FI130170B - Biohajoava muovikuula - Google Patents

Abstract

Keksinnön kohteena on kuula, joka koostuu biohajoavasta polymeeristä ja yhdestä tai useammasta lisäaineesta, kuten kompaundointivaiheessa polymeerimassaan lisätystä sähköstaattisen varauksen poistavasta aineesta, tiheyttä kasvattavasta aineesta, lujuutta/kovuutta muuttavasta aineesta ja/tai vastaavasta. Kuulan on valmistettu polymeerien valmistukseen yleisesti soveltuvalla menetelmällä, kuten ruiskuvalamalla, oleellisesti pallon muotoiseksi ja hiomalla ja/tai kiillottamalla se lopulliseen muotoonsa kaksipuoleisella hierrolla, rumpuhionnalla ja/tai vastaavasti. Kuulassa käytetty biohajoava polymeeri on polybuteenisukkinaattia (PBS).

Description

Biohajoava muovikuula

Keksinnön kohteena on siihen kohdistuvan itsenäisen pa- tenttivaatimuksen johdanto-osan mukainen kuula.

Muovista, oleellisesti polymeerin ja lisäaineiden seok- sesta, valmistetaan nykyisin suuria määriä erilaisia esi- neitä niiden helpon muovattavuuden, tehokkaan valmistuk- sen ja teknisten ominaisuuksien ansiosta.

Biomuovit ovat muoveja, jotka koostuvat osittain tai ko- konaan uusituvista luonnonmateriaaleista, tai ne hajoavat tietyissä olosuhteissa. Biomuovit voidaan edelleen jakaa biopohjaisiin ja -hajoaviin muoveihin. Biopohjaiset muo- vit valmistetaan uusiutuvista materiaaleista, kuten sel- luloosasta, ligniinistä, kitiinistä, villasta tai tärk- kelyksestä. Biopohjaiset muovit eivät välttämättä ole kuitenkaan biohajoavia, vaan näistä materiaaleista voi- daan valmistaa myös biohajoamattomia muoveja. Biohajoa- viksi kutsutaan muoveja, jotka hajoavat materiaalista riippuen korkean lämpötilan teollisessa kompostissa tai alhaisemman lämpötilan kotikompostissa vedeksi ja hiili- dioksidiksi. Biohajoavat muovit voidaan valmistaa bio- pohjaisista materiaaleista, mutta myös fossiilisista 3 25 raaka-aineista.

S

KN Sekä biohajoavasta että -hajoamattomasta muovista val- > mistettuja kuulia käytetään nykyisellään airsoft- eli , muovikuula-aseissa ammuksina. Ammukset ovat eri painoi-

S 30 sia, pallon muotoisia muovista valmistettuja kuulia, joi- = den halkaisija on tyypillisesti 5,9-6,1 mm ja paino tyy-

N pillisesti 0,12-0,48 g. Yleisesti ammuksissa käytetty muovilaatu on biohajoamaton akryylinitriilibutadieenis- tyreeni (ABS).

Ulkotiloissa tapahtuvia pelejä varten ABS-polymeeristä valmistetut kuulat ovat kuitenkin varsin usein kiellet- tyjä, sillä kuulien kerääminen maastosta ei ole käytän- nössä mahdollista. ABS-polymeeri ei hajoa luonnossa, jol- loin muovijäte kerääntyy pelipaikkaan aiheuttaen vahinkoa ympäristölle. Tästä syystä ulkotiloissa tapahtuvissa airsoft-peleissä käytetään biohajoavia muovikuulia. Ny- kyisellään biohajoavat kuulat valmistetaan esimerkiksi polylaktidista (PLA, (C3H:02)n), joka valmistetaan tyypil- lisesti uudistuvista, biopohjaisista materiaaleista, ku- ten tärkkelyksistä. PIA on kuitenkin käytännössä osoit- tautunut hitaasti maaperässä tai kotikompostissa hajoa- vaksi ja vaatii siten teollisen kompostoinnin, jossa läm- pötila nostetaan hajoamisen tehostamiseksi yli 60°C:een.

Joissakin tapauksissa biohajoavia kuulat on valmistettu siten, että polymeerikuorien sisään on järjestetty or- gaaninen ydin, jonka tarkoituksena edesauttaa nopeampaa biohajoamista. Tällaisten kuulien valmistusprosessi on kuitenkin monimutkaisempi ja kalliimpi verrattuna ruis- kuvalettuun muovikuulaan, ja niiden säilyvyys on heikompi orgaanisen ytimen vuoksi.

N 25 Muovista valmistetut kuulat voidaan valmistaa tavanomai- > silla muovikappaleiden valmistukseen soveltuvilla mene- 7 telmillä, kuten ruiskuvalamalla. Ruiskuvalussa kuulat > voidaan valaa muotissa suoraan pallon tai puolipallon

E muotoon, jolloin jälkimmäisessä kaksi puolipallon muo-

S 30 toista kappaletta liitetään yhteen valun jälkeen. Vala- = misen jälkeen pallot täytyy hioa ja kiillottaa lopulli-

N seen muotoonsa. Hionnan ja kiillotuksen tarkoituksena on poistaa valupurseet ja muut valujäljet kuulan pinnalta,

viimeistellä pinta vaadittuun pinnankarheuteen ja var- mistaa kuulan pallomaisuus.

Muovista valmistettuja kuulia käytetään myös urakuula- laakereiden tai venttiilien kuulina, kun vaaditaan puh- tautta ja kosteudenkestoa, esim. elintarviketeollisuu- dessa, kosmetiikka- tai lääkepakkauksissa tai vedenalai- sissa laakeroinneissa tai vastaavissa, joissa perinteiset metallilaakerit korrodoituvat ja/tai aiheuttavat konta- minaatioriskin.

Julkaisussa US 2015198427 on kuvattu polybuteenisukki- naatista ja epäorgaanisesta materiaalista, kuten ba- riumsulfaatista, kalsiumkarbonaatista tai sinkkijau- heesta koostuva kuula, joka valmistetaan ruiskuvalamalla ja edelleen hiomalla ja kiillottamalla. Julkaisun mukai- sen kuulan halkaisija on 6,03 mm ja se on tarkoitettu käytettäväksi ilma-aseen ammuksena.

Julkaisussa JP 2002013607 on puolestaan kuvattu kuula- ruuvissa käytettäväksi tarkoitettu pallon muotoinen kuula, joka on valmistettu ruiskuvalamalla ja koostuu polybuteenisukkinaatista ja erilaisista lisäaineista ku- ten antistaattisesta aineesta. 3 25

O Fdelleen julkaisuissa JP 2002363391 ja EP 3395879 kuva- 7 taan kuula, joka koostuu biohajoavasta polymeeristä ja > lisäaineista. Julkaisuiden mukaisten keksintöjen yhtenä , sovellusmuotona biohajoava polymeeri on polybuteenisuk-

S 30 kinaattia ja lisäaineina erilaisia hiili- tai metalli- = kuituja, antistaattisia aineita, tai mineraaleja. Kuula

N on tarkoitettu käytettäväksi kuulaventtiilissä tai -laa- kerissa.

Nyt esillä olevan keksinnön mukaisen, biohajoavasta PBS- polymeeristä ja lisäaineista valmistetun kuulan tarkoi- tuksena on saada aikaan ratkaiseva parannus edellä esi- tettyihin ongelmiin ja siten kohottaa oleellisesti alalla vallitsevaa tekniikan tasoa. Tämän tarkoituksen toteut- tamiseksi keksinnön mukaiselle kuulalle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty siihen kohdistuvan itsenäisen patenttivaatimuksen tunnusmerkkiosassa.

Keksintö mahdollistaa biohajoavasta materiaalista val- mistetun, luontaisissa olosuhteissa itsestään hajoavan kuulan, joka soveltuu useisiin käyttötarkoituksiin.

Polybutyleenisukkinaatti (PBS, (CsH1204)n) on kestomuo- viksi luokiteltu biohajoava polymeeri, joka voidaan val- mistaa biopohjaisesti, mutta myös fossiilisista raaka- aineista. Perinteisesti PBS-polymeeri valmistetaan pet- rokemian tuotteena fraakaöljystä tuotetuista kemikaa- leista, kuten pääraaka-aineina toimivista meripihkaha- posta ja 1,4-butaanidiolista. Nämä raaka-aineet voidaan kuitenkin molemmat valmistaa myös biopohjaisesta raaka- aineesta. Biopohjaisen PBS:n valmistukseen käytetään uu- siutuvia raaka-aineita, kuten esimerkiksi sokeriruokoa, maniokkia tai maissia, ja sen valmistus on patentoitu

N 25 Mitsubishi Chemical Corporationin toimesta ja sitä mark- > kinoidaan tuotemerkillä BioPBS™. PBS-polymeeri hajoaa 7 merkittävästi alhaisemmassa lampdtilassa PLA-muoviin verrattuna, hajoten biomassaksi, vedeksi ja hiilidioksi-

E diksi jo 30°C lämpötilassa, jolloin se soveltuu kompos-

S 30 toitavaksi kotikompostissa tai ulkoilmakaatopaikoilla. 5 Se voidaan hävittää muun biojätteen seassa.

N

PBS:n ominaisuudet ovat samankaltaiset kuin polypropee- nilla (PP) tai polyeteenitereftalaatilla (PET). Näiden ominaisuuksien ansiosta PBS-polymeeriä voidaan jalostaa muoviteollisuuden käyttökohteisiin ja siitä valmistettu- jen tuotteiden valmistusprosesseissa voidaan käyttää ole- massa olevia valmistusmenetelmiä, kuten ruiskuvalua ja 5 erilaisia hionta- ja kiillotusmenetelmiä.

Keksinnön mukaisen kuulan polymeerimateriaali on näin ol- len polybuteenisukkinaattia, johon on lisätty valmistus- vaiheessa erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia muokkaa- via ja parantavia lisäaineita, jolloin saavutetaan omi- naisuuksiltaan kulloiseenkin käyttötarkoitukseen, kuten esimerkiksi ulkotiloissa tapahtuviin airsoft-peleihin aseen ammukseksi, soveltuva biohajoava muovikuula.

Keksinnön mukaisen kuulan muita edullisia sovellutuksia on esitetty siihen kohdistuvissa epäitsenäisissä patent- tivaatimuksissa.

Seuraavassa selityksessä keksintöä havainnollistetaan yksityiskohtaisesti.

Keksinnön kohteena on kuula, joka koostuu biohajoavasta polymeeristä ja yhdestä tai useammasta lisäaineesta, ku- ten kompaundointivaiheessa polymeerimassaan lisätystä

N 25 sähköstaattisen varauksen poistavasta aineesta, tiheyttä > kasvattavasta aineesta, lujuutta/kovuutta muuttavasta 7 aineesta ja/tai vastaavasta. Kuula on valmistettu poly- > meerien valmistukseen soveltuvalla menetelmällä, kuten , ruiskuvalamalla, oleellisesti pallon muotoiseksi ja hio-

S 30 malla ja/tai kiillottamalla se lopulliseen muotoonsa kak- 5 sipuoleisella hierrolla (double sided lapping), rumpuhi-

N onnalla (barrel tumbling) ja/tai vastaavasti. Kuulassa käytetty biohajoava polymeeri on polybuteenisukkinaattia

(PBS) ja tiheyttä kasvattavana aineena kuulassa on käy- tetty ceriumoksidia.

Täyteaineena on ceriumoksidin lisäksi mahdollista käyttää kulloiseenkin käyttötarkoitukseensa sopivasti esim. jau- hemaisia metallioksideja; kuten alumiinioksidia, magne- siumoksidia tai vastaavia; puhtaita metallijauheita, ku- ten natriumia; seosmetallijauheita; metallien, puolime- tallien ja alkalimetallien suoloja; kuten piidioksidia ja/tai vastaavia; mineraaleja, mineraali- ja ioniyhdis- teitä; kuten bariumsulfaattia, kalsiumhydroksidia eli kalkkia, magnesiumhydroksidia, kalsiumkarbonaattia, do- lomiittia, kaoliinia, alumiinihydroksidia, wollastoniit- tia ja/tai piimaata; lasi-, hiili-, aramidi- tai luon- nonkuitua tai -filamenttia ja/tai vastaavaa.

Keksinnön edullisena sovellutuksena on em. täyteaineiden tiheys muovimassan kokonaistiheyden kasvattamiseksi vä- hintään 1,27 g/cm3. Sidospolymeerinä toimivan biohajoavan polybuteenisukkinaatin määrä massassa on keksinnön edul- lisena sovellutuksena 22-60 painoprosenttia, sopivimmin 34-60 painoprosenttia, vaadittujen kovuus-/lujuusominai- suuksien saavuttamiseksi.

N 25 Kuulat on mahdollista valmistaa millä tahansa muovien > valmistukseen soveltuvalla menetelmällä, kuten ruiskuva- 7 lamalla, jolloin muovimassasta valmistettu granulaatti > syötetään valukoneen ruiskutusruuviin, sulatetaan ja , ruiskutetaan muottiin. Jäähdytyksen jälkeen muotti ava- 5 30 taan ja valettu muovikappale poistetaan muotista.

N

& Pienikokoisia kuulia valettaessa muotissa on kerralla useita samanlaisia kappaleita. Yksittäiset kuulat ero- tellaan joko käyttämällä valumenetelmää, jossa kuulat irtoavat valukanavista muotin avautuessa, tai vaihtoeh- toisesti leikkaamalla kuulat valun jälkeen irti kanavien muodostamasta tukirakenteesta. Valun jälkeen kuulat hio- taan, mikä on toteutettavissa millä tahansa pallomaisten kappaleiden hiontaan soveltuvalla menetelmällä, kuten esim. kahden hiontalevyn välissä tapahtuvalla hierrolla (double sided lapping), rumpuhionnalla (barrel tumbling) ja/tai vastaavasti, jossa valussa syntyneet jäljet ja mahdolliset purseet poistetaan ja kuulan pallomaisuutta parannetaan. Hionnan jälkeen kuulat kiillotetaan pinnan- karheuden lopulliseen laatuun esim. edellä mainituilla prosessoinneilla ja sopivalla kiillotusaineella, minkä jälkeen ne edelleen sihdataan tavoitekoosta poikkeavien kuulien löytämiseksi.

Keksinnön edullisena sovellutuksena valmistettavassa kuulassa on käytetty ainakin yhtä antistaattia eli staat- tisen sähkön poistavaa ainetta. Tässä yhteydessä edelleen edullisena sovellutuksena on lisäaineena käytetty ensin- näkin pysyvästi staattisen sähkövarauksen poistavia ai- neita, kuten sähköä johtavalla, polymeerin ja suolojen muodostamalla polymeerielektrolyytillä ja/tai sähköä johtavalla hiilellä, grafeenilla ja/tai vastaavalla, ja/tai ympäröivän ilman kosteutta absorboivia hygroskoop-

N 25 pisia kostuttimia, kuten kosteutta absorboivia suoloja, 3 pintajohtavuuden aikaansaamiseksi.

K

= Keksinnön edelleen edullisena sovellutuksena kuulat on

E pinnoitettu staattisen sähkövarauksen poistamiseen tar-

S 30 koitetulla aineella, kuten ympäröivän ilman kosteutta ak- = sorboivilla hygroskooppisella kostuttimella, pintajohta- & vuuden aikaansaamiseksi.

Keksinnön edelleen edullisena sovellutuksena kuulat on tarkoitettu käytettäviksi erityisesti muovikuula- eli airsoft-aseen ammuksena, tai vaihtoehtoisesti esim. laakerikäytössä urakuulalaakerin kuulana tai vastaavana, kuulan halkaisijan ollessa tällöin esimerkiksi teräslaa- kerikuulan standardimittoja vastaavasti halkaisijaltaan välillä 0.25 - 51 mm. Keksinnön mukaisia kuulia on mah- dollista käyttää myös esim. venttiileissä merkittävästi suurempihalkaisijaisina.

On selvää, että keksintö ei rajoitu edellä esitettyihin tai selitettyihin sovellutuksiin, vaan sitä voidaan kek- sinnön perusajatuksen puitteissa muunnella olosuhteista riippuen käyttämällä kuulan valmistuksessa kulloinkin parhaiten tarkoitukseen sopivaa PBS-polymeerin, muiden polymeerien ja/tai lisäaineiden seosta. PBS-polymeerin ominaisuuksia voidaan muokata esim. nanokomposiiteilla, kuten kuiduilla ja metalli- tai metallioksidinanopartik- keleilla, jolloin polymeerin lujuus kasvaa ja/tai bioha- joavuus lisääntyy. Edelleen kuula on mahdollista lisäai- neistaa esim. materiaalilla, joka saa kuulan hohtamaan pimeässä aseen valojuovalaitteessa tapahtuvan valotuksen jälkeen, jolloin airsoft-ammuksena käytettäessä kuulan lentorataa voidaan arvioida myös hämärissä olosuhteissa.

N 25 Kuulat on mahdollista myös värjätä paremman havaittavuu- » den aikaansaamiseksi, tai pinnoittaa ne väriaineella osu- 7 man havaitsemiseksi. Kuulan koko, tiheys ja paino voivat vaihdella kulloisenkin käyttötarkoituksen mukaan, jol-

E loin biohajoavia kuulia on mahdollista käyttää esim. hau-

S 30 likon hauleina, erilaisissa ilma-aseissa tai peleissä, = jolloin käytettävän kuulan koko voi vaihdella merkittä-

N västi. Sovelluksesta riippuen kuula voidaan edelleen pin- noittaa metallilla pintaominaisuuksien muokkaamiseksi tai kestävyyden parantamiseksi, esim. venttiilikäytössä.

Claims (10)

Patenttivaatimukset:

1. Kuula, joka koostuu biohajoavasta polymeeristä ja yhdestä tai useammasta lisäaineesta, kuten kompaundoin- tivaiheessa polymeerimassaan lisätystä sähköstaattisen varauksen poistavasta aineesta, tiheyttä kasvattavasta aineesta, lujuutta/kovuutta muuttavasta aineesta ja/tai vastaavasta, kuulan ollessa valmistettu polymeerien val- mistukseen soveltuvalla menetelmällä, kuten ruiskuvala- malla, oleellisesti pallon muotoiseksi ja hiomalla ja/tai kiillottamalla se lopulliseen muotoonsa kaksipuoleisella hierrolla, rumpuhionnalla ja/tai vastaavasti, jolloin kuulassa käytetty biohajoava polymeeri on polybuteeni- sukkinaattia (PBS), tunnettu siitä, että kuulan tiheyttä kasvattava aine on ceriumoksidia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kuula, tunnettu siitä, että polybuteenisukkinaatin (PBS) määrä kuulassa on 22-60 painoprosenttia, sopivimmin 34-60, painoprosent-

tia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kuula, tun- nettu siitä, että lujuutta/kovuutta muuttavana lisäai- N neena on metallijauhe, mineraali, lasi-, hiili-, aramidi- N tai luonnonkuitu tai -filamentti ja/tai vastaava. S

= 4. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-3 mukai- E nen kuula, tunnettu siitä, että sen valmistukseen käy- N tetty polymeeri on seostettu pysyvällä staattisen sähkö- > varauksen poistamiseen käytettävällä lisäaineella, kuten 3 sähköä johtavalla polymeerin ja suolojen muodostamalla polymeerielektrolyytillä ja/tai sähköä johtavalla hii- lellä, nanohiilellä, grafeenilla ja/tai vastaavalla.

5. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-3 mukai- nen kuula, tunnettu siitä, että sen valmistukseen käy- tetty polymeeri on seostettu staattisen sähkövarauksen poistamiseen käytettävällä lisäaineella, kuten ympäröi- vän ilman kosteutta absorboivalla hygroskooppisella kos- tuttimella pintajohtavuuden aikaansaamiseksi.

6. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-3 mukai- nen kuula, tunnettu siitä, että kuula on pinnoitettu staattisen sähkövarauksen poistamiseen käytettävällä 1i- säaineella, kuten ympäröivän ilman kosteutta absorboi- valla hygroskooppisella kostuttimella pintajohtavuuden aikaansaamiseksi.

7. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-6 mukai- nen kuula, tunnettu siitä, että kuula on tarkoitettu käy- tettäväksi muovikuula-aseen (airsoft) ammuksena.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kuula, tunnettu siitä, että kuulan halkaisija on 2-10 mm, sopivimmin 5,9- 6,1 mm.

9. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-6 mukai- N nen kuula, tunnettu siitä, että kuula on tarkoitettu käy- 3 tettäväksi laakerointitarkoituksissa. K >

10. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-6 mukai- a nen kuula, tunnettu siitä, että kuula on tarkoitettu käy- tettäväksi venttiileissä. s