JP6992695B2 - 硬質ポリ塩化ビニル系成形品及びその製造方法 - Google Patents

硬質ポリ塩化ビニル系成形品及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、炭酸カルシウムを含有する硬質ポリ塩化ビニル系成形品及びその製造方法に関する。
従来からポリ塩化ビニルを用いた硬質成形品は、押出成形、プレス成形、射出成形、カレンダー成形といった方法で成形され、パイプ、継手、排水マス、雨樋、窓枠、サイディング、フィルム・シート材、平板、波板等の各種の製品に広く使用されている。
これらの成形品には、多くの場合、耐衝撃改質剤としてメタクリル酸メチル-ブタジエン-スチレングラフト共重合体(MBS樹脂)やアクリル系ポリマー等が使用されている。その一例として下記の特許文献1が挙げられる。しかし、上記耐衝撃改質剤の配合は軟化点低下といった問題を引き起こし、更にコストアップの原因となってしまう。
また、ポリ塩化ビニルに炭酸カルシウムと可塑剤を配合した例としては、下記の特許文献2が挙げられる。しかし、ポリ塩化ビニルが可塑剤添加により軟化点低下といった問題を引き起こし、高温下での荷重に耐えられなくなるといった問題を生じる。更には、可塑剤の使用はコストアップの原因となってしまう。また、下記の特許文献3には、ポリ塩化ビニルに炭酸カルシウムを配合して衝撃強度を高めることが記載されているが、炭酸カルシウムの分散径が大きいため、シャルピー衝撃強度も低い成形品となり、応用製品に活用されることは難しい。適正な加工条件(温度、時間)や特定の組成を用いないと高い衝撃強度を得ることが難しいのが現状である。
特開2014-231565号公報 特許第3462486号公報 特開2000-026686号公報
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、軟化点低下やコストアップの原因となる耐衝撃改質剤や可塑剤を使用せずに、耐衝撃性に優れた硬質ポリ塩化ビニル系成形品及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、平均重合度500~1500のポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し、平均1次粒子径0.01~0.3μmの炭酸カルシウムを10~40質量部を含む硬質塩化ビニル系成形品であって、成形品断面の区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数が15%以下であれば、炭酸カルシウムを均一に分散させることにより、軟化点を低下させることなく、耐衝撃性が十分に高い硬質ポリ塩化ビニル系成形品を得ることができることを見出し、本発明をなすに至ったものである。
従って、本発明は、下記の硬質ポリ塩化ビニル系成形品及びその製造方法を提供する。
〔1〕平均重合度500~1500のポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し、透過型電子顕微鏡写真観察法により測定された平均1次粒子径0.01~0.3μmの炭酸カルシウムを10~40質量部を含む硬質塩化ビニル系成形品であって、下記に定義される成形品断面の区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数が15%以下であることを特徴とする硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
〈区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数〉
区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数とは、成形品断面の視野を区画に分割し、各区画内の炭酸カルシウム粒子数を数え、区画の粒子数標準偏差を粒子数平均値で除すことで算出された値である。
〔2〕23±2℃でのシャルピー衝撃強度が30kJ/m2以上である[1]記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
〔3〕上記炭酸カルシウムが、予め脂肪酸表面処理が施されたものである〔1〕又は〔2〕記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
〔4〕パイプ、継手、排水マス、雨樋、窓枠、サイディング、フィルム・シート材、平板及び波板の群から選ばれる製品に使用される〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
〔5〕上記炭酸カルシウムの平均1次粒子径が0.05~0.2μmである〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
〔6〕上記炭酸カルシウムの配合量が、ポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対して15~25質量部である〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
〔7〕平均重合度500~1500のポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し、透過型電子顕微鏡写真観察法により測定された平均1次粒子径0.01~0.3μmの炭酸カルシウムを10~40質量部の配合量で、500~3000rpmの回転速度で回転混合機により混合させ、この樹脂混合物を、押出成形、プレス成形、射出成形及びカレンダー成形の群の中から選ばれる成形法により硬質ポリ塩化ビニル系成形品を製造し、該成形品断面の区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数が15%以下であることを特徴とする硬質ポリ塩化ビニル系成形品の製造方法。
本発明の硬質ポリ塩化ビニル系成形品は、炭酸カルシウムの分散性が優れ、軟化点を低下させることなく、耐衝撃性に優れるものであり、様々な用途に優位に使用される。
以下、本発明につき、更に詳しく説明する。
本発明の硬質ポリ塩化ビニル系成形品は、平均重合度500~1500のポリ塩化ビニル系樹脂に、所定の平均1次粒子径を有する炭酸カルシウムを所定量含有するものである。
本発明で用いるポリ塩化ビニル系樹脂は、塩化ビニル単独重合体、塩化ビニル単量体と塩化ビニルと共重合可能な単量体との共重合体(通常、塩化ビニル50質量%以上の共重合体)、塩素化塩化ビニル共重合体である。塩化ビニルと共重合可能な単量体としては、例えば、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル、アクリル酸、アクリル酸エチル等のアクリル酸エステル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル等のメタクリル酸エステル、エチレン、プロピレン等のオレフィンモノマー、アクリロニトリル、スチレン、塩化ビニリデン等が挙げられる。上記のポリ塩化ビニル系樹脂の平均重合度は、500~1500であり、好ましくは700~1300である。この平均重合度が500未満では耐衝撃強度が低く、要求を満たすことはできない。また、この平均重合度が1500を超えると溶融粘度が高く、可塑剤なしで成形することが困難となる。なお、このポリ塩化ビニル系樹脂の平均重合度は、JIS K7367-2に規定の溶液粘度法により測定した値である。
本発明で用いられる炭酸カルシウムは、平均1次粒子径が0.01~0.3μmであり、好ましくは0.05~0.2μmである。炭酸カルシウムの平均1次粒子径が上記範囲内であれば、ポリ塩化ビニル系樹脂の耐衝撃性を向上させることができる。炭酸カルシウム粒子径が小さくなると、比表面積が著しく増大し、衝撃を加えた場合、応力が拡散しフィラー界面においてミクロクレーズが発生し歪エネルギーを吸収すると考えられる。なお、炭酸カルシウムの平均1次粒子径は、透過型電子顕微鏡写真観察法により測定される。
上記の炭酸カルシウムは、特には、予め表面処理が施されたものであって凝集し難いものを採用することが好適である。この場合、表面処理品の平均1次粒子径が0.01~0.3μmである。表面処理が施されていない炭酸カルシウムを用いる場合、凝集を起こしやすくなり、凝集すると衝撃強度向上効果が不十分となる場合がある。また、炭酸カルシウムの粒子が塩化ビニル樹脂中に均一に分散されることが望ましく、このため、炭酸カルシウムには脂肪酸表面処理が施されているものが望ましい。
上記表面処理に用いる脂肪酸としては、炭素数10~20の高級脂肪酸が好ましく、具体的には、ステアリン酸、パルミチン酸、ラウリン酸、オレイン酸等の脂肪酸が好適に使用され、これらは2種以上混合して用いてもよい。なお、上記の脂肪酸としては、脂肪酸のみならず、ナトリウム、カルシウム等のアルカリ金属やアルカリ土類金属等との脂肪酸塩、更には脂肪酸エステルの形態であってもよい。
上記の炭酸カルシウムの配合量は、ポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し10~40質量部、好ましくは15~25質量部である。炭酸カルシウムの配合量が上記範囲内であれば、ポリ塩化ビニル系樹脂の耐衝撃性が向上し得る。上記の配合量が少なすぎると、衝撃強度向上効果が発揮され難くなり、逆に、上記配合量が多すぎると、炭酸カルシウムが均一分散され難く、凝集が進行することとなり、大粒径となった炭酸カルシウムの界面にクレーズが発生してしまい、その結果、歪エネルギーを吸収しきれず破壊に至り易くなると考えられる。
本発明に用いられる硬質ポリ塩化ビニル系成形品には、これらの他に、塩素含有樹脂のための熱安定剤を添加してもよい。この熱安定剤は、塩素含有樹脂組成物を成形加工する際に、塩素含有樹脂が熱分解して塩化水素を放出し、成形品を変色したり、分子鎖を切断し劣化させたりすることを防ぐために使用される。この熱安定剤としては、硬質ポリ塩化ビニル系成形品に従来用いられてきたものを使用することができ、例えば、カルシウム、バリウム、亜鉛等の金属化合物、錫系化合物、鉛系化合物が挙げられる。この熱安定剤の配合量は、特に制限はないが、ポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し、好ましくは20質量部以下、より好ましくは1~10質量部で使用することができる。また、必要に応じて、滑剤、加工助剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、顔料等を添加してもよい。これらの添加剤は、各々20質量部以下の範囲で添加することができる。
滑剤について特に制限はないが、好ましくは平均分子量が300~1200のパラフィンワックスを使用することができる。なお、このパラフィンワックスの平均分子量はゲル浸透クロマトグラフィーにより測定した値である。
本発明は、上述したように上記ポリ塩化ビニル系樹脂及び炭酸カルシウムを所定量配合するものであり、この樹脂混合物を得る方法としては、回転混合機を用い、特定の回転速度で混合させながら成形させることにより、軟化点を下げることなく、衝撃強度が高い成形品を得ることができる。本発明の樹脂組成物を対流させて均一混合できる観点から、用いられる回転混合機としては、ヘンシェルミキサーやスーパーミキサー等が挙げられる。
上記の回転混合機の回転速度については、特に制限はないが、好ましくは500~3000rpm、より好ましくは1000~2500rpmで行うことができる。この回転速度が500rpm未満の場合には、炭酸カルシウムの分散不良により炭酸カルシウムの凝集が起こり、衝撃強度が高い成形品が得られない場合がある。逆に、上記回転速度が3000rpmを超えると、過度な発熱のため混合温度を均一にコントロールすることが困難になるおそれがある。上記混合機による撹拌の際は、配合材料の温度が10~40℃、好ましくは20~30℃より回転混合させ、昇温により配合材料が100~140℃、好ましくは110~130℃に到達したところで排出させることにより、粉体コンパウンドを得ることができる。この場合、配合材料の混合時間は、好ましくは0.05~1.0hr、好ましくは0.05~0.5hrとすることができる。
上記の粉体コンパウンド(樹脂混合物)の成形(「本成形」ともいう)の方法としては、特に制限はないが、押出成形、プレス成形、射出成形及びカレンダー成形の群の中から選ばれる成形法により行うことが好適である。
上記成形の前には、上記の粉体コンパウンドを予備溶融加工させることができる。この予備溶融加工としては、例えば、押出成形またはロール成形したもの、或いは、これらを細断により好ましくは0.5~10mm程度、より好ましくは1~7mm程度にペレット化して使用する方法等が挙げられる。この予備溶融加工の設定温度を140~200℃で2~12分間で混練させることが好適である。押出成形を用いた予備溶融加工の場合には、例えば、粉体コンパウンドを押出成形機で140~180℃で溶融させて、スクリュー速度を20~60rpmにコントロールし、長手方向が0.5~10mm程度のペレットになるように行い、ペレットコンパウンドを得ることができる。ロール成形の場合には、2本ロール(3~9インチで例えば約10~30rpm)に粉体コンパウンドを投入させ、160~200℃で1~30分、好ましくは1~10分混練させシート化し、厚さ0.1~5mmとすることが好適である。このような条件下で予備溶融加工を行うことにより、その後の樹脂混合物の本成形時には、炭酸カルシウムをより均一に分散させることが可能と考えられる。
上記予備溶融加工の後、上述した各種成形法により粉体コンパウンドを成形して本成形品である硬質ポリ塩化ビニル系成形品を得ることができる。この成形加工の具体例としては、ロールシート(厚さが好ましくは0.1~5mm)を最大10シート重ねて、好ましい条件として、150~250℃、圧力10~100kg/cm2及び1~30分の条件で、所望の形状になるようにプレスすることにより、プレスシート(厚さが好ましくは0.5~10mm、より好ましくは3~5mm)を成形させて成形シートを得ることができる。また、本成形加工は、プレス成形だけでなく、押出成形方法を選択しても構わない。この場合には、押出機にペレット化した予備溶融加工品を投入し、樹脂温度が140~200℃で、回転速度が20~60rpmになるようにコントロールし、混練し、角棒、シート等の押出成形品を得ることも可能である。押出成形機は単軸、多軸を問わない。
本発明で成形した硬質ポリ塩化ビニル系成形品の、電界放出形走査電子顕微鏡により観察された断面の区画法解析において、炭酸カルシウム粒子数の変動係数が15%以下であり、好ましくは1~10%である。この区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数とは、断面の視野を区画に分割し、各区画内の炭酸カルシウム粒子数を数え、区画の粒子数標準偏差を粒子数平均値で除すことで算出された値である。成形品断面の粒子数の変動係数が上記範囲内であれば、炭酸カルシウムが均一に分散されることを意味し、耐衝撃強度が向上すると考えられる。変動係数が15%を超えた場合には、高い衝撃強度を得るのが困難である。
本発明で成形した硬質ポリ塩化ビニル系成形品のシャルピー衝撃強度は、好ましくは30kJ/m2以上であり、より好ましくは40~140kJ/m2、更に好ましくは50~100kJ/m2である。このシャルピー衝撃強度は、23±2℃条件下でJIS K7111に準拠して測定する。上記のシャルピー衝撃強度が30kJ/m2未満であると、使用時に割れが発生し易くなる。
また、上記硬質ポリ塩化ビニル系成形品は、試験荷重10Nで90℃以上、好ましくは90~100℃のビカット軟化点を得ることができる。更には、上記硬質ポリ塩化ビニル系成形品は、溶融した溶融粘度(150~190℃)を9.0×102~1.6×104Pa・s、好ましくは1.0×103~9.0×103Pa・sとすることで均一混練性の点でよい製品が得られる。
なお、本発明の成形品は、パイプ、継手、排水マス、雨樋、窓枠、フィルム・シート材、平板、波板等の各種の工業製品に好適に使用することができる。これらの工業製品については、使用される環境により、要求される衝撃強度(耐衝撃性)が異なり、また加工時にカットされるケースを考慮して衝撃強度が選定される。
以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
[実施例1]
〈ポリ塩化ビニル系樹脂コンパウンドの作製〉
信越化学社製のポリ塩化ビニル「TK-1000(平均重合度1000)」を使用し、炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.08μmとして20質量部、パラフィンワックスの平均分子量を500として1質量部添加し、回転混合機として日本コークス工業社製10Lヘンシェルミキサー(FM10C/1型)を用いて、その他表1に示す配合材料及び配合割合(質量部)で添加し、配合材料の温度が25℃より、回転数1800rpmで回転混合させ、昇温により配合材料が120℃に到達したところで排出させた。ブレンドに要する時間は6分程度であった。なお、上記のヘンシェルミキサーには、上羽根としてST羽根(標準)、及び下羽根としてAO羽根(標準)をそれぞれ使用した。
〈ロールシートの作製(予備溶融加工)〉
上記コンパウンドを6インチ2本ロールにて、ロール温度170℃及び20rpmの条件でコントロールし、5分間混練し、厚み0.7mmのロールシート化した。
〈プレスシートの作製(本成形加工)/シャルピー衝撃強度測定/ビカット軟化点測定〉
ロールシート(厚さ0.7mm)を所望の長さに切断し、6枚重ねあわせて180℃、圧力50kg/cm2及び5分の条件でプレスし、4mm厚のプレスシートを得た。プレスシートを分割して4mm×10mm×80mm試験片をシャルピー衝撃試験用に10本作製、ビカット軟化点試験用に2本作製した。JIS K7111に準拠し、23℃±2℃条件下でシャルピー衝撃強度を測定した。また、JIS K7206に準拠し、試験荷重10N及び昇温速度50℃/hでビカット軟化温度を測定した。各々の測定結果(シャルピー衝撃強度平均値n=10、ビカット軟化点平均値n=2)を表2に示した。
〈区画法解析〉
成形品の断面を電界放出形走査電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製SU9000)により観察し、60μm×40μmの視野において100区画に分割し、各区画内の炭酸カルシウム粒子数を数え、100区画の粒子数平均値、及び標準偏差を算出した。標準偏差を平均値で除すことで変動係数を算出し、炭酸カルシウムの分布均一性の指標とした。変動係数の値が小さいほど均一分布であることを表す。5視野測定分の平均をとり、その結果を表2に示した。
〈溶融粘度〉
各実施例で得られた成形品を160℃で溶融させ、その後、せん断応力4MPaの時の溶融粘度(Pa・s)を高化式フローテスター(島津製作所社製CFT-500D)を用いて測定した。
[実施例2]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.15μmとして20質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
[実施例3]
・〈ポリ塩化ビニル系樹脂コンパウンドの作製〉
実施例1と同様に実施した。
・〈ロールシートの作製(予備溶融加工)〉
実施例1と同様に実施した。
・〈押出成形品の作製(本成形加工)/シャルピー衝撃強度測定/ビカット軟化点測定〉
実施例1で得られたロールシートをホーライ社製シートペレタイザー(SGG-220-4×4)で5mm角ペレットに細断した後、20mmφ単軸押出機にてスクリュー圧縮比CR=3.0、スクリーン:#60×1枚、ダイス:4×10mm角棒、スクリュー回転数:40rpm、シリンダー設定温度C1:180℃、C2:185℃、C3:190℃(C1が最もホッパーに近く、その後C2、C3の順に通過する)、ダイス設定温度200℃で押出成形を行った。シリンダーからダイスまで樹脂の混練に要する時間は3分程度であった。シリンダーからダイス角棒成形品を分割して4mm×10mm×80mm試験片をシャルピー衝撃試験用に10本作製、ビカット軟化点試験用に2本作製した。JIS K7111に準拠し、23±2℃条件下でシャルピー衝撃強度を測定した。また、JIS K7206に準拠し、試験荷重10N及び昇温速度50℃/hでビカット軟化温度を測定した。各々の測定結果(平均値)を表2に示した。
・〈区画法解析法〉
実施例1と同様に実施した。
・〈溶融粘度〉
実施例1と同様に実施した。
[実施例4]
信越化学社製ポリ塩化ビニルTK-700(平均重合度700)を使用し、平均1次粒子径0.08μmの炭酸カルシウムを15質量部添加し、ヘンシェルミキサーの回転速度を1200rpmとした以外は、実施例1と同様に実施した。
[実施例5]
信越化学社製ポリ塩化ビニルTK-1300(平均重合度1300)を使用し、平均1次粒子径0.08μmの炭酸カルシウムを25質量部添加し、ヘンシェルミキサーの回転速度を2400rpmとした以外は、実施例1と同様に実施した。
[実施例6]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.05μmとして20質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
[実施例7]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.08μmとして35質量部添加し、プレス温度を190℃とした以外は、実施例1と同様に実施した。
[実施例8]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.15μmとして15質量部添加し、プレス温度を190℃とした以外は、実施例1と同様に実施した。
[実施例9]
パラフィンワックスの平均分子量を700とした以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例1]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.08μmとして50質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例2]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.15μmとして50質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例3]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を1.2μmとして20質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例4]
炭酸カルシウムを無添加とした以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例5]
信越化学社製ポリ塩化ビニルTK-2000E(平均重合度2000)を使用した以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例6]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.08μmとして7質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例7]
ヘンシェルミキサーの回転速度を400rpmとした以外は、実施例1と同様に実施した。
[比較例8]
炭酸カルシウムの平均1次粒子径を0.7μmとして20質量部添加した以外は、実施例1と同様に実施した。
Figure 0006992695000001
Figure 0006992695000002
Figure 0006992695000003
表2(実施例)及び表3(比較例)の結果により、成形品断面の区画法解析処理において粒子数の変動係数が15%以下である本実施例の成形品では、ポリ塩化ビニルに炭酸カルシウムを均一に分散させることができ、軟化点を低下させることなく、且つ、30kJ/m2以上の衝撃強度を得ることができることが分かる。なお、上記の実施例で記載されたロールによる予備溶融加工を行いプレス成形した成形品は、シート材や平板用途に応用することができる。

Claims (7)

  1. 平均重合度500~1500のポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し、透過型電子顕微鏡写真観察法により測定された平均1次粒子径0.01~0.3μmの炭酸カルシウムを10~40質量部を含む硬質塩化ビニル系成形品であって、下記に定義される成形品断面の区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数が15%以下であることを特徴とする硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
    〈区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数〉
    区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数とは、成形品断面の視野を区画に分割し、各区画内の炭酸カルシウム粒子数を数え、区画の粒子数標準偏差を粒子数平均値で除すことで算出された値である。
  2. 23±2℃でのシャルピー衝撃強度が30kJ/m2以上である請求項1記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
  3. 上記炭酸カルシウムが、予め脂肪酸表面処理が施されたものである請求項1又は2記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
  4. パイプ、継手、排水マス、雨樋、窓枠、サイディング、フィルム・シート材、平板及び波板の群から選ばれる製品に使用される請求項1~3のいずれか1項記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
  5. 上記炭酸カルシウムの平均1次粒子径が0.05~0.2μmである請求項1~4のいずれか1項記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
  6. 上記炭酸カルシウムの配合量が、ポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対して15~25質量部である請求項1~5のいずれか1項記載の硬質ポリ塩化ビニル系成形品。
  7. 平均重合度500~1500のポリ塩化ビニル系樹脂100質量部に対し、透過型電子顕微鏡写真観察法により測定された平均1次粒子径0.01~0.3μmの炭酸カルシウムを10~40質量部の配合量で、500~3000rpmの回転速度で回転混合機により混合させ、この樹脂混合物を、押出成形、プレス成形、射出成形及びカレンダー成形の群の中から選ばれる成形法により硬質ポリ塩化ビニル系成形品を製造し、該成形品断面の区画法解析における炭酸カルシウム粒子数の変動係数が15%以下であることを特徴とする硬質ポリ塩化ビニル系成形品の製造方法。
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