説明

結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法

【課題】相溶する2種類の結晶性ポリマーブレンドからなり、相互偏析型のラメラ繰り返し構造を有する一軸延伸された成形体は、延伸前の未延伸成形体と比較すると、延伸方向の強度は大きくなっているが、延伸方向と垂直な方向の強度が小さくなっているという課題を解決する。
【解決手段】相溶する2種類の結晶性高分子の混合物を、一方の結晶性高分子が完全に溶融し、他方の結晶性高分子が存在する温度で、形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより、交互積層型ラメラ繰り返し構造又は相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、相溶する2種類の結晶性高分子の混合物から、交互積層型ラメラ繰り返し構造又は相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成する、結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
相溶する2種類の結晶性ポリマーブレンドのラメラ繰り返し構造として図1に示す2種類の構造が知られている。図1では、2種類の結晶性ポリマーの結晶ラメラを濃淡の違いにより区別している。図1aには、2種類の結晶ラメラが交互に一方向(分子鎖の配向方向)に積層した交互積層型のラメラ繰り返し構造が示されている。図1bには、2種類の結晶性ポリマーがそれぞれ独立にラメラ繰り返し構造を形成する相互偏析型のラメラ繰り返し構造が示されている。交互積層型のラメラ繰り返し構造では、分子鎖の配向方向に沿って組成が変化し、その小角X線散乱像には、子午線方向の低角領域に強い散乱が観測される。一方、相互偏析型のラメラ繰り返し構造では、分子鎖の配向方向と垂直な方向に組成が変化し、その小角X線散乱像には、赤道方向に強い散乱が、子午線方向には弱い散乱が観測される。図1において、相溶性を有する2種類の結晶性ポリマーブレンドを構成する結晶性ポリマーの長周期はL1、L2で示され、交互積層型のラメラ繰り返し構造の長周期はLで示されている。
【0003】
従来、相溶する2種類の結晶性ポリマーブレンドからなり、交互積層型のラメラ繰り返し構造を有する未延伸フィルムが検討されていた(例えば、
【非特許文献1】、
【非特許文献2】、
【非特許文献3】参照)。 また、相溶する2種類の結晶性ポリマーブレンドからなり、相互偏析型のラメラ繰り返し構造を有する一軸延伸フィルムも検討された(例えば、
【特許文献1】、
【非特許文献2】参照)。上記一軸延伸フィルムは、延伸前の未延伸フィルムと比較すると、延伸方向の強度は大きくなっているが、延伸方向と垂直な方向の強度が小さくなっているものであった。
【非特許文献1】L-Z.Liu, B.Chu, J.P.Penning and R.St J.Manley: J.Polym.Sci., B.Polym.Phys., 38, 2296(2000)
【非特許文献2】Y. Li, A.Kaito and S.Horiuchi: Macromolecules, 37, 2119(2004)
【非特許文献3】J.Liu and B-J.Jungnickel: J.Polym.Sci., B.Polym.Phys., 42, 974(2004)
【特許文献1】特開2004-300228号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、相溶する2種類の結晶性ポリマーブレンドからなり、相互偏析型のラメラ繰り返し構造を有する一軸延伸された成形体は、延伸前の未延伸成形体と比較すると、延伸方向の強度は大きくなっているが、延伸方向と垂直な方向の強度が小さくなっているという課題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法であって、相溶する2種類の結晶性高分子の混合物を、一方の結晶性高分子が完全に溶融し、他方の結晶性高分子の結晶が存在する温度で、形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより、交互積層型ラメラ繰り返し構造又は相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成することを特徴とする。
本発明は、上記結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法であって、Tc≦T≦Tm1で交互積層型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成し、Tm2≦T<Tcで相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成することを特徴とする(ここで、Tは相溶する2種類の結晶性高分子の混合物の熱処理温度、Tm1は高融点結晶性高分子の結晶化度が消失する完全融解温度、Tcは高融点結晶性高分子の結晶化度が低下して半溶融状態となる温度、Tm2は低融点結晶性高分子の結晶化度が消失する完全融解温度を示す。)。
本発明は、上記結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法であって、相溶する2種類の結晶性高分子を溶媒に溶解した後フィルム化し、得られたフィルムを固体状態において一軸延伸した後、形態を拘束する張力を付加しながら熱処理を行い、次いで冷却することを特徴とする。
本発明は、上記結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法であって、相溶する2種類の結晶性高分子を溶媒に溶解した後フィルム化し、得られたフィルムを凹凸金型の溝部に挟んだ後、圧力を加えながら剪断流動により一軸延伸し、次いで冷却することを特徴とする。
本発明は、上記結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法であって、ポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートの混合物を、(1)150℃以上162℃以下で形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより交互積層型ラメラ繰り返し構造を形成する、又は(2)120℃以上150℃未満で形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより相互偏析型ラメラ繰り返し構造を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明により、相溶する2種類の結晶性高分子からなり、延伸前の未延伸成形体よりも、延伸方向と延伸方向に垂直な方向の強度が大きな成形体を与える結晶性高分子ブレンドを提供できる。更に、本発明により、当該結晶性高分子ブレンドの配向構造を、原料となる結晶性高分子混合物の加熱温度を調節することにより制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明の相溶する2種類の結晶性高分子からなる混合物を構成する結晶性高分子は、相溶性(分子と分子が互いに混ざり合う)のもの同士であれば特に限定されない。相溶する2種類の結晶性高分子の組み合わせとしては、以下のものが例示できる。
(1)ポリフッ化ビニリデンと脂肪族ポリエステル。脂肪族ポリエステルとしては、ポリ(1,4−ブチレンサクシネート)、ポリ(1,4-ブチレンアジペート)、ポリ(3-ヒドロキシブチレート)が例示できる。
(2)ポリ塩化ビニルとポリ(ε−カプロラクトン)
(3)ポリエチレンオキシドと脂肪族ポリエステル。脂肪族ポリエステルとしては、ポリ(エチレンサクシネート)、ポリ(3-ヒドロキシブチレート)が例示できる。
【0008】
本発明では、相溶する2種類の結晶性高分子からなる混合物を、一方の結晶性高分子が完全に溶融し、他方の結晶性高分子が半溶融状態となる温度で、形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより結晶ラメラを延伸方向に配列させることにより、図1aに示される、一方の結晶性高分子の結晶ラメラと他方の結晶性高分子の結晶ラメラが交互にかつ延伸方向に配列されている交互積層型の配向構造、又は、図1bに示される、2種類の結晶性ポリマーがそれぞれ独立にラメラ繰り返し構造を形成する相互偏析型のラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成し、結晶性高分子ブレンドの配向構造を制御できる。
【0009】
相溶する2種類の結晶性高分子の混合物の熱処理温度を調節することにより、Tc≦T≦Tm1では交互積層型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドが形成され、また、Tm2≦T<Tcでは相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドが形成される。ここで、Tは相溶する2種類の結晶性高分子の混合物の熱処理温度、Tm1は高融点結晶性高分子の結晶化度が消失する完全融解温度、Tcは高融点結晶性高分子の結晶化度が低下して半溶融状態となる温度、Tm2は低融点結晶性高分子の結晶化度が消失する完全融解温度である。
相溶する2種類の結晶性高分子の結晶化度は、相溶する2種類の結晶性高分子の混合物を示差走査熱量分析により融解ピークを測定して求めることができる。本発明では、結晶性高分子の結晶化度が消失する温度を完全融解温度、結晶性高分子の結晶化度が低下する温度を半溶融状態温度としている。
【0010】
相溶する2種類の結晶性高分子がポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートである場合、ポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートの混合物について示差走査熱量分析により融解ピークを測定し、高融点成分であるポリフッ化ビニリデンの融解ピーク面積から計算される結晶化度が室温における結晶化度の75%に低下する温度である150℃がTcに相当する(図3)。また、ポリフッ化ビニリデンの結晶化度が消失する完全融解温度Tm1は162℃、ポリブチレンサクシネートの結晶化度が消失する完全融解温度Tm2は120℃である。
【0011】
相溶する2種類の結晶性高分子からなる混合物は、例えば、相溶する2種類の結晶性高分子を溶媒に溶解して得られる溶液を展開して溶媒を気化させキャスト膜を作製することにより得られる。溶媒は、相溶する2種類の結晶性高分子を溶解するものであれば限定されない。相溶する2種類の結晶性高分子としてポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートが使用される場合、溶媒としてN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドが例示できる。
【0012】
(相溶する2種類の結晶性高分子からなる混合物に形態を拘束する張力を付加して結晶性高分子ブレンドの配向構造を制御する方法)
上記キャスト膜を加熱プレス機を用いて再度溶融プレスした後、氷水中に投入して急冷し、膜厚が均一なフィルムを作製する。次いで、得られたフィルムを一軸延伸して配向膜を作製する。その後、一方の結晶性高分子が完全に溶融し、他方の結晶性高分子が半溶融状態となる温度で熱処理するが、その際、配向膜が収縮しないように、配向膜に形態を拘束する張力が付加される。熱処理後、配向膜は冷却される。これらの工程の条件は、相溶する2種類の結晶性高分子の組み合わせにより適宜調製される。相溶する2種類の結晶性高分子としてポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートが使用される場合、これらの工程の条件は以下のとおりである。ポリフッ化ビニリデン/ポリブチレンサクシネート=5/5〜9/1の質量比の膜厚が均一なフィルムを一軸延伸して配向膜を作製する。延伸温度は30〜100℃、好ましくは50〜80℃である。延伸比は3倍以上であり、配向膜が破断しない限り上限は限定されない。次いで、配向膜の収縮を防止するために配向膜に形態を拘束する張力を付加して熱処理され、次いで冷却される。交互積層型のラメラ繰り返し構造を形成するための熱処理温度は、150〜162℃、好ましくは150℃〜157℃である。また、相互偏析型のラメラ繰り返し構造を形成するための熱処理温度は、120〜150℃未満、好ましくは130℃〜150℃未満である。熱処理時間は120分以下である。
【0013】
(相溶する2種類の結晶性高分子からなる混合物に変形応力を付加して結晶性高分子ブレンドの配向構造を制御する方法)
上記キャスト膜を加熱プレス機を用いて再度溶融プレスした後、氷水中に投入して急冷し、膜厚が均一なフィルムを作製する。次いで、得られたフィルムを図2に示す凹凸金型の溝に挟んで、一方の結晶性高分子が完全に溶融し、他方の結晶性高分子が半溶融状態となる温度で、圧力を加えながら剪断流動により一軸延伸し、次いで急冷する。これらの工程の条件は、相溶する2種類の結晶性高分子の組み合わせにより適宜調製される。相溶する2種類の結晶性高分子としてポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートが使用される場合、これらの工程の条件は以下のとおりである。ポリフッ化ビニリデン/ポリブチレンサクシネート=5/5〜9/1の質量比の膜厚が均一なフィルムが作製される。次いで、得られたフィルムは図2に示す凹凸金型の溝に挟まれ加熱加圧されて剪断流動により一軸延伸され、次いで冷却される。交互積層型のラメラ繰り返し構造を形成するための加熱加圧時の温度は、150〜162℃、好ましくは150℃〜157℃である。また、相互偏析型のラメラ繰り返し構造を形成するための加熱加圧時の温度は、120〜150℃未満、好ましくは130℃〜150℃未満である。加熱加圧時間は120分以下、好ましくは2〜60分である。
【0014】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。実施例で測定されている配向膜の破断強度及び降伏強度は以下のようにして測定されている。
【0015】
幅3mm、長さ25mmの試験片を切り出し、引っ張り試験機のつかみ具(チャック)に固定する。つかみ具(チャック)の距離を10mmに設定し、毎分2mmの一定速度で試料を引張り、試料が破断するときの応力を破断強度とする。また、試料にくびれが生じるときの応力の極大値を降伏強度とする。
【0016】
(実施例1)
ポリフッ化ビニリデン(Scientific Polymer Products Inc.製)700mgとポリブチレンサクシネート(Aldrich Co. Ltd.製)300mgをN,N−ジメチルホルムアミド50mlに溶解した溶液を基板上に展開して溶媒を気化させキャスト膜を作製した。当該キャスト膜を加熱プレス機を用いて溶融プレスした後、氷水中へ投入して急冷し、膜厚400μmの均一なフィルムを作製した。当該フィルムを70℃で3.5倍に一軸延伸して一軸延伸膜を作製した。当該一軸延伸膜の形態を拘束した状態で、温度および冷却速度を制御できるホットステージの間に挿入して145℃で60分間熱処理を行い、その後、2℃/分の冷却速度で冷却して配向膜を得た。
当該配向膜の小角X線散乱像には、赤道方向に強い散乱が、子午線方向に弱い散乱が観測され、相互偏析型のラメラ繰り返し構造が延伸方向に配列していることが確認された(図4a)。子午線方向の小角散乱プロフィール(図5a)には、散乱ベクトルq=0.53nm-1に散乱ピークが観測された。ラメラの繰り返し構造の長周期L=2π/qであるから、当該配向膜のラメラの繰り返し構造の周期Lは11.8nmである。
【0017】
ポリブチレンサクシネートの粉末を120℃において熱プレスで10分間プレスし、急冷することによりポリブチレンサクシネートフィルムを作製した。また、同様にポリフッ化ビニリデンの粉末を170℃おいて熱プレスで10分間プレスし、急冷することによりポリフッ化ビニリデンフィルムを作製した。
一方、上記ポリブチレンサクシネートから得られたフィルム、上記ポリフッ化ビニリデンから得られたフィルムの小角X線散乱プロフィールには、それぞれ、q=0.75nm-1、q=0.67nm-1に散乱ピークが観測された。これらの値から計算したポリブチレンサクシネートの長周期、ポリフッ化ビニリデンの長周期は、それぞれ、8.4nm、9.4nmである。従って、配向膜のラメラ繰り返し構造の長周期は、配向膜の構成成分のラメラ繰り返し構造の長周期の和に近く、相互偏析型のラメラ繰り返し構造が延伸方向に配向していることが示された。
上記配向膜と一軸延伸処理に付される前の膜厚400μmの均一なフィルム(等方性試料)について引張り試験を行い、その結果を図6に示す。配向膜の延伸方向の破断強度は147MPa、延伸方向と垂直な方向の降伏強度は34.3MPaであり、等方性試料の降伏強度(25MPa)より大きかった。従って、上記配向膜は、一軸延伸処理に付される前のフィルムよりも延伸方向の強度、延伸方向と垂直な方向の強度が大きくなっているものである。
【0018】
(実施例2)
実施例1で得られた一軸延伸膜の形態を拘束して、温度および冷却速度を制御できるホットステージの間に挿入して、155℃で60分間熱処理を行い、その後、2℃/分の冷却速度で冷却して配向膜を得た。
当該配向膜の小角X線散乱像には、子午線方向に強い散乱が観測され、交互積層型のラメラ繰り返し構造が延伸方向に配列していることが確認された(図4b)。子午線方向の小角散乱プロフィール(図5b)には、散乱ベクトルq=0.24nm-1に散乱ピークが観測された。ラメラの繰り返し構造の長周期L=2π/qであるから、当該配向膜のラメラの繰り返し構造の周期Lは26nmである。従って、配向膜のラメラ繰り返し構造の長周期は、配向膜の構成成分のラメラ繰り返し構造の長周期の和より長く、一軸延伸膜の形態を拘束した熱処理により、厚化した交互積層型のラメラ繰り返し構造が延伸方向に配向していることが示された。
上記配向膜と一軸延伸処理に付される前の膜厚400μmの均一なフィルム(等方性試料)について引張り試験を行い、その結果を図7に示す。配向膜の延伸方向の破断強度は64MPa、延伸方向と垂直な方向の降伏強度は35.4MPaであり、等方性試料の降伏強度(25MPa)より大きかった。従って、上記配向膜は、一軸延伸処理に付される前のフィルムよりも延伸方向の強度、延伸方向と垂直な方向の強度が大きくなっているものである。
【0019】
(実施例3)
実施例1で得られた膜厚400μmの均一なフィルムを凹凸金型の溝に保持して147℃で20分間プレスすることにより溝に沿って剪断流動延伸して、金型とともに試料を氷水中に投入して急冷し、配向膜を作製した。
当該配向膜の小角X線散乱像には、赤道方向に強い散乱が、子午線方向に弱い散乱が観測され、相互偏析型のラメラ繰り返し構造が延伸方向に配列していることが確認された(図4c)。子午線方向の小角散乱プロフィール(図5c)の散乱ピークから計算される当該配向膜のラメラの繰り返し構造の周期Lは12.5nmであり、配向膜のラメラ繰り返し構造の長周期は、配向膜の構成成分のラメラ繰り返し構造の長周期の和に近く、相互偏析型のラメラ繰り返し構造が延伸方向に配向していることが示された。
上記配向膜と一軸延伸処理に付される前の膜厚400μmの均一なフィルム(等方性試料)について引張り試験を行い、その結果を図8に示す。配向膜の延伸方向の破断強度は106.4MPa、延伸方向と垂直な方向の降伏強度は29.5MPaであり、等方性試料の降伏強度(25MPa)より大きかった。従って、上記配向膜は、一軸延伸処理に付される前のフィルムよりも延伸方向の強度、延伸方向と垂直な方向の強度が大きくなっているものである。
【0020】
(実施例4)
実施例1で得られた膜厚400μmの均一なフィルムを凹凸金型の溝に保持して161℃で20分間プレスすることにより溝に沿って剪断流動延伸して、金型とともに試料を氷水中に投入して急冷し、配向膜を作製した。
当該配向膜の小角X線散乱像には、子午線方向に強い散乱が観測され、ラメラ繰り返し構造が延伸方向に配列していることが確認された(図4d)。子午線方向の小角散乱プロフィール(図5d)には、散乱ベクトルq=0.35nm-1に散乱ピークが観測された。散乱ベクトルqから計算される当該配向膜のラメラの繰り返し構造の周期Lは18nmであり、配向膜の構成成分のラメラ繰り返し構造の長周期の和とほぼ等しく、配向膜は、交互積層型のラメラ繰り返し構造が形成され、かつ延伸方向に配向していることが確認された。
上記配向膜と剪断流動延伸処理に付される前の膜厚400μmの均一なフィルム(等方性試料)について引張り試験を行い、その結果を図9に示す。配向膜の延伸方向の破断強度は63.7MPa、延伸方向と垂直な方向の降伏強度は30.9MPaであり、等方性試料の降伏強度(25MPa)より大きかった。従って、上記配向膜は、剪断流動延伸処理に付される前のフィルムよりも延伸方向の強度、延伸方向と垂直な方向の強度が大きくなっているものである。
【産業上の利用可能性】
【0021】
本発明により、相溶する2種類の結晶性高分子混合物の加熱温度を調節することにより、結晶性高分子ブレンドの配向構造を制御することができる。本発明により得られた相溶する2種類の結晶性高分子ブレンドは、一軸延伸により、延伸前の未延伸成形体よりも、延伸方向と延伸方向に垂直な方向の強度が大きな成形体を与えるものであり、高強度プラスチックフィルム等の各種構造材料として広範な用途に使用可能なものである。

【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】相溶する2種類の結晶性ポリマーブレンドのラメラ繰り返し構造(aは交互積層型ラメラ構造、bは相互偏析型ラメラ構造)とその小角X線散乱像の模式図
【図2】凹凸金型による流動配向の模式図
【図3】ポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートの混合物のDSC曲線
【図4】実施例1〜4で得られた配向膜の小角X線散乱像(aは実施例1、bは実施例2、cは実施例3、dは実施例4)
【図5】実施例1〜4で得られた配向膜の小角X線散乱プロフィール(aは実施例1、bは実施例2、cは実施例3、dは実施例4)
【図6】実施例1で得られた配向膜の応力−ひずみ曲線
【図7】実施例2で得られた配向膜の応力−ひずみ曲線
【図8】実施例3で得られた配向膜の応力−ひずみ曲線
【図9】実施例4で得られた配向膜の応力−ひずみ曲線

【特許請求の範囲】
【請求項1】
相溶する2種類の結晶性高分子の混合物を、一方の結晶性高分子が完全に溶融し、他方の結晶性高分子の結晶が存在する温度で、形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより、交互積層型ラメラ繰り返し構造又は相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成することを特徴とする結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法。
【請求項2】
c≦T≦Tm1で交互積層型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成し、Tm2≦T<Tcで相互偏析型ラメラ繰り返し構造を有する結晶性高分子ブレンドを形成することを特徴とする請求項1に記載された結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法。
(ここで、Tは相溶する2種類の結晶性高分子の混合物の熱処理温度、Tm1は高融点結晶性高分子の結晶化度が消失する完全融解温度、Tcは高融点結晶性高分子の結晶化度が低下して半溶融状態となる温度、Tm2は低融点結晶性高分子の結晶化度が消失する完全融解温度を示す。)
【請求項3】
相溶する2種類の結晶性高分子を溶媒に溶解した後フィルム化し、得られたフィルムを固体状態において一軸延伸した後、形態を拘束する張力を付加しながら熱処理を行い、次いで冷却することを特徴とする請求項1又は2に記載された結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法。
【請求項4】
相溶する2種類の結晶性高分子を溶媒に溶解した後フィルム化し、得られたフィルムを凹凸金型の溝部に挟んだ後、圧力を加えながら剪断流動により一軸延伸し、次いで冷却することを特徴とする請求項1又は2に記載された結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法。
【請求項5】
ポリフッ化ビニリデンとポリブチレンサクシネートの混合物を、(1)150℃以上162℃以下で形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより交互積層型ラメラ繰り返し構造を形成する、又は(2)120℃以上150℃未満で形態を拘束する張力又は変形応力を付加しながら熱処理することにより相互偏析型ラメラ繰り返し構造を形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載された結晶性高分子ブレンドの配向構造制御法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図4】
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【公開番号】特開2008−55619(P2008−55619A)
【公開日】平成20年3月13日(2008.3.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−231830(P2006−231830)
【出願日】平成18年8月29日(2006.8.29)
【出願人】(301021533)独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Fターム(参考)】