JP2018021205A

JP2018021205A - 架橋膜表面

Info

Publication number: JP2018021205A
Application number: JP2017196958A
Authority: JP
Inventors: エイチ．コリンズクリストファー; H Collins Christopher; ジェイ．ラングワラインティアズ; J Rangwalla Imtiaz
Original assignee: Energy Sciences Inc
Current assignee: Energy Sciences Inc
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2018-02-08
Also published as: US20110256378A1; EP2558521A1; WO2011130428A1; JP2016135885A; JP2013523997A; WO2011130428A8; CA2793696C; CN102958983A; CA2793696A1; CN102958983B

Abstract

【課題】ＥＢデバイスを利用し、充分な物理的および動的特性を有し、また、産業ニーズに基づく更なるプロセスが容易である商業的に現実的な製品をどのように製造するか。【解決手段】本願発明は、部分的に、架橋ポリオレフィンを製造するための高エネルギー・プロセスに関するものである。ここに記述されるポリオレフィンは、その物理特性と動的パフォーマンスを損なうことなく、更なる処理を経ることができる。【選択図】図１

Description

本願は、２０１０年４月１３日に出願された米国仮出願第６１／３２３６１０号、第６１／３２３６０５号および第６１／３２３６１８号に基づいて優先権を主張するものである。これら仮出願は、それぞれの全体が、参照により、本願明細書に組み込まれる。

本願の開示は、架橋ポリオレフィンを製造するための高エネルギー・プロセスに関するものである。このポリオレフィンは、その物理特性と、架橋製品の動的パフォーマンスを損なうことなく、更なる処理を経ることができる。

エラストマー材料の架橋（加硫）は、ゆるく保持された分子鎖の、サステンド負荷（応力）を支持し、一定変形（歪み）に耐えることができるポリメリック鎖の３次元ネットワークへの接続を含む。架橋エラストマーの拡張物理特性は、たとえば、高抗張力、低圧縮永久歪み、回復可能伸長、高断裂エネルギー、増加した動的パフォーマンスを含むことができる。各々の特性は、架橋の程度または範囲によって影響される。たとえば、架橋性の量を増やすと、エラストマーの物理的、動的パフォーマンスを強化することは良く知られている。Nicholas P. Cheremisinoff著「Handbook of Engineering Polymeric Materials」ＩＳＢＮ＃０−８２４７−９７９９−Ｘ、１９９７、および、Steven K. Henning、Jeffrey Klang著「Cray Valley Resins par excellence： Telechelic Poly(butadiene) Diacrylate for the Radical Cure of Elastomers」Cray Valley USA, LLC，２０１０年１月を参照。

高温過酸化物ベース重合プロセスが、エラストマーまたはポリメリック膜を架橋するために使用された。過酸化物重合は、エラストマーまたはポリメリック膜を架橋することを可能にする基礎を形成する酸素中心ラジカルを生成する。このプロセスは、ラジカル・プロセスを開始するために高温に要求し、選択的でない。結果として生じる最終製品は、主として、完全架橋ポリマーを含む材料から成る。さらに、完全に架橋した材料が物理的かつ動的パフォーマンスのような特性を改良し、商業的に優れた製品を生成するのに用いることができるということは確立されている。

良い物理的かつ動的パフォーマンスを有する材料の利点にもかかわらず、過酸化物重合プロセスにより形成される酸素中心ラジカルは、更に、続いて不必要な副産物を形成する副作用を経る高反応性酸素中心ラジカル中間体を形成するために組み合わせる。しかしながら、これらの副産物を減らすことは非常に難しい。材料の充分な架橋を達成するために要求される高温と処理時間が長いためである。

過酸化物ベース重合法に対する他の欠点は、材料の生産と関連する経費増加、より長い硬化時間、低ラジカル・フラックス、加熱プロセスの間に発生する廃棄物の過剰放出、さらなる放出とカーボン・フットプリントに至る全体的非効率性を含む。それに加え、過酸化物重合プロセスが選択的でなく、完全架橋ポリマーという結果になるので、ポリマーの更なる処理が危うくなる。

たとえば、ルーフィング産業において、表面層と屋根材のベース膜とを界面的に融解ブレンドすることが、重要である。この界面的融解は、表面層の架橋可能領域とベース膜の間のシームレスな接着を生じ、それは次に、屋根の表面により容易に付着する、より耐久性のある材料という結果となる。対照的に、過酸化物ベース重合は、完全架橋ポリマーである材料を生成し、表面層と屋根材のベース膜とを一緒に効果的に融解ブレンドするために大量の熱と時間を必要とする。

よって、使用される架橋材料の産業処理にかかわるコスト、時間および廃棄物を減らすためのより良い方法を開発することに、現在のニーズがある。たとえば、タイヤや屋根の製品とプロセスなどである。

電子ビーム（ＥＢ）処理手続きのような放射線架橋は、高温過酸化物重合方法に代わる適切なものであることが知られている。ＥＢ処理手続きにおいて、エネルギーを有する電子が、熱の代わりに使用される。架橋の開始は、炭素中心ラジカルを通して進行する。これは、過酸化物重合の酸素中心ラジアルとは異なり、不必要な中間体または副産物を形成するように、すぐに反応することはない。ＥＢ処理手続きは、また、たとえば、電圧、電流、電源、その他、特定のパラメータを変動させることによって、架橋の量をコントロールのより大きな融通性を可能にする。

ＥＢ処理手続きを使用することの他の優位点には、材料の架橋に関連するコストが減少すること、たとえば、低エネルギー消費、瞬間的な硬化時間など周囲温度で実行する低温処理手続きと、被処理材料で予め定められた深さに架橋動作を正確にコントロールすることと、インライン・ウェブベース処理手続きに対する適応性とがある。この性質の効率的な粒子ビーム・プロセッサーは、たとえば、米国特許第６４２６５０７号、第６６１０３７６号、第７０２６６３５号、および、第７３４８５８０号において議論されている。

ＥＢ処理手続きにおいて、エネルギーを有する電子は、多種多様な製品と材料の分子構造を修正するのに用いることができる。たとえば、電子は、特注の液体コーティング、インク、ゴムと接着剤を変えるのに用いることができる。ＥＢ処理手続きで処理される液体コーティングは、印刷インク、ニス、シリコン剥離コーティング、下塗り、粘着剤、バリア層・積層接着剤を含むことができる。ＥＢ処理手続きは、また、紙のような固体材料、基盤と不織繊維基板、および、エラストマーなどの高分子材料、ＥＢ処理に反応するように特に設計されたものすべての物理的特性を変更および強化するのに用いることができる。

低電圧（たとえば、１１０ｋＶ以下）、高電圧（たとえば、１１０ｋＶ以上）の両方において、効率を増加させたＥＢ処理手続きデバイスが、開発され、たとえば、エチレン系シーラント・フィルム等、種々の食物梱包材、液体コーティング、インク、および、接着剤を含む、商業的現実的製品を生産するために有用である。米国特許第６４２６５０７号、第６６１０３７６号、第７０２６６３５号、および、第７３４８５８０号、を参照。

米国特許第６４２６５０７号米国特許第６６１０３７６号米国特許第７０２６６３５号米国特許第７３４８５８０号

Nicholas P. Cheremisinoff著「Handbook of Engineering Polymeric Materials」ＩＳＢＮ＃０−８２４７−９７９９−Ｘ、１９９７ Steven K. Henning、Jeffrey Klang著「Cray Valley Resins par excellence： Telechelic Poly(butadiene) Diacrylate for the Radical Cure of Elastomers」Cray Valley USA, LLC，２０１０年１月

ＥＢデバイスを利用することの長所、増加した架橋が材料の物理的かつ動的パフォーマンスを強化するという知識にもかかわらず、充分な物理的および動的特性を有し、また、産業ニーズに基づく更なるプロセスが容易である商業的に現実的な製品をどのように製造するかという問題が残る。

驚くべきことに、本願の発明者は、ＥＢ処理手続きを用いる材料の部分的な重合が、従来の過酸化物ベースの方法や以前のＥＢ処理手続きを使用して得られるものと同様の物理的および動的特性を有する材料となる結果となるが、融通性が改善されることを発見した。１つの実施形態において、ここに記述される方法は、苛酷な環境や労働集約型の状況の必要なしで、部分的に架橋された材料の更なる処理手続きを可能にし、完全に架橋した材料という結果となる、ＥＢや過酸化物重合方法に結びついたすべての有益な特性を有する商業的に現実的な製品という結果となる。

１つの実施形態において、本願発明は、粒子ビーム処理を使用して部分的に架橋した多層材料を生成する方法に関する。１つの実施形態において、粒子は、多層材料の部分に浸透するだけである。浸透深さは、たとえば、総厚みの約５０％までであり、最終用途に依存する。架橋の量もまた、最終用途に依存する。たとえば、約３５％の平均架橋密度は、およそ２５０の熱抵抗力を有する材料を生成することができる。しかるに、約５０％の架橋密度は、より高い熱抵抗力を有する材料を生成することができる。

粒子ビーム処理手続きが、たとえば、単一の表面架橋膜など膜の完全な表面の上に起こる場合があり、それによって、全面に渡って粒子は厚み全体の約５０％の深さに浸透する。しかし、他の表面は、無処置のままにされる。

また、架橋度は、浸透深さに依存していることが理解される。１つの実施形態において、浸透深さは、特定の架橋密度を達成するために変えられることができる。

代替的に、たとえば、端に沿って、中心部、または、周辺部の端が無処置のままにされる（すなわち、架橋されない）ように、その膜の予め定められた部分だけで粒子ビーム処理が起こってもよい。

たとえば、特定の最終用途は、処理されている材料の１つの部分が浸透深さ「Ｘ」まで、ＥＢ粒子処理を受けるべきであり、一方、別の部分が浸透深さ「Ｙ」までＥＢ粒子処理を受けるべきであることを要求することがある。ここで、「Ｘ」と「Ｙ」の各々は、粒子浸透の同じか異なる深さを表している。したって、被処理材料の異なる部分またはセクションは、異なる架橋度、および、それゆえに異なる特性を持つことができる。

別の実施形態において、ＥＢ処理される材料は、材料の幅や長さを横断すると、浸透深さが増加し、それゆえに、架橋度が存在するように、勾配に沿って放射線量を受け得た。

１つの実施形態において、本願発明は、また、部分的に、ここに記述されたプロセスによって作られた材料に関する。別の実施形態において、約４０％を超える平均架橋密度を有するポリマー材料と比較する場合、結果として生じる材料は、実質的に類似した、同一の、あるいは、より良い特性を示す。

本願発明の１つの実施形態による、粒子ビーム処理デバイスの概略図である。電子ビームの電圧プロファイルの概略図である。本願発明の実施形態による、粒子ビーム処理デバイスの正面図である。１２５から３００のｋＶの動作電圧範囲で測定された１２．５ミクロン・チタン箔の厚みの関数としての深部線量プロフィールのチャートである。膜が、浸透深さが約５０％まで架橋されている、全幅の架橋膜の概略図である。「かがりぶちに仕上げられた」スタイル・システムで接することによる図５における、膜の非架橋底面層の外観の概略図である。隣接した膜に重なった、図５における、膜の非架橋底面層の外観の概略図である。非架橋の端部を残す、膜の中央部分の架橋の外観概略図である。

粒子ビーム処理デバイスは、電源、粒子生成アセンブリ、箔支持アセンブリ、および、処理アセンブリを備える。

「部分浸透」という用語は、ここに定められるように、材料の総厚みの約５０％まで、粒子ビーム処理デバイスから発生した粒子により、浸透されるか、処理されることを意味する。

「部分的な重合」という用語は、材料が、全体的な平均架橋密度が達成されるように部分的に重合されることを意味する。望ましい全体的な平均架橋密度は、材料の要求される最終用途と特性に部分的に依存している。たとえば、ルーフィング産業においては、耐熱性は抗張力よりはるかに重要性を有する場合がある。したがって、約４０％より大きな全体的平均架橋密度が、望ましい場合がある。それとは対照的に、包装産業においては、約３０％より大きな平均架橋密度が、望ましい場合がある。したがって、「部分的な重合」は、約２０％から約１００％までの平均架橋密度の範囲をカバーすることを意図される。これは、約３０％から約８０％まで、約３５％から約６０％まで、および、約４０％より大きい、の範囲を含む。

「約」または「およそ」というここに使用した用語は、当業者による決定にしたがって、たとえば、測定システムの制限などどのようにその値が測定され、あるいは、決定されるかに依存する、特定の値に対して許容できる誤差範囲の中にあることを意味する。たとえば、「約」は、その技術分野におけるプラクティス毎に１つ以上の標準偏差の範囲内であることを意味することができる。代替的に、「約」は、与えられた値の２０％まで、たとえば１０％まで、５％まで、１％までの範囲であることを意味することができる。

「部分」という用語は、材料のいかなる部分でも意味することを意図している。例としてだけであるが、部分は、材料の上面の全体、材料の底面の全体、材料の上面あるいは底面の中心部分、または、材料の端のいかなる部分も含むことができる。

「単一の表面」という用語は、材料の単一の側面を意味することを意図する。たとえば、単一の側面は、材料の上面の全体であってもよく、材料の底面の全体であってもよいが、その両方ではあり得ない。ここに言及される「一つの表面」は、粒子ビーム処理手続きで処理されている表面を意味することが理解されるであろう。

ここで用いられるように、実質的に同一の特性が、少なくとも２つの類似あるいは同様の機械的、物理的および／または、化学的特性を有するポリマー材料にあてはまる。たとえば、抗張力、圧縮、断裂エネルギー、負荷、弾力、輸送特性、形態、融点、ガラス転移温度、ミキシング挙動、接着特性、劣化、耐薬品性、熱抵抗力、などである。

照射線量は、単位マス毎に吸収されるエネルギーであり、１グラムあたり２．４カロリーに等しいメガラド（Ｍｒａｄ）の用語で測定される。吸収された電子の数が大きいほど、より高い線量値に反映される。応用においては、照射線量は、通常、コーティングの材料と重合される基盤の深さとによって決定される。たとえば、５メガラド（Ｍｒａｄ）の照射線量は、それはライスペーパーでできており、２０グラム／ｍ^２の質量密度を有する基盤の上でのコーティングを重合するために要求することができる。代替的に、７または１０メガラド（Ｍｒａｄ）の照射線量を、それぞれ、約１０００グラム／ｍ^２、２０００グラム／ｍ^２の質量密度を有するゴムまたは屋根材でできている基盤を重合するために要求することができる。照射線量は、抽出される電子の数である操作ビーム電流に正比例しており、基盤の送り速度に逆比例している。これは、次の式で表される。
照射線量＝Ｋ・（Ｉ／Ｓ）
ここで、Ｉは、ミリアンペア（ｍＡｍｐ）で測定される電流、Ｓは、フィート／分（ｆｅｅｔ／ｍｉｎ）で測定される基板の送り速度であり、Ｋは、そしてそれは処理デバイスのマシン収量またはその特定の処理デバイスの出力効率を表す比例常数である。

基板面の上の化学反応を引き起こすより高い効率を持つ粒子ビーム処理デバイスが、ここに記述される。このデバイスは、電源と、容器内で真空環境をつくり保持する真空ポンプと、真空容器内に位置し、１５０ｋＶ以上の範囲の第１の電圧で動作する電源に接続している粒子生成アセンブリと、を備える。粒子生成アセンブリは、加熱されると複数の粒子を生成する少なくとも１つのフィラメントを含む。このデバイスは、また、箔支持アセンブリと処理アセンブリを含む。箔支持アセンブリは、第２の電圧で動作する。それは最初の電圧より高く、少なくとも一部の粒子が、第１の電圧から第２の電圧に飛び、箔支持アセンブリから飛び出すことを可能にする。箔支持アセンブリは、約１２マイクロメートルの厚さを有する、チタンまたはそれらの合金でできている薄箔を含むことができる。処理アセンブリは、化学反応を引き起こすのに使用するために箔支持アセンブリを飛び出す粒子を受けとる。処理デバイスのマシン収量（Ｋ）は、次の式にしたがって決定される。
Ｋ＝（照射線量・スピード）／電流
ここで、Ｋは、メガラド（Ｍｒａｄｓ）・フィート（ｆｅｅｔ）／分（ｍｉｎ）／ミリアンペア（ｍＡｍｐ）で測定されるマシン収量であり、照射線量は、メガラド（Ｍｒａｄｓ）で測定される単位質量につき吸収されるエネルギーであり、速度は、フィート／分で測定される基盤の送り速度であり、電流は、ミリアンペア（ｍＡｍｐ）で測定される加熱フィラメントから抽出される電子の数である。

１つの実施形態において、本願発明は、粒子ビーム・デバイスを用いて、ポリマー材料を選択的に架橋する方法であって、架橋部分を生成するために充分な期間の粒子ビームでポリマー材料の部分を選択的に処理するステップを含み、ポリマー材料における前記処理結果が、約２０％ないし焼く１００％の平均架橋密度であり、そのポリマー材料は、実質的に、同一の化学組成と、より高い架橋密度を有するポリマー材料と同じ特性を有する、方法に関するものである。

１つの実施形態において、本願発明は、粒子ビーム・デバイスを用いて、ポリマー材料を選択的に架橋する方法であって、少なくとも１つのフィラメントを含む粒子ビーム生成アセンブリを提供することと、複数の粒子をつくるために、フィラメントに約１５０ｋＶより大きい動作電圧を印加することと、複数の粒子に、約１２．５ミクロンの厚さを有する薄箔を突き通らせることと、約３メガラド（Ｍｒａｄｓ）ないし１２のメガラド（Ｍｒａｄｓ）の線量において、複数の粒子で、材料の部分を処理することとを含み、そのポリマー材料における前記処理結果が、約２０％から約１００％の平均架橋密度を有し、そのポリマー材料は、実質的に、同一の化学組成と、より高い架橋密度を有するポリマー材料と同じ特性を有する、方法に関する。

１つの実施形態において、その複数の粒子は、その部分を、総厚みの約５０％の深さまで浸透する。

１つの実施形態において、その部分は、単一の表面、２つの単一の表面、あるいは、その単一の表面の中心部、またはその組合せを含む。

１つの実施形態において、ポリマー材料の端部は、未処置のままにされる。すなわち、複数の粒子によって浸透されない。

１つの実施形態において、動作電圧は、約１５０ｋＶから約３００ｋＶにわたる。

１つの実施形態において、前記薄箔は、チタン箔である。

１つの実施形態において、ポリマー材料の前記総厚みは、約１００ｇ／ｍ^２ないし２００ｇ／ｍ^２の範囲にある。別の実施形態において、前記ポリマー材料の前記総厚みは、約１３５ｇ／ｍ^２ないし約１５５ｇ／ｍ^２の範囲にある。

１つの実施形態において、ポリマー材料は、多官能基アクリル酸エステル、多官能基メタクリル酸エステル、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリプロピレン、それらの混合物から選択される。

１つの実施形態において、ポリマー材料は、エラストマー材料を更に含む。

１つの実施形態において、エラストマー材料は、天然ゴムあるいは合成ゴム、または、それらの混合物から選択される。

１つの実施形態において、ポリマー材料は、エチレン・プロピレン・ジエン・モノマー（ＥＰＤＭ）、天然ゴム混入ポリエチレン、合成ゴム混入ポリエチレン、天然ゴム混入ポリプロピレン、合成ゴム混入ポリプロピレンから選択される。別の実施形態において、ポリマー材料は、熱可塑性ポリオレフィン・ルーフィング膜（ＴＰＯ）である。

１つの実施形態において、ポリマー材料は、約３０％ないし約８０％、約３５％ないし約６０％、あるいは、約４０％を超える平均架橋密度を有する。１つの実施形態において、ポリマー材料は、約４０％を超える平均架橋密度を有する。

１つの実施形態において、本願発明は、粒子ビーム処理デバイスを用いた、ポリマー材料を選択的に架橋する方法であって、少なくとも１つのフィラメントを含む粒子ビーム生成アセンブリを提供することと、複数の粒子をつくるために、フィラメントに約１５０ｋＶより大きい動作電圧を印加することと、複数の粒子に、約１２．５ミクロンの厚さを有する薄箔を突き通らせることと、約３メガラド（Ｍｒａｄｓ）ないし約１２のメガラド（Ｍｒａｄｓ）の線量において、複数の粒子で、ポリマー材料の部分を処理することとを備え、複数の粒子の浸透深さは、ポリマー材料の総厚みの約５０％であり、そのポリマー材料における前記処理結果が、約２０％から約１００％の平均架橋密度を有し、そのポリマー材料は、実質的に、同一の化学組成と、より高い架橋密度を有するポリマー材料と同じ特性を有する、方法に関する。

１つの実施形態において、本願発明は、ここに記載されたプロセスのいずれか１つによって製造される製品に関する。

図１は、電源１０２、粒子ビーム生成アセンブリ１１０と、箔支持アセンブリ１４０と、処理アセンブリ１７０とを含む、粒子ビーム処理デバイス１００の概略を図示する。電源１０２は、処理デバイス１００に、約１５０−３００ｋＶの範囲のような、約１５０ｋＶ以上の動作電圧を提供する。電源１０２は、電子のような粒子を生成するために高電圧を粒子ビーム生成アセンブリ１１０に提供する電気的に絶縁されたスチール・チェンバー内に配置された複数の変圧器を含む市販のタイプであってもよい。

粒子ビーム生成アセンブリ１１０は、容器またはチャンバー１１４の真空環境内に保たれる。ＥＢ処理デバイスにおいて、粒子生成アセンブリ１１０は、普通、電子銃アセンブリと呼ばれる。真空にされたチャンバー１１４は、しっかりと密閉された容器から構成することができる。そこで、たとえば電子などの粒子が発生する。（図３に示される）真空ポンプ２１２は、約１０^−６トール（Ｔｏｒｒ）のオーダーで、真空環境をつくるために提供される。チャンバー１１４の真空環境の中において、高圧電源１０２がヒートアップ・フィラメント１１２に電力を送るときに、電子のクラウドが、フィラメント１１２のまわりで発生する。

次に、フィラメント１１２は高温白色に輝き、電子のクラウドを生み出す。次に、電子はフィラメント１１２から、より高い電圧の領域に引き付けられる。電子は、負に荷電する粒子であるから、以下で記述されているように、非常に大きな速度まで、加速される。フィラメント１１２は、通常、タングステンでできた１つ以上のワイヤにより構成することができ、また、箔サポート１４４の長さ全体にわたって均一間隔に構成することができ、基盤１０の幅を横切る方向に電子ビームを発する。

図１および図２で示すように、粒子ビーム生成アセンブリ１１０は、エクストラクタ・グリッド１１６と、終端グリッド１８と、リペラー・プレート１２０とを含むことができる。リペラー・プレート１２０は電子をはね返して、エクストラクタ・グリッド１１６の方へ電子を送る。リペラー・プレート１２０は、フィラメント１１２と異なる電圧、好適にはわずかにより低い電圧で、動作し、図２で示すように、電子ビーム方向から離れて、フィラメント１１２から逃れている電子を集める。

エクストラクタ・グリッド１１６は、わずかに異なる電圧、好適にはフィラメント１１２より高い電圧で動作し、フィラメント１１２から離れる電子を引きつけて、終端グリッド１１８の方へ電子をガイドする。エクストラクタ・グリッド１１６は、クラウドから引き寄せられる電子の量をコントロールする。それは電子ビームの強度を決定する。

終端グリッド１１８は、一般には、エクストラクタ・グリッド１１６と同じ電圧で動作し、箔支持アセンブリ１４０の通過のために非常に高い速度に加速する前に電子のための最終的なゲートウェイとして活動する。

本願発明の１つの実施形態にしたがって、たとえば、フィラメント１１２は、−３００，０００Ｖで作動することができ、箔支持アセンブリ１４０は、接地するか、０Ｖにセットすることができる。リペラー・プレート１２０は、すべての電子をフィラメント１１２の方へはね返すように、−３００，０１０Ｖで動作するように選択することができる。エクストラクタ・グリッド１１６と終端グリッド１１８は、−２９９，７００Ｖないし−３００，０００Ｖの範囲で動作するように、選択することができる。

次に、電子は真空チャンバー１１４を出て、薄箔１４２を通して箔支持アセンブリ１４０に入り、化学反応のために塗着された材料または基盤１０に浸透する。その化学反応は、たとえば、重合化、架橋あるいは殺菌を含む。電子の速度は、毎秒１００，０００マイルもの速さ、または、それ以上であることができる。箔支持アセンブリ１４０は、一連の平行した銅のリブ（図示せず）から成り立つことができる。図１で示すように、薄箔１４２は、箔支持アセンブリ１４４の外側に、しっかりと固定され、チャンバー１１４の中に漏れ防止の真空シールを提供する。高スピード電子は、銅のリブの間を自由に通り、薄箔１４２を通して、処理される基盤に１０に入る。不当なエネルギー損を防止するために、その箔は、粒子生成アセンブリ１１０の内側の真空状態と処理アセンブリ１７０と間の圧力差に耐えるように十分な機械強度を提供すると同時に、典型的には、できるだけ薄くつくられる。

箔支持アセンブリの薄箔がチタンまたはそれらの合金でできており、約１２マイクロメートル以上の厚さを有する場合に、粒子ビーム生成デバイスは、より小さいサイズで、より高い効率レベルで動作するようにつくることができる。代替的に、薄箔１４２は、また、１５マイクロメートル以上の厚さを有するアルミニウムまたはそれらの合金の構成することができる。

一旦電子が箔支持アセンブリ１４０を出ると、その電子は、コーティングまたはウェブ基盤１０を浸透する処理アセンブリ１７０に入り、重合化、架橋あるいは殺菌となる化学反応を引き起こす。図３で示すように、処理アセンブリ１７０に入るようにコーティングまたはウェブ基盤１０は、処理デバイス１００に送り込まれている。処理アセンブリ１７０は、基盤１０が入るウェブ入口２０２と、処理アセンブリ１７０を通して基盤１０をガイドし、送るローラー２０４、２０６、２０８と、基盤１０が処理デバイス１００を出るウェブ出口２１０と、を含む。処理されている製品は、即座に変換され、乾燥または冷却を必要とせず、多くの新規で望ましい物理特性を含む。処理手続きの後、直ちに、製品を出荷することができる。

粒子ビーム処理デバイスは、電子が物質に吸収されて減速するときに放出されるＸ線などの放射線を吸収するためにデバイスの周辺の少なくとも部分を囲む保護裏当てを含むことができる。

図１で示すように、保護裏当て１９０は、たとえば、真空チャンバー１１４や処理アセンブリ１７０などの処理デバイス１００の周辺を囲む。保護裏当て１９０は、電子が物質内で減速するときにつくられる実質的に全部のＸ線を吸収する。保護裏当て１９０に選択される厚みと材料は、主としてＸ線の望ましい吸収率によって決定される機能を形成する。保護裏当て１９０は、およそ０．１ミリレム（ｍｒｅｍ）／時間以下の残差での吸収率でＸ線放射線を吸収することができる。ミリレム（ｍｒｅｍ）／時間の単位は、１時間につき人に０．１ミリの放射線の線量当量の吸収を表す。１ミリレムは、電子およびＸ線に対して１ミリラド（ｍｉｌｉｒａｄ）と等価である。放出される放射線を測定する１つの方法は、保護裏当て１９０から１０ｃｍ離れた距離で、商業的にＢｉｃｒｏｎＲＳＯ−５として知られているイオン化チャンバー機器のような機器で吸収を測ることである。粒子ビーム処理デバイス１００の安全対策をさらに強化するために、インターロックが開放されると、自動的に生産を停止することによって安全な操作を確実にするために、安全連動スイッチ（図示せず）を提供することができる。

粒子ビーム処理デバイスは、電子ビーム出力が、基盤の送り速度と比例しているように発生する電子の量を規制するコンピュータ化されたマイクロプロセッサなどのプロセッサーを更に含むことができる。図１で示すように、これらに制限されるものではないが、要求された真空環境を保持することと、所定の電圧とフィラメント電力でシステムオペレーションを開始することと、一定の処理レベルを保持するために、プロセス速度と、電子生成を同期させることと、機能やインターロックをモニタリングすることと、システム機能が設定された制限を上回るか、インターロックの問題が検出されたときには、警告やアラームを提供することと、を含むいくつかの処理を制御するために、プロセス制御システム２００が提供される。

運用において、粒子ビーム処理デバイス１００は以下の通りに動作する。真空ポンプ２１２（図３に示される）は、チャンバー１１４から空気を排出し、処理デバイス１００が完全に動作可能な程度のおよそ１０−６トルの真空レベルを達成する。粒子生成アセンブリ１１０において、リペラー・プレート１２０と、エクストラクタ・グリッド１１６と、終端グリッド１１８を含む粒子銃アセンブリ・コンポーネントは、電子の放出を開始し、箔サポート１４４を通ってその電子の通過をガイドする、３つの独立に制御された電圧にセットされる。

粒子ビーム処理の間に、真空チャンバー１１４の内側の電界の組合せは、グラウンド（０）ポテンシャルである箔支持１４４の薄箔１４２の方へ、電子をガイドし、加速する「プッシュ／プル」効果をつくりだす。発生する電子の量は、エクストラクタ・グリッド１１６の電圧に、直接関連がある。ゆっくりした生産速度において、エクストラクタ・グリッド１１６は、より大きな電圧が適用されるときの高スピードの場合より、低い電圧にセットされる、エクストラクタ・グリッド１１６の電圧が増加すると、フィラメント１１２から得られている電子の量も増加する。

重合されるべきコーティング、たとえば、インク、接着剤および他のコーティングは、一般的に、液体状態から固体状態への化学変換を引き起こすために、低い酸素環境を要求する。したがって、図１に図示されるように、粒子ビーム処理デバイスは、中の酸素を置換するために酸素以外のガスを注入するために、処理領域１７０に分散する複数のノズル１７２、１７４、１７６、１７８を含むことができる。１つの実施形態において、窒素ガスが、完全な重合を防止する酸素を置換するために、ノズル１７２、１７４、１７６、１７８を通して処理手続き領域１７０にポンプで注入されるのに選択される。

粒子ビーム処理デバイス１００は、非常に高い精度仕様を達成するために較正することができる。なぜなら、プロセス制御システム２００は、基盤またはコーティング上で要求される重合の正確な深さレベルを提供するようにセットすることができるからである。プロセス制御システム２００は、コーティングまたは基盤への照射線量と電子浸透の深さを計算する。電圧が高いほど、電子速度が大きく、結果として生じる浸透も大きい。
［例］

これらの実験で得られたデータは、薄い膜線量測定技術を利用して測定された。線量測定技術は、９−１０マイクロメートルの範囲の厚みを持つナイロン膜を含む。線量計は、染料が電磁放射に露出されたときに、無色から青に色が変化する放射線クロム染料を含む。青い色の強度は、ナイロン膜から得られる放射露光の量に正比例している。濃度計を使用して青い色の強度または光学濃度を計ることによって、測定された光学濃度を、メガラド（Ｍｒａｄｓ）における吸収量に換算することができる。光学濃度からメガラド（Ｍｒａｄｓ）における照射線量への変換は、線量計、メリーランド州ゲイサースバーグのアリカ国立標準技術研究所において、Ｃｏ６０ガンマ機能を使用する濃度計の事前の補正によって、達成される。これらの実験は、カリフォルニア州ゴレタのファー・ウェスト・テクノロジーにより製造された線量計ＭｏｄｅｌＦＷＴ−６０−８１０と、カリフォルニア州ゴレタのファー・ウェスト・テクノロジーにより製造された濃度計Ｍｏｄｅｌ９２ＳＸＮ３２８５とを利用した。
［例１］

図４で示すように、約１２マイクロメートルの厚さを有するチタンでできている薄箔１４２を用いた粒子ビーム処理デバイス１００は、基盤１０において電子浸透を改良する。

薄膜ナイロン線量計が、浸透電子能力を測定するのに、使用された。１２．５ミクロンの薄いチタン箔が使用された。０．０５０インチの厚さと１．２６グラム／Ｍ^２の密度を有するＥＰＤＭルーフィング膜は、膜の両側の全体長に渡り、３００ｋＶ、１０．０メガラド（Ｍｒａｄｓ）の線量で、５０フィート／分のレートで、粒子ビーム処理デバイスで、独立して処理された。

結果として生じる膜は、約４０％より大きい平均架橋密度を含む。膜への有害な影響は観察されなかった。膜が１０のメガラド（Ｍｒａｄｓ）で照射されたので、膜の両側は、７００グラム／ｍ^２まで照射浸透され、約２００グラム／ｍ^２を無処置（すなわち、非架橋）のままにされた。驚くべきことに、膜の中心部が非架橋のままにされたが、結果としてその膜は、商用利用に適切であり、より高い照射線量で処理された同一材料、または、より高い平均架橋密度を有する同一材料と比較して、実質的に同様の特性を有した。

線量を、たとえば、１２．５メガラド（Ｍｒａｄｓ）または１５メガラド（Ｍｒａｄｓ）に増やし、同一のパラメータを保持した場合には、粒子の浸透深さは、厚さ０．０５０インチ、密度１．２６グラム／Ｍ^２のＥＰＤＭルーフィング膜に対して同じであることが予想されるであろう。また、増加した粒子数により、より高い平均的架橋密度の材料を達成することを期待するであろう。しかしながら、予想外であるが、より高い平均架橋密度が、有益な特性を有する膜を生成するのに必ずしも必要ではないことが上に示された。

本願発明の他の実施形態は、ここに明らかにされる本願発明の明細書および実施例を考慮することにより、当業者にとって明らかである。仕様と実施例は、特許請求の範囲およびその等価物によって示される、本願発明の真の範囲と要旨における例示にすぎないと考えられることが意図されている。

Claims

粒子ビーム・デバイスを用いて、ポリマー材料を選択的に架橋する方法であって、
架橋部分を生成するために充分な期間の粒子ビームで前記ポリマー材料の部分を選択的に処理するステップを含み、
前記ポリマー材料における前記処理の結果が、約２０％ないし約１００％の平均架橋密度であり、
前記ポリマー材料は、実質的に、同一の化学組成と、より高い架橋密度を有するポリマー材料と同じ特性を有する、方法。
前記粒子ビーム・デバイスは、少なくとも１つのフィラメントを備える、請求項１に記載の方法。
約１５０ＫＶ以上の動作電圧が、複数の粒子をつくるために、フィラメントに印加される、請求項２に記載の方法。
前記複数の粒子は、約１２．５ミクロンの厚さを有する薄箔を突き通る、請求項３に記載の方法。
前記ポリマー材料は、約３メガラド（Ｍｒａｄｓ）ないし約１２メガラド（Ｍｒａｄｓ）の線量で処理される、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
複数の粒子が、前記ポリマー材料の前記部分に総厚みの約５０％の深さまで浸透する、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
前記部分は、前記ポリマー材料の単一の表面を含む、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
前記部分は、前記ポリマー材料の２つの単一の表面を含む、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料の前記部分は、単一の表面の中心部分を含む、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料の端部は、未処置のままにされる、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
動作電圧が、約１５０ｋＶないし約３００ｋＶの範囲にある、請求項２に記載の方法。
前記薄箔は、チタン箔である、請求項４に記載の方法。
前記ポリマー材料の総厚みは、約１００ｇ／ｍ^２ないし２００ｇ／ｍ^２の範囲にある、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料の総厚みは、約１３５ｇ／ｍ^２ないし約１５５ｇ／ｍ^２の範囲にある、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料は、多官能基アクリル酸エステル、多官能基メタクリル酸エステル、ポリブタジエン、ポリエチレン、ポリプロピレン、および、それらの混合物から選択される、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料は、エラストマー材料を更に含む、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
前記エラストマー材料は、天然ゴムあるいは合成ゴム、または、それらの混合物から選択される、請求項１６に記載の方法。
前記ポリマー材料は、エチレン・プロピレン・ジエン・モノマー（ＥＰＤＭ）、天然ゴム混入ポリエチレン、合成ゴム混入ポリエチレン、天然ゴム混入ポリプロピレン、合成ゴム混入ポリプロピレンから選択される、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料は、熱可塑性ポリオレフィン・ルーフィング膜である、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料の平均架橋密度は、約３０％ないし約８０％である、請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の方法。
前記ポリマー材料の平均架橋密度は、約４０％を超えている、請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の方法。
請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の方法により製造された製品。