JP2010513676A - 発泡性フルオロポリマーの押出し成形 - Google Patents
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Abstract
押出し成形発泡性組成物を製造する方法であって、その発泡性組成物が、部分結晶性溶融加工性パーフルオロポリマーおよび発泡成核パッケージを含む方法が開示される。本方法では、高速度で製品品質を損なうことなく、均一な発泡セルサイズを有する発泡製品が製造される。
Description
本発明は、発泡熱可塑性ポリマーの押出し成形に関する。さらに詳しくは、本発明は、発泡成核パッケージを高メルトフローのフルオロポリマーと組み合わせた発泡熱可塑性ポリマー組成物の押出し成形に関する。
発泡絶縁材にフルオロポリマーを使用している製造元(例えば、絶縁導体製造元)は様々な問題に直面しており、その問題は、現在入手可能な導体絶縁材料では解決されていない。これらの製造元にとって、かかる1つの問題は、押出し成形/溶融ドローダウンプロセスが様々な条件およびパラメーターの下で行われ、その結果、製造元の発泡フルオロポリマーの物理特性および電気特性の変動が生じることである。製造元は、発泡フルオロポリマー特性の変動を最小限に抑えようと努めている。
製造元の他の問題は、様々な用途に対するフルオロポリマーの押出し成形の経済的側面である。絶縁品質(スパークおよび/または塊の問題の発生、少なくともドローダウン比(DDR)、作業温度、コーン長さを変更する不確実性に直面した場合に、絶縁導体製造元は通常、絶縁導体の所望の品質が達成されるまでライン速度を落とすため、生産性が下がる結果となる。
以下の開示内容は、本発明の種々の態様に関連しており、かつ簡潔には以下のようにまとめられる。
Buckmasterらによる特許文献1には、フルオロポリマーにおける向上した発泡核生成を提供する、窒化ホウ素(BN)と特定の無機塩との相乗効果的組み合わせが開示されている。
Buckmasterらによる特許文献2には、多種多様な熱可塑性材料において低濃度で非常に効率的な発泡セル核生成を提供する、スルホン酸およびホスホン酸の種類、およびそれらの酸の塩が開示されている。さらに、これらの酸および塩は、窒化ホウ素および四ホウ酸カルシウムと組み合わせて、すなわち特許文献1によって含まれる組み合わせで、少量で有利に使用される。上記の特許には、製造元によって望まれる高速度で押出し成形することができると同時に、絶縁導体製造元などの製造元によって望まれる絶縁材の圧縮抵抗および電気的性能をさらに提供する組成物は開示されていない。
押出し成形における溶融ポリマーの温度は、優れた性能を達成するために厳密に制御しなければならないことが分かっている。制御を失うと、スパーク(ポリマーによって導体が不十分にコーティングされている箇所)および塊(絶縁材の不規則な形状の領域)など、絶縁材の欠陥発生が容認できないほど高くなる。フルオロポリマーのメルトフローレートのロット間変動によって、押出し成形の綿密な制御が混乱し、売り物にならない製品が製造されている間、時間がかかり、かつ無駄な調整が必要となることがさらに分かっている。フルオロポリマーのメルトフローレートの変動の減少は、著しい経済的不利益を課すであろう。高速の押出し成形を可能にするために、特に先行技術において可能であるよりも広い温度範囲にわたって、ほとんどまたは全くスパークまたは塊のないフルオロポリマー絶縁材の押出し成形のために、更なるポリマーの改善が必要とされている。
品質を損なうことなく、生産性または絶縁導体の電気的性質などの望ましい特性を失うことなく、市販のポリマーで現在可能な速度よりも高い速度で押出し成形することができる発泡性フルオロポリマー組成物を有することが望ましい。ケーブルの加工および電気的性能における変動を低減する押出し成形発泡フルオロポリマーケーブルを提供することも望ましい。発泡性組成物を使用するため、押出物に必要なポリマー材料の量を低減する押出し成形方法を提供することもさらに望ましい。
簡潔に述べて、かつ本発明の一態様に従って、a)発泡セルを含む発泡性組成物を押出し成形する工程を含む、押出し成形方法であって、その発泡セルの90%が直径50マイクロメートル以下であり、かつ前記発泡性組成物が、i)部分結晶性溶融加工性パーフルオロポリマー;およびii)前記パーフルオロポリマーと前記発泡核剤の合計質量の0.1〜10質量%の範囲である発泡核剤;を含む、押出し成形方法が提供される。
本発明の他の態様に従って、発泡性組成物を押出し成形する工程であって、発泡性組成物が、a)溶融状態でフッ素化されている、部分結晶性溶融加工性パーフルオロポリマーと、
b)i)窒化ホウ素;
ii)フルオロポリマー押出し成形温度で熱安定性であり、かつ金属カチオンおよび多価アニオンからなり、かつ以下の関係:
0.36×[14−pKa]−0.52≧[r−0.2q]2≧0.11×[14−pKa]−0.28
[但し、R=カチオンの結晶イオン半径(オングストローム)であり、
Q=カチオンの原子価であり、
pKa=以下の反応:
HA−(n−1)<=>H++A−n
(式中、Aは塩アニオンであり、Hは水素であり、n=アニオンの原子価の絶対値である)
のKaの−logである]を満たす、相乗効果的な量の少なくとも1種類の無機塩;
iii)次式:
[Z(CF2)x(CF2CFX)p(R’)y(CH2)zRO3]nM
(式中、Zは、CCl3、CCl2H、H、F、ClまたはBrであり;
Xはそれぞれ独立して、H、FまたはClから選択され;
Rは、硫黄またはリンであり;Mは、Hまたは金属カチオン、アンモニウム、置換アンモニウムまたは第4級アンモニウムカチオンであり;
xは、整数かつ0〜10であり;
pは、整数かつ0〜6であり;
yは、0または1であり;
zは、整数かつ0〜10であり;
x+y+z+pは、正の整数であるか、またはx+y+z+pが0であれば、ZはCCl3またはCCl2Hであり;
nは、Mの原子価であり;
R’は、
C5−6過フッ素化脂環式環ジラジカル;
[CF2O]、[CF2CF2O]、および[CF2CF(CF3)O]から選択される反復単位を有するC1−16過フッ素化脂肪族ポリエーテルジラジカル;
置換または非置換芳香族ジラジカル(ここで、ZはHである);から選択される)の発泡核剤;
を含む発泡成核パッケージと、を含む工程を含む、押出し成形方法であって、前記発泡成核パッケージが、前記パーフルオロポリマーと前記発泡成核パッケージの合計質量の0.1〜10質量%の範囲である、押出し成形方法が提供される。
b)i)窒化ホウ素;
ii)フルオロポリマー押出し成形温度で熱安定性であり、かつ金属カチオンおよび多価アニオンからなり、かつ以下の関係:
0.36×[14−pKa]−0.52≧[r−0.2q]2≧0.11×[14−pKa]−0.28
[但し、R=カチオンの結晶イオン半径(オングストローム)であり、
Q=カチオンの原子価であり、
pKa=以下の反応:
HA−(n−1)<=>H++A−n
(式中、Aは塩アニオンであり、Hは水素であり、n=アニオンの原子価の絶対値である)
のKaの−logである]を満たす、相乗効果的な量の少なくとも1種類の無機塩;
iii)次式:
[Z(CF2)x(CF2CFX)p(R’)y(CH2)zRO3]nM
(式中、Zは、CCl3、CCl2H、H、F、ClまたはBrであり;
Xはそれぞれ独立して、H、FまたはClから選択され;
Rは、硫黄またはリンであり;Mは、Hまたは金属カチオン、アンモニウム、置換アンモニウムまたは第4級アンモニウムカチオンであり;
xは、整数かつ0〜10であり;
pは、整数かつ0〜6であり;
yは、0または1であり;
zは、整数かつ0〜10であり;
x+y+z+pは、正の整数であるか、またはx+y+z+pが0であれば、ZはCCl3またはCCl2Hであり;
nは、Mの原子価であり;
R’は、
C5−6過フッ素化脂環式環ジラジカル;
[CF2O]、[CF2CF2O]、および[CF2CF(CF3)O]から選択される反復単位を有するC1−16過フッ素化脂肪族ポリエーテルジラジカル;
置換または非置換芳香族ジラジカル(ここで、ZはHである);から選択される)の発泡核剤;
を含む発泡成核パッケージと、を含む工程を含む、押出し成形方法であって、前記発泡成核パッケージが、前記パーフルオロポリマーと前記発泡成核パッケージの合計質量の0.1〜10質量%の範囲である、押出し成形方法が提供される。
本発明は、添付の図面と関連して、以下の詳細な説明からより完全に理解されよう。
本発明は、その好ましい実施形態と関連して説明されるが、本発明をその実施形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。一方、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲内に包含されるように、すべての代替物、修正形態、および等価物を包含することが意図される。
定義:
以下の定義は、本明細書および添付の特許請求の範囲の文脈においてそれらがどのように使用されているかに従って参照として提供される。
以下の定義は、本明細書および添付の特許請求の範囲の文脈においてそれらがどのように使用されているかに従って参照として提供される。
カテゴリー5/5eケーブルとしても知られるCat5/5eは、100Mbit/sまでのデータを確実に伝送するように設計された非シールドより対線(UTP)ケーブルタイプ、例えば100BASE−Tである。Cat5/5eは、24ゲージ銅製絶縁ワイヤー1インチ当たり3つのねじりを有すると共に、1本のケーブルジャケットそれぞれに4つのより対線を含む。ケーブルのねじり合わせによって、電気的干渉およびクロストークが低減される。他の重要な特徴は、そのワイヤーが低い分散を有するプラスチック(例えば、FEP)で絶縁されていること、すなわち、誘電率が周波数によって大幅に異ならないことである。接続ポイントでのインピーダンスの不整合を最小限にするために、特別な注意も払わなければならない。Cat5に取って代わるCat5eケーブルは、遠端クロストークの仕様を加えたCat5の強化版である。
カテゴリー6ケーブルとしても知られるCat6は、1Gbit/sまでのデータを確実に伝送するように設計されたUTPケーブルタイプである。Cat6は、Cat5/5eおよびCat3標準規格と後方互換性であるが、クロストークおよびシステム雑音のより厳密な規格を有することに留意されたい。Cat6は、23ゲージ銅製絶縁ワイヤー1インチ当たりに異なるねじりを有すると共に、1本のケーブルジャケットそれぞれに4つのより対線を含む。そのケーブル標準規格は、10BASE−T/100BASE−Tおよび1000BASE−Tに適している。
カテゴリー7ケーブルとしても知られるCat7は、10Gbit/sまでのデータを確実に伝送するように設計されたシールド付きより対線ケーブルである。Cat7は、Cat6、Cat5/5eおよびCat3(すなわち、カテゴリー3は、イーサネット信号の100メートルの伝送に適している最初の非シールドより対線ケーブルである)標準規格と後方互換性であり、クロストークおよびシステム雑音のより厳密な規格を有することに留意されたい。シールディングが個々のより対線およびケーブル全体に加えられていることを除いては、Cat7は前の標準規格と同様に4つのより対線を含む。
クロストークは、隣接または近傍の信号経路に結合された1つの信号経路からのエネルギーの望ましくない伝達である。クロストークの例としては、電話による会話中に時々遭遇するかすかな声が挙げられる。クロストークは、容量性の電場、または誘導性の磁場であり、通常、コンピューターリンクまたはデータシステム内に不要なまたは間違ったデータを生成する。
誘電率εrは、材料が電場にどのように影響を及ぼすかを説明する物理量であり、電場を分極する材料の能力および電場を部分的に打ち消す材料の能力に関連する。さらに具体的には、それは、蓄積された電気エネルギーの量と真空の量との比、εr=1である。ワイヤー絶縁材のεrは、ケーブルのインピーダンスおよび伝搬速度の両方に影響を及ぼす。
シールド付きより対線(STP)ケーブル布線は主に、コンピューター・ネットワーキングに使用されている。各より対線は、互いに巻き付けられた2つの絶縁導体によって形成され、ワイヤーを干渉から保護するために導電性オーバーラップで覆われ、アースとしての役割を果たす。この特別な保護によって、ワイヤーの可撓性が制限され、STPは他のケーブルタイプよりも高価になる。各導体は、絶縁材によって取り囲まれる。導電性シールドが、より対線を取り囲み得る。複数のより対線が外装に入れられる。外装は、導電性シールドを含み得る。これらのシールドとしては、フォイルカバーまたは編組線が挙げられる。
均一より対線は、それにおける環状のねじりが、より対線の全長に沿って一定であるより対線である。
非シールドより対線(UTP)ケーブル布線は、電話用途の主要なワイヤータイプであり、コンピューター・ネットワーキングにも一般的である。各より対線は、クロストークを起こし得る電磁干渉を打ち消すために、互いに巻き付けられた2つの絶縁導体によって形成される。ワイヤーをねじり合わせると、干渉が低減される。というのは、ワイヤー間のループ領域(磁気結合を信号へと決定する)が低減され、かつ均一結合磁場によって生じる電流の方向が、すべてのねじりに対して逆方向となり、互いに打ち消されるためである。メートル当たりのねじり数が多くなるにしたがって、低減されるクロストークが多くなる。導体はそれぞれ、絶縁材によって囲まれる。複数のより対線が外装に入れられる。
限定されないが、本明細書に開示される実施形態を含む本発明の詳細な説明を参照されたい。本発明は、部分結晶性溶融加工性フルオロポリマーおよび発泡成核パッケージで構成される組成物を押出し成形する。本発明によるフルオロポリマーは、部分結晶性であり、すなわち非晶質ではなく、例えばエラストマーではない。部分結晶性とは、そのポリマーがいくらかの結晶性を有し、かつASTM D 3418に従って測定される検出可能な融点、および少なくとも約3J/gの融解吸熱を特徴とすることを意味する。そのポリマーは、テトラフルオロエチレン(TFE)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)とのコポリマー、およびTFEとパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)とのコポリマーである。コポリマーは、2種類以上のモノマーを重合することによって製造されるポリマーとして本明細書で定義される。
本発明の押出し成形方法に好ましいフルオロポリマーはパーフルオロポリマーである。パーフルオロポリマーは好ましくは、TFE、HFPおよびパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)を重合することによって製造される。HFPは、パーフルオロポリマーの約3〜20質量%の範囲である。パーフルオロポリマーは、溶融状態でフッ素化されており、かつ実質的に金属イオンを含有しない。パーフルオロポリマーは、金属イオン含有試薬を使用することなく、重合かつ単離される。パーフルオロポリマーは、少なくとも1種類のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)を約0.5〜10質量%含有する。パーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)の一実施形態は、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)(PEVE)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)(PPVE)、またはパーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)を含む。
他の好ましいパーフルオロポリマーは、TFEと、その直鎖状または分岐状アルキル基が炭素原子1〜5個を含有するパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)(PAVE)とのコポリマーである。好ましいPAVEモノマーとしては、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)(PMVE)、パーフルオロ(エチルビニルエーテル)(PEVE)、パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)(PPVE)、およびパーフルオロ(ブチルビニルエーテル)(PBVE)が挙げられる。コポリマーは、時に製造元によりMFAと呼ばれる、TFE/パーフルオロ(メチルビニルエーテル)/パーフルオロ(プロピルビニルエーテル)コポリマーなどのいくつかのPAVEモノマーを使用して製造することができる。PFAとして一般に知られるTFE/PAVEコポリマーは、PAVEがPPVEまたはPEVEである場合を含み、PAVEを少なくとも約2質量%有し、一般にはPAVEを約2〜15質量%含有する。PAVEがPMVEを含む場合、組成は、パーフルオロ(メチルビニルエーテル)約0.5〜13質量%、PPVE約0.5〜3質量%であり、合計100質量%の残りはTFEであり、上記のように、MFAと呼ぶことができる。
重合は、添加アルカリ金属塩の非存在下で行われる。米国特許第5,677,404号明細書の実施例1の一般手順に従う。しかしながら、開始剤は、過硫酸アンモニウムのみで構成される。過硫酸アンモニウムと共に、過硫酸カリウム、一般的な他の開始剤または共開始剤は使用されない。米国特許第5,182,342号明細書に開示されるように、有機開始剤を使用することも可能である。重合および洗浄に使用される水は脱イオン水である。上述の実施例1において、コポリマーはTFE/HFP/PEVEであるが、PPVE、PMVE、および他のPAVEモノマー、およびこれらのモノマーの組み合わせを代わりに使用することができる。メルトフローレート(MFR)は、重合に開始剤を添加する割合によって制御される。本発明の押出し成形方法のパーフルオロポリマーは好ましくは、約25g/10分〜35g/10分の範囲のMFRを有する。MFRはポリマー粘度の測定値であり、MFRが高くなると、ポリマー粘度が低くなる。関与する特定のパーフルオロポリマーに対してASTM試験によって確立された指定の温度、指定の荷重下にて、ASTM D 1238−94aのPlastometer(登録商標)から得た、10分で流れるポリマーのグラムの測定値である。重合後、得られたポリマー分散液は、機械攪拌によって凝集される。凝集は、凍結および解凍、または化学物質の添加によっても行うことができる。化学凝集には、酸またはアンモニウム塩が使用されるが、金属塩、特にアルカリ金属塩は使用されない。例えば凝固剤として、そのプロセスにアルカリ土類金属が使用されないこと、かつ金属イオンが腐食の原因とならないように、重合の構成材料および加工装置が選択されることがさらに好ましい。ポリマーのアルカリ金属イオン含有量は、蛍光X線によって測定される。検体としてのカリウムについては、検出下限はポリマーにおいて5ppmである。本発明によるポリマーは、アルカリ金属イオン50ppm未満、好ましくは約25ppm未満、さらに好ましくは約10ppm未満、最も好ましくは約5ppm未満を有する。
脱イオン水を使用して製造され、アルカリ金属塩を使用することなく重合かつ単離されたポリマーは、本明細書において、実質的に金属イオンを含有しない(例えば、金属塩非含有)と言及される。
導体コーティング作業において高いライン速度では、フルオロポリマー中にアルカリ金属塩が存在すると、押出ダイの外部表面上に、および/または導体がそれを通るダイ内側にあるガイダーの先端上に、フルオロポリマーの垂れの形成が促進され、この垂れは一定間隔をあけて、導体上の絶縁材にメルトコーンに沿って運ばれ、容認できない絶縁材の塊として現れることが見出されている。これだけが塊の原因ではない。ポリマーの溶融温度が高すぎるか、または低すぎる場合にも、塊が形成される。フルオロポリマーにおけるアルカリ金属塩の存在は、塊の問題の一因となる。本発明の押出し成形方法に使用されるコポリマーは、得られるフルオロポリマーの重合または単離においてアルカリ金属塩が全く使用されないという意味で、アルカリ金属塩非含有であり、すなわちアルカリ金属塩を含有しない。
ポリマーにおけるアルカリ金属イオンの決定方法が、カリウムイオンの決定の一例として示される。分析方法は蛍光X線(XRF)である。XRF装置は、既知量のカリウムイオンを含有するポリマーで標準化される。ゼロppm標準は、カリウムイオン非含有環境における重合によって、かつカリウム非含有配合を用いて作製される。他の濃度での標準については、カリウムイオン含有量の絶対値が、プロトン励起X線分光法(PIXE)によって決定される。
本発明によるポリマーは、米国特許第4,743,658号明細書に開示される方法によってフッ素化し、熱不安定性または加水分解不安定性の末端基を安定性の−CF3末端基に変換することができる。熱不安定性とは、その末端基が、通常分解によって、フルオロポリマーが溶融加工される温度、一般に300〜400℃で反応することを意味する。フッ素処理によって影響を受ける不安定性末端基の例は、−CF2CH2OH、−CONH2、−COF、および−COOHである。4種類の不安定性末端基の総数をポリマー主鎖において約50個以下/炭素原子数106個に減らすために、フッ素化が行われる。好ましくは、フッ素処理後のこれらの不安定性末端基の合計は、約20個以下/炭素原子106個であり、最初の3つの末端基に関しては、好ましくはかかる末端基約6個未満/炭素原子106個である。米国特許第4,743,658号明細書に開示されるように、フッ素処理に続いて、例えば窒素ガスでフッ素処理ペレットのスパージングが行われ、抽出可能なフッ化物のフルオロポリマーが取り除かれる。フッ素化の好ましい方法が、米国特許第6,838,545号明細書に記載されており、ポリマーは溶融状態でフッ素化される。すなわち、ポリマーは、フッ素にさらされる時に溶融される。
本発明の押出し成形方法の意外な態様は、1000フィート/分(300m/分)で行うことができることである。図1(a)に示すような市販の発泡構造は、高くて500フィート/分(150m/分)まで押出し成形することができる。押出し成形速度を増加しようとすると、粗く、時にでこぼこの表面、売り物になる製品にとって許容できない状態を有する絶縁材が形成される。一方、市販の中実の、すなわち非発泡のフルオロポリマーワイヤー絶縁材は、1000フィート/分(300m/分)以上で押出し成形することができ、良品質の絶縁ワイヤーが製造される。押出し成形速度が500フィート/分(150m/分)を超える場合に、市販の発泡性組成物で見られる問題は、発泡セルが押出し成形された絶縁材の表面に近すぎるため、これらの近すぎるセルを隔てるポリマーの薄い層が、押出し成形速度が高すぎる場合に、裂けおよび破断に耐えられるほど強くないことである。本発明の押出し成形方法によって形成された発泡絶縁材は、発泡セルが絶縁材の中心に向かって、表面からより遠くに集中していることから、より速く押出し成形することができ、上述のようなスキンが形成される。かなり低い気孔率を有するスキンは、むしろ非発泡絶縁材に近い。これは、本発明の押出し成形が、市販の発泡性組成物の低い速度とは対照的に、むしろ非発泡絶縁材で可能な速度に近い速度で押出し成形できる理由であると考えられる。
成核パッケージ組成物のための、本発明の押出し成形方法は、ライン速度300フィート/分〜500フィート/分(90〜150m/分)で行うことができる。しかしながら上記のように、意外な結果は、本発明の押出し成形方法が、500フィート/分超える、好ましくは800フィート/分(245m/分)以上、最も好ましくは1000フィート/分(300m/分)のライン速度で押出し成形絶縁材の品質または電気的性質を損なうことなく、行うことができることである。
導体のコーティング作業における高いライン速度では、フルオロポリマー中にアルカリ金属塩が存在すると、押出ダイの外面上に、および/または導体がそれを通るダイ内側にあるガイダーの先端上に、フルオロポリマーの垂れの形成が促進され、この垂れは一定間隔をあけて、導体上の絶縁材にメルトコーン沿って運ばれて、容認できない絶縁材の塊として現れることが判明している。これだけが塊の原因ではない。ポリマーの溶融温度が高すぎるか、または低すぎる場合にも、塊が生じる。フルオロポリマーにおけるアルカリ金属塩の存在は、塊の問題の一因となる。本発明のコポリマーは、得られるフルオロポリマーの重合または単離においてアルカリ金属塩が全く使用されないという意味で、アルカリ金属塩非含有であり、すなわちアルカリ金属塩を含有しない。
本発明の押出し成形方法に使用される発泡成核パッケージは、均一な発泡セルサイズを提供する。平均セルサイズは、発泡絶縁材の厚さの10%未満である。好ましくは、発泡セルの約90%が50マイクロメートル以下である。発泡成核パッケージは、溶融加工性フルオロポリマーと発泡成核パッケージの全質量%に対して、好ましくは0.1〜10質量%、さらに好ましくは0.1〜5質量%、最も好ましくは0.1〜0.6質量%の範囲である。
発泡核剤は、スルホン酸およびホスホン酸およびそれらの塩からなる群から選択される熱安定性化合物である。好ましくは、(a)シクロアルキル基および/またはエーテル酸素を含有し得る、部分もしくは完全フッ素化脂肪族スルホン酸およびホスホン酸の遊離酸および塩;および(b)その芳香族環が任意に、アルキル、フッ素含有アルキル、および/またはヒドロキシル基で置換されている、芳香族スルホン酸およびホスホン酸の遊離酸および塩。
発泡成核パッケージを構成し得る、またはその構成要素であり得る発泡核剤の中で、次式
Z(CF2)x(CF2CFX)p(R’)y(CH2)z(RO3)nM
(式中、RO3を除いて、二価基が任意の順序で存在し;
Zは、CCl3、CCl2H、H、F、Cl、およびBrから選択され;
Xはそれぞれ独立して、H、F、ClおよびCF3から選択され;
Rは、硫黄およびリンから選択され;
Mは、Hまたは金属カチオン、アンモニウム、置換アンモニウムまたは第4級アンモニウムカチオンから選択され;
xおよびzはそれぞれ独立して、整数かつ0〜20であり;
pは、整数かつ0〜6であり;
yは、0または1であり;
x+y+z+pは、正の整数であるか、またはx+y+z+pが0であれば、ZはCCl3またはCCl2Hであり;
nは、Mの原子価であり;
R’は、
C5−6過フッ素化脂環式環ジラジカル;
[CF2O]、[CF2CF2O]、および[CF2CF(CF3)O]から選択される反復単位を有するC1−16過フッ素化脂肪族ポリエーテルジラジカル;
置換または非置換芳香族ジラジカル(ここで、ZはHである);から選択される)
によって表される発泡核剤が挙げられる。
Z(CF2)x(CF2CFX)p(R’)y(CH2)z(RO3)nM
(式中、RO3を除いて、二価基が任意の順序で存在し;
Zは、CCl3、CCl2H、H、F、Cl、およびBrから選択され;
Xはそれぞれ独立して、H、F、ClおよびCF3から選択され;
Rは、硫黄およびリンから選択され;
Mは、Hまたは金属カチオン、アンモニウム、置換アンモニウムまたは第4級アンモニウムカチオンから選択され;
xおよびzはそれぞれ独立して、整数かつ0〜20であり;
pは、整数かつ0〜6であり;
yは、0または1であり;
x+y+z+pは、正の整数であるか、またはx+y+z+pが0であれば、ZはCCl3またはCCl2Hであり;
nは、Mの原子価であり;
R’は、
C5−6過フッ素化脂環式環ジラジカル;
[CF2O]、[CF2CF2O]、および[CF2CF(CF3)O]から選択される反復単位を有するC1−16過フッ素化脂肪族ポリエーテルジラジカル;
置換または非置換芳香族ジラジカル(ここで、ZはHである);から選択される)
によって表される発泡核剤が挙げられる。
本発明の押出し成形方法の発泡核剤は、スルホン酸およびホスホン酸および/またはそれらの塩から選択される、発泡成核有効量の少なくとも1種類の熱安定性化合物を有する。発泡核剤の例を表1に示す。「TBSA」は、F(CF2)nCH2CH2SO3H(式中、nは6、8、10、場合によっては12であり、主に8である)である。
本発明の押出し成形方法は、少なくとも2000psi(13.8MPa)の引張り強さおよび少なくとも200%、さらに好ましくは250%の伸び率を有する発泡製品を提供する。
本発明の利点は、電気的性質、具体的には押出し成形方法によって作製された発泡ワイヤー絶縁材の誘電率の低減である。絶縁導体の信号伝送の速度は、絶縁材誘電率の平方根に反比例する。パーフルオロポリマーは、誘電率約2を有する。絶縁材に空気(誘電率=1)を導入する発泡によって、気孔率に比例して絶縁材の誘電率が低減される。したがって、他の利点に加えて、発泡絶縁材は、より速い信号伝送を可能にする。
本発明の押出し成形方法は、変動容量係数(COV)1%以下を有する絶縁導体を提供する。COVは、平均によって割られ、パーセンテージとして表される標準偏差である。表2は、本発明の実施形態の実施例1からのCOVデータを示す。
実施例1
試料の作製およびプロセスの説明
窒化ホウ素(91.1±0.5質量%)、四ホウ酸カルシウム(2.5±0.2質量%)およびZonyl(登録商標)BAS(6.4±0.2質量%)で構成される本発明の押出し成形方法の三成分発泡成核パッケージを使用した。この発泡成核パッケージをTeflon(登録商標)FEP TE9494(E.I.du Pont de Nemours & Co.,Wilmington,DE製造)フルオロポリマー、メルトフローレート(MFR)約30g/10分を有するTFE/HFP/PEVEパーフルオロポリマーに配合し、得られた組成物に対して約4質量%の窒化ホウ素含有率を有するマスターバッチを形成した。Teflon(登録商標)FEP TE9494フルオロポリマーは、溶融状態でフッ素化されており、かつ金属イオンを実質的に含有しない。不安定な末端基−CF2CH2OH、−CONH2、−COF、および−COOHの濃度は、炭素原子百万個当たり20個未満である。28mm二軸スクリュー押出機および38mm一軸スクリュー押出機からなるKombi−plast押出機で、配合作業によってペレットを形成した。マスターバッチペレットおよびベースフルオロポリマー(Teflon(登録商標)FEP TE9494)のペレットを1:9の比でブレンドし、発泡熱可塑性組成物を形成し、続いてそれをNokia−Maillefer45mm押出し成形ワイヤーラインに供給してAWG23中実銅製導体(22.6ミル(0.57mm))上に絶縁材を押出し成形した。押出機は、長さ/直径比30:1を有し、均一な温度を提供し、かつ溶融物に窒素を分散するために混合スクリューを備えている。
試料の作製およびプロセスの説明
窒化ホウ素(91.1±0.5質量%)、四ホウ酸カルシウム(2.5±0.2質量%)およびZonyl(登録商標)BAS(6.4±0.2質量%)で構成される本発明の押出し成形方法の三成分発泡成核パッケージを使用した。この発泡成核パッケージをTeflon(登録商標)FEP TE9494(E.I.du Pont de Nemours & Co.,Wilmington,DE製造)フルオロポリマー、メルトフローレート(MFR)約30g/10分を有するTFE/HFP/PEVEパーフルオロポリマーに配合し、得られた組成物に対して約4質量%の窒化ホウ素含有率を有するマスターバッチを形成した。Teflon(登録商標)FEP TE9494フルオロポリマーは、溶融状態でフッ素化されており、かつ金属イオンを実質的に含有しない。不安定な末端基−CF2CH2OH、−CONH2、−COF、および−COOHの濃度は、炭素原子百万個当たり20個未満である。28mm二軸スクリュー押出機および38mm一軸スクリュー押出機からなるKombi−plast押出機で、配合作業によってペレットを形成した。マスターバッチペレットおよびベースフルオロポリマー(Teflon(登録商標)FEP TE9494)のペレットを1:9の比でブレンドし、発泡熱可塑性組成物を形成し、続いてそれをNokia−Maillefer45mm押出し成形ワイヤーラインに供給してAWG23中実銅製導体(22.6ミル(0.57mm))上に絶縁材を押出し成形した。押出機は、長さ/直径比30:1を有し、均一な温度を提供し、かつ溶融物に窒素を分散するために混合スクリューを備えている。
ワイヤー上に速度約1000フィート/分(300m/分)で発泡熱可塑性組成物材料を押出し成形し、気孔率範囲15〜35質量%を有する厚さ約7.9ミル(約0.20mm)の絶縁材を作製した。一般にドローダウン比(ダイ領域の断面積/完成押出品の断面積)が30〜40となる、ダイとガイダー先端の組み合わせを用いた。
表2における容量変動係数は、容量平均によって容量標準偏差を割ることによって計算される。本発明の押出し成形方法は、気孔率範囲10〜50%を有し、さらに好ましくは気孔率範囲15〜35%である発泡製品を提供する。
発泡絶縁材の気孔率は、式:
気孔率(%)=100×(1−d(発泡)/d(非発泡))
から計算される。
気孔率(%)=100×(1−d(発泡)/d(非発泡))
から計算される。
発泡絶縁体の密度は、絶縁導体を縦に切断し、絶縁材を取り出し、絶縁材の体積(立方センチメートル)を測定し、絶縁材の重量(グラム)をその値で割ることによって決定される。密度は、少なくとも5つの試料の測定値の平均値であり、試料はそれぞれ長さ約30cmである。非発泡絶縁材の密度は2.15である。
表2のスパーク数は、20,000フィート(6100m)リールに対して示される。スパーク数は、スパークの数(表2の最後の列に示される)を20で割ることによって決定され、ケーブル1000フィート(300m)につきスパーク1未満のスパーク数が得られる。
ここで、図を参照されたい。図1(a)および1(b)は、導体(すなわち、ワイヤー)から剥ぎ取られた絶縁材の試料の断面図を示す。図1(a)は、気孔率約15%を有する市販の発泡熱可塑性材料の試料を示す。この絶縁材は、およそ外径0.045インチ(1.14mm)、内径0.022インチ(0.56mm)を有する。図1(a)で分かるように、この発泡試料のモフォロジーにおいて倍率75倍ではっきりと見える、様々な大きな泡10がある。非均一な発泡セル構造を示すこれらの大きな泡は、図1(a)の倍率295倍でよりはっきりと見える。図1(a)のセル構造の均一な発泡セル構造も欠いている。図1(b)は、発泡核剤0.4%を使用した本発明の押出し成形方法を用いて作製された発泡試料を示す。この試料は気孔率約22%を有する。この絶縁材試料は、外径0.0427インチ(1.085mm)、内径約0.0226インチ(0.574mm)を有する。図1(a)と異なり、図1(b)は、発泡試料において倍率75倍では大きな泡を表さず、均一な発泡セル構造20を示す。倍率295倍(図1(d))でさえ、発泡試料において目に見える大きな泡はない。本発明の押出し成形方法の製品のセル構造が均一であることによって、他の市販の絶縁導体と比較して、本発明の押出し成形方法の製品の電気特性および圧縮抵抗を維持および向上させることができる。さらには、発泡セルが絶縁材の中央に(厚さ方向に)向かって、かつ絶縁材の表面から離れて分布している場合にはさらに有利である。意外なことに、本発明の発泡性組成物は、中央に分布した発泡セルを提供する。発泡セルの中央化は、絶縁材表面の、および絶縁材表面付近の、絶縁材のフォーム非含有領域に対して比較的少ない「スキン」の形成を促進する更なる利点を有する。
スキン形成のこの促進のために、本発明の押出し成形方法は自己スキン形成性であることもできる押出物を提供する。この自己スキン形成性によって、金属導体上にフルオロポリマーの連続層およびコーティングを提供することにより、絶縁材の内面が改善される。フルオロポリマーのこの連続層およびコーティングは、金属導体に対して直接露出している発泡セルによって生じる、導体と接触しているフルオロポリマーの不連続性を防ぐことによって提供される。例えば、導体表面にフォームが達するのを防ぐことによって、誘電率の変動が低減され、そのため絶縁導体の優れた電気的性質が提供される。気孔率は、自己スキン形成性に影響を及ぼす。
発泡絶縁材における「スキン」とは、絶縁材の内面または外面から、内面と外面の間の最短距離の一部分である深さにまで及ぶ、比較的発泡していない(比較的気孔を含有しない)領域を意味する。具体的には、本発明の押出し成形方法の製品上に形成されるスキンは、絶縁材全体に対して気孔率約50%未満、好ましくは気孔率約25%未満、さらに好ましくは気孔率約20%未満、最も好ましくは絶縁材全体に対して気孔率10%未満を有する。スキンは、絶縁材の内面と外面の間の最短距離の少なくとも約5%で、好ましくは少なくとも約7%、さらに好ましくは少なくとも約10%、よりさらに好ましくは少なくとも約15%で、絶縁材の表面から絶縁材の内部にまで及ぶ。絶縁材の外面上のスキンは、絶縁材の内部上のスキンと同じ気孔率または厚さである必要はない。
スキン領域の気孔率は、顕微鏡下にて、または顕微鏡で撮られる写真の解析から、絶縁材の断面を調べることによって決定される。断面は、厚さ約0.1mmであるべきである。気孔は、断面で円形状に見え、代表数が測定され、その面積は、測定された気孔が存在する全面積で割られる。
再度、図1(c)および1(d)を参照のこと。図1(d)は、絶縁材の外面および内面(導体に対して最も近い表面)上により均一な表面を形成することを可能にする、気孔の集中化を示す。このことによって、不均一なセルを示し、均一なセルの集中化を欠いている図1(c)に示す先行技術と比較して自己スキン形成性が高くなる(すなわち、図1(d))。このモフォロジーは、導体付近の絶縁材内部表面での、および絶縁材外部表面上の連続構造(スキン)の形成を妨げる。どちらも、絶縁導体の電気的性質の変動に影響を及ぼす。内部における、すなわち導体との境界面の連続構造が欠如すると、導体は誘電率の変動にさらされ、その結果、電気的性質が変動する。絶縁材外部表面の均一性は、以下に記載のように有益である。
本発明において、押出し物が、絶縁導体を形成する導体上の絶縁材である場合など、均一な小さな発泡セルサイズを含む物品を製造する押出し成形方法が提供される。非シールドより対線および/またはシールド付きより対線を含む1つまたは複数のより対線として、この絶縁導体をケーブルにおいて使用することができる。本発明の押出し成形方法は、絶縁導体の特性を低下させることなく押出し成形速度を高くすることを可能にし、ケーブル製造元に費用節減を提供する。均一な発泡セルサイズは、絶縁導体に圧縮抵抗、すなわち均一な圧縮性も提供する。
より合わせプロセスでは、絶縁材上に力をかけ、発泡セルを押しつぶす傾向がある。2つの絶縁導体を互いにねじり合わせて、またはより合わせて、より対線が形成され、より合わせプロセスでは、絶縁材に圧縮力をかける。高性能ケーブルに使用される絶縁導体は一般に、堅いねじりを有し、そのため高い圧縮力を受ける。発泡絶縁は一般に、同一材料で作製された非発泡絶縁材よりも圧縮性が高く、そのため、より合わせで多少高い押しつぶしを受ける。より合わせ条件を変更することによって、例えばより合わせ速度、かける張力等を減らすことによって、押しつぶしを軽減することができる。押しつぶしは、ケーブルを設計する時に、例えば絶縁材の直径を増加することにより、それを補うことによっても軽減することができる。しかしながら、絶縁材の圧縮性が導体の全長に沿って異なる場合と同様に、押しつぶしの程度が導体の全長に沿って異なる場合、ケーブルの電気的性質は悪影響を受ける。本発明の押出し成形方法の製品の絶縁材外部表面における均一な発泡セルサイズの分布および均一性によって、導体に沿って一定の圧縮度が維持されることにより、電気的性質のこの変動が最小限となる。
発泡性組成物のセルサイズが均一であることは、導体用の絶縁材料を形成するのに必要なポリマーが少ないということである。均一性および小さな発泡セルサイズは、絶縁材に均一な誘電率を付与する。本発明の発泡性組成物を使用して形成される絶縁導体には、以下の点を含む更なる利点がある。1)発泡絶縁導体が非発泡、すなわち中実絶縁材と同じ厚さを有する場合、発泡絶縁材の誘電率が低いために電気的性質が向上する。2)小さなセルサイズおよび狭い発泡セルサイズ分布を付与する発泡性組成物は、小さな直径および厚さに押出し成形できると同時に、大きなセルサイズおよび/または広いセルサイズ分布を有する絶縁材を提供する組成物よりも、発泡絶縁の電気的性質を維持することができる。本発明の押出し成形方法を使用して作製された絶縁導体用の絶縁材の好ましい厚さは、6〜12ミル(150〜300μm)の範囲である。発泡セルサイズの変動(サイズ分布)は狭く、そのため、過度に大きなセルはまれであるため絶縁材の圧縮抵抗の問題が起こらず、かつ絶縁材誘電率が均一である。3)本発明の押出し成形方法によって提供される絶縁材の厚さを低減することによって、より小さな直径の発泡絶縁導体を製造することが可能となる。サイズが小さく、ポリマーの一部が発泡セル中の空気に置き換えられることにより、これに使用される材料が少なくなる。さらに、より小さな直径のフォーム絶縁導体から作製されたケーブルもまた小さい。
本発明の押出し成形方法は、絶縁導体用の絶縁材料として使用することができるフルオロポリマーを提供すると同時に、絶縁導体の電気的性質を維持または向上させるという点から商業上有利である。本発明の押出し成形方法が、同等の中実組成物絶縁導体と同じ直径で使用された場合、発泡性組成物の絶縁導体の電気的性質は向上する。同等の中実組成物絶縁導体の直径サイズを低減するために、本発明の押出し成形方法を絶縁導体に使用した場合、発泡性組成物絶縁導体は一般に、より大きな直径の同等の中実組成物絶縁導体の電気的性質を維持する。発泡性組成物のこの利点は、本発明の押出し成形方法がケーブルにおいて中実フルオロポリマー組成物の代わりに使用された場合に、ケーブル全体にも見出される。
非シールドより対線の断面図を示す図2(a)を参照されたい。その対線60がスペーサーまたはスプライン40で隔てられている、絶縁導体の4つのより対線60を収容する一般的なケーブルが示される。スプラインは、中心軸、任意に一連の放射状突起およびセレーションを含むいずれかの形状である。スプライン40は、中実ポリマー組成物で作られる。複数のより対線60が、ポリマー90で作られた外部ジャケット、外装またはカバーの中に収容される。導体70はそれぞれ、絶縁材80によって囲まれる。各より対線60は、クロストークを起こし得る電磁干渉を打ち消すために、互いに巻き付けられた2つの絶縁導体70によって形成される。より合わせワイヤーは干渉を低減する。というのは、ワイヤー間のループ領域(磁気結合を信号へと決定する)が低減され、かつ均一結合磁場によって生じる電流の方向が、すべてのねじりに対して逆方向となり、互いに打ち消されるためである。メートル当たりのねじり数が多くなるにしたがって、低減されるクロストークが多くなる。図2(a)で示されるケーブルにおけるポリマーに中実ポリマーが使用される。
より小さな絶縁導体がケーブルに使用された場合、ケーブル構成要素すべてがより小さくなり得る(例えば、より小さな直径)。ケーブルの1つまたは複数のポリマー構成要素に本発明の押出し成形方法を用いることによって、より小さな絶縁導体を製造することができる。例えば、図2(b)は、図2(a)に示される4つの非シールドより対線の断面図を示すが、スプライン50は、本発明の押出し成形方法を用いて製造されている。中実ポリマー組成物から本発明の押出し成形方法により製造された発泡スプラインへとスプラインを変更することによって、ケーブルの直径が低減された。これを図2(a)および図2(b)に示す。本発明の押出し成形方法を用いて製造されたスプライン(図2(b))に対して中実ポリマースプライン(図2(a))を有する一般的なケーブルを比較すると、ケーブル直径の低減は示されたが、電気的性質は変わらなかった。同様に、導体の絶縁材60およびジャケット90など、ポリマーが使用されるケーブルの他の構成要素に発泡性組成物を使用して、ケーブル全体のサイズを低減すると同時にケーブルの電気的性質を維持することができる。絶縁材料を発泡することによって、可撓性が増加し、そのため電気的性質を制御することができる。
ワイヤー絶縁材としての作製における本発明の押出し成形方法の有用性に加えて、本発明の発泡組成物は、特にフルオロポリマーの高温特性および耐熱性および耐薬品性が有益である条件で使用される、管材料、ケーブル中のより対線ワイヤーを離隔するためのスプライン(スペーサー)、フォームシート材料、ガスケット材料、および絶縁材などの他の発泡物品の製造に使用することができる。
したがって、上記の目的および利点を完全に満たす、発泡性組成物の押出し成形方法が本発明に従って提供されていることは明らかである。本発明は、その特定の実施形態と共に説明されているが、多くの代替形態、修正形態、および変形形態は当業者には理解されるであろうことは明白である。したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に含まれる、かかるすべての代替形態、修正形態および変形形態を包含することが意図される。
Claims (22)
- a)発泡セルを含む発泡性組成物を押出し成形する工程であって、前記発泡セルの90%が直径50マイクロメートル以下であり、かつ前記発泡性組成物が、
i)部分結晶性溶融加工性パーフルオロポリマーと、
ii)前記パーフルオロポリマーと発泡核剤の合計重量の0.1〜10質量%の範囲である発泡核剤と
を含む工程を含む、押出し成形方法。 - 発泡核剤が、スルホン酸およびホスホン酸およびそれらの塩からなる群から選択される、発泡成核有効量の少なくとも1種類の熱安定性化合物を有する、請求項1に記載の方法。
- 発泡性組成物が、500フィート/分(150m/分)を超える速度で押出し成形される、請求項1に記載の方法。
- パーフルオロポリマーが、メルトフローレート約25〜35g/10分を有する、請求項1に記載の方法。
- パーフルオロポリマーが、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)からなる群から選択されるモノマーを重合することによって製造される、請求項1に記載の方法。
- パーフルオロポリマーが、金属イオンを実質的に含有しない、請求項1に記載の方法。
- パーフルオロポリマーが、金属イオン含有試薬を使用することなく、重合かつ単離される、請求項1に記載の方法。
- 発泡絶縁材が、少なくとも2000psiの引張り強さおよび少なくとも200%の伸び率を有する、請求項1に記載の方法。
- パーフルオロポリマーが、少なくとも1種類のパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)を約0.5〜10質量%含有する、請求項1に記載の方法。
- 押出し成形発泡性組成物が、1%以下の容量変動係数(COV)を有する、請求項1に記載の方法。
- 自己スキン形成性の発泡性組成物を提供する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 発泡性組成物が、10〜50%の気孔率を有する、請求項12に記載の方法。
- 発泡性組成物が、1.5kVで試験した場合に、1000フィート(300m)当たり1スパーク未満の火花抵抗を有する、請求項1に記載の方法。
- 基材用の発泡カバー材を作製する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 発泡デバイスを作製する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 発泡デバイスが、管またはシートを含む、請求項15に記載の方法。
- a)溶融状態でフッ素化されている、部分結晶性溶融加工性パーフルオロポリマーと、
b)i)窒化ホウ素;
ii)フルオロポリマー押出し成形温度で熱安定性であり、かつ金属カチオンおよび多価アニオンからなり、かつ以下の関係:
0.36×[14−pKa]−0.52≧[r−0.2q]2≧0.11×[14−pKa]−0.28
[ここで、R=カチオンの結晶イオン半径(オングストローム)であり、
Q=カチオンの原子価であり、
pKa=以下の反応:
HA−(n−1)<=>H++A−n
(式中、Aは塩アニオンであり、Hは水素であり、n=アニオンの原子価の絶対値である)
のKaの−logである]を満たす、相乗効果的な量の少なくとも1種類の無機塩;
iii)次式:
[Z(CF2)x(CF2CFX)p(R’)y(CH2)zRO3]nM
(式中、Zは、CCl3、CCl2H、H、F、ClまたはBrから選択され;
Xはそれぞれ独立して、H、FまたはClから選択され;
Rは、硫黄またはリンから選択され;Mは、Hまたは金属カチオン、アンモニウム、置換アンモニウムまたは第4級アンモニウムカチオンから選択され;
xは、整数かつ0〜10であり;
pは、整数かつ0〜6であり;
yは、0または1であり;
zは、整数かつ0〜10であり;
x+y+z+pは、正の整数であるか、またはx+y+z+pが0であれば、ZはCCl3またはCCl2Hであり;
nは、Mの原子価であり;
R’は、
C5−6過フッ素化脂環式環ジラジカル;
[CF2O]、[CF2CF2O]、および[CF2CF(CF3)O]から選択される反復単位を有するC1−16過フッ素化脂肪族ポリエーテルジラジカル;
置換または非置換芳香族ジラジカル(ここで、ZはHである);から選択される)の発泡核剤;
を含む発泡成核パッケージと、を含む発泡性組成物を押出し成形する工程を含む、押出し成形発泡方法であって、前記発泡成核パッケージが、前記パーフルオロポリマーと前記発泡成核パッケージの合計重量の0.1〜5質量%の範囲である、押出し成形発泡方法。 - パーフルオロポリマーが、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレンおよびパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)からなる群から選択されるモノマーを重合することによって製造される、請求項17に記載の方法。
- パーフルオロポリマーが、テトラフルオロエチレンおよびパーフルオロ(アルキルビニルエーテル)からなる群から選択されるモノマーを重合することによって製造される、請求項17に記載の方法。
- 発泡成核パッケージの少なくとも1種類の無機塩が、四ホウ酸カルシウムを含む、請求項16に記載の方法。
- 発泡成核パッケージの前記発泡核剤が、Zonyl(登録商標)BASを含む、請求項16に記載の方法。
- 発泡成核パッケージが、前記発泡成核パッケージの全質量%に対して、窒化ホウ素91.1±0.5質量%、四ホウ酸カルシウム2.5±0.2質量%、Zonyl(登録商標)BAS6.4±0.2質量%を含有する、請求項16に記載の方法。
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