JP7303193B2 - 高分子pet材料でできた玩具組立要素 - Google Patents

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Description

本発明は、高分子ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)材料でできた、PETポリエステルを含む樹脂の射出成形によって製造された玩具組立要素に関する。本発明はまた、そのような玩具組立要素の製造方法に関する。
一般的にPET又はPETEと略されるポリ(エチレンテレフタレート)は、一般的な熱可塑性ポリマー樹脂である。ポリ(エチレンテレフタレート)は、非晶質(透明)状態として、そして半晶質状態で存在する。非晶質PET材料は透明な材料として存在するが、半晶質PET材料は、その結晶構造並びに添加剤の種類及び量に応じて透明又は不透明で白色に見える場合がある。
今日、PETは、その機械的特性とガスバリア特性との優れた組合せのため、食品、水及び炭酸水及び清涼飲料等の容器を作製するために広く使用されている。透明なウォーターボトルは、非晶質PETのブロー成形によって製造される。したがって、非晶質PETは、例えばリサイクルされた飲料ボトルからのその広範な利用可能性のため、エンジニアリングコンパウンドの生産のための低コストの原材料とみなすことができる。
PETは、射出成形コンパウンドの観点から多くの不利点を有する。未改質PETは、一般的に乾燥の要件が必須であるため、射出成形コンパウンドとして有用ではない。一般に、PET樹脂は、満足の行く物理的特性を有する射出成形された物体を得るために、50ppm~100ppmの範囲の水分含量に至るように乾燥させなければならない。
PET樹脂の射出成形では、結晶化速度が遅いことが課題である。半晶質PETは、典型的には140℃~150℃の範囲の温度で射出成形され、経済的な実現可能な生産速度を得るために結晶化剤を添加する必要がある。さらに、PETは結晶性が高くなるほど脆性が高くなる。非晶質PETは、典型的には5℃~40℃の範囲の温度で射出成形される。そのような場合には、結晶を全く含まない又は結晶を少量しか含まない非晶質PETが得るために、典型的には結晶化抑制剤を添加する必要がある。しかしながら、非晶質PETは、熱処理(アニーリング)の間に結晶化する傾向があり、得られる材料は脆い。
さらに、射出成形されたPET物体の特性は、それらが思わしくない寸法安定性及び不十分な衝撃強さを示すので、技術的観点又は商業的観点から許容することができないことが知られている。
PETの特性は、耐久性のある製品の工業生産に使用することができる程度に改変及び強化され得る。成核剤の添加により、遅い結晶化速度を改善することができ、ガラス、繊維、鉱物質又はカーボンナノチューブ、グラフェン及び黒鉛等の有機強化材、及び/又は耐衝撃改質剤の添加により、思わしくない衝撃強さを改善することができる。
標準的なボトルグレードのPETは、典型的には0.75dl/g~0.85dl/gの範囲の固有粘度を有する。結晶化速度を低下させ、PETの溶融温度を低下させるために、コポリマー改質(酸改質又はグリコール改質)が使用されており、それにより生産過程での所要エネルギーが低減される。コポリマー改質を伴う標準的なPETボトルポリマーは、結晶化速度を低下させ、100グラムまでの重さの澄明なプリフォームを生産可能にするために、典型的には0mol%~3mol%のイソフタル酸(IPA)改質を有する。
特許文献1は、ポリエチレンテレフタレートを0.5重量%~50重量%の微細化ポリエチレンが均質分配された溶融組成物として射出成形することによって達成される耐衝撃性の射出成形されたポリエチレンテレフタレート製品を記載している。
特許文献2は、或る特定のエチレンコポリマー強靱化剤をポリエステルマトリックス中に、エチレンコポリマーがポリエステルマトリックス全体にわたって3マイクロメートル未満の幾つかの平均粒度を有する離散相又は離散粒子として分散されるように配合することによって衝撃強さが改善された、ポリエチレンテレフタレートホモポリマー及び他の類似のポリマー等の強靱化された熱可塑性ポリエステル組成物を記載している。エチレンコポリマー強靱化剤は、ポリエステル及びエチレンコポリマーのみの総重量を基準に3重量%~40重量%の量で存在する。そのような組成物は、0℃以下の温度で試料を用いて標準的なノッチ付きアイゾット試験(ASTM D-256)により測定された、並外れた低温靭性を有すると述べられている。
米国特許第3,405,198号 米国特許第4,753,980号
PETはまた、玩具組立要素等の玩具の製造に使用するのに興味深い材料であると思われる。しかしながら、製品の安全性及び遊び経験の要件を満たすために、例えば床に落としたり又は大人が踏んだりしても壊れない長持ちする玩具組立ブロックを生産することができるように、衝撃強さを変更する必要がある。改善された衝撃強さは、例えばABS等の慣例的な材料で生産された場合の長年にわたって市場に出回っている旧来のLEGO(商標)ブロックの形状等の複雑な形状を有する射出成形された物体に注目する必要がある。
本発明の発明者らは、充填材入りPETポリエステルを使用せずに、すなわちガラス強化材等を添加せずに衝撃強さに関する要件を満たす、玩具組立要素、特に玩具組立ブロックを製造するための射出成形法を開発した。
本発明の発明者らはまた、驚くべきことに、少量の反応性耐衝撃改質剤の存在が射出成形された玩具組立ブロックの衝撃強さに顕著に影響を与えるが、一方で、よく知られたシャルピーVノッチ試験(ISO 179)を使用して測定した場合に、射出成形された衝撃試験棒の衝撃強さが少量の反応性耐衝撃改質剤の存在により影響されないらしいことを見出した。
第1の態様では、本発明は、高分子ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)材料でできた、PETポリエステルを含む樹脂の射出成形によって製造された玩具組立要素に関する。
第2の態様では、本発明は、
a)PETポリエステルを含む樹脂を準備する工程と、
b)上記樹脂を射出成形する工程と、
を含む、玩具組立要素を製造する方法に関する。
旧来の箱形のLEGO(商標)2×4ブロックを示す図である。
本発明は、高分子ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)材料でできた、PETポリエステルを含む樹脂の射出成形によって製造された玩具組立要素に関する。
本明細書で使用される「玩具組立要素」という用語には、上側に凸部が設けられ、下側に相補形の円筒部が設けられた箱形の組立ブロックの形の旧来の玩具組立要素が含まれる。旧来の箱形の玩具組立ブロックは、図1に示されている。旧来の箱形の玩具組立ブロックは、米国特許第3,005,282号で初めて開示され、LEGO(商標)及びLEGO(商標)DUPLO(商標)という商品名で広く販売されている。この用語には、LEGOグループ以外の会社によって生産され、したがってLEGOの商標以外の商標で販売されている他の類似の箱形の組立ブロックも含まれる。
「玩具組立要素」という用語にはまた、互いに互換性があるため互いに相互連結することができる典型的には複数の組立要素を含む玩具組立セットの一部をなす他の種類の玩具組立要素も含まれる。そのような玩具組立セットも、例えばLEGO(商標)ブロック、LEGO(商標)テクニック、及びLEGO(商標)DUPLO(商標)等のように商標LEGOとして販売されている。これらの玩具組立セットの幾つかは、例えばLEGO(商標)ミニフィギュア(例えば、米国特許出願公開第05/877,800号を参照)等の玩具組立フィギュアを含み、これらの玩具組立フィギュアは下側に相補形の円筒部を有するので、フィギュアを玩具組立セット内の他の玩具組立要素に連結することができる。そのような玩具組立フィギュアも「玩具組立要素」という用語に包含される。この用語には、LEGOグループ以外の会社によって生産され、したがってLEGOの商標以外の商標で販売されている類似の玩具組立要素も含まれる。
玩具組立要素は、多岐にわたる形状、サイズ及び色が取り揃えられている。LEGO(商標)ブロックとLEGO(商標)DUPLO(商標)ブロックとの間の違いの1つは、LEGO(商標)DUPLO(商標)ブロックが全ての寸法においてLEGO(商標)ブロックのサイズの2倍であるというサイズである。上側に4×2個の凸部を有する旧来の箱形のLEGO(商標)玩具組立ブロックのサイズは、約3.2cmの長さ、約1.6cmの幅、及び約0.96cmの高さ(凸部を除いて)であり、各凸部の直径は約0.48cmである。それに対して、上側に4×2個の凸部を有するLEGO(商標)DUPLO(商標)ブロックのサイズは、約6.4cmの長さ、約3.2cmの幅、及び約1.92cmの高さ(凸部を除いて)であり、各凸部の直径は約0.96cmである。
玩具組立要素は、高分子ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)材料でできており、該要素は、PETポリエステルを含む樹脂の射出成形によって製造される。
本明細書で使用される「ポリ(エチレンテレフタレート)ポリエステル」又は(「PETポリエステル」)という用語には、PETポリエステルのホモポリマー及びコポリマーの両方が含まれる。PETポリエステルのホモポリマーは、モノマーのエチレングリコールとテレフタル酸との重合により生産される。PETポリエステルのコポリマーは、モノマーのエチレングリコールと、テレフタル酸と、二酸改質及び/又はジオール改質を生ずる二酸成分及び/又はジオール成分であり得る更なるコモノマーとの重合により生産される。二酸改質は、アジピン酸、コハク酸、イソフタル酸、フランジカルボン酸、フタル酸、4,4’-ビフェニルジカルボン酸及び2,6-ナフタレンジカルボン酸を含む任意の数の二酸のコモノマーを選択することで生産することができる。好ましい二酸コモノマーとしては、イソフタル酸及びフランジカルボン酸が挙げられる。ジオール改質は、1,4-シクロヘキサンジメタノール、2,2,4,4-テトラメチル-1,3-シクロブタンジオール、ジエチレングリコール、1,2-プロパンジオール、ネオペンチレングリコール、1,3-プロパンジオール及び1,4ブタンジオール等のコモノマーを選択することで生産することができる。好ましいジオールコモノマーとしては、1,4-シクロヘキサンジメタノール及び2,2,4,4-テトラメチル-1,3-シクロブタンジオールが挙げられる。幾つかの実施形態では、PETポリエステルがモノマーのエチレングリコールと、テレフタル酸と、1種類以上の二酸成分及び/又は1種類以上のジオール成分との重合により生産される。
1種以上の二酸成分及び1種以上のジオール成分の適切な選択は、当業者の技能の範囲内である。
1つの好ましい実施形態では、ジオール成分は無水ヘキシトールではなく、特にジオール成分はイソソルビドではない。
「ポリ(エチレンテレフタレート)ポリエステル」という用語には、PETポリエステルのその他のよく知られた明らかな改質物も含まれる。
好ましい実施形態では、PETポリエステルは、充填材不含のPETポリエステルである。
本明細書で使用される「充填材不含のPETポリエステル」という用語は、補強材料及び充填材料、例えばガラス、ガラスビーズ、繊維、鉱物質補強材、例えばケイ酸アルミニウム、アスベスト、マイカ及び炭酸カルシウム、並びに有機補強材、例えばアラミド繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び黒鉛を含まないPETポリエステル樹脂を意味する。
一実施形態では、PETポリエステルを含む樹脂は、ガラス、ガラスビーズ及び/又はガラス繊維を含有しない。一実施形態では、PETポリエステルを含む樹脂は、繊維を含有しない。一実施形態では、PETポリエステルを含む樹脂は、無機補強材、例えばケイ酸アルミニウム、アスベスト、マイカ及び炭酸カルシウムを含有しない。一実施形態では、PETポリエステルを含む樹脂は、有機補強材、例えばアラミド繊維、カーボンナノチューブ、グラフェン及び黒鉛を含有しない。一実施形態では、PETポリエステルを含む樹脂は、ガラス及び繊維を含有しない。
別の好ましい実施形態では、PETポリエステルを含む樹脂は、樹脂の総重量に対して5%(重量/重量)までの量で、例えば0.1%(重量/重量)~5%(重量/重量)、より好ましくは0.2%(重量/重量)~4%(重量/重量)、最も好ましくは0.5%(重量/重量)~3%(重量/重量)の量で、1種以上の充填材を更に含む。1種以上の充填材は、無機粒状材料若しくはナノ複合材料又はそれらの混合物であり得る。
無機粒状材料の適切な例としては、無機酸化物、例えばガラス、MgO、SiO、TiO及びSb;水酸化物、例えばAl(OH)及びMg(OH);塩、例えばCaCO、BaSO、CaSO及びリン酸塩;ケイ酸塩、例えばタルク、マイカ、カオリン、珪灰石、モンモリロン石、ナノ粘土、長石及びアスベスト;金属、例えばボロン及び鋼;カーボングラファイト、例えば炭素繊維、黒鉛繊維及びフレーク、カーボンナノチューブ及びカーボンブラックが挙げられる。無機粒状材料の適切な例としては、表面処理及び/又は表面改質されたSiO及びTiO、例えばアルミナ表面改質TiOも挙げられる。
ナノ複合材料の適切な例としては、粘土充填ポリマー、例えば粘土/低密度ポリエチレン(LDPE)ナノ複合材料、粘土/高密度ポリエチレン(HDPE)ナノ複合材料、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン(ABS)/粘土ナノ複合材料、ポリイミド(PI)/粘土ナノ複合材料、エポキシ/粘土ナノ複合材料、ポリプロピレン(PP)/粘土ナノ複合材料、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)/粘土ナノ複合材料及びポリ塩化ビニル(PVC)/粘土ナノ複合材料;アルミナ充填ポリマー、例えばエポキシ/アルミナナノ複合材料、PMMA/アルミナナノ複合材料、PI/アルミナナノ複合材料、PP/アルミナナノ複合材料、LDPE/アルミナナノ複合材料及び架橋ポリエチレン(XLPE)/アルミナナノ複合材料;チタン酸バリウム充填ポリマー、例えばHDPE/チタン酸バリウムナノ複合材料及びポリエーテルイミド(PEI)/チタン酸バリウムナノ複合材料;シリカ充填ポリマー、例えばPP/シリカナノ複合材料、エポキシ/シリカナノ複合材料、PVC/シリカナノ複合材料、PEI/シリカナノ複合材料、PI/シリカナノ複合材料、ABS/シリカナノ複合材料、及びPMMA/シリカナノ複合材料;並びに酸化亜鉛充填ポリマー、例えばLDPE/酸化亜鉛ナノ複合材料、PP/酸化亜鉛ナノ複合材料、エポキシ/酸化亜鉛ナノ複合材料及びPMMA/酸化亜鉛ナノ複合材料が挙げられる。
一実施形態では、樹脂は、樹脂の総重量に対して少なくとも50%(重量/重量)の量で、PETポリエステルを含む。他の実施形態では、樹脂は、樹脂の総重量に対して少なくとも60%(重量/重量)又は70%(重量/重量)又は80%(重量/重量)の量で、PETポリエステルを含む。好ましい実施形態では、樹脂は、樹脂の総重量に対して少なくとも85%(重量/重量)、例えば少なくとも90%(重量/重量)の量で、より好ましくは樹脂の総重量に対して少なくとも95%(重量/重量)又は97%(重量/重量)又は99%(重量/重量)の量で、PETポリエステルを含む。
別の実施形態では、樹脂は、樹脂の総重量に対して50%(重量/重量)~99%(重量/重量)の量で、PETポリエステルを含む。他の実施形態では、樹脂は、樹脂の総重量に対して60%(重量/重量)~95%(重量/重量)又は70%(重量/重量)~90%(重量/重量)又は80%(重量/重量)~85%(重量/重量)の量で、PETポリエステルを含む。好ましい実施形態では、樹脂は、樹脂の総重量に対して85%(重量/重量)~97%(重量/重量)、より好ましくは90%(重量/重量)~97%(重量/重量)、更により好ましくは90%(重量/重量)~95%(重量/重量)、最も好ましくは90%(重量/重量)~92%(重量/重量)の量で、PETポリエステルを含む。
樹脂中のPETポリエステルは、バイオベースポリマー、ハイブリッド型バイオベースポリマー若しくは石油ベースポリマー、又はそれらの混合物であり得る。
本明細書で使用される「バイオベースポリマー」という用語は、バイオマスに由来するモノマーの化学的重合又は生化学的重合によって生産されるポリマーを意味する。バイオベースポリマーとしては、バイオマスに由来する1種類のモノマーの重合によって生産されるポリマーだけでなく、バイオマスに由来する少なくとも2種の異なるモノマーの重合によって生産されるポリマーも挙げられる。
好ましい実施形態では、バイオベースポリマーは、全てがバイオマスに由来するモノマーの化学的重合又は生化学的重合によって生産される。
本発明によるバイオベースポリマーとしては、
生化学的重合によって、すなわち例えば微生物の使用によって生産されるポリマー(モノマーは、基質としてバイオマスを使用して生産される)、
化学的重合によって、すなわち化学合成によって生産されるポリマー(モノマーは、基質としてバイオマスを使用して生産される)、
が挙げられる。
幾つかの実施形態では、バイオベースポリマーは、生化学的重合によって生産される。他の実施形態では、バイオベースポリマーは、化学的重合によって生産される。更に他の実施形態では、バイオベースポリマーは、生化学的重合又は化学的重合によって生産される。バイオベースポリマーはまた、例えば2つのモノマーを生化学的反応経路によって結合させて2量体とした後に、2量体を化学反応の使用によって重合させる場合に、生化学的重合と化学的重合との組合せによって生産され得る。
バイオベースポリマーとしては、石油ベースポリマーと同じ分子構造を有するが、バイオマスに由来するモノマーの化学的重合及び/又は生化学的重合によって生産されたポリマーも挙げられる。
本明細書で使用される「石油ベースポリマー」という用語は、石油、石油副産物又は石油由来原料に由来するモノマーの化学的重合によって生産されるポリマーを意味する。
本明細書で使用される「ハイブリッド型バイオベースポリマー」という用語は、少なくとも1種のモノマーがバイオマスに由来し、少なくとも1種のモノマーが石油、石油副産物又は石油由来原料に由来する少なくとも2種の異なるモノマーの重合によって生産されるポリマーを意味する。重合方法は、典型的には化学的重合方法である。
ハイブリッド型バイオベースポリマーはまた、その総炭素含有率当たりのバイオベース炭素の含有率によっても特徴付けることができる。本明細書で使用される「バイオベース炭素」という用語は、バイオベースポリマー及び/又はハイブリッド型バイオベースポリマーの一部を形成するモノマーの生産において基質として使用されるバイオマスを起源とする炭素原子を指す。ハイブリッド型バイオベースポリマーのバイオベース炭素の含有率は、ASTM D6866又はCEN/TS 16137又は同等のプロトコルで指定される炭素14同位体含有率によって決定され得る。
幾つかの実施形態では、ハイブリッド型バイオベースポリマー中のバイオベース炭素の含有率は、ハイブリッド型バイオベースポリマーの総炭素含有率を基準に少なくとも25%、例えば少なくとも30%又は少なくとも40%である。他の実施形態では、ハイブリッド型バイオベースポリマー中のバイオベース炭素の含有率は、総炭素含有率を基準に少なくとも50%、例えばハイブリッド型バイオベースポリマーの総炭素含有率を基準に少なくとも60%、例えば少なくとも70%、例えば少なくとも80%である。
一実施形態では、エチレングリコールモノマーはバイオベースモノマーであるが、テレフタル酸モノマーはバイオベースモノマーではなく、例えば石油ベースモノマーである。別の実施形態では、テレフタル酸モノマーはバイオベースモノマーであるが、エチレングリコールモノマーはバイオベースモノマーではない。更に別の実施形態では、エチレングリコールモノマー及びテレフタル酸モノマーの両方ともバイオベースモノマーである。また更に別の実施形態では、エチレングリコールモノマーもテレフタル酸モノマーもバイオベースモノマーではない。
1つの好ましい実施形態では、エチレングリコールモノマーは、エチレングリコールモノマー中の総炭素含有率を基準に100%に等しいバイオベース炭素の含有率を有するバイオマスに由来するバイオベースモノマーである。他の実施形態では、エチレングリコールモノマーは、エチレングリコールモノマー中の総炭素含有率を基準に少なくとも25%、例えば少なくとも50%、好ましくは少なくとも70%、より好ましくは少なくとも90%、最も好ましくは少なくとも95%のバイオベース炭素の含有率を有する。
1つの好ましい実施形態では、テレフタル酸モノマーは、テレフタル酸モノマー中の総炭素含有率を基準に100%に等しいバイオベース炭素の含有率を有するバイオマスに由来するバイオベースモノマーである。他の実施形態では、テレフタル酸モノマーは、テレフタル酸モノマー中の総炭素含有率を基準に少なくとも25%、例えば少なくとも50%、好ましくは少なくとも70%、より好ましくは少なくとも90%、最も好ましくは少なくとも95%のバイオベース炭素の含有率を有する。
幾つかの実施形態では、PETポリエステル中のバイオベース炭素の含有率は、PETポリエステル中の総炭素含有率を基準に少なくとも25%である。他の実施形態では、PETポリエステル中のバイオベース炭素の含有率は、総炭素含有率を基準に少なくとも50%、例えば少なくとも60%、例えば少なくとも70%、好ましくは少なくとも80%、より好ましくは少なくとも90%、更により好ましくは少なくとも95%である。最も好ましい実施形態では、PETポリエステル中のバイオベース炭素の含有率は、PETポリエステル中の総炭素含有率を基準に100%である。
幾つかの実施形態では、樹脂中のバイオベース炭素の含有率は、樹脂中の総炭素含有率を基準に少なくとも25%である。他の実施形態では、樹脂中のバイオベース炭素の含有率は、樹脂中の総炭素含有率を基準に少なくとも50%、例えば少なくとも60%、例えば少なくとも70%、好ましくは少なくとも75%、より好ましくは少なくとも80%、更により好ましくは少なくとも85%である。最も好ましい実施形態では、樹脂中のバイオベース炭素の含有率は、樹脂中の総炭素含有率を基準に90%である。
「バイオベースポリマー」、「ハイブリッド型バイオベースポリマー」及び「石油ベースポリマー」という用語には、リサイクルされたポリマーも含まれる。本明細書で使用される「リサイクルされたポリマー」という用語は、スクラップ又は廃プラスチックを回収し、それを有用な高分子材料に再処理することによって得られたポリマーを意味する。この用語は、メカニカルリサイクルされたPET及びケミカルリサイクルされたPETの両方を対象に含める。「メカニカルリサイクルされたPET」という用語は、溶融し、任意にアップグレードすることでポリマー鎖長を増加させた後に、後続の射出成形過程又は射出成形前の配合過程で使用されるペレット等に成形されたPETを意味する。「ケミカルリサイクルされたPET」という用語は、例えば微生物の使用によりPETをそのモノマー及び/又はオリゴマーに化学的に分解し、モノマー/オリゴマーを精製した後に、モノマー/オリゴマーを重合してリサイクルされたPETを得ることによって得られるPETを意味する。
幾つかの実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステルを含む。他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル及びバイオベースPETポリエステルを含む。他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル及びハイブリッド型バイオベースPETポリエステルを含む。更に他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル及び石油ベースPETポリエステルを含む。更に他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル、バイオベースPETポリエステル及び石油ベースPETポリエステルを含む。更に他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル、ハイブリッド型バイオベースPETポリエステル及び石油ベースPETポリエステルを含む。更に他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル、バイオベースPETポリエステル及びハイブリッド型バイオベースPETポリエステルを含む。また他の実施形態では、樹脂は、メカニカルリサイクルされたPETポリエステル、バイオベースPETポリエステル、ハイブリッド型バイオベースPETポリエステル及び石油ベースPETポリエステルを含む。
幾つかの実施形態では、樹脂中のメカニカルリサイクルされたPETポリエステルの量は、樹脂の総重量を基準に少なくとも10%(重量/重量)、例えば少なくとも20%(重量/重量)、又は例えば少なくとも30%(重量/重量)、例えば少なくとも40%(重量/重量)、又は例えば少なくとも50%(重量/重量)である。他の実施形態では、樹脂中のメカニカルリサイクルされたPETポリエステルの量は、樹脂の総重量を基準に少なくとも60%(重量/重量)、例えば少なくとも70%(重量/重量)、又は例えば少なくとも75%(重量/重量)、例えば少なくとも80%(重量/重量)、又は例えば少なくとも85%(重量/重量)である。
幾つかの実施では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマーを含む。他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー及びバイオベースPETモノマーを含む。他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー及びハイブリッド型バイオベースPETモノマーを含む。更に他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー及び石油ベースPETモノマーを含む。更に他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー、バイオベースPETモノマー及び石油ベースPETモノマーを含む。更に他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー、ハイブリッド型バイオベースPETモノマー及び石油ベースPETモノマーを含む。更に他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー、バイオベースPETモノマー及びハイブリッド型バイオベースPETモノマーを含む。また他の実施形態では、PETポリエステルは、ケミカルリサイクルされたPETモノマー、バイオベースPETモノマー、ハイブリッド型バイオベースPETモノマー及び石油ベースPETモノマーを含む。
幾つかの実施形態では、PETポリエステル中のケミカルリサイクルされたPETモノマーの量は、PETポリエステルの総重量を基準に少なくとも10%(重量/重量)、例えば少なくとも20%(重量/重量)、又は例えば少なくとも30%(重量/重量)、例えば少なくとも40%(重量/重量)、又は例えば少なくとも50%(重量/重量)である。他の実施形態では、PETポリエステル中のケミカルリサイクルされたPETモノマーの量は、PETポリエステルの総重量を基準に少なくとも60%(重量/重量)、例えば少なくとも70%(重量/重量)、又は例えば少なくとも80%(重量/重量)、例えば少なくとも90%(重量/重量)、又は例えば少なくとも95%(重量/重量)である。
純粋なホモポリマー型のPETを含む樹脂の射出成形は、射出成形の間に結晶化を制御することが困難であるために難しい場合があることが知られている。この不利点を克服するために、PETの結晶化速度を低下させて、非晶質PETの製造をもたらすイソフタル酸(IPA)等の結晶化抑制剤を添加することが知られている。結晶化抑制剤としても作用し、イソフタル酸を使用した場合に得られる効果と同様又は同等の結晶化速度低下効果をもたらす他のジカルボン酸及び/又はジオールも、本発明で使用するのに適している。PETの結晶化速度も低下させ得るジカルボン酸の適切な例は、フランジカルボン酸である。
幾つかの実施形態では、樹脂はポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステルを含む。好ましい実施形態では、樹脂中のPETポリエステルは、ポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステルである。ポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステル中のイソフタル酸の量は、典型的には0.5mol%~12mol%、好ましくは1mol%~3mol%である。
ポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステルの化学的組成、すなわちポリ(テレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステル中のイソフタル酸の量は、"Martinez de Ilarduya, A.; Kint, D. P.; Munoz-Guerra, S. Sequence Analysis of Poly (ethylene terephthalate-co-isophthalate) Copolymers by 13C NMR. Macromolecules 2000, 33, 4596-4598"に記載される方法に従って13C核磁気共鳴分光法(C NMR)によって特徴付けることができる。したがって、イソフタル酸の量は、このC NMR法を使用して測定することができる。
PETの重要な特徴は、固有粘度(IV)である。dl/gで測定される固有粘度は、相対粘度をゼロ濃度に外挿することによって求められる。固有粘度は、PETポリマー鎖の長さに依存する。ポリマー鎖が長いほど鎖間の絡み合いはより多くなり、したがって粘度はより高くなる。特定のバッチのPET樹脂の平均長さは、重合過程の間に制御することができる。
PETの固有粘度(IV)は、ASTM D4603に従って測定することができる。
高IVのホモポリマー及びコポリマーのPET組成物は、その高い粘度のため射出成形で加工することが困難である。
幾つかの実施形態では、PETポリエステルのIVは、0.6dl/g~1.1dl/g、例えば0.7dl/g~0.9dl/g、好ましくは0.75dl/g~0.85dl/gの範囲である。
好ましい実施形態では、PETポリエステルは、ボトルグレードのPETである。「ボトルグレード」という用語は、当該技術分野でよく知られており、ボトルに簡単に加工することができるPET出発材料を指す。殆どの実施形態では、「ボトルグレード」のPETは、1mol%~3mol%のイソフタル酸を含むポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステルでできている。ボトルグレードのPETでは、IVは、典型的には、非炭酸水用には0.70dl/g~0.78dl/gの範囲内であり、炭酸水用には0.78dl/g~0.85dl/gの範囲内である。
市販もされているPETグレードの適切な例としては、Far Eastern New Century(FENC)社により供給されるボトルグレードのEASTLON PET CB-600、CB-602及びCB-608、FENC社により供給される商用グレードのポストコンシューマーrPET CB-602R、FENC社により供給される部分的にバイオベースのボトルグレードのPET CB-602AB並びにInvista社により供給されるホモポリマーPETグレード6020が挙げられる。
幾つかの実施形態では、樹脂は耐衝撃改質剤を更に含む。耐衝撃改質剤は、反応性耐衝撃改質剤又は非反応性耐衝撃改質剤であり得る。幾つかの実施形態では、樹脂は反応性耐衝撃改質剤及び非反応性耐衝撃改質剤の両方を含み得る。好ましい実施形態では、樹脂は反応性耐衝撃改質剤を含む。
本明細書で使用される「耐衝撃改質剤」という用語は、樹脂に添加されると、衝撃強さを以下に定義される「落下試験」を使用して測定する場合に、射出成形されたPET要素の衝撃強さを増加させる作用物質を意味する。
反応性耐衝撃改質剤は官能化末端基を有する。官能化は、1)耐衝撃改質剤をポリマーマトリックスに結合させること、及び2)ポリマーマトリックスと耐衝撃改質剤との間の界面エネルギーを変更して分散を増強させることの2つに役立つ。そのような官能化末端基の好ましい例としては、グリシジルメタクリレート、無水マレイン酸及びカルボン酸が挙げられる。
典型的には、反応性耐衝撃改質剤は、これらがPETマトリックスにグラフトすることにより安定な分散相を形成するので、PETの強化に好ましい。非反応性耐衝撃改質剤は、激しく配合することによりPET中に分散させることができるが、配合機の下流で合体する場合がある。
本発明では、反応性耐衝撃改質剤が好ましい。好ましい実施形態では、耐衝撃改質剤は、式X/Y/Zのコポリマーであり、式中、Xは2個~8個の炭素原子を有する脂肪族又は芳香族の炭化水素ポリマーであり、Yは3個~6個の炭素原子及び4個~8個の炭素原子のそれぞれを有するアクリレート又はメタクリレートを含む部であり、かつZはメタクリル酸、グリシジルメタクリレート、無水マレイン酸又はカルボン酸を含む部である。
1つの好ましい実施形態では、耐衝撃改質剤は、式:
Figure 0007303193000001
(式中、
nは1~4の整数であり、
mは0~5の整数であり、
kは0~5の整数であり、かつ、
Rは1個~5個の炭素のアルキル又は1個の水素原子である)によって記載され得る。
Xは、耐衝撃改質剤の40%(重量/重量)~90%(重量/重量)を構成し、Yは、耐衝撃改質剤の0%(重量/重量)~50%(重量/重量)、例えば10%(重量/重量)~40%(重量/重量)、好ましくは15%(重量/重量)~35%(重量/重量)、最も好ましくは20%(重量/重量)~35%(重量/重量)を構成し、かつZは、耐衝撃改質剤の0.5%(重量/重量)~20%(重量/重量)、好ましくは2%(重量/重量)~10%(重量/重量)、最も好ましくは3%(重量/重量)~8%(重量/重量)を構成する。
他の実施形態では、Xは、耐衝撃改質剤の70%(重量/重量)~99.5%(重量/重量)、好ましくは80%(重量/重量)~95%(重量/重量)、最も好ましくは92%(重量/重量)~97%(重量/重量)を構成し、かつYは、耐衝撃改質剤の0%(重量/重量)を構成し、かつZは、耐衝撃改質剤の0.5%(重量/重量)~30%(重量/重量)、好ましくは5%(重量/重量)~20%(重量/重量)、最も好ましくは3%(重量/重量)~8%(重量/重量)を構成する。
本発明の樹脂において使用することができる特定の耐衝撃改質剤の適切な例としては、エチレン-エチレンアクリレート-グリシジルメタクリレート及びエチレン-ブチルアクリレート-グリシジルメタクリレートが挙げられる。市販の耐衝撃改質剤としては、Paraloid(商標)EXM-2314(Dow Chemical Company社製のアクリルコポリマー)、Lotader(商標)AX8700、Lotader(商標)AX8900、Lotader AX8750(商標)、Lotader(商標)AX8950及びLotader(商標)AX8840(Arkema社製)並びにElvaloy(商標)PTW(DuPont社製)が挙げられる。
本発明の樹脂において使用することができる特定の耐衝撃改質剤の他の適切な例としては、無水物変性エチレンアクリレートが挙げられる。市販の耐衝撃改質剤としては、Lotader(商標)3210、Lotader(商標)3410、Lotader(商標)4210、Lotader(商標)3430、Lotader(商標)4402、Lotader(商標)4503、Lotader(商標)4613、Lotader(商標)4700、Lotader(商標)5500、Lotader(商標)6200、Lotader(商標)8200、Lotader(商標)HX8210、Lotader(商標)HX8290、Lotader(商標)LX4110、Lotader(商標)TX8030(Arkema社製)、Bynel(商標)21E533、Bynel(商標)21E781、Bynel(商標)21E810及びBynel(商標)21E830(DuPont社製)が挙げられる。
他の実施形態では、耐衝撃改質剤は、例えばBynel(商標)1123若しくはBynel(商標)1124(DuPont社製)等の変性エチレンビニルアセテート、例えばBynel(商標)2002若しくはBynel(商標)2022(DuPont社製)等の酸変性エチレンアクリレート、例えばBynel(商標)22E757、Bynel(商標)22E780若しくはBynel(商標)22E804(DuPont社製)等の変性エチレンアクリレート、例えばBynel(商標)30E670、Bynel(商標)30E671、Bynel(商標)30E753若しくはBynel(商標)30E783(DuPont社製)等の無水物変性エチレンビニルアセテート、及び例えばBynel(商標)3101若しくはBynel(商標)3126(DuPont社製)等の酸/アクリレート変性エチレンビニルアセテート、例えばBynel(商標)E418、Bynel(商標)3810、Bynel(商標)3859、Bynel(商標)3860若しくはBynel(商標)3861(DuPont社製)等の無水物変性エチレンビニルアセテート、例えばBynel(商標)3930若しくはBynel(商標)39E660(DuPont社製)等の無水物変性エチレンビニルアセテート、及び例えばBynel(商標)4033若しくはBynel(商標)40E529(DuPont社製)等の無水物変性高密度ポリエチレン、例えばBynel(商標)4104、Bynel(商標)4105、Bynel(商標)4109、Bynel(商標)4125、Bynel(商標)4140、Bynel(商標)4157、Bynel(商標)4164、Bynel(商標)41E556、Bynel(商標)41E687、Bynel(商標)41E710、Bynel(商標)41E754、Bynel(商標)41E755、Bynel(商標)41E762、Bynel(商標)41E766、Bynel(商標)41E850、Bynel(商標)41E865若しくはBynel(商標)41E871(DuPont社製)等の無水物変性線状低密度ポリエチレン、例えばBynel(商標)4206、Bynel(商標)4208、Bynel(商標)4288若しくはBynel(商標)42E703(DuPont社製)等の無水物変性低密度ポリエチレン、又は例えばBynel(商標)50E571、Bynel(商標)50E662、Bynel(商標)50E725、Bynel(商標)50E739、Bynel(商標)50E803若しくはBynel(商標)50E806(DuPont社製)等の無水物変性ポリプロピレンである。
他の適切な耐衝撃改質剤としては、無水マレイン酸がグラフトされた耐衝撃改質剤が挙げられる。そのような耐衝撃改質剤の具体例としては、例えばFusabond(商標)A560(DuPont社製)等の化学変性エチレンアクリレートコポリマー、例えばFusabond(商標)E158(DuPont社製)等の無水物変性ポリエチレン、例えばFusabond(商標)E564若しくはFusabond(商標)E589若しくはFusabond(商標)E226若しくはFusabond(商標)E528(DuPont社製)等の無水物変性ポリエチレン樹脂、例えばFusabond(商標)E100若しくはFusabond(商標)E265(DuPont社製)等の無水物変性高密度ポリエチレン、例えばFusabond(商標)N525(DuPont社製)等の無水物変性エチレンコポリマー、又は例えばFusabond(商標)E353(DuPont社製)等の化学変性プロピレンコポリマーが挙げられる。
更に他の適切な耐衝撃改質剤としては、エチレン-酸コポリマー樹脂、例えばエチレン-メタクリル酸(EMAA)ベースのコポリマー及びエチレン-アクリル酸(EAA)ベースのコポリマーが挙げられる。エチレン-メタクリル酸ベースのコポリマーの耐衝撃改質剤の具体例としては、Nucrel(商標)403、Nucrel(商標)407HS、Nucrel(商標)411HS、Nucrel(商標)0609HSA、Nucrel(商標)0903、Nucrel(商標)0903HC、Nucrel(商標)908HS、Nucrel(商標)910、Nucrel(商標)910HS、Nucrel(商標)1202HC、Nucrel(商標)599、Nucrel(商標)699、Nucrel(商標)925及びNucrel(商標)960(DuPont社製)が挙げられる。エチレン-アクリル酸ベースのコポリマーの具体例としては、Nucrel(商標)30707、Nucrel(商標)30907、Nucrel(商標)31001、Nucrel(商標)3990及びNucrel(商標)AE(DuPont社製)が挙げられる。エチレン-アクリル酸(EAA)ベースのコポリマーの他の具体例としては、Escor(商標)5000、Escor(商標)5020、Escor(商標)5050、Escor(商標)5080、Escor(商標)5100、Escor(商標)5200及びEscor(商標)6000(ExonMobile Chemical社製)が挙げられる。
また他の適切な耐衝撃改質剤としては、エチレン酸コポリマーのイオノマーが挙げられる。そのような耐衝撃改質剤の具体例としては、Surlyn(商標)1601、Surlyn(商標)1601-2、Surlyn(商標)1601-2LM、Surlyn(商標)1605、Surlyn(商標)8150、Surlyn(商標)8320、Surlyn(商標)8528及びSurlyn(商標)8660(DuPont社製)が挙げられる。
他の実施形態では、耐衝撃改質剤は、アルキルメタクリレート-シリコーン/アルキルアクリレートグラフトコポリマーである。グラフトコポリマーの「アルキルメタクリレート」は、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート及びブチルメタクリレートからなる群から選択されるものであり得る。グラフトコポリマー中の「シリコーン/アルキルアクリレート」は、シリコーンモノマー及びアルキルアクリレートモノマーの混合物を重合させることにより得られるポリマーを指す。シリコーンモノマーは、ジメチルシロキサン、ヘキサメチルシクロトリシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、デカメチルシクロペンタシロキサン、ドデカメチルシクロヘキサシロキサン、トリメチルトリフェニルシクロテトラシロキサン、テトラメチルテトラフェニルシクロテトラシロキサン及びオクタフェニルシクロテトラシロキサンからなる群から選択され得る。アルキルモノマーは、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート及びブチルメタクリレートからなる群から選択され得る。グラフトコポリマーは、コア-シェルゴムの形態で存在し、5%(重量/重量)~90%(重量/重量)のグラフト率、-150℃~-20℃のコアのガラス転移温度、及び20℃~200℃のシェルのガラス転移温度を有する。本発明の一実施形態では、グラフトコポリマーは、メチルメタクリレート-シリコーン/ブチルアクリレートグラフトコポリマーである。具体例としては、三菱レイヨン株式会社(日本)製のS-2001、S-2100、S-2200及びS-2501が挙げられる。
他の適切な耐衝撃改質剤としては、シロキサン単位と、カーボネート単位、ウレタン単位又はアミド単位の少なくとも1つとを含む、米国特許第4,616,064号に記載されたシロキサンポリマーが挙げられる。
適切な耐衝撃改質剤としては、国際公開第2018/089573号の段落[0043]~段落[0072]に記載された耐衝撃改質剤も挙げられる。
他の適切な耐衝撃改質剤としては、米国特許第5,409,967号に記載されたようなコアシェル型耐衝撃改質剤が挙げられる。
幾つかの実施形態では、樹脂中の耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に0.1%(重量/重量)~3%(重量/重量)である。好ましい実施形態では、樹脂中の耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に0.5%(重量/重量)~5%(重量/重量)、例えば樹脂の総重量を基準に1%(重量/重量)~3%(重量/重量)である。
他の実施形態では、樹脂中の耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に5%(重量/重量)~25%(重量/重量)である。したがって、幾つかの実施形態では、樹脂中の耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に5%(重量/重量)~15%(重量/重量)、例えば樹脂の総重量を基準に5%(重量/重量)~10%(重量/重量)又は10%(重量/重量)~15%(重量/重量)又は8%(重量/重量)~12%(重量/重量)である。更に他の実施形態では、樹脂中の耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に15%(重量/重量)~25%(重量/重量)、例えば樹脂の総重量を基準に15%(重量/重量)~20%(重量/重量)又は20%(重量/重量)~25%(重量/重量)である。
樹脂の総重量を基準に1%(重量/重量)~3%(重量/重量)等の少量の耐衝撃改質剤しか使用しないことは、射出成形過程全体にとって有益である。それというのも、耐衝撃改質剤を樹脂中に一様に分散させることが容易であり、樹脂を配合してから射出成形機に供給する必要がないからである。
PETポリエステルを含む樹脂は、充填材及び耐衝撃改質剤に加えて、成核剤、加水分解防止添加剤、離型剤、滑剤、UV安定剤、難燃剤、連鎖延長剤、加工安定剤、酸化防止剤及び着色剤又は顔料等のその他の添加剤も含み得る。
PETは、非晶質状態及び半晶質状態で認めることができる。非晶質状態では、PETは結晶を含まない又はごく僅かな結晶しか含まないのに対して、半晶質状態では、結晶化度が顕著により高い。したがって、幾つかの実施形態では、玩具組立要素は、0.5%から10%の間、好ましくは0.5%から5%の間、例えば0.5%から2%の間の結晶化度を有する非晶質高分子PET材料でできている。他の実施形態では、玩具組立要素は、10%から70%の間、好ましくは10%から50%の間、例えば10%から30%の間の結晶化度を有する半晶質高分子PET材料でできている。
結晶化度は、式:
結晶化度(%)=[(ΔH-ΔH)/ΔH°]×100%
(式中、値ΔH、ΔH及びΔH°は、"Kong, Y.; Hay, J. The measurement of the crystallinity of polymers by DSC, Polymer, 2002, 43, 3873-3878"に記載されるように、DSCオートサンプラー(Q2000、TA Instruments社、米国)上で20mgの平らな切り抜かれた試料で測定される)を使用して計算することができる。
高い結晶化度を目標とする場合に、結晶化速度を高めるために、射出成形の前に樹脂に成核剤が添加され得る。幾つかの実施形態では、樹脂中の結晶化剤の量は、樹脂の総重量を基準に0.025%(重量/重量)~2%(重量/重量)、例えば樹脂の総重量を基準に0.05%(重量/重量)~1.5%(重量/重量)、例えば0.1%(重量/重量)~1%(重量/重量)である。
好ましい実施形態では、高分子PET材料は非晶質PETである。
本発明はまた、
a)PETポリエステルを含む樹脂を準備する工程と、
b)上記樹脂を射出成形する工程と、
を含む、玩具組立要素を製造する方法に関する。
上記方法で準備され加工される適切な樹脂としては、上記の樹脂が挙げられる。
好ましい実施形態では、樹脂は耐衝撃改質剤を更に含む。耐衝撃改質剤は、反応性耐衝撃改質剤又は非反応性耐衝撃改質剤であり得る。幾つかの実施形態では、樹脂は反応性耐衝撃改質剤及び非反応性耐衝撃改質剤の混合物を含み得る。好ましい実施形態では、樹脂は1種以上の反応性耐衝撃改質剤を含む。
耐衝撃改質剤の適切な例としては、上述の耐衝撃改質剤が挙げられる。
幾つかの実施形態では、耐衝撃改質剤は、射出成形機の供給の間にPETポリエステルと混合される。そのような実施形態では、耐衝撃改質剤の量は、好ましくは、樹脂中での耐衝撃改質剤の適切な分散が得られるように、樹脂の総重量を基準に最大3%(重量/重量)である。
好ましい実施形態では、反応性耐衝撃改質剤は、射出成形機の供給の間にPETポリエステルと混合される。そのような実施形態では、反応性耐衝撃改質剤の量は、好ましくは、樹脂中での耐衝撃改質剤の適切な分散が得られるように、樹脂の総重量を基準に最大3%(重量/重量)である。他の実施形態では、反応性耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に最大9%(重量/重量)、例えば最大6%(重量/重量)である。
他の実施形態では、耐衝撃改質剤をPETポリエステルと混合してから、その混合物が射出成形機に供給される。混合は乾式混合又は配合によって行うことができる。
幾つかの実施形態では、射出成形機の供給の前に、耐衝撃改質剤とPETポリエステルとが乾式混合される。そのような実施形態では、耐衝撃改質剤の量は、好ましくは、樹脂中での耐衝撃改質剤の適切な分散が得られるように、樹脂の総重量を基準に最大5%(重量/重量)である。
他の実施形態では、耐衝撃改質剤とPETポリエステルとを配合によって混合してから、それを射出成形機に供給する。そのような場合に、樹脂をその溶融状態にし、その後完全混和して、PETポリエステル中での耐衝撃改質剤の十分な分散を確実にし、その後混合物を冷却し、ペレットへと変換し、その後ペレットを射出成形機に供給する。
耐衝撃改質剤とPETポリエステルとが配合によって混合される実施形態では、耐衝撃改質剤の量は、典型的には、樹脂の総重量を基準に25%(重量/重量)までである。幾つかの実施形態では、耐衝撃改質剤の量は、樹脂の総重量を基準に2%(重量/重量)~15%(重量/重量)、例えば2%(重量/重量)~5%(重量/重量)又は5%(重量/重量)~8%(重量/重量)又は8%(重量/重量)~12%(重量/重量)である。
幾つかの実施形態では、耐衝撃改質剤とPETポリエステルとを完全混和により配合して、十分な分散を確実にし、その後射出成形機へと直接供給する。
他の実施形態では、PETポリエステルと耐衝撃改質剤とを混合してマスターバッチとした後に、マスターバッチを射出成形機の供給の間に残りの樹脂と混合することができる。
射出成形機への供給前又は供給の間のいずれかで、充填材、成核剤、加水分解防止添加剤、離型剤、滑剤、UV安定剤、難燃剤、鎖延長剤、加工安定剤、酸化防止剤及び着色剤又は顔料等の添加剤を添加し、耐衝撃改質剤及びPETポリエステルと混合することができる。
最終ポリマー材料の結晶化度のために、成形温度は非常に重要である。
非晶質PETポリエステルを目標とする場合に、成形温度は、好ましくは5℃~30℃、例えば15℃~25℃の範囲内である。そのような場合に、樹脂中のPETポリエステルは、典型的には、例えばポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)等のPETポリエステルのコポリマーである。
半晶質PET材料又は不透明PET材料を目標とする他の場合に、成形温度は、好ましくは約100℃~150℃の範囲内である。そのような場合に、結晶化を促進するために、典型的には、射出成形の前に成核剤を樹脂に添加する。
以下の実施例で、玩具組立要素を射出成形によってどのように製造するかを説明する。引き続き、製造されたブロックを「落下試験」及び「シャルピーVノッチ試験」によって試験した。
落下試験
目的:或る特定の材料で生産された旧来のLEGO(商標)2×4ブロック(試験片とも呼称される)の衝撃強さを、様々な高さから鉄製重錘を試験ブロック上に落下させて、試験片が破損する特定の高さを決定することによって評価する。旧来のLEGO(商標)2×4ブロックは、図1に示されている。
試験者:試験者は平均的成人である。
試験条件:試験は、屋内で20℃~25℃の温度及び20%~65%の相対湿度で実施されるべきである。
試験片:試験は、関連材料で生産された同様の色の旧来のLEGO(商標)2×4ブロックで行われる。生産後に、試験片は屋内条件で20℃~25℃の温度及び20%~65%の相対湿度で貯蔵されるべきである。
試験装置:試験装置は、安全規格EN 71-1:2014の機械的特性及び物理的特性、セクション8.7;衝撃試験に記載される装置と同様である。様々な指定された落下高さから試験片上に重錘を落下させる。重錘には、落下前に所与の位置に保持するための心棒が備え付けられており、その心棒内には切り離し機構が内蔵されており、スプリット(split)を引くことで落下のタイミングを制御することができる。重錘の保持具は垂直ロッドに接続されており、落下高さはこの垂直ロッドの上下に重錘の保持具をスライドさせることによって制御される。重錘/心棒の総重量は1.00kgであり、重錘は8cmの直径を有する。試験片を保持する試験装置の台板は鉄製である。
試験:試験は、生産後2日間~10日間以内に以下の手順に従って実施される:
重錘を、重錘の底が台板の10cm上方にある位置に固定する。
試験片を、上側の連結用凸部を下向きにして、下側の相補形の円筒部を上向きにして台板上に重錘の真下に置く。
重錘を試験ブロック上へと落下させ、そのブロックを破損の徴候、すなわち破壊又は亀裂について検査する。
試験片が破損の徴候を示さない場合は、重錘を再び保持具に配置し、重錘の高さを2cmだけ増やす。
新しい試験片を上記のように重錘の下に配置し、重錘をもう一度切り離した後に、試験片を検査する。
この手順を繰り返し、試験片が破損する或る特定の高さに達するまで2cm刻みで重錘高さを増やす。この高さで新しい2つ目の試験片を試験し、この試験片も破損した場合には、その重錘高さを破損高さとして記録する。2つ目の試験片が破損しない場合には、重錘高さを2cmだけ更に増やして、新しい試験片を試験する。
最後の破損高さを、2つの連続した破損を引き起こす重錘高さとして記載する。
シャルピーVノッチ試験
6.0×4.0×50.0mm(B×W×H)の寸法を有する試験されるべき関連材料での成形されたプラスチック棒を、ISO 179-1/1 eAに従ってノッチ切断機(ZNO、Zwick社、ドイツ)を用いて0.5mmのノッチ先端径で切断した。ノッチ付き試験片を、Vノッチを振り子の反対側にして配置し、振り子衝撃装置(HOT、Zwick社、ドイツ)においてISO 179-1:2010に記載される原理に従って試験した。
実施例1.Paraloid(商標)EXL-2314によるPETの改質
0.80dl/gのIVを有するボトルグレードのPET CB-602(Far Eastern New Century(FENC)社によって供給される)を、50ppm~100ppmの水分含量になるまで150℃で乾燥させた。乾燥させたPET材料を50℃未満まで外気冷却させたら、以下の表に記載される量でPETを耐衝撃改質剤のParaloid(商標)EXM-2314(Dow Chemical Company社製のアクリルコポリマー)と乾式配合した。配合物を、直接的に射出成形(Arburg社、Allrounder 470 E 1000-400、30mmのスクリュー、ドイツ)を介して又は押出(二軸スクリュー、Labtech Engineering Company Ltd社、タイ)後に射出成形を介して加工した。
Figure 0007303193000002
射出成形パラメーターは、以下の通りであった:
溶融温度:295℃
ホットランナー温度:300℃
金型温度:20℃
押出加工パラメーターは、以下の通りであった:
スクリュー速度:60rpm
バレル温度:290℃
溶融温度:295℃~300℃
得られた2×4ブロック及び衝撃試験棒を上記のように落下試験及びシャルピーVノッチ試験においてそれぞれ試験した。結果を以下の表に示す。
Figure 0007303193000003
結果は、シャルピーVノッチ試験を使用して測定した場合に少量の耐衝撃改質剤の添加が衝撃強さに影響を与えないが、落下試験を使用して測定した場合に衝撃強さの明確な改善が見られたこと、すなわち、2%又は4%の耐衝撃改質剤をそれぞれ添加した場合に22cmの値が34cmに増えたことを示している。
少量の耐衝撃改質剤で2×4ブロック等の複雑な形状の衝撃強さを測定する場合にシャルピーVノッチ試験が有効ではないことを示しているので、この結果は非常に興味深い。
実施例2.エチレン-グリシジルメタクリレートコポリマー(E-GMA)のLotader(商標)AX8700及びLotader(商標)AX8900によるPET及びリサイクルされたPET(rPET)の改質
0.80dl/gのIVを有するボトルグレードのPET CB-602(Far Eastern New Century(FENC)社によって供給される)及び0.82dl/gのIVを有する商用グレードのポストコンシューマーrPET CB-602R(FENC社により供給される)を、50ppm~100ppmの水分含量になるまで150℃で乾燥させた。乾燥させたPET試料を50℃未満に外気冷却させたら、試料を以下の表に記載される量でエチレン、ブチルアクリレート及びグリシジルメタクリレート(エポキシド官能性)の反応性ランダムターポリマーであるLotader(商標)AX8700(Arkema社によって供給される)又はエチレン、メチルアクリレート及びグリシジルメタクリレート(エポキシド官能性)の反応性ランダムターポリマーであるLotader(商標)AX8900(Arkema社によって供給される)と乾式配合し、射出成形(Arburg社、Allrounder 470 E 1000-400、30mmのスクリュー、ドイツ)によって加工した。
Figure 0007303193000004
射出成形加工パラメーターは、以下の通りであった:
溶融温度:295℃
ホットランナー温度:300℃
金型温度:20℃
得られた2×4ブロック及び衝撃試験棒を上記のように落下試験及びシャルピーVノッチ試験のそれぞれで試験した。結果を以下の表に示す。
Figure 0007303193000005
結果は、シャルピーVノッチ試験を使用して測定した場合に少量の耐衝撃改質剤の添加が衝撃強さに影響を与えないが、落下試験を使用して測定した場合に衝撃強さの明確な改善が見られること、すなわち、1%、2%又は3%の耐衝撃改質剤をボトルグレードのCB-602に添加した場合に22cmの値が36cm~40cmに増えたことを示している。落下試験を使用して測定された衝撃強さはまた、リサイクルされたPETグレードのCB-602Rに関して改善を示している。
この結果は、実施例1で得られた結果と同様である、すなわち、少量の耐衝撃改質剤で2×4ブロック等の複雑な形状の衝撃強さを測定する場合にシャルピーVノッチ試験が有効ではないことが分かる。
実施例3.様々な耐衝撃改質剤による種々のPETのグレードの改質
以下のグレードのPETを試験した:
0.80dl/gのIVを有するボトルグレードのPET CB-602(Far Eastern New Century(FENC)社によって供給される)
0.82dl/gのIVを有する商用グレードのポストコンシューマーrPET CB-602R(Far Eastern New Century(FENC)社によって供給される)
0.77dl/gのIVを有する部分的にバイオベースのボトルグレードのPET CB-602AB(Far Eastern New Century(FENC)社によって供給される)(このグレードでは、MEGモノマーがバイオベースである)
0.66dl/gのIVを有するホモポリマーPETのグレード6020(Invista社によって供給される)。
以下のグレードの耐衝撃改質剤を試験した:
エチレン、メチルアクリレート及びグリシジルメタクリレート(エポキシド官能性)の反応性ランダムターポリマーであるLotader(商標)AX8900(Arkema社によって供給される)
エチレン、ブチルアクリレート及びグリシジルメタクリレート(エポキシド官能性)の反応性ランダムターポリマーであるLotader(商標)AX8700(Arkema社によって供給される)
エチレン及びグリシジルメタクリレート(エポキシド官能性)の反応性ランダムコポリマーであるLotader(商標)AX8840(Arkema社によって供給される)
エチレン、エチルアクリレート及び無水マレイン酸(無水物官能性)の反応性ランダムターポリマーであるLotader(商標)4700(Arkema社によって供給される)
エチレン、ブチルアクリレート及び無水マレイン酸(無水物官能性)の反応性ランダムターポリマーであるLotader(商標)3430(Arkema社によって供給される)
シリコーン-アクリレート及びグリシジルメタクリレート(エポキシド官能性)から構成される反応性ゴムであるMetablen(商標)S-2200(三菱ケミカル株式会社によって供給される)。
PET試料を150℃で50ppm~100ppmの水分含量になるまで乾燥させた。乾燥させたPET試料を50℃未満に外気冷却させたら、以下の表に記載される量で試料を耐衝撃改質剤と乾式配合し、押出(二軸スクリュー、Labtech Engineering Company Ltd社、タイ)後に、射出成形(Arburg社、Allrounder 470 E 1000-400、30mmのスクリュー、ドイツ)を介して実施例1に更に記載されるように加工したが、但し、2×4ブロックの製造に使用された金型は、残念なことに実験中に壊れため取り替えた。したがって、試験3-8から試験3-16で生産されたブロックは、試験3-1及び試験3-7並びに実施例1及び実施例2で生産されたブロックとは異なる金型を使用して射出成形した。1つ目の金型(実施例1、実施例2及び試験3-1~試験3-7で使用された)では、或る特定の壁厚及び支持リブを有するブロックが生産されるのに対して、2つ目の金型(試験3-8~試験3-16で使用された)では、壁厚が増加しているが、支持リブを有しないブロックが生産される。したがって、1つ目の金型を使用して生産されたブロックの衝撃強さを、2つ目の金型を使用して生産されたブロックの衝撃強さと直接的に比較することはできない。
Figure 0007303193000006
得られた2×4ブロック及び衝撃試験棒を上記のように落下試験及びシャルピーVノッチ試験のそれぞれで試験した。結果を以下の表に示す。
Figure 0007303193000007
上記結果は、6%(重量/重量)の耐衝撃改質剤の添加により、シャルピーVノッチ試験によって測定される衝撃強さが僅かしか改善されず、落下試験によって測定される衝撃強さが顕著に改善されることを示している。その結果はまた、耐衝撃改質剤の量を更に20%(重量/重量)に増やすと、シャルピーVノッチ試験によって測定された場合に衝撃強さがまた更に改善され、落下試験によって測定された場合に顕著に改善されることも示している。
実施例3の結果はまた、異なるグレードのPETでは異なる衝撃強さがもたらされること、そしてまた異なる耐衝撃改質剤では衝撃強さが異なる度合いで改善されることも示している。
実施例1~実施例3の試験結果のまとめ
実施例1~実施例3において、本発明の発明者らは以下のことを示した:
玩具組立要素、特に2×4ブロックの射出成形のために、種々のグレードのPETポリエステルを使用することができる。種々のグレードとしては、PETホモポリマー及びPETとIPAとのコポリマー、部分的にバイオベースのPETポリエステル並びにリサイクルされたPETポリエステルが挙げられる。試験されたPETポリエステルの固有粘度は、0.66dl/g~0.82dl/gの範囲である。
射出成形された玩具組立要素の衝撃強さを改善させるために、種々のグレードの耐衝撃改質剤を使用することができる。種々のグレードとしては、アクリルコポリマー、エチレン、アルキルアクリレート及びグリシジルメタクリレートのターポリマー、エチレン及びグリシジルメタクリレートのコポリマー、エチレン、アルキルアクリレート及び無水マレイン酸のターポリマー、並びにシリコーン-アクリレート及びグリシジルメタクリレートから構成される反応性ゴムが挙げられる。
耐衝撃改質剤の濃度がゼロから20%(重量/重量)に増加すると、衝撃強さが増加する。
少量(3%(重量/重量)まで)の耐衝撃改質剤がPETポリエステルと配合されると、シャルピーVノッチ試験を使用する場合に衝撃強さの増加を認めることができないが、落下試験を使用する場合には衝撃強さの増加を認めることができる。
LEGO(商標)ブロックのサイズ及びLEGO(商標)DUPLO(商標)ブロックのサイズの玩具組立要素を試験して、両方のサイズについて改善された衝撃強さが認められた。

Claims (14)

  1. 高分子ポリ(エチレンテレフタレート)(PET)材料でできた、PETポリエステルを含む樹脂の射出成形によって製造された玩具組立要素であって、
    前記樹脂は、
    該樹脂の総重量に対して少なくとも80%(重量/重量)の量の前記PETポリエステルと
    耐衝撃改質剤と
    を含み、
    上側に凸部が設けられ、下側に相補形の円筒部が設けられている、玩具組立要素。
  2. 前記樹脂中の前記PETポリエステルは、バイオベースポリマー、ハイブリッド型バイオベースポリマー、石油ベースポリマー又はそれらの任意の混合物である、請求項1に記載の玩具組立要素。
  3. 前記PETポリエステル中のバイオベース炭素の含有は、該PETポリエステル中の総炭素含有を基準に少なくとも50%である、請求項1又は2に記載の玩具組立要素。
  4. 前記樹脂中のバイオベース炭素の含有は、該樹脂中の総炭素含有を基準に少なくとも25%である、請求項1又は2に記載の玩具組立要素。
  5. 前記PETポリエステルの少なくとも一部は、リサイクルされたPETポリエステルである、請求項1~4のいずれか一項に記載の玩具組立要素。
  6. 前記樹脂中の前記PETポリエステルは、ポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステルである、請求項1~5のいずれか一項に記載の玩具組立要素。
  7. 前記ポリ(エチレンテレフタレート-co-イソフタレート)ポリエステル中のイソフタル酸の量は、1mol%~3mol%である、請求項6に記載の玩具組立要素。
  8. 前記PETポリエステルの固有粘度は、0.66dl/g~0.82dl/gの範囲である、請求項1~7のいずれか一項に記載の玩具組立要素。
  9. 前記樹脂中の前記PETポリエステルの少なくとも一部は、リサイクルされたボトルグレードのPETである、請求項8に記載の玩具組立要素。
  10. 前記耐衝撃改質剤は、反応性耐衝撃改質剤である、請求項1~9のいずれか一項に記載の玩具組立要素。
  11. 前記樹脂中の前記耐衝撃改質剤の量は、該樹脂の総重量を基準に1.0%(重量/重量)~20%(重量/重量)である、請求項1~10のいずれか一項に記載の玩具組立要素。
  12. a)
    樹脂の総重量に対して少なくとも80%(重量/重量)の量のPETポリエステルと
    耐衝撃改質剤と
    を含む該樹脂を準備する工程と、
    b)前記樹脂を射出成形する工程と、
    を含む、上側に凸部が設けられ、下側に相補形の円筒部が設けられている玩具組立要素を製造する方法。
  13. 前記耐衝撃改質剤を、射出成形機の供給の間に前記PETポリエステルと混合する、請求項12に記載の方法。
  14. 前記耐衝撃改質剤を前記PETポリエステルと混合して混合物を得てから、該混合物を射出成形機に供給する、請求項12に記載の方法。
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