WO2015064485A1 - 成形材料、その製造方法、およびそれに用いるマスターバッチ - Google Patents

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Abstract

下記成分(A)~(C)の合計を100質量部として、 サイジング剤(s)が付着された強化繊維(A)5~50質量部、 50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)を含む成分(B)1~20質量部、 主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含む熱可塑性樹脂(C)30~94質量部 からなる成形材料であり、成分(A)に成分(B)が含浸された複合繊維束(D)が成分(C)で被覆された複合体である成形材料、それを得るための製造方法、および、その製造方法に好適に用いられるマスターバッチ。

Description

成形材料、その製造方法、およびそれに用いるマスターバッチ
 本発明は、強化繊維束への樹脂の含浸性が良好であり、製造時のプロセス安定性に優れ、優れた力学特性を有する成形品を得ることができる成形材料およびその製造方法、ならびにそれを用いた成形品、さらには高温成形プロセスにおいて取り扱い性と保管時の機能安定性に優れたマスターバッチに関する。
 強化繊維と熱可塑性樹脂からなる成形材料は、軽量で優れた力学特性を有するために、スポーツ用品用途、航空宇宙用途および一般産業用途に広く用いられている。これらの成形材料に使用される強化繊維は、その使用用途によって様々な形態で成形品を強化している。これらの強化繊維には、アルミニウム繊維やステンレス繊維などの金属繊維、アラミド繊維やPBO繊維などの有機繊維、およびシリコンカーバイド繊維などの無機繊維や炭素繊維などが使用されているが、比強度、比剛性および軽量性のバランスの観点から炭素繊維が好適であり、その中でもポリアクリロニトリル系炭素繊維が好適に用いられる。
 さらに、連続した強化繊維束と熱可塑性樹脂をマトリックスとする成形材料として、熱可塑性のプリプレグ、ヤーン、ガラスマット(GMT)など多種多様な形態が公知である。このような成形材料は、熱可塑性樹脂の特性を活かして成形を容易にし、熱硬化性樹脂のような貯蔵の負荷を必要とせず、また得られる成形品の靭性が高く、リサイクル性に優れるといった特徴がある。とりわけ、ペレット状に加工した成形材料は、射出成形やスタンピング成形などの経済性、生産性に優れた成形法に適用でき、工業材料として有用である。
 しかしながら、成形材料を製造する過程で、熱可塑性樹脂を連続した強化繊維束に含浸させるには、経済性、生産性の面で問題があり、それほど広く用いられていないのが現状である。例えば、樹脂の溶融粘度が高いほど強化繊維束への含浸は困難とされることはよく知られている。靱性や伸度などの力学特性に優れた熱可塑性樹脂は、とりわけ高分子量体であり、熱硬化性樹脂に比べて粘度が高く、またプロセス温度もより高温を必要とするため、成形材料を容易に、生産性よく製造することには不向きであった。
 一方、含浸の容易さから低分子量の、すなわち低粘度の熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂に用いると、得られる成形品の力学特性が大幅に低下するという問題がある。
 特許文献1には、低分子量の熱可塑性重合体と連続した強化繊維からなる複合体に、高分子量の熱可塑性樹脂が接するように配置されてなる成形材料が開示されている。
 この成形材料では、連続した強化繊維束への含浸には低分子量体、マトリックス樹脂には高分子量体を使い分けることで、経済性、生産性と力学特性の両立を図っている。また、この成形材料を射出成形法による成形をおこなうと、成形時の材料可塑化の段階で強化繊維の折損を最小限に抑えつつマトリックス樹脂と容易に混合され、繊維の分散性に優れた成形品を製造することができる。従って、得られた成形品は、強化繊維の繊維長を従来よりも上げることができ、良好な力学特性と、優れた外観品位を合わせ持つことができる。
 しかし、近年になり、繊維強化複合材料の注目度が大きくなり、また用途も多岐に細分化されるようになったことで、より成形性、取扱性、得られる成形品の力学特性に優れた成形材料が要求されるようになり、また工業的にもより高い経済性、生産性が必要になってきた。例えば、低分子量体の含浸性をより高めることで、工程上の負荷を低減したり、耐熱性をより高めた成形材料を提案したり、成形時の繊維分散性をより向上させることで繊維長をさらに上げて力学特性を高めたり、表面外観の更なる向上を図るなど、多種多様な技術開発が必要となってきた。
 特許文献2には、ポリアリーレンスルフィドプレポリマーと連続した強化繊維からなる複合体に、高分子量の熱可塑性樹脂が接するように配置されてなる成形材料が開示されている。ポリアリーレンスルフィドプレポリマーは強化繊維束に容易に含浸するため成形材料の生産性を高め、さらに成形工程においてマトリックス樹脂に容易に分散あるいは相溶することで強化繊維の成形品への分散を高める優れた材料である。しかしながら、ポリアリーレンスルフィドプレポリマーは溶融温度が200~260℃程度と高温であり、強化繊維への含浸には200℃以上の高温が必要であった。含浸温度が200℃以上の高温となった場合、含浸工程において強化繊維毛羽が発生しやすい場合があり、毛羽による糸切れや、毛羽の除去のために生産性を落とすことがあった。この成形材料の生産性向上の為には、ポリアリーレンスルフィドプレポリマーに代わる、溶融温度が低い物質を使用することが一つの方法として考えられる。
 特許文献3には、特定条件を満たすエポキシ樹脂を加熱溶融し強化繊維束に含浸した強化繊維束に熱可塑性樹脂が接着されている成形材料が開示されている。開示されているエポキシ樹脂は溶融温度が比較的低く、強化繊維へ150℃程度で含浸し、特許文献2の技術と比較すると、生産性の改良がなされている。しかしながら、成形材料を成形して得られる成形品の力学特性は十分ではなく、生産性と高い力学特性を両立する成形材料の開発が求められていた。
 また、特に、マトリックス樹脂の中でも、耐熱性の高い樹脂、例えばガラス転移温度が140℃以上のポリカーボネートや、スーパーエンジニアリングプラスチックと分類される耐熱性の極めて高い熱可塑性樹脂が、自動車分野では車体軽量化の目的として金属の代替材料に使用され、電気・電子分野では環境面から鉛フリーハンダの使用が多くなり、ハンダを溶融させるのにより高温が必要となり、その結果使用する樹脂材料にはより厳しい耐熱性を求められる場面が多くなったことから、使用される機会が増えている。
 耐熱性樹脂の使用が広まる一方で、これらの樹脂を成形する場合、当然ながら高いプロセス温度が必要であり、このようなプロセスにおいても、作業性や取り扱い性の良好な成形材料が必要となってきた。
 特許文献2には、ポリアリーレンスルフィドプレポリマーと連続した強化繊維からなる複合体に、高分子量の熱可塑性樹脂が接するように配置されてなる成形材料が開示されている。ポリアリーレンスルフィドプレポリマーは強化繊維束に容易に含浸するため成形材料の生産性を高め、さらに成形工程においてマトリックス樹脂に容易に分散あるいは相溶することで強化繊維の成形品への分散を高める優れた材料である。しかしながら、強化繊維とマトリックス樹脂の界面強度の点では課題が残り、さらなる力学特性の向上が望まれていた。
 さらに、これらの成形材料に用いるマスターバッチは、強度、衝撃、難燃、着色などの機能付与のための添加剤を予め樹脂に配合し、マトリックス樹脂に少量配合するだけで機能発現させることが可能な成形材料である。添加剤の多くは粉末状や細かなフレーク状であるため取り扱い性が難しいものが多く、使用に際してはマスターバッチ化した方が取り扱い性が容易なため、樹脂の改質や機能性付与に幅広く用いられている。
 近年はマトリックス樹脂の中でも、耐熱性の高い樹脂、例えばガラス転移温度が140℃以上のポリカーボネートや、スーパーエンジニアリングプラスチックと分類される耐熱性の極めて高い熱可塑性樹脂が、自動車分野では車体軽量化の目的として金属の代替材料に使用され、電気・電子分野では環境面から鉛フリーハンダの使用が多くなり、ハンダを溶融させるのにより高温が必要となり、その結果使用する樹脂材料にはより厳しい耐熱性を求められる場面が多くなったことから、使用される機会が増えている。
 耐熱性樹脂の使用が広まる一方で、これらの樹脂を成形する場合、当然ながら高いプロセス温度が必要であり、このようなプロセスにおいても、作業性や取り扱い性の良好なマスターバッチが必要となる。
 例えば、熱可塑性樹脂と強化繊維からなる繊維強化熱可塑性樹脂は、軽量性と力学特性のバランスに優れることから、航空機や自動車、船舶などの構造用部材、電気・電子機器筐体やスポーツ用途、建材などの工業材料として幅広く用いられているが、更なる耐熱性要求から、高温でもマトリックス樹脂の改質や機能性付与、強化繊維との接着性改善が可能なマスターバッチが求められている。
 特許文献4には、ポリエステルにカルボジイミド化合物を含む末端封止剤が添加され、押出機によって溶融混練されたマスターペレットが開示されている。このマスターペレットは、ポリエステル以外の樹脂に対してはマトリックス樹脂が異なるため、マスターバッチとしては適用には大きな制限があった。
 一方で、特許文献5および特許文献6には、ポリフェニレンスルフィドにカルボジイミド化合物を添加したマスターバッチを用いた樹脂組成物および繊維が開示されている。これらの文献に記載されているマスターバッチは、カルボジイミド化合物のマスターバッチ中での存在状態に関する記載はなく単純にカルボジイミド化合物を添加しただけでは、一旦開封した袋内で保管するとカルボジイミド化合物が吸水し、目的とする機能発現が低下してしまう問題があった。
特開平10-138379号公報 特開2008-231291号公報 特開2012-57277号公報 特開2013-49790号公報 特開平5-86291号公報 特開平10-251918号公報
 本発明は、従来技術が有する問題点に鑑み、200℃以下において強化繊維束への含浸性が良好であり、高い生産性を達成できる成形材料であって、高力学特性の成形品を製造できる成形材料を提供することを目的とする。また、高力学特性の成形品を製造できる成形材料であって、耐ブロッキング性に優れ、取り扱い性に優れた成形材料を提供することを目的とする。さらには、特に300℃以上の高温成形プロセスにおいて、取り扱い性の向上および保管時の機能安定性に優れたマスターバッチを提供することを課題とする。
 本発明者らは、鋭意検討した結果、上記課題を解決することができる、次の成形材料およびその製造方法を発明するに至った。また、発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定の組成において得られたマスターバッチのモルフォロジーを制御することで、高温成形プロセスにおいてもブロッキングやブリッジングの発生を抑制し、保管時の機能安定性にも優れることを見出し、本発明のマスターバッチを完成させるに至った。
 上記課題を解決するために、本発明の成形材料は、次の構成を有する。すなわち、下記成分(A)~(C)の合計を100質量部として、
 サイジング剤(s)が付着された強化繊維(A)5~50質量部、
 50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む成分(B)1~20質量部、
 主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含む熱可塑性樹脂(C)30~94質量部
からなる成形材料であり、成分(A)に成分(B)が含浸された複合繊維束(D)が成分(C)で被覆された複合体である成形材料である。
 また、上記課題を解決するために、本発明の成形材料の製造方法は、次のいずれかの構成を有する。
・成分(A)に、50~300℃の溶融状態で成分(B)を接触させ、さらに加熱して成分(B)の供給量の80~100質量%を成分(A)に含浸させた複合繊維束(D)に、成分(C)を接触させて複合体を得る工程を含む、上記の成形材料の製造方法。
・上記の成形材料の製造方法において、成分(C)として、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を40~90質量%、成分(B’)として、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物を10~60質量%含んで構成されるマスターバッチであって、下記(i)(ii)のいずかを満たすマスターバッチを用いる成形材料の製造方法。
(i)成分(C)に成分(B’)が分散した海島構造のモルフォロジーであり、成分(B’)の分散粒子の平均粒子径が1~100μmである。
(ii)成分(B’)が連続構造のモルフォロジーであり、連続相の平均厚みが1~100μmである。
 また、上記課題を解決するために、本発明のマスターバッチは、次のいずれかの構成を有する。
・成分(C)として、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を40~90質量%、成分(B’)として、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物を10~60質量%含んで構成されるマスターバッチであって、成分(C)に成分(B’)が分散した海島構造のモルフォロジーであり、成分(B’)の分散粒子の平均粒子径が1~100μmであるマスターバッチ。
・成分(C)として、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を40~90質量%、成分(B’)として、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物を10~60質量%含んで構成されるマスターバッチであって、成分(B’)が連続構造のモルフォロジーであり、連続相の平均厚みが1~100μmであるマスターバッチ。
 さらに、上記課題を解決するために、本発明の成形品は、次の構成を有する。すなわち、前記した成形材料、前記した方法で得られた成形材料、または前記したマスターバッチを用いた樹脂組成物または繊維強化樹脂組成物が成形されてなる成形体である。
 本発明の成形材料は、製造時に200℃以下でも強化繊維束への含浸性が良好であり、高い生産性を達成できる。また、本発明の成形材料を成形した成形品は、極めて高い力学特性を有する。
 また、本発明の成形材料は、耐ブロッキング性に優れ、取り扱い性に優れる。さらに本発明の成形材料を成形した成形品は、極めて高い力学特性を有する。
 そして、本発明のマスターバッチは、高温成形プロセスにおいて、取り扱い性に優れ、保管時に生じる吸水・吸湿による機能低下を抑制することが可能である。
 さらに本発明のマスターバッチでは、添加剤の濃度を高濃度化することも可能であり、マスターバッチを用いた樹脂組成物や繊維強化樹脂組成物において、添加剤の含有濃度調整範囲が広い。
 本発明を用いて成形された成形品は、電気・電子機器、OA機器、家電機器、または自動車の部品、内部部材および筐体などの各種部品・部材に極めて有用である。
本発明で得られる複合繊維束の横断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい縦断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい縦断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい縦断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい縦断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい横断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい横断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい横断面形態の一例を示す概略図である。 本発明の成形材料の好ましい横断面形態の一例を示す概略図である。 本発明に係る成形材料またはマスターバッチの耐ブロッキング性の測定方法を説明するための模式図であり、(a)メスシリンダー内に計量した成形材料またはマスターバッチを投入した状態を示す模式図、(b)おもりを載せ、成形材料またはマスターバッチに荷重を負荷した状態を示す模式図、(c)おもりを外し、耐ブロッキング性の測定開始前の状態を示す模式図、(d)メスシリンダーを反転させ、耐ブロッキング性の測定開始直後の状態を示す模式図である。 第1の実施形態に係るマスターバッチのモルフォロジーの模式図である。 第2の実施形態に係るマスターバッチのモルフォロジーの模式図である。 本発明に係るマスターバッチの流れ時間の測定方法を説明するための模式図であり、(a)流れ時間の測定開始前の状態を示す模式図、(b)流れ時間の測定開始直後の状態を示す模式図である。
 まず、本発明の成形材料に関して、詳細に説明する。
 本発明の成形材料は、下記成分(A)~(C)の合計を100質量部として、サイジング剤(s)が付着された強化繊維(A)5~50質量部、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む成分(B)1~20質量部、主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含む熱可塑性樹脂(C)30~94質量部からなり、成分(A)に成分(B)が含浸された複合繊維束(D)が成分(C)で被覆された複合体である。まず、これらの構成要素について説明する。
 なお、本発明において、複合繊維束(D)とは、強化繊維(A)に、成分(B)(以下、被含浸剤ともいう)が含浸されたものをいう。
 本発明に用いられる成分(A)を構成する強化繊維としては、特に限定されないが、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、金属繊維、PBO繊維、高強力ポリエチレン繊維などの高強度、高弾性率繊維が使用でき、これらは1種または2種以上を併用してもよい。中でも、PAN系、ピッチ系、レーヨン系などの炭素繊維が力学特性の向上、成形品の軽量化効果の観点から好ましく、得られる成形品の強度と弾性率とのバランスの観点から、PAN系炭素繊維がさらに好ましい。また、導電性を付与する目的では、ニッケルや銅やイッテルビウムなどの金属を被覆した強化繊維を用いることもできる。
 さらに炭素繊維としては、X線光電子分光法により測定される繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度比[O/C]が0.05~0.5であるものが好ましく、より好ましくは0.08~0.4であり、さらに好ましくは0.1~0.3である。表面酸素濃度比が0.05以上であることにより、炭素繊維表面の官能基量を確保でき、熱可塑性樹脂とより強固な接着を得ることができる。また、表面酸素濃度比の上限には特に制限はないが、炭素繊維の取扱い性、生産性のバランスから一般的に0.5以下とすることが例示できる。
 炭素繊維の表面酸素濃度比は、X線光電子分光法により、次の手順にしたがって求めるものである。まず、溶剤で炭素繊維表面に付着しているサイジング剤などを除去した炭素繊維束を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてA1Kα1、2を用い、試料チャンバー中を1×10Torrに保つ。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sの主ピークの運動エネルギー値(K.E.)を1202eVに合わせる。C1sピーク面積をK.E.として1191~1205eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求める。O1sピーク面積をK.E.として947~959eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求める。
 ここで、表面酸素濃度比とは、上記O1sピーク面積とC1sピーク面積の比から装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出する。X線光電子分光法装置として、国際電気社製モデルES-200を用いる場合には、感度補正値を1.74とする。
 表面酸素濃度比[O/C]を0.05~0.5に制御する手段としては、特に限定されるものではないが、例えば、電解酸化処理、薬液酸化処理および気相酸化処理などの手法をとることができ、中でも電解酸化処理が好ましい。
 また、強化繊維の平均繊維径は特に限定されないが、得られる成形品の力学特性と表面外観の観点から、1~20μmの範囲内であることが好ましく、3~15μmの範囲内であることがより好ましい。
 強化繊維束の単繊維数には、特に制限はなく、100~350,000本の範囲内で使用することができ、とりわけ1,000~250,000本の範囲内で使用することが好ましい。また、本発明によれば、単繊維数が多い強化繊維束であっても、十分に含浸された複合繊維束を得ることができるため、20,000~100,000本の範囲で使用することが、生産性の観点からも好ましい。
 また、成分(A)はサイジング剤(s)が付着されていることが必要である。サイジング剤(s)が付着されていることにより、集束性、耐屈曲性や耐擦過性を改良し、成分(B)の含浸工程において、毛羽、糸切れの発生を抑制でき、生産性を向上することができる。特に、炭素繊維の場合、サイジング剤を付与することで、炭素繊維表面の官能基などの表面特性に適合させて接着性およびコンポジット総合特性を向上させることができる。
 サイジング剤の付着量は、特に限定しないが、強化繊維のみの質量に対して、0.01~10質量%が好ましく、0.05~5質量%以下がより好ましく、0.1~2質量%付与することがさらに好ましい。0.01質量%未満では接着性向上効果が現れにくく、10質量%を越える付着量では、成分(B)の含浸性に影響を与え、成形品の物性を低下させることがある。
 さらに、サイジング剤の質量は、成分(B)の質量1に対して0.001~0.5であることが好ましい。より好ましくは、0.005~0.1であり、さらに好ましくは、0.01~0.05である。サイジング剤の質量をこの範囲内で用いることで、界面接着性、繊維分散性、機械特性をバランス良く向上することができるため好ましい。
 サイジング剤(s)としては、成分(B)の含浸工程において、毛羽、糸切れの発生を抑制できるものであれば特に限定されないが、強化繊維とマトリックス樹脂の接着性を高める観点から、カルボキシル基、水酸基、アミノ基およびエポキシ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の官能基を1分子中に2個以上有する化合物であることが好ましい。前記官能基は1分子中に2種類以上が混在しても良く、1種類の官能基を1分子中に2個以上有する化合物を2種類以上併用しても良い。サイジング剤(s)は脂肪族化合物であることが好ましい。サイジング剤(s)を脂肪族化合物とすることで、成分(A)および成分(B)との親和性が高まるため力学特性に優れた成形品が得られるため好ましい。
 サイジング剤(s)の具体例としては、多官能エポキシ樹脂、アクリル酸系ポリマー、多価アルコール、ポリエチレンイミンなどが挙げられ、とりわけ成分(A)の表面官能基や成分(B)の双方との反応性が高い多官能エポキシ樹脂が好ましい。
 多官能エポキシ樹脂としては、3官能以上の脂肪族エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂などが挙げられる。中でも、脂肪カルボジイミド化合物との親和性の観点から3官能以上の脂肪族エポキシ樹脂が好ましい。なお、3官能以上の脂肪族エポキシ樹脂とは、1分子中にエポキシ基を3個以上有する脂肪族エポキシ樹脂を意味する。
 3官能以上の脂肪族エポキシ樹脂の具体例としては、例えば、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、アラビトールポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパントリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテルなどの脂肪族多価アルコールのポリグリシジルエーテルなどが挙げられる。これら脂肪族エポキシ樹脂の中でも、反応性の高いエポキシ基を1分子中に多く含み、かつ水溶性が高く、強化繊維(A)への塗布が容易なことから、グリセロールトリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテルが本発明では好ましく用いられる。
 アクリル酸系ポリマーとしては、アクリル酸、メタクリル酸およびマレイン酸の重合体であって、1分子中にカルボキシル基を3個以上含有するポリマーの総称である。具体的には、ポリアクリル酸、アクリル酸とメタクリル酸との共重合体、アクリル酸とマレイン酸との共重合体、あるいはこれらの2種以上の混合物が挙げられる。さらに、アクリル酸系ポリマーは、前記官能基の数が1分子中に3個以上となる限り、カルボキシル基をアルカリで部分的に中和した(即ち、カルボン酸塩とした)ものであっても良い。前記アルカリとしては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物、水酸化アンモニウムなどが挙げられる。アクリル酸系ポリマーとしては、カルボキシル基を1分子中により多く含むポリアクリル酸が好ましく用いられる。
 多価アルコールの具体例としては、ポリビニルアルコール、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、ソルビトール、アラビトール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトールなどが挙げられる。なかでも水酸基を1分子中により多く含むポリビニルアルコールが好ましく用いられる。
 ポリエチレンイミンとしては、エチレンイミンを開環重合して得られる、1級、2級、3級アミノ基による分岐構造を有するポリアミンが挙げられ、なかでも、アミノ基を1分子中により多く含むポリエチレンイミンが好ましく用いられる。
 サイジング剤(s)は、その質量平均分子量を1分子中の前記官能基の数(カルボキシル基、水酸基、アミノ基およびエポキシ基の総数)で除した値が40~150であることが好ましい。かかる範囲とすることで、強化繊維(A)の表面官能基や成分(B)の官能基との反応点の密度をより均一とすることができ、得られる繊維強化複合材料の曲げ強度といった力学特性をより高めることができる。
 サイジング剤(s)の付与手段としては特に限定されるものではないが、例えばローラーを介してサイジング液に浸漬する方法、サイジング液の付着したローラーに接する方法、サイジング液を霧状にして吹き付ける方法などがある。また、バッチ式、連続式いずれでもよいが、生産性がよくバラツキが小さくできる連続式が好ましい。この際、強化繊維に対するサイジング剤有効成分の付着量が適正範囲内で均一に付着するように、サイジング液濃度、温度、糸条張力などをコントロールすることが好ましい。また、サイジング剤付与時に強化繊維を超音波で加振させることはより好ましい。
 乾燥温度と乾燥時間は化合物の付着量によって調整すべきであるが、サイジング剤の付与に用いる溶媒の完全な除去、乾燥に要する時間を短くし、一方、サイジング剤の熱劣化を防止し、サイジング剤が付着された強化繊維(A)が固くなって束の拡がり性が悪化するのを防止する観点から、乾燥温度は、150℃以上350℃以下であることが好ましく、180℃以上250℃以下であることがより好ましい。
 サイジング剤の付与に使用する溶媒は、水、メタノール、エタノール、ジメチルホルムアミド、ジメリルアセトアミド、アセトンなどが挙げられるが、取扱いが容易で防災の観点から水が好ましい。従って、水に不溶、若しくは難溶の化合物をサイジング剤として用いる場合には、乳化剤、界面活性剤を添加し、水分散して用いるのが良い。具体的には、乳化剤、界面活性剤としては、スチレン-無水マレイン酸共重合体、オレフィン-無水マレイン酸共重合体、ナフタレンスルホン酸塩のホルマリン縮合物、ポリアクリル酸ソーダなどのアニオン系乳化剤、ポリエチレンイミン、ポリビニルイミダゾリンなどのカチオン系乳化剤、ノニルフェノールエチレンオキサイド付加物、ポリビニルアルコール、ポリオキシエチレンエーテルエステル共重合体、ソルビタンエステルエチルオキサイド付加物などのノニオン系乳化剤などを用いることができるが、相互作用の小さいノニオン系乳化剤が多官能化合物の接着性効果を阻害しにくく好ましい。
 ここで、成分(A)の含有量は、成分(A)~(C)の合計を100質量部として、5~50質量部であることが必要である。好ましくは10~40質量部であり、より好ましくは、13~33質量部である。成分(A)をこの範囲内で用いることにより、成形材料を成形加工して得られる成形品の力学特性が高く、成形加工の際の流動性も十分となるので好ましい。
 成分(B)は、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含むものである。
 ここでいう、50℃で液状とは、50℃において十分に流動性を有している状態のことであり、ここでいう、50℃で固形状とは、50℃において流動性を有していない状態のことである。
 流動性の有無の判定としては、溶融粘度が指標となる。本発明では、粘弾性測定器を用い、40mmのパラレルプレートで、0.5Hzにて、50℃における溶融粘度測定をしたときの粘度が10000Pa・s以下である場合に十分に流動性を有しており、50℃で液体と判定し、一方、かかる粘度が10000Pa・sを超える場合に流動性を有しておらず、50℃で固形状と判定する。
 なお、50℃で液状であるためには、融点または軟化点は50℃よりも低いことが必要であり、融点または軟化点が50℃以上の化合物は、50℃で液状ではないとしてよい。また、50℃で固形状であるためには、融点または軟化点は50℃よりも高いことが好ましい。
 ポリカルボジイミド化合物(B-1)または(B-2)としては、脂肪族系ポリカルボジイミド、芳香族系ポリカルボジイミドが挙げられる。
 脂肪族系ポリカルボジイミドとは、一般式 -N=C=N-R1 - (式中、R1  はシクロヘキシレンなどの脂環式化合物の2価の有機基、またはメチレン、エチレン、プロピレン、メチルエチレンなどの脂肪族化合物の2価の有機基、キシリレンなどの窒素原子と結合した炭素原子が不飽和結合を有さない2価の有機基を示す)で表される繰り返し単位を主要構成単位とする、好ましくは当該繰り返し単位を70モル%以上、より好ましくは90モル%以上、さらに好ましくは95モル%以上含有するホモポリマーまたはコポリマーである。
 芳香族系ポリカルボジイミドとは、一般式 -N=C=N-R2 - (式中、Rはベンゼン、トルエン、キシレン、ビフェニル、ナフタレン、アントラセンなどの環状不飽和化合物の2価の有機基を示す)で表される繰り返し単位を主要構成単位とする、好ましくは当該繰り返し単位を70モル%以上、より好ましくは90モル%以上、さらに好ましくは95モル%以上含有するホモポリマーまたはコポリマーである。
 脂肪族系ポリカルボジイミドと芳香族系ポリカルボジイミドは構造が類似しているが、一般式-N=C=N-で表されるカルボジイミド基の反応性が大きく異なる。カルボジイミド基周辺の置換基による立体障害の効果もあるため一概には言えないが、一般には、共鳴安定化効果があるため、芳香族系ポリカルボジイミドは脂肪族ポリカルボジイミドよりも反応性に劣ることが知られている。本発明においては、熱可塑性樹脂(C)との反応性の観点から、ポリカルボジイミド化合物(B-1)または(B-2)として脂肪族系ポリカルボジイミドが好ましく用いられる。
 一方で、成分(B)の溶融安定性の観点からは、ポリカルボジイミド化合物(B-1)または(B-2)として、芳香族系ポリカルボジイミドが好ましく用いられる。もちろん、脂肪族系ポリカルボジイミドと芳香族系ポリカルボジイミドを混合して用いることもできる。その場合、混合比は熱可塑性樹脂(C)との反応性と、成分(B)の溶融安定性のバランスをとって、適宜選択することができる。
 成分(B)には、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)、または、50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む必要がある。
 成分(B)に、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)を含む場合、成分(B)の溶融粘度を相対的に低くすることができ、成分(B)を強化繊維(A)に含浸させる工程において、相対的に低い温度で含浸させることができるため、成形材料の生産性に優れる利点があるとともに、成形材料を成形して得られる成形品の力学特性を高くできる利点がある。
 また、成分(B)に、50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む場合、成形材料の耐ブロッキング性を高くすることができるとともに、成形材料の取り扱い性を向上できる利点がある。
 ポリカルボジイミド化合物の代わりに、カルボジイミド基を分子内に1つのみ有するモノカルボジイミド化合物、例えばN,N’-ジシクロヘキシルカルボジイミドなどを用いた場合には、高い力学特性と高生産性を両立する成形材料が得られないことがある。
 ポリカルボジイミド化合物の合成法は特に限定されるものではないが、例えば有機ポリイソシアナートを、イソシアナート基のカルボジイミド化反応を促進する触媒(以下「カルボジイミド化触媒」ともいう)の存在下で反応させることにより、ポリカルボジイミド化合物を合成することができる。
 このポリカルボジイミド化合物の合成に用いられる有機ポリイソシアナートとしては、有機ジイソシアナートが好ましい。このような有機ジイソシアナートとしては、例えば、シクロブチレン-1,3-ジイソシアナート、シクロペンチレン-1,3-ジイソシアナート、シクロヘキシレン-1,3-ジイソシアナート、シクロヘキシレン-1,4-ジイソシアナート、1-メチルシクロヘキシレン-2,4-ジイソシアナート、1-メチルシクロヘキシレン-2,6-ジイソシアナート、1-イソシアネート-3,3,5-トリメチル-5-イソシアナートメチルシクロヘキサン、シクロヘキサン-1,3-ビス(メチルイソシアナート)、シクロヘキサン-1,4-ビス(メチルイソシアナート)、ジシクロヘキシルメタン-2,4′-ジイソシアナート、ジシクロヘキシルメタン-4,4′-ジイソシアナート、エチレンジイソシアナート、テトラメチレン-1,4-ジイソシアナート、ヘキサメチレン-1,6-ジイソシアナート、ドデカメチレン-1,12-ジイソシアナート、リジンジイソシアナートメチルエステルなどや、これらの有機ジイソシアナートの化学量論的過剰量と2官能性活性水素含有化合物との反応により得られる両末端イソシアナートプレポリマーなどを挙げることができる。これらの有機ジイソシアナートは、1種単独で使用することも、あるいは2種以上を混合して用いることもできる。
 また、場合により有機ジイソシアナートとともに使用される他の有機ポリイソシアナートとしては、例えば、シクロヘキサン-1,3,5-トリイソシアナート、シクロヘキサン-1,3,5-トリス(メチルイソシアナート)、3,5-ジメチルシクロヘキサン-1,3,5-トリス(メチルイソシアナート)、1,3,5-トリメチルシクロヘキサン-1,3,5-トリス(メチルイソシアナート)、ジシクロヘキシルメタン-2,4,2′-トリイソシアナート、ジシクロヘキシルメタン-2,4,4′-トリイソシアナートなどの3官能以上の有機ポリイソシアナートや、これらの3官能以上の有機ポリイソシアナートの化学量論的過剰量と2官能以上の多官能性活性水素含有化合物との反応により得られる末端イソシアナートプレポリマーなどを挙げることができる。
 前記他の有機ポリイソシアナートは、1種単独で使用することも、あるいは2種以上を混合して用いることもでき、その使用量は、有機ジイソシアナート100質量部あたり、好ましくは0~40質量部であり、より好ましくは0~20質量部である。
 さらに、ポリカルボジイミド化合物の合成に際しては、必要に応じて有機モノイソシアナートを添加することにより、得られる脂肪族カルボジイミド化合物の分子量を適切に制御することができる。
 このような有機モノイソシアナートとしては、例えばメチルイソシアナート、エチルイソシアナート、n-プロピルイソシアナート、n-ブチルイソシアナート、ラウリルイソシアナート、ステアリルイソシアナートなどのアルキルモノイソシアナート類、シクロヘキシルイソシアナート、4-メチルシクロヘキシルイソシアナート、2,5-ジメチルシクロヘキシルイソシアナートなどのシクロアルキルモノイソシアナート類を挙げることができる。
 これらの有機モノイソシアナートは、1種単独で使用することも、あるいは2種以上を混合して用いることもでき、その使用量は、ポリカルボジイミド化合物の所望の分子量などにより変わるが、有機ポリイソシアナート成分100質量部あたり、好ましくは0~40質量部であり、より好ましくは0~20質量部である。
 また、カルボジイミド化触媒としては、例えば1-フェニル-2-ホスホレン-1-オキシド、1-フェニル-3-メチル-2-ホスホレン-1-オキシド、1-フェニル-2-ホスホレン-1-スルフィド、1-フェニル-3-メチル-2-ホスホレン-1-スルフィド、1-エチル-2-ホスホレン-1-オキシド、1-エチル-3-メチル-2-ホスホレン-1-オキシド、1-エチル-2-ホスホレン-1-スルフィド、1-エチル-3-メチル-2-ホスホレン-1-スルフィド、1-メチル-2-ホスホレン-1-オキシド、1-メチル-3-メチル-2-ホスホレン-1-オキシド、1-メチル-2-ホスホレン-1-スルフィド、1-メチル-3-メチル-2-ホスホレン-1-スルフィドや、これらの3-ホスホレン異性体などのホスホレン化合物、ペンタカルボニル鉄、ノナカルボニル二鉄、テトラカルボニルニッケル、ヘキサカルボニルタングステン、ヘキサカルボニルクロムなどの金属カルボニル錯体、ベリリウム、アルミニウム、ジルコニウム、クロム、鉄などの金属のアセチルアセトン錯体、トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリイソプロピルホスフェート、トリ-t-ブチルホスフェート、トリフェニルホスフェートなどのリン酸エステルなどを挙げることができる。
 前記カルボジイミド化触媒は、1種単独で使用することも、あるいは2種以上を混合して用いることもできる。この触媒の使用量は、有機ポリイソシアナート成分100質量部あたり、好ましくは、0.001~30質量部であり、より好ましくは0.01~10質量部である。
 ポリカルボジイミド化合物の合成反応の温度は、有機ポリイソシアナートや有機モノイソシアナート、カルボジイミド化触媒の種類に応じて適宜選定されるが、通常、20~200℃である。ポリカルボジイミド化合物の合成反応に際して、有機ポリイソシアナートおよび有機モノイソシアナート成分は、反応前に全量添加しても、あるいはその一部または全部を反応中に、連続的あるいは段階的に添加してもよい。
 また、イソシアナート基と反応し得る化合物を、ポリカルボジイミド化合物の合成反応の初期から後期に至る適宜の反応段階で添加して、ポリカルボジイミド化合物の末端イソシアナート基を封止し、得られる脂肪族カルボジイミド化合物の分子量を調節することもでき、また脂肪族カルボジイミド化合物の合成反応の後期に添加して、得られるポリカルボジイミド化合物の分子量を所定値に規制することもできる。このようなイソシアナート基と反応し得る化合物としては、例えばメタノール、エタノール、イソプロパノール、シクロヘキサノール、ポリエチレングリコールなどのアルコール類、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ベンジルアミンなどのアミン類を挙げることができる。
 また、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)としては、日清紡ケミカル社製“カルボジライト(登録商標)”V-02B、V-04B、V-05、“エラストスタブ(登録商標)”H01などがある。
 また、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)に水を含むものとして、日清紡ケミカル社製“カルボジライト(登録商標)”V-02、V-04、V-06、V-02-L2、E-01、E-02、E-03、E-04、E-05などがある。
 成分(B)が水を含んでいる場合は、含浸工程や被覆工程において水蒸気が発生し、生産性を低下させる可能性があるため、ポリカルボジイミド化合物(B-1)としては、水を含まない方が好ましく、水を含有している場合はこれらを脱水して用いるか、または水を含まないものを用いるのが望ましい。
 また、50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)に関し、芳香族系ポリカルボジイミドとしては、ラインケミー社製“スタバクゾール(登録商標)”Pやラインケミー社製“スタバクゾール(登録商標)”P400などがあり、脂肪族系ポリカルボジイミドとしては、日清紡ケミカル社製“カルボジライト(登録商標)”HMV-15CA、HMV-8CA、LA-1、10M-SPなどがある。
 また、成分(B)の150℃における溶融粘度は、好ましくは0.001~10Pa・sであり、より好ましくは0.01~8Pa・sである。さらに、好ましくは、0.1~5Pa・sである。150℃における溶融粘度が0.001Pa・s未満では、成分(B)の機械強度が低いために、成形品の機械特性を損ねることがあり、10Pa・sを越える場合では、成分(B)の粘度が高く、高い生産性を得られないことがある。
 また、成分(B)の150℃における2時間加熱後の粘度変化率は、好ましくは、1.5以下であり、より好ましくは、1.3以下である。150℃にて2時間加熱後の粘度変化率が2を越える場合では、製造安定性を確保できず、付着むらが発生することがある。かかる粘度変化率を2以下にすることで、安定した製造を確保できる。
 ここで、150℃にて2時間加熱後の粘度変化率とは、次式から得られる。
粘度変化率=150℃にて2時間加熱後の150℃における溶融粘度/150℃にて2時間加熱前の150℃における溶融粘度
 成分(B)には、本発明の効果を損なわない範囲で、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形のポリカルボジイミド化合物(B-2)以外の添加剤を含むことができる。添加剤の例としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、または、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、粘度調整剤、あるいは、カップリング剤が挙げられる。
 特に、成分(B)を強化繊維(A)に含浸させる工程において、溶融粘度を調整する観点から、粘度調整剤を添加することは好ましい。
 粘度調整剤としては、特に限定されないが、50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形のポリカルボジイミド化合物(B-2)と相溶性が良好で、かつ150℃における反応性が比較的低い、エポキシ樹脂が好適に用いられる。
 ここでいう、エポキシ樹脂とは、グリシジル基を有する化合物である。また、ここでいうエポキシ樹脂には、実質的に硬化剤が含まれておらず、加熱しても、いわゆる三次元架橋による硬化をしないものをいう。
 ここで、グリシジル基を有する化合物としては、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂が挙げられる。
 グリシジルエーテル型エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ハロゲン化ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールA型エポキシ樹脂、脂肪族エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニルアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂などが挙げられる。
 グリシジルエステル型エポキシ樹脂としては、ヘキサヒドロフタル酸グリシジルエステル、ダイマー酸ジグリシジルエーテルなどが挙げられる。
 グリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、トリグリシジルイソシアヌレート、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、アミノフェノール型エポキシ樹脂などが挙げられる。
 脂環式エポキシ樹脂としては、3,4エポキシ-6メチルシクロヘキシルメチルカルボキシレート、3,4エポキシシクロヘキシルメチルカルボキシレートなどが挙げられる。
 成分(B)に50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形のポリカルボジイミド化合物(B-2)以外の添加剤を含む場合、成分(B)のうち、成分(B-1)または成分(B-2)は20~100質量%であることが好ましく、より好ましくは30~100質量%であり、さらに好ましくは50~100質量%である。すなわち、成分(B-1)または成分(B-2)の量が20質量%以上である場合、高い力学特性を有する成形品が得られるため、好ましい。
 また、成分(B)の含有量は、成分(A)~(C)の合計を100質量部として、1~20質量部であることが必要である。好ましくは、2~15質量部であり、より好ましくは、4~12質量部である。成分(B)をこの範囲内で用いることにより、成形加工の際に、成分(A)の流動性が良好で、高い力学特性を有する成形品が得られるため、好ましい。
 また、成分(A)と成分(B)が、成分(A)/成分(B)=5/1~3/1(質量比)の範囲内であることが、効率よく繊維分散性を向上でき、高い力学特性を有する成形品が得られるため、好ましい。
 熱可塑性樹脂(C)は、極性を高めて強化繊維(A)や成分(B)との親和性を大きくする観点から、主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含むことが必要であり、強化繊維との界面接着性や繊維強化複合材料の成形性の観点から、より具体的にはポリカーボネート、ポリエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリエーテルケトンケトンからなる群より選ばれる少なくとも1種の熱可塑性樹脂であることが好ましい。また、熱可塑性樹脂(C)は、強化繊維(A)や成分(B)との接着性の観点からカルボキシル基、水酸基およびアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の官能基を分子中に少なくとも1個有することが好ましい。
 熱可塑性樹脂(C)は、その質量平均分子量が、好ましくは10,000~80,000であり、より好ましくは10,000~60,000であり、さらに好ましくは10,000~40,000である。質量平均分子量の小さい熱可塑性樹脂(C)ほど溶融粘度が低く、得られる繊維強化複合材料が成形加工性に優れる為好ましい。
 また、本発明の成形材料は、質量平均分子量の小さい熱可塑性樹脂(C)ほど、得られる繊維強化複合材料の曲げ強度といった力学特性が向上する傾向がある。この理由は、成形材料の成形工程において、熱可塑性樹脂(C)が有する官能基がポリカルボジイミド化合物(B-1)または成分(B-2)の官能基と化学反応しており、質量平均分子量の小さい熱可塑性樹脂(C)ほど末端に存在する官能基が相対的に増加し、ポリカルボジイミド化合物(B-1)または成分(B-2)との反応点が増加するためであると推測される。こうした理由から、本発明の成形材料において、熱可塑性樹脂(C)の質量平均分子量を10,000~40,000の範囲とすることが、得られる繊維強化複合材料の力学特性を高レベルで達成でき、成型加工性と両立できる為とりわけ好ましい。
 なお、熱可塑性樹脂(C)の質量平均分子量はサイズ排除クロマトグラフィー(SEC)によって測定することができる。SECでは、ポリスチレン換算の質量平均分子量を算出することで求めることができる。
 ここで、成分(C)の含有量は、成分(A)~(C)の合計を100質量部として、30~94質量部であることが必要である。好ましくは、45~88質量部であり、より好ましくは、55~83質量部である。この範囲内で用いることで、力学特性に優れる成形品を得ることができる。
 ここで、本発明の成形材料は、成分(A)に成分(B)が含浸された複合繊維束(D)が成分(C)で被覆された複合体である必要がある。
 ここで、複合繊維束(D)の製造工程は、成分(A)に成分(B)を供給し、成分(A)に50~300℃の溶融状態で成分(B)を接触させる工程(I)と、成分(B)と接触している成分(A)を加熱して成分(B)の供給量の80~100質量%を成分(A)に含浸させる工程(II)を有する。かかる複合繊維束(D)の製造工程を含むことで本発明の成形材料を効率よく製造することができる。
 工程(I)としては、公知の製造方法を用いることができ、中でも、ディッピング、もしくは、コーティングが好ましく、具体的なコーティングとしては、リバースロール、正回転ロール、キスロール、スプレイ、カーテンが好ましく用いられる。
 ここで、ディッピングとは、ポンプにて成分(B)を溶融バスに供給し、該溶融バス内で成分(A)を通過させる方法をいう。成分(A)を成分(B)の溶融バスに浸すことで、確実に成分(B)を成分(A)に付着させることができる。また、リバースロール、正回転ロール、キスロールとは、ポンプで溶融させた成分(B)をロールに供給し、成分(A)に成分(B)の溶融物を塗布する方法をいう。さらに、リバースロールは、2本のロールが互いに逆方向に回転し、ロール上に溶融した成分(B)を塗布する方法であり、正回転ロールは、2本のロールが同じ方向に回転し、ロール上に溶融した成分(B)を塗布する方法である。通常、リバースロール、正回転ロールでは、成分(A)を挟み、さらにロールを設置し、成分(B)を確実に付着させる方法が用いられる。一方で、キスロールは、成分(A)とロールが接触しているだけで、成分(B)を付着させる方法である。そのため、キスロールは比較的粘度の低い場合の使用が好ましいが、いずれのロールの方法を用いても、加熱溶融した成分(B)の所定量を塗布させ、成分(A)を接触させながら走らせることで、繊維束の単位長さ当たりに所定量の成分(B)を付着させることができる。スプレイは、霧吹きの原理を利用したもので、溶融した成分(B)を霧状にして成分(A)に吹き付ける方法であり、カーテンは、溶融した成分(B)を小孔から自然落下させ塗布する方法、または溶融槽からオーバーフローさせ塗布する方法である。塗布に必要な量を調節しやすいため、成分(B)の損失を少なくできる。
 また、成分(B)が50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)を含む場合、供給する際の溶融温度としては50~150℃が好ましい。50℃未満では、成分(B)の粘度が高くなり、供給する際に、付着むらが発生することがある。また、150℃を越えると、工程(II)において強化繊維毛羽が発生しやすい場合があり、毛羽による糸切れや、毛羽の除去のために生産性を落とすことがある。成分(B)が50℃で固形のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む場合、供給する際の溶融温度としては100~300℃が好ましい。100℃未満では、成分(B)の粘度が高くなり、供給する際に、付着むらが発生することがある。また、300℃を越えると、長時間にわたり製造した場合に、成分(B)が熱分解する可能性がある。
 次いで、工程(II)として、工程(I)で得られた、成分(B)と接触した状態の成分(A)を、加熱して成分(B)の供給量の80~100質量%を成分(A)に含浸させる。具体的には、成分(B)と接触した状態の成分(A)に対して、成分(B)が溶融する温度において、ロールやバーで張力をかける、拡幅、集束を繰り返す、圧力や振動を加えるなどの操作で成分(B)を成分(A)の内部まで含浸するようにする工程である。より具体的な例として、加熱された複数のロールやバーの表面に繊維束を接触するように通して拡幅などを行う方法を挙げることができ、中でも、絞り口金、絞りロール、ロールプレス、ダブルベルトプレスを用いて含浸させる方法が好適に用いられる。ここで、絞り口金とは、進行方向に向かって、口金径の狭まる口金のことであり、強化繊維束を集束させながら、余分に付着した成分(B)を掻き取ると同時に、含浸を促す口金である。また、絞りロールとは、ローラーで強化繊維束に張力をかけることで、余分に付着した成分(B)を掻き取ると同時に、含浸を促すローラーのことである。また、ロールプレスは、2つのロール間の圧力で連続的に強化繊維束内部の空気を除去するのと同時に、含浸を促す装置であり、ダブルベルトプレスとは、強化繊維束の上下からベルトを介してプレスすることで、含浸を促す装置である。
 また、工程(II)において、成分(B)の供給量の80~100質量%が成分(A)に含浸されていることが好ましい。収率に直接影響するため、経済性、生産性の観点から高いほど好ましい。より好ましくは、85~100質量%であり、さらに好ましくは90~100質量%である。また、80質量%未満では、経済性の観点からだけでなく、成分(B)が工程(II)において、揮発成分を発生させている可能性があり、成分(A)内部にボイドが残存する場合がある。
 また、工程(II)において、成分(B)が50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)を含む場合、成分(B)の最高温度が50~200℃であることが好ましく、より好ましくは50~150℃である。50℃未満では、成分(B)を十分に溶融できず、含浸不足の強化繊維束になる可能性があり、200℃を越えると、強化繊維毛羽が発生しやすい場合があり、毛羽による糸切れや、毛羽の除去のために生産性を落とすことがある。成分(B)が50℃で固形のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む場合、成分(B)の最高温度が150~400℃であることが好ましい。好ましくは150~350℃であり、より好ましくは150℃~300℃である。150℃未満では、成分(B)を十分に溶融できず、含浸不足の強化繊維束になる可能性があり、400℃以上では、成分(B)の架橋反応や分解反応を起こすなどの好ましくない副反応が生じる場合がある。
 工程(II)における加熱方法としては、特に限定しないが、具体的には、加熱したチャンバーを用いる方法や、ホットローラーを用いて加熱と加圧を同時に行う方法が例示できる。
 また、成分(B)の架橋反応や分解反応などの好ましくない副反応の発生を抑制する観点から、非酸化性雰囲気下で加熱することが好ましい。ここで、非酸化性雰囲気とは酸素濃度が5体積%以下、好ましくは2体積%以下、さらに好ましくは酸素を含有しない雰囲気、すなわち、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気であることを指し、この中でも特に経済性および取り扱いの容易さの面から、窒素雰囲気が好ましい。
 また、複合繊維束(D)の引取速度は、工程速度に直接影響するため、経済性、生産性の観点から高いほど好ましい。具体的には、引取速度としては、10~100m/分が好ましい。より好ましくは、20~100m/分であり、さらに好ましくは30~100m/分である。引取方法としては、ニップローラーで引き出す方法や、ドラムワインダーで巻き取る方法や、直接ストランドカッターなどで、一定長に切断しながら複合繊維束(D)を引き取る方法が挙げられる。
 図1は、本発明における複合繊維束(D)の横断面形態の一例を示す概略図である。図1において、符号1は黒部分を指しており、符号2は白部分を指している。なお、本発明において、横断面とは、軸心方向に直交する面での断面を意味する。工程(I)、(II)から得られる複合繊維束(D)は、成分(A)に成分(B)を塗布、含浸せしめて形成されている。この複合繊維束(D)の形態は図1に示すようなものであり、成分(A)の各単繊維間に成分(B)が満たされている。すなわち、成分(B)の海に、成分(A)の各単繊維が島のように分散している状態である。
 成分(B)が成分(A)に良好に含浸した複合繊維束(D)とすることで、例えば、熱可塑性樹脂(C)と共に射出成形すると、射出成形機のシリンダー内で溶融混練された、成分(B)が、成分(C)に拡散し、成分(A)が成分(C)に分散することを助け、同時に成分(C)が成分(A)に置換、含浸することを助ける、いわゆる含浸助剤・分散助剤としての役割を持つ。
 また、複合繊維束(D)においては、成分(A)が成分(B)によって完全に含浸されていることが望ましいが、現実的にそれは困難であり、複合繊維束(D)にはある程度の空隙(成分(A)も成分(B)も存在しない部分)が存在する。特に成分(A)の含有率が大きい場合には空隙が多くなるが、ある程度の空隙が存在する場合でも含浸・繊維分散促進の効果は示される。ただし空隙率が40%を超えると顕著に含浸・繊維分散促進の効果が小さくなるので、空隙率は40%未満が好ましい。より好ましい空隙率の範囲は20%以下である。空隙率は、複合繊維束(D)をASTM  D2734(1997)試験法により測定するか、または複合繊維束(D)または複合体の横断面において、成分(A)と成分(B)により形成される複合部の全面積と空隙部の全面積とから次式を用いて算出することができる。
空隙率(%)=空隙部の全面積/(複合部の全面積+空隙部の全面積)×100。
 本発明の成形材料は、上記のようにして得られた複合繊維束(D)が成分(C)で被覆されて複合体として形成されている。なお、本発明において、成形材料とは、成形品を射出成形などで成形する際に用いる原材料を意味する。
 複合繊維束(D)を成分(C)で被覆する方法は特に限定されないが、具体的には、押出機と電線被覆法用のコーティングダイを用いて、連続的に複合繊維束(D)の周囲に成分(C)を被覆する方法や、ロールなどで扁平化した複合繊維束(D)の両面から押出機とTダイを用いて溶融したフィルム状の成分(C)を配置し、ロールなどで一体化させる方法を挙げることができる。
 図2は、本発明の成形材料の好ましい縦断面形態の一例を示す概略図である。図2において、符号1は黒部分を指しており、符号2は白部分を指している。なお、本発明において、縦断面とは、軸心方向を含む面での断面を意味する。本発明の成形材料の一例は、図2に示すように、成分(A)が成形材料の軸心方向にほぼ平行に配列され、かつ成分(A)の長さは成形材料の長さと実質的に同じ長さである。
 ここで言う、「ほぼ平行に配列されて」いるとは、成分(A)の長軸の軸線と、成形材料の長軸の軸線とが、同方向を指向している状態を示し、軸線同士の角度のずれが、好ましくは20°以下であり、より好ましくは10°以下であり、さらに好ましくは5°以下である。また、「実質的に同じ長さ」とは、例えばペレット状の成形材料において、ペレット内部の途中で成分(A)が切断されていたり、ペレット全長よりも有意に短い成分(A)が実質的に含まれたりしないことである。特に、そのペレット全長よりも短い成分(A)の量について規定されているわけではないが、ペレット全長の50%以下の長さの成分(A)の含有量が30質量%以下である場合には、ペレット全長よりも有意に短い成分(A)が実質的に含まれていないと評価する。さらに、ペレット全長の50%以下の長さの成分(A)の含有量は20質量%以下であることが好ましい。なお、ペレット全長とはペレット中の成分(A)配向方向の長さである。成分(A)が成形材料と同等の長さを持つことで、成形品中の強化繊維長を長くすることが出来るため、優れた力学特性を得ることができる。
 図3~5はそれぞれ、本発明の成形材料の縦断面形態の一例を模式的に表したものであり、図6~9はそれぞれ、本発明の成形材料の横断面形態の一例を模式的に表したものである。
 成形材料の断面形態は、成分(A)と成分(B)からなる複合繊維束(D)が成分(C)で被覆されていれば図に示されたものに限定されないが、好ましくは図3~5に示されるように、複合繊維束(D)が芯材となり成分(C)で層状に挟まれて配置されている構成が好ましい。
 また図6~8に示されるように、複合繊維束を芯構造として、その周囲を成分(C)で被覆されるような芯鞘構造に配置されている構成が好ましい。また、図9に示されるような複数の複合繊維束が成分(C)で被覆される場合、複合繊維束(D)の数は2~6程度が望ましい。
 複合繊維束(D)と成分(C)の境界は接着され、境界付近で部分的に成分(C)が複合繊維束(D)の一部に入り込み、複合繊維束(D)を構成する成分(B)と相溶しているような状態、あるいは強化繊維(A)に含浸しているような状態になっていてもよい。
 本発明の成形材料は、1~50mmの範囲の長さであるのが好ましく、そのため、前記した製造方法では、複合繊維束(D)に、成分(C)を接触させて複合体を得た後に、1~50mmの長さに切断する工程を含むことが好ましい。この長さに調製することにより、成形時の流動性、取扱性を十分に高めることができる。このように適切な長さに切断されてなる成形材料としてとりわけ好ましい態様は、射出成形用の長繊維ペレットが例示できる。
 本発明で得られる成形材料を用いた成形方法としては、特に限定しないが、射出成形、オートクレーブ成形、プレス成形、スタンピング成形などの生産性に優れた成形方法に適用でき、これらを組み合わせて用いることもできる。また、インサート成形、アウトサート成形などの一体化成形も容易に実施できる。さらに、成形後にも加熱による矯正処置や、熱溶着、振動溶着、超音波溶着などの生産性に優れた接着工法を活用することもできる。
 次に、本発明のマスターバッチに関して、詳細に説明する。
 本発明のマスターバッチは、熱可塑性樹脂(C)とポリカルボジイミド化合物(B’)を含んで構成される。まず各成分について説明する。
 <熱可塑性樹脂(C)>
 本発明のマスターバッチにおける熱可塑性樹脂(C)は、耐熱性の高い樹脂を対象としており、ガラス転移温度が140℃以上の樹脂や、スーパーエンジニアリングプラスチックが挙げられる。具体的にはポリカーボネート、ポリエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂である。これらの共重合体、変性体、および2種類以上ブレンドした樹脂などであってもよい。
 <ポリカーボネート>
 ポリカーボネートとしては、芳香族ポリカーボネート、脂肪族ポリカーボネート、脂環式ポリカーボネート、芳香族-脂肪族ポリカーボネートを用いることができる。
 <ポリアリーレンスルフィド>
 ポリアリーレンスルフィドとしては、ポリフェニレンスルフィドが代表的である。
 ポリフェニレンスルフィドは、下記構造式で示される構造単位を70モル%以上、より好ましくは90モル%以上含む重合体である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 また、構造単位の30モル%未満を、下記構造式で示される構造単位で構成することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 これらポリフェニレンスルフィドの溶融粘度は、溶融混練が可能であれば特に制限はないが、マスターバッチ化をする際にポリカルボジイミド化合物をより多く配合する観点から低粘度であることが好ましく、具体的には10~50,000ポイズ(300℃、剪断速度1,000/秒)の範囲であることが好ましく、特に好ましくは10~5,000ポイズの範囲である。
 <ポリエーテルイミド>
 ポリエーテルイミドとは、脂肪族、脂環族または芳香族系のエーテル単位と環状イミド基を繰り返し単位として含有するポリマーである。溶融成形性を有するポリマーで有れば特に限定されない。また、本発明の効果を阻害しない範囲で有れば、ポリエーテルイミドの主鎖に環状イミド、エーテル結合以外の構造単位、例えば、エステル単位、オキシカルボニル単位などが含有されていても良い。
 具体的なポリエーテルイミドとしては、下記一般式で示されるポリマーが好ましく使用される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 ただし、上記式中Rは、6~30個の炭素原子を有する2価の芳香族残基、Rは、6~30個の炭素原子を有する2価の芳香族残基、2~20個の炭素原子を有するアルキレン基、2~20個の炭素原子を有するシクロアルキレン基、および2~8個の炭素原子を有するアルキレン基で連鎖停止されたポリジオルガノシロキサン基からなる群より選択された2価の有機基である。上記RおよびRとしては、例えば、下記式群から選ばれた基が好ましく使用される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 ポリエーテルイミドの分子量には特に制限はないが、GPC-MALLSで測定した質量平均分子量で、好ましくは3万~12万、より好ましくは4万~11万、とりわけ好ましくは5万~10万の範囲のポリエーテルイミドを用いることが、より優れた靱性、特に低温でも優れた靱性を発現すること、および高温クリープ特性が大幅に向上することから好ましい。
 <ポリエーテルスルホン>
 ポリエーテルスルホンとは、芳香族基がスルホン基およびエーテル基により結合された骨格を有するものを総称する。例えば、下記一般式(X)~(Z)からなる群より選ばれる少なくとも一種の繰り返し単位からなるポリエーテルスルホンが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
 式(5)中、ArおよびArは同一または異なる炭素数6~12の芳香族炭化水素基である。式(6)中、Ar~Arは同一または異なる炭素数6~12の芳香族炭化水素基、Xは炭素数1~15の二価の炭化水素基である。式(7)中、Ar~Arは同一または異なる炭素数6~12の芳香族炭化水素基である。
 上記のポリエーテルスルホンは公知の方法で重合して得ることができる。例えばアルカリ金属炭酸塩の存在下、非プロトン性極性溶媒中で水酸基およびハロゲン基を末端に有するモノマーを重縮合することにより得ることができる。例えば、このポリエーテルスルホンは、“レーデル(登録商標)”の商標でソルベイアドバンストポリマーズ社から、“ウルトラゾーン(登録商標)”の商標でビーエーエスエフ社から、“スミカエクセル(登録商標)”の商標で住友化学社から市販されているものを用いることができる。
 <ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、>
 ポリエーテルケトンおよびポリエーテルエーテルケトンとしては、例えば“VICTREX(登録商標)”の商標でビクトレックス社から市販されているものを用いることができる。また、ポリエーテルケトンケトンとしては、例えば、“OXPEKK(登録商標)”の商標でオックスフォードパフォーマンスマテリアルズ社から市販されているものを用いることができる。
 これらの中でも、高耐熱性という観点からは、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホンおよびポリエーテルケトンからなる群から選択される少なくとも1種を熱可塑性樹脂(C)として用いることが好ましい。
 <ポリカルボジイミド化合物(B’)>
 ポリカルボジイミド化合物(B’)は、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物であり、脂肪族ポリカルボジイミドおよび芳香族ポリカルボジイミドが例示できる。前記した、成分(B-1)および成分(B-2)も成分(B’)に該当する。ポリカルボジイミド化合物(B’)は、肪族ポリカルボジイミド、芳香族ポリカルボジイミドいずれかに限定されるものではないが、カルボジイミド基の反応性が高く、これらを含有するマスターバッチを用いて得られる樹脂組成物および成形品の力学特性に優れるために、脂肪族ポリカルボジイミドであることが好ましい。脂肪族ポリカルボジイミドおよび芳香族ポリカルボジイミドが意味するところは前記した通りである。
 芳香族ポリカルボジイミドとしては、ラインケミー社製“スタバクゾール(登録商標)”Pやラインケミー社製“スタバクゾール(登録商標)”P400などが挙げられる。
 ポリカルボジイミド化合物(B’)は、その質量平均分子量が、好ましくは1,000~40,000であり、より好ましくは2,000~5,000である。ポリカルボジイミド化合物(B’)の質量平均分子量がこの範囲にあると、マスターバッチを添加した樹脂組成物や成形品の力学特性の向上効果が大きく好ましい。なお、ポリカルボジイミド化合物(B’)の質量平均分子量はSEC(サイズ排除クロマトグラフィー)などの分析方法によって求めることができる。用いるポリカルボジイミド化合物の合成法としては特に限定されるものではないが、例えば先に記載した成形材料の説明で挙げた合成法などが用いられる。
 本発明のマスターバッチにおいて、熱可塑性樹脂(C)とポリカルボジイミド化合物(B’)との配合比は、(A):(B’)=40~90質量%:10~60質量%である。マスターバッチ本来の目的である高濃度の添加剤を含有し、目的のマトリックス樹脂に少量のマスターバッチを添加することで十分な効果を得る観点から、ポリカルボジイミド化合物(B’)の含有率が20~50質量%が好ましく、30~40質量%がより好ましい。10質量%未満では、少量の添加では十分な添加剤の効果を得ることが厳しく難しい。また、ポリカルボジイミド化合物(B’)の含有率が60質量%を超えると、高温成形プロセスにおいて、ブロッキングやブリッジングが発生し、マスターバッチの取り扱い性が低下する。またマスターバッチ表面に存在するポリカルボジイミド化合物(B’)が増加することから、保管中に吸水・吸湿によって、ポリカルボジイミド化合物本来の添加効果を発現することができなくなることと、保管条件についても真空保管や密封保管をする必要があるなど制約が生じる。
 本発明のマスターバッチを得るための一例として、押出機を用いて溶融混練を行う方法が例示できる。押出機としては、単軸押出機や二軸押出機が例示でき、中でも混練性に優れる二軸押出機を好ましく用いることができる。二軸押出機としては、スクリュー長さLとスクリュー直径Dの比L/Dが20~100であるものが例示できる。さらに、二軸押出機のスクリューは、一般的にフルフライトやニーディングディスクなどの長さや形状的特長が異なるスクリューセグメントが組み合わされて構成されるが、混練性を向上させ、時間短縮の点から、1個以上のニーディングディスクを含むことが好ましい。また、溶融混練の際のシリンダー温度としては、混練性向上の点から300~400℃が好ましく、320~400℃がより好ましい。
 本発明のマスターバッチの第1の態様においては、熱可塑性樹脂(C)の海にポリカルボジイミド化合物(B’)の島が分散した海島構造のモルフォロジーを形成してなり、このときのポリカルボジイミド化合物(B’)の分散粒子の平均粒子径が1~100μmである。2種以上の材料を一体化し、取り扱い性を向上させる観点から、分散粒子の平均粒子径が10~90μmであることが好ましく、20~80μmであることがより好ましい。分散粒子の平均粒子径が1μm未満では、熱可塑性樹脂(C)にポリカルボジイミド化合物(B’)と熱可塑性樹脂(C)との化学反応が過度に進行してしまい、マスターバッチに含有されるポリカルボジイミド化合物(B’)のカルボジイミド基が減少し添加剤による成形品の力学特性向上効力を低減させてしまう。また分散粒子の平均粒子径が100μmを超えると、相対的にマスターバッチ表面に露出するポリカルボジイミド化合物(B’)も多くなり、マスターバッチのブロッキングやブリッジング発生の可能性を高め、取り扱い性が低下する。
 本発明のマスターバッチの第2の態様においては、熱可塑性樹脂(C)にポリカルボジイミド化合物(B’)が連続構造のモルフォロジーを形成してなり、このとき、ポリカルボジイミド化合物(B’)からなる連続相の平均厚みが1~100μmである。ここで言う「連続相の平均厚み」とは、任意の熱可塑性樹脂(Cn)からポリカルボジイミド化合物(B’)を介して最も近接する熱可塑性樹脂(Cm)までの最短距離をポリカルボジイミド化合物(B’)の連続相の厚みとし、その連続層の厚みを複数個所で測定し平均したものである。2種以上の材料を一体化し、取り扱い性を向上させる観点から、連続相の平均厚みが10~90μmであることが好ましく、20~80μmであることがより好ましい。連続相の平均厚みが1μm未満では、ポリカルボジイミド化合物(B’)の含有量を増加させることが困難であり、マスターバッチ本来の目的を達成することが出来ない。また連続相の平均厚みが100μmを超えると、反対に分散状態が不均一となり、取り扱い時にマスターバッチの形状が崩れ、ブロッキングやブリッジング発生の可能性を高め、取り扱い性が低下する。かかるモルフォロジーを観察するための手法としては、透過型電子顕微鏡にて観察する方法が例示できる。
 マスターバッチの表面積(S)において、ポリカルボジイミド化合物(B’)の表面に現れる面積(Sb)の露出度(Sb/S)と、前記マスターバッチの総体積(V)にしめる前記マスターバッチ中の成分(B’)の体積(Vb)の割合(Vb/V)が次式(1)、(2)を満たすことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 すなわち、高温成形プロセスに用いる成形機の材料投入口(ホッパー)付近には、ブロッキング発生を抑制する観点から、冷却水の循環や投入口付近の設定温度を下げるなどの工夫が一般的に用いられているが、高温成形プロセスにおいては、耐熱性の高い熱可塑性樹脂を溶融させるために設定温度を高くする必要があり、熱伝導により材料投入口付近の表面温度が高温となるため、マスターバッチ表面に存在するポリカルボジイミド化合物(B’)が少ないことが好ましく、上記式(1)、(2)を満たすマスターバッチがこれを実現できていることを意味する。
 含有するポリカルボジイミド化合物(B’)は、熱可塑性樹脂(C)と比較して低融点のものが多く、高温成形プロセスにおいてブロッキング発生を低減させて取り扱い性を向上させる観点から、面積(Sb)の露出度(Sb/S)は0.2以下が好ましく、0.1以下がより好ましい。同様に、面積(Sb)の露出度(Sb/S)と体積(Vb)の割合(Vb/V)との関係は(0.8×(Vb/V))未満が好ましく、(0.5×(Vb/V))未満がより好ましい。このとき体積(Vb)の割合(Vb/V)は、ポリカルボジイミド化合物(B’)の構成比に比例した閾値であり、含有するポリカリボジイミド化合物(B’)の割合に対し、ポリカルボジイミド化合物(B’)の露出度(Sb/S)がこの値未満であることは、高温プロセスにおいてブロッキング発生を低減させる観点から好ましい。
 マスターバッチの形状としては、柱状体が好ましく、底面の形状を円形とした場合、円柱、円錐柱、曲円柱、くびれが存在する円柱などが例示される。この中でも、取り扱い性と生産性の観点から、断面形状が変化しない柱状体(底面の形状が円の場合は、円柱)がより好ましい。また底面の形状としては、円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、多角形、星形などが例示される。ブリッジングの発生抑制の観点から、円形や楕円形の底面形状が好ましい。
 マスターバッチの形状において、断面の長径が1~10mmであることが好ましい。ここで言う「断面の長径」とは、マスターバッチでペレットを形成した際に、ペレットの長さ方向と直角方向において、外接円を描いたときの直径を指す。好ましくは1~8mmであり、より好ましくは2~5mmである。またマスターバッチを添加するマトリックス樹脂ペレットの断面の長径と合わせることがより好ましい。
 マスターバッチの形状において、アスペクト比が1~10であることが好ましい。ここで言う「アスペクト比」とは、後述するマスターバッチの断面の長径Dmと長さLmの比を指す。成形プロセスにおいて、ブリッジングの発生抑制の観点から、アスペクト比は、1~8が好ましく、1~5がより好ましい。
 マスターバッチの形状において、断面の長径/短径の比が1~2であることが好ましい。ここで言う「断面の短径」とは、マスターバッチの長さ方向と直角方向において、内接円を描いたときの直径を指す。成形プロセスにおいて、ブリッジングの発生抑制の観点から、断面の長径/短径の比は、1~1.8が好ましく、1.2~1.5がより好ましい。
 熱可塑性樹脂(C)が有する官能基としては、チオール基、エポキシ基、カルボキシル基、カルボキシル基の金属塩、アミノ基、水酸基、イソシアネート基、オキサゾリン基、スルホン酸基などが例示できる。この中でも、カルボジイミド基との反応性の面でチオール基、エポキシ基、カルボキシル基、カルボキシル基の金属塩、アミノ基、水酸基が、マスターバッチとして使用する際に、得られる成形品の強度を向上させる目的として好ましく、チオール基、カルボキシル基、水酸基が特に好ましい。
 ポリカルボジイミド化合物(B’)において、マスターバッチとして使用する際に、得られる成形品の強度を向上させる目的として350℃における熱質量減少が5%以下であることが好ましい。熱質量減少が4%以下であることがより好ましく、3%以下がさらに好ましい。
 本発明のマスターバッチにおいて、さらにウレア構造を1分子内に2個以上有するポリウレア化合物(E)を0~30質量%含んでも良い。本発明のマスターバッチを用いて得られる樹脂組成物および成形品の樹脂や強化繊維との接着性をより高めることが可能となる。
 ウレア構造を有する化合物としては、ジイソシアネートを、複数のアミノ基を含む化合物(例えば、ヒドラジン、ジヒドラジドなど)を含むジアミンと反応させる事により得られたものを使用できる。別法として、ポリウレアは、イソシアネートを水と反応させて不安定なカルバミン酸を形成する事により合成し得る。カルバミン酸は分解して二酸化炭素を発生し、直ちに過剰のイソシアネートと反応してウレア架橋を形成するアミノ基を形成する。また、ウレア構造を有する化合物は、カルボジイミド構造を有する化合物を水で処理して、カルボジイミドをウレアへと反応させることでも得られる。
 <その他の添加剤>
 本発明のマスターバッチには、本発明の効果を損なわない範囲で、エラストマーあるいはゴム成分などの耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有しても良い。添加剤の例としては、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、あるいは制泡剤が挙げられる。
 本発明のマスターバッチは、他の熱可塑性樹脂や繊維強化樹脂組成物に添加して用いることが出来る。このとき、他の熱可塑性樹脂は特に限定されないが、マスターバッチに用いた熱可塑性樹脂(C)と同じ樹脂組成物が好ましく、ポリカルボジイミド化合物(B’)と反応する官能基を有した熱可塑性樹脂組成物や強化繊維を含有した繊維強化樹脂組成物が好ましい。
 本発明のマスターバッチを添加した繊維強化樹脂組成物に用いる強化繊維としては、特に限定されないが、前記した成分(A)を構成する強化繊維と同様のものを用いることができる。成形品の軽量化や高剛性化、比弾性率、比強度に優れた炭素繊維が特に好ましい。また、これらの強化繊維は、表面処理が施されているものであっても良い。表面処理としては、金属の被着処理、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理などが挙げられる。かかるサイジング剤としては、前記したサイジング剤(s)と同様のものを用いることができる。また強化繊維の形態としては、例えば、一方向に引き揃えられた長繊維、単一のトウ、織物、ニット、不織布、マット、組み紐などの繊維構造物を用いることができる。
 <成形材料を成形して得られる成形品、およびマスターバッチを用いた樹脂組成物の適応成形品>
 本発明の成形材料を成形して得られる成形品、および本発明のマスターバッチを用いた樹脂組成物、特に繊維強化樹脂組成物を適用した成形品は、次のような用途に好適に使用される。
 上記成形品は、電子機器筐体として好適であり、コンピューター(パーソナルコンピューターを含む)、携帯電話、テレビ、カメラ、オーディオプレイヤーなどの筐体に好適に使用され、また、パーソナルコンピューターの内部でキーボードを支持する部材であるキーボード支持体に代表されるような電気・電子機器用部材にも好適に使用される。特に、強化繊維として、導電性を有する炭素繊維束を使用した場合、このような電気・電子機器用部材では、電磁波シールド性が付与されるためより好ましく使用される。
 上記成形品は、電気電子部品用途に好適であり、コネクター、LEDランプ、ソケット、光ピックアップ、端子板、プリント基板、スピーカー、小型モーター、磁気ヘッド、パワーモジュール、発電機、電動機、変圧器、変流器、電圧調整器、整流器、インバーターなどに好適に使用される。
 上記成形品は、家庭・事務電気製品部品に好適であり、電話、ファクシミリ、VTR、コピー機、テレビ、電子レンジ、音響機器、トイレタリー用品、レーザーディスク(登録商標)、冷蔵庫、エアコンなどに好適に使用される。
 上記成形品は、自動車用部品や車両関連部品、部材および外板に好適であり、安全ベルト部品、インストルメントパネル、コンソールボックス、ピラー、ルーフレール、フェンダー、バンパー、ドアパネル、ルーフパネル、フードパネル、トランクリッド、ドアミラーステー、スポイラー、フードルーバー、ホイールカバー、ホイールキャップ、ガーニッシュ、インテークマニホールド、燃料ポンプ、エンジン冷却水ジョイント、ウィンドウォッシャーノズル、ワイパー、バッテリー周辺部品、ワイヤーハーネスコネクター、ランプハウジング、ランプリフレクター、ランプソケット、ドアビーム、アンダーカバー、ペダルハウジング、ラジエータサポート、スペアタイヤカバー、フロントエンド、シリンダーヘッドカバー、ベアリングリテーナ、ペダルなどに好適に使用される。
 上記成形品は、航空機関連部品、部材および外板に好適であり、ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、フェイリング、リブなどに好適に使用される。
 上記成形品は、建材として好適であり、土木建築物の壁、屋根、天井材関連部品、窓材関連部品、断熱材関連部品、床材関連部品、免震制振部材関連部品、ライフライン関連部品などに好適に使用される。
 上記成形品は、工具類として好適であり、モンキー、レンチなどに好適に使用される。
 上記成形品は、スポーツ用品として好適であり、ゴルフクラブのシャフト、ゴルフボールなどのゴルフ関連用品、テニスラケットやバトミントンラケットなどのスポーツラケット関連用品、アメリカンフットボールや野球、ソフトボールなどのマスク、ヘルメット、胸当て、肘当て、膝当てなどのスポーツ用身体保護用品、釣り竿、リール、ルアーなどの釣り具関連用品、スキー、スノーボードなどのウィンタースポーツ関連用品などに好適に使用される。
 以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の記載に限定されるものではない。
 まず、本実施例で用いる各種特性の測定方法について説明する。
 (1)溶融粘度測定
 被測定試料を粘弾性測定器にて測定した。40mmのパラレルプレートを用い、0.5Hzにて、50℃、または150℃における溶融粘度測定をした。
 (2)150℃、2時間加熱後の粘度変化率測定
 被測定試料を150℃の熱風乾燥機に2時間放置後、(1)と同様の溶融粘度測定を行い、150℃における粘度変化率を算出した。
 (3)複合繊維束の空隙率の測定
 ASTM D2734(1997)試験法に準拠して、複合繊維束の空隙率(%)を算出した。複合繊維束の空隙率の判定は以下の基準でおこない、A~Cを合格とした。
 A:0~5%未満
 B:5%以上20%未満
 C:20%以上40%未満
 D:40%以上。
 (4)成形材料を用いて得られた成形品の曲げ試験
 ASTM D790(1997)に準拠し、3点曲げ試験冶具(圧子10mm、支点10mm)を用いて支持スパンを100mmに設定し、クロスヘッド速度5.3mm/分の試験条件にて曲げ強度を測定した。試験機として、“インストロン(登録商標)”万能試験機4201型(インストロン社製)を用いた。
 曲げ強度の判定は以下の基準でおこない、A~Cを合格とした。
 A:300MPa以上
 B:270MPa以上300MPa未満
 C:240MPa以上270MPa未満
 D:240MPa未満。
 (5)成形材料の耐ブロッキング性の測定
 図10(a)に示す内径が60mmのメスシリンダー5を用いて成形材料を300cc計量し、成形材料の質量(m1)も合わせて測定した。測定後、図10(b)に示すように蓋7をして1kgのおもり8を乗せ、5分間荷重を負荷した状態とした。その後、図10(c)および図10(d)に示すようにメスシリンダーを反転させ、30秒ほど放置した。このとき、メスシリンダーに残存した成形材料の質量(m2)を測定した。これらの質量と次式より、成形材料の耐ブロッキング性を測定した。
 (m1-m2)/m1×100(%)
 耐ブロッキング性の判定は以下の基準でおこない、A~Cを合格とした。
 A:100%
 B:90%以上100%未満
 C:70%以上90%未満
 D:70%未満。
 (6)マスターバッチにおけるポリカルボジイミド化合物(B’)の分散粒子の平均粒子径の測定
 得られたマスターバッチの長さ方向に対して直角方向に切断し、その断面の中心部から、-20℃で0.1μm以下の薄片を切削し、日立製作所製H-7100型透過型電子顕微鏡にて、400倍に拡大して観察した際の任意の50個の成分(B’)について、図11に示すように、まずそれぞれの外接円と内接円の直径を測定して平均値をその分散粒子径とし、その後、それらの平均値を平均粒子径とした。
 (7)マスターバッチにおけるポリカルボジイミド化合物(B’)の連続相の平均厚みの測定
 ポリカルボジイミド化合物(B’)の分散粒子の平均粒子径の測定と同様にして、マスターバッチの薄片を切削し、日立製作所製H-7100型透過型電子顕微鏡にて、400倍に拡大して観察した際の任意の50個の熱可塑性樹脂(C)を選択し、図12に示すように任意の熱可塑性樹脂(C)からポリカルボジイミド化合物(B’)を介して最も近接する成分(C)までの最短距離を成分(B’)の連続相の厚みとし、その後、それらの平均値を平均厚みとした。
 (8)マスターバッチの断面の長径の測定
 任意の50個のマスターバッチを長さ方向と直角方向が観察できるようにエポキシ樹脂で包埋し、エポキシ樹脂の硬化後、観察面の研磨を行い、断面観察用サンプルを作製した。マスターバッチの断面全体を超深度カラー3D形状測定顕微鏡VK-9500(コントローラー部)/VK-9510(測定部)(株式会社キーエンス製)を使用して拡大倍率200倍で撮影した。断面全体を撮影した画像より解析アプリケーションVK-H1A9を使用して、マスターバッチの外接円の直径を測定した。その後、それらの平均値を算出し、マスターバッチの断面の長径とした。
 (9)マスターバッチのアスペクト比の算出
 マスターバッチの長さ方向の長さをマイクロメーターで測定し、最大値をマスターバッチの長さLmとした。前記マスターバッチの断面の長径Dmと長さLm、次式(3)より、マスターバッチのアスペクト比Amを算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 (10)マスターバッチの長径/短径比の算出
 (7)で作製した断面観察用サンプルを用い、同様に断面全体を撮影した画像より解析アプリケーションVK-H1A9を使用して、マスターバッチの内接円の直径を測定し、平均値を断面の短径とした。前記マスターバッチの断面の長径Dmlと短径Dms、次式(4)より、マスターバッチの長径/短径比を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 (11)マスターバッチにおけるポリカルボジイミド化合物(B’)の露出度(Sb/S)の測定
 (5)と同様にして任意の点の薄片を切削し、日立製作所製H-7100型透過型電子顕微鏡にて、マスターバッチの外周を400倍に拡大して観察し、ポリカルボジイミド化合物(B’)が占める長さ(Lb)を測定した。なお、マスターバッチの全ての表面について、ポリカルボジイミド化合物(B’)の面積(Sb)を測定することは、非常に時間がかかるため、便宜的にマスターバッチの任意の断面の外周長さ(L)とポリカルボジイミド化合物(B’)の占める長さ(Lb)を測定しても差し支えなく、これを用いて露出度を算出することとした。すなわち、こうして測定した50個の断面のマスターバッチの外周長さ(L)と長さ(Lb)、次式(5)を用いて算出した値の平均値をポリカルボジイミド化合物(B’)の露出度(Sb/S)とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 また、マスターバッチの体積(V)におけるポリカルボジイミド化合物(B’)の体積(Vb)の割合(Vb/V)は、熱可塑性樹脂(C)の質量%(Wc)および比重ρc、ポリカルボジイミド化合物(B’)の質量%(Wb)および比重ρbを用い、次式(6)から算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 (12)成分(B’)の熱質量減少の測定
 熱重量測定装置(TAインスツルメント社製)により、窒素100ml/min雰囲気中、30℃から400℃まで10℃/minで昇温させ、100℃のときの質量Msを基準として、350℃到達時の質量Meから次式(7)から算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 (13)マスターバッチの流れ時間の測定
 JIS K6935-2に準拠し、図13(a)に示す底面部の内径13が60mmである漏斗12を準備した。またメスシリンダーを用いてマスターバッチを300cc計量した。底面部を蓋14で塞ぎ、表面温度を100℃に温度調整した漏斗12の中にマスターバッチを入れた。3分後、図13(b)に示すように蓋14を取り外し、漏斗12から全てのマスターバッチが流れ落ちるまでの時間を計測した。
 評価は、測定によって得られたマスターバッチの流れ時間が5秒以下の場合を“excellent”、5秒を超え10秒以下の場合を“good”、10秒を超え20秒以下の場合を“fair”、20秒超えるまたは全ての材料が流れない場合を“bad”とした。
 (14)マスターバッチにおけるブロッキング性の測定
 図10(a)に示す内径が60mmのメスシリンダー5を用いてマスターバッチを300cc計量し、マスターペレットの質量(M1)も合わせて測定した。測定後、図10(b)に示すように蓋7をして1kgのおもり8を乗せ、5分間荷重を負荷した状態とした。その後、図10(c)および図10(d)に示すようにメスシリンダーを反転させ、30秒ほど放置した。このとき、メスシリンダーに残存したマスターバッチの質量(M2)を測定した。これらの質量と次式(8)より、マスターバッチのブロッキング性を測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 評価は、算出された値が100%の場合を“excellent”、90%以上100%未満の場合を“good”、70%以上90%未満の場合を“fair”、70%未満の場合を“bad”とした。
 (15)マスターバッチにおける吸水・吸湿による力学特性低下率の測定
 300gに計量したマスターバッチ1およびマスターバッチ2を準備し、マスターバッチ1は25℃の真空乾燥機で乾燥を行い、マスターバッチ2は25℃の相対湿度80%の恒温恒湿槽で加速吸湿させた。24時間後、それぞれのマスターバッチを取り出し、マトリックス樹脂とドライブレンドを行い、射出成形機(JSW社 J150EII-P)を用いて、ASTM D638に準拠したType-Iのダンベル試験片を成形した。このとき、マスターバッチ1をブレンドしたものを成形品1、マスターバッチ2をブレンドしたものを成形品2とした。
 得られた成形品1および2を150℃で2時間アニール処理した後に空冷して試験に供した。各成形品をASTM D638に準拠し、得られたType-Iのダンベル試験片を用い、試験機として、“インストロン(登録商標)”万能試験機(インストロン社製)を用いた。引張強度とは、破断点の荷重を断面積で除したものを指す。このとき、成形品1の引張強度をσ1とし、成形品2の引張強度をσ2とした。
 得られた引張強度の値と次式(9)より、マスターバッチの力学特性低下率を測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 評価は、算出された値が5%未満の場合を“excellent”、5%以上10%未満の場合を“good”、10%以上20%未満の場合を“fair”、20%以上の場合を“bad”とした。
 続いて、本実施例で用いる材料について説明する。
 実施例および比較例に用いた強化繊維(A)は、以下の通りである。
 (強化繊維-1)ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体を用いて、紡糸、焼成処理、および表面酸化処理を行うことによって、総単糸数12,000本の連続した炭素繊維ストランドを得た。この炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
 引張強度:4,900MPa
 引張弾性率:240GPa
 引張伸度:2%
 比重:1.8
 単糸直径:7μm
 表面酸素濃度比[O/C]:0.12
 ここで、表面酸素濃度比は、表面酸化処理を行ったあとの炭素繊維を用いて、X線光電子分光法により、次の手順にしたがって求めた。まず、炭素繊維束を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてA1Kα1、2を用い、試料チャンバー中を1×10Torrに保った。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sの主ピークの運動エネルギー値(K.E.)を1202eVに合わせた。C1sピーク面積をK.E.として1191~1205eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。O1sピーク面積をK.E.として947~959eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。O1sピーク面積とC1sピーク面積の比から装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出した。X線光電子分光法装置として、国際電気社製モデルES-200を用い、感度補正値を1.74とした。
 実施例および比較例に用いたサイジング剤(s)は、以下の通りである。
(s)-1 グリセロールトリグリシジルエーテル(和光純薬工業社製)
 質量平均分子量:260
 1分子当たりのエポキシ基数:3
 質量平均分子量を1分子当たりのカルボキシル基、アミノ基、水酸基、エポキシ基、水酸基の総数で除した値:87
(s)-2 ビスフェノールAジグリシジルエーテル(SIGMA-ALDRICH社製)
 質量平均分子量:340
 1分子当たりのエポキシ基数:2
 質量平均分子量を1分子当たりのカルボキシル基、アミノ基、水酸基、エポキシ基、水酸基の総数で除した値:170
(s)-3 (3-グリシジルオキシプロピル)トリエトキシシラン(SIGMA-ALDRICH社製)
 質量平均分子量:278
 1分子当たりのエポキシ基数:1
 質量平均分子量を1分子当たりのカルボキシル基、アミノ基、水酸基、エポキシ基、水酸基の総数で除した値:278
(s)-4 N,N’-ジシクロヘキシルカルボジイミド(和光純薬工業社製)(カルボジイミド基当量206、質量平均分子量206)。
 実施例および比較例に用いた成分(B)を構成する成分は、以下の通りである。なお、50℃の粘度は測定方法(1)に従い測定し、軟化温度はカタログ記載の値を示した。また、(B-1)および(B-2)は、成分(B’)でもある。
(B-1)50℃で液状のポリカルボジイミド化合物
(B-1)-1 脂肪族系ポリカルボジイミド“カルボジライト(登録商標)”V-02B(日清紡ケミカル社製)(50℃の粘度12.8Pa・s)
(B-1)-2 脂肪族系ポリカルボジイミド“カルボジライト(登録商標)”V-04K(日清紡ケミカル社製)(50℃の粘度0.68Pa・s)
(B-1)-3 脂肪族系ポリカルボジイミド“エラストスタブ(登録商標)”H01(日清紡ケミカル社製)(50℃の粘度2.81Pa・s)
(B-2)50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物
(B-2)-1 脂肪族系ポリカルボジイミド“カルボジライト(登録商標)” HMV-15CA(日清紡ケミカル社製)(50℃で固形、軟化温度70℃)
(B-2)-2 芳香族系ポリカルボジイミド“スタバクゾール(登録商標)”P(ラインケミー社製)(50℃で固形、軟化温度60℃~90℃)
(B-2)-3 脂肪族ポリカルボジイミド“カルボジライト(登録商標)”HMV-8CA(日清紡ケミカル社製)(カルボジイミド基当量278、質量平均分子量3,000)
(B-2)-4 芳香族ポリカルボジイミド“スタバクゾール(登録商標)”P400(ラインケミー社製)(質量平均分子量20,000)
(B-3)成分(B)を構成するその他の成分
(B-3)-1 ビスフェノールA型エポキシ樹脂“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)(50℃の粘度0.69Pa・s)
(B-3)-2 N,N’-ジシクロヘキシルカルボジイミド(和光純薬工業社製)(50℃の粘度0.02Pa・s)((s)-4と同じ化合物)
(B-3)-3 ビスフェノールA型エポキシ樹脂“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)100質量部に対し、ジシアンジアミドDICY7T(三菱化学(株)製)を15質量部、3-(3,4-ジクロロフェニル)-1,1-ジメチルウレアDCMU99(保土ヶ谷化学工業(株)製)を2質量部の割合で混合した混合物(50℃の粘度1.12Pa・s)
 実施例および比較例に用いた(C)成分は、以下の通りである。
(C)-1 融点285℃、質量平均分子量30,000、酸末端品、クロロホルム抽出量0.5質量%のポリフェニレンスルフィド
(C)-2 ポリカーボネート“ユーピロン(登録商標)”H-4000(三菱エンジニアリングプラスチックス社製)(ガラス転移温度145℃、質量平均分子量34,500)。
(C)-3 融点285℃のポリフェニレンスルフィド(ペレット)
(C)-4 繊維径8μmのポリフェニレンスルフィド繊維からなる不織布
(C)-5 繊維径4μmのポリフェニレンスルフィド繊維からなる不織布
(C)-6“スミカエクセル(登録商標)”4100G(住友化学社製)、ポリエーテルスルホン
(C)-7“VICTREX(登録商標)”HT G22(ビクトレックス社製)、ポリエーテルケトン。
 (参考例1)強化繊維へのサイジング剤の付与方法
 強化繊維(A)の繊維束を連続的に引き取り、サイジング剤(s)を1質量%含む水系のサイジング母液に浸漬し、次いで230℃で加熱乾燥することで、サイジング剤(s)が付着した強化繊維(A)を得た。乾燥後のサイジング剤(s)-1の付着量は、強化繊維(A)100質量部に対して0.5質量部に調整した。
 (参考例2)複合繊維束(D)の製造方法
 塗布温度に加熱されたロール上に、被含浸剤(成分(B))を加熱溶融した液体の被膜を形成させた。ロール上に一定した厚みの被膜を形成するためリバースロールを用いた。このロール上を連続した成分(A)を接触させながら通過させて被含浸剤を付着させた。次に、含浸温度に加熱されたチャンバー内にて、5組の直径50mmのロールプレス間を通過させた。この操作により、被含浸剤を繊維束の内部まで含浸させ、所定の配合量とした複合繊維束(D)を形成した。なお、複合繊維束(D)製造時の引取速度は、30m/分とした。
 (参考例3)成形材料の製造方法
 参考例2で得られた複合繊維束(D)を、日本製鋼所(株)TEX-30α型2軸押出機(スクリュー直径30mm、L/D=32)の先端に設置された電線被覆法用のコーティングダイ中に通し、押出機からダイ内に溶融させた成分(C)を吐出させて、複合繊維束の周囲を被覆するように連続的に配置した。この際、所望の強化繊維含有率になるように、複合繊維束(D)と成分(C)量を調整した。得られた連続状の成形材料を冷却後、カッターで切断して7mmの長繊維ペレット状の成形材料とした。なお、成形材料製造時の引取速度は、30m/分とした。
 (参考例4)成形品の成形方法
 得られた成形材料を140℃、5時間以上真空下で乾燥させた。乾燥させて得られた成形材料を、日本製鋼所(株)製J150EII-P型射出成形機を用いて、各試験片用の金型を用いて成形を行った。射出成形条件は、成分(C)がポリフェニレンスルフィドの場合はシリンダー温度:320℃、金型温度:150℃で行い、成分(C)がポリカーボネートの場合はシリンダー温度:300℃、金型温度:120℃で行った。また、射出成形の際の最大圧力を射出成形圧とした。120℃で3時間アニール処理した後に、デシケーター中で室温、3時間保管した乾燥状態の試験片について評価を行った。
 (実施例1-1~13、比較例1-1~4および比較例1-6~10)
 表1および表2に記載の組成について、表中に示す諸条件にて、参考例1~3に従い、長繊維ペレットを作製し、参考例4に従い特性評価用試験片(成形品)を射出成形した。なお、いずれの実施例・比較例においても、参考例2の工程と参考例3の工程は連続してオンラインで行った。
 評価結果を、まとめて表1および表2に示した。
 なお、比較例1-1では、成分(B)の粘度が高く、複合繊維束(D)を得ることができず、成形材料を得ることができなかった。また、比較例1-10においては、塗布・含浸工程において成分(B)が硬化してしまい(150℃、2時間加熱後の粘度変化率が2を超え)、複合繊維束(D)を得ることができず、成形材料を得ることができなかった。
 (比較例1-5)
 表2記載の組成について、表中に示す諸条件にて、参考例1に従いサイジング剤を付着させた強化繊維(A)を、成分(B)を使用せず、そのまま参考例3の複合繊維束(D)の代わりに用い、長繊維ペレットの作製を試みた。成分(C)の強化繊維束への含浸性が悪く、ペレタイズ時に毛羽が大量に発生し、成形材料を得ることができなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000020
 以上のように、実施例1-1~13においては、200℃以下においても強化繊維(A)への成分(B)の含浸性が良好であり、生産性に優れた成形材料が得られた。また、得られた成形材料を成形した成形品は、高い曲げ強度を示し、優れた力学特性を有した。
 一方比較例1-1~10においては、含浸温度が200℃以下で製造した場合、成形材料が製造できないか、もしくは製造できた場合も、実施例1-1~13と比較し成形品の曲げ強度が低く、生産性と良好な力学特性を両立できる成形材料は得られなかった。
 (実施例2-1~14、比較例2-1~3および比較例2-5)
 表3および表4に記載の組成について、表中に示す諸条件にて、参考例1~3に従い、長繊維ペレットを作製し、参考例4に従い特性評価用試験片(成形品)を射出成形した。なお、いずれの実施例・比較例においても、参考例2の工程と参考例3の工程は連続してオンラインで行った。
 評価結果を、まとめて表3および表4に示した。
 (比較例2-4)
 表4記載の組成について、表中に示す諸条件にて、参考例1に従いサイジング剤を付着させた強化繊維(A)を、成分(B)を使用せず、そのまま参考例3の複合繊維束(D)の代わりに用い、長繊維ペレットの作製を試みた。成分(C)の強化繊維束への含浸性が悪く、ペレタイズ時に毛羽が大量に発生し、成形材料を得ることができなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000022
 以上のように、実施例2-1~14においては、耐ブロッキング性が良好であり、取り扱い性に優れた成形材料が得られた。また、得られた成形材料を成形した成形品は、高い曲げ強度を示し、優れた力学特性を有した。
 一方比較例2-1~5においては、成形材料が製造できないか、もしくは製造できた場合も、実施例2-1~14と比較し成形材料の耐ブロッキング性もしくは成形品の曲げ強度が低く、取り扱い性と良好な力学特性を両立できる成形材料は得られなかった。
 (実施例3-1)
 熱可塑性樹脂(C-1)、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3を用いて、以下の手順によりマスターバッチを得た。
 二軸押出機(JSW社 TEX-30α、L/D=31.5)を使用し、熱可塑性樹脂(C-1)およびポリカルボジイミド化合物(B-2)-3をメインフィードして溶融混練を行った。溶融混練はシリンダー温度300℃、スクリュー回転数150rpm、吐出量10kg/時で行い、吐出物を引き取りながら水冷バスで冷却することでガットとし、前記ガットを切断することでマスターバッチを柱状体のペレットとした。このときの断面の長径やアスペクト比などの測定結果を表5に示す。また得られたマスターバッチ(M-1)の評価結果を表5に示す。
 (実施例3-2)
 熱可塑性樹脂(C-2)、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3を用いて、以下の手順によりマスターバッチを得た。
 110℃加熱されたロール上に、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3を加熱溶融した液体の被膜を形成させた。ロール上に一定した厚みの被膜を形成するためキスコーターを用いた。このロール上を、幅3cmの熱可塑性樹脂(C-2)を接触させながら通過させて、熱可塑性樹脂(C-2)にポリカルボジイミド化合物(B-2)-3を付着させた。次に、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3が付着した熱可塑性樹脂(C-2)に撚りをかけて棒状となるようにして、130℃に加熱された、ベアリングで自由に回転する一直線上に配置された10本の直径50mmのロールの上下を、交互に通過させた。この操作により、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3を不織布の内部まで含浸させ、空冷後、ガットを切断することでマスターバッチを柱状体のペレットとした。測定および評価結果を表5に示す。
 (実施例3-3)
 熱可塑性樹脂(C-2)を熱可塑性樹脂(C-3)に変更した以外は、実施例3-2と同様にして、マスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (実施例3-4)
 熱可塑性樹脂(C-1)を熱可塑性樹脂(C-4)に変更し、溶融混練時のシリンダー温度を330℃に変更した以外は実施例3-1と同様にしてマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (実施例3-5)
 熱可塑性樹脂(C-1)を熱可塑性樹脂(C-5)に変更し、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3をポリカルボジイミド化合物(B-2)-4に変更し、溶融混練時のシリンダー温度を390℃に変更した以外は実施例3-1と同様にしてマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (実施例3-6)
 ポリカルボジイミド化合物(B-2)-3をポリカルボジイミド化合物(B-2)-2に変更した以外は、実施例3-1と同様にしてマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (実施例3-7)
 成分(E)として、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-4を80℃の熱水中で5日間浸漬し、カルボジイミドをウレアへと反応したポリウレア化合物(E-1)を得た。なお、カルボジイミドがウレアへと反応したことを、化合物のIRスペクトル測定で、カルボジイミドの吸収ピークが消失することで確認した。
 得られたポリウレア化合物(E-1)を追加し、熱可塑性樹脂(C-1)、ポリカルボジイミド化合物(B-2)-2との構成比を表5に示すように変更してメインフィードした以外は、実施例3-6と同様にマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (比較例3-1)
 熱可塑性樹脂(C-1)とポリカルボジイミド化合物(B-2)-3との構成比を表5に示すように変更した以外は実施例3-1と同様にしてマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (比較例3-2)
 熱可塑性樹脂(C-1)を、押出機を用いて押出成形を行い、幅3mmの矩形断面となる帯状のガットを成形した。ついで、110℃に加熱されたホットメルト装置のポットで溶融させたポリカルボジイミド化合物(B-2)-3を、前記した帯状のガットの上に塗布し、空冷後、ガットを切断することで柱状体のペレットとしたマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
 (比較例3-3)
 スクリュー回転数を150rpmから250rpmに変更した以外は実施例3-1と同様にしてマスターバッチを得た。測定および評価結果を表5に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000023
 表5の実施例および比較例より以下のことが明らかにされた。
 実施例3-1および実施例3-4~7は、本発明のマスターバッチの第1の態様における全ての要件を満たすため、高温成形プロセスにおいて取り扱い性に優れ、かつ保管時の機能安定性に優れる。
 実施例3-2および実施例3-3は、本発明のマスターバッチの第2の態様におけるすべての要件を満たすため、高温成形プロセスにおいて取り扱い性に優れ、かつ保管時の機能安定性に優れる。
 実施例3-1と実施例3-4、実施例3-5を比較すると、熱可塑性樹脂(C)を変更した場合においても、取り扱い性および機能安定性に優れるため、本発明のマスターバッチを用いた樹脂組成物や繊維強化樹脂組成物を構成するマトリックス樹脂に適した熱可塑性樹脂(C)を選択可能なことがわかる。
 実施例3-1と実施例3-6を比較すると、ポリカルボジイミド化合物(B’)を変更した場合においても、取り扱い性および機能安定性に優れるため、本発明のマスターバッチを用いた樹脂組成物や繊維強化樹脂組成物を構成するマトリックス樹脂や強化繊維に適したポリカルボジイミド化合物(B’)を選択可能なことがわかる。
 実施例3-6と実施例3-7を比較すると、ポリウレア化合物(E)を含有することで、取り扱い性を保ちつつ、吸湿時の物性低下を改善可能なことがわかる。
 比較例3-1は、ポリカルボジイミド化合物(B’)の構成比が高く、マスターペレット表面における露出度も高いため、高温成形プロセスにおいて取り扱い性が悪く、吸湿時の物性低下が著しく、機能安定性が問題となることがわかる。
 比較例3-2は、ポリカルボジイミド化合物(B’)の平均厚みが厚く、取り扱い時にマスターバッチが2層に剥離してしまい、ブロッキングやブリッジングが発生しやすくなることがわかる。
 比較例3-3は、ポリカルボジイミド化合物(B’)の平均粒子径が小さく、反応が過度に進んだ状態となっているため、取り扱い性も低下し、吸湿時の物性低下のみならず、絶乾時の物性低下も生じていることがわかる。
 (実施例3-8)
 実施例3-1で作製したマスターバッチ(M-1)、熱可塑性樹脂(C-1)、強化繊維として炭素繊維“トレカ(登録商標)”T700SC-12K-50C(東レ社製)を6mmの長さに切断したチョップドストランドを用い、以下の手順により繊維強化樹脂組成物および成形品を得た。
 繊維強化樹脂組成物において、熱可塑性樹脂(C)76質量%、ポリカルボジイミド化合物(B’)4質量%、強化繊維20質量%の割合となるように、マスターバッチ(M-1)と熱可塑性樹脂(C-1)を容器内に入れてドライブレンド行った。二軸押出機(JSW社 TEX-30α、L/D=31.5)を使用し、前記ドライブレンドした樹脂ペレットをメインフィード、前記チョップドストランドをサイドフィードして各成分の溶融混練を行った。溶融混練はシリンダー温度300℃、スクリュー回転数150rpm、吐出量10kg/時で行い、吐出物を引き取りながら水冷バスで冷却することでガットとし、前記ガットを6mmの長さに切断することで繊維強化樹脂ペレットとした。
 射出成形機(JSW社 J150EII-P)を使用し、前記繊維強化樹脂ペレットの射出成形を行うことで評価用の繊維強化樹脂成形品を作製した。射出成形は、シリンダー温度320℃、金型温度150℃で行った。得られた成形品は、150℃で2時間アニール処理した後に、空冷して評価に供した。
 本発明で得られたマスターバッチを用いることで、二軸押出機で混練する際、メインフィードのホッパー付近でのブロッキングやブリッジングは発生せず、取り扱い性に優れることを確認した。またマスターバッチを用いた繊維強化樹脂組成物からなる成形品も高い力学特性を発現することを確認した。
 本発明の成形材料は、強化繊維に50℃で液状のポリカルボジイミド化合物を含む成分が含浸された複合繊維束が主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含む熱可塑性樹脂により被覆されることにより、200℃以下における強化繊維束への含浸性が良好であり、極めて生産性に優れるものである。また、本発明の成形材料は、強化繊維に50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物を含む成分が含浸された複合繊維束が主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含む熱可塑性樹脂により被覆されることにより、成形材料の耐ブロッキング性に優れ、取り扱い性に優れるものである。
 また、本発明の成形材料は、成形加工性に優れ、力学特性、特に曲げ強度に優れた成形品を得ることが可能であり、種々の用途に展開できる。特に自動車部品、電気・電子部品、家庭・事務電気製品部品に好適である。
 本発明のマスターバッチは、従来品に比べ、高温成形プロセスにおいて取り扱い性を飛躍的に向上させることが可能である。さらに本発明のマスターバッチは、成分(A)と成分(B’)のモルフォロジーを規定することで添加剤の含有量を高濃度化することが可能でありながら、保管時の機能安定性も兼ね備えたブロッキングやブリッジングの発生を抑制した取り扱い性に優れたマスターバッチである。このため、本発明のマスターバッチは、電子機器筐体、電気電子部品用途、自動車用部品や車両関連部品、建材、スポーツ用品などに好適に使用される強化繊維樹脂組成物や成形品に使用することができる。
 1 強化繊維の単繊維
 2 成分(B)
 3 複合繊維束(D)
 4 熱可塑性樹脂(C)
 5 メスシリンダー
 6 成形材料
 7 蓋
 8 おもり
 9 マスターバッチ
10 熱可塑性樹脂(A)
11 ポリカルボジイミド化合物(B’)
12 内接円
13 外接円
14 マスターバッチ
15 熱可塑性樹脂(A)
16 ポリカルボジイミド化合物(B’)
17 任意に選択された熱可塑性樹脂(An)
18 任意に選択された熱可塑性樹脂(An)に最近接する熱可塑性樹脂(Am)
19 ポリカルボジイミド化合物(B’)連続相の厚み
20 漏斗
21 漏斗の内径
22 蓋
23 マスターバッチ
24 容器
 

Claims (16)

  1. 下記成分(A)~(C)の合計を100質量部として、
     サイジング剤(s)が付着された強化繊維(A)5~50質量部、
     50℃で液状のポリカルボジイミド化合物(B-1)または50℃で固形状のポリカルボジイミド化合物(B-2)を含む成分(B)1~20質量部、
     主鎖の繰返し単位構造中に炭素以外の元素を含む熱可塑性樹脂(C)30~94質量部
    からなる成形材料であり、成分(A)に成分(B)が含浸された複合繊維束(D)が成分(C)で被覆された複合体である成形材料。
  2. 長さが1~50mmである、請求項1に記載の成形材料。
  3. 成分(A)と成分(B)が、成分(A)/成分(B)=5/1~3/1(質量比)の範囲内である、請求項1または2に記載の成形材料。
  4. 成分(B)のうち、成分(B-1)または(B-2)を20~100質量%含む、請求項1~3のいずれかに記載の成形材料。
  5. ポリカルボジイミド化合物(B-1)または(B-2)が脂肪族系ポリカルボジイミドである、請求項1~4のいずれかに記載の成形材料。
  6. 成分(C)がポリカーボネート、ポリエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリエーテルケトンケトンからなる群より選ばれる少なくとも1種の熱可塑性樹脂である、請求項1~5のいずれかに記載の成形材料。
  7. 成分(C)がカルボキシル基、水酸基およびアミノ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の官能基を分子中に少なくとも1個有する熱可塑性樹脂である、請求項1~6のいずれかに記載の成形材料。
  8. 成分(A)に付着したサイジング剤(s)が、カルボキシル基、水酸基、アミノ基およびエポキシ基からなる群より選ばれる少なくとも1種の官能基を1分子内に2個以上有する化合物である、請求項1~7のいずれかに記載の成形材料。
  9. 成分(A)が炭素繊維である、請求項1~8のいずれかに記載の成形材料。
  10. 請求項1に記載の成形材料の製造方法において、成分(A)に、50~300℃の溶融状態で成分(B)を接触させ、さらに加熱して成分(B)の供給量の80~100質量%を成分(A)に含浸させた複合繊維束(D)に、成分(C)を接触させて複合体を得る工程を含む、成形材料の製造方法。
  11. 複合繊維束(D)に、成分(C)を接触させて複合体を得た後に、1~50mmの長さに切断する工程を含む、請求項10に記載の成形材料の製造方法。
  12. 請求項1に記載の成形材料の製造方法において、成分(C)として、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を40~90質量%、成分(B’)として、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物を10~60質量%含んで構成されるマスターバッチであって、下記(i)(ii)のいずかを満たすマスターバッチを用いる成形材料の製造方法。
    (i)成分(C)に成分(B’)が分散した海島構造のモルフォロジーであり、成分(B’)の分散粒子の平均粒子径が1~100μmである。
    (ii)成分(B’)が連続構造のモルフォロジーであり、連続相の平均厚みが1~100μmである。
  13. 成分(C)として、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を40~90質量%、成分(B’)として、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物を10~60質量%含んで構成されるマスターバッチであって、成分(C)に成分(B’)が分散した海島構造のモルフォロジーであり、成分(B’)の分散粒子の平均粒子径が1~100μmであるマスターバッチ。
  14. 成分(C)として、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアリーレンスルフィド、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリエーテルケトンケトンからなる群から選択される少なくとも1種の熱可塑性樹脂を40~90質量%、成分(B’)として、カルボジイミド基を1分子内に2個以上有するポリカルボジイミド化合物を10~60質量%含んで構成されるマスターバッチであって、成分(B’)が連続構造のモルフォロジーであり、連続相の平均厚みが1~100μmであるマスターバッチ。
  15. 前記マスターバッチの表面積(S)にしめる前記マスターバッチの表面に現れるポリカルボジイミド化合物(B’)の面積(Sb)の露出度(Sb/S)と、前記マスターバッチの体積(V)にしめる前記マスターバッチ中のポリカルボジイミド化合物(B’)の体積(Vb)の割合(Vb/V)が、次式(1)および(2)の関係を示す、請求項13または14に記載のマスターバッチ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  16. 請求項1~9のいずれかに記載の成形材料、請求項10~12のいずれかに記載の方法で得られた成形材料、または請求項13~15のいずれかに記載のマスターバッチを用いた樹脂組成物または繊維強化樹脂組成物が成形されてなる成形品。
     
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