JP3041787B2 - 複合材料組成物、同組成物で形成した被膜を有する物品、同組成物で成型した物品 - Google Patents

複合材料組成物、同組成物で形成した被膜を有する物品、同組成物で成型した物品

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は複合材料組成物、詳
しくは、室温硬化が可能で耐熱性に優れ、しかも厚膜を
形成できる複合材料組成物、同組成物で形成した被膜を
有する物品、同組成物で成型した物品に関する。
【0002】本発明複合材料組成物によれば、ガラス、
セラミックス、金属、プラスチックス等の物品の表面に
耐摩耗性で高硬度な耐熱性被膜を室温で容易に形成でき
るとともに、その複合材料組成物自体により所望の物品
を成型することができるので、非常に広範囲な分野にお
ける利用が可能となる。
【0003】
【従来の技術】従来から、物品の表面に塗布して硬化さ
せることにより被膜を形成し、その物品の物性を高める
方法については数多くの提案がなされている。すなわ
ち、例えば、物品表面に硬い耐熱性被膜を形成する方法
として、アルコキシシランの部分加水分解縮合物を単独
で、場合によってはこれにコロイダルシリカを配合し
て、物品の表面に塗布加熱し、熱硬化被膜を形成する方
法が知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法は、
比較的無機系成分の比率が高い材料を主にしているため
耐熱性や耐摩耗性が大きい被膜を形成できる反面、厚い
被膜を形成することが困難であるという欠点、換言する
と、膜厚が薄くなるという欠点がある。また、上記アル
コキシシランの部分加水分解縮合物等によって、所望の
成型品を成型するようなことは、殆ど不可能である。
【0005】そこで、本発明は、ガラス、セラミック
ス、金属、プラスチックス等の物品の表面に良く密着
し、耐摩耗性、耐擦傷性および耐熱性があり、しかも、
厚い被膜を形成でき、さらに、必要に応じ各種の成型物
品を簡単に得ることができる、室温硬化タイプの複合材
料組成物を提供することを目的に提案されたものであ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】発明者は、従来の各種の
複合材料組成物について、成分とその成分の機能分担に
ついて鋭意解析を行い、特定のシラン化合物誘導体に、
特定の形状を有する有機または無機系フィラーを組み合
わせることによって、上記の目的を達成できるとの知見
を得、本発明を完成するに至った。
【0007】本発明複合材料組成物は、エポキシ基含有
アルコキシシランとメチルアルコキシシランを重量混合
比20/80〜80/20の範囲で含む混合シラン化合
物の加水分解物をバインダーとし、このバインダーと短
繊維状無機または有機フィラーを重量混合比20/80
〜80/20の範囲で組み合わせてなる
【0008】本発明複合材料組成物においては、バイン
ダーとして、エポキシ基含有アルコキシシランとメチル
アルコキシシランとを含む混合シラン化合物の加水分解
物を用いる。ここで、エポキシ基含有アルコキシシラン
としては、グリシドキシメチルトリメトキシシラン、グ
リシドキシメチルトリエトキシシラン、β−グリシドキ
シメチルトリメトキシシラン、β−グリシドキシメチル
トリエトキシシラン、γ−グリシドキシメチルトリメト
キシシラン、γ−グリシドキシメチルトリエトキシシラ
ン等を例示できる。
【0009】メチルアルコキシシラン化合物としては、
以下の一般式で示されるものを使用できる。 (CHSi(OR)4−n ここで、nは1または2、Rはメチル基またはエチル基
を示す。入手の容易さからはメチルトリメトキシシラ
ン、ジメチルジメトキシシランが好ましい。
【0010】エポキシ基含有アルコキシシランとメチル
アルコキシシランの混合比が、20/80〜80/20
の範囲以下では、エポキシ基含有アルコキシシランのも
つ基材への密着性向上効果が不十分となり被膜硬度が不
足する傾向があり、また、この範囲を超えると加熱によ
る炭化が目立つようになり好ましくない。
【0011】これらの混合シラン化合物の加水分解は、
これらをアルコール系溶剤に希釈してから、塩酸、リン
酸等の酸触媒の存在下でかつ室温〜80℃で数時間〜1
0時間反応させて、加水分解縮合生成物とする。
【0012】本発明において、上記バインダーと組み合
わせて用いられる短繊維状無機または有機フィラーとし
ては、ガラス繊維または炭素繊維の粉砕品が好ましく使
用される。本発明に使用できる短繊維のサイズは、直径
数μm〜10数μm、繊維長数μm〜10数μm程度で
アスペクト比が数〜数100程度のものが好ましい。
【0013】これらの短繊維状フィラー表面は常法によ
り各種表面処理がされたものも使用できる。その表面処
理剤としてはシラン系カップリング剤、チタン系カップ
リング剤あるいはこれらに各種ポリマーを混合したもの
等が使われる。
【0014】上記バインダーと短繊維状無機または有機
フィラーの混合比率が、固形分重量比でバインダー/フ
ィラー=20/80〜80/20の範囲より低いとバイ
ンダーの結合能力が低下し密着性が劣るようになるし、
それ以上では厚膜形成が困難になるとともにフィラーの
物性が十分に引き出せなくなる。
【0015】本発明において、室温乾燥というマイルド
な条件で厚膜を形成できるメカニズムについて不明な点
も多いが、以下のように考えられる。すなわち、短繊維
状フィラーとバインダーを組み合わせた場合には、繊維
状フィラーが塗膜表面に一部突出している構造を取り易
いので、フィラーとバインダーの界面を通して縮合反応
生成物であるアルコール類の気散が促進され、次に示す
縮合反応が右方向に進行し易くなるためと考えられる。 | | | | −Si−OH+−Si−OCH→=Si−O−Si−+CHOH | | | |
【0016】本発明において形成された被膜表面に、さ
らにバインダー溶液のみを塗布して表面の凹凸をなく
し、封止することによってより平滑面にすることができ
る。フィラーを全く含まない系やフィラーがバインダー
で完全に被覆されている場合には、これらの効果が表面
のみから進行し、しかも初期に硬化した表面層が外部か
らの水の浸入を妨げ、内部からの縮合生成物であるアル
コールの気散を妨げるために、内部が完全硬化するまで
に長時間を要すると考えられる。
【0017】本発明において被膜は、基材表面に本発明
複合材料組成物を塗布、乾燥の後、熱処理を行って簡単
に形成することが可能である。また、本発明複合材料組
成物は、所要の型で所望の物品を成型し、乾燥し、必要
に応じ加熱により表層処理して目的の物品を製造するこ
とができる。その場合、乾燥は室温〜120℃で数時間
から数日程度、熱処理は用いるフィラーの種類により異
なるが150〜800℃の範囲で数分〜数時間程度行
う。
【0018】成型の仕方としては、1.複合材料組成物
を所定の型に注入する、2.さらに、加圧する、3.樹
脂母型にスプレー塗布し、乾燥してから外す、4.フィ
ルム状乾燥膜にしたものを、熱プレスにより変形加工す
る、5.複合材料組成物を粉末状に乾燥し、それを加熱
加圧する等、各種の手段がある。
【0019】本発明複合材料組成物には、それにより被
膜を形成する場合はもちろん、上記成型物品を成型する
場合であっても、本発明の効果を阻害しない範囲で、各
種の機能性微粒子、例えば、硬度を向上させる炭化ケイ
素、チッ化ケイ素シリカ、ジルコニア等、導電性を付与
する酸化インジユウム、酸化錫、カーボン粒子、グラフ
ァイト粒子等、熱伝導性を付与する酸化マグネシウム、
アルミナ、または、磁性を付与する磁鉄鉱微粒子等を添
加することができる。また、各種の色顔料、塗布性を改
良するための濡れ剤、チクソトロピー性付与剤、希釈溶
剤または消泡剤等の添加も可能である。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明について、以下の実施例で
さらに詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施例
に限定されるものではない。
【0021】実施例1 γーグリシドキシプロピルトリメトキシシラン115重
量部、ジメチルジメトキシシラン50重量部、メチルト
リメトキシシラン65重量部をイソプロピルアルコール
230重量部に溶解し、これに水23重量部で希釈した
85%リン酸17重量部を添加し、室温で48時間反応
させた。
【0022】この混合シラン加水分解物をバインダーと
し、これに炭素繊維(東邦レーヨン社製のミルドカーボ
ン繊維HTA−CME−0040−E、平均繊維長40
μm、繊維直径7μm)を重量比で等量混合して複合材
料組成物を得た。
【0023】この複合材料組成物を鉄、アルミ、ニッケ
ル等の金属、ガラス、セラミックス等の基材にスプレー
塗布したところ、室温で1時間程度で硬化し、被膜が形
成された。その被膜はいずれの基材に対しても密着性が
きわめて良好であった。
【0024】さらに、一つの応用として、この実施例の
炭素繊維複合材料組成物を、鋳物製排気マニュホールド
の外壁に刷毛塗りし、室温で30分乾燥して乾燥膜厚約
2mmの被膜を形成した。その鋳物製排気マニュホール
ドを実車搭載した結果、金属母材の酸化・腐食防止がで
きることを確認した。
【0025】比較例 実施例1と同様にして、γ−グリシドキシプロピルトリ
メトキシシラン115重量部、ジメチルジメトキシシラ
ン50重量部、メチルトリメトキシシラン65重量部を
イソプロピルアルコール230重量部に溶解し、これに
水23重量部で希釈した85%リン酸17重量部を添加
し、室温で48時間反応させた。
【0026】この混合シラン加水分解物を鋳物製マニュ
ホールドの外壁に刷毛塗りし、室温乾燥したところ、完
全乾燥には24時間を要し、乾燥膜厚約0.5mmの被
膜を形成できた。この無機系バインダーで被覆した鋳物
製排気マニュホールドを実車搭載した結果、金属母材の
腐食防止効果が必ずしも十分でなく、部分的に基材(鋳
物)の腐食が発生した。
【0027】実施例2 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン115重
量部、メチルトリメトキシシラン115重量部をメタノ
ール230重量部に溶解し、これに85%リン酸40重
量部を添加し、室温で24時間反応させた。この混合シ
ラン加水分解物をバインダーとし、これに実施例1で使
用した炭素繊維(ミルドカーボン繊維)を重量比で2:
3の割合で混合してぺースト状複合材料組成物を得た。
【0028】このペースト状複合材料組成物を厚さ1m
mの鉄板に刷毛塗りし、室温で1時間放置したところ、
乾燥膜厚約5mmの硬化被膜が形成された。この被膜は
約15Ω程度の電気伝導性と約400W/m・Kの熱伝
導率を有していた。また、バーナーでこの基板を赤熱し
てから室温に冷却したところ、被膜の剥離やワレ等の外
観の変化は認められず、密着性、耐熱性が極めて良好な
ことが判った。
【0029】実施例3 γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン100重
量部、ジメチルジメトキシシラン100重量部、メチル
トリメトキシシラン100重量部をイソプロピルアルコ
ール300重量部に溶解し、これに85%リン酸20重
量部を添加し、60℃で4時間反応させた。この混合シ
ラン加水分解物をバインダーとし、これにガラス繊維
(旭ファイバーグラス社製ミルドファイバーMFA、平
均繊維長30〜100μm、繊維直径10〜15μm)
を重量比で2:3の割合で混合してペースト状複合材料
組成物を得た。
【0030】このペースト状複合材料組成物を多孔質セ
ラミック板に刷毛塗りし、室温で1時間放置したとこ
ろ、乾燥膜厚約5mmの硬化被膜が形成された。その被
膜は硬く緻密であり、しかも、鉛筆硬さが7H以上あ
り、建築資材として有用であった。
【0031】実施例4 エポキシ基含有アルコキシシラン、メチルアルコキシシ
ランを含む混合シラン化合物の加水分解物から製造され
た「グラスモドキX−357T」(テー・エス・ビー社
商品)100gを純水100gで希釈し、これに炭素繊
維(東邦レーヨン社製のミルドカーボン繊維HTA−C
ME−0040−E、数平均繊維長40μm、繊維直径
7μm)を400gを分散させて複合材料組成物Aを得
た。複合材料組成物A100gとグラスモドキX−35
7T100gを混合し(これを複合材料Bとする)、直
ちにコンクリート壁にスプレー処理し、そのまま室温に
24時間放置して硬化させた。
【0032】実施例5 実施例4で作成した複合材料組成物Bを、平滑な離型材
の塗布されたSUS板に流延して、室温で乾燥して厚さ
300ミクロンのシートを得た。これを10枚重ねてホ
ットプレス(310℃)で5分間熱処理して耐食性プレ
ートを作成した。得られたシートは固く緻密であり、鉛
筆硬さが7H以上であり、耐火性建築資材や煙突材料な
どとして有用であった。
【0033】
【発明の効果】本発明複合材料組成物は、エポキシ基含
有アルコキシシランとメチルアルコキシシランとを含む
混合シラン化合物の加水分解物をバインダーとし、これ
に短繊維状無機または有機フィラーを組み合わせてなる
から、室温で、ガラス、セラミックス、金属、プラスチ
ックス等の物品の表面に、良く密着し、耐摩耗性、耐擦
傷性および耐熱性があり、しかも、厚い被膜を形成でき
る。
【0034】また、本発明複合材料組成物によれば、そ
れ自体により所望の物品を成型することができるので、
非常に広範囲な分野における利用が可能となる。

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】エポキシ基含有アルコキシシランとメチル
    アルコキシシランを重量混合比20/80〜80/20
    の範囲で含む混合シラン化合物の加水分解物をバインダ
    ーとし、このバインダーと短繊維状無機または有機フィ
    ラーを重量混合比20/80〜80/20の範囲で組み
    合わせてなることを特徴とする複合材料組成物。
  2. 【請求項2】メチルアルコキシシランが、次式 (CHSi(OR)4−n ここで、nは1または2、Rはメチル基またはエチル基
    を示す。で示されるメチルアルコキシシランであること
    を特徴とする請求項1記載の複合材料組成物。
  3. 【請求項3】短繊維状無機または有機フィラーが、ガラ
    ス繊維、炭素繊維等の短繊維であることを特徴とする請
    求項1または2記載の複合材料組成物。
  4. 【請求項4】硬度を向上させる炭化ケイ素、チッ化ケイ
    素シリカ、ジルコニア、導電性を付与する酸化インジユ
    ウム、酸化錫、カーボン粒子、グラファイト粒子、熱伝
    導性を付与する酸化マグネシウム、アルミナ、または、
    磁性を付与する磁鉄鉱微粒子である機能性微粒子を添加
    していることを特徴とする請求項1、2または3記載の
    複合材料組成物。
  5. 【請求項5】各種着色顔料、塗布性を改良するための濡
    れ剤、チクソトロピー性付与剤、希釈溶剤または消泡剤
    を添加していることを特徴とする請求項1、2、3また
    は4記載の複合材料組成物。
  6. 【請求項6】請求項1、2、3、4または5記載の複合
    材料組成物で形成した被膜を有することを特徴とする物
    品。
  7. 【請求項7】請求項1、2、3、4または5記載の複合
    材料組成物で成型したことを特徴とする物品。
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