JP2016530345A - エネルギー吸収部材 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は米国仮出願番号第 61/833,996号(2013年6月12日出願)、および第61/907,548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。
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、合成ポリマー、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に使用し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。
Δ Hv = 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配されうる。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°C)で液体または半固体の形態でありうる。この点で、相間修飾剤の動粘性率は、40°C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1〜100cs、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°以上、一部の場合は約60°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°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。
上述のように、本発明の高分子材料は、マトリクスポリマー、マイクロ包含添加剤、ナノ包含添加剤、およびその他の選択的構成要素を含む熱可塑性組成物を延伸することによって一般的に形成される。最初の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がエネルギー吸収部材に形成される方法は異なりうる。特定の実施形態では、例えば、エネルギー吸収部材はすべて本発明の高分子材料から形成される。しかしその他の実施形態では、エネルギー吸収部材は、高分子材料を一つの層または構成要素として、および材料の一つ以上の追加的層または構成要素を、例えば追加的エネルギー吸収、絶縁、バリア特性またはカバーとしてなど、さまざまな目的のために含みうる。追加的材料には、高分子フォーム、フィルムまたはシート、不織布ウェブ、ガラス繊維材料、セルロース材料、スクリム、ホイルなど、その他の従来的タイプの材料を含みうる。
高速破壊試験:
ASTM D3763−10に従って、23°Cまたは−25°C(±2°C)の温度、および50%(±10%)の相対湿度で、高速破壊を受けた後の衝撃特性を測定するために試験を実施しうる。Instron Dynatup 9250HV高衝撃試験機(データ取得システム付き)を用いて本試験を実施しうる。試験速度は3.3または12.5メートル/秒、標本サイズは102 mm x 127 mm、打金直径は12.7 mmでありうる。ピーク負荷での平均たわみ(mm)、平均ピーク負荷(N)、ピーク負荷での平均エネルギー(J)、および平均合計エネルギー(J)が決定される。合計エネルギーは、負荷がゼロに戻る点での負荷/たわみ曲線から決定される。
衝撃強度は、ASTM D6110−10に従って、23°Cまたは0°C(±2°C)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。
メルトフローレート(「MFR」)は、一般的に190°C、210°C、または230°C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°C〜150°Cの温度掃引モード、3°C/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。
伸縮率、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、WixTixLi=Viで計算されうる。延伸後の体積(Vf)も、WfxTfxLf=Vfで計算されうる。伸縮率(Φ)はΦ=Vf/Viで計算でき、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)x100で計算されうる。
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°C、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 (46)
- 高分子材料を含むエネルギー吸収部材であって、ここで前記高分子材料が、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た多孔質高分子材料を含み、さらにマイクロ包含添加剤およびナノ包含添加剤が個別領域の形態で前記連続相内に分散されており、ここで約800ナノメートル以下の平均断面寸法を持つ複数のナノ細孔を含む多孔質ネットワークが前記材料中に定義されるエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料が、23°CでASTM D6110−10に従って測定された時、約10 kJ/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のノッチ付きシャルピー衝撃強度を持つ、請求項1に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料によって吸収される前記合計エネルギーが、ASTM D3763−10に従って12.5メートル/秒の速度および23°Cの温度で実施される高速破壊試験によって決定される時、約2ジュール以上、好ましくは約3ジュール以上、より好ましくは約4〜約20ジュールである、請求項1または2に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料の前記ピーク負荷でのたわみが、ASTM D3763−10に従って12.5メートル/秒の速度および23°Cの温度で実施される高速破壊試験によって決定される時、約10mm以上、好ましくは約12.5mm以上、より好ましくは約15〜約50mmである、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料の前記ピーク負荷が、ASTM D3763−10に従って12.5メートル/秒の速度および23°Cの温度で実施される高速破壊試験によって決定される時、約250N以上、好ましくは約350N以上、より好ましくは約400〜約1000Nである、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記ナノ細孔が約10〜約100ナノメートルの平均断面寸法を持つ、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料の合計細孔容量が立方センチメートル当たり約15%〜約80%である、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記ナノ細孔が前記高分子材料の合計細孔容量の約20容量%以上を構成する、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 前記ポリエステルが約0°C以上のガラス転移温度を持つ、請求項10に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記ポリエステルがポリ乳酸を含む、請求項10または11に記載のエネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 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13に記載のエネルギー吸収部材。
- 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、またはその組合せである、請求項14に記載のエネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 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17に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記ナノ包含添加剤が反応性である、請求項17または18に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記ナノ包含添加剤がポリエポキシドである、請求項19に記載のエネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 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エネルギー吸収部材。
- 前記相間修飾剤が、40°Cの温度で測定された時約0.7〜約200センチストークの動粘度を持つ、請求項23に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記相間修飾剤が疎水性である、請求項23または24に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記相間修飾剤がシリコン、シリコン・ポリエーテル共重合体、脂肪族ポリエステル、芳香族ポリエステル、アルキレングリコール、アルカンジオール、アミンオキシド、脂肪酸エステル、またはその組合せである、請求項23、24、または25に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記相間修飾剤が、前記連続相の重量に基づいて、前記組成物の約0.1重量%〜約20重量%を構成する、請求項23〜26のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料が気体発泡剤を一般的に含まない、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記多孔質ネットワークがマイクロ細孔をさらに含む、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 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29に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記多孔質ネットワークが、前記材料の全体にわたって実質的に均一な形態で分配されている、前述請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記ナノ細孔が概して平行なカラムに分配されている、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記マイクロスケール領域が約0.5マイクロメートル〜約250マイクロメートルの平均軸寸法を持つ、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記熱可塑性組成物が約1.2グラム/立方センチメートル以下の密度を持つ、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記部材が織物の形態である、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記織物が複数の糸を含む織布または編物であり、前記糸の少なくとも一部が前記高分子材料を含む、請求項35に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記部材が完全に前記高分子材料から形成される、請求項1〜36に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料が前記部材の層または構成成分である、請求項1〜36に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記エネルギー吸収部材が、前記高分子材料に隣接して位置付けられる外部シェル層を含む、前述の請求項のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記高分子材料が、前記外部シェル層と内部シェル層の間に位置付けられる、請求項39に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記シェル層が、強度強化繊維、金属シート、セラミックシート、またはそれらの組み合わせを含む、請求項39または40に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記部材が、前記高分子材料および複数の強度強化繊維を含む層を持つ、請求項39〜41のいずれか一項に記載のエネルギー吸収部材。
- 前記強度強化繊維が前記高分子材料の上方に位置付けられている、請求項42に記載のエネルギー吸収部材。
- 前述の請求項のいずれか一項に記載の前記エネルギー吸収部材を含む保護具であって、前記エネルギー吸収部材が身体部分に隣接して位置付けられるように構成されている保護具。
- 前記エネルギー吸収部材が前記保護具の構成要素のみを形成する、請求項44に記載の保護具。
- 前記保護具が、防弾チョッキまたはジャケット、防弾衣、暴動鎮圧、看守活動に使用される衣類またはその他の衣料品、武道に関連して使用される衣料品または器具、ヘルメット、すね当て、ひじ当て、手袋、スキーブーツ、スノーボードブーツ、オートバイ器具、スケート靴、運動靴、整形外科用ギプスまたは装具、またはそれらの組み合わせである、請求項44に記載の保護具。
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