JP5078849B2 - 複合材組成物 - Google Patents
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Description
本願は、2001年4月16日出願の米国仮出願第60/284131号に関連し、それに基づく優先権を主張する。前記出願は引用によって本明細書に援用する。
ience Technology,1991,pp.1−14である。
複合材組成物の商業的な用途は、そのような組成物のモールディングや押出などによる成形を伴うことが多い。そうした操作が商業的に競争力のある環境で実際的に有効であるためには、そのような工程を比較的高速度で、操作上の問題を最小限にとどめて行うことが必要である。この目的のため、複合材組成物中にその加工を助ける添加剤の使用が、実際的に必須である。広く使用されている一つの加工補助剤は潤滑剤又は離型剤であり、これによって、商業的に許容しうる速度でそのような複合材を有効に加工することができる。ステアリン酸金属、特にステアリン酸亜鉛は、熱可塑性ポリマー及びセルロース充填材を含む複合材の潤滑剤パッケージにしばしば使用される。例えば、米国特許第6,180,257 B1号(2欄,26−28行)参照。
本発明は、新規潤滑剤組成物、新規複合材組成物、新規構造部材及び新規製造法を含むいくつかの側面を有する。これらの各側面は、ある種の潤滑剤、特にステアリン酸金属等のカルボン酸金属の潤滑剤が、ある種の望ましいカップリング剤の性能に悪影響を及ぼしうるという本発明者らによる認識;及び、ある種の潤滑剤はそのようなカップリング剤と相乗的に作用して、思いがけず優れた性能を引き出すという本発明者らによる発見;から少なくとも一部は導き出されている。
本発明の方法は、好ましくは本発明の複合材の押出によって該複合材を成形品に成形することを含む。
好ましい態様の説明
本発明は、望ましい強度を示す成形品に成形加工できる複合材組成物に関し、特に構造部材に高速で成形加工できる複合材組成物に関する。一般的に、該組成物は、好ましくは約10〜約50重量部の熱可塑性ポリマー、約50〜約90重量部のセルロース繊維、有効量のカップリング剤及び本発明による有効量の潤滑剤を含む。ここで使用している有効量という用語は、組成物の対応する性能に、顕著な、好ましくは実質的な改良をもたらす任意の量のことである。従って、カップリング剤に関して言うと、有効量のカップリング剤は、熱可塑性ポリマーとセルロース繊維との間の適合性及び/又は接着性に顕著な改良をもたらす。このことは、典型的には成形品の引張り強度の改良となって現れるが、これだけに限られるものではない。潤滑剤に関しては、有効量によって組成物の加工性に顕著な改良がもたらされる。このことは、典型的には組成物を効果的に形成して、好ましくは押出して成形品に加工できる速度及び/又は効率の改良となって現れるが、これだけに限られるものではない。
熱可塑性ポリマー
実質的に熱可塑性であるいかなるポリマーも、本発明による使用に適合可能と考えられる。例えば、本発明の組成物に有用な熱可塑性ポリマーは、ポリアミド、ポリハロゲン化ビニル、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリフェニレンスルフィド、ポリオキシメチレン、スチレンポリマー、及びポリカーボネートを含みうると考えられる。特に好ましくはポリオレフィンポリマーである。
セルロース繊維
本発明の組成物は、セルロースを含む充填材を包含する。充填材成分は、強化(高アスペクト比)充填材、非強化(低アスペクト比)充填材、並びに強化及び非強化充填材の組合せを含みうる。アスペクト比とは、充填材粒子の有効直径に対する長さの比と定義される。高アスペクト比の利点は、同量の充填材含有量について、より高い強度及びモジュラスを提供することである。ガラス繊維、炭素繊維、タルク、雲母、カオリン、炭酸カルシウムなどの無機充填材も任意のセルロース補助剤として加えてよい。さらに、ポリマー繊維を含む他の有機充填材を使用することもできる。
ロースは硬木に含まれるような高アスペクト比の繊維を相当の比率で含む。しかしながら、そのような高アスペクト比の繊維は一般的に加工が困難なので、加工速度及び効率が特に重要な事項となる態様ではあまり望ましくない場合がある。
カップリング剤
本明細書中で使用するカップリング剤という用語は、セルロース粒子及び熱可塑性ポリマーの分散及び/又は適合性を促進させやすい化合物又は組成物のことを指す。一般に、求電子官能基、特にカルボキシル官能基を有する有機ポリマーを含む化合物はこの目的にとって有効である可能性があることが見出されており、そうした化合物すべてが本発明による使用に適合可能であると考えられる。好ましい有機化合物は、無水マレイン酸の官能基を有するポリマーなどである。
潤滑剤
本発明の組成物は有効量の潤滑剤又は潤滑剤パッケージを含む。1つの態様において、潤滑剤はアルキルエステルを含む。特に好ましいのは、ポリオール(すなわちポリヒドロ
キシル化合物)と1以上の一塩基又は多塩基カルボン酸又はカルボン酸官能基との反応によって形成されるポリオールエステル類である。
潤滑剤の形成にカルボン酸の官能性誘導体も使用することができる。例えば、エステルを形成させる場合に多塩基酸の代わりに多塩基酸の無水物を使用できる。これらには、例えば、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水マレイン酸、無水フタル酸、無水トリメリト酸、無水ナディック酸(エンディック酸無水物)、無水メチルナディック酸、無水ヘキサヒドロフタル酸、無水ステアリン酸、及び多塩基酸の混合無水物などが含まれる。本発明による特に好ましい潤滑剤組成物は、米国特許第4,487,874号及び6,069,195号に記載されている複合エステルであり、これらの各特許は引用によって本明細書に援用する。
(式中、Rは独立して水素又は−C(O)R’であり、少なくとも1個のRは−C(O)R’であり;
R’は水素、約3〜約18個の炭素原子を有する不飽和若しくは飽和アルキル鎖、又は−C(O)−X−COOHであり;
Xは約3〜約18個の炭素原子を有する一価又は多価であり得る不飽和又は飽和アルキル鎖である)。
む。これは、式1のアルキルエステルの混合物であり、約14%の有機部位がアジピン酸由来の−C(O)−X−COOH部分で、約71%の有機部分がステアリン酸及びそれに関連する酸(主としてパルミチン酸)由来の−C(O)R’部位である。そのような材料は、Honeywell International Inc.社からRL 710の商品名で販売されている。
添加剤パッケージ
本発明の一側面は、有利な加工特性及び最終用途特性を有する複合材組成物の形成に有用な添加剤組成物にも関する。更に詳しくは、添加剤パッケージは、潤滑剤及び/又はカップリング剤の独自の組合せを含む。この組合せは、複合材の加工特性の改良に効果的であり、最終製品の強度特性を損ねず増強することさえある。
構造部材
前述の通り、本発明の組成物は多様な構造部材を形成するために使用でき、そのようなすべての構造部材も本発明の広い範囲内に含まれる。しかしながら、出願人らは、本発明の方法及び組成物は、特に押出成形された構造部材の形成に利用できることを見出した。そのような構造部材は、本発明の方法及び組成物を使用しなければ形成が格段に困難であり、及び/又は、高い加工コストのために経済的観点から実際的に実施不可能である。図1〜3に関して詳細に説明すると、本発明は、強度と軽量性の両者を同時に有する構造部材を含むことがわかる。当業者であれば、そのように軽量の構造部材を従来の複合材組成物から押出によって製造することは、構造体の断面積が大きいために実際的に不可能だったであろうことが理解できるはずである。更に特別なことには、本発明の複合材組成物は、比較的高速で経済的な押出条件下でそのような高断面積の形状の押出を可能にする高強度及び高潤滑性を特異的に合わせ持っている。出願人らは、そのような構造部材は、先行技術において商業的に効率よく費用効果の優れた様式では製造できなかったと考える。
方法
成形品の形成に関する本方法は、本明細書中に記載した本発明による複合材組成物を準備する工程と、前記組成物を所望の成形品に形成する工程とを含む。該組成物は、成分を組み合わせて均一な複合材組成物を形成するため当該技術で周知である任意の技術に従って成分を組み合わせることによって準備できる。そのような技術は、米国特許第3,943,079号;4,338,228号;5,886,066号;及び5,997,784号に開示されており、これらの各特許は引用によって本明細書に援用する。
比較例1
この比較例は、必ずしも先行技術による製品を代表するものではない。実際のところ、先行技術に最も近い製品より本発明に近い可能性もある。それでも、本例は本発明の優れた性能を示すための根拠としての役割を果たしている。
実施例1
複合材組成物を、62.8重量部(“pbw”)の木材繊維、33pbwのHDPE、2pbwのマレイン酸化ポリエチレンカップリング剤、及び2.2pbwの本質的にEBS、ステアリン酸亜鉛、及びペンタエリトリトールアジペート−ステアレート(重量比1:1:20)からなる潤滑剤の押出配合によって製造する。
実施例2
複合材組成物を、62.75重量部(“pbw”)の木材繊維、33pbwのHDPE、2pbwのマレイン酸化ポリエチレンカップリング剤、及び2.25pbwの本質的にEBS及びペンタエリトリトールアジペート−ステアレート(重量比2.5:20)からなる潤滑剤の押出配合によって製造する。
物品の引張り強度は約3500psiで、比較例より75%の改良を示している。
実施例3
複合材組成物を、62.5重量部(“pbw”)の木材繊維、33pbwのHDPE、2pbwのマレイン酸化ポリエチレンカップリング剤、及び2.5pbwの本質的にペンタエリトリトールアジペート−ステアレートからなる潤滑剤の押出配合によって製造する。
比較例2
この比較例は必ずしも先行技術による製品を代表するものではない。実際のところ、先行技術に最も近い製品より本発明に近い可能性がある。それでも、本例は本発明の優れた性能を示すための根拠としての役割を果たしている。
実施例4
複合材組成物を、62重量部(“pbw”)の木材繊維、33pbwのHDPE、2pbwのマレイン酸化ポリエチレンカップリング剤、及び3pbwの本質的にEBSとペンタエリトリトールアジペート−ステアレート(重量比2.5:20)からなる潤滑剤の押出配合によって製造する。
Claims (6)
- 50〜90重量部の、セルロース繊維;
10〜50重量部の、熱可塑性バインダ;
1〜5重量部の、無水マレイン酸官能基を有するC2−C4ポリオレフィンカップリング剤;及び
1〜5重量部の、以下の式1:
R’は水素、3〜18個の炭素原子を有する不飽和若しくは飽和アルキル鎖、又は−C(O)−X−COOHであり;
Xは3〜18個の炭素原子を有する不飽和又は飽和アルキル鎖である]
のカルボン酸のアルキルエステル、及びカルボキシアミドワックスを含む、ステアリン酸金属を含まない潤滑剤;
を含み、
前記アルキルエステルの前記カルボキシアミドワックスに対する重量比が30:1〜1:1である、
成形品を形成するための組成物。 - 前記重量比が20:1〜2:1である、請求項1に記載の組成物。
- 前記熱可塑性バインダがポリエチレンを含む、請求項1に記載の組成物。
- 前記ポリオレフィンカップリング剤が、ポリマー鎖あたり平均0.6〜3個の無水マレイン酸官能基を有する、請求項1に記載の組成物。
- 前記熱可塑性バインダが20〜40重量部で、前記セルロース繊維が50〜80重量部で、前記カップリング剤が1〜5重量部で、そして前記潤滑剤が1〜5重量部で存在する、請求項1に記載の組成物。
- 請求項1に記載の成形品形成のための組成物を準備する;および
前記組成物を成形品に成形する;
の工程を含む、成形物品の製造方法。
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