JP5101572B2 - 熱可塑性ルーフィング膜 - Google Patents
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Description
本発明は、再利用廃棄物質から少なくとも部分的に製造される新規のルーフィング膜(roofing membrane)物質に関する。より具体的には、本発明は架橋ゴムおよび水性ポリマー分散物からの熱可塑性ルーフィング膜に関する。架橋ゴムは廃棄タイヤからのような廃棄ゴム加硫物であることができる。
本発明はペンシルベニア州フィラデルフィアのロームアンドハースカンパニーと中華人民共和国、成都の四川大学における高分子材料工学国家重点実験室(the State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering)との共同研究契約の下になされた。
廃棄ゴムタイヤは多くの注目を集めてきたが、ゴムを再利用する問題は廃棄タイヤよりもはるかに広範囲に残っている。構成成分ポリマーの機械的特性を損なわずに、新たな複合物質が熱可塑性組成物として効果的に再利用されうるように、架橋ゴムのような熱硬化ポリマーを熱可塑性ポリマーと混合する方法についての必要性がある。
(a)1種以上の水性ポリマー分散物を凝結させて、約1ミクロン〜約1,000ミクロンの重量平均粒子サイズの凝結ポリマー分散物を生じさせ;
(b)水性ポリマー分散物を凝結させる前または後に、1種以上の架橋ゴムの粒子と水性ポリマー分散物とを混合して、水性分散物中の混合物を形成し;
(c)水性分散物混合物を固相剪断粉砕にかけ、それにより架橋ゴムの粒子サイズを低減させ、粉砕混合物を生じさせ;並びに
(d)粉砕混合物の水分含有量を低減させ;
(e)ルーフ膜を形成すること;
を含み、1種以上の水性ポリマー分散物の凝結が、架橋ゴムの粒子との混合前に、または架橋ゴムの粒子の存在下で行われうる方法により製造されたルーフ膜(roof membranes)を提供する。
別の実施形態においては、架橋ゴムは、43ミクロン篩い粒子サイズ(325メッシュ)以上、または11,100ミクロン篩い粒子サイズ(2メッシュ)以下、または203ミクロン篩い粒子サイズ(60メッシュ)以上、または3,350ミクロン篩い粒子サイズ(6メッシュ)以下の粒子サイズ範囲の再利用タイヤから少なくとも部分的に得られる。
さらに別の実施形態においては、凝結させられる水性ポリマー分散物は、エマルションポリマー分散物、好ましくは、アクリル系またはスチレン−アクリル系エマルションポリマーから得られる。
別の実施形態においては、水性凝結ポリマー分散物は、エマルションポリマー製造設備の廃棄物流れから得られる。
本発明のさらに別の実施形態においては、粉砕混合物の水分含有量を低減させることは、粉砕混合物の固体物質を分離することを含む。
本発明のさらなる実施形態においては、固相剪断粉砕はパンミリングまたはディスクミリングを含む。
本発明のなおさらに別の実施形態においては、水性凝結ポリマー分散物は、カルボン酸官能基、リン含有酸官能基、ヒドロキシ官能基、アミン官能基、アセトアセトキシ官能基、シリル官能基、エポキシ官能基、シアノ官能基、イソシアナート官能基およびこれらの組み合わせから選択される官能基を有する1種以上の官能性モノマーの重合単位を有する(コ)ポリマーを含む。
別の異なる実施形態においては、ルーフ膜は、混練、または押出、または2−ロールミリング、または加熱成形、または圧縮成形の1種以上を含む加工中にさらに架橋される。
さらに別の異なる実施形態においては、熱可塑性物質の加工はシートまたは膜を形成し、方法は当該シートまたは膜を他のシート、膜または薄板(lamina)と積層させることをさらに含む。よって、成形可能なルーフ膜は、1以上の層として当該成形可能なルーフ膜を有する、複数層物品、複数層ルーフィング物質、または複数層ルーフィング膜を含むことができる。よって、方法は、1以上の層として当該ルーフ膜を有する、複数層物品、積層物、またはルーフィング物質を提供する。
さらに別の異なる実施形態においては、ルーフ膜を製造する方法は膜を白色コーティングで被覆するか、またはルーフ膜上にアクリルシートもしくはPVCシートもしくはホイルシートをオーバーレイする(overlaying)かまたは積層することをさらに含む。
(a)1種以上の架橋ゴムの粒子を水性ポリマー分散物と混合して、水性分散物中の水性分散物混合物を形成し;
(c)水性分散物混合物を固相剪断粉砕にかけ;
(d)粉砕混合物の水分含有量を低減させ;および
(e)ルーフ膜を形成する;
ことを含み、
水性ポリマー分散物が懸濁重合によって得られる方法により製造される。
本明細書において使用される場合、用語「ラテックスポリマー」はポリマーマイクロ粒子(粒子サイズ1ミクロン未満)の水中での分散物をいう。
本明細書において使用される場合、用語「エマルションポリマー」は乳化重合方法によって、水中または実質的に水性の溶液中で製造されたポリマーを意味する。
本明細書において使用される場合、用語「懸濁重合」は懸濁重合方法によるポリマーを意味する。
本明細書において使用される場合、用語「粉砕」は、引き裂き、剪断、磨耗、または磨砕によって達成される、固体粒子状物質の粒子サイズを結果として低減させるあらゆる方法をいう。
本明細書において使用される場合、用語「固相剪断粉砕(solid state shear pulverization)」または「S3P」は、激しい剪断応力を固体粒子に与える、固相の物質の非溶融粉砕をいい、これは周囲温度でまたは冷却してその物質を用いて行われうる。
本明細書において使用される場合、用語「形成」は、成形された物品をもたらすように熱可塑性物質を扱う操作をいう。
本明細書において使用される場合、他に示されない限りは、用語「コポリマー」は独立して、コポリマー、ターポリマー、ブロックコポリマー、セグメント化コポリマー、グラフトコポリマーおよびそのいずれかの混合物または組み合わせを含む。
本明細書において使用される場合、「アルキル」の語句は、1以上の炭素原子を有するあらゆる脂肪族アルキル基を意味し、アルキル基にはn−アルキル、s−アルキル、i−アルキル、t−アルキル基または5、6もしくは7員環構造を1以上有する環式脂肪族が挙げられる。
本明細書において使用される場合、「(C3−C12)−」または「(C3−C6)−」などの語句は、それぞれ、3〜12の炭素原子および3〜6の炭素原子を含む化合物を意味する。
用語「不飽和スルホン酸モノマー」には、例えば、2−(メタ)アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸およびパラ−スチレンスルホン酸が挙げられる。
本明細書において使用される場合、語句「水性」または「水性溶液」には、水、並びに水と水混和性溶媒とから実質的になる混合物が挙げられる。
本明細書において使用される場合、「重量%」、「wt.%」または「重量パーセント」は重量パーセントを意味する。本明細書において使用される場合、語句「ポリマー複合体固体の全重量を基準にして」とは、ポリマー複合体(例えば、ラテックスコポリマーおよび粉砕タイヤゴム)中の水でない全ての成分の全重量に対する所定の成分の重量をいう。
同じ成分または特性に関する全ての範囲の端点は、その端点の境界値を含み、かつ独立して組み合わせ可能である。
市販のアクリル系ラテックスポリマーRhoplex商標AC261ラテックス(アクリル酸ブチルとメタクリル酸メチルとのエマルションコポリマー、50%固体;ロームアンドハースカンパニー、フィラデルフィア、ペンシルバニア州)および粉砕タイヤゴム(203ミクロン篩い粒子サイズ;すなわち、60メッシュ;Lv Huan Rubber Powder Limited Company、浙江、中国)がスラリー混合物中で次のように使用された:2ガロンの容器中で、1000gのRhoplex商標AC261ラテックスが3500gの水で希釈された。撹拌しつつ、その希釈ラテックスに500gの粉砕タイヤゴムが、10分間にわたって徐々に添加された。クラムタイヤゴムがラテックス分散物中に分散された後、塩化鉄(III)、すなわちFeCl3、の40%溶液37.6gが分散物に添加され、ラテックスの凝結を開始させた。撹拌は15分間続けられ、そのスラリー混合物を一晩放置して平衡化させた。凝結した混合物は沈降して固体ケーキになったが、撹拌によって流動可能なスラリーに容易に再分散されうる。凝結ポリマー固体の粒子サイズは、光学顕微鏡によって約10−200ミクロンであると推定された。さらに、凝結混合物の粒子サイズおよび粒子サイズ分布はマルバーンマスターサイザー(Malvern Mastersizer)2000商標粒子サイズ分析機(Malvern Instruments Ltd.,マルバーン,ウースターシャー、英国)を用いて測定された。結果は、低い粒子サイズ分布が1ミクロン〜1,000ミクロンの粒子の広い分布を示し、80%超が2−200ミクロンであり、および〜25ミクロンでピークを有する、重なった二峰性の分布を示した。後者の分布は、凝結ラテックスポリマーのものであると決定された(下記の1(b)参照)。
別の手順において、実施例1a)に記載されるようなスラリーは、次のように、ラテックスの凝結とそれに続く粉砕タイヤゴムの添加によっても製造された:2ガロンの容器中で1000gのRhoplex商標AC261ラテックス(50%固体)が3500gの水で希釈された。その分散物に、FeCl3の40%溶液37.6gが添加され、ラテックスの凝結を開始させた。撹拌は15分間続けられ、凝結ポリマー分散物は一晩放置され平衡化させられた。撹拌しつつ、500gの粉砕タイヤゴム(203ミクロン篩い粒子サイズ;すなわち60メッシュ)が、凝結ポリマー分散物に10分間にわたって徐々に添加された。凝結ポリマー固体の粒子サイズは光学顕微鏡で約10−200ミクロンであると推定された。さらに、凝結分散物の粒子サイズおよび粒子サイズ分布はマルバーンマスターサイザー2000商標粒子サイズ分析機を用いて測定された。結果は、80%超が2−200ミクロンであり、および〜25ミクロンでピークを有する、1ミクロン〜1,000ミクロンの粒子の広い分布を示した。
ラテックスの凝結が粉砕タイヤゴムの存在下でその場で(in situ)おこなわれた実施例1(a)からのスラリーが後述のようにさらに加工され、表1にまとめられた。
サンプル2は、Plastics,Rubber and Composites Processing and Applications,1996 Vol.25,No.3,152−158;Polymer Engineering and Science,1997,Vol.37,No.6,1091−1101に記載されるように、パンミル法を用いて湿潤条件下で固相剪断粉砕にかけられた。この場合において、ポリマー/ゴムスラリーは10%の合計固形分に希釈され、パンミルの取り込み口に供給された。ミリングは、周囲条件下、60rpmで回転する移動パンを用いて行われた。パンの間の隙間は、流体駆動装置によって制御され、ポリマー/ゴム混合物の効果的な粉砕を達成した。粉砕されたスラリーの排出物をミルに再導入することによって、スラリーは5回粉砕された。
サンプル3は、ディスクミル法を用いたことを除いて、同様に、湿式条件下固相剪断粉砕にかけられた。ディスクミルは米国特許第4,614,310号に記載され、スラリーはミルを一回だけ通る。ミリングは周囲条件下で行われた。
比較の目的で、表1は固相剪断粉砕を使用しないサンプルを含む。サンプル1においては、スラリーはコールドブレンド(周囲温度)される。サンプル4は市販の40ミル乾燥厚のEPDM(エチレン−プロピレン−ジエンモノマー)ゴムルーフ膜である。サンプル1−3はさらに加工され(後述)、40ミル乾燥厚の膜を生じさせた。
サンプル1−3の粉砕されたまたは混合されたポリマー/ゴムスラリー混合物は10ミクロンフィルターバッグを用いてろ過され、固体混合物はさらに絞られてフリーの水を低減させた。得られる湿潤固体(〜50−60%水分含有量)が真空オーブン中、70℃で2日間乾燥させられた。乾燥した混合物固体(5%未満の水分含有量)が場合によっては190℃、5分間2−ロールミルで加工されることができ、そして、例えば、0.102、0.127または0.203cmの厚み(40、50または80milの厚み)で、25.4cm×25.4cm(10インチ×10インチ)のフレームに取り付けられたスチールプラーク間で、190℃で、全部で5分間、すなわち3分間は低圧(10−15トン)で2分間は高圧(75トン)で圧縮成形されることができる。加圧下(75トン)、室温で5分間、循環水を取り付けた冷却プレスにおいてさらなる冷却も行われうる。
2−ロールミリングを使用することなく、40rpmで回転する2つの先細の1.9cm(3/4インチ)直径のスクリューを用いるHaake逆向き回転円錐ツインスクリューを用いて複合体が直接押し出された。メインユニットは3つの加熱領域(185−190−195℃)並びに温度制御のための様々な熱電対および冷却ホースを有していた。物質は、0.102cm(40mil)のギャップサイズを有する5cm(2インチ)幅のリップダイを通して押し出された。他の押し出し機が使用されてよく、例えば、その物質は6インチダイを通して押し出されることができ、その他のダイサイズの選択も可能である。
実施例1−3の方法により製造された複合体ルーフィング膜サンプルはドッグボーン状に切り出され、0.35cm(0.14インチ)の幅および0.102cm(40mil)の厚みが得られた。Tinius Olsen H50KS引張り試験機(Tinius Olsen Inc.,ホーシャム、ペンシルベニア州)で、ゴムについてのタイプ5のセッティングを用いてASTM D−628プロトコルに従って機械的試験が行われた。クロスヘッド速度は0.76cm/分(0.3インチ/分)であり、0.76cm(0.3インチ)のゲージ長さが使用された。試験は23℃の制御された温度、および50%の制御された相対湿度のもとで行われた。この試験から、サンプルについての最大引張り強さ(応力)、破断点引張り強さ、引き裂き強さ、および最大伸びが決定された(表1)。
2.固体を分離し水分含有量を低減させる前に、サンプルは5回パンミルにかけられた。
3.固体を分離し水分含有量を低減させる前に、サンプルはディスクミルに1回かけられた。
4.ファイアストーン(Firestone)40ミルEPDMルーフィング膜。
複合体ルーフ膜は様々な他のラテックスポリマー、例えば、Rovace商標661(酢酸ビニル/アクリル酸ブチル、55%固体;ロームアンドハースカンパニー、フィラデルフィア、ペンシルバニア州);Airflex商標500(エチレン/酢酸ビニル、55%固体;エアプロダクツアンドケミカルズインク、アレンタウン、ペンシルバニア州);UCAR商標DM171(スチレン/ブタジエンゴム、50%固体;ダウケミカルカンパニー、ミッドランド、ミシガン州)およびRhoplex商標2200(スチレン/アクリル系、50%固体;ロームアンドハースカンパニー)を用いて製造されうる。表2に示された量および実施例1(a)に記載されるような方法に従って、それぞれのラテックスポリマーについて、ポリマー/ゴムスラリー混合物が製造される。
ポリマー−ゴムルーフ膜は最初に加工されたとき黒色である。より高い温度の気候においては、建築物が熱をあまり吸収しないようにルーフコーティングが太陽光を反射できることが望まれる。表1のサンプル1−3は、これら黒色ルーフ膜を用いて太陽光反射が可能かどうかを検討するために様々な処理にかけられた。下記の表3はARM91−1配合物を与え、表4において太陽光反射性コーティングとして使用した。
2.FMC Corp.、フィラデルフィア、ペンシルベニア州、米国
3.ヘンケル Corp.、アムブラー、ペンシルベニア州、米国
4.ECC アメリカ,Inc.、アトランタ、ジョージア州、米国
5.E.I.デュポン de Nemours&Co.,Inc.,ウイルミントン、デラウエア州、米国
6.ZINC Corp.オブアメリカ、モナカ、ペンシルベニア州、米国
7.イーストマンケミカルカンパニー、キングスポート、テネシー州、米国
8.アクアロン、ハーキュレス(Hercules)Inc.,ウイルミントン、デラウエア州、米国
9.KTPP:トリポリリン酸カリウム
2.固体を分離し水分含有量を低減させる前に、サンプルはディスクミルに1回かけられた。
3.ARM91−1配合物;上記表3参照。
a)10湿潤ミルのエラストマー性ルーフコーティング配合物ARM91−1(表3)そして乾燥させた、
b)押し出し機において膜上にTiO2粉体を振りかけた、
c)接着剤を用いて黒色膜に被覆ホイルを接着させた。
太陽光反射性の値はASTM C1549を用いて測定され、より高い数値がより良い反射性を示す0〜100のスケールで、冷却高太陽光反射性ルーフ表面(cool,high−solar−reflective roof surface)としての性能を評価した。表4におけるデータは、黒色ポリマー−ゴムルーフ膜が処理され、太陽光反射性ルーフ膜を生じさせうることを示す。白色アクリル系プラスチックシートの使用も黒色膜上に使用されることができ、太陽光反射性を向上させうることが予想される。
熱可塑性複合体の柔軟性は、ルーフ膜をはじめとする多くの最終用途において重要である。ポリマー/ゴム複合体は、ゴムタイプの物質の耐クラッキング性を測定するマンドレル曲げ試験(Mandrel Bend Test;ASTM試験D552)に従って、低温柔軟性について試験された。ポリマー/ゴム膜(0.102cm厚み、すなわち40ミル)が特定の直径の円筒形マンドレル上で、特定の低い温度で(0.32cmすなわち1/8インチ、32°F;1.59cmすなわち5/8インチ、15°F;および2.54cmすなわち1インチ、5°F)、1秒間曲げられ、クラッキングを評価した。試験は、所定のマンドレル直径および所定の温度でクラッキングが起こるかどうかに従って、「合格」(P)/「不合格」(F)で評価される(下記の表3)。
2.固体を分離し水分含有量を低減させる前に、サンプルはディスクミルに1回かけられた。
3.APP=アタクチックポリプロピレン改質ビチューメンルーフ膜
4.SBS=スチレン−ブタジエン−スチレン改質ビチューメンルーフ膜
本発明のルーフ膜を製造する方法において、コポリマーは凝結ラテックスポリマーとしてまたは懸濁ポリマーとして提供される。このことは、固体の剪断中の緊密な接触を助けるためにゴム粒子の粒子サイズに類似する粒子サイズを提供するだけでなく、固相剪断粉砕の後の混合物からの固体の容易な分離を可能にすることにも重要である。
凝結または懸濁ポリマーを使用しなければ、粉砕プロセスから得られるラテックスポリマー固体は本質的にフィルターを通過し、ろ過固体はラテックスポリマーに関してはほとんど変化していない。
粉砕後にスラリー中の固体を分離する能力は複合体混合物が洗浄されるのを可能にする。スラリー中に残る親水性成分、例えば、凝結剤および界面活性剤は最終製品に悪影響を及ぼしうる。下記の表6において、ミリング方法から得られた凝結複合体混合物は10ミクロンのろ過バッグでろ過され、次いで固体は、2回、水中に再分散されそして再ろ過され、効果的にサンプルを洗浄し、残留する親水性物質を除去する。複合体混合物は実施例3(a)および3(b)に記載されるように加工された。押出後の最終固体複合物質の水感受性は、膜の片を水中に浸漬し、次いで、表面水を乾燥除去した後、時間の経過による水の吸収を測定することにより決定された。水の吸収は複合体の重量に対する吸収された水の重量%として計算された。
2.ルーフ膜は、ディスクミリングにより得られた上記(表1)のサンプル3。
Claims (12)
- (a)1種以上の水性ポリマー分散物を凝結させて、約1ミクロン〜約1,000ミクロンの重量平均粒子サイズの水性凝結ポリマー分散物を生じさせ;
(b)該水性ポリマー分散物を凝結させる前または後に、1種以上の架橋ゴムの粒子を該水性ポリマー分散物と混合して、水性分散物混合物を形成し;
(c)該水性分散物混合物を固相剪断粉砕にかけ、それにより粉砕混合物を生じさせ;
(d)前記粉砕混合物の水分含有量を低減させ;および
(e)ルーフ膜を形成する;
ことを含む方法により製造されたルーフ膜。 - 方法が、ルーフ膜を形成するために粉砕混合物を押し出すことをさらに含む、請求項1に記載のルーフ膜。
- 架橋ゴムの粒子サイズが43ミクロン篩い粒子サイズ(325メッシュ)以上、または11,100ミクロン篩い粒子サイズ(2メッシュ)以下である、請求項1に記載のルーフ膜。
- 架橋ゴムが少なくとも部分的に再利用タイヤから得られる、請求項1に記載のルーフ膜。
- 凝結させられる水性ポリマー分散物がエマルションポリマー分散物から得られる、請求項1に記載のルーフ膜。
- 水性凝結ポリマー分散物がエマルションポリマー製造設備の廃棄物流れから得られる、請求項1に記載のルーフ膜。
- 粉砕混合物の水分含有量を低減させることが、粉砕混合物の固体物質を分離することを含む、請求項1に記載のルーフ膜。
- 固相剪断粉砕がパンミリングまたはディスクミリングを含む、請求項1に記載のルーフ膜。
- 水性凝結ポリマー分散物が、カルボン酸官能基、リン含有酸官能基、ヒドロキシ官能基、アミン官能基、アセトアセトキシ官能基、シリル官能基、エポキシ官能基、シアノ官能基、イソシアナート官能基およびこれらの組み合わせから選択される官能基を有する1種以上の官能性モノマーの重合単位を有するコポリマーを含む、請求項1に記載のルーフ膜。
- 混練、または押出、または2−ロールミリング、または加熱成形、または圧縮成形の1種以上を含む加工中にルーフ膜がさらに架橋される、請求項1に記載のルーフ膜。
- 方法が、膜を白色コーティングで被覆するか、またはルーフ膜上にアクリル系シート、もしくはPVCシート、もしくはホイルシートをオーバーレイするかまたは積層することをさらに含む、請求項1に記載のルーフ膜。
- (a)1種以上の架橋ゴムの粒子を水性ポリマー分散物と混合して、水性分散物混合物を形成し;
(c)該水性分散物混合物を固相剪断粉砕にかけ、粉砕混合物を生じさせ;
(d)該粉砕混合物の水分含有量を低減させ;および
(e)ルーフ膜を形成する;
ことを含み、
該水性ポリマー分散物が懸濁重合によって得られる、
方法により製造されたルーフ膜。
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