JP2009538971A - 熱可塑性ポリマー系を選択的に加熱するためにマイクロ波エネルギーを使用するための添加剤 - Google Patents

Abstract

マイクロ波受容性添加剤と熱可塑性ポリマーとを含み、そのマイクロ波受容性添加剤が、セピオライト粘土、アンモニウムイオン塩または水素イオン塩から形成されたモレキュラーシーブ、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェート、シリコチタネート、有機変性粘土、ゲージド有機マイクロ波受容性材料を有するモレキュラーシーブまたはゼオライト、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、マイクロ波感受性熱可塑性組成物。

Description

関連出願の相互参照
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、それぞれが参照により本明細書に組み込まれる）の優先権を主張するものである。

本明細書に開示する実施形態は、一般に、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に関する。前記ポリマー系は、マイクロ波エネルギーに対して本質的に感応性である場合もあり、適切なマイクロ波感応性添加剤を前記ポリマーに配合することまたは前記ポリマーの骨格上に構成要素として組み込むことによって変性される場合もある。

一般に、熱可塑性ポリマーペレットは、商業的価値のあるパーツを作るために、一次変換プロセス、例えば押出または射出成形、において溶融、再造形および冷却しなければならない。場合により、商品価値のあるパーツを獲得するために、さらなる加熱、再造形および冷却を伴う二次加工プロセス、例えば熱成形、が必要とされる。一次プロセスと二次プロセスの両方において、熱エネルギーが熱可塑性物質に印加され、その後、造形を行った後に解除される。

熱可塑性ポリマー系のための従来の加熱メカニズムは、多くの場合、接触または放射熱源に依存する。赤外線と一般に呼ばれる、放射エネルギーは、１から１０マイクロメートルの範囲の波長を有し、ならびに利用可能なエネルギーの半分が熱として放散されてしまう前に吸収材料の約１から２マイクロメートルの深さに浸透する。熱伝達プロセスは、伝導プロセス（固体材料の場合）、または溶融材料の場合には伝導、対流および機械混合の組み合わせによって継続する。同様に、接触加熱は、材料の「バルク」を加熱するために高温接触表面からの伝導（または伝導、対流および混合の組み合わせ）に依存する。

伝導熱伝達プロセスに付随する熱伝導率（ＲＨＴ）は、一般に、次の関係によって記述することができる。ＲＨＴ＝ｆ（Ａ，Ｃｔ，デルタＴ）（式中、Ａは、熱伝達に利用可能な面積であり、Ｃｔは、その材料の熱拡散率であり、およびデルタＴは、利用可能な温度駆動力であり、これは、加熱される材料の温度が上昇するにつれて時間に伴って低減する）。未変性熱可塑性物質の熱拡散率、Ｃｔ、は、本質的に低く、そのために従来の放射または接触加熱システムにおける熱伝達を妨げている。さらに、熱伝導プロセスは、加熱されるパーツ（例えば、シート材料）の表面がその加熱されるパーツの中心より実質的に高温となる、望ましくない温度勾配を生じさせることがあり、これは、加熱されるパーツの厚みの分布に非常に依存する。

対照として、マイクロ波は、赤外の波長と比較して大きい、約１２．２ｃｍの波長を有する。マイクロ波は、利用可能なエネルギーが熱として放散される前に、赤外または放射エネルギーと比較してはるかに大きい深度、一般には数センチメートル、吸収材料に浸透することができる。マイクロ波吸収材料では、マイクロ波エネルギーは、その材料へのマイクロ波の浸透の結果としてその材料を「体積」加熱するために利用される。しかし、材料が良好なマイクロ波吸収体でない場合、それは、本質的にマイクロ波エネルギー「透過性」である。

マイクロ波加熱に付随する一部の潜在的な問題としては、むらのある加熱および熱暴走が挙げられる。むらのある加熱は、そのパーツへのマイクロ波エネルギーのむらのある分配に起因することが多く、例えば、従来の家庭用電子レンジでは、回転台を用いて加熱する品物を支えることによってある程度克服することができる。熱暴走は、上で略述したむらのある加熱と、温度の関数としての誘電損率の変化との組み合わせによるものであると考えてよい。

マイクロ波エネルギーは、例えば、濡れた生地などの平面構造を乾燥させるために使用されている。水は、マイクロ波感受性であり、十分な期間にわたって十分なマイクロ波エネルギーに暴露されると蒸発する。しかし、生地は、一般に、マイクロ波透過性であり、その結果、本質的にその材料の唯一のマイクロ波感受性成分である水にマイクロ波が集中する。マイクロ波エネルギーは、以下の参照文献にあるように、他の材料を加熱するためにも使用されている。

特許文献１には、食品容器において内層として使用される、酸化鉄、炭酸カルシウム、水、ケイ酸アルミニウム、エチレングリコールおよびミネラルスピリットを含有するポリマーコーティングが開示されている。そのコーティング層をマイクロ波エネルギーにより加熱し、それによって容器内の食品をきつね色に焼いたり、その表面に焦げ目をつけたりすることができる。

特許文献２には、マイクロ波感受性材料および玩具における蓄熱体としてのそれらの使用が開示されている。開示されているマイクロ波感受性材料は、フェライトおよびフェライト合金、炭素、ポリエステル、アルミニウムおよび金属塩が含まれる。特許文献３には、熱可塑性基体に結合させるために使用される、カーボンブラックを含有するポリマーのストリップが開示されている。

特許文献４には、電磁放射の影響を受けて急速に加熱され得るポリマー組成物、ならびに関連用途および加工方法が開示されている。

米国特許第５，５１９，１９６号 米国特許第５，０７０，２２３号 米国特許第５，３３８，６１１号 ＷＯ ２００４０４８４６３ Ａ１

ポリマー材料を加熱するためのマイクロ波の使用の基本的制約は、多くの有用なポリマーの低いマイクロ波受容力である。ポリマーの低いマイクロ波受容力は、従って、そのようなポリマー系を加熱するために高い電力または長い照射時間を必要とする。特にマイクロ波吸収用に設計されるポリマーでは、多くの場合、それらのマイクロ波特性と機械的特性または熱的特性のどちらを採るかの妥協があり、すなわち、機械的特性と熱的特性は、多くの場合、望ましいとはいえない。

従って、マイクロ波エネルギーを使用するポリマーの急速な体積加熱を助長するプロセスおよびポリマー材料が必要とされている。加えて、ポリマーの造形またはさらなる加工を助長するために、ポリマー材料のそのバルク材料を流動できるようにするのに十分な部分だけを加熱または溶融する能力を有するプロセスおよびポリマー材料が必要とされている。

１つの態様において、本明細書に開示する実施形態は、マイクロ波受容性添加剤と熱可塑性ポリマーとを含むマイクロ波感受性熱可塑性組成物に関し、この場合のマイクロ波受容性添加剤は、セピオライト粘土、アンモニウムイオン塩またはハロゲンイオン塩から形成されたモレキュラーシーブ、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェート、シリコチタネート、有機変性粘土、ケージド有機マイクロ波受容性材料を有するモレキュラーシーブまたはゼオライト、およびこれらの組み合わせから選択される。

他の態様および利点は、後続の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになる。

本明細書に記載する実施形態において有用なマイクロ波加熱装置を示す。

マイクロ波感受性層が組み込まれている多層シートの１つの実施形態を示す。

マイクロ波加熱／冷却曲線と赤外線加熱／冷却曲線の比較図であり、これは、そのパーツの中で相対的に高温の領域と低温の領域を生じさせるパルスマイクロ波加熱または他の手段の使用から生ずる、そのポリマー系における「ヒートシンク」の概念から生ずる、冷却サイクル時間減少および潜在的エネルギー低減を示す。

マイクロ波加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。 マイクロ波加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。

従来の放射加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。 従来の放射加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。

シート厚および所望の加熱時間に基づいて所要電力を計算する、三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。

多層シートの選択的マイクロ波加熱を取り入れている熱成形プロセスの１つの実施形態を示す。

本明細書に記載する実施形態において有用な様々な添加剤およびポリマー系のマイクロ波加熱特性を提示する。 本明細書に記載する実施形態において有用な様々な添加剤およびポリマー系のマイクロ波加熱特性を提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な様々なゼオライトのマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な、エチレングリコールを吸着したおよびしていない、ゼオライトＮａＹのマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な水を含有する添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。

マイクロ波感受性添加剤を有するおよび有さないＰＰおよびＡＢＳについてのアイゾット衝撃データを提示する。

マイクロ波感受性添加剤を有するおよび有さない共押出ＰＰについての落槍データを提示する。

本明細書に記載する実施形態において有用なポリプロピレンシートのマイクロ波加熱についての時間−温度応答を提示する。

ゼオライトＡ、マイクロ波受容性添加剤、を含有するいくつかのポリマーについての測定加熱速度をマイクロ波電力の関数として提示する。

選択的マイクロ波加熱で実現することができる均一な加熱を示す、マイクロ波加熱装置において加熱しながら測定したシートのサンプルについての温度プロフィールを提示する。

選択的マイクロ波加熱で実現することができる均一な加熱を示す、マイクロ波加熱装置において加熱しながら測定したＡ／Ｂ／Ａシートサンドイッチサンプルについての温度プロフィールを提示する。

マイクロ波感受性材料の芯層を含む三層シートの２つのＰＰサンプルについて測定した加熱特性を提示する。

図２４における２つのＰＰサンプルのうちの一方についての加熱プロフィールの温度スナップショットを提示する。このスナップショットは、加熱プロセスに入って２分過ぎたところで撮った。

図１で示したものに類似したマイクロ波加熱／熱成形装置を使用して加熱したＰＰサンプルについての加熱プロフィールの温度スナップショットを提示する。

１つの態様において、本明細書に記載する実施形態は、マイクロ波エネルギーの印加によってポリマーを急速および制御可能に加熱できるようにすることができるマイクロ波受容性成分が、ポリマー骨格上に組み込まれている、またはポリマーに高分子もしくは非高分子添加剤として配合されている、ポリマーに関する。他の態様において、本明細書に記載する実施形態は、マイクロ波受容性成分が組み込まれているポリマーの加工方法に関する。

代替加熱法、例えば、放射、対流または接触加熱法と比較して、マイクロ波エネルギーの使用は、非常に急速な体積加熱を生じさせ得る。マイクロ波エネルギーの使用により、従来の加熱システムの２つの基本的制限、パーツの表面からの熱エネルギーの移動のポリマーの熱伝導率への依存；およびポリマー表面の最大許容温度（そしてまた、これが、最大利用可能温度駆動力を決める）を克服することができる。

ポリマーは、その化学組成に基づき、元々、マイクロ波受容性である場合がある。あるいは、マイクロ波受容性添加剤とマイクロ波非受容性であるベースポリマーとを併せることにより、マイクロ波感受性ポリマー組成物を作ることができる。本発明の実施形態において有用な、適するベースポリマー、マイクロ波受容性ポリマーおよびマイクロ波受容性添加剤は、下で説明する。結果として生ずるマイクロ波受容性またはマイクロ波感受性ポリマーは、マイクロ波エネルギーを放射、対流または接触加熱の代わりに用いることにより、またはそれらと併用することにより、加熱することができる。その後、その加熱されたポリマーを、例えば有用な物品を作るための一次変換プロセスまたは二次加工プロセスにおいて、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、成形する、成形する、押出す、または別様にさらに加工することができる。

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また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。

マイクロ波放射線を印加することにより、ポリマー試験片の体積、バルクまたはパーツの所定領域で局部的に熱を発生させることができる。従って、他の領域が、使用する放射線を透過する非吸収材料から成り得るとき、印加するエネルギーの量を注意深く制御および濃縮することができる。例えば、未処理のポリプロピレンおよびポリエチレンは、マイクロ波放射線透過性である。マイクロ波を受容する材料に焦点を合わせることにより、使用するエネルギーを低減することができ、サイクル時間を短縮することができ、ならびに最終材料の機械的特性および他の特性を様々な要求および用途に合わせることおよび最適にすることができる。

マイクロ波感受性材料の中の部位は、電磁エネルギーの吸収に好適である場合もあり、または好適でない場合もある。好適に吸収する部位は、電磁エネルギーの影響を受けて容易におよび急速に熱くなる。言い換えれば、その基体の体積の指定部分だけが、その材料の他の領域と比べて強く電磁エネルギーによる影響を受ける。

このように、電磁エネルギーは、その基体の一定領域のみと相互作用し、電磁エネルギーが存在するときにはその温度が上昇する。その後、熱伝導および他のそのようなメカニズムのために、そのバルク材料の中の隣接領域の加熱が発生する。そのバルク材料は体積加熱されるので、従来の加熱技術と比較して、より急速にその材料を加工可能な状態に変換することができる。さらに、そのバルク材料全体が表面伝導により加熱（赤外線加熱）された材料は、通常存在するより少ない熱エネルギーを含有し得るため、エネルギーを相当節約することができる。例えば、赤外線加熱は、大気への有意なエネルギー損失を生ずる結果となり、ならびに赤外線加熱では、パーツの表面からそのパーツの中心への許容可能な熱伝達率もたらし、その中心温度を加工に必要な温度に上昇させるために、そのパーツの表面温度が所望の内部温度より有意に高くなければならない。対照的に、マイクロ波感受性ポリマーの温度の加工温度への急速な体積加熱を生じさせるマイクロ波選択的加熱は、特に、マイクロ波透過性表面層を含むような場合、有意に低いポリマー表面温度を生じさせる結果となり得る。エネルギーを、それを必要とする場所、すなわちマイクロ波感受性ポリマー、に主として伝達するマイクロ波加熱は、系から喪失されるエネルギーがより少ない傾向も有し得る。マイクロ波加熱は、結果的に、従来のプロセスのサイクル時間も相当節約することができる。マイクロ波加熱メカニズムが（熱伝導とは対照的に）そのバルク全体にわたって急速に発生するためばかりでなく、そのパーツの総エネルギー含有量が少ないため、加熱時間を低減することができる。材料の非加熱領域が、隣接する加熱領域の熱を抜き取るヒートシンクとしての役割を有効に果たして、そのバルク材料の総冷却速度を増させるので、冷却サイクルも低減することができる。

本明細書に記載するマイクロ波感受性ポリマーは、一次変換プロセスまたは二次加工プロセス中に使用することができる。例えば、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、フィルム、発泡体、異形材、配合ペレット、繊維、織および不織布、成形パーツ、複合材または１つまたはそれ以上のポリマー材料から製造された他の物品を含むポリマー物品の二次加工中で使用することができる。他の実施形態において、本マイクロ波感受性ポリマーは、従来のプロセス、例えば、数ある中でも、シート押出、共押出、発泡押出、射出成形、発泡成形、ブロー成形、射出延伸ブロー成形および熱成形の際に使用することができる。

マイクロ波受容性添加剤

多数の材料をマイクロ波吸収によって加熱することができる。これは、双極子加熱メカニズムによって達成することができ、ならびに永久双極子および／または電荷の誘導移動を伴う（それらは、その材料を通って移動する振動電磁波と共振して振動しようとするからである）。従って、その材料は、分子の振動によって加熱され、その後、隣接原子および分子への熱の粘性伝達（viscous transfer）によって加熱される。他の材料は、電磁波の電場がその材料内の電流の流れを刺激するので、オーム（抵抗）加熱によって熱くなることができる。さらに他のマイクロ波加熱メカニズムとしては、マクスウェルワグナーメカニズムおよび磁気加熱メカニズムが挙げられる。任意の材料がマイクロ波電場の存在下で熱くなる程度は、その誘電損率（誘電正接または複素誘電率とも呼ばれる）によって定義され、これは、要するに、その材料と電磁波との相互作用の強さの測度である。極めて重大なこととして、この加熱はバルク効果であり、すなわち、この材料は、有効に「体積」加熱され、従って、適切なパーツ設計によりパーツにおける所望の温度分布を実現することができる。例えば、熱成形用に設計された共押出シートの場合、マイクロ波感受性芯層は、そのシートを内側から外側へと加熱することができ、その結果、より低温の、より望ましいシート表面温度を得ることができる。

マイクロ波吸収剤を材料への添加剤として使用して、その材料を電磁放射線（通常はマイクロ波またはレーダー）によって加熱できるようにすることもできる。一定の特性を変化させるまたは改善するためにポリマー材料に添加される他の薬剤が、そのポリマー材料に改善された加熱可能性を付与する場合もある。そのような添加剤をポリマーに添加して、それらのポリマーのマイクロ波加熱を助長することができる。

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ことができる添加剤、としては、導電性または磁性材料、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、有機変性粘土、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、および硫黄を挙げることができる。マイクロ波受容性添加剤としては、次のものを挙げることができる。
ａ）元素、例えば、Ｃ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷ；
ｂ）重金属塩、例えば、ＣｕＸ_ｎ、ＺｎＸ_２、またはＳｎＸ_２（この場合、Ｘは、ハロゲンであり、ｎは、１から６の整数である）；
ｃ）塩水和物、例えば、ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・１８Ｈ_２Ｏ；
ｄ）複合水和物、例えば、エトリンジャイト；
ｅ）他の単純水和物、例えば、エプソム塩；
ｆ）金属酸化物、例えば、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＮｉＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＦｅＯ Ｃｏ_２Ｏ_３；
ｇ）複合酸化物、例えば、ＢａＴｉＯ_３；
ｈ）金属硫化物、例えば、Ａｇ_２Ｓ、ＣｕＳ、ＭｏＳ_２、ＰｂＳ、ＺｎＳ、ＦｅＳ 黄鉄鉱（ＦｅＳ_２）および他の硫化鉱；
ｉ）金属炭化物および窒化物、例えば、Ｗ_２Ｃ、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、およびＴｉＮ；
ｊ）半導体、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、およびＺｎＳｅ；
ｋ）イオン導体、例えば、固体酸、ベータアルミナ、ポリマー酸、およびイオン交換樹脂；
ｌ）含水材料、例えば、水和形態のゼオライト、シリカ、アルミナ、アルミノホスフェート、アルミノシリケート、マグネシア、チアニア、粘土、マイカ、ゲル、バーミキュライト、アタパルジャイト、セピオライト、他の無機ゲル、有機ヒドロゲル、例えば高吸収性ポリマー（ＳＡＰ）、Ｍｅｔｈｏｃｅｌ、ならびにヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、カルボキシメチルセルロース、およびマイクロカプセル化水；
ｍ）永久双極子を有する分子、オリゴマーまたはポリマー材料、例えば、ヒドロキシル、アミン、アミド、カルボニル、エステル、カーボネート、カルバメート、ウレア、チオウレア、ニトリル、ニトロ、ニトレート、ニトロシル、ヒドロキシルアミン、アンモニウム、スルホンアミド、スルフヒドリル、スルフィド、スルホン、スルホキシド、ホスフェート、ホスホネート、ホスホンアミド、ハライド、オキシハライドでの一または多置換を含むことがある官能基を有する、ならびに糖、アミノ酸、ラクタム、エチレン一酸化炭素（ＥＣＯ）コポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、アクリレートコポリマー、アクリレート変性ポリマー、デンプン、ケラチン、ゼラチン、他の副生成物、ホルムアミド、ｎ−メチルホルムアミド、ｎ−メチルアセトアミド、およびこれらの組み合わせも含む場合がある、分子、オリゴマーまたはポリマー材料；
ｎ）ケージド双極子、例えば、ゼオライトまたは粘土の中に、あるいはシリカゲルまたは他の無機もしくは有機吸収剤上に吸着された、またはカプセル化された、上（ｍ）に挙げた双極子；
ｏ）金属および半導体以外の有機導体、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、および他の有機導体；
ｐ）磁性物質、例えば、硬質または軟質フェライト、ＳｒまたはＢａチタネート、ＣｏＺｎ、ＮｉＺｎまたはＭｎＺｎ。

一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤としては、例えば、銅、アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ゲルマニウム、酸化鉄またはフェライト；マンガン、アルミニウムおよび銅の合金；酸化マンガン；コバルトまたはアルミニウムの酸化物；ＳｉＣ、Ｎａ_２ＴｉＯ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＴＩＯ_２およびＭｇ_２ＴｉＯ_４を挙げることができる。他の実施形態において、マイクロ波受容性炭素としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、グラフェン、およびカーボンナノチューブを挙げることができる。特定の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤としては、ケイ酸アルミニウム、黄鉄鉱、例えばＦｅ_３Ｏ_４、ゼオライト、例えばゼオライトＡ、炭素、またはこれらの組み合わせを挙げることができる。

上のマイクロ波受容性添加剤に加えて、一定の他の結晶質添加剤は、マイクロ波受容体として有効であり得、それらとしては、イオン導体、例えば、無機固体酸もしくは塩、ポリマー酸もしくは塩、または無機もしくはポリマーイオン交換樹脂を挙げることができることを発見した。１つの特定の実施形態において、イオン交換添加剤は、合成ゼオライト４Ａである。

マイクロ波受容体として有効であり得る他の化合物としては、含水材料が挙げられ、この添加剤は、受容性を強化する量の水を含有する。この水和添加剤は、無機、分子に基づく場合もあり、またはポリマー物質に基づくものであり得る。例えば、水和無機添加剤は、水和ゼオライト１３Ｘであり得、このゼオライトは、その重量の３０％以下を水として吸着することができる。

マイクロ波受容体として有効であり得る他の化合物としては、分子またはポリマーマイクロ波受容体を含有する無機またはポリマー物質が挙げられる。受容体化学種は、その無機もしくはポリマー物質の中にある場合があり、その無機もしくはポリマー物質の粒子上のコーティングとして存在する場合があり、またはその無機もしくはポリマー物質の細孔の中のゲストである場合がある。例えば、エチレングリコールをゼオライトＮａＹの３次元ケージの中に吸着させることができる。

セピオライト粘土もマイクロ波受容性添加剤として使用することができる。セピオライトは、強力に保持された水を含有する天然粘土鉱物である。この強力に保持された水は、その粘土がマイクロ波を受容できるようにすることができ、および加熱に備えることもでき、加熱中にその水の存在に起因して気泡または微小気泡が本質的に形成されない。

アンモニウムイオン塩または水素イオン塩から形成されたモレキュラーシーブまたはゼオライトも、マイクロ波受容性添加剤として使用することができる。例えば、モレキュラーシーブＹのアンモニウム形を使用することができる。

ゼオライト様合成材料もマイクロ波受容性添加剤として使用することができる。例えば、合成材料、例えば、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェートおよびシリコチタネート、ならびにゼオライト材料のものに類似した構造および水和挙動を有する軽金属の他の混合物を使用することができる。

他の実施形態において、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウムイオン塩、および水素イオン塩から形成されたゼオライトを含めて、上に記載したモレキュラーシーブは、ゼオライトケージ内に吸着された有機材料を含む場合がある。例えば、エチレングリコールおよび他のマイクロ波受容性有機材料をゼオライトまたはモレキュラーシーブ内に吸着させて、そのモレキュラーシーブに強化されたマイクロ波受容性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さらに他の化合物としては、そのパーツの所望の部分に受容性および選択的加熱を付与することができる材料が挙げられる。これらとしては、ポリアニリンなどの有機導体を挙げることができる。

上の添加剤に加えて、マイクロ波受容性ポリマー材料は、マイクロ波感受性層の主成分として使用される場合もあり、またはマイクロ波感受性層を作るために、他の低または非マイクロ波受容性ポリマーとブレンドされる副成分である場合もある。ポリマー受容性材料としては、例えば、エチレンビニルアルコールポリマー、ポリケトン、ポリウレタン、ポリアミド、ポリビニルクロライド、ポリアクリレート、エチレン一酸化炭素コポリマー、ポリアニリン、およびその他を挙げることができる。例えばＣＯ、ＯＨ、ＮＨ、メタクリレート、二酸化炭素、アクリル酸、酢酸ビニル、アルコール、およびビニルまたはポリビニルアルコールなどの一定の基がポリマー構造に組み込まれているマイクロ波受容性ポリマーを作ることができる。こうしたマイクロ波受容性部分は、ポリマー鎖の骨格に組み込んでもよいし、またはポリマー鎖に取り付けてもよい。

上で説明したように、マイクロ波添加剤、例えば、ゼオライトおよび粘土は、緊密に結合した水を含有する場合がある。これらの材料は、加熱するとその添加剤から放出され得る吸着水を含む場合もある。一部の実施形態において、マイクロ波感受性添加剤は、ポリマーと併せる前に乾燥させることができる。一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、例えばベント式押出システムの使用により、ポリマーと併せ、水を除去することができる。他の実施形態では、水が結合しているマイクロ波受容性添加剤を含有するポリマーのパーツまたはシートを、マイクロ波装置においてそのシートを加工する前に、乾燥させることができる。このようにして、過剰な水に起因する望ましくない気泡形成を最小にするまたは回避することができる。

一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、粉末、フレーク、球体、ペレット、顆粒、液体またはゲルの形態であり得る。マイクロ波受容性添加剤の好ましい形態は、重合プロセス中、ポリマーの精製もしくはペレット成形中、または配合プロセス中など、添加剤がブレンドされる段階に依存し得る。他の実施形態において、前記添加剤は、一次変換または二次加工プロセス直前または中に、例えば、押出、射出成形、またはポリマーを使用する他のプロセス中に、配合することができる。一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤のブレンディングは、ポリマーマトリックスの特性に有意な影響を及ぼすことなく、改善されたマイクロ波受容性を付与することができる。

上の添加剤のいずれかを別々に使用して、または併用して、所望の選択的加熱効果をもたらすことができる。例えば、様々なゼオライトを併用して、１つの形態のゼオライトだけより、および固体（すなわち、水和ゼオライト）のみを配合物に添加する場合より、はるかに高い受容性をもたらす、相乗効果を実現することができる。この例におけるものなどの添加剤は、難なくポリマーに配合することができる固体粉末のままである場合もある。使用するマイクロ波受容性添加剤のサイズは、その添加剤を分散させるポリマーマトリックスのサイズに依存し得、マトリックスが厚いほど、大きな粒子を収容することができる。一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤の平均粒径は、０．１ｎｍから５０マイクロメートル、一部の実施形態では０．１ｎｍから１マイクロメートル、他の実施形態では０．１マイクロメートルから２５マイクロメートル、他の実施形態では１から１５マイクロメートル、およびさらに他の実施形態では５マイクロメートルから１０マイクロメートルの範囲にわたり得る。使用するサイズの粒子は、（狭いサイズ範囲を有する）単分散粒子を含む場合もあり、または（広いサイズ範囲を有する）多分散粒子を含む場合もある。

一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、電磁エネルギーに対して狭帯域応答を示すことができる。他の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、広い周波数帯域にわたる照射によって加熱することができる。１つの実施形態において、前記添加剤は、１ＭＨｚから３００ＧＨｚまたはそれ以上の周波数範囲にわたって受容性を有すると考えることができる。他の実施形態において、前記添加剤は、０．１から３０ＧＨｚまたはそれ以上、他の実施形態では４００ＭＨｚから３ＧＨｚ、および他の実施形態では１ＭＨｚから１３ＧＨｚまたはそれ以上の周波数範囲で加熱することができる。さらに他の実施形態において、前記添加剤は、１から５ＧＨｚの周波数範囲で加熱することができる。

一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、ベースポリマーとマイクロ波受容性添加剤のドライブレンディングによって作ることができる。他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、前記添加剤とポリマー材料を配合することによって、または前記添加剤をポリマー材料でコーティングすることによって作ることができる。さらに他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、マイクロ波受容性添加剤と湿潤ポリマー分散物をブレンドし、その後、その分散物を乾燥させて水を除去することによって作ることができる。

ポリマー

よりマイクロ波感受性のポリマーを作るために１つまた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−ブタジエン−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または混合物から選択される樹脂が挙げられる。一定の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤と併せることができるポリオレフィンおよび他のポリマーとしては、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、アクリル系またはアクリレート系ポリマー、無水マレイン酸含有また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。

一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、多層構造に不連続層（またはいくつかの層）として、その（それらの）不連続層を後続の二次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」であり得る隣接ポリマー層へと伝導され、その結果、従来の加熱システムでより急速にそのポリマー構造全体が必要二次加工温度に到達できる。

一定の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、１００重量部のポリマーにつき０．１から２００重量部のマイクロ波受容性添加剤を併せることによって作ることができる。他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、１００重量部のポリマーにつき１から１００重量部、さらに他の実施形態では２から５０重量部、およびさらに他の実施形態では３から３０重量部のマイクロ波受容性添加剤を併せることによって作ることができる。

一定の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤の含有量は、マイクロ波感受性ポリマーの０．１から２５重量パーセントを構成し得る。他の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤の含有量は、マイクロ波感受性ポリマーの１から２０重量パーセント、およびさらに他の実施形態では２から１５重量パーセントを構成し得る。

一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、粉末、顆粒、ペレット、不均質削片、液体、シート、またはゲルの形態であり得る。マイクロ波感受性ポリマーは、結晶質、半結晶質、または非晶質であり得る。一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、着色剤、補強用または増量用フィラー、および他の機能性添加剤、例えば難燃剤またはナノ複合材を含む場合がある。

マイクロ波加熱装置

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。ここで、図１を参照して、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマー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によってそれらのサンプルを送り込むことにより、マイクロ波加熱装置１０によって加工することができる。

一部の実施形態において、マイクロ波加熱装置１０は、ポリマーを急速におよび均一に加熱することができ、ならびにそのマイクロ波感受性ポリマーの性質（受容体タイプ、受容体濃度、マトリックスタイプなど）および加工する材料の形態（厚、形状など）に合わせることができる。本明細書において用いる場合、急速な加熱は、一部の実施形態では、そのシートまたはパーツの少なくとも一部分の毎秒少なくとも５℃、他の実施形態では毎秒少なくとも１０℃、他の実施形態では毎秒少なくとも２０℃、他の実施形態では少なくとも３０℃、およびさらに他の実施形態では少なくとも５０℃の速度での加熱を指すことができる。本明細書において用いる場合、均一な加熱は、シートの加熱またはシートの少なくとも選択部分の加熱を指ことができ、この場合、加熱部分は、一部の実施形態では１０℃またはそれ以下、他の実施形態では７．５℃またはそれ以下、他の実施形態では５℃またはそれ以下、他の実施形態では４℃またはそれ以下、およびさらに他の実施形態では３℃またはそれ以下の最大温度変化を有する。従来の赤外線加熱と比較すると、本明細書に開示するマイクロ波加熱装置の様々な実施形態によって生じる加熱速度および温度変化は、サイクル時間の点での利点をもたらすことができ、過剰な熱暴露に起因するポリマーに対する有害効果を最小にすることができ、ならびに加工改善をもたらすことができる。

装置１０は、様々な電力源（図示せず）を含むことができ、ホーン１５は、均一なエネルギー密度を行き渡らせることができ、ならびに絞り板１３およびＥＨチューナー１２は、放射される波長を緻密にチューニングできるようにすることができる。このように、マイクロ波放射器は、粒状ポリマーを効率的に加熱するように調整することができる。数ある変数の中でも、加工するポリマーシートの温度をモニターするために、分析測定装置（図示せず）を含めることもできる。シートの加熱に関して説明したが、他のマイクロ波加熱装置およびプロセスも、本明細書に記載するマイクロ波感受性ポリマーとともに使用することができる。

利用するマイクロ波放射器についての電力定格は、加熱するポリマー試験片の組成、サイズまたは厚、ならびに所望の温度に依存し得る。電力定格は、加熱ステージの上流または下流で行われる操作についてのサイクル時間などの変数に基づいて選択することもできる。一定の実施形態では、可変電源を利用することができ、それによってプロセス自由度、例えば、パーツサイズまたは組成（マイクロ波受容性添加剤の量またはタイプ）を変化させる能力が得られる。

用途

上で説明したように、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、後続の加工、例えば、混合、トラスファー成形、造形、型打ち、射出、成形、成形、押出、または別様のさらなる加工のために、加熱することができる。一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、例えば、冷蔵庫ライナーを成形するためなどの、厚手シート熱成形プロセスにおいて有用であり得る。他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、例えば、エアレイドバインダー繊維の加工のために有用であり得る。他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、例えば、ブロー成形ボトルを作るためなど、ブロー成形プロセスにおいて有用であり得る。他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、発泡体、押出発泡体、および発泡体または発泡層を含有する他の構造において有用であり得る。

他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、加工するポリマーを完全に溶融しない用途において有用であり得る。例えば、マイクロ波感受性ポリマーを選択的に加熱することができる（そのポリマーの選択部分のみを装置に通して加熱し、それによって、熱エネルギーを、成形、成形または型打ちプロセスなどによりさらに加工する部分のみに集中させることができる）。これは、加工中に処理する材料の構造完全性を強化することができ、ならびにその材料を所望の形状に加工するために必要なエネルギーを低減することができる。

他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、型押シートにおいて有用であり得る。従来の赤外線熱成形では、投入した熱は、シートの表面を通過するはずであり、多くの場合、その型押構造または表面細部の維持力を低減する。上で説明したような加熱サイクルの低減に加えて、マイクロ波感受性ポリマーは、シートに付与されるエネルギー足跡の低減により、加工中の型押構造の維持力を増大させることができる。

他の実施形態において、選択的加熱により、マイクロ波非感受性層が間に散在しているポリマーのマイクロ波感受性層の使用が可能になり得る。積層ポリマーは、以下のことに備えることができる。最適な温度プロファイリング；ポリマーの加工中のパルスマイクロ波エネルギーの使用；パーツの特定領域の加熱に対処するマイクロ波放射器の選択的配置；および１つまたはそれ以上のパーツまたは層のマイクロ波感受性の効により優先的または選択的加熱に備えることができる他の具現化。

シート押出の一例として、マイクロ波感受性層を多層シートに組み込むことができる。例えば、図２は、マイクロ波感受性層が組み込まれている多層シートの１つの実施形態を示す。マイクロ波感受性層Ｂは、シート芯を構成し、これに、マイクロ波加熱に対して感受性でない外層Ａが結合している。マイクロ波感受性芯層の組み込みは、シート熱成形中など、シートの後続の加工を助長することができる。一部の実施形態では、マイクロ波選択性ポリマーの使用により、厚手シート熱成形、選択的延伸性、およびシートの急速、均一加熱を可能にすることによって、シート熱成形を助長することができる。

本明細書に開示する積層シートは、２つまたはそれ以上の層を含むことができ、その１つまたはそれ以上の層が、マイクロ波感受性ポリマー組成物を含む、またはそれらから作られたものであり得る。例えば、積層シートは、３、４、５、６、．．．、１０００またはそれより多くの層を含むことができる。一部の実施形態において、個々の層は、０．１マイクロメートルから２５ｍｍの平均厚を有することができ、シートの総厚は、１００マイクロメートルから２５ｍｍの範囲であり得る。一部の実施形態において、シートは、多数のマイクロメートル厚の層を有する、マイクロ積層構造を含むことができる。

図２には三層シートとして示すが、他の実施形態では、マイクロ波感受性層が、ポリマー構造内の単数または多数の領域を構成する場合がある。例えば、マイクロ波感受性ポリマーは、２つまたはそれ以上の層を有するシートにおいて不連続層を構成する場合がある。他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、より大きな構造の特定領域を構成する場合があり、さらなる加工のためにそれらの領域を選択的に加熱することができる。さらに他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、サイドバイサイド繊維構造の１面を構成する場合がある。さらに他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、芯／鞘繊維構造の芯または鞘を構成する場合がある。

発泡押出プロセスでは、例えば、マイクロ波感受性層を組み込むことにより、発泡体芯および固体非感受性外皮を選択的に加熱できるようにすることができ、それによって、より短い加熱サイクル、その上、発泡体構造の気泡破壊の防止を可能にする。他の実施形態では、それぞれの層に異なる濃度のマイクロ波吸収性化学種を組み込むことにより、それぞれの層を差別的に加熱できるようにすることができ、従って、熱成形などの任意の後続の二次加工段階の最適化を可能にすることができる。他の実施形態では、マイクロ波感受性層の組み込みにより、ポストフォームシートの選択的発泡を可能にすることができる。

他の実施形態、例えば、射出成形または射出延伸ブロー成形では、マイクロ波感受性層の組み込むみにより、ポリマーの内部冷却に起因して、より短いサイクルを可能にすることができ、この場合は、そのパーツの非感受性部分がヒートシンクとしての役割を果たし、その結果、低減された冷却時間をもたらす。射出成形することができる溶融および半溶融材料の混合物を生じさせるパルスマイクロ波エネルギーの使用によって、射出成形を助長することもでき、この場合、前記半溶融材料は、そのパーツの後続の冷却中にヒートシンクとしての役割を果たす。射出延伸ブロー成形は、最終製品の機械的特性を改善することができるという、マイクロ波選択的加熱の結果として生ずる最適化熱勾配の恩恵も受けることができる。

図３は、従来の加熱サイクルと比較して、本発明の１つの実施形態に従って得ることができる冷却の低減を示すものである。加熱サイクルおよびエネルギー必要量を低減することができる、ポリマーの急速な加熱に加えて、マイクロ波感受性の芯を有するシート、ペレットまたは繊維も、同様に、加熱して冷却サイクルの低減を場合によっては生じさせることができる。図３に示すように、通常の加熱／冷却曲線「ＩＲ」とマイクロ波加熱／冷却曲線「ＭＷ」を比較すると、芯ポリマーを加熱して、エネルギーを外側の非感受性層に伝導することができる。成形温度「ＭＴ」へと十分に加熱したら、そのパーツを成形すること、射出ことなどができる。より温かい芯から非感受性ポリマーへの継続的な伝導に起因して、そのパーツは、従来の加熱後のパーツ冷却より早く離型温度「ＤＭＴ」へと冷却し、その結果、サイクル時間減少「ｄｔ」が生じる。曲線ＩＲと曲線ＭＷの間の面積ｄＥは、マイクロ波感受性の芯を有するポリマーをマイクロ波加熱することによって得ることができる低減熱負荷量を表す。

一部の実施形態では、マイクロ波感受性層および非マイクロ波感受性層を含有する、積層熱可塑性シートを熱成形の前に選択的に加熱することができる。他の実施形態では、熱可塑性材料の積層または共押出ペレットを、例えば射出成形プロセスにおける、後続の加工の前に、選択的に加熱することができる。これらは、上で説明した「内部ヒートシンク」の存在のために冷却を加速させることができ、従って、上で説明した積層シートの場合と同様にサイクル時間を現象させることができる。

他の実施形態において、後続の加工の前に、パルスマイクロ波エネルギーを使用して、非溶融ポリマーの層が間に散在している溶融ポリマーの「スライス」、すなわち不連続領域、を作ることができる。上で説明した積層シートの場合と同様に、これも冷却を加速させることができ、および従って、サイクル時間を減少させることができる。

他の実施形態では、１つまたはそれ以上のマイクロ波放射器の選択的配置により、後続の加工の前にシートまたは他の熱可塑性パーツの特定領域を選択的に加熱できるようにすることができる。これは、シートの特定領域を深絞りしなければならない熱成形プロセスにおいて、特に有用であり得る。

他の実施形態におけるプロセスは、マイクロは感受性成分を含有する二成分バインダー繊維（特定のポリプロピレン繊維、または無水マレイン酸グラフトもしくは他の極性化学種などのマイクロ波感受性物質を含有する繊維の場合）とセルロース系繊維とを含有する衛生製品において使用されるものなどの、吸収性の芯の選択的加熱および圧密を利用することができる。例えば、繊維形成プロセスでは、ポリマー繊維の部分的溶融およびセルロース繊維の加熱をそれらの固有水分含有量によって行うために十分なエネルギーを有するマイクロ波加熱装置に平面材料を通すことができる。その後、それらの繊維をポリマー繊維とセルロースの一体化網目構造の中の吸収性の芯に圧密することができる。あるいは、前記構成品は、工業用布であってもよく、この場合、マイクロ波感受性繊維は、カバードヤーンのような織または不織構造を互いに結合させるために使用され得る。

他の実施形態におけるプロセスは、一方がマイクロ波エネルギー受容性であり、他方が透過性である、２つのポリマーのブレンドを、マイクロ波受容性ドメインを選択的に加熱することができるような方法で利用することができる。それぞれのポリマーの相対比率、相形態、マイクロ波感受性成分の濃度、および印加する電力を用いて、マイクロ波感受性相の加熱速度および従って、その複合材全体の加熱速度を制御することができる。

他の実施形態では、選択的加熱により、透過性ポリマーマトリックス中のマイクロ波受容性強化部材の使用が可能となり得る。前記強化部材は、連続メッシュまたはネット、職または不織布、連続フィラメントまたは不連続、ステープルファイバーの形態をとる場合がある。前記強化部材も実際にはポリマー性である場合があり、または他の非ポリマー性、マイクロ波感受性材料、例えば、炭素または金属である場合もある。

他の実施形態において、マイクロ波受容性ポリマーは、固体外皮および発泡体芯を含む三層（またはそれ以上の層の）発泡体構造（例えば、シート）の外皮および／または芯において使用することができる。それぞれの層中のマイクロ波受容性成分の濃度は変えることができ、ならびにマイクロ波電力は、それぞれの層の急速な加熱と、後続の加工の直前のその構造全体にわたる所望の温度分布、両方を実現するように選択することができる。これは、時期尚早の発泡体気泡破壊を伴わずに所望の熱成形温度プロフィールを実現するために赤外線加熱プロセスにおいて必要とされる非常に緩やかな加熱の必要をなくすことができる。

一部の実施形態では、熱可塑性ポリマーマトリックス（例えば、熱可塑性シート）内のゼオライト、無機水和物、またはポリマー水和物の形態でのマイクロ波受容性成分を使用することができる。前記ゼオライトは、そのゼオライト構造内に水を含有することがあり、マイクロ波エネルギーを用いて加熱することができ、そしてその後、その熱可塑性マトリックスを再造形することができる。例えば、シートの場合、そのシートを容器にすることができる。その容器をさらに水に暴露して、形成された容器の中のゼオライトの細孔に水を組み込むことができる。その後、その造形容器を再加熱し、その水和した添加剤から水を蒸気として放出させることができ、この水蒸気は、その熱可塑性マトリックスを発泡体に発泡させる発泡剤としての役割を果たすことができる。

他の実施形態において、食品の無菌包装処理の際に使用される包装用シートの外皮層に対する、その外皮層を選択的に加熱するための、マイクロ波受容性材料の使用は、過酸化水素または蒸気滅菌の必要をなくすことができる。

実施例

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（またはいくつかの層）として、それらのマイクロ波感受性相を後続の二次加工また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、ポリオレフィンまたはポリアミドなどの半結晶質材料を熱成形する際に、Ａ／Ｂ／Ａ構造が有用であり得る。

以下の実施例は、多層構造についてのモデリング予測および実験結果、ならびに射出成形中のパルスマイクロ波エネルギーについてのサイクル時間の例を含む。

マイクロ波選択的加熱プロセスのモデリング
図７〜１０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。

例えば、図１に関して上で説明したマイクロ波加熱装置を使用して、ポリマーシートを加熱することができる。このまたは同様の様式でのＡ／Ｂ／Ａ構造の加熱は、従来の放射または接触加熱と比較すると、シートの断面を通して「逆の」温度プロフィールを生じさせるので、熱成形の再に有用であり得る。この逆の温度プロフィールは、図７および８と図９および１０を比較することによって、より良好に示すことができ、この場合、マイクロ波加熱についてはＡ層のほうがＢ層より低温であり、放射加熱では最外層が一番温かい。

図４および５において示されるように、マイクロ波加熱は、図４および５において示されるような中間、マイクロ波感受性層の加熱を生じさせる。その後、その熱が外層に伝導される。このシミュレーションのために、シートをマイクロ波エネルギーに２０秒間暴露して、芯の温度を１６０℃にした。最上層は、マイクロ波電源を切った１０秒後にピーク温度に達する。約３０秒の全パルス時間の後、伝導によりシート全体が約１６０℃になり、その多層シートの厚さにわたっての温度差は、約２０度未満である。

図６および７において示されるように、放射加熱は、最上層を熱に暴露し、その後、その熱は、より下の層に伝達されるはずである。シートのより下の部分への伝導は、芯の温度を１６０℃にするために有意な時間量、１５０秒、を必要とし得る。約１７０秒でシート全体が１６０℃に達し、最上層と最下層の間には約７０℃の温度差がある。

上のシミュレーションの結果は、マイクロ波加熱が、より早い加熱サイクル、およびサンプルを通してより均一な温度分布を生じさせることを示している。マイクロ波加熱と放射加熱を比較したときに観察されるもう１つの違いは、加熱後のサンプルの応答である。マイクロ波加熱の場合、図４および５において示されるように、電源切断状態への応答が即時であり、溶融領域を含む。対照的に、放射加熱の場合、図６および７において示されるように、電源切断状態への即時応答は、達成がより困難であり、溶融領域を含まない。

図４〜７において示されるように、選択的マイクロ波加熱は、Ｂ層より低温であるＡ層をもたらすことができ、ならびにＡ層におけるほうが高い溶融強度、および従って、広い加工領域をもたらすことができる。この多層構造は、マイクロ波感受性ポリマーのそれぞれの層の数、位置および厚さ、それぞれに含まれるマイクロ波感受性添加剤の比率、ならびに印加する電力レベルを変えることにより、熱成形のためにシート全体を通して最適な温度プロフィールをもたらすように特別に設計することもできる。このようにして、必要な加熱時間を最小にするのに十分な「温度駆動力」を確保するために必要な、放射加熱システムには特有の非常に高い温度にそのシートの表面を暴露することなく、シート全体を熱成形に所望の温度に急速に加熱することができる。積層構造の選択的加熱の概念は、成形段階および後続の冷却段階中のより高温の（マイクロ波加熱）層からより低温の（マイクロ波透過性）層への熱エネルギーの伝導のために、成形後の冷却加速も助長することができる。それらのマイクロ波透過性層は、本質的に、そのポリマー構造内の「内部ヒートシンク」としての役割を果たすことができる。

加熱サイクル時間低減
上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、シート５ｍｍ厚について１０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またはそれ以上）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、それより有意に低い所要電力で達成することができる。

表１では、シートごとに、マイクロ波加熱システムについて概算したサイクル時間を、従来の熱成形加熱システムと比較する。重ねて、Ａ／Ｂ／Ａ積層ポリプロピレンシートについては、Ｂ層が、マイクロ波感受性であり、そのシート厚の約６０パーセントである。選択的加熱は、結果として、加熱サイクル時間の９０パーセントまたはそれ以上の低減を生じさせることができ、その加熱に必要なエネルギーを７５パーセント低減することができる。

マイクロ波感受性ポリマー層を含有するシートの選択的加熱は、図９に示すものに類似したプロセスで行うことができる。シート素材１０２をマイクロ波アレイ１０４に送ることができ、そこでそのシートを所望の温度に加熱することができる。その後、その加熱された素材を、その温度で、低電力ＩＲ放射器を有する熱成形機金型台１０６に進め、その後、成形し、冷却し、射出して１０８、成形パーツにする１１０ことができる。

図９の上のほうの部分は、選択的加熱を用いるシートの熱成形の一例について必要な上で述べた段階と対応する概算時間、およびこのプロセス全体にわたっての概算ポリマー温度を示すものである。図９に示す時間温度プロットについてのシートは、マイクロ波感受性ポリプロピレンの内芯層を有する６ｍｍ厚のポリプロピレンシート（Ａ／Ｂ／Ａ＝１．５ｍｍ／３ｍｍ／１．５ｍｍ）であった。マイクロ波加熱アレイは、２２ｋＷの電力設定でのものであった。

図９における時間温度プロットは、マイクロ波感受性ポリプロピレンについての有意に減少された加熱時間、約３０秒、を示している。対照的に、従来の熱成形／加熱プロセスを用いると、加熱に、ポリプロピレンについては約２００秒、およびポリスチレンについては８５秒かかる（それぞれ、同様の厚さ）と推定される。マイクロ波感受性ポリマーについてのこの加熱時間の有意な減少は、その加熱時間減少の結果として生ずるサイクル時間減少のために、より低いパーツコストをもたらすことができる。

表２では、射出成形システムに関してパルスマイクロ波加熱システムについて概算したサイクル時間を、従来の射出成形加熱システムと比較する。マイクロ波感受性ポリマーをマイクロ波エネルギーのパルスで加熱し、非受容性およびマイクロ波感受性またはマイクロ波受容性ポリマーを含有するペレットを溶融する。その後、その溶融物をキャビティーに射出する。受容性ポリマーから非受容性ポリマーへの熱の伝導のために、そのペレット／溶融物は、内部ヒートシンクを有し、これが冷却サイクル時間を向上させる。このサイクル時間低減は、より厚いパーツについては６０パーセント、より小さいパーツについては約２５パーセントと概算された。

様々な添加剤の加熱試験
マイクロ波感受性ポリマーにおいて有用であり得るいくつかのフィラーのマイクロ波特性を、鉱油中で、マイクロ波エネルギーに対するそれらの応答について試験した。比較のために、それらの添加剤をニートポリプロピレンとも比較した。図１３および１４は、１８０グラムの軽油（Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）に粉末として分散させた、それぞれ２０グラムのフィラー ＢａＴｉＯ_３（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒから入手可能）、ゼオライトＡ（Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能である、モレキュラーシーブ ４Å）、Ｆｅ_３Ｏ_４（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒから入手可能）、エチレン一酸化炭素（ミシガン州、ミッドランドのＴｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）、Ｃｕ金属（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒから入手可能）、ＭＹＲＡＮＩＴＥ（英国のＹｅｏｍａｎ−Ｐｒｏｔｅｘ Ｌｉｍｉｔｅｄから入手可能）、およびＭＹＲＡＳＨＩＥＬＤ（英国のＹｅｏｍａｎ−Ｐｒｏｔｅｘ Ｌｉｍｉｔｅｄから入手可能）についてのマイクロ波特性を提示するものである。

図１０を参照して、ＢａＴｉＯ_３（Ｂａ）、ゼオライトＡ（ＺＡ）、Ｆｅ_３Ｏ_４（Ｆｅ）、エチレン一酸化炭素コポリマー（ＥＣＯ）、およびニートポリプロピレン（ＰＰ）の時間温度プロットを示す。これらの添加剤を鉱油と混合し、ＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジ（ノースカロライナ州、マシューズのＣＥＭ Ｃｏｒｐ．，から入手可能）内に配置し、３００Ｗで５分間、６００Ｗでさらに５分間、そして１２００Ｗでもう５分間、そのマイクロ波電源を投入した。その混合物の温度を１５分間にわたって測定した。ＥＣＯは、この実験継続時間にわたって最大応答を有し、温度は約１１０℃上昇した。Ｆｅは、約６０℃上昇し、ＺＡは、約３０℃上昇した。ＥＣＯおよびＦｅは、加熱の最初の２分間の温度勾配（傾き）によってわかるように、最も迅速な応答を有するようであった。

図１１を参照して、Ｂａ、ＺＡ、Ｆｅ、銅金属（Ｃｕ）、ＭＹＲＡＮＩＴＥ（ＭＲ）およびＭＹＲＡＳＨＩＥＬＤ（ＭＳ）についての回帰吸収データを示す。ＦｅおよびＺＡは、広範な周波数にわたって最大吸収を有し、これは、マイクロ波加熱に対するそれらの適応性を示している。

図１２を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、油中の種々のゼオライト（４Ａ、５Ａ、ＮａＹ、ＮＨ_４Ｙ、および１３Ｘ、すべてその供給業者から受け取ったまま）の時間温度プロットを示す。ゼオライト１３Ｘおよび５Ａ（それぞれ、Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）は、同様の加熱特性を示した。ゼオライト４Ａ（Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）は、ゼオライト１３Ｘおよび５Ａでよりわずかに急速に温度が上昇した。ゼオライトＮａＹ（Ａｌｄｒｉｃｈ）およびＮＨ_４Ｙ（Ａｌｄｒｉｃｈ）は、温度の最大上昇を示し、ならびにこの実験の終了時に同様の温度変化を有した。しかし、ゼオライトＮａＹは、ゼオライトＮＨ_４Ｙでより低い電力設定で急速に温度が上昇した。熱重量分析は、受け取ったままのゼオライトＮａＹおよびＮＨ_４Ｙは、それぞれ、有意な量の水を含有しており、これに対して４Ａ、５Ａおよび１３Ｘは、比較的少量の水を含有していたこと（すなわち、これらを活性化形として受け取ったこと）を示している。

図１３を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、１８０グラムの鉱油中の、１２０℃で乾燥させた、および指示した質量の吸着エチレングリコールを含む、２０グラムのゼオライトＮａＹについての時間温度プロットを示す。最も多くのエチレングリコール、１２グラム、を含有するサンプルは、最高の温度上昇速度を有し、乾燥ゼオライトは、最低の温度上昇速度を有した。この実施例は、エチレングリコールなどのマイクロ波受容性化合物を吸着したゼオライトを熱可塑性ポリマーに添加してマイクロ波受容性ポリマーを作ると、マイクロ波加熱能力が改善されることを示す。

図１４を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、添加水を伴うおよび伴わない、ゼオライト４Ａ（Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能である、モレキュラーシーブ４Å）の時間温度プロットを示す。サンプルＡ０は、添加水を有さず、Ａ２は、２グラム、Ａ４は、４グラム、およびＡ６は６グラムの追加の水を有した。重ねて、これらの添加剤は、油と混合し、ＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジ（ノースカロライナ州、マシューズのＣＥＭ Ｃｏｒｐ．，から入手可能）内に配置し、３００Ｗで５分間、６００Ｗでさらに５分間、そして１２００Ｗでもう５分間、そのマイクロ波電源を投入した。その混合物の温度を１５分間にわたって測定した。水の加熱に起因して、含有する水の量が多いサンプルほど、大きな温度変化を有した。この実施例は、水などのマイクロ波受容性化合物を吸着したゼオライトを熱可塑性ポリマーに添加してマイクロ波受容性ポリマーを作ると、マイクロ波加熱能力が改善されることを示す。

図１５を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、様々な酸化鉄および硫化鉄についての時間温度プロットを示す。これらの実験中に使用した添加剤としては、Ｆｅ_３Ｏ_４、および２つの異なる硫化鉄、黄鉄鉱（ＦｅＳ_２、Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）と硫化第一鉄（ＦｅＳ、Ａｌｄｒｉｃｈ）が挙げられた。酸化鉄Ｆｅ３Ｏ４の２つの粒径が分析され、一方は、３２５メッシュの粉末であると記載され（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）、もう一方は、４０〜６０ナノメートルサイズの粉末であると記載されていた（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ）。重ねて、サンプルは、１８０グラムの軽油中の２０グラムの無機粉末の懸濁液として試験した。それらの添加剤を油と混合し、ＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジ（ノースカロライナ州、マシューズのＣＥＭ Ｃｏｒｐ．から入手可能）内に配置し、３００Ｗで５分間、６００Ｗでさらに５分間、そして１２００Ｗでもう５分間、そのマイクロ波電源を投入した。その混合物の温度を１５分間にわたって測定した。

それらの磁性のため、それらの酸化鉄は、非常に有効なマイクロ波感受性を示し、油ブランクより１２５から２００℃高い温度に達する。３２５メッシュの粉末でより、微細なナノメートルサイズの酸化鉄粉末のほうが、有効に加熱された。硫化鉄もマイクロ波感受性を示し、油ブランクより４０から５０℃高い温度に達する。

図１６を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、様々な乾燥および受け取ったままの粘土鉱物についての時間温度プロットを示す。試験した粘土鉱物としては、カオリナイト（Ｈｙｄｒａｆｉｎｅ ｎｏ．１、Ｈｕｂｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、アタパルジャイト（ＰＦｌ−１、コロンビア、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＭｉｓｓｏｕｒｉのＳｏｕｒｃｅ Ｃｌａｙ Ｍｉｎｅｒａｌｓ Ｒｅｐｏｓｉｔｏｒｙ）、およびセピオライト（Ｐａｎｇｅｌ Ｓ−９、スペインのＴｏｌｓａ Ｇｒｏｕｐ）が挙げられた。それぞれを、１８０グラムの軽油中の２０グラムの無機粉末の懸濁液として試験し、上で説明したように加熱した。様々な添加剤のマイクロ波感受性の分析に加えて、これらの実験は、受け取ったままの材料を加熱することにより水分除去の効果も試験した。

乾燥したカオリナイト、アタパルジャイトおよびセピオライトは、非常に不良なマイクロ波感受性を示した。対照的に、受け取ったままの材料の中の水分の存在は、それらを非常に有効なマイクロ波感受性材料にした。従って、非常に有効な形態で提供され得るこれらおよび同様の添加剤に水を直接添加する必要はない。エチレングリコールも乾燥したアタパルジャイトのサンプルに添加した。水分に起因して改善される感受性と同様に、多孔質アタパルジャイトへの４グラムのエチレングリコールの添加は、この材料のマイクロ波感受性を劇的に改善することができる。

図１７を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、乾燥および水和シリカゲルおよび様々な金属水酸化物についての時間温度プロットを示す。重ねて、それぞれのサンプルは、１８０グラムの軽油中の２０グラムの無機粉末の懸濁液として試験し、上で説明したように段階的に加熱した。マイクロ波感受性について試験した添加剤としては、シリカゲル、水酸化アルミニウム（Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能である、Ａｌ（ＯＨ）_３）および水酸化マグネシウム（Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｍａｔｈｅｙから入手可能である、Ｍｇ（ＯＨ）_２）が挙げられた。水酸化アルミニウムおよび水酸化マグネシウムは、中間的加熱挙動を示し、従って、これらは、マイクロ波感受性添加剤として軽度に有効であった。乾燥シリカゲルは、低いマイクロ波感受性を有した。しかし、シリカゲルのマイクロ波感受性は、２グラムの水を添加したシリカゲルサンプルについての結果によって示されるように、吸着水によって強く向上された。

図１８を参照して、上で説明したとおりのＭＡＲＳ（商標）５装備電子レンジにおいて加熱した、様々なマイクロ波感受性ポリマー材料についての時間温度プロットを示す。重ねて、２０グラム分の３つのポリマー材料、ナイロン６、ナイロン６／６、およびポリアクリロニトリル（それぞれ、Ａｌｄｒｉｃｈから入手可能）を１８０グラムの鉱油に添加し、上で説明したように段階的に加熱した。これらの極性ポリマーは、油ブランクと比較した熱上昇によって示されるように、非感受性マトリックスに配合されるとマイクロ波感受性を与えることができる。これらの結果は、ナイロン６が、ナイロン６／６よりも、ポリアクリロニトリルよりも、マイクロ波感受性添加剤として有効であったことを示している。

マイクロ波感受性ポリマーの加熱試験
上のフィラーのうち、ゼオライトＡ（Ａｌｄｒｉｃｈ、モレキュラーシーブ４Å、カタログ番号２３３６６８）およびＦｅ_３Ｏ_４（Ａｌｆａ Ａｅｓａｒ、カタログ番号１２３７４）を、選択的加熱プロセスにおける評価のために選択した。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（図１３および１４に関して上で説明したような応答）、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１９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減少を示す実験室データを提示するものである。

しかし、図１９Ａにおいて示されるように、外面マイクロ波透過性層を有する共押出シートの衝撃値は、マイクロ波受容性添加剤によって有意な影響を受けないことが判明した。図１９Ａは、内層が、指示濃度のゼオライトを含有する（対照は、ゼオライトをまったく有さない）、４ｍｍの全厚を有する２０／６０／２０共押出ポリプロピレンシートについての落槍データを提示するものである。結果が示すように、共押出マイクロ波感受性ポリマーは、同様の物理的特性（耐衝撃性および延性）を有することができる。

選択した添加剤を、様々な厚（３、６および１０ｍｍ）のポリマーシートにおいて４つの負荷レベル（約３、６、１０および１４重量パーセント）で使用した。この場合のポリマーとしては、ＡＢＳ、ＨＩＰＳ、ＰＰおよび導電性ＴＰＯが挙げられた。その後、それらのポリマーシートのマイクロ波加熱を、上で説明した図１に示すものに類似した装置で試験した（マイクロ波加熱装置２０は、チューニングピストン２１、ＥＨチューナー２２、整合用絞り板２３、導波管２４、ホーン２５、マイクロ波チョーク２７、下側可動ピストン２８、およびサンプル送りスロット２９などの構成要素を含む）。シートは、サンプル送りスロットによってそれらのサンプルを送り込むことにより、マイクロ波加熱装置によって加工した。この試験装置は、ポリマーを急速および均一に加熱することができ、ならびに材料の性質および形態（受容体タイプ、受容体濃度、マトリックスタイプ、ならびにサンプルの厚および形状）に合わせることができた。この試験装置は、２．５４ＧＨｚ可変電源、および均一なエネルギー密度を行き渡らせるホーンへのＷＧ９Ａ導波管接続を含んでいた。絞り板およびＥＨチューナーは、放射される波長の緻密なチューニングを可能にした。数ある変数の中でも、加工するポリマーシートの温度をモニターするために、分析測定装置（図示せず）を含めた。

ここで、図２０を参照して、１１００ワットの電力設定で前記マイクロ波加熱装置を使用して、６重量パーセントのゼオライトＡを有する６ｍｍ厚のポリプロピレンシートを加熱し、そのシートの温度を時間の関数として測定した。シートは、約１７秒で室温から約１５５℃に上昇した。これは、急速な加熱サイクルを示している。

図２１を参照して、ゼオライトＡを含有するいくつかのサンプルについてのマイクロ波電力の関数としての測定加熱速度を示す。表３に記載する８つのサンプルを作製した。これらのサンプルを一定マイクロ波電力で加熱して、サンプルの温度の上昇を測定した。中から高電力設定で、サンプル１、３および７は、急速な加熱速度（毎秒約７℃より大きい）を示し、サンプル２、６および８は、中等度の加熱速度（毎秒２から６℃）を示し、ならびにサンプル４および５は、遅い加熱速度（毎秒２℃未満）を示した。

図２２を参照して、動作中のマイクロ波加熱装置で加熱中のサンプルについて測定した温度プロフィールを示す。サンプルは、ナイロンストリップ、６ｍｍ厚、幅８５ｍｍおよび長さ５００ｍｍであった。サンプルは、５００Ｗの電力設定で、４００ｍｍ／分の速度で、その装置を通って移動した。図２２は、その加熱の結果として生じた安定化温度プロフィールの時宜を得たスナップショットを提示するものであり、選択的マイクロ波加熱で実現することができる均一な加熱を示す。

図２３を参照して、マイクロ波加熱装置において加熱中のＡ／Ｂ／Ａサンドイッチサンプルについて測定した温度プロフィールを示す。Ａ層は、マイクロ波非受容性であり、Ｂ層は受容性であった。実験結果により、積層の概念が、上で説明したようなＥ場モデリングによって予測されたものに類似した、均一の加熱バンドをもたらすことが確認された。

図２４を参照して、マイクロ波エネルギー透過性のポリマーの外層に結合しているマイクロ波感受性材料の芯層を含む三層シートの２つの３ｍｍ ＰＰサンプルについて測定した加熱特性を示す。両方のサンプルについて、芯層は、１０重量パーセントのゼオライトＡを含有した。サンプル９は、最上層（外皮）を有し、これに対してサンプル１０は、最上層を有さなかった。これらのサンプルを５００Ｗの電力設定でマイクロ波エネルギーに暴露した。最上層を有するサンプル９は、最上層を有さないサンプル１０よりはるかに遅く熱くなった。図２５は、試験開始から２分後のサンプル９の加熱の時間−温度スナップショットを提示するものであり、熱伝導が、熱をマイクロ波感受性層から外層へと伝達する場合に外層がどれほど遅れるかのさらに示す。このように、外層は、低溶融強度の芯のための担体としての役割を果たすことができる。

ここで、図２６を参照して、マイクロ波加熱装置および図４に示すような熱成形ステーションを使用するポリプロピレンサンプル（芯材中に１４％ゼオライトＡを有する４ｍｍ厚の２０／６０／２０共押出ＰＰ材料）の加熱の温度スナップショットを示す。このプロピレンシートは、１４重量パーセントのマイクロ波受容性添加剤（ゼオライトＡ）を含有する。これを、１．５キロワットの電力定格を有するマイクロ波加熱装置において、そのポリマーシートを３ｍｍ／秒の速度でそのマイクロ波加熱装置に通して加熱する。マイクロ波エネルギーをそのシートの中央部のみに向け、成形すべきそのシートのその部分を選択的に加熱した。図２６でわかるように、加熱された区画の全域で温度プロフィールは摂氏４度しか変化しなかった。これは、所望の成形パーツを作るためのサンプル幅全体にわたる十分に均一な加熱を示す。

もう１つの例として、冷蔵庫ライナーへのシートの熱成形は、ポリマーに剛性と靭性の良好なバランス、十分に高い低温対衝撃特性、良好なＥＳＣＲ、および良好な耐熱性を有することを求める。加えて、ポリマーは、良好な溶融強度および限定された垂れを有する、深絞り加工領域を有さなければならない。逆の温度プロフィールの結果として熱成形中に改善された溶融強度および低減された垂れを有する前記Ａ／Ｂ／Ａ積層ポリマーは、冷蔵庫ライナーおよび同様厚手シート用途のためのＴＰＯシートの熱成形を可能にすることができる。

本発明の実施形態は、熱可塑性材料の急速な体積加熱に備えるものである。実施形態は、熱可塑性構造の不連続パーツ、例えば、ラミネートまたは共押出多層構造における個々の層などの選択的加熱に備えるものである。他の実施形態は、加熱されたマイクロ波受容性材料の領域と非加熱のマイクロ波受容性材料の領域を生じさせるパルスマイクロ波エネルギーに備えるものである。一部の実施形態は、パーツの特定領域の加熱に対処するマイクロ波放射器の選択的配置に備えるものである。他の実施形態において、特に、一方または両方の外層からのポリマーへの放射熱の遅い伝導伝達と比較して、高い浸透効率を有する選択的マイクロ波加熱は、芯層および外皮層をほぼ同時に加熱することができる。

本明細書に開示する実施形態は、熱可塑性ポリマー材料の選択的マイクロ波加熱に利用することができる。ポリマー加工に関して、この技術は、設計者および加工者に多くの利点を提供し、この利点としては、次のものが挙げられる。選択的で急速な加熱；加熱／冷却サイクル時間減少（高速）；高いエネルギー効率および他の環境的利点、例えば放出物低減（有毒ガスの排出がない乾式プロセスである故）および再循環可能性増大（自己強化型単一素材成分のより広範な使用を可能にすることによる）；自己強化型パーツにおける特性の保存（戻りのリスク低減）；生産性増大；パーツ品質および強度改善；ならびに熱プロセスにおける停留時間減少に起因する熱劣化の最小化、および従ってポリマー形成の際に熱安定化添加剤を減少させることができる。

有利なことに、本明細書に開示する実施形態は、加熱時間の減少、総二次加工サイクル時間の減少および従って、ピースパーツコストの低減をもたらすことができる。本明細書に開示する実施形態は、加工される材料の中に「ヒートシンク」を導入することにより、選択的加熱の使用の結果として冷却時間減少をもたらすこともできる。加えて、体積加熱は、「表面」または「接触」加熱の必要をなくし、従って、高いポリマー表面温度の潜在的に有害な影響をなくすことができる。体積加熱は、シート厚全体にわたる望ましくない温度勾配もなくす。

有利なことに、本明細書に開示する実施形態は、低減される総サイクル時間および低減されるシステムエネルギー必要量により、改善された生産性ももたらすことができる。本明細書に開示する実施形態は、すべての熱可塑性材料に最適な熱成形条件を提供する、および特に、そうしなければ許容できないほどの狭い加工領域を有する厚手熱可塑性ポリオレフィンシートを熱成形できるようにする、注文どおりの熱プロファイリングも提供することができる。

本開示は、限られた数の実施形態を含むが、本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態を考案できることは、本開示の恩恵に浴する当業者には理解される。従って、本範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

Claims (22)

1. マイクロ波受容性添加剤；および
   熱可塑性ポリマー
   を含み、
   前記マイクロ波受容性添加剤が、セピオライト粘土、アンモニウムイオン塩またはハロゲンイオン塩から形成されたモレキュラーシーブ、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェート、シリコチタネート、有機変性粘土、ケージド有機マイクロ波受容性材料を有するモレキュラーシーブまたはゼオライト、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、
   マイクロ波感受性熱可塑性組成物。
2. 前記セピオライト粘土が水を含む、請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
3. 前記アンモニウムイオン塩から形成されたモレキュラーシーブが、モレキュラーシーブＹのアンモニウム形を含む、請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
4. 前記マイクロ波受容性添加剤が、０．１ｎｍから５０マイクロメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
5. 磁性または導電性素子、重金属塩、塩水和物、複合水和物、単純水和物、金属酸化物、複合酸化物、金属硫化物、金属炭化物、金属窒化物、半導体、イオン導体、含水材料、永久双極子を有する分子、オリゴマーまたはポリマー材料、ケースド双極子（cased dipoles）、有機導体、磁性物質、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される追加のマイクロ波受容性添加剤をさらに含む、請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
6. 前記マイクロ波受容性添加剤および追加のマイクロ波受容性添加剤が、それぞれ、０．１ｎｍから５０マイクロメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
7. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、カーボンナノチューブ、グラフェン、エトリンジャイト、エプソム塩、黄鉄鉱、ＴｉＮ、Ｂ_４Ｃ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、固体酸、ベータアルミニウム、ポリマー酸、イオン交換樹脂、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５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
8. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ゼオライト、シリカ、アルミナ、チタニアゲル、バーミキュライト、アタパルジャイト、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５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
9. 前記マイクロ波選択的添加剤が、水和ゼオライト、水和シリカ、水和アルミナ、水和チタニアゲル、水和バーミキュライト、水和アタパルジャイトおよびこれらの組み合わせを作るために水和される、請求項８に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
10. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ヒドロゲル、マイクロカプセル化水、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５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
11. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、糖、アミノ酸、ラクタム、エチレン一酸化炭素ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、デンプン、ケラチン、ゼラチン、ホルムアミド、ｎ−メチルアセトアミド、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５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
12. 前記マイクロ波受容性添加剤が、ゼオライト、粘土の中もしくはシリカゲル上にケージもしくは吸着される、またはカプセル化される、あるいはこれらの組み合わせである、請求項１１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
13. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン、Ｓｒ、Ｂａチタネート、ＮｉＺｎ、ＭｎＺｎ、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５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
14. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、Ｃ、ＣＯ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｏ、ＣｕＸ_ｎ（この場合、ｎは、１から６の整数であり、Ｘは、ハロゲンである）、ＺｎＸ_２またはＳｎＸ_２（この場合、Ｘは、ハロゲンである）、ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ、Ａｌ_２（ＳＯ_４）_３・１８Ｈ_２Ｏ、ＣｕＯ、ＮｉＯ、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＢａＴｉＯ_３、Ａｇ_２Ｓ、ＣｕＳ、ＭｏＳ_３、ＰｂＳ、Ｗ_２Ｃ、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＮ、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５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
15. 前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ヒドロキシル、アミン、アミド、カルボニル、エステル、スルホンアミド、ホスフェート、ホスホネート、ホスホンアミド、ハライド、およびこれらの組み合わせでの一または多置換を含む官能基を有するポリマー分子からなる群より選択される、請求項５に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
16. 前記熱可塑性ポリマーが、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−ブタジエン−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、エチレンビニルアルコールコポリマー、およびこれらのコポリマーまたは混合物からなる群より選択される、請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
17. 前記熱可塑性ポリマーが、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からなる群より選択される１つまたはそれ以上のポリマーを含む、請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
18. 請求項１に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物を含む１つまたはそれ以上の領域；および
    実質的にマイクロ波透過性である熱可塑性ポリマーを含む１つまたはそれ以上の領域、
    を含む熱可塑性材料。
19. 芯／鞘構造を有し、前記芯が、マイクロ波感受性ポリマー領域を含み、前記鞘が、実質的にマイクロ波透過性である熱可塑性ポリマーを含む領域を含む、請求項１８に記載の熱可塑性材料。
20. 積層シートとして形作られる熱可塑性材料であって、１つまたはそれ以上の層が、前記マイクロ波感受性熱可塑性組成物の１つまたはそれ以上を含む領域を含む、または前記領域によりもしくは前記領域で構成される、請求項１８に記載の熱可塑性材料。
21. 前記積層シートの外層が、マイクロ波エネルギー透過性である、請求項２０に記載の熱可塑性材料。
22. 前記積層シートが、マイクロ積層シートである、請求項２０に記載の熱可塑性材料。