JP2013514214A - サーモトロピック液晶ポリマーの成形及びそこから作製される物品 - Google Patents
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Abstract
Description
物品を成形する(例えば、射出成型する)一方法において、本発明に従って、少なくとも1つのサーモトロピック、ないしは別の方法で融解処理可能な液晶ポリマー(TLCP)からなる、本質的にTLCPからなる、TLCPを含む、全体的にTLCPから形成される、実質的に(すなわち、少なくとも約50%及び好ましくは少なくとも約60%)TLCPから形成されるか、又は少なくとも部分的にTLCPから形成される、組成物が提供される。TLCPは、複数個のメソゲン基又は分子メソゲンを含む。そのようなTLCPメソゲンは、多くの場合、TLCPのポリマーの主鎖構造に組み込まれる異方性分子部分として画定される。適切なTLCPは、例えば、芳香族脂肪族化合物、芳香族ポリエステル、ポリアゾメチン、ポリアミド、及びこれらの組み合わせからなるコポリマーを含むことができる。
上記の方法実施形態1の1バージョンにおいて、提供される型凹部は、溶融組成物が本体凹部から各特徴凹部へと流れることができるように、各特徴凹部が本体凹部から伸長して流体連通するように接続された本体凹部を更に含む。この方法実施形態2において、型凹部を充填する工程は、本体凹部を所望量の溶融組成物で充填する工程を含み、本体凹部を充填するために使用される溶融組成物のすべて又は少なくとも実質的な部分は、第1の流速で移動し、第1の流速は、本体凹部を充填する溶融TLCP中のメソゲンの全量、相当量、又は少なくとも一部の流れ混転を引き起こす。典型的には、本体凹部を充填する溶融組成物の芯又は中心領域は、第1の流速で移動し、流れ混転している。この芯は、本体凹部を充填する溶融組成物の実質的な部分を形成する。少なくともいくつかの適用について、芯は、約65%〜約99%の範囲の溶融組成物の量で形成される時、そのような実質的な部分を形成する。TLCPメソゲンを流れ混転から流れ整列に遷移させるのに必要な速度は、例えば、温度依存であり得る溶融組成物の密度、流動性、及び粘度、並びに本体凹部の容積及び断面寸法(すなわち、形状)を含む多数の因子に依存し得る。
上記の方法実施形態1の別バージョンにおいて、提供される型凹部は、本体凹部から伸長し、流体連通して接続される各特徴凹部を有する、本体凹部を更に備え、型凹部を充填する工程は、本体凹部を所望量の溶融組成物で充填する工程を含み、本体凹部を充填する溶融組成物のすべて又は少なくとも実質的な部分が、本体凹部を充填する溶融TLCP中のメソゲンの完全又は少なくとも実質的な流れ整列を引き起こす流速で移動するようにする。
上記の方法実施形態3の1バージョンにおいて、方法は、本体凹部内のメソゲンの流れ整列が、完全に排除されるか、実質的に排除されるか、又は少なくとも著しく減少するように、溶融組成物を固化する工程を更に含む。本体凹部内のTLCPメソゲンの流れ整列は、本体凹部内の固化組成物が、精密特徴チャンバ内の固化組成物よりも可撓性が高い場合に著しく減少する。
方法実施形態4の1バージョンにおいて、固化する工程は、本体凹部を充填する溶融組成物を固化する前に、各微細特徴チャンバを充填する溶融組成物を固化する工程を含み、本体凹部内の溶融組成物は、本体凹部内のメソゲンの流れ整列が、完全に排除されるか、実質的に排除されるか、又は少なくとも著しく減少するために十分な時間を有した後に固化される。幾つかの適用について、少なくとも約500ミリ秒は、本体凹部内のメソゲンの流れ整列が、印加される負荷なく、著しく減少するのに十分な時間である。
方法実施形態3の別バージョンにおいて、方法は、本体凹部内のメソゲンの流れ整列が、完全又は少なくとも実質的に維持されるように、溶融組成物を固化する工程を含む。
方法実施形態3の追加バージョンにおいて、固化する工程は、各特徴凹部及び本体凹部内のメソゲンの流れ整列が、完全又は少なくとも実質的に維持されるように、溶融TLCPを固化する工程を含む。このメソゲンの流れ整列は、各特徴凹部及び本体凹部内のTLCPを、厳密に同時に又は実質的に同時に固化することによって、そのように維持することができる。この種において、方法は、本体凹部内の固化TCLPのすべて又は少なくとも一部分を再溶解し、本体凹部内の再溶解したTCLPを再固化する工程を更に含む。このようにして、本体凹部内のメソゲンの流れ整列は、完全に排除されるか、実質的に排除されるか、又は著しく減少するか、又は少なくともいくらか減少する。
方法実施形態2〜7のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体凹部は、成形される物品の本体部分に対応する。
方法実施形態2〜7のいずれか1つの別バージョンにおいて、本体凹部は、少なくとも1つの特徴凹部に溶融TLCPを供給するためのランナー又はスプルーとして機能し、本体凹部内で固化された溶融TCLPは、成形される物品の部分を形成しない。
方法実施形態2の1バージョンにおいて、本体凹部を充填する溶融組成物の第1の流速は、約108ミリメートル/秒(mm/s)以下であり、好ましくは、約6.35mm/s〜約76.2mm/sの範囲である。
方法実施形態3〜7のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体凹部を充填する溶融組成物の流速は、少なくとも約76.2mm/sであり、好ましくは、約101.6mm/s〜約165mm/sの範囲である。
方法実施形態1〜11のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴チャンバを充填する溶融組成物の流速は、少なくとも約51mm/sであり、好ましくは、約51mm/s〜約127mm/sの範囲である。
方法実施形態1〜12のいずれか1つの1バージョンにおいて、TLCPは、芳香族脂肪族化合物、芳香族ポリエステル、ポリアゾメチン、ポリアミド、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される。
方法実施形態1〜13のいずれか1つの1バージョンにおいて、型凹部は、複数個の特徴凹部を含み、各特徴凹部は、そこと流体連通するように接続された少なくとも1つの微細特徴チャンバを含む。
方法実施形態1〜14のいずれか1つの1バージョンにおいて、各特徴凹部は、複数個の微細特徴チャンバを含む。
方法実施形態1〜15のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴チャンバは、約90ナノメートル(nm)以上、又は好ましくは約100nm〜最大約20マイクロメートルを含む範囲の微小特徴寸法(例えば、厚さ)を有する。
方法実施形態1〜16のいずれか1つの1バージョンにおいて、各微細特徴チャンバは、対応する特徴凹部の先頭部分を画定する。
方法実施形態1〜16のいずれか1つの1バージョンにおいて、各微細特徴凹部は、その対応する少なくとも1つの微細特徴チャンバによって全体的に画定される。
方法実施形態1〜16のいずれか1つの1バージョンにおいて、溶融組成物は、溶融組成物又は少なくとも溶融TLCPが固化するまで、完全に同一温度、少なくとも実質的に同一温度、又はほぼ同一温度で保持される。例えば、溶融組成物は、溶融組成物又は少なくとも溶融TLCPが固化されるまで使用されるTLCPの融点±50℃以内に保持されることが望ましい場合がある。
方法実施形態1〜19のいずれか1つの1バージョンにおいて、溶融組成物は、約450°F(232℃)〜最高約800°F(427℃)を含む範囲内の温度である。
方法実施形態1〜20のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも型凹部は、溶融組成物が固化するまで、完全に同一温度、少なくとも実質的に同一温度、又はほぼ同一温度で保持される。例えば、溶融組成物が固化するまで使用されるTLCPの融点の約50℃以内に保持されることが望ましい場合がある。好ましくは、型凹部は、TLCPの熱変形温度よりも低い温度で保持される(例えば、約40℃〜最大150℃を含む範囲の型凹部温度)。TLCPの「熱変形」温度は、特定の負荷下で、樹脂的に変形しない温度を指す。例えば、熱変形温度は、TLCPが印加される射出成型圧下で流れない温度であり得る。TLCPが他の印加される外力下で流れない温度でもあり得る。
方法実施形態1〜20のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも各微細特徴チャンバは、少なくとも1つの微細特徴チャンバ内で溶融組成物を固化する間、完全に同一温度、少なくとも実質的に同一温度、又はほぼ同一温度で保持される。例えば、各微細特徴チャンバを、少なくとも1つの微細特徴チャンバ内で溶融組成物が固化する間に使用されるTLCPの融点の±30℃以内に保持することが望ましい場合がある。
方法実施形態1〜22のいずれか1つの1バージョンにおいて、各充填する工程は、溶融組成物を型凹部に押し入れることによって行われる。換言すれば、型凹部は、溶融組成物を型凹部に押し入れることによって、所望量の溶融組成物で充填することができる。
方法実施形態2の1バージョンにおいて、第1の流速と第2の流速との間の差異は、少なくとも約0.5インチ/秒(12.7mm/s)であり、好ましくは約1.0インチ/秒(25.4mm/s)〜約5.0インチ/s(127mm/s)の範囲である。
方法実施形態1〜24のいずれか1つの1バージョンにおいて、組成物を溶解し、型凹部を溶融組成物で完全に、少なくとも実質的に、又はほぼ充填する間の時間は、約5.00分以下である。型凹部は、約4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5、0.45、0.40、0.35、0.30、0.25、0.20、0.15、0.10、又は0.05分以下で充填されることが好ましい場合がある。
方法実施形態1〜24のいずれか1つの1バージョンにおいて、組成物を溶解し、型凹部を溶融組成物で完全に、少なくとも実質的に、又はほぼ充填し、型凹部内の溶融組成物を固化するのにかかる時間は、合計約5.00分以下である。この時間は、約3秒〜最長約5分の範囲であることが好ましい場合がある。
方法実施形態1〜26のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴チャンバ内で固化されたTLCPの分子メソゲンは、少なくとも1つの微細特徴チャンバを充填する移動溶融組成物の流れ方向に対して、0.4〜最大1.0の範囲の異方性因子によって分子的に整列している。少なくとも約0.5〜最大1.0未満の範囲の異方性因子によって、及び好ましくは約0.6〜1.0未満の範囲の異方性因子によって明らかとなるように、適用に応じて、各微細特徴チャンバ内のTLCP分子メソゲンの少なくとも約30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、又は100%が、分子的に整列しているという望ましい結果を得ることができる。
方法実施形態1〜27のいずれか1つの1バージョンにおいて、各微細特徴チャンバ内の溶融組成物の固化は、微細特徴チャンバが、適用に応じて、溶融組成物で充填された後、約5、4、3、2、1、0.9、0.8、0.7、0.6又は0.5秒未満以内に起こる。約5秒以上経過した後、流れ整列メソゲンは、非常に弛緩しているため、整列したメソゲンを有するTLCPを使用することによって得ようとしている改善された物理特性を提供するために十分に整列していない。
方法実施形態1〜28のいずれか1つの1バージョンにおいて、提供される型は、対向する主表面を有する複数個のプレートを備える。プレートは、各特徴凹部又は少なくとも各微細特徴チャンバを画定するように設計される。各プレートの主表面の少なくとも一方又は両方は、プレートの別の主表面と接触し、少なくとも微細特徴チャンバ、及び好ましくは少なくとも特徴凹部に捕獲されたガスを脱気することができるか、ないしは別の方法で、型凹部を充填する間に、プレート間を通すことによって型から外に逃がすようにする。そのような型は、例えば、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許仮出願番号第61/168,268号に開示される。プレートは、本体凹部の少なくとも一部分を画定することが望ましい場合がある。本体凹部のすべてが、1つの型半体において、そのようなプレートによって画定されることが望ましい場合がある。そのようなプレートを使用して、1つの型半体、他の型半体、又は両方の型半体によって画定された全体型凹部を画定することが望ましい場合もある。
方法実施形態29の1バージョンにおいて、各特徴凹部又は少なくとも各微細特徴チャンバは、複数個のプレート間のサブマイクロメートルの間隙によって脱気される。
成形品の一実施形態において、本発明に従って、成形品は、本体と、少なくとも1つ又は複数個の3D構造特徴(例えば、立方体、リブ、隆起部、中実又は中空針、ピン、フィン、ギア、チャネル、ソケット、ボビン、ポンプ、チップ、キャリア、スイッチ等)を含むが、それらはそれぞれ本体と一体であり、本体から伸長するか、ないしは別の方法で突出する。各構造特徴は、少なくとも1つ又は複数個の微細特徴要素を含む。そのような微細特徴要素は、例えば、3D構造特徴の先頭の端部又は先端を含むことができる(例えば、針又はピンの先端、ギア歯、チャネルの開口部を画定する対向端部、中空針のボア、マイクロ流体チャネルと流体連通する中空マイクロニードルのボア等)。各微細特徴要素は、微小寸法を有し、本体又は少なくとも各構造特徴は、複数個の分子的に敏感なメソゲンを有する、少なくとも1つの融解処理可能であるか、又はサーモトロピック液晶ポリマー(TLCP)からなるか、本質的にTLCPからなるか、TLCPを含むか、又はTLCPから全体的に、実質的に(すなわち、少なくとも約50%及び好ましくは少なくとも約60%)又は少なくとも一部が形成される。微小寸法における分子メソゲンのすべて又は少なくとも実質的な部分は、流れ整列状態である(すなわち、メソゲン流れ混転に起因する整列と比較して、比較的異方性の整列を有する状態)。
成形品実施形態1の1バージョンにおいて、各構造特徴の50%超が少なくとも1つのTLCPである。
成形品実施形態1又は2の1バージョンにおいて、各微細特徴要素の微小寸法におけるTLCPメソゲンの少なくとも約30%は、流れ整列されている。各微細特徴要素の微小寸法におけるTLCPメソゲンの少なくとも約30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、又は100%が流れ整列されている場合、成形された物品に応じて、各微細特徴要素は、流れ整列されたそのTLCPメソゲンの実質的な部分を有すると考えられる。そのような微小寸法は、例えば、壁の厚さ、針先端の寸法、マイクロニードルの先端、中空針又はマイクロニードルのボア又は穴、マイクロ流体チャネルのチャネル等を含むことができる。幾つかの適用について(例えば、マイクロニードルの先端)、流れ混転される各微小特徴要素の微小寸法におけるTLCPメソゲンの最大約25%を含むことが望ましい場合がある(すなわち、等方性である微小寸法の最大約25%)。
成形品実施形態1〜3のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも約0.3〜最大1.0未満の平均異方性因子、及び好ましくは約0.4〜1.0未満の範囲の異方性因子によって明らかとなるように、各微細特徴要素のTLCPメソゲンは、平均流れ整列を呈する。
成形品実施形態1〜4のいずれか1つの1バージョンにおいて、各微細特徴因子の微小寸法における流れ整列TLCPメソゲンは、少なくとも約0.5〜最大1.0未満の範囲の平均異方性因子、及び好ましくは約0.6又は0.7〜1.0未満の範囲の異方性因子によって明らかとなるように、平均分子整列を呈する。
成形品実施形態1〜5のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの構造特徴におけるTLCPメソゲンのすべて又は少なくとも実質的な部分が、流れ整列状態である。つまり、これらのTLCPメソゲンは、流れ混転によって生じた等方性整列と比較して、比較的異方性の整列を有する。
成形品実施形態1〜6のいずれか1つの1バージョンにおいて、各構造特徴におけるTLCPメソゲンの少なくとも約10%が流れ整列されており、特に少なくとも1つの微細特徴要素における流れ整列分子メソゲンと比較した場合、各構造特徴におけるTLCPメソゲンの芯又はそうでなければ残りは、比較的等方性の整列を有する。各微細特徴におけるTLCP分子メソゲンの少なくとも約10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、又は100%が流れ整列されている場合、成形された物品に応じて、各微細特徴は、流れ整列されたそのTLCPメソゲンの実質的な部分を有すると考えられる。
成形品実施形態1〜7のいずれか1つの1バージョンにおいて、各構造特徴におけるTLCPメソゲンは、少なくとも約0.2〜最大1.0未満の範囲の平均異方性因子、及び好ましくは約0.3又は0.4〜1.0未満の範囲の異方性因子によって明らかとなるように、平均流れ整列を呈する。
成形品実施形態1〜8のいずれか1つの1バージョンにおいて、各構造特徴における流れ整列TLCPメソゲンは、少なくとも約0.5〜最大1.0未満の範囲の平均異方性因子、及び好ましくは約0.6又は0.7〜1.0未満の範囲の異方性因子によって明らかとなるように、平均分子整列を呈する。
成形品実施形態7の1バージョンにおいて、特に少なくとも1つの微細特徴要素において流れ整列分子メソゲンと比較した場合、0.2未満の平均異方性因子によって明らかとなるように、各構造特徴におけるTLCPメソゲンの残りは、ランダム分子整列を呈する。
成形品実施形態7の1バージョンにおいて、各構造特徴におけるTLCPの残りは、完全又は少なくとも実質的に流れ混転した状態である。本明細書で使用する時、各構造特徴におけるTLCP分子メソゲンの残りは、それらが0.2未満の異方性因子を呈する場合、実質的に流れ混転状態であると考えられる。
成形品実施形態7の別バージョンにおいて、各構造特徴におけるTLCPメソゲンのほぼすべて又は残りは、特に少なくとも1つの微細特徴要素における流れ整列分子メソゲンと比較して、比較的等方性の整列を有する(例えば、流れ混転状態を有する)。
成形品実施形態1〜12のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体におけるTLCPメソゲンのほぼすべて、実質的な部分、又は少なくとも一部分が流れ整列状態である。つまり、本体におけるこれらのTLCPメソゲンは、流れ混転によって生じる等方性配向状態と比較して、比較的異方性の整列を有する。
成形品実施形態1〜13のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体におけるTLCPメソゲンの少なくとも約10%が流れ整列であり、特に少なくとも1つの微細特徴要素における流れ整列分子メソゲンと比較した場合に、TLCPメソゲンの芯又はそうでなければ残りは、比較的等方性の配向状態を有する。本体におけるTLCPメソゲンの少なくとも約10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、又は100%が流れ整列である場合、成形された物品に応じて、本体は、流れ整列されたそのTLCPメソゲンの実質的な部分を有すると考えられる。多くの適用について、本体において10%未満の流れ整列TLCPメソゲンを得ることは困難であり得る。
成形品実施形態1〜14のいずれか1つの1バージョンにおいて、ゼロ〜1未満の範囲の平均異方性因子、及び好ましくは約0.1〜1.0未満の範囲の異方性因子によって明らかとなるように、本体におけるTLCPメソゲンは、平均流れ整列を呈する。
成形品実施形態1〜15のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体における流れ整列TLCPメソゲンは、少なくとも約0.1〜最大1.0未満の範囲の平均異方性因子によって明らかとなるように、平均分子整列を呈する。
成形品実施形態14の1バージョンにおいて、本体におけるTLCPメソゲンの残りは、特に少なくとも1つの微細特徴要素における流れ整列TLCPメソゲンと比較した場合、0.2未満の平均異方性因子によって明らかとなるように、ダム分子整列を呈する。
成形品実施形態14の別バージョンにおいて、本体におけるTLCPメソゲンの残りは、流れ混転状態である。
成形品実施形態1〜12のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体におけるTLCPメソゲンのほぼすべては、特に少なくとも1つの微細特徴要素における流れ整列TLCPメソゲンと比較した場合、比較的等方性の配向状態を有する(例えば、流れ混転状態を有する)。
成形品実施形態1〜19のいずれか1つの1バージョンにおいて、本体は、成形品の部分を形成しない。例えば、本体は、再利用することができるか、ないしは別の方法で使い捨てされる。
成形品実施形態20の成形品において、本体は、使い捨てスプルー又はランナーを形成する。
成形品実施形態1〜21のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素の微小寸法(例えば、厚さ)は、約500マイクロメートル(μm)以下である。幾つかの成形品について、微小寸法は、約400マイクロメートル、300マイクロメートル、200マイクロメートル又は更には100マイクロメートルであることが好ましい場合がある。少なくとも1つの微細特徴因子の微小寸法は、少なくとも90ナノメートル(nm)であるか、又は約90nm〜最大約20マイクロメートルを含む範囲内であることが好ましい場合もある。
成形品実施形態22の1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素は、約0.50mm(500マイクロメートル)以下の厚さを有する壁を含む。
成形品実施形態23の1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素の壁厚は、約0.20mm(200マイクロメートル)以下である。
成形品実施形態1〜24のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素は、複数個の微細特徴要素であり、それぞれ10:1以上のアスペクト比を有する。
成形品実施形態1〜25のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素は、800nm以下の端部厚さを有する端部を含む。
成形品実施形態1〜24のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素は、複数個の微細特徴要素であり、各微細特徴要素は、800nm以下の先端半径を含む。
成形品実施形態1〜21の1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素の微小寸法(例えば、厚さ)は、約90ナノメートル(nm)〜最大約20マイクロメートルを含む範囲内である。
成形品実施形態1〜28のいずれか1つの1バージョンにおいて、少なくとも1つの微細特徴要素は、対応する構造特徴の先頭部分を画定する。例えば、微細特徴要素は、3D構造特徴の先頭端部又は先端であり得る(例えば、針又はピンポイント、ギア歯、チャネルの開口部を画定する対向端部、中空針又はマイクロニードルのボア又は穴等)。
成形品実施形態1〜29のいずれか1つの1バージョンにおいて、各構造特徴は、少なくとも1つの微細特徴要素によって全体的に画定される。
成形品実施形態1〜30のいずれか1つの1バージョンにおいて、サーモトロピック液晶ポリマー(TLCP)は、充填剤又は添加剤材料(例えば、粒子又はガラス繊維、グラファイト、炭素、鉱物等)で完全に又は実質的に充填されない。
成形品実施形態1〜30のいずれか1つの1バージョンにおいて、サーモトロピック液晶ポリマー(TLCP)は、充填剤又は添加剤材料(例えば、粒子又はガラス繊維、グラファイト、炭素、鉱物等)で実質的に又は少なくとも部分的に充填される。
型半体A1
均一の剛性壁支持体基部から外に伸長する中実マイクロニードルを作製するためのホットランナー型の一実施形態は(例えば、図6A及び6Bに示される)、約0.25RMSμmの表面粗さを有する各プレート44の主表面46を有する、ショックスチールシムストックで形成された14のスチール鋼44を使用して作製された第1の又は積層ラミネート型半体(型半体A1)を含む。各プレートは、長さ13.80mm、幅10.70mm、及び厚さ0.50mmであった。各プレートの主表面を通して、2つの穴を機械加工し、ウェッジブロックラミネートホルダー(図5に示されるもの等)を使用してプレートが一緒にピン留めされるようにし、整列させて13×27アレイの間隙を空けた四角錘形状特徴凹部(すなわち、合計351の角錘形状凹部)を形成した。
図6A及び6Bの成形品を作製する際に、Incoe Corporation(Troy MI)のホットランナーマニホールドバルブゲートシステム(型半体B1)を使用して、型凹部に溶融組成物を計量した。ホットランナーシステムは、各物品凹部に所望量の溶融組成物を充填するために、起動バルブピンを有するバルブゲートノズルを含む。ホットランナーシステムにおける各バルブピンは、直径508μmと測定され、150psi(1034.2kPa)の圧縮空気を使用して空気圧で駆動されて、溶融組成物の急速注入を保証する。各バルブピンは、本体凹部及び接続されたマイクロニードル特徴凹部のすべての部分に対して、溶融組成物を左右対称に送達するように、中心に位置し、対応する楕円形状の本体凹部の主表面に垂直である。Moldmax(登録商標)Thermal Management Solutions(Southfield MI)のベリリウム銅Moldstar(登録商標)のブロックを使用して、ホットランナーバルブゲート周囲の適切な温度制御を維持した。図2Aは、代表的なブロック形状、配置、及び寸法を示す。
上記のホットランナー型を用いて成形するために使用される方法では、型半体A1及び型半体B1を、100トン(90,718kg)射出成型マシン(Krauss−Maffei KM100−180CX、Krauss−Maffei Technologies GmbH(Munchen,Germany)の型基部にインストールした。当該技術分野において一般的であるように、成形アセンブリの分割線は、溶融組成物の射出中の一般空気排出のための主脱気孔及び二次脱気孔の両方を有していた。積層ラミネート型のプレート間のサブマイクロメートル脱気は(例えば、図5について記載されるような)、追加の脱気を提供し、成形品のミクロ構造特徴において、型凹部微細特徴の高忠実度複製を可能にした。Ticona Engineering Polymers(Florence KY))のUnfilled Vectra MT1300 TLCPペレットをホッパーに装着し、続いて15mm往復ネジ押出成形機に供給して、融解状態で540°F(282℃)の適切な処理温度を達成した。型半体A1及び型半体B1を、TLCPの軟化点よりも低い、180°F(82℃)の温度に加熱した。成形サイクルは、型半体A1を型半体B1で閉じることによって開始された。型を30トン(266.9キロニュートン)の力で相互に締付けて、締付け成形チャンバを形成した。往復ネジからの溶融組成物の総量の第1の部分(物品成形凹部又は部分サイズ溶液の約90〜95%)を締付け型チャンバに注入した。溶融組成物の第1の部分を一定速度(以下「射出速度」と呼ぶ)で締付け成形チャンバ内に射出した。溶融組成物の第1の部分を射出した後、物品凹部の残りを充填するように、一定圧力(以下「充填圧力」と呼ぶ)を印加して溶融組成物の残りを型凹部内に押し入れることによって、プロセスを射出速度駆動プロセスから圧力駆動プロセスに切り替えた。充填圧力を一定時間(以下「保持時間」と呼ぶ)印加した。その後充填圧力を解除し、成形チャンバを、TLCPの軟化温度よりも低い適切な押出し温度(以下「押出し時の型温度」と呼ぶ)まで冷却した。各実施例に使用した射出速度、充填圧力、保持時間、射出処理温度、及び押出し温度の詳細を表1に示す。
表1に掲載した射出速度、充填圧力、保持時間、射出処理温度、及び射出時の型温度を用いて方法1を使用した。各実施例について、結果として得られる平均バルク異方性因子、マイクロニードル異方性因子、平均マイクロニードル高さ、充填ニードルのパーセント、及び平均先端半径も表1に示される。「平均バルク異方性」因子は、成形品の厚さにわたる皮膚と芯層との間の平均程度の配向である。マイクロニードル異方性因子は、成形されたマイクロニードルの中間部分にわたる平均程度の配向である。充填されたニードルのパーセントは、使用可能なマイクロニードル凹部の総数のパーセンテージとして作製されたマイクロニードルの総数を画定する。成形された中実マイクロニードルの寸法は、立体顕微鏡及び走査電子顕微鏡(SEM)を介して測定された。低温凍結したミクロトーム試料を、SEMを使用して分析し、平均バルク異方性因子及びマイクロニードル異方性因子を特徴化した。マイクロニードルの高さ及び先端半径を、微細特徴凹部形状と実施例1〜10から得られた成形品との間で比較した。この比較の結果は、97%の平均充填間再現性を示した。この値は、凹部の3%が、試験された条件の範囲を超えて、TLCP内で完全に複製されなかったことを示唆する。測定値は、9つの測定値(個別のアレイから3つずつ)の平均として取り、凹部基部直径と比較して中実マイクロニードル基部直径を評価し、凹部長さと比較してマイクロニードルの高さを評価し、微細特徴凹部先端半径と比較してマイクロニードル先端半径を評価した。
型半体A2
均一の薄壁支持体基部から外に伸長する中実マイクロニードルを作製するための型の一実施形態は(例えば、図7A〜7Cに示されるように)、約0.30RMSμmの表面粗さを有する各プレートの主表面とともに、A2スチールシムストックで作製された20個のスチールプレートを使用して作製された第1の又は積層ラミネート型半体(「型半体A2」)を含む。各プレートは、長さ10.00mm、幅10.00mm、及び厚さ0.50mmであった。各プレートの主表面を通して、2つの穴を機械加工し、ウェッジブロックラミネートホルダー(図5に示されるもの等)を使用してプレートが一緒にピン留めされるようにし、整列させて14×14アレイの間隙を空けた四角錘形状特徴凹部(すなわち、合計196の角錘形状凹部)を形成した。
図7A〜7Cの成形品を作製する際に、コールドランナープレート(「型半体B2」)を使用して、溶融組成物を型凹部に導いた。コールドランナープレートは、対応するコールドランナー通路を通して、対応する端部ゲート開口部を介して、溶融組成物を複数個の物品凹部に指向するためのスプルー通路を含んでいた。Moldmax(登録商標)Thermal Management Solutions(Southfield MI)のベリリウム銅Moldstar(登録商標)のブロックを使用して、コールドランナープレートの周囲の適切な温度制御を維持し、成形品を冷却するための良好な熱遷移を提供する。代表的なブロック形状、配置、及び寸法は、図2Aに示される。
方法1を使用し、型半体A2及び型半体B2を用いて成形した。成形パラメータとして、304.8mm/秒の射出速度、137.8MPaの充填圧力、3秒の保持時間、540°F(282℃)の射出処理温度、及び85℃の押出し時の型温度を使用した。
型半体A3
可変壁厚を有する支持体基部から外に伸長する中実マイクロニードルを作製するための型の一実施形態は(例えば、図8A〜8Cに示されるように)、約0.20RMSμmの表面粗さを有する各プレートの主表面とともに、P20ステンレス鋼で作製された32個のスチールプレートを含む積層ラミネートを使用して作製された第1又は積層ラミネート型半体(「型半体A3」)を含む。各プレートの寸法は、長さ25.40mm、幅15.00mm、及び厚さ1.00mmであった。各プレートの主表面を通して、2つの穴を機械加工し、ウェッジブロックラミネートホルダー(図5に示されるもの等)を使用してプレートが一緒にピン留めされるようにし、整列させて13×25アレイの間隙を空けた四角錘形状特徴凹部(すなわち、合計325個の角錘形状凹部)を形成した。
図8A〜8Cの成形品を作製する際に、コールドランナープレート(「型半体B3」)を使用して、溶融組成物を型凹部に導いた。コールドランナープレートは、溶融組成物を、対応する矩形本体凹部の短い寸法を通して、複数個の物品凹部に溶融組成物を供給するファンゲートに直接指向するためのホットチップスプルーブッシングを含んでいた。Moldmax(登録商標)Thermal Management Solutions(Southfield MI)のベリリウム銅Moldstar(登録商標)のブロックを使用して、コールドランナープレートの周囲の適切な温度制御を維持し、成形品を冷却するための良好な熱遷移を提供する。図2Aは、代表的なブロック形状、配置及び寸法を示す。
方法1を使用し、型半体A3及び型半体B3を用いて成形した。成形パラメータとして、177.8mm/秒の射出速度、103.4MPaの充填圧力、2秒間の保持時間、550°F(288℃)の射出処理温度、及び80℃の押出し時の型温度を使用した。
型半体A4
本発明は、ハブから外に伸長するマイクロメートル又はより小さな寸法の歯車の歯群を有する、例えば、ギア(例えば、平歯車、はすば歯車、ウォームギア、かさ歯車、ウォームホイール、まがりばかさ歯車、内歯車、バックラッシュ防止歯車等)を含む、広範な異なる寸法物品を作製するために使用されてもよい。そのような歯車は、歯車の歯群に加えて、他のマイクロメートル又は小さい歯車特徴を有して作製されてもよい(例えば、歯車駆動軸、歯車スポーク及び壁等)。そのような微小特徴歯車を作製するための型(図示せず)の一実施形態は、ニッケル電鋳型挿入体、又は複数個の歯車の歯群及び他の歯車の特徴を有する所望の歯車形状本体凹部を画定する、あらゆる他の従来の型挿入体(「型半体A4」)を含んでもよい。ニッケル電鋳型挿入体は、マスターからの特徴を複製して、最終型において、微細特徴凹部形状を形成することができる。ニッケル型の歯車形状凹部の表面は、例えば、約0.10RMSμmの表面粗さを伴って平滑である必要がある。この型を使用して生成された歯車は、12個の歯車の歯とともに、1.00mmの直径及び1.00mmの厚さを有することができる。各歯車の歯は、先頭チップに沿って、最も細い点において約5μm以下の測定厚さを有することができる。
方法1を使用し、型半体A4及び型半体B4を用いて成形した。成形パラメータとして、101.6mm/秒の射出速度、55.2MPaの充填圧力、1秒間の保持時間、565°F(296℃)の射出処理温度、及び90℃の射出時の型温度を使用した。
上記実施例1〜10において使用されるサーモトロピック液晶ポリマー(TLCP)材料は、市販の非充填Vectra(登録商標)A950ナチュラルであった。Vectra A(Ticona−Celanese)は、27%ヒドロキシナフトエ酸(HNA)及び73%ヒドロキシ安息香酸(HBA)からなるランダムコポリエステルである。ディレクター混転に起因する配向分解の程度を最大化し、充填剤の存在に起因する内的な流体力学作用のマスキングを避けるために、非充填樹脂を選択した。押出しペレット形態の受容された材料は、150℃で4〜6時間真空乾燥させ、成形する前に望ましい水分除去を保証した。Vectra MT1300を用いた実験も行った。Vectra MT1300は、同一の化学反応を有するVectra AのクラスVI医療グレードバージョンである。
2)ISO 527−2に従って測定した時のブレーキ時の引張応力182MPa
3)ISO 527−2に従って測定した時のプレーキ時の引張ひずみ3.4%
4)ISO 178に従って測定した時の曲げ弾性率9100MPa
5)ISO 75−2に従って測定した時の負荷1.8MPa下の偏向温度187℃
6)50℃/時の速度で、ISO 306に従って測定した時のビカー軟化温度145℃
7)10℃/分の速度で、ISO 11357−3に従って測定した時の融解温度280℃
2)ISO 527−2に従って測定した時のブレーキ時の引張応力190MPa
3)ISO 527−2に従って測定した時のブレーキ時の引張ひずみ2.1%
4)ISO 178に従って測定した時の曲げ弾性率15000MPa
5)ISO 75−2に従って測定した時の1.8MPaの負荷下の偏向温度235℃
6)50℃/時の速度で、ISO 306に従って測定した時のビカー軟化温度160℃
7)10℃/分の速度で、ISO 11357−3に従って測定した時の融解温度280℃
2)ISO 527−2に従って測定された時のブレーキ時の引張応力105MPa
3)ISO 527−2に従って測定された時のブレーキ時の引張ひずみ3.2%
4)ISO 178に従って測定された時の曲げ弾性率10000MPa
5)ISO 75−2に従って測定した時の1.8MPaの負荷下の偏向温度230℃
6)10℃/分の速度で、ISO 11357−3に従って測定した時の融解温度335℃
2)ISO 527に従って測定された時のブレーキ時の引張応力130MPa
3)ISO 527−2に従って測定された時のブレーキ時の引張ひずみ5%
4)ISO 178に従って測定された時の曲げ弾性率7100MPa
5)ISO 75−2に従って測定した時の1.8MPaの負荷下の偏向温度245℃
6)10℃/分の速度で、ISO 11357−3に従って測定した時の融解温度335℃
本発明に従って成形された物品の本体(例えば、750μm以上の厚い壁部分)における均衡又は等方性特性(すなわち、非整列又は流れ混転メソゲン)を得ることができるが、物品本体の表面上の特徴(例えば、マイクロニードル)は、溶融TLCPが、本体凹部から特徴凹部又は少なくとも微細特徴チャンバに遷移するにつれて、微小寸法を著しく減少させるか、ないしは別の方法で型凹部の断面を制限することによって、異方性特性(すなわち、流れ整列メソゲン)を呈する。例えば、マイクロニードル先端又は微細特徴凹部の拘束された先細の壁形状は、図4Bに示されるように、そのような特性の変化(すなわち、メソゲン整列)をもたらすことができる。型を溶融TLCP組成物で充填する方法から得られる局所速度プロファイルは、2つの配向モード、つまり剪断力及び伸長特徴を統合する、複合運動学的挙動につながり得る。型凹部の微小寸法が十分に細いか、又は凹部断面が別の方法で十分に制限される場合、溶融組成物上に課される、結果として得られる剪断力は不均一であり、凹部断面の変化から生じる重畳伸長を特徴とすることができる。型凹部を充填する間の剪断力と伸長との間の競合は、TLCPメソゲンの分子配向(すなわち、整列)に劇的に影響し得る。このTLCPメソゲンの分子配向はまた、型凹部において発生する同時固化プロセスによって密接に左右され得る。射出速度を介した圧力駆動流れ制御を通して、成形品中のTLCPメソゲンの最終配向(すなわち、整列)を調整し、所望の物理特性の均衡を有する部分を生成することが可能である。この新しい理解は、「剪断力」及び「横断」特性(例えば、引張特性)の比較的均等な分布をもたらす比較的厚い(例えば、0.75mm〜1.0mm)成形ランド又は本体要素を有する部分の生成を可能にする一方で、構造特徴又は微細特徴要素(例えば、針及び/又は針先端の長手方向軸に沿った強化された引張特性)を充填する溶融組成物の流れ配向に沿って異方性特性を特徴とする、「インシアー」TLCPメソゲン配向状態の構造特徴(例えば、本体の表面上のマイクロニードルアレイ)又は少なくとも微細特徴要素(例えば、マイクロニードル先端)を成形することも可能である。
TLCPディレクター配向(すなわち、TLCPメソゲンの配向)は、型の本体凹部を充填する間(すなわち、射出成型サイクルの第1段階の間)、溶融組成物が射出される速度を制御することによって制御することができる。物品凹部及び他の型凹部(例えば、ランナー)における形状製薬が、剪断力により誘導された配向をもたらし得るが、溶融TLCP中のメソゲンが流れ下で混転する自然な傾向は、最終的に、成形部品の最終機械的異方性を劣化させる。以下は、流れ混転を軽減し、流れ整列を促進することができるように、TLCPメソゲン配向が制御され得る多数の方法である。
(2)物品凹部の充填中の極めて速い速度の使用は、TLCPメソゲンにおいて高程度の異方性を誘発することができ、順に、凹部における局所融解粘度の減少を助けることができる。
(3)型における速い結晶化ダイナミクスに起因するTLCPメソゲン配向の固定。
(4)微小凹部脱気を介したあらゆる捕捉空気の適切な脱気。
(5)サブマイクロメートル特徴凹部の解像度及び耐容を有する型工具の使用可能性。
Claims (15)
- 物品を成形する方法であって、
少なくとも1つの、複数個のメソゲンを含むサーモトロピック液晶ポリマー(TLCP)を含む組成物を提供する工程と、
型凹部を備え、前記型凹部が少なくとも1つの特徴凹部を備え、各特徴凹部が、少なくとも1つの微細特徴チャンバを備える、型を提供する工程と、
前記組成物を加熱して、溶融TLCPを含む溶融組成物を形成する工程と、
前記少なくとも1つの微細特徴チャンバを充填する前記溶融組成物が、移動する溶融組成物の流れ方向に対して、対応する溶融TLCP中の前記メソゲンの少なくとも一部分の流れ整列をもたらす流速で移動するように、前記型凹部に所望量の前記溶融組成物を充填する工程と、
前記少なくとも1つの微細特徴チャンバの少なくとも固化したTLCPのメソゲンが、実質的にそれらの流れ整列を維持するように、前記溶融組成物を固化する工程と、を含む、方法。 - 前記型凹部が、本体凹部を更に備え、各特徴凹部が、溶融組成物が前記本体凹部から各特徴凹部に流れ込むのを可能にするように、前記本体凹部から伸長し、前記本体凹部と接続されていること、及び前記型凹部を充填する前記工程が、
前記本体凹部を充填する前記溶融組成物の少なくとも一部分が、対応する溶融TLCP中のメソゲンの流れ回転をもたらす、第1の流速で移動するように、前記本体凹部に所望量の前記溶融組成物を充填する工程、を含み、
各微細特徴チャンバを充填する前記溶融組成物の前記流速が、前記第1の流速よりも速い第2の流速である、請求項1に記載の方法。 - 前記本体凹部が、成形される前記物品の本体部分に対応する、請求項2に記載の方法。
- 前記本体凹部を充填する前記溶融組成物の前記第1の流速が、約108mm/s以下である、請求項2に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの微細特徴チャンバを充填する前記溶融組成物の前記流速が、少なくとも約51mm/sである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの微細特徴チャンバが、約100nm〜最大約20マイクロメートルの範囲の微小特徴寸法を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の流速と前記第2の流速との差異が、少なくとも約12.7mm/sである、請求項2に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの微細特徴チャンバ内で固化された前記TLCPの前記メソゲンが、前記少なくとも1つの微細特徴チャンバを充填する前記移動する溶融組成物の前記流れ方向に対して、0.4を超えて最大1.0の範囲の異方性因子によって、分子的に整列される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 本体と、前記本体と一体であり、そこから突出する少なくとも1つの3次元構造特徴を備える成形品であって、前記少なくとも1つの構造特徴が、微小寸法を有する少なくとも1つの微細特徴要素を備え、前記少なくとも1つの構造特徴が、複数個のメソゲンを有する少なくとも1つのサーモトロピック液晶ポリマー(TLCP)を含み、前記微小寸法における前記メソゲンの少なくとも一部分が、流れ整列状態にある、成形品。
- 各微細特徴要素の前記微小寸法における前記TLCPメソゲンの少なくとも約30%が、流れ整列される、請求項9に記載の成形品。
- 各微細特徴要素の前記TLCPメソゲンが、少なくとも約0.3〜最大1.0の範囲の平均異方性因子を呈する、請求項9又は10に記載の成形品。
- 各微細特徴要素の前記微小寸法における前記流れ整列TLCPメソゲンが、少なくとも約0.5〜最大1.0の範囲の平均異方性因子を呈する、請求項9〜11のいずれか一項に記載の成形品。
- 各構造特徴における前記TLCPメソゲンの少なくとも約10%が、流れ整列であり、各構造特徴における前記TLCPメソゲンの残りは、比較的等方性の配向状態を有する、請求項9〜12のいずれか一項に記載の成形品。
- 前記少なくとも1つの微細特徴要素の前記微小寸法が、約500μm以下である、請求項9〜13のいずれか一項に記載の成形品。
- 前記少なくとも1つの微細特徴要素の前記微小寸法が、約90nm〜最大約20マイクロメートルの範囲内である、請求項9〜13のいずれか一項に記載の成形品。
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