JPS5910904B2 - インサイチユ−で形成された繊維と伸縮性マトリツクスから成る有機複合材料 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、複合構造材料、特に繊維で強化した１５伸縮
性樹脂系から得られる複合材料に関する。

繊維強化複合材料系は、構造材料として良く知られてお
り、本発明の複合材料に最も近い公知の類似物として、
チョッパーで切断された市販の繊維充填系があるが、硬
化性樹脂にこのような繊維を２０混入すると、機械的性
質が、本発明により得られた複合材料のそれと全く異な
る複合材料が生じる。公知の繊維充填複合材料は、高モ
ジユラスを示すが、しばしば伸び率及び強度が減少する
。又、繰り返し荷重を与えると、公知の繊維充填複合材
料２５の性質が、本発明により、得られた複合材料のそ
れと全く異なるようになる。本発明者らは、公知の複合
材料系の欠点を殆んど示さず、公知の複合材料系の利点
のみを有する強化複合構造材料を開発することを目的と
して種３０種検討を加えた結果、ここに伸縮性マトリッ
クスを含有する新規な繊維充填複合材料系を見い出した
。

すなわち、本発明の複合材料は、アイソタクチックポリ
プロピレン、ポリエチレン、アイソタクチックポリ（４
−メチルペンテンー１）、アイソタクチックポリ（ブテ
ンー１）及びこれらの混合物から成る群から選ばれた直
鎖ポリアルケンより形成され、全方向に無秩序に配列さ
れた高度に、Ｃハー枝分れしかつ構造的に繋がつた重合
体繊維の目の詰んだ等方性三次元網状組織、及び該網状
組織を埋めて包む、硬化性ウレタン、シリコン、脂肪族
ラバ一、低溶融温度のプラスチゾル及び可撓性エポキシ
ドから成る群から選ばれた伸張性樹脂マトリツクスより
成る複合材料である。

本発明の複合材料系は、強度、可撓性及び伸縮性におい
て特異な性質を有し、又、繰り返しの荷重サイクリング
とともに強度及び強じん性が増加し、更に極限伸張性が
極めて良好に保持されるという利点を有する。

本発明により形成された複合材料は、可撓性電気部品、
機械的動力伝達用ベルト、シール、Ｏ一リング、タイヤ
、ガスケツトの製造の如き構造分野及び弾性とともに強
度を要求する分野に好ましく用いられる。

本発明の複合材料系は、インサイチユ一で（その場で）
形成され、三次元的に相互連結された網状組織から成る
繊維で充填された伸縮性樹脂から成る。

伸縮性樹脂は、繊維集合体（Ｆｉｂｅｒｍａｓｓｅｓ）
内においてモノマー系溶媒を重合させるか又は繊維集合
体内にプレポリマ一を含浸させ、次いで硬化させること
により繊維内に導入することができる。本発明者らは、
特定の重合体溶液からインサイチユ一で形成され、相互
連結された網状組織を有する重合体繊維集合体に伸縮性
の硬化性樹脂を含浸することができること及び上記伸縮
性の硬化性樹脂を硬化することにより得られる複合材料
が特異な性質を有することを見い出した。

弾性マトリツクスに相互連結された網状組織繊維から成
る繊維を結合させることにより得られる、本発明の特異
な効果を列挙すると以下の如くである。

１．わずかに変形させた時でも、マトリツクスの可撓性
が保持されること、即ち、本物質は、可撓性及び弾力性
を有する。

２．繰り返し変形させたり、又は伸張させたりすると、
強度が増加すること。

３．繰り返し荷重を与えると、強じん性が増加すること
、即ち、加工（ヒズミ）硬化効果又は逆のヒステリシス
効果を有すること。

４．極限伸張性が高く保持されること、即ち、極限強度
における伸び率は、繊維充填により減少しない。

このような特異な挙動が現われるのは、相互連結された
繊維網状組織が有する以下の２つの性質に基づくことが
明らかである。

第１に元の形状が大巾に歪められても、繊維の網の目が
これに耐え、損傷を受けることなく歪められた形状から
元の形状に戻すように作用することが挙げられる。第２
に、相互連結された網状組織を構成する個々の小繊維（
フィフリル）が、伸縮性マトリツクス内で変形又は伸張
されることにより、付加的強度を増すことが挙げられる
。引つ張りにより繊維強度が増加することは、周知のこ
とであり、繊維工業において広く応用されていることで
あるが、伸縮性マトリツクス内で可逆的な方法で引つ張
り処理を施すことは、新規な事項に属する。本発明のも
う一つの顕著な利点は、従来の繊維強化複合構造材料と
異なり、湿潤性及び接着性が優れているので、繊維とマ
トリツクスとを強制的に適合化させることを必要としな
いことである。

繊維集合体の網状構造は、伸張、緩和を繰り返してもそ
の幾可学的形態を維持し、マトリツクスに荷重を移動せ
しめる。本発明の複合材料に上記の如き顕著な性質が付
与されたのは、インサイチユ一で得られた繊維集合体に
ウレタン、シリコン、脂肪族ラバ一、低溶融温度のプラ
スチゾル、可撓性エポキシドの如き可撓性又は弾性重合
体を結合せしめたことに基づく。

なお、上記の可撓性又は弾性重合体は、以下の性質を持
つものが好ましい。（ａ）流し込みが可能な程に十分低
い粘度を有し、繊維集合体の含浸が可能であること。

（ｂ）繊維の融点よりも低い硬化温度を有すること。

（ｃ）硬化前に完全に含浸が行なわれるように十分なポ
ツトライフを有すること。繊維集合体は、重合性溶媒又
は抽出可能な溶媒を含有する溶液に振動を与えつつこの
溶液から形成される。

伸縮性マトリツクスは、繊維集合体内でモノマー系溶媒
を重合させるか又は繊維集合体内にプレポリマ一を含浸
させ、次いで硬化させることにより導入される。上記複
合材料は、マトリツクスとして、伸縮性重合体であるス
コツチカスト（ＳｃＯｔｃｈｃａｓｔ、登録商標）２８
０及びシルガード（Ｓｙｌｇａｒｄｌ登録商標）１８２
を用い、繊維集合体としてポリプロピレンを用いる合浸
法により形成された。

第１図は、スコツチカスト単一材料とポリプロピレン繊
維集合体／スコツチカスト複合材料との応力／歪曲線の
比較を示すものである。第１図の曲線より、単一材料よ
りも複合材料の方が強じん性（曲線の下の面積により判
定される。）及び極限強度に於いて優れていることがは
つきりと示される。しかしながら、複合材料のモデユラ
ス（応用／歪曲線の傾斜により判定される。）及び伸び
率は、単一材料に比べ、殆んど変化していない。極性エ
ポキシ構造から成るスコツチカストは、ポリプロピレン
繊維にある程度の湿潤性を与えるが、シリコンであるシ
ルガードの場合、そのようなことはない。第２図は、シ
ルガード単一材料とインサイチユーポリプロピレン繊維
／シルガード複合材料との応力／歪曲線の比較を示すも
のである。この場合も、材料の総強じん性は、インサイ
チユ一で形成された繊維を組み入れることにより増加し
ている。そして、伸び率も現実に増加している。又、非
湿潤性シリコンマトリツクスが、強く伸張されるともろ
く破損し始めるという、それだけの理由により、総強度
が、わずかに影響を受けることになるが、それにも拘ら
ず、上記複合材料は、単一材料に比べ、通常与えられる
極限に達していない歪に対して高い強じん性を示す。第
３図及び第４図は、それぞれシルガード単一材料及び複
合材料の歪がＯ−０．５におけるサイクル応力／歪曲線
を示すものである。

図より、単一材料は、エネルギーを殆んど散逸すること
なく弾性を有することとなるが、これに対して、複合材
料は、散逸エネルギー受容能を有し、しかも繰り返しの
荷重サイクリングにつれて、強度が増加する物質を生ず
る。第５図及び第６図は、それぞれ単一材料及び複合材
料に繰り返して荷重を与えた場合の結果を示すものであ
る。

チヨツパ一で切断された市販繊維を充填した複合材料の
場合には、モジユラスは増加するが、強度、伸び率及び
強じん性は減少する。

第１図は、発生期状態のスコツチカスト２８０、インサ
イチユーポリプロピレン繊維から成る複合材料及びチヨ
ツパ一で切断された市販ポリプロピレン繊維から成る複
合材料の応力／歪曲線の比較図である。歪特性は、低伸
び率の時においても著るしく変動′゛５ 二０ する。

市販の繊維強化エラストマーは、極限強度に至る迄さま
ざまな荷重を加えると応力とともに伸びが減少する。エ
ポキシ樹脂中のポリプロピレン繊維の重量％は、２つの
場合とも同じ（約７％）であつた。

これらの結果は、市販ポリプロピレン繊維が４００００
ｐｓｉというオーダーの引つ張り強度を有する、引つ張
りに強く、強度の大きい物質であるという事実を考慮し
た時、更に顕著なものとなる。

スコツチカスト２８０は、典型的な可撓性ビスフエノー
ルＡベースのエポキシ重合体であり、グリセリンで共重
合化されたビスフエノールＡと酸無水物系硬化剤から形
成される。この物質は、米国ミネソタ州セントポールの
３Ｍ社から市販されている。又、シルガード１８２は、
通常、ビニル基末端ジメチルシロキサン、シラン系硬化
剤及び白金触媒を組成とするシリコンラバ一物質であり
、米国ミシガン州ミツドランドのダウコーニング社より
市販されている。実施例 １ （スコツチカスト２８０／繊維複合材料）１２５℃でキ
シレン溶媒中にイソタクチツクポリプロピレンを溶解す
ることにより重合体溶液を調製し、この溶液を冷却しな
がら振動させ、均一な繊維集合体を形成させた。

次いで、アセトンでソツクスレ一抽出することにより繊
維集合体からキシレンを除去した。繊維集合体は、真空
下２４時間乾燥させた。スコツチカスト２８０含有成分
の調製にあたつて、先ず樹脂４０重量部と硬化剤６０重
量部を混合した。

そして、この混合物を攪拌し、次いで１５０′Ｐで１５
分間加熱して完全に混合させた。更に泡の生成が止み、
１０−３ｍｍＨｇという低い圧力に達する迄真空状態を
維持し、混合物を脱気した。ポリプロピレン繊維集合体
への樹脂の含浸は、脱気フラスコ内で行なつた。

脱気した樹脂を分液▲斗を用いて、ゆつくりと導入した
。各含浸操作は、樹脂がフラスコ底部の繊維集合体を含
浸し始め、最終的に過剰の樹脂が繊維集合体を被覆する
ことができるように行なわれた。複合材料は、１６０′
Ｆで８０ｐｓｉの正の圧力下に４８時間かけて硬化され
た。実施例 ２ （シルガード１８２／繊維複合材料） 繊維集合体は、実施例１と同様に調製された。

シルガード１８２含有成分の調製に当つては、先ず樹脂
１００重量部と硬化剤１０重量部を混合し、次いで、混
合物を完全に混合して、脱気した。シルガードの含浸は
、スコツチカスト樹脂の場合と同じ方法で行なわれた。
シルガード含有複合材料は、１６０′ＦＳで１６時間か
けて硬化された。この場合には、正の圧力を加えること
は不要であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のインサイチユーポリプロピレン繊維
−スコツチカスト樹脂含有複合材料の物性とスコツチカ
スト樹脂単一材料及び市販繊維一スコツチカスト樹脂含
有複合材料の物性の比較を示すものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アイソタクチックポリプロピレン、ポリエチレン、
   アイソタクチックポリ（４−メチルペンテン−１）、ア
   イソタクチックポリ（ブテン−１）及びこれらの混合物
   から成る群から選ばれた直鎖ポリアルケンより形成され
   、全方向に無秩序に配列された、高度に枝分れしかつ構
   造的に繋がつた重合体繊維の目の詰んだ等方性三次元網
   状組織、及び該網状組織を埋めて包む、硬化性ウレタン
   、シリコン、脂肪族ラバー、低溶融温度プラスチゾル及
   び可撓性エポキシドから成る群から選ばれた伸張性樹脂
   マトリックスより成る複合材料。 ２ シリコンがビニル基末端ジメチルシロキサン、シラ
   ン系硬化剤及び白金触媒より成る特許請求の範囲第１項
   記載の複合材料。 ３ 可撓性エポキシ樹脂が、ビスフェノールＡとグリセ
   リンの共重合体及び酸無水物系硬化剤より成る特許請求
   の範囲第１項記載の複合材料。