JP2020121313A - サブミクロンサイズのポリマーバインダー粒子を有する多孔性の物品 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固形で多孔性の物品であって、a)20nm〜1ミクロンの平均粒子離散サイズを有する粒子の形態の、熱可塑性ポリマーバインダー、およびb)前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、少なくとも50重量パーセントの一次活性粒子、およびc)前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、0.5重量パーセント超の、5nm〜10,000nmの平均粒径を有する二次機能性添加粒子、を含み、前記一次活性粒子が活性アルミナ、活性炭、カーボンナノチューブ、シリカゲル、アクリル系の粉体および繊維、セルロース繊維、ガラスビーズ、研磨材、鉱物質、シリカ、木片、イオン交換樹脂、モレキュラーシーブ、無機塩、セラミック、ゼオライト、金属酸化物、銀ベースの化合物、珪藻土、タルク、ポリエステル粒子および繊維、ならびにエンジニアリング樹脂粒子からなる群より選択され、前記二次機能性添加粒子がカルシウムヒドロキシアパタイトを含む、前記固形で多孔性の物品。
【選択図】なし
Description
a)20nm〜1ミクロン、好ましくは50〜400nm、最も好ましくは50〜300nmの平均粒子離散サイズを有する粒子の形態の、熱可塑性ポリマーのバインダー、および
b)少なくとも50重量パーセント、好ましくは60重量パーセント、好ましくは70重量パーセントの一次粒子、および
c)固形で多孔性の物品の全重量を規準にして、0.5重量パーセント超、好ましくは0.7重量パーセント超、より好ましくは1.0重量パーセント超、好ましくは5重量パーセント超、より好ましくは10重量パーセント超の、5nm〜10,000nm、好ましくは10〜5,000nm、より好ましくは20〜1,000nm、最も好ましくは25〜1,000nmの平均粒径を有する粒子。
本出願に引用された文献はすべて、参考として引用し本明細書に組み入れたものとする。
本発明の複合材のポリマーバインダー粒子は、サブミクロン領域にある熱可塑性ポリマーの離散した粒子である。その重量平均粒径は、1ミクロン未満、好ましくは500nm未満、好ましくは400nm未満、より好ましくは300nm未満である。その重量平均粒径は、一般的には少なくとも20nm、好ましくは少なくとも50nmである。いくつかの場合においては、それらの粒子が、アグロメレート化して、2〜50ミクロンの範囲のアグロメレート化物になっていてもよい。離散した粒子がより良好な結合性を与えるためには、そのアグロメレート化物のレベルが最小限であるのが好ましい。
1種または複数のタイプの一次活性粒子または繊維が、熱可塑性ポリマーバインダーと組み合わされる。その活性粒子または繊維は、充填剤や顔料だけではなく、流体(液体または気体)組成物中に溶解されるかまたは懸濁された物質の近傍に来るかまたはそれらと接触したときに、物理的、電気的、または化学的相互作用を有するものである。それらは、さらに、電子の電導のためのバッテリーの電極における有用な物質ともなり得る。それら活性粒子の活性のタイプに応じて、それらの粒子は、化学反応、物理的捕捉、物理的付着、電気的(電荷的もしくはイオン的)誘引、または類似の手段によって、溶解されるかまたは懸濁された物質を流体から分離することができる。本発明により考えられる相互作用の例としては、以下のもの:流体から、たとえば活性炭、ナノクレー、またはゼオライト粒子の中への、化合物の物理的取込み;イオン交換樹脂;触媒;電磁粒子;中和のための酸性もしくは塩基性粒子;陰極のための炭素質物質;陽極のためのLiプラス遷移金属酸化物、スルフィド、または水酸化物、抗菌のための銀ベースの化合物、ならびに有機および無機重金属低減剤、などが挙げられるが、これらに限定される訳ではない。
多孔性の物品の大部分を占める、ポリマーバインダー粒子および一次活性粒子に加えて、その物品にさらなる機能性を加える目的で、1種または複数の機能性添加剤を添加してもよい。それらの添加剤は、その多孔性の分離物品に以下のような追加の機能を付与する:生物学的開始、金属の吸着、金属の沈殿、物理的濾過、触媒活性、イオン交換、酵素の転換、酵素、抗体、細菌およびウイルスの排除、および支持基材の上へのタンパク質の固定化。これらの添加剤の多くは、5〜10,000nm、好ましくは10〜5,000nm、より好ましくは20nm〜1,000nm、より好ましくは25〜500nmの範囲の粒径を有していて、それによって、流体との相互作用のための大きな表面積が可能となっている。平均して5ミクロンよりも大きいバインダー粒子を用いると、多孔性物品の全重量を規準にして、1重量パーセント未満の極めて低い担持量しか使用できないのに対して、ナノ粒径のバインダーを使用することによって、1重量パーセント超、5重量パーセント超、さらには10重量パーセント超のレベルでナノ粒子を担持することが可能である。
固形で多孔性の物品の成分は、いくつか異なった方法でブレンドすることができる。たとえば、1種または複数の一次および/または二次粒子をポリマーエマルションに添加し、その後でその複合材料を乾燥させることもできる。そのポリマーラテックスは、撹拌しながら水を添加することによって、それが4〜25重量パーセントの固形分、好ましくは10〜20重量パーセントの固形分になるまで希釈することができる。希釈することによって、より良好にその活性粒子に分散させることが可能となり、そして、ポリマー粒子のアグロメレーションの可能性が低下する。次いで、十分に撹拌しながら、1種または複数のタイプの活性物質および機能性粒子を、その希釈したラテックスに添加して、ポリマー粒子と相互作用性物質との均質な水性分散体を形成させる。このプロセスは、水の影響を受けにくいかまたは疎水性の粒子ではうまくいくが、たとえばモレキュラーシーブのように、吸水性または吸湿性であることがわかっている粒子、およびラテックスに添加すると塊が生成する粒子ではうまくいかない。
他のバインダー物たとえば、典型的に使用されているポリエチレンに比較して、フルオロポリマーおよびポリアミド物質の、化学的な不活性さ、生物学的清浄度、および優れた機械的および熱機械的性質などを含めた性質が優れているために、本発明の分離用物品は、広く各種の要求の厳しい環境において使用することができる。高温、高度に反応性、アルカリ性、または酸性の環境、無菌環境、生物学的作用物質との接触は、本発明の分離用物品がその他のポリマーバインダー系よりも明らかに有利になる環境である。その分離用物品は、分離用物品を通過する流体を精製し、それから望ましくない物質を除去するのに使用して、各種の商業的または消費者向けの用途において使用される、より純度の高い流体を得ることが可能である。その分離用物品はさらに、流体ストリームから物質を捕捉し、濃縮するためにも使用され、次いで、それら分離用物品から捕捉した物質をさらなる使用のために除去することもできる。その分離装置は、飲用水の精製(熱水および冷水)のため、さらには工業的使用のために使用することができる。「工業的使用」という用語は、高温(50℃より高い、75℃より高い、100℃より高い、125℃より高い、さらには150℃より高い、ポリマーバインダーの軟化点まで;での使用、有機溶媒との使用、ならびに医薬的および生物学的な清浄で高純度での使用を意味している。
紙フィルター媒体の上に複合体ラテックスをコーティングすることができる、オイルフィルター。
重金属の低減、抗菌剤の低減、イオン性混入物の低減、および医薬品の低減のためを含む、カーボンブロックの濾過系
イオン交換膜またはカラム。
化学反応を促進させるための触媒媒体。
薬学的および生物学的活性成分のバイオセパレーションおよび回収。
他のガスからのガス分離、水性および非水性媒体中に溶解しているガスの分離、およびガス中に浮遊している粒状物からのガス分離。
化学的スクラバー、特に極めて酸性の高い環境における煙道ガスのためのもの。
耐薬品性の保護衣およびカバー。
スケール付着防止および有機汚染物の除去のための熱水プロセス(>80℃)濾過。
自動車排気ガスの濾過。
閉ループ工業用水系。
工業用水処理。
温室ガスの排気、ベント、および煙突の捕捉。
汚染された地下水の処理。
ブラインおよび塩水の飲用水への処理。
粒状物フィルターとしての使用。
オゾン曝露における処理。
以下のものの精製および/または濾過:
脂肪族溶媒、
強酸、
高温(>80℃)の化合物、
炭化水素、
フッ化水素酸、
ディーゼルおよびバイオディーゼル燃料、
ケトン、
アミン、
強塩基、
「発煙」酸、
強酸化剤、
芳香族化合物、エーテル、ケトン、グリコール、ハロゲン、エステル、アルデヒド、およびアミン、
ベンゼン、トルエン、ブチルエーテル、アセトン、エチレングリコール、二塩化エチレン、酢酸エチル、ホルムアルデヒド、ブチルアミンの化合物、など。
塩水、井戸水、および地表水の濾過を含む、飲料水の濾過。
蒸発調節装置。
炭化水素エネルギー貯蔵装置。
水性、非水性、およびガス性の懸濁液または溶液からの無機およびイオン性の化学種の除去、それらのものを、非限定的に挙げれば、たとえば以下のものである:カチオンの水素、アルミニウム、カルシウム、リチウム、ナトリウム、カリウム;アニオンの硝酸塩、シアニドおよび塩素;金属、非限定的に挙げれば、たとえばクロム、亜鉛、鉛、水銀、銅、銀、金、白金、鉄、およびその他の貴金属または重金属および金属イオン;塩、非限定的に挙げれば、たとえば塩化ナトリウム、塩化カリウム、硫酸ナトリウム;ならびに、水溶液懸濁液からの有機化合物の除去。
73重量%の珪藻土(平均粒径、44ミクロン)、16重量%のKyblock(登録商標)ホモポリマーフルオロポリマーバインダー(平均粒径、5ミクロン、アグロメレート化物、ASTM D 3835に従い、232℃、100s-1で20キロポワズの溶融粘度を有する)、および11重量%のカルシウムヒドロキシアパタイト(平均粒径、250nm)を、ドライブレンドして、均質な混合物とした。次いでそのブレンド物を、中程度の圧力下、450゜Fで2インチ/分の速度でエクストルーダーの中を通して処理した。その成形品は、多孔性で筒状の構造物で、圧縮抵抗の点で、実質的な機械的強度を有していた。
81.8重量%の珪藻土(平均粒径、44ミクロン)、14.6重量%のKyblock(登録商標)ホモポリマーフルオロポリマーバインダー(平均5ミクロン、アグロメレート化物、ASTM D 3835に従い、232℃、100s-1で20キロポワズの溶融粘度を有する)、および3.5重量%の炭酸カルシウム(平均粒径、3.5ミクロン)を、ドライブレンドして、均質な混合物とした。次いで、そのブレンド物を、300psiの低い充填圧の下、180℃で1分かけて、圧縮成形した。サンプルを圧縮金型から取り出し、オーブン中、180℃で10分かけて硬化させた。そのようにして得られたものは、多孔性で棒状の構造物で、曲げ抵抗の点で、実質的な機械的強度を有していた。
74重量%の珪藻土(平均、44ミクロン)、14重量%のKyblock(登録商標)ホモポリマーフルオロポリマーバインダー(平均粒径、5ミクロン、アグロメレート化物、ASTM D 3835に従い、232℃、100s-1で20キロポワズの溶融粘度を有する)、3重量%のCaCO3(平均粒径、3.5ミクロン)、4重量%のTMAC(アパタイト塩、Arkema Inc.製、平均粒径、250nm)、および1重量%の銀ゼオライト(平均粒径、3.5ミクロン)を、ドライブレンドして、均質な混合物とした。次いでそのブレンド物を、中程度の圧力下、450゜Fで2インチ/分の速度でエクストルーダーの中を通して処理した。その成形品は、多孔性で筒状の構造物で、圧縮抵抗の点で、実質的に機械的強度を有していた。
81重量%の珪藻土(平均粒径、44ミクロン)、14重量%のKyblock(登録商標)ホモポリマーフルオロポリマーバインダー(平均粒径、5ミクロン、アグロメレート化物、ASTM D 3835に従い、232℃、100s-1で20キロポワズの溶融粘度を有する)、および3重量%のCaCO3(平均粒径、3.5ミクロン)を、ドライブレンドして、均質な混合物とした。次いでそのブレンド物を、中程度の圧力下、450゜Fで2インチ/分の速度でエクストルーダーの中を通して処理した。その成形品は、多孔性で筒状の構造物で、圧縮抵抗の点で、実質的に機械的強度を有していた。
12重量%のKyblock(登録商標)ホモポリマーフルオロポリマーバインダー(平均粒径、5ミクロン、アグロメレート化物、ASTM D 3835に従い、232℃、100s-1で20キロポワズの溶融粘度を有する)、8重量%のSZT(Arkema Inc.製、3〜4ミクロンの粒径)、80重量%の活性炭(20〜325メッシュ)を、ドライブレンドして、均質な混合物とした。次いでそのブレンド物を、低い圧力下520゜Fで30分間、金型の中に入れておいた。その金型をオーブンから取り出し、1000psi未満の圧力を2分間かけた。その金型を250゜Fまで冷やしてから、成形品を金型から抜き出した。
12重量%のKyblock(登録商標)ホモポリマーフルオロポリマーバインダー(平均粒径、5ミクロン、アグロメレート化物、ASTM D 3835に従い、232℃、100s-1で20キロポワズの溶融粘度を有する)、10重量%のTMAC(1〜10ミクロンの粒径)、88重量%の活性炭(20〜325メッシュ)を、ドライブレンドして、均質な混合物とした。次いでそのブレンド物を、低い圧力下520゜Fで30分間、金型の中に入れておいた。その金型をオーブンから取り出し、1000psi未満の圧力を2分間かけた。その金型を250゜Fまで冷やしてから、成形品を金型から抜き出した。
[態様1]
固形で多孔性の物品であって、
a)20nm〜1ミクロン、好ましくは50〜400nm、最も好ましくは50〜300nmの平均粒子離散サイズを有する粒子の形態の、熱可塑性ポリマーバインダー、および
b)少なくとも50重量パーセント、好ましくは60重量パーセント、好ましくは70重量パーセントの一次活性粒子、および
c)前記固形で多孔性の物品の全重量を規準にして、0.5重量パーセント超、好ましくは0.7重量パーセント超、より好ましくは1.0重量パーセント超、好ましくは5重量パーセント超、より好ましくは10重量パーセント超の、5nm〜10,000nm、好ましくは10〜5,000nm、より好ましくは20〜1,000nm、最も好ましくは25〜1,000nmの平均粒径を有する二次機能性添加粒子、
を含む、固形で多孔性の物品。
[態様2]
前記熱可塑性プラスチックバインダーが、前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、1〜30重量パーセント、好ましくは3〜20重量パーセント、より好ましくは5〜14重量パーセントの量で存在する、態様1に記載の固形で多孔性の物品。
[態様3]
前記一次活性粒子が、活性アルミナ、活性炭、カーボンナノチューブ、シリカゲル、アクリル系の粉体および繊維、セルロース繊維、ガラスビーズ、研磨材、鉱物質、シリカ、木片、イオン交換樹脂、モレキュラーシーブ、無機塩、セラミック、ゼオライト、イオン交換変性ゼオライト、金属酸化物、銀ベースの化合物、珪藻土、タルク、ポリエステル粒子および繊維、エンジニアリング樹脂粒子、ならびにポリカーボネートからなる群より選択され、前記一次活性粒子の少なくとも3重量パーセント、前記一次粒子の好ましくは少なくとも5重量パーセント、好ましくは少なくとも10重量パーセント、好ましくは少なくとも20重量パーセントが、1ミクロン未満、好ましくは750ミクロン未満、より好ましくは500ミクロン未満の平均粒径を有する、態様1または2の記載の固形で多孔性の物品。
[態様4]
前記機能性添加粒子が、生物学的開始剤、金属の吸着剤、金属の沈殿剤、物理的濾過剤、触媒、イオン交換樹脂、酵素、抗体、および支持基材の上へ固定化されたタンパク質から選択される、態様1〜3のいずれか1項に記載の固形で多孔性の物品。
[態様5]
前記一次活性粒子が、バイモーダルであって、一つのモードの平均粒径が、1ミクロン未満であり、他のモードの平均粒径が1ミクロンを上回る、態様1〜4のいずれか1項に記載の固形で多孔性の物品。
[態様6]
態様1に記載の固形で多孔性の物品を形成させるための方法であって、
a)前記熱可塑性プラスチックバインダー粒子、一次活性粒子、および機能性添加粒子をブレンドする工程、
b)前記ブレンド物を加熱して、前記バインダー粒子を軟化させる工程、および
c)前記加熱されたブレンド物を成形して、固形で多孔性の物品とする工程、
の工程を含む、方法。
[態様7]
前記熱可塑性プラスチックバインダー粒子が、前記活性粒子および/または前記機能性添加粒子とブレンドされたときに、分散体の形態にある、態様6に記載の方法。
[態様8]
前記分散体ブレンド物が、スプレードライヤーの中で乾燥される、態様7に記載の方法。
[態様9]
前記バインダー粒子が粉体の形態にあり、前記活性粒子と共にドライブレンドされる、態様6〜8のいずれか1項に記載の方法。
[態様10]
前記加熱および成形工程が、押出プロセスの中で実施される、態様6〜9のいずれか1項に記載の方法。
[態様11]
前記加熱および成形工程が、圧縮成形プロセスの中で実施される、態様6〜9のいずれか1項に記載の方法。
[態様12]
前記加熱および成形工程が、非圧縮成形プロセスの中で実施される、態様6〜9のいずれか1項に記載の方法。
Claims (15)
- 固形で多孔性の物品であって、
a)20nm〜1ミクロン、好ましくは50〜400nm、最も好ましくは50〜300nmの平均粒子離散サイズを有する粒子の形態の、熱可塑性ポリマーバインダー、および
b)少なくとも50重量パーセント、好ましくは60重量パーセント、好ましくは70重量パーセントの一次活性粒子、および
c)0.5重量パーセント超の、5nm〜10,000nmの平均粒径を有する二次機能性添加粒子、
を含む、固形で多孔性の物品。 - 前記固形で多孔性の物品が、前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、1.0重量パーセント超の、10〜5,000nmの平均粒径を有する二次機能性添加粒子を含む、請求項1に記載の固形で多孔性の物品。
- 前記固形で多孔性の物品が、前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、10重量パーセント超の、25〜1,000nmの平均粒径を有する二次機能性添加粒子を含む、請求項2に記載の固形で多孔性の物品。
- 前記熱可塑性プラスチックバインダーが、前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、1〜30重量パーセントの量で存在する、請求項1に記載の固形で多孔性の物品。
- 前記熱可塑性プラスチックバインダーが、前記固形で多孔性の物品の全重量を基準にして、5〜14重量パーセントの量で存在する、請求項4に記載の固形で多孔性の物品。
- 前記一次活性粒子が、活性アルミナ、活性炭、カーボンナノチューブ、シリカゲル、アクリル系の粉体および繊維、セルロース繊維、ガラスビーズ、研磨材、鉱物質、シリカ、木片、イオン交換樹脂、モレキュラーシーブ、無機塩、セラミック、ゼオライト、イオン交換変性ゼオライト、金属酸化物、銀ベースの化合物、珪藻土、タルク、ポリエステル粒子および繊維、エンジニアリング樹脂粒子、ならびにポリカーボネートからなる群より選択され、前記一次活性粒子の少なくとも3重量パーセント、前記一次粒子の好ましくは少なくとも5重量パーセント、好ましくは少なくとも10重量パーセント、好ましくは少なくとも20重量パーセントが、1ミクロン未満、好ましくは750ミクロン未満、より好ましくは500ミクロン未満の平均粒径を有する、
請求項1に記載の固形で多孔性の物品。 - 前記機能性添加粒子が、生物学的開始剤、金属の吸着剤、金属の沈殿剤、物理的濾過剤、触媒、イオン交換樹脂、酵素、抗体、および支持基材の上へ固定化されたタンパク質から選択される、請求項1に記載の固形で多孔性の物品。
- 前記一次活性粒子が、バイモーダルであって、一つのモードの平均粒径が、1ミクロン未満であり、他のモードの平均粒径が1ミクロンを上回る、請求項1に記載の固形で多孔性の物品。
- 請求項1に記載の固形で多孔性の物品を形成させるための方法であって、
a)前記熱可塑性プラスチックバインダー粒子、一次活性粒子、および機能性添加粒子をブレンドする工程、
b)前記ブレンド物を加熱して、前記バインダー粒子を軟化させる工程、および
c)前記加熱されたブレンド物を成形して、固形で多孔性の物品とする工程、
の工程を含む、方法。 - 前記熱可塑性プラスチックバインダー粒子が、前記活性粒子および/または前記機能性添加粒子とブレンドされたときに、分散体の形態にある、請求項9に記載の方法。
- 前記分散体ブレンド物が、スプレードライヤーの中で乾燥される、請求項10に記載の方法。
- 前記バインダー粒子が粉体の形態にあり、前記活性粒子と共にドライブレンドされる、請求項9に記載の方法。
- 前記加熱および成形工程が、押出プロセスの中で実施される、請求項9に記載の方法。
- 前記加熱および成形工程が、圧縮成形プロセスの中で実施される、請求項9に記載の方法。
- 前記加熱および成形工程が、非圧縮成形プロセスの中で実施される、請求項9に記載の方法。
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