JP2019530807A - 強化用繊維の増強、その利用、及び強化用繊維の製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、パルプ繊維及び／又はナノ繊維が導入又は混ぜ合わされた複合強化用繊維に関する。複合強化用繊維は、ポリマー、例えばポリマー樹脂で構成される。パルプ繊維及び／又はナノ繊維は、複合強化用繊維の引張強度と、当該繊維によって形成される結果として生じる製品の引張強度とを向上させる。複合強化用繊維は、従来の強化用繊維が典型的に用いられている種々のセメント用途に用いられてよい。

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、２０１６年９月９日出願の米国仮特許出願第６２／３８５，４１０号（表題「ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ ＯＦ ＲＥＩＮＦＯＲＣＩＮＧ ＦＩＢＥＲＳ，ＴＨＥＩＲ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ，ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＭＡＫＩＮＧ ＳＡＭＥ」）の優先権を主張する。この仮出願の内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。
＜発明の分野＞
本発明は概して、セメント用途の強化用繊維に関しており、より詳細には、製造中において、パルプ繊維及び／又はナノタイプ繊維のような材料で増強されることで、又は当該材料が導入されることで、幅広いコンクリート用途、掘削用途、コーティング用途、及びアスファルト用途における強化用繊維の特性及び性能が向上した強化用繊維に関する。

強化用繊維が、種々のセメント組成物及びセメント用途に用いられることは、当該技術分野において一般に知られている。コンクリート補強に用いられる合成繊維は、コンクリートの耐用期間の初期段階の間にコンクリートの収縮及び乾燥の影響を軽減することで、多くのコンクリート用途で、温度に関連したひび割れを抑えるのに有効である。この初期段階の乾燥及び硬化応力の低減には、合成繊維が大きく役に立つ。合成繊維は更に、硬化したコンクリートの特性の向上にもある程度貢献する。しかしながら、最終的に、硬化コンクリートに対する繊維の引張強度が低いと、硬化コンクリートの特性の更なる増強が妨げられる。合成強化用繊維がより強ければ、即ち、その引張強度がより高ければ、硬化コンクリートの長期特性が更に向上するであろうと考えられる。

非常に高い強度を示す合成材料が知られている。しかしながら、それらの材料は通常、コンクリート、アスファルト、又は同種の媒体には直接加えられない。これは、１つ以上の懸念、例えば、高いコスト、不均一な混合及び分散、適切な表面仕上げの欠如等に起因している。現在入手可能な他の合成繊維、例えばＦＯＲＴＡ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＦＯＲＴＡ−ＦＥＲＲＯ（登録商標）繊維は、対費用効果が高く、生コンクリート中に極めて一様に分散し、且つ表面仕上げに優れることが知られている。しかしながら、これらの合成繊維は、硬化コンクリートの特性に大きく貢献するには強度が十分でない傾向がある。

一様に混合及び分散し、表面仕上げに優れており、低コストな合成強化用繊維に高強度繊維を導入することで、セメント用途における硬化コンクリートの特性の向上を示す最適な強化用繊維が提供されるであろうと考えられる。

故に、当該技術分野において、既存のコンクリート強化用繊維、例えばＦＯＲＴＡ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＦＯＲＴＡ−ＦＥＲＲＯ（登録商標）繊維を改変してより強く、即ち引張強度をより高くして、硬化コンクリートの更なる特性が達成され得るようにすることが必要とされている。

更に、例えばＦＯＲＴＡ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＳｕｐｅｒ−Ｓｗｅｅｐ Ｆｉｎｅ（登録商標）ポリプロピレン繊維のような幾つかに市販の繊維は、従来、セメント井戸ケーシングにおけるクラックをある程度防止するためにドライセメントに加えられてブレンドされるが、これらが改変されることで、硬化セメントのケーシングに対する更なる所望の特性が実現され得る。

本発明の態様は、合成ポリマー樹脂と、パルプ繊維、ナノ繊維、及びそれらの混合物又はブレンドからなる群から選択される繊維成分とを含む複合強化用繊維を提供する。

繊維成分は、カーボン、マイカ、アラミド、ポリアクリロニトリル、カーボンナノ繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンナノリボン、及びそれらの混合物から選択される材料で構成されてよい。幾つかの実施形態において、パルプ繊維はアラミドを含む。

繊維成分は、繊維成分が不在の強化用繊維と比較して、引張強度をより高くする。

繊維成分の長さは、約０．５から約１．０ｍｍであってよい。

合成ポリマー樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びそれらの混合物又はブレンドから選択されてよい。

別の態様において、本発明は、複合強化用繊維を調製する方法を提供する。当該方法は、合成ポリマー樹脂を準備することと；合成ポリマー樹脂を、パルプ繊維、ナノ繊維、及びそれらの混合物から選択される繊維成分と混ぜ合わせることと；樹脂／繊維ブレンドを形成することと；樹脂／繊維ブレンドを溶融することと；樹脂／繊維ブレンドを押し出して、複合強化用繊維を形成することとを含む。

本発明の方法はまた、合成ポリマー樹脂を繊維成分と混ぜ合わせる前に、繊維成分を水溶性樹脂と混ぜ合わせることを含んでもよい。水溶性樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びそれらの混合物から選択されてよい。本発明の方法はまた、繊維成分を水溶性樹脂と共に押し出すことと、ペレット状のマスターバッチを生じさせることとを含んでもよい。

本発明は、セメント質媒質に用いられる既知又は従来の強化用繊維と比較して、性質又は特性が向上した強化用繊維を提供する。合成繊維は、当該技術分野において知られており、従来よりコンクリート等を補強するのに用いられている。このような合成繊維は、コンクリート、アスファルト、及び掘削媒体中によく分散する。合成繊維の利点は、そのコストが低いことである。しかしながら、不利な点は、呈する強度が低いこと、即ち引張強度が低いことである。当該技術分野において種々の高強度繊維が知られているが、これらは、合成強化用繊維によってもたらされる補強特性を示さない。

本発明の目的は、従来の合成繊維の性質又は特性を示し、且つ、従来の繊維が示す強度と比較して、強度、例えば引張強度が向上しているセメント用途用の強化用繊維を提供することである。本発明に基づいて、合成強化用繊維が、高強度の材料、例えば繊維と組み合わされることで、又は合成強化用繊維に当該材料が導入されることで、従来から合成強化用繊維と関係した性能特性をもたらし続け、且つ、より高い引張強度を付加的に示す高強度の強化用繊維が製造される。その材料としては、パルプ繊維及び／又はナノ繊維が挙げられ得る。その材料の合成繊維との組合せ又は合成繊維への導入は、製造プロセスの種々の工程中に実行されてよい。

合成強化用繊維が、高強度繊維の「キャリア」として作用し得ることが分かった。合成強化用繊維は、ポリマー、例えば合成ポリマー樹脂（以下に限定されないが、ポリオレフィン、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びそれらの混合物又はブレンドが挙げられる）で構成される。高強度の材料として、パルプ繊維、ナノ繊維、及びそれらの混合物又はブレンドが挙げられる。合成強化用繊維、例えばキャリア繊維の製造中に、パルプ繊維及び／又はナノ繊維が導入されてよい。キャリア繊維の導入は、製造プロセス中に行われ得る。例えば、導入は、押出中に実行されてよい。導入の結果、より強い繊維が、引張強度又は他の強度関連特性の増大を強化用繊維にもたらす。

高強度の材料、例えばパルプ繊維及びナノ繊維は、炭素、マイカ、アラミド、ポリアクリロニトリル、及び他の高強度の材料（これらは典型的には、プラスチック工業において混ぜ合わされる）、並びにカーボンナノチューブ及びグラフェンナノリボンで構成されてよい。パルプ繊維及び／又はナノ繊維は、強度特性を増強することができ、これらの他の繊維と混ぜ合わされた強化用繊維は、パルプ繊維及び／又はナノ繊維が不在の合成強化用繊維と比較して、強度特性の向上を示すようになる。

本発明は、知られている種々の強化用キャリア、強化用繊維を包含すると理解される。しかしながら、説明を容易にするために、ポリプロピレン及びポリエチレンの強化用繊維が、本明細書で詳述される。

幾つかの実施形態において、合成強化用繊維の製造中に、高度にフィブリル化されたアラミドパルプ繊維が、ポリプロピレン及び／又はポリエチレンに導入される。結果として生じる繊維は、アラミドパルプ繊維が不在のポリプロピレン強化用繊維及び／又はポリエチレン強化用繊維よりも高い引張強度を有する。幾つかの実施形態においては、アラミドパルプ繊維と、ポリプロピレン強化用繊維及び／又はポリエチレン強化用繊維との複合は、ポートランド（Portland）セメント用途で用いられる場合に、起こり得るアルカリ浸食からアラミド繊維を保護するのに有効である。アラミドパルプ繊維は、剪断応力下で優れた増強をもたらす能力を示した。

パルプ繊維の長さは可変であって、幾つかの実施形態においては、約０．５から約１．０ｍｍである。

パルプ繊維の比重は可変であって、幾つかの実施形態においては、約１．４５である。

ナノ繊維として、例えば、リサイクルされた又は未使用のカーボンナノ繊維が挙げられ得る。それらの繊維は、合成強化用繊維の製造中にポリプロピレン及び／又はポリエチレンに加えられて、その結果として生じるポリプロピレン強化用繊維及び／又はポリエチレン強化用繊維の強度は増強されて、そして、最終的に、セメント用途における性能特性が増強され、当該セメント用途では、結果として生じるポリプロピレン強化用繊維及び／又はポリエチレン強化用繊維に、カーボンナノ繊維が導入される。

特定の他の実施形態では、マイカ繊維小粒が、初期の合成強化用繊維の製造中にポリプロピレンに加えられて、結果として生じるポリプロピレン強化用繊維の強度が増強し、且つセメントケーシング用途におけるある程度の酸溶性がもたらされる。

本発明に基づいて、パルプ繊維及び／又はナノ繊維は、それら自体が、合成強化用繊維の製造プロセスへの導入に先立って水溶性樹脂と組み合わされてよく、例えば混ぜ合わされてよい。水溶性樹脂との複合により、それらのパルプ繊維及び／又はナノ繊維（長さの短い繊維であり得る）を、掘削、コーティング、コンクリート、及びアスファルト業界における多種多様な用途に用いられるセメント質混合物にドライブレンドすることができる。

幾つかの実施形態では、パルプ繊維及び／又はナノ繊維は、水溶性樹脂と共に押し出されて、ペレット状のマスターバッチが生じる。マスターバッチは、それ自体で用いられてよく、長さ及び形状が異なる繊維とブレンドされてもよい。特定のいかなる理論にも拘束されることを意図しないが、ペレットの形状は、ドライブレンドプロセス中のマスターバッチの均一な分散に寄与すると考えられる。混合サイクル中の水又は活性化液体の添加の直ぐ後に、水溶性樹脂は分解し始める。樹脂が分解すると、マスターバッチの個々の繊維が、ペレットから放出されて、混合物の全体にわたって一様に分散する。

合成強化用繊維にパルプ繊維及び／又はナノ繊維を導入する或いは混ぜ合わせる種々の方法が存在している。例えば、未加工のパルプ繊維及び／又はナノ繊維が、繊維溶融押出プロセスに直接加えられられてよい。幾つかの実施形態では、このプロセス中に、ポリプロピレン及び／又はポリエチレンから選択される合成樹脂と、アラミド及び／又は炭素から選択されるパルプ繊維及び／又はナノ繊維とが、一緒にブレンドされて、押出機で加工される。パルプ繊維及び／又はナノ繊維は、容量式フィーダ又はロスインウエイトフィーダによって、押出プロセスに供給されてよい。このタイプ又はデザインのフィーダの使用により、合成樹脂に対するパルプ繊維及び／又はナノ繊維の正確なブレンド比率が、押出量に基づいて達成されることが確保される。繊維と樹脂成分とのブレンドは、スクリュー及びバレルに入れる前に実行される。スクリュー及びバレルへの繊維及び樹脂の導入直後に、樹脂は溶融して、パルプ繊維及び／又はナノ繊維を包囲し始める。

幾つかの実施形態において、パルプ繊維及び／又はナノ繊維を繊維溶融押出プロセスに組み込む方法は、パルプ繊維及び／又はナノ繊維を、樹脂自体に混ぜ合わせる（例えば、複合樹脂を製造する）ことを含む。樹脂は、水溶性樹脂であってよく、例えば、以下に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びそれらのブレンドである。その後、合成樹脂及び複合樹脂は、押出プロセス中に一緒にブレンドされる。ポリエチレン樹脂又はポリプロピレン樹脂に混ぜ合わされているパルプ繊維及び／又はナノ繊維は、マスターバッチを生じ、当該マスターバッチは、ポリエチレン又はポリプロピレンが樹脂形態で保有できるパルプ繊維及び／又はナノ繊維を、最も高い割合で含有している。次に、マスターバッチ樹脂は、容量式フィーダ又はロスインウエイトフィーダによって、押出プロセスに供給される。パルプ繊維及び／又はナノ繊維を含有するマスターバッチ樹脂は、完成品の強化用複合物内でのパルプ繊維及び／又はナノ繊維の部分が最適となる速度で、押出機へと供給される。パルプ繊維及び／又はナノ繊維は、強化用複合物の総重量に基づいて、約０．０５乃至約４．０重量パーセントであってよい。樹脂及びマスターバッチの混合及びブレンドは、押出機のバレル及びスクリューへの導入に先立って実行される。押出機のバレル（典型的には、約２３０°Ｆから２７０°Ｆの温度にて作動する）において、押出機のスクリューは更に、マスターバッチ及び樹脂を混合して、パルプ繊維及び／又はナノ繊維と樹脂との実質的に均一な混合物を生じる。複合材料は、押出機のダイを強制的に通過させられて、押し出された複合材料のストランド、例えば繊維内でのパルプ繊維及び／又はナノ繊維の均一な分散がもたらされる。

本発明に基づいて導入された強化用繊維は、多種多様な用途に使用されてよい。当該用途には、以下に述べる用途が挙げられるが、これらに限定されない。アラミドパルプ繊維及び／又はカーボンナノ繊維が導入されたポリプロピレンマクロ合成強化用繊維は、ポートランドセメント用途で加えられて、性能を向上させる。複合繊維は、場所打ち、プレキャスト、又は吹付けコンクリートの用途で、引張強度、曲げ強度、及び圧縮強度の向上をもたらす。導入された繊維は、従来の床及び舗装版の断面又は厚さの引下げに寄与する。導入された繊維は、強度及び靭性特性を、ブリッジ、ウォールクラッド、パイプなどの超高性能コンクリート（ＵＨＰＣ）プレキャストセグメントに与える。

マイカが導入されたポリプロピレン、ポリエチレン、又は他の合成繊維は、掘削穴（wellbore）用のダウンホールセメントケーシングライニングに用いられる繊維に、より高い強度をもたらして、引張強度及び圧縮強度をライニングに加える。更に、マイカ導入繊維により、酸溶性がある程度繊維に与えられる。これは、繊維が、セメント及び掘削液の双方において逸泥防止添加剤として用いられる掘削領域においては、有利に働く。

ポリプロピレンマクロ合成繊維に、ポリアクリロニトリル（ＰＡＭ）ナノ繊維及び／又はＰＡＭポリマー樹脂が導入されて、以下の利益の１つ以上がもたらされてよい：
（i）アクリル繊維が３００℃超で溶融するので、複合繊維の溶融温度が高まる；
（ii）アクリル繊維がカーボン繊維の前駆体であるので、複合繊維の引張強度が増す；
（iii）ＰＡＭ繊維が水を受け入れて保持することで、硬化しているコンクリート媒質中に水分をゆっくり戻すことができるので、結果として生じる複合繊維に、若干の内部硬化能力が加わる。

ポリオレフィン、例えばポリプロピレンのミクロ−モノフィラメント繊維に、パルプ繊維及び／又はナノ繊維が導入されて、種々の物理的特性の変化が繊維自体に、そして最終用途にもたらされる。カーボンナノ繊維が導入された、ポリプロピレンのミクロ−モノフィラメント繊維は、強度及び／又は剛性が増強された繊維を生じる。これらの特性は双方とも、井戸ケーシングに用いられるセメント粉末と繊維をドライブレンドする場合に、最適な性能を促進する。繊維が付加する強度により、セメントケーシングの強度及び耐久性が向上する。繊維が付加する剛性により、セメント、セメント質コーティングなどの乾燥パッケージされる物品用途において、均一なドライミックス能力の増強が促進される。

アラミドパルプ繊維及びカーボンナノ繊維が導入されたポリプロピレンマクロ合成強化用繊維は、複合繊維の表面に幾らかの変形をもたらして、表面積を増大させることによって、当該繊維とコンクリート又はアスファルトのマトリックスとの機械的結合を高めてよい。

特定のいかなる理論にも拘束されることを意図しないが、強化用繊維に導入されるパルプ繊維及び／又はナノ繊維は、押出機ダイを強制的に通過させられる溶融材料によって生じる圧力に起因して、強化用繊維内の連続するストランドへと向き付けられる、又は揃えられると考えられる。更に、連続する高強度の内部ストランドが、結果として生じる繊維の強度の増強に寄与し得る。

例えば、ポリプロピレン及び／又はポリエチレンから製造された、マクロ合成強化用繊維への、高強度のパルプ繊維及び／又はナノ繊維の導入は、結果として生じる複合強化用繊維の引張強度を増大させると予想される。複合繊維強度のこの増大は、種々のコンクリート用途において、硬化コンクリートの特性を向上させると予想される。

本明細書中で用いられる用語「引張強度」は、歪みのない試験片の単位断面積あたりの最大引張応力を意味する。本明細書中で用いられる用語「強靭性」は、歪みのない試験片の単位線密度あたりの力として表される引張強度を意味する。パルプ繊維及び／又はナノ繊維を加えることによる、複合繊維の引張強度の増大、及び強靭性の向上は、繊維−ストランド試験法、例えばＡＳＴＭ Ｄ ３２１８−０７「ポリオレフィンモノフィラメントの標準仕様（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ Ｍｏｎｏｆｉｌａｍｅｎｔｓ）」によって測定されてよい。引張強度（断面積で割った引張応力）の比較は、「ＭＰａ」又は「ｌｂｆ」の単位で評価されるであろう。強靭性（線密度で割った引張応力）の比較は、デニールあたりのグラム（ｇｐｄ）で評価されるであろう。

パルプ繊維及び／又はナノ繊維が導入されたマクロ合成強化用繊維に由来する硬化コンクリートのクラック後特性の増強は、コンクリート試験法、例えばＡＳＴＭ Ｃ １６０９／Ｃ １６０９Ｍ−１２「梁の３等分点載荷を用いた繊維強化コンクリートの曲げ性能の標準試験法（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｕｓｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｗｉｔｈ Ｔｈｉｒｄ−Ｐｏｉｎｔ Ｌｏａｄｉｎｇ）」によって測定されてよい。

マクロ合成強化用繊維への、パルプ繊維及び／又はナノ繊維の導入は、結果として生じる繊維の表面テクスチャを改変することによって、コンクリートのマトリックスとの繊維の機械的結合を増強し得る。結合の向上は、コンクリートの結合又は引抜き試験法、例えばＡＳＴＭ Ｃ ２３４−９１ａ「結合強度の試験法（Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｂｏｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）」によって測定することができる。

本発明の具体的な実施形態を詳細に記載してきたが、当業者であれば、これらの詳細に対する種々の修正及び代替が、本開示の全体的な教示を考慮してなされてよいことが理解されよう。従って、開示される幾つかの実施形態は、説明のためだけにあることを意味しており、添付の特許請求の範囲、及びその任意の、そして全ての均等の完全な広がりとして与えられる本発明の範囲に関しての限定ではない。

Claims (11)

1. 合成ポリマー樹脂と、
   パルプ繊維、ナノ繊維、及びそれらの混合物又はブレンドからなる群から選択される繊維成分と、
   を含む複合強化用繊維。
2. 繊維成分は、カーボン、マイカ、アラミド、ポリアクリロニトリル、カーボンナノ繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンナノリボン、及びそれらの混合物からなる群から選択される材料で構成される、請求項１に記載の複合強化用繊維。
3. 繊維成分は、当該繊維成分が不在の強化用繊維と比較して、引張強度をより高くする、請求項１に記載の複合強化用繊維。
4. パルプ繊維はアラミドを含む、請求項１に記載の複合強化用繊維。
5. 繊維成分の長さは約０．５から約１．０ｍｍである、請求項１に記載の複合強化用繊維。
6. 合成ポリマー樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びそれらの混合物又はブレンドからなる群から選択される、請求項１に記載の複合強化用繊維。
7. 複合強化用繊維を調製する方法であって、
   合成ポリマー樹脂を準備する工程と、
   合成ポリマー樹脂を、パルプ繊維、ナノ繊維、及びそれらの混合物からなる群から選択される繊維成分と混ぜ合わせる工程と、
   樹脂／繊維ブレンドを形成する工程と、
   樹脂／繊維ブレンドを溶融させる工程と、
   樹脂／繊維ブレンドを押し出して、複合強化用繊維を形成する工程と、
   を含む方法。
8. 合成ポリマー樹脂を繊維成分と混ぜ合わせる前に、繊維成分を水溶性樹脂と混ぜ合わせる工程を更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 繊維成分を水溶性樹脂と共に押し出す工程と、ペレット状のマスターバッチを生じさせる工程とを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 水溶性樹脂は、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項８に記載の方法。
11. 樹脂／繊維ブレンドの溶融は、押出機のバレル及びスクリュー内で行われる、請求項７に記載の方法。