JPS583501B2 - 炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物 - Google Patents

炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物

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JPS583501B2
JPS583501B2 JP53161073A JP16107378A JPS583501B2 JP S583501 B2 JPS583501 B2 JP S583501B2 JP 53161073 A JP53161073 A JP 53161073A JP 16107378 A JP16107378 A JP 16107378A JP S583501 B2 JPS583501 B2 JP S583501B2
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pbt
carbon fiber
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epoxy resin
resin composition
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水野潮路
中村広
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Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炭素繊維で強化された高強度、高剛性の熱可塑
性樹脂組成物に関するものである。
熱可塑性ポリエステルの一つであるポリブナレンテレフ
タレート(以下、PBTと略す)は吸水性が小さく、機
械的特性、熱的性質、電気特性、耐薬品性等の性質に秀
でているため、ポリアセタール或いはナイロンに優ると
も劣らぬ性能を有する樹脂として、成形材料分野で脚光
を浴びている。
このPBTをガラス繊維で強化すると機械的強度、耐熱
性が飛躍的に向上し、板金、ダイカスト等の金属の代替
が可能な高性能の材料となる。
同様にPBTを炭素繊維で強化すると、ガラス繊維の場
合と同じ効果が発揮されるのみならず、摩耗特性の大幅
な向上、熱伝導性の付与、帯電性の低下、電気伝導性の
付与といった優れた性質が発揮されることが知られてお
り、摺動部品、電気部品への応用開発が試みられている
PBTをガラス繊維で強化する場合は、PBTとガラス
繊維を化学的に結合させるためシラン系化合物を用いて
強化効果の向上を図り、実用的な強度を発揮させること
が一般に行われている。
しかし、PBTと炭素繊維の場合に於いては、炭素繊維
が不活性なため、ガラス繊維の場合の如き有効な化合物
が見いだされていない。
従って、PBT−炭素繊維組成物の強度を高くするには
、炭素繊維は相当長いものを用いる必要があるが、その
場合には炭素繊維の不均一分散、成形品の外観不良等を
招いてしまう。
またガラス繊維の引張弾性率は7×105Kg/cm2
であるのに比べ、高剛性タイプの炭素繊維は23×10
5kg/cm2と約3倍も大きいため、炭素繊維で強化
されたPBTはガラス繊維強化PBTに比べ弾性率が充
分に高いものと予想されるが、残念ながら、一般には同
じ程度の値を示すに過ぎない。
本発明者等は鋭意研究の結果、驚くべきことに、PBT
の代りに固有粘度が0.2〜0.6で両末端に水酸基を
有する特定のPBTと多官能性インシアネートとの反応
生成物およびエポキシ樹脂で処理された炭素繊維を用い
れば、炭素繊維の長さが比較的短かくとも、その組成物
は強度、弾性率ともに著しく高い値を有し、かつ他の諸
特性も遜色ないことを見い出した。
この理由は固有粘度が0.2〜0.6で両末端に水酸基
を有するPBT(以下、L−PBTと略す)と多官能性
インシアネートとの反応生成物(PBTベースのポリウ
レタンとなる)がエポキシ樹脂で処理された炭素繊維と
の物理的接着力が高いため、組成物の強度並びに弾性率
が大幅に向上するものと考えられる。
また本発明で使用するL−PBTは比較的分子量が高く
多官能性インシアネートの使用量が比較的少ないのでウ
レタン結合による物性の低下は全く見い出せなかった。
更に、少量のエポキシ樹脂の存在は強度並びに弾性率の
向上に効果があり、これはエポキシ樹脂が炭素繊維との
接着性に優れるためであるが、エポキシ基がウレタン及
びインシアネート基と反応し化学的結合が形成されるこ
とにもよるものと推察される。
さて、本発明のL−PBTはテレフタル酸或いはテレフ
タル酸のアルキルエステル(炭素数1〜4のアルキル基
)と1,4−ブタンジオールを縮合して得られる両末端
に活性水素原子、特に水酸基の活性水素原子を有するも
のが用いられる。
本発明で用いられるL−PBTは固有粘度〔η〕が0.
2〜0.6;水酸基価(試料1gの水酸基と当量のKO
Hの〜数)が9〜37、好ましくは11〜28であるも
のが適する。
このL−PBTの両末端は全て水酸基であることが好ま
しいが、合成条件により生じるカルボキシル基を一部含
んでいても差しつかえない。
この場合、L−PBTは酸価(試料1gのカルボキシル
基と反応するKOHの■数)が10以下で、水酸基価の
1/3以下が望ましい。
本発明でのL−PBTの固有粘度は小さくなり過ぎると
、生成するポリウレタンのウレタン結合の数が多くなる
ため耐熱性が悪くなり、逆に、その固有粘度が大きくな
り過ぎると、多官能性インシアネートとの反応が均一に
進まなくなり、かつ、炭素繊維との接着性が劣るため望
ましくない。
更に、上記L−PBTを構成する酸成分およびアルコー
ル成分の50カ未満の量を他の共重合町能な成分に置換
えてなるPBTを主体とする共重合体も使用することが
できる。
共重合可能な成分としてはイソフタル酸、アジピン酸等
の酸成分、エチレングリコール、フロピレングリコール
、1,2又は1,3−ブタンジオール、1,6−ヘキサ
ンジオール等のアルコール成分が挙げられる。
本発明で使用されるL−PBTは一般には例えば、ジメ
ナルテレフタレートとそれに対して過剰Dモル数の1,
4−ブタンジオールとを触媒の存在下、130〜260
℃でエステル交換後、減圧下縮合することによって任意
の分子量のものを製造することが可能である。
得られるL−PBTの固有粘度〔η〕はフェノールと四
塩化エタンの6:4の混合溶媒にL−PBTを溶解し、
30℃で測定する。
又、L−PBTの水酸基価は例えばMakromole
−kulare Chem. 17,219〜230(
1956)の文献に記載される末端の水酸基を無水コハ
ク酸と反応せしめ生成したカルボキシル基を定量分析し
て求める。
本発明で使用される多官能性イソシアネートとしでは例
えば、テトラメナレンジイソシアネート、ヘキサメチレ
ンジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート;トリ
レン−2,4−ジイソシアネート、トリレン−2,6−
ジイソシアネート、ジフエニルメタン−4,4′−ジイ
ソシアネート、m−およびp−フエニレンジイソシアネ
ート、ナフタレンー1,5−ジイソシアネート等の芳香
族ジイソシアネート;ジシクロヘキシルメタンジイソシ
アネート等の肪環式ジイソシアネートが挙げられる。
更に、粗製ジフエニルメタンジイソシアネートの如き1
分子中にインシアネート基が2以上の化合物、トリレン
ジイソシアネートの二量体、ジフエニルメタン−4,4
′−ジイソシアネートの二量体、インシアヌレート化合
物等も使用できる。
本発明のポリウレタンの構成成分である前記のL−PB
Tと多官能性インシアネートとの割合はそれぞれの官能
基について1:1となる様な量が望ましい。
通常、L−PBTの活性水素当りイソシアネート基が0
.8〜1.5の割合でも差しつかえない。
ウレタン化反応に際しでは必要に応じて1,4ーブタン
ジオール等の鎖伸長剤を含有させても差しつかえないが
、鎖伸長剤の量が多いとインシアネートの使用量も多く
なり、最終の樹脂組成物の性質を大幅に変化することが
あるためにその使用量はPBTの10重量%以下にすべ
きである。
適当な鎖伸長剤としては1,4−ブタンジオール、ビス
ヒドロキシエチルテレフタレート等が挙げられる。
本発明の組成物では、PBTベースのポリウレタンを5
0%未満の量を他のポリマーで置換することもできる。
かかる他のポリマーとしでは例えばポリエチレン、ポリ
プロピレン、エチレンー酢酸ビニル共重合体、エチレン
ーアクリル酸エステル共重合体、エチレンープロピレン
共重合体、ポリスナレン、AS樹脂、ABS樹脂、ナイ
ロン、ボリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレ
ンテレフタレート、ポリサルホン、ポリフエニレンオキ
サイド、ポリ塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、本発明
以外の熱可塑性ポリウレタン、ポリフエニレンサルファ
イド等が挙げられる。
本発明で用いられるエポキシ樹脂で処理された炭素繊維
としては、アクリル系或いはセルロース系の高剛性タイ
プ、或いは石油ピッチ系の低剛性タイプ等いずれのもの
でも良い。
繊維の直径は5〜20μ、長さは0.05〜13mm好
ましくは0.1〜6mmのチョップドストランド状のも
のが使い易い。
炭素繊維を処理するエポキシ樹脂としては、公知のもの
であれば差しつかえなく、例えばビスフェノールA型エ
ポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、レゾル
シン型エポキシ樹脂、ノボラツク型エポキシ樹脂、ビニ
ルシクロヘキセンジエポキシド、ジシクロペンタジエン
ジエポキシド、臭素又は塩素で置換された各種のエポキ
シ樹脂等が挙げられ、特にビスフェノールA型エポキシ
樹脂が好ましい。
また、かかるエポキシ樹脂で処理された炭素繊維として
はロービング状のものを樹脂が溶解した押出機へ直接投
入することも川卵である。
尚、エポキシ樹脂で処理された炭素繊維は、繊維の解繊
が起り難く、取り扱い易いと同時に樹脂との接着性が向
上するため、強度が高くなる。
エポキシ樹脂で処理された炭素繊維の量は、組成物中5
〜50重量%である。
5重量%より少ないと、所期の特性が発揮されず、50
重量%を越えると、炭素繊維が均一に分散され難くなり
、かつ組成物の成形性が悪くなり、成形品の表面状態も
劣悪になる。
本発明の組成物の製造は、例えば予めエポキシ樹脂を用
いて収束された6mm長さのチョップドストランドと、
L−PBT及ひ多官能性イソシアネートを均一に混合の
後、210〜270℃に加熱された一軸又は二軸押出機
に投入、混練し、滞留時間0.5〜10分間程度で吐出
すると、L−PBTのポリウレタン化反応と同時に炭素
繊維の分散が図れ、能率的である。
或いは、予め高粘度反応釜中でL−PBTと多官能性イ
ンシアネートを240℃で溶融反応せしめ、得られたポ
リウレタンを粉粒状となし、これと前述の如き炭素繊維
を一軸又は二軸押出機で混練するといった方法で、本発
明の組成物は製造できる。
本発明の組成物は結晶核剤、ガラス繊維、ガラス粉末、
無機充填剤、可塑剤、離型剤、滑剤、耐熱安定剤、酸化
防止剤、紫外線吸収剤、難燃剤、発泡剤等を添加するこ
とができる。
特に、難燃剤としては例えばデカプロモビフエニルエー
テル、ヘキサブロモベンゼン、ハロゲン化エポキシ樹脂
、ハロゲン化ポリカーボネートオリゴマー、テトラブロ
モビスフェノールAのエチレンオキサイド付加物、テト
ラブロモビスフェノールAとハロゲン化アルキルとから
得られるハロゲン化オリゴマーテトラブロモビスフェノ
ールAのエナレンオキサイド付加物−1,4−ブタンジ
オールーテレフタル酸の共重合体等が挙げられる。
これらの難燃剤に難燃助剤、例えば三酸化アンチモン、
硼酸亜鉛、酸化ジルコニウム、二酸化錫、ピロアンチモ
ン酸ソーダ等を併用するとより効果的である。
以下に実施例、参考例および比較例を挙げ、本発明を更
に詳しく説明する。
参考例1(L−PBTの合成) ジメナルテレフタレート194部および1,4−ブタン
ジオール135部を反応容器に入れ、150℃に加熱し
て均一溶液とした。
この溶液を窒素気流下で攪拌しながらテトライソプロピ
ルチタネート(触媒)を0.04部添加するとその後エ
ステル交換が始まり、副生メタノールが留出した。
系内の温度を徐々に昇温し、220℃付近でメタノール
の留出がほとんど停止した時系内を徐々に真空にして縮
合を進めた。
250℃,10mmHgで2時間反応を行い生成樹脂を
取出した。
得られたL−PBTは固有粘度〔η):0.38、水酸
基価17,5、酸価0.45を示した。
これをPBT−1と称す。
参考例2(L−PBTの合成) 参考例1と同様に行ったが、縮合時間を延長することに
より固有粘度〔η〕0.45、水酸基価10.5、酸価
0.72のPBTを合成した。
これをPBT−2とする。
参考例3(PBTの合成) 参考例1と同様に行ったが、縮合時の真空度を0.5m
mHgとして行い固有粘度〔η〕1.0のPBTを合成
した。
これをPUT−3とする。参考例4(ポリウレタンの合
成) 参考例1で合成したPBT−1 100部を高粘度樹
脂用反応釜中に入れ、窒素気流下、240℃で溶解後、
攪拌しながらジフエニルメタン−4,4′−ジイソシア
ネート5.6部を入れて反応させた。
5分後に反応釜より樹脂を取出した。得られた樹脂の固
有粘度〔η〕は1.0であった。
これをポリウレタン−1とする。
実施例1 参考例1で合成したPBT−166.2部と炭素繊維〔
東邦レーヨン製;エポキシ樹脂(エポン828と100
1の50/50比混合物;シエル製)バインダー1.5
%でコーティングされたアクリル系高剛性型の長さ6m
mの炭素繊維;商品名ベスファイトRHTA−C6−E
)30.5部をヘンシエルミキサー(三井三池製)に投
入し、ヘンシエルミキサーの攪拌羽根を1640回転/
分の高速で30分間攪拌し、炭素繊維を短く切断すると
共に均一分散させた。
次に、ジフエニルメタンー4,4′−ジイソシアネート
3.8部を添加し同様に1分間攪拌した。
こうして得られた予備混合物をシリンダ一温度を250
℃に設定した65mmベント付押出機に供給した。
スクリューの回転数を80回転/分としで押出を実施し
た。
この場合の樹脂組成物のシリンダー内の滞留時間は90
秒であった。
樹脂組成物はひも状で押出した後冷却しペレット状に切
断した。
このペレットを3オンスの射出成形機を用い、シリンダ
一温度240℃、射出圧力600kg/cm2、金型温
度70℃の条件で、ASTMに準じた試験片を作成した
得られたポリマーの〔η〕は0.9で、樹脂組成物は引
張強度(以後TSと略す)1400kg/cm2,引張
弾性率(以後TMと略す)1.8×105Kg/cm3
,曲げ強度(以後FSと略す)2300Kg/cm3、
曲げ弾性率(以後FMと略す)1,5×105Kg/c
m2、ノツチ付アイゾット衝撃強度(以後N−IIと略
す)8Kg・cm/cm、及びノツチ無しアソゾット衝
撃強度(以後IIと略す)65kg・cm/cmを示し
た。
比較例1 実施例1に於いて、PBT−1の代りにPBT−3を7
0部用い、かつジフエニルメタン−4.4’−ジイソシ
アネートを用いずに実施した。
組成物は、TS1000Kg/m,TM1.0×105
Kg/cm2、FS1600kg/cm2,FM9×1
04kg/cm2,N−II7kg・cm/cm,II
50kg・cm/cmを示した。
比較例2 PBT−370部とアミノシラン系のカップリツク剤で
処理されたチョップドガラス繊維(商品名グラスロンC
S−03−MA411;長さ3mm旭ファイバーグラス
製)30.5部を予め縦型タンブラーにて1分間混合の
後、実施例1と同様に、押出機を用いて混練した。
得られた組成物は、TS1000kg/cm2、TM9
×104kg/cm2,FS1500kg/cm2,F
M8×104kg/cm2、N−■■7kg・cm/c
m,II50kg・cm/cmであった。
比較例3 実施例1に於いて、ベスファイトHTA−C6−Eを予
め高温で加熱しエポキシバインダーを消失せしめたもの
を用いて行なった。
組成物のTSは1250kg/cm2,TM1.7×1
05kg/cm2,FS2100kg/cm2,FM1
.4×105Kg/cm2,N−II7kg・cm/c
m,II62kg・cm/cmであった。
実施例2 エポキシ樹脂(商品名エポン1007;シエル製)を3
%コーティングした長さ6mmのアクリル系高剛性チョ
ップドストランド炭素繊維31部とポリウレタン−17
0部を縦型タンブラーを用い一分間混合し均一状態にす
る。
これを実施例1と同様に押出混練した。
組成物はTS1600kg/cm2,TM2.O×10
5kg/cm2,FS2500kg/cm2,FM1.
7×105kg/7,N−II10Kg・cm/cm,
II75kg・cm/cmを示した。
比較例4 実施例2に於で、エボキシ樹脂で処理された炭素繊維を
予め高温で加熱しエポキシバインターを消失せしめたも
のを用いて行った。
組成物のTSは1200kg/cm2,FS1.4×1
05kg/m,FS2050kg/cm2,FM1.5
×105kg/cm2,N−II7kg・cm/cm,
■■50kg・cm/cmであった。
実施例3〜5 PBT−2、ジフエニルメタン−4,4′−ジイソシア
ネ−ト(MDI)及びベスファイトHTA−C6−Eを
それぞれ下記表−1の配合で、実施例1に従い、配合、
押出を行った。
この結果をあわせて表−1に記す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 固有粘度が0.2〜0.6で両末端に水酸基を有す
    るポリブチレンテレフタレートと多官能性インシアネー
    トとの反応生成物及びエポキシ樹脂で処理された炭素繊
    維からなる熱可塑性樹脂組成物。
JP53161073A 1978-12-28 1978-12-28 炭素繊維強化熱可塑性樹脂組成物 Expired JPS583501B2 (ja)

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