JPH04227605A - 流動性および衝撃強度が改善された超高分子量ポリエチレン/スチレン成形組成物 - Google Patents
流動性および衝撃強度が改善された超高分子量ポリエチレン/スチレン成形組成物Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は超高分子量ポリエチレン
を含有する耐摩耗性材料の製造方法およびその方法の生
成物に関する。
を含有する耐摩耗性材料の製造方法およびその方法の生
成物に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決すべき課題】超高分子量ポリ
エチレン(UHMWPE)、粘度計法によって測定され
た約150万〜約600万の範囲に及ぶ分子量を有する
高密度ポリエチレンは、いくつかの非常に魅力的な性質
を有する市販の材料である。それは非常に高い衝撃強度
、高い耐摩耗性、低い摩耗係数および化学的不活性を有
する。しかしながら、これらの性質の商業的開発は、U
HMWPEが従来の成形方法によって成形することが極
端に困難であるという事実によって邪魔されてきた。
エチレン(UHMWPE)、粘度計法によって測定され
た約150万〜約600万の範囲に及ぶ分子量を有する
高密度ポリエチレンは、いくつかの非常に魅力的な性質
を有する市販の材料である。それは非常に高い衝撃強度
、高い耐摩耗性、低い摩耗係数および化学的不活性を有
する。しかしながら、これらの性質の商業的開発は、U
HMWPEが従来の成形方法によって成形することが極
端に困難であるという事実によって邪魔されてきた。
【0003】たいていのUHMWPE造形品は金属の成
形加工におけるように、成形された棒またはビレットか
ら造形品に機械加工することによって現在は作られてい
る。棒およびビレットは、約1200〜1500psi
および160〜200℃の非常に高い温度および圧力で
微粒子状の重合体を焼結することによって通常は作られ
ている。焼結技術はまた仕上げ造形品を形成するために
使用されるが、それはまた成形物体を調製するために必
要とされる時間およびエネルギーがその使用を商業的に
非実用的にするから満足がいくものではない。その上、
複雑な造形品は実質的に製造不可能である。
形加工におけるように、成形された棒またはビレットか
ら造形品に機械加工することによって現在は作られてい
る。棒およびビレットは、約1200〜1500psi
および160〜200℃の非常に高い温度および圧力で
微粒子状の重合体を焼結することによって通常は作られ
ている。焼結技術はまた仕上げ造形品を形成するために
使用されるが、それはまた成形物体を調製するために必
要とされる時間およびエネルギーがその使用を商業的に
非実用的にするから満足がいくものではない。その上、
複雑な造形品は実質的に製造不可能である。
【0004】Schouten等の米国特許第3,91
1,051号は成形に適したUHMWPEを教示してい
るが、それはUHMWPEおよび、ブタジエンとスチレ
ンの共重合体のような、高度に不飽和な、架橋可能な炭
化水素ゴムバインダー、バインダー相を架橋するための
架橋剤に加えて場合によっては10重量までのスチレン
のような架橋性単量体の混合物を含むものである。特に
その記述が“いくつかの場合”粒子の表面がバインダー
に対し架橋されうることを言及しているから、生成物は
ゴムマトリックス中の微粒子状UHMWPEの分散物で
あるように思われる。
1,051号は成形に適したUHMWPEを教示してい
るが、それはUHMWPEおよび、ブタジエンとスチレ
ンの共重合体のような、高度に不飽和な、架橋可能な炭
化水素ゴムバインダー、バインダー相を架橋するための
架橋剤に加えて場合によっては10重量までのスチレン
のような架橋性単量体の混合物を含むものである。特に
その記述が“いくつかの場合”粒子の表面がバインダー
に対し架橋されうることを言及しているから、生成物は
ゴムマトリックス中の微粒子状UHMWPEの分散物で
あるように思われる。
【0005】ヨーロッパ特許出願発行番号第277,7
50は“流動性改良剤”、好ましくはUHMWPEの融
点より20〜70℃低い融点を有する脂肪族炭化水素を
使用して均質混合物にUHMWPEを分散することによ
るその加工を教示している。分散物はUHMWPEの融
点以上の温度で溶融押出しされ、そして延伸工程の前、
間または後で、流動性改良剤は除去される。
50は“流動性改良剤”、好ましくはUHMWPEの融
点より20〜70℃低い融点を有する脂肪族炭化水素を
使用して均質混合物にUHMWPEを分散することによ
るその加工を教示している。分散物はUHMWPEの融
点以上の温度で溶融押出しされ、そして延伸工程の前、
間または後で、流動性改良剤は除去される。
【0006】米国特許第4,952,625号は、シー
トを形成するために2軸押出機中にまたは圧縮成形用型
中に、液状単量体“流動性改良剤”と一緒に、UHMW
PE粒子を供給することによってUHMWPE成形物品
を製造する方法を開示している。単量体はスチレンまた
はα−メチルスチレンでありうる。その方法は明らかに
“流動性改良剤”中への粒子の溶解を含まなくてUHM
WPEを溶融する比較的高い加工温度を必要とする。生
成物は非常に高い量の残留単量体を含み、満足な濃度ま
で真空除去するために多くの時間を必要とする。
トを形成するために2軸押出機中にまたは圧縮成形用型
中に、液状単量体“流動性改良剤”と一緒に、UHMW
PE粒子を供給することによってUHMWPE成形物品
を製造する方法を開示している。単量体はスチレンまた
はα−メチルスチレンでありうる。その方法は明らかに
“流動性改良剤”中への粒子の溶解を含まなくてUHM
WPEを溶融する比較的高い加工温度を必要とする。生
成物は非常に高い量の残留単量体を含み、満足な濃度ま
で真空除去するために多くの時間を必要とする。
【0007】高レベルの衝撃強度、高い耐摩耗性、およ
びUHMWPE物品と連合させられた他の望ましい性質
と同様に、商業的に許容しうる濃度の残留単量体を持ち
、そして比較的低い温度および圧力で加熱技術によって
容易に形成できるUHMWPE成形物品を製造する方法
に対する要求がある。
びUHMWPE物品と連合させられた他の望ましい性質
と同様に、商業的に許容しうる濃度の残留単量体を持ち
、そして比較的低い温度および圧力で加熱技術によって
容易に形成できるUHMWPE成形物品を製造する方法
に対する要求がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、超高分子量ポ
リエチレン(UHMWPE)と液状スチレン単量体を混
合し、その混合物を加熱された型に充填し、単量体を重
合する工程を含む、UHMWPEを包含する成形物品を
製造する方法において、上記の混合物がスチレン単量体
20%〜65%中のUHMWPE粒子約35〜85%で
ある分散液であり、そしてまた触媒量のフリーラジカル
ビニル重合触媒を含有しており、そして型がUHMWP
Eを前記単量体に溶解させ、次いでスチレン単量体を固
体重合体に重合させるのに十分な温度まで加熱されるこ
とを特徴とするものである。場合によっては、スチレン
単量体は前記の割合内で全単量体相の重量基準で約10
%までの少なくとも1種類の他のフリーラジカルビニル
重合可能な単量体を含むことができる。
リエチレン(UHMWPE)と液状スチレン単量体を混
合し、その混合物を加熱された型に充填し、単量体を重
合する工程を含む、UHMWPEを包含する成形物品を
製造する方法において、上記の混合物がスチレン単量体
20%〜65%中のUHMWPE粒子約35〜85%で
ある分散液であり、そしてまた触媒量のフリーラジカル
ビニル重合触媒を含有しており、そして型がUHMWP
Eを前記単量体に溶解させ、次いでスチレン単量体を固
体重合体に重合させるのに十分な温度まで加熱されるこ
とを特徴とするものである。場合によっては、スチレン
単量体は前記の割合内で全単量体相の重量基準で約10
%までの少なくとも1種類の他のフリーラジカルビニル
重合可能な単量体を含むことができる。
【0009】もし活性化が約130℃以下で起こらない
ならば、任意の既知の熱活性化フリーラジカル触媒も使
用できる。好ましい触媒は、t−ブチルクミルペルオキ
シド、ジクミルペルオキシドまたはジブチルペルオキシ
ドのような有機過酸化物である。また高温および低温分
解性過酸化物の混合物を使用することもできる。必要と
される触媒の量は、系内のスチレン単量体(または混合
単量体)の重量基準で、たとえば約0.2〜1重量%の
ような、従来認められた触媒的な量である。従来の触媒
量よりも低い量または多い量が使用できるが、低い量は
長い硬化時間を必要とし、一方多い量は有利な点を全く
提供しないことがよく知られている。
ならば、任意の既知の熱活性化フリーラジカル触媒も使
用できる。好ましい触媒は、t−ブチルクミルペルオキ
シド、ジクミルペルオキシドまたはジブチルペルオキシ
ドのような有機過酸化物である。また高温および低温分
解性過酸化物の混合物を使用することもできる。必要と
される触媒の量は、系内のスチレン単量体(または混合
単量体)の重量基準で、たとえば約0.2〜1重量%の
ような、従来認められた触媒的な量である。従来の触媒
量よりも低い量または多い量が使用できるが、低い量は
長い硬化時間を必要とし、一方多い量は有利な点を全く
提供しないことがよく知られている。
【0010】UHMWPE/スチレン単量体スラリーが
型に充填されて熱が加えられるとき、UHMWPEは約
120〜125℃の温度でスチレン単量体に溶解し、ゲ
ルを形成する。この溶解は示差走査熱量計(DSC)に
よって作られる熱量測定走査曲線上の吸熱表示としては
っきり見えて、それは120〜125℃に生じる。溶解
はどのような意味のある量の重合の生成にも先立って起
こる。温度が約155〜165℃に上昇するとき、スチ
レン単量体の重合と成分の架橋が開始され、UHMWP
Eとスチレン重合体の相互浸透網目を形成する。
型に充填されて熱が加えられるとき、UHMWPEは約
120〜125℃の温度でスチレン単量体に溶解し、ゲ
ルを形成する。この溶解は示差走査熱量計(DSC)に
よって作られる熱量測定走査曲線上の吸熱表示としては
っきり見えて、それは120〜125℃に生じる。溶解
はどのような意味のある量の重合の生成にも先立って起
こる。温度が約155〜165℃に上昇するとき、スチ
レン単量体の重合と成分の架橋が開始され、UHMWP
Eとスチレン重合体の相互浸透網目を形成する。
【0011】好ましくは、混合物はまた分子中に1点以
上のフリーラジカル重合可能なビニル不飽和を有する架
橋性単量体を含有する。その上、温度が約155〜16
5℃に上昇するとき、スチレン単量体の重合と架橋の両
方が開始され、UHMWPEの相互浸透する網目と架橋
スチレン重合体の形成を引き起こす。
上のフリーラジカル重合可能なビニル不飽和を有する架
橋性単量体を含有する。その上、温度が約155〜16
5℃に上昇するとき、スチレン単量体の重合と架橋の両
方が開始され、UHMWPEの相互浸透する網目と架橋
スチレン重合体の形成を引き起こす。
【0012】本発明のアロイ組成物に使用できる架橋性
単量体としては、たとえばジビニルベンゼン、ジイソプ
ロペニルベンゼン、ジアリルベンゼン、フタル酸ジアリ
ル、ビニルノルボルネン、トリメタクリル酸トリメチロ
ールプロパン、ジメタクリル酸テトラメチレングリコー
ル、およびアクリル酸ビニルが挙げられる。架橋性単量
体が架橋のみをもたらすことを意図するならば、好まし
い量は約0.1〜8%、より好ましくは約0.1〜4%
である。最も好ましくは、前記架橋する量より多い量で
は架橋性単量体は、実質的には組成物の硬化時間を著し
く減少できるコモノマーになるから、架橋性単量体の量
は4〜50%である。好ましい架橋性単量体はジビニル
ベンゼンである。なぜならばそれはスチレンと構造的な
類似性を有するからである。
単量体としては、たとえばジビニルベンゼン、ジイソプ
ロペニルベンゼン、ジアリルベンゼン、フタル酸ジアリ
ル、ビニルノルボルネン、トリメタクリル酸トリメチロ
ールプロパン、ジメタクリル酸テトラメチレングリコー
ル、およびアクリル酸ビニルが挙げられる。架橋性単量
体が架橋のみをもたらすことを意図するならば、好まし
い量は約0.1〜8%、より好ましくは約0.1〜4%
である。最も好ましくは、前記架橋する量より多い量で
は架橋性単量体は、実質的には組成物の硬化時間を著し
く減少できるコモノマーになるから、架橋性単量体の量
は4〜50%である。好ましい架橋性単量体はジビニル
ベンゼンである。なぜならばそれはスチレンと構造的な
類似性を有するからである。
【0013】本発明に使用されるUHMWPEは、粘度
計法によって測定された約150万〜600万の分子量
を有するエチレンの見掛け−熱可塑性重合体である。 (以後、“ポリエチレン”に対する全ての言及はUHM
WPEに適用されることを意図される)。それは約14
0℃の融点を有し、熱可塑性よりも架橋物質の溶融物性
によりぴったりと類似する溶融物性を示す。融点で、粒
子は変形できるが、重合体は熱可塑性と一般的に関連し
た意味において自由に流動しない。上文に指摘したよう
に、それが、たとえば、射出成形または圧縮成形によっ
てこれらの材料を加熱成形することが極度に困難である
理由である。
計法によって測定された約150万〜600万の分子量
を有するエチレンの見掛け−熱可塑性重合体である。 (以後、“ポリエチレン”に対する全ての言及はUHM
WPEに適用されることを意図される)。それは約14
0℃の融点を有し、熱可塑性よりも架橋物質の溶融物性
によりぴったりと類似する溶融物性を示す。融点で、粒
子は変形できるが、重合体は熱可塑性と一般的に関連し
た意味において自由に流動しない。上文に指摘したよう
に、それが、たとえば、射出成形または圧縮成形によっ
てこれらの材料を加熱成形することが極度に困難である
理由である。
【0014】本発明に従って、成形用型にUHMWPE
を装入するために、微粒子の重合体は、重合体粒子間の
空隙空間が液状単量体によって占有されうる流動可能な
スラリーを作るためにスチレン単量体に懸濁させられる
。そのため、粒子間の液体の層は型内へポンプで注入さ
れるようにスラリーに対して十分な潤滑性を与えるよう
にする。然しながら、用語“流動できる”は“ポンプで
注入できる”ことに限定されることを意味しない。スラ
リーは、それが型に押し込むことができ、次いで圧縮力
をかけることによって型の形状を帯びるようにすること
ができるならば、たとえその粘度が容易にポンプで注入
することができないようなものであっても流動可能であ
るとみなすことができる。
を装入するために、微粒子の重合体は、重合体粒子間の
空隙空間が液状単量体によって占有されうる流動可能な
スラリーを作るためにスチレン単量体に懸濁させられる
。そのため、粒子間の液体の層は型内へポンプで注入さ
れるようにスラリーに対して十分な潤滑性を与えるよう
にする。然しながら、用語“流動できる”は“ポンプで
注入できる”ことに限定されることを意味しない。スラ
リーは、それが型に押し込むことができ、次いで圧縮力
をかけることによって型の形状を帯びるようにすること
ができるならば、たとえその粘度が容易にポンプで注入
することができないようなものであっても流動可能であ
るとみなすことができる。
【0015】予期された如く、スラリーの粘度はUHM
WPE含量が増加するにつれて増大する。一般に、架橋
性単量体なしで、ポリエチレン約50%以下のスラリー
は優れた流動性を有しポンプで注入できると称すること
ができるが、ポリエチレン約55%以上の濃度ではその
流動性は減少して依然として“流動可能”ではあるがポ
ンプ注入はできなくなる。架橋性単量体が含まれるなら
ば、それは乾いた手ざわりとなってポンプで注入できな
くなるけれども、UHMWPEを79〜80%含有する
スラリーは圧力下に依然として成形することができる。
WPE含量が増加するにつれて増大する。一般に、架橋
性単量体なしで、ポリエチレン約50%以下のスラリー
は優れた流動性を有しポンプで注入できると称すること
ができるが、ポリエチレン約55%以上の濃度ではその
流動性は減少して依然として“流動可能”ではあるがポ
ンプ注入はできなくなる。架橋性単量体が含まれるなら
ば、それは乾いた手ざわりとなってポンプで注入できな
くなるけれども、UHMWPEを79〜80%含有する
スラリーは圧力下に依然として成形することができる。
【0016】すべての濃度レベルで流動性は比較的大き
い粒子のポリエチレンによって良くなる。商業的に、U
HMWPEは、その85%が75μm以下である材料か
らその94〜98%が180μmより大きい材料におよ
ぶさまざまな粒度で入手できる。粒度の効果はポリエチ
レン約55%およびそれより高いスラリーにおいて最も
決定的である。ポリエチレン約55%までのスラリーは
どのような市販のUHMWPE材料を使用してもポンプ
で注入できる。
い粒子のポリエチレンによって良くなる。商業的に、U
HMWPEは、その85%が75μm以下である材料か
らその94〜98%が180μmより大きい材料におよ
ぶさまざまな粒度で入手できる。粒度の効果はポリエチ
レン約55%およびそれより高いスラリーにおいて最も
決定的である。ポリエチレン約55%までのスラリーは
どのような市販のUHMWPE材料を使用してもポンプ
で注入できる。
【0017】粒度の効果に加えて、多分散性はスラリー
の流動性に影響する。このように、低粒度成分が十分に
多量であるならば巾広い粒度スペクトルの材料が流動可
能である。
の流動性に影響する。このように、低粒度成分が十分に
多量であるならば巾広い粒度スペクトルの材料が流動可
能である。
【0018】スチレン以外の、本発明の方法および組成
において使用できるスチレン単量体には、アルキル置換
基が炭素原子数1〜4である環置換アルキルスチレンが
あり、1個で置換されたスチレンよりも高い沸点を有す
るから後者(炭素原子数4)が好ましい。環置換された
、炭素原子数1〜4のアルキルスチレンのどれもが使用
できる。使用できる典型的なアルキルスチレンはo−メ
チルスチレン、p−メチルスチレン、o−エチルスチレ
ン、p−ブチルスチレン、p−イソブチルスチレン、m
−メチルスチレンおよびm−エチルスチレンがある。 p−メチルスチレン異性体が最も好ましい。
において使用できるスチレン単量体には、アルキル置換
基が炭素原子数1〜4である環置換アルキルスチレンが
あり、1個で置換されたスチレンよりも高い沸点を有す
るから後者(炭素原子数4)が好ましい。環置換された
、炭素原子数1〜4のアルキルスチレンのどれもが使用
できる。使用できる典型的なアルキルスチレンはo−メ
チルスチレン、p−メチルスチレン、o−エチルスチレ
ン、p−ブチルスチレン、p−イソブチルスチレン、m
−メチルスチレンおよびm−エチルスチレンがある。 p−メチルスチレン異性体が最も好ましい。
【0019】全単量体相の10%を置き換えることがで
きる他のフリーラジカルビニル重合可能な単量体は、約
130℃以上の沸点を有する、アクリル酸、アクリル酸
ブチル、およびメタクリル酸ブチルのようなどのような
単量体でもある。
きる他のフリーラジカルビニル重合可能な単量体は、約
130℃以上の沸点を有する、アクリル酸、アクリル酸
ブチル、およびメタクリル酸ブチルのようなどのような
単量体でもある。
【0020】重合のための反応時間、すなわち硬化時間
は、周知の原理に従って使用される触媒の量によって影
響される。UHMWPEにスチレン単量体を加えた重量
基準で、約0.5%の好ましい触媒濃度を使用して、高
性能の特殊重合体の応用のため造形品を調製する方法の
実際的使用のための155〜165℃の温度範囲内で硬
化時間は十分速められる。重合は普通は約10〜15分
で完了する。触媒濃度を増大または減少させることはそ
れに応じて硬化時間を変化させるものである。単量体の
重量基準で、1%の過酸化物を含有するスラリーに対す
る典型的な硬化時間は約350秒である。
は、周知の原理に従って使用される触媒の量によって影
響される。UHMWPEにスチレン単量体を加えた重量
基準で、約0.5%の好ましい触媒濃度を使用して、高
性能の特殊重合体の応用のため造形品を調製する方法の
実際的使用のための155〜165℃の温度範囲内で硬
化時間は十分速められる。重合は普通は約10〜15分
で完了する。触媒濃度を増大または減少させることはそ
れに応じて硬化時間を変化させるものである。単量体の
重量基準で、1%の過酸化物を含有するスラリーに対す
る典型的な硬化時間は約350秒である。
【0021】触媒濃度を増大または減少させることはま
たその結果生じる重合体混合物の融点および生成物中の
残留単量体の濃度に影響する。高濃度の触媒は融点の低
下をもたらす。すなわち触媒を0.5%使用して作った
材料は触媒を0.25%使用して作った同じ材料よりも
約3℃低温で溶融する。他方、0.25%から0.5%
への触媒濃度の増大は残留単量体濃度を50%だけまた
はそれ以上減少させる。これは経済的理由のために好ま
しくそしてまた一般にスチレン単量体に関連した不快な
臭いを減少させるためにも望ましい。
たその結果生じる重合体混合物の融点および生成物中の
残留単量体の濃度に影響する。高濃度の触媒は融点の低
下をもたらす。すなわち触媒を0.5%使用して作った
材料は触媒を0.25%使用して作った同じ材料よりも
約3℃低温で溶融する。他方、0.25%から0.5%
への触媒濃度の増大は残留単量体濃度を50%だけまた
はそれ以上減少させる。これは経済的理由のために好ま
しくそしてまた一般にスチレン単量体に関連した不快な
臭いを減少させるためにも望ましい。
【0022】スチレン単量体の重合が約160℃および
それより高温で起こり、スチレン単量体およびメチルス
チレンの沸点が僅か140〜150℃であるから、可成
りの量の単量体は型が閉じられてスチレン単量体が加熱
されるときに揮発して除去できる。すなわち膨張が生じ
揮発した単量体の若干量が漏出する。この問題を軽減す
るために、少量の、たとえばスチレン−ブタジエンゴム
(SBR)、エチレン−プロピレン−ジエンゴムまたは
天然ゴムのような相溶可能なスチレン可溶性弾性体を加
えることができる。アクリレートのような、より極性の
ビニル重合可能な単量体が単量体混合物中に含まれると
き、スチレン−アクリロニトリルのようなより極性の弾
性体を使用することができる。弾性体はそれが加熱され
るときスラリーの粘度を高レベルに維持する傾向があり
、単量体をいっそう揮発困難にする。漏出が起こるとき
、漏出する単量体が蒸発してその後に弾性体の層を残し
、それがそれ以上の漏出に対して型を密封する。UHM
WPEにスチレン単量体を加えた重量基準で約10重量
%まで、好ましくは約2〜10%の量の弾性体を使用で
きる。弾性体の存在はまた成形および硬化後の混合物の
衝撃強度に寄与する。
それより高温で起こり、スチレン単量体およびメチルス
チレンの沸点が僅か140〜150℃であるから、可成
りの量の単量体は型が閉じられてスチレン単量体が加熱
されるときに揮発して除去できる。すなわち膨張が生じ
揮発した単量体の若干量が漏出する。この問題を軽減す
るために、少量の、たとえばスチレン−ブタジエンゴム
(SBR)、エチレン−プロピレン−ジエンゴムまたは
天然ゴムのような相溶可能なスチレン可溶性弾性体を加
えることができる。アクリレートのような、より極性の
ビニル重合可能な単量体が単量体混合物中に含まれると
き、スチレン−アクリロニトリルのようなより極性の弾
性体を使用することができる。弾性体はそれが加熱され
るときスラリーの粘度を高レベルに維持する傾向があり
、単量体をいっそう揮発困難にする。漏出が起こるとき
、漏出する単量体が蒸発してその後に弾性体の層を残し
、それがそれ以上の漏出に対して型を密封する。UHM
WPEにスチレン単量体を加えた重量基準で約10重量
%まで、好ましくは約2〜10%の量の弾性体を使用で
きる。弾性体の存在はまた成形および硬化後の混合物の
衝撃強度に寄与する。
【0023】その結果生じる重合体混合物の物理的性質
は具体的に列挙した濃度範囲にわたって変化する。約5
0/50濃度のUHMWPE対ポリスチレンで、性質、
すなわち剛さおよび衝撃強度は強靭なポリスチレンの性
質に似ている。この後に示すデータは、ポリスチレン含
量が増加するにつれて引張強度と降伏強度が減少し、一
方モジュラス(剛さ)はポリスチレン含量が増加すると
共に増大する傾向を示す。
は具体的に列挙した濃度範囲にわたって変化する。約5
0/50濃度のUHMWPE対ポリスチレンで、性質、
すなわち剛さおよび衝撃強度は強靭なポリスチレンの性
質に似ている。この後に示すデータは、ポリスチレン含
量が増加するにつれて引張強度と降伏強度が減少し、一
方モジュラス(剛さ)はポリスチレン含量が増加すると
共に増大する傾向を示す。
【0024】たとえ架橋性単量体が含まれていなくても
、重合生成物のゲル−膨潤値は、事実、それが相互浸透
する、軽く架橋した重合体の網目であることを証明する
。人は通常両成分が線状重合体であることを予期するか
ら、その材料が架橋構造の特性を示すことは驚くべきこ
とである。特に、材料は普通には架橋重合体に関連しな
い大きさの衝撃強度を示す。軽い架橋はフリーラジカル
触媒によって誘起されたグラフト反応の結果として生じ
ると信じられる。
、重合生成物のゲル−膨潤値は、事実、それが相互浸透
する、軽く架橋した重合体の網目であることを証明する
。人は通常両成分が線状重合体であることを予期するか
ら、その材料が架橋構造の特性を示すことは驚くべきこ
とである。特に、材料は普通には架橋重合体に関連しな
い大きさの衝撃強度を示す。軽い架橋はフリーラジカル
触媒によって誘起されたグラフト反応の結果として生じ
ると信じられる。
【0025】本発明のアロイ組成物はまた良好な耐摩耗
性を有する。アロイのこの特性はUHMWPE自身の特
性と同じ位良くはないけれども、これらのアロイが意図
される応用に使用される多くの他の重合体の特性よりは
実質的に良好である。
性を有する。アロイのこの特性はUHMWPE自身の特
性と同じ位良くはないけれども、これらのアロイが意図
される応用に使用される多くの他の重合体の特性よりは
実質的に良好である。
【0026】摩耗指数としてその応用において言及され
ている性質はアロイの円盤を50/50 砂/水のスラ
リー中で15時間1750RPMで回転させることによ
って測定される。格付けは同じ寸法で同じ処理を受けた
炭素鋼の円盤によって失われた体積と比較した試験円盤
によって失われた体積のパーセントに対応する数によっ
て表わされた。本発明のアロイは炭素鋼の摩耗指数値よ
り十分に低い摩耗指数値、すなわち約20〜70を示す
。炭素鋼は任意に摩耗指数100に指定したが、正味の
UHMWPEの摩耗指定は10である。
ている性質はアロイの円盤を50/50 砂/水のスラ
リー中で15時間1750RPMで回転させることによ
って測定される。格付けは同じ寸法で同じ処理を受けた
炭素鋼の円盤によって失われた体積と比較した試験円盤
によって失われた体積のパーセントに対応する数によっ
て表わされた。本発明のアロイは炭素鋼の摩耗指数値よ
り十分に低い摩耗指数値、すなわち約20〜70を示す
。炭素鋼は任意に摩耗指数100に指定したが、正味の
UHMWPEの摩耗指定は10である。
【0027】
【実施例】実施例 1〜3
4−メチルスチレン中に10重量%のSBRゴムを含む
溶液を調製した。ゴムの完全な溶解を確実にするために
溶液を一夜撹拌した。この溶液に1%(4−メチルスチ
レンの重量基準で)のt−ブチルクミルペルオキシドを
加えた。
溶液を調製した。ゴムの完全な溶解を確実にするために
溶液を一夜撹拌した。この溶液に1%(4−メチルスチ
レンの重量基準で)のt−ブチルクミルペルオキシドを
加えた。
【0028】ゴムとt−ブチルクミルペルオキシドを含
む単量体組成物のいくつかのアリコートに表1に一覧表
にして示す4−メチルスチレン/UHMWPE比を有す
るスラリーを形成するための量のUHMWPEを加えた
。UHMWPEは85%の粒子が75μm以下で30%
の前記粒子が45μm以下であるような粒度を有してい
た。
む単量体組成物のいくつかのアリコートに表1に一覧表
にして示す4−メチルスチレン/UHMWPE比を有す
るスラリーを形成するための量のUHMWPEを加えた
。UHMWPEは85%の粒子が75μm以下で30%
の前記粒子が45μm以下であるような粒度を有してい
た。
【0029】スラリー組成物を12.7cm×12.7
cm×0.285cm(1/4インチ)の“額縁”状型
へ充填して、160℃で15分間圧力3447kPa(
500psi)をかけた。圧力8273kPa(120
0psi)で30分間成形した100%UHMWPEの
対照プラックと同様に、生じたプラックを物理的試験を
受けさせ、その結果を表1に示した。ほかの方法で示さ
ない限り、使用した単位および換算係数は次のようであ
る。
cm×0.285cm(1/4インチ)の“額縁”状型
へ充填して、160℃で15分間圧力3447kPa(
500psi)をかけた。圧力8273kPa(120
0psi)で30分間成形した100%UHMWPEの
対照プラックと同様に、生じたプラックを物理的試験を
受けさせ、その結果を表1に示した。ほかの方法で示さ
ない限り、使用した単位および換算係数は次のようであ
る。
【0030】引張り強さ:kPa(psi×6.985
);引張りモジュラス:kPa;降伏強さ:kPa;伸
度:破断%;ノッチ付きアイゾット衝撃強さ:J/cm
(ft−lbf/in×1.356/2.54)。
);引張りモジュラス:kPa;降伏強さ:kPa;伸
度:破断%;ノッチ付きアイゾット衝撃強さ:J/cm
(ft−lbf/in×1.356/2.54)。
【0031】
【表1】
【0032】実施例 4
実施例1〜3の手順を、粒子の大部分が180より大き
い大きな粒度を有するUHMWPEを使用して繰返した
。前記材料から調製したプラックの物理的性質を表2に
表示した。
い大きな粒度を有するUHMWPEを使用して繰返した
。前記材料から調製したプラックの物理的性質を表2に
表示した。
【0033】
【表2】
【0034】実施例 5
実施例1〜3の手順をp−t−ブチルスチレンを4−メ
チルスチレンに置換して繰返した。この生成物の物理的
性質を表3に表示した。
チルスチレンに置換して繰返した。この生成物の物理的
性質を表3に表示した。
【0035】
【表3】
【0036】この実施例においては、それでも多くの応
用に対して十分良好であるけれど、衝撃強さが減少した
ことに気付くであろう。他の物理的性質は4−メチルス
チレンが単量体として使用されたときに見出された物理
的性質に匹敵した。
用に対して十分良好であるけれど、衝撃強さが減少した
ことに気付くであろう。他の物理的性質は4−メチルス
チレンが単量体として使用されたときに見出された物理
的性質に匹敵した。
【0037】実施例 6〜11
第2のビニル重合できる単量体が4−メチルスチレン単
量体に加えられたことを除いて実施例1〜3に使用した
手順を繰返した。使用された弾性体は4−メチルスチレ
ンの10重量%の程度まで与えられたニトリルゴム(B
Fグッドリッチ社(BF Goodrich Co.)
からのHycar 1051)であった。重合は触媒と
してt−ブチルクミルペルオキシドを使用して160℃
で20分間で達成した。これらの材料の衝撃強さを表4
に示した。
量体に加えられたことを除いて実施例1〜3に使用した
手順を繰返した。使用された弾性体は4−メチルスチレ
ンの10重量%の程度まで与えられたニトリルゴム(B
Fグッドリッチ社(BF Goodrich Co.)
からのHycar 1051)であった。重合は触媒と
してt−ブチルクミルペルオキシドを使用して160℃
で20分間で達成した。これらの材料の衝撃強さを表4
に示した。
【0038】
【表4】
【0039】実施例 12〜21
SBRを10%含有する4−メチルスチレンとUHMW
PEのさまざまな比率を含んでなる一連の反応混合物を
調製した。おのおのがビニル重合触媒として、スチレン
含量基準で、約1.0重量%のt−ブチルクミルペルオ
キシドを含有した。4−メチルスチレンとUHMWPE
の各比率について、混合物は約2重量%(4−メチルス
チレンの重量基準で)のジビニルベンゼン(DVB)を
含んだが、対照混合物は含まなかった。
PEのさまざまな比率を含んでなる一連の反応混合物を
調製した。おのおのがビニル重合触媒として、スチレン
含量基準で、約1.0重量%のt−ブチルクミルペルオ
キシドを含有した。4−メチルスチレンとUHMWPE
の各比率について、混合物は約2重量%(4−メチルス
チレンの重量基準で)のジビニルベンゼン(DVB)を
含んだが、対照混合物は含まなかった。
【0040】混合物を徹底的に混合して、生成するスラ
リーを室温で12.7cm×12.7cm×0.235
cmのプラック型にそそぎ入れた。充填した型を温度約
150〜170℃に加熱したプレスへ移動して2,06
9〜3,447kPa(300〜500psi)の圧力
をかけた。充填した型を4−メチルスチレン相の重合お
よび架橋によって硬化されるまで約10〜15分間これ
らの条件のもとに保持した。
リーを室温で12.7cm×12.7cm×0.235
cmのプラック型にそそぎ入れた。充填した型を温度約
150〜170℃に加熱したプレスへ移動して2,06
9〜3,447kPa(300〜500psi)の圧力
をかけた。充填した型を4−メチルスチレン相の重合お
よび架橋によって硬化されるまで約10〜15分間これ
らの条件のもとに保持した。
【0041】表5は実施例12〜21で調製した試料の
衝撃強さと摩耗指数を示す。
衝撃強さと摩耗指数を示す。
【0042】
【表5】
【0043】実施例12〜21のデータから、スチレン
相の架橋は組成物の衝撃強さに明確な有益な効果を有す
ることがわかった。
相の架橋は組成物の衝撃強さに明確な有益な効果を有す
ることがわかった。
【0044】データは衝撃強さの改善の程度は低水準の
ポリスチレン含量で大きいことを示した。実施例16を
参照すると、ポリスチレン相を架橋することは衝撃強さ
を0.48J/cm(0.9ft lbs/in)から
5.07J/cm(9.5ft lbs/inch)へ
増大させること、すなわち900%以上の増大が見られ
た。実施例12を参照すると、増大は僅か15%だけで
あった。これらのデータは、衝撃改善の上限が約55%
架橋したポリスチレンで生じることを証明した。
ポリスチレン含量で大きいことを示した。実施例16を
参照すると、ポリスチレン相を架橋することは衝撃強さ
を0.48J/cm(0.9ft lbs/in)から
5.07J/cm(9.5ft lbs/inch)へ
増大させること、すなわち900%以上の増大が見られ
た。実施例12を参照すると、増大は僅か15%だけで
あった。これらのデータは、衝撃改善の上限が約55%
架橋したポリスチレンで生じることを証明した。
【0045】実施例 22および23プラックを引張
り試験のために実施例12〜21と類似した方法で調製
した。結果を表6に示した。
り試験のために実施例12〜21と類似した方法で調製
した。結果を表6に示した。
【0046】
【表6】
【0047】実施例 24
この実施例においては40重量%のGUR 403F
UHMWPEを使用し、8重量%の4−メチルスチレン
相をアクリル酸フェニルによって置き換え、そして4−
メチルスチレン基準で2%のトリメチロールプロパント
リメタクリレート(TMPTMA)を架橋剤として使用
した。ノッチ付きアイゾット衝撃強さはTMPTMAを
使用したとき7.63J/cm(14.3ft lbs
/in)でTMPTMAが欠除したとき3.15J/c
m(5.9ft lbs/inch)であった。
UHMWPEを使用し、8重量%の4−メチルスチレン
相をアクリル酸フェニルによって置き換え、そして4−
メチルスチレン基準で2%のトリメチロールプロパント
リメタクリレート(TMPTMA)を架橋剤として使用
した。ノッチ付きアイゾット衝撃強さはTMPTMAを
使用したとき7.63J/cm(14.3ft lbs
/in)でTMPTMAが欠除したとき3.15J/c
m(5.9ft lbs/inch)であった。
【0048】これらの材料の衝撃強さは実施例21に示
した対応する材料より良いことに気づくであろう。
した対応する材料より良いことに気づくであろう。
【0049】実施例 25
一連の重合を架橋剤(この場合はDVB)の濃度を変え
て行った。これらの実験において、UHMWPE含量は
40%のGUR 403FであってゴムはStereo
n 730A、SBRゴムであって、それは先の実施例
に使用したSBRのように容易にスチレンと混合できな
かった。これらの材料の性質を表7に示した。
て行った。これらの実験において、UHMWPE含量は
40%のGUR 403FであってゴムはStereo
n 730A、SBRゴムであって、それは先の実施例
に使用したSBRのように容易にスチレンと混合できな
かった。これらの材料の性質を表7に示した。
【0050】
【表7】
【0051】上記から、衝撃強さは約4%の架橋でピー
クを表わすことに気づくであろう。これは衝撃強さは高
レベルの架橋で減少する他の既知の架橋系と一致する。 衝撃強さの全体にわたるレベルは、これらの実験に使用
されたゴムの減少した混和性により、たとえば実施例2
1におけるよりもこれらの実施例については低い。
クを表わすことに気づくであろう。これは衝撃強さは高
レベルの架橋で減少する他の既知の架橋系と一致する。 衝撃強さの全体にわたるレベルは、これらの実験に使用
されたゴムの減少した混和性により、たとえば実施例2
1におけるよりもこれらの実施例については低い。
【0052】実施例 26〜29
実質的に実施例12〜21について記述したような手順
を使用して、一連の重合を4−メチルスチレンおよびD
VB以外の架橋剤を使用して実行した。ここにまた上記
表1に示した対照に比べて衝撃強さの著しい改善が観察
された。これらの重合体の衝撃強さを表8に示した。
を使用して、一連の重合を4−メチルスチレンおよびD
VB以外の架橋剤を使用して実行した。ここにまた上記
表1に示した対照に比べて衝撃強さの著しい改善が観察
された。これらの重合体の衝撃強さを表8に示した。
【0053】
【表8】
【0054】UHMWPEとスチレン単量体の流体混合
物は反応射出成形(RIM)、樹脂トランスファー成形
(RTM)、および引抜成形のようなさまざまな液体成
形技術によって加工することができる。硬化時間は成型
温度の適切な選択によって粒子加工技術に適するように
調整することができる。その上、生成物はガラスまたは
他の繊維状補強材を使用してさまざまな型の複合体用マ
トリックス樹脂として使用することができる。
物は反応射出成形(RIM)、樹脂トランスファー成形
(RTM)、および引抜成形のようなさまざまな液体成
形技術によって加工することができる。硬化時間は成型
温度の適切な選択によって粒子加工技術に適するように
調整することができる。その上、生成物はガラスまたは
他の繊維状補強材を使用してさまざまな型の複合体用マ
トリックス樹脂として使用することができる。
【0055】実施例 30〜33
衝撃強度に対する弾性体の効果を示すために、実施例を
実施例12〜21の手順に従ってゴムを使用および使用
しないで実行した。結果を表9に示した。使用した弾性
体はSBRであった。
実施例12〜21の手順に従ってゴムを使用および使用
しないで実行した。結果を表9に示した。使用した弾性
体はSBRであった。
【0056】
【表9】
【0057】実施例 34〜38
スチレン/UHMWPE系の硬化速度に関する架橋剤濃
度増大の効果を証明するために、一連の実験をさまざま
な架橋剤濃度で行った。重合は実施例12〜21のよう
に行った。すべての組成物はSBRゴム10%と架橋剤
としてジビニルベンゼンを含んでいた。結果を表10に
示した。
度増大の効果を証明するために、一連の実験をさまざま
な架橋剤濃度で行った。重合は実施例12〜21のよう
に行った。すべての組成物はSBRゴム10%と架橋剤
としてジビニルベンゼンを含んでいた。結果を表10に
示した。
【0058】
【表10】
【0059】実施例 39〜41
4−メチルスチレン中のSBRゴムの溶液は実施例1〜
3に対するように調製した。ジビニルベンゼンと等量の
ペルオキシド、t−ブチルペルオキシベンゾエートおよ
び1,1−ジ−t−ブチルペルオキシ−3,3,5−ト
リメチルシクロヘキサンを加えた。その結果生じる溶液
を1時間撹拌した。このスチレン溶液を冷却したPro
dex Henschellミル中のUHMWPE(3
3重量% Gur 402F、67重量% HiFax
1900)の混合物に加えた。液体を30分間にわた
って加え混合をさらに2分間維持した。 ブレンドの組成を下表に示した。物理的試験のための試
料を商業的なトランスファー成形技術によって調製した
。37〜40gの材料を形に移すためにポットに供給し
た。ポットの温度を121〜127℃に、型を149℃
に維持した。型の締付力は597.8kN(60トン)
、硬化時間は4分であった。これらの標本の物理的性質
を下表に示した。
3に対するように調製した。ジビニルベンゼンと等量の
ペルオキシド、t−ブチルペルオキシベンゾエートおよ
び1,1−ジ−t−ブチルペルオキシ−3,3,5−ト
リメチルシクロヘキサンを加えた。その結果生じる溶液
を1時間撹拌した。このスチレン溶液を冷却したPro
dex Henschellミル中のUHMWPE(3
3重量% Gur 402F、67重量% HiFax
1900)の混合物に加えた。液体を30分間にわた
って加え混合をさらに2分間維持した。 ブレンドの組成を下表に示した。物理的試験のための試
料を商業的なトランスファー成形技術によって調製した
。37〜40gの材料を形に移すためにポットに供給し
た。ポットの温度を121〜127℃に、型を149℃
に維持した。型の締付力は597.8kN(60トン)
、硬化時間は4分であった。これらの標本の物理的性質
を下表に示した。
【0060】
【表11】
Claims (7)
- 【請求項1】 微粒子の超高分子量ポリエチレン(U
HMWPE)と液状スチレン単量体を混合し、その混合
物を加熱された型に装入し、単量体を重合する工程を含
む、UHMWPEを包含する成形物品を製造する方法で
あって、混合物がスチレン単量体中のUHMWPE粒子
35〜80%の分散液であり、そしてまた触媒量のフリ
ーラジカルビニル重合触媒を含有し、そして型をUHM
WPEを前記単量体に溶解させ、次いでスチレン単量体
を固体重合体に重合させるのに十分な温度まで加熱され
ることを特徴とする成形物品を製造する方法。 - 【請求項2】 さらに型の加熱が2段階、すなわち第
1段階がUHMWPEがスチレン単量体に溶解し熱量測
定走査曲線上の吸熱表示によって示されるようにゲルを
形成する温度まで、そして第2段階がスチレン単量体の
重合が開始される更に高温にまで行われることを特徴と
する請求項1記載の成形物品を製造する方法。 - 【請求項3】 さらに型が先ず120〜125℃に、
次いで155〜165℃に加熱されることを特徴とする
請求項1または2記載の成形物品を製造する方法。 - 【請求項4】 さらにスチレン単量体中のUHMWP
Eの分散液がスチレン単量体および全単量体の重量基準
で約10%までの少なくとも1種類のフリーラジカルビ
ニル重合可能な単量体を含む20〜65%の液状単量体
を含むことを特徴とする請求項1、2または3記載の成
形物品を製造する方法。 - 【請求項5】 さらに混合物がまた分子中に1点以上
のフリーラジカル重合可能なビニル不飽和を有する架橋
用単量体を含むことを特徴とする前記の請求項のいずれ
か1項に記載の成形物品を製造する方法。 - 【請求項6】 さらにスチレン単量体が4−メチルス
チレンであることを特徴とする前記の請求項のいずれか
1項に記載の成形物品を製造する方法。 - 【請求項7】 さらにフリーラジカルビニル重合可能
な単量体がメタクリル酸ブチルであることを特徴とする
前記の請求項のいずれか1項記載の成形物品を製造する
方法。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US512720 | 1983-07-25 | ||
| US51272190A | 1990-04-23 | 1990-04-23 | |
| US512721 | 1990-04-23 | ||
| US07/512,720 US5130376A (en) | 1990-04-23 | 1990-04-23 | UHMWPE/styrenic molding compositions with improved flow properties and impact strength |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04227605A true JPH04227605A (ja) | 1992-08-17 |
Family
ID=27057641
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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