(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも強化繊維とマトリックス樹脂より構成される繊維強化複合材料において、
前記強化繊維とマトリックス樹脂が異なったポリプロピレン系樹脂からなり、
前記強化繊維の材料であるポリプロピレン系樹脂は造核剤を含有し、このポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｆ）と、前記マトリックス樹脂のポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｍ）が、
Ｔｍ（Ｆ）−Ｔｍ（Ｍ）＞１０℃であることを特徴とする繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【請求項２】
前記強化繊維の材料であるポリプロピレン系樹脂が、融点Ｔｍ（Ｆ）が１５５℃以上であるプロピレン単独重合体、あるいはプロピレンとエチレンおよび／または炭素数４以上のα−オレフィン共重合体である請求項１記載の繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【請求項３】
前記造核剤は、高分子造核剤である請求項１又は２記載の繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【請求項４】
前記強化繊維が編み物、織物、またはフリ−スの形でマトリックス樹脂に充填されてなる請求項１から３いずれかに記載の繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【請求項５】
強化繊維が、一方向に配列された形でマトリックス樹脂に充填されてなる請求項１から４いずれかに記載の繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【請求項６】
強化繊維の平均繊維長が０．５〜５０ｍｍである請求項１から５いずれかに記載の繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【請求項７】
強化繊維の平均繊維径が６〜１００μｍである請求項１から６いずれかに記載の繊維強化ポリプロピレン系複合材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリプロピレン系繊維によって強化された繊維強化ポリプロピレン複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強化繊維の周りをマトリックス樹脂で覆った繊維強化複合材料は、単一素材では発揮することができない優れた機械的性質を有することはよく知られている。
例えば、ガラス繊維や炭素繊維で強化されたポリプロピレン系複合材料は代表的な複合材料として知られ、かかる複合材料においては、引っ張り弾性率などの機械的強度は強化繊維が吸収し、マトリックス樹脂はこの繊維と接着し、包み込むことによって製品としての形状を付与している。
【０００３】
しかし、このような強化繊維とマトリックス樹脂が異種の材料から構成される複合材料においては、強化繊維とマトリックス樹脂の接着性を挙げることは難しく、例えば前述のガラス繊維で強化されたポリプロピレン系複合材料の場合には、ガラス繊維表面にポリプロピレン系樹脂と接着し易い樹脂や処理剤をコ−ティングしたり、マトリックス樹脂として繊維との接着性の良好なマレイン酸変性したポリプロピレン系樹脂が用いることが要求されていた。
【０００４】
更には、ガラス繊維や炭素繊維を充填したポリプロピレン系複合材料では、当該材料からガラス繊維や炭素繊維を分離することが極めて困難なため、リサイクル使用する場合でもガラス繊維強化もしくは炭素繊維強化ポリプロピレン系樹脂としてしか使用することができず、リサイクルできる製品が限定されてしまうという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなことから、本発明者らは、特段の処理を施さずとも強化繊維とマトリックス樹脂との接着が十分であって優れた機械的強度を有し、しかも、強化繊維を取り出すことなく製品をそのままリサイクル使用できる繊維強化熱可塑性樹脂複合体を開発すべく検討の結果、本発明に至った。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも強化繊維とマトリックス樹脂より構成される繊維強化複合材料において、強化繊維とマトリックス樹脂が異なったポリプロピレン系樹脂からなり、かつ、強化繊維材料のポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｆ）とマトリックス樹脂のポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｍ）が、Ｔｍ（Ｆ）−Ｔｍ（Ｍ）＞１０℃であることを特徴とする繊維強化ポリプロピレン系複合材料を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について説明する。
本発明の繊維強化ポリプロピレン系複合材料は、材料的には２つのポリプロピレン系樹脂から構成され、その内の一つが繊維の形態であり、他方がマトリックス樹脂となっていることが必要であるが、両者は同一のポリプロピレン系樹脂ではなく、繊維材料のポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｆ）とマトリックスとなるポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｍ）が、Ｔｍ（Ｆ）−Ｔｍ（Ｍ）＞１０℃の関係を有する異種のポリプロピレン系樹脂であることが必要である。
【０００８】
繊維強化ポリプロピレン系複合材料においては、マトリックス樹脂を溶融させ、そこに強化繊維を充填することが最も効果的であるが、このような場合に、マトリックス樹脂であるポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｍ）が強化繊維材料であるポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｆ）と同等であったりそれより低いと、マトリックス樹脂を溶融させ、そこに強化繊維を充填する際に強化繊維も溶融してしまって所望の複合体を得ることができず、また、強化繊維とマトリックス樹脂との接着性の点からも、マトリックス樹脂であるポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｍ）と強化繊維材料であるポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｆ）との関係は極めて重要であって、前述したＴｍ（Ｆ）−Ｔｍ（Ｍ）＞１０℃の関係を有することが必要である。
【０００９】
このような強化繊維材料となるポリプロピレン系樹脂として、代表的にはプロピレン単独重合体、プロピレンとエチレンおよび／または炭素数４以上のα−オレフィンとの共重合体などが挙げられる。
かかるポリプロピレン系樹脂は、マトリックス樹脂であるポリプロピレン系樹脂との関係において前記した融点関係を有している限りにおいて、単独であってもよいし、２種以上の混合物であってもよい。
このような繊維材料としてのポリプロピレン系樹脂の中でも、繊維強化ポリプロピレン系複合材料の機械的強度の向上の点で、融点Ｔｍ（Ｆ）が１５５℃以上のポリプロピレン系樹脂が好ましい。
【００１０】
強化繊維の材料であるポリプロピレン系樹脂中には、ポリプロピレン系樹脂に通常配合される各種添加剤、例えば酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、分散剤、塩素捕捉剤、滑剤、分解剤、金属不活性剤、難燃剤、顔料、発泡剤、抗菌剤などがそれぞれの目的に応じて適宜添加されていてもよい。
【００１１】
強化繊維とマトリックス樹脂の接着性をより向上させるためには、繊維表面からポリプロピレン系樹脂の結晶成長をさせることが好ましく、かかる目的で繊維材料であるポリプロピレン系樹脂中には造核剤が添加剤として配合されていることが有効である。
【００１２】
造核剤としては、例えば特許第２８７８０９９号明細書に記載されているような通常ポリプロピレン系樹脂に使用される造核剤が適用され、例えば、無機系造核剤としてはタルクやマイカなどが、有機系造核剤としてはｐ−ｔｅｒ−ブチル安息香酸ナトリウム塩やｐ−ｔｅｒ−ブチル安息香酸アルミニウム塩などの芳香族カルボン酸金属塩、芳香族カルボン酸および芳香族リン酸金属塩、ロジン系造核剤などが挙げられる。
【００１３】
その他、高分子造核剤としては、例えば３，３−ジメチルブテン−１、３−メチルブテン−１、３−メチルペンテン−１、３−メチルヘキセン−１および３，５，５−トリメチルヘキセン−１などの炭素数５以上の３位分岐オレフィン、ビニルシクロペンタン、ビニルシクロヘキサン、ビニルノルボルネンなどのビニルシクロアルカンの重合体などが挙げられるが、このような造核剤の中でも、高分子造核剤が好適である。
【００１４】
本発明に適用される強化繊維は、このようなポリプロピレン系樹脂を材料として通常の方法で製造されるが、繊維方向への機械的強度を向上させるために延伸して使用されることが多い。
延伸倍率は高ければ高いほど好ましいが、通常は２〜１５倍程度である。
延伸は低音、高温のいずれであってもよく、延伸後の繊維径が６〜１００μｍの範囲のものが好適である。
【００１５】
本発明に適用される強化繊維の形態としては、繊維強化ポリプロピレン系複合材料に求められる性能に応じて、長繊維、短繊維、一方向連続繊維、編み物、織物などの種々の形態が選択され、かかる形態を選択することによって繊維強化ポリプロピレン系複合材料の性能を調整することができる。
繊維形態が一方向連続繊維、編み物、織物などの場合には、それぞれの目的、性能に応じて任意の厚みや繊維密度のものを使用すればよく、短繊維、長繊維の繊維をマトリックス樹脂中に分散させる場合には、繊維長が０．１〜５０ｍｍ程度の繊維長の繊維が使用される。
【００１６】
尚、一般に、ポリプロピレン系樹脂からなる強化繊維材料の繊維としての機械的強度例えば引っ張り弾性とこれを用いた繊維強化ポリプロピレン系複合材料の機械的強度とはほぼ比例する関係にあり、強化繊維材料の引っ張り弾性率が低ければ得られる繊維強化ポリプロピレン系複合材料の引っ張り弾性率も低下する関係にある。
【００１７】
かかる観点からみれば、プロピレン単独重合体からなる強化繊維は繊維としての引っ張り弾性率も高く、これを原料とする繊維強化ポリプロピレン系複合材料も引っ張り弾性率が高いなど優れた機械的強度を与えるが、紡糸性が若干劣るため、紡糸性を向上させ、またその後の延伸性を向上させるためにブテン−プロピレン共重合体を少量配合することがよく行われる。
【００１８】
しかし、かかるプロピレン単独重合体にブテン−プロピレン共重合体を配合した樹脂組成物より得られる強化繊維は繊維としての引っ張り弾性率が低下し、これを原料とする繊維強化ポリプロピレン系複合材料も原料繊維の強度に対応して引っ張り弾性率が低くなるが、このような場合に、原料のブテン−プロピレン共重合体を配合した樹脂組成物中に前記した造核剤を少量添加しておけば、強化繊維自体の引っ張り弾性率が低くなるにもかかわらず、これを原料として得られる繊維強化ポリプロピレン系複合材料は、プロピレン単独重合体からなる強化繊維を原料とする場合と殆ど同等であるという造核剤使用の効果が顕著に得られる。
【００１９】
マトリックスとして用いられるポリプロピレン系樹脂は、その融点Ｔｍ（Ｍ）と強化繊維材料であるポリプロピレン系樹脂の融点Ｔｍ（Ｆ）との関係が前述したＴｍ（Ｆ）−Ｔｍ（Ｍ）＞１０℃を満足させるものであれば特に制限はなく、例えばプロピレン単独重合体、プロピレンとエチレンおよび／または炭素数４以上のα−オレフィンとの共重合体などが挙げられる。
かかるポリプロピレン系樹脂は、繊維材料であるポリプロピレン系樹脂との関係において前記した融点関係を有している限りにおいて、単独であってもよいし、２種以上の混合物であってもよい。
もちろん、このようなポリプロピレン系樹脂においても、ポリプロピレン系樹脂に通常配合される各種添加剤、例えば造核剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、分散剤、塩素捕捉剤、滑剤、分解剤、金属不活性剤、難燃剤、顔料、発泡剤、抗菌剤などがそれぞれの目的に応じて適宜添加されていてもよい。
【００２０】
本発明の繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体は、このようなポリプロピレン系樹脂からなる強化繊維とポリプロピレン系樹脂からなるマトリックス樹脂より構成されるが、繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体中の繊維含有率は特に制限されることなく任意である。
しかし、繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体としての機械的強度を十分に高くするためには、通常、繊維含量が５〜７５ｖｏｌ．％程度となるようにすることが好ましく、特に、強化繊維として織物や編み物形態の繊維を使用する場合には５〜５０ｖｏｌ．％程度となるようにすることが好ましい。
【００２１】
このような本発明の繊維強化ポリプロピレン系複合体は、従来より公知の方法に準じて任意の方法で製造するできる。
例えば、フィルムスタッキング法で製造する場合には、マトリックス樹脂となるポリプロピレン系樹脂を通常の方法でフィルム状とし、このフィルム間にポリプロピレン系樹脂より製造した強化繊維を挟んだ後、熱プレスにより加熱し、フィルムと強化繊維を融着させ、その後冷却、固化させてシート状の繊維強化ポリプロピレン系複合体を製造する。
この際、シートを形成させると同時に所望の製品形状に賦形してもよいし、得られたシートを真空成形等によって所望の製品形状に賦形してもよい。
尚、この方法による場合には、強化繊維の形態としては一方向に配列した繊維、織物、編み物あるいは所定の長さに切断された繊維が使用される。
【００２２】
また、押し出し成形の場合は、溶融マトリックス樹脂をシート状で押し出し、これに一方向に配列した繊維、織物、編み物などをラミネーションすればよい。この場合、マトリックス樹脂のラミネ−ションは繊維層の片面であっても両面であってもよい。
【００２３】
また、金型間に一方向に配列した繊維、織物、編み物などの形状の強化繊維材料を予め供給し、射出成形、射出プレス成形などの汎用的な方法により、溶融したマトリックス樹脂を金型内に供給、充填し、金型内で強化繊維材料に溶融状のマトリックス樹脂を含浸させると同時に所定形状に賦形させて所望の形状の繊維強化ポリプロピレン系複合体を得ることもできる。
【００２４】
その他、長さ０．５〜５０ｍｍ程度に切断した単繊維状の強化繊維材料とマトリックス樹脂を、強化繊維材料が溶融しないように溶融混練した強化繊維材料含有の溶融状ポリプロピレン系樹脂組成物を用い、射出成形、射出プレス成形、ブロー成形などの汎用の成形法により、所望の形状の繊維強化ポリプロピレン系複合体を製造することもできる。
この方法による場合、強化繊維材料とマトリックス樹脂との溶融混練を、例えば射出機の材料供給口から単繊維状の強化繊維材料とマトリックス樹脂ペレットを供給し、溶融混練させて、該射出機から溶融混練物を金型内に供給すればよい。
【００２５】
これらいずれの方法であっても、強化繊維材料が完全に溶融することなく繊維形状を保持しつつマトリックス樹脂が溶融するように、強化繊維の材料となるポリプロピレン系樹脂とマトリックスとなるポリプロピレン系樹脂との組み合わせを選択し、かつ成形時においても、強化繊維材料が完全に溶融することなく繊維形状を保持しつつマトリックス樹脂が溶融するような温度条件に設定することが重要である。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明がこれらの実施例によって限定されるものではないことは言うまでもない。例中、融点測定および引っ張り試験は以下の方法で行なった。
【００２７】
（融点測定）
示差走査型熱量計（ＤＳＣ）（パーキンエルマー社製）を用いて、３０℃から２００℃まで１０℃／ｍｉｎ．の速度で測定を行い、結晶融解ピーク温度を融点とした。
（引っ張り試験）
オートグラフＤＳＳ２０００（島津製作所製）を用い、５００Ｋｇｆのロードセルで引っ張り速度１０ｍｍ／ｍｉｎ．で測定した。
サンプルは長さ２５０ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚み０．５ｍｍのものを長さ方向のチャック間１５０ｍｍに設定した。
【００２８】
実施例１
プロピレン・エチレンランダム共重合体（住友化学社製、ノーブレンＲＳ１６０ＸＧＰ、融点１３０℃）を押し出し成形して得た厚さ２５０μｍのフィルムおよび下記方法で製造した強化繊維を使用し、フィルムスタッキング法で長さ２５０ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚み０．５ｍｍの繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体を得た。
フィルムスタッキングの条件は、加熱温度１６３℃、成形圧力２．３Ｍｐａ、保持時間１分であり、その後３０℃に設定された冷却プレスで徐冷した。
得られた複合体中の繊維の充填率は６ｖｏｌ％であった。
この繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体の引っ張り試験を行なった結果、引っ張り弾性率は０．７１Ｇｐａであり、マトリックス樹脂である上記プロピレン・エチレンランダム共重合体の引っ張り弾性率０．５９Ｇｐａよりも高かった。
尚、ここで使用した強化繊維の引っ張り弾性率は３．７Ｇｐａであった。
（強化繊維の製造）
ポリプロピレン単独重合体（住友化学社製、ノーブレンＨＤ１００Ｇ２、融点１６５℃）を押し出し機を用いて紡糸し、これを２倍に延伸して繊維径が約５０μｍの繊維を得た。これを４８本収束させて一方向繊維とし、強化繊維とした。
【００２９】
実施例２
繊維の充填率が１２ｖｏｌ％となるようにフィルムスタッキングを行なう以外は実施例１と同様にして繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体を製造し、その引っ張り試験を行なった結果、引っ張り弾性率は０．８７Ｇｐａであった。
【００３０】
実施例３
強化繊維として下記の方法で製造した強化繊維を使用する以外は実施例１と同様にして繊維強化ポリプロピレン系樹脂複合体を製造し、その引っ張り試験を行なった結果、引っ張り弾性率は０．７０Ｇｐａであった。、
（強化繊維の製造）
実施例１で用いたと同じポリプロピレン単独重合体にブテン・プロピレンランダム共重合体を５重量％ブレンドし、さらにポリビニルシクロヘキサンを５０ｐ．ｐ．ｍ．添加したポリプロピレン系樹脂組成物（融点：１６５℃）を押し出し機を用いて紡糸し、これを２倍に延伸して繊維径が約５０μｍの繊維を得た。これを４８本収束させて一方向繊維とし、強化繊維とした。
尚、この強化繊維の引っ張り弾性率は２．８Ｇｐａであった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の繊維強化ポリプロピレン系複合体は、強化繊維とマトリックス樹脂がともにポリプロピレン系樹脂であるために、繊維とマトリックス樹脂の接着性が良好であり、これによって優れた機械的強度を発揮する。さらに、射出機や押し出し機などで強化繊維とマトリックス樹脂の両方が溶融する温度で加熱、混練すれば繊維のポリプロピレン系樹脂とマトリックスのポリプロピレン系樹脂が容易に混ざり、均一なポリプロピレン系樹脂として再利用することができる。