JP2022529318A - 導電性を有する持続可能なバイオ炭系インク - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は米国特許商標庁に対し2019年4月26日に出願された米国仮特許出願第62/838,966号の利益を主張しており、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる。
本開示の麻系炭素を作るため熱分解を実施する場合、バイオ炭化は、好ましくは約1100℃~約1500℃の温度で、バッチ工程または連続フロー工程にて実施可能である。処理した乾燥麻を炉に入れ、1100℃超、かつ通常1500℃未満に加熱する。特に、加熱工程は低酸素条件下で実施されるが、これは当業者に既知の通り、材料の完全燃焼を防止するためである。したがって、加熱室は、炭化工程中に1以上の不活性ガスで満たされる。材料の炭化には少なくとも600℃の温度があれば十分であるものの、材料の燃焼が不均等になる。さらに重要なことに、温度スケールの下限で処理を実施すると、それ自体で導電性が低下する。さらに、材料をミクロンサイズの粒径にする後続処理において、炭が不均質であると、任意の合理的な収量で実質的に均一な粒径、すなわち狭い釣鐘曲線へと効率的に粉砕することができない。したがって、1100℃超の温度が好ましい。
特定のより高密度でより重いセルロース材料は容易に炭化された後、容易に均一で適切な粒径に縮小されるが、麻材料ではそうはいかない。より具体的には、炭化された麻を2~5ミクロンの粒径に処理することは非常に困難である。好適なインクを作製するために所望され、かつ必要とされる、低い材料密度ならびに2~5ミクロンの小さいサイズでばらつきがないことは、粉砕および分級工程を非常に困難にする。手動粉砕、高エネルギーボールミル粉砕、エアジェット粉砕、およびその他を含む、統一性および収率に関して様々なレベルで成功したいくつかの工程が試みられた。重要なことに、分級システムの使用は、所望するサイズに基づいて麻系炭素を適切に分級するために必要であると判断された。
1100℃以上で炭化した後、炭化材料の性質は脆くなるため、機械的乾燥工程または湿式粉砕工程においてインク中の粒子として好適に使用できるよう、ミクロン寸法の粒径を有する微粉末に直接粉砕することができる(15)。例えば、図1および図3の湿式粉砕工程は、炭を取り、それを鋼球を備えたシェーカーに投入する。図3では、麻は炉に投入され11、湿式ミルに投入され15、溶媒が加えられ61、材料が粉砕され62、任意選択で材料が分級され65、次いで担体に加えられ6、ここでインク製造用材料であるマスターバッチを形成する34ため、任意選択で賦形剤が添加される場合がある66。湿式粉砕では、液体(または溶媒)の一部がシェーカーに加えられ、1~100Hzで、最も好ましい範囲では3~30Hzで、1分~24時間振動させる。図1は、本工程を任意選択で乾式粉砕工程を備えて同様に説明する。湿式または乾式粉砕はそれぞれ、3D炭素となる実質的に均一な粒径の特定の粉末にまで、粒径を速やかに縮小させることができる。
インクを試験するために、炭素の量を変化させた多数のサンプルを作製し、綿材料へのスクリーン印刷用に用いる様々なスクリーンサイズに対し試験を実施した。印刷方法および印刷メッシュサイズにより、印刷面に流下する材料の量が変化し、これがクロッキング結果ならびに導電性に影響を与える。
材料を、紫外線遮断能力について試験した。UPFは、紫外線保護指数の略で、生地の日光保護効果を測定する。UPF50は、着用時に49/50(98%)の紫外線を遮断する。UVA光線は皮膚により深く浸透し、皮膚がんおよびしわなどの長期的な損傷を引き起こし、地球表面に到達する太陽放射の95%を構成する。UVB光線は短波長であり、即刻の日焼けの原因となる。
粒子形状:球形の粒子形状は、平坦な粒子よりもより均一に分散する。
混合性:水溶液の粘度は、顔料の分散度に影響される。顔料が溶液内に凝集すると、不均一な印刷色を生じるか、または印刷品質が低下したりする可能性がある。
見た目:真黒のインクを製造する場合、玉虫色または凝固は、塗布する色および品質に影響を与える。
印刷性:粒子が十分に小さくないか、均一に分散していない場合、スクリーンに詰まり、次の印刷で斑点が生じ、かつ凹凸を生じる可能性がある。この不均一性は、印刷物の乾燥度にも影響を及ぼし、最終製品が粘着性になる可能性がある。
持続可能性:Eco6(商標)などの持続可能なバイオ系顔料は、PVCを含まず、またカーボンブラックに含まれる毒素を含まない。水性溶媒は水路に対して安全であり、プラスチゾル系溶媒よりも洗濯が容易である。希釈剤および増粘剤などの溶媒を追加する必要があるが、品質は向上し得るが、持続可能性は低下し得る。持続可能なインクの理想的な組み合わせは、バイオ系顔料および水性基剤を使用したものであり、性能を出すために追加の添加剤を必要としないインクである。
Claims (21)
- 非石油系黒インクを作るための方法であって、前記インクは、水性担体および炭化麻から作られた顔料を含み、前記炭化麻は、麻茎を低酸素条件下で少なくとも1100℃の温度で炭化して炭を作製し、前記炭を粉砕して2~5ミクロンに粉砕炭を作製し、かつ前記炭を前記水性担体に加えることによって作られる、方法。
- 前記粉砕炭を、サイズが2ミクロンの少なくとも1つのグラジエントおよびサイズが5ミクロンの第2のグラジエントを有し、麻系インクに添加するために、サイズが約2~約5ミクロンの材料を捕捉する分級システムで分級する、請求項1に記載の方法。
- 前記粉砕炭が、前記インクの総重量の1~19重量パーセントである、請求項1に記載の方法。
- 前記粉砕炭が、顔料として機能するために前記インクの1~5重量パーセントを含み、かつ14~19重量パーセントを含み、86~110サイズのスクリーンでスクリーン印刷した場合に前記インクが導電性である、請求項3に記載の方法。
- 導電性麻系インクを作る方法であって、炉内で麻の一部を炭化することであって、前記炉を窒素パージし、次に25℃から1100℃超まで加熱し、1100℃超の温度を少なくとも60分間保持する、炭化することと、低酸素環境を維持するため、窒素流入を前記加熱および保持時間にわたって維持することと、前記麻を前記炉から取り出し、室温まで冷却することと、前記冷却した麻を縮小した粒径に粉砕し、かつ前記粉砕した麻を分級し、前記分級した麻から画分を得ることであって、前記粉砕した麻の95%が2~5ミクロンのサイズである、得ることと、前記分級された麻を水性担体と組み合わせて、前記導電性麻系インクを形成することと、を含む、方法。
- 前記導電性麻系インクが、前記インクの重量の1~19重量パーセントであり、サイズ60の印刷スクリーンを使用して印刷される、請求項5に記載の方法。
- 前記導電性麻系インクが、前記インクの重量の14~19重量パーセントを含み、86~110サイズの印刷スクリーンを使用して印刷される、請求項5に記載の方法。
- 前記導電性麻系インクが、洗濯可能であり、洗濯後も導電性を保持する、請求項7に記載の方法。
- 前記粉砕した麻の99%が5ミクロン未満のサイズである、請求項5に記載の方法。
- 前記水性担体に少なくとも1種の溶媒を添加することをさらに含み、前記溶媒が水よりも速く蒸発する、請求項5に記載の方法。
- 前記担体が、緩衝剤、樹脂、保湿剤、殺菌剤、界面活性剤、殺生物剤、増量剤、分散ポリマー、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される賦形剤をさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 粉砕ステップが湿式粉砕工程である、請求項5に記載の方法。
- 前記湿式粉砕工程が、10:1~1:10の麻対水性溶媒の比率で、冷却した麻とともに粉砕機に投入される溶媒の添加を含む、請求項12に記載の方法。
- 前記湿式粉砕工程で利用する前記溶媒が非水性溶媒である、請求項12に記載の方法。
- 前記湿式粉砕工程で利用する前記溶媒が水性溶媒である、請求項12に記載の方法。
- 前記インクが、直鎖または分岐鎖アルコールをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記直鎖または分岐鎖アルコールがC1~C10アルコールである、請求項16に記載の方法。
- 持続可能なインクであって、水性担体および麻炭から作られた非石油系炭素顔料を含み、前記麻炭は窒素ガス下において少なくとも1100℃で少なくとも60分間麻を炭化することによって製造され、前記麻炭を粉砕して粉砕炭を得、前記粉砕炭は、分級システムを使用して分級して、サイズが2~5ミクロンの分級した炭の画分を得、前記分級した炭は、前記インクの総重量の1%~20%で前記担体に添加される、持続可能なインク。
- 前記インクが、60スクリーンサイズで、かつ少なくとも1重量パーセントの濃度で印刷された場合に導電性である、請求項18に記載の持続可能なインク。
- 前記インクがサイズ60のスクリーンを用いたスクリーン印刷に適しており、前記分級された炭が前記インクの前記重量の1~6重量パーセントを含み、洗濯不可能な導電性インクを得る、請求項18に記載のインク。
- 前記分級した炭が前記インクの前記重量の14~19重量パーセントを含み、前記インクが86~110のスクリーンサイズでスクリーン印刷すると洗濯可能であり、洗濯後も導電性を保持している、請求項18に記載のインク。
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