JP5613824B2 - 断熱性構造部材とそれを組込んだドアおよび窓 - Google Patents

断熱性構造部材とそれを組込んだドアおよび窓 Download PDF

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Description

ポリ（アリーレンエーテル）樹脂は、ポリアミド樹脂と混合されて、耐熱性、耐薬品性、衝撃強度、加水分解安定性および寸法安定性などの広範な種々の有益な特性を有する組成物を提供してきた。
ガラス繊維充填ポリ（アリーレンエーテル）−ポリアミドブレンドは、熱伝導率低減のためにドアと窓枠に組込まれる絶縁材の成形に使用されてきた。例えば、Ｅｎｓｉｎｇｅｒらの米国特許第５，７２７，３５６号およびＴｓｃｈｅｃｈらの米国特許出願公開第２００６／０２３４０３４号を参照のこと。これらの絶縁材によって、それが組込まれたドアおよび窓のエネルギー効率は著しく向上する。しかしながら、ドアと窓の熱伝導率のさらなる低減と、こうした熱伝導率を、低減された量のポリ（アリーレンエーテル）とポリアミドとで実現する方法とが依然として求められている。
一実施形態は、金属を含む枠と、少なくとも一部を前記枠で囲まれた絶縁棒と、を有するドアまたは窓用断熱性構造部材であって、前記絶縁棒は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物を含み、前記中空ガラスビーズは、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物は、５重量％未満の繊維強化材を含むことを特徴とする断熱性構造部材である。
別の実施形態は、前記断熱性構造部材を含む窓である。
別の実施形態は、前記断熱性構造部材を含むドアである。
別の実施形態は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物であって、前記中空ガラスビーズが、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物が、５重量％未満の繊維強化材を含む熱可塑性組成物を含む絶縁棒の少なくとも一部を金属枠で囲むステップを備えた、ドアまたは窓用断熱性構造部材の熱伝導率低減方法である。
これらの実施形態とその他の実施形態について以下に詳細に説明する。
添付の図面では、同様な要素には同様な参照番号を付した。
断熱性構造部材の断面を示す図である。
断熱性構造部材を含む二重窓の一部分の横断面図である。
断熱性構造部材を含むドアの一部分の横断面図である。
Ｓ３８ＨＳ中空ガラスビーズとＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズの粒径分布を示すグラフである。
（ａ）中空ガラスビーズを含まない比較例１と、（ｂ）公称２０重量％のＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを含む実施例５と、で形成された成形部品の断面の透過型電子顕微鏡写真であり、それぞれの写真中の長円形は、分散したポリ（アリーレンエーテル）相の粒子に相当する（写真５（ｂ）では前記ガラスビーズが見えないが、これは各ガラスビーズが写真の視野よりはるかに大きいためである）。
５５０℃で炭化後のペレットの断面の走査型電子顕微鏡写真である。サンプルは中空ガラスビーズの種類が異なっており、（ａ）は、Ｓ６０ＨＳ中空ガラスビーズを組込んだサンプルに相当し、（ｂ）は、Ｓ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを組込んだサンプルに相当し、（ｃ）は、Ｋ２５中空ガラスビーズを組込んだサンプルに相当する。
５５０℃で炭化後の成形部品の断面の走査型電子顕微鏡写真である。サンプルは中空ガラスビーズの種類が異なっており、（ａ）は、Ｓ６０ＨＳ中空ガラスビーズを組込んだサンプルに相当し、（ｂ）は、Ｓ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを組込んだサンプルに相当し、（ｃ）は、Ｋ２５中空ガラスビーズを組込んだサンプルに相当する。
本発明者らは、特定の直径、密度および破砕強度を有する中空ガラスビーズを含むポリ（アリーレンエーテル）−ポリアミドブレンドを有する絶縁棒を、ドア、窓およびその他の構造要素における構造部材の金属枠に組込むことによって、それらの構造部材の熱伝導率を著しく低減できることを見出した。したがって、一実施形態は、金属を含む枠と、少なくとも一部を前記枠で囲まれた絶縁棒と、を有するドアまたは窓用断熱性構造部材であって、前記絶縁棒は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物を含み、前記中空ガラスビーズは、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物は、５重量％未満の繊維強化材を含む。
図１は、枠２と複数の絶縁棒３を含む構造部材１の断面を示す図である。
一実施形態は、前記断熱性構造部材を含む窓である。図２は、二重窓４の、枠２、複数の絶縁棒３および２枚のガラス枠５を含む部分の横断面図である。
一実施形態は、前記断熱性構造部材を含むドアである。図３は、ドア６の、枠２、複数の絶縁棒３およびドアパネル７を含む部分の横断面図である。
前記構造部材は、金属を含む枠を含む。好適な金属としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、鉄合金（ステンレス鋼などの鋼を含む）などが挙げられる。現在では、アルミニウムとアルミニウム合金が好適に使用される。枠の断面は典型的には、溶融金属の異形押出で形成される。
前記構造部材は、枠に加えて、少なくとも一部を前記枠で囲まれた絶縁棒を含む。該絶縁棒は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物を含む。約５５〜約９５重量％の範囲内で、相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物の量は約６０〜約９０重量％であり得、具体的には約７０〜約８５重量％であり得、より具体的には約７５〜約８５重量％であり得る。約５〜４５重量％の範囲内で、中空ガラスビーズの量は約１０〜約３５重量％であり得、具体的には約１５〜約２５重量％であり得る。
ポリアミドを用いて、前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物を調製する。ナイロンとして既知のポリアミドは、複数のアミド（−Ｃ（Ｏ）ＮＨ−）基の存在によって特徴付けられ、Ｇａｌｌｕｃｃｉの米国特許第４，９７０，２７２号に記載されている。好適なポリアミド樹脂としては、ポリアミド−６、ポリアミド６，６、ポリアミド−４、ポリアミド−４，６、ポリアミド−１２、ポリアミド−６，１０、ポリアミド−６，９、ポリアミド−６，１２、非晶質ポリアミド樹脂、トリアミン含量が０．５重量％未満のポリアミド６／６Ｔおよびポリアミド６，６／６Ｔ、およびポリアミド９Ｔとこれらの組合せが挙げられる。一部の実施形態では、該ポリアミド樹脂はポリアミド−６，６を含む。一部の実施形態では、該ポリアミド樹脂はポリアミド−６とポリアミド−６，６を含む。一部の実施形態では、該ポリアミド樹脂またはポリアミド樹脂類の組合せの融点（Ｔｍ）は１７１℃以上である。該ポリアミドが、超強靭なポリアミド、すなわちゴム強靭化ポリアミドを含む場合、該組成物は、耐衝撃性改良剤を別に含んでいても含んでいなくてもよい。
ポリアミド類は、Ｃａｒｏｔｈｅｒｓの米国特許第２，０７１，２５０号、同第２，０７１，２５１号、同第２，１３０，５２３号および同第２，１３０，９４８号や、Ｈａｎｆｏｒｄの同第２，２４１，３２２号および同第２，３１２，９６６号、およびＢｏｌｔｏｎらの同第２，５１２，６０６号などに記載されたプロセスなどの多くの周知のプロセスによって得てもよい。ポリアミド樹脂は広範な供給元から市販で入手できる。
ＩＳＯ３０７に準拠して、９６重量％の硫酸中の０．５重量％の溶液中で測定した固有粘度が４００ｍＬ／ｇまでの、より具体的には固有粘度が９０〜３５０ｍｌ／ｇの、さらにより具体的には固有粘度が１１０〜２４０ｍｌ／ｇのポリアミドが使用できる。該ポリアミドの相対粘度は６までであり、より具体的には１．８９〜５．４３であり、さらにより具体的には２．１６〜３．９３である。相対粘度は、ＤＩＮ５３７２７に準拠して、９６重量％硫酸中の１重量％溶液中で求められる。
一部の実施形態では、前記ポリアミド樹脂は、ＨＣＬ滴定によって求めたポリアミド１ｇ当たりのアミン末端基濃度が３５μｅｑ／ｇ以上であるポリアミドを含む。アミン末端基濃度は４０μｅｑ／ｇ以上であってもよく、より具体的には４５μｅｑ／ｇ以上であってもよい。アミン末端基含量は、選択的には加熱により、ポリアミドを好適な溶剤に溶解させて求めてもよい。好適な表示方法を用いて、該ポリアミド溶液を０．０１Ｎ塩酸で滴定する。アミン末端基量は、サンプルに添加したＨＣｌ溶液の量、ブランクで使用したＨＣｌ量、ＨＣｌ溶液のモル濃度、およびポリアミドサンプルの重量から求められる。
ポリ（アリーレンエーテル）を用いて相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物を調製する．該ポリ（アリーレンエーテル）は、下式の繰り返し構造単位を含む。
Figure 0005613824
 式中、Ｚ１はそれぞれ独立に、ハロゲン、ヒドロカルビル基が第三級ヒドロカルビルではない未置換または置換Ｃ１−Ｃ１２ヒドロカルビル、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロカルビルチオ、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロカルビルオキシ、あるいは、少なくとも２つの炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを分離しているＣ２−Ｃ１２ハロヒドロカルビルオキシであり、Ｚ２はそれぞれ独立に、水素、ハロゲン、ヒドロカルビル基が第三級ヒドロカルビルではない未置換または置換Ｃ１−Ｃ１２ヒドロカリビル、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロカルビルチオ、Ｃ１−Ｃ１２ヒドロカルビルオキシ、あるいは、少なくとも２つの炭素原子がハロゲン原子と酸素原子とを分離しているＣ２−Ｃ１２ハロヒドロカルビルオキシである。
本明細書での「ヒドロカルビル」は、単独で用いられていても、他の用語の接頭辞、接尾辞あるいはその一部として用いられていても、炭素と水素だけを含む残基を指す。該残基は、脂肪族あるいは芳香族、直鎖、環式、二環式、分枝鎖、飽和または不飽和であり得る。それにはまた、脂肪族、芳香族、直鎖、環式、二環式、分枝鎖、飽和および不飽和の炭化水素部分の組合せが含まれ得る。しかしながら、該ヒドロカルビル残基が置換として記載された場合には、置換された残基の炭素員および水素員上にヘテロ原子を含み得る。このように、置換と具体的に記載された場合、該ヒドロカルビル残基には、ハロゲン原子、ニトロ基、シアノ基、カルボニル基、カルボン酸基、エステル基、アミノ基、アミド基、スルホニル基、スルホキシル基、スルホンアミド基、スルファモイル基、水酸基、アルコキシル基なども含み得る。また、ヒドロカルビル残基の骨格内にヘテロ原子を含み得る。
前記ポリ（アリーレンエーテル）は、典型的には前記末端ヒドロキシ基のオルト位置に存在するアミノアルキル含有末端基を有する分子を含むことができる。テトラメチルジフェノキノン（ＴＭＤＱ）副生成物が存在する反応混合物から典型的に得られるテトラメチルジフェノキノン末端基が存在することも多い。
前記ポリ（アリーレンエーテル）は、ホモポリマー、共重合体、グラフト共重合体、イオノマー、ブロック共重合体、あるいはこれらのものの少なくとも１つを含む組合せの形態であり得る。該ポリ（アリーレンエーテル）は、２，３，６−トリメチル−１，４−フェニレンエーテル単位と選択的に組合せられた２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル単位を含むポリフェニレンエーテルを含む。一部の実施形態では、該ポリ（アリーレンエーテル）はポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテルから成る。この文脈において、「から成る」では、酸官能化ポリ（アリーレンエーテル）類や無水物官能化ポリ（アリーレンエーテル）類などの、ポリ（アリーレンエーテル）類と官能化剤との反応生成物は除外される。
前記ポリ（アリーレンエーテル）は、２，６−キシレノールや２，３，６−トリメチルフェノールなどの、対応するモノヒドロキシ芳香族化合物（類）の酸化カップリングで調製される。こうしたカップリングでは、一般に触媒系が用いられる。それらの触媒系には、第２級アミン、第３級アミン、ハロゲン化物またはこれらのものの２つ以上の組合せなどの種々の他の材料と通常は組合せられた、銅、マンガンまたはコバルト化合物などの重金属化合物（類）が含まれ得る。
一部の実施形態では、前記ポリ（アリーレンエーテル）の固有粘度は、２５℃のクロロホルム中、ウベローデ粘度計で測定して約０．２〜約１．０ｄＬ／ｇである。一部の実施形態では、該ポリ（アリーレンエーテル）の固有粘度は約０.３〜約０．６ｄＬ／gである。このポリ（アリーレンエーテル）がポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）の場合、約０．３〜約０．６ｄＬ／ｇの固有粘度範囲は、約１６，０００〜約２５，０００原子質量単位の範囲の数平均分子量に相当し得る。
一部の実施形態では、前記相溶化されたポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、前記ポリ（アリーレンエーテル）と前記ポリアミドとを、重量比で約０．５：１〜約１．２：１で、具体的には約０．８：１〜約１．２：１で、より具体的には約１：１〜約１．２：１で含む。
一部の実施形態では、相溶化剤を用いて、前記ポリアミドとポリ（アリーレンエーテル）との相溶化ブレンドの形成を促進する。本明細書での「相溶化剤」は、該ポリ（アリーレンエーテル）、ポリアミド樹脂、あるいはその両方と相互作用する多官能性化合物を指す。この相互作用は、化学的（例えばグラフト）であっても、およびまたは物理的（例えば、分散相の表面特性に影響を与えるなどの）であってもよい。何れの場合にも、得られる相溶化ブレンドは、特に、衝撃強度、モールドニットライン強度およびまたは引張伸び率の向上で示されるように、向上した相溶性を示す。本明細書での「相溶化ブレンド」は、相溶化剤により物理的およびまたは化学的に相溶化する組成物と、そうした相溶化剤を用いずに（例えば、前記ポリ（アリーレンエーテル）上の相溶性向上ジブチルアミノメチル置換基からのように）物理的に相溶性のポリ（アリーレンエーテル）とポリアミドのブレンドと、を指す。
使用可能な相溶化剤には、液状ジエンポリマー、エポキシ化合物、酸化ポリオレフィンワックス、キノン、有機シラン化合物、多官能性化合物、官能化ポリ（アリーレンエーテル）およびこれらの組合せが含まれる。相溶化剤は、Ｇａｌｌｕｃｃｉの米国特許第５，１３２，３６５号やＫｏｅｖｏｅｔｓらの同第６，５９３，４１１号および同第７，２２６，９６３号にさらに記載されている。
一部の実施形態では、前記相溶化剤は多官能性化合物を含む。相溶化剤として使用可能な多官能性化合物は典型的には３種類である。多官能性化合物の第１の種類は、（ａ）炭素−炭素二重結合または炭素−炭素三重結合と、（ｂ）カルボン酸基、無水物基、アミド基、エステル基、イミド基、アミノ基、エポキシ基、オルトエステル基あるいはヒドロキシ基のうちの少なくとも１つと、を分子内に含む。こうした多官能性化合物には、マレイン酸；無水マレイン酸；フマル酸；アクリル酸グリシジル、イタコン酸；アコニット酸；マレイミド；マレイン酸ヒドラジド；ジアミンと、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸などとの反応から得られる生成物；ジクロロ無水マレイン酸；マレイン酸アミド；不飽和ジカルボン酸（例えばアクリル酸、ブテン酸、メタクリル酸、エチルアクリル酸、ペンテン酸、デセン酸、ウンデセン酸、ドデセン酸およびリノール酸など）；エーテル、前記の不飽和カルボン酸の酸アミドまたは無水物；不飽和アルコール（例えば、アルカノール、クロチルアルコール、メチルビニールカルビノール、４−ペンテン−１−オール、１，４−ヘキサジエン−３−オール、３−ブテン−１，４−ジオール、２，５−ジメチル−３−ヘキセン−２，５−ジオール、および式ＣｎＨ２ｎ−５ＯＨ、ＣｎＨ２ｎ−７ＯＨおよびＣｎＨ２ｎ−９ＯＨ（式中、ｎは３０以下の正の整数）で表されるアルコール；上記の不飽和アルコールの−ＯＨ基を−ＮＨ２基で置換して得られる不飽和アミン；官能化ジエンポリマーおよび共重合体；およびこれらのものの１つまたは複数を含む組合せが含まれる。一実施形態では、該相溶化剤は、無水マレイン酸およびまたはフマル酸を含む。
多官能性相溶化剤の第２の種類は、（ａ）式（ＯＲ）（式中、Ｒは、水素、アルキル基、アリール基、アシル基またはカルボニルジオキシ基）で表される基と、（ｂ）カルボン酸基、酸ハロゲン化物基、無水物基、無水酸ハロゲン化物基、エステル基、オルトエステル基、アミド基、イミド基、アミノ基およびこれらの種々の塩から選択される、それぞれが同じであっても異なっていてもよい少なくとも２つの基と、を有する。これらの相溶化剤群のうちの典型的なものは、脂肪族ポリカルボン酸、酸エステルおよび下式で表される酸アミドである。
（ＲＩＯ）ｍＲ’（ＣＯＯＲＩＩ）ｎ（ＣＯＮＲＩＩＩＲＩＶ）ｓ
式中、Ｒ’は、炭素原子数が２〜２０、より具体的には２〜１０の直鎖あるいは分枝鎖の飽和脂肪族炭化水素であり、ＲＩは、水素、あるいは炭素原子数が１〜１０、より具体的には１〜６、さらにより具体的には１〜４のアルキル基、アリール基、アシル基またはカルボニルジオキシ基であり、ＲＩＩは、それぞれ独立に、水素、あるいは炭素原子数が１〜２０、より具体的には１〜１０のアルキル基またはアリール基であり、ＲＩＩＩとＲＩＶは、それぞれ独立に、水素、あるいは炭素原子数が１〜１０、より具体的には１〜６、さらにより具体的には１〜４のアルキル基またはアリール基であり、ｍは１であり、（ｎ＋ｓ）は２以上、より具体的には２または３であり、ｎおよびｓはそれぞれ０以上であり、（ＯＲＩ）は、カルボニル基に対してαまたはβであり、少なくとも２つのカルボニル基が２〜６個の炭素原子によって分離されている。それぞれの置換基の炭素原子数が６個未満の場合、ＲＩ、ＲＩＩ、ＲＩＩＩおよびＲＩＶはアリールではあり得ないことは明らかである。
好適なポリカルボン酸としては、例えば、無水酸や水和酸などの種々の市販の形態を含むクエン酸、リンゴ酸およびアガリシン酸、およびこれらの１つまたは複数を含む組合せなどが挙げられる。一実施形態では、前記相溶化剤はクエン酸を含む。ここで有用なエステルの具体例としては、例えば、クエン酸アセチル、クエン酸モノステアリルおよびまたはクエン酸ジステアリルなどが挙げられる。ここで有用な好適なアミドとしては、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジエチルクエン酸アミド、Ｎ−フェニルクエン酸アミド、Ｎ−ドデシルクエン酸アミド、Ｎ，Ｎ’−ジドデシルクエン酸アミドおよびＮ−ドデシルリンゴ酸が挙げられる。誘導体には、アミンやアルカリとの塩やアルカリ金属塩を含むそれらの塩が含まれる。好適な塩としては、リンゴ酸カルシウム、クエン酸カルシウム、リンゴ酸カリウムおよびクエン酸カリウムが挙げられる。
多官能性相溶化剤の第３の種類は、（ａ）酸ハロゲン化物基と、（ｂ）カルボン酸基、無水物基、エステル基、エポキシ基、オルトエステル基またはアミド基のうちの少なくとも１つ、好ましくはカルボン酸基または無水物基と、を分子内に有する。この群に属する相溶化剤としては、無水トリメリット酸クロリド、クロロホルミルコハク酸無水物、クロロホルミルコハク酸、クロロホルミルグルタル酸無水物、クロロホルミルグルタル酸、クロロアセチルコハク酸無水物、クロロアセチルコハク酸、トリメリット酸クロリドおよびクロロアセチルグルタル酸が挙げられる。一実施形態では、該相溶化剤は無水トリメリット酸クロリドを含む。
前述の相溶化剤を、前記ポリ（アリーレンエーテル）と前記ポリアミドとの溶融ブレンドに直接添加してもよく、あるいは、そのうちの１つまたは両方と、また該組成物の調製に用いられる他の任意の樹脂材料と、事前反応させてもよい。前記溶融物中または好適な溶剤の溶液中のいずれかで、相溶化剤の少なくとも一部をポリ（アリーレンエーテル）の全部あるいは一部と事前反応させる場合、前述の多くの相溶化剤、特に前記多官能性化合物を用いることによって、相溶性はさらに著しく向上する。こうした事前反応によって、相溶化剤が反応し、その結果、ポリ（アリーレンエーテル）を官能化するものと考えられる。例えば、該ポリ（アリーレンエーテル）を無水マレイン酸と事前反応させて、非官能化ポリ（アリーレンエーテル）と比べてポリアミドとの相溶性が向上した無水物−官能化ポリ（アリーレンエーテル）を形成してもよい。
相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物の調製に相溶化剤を用いる場合、使用量は、選択された特定の相溶化剤と、それが添加される特定のポリマー系に依存するであろう。一部の実施形態では、相溶化剤量は、熱可塑性組成物の全重量に対して約０．１〜約１重量％、具体的には約０．２〜約０．８重量％、より具体的には約０．３〜約０．６重量％である。
前記熱可塑性組成物は、相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物に加えて、約５〜約３５重量％の中空ガラスビーズを含む。この範囲内で、中空ガラスビーズの量は約１０〜約３０重量％であり得、具体的には約１５〜約２５重量％であり得る。本発明者らは、比較的狭い範囲の直径、密度および破砕強度特性を有する中空ガラスビーズだけが前記絶縁棒の熱伝導率の所望の低減をもたらすことを見出した。該中空ガラスビーズの容積平均粒径は約２０〜約６０μｍ、具体的には約２５〜約５５μｍ、より具体的には約３０〜約５０μｍ、さらにより具体的には約３５〜約４５μｍである。容積平均粒径は、顕微鏡法を含む従来の粒径計測技術を用いて求められる。図４は、Ｓ３８ＨＳ中空ガラスビーズとＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズの粒径分布を示すグラフである。３Ｍから供給される中空ガラスビーズの公称平均径は、試験方法３Ｍ ＱＣＭ１９３．０によって求められる。該中空ガラスビーズの真密度は約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬ、具体的には約０．３５〜約０．４５ｇ／ｍＬ、より具体的には約０．３５〜約０．４ｇ／ｍＬである。ここでの「真密度」は単一のガラスビーズの密度に相当し、充填に依存する、複数のガラスビーズのかさ密度と対比されるものである。３Ｍから供給される中空ガラスビーズの公称真密度は、試験方法３Ｍ ＱＣＭ１４．２４．１によって求められる。
前記中空ガラスビーズのアイソスタチック破砕強度は約３０〜約６０ＭＰａ、具体的には約３５〜約５５ＭＰａ、より具体的には約３５〜約５０ＭＰａ、さらにより具体的には約３５〜約４５ＭＰａ、さらにより具体的には約３５〜約４０ＭＰａである。アイソスタチック破砕強度は、ＡＳＴＭ Ｄ３１０２−７８（１９８２）：「Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｃｏｌｌａｐｓｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｈｏｌｌｏｗ Ｇｌａｓｓ Ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ」によって求められる。３Ｍから供給される中空ガラスビーズの公称アイソスタチック破砕強度は試験方法３Ｍ ＱＣＭ１４．１．８によって求められる。本発明に繋がる研究の前に、中空ガラスビーズのアイソスタチック破砕強度によって熱可塑性組成物の熱伝導率が予測され得ることが明らかではなかったことについては少なくとも２つの理由がある。第１に、熱可塑性組成物の調製および加工において、中空ガラスビーズが、アイソスタチック破砕強度を求める試験条件におけるものとは異なる温度、圧力およびせん断応力におかれたためである。第２に、中空ガラスビーズの完全性にとって、どんな処理条件が最も有害であるかがはっきりしていないためである。熱可塑性組成物を形成する溶融混合におけるせん断力なのか、該溶融混合ステップの出口（例えば、押出機のダイフェース）における高圧なのか、溶融混合装置を出て空気や水などの冷却剤に遭遇時の急速な圧縮なのか、射出成形ステップにおける高圧なのか、あるいは他の処理条件なのか？その答えは、非常に熟練した熱可塑性技術者にも明らかではなかった。
別段の定めがない限り、ここに記載の特性値はすべて２５℃で測定される。
前記中空ガラスビーズを選択的に表面処理し、ポリアミド含有マトリックスとの相溶性を向上させることができる。好適な表面処理剤には、例えば、アミノシランやエポキシシランなどが含まれる。表面処理剤を使用する場合、典型的には約０．５〜約２０単分子層の表面部分被覆で用いられる。
中空ガラスビーズの準備方法は既知であり、例えば、Ｂｉｎｇｈａｍの米国特許第３，７００，４７８号、Ｈｏｗｅｌｌの同第４，３９１，６４６号、Ｔａｎａｋａらの同第６，５３１，２２２号およびＡｎｄｅｒｓｏｎの同第６，９１４，０２４号などに記載されている。また、好適な中空ガラスビーズは、例えば、３Ｍから販売されているＧｌａｓｓ Ｂｕｂｂｌｅｓ Ｋ４６、Ｇｌａｓｓ Ｂｕｂｂｌｅｓ Ｓ３８ＸＨＳおよびＧｌａｓｓ Ｂｕｂｂｌｅｓ Ｓ３８ＨＳのように市販で入手できる。アミノシラン処理品を含む前述の中空ガラスビーズの表面処理品も用いられる。
前記熱可塑性組成物は、熱可塑性組成物の全重量に対して５重量％未満の、ガラス繊維などの繊維強化材を含む。一部の実施形態では、該繊維強化材の量は２重量％未満、具体的には１重量％未満である。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物は繊維強化材を含まない。
一部の実施形態では、前記熱可塑性組成物は、約０．５〜約２重量％の、具体的には約０．８〜約１．５重量％の低密度ポリエチレンをさらに含む。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物は、約０．０２〜約０．１重量％の、具体的には約０．０３〜約０．０８重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体をさらに含む。フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体のフッ素含量は、共重合体の全重量に対して約５５〜約７５重量％、具体的には約６０〜約７０重量％であり得る。一部の実施形態では、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体は、５０〜７０重量％のフッ化ビニリデン由来の残基と、３０〜５０重量％のヘキサフルオロプロピレン由来の残基と、を含む。こうしたフッ素化共重合体は、当分野で既知の方法で調製される。これらはまた、例えば、フッ素含量が６５．９±０．３％でムーニー粘度が３３±５の、８８〜９２重量％のポリ（ビニリデンフッ化物−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）と、４〜９重量％のタルクと、１〜４重量％の合成非晶質シリカおよび５％未満の炭酸カルシウムとから構成され、Ｄｙｎｅｏｎ社から販売されるＤＹＮＡＭＡＲ ＦＸ９６１３のように市販で入手できる。一部の実施形態では、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体は、マスターバッチの全重量に対して、約２〜約１０重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、約９０〜約９８重量％の低密度ポリエチレンと、を含むマスターバッチの形態で提供される。
一部の実施形態では、前記熱可塑性組成物は、その全重量に対して約０．５〜約２重量％の、具体的には約０．８〜約１．５重量％の低密度ポリエチレンと、約０．０２〜約０．１重量％の、具体的には約０．０３〜約０．０８重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、を含む。
前記熱可塑性組成物はさらに選択的に、ゴム変性ポリスチレン、ポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体、あるいはこれらの組合せを約２〜約３０重量％含み得る。この範囲内で、その量は、約４〜約２５重量％、具体的には約８〜約２０重量％、より具体的には約８〜約１５重量％であり得る。ゴム変性ポリスチレンとポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体は、その調製方法と同様に既知である。これらの材料も市販で入手できる。好適なゴム変性ポリスチレンは、Ｓｕｐｒｅｍｅ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍ社からＨＩＰＳとして市販されている高衝撃ポリスチレンを含む。好適なポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体は、ＫＲＡＴＯＮ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ社から販売されている、ポリスチレン含量が約３１〜３３重量％のＫＲＡＴＯＮ Ｇ１６５１を含む。
一部の実施形態では、前記熱可塑性組成物は、本明細書で必要なものまたは選択的なものとして記載したもの以外のポリマーを１重量％以下含むかあるいはそれらを全く含まない。例えば、該熱可塑性組成物は、ホモポリスチレン、アルケニル芳香族モノマーと共役ジエンとの非水素化ブロック共重合体（例えば、ポリスチレン−ポリブタジエン−ポリスチレントリブロック共重合体）、および熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂や熱硬化性ポリエステル樹脂）の内の１つまたは複数を１重量％以下含むかあるいは全く含まないものであり得る。
前記熱可塑性組成物は、例えば、安定剤、離型剤、加工助剤、ポリアミド流動促進剤（例えば、エポキシ官能基を有するまたは有しない低分子量ポリオレフィン、低分子量エチレン−プロピレンゴム、低分子量熱可塑性ポリエステルおよび液状ポリオレフィンゴム）、ポリ（アリーレンエーテル）流動促進剤（例えば、低分子量ホモポリスチレンおよび低分子量ゴム変性ポリスチレン）、難燃剤、滴下防止剤、成核剤、ＵＶカット剤、染料、顔料、酸化防止剤、静電防止剤、発泡剤、鉱油、金属不活性化剤、ブロッキング防止剤、ナノクレイ、導電剤およびこれらの組合せなどの添加剤を１つまたは複数さらに含み得る。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物は、起泡剤およびまたはそれらの残基は含まない。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物は、難燃剤を０．１重量％未満含むかあるいは全く含まない。難燃剤としては、例えば、臭素化ポリマー（臭素化ポリスチレンなど）、金属ジアルキルホスフィン酸塩（アルミニウムトリス（ジエチルホスフィネート）など）、金属水酸化物（水酸化マグネシウムなど）芳香族リン酸エステル（レゾルシノールビス（ジフェニルホスフェート）およびビスフェノールＡビス（ジフェニルホスフェート）など）が挙げられる。導電剤としては、例えば、導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維またはこれらのものの２つ以上のものの組合せが挙げられる。導電性カーボンブラックは市販で入手でき、これに限定されないが、Ｓ．Ｃ．Ｆ．（Ｓｕｐｅｒ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｕｒｎａｃｅ）、Ｅ．Ｃ．Ｆ．（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｕｒｎａｃｅ）、ＫＥＴＪＥＮＢＬＡＣＫ ＥＣ（Ａｋｚｏ社から入手可能）、ＰＲＩＮＴＥＸ ＸＥ２Ｂ（Ｄｅｇｕｓｓａ社から入手可能）、ＥＮＳＡＣＯ ３５０Ｇ（Ｔｉｍｃａｌ社から入手可能）あるいはアセチレンブラックなど、広範な商標名で販売されている。一部の実施形態では、該導電性カーボンブラックの平均粒径は２００ｎｍ以下、より具体的には１００ｎｍ以下、さらにより具体的には５０ｎｍ以下である。また、該導電性カーボンブラックの表面積はＢＥＴ分析で求めて２００ｍ２／ｇ超、より具体的には４００ｍ２／ｇ超、さらにより具体的には９００ｍ２／ｇであってもよい。該導電性カーボンブラックの細孔容積はフタル酸ジブチル吸収で求めて４０ｃｍ３／１００ｇ以上、より具体的には１００ｃｍ３／１００ｇ以上、さらにより具体的には１５０ｃｍ３／１００ｇ以上であってもよい。
前記熱可塑性組成物は、前記ポリアミド、ポリ（アリーレンエーテル）、中空ガラスビーズおよび任意の選択的な成分を溶融混合することによって調製される。中空ガラスビーズの破砕を最小化するために、組成物中での均一な分散を引き続き確保しながら、配合プロセスにおいてこれらをできるだけ遅れて添加することが望ましい。一部の実施形態では、中空ガラスビーズを除いて、該熱可塑性組成物を第１の配合ステップで配合・ペレット化し、次に第２の配合ステップで、得られた（未充填の）組成物を中空ガラスビーズと配合する。他の実施形態では、該熱可塑性組成物の全部を配合・ペレット化し、このペレットを次の異形押出プロセスに用いて前記絶縁棒を形成する。さらに別の実施形態では、該熱可塑性組成物を配合し、中間のペレット化なしに直ちに異形押出する。詳細な配合条件を以下の実施例に記載する。
前記熱可塑性組成物の重要な特性は、その低い熱伝導率である。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０−０６に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、０．２４ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ以下である。
前記熱伝導率は０．２２／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ未満、あるいは０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ未満、あるいは０．１９ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ未満であり得る。一部の実施形態では、前記熱可塑性組成物の熱伝導率は約０．１６〜約０．２４ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎである。この範囲内で、熱伝導率は約０．１７〜約０．２２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ、具体的には約０．１８〜０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ、より具体的には約０．１８５〜約０．１９ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎであり得る。
前記熱可塑性組成物の別の重要な特性は、比較的低密度であることである。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物の２５℃における密度は１ｇ／ｍＬ以下である。一部の実施形態では、該密度は０．９５ｇ／ｍＬ未満、あるいは０．９ｇ／ｍＬ未満、あるいは０．８５ｇ／ｍＬ未満である。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物の密度は、約０．８〜約１ｇ／ｍＬである。この範囲内で、密度は約０．８２〜約０．９ｇ／ｍＬ、具体的には約０．８３〜約０．８５ｇ／ｍＬであり得る。
異形押出を用いて、前記熱可塑性組成物から絶縁棒を形成できる。該絶縁棒は、肉厚が約０．２〜約４ｍｍの中空であり得る。この範囲内で、肉厚は約０．３〜約２ｍｍ、具体的には約０．４〜約１ｍｍ、より具体的には約０．４〜約０．８ｍｍであり得る。
前記断熱性構造部材は、前記絶縁棒を枠内に滑り込ませることにより組立てられる。
前記断熱性構造部材の非常に特定的な実施形態では、前記絶縁棒の肉厚は約０．２〜約４ｍｍであり、前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、２５℃のクロロホルム中で測定した固有粘度が約０．３〜約０．６ｄＬ／ｇのポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）を含む、約３２〜約４５重量％の前記ポリ（アリーレンエーテル）と、ポリアミド−６，６を含む、約３２〜約４５重量％の前記ポリアミドと、約０．１５〜約２重量％の、前記ポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）と前記ポリアミド−６，６に対する相溶化剤と、約１５〜約２５重量％の中空ガラスビーズと、を含む溶融混合成分の生成物であり、前記熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０−０６に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ以下であることを特徴とする。一部の実施形態では、該熱可塑性組成物の熱伝導率は約０．１６〜約０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎである。一部の実施形態では、該溶融混合成分は、約３〜約１３重量％のゴム変性ポリスチレンをさらに含む。一部の実施形態では、該溶解混合成分は、約０．５〜約２重量％の低密度ポリエチレンと、約０．０２〜約０．１重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、をさらに含む。
一実施形態は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズとを含む熱可塑性組成物であって、前記中空ガラスビーズの容積平均粒径は約２０〜約６０μｍであり、真密度は約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬであり、アイソスタチック破砕強度は約３０〜約６０ＭＰａであり、前記熱可塑性組成物は、５重量％未満の繊維強化材を含むことを特徴とする熱可塑性組成物である。非常に特定的な実施形態では、前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、２５℃のクロロホルム中で測定した固有粘度が約０．３〜約０．６ｄＬ／ｇのポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）を含む、約３２〜約４５重量％のポリ（アリーレンエーテル）と、ポリアミド−６，６を含む、約３２〜約４５重量％のポリアミドと、約０．１５〜約２重量％の、前記ポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）と前記ポリアミド−６，６に対する相溶化剤と、約１５〜約２５重量％の中空ガラスビーズと、を含む溶融混合成分の生成物であり、前記熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ以下である。他の実施形態は、該熱可塑性組成物で形成された射出成形物品および押出物品を含む。
一実施形態は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物であって、前記中空ガラスビーズが、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物が、５重量％未満の繊維強化材を含む熱可塑性組成物を含む絶縁棒の少なくとも一部を金属枠内で囲むステップを備えた、ドアまたは窓用断熱性構造部材の熱伝導率低減方法である。構造部材の文脈における上記の変形もすべて、該熱伝導率低減方法に適用できる。
本発明は少なくとも以下の実施形態を含む。
実施形態１：金属を含む枠と、少なくとも一部を前記枠で囲まれた絶縁棒と、を有するドアまたは窓用断熱性構造部材であって、前記絶縁棒は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物を含み、前記中空ガラスビーズは、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物は、５重量％未満の繊維強化材を含むことを特徴とする断熱性構造部材。
実施形態２：前記熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、０．２４ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ以下であることを特徴とする実施形態１に記載の断熱性構造部材。
実施形態３：前記熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、約０．１６〜約０．２４ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎであることを特徴とする実施形態１または実施形態２に記載の断熱性構造部材。
実施形態４：前記熱可塑性組成物の２５℃における密度は１ｇ／ｍＬ以下であることを特徴とする実施形態１乃至実施形態３のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態５：前記熱可塑性組成物の２５℃における密度は約０．８〜約１ｇ／ｍＬであることを特徴とする実施形態１乃至実施形態４のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態６：前記ポリ（アリーレンエーテル）の固有粘度は、２５℃のクロロホルム中で測定して約０．３〜約０．６ｄＬ／ｇであることを特徴とする実施形態１乃至実施形態５のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態７：前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、前記ポリ（アリーレンエーテル）と前記ポリアミドとを重量比が約０．５：１〜約１．２：１の範囲で含むことを特徴とする実施形態１乃至実施形態６のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態８：前記熱可塑性組成物は、約０．５〜約２重量％の低密度ポリエチレンをさらに含むことを特徴とする実施形態１乃至実施形態７のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態９：前記熱可塑性組成物は、約０．０２〜約０．１重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体をさらに含むことを特徴とする実施形態１乃至実施形態８のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態１０：前記熱可塑性組成物は、約０．５〜約２重量％の低密度ポリエチレンと、約０．０２〜約０．１重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、をさらに含むことを特徴とする実施形態１乃至実施形態９のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態１１：前記熱可塑性組成物は、約２〜約３０重量％の、ゴム変性ポリスチレン、ポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体あるいはこれらの組合せをさらに含むことを特徴とする実施形態１乃至実施形態１０のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態１２：前記中空ガラスビーズは、アミノシランを含む表面コーティングを含むことを特徴とする実施形態１乃至実施形態１１のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態１３：前記絶縁棒の肉厚は約０．２〜約４ｍｍであることを特徴とする実施形態１乃至実施形態１２のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態１４：前記絶縁棒の肉厚は約０．２〜約４ｍｍであり、前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、２５℃のクロロホルム中で測定した固有粘度が約０．３〜約０．６ｄＬ／ｇの前記ポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）を含む、約３２〜約４５重量％の前記ポリ（アリーレンエーテル）と、ポリアミド−６，６を含む、約３２〜約４５重量％の前記ポリアミドと、約０．１５〜約２重量％の、前記ポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）と前記ポリアミド−６，６に対する相溶化剤と、約１５〜約２５重量％の前記中空ガラスビーズと、を含む溶融混合成分の生成物であり、前記熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ以下であることを特徴とする実施形態１に記載の断熱性構造部材。
実施形態１５：前記熱可塑性組成物の熱伝導率は約０．１６〜約０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎであることを特徴とする実施形態１４に記載の断熱性構造部材。
実施形態１６：前記溶融混合成分は、約３〜約１３重量％のゴム変性ポリスチレンをさらに含むことを特徴とする実施形態１４または実施形態１５に記載の断熱性構造部材。
実施形態１７：前記溶融混合成分は、約０．５〜約２重量％の低密度ポリエチレンと、約０．０２〜約０．１重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、をさらに含むことを特徴とする実施形態１４乃至実施形態１６のいずれかに記載の断熱性構造部材。
実施形態１８：実施形態１に記載の断熱性構造部材を含むことを特徴とする窓。
実施形態１９：実施形態１に記載の断熱性構造部材を含むことを特徴とするドア。
実施形態２０：約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物であって、前記中空ガラスビーズが、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物が、５重量％未満の繊維強化材を含む熱可塑性組成物を含む絶縁棒の少なくとも一部を金属枠内で囲むステップを備えた、ドアまたは窓用断熱性構造部材の熱伝導率低減方法。
以下の非限定実施例によって本発明をさらに例証する。
実施例１〜６、比較実施例１〜７
これらの実施例によって、前記中空ガラスビーズの密度、破砕強度および粒径を含む特性による最終組成物への効果について例証する。
表１に記載の成分を用いて組成物を調製した。
Figure 0005613824
Figure 0005613824
ブレンドの配合を２ステップで行なった。第１ステップでは、Ｋｒｕｐｐ Ｗｅｒｎｅｒ ＆ Ｐｆｌｅｉｄｅｒｅｒ社の、スクリュ径２３ｍｍ、スリーローブ、共回転二軸押出機でポリ（アリーレンエーテル）−ポリアミドブレンドを製造した。ポリ（アリーレンエーテル）、安定剤、カーボンブラック、ＬＤＰＥ／Ｄｙｎａｍａｒおよびクエン酸を押出機の供給口から添加した。ポリアミドは下流で添加した。押出機のバレル温度は１５０〜３００℃とした。処理量は、スクリュの回転数４００ｒｐｍ、押出機の最終バレルにおける融液への適用真空度１００〜５００ｍｂａｒで１５〜２０ｋｇ／ｈとした。トルクは約６０〜６５％で維持した。
第２ステップでは、第１ステップで製造した配合ブレンドを主供給口から添加し、前記中空ガラスビーズを下流で添加した。Ｋｒｕｐｐ Ｗｅｒｎｅｒ ＆ Ｐｆｌｅｉｄｅｒｅｒ社の、スクリュ径２５ｍｍ、ツーローブ、共回転二軸押出機を用いてこの配合を行った。該押出機のバレル温度は１５０〜３００℃とした。処理量は、スクリュの回転数１５０〜３００ｒｐｍ、押出機の最後から２番目のバレルにおける融液への適用真空度１００〜５００ｍｂａｒで８〜１０ｋｇ／ｈとした。トルクは約４０〜５０％で維持した。押出品はペレット化した。
その後、強制空気循環炉内で該ペレットを１２０℃×５時間乾燥させ、試験棒に成形した。試験棒は、バレル温度４０〜３００℃、型温度１００℃に設定した射出成形機を用いて成形した。
熱伝導率値（単位：ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ（Ｗ／ｍＫ））は、ＮＥＴＺＳＣＨ（ＵＳＡ）社から販売されているＴＣＡ４４６／３を用い、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０−０６のガーデッドヒートフロー法（Ｇｕａｒｄｅｄ Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｈｏｄ）に準拠して測定した。該熱電率測定のサンプルとして、直径４０ｍｍ×厚み３．４ｍｍのディスクを用いた。該サンプルをポリエチレンジップロックバッグに入れ、４８時間、２３℃×相対湿度５０％の状態とした。サンプルと熱流計（ＨＦＴ）を、異なる温度に調節した２枚の平板間に挟んで、サンプルの両側の温度差を約２０℃にしてサンプルを流れる熱流を生じさせた。空気圧手段またはその他の手段により、再現可能な荷重（３０ＰＳＩ；２０７ｋＰａ）をサンプルにかけて、試料と平板表面間に再現可能な接触抵抗を確実に生じさせた。試験スタックを保護材で囲んで均一な平均温度（約５０〜５４℃）に維持し、該スタック側面からの熱流の出入りを最小化した。サンプルの平均温度は約５０℃である。定常状態において、ＨＦＴの電気出力と共に、試料に接触する表面に埋め込んだ温度センサで表面間の温度差を測定する。この出力（電圧）は、試料、ＨＦＴおよびその両者の界面を流れる熱流に比例する。この比例は、同条件で測定する、参照試料（ＤｕＰｏｎｔ社（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）の製品であり、５０℃での既知の伝導率が約０．３８Ｗ／ｍＫであるＶｅｓｐｅｌ（登録商標））を用いた該システムの事前のキャリブレーションによって得られ、これによって、表面における接触抵抗は再現性を有する。
配合ペレットおよび成形部品の密度（単位：ｇ／ｍＬ）をガス比重計により測定した。ガス比重計で測定した実験密度と理論密度との差である密度差は、中空ガラスビーズの破壊に比例する。押出組成物のペレットと成形部品の両方に対する密度差を求めた。下式の混合則によって理論密度を計算する。
ρｃｏｍｐｏｓｉｔｅ＝ＶＨＭＣ×ρＨＭＣ＋Ｖｍａｔｒｉｘ×ρｍａｔｒｉｘ
式中、ρｃｏｍｐｏｓｉｔｅは混合物の密度、ＶＨＭＣは中空ガラスビーズの体積分率、ρＨＭＣは中空ガラスビーズの密度、Ｖｍａｔｒｉｘはポリマーマトリックスの体積分率、ρｍａｔｒｉｘはポリマーマトリックスの密度である。炉内で該ペレットを５５０℃×１２時間で炭化し、配合中に押出機に供給した中空ガラスビーズの実際の量を求めた。
１２０ｋＶで操作するＰｈｉｌｉｐｓ ＣＭ１２透過型電子顕微鏡を用いた透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ）により、領域粒径を分析した。典型的な微細構造の顕微鏡写真を９７００倍で撮影した。ＴＥＭ研究に必要な１００ｎｍ厚の断面は、室温での超薄切片法で準備した。これらの断面を３ｍｍ、４００メッシュの銅ＴＥＭグリッド上に回収した。分散相の研究に用いるＴＥＭ断面を四酸化ルテニウム（ＲｕＯ４）溶液で３０秒間蒸気染色した。ルテニウム四酸化物は、相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物中のポリ（アリーレンエーテル）を優先的に染色する。
中空ガラスビーズ形態の研究のために、残った灰サンプルを取って走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）用固定台上に分散した。分散した残余のサンプルをＳＥＭ固定台と共に金で被覆して導電性とした。該被覆サンプルをＳＥＭ（ＦＥＩ ｑｕａｎｔａ４００）内に挿入し、後方散乱モードで様々な倍率で撮像した。種々のサンプルのＳＥＭ写真の目視検査により、破壊の大小の程度によりサンプルを順位付けた。
組成物と特性を表２〜４に要約する。各成分量は組成物の全重量に対する重量％で表す。中空ガラスビーズの破砕強度（単位：ＭＰａ）は、メーカー報告のアイソスタチック破砕強度であり、中空ガラスビーズの少なくとも８０％が残存し、典型的には約９０％が残存する圧力に相当する。中空ガラスビーズの真密度（単位：ｇ／ｃｃ）はメーカー報告のものである。炭化量（単位：ｗｔ％）は、ペレット内に存在する中空ガラスビーズの実際量を表わす。炉内でペレットを５５０℃×１２時間で焼いてポリマーおよび他の有機物質を除去した。熱伝導率、ペレット密度、ペレット密度差および成形部品密度差は上記の方法で求めた。
表２では、比較実施例１〜７と実施例１〜６との比較により、熱伝導率およびペレットの最終密度に与える、破砕強度、中空ガラスビーズの密度、および粒径分布の重要性が示される。比較実施例１は中空ガラスビーズを含まない組成物である。中空ガラスビーズを含まない比較実施例１とそれを含む実施例１〜６との比較により、中空ガラスビーズを添加することにより、熱伝導率と密度が好適に低減されることがわかる。粉砕強度が３８〜４１ＭＰａ、真密度が０．３８〜０．４６ｇ／ｍＬの中空ガラスビーズを組込んだ実施例１〜３と、破砕強度が４〜２７ＭＰａ、真密度が０．２５〜０．８ｇ／ｍＬの中空ガラスビーズを組込んだ比較実施例４および５との比較により、実施例１〜３の方が好適に、より低い密度と熱伝導率を示すことがわかる。実施例１〜３において、より密度の高い中空ガラスビーズを用いると低密度の最終組成物が得られることは、中空ガラスビーズの破壊が低減したことによると考えられる。ペレットでの実際の密度と理論密度との差は、０．００５〜０．１８４ｇ／ｍＬの範囲であり、数値が大きくなるほど、中空ガラスビーズの破壊が大きいことを示していることに留意すべきである。また、成形ディスクでの実際の密度と理論密度との差は、０．００５〜０．２３９ｇ／ｍＬの範囲であり、数値が大きくなるほど、中空ガラスビーズの破壊が大きいことを示していることにも留意すべきである。成形部品での密度差がペレットでのそれより大きいという事実は、配合ステップとペレット化ステップで中空ガラスビーズの一部の破壊が起こっており、中空ガラスビーズのさらなる破壊が射出成形ステップで起こっていることを示唆している。押出し成形によって形成された部分では、そこで見られる破壊の程度より、ペレットで見られる破壊の程度により近いものになり易い。
実施例４〜６と比較実施例６との比較により、破砕強度とは別に、中空ガラスビーズの密度の重要性が示される。比較実施例６のＳ６０ＨＳ中空ガラスビーズは、実施例４〜６のＳ３８ＸＨＳ、Ｓ３８ＨＳおよびＫ４６中空ガラスビーズより高い破砕強度を有しているが、より熱伝導性の（より望ましくない）最終組成物を生成する。
Figure 0005613824
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（ａ）比較実施例１および（ｂ）実施例５の透過型電子顕微鏡写真を図５に示す。連続したライトグレーの相は、ポリアミドを含む連続相に相当し、離散した暗い相はポリ（アリーレンエーテル）を含む分散相に相当する。該顕微鏡写真は、中空ガラスビーズの添加に対する分散相の安定性を示している。各写真中の長円形は、分散したポリ（アリーレンエーテル）相に相当する（図５（ｂ）では前記ガラスビーズは見えないが、これは各ガラスビーズが写真の視野よりはるかに大きいためである）。
図６は、（ａ）１０重量％のＳ６０ＨＳ中空ガラスビーズを有する比較実施例３、（ｂ）１０重量％のＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを有する実施例２、および（ｃ）１０重量％のＫ２５中空ガラスビーズを有する比較実施例４のそれぞれに対して、５５０℃で炭化させたペレットの断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。これらの写真から、Ｓ６０ＨＳおよびＳ３８ＸＨＳと比較して、Ｋ２５は大きく破壊していることがわかる。
図７は、（ａ）１０重量％のＳ６０ＨＳ中空ガラスビーズを有する比較実施例３、（ｂ）１０重量％のＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを有する実施例２、および（ｃ）１０重量％のＫ２５中空ガラスビーズを有する比較実施例４のそれぞれに対して、５５０℃で炭化させた成形部品の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。これらの写真から、Ｓ６０ＨＳおよびＳ３８ＸＨＳと比較して、Ｋ２５は大きく破壊していることがわかる。
実施例７〜１２
表３に示すように、比較実施例１および実施例７〜１２によって、機械的および熱的特性に及ぼす中空ガラスビーズの効果と、機械的特性に及ぼす表面処理の利点が示されている。
表３において、「成形部品での密度差（実験値−計算値（Ｅｘｐｔ．−Ｃａｌｃ））」の値は上記のように求めた。ＩＳＯ５２７に準拠し温度２３℃で、引張弾性率値（単位：ＧＰａ）、引張強度値（単位：ＭＰａ）および破断引張歪み（単位：％）を測定した。ＩＳＯ１８０／１Ａに準拠し温度２３℃で、ノッチ付アイゾッド衝撃強度値を測定した。ＩＳＯ３０６に準拠して、耐熱性（℃）（ビカットＢ）を測定した。
比較実施例１（中空ガラスビーズを含まない）と実施例７〜１２（現在要求されている特性を有する中空ガラスビーズを含む）とを対比すると、発明組成物は、向上した引張弾性率と低減した熱膨張率を示すことがわかる。実施例７（未処理のＫ４６中空ガラスビーズを含む）と実施例８（処理されたＫ４６中空ガラスビーズを含む）との対比により、また、実施例９（未処理のＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを含む）と実施例１０（処理されたＳ３８ＸＨＳ中空ガラスビーズを含む）との対比により、また、実施例１１（未処理のＳ３８ＨＳ中空ガラスビーズを含む）と実施例１２（処理されたＳ３８ＨＳ中空ガラスビーズを含む）との対比により、表面処理された中空ガラスビーズを用いると、中空ガラスビーズが表面処理されていない対応する組成物が示すものより、より高い引張強度とより高い破断引張伸び率が付随することがわかる。
Figure 0005613824
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比較実施例８、実施例７〜１２
実施例１３〜２０（現在要求されている特性を有する中空ガラスビーズを含む）と比較実施例８（中空ガラスビーズを含まない）との比較によって、中空ガラスビーズと樹脂添加物（ＳＥＢＳとＨＩＰＳ）の組合せの効果が示される。比較実施例８に対して、実施例１３〜２０に対する熱伝導率の著しい低下が見られる。実施例１３〜２０のすべてにおいて、熱伝導率は０．２ｗａｔｔｓ／Ｋｅｌｖｉｎ−ｍｅｔｅｒ以下であり、そのうちの６つの実施例では、熱伝導率が０．１９ｗａｔｔｓ／Ｋｅｌｖｉｎ−ｍｅｔｅｒ以下であった。
Figure 0005613824
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本明細書では実施例を用いて最良の実施形態を含めて本発明を開示しており、当業者によって本発明をなし、使用することを可能にしている。本発明の特許範囲は請求項によって定義され、当業者がもたらすその他の実施例も包含し得る。こうしたその他の実施例は、請求項の文字どおりの解釈と違わない構成要素を有する場合、あるいは請求項の文字どおりの解釈とごくわずかな違いしかない等価な構成要素を含んでいる場合には、請求項の範囲内であると意図される。
引用された特許、特許出願および他の参考文献はすべて、参照により本明細書に援用される。しかしながら、本出願中の用語が援用された参考文献の用語と矛盾するか対立する場合、本出願の用語が、援用された参考文献の矛盾する用語に優先する。
本明細書で開示された範囲はすべて終点を含むものであり、該終点は互いに独立に組合せできる。
本発明の記述文脈（特に以下の請求項の文脈）における単数表現は、本明細書で別途明示がある場合または文脈上明らかに矛盾する場合を除き、単数および複数を含むものと解釈される。また、本明細書で用いられる、「第１の」「第２の」などの用語は、いかなる順序や量あるいは重要度を表すものではなく、ある成分と他の成分とを区別するために用いるものである。ある量に関して使用された修飾語「約」は、記載された値を含み、かつ、文脈から示される意味を有するものとする（例えば、特定の量の測定に関連する誤差の程度を含む）。

Claims (10)

  1. 金属を含む枠と、少なくとも一部を前記枠で囲まれた絶縁棒と、を有するドアまたは窓用断熱性構造部材であって、
    前記絶縁棒は、約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物を含み、
    前記中空ガラスビーズは、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、
    前記熱可塑性組成物は、５重量％未満の繊維強化材を含むことを特徴とする断熱性構造部材。
  2. 前記熱可塑性組成物の２５℃における密度は約０．８〜約１ｇ／ｍＬである請求項１に記載の断熱性構造部材。
  3. 前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、前記ポリ（アリーレンエーテル）と前記ポリアミドとを重量比が約０．５：１〜約１．２：１の範囲で含む請求項１または２に記載の断熱性構造部材。
  4. 前記熱可塑性組成物は、約０．５〜約２重量％の低密度ポリエチレンと、約０．０２〜約０．１重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、をさらに含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の断熱性構造部材。
  5. 前記熱可塑性組成物は、約２〜約３０重量％の、ゴム変性ポリスチレン、ポリスチレン−ポリ（エチレン−ブチレン）−ポリスチレントリブロック共重合体あるいはこれらの組合せをさらに含む請求項１乃至４のいずれか１項に記載の断熱性構造部材。
  6. 前記絶縁棒の肉厚は約０．２〜約４ｍｍであり、
    前記相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物は、
    ２５℃のクロロホルム中で測定した固有粘度が約０．３〜約０．６ｄＬ／ｇのポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）を含む、約３２〜約４５重量％の前記ポリ（アリーレンエーテル）と、
    ポリアミド−６，６を含む、約３２〜約４５重量％の前記ポリアミドと、
    約０．１５〜約２重量％の、前記ポリ（２，６−ジメチル−１，４−フェニレンエーテル）と前記ポリアミド−６，６に対する相溶化剤と、
    約１５〜約２５重量％の前記中空ガラスビーズと、を含む溶融混合成分の生成物であり、
    前記熱可塑性組成物の熱伝導率は、ＡＳＴＭ Ｅ１５３０に準拠し、直径が４０ｍｍ、厚みが３．４ｍｍのディスクを用い５０℃で測定して、０．２ｗａｔｔｓ／ｍｅｔｅｒ−Ｋｅｌｖｉｎ以下である請求項１に記載の断熱性構造部材。
  7. 前記溶融混合成分は、約３〜約１３重量％のゴム変性ポリスチレンをさらに含む請求項６に記載の断熱性構造部材。
  8. 前記溶融混合成分は、約０．５〜約２重量％の低密度ポリエチレンと、約０．０２〜約０．１重量％の、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体と、をさらに含む請求項６または７に記載の断熱性構造部材。
  9. 請求項１、２、６および７のいずれか１項に記載の断熱性構造部材を含むことを特徴とする窓またはドア。
  10. 約５５〜約９５重量％の相溶化ポリアミド−ポリ（アリーレンエーテル）組成物と、約５〜約４５重量％の中空ガラスビーズと、を含む熱可塑性組成物であって、前記中空ガラスビーズが、約２０〜約６０μｍの容積平均粒径と、約０．３〜約０．５ｇ／ｍＬの真密度と、約３０〜約６０ＭＰａのアイソスタチック破砕強度とを有し、前記熱可塑性組成物が、５重量％未満の繊維強化材を含む熱可塑性組成物を含む絶縁棒の少なくとも一部を金属枠内で囲むステップを備えることを特徴とする、ドアまたは窓用断熱性構造部材の熱伝導率低減方法。
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