(57)【要約】【課題】耐放射線性の良好な改質ＰＴＦＥフィルムを、その機械的物性の低下を伴わず、多大な設備投資を必要とすることなく、製造しうる方法を提供すること。【解決手段】ポリテトラフルオロエチレン粉末を塊状に成形した成形物が多孔質であり、その後実質的に酸素不在下でポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度にて、放射線を照射して前記塊状成形物を改質した後、これを切削して長尺フィルムとすることを特徴とする改質ポリテトラフルオロエチレンフィルムの製造方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリテトラフルオロエチレン粉末を塊状に成形した成形物が多孔質であり、その後実質的に酸素不在下でポリテトラフルオロエチレンの融点以上の温度にて、放射線を照射して前記塊状成形物を改質した後、これを切削して長尺フィルムとすることを特徴とする改質ポリテトラフルオロエチレンフィルムの製造方法。
【請求項２】
成形して得られた成形物の見掛けの比重が２．２０以下の多孔質である、請求項１記載の改質ポリテトラフルオロエチレンフィルムの製造方法。
【請求項３】
原料のポリテトラフルオロエチレン粉末が、予め焼成したポリテトラフルオロエチレン粉末、または焼成したポリテトラフルオロエチレン粉末と未焼成粉末とを混合したものである、請求項１又は２に記載の改質ポリテトラフルオロエチレンフィルムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質ポリテトラフルオロエチレン（以下、ポリテトラフルオロエチレンをＰＴＦＥという）フィルムの製造方法に関する。さらに詳述するなら、本発明は、燃料電池などの電解質膜基材に使用される耐放射線性を有するＰＴＦＥフィルムの製造方法に関するものであり、本発明の製造方法による基材を使用すれば、従来は耐放射線性が乏しい故に困難であった、電解質膜の製造における放射線グラフト重合の適用が可能となる。また、本発明の製造方法による基材は耐磨耗性が優れるていることから、各種摺動材への適用も期待される。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＴＦＥは耐薬品性、耐熱性に優れており、産業用、民生用樹脂として広く利用されている。しかし、ＰＴＦＥはγ線、電子線などの放射線に対する感受性が極めて大きく、放射線により分子切断が生じて機械的特性が低下する。そのためＰＴＦＥは放射線照射下において使用し難い。
【０００３】
上記ＰＴＦＥの耐放射線性に関する問題に対して、特許文献１には、短尺のＰＴＦＥフィルムに、ＰＴＦＥの結晶融点以上の温度で酸素不在下において、１×１０３Ｇｙ以上の電離性放射線を照射して、当該ＰＴＦＥフィルムを改質する方法が開示されている。かかる方法によれば、耐放射線性の改質されたＰＴＦＥフィルムが得られている。
【０００４】
上記方法を、長尺ＰＴＦＥフィルムに適用する場合には、当該フィルムを連続するライン上でＰＴＦＥの融点以上の高温に保持しつつ、しかも酸素不在下で連続的に放射線を照射しなければならず、腰のないフィルムを走行させるために複雑な設備となり、多大な設備投資を必要とするため、実用的な製造方法とはいえなかった。そこで、本発明者等はこの問題点を解決すべく検討を重ねた結果、ＰＴＦＥ粉末を塊状に圧縮成形した後、焼成して得られる成形物に、酸素不在下、ＰＴＦＥの融点以上の温度にて、放射線を照射して前記塊状成形物を改質した後、これを切削して長尺フィルムとすることを特徴とする改質ＰＴＦＥフィルムの製造方法を開発した（特許文献２を参照のこと）。
【０００５】
しかしながら、特許文献２に記載される方法をスケールアップしたところ、得られるフィルムのフィルム強度や破断伸びは、塊状成形物の厚さ方向の外部表面から切削して約３ｍｍまでは良好であったが、さらに、厚さ方向の外部表面から５ｍｍ以上になると、それらの機械的物性が低下することが判明した。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１１６４２３号公報
【特許文献２】特開２００２−３６３７６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するため、耐放射線性の良好な改質ＰＴＦＥフィルムを、その機械的物性の低下を伴わず、多大な設備投資を必要とすることなく、製造しうる方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す方法により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は、ＰＴＦＥ粉末を多孔質の塊状に成形した後、酸素不在下、ＰＴＦＥの融点以上の温度にて、放射線を照射して前記塊状成形物を改質した後、これを切削して長尺フィルムとすることを特徴とする改質ＰＴＦＥフィルムの製造方法である。
【００１０】
多孔質のＰＴＦＥ成形体に放射線照射することにより、ＰＴＦＥ粉末に吸着している酸素の除去が容易となり、また、放射線照射によって生成されるＰＴＦＥからの分解ガスが円滑に除去されるものと考えられる。
【００１１】
肉厚の塊状成形物を成形した場合、塊状成形物の内部に吸着している酸素は雰囲気を真空引きしても除去されにくいことは自明であり、また、酸素存在下では改質が進行しないことは特許文献１にも記載されている。
【００１２】
本発明の改質は、放射線照射によってＰＴＦＥ分子鎖からＦ原子が離脱した主鎖の２ケのＣ同士が化学結合して架橋する、ＰＴＦＥの架橋によって達成されると思料されるところ、このとき、離脱したＦ原子が元の主鎖Ｃに再結合しては架橋構造とならず、耐放射線性の改質効果は不充分なものとなる。従って、離脱したＦ原子がＦ２ガス等となってＰＴＦＥの架橋を阻害しないよう、フッ素系分解ガスを系外へ拡散させる工夫が必要となる。
【００１３】
本発明者等は、ＰＴＦＥ粉末を多孔質または繊密な状態で圧縮成形した各々体積２７ｃｍ３の円柱体を成形し、酸素不在下で３４０℃にてγ線を１００ｋＧｙ照射した。これら成形体の照射前後の重量変化を測定したところ、多孔質の成形体は重量減少が３．７％であるのに対して、繊密な成形体の重量減少は０．９％であった。このことは、多孔質の成形体では、照射による分解生成物が系外へ飛散して架橋反応が円滑に進行したものと考えられる。
【００１４】
本発明の製造方法により得られるＰＴＦＥフィルムは、若干の通気性があるが、燃料電池用電解質膜の基材として採用する際、グラフト重合することで多孔質の孔内がグラフトモノマーで充填されガス透過性が消失されるので、燃料電池において、ガスのクロスオーバー現象は認められなかった。
【００１５】
上記本発明の製造方法によれば、ＰＴＦＥの改質が、ＰＴＦＥの塊状成形物に対して施されるため、特許文献１に開示されているＰＴＦＥフィルムに改質を施す方法に比べて非常に簡易な方法であり、多大な設備投資を必要としない。また、上記本発明の製造方法により得られる改質ＰＴＦＥフィルムは、特許文献１に開示されているＰＴＦＥフィルムに改質を施したものと同様、ＰＴＦＥに架橋構造等が付与されるため、優れた耐放射線性を有する。
【００１６】
上記本発明の製造方法に従えば、長尺フィルムの厚さ調整は通常の切削と同様の方法によりに容易に行うことができる。ここで、本発明でいう長尺とは通常１０ｍ以上をいう。
【００１７】
本発明における放射線の線質は、透過力を有する線質が有用であり放射線のなかでもγ線またはＸ線もしくは電子線が本発明に適している。放射線として電子線を用いる場合には、透過力がよく、ＰＴＦＥの塊状成形物の内部まで改質できる５×１０６電子ボルト以上、さらには７×１０６電子ボルト以上のものが好ましい。上記のように放射線の線質を選択することにより、効果的にＰＴＦＥフィルムの改質を行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法では、予めＰＴＦＥ粉末を多孔質状に成形した後、焼成して塊状の成形物を作成する。成形物の焼成は、圧縮成形後にＰＴＦＥの融点以上に加熱して焼成してもよく、あるいは、放射線改質する際に融点以上の温度ですることにより焼成してもよい。
【００１９】
本発明において多孔質状とは、見掛けの比重が通常の繊密成形物の２．１４〜２．２２より低くければよく、具体的には、２．２０以下であればよい。好ましくは、多孔質状成形体の見掛けの比重は２．１５〜１．５０である。見掛けの比重が１．５以下になると、切削フィルムの外観上に０．２ｍｍ程度の穴が存在し、引張り強度も低下するので、用途によっては不具合をきたす。ＰＴＦＥフィルムを燃料電池の電解質膜用基材として用いる場合には、成形体の見掛けの比重は２．００以上が好ましい。
【００２０】
ＰＴＦＥ粉末を多孔質状に圧縮成形する方法には、以下の２つの方法がある。
【００２１】
一の方法は、予め焼成したＰＴＦＥ粉末、または焼成したＰＴＦＥ粉末と未焼成粉末とを混合して、圧縮成形する方法である。焼成粉末の混合比率は５％〜１００％の範囲がこのましい。混合比率が５％以下だと、多孔質構造が得られないので改質しにくい。また９５％以上だと、ＰＴＦＥ粉末の結着が不充分で見かけの比重が小さく引張り強度が低いが、用途によっては使用に耐える。焼成粉末は結着しにくいため、これを混合することにより粒子間に隙間を生じ多孔質成形物が得られる。焼成ＰＴＦＥ粉末の粒子径が大きいと、得られる多孔質成形物の孔径も大きくなるので、通常、焼成ＰＴＦＥ粉末の粒子径は３００μ以下が好ましい。
【００２２】
別の方法は、未焼成ＰＴＦＥ粉末を圧縮成形する際の圧力を低くすることにより多孔質成形物が得る方法である。通常の繊密な成形品を製造する際の圧力は２００〜４００ｋｇｆ／ｃｍ２であるが、多孔質成形物を得る場合の成形圧力は１５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下、好ましくは５０ｋｇｆ／ｃｍ２以下である。ＰＴＦＥ粉末の粒子径は特に制限されないが、通常、０．１〜５００μｍ程度とするのが好ましい。
【００２３】
圧縮成形は、所望形状の金型に前記原料粉末を均一に充填し、通常、常温でプレスで挟んで１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２程度で圧縮を行う。
【００２４】
所望形状の金型は特に制限されず、得られる成形物が塊状となるようなものであれば、板状、円柱状、円筒状等のいずれでもよいが、塊状成形物を切削することによりフィルム化の容易な円筒状のものが好ましい。また、放射線として電子線を採用する場合には、塊状成形物（ＰＴＦＥ）内部に電子がチャージアップするおそれがあるので、チャージした電子を逃す細工、たとえば、塊状成形物を中空状とし、内面側にもアースを取ることは有効である。
【００２５】
圧縮成形による予備成形の後には、この予備成形物を金型から取り出し、炉に入れ、３４０〜３８０℃程度に昇温し、その温度で焼結が全体に均一に完了するまで保持する。これによりＰＴＦＥの焼結体である塊状の成形物が得られる。予備成形物の焼成は、圧縮成形後に行ってもよく、あるいは、放射線改質する際に行ってもよい。
【００２６】
なお、上記は、塊状ＰＴＦＥ成形物の圧縮成形法として、フリーベイキング法を代表させて説明したが、適宜、ホットコイニング法、自動圧縮成形法、等圧圧縮成形法等を適宜に応用することもできる。ただし、ホットコイニング法を採用するときは、融点以上の温度での樹脂膨張により多孔質の状態が消滅することがあるので注意を要する。
【００２７】
次いで、上記の塊状成形物を、酸素不在下、３４０℃近辺の温度にて、放射線を照射して改質する。
【００２８】
放射線の照射環境である「酸素不在下」とは、実質的な真空中（１Ｐａ以下）ないしは窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気下をいう。ＰＴＦＥの分解ガスを成形物から除去するという観点からは、照射雰囲気を真空とし、更に容器を真空ポンプで引き続けることが最も好ましい方法である。
【００２９】
照射温度はＰＴＦＥの結晶融点（３２７℃）以上であり、３２７℃以下では改質（架橋反応）が進行しない。一方、照射温度が高くなりすぎるとＰＴＦＥの分解が進み強度低下するため、照射温度の上限は３６０℃である。従って、照射温度は、好ましくは３２７℃〜３６０℃であり、更に好ましくは３３５〜３４５℃である。
【００３０】
放射線量は、通常１×１０３Ｇｙ〜１×１０７Ｇｙ程度とする。ＰＴＦＥの改質（架橋物性）を有効に発現させるためには、放射線量は１×１０４Ｇｙ以上とするのが好ましい。一方、放射線量を多くしすぎるとＰＴＦＥの分解が進むため、放射線量は１×１０６Ｇｙ以下とするのが好ましい。
【００３１】
放射線照射により改質されたＰＴＦＥの塊状成形物は、切削して長尺フィルムとする。切削方法は特に制限されず、一般的なＰＴＦＥの切削工具を使用できる。また長尺フィルムの厚さに応じて、切削工具の種類、使用条件等が適宜に選択される。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例にて本発明を詳述するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３３】
実施例１
ＰＴＦＥの焼成粉末は以下のように作成した。ＰＴＦＥモールディングパウダー（ダイキン工業（株）製，品番ポリフロンＴＦＥＭ−１２）をステンレス板に広げ、そのまま３６０℃の炉に３０分投入し、焼成粉末を作成した。
【００３４】
この焼成粉末と未焼成粉末を重量で５０％ずつ混合し、内径２００ｍｍφ、肉厚３０ｍｍ、高さ８００ｍｍφの金型に入れ、２８０ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１時間圧縮して予備成形した。この予備成形品を金型に入れたまま、３６０℃の炉に４８時間入れ、粉末同士を結着させ、外径約２００ｍｍφ、高さ５００ｍｍの円柱状ブロックを得た。このブロックの見掛け比重は２．０９であった。
【００３５】
次いで、この円柱状ブロックを内径３００ｍｍφ、高さ７００ｍｍのステンレス製の容器に入れ、容器内部の空気を窒素に置換し、更に容器の外周にバンドヒータを巻き内部温度を３４０℃±１０℃に設定した後、２０時間そのまま維持することで、円柱状ブロック全体を３４０℃±５℃にした。温度を３４０℃±５℃に維持しつつ、放射線を均一に照射するため容器を毎分１回転させながら、毎時２×１０３Ｇｙのコバルト６０γ線を５０時間照射して（放射線量１×１０５Ｇｙ）、改質ＰＴＦＥの円柱状ブロックを得た。
【００３６】
この改質ＰＴＦＥの円柱状ブロックを切削旋盤にて切削し、厚さ０．１ｍｍ、幅４６０ｍｍ、長さ１５０ｍの長尺ＰＴＦＥフィルムを得た。
【００３７】
実施例２
内径２００ｍｍφ、肉厚３０ｍｍ、高さ８００ｍｍφの金型にＰＴＦＥモールディングパウダー（ダイキン工業（株）製，品番ポリフロンＴＦＥＭ−１２）を入れ、３５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で１時間圧縮して予備成形した。この予備成形品を金型に入れたまま、３６０℃の炉に４８時間入れ焼成し、外径約２００ｍｍφ、高さ５００ｍｍの円柱状ブロックを得た。このブロックの見掛け比重は２．１１であった。
【００３８】
以下は実施例１と同様に操作して、改質ＰＴＦＥの円柱状ブロックを得た。そして、実施例１と同様に切削し、厚さ０．１ｍｍ、幅４６０ｍｍ、長さ１５０ｍの長尺ＰＴＦＥフィルムを得た。
【００３９】
（評価）
実施例で得られた改質ＰＴＦＥフィルムについて、空気中、室温で、電子線を１×１０４Ｇｙ照射した前後の降伏点強度、破断伸びを万能引張り試験機にて、２０℃で、２００ｍｍ／分の引張り速度で測定した。また、比較例１として、未改質の切削ＰＴＦＥシート（実施例１で焼成後、照射せずに切削した０．１ｍｍ厚）についても同様の測定を行った。評価結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
2004338208.tif 000002
【００４１】
表１に示したように、改質ＰＴＦＥフィルムでは、空気中で放射線を照射しても降伏点強度、破断伸びの低下が殆どなく耐放射線性に優れていることが認められる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、耐放射線性の良好な改質ＰＴＦＥフィルムを、多大な設備投資をすることなく製造することができる。特に、ＰＴＦＥフィルムの厚さが１ｍｍ未満のものを製造する場合に有用である。
【００４３】
得られた改質ＰＴＦＥフィルムは、未改質のＰＴＦＥフィルムに比べて耐放射線性に優れている。本発明により得られた改質ＰＴＦＥフィルムは、これまで使用が不可能であった放射線環境下での工業材料として使用できる。
【００４４】
また、ＰＴＦＥは耐放射線性に乏しいことから、放射線グラフト共重合では強度低下を来たすことから不向きであったが、本発明により得られた改質ＰＴＦＥフィルムは耐放射線性を有するので、前照射法や同時照射法で放射線グラフト共重合してイオン交換膜や電池隔膜の基材として採用しうる物性とすることもできる。
【００４５】
また改質ＰＴＦＥフィルムは、未改質のＰＴＦＥフィルムによりも降状点強度が向上している。また、未改質のＰＴＦＥフィルムと同等の破断伸びを有し、低磨耗量といった物性にも優れる。このように改質ＰＴＦＥフィルムはゴム特性を備えているので、シール材料やパッキン材料として耐熱、耐薬品性、耐クリープ性を具備した特性が要求させる各種用途へも利用できる。