JPH0987096A - 親油性無機充填材および複合樹脂組成物 - Google Patents
親油性無機充填材および複合樹脂組成物Info
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Abstract
れ、かつアスペクト比の高い親油性無機充填材によっ
て、複合樹脂組成物の耐熱性や剛性を向上させる。 【解決手段】 一般式が下式で表され、単結晶粒子の平
均粒子径が2μm以上で、電荷密度が70〜250Å2/
chargeのスメクタイト構造をもつ膨潤性珪酸塩に、有機
カチオンがインターカレーションされてなる親油性無機
充填材。 [Aa(XbYc)(Si4-dAld)O10(OH
eF2-e)] 但し、0.2≦a≦0.7、0≦b≦3、0≦c≦2、0
≦d≦4、0≦e≦2であり、Aはアルカリ金属イオン
とアルカリ土類金属イオンからなる群から選ばれる少な
くとも1個のカチオンであり、Xは、Mg、Fe、M
n、Ni、Zn、Liのうちの少なくとも1つ、Yは、
Al、Fe、Mn、Crのうちの少なくとも1つであ
る。
Description
間に有機カチオンをインターカレーションさせて親油化
処理をした成形用材料で、合成樹脂への充填材として使
用される親油性無機充填材に関するものである。
手段として、粘土鉱物を分散させることが行われる。粘
土鉱物の1つであるスメクタイト系の膨潤性珪酸塩は、
親水性でイオン交換作用を有し、バーミキュライトやマ
イカ等の層状珪酸塩よりも電荷密度が低く、層間引力が
弱いので水等の溶媒に対して膨潤しやすいことを特徴と
している。しかし、スメクタイト系の膨潤性珪酸塩を合
成樹脂にそのまま複合化しても、その親水性が合成樹脂
への分散性を低下させるため、複合化による補強効果は
十分に発揮されない。そこで、予め層間に有機物をイン
ターカレーションさせて親油化処理をし、合成樹脂との
親和性を良好にしておくことがなされる。しかしなが
ら、通常のスメクタイト系の膨潤性珪酸塩は、低結晶性
で結晶粒子径が約0.05μmと小さいために、親油化処
理して、合成樹脂中に分散したとしても分散粒子のアス
ペクト比が小さく、樹脂組成物の耐熱性や剛性を十分に
向上させることができなかった。
定義は、土壌における最も小さい無機質粒子とされ、国
際土壌学会法によれば、多結晶体として2.0μm以下の
粒子と規定されている(参照:「粘土ハンドブック」第
二版 日本粘土学会編 第1項〜第6項 技報堂出
版)。即ち、このように細かい結晶粒の集合体であるス
メクタイト系の粘土鉱物を親油化処理して合成樹脂への
分散を改良しても、十分に複合強化された複合樹脂組成
物を得ることができなかった。この欠点を改良するため
に、高結晶性の層状化合物が検討されているが、その多
くは電気的に層を引き付ける力が強く(電荷密度が高
い)、十分に層間を膨潤させるためには、イオン交換に
要する有機カチオン量を増量せざるを得ない。しかる
に、多量の有機カチオンは樹脂組成物中でワックス的な
作用を引き起こし、樹脂組成物の耐熱性低下を招くおそ
れがある。
もつ層状珪酸塩を無機充填材として複合体にするとき、
その機能としては、(1)高結晶で充填材として高強度
を有する、(2)アスペクト比を高く保持する、(3)
少量の有機カチオンで層間が開きやすい、という要件が
必要とされる。しかし、このようなスメクタイト構造を
有する高結晶性の膨潤性珪酸塩についての研究はほとん
どなく、有機物インターカレーションの研究にいたって
は、これまで全く行われていないのが現状である。
たもので、少ない有機カチオン量で十分な膨潤がなさ
れ、かつアスペクト比の高い親油性無機充填材によっ
て、耐熱性や剛性を向上させた複合樹脂材料を可能なら
しめるものである。
材は、一般式が下式で表され、単結晶粒子の平均粒子径
が2μm以上で、電荷密度が70〜250Å2/chargeの
スメクタイト構造をもつ膨潤性珪酸塩に、有機カチオン
がインターカレーションされてなることを特徴とするも
のである。 [Aa(XbYc)(Si4-dAld)O10(OH
eF2-e)] 但し、0.2≦a≦0.7、0≦b≦3、0≦c≦2、0
≦d≦4、0≦e≦2であり、Aは層間の交換性金属イ
オンであって、アルカリ金属イオンとアルカリ土類金属
イオンからなる群から選ばれる少なくとも1個のカチオ
ンであり、XとYは、スメクタイト構造内に形成される
八面体内に入るカチオンであって、Xは、Mg、Fe、
Mn、Ni、Zn、Liのうちの少なくとも1つ、Y
は、Al、Fe、Mn、Crのうちの少なくとも1つで
ある。
1級から3級のアミン塩、4級アンモニウム塩、あるい
はアミノ酸塩類であり、膨潤性珪酸塩が、その層間への
有機カチオンのインターカレーションにより疎水化され
ていることを特徴とする請求項1記載の親油性無機充填
材である。
間にある金属カチオンが有機カチオンとイオン交換さ
れ、そのイオン交換比が0.3〜1.0で、かつ有機カチ
オン量が25〜195ミリ当量/100gであることを特徴
とする請求項1又は2記載の親油性無機充填材である。
性無機充填材が合成樹脂組成物中に分散されていること
を特徴とするものである。
は所謂スメクタイト構造を有するもので、例えば、モン
モリロナイト、バイデライト、ノントロナイト、ボルコ
ンスコアイト、サポナイト、鉄サポナイト、ヘクトライ
ト、ソーコナイト、ステブンサイト等の組成物が挙げら
れる。尚、膨潤性珪酸塩は厳格な意味でスメクタイト構
造を有する必要はなく、基本的な構造としてスメクタイ
ト構造を有し、かつ同様の作用を奏する類似構造のもの
も本発明の膨潤性珪酸塩とみなされることは勿論のこと
である。
たすものが使用される。 [Aa(XbYc)(Si4-dAld)O10(OH
eF2-e)] 但し、0.2≦a≦0.7、0≦b≦3、0≦c≦2、0
≦d≦4、0≦e≦2である。Aは層間の交換性金属イ
オンであって、アルカリ金属イオンとアルカリ土類金属
イオンからなる群から選ばれる少なくとも1個のカチオ
ンである。例えば、Li、Na、K、Be、Mg、Ca
等が挙げられる。XとYは、スメクタイト構造内に形成
される八面体内に入るカチオンであって、Xは、Mg、
Fe、Mn、Ni、Zn、Liのうちの少なくとも1
つ、Yは、Al、Fe、Mn、Crのうちの少なくとも
1つである。
rgeのものが適用される。さらには、70〜200Å2/
chargeであればより好ましい。電荷密度が70Å2/cha
rge未満であると、CECが大きくなり(chargeが大き
くなり)、スメクタイト構造をとらなくなり、250Å
2/chargeよりも大きいとCECが小さくなり、スメク
タイト組成からパイロフィライト組成に近づくので膨潤
性が失われ好ましくない。膨潤性スメクタイト結晶の電
荷密度は、例えば、カラム浸透法(参照:「粘土ハンド
ブック」第二版 日本粘土学会編 第576〜577頁
技報堂出版)や、メチレンブルー吸着法(日本ベント
ナイト工業会標準試験法、JBAS−107−91)等
の方法で層状化合物のカチオン交換容量(CEC)を測
定し、さらに透過型電子顕微鏡での観察から電子線回に
よる構造解析、あるいは粉末X線解析のリーベルト法に
よる構造解析の結果から格子定数を決定し、これらの結
果に基づいて単位格子あたりにある層間イオンの電荷と
して算出される。
単結晶粒子の平均粒子径が2μm以上のものが適用され
る。従来一般のスメクタイト結晶での粒子径は約0.0
5μmであり、また上述したように「粘土」といわれる
ものの上限は2μmとされることからも明らかなよう
に、本発明の膨潤性珪酸塩の粒子径は非常に大きいもの
であり、天然には存在しないものである。このように本
発明では、その粒子径が極めて大きいために、アスペク
ト比が大きくなり、これを用いた複合樹脂組成物の耐熱
性や剛性を飛躍的に高めることが可能となる。スメクタ
イト結晶の粒子径を測定する場合、これは非常に微小で
あり、光の波長以下の粒子サイズであり、また、水等の
溶媒によって層間が劈開しやすいという特性を有するの
で、溶媒中での沈降式粒度測定法や光散乱法では正確な
粒子径が測定できないので不適切である。そこで、透過
型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡で結晶のa,b軸
方向を直接観察し、長短径比によって求める方法が採用
される。このような膨潤性珪酸塩は、例えば、ベルト式
高圧プレス、あるいはピストンシリンダ等の合成装置を
利用して、1000℃以上、3GPa以上という特別な
高温および高圧を用いることにより製造される。「FORM
ATION OF SMECTITECRYSTALS AT HIGH PRESSURES AND TE
MPERATURES (H.Yamada et al.,Clays &Clay Minerals,
42, 674-678(1994))を参照。
特異な膨潤性珪酸塩に対して有機カチオンをインターカ
レーションさせることにより得られる。本発明で用いる
有機カチオンとしては、特にその種類としては限定され
ないが、脂肪族第一アミン、脂肪族第二アミン、脂肪族
第3アミン及びこれらの塩化物、脂肪族第四級アンモニ
ウム塩、アミン化合物、アミノ酸誘導体、あるいはホス
ホニウム塩等の正電荷有機化合物等が好ましいが、炭素
数4以上の鎖を少なくとも1本有する四級アンモニウム
塩がさらに好ましい。具体的には、テトラブチルアンモ
ニウムイオン、テトレヘキシルアンモニウムイオン、ジ
ヘキシルジメチルアンモニウムイオン、ジオクチルジメ
チルアンモニウムイオン、ヘキサトリメチルアンモニウ
ムイオン、オクタトリメチルアンモニウムイオン、ドデ
シルトリメチルアンモニウムイオン、ヘキサデシルトリ
メチルアンモニウムイオン、オクタデシルトリメチルア
ンモニウムイオン、ドコセニルトリメチルアンモニウム
イオン、ヘキサデシルアンモニウムイオン、テトラデシ
ルジメチルベンジルアンモニウムイオン、オクタデシル
ジメチルベンジルアンモニウムイオン、ジオレイルジメ
チルアンモニウムイオン、ポリオキシエチレンドデシル
モノメチルアンモニウムイオン、アルキルアミノプロピ
ル四級化物等が挙げられる。
インターカレートさせるイオン交換反応は、膨潤性珪酸
塩の粉末を水やアルコール等で十分に膨潤させた後、有
機カチオンを加え、攪拌し、膨潤性スメクタイト結晶の
層間の交換性金属イオンを有機イオンに置換させ、疎水
化(親油化)することによりなされる。親油性無機充填
材としては、その後、洗浄、濾過を繰返し、未置換の有
機カチオンを十分に除去、乾燥して得られる。
珪酸塩単位重量あたりに有する交換性金属イオン量(C
EC)に対する有機カチオン数(当量)のイオン交換比
が0.3〜1.0になるように添加するのが好ましく、ま
たイオン交換比が、0.4〜0.8になるように添加する
ことはさらに好ましい。イオン交換比が0.3未満であ
ると、有機カチオン量が少ないために有機カチオンが均
一に層間にインターカレーションした親油性無機充填材
が得られないので、複合樹脂組成物の物性が安定せず、
1.0よりも高いと有機カチオン量が多くなるので、複
合樹脂組成物中でワックス的作用を引き起こすために耐
熱性を低下させてしまうからである。親油化処理された
無機充填材のイオン交換比は、以下の方法で求めること
ができる。層状珪酸塩100g当たりのカチオン交換容
量(CEC)を予め上記方法にて求めておき、層状珪酸
塩100g当たりに吸着した有機分子当量を示唆熱/熱
天秤測定(TG−DTA)装置等の熱重量測定装置にて
有機物の分解による重量減少から得られる。そのときの
イオン交換比は、次式で示される。
有機カチオン量は、その無機成分(膨潤性珪酸塩)10
0gに対しての有機カチオン当量で表すと、25〜19
5ミリ当量/100gであることが好ましく、50〜150
ミリ当量/100gであればさらに好ましい。25ミリ当量/
100g未満であると、合成樹脂に分散させたときに良好な
分散性を示さないので、複合樹脂組成物の機械的強度お
よび耐熱性の改善が不十分であり、195ミリ当量/100
gよりも大きいと、有機カチオンが複合樹脂組成物中で
ワックス的な作用を引き起こし、耐熱性を低下させてし
まうので好ましくない。
脂組成物中に分散させた複合樹脂組成物として使用に供
される。上記親油化無機充填材を分散させる樹脂組成物
としては、熱可塑性ポリマー及び熱硬化性ポリマーが適
用される。例えば、熱可塑性ポリマーとしては、高密度
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、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重
合体、エチレン−ブテン共重合体、エチレン−ヘキセン
共重合体、エチレン酢酸ビニル共重合体、エチレン−メ
タクリレート共重合体、アイオノマー樹脂等のポリオレ
フィン系樹脂、ポリアミド6、ポリアミド66、ポリア
ミド11、ポリアミド12、非晶性ポリアミド及びポリ
メタクリルイミド等のポリアミド系樹脂及び又はその共
重合体、脂肪族ポリエステル、芳香族ポリエステル、ポ
リエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレー
ト、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル系樹
脂、ポリスチレン、スチレン−クリロニトリル共重合
体、スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン共重合
体、ポリアクリロニトリル等のスチレン、アクリロニト
リル系樹脂、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン
−ブテン共重合体、エチレン−ヘキセン−共重合体、ス
チレンエチレンブテン3元共重合体、エチレン酢酸ビニ
ル共重合体、エチレン−メタクリレート共重合体ポリカ
ーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリアセター
ル、ポリサルホン樹脂、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ
化ビニルデン等のハロゲン含有樹脂等が挙げられる。こ
れらは、単独あるいは複数の組合わせにポリマーアロイ
であってもよい。また、熱硬化性ポリマーとしては、エ
ポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹
脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、ユリア樹脂等が挙げ
られる。
これらの実施例に限定されるものではない。
た。尚、充填材1〜4が本発明の親油性無機充填材に該
当するものであり、中でも充填材1〜3が特に好ましい
とされるものである。
l2O3、MgO、SiO2を用い、スメクタイト組成で
の配合後、ベルト高圧プレスにて1000℃、3GPa
加圧、20分保持して急冷し、構造式が[Na0.4(Al1.61
Mg0.33)Si4O10(OH)2]の高圧合成モンモリロナイト結晶
を得た。本単結晶粒子の粒子径は、透過型電子顕微鏡観
察によれば、9.5〜80.3μmの粒子径分布を有し、
平均粒子径は18μmであった。CECは100ミリ当
量/100g、電荷密度は140Å2/chargeであった。この
高圧合成モンモリロナイト結晶の50gを蒸留水の入っ
たビーカに浸漬し、約60℃で攪拌しながら、4級アン
モニウム塩であるオクタデシルトリメチルアンモニウム
クロライド(日本油脂(株)製「ニッサンカチオン」)
水溶液を添加し、よく攪拌し、均質な懸濁液に調製し
た。両者の混合比を有機カチオン数/高圧合成モンモリ
ロナイト結晶層間のナトリウムイオン数比が1.0にな
るように調製した。
粉砕して層間化合物として使用した。インターカレーシ
ョンの確認の為、X線解析装置(理学、RINT200
0)を用いて粉末X線回析法による膨潤性珪酸塩の底面
間隔d(001)の測定、さらに層間金属カチオンと4
級アンモニウム塩のイオン交換比の確認のため、示唆熱
/熱天秤測定(理学、TAS200)を用い、熱重量測
定を行った。この粉末X線回析の測定では、オクタデシ
ルトリメチルアンモニウムクロライドのインターカレー
ションによって膨潤性珪酸塩の底面間隔が10Åから3
7Åに増加することが確認された。また、層間の金属カ
チオンと有機カチオンのイオン交換比を確認するため
に、熱重量測定を行った。その結果、イオン交換比は
0.7で、オクタデシルトリメチルアンモニウム量は、
膨潤性珪酸塩の無機成分に対して70ミリ当量/100gで
あった。以上の結果をまとめて表1に示す。
オンとして、テトラブチルアンモニウムクロライドを層
間にインターカレーションさせた。
酸塩を分散した水溶液中に有機カチオン量の添加量を2
00ミリ当量/100gにして親油性無機充填材を調製し
た。
塩を分散した水溶液中に有機カチオン量を10ミリ当量
/100g添加して親油性無機充填材を調製した。
塩として結晶粒子径が0.2μm未満で、CECが約90
meq/100g、電荷密度が140Å2/chargeで、構造式が
[Na0.33(Al1.67Mg0.33)(Si4O10)OH2]で示される天然
モンモリロナイト(クニミネ工業(クニピアF))を用
いて充填材1と同様の処理を行った。
酸塩として平均結晶粒子径が約12μmで、CECが約
234ミリ当量/100g、電荷密度が49Å2/chargeで、
構造式が[NaMg2.5(Si4O10)F2]で示されるフッ素型四
ケイ素雲母(トピー工業「DP−DM」)を用いて充填
材1と同様の処理を行った。
塩を粉砕して平均粒子径を1.3μmにしたのものを用い
て充填材1と同様の処理を行った。
脂組成物を調製し、得られた複合樹脂組成物から、AS
TM規格に準じ、曲げ弾性率及び熱変形試験用金型によ
るプレス成形によって試験片を作製した。得られた複合
材料の曲げ弾性率(kg/cm2)、Izod衝撃試験(kg・cm
/cm2:23℃)、熱変形温度(℃)を測定した。測定
結果を表2に示した。尚、曲げ弾性率はASTM D7
90(乾燥状態、23℃、2.5mm/min)に準じて測定
した。Izod衝撃試験ASTM D256(乾燥状態、2
3℃)に準じて測定した。また、熱変形温度は、AST
M D648に従って行ったもので、0.0464kg/m
m2(66psi)のファイバストレスが作用するように、
試験片の中央部に5分間荷重をかけ、2±0.2℃/min
の速さで昇温して測定した。
性無機充填材と合成樹脂とを混練した。合成樹脂として
は、熱可塑性樹脂である、溶融粘度(温度:250℃、
剪断速度:100sec-1の条件でフローテスタにて測
定)が10000poiseのポリアミド6(三菱エンジニ
アリングプラスチックス(株)製「ノバミッド」)を用
いた。このポリアミド6の95重量%に上記親油性無機
充填材を6.1重量%(内、膨潤性珪酸塩成分:5.0重
量%)配合して、ヘンシェルミキサで予めドライブレン
ドし、二軸押出機(東洋精機(株)製「ラボプラストミ
ル」)にて260℃で加熱、混練し、複合樹脂組成物を
得た。
リアミド6を95重量%を配合、混練し、実施例1と同
様の処理、評価を行った。 〔実施例3〕充填材1とメルトフローレート(MFR、
JIS K6758に従い、荷重2.16kg、温度230℃にて測
定)38g/10分、CE/M15%のポリプロピレンブロ
ックコポリマー(昭和電工(株)製「ショウアロマーM
K810」)を用いて、実施例1と同様の処理、評価を
行った。
実施例1と同様の処理、評価を行った。 〔実施例5〕充填材4を用いたこと以外は実施例1と同
様の処理、評価を行った。
実施例1と同様の処理、評価を行った。 〔比較例2〕充填材5の親油性無機充填材と実施例3で
用いたポリプロピレンを用いて同様の処理、評価を行っ
た。 〔比較例3〕充填材6を用いたこと以外は実施例1と同
様の処理、評価を行った。 〔比較例4〕充填材7を用いたいこと以外は実施例1と
同様の処理、評価を行った。
填材は、比較例の親油性無機充填材に比較して、曲げ弾
性率、Izod衝撃強度、熱変形温度に優れている複合樹脂
組成物を可能ならしめていることがわかる。
成樹脂組成物中に分散させると、少量の有機カチオンで
も分散性がよく、しかもアスペクト比を増大させること
ができるので、高い剛性及び耐熱性と優れた耐衝撃性を
有する複合樹脂組成物を実現することができる。
Claims (4)
- 【請求項1】 一般式が下式で表され、単結晶粒子の平
均粒子径が2μm以上で、電荷密度が70〜250Å2/
chargeのスメクタイト構造をもつ膨潤性珪酸塩に、有機
カチオンがインターカレーションされてなることを特徴
とする親油性無機充填材。 [Aa(XbYc)(Si4-dAld)O10(OH
eF2-e)] 但し、0.2≦a≦0.7、0≦b≦3、0≦c≦2、0
≦d≦4、0≦e≦2であり、 Aは層間の交換性金属イオンであって、アルカリ金属イ
オンとアルカリ土類金属イオンからなる群から選ばれる
少なくとも1個のカチオンであり、 XとYは、スメクタイト構造内に形成される八面体内に
入るカチオンであって、Xは、Mg、Fe、Mn、N
i、Zn、Liのうちの少なくとも1つ、Yは、Al、
Fe、Mn、Crのうちの少なくとも1つである。 - 【請求項2】 有機カチオンが、1級から3級のアミン
塩、4級アンモニウム塩、あるいはアミノ酸塩類であ
り、 膨潤性珪酸塩が、その層間への有機カチオンのインター
カレーションにより疎水化されていることを特徴とする
請求項1記載の親油性無機充填材。 - 【請求項3】 膨潤性珪酸塩の層間にある金属カチオン
が有機カチオンとイオン交換され、そのイオン交換比が
0.3〜1.0で、かつ有機カチオン量が25〜195ミ
リ当量/100gであることを特徴とする請求項1又は2記
載の親油性無機充填材。 - 【請求項4】 請求項1記載の親油性無機充填材が合成
樹脂組成物中に分散されていることを特徴とする複合樹
脂組成物。
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JP24816795A JP3733407B2 (ja) | 1995-09-26 | 1995-09-26 | 親油性無機充填材および複合樹脂組成物 |
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