JP4170397B2 - 導電性ポリアセタール組成物 - Google Patents
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Description
1.発明の技術分野
この発明は、導電性ポリアセタール組成物に関し、詳しくは導電性のみならずタフネスおよびたわみ性が改善され、かつ導電性、低粘度、低吸湿量:であることを特徴とする導電性ポリアセタール組成物に関する。
2.関連技術の説明
ポリオキシメチレン(POM)樹脂としても知られているポリアセタール樹脂は、例えば、広範囲の用途で金属の代替品として広く使用されているエンジニアリング熱可塑性樹脂である。ポリアセタール樹脂は、一般に、優れた機械的特性、耐疲労性、耐久性、耐摩耗性および加工性を示す。ある種の樹脂の用途では導電性が要求される。
ポリアセタール樹脂に、十分な量の導電性カーボンブラックを配合することは、ポリアセタール樹脂に導電性を付与する方法として実施されている。例えば、導電性ポリアセタール樹脂組成物は、Masamotoらが米国特許第4,391,741号に、およびKausgaらが米国特許第4,555,357号に開示している。導電性ポリアセタール樹脂を製造するのに使用されている市販の導電性カーボンブラックの一つは、KETJENBLACK(登録商標)ECカーボンブラック(米国イリノイ州シカゴ所在のAKzo Nobel Chemicals, Inc.の商標)である。典型的な導電性ポリアセタール組成物は、オキシメチレンのコポリマーと約6重量%のKETJENBLACK EC導電性カーボンブラックを含有している。これらの組成物は優れた導電性を提供するとはいえ、前記カーボンブラックを添加するため、最終的に成形される製品のタフネスとたわみ性が低下する。高いたわみ性が要求される用途では、伸びが低くかつ実用衝撃強さが低いため破壊が起ることがある。さらに、導電性カーボンブラックは、ポリアセタール樹脂の溶融粘度を増大して樹脂のメルトフローを損うので、ポリアセタール樹脂の射出成形法による加工が困難になる。その上に、溶融粘度が高すぎると、加工中(例えば配合中または射出成形中)にポリアセタールが分解し結合しているホルムアルデヒドが放出されることが知られている。
ポリアセタール樹脂組成物に導電性カーボンブラックを使用することに伴い上記問題が起こることから、例えば、KETJENBLACK EC600 JDカーボンブラック(AKzo Nobelの商標)のような一般に超導電性タイプのカーボンブラックが少量使用されている。Kusumgarらが米国特許第4,828,755号において開示しているように(この特許は本明細書に援用するものである)、超導電性カーボンブラックを少量使用すると、得られる加工特性と機械特性に対して影響が少なくて、十分な導電性を有する組成物が提供される。KETJENBLACK EC600 JDカーボンブラックの導電性ポリアセタール組成物への一般的な配合量は約3〜約5重量%である。しかしこの超導電性カーボンブラックは、一般に、ストラクチャーレベル〔DBP吸収量(DBP absorption)〕が高いことおよび一次粒子の粒径が小さいこと〔表面積(BET, N2)が高いこと〕が特徴であることに注目すべきである。したがって、ポリアセタール組成物内での前記超導電性カーボンブラックの分散と加工は、一次粒子の粒径が小さいために困難であり、そしてこのようにして得られる最終のポリアセタール組成物の粘度は、そのカーボンブラックのストラクチャーレベルが高くかつ一次粒子の粒径が小さいため高くなる。
ポリアセタール樹脂の組成物にポリウレタンを添加することによって、導電性カーボンブラックを含有するポリアセタール樹脂の衝撃強さとたわみ性が改善されることは知られている。例えば、Kusumgarらは、米国特許第4,828,755号に、エラストマー ポリウレタンを添加することによって、たわみ性とタフネスが高められた導電性オキシメチレンポリマー組成物を開示している。
発明の要約
したがって、この発明は、オキシメチレンポリマー;エラストマー ポリウレタン;およびオキシメチレンポリマーの組成物に従来用いられている導電性カーボンブラックより、ストラクチャーレベル(DBP吸収量)が低くかつ粒径が大きい(表面積が小さい)導電性カーボンブラックを含有する導電性ポリアセタール樹脂組成物に関する。この発明の組成物に使用される導電性カーボンブラックは、前記組成物のポリマー(ポリオキシメチレンとポリウレタン)中に一層容易に分散されるので、配合中の溶融粘度の増大が小さく、そしてタフネスとたわみ性が改善されかつ射出成形、吸込成形、板押出などを行うことができる優れた流動性と加工性を提供する。
この発明の一実施態様の導電性ポリアセタール樹脂組成物は、約65〜85重量%のオキシメチレンポリマー、約10〜約20重量%の導電性カーボンブラック、および約10〜約20重量%のエラストマーポリウレタンを含有している。上記導電性カーボンブラックは、表面積BET(N2)が約40〜約100m2/gでありそして細孔容積、DBP吸収量は約150〜約350ml/100gである。
この発明の他の一実施態様の導電性ポリアセタール樹脂組成物は、さらに、少なくとも0.5重量%の酸化防止剤を含有している。
発明の詳細な説明
この発明は、導電性ポリアセタール樹脂組成物に関する。この組成物は、オキシメチレンポリマー、エラストマーポリウレタンおよび導電性カーボンブラックを含有している。その導電性カーボンブラックは、これら組成物に従来用いられている導電性カーボンブラックより、ストラクチャーレベルが低く、かつ一次粒子の粒径が大きい(表面積が小さい)。その導電性カーボンブラックは表面積、BET(N2)が約40〜約100m2/gであり、かつ細孔容積、DBP吸収量が約150〜約350ml/100gである。
この発明の導電性ポリアセタール組成物に用いられるオキシメチレンポリマーは、当該技術分野で公知である。これらのポリマーは、一般に高分子量であり、そして交互に存在する複数のオキシメチレン基−OCH2−の繰返し炭素-酸素結合を有する基本的分子構造を有することが特徴である。ホモポリマーは、この炭素−酸素構造だけで構成されているが、コポリマーは、コポリマーの単位によって時おり中断されるオキシメチレン構造を有している。用語“オキシメチレンポリマー”は、この発明で用いる場合、オキシメチレンのホモポリマー、コポリマー、ターポリマーなどを含むものとする。
一般に、ホモポリマーは、モノマーを精製し、重合し、アルキル基またはアシル基で末端のキャッピングを行い、次いで仕上げを行って、ホルムアルデヒドを重合させるかまたはホルムアルデヒドの環状三量体であるトリオキサンを重合させることによって製造される。市販のオキシメチレンコポリマーは、ホルムアルデヒドを三量体化してトリオキサンにし、そのトリオキサンを精製し、少量のエチレンオキシドおよび/またはテトラヒドロフランの存在下、共重合させ、アルカリ加水分解によって安定化し、次いで仕上げを行って製造される。
この発明の導電性組成物に使用するのに特に適しているオキシメチレンポリマーは、オキシメチレンコポリマーである。この発明に用いられるオキシメチレンポリマーの例は、メルトインデックスが約13〜約50g/10min(190℃/2.15kg)の範囲内にあることを特徴とする市販のコポリアセタールグレードのものであり、この発明の導電性組成物に使用するのに適した好ましいオキシメチレンポリマーは、例えばHOSTAFORM(登録商標)アセタールコポリマー類(ドイツ所在のHoechst AKtiengesellshaftの商標)またはULTRAFORM(登録商標)ポリマー(ドイツ所在のBASF AKtiengesellschatの商標)である。好ましくは、この発明の導電性ポリアセタール組成物は、約65〜約85重量%のオキシメチレンポリマーを含有し、一層好ましくは約70〜約80重量%のオキシメチレンポリマーを含有し、そして最も好ましくは、全組成物中にオキシメチレンポリマーが約75重量%含有されている。
オキシメチレンコポリマーは、一般に、比較的高いレベルのポリマー結晶化度すなわち約70〜80%の結晶化度を有している。指摘されているように、オキシメチレンコポリマーは、例えば下記一般式:
(式中、各R1とR2としては、水素、低級アルキルおよびハロゲン置換低級アルキルが含まれ、各R3としては、メチレン、オキシメチレン、低級アルキルおよびハロアルキルで置換されたメチレン、ならびに低級アルキルおよびハロアルキルで置換されたオキシメチレンの基であり、そしてnはゼロ〜3の整数である)で表されるコモノマーが間に挿入された−OCH2−基の繰返し単位を有している。各低級アルキル基は好ましくは1〜2個の炭素原子を有している。重合は、約0.1〜約15モルパーセントの前記コモノマーの存在下で実施される。製造されるコポリマーは、約85〜約99.9%の反復オキシメチレン単位−(OCH2)−を含有している。コモノマー単位を、共重合のステップ中に、コポリマー中に組み込んで、酸素−炭素の結合を切断することによってコポリマーを製造することができる。
この発明の成形用組成物中に存在することが好ましいオキシメチレンコポリマーは、融点が少なくとも150℃であり、かつ一般に約180℃〜約200℃の温度でロール練りすることができるかまたは加工することができる熱可塑性材料である。市販のオキシメチレンコポリマーは、一般に、数平均分子量が少なくとも10,000である。
この発明に用いられる導電性カーボンブラックは、導電性ポリアセタール組成物に従来使用されているKETJENBLACK ECカーボンブラック類のような導電性カーボンブラックを超える改良された特性を有している。
指摘されているように、この発明の導電性ポリアセタール組成物に用いられるカーボンブラックは、前記の超導電性カーボンブラックよりは、ストラクチャーレベル(DBP吸収量)(ASTM D-2414)が低く、かつ表面積(BET, N2)(ASTM D-3037)が小さいことが特徴である。この発明の組成物のカーボンブラックは、表面積が中位でかつストラクチャーが高いカーボンブラックである。しかし、このカーボンブラックは、その黒鉛性が高いこととその一次粒子が楕円形であること(長軸と短軸の比率は約1.4である)によって、従来のアセチレンブラックとは異なっている。
この発明の導電性組成物に使用されるカーボンブラックは、BET窒素の表面積が約40〜約100m2/gであり、好ましくはその表面積が約40〜約70m2/gであり、そして最も好ましくはその表面積が約65m2/gである。この発明に使用されるカーボンブラックの細孔容積、DBP吸収量は一般に約150〜約350ml/100gである。より好ましくは、細孔容積は約150〜約200ml/100gであり、最も好ましくは、細孔容積は約190ml/100gである。この発明の組成物に用いるのに特に有用なカーボンブラックは、ENSACO(登録商標)250カーボンブラック(ベルギー所在のM. M. M. Carbonの商標)である。
この発明の導電性ポリアセタール組成物に用いられるカーボンブラックはストラクチャーレベルと表面積が低いので、この発明の組成物に用いるカーボンブラックの配合量を高くして所望の導電性を達成することができ、同時に、タフネス、たわみ性、流動性および加工性が改善されることが見出された。この発明に利用されるカーボンブラックの配合量は、組成物の約10〜約20重量%の範囲内である。この発明の組成物では、カーボンブラックは好ましくは約12〜約17重量%であり、この発明の組成物は、最も好ましくは、先に挙げたカーボンブラックを約12重量%含有している。
下記表1は、この発明の導電性ポリアセタール組成物に用いる導電性カーボンブラックおよび他の公知の導電性カーボンブラックの表面積(BET, N2)(m2/g)、細孔容積(DBP吸収量)(cm3/100g)および揮発分含量(%)を比較している。
この発明の導電性ポリアセタール組成物に用いられるカーボンブラックは、溶融粘度に対する望ましくない作用が、KETJENBLACK ECカーボンブラック類などの導電性カーボンブラックより小さい。カーボンブラックを添加したために組成物の粘度が増大するのは、カーボンブラックの集合体のストラクチャーレベルと表面積に直接関連している。表1に示すように、これらのパラメータは、この発明に用いられるカーボンブラックの一例であるENSACO 250カーボンブラックの場合低い。したがって、この発明の組成物の配合と加工はより容易であり、そして溶融粘度が低いので、加工温度を約200℃より低く維持して、ポリアセタールが分解してホルムアルデヒドを放出する可能性を少なくすることができる。
その上に、この発明に用いるカーボンブラックは、一次粒子の粒径が大きい(表面積、BET N2が小さい)ため、この発明の導電性ポリアセタール組成物のポリマー内に、より容易に分散させることができる。その導電性カーボンブラックはより均一に分散されるので、ポリアセタール組成物の機械的特性が改善され、優れた導電性のみならず高い衝撃強さなどが得られる。
上記のように、この発明に用いられるカーボンブラックは、一般的な導電性カーボンブラックより、ポリアセタール組成物の機械的特性に対する悪影響が小さく、同時に導電性を付与するので約10〜約20重量%の範囲内のカーボンブラックの高い添加量を利用できる。カーボンブラックの添加量を高くすることができると、広範囲の機械的特性と電気特性を特徴とする多種類の組成物を製造することができる。さらに、この発明のポリアセタール組成物の機械的特性は、カーボンブラックを添加することによって余り影響を受けないので、低分子量(高いメルトインデックス)を特徴とするアセタールポリマーを使用して、達成可能な特性の範囲をさらに広げることができる。
さらに、この発明に使用されるカーボンブラックは、これらの組成物に従来用いられている導電性カーボンブラックより添加量を高くすることができるが、この発明の導電性ポリアセタール組成物は、公知の組成物と比べて吸湿量の少ないことが特徴であることが見出された。この効果は、この発明に使用されるカーボンブラックの表面積が小さくて分散性と湿潤性に優れているなどのそのカーボンブラックの特性に直接、関連していると考えられる。
上記のように、この発明のポリアセタール組成物に用いられる熱可塑性ポリウレタンは、タフネスとたわみ性を改善し、関連技術分野で報告されている。例えば、有用なエラストマーポリウレタンを、Kusumgarらが米国特許第4,828,755号に開示している。なお、この特許は本明細書に援用するものである。オキシメチレンポリマー組成物の衝撃強さを改善するのに適しているエラストマーポリウレタン類は、連鎖延長剤、例えば低分子量のポリオール類、好ましくはグリコール類を用いて、遊離のヒドロキシル末端基を有するポリエステルポリオール類、ポリエーテルポリオール類またはポリアセタール類、ならびにポリイソシアネート類特にジイソシアネート類から製造されるポリウレタン類である。これらのポリウレタン類は、当該技術分野で常用されている方法、例えばワンショット法またはプレポリマー法によって製造できる。
使用可能なポリマーのポリオール類とポリオールの連鎖延長剤は、このようなエラストマーを製造するため当該技術分野で通常、採用されているものである。ポリマーポリオール類は、好ましくは、分子量が約400〜約4000であるポリエステルジオール類、ポリエーテルジオール類またはその混合物である。
この発明の組成物のエラストマーポリウレタン類に使用される連鎖延長剤は、当該技術分野で通常採用されているどのジオール延長剤でもよい。例えば、脂肪族ジオール類、例えば、エチレングリコール、1,3−プロピレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,4−ブタンジオール、1,2−ヘジサンジオール、ネオペンチルグリコールなど、およびジヒドロキアルキル化芳香族化合物類がある。
この発明の組成物のエラストマーポリウレタン類に用いられるポリイソシアネート類は、ポリウレタンエラストマーを製造するのに通常採用されるどのイソシアネートでもよい。例えば、そのポリイソシアネート類は、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、4,4′−メチレンビス(フェニレンイソシアネート)、1,5−ナフタレンジイソシアネート、1,4−フェニレンジイソシアネートなどのようなジイソシアネート、および上記ジイソシアネートの2種以上の混合物でもよい。
特に適当なポリウレタンエラストマーは、低硬度で、連鎖延長がなされた低分子量のポリオキシランポリマーであり、例えばSTAT-RITE(登録商標)C2300)静電損失ポリマー(static dissipative polymer)(米国オハイオ州クリーブランド所在のBF Goodrich Chemicalの商標)がある。好ましくは、この発明の導電性ポリアセタール組成物はポリウレタンエラストマーを約10〜約20重量%含有している。さらに好ましくは、この発明の組成物はポリウレタンエラストマーを約10〜約15重量%含有し、最も好ましくは、全組成物中にポリウレタンが約12重量%含有されている。
所望により、この発明の導電性ポリアセタール組成物は、酸化および分解に対して安定化してもよく。これを行うには、例えば、ポリアセタール樹脂とともに使用するの特に、適している安定剤が使用される。好ましい酸化防止剤は、エチレンビス(オキシエチレン)ビス〔3−(5−tert−ブチル−4−ヒドロキシ−m−トリル)プロピオネート〕であり、これは、IRGANOX(登録商標)245酸化防止剤(米国ニューヨーク州ホーソン所在のCiba-Geigy Corp.の商標)として市販されている。この発明の組成物に酸化防止剤が使用される場合、好ましくは少なくとも0.5重量%である。さらに好ましくは、この発明の組成物中に含有される酸化防止剤は約0.2〜約0.3重量%でありそして最も好ましくは約0.3重量%である。
この発明の導電性ポリアセタール組成物は、上記成分の均質な混和物もしくは混合物が得られる通常の方法によって製造できる。好ましくは、乾燥もしくは溶融のブレンド法と装置を用いる。例えば、ポリウレタンエラストマー(ペレット、チップまたは顆粒の形態)を、オキシメチレンポリマー(ペレット、チップ、顆粒または粉末の形態)と、一般に室温で乾燥混合し、得られた混合物を、通常のタイプの押出装置で溶融ブレンドできる。このとき、その押出装置は一般に約180℃〜約230℃の温度まで加熱される。
前記均質ブレンド法で得られた導電性ポリアセタール組成物を、次に、例えば細断、ペレット化または磨砕することによって細分して、顆粒、ペレット、チップ、フレークまたは粉末にし、次いで例えば射出成形法または押出成形法によって、熱可塑性の状態で加工して、成形製品、例えばバー、ロッド、プレート、シート、フィルム、リボン、チューブなどにする。
この発明を以下の実施例によってさらに説明するが、これら実施例は事実上、例示を目的とするものでこの発明の範囲を限定すると解すべきでない。
実施例I
この発明の導電性ポリアセタール組成物が有効であることを確認するため、市販のポリアセタール樹脂組成物と比較した。市販の組成物(対照標準)はHOSTAFORM(登録商標)C7021 ELSアセタールコポリマーであった。これは、一般に、射出成形、押出成形および吸込成形による部品および容器を製造するのに使用されている。この発明の範囲内の組成物(試料A)は、下記の成分を含有している。
HOSTAFORM C5201アセタールポリマー(Hoechst) 70.7重量%
(MFI=52g/10min)
STAT-RITE C2300ポリウレタン(BFGoodrich) 12.0重量%
ENSACO 250カーボンブラック(M. M. M. Carbon) 17.0重量%
IRGANOX 245酸化防止剤(Ciba-Geigy) 0.3重量%
これら試料を配合して成形した。各試料を評価し、そのメルトフローインデックス(MFI)(g/10min)、アイゾッド衝撃強さ(KJ/m2)、引張弾性率(MPa)、曲げ弾性率(MPa)、表面抵抗率(ohm/sq)および体積抵抗率(ohm-cm)を測定した。
測定結果を以下の表2に示す。
ポリウレタン、カーボンブラックおよび酸化防止剤を含有するこの発明の導電性ポリアセタール組成物は、表2に示すように、対照標準のアセタールポリマーの試料より、高い流動性、高い衝撃強さ、高い弾性率および高い導電率を示している。
実施例II
導電性ポリアセタール組成物の機械的特性に対するアセタールポリマー樹脂の流動性の効果を確認するため、3種の異なるタイプのHOSTAFORMアセタールポリマー樹脂を用いて、4種の試料(A,B,CおよびD)を調製した。各樹脂のMFIは50g/10min,27g/10minおよび13g/10minであった。これらの組成物は、アセタールポリマーに加えて、この発明の範囲内で、各種の量のポリウレタン、カーボンブラックおよび酸化防止剤を含有している。上記試料は下記表3に列挙した配合(重量%)で調製した。各試料を評価し、そのメルトフローインデックス(MFI)(g/10min)、アイゾッド衝撃強さ(KJ/m2)、引張弾性率(MPa)および体積抵抗率(ohm・cm)を測定した。また、試験結果を下記表3に示す。
表3に示すように、試料AとBおよび試料CとDは、種々のMFIを有する、異なるタイプのアセタールポリマー樹脂を同量使用した。試料AとBには、導電性カーボンブラックの量をその外の試料より多く使用した。ポリウレタンと酸化防止剤の量は、全試料すべて同じにした。全試料が優れた電気特性を示したが、これら試料の機械特性と流動特性は相違している。試料AとBは、導電性が高くかつ非常に剛性でかつ耐衝撃性であったが、優れた流動性と加工性を維持していることが分かるであろう。特に、高流動性の組成物が、試料Dに比べて試料Cに得られた。試料CとDの特性は、非常に優れた導電性を示し(試料AとBには劣っている)、非常に高いタフネスと衝撃強さを有する。また試料CとDは低い剛性(曲げ弾性率)を示した。
実施例III
この発明の導電性ポリアセタール組成物の衝撃強さ(KJ/m2)と引張弾性率(MPa)に対するポリウレタン含量の効果を確認するため、試料Bの組成物(実施例IIの表3に示した)を評価して、この発明の範囲内でポリウレタン(およびアセタール樹脂)の含量が異なる派生組成物(試料EとF)と比較した。試料EとFは、表3に列挙した試料Bの配合(重量%)で調製した。各試料を評価し、衝撃強さと引張弾性率を測定した。測定結果を以下の表4に示す。
表4に示すように、導電性ポリアセタール組成物の衝撃強さは、ポリウレタンの含量が増大するとわずかに増大した。ポリウレタンの含量が増大すると引張弾性率が低下することは極めて重要である。この引張弾性率が低下することは、ポリウレタンの含量が、その組成物が達成する機械的特性に対して効果があり、例えば各種引張応力の条件下で非常に異なる挙動を示すとともに、非常に優れた耐衝撃性を特徴とする材料が提供されることを意味する。
この発明の特定の実施態様は、例示を目的として詳細に説明してきたが、この発明の精神と範囲から逸脱することなく各種の変形を行うことができる。例えば、この発明に使用されるオキシメチレンポリマーは、得られる導電性ポリアセタール組成物と、その組成物で成形される製品の、衝撃強さと導電性の増大を含む望ましい特性に著しく影響しない限り、可塑剤、ホルムアルデヒド捕そく剤、離型剤、酸化防止剤、充填材、着色剤、補強剤、光安定剤、他のタイプの安定剤、顔料などの添加剤を含有させてもよい。したがって、この発明は、後記特許請求の範囲によってのみ限定される。
Claims (10)
- オキシメチレンポリマーを65〜85重量%;
表面積、BET(N2)が40〜100m2/gで、かつ細孔容積、DBP吸収量が150〜350ml/100gの導電性カーボンブラックを10〜20重量%:および
エラストマーポリウレタンを10〜20重量%;
含有してなる導電性ポリアセタール樹脂組成物。 - 酸化防止剤を少なくとも0.5重量%さらに含有している請求の範囲1に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記組成物が、前記オキシメチレンポリマーを70〜80重量%含有している請求の範囲1に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記組成物が、前記オキシメチレンポリマーを75重量%含有している請求の範囲3に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記組成物が、前記カーボンブラックを12〜17重量%含有している請求の範囲1に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記組成物が、前記カーボンブラックを12.5重量%含有している請求の範囲5に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記組成物が、前記エラストマーポリウレタンを10〜15重量%含有している請求の範囲1に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記組成物が、前記エラストマーポリウレタンを12重量%含有している請求の範囲7に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記カーボンブラックの表面積、BET(N2)が40〜70m2/gでありかつ細孔容積、DBP吸収量が150〜200ml/100gである請求の範囲1に記載のポリアセタール樹脂組成物。
- 前記カーボンブラックの表面積、BET(N2)が65m2/gであり、かつ細孔容積、DBP吸収量が190ml/100gである請求の範囲9に記載のポリアセタール樹脂組成物。
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