説明

ポリアミド樹脂複合材料及びその製造方法

【課題】工業的に製造が容易で、かつ無機化合物微粒子が一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で均一に分散されたポリアミド樹脂複合材料を提供する。
【解決手段】ポリアミド樹脂と該樹脂中に分散した硫酸根含有ジルコニウム化合物の微粒子とからなるポリアミド樹脂複合材料。この複合材料は、硫酸ジルコニウムを脂肪族アルコールに溶解させて硫酸ジルコニウムアルコール溶液を調製する工程、硫酸ジルコニウムアルコール溶液中にポリアミド樹脂粉末を分散させてポリアミド樹脂粉末分散液を調製する工程、ポリアミド樹脂粉末分散液を水の存在下にて加熱して、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子を析出させ、ポリアミド樹脂粉末の表面に付着させて、微粒子付きポリアミド樹脂粉末を生成する工程、溶媒から微粒子付きポリアミド樹脂粉末を回収する工程、そして微粒子付きポリアミド樹脂粉末を溶融混練する工程からなる方法により製造できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ポリアミド樹脂複合材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
ポリアミド樹脂は、耐熱性、耐衝撃性、成形性、酸素透過防止性などに優れたエンジニアプラスチックとして知られており、自動車、機械、電気、電子、衣類、食品包装、雑貨などの多くの分野において幅広く用いられている。
【0003】
従来より、ポリアミド樹脂の機械的特性や耐熱性のさらなる向上を目的として、ポリアミド樹脂中に無機化合物微粒子を分散させて複合材料とすることが検討されている。機械的特性や耐熱性が優れたポリアミド樹脂複合材料を製造するためには、無機化合物微粒子をポリアミド樹脂中に一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で均一に分散させることが必要となる。しかしながら、無機化合物微粒子は、一般に凝集粒子を形成し易く、しかも樹脂との親和性が低いため、無機化合物微粒子とポリアミド樹脂とを機械的に混合するだけでは、無機化合物微粒子が微細な状態で均一に分散したポリアミド樹脂複合材料を製造することは難しいという問題がある。
【0004】
ポリアミド樹脂中に無機化合物微粒子が微細な状態で分散したポリアミド樹脂複合材料を製造する方法として、特許文献1には、ポリアミド樹脂を有機溶媒及び/又は水からなる膨潤液にて膨潤させ、次いで膨潤させたポリアミド樹脂に金属アルコキシド類を含む含浸液を含浸させた後、金属アルコキド類を加水分解重縮合させて、金属酸化物として固定化させる方法が開示されている。この特許文献1の実施例では、ポリアミド6(ナイロン6)中に、粒径20〜80nmのシリカ粒子が分散したポリアミド樹脂複合材料が製造されている。
【特許文献1】特開平8−319362号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前記特許文献1に開示されているように、ポリアミド樹脂に含浸させた金属アルコキシド類を加水分解重縮合させて無機化合物微粒子とすることによって、無機化合物微粒子が微細な状態で均一に分散したポリアミド樹脂複合材料を製造することは可能となる。しかしながら、前記特許文献1に開示されているポリアミド樹脂複合材料の製造方法では、ポリアミド樹脂を膨潤させる工程や膨潤したポリアミド樹脂にアルコキシド類を含浸させる工程が必要となるため、生産工程が煩雑であるという問題がある。
本発明の目的は、工業的に製造が容易で、かつ無機化合物微粒子が一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で均一に分散したポリアミド樹脂複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者は、硫酸ジルコニウムを脂肪族アルコールに溶解させて調製した硫酸ジルコニウムアルコール溶液中にポリアミド樹脂粉末を分散させてポリアミド樹脂粉末分散液を調製し、次いで、そのポリアミド樹脂粉末分散液を水の存在下にて加熱して硫酸根を含有するジルコニウム化合物の微粒子を析出させ、ポリアミド樹脂の表面に硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子を付着させて硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を得て、そして得られた硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を溶融混練する方法によって、ポリアミド樹脂中に硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子が一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で均一に分散したポリアミド樹脂複合材料が得られることを見出し、さらにそのポリアミド樹脂複合材料が、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子を含まない通常のポリアミド樹脂と比べて優れた機械的特性や耐熱性を示すことを確認して本発明に到達した。
【0007】
従って、本発明は、ポリアミド樹脂と、該樹脂中に分散した硫酸根含有ジルコニウム化合物の微粒子とからなるポリアミド樹脂複合材料にある。
【0008】
本発明のポリアミド樹脂複合材料の好ましい態様は、次の通りである。
(1)硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子の含有率が、ジルコニウムの含有率に換算して0.01〜1.8質量%の範囲にある。
(2)硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子が、平均粒子径が5μm以下の粒子である。
【0009】
本発明はまた、硫酸ジルコニウムを脂肪族アルコールに溶解させて硫酸ジルコニウムアルコール溶液を調製する工程、硫酸ジルコニウムアルコール溶液中にポリアミド樹脂粉末を分散させてポリアミド樹脂粉末分散液を調製する工程、ポリアミド樹脂粉末分散液を水の存在下にて加熱して、硫酸根を含有するジルコニウム化合物の微粒子を析出させ、ポリアミド樹脂粉末の表面に付着させて、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を生成する工程、溶媒から硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を回収する工程、そして硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を溶融混練する工程からなる上記本発明のポリアミド樹脂複合材料の製造方法にもある。
【発明の効果】
【0010】
本発明の製造方法を利用することによって、ポリアミド樹脂中に無機化合物微粒子(硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子)が一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で分散したポリアミド樹脂複合材料を工業的に有利に製造することができる。そして、そのポリアミド樹脂複合材料は、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子を含まない通常のポリアミド樹脂と比べて優れた機械的特性や耐熱性を有するため、特に耐熱性が要求される用途(例えば、自動車部品、機械部品、電気部品、電子部品)に有利に利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
本発明のポリアミド樹脂複合材料は、ポリアミド樹脂と、そのポリアミド樹脂中に分散した硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子とからなる。硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子は、平均粒子径が5μm以下であることが好ましく、1μm以下であることがより好ましく、0.001μm以上であることが特に好ましい。硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子の含有率は、ジルコニウムの含有率に換算して0.01〜1.8質量%の範囲にあることが好ましく、0.05〜1.0質量%の範囲にあることが特に好ましい。硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子は、一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で分散していることが好ましい。
【0012】
本発明で用いられるポリアミド樹脂は、主鎖にアミド結合をもつ重合体で、ラクタム及び/又はa,w−アミノカルボン酸あるいはジアミンとジカルボン酸とから得られる脂肪族あるいは半芳香族ポリアミド樹脂である。ポリアミド樹脂の具体例としては、ポリアミド4、ポリアミド6、ポリアミド8、ポリアミド9、ポリアミド11、ポリアミド12、ポリアミド46、ポリアミド66、ポリアミド610、ポリアミド612、ポリアミド6I、ポリアミド6T、ポリアミド96、ポリアミド910、ポリアミド912、ポリアミド1010、ポリアミド1012、ポリアミド1212、ポリアミドMXD6、及びこれらの共重合体を挙げることができる。これらのポリアミド樹脂は単独で又は二種以上を混合して用いることができる。
【0013】
本発明のポリアミド樹脂複合材料は、硫酸ジルコニウムを脂肪族アルコールに溶解させて硫酸ジルコニウムアルコール溶液を調製する工程、硫酸ジルコニウムアルコール溶液中にポリアミド樹脂粉末を分散させてポリアミド樹脂粉末分散液を調製する工程、ポリアミド樹脂粉末分散液を水の存在下にて加熱して、硫酸根を含有するジルコニウム化合物の微粒子を析出させ、ポリアミド樹脂粉末の表面に付着させて、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を生成する工程、溶媒から硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を回収する工程、そして硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を溶融混練する工程からなる方法により製造することができる。
【0014】
原料として用いる硫酸ジルコニウムは、結晶水を有するものであることが好ましい。硫酸ジルコニウムは、硫酸ジルコニウム四水和物であることが特に好ましい。
【0015】
脂肪族アルコールは、炭素原子数1〜6の低級脂肪族アルコールであることが好ましい。脂肪族アルコールの具体例としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールを挙げることができる。これらの脂肪族アルコールは単独で又は二種以上を混合して用いることができる。脂肪族アルコールは水を含んでいてもよい。
【0016】
硫酸ジルコニウムアルコール溶液の硫酸ジルコニウム濃度は、ジルコニウム濃度に換算して0.01〜0.5質量%の範囲にあることが好ましく、0.01〜0.2質量%の範囲にあることが特に好ましい。
【0017】
ポリアミド樹脂粉末は、粒子径が1mm以下であることが好ましい。硫酸ジルコニウムアルコール溶液に分散させるポリアミド樹脂粉末の量は、硫酸ジルコニウムアルコール溶液中のジルコニウム量に対して0.1〜10質量倍となる量であることが好ましく、0.5〜10質量倍となる量であることが特に好ましい。
【0018】
本発明では、ポリアミド樹脂粉末分散液を水の存在下にて加熱することによって、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子を析出させ、ポリアミド樹脂粉末の表面に付着させて、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を生成する。ポリアミド樹脂粉末分散液の加熱温度は、通常は20〜80℃の範囲、好ましくは30〜60℃の範囲である。加熱時間は、通常は1〜10時間の範囲、好ましくは2〜5時間の範囲である。ポリアミド樹脂粉末分散液に存在させる水の量は、溶媒(硫酸ジルコニウムアルコール溶液)中に0.1〜10質量%の範囲となる量であることが好ましい。このポリアミド樹脂粉末分散液に存在させる水は、硫酸ジルコニウム四水和物に含まれる結晶水、及び脂肪族アルコールに含まれる水であってもよい。
【0019】
ポリアミド樹脂粉末分散液の加熱により析出する硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子がもつ硫酸根(SO42-)は、ポリアミド樹脂がもつアミド結合(−CONH−)との親和性が高いので、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子は、凝集粒子をほとんど形成することなくポリアミド樹脂粉末の表面に付着する。ポリアミド樹脂粉末分散液の加熱は、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子が均一にポリアミド樹脂粉末の表面に付着するように、ポリアミド樹脂粉末を撹拌しながら行なうことが好ましい。ポリアミド樹脂粉末分散液の加熱により析出する微粒子が硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子であることは、例えば、元素分析により硫黄元素が検出され、かつ赤外吸収(IR)スペクトルの波長1010〜1025cm-1の領域と波長1035〜1050cm-1の領域とにそれぞれ硫黄−酸素結合に基づく赤外吸収ピークが検出されるかにより確認することができる。
【0020】
上記の工程で生成した硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末は、ろ過、遠心分離、デカンテーションなどの通常の方法により分散液から回収することができる。溶液から回収したポリアミド樹脂粉末は、真空乾燥、熱風乾燥などの通常の乾燥方法により乾燥することができる。
【0021】
上記の工程で得られた硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を溶融混練することによって、目的のポリアミド樹脂複合材料が得られる。ポリアミド樹脂粉末の溶融混練には、一軸押出機や二軸押出機などの押出機、バンバリーミキサー、ニーダー、コンティニュアスミキサー、ミキシングロール、ブラベンダーなどの公知の混練装置を用いることができる。ポリアミド樹脂粉末の溶融混練時の温度は、原料のポリアミド樹脂の種類により異なるが、通常は、ポリアミド樹脂の融点より5〜80℃の範囲で高い温度である。
【0022】
上記のようにして得られる本発明のポリアミド樹脂複合材料は、ポリアミド樹脂中に硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子が一次粒子もしくはそれに近い微細な状態で分散している。このため本発明のポリアミド樹脂複合材料は、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子の含有量が少量でも、機械的特性(特に、弾性率)や耐熱性が向上し、かつ成形品の外観性が良好である。従って、本発明のポリアミド樹脂複合材料は、例えば、自動車用のエンジンカバー、シリンダーヘッドカバー、ドアハンドル、ホイールキャップ、二輪車用マフラーカバー、フードガーニッシュ、ベントルーバー、インバーターカバー、タイミングベルトカバー、及びランプリフレクターなどの家電製品の内外装カバー、電動工具、食器乾燥機、ファンヒーター、熱器具、電磁調理器などの熱を発する電気製品のカバー材の材料として好適に用いることができる。
【実施例】
【0023】
[実施例1]
硫酸ジルコニウム四水和物を含水率1質量%のメタノールに溶解して硫酸ジルコニウム濃度0.0672質量%(ジルコニウム濃度に換算して0.0172質量%)の硫酸ジルコニウムメタノール溶液を調製した。
容量1Lのフラスコに、上記の硫酸ジルコニウムメタノール溶液500mLと、ポリアミド6粉末(P1022、宇部興産(株)製)48gとを投入してポリアミド6粉末分散液を調製した。次いで、フラスコに還流器を取り付け、ポリアミド6粉末分散液を撹拌しながら、50℃の温度で3時間加熱した。その後、室温まで冷却し、ろ過によりポリアミド6粉末を回収した。回収したポリアミド6粉末を80℃の温度で12時間真空乾燥してメタノールを取り除いた。乾燥後のポリアミド6粉末の表面を電子顕微鏡により観察したところ、ポリアミド6粉末の表面に微粒子が付着していることが確認された。このポリアミド6粉末の表面に付着している微粒子は、元素分析と赤外吸収スペクトルの測定結果から硫酸根を含有するジルコニウム化合物からなることが確認された。
【0024】
上記のようにして得られた硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド6粉末を、ブラベンダーに投入し、溶融混練した後、冷却してポリアミド6複合材料を得た。そして、得られたポリアミド6複合材料を230℃の温度に加熱しながら、プレス形成して、厚さ0.1mmのシート状に形成した。
【0025】
得られたポリアミド6複合材料シートを、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察したところ、粒子径が1.0μm以上の粒子は発見されず、また微粒子が均一に分散しており微粒子の分散性は良好であることが確認された。また、得られたポリアミド6複合材料シートのジルコニウム含有率、引張弾性率及び動的粘弾性を下記の方法により測定したところ、ジルコニウム含有率は0.1質量%であり、引張弾性率は710MPaであり、動的粘弾性は、2.6GPa(23℃)、0.84GPa(75℃)、0.51GPa(95℃)、0.29GPa(180℃)であった。
【0026】
(ジルコニウム含有率)
ポリアミド6複合材料シートを硫硝酸にて湿式分解して、超純水で希釈した後、ICP発光分光測定装置にてジルコニウム量を定量して、試料全体に対するジルコニウム含有率に換算した。
【0027】
(引張弾性率)
ASTM D638に準じた方法により測定した。
【0028】
(動的粘弾性)
ティー・エイ・インスツルメント製粘弾性アナライザーRSAIII型を用いて、周波数10Hzの条件で23℃、75℃、95℃及び180℃の温度の動的粘弾性を測定した。
【0029】
[実施例2]
硫酸ジルコニウムメタノール溶液の硫酸ジルコニウム濃度を0.336質量%(ジルコニウム濃度に換算して0.0860質量%)に変えた以外は、実施例1と同様にして微粒子付きポリアミド6粉末を得た。このポリアミド6粉末の表面に付着している微粒子は、元素分析と赤外吸収スペクトルの測定結果から硫酸根を含有するジルコニウム化合物からなることが確認された。
【0030】
上記のようにして得られた硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド6粉末を、実施例1と同様にブラベンダーに投入し、溶融混練した後、冷却してポリアミド6複合材料を得た。そして、得られたポリアミド6複合材料を230℃の温度に加熱して、プレス形成して、厚さ0.1mmのシート状に形成した。
【0031】
得られたポリアミド6複合材料シートを、透過型電子顕微鏡を用いて観察したところ、粒子径が1.0μm以上の微粒子は発見されず、また微粒子が均一に分散しており微粒子の分散性は良好であることが確認された。また、得られたポリアミド6複合材料シートのジルコニウム含有率、引張弾性率及び動的粘弾性を上記の方法により測定したところ、ジルコニウム含有率は0.5質量%であり、引張弾性率は770MPaであり、動的粘弾性は、2.7GPa(23℃)、0.85GPa(75℃)、0.54GPa(95℃)、0.32GPa(180℃)であった。
【0032】
[実施例3]
硫酸ジルコニウムメタノール溶液の硫酸ジルコニウム濃度を0.672質量%(ジルコニウム濃度に換算して0.172質量%)に変えた以外は、実施例1と同様にして微粒子付きポリアミド6粉末を得た。このポリアミド6粉末の表面に付着している微粒子は、元素分析と赤外吸収スペクトルの測定結果から硫酸根を含有するジルコニウム化合物からなることが確認された。
【0033】
上記のようにして得られた硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド6粉末を、実施例1と同様にブラベンダーに投入し、溶融混練した後、冷却してポリアミド6複合材料を得た。そして、得られたポリアミド6複合材料を230℃の温度に加熱しながらプレス形成して、厚さ0.1mmのポリアミド6複合材料シートを得た。
【0034】
得られたポリアミド6複合材料シートを、透過型電子顕微鏡を用いて観察したところ、粒子径が1.0μm以上の微粒子は発見されず、また微粒子が均一に分散しており微粒子の分散性は良好であることが確認された。また、得られたポリアミド6複合材料シートのジルコニウム含有率、引張弾性率及び動的粘弾性を上記の方法により測定したところ、ジルコニウム含有率は0.9質量%であり、引張弾性率は1090MPaであり、動的粘弾性は、2.7GPa(23℃)、1.1GPa(75℃)、0.75GPa(95℃)、0.26GPa(180℃)であった。
【0035】
[実施例4]
硫酸ジルコニウムメタノール溶液の硫酸ジルコニウム濃度を1.34質量%(ジルコニウム濃度に換算して0.344質量%)に変えた以外は、実施例1と同様にして微粒子付きポリアミド6粉末を得た。このポリアミド6粉末の表面に付着している微粒子は、元素分析と赤外吸収スペクトルの測定結果から硫酸根を含有するジルコニウム化合物からなることが確認された。
【0036】
上記のようにして得られた硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド6粉末を、実施例1と同様にブラベンダーに投入し、溶融混練した後、冷却してポリアミド6複合材料を得た。そして、得られたポリアミド6複合材料を230℃の温度に加熱しながらプレス形成して、厚さ0.1mmのポリアミド6複合材料シートを得た。
【0037】
得られたポリアミド6複合材料シートの微粒子の粒子径及び分散性を、透過型電子顕微鏡を用いて観察したところ、粒子径が1.0μm以上5.0μm以下の微粒子が発見され、また微粒子の分散性が実施例1で得られたポリアミド6複合材料シートと比べると分散性がやや劣っていることが確認された。また、得られたポリアミド6複合材料シートのジルコニウム含有率、引張弾性率を上記の方法により測定したところ、ジルコニウム含有率は1.5質量%、引張弾性率は1040MPaであった。
【0038】
[参考例1]
ポリアミド6粉末(P1022、宇部興産(株)製)48gを、ブラベンダーに投入し、溶融混練した後、230℃の温度に加熱しながらプレス形成して、厚さ0.1mmのポリアミド6シートを得た。
得られたポリアミド6シートの引張弾性率及び動的粘弾性を上記の方法により測定したところ、引張弾性率は690MPaであり、動的粘弾性は、2.4GPa(23℃)、0.72GPa(75℃)、0.49GPa(95℃)、0.19GPa(180℃)であった。
【0039】
下記の表1に、実施例1〜実施例4及び比較例1にて得られたポリアミド6複合材料シートの評価結果をまとめて示す。表1に示すように、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子が分散しているポリアミド樹脂複合材料は、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子を含まないポリアミド樹脂(比較例1)と比べて引張弾性率が高く、また動的粘弾性の温度変化が小さいことから機械的特性及び耐熱性に優れることがわかる。
【0040】
表1
────────────────────────────────────────
分散性 ジルコニウム 引張弾性率 動的粘弾性(GPa)
含有率 ───────────────────
(質量%) (MPa) 23℃ 75℃ 95℃ 180℃
────────────────────────────────────────
実施例1 良好 0.1 710 2.6 0.84 0.51 0.29
実施例2 良好 0.5 770 2.7 0.85 0.54 0.32
実施例3 良好 0.9 1090 2.7 1.1 0.75 0.26
実施例4 やや劣る 1.5 1040 − − − −
────────────────────────────────────────
参考例1 − − 690 2.4 0.72 0.49 0.19
────────────────────────────────────────

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ポリアミド樹脂と、該樹脂中に分散した硫酸根含有ジルコニウム化合物の微粒子とからなるポリアミド樹脂複合材料。
【請求項2】
硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子の含有率が、ジルコニウムの含有率に換算して0.01〜1.8質量%の範囲にある請求項1に記載のポリアミド樹脂複合材料。
【請求項3】
硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子が、平均粒子径が5μm以下の粒子である請求項1に記載のポリアミド樹脂複合材料。
【請求項4】
硫酸ジルコニウムを脂肪族アルコールに溶解させて硫酸ジルコニウムアルコール溶液を調製する工程、硫酸ジルコニウムアルコール溶液中にポリアミド樹脂粉末を分散させてポリアミド樹脂粉末分散液を調製する工程、ポリアミド樹脂粉末分散液を水の存在下にて加熱して、硫酸根を含有するジルコニウム化合物の微粒子を析出させ、ポリアミド樹脂粉末の表面に付着させて、硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を生成する工程、溶媒から硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を回収する工程、そして硫酸根含有ジルコニウム化合物微粒子付きポリアミド樹脂粉末を溶融混練する工程からなる請求項1に記載のポリアミド樹脂複合材料の製造方法。

【公開番号】特開2008−37958(P2008−37958A)
【公開日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−212310(P2006−212310)
【出願日】平成18年8月3日(2006.8.3)
【出願人】(000000206)宇部興産株式会社 (2,022)
【Fターム(参考)】