JP7232176B2 - 導電性樹脂組成物、その製造方法およびそれから得られる成形体 - Google Patents

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Description

本発明は、変性ポリオレフィンワックスとカーボン材料とを含む、導電性と機械強度を両立する導電性樹脂組成物とその製造方法およびそれから得られる成形体に関する。
熱可塑性樹脂は、優れた機械強度、耐熱性、成形性等の特徴により、自動車部品、電気電子部品、構造材料などの幅広い分野で利用されている。しかしながら、多くの熱可塑性樹脂は絶縁性であるため、導電性を付与するには導電性を有する材料との複合化が必須である。導電材料としては、例えば、金属粉、金属繊維、カーボン材料が挙げられるが、近年は使用時の軽量化を重視して様々なカーボン材料が開発され、実用化されている。カーボン材料としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト等があり、これらと熱可塑性樹脂との複合化は、押出機やニーダー等の混練機で強制的に混練・分散させることによって行われる。
たとえば、特許文献1および2では、ポリカーボネート樹脂と、カーボンブラックと、酸変性ポリオレフィン系ワックスとを含む導電性ポリカーボネート樹脂組成物が開示されている。特許文献3では、ポリプレロピレン樹脂と、カーボンブラックと、ポリプロピレンワックスとを含む導電性組成物が開示されている。特許文献4では、エチレン-酢酸ビニル共重合体およびニトリルブタジエンゴムを含むベース樹脂と、カーボンブラックと、ポリエチレンワックスとを含む半導電性樹脂組成物が開示されている。
特許第5154820号公報 特許第5558661号公報 特開2007-224175号公報 特開2013-1858号公報
しかしながら、熱可塑性樹脂とカーボン材料とを複合化させる際の強制的な混練・分散は、カーボン材料やカーボン材料の凝集粒子構造の破壊を引き起こすため、期待されるような導電性が得られないことが多かった。そのため、カーボン材料の増量が行われるが、同時に成形体の機械強度の低下を引き起こすため、導電性と機械強度の両立が難しかった。
特許文献1及び2では、少なくともポリカーボネート樹脂とカーボンブラックの混合物に酸変性ポリオレフィンワックスを添加することにより、導電性と機械強度とを両立できることは示唆されていない。また、特許文献3の導電性組成物は、未変性ポリプロピレンワックスを含むことから、当該ワックスとカーボンブラックとの親和性が十分ではなく、十分な導電性と機械強度とを有する成形体を得ることは難しかった。特許文献4の半導電性樹脂組成物はカーボンブラックの含有量が多いことから、十分な機械強度を有する成形体を得ることは難しかった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、導電性と機械強度とを両立した導電性樹脂組成物の提供を目的とする。
以上のことから、本発明者らは、変性ポリオレフィンワックス(C)を、カーボン材料(B)の分散剤として含有させることで、導電性と機械強度を両立する導電性樹脂組成物が得られることを見出した。すなわち本発明は次の[1]~[11]に関する。
[1] 熱可塑性樹脂(A)75~99質量部、カーボン材料(B)1~25質量部を含み、かつ、前記熱可塑性樹脂(A)およびカーボン材料(B)の合計100質量部に対して、変性ポリオレフィンワックス(C)1質量部超10質量部以下含み、かつ前記カーボン材料(B)は、平均粒子径500nm以下の粒子状のカーボン材料、または平均長さが1000μm以下の繊維状のカーボン材料である、導電性樹脂組成物。
[2] 前記変性ポリオレフィンワックス(C)が下記(iii)を満たす、[1]に記載の導電性樹脂組成物。
(iii)JIS K2207に従って測定した軟化点が70~170℃の範囲にある
[3] 前記変性ポリオレフィンワックス(C)が、エチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンから選ばれる少なくとも1種のα-オレフィンとの共重合体の、無水マレイン酸変性物、空気酸化物、またはスチレン変性物である、[1]または[2]に記載の導電性樹脂組成物。
[4] 前記変性ポリオレフィンワックス(C)が、前記共重合体の無水マレイン酸変性物または空気酸化物であり、前記変性ポリオレフィンワックス(C)の酸価が1~100mgKOH/gの範囲である、[1]~[3]のいずれかに記載の導電性樹脂組成物。
[5] 前記変性ポリオレフィンワックス(C)が、前記共重合体のスチレン変性物であり、前記変性ポリオレフィンワックス(C)のスチレン量が5~80質量%の範囲である、[1]~[4]のいずれかに記載の導電性樹脂組成物。
[6] 前記カーボン材料(B)のジブチルフタレート吸油量が100ml/100g~1000ml/100gである、[1]~[5]のいずれかに記載の導電性樹脂組成物。
[7] 前記熱可塑性樹脂(A)が、エチレン(共)重合体またはプロピレン(共)重合体である、[1]~[6]のいずれかに記載の導電性樹脂組成物。
[8] 前記熱可塑性樹脂(A)が、ポリカーボネート樹脂である、[1]~[6]のいずれか一項に記載の導電性樹脂組成物。
[9] [1]~[8]のいずれかに記載の導電性樹脂組成物の製造方法であって、前記熱可塑性樹脂(A)と、前記カーボン材料(B)と、前記変性ポリオレフィンワックス(C)とを含むマスターバッチを用意する工程と、前記マスターバッチと、前記熱可塑性樹脂(A)とを溶融混練する工程と、を含む、導電性樹脂組成物の製造方法。
[10] [1]~[8]のいずれかに記載の導電性樹脂組成物から得られる、成形体。
[11] OA機器向け電磁波シールド部材である、[10]に記載の成形体。
本発明によれば、導電性と機械強度とを両立した導電性樹脂組成物を提供することができる。
以下、本発明について具体的に説明する。なお、以下の説明において、数値範囲を示す「~」は、特に断りがなければ以上から以下を表す。
1.導電性樹脂組成物
本発明の導電性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)、カーボン材料(B)、および変性ポリオレフィンワックス(C)を含有する。
本発明の導電性樹脂組成物中の熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)の合計を100質量部としたときの、熱可塑性樹脂(A)の量は、75~99質量部であり、好ましくは80~98質量部であり、より好ましくは85~97質量部である。高い機械強度を得るには、熱可塑性樹脂(A)を増量することが好ましい。高い機械強度を得るための熱可塑性樹脂(A)の下限は、好ましくは90質量部であり、好ましくは93質量部であり、より好ましくは95質量部である。
本発明の導電性樹脂組成物中の熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)の合計を100質量部としたときの、カーボン材料(B)の量は、1~25質量部であり、好ましくは2~20質量部であり、より好ましくは3~15質量部である。熱可塑性樹脂(A)の含有量に対して、カーボン材料(B)を前記下限値以上で含むことで、得られる導電性樹脂組成物の導電性が優れ、また前記上限値以下であることで、得られる導電性樹脂組成物の機械強度が優れる。高い導電性、即ち低い体積固有抵抗値を得るには、カーボン材料(B)を増量することが好ましい。高い導電性を得るための、カーボン材料(B)の下限は、5質量部であり、好ましくは7質量部であり、より好ましくは9質量部である。
本発明の導電性樹脂組成物中の熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)の合計を100質量部としたときの、変性ポリオレフィンワックス(C)の量は、1質量部超10質量部以下であり、好ましくは1.5~8質量部であり、より好ましくは2~5質量部である。変性ポリオレフィンワックス(C)を前記下限値以上で含むことで、得られる樹脂組成物の導電性と機械強度が優れ、また、前記上限値以下であることは、熱可塑性樹脂(A)が本来もつ性質を維持し、得られる導電性樹脂組成物の機械強度が優れる点において好ましい。
本発明の導電性樹脂組成物の導電性は、ASTM D257(二重リング法)またはJIS K7194(四深針法)に準拠して測定される体積固有抵抗値で評価され、用途に応じて様々な体積固有抵抗値に設定されうる。なお、通常、1.0×10以上の高抵抗領域にはASTM D257(二重リング法)での測定、1.0×10未満の場合はJIS K7194(四深針法)で測定が適する。例えば、本発明の導電性樹脂組成物がICトレー、シリコンウエハーケース、キャリアテープなどの半導体製品包装材料として用いられる場合、本発明の導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値は、1.0×10~1.0×10Ω・cmであることが好ましい。また、本発明の導電性樹脂組成物がクリーンルーム床材、ベルトコンベア、OA機器向け弱電部材、静電塗装下地材として用いられる場合、本発明の導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値は、1.0×10~1.0×10Ω・cmであることが好ましい。さらに、本発明の導電性樹脂組成物がOA機器向け電磁波シールド部材として用いられる場合、本発明の導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値は、1.0×10-1~1.0×10Ω・cmであることが好ましい。導電性樹脂組成物の体積固有抵抗値は、例えばカーボン材料(B)や変性ポリオレフィンワックス(C)の種類や含有量によって調整されうる。
本発明の導電性樹脂組成物の、JIS K7171(ISO 178)に準拠して測定した曲げ弾性率は、当該導電性樹脂組成物を構成する熱可塑性樹脂(A)の曲げ弾性率に対して好ましくは100~400%、より好ましくは100~300%、さらに好ましくは100~250%の範囲にある。本発明の導電性樹脂組成物の曲げ弾性率が上記範囲内であると、カーボン材料(B)の添加による導電性樹脂組成物の曲げ弾性率の低下が少ないため、好ましい。導電性樹脂組成物の曲げ弾性率は、導電性樹脂組成物の組成(特に熱可塑性樹脂(A)の種類やカーボン材料(B)の含有量等)によって調整されうる。
以下、各成分および各要件について説明する。
1-1.熱可塑性樹脂(A)
1-1-1.熱可塑性樹脂(A)の種類
熱可塑性樹脂(A)は、代表的なものとして以下の(1)~(16)が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(1)オレフィン系重合体
(2)ポリアミド
(3)ポリエステル
(4)ポリアセタール
(5)ポリスチレン、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン樹脂、アクリロニトリル-アクリルゴム-スチレン樹脂、アクリロニトリル-エチレンゴム-スチレン樹脂、(メタ)アクリル酸エステル-スチレン樹脂、スチレン-ブタジエン-スチレン樹脂などのスチレン系樹脂
(6)ポリメチルメタクリレートやポリエチルメタクリレートなどのアクリル樹系脂
(7)ポリカーボネート
(8)ポリフェニレンオキサイド
(9)ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどの塩素系樹脂
(10)ポリ酢酸ビニル、エチレン-酢酸ビニル樹脂などの酢酸ビニル系樹脂
(11)エチレン-(メタ)アクリル酸エステル共重合体
(12)エチレン-アクリル酸樹脂、エチレン-メタクリル酸樹脂やこれらのアイオノマー樹脂
(13)ポリビニルアルコール、エチレン-ビニルアルコール樹脂などのビニルアルコール系樹脂
(14)セルロース樹脂
(15)塩化ビニル系エラストマー、ウレタン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー等の熱可塑性エラストマー
(16)各種共重合ゴム
次に、それぞれの熱可塑性樹脂について具体例を挙げる。
(1)オレフィン系重合体
オレフィン系重合体としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ-1-ブテン、ポリ4-メチル-1-ペンテン、ポリメチルブテンなどのオレフィン単独重合体;エチレン-α-オレフィンランダム共重合体、プロピレン-エチレンランダム共重合体、エチレン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体、4-メチル-1-ペンテン・α-オレフィン共重合体などのオレフィン共重合体などを挙げることができる。
オレフィン系重合体は、例えばエチレン(共)重合体とすることができる。エチレン(共)重合体は、エチレン単独重合体、またはエチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンとの共重合体であることが好ましい。エチレン単独重合体および共重合体の具体例には、超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン等が含まれる。
一方、エチレン(共)重合体が、エチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンとの共重合体である場合、エチレン由来の構成単位(a)の量は、91.0~99.9モル%であることが好ましく、より好ましくは93.0~99.9モル%であり、更に好ましくは95.0~99.9モル%であり、特に好ましくは95.0~99.0モル%である。一方、炭素原子数3以上のα-オレフィン由来の構成単位(b)の量は、0.1~9.0モル%であることが好ましく、より好ましくは0.1~7.0モル%であり、更に好ましくは0.1~5.0モル%であり、特に好ましくは1.0~5.0モル%である。ただし、(a)+(b)=100モル%である。上記オレフィン系重合体の構成単位の含有割合は、13C-NMRスペクトルの解析により求めることができる。
ここで、炭素原子数3~12のα-オレフィンとしては、例えばプロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが挙げられる。好ましくは、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、1-オクテンであり、更に好ましくは炭素原子数が3~8のα-オレフィンであり、特に好ましくはプロピレン、1-ブテンである。エチレンとプロピレンや1-ブテンとを共重合すると、導電性樹脂組成物の加工性、外観、機械強度のバランスが良好となる。なお、α-オレフィンは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
エチレン(共)重合体のISO 1133に準拠して190℃、2.16kg荷重にて測定されるMFRは、0.01~500g/10分であることが好ましく、0.1~100g/10分であることがより好ましい。エチレン(共)重合体のMFRが上記範囲内であると、成形時の流動性が良く、かつ機械強度が良好な成形体が得られやすい。
また、オレフィン系重合体を、プロピレン単独重合体(ポリプロピレン)や、プロピレンと、エチレンもしくは炭素原子数4~12のα-オレフィンとのプロピレン(共)重合体としてもよい。プロピレン(共)重合体をプロピレンとエチレンとの共重合体とする場合、プロピレン由来の構成単位の量を60~99.5モル%としてもよい。この場合のプロピレン由来の構成単位の量は、好ましくは80~99モル%、より好ましくは90~98.5モル%、更に好ましくは95~98モル%である。ただし、プロピレン由来の構成単位の量とエチレン由来の構成単位の量との合計は100モル%である。プロピレン由来の構成単位量が多いプロピレン(共)重合体を用いると、導電性樹脂組成物の耐熱性、外観、機械強度のバランスが良好となる。
プロピレン(共)重合体を、プロピレンと炭素原子数4~12のα-オレフィンとの共重合体とする場合、炭素原子数4~12のα-オレフィンとしては、例えば1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが挙げられる。その中でも、1-ブテンが特に好ましい。また、プロピレン・α-オレフィン共重合体は、炭素原子数4~12以外のオレフィン由来の構造単位をさらに含んでいてもよく、例えばエチレン由来の構成単位を少量、例えば10モル%以下の量で含んでいてもよい。一方で、エチレン由来の構成単位が含まれないことも、導電性樹脂組成物の耐熱性と機械強度のバランスを高めるとの観点では好ましい態様の一つである。α-オレフィンは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記プロピレン(共)重合体がプロピレン・α-オレフィン共重合体である場合、プロピレン由来の構成単位(a’)の量は、60~90モル%であることが好ましく、より好ましくは65~88モル%であり、さらに好ましくは70~85モル%、特に好ましくは75~82モル%である。一方、炭素原子数4以上のα-オレフィン由来の構成単位(b’)の量は、10~40モル%であることが好ましく、より好ましくは12~35モル%であり、さらに好ましくは15~30モル%、特に好ましくは18~25モル%である。ただし、(a’)+(b’)=100モル%である。
プロピレン・α-オレフィン共重合体の組成が上記範囲にあると、外観が優れる導電性樹脂組成物を得ることができる。その理由は明らかではないが、結晶化速度が遅いために、金型上、あるいは冷却工程において、導電性樹脂組成物が流動出来得る時間が長くなる。そしてその結果、表面性が良好になると考えられる。また、組成が上記範囲にあると、機械強度と耐熱性が良好となる。プロピレン・α-オレフィン共重合体のDSCの結果により得られる融点Tmは通常60~120℃であり、好ましくは65~100℃であり、更に好ましくは70~90℃である。
またさらに、オレフィン系重合体は、エチレン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体であってもよい。この場合、エチレン[A]と、炭素原子数3~12のα-オレフィン[B]と非共役ポリエン[C]との共重合であることが好ましく、これらがランダムに共重合したポリマーであることがより好ましい。α-オレフィンとしては、炭素原子数3~12のα-オレフィンが挙げられ、例えばプロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセンなどの炭素原子数が3~12の直鎖状または分岐状のα-オレフィンが用いられる。また、非共役ポリエンとしては、環状または鎖状の非共役ポリエンが用いられる。環状の非共役ポリエンとしては、例えばシクロペンテン、シクロヘプテン、ノルボルネン、5-エチリデン-2-ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、5-ビニル-2-ノルボルネン、ノルボルナジエンおよびメチルテトラヒドロインデン、テトラシクロドデセンなどが挙げられる。鎖状の非共役ポリエンとしては、例えば1,4-ヘキサジエン、7-メチル-1,6-オクタジエン、4-エチリデン-8-メチル-1,7-ノナジエンおよび4-エチリデン-1,7-ウンデカジエンなどが挙げられる。なかでも、5-エチリデン-2-ノルボルネン、ジシクロペンタジエン、及び5-ビニル-2-ノルボルネンが好ましい。これらの環状または鎖状の非共役ポリエンは、単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記エチレン・α-オレフィン・非共役ポリエンランダム共重合体の例としては、エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体(EPDM)などが挙げられる。
また、オレフィン系重合体として、プロピレン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体や、1-ブテン・α-オレフィン・非共役ポリエン共重合体等を用いることもできる。
さらに、オレフィン系重合体として、4-メチル-1-ペンテン・α-オレフィン共重合体を用いることもできる。4-メチル-1-ペンテン・α-オレフィン共重合体の具体例としては、例えば国際公開第2011/055803号に開示の重合体が挙げられる。4-メチル-1-ペンテン・α-オレフィン共重合体における4-メチル-1-ペンテン由来の構成単位の量は、5~95モル%であることが好ましく、4-メチル-1-ペンテンを除く炭素原子数2~20のα-オレフィンから選ばれる少なくとも1種以上のα-オレフィン由来の構成単位の量は5~95モル%であることが好ましい。また、4-メチル-1-ペンテン・α-オレフィン共重合体の一部には、非共役ポリエンが含まれていてもよく、非共役ポリエン由来の構成単位の量は0~10モル%であることが好ましい。これらの合計量は100モル%である。
なお、オレフィン系重合体の立体規則性に関しては、特に制限はないが、オレフィン系重合体がプロピレン系(共)重合体である場合には、プロピレン系(共)重合体が実質的にシンジオタクティック構造を有することが好ましい。例えば、プロピレン系(共)重合体が、実質的にシンジオタクティック構造を有すると、同一分子量において絡み合い点間分子量(Me)が小さくなり、分子の絡み合いが多くなるため、溶融張力が大きくなり液だれを起こし難くなる。また、プロピレン系(共)重合体を含む導電性樹脂組成物を用いて成形体を製造する際、成形用の金型やロールに適度に密着しやすくなる。また、一般的なアイソタクティックポリプロピレン系(共)重合体と比較してシンジオタクティック構造を有するプロピレン系(共)重合体は、結晶化速度が遅いため、金型やロールでの冷却がゆっくりとなり、密着性が向上する。その結果、成形体の表面の光沢性が高まったり、耐摩耗性や、耐傷付性、耐衝撃性等が高まると推察される。なお、プロピレン系(共)重合体が、実質的にシンジオタクティック構造を有するとは、13C-NMRスペクトルにおける19.5~20.3ppmに相当するピーク面積が、検出される全ピーク面積に対して相対的に0.5%以上であることをいう。シンジオタクティシティーが上記範囲にあると、成形できる程度に結晶化速度が遅くなり、加工性が非常に良好になる。また、プロピレン由来の構成単位が、実質的にシンジオタクティック構造を有するプロピレン系(共)重合体は、汎用ポリオレフィン系樹脂であるポリエチレン、ブロックポリプロピレン、アイソタクティックポリプロピレンよりも耐摩耗性や耐傷付性が非常に良好となる。なお、シンジオタクティック構造を有するプロピレン系(共)重合体は、種々公知の製造方法で製造し得る。
<グラフト変性>
熱可塑性樹脂(A)が上記オレフィン系重合体であるとき、導電性樹脂組成物の作製時にカーボン材料(B)の形状が保持されやすく、優れた導電性を有する成形体を得やすくする観点では、オレフィン系重合体は未変性であることが好ましく、すなわち熱可塑性樹脂(A)の酸価は、1mgKOHmg/g未満かつスチレン量が5質量%以下であることが好ましい。一方で、優れた耐熱性と機械強度を有する導電性樹脂組成物を得やすくする観点では、オレフィン系重合体は、二重結合を含む極性化合物でグラフト変性されていてもよい。オレフィン系重合体がグラフト変性されていると、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)との親和性が高まり、優れた耐熱性と機械強度を有する導電性樹脂組成物が得られやすい。
オレフィン系重合体のグラフト変性は、公知の方法で行うことができる。例えば、オレフィン系重合体を有機溶媒に溶解し、次いで得られた溶液に不飽和カルボン酸等の二重結合を含む極性化合物およびラジカル開始剤などを加え、通常60~350℃、好ましくは80~190℃の温度で、0.5~15時間、好ましくは1~10時間反応させる方法を例示することが出来る。
上記の有機溶媒は、オレフィン系重合体を溶解することができる有機溶媒であれば特に制限なく使用することができる。このような有機溶媒としては、ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素系溶媒などが挙げられる。
また、別のグラフト変性方法としては、押出機などを使用し、好ましくは溶媒を併用せずに、オレフィン系重合体と、不飽和カルボン酸等の二重結合を含む極性化合物とを反応させる方法が挙げられる。この場合の反応条件は、反応温度が、通常、オレフィン系重合体の融点以上、具体的には100~350℃とすることができる。反応時間は、通常、0.5~10分間とすることができる。
二重結合を含む極性化合物を、効率よくグラフト共重合させるために、ラジカル開始剤の存在下に反応を実施することが好ましい。
ラジカル開始剤としては、有機ペルオキシドや有機ペルエステル(例えばベンゾイルペルオキシド、ジクロルベンゾイルペルオキシド、ジクミルペルオキシド、ジ-t-ブチルペルオキシド、2,5-ジメチル-2,5-ジ(ペルオキシドベンゾエート)ヘキシン-3,1,4-ビス(t-ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼン、ラウロイルペルオキシド、t-ブチルペルアセテート、2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルペルオキシ)ヘキシン-3,2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルペルオキシ)ヘキサン、t-ブチルペルベンゾエート、t-ブチルペルフェニルアセテート、t-ブチルペルイソブチレート、t-ブチルペル-sec-オクトエート、t-ブチルペルピバレート、クミルペルピバレートおよびt-ブチルペルジエチルアセテート)、アゾ化合物(例えばアゾビスイソブチロニトリル、ジメチルアゾイソブチレート)などが用いられる。これらの中では、ジクミルペルオキシド、ジ-t-ブチルペルオキシド、2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルペルオキシ)ヘキシン-3,2,5-ジメチル-2,5-ジ(t-ブチルペルオキシ)ヘキサン、1,4-ビス(t-ブチルペルオキシイソプロピル)ベンゼンなどのジアルキルペルオキシドが好ましい。ラジカル開始剤は、変性前のオレフィン系重合体100質量部に対して、通常、0.001~1質量部の割合で用いられる。
なお、グラフト変性オレフィン系重合体の形状は特に制限されず、例えば粒子状であってもよい。粒子状のグラフト変性オレフィン系重合体を得るための好適な方法の一例として、炭素数2~18のα-オレフィンから選ばれる1種類または2種類以上のα-オレフィンからなり、かつ融点が50℃以上250℃未満である粒子と、エチレン性不飽和基及び極性官能基を同一分子内に有する単量体とをグラフト反応させる方法が挙げられる。当該グラフト反応は、上述のラジカル開始剤を用い、ポリオレフィン粒子の融点(Tm)以下の温度で行うことができる。グラフト変性オレフィン系重合体の粒子の平均粒径は、例えば0.2mm~2.5mmとすることができるが、これに限られるものではない。また粒子状のグラフト変性オレフィン系重合体の調製に用いるポリオレフィン粒子の融点は、本発明の例示的な態様の1つにおいては50℃以上250℃未満であるが、これに限定されるわけでない。上記グラフト反応は、無溶媒で行うこともできるが、有機溶媒の存在下で行うことが好ましい。
<オレフィン系重合体の物性>
オレフィン系重合体のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は、6.0以下であることが好ましい。より好ましくは4.0以下であり、更に好ましくは3.0以下である。Mw/Mnが上記範囲内に含まれると、物性低下を引き起こす低分子量成分が少ないために、外観、耐熱性、機械強度に優れる。さらに混練時の溶融粘度上昇を引き起こす高分子量体が少ないために、加工性に優れる。
オレフィン系重合体の示差走査熱量計(DSC)で測定した融点(Tm)は、250℃以下であるか、または観測されないことが好ましい。融点が観測される場合、融点の上限は、より好ましくは230℃であり、更に好ましくは200℃であり、特に好ましくは170℃である。また、融点の下限は、好ましくは50℃であり、より好ましくは70℃であり、更に好ましくは90℃であり、特に好ましくは130℃、最も好ましくは150℃である。融点が上記上限と下限の範囲にあると、溶融混練による導電性樹脂組成物の作製や、溶融成形による成形物の作製時に発煙、臭気等成形作業環境への影響が小さくなるため好ましい。また、ベタつきが少なく、耐熱性、機械強度、衝撃強度、衝撃吸収性のバランスに優れる導電性樹脂組成物を得ることができる。
オレフィン系重合体の示差走査熱量計(DSC)で測定したガラス転移温度(Tg)は、-140℃~50℃の範囲にあることが好ましく、より好ましくは、-120℃~20℃の範囲にあり、更に好ましくは-100℃~-10℃の範囲にある。ガラス転移温度が上記範囲にあると、導電性樹脂組成物は、長期安定性、耐熱性、衝撃性、機械強度のバランスに優れる傾向にある。
オレフィン系重合体の、ISO 1183に準拠し、密度勾配管法に従って測定した密度は、800~1800kg/mの範囲にあることが好ましい。オレフィン系重合体の密度の下限は、810kg/mであることがより好ましく、830kg/mであることが更に好ましく、860kg/mであることが特に好ましく、900kg/mであることが最も好ましい。また、オレフィン系重合体の密度の上限は、1300kg/mであることがより好ましく、1100kg/mであることが更に好ましく、1000kg/mであることが特に好ましく、940kg/mであることが更に好ましく、905kg/mであることが最も好ましい。
オレフィン系重合体のJIS K7171:94(ISO 178)に準拠して測定した曲げ弾性率は、1~10000MPaであることが好ましい。ここで上記曲げ弾性率が、500MPa以上である場合、曲げ弾性率は好ましくは500~7000MPaであり、より好ましくは700~5000MPaであり、特に好ましくは900~3000MPaであり、さらに好ましくは1000~2000MPaである。曲げ弾性率が上記範囲に入ると、加工性に優れるだけでなく、耐傷付き性、耐熱性、機械強度のバランスに優れた導電性樹脂組成物を得ることができる。また、上記曲げ弾性率が500MPa未満の場合、好ましくは300MPa未満であり、より好ましくは100MPa未満であり、更に好ましくは50MPa未満である。曲げ弾性率が上記範囲に入ると、柔軟性に優れるだけでなく、衝撃吸収性、軽量性、防振性、制振性、制音性に優れた導電性樹脂組成物を得ることができる。さらには、金型転写性、シボ転写性等の意匠性、表面グリップ性に優れた導電性樹脂組成物を得ることができる。
(2)ポリアミド
ポリアミドとしては、ナイロン-6、ナイロン-66、ナイロン-10、ナイロン-11、ナイロン-12、ナイロン-46、ナイロン66、ナイロン-610、ナイロン-612等の脂肪族ポリアミド、芳香族ジカルボン酸と脂肪族ジアミンより製造される芳香族ポリアミドなどを挙げることができ、ナイロン-6が好ましい。
(3)ポリエステル
ポリエステルとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどの芳香族系ポリエステル;ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシブチレート、ポリエステル系エラストマーなどを挙げることができ、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。
(4)ポリアセタール
ポリアセタールとしては、ポリホルムアルデヒド(ポリオキシメチレン)、ポリアセトアルデヒド、ポリプロピオンアルデヒド、ポリブチルアルデヒドなどを挙げることができ、ポリホルムアルデヒドが特に好ましい。
(5)スチレン系樹脂
スチレン系樹脂は、スチレンの単独重合体であってもよく、スチレンと、アクリロニトリル、メタクリル酸メチル、α-メチルスチレンなどとの二元共重合体、たとえばアクリロニトリル-スチレン共重合体であってもよい。また、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン樹脂、アクリロニトリル-アクリルゴム-スチレン樹脂、アクリロニトリル-エチレンゴム-スチレン樹脂、(メタ)アクリル酸エステル-スチレン樹脂、あるいは各種スチレン系エラストマーであっても良い。アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)樹脂としては、アクリロニトリル由来の構成単位を20~35モル%の量で含有し、ブタジエン由来の構成単位を20~30モル%の量で含有し、スチレン由来の構成単位を40~60モル%の量で含有するものが好ましく用いられる。これらの構成単位の合計は100モル%である。
また、スチレン系エラストマーとしては、ポリスチレン相をハードセグメントとして有する公知のスチレン系エラストマーも使用できる。具体的には、スチレン・ブタジエン共重合体(SBR)、スチレン・イソプレン・スチレン共重合体(SIS)、スチレン・ブタジエン・スチレン共重合体(SBS)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体(SEBS)、及びこれらの水素化物、スチレン・イソブチレン・スチレントリブロック共重合体(SIBS)、スチレン・イソブチレンジブロック共重合体(SIB)を挙げることができる。好ましくはスチレン・イソブチレン・スチレントリブロック共重合体(SIBS)、スチレン・イソブチレンジブロック共重合体(SIB)である。
(6)アクリル系樹脂
アクリル樹系脂としては、ポリメタクリレートやポリエチルメタクリレートが挙げられ、ポリメチルメタクリレート(PMMA)が好ましい。
(7)ポリカーボネート
ポリカーボネートとしては、ビス(4-ヒドロキシフェニル)メタン、1,1-ビス(4-ヒドロキシフェニル)エタン、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)プロパン、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)ブタンなどから得られるものを挙げることができ、2,2-ビス(4-ヒドロキシフェニル)プロパンから得られるポリカーボネートが好ましい。
ポリカーボネートの、分子量の指標であるISO1133で測定したメルトボリュームフローレート(MVR)は、好ましくは3~30cm/10minであり、より好ましくは4~25cm/10minであり、特に好ましくは5~20cm/10minである。メルトボリュームフローレート(MVR)が上記範囲内にあると、成形性を損なわない範囲で、得られる成形体の機械的強度を高めうる。
(8)ポリフェニレンオキサイド
ポリフェニレンオキサイドとしては、ポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンオキサイド)が好ましい。
(9)ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどの塩素系樹脂
ポリ塩化ビニルは、塩化ビニルの単独重合体であってもよく、塩化ビニルと塩化ビニリデン、アクリル酸エステル、アクリロニトリル、プロピレンなどとの共重合体であってもよい。一方、ポリ塩化ビニリデンは、通常塩化ビニリデン単位を85%以上含む樹脂であり、例えば塩化ビニリデンと、塩化ビニル、アクリロニトリル、(メタ)アクリル酸エステル、アリルエステル、不飽和エーテル、スチレンなどとの共重合体が用いられる。また、塩化ビニル系エラストマーが用いられることもある。
(10)ポリ酢酸ビニル、エチレン-酢酸ビニル樹脂などの酢酸ビニル系樹脂
ポリ酢酸ビニルは、酢酸ビニルの単独重合体であってもよく、酢酸ビニルと、エチレン、塩化ビニルとの共重合体であってもよい。これらのうち、エチレン-酢酸ビニル共重合体が好ましい。また、ケン化エチレン-酢酸ビニル共重合体、グラフト変性エチレン-酢酸ビニル共重合体等の変性エチレン-酢酸ビニル共重合体であっても良い。
(11)エチレン-(メタ)アクリル酸エステル共重合体
エチレン-(メタ)アクリル酸エステル共重合体としては、エチレン-メチルアクリレート共重合体、エチレン-エチルアクリレート共重合体、エチレン-メチルメタクリレート共重合体、エチレン-エチルメタクリレート共重合体が好ましい。
(12)エチレン-アクリル酸樹脂、エチレン-メタクリル酸樹脂やこれらのアイオノマー樹脂
エチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-メタアクリル酸共重合体は、エチレンと各種(メタ)アクリル酸との共重合体でありうる。これらは、さらに金属塩化させて、金属塩(アイオノマー)としてもよい。金属塩の金属元素は、K、Na、Ca及びZnから選ばれる、少なくとも1種類であることが好ましい。金属元素がK、Na、CaおよびZnであると、変性が容易であるためより好ましい。
(13)ポリビニルアルコール、エチレン-ビニルアルコール樹脂等のビニルアルコール系樹脂
ポリビニルアルコール、エチレン-ビニルアルコール樹脂などが挙げられ、エチレン-ビニルアルコール樹脂が好ましい。エチレン-ビニルアルコール樹脂は、エチレンと酢酸ビニルとの共重合物の加水分解により得られる。エチレン-ビニルアルコール樹脂は、ポリビニルアルコールのハイガスバリア性や耐油性、透明性を有するとともに、エチレン成分の耐湿性や溶融押出加工性等の特性を併せ持っている。
(14)セルロース樹脂
セルロース樹脂の代表例としてアセチルセルロースが挙げられる。フタル酸ジブチル等の可塑剤を併用することにより、熱可塑性樹脂の特徴を有する。
(15)熱可塑性エラストマー
熱可塑性ウレタン系エラストマーとして挙げられる熱可塑性ポリウレタン材料について説明する。熱可塑性ポリウレタン材料の構造は、高分子ポリオール(ポリメリックグリコール)からなるソフトセグメントと、ハードセグメントを構成する鎖延長剤およびジイソシアネートからなる。ここで、原料となる高分子ポリオールとしては、従来から熱可塑性ポリウレタン材料に関する技術において使用されるものはいずれも使用でき、特に制限されるものではない。例えばポリエステル系とポリエーテル系があり、反発弾性率が高く、低温特性に優れた熱可塑性ポリウレタン材料を合成できる点で、ポリエーテル系の方がポリエステル系に比べて好ましい。ポリエーテルポリオールとしてはポリテトラメチレングリコール、ポリプロピレングリコール等が挙げられるが、反発弾性率と低温特性の点でポリテトラメチレングリコールが特に好ましい。また、高分子ポリオールの平均分子量は1000~5000であることが好ましく、特に反発弾性の高い熱可塑性ポリウレタン材料を合成するためには2000~4000であることが好ましい。鎖延長剤としては、従来の熱可塑性ポリウレタン材料に関する技術において使用されるものを好適に用いることができ、例えば1,4-ブチレングリコール、1,2-エチレングリコール、1,3-ブタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、2,2-ジメチル-1,3-プロパンジオール等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これら鎖延長剤の平均分子量は20~15000であることが好ましい。ジイソシアネートとしては、従来の熱可塑性ポリウレタン材料に関する技術において使用されるものを好適に用いることができ、例えば4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4-トルエンジイソシアネート、2,6-トルエンジイソシアネートなどの芳香族ジイソシアネートや、ヘキサメチレンジイソシアネートなどの脂肪族ジイソシアネート等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本発明では、芳香族ジイソシアネートである4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートが特に好ましい。上述した材料からなる熱可塑性ポリウレタン材料としては、市販品を好適に用いることができ、例えばディーアイシーバイエルポリマー(株)製パンデックスT-8290、T-8295、T8260や、大日精化工業(株)製レザミン2593、2597などが挙げられる。
(16)各種共重合ゴム
上述エラストマー以外のゴムとして、ポリブタジエンゴム、ポリイソプレンゴム、ネオプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、ポリイソブチレンゴム、天然ゴム、シリコーンゴム等が例示される。これらのゴムは、1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合せて使っても良い。
熱可塑性樹脂(A)としては、以上に例示した中でも、ポリカーボネート、オレフィン系重合体、およびその酸変性体、スチレン系樹脂、塩素系樹脂、エチレン-アクリル酸樹脂、エチレン-メタクリル酸樹脂やこれらのアイオノマー樹脂、熱可塑性エラストマー、各種共重合ゴムからなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂であることが好ましく、ポリカーボネート、オレフィン系重合体、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂(ABS樹脂)、及びポリ塩化ビニルからなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂であることがより好ましく、ポリカーボネート、ポリエチレンなどのエチレン(共)重合体、ポリプロピレンなどのプロピレン(共)重合体、ポリ-1-ブテン、ポリ4-メチル-1-ペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体から選ばれることが更に好ましく、ポリカーボネート、エチレン(共)重合体またはプロピレン(共)重合体であることが特に好ましい。熱可塑性樹脂(A)としてポリカーボネートを用いると、機械的強度や耐熱性の高い成形体が得られやすい。熱可塑性樹脂(A)としてエチレン(共)重合体またはプロピレン(共)重合体を用いると、導電性樹脂組成物の成形加工の際、臭気、発煙等が少なく、作業環境が良好であるため好ましい。また、焼け焦げが少ない良好な成形体を得ることができる。なお、エチレン(共)重合体は、低温特性、加工性に優れ、プロピレン(共)重合体は、耐熱性、剛性に優れる。
1-2.カーボン材料(B)
カーボン材料(B)は、導電性樹脂組成物において、平均粒子径500nm以下の粒子状のカーボン材料、または平均長さが1000μm以下の繊維状のカーボン材料である。
粒子状のカーボン材料の例には、カーボンブラック、グラファイト、活性炭、黒鉛、ナノポーラスカーボンなどが含まれる。繊維状のカーボン材料の例には、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボン繊維(PAN系、ピッチ系)、カーボンナノホーンなどが挙げられる。中でも、カーボン繊維またはカーボンブラックが好ましい。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
カーボン材料(B)は、有機材料を熱処理して得られるものであってもよい。熱処理してカーボン材料となる有機材料は、特に限定されないが、代表的なものとして、フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリアミドイミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ポリアニリン系樹脂、フェノールホルムアルデヒド樹脂系樹脂、ポリイミダゾール系樹脂、ポリピロール系樹脂、ポリベンゾイミダゾール系樹脂、メラミン系樹脂、ピッチ、褐炭、ポリカルボジイミド、バイオマス、タンパク質、フミン酸等やそれらの誘導体等が挙げられる。
カーボンブラックは、代表的なものとしてファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等が挙げられるが、導電性樹脂組成物の導電性と機械物性との両立にはチャンネルブラックが好ましい。
カーボン材料(B)が粒子状であるとき、カーボン材料(B)のジブチルフタレート吸油量は、100ml/100g~1000ml/100gの範囲であることが好ましく、より好ましくは200ml/100g~800ml/100gの範囲であり、さらに好ましくは300ml/100g~600ml/100gの範囲である。ジブチルフタレート吸油量が上記範囲にある場合、高い導電性を有する導電性樹脂組成物が得られる。カーボン材料(B)のジブチルフタレート吸油量は、JIS K6217に準拠して測定されうる。
カーボン材料(B)が粒子状であるとき、導電性樹脂組成物における、その一次粒子の平均粒子径(以下、単に平均粒子径ともいう)は、500nm以下であり、好ましくは300nm以下であり、より好ましくは100nm以下であり、さらに好ましくは50nm以下である。平均粒子径の下限は、特に限定されるものではないが、通常1nm、好ましくは3nmである。平均粒子径が上記範囲にある場合、高い導電性を有する導電性樹脂組成物が得られる。カーボン材料(B)の一次粒子の平均粒子径は、通常は、電子顕微鏡観察(SEM)によって測定することができる。例えば視野内の10個の一次粒子の粒子径を測定した平均値を平均粒子径とすることができる。
カーボン材料(B)が繊維状であるとき、導電性樹脂組成物における、カーボン材料(B)の繊維の平均長さは、1000μm以下であり、好ましくは100~700μm、より好ましくは200~500μmである。導電性樹脂組成物における、カーボン材料(B)のアスペクト比(平均長さ/平均繊維径)は、例えば200以下、好ましくは10~100、より好ましくは20~80である。
カーボン材料(B)の繊維の平均長さ(または平均繊維径)は、光学顕微鏡観察もしくは電子顕微鏡観察(SEM)を用いて、例えば視野内の数十~数百本の繊維の長さ(または繊維径)を測定した平均値を平均長さ(または平均繊維径)とすることができる。導電性樹脂組成物におけるカーボン材料(B)の平均長さは、例えば原料としてのカーボン材料の平均長さや成形条件(押出機の種類や混練温度など)によって調整されうる。
カーボン材料(B)として市販の炭素材料を用いることができ、例えば、テナックスHT C217(東邦テナックス社製)、テナックスHT C606(東邦テナックス社製)、テナックスHT C503(東邦テナックス社製)、パイロフィルTR06U(三菱ケミカル社製)、パイロフィルTR06NE(三菱ケミカル社製)、パイロフィルTR06Q(三菱ケミカル社製)、ケッチェンブラックEC-300J(ライオン社製)、ケッチェンブラックEC-600JD(ライオン社製)、カーボンECP(ライオン社製)、カーボンECP600JD(ライオン社製)、デンカブラック(HS-100、FX-35,電気化学工業社製)、トーカブラック(#4300、#4400、#4500、#5500,東海カーボン社製)、#3030B、#3040B、#3050B、#3230B、#3350B(いずれも三菱化学社製)等が挙げられる。
1-3.変性ポリオレフィンワックス(C)
変性ポリオレフィンワックス(C)は、上記熱可塑性樹脂(A)とは異なる樹脂である。
導電性樹脂組成物のベースとなる熱可塑性樹脂(A)にカーボン材料(B)を配合すると、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)の分散性が悪く、均一に混練できないことがある。特に、熱可塑性樹脂(A)に対するカーボン材料(B)の配合量が多めであったり、カーボン材料(B)の比表面積(ジブチルフタレート吸油量)が大きめであったりすると、混練時の粘度上昇により、分散しにくいことが多い。そのため、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)を含む導電性樹脂組成物を成形する際、加工性が悪化したり、成形体の均一性が不足したりするために、導電性の低下、外観悪化、耐熱性や機械強度の低下、あるいは柔軟性(伸び)の低下を引き起こすことが多かった。
本発明者らの検討により、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)を混練する際、変性ポリオレフィンワックス(C)、より好ましくは、ポリオレフィンワックスの無水マレイン酸変性物、空気酸化物、若しくはスチレン変性物を配合すると、導電性、外観、耐熱性、機械強度、柔軟性、加工性のバランスを改善効果があることがわかった。
その詳細な機構は明らかでないが、変性ポリオレフィンワックス(C)の分子鎖中に無水マレイン酸基や空気酸化物由来のカルボキシル基、カルボニル基または水酸基が存在すると、カーボン材料(B)の表面に存在する極性基(例えば、カルボキシル基、カルボニル基、水酸基)との親和性に優れるため、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)の混練時の摩擦が減り、導電性樹脂組成物の流動性が向上すると推定される。導電性樹脂組成物の流動性が向上することで、加工性が向上し、成形体の外観も改善される。また、導電性樹脂組成物の流動性の向上により、カーボン材料(B)もしくはその凝集粒子構造の破壊を抑えられるため、導電性の低下を抑制できると推定される。
また、変性ポリオレフィンワックス(C)の分子鎖中にスチレン構造が存在すると、カーボン材料(B)の分子内に存在する二重結合との電気的な相互作用により親和性が優れる。その結果、ポリオレフィンワックスの無水マレイン酸変性物や空気酸化物と同様の効果が得られる。
1-3-1.変性ポリオレフィンワックス(C)の物性
変性ポリオレフィンワックス(C)は、下記要件(i)~(iv)のうちいずれか一つ以上を満たすことが好ましい。
(i)変性ポリオレフィンワックス(C)のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定したポリスチレン換算の数平均分子量(Mn)は、300~10000の範囲にあることが好ましい。数平均分子量(Mn)の上限は、より好ましくは8000であり、さらに好ましくは5000であり、特に好ましくは4000であり、さらに好ましくは3000である。また、数平均分子量(Mn)の下限は、より好ましくは400であり、さらに好ましくは500であり、特に好ましくは600であり、さらに好ましくは700である。数平均分子量が上記範囲内にあると、導電性樹脂組成物中のカーボン材料(B)の分散性が高まり、導電性、外観、機械強度に優れる。また、導電性樹脂組成物の加工性も良好になる。
(ii)変性ポリオレフィンワックス(C)のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)で測定した重量平均分子量と数平均分子量の比(Mw/Mn)は、7.0以下であることが好ましい。より好ましくは5.0以下であり、更に好ましくは3.0以下である。Mw/Mnが上記範囲内に含まれると、物性低下を引き起こす低分子量成分が少ないために、外観、耐熱性、機械強度に優れる。
(iii)変性ポリオレフィンワックス(C)のJIS K2207に従って測定した軟化点は、70~170℃の範囲にあることが好ましい。軟化点の上限は、より好ましくは160℃であり、さらに好ましくは150℃であり、特に好ましくは145℃である。また、下限は、より好ましくは80℃であり、更に好ましくは90℃であり、特に好ましくは95℃であり、最も好ましくは105℃である。軟化点が上記上限値以下にあると、得られる導電性樹脂組成物の加工性、外観、耐熱性、機械強度に優れる。軟化点が上記下限値以上であると、得られる導電性樹脂組成物において、変性ポリオレフィンワックス(C)のブリードアウトが抑制される点から好ましい。
(iv)変性ポリオレフィンワックス(C)の、JIS K7112に従って密度勾配管法で測定した密度は、830~1200kg/mの範囲にあることが好ましい。より好ましくは860~1150kg/m、さらに好ましくは890~1100kg/m、特に好ましくは895~1050kg/m、さらに好ましくは895~1000kg/mである。密度が上記範囲内にあると、カーボン材料(B)の分散性が高まり、導電性、外観、機械強度に優れる。また、導電性樹脂組成物の加工性も良好になる。
なかでも、(i)~(iv)の要件のうち(iii)の要件を満たすことがより好ましい。
さらに、熱可塑性樹脂(A)の密度と変性ポリオレフィンワックス(C)の密度との差は、50kg/m未満であることが好ましく、30kg/m未満であることが更に好ましく、15kg/m未満であると特に好ましい。密度差が上記範囲にあると、加工性、外観、耐熱性、機械強度に優れる。この理由として、密度が近似する物質同士は、互いに混ざり易い傾向にあると考えられる。すなわち、熱可塑性樹脂(A)と変性ポリオレフィンワックス(C)との相容性が高いために、結果として、変性ポリオレフィンワックス(C)で被覆されたカーボン材料(B)の分散性が高まるために加工性が向上すると考えられる。それとともに、熱可塑性樹脂(A)からの変性ポリオレフィンワックス(C)に起因するブリードアウトが抑制されるため、外観、耐熱性、機械強度を両立できると考えられる。
1-3-2.変性ポリオレフィンワックス(C)の構造
変性ポリオレフィンワックス(C)は、好ましくはエチレンおよび炭素原子数3~12のα-オレフィンから選ばれる少なくとも1種の単独重合体もしくは共重合体の、不飽和カルボン酸変性物(例えば無水マレイン酸変性物)、空気酸化物、もしくはスチレン変性物である。より好ましくは、エチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンから選ばれる少なくとも1種のα-オレフィンとの共重合体の不飽和カルボン酸変性物(例えば無水マレイン酸変性物)、空気酸化物、もしくはスチレン変性物である。
炭素原子数3~12のα-オレフィンとしては、炭素原子数3のプロピレン、炭素原子数4の1-ブテン、炭素原子数5の1-ペンテン、炭素原子数6の1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、炭素原子数8の1-オクテンなどが挙げられ、より好ましくはプロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテンである。
変性ポリオレフィンワックス(C)は、前述の通り、エチレンおよび炭素原子数3~12のα-オレフィンから選ばれる少なくとも1種の単独重合体もしくは共重合体などの未変性プロピレン系ワックスを、不飽和カルボン酸またはその誘導体やスチレン類で変性したり、空気酸化したりすることによって得られる。以下、未変性ポリオレフィンワックス及びその製造方法について先に説明し、その後、これらを変性した変性ポリオレフィンワックスについて説明する。
(未変性ポリオレフィンワックス)
以下、未変性ポリオレフィンワックスの具体例として、ポリエチレン系ワックス、ポリプロピレン系ワックス、4-メチル-1-ペンテン系ワックスについて説明するが、未変性ポリオレフィンワックスは、これらに限定されない。
・ポリエチレン系ワックス
未変性ポリオレフィンワックスがポリエチレン系ワックスである場合、好ましいポリエチレン系ワックスの例は、例えば特開2009-144146号公報などに記載されているが、以下簡単に記載する。
未変性ポリオレフィンワックスがポリエチレン系ワックスである場合、エチレン単独重合体またはエチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンとの共重合体が好ましい。エチレン単独重合体の具体例には、高密度ポリエチレンワックス、中密度ポリエチレンワックス、低密度ポリエチレンワックス、直鎖状低密度ポリエチレンワックスなどがある。
一方、ポリエチレン系ワックスがエチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンとの共重合体である場合、エチレン由来の構成単位(a)量は、87.0~99.9質量%であることが好ましく、より好ましくは90.0~99.9質量%であり、更に好ましくは93.0~99.9質量%であり、特に好ましくは93.0~98.5質量%である。一方、炭素原子数3以上のα-オレフィン由来の構成単位(b)の量は、0.1~13.0質量%であることが好ましく、好ましくは0.1~10.0質量%であり、更に好ましくは0.1~7.0質量%であり、特に好ましくは1.5~7.0質量%である。ただし、(a)+(b)=100質量%である。上記オレフィン系重合体の構成単位の含有割合は、13C-NMRスペクトルの解析により求めることができる。
炭素原子数3~12のα-オレフィンとしては、例えばプロピレン、1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが挙げられ、好ましくは、プロピレン、1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、1-オクテンであり、更に好ましくは炭素原子数が3~8のα-オレフィンであり、特に好ましくはプロピレン、1-ブテンであり、最も好ましくは1-ブテンである。エチレンとプロピレンや1-ブテンとを共重合すると、変性ポリオレフィンワックス(C)が硬くなり、べたつきが少なくなる傾向にあるため、成形体の表面性が良好となる。また機械強度や耐熱性を高める点でも好ましい。このように変性ポリオレフィンワックス(C)が硬くなり、べたつきが少なくなる理由は明らかではないが、プロピレンや1-ブテンは、他のα-オレフィンと比較して、少量の共重合で効率的に融点を下げるため、同じ融点で比べると結晶化度が高い傾向にあり、このことが要因と推察する。α-オレフィンは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記ポリエチレン系ワックスは、熱可塑性樹脂(A)がポリエチレン系樹脂である場合に特に好適に用いられる。これらを組み合わせると、熱可塑性樹脂(A)と変性ポリオレフィンワックス(C)との相容性が高まり、得られる成形体の外観、加工性、機械強度、耐熱性のバランスが良好となる。
・ポリプロピレン系ワックス
未変性ポリオレフィンワックスは、ポリプロピレン系ワックスであってもよい。ポリプロピレン系ワックスは、立体特異性触媒の存在下、プロピレンと必要に応じて他の単量体とを共重合させて得られたプロピレンの単独重合体、あるいはプロピレンを主体とする共重合体であってもよく、高分子量のポリプロピレンを熱分解して得られるものであってもよい。また、ポリプロピレン系ワックスは、溶媒に対する溶解度の差で分別する溶媒分別、あるいは沸点の差で分取する分子蒸留などの方法を用いて精製したものであってもよい。ポリプロピレン系ワックスは、プロピレン単独重合体、プロピレンとエチレンの共重合体、あるいは、プロピレンと炭素原子数4~12のα-オレフィンとの共重合体であってもよい。
プロピレン重合体にエチレンを共重合させる場合は、プロピレン由来の構成単位を60~99.5モル%としてもよい。プロピレン由来の構成単位量は、好ましくは80~99モル%であり、より好ましくは90~98.5モル%であり、更に好ましくは95~98モル%である。上記プロピレン(共)重合体を用いることで、外観、機械強度、耐熱性のバランスに優れる導電性樹脂組成物を得ることができる。
プロピレン(共)重合体として、炭素原子数4~12のα-オレフィンを共重合体させる場合は、炭素原子数4~12のα-オレフィンとしては、例えば1-ブテン、1-ペンテン、3-メチル-1-ブテン、1-ヘキセン、4-メチル-1-ペンテン、3-メチル-1-ペンテン、1-オクテン、1-デセン、1-ドデセンなどの直鎖状または分岐状のα-オレフィンが挙げられる。その中でも、1-ブテンが特に好ましい。
上記プロピレン(共)重合体がプロピレン・α-オレフィン共重合体である場合、プロピレン由来の構成単位(a’)の量は53~87質量%であることが好ましく、より好ましくは58~85質量%であり、更に好ましくは64~81質量%、特に好ましくは69~77質量%である。一方、炭素原子数4以上のα-オレフィン由来の構成単位(b’)の量は13~47質量%であることが好ましく、より好ましくは15~42質量%、更に好ましくは19~36質量%であり、特に好ましくは23~31質量%である。ただし、(a’)+(b’)=100質量%である。
プロピレン・α-オレフィン共重合体の組成が上記範囲にあると、外観に優れる導電性樹脂組成物を得ることができる。その理由として、相容化剤が結晶化するまでに時間がかかるため、金型上、あるいは冷却工程において、導電性樹脂組成物が流動出来得る時間を長く確保できる。その結果、得られる成形体の表面性が良好になると考えられる。また、耐熱性、機械強度も優れる傾向がある。
上記ポリプロピレン系ワックスは、熱可塑性樹脂(A)がポリプロピレン系樹脂である場合に特に好適に用いられる。これらを組み合わせると、熱可塑性樹脂(A)と変性ポリオレフィンワックス(C)との相容性が高まり、得られる成形体の外観、加工性、機械強度、耐熱性のバランスが良好となる。
・4-メチル-1-ペンテン系ワックス
未変性ポリオレフィンワックスは、国際公開第2011/055803号に開示の4-メチル-1-ペンテン・α-オレフィン共重合体を熱分解して得たものや特開2015-028187号公報に示すような、4-メチル-1-ペンテン系重合体であってもよい。
(未変性ポリオレフィンワックスの製造方法)
上述したポリエチレン系ワックスや、ポリプロピレン系ワックス等の未変性ポリオレフィンワックスは、エチレンまたはα-オレフィン等を直接重合して得られるものであってもよいし、高分子量の共重合体を熱分解して得られるものであってもよい。熱分解する場合、300~450℃で5分~10時間熱分解することが好ましい。この場合、未変性ポリオレフィンワックスには、不飽和末端が存在する。具体的には、H-NMRにより測定した、1000個の炭素原子あたりのビニリデン基の個数が0.5~5個であるとカーボン材料(B)に対する相容化効果が高まるため特に好ましい。また未変性ポリオレフィンワックスは、溶媒に対する溶解度の差で分別する溶媒分別、または蒸留などの方法で精製されていてもよい。また1種単独の重合体からなるものでもよいし、2種以上の重合体を混合してなるものであってもよい。
エチレンやα-オレフィンを直接重合してポリオレフィンワックスを得る場合、種々公知の製造方法、例えば、エチレンやα-オレフィンをチーグラー/ナッタ触媒またはメタロセン系触媒により重合する製造方法等により、ポリオレフィンワックスを製造し得る。
(変性ポリオレフィンワックス(C))
変性ポリオレフィンワックス(C)の数平均分子量(Mn)および極限粘度[η]は、未変性ポリオレフィンワックスの重合時の重合温度を上げるか、水素濃度を上げると低くなる傾向となり、上記範囲内に制御できる。または共触媒として用いる有機アルミニウムオキシ化合物および/またはイオン化イオン性化合物の使用量により調節することができる。さらに、重合後の精製により調節することもできる。
エチレンや各α-オレフィン由来の構造単位の含有量は、重合時に配合量を調整するほか、触媒種や重合温度などにより制御できる。
変性ポリオレフィンワックス(C)のMw/Mnは、未変性ポリオレフィンワックスの重合時の触媒種や重合温度などにより制御できる。一般に重合にはチーグラー・ナッタ触媒やメタロセン触媒が用いられるが、好適範囲のMw/Mnにするためには、メタロセン触媒を用いるのが好ましい。また溶媒に対する溶解度の差で分別する溶媒分別、または蒸留などの方法で精製することによっても好適範囲にすることができる。
変性ポリオレフィンワックス(C)の軟化点は、未変性ポリオレフィンワックスの重合時のエチレンやα-オレフィンの組成により調整することができ、たとえばエチレンとα-オレフィンとの共重合体であればα-オレフィンの含有量を多くすることで、軟化点が下がる傾向が得られる。また、触媒種や重合温度などによって制御することもできる。さらに、重合後の精製により調節することもできる。
変性ポリオレフィンワックス(C)の密度は、未変性ポリオレフィンワックスの重合時のエチレンやα-オレフィンの組成および重合時の重合温度、水素濃度によって調節することができる。
・未変性ポリオレフィンワックスの空気酸化物(酸化変性物)
未変性ポリオレフィンワックスの空気酸化物は、原料となる未変性ポリオレフィンワックスを溶融状態で攪拌下に酸素または酸素含有ガスと接触させることにより、未変性ポリオレフィンワックスを酸化変性して得られる。未変性ポリオレフィンワックスは、通常130~200℃、好ましくは140~170℃の温度で溶融状態にする。
酸化変性する際には、原料となる未変性ポリオレフィンワックスを溶融状態で攪拌下に酸素または酸素含有ガスと接触させて酸化反応を行うが、「酸素または酸素含有ガス」という語は、純酸素(通常の液体空気分留や水の電解によって得られる酸素であって、他成分を不純物程度含んでいても差し支えない)、純酸素と他のガスとの混合ガス、例えば空気、およびオゾンを含んで用いられる。
原料となる未変性ポリオレフィンワックスと酸素等との接触方法としては、具体的には、酸素含有ガスを反応器下部より連続的に供給して、未変性ポリオレフィンワックスと接触させる方法が好ましい。またこの場合、酸素含有ガスは、原料混合物1kgに対して1分間当たり1.0~8.0NL相当の酸素量となるように供給することが好ましい。
未変性ポリオレフィンワックスの空気酸化物の例には、酸化パラフィン(日本精蝋(株)社製)などが含まれる。
・未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物
未変性ポリオレフィンワックスのグラフト変性物は、例えば未変性ポリオレフィンワックスを、不飽和カルボン酸またはその誘導体で酸グラフト変性した変性ポリオレフィンワックス(以下、酸変性ポリオレフィンワックス(C’)とも称する)や、スチレン類でグラフト変性したスチレン変性ポリオレフィンワックス、これらの混合物でグラフト変性した変性ポリオレフィンワックス、またはスルフォン酸塩で変性されたスルフォン酸塩変性ポリオレフィンワックス等でありうる。これらは、従来公知の方法で調製することができる。例えば(1)原料となる未変性ポリオレフィンワックスと、(2)不飽和カルボン酸もしくはその誘導体、スチレン類、またはスルフォン酸塩とを、(3)有機過酸化物などの重合開始剤の存在下に溶融混練するか、または(1)原料となる未変性ポリオレフィンワックスと、(2)不飽和カルボン酸もしくはその誘導体、スチレン類またはスルフォン酸塩とを有機溶媒に溶解した溶液中で(3)有機過酸化物などの重合開始剤の存在下に混練することにより得られる。
溶融混練には、例えば、オートクレーブ、ヘンシェルミキサー、V型ブレンダー、タンブラーブレンダー、リボンブレンダー、単軸押出機、多軸押出機、ニーダー、バンバリーミキサーなどが用いられる。これらのうちでも、オートクレーブなどのバッチ式溶融混練性能に優れた装置を使用すると、各成分がより均一に分散・反応したポリオレフィンワックスを得ることができる。連続式に比べ、バッチ式は滞留時間を調整しやすく、また滞留時間を長く取れるため変性率及び変性効率を高めることが比較的容易であり、本発明においては最も好ましい態様である。
酸変性ポリオレフィンワックス(C’)が、不飽和カルボン酸もしくはその誘導体とスチレン類とでグラフト変性されたワックスである場合、そのグラフト量比「(不飽和カルボン酸またはその誘導体)/(スチレン類)」(単位:質量比)は、0.01~1であることが好ましく、0.03~0.8であることがより好ましく、0.05~0.6であることが特に好ましい。グラフト量比が0.01以上であると、不飽和カルボン酸またはその誘導体のカーボン材料(B)表面への相互作用が十分に得られやすいため、耐衝撃性が向上しやすい。また、グラフト量比が1以下であると、酸変性ポリオレフィンワックス(C’)の溶融粘度が高くなりすぎないため、加工性が損なわれにくい。
(酸変性)
酸変性に用いられる不飽和カルボン酸またはその誘導体としては、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリル酸-sec-ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸イソプロピル、アクリル酸-2-オクチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸ヘキシル、アクリル酸イソヘキシル、アクリル酸フェニル、アクリル酸-2-クロロフェニル、アクリル酸ジエチルアミノエチル、アクリル酸-3-メトキシブチル、アクリル酸ジエチレングリコールエトキシレート、アクリル酸-2,2,2-トリフルオロエチルなどのアクリル酸エステル類;メタクリル酸メチル、メタアクリル酸エチル、メタクリル酸ブチル、メタクリル酸-sec-ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸イソプロピル、メタクリル酸-2-オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸ステアリル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸デシル、メタクリル酸フェニル、メタクリル酸-2-クロロヘキシル、メタクリル酸ジエチルアミノエチル、メタクリル酸-2-ヘキシルエチル、メタクリル酸-2,2,2-トリフルオロエチル等のメタクリル酸エステル類;マレイン酸エチル、マレイン酸プロピル、マレイン酸ブチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジプロピル、マレイン酸ジブチル等のマレイン酸エステル類;フマル酸エチル、フマル酸ブチル、フマル酸ジブチル等のフマル酸エステル類;マレイン酸、フマール酸、イタコン酸、クロトン酸、ナジック酸、メチルヘキサヒドロフタル酸等のジカルボン酸類;無水マレイン酸、無水イタコン酸、無水シトラコン酸、無水アリルコハク酸、無水グルタコン酸、無水ナジック酸などの無水物などが挙げられる。これらの中でも好ましくは無水マレイン酸である。無水マレイン酸は、原料である未変性ポリオレフィンワックスとの反応性が比較的高く、それ自身が重合等による大きな構造変化が少なく、基本構造として安定な傾向がある。このため、変性ポリオレフィンワックス(C)が無水マレイン酸変性されたポリオレフィンワックスである場合、導電性樹脂組成物に添加された、当該無水マレイン酸変性されたポリオレフィンワックスが、成形加工中の高温環境下においても安定な状態を保ち、カーボン材料(B)表面に効率よく作用することが可能となる。その結果、導電性樹脂組成物として、外観、耐熱性、加工性、機械強度のバランスが良好になると考えられる。
酸変性ポリオレフィンワックス(C’)は、市販品であってもよい。市販品の酸変性ポリオレフィンワックス(B1’)の例には、ダイヤカルナ-PA30(三菱化学(株)社製)、およびハイワックス酸処理タイプのNP0555A、2203A、1105A(三井化学(株)社製)などが含まれる。
(スチレン変性)
スチレン変性に用いられるスチレン類の例として、スチレン、α-メチルスチレン、o-メチルスチレン、p-メチルスチレン、m-メチルスチレン、p-クロロスチレン、m-クロロスチレンおよびp-クロロメチルスチレン、4-ビニルピリジン、2-ビニルピリジン、5-エチル-2-ビニルピリジン、2-メチル-5-ビニルピリジン、2-イソプロペニルピリジン、2-ビニルキノリン、3-ビニルイソキノリン、N-ビニルカルバゾール、N-ビニルピロリドンなどが挙げられる。
(スルフォン酸塩変性)
また、未変性ポリオレフィンワックス、もしくは上記のグラフト変性されたポリオレフィンワックスは、スルフォン酸塩でさらに変性されていてもよい。この場合、スルフォン酸の変性量が、重合体(未変性ポリオレフィンワックスまたは上記グラフト変性されたポリオレフィンワックス)1g当たり0.1~100ミリモルであることが好ましく、5~50ミリモルであることがさらに好ましい。スルフォン酸塩での変性量が上記範囲内にあると、カーボン材料(B)の分散性がよくなり、導電性樹脂組成物から得られる成形体の機械強度が向上する。
(酸価)
変性ポリオレフィンワックス(C)が、未変性ポリオレフィンの酸化変性物(未変性ポリオレフィンワックスの空気酸化物)、酸変性物(酸変性ポリオレフィンワックス(C’))またはスルフォン酸塩変性物のいずれかである場合、変性ポリオレフィンワックス(C)の酸価(JIS K0070)は、1~100mgKOH/gであるが、好ましくは10~95mgKOH/g、より好ましくは20~90mgKOH/g、特に好ましくは30~85mgKOH/gである。ここで、酸価とは、試料1g当たりの中和に要する水酸化カリウムのmg数を指す。
変性ポリオレフィンワックス(C)の酸価が上記範囲にあると、導電性樹脂組成物の導電性、外観、加工性、外観、耐熱性、機械強度に優れる。詳細な機構は明らかではないが、酸価が上記範囲内にあると、カーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)との親和性が適度に高まった上で、熱可塑性樹脂(A)との馴染みも維持される。その結果として系全体の均一性が高まり、カーボン材料(B)の分散性が良好となり、外観や加工性が良好となるとともに、導電性、外観が改善されると考えられる。このことにより、低分子量のワックスを添加しているにも関わらず、導電性樹脂組成物として耐熱性や機械強度が高くなると考えられる。
また、特に加工性や外観が優れた導電性樹脂組成物を得る場合、変性ポリオレフィンワックス(C)の酸価の上限は、好ましくは60mgKOH/g、より好ましくは50mgKOH/g、さらに好ましくは40mgKOH/g、特に好ましくは30mgKOH/gである。酸価が上記範囲内にあると、カーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)との親和性が弱まるため、導電性樹脂組成物の溶融粘度が低くなり、流動性が高まると考えられる。
一方、耐熱性や機械強度が優れた導電性樹脂組成物を得る場合、変性ポリオレフィンワックス(C)の酸価の下限は、好ましくは40mgKOH/g、より好ましくは50mgKOH/g、さらに好ましくは60mKOH/g、特に好ましくは70mgKOH/gである。酸価が上記範囲内にあると、カーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)との親和性が強まるためと考える。
変性ポリオレフィンワックス(C)の酸価は、空気酸化量、酸変性量、およびスルフォン酸塩変性量の一以上によって調整されうる。
(スチレン量)
変性ポリオレフィンワックス(C)が、スチレン変性物(スチレン変性ポリオレフィンワックス)である場合、スチレン類の含量(スチレン含量)は、変性ポリオレフィンワックス(C)を100質量部とした場合、好ましくは5~80質量部、より好ましくは10~70質量部であり、より好ましくは、15~60質量部であり、特に好ましくは20~50質量部である。変性ポリオレフィンワックス(C)のスチレン類の含量が上記範囲にあると、変性ポリオレフィンワックス(C)とカーボン材料(B)との相溶性が良好となるとともに、粘度増大等の原因となる過度の相互作用が抑制されるために、加工性、外観、耐熱性、機械強度のバランスに優れる。スチレン類の含量は、変性時のスチレン類の添加量から算出されうる。
変性ポリオレフィンワックス(C)のスチレン量は、スチレン変性量によって調整されうる。
1-3-3.変性ポリオレフィンワックス(C)の形態
変性ポリオレフィンワックス(C)は、粉体、タブレット、ブロック等の固形物であっても、水、または溶媒中に分散していても溶解していてもよい。相容化剤を水または有機溶媒に溶解または分散させる方法は、特に限定されないが、攪拌下、相容化剤を水または有機溶媒に溶解、分散させる方法や、攪拌下、相容化剤と水または有機溶媒の混合物を昇温、完全もしくは不完全に溶解した状態から、徐々に冷却し微粒子化する方法などが挙げられる。微粒子化する方法としては、例えば、予め60~100℃で析出するように溶媒組成を設定し、この間の平均冷却速度を1~20℃/時間、好ましくは2~10℃/時間に調節し冷却し析出する方法がある。また、親溶媒にのみ溶解し、親溶媒に対する析出が終了した後に貧溶媒を加えて、さらに析出を行っても良い。あるいは、一度、水または有機溶媒を除去した後、任意の溶媒で溶解、および分散させて使用することもできる。相容化剤は、各種水または有機溶媒中に相容化剤が分散している状態のものはもちろん、樹脂の一部または全部が溶解していても良い。
1-4.任意成分
本発明の導電性樹脂組成物には、本発明の目的および効果を損なわない範囲で任意成分、たとえば臭素化ビスフェノール、臭素化エポキシ樹脂、臭素化ポリスチレン、臭素化ポリカーボネート、トリフェニルホスフェート、ホスホン酸アミドおよび赤燐等のような難燃剤;三酸化アンチモンおよびアンチモン酸ナトリウム等のような難燃助剤;燐酸エステルおよび亜燐酸エステル等のような熱安定剤;ヒンダードフェノール等のような酸化防止剤;耐熱剤;耐候剤;光安定剤;離型剤;流動改質剤;着色剤;滑剤;帯電防止剤;結晶核剤;可塑剤;発泡剤等を、必要に応じてさらに配合してもよい。導電性樹脂組成物における任意成分の含有量は、熱可塑性樹脂(A)およびカーボン材料(B)の合計100質量部に対して好ましくは30質量部以下、より好ましくは20質量部以下、特に好ましくは10質量部以下、さらに好ましくは5質量部未満である。
2.導電性樹脂組成物の製造方法
本発明の導電性樹脂組成物は、任意の種々の方法を利用して製造することができる。例えば、熱可塑性樹脂(A)と、カーボン材料(B)と、変性ポリオレフィンワックス(C)と、他の任意成分とを、同時にまたは任意の順序で、タンブラー、V型ブレンダー、ナウターミキサー、バンバリーミキサー、混練ロール、単軸或いは二軸の押出機などで混合する方法が適宜用いられる。
変性ポリオレフィンワックス(C)との親和性を高めて、熱可塑性樹脂(A)中でのカーボン材料(B)の分散性を高めるために、溶融させた変性ポリオレフィンワックス(C)または水・各種溶媒に分散もしくは溶解させた変性ポリオレフィンワックス(C)と、カーボン材料(B)とを混合し、水・各種溶媒を用いた場合はそれを除去することで、変性ポリオレフィンワックス(C)をカーボン材料(B)に含浸・付着させることができる。
また、本発明の導電性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)とを含むマスターバッチを用意する工程と、マスターバッチと、熱可塑性樹脂樹脂(A)と、必要に応じてカーボン材料(B)または変性ポリオレフィンワックス(C)とを溶融混練する工程と、を経て製造されてもよい。
マスターバッチには、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)とが含まれる。本発明の導電性樹脂組成物において、カーボン材料(B)を熱可塑性樹脂(A)に均一に分散させにくい場合がある。そこで、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)とを含むマスターバッチを調製し、さらにマスターバッチと熱可塑性樹脂(A)とを混合させることで、均一に分散させることができる。また、変性ポリオレフィンワックス(C)のカーボン材料(B)への被覆率が向上し、カーボン材料(B)が成形体の表面から突出しにくくなる。そのため、成形体の表面光沢性が高まり、成形体の美観や意匠性が改善される。また、変性ポリオレフィンワックス(C)のカーボン材料(B)への被覆率が向上することで、機械強度、耐熱性が改善される。
マスターバッチにおけるカーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)との含有質量比B/Cは、たとえば0.1~30であり、1~25であることが好ましく、2~20であることがより好ましい。含有質量比B/Cが30以下であると、カーボン材料(B)の割合が相対的に高すぎないので、マスターバッチの製造時にカーボン材料(B)の粒子や凝集構造が破壊されにくく、導電性樹脂組成物としたときの導電性の低下を抑制しやすい。また、含有質量比B/Cが0.1以上であると、変性ポリオレフィンワックス(C)の割合が相対的に高すぎないので、溶融粘度が低くなりすぎず、マスターバッチを製造しやすい。さらに、カーボン材料(B)が少なすぎないため、高い導電性が得られやすい。
また、マスターバッチには、前述の任意成分が含まれていてもよい。マスターバッチは、各成分をタンブラー、V型ブレンダー、ナウターミキサー、バンバリーミキサー、混練ロール、単軸或いは二軸の押出機などで混合して製造され得る。
3.導電性樹脂組成物の用途
本発明の導電性樹脂組成物は、それを成形することで成形体として用いることができる。成形の方法は特に限定されないが、例えば射出成形、押出成形および圧縮成形などであり、意匠性と成形性の観点から射出成形が好ましい。
本発明の導電性樹脂組成物は、家庭用品から工業用品に至る広い用途の成形体に成形されうる。成形体の例には、電気部品、電子部品、自動車用部品、機械機構部品、食品容器、フィルム、シート、繊維などが挙げられる。より具体的には、例えば、プリンター、パソコン、ワープロ、キーボード、PDA(小型情報端末機)、電話機、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末、WiFiルーター、ファクシミリ、複写機、ECR(電子式金銭登録機)、電卓、電子手帳、電子辞書、カード、ホルダー、文具等の事務・OA機器;洗濯機、冷蔵庫、掃除機、電子レンジ、照明器具、ゲーム機、アイロン、炬燵などの家電機器;TV、VTR、ビデオカメラ、デジタルカメラ、一眼レフカメラ、携帯オーディオ端末、ラジカセ、テープレコーダー、ミニディスク、CDプレイヤー、スピーカー、液晶ディスプレイなどのAV機器;コネクター、リレー、コンデンサー、スイッチ、プリント基板、コイルボビン、半導体封止材料、電線、ケーブル、トランス、偏向ヨーク、分電盤、時計などの電気・電子部品および通信機器などが挙げられる。
また、座席(詰物、表地など)、ベルト、天井張り、コンパーチブルトップ、アームレスト、ドアトリム、リアパッケージトレイ、カーペット、マット、サンバイザー、ホイルカバー、タイヤ、マットレスカバー、エアバック、絶縁材、吊り手、吊り手帯、電線被服材、電気絶縁材、塗料、コーティング材、上張り材、床材、隅壁、デッキパネル、カバー類、合板、天井板、仕切り板、側壁、カーペット、壁紙、壁装材、外装材、内装材、屋根材、防音板、断熱板、窓材などの自動車、車両、船舶、航空機および建築用材料;衣類、カーテン、シーツ、合板、合繊板、絨毯、玄関マット、シート、バケツ、ホース、容器、眼鏡、鞄、ケース、ゴーグル、スキー板、ラケット、テント、楽器などの生活・スポーツ用品などが挙げられる。
さらには、シャンプーや洗剤などのボトル、食用油、醤油などの調味料ボトル、ミネラルウォーターやジュースなどの飲料用ボトル、弁当箱、茶碗蒸し用椀などの耐熱食品用容器、皿、箸などの食器類、その他各種食品容器や、包装フィルム、包装袋などが挙げられる。
本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
1.熱可塑性樹脂(A)
(熱可塑性樹脂(A1))
熱可塑性樹脂(A1)として、プライムポリマー株式会社製ウルトゼックス20200J(LLDPE,MFR18.5g/10分,密度918kg/m,ビカット軟化点94℃,融点120℃,ガラス転移温度-80℃,曲げ弾性率200MPa)を用いた。なお、これらの物性はそれぞれ下記条件で測定した。
<MFR>
ISO 1133に準拠し190℃、2.16kg荷重にて測定した。
<密度>
ISO 1183に準拠し測定した。
<ビカット軟化点>
ISO 306に準拠し測定した。
<融点、ガラス転移温度>
示差走査熱量計(DSC)を用いて測定した。
<曲げ弾性率>
ISO 178に準拠し測定した。
(熱可塑性樹脂(A2))
熱可塑性樹脂(A2)として、芳香族ポリカーボネート樹脂(帝人社製、パンライトL-1225Y、5%熱減量温度480℃、MVR:11cm/10min)を用いた。
2.カーボン材料(B)
(粒子状のカーボン材料(B1))
粒子状のカーボン材料(B1)として、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックEC300J(ジブチルフタレート吸油量365ml/100g,BET比表面積800m/g,一次粒子の平均粒子径40nm)を用いた。なお、これらの物性はそれぞれ下記条件で測定した。
(粒子状のカーボン材料(B2))
粒子状のカーボン材料(B2)として、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックEC600J(ジブチルフタレート吸油量495ml/100g、BET比表面積1400m/g,一次粒子の平均粒子径30nm)を用いた。なお、これらの物性はそれぞれ下記条件で測定した。
<ジブチルフタレート吸油量>
JIS K6217に準拠し測定した。
<BET比表面積>
JIS Z8830に準拠し測定した。
(繊維状のカーボン材料(B3))
繊維状のカーボン材料(B3)として、東邦テナックス社製カーボン繊維テナックスHT C217を用いた。
3.変性ポリオレフィンワックス(C)
変性ポリオレフィンワックス(C)として、表1に示すW1およびW2を使用した。また、変性ポリオレフィンワックス(C)に該当しない例として、未変性のオレフィンワックスW3、およびステアリン酸カルシウム(融点149℃(軟化点測定不可)、堺化学工業製)をW4として用いた。W1~W3の製造方法を製造例の項に後述する。また、下記方法により分析した結果を表1に示す。
Figure 0007232176000001
<組成>
変性ポリオレフィンワックスW1およびW2、ならびに未変性ポリオレフィンワックスW3を構成する各構造単位の量(エチレンおよびプロピレンの組成比)については、以下の条件で測定した、13C-NMRスペクトルの解析により求めた。
13C-NMRの測定条件>
装置:ブルカーバイオスピン社製AVANCEIII cryo-500型核磁気共鳴装置
測定核:13C(125MHz)
測定モード:シングルパルスプロトンブロードバンドデカップリング
パルス幅:45°(5.00μ秒)
ポイント数:64k
測定範囲:250ppm(-55~195ppm)
繰り返し時間:5.5秒
積算回数:128回
測定溶媒:オルトジクロロベンゼン/ベンゼン-d6(4/1(体積比))
試料濃度:60mg/0.6mL
測定温度:120℃
ウインドウ関数:exponential(BF:1.0Hz)
ケミカルシフト基準:δδシグナル29.73ppm
<数平均分子量(Mn)、分子量分布(Mw/Mn)>
数平均分子量Mnは、GPC測定から求めた。測定は以下の条件で行った。そして、市販の単分散標準ポリスチレンを用いた検量線から、数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)を求め、Mw/Mnを算出した。
装置:ゲル浸透クロマトグラフAlliance GPC2000型(Waters社製)
溶剤:o-ジクロロベンゼン
カラム:TSKgel GMH6-HT×2、TSKgel GMH6-HTLカラム×2(何れも東ソー社製)
流速:1.0ml/分
試料:0.15mg/mL o-ジクロロベンゼン溶液
温度:140℃
<軟化点>
JIS K2207に準拠し測定した。
<密度>
JIS K7112に準拠し測定した。
<酸価>
JIS K0070に準拠し測定した。なお、酸価11mgKOH/gが、極性基の含有率1質量%に換算される。
[製造例1](未変性ポリオレフィンワックスW3の製造)
(1)触媒の調製
内容積1.5リットルのガラス製オートクレーブにおいて、市販の無水塩化マグネシウム 25gをヘキサン500mlで懸濁させた。これを30℃に保ち撹拌しながらエタノール 92mlを1時間で滴下し、さらに1時間反応させた。反応終了後、ジエチルアルミニウムモノクロリド93mlを1時間で滴下し、さらに1時間反応させた。反応終了後、四塩化チタン90mlを滴下し、反応容器を80℃に昇温して1時間反応させた。反応終了後、固体部をデカンテーションにより遊離のチタンが検出されなくなるまでヘキサンで洗浄した。このものをヘキサン懸濁液としてチタン濃度を滴定により定量し、以下の実験に供した。
(2)エチレン・プロピレン共重合体(未変性ポリオレフィンワックスW3)の製造
充分に窒素置換した内容積2リットルのステンレス製オートクレーブにヘキサン930mlおよびプロピレン70mlを装入し、水素を20.0kg/cm2(ゲージ圧)となるまで導入した。次いで、系内の温度を170℃に昇温した後、トリエチルアルミニウム0.1ミリモル、エチルアルミニウムセスキクロリド0.4ミリモル、上記得られた固体のヘキサン懸濁液を、チタン成分の量が原子換算で0.008ミリモルとなるようにエチレンで圧入することにより重合を開始した。
その後、エチレンのみを連続的に供給することにより全圧を40kg/cm2(ゲージ圧)に保ち、170℃で40分間重合を行った。
少量のエタノールを系内に添加することにより重合を停止した後、未反応のエチレンおよびプロピレンをパージした。得られたポリマー溶液を、100℃減圧下で一晩乾燥しエチレン・プロピレン共重合体を得た。
[製造例2](変性ポリオレフィンワックスW1の製造)
上記調製した未変性ポリオレフィンワックス(W3)500gをガラス製反応器に仕込み、窒素雰囲気下160℃にて溶融した。次いで、無水マレイン酸30g及びジ-t-ブチルペルオキシド(以下DTBPOと略す)3gとを上記反応系(温度160℃)に5時間かけて連続供給した。その後、さらに1時間加熱反応させた後、溶融状態のまま10mmHg真空中で0.5時間脱気処理して揮発分を除去し、その後冷却し、変性ポリオレフィンワックスW1を得た。表1に物性を示す。
[製造例3](変性ポリオレフィンワックスW2の製造)
上記調製した未変性オレフィンワックス(W3)300gをガラス製反応器に仕込み、窒素雰囲気下160℃にて溶融した。次いで、スチレン450g及びジ-t-ブチルペルオキシド(以下DTBPOと略す)19gとを上記反応系(温度160℃)に6時間かけて連続供給した。その後、さらに1時間加熱反応させた後、溶融状態のまま10mmHg真空中で0.5時間脱気処理して揮発分を除去し、その後冷却し、変性ポリオレフィンワックスW2を得た。表1に物性を示す。
(導電性樹脂組成物の作製)
[実施例1]
熱可塑性樹脂(A)47.50gに対して、カーボン材料(B)2.50g、変性ポリオレフィンワックス(C)1.55gを150℃に加熱した東洋精機社製ラボプラストミル(2軸バッチ式溶融混繊装置)に投入し、10分間かけて混練し、導電性樹脂組成物を得た。表2に各原材料の配合比率を示す。
[実施例2]
熱可塑性樹脂(A)60gと、カーボン材料(B)2160gと、変性ポリオレフィンワックス(C)180gとを、150℃に加熱したモリヤマ製ニーダー(2軸バッチ式溶融混繊装置)で15分間かけて混練し、その後、モリヤマ製ルーダー(単軸押出機)で造粒しマスターバッチ(熱可塑性樹脂(A)/カーボン材料(B)/変性ポリオレフィンワックス(C)=1/36/3(質量比))を得た。その後、熱可塑性樹脂(A)47.43g、変性ポリオレフィンワックス(C)1.34gおよび上記マスターバッチ2.78gを150℃に加熱した東洋精機社製ラボプラストミル(2軸バッチ式溶融混繊装置)に投入し、10分間かけて混練し、導電性樹脂組成物を得た。各原材料の配合比率は、表2の通りである。
[実施例3~9、比較例2~9]
各原材料の配合比率を表2に示されるように変更した以外は実施例1と同様にして導電性樹脂組成物を得た。ただし、実施例6および7ならびに比較例7~9は、混練温度を280℃とした。
[比較例1]
変性ポリオレフィンワックス(C)を加えない以外は実施例1と同様にして導電性樹脂組成物を得た。
(導電性樹脂組成物の評価)
実施例1~2及び比較例1で得られた導電性樹脂組成物を、予熱210℃で5分間、加圧200℃で2分間、冷却20℃で4分間の条件でそれぞれプレス成形し、厚さ2mmのシート状の成形体を得た。得られたシート状の成形体を用いて、導電性樹脂組成物中の粒子状のカーボン材料(B1)の平均粒子径または繊維状のカーボン材料(B2)の平均長さ、導電性樹脂組成物の流動性(MFR)、引張強度、曲げ強度および導電性を、以下の方法で評価した。結果を表2に示す。
<平均粒子径>
粒子状のカーボン材料(B1)または(B2)を含む導電性樹脂組成物について、電子顕微鏡観察(SEM)を用いて、視野内のカーボン材料(B1)または(B2)10個の一次粒子の粒子径を測定し、その平均値を平均粒子径とした。
<平均長さ>
繊維状のカーボン材料(B3)を含む導電性樹脂組成物について、光学顕微鏡観察、もしくは電子顕微鏡観察(SEM)を用いて、視野内の365本のカーボン材料(B2)の長さを測定し、その平均値を平均長さとしたところ、実施例7で得られた樹脂組成物においては266μm、比較例9で得られた樹脂組成物においては222μmであった。同様の方法で、平均繊維径を測定したところ、いずれも7μmであった。すなわち、導電性樹脂組成物中での、カーボン材料(B3)のアスペクト比は、実施例7の樹脂組成物においては38、比較例9の樹脂組成物においては32であった。
<流動性(MFR)>
シート状の成形体を所定の大きさにカットして試料片を作製し、JIS K7210に準拠し、230℃、10kgfの条件で測定した。
<流動性(MVR)>
ISO1133に準拠し300℃、1.2kgの条件で測定した。
<引張強度>
シート状の成形体をカットしてダンベル試験片(全長50mm、つかみ部の幅10mm、平行部の幅5mm、厚さ2mm)を作製した。このダンベル試験片を用いて、チャック間距離30mm、試験速度50mm/分の条件で引張強度、引張伸び、引張弾性率を測定した。
<曲げ強度>
シート状の成形体を所定の大きさにカットして試験片を作製し、JIS K7171に基づき、試験速度5mm/min、曲げスパン32mmの条件で曲げ強度、曲げ弾性率を測定した。
<導電性(体積抵抗;二重リング法)>
シート状の成形体を所定の大きさにカットして試験片を作製し、ASTM D257に準拠し、印加電圧50V、100Vの条件で測定した。
<導電性(体積抵抗;四深針法)>
シート状の成形体を所定の大きさにカットして試験片を作製し、JIS K7194に準拠し、印加電流1μAの条件で測定した。
<外観>
シート状の成形体の外観を目視で評価し、表面が滑らかであるものをA、表面が滑らかでないものをBと評価した。
実施例1~10の評価結果を表2に示し、比較例1~9の評価結果を表3に示す。
Figure 0007232176000002
Figure 0007232176000003
表2および3に示されるように、熱可塑性樹脂(A)とカーボン材料(B)の合計に対して所定量の変性ポリオレフィンワックス(C)を含む実施例1~5(または実施例6~10)の導電性樹脂組成物は、機械強度(引張強度・弾性率、曲げ強度・弾性率)を損なうことなく、変性ポリオレフィンワックス(C)を含まない比較例1および2(または比較例7および9)の導電性樹脂組成物や、比較用化合物を含む比較例3~6(または比較例8)よりも低い体積固有抵抗を有し、高い導電性を有することがわかる。特に、繊維状のカーボン材料(B2)を含む場合、変性ポリオレフィンワックス(C)を含むことで、樹脂組成物の作製段階で繊維が破断しにくくなるため(平均長さが短くなりにくいため)、導電性が損なわれにくくなることがわかる(実施例7と比較例9の対比)。
さらに、熱可塑性樹脂(A)の一部とカーボン材料(B)と変性ポリオレフィンワックス(C)とを含むマスターバッチを作製後、熱可塑性樹脂(A)の残部と混練して得られる実施例2の導電性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂(A)、カーボン材料(B)および変性ポリオレフィンワックス(C)を一度に混練して得られる実施例1の導電性樹脂組成物よりも体積固有抵抗値をさらに低くしうることがわかる。これは、実施例2の導電性樹脂組成物のほうが、実施例1の導電性樹脂組成物よりもカーボン材料(C)の熱可塑性樹脂(A)に対する分散性が一層高められているためと推測される。
また、変性ポリオレフィンワックス(C)の含有量が多いほうが、機械的強度と導電性をさらに高めやすいことがわかる(実施例6、9および10の対比)。
また、スチレン変性ポリオレフィンワックスW2を用いたほうが、酸変性ポリオレフィンワックスW1を用いるよりも、機械的強度や導電性をさらに高めやすいことがわかる(実施例1と4の対比、実施例3と5の対比)。
また、繊維状のカーボン材料(B3)のほうが、粒子状のカーボン材料(B1)よりも、機械的強度や導電性をさらに高めやすいことがわかる(実施例6と7の対比)。
また、粒子状のカーボン材料(B2)の平均粒子径が小さいほうが、機械的強度や導電性をさらに高めやすいことがわかる(実施例6と10の対比)。
本出願は、2017年2月28日出願の特願2017-037301に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
本発明の導電性樹脂組成物は、導電性と機械強度とを良好に両立しうることから、高い導電性と機械強度とが求められる各種用途に幅広く適用できる。

Claims (5)

  1. 熱可塑性樹脂(A)75~91質量部、カーボン材料(B)9~25質量部を含み、かつ、前記熱可塑性樹脂(A)および前記カーボン材料(B)の合計100質量部に対して、変性ポリオレフィンワックス(C)を1質量部超10質量部以下含み、
    前記熱可塑性樹脂(A)は、メルトボリュームフローレート(MVR)が3~11cm /10分のポリカーボネートであり、
    前記カーボン材料(B)が、平均長さが200~1000μmの繊維状のカーボン材料であり、
    前記変性ポリオレフィンワックス(C)が、エチレンと炭素原子数3~12のα-オレフィンとの共重合体の、無水マレイン酸変性物、空気酸化物またはスチレン変性物であり、
    前記変性ポリオレフィンワックス(C)の数平均分子量(Mn)が、400~3000であり、
    前記無水マレイン酸変性物もしくは空気酸化物の酸価は、50~100mgKOH/gであり、前記スチレン変性物のスチレン量が20~80質量%である、
    導電性樹脂組成物。
  2. 前記変性ポリオレフィンワックス(C)が下記(iii)を満たす、
    請求項1に記載の導電性樹脂組成物。
    (iii)JIS K2207に従って測定した軟化点が70~170℃の範囲にある
  3. 請求項1または2に記載の導電性樹脂組成物の製造方法であって、
    前記熱可塑性樹脂(A)と、前記カーボン材料(B)と、前記変性ポリオレフィンワックス(C)とを含むマスターバッチを用意する工程と、
    前記マスターバッチと、前記熱可塑性樹脂(A)とを溶融混練する工程と、
    を含む、
    導電性樹脂組成物の製造方法。
  4. 請求項1または2のいずれか一項に記載の導電性樹脂組成物から得られる、
    成形体。
  5. OA機器向け電磁波シールド部材である、
    請求項に記載の成形体。
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