JPS5835610B2 - 難燃性ポリアミド組成物の製造方法 - Google Patents

難燃性ポリアミド組成物の製造方法

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JPS5835610B2
JPS5835610B2 JP53132957A JP13295778A JPS5835610B2 JP S5835610 B2 JPS5835610 B2 JP S5835610B2 JP 53132957 A JP53132957 A JP 53132957A JP 13295778 A JP13295778 A JP 13295778A JP S5835610 B2 JPS5835610 B2 JP S5835610B2
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percyanurate
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智夫 伊藤
洪伸 川崎
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、優れた耐熱性と機械的性質を有し、かつ成形
加工性の優れた難燃化されたポリアミド組成物の製造方
法に関するものである。
ポリアミドは、優れたエンジニアリング樹脂として電気
部品、機械部品などの材料に広く使用されているが、近
年電気部品材料の使用基準が次第に高められてくるとと
もに、より高い難燃化が要求されてきた。
これまで、ポリアミドの難燃剤としては、ハロゲン系難
燃剤が主流をなしていたが、このものは優れた難燃化効
果を与えるものの、成形加工時に発生する分解ガスが機
器を腐食すること、使用済の製品を焼却する際に有毒ガ
スを発生し公害問題を起すことなどの欠点があるため、
漸次窒素系難燃剤に置きかえられる傾向がある。
ところで、この窒素系難燃剤の中、難燃化効果が大きい
という点で特に注目されているのは、メラミン(%公B
B47−1714号公報)及びシアヌル酸(特開昭51
−39750号公報)である。
しかしながら、メラミンは、ポリアミドに配合してこれ
を成形する場合、白色粉末となって金型面に付着し、い
わゆるモールドデポジットとなって成形品形状をそこね
たり、あるいは成形品を高温多湿の環境下にもたらした
とき、成形品表面に浮き出し、いわゆるブリードアウト
となって成形品の外観を著しくそこなうという欠点があ
る。
他方、シアヌル酸は、これをポリアミドに配合した場合
溶融混練時や成形時に発泡してストランド切れを起した
り、成形品中に気泡を生じるなど、ポリアミドの性質を
劣化させるという欠点がある。
このようなメラミンやシアヌル酸のもつ欠点を改良する
ために、最近に至り、メラミンとシアヌル酸との等モル
反応生成物すなわちメラミンシアヌレートを難燃剤とし
て用いることが提案されている。
しかし、このものは、前記したメラミンやシアヌル酸の
欠点は改良されているが、電気部品材料に要求されるよ
り高度な難燃性を付与する点では、まだ十分に満足でき
るものとはいえない。
本発明者らは、メラミンやシアヌル酸のもつ欠点を克服
し、かつより優れたポリアミドに対する難燃化効果を与
えうる難燃剤を開発すべく鋭意研究を重ね、先にメラミ
ンに対し過剰量のシアヌル酸を反応させて得られるメラ
ミンパーシアヌレートを提案した。
このメラミンパーシアヌレートは、通常、押出機や射出
成形機でポリアミドと溶融混合する方法によりポリアミ
ドに配合されている。
しかし、この方法は、いったんポリアミドを重合しペレ
ットや粉粒状の固体にして、それを再溶融してメラミン
パーシアヌレートと混合するので経済的に効率がよくな
い。
本発明者らは、この配合方法について、さらに研究を続
けた結果、ポリアミドの重合時にメラミンとメラミンに
対しその100モル当り103〜150モルのシアヌル
酸を添加することにより一挙にメラミンパーシアヌレー
ト含有ポリアミド組成物を得る方法を見出した。
シアヌル酸は多く塩基と反応し、中和塩を形成し、メラ
ミンも塩基として、多くの酸と反応し、中和塩を形成す
る。
また、シアヌル酸単独、あるいはメラミン単独をポリア
ミドの重合時に添加するとシアヌル酸はポリアミドのア
ミノ末端基と反応して、末端を封鎖してしまうし、他方
メラミンは、ポリアミドのカルボキシル末端基と反応し
、末端基を封鎖してしまうので、いずれの場合も、ポリ
アミドの重合度を低下させることが知られている。
しかるに、ポリアミドの重合時にメラミンとメラミンに
対しその100モル当り103〜150モルのシアヌル
酸を添加した場合に、ポリアミド形成モノマーはポリア
ミド形成モノマーあるいはポリアミド末端と重合反応し
、メラミンとシアヌル酸は、ポリアミドの重合を妨げる
ことなく、またポリアミド形成モノマーあるいはポリア
ミド末端と反応せずに、メラミンとシアヌル酸との間で
選択的に反応しメラミンパーシアヌレートを生成し、メ
ラミンノく−シアヌレート含有ポリアミド組成物が得ら
れたということは全く予想外のことであった。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたもので、ポ
リアミド形成モノマーを水の存在下で重合させてポリア
ミドを製造するに当り、重合時にメラミン及び該メラミ
ン100に対し103ないし150のモル比のシアヌル
酸を添加し反応させることを特徴とする、ポリアミドと
メラミンパーシアヌレートとからなる難燃性ポリアミド
組成物の製造方法を提供するものである。
本発明における、ポリアミド形成モノマーの水溶液、あ
るいは水を添加したポリアミド形成モノマーを出発物質
としてポリアミドを重合する方法については、なんら特
殊な方法、重合条件が必要ではなく、周知の種々の方法
を用いることができる。
すなわち、反応容器にモノマー例えばε−カプロラクタ
ムなどのラクタムと水と必要があればモノカルボン酸な
どの粘度安定剤あるいはε−アミノカプロン酸などの反
応促進剤とを入れ、不活性ガスを通じながら、220〜
290℃に加熱し数時間〜20時間重合反応を行うラク
タム類の常圧バッチ重合方法、上記重合法において、重
合開始時は密封加圧し後期に常圧あるいは減圧として重
合する方法、アジピン酸へキサメチレンジアンモニウム
塩(AH塩)、セバシン酸へキサメチレンジアンモニウ
ム塩(SH塩)などの二酸と二塩基からなるポリアミド
モノマー塩の水溶液を220〜290℃に加熱し、発生
する水蒸気圧を10〜20気圧の間の適当な値に保ちつ
つ濃縮し縮重合させ、最後に水蒸気圧を抜き常圧あるい
は減圧に保ち、重合を終了する縮重合法などを任意に用
いることができる。
もちろん、工業的に実施されている連続重合法を用いて
もさしつかえない。
しかしながら、無水ラクタムをアルカリ触媒で重合させ
る方法、11−アミノウンデカン酸の加熱重合法など、
水を存在させないモノマー系で重合を開始させる方法で
は、メラミンとシアヌル酸を添加しても十分な量のメラ
ミンパーシアヌレートが生成しないので用いることはで
きない。
またメラミンシアヌレートは常圧においては約290℃
から分解を始めるので重合系内温度を290℃以下、好
ましくは280℃以下に保つことが必要である。
また、生成したメラミンシアヌレートをポリアミドへ均
一に分散させるためにはかきまぜ機などの混合装置を備
えつげることが好ましい。
本発明におけるメラミン及びシアヌル酸は一般に市販さ
れている粉末状あるいは顆粒状の物を使用してさしつか
えない。
なお、シアヌル酸には2つの互変異性体が考えられ、化
学的には通常エノール型をシアヌル酸、ケト型をインシ
アヌル酸と呼ぶが、本発明で用いるシアヌル酸という名
称は、エノール型だけを意味するのでなく、エノール型
とケト型の両方を含むものと理解されるべきである。
メラミンとシアヌル酸のポリアミド重合系への添加方法
についてもなんら特殊な方法を採る必要はなく慣用の方
法を用いることができる。
例えば、粉末メラミンと粉末シアヌル酸をそのまま添加
する方法、メラミンあるいはシアヌル酸に水を加え、ス
ラリー状にして注入する方法、メラミンとシアヌル酸の
粉末を混合してから混合粉末として、あるいは混合粉末
に水を加え混合物スラIJ−として添加する方法を用い
ることができる。
しかし、固体粉末のまま重合系へ添加する方法は、粉末
の取扱いにくいのと重合系へ粉末とともに空気も移入さ
れることから起るポリマー劣化などの理由で工業的方法
としてはあまり好ましくなく、むしろ、スラリー状の流
体として添加する方法が好ましい。
またメラミンやシアヌル酸の水溶液を調製して該水溶液
を重合系に添加することはメラミンやシアヌル酸の水へ
の溶解度が著しく低い(メラミンの場合2.5 f/1
00ダ水、80℃:シアヌル酸の場合2.5 f/10
0 f?水、80℃)ので多量の水が重合系へ添加され
ることにより、重合反応が著しく遅れたり、またバッチ
重合の場合、反応容器を生成ポリマー量に比して著しく
大きくしなければならないなど、不都合な点が多(好ま
しくない。
本発明におけるメラミンとシアヌル酸との割合は、モル
比でメラミン/シアヌル酸=−100/103ないしZ
oo/150(メラミン/シアヌル酸−100/103
とはメラミンとシアヌル酸とのモル比が100対103
であることを示す)、好ましくはメラミン/シアヌル酸
=100/105ないし100/130、さらに好まし
くは100/110ないし100/130である。
メラミン100に対しシアヌル酸が103未満では高度
な難燃性が得られないし、またシアヌル酸が150を越
えるとポリアミドの重合度を十分に上げることができず
、メラミンパーシアヌレート含有ポリアミド組成物の機
械的・熱的性質が低下する。
本発明におけるメラミンとシアヌル酸の重合系への添加
量は、生成するメラミンパーシアヌレート含有ポリアミ
ド組成物に対し、メラミン量とシアヌル酸量の和が2〜
30重量%、特に3〜15重量%の範囲になるように選
ぶのが好ましい。
この量が、2重量%未満では、難燃性が不十分であるし
、また、30重量%を越えると機械的物性が著しく低下
する。
また、添加したメラミンとシアヌル酸は全てメラミンパ
ーシアヌレートへ変化することが好ましいが、ポリアミ
ドの重合反応への悪影響や、メラミンパーシアヌレート
組成物の成形性への悪影響のないかぎりメラミンパーシ
アヌレートの生成率が100%を若干下まわってもさし
つかえない。
本発明におけるメラミンとシアヌル酸のポリアミド重合
時の添加時期については、ポリアミド形成モノマー系の
重合開始時、あるいは重合系の大部分がまだモノマーか
オリゴマーとして存在している重合初期に添加するのが
好ましい。
重合系の大部分が高分子量のポリアミドとして存在して
いる重合後期に添加したのではメラミンパーシアヌレー
トの生成が十分行われず好ましくない。
本発明におけるポリアミドとしては、ポリアミド形成モ
ノマーの水溶液あるいは水を添加したポリアミド形成モ
ノマーを重合して得られるポリアミドであるかぎり、慣
用の種々のポリアミドを任意に用いることができる。
例えば、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12、ナ
イロン610、ナイロン612、ナイロン66/6共重
合体などが挙げられる。
しかしポリマーの重合温度や溶融成形温度と、組成物の
難燃性の点を考慮してナイロン6やナイロン66/6共
重合体が特に好ましい。
また、本発明におけるポリアミド重合時には、重合反応
やメラミンパーシアヌレート生成反応をそこなわない限
りにおいて、顔料、熱安定剤、酸化防止剤、耐光安定剤
、粘度安定剤、反応促進剤、その他慣用の添加剤を併用
添加してもさしつかえない。
本発明の難燃性ポリアミド組成物の製造方法には、メラ
ミンパーシアヌレートの合成、ポリアミドの重合、メラ
ミンパーシアヌレートとポリアミドの混合物の3つのプ
ロセスを一挙に行うので、従来の3つのプロセスが独立
した方法に比較して、はるかに安価に製造でき、経済性
に優れているという利点がある。
以下実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明す
る。
各実施例における測定方法及び評価方法は次のようにし
て行った。
組成物中の各成分の測定:組成物の平板を成形し該成形
品平板を理学電機製ガイガーフレックスDS型X線回折
装置にかけ、銅ターゲツトで回折角度10〜400の範
囲で回折図形を描かせ、メラミンパーシアヌレート、メ
ラミンシアヌレート、メラミン、シアヌル酸特有の回折
ピークの有無によりその存在の有無を測定した。
燃焼性:UL−94の垂直燃焼試験を厚さ1/16イン
チの射出成形試験片について行った。
成形加工性:モールドデポジットについては、5オンス
射出成形機で燃焼試験用成形試験片を射出成形する際、
100シヨツト後の金型を観察してモールドデポジット
の有無を判断した。
ブリードアウトについては、6インチ×172インチ×
1/8インチの矩形射出成形品を用い、150℃の熱風
オープンに10日間放置して成形品の表面を観察した。
機械的物性:引張強伸度についてはASTM−D−63
8、アイゾツト衝撃強度(ノツチ付)についてはAST
M−D−256に従って測定した。
実施例 1 (1)ポリアミド形成モノマー水溶液の調製:ポリマー
成分としてナイロン66に相当する結合単位90重量%
、ナイロン6に相当する結合単位10重量%を含むナイ
ロン66/6共重合体(以下Ny 66/6=90/1
0と略記する)を18.8kg製造するのに必要なモノ
マー水溶液を50重量%のアジピン酸へキサメチレンジ
アンモニウム塩水溶液(以下50%AH塩と略記する)
39.2kgとε−カプロラクタム1.7ゆとを混合
して調製した。
(2)ポリアミド形成モノマー水溶液の濃縮:(1)で
調製したポリアミド形成モノマー水溶液はモノマー濃度
が52重量%であり、該モノマー水溶液を加熱して水を
蒸発除去し、モノマー濃度70重量%まで濃縮した。
(3)重合装置へのポリアミド形成モノマー水溶液、メ
ラミン及びシアヌル酸の添加: ダウサムAを熱媒とする加熱ジャケット、かきまぜ機、
圧力計、温度計及び圧力調整弁を備え付けた801耐圧
オートクレーブに、まず(2)で濃縮したポリアミド形
成モノマー水溶液30.7kgを注入し、続いてメラミ
ン粉末551F(4,37モル)と水1.5kgからな
るスラリ″−を注入し、最後にシアヌル酸粉末649グ
(5,03モル)と水L8kgからなるスラリーを注入
した。
(4)ポリアミドの重合: (3)に示した注入操作の後、ただちにオートクレーブ
を密閉し、加熱ジャケット温度230℃でポリアミドの
重合を開始する。
重合中の加熱ジャケット温度及びオートクレーブ内圧の
制御とオートクレーブ内温の時間との関係を第1図に示
す。
図中の破線は加熱ジャケット温度、鎖線はオートクレー
ブ内温、実線は内圧である。
このようにして重合を終了した後、オートクレーブに窒
素ガスで内圧をかげながらオートクレーブ下部のバルブ
を開き、バルブの先に取り付けた径5mmの穴を4個有
するダイスより溶融重合組成物をストランド状に排出し
、水冷後、カッターで径3 mm、長さ3朋の円柱状ペ
レットにカットした。
(5)重合組成物の測定及び評価: 上記操作で得られた重合体組成物、メラミンパーシアヌ
レート粉末、メラミンシアヌレート粉末、メラミン粉末
とシアヌル酸粉末との混合物、メラミンシアヌレート粉
末とシアヌル酸粉末との混合物をX線分析し、X線回折
図形を描かせた。
なお、ここでいうメラミンパーシアヌレート粉末及び比
較例1のそれは、メラミン/シアヌル酸−100/11
5なるモル比のメラミン粉末とシアヌル酸粉末との混合
物1kgに対し水2kgを添加しスラリー状とし、80
℃で2時間かきまぜたのち乾燥、粉砕して得られたもの
である。
この結果を第2図a−eに示す。メラミンパーシアヌレ
ートのX線回折図の特徴は回折角度10°〜12°の部
分にある。
すなわち、メラミンパーシアヌレート(第2図b)では
この範囲において11°に1本のピークが見られるのに
対し、メラミンシアヌレート(第2図C)及びメラミン
シアヌレートとシアヌル酸との混合物(第2図e)では
11° と12°に各1本計2本のピークがみられ、メ
ラミンとシアヌル酸との混合物(第2図d)ではピーク
がみられない。
実施例1の組成物のX線回折図(第2図a)には11°
に1本のピークがみられ該組成物中にはメラミンパーシ
アヌレートが存在することがわかる。
また、上記事実から該組成物中に存在するのはメラミン
とシアヌル酸との単なる混合物ではなくメラミンシアヌ
レートでもメラミンシアヌレートとシアヌル酸との混合
物でもないことがわかる。
次に該重合組成物の燃焼性と成形加工性を評価したとこ
ろ、第1表に示すような結果となり、優れた難燃性と優
れた成形加工性を示した。
また、該重合組成物におけるポリアミドは着色や変色が
なく、射出成形時の溶融粘性から判断しても、なんらポ
リマー劣化、重合度低下している徴候は認められなかっ
た。
比較例 1 (1)ポリアミドの重合: 実施例1と同一のナイロン66/6共重合体(Ny 6
6/6=90/10)をメラミンとシアヌル酸を全く添
加せずに実施例1と同じ重合条件で重合し製造した。
(2) メラミンパーシアヌレートのポリアミドへの
配合: (1)で得られたポリアミド(Ny66/6=90/I
O)ペレット18.8kgとメラミンパーシアヌレー
ト粉末1.2kgを予備混合し、40關φ押出機へ供給
し、押出温度265℃でストランド状に押し出し、水冷
し、カッターで切断し径3扉rrt、長さ3間のベレッ
ト状のメラミンパーシアヌレート配合ポリアミド組成物
を得た。
(3)組成物の評価: 該メラミンパーシアヌレート配合ポリアミド組成物を実
施例1と全く同一条件でX線分析し、X線回析図形を描
かせた。
この結果を第2図fに示す。
これによるとメラミンパーシアヌレート特有の回折ピー
クがみられるが、これを第2図gと比較するとメラミン
パーシアヌレートに対応する回折ピークの強度がほとん
ど同じであるので、実施例1の重合組成物中には比較例
1のメラミンパーシアヌレート配合ポリアミド組成物と
同程度の割合のメラミンパーシアヌレートが含まれてい
ると考えられる。
次に該メラミンパーシアヌレート配合ポリアミド組成物
の燃焼性と成形加工性を評価した。
結果をあわせて第1表に示すが実施例1と同様に優れた
難燃性と成形加工性を有していることがわかる。
比較例 2 比較例1のメラミンパーシアヌレートの代すにメラミン
粉末551f(4,37モル)とシアヌル酸粉末649
P(5,03モル)との混合物を用いて比較例1と同じ
方法でポリアミド組成物を製造し、X線分析及び難燃性
と成形加工性の評価を行った。
X線回折図形を第2図gに示すが、これによるとメラミ
ンパーシアヌレートは検出されずメラミン及びシアヌル
酸特有の回折ピークが検出されたことから、メラミンと
シアヌル酸はポリアミドとの押出機による溶融混合時に
は反応していないことがわかる。
また、難燃性と成形加工性の評価結果をあわせて第1表
に示すが、成形加工性が悪いことがわかる。
実施例2及び比較例3 実施例1のメラミンとシアヌル酸を重合開始時に添加す
る方法の代りにメラミンとシアヌル酸を重合開始後に添
加する方法を試みた。
すなわち、実施例1のポリアミド(Ny 66/6=9
o7’10)を単独で重合を開始し、開始後30分で
内圧約8kg/crAの時点(第1図参照)に、メラミ
ン5511と水50(lとからなるペースト及びシアヌ
ル酸6491と水600fとからなるペーストを加圧注
入し、重合させて重合組成物を製造した(実施例2)。
また重合開始後3時間50分で内圧が常圧の時点に実施
例2と同じメラミンペースト及びシアヌル酸ペーストを
注入し、重合を継続し、重合組成物を製造した(比較例
3)。
実施例20重合組成物及び比較例30重合組成物のX線
分析を行ったところ、実施例20重合組成物からはメラ
ミンパーシアヌードが実施例1と同様、検出されたのに
対し、比較例30重合組成物ではメラミンパーシアヌレ
ートが十分生成していないことがわかった。
また、実施例20重合組成物の難燃性と成形加工性を評
価した。
結果をあわせて第1表に示す。
実施例3及び比較例4 実施例1と同様な方法で、Ny66/6−70/30の
ナイロン共重合体18kgを生成するモノマー水溶液と
メラミン919f(7,3モル)とシアヌル酸108]
1(8,4モル)とを用いて重合組成物を製造した(実
施例3)。
また、Ny66/6=70/30のナイロン共重合体1
9kgを生成するモノマー水溶液とシアヌル酸1081
kgとを用いて重合を行った(比較例4)。
実施例3で得た重合組成物のX線分析、燃焼性及び成形
加工性の評価結果をあわせて第1表に示す。
一方、比較例4では重合終了後、オートクレーブの排出
バルブを開いたところ、非常に溶融粘性の低い溶液が排
出され、ストランド状のものが得られず、従って組成物
ペレットが得られず評価サンプルが製造できなかった。
実施例4〜6、比較例5 圧力計、圧力調節弁、攪拌機を備え付けた200rnl
オートクレーブに、各種ポリアミド47.5 Pを形成
スるモノマーと、メラミン1.15P、シアヌル酸1.
35fの混合物粉末を添加し、重合組成物50Pを得る
ことを目的に、各種ポリアミドの標準的な重合条件で重
合を行い、得られた重合組成物をX線分析し、メラミン
パーシアヌレートの存在を調べた。
これらの実験条件及びその結果をあわせて第2表に示す
なお、実施例4において、ナイロン66モノマー水溶液
にメラミンとシアヌル酸の混合物を添加した重合開始時
点で、すでにメラミンパーシアヌレートが生成している
かどうか調べたところ、メラミンとシアヌル酸は、はと
んど溶けずに沈澱物として存在しており、メラミンパー
シアヌレートは検出されなかった。
実施例7〜11.比較例6〜8 ナイロン66/6=90/10なるポリマーを18.8
kg製造するのに必要なモノマー水溶液を実施例1と同
様に濃縮し、これに次のような割合でメラミンとシアヌ
ル酸とを各々、水ペースト状で添加し、実施例■と同様
な条件で重合してペレット状重合組成物を得た。
メラミン593’1f(4,70モル)、シアヌル酸6
01’(4,70モル)・回出・比較例6メラミン58
7f(4,66モル)、シアヌル酸61.1’(4,7
5モル)・−・・・・・・・比較例7メラミン584P
(463モル)、シアヌル616グ(4,78モル)・
・・−・・・・実施例7メラミン578S’(459モ
ル)、シアヌル酸★★622P(4,82モル)・−・
・・・・・・実施例8メラミン564S’(4,48モ
ル)、シアヌル酸636グ(、L93モル)…°°°°
゛°実施例9メラミン51.5S’(4,09モル)、
シアヌル酸685f(5,31モル)・・・・・川・実
施例1゜メラミン473S’(3,75モル)、シアヌ
ル酸727y′(5,64モル)・・・・−・・・・実
施例11メラミン43B?(3,48モル)、シアヌル
酸762P(5,91モル)・・・・・・・・・比較例
8得られた組成物の燃焼性、機械的物性を測定した。
結果を第3表に示す。モル比でメラミン100に対しシ
アヌル酸が103未満だと難燃性が低下し、150を越
えると重合物の粘度低下をひきおこし、機械的物性も低
下することがわかる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法におけるメラミン及びシアヌル酸添
加ポリアミド重合の重合条件(内圧、加熱温度、内温)
の経時変化を示すグラフ、第2図は、それぞれ、本発明
によるメラミンパーシアヌレート配合ポリアミド組成物
a、メラミンパーシアヌレートb1メラミンシアヌレー
トC、メラミンとシアヌル酸との混合物d1メラミンシ
アヌレートとシアヌル酸との混合物e1メラミンパーシ
アヌレートとポリアミドとを押出機を用いて混線配合し
た組成物f、メラミンとシアヌル酸配合ポリアミド組成
物gのX線回折図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 ポリアミド形成モノマーを水の存在下で重合させて
    ポリアミドを製造するに当り、重合時にメラミン及び該
    メラミン100−に対し103ないし150のモル比の
    シアヌル酸を添加し反応させることを特徴とする、ポリ
    アミドとメラミンパーシアヌレートとからなる難燃性ポ
    リアミド組成物の製造方法。
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