JP2020513464A - 固体ポリマー高耐久性表面材 - Google Patents

固体ポリマー高耐久性表面材 Download PDF

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Abstract

固体表面材は、(i)52体積分率パーセント以下の量で存在する架橋アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂と、(ii)48体積分率パーセント以下の、固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子であって、(a)充填材粒子の95〜99体積分率パーセントは、0.5〜10ミクロン以下の範囲の主要寸法を有し、(b)充填材粒子のD50は、0.5〜2.5ミクロンであり、および(c)充填材粒子のD90は、10ミクロン以下である、無機充填材粒子とを含む。

Description

本発明は、住宅、医療建物物、ホテルおよびレストランにおいて有用である高耐久性固体表面材に関する。
この分野における先行技術は、硬質充填材の包含または硬質コーティングの適用によって材料の表面に耐久性を付与する技術を記載している。
Harkeらに対する米国特許第5,800,910号明細書は、充填材含有量が充填材入りマトリックスに対して50〜90重量%である、無機充填材を充填されたポリマーマトリックスを含むプラスチック成形品を記載しており、充填材は、2つの充填材フラクション(a)および(b)を含み、充填材フラクション(a)は、粒子の98重量%が150マイクロメートル以下の粒径を有する状態で粒度分布を有し、ポリマーマトリックス中に本質的に一様に分布されており、充填材フラクション(b)は、およそ300マイクロメートル〜およそ3000マイクロメートルの粒径を有する粒子を含み、充填材フラクション(b)の割合は、全充填材含有量のおよそ1〜35重量%であり、成形品の外側表面材層中の充填材フラクション(b)の割合は、充填材入りマトリックスの全質量に対して少なくとも30重量%まで高められることが提案されている。
Kojimaらに対する特開2005−126293号公報は、優れた耐傷性および耐久性を有する人造大理石を開示している。この大理石は、熱硬化性樹脂組成物を含む基材の表面上に透明な層を有する。透明な層は、熱硬化性樹脂と充填材とを含有し、1〜5mmの厚さを有する。
Tanakaらに対する特開平3−174347号公報は、ベース樹脂100重量%としてのアクリレート樹脂結合材料と金属水酸化物増量剤とを含む成形物において、その直径が1ミクロン〜150ミクロンの範囲に分布されており、50ミクロン以上の粒径の10重量%〜30重量%の粗い粒子を有する粉末状ガラスである、1重量%〜10重量%のベース樹脂を加え、分配させることによって得られることを特徴とする、成形物を教示している。この成形物は、好ましくは、成形物の1つの表面側上に粗い粒子粉末状ガラスを不均一に分配させることによって得られ、さらに、粉末状ガラスは、粉状化によって得られる複雑な多角形粉末であり、新鮮な表面を有する。
Roseらに対する米国特許出願公開第2015/0218343号明細書は、顔料粒子を充填材に結合させるか、接着させるか、または他に結び付けるのに十分なエネルギーの衝突による高エネルギー乾式ブレンディングプロセスにおいて官能性粒子で改質された充填材を開示している。
Roseらに対する米国特許出願公開第2015/0329706号明細書は、ポリマーマトリックスと、顔料粒子を充填材に結合させるか、接着させるか、または他に結び付けるのに十分なエネルギーの衝突による高エネルギー乾式ブレンディングプロセスにおいて官能性粒子で改質された充填材とを含む充填材入りポリマー材料の製造方法に関する。
固体表面材に改善された耐久性を提供することが継続して必要とされている。本明細書に記載される本発明は、他の特性のなかでも、木工細工能力を維持しながら固体表面材料の引っかき抵抗性を改善する。改善された性能は、材料に固有であり、物品の大部分にわたって存続する。
本発明は、固体表面材であって、
(i)52体積分率パーセント以下の量で存在する架橋アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂と、
(ii)48体積分率パーセント以下の、固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子であって、
(a)充填材粒子の95〜99体積分率パーセントは、0.5〜10ミクロン以下、または1〜5ミクロン以下、または1〜2ミクロン以下の範囲の主要寸法を有し、
(b)充填材粒子のD50は、0.5〜2.5ミクロンであり、および
(c)充填材粒子のD90は、10ミクロン以下である、無機充填材粒子と
を含む固体表面材に関する。
固体表面材
固体表面材とは、三次元非可撓性の硬質表面材を意味する。典型的には、固体表面材は、(i)45〜80体積分率パーセントの有機ポリマー樹脂、典型的にはポリメチルメタクリレートまたは不飽和ポリエステルと、(ii)25〜55体積分率パーセントの、固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子とを含む。
一実施形態において、固体表面材は、
(i)52体積分率パーセント以下の量で存在する架橋アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂と、
(ii)48体積分率パーセント以下の、固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子であって、
(a)充填材粒子の95〜99体積分率パーセントは、0.5〜10ミクロン以下、または1〜5ミクロン以下、または1〜2ミクロン以下の範囲の主要寸法を有し、
(b)充填材粒子のD50は、0.5〜2.5ミクロンであり、および
(c)充填材粒子のD90は、10ミクロン以下である、無機充填材粒子と
を含む。
有機ポリマー樹脂
最も一般的な有機ポリマー樹脂の1つは、ポリメチルメタクリレート(PMMA)ポリマーまたは「アクリル」コポリマーである。PMMAは、アクリル組成物の重合から生じる。重合性アクリル組成物の調製は、典型的には、モノマー中のポリマーシロップとしても知られるモノマーのメチルメタクリレート(MMA)に溶解したメチルメタクリレートポリマーを含有するシロップと、重合開始剤と、無機充填材とを含む。そのような組成物および製造方法は、Dugginsに対する米国特許第3,847,865号明細書に開示されている。アクリルポリマー構成成分は、メチルメタクリレートホモポリマーおよびメチルメタクリレートと、他のエチレン性不飽和化合物(例えば、酢酸ビニル、スチレン、アルキルアクリレート、アクリロニトリル、アルキルメタクリレート、アルキレンジメタクリレートおよびアルキレンジアクリレートなどの多官能性アクリルモノマー)とのコポリマーをさらに含み得る。加えて、ポリマー構成成分は、マイナー量のポリエステルまたはスチレン系ポリマーもしくはコポリマーなどの少量の他のポリマーを含有することができる。
別の一般的な有機ポリマー樹脂は、不飽和ポリエステル(UPE)である。UPE樹脂は、スチレンのような重合性スチレン系モノマーに溶解した、炭素炭素二重結合のような共有結合した不飽和を組み入れているポリエステルポリマーまたはコポリマーからなる。
いずれかの樹脂組成物をキャストまたは成形し、硬化させて、透光性、耐候性、一般的な家庭材料による汚染に対する抵抗性、難燃性および応力亀裂に対する抵抗性などの特性の重要な組み合わせを有するシート構造物を製造することができる。加えて、硬化物品は、鋸引きおよび研摩などの従来技術によって容易に機械加工することができる。特性のこの特定の組み合わせは、そのような構造物を台所または浴室カウンター、汚れよけ板、壁張り、タオル掛けなどの成形品などとして特に有用なものにする。
熱硬化性樹脂
上に記載された有機ポリマー樹脂は、典型的には、架橋して、熱硬化性樹脂と呼ばれるポリマー網状構造をもたらす。熱硬化性樹脂の重要な特性は、様々な環境条件にさらされながら長い期間にわたる高温での強度保持および寸法安定性である。そのような特性は、固体表面材製品を住宅および他の建物において望ましいものにする。
充填材
「充填材」とは、単独でまたは組み合わせて使用される、室温および大気圧で固体であり、組成物の様々な成分と化学的に反応せず、かつこれらの成分が室温よりも高い温度まで、特にそれらの軟化点またはそれらの融点まで上げられる場合でも、これらの成分に不溶である任意の材料を意味する。好ましい充填材は、無機充填材である。
一実施形態において、無機充填材粒子は、アルミナ三水和物(ATH)である。水を除去するための熱処理プロセスによって調製されたか焼ATHも好適である。
他の実施形態において、無機充填材粒子は、アルミナ、シリカ、タルクまたは石英である。
別の実施形態において、充填材は、ポリエーテルエーテルケトンまたはポリテトラフルオロエチレンのような微粉化有機ポリマーである。
粒度分布(PSD)を特徴付ける1つの手段は、PSDの質量中央径または中央値としても知られるD50である。それは、直径の正規分布または対数正規分布の粒子についての加重平均径である。同様に、D90は、累積PSDの90%を占める直径である。
少なくとも95または99体積分率パーセントの充填材粒子は、0.5〜10ミクロン以下、または1〜5ミクロン以下、または1〜2ミクロン以下の範囲の主要寸法を有する。これらの範囲内において、D50は、0.5〜2.5ミクロンであり、D90は、10ミクロン以下である。このサイズは、約10〜50ミクロンのD50および時に100ミクロン超のD90を有する、業界で現在使用されている粒径よりもかなり小さい。
充填材粒子は、固体表面材にわたって均一に分布されており、すなわち固体表面材料の大部分にわたってそれらの分布が一様である。それらは、表面材層としてのみ存在するわけではない。
特殊な加工助剤
混合物中の微粒子の種類にもよるが、小さい直径のものは、混合物に高い粘度を付与する。いくつかの実施形態において、加工助剤は、粘度が制御されるように混合物に加えられる。そのような加工助剤の例は、米国特許出願公開第2008/0063850号明細書に見いだすことができる。加工助剤の選択は、媒体(例えば、アクリル樹脂、UPE樹脂)、充填材タイプおよび使用量ならびに標的粘度範囲または所望の流動挙動(例えば、ずり流動化、ニュートニアン)に特有である。
固体表面材の他の構成要素
表面材は、顔料、装飾微粒子などの可視微粒子、カップリング剤、コモノマーまたは架橋剤などの追加の構成要素をさらに含み得る。
任意選択的に、固体表面材料は、顔料または装飾粒子などの美的構成要素を含有し得る。用語「顔料」は、それがその中で使用される媒体に不溶であり、そのため、それらの物理的および化学的特性(例えば、表面電荷およびトポロジー)を包含する微粒子性質を有する着色剤を意味する。存在する顔料の量は、所望の色効果を提供するのに十分な量であるが、典型的には0.05〜2.5体積分率パーセントである。顔料は、粉末形態で反応性ミックスに加えることができるが、より一般的にはキャリア液体内の懸濁液または分散系として加えられる。固体表面材料は、「クランチーズ」として業界に知られる巨視的な装飾粒子も含有し得る。クランチーズは、ABS樹脂、セルロースエステル、セルロースエーテル、エポキシ樹脂、ポリエチレン、エチレンコポリマー、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ポリアセタール、ポリアクリル樹脂、ポリジエン、ポリエステル、ポリイソブチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、尿素/ホルムアルデヒド樹脂、ポリウレア、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルエステルなどのポリマーの、様々な充填材入りおよび非充填材入りの、顔料入りまたは染料入りの不溶性または架橋チップである。他の有用な巨視的な半透明のおよび透明の装飾粒子は、天然もしくは合成鉱物または瑪瑙、アラバスター、アルバイト、方解石、王随、チャート、長石、フリント石英、ガラス、マラカイト、大理石、雲母、黒曜石、オパール、石英、珪岩、岩石膏、砂、シリカ、トラバーチン、ウォラストナイトなどの材料;クロス、天然および合成繊維;ならびに金属片である。
カップリング剤は、固体表面材料の性能特性を高める。本発明で使用するための好適なカップリング剤は、リン酸2−ヒドロキシエチルメタクリレートエステルまたは3−(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレートなどの官能化(メタ)アクリルエステルである。これらは、典型的には、1体積分率パーセント未満の量で存在する。カップリング剤は、反応性混合物に加えるか、または充填材表面にあらかじめ塗布することができる。カップリング剤コモノマーは、樹脂と共重合して充填材表面に結合する。
コモノマーは、多くの場合、固体表面材料の性能特性を修正するために有機ポリマー樹脂中に組み入れられる。1つの一般的な例は、固体表面材料の熱安定性を高めるためにアクリル樹脂に加えられるn−ブチルアクリレートである。コモノマーは、典型的には、2体積分率パーセント未満の量で存在する。
架橋剤は、高温での物品の完全性を高める。本発明で使用するための好適なアクリル架橋剤は、エチレングリコールジメタクリレートおよびトリメチロールプロパントリメタクリレートなどの多官能性(メタ)アクリルエステルである。UPE樹脂では、不飽和ポリエステルが主な架橋剤である。
PMMA網状構造またはUPE樹脂中に上に記載されたような粒径を有するATHを含む固体表面材は、高耐久性であり、かつ修理するのが容易であることが分かった。これは、Scotch−Brite(商標)などの研磨パッドの使用によって簡単に達成することができる。そのような表面材は、再生可能な表面材として知られることがある。
固体表面材の製造方法
再生可能である固体表面材は、
(i)未硬化ポリマー組成物であって、
(a)0〜15体積分率パーセントのPMMA、
(b)10〜40体積分率パーセントのMMA、
(c)1〜50体積分率パーセントの、固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子であって、充填材粒子の少なくとも95体積分率パーセントは、0.5〜10ミクロン以下、または1〜5ミクロン以下、または1〜2ミクロン以下の主要寸法を有する、無機充填材粒子、
(d)0.1〜2体積分率パーセントの硬化剤
を含む未硬化ポリマー組成物を提供する工程と、
(ii)工程(i)の組成物を成形容器に注ぎ込む工程と、
(iii)組成物を周囲温度〜80℃の温度で3〜60分間硬化させて組成物を固化させて、固体表面材を形成する工程と
によって製造することができる。
いくつかの実施形態において、無機充填材は、15〜50体積分率パーセントの量で存在する。
再生可能である不飽和ポリエステルまたはアクリル変性ポリエステル固体表面材は、
(i)未硬化ポリマー組成物であって、
(a)0〜15体積分率パーセントのPMMA、
(b)10〜40体積分率パーセントのUPE樹脂、
(c)1〜50体積分率パーセントの、固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子であって、充填材粒子の少なくとも95体積分率パーセントは、0.5〜10ミクロン以下、または1〜5ミクロン以下、または1〜2ミクロン以下の主要寸法を有する、無機充填材粒子、
(d)0.1〜2体積分率パーセントの硬化剤
を含む未硬化ポリマー組成物を提供する工程と、
(ii)工程(i)の組成物を成形容器に注ぎ込む工程と、
(iii)組成物を周囲温度〜80℃の温度で3〜60分間硬化させて組成物を固化させて、固体表面材を形成する工程と
によって製造することができる。
いくつかの実施形態において、無機充填材は、15〜50体積分率パーセントの量で存在する。
試験方法
4段階引っかき方法
引っかき試験は、圧子としての1mmアルミニウム球を用いたCSM Instruments(Anton Paar)製のMicro−Scratch Tester(マイクロスクラッチ試験機)を使用した。圧子を試薬グレードのイソプロパノール中での30分間の超音波処理、HPLCグレードの水中での30分間の超音波処理および10分間のUVオゾン処理によって各実験前に清浄にした。使用前の圧子を適格とするためにZygo光学形状測定画像を集めた。
少なくとも3つの別々の引っかきを各試料について行い、各引っかきは、4つの異なる荷重段階を有する。それぞれの場合において、表面材を横切る3つのパスを制御された荷重下で行った。第1のパスまたはプレスキャンは、試料の初期の未損傷表面形状を記録する。第2のパス中、引っかき傷を0.1、10、20および30Nの4つの荷重段階で生じさせる。引っかき傷は、各荷重段階について4mm部分で16mmの長さである。第の3パスまたはポストスキャンは、約4分後に損傷を記録するために行う。
侵入深さは、引っかき中の変位から初期のプレスキャン形状を差し引くことによって計算される。残存深さは、プレスキャンからポストスキャン変位を差し引くことによって計算される。プレスキャンおよびポストスキャンは、プラスチック変形閾値未満である一定の0.1N荷重でのものである。多数の引っかき傷からの生データがプールされ、Anova計算が、機械的性能が改善しているかどうかを統計的に決定するために行われる。
ダイヤモンド針を使用する材料の引っかき硬度についてのASTM G171−03(2009)標準試験方法
半球ダイヤモンド先端が、制御された定格負荷で表面材を横切ってドラッグされる。元のASTM方法では、120度の頂角および200ミクロン半径の半球先端を有する圧子が明記されている。本発明者らの研究において、本発明者らは、上に記載されたAnton Paarマイクロスクラッチ試験および1mm直径(500ミクロン半径)のアルミナ球を使用した。引っかき硬度は、次式:
を用いて引っかき中の圧子の投影面積で法線力を割ることによって計算される。
定格負荷は、ニュートン単位であり、引っかき傷の幅(2×接触面積の半径)は、メートル単位であるため、引っかき硬度は、パスカル単位の圧力の単位を有する。典型的な荷重は、2〜3ニュートンである。暗視野画像化が各荷重段階の中心での引っかき傷幅を測定するために用いられる。
引っかき傷認知度
コントラスト対サイズの相対的な重要性に関する基本的な理解はないが、本研究において、本発明者らは、次の経験式:
を、引っかき傷の認知度を記載するために用いる。
引っかき傷認知度を測定するための便利な方法は、本プロジェクトの一環として開発され、精緻化された。画像処理と組み合わせた従来の複合光学顕微鏡からの暗視野像は、画像の様々な部分における平均幅およびコントラストレベルの両方の正確な測定結果を与える。
本実施例における調合物は、以下の一般的な手順を用いて調製した。反応釜に反応性の有機樹脂を調製した。アクリル生成物の場合、典型的な反応性樹脂は、メチルメタクリレート、メタクリレート官能化架橋剤、接着促進コモノマー、顔料、過酸化物およびポリメチルメタクリレートを含んだ。任意選択的に、硬化速度加速剤が含まれ得る。不飽和ポリエステルまたはアクリル変性不飽和ポリエステルの場合、典型的な反応性樹脂は、不飽和ポリエステルポリマー、スチレン、過酸化物および硬化速度加速剤を含んだ。任意選択的に、アクリルポリマーまたはコポリマーが含まれ得る。樹脂の構成要素を激しく攪拌し、次に充填材を継続的なかき混ぜ下において混合物に加えた。有機化合物が均質化され、無機化合物が十分に分散させられたら直ちに混合物を減圧下に置いた。混合物を脱ガスした後、過酸化物促進剤を攪拌ミックスに加えた。次に、活性化ミックスを断熱金型中にキャストし、金型で反応性ミックスが硬化し、固化した。
比較例1
複合材料をもたらす反応生成物は、44.5体積パーセントのアルミナ三水和物(WH311、40ミクロン平均粒径、Alcan)と、55.5体積パーセントの熱硬化性アクリル樹脂と、1%未満の白色顔料(TiO2)とからなった。
実施例1
複合材料をもたらす反応生成物は、40.5体積パーセントのアルミナ三水和物(Hydral 710、2ミクロン平均粒径、J.M.Huber Corporation)と、59.5体積パーセントの熱硬化性アクリル樹脂と、1%未満の白色顔料(TiO2)とからなった。
実施例2
複合材料をもたらす反応生成物は、38.5体積パーセントのシラン処理アルミナ三水和物(Hymod 9400sc、メタクリレート官能化シランで処理された2ミクロン平均粒径、J.M.Huber Corporation)と、61.5体積パーセントの熱硬化性アクリル樹脂と、1%未満の白色顔料(TiO2)とからなった。接着促進コモノマーは、除外された。
比較例2
複合材料をもたらす反応生成物は、44.5体積パーセントのアルミナ三水和物(WH311、40ミクロン平均粒径、Alcan)と、55.5体積パーセントの熱硬化性アクリル樹脂と、1%未満の黒色顔料(カーボンブラック)とからなった。
実施例3
複合材料をもたらす反応生成物は、40.5体積パーセントのアルミナ三水和物(Hydral 710、2ミクロン平均粒径、J.M.Huber Corporation)と、59.5体積パーセントの熱硬化性アクリル樹脂と、1%未満の黒色顔料(カーボンブラック)とからなった。
20Nの引っかき力にさらされた場合、2マイクロメートルの名目ATH平均粒径を有する本発明実施例は、35ミクロンのATH粒径の比較例と比べて予期せぬ意外な改善された(より低い)引っかき傷認知度を示すことが分かった。粒径範囲と粒度分布との組み合わせは、有効な引っかき抵抗性を提供するために必要な要素であると考えられる。
* 引っかき傷認知は、視覚コントラスト(すなわち、引っかかれていない表面の平均階調レベルおよび引っかき傷の中心の差)と、引っかき傷幅の平方根との積である。改善は、引っかき傷認知を低下させることによって実現される。
** 引っかき硬度は、ASTM G171-03(2009)に記載されている方法によって計算される。改善は、引っかき硬度を増加させることによって実現される。
比較例3
複合材料をもたらす反応生成物は、44.5体積パーセントのアルミナ三水和物(WH311、40ミクロン平均粒径、Alcan)と、55.5体積パーセントの不飽和ポリエステル樹脂(Qualipoly Chemical Corporation,Kaohsiung City,Taiwan製のUPE樹脂)と、1%未満の白色顔料(TiO2)とからなった。
実施例4
複合材料をもたらす反応生成物は、40.5体積パーセントのアルミナ三水和物(Hydral 710、2ミクロン平均粒径、J.M.Huber Corporation)と、59.5体積パーセントの不飽和ポリエステル樹脂(Qualipoly Chemical Corporation製のUPE樹脂)と、1%未満の白色顔料(TiO2)とからなった。
比較例4
複合材料をもたらす反応生成物は、44.5体積パーセントのアルミナ三水和物(WH311、40ミクロン平均粒径、Alcan)と、55.5体積パーセントの不飽和ポリエステル樹脂(Qualipoly Chemical Corporation製のUPE樹脂)と、1%未満の黒色顔料(カーボンブラック)とからなった。
実施例5
複合材料をもたらす反応生成物は、40.5体積パーセントのアルミナ三水和物(Hydral 710、2ミクロン平均粒径、J.M.Huber Corporation)と、59.5体積パーセントの不飽和ポリエステル樹脂(Qualipoly Chemical Corporation製のUPE樹脂)と、1%未満の黒色顔料(カーボンブラック)とからなった。
* 引っかき傷認知は、視覚コントラスト(すなわち、引っかかれていない表面の平均階調レベルおよび引っかき傷の中心の差)と、引っかき傷幅の平方根との積である。改善は、引っかき傷認知を低下させることによって実現される。
** 引っかき硬度は、ASTM G171-03(2009)に記載されている方法によって計算される。改善は、引っかき硬度を増加させることによって実現される。

Claims (4)

  1. 固体表面材であって、
    (i)52体積分率パーセント以下の量で存在する架橋アクリル樹脂または不飽和ポリエステル樹脂と、
    (ii)48体積分率パーセント以下の、前記固体表面材にわたって均一に分布された無機充填材粒子であって、
    (a)前記充填材粒子の95〜99体積分率パーセントは、0.5〜10ミクロン以下、または1〜5ミクロン以下、または1〜2ミクロン以下の範囲の主要寸法を有し、
    (b)前記充填材粒子のD50は、0.5〜2.5ミクロンであり、および
    (c)前記充填材粒子のD90は、10ミクロン以下である、無機充填材粒子と
    を含む固体表面材。
  2. 充填材タイプは、アルミナ三水和物、アルミナ、シリカ、タルクまたは石英である、請求項1に記載の表面材。
  3. 前記有機ポリマー構成要素は、前記樹脂と共重合し、かつ充填材表面に結合するカップリング剤コモノマーを含む、請求項1に記載の表面材。
  4. 顔料および/または可視微粒子などの装飾構成要素をさらに含む、請求項1に記載の表面材。
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