JP2016528348A - 異方性高分子材料 - Google Patents
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- C08J2433/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
- C08J2433/04—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers esters
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Abstract
Description
本出願は米国仮出願番号第61/863,929号(2013年8月9日出願)、および第61/907,614号(2013年11月22日)に対する優先権を主張し、同出願の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
I.熱可塑性組成物
A.マトリクスポリマー
上述のように、熱可塑性組成物は、その中にマイクロ包含添加剤およびナノ包含添加剤が分散されている連続相を含む。連続相は一つ以上のマトリクスポリマーを含み、これは典型的には、熱可塑性組成物の約60重量%〜約99重量%、一部の実施形態では約75重量%〜約98重量%、および一部の実施形態では約80重量%〜約95重量%を占める。連続相を形成するために使用されるマトリクスポリマーの性質は重要ではなく、ポリエステル、ポリオレフィン、スチレンポリマー、ポリアミドなど、任意の適切なポリマーが一般的に用いられうる。特定の実施形態では、例えば、ポリエステルを組成物中に用いてポリマーマトリクスを形成しうる。脂肪族ポリエステルなど、ポリカプロラクトン、ポリエステルアミド、ポリ乳酸(PLA)およびその共重合体、ポリグリコール酸、炭酸ポリアルキレン(例えば、炭酸ポリエチレン)、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸(PHB)、ポリ−3−ヒドロキシ吉草酸(PHV)、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸−コ−4−ヒドロキシ酪酸、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸−コ−3−ヒドロキシ吉草酸共重合体(PHBV)、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸−コ−3−ヒドロキシヘキサン酸、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸−コ−3−ヒドロキシオクタン酸、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸−コ−3−ヒドロキシデカン酸、ポリ−3−ヒドロキシ酪酸−コ−3−ヒドロキシオクタデカン酸、およびコハク酸ベース脂肪族ポリマー(例えば、ポリブチレンサクシネート、ポリブチレンサクシネートアジペート、ポリエチレンサクシネートなど)、脂肪族方向族コポリエステル(例えば、ポリブチレンアジペートテレフタレート、ポリエチレンアジペートテレフタレート、ポリエチレンアジペートイソフタレート、ポリブチレンアジペートイソフタレートなど)、芳香族ポリエステル(例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなど)など、さまざまなポリエステルの任意のものを一般的に用いうる。
本明細書で使用される場合、「マイクロ包含添加剤」という用語は、ポリマーマトリクス内にマイクロスケールサイズの個別領域の形態で分散されることのできる任意の非晶質、結晶または半結晶材料を一般的に指す。例えば、延伸前に、領域は、約0.05μm〜約30μm、一部の実施形態では約0.1μm〜約25μm、一部の実施形態では約0.5μm〜約20μm、および一部の実施形態では約1μm〜約10μmの平均断面寸法を持ちうる。「断面寸法」という用語は、領域の特性寸法(例えば、幅または直径)を一般的に指し、これはその主軸(例えば、長さ)に実質的に直交し、また延伸中に加えられる応力の方向に一般的には実質的に直交する。一般的にはマイクロ包含添加剤から形成されるが、当然のことながら、マイクロスケール領域はマイクロ包含添加剤およびナノ包含添加剤および/または組成物のその他の成分の組み合わせからも形成されうる。
ΔHv=蒸発熱
R=理想気体定数
T=温度
Vm=モル体積
本明細書で使用される場合、「ナノ包含添加剤」という用語は、ポリマーマトリクス内にナノスケールサイズの個別領域の形態で分散されることのできる任意の非晶質、結晶または半結晶材料を一般的に指す。例えば、延伸前に、領域は、約1〜約1000ナノメートル、一部の実施形態では約5〜約800ナノメートル、一部の実施形態では約10〜約500ナノメートル、および一部の実施形態では約20〜約200ナノメートルの平均断面寸法を持ちうる。これも当然のことながら、ナノスケール領域はマイクロ包含添加剤およびナノ包含添加剤および/または組成物のその他の成分の組み合わせからも形成されうる。ナノ包含添加剤は一般的に、連続相(マトリクスポリマー)の重量に基づいて、熱可塑性組成物の約0.05重量%〜約20重量%、一部の実施形態では、約0.1重量%〜約10重量%、および一部の実施形態では約0.5重量%〜約5重量%の量で使用される。熱可塑性組成物全体のナノ包含添加剤の濃度は、同様に、約0.01重量%〜約15重量%、一部の実施形態では約0.05重量%〜約10重量%、および一部の実施形態では約0.3重量%〜約6重量%でありうる。
さまざまな異なる理由で、組成物には多種多様な原料を使用しうる。例えば、一つの特定の実施形態では、熱可塑性組成物に相間修飾剤を使用して、マイクロ包含添加剤とマトリクスポリマーの間の摩擦および結合性の程度を減らすのを助け、そのため剥離の程度および均一性を向上させうる。このように、細孔は、組成物全体に渡って実質的に均一な様式で分布されうる。修飾剤は、比較的低い粘度を持ち、熱可塑性組成物により容易に組み込むことができ、ポリマー表面に簡単に移動できるよう、室温(例えば、25℃)で液体または半固体の形態でありうる。この点で、相間修飾剤の動粘度は、40℃で測定された時、一般的に約0.7〜約200センチストーク(「cs」)、一部の実施形態では、約1〜約100cs、および一部の実施形態では約1.5〜約80csである。さらに、相間修飾剤は、マイクロ包含添加剤に対する親和性を持ち、例えばマトリクスポリマーと添加剤との間の界面張力の変化を生じるように、一般的に疎水性でもある。マトリクスポリマーとマイクロ包含添加剤との間の界面での物理的力を減らすことによって、修飾剤の低粘度、疎水性の性質が剥離の促進を助けることができると考えられる。本書で使用されるとき、「疎水性」という用語は、一般的に、空気中の水の接触角が約40度以上、一部の場合は約60度以上の材料を指す。対照的に、「親水性」という用語は、一般的に、空気中の水の接触角が約40度未満の材料を指す。接触角の測定のための一つの適切な試験はASTM D5725−99(2008年)である。
それが異方性特性であるという事実にも関わらず、高分子材料は、それが上述の熱可塑性組成物から形成される限りはモノリシックと一般的に見なされる。熱可塑性組成物を形成するために、成分は典型的には、さまざまな既知の技術のいずれかを使用して混合される。一つの実施形態では、例えば、組成物は別々に、または組み合わせて供給されうる。例えば、組成物は、まず乾燥混合されて基本的に均一な乾燥混合物を形成し、同様に、分散的に材料を混合する溶融処理装置に同時または順番に供給されうる。バッチおよび/または連続溶融処理技術を用いうる。例えば、ミキサー/混練機、バンバリーミキサー、ファレル連続ミキサー、単軸スクリュー押出機、二軸スクリュー押出機、ロールミルなどを使用して、材料を混合し溶融処理しうる。特に適切な溶融処理装置は、共回転、二軸スクリュー押出機(例えば、Werner & Pfleiderer Corporation(ニュージャージー州ラムジー)から入手可能なZSK−30押出機またはThermo Electron Corp.(イギリス、ストーン)から入手可能なThermo Prism(商標) USALAB 16押出機でありうる。このような押出機は、供給ポートおよび換気ポートを含み、強力な分配・分散混合をもたらす。例えば、成分は二軸スクリュー押出機の同じまたは異なる供給ポートに供給され溶融混合されて、実質的に均一な溶融混合物を形成しうる。必要に応じて、その他の添加剤も、ポリマー溶解物に注入および/または押出機の長さに沿った異なる点で押出機に別々に供給されうる。
本発明の高分子材料は、フィルム、繊維状材料、成形品、輪郭など、およびその複合体および積層板など、特定の用途に応じてさまざまに異なる形態を一般的に持ちうる。一つの実施形態では、例えば、高分子材料はフィルムまたはフィルムの層の形態である。多層フィルムは、2〜15層、および一部の実施形態では3〜12層を含みうる。このような多層フィルムは、少なくとも一つのベース層および少なくとも一つの追加層(例えば、皮膚層)を通常含むが、望ましい任意の数の層を含みうる。例えば、多層フィルムは、ベース層および一つ以上の皮膚層から形成される場合があり、ここでベース層および/または皮膚層は本発明の高分子材料から形成される。しかし当然のことながら、ポリオレフィンポリマーなど、その他のポリマー材料もベース層および/または皮膚層に用いられうる。
水蒸気透過速度(「WVTR」)
材料のWVTRを決定するために使用される試験は、材料の性質に基づいて変わりうる。WVTR値を測定するための一つの技術は、ASTM E96/96M−12、手順Bである。別の方法にはINDA試験手順IST−70.4(01)の使用を伴う。INDA試験手順は以下のように要約される。恒久的ガードフィルムおよび試験されるサンプル材料によって、ドライチャンバーが既知の温度と湿度でウェットチャンバーから分離される。ガードフィルムの目的は、明確な空隙を定義し、空隙が特徴化される間に空隙の空気を静めるまたは鎮静化することである。ドライチャンバー、ガードフィルム、およびウェットチャンバーは、その中に試験フィルムが密封される拡散セルを構成する。サンプルホルダーは、Mocon/Modem Controls, Inc.(ミネソタ州ミネアポリス)社製のPermatran−Wモデル100Kとして知られている。第一の試験は、ガードフィルムおよび100%相対的湿度を生成する蒸発器組立品の間の空隙のWVTRから成る。水蒸気は空隙およびガードフィルムを通して拡散し、水蒸気濃度に比例する乾燥ガスの流れと混ざり合う。電気信号が処理のためにコンピュータに送られる。コンピュータは、空隙およびガードフィルムの透過速度を計算し、その値を将来使用するために保存する。
F=水蒸気の流れ(cm3/分)
ρsat(T)=温度Tでの飽和空気中の水の密度
RH=セルの特定の場所での相対湿度
A=セルの断面積
Psat(T)=温度Tでの水蒸気の飽和蒸気圧。
熱伝導率(W/mK)および熱抵抗(m2K/W)は、ASTM E−1530−11(「保護熱流量技術による材料の熱貫流に対する抵抗」)に従い、Anter Unithermモデル2022試験機を使用して決定されうる。目標試験温度は25℃、適用負荷は0.17MPaとしうる。試験前に、サンプルは温度23℃(±2℃)、相対湿度50%(±10%)で40+時間の間調整しうる。熱特性(W/m2K)も、1を熱抵抗で割ることで計算されうる。
衝撃強度は、ASTM D6110−10に従って、23℃または0℃(±2℃)の温度、および50%(±10%)の相対湿度で決定される。サンプルは約3.1mmの幅を持つ場合があり、長さは101.6mm、ノッチ下の深さは約10.2mmでありうる。振子は2.7ジュールの容量を持ちうる。衝撃強度は、衝撃エネルギー(キロジュール)をノッチ下面積(平方メートル)で割ることによって計算され、大きい数字はより硬い材料であることを示す。
フィルムは、引張特性(ピーク応力、係数、破壊歪み、および破断時の容積あたりのエネルギー)に対してMTS Synergie200引張フレームで試験しうる。試験はASTM D638−10(約23℃)に従って実施されうる。フィルムサンプルは、試験前に、中央の幅が3.0mmの犬用の骨の形にカットされうる。犬用の骨の形のフィルムサンプルは、MTS Synergie 200装置のグリップを使用して、18.0mmのゲージ長さで定位置に保持されうる。フィルムサンプルは、破断が起こるまで5.0インチ/分のクロスヘッド速度で延伸されうる。各フィルムに対して5つのサンプルを、流れ方向(MD)および幅方向(CD)の両方で試験しうる。コンピュータプログラム(例えば、TestWorks 4)を使用して、試験中のデータを収集し、応力対歪み曲線を生成し、それから係数、ピーク応力、伸長、および破断までのエネルギーを含む多くの特性を決定しうる。
メルトフローレート(「MFR」)は、一般的に190℃、210℃、または230℃で、2160グラム/10分の負荷をかけた時、押出レオメーター口(直径0.0825インチ)を通して押し出されるポリマーの重量(グラム)である。別段の指示がない限り、メルトフローレートは、Tinius Olsen Extrusion PlastometerでASTM試験方法D1239に従って測定される。
ガラス転移温度(Tg)は、ASTM E1640−09に従って、動的機械分析(DMA)で決定されうる。TA Instruments社のA Q800機器を使用しうる。実験は、張力/張力形状で、−120℃〜150℃の温度掃引モード、3℃/分の加熱率で実行されうる。歪振動振幅周波数は、試験中、一定(2Hz)に保ちうる。3つの独立サンプルを試験して、平均ガラス転移温度を得るが、これはtan δ曲線の最大値によって定義され、ここでδは、貯蔵弾性率に対する損失弾性率の比(tan δ=E”/E’)として定義される。
密度および細孔容量パーセントを決定するために、延伸の前に、標本の幅(Wi)および厚さ(Ti)が最初に測定されうる。延伸前の長さ(Li)も、標本の表面上の二つのマークの間の距離を測定することによって決定された。その後、標本を延伸して空隙化を開始しうる。次に、Digimatic Caliper(株式会社ミツトヨ)を使用して、標本の幅(Wf)、厚さ(Tf)、および長さ(Lf)が直近の0.01mmまで測定された。延伸の前の体積(Vi)は、Wi×Ti×Li=Viで計算されうる。延伸後の体積(Vf)も、Wf×Tf×Lf=Vfで計算されうる。密度(Pf)は、Pf=Pi/Φで計算され、ここでPiは、前駆材料の密度であり、細孔容量パーセント(%Vv)は、%Vv=(1−1/Φ)×100で計算されうる。ゾーンの密度を決定するために、以下に記述されるように、ディスク型サンプル(直径1.3cm)を材料から切り出し、次に標準測定重りを使用して秤量した。
水分含量は、Arizona Instruments Computrac Vapor Pro水分分析器(モデル番号3100)を使用して、ASTM D 7191−05に実質的に従って決定することができ、これは参照によりすべての目的に対してその全体が本明細書に組み込まれる。試験温度(§X2.1.2)は130℃、サンプルサイズ(§X2.1.1)は2〜4グラム、およびバイアルパージ時間(§X2.1.4)は30秒としうる。さらに、終了基準(§X2.1.3)は、「予測」モードとして定義でき、これはプログラムされた内蔵基準(これは数学的に終了点水分含量を計算する)が満足された時に試験が終了することを意味する。
Claims (40)
- 高分子材料であって、前記高分子材料が、マトリクスポリマーを含む連続相を含有する熱可塑性組成物から形成され、さらにマイクロ包含添加剤およびナノ包含添加剤が前記連続相内に個別領域の形態で分散されており、前記高分子材料が第二のゾーンに隣接する第一のゾーンを定義し、前記第一のゾーンが前記第二のゾーンよりも大きな細孔容量を示すように、多孔質ネットワークが前記第一のゾーン内に形成される高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の平均細孔容量が、約15%〜約80%/cm3、好ましくは約20%〜約70%、より好ましくは約30%〜約60%/立方センチメートルである、請求項1に記載の高分子材料。
- 前記第二のゾーン内の前記材料の前記平均細孔容量が15%未満、好ましくは0%〜約10%である、請求項2に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の密度の、前記第二のゾーンの前記材料内の密度に対する比率が、約0.1〜約0.95、好ましくは約0.2〜約0.9、およびより好ましくは約0.3〜約0.8である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の密度が、約1.2g/cm3以下、好ましくは約1.0g/cm3以下、より好ましくは約0.2g/cm3〜約0.8g/cm3、さらにより好ましくは約0.1g/cm3〜約0.5g/cm3である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の水蒸気透過速度の、前記第二のゾーン内の前記材料の水蒸気透過速度に対する比率が、約0.1〜約0.95、好ましくは約0.2〜約0.9、およびより好ましくは約0.3〜約0.8である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の水蒸気透過速度が約500g/m2−24時間以上、好ましくは約1,000g/m2−24時間以上、より好ましくは約3,000〜15,000g/m2−24時間である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の弾性係数の、前記第二のゾーンの前記材料内の弾性係数に対する比率が、約0.1〜約0.95、好ましくは約0.2〜約0.9、およびより好ましくは約0.3〜約0.8である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の弾性係数が約2400MPa以下、好ましくは約2200MPa以下、より好ましくは約50MPa〜約2000MPa、およびさらにより好ましくは約100MPa〜約1000MPaである、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料のノッチ付きシャルピー衝撃強度の、前記第二のゾーンの前記材料内のノッチ付きシャルピー衝撃強度に対する比率が、約0.1〜約0.95、好ましくは約0.2〜約0.9、およびより好ましくは約0.3〜約0.8である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内のノッチ付きシャルピー衝撃強度が、約10kJ/m2以上、好ましくは約20kJ/m2以上、より好ましくは約35kJ/m2以上、およびさらに好ましくは約45kJ/m2〜約100kJ/m2である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の前記材料の熱特性の、前記第二のゾーンの前記材料内の熱特性に対する比率が、約0.1〜約0.95、好ましくは約0.2〜約0.9、およびより好ましくは約0.3〜約0.8である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記第一のゾーン内の熱特性が、約1000W/m2K以下、好ましくは約10〜約800W/m2K、より好ましくは約20〜約500W/m2K、およびさらにより好ましくは約40〜約200W/m2Kである、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記多孔質ネットワークが、約800ナノメートル以下、および好ましくは約10〜約100ナノメートルの平均断面寸法を持つ複数のナノ細孔を含む、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記ナノ細孔が前記第一のゾーン内の前記材料の合計細孔容量の約20容量%以上を構成する、請求項14に記載の高分子材料。
- 前記多孔質ネットワークがマイクロ細孔を含む、請求項15に記載の高分子材料。
- 前記マイクロ細孔のアスペクト比が約1〜約30である、請求項16に記載の高分子材料。
- 前記連続相が、前記熱可塑性組成物の約60重量%〜約99重量%を構成する、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記マトリクスポリマーがポリエステルまたはポリオレフィンを含む、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記ポリエステルが約0℃以上のガラス転移温度を持つ、請求項19に記載の高分子材料。
- 前記ポリエステルがポリ乳酸を含む、請求項19または20に記載の高分子材料。
- 前記マイクロ包含添加剤が高分子である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記マイクロ包含添加剤がポリオレフィンを含む、請求項22に記載の高分子材料。
- 前記ポリオレフィンが、プロピレンホモポリマー、プロピレン/α−オレフィン共重合体、エチレン/α−オレフィン共重合体、またはその組み合わせである、請求項23に記載の高分子材料。
- 前記マイクロ包含添加剤の溶解パラメータに対する前記マトリクスポリマーの溶解パラメータの比率が約0.5〜約1.5、前記マイクロ包含添加剤のメルトフローレートに対する前記マトリクスポリマーのメルトフローレートの比率が約0.2〜約8、および/または前記マイクロ包含添加剤のヤング弾性係数に対する前記マトリクスポリマーのヤング弾性係数の比率が約1〜約250である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記ナノ包含添加剤が高分子である、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記ナノ包含添加剤が官能性ポリオレフィンである、請求項26に記載の高分子材料。
- 前記ナノ包含添加剤が反応性である、請求項26または27に記載の高分子材料。
- 前記ナノ包含添加剤がポリエポキシドである、請求項28に記載の高分子材料。
- 前記マイクロ包含添加剤が、前記連続相の重量に基づいて、前記組成物の約1重量%〜約30重量%を構成する、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記ナノ包含添加剤が、前記連続相の重量に基づいて、前記組成物の約0.05重量%〜約20重量%を構成する、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記熱可塑性組成物が相間修飾剤をさらに含む、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前記材料が、複数の第一のゾーン、複数の第二のゾーン、またはそれらの組み合わせを定義し、前記第一のゾーンの少なくとも一つが前記第二のゾーンの少なくとも一つに隣接している、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 第二のゾーンが二つの第一のゾーンの間に位置付けられている、前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料。
- 前述の請求項のいずれか一項に記載の高分子材料を形成するための方法であって、前記方法が、前記高分子材料の前記第一のゾーンを変形させて前記多孔質ネットワークを達成する工程を含む方法。
- 前記第二のゾーンが変形されない、請求項35に記載の方法。
- 前記第二のゾーンが前記第一のゾーンより小さな程度まで変形される、請求項35に記載の方法。
- 前記第二のゾーンが変形され、その後、熱処理を受ける、請求項35に記載の方法。
- 前記第一のゾーンが約−50℃〜約125℃、好ましくは約−25℃〜約100℃、より好ましくは約−20℃〜約50℃の温度で変形される、請求項35〜38のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第一のゾーンが、前記マトリクスポリマーおよび/または前記マイクロ包含添加剤のガラス転移温度より少なくとも約10℃、好ましくは少なくとも約20℃、より好ましくは少なくとも約30℃低い温度で変形される、請求項35〜39のいずれか一項に記載の方法。
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