランカップリング剤とウレタン系エマルジョンで処理、平均繊維径10μm)
GF−3: T−480H(カット長3mmのチョップドストランド、日本電気硝子(株)製、アミノシランカップリング剤とオレフィン系エマルジョンで処理、平均繊維径10.5μm)
3.マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)
3−1.表1に示す物性を有する酸変性ポリプロピレン系樹脂C−1〜C−12を用いた。
(1)表1中のマレイン酸付加量(a),(b)は以下のように測定した。
(i)マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂のマレイン酸付加量(b)
ドデカルコハク酸と濃度調整用のポリプロピレンパウダー(商品名:H−700出光石油化学(株))を用いて、ピーク面積とマレイン酸量との関係式を算出して検量線とした。
次に、試料から、230℃の熱プレスにより、10分余熱後、4分間加圧(5MPa)、冷却プレスにより3分間加圧(5MPa)を行ない、厚みが0.1mm程度のフィルムを作成した。
その後、フィルムの一部(15mm×20mm×0.1mm)をメチルエチルケトン(MEK)10mlにて70℃3時間浸して洗浄後フィルムを取り出し風乾後、130℃で2時間真空乾燥した。
乾燥後2時間以内に、フィルムのFT−IR透過スペクトルを測定し、FT−IRスペクトルの1670〜1810cm−1のピーク面積を計算し、上記検量線と比較して、マレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂のカルボン酸基付加量(b)を求めた。
(ii)全マレイン酸付加量(a)
ドデカルコハク酸と濃度調整用のポリプロピレンパウダー(商品名:H−700出光石油化学(株))を用いて、ピーク面積とマレイン酸量との関係式を算出して検量線とした。
次に、試料から、230℃の熱プレスにより、10分余熱後、4分間加圧(5MPa)、冷却プレスにより3分間加圧(5MPa)を行ない、厚みが0.1mm程度のフィルムを作成した。
その後、フィルム作成後2時間以内に、フィルムのFT−IR透過スペクトルを測定し、FT−IRスペクトルの1670〜1810cm−1のピーク面積を計算し、上記検量線と比較して全マレイン酸付加量を求めた。得られた全マレイン酸付加量(a)から、(i)で求めたマレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂のマレイン酸付加量(b)を引いて、低分子量マレイン酸付加物のカルボン酸基付加量(a−b)を求めた。
(2)表1中の、数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、分子量分布(Mw/Mn)は、特開平11−71431号公報に記載の方法に準拠して、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)法でポリスチレン基準の分子量分布曲線から求めた。
測定条件は、以下の通りである。
検量線:Universal Calibration
カラム:TOSOH GMHHR−H(S)HT 2本
溶媒:1,2,4−トリクロロベンゼン
温度:145℃
流速:1.0ml/min
検出器:RI(Waters alliance GPC2000)
解析プログラム:HTGPC(v 1.00)
メルトフローレイト(MFR)はASTM D−1238に準拠して測定した(荷重:2.16kg、温度:230℃)。
尚、MFRが600g/10分以上では測定精度が落ちるため、600g/10分以上の場合は、荷重1.05kg温度190℃で測定し下記式で換算し測定値とした。
MFR(230℃、2.16kg)=6.2×MFR(190℃、1.05kg)
(3)表1中の1分子当たりの官能基数は以下のように測定した。
官能基付加量A(質量%)、官能基の分子量Mr及び酸変性ポリプロピレン系樹脂の数平均分子量Mnとして、
1分子当たりの官能基数=(0.01×A÷Mr)÷(1÷Mn)
=0.01×A×Mn/Mr
で計算できる。例えば、マレイン酸基(Mr=98)の場合では、
1分子当たりの官能基数≒A×Mn/10,000
となる。
Figure 2005113667
3−2.酸変性ポリプロピレン系樹脂C−1〜C−12の製造方法は以下の通りであった。
尚、C−1〜C−5,C−7,C−8,C−10〜C−12の配合量及び製造条件を表2に示す。
表中のポリプロピレン系樹脂は、PP−1がMFR=0.5のプロピレン(PP)単独重合体(出光石油化学(株)製、H−100M)、PP−2がMFR=7のプロピレン単独重合体(出光石油化学(株)製、H−700)を示す。表中の過酸化物は、X−1がパーカドックス 14(化薬アクゾ(株)製)、X−2が2,5−ジメチル−2,5−ジ(t−ブチルパーオキシ)ヘキシン−3を示す。
[C−9]
市販品 ユーメックス1001(三洋化成工業製)をそのまま使用した。
[C−1]
C−1は以下のように精製して製造した。
ベント付き2軸押出し機を用い、表2の条件で溶融法により製造した後、官能基含有ポリオレフィン系樹脂をパラキシレン中で攪拌しながらに加熱(130℃程度)して完全に溶解させた。この溶液をアセトンに投入して再沈殿させて、濾過後、真空乾燥(130℃で6時間程度)させて精製した。
[C−2〜C−5]
C−2〜C−5については、表2に示す条件で製造した組成物を、洗浄した。
C−2、C−3、C−4の洗浄方法は以下の通りである。
ベント付き2軸押出し機を用い、表2の条件で溶融法により製造した後、試料1kgを10リットルのオートクレープ中のアセトン(3リットル)/ヘプタン(3リットル)混合溶液中で85℃×2時間洗浄後、いったん液を抜出し、10リットルのアセトン中で12時間放置した。液抜き後、130℃で6時間程度真空乾燥した。
C−5は、洗浄溶液(混合溶液)の温度を55℃とした他は、C−2〜C−4と同じ方法で洗浄した。
[C−6]
ポリプロピレン単独重合体(MFR=7g/10分、結晶化度94%、H−700、出光石油化学(株)製)100phr、ポリブタジエン(架橋剤、ポリbd、R−45HT(出光石油化学(株)製))2phr、無水マレイン酸10phr、及び有機化酸化物(パーブチルD(ジ−t−ブチルパーオキサイト)、化薬アクゾ(株)製)0.5phrをトルエン(反応溶媒)中で300g/リットルとなるようポリマー濃度を調整した。2.3リットルのオートクレーブ中にこれらを仕込み、昇温(常温から145℃まで2時間)、反応(145℃)、冷却(30分)後、2リットルのメチルエチメケトン中に抜出した。メチルエチメケトン中に抜出した樹脂を遠心分離機にて分離後、常温(23℃)のメチルエチメケトンで洗浄後、60℃×24時間真空乾燥した。
[C−7,8,10〜12]
ベント付き2軸押出し機を用い、表2の条件で溶融法により製造した後、洗浄はしなかった。
Figure 2005113667
実施例1−8、比較例1−4
図1に示す装置を用いて、実施例、比較例の組成物を製造した。
表3に示す配合比(質量比)で、溶融したポリプロピレン系樹脂(A)と、酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)を押出機7から含浸ダイ3に供給した。ガラスロービング(B)1から引き出した繊維束を、ポリプロピレン系樹脂(A)と、酸変性ポリプロピレン系樹脂(C)で満たされた含浸ダイ3に導入した。引き取り速度15m/分、樹脂温度280℃でガラス繊維束に樹脂成分を含浸させた後、冷却槽9、引き取り機11、切断装置13を使用しペレット(GMB−1〜12)15とした。ダイス5の口径は直径2.3mmの円形のものを使用した。
得られたペレットは、ペレット長径2.3mm、短径1.9mm、ペレット長8mm、ガラス繊維含有率40質量%であった。
得られたペレットから、JIS K 7152−1:1999に準拠し射出成形サンプルを作成後、物性を以下の方法で測定し評価した。
(1)引っ張り破壊応力(23℃)
JIS K 7161−1994に準拠して測定した。
(2)曲げ強さ(23℃)
JIS K 7171−1994に準拠して測定した。
(3)曲げ弾性率(23℃)
JIS K 7171−1994に準拠して測定した。
(4)シャルビー衝撃強さ(23℃、ノッチ無)
JIS K 7111−1996に準拠して測定した。
(5)落球(1.9kg)クラック
140×140×3mmの平板を成形し、治具に固定したうえ、1.9kgの球を落下させ、裏面にクラックが発生する高さを測定した。
(6)重量平均繊維長
重量平均繊維長は、電気炉で灰化後、画像処理装置(ルーゼックス社製)により500〜2000本分の繊維長を測定し、下記式にて算出した。
Σ(繊維長)/Σ繊維長
(7)平均アスペクト比
平均繊維径は電子顕微鏡で測定した。
組成物中の繊維の平均アスペクト比は、平均繊維長/平均繊維径で算出した。
評価結果を表5に示す。
実施例9,10、比較例5,6
表3に示す配合量で、実施例1と同様の方法でペレット(GMB−13〜16)を製造した。
得られたペレット、希釈材としてのポリプロピレン系樹脂(PP−A,PP−B)、エラストマー(A1050S、三井化学(株)製)を用いて、表4に示す配合量で混合し、ブレンド物(GBD−1〜4)を製造した。
実施例1と同様に評価し、その結果を表5に示す。
比較例7−10
表6に示す配合量(質量比)の原料を用いて短繊維ペレットを製造した。
混練には、二軸混練機(東芝機械製TEM20)をシリンダー温度200℃、スクリュー回転数350rpmで使用し、プロピレン単独重合体、酸変性ポリプロピレン系樹脂をドライブレンド後、トップフィードから供給した。ガラス繊維をサイドフィードから供給した。総吐出量は30kg/hrであった。ストランドを水冷後、ペレタイザで切断し、ガラス繊維強化樹脂ペレットを得た。
実施例1と同様に評価し、その結果を表6に示す。
Figure 2005113667
Figure 2005113667
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例えば、C−10(比較例2)とC−1、C−2、C−5(実施例1、2、5)を比較すると、低分子量マレイン酸付加物が減少すると物性が向上していることが明らかである。
本発明の繊維強化樹脂組成物及び成形品は、自動車部品(フロントエンド、ファンシェラウド、クーリングファン、エンジンアンダーカバー、エンジンカバー、ラジエターボックス、サイドドア、バックドアインナー、バックドアアウター、外板、ルーフレール、ドアハンドル、ラゲージボックス、ホイールカバー、ハンドル、クーリングモジュール、エアークリーナー部品、エアークリーナーケース、ペダル等)、二輪・自転車部品(ラゲージボックス、ハンドル、ホイール等)、住宅関連部品(温水洗浄弁座部品、浴室部品、椅子の脚、バルブ類、メーターボックス等)、その他、電動工具部品、草刈り機ハンドル、ホースジョイント、樹脂ボルト、コンクリート型枠等に使用できる。特に、ラゲージボックス・サイドドア・エアクリーナーケース・バックドアインナー・フロントエンドモジュール(ファンシェラウド・ファン・クーリングモジュールを含む)等の自動車部品、メーターボックス、配電盤、エンジンカバー等に好適に使用できる。

Claims (5)

  1. 下記成分を下記配合比で含む繊維強化樹脂組成物。
    [成分]
    (A)ポリオレフィン系樹脂
    (B)以下の条件を満たすガラス繊維
    (B1)平均繊維径が3〜30μm
    (B2)繊維の平均アスペクト比が50〜6000
    (C)以下の条件を満たす酸変性ポリプロピレン系樹脂
    (C1)フーリエ変換赤外分光法で測定した酸付加量の測定において、メチルエチルケトンにて70℃3時間で処理した前後の酸付加量の変化が0.8質量%以下
    (C2)メルトフローレイト(荷重:2.16kg、温度:230℃)が20〜2000g/10分
    [配合比(質量)]
    (B):[(A)+(C)]=5〜80:95〜20
    (A):(C)=0〜99.5:100〜0.5
  2. 前記ポリオレフィン系樹脂(A)がポリプロピレン系樹脂である請求項1記載の繊維強化樹脂組成物。
  3. 請求項1記載の繊維強化樹脂組成物を使用した成形品。
  4. 請求項2記載の繊維強化樹脂組成物を使用した成形品。
  5. 以下の条件を満たすマレイン酸変性ポリプロピレン系樹脂。
    (C1)フーリエ変換赤外分光法で測定した酸付加量の測定において、メチルエチルケトンにて70℃3時間で処理した前後の酸付加量の変化が0.8質量%以下
    (C2)メルトフローレイト(荷重:2.16kg、温度:230℃)が20〜2000g/10分
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