高充填材入り射出成形用ポリアリールエーテルケトン
【課題】ＰＢＩの代わりに普通の安価な充填材を用いる、高温での最高の可能な寸法安定性を示しつつ、押出および射出成形機で加工できる範囲の加工溶融粘度をも示すＰＥＥＫ複合材料の提供。
【解決手段】ポリアリールエーテルケトンマトリックスに２種類の充填材を含める。第一充填材は、高い強度および剛性を与える強化用繊維充填材である。第二充填材は、部分結晶性ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化しそして耐高温撓み性を与える非熱可塑性不動化用充填材である。
【解決手段】ポリアリールエーテルケトンマトリックスに２種類の充填材を含める。第一充填材は、高い強度および剛性を与える強化用繊維充填材である。第二充填材は、部分結晶性ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化しそして耐高温撓み性を与える非熱可塑性不動化用充填材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形用熱可塑性樹脂、特に、エンジニアリングプラスチックとして用いるのに適した高充填材入り射出成形用ポリアリールエーテルケトンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリアリールエーテルケトンポリマーは、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）およびポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）を含めた多数の近縁のポリマーを含んで成る。これらポリマーは成形可能であり、したがって、容易に有効部材に成形される。それらは、高温で優れた長期酸化安定性を示す（“Thermoplastic Aromatic Polyetherketones” に関する１９８２年３月１６日発行の米国特許第４,３２０,２２４号（特許文献１）を参照されたい）。ポリアリールエーテルケトンの内、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）は広く商業的に入手可能であり、しかも優れた熱可塑性成形用樹脂であることが判っている。周囲温度でＰＥＥＫは、結晶性および非晶質相を有する固体として存在する。その非晶質相は、５２〜７０％のポリマーを含み、非晶質相のガラス転移温度Ｔｇに相当する約１４３℃〜１５５℃の温度で軟化する。
【０００３】
残りの４８〜３０％のポリマーは、約３３５℃までの融点Ｔｍの結晶性相として存在し、非晶質相中に分散している。そのポリマーは、Ｔｇを越えて加熱された場合に軟化し、そしてＴｍを越える温度で融解する。ＰＥＥＫのような部分結晶性ポリマーの無充填銘柄は、生じる軟化が、ポリマーの機械的性質、特に、剛性（すなわち、弾性率）の急激な減少をもたらすので、それらのＴｇをはるかに越える温度で成形される部材成形品において有用でない。この低下した剛性は、Ｔｇを越える温度での応力下の減少した寸法安定性に反映される。
【０００４】
成形品は、クリープ過程を経て、そして一時的にまたは永久に変形した状態になるであろう。完全に非晶質のＰＥＥＫ相の熱容量は、非晶質相中の運動が熱的に活性化するにつれて、ＰＥＥＫガラス転移温度Ｔｇでの最大量［７８Ｊ／（Ｋ*モル）］まで増加する。ガラス転移温度で可動する非晶質相のその部分を“可動非晶質相”と称する。しかしながら、観察される実際の熱容量増加は、最大値未満でありうるということが注目されてきた（B.Wunderlichら，Macromolecules(1986),19,1868-1876）。実際の増加は、加工歴並びにやはり存在する結晶性相の量および形態に依る。Ｔｇでの最大量未満の増加は、ポリマー運動が、Ｔｇを越えるにつれてほとんど熱的に活性でなくなることを示す。実熱容量増加と最大増加との間の差の大きさは“剛性非晶質相”と称される相の存在および量を示している。この相は、Ｔｇを充分に越える温度まで剛性のままであり、そしてその温度が結晶融解温度付近まで上昇すると遂には融解する。同様に、以下に開示される発明において、剛性非晶質相は、部分結晶性ＰＥＥＫ材料中の非晶質相および結晶性相の界面で不動化された非晶質相ポリマーから形成されると考えられる。
【０００５】
実用的な尺度は、ポリマーが有用な機械的性質を保持する最大温度を特性決定するために開発されてきた。広く用いられる例は、“加熱撓み温度”（ＨＤＴ）または“荷重撓み温度”（ＤＴＵＬ）試験である。ポリマーまたはポリマー複合材料のＨＤＴは、試験体が一定の荷重（２６４ｐｓｉ）で曲り始める温度である。無充填ＰＥＥＫのＨＤＴは、そのＴｇを越えて生じる軟化のために、比較的低い（１６０℃）。したがって、無充填ＰＥＥＫは、たとえそれが更に高い温度およびはるかに高い結晶融解温度で長期酸化安定性を示すとしても、約１６０℃を越える使用温度を必要とする成形部材用途には考えられない。したがって、ＰＥＥＫは、その低い熱−機械的安定性を向上させることができるならば、より高温度で有用であろう。
【０００６】
ＰＥＥＫなどの部分結晶性ポリマーのＨＤＴは、充填材料、特に、強化用繊維充填材を組み込むことによって上昇させうることが周知である。例えば、１０〜３０重量％（容量基準で５〜１７％に相当する）の短ガラス繊維を含有するＰＥＥＫ銘柄は、次のような増加したＨＴＤを示す。
【０００７】
【表１】
【０００８】
ガラスまたは炭素繊維充填材を有するＰＥＥＫ銘柄は商業的に入手可能である（例えば、Victrex ＰＥＥＫ、150GL130銘柄は、３０重量％のチョップトガラス繊維を充填したＰＥＥＫ複合材料である）。
【０００９】
ＨＤＴは、ポリマー剛性の比較的大ざっぱな尺度である。より厳密な試験は、単純なガラスまたは炭素繊維充填ＰＥＥＫ複合材料が、Ｔｇを越える温度でなお剛性減少度を変化させることを示す。若干の臨界的用途には、成形品が、高温での応力下で最高の寸法安定性を示すことが望まれる。これらの用途については、より大きい剛性は、より敏感な試験が示す組成物の剛性または弾性率の点から有用な性質である。
【００１０】
ポリマーおよびその複合材料の剛性または寸法安定性は、ポリマーおよびそれが含む充填材の弾性率Ｅの関数である。剛性材料、つまり高弾性率を有する材料は、応力が加えられた場合、小さい寸法変化（歪）しか示さない。これは、式１の関係によって定義される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
短時間（瞬間）で生じる歪、つまり小振幅応力は、その応力が除かれた場合に元の部材寸法が回復するので弾性（εo と表示される弾性歪）であるといわれる。
ポリマーおよびポリマー複合材料において、応力を長時間加えた場合に生じる歪は、もう一つの成分、つまり加えた応力が除かれた場合に回復しない永久変形またはクリープ成分（εt）を有することがある。式１は、歪の塑性流成分を含むように修正することができる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
式中、εt は、ポリマーまたは複合材料の見掛けの弾性率であり、σtは時間をかけて加えた応力である。材料の見掛けの弾性率Ｅa は、継続して加えた応力が、主としてポリマー中の塑性流によってますます大きい歪を生じるにつれて時間と共に減少する。
【００１５】
クリープ成分εt および、加えた応力によって生じるであろうその経時変化は、式２の再配列によってＥaおよびσt から見積もることができる。
【００１６】
【数３】
【００１７】
例えば、時間ｔで１ＧＰａの弾性率Ｅa を示す材料は、次の式により、１０００ｐｓｉの加えた応力下において０．７％の歪（εo＋εt）を示す。
【００１８】
【数４】
【００１９】
加えた応力によって生じる弾性歪およびクリープは、高弾性率を有する材料で最小になる。本発明の目的は、加えた応力下でより大きい寸法安定性を示す向上した弾性率を有するポリマー複合材料を提供することである。
【００２０】
ポリマーおよびポリマー複合材料の寸法安定性は、これら複合材料中のポリマーマトリックスの剛性が高温でより低いので、高温でより低い（クリープはより高い）。しかしながら、本発明の技術を用いて複合材料に設計することができるより大きい高温弾性率のために、高温でより大きい寸法安定性を有するポリマー複合材料を配合することは可能である。
【００２１】
ポリマー複合材料の高温での弾性率は、例えば次の一つまたはそれ以上の方法によって特性決定することができる。
・約３５０℃までの温度にわたる貯蔵弾性率Ｅ'の動的機械分析（ＤＭＡ）走査。
【００２２】
・対照温度（ＰＥＥＫ複合材料の場合３００℃）での見掛けの曲げ弾性率Ｅa およびクリープ（εo＋εt）を見積もるための時間／温度並置分析と連結された、一連の温度にわたる見掛けの曲げ弾性率Ｅaの短時間ＤＭＡ測定。
【００２３】
・高温（ＰＥＥＫ複合材料については、５００、６００および６５０℃）のオーブン中での試験における曲げ弾性率Ｅa およびクリープ（εo＋εt）の長時間直接測定。
充填材入りポリマー部材は、配合、溶融押出および成形を含む簡単な３段階工程で経済的に製造することができる。配合では、乾燥充填材およびポリマー粉末を充分に混合する。溶融押出では、粉末配合物を溶融させ、そして更に、押出スクリューの作用によって混合して混練し、そしてオリフィスを通って押出機を出る際にストランドに成形される。押出されたストランドは、種々の手段によって冷却され、そして成形機に供給して用いるのに好都合な寸法に切断することができる。様々な成形法が実施されるが、この方法についての高い生産性のために、射出成形はこれらの内で商業的に最も重要である。射出成形では、押出機から押出されたペレットを射出成形機の押出機部分で再溶融させて金型中に押込み、そこでその溶融物を冷却して凝固させる。
【００２４】
ポリマー複合材料の溶融粘度は、押出および成形を成功させる重要な決定要因である。ポリマーおよびポリマー複合材料の溶融粘度は、細管溶融粘度計で測定することができる。標準的な広く利用可能な押出機および射出成形装置による溶融加工のために、充填材入りポリマー複合材料は、達成しうる溶融温度で約２０００〜１５，０００ポアズの溶融粘度を有するべきである。より低い粘度は、垂れ落ちおよびフラッシングの問題をもたらす。より高い粘度は、大部分の市販装置で利用可能な出力、圧力および金属学を用いて取扱うことができない。
【００２５】
簡単な充填材入りポリマー複合材料は、約３０重量％の充填量で溶融加工性の限界に近づく溶融粘度を有する。これは、最も商業的に入手可能な充填材入り樹脂での充填限界である。更に多量の充填材の添加は、その複合材料を、射出成形などの慣用的な大量成形技術によって作業できないほど剛性にさせる。複合材料が特殊な成形技術でしか取扱いできない場合、その費用は実用的でなくなる。
【００２６】
本発明は、高温での最高の可能な寸法安定性を示しつつ、押出および射出成形機で加工できる範囲の加工溶融粘度をも示すＰＥＥＫ複合材料の製造に向けられている。向上した寸法安定性は、本発明のこれら複合材料の高ＨＤＴ、高温での高曲げ弾性率、高温での高貯蔵弾性率および低クリープで観察される。
【００２７】
上記のように、無充填ＰＥＥＫは、結晶性相および非晶質相成分を有するポリマーである。無充填ＰＥＥＫを冷却すると、ＰＥＥＫ微結晶が非晶質ＰＥＥＫのマトリックス中で生成する。充填材粒子が存在する場合、それらはポリマーの非晶質相で見出され、結晶性相中にはたとえあるとしても極めて希である。これは、充填材入りＰＥＥＫ複合材料が凍結するまで冷却した場合、充填材粒子間に存在する溶融ポリマーからＰＥＥＫ微結晶が形成するために起こる。微結晶は成長しないし充填材粒子を包含しない。（若干の充填材粒子は微結晶形成の核になることができ、充填材粒子表面から結晶が成長するようである。）
本発明の複合材料は、ＰＥＥＫ非晶質相の大部分が、結晶性相との結合だけでなく、充填材粒子上への吸着によっても不動化されるために、それらの向上した寸法／熱安定性を示すと考えられる。充填材粒子は、剛性非晶質相の形成のための更に別の不動化面を提供する。
【００２８】
無充填ＰＥＥＫについては、形成しうる剛性非晶質相の量は、存在する結晶化度によって制限される。
充填材入りＰＥＥＫ検体については、形成しうる剛性非晶質相の量は、存在する充填材粒子の量および形態によって並びにＰＥＥＫ微結晶によって決定される。これら充填材入りＰＥＥＫ複合材料から成形される造形品は、より多くの非晶質相が、その非晶質相のＴｇで軟化しない剛性非晶質材料として存在するために、ＰＥＥＫのＴｇを越える温度でより大きい寸法安定性を示す。充填材粒子およびＰＥＥＫ微結晶は両方とも非晶質相ＰＥＥＫによって取り囲まれている。充填材入り複合材料の熱機械的性質は、この非晶質相のＴｇによって制限される。しかしながら、無充填ＰＥＥＫとは対照的に、充填材入りＰＥＥＫ複合材料中の非晶質相は、充填材粒子に極めて接近していて、そして非特定的で物理的な（ファン・デル・ワールス）相互作用によってその表面上に吸着できる。この吸着は、ポリマーの移動度を減少させる。したがって、充填材への（およびＰＥＥＫ微結晶への）ポリマーの吸着は、そのポリマーを剛性にし且つその寸法安定性を増加させる。結果として、充填材入りＰＥＥＫ複合材料は、無充填ＰＥＥＫより高い温度で軟化する。本発明の高充填材入りＰＥＥＫ複合材料は、結晶性相の融解温度である３３５℃に近い極めて高いＨＤＴを示す。一般的に入手可能な充填材入りＰＥＥＫ中の充填材含有率によって与えられる表面積の量は、３０（重量）％の充填量でも、非晶質ＰＥＥＫを完全に不動化するのに充分ではないので、本発明のＰＥＥＫ複合材料中の高充填材含有率の利点を全て与える訳ではない。等割の（equiaxed）または繊維状の充填材の含有率の単純な増加は、脆いかまたは加工不能な組成物をもたらすので、有効ではないであろう。
【００２９】
より最近になって、ポリアリールエーテルケトンおよび他のポリマー中のポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）の複合材料が記載されている（米国特許第５,０７０,１５３号（特許文献２）；および同第５,１３９,８６２号（特許文献３）を参照されたい）。ＰＢＩおよび固体潤滑性充填材を含む高充填材入りＰＥＥＫ複合材料が記載されている（米国特許第５,３９１,６０５号（特許文献４））。最後に、ＰＢＩおよびガラスまたは炭素繊維充填材を含む高充填材入りの加工可能なＰＥＥＫ複合材料が記載されている（米国特許第４,９１２,１７６号（特許文献５）および１９９２年５月１５日出願の“Reinforced Injection Moldable Blends”と題する米国特許出願第０７／８８３,８３８号（特許文献６））。しかしながら、ＰＢＩは高価なポリマーである（１ポンド当たり５０.００ドル〜７５ドル（１９９４〜５年））。
【特許文献１】米国特許第４,３２０,２２４号
【特許文献２】米国特許第５,０７０,１５３号
【特許文献３】米国特許第５,１３９,８６２号
【特許文献４】米国特許第５,３９１,６０５号
【特許文献５】米国特許第４,９１２,１７６号
【特許文献６】米国特許出願第０７／８８３,８３８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
ＰＢＩは、高温で圧縮成形することができるという意味で熱可塑性ポリマーである。概して、それは、普通の充填材が与えない特別な利点をそれが与えるのでなければ、充填材としての用途には考えられない。本発明の目的は、ＰＢＩの代わりに普通の安価な充填材を用いうることを示すことである。むしろ、本発明は、以下に詳細に記載される安価な非熱可塑性充填材を用いる。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明は、広く入手可能な充填材入りＰＥＥＫの限界および高充填材入りＰＢＩ含有ＰＥＥＫ複合材料の高費用を克服し、同時に、標準的な押出および射出成形装置で加工できる複合材料を提供する。本発明の高充填材入りポリマー複合材料は、そのマトリックスポリマーのガラス転移温度を越える温度で高い寸法安定性を示す。この複合材料の加熱撓み温度は、マトリックスポリマーの結晶融解温度のそれに近づき、それを越えて更に増加することはありえない。この複合材料は、ポリアリールエーテルケトンマトリックスおよびそれぞれ独特の性質を与える２種類の充填材を包含する。第一充填材は、高い強度および剛性を与える強化用繊維充填材である。第二充填材は、部分結晶性ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化しそして耐高温撓み性を与える非熱可塑性不動化用充填材である。この改良された機械的性質および耐熱性にもかかわらず、その複合材料はなお射出成形できるし、したがって、低費用で製造することができる。この改良された複合材料はまた、ＰＥＥＫの剛性および強度を上昇させ且つクリープを減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の充填材入り複合材料のマトリックスとして用いられるポリマーは、次の一般式を有するポリアリールエーテルケトンである。
【００３３】
【化１】
【００３４】
式中、Ｘ、ＹおよびＮは整数である。典型的なポリアリーレンケトンは、次の反復単位を有するポリエーテルケトンである。
【００３５】
【化２】
【００３６】
次の反復単位を有するポリエーテルエーテルケトンもまた、ポリエーテルケトンの性質と類似の性質を有する結晶性熱可塑性樹脂である。
【００３７】
【化３】
【００３８】
第三の典型的なポリアリーレンケトンは、次の反復単位を有するポリエーテルエーテルケトンケトンである。
【００３９】
【化４】
【００４０】
第四の典型的なポリアリーレンケトンは、次の反復単位を有するポリエーテルケトンケトンである。
【００４１】
【化５】
【００４２】
本発明は、先行技術のポリアリールエーテルケトン複合材料の１種類の充填材（例えば、ガラス繊維）を、強化用繊維および非熱可塑性不動化用充填材で置き換えて、高温での最大性能を提供する。実際に、その加熱撓み温度は、絶対限界である結晶融解温度から数度の範囲内まで上昇することができる。これは、射出成形などの安価な成形法によって材料を成形する能力を保持しながら達成される。その材料が適用される用途に必要ならば、その複合材料に潤滑剤を加えることができる。
【００４３】
本発明は、少なくとも２種類の充填材と一緒に形成される高充填材入りポリアリールエーテルケトン複合材料を提供する。そのタイプは次のように定義される。
タイプ（ａ）：強化用繊維充填材。強化用充填材の主な機能は、その複合材料を強化することである。強化用繊維充填材は、チョップトガラスおよびチョップト炭素繊維充填材を最も優先的に含む種々の広く利用可能な繊維状充填材から選択することができる。これら充填材は、典型的に、５〜１５マイクロメートルの範囲の繊維直径および１／１６、１／８、１／４インチの初期長さを有する。（強化用繊維の長さは、しばしば、配合および成形の剪断によって２００〜５００マイクロメートル範囲の長さまで減少する。）それらの長さのために、これら繊維充填材は、その溶融複合材料が標準的な溶融加工装置には粘稠すぎるので、約３０重量％（１７容量％）を越える量で容易に組み入れられることはできない。
【００４４】
タイプ（ｂ）：非熱可塑性不動化用充填材：不動化用充填材の機能は、複合材料の溶融粘度を比例して増加させることなく複合材料に追加の表面積または容積を提供することである。不動化用充填材は、等割状、小板状または繊維状（ホイスカー）形状を含めた様々な形態を有することができる。不動化用充填材は、強化用充填材粒子を充分に包むように選択される。充分に包む組合せは、最低の溶融粘度を示すので、良好な溶融加工性を保持している。
【００４５】
強化用および不動化用充填材の組合せによって、充填材粒子で占められた複合材料の容積部分を実質的に増加させることができる。
強化用充填材は、通常用いられる量（典型的に、１５〜２０容量％）まで用いることができる。更に、不動化用充填材は、３０〜４５容量％の量で加えることができる。４５〜６５容量％の全充填材含有率は、加工可能な溶融粘度を越えることなく可能である。
【００４６】
例外的に小さい粒子（すなわち、マイクロメール未満の平均粒径）を含む充填材は大きい表面積（典型的に、＞２０ｍ2／ｇ）を有し、それは、それらが与える高ＰＥＥＫ不動化表面によって複合材料を剛性にする。この追加のＰＥＥＫ不動化表面は、非晶質ＰＥＥＫ成分がより完全に吸着されて剛性になるのを確実にする。
【００４７】
比較的大きい高弾性率粒子（すなわち、５０〜２００マイクロメートル粒径）に基づく充填材は、適度な粒子表面積（典型的に、１〜２０ｍ2／ｇ）を有する。これらは、次の二つのメカニズムによってその複合材料を剛性にする。（１）それらが与える適度な追加表面は、ＰＥＥＫ不動化メカニズムによって適度な剛性をもたらす、および（２）大部分の高弾性率の無機充填材が示す、ＰＥＥＫおよび他のポリマーと比較して高い剛性は、容積部分基準でのそれらの含有率に比例して複合材料剛性の一因となる。
【００４８】
非熱可塑性不動化用充填材は、等割状、小板状または繊維状形態を有する広範囲の材料から選択することができる。例として、次のものが含まれる。
等割粒子：炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ホウ砂、活性炭、パーライト、テレフタル酸亜鉛、バッキー（Bucky）ボール等。
【００４９】
小板状粒子：グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素小板、（注記：溶融物由来ＰＢＩ熱可塑性粒子は粗い小板形である）。
ホイスカー状粒子：ウォラストナイト、テレフタル酸カルシウム［Ｃａ（Ｈ4Ｃ8Ｏ4）］、炭化ケイ素ホイスカー、ホウ酸アルミニウムホイスカー、フラレンチューブ（fullerene tubes）。（種々の石綿繊維を用いうるが、吸入毒性が提起されている）。
【００５０】
本複合材料はまた、第三の充填材タイプを含み、それは、更に別の性質を与えるように提供される。少量の充填材の添加によって増強しうる性質には、潤滑性、耐摩耗性、導電性、熱伝導性、増大した摩耗性が含まれる。適当な潤滑性充填材は、結晶性グラファイト、窒化ホウ素および二硫化モリブデンである。
【００５１】
次の表１および２は、商業的に入手可能な無充填ＰＥＥＫ（コードＡ）および充填材入りＰＥＥＫ（コードＢ）と比較して、本発明によって配合された多数の典型的な組成物（コードＣ〜Ｋ）を示す。比較のために更に包含されるのは、熱可塑性ＰＢＩを不動化用充填材として用いる組成物（コードＬ）である。表から判るように、多数の組成物は、充填材入りＰＥＥＫのＨＤＴより１０〜２０℃大きいＨＤＴを有し、より安価な費用でより高い強度を有し、また更に、組成物から製品を射出成形するのを可能にする８５００ポアズ未満の溶融粘度を保持し、それは、製造費用を有意に減少させる。比較すると、ＰＢＩ充填ＰＥＥＫ複合材料は、高ＨＤＴを有すると同時に、比較的高い溶融粘度を有し且つ高コストである。製造される製品に必要な物性を与えるように組成を変動させ得ることは理解される。
【００５２】
次の非制限実施例は、本発明のいくつかの態様を例証する。しかしながら、これら実施例は、単に例証するためのものであり、本発明の範囲は、本明細書中で例証された態様に制限されないし、本発明の範囲は、請求の範囲に包含されるそのままの内容を包含する。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
本発明の複合材料の改良された物性を図１で更に図示するが、それは、動的機械分析（ＤＭＡ）に基づいている。組成物コードＦ、Ｇ、ＬおよびＢのいくつかのＤＭＡ走査（貯蔵弾性率Ｅ'ｖｓ温度）を図１のプロットで重ね合わせて、抽出することができる情報を図示する。コードＦおよびＧは、本発明によって配合された複合材料であり、コードＢは市販の充填材入りＰＥＥＫであり、そしてコードＬはＰＢＩ充填ＰＥＥＫである。それぞれの曲線は、棒形成形品のＰＥＥＫ複合材料の貯蔵弾性率Ｅ'の温度に対するプロットである。これら複合材料は、低温および高温両方で剛性が異なる。
【００５６】
１５０℃未満の温度で、それぞれの複合材料は、比較的高いＥ'、典型的には、５ＧＰａまたはそれ以上を示す。１５０℃を越える温度で、これら複合材料は更に低い弾性率、典型的には、５ＧＰａ未満を示す。Ｅ'の下降は、ＰＥＥＫのＴｇ付近の温度で起こり、そしてＰＥＥＫ非晶質成分がガラス転移温度を越える温度で獲得する増加した移動度に反映する。寸法安定性およびクリープ抵抗に関しては、材料が、マトリックスポリマーのＴｇを越える温度でその低温弾性率の有意な部分を保持していることが必要である。図１は、ＰＥＥＫのような部分結晶性ポリマー中の充填材の量およびタイプが、ポリマー複合材料の弾性率に関して、ポリマーのＴｇを越えてもそれ未満でも有意な影響力を持ちうることを示している。
【００５７】
本発明のＰＥＥＫ複合材料（コードＦおよびＧ）において、１５０℃を越える温度での弾性率の下降は、高濃度の充填材の組合せの使用によって最小になる。これら複合材料の温度の関数としての貯蔵弾性率のＤＭＡ走査は、これら複合材料が示すであろう寸法安定性を予測するのに用いることができる。この情報は、単一の温度での貯蔵弾性率を報告することによって要約することができる。ＰＥＥＫ複合材料については、３００℃が選択されが、それは、この範囲の温度に対して本発明の複合材料が有用な寸法安定性を示すからである。
【００５８】
本発明による組成物は、何等かの適当な手段によって、典型的には、押出機中での溶融ブレンディングによって製造することができる。概して、本発明の組成物は、マトリックスポリマーのＴm の２０℃以内のＨＤＴ（２６４ｐｓｉ）を示すが、１５℃以内が好ましく、そして結晶の融点の１０℃以内がより一層好ましい。概して、少なくとも４０容量％の繊維および充填材を用いるが、高温寸法安定性は、極めて結晶性のポリアリールエーテルケトン中に１５容量％程度の少量で達成することができる。５０容量％またはそれ以上の充填材は、組成物の溶融粘度が高くなりすぎない、すなわち、４３０℃において１０００秒-1で約１０,０００ポアズ未満である限りは用いることができ、これらの条件で７５００ポアズ未満が好ましい。典型的には、本発明の組成物は、２５容量％未満の繊維充填材を含み、２１容量％未満程度が好ましい。
【００５９】
本発明をここにおいて、現在最も好ましいと考えられるものおよびその典型的な態様で記載してきたが、当業者は、それについて多数の変更を行いうることを理解できる。その変更は、同等の方法および製品を全て包含するように、請求の範囲の最も広い範囲に一致するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】貯蔵弾性率ｖｓ温度のＤＭＡ走査の複合グラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形用熱可塑性樹脂、特に、エンジニアリングプラスチックとして用いるのに適した高充填材入り射出成形用ポリアリールエーテルケトンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリアリールエーテルケトンポリマーは、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトンケトン（ＰＥＥＫＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）およびポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）を含めた多数の近縁のポリマーを含んで成る。これらポリマーは成形可能であり、したがって、容易に有効部材に成形される。それらは、高温で優れた長期酸化安定性を示す（“Thermoplastic Aromatic Polyetherketones” に関する１９８２年３月１６日発行の米国特許第４,３２０,２２４号（特許文献１）を参照されたい）。ポリアリールエーテルケトンの内、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）は広く商業的に入手可能であり、しかも優れた熱可塑性成形用樹脂であることが判っている。周囲温度でＰＥＥＫは、結晶性および非晶質相を有する固体として存在する。その非晶質相は、５２〜７０％のポリマーを含み、非晶質相のガラス転移温度Ｔｇに相当する約１４３℃〜１５５℃の温度で軟化する。
【０００３】
残りの４８〜３０％のポリマーは、約３３５℃までの融点Ｔｍの結晶性相として存在し、非晶質相中に分散している。そのポリマーは、Ｔｇを越えて加熱された場合に軟化し、そしてＴｍを越える温度で融解する。ＰＥＥＫのような部分結晶性ポリマーの無充填銘柄は、生じる軟化が、ポリマーの機械的性質、特に、剛性（すなわち、弾性率）の急激な減少をもたらすので、それらのＴｇをはるかに越える温度で成形される部材成形品において有用でない。この低下した剛性は、Ｔｇを越える温度での応力下の減少した寸法安定性に反映される。
【０００４】
成形品は、クリープ過程を経て、そして一時的にまたは永久に変形した状態になるであろう。完全に非晶質のＰＥＥＫ相の熱容量は、非晶質相中の運動が熱的に活性化するにつれて、ＰＥＥＫガラス転移温度Ｔｇでの最大量［７８Ｊ／（Ｋ*モル）］まで増加する。ガラス転移温度で可動する非晶質相のその部分を“可動非晶質相”と称する。しかしながら、観察される実際の熱容量増加は、最大値未満でありうるということが注目されてきた（B.Wunderlichら，Macromolecules(1986),19,1868-1876）。実際の増加は、加工歴並びにやはり存在する結晶性相の量および形態に依る。Ｔｇでの最大量未満の増加は、ポリマー運動が、Ｔｇを越えるにつれてほとんど熱的に活性でなくなることを示す。実熱容量増加と最大増加との間の差の大きさは“剛性非晶質相”と称される相の存在および量を示している。この相は、Ｔｇを充分に越える温度まで剛性のままであり、そしてその温度が結晶融解温度付近まで上昇すると遂には融解する。同様に、以下に開示される発明において、剛性非晶質相は、部分結晶性ＰＥＥＫ材料中の非晶質相および結晶性相の界面で不動化された非晶質相ポリマーから形成されると考えられる。
【０００５】
実用的な尺度は、ポリマーが有用な機械的性質を保持する最大温度を特性決定するために開発されてきた。広く用いられる例は、“加熱撓み温度”（ＨＤＴ）または“荷重撓み温度”（ＤＴＵＬ）試験である。ポリマーまたはポリマー複合材料のＨＤＴは、試験体が一定の荷重（２６４ｐｓｉ）で曲り始める温度である。無充填ＰＥＥＫのＨＤＴは、そのＴｇを越えて生じる軟化のために、比較的低い（１６０℃）。したがって、無充填ＰＥＥＫは、たとえそれが更に高い温度およびはるかに高い結晶融解温度で長期酸化安定性を示すとしても、約１６０℃を越える使用温度を必要とする成形部材用途には考えられない。したがって、ＰＥＥＫは、その低い熱−機械的安定性を向上させることができるならば、より高温度で有用であろう。
【０００６】
ＰＥＥＫなどの部分結晶性ポリマーのＨＤＴは、充填材料、特に、強化用繊維充填材を組み込むことによって上昇させうることが周知である。例えば、１０〜３０重量％（容量基準で５〜１７％に相当する）の短ガラス繊維を含有するＰＥＥＫ銘柄は、次のような増加したＨＴＤを示す。
【０００７】
【表１】
【０００８】
ガラスまたは炭素繊維充填材を有するＰＥＥＫ銘柄は商業的に入手可能である（例えば、Victrex ＰＥＥＫ、150GL130銘柄は、３０重量％のチョップトガラス繊維を充填したＰＥＥＫ複合材料である）。
【０００９】
ＨＤＴは、ポリマー剛性の比較的大ざっぱな尺度である。より厳密な試験は、単純なガラスまたは炭素繊維充填ＰＥＥＫ複合材料が、Ｔｇを越える温度でなお剛性減少度を変化させることを示す。若干の臨界的用途には、成形品が、高温での応力下で最高の寸法安定性を示すことが望まれる。これらの用途については、より大きい剛性は、より敏感な試験が示す組成物の剛性または弾性率の点から有用な性質である。
【００１０】
ポリマーおよびその複合材料の剛性または寸法安定性は、ポリマーおよびそれが含む充填材の弾性率Ｅの関数である。剛性材料、つまり高弾性率を有する材料は、応力が加えられた場合、小さい寸法変化（歪）しか示さない。これは、式１の関係によって定義される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
短時間（瞬間）で生じる歪、つまり小振幅応力は、その応力が除かれた場合に元の部材寸法が回復するので弾性（εo と表示される弾性歪）であるといわれる。
ポリマーおよびポリマー複合材料において、応力を長時間加えた場合に生じる歪は、もう一つの成分、つまり加えた応力が除かれた場合に回復しない永久変形またはクリープ成分（εt）を有することがある。式１は、歪の塑性流成分を含むように修正することができる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
式中、εt は、ポリマーまたは複合材料の見掛けの弾性率であり、σtは時間をかけて加えた応力である。材料の見掛けの弾性率Ｅa は、継続して加えた応力が、主としてポリマー中の塑性流によってますます大きい歪を生じるにつれて時間と共に減少する。
【００１５】
クリープ成分εt および、加えた応力によって生じるであろうその経時変化は、式２の再配列によってＥaおよびσt から見積もることができる。
【００１６】
【数３】
【００１７】
例えば、時間ｔで１ＧＰａの弾性率Ｅa を示す材料は、次の式により、１０００ｐｓｉの加えた応力下において０．７％の歪（εo＋εt）を示す。
【００１８】
【数４】
【００１９】
加えた応力によって生じる弾性歪およびクリープは、高弾性率を有する材料で最小になる。本発明の目的は、加えた応力下でより大きい寸法安定性を示す向上した弾性率を有するポリマー複合材料を提供することである。
【００２０】
ポリマーおよびポリマー複合材料の寸法安定性は、これら複合材料中のポリマーマトリックスの剛性が高温でより低いので、高温でより低い（クリープはより高い）。しかしながら、本発明の技術を用いて複合材料に設計することができるより大きい高温弾性率のために、高温でより大きい寸法安定性を有するポリマー複合材料を配合することは可能である。
【００２１】
ポリマー複合材料の高温での弾性率は、例えば次の一つまたはそれ以上の方法によって特性決定することができる。
・約３５０℃までの温度にわたる貯蔵弾性率Ｅ'の動的機械分析（ＤＭＡ）走査。
【００２２】
・対照温度（ＰＥＥＫ複合材料の場合３００℃）での見掛けの曲げ弾性率Ｅa およびクリープ（εo＋εt）を見積もるための時間／温度並置分析と連結された、一連の温度にわたる見掛けの曲げ弾性率Ｅaの短時間ＤＭＡ測定。
【００２３】
・高温（ＰＥＥＫ複合材料については、５００、６００および６５０℃）のオーブン中での試験における曲げ弾性率Ｅa およびクリープ（εo＋εt）の長時間直接測定。
充填材入りポリマー部材は、配合、溶融押出および成形を含む簡単な３段階工程で経済的に製造することができる。配合では、乾燥充填材およびポリマー粉末を充分に混合する。溶融押出では、粉末配合物を溶融させ、そして更に、押出スクリューの作用によって混合して混練し、そしてオリフィスを通って押出機を出る際にストランドに成形される。押出されたストランドは、種々の手段によって冷却され、そして成形機に供給して用いるのに好都合な寸法に切断することができる。様々な成形法が実施されるが、この方法についての高い生産性のために、射出成形はこれらの内で商業的に最も重要である。射出成形では、押出機から押出されたペレットを射出成形機の押出機部分で再溶融させて金型中に押込み、そこでその溶融物を冷却して凝固させる。
【００２４】
ポリマー複合材料の溶融粘度は、押出および成形を成功させる重要な決定要因である。ポリマーおよびポリマー複合材料の溶融粘度は、細管溶融粘度計で測定することができる。標準的な広く利用可能な押出機および射出成形装置による溶融加工のために、充填材入りポリマー複合材料は、達成しうる溶融温度で約２０００〜１５，０００ポアズの溶融粘度を有するべきである。より低い粘度は、垂れ落ちおよびフラッシングの問題をもたらす。より高い粘度は、大部分の市販装置で利用可能な出力、圧力および金属学を用いて取扱うことができない。
【００２５】
簡単な充填材入りポリマー複合材料は、約３０重量％の充填量で溶融加工性の限界に近づく溶融粘度を有する。これは、最も商業的に入手可能な充填材入り樹脂での充填限界である。更に多量の充填材の添加は、その複合材料を、射出成形などの慣用的な大量成形技術によって作業できないほど剛性にさせる。複合材料が特殊な成形技術でしか取扱いできない場合、その費用は実用的でなくなる。
【００２６】
本発明は、高温での最高の可能な寸法安定性を示しつつ、押出および射出成形機で加工できる範囲の加工溶融粘度をも示すＰＥＥＫ複合材料の製造に向けられている。向上した寸法安定性は、本発明のこれら複合材料の高ＨＤＴ、高温での高曲げ弾性率、高温での高貯蔵弾性率および低クリープで観察される。
【００２７】
上記のように、無充填ＰＥＥＫは、結晶性相および非晶質相成分を有するポリマーである。無充填ＰＥＥＫを冷却すると、ＰＥＥＫ微結晶が非晶質ＰＥＥＫのマトリックス中で生成する。充填材粒子が存在する場合、それらはポリマーの非晶質相で見出され、結晶性相中にはたとえあるとしても極めて希である。これは、充填材入りＰＥＥＫ複合材料が凍結するまで冷却した場合、充填材粒子間に存在する溶融ポリマーからＰＥＥＫ微結晶が形成するために起こる。微結晶は成長しないし充填材粒子を包含しない。（若干の充填材粒子は微結晶形成の核になることができ、充填材粒子表面から結晶が成長するようである。）
本発明の複合材料は、ＰＥＥＫ非晶質相の大部分が、結晶性相との結合だけでなく、充填材粒子上への吸着によっても不動化されるために、それらの向上した寸法／熱安定性を示すと考えられる。充填材粒子は、剛性非晶質相の形成のための更に別の不動化面を提供する。
【００２８】
無充填ＰＥＥＫについては、形成しうる剛性非晶質相の量は、存在する結晶化度によって制限される。
充填材入りＰＥＥＫ検体については、形成しうる剛性非晶質相の量は、存在する充填材粒子の量および形態によって並びにＰＥＥＫ微結晶によって決定される。これら充填材入りＰＥＥＫ複合材料から成形される造形品は、より多くの非晶質相が、その非晶質相のＴｇで軟化しない剛性非晶質材料として存在するために、ＰＥＥＫのＴｇを越える温度でより大きい寸法安定性を示す。充填材粒子およびＰＥＥＫ微結晶は両方とも非晶質相ＰＥＥＫによって取り囲まれている。充填材入り複合材料の熱機械的性質は、この非晶質相のＴｇによって制限される。しかしながら、無充填ＰＥＥＫとは対照的に、充填材入りＰＥＥＫ複合材料中の非晶質相は、充填材粒子に極めて接近していて、そして非特定的で物理的な（ファン・デル・ワールス）相互作用によってその表面上に吸着できる。この吸着は、ポリマーの移動度を減少させる。したがって、充填材への（およびＰＥＥＫ微結晶への）ポリマーの吸着は、そのポリマーを剛性にし且つその寸法安定性を増加させる。結果として、充填材入りＰＥＥＫ複合材料は、無充填ＰＥＥＫより高い温度で軟化する。本発明の高充填材入りＰＥＥＫ複合材料は、結晶性相の融解温度である３３５℃に近い極めて高いＨＤＴを示す。一般的に入手可能な充填材入りＰＥＥＫ中の充填材含有率によって与えられる表面積の量は、３０（重量）％の充填量でも、非晶質ＰＥＥＫを完全に不動化するのに充分ではないので、本発明のＰＥＥＫ複合材料中の高充填材含有率の利点を全て与える訳ではない。等割の（equiaxed）または繊維状の充填材の含有率の単純な増加は、脆いかまたは加工不能な組成物をもたらすので、有効ではないであろう。
【００２９】
より最近になって、ポリアリールエーテルケトンおよび他のポリマー中のポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）の複合材料が記載されている（米国特許第５,０７０,１５３号（特許文献２）；および同第５,１３９,８６２号（特許文献３）を参照されたい）。ＰＢＩおよび固体潤滑性充填材を含む高充填材入りＰＥＥＫ複合材料が記載されている（米国特許第５,３９１,６０５号（特許文献４））。最後に、ＰＢＩおよびガラスまたは炭素繊維充填材を含む高充填材入りの加工可能なＰＥＥＫ複合材料が記載されている（米国特許第４,９１２,１７６号（特許文献５）および１９９２年５月１５日出願の“Reinforced Injection Moldable Blends”と題する米国特許出願第０７／８８３,８３８号（特許文献６））。しかしながら、ＰＢＩは高価なポリマーである（１ポンド当たり５０.００ドル〜７５ドル（１９９４〜５年））。
【特許文献１】米国特許第４,３２０,２２４号
【特許文献２】米国特許第５,０７０,１５３号
【特許文献３】米国特許第５,１３９,８６２号
【特許文献４】米国特許第５,３９１,６０５号
【特許文献５】米国特許第４,９１２,１７６号
【特許文献６】米国特許出願第０７／８８３,８３８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
ＰＢＩは、高温で圧縮成形することができるという意味で熱可塑性ポリマーである。概して、それは、普通の充填材が与えない特別な利点をそれが与えるのでなければ、充填材としての用途には考えられない。本発明の目的は、ＰＢＩの代わりに普通の安価な充填材を用いうることを示すことである。むしろ、本発明は、以下に詳細に記載される安価な非熱可塑性充填材を用いる。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明は、広く入手可能な充填材入りＰＥＥＫの限界および高充填材入りＰＢＩ含有ＰＥＥＫ複合材料の高費用を克服し、同時に、標準的な押出および射出成形装置で加工できる複合材料を提供する。本発明の高充填材入りポリマー複合材料は、そのマトリックスポリマーのガラス転移温度を越える温度で高い寸法安定性を示す。この複合材料の加熱撓み温度は、マトリックスポリマーの結晶融解温度のそれに近づき、それを越えて更に増加することはありえない。この複合材料は、ポリアリールエーテルケトンマトリックスおよびそれぞれ独特の性質を与える２種類の充填材を包含する。第一充填材は、高い強度および剛性を与える強化用繊維充填材である。第二充填材は、部分結晶性ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化しそして耐高温撓み性を与える非熱可塑性不動化用充填材である。この改良された機械的性質および耐熱性にもかかわらず、その複合材料はなお射出成形できるし、したがって、低費用で製造することができる。この改良された複合材料はまた、ＰＥＥＫの剛性および強度を上昇させ且つクリープを減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の充填材入り複合材料のマトリックスとして用いられるポリマーは、次の一般式を有するポリアリールエーテルケトンである。
【００３３】
【化１】
【００３４】
式中、Ｘ、ＹおよびＮは整数である。典型的なポリアリーレンケトンは、次の反復単位を有するポリエーテルケトンである。
【００３５】
【化２】
【００３６】
次の反復単位を有するポリエーテルエーテルケトンもまた、ポリエーテルケトンの性質と類似の性質を有する結晶性熱可塑性樹脂である。
【００３７】
【化３】
【００３８】
第三の典型的なポリアリーレンケトンは、次の反復単位を有するポリエーテルエーテルケトンケトンである。
【００３９】
【化４】
【００４０】
第四の典型的なポリアリーレンケトンは、次の反復単位を有するポリエーテルケトンケトンである。
【００４１】
【化５】
【００４２】
本発明は、先行技術のポリアリールエーテルケトン複合材料の１種類の充填材（例えば、ガラス繊維）を、強化用繊維および非熱可塑性不動化用充填材で置き換えて、高温での最大性能を提供する。実際に、その加熱撓み温度は、絶対限界である結晶融解温度から数度の範囲内まで上昇することができる。これは、射出成形などの安価な成形法によって材料を成形する能力を保持しながら達成される。その材料が適用される用途に必要ならば、その複合材料に潤滑剤を加えることができる。
【００４３】
本発明は、少なくとも２種類の充填材と一緒に形成される高充填材入りポリアリールエーテルケトン複合材料を提供する。そのタイプは次のように定義される。
タイプ（ａ）：強化用繊維充填材。強化用充填材の主な機能は、その複合材料を強化することである。強化用繊維充填材は、チョップトガラスおよびチョップト炭素繊維充填材を最も優先的に含む種々の広く利用可能な繊維状充填材から選択することができる。これら充填材は、典型的に、５〜１５マイクロメートルの範囲の繊維直径および１／１６、１／８、１／４インチの初期長さを有する。（強化用繊維の長さは、しばしば、配合および成形の剪断によって２００〜５００マイクロメートル範囲の長さまで減少する。）それらの長さのために、これら繊維充填材は、その溶融複合材料が標準的な溶融加工装置には粘稠すぎるので、約３０重量％（１７容量％）を越える量で容易に組み入れられることはできない。
【００４４】
タイプ（ｂ）：非熱可塑性不動化用充填材：不動化用充填材の機能は、複合材料の溶融粘度を比例して増加させることなく複合材料に追加の表面積または容積を提供することである。不動化用充填材は、等割状、小板状または繊維状（ホイスカー）形状を含めた様々な形態を有することができる。不動化用充填材は、強化用充填材粒子を充分に包むように選択される。充分に包む組合せは、最低の溶融粘度を示すので、良好な溶融加工性を保持している。
【００４５】
強化用および不動化用充填材の組合せによって、充填材粒子で占められた複合材料の容積部分を実質的に増加させることができる。
強化用充填材は、通常用いられる量（典型的に、１５〜２０容量％）まで用いることができる。更に、不動化用充填材は、３０〜４５容量％の量で加えることができる。４５〜６５容量％の全充填材含有率は、加工可能な溶融粘度を越えることなく可能である。
【００４６】
例外的に小さい粒子（すなわち、マイクロメール未満の平均粒径）を含む充填材は大きい表面積（典型的に、＞２０ｍ2／ｇ）を有し、それは、それらが与える高ＰＥＥＫ不動化表面によって複合材料を剛性にする。この追加のＰＥＥＫ不動化表面は、非晶質ＰＥＥＫ成分がより完全に吸着されて剛性になるのを確実にする。
【００４７】
比較的大きい高弾性率粒子（すなわち、５０〜２００マイクロメートル粒径）に基づく充填材は、適度な粒子表面積（典型的に、１〜２０ｍ2／ｇ）を有する。これらは、次の二つのメカニズムによってその複合材料を剛性にする。（１）それらが与える適度な追加表面は、ＰＥＥＫ不動化メカニズムによって適度な剛性をもたらす、および（２）大部分の高弾性率の無機充填材が示す、ＰＥＥＫおよび他のポリマーと比較して高い剛性は、容積部分基準でのそれらの含有率に比例して複合材料剛性の一因となる。
【００４８】
非熱可塑性不動化用充填材は、等割状、小板状または繊維状形態を有する広範囲の材料から選択することができる。例として、次のものが含まれる。
等割粒子：炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、ホウ砂、活性炭、パーライト、テレフタル酸亜鉛、バッキー（Bucky）ボール等。
【００４９】
小板状粒子：グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素小板、（注記：溶融物由来ＰＢＩ熱可塑性粒子は粗い小板形である）。
ホイスカー状粒子：ウォラストナイト、テレフタル酸カルシウム［Ｃａ（Ｈ4Ｃ8Ｏ4）］、炭化ケイ素ホイスカー、ホウ酸アルミニウムホイスカー、フラレンチューブ（fullerene tubes）。（種々の石綿繊維を用いうるが、吸入毒性が提起されている）。
【００５０】
本複合材料はまた、第三の充填材タイプを含み、それは、更に別の性質を与えるように提供される。少量の充填材の添加によって増強しうる性質には、潤滑性、耐摩耗性、導電性、熱伝導性、増大した摩耗性が含まれる。適当な潤滑性充填材は、結晶性グラファイト、窒化ホウ素および二硫化モリブデンである。
【００５１】
次の表１および２は、商業的に入手可能な無充填ＰＥＥＫ（コードＡ）および充填材入りＰＥＥＫ（コードＢ）と比較して、本発明によって配合された多数の典型的な組成物（コードＣ〜Ｋ）を示す。比較のために更に包含されるのは、熱可塑性ＰＢＩを不動化用充填材として用いる組成物（コードＬ）である。表から判るように、多数の組成物は、充填材入りＰＥＥＫのＨＤＴより１０〜２０℃大きいＨＤＴを有し、より安価な費用でより高い強度を有し、また更に、組成物から製品を射出成形するのを可能にする８５００ポアズ未満の溶融粘度を保持し、それは、製造費用を有意に減少させる。比較すると、ＰＢＩ充填ＰＥＥＫ複合材料は、高ＨＤＴを有すると同時に、比較的高い溶融粘度を有し且つ高コストである。製造される製品に必要な物性を与えるように組成を変動させ得ることは理解される。
【００５２】
次の非制限実施例は、本発明のいくつかの態様を例証する。しかしながら、これら実施例は、単に例証するためのものであり、本発明の範囲は、本明細書中で例証された態様に制限されないし、本発明の範囲は、請求の範囲に包含されるそのままの内容を包含する。
【００５３】
【表２】
【００５４】
【表３】
【００５５】
本発明の複合材料の改良された物性を図１で更に図示するが、それは、動的機械分析（ＤＭＡ）に基づいている。組成物コードＦ、Ｇ、ＬおよびＢのいくつかのＤＭＡ走査（貯蔵弾性率Ｅ'ｖｓ温度）を図１のプロットで重ね合わせて、抽出することができる情報を図示する。コードＦおよびＧは、本発明によって配合された複合材料であり、コードＢは市販の充填材入りＰＥＥＫであり、そしてコードＬはＰＢＩ充填ＰＥＥＫである。それぞれの曲線は、棒形成形品のＰＥＥＫ複合材料の貯蔵弾性率Ｅ'の温度に対するプロットである。これら複合材料は、低温および高温両方で剛性が異なる。
【００５６】
１５０℃未満の温度で、それぞれの複合材料は、比較的高いＥ'、典型的には、５ＧＰａまたはそれ以上を示す。１５０℃を越える温度で、これら複合材料は更に低い弾性率、典型的には、５ＧＰａ未満を示す。Ｅ'の下降は、ＰＥＥＫのＴｇ付近の温度で起こり、そしてＰＥＥＫ非晶質成分がガラス転移温度を越える温度で獲得する増加した移動度に反映する。寸法安定性およびクリープ抵抗に関しては、材料が、マトリックスポリマーのＴｇを越える温度でその低温弾性率の有意な部分を保持していることが必要である。図１は、ＰＥＥＫのような部分結晶性ポリマー中の充填材の量およびタイプが、ポリマー複合材料の弾性率に関して、ポリマーのＴｇを越えてもそれ未満でも有意な影響力を持ちうることを示している。
【００５７】
本発明のＰＥＥＫ複合材料（コードＦおよびＧ）において、１５０℃を越える温度での弾性率の下降は、高濃度の充填材の組合せの使用によって最小になる。これら複合材料の温度の関数としての貯蔵弾性率のＤＭＡ走査は、これら複合材料が示すであろう寸法安定性を予測するのに用いることができる。この情報は、単一の温度での貯蔵弾性率を報告することによって要約することができる。ＰＥＥＫ複合材料については、３００℃が選択されが、それは、この範囲の温度に対して本発明の複合材料が有用な寸法安定性を示すからである。
【００５８】
本発明による組成物は、何等かの適当な手段によって、典型的には、押出機中での溶融ブレンディングによって製造することができる。概して、本発明の組成物は、マトリックスポリマーのＴm の２０℃以内のＨＤＴ（２６４ｐｓｉ）を示すが、１５℃以内が好ましく、そして結晶の融点の１０℃以内がより一層好ましい。概して、少なくとも４０容量％の繊維および充填材を用いるが、高温寸法安定性は、極めて結晶性のポリアリールエーテルケトン中に１５容量％程度の少量で達成することができる。５０容量％またはそれ以上の充填材は、組成物の溶融粘度が高くなりすぎない、すなわち、４３０℃において１０００秒-1で約１０,０００ポアズ未満である限りは用いることができ、これらの条件で７５００ポアズ未満が好ましい。典型的には、本発明の組成物は、２５容量％未満の繊維充填材を含み、２１容量％未満程度が好ましい。
【００５９】
本発明をここにおいて、現在最も好ましいと考えられるものおよびその典型的な態様で記載してきたが、当業者は、それについて多数の変更を行いうることを理解できる。その変更は、同等の方法および製品を全て包含するように、請求の範囲の最も広い範囲に一致するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】貯蔵弾性率ｖｓ温度のＤＭＡ走査の複合グラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該製品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割材料および小板状材料からなる群から選択される充填剤、
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項２】
ポリアリールエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトンおよびポリエーテルケトンケトンから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項３】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項１に記載の成形品。
【請求項４】
該不動化用充填材が、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素およびテレフタル酸カルシウムから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項５】
該不動化用充填材が２００μｍ以下の寸法を有する請求項１に記載の成形品。
【請求項６】
固体潤滑性充填材を更に含む請求項１に記載の成形品。
【請求項７】
該固体潤滑剤が、グラファイト粉末、二硫化モリブデンおよび窒化ホウ素から成る群より選択される請求項６に記載の成形品。
【請求項８】
該強化用繊維および該不動化用充填材の容積百分率が４０〜６０％である請求項１に記載の成形品。
【請求項９】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該製品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための小板状不動化用充填材であって、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素および溶融物由来ポリベンズイミダゾール熱可塑性粒子から成る群より選択される充填剤、および
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項１０】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項９に記載の成形品。
【請求項１１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する製品を成形するためのポリマー複合材料であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための強化用繊維であって、ガラス繊維である強化用繊維充填材、
・ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化して、高温で追加の剛性および依存的寸法安定性を与えるための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割粒子、小板状粒子またはホイスカー状粒子であり、ここにおいて、炭酸カルシウム、シリカ、ホウ砂、パーライト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、ウォラストナイト、テレフタル酸カルシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される充填剤、
・該複合材料の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含むポリマー複合材料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該成形品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割材料および小板状材料からなる群から選択される充填剤、
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2（２６４ｐｓｉ）での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項２】
ポリアリールエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトンおよびポリエーテルケトンケトンから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項３】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項１に記載の成形品。
【請求項４】
該不動化用充填材が、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素およびテレフタル酸カルシウムから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項５】
該不動化用充填材が２００μｍ以下の寸法を有する請求項１に記載の成形品。
【請求項６】
固体潤滑性充填材を更に含む請求項１に記載の成形品。
【請求項７】
該固体潤滑剤が、グラファイト粉末、二硫化モリブデンおよび窒化ホウ素から成る群より選択される請求項６に記載の成形品。
【請求項８】
該強化用繊維および該不動化用充填材の容積百分率が４０〜６０％である請求項１に記載の成形品。
【請求項９】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該成形品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための小板状不動化用充填材であって、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素および溶融物由来ポリベンズイミダゾール熱可塑性粒子から成る群より選択される充填剤、および
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2（２６４ｐｓｉ）での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項１０】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項９に記載の成形品。
【請求項１１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する製品を成形するためのポリマー複合材料であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための強化用繊維であって、ガラス繊維である強化用繊維充填材、
・ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化して、高温で追加の剛性および依存的寸法安定性を与えるための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割粒子、小板状粒子またはホイスカー状粒子であり、ここにおいて、炭酸カルシウム、シリカ、ホウ砂、パーライト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、ウォラストナイト、テレフタル酸カルシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される充填剤、
・該複合材料の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2（２６４ｐｓｉ）での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含むポリマー複合材料。
【請求項１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該製品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割材料および小板状材料からなる群から選択される充填剤、
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項２】
ポリアリールエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトンおよびポリエーテルケトンケトンから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項３】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項１に記載の成形品。
【請求項４】
該不動化用充填材が、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素およびテレフタル酸カルシウムから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項５】
該不動化用充填材が２００μｍ以下の寸法を有する請求項１に記載の成形品。
【請求項６】
固体潤滑性充填材を更に含む請求項１に記載の成形品。
【請求項７】
該固体潤滑剤が、グラファイト粉末、二硫化モリブデンおよび窒化ホウ素から成る群より選択される請求項６に記載の成形品。
【請求項８】
該強化用繊維および該不動化用充填材の容積百分率が４０〜６０％である請求項１に記載の成形品。
【請求項９】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該製品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための小板状不動化用充填材であって、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素および溶融物由来ポリベンズイミダゾール熱可塑性粒子から成る群より選択される充填剤、および
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項１０】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項９に記載の成形品。
【請求項１１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する製品を成形するためのポリマー複合材料であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための強化用繊維であって、ガラス繊維である強化用繊維充填材、
・ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化して、高温で追加の剛性および依存的寸法安定性を与えるための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割粒子、小板状粒子またはホイスカー状粒子であり、ここにおいて、炭酸カルシウム、シリカ、ホウ砂、パーライト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、ウォラストナイト、テレフタル酸カルシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される充填剤、
・該複合材料の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含むポリマー複合材料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該成形品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割材料および小板状材料からなる群から選択される充填剤、
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2（２６４ｐｓｉ）での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項２】
ポリアリールエーテルケトンが、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルエーテルケトンケトンおよびポリエーテルケトンケトンから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項３】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項１に記載の成形品。
【請求項４】
該不動化用充填材が、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素およびテレフタル酸カルシウムから成る群より選択される請求項１に記載の成形品。
【請求項５】
該不動化用充填材が２００μｍ以下の寸法を有する請求項１に記載の成形品。
【請求項６】
固体潤滑性充填材を更に含む請求項１に記載の成形品。
【請求項７】
該固体潤滑剤が、グラファイト粉末、二硫化モリブデンおよび窒化ホウ素から成る群より選択される請求項６に記載の成形品。
【請求項８】
該強化用繊維および該不動化用充填材の容積百分率が４０〜６０％である請求項１に記載の成形品。
【請求項９】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する射出成形品であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための、チョップトガラスまたはチョップト炭素繊維から選択される強化用繊維であって、前記強化用繊維が該成形品の２５容量％未満を構成する強化用繊維、
・該ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化するための小板状不動化用充填材であって、グラファイト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、炭化ケイ素および溶融物由来ポリベンズイミダゾール熱可塑性粒子から成る群より選択される充填剤、および
・該成形品の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2（２６４ｐｓｉ）での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含む、４３０℃において１０００秒-1で１０,０００未満の溶融粘度を有する均一混合物から製造された成形品。
【請求項１０】
該強化用繊維が、２００マイクロメートル〜１／４インチ（６,３５０マイクロメートル）の範囲の長さである請求項９に記載の成形品。
【請求項１１】
改良された強度および耐加熱撓み性を有する製品を成形するためのポリマー複合材料であって、
・部分結晶性および部分非晶質ポリアリールエーテルケトンポリマー、
・該成形品に強度および剛性を与えるための強化用繊維であって、ガラス繊維である強化用繊維充填材、
・ポリアリールエーテルケトンポリマーの非晶質部分を不動化して、高温で追加の剛性および依存的寸法安定性を与えるための非熱可塑性不動化用充填材であって、等割粒子、小板状粒子またはホイスカー状粒子であり、ここにおいて、炭酸カルシウム、シリカ、ホウ砂、パーライト、タルク、雲母、合成ヘクトライト、ウォラストナイト、テレフタル酸カルシウム、およびそれらの組合せからなる群から選択される充填剤、
・該複合材料の少なくとも４０容量％を形成し且つ該成形品の１８.５６ｋｇ／ｃｍ2（２６４ｐｓｉ）での加熱撓み温度を該ポリアリールエーテルケトンポリマーの結晶融解温度の２０℃以内まで上昇させる前記強化用繊維および前記不動化用充填材
を含むポリマー複合材料。
【図１】
【公開番号】特開２００６−２９１２１７（Ｐ２００６−２９１２１７Ａ）
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５２６０７（Ｐ２００６−１５２６０７）
【出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【分割の表示】特願平９−５０３１１０の分割
【原出願日】平成８年６月３日（１９９６．６．３）
【出願人】（５０６１８４７７２）ピービーアイ・パフォーマンス・プロダクツ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月２６日（２００６．１０．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【分割の表示】特願平９−５０３１１０の分割
【原出願日】平成８年６月３日（１９９６．６．３）
【出願人】（５０６１８４７７２）ピービーアイ・パフォーマンス・プロダクツ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]