JP2008528792A - セルロース及び熱可塑性ポリマーを含む複合材料 - Google Patents
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Abstract
複合材料組成物およびこのような複合材料から調製される物品を開示する。本組成物は、セルロース材料、熱可塑性ポリマー、および相溶化剤を含み、又はそれらから製造され、相溶化剤は、ヒドロキシル官能基を有するポリビニルブチラールと第2のポリマーとの反応生成物であり、ポリビニルブチラールおよび第2のポリマーを含み又はそれらから製造され、ポリビニルブチラールはヒドロキシル官能基を含み、第2のポリマーは前記ヒドロキシル官能基の少なくとも一部と反応する。
Description
本発明は、セルロース、ポリ塩化ビニルなどの熱可塑性ポリマー、および相溶化剤を含む組成物に関する。
木材のコストの上昇や成木の不足で、現在、良質の木材代替物を見出す必要があり、それは今後も長く続く。過去数年にわたって、デッキ材、窓、フェンス材、自動車内装、およびパレットなどの用途で、従来の無垢材製品に取って代わるポリマー−木材複合材料を使用する成長市場が現れてきた。これらの複合材料は、典型的には、熱可塑性材料と大鋸屑の形態の木材粒子の混合物からなる。複合材料は、全木材製品と同じ用途の多くに使用され得るが、難燃性、並びに、腐朽、虫による侵蝕および水分や日光の作用による劣化に対する耐性の向上を提供するという利点がある。これらの製品は、木材と同じ加工性を有し得、ささくれ(splinter)がなく、表面しか染色又は塗装できない木材とは対照的に塊で着色することができる。
最近、特に住宅用サイディングの用途に使用するための、木材とポリ塩化ビニル(PVC)の複合材料に関心が高まっている。このような複合材料は、複合化されていないPVCのサイディングよりも従来の木材のサイディングに似ているため、非常に望ましい。更に、木材との複合化によってPVCの流れ温度が上昇し、従って複合材料のサイディングに濃色を使用することが可能になる。濃色の複合化されていないPVCは流れ温度が低く、日光にあたるとかなりの熱を吸収し、ダレが生じる(sag)傾向を示す。例えば、米国特許第6,011,091号明細書、同第6,103,791号明細書、および同第6,066,680号明細書、並びに米国特許出願公開第2003/0229160号明細書を参照されたい。
しかし、既知の複合材料は約40重量%(%)超の木材を含有し、特にサイディングの用途に好適な形態に押し出されるとき、縁部の引裂が生じ、押出しが遅く困難である。
従って、木材を含み、典型的なPVC法を使用して製造され、住宅用サイディングなどの従来のPVC用途に使用されることを可能にする物理的特性を依然として有するPVC/木材複合材料を有することが非常に望ましい。
本発明は、(a)複合材料組成物の総重量を基準にしてセルロース材料を約10%〜約90%、(b)複合材料組成物の総重量を基準にして熱可塑性ポリマーを約70%〜約10%、および(c)相溶化剤を約1%〜約20%含む、又は、それらから製造される複合材料組成物を包含する。
本発明は、本発明の複合材料組成物を含む物品も包含する。
本発明は、マスターバッチ組成物の総重量を基準にしてセルロース材料を約50〜約95%、および相溶化剤を約5〜約50%含む、又は、それらから製造されるマスターバッチ組成物も包含する。
本発明は、複合材料組成物が、複合材料組成物の総重量を基準にしてセルロース材料を約10%〜約90%、および熱可塑性ポリマーを約70%〜約10%含むような量で、前述のマスターバッチ組成物を熱可塑性ポリマーとブレンドすることによって製造される複合材料組成物も包含する。
商標は英大文字で示される。別途記載されない限り、パーセンテージ、部、比などは全て重量によるものである。更に、量、濃度、又は、他の値若しくはパラメータが範囲又は上の値と下の値の列記として記載されるとき、これを、範囲が別々に開示されるかどうかに関わらず、任意の上限値又は上の好ましい値と任意の下限値又は下の好ましい値との任意の対から形成される全ての範囲を具体的に開示するものとして理解されたい。本発明の範囲は、範囲を定めるときに引用される具体的な値に限定されるものではない。
1種類以上のセルロース材料を使用することができる。木材パルプ繊維などの木材および木材製品;木綿からの非木材製紙繊維;米およびエスパルトなどのわらおよび草;バガスなどの節のある茎を持つ植物およびアシ類;竹;ジュート、亜麻、ケナフ、大麻、リネンおよびラミーなどの靭皮繊維を有する茎;並びに、マニラ麻およびサイザル麻などの葉繊維;リサイクル紙およびポリマー塗工紙を含めた紙又はポリマー塗工紙から得られるものなどの様々なセルロース材料を採用することができる。好ましくは、使用されるセルロース材料は木材源からのものである。好適な木材源としては、マツ、トウヒおよびモミなどの軟材源、並びに、オーク、カエデ、ユーカリ、ポプラ、ブナおよびハコヤナギなどの硬材源が挙げられる。木材源からのセルロース材料の形態は、大鋸屑、木材チップ、又は木粉等とすることができる。
大鋸屑の他に、農業残渣および/又は廃棄物を使用することもできる。農業残渣は、穀物を収穫した後の穀物の残りの部分である。このような好適な残渣の例としては、例えば、小麦、米、およびトウモロコシの収穫からの残渣が挙げられる。本明細書で使用するのに好適な農業廃棄物の例としては、わら;トウモロコシの茎;米籾殻;小麦;オート麦;大麦およびオート麦の籾殻;ヤシ殻;落花生殻;胡桃殻;ジュート;麻;バガス;竹;亜麻;およびケナフ;およびこれらの組み合わせが挙げられる。
異なるサイズの材料の混合物が得られるように、セルロース材料を様々なスクリーン、例えば、30メッシュ又は40メッシュのスクリーンで篩分けしてもよい。本発明の組成物に使用されるセルロース材料のサイズは、約10〜約100メッシュ、又は、約40〜約100メッシュの範囲とすることができる。
木粉としては、軟材および硬材並びにこれらの組み合わせが挙げられる。好ましい木粉は、それぞれオーク(OAK)4037(40メッシュ)およびパイン(PINE)402050(40メッシュ)としてウィスコンシン州スコフィールド(Schofield, Wisconsin)のアメリカン・ウッド・ファイバーズ(American Wood Fibers)から入手可能なオークおよびマツである。カエデ木粉を使用することもできる。
例えば、高密度ポリエチレン(HDPE);低密度ポリエチレン(LDPE);直鎖低密度ポリエチレン(LLDPE);超高分子量ポリエチレン(UHMWPE);超低密度ポリエチレン(ULDPE);メタロセン触媒を使用して得られるエチレンと第2のα−オレフィンモノマーとの共重合体(メタロセンポリエチレン、又はMPE);エチレン/プロピレン共重合体;エチレン/プロピレン/ジエンモノマー(EPDM)などの三元共重合体;並びにポリプロピレン単独重合体および共重合体などのポリオレフィンを含めた、1種類以上の熱可塑性ポリマーを使用することができる。好適なポリマーとしては、ポリ塩化ビニル;ポリ塩化ビニル酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニルアクリル酸n−ブチル共重合体、塩素化ポリ塩化ビニル;およびポリスチレンなどの極性のポリマーおよび共重合体も挙げられる。
熱可塑性ポリマーは、ポリエチレン、エチレン/α−オレフィン共重合体、エチレン/プロピレン/ジエンモノマー三元共重合体、ポリプロピレン単独重合体、ポリプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル共重合体、塩素化ポリ塩化ビニルおよびポリスチレンを含めた少なくとも1種類のポリマーを含むこともできる。
熱可塑性ポリマーは、メタクリル酸メチル又はエチレン又は両方のポリマーおよび共重合体を含めた少なくとも1種類のポリマー又は共重合体を含むこともできる。エチレン共重合体は、エチレンおよび少なくとも1種類の極性モノマーから誘導される繰り返し単位を含む共重合体である。極性モノマーから誘導される繰り返し単位は、共重合体の重量の約5〜約50%、又は約10〜約19%、又は12〜15%の範囲で存在することができる。極性モノマーは、エチレン共重合体の総重量を基準にして、アクリル酸、アルキルアクリル酸、酢酸ビニル、アクリル酸アルキル、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含むことができる。アルキル基は、メチル、エチル、ブチル、イソブチル、ペンチル、ヘキシル、およびこれらの2つ以上の組み合わせなど、炭素原子を約20個まで含有してもよい。
このような極性モノマーの例としては、アクリル酸、メタクリル酸、エタクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、メタクリル酸プロピル、アクリル酸イソプロピル、メタクリル酸イソプロピル、アクリル酸ブチル、メタクリル酸ブチル、アクリル酸イソブチル、メタクリル酸イソブチル、アクリル酸tert−ブチル、メタクリル酸tert−ブチル、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル、ビニル酢酸、酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、およびこれらの2つ以上の組み合わせが挙げられる。
エチレン共重合体は、一酸化炭素、二酸化イオウ、アクリロニトリル;無水マレイン酸、マレイン酸ジメチル、マレイン酸ジエチル、マレイン酸ジブチル、フマル酸ジメチル、フマル酸ジエチル、フマル酸ジブチル、フマル酸ジメンチル、マレイン酸、マレイン酸モノエステル、イタコン酸、フマル酸、フマル酸モノエステル、これらの酸の塩、アクリル酸グリシジル、メタクリル酸グリシジル、およびグリシジルビニルエーテル、およびこれらの2つ以上の組み合わせなどの任意選択的コモノマーを最大35重量%まで含んでもよい。
エチレン共重合体の酸部分をカチオンで中和してアイオノマーを生成してもよい。中和は、例えば、金属イオンを用いて、全カルボン酸含有量を基準にして約0.1〜約100パーセント、又は約10〜約90パーセント、又は約20〜約80パーセント、又は約20〜約40パーセントの範囲とすることができる。金属イオンは、1価、2価、3価、多価、又はこれらの2つ以上の組み合わせとすることができる。例としては、Li、Na、K、Ag、Hg、Cu、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Cd、Sn、Pb、Fe、Co、Zn、Ni、Al、Sc、Hf、Ti、Zr、Ce、およびこれらの2つ以上の組み合わせが挙げられる。金属イオンが多価の場合、米国特許第3,404、134号明細書に開示されているように、ステアリン酸基、オレイン酸基、サリチル酸基、およびフェノラート基などの錯化剤を含むことができる。よく使用されるものとしては、Na、Zn又はこれらの組み合わせが挙げられる。
所望の中和度を達成するため、アイオノマーは、20%より多くの中和を有するアイオノマーと、例えば、エチレン(アルキル)アクリル酸共重合体のブレンドとすることもできる。
例えば、エチレンアルキルアクリレート共重合体は、少なくとも1種類のE/X/Y共重合体を1〜30重量%含むことができ、ここで、Eはエチレンを含み;Xは、酢酸ビニルおよびアルキルアクリル酸エステルからなる群から選択されるモノマーであり;Yは前記で開示された1種類以上の任意選択的コモノマーであり;XはE/X/Y共重合体の0〜50重量%であり、YはE/X/Y共重合体の0〜35重量%であり、XとYの重量%は両方とも0であってはならず、Eは残部である。
エチレン共重合体の例としては、以下に限定されないが、エチレン/アクリル酸(EAA)、エチレン/酢酸ビニル(EVA)、エチレン/アクリル酸メチル(EMA)、エチレン/アクリル酸エチル(EEA)、エチレン/アクリル酸ブチル(EBA)、エチレン/アクリル酸イソブチル(EiBA)、エチレン/アクリル酸イソブチル/メタクリル酸、エチレン/アクリル酸メチル/無水マレイン酸、エチレン/アクリル酸ブチル/メタクリル酸グリシジル(EBAGMA)、エチレン/アクリル酸ブチル/一酸化炭素(EBACO)、およびこれらの2つ以上の組み合わせが挙げられる。
市販のエチレン共重合体の例としては、サーリン(Surlyn)(登録商標)、ニュクレル(Nucrel)(登録商標)、アピール(Appeel)(登録商標)、バイネル(Bynel)(登録商標)、エルバロイ(Elvaloy)(登録商標)、およびエルバックス(Elvax)(登録商標)の商標を有する、デラウェア州ウィルミントン、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー(デュポン)(E.I.du Pont de Nemours and Company(DuPont), Wilmington, Delaware)から入手可能なものが挙げられる。
オートクレーブ又は管型反応器のどちらかを使用する当業者に既知の任意の手段で、このようなエチレン共重合体を製造することができる(例えば、米国特許第3,404,134号明細書、米国特許第5,028,674号明細書、米国特許第6,500,888号明細書、および米国特許第6,518,365号明細書)。
例えば、管型反応器内で高圧、高温でエチレン共重合体を製造することができる。各エチレンおよびアクリル酸アルキル(例えば、アクリル酸メチル)コモノマーの異なる反応速度論の固有の結果は、管型反応器内の反応流路に沿ってモノマーを意図的に導入することによって軽減されるか又は部分的に補償される。このような管型反応器で製造されるエチレン共重合体は、高圧攪拌オートクレーブ反応器内で同じコモノマー比で製造されるものよりもポリマー主鎖に沿った相対的な不均質度が大きく(コモノマーの分布のムラが大きく)、長鎖分岐が少なく、融点が高い。
熱可塑性ポリマーはポリ塩化ビニルとすることができ、複合材料組成物は、複合材料組成物の総重量を基準にしてセルロース材料を少なくとも約50重量%含有する。
相溶化剤は、ポリビニルブチラールと第2のポリマーを含むことができるか、又はそれらの接触若しくは反応から製造することができ、ここで、ポリビニルブチラールは少なくとも1つのヒドロキシル官能基を有し、第2のポリマーはヒドロキシル官能基の少なくとも一部と反応する。
ポリビニルブチラール(PVB)は、例えば、自動車用の風防ガラス、および住宅や建物の窓ガラスなどの用途で、ガラスに耐粉砕性を付与するのに有用な熱可塑性材料である。ポリビニルブチラールの調製は商業的に知られている。例えば、ブタサイト(BUTACITE)(登録商標)はデュポン(DuPont)によって製造されるポリビニルブチラール製品である。PVBは、第2のポリマーと反応する少なくとも幾つかのヒドロキシル官能基を有する。
第2のポリマーは、イソシアネート、エポキシド、シラン、スルホン酸、リン酸、酸無水物、カルボン酸、カルボン酸エステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含めた1つ以上の官能基を有するポリマーを含むことができる。酸無水物、カルボン酸、カルボン酸エステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせが好ましい官能基である。無水マレイン酸の官能性同等物は、マレイン酸および/又はその塩、マレイン酸ジエステル、マレイン酸モノエステル、イタコン酸、フマル酸、フマル酸モノエステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせとすることができる。第2のポリマーは、エチレン、一酸化炭素、アクリル酸ブチル、および無水マレイン酸の共重合体とすることができる。第2のポリマーの例は、デュポン(DuPont)からフサボンド(FUSABOND)(登録商標)のブランド名で市販されており、それには無水マレイン酸又はその同等物のマレイン酸および/又はその塩、マレイン酸モノエステル若しくはジエステル、イタコン酸、フマル酸、およびフマル酸モノエステルなどの酸無水物官能基を有するポリオレフィンが含まれる。
第2のポリマーは、エチレン、一酸化炭素、無水マレイン酸又はその官能性同等物と、酢酸ビニル、アクリル酸又はそのエステル、メタクリル酸又はそのエステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含めたモノマーとの直接又はグラフト共重合体とすることができ、例えば、エチレン、一酸化炭素、およびアクリル酸ブチルから誘導され、無水マレイン酸でグラフト化された共重合体などである。このような第2のポリマーの一例には、デュポン(DuPont)から入手可能な、フサボンド(FUSABOND)(登録商標)A MG−423D(1%の無水マレイン酸グラフトで変性されたエチレン/アクリル酸アルキル/CO共重合体)がある。
PVBと第2のポリマーとの反応を実施する方法は、米国特許出願公開第2003/0212203号明細書に開示されている。この方法は、未変性PVBと第2のポリマーの間に化学反応が起こる条件下で、ポリビニルブチラールを第2の成分と混合することを含むことができる。条件は、(1)PVBと第2の成分、又は混合物を溶融ブレンド(溶融物)が得られるような温度に暴露させること;(2)溶融物を冷却し、化学的に変性したPVBの固体組成物を得ること;および、(3)固体組成物をペレット化すること、を含むことができる。PVBと第2の成分を約1:100〜約100:1(100部当たりの部)、約5:1〜約100:1、約10:1〜約50:1、又は約10:1〜約25:1の比で混合することができる。
溶融ブレンドは、PVB混合物を約100℃〜約260℃、約120℃〜約255℃、又は約150℃〜約250℃の温度で加熱することによって得ることができる。
材料の物理的、機械的、および熱的特性の改善を達成するため、相溶化剤は約1〜約20%、3〜約10%、又は約4〜約6重量%の量で存在することができる。
理論に拘泥されることを望まないが、相溶化剤はセルロース複合材料の粘度を低下させることができ、従って、複合材料が押出し又は圧縮成形などで成形品に形成されるとき複合材料の加工性を改善する;又は、ポリ塩化ビニル/木材複合材料の場合など、セルロース材料を約50重量%以上含有する加工可能な複合材料の形成を可能にするが、ポリ塩化ビニル/木材複合材料の場合、そのように高い木材濃度を達成し、しかも尚、良好な加工性と成形性を維持するのは困難なことがある。
本発明の複合材料組成物は、セルロース材料を約10〜約90%、約30〜約60%、又は約40%〜約55、又は50重量%;熱可塑性ポリマーを約70%〜約10%、約40〜約60%、又は約35〜約50%;および、相溶剤を約1%〜約20%、約3%〜約10%、又は約4%〜約6%含むことができる。
セルロース材料(例えば、木材、大鋸屑又は木粉、一般に乾燥している)を熱可塑性ポリマーおよび相溶化剤と一緒に、強度ミキサ(intensity mixer)、例えば、リボンブレンダ、又は固体のブレンドに通常使用される任意の低強度ミキサ内で組み合わせることなどの当業者に既知の任意の方法で複合材料組成物を製造することができる。次いで、選択された特定の熱可塑性ポリマーを加工するのに好適な温度に加熱された押出機内で混合物を加工することができる。
別の方法では、セルロース材料(例えば、大鋸屑又は木粉)約50〜約95%、又は約75〜約90重量%、および相溶化剤約5〜約10%、又は約10〜約25%からマスターバッチ組成物を調製することができる。得られるマスターバッチを特定の熱可塑性ポリマー又は熱可塑性ポリマー混合物とブレンドし、成分の直接ブレンドにより調製されるものと同じ範囲の組成を有する複合材料を得ることができる。マスターバッチ法は、調製され、貯蔵され、任意の選択された熱可塑性ポリマーとの反応に後で使用され得る供給を提供する。マスターバッチ法は、相溶化剤でセルロース材料の濡れを増加させることができ、それによって幾分向上した特性を有する複合材料が得られる。
組成物は、可塑剤、粘度安定剤および加水分解安定剤を含めた安定剤、酸化防止剤、紫外線吸収材、帯電防止剤、染料、顔料、又は他の着色剤、無機フィラー、難燃剤、潤滑剤、ガラス繊維およびフレークなどの補強剤、起泡剤又は発泡剤、加工助剤、ブロッキング防止剤、離型剤、および/又はこれらの混合物を含めた、ポリマー材料に使用される慣用的な添加剤を更に含むことができる。任意選択的な添加剤は、使用される場合、組成物の基本的且つ新規な特性を損なう量で使用されない限り、様々な量で存在することができる。
鉱物および塩などの無機化合物の粒子を含む無機フィラーを任意に使用することができる。本発明の組成物に添加できるフィラーの量は重要ではないが、一般に0.001〜約50%である。
人工材木製品の密度を減少させ、また、その製品を押出し法で必要な寸法に合った「大きさに作る」ため、当業者に既知の起泡剤又は発泡剤を約0.001〜3%組み込むことができる。マスターバッチ混合物の固体発泡剤の例には、好ましくは植物油(即ち、モノ−、ジ−、および/又はトリ−グリセリドの混合物)中にカプセル化されているクエン酸一ナトリウムと炭酸水素ナトリウムの組み合わせがあり、クエン酸一ナトリウムと炭酸水素ナトリウムの量は好ましくは化学量論的な混合物の量でもある。市販の固体発泡剤の例には、米国特許第5,817,261号明細書に開示されているように、ニュージャージー州キーポート、リーディ・インターナショナル社(Reedy International Corporation, Keyport, New Jersey)から入手可能なサフォーム(SAFOAM)Pおよびサフォーム(SAFOAM)FP粉末(植物油中にカプセル化されているクエン酸一ナトリウムと炭酸水素ナトリウムの混合物)がある。発熱性発泡剤としては、アゾジカルボンアミド、4,4−オキシ−ビス(ベンゼンスルホニルヒドラジド(hydraziole))、p−トルエンスルホニルセミカルバジド、フェニルテトラゾール、又はこれらの2つ以上の組み合わせが挙げられる。吸熱性発泡剤としては、炭酸マグネシウム、炭酸水素マグネシウム又はこれらの組み合わせを含めた無機炭酸塩および炭酸水素塩が挙げられる。
熱履歴による複合材料の劣化を防止するため、熱安定剤を任意に約0.001〜約10%の任意の量で使用することができる。好適な熱安定剤としては、例えば、チバ・ガイギー・ケミカルズ(ニューヨーク州タリータウン)(Ciba−Geigy Chemicals(Tarrytown, New York))によってリサイクロスタブ(RECYCLOSTAB)411(リン酸カルシウム)の商標で販売されているヒンダードフェノールのカルシウム/リン酸塩誘導体が挙げられる。熱安定剤化合物は、1種類以上のヒドロキシアミン、フェノール、リン酸塩、および金属石鹸とすることもできる。複合材料の熱可塑性ポリマーがポリ塩化ビニル又はポリ塩化ビニル共重合体である場合、当該技術分野で周知の慣用的なポリ塩化ビニル安定剤を使用してもよい。
好適な任意選択的酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール、ポリフェノール、チオポリアルキル化フェノールおよびジチオポリアルキル化フェノールなどのアルキル化フェノールおよびビス−フェノール、3−アリールベンゾフラン−2−オンなどのラクトンおよびヒドロキシルアミン並びにビタミンEが挙げられる。
木材複合材料の曲げ弾性率を改善し、それが構造用途に好適な、より大きい剛性と強度を有するようにするため、ガラス繊維およびフレークなどの補強剤を任意に使用することができる。
射出成形、圧縮成形、オーバーモールド、又は押出しなどの方法を使用して、組成物を成形品に形成することができる。任意に、本発明の複合材料を含む形成された物品を更に加工することができる。例えば、本発明のペレット、スラグ、ロッド、ロープ、シートおよび成型された物品を調製し、物品に熱、圧力および/又は他の機械的力を加えて成形品を製造する熱成形作業などの後作業のための供給原料に使用してもよい。圧縮成形は更なる加工の一例である。
所望の形状およびサイズを提供し、商業的に使用可能な製品を製造するため、組成物を切断、射出成形、圧縮成形、オーバーモールド、積層、押出し、又は切削等することができる。得られる製品は木材と類似の外観を有してもよく、天然木材と同様に鋸引き、サンディング、成形、旋削、固定および/又は仕上げされてもよい。それは、腐朽および腐食並びにシロアリの侵食に対する耐性があり、天然木材の代替品として、例えば、住宅の内側又は外側の装飾モール、鉄道の枕木、額縁、家具、ポーチデッキ、手すり、窓モール、窓構成部品、ドア構成部品、屋根設備、サイディング、又は他の種類の構造部材として使用されてもよい。
以下の実施例は、あくまで本発明を実証し、例示するために記載される。
成分
木粉:ヒューバーF06木粉(HUBER F06 Wood Flour)、ニュージャージー州モントビル、P.J.マーフィー・フォレストリ・プロダクツ(P.J.Murphy Forestry Products, Montville, New Jersey)
ポリ塩化ビニル:PVC(K値55)、テキサス州ヒューストン、シンテック社(Shintech Inc., Houston Texas)
相溶化剤:ポリビニルブチラールとフサボンド(FUSABOND)(登録商標)A MG423Dの反応生成物、デュポン(DuPont)からエコサイト(ECOCITE)Hとして入手可能。
相溶化剤対照A:フサボンド(FUSABOND)(登録商標)A MG423D
相溶化剤対照B:エチレン、アクリル酸ブチル又は酢酸ビニル、一酸化炭素共重合体、又は、デュポン(DuPont)からエルバロイ(ELVALOY)(登録商標)741(エチレン、酢酸ビニル、一酸化炭素の共重合体)として入手可能。
熱安定剤:ウィトコ・マーク(Witco MARK)1178(トリス−ノニルフェニルホスフェート)、コネチカット州ミドルベリー、クロンプトン社(Crompton Corporation, Middlebury, Connecticut)から入手可能。
酸捕捉剤:ドラペックス(DRAPEX)6.8エポキシ化大豆油、同様にクロンプトン社(Crompton Corporation)から入手可能。
木粉:ヒューバーF06木粉(HUBER F06 Wood Flour)、ニュージャージー州モントビル、P.J.マーフィー・フォレストリ・プロダクツ(P.J.Murphy Forestry Products, Montville, New Jersey)
ポリ塩化ビニル:PVC(K値55)、テキサス州ヒューストン、シンテック社(Shintech Inc., Houston Texas)
相溶化剤:ポリビニルブチラールとフサボンド(FUSABOND)(登録商標)A MG423Dの反応生成物、デュポン(DuPont)からエコサイト(ECOCITE)Hとして入手可能。
相溶化剤対照A:フサボンド(FUSABOND)(登録商標)A MG423D
相溶化剤対照B:エチレン、アクリル酸ブチル又は酢酸ビニル、一酸化炭素共重合体、又は、デュポン(DuPont)からエルバロイ(ELVALOY)(登録商標)741(エチレン、酢酸ビニル、一酸化炭素の共重合体)として入手可能。
熱安定剤:ウィトコ・マーク(Witco MARK)1178(トリス−ノニルフェニルホスフェート)、コネチカット州ミドルベリー、クロンプトン社(Crompton Corporation, Middlebury, Connecticut)から入手可能。
酸捕捉剤:ドラペックス(DRAPEX)6.8エポキシ化大豆油、同様にクロンプトン社(Crompton Corporation)から入手可能。
実施例1
この実施例は、PVC:木材が50:50の複合材料の調製における、並びに、相溶化剤対照AおよびBとの比較における本発明の相溶化剤の性能を例示する。
この実施例は、PVC:木材が50:50の複合材料の調製における、並びに、相溶化剤対照AおよびBとの比較における本発明の相溶化剤の性能を例示する。
試験した組成物は、木粉を46.9%、PVCを46.9%、相溶化剤又は相溶化剤対照を2.4%、マーク(MARK)1178を1.4%、およびドラペックス(DRAPEX)6.8を2.3%含有した(全て重量%)。
調製およびブレンドのため、ロールミルに添加される直前に、安定剤および調整剤をカップ内のPVCに添加し、スパチュラで混合した。PVC化合物を溶融させた後、混合物に木粉を添加した。温度は250°F(121℃)であった。相溶化剤Bを含有するサンプルを、標準的なロールミル混合(サンプルの切断およびミルへの再導入)で20分間処理した。他の2つのサンプルは15分間混合された。
製造された複合材料の飾り板を350°F(177℃)で4分間、28,000psi(1.95×105kPa)で圧縮成形した(6インチ×6インチ×150ミル)後、糸鋸を使用して切断し試験サンプル(ドッグボーンおよび曲げ棒)を作った。
サンプルで実施した試験は、ASTM D638引張および伸び(0.2インチ/分)、ASTM D790曲げ特性、および、−40〜23℃の線熱膨張を測定するASTM E381熱機械分析を使用して行った。結果を表1に示す。
これらの結果から、相溶化剤の使用により、引張り強さと曲げ弾性率の最良のバランス、および最も低い熱膨張率が得られたことが分かる。
実施例2
木粉50重量%超を含有する木粉とPVCの市販のブレンドを使用して、この実施例を実施した。同じ相溶化剤と対照の相溶化剤を5重量%の濃度で評価した。また、添加された相溶化剤を含有しない組成物も試験した。他の添加剤は使用しなかった。PVC/木材ブレンドは登録商標を持つ安定剤と添加剤を含有したと考えられる。
木粉50重量%超を含有する木粉とPVCの市販のブレンドを使用して、この実施例を実施した。同じ相溶化剤と対照の相溶化剤を5重量%の濃度で評価した。また、添加された相溶化剤を含有しない組成物も試験した。他の添加剤は使用しなかった。PVC/木材ブレンドは登録商標を持つ安定剤と添加剤を含有したと考えられる。
PVC/木材ブレンドのサンプル(60g)を適切な相溶化剤又は相溶化剤対照3gと一緒にカップ内で混合した後、ローラーブレードを有するブラベンダー・プラシコーダー(BRABENDER PLASICORDER)2100の小さい60cc試験ボウルに添加した。速度60rpmで、ミキサ温度を170℃に設定した。各サンプルについて全時間は約5〜7分であった。
物理的特性の試験のため、飾り板を350°F(177℃)で4分間、28,000psiで圧縮成形した(6インチ×6インチ×40ミル)。試験サンプルを調製し、実施例1に記載したように試験を行った。結果を表2に示す。
これらのデータから、相溶化剤によって、対照の調整剤、又は相溶化剤が添加されていない複合材料よりも、高い曲げ弾性率と低い線膨張率(これらは共に商業的用途に望ましい特性である)が得られることが実証される。
実施例3
この実施例は、木粉と相溶化剤のマスターバッチを使用して本発明のPVC/木材複合材料を調製することを実証する。
この実施例は、木粉と相溶化剤のマスターバッチを使用して本発明のPVC/木材複合材料を調製することを実証する。
木粉と相溶化剤のマスターバッチを以下のように調製した。相溶化剤は250℃のロールミルで帯状の線がつけられた(banded)。次いで、帯状の線がつかなくなるまで、木粉を添加した。木粉と相溶化剤のブレンドの観察および物理的特性から、相溶化剤が少なくとも90%の木粉を有し得ることが分かった。このようにして、相溶化剤を25%(A)、17%(B)、および10%(C)含有する3つのマスターバッチを調製した。マスターバッチAを用いて調製した、対照の本質的に組成が一致する複合材料(PVCと木粉を別々に添加した)も実施例1に記載の方法で調製した。
PVC/木粉複合材料を調製するため、木材が最終的な複合材料の50%であり、PVCが下記の表3に示されるような濃度になるような濃度で、前述のように調製された木粉マスターバッチをPVCとブレンドした。サンプルは、また、マーク(MARK)1178およびドラペックス(DRAPEX)6.8を表に示す濃度で含有した。180℃、60rpmで運転され、ローラーブレードを有するブラベンダー・プレップ・ミキサ(BRABENDER Prep mixer)(300ccのボウル)を使用して、PVCと木粉のマスターバッチを組み合わせた。PVCをミキサに添加した後、マスターバッチを添加した。混合物を最大7分間(溶融を経て安定状態の温度まで)処理した。
飾り板(6インチ×6インチ×40ミル)を350°Fで4分間、28,000psiで圧縮成形した。試験サンプルを調製し、実施例1に記載したように試験を行った。結果を表3に示す。
データから、マスターバッチ手順で十分な特性を有する複合材料が製造されたことが実証される。対照の複合材料(マスターバッチなし)とマスターバッチA、B又はCを使用して製造された複合材料との比較から、マスターバッチ化すると、別々に添加するよりも高い引張り強さと低い線熱膨張率が得られたことが分かる。
Claims (10)
- 重量で、(a)セルロース材料を約10〜約90%、(b)熱可塑性ポリマーを約70〜約10%、並びに(c)ポリビニルブチラールおよび第2のポリマーを含む又はそれらから製造される相溶化剤を約1〜約20%含む、又はそれらから製造される複合材料組成物であって、前記ポリビニルブチラールがヒドロキシル官能基を含み、前記第2のポリマーが前記ヒドロキシル官能基の少なくとも一部と反応する、複合材料組成物。
- 前記第2のポリマーが、イソシアネート、エポキシド、シラン、スルホン酸、リン酸、酸無水物、カルボン酸、カルボン酸エステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含めた1つ以上の官能基を有するポリマーを含み、好ましくは、酸無水物、カルボン酸、カルボン酸エステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含めた1つ以上の官能基を有するポリマーを含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記第2のポリマーが、エチレン、一酸化炭素、無水マレイン酸又はその官能性同等物と、酢酸ビニル、アクリル酸又はそのエステル、メタクリル酸又はそのエステル、これらの2つ以上の組み合わせを含めたモノマーとの直接又はグラフト共重合体を含み、前記直接又はグラフト共重合体が、好ましくはエチレン、一酸化炭素、アクリル酸ブチルおよび無水マレイン酸の共重合体であり、前記官能性同等物が、好ましくは、マレイン酸および/又はその塩、マレイン酸ジエステル、マレイン酸モノエステル、イタコン酸、フマル酸、フマル酸モノエステル、又はこれらの2つ以上の組み合わせである、請求項1又は2に記載の組成物。
- 前記セルロース材料が木材である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、少なくとも1種類のポリエチレン、エチレン/α−オレフィン共重合体、エチレン/プロピレン/ジエンモノマー三元共重合体、ポリプロピレン単独重合体、ポリプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル共重合体、塩素化ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含み、前記熱可塑性ポリマーが、好ましくはポリ塩化ビニルを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記熱可塑性ポリマーが、メタクリル酸メチルのポリマーおよび/又は共重合体、およびエチレン共重合体を含めた少なくとも1種類のポリマー又は共重合体を含み、前記エチレン共重合体がエチレン/アクリレート共重合体、エチレン/酢酸ビニル共重合体、エチレン/アクリレート/一酸化炭素共重合体、エチレン/酢酸ビニル/一酸化炭素共重合体、エチレン/アクリル酸共重合体、エチレン/メタクリル酸共重合体、エチレン/メタクリル酸および/又はアクリル酸共重合体から誘導可能な塩、エチレン/アクリルエステル共重合体、エチレン/メタクリルエステル共重合体、又はこれらの2つ以上の組み合わせを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の組成物。
- 前記セルロース材料を少なくとも約50重量%含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の組成物。
- 組成物を含む又は組成物から製造される物品であって、前記組成物が請求項1〜7のいずれか一項に記載のものであり、前記物品が、好ましくは、装飾モール、額縁、家具、ポーチデッキ、手すり、窓モール、窓構成部品、ドア構成部品、屋根設備、鉄道の枕木、サイディング、又は他の構造部材である物品。
- マスターバッチ組成物の総重量を基準にしてセルロース材料を約50〜約95重量%、および請求項1〜3のいずれか一項に記載の相溶化剤を約5〜約50重量%含むマスターバッチ組成物であって、前記セルロース材料が好ましくは木材であるマスターバッチ組成物。
- マスターバッチ組成物を熱可塑性ポリマーとブレンドし、組成物の総重量を基準にして、セルロース材料を約10%〜約90%、好ましくは約50%、前記熱可塑性ポリマーを約70%〜約10%含む組成物を製造することを含む方法であって、前記マスターバッチ組成物が請求項9に記載のものであり、好ましくは前記熱可塑性ポリマーがポリ塩化ビニルである方法。
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