JP2001527474A - 焼結された多孔性プラスチック製品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱可塑性高分子等からなる多孔性製品（１０）は、焼結ペレット、殊にマイクロペレット（１６）及び／又は高分子の水冷顆粒化法やウォーターリングペレタイジング法の如き高速水冷ペレタイジング法により作られたペレットから形成される。これらのペレットはサイズ及び形状が均一であり、直交する３軸の長さがほぼ等しく、それ故多孔性製品（１０）は平滑な表面を有し、孔サイズ分布は鋭く、高強度で他の性能も優れている。多孔性製品（１０）は制汗剤や消臭剤のアプリケータヘッド、排水処理用泡発生器及び選択性濾過器等の用途を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 焼結された多孔性プラスチック製品及びその製造方法 発明の背景 本発明は焼結法により熱可塑性高分子及び類似物（以下、熱可塑性高分子等と 言う）から多孔質製品を製造する方法並びにその製造法により得られる多孔質製 品に関する。 熱可塑性高分子等の多孔質製品は、一般に多孔性プラスチックスと呼ばれ、指 向性のない孔が相互に連結した（即ちオープンセルの）特徴を有する構造である 。孔の大きさは典型的に５〜５００ミクロンである。この構造体はビッキング、 ベンチング（通気）、フィルタリング（濾過）及びスパージング（散布）等の性 能を伴った広範囲の製品となる。多孔性プラスチック製品は、ニッブ（筆先）、 カテーテルベント、圧縮処理されたエアーフィルタ、水フィルタ、排水処理用デ ィフューザ等の物品を含む。 多孔性プラスチックスは焼結体として製造される。焼結とは、圧力を加えるか 或いは加えずに、熱により個々の粒子を溶融し、多孔性構造体に形成するプロセ スを云う。この焼結プロセスは熱可塑性高分子等個々の粒子の形態からなる原料 に適用される。 ある種の高分子には焼結加工が大層困難であると言う問題がある。例えば低密 度ポリエチレン及びポリウレタンは従来から焼結加工は不可能であると思われて 来ており、そのような「難焼結性」高分子が存在すると信じられてきている。更 に、高分子は原則的にペレットの形態、直径が１／８から１／４インチ程度の大 きさの典型的には棒又はシリンダ様のナゲット形状のものとして販売されて来て いる。もしもペレットが大き過ぎると、孔サイズが適切な用途に向くように焼結 加工することが不可能となる。ペレットを原料として好ましい粒子サイズになる ように粉砕することは可能であるが、そのような微細化は困難であり、しかも製 造コストが嵩む。焼結用プラスチックスの原料がフレーク又は粉末として市販さ れているプラスチックスは僅かである。 使用されている製品であって、その機能が充分に満足できる多孔性プラスチッ ク製品は少くない。例えば、クリーム、ゲル等を含む流体からなる制汗剤及び消 臭剤のアプリケータとして使用される多孔性プラスチックスのアプリケータヘッ ドは多少摩耗し易い。その結果、使用者は肌に掻き傷をつくる。別な例として、 多孔性プラスチックは、排水処理における排水に酸素を供給する泡立器やディフ ューザとしてしばしば利用される。多孔性プラスチック壁を有する、水中に浸漬 されている中空チューブの穴を通して空気が圧入される。空気は水中を浮上して 外側の壁から泡として排気される。酸素は水中において個々の泡の回りに拡がる 。従来の多孔質プラスチック泡立器は孔のサイズが広い範囲に及んだため、生じ る泡も広範囲となっていた。ところが、大きな泡の放出はガス移動の効率を低下 させてしまう。選択的濾過性の別の例を示す。孔サイズの分布が広い範囲に及ぶ と性能が低減する場合である。選択的濾過性には、特定サイズの粒子を濾過する か又は濾別するが、そのサイズよりも僅かに小さな粒子は濾別しないという条件 が求められる。この濾過要件から孔サイズが広い範囲に分布する多孔性媒体は使 用できないことになる。発明の概要 本発明によれば、特定のサイズよりも小さい、即ち、直径が１／８インチより も小さい球形のペレットを、殊に直径が０．０６インチ以下のマイクロペレット を、使用することにより、高分子の焼結加工性が改良される。好ましい実施態様 として、本発明に供するペレットは高分子を水冷下で顆粒化して得られるもので ある。改良された実施例に示すように、低密度ポリエチレンを水冷下で顆粒化す ると、このポリエチレンは極めて容易に焼結加工できることが判明した。 水冷下で顆粒化するプロセスにおいては、高分子の押出物はダイからダイに接 触している水の中に移送され、そこで押出物はカットされ、冷 却され、ほぼ瞬時に固化される。別な選択肢として、ペレットはウォーターリン グペレタイジング法によって造られる。この顆粒化プロセスは水冷下における顆 粒化プロセスと類似しているが、水がダイに直接接しないものである。むしろ、 押出物はダイ面の回転刃によりカットされ、直ちにダイの近傍にあるウォーター リングで冷却される。水冷下における顆粒化プロセス及びウォーターリングペレ タイジングプロセス共に、押出物は押出成形の特定な位置でカットされる。これ ら２つのプロセスは一般に高速水冷ペレタイジング（顆粒化）法と称される。 直交する３軸に沿ったペレットの寸法は、それぞれ直径と考えることができる が、１つの稜は他の稜の長さとほぼ等しく、しかもこれらのペレットは通常使用 されている粒子より球形に近い。このペレットは実質的に同じサイズであって、 形状も均一であるうえに、粉砕法の粒子よりも一層均一である。結果として、本 発明の焼結加工法による多孔性プラスチック製品は、従来法で焼結された多孔性 プラスチックスよりも密度が高い。 熱可塑性高分子等の高速水冷ペレットを焼結加工した製品は、他の可塑性材料 の粒子を焼結したものと比べて一層滑らかな表面を備える。結果として、高速水 冷ペレットを焼結加工して得られた制汗剤用や消臭剤用のアプリケーションヘッ ドは使用者の肌を擦過することがない。このことは、本発明による個々の粒子の 形状が従来法の焼結体の粒子に比べて一層真球状である事実に起因する。 ペレット、殊にマイクロペレット及び高速水冷法で得られるペレット、特に高 速水冷法のマイクロペレットは孔サイズが極めて狭い範囲となる焼結部分を形成 する。これはある種の用途に極めて有利な性能である。例えば、高速水冷法のマ イクロペレットを焼結加工して得た多孔性プラスチックの泡立器において、均一 な孔サイズ構造は効果のない大きな泡の発生を抑制し得る可能性を有する。他の 例として、本発明による高速水冷法のマイクロペレットを焼結加工して得られる 多孔性プラスチックフィルタは比較的狭い範囲の孔分布を備え、そして、特定の サイズの液 体やガスを篩分け、しかも僅かに小さなサイズのものは排除しないという鋭い選 択的濾過特性を有する好ましいものである。 高速水冷法のペレット、殊にマイクロペレットを焼結加工して得られる多孔性 プラスチック材料の更なる利点は、従来法の材料と比べて引張強度が極めて高い ことであり、従来法の材料と比べて荷重下におけるクリープが実質的に少ないこ とであり、従来の材料と較べて耐溶媒性に優れ、流体が流動する際の圧力損失が 大きいことが挙げられ、更に従来の材料から造られる部品と較べて寸法の変動が 少ないという点である。図面の簡単な説明 図１は、本発明の熱可塑性高分子からなる高速水冷マイクロペレットを焼結加 工して得た消臭剤用のアプリケータヘッドの断面部分を示す正面図である。 図２は図１のアプリケータヘッドの拡大図である。 図３は図１のアプリケータヘッドの平面図である。 図４は図２の４−４線に沿った断面図である。 図５は本発明における高速水冷マイクロペレットの拡大図である。 図６は液体容器の中での高速水冷マイクロペレットから焼結形成された泡の模 式図である。及び、 図７はフィルタとして用いられる高速水冷マイクロペレットを焼結加工して得 た濾過材料の模式図である。実施態様の説明 本発明によれば、多孔性のプラスチック製品は熱可塑性高分子等からなるペレ ットを、常温よりも高い温度において、常圧よりも高い圧力下に置くか又は置か ずに、焼結加工して造られる。ペレットは、その直径が１／８インチ以下、通常 直径は０．０６インチ以下であり、そして出発原料としての熱可塑性高分子等を 、例えば水冷下の顆粒化法又はウォーターリングペレタイジング法のような高速 水冷ペレタイジング法によ って生産する。水冷下の顆粒化法の典型的な生産設備では、押出機はフィードス クリューが水平方向に装着され、加熱チャンバーの中で回転する構成である。ス クリューが継続的に回転すると、加熱チャンバーを介してフィードホッパーから プラスチックが搬送されて、そこでプラスチック溶融体となり、そして溶融した プラスチックは押出機の末端に装着されたダイの穴を通って吐出される。プラス チックは押出工程において充分溶解しているが、なお高い粘性を有する。回転す るフィードスクリューは充分な圧力を生じさせてダイの穴から溶融したプラスチ ックを押出す。 溶融したプラスチックは、押出物と称され、ダイの穴の大きさに対応してロッ ドやストランド（紐）の形状でダイから吐出される。水冷下顆粒化法はしばしば マイクロペレットを造るに際し採用されるが、これはペレットが約０．０６イン チ以下の直径となるからである。例を示すと、商業的に直径が０．０５インチの マイクロペレットを得るには、生産仕様として３９００穴を持ち、各穴径が０． ０３インチ程度のダイを使用するとよい。材料の膨張に因りダイ穴の径よりも幾 分直径の大きいマイクロペレットが得られる。今日では商業的に０．０１インチ 径のマイクロペレットが造られているが、将来的には更に微細なものが直ぐにも 造られるようになると期待される。押出物はダイ面で所定の長さにカットされ、 切断刃がダイの面を横切ることによって押出物が排出される。ペレットが個々に 切断刃と粘着することを避けるため、水流がダイ面を継続的に流れるように、切 断刃とダイとは水中に漬けられる。その結果、ペレットはカットされると瞬時に 固化され、ダイ及び切断刃から水流によって運び出され、その後遠心分離乾燥機 で水が分離される。 本発明によれば、焼結された多孔性プラスチック製品のため、ペレットはその 軸長が直径にほぼ等しくなるようにカットされる。個々のペレットの相互に直交 する３軸に沿った寸法が、その軸の１つは直径と想定され、他の軸長とほぼ等し くなるとき、製品の性能から最も適用性が広い。別な用途では、個々のペレット の３軸長をほぼ等しくする必要性は なかろう。 ペレットは互いに隣接するペレット同士がその外表面で接触するように凝集す る。ペレット間に生じる間隙が孔を形成する。所望の形状及び寸法からなる金型 キャビティの中にペレットを収容することによってペレットは凝集する。ペレッ トをキャビティに充填する技術は部分的形態とペレットの個体（粉体）としての 流動特性によって変化する。キャビティにペレットが充填されると、個々のペレ ット表面の分子が他の凝結可能なペレット表面の分子と機械的な交絡が起こるよ うな分子運動が充分に可能な加熱温度域及び圧力に置かれ、ペレット間に結合が 形成される。所望の焼結状態になるまでペレットは適切な温度及び圧力に維持さ れる。熱可塑性高分子は加熱すると軟化する性質及び溶融する性質を有し、しか も冷却すると硬化して強固になることから本発明が適用できる。適切な処理時間 の後、ペレットの成型物を室温まで冷却し、キャビティから外す。多孔質の構造 を有し特定の製品形状を備えた製品（成型物）が得られる。 ある種の素材からなるペレットでは流れ易いことからキャビティに充填するに 際し重力のみを利用すればよいものがある。もっとも、殆どの場合、金型キャビ ティ又はペレット、或いはその両者を振動させながら充填することになる。殆ど の素材及び製品に最適な熱的変化（プロファイル）がある。本発明による方法を 熱的プロファイルに採択することから最適な結果を得ることができる。金型のペ レットは所望の処理時間適切な速度において適切な加熱温度及び圧力が加えられ 、制御された速度で雰囲気温度（常温）に戻される。この点に関し、マイクロペ レットは大きなペレットに較べて優れていて(処理時間を時折り調理時間と呼ぶ ことがあるが)、これは短くなり、何倍も（何分の１かに）短縮されることがあ る。その結果、個々の金型で生産される部品の数が増す。本発明に適する熱的プ ロファイルの例を示すと、直径０．３１インチの低密度ポリエチレンのマイクロ ペレットでは金型温度８５°Ｆ又は常温から３２０°Ｆまで５分間以上を要して 昇温し、また７分間以上を要して８ ５°Ｆに冷却する。マイクロペレットよりも大きいペレットでは、ペレットを３ ２０°Ｆに２乃至４分間保持する点を除けば他の条件は同一である。 図１から判るように、本発明による製品の一つは多孔性アプリケーションヘッ ドであって、符号１０によって指定されている制汗剤及び／又は消臭剤用のアプ リケータ１２となるが、このアプリケータは内容物薬液をアプリケータヘッドに 送るためのピストン１３や他の部材を含む。本発明の実施例である図１乃至４に 示すように、アプリケータヘッド１０の外表面１４は使用者の肌に契合するよう な曲面である。 高速水冷マイクロペレット１６からなる層（図４）はその外表面１４の輪郭を 詳細に示すが、何れのペレットもその外表面から突出していない。マイクロペレ ット１６からなる別の１つ又は多くの層も外表面１４の外郭線内にある。アプリ ケータヘッド１０はアプリケータ１２に対する付属部品としての周回状フランジ １７を備えることができる。図４に見られるように、内側表面１８はアプリケー タヘッド１０において大きな中心的キャビティを形成する。図２，３，６及び７ において、図面を簡略したためマイクロペレット１６は製品の一部として図示さ れているに過ぎないが、これは製品全体に及ぶものであると理解されるべきであ る。 低密度ポリエチレンからなる高速水冷マイクロペレット１６は多孔性アプリケ ータヘッド１０を造るため焼結処理される。図示された実施態様では、アプリケ ータヘッド１０におけるペレット１６は水冷ペレタイジング法により得られたマ イクロペレットであって、そのマイクロペレットは全体が実質的に同じ大きさで あり、しかも形状も均一である。その典型的な形状は、環状フランジ１６°を伴 うガムドロップのようなものであって、図５に示される。クリーム、ゲル、その 他原料が液状を呈する消臭剤はアプリケータヘッド１０の孔２０を通って使用者 の肌と接触する外表面１４に達する。アプリケータヘッド１０の外表面１４は、 従来の多孔性熱可塑性高分子等から作ったアプリケータヘッドよりも一 層滑らかである。ここではアプリケータヘッド10を曲面として図示しているが、 本発明によるアプリケータヘッドは他の形状のもの、例えば大半がフラットな形 状のものも含まれる。 金型を用いる例を既述したが、金型なしでも数々の多孔性プラスチック製品を 造り得るのであるから本発明はこの例に限られず、シート形状の製品の場合もあ る。さらに、出発原料の適切な例として低密度ポリエチレンを開示したが、ポリ ウレタン及び他の原料も同様に適する。さらにまた、可塑性高分子の混合物のよ うな混合物についても本発明が適用できる。 本発明による高速水冷ペレットの焼結体は、例えば排水処理の用途に発泡材の 形態で使用できる。図６から判るように、高速水冷マイクロペレット１６の焼結 体素材は排水貯水槽２４に沈められた中空チューブ２２の壁材となる。加圧下で 空気が導入されるが、空気は先ず中空チューブの中心に沿った空間に入り、その 後チューブ２２の壁材の多孔質部を介して水中を上昇する泡２５の形態で排水に 侵入する。酸素が泡の周囲の排水に拡散する。均一なサイズのペレットを使用す ると、マイクロペレット１６の場合、個々のペレットはその直交３軸に沿ってほ ぼ等長であり、狭い孔分布を形成するチューブ２２用の素材が得られる。結果的 に、比較的効果のない大きな孔の形成が避けられ、有効なサイズの泡２５が形成 される。 孔サイズの狭い分布の特性は、僅かに小さいサイズの粒子の通過を許容するだ けで、気体又は液体から所定のサイズの粒子を濾過できる鋭い選択濾過性を備え る。相互に直交する３軸に沿った寸法がほぼ等しいような、均一なサイズの焼結 されたペレット２８から造られたフィルタ素材の１枚が図８の符号３０によって 示めされている。ペレット１６はこの明細書に記載された他の製品のマイクロペ レット１６としての性能と同様な性能を備えており、ペレットのサイズの違いは それぞれの用途に応じて適切に選択されると理解すべきである。 本技術分野における修熟者にとって明白となること、及び本発明を逸 脱しない範囲で本明細書に説明され記載された実施態様を変化させ及び／又は更 改させることは、本発明の実施と同様と解されよう。従って、既述された事項は 単なる説明であって、何ら発明を限定するものではなく、また本発明の精神及び 趣旨は付記した特許請求の範囲に基づいて決められるべきものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年４月２６日（１９９９．４．２６） 【補正内容】 特許請求の範囲 １． 直径が１／８インチ以下の熱可塑性高分子の固化されたマイクロペレット を焼結加工して得られた多孔性素材。 ２． 直径が０．０６インチ以下であるマイクロペレットからなる請求項１に記 載の多孔性素材。 ３． マイクロペレットが高速水冷されたペレットである請求項１に記載の多孔 性素材。 ４． マイクロペレットが均一な大きさである請求項１に記載の多孔性素材。 ５． 熱可塑性高分子の高速水冷却ペレットを焼結加工したものを含む多孔性素 材。 ６． ペレットが均一な大きさである請求項５に記載の多孔性素材。 ７． 熱可塑性高分子の高速水冷ペレタイジング法により作られた粒子を焼結加 工したものを含む多孔性素材。 ８． 熱可塑性高分子の高速水冷ペレットを焼結加工したものものからなる多孔 性基体であって、湾曲した上部表面を有する該基体を含む制汗剤用アプリケータ 。 ９． 直径が１／８インチ以下の熱可塑性高分子のマイクロペレットからなる請 求項８に記載の制汗剤用アプリケータ。 10． 直径が０．０６インチ以下のマイクロペレットを用いた請求項８に記載の アプリケータ。 11． 均一な大きさのペレットからなる請求項８に記載のアプリケータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 直径が１／８インチ以下の熱可塑性高分子のマイクロペレットを焼結加工 して得られた多孔性素材。 ２． 直径が０．０６インチ以下であるマイクロペレットからなる請求項１に記 載の多孔性素材。 ３． マイクロペレットが高速水冷されたペレットである請求項１に記載の多孔 性素材。 ４． マイクロペレットが均一な大きさである請求項１に記載の多孔性素材。 ５． 熱可塑性高分子の高速水冷却ペレットを焼結加工したものを含む多孔性素 材。 ６． ペレットが均一な大きさである請求項５に記載の多孔性素材。 ７． 熱可塑性高分子の高速水冷ペレタイジング法により作られた粒子を焼結加 工したものを含む多孔性素材。 ８． 熱可塑性高分子の高速水冷ペレットを焼結加工したものものからなる多孔 性基体であって、湾曲した上部表面を有する該基体を含む制汗剤用アプリケータ 。 ９． 直径が１／８インチ以下の熱可塑性高分子のマイクロペレットからなる請 求項８に記載制汗剤用アプリケータ。 10． 直径が０．０６インチ以下のマイクロペレットを用いた請求項８に記載の アプリケータ 11． 均一な大きさのペレットからなる請求項８に記載のアプリケータ。