JP5457702B2

JP5457702B2 - 酸化ビスマス及び酸化ビスマスから生成される粒子からなるシリコーンゴム組成物

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Publication number: JP5457702B2
Application number: JP2009077938A
Authority: JP
Inventors: スラウォミール・ルービンシュタイン; ローウェル・スコット・スミス; チャールズ・エドワード・バウムガートナー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: KR101556793B1; US20090243436A1; US8389627B2; US7902294B2; FR2929950B1; FR2929950A1; CN101544832B; US20110112406A1; JP2009240782A; KR20090103796A; CN101544832A

Description

本発明は、超音波イメージング又は治療装置用の音響レンズの生成に有用な新型充てんシリコーン組成物に関するものである。

一般的なシリコーン樹脂の音響インピーダンスは、通常約１．５ＭＲａｙｌｓ（１ｒａｙｌｓ＝１Ｎ・Ｓ／ｍ^３）のヒト組織の音響インピーダンスと比べると約１ＭＲａｙｌｓと比較的低い。医療イメージング用超音波プローブに使用される音響レンズの用途として、超音波装置の音響レンズ要素からなるシリコーン樹脂と患者の組織との間の音響インピーダンスにおける不一致は、超音波プローブと人体との間の超音波伝達効率の減少を引き起こす。レンズ材料として使用されるシリコーン樹脂の音響インピーダンスは、高濃度無機充てん剤の取り込みによりヒト組織の音響インピーダンスまで増加され且つ近づけられる。ヒュームドシリカ、石英、ＴｉＯ_２、及びＡｌ_２Ｏ_３のような多くの無機充てん剤は、超音波プローブ用の音響レンズの準備に有用なシリコーン樹脂の音響インピーダンスを増加するために用いられている。これらの金属酸化物の比較的低い濃度（約２．２から約４．２ｇ／ｃｍ^３）により、１．５Ｍｒａｙｌｓかまたはそれ以上の音響インピーダンスに達するように高充てん剤装填（２０から４０ｖｏｌ％）が求められている。高充てん剤装填は、例えば高粘度、扱いにくい性質、及び高音響減衰などの充てんシリコーン組成物の望まれない特性をもたらす。近年、特許文献１とその同僚は、重金属などの高濃度充てん剤と重金属酸化物のサブミクロンサイズの粒子とからなる充てんシリコーン組成物のいくつかの製剤を報告した。特許文献１により開示された充てんシリコーン組成物は、約１．５ＭＲａｙｌｓの音響インピーダンス値を示し、またそれはナノ粒子白金族及び酸化イッテルビウムからなることを報告した。

米国公開２００５−００７０８０１号公報米国特許４６５１８５０号公報米国特許６４１８０８４号公報米国特許７０５４００２号公報特開昭６２−０９０１３９号公報特開昭６２−０１１８９７号公報特開昭５８−２１６２９４号公報

超音波プローブ用の音響レンズの生成に有用な物質の分野における最近の進歩に関わらず、更なる改良が望まれており、その改良がここに開示される。

一つの実施形態において、本発明は、シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスからなる充てんシリコーン組成物を提供する。

他の実施形態において、本発明は、シリコーン樹脂及びナノ粒子酸化エルビウムからなる充てんシリコーン組成物を提供する。

更に他の実施形態において、本発明は、シリコーン樹脂と、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスと、ナノ粒子酸化エルビウムと、からなる充てんシリコーン組成物を提供し、ナノ粒子酸化ビスマスは、約１０ナノメータから約２００ナノメータの平均粒子サイズを有し、組成物の総量の約０．１ボリュームパーセントから約１０ボリュームパーセントからなる。更に、ナノ粒子酸化エルビウムは、組成物の総量の約０．１ボリュームパーセントから約７ボリュームパーセントに対応する量の中に存在する。

更に他の実施形態において、本発明は、基板物質と、圧電変換器と、シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスを含む充てんシリコーン組成物からなる音響レンズと、超音波プローブと、を提供する。

更に他の実施形態において、本発明は、基板物質と、圧電変換器と、シリコーン樹脂及びナノ粒子酸化エルビウムを含む充てんシリコーン組成物からなる音響レンズと、超音波プローブと、を提供する。

更に他の実施形態において、本発明は、第一湾曲表面と第二表面とからなる音響レンズを提供し、その音響レンズは、シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスからなる充てんシリコーン組成物からなる。

更に他の実施形態において、本発明は、（ｉ）基板物質と、（ｉｉ）圧電変換器と、（ｉｉｉ）シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスを含む充てんシリコーン組成物からなる音響レンズとからなる（ａ）超音波プローブと、（ｂ）信号処理ユニットと、（ｃ）画像ディスプレーと、からなる超音波診断装置を提供する。

上述したように、一つの実施形態において本発明は、医療イメージング及び治療用の音響レンズの製造に有用な充てんシリコーン組成物を提供する。充てんシリコーン組成物は、シリコーン樹脂とナノ粒子無機充てん剤とからなる。ナノ粒子無機充てん剤は、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス、ナノ粒子酸化エルビウム、及びそれらの混合物を含むグループから選ばれる。ここに開示されるように、ナノ粒子無機充てん剤の一方或いは両方の存在は、硬化及び未硬化状態において際立った性能特性を示す充てんシリコーン組成物を提供する。

ナノ微粒子により、言及される金属酸化物は、約１０ナノメートルから約１ミクロンの範囲の平均粒度を有することが意味される。一つの実施形態において、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス、ナノ粒子酸化エルビウム、及びそれらの混合物から選らばれたナノ粒子金属酸化物は、約１０ナノメートルから約１ミクロンの範囲の平均粒度を有する。更に他の実施形態において、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス、ナノ粒子酸化エルビウム、及びそれらの混合物から選らばれたナノ粒子金属酸化物は、約１０ナノメートルから約５００ナノメートルの範囲の平均粒度を有し、他の実施形態においては約１０ナノメートルから約２００ナノメートル、他の実施形態では約１０ナノメートルから約１００ナノメートルの範囲の平均粒度を有する。

一つの実施形態では、ナノ粒子金属酸化物は、平均粒子サイズが約１０ナノメートルから約１ミクロンのナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスからなり、他の実施形態では、約１０ナノメートルから約５００ナノメートルであり、更に他の実施形態では、約１０ナノメートルから約２００ナノメートルである。更に他の実施形態では、約１０から１００ナノメートルである。

一つの実施形態において、ナノ粒子金属酸化物は、平均粒子サイズが約１０ナノメートルから約１ミクロンのナノ粒子酸化エルビウムからなり、他の実施形態では、約１０ナノメートルから約５００ナノメートルであり、更に他の実施形態では、約１０ナノメートルから約２００ナノメートルである。更に他の実施形態では、約１０から１００ナノメートルである。

一つの実施形態において本発明は、未硬化充てんシリコーン組成物を提供する。他の実施形態において、本発明は硬化充てんシリコーン組成物を提供する。本発明によって提供される未硬化充てんシリコーン組成物の望ましい特性は、容易な取り扱い、脱ガス、及びモールドファイリングのための比較的低い粘度と、比較的低い硬化温度と、着色性とを含む。

本発明によって提供される硬化充てんシリコーン組成物に対応する本発明の未硬化充てんシリコーン組成物の変換は、様々な方法により影響されるが、最も簡単に影響されるのは、未硬化組成物の中に存在する他の成分による未硬化充てんシリコーン組成物の一成分のヒドロシリル化によるものである。従って、一つの実施形態において、未硬化充てんシリコーン組成物に存在するシリコーン樹脂は、ビニルシロキサン部分と水素化シリコーン部分とからなり、それは硬化充てんシリコーン組成物を生成するためにヒドロシリル化触媒の存在において反応する。適当な硬化触媒は、例えば白金、パラジウム、ロジウム、及びそれらの混合物などのヒドロシリル化触媒としての役割を果たすことができる貴金属を含む。一つの実施形態において、硬化触媒はKarstedt's触媒である。ヒドロシリル化に基づいて硬化薬品を利用するメリットは、有用な硬化レートが比較的低い温度、例えば約８０℃以下の温度、で得られることである。一つの実施形態において、未硬化充てんシリコーン組成物は、約６０℃以下で硬化される場合もある。他の実施形態において、未硬化充てんシリコーン組成物は、約５０℃以下で硬化される場合がある。本発明によって提供される未硬化充てんシリコーン組成物のシリコーン樹脂要素は当業者には周知であり、工業的に入手可能な様々な例がある。本発明によって提供される硬化充てんシリコーン組成物に存在するシリコーン樹脂は、時々、シリコーンゴムとして言い表される場合もある。

ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスは、約３０５℃から約６００℃の範囲の一つかそれ以上の温度においてナノ粒子正方ベータ相酸化ビスマスの熱処理によって準備されてもよい。約６００℃を超える温度で、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスは、大きな凝集体を生成する場合があり、そのため医療イメージングのための音響レンズへの使用に適していない。ナノ粒子酸化エルビウムは工業的に入手可能である。

一つの実施形態において、本発明は充てんシリコーン組成物を提供し、ナノ粒子無機充てん剤は、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスと、ナノ粒子酸化エルビウムと、その混合物とから選ばれ、約０．１ボリュームパーセントから１５ボリュームパーセントに対応する量の中に存在する。他の実施形態では、組成物の総量の約１ボリュームパーセントから１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から８ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約４から８ボリュームパーセントである。

一つの実施形態において、本発明は充てんシリコーン組成物を提供し、ナノ粒子無機充てん剤は、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスであり、約０．１ボリュームパーセントから１５ボリュームパーセントに対応する量の中に存在する。他の実施形態では、組成物の総量の約１ボリュームパーセントから１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から８ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約４から８ボリュームパーセントである。

一つの実施形態において、本発明は充てんシリコーン組成物を提供し、ナノ粒子無機充てん剤は、ナノ粒子酸化エルビウムであり、約０．１ボリュームパーセントから１５ボリュームパーセントに対応する量の中に存在する。他の実施形態では、組成物の総量の約１ボリュームパーセントから１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から８ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約４から８ボリュームパーセントである。

更に他の実施形態において、本発明は充てんシリコーン組成物を提供し、ナノ粒子無機充てん剤は、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスと、ナノ粒子酸化エルビウムと混合物であり、約０．１ボリュームパーセントから１５ボリュームパーセントに対応する量の中に存在する。他の実施形態では、組成物の総量の約１ボリュームパーセントから１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から１０ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約２から８ボリュームパーセントであり、他の実施形態では約４から８ボリュームパーセントである。一つの実施形態において、ナノ粒子酸化エルビウムは、組成物の中に存在する無機充てん剤の総量の約７５ボリュームパーセントより少ない量に対応する量の中に存在する。

本発明によって提供される充てんシリコーン組成物は、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス、ナノ粒子酸化エルビウム、又はその混合物に加え、その他の無機充てん剤からなる場合もある。更なる存在する無機充てん剤は、シリカ、石英、チタニア、アルミナ、酸化亜鉛、及びそれらの混合物を含む。一つの実施形態において、本発明によって提供される充てんシリコーン組成物は石英からなる。

一つの実施形態において、本発明によって提供される充てんシリコーン組成物は、例えばカーボンブラックのような色素からなる。一つの実施形態において、本発明によって提供される充てんシリコーン組成物は更に、カーボンブラック、アルミノスルホケイ酸塩、マンガンフェライト、及び酸化鉄からなるグループから選ばれる色素からなる。

一つの実施形態において、本発明は（ａ）基板物質と、（ｂ）圧電変換器と、（ｃ）音響レンズと、からなる超音波プローブを提供し、音響レンズは本発明で提供される充てんシリコーン組成物からなる。従って、一つの実施形態において、音響レンズは、シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスを含む充てんシリコーン組成物からなる。一つの実施形態において、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスは、約１０ナノメートルから約２００ナノメートルの平均粒子サイズを有する。他の実施形態では、充てんシリコーン組成物は更に、ナノ粒子酸化エルビウムから成る。更に他の実施形態では、充てんシリコーン組成物は更に色素からなる。一つの実施形態において、色素はカーボンブラック、アルミノスルホケイ酸塩、マンガンフェライト、及び酸化鉄からなるグループから選ばれる。一つの実施形態においては、音響レンズは、シリコーン樹脂とナノ粒子酸化エルビウムとからなる充てんシリコーン組成物からなる。

一つの実施形態において、本発明は、第一湾曲表面と第二表面を有する音響レンズを提供し、音響レンズは、本発明の充てんシリコーン組成物からなる。一つの実施形態において、音響レンズからなる充てんシリコーン組成物は、シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスからなる。

一つの実施形態において、本発明は、本発明の組成物から製造された音響レンズからなる超音波診断器を提供する。従って、一つの実施形態において本発明は、（ｉ）基板物質と、（ｉｉ）圧電変換機と、（ｉｉｉ）シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスからなる充てんシリコーン組成物を含む音響レンズと、からなる（ａ）超音波プローブと、（ｂ）信号処理ユニットと、（ｃ）映像ディスプレーと、からなる超音波診断器を提供する。

一つの実施形態において、本発明は、本発明の組成物から構成される音響レンズからなる超音波プローブを提供する。その音響レンズは、第一湾曲外表面と第二内表面とを有し、音響整合フィルム層の第一表面に接している。音響整合フィルム層の第二表面は、電圧層と一対の電極とからなる圧電変換器に接しており、圧電層は、充てんエポキシ熱硬化物質又は他の適当な物質からなる基板物質に配置されている圧電層である。圧電変換器は、そのような複数の圧電層と電極との複合物からなり、音響整合層に接している。各電極は接地電極板又はプリント基板に接続される。

一つの実施形態において、本発明により提供される超音波プローブは、圧電要素と一次元配列として構成される音響整合層とからなる。

一つの実施形態において、本発明は超音波プローブと、信号処理ユニットと、画像ディスプレーと、からなる超音波診断装置を提供する。信号処理ユニットは、圧電変換器の音響出力の配向と圧電変換器からの入力の受信と処理とが可能な、いかなる電子装置であってもよい。信号処理ユニットは、一般的にパーソナルコンピュータや、Texas Instrumentsによって入手可能なTMS320 series デジタルシグナルプロセッサのようなデジタル信号処理チップなどに使用されるセントラル処理ユニット（ＣＰＵ）である。様々な画像ディスプレー装置が入手可能であり、それは従来型の画像ディスプレーモニターを含む。

本発明により提供される組成物の実用性と、例えば超音波プローブ、音響レンズ、及び超音波診断装置などの装置の要素としての使用は、当業者により理解されるであろう。従って、本開示は、標準のレンズ形成技術を使用する音響レンズを生成するために使用されてもよい新規の組成物を提供する。そのため、その音響レンズは従来の組成物から成る基板物質上に形成される圧電変換器要素、信号処理ユニット、及び画像ディスプレーなどの、より複雑な装置に組み込まれてもよい。

ナノ粒子金属酸化物は3つの供給元から購入された：
Nanostructured and Amorphous Materials Inc. Huston TX,
Sigma-Aldrich Coorporation Milwaukee, WI,
Nanophase Technologies Corporation Romeoville, Il
調査された様々なナノ粒子金属酸化物がテーブル１に要約される。

テーブル１選択されたナノ粒子金属酸化物の物理的性質

Silicone 2-part addition cure resins RTV615 and SLE 5401は、Momentive Performance Materials Waterford, NYから入手した。シリコーン樹脂（88295）、silicone vinylstopped polydimethylsiloxane (PDMS) (SL6000)及びシリコーン架橋材（88104）は、Momentive Performance Materialsから入手した。Tetramethyltetravinylcyclotetrasiloxane (SIT7900.0)とPlatinum-cyclovinylmethylsiloxane complex - 2-2.5wt% Pt (SIP6832.2)は、Gelest Inc. Morrisville, PAから購入した。Phenyltrimethoxysilane, octyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, allyltrimethoxysilaneは、Gelestから購入した。Silcopas Black 220 (dispersion of Fe3O4 in vinylstopped polydimethylsiloxane fluid) は、 Gayson Specialty Dispersion Inc. Barberton, OHから入手した。

充てん剤のスクリーニング
液状製剤：ＲＴＶ６１５と約４．２ボリュームパーセントの十分に処理されたヒュームドシリカとからなる低粘度シリコーン製剤における金属酸化物ナノ粒子の分散と、目標濃度を得るために必要とされる充てん剤の望ましい量が準備され、これらの製剤から準備された硬化サンプルの音響特性が検査された。得られた硬化混合組成物の目標濃度は、１．５５ｇ／ｃｍ^３＋／−０．０５ｇ／ｃｍ^３であった。分散は、FlackTek Inc Landrum, SCから入手可能なSpeedmixer DAC 400 により準備された。一般的な手順は以下のように描写される：（ａ）１０ｇのＲＴＶ６１５Ａを処理されたヒュームドシリカＲ８２００が事前に充てんされた５０ｍｌのプラスチック容器に入れられる。（ｂ）７から９ｇのナノ粒子金属酸化物充てん剤を加え、(c)Speedmixerの中で２７００ｒｐｍの速度で４５秒間、４回撹拌される。（注意事項：撹拌段階で金属が熱くなる場合がある）（ｄ）得られた混合組成物が２０℃まで冷却され、（ｅ）１ｇのＲＴＶ６１５Ｂが加えられ、（ｆ）手で撹拌され、（ｇ）Speedmixerの中で２７００ｒｐｍの速度で１０秒間、３回撹拌される。（ｈ）減圧デシケーターの中で１ｍｍＨｇで１５分間、ガス抜きがされる。（ｉ）ガス抜きした分散をＴＥＦＬＯＮ（登録商標）型に注ぎ、（ｊ）ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）型に収容された分散を、１ｍｍＨｇで５分間、減圧デシケーターの中でガス抜きする。（ｋ）型から余分な分散を取り除き、（ｌ）６０℃の型の中で４時間、硬化テストサンプルを得るためにその分散を硬化する。

８８２９５シリコーン樹脂製剤
シリコーン樹脂内のナノ粒子金属酸化物の分散が、Exakt50の３本ロールミルを使用して準備される。一般的な手順は以下である：（ａ）１０ｇの８８２９５シリコーン樹脂を５０ｍｌのプラスチック容器に入れる。（ｂ）所望量のナノ粒子金属酸化物粉末（３０から４０ｇ）を加え、（ｃ）Speedmixerの中で２７００ｒｐｍの速度で４５秒間、３回撹拌する。（注意事項：高速撹拌中に物質が熱くなる場合がある）（ｄ）得られたペーストを３本ロールミルに移動し、（ｅ）最小ギャップ設定で粉砕し、こすり刃上の分散を収集する。（ｆ）分散を３本ロールミルに戻し、３回から１０回、粉砕工程を繰り返す。（ｈ）必要な８８２９５樹脂を加え、（ｉ）Speedmixerの中で撹拌（２７００ｒｐｍで４５秒間を３回）し、（ｊ）プラチナ触媒とtetramethyltetravinylcyclotetrasiloxane抑制剤を加える。（ｋ） Speedmixerの中で２７００ｒｐｍの速度で３０秒間、３回撹拌する。（ｌ）得た混合物を最低２０℃まで冷却し、（ｍ）所望量のSilcopas Black 220及び hydrido functionalized siloxane crosslinker （８８１０４）を加え、（ｎ）混合物が濃いグレー色になるまで手でよく混ぜる。（ｏ）Speedmixerで最終撹拌として２７００ｒｐｍで１５秒間、２回撹拌する。（ｐ）真空デシケーターで１ｍｍＨｇで１５分間、混合物をガス抜きする。（ｑ）混合物をＴＥＦＬＯＮ（登録商標）型に注ぎ、（ｒ）１ｍｍＨｇで５分間真空デシケーターで混合物をガス抜きする。（ｓ）型から余分な物質を取り除き、（ｔ）６０℃で４時間硬化する。

型内硬化条件：未硬化充てんシリコーン組成物はガス抜きされ、５×５×０．３ｃｍのＴＥＦＬＯＮ（登録商標）型に注がれた。未硬化充てんシリコーン組成物を含む型は、１ｍｍＨＧで５分間、真空デシケーターに入れられた。余分な未硬化充てんシリコーン組成物は、ドクターブレードによって除去された。未硬化充てんシリコーン組成物を含む型は、実験オーブン（VWR 1330LMモデル）に入れられ、硬化と硬化充てんシリコーンの供給をもたらすために６０℃で４時間置かれた。

充てん剤処理酸、化ビスマス：２５０ｇの工業用ナノ粒子ベータ相酸化ビスマス粉末は、セラミックトレー上に置かれ、Lindberg Blue M高温プログラム可能箱型炉に入れられる。ベータ相Ｂｉ_２Ｏ_３サンプルは、４５０℃で２時間熱せられ、その後ナノ粒子アルファ相酸化ビスマスを提供するために５時間かけて室温まで冷却された。

充てん剤処理、酸化エルビウム：５００ｇの工業用ナノ粒子酸化エルビウム粉末と１２．５ｇのphenyltrimethoxysilaneがガラスジャーに入れられた。その粉末は室温でローラーミキサーによって３時間撹拌された。密閉されたジャーは１１０℃の真空オーブンに１時間入れられた。加熱中圧力が高まることがあるので注意が必要である。この目的を達成するために、ジャーは加熱工程において１５分間隔で注意深くガス抜きされた。１時間後、ジャーの蓋は取り外され、処理された酸化エルビウムは揮発性を取り除くために１６０℃の真空オーブンで少なくとも２時間加熱された。処理されたＥｒ_２Ｏ_３は室温まで冷却され、必要となるまで密閉されたジャーで保管された。

テスト方法
新しいレンズ物質の音響特性が特徴付けられた。硬化テストサンプルは、５ｃｍ×５ｃｍ×０．２−０．５ｃｍのサイズを有する型にレンズ物質を流し込むことで準備された。サンプルはガス抜きされ、その後型内で硬化された。

硬化テストサンプルの音響縦速度、インピーダンス及び減衰が測定された。その測定は、貯水槽の中で互いに向かい合って搭載された同一の二つの変換器によって行われた。一つを送信器として使用したとき、Panametrics 5800 パルサー/レシーバーからの短パルスは水路を通じて受信変換器に送られた。薄いサンプルは、超音波ビームの経路で変換器の間で止まる場合がある。時間の経過とエコー振幅は、存在及び不在のサンプルで記録される。

このサンプル速度Ｃｓは以下のように表される。

“ＣＨ_２Ｏ”は水の中の音速であり、“ｔ２”は音波ビームでのサンプルの遅延時間であり、“ｔ０”は、基準水路ビームの遅延時間で、“ｄ”はサンプルの厚さである。サンプル厚さ“ｄ”は、マイクロメーター高さ測定器で５箇所（四角の四つ角及び中心）が測定される。この測定はビームを遮断する範囲で行われる。水の中での音速は、温度への少ない依存性を有しているため、実験の最初と最後で水槽の温度を測定するのによい習慣である。時間遅延を正しく測定するために、受信された信号は、オシロスコープに広域な時間基準で表示される。垂直位置は調整されるので、信号の基準はゼロライン”と呼ばれる横グリッド線に一致する。時間カーソルは、第一の重要な（すなわち識別可能な）ゼロ交差の近くに位置される。波形で初期ポイントの利用は分散効果を最小限にする。サンプル測定に対して、極値を生成するためにサンプル位置は回転される。水より遅い（速い）速度の物質に対しては、サンプルは適当な位置に置かれるのでカーソルは受信した波形の後方（前方）近くで極値を見つける。カーソルはそしてゼロラインに並ぶように調整され、オスシロスコープからの時間遅延が記録される。

標準方法ではピーク間の信号電圧を測定するために、オスシロスコープの波形分析特性を使用する。信号は、結果の記録１０秒前を平均化することが可能であり、電圧測定は整合性を確実にするために２回繰り返される。ユニット長さごとの減衰“Ａｔｔｎ“は以下によって表される。

Ｖｐｐｓ及びＶｐｐは、サンプル及び基準からの各ピーク間信号電圧である。

比較的薄いサンプルの一つの利点は、信号が著しく歪んでいないことである。テストサンプルは、２−３ｍｍ厚で、たいてい１５ｄＢ以下の未加工信号減衰とともに５ＭＨｚで５波長以上の時間遅延が観察された。サンプルと水との音響インピーダンス差は反射損に貢献する場合もあるが、しかしながらそのような損失は人体（１．２５ＭＲａｙｌｓ＜Ｚｌｅｎｓ＜１．６ＭＲａｙｌｓ）に似た音響インピーダンスのテストサンプル材料に重要ではないとしばしば見出されることがあった。

硬化テストサンプルのインピーダンスと減衰は、３Ｍから１０ＭＨｚの周波数幅以上のブロードバンドパルス技術を利用した測定ベンチに記録された。測定ベンチは、反対に並べられた３つの広帯域変換器（変換器の中心周波数は、３Ｍ、７．５Ｍ、及び１０ＭＨｚである）を含む水槽と、サンプルローテーション、波形発生器、及び数詞オスシロスコープを可能にするサンプルホルダーと、波長発生器と数詞スコープとを稼動するためのコンピュータとを含む。

硬化充てん組成物の磨耗テストは、ＡＳＴＭＧ０９−０９５ａ（２０００）を使用した従来のピンオンディスク磨耗試験機で行われた。

硬化シリコーン弾性の機械的特性は、環境条件でＩＮＳＴＲＯＮ試験装置を使用して測定された。

化学抵抗：テストサンプルは、４つの異なる化学薬品に２４時間浸された。テスト薬品は、パラベンスープ（８０％のエタノールの２０％ジクロロベンゼン）、工業的に入手可能なCidex ＯＰＡ消毒剤、９８％のエタノールの２％のイソプロピルミリスチン酸塩、及び１００％のイソプロパノールを含む。各テスト薬品に対して、４つのサンプルの薬品に浸す前と後の重さを測定した。増加した重量の割合が計算された。本発明により提供される新しいレンズ材料は、従来のレンズ材料より低い化学吸収を示した。

未硬化充てんシリコーン組成物の粘度は、ＣＡＰ２０００＋Brookfield viscometerを使用して測定された。

充てんシリコーン組成物の熱伝導性は、直径2インチのテストサンプルを使用しThermetrix TCA-300熱伝導アナライザーを使用して決定された。テストサンプルの厚さはデジタルマイクロメータで測定された。テストサンプルは、DOW Corning 340 Heat Sink Compoundで被膜され、熱伝導測定は約６５℃で行われた。

硬化充てんシリコーン組成物のShore A Hardness値は、手持ちのStarrett Digital Durometer No. 3805を使用して決定された。

テーブル２音響レンズ材料として使用可能な新しい充てんシリコーン組成物の目標特性

超音波レンズを製造するために使用される一般的な流動性を有するシリコーン製剤は、無機充てん剤として、石英ミクロンサイズ粒子で充てんされている。キャスタブルレンズ形成物質のように実用的な一方で、そのような物質は、低耐摩耗性、超音波検査に使用されるゲルに対する比較的高い浸透性、及びパラベン、イソプロパノール、イソプロピルミリスターテ、及びCidex ＯＰＡ，のような薬品の洗浄、を含んだ数々の欠陥に悩まされることがあり、また比較的低い音響インピーダンスを示す場合もある。本発明の根底にある当初の調査では、所望特性のリストは、音響レンズ材料として使用可能な新しい充てんシリコーン組成物の検査を元に確立された。新しいレンズ材料の目標特性のリストはテーブル２に示される。

約１．５５から約１．６５ｇ／ｃｍ３の範囲の最終濃度を得るために必要とされる量のナノ粒子金属酸化物粉末は、Momentive Performance Materialsから得られ、約４ｖｏｌ％Ｒ８２００（Degussa Corporationからの処理ヒュームドシリカ）を含んだ“追加硬化性”シリコーン樹脂物質ＲＴＶ６１５に混合された。ナノ粒子金属酸化物からなる充てんシリコーン組成物は硬化前の低粘度と低流動性及び、未硬化充てんシリコーン組成物から用意された硬化サンプルの低音響減衰の証拠のために検査される。スクリーニング検査はテーブル３に要約されている。検査された充てんシリコーン組成物のほとんどは、音響レンズの製造に使用されるのに不向きであると発見された。なぜなら、例えば未硬化充てんシリコーン組成物が流動せず、不適切な濃度を有し、或いは硬化において余剰な音響減衰を示したからである。テーブル３に示される初期検査の結果を基に、二つのナノ粒子金属酸化物充てん剤は、約４３ナノメートルの平均粒子サイズを有する酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）及び約３０から約２１０ナノメートルの平均粒子サイズを有するベータ相酸化ビスマス、という徴候を示すように思われる。酸化エルビウム又は正方ベータ相酸化ビスマス充てん剤からなる未硬化充てんシリコーン組成物は、ＲＴＶ６１５シリコーン樹脂においてナノ粒子金属酸化物の優れた拡散を示した。未硬化充てんシリコーン組成物は流動性を有し、比較的低い粘度を示した。ナノ粒子酸化エルビウム又はベータ相酸化ビスマスを含んだ未硬化充てんシリコーン組成物は、５０から６１のＳｈｏｒｅＡで優れた音響特性及び硬度を示した硬化テストサンプルを提供するために６０℃の型で硬化された。しかしながら、ベータ相酸化ビスマスからなる硬化充てんシリコーン組成物は鮮黄色であった。反対に、Ｅｒ_２Ｏ_３からなる硬化充てんシリコーンはピンク色であった。当業者には理解されるように、本質的に鮮やかな色の物質は、その物質からなる粒子の色の調整を試みたとき難しい場合がある。これは本質的に鮮黄色の充てんシリコーン組成物の具体的な事実であるが、それらは明るい青やグレーのようなより地味な色を必要とするアプリケーションに使用されることが目的とされている。超音波プローブの要素として、鮮黄色音響レンズ自体が好ましくないわけではないかもしれないが、レンズの色を他の色に調整できないことは深刻な設計制限とみなされるであろう。

テーブル3 充てん検査実験の結果

未硬化充てんシリコーン組成物が大規模に準備されたとき、ナノ粒子正方ベータ相酸化ビスマスが硬化反応の阻害を示すことが発見された。例えば、ナノ粒子ベータ相酸化ビスマスを含む未硬化充てんシリコーン組成物を６０℃で６時間加熱した後、硬化サンプルは前に観察されたよりかなり低い硬度（約３５ＳｈｏｒｅＡ）を示し、その低い硬度は不完全な硬化に起因する。第二サプライヤー(Nanophase Technologies Corp.)から得た別のベータ相酸化ビスマスは更に強い阻害を示し、硬化サンプルは粘着性の感触があった。ナノ粒子ベータ相酸化ビスマスを含んだ未硬化充てんシリコーン組成物の硬化阻害は当初、硬化プロセスに関与するヒドロシリル化反応を阻害する不純物の存在、又は硬化可能なシリコーン樹脂に存在する架橋剤とナノ粒子ベータ相酸化ビスマスの具体的に強い相互作用、またはヒドロシリル（Ｐｔ）触媒によるものだと疑われていた。

異なったサプライヤーから入手したナノ粒子正方ベータ相酸化ビスマスの３つの別々のバッチの基本分析は、特徴的な混合物質又はヒドロシリル化反応を阻害すると知られている種の存在を明らかにしなかった。ナノ粒子ベータ相酸化ビスマスサンプルのそれぞれは、多少の余剰酸素を含んだ高純度Ｂｉ_２Ｏ_３であるように思われた。Ｘ線回析分析（ＸＲＤ）は、３つのナノ粒子酸化ビスマスサンプルが確実に正方β相Ｂｉ_２Ｏ_３であることを確認した。ベータ相酸化ビスマスのサンプルはまた熱重量分析（ＴＧＡ）により分析された。

工業用ベータ相酸化ビスマスサンプルのＴＧＡ分析は、第一加熱サイクル中（周囲の温度が５００℃以上で約８０分）に０．２５％の重量損失を示した。興味深いことに、周囲条件に１６時間さらした後の第二加熱サイクルはたった０．０７％の重量損失を示した。単に表面水の脱離による質量損失は、サンプルの大気水分への再暴露後の第一加熱サイクル及び第二加熱サイクルで同じであると期待されてもよいため、観察された質量損失の二つの異なった原因が存在することをこの結果は意味した。第一加熱サイクルからのＴＧＡカーブの実験は二つの異なる質量損失事象を明らかにした。周囲温度と約２００℃の温度範囲で小規模な第一質量損失が起こり、それはナノ粒子ベータ相酸化ビスマス粒子の表面で吸収された水分の損失に起因する。約２００℃から約５００℃の温度範囲で大規模な第二質量損失が起こり、それがナノ粒子ベータ相酸化ビスマス粒子からの余剰酸素の損失と、メタ安定性正方ベータ相酸化ビスマスから単斜α相（単斜アルファ相酸化ビスマス）への移行とに起因した。ベータ相酸化ビスマスから単斜アルファ相酸化ビスマスへの変換はＸＲＤにより確認されており、定量的又はそれに近いと示された。熱処理されたＢｉ_２Ｏ_３（単斜アルファ相酸化ビスマス）は、粘度に対する熱処理の効果及び未硬化充てんシリコーン組成物の硬化習性を決定するためにＲＴＶ６１５に混合された。複数のサプライヤーから得た熱処理されたＢｉ_２Ｏ_３とＲＴＶ６１５との混合物は、未処理のベータ相酸化ビスマスの混合物に似た粘度を有していて、ＳｈｏｒｅＡ硬度値４９から５０を示す硬化充てんシリコーン組成物（時にここに“シリコーン組成物”として言い表されている）を生成するために十分に硬化された。β相Ｂｉ_２Ｏ_３が充てん未硬化シリコーン組成物の硬化を阻害するメカニズムはよく理解されていないが、両者とも再生可能であって、ベータ相酸化ビスマスからなる未硬化充てんシリコーン組成物からテスト項目を準備するのに重大な障害を示した。６００℃以上の温度でのナノ粒子ベータ相酸化ビスマスの熱処理はアルファ相酸化ビスマスの大型結晶の形成を導いたことに注目すべきである。当業者には当然のことながら、未硬化充てんシリコーン組織に用いられた酸化ビスマスの大型結晶の存在は、とても高い音響減衰のシリコーン組成物をもたらす。

興味深いことに、ナノ粒子酸化ビスマスがβ相からα相に熱的に変換されるにつれ、鮮やかな黄橙色から淡い黄色への著しい色の変化が観察された。この色の変化は、設計の観点から重大な意味を持ち、淡い黄色のアルファ相酸化ビスマスは、対応する鮮黄色のベータ相酸化ビスマスからなる充てんシリコーン組成物より更に容易に色づき易い充てんシリコーン組成物を提供する。一般的に、超音波プローブは青色又はグレーのいずれかの音響レンズを特徴とする。未処理β相Ｂｉ_２Ｏ_３は、カーボンブラック又は黒色酸化鉄の添加により充てんシリコーン組成物の色をグレーに変えることが困難な上記の強烈な黄色を示す。α相Ｂｉ_２Ｏ_３からなる淡い黄色の充てんシリコーン組成物は、組成物への少量の酸化鉄又はカーボンブラックの組み込みにより容易に淡い黄色からグレーへ変えることができる。

この研究の過程で、Ｅｒ_２Ｏ_３（酸化エルビウム）とＲＴＶ６１５との混合物は、Ｂｉ_２Ｏ_３とＲＴＶ６１５との混合物より高い粘度を示し、更に、ナノ粒子酸化エルビウムからなる充てん未硬化シリコーン組成物は時々、ガス抜きの最中に不十分に機能し更に長いガス抜き工程を必要とした。ガス抜き工程の不十分な機能は、ナノ粒子酸化エルビウムの表面特性に関連すると考えられた。一連の充てん剤処理実験は、ナノ粒子酸化エルビウムを含む製剤のガス抜き機能が改善されるかどうかを決定付けるために遂行された。処理されたナノ粒子酸化エルビウムを含む充てんシリコーン組成物のガス抜き機能特性における異なる有機アルコキシシランによる充てん剤処理の効果は調査され、その結果はテーブル４に示された。処理されたナノ粒子酸化エルビウムからなる充てんシリコーン組成物は一般的にここに説明されるように準備された。テーブル４では、Ａｌｌ−Ｓｉ（ＯＭｅ）_３はアリルトリメトキシシランを表し、Ｖｉ−Ｓｉ（ＯＭｅ）_３はビニルトリメトキシシランを表し、Ｐｈ−Ｓｉ（ＯＭｅ）_３はフェニルトリメトキシシランを、そしてＯｃｔ−Ｓｉ（ＯＭｅ）_３はオクチルトリメトキシシランを表す。

テーブル４ベース樹脂として、RTV615からなる充てんシリコーン組成物用のガス抜き及び硬化ステップにおける有機アルコキシシランによる充てん剤処理の効果

最短のガス抜き時間と最も好ましい粘度とを示し、最高の後硬化硬度値を提供する酸化エルビウムからなる充てんシリコーン組成物は、フェノルトリメソキシシランによって処理された酸化エルビウム充てん剤を含んだ。従って、一つの観点において、本発明はアルファ相酸化ビスマスからなる改良した充てんシリコーン組成物を提供し、また他の実施形態では、本発明はアルコキシシランで処理されたナノ粒子酸化エルビウムからなる充てんシリコーン組成物を提供する。

シリコーン樹脂内の充てん剤の拡散
混合物組成物の音響減衰は、存在する充てん剤のボリュームパーセント、充てん剤濃度、及び充てん剤粒子のサイズに比例することは知られている。全体として組成物の比較的小さいボリュームパーセントに対応する量のナノ粒子充てん剤からなる硬化充てんシリコーン組成物は、優れた音響減衰特性を示す場合がある。工業用ナノ粒子は一般的にミクロンサイズ凝集体として提供される。ナノ粒子充てん剤からなる充てんシリコーン組成物を生成するためのシリコーン樹脂の中これらの凝集体の拡散は、特に標準の実験具を使用した場合重要な問題を示す。Ｂｉ_２Ｏ_３ナノ粒子の拡散のいくつかの方法が評価された。拡散の度合いは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって、また未硬化充てんシリコーン組成物から用意された硬化サンプルの音響減衰の測定により評価された。結果はテーブル５に要約される。

テーブル５ナノ粒子の拡散用処理器具の評価

Ｂｉ_２Ｏ_３充てんシリコーン組成物のＳＥＭ画像は、充てん剤の拡散が３本ロールミルで行われたとき、充てん剤の高レベルの拡散を明らかにした。３本ロールミルは、例えば比較的高粘度混合物を撹拌する能力、効果的な撹拌、サンプルサイズの柔軟性、及びスケールアップの容易さ、のようないくつかの利点を提供し、工業的混合物の中で一般的な用具である。更に、３本ロールミル上でシリコーン樹脂内におけるナノ粒子酸化ビスマスの拡散により準備された未硬化シリコーン組成物は、常に低い音響減衰を示す硬化サンプルを提供した。

樹脂選択
二つの工業的に入手可能な未硬化２パートシリコーン樹脂、ＲＴＶ６１５及びＳＬＥ５４０１が最初に試験された。両材料の特性はテーブル６に要約される。
テーブル６選択されたシリコーン追加硬化組成物の主要特性

工業的物質ＲＴＶ６１５及びＳＬＥ５４０１の両者は、低粘度樹脂であり、高強度シリコーンラバーを硬化時に提供する。ＳＬＥ５４０１の潜在的利点は、そのプライマー不要の粘着特性である。プライマー不要の接着特性を示すシリコーン樹脂は製造過程の利点を提供し、且つ超音波プローブ音響レンズの信頼性を改良すると信じられている。残念ながら、ＳＬＥ５４０１からなるここに研究された組成物は標準条件下（室温で１２時間及び５０℃で２時間）で硬化を起こすためのリラクタンスを示した。ＲＴＶ６１５は標準条件で硬化することができるが、硬化樹脂は、石英硬化２パートシリコーン樹脂標準と比べて比較的低い伸長を有する。Degussaの少量の処理ヒュームドシリカＲ８２００の未硬化樹脂への取り込みは、ＲＴＶ６１５の低粘度特徴を維持しながらブレーク時の伸長を著しく改善する。約４ｖｏｌ％のＲ８２００で満たされたヒュームドシリカは金属酸化物ナノ粒子充てん剤の測定のためのベース樹脂として選択された。

４ｖｏｌ％のＲ８２００ヒュームドシリカを含んだＲＴＶ６１５は、約９．５ｖｏｌ％のナノ粒子酸化ビスマス（又は酸化エルビウム）に３本ロールミルで混合された。その製剤（テーブル７）は、通常は約１３０００から約２００００ｃＰｓの範囲の比較的低い粘度を示した。最大１１ｖｏｌ％のアルファ相酸化ビスマスによる製剤は流体で、セルフレベリング（self-leveling: 自己水平性）あることがわかった。類似したボリュームパーセントのナノ粒子酸化エルビウムと対応する酸化エルビウム含有製剤は揺変性であり、室温ではセルフレベリングしなかった。ナノ粒子酸化エルビウムを含んだ製剤はしかしながら、更に良い機械的性質、例えば強度及び伸張強度を示した。

テーブル７ナノ粒子アルファ相酸化ビスマスまたは酸化エルビウムナノ粒子からなるＲＴＶ６１５の機械性及び音響性質

シリコーン樹脂ＲＴＶ６１５と、ヒュームドシリカと、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス又はナノ粒子酸化エルビウムのいずれか一つとからなる未硬化充てんシリコーン組成物から用意された硬化サンプルの耐摩耗性は、標準石英充てん２パートシリコーン樹脂を用いた製剤と比較された。耐摩耗性テストは石英充てん２パートシリコーン樹脂が優れた耐摩耗性を有した効果テストサンプルを提供したことを示した。

一つの実施形態において、本発明は、添加硬化性のシリコーン樹脂からなる充てんシリコーン組成物を提供し、Momentive Performance Materialsの８８２９５のようなビニール官能化されたシリコーン樹脂からなる。シリコーン樹脂を含んだビニールは、流体のレオロジー特性に影響を及ぼすことなく強化する。８８２９５樹脂からなる充てんシリコーン組成物もまた評価された。８８２９５樹脂からなる充てんシリコーン組成物と、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス又はナノ粒子酸化エルビウムとは、優れた物質的及び音響特性（テーブル８）、並びに優れた耐摩耗性を示した。

テーブル８アルファ相酸化ビスマス又は酸化エルビウムナノ粒子で満たされた８８２９５樹脂の機械的及び音響特性

約９０ナノメートルから約２１０ナノメートルまでの範囲の平均粒子サイズを有するナノ粒子アルファ相酸化ビスマスからなる充てんシリコーン組成物は、高い充てん剤濃度、未硬化混合物の流動性特性への比較的少ない影響、及び硬化混合組成物の優れた音響減衰性能特性の理由により超音波音響レンズの使用に適しているか評価され判断される。ナノ粒子アルファ相酸化ビスマスは音速に強い影響を与える。１０ボリュームパーセントほどのナノ粒子アルファ相酸化ビスマスの取り込みは、本発明の組成物から準備された硬化テストサンプルを移動する音速の約２０％の減少を引き起こす。本発明によって提供される硬化充てんシリコーン組成物に観察される低音速は、超音波プローブ用の音響レンズの設計に付随的な柔軟性を提供し、標準レンズと比べてレンズ焦点、レンズ減衰の減少を導く効果、を変えることなく薄いレンズの使用を可能にする。この硬化は、しかしながら、所望の音響インピーダンスを達成するために、高充てん剤レベルに比例して起こる。

テーブル９硬化シリコーン組成物内における音速へのBi₂O₃ナノ粒子の影響

テーブル９に示される各結果の性能指数（figure of merit / ＦＯＭ）は、混合物減衰にその音速を掛けることで計算されてもよい。計算されたＦＯＭは、実験材料の音響特性を順位付けするために使用されてもよい。原則として、低いＦＯＭを有した材料は、音響レンズアプリケーションに使用するのに最高の音響特性を有しているべきである。実際には、しかしながら、音響減衰値に著しい相違が見受けられる場合がある。サンプル相違は、同様にサンプル均質性においての変化と、時おりナノ粒子酸化ビスマスのやや大きなミクロサイズ凝集体の存在を生成する作業工程における変化に関係しているものだと信じられている。

酸化ビスマス及び酸化エルビウムからなる組成物
テーブル１０及びテーブル１１は、ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマス及びナノ粒子酸化エルビウムの両者からなる充てんシリコーン組成物のデータである。このデータは、本発明により提供される充てんシリコーン組成物の性質特性を更に描写する。

テーブル１０ナノ粒子アルファ相Bi₂O₃及びEr₂O₃からなる充てんシリコーン組成物の耐摩耗性

テーブル１１ナノ粒子アルファ相Bi₂O₃及びEr₂O₃からなる充てんシリコーン組成物の物質的及び音響特性

上述の例は、実例に過ぎず、本発明のいくつかの特性を描写するにためだけである。添付の請求の範囲は、本発明を着想される限りの広範囲に主張することを意図し、ここに示された例は、全ての可能な実施形態の多様性から選ばれた実施形態の実例である。従って、添付の請求の範囲が本発明の特性を描写するために使用された例の選択により制限されるものではないことが出願人の意図である。請求の範囲に使用されているように、“から構成される（comprises）”という言葉とその論理的な文法の変形はまた、さまざまなフレーズ及び異なる範囲を例えば、しかしこれに限定されるわけではなく、“実質的に構成される(consisting essentially of)”及び“〜のみから成る(consisting of) ”のように範囲を定めそして含む。必要に応じ、範囲は提供され、これらの範囲はその間の従属の範囲も含む。これらの範囲の変形例は当業者に予想されることは予期されている。これらの変形例は、添付の請求の範囲にされる可能なものと解釈されるものとする。科学及び科学技術における進歩が、言葉の不正確さによって現在考慮されていない同等物及び可能な代替を作り出すこともまた予期されており、これらの変形例は、添付の請求の範囲にされる可能なものと解釈されるものとする。

Claims

シリコーン樹脂及びナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスからなる充てんシリコーン組成物。
未硬化製剤である、請求項１に記載の組成物。
硬化製剤である、請求項１に記載の組成物。
前記ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスは約１０ナノメートルから約１ミクロンの平均粒子サイズを有する、請求項１に記載の組成物。
前記ナノ粒子単斜アルファ相酸化ビスマスは、組成物の約０．１ボリュームパーセントから約１５ボリュームパーセントの総量からなる、請求項１に記載の組成物。
ナノ粒子酸化エルビウムを更に含む、請求項１に記載の組成物。
色素を更に含む、請求項１に記載の組成物。
前記色素は、カーボンブラックと、アルミノスルホケイ酸塩ナトリウムと、マンガンフェライトと、酸化鉄とからなるグループから選択される、請求項７に記載の組成物。
シリコーン樹脂及びナノ粒子酸化エルビウムからなる充てんシリコーン組成物。