JP2009538760A - 熱可塑性ポリマー系を選択的に加熱するためのマイクロ波エネルギーの使用 - Google Patents
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Abstract
【選択図】なし
Description
本出願は、米国特許仮出願第60/809,520号、同第60/809,526号および同第60/809,568号(それぞれが2006年5月31に出願され、それぞれが本明細書に参照として取り入れられている)の優先権を主張するものである。
マイクロ波受容体、すなわち、マイクロ波感受性ポリマーを作るためにベース熱可塑性ポリマーとブレンドする、また反応することができる添加剤、としては、導電性又は磁性材料、例えば、数ある中でも、金属、金属塩、金属酸化物、ゼオライト、炭素、水和鉱物、金属化合物の水和塩、ポリマー受容性材料、粘土、シリケート、セラミック、スルフィド、チタネート、カーバイド、硫黄、無機固体酸又は塩、ポリマー酸もしくは塩、無機もしくはポリマーイオン交換樹脂、マイクロ波受容性化合物で変性された粘土、分子もしくはポリマーマイクロ波受容体を含有する無機又はポリマー物質、有機導体、又はポリマー材料に受容性および選択的加熱をもたらすことができるマイクロ波受容体として有効であり得る他の化合物を挙げることができる。
よりマイクロ波感受性のポリマーを作るために1つ又はそれ以上のマイクロ波受容性添加剤と併せることができるポリマーとしては、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリ乳酸およびポリラクチドポリマー、ポリスルホン、ポリラクトン、ポリアセタール、アクリロニトリル−ブタジン−スチレン樹脂(ABS)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、ポリイミド、スチレン無水マレイン酸(SMA)、芳香族ポリケトン(PEEK、PEKおよびPEKK)、エチレンビニルアルコールコポリマー、ならびにこれらのコポリマー又は混合物から選択される樹脂が挙げられる。ある実施形態において、マイクロ波受容性添加剤と併せることができるポリマーとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、エチレンコポリマー、プロピレンコポリマー、スチレンコポリマー、およびこれらの混合物が挙げられる。他の実施形態において、マイクロ波受容体と併せることができるポリマーとしては、アクリロニトリル系ポリマー、ヒドロキシル基含有ポリマー、アクリル系又はアクリレート系ポリマー、無水マレイン酸含有又は無水マレイン酸変性ポリマー、アセテート系ポリマー、ポリエーテル系ポリマー、ポリケトン系ポリマー、ポリアミド系ポリマー、ならびにポリウレタン系ポリマーが挙げられる。
上で説明したマイクロ波感受性ポリマー材料は、さらなる加工のためにマイクロ波加熱装置を使用して加熱することができる。以下、図1を参照して、本明細書に開示するプロセスの実施形態に従って使用することができるマイクロ波加熱装置10を説明する。マイクロ波加熱装置10の構成要素としては、チューニングピストン11、EHチューナー12、整合用絞り板13、導波管14、ホーン15、マイクロ波チョーク17および下側可動ピストン18が挙げられる。ポリマーシートは、サンプル送りスロット19によってサンプルを送り込み、それらのサンプルを共鳴キャビティー20に通すことにより、マイクロ波加熱装置10によって加工することができる。加熱装置20の動作変数をチューニングして、共鳴キャビティー20において定常波を生じさせることができる。
本明細書に開示する実施形態は、電磁エネルギーを使用して、熱可塑性材料の体積の一部分(後続の二次成形技術でその材料を加工可能にするために十分な部分)を選択的に加熱することによる、熱可塑性材料の効率的変換に関する。本明細書において用いる場合、加工可能とは、熱可塑性物質の少なくとも一部分の、そのバルクプラスチックを混合する、トラスファー成形する、造形する、型打ちする、射出する、押出すなどして製品を作るために十分な溶融状態又は軟化の備えを意味する。熱可塑性基体の加熱は、その基体の全体積に浸透するおよびマイクロ波感受性領域に優先的に吸収される能力を有する電磁エネルギー、例えばマイクロ波、への暴露によって達成することができる。
一部の実施形態において、本マイクロ波感受性ポリマーは、多層構造の中に、不連続層(又は幾つかの層)として、それらのマイクロ波感受性層を後続の二次加工又は加工の前に優先的に加熱することができるように、組み込むことができる。その後、熱エネルギーは、これらの層から、本質的にマイクロ波エネルギー「透過性」である隣接ポリマー層へと伝導され、その結果、そのポリマー構造全体が、従来の加熱システムでより急速に必要二次加工温度に到達できる。一部の実施形態では、半結晶質材料、例えばポリオレフィン又はポリアミドを熱成形する際に、A/B/A構造が有用であり得る。
図4から7を参照して、A層が本質的にマイクロ波エネルギー透過性であり得、およびB層がマイクロ波エネルギー感受性であり得る、図2に示すものに類似した三層A/B/Aシート系のマイクロ波加熱および放射加熱のモデリングからの結果を示す。この多層A/B/A構造をマイクロ波エネルギーによって加熱して、B層を優先的に加熱することができる。その後、熱エネルギーは、A層に伝導され得る。
上記の結果を生ずるために使用したモデルは、マイクロ波感受性ポリマーが熱成形サイクル、特に、加熱サイクルに対して及ぼすことができる効果を推定するためにも使用することができる。積層シート(厚さの60%が、マイクロ波感受性の芯Bである、A/B/Aポリプロピレンシート)を代表的な熱成形温度に加熱するために必要な時間を概算した:指定時間内に指定厚のシートを加熱するために必要なワット数を計算した。その結果を図8に提示する。これらの結果は、所要電力約100kWが、3秒という少ない加熱サイクル時間を生じさせ得ることを示しており、これはサイクル時間の有意な低減と言うことができる。厚手シート(10mm又はそれ以上)については、従来の加熱システムで達成されるものに匹敵する300秒のサイクル時間を、それより低い所要電力で達成することができる。
ゼオライトAおよび酸化鉄(Fe3O4)を、選択的加熱プロセスにおいて評価した。これら2つの添加剤を選択するために用いた基準としては、それらの添加剤の有効性(マイクロ波エネルギーに対する応答)、コストおよび必要負荷量、環境、健康および安全性の懸念が挙げられた。ポリマー特性(粒径、形態および他の特性に基づく)に対してこれらの添加剤が有すると予測される影響も考慮した。例えば、図10は、ゼオライトAがPPおよびABSに対して有し得るアイゾッド衝撃の増加の例証となる実験室データを提示するものである。
Claims (17)
- マイクロ波感受性ポリマー領域を含む熱可塑性材料を加工するための方法であって、
マイクロ波加熱装置において該マイクロ波感受性ポリマー領域をマイクロ波に暴露して、該マイクロ波感受性ポリマー領域の温度を上昇させる工程;および
該熱可塑性材料を加工する工程
を含む方法。 - 1MHzから300GHzの範囲の周波数を有するマイクロ波を発生させることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記マイクロ波加熱装置をチューニングすることをさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 実質的にマイクロ波エネルギー透過性である熱可塑性材料と少なくとも1つのマイクロ波受容性添加剤とを混合して、マイクロ波感受性ポリマー作ることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記マイクロ波感受性添加剤を水和することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 多層複合材に前記マイクロ波感受性ポリマーを1つの層として配置することをさらに含む、請求項4に記載の方法。
- 前記多層複合材が、前記マイクロ波感受性ポリマー層と少なくとも1つのマイクロ波透過性層とを含む、請求項6に記載の方法。
- 前記熱可塑性材料が、2又はそれ以上の層を含む積層シートとして形成され、および1つ又はそれ以上の層が、前記マイクロ波感受性ポリマー領域により構成される、請求項1に記載の方法。
- 前記積層シートが、100μmから25mmの総厚を有する、請求項8に記載の方法。
- 前記積層シートを作ることをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記積層シートを乾燥させること、前記積層シートをベント式押出機において二次成形すること、前記マイクロ波受容性添加剤を乾燥させること、又はこれらの組み合わせをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 作られた積層シートを冷蔵庫の構成要素として使用することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記熱可塑性材料の加工が、その熱可塑性材料の混合、トラスファー成形、造形、型打ち、射出、二次成形、成形および押出のうちの少なくとも1つ、ならびにそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記熱可塑性樹脂の加工が、溶融加工技術を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融加工技術が、射出成形法、押出、押出−ブロー成形、トランスファー成形、ブロー成形、射出−発泡成形、熱成形、シート押出、共押出、発泡押出、発泡成形、射出延伸ブロー成形、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項14に記載の方法。
- 前記加工が、結果として、フィルム、発泡体、異形材、配合ペレット、繊維、織布、不織布、糸、成形パーツ、複合材、およびラミネートのうちの少なくとも1つを生じさせる、請求項1に記載の方法。
- 前記織又は不織布が、セルロース系繊維をさらに含む、請求項16に記載の方法。
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