加有填料的聚四氟乙烯成型用粒状粉末及其制造方法 本发明涉及加有填料的聚四氟乙烯成型用粒状粉末及其制造方法。
以前，作为获得加有填料的聚四氟乙烯(PTFE)成型用粒状粉末的制造方法：例如，特公昭44-22619号公开的在有机液体存在下在水中搅拌的方法，特公昭44-22620号公开的采用有机液体喷雾转动的方法等，然而，使用上述各公报记载的制造方法，采用的有机液体或具有可燃性，或对人体有害等问题，因此在具体实施其方法时有设备成本升高等的问题。
另外，作为不采用有机液体的方法，例如有特开平3-259925号公报公开的在不存在有机液体时在水中搅拌的方法，但这样的仅用水的方法所得的PTFE成型用粒状粉末的表观密度不够大，必须进行后处理。
另外，作为不采用有机液体的其他方法，例如还有特公昭54-17782号公报公开的以含有预定量的挥发性非离子型表面活性剂将PTFE粉湿润，将其转动造粒的方法。但以上述公报记载的方法，得不到表观密度小、流动性优良的粒状粉末，而且非离子型表面活性剂的使用量多，去除困难，所以该表面活性剂在成型制品中残留地结果，或使成型制品的机械性能降低，或者在成型工序中该表面活性剂受热分解，使成型制品带有颜色。
此外，也考虑过将上述非离子性表面活性剂以离子型表面活性剂替代而使用的方法，但按照上述方法得到的PTFE粉成型的时候，烧结工序中该表面活性剂产生分解残渣(例如金属盐)，其去除困难，成为成型制品带有颜色的原因，被认为使成型制品机械性能降低。
此外，PTFE粉容易带电，在进行造粒时的混和、搅拌。转动等操作时，由于静电力的原因会产生50V以上的静电。这种带有静电的PTFE粉在成型时，不仅在成型用模具，而且在进料斗、滤器等处均会因静电力而附着，结果阻碍了流动性。
本发明者们经过对上述问题进行深入研究，结果发现，将PTFE粉和填料在转动等机械力作用下造粒时，通过采用特定量的阴离子型表面活性剂，可以解决上述问题。
即，本发明的目的在于提供加有填料的PTFE成型用粒状粉末的制造方法，所得PTFE成型用粒状粉末，其表观密度大、带电量小、粉末流动性等粉末物性优良，所得成形品的伸长率不降低，没有上述所说的带有颜色，而且本方法不必使用有机液体。
本发明涉及加有填料的聚四氟乙烯(PTFE)成型用粒状粉末的制造方法，其特征在于将聚四氟乙烯(PTFE)粉和填料的混合物造粒时，是将该粉末和填料的100份(重量份，以下同)以30～60份含有阴离子型表面活性剂的水溶液湿润，在机械力的作用下造粒，其中表面活性剂的浓度为临界胶团浓度10倍以上，不足40倍。
另外本发明涉及加有填料的聚四氟乙烯(PTFE)成型用粒状粉末，其特征在于，利用上述制法制得的加有填料的PTFE成型用粒状粉末表观密度在0.65g/ml以上，粒状粉末的流动性为6次以上，粒状粉末中的粒子平均粒径为400～1000μm，带电量为50V以下。
图1是为说明本发明的制法中所用的圆盘回转式造粒机的断面的模式图。
图2是为说明本发明的制法中所用的圆盘回转式造粒机的断面的模式图。
本发明的制造方法中，其最大的特征是以含有特定量的阴离子型表面活性剂的水溶液湿润PTFE粉和填料。
上述特定量，是指相对于PTFE粉和填料的总计量的100份，30～60份阴离子型表面活性剂的水溶液中，其浓度为临界胶团浓度10倍以上，不足40倍，优选10倍以上，不足20倍时的阴离子型表面活性剂的量。
本发明所说的湿润，例如包含向PTFE粉和填料中加入表面活性剂的水溶液时，使PTFE粉和填料被浸润，或二者的混和物与表面活性剂的水溶液不分离的状态。
本发明所说的临界胶团浓度是指在含有阴离子型表面活性剂的水溶液中，该表面活性剂的分子能够聚合形成胶团的最小浓度，此浓度可根据水溶液的表面张力等的急剧变化而得到。本发明中，临界胶团浓度是在室温下以表面张力法测定的。
本发明中，以湿润PTFE粉和填料的角度出发，以此临界胶团浓度作为决定阴离子型表面活性剂的量的基准，通过采用上述特定量的阴离子型表面活性剂，其效果是所得的PTFE成型用粒状粉末表观密度大，带电量少，流动性优良，由该粉末得到的成型品的抗张强度和伸长率不降低，没有因该表面活性剂引起的着色。
作为上述阴离子型表面活性剂，可使用例如高级脂肪酸及其盐，烷基硫酸盐，烷基磺酸盐，烷基芳基磺酸盐，烷基磷酸酯等已知产品，特优选高级脂肪醇硫酸酯盐作为阴离子型表面活性剂，例如可举出月桂基硫酸钠，具有氟代烷基或氯代氟代烷基的含氟羧酸型或含氟磺酸型阴离子型表面活性剂，作为代表性的化合物，有式(IV)或(V)所示的化合物，式(IV)：
X(CF2CF2)n(CH2)mA (IV)
式(V)：
X(CF2CFCl)n(CH2)mA (V)
(其中，X表示氢原子、氟原子或氯原子，n表示3～10的整数，m表示0或1～4的整数，A表示羧基、磺酸基或其碱金属盐或铵盐)。
更具体地说，从得到具有较大表观密度的粒状粉末的方面出发，优选十四烯基磺酸钠、月桂基硫酸钠、全氟辛酸铵。
本发明所用的PTFE粉通常可利用悬浮聚合法获得，例如，优选是由四氟乙烯(TFE)单聚体、可与TFE共聚的单体与TFE形成的共聚物等形成的粉末，其粉碎后的平均粒径在200μm以下，优选在50μm以下，其下限取决于粉碎装置和粉碎技术，干燥后的含水率为0～30重量％。
上述粉碎用的粉碎机，例如可举出锤式粉碎机、具有叶片转子的粉碎机、气流能型粉碎机、冲击粉碎机等粉碎机等。
作为可与上述TFE共聚的单体，例如有：以式(I)表示的全氟乙烯醚等。
CF2＝CF-ORf (I)
[式中，Rf是1-10个碳原子的全氟烷基；4-9个碳原子的全氟(烷氧烷基)基团；以及式(II)表示的有机基团：
(其中、m为0或1-4的整数)；或者以式(III)表示的有机基团(其中， n为1-4的整数)]
上述全氟烷基的碳原子数为1-10，优选1-5，通过将碳原子数限定在此范围内，除了保持所谓不可熔融成形的性质，还可获得所谓优良的耐蠕变性的效果。
作为上述全氟烷基，例如有全氟甲基、全氟乙基、全氟丙基、全氟丁基、全氟戊基、全氟己基等，从耐蠕变性和单体成本考虑，优选全氟丙基。
通过将上述可与TFE共聚单体的聚合比定为1.0-0.001摩尔％，可使由粒状粉末制成的成型品的耐蠕变性得到改良。
通过将该粒子的平均粒径定为上述范围，可获得能进行造粒的成型用粒状粉末操作性，即带电量少、粉末流动性优良和表观密度大，而且成形品物性优良的效果。
本发明中存在的难点是，所用的填料是亲水性填料时，由于填料的亲水性，难于与PTFE粉形成均匀混合，即，所有的填料不可能和PTFE粉混合形成粒状粉。这种现象称作填料分离。
对于此问题，采用的方法是对亲水性填料首先进行疏水性表面处理，降低其表面活性，使之接近于PTFE粉末粒子的表面活性，再与PTFE粉混和等。
作为用于进行这种表面处理的化合物，已知有：(a)具有氨基官能基的硅烷、具有苯基的硅烷和/或可溶性硅氧烷(特开昭51-548号公报、特开昭51-549号公报、特开平4-218534号公报)、(b)12-20个碳原子的烃类单羧酸(特公昭48-37576号公报)、(c)脂肪族羧酸的铬配合物(特公昭48-37576号公报)、(d)硅氧烷(特开昭53-139660号公报)等，还知有用PTFE本身包复亲水性填料的方法(特开昭51-121417号公报)。
作为进行上述亲水性填料表面处理的化合物，例如有γ-氨基丙基三乙氧基硅烷(H2N(CH2)3Si(OC2H5)3)、m-或p-氨基苯基三乙氧基硅烷(H2N-C6H4-Si(OC2H5)3)、γ-脲丙基三乙氧基硅烷(H2NCONH(CH2)3Si(OC2H5)3、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基三甲氧基硅烷(H2N(CH2)2NH(CH2)3Si(OCH3)3)、N-(β-氨基乙基)-γ-氨基-丙基甲基二甲氧基硅烷(H2N(CH2)2NH(CH2)3SiCH3(OCH3)2)等氨基硅烷偶合剂等。除这些化合物外，例如有：苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、p-氯苯基三甲氧基硅烷、p-溴甲基苯基三甲氧基硅烷、二苯基二甲氧基硅烷、二苯基二乙氧基硅烷、二苯基硅烷二醇等有机硅烷化合物。
另外，填料具有疏水性时，可原样不动使用。
作为上述填料，例如有玻璃纤维粉、石墨粉、青铜粉、金粉、银粉、铜粉、不锈钢粉、不锈钢纤维粉、镍粉、镍纤维粉等金属纤维粉末或金属粉末，二硫化钼粉、氟化云母粉、焦炭粉、碳纤维粉、氮化硼粉、碳黑等无机纤维粉末或无机粉末，聚氧化苯甲酰聚酯等芳香族耐热树脂粉末，聚酰亚胺粉、四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚物(PFA)粉、聚亚苯基硫醚粉等有机系粉末等之中的1种或2种以上的填料，但并不仅限于这些。
使用2种以上填料时，例如，优选将玻璃纤维粉和石墨粉、玻璃纤维粉和二硫化钼粉、青铜粉和二硫化钼粉、青铜粉和碳纤维粉、石墨粉和焦炭粉、石墨粉和芳香族型耐热树脂粉、碳纤维粉和芳香族型耐热树脂粉等组合。混合方法可采用湿式法或干式法。
上述填料，粉末的平均粒径或平均纤维长优选是10-1000μm。
作为上述PTFE粉与填料的混合比，相对于100份PTFE粉，上述填料优选2.5-100份，更优选5～80份。
作为本发明中的机械力的方法，例如转动方法、搅拌方法等。
本说明书所指的转动，是指加有填料的PTFE粒子之间相互摩擦结合的同时，或该粒子与造粒机内壁接触的同时进行转动的过程。作为用于将PTFE粉与填料转动造粒的造粒机，例如有圆盘回转式造粒机、V形混合机、C形混合机、倾斜圆盘和侧面回转式造粒机等。
图1和图2是为说明本发明的制造方法中所用的圆盘回转式造粒机的断面的模式图。
图1中，1是圆盘回转式造粒机，是由回转圆盘2与侧板3以及具有切碎叶片5的粉碎机4组成的。侧板3从与回转圆盘2相垂直的部分B向内侧倾斜θ角，成为锥形部分C。A为底部直径。将上述结构设计平衡良好，可使加有填料的PTFE粉流6平稳。作为此种造粒机，例如已知有深江工业(株)的高速混合机FS-10型。
粉碎机4的位置与大小对上述填料与粉末的混合、转动、造粒有很大影响，其切碎叶片5的位置在与回转圆盘2相接近的位置，相距为2～3mm，沿容器分散的粉末在被切碎叶片5造粒时，产生的结块均可被粉碎。
另外，注入液体造粒时，为使造粒后的粉末粒径可根据粉碎机4的转数而确定，采用转换器进行无级变速。
回转圆盘2的转数采用定速转动也可以，采用适当的转数，使图2中的粉末流6达到最佳状态即可。
图2中，1～6与前述相同，7表示加有填料的PTFE粉。
回转圆盘2的圆周速度根据上述粉末的种类而异，大约在5～10m/s是适当的。
作为本发明的加有填料的PTFE成型用粒状粉末的制造方法，例如可举出如下的制造方法。
上述圆盘回转式造粒机(内容量10升)内加入PTFE粉600～950g，填料50～400g，回转圆盘以600～800rpm，粉碎机以4000W～4600rpm的速度转动5～10分钟均匀混合。
之后，保持上述转数，将0.3～1重量％的阴离子型表面活性剂的水溶液400～1500ml以2～5分钟加入，然后将该水溶液搅拌0.5～3分钟。
之后，将上述回转圆盘的转速变为50～800rpm，粉碎机的转速变为50～200rpm，通过夹套以蒸汽加热，用10～30分钟使内容物的温度上升至70～75℃的范围，转动0～20分钟造粒。通过上述造粒过程，制得的粒状粉末表观密度大，粉末中的粒子形状呈球形。
之后，取出内容物，在电炉内165℃下干燥16小时，即得本发明的加有填料的PTFE成型用粉末。
加有填料的PTFE成型用粒状粉末物性。
表观密度：0.60g/ml以上
流动性： 6～8次
平均粒径：400～1000μm
抗张强度：100～400kgf/cm2
伸长率： 100～500％
带电量： 50V以下
本发明的加有填料的PTFE成型用粒状粉末的制造条件，可例举如下。
(A)PTFE粉 100份
(B)填料 5～40份
(C)阴离子型表面活性剂
浓度 20℃时临界胶团浓度的 10～40倍
水溶液 30～60份
按此条件，从粒状粉末的流动性方面是有利的。
更优选的：
(A1)PTFE粉末 100份
(B1)玻璃纤维粉或碳纤维粉 10～30份
(C1)全氟辛酸铵
浓度 20℃时临界胶团浓度的 10～20倍
水溶液 40～50份
按此条件，从粒状粉末的表观密度、粒度分布方面来说优良。
实施例
以下，基于实施例对本发明进行更具体地说明，但本发明并不受这些所限。实施例1～4和实施例7～10
向内容量10升的圆盘回转式造粒机(深江工业(株)制，高速混合机FS-10型)中加入PTFE粉(大金工业(株)制Polyflon M-111、全氟丙基乙烯醚0.1摩尔％共聚改性PTFE，粉碎后平均粒径25μm)900g和碳纤维粉(大阪瓦斯化学(株)沥青型碳纤维SG-249)100g，回转圆盘以800rpm，粉碎机以4600rpm的速度转动5分钟均匀混合。
之后，保持上述转数，将如表1所示种类、浓度、数量的表面活性剂水溶液在30秒内加入，然后将该表面活性剂水溶液、PTFE粉以及填料搅拌5分钟。
之后，将上述回转圆盘的转速变为200rpm，粉碎机的转速变为50rpm，通过圆盘回转式造粒机的夹套以蒸汽加热，用20分钟使内容物的温度加热至70℃左右造粒。
之后，取出内容物，在电炉内165℃下干燥16小时，即得本发明的加有填料的PTFE成型用粉末，以此进行以下测试。
表观密度：按JISK6891-5.3测定。
流动性：按特开平3-259925号公报记载的方法，反复填充料斗，测定料斗开放时自然流落的次数。
粒状粉末的粒度分布和平均粒径：从上开始依次重叠10、20、32、48和60目(英寸目)标准筛，在10目筛上装入PTFE成型用粒状粉末，振动筛子，使顺次细小的PTFE成型用粒状粉末粒子向下方落下，求出残留在各筛上PTFE成型用粒状粉末的％比率后，在对数概率纸上标出相对于各筛目开度(横轴)的残留比的累积百分比(纵轴)的刻度，将这些点连成直线，在该直线上求出比率为50％的粒径，把此值定为平均粒径。
抗张强度(以下称TS)和伸长率(以下称EL)：在内径100mm的模具中填装25g粉末，慢慢加压，约30秒钟内，使最终压力达到500kg/cm2，在该压力下保持2分钟，制成预成形体。将预成形体从模具中取出，再将该预成形体装入保持在365℃的电炉内，烧结3小时后，取出，得到烧结体。用JIS3号哑铃将该烧成体冲压成试验片，按照JISK6891-58标准，用总荷重500kg的万能积密材料试验机，以200mm/分的拉伸速度进行拉伸，测定断裂时的应力和伸长率。
带电量，采用Ion systems，Inc.制手提式静电测定仪SFM775进行测定。
结果如表1所示。实施例5和6
实施例1中，除所用PTFE粉的量变为850g和用预先用氨基硅烷偶合剂进行疏水处理的玻璃纤维粉(日本电气硝子(株)制，EPG40M-10A、平均直径12μm、平均纤维长80μm)150g代替碳纤维粉，采用按表1所示的种类、浓度、数量的表面活性剂水溶液外，按实施例1同样方法制成加有填料的PTFE成型用粒状粉末，进行实施例1相同的测试。结果如表1所示。
表1 实验例 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 填料的种类 碳纤维粉 碳纤维粉 碳纤维粉 碳纤维粉 碳纤维粉 碳纤维粉碳纤维粉碳纤维粉碳纤维粉碳纤维粉表面活性剂 种类 SOS SOS SLS SLS DS-101 DS-101 HS-210 HS-210 SOS SLS水溶液中的浓度；A(重量％) 0.75 1 0.3 0.75 0.5 1 0.4 1 6.5 2临界胶团浓度；B(重量％) 0.065 0.065 0.02 0.02 0.04 0.04 0.01 0.01 0.065 0.02 A/B(倍) 11.5 15.4 15.0 37.5 12.5 25.0 40.0 100.0 100.0 100.0水溶液的使用量(ml) 400 400 400 400 400 400 1500 600 400 400水溶液中的含量(g) 3.0 4.0 1.2 3.0 2.0 4.0 6.0 6.0 26.0 8.0 表观密度(g/ml) 0.710 0.750 0.712 0.732 0.812 0.832 0.579 0.598 0.713 0.698 流动性(次) 8 8 8 8 8 8 2 3 8 8粒度分布(重量％ ) 10on 16.8 18.0 12.3 15.2 4.1 4.7 3.1 3.6 27.4 26.2 20on 20.4 21.0 17.6 18.9 23.5 27.0 12.6 20.5 29.5 28.1 32on 43.5 43.8 44.2 43.7 48.2 54.4 36.6 53.9 28.0 30.5 48on 18.5 16.6 25.2 21.6 22.9 12.2 34 20.7 11.2 14.2 60on 0.8 0.7 0.7 0.6 0.9 0.7 10.9 1.1 4.0 1.1 60pass 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 0.6 2.8 0.2 0.0 0.0 PTFE粉造粒后的平均粒径 740 760 690 720 680 730 520 680 1050 970 TS(kgf/cm2) 192 197 203 201 206 210 188 182 75 156 收率(％) 282 283 283 285 295 290 275 273 98 175 Z值(着色) - - - - 90.2 90.5 - - - - 带电量(V) 0 0 0 0 20 10 0 0 0 0
表1中，表示表面活性剂种类的缩写符号如下。
SOS：十四烯基磺酸钠
SLS：月桂基硫酸钠
DS-101：全氟辛酸铵
HS-210：聚氧乙烯壬基苯酚，每含有1摩尔壬基苯酚有环氧乙烷10摩尔
表1粒度分布栏的10on表示在10目筛上的、20on表示在20目筛上的、32on表示在32目筛上的、48on在48目筛上的、60on在60目筛上的残留粒子比率。60pass表示通过60目筛的粒子比率。
表1中的Z值(着色)按以下方法测定。
Z值(着色)测定方法：粒状粉末200g填装入直径50mm的模具内，在成型压力500kg/cm2下保持5分钟，将所得的预成型制品(直径约50mm，高约50mm)自室温以50℃/小时的速度升温至365℃，并在365℃保持5.5小时。之后，在自端部约25mm(中心部位)的位置以旋盘横切，按国际照明委员会制定的XYZ系的Z值测定方法测定切面部位中心的Z值。实施例11和12
向内容量6升的倾斜圆盘和侧面回转式造粒机(日本アイリツト公司制，アイリツト逆流式高速混合机RO2型，底盘与水平面成30度角)中加入PTFE粉(大金工业(株)制Polyflon M-111、全氟丙基乙烯醚0.1摩尔％共聚改性PTFE，粉碎后平均粒径25μm)1080g和碳纤维粉(大阪瓦斯化学(株)沥青型碳纤维SG-249)120g，该混合机的侧面、搅拌机均以1000rpm的速度转动5分钟均匀混合。
之后，保持上述转数，加入如表2所示种类、浓度、数量的表面活性剂水溶液，然后将该表面活性剂水溶液搅拌5分钟。
之后，将上述侧面转数变为1000rpm，搅拌机的转速变为450rpm，通过夹套以蒸汽加热，用20分钟使内容物的温度加热至70℃造粒。
之后，取出内容物，在电炉内165℃下干燥16小时，即得PTFE成型用粉末，测定其重量之后，进行实施例1同样的测试。按以下方法计算收率。
收率：以得到量相对于加入造粒机的PTFE粉和填料总计量的重
量百分比表示。
结果如表2所示。实施例13和14
实施例11中，除所用PTFE粉的量变为1020g，用预先用氨基硅烷偶合剂进行疏水处理的玻璃纤维粉(日本电气硝子(株)制，EPG40M-10A、平均直径12μm、平均纤维长80μm)180g代替碳纤维粉，采用按表2所示的种类、浓度、数量的表面活性剂水溶液外，按实施例11同样方法制成加有填料的PTFE成型用粒状粉末，进行与实施例11相同的测试。结果如表2所示。
表2 实验例 11 12 13 14 填料的种类 碳纤维粉 碳纤维粉 玻璃纤维粉 玻璃纤维粉表面活性剂种类 SOS SOS DS-101 DS-101水溶液中的浓度；A(重量％) 0.75 1.00 0.50 1.00临界胶团浓度；B(重量％) 0.065 0.065 0.04 0.04 A/B(倍) 11.5 15.4 12.5 25.0水溶液的使用量(ml) 480 480 480 480水溶液中的含量(g) 3.6 4.8 2.4 4.8 表观密度(g/ml) 0.745 0.805 0.843 0.863 流动性(次) 8 8 8 8粒度分布(重量％) 10on 2.9 2.4 1.8 0.2 20on 12.8 30.2 26.8 23.3 32on 36.5 55.2 43.3 43.4 48on 34.1 10.9 22.9 26.2 60on 11.1 0.6 5.3 6.8 60pass 2.2 0.6 0.0 0.0PTFE粉造粒后的平均粒径 520 740 670 630得到量(g) 1173 1180 1178 1188收率(％) 97.8 98.3 98.2 99.0TS(kgf/cm2) 195 196 212 211EL(％) 284 285 301 304Z值(着色) - - 91.0 91.2带电量：(V) 0 0 20 10
表2中，表示表面活性剂种类的缩写符号以及粒度分布栏的记号与表1所示相同。表2中，Z值(着色)的测定方法与表1相同。
根据表1和表2的结果可以明显看出，采用特定量的阴离子型表面活性剂制得的加有填料的PTFE成型用粉末，可以制成表观密度大，带电量少、流动性优良、抗张强度或伸长率没有降低由于该表面活性剂产生的着色的成型制品。另外，通过采用机械力手段的圆盘回转式造粒机、特别是倾斜圆盘和侧面回转式造粒机，可以得到粗大粒子少的粒状粉末。
本发明的加有填料PTFE成型用粒状粉末，表观密度大、带电量少，粉末流动性优良，用该成型用粒状粉末制得的成形制品，抗张强度、伸长率无降低，无因表面活性剂产生的着色。
根据本发明的制造方法，不仅可以提供具有上述优良物性的加有填料的PTFE成型用粒状粉末，同时因所用的阴离子型表面活性剂量少，不会因在成型制品内残留而产生不良影响，而且无需后处理，另外，没有使用有机液体的必要性，因此没有火灾的危险，是可以廉价制备粒状粉末的制造方法。