JPH02110140A - ポリエチレンコンボジット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、軽量で且つ高強力、高弾性率を有するほか耐
衝撃強力にも優れており、自動車、ヘリコプタ−等にお
けるの耐弾板あるいは野球用ヘルメットやレガース、警
護用層やヘルメット等として有用なポリエチレンコンポ
ジットに関するものである。

［従来の技術］ 従来、耐弾板や盾等に使われる材料は金属が主体であっ
たが、これらは重いため、最近では非金属としてガラス
繊維や炭素繊維で強化されたプラスチックが汎用されて
いる。しかしガラス繊維や炭素繊維も一般のプラスチッ
クに比べると比重が大きく、軽量化の観点からすると改
善の余地が残されている。ところで最近開発された高強
力ポリエチレン繊維は比重が小さくてしかも高強力を有
しており、軽量強化プラスチック材としての期待が寄せ
られている。しかしポリエチレンはポリオレフィン系樹
脂以外の樹脂との親和性および接着性が悪いため、各種
汎用樹脂と複合したとしても十分な強度特性を持った強
化プラスチックは得られ難い、そこでやむなく汎用ポリ
エチレン樹脂をマトリックスとして高強力ポリエチレン
繊維を複合させる技術が提案された（特開昭６０−２０
９２２８、同５８−１７１９５１）。ところが汎用ポリ
エチレンの中でも比較的物性の優れた高密度ポリエチレ
ンは、強化材たる高強力ポリエチレン繊維との融点差が
小さくなるため、繊維状強化材とマトリックスを相互に
十分浸透させることが困難であって、複合材料中に空隙
が残り易く、強度欠陥の原因となる。そこで、比較的融
点の低い低密度ポリエチレン等をマトリックスとして使
用することによって浸透性を良くし、空隙を少なくする
ことも考えられたが、この場合は低密度ポリエチレン自
体の強度が不十分であるため複合材料の衝撃強力を十分
に高めることができず、また耐熱性を満足し得るものに
はならなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記の様な従来技術の欠点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は、高強力ポリエチレン繊維強化
複合材中に空隙が残存して強度欠陥を生ずるとか、マト
リックス樹脂自体の物性不足に由来して耐衝撃性や耐熱
性が低くなるといった欠点を解消し、軽量で耐衝撃性に
優れたポリエチレンコンポジットを提供しようとするも
のである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は上記の様な課題を解決すべく検討を進めた
結果完成されたものであって、その構成は、引張強度が
２０グラム／デニール以上であり、且つ初期引張弾性率
が５００グラム／デニール以上であるポリエチレン繊維
からなる強化材（以下単にポリエチレン繊維強化材とい
う）と、架橋結合が形成されたポリエチレンマトリック
スよりなるところに要旨を有するものである。ここでポ
リエチレン繊維強化材と複合されるポリエチレンマトリ
ックスとしては、ポリエチレン繊維強化材の融点よりも
５℃以上低い融点を有し、且つ１４５℃で測定されるメ
ルトインデックスが２０以上のポリエチレン系ポリマー
を使用し、ポリエチレン繊維強化材と複合した後架橋さ
せたものが最も優れた物性を発揮する。また上記コンポ
ジットの外層に高密度ポリエチレン層を形成すれば、表
面強度の卓越したコンポジットを得ることができる。

［作用］ 本発明で強化材として使用されるポリエチレン繊維とし
ては、例えば特開昭６０−４５６０７号公報や特開昭６
０−５２６４７号公報等に記載されている様な高強力ポ
リエチレン繊維が挙げられ、該ポリエチレン繊維強化材
の引張強度は、２０グラム／デニール以上でなければな
らず、特に好ましいのは３０グラム／デニール以上のも
のである。又、初期引張弾性率は５００グラム／デニー
ル以上でなければならず、特に好ましいのは８００グラ
ム／デニール以上のものである。引張強度が２０グラム
／デニール未満である場合、あるいは初期引張弾性率が
５００グラム／デニール未満である場合は、得られるコ
ンポジットの引張り、曲げ、衝撃等の機械的強度を目標
レベルまで高めることができない。

一方マトリックス層構成材として用いるポリエチレンは
、強化材たるポリエチレン繊維の融点より少なくとも５
℃以上低い融点を有するものでなければならず、特に好
ましいのは１５℃以上低い融点を有するものである。ま
たこのポリエチレンは、ポリエチレン繊維強化材との親
和性を高めて複合効果を有効に発揮させるため、メルト
インデックスが大きいことが必要であり、１４５℃で測
定したメルトインデックスが２０以上、より好ましくは
４０以上のものが使用される。該メルトインデックスが
２０以下である場合は、繊維強化材たるポリエチレン繊
維の集合体中へのマトリックスの浸透が不十分になるば
かりでなく、該繊維集合体に対する濡れ性も悪くなり、
衝撃時に繊維強化材とマトリックスが界面＊ｕｔｔｔを
生じ易くなる。この点からすれば低密度ポリエチレンが
好ましい。尚マトリックスとなるポリエチレンは純粋な
ポリエチレンに限られる訳ではなく、部分変性されたポ
リエチレンであっても、所定のメルトインデックスと所
定の融点差を有するものであれば使用可能である。但し
変性ポリエチレンを使用する場合は、重合体中に占める
エチレン含量が７０モル％以上であるものを使用すべき
であり、これ以下のポリエチレン含量のものではポリエ
チレン繊維強化材との接着性が不足気味となって十分な
強度が得られ難くなる。

繊維強化材（以下強化繊維ということもある）とマトリ
ックス樹脂との複合手段は種々に考えられるが、代表的
なものとしては、一方向に並べられた強化繊維、又は強
化繊維よりなる織物・編物・不織布・紙等の平面状物に
溶融状マトリックス樹脂を含浸させたり、或はシート状
のマトリックス樹脂を重ねあわせた後加熱・溶融して含
浸させる等の方法が例示される。又マトリックス樹脂を
粉末とし強化繊維にまぶしたり混合した後加熱・溶融し
て含浸させたり、或は予め強化繊維の糸条にマトリック
スを溶融・付与しておいた復職・編物にしてもよい。

本発明のポリエチレンコンポジットは、上記の様にして
繊維強化材とマトリックス樹脂を複合した後、マトリッ
クス樹脂を架橋させることによって製造される。マトリ
ックス樹脂を架橋させる手段としては、ジクメンバーオ
キサイド、ｔａｒｔ−ブチルヒドロパーオキサイド、ｔ
ｅｒｔ−ブチル過安息香酸、各種過酸化ベンゾイル等の
有機過酸化物を配合して加熱する方法、あるいは放射線
照射法等が例示され、後者の方法を実施する場合は、マ
トリックス樹脂中に予め有機過酸化物を混入しておいて
ｉａ維強化材と複合せしめ、その後加熱して架橋させる
のが最も一般的である。この場合、必要によってはマト
リックス樹脂中に酸化防止剤や着色材等の第三成分を配
合することも勿論可能である。

この様に本発明は、繊維強化材に比べて低融点で且つメ
ルトインデックスの大きいポリエチレンをマトリックス
として繊維強化材と複合し、その後マトリックスを架橋
させるものであり、含浸・複合工程までのポリエチレン
は比較的低融点で且つ高メルトインデックスであるので
、繊維強化材相互の隙間内へスムーズに浸入して空隙を
満たし、含浸不良による強度欠陥を生ずる様な恐れはな
くなる。しかもこの様にして含浸・複合した後のポリエ
チレンマトリックスは、その後架橋して３次元構造とさ
れるので、マトリックス自体の強度不足による欠陥を生
ずる恐れもなく、卓越した物性のポリエチレンコンポジ
ットを得ることができる。

また上記の様にして得られるたとえばシート状複合体の
表層部に高融点の高密度ポリエチレン層を形成すれば、
表面硬度の一段と優れた複合材とすることができる。

［実施例］ 実施例１ 下記物性のポリエチレン繊維を使用した。

ＡＳＴＭ　　Ｄ２８５７により１３５℃のデカリン溶液
の粘度を測定して求めた固有粘度［ηコを下記（１）式 ％式％（１） ： に代入して得た平均分子量は２，０００，０００　。

ＪＩＳ　　Ｌ　　１０１３に準拠して求めた引張強度及
び初期引張弾性率は各々３０グラム／デニール及び１０
００グラム／デニール、示差走査熱量計を用いて昇温速
度１０’ｅ／分で測定した融点が１４５℃。

上記ポリエチレン繊維を使用し、全繊度３００デニール
、フィラメント数１８０本の経糸及び緯糸として経、綽
名２２木／インチの平織物を得た。該織物の両面に、Ｊ
ＩＳ　　Ｋ　　６７６０に準拠して求めた密度が０．９
２　ｇ　／　ｃｒｎ”であり、且っ示差走査熱量計を使
用し昇温速度１０ｔ／分で測定した融点が１０５℃であ
るポリエチレン粉末（粒径は２５０μｍ以下で１４５℃
におけるメルトインデックスが５０であり、且つ２．５
％のジクメンバーオキサイドを混入させたもの）をマト
リックス成分として配置し、１４０℃×１０にｇ／ｃｍ
２の条件で１０分間加熱・加圧することにより、厚みが
０．３　ｍｍの複合板を得た。この複合板を更に１０枚
積層して厚みを３ａ＋ｌ１１とした。この積層複合板中
の１ａｆａ含有量は４３％であった。

こうして得た積層複合板の引張強力は８７Ｋｇ／ｍｍ”
　、層間剪断強力は４．５　Ｋｇ／ｍｍ２．曲げ弾性率
は６．５ｘｌＯ’にｇ／　ｍｍ’　、落錘試験で求めた
衝撃強力は９０ジユール（落錘試験で破壊を起す最小エ
ネルギー）であり、何れも非常に優れたものであった。

実施例２ 実施例１における成形条件を１３５℃Ｘ１０Ｋｇ／ｃｍ
２ｘ５分間とした他は実施例１と同様にして厚み０．３
　ｍｍの複合板を得た。この複合板に２ｅＶＸ５ｍＡの
電子線を５秒間照射した後、これを１０枚積層して厚み
３ｍｍの複合板を得た。

得られた複合積層板の引張強力は８５Ｋｇ、／ｍ口２、
層間剪断強力は４．３　Ｋｇ、／’ｍｍ’　、曲げ弾性
率は６．５Ｘ１０’にｇ／ｍｎ＋’、落錘試験で求めた
衝撃強力は８５ジユールであった。

実施例３ 実施例１で用いたのと同じポリエチレン繊維の平織物を
、メルトインデックス４５（１４５℃）の低密度ポリエ
チレン（融点１０３℃）粉末と複合し、１４０℃×１０
にｇ／ｃａ＋２で５分間加熱・加圧して厚み０．３　ｍ
ｍの複合板を得た。この複合板を２ｅＶＸ５ｍＡの加速
電子線で１５秒間処理した後、この複合板１０枚を積層
して正味３＋ｎｍにした。得られた積層複合板の引張強
力は８５Ｋｇ／ｍｍ”　、曲げ弾性率は５．８Ｘ１０３
にｇ／ｍｍ’、層間剪断強力は４．１に８７ｍｍ２であ
った。

実施例４ 実施例１で用いたのと同じポリエチレン繊維よりなる短
繊維（ｌａ維長５ｍｍ）と、実施例３で用いたのと同じ
低密度ポリエチレン粉末とを、重量比で４：６の割合い
で配合し、１３５℃で溶融混合した。この溶融混合物を
使用し、金型で厚み１０ｍ１ｎのシート状に成形した（
成形温度１４０℃、圧力１０Ｋｇ／ｃｍ’　）。得られ
たシート状物に実施例３と同様の加速電子線処理を施し
て、マトリックス層を架橋させた。

こうして得た複合板の引張強力は２２Ｋｇ／ｎ＋ｍ’で
あり、曲げ弾性率は３．１ｘｌＯ’に８７ｍｍ２であっ
た。

比較例１ 実施例１で用いたのと同じポリエチレン繊維の平織物と
、ジクメンバーオキサイドを配合しなかった他は実施例
１と同じポリエチレン粉末よりなるマトリックスを使用
し、実施例１と同様に処理して厚み３ｍ＋ｎの積層複合
板を得た。

得られた積層複合板の引張強力は７３に８７ｍｍ２、曲
げ弾性率は！、５　ｘ　１０２Ｋｇ／ｍｍ’　、層間剪
断強力は２゜３にｇ／　ｍｍ２、落錘試験で求めた衝撃
強力は４０ジユールであり、いずれの性能も実施例１で
得た積層複合板よりも劣るものであった。

比較例２ 実施例３における加速電子線処理を省略しマトリックス
層を架橋させなかった他は全く同様にして得た積層複合
板の引張強力は７５に８７０ｍ２、曲げ弾性率は１．６
　Ｘ　１０　’　Ｋｇ／ｍｍ２、層間剪断強力は２．１
　Ｋｇ／ｍｍ２であり、いずれも実施例３で得た積層複
合板よりも劣るものであった。

比較例３ 実施例４における加速電子線処理のみを省略して得た複
合板の引張強力は１３にｇ／　ｍｍ’　％曲げ弾性率は
１．３　ｘ　１０２Ｋｇ／＋＋ｍ’であり、いずれも実
施例４で得た複合板に比べて著しく劣るものであった。

比較例４ 実施例１におけるポリエチレン粉末に代えて、ジクメン
バーオキサイドを含まないポリプロピレン粉末（融点＝
１６２℃、従）て１４５℃のメルトインデックス測定不
可）を使用し、加熱・加圧成形時の温度を１７０℃にし
た以外全く同様にして積層複合板を得た。得られた積層
複合板の引張強力は２５　Ｋｇ／ｍｍ２、曲げ弾性率は
２．３Ｘ１０２にｇ／　ｍ　ｍ　２であり、いずれも実
施例１で得た積層複合板よりかなり悪かった。

実施例５ 実施例１におけるポリエチレン粉末に代えて、３．５モ
ル％の不飽和基を含むポリエチレン（融点９８℃、メル
トインデックス５０、クメンパーオキサイドの配合率は
２．０％）を使用し、以下実施例１と同様にして厚さ０
．３　ｍｍの複合板を得、これを更に１０枚積層して厚
みが３ｍ１１１の積層複合板とした。

得られた積層複合板の引張強力は８０　Ｋｇ／ｎｕｎ’
　、曲げ弾性率は４．４　Ｘ　１０３Ｋｇ／ｍｍ２．層
間剪断強力は４．２　Ｋｇ／ｍｍ”であった。

比較例５ 実施例１で用いたのと同じポリエチレン繊維平織物と、
ＪＩＳ−に−６７６０に基づいて求めた密度が０．９７
ｇ／ｃｍ３であり、示差走査熱量計を使用し昇温速度１
０℃／分で測定した融点が１３０℃のポリエチレン粉末
（粒径２５０μｍ以下、１４５℃でのメルトインデック
スが５で、ジクメンバーオキサイドを２．５％含む）を
使用し、以下実施例１と同様にして厚みが３ｎ＋＋ｎの
積層複合板を得た。

この積層板の引張強力は７８にｇ／ｍｍ’、曲げ弾性率
は５．６　Ｘ　１０２Ｋｇ／　ｍｌ’　、層間剪断強力
は２．４にｇ／ｍｍ２であり、何れも実施例１で得た積
層複合板に比べて劣るものであった。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、ポリエチレン繊維
強化材と架橋ポリエチレンマトリックスが空隙欠陥なく
複合一体化したものであって、従来のガラス繊維強化プ
ラスチック等に比べて軽量で且つ引張強力、引張弾性、
耐衝撃強力の優れたものであり、自動車やヘリコプタ−
等の耐衝撃板の他、各種防護部材、例えば警護用の盾や
ヘルメット、野球用レガースやヘルメット等として幅広
く活用することができる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）引張強度が２０グラム／デニール以上であり、且
   つ初期引張弾性率が５００グラム／デニール以上である
   ポリエチレン繊維からなる強化材と、架橋されたポリエ
   チレンマトリックスよりなることを特徴とするポリエチ
   レンコンポジット。
2. （２）ポリエチレンマトリックスが、ポリエチレン繊維
   からなる強化材の融点より少なくとも５℃以上低い融点
   を持ち、且つ１４５℃で測定されるメルトインデックス
   が２０以上であるポリエチレン系ポリマーを使用し、ポ
   リエチレン繊維からなる前記強化材と複合した後架橋結
   合が形成されたものである請求項（１）に記載のポリエ
   チレンコンポジット。
3. （３）請求項（１）または（２）に記載されたコンポジ
   ットの外層に高密度ポリエチレン層を形成してなるポリ
   エチレンコンポジット。