JP7189378B2 - 硬化剤及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2019年7月1日出願の仮特許出願第62/869,393号及び2020年3月13日出願の仮特許出願第62/989,275号に基づく優先権を主張し、これら出願は全て、参照によりその全体が本明細書に援用される。
本開示は、本明細書に開示された材料を利用して形成し得る天然製品の製造方法に関する。この天然製品は、コーティングした合成織布、皮革製品、及び発泡製品に類似した物理的特性を有する。
合成高分子材料を天然由来の生分解性ポリマーに置き換えることは、持続可能な製品及び材料プロセスを達成する上で重要な目標である。全ての有力な天然出発材料のうち、自然界に最も多く存在し、容易に入手、分離、精製される材料も、最も費用対効果の高い代替物の選択肢となる。木材、天然繊維、天然油、他の天然化学物質などの材料は全て容易に、大量に入手可能である。より広く天然材料を使用する際の限界はこれまで、主に加工柔軟性(例えば、成形性)、及び/又は最終的な特性(例えば、強度、伸長率、弾性率)の限界に起因する。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、説明と共に実施形態を図示し、方法及び系の原理の説明を促す。
本発明の方法及び装置を開示及び説明する前に、本方法及び装置は特定の方法、特定の構成要素、又は特定の実施に限定されないことは理解されるべきである。本明細書で使用する用語は、特定の実施形態/態様のみを説明する目的のためのものであり、限定することを意図していないこともまた理解されるべきである。
エポキシ化トリグリセリド(植物及び/又はナッツ油などの植物系油、及び/又は藻類若しくは酵母で生成したような微生物性油であってもよい)、天然に存在する多官能性カルボン酸、並びに少なくとも数種のグラフト化水酸基含有溶媒から構成される硬化剤を開示する。植物系油類から構成されるこのようなエポキシ化トリグリセリドの例としては、エポキシ化大豆油(ESO)、エポキシ化亜麻仁油(ELO)、エポキシ化トウモロコシ油、エポキシ化綿実油、エポキシ化キャノーラ油、エポキシ化菜種油、エポキシ化ブドウ種子油、エポキシ化ケシ油、エポキシ化タング(tongue)油、エポキシ化ヒマワリ油、エポキシ化サフラワー油、エポキシ化小麦胚芽油、エポキシ化クルミ油、及び他のエポキシ化植物油類(EVO)が挙げられる。一般に、ヨウ素価が100以上の任意の多価不飽和トリグリセリドは、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく本明細書に開示するようにエポキシ化し、硬化剤として使用してもよい。このようなエポキシ化トリグリセリドは一般的に生分解性であることが公知である。天然に存在する多官能酸の例としては、クエン酸、酒石酸、コハク酸、リンゴ酸、マレイン酸、及びフマル酸が挙げられる。特定の例示的実施形態は1種類の油及び/又は酸を記載してもよいが、そのような実施形態は、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、いかなる方法においても限定することを意図するものではない。
A.概要
直前に開示した硬化剤は、プレポリマーとして機能してもよく、また、追加的なエポキシ化植物油と混合して様々な下地材料/下地層に適用できる樹脂として使用し、優れた引裂強度、柔軟性、寸法安定性、及び製造保全性を有する皮革のような外観の材料を得てもよい。本開示を通じて、用語「下地材料」及び「下地層」は特定の文脈に応じて互換的に使用可能である。しかし、本明細書に開示した特定の物品については、下地材料は樹脂含浸下地層から構成してもよい。プレポリマーを利用する被覆材料の1つの例示的実施形態によれば、1つの例示的な織布製の下地材料/下地層は(図2A及び2Bに図示され、後述でより詳細に説明されるように)織布木綿フランネルであってもよい。樹脂を比較的低粘度で調合する場合、露出したフランネルは、樹脂被覆した布芯上に存続してもよい。これにより物品の表面に暖かい質感が付与される。他の織布の下地材料/下地層は、以下の特許請求の範囲に示されていない限り、限定されることなく、各種の織布基材(例えば、平織、綾織、サテン織、デニム)、メリヤス基材、不織布基材を含んでもよい。
以下の例示的実施形態及び方法は特定の反応パラメータ(例えば、温度、圧力、試薬比率等)を含むが、これらの実施形態及び方法は例示目的のためだけのものであり、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、本開示の範囲を限定するものではない。
プレポリマーを用いた被覆材料(即ち、上記で開示したような硬化剤)の第1例示的実施形態を作製するために、18部のクエン酸を54部の温めたIPAに溶解した。この溶液に、ESOを12部だけ添加する。IPAを、連続的な加熱及び撹拌(約85℃超)で蒸発させた。これにより、(長時間であっても)ゲル化せずに120℃を超えて加熱できる粘性液体を作製することが分かった。この粘性液体プレポリマーを80℃未満まで冷却した。この粘性液体に、88部のESOを添加する。最終液体樹脂は、約150℃、1~5分で固体エラストマー生成物へと重合する。(天然獣皮の代替品として機能し得る)被覆材料は、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、エポキシ化トリグリセリド及びプレポリマーを用いて反応生成物として形成可能である。
本例示的実施形態では、30部のクエン酸を60部の温めたIPAに溶解した。この溶液に、20部のESOを撹拌しながらゆっくりと添加した。IPAを、連続的な加熱及び撹拌(85℃超、好ましくは100℃超)で蒸発させた。この粘性プレポリマーを80℃未満(好ましくは70℃未満)まで冷却し、80部のESOを、各種構造色顔料及び0.5部のステアリン酸亜鉛(内部離型剤として)と共に添加した。得られた樹脂をセルロース織布の上に注ぎ、約120℃で10~30分間硬化させた。初期硬化後、材料を80℃のオーブンに配置し、一晩、後硬化させた(約16時間)。その後、材料の表面をサンディングし、滑らかにした(また、任意選択により研磨した)。得られた材料は皮革のような外観特性を有することが分かった。
50部のクエン酸を100部の温めたIPAに溶解し、溶解を混合により促進してプレポリマーを形成した。クエン酸が溶解した後、50部のESOを撹拌溶液に添加する。混合液をホットプレートに保持し、この間、連続的な加熱及び撹拌下でIPAを蒸発させた。このような溶液を、様々なホットプレート温度及び空気流条件で複数回形成した。長時間の加熱及び撹拌の後でさえ、反応生成物の量はESO及びクエン酸のみの質量より多いことが繰り返し判明した。IPAの蒸発速度(少なくとも空気流、混合速度、及びホットプレート温度によって決定する)に応じて、2.5~20部のIPAがクエン酸キャップドオリゴマープレポリマーにグラフトされることが分かった。更に、アセトンとIPAとの溶媒ブレンドを反応媒体として使用してもよく、ここでは、アセトンとIPAとの比率がプレポリマー上の残留カルボン酸官能基の量、並びにプレポリマー中の分岐量を決定する。IPAの量が多い程、図1で参照しているようにエステル結合を介してクエン酸にIPAがグラフトされることにより、カルボン酸官能基の一部がキャッピングされることにより、クエン酸の有効な機能性が低下して、構造がより直線的になる。IPAの量が少ない程、より多くの残留カルボン酸官能基によって分岐構造がより高度になる。
50部のクエン酸を100部の温めたIPAに溶解し、溶解を混合により促進してプレポリマーを形成した。クエン酸を溶解した後、50部のESO及び15部の脱脂した金色シェラックを撹拌液に添加する。混合物をホットプレートに保持し、この間、連続的な加熱及び撹拌下でIPAを蒸発させた。シェラックは、得られるプレポリマーの粘度を増加させることが分かった。
45部のクエン酸を90部の温めたIPAに溶解し、溶解を混合により促進してプレポリマーを形成した。クエン酸を溶解した後、45部のESOを撹拌液に添加する。混合物をホットプレートに保持し、この間、連続的な加熱及び撹拌下でIPAを蒸発させた。
プレポリマーは、45部のクエン酸を30部の温めたIPA及び60部のアセトンに溶解し、溶解を混合により促進してプレポリマーを形成した。クエン酸を溶解した後、45部のESOを撹拌液に添加する。混合物をホットプレートに保持し、この間、連続的な加熱及び撹拌下でアセトン及びIPAを蒸発させた。このような溶液を様々なホットプレート温度及び空気流条件で複数回形成した。長時間の加熱及び撹拌の後でさえ、反応生成物の量はESO及びクエン酸のみの質量より多いことが繰り返し判明した。しかし、グラフトしたIPAの量は第5例示的実施形態に従って形成したプレポリマーよりも少ない(たとえ、両ケースでESO:クエン酸比が1:1であっても)。更に、第5例示的実施形態に従って形成したプレポリマーは、第6例示的実施形態に従って形成したプレポリマーと比較して、粘度が低い。
第4例示的実施形態で形成したプレポリマーを、ESOの計算総量が100部になるように追加のESOと混合した。この混合物は透明なエラストマー樹脂へと硬化することが分かった。ASTM D412に従った引張試験では、引張強度は1.0MPaであり、破壊時の伸長率は116%であることが判明した。
45部のクエン酸を20部のIPA及び80部のアセトンに加熱及び攪拌下で溶解し、プレポリマーを形成した。クエン酸を溶解した後、10部のシェラックと共に35部のESOを溶液に添加した。溶媒を蒸発させた後に形成したプレポリマーを冷却した。このプレポリマーを、ESOの総量が100部になるように更に65部のESOと混合した。その後、この混合樹脂をシリコーンマットで鋳造し、透明シートを作製した。ASTM D412に従った引張試験により材料の機械的特性を調べた。引張強度は1.0MPaであり、伸長率は104%であることが分かり、これにより計算弾性率は0.96MPaとなる。
45部のクエン酸を5部のIPA及び80部のアセトンに加熱及び攪拌下で溶解し、プレポリマーを形成した。クエン酸を溶解した後、10部のシェラックと共に35部のESOを溶液に添加した。溶媒を蒸発させた後に形成したプレポリマーを冷却した。このプレポリマーを、ESOの総量が100部になるように更に65部のESOと混合した。その後、この混合樹脂をシリコーンマットで鋳造し、透明シートを作製した。ASTM D412に従った引張試験により材料の機械的特性を調べた。引張強度は1.8MPaであり、伸長率は62%であることが分かり、これにより計算弾性率は2.9MPaとなる。第8及び第9例示的実施形態から分かるように、プレポリマー形成中にIPAの存在量が少ない程、より高い弾性率及びより低い伸長率で樹脂の架橋をより高度にするプレポリマーが生成される。これらの反応生成物は、その材料特性においてゴム状というよりプラスチック状である。
25部のクエン酸を10部のIPA及び80部のアセトンに加熱及び攪拌下で溶解し、プレポリマーを形成した。クエン酸を溶解した後、5部のシェラックと共に20部のESOを溶液に添加した。溶媒を蒸発させた後に形成したプレポリマーを冷却した。このプレポリマーを、ESOの総量が100部になるように更に80部のESOと混合した。その後、この混合樹脂をシリコーンマットで鋳造し、透明シートを作製した。ASTM D412に従った引張試験により材料の機械的特性を調べた。引張強度は11.3MPaであり、伸長率は33%であることが分かり、これにより計算弾性率は34MPaとなる。第10例示的実施形態から分かるように、プレポリマー及び最終樹脂混合物を適切に設計することにより、高い強度及び高い弾性率の特性を有する可塑性材料が本開示の方法で形成できる。
第6例示的実施形態のプレポリマーを、ESOの計算総量が100部となるように更にESOと混合した。その後、この混合樹脂をシリコーンマットで鋳造し、透明シートを作製した。ASTM D412に従った引張試験により材料の機械的特性を調べた。引張強度は0.4MPaであり、伸長率は145%であることが分かり、これにより計算弾性率は0.28MPaとなる。
ENR-25を、2本ロールゴム配合ミルでESOと混合した。100部のENR-25に計50部のESOを添加できるまでESOをゆっくりと添加し、その後に粘度が低下して更なるミルでの混合が不可能になることが分かった。その後、このべたべたした材料を容器に移し、Flacktek(登録商標)Speedmixerで更に混合した。計300部のESOを最終的に100部のENR-25に組み入れたときに、流動性混合物が得られた。形成した混合物は相間離隔しなかった。
本開示に従って製造した物品は、当技術分野で公知の任意の手段により仕上げてもよい。このような手段には、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、エンボス加工、焼印、サンディング、擦過、研磨、カレンダー加工、ワニス加工、ろう引、染色、着色等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本開示の樹脂を織布又は不織布マットに含浸させ、このような物品を硬化させることにより例示的な結果が得られ得る。物品を硬化させた後、表面をサンディングし、不完全な部分を除去し、基材の一部を露出させてもよい。このような表面は、図3~7で例示するように、獣皮に非常に類似した特徴を示す。その後、その表面は、特定の用途に応じて、天然油又はワックス保護剤で処理してもよい。
本開示に従って製造した被覆織布、ENR系材料、及び/又は油布のような外観の材料は、獣皮及び/又は合成樹脂被覆織布が現在使用されている用途に使用してもよい。そのような用途には、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、ベルト、小銭入れ、バックパック、靴、テーブル面、座席等が挙げられ得る。これらの物品の多くは、合成材料代替物から作製した場合には、非生分解性であり、リサイクル不可能な消耗品である。このような製品を代替的に本開示に従って作製した場合、そのような製品は生分解性であり、よって廃棄の問題を生じない。これはESO及び天然酸から同様に調製したポリマーの生分解性で研究され、示されているとおりである。Shogren et al., Journal of Polymers and the Environment, Vol. 12, No. 3, July 2004更に、耐久性及び安定性を有するためにはかなり加工を必要とする(その一部は有害化学物質を使用する)獣皮とは異なり、本明細書に開示した材料はあまり加工を必要としなくてもよく、環境に優しい化学物質を使用する。また、獣皮はサイズが限定的であり、大きな生地を製造するには非効率であるという欠陥を持つ場合もある。本明細書に開示した材料には、この種のサイズ制限はない。
A.概要
上記第2節に開示されているように調製した被覆織布は、そのような材料を織布及び不織布基材に流すための液状粘性樹脂を使用する。得られた硬化材料は、架橋間のポリマー柔軟性が制限された高度分岐構造を反映した機械的特性(適度な強度及び適度な伸長率)を有する。機械的特性を増加させる1つの手段は、線状構造が多く、低い架橋密度で硬化できるポリマー材料から始めることである。被覆織布の処方にシェラック樹脂(高分子量の天然樹脂)を組み込むことは強度及び伸長率を改善することが分かったが、材料をより柔軟にすることも分かった。第3節に開示したような材料調合物-エポキシ化ゴムは、室温で材料の柔軟性を損なうことなく優れた機械的特性(非常に高い強度及びより高い伸長率)を示すことが可能である。
エポキシ化天然ゴム(ENR)は商標名Epoxyprene(登録商標)(Sanyo Corp.)で市販している製品である。ENRはそれぞれ25%エポキシ化及び50%エポキシ化の2つのグレード、ENR-25及びENR-50が入手可能である。しかし、特定の実施形態では、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、3%~50%のエポキシ化レベルのENRを使用してもよいと考えられている。当業者であれば、タンパク質変性させた、又は除去したラテックス出発生成物からもENRを製造してよいことは理解するであろう。天然ゴムのエポキシ化の間、アレルゲン活性が著しく減少することが分かった-Epoxypreneに関する文献は、ラテックスアレルゲン活性が未処理の天然ゴムラテックス製品のわずか2~4%であることを開示している。このことはラテックスアレルギーを経験する可能性のある人にとってはほぼ改善されたと言える。ENRは、本開示の材料において、開示及び請求した製品に伸長率、強度、及び低温柔軟性を付与するために使用する。
50部のクエン酸を、50部のイソプロピルアルコール及び30部のアセトンの温めたブレンドに溶解することにより、硬化剤を調製した。クエン酸が溶解した後、15部の(金色の脱脂した)シェラックフレークを50部のESOと共に混合物に添加した。混合物を加熱し、揮発性溶媒が全て蒸発するまで連続的に撹拌した。イソプロピルアルコールの総残留量がクエン酸、ESO、及びシェラックよりも多いことは注目に値する-これはイソプロピルアルコール(IPA)の一部が(エステル結合を介して)クエン酸キャップド硬化剤にグラフトされたことを意味する。アセトンに対するIPAの比率を変えると、硬化剤へのIPAのグラフト度を変化させることが可能になる。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して30部の第1実施形態で調製した硬化剤に混合した。また、充填剤として70部の粉砕コルク粉末(Amorim製MF1)を添加した。この混合物は通常の配合慣例に従って2本ロールゴムミルで作製した。この混合物をシート状にし、110℃で30分間成形した。この混合物は、硫黄及び過酸化物硬化系と同様の伸長率及び歪み回復をもって適切に硬化することが分かった。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して45部の第1実施形態で調製した硬化剤に混合した。また、充填剤として70部の粉砕コルク粉末(Amorim製MF1)を添加した。この混合物は通常の配合慣例に従って2本ロールゴムミルで作製した。この混合物をシート状にし、110℃で30分間成形した。この混合物は完全に硬化したが、過剰架橋系のいくつかの特性;低い耐引裂性及び非常に高い弾性を有することが分かった。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して15部の第1実施形態で調製した硬化剤に混合した。また、充填剤として70部の粉砕コルク粉末(Amorim製MF1)を添加した。この混合物は通常の配合慣例に従って2本ロールゴムミルで作製した。この混合物をシート状にし、110℃で30分間成形した。この混合物は硬化したが、比較的低い硬化状態であり;低い弾性及び不十分な歪み回復などの特性を有することが分かった。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して30部の第1実施形態で調製した硬化剤に混合した。また、充填剤として70部の粉砕コルク粉末(Amorim製MF1)を添加した。また、20部の(回収布から得た)再生(garneted)繊維を添加した。この混合物は通常の配合慣例に従って2本ロールゴムミルで作製した。この混合物をシート状にし、110℃で30分間成形した。この混合物は完全に硬化しており、更に繊維量に応じて比較的高い延伸弾性率を有していることが分かった。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して30部の第1実施形態で調製した硬化剤に混合した。また、充填剤として60部の粉砕コルク粉末(Amorim製MF1)を添加した。また、80部の(回収布から得た)再生(garneted)繊維を添加した。この混合物は通常の配合慣例に従って2本ロールゴムミルで作製した。この混合物をシート状にし、110℃で30分間成形した。この混合物は完全に硬化しており、更に繊維量に応じて非常に高い延伸弾性率を有していることが分かった。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して60部の実施形態1で調製した硬化剤に混合した。また、反応性可塑剤として35部のESOを添加した。また、充填剤として350部の粉砕コルク粉末(Amorim製MF1)を添加した。また、30部の(回収布から得た)再生(garneted)繊維を添加した。この混合物は通常の配合慣例に従って2本ロールゴムミルで作製した。この混合物をシート状にし、110℃で30分間成形した。この混合物は完全に硬化しており、剛性で、更に、繊維量に応じて比較的高い延伸弾性率を有していることが分かった。
50部のクエン酸を110部のイソプロピルアルコールの温めたブレンドに溶解して硬化剤を調製した。クエン酸が溶解した後、その混合物に50部のESOを10部の蜜蝋と共に添加した。混合物を加熱し、揮発性溶媒が全て蒸発するまで連続的に撹拌した。イソプロピルアルコールの総残留量は、クエン酸、ESO、及び蜜蝋よりも多い-これはイソプロピルアルコール(IPA)の一部が(エステル結合を介して)クエン酸キャップド硬化剤にグラフトされたことを意味する。還元した液体混合物を微細な沈降シリカ(Evonik製Ultrasil 7000)に添加し、その後の処理で簡単に添加するための50重量%の乾燥液体濃縮物(DLC)を作製した。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して30部の追加の微細沈降シリカと共に、50部の第8例示的実施形態で調製した硬化剤DLCに混合した。第8例示的実施形態で調製した硬化剤DLCを混合すると、DLCとして予め分散していない硬化剤に混合するときに経験する処理中のいくらかのべたつきが排除されることがわかった。得られた混合物を約50psiのプレス中、110℃で30分間硬化させ、半透明の厚板を作製した。
25%エポキシ化したエポキシ化天然ゴム(ENR-25)を、ゴム100部に対して30部のいわゆる「木綿化」麻繊維に混合し、この混合物を、耐密ニップを利用する2本ロールミルで混合し、繊維を均一に分散させた。このマスターバッチに、第8例示的実施形態で調製した50部の硬化剤DLCを、30部の追加の微細沈降シリカと共に添加した。得られた混合物を約50psiのプレス中、110℃で30分間硬化させ、半透明の厚板を作製した。第10例示的実施形態の材料は、繊維充填量に応じて破断時の伸長率が大幅に低く、弾性率が大幅に高くなる変化を伴う第9例示的実施形態の材料と類似した特性を有することが分かった。
ENR-25とココナッツ木炭とを混合することによりENR系材料の黒色バッチを調製し、所望の黒色を達成した。黒色着色剤に加えて、他の成分を添加して、加工可能なゴムバッチを得た。他の成分には、粘土、沈降シリカ、追加のエポキシ化大豆油、ヒマシ油、精油付臭剤、トコフェロール(ビタミンE-天然酸化防止剤として)、及び硬化剤が挙げられ得る。次いで、この材料を150℃で25分間、引張プラーク鋳型中で硬化させ、硬化を完了した。
ENR-25とコルク粉末とを混合することによりENR系材料の茶色バッチを調製し、所望の茶色及び質感を達成した。コルクに加えて、他の成分を添加して、加工可能なゴムバッチを得た。他の成分には、粘土、沈降シリカ、追加のエポキシ化大豆油、精油付臭剤、トコフェロール(ビタミンE-天然酸化防止剤として)、及びプレポリマー硬化剤が挙げられ得る。次いで、この材料を150℃で25分間、引張プラーク鋳型中で硬化させ、硬化を完了した。
本開示に従って製造した物品は、当技術分野で公知の任意の手段により仕上げてもよい。そのような手段には、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、エンボス加工、焼印、サンディング、擦過、研磨、カレンダー加工、ワニス加工、ろう引、染色、着色等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。そのような物品は、獣皮に非常に類似した特徴を示すように構成してもよい。その後、特定の用途に応じて、表面を天然油又はワックス保護剤で処理してもよい。
本開示の材料を用いて成形した物品は、石油化学系の皮革のような外観の製品及び/又は獣皮製品に対する植物系代替品として使用してもよい。1つの例示的実施形態では、物品は、実質的に所望の用途に応じて様々な質感を有するシートとして成形してもよい。当該シートは、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、室内装飾品、座席、ベルト、靴、ハンドバッグ、小銭入れ、バックパック、ストラップ、馬具、財布、携帯電話ケース、及び同様の物品などの耐久財に使用してもよい。或いは、このような材料は靴底、靴のつま先、靴のヒールカップ、靴の甲被、小銭入れ、馬の鞍及び鞍の部品、ヘルメットカバー、チェアアームレスト、並びに類似の物品などの用途において、最終的な物品の形状になるように直接成形してもよい。
A.背景
ポリウレタン(PU)やポリ塩化ビニル(PVC)などの合成ポリマーに基づく皮革のような外観の材料は、当技術分野で周知である。これらの材料は、動物皮革の風合いを多くの点で模倣するハプティックを有するように調合されてきた。動物皮革は、軟度とスリックな表面(当業者により「バタリー」と称される)との両方を付与するワックス及び油で通常満たされるコラーゲン系構造である。例えば、PVCは、室温をかなり下回っても柔軟性を維持するようにバルク材料の剛性を低下させる可塑剤と組み合わせて、室温超のガラス転移温度Tgを有し得るポリマー自体との組み合わせにより類似のハプティックを達成し得る。別の例では、PUは、いわゆるハードブロックドメイン(室温超のTgを有する)とソフトブロックドメイン(室温未満のTgを有する)とを組み合わせてポリマー骨格として合成することにより類似のハプティックを達成し得る。これらの例では、室温超のTgを有する相又は成分(コラーゲン、PVCポリマー、及びPUハードブロック)と、室温未満のTgを有する相又は成分(動物皮革用の鞣し剤及び油、PVC用の可塑剤、及びPUのソフトブロックドメイン)と、が存在する。室温超のTgを有する相又は成分と、室温未満のTgを有する相又は成分と、のこの組み合わせは、「グリッピーな」表面を付与することなくバルク物品の軟度を組み合わせた有利なハプティックを生成し得る。
室温により近いTgを有するポリマーに関連するハプティックをもたらしつつ、ENRの優れた低温柔軟性を維持する高分子混合物を生成するように、ENRと組み合わせ可能な植物系の完全に天然のポリマーの組み合わせを開示する。
熱硬化材料(具体的には熱硬化樹脂)及び熱硬化エラストマーは、当技術分野で周知である。ほとんどの場合、分子間に形成される共有結合は、前駆体分子内の強度特性に見合った強度特性を有する。そのような材料では、機械的剪断は、新しい材料で充填剤として使用され得る顆粒又は粉末への熱硬化材料の変換をもたらすが、出発前駆体材料と実質的に同一又は更には類似した特性を有する高分子量ガムに熱硬化材料を戻す能力はない。いくつかのイオン架橋材料は、ポリマー骨格に沿って電荷の配位により形成されるとき、高剪断又は非常に高い温度の適用のどちらかの下で流動させ得るが、このタイプの可逆熱硬化挙動は、共有結合熱硬化材料では知られていない。
予想外なことに、炭素-炭素骨格系の高分子量ポリマー(例えばエポキシ化天然ゴム)と、β-ヒドロキシエステルの架橋と、をペアにすることにより、選択的且つ可逆的に架橋を機械的剪断のみにより破壊することを発見した。即ち、β-ヒドロキシエステルを介して架橋(加硫)されたエポキシ化天然ゴムなどの高分子量エラストマーは、架橋をその初期官能基が再生されるように選択的に破壊しつつ、高分子量線状ゴムが実質的に保持され得るように、非常に高い剪断により機械的に処理され得る。解架橋(脱硫とも呼ばれる)されて得られる再ミル処理ゴムは、追加の硬化剤なしに再成形され得ることから、硬化剤が選択的に破壊されるだけでなく、カルボン酸官能基及びエポキシド官能基も架橋の破壊時に再生されることが実証される。硬化性官能基のそのような機械的誘導再生は、これまで開示されていない。
予想外なことに、熱硬化材料(この例示的実施形態では、熱硬化樹脂として構成される)の分子間の共有結合がβ-ヒドロキシエステルである2種の小分子(例えば、エポキシ化ダイズ油(ESO)及びクエン酸)の反応生成物を機械的剪断のみによりミラブルガムに変換し得ることを発見した。即ち、高分岐状エラストマーは、図15に示されるβ-ヒドロキシエステル共有結合連結のサブセットの可逆破壊を介して、より線状且つより延長性の材料に変換され得る。このミラブルガムは更に、2つ以上の点で有利に使用され得る。好ましい1つの例示的実施形態では、ミラブルガムは、続いて、いずれかの数の充填剤、可塑剤、又は機能性添加剤と結合され得るとともに、次いで、追加のエポキシ化植物源トリグリセリド(例えばESO)又は天然に存在する多官能性カルボン酸(例えばクエン酸)も添加することなく再硬化され得る。別の好ましい例示的実施形態では、ミラブルガムは、追加の充填剤、可塑剤、又は機能性添加剤も組み合わせることなく、シート化され得るとともに、次いで、(単独で又は下地織布若しくは他の下地材料に接触させるかのどちらかで)透明フィルムとして再硬化され得る。別の好ましい例示的実施形態では、ミラブルガムは、続いてバージンエポキシ化天然ゴムと組み合わされ得るとともに、エポキシ化天然ゴムは、熱硬化材料の機械的剪断を介して達成された再生カルボン酸官能基の作用により架橋される。
100部のクエン酸、100部のESO、及び400部のイソプロピルアルコール(IPA)を真空用反応ベッセル内に仕込む。絶えず撹拌しながら且つ中程度の真空(>50Torr)下で8時間にわたり混合物を徐々に加熱する。反応時間の間、IPAを凝縮し、溶液から除去する。反応時間の終了時、非結合及び未反応IPAを実質的に全て除去したとき、反応ベッセルの温度が急速に上昇し、反応生成物が110℃に達するとき、反応を停止させる。
実施例1の109部の反応生成物を100部のESOと混合して硬化性樹脂を生成する。この樹脂は、80℃で一晩で又は125℃で2時間以内に硬化され、エラストマー固体を生成し得る。
実施例2の硬化エラストマー固体をゴムミルの耐密ニップを介して繰り返し通過させる。摩擦比は1.25:1であり、且つニップは0.5mm未満に設定される。数回通過させた後、粉末状材料はパルプ化し始め、約3~7分以内の混合でミラブルガムが発生する。このミラブルガムは、シート化されて透明シートとして再硬化され得るか、又は充填剤、可塑剤、及び/又は機能性添加剤と組み合わされて、熱硬化エラストマーを作製するために加熱下(例えば150℃で5分間)で硬化され得る化合物を生成し得る。ミラブルガムは、エポキシ化天然ゴム(ENR)及びENR系化合物と組み合わされてENR用の硬化剤として作用し得る。
7部のプロピレングリコール及び3.5部のオリーブ由来乳化ワックスと一緒に、109部の実施例1の反応生成物と100部のESOと混合して、硬化性樹脂を生成する。この樹脂は、80℃で一晩で又は125℃で2時間以内に硬化され、エラストマー固体を生成し得る。
実施例4の硬化エラストマー固体をゴムミルの耐密ニップを介して繰り返し通過させる。摩擦比は1.25:1であり、且つニップは1mm未満に設定される。数回通過させた後、粉末状材料はパルプ化し始め、約3~7分以内の混合でミラブルガムが発生する。このミラブルガムは、シート化されて透明シートとして再硬化され得るか、又は充填剤、可塑剤、及び/又は機能性添加剤と組み合わされて、熱硬化エラストマーを作製するために加熱下(例えば150℃で5分間)で硬化され得る化合物を生成し得る。実施例5の材料は、実施例3の材料よりも容易にパルプ化される。ミラブルガムは、エポキシ化天然ゴム(ENR)及びENR系化合物と組み合わされてENR用の硬化剤として作用し得る。
メカノケミカル再生熱硬化材料(そのような材料は、エポキシド基及びカルボン酸基の元の化学官能基を再生することが分かった)とバージンENRとの技術を組み合わせることにより、再生官能基は、追加の硬化剤を添加することなくENR中のエポキシド基を硬化(即ち架橋)することが可能である。これは下記の例で策定される。
40部のENR-50と63部の前節の実施例4の硬化樹脂とを混合する。ENR-50と実施例4の硬化樹脂との混合時、十分な剪断が存在すると、硬化樹脂は、メカノケミカル分解(解架橋)され、ひいてはENR-50を硬化する能力のあるカルボン酸官能基源になることが分かった。エラストマーガム材料のこの混合物は、充填剤、可塑剤、及び機能性添加剤と更に組み合わされて、エラストマー固体として後で硬化され得るコンパウンドを生成し得る。1つの例示的実施形態では、充填剤は、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、コルク粉末、粉砕モミガラ、活性炭、活性チャコール、カオリン粘土、メタカオリン粘土、沈降シリカ、タルク、マイカ、トウモロコシデンプン、鉱物顔料、及び/又はそれらの様々な組み合わせを含み得るとともに;可塑剤は、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、反応性可塑剤、例えば、エポキシ化ダイズ油、半反応性可塑剤、例えば、グリセロール、プロピレングリコール、及びヒマシ油、及び非反応性可塑剤、例えば、天然に存在するトリグリセリド植物系油、及び/又はそれらの様々な組み合わせ、のいずれも含み得るとともに;機能性添加剤は、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、酸化防止剤(例えば、トコフェロールアセテート(ビタミンE))、UV吸収剤(例えば、サブミクロンTiO2)、オゾン分解防止剤、硬化遅延剤(例えば、アルカリナトリウム塩及び粉末状ソーダガラス)、硬化促進剤(例えば、特定の亜鉛キレート)、及び/又はそれらの組み合わせを含み得る。そのような処理工程により及びそのような成分を用いて作製された材料は、-10℃まで優れた柔軟性及びバタリーなハプティックを有することが分かった。
80部のENR-50と21部の前節の実施例4の硬化樹脂とを混合する。ENR-50と実施例4の硬化樹脂との混合時、十分な剪断が存在すると、硬化樹脂は、メカノケミカル分解(解架橋)され、ひいてはENR-50を硬化する能力のあるカルボン酸官能基源になることが分かった。エラストマーガム材料のこの混合物は、充填剤、可塑剤、及び機能性添加剤と更に組み合わされて、エラストマー固体として後で硬化され得るコンパウンドを生成し得る。
熱硬化材料のリサイクリングは、ポリマー材料産業で特に取組み困難な問題である。この課題に対して提案されたいくつかの解決策には、溶媒誘導解重合、廃棄物粉砕、新しいバインダーの再インテグレーション、及び熱解重合が含まれていた。これらの解決策は、既存の製造プロセスに容易にインテグレートされない。これとは対照的に、本開示に従った熱硬化材料の機械的誘導解架橋は、最初の場所で材料を混合するために使用したのとまったく同じ装置及び方法を利用する。それにより、物品は、低百分率の再生材料から100%の再生材料までを用いて成形され得る。そのような材料は、バージン材料で製造した物品と実質的に同一の物品で利用され得る。
A.背景
市販されている弾性発泡製品のほとんどは合成ポリマー、特にポリウレタンである。いわゆるメモリフォームを他の発泡製品と区別する鍵となる特性は、ポリマーのガラス転移温度(Tg)である。硬質発泡体は一般的に室温よりかなり高いTgを持つポリマーから成り、このような製品の例としては、ポリスチレン発泡体(剛性断熱ボードや断熱飲用カップに使用することが多い)が挙げられる。柔軟で弾力のある発泡体は一般的に室温よりかなり低いTgを有するポリマーから成り、このような製品の例としては、エチレン-プロピレンゴム(EPR/EPDM)系の自動車ドアウェザーシールが挙げられる。同様に、天然製品は剛性と柔軟性/弾力性両方のカテゴリで見られる場合もある。バルサ材は一般的に多孔質で泡のような外観の材料であり、室温ではほぼ剛性である。天然ゴムラテックスは、ほぼ天然に存在するポリマーで構成された柔軟性且つ弾力性の発泡製品を作製するために、Talalayプロセス又はDunlopプロセスのいずれかで発泡させてもよい。メモリフォーム材料の鍵となる特性である不可逆性発泡体を得るための室温付近のTgを有する、広く普及した天然に存在する発泡体は現在までのところ存在しない。
エポキシ化植物油系発泡製品が開示されており、ここではプレポリマー硬化剤は同様に、生物起源の自然発生且つ天然由来の生成物から構成される。開示された発泡製品は、追加の発泡剤を使用せずに形成する。発泡製品は、プレ硬化液体樹脂への空気での発泡の必要性に関係なく形成し得る。開示した発泡製品のTgは室温付近でもよく、よって不可逆的な製品を提供できる。また、発泡製品を室温未満のTgを有するように調合して柔軟且つ弾力性のある製品を得てもよい。本開示に従って調製したポリマーによりメモリフォーム特性を得てもよい。このようなポリマーは、本明細書で上述しているようなプレポリマー硬化剤とエポキシ化植物油との反応生成物であり、反応混合物も、以下に更に詳述しているような他の天然ポリマー及び変性天然ポリマーを含んでもよい。
プレポリマー硬化剤及びエポキシ化天然ゴムとエポキシ化植物油との液体ブレンドを含み、また未修飾のエポキシ化植物油を含んでもよい投入物の組み合わせから、弾性メモリフォームを形成する例示的なブレンドを形成した。
1.樹脂を、パンケーキのように200℃(公称温度)の高温鉄板(PTFEコーティングした)上で硬化させた。材料を発泡させ、メモリフォーム特性;具体的には不可逆的挙動を持つ比較的均質な物品を得た。得られた材料の図示を図18に示す。
2.混合後に樹脂を真空脱気し、同じ200℃の高温鉄板上に設置した。この例では、発熱体(測定温度210℃)上に孔隙が観察されたが、発熱体のない鉄板(測定温度180℃)の領域上に孔隙は観察されなかった。得られた材料の図示を図19に示す。
本開示の材料は、以下の特許請求の範囲に特段に示されていない限り、限定されることなく、床材、運動用マット、寝具、靴の中底、靴の表底、又は吸音パネルとして使用してもよい。
Claims (26)
- β-ヒドロキシエステルを含有する熱硬化材料であって、
前記熱硬化材料が、エポキシ化トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との反応生成物を含み、
前記熱硬化材料がメカノケミカル解架橋に付されるとき、エポキシド官能基及びカルボン酸官能基が再生され、
前記エポキシド官能基及びカルボン酸官能基を再生するのに必要とされる前記熱硬化材料の単位体積当たりのパワーが少なくとも1.9×10 5 W/lである、熱硬化材料。 - 前記メカノケミカル解架橋が前記熱硬化材料をミラブルガムに変換する、請求項1に記載の熱硬化材料。
- 前記再生されたエポキシド官能基及びカルボン酸官能基が前記メカノケミカル解架橋後に前記熱硬化材料の再架橋に影響を及ぼすのに十分である、請求項1に記載の熱硬化材料。
- a.前記熱硬化材料がエポキシ化天然ゴムに添加され、且つ
b.前記熱硬化材料が前記エポキシ化天然ゴム用の硬化剤として作用する、
請求項1に記載の熱硬化材料。 - 前記熱硬化材料が単独の硬化剤としてエポキシ化天然ゴムに添加される、請求項1に記載の熱硬化材料。
- 前記熱硬化材料がゴムコンパウンドのエラストマー含有率の20重量%超を構成する、請求項1に記載の熱硬化材料。
- 前記エポキシ化天然ゴムが前記熱硬化材料のエラストマー含有率の20重量%超を構成する、請求項4に記載の熱硬化材料。
- 前記エポキシド官能基及びカルボン酸官能基を再生するのに必要とされる前記熱硬化材料の単位体積当たりのパワーが1.9×105W/l~6.67×105W/lである、請求項1に記載の熱硬化材料。
- 前記メカノケミカルプロセス時の前記熱硬化材料の平均温度が75℃を超えない、請求項1に記載の熱硬化材料。
- 前記熱硬化材料が熱硬化樹脂であるとして更に定義される、請求項1に記載の熱硬化材料。
- 請求項1~10のいずれか1項に記載の熱硬化性材料を含有するゴムコンパウンドであって、
当該熱硬化性材料は、当該ゴムコンパウンドのエラストマー含有率20重量%超を構成するものであり、
前記熱硬化材料が前記ゴムコンパウンドの混合時にメカノケミカル解架橋される、ゴムコンパウンド。 - 前記熱硬化材料がエポキシ化トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との反応生成物からなる、請求項11に記載のゴムコンパウンド。
- 前記エポキシ化トリグリセリドが、エポキシ化ダイズ油、エポキシ化アマニ油、エポキシ化トウモロコシ油、エポキシ化綿実油、エポキシ化キャノーラ油、エポキシ化ナタネ油、エポキシ化ブドウ種子油、エポキシ化ケシ種子油、エポキシ化タング(tongue)油、エポキシ化ヒマワリ油、エポキシ化サフラワー油、エポキシ化コムギ胚芽油、エポキシ化クルミ油、及びエポキシ化微生物生成油からなる群から選択される、請求項12に記載のゴムコンパウンド。
- 前記天然に存在する多官能性カルボン酸が、クエン酸、酒石酸、コハク酸、リンゴ酸、マレイン酸、及びフマル酸からなる群から選択される、請求項11に記載のゴムコンパウンド。
- 前記メカノケミカル解架橋が前記熱硬化材料中のエポキシド官能基及びカルボン酸官能基を再生する、請求項11に記載のゴムコンパウンド。
- 前記ゴムコンパウンドのエラストマー含有率が少なくとも20重量%のエポキシ化天然ゴムからなる、請求項11に記載のゴムコンパウンド。
- a.前記熱硬化材料が前記ゴムコンパウンドの混合時にメカノケミカル解架橋され、且つ
b.前記メカノケミカル解架橋された熱硬化材料が前記ゴムコンパウンドの総エラストマー含有率の少なくとも20%を構成する、
請求項11に記載のゴムコンパウンド。 - a.エポキシ化天然ゴムと、
b.エポキシ化トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との熱硬化材料反応生成物と、
を含む材料であって、
前記熱硬化材料反応生成物が、前記エポキシ化天然ゴムに組み入れられる前にメカノケミカル解架橋に付され、次いで、前記エポキシ化天然ゴムが、前記熱硬化材料反応生成物と混合されて前記材料を形成する、材料。 - 前記エポキシ化天然ゴムがβ-ヒドロキシエステルを介して架橋されるように、エポキシ化トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との前記熱硬化材料反応生成物が、エポキシ化植物源トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との連結として、β-ヒドロキシエステルを含む、請求項18に記載の材料。
- 前記材料が、少なくとも20重量%の事前硬化した自己同一材料を更に含有する、請求項18に記載の材料。
- コルク粉末、粉砕モミガラ、活性炭、活性チャコール、カオリン粘土、メタカオリン粘土、沈降シリカ、タルク、マイカ、トウモロコシデンプン、鉱物顔料、コットン、ジュート、アサ、ラミー、サイザル麻、ココナッツ繊維、カポック繊維、シルク、又はウールから選択される充填剤を更に含む、請求項18に記載の材料。
- 前記熱硬化材料が熱硬化樹脂であるとして更に定義される、請求項18に記載の材料。
- a.エポキシ化トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との反応生成物で硬化したエポキシ化天然ゴム、
を含む材料であって、
b.前記材料が、エポキシ化トリグリセリドと天然に存在する多官能性カルボン酸との反応生成物で硬化した自己同一エポキシ化天然ゴムである少なくとも20重量%の再ミル処理エラストマーを含有する、
材料。 - 前記再ミル処理エラストマーが前記材料含有率の少なくとも50重量%を構成する、請求項23に記載の材料。
- 前記再ミル処理エラストマーが前記材料含有率の少なくとも75重量%を構成する、請求項23に記載の材料。
- コルク粉末、粉砕モミガラ、活性炭、活性チャコール、カオリン粘土、メタカオリン粘土、沈降シリカ、タルク、マイカ、トウモロコシデンプン、鉱物顔料、コットン、ジュート、アサ、ラミー、サイザル麻、ココナッツ繊維、カポック繊維、シルク、又はウールから選択される充填剤を更に含む、請求項23に記載の材料。
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