JP2015507059A - 複合ポリマー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2012年2月14日付けで出願された「複合ポリマー(COMPOSITE POLYMER)」という表題の米国仮特許出願第61/598,855号に基づく優先権を受ける権利があり、その利益を主張し、その内容は参照により本明細書に組み入れられる。
本発明は、ポリマーマトリックスを化学木材パルプ繊維と溶融加工することにより誘導される高分子複合材料に関する。
パルプ製造において、木質材料は、ケミカルパルプ化過程で繊維に砕解される。次いで場合により繊維を漂白してもよい。次いでストックチェスト中で繊維と水とを合わせて、スラリーを形成する。次いでスラリーをヘッドボックスに通して、ワイヤー上に置き、脱水し、乾燥させて、パルプシートを形成する。ストックチェスト中、ヘッドボックス中またはその両方で、添加剤を繊維と合わせてもよい。脱水および乾燥の前に、その際に、またはその後に、パルプシート上に材料を噴霧してもよい。クラフトパルプ化過程は、典型的には、木材パルプの製造に使用される。
繊維シートおよび粒子は、12g/m2(gsm)〜2000g/m2の基本重量を有していてもよい。一実施態様において、粒子は、600g/m2〜1900g/m2の基本重量を有していてもよい。他の実施態様において、粒子は、500g/m2〜900g/m2の基本重量を有していてもよい。紙シートの場合、一実施態様は、70gsm〜120gsmの基本重量を有していてもよい。他の実施態様において、板紙は、100gsm〜350gsmの基本重量を有していてもよい。他の実施態様において、特殊な用途の繊維シートは、350gsm〜500gsmの基本重量を有していてもよい。
図1〜3において、粒子10は六角形であり、長さが等しく、他の4つの辺14、16、20、および22よりも長い2つの対向した辺12および18を有する。他の4つの辺14、16、20、および22は示した通りに同じ長さであってもよく、または4つの辺は異なる長さであってもよい。これらの辺のうち2つ、例えば14と20または14と22のような両端にある辺が、同じ長さであってもよいし、両端における他の2辺、16と22または16と20が、同じ長さであってもよいし、または異なる長さを有していてもよい。これらのバリエーションのそれぞれにおいて、辺10および18は、同じ長さであってもよいし、または異なる長さであってもよい。粒子の端部は、鋭くてもよいし、または丸められていてもよい。
図4および5は、六角形の6つの辺それぞれの長さが異なる実施態様を例示する。示された実施態様は例示的なものである。辺の長さの順番と辺の長さのサイズは様々であってもよい。
粒子内の繊維のアライメントは、六角形の長軸に平行であってもよいし、または六角形の長軸に垂直であってもよいし、またはその間のあらゆる方向であってもよい。
またパルプ粒子の他の形態も使用することができる。添加の容易さは、粒子の形状に依存する可能性がある。
溶融加工に好適であると当業界において慣習的に認められている多種多様のポリマーが、ポリマーマトリックスとして有用である。ポリマーマトリックスは、実質的に、特に妨害要素または他の不混和性ポリマーと組み合わされた場合に溶融加工しにくいと言われることもあるポリマーを包含する。これらは、炭化水素ポリマーと非炭化水素ポリマーの両方を包含する。有用なポリマーマトリックスの例としては、これらに限定されないが、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、ポリプロピレン(PP)、ポリオレフィンコポリマー(例えば、エチレン−ブテン、エチレン−オクテン、エチレンビニルアルコール)、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー(例えば、耐衝撃性ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレンコポリマー)、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリエステル、ポリ塩化ビニル(PVC)、フルオロポリマー、液晶ポリマー、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンオキサイド、ポリウレタン、熱可塑性エラストマー、エポキシ、アルキド、メラミン、フェノール系樹脂、尿素、ビニルエステル、またはそれらの組み合わせなどが挙げられる。所定の実施形態において、最も好適なポリマーマトリックスは、ポリオレフィンである。
望ましい物理特性を付与するために、または所定の用途に必要なポリマーの量を少なくするために、化学木材パルプ繊維以外のフィラーおよび繊維が繊維/ポリマーブレンドに添加されてもよい。フィラーは水分を含有することが多いため、ポリマーマトリックス中に存在する相溶化剤の有効性を低下させる。フィラーおよび繊維の非限定的な例としては、木粉、化学木材パルプ繊維以外の天然繊維、ガラス繊維、炭酸カルシウム、タルク、シリカ、粘土、水酸化マグネシウム、および水酸化アルミニウム(aluminum trihydroxide)が挙げられる。
第一の工程では、混合操作でパルプ粒子をポリマーと混ぜ合わせる。混合は、サーモカイネティックミキサー(thermokinetic mixer)またはジェリマットミキサー(Gelimat mixer)で行ってもよい。
第一の段階の実施態様は、材料の65重量%〜85重量%が繊維であるマスターバッチの複合材料と、材料の10重量%〜50重量%が繊維である希釈複合材料(let-down composite)とで両方とも同じである。
理由の1つは、色である。漂白化学木材パルプ繊維は、実質的に全てがセルロースおよびヘミセルロースである。セルロースおよびヘミセルロースはもとの色がないため、複合材料をわずかしか着色しないか、またはまったく着色しないと予想される。一方で、例えばケナフまたは木材繊維全体のような天然繊維などの無漂白繊維は、天然の状態で有色であるか、または熱可塑化処理の温度に加熱すると有色になると予想されるリグニンおよび他の化合物を最大50%有する。無漂白の、天然の、または全体の木材繊維を含む複合材料は、有色、恐らく暗褐色になると予想される。
図10は、50%またはそれ未満の化学木材パルプ繊維を有する高分子複合材料を製造するための方法および装置の実施態様である。
複合材料は、ダイプレート中のダイ開口部を通って押出され、所定サイズに切断される。
溶融ポンプを使用して、ツインスクリュー押出機により発生する圧力および流れの振動を緩衝することにより、連続的な規則正しい押出し物供給を確実にすることができる。
ポリマー中により多くのセルロース木材パルプ繊維を分散させることが必要な場合がある。2つのツインスクリューミキサーの間に、例えば図9に示されるシングルスクリュー押出機などの混合デバイスを配置させる。シングルスクリュー押出機を使用して、さらに繊維を分散させることができる。
この方法は、開口部を通して単一光源を45度の角度でドッグボーンに集中させ、反射光を標準的なスペクトル特性を有するフィルターに通過させて、ドッグボーンの上面に垂直に配置した光検出器によって測定を行う方法である。反射光の量を、機器のメモリに保存された公知のスペクトル特性を有する酸化マグネシウムと比較する。反射光の酸化マグネシウムに対する比率は、パーセンテージで示される。
分散度の測定は、ImageJ(NIH)を使用することによって達成される。ImageJは、http//imagej.nih.gov/ij/download.htmlでダウンロードできるフリーウェアである。以下のカスタムマクロで使用されるエロージョン(Erode)、バックグラウンド減算(Subtract Background)、粒子の分析(Analyze Particles)およびその他のコマンドは、ImageJにおける標準コマンドである。マクロは、標準的なIMageJコマンドを所定の順番で使用するだけで情報を得ることができる。
未分散の粒子の重量=0.0001×[0.5×(未分散の粒子の面積)cm2×(375gsm)+0.5×(未分散の粒子の面積)cm2×(187gsm)]
によって決定される。
未分散の粒子の重量%=100×未分散の粒子の重量/サンプル中の繊維の総重量
によって算出される。
実際のマクロは、以下の通りである。
また、10〜50重量%の木材パルプ繊維と、25〜85重量%の熱可塑性ポリマーとを含む組成物は、別の特性を有することにも留意する。成形された構造の端部は、触覚的な傷がないか、または実質的にない。触覚的な傷とは、手または指を成形された部品の端部に沿って移動させたときに感じることができる傷である。触覚的な傷は、視覚的な傷と区別すべきである。部品が、見てわかる視覚的な端部の傷を有するが、感じることができる触覚的な端部の傷を有さない場合がある。部品の端部は、部品の2つの面と面との間の境界層である。部品の端部は、通常は丸められているか、または部品の面と所定角度をなしている。部品の端部は、丸められているか、または部品の面と90°の角度をなしていることが多い。一実施態様において、端部は、触覚的な傷がないと予想される。他の実施態様において、端部は、端部1フィートまたはそれ未満につき平均して1つまたはそれ未満の触覚的な傷を有すると予想される。他の実施態様において、端部は、端部1フィートまたはそれ未満につき平均して2つまたはそれ未満の触覚的な傷を有すると予想される。用語「1フィートまたはそれ未満」は、合計端部長さが正確なフィート数よりも小さい場合、合計端部長さは、触覚的な傷を決定する際、2番目に大きいフィート長として扱われることを意味する。例えば、構造が8インチの合計端部長さを有する場合、合計端部長さは、触覚的な傷の数を決定する際、1フィートの合計端部長さを有するものとして扱われ、合計端部長さが2フィート4インチの場合、合計端部長さは、触覚的な傷の数を決定する際、3フィートの合計端部長さを有するものとして扱われる。
12、14、16、18、20、22 辺
24 粒子の上部
26 粒子の下部
30 ミキサー
32 ホッパー
34 スクリューフィーダー
36 混合チャンバー
38 ブレード
40 モーター
42 混合チャンバー壁
44 ドア
50 ペレットミル
52 ホッパー
54 繊維/ポリマー複合材
56 穴の開いたプレート
58 アパーチャ
60 ペレット
62 ホイール
64 軸
66 ローター
80 押出機
82 ホッパー
84 バレル
86 スクリュー
88 ダイプレート
90 ピン
92 アパーチャ
100 第一のツインスクリュー押出機
102、104 ホッパー
105 レストリクター
106 開口部
107 レストリクターの上面
108 レストリクターの下面
109、110 側面
120 第二のツインスクリュー押出機
122 ホッパー
Claims (18)
- 10〜50重量%の木材パルプ繊維と、45〜85重量%の熱可塑性ポリマーとを含む組成物であって、ここで40℃においてバッグ中で検出される希釈レベルが、ASTM E679によって決定される場合、450に等しいかまたはそれ未満である、上記組成物。
- 前記木材パルプ繊維が、組成物の20〜40重量%であり、前記熱可塑性ポリマーが、組成物の55〜75重量%である、請求項1に記載の組成物。
- 前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項1に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、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、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項3に記載の組成物。
- 前記組成物が、20〜40重量%の漂白化学木材パルプ繊維と、55〜75重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項3に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、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、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項5に記載の組成物。
- 40℃でバッグ中で検出される前記希釈レベルが、ASTM E679によって決定される場合、400に等しいかまたはそれ未満である、請求項1に記載の組成物。
- 前記組成物が、20〜40重量%の木材パルプ繊維と、55〜75重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項7に記載の組成物。
- 前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項7に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、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、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項9に記載の組成物。
- 前記組成物が、20〜40重量%の漂白化学木材パルプ繊維と、55〜75重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項9に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、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、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項11に記載の組成物。
- 40℃でバッグ中で検出される前記希釈レベルが、ASTM E679によって決定される場合、350に等しいかまたはそれ未満である、請求項1に記載の組成物。
- 前記組成物が、20〜40重量%の木材パルプ繊維と、55〜75重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項13に記載の組成物。
- 前記木材パルプ繊維が、漂白化学木材パルプ繊維である、請求項13に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、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、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項15に記載の組成物。
- 前記組成物が、20〜40重量%の漂白化学木材パルプ繊維と、55〜75重量%の熱可塑性ポリマーとを含む、請求項15に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、バイオポリマー、ポリ乳酸、酢酸セルロース、プロピオン酸セルロース、酪酸セルロース、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン、ポリエチレン、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、ポリスチレン、ポリスチレンコポリマー、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー、スチレンブロックコポリマー、塩化ビニル、および再利用プラスチックからなる群より選択される、請求項17に記載の組成物。
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