KR101774981B1 - 셀룰러 폼 첨가제 - Google Patents

Abstract

고도의 전문화된 3차원 구조의 동적 혼합 입자들은 거품 및 핵 형성 자리를 위한 낮은 표면 에너지 영역을 촉진하여 일관된 셀 구조를 갖는 더 강하고 더 가벼운 폼이 얻어지도록 한다. 상기 폼 조성은, 폼 구성 유체가 폼 팽창 과정 동안 이동할 때 계속 활성 상태로 있는 입자들을 포함한다. 계속되는 혼합은 발포제의 개선된 분산을 촉진하고, 또한 폼이 팽창하는 동안 폴리머 전체에 걸쳐 반응 및 미반응 첨가제의 더 나은 분산을 통해 증가된 이동성(mobility)을 촉진하여, 셀 농도(cellular consistency)가 개선되도록 한다. 동적 혼합 입자의 첨가는 흡열 발포제, 발열 발포제 및/또는 기체 폼 주입 시스템을 이용하는 임의의 구조적 폼 물질에서 유사한 결과를 생성할 것이다.

Description

셀룰러 폼 첨가제{CELLULAR FOAM ADDITIVE}

본 발명은 셀룰러 폼(cellular foams)에 대한 첨가제에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 발포제, 반응성 및 미반응성 첨가제의 개선된 분산을 촉진하기 위해 폼(foam)에 동적 혼합 입자(kinetic mixing particles)를 첨가하는 것에 관한 것이다.

20세기 초에는 다양한 유형의 특별히 제조된 고형 폼(solid foams)이 사용되었다. 이러한 폼의 낮은 밀도는 그들을 단열재 및 부유 기구(flotation devices)로서 훌륭히 사용되도록 하였고, 그들의 경량 및 압축률(compressibility)은 상기 폼을 포장 재질 및 스터핑(stuffing) 용으로 사용되기에 이상적인 것이 되도록 하였다. 최근 40년 동안 폼은 단순한 재질에서 복잡하고, 고도로 진보된, 경량이면서 내구성인 셀 구조재(cellular structural materials)로 발전하였다. 이러한 새로운 폼 재질은 다양한 시장, 예를 들어 몇 개만 언급하더라도, 자동차, 농업 기구, 배, 화장실 샤워 및 욕조, 울타리(fencing), 문, 창문 틀 및 장식 몰딩 트림(decorative molding trim)에서 뛰어난 유리섬유, 복합재(composites), 시트 스틸(sheet steel) 및 플라스틱이다. 오늘날 셀룰러 폼 산업은 셀 구조의 농도(consistency of the cellular structure), 조성 성분들(formula components)의 분산, 개선된 강도 및 저렴한 비용을 포함하여 제품 개선을 위해 계속 노력하고 있다.

유체 역학 분야에서, 흐르는 유체의 경계층은 항상 고정되고 이동하지 않는 것으로 여겨졌다. 층상 영역(laminar region)에서, 경계층은 유체 흐름에 꾸준한 저항 형태를 일으킨다. 출원인의 미국 특허출원 제12/412,357호 "필러(filler) 보강재를 갖는 구조적으로 향상된 플라스틱"은, 유체가 이동할 때 동적 혼합 입자의 첨가는 경계층을 동적으로(kinetically) 이동시키고, 유동을 촉진하며 필름 저항(film drag)이 감소되도록 함을 교시한다. 미국 특허출원 제12/412,357호는 참고로 여기에 포함된다. 저항(drag)의 감소는 정적 마찰을 이동체의 동적 마찰과 비교하여 그것을 유체 흐름에 적용하는 것과 유사하다. 출원인의 발명을 이용하여, 경계층이 동적 이동될 수 있음으로써, 저항이 감소되고 유동은 증가할 수 있다. 유체가 이동하지 않는 경우, 불활성 구조 입자, 즉 동적 혼합 입자는 나노 및 미크론 크기 범위에서 필러(filler)처럼 작용하므로, 폼 공정 동안 핵 형성 자리(nucleating sites)를 생성하게 된다. 미크론 나노 크기 입자가 이동할 경우, 특이한 3차원 형상의 동적 혼합 입자는 폴리머 매트릭스 전체에서 첨가제 및 필러의 동적 혼합을 촉진하며, 따라서 정체된(stagnant) 경계층 영역은 역동적(dynamic) 혼합 지역으로 전환된다.

고도의 전문화된 입자들, 즉 동적 혼합 입자는 플라스틱과 같은 고형물에 포함될 수 있다. 압출기에서 고형물은 용융된다. 용융된 플라스틱은 높은 전단 환경에서 나사 및 배럴(barrels)의 전체 표면적에 걸쳐 경계층을 발달시킨다. 상기 경계층의 동적 혼합은 유체가 이동하는 동안 언제나 어디에서든 활성화된다. 상기 재질이 폴리우레탄과 같은 유체인 경우, 상기 재질은 터빈 혼합기 또는 고급 충돌 제트(advanced impinge jet) 혼합 시스템과 같이, 간단한 교반을 이용하여 혼합될 수 있다. 양쪽 모두의 경우, 입자들의 이동은 유체 이동으로 인해 활성화된다. 초기 동적 혼합은 성분들이 높은 전단을 이용하여 혼합될 때 발생한다. 유체가 이동함에 따라, 동적 혼합이 전파된다(propagated).

본 발명은 셀 구조의 농도(consistency), 조성 성분들의 분산, 개선된 강도, 및 비용 절감이라는 4가지 카테고리 모두가 불활성 마이크로 및 나노 크기의 구조 입자들을 이용함으로써 직접 개선되도록 한다.

본 발명의 방법은 상기의 문제점들에 대한 독특한 해결책을 제공한다. 본 발명에 따른 개선된 셀 농도를 갖는 폼의 제조방법은 불규칙 표면 특징을 갖는 동적 혼합 입자를 폼 구성 유체에 첨가하고, 상기 폼 구성 유체를 혼합하고, 상기 동적 혼합 입자를 회전시켜 상기 폼 구성 유체의 내부에 낮은 에너지 표면 영역을 형성하고, 상기 폼 구성 유체를 팽창시켜 복수의 폼 공극을 규정하는 폼이 형성되도록 하는 단계를 포함한다. 본 발명의 폼은 내부의 공극을 규정하는 팽창된 혼합 폼 구성 유체, 및 상기 폼 구성 유체 내로 혼합되고 불규칙 표면 특징을 갖는 동적 혼합 입자를 포함한다. 본 발명의 동적 혼합 입자(kinetic mixing particles)의 첨가는 경계층의 동적 혼합을 일으켜, 마이크로 및 나노 혼합으로 균질의 분산물이 얻어지도록 하여, 첨가제와 관련된 잇점은 그대로 유지하면서 환경적으로 유해할 수 있는 값비싼 첨가제는 감소되도록 한다. 본 발명의 기술은 환경적으로 안전하고, 화학적으로 안정적인 고형 입자를 이용하여, 유체가 유동하는 동안 물질들이 계속 혼합되도록 한다. 동적 혼합 입자는 불규칙 표면 특징을 가지며, 상기 불규칙 표면 특징은 날카로운 첨단, 얇은 블레이드, 180°미만의 내부 입자 공극 각도, 180°미만의 외부 각도, 거친 엣지, 매끄러운 엣지, 척추형 구조, 돌출 팔(protruding arms) 및 상기 표면 특징들 중 하나 이상을 포함하는 집합으로 구성되는 군으로부터 선택된다.

동적 혼합 입자들의 첨가는 결과적으로 경계층 혼합이 개선되도록 하며, 즉 본 발명은 유체 흐름에 대한 구조적 기계적 필러의 효과에 관한 것으로, 여기서 입자들은 나노 내지 미크론 범위의 크기를 갖는다. 구체적으로, 입자의 크기 범위는 바람직하게 약 500 nm 내지 1μ, 좀 더 바람직하게는 1μ 내지 30μ이다. 그러나, 상기 정의된 범위 내에서 임의의 하위 범위도 유효한 것으로 고려된다. 본 발명은 유체 속도 차이로 인하여 경계층에서 입자가 회전 또는 굴러 떨어지도록 하는 것과 관련된 마찰력이 결합된 경계층 정적 필름(boundary layer static film)의 원리를 이용한다. 결과적으로, 동적 혼합은 동적 혼합 또는 구조 입자들을 사용함으로써 촉진된다.

예를 들어, 연질 재료 위에서 롤링(rolling)하는 경질 구가 움직이는 홈(depression)에서 이동한다고 생각해 보자. 상기 연질 재료는 구르는 구 전방에서 압축되고 상기 연질 재료는 구르는 구 뒤에서 다시 튀어오른다. 상기 재료가 완전 탄성이면, 압축되는 동안 저장된 에너지는 상기 구르는 구의 후방에서 상기 연질 재료의 되튀어오름에 의해 상기 구로 복원된다. 실제로, 실제 재료는 완전 탄성이 아니다. 따라서 에너지 소산이 발생하여, 운동 에너지(kinetic energy), 즉 롤링(rolling)이 일어난다. 정의상 유체는 정적 전단 응력을 이겨낼 수 없는 물질의 연속체(material continuum)이다. 회복 가능한 변형으로 전단 응력에 반응하는 탄성 고체와는 달리, 유체는 회복 불가능한 흐름으로 반응한다. 상기 회복 불가능한 흐름은 경계층에서 동적 기계적 혼합을 위한 구동력으로 이용될 수 있다. 롤링하는 동적 마찰의 원리 및 논-슬립 영역(no-slip zone) 표면에 들러붙는 유체의 증가를 이용함으로써, 피착체(adherents)가 얻어진다. 경계층에 인접한 유체의 흐름은 상기 부착된 입자들에 관성력(inertial force)을 생성한다. 관성력은 이용된 혼합 역학에 상관없이, 즉 정적(static), 역동적(dynamic) 또는 동적(kinetic) 혼합과 무관하게, 기계 공정 장비의 표면을 따라 입자들을 회전시킨다.

구조 입자들의 선택 또는 기하학적 디자인은 속도가 제로인 경계층에서 끈적거리는 필름과의 표면 상호작용에 관한 기본 원리에 기초한다. 기계적 표면 접착은 입자 표면의 거칠기(roughness)를 증가시킴으로써 증가된다. 상기 경계층 깊숙이 입자의 침투는 동적 혼합을 일으킨다. 입자 침투는 입자 엣지(edge) 또는 블레이드형 입자 표면(bladelike particle surfaces)의 날카로움(sharpness)을 증가시킴으로써 증가된다. 거칠고/거칠거나 날카로운 입자 표면을 갖는 입자는 논-슬립 영역에 대한 접착이 증가됨을 나타내며, 이는 표면 특징이 거의 없거나 전혀 없는 매끄러운 입자 보다 더 나은 표면 접착을 촉진한다. 이상적인 입자 크기는 구체적인 유체의 점도로 인해 유체에 따라 다를 것이다. 점도는 유체에 따라 다르기 때문에, 온도 및 압력과 같은 공정 변수, 및 기계 표면에 대한 표면 연마 및 전단력에 의해 생성되는 혼합 역학 또한 다를 것이며, 이는 경계층 두께에 변수를 형성한다. 거칠고/거칠거나 날카로운 입자 표면은 입자가 경계층에서 롤링하는 동적 혼합 블레이드로서 기능하도록 한다. 유체의 경계층을 따라 롤링하는 거칠고/거칠거나 날카로운 엣지를 갖는 경화된 입자들은 상기 경계층의 표면적을 휘저음(agitating)으로써 마이크로 혼합(micro mixing)을 일으킬 것이다.

경계층에서의 동적 혼합을 위해 사용되는 고체 입자, 즉 동적 경계층 혼합 물질 또는 동적 혼합 물질은 바람직하게 다음의 특징을 갖는다:

입자들은 입자가 경계층 표면을 따라 구르거나 굴러 떨어지도록 하는 물리적 기하학적 특징(physical geometry characteristic)을 가져야 한다.

입자들은 제로 속도 영역 또는 논-슬립 유체 표면과 상호작용하기에 충분한 표면 거칠기를 가져서 정적 마찰 보다는 동적 마찰을 촉진하여야 한다. 입자들의 혼합 효율은 표면 거칠기에 따라 증가한다.

입자들은 충분히 경질(hard)이어서, 유체가 입자 주위에서 변형되어 입자의 텀블링(tumbling) 또는 롤링 효과를 통해 동적 혼합이 촉진되도록 하여야 한다.

입자들은 사용된 유체의 경계층에 크기 비례하여, 입자들이 동적 롤링 마찰로 인하여 롤링 또는 텀블링하도록 하여야 한다.

입자들은 너무 작지 않아야 한다. 입자들이 너무 작으면, 경계층에 잡혀서, 마찰을 증가시키고 경계층의 접촉 영역 전체에 걸쳐 기계적 마모를 촉진하는 텀블링 또는 롤링하는 능력을 잃을 것이다.

입자들은 너무 크지 않아야 한다. 입자들이 너무 크면, 벌크 유체 흐름으로 휩쓸리게 되고, 동적 경계층 혼합에 최소의 효과(있다 하더라도)를 가질 것이다. 입자들은 거칠기 및/또는 날카로운 블레이드형 특징과 같은 크기 및 표면 특징을 가져서, 혼합 공정 동안 벌크 유체로부터 경계층에서 재결합될 수 있어야 한다.

입자들은 고형 또는 다공성 재료, 인공 또는 천연 발생의 미네랄 및/또는 암석(rocks)일 수 있다.

입자들의 물리적 기하학 구조( Physical geometry of particles ):

입자의 형상은 구형, 삼각형, 다이아몬드, 정사각형 등일 수 있으나, 반-평평(semi-flat)하거나 평평한 입자는 잘 텀블링하지 않으므로 덜 바람직하다. 반-평평하거나 평평한 입자는, 평평한 입자의 단면 표면이 그것의 작은 두께에 적용되는 유체 마찰에 대하여 거의 저항성을 갖지 않기 때문에 잘 텀블링되지 않는다. 그러나, 혼합 형태로 교반(agitation)하는 것이 요망되므로, 서툰(awkward) 형태의 텀블링이 유익한데, 이는 서툰 텀블링이 경계층에 역동적으로 랜덤하게 발생되는 혼합 영역을 만들기 때문이다. 랜덤 혼합 영역(Random mixing zones)은 작은 혼합 블레이드와 함께 작동하는 대형 혼합 블레이드에 의해 생기는 혼합 영역과 유사하다. 일부 블레이드는 빨리 돌고 일부 블레이드는 느리게 돌지만, 결과는 블레이드들이 모두 혼합한다는 것이다. 비탄력적 특성이 덜한, 좀 더 점성인 유체에서, 입자들에 의한 동적 혼합은 입자 표면의 거칠기와 입자들의 날카로운 엣지로 인하여 쵸핑(chopping) 및 분쇄(grinding) 효과를 일으킬 것이다.

매우 매끄러운(smooth) 표면을 갖는 구형 입자는 다음의 이유로 이상적이지 않다. 첫째, 표면의 거칠음은 입자와 유체 사이의 마찰을 증가시키고, 이는 입자가 끈적거리고/끈적거리거나 논-슬립 영역과 접촉 상태로 있을 수 있는 능력을 증가시킨다. 대조적으로, 구체에서 발견될 수 있는 것과 같은 매끄러운 표면은 표면 접착이 빈약하여 끈적거리는 층과의 접촉을 제한한다. 둘째, 표면의 거칠음은 입자가 텀블링 및/또는 롤링을 통해 혼합을 유도하는 능력에 직접 영향을 주지만, 매끄러운 표면은 그렇지 않다. 셋째, 매끄러운 표면을 갖는 구 형상은 경계층을 따라 롤링하는 경향이 있으며, 이는 윤활 효과(lubricating effect)를 촉진할 수 있다. 그러나, 표면 거칠음을 갖는 구형 입자는, 특히 저점도 유체 및 기체에 대하여, 윤활효과를 촉진할 뿐만 아니라 경계층의 역동적 혼합을 촉진하도록 돕는다.

폴리머에 동적 혼합 물질을 첨가하는 잇점은 다음을 포함한다:

ㆍ 값비싼 폴리머를 저렴한 구조 물질로 대체함으로써 얻어지는 비용 절감.

ㆍ 더 많은 유기 물질을 폴리머에 포함시키는 능력 증가로 인해 얻어지는 비용 절감.

ㆍ 높은 수준의 유기 및/또는 구조 물질로 생산성(productivity)을 증가시킴으로써 얻어지는 비용 절감.

ㆍ 경계 혼합에 의해 생성되는 큰 기계적 표면에서의 혼합 증가로 인한 첨가제 및/또는 필러의 분산 개선.

ㆍ 유체 흐름을 가로지르는 폴리머의 속도가 정상 혼합 과정 동안 표면에 충격을 줄 것이므로 공정/혼합 장비의 큰 표면적을 따라 롤링하는 입자들의 분쇄 및 절단 효과로 인한 폴리머의 혼합 개선.

ㆍ 경계층에서 경질 입자의 롤링 동적 마찰로 대체되는, 정적 마찰의 경계층 효과에 의해 유발되는 기계적 표면상의 마찰 계수 감소.

ㆍ 마찰 계수가 생산 출력(production output)에 직접 영향을 주는 경계층에서 마찰 계수의 감소로 인한 생산 증가.

ㆍ 표면 품질 개선: 동적 혼합 입자의 도입은, 혼합하는 동안, 즉 염료를 혼합하고, 금형 사출하는 경우, 경계층에서의 입자의 회전으로 인해 기계적 표면 상에 폴리머 풍부 영역(polymer rich zone)을 생성한다. 상기 폴리머 풍부 영역은 폴리머가 충진되거나 미충진되거나, 뛰어난 표면 마감이 얻어지도록 한다.

ㆍ 동적 혼합에 의해 경계층 정체막(stagnant film)의 입자 회전 및 교반(agitation)이 얻어지며, 결과적으로 미립자 및 필름을 제거하도록 경계층이 자정(self-cleaning)된다.

ㆍ 정체막인 것으로 생각되는, 경계층의 동적 혼합으로 인한 열전달 향상. 열전달은 주로 전도(conduction)이지만 정체막의 혼합은 상기 열전달 표면에 강제 대류(forced convection)를 일으킨다.

본 발명의 동적 혼합 물질은 특정의 독성 첨가제 사용을 감소시키고 상기 독성 첨가제를 환경 친화적인, 불활성 고체, 즉 화학적으로 열적으로 모두 안정적인 동적 혼합 물질로 대체함으로써 현재 및 장래의 환경 법규 요건의 충족에 도움을 줄 것이다.

도 1은 미가공된 팽창 펄라이트(expanded perlite)의 SEM 이미지이다.
도 2는 500x 배율에서 가공된 펄라이트의 SEM 이미지이다.
도 3은 2500x 배율에서 가공된 펄라이트의 SEM 이미지이다.
도 4는 각각의 틱 마크(tick mark)가 100 미크론인 경우 화산재의 SEM 이미지이다.
도 5는 각각의 틱 마크가 50 미크론인 경우 화산재의 SEM 이미지이다.
도 6a는 700C에서 생성된 천연 제올라이트-템플레이팅된(templated) 탄소의 SEM 이미지이다.
도 6b는 800C에서 생성된 천연 제올라이트-템플레이팅된 탄소의 SEM 이미지이다.
도 6c는 900C에서 얻어진 천연 제올라이트-템플레이팅된 탄소의 SEM 이미지이다.
도 6d는 1,000C에서 얻어진 천연 제올라이트-템플레이팅된 탄소의 SEM 이미지이다.
도 7은 30000x 배율에서 나노 다공성 알루미나 막의 SEM 이미지이다.
도 8은 120,000 배율에서 알루미늄 합금 AA2024-T3 위로 성장한 유사 베마이트 상(pseudoboehmite phase) Al₂0₃xH₂0의 SEM 이미지이다.
도 9는 1000x 배율에서 미가공 중공 재 구체(hollow ash spheres)의 SEM 이미지이다.
도 10은 2500x 배율에서 미가공 중공재 구체의 SEM 이미지이다.
도 11은 3M® 유리 거품의 SEM 이미지이다.
도 12a 및 12b는 5,000x 배율(도 12a) 및 10,000x 배율(도 12b)에서 플라이 애쉬 입자들의 SEM 이미지이다.
도 13은 500x 배율에서 재생 유리의 SEM 이미지이다.
도 14는 1,000x 배율에서 재생 유리의 SEM 이미지이다.
도 15는 750x 배율에서 가공된 적색 화산암의 SEM 이미지이다.
도 16a-16d는 모래 입자의 SEM 이미지이다.
도 17a는 1시간 동안 합성된 제올라이트 Y, A 및 실리케이트 1의 SEM 이미지이다.
도 17b는 1시간 동안 합성된 제올라이트 Y, A 및 실리케이트 1의 SEM 이미지이다.
도 17c는 6시간 동안 합성된 제올라이트 Y, A 및 실리케이트 1의 SEM 이미지이다.
도 17d는 6시간 동안 합성된 제올라이트 Y, A 및 실리케이트 1의 SEM 이미지이다.
도 17e는 12시간 동안 합성된 제올라이트 Y, A 및 실리케이트 1의 SEM 이미지이다.
도 17f는 12시간 동안 합성된 제올라이트 Y, A 및 실리케이트 1의 SEM 이미지이다.
도 18은 포스포칼식 히드록시아파타이트(phosphocalcic hydroxyapatite)의 SEM 이미지이다.
도 19a는 Al MFI 응집체(agglomerates)의 SEM 이미지이다.
도 19b는 Al MFI 응집체의 SEM 이미지이다.
도 20a는 20kx 배율에서 미세결정질 제올라이트 Y의 SEM 이미지이다.
도 20b는 100kx 배율에서 미세결정질 제올라이트 Y의 SEM 이미지이다.
도 21은 ZnO, 50-150 nm의 SEM 이미지이다.
도 22a는 반-구형(semi-spherical) 클러스터링 물질(clustering material)의 고형 잔여물의 SEM 이미지이다.
도 22b는 100℃에서 합성된 제올라이트-P의 SEM 이미지이다.
도 23a는 나노 구조의 CoOOH 중공 구체의 SEM 이미지이다.
도 23b는 CuO의 SEM 이미지이다.
도 23c는 CuO의 SEM 이미지이다.
도 24a는 100℃, 1.5N에서 용융 애쉬(fused ash)의 SEM 이미지이다.
도 24b는 6시간 동안 100℃, 1.5N에서 용융 애쉬의 SEM 이미지로서 명명되지 않은 제올라이트를 보여준다.
도 24c는 24시간 동안 100℃, 1.5N에서 용융 애쉬의 SEM 이미지로서 큐빅 제올라이트(cubic zeolite)를 보여준다.
도 24d는 72시간 동안 100℃, 1.5N에서 용융 애쉬의 SEM 이미지로서 명명되지 않은 제올라이트 및 깁사이트(Gibbsite) 대형 결정을 보여준다.
도 25a는 2.5 um 균일 평면 A1₂0₃ 나노구체(nanospheres)의 SEM 이미지이다.
도 25b는 635 nm 균일 평면 A1₂0₃ 나노구체의 SEM 이미지이다.
도 26은 CoOOH의 머리결 섬유(hair-like fibers)를 나타내는 컴퓨터 합성 모델이다.
도 27은 강성 PVC의 두 가지 샘플을 나타내는 것으로, 양 샘플은 동일한 안료 로딩(loading)을 가지며 하나의 샘플은 동적 혼합 입자들을 포함한다.
도 28은 폴리카보네이트의 두 가지 샘플을 나타내는 것으로, 양 샘플은 동일한 안료 로딩을 가지며 하나의 샘플은 동적 경계층 혼합 입자들을 포함한다.
도 29는 ABS 점(spots)을 갖는 강성 PVC를 나타낸다.
도 30은 함께 혼합된 PVC 및 ABS를 나타낸다.
도 31은 시험 샘플을 나타내며, 여기서 동적 혼합 입자가 있는 경우와 없는 경우 녹색의 반응 에폭시는 동적 혼합 입자가 있는 경우와 없는 경우 노란색의 반응 에폭시와 각각 혼합되었다. 동적 혼합 입자를 갖는 혼합 샘플은 더 넓은 푸른 면적에 의해 입증되는 바와 같이 더 우수한 혼합을 달성하였다.
도 32a-32t 는 직접 가스 주입된 베이스(base) 폴리스티렌 또는 폴리프로필렌 폼을 나타내며, 첨가제의 중량%는 0.35 중량% 내지 4.2 중량% 범위이고, 셀의 크기는 42 미크론 내지 217 미크론 범위이다.
도 33은 lOx 배율의 폴리프로필렌 폼을 나타내며, 형성된 셀의 증가는 본 발명의 동적 혼합 입자들이 첨가된 폼에서 볼 수 있다.
도 34는 60x 배율의 폴리프로필렌 폼을 나타내며, 형성된 셀의 증가는 본 발명의 동적 혼합 입자들이 첨가된 폼에서 볼 수 있다.

동적 혼합 입자를 도입한 결과, 고 전단 혼합 환경에서 열가소성 플라스틱과 같은 점도 물질에서 도 27 및 28에 도시된 바와 같은, 우수한 분산 능력이 얻어진다.

도 27은 양 샘플에서 동일한 안료 로딩을 갖는 강성 PVC를 나타낸다. 내부에 동적 경계층 혼합 입자를 갖는 왼쪽 샘플이 더 나은 분산을 나타내는 것을 명확히 볼 수 있다.

도 28은 양 샘플에서 동일한 안료 로딩을 갖는 폴리카보네이트를 나타낸다. 동적 경계층 혼합 입자를 갖는 오른쪽 샘플이 더 나은 분산을 나타내는 것을 명확히 볼 수 있다.

도 27 및 28은 분산과의 관계에서 동적 경계층 혼합 입자의 잇점을 명확히 보여준다. 개선된 분산 특성은 베이스 물질(base material)이 더 적은 첨가제를 갖도록 하는데, 이는 동적 혼합 입자들의 존재가 첨가제를 더 잘 분배시킴(disburse)으로써, 첨가제와 동일한 유익한 특성을 생성하기 때문이다.

비유사 물질들의 혼합 및 블렌딩

도 29는 두 개의 이미지를 보여준다. 이미지 1은 ABS 점(spots)을 갖는 강성 PVC를 나타낸다. 이들 두 물질은, 고전단 조건하에서도, 화학적으로 함께 혼합되거나 블렌딩되기를 원치 않는다.

도 30의 이미지 2는 혼합하기 어려운 비유사 물질에 동적 경계층 혼합 입자들을 첨가하는 효과를 보여준다. 압출기에서 PVC 및 ABS가 함께 혼합되어, 그 결과 흑색 안료처럼 작용하는 ABS가 얻어졌다.

보통, 폴리머의 첨가제는 내구성(durability)을 향상시키기 위해 첨가된다. 그러나, 난연제, 필러, 소포제, 표면장력 개질제 및 살충제(biocide) 등의 경우, 필러는 종종 폴리머에 부정적 영향을 가져서, 가교된 폴리머 시스템 전체에 피로(fatigue)를 일으킨다. 동적 혼합 입자의 첨가는 혼합을 개선하는 것 이상을 한다. 동적 혼합 입자의 첨가는 기계적으로 첨가제의 크기를 감소시켜, 폴리머 매트릭스에서 더 나은 상호작용을 일으킨다. 따라서, 첨가제의 크기를 감소시키고 분산을 개선함으로써, 첨가제의 양은 감소될 수 있다. 이러한 균질의(homogenous) 혼합 특징은 원하는 결과를 얻기 위해 요구되는 첨가제의 양을 감소시킴으로써 폴리머의 가교 강도를 증가시킨다.

반응성 2 성분 폼(two-component foam)에서, 동적 혼합 입자의 첨가는 액체-액체 계면의 혼합을 도울 것이며, 이는 폴리머 전체의 더 나은 가교를 촉진한다. 동적 혼합 입자의 첨가제는 또한 접착 강도를 개선하고 더 나은 유동 특성을 부여할 것이다.

도 38을 참조하여 보여지는 바와 같이, 상부 샘플, 즉 경계 브레이커(boundary breaker) 동적 혼합 입자를 갖는 샘플이 두 개의 샘플 중 더 철저히 혼합된 것이다. 달리 말하면, 상기 상부 샘플은 녹색 및 노란색 반응 에폭시를 더 철저히 혼합하였으며, 그 결과 더 많은 양의 청색 혼합 에폭시가 얻어졌다.

이중 성분 반응 물질들에 대하여 정적 혼합 테스트(static mixing test)를 수행하였으며, 그 결과는 도 31에 보여진다:

물질: 록타이트(Loctite) 2 성분 60분 에폭시, 2가지 염료, 즉 노란색 하나 녹색 하나가 사용되었다.

장비: 표준 50 mL 이중 코킹 건(dual caulking gun)으로 1/4 인치 직경 6 인치 길이의 폐기가능한(disposable) 정적 혼합기 팁(tip)을 갖는 것을 사용하였다.

실험 셋업:

100 ml의 에폭시를 반응 혼합시키고 소량의 노랑 염료를 혼입하였다;

100 ml의 에폭시를 반응 혼합시키고 소량의 녹색 염료를 혼입하였다;

염료를 포함하는 상기 두 개의 100 ml 반응 에폭시를 반으로 나누었다. 50 ml의 노란색 반응 에폭시를 정적 혼합기 내 단일의 이중 성분 카트리지의 반에 넣었다. 정적 혼합기의 또 다른 반에는 50 ml의 녹색 반응 에폭시를 단일의 이중 성분 카트리지에 배치하였다.

상기 50 ml의 노란색 반응 에폭시는 내부에 수동 혼합된(hand mixed) 1 질량%의 동적 혼합 입자를 가졌다. 상기 노란색 반응 에폭시는 상기 정적 혼합기 카트리지의 반에 넣었다. 50 ml의 녹색 반응 에폭시는 내부에 수동 혼합된 1 질량%의 동적 혼합 입자를 가졌다. 상기 50 ml의 녹색 반응 에폭시를 상기 이중 성분 카트리지의 또 다른 쪽에 놓았다. 상기 혼합 과정을 약 5분간 수행한 다음, 상기 물질을 동일한 낮은 속도로 상기 정적 혼합기 밖으로 빼냈다. 그 다음 정적 혼합 튜브를 완전히 경화되도록 하였다. 그 다음 상기 튜브를 물 제트 커터(water jet cutter)를 이용하여 반으로 잘랐다. 도 31에서 보여지는 바와 같이, 상부 샘플, 즉 동적 혼합 입자를 갖는 샘플이 두 개의 샘플 중 더 철저히 혼합된 것이다. 달리 말하면, 상기 상부 샘플은 녹색 및 노란색 반응 에폭시를 더 철저히 혼합하였으며, 그 결과 더 많은 양의 청색 혼합 에폭시가 얻어졌다.

폼 기술에의 적용

본 발명의 고도의 전문화된 구조 물질, 즉 동적 혼합 입자가 폼 기술과 결합되면, 혼합 단계가 완료되었을 때 동적 혼합의 독특한 특징은 중단되지 않는다. 상기 동적 혼합 입자는 유체가 팽창 과정 동안 이동할 때 계속해서 활성으로 있게 된다. 후 혼합 단계(post mixing step) 입자의 활성은 발포제의 개선된 분산을 촉진시키고, 또한 폼이 팽창하는 동안 폴리머 전체에 걸쳐 반응 및 미반응 첨가제의 더 나은 분산을 통해 증가된 이동성(mobility)을 촉진한다. 더 나은 분산 및 증가된 이동성은 개선된 셀 농도(cellular consistency)가 얻어지도록 한다. 동적 혼합 입자의 3차원의 뾰족한 블레이드형 구조의 독특한 특징적 형상은 뛰어난 핵 형성 자리(nucleation sites)를 생성하며, 따라서 셀룰러 벽 농도 및 강도가 증가된다.

폼의 셀 크기를 700-1000 미크론 크기의 셀 구조에서 10 미크론 이하로 감소시키는 것이 바람직하다. 이러한 돌파구는 산업계가 여태까지 상업적으로 이용가능했던 것들보다 더 경량의 더 강한 폼을 제조할 수 있도록 할 것이다.

N₂, C0₂, Ar 등과 같은 기체를 이용한 가스 주입 폼 공정에서, 공정의 가장 어려운 부분은 기체를 용융된 플라스틱 또는 반응성 물질에 용해시키는 것이다. 서로 다른 기체는 서로 다른 폴리머와 서로 다른 용해도 상수를 갖는다.

용해도 상수( solubility constant )

용해도 상수의 변화는 다양한 물질의 기체 로딩이 일관성 없는 결과를 낳는다. 구조적 변수 및 열적 변수는 폼이 크고 작은 셀 크기를 생성한 일관성 없는 셀 구조에 의해 야기된다. 이러한 난점을 극복하려는 시도는 압출기 길이를 증가시키거나 다중 압출기를 이용하여 기계적 혼합을 위한 분산 시간을 증가시키는 것을 포함한다. 동적 혼합 입자의 첨가는 나노 및 미크론 크기의 3차원 경질 구조 입자들을 포함시킨다(incorporate). 동적 혼합 입자는 혼합 과정 동안 플라스틱에 마이크로 및 나노 크기의 기계적 개구를 생성한다. 상기 개구는 폴리머 내로 기체 분산이 되도록 함으로써, 혼합 시간 및 기체 용해 효과를 상당히 감소시킨다. 본 발명의 3차원, 동적 혼합 입자는 다양한 크기 및 형상을 갖도록 맞춤 조절될 수 있으며, 블레이드 길이, 공동 깊이(cavity depth), 입자 공극 크기, 돌출 부재 크기, 척추형(spine-like) 구조의 길이 등과 같은 구조적 특징들이 원하는 크기의 폼으로 셀을 생성할 수 있다.

예를 들어, 유형 I 동적 혼합 입자가 사용되고, 유형 I 동적 혼합 입자의 다양한 농도에 대하여 임계(critical) C0₂ 기체가 폴리프로필렌에 첨가된 경우, 연구를 수행하였다. 결과는 도 32a-32t에서 볼 수 있다. 유형 I 동적 혼합 입자는 팽창 펄라이트로부터 제조되었으며, C0₂ 기체를 포함하지 않고, 아래 표 1에 나열된 조성물 중량 농도(formula weight concentration)로 30μ의 평균 입자 크기를 가졌다. 유형 I 동적 혼합 입자를 첨가하면 4.8%(조성 중량)를 갖는 45μ의 일관된 작은 셀 구조 및 0.40%(조성 중량)를 갖는 163μ의 큰 셀 구조가 얻어졌다. 유형 I 동적 혼합 입자를 폴리스티렌으로 첨가하면 1.75%(조성 중량)를 갖는 42μ의 일관된 작은 셀 구조 및 0.35%(조성 중량)를 갖는 217μ의 큰 셀 구조가 얻어졌다. 폴리프로필렌 및 폴리스티렌에 대하여, 동적 혼합 입자들이 회전할 때 생성된 저-에너지 영역은 동일하였다. 그러나, 거품이 응집하여 더 큰 셀을 형성하는 능력은 더 많은 동적 입자들이 존재할 때 감소되었다. 폴리스티렌은, 너무 많은 동적 경계층 혼합 입자들이 첨가될 경우 셀 구조가 감소될 수 있음을 보여주었다. 변화는 1.75%(조성 중량)에서의 42μ로부터 4.2%(조성 중량)에서의 54μ 까지였다. 따라서, 폼 매트릭스에서 동적 혼합 입자들의 회전에 의해 형성되는 미크론 크기의 셀 구조의 생성 속도가 높을수록, 셀 응집(cellular conglomeration)의 잠재성은 더 크게 감소한다.

입자들과 그 결과 얻어진 셀 크기 사이의 관계는 사용된 동적 입자의 표면 특징들의 함수이다.

예를 들어, 셀 형성과의 관계에서 입자 크기 특징을 설명하기 위해 앞서 언급한 기체 주입 테스트를 이용하면, 적절한 동적 경계층 혼합 표면 특징을 갖는 팽창 펄라이트 입자가 동적 이동에서 롤링 및 텀블링할 경우, 상기 펄라이트 입자는 폴리머에 낮은 표면 에너지 영역을 생성할 것인데, 이는 공극의 꼭짓점이 매우 작은 각을 형성하는 입자의 공극 공동(void cavity)에 크기 면에서 비례한다. 일 실시예에서, 즉 공극이 쌍곡선 표면에 의해 규정될 경우, 비-등각의 쌍곡 삼각형(non-conformal hyperbolic triangle)의 꼭짓점과 마찬가지 방식으로, 꼭짓점은 무한대가 된다. 유형 I 혼합 입자의 특징을 갖는 팽창 펄라이트는 화살의 뒷면에 플레칭(fletching) 하는 것처럼 보인다. 즉 상기 입자는 3차원의 블레이드형 특징을 가지므로, 블레이드들 사이에 거품 형성이 되도록 한다. 거품은, 유체에 의해 적용되는 저항력이 동적 경계층 혼합 입자에 형성되는 팽창 및 돌출하는 거품의 접착력을 극복할 때까지 블레이드형 구조에 접착되어 있을 것이다. 상기 예는 30μ의 평균 입자 크기(average mean particle size)를 논의하였다. 따라서 이러한 예에서의 입자 반경은 15μ이다. 거품은 상기 반경의 약 3배에서 유형 I 동적 혼합 입자로부터 배출될 것이다. 상기 3: 1 관계는 동적 혼합 입자들의 유형에 따라 달라지며, 이는 표면들 사이의 기하학적 접촉이 거품의 접착력에 직접 영향을 미치기 때문이다. 따라서, 서로 다른 기하학적 구성은 표면을 유체 제거 에너지로 변화시켜 더 크거나 작은 셀 크기가 얻어지도록 한다. 폴리머 및 첨가제의 선택 및 혼합의 역학(dynamics)은 동적 혼합 입자 표면에 대한 거품의 접착력을 극복하기 위해 동적 혼합 입자에 적용되는 유체 힘에 상당한 영향을 줄 것인데, 이는 적용예에 따라 달라질 수 있다. 일반적인 경험 법칙(rule of thumb)은 원하는 거품 크기, 즉 폼 공극 크기가 입자 크기 직경 및/또는 입자의 돌출 팔(protruding arm) 보다 0.025 내지 8배 더 클 것으로 예상된다는 것이다. 입자 유형 1의 경우, 공극 크기는 입자 크기 직경 및/또는 입자의 돌출 팔의 1 - 8배 더 클 것으로 예상된다.

본 발명의 동적 혼합 입자의 첨가는 현재의 폼 기술의 4가지 영역을 개선한다: 1. 셀 구조의 농도(Consistency); 2. 조성 성분들의 분산; 3. 개선된 강도; 4. 비용 절감. 이러한 효과의 4가지 영역은 아래에 논의될 것이다.

셀 구조의 농도

본 발명의 동적 혼합 입자는 3차원, 날카로운 첨단(sharp point), 블레이드형, 구멍, 공동, 돌출 팔, 척추형 특징, 들쭉날쭉 엣지(jagged edges), 매끄러운 코너 등, 형상을 포함하는 독특한 특징을 갖는다. 이러한 동적 혼합 입자는 폼 팽창 동안 유체와 함께 이동하므로, 엣지들은 뛰어난 핵 형성 자리를 형성하여, 유체가 팽창하여 셀 구조의 농도를 증가시키도록 한다. 이는 도 33 및 34에서 볼 수 있다. 도 33은 lOx 배율을 보여주며, 여기서 첨가제 없이 제조된 폼에서 보다 동적 혼합 물질 첨가제 유형 I로 제조된 폴리프로필렌 폼에서 더 많은 셀이 보여질 수 있다. 마찬가지로, 도 34는 첨가제 없이 제조된 폼에서 보다 동적 혼합 물질 첨가제 유형 I로 제조된 폴리프로필렌 폼의 내부에서 더 많은 셀을 보여준다.

조성 성분들의 분산

팽창 펄라이트로부터 제조된 경계층 동적 혼합 입자 유형 I은 조성의 화학적 특성을 변화시키지 않고 폴리머 전체에 걸쳐, 발포제를 포함하여, 모든 조성 성분들의 더 나은 분산이 얻어지도록 하였다. 후-압출기 팽창 동안에도, 상기 입자는 혼합을 통해 폼에 계속하여 영향을 미치므로, 폴리머 전체에 조성 성분들의 더 나은 분산을 일으킨다.

강도 개선

아이조드 충격 강도(Izod impact strength) 시험을 1/2" 아이조드 프로필에서 표준인 폴리프로필렌 폼에서 수행하였다:

1%* 발포제를 갖는 폴리프로필렌 = 7.14 g

1%* 발포제 + 1%* 첨가제를 갖는 폴리프로필렌 = 8.11 g

* (조성 중량)

유형 I 동적 혼합 입자를 도입함으로써 얻어지는, 폼 구조의 개선된 셀 구성과 조합된 조성 성분들의 개선된 분산은 충격 강도의 13.5% 증가라는 결과를 낳았다.

비용 절감

폴리프로필렌 폼에 대한 중량 감소 분석, 표준 1/2" 아이조드 프로필

1%* 발포제를 갖는 폴리프로필렌 = 21.5 g

1%* 발포제 + 1%* 첨가제를 갖는 폴리프로필렌 = 13.5 g

* (조성 중량)

동적 혼합 입자를 도입함으로써 얻어지는, 폼 구조의 개선된 셀 구성과 조합된 조성 성분들의 개선된 분산은 동일한 기하학적 형상을 갖는 부분의 중량이 25.0% 감소되는 결과를 낳았다.

동적 혼합 입자를 적용하는 잇점은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, PVC, ABS 등과 같은 폼 플라스틱 수지에 적용하는 것에 한하지 않으며; 상기 잇점은 단일 성분 우레탄, 복수 성분 우레탄, 에폭시드, 우레아 등과 같은 반응성 폼에 제한되지도 않는다. 동적 혼합 입자의 첨가는 흡열 발포제, 발열 발포제, 질소 또는 C0₂ 기체 폼 주입 시스템을 이용하는 임의의 구조 폼 물질에서 유사한 결과를 생성할 것이다.

화학적 발포제( Chemical blowing agents )

본 발명의 입자들은 3가지 방식으로 상업적으로 이용되는 발포제에 기계적 보조(mechanical assistance)를 제공한다. 첫번째는 나노 및 마이크로 기계적 혼합에 의해 생성되는 발포제의 분산 증가이다. 두번째는 혼합하는 동안 발생하는 나노 및 미크론 크기의 천공(perforations)으로, 이는 화학적 발포제가 폴리머 내로 분산되도록 한다. 세번째는 나노 및 마이크로 기계적 동적 블렌딩 공정으로서, 혼합 영역에서의 표면 장력을 낮추어 기계적 발포제에게 더 자유롭게 핵형성할 수 있는 능력을 부여한다. 이들 동적 혼합 입자는 또한 코팅 및/또는 도핑(doping)공정을 통해 발포제 제제 내로 상업적으로 포함될 수 있어서 동일한 결과를 얻도록 한다. 상기 베이스 입자(base particle)는 더 나은 발포제를 생성하기 위해 이용될 수 있다.

핵 형성 자리

보다 나은 핵 형성 및 더 통일된 셀 크기를 생성하기 위해 다양한 물질이 이용되어 왔다. 가장 흔하게 상업적으로 이용되는 물질은 나노 점토 및 탄소 나노 튜브와 같은 일부 더 외래 물질(exotic materials)과 마찬가지로 탈크이다. 폼 셀 크기에 대한 핵형성 입자 크기의 관계에 대하여 많은 논의와 논란이 있어 왔다.

본 발명의 기술은 폴리머 내부의 낮은 표면 에너지를 촉진함으로써 핵 형성 자리를 증가시키기 위한 기하학적 형상의 기본 원리에 촛점을 둔다. 입자를 둘러싼 유체의 낮아진 표면 에너지는 매우 날카로운 꼭짓점을 갖는 기하학적 형상에 의해 얻어진다. 일 실시예에서, 즉 공극이 쌍곡선 표면에 의해 정의되는 경우, 상기 꼭짓점은 비-등각의 쌍곡 삼각형(non-conformal hyperbolic triangle)의 꼭짓점과 동일한 방식으로, 무한대로 된다. 이러한 기하학적 형상은 첨단(points), 날카로운 엣지 및 접근가능한 내부 구조, 기하학적 형상이 모서리, 다이아몬드, 삼각형 등을 형성하는 공극 또는 주머니를 포함하지만 이에 한하지 않는다.

폴리머는 강 아래로 흐르는 물과 유사한 방식으로 입자들 주변 및 표면 위로 자연스럽게 구부러지는 사슬형 물질이다. 입자의 형상이 더 갑작스러울수록, 더 큰 난류(turbulence)가 얻어진다. 예를 들어, 강물의 바위를 생각해보면, 매끄러운 바위는 난류를 거의 또는 전혀 형성하지 않지만, 갑작스런 엣지 및 공동을 갖는 바위는 많은 난류를 형성한다. 상기 난류는 낮은 표면 에너지 영역을 생성한다. 낮은 표면 에너지 영역은 핵 형성 자리가 발생되도록 한다. 핵 형성 자리는, 폴리머 전체에 대한 셀 형성의 연쇄 반응으로 전환되는 거품 형성이 시작된다.

상업적으로 이용되는 핵 형성 물질 및 개발 중인 신규 물질의 기하학적 형상에 대한 논의는 다음과 같다.

탈크: 물질이 높은 전단에서 쪼개지도록(cleave) 하는 약한 밴더 월(Vander Wal) 힘에 의해 함께 유지되는 평판형 형상. 탈크는 작은 입자 크기로 가공될 수 있으며 가공 조건에 따라 날카롭거나 들쭉날쭉한 엣지를 갖거나 갖지 않을 수 있다.

나노 점토: 불규칙 형상, 가장 가깝게는 약 1의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 구형 또는 원통형. 나노 점토는 경질의 유기물(hard organic)이며 나노 크기 형상으로 가공될 수 있다.

탄소 나노튜브: 원통형 또는 섬유형(fiber-like). 탄소 나노튜브는 강하고 분자적으로(molecularly) 생성된다.

상기 언급된 물질 모두는 유동하는 유체에 낮은 에너지 영역을 형성하는 특징을 가지므로, 크기 및 기하학적 구조에 기초하여 인접하는 핵 형성 자리를 자극한다. 예를 들어, 나노-크기 입자는 장쇄 폴리머가 작은 반지름 둘레로 구부러지기가 어렵기 때문에 낮은 에너지 영역을 촉진한다. 따라서 나노-크기 입자는 핵 형성 자리를 위해 입자들 둘레로 작은 영역을 형성한다. 나노 물질과 관련한 난점은 작은 입자들을 폴리머 전체에 균일하게 분산시키는 것과 관련된 난점과 관계된다. 균일한 분산은 폴리머 굽힘의 관계에서 입자 반경에 기초하여 낮은 표면 에너지 영역을 형성하는데 결정적이다. 상기 나노 입자들이 집합된(conglomerated) 영역에 머문다면, 상기 집합(conglomerations)은 핵 형성 자리로 적당한 낮은 표면 에너지 영역을 생성할 수 없다. 또한, 응집은 나노 입자 계수에 기초하여 예상가능한 핵 형성을 계산하기 어렵게 한다.

탈크는 독특한 물리적 특성을 갖는다. 탈크는 강성 고체가 아니다. 탈크는 약한 밴더 월 힘에 의해 함께 유지되며 많은 경우 윤활제로서 사용된다. 탈크의 자연 형상은 얇고 작은 판상 구조로서 압출기에 의해 형성되는 높은 압력 및 전단하에 있을 경우 물리적 형상의 변형을 겪는다. 탈크는 폴리머 전체에 걸쳐 윤활 특성과 결합된 엣지 효과에 의해 낮은 에너지 자리를 생성하는데 이용될 수 있다. 탈크는 구조 물질이 아니다. 따라서, 탈크는 탈크 입자들에 부여되는 기계적 로드 때문에 서로 다른 폴리머에 대하여 압출 공정 동안 크기 및 형상이 변화하여, 탈크와 달리, 핵 형성 결과를 정확히 예상하기가 어렵게 한다. 본 발명의 동적 혼합 입자는 핵 형성 자리로서 이상적인데, 이는 표면 특징들이 압출기 내부의 작동 파라미터와는 무관하게, 폴리머 전체에 걸쳐 구조적 일체성(structural integrity) 및 분산성(dispersability)에 기초하여 예측가능하고 반복가능하기 때문이다.

본 발명의 동적 혼합 입자는, 적용되는 전단 효과 또는 폴리머와 무관하게 반복가능한 낮은 표면 에너지 상호작용을 일으키는 다양한 표면 특징을 갖는 강성 구조 입자이다. 동적 혼합 입자는 자가 분산성(self-dispersing)이어서, 핵 형성 자리로서 나노 물질을 이용하는 복잡함을 극복한다.

적용 방법

첨가제, 즉 동적 혼합 입자는 여러 다른 방법으로 플라스틱 또는 폼 조성(foam formula)에 포함될 수 있으며, 이는 다음을 포함한다:

1. 총 조성 중량%(total formula weight percent) 0.20% 내지 70.0%로 제조업자 또는 조제 회사로부터 플라스틱 펠릿으로 직접 포함시킴.

2. 분말 또는 과립 형태로 발포제 제조업자로부터의 발포제와 함께 첨가제로서 혼합함.

3. 미가공 분말로서, 또는 로딩 퍼센트를 제어하기 위해 호퍼 시스템(hopper system)을 이용하여 압출기 내로 직접 공급하기 위해 전문화된 혼합 플라스틱 펠릿으로서, 플라스틱 또는 폼 혼합물 내로 공급함.

4. 유체가 혼합되기 전 또는 혼합 공정 동안 건조 분말로서 직접 유체에 포함시킴.

발포제의 예시적 조성 및 처리를 위해 사용된 장비에 관한 기재는 표 2에서 찾을 수 있다.

입자 유형 I

입자 유형 I은 경계층 내로 깊이 침투하여 경계층과 혼합 영역 모두에서 폼 구성 유체들의 뛰어난 동적 혼합을 생성한다. 유형 I 입자는 화학 및 미네랄 첨가제의 분산을 증가시킨다. 유형 I 입자는 유체 흐름을 증가시킨다. 유형 I 입자의 표면적은 유형 I 입자의 질량에 비해 크다. 따라서 유형 I 입자는 서스펜션으로 잘 유지된다. 일 실시예에서, 유형 (I) 동적 혼합 입자는 모스 경도(Mohs scale hardness) 5.5 (고품질의 강철 칼날과 동등함)를 갖는 팽창 펄라이트로부터 제조된다. 효과상, 모든 유형의 입자들은 바람직하게 모스 경도 2.5 이상의 경도를 갖는다.

도 1을 참조하면, 미가공된 팽창 펄라이트가 보여진다. 펄라이트는 알려진 환경적 우려가 없는 채굴가능한 광석이며 대부분의 대륙에서 용이하게 이용가능하여 존재도 면에서 단지 모래만이 앞선다. 팽창된 펄라이트는 열팽창 공정을 통해 제조되며 이는 다양한 벽 두께의 거품이 얻어지도록 맞춤 조절될 수 있다. 팽창 펄라이트는 얇은 벽 셀 구조를 명백히 보여주고 그것이 압력하에 어떻게 변형되는지를 보여준다. 일 실시예에서, 펄라이트는 물질의 가장 경제적 형태인 원료 미가공 형태(raw unprocessed form)로 이용될 수 있다. 펄라이트는 자가-성형할 수 있는 능력을 가지며, 즉 더 작은 입자로, 압력하에서는 경계층 동적 혼합 입자로 분쇄될 수 있다.

도 2의 이미지는 팽창 펄라이트 입자가 집합되지 않으며 다른 공정 입자들 중에서 용이하게 유동할 것임을 보여준다. 따라서, 팽창 펄라이트 입자는 최소한의 혼합 장비로 용이하게 분산될 것이다.

도 3을 참조하면, 가공된 펄라이트 입자에 대한 바람직한 구조 형상을 보여주는 팽창 펄라이트 입자의 확대 이미지이다. 입자들은 다양한 크기의 3차원 쐐기형의 날카로운 블레이드 및 첨단을 갖는 것으로 기술될 수 있다. 불규칙한 형상은 다양한 동적 경계층 혼합을 촉진한다. 도 3에 도시된 팽창 펄라이트는 매우 경량이며, 0.1-0.15 g/cm 범위의 밀도를 갖는다. 경량은 입자의 회전을 촉진하기 위한 최소의 유체 속도를 허용한다. 도 3에서 볼 수 있는 블레이드형의 특징은 경계층 위를 흐르는 유체의 동적 에너지를 용이하게 붙잡으며, 도 3에서 볼 수 있는 들쭉날쭉한 블레이드형(jagged blade-like)의 특징은 유동하는 유체의 경계층으로 용이하게 침투하여 경계층 표면에 대한 접착을 유지하면서 교반(agitation)을 촉진하도록 한다. 바람직한 대략의 적용 크기는 900nm 내지 50μ으로 예측된다. 이러한 동적 혼합 입자는 넓은 범위의 점도를 갖는 다양한 유체에서 분산물을 형성한다. 또한, 상기 팽창된 펄라이트 입자는 폼 형성 공정에서 뛰어난 핵형성제(nucleating agent)이다.

이제 도 4를 참조하면, 천연 상태의 화산재가 도시된다. 화산재는 얇은 벽 셀 구조와 관련하여, 앞서 기재된 팽창 펄라이트의 특징과 유사한 특징을 나타낸다. 화산재는 용이하게 채굴가능하고, 동적 혼합 물질로 쉽게 가공되어 동적 경계층 혼합을 생성할 수 있는 자연 형성된 물질이다. 화산재 물질은 또한 변형가능하여, 혼합 또는 압력 적용에 의해 원하는 형상을 형성하도록 인라인 처리(in-line processes)되기 위한 이상적인 후보가 된다.

이제 도 5를 참조하면, 복수의 분쇄된 화산재 입자들이 보여진다. 도 5는, 앞에서 가공된 형태에 대하여 논의된 팽창 펄라이트와 유사한 방식으로 경계층에서 상호작용할 3차원의 블레이드형 특징을 갖는 분쇄된 입자 형태를 예시한다. 도 5의 분쇄된 화산재 입자는 가공된 펄라이트 보다 더 크므로, 분쇄된 화산재 입자를 더 높은 점도 물질에 적용하는 것이 더 적절해지도록 한다. 바람직한 대략의 적용 크기는 80μ 내지 30μ 사이로 예상된다. 이러한 물질은 앞서 논의된 가공된 펄라이트 물질과 유사하게 기능할 것이다.

도 6a-6d는 700 C (도 6a), 800 C (도 6b), 900 C (도 6c), 및 1000 C (도 6d)에서 생성된 천연 제올라이트-템플레이팅된 탄소를 보여준다. 제올라이트는 작은 구멍 크기를 갖는 용이하게 채굴가능한 물질로서 동적 혼합 물질의 원하는 표면 특징을 생성하도록 가공될 수 있다. 가공된 펄라이트 및 분쇄된 화산재는 유사한 경계층 상호작용 능력을 갖는다. 제올라이트 입자는 작은 공극률(small porosity)을 가지므로 나노 범위의 활성 동적 경계층 혼합 입자를 형성할 수 있다. 바람직한 대략의 적용 크기는 600 nm 내지 900 nm인 것으로 예상된다. 제올라이트 입자는 중간 점도 물질에서 마찰 감소를 위해 이상적이다.

도 7은 파쇄되어(fracture) 임의의 힘 물질(force material)과 유사한 입자 특징을 생성할 셀 구조를 갖는 나노 다공성 알루미나 막을 보여준다. 물질 파쇄는 교차점(intersections)이 아닌 얇은 벽에서 발생할 것이므로, 경계층 동적 혼합 입자로서 이상적인, 앞서 논의된 물질과 유사한 특징을 생성한다. 바람직한 대략의 적용 크기는 300 nm 내지 500 nm인 것으로 예상된다. 이러한 물질의 입자 크기는 중간 내지 낮은 점도 유체에 더 적절하게 적용된다.

도 8은 알루미늄 합금 AA2024-T3 위로 성장한 유사 베마이트 상(pseudoboehmite phase) Al₂0₃xH₂0을 보여준다. 가공된 펄라이트의 표면상에 블레이드형 특징을 볼 수 있다. 이 물질의 파쇄 지점은 하나 이상의 블레이드가 합쳐지는 교차점들 사이의 얇은 블레이드 면에 있다. 파쇄는 "Y", "V" 또는 "X" 형상과 유사한 3차원 블레이드 형상 또는 유사한 조합의 기하학적 형상을 생성할 것이다. 바람직한 대략의 적용 크기는 50 nm 내지 150 nm인 것으로 예상된다.

입자 유형 II

입자 유형 II는 최소의 동적 경계층 혼합과 최소의 분산 능력을 형성하기 위해 경계층 내로 중간의 침투도(medium penetration)를 달성한다. 유형 II 입자는 결과적으로 최소의 유체 유동 개선을 얻게 되며 유형 II 입자의 매우 낮은 질량 및 큰 표면으로 인하여 용이하게 현탁된다.

중공 구체(hollow spheres)를 형성하는 대부분의 물질은 기계적 가공을 거쳐 동적 경계층 혼합을 촉진하기 위한 표면 특징을 갖는 계란 껍질형(egg shell-like)의 파편을 생성할 수 있다.

도 9는 미가공된 재의 중공 구체의 이미지를 보여준다. 재는 자가-성형(self-shaping)을 거쳐 공정 조건에 따라 동적 경계층 혼합 입자 특징을 생성할 수 있는 채굴가능한 물질이다. 바람직한 대략의 적용 크기는 자가-성형 공정 전에 20μ 내지 80μ인 것으로 예측된다. 자가-성형은 기계적 혼합 또는 압력에 의해 달성될 수 있으며, 이들 각각은 파쇄 효과(crushing effect)를 생성한다.

도 10은 가공된 재의 중공 구체를 보여준다. 파쇄된 재의 구체는 보도(sidewalk) 상의 종이 조각과 유사한 경계층에서 텀블링될 것이다. 상기 물질의 약간의 만곡(curve)은, 상기 물질이 그것의 경량 및 약간의 만곡률로 인하여 텀블링되는 경향이 있다는 점에서, 계란 껍질 조각과 유사하다. 바람직한 대략의 적용 크기는 5 nm 내지 50 nm인 것으로 예측된다. 재 구체(Ash spheres)는 팽창된 펄라이트와 유사한 방식으로 기능할 것이지만, 상기 물질은 열등한 분배 능력(disbursing capability)을 갖는데, 이는 그것의 기하학적 형상 때문에 입자들이 경계층 내로 물리적으로 잠겨지지(locked) 않기 때문이며, 이는 입자가 경계층을 따라 텀블링할 때 두 개 이상의 블레이드가 더 많은 저항과 더 나은 교반을 일으킨다는 사실 때문이다. 이러한 물질은 무거운 점도 물질(heavy viscosity materials)이 유동되는 동안 파이프 또는 공정 장비의 벽과 유동하는 유체 사이에 마찰을 감소시킨다.

도 11은 동적 경계층 혼합을 촉진하는 표면 특징을 생성하기 위해 깨진 계란껍질형 구조로 가공될 수 있는 3M® 유리 거품(glass bubbles)을 보여준다. 깨진 유리 거품 입자들은, 강도 뿐만 아니라 벽 두께 및 지름이 공정 조건 및 원료 물질의 선택에 기초하여 맞춤 조절될 수 있다는 것을 제외하고, 성능 및 적용 면에서 상기 재 중공 구체와 유사하다. 이들 인조 물질(man-made materials)은 식품 등급 적용에 사용하기 적당하다. 바람직한 적용 크기는 자가-성형 공정 전에 약 80μ 내지 5μ인 것으로 예측된다. 자가-성형은 파쇄 효과를 일으키는 압력에 의해 또는 기계적 혼합에 의해 달성될 수 있다.

도 12는 플라이 애쉬 입자 x 5,000(도 12a) 및 제올라이트 입자 x 10,000(도 12b)의 SEM 사진을 보여준다. 상기 입자들은 중공 구체로 구성된다. 플라이 애쉬는 연소에 의해 생성되는 흔한 폐기물 생성물이다. 플라이 애쉬 입자는 쉽게 이용가능하며 저렴하다. 제올라이트는 채굴되어 저렴한 합성 공정에 의해 수십만개의 변이(variations)를 생성하도록 될 수 있다. 따라서, 중공 제올라이트 구체로부터 유도된 구조의 바람직한 특징들이 선택될 수 있다. 도시된 제올라이트 입자는, 입자가 가공된 펄라이트와 유사한 표면 특징을 갖고, 입자가 반-만곡된 형상(semi-curved shape), 즉 파쇄된 중공 구체와 유사한 계란껍질 형상을 보유한다는 점에서, 하이브리드 입자(hybrid particle)이다. 바람직한 대략의 적용 크기는 자가-성형 공정 전에 5μ 내지 800 nm인 것으로 예측된다. 자가-성형은 파쇄 효과를 일으키는 압력에 의해 또는 기계적 혼합에 의해 달성될 수 있다. 이들 입자의 작은 크기는 입자들이 중간 점도 물질에서 사용하기에 이상적이 되도록 한다.

입자 유형 III

입자 유형 III으로 분류되는 입자들은 경계층으로 최소의 침투도를 나타낸다. 유형 III 입자들은 경계층에서 최소의 동적 혼합을 나타내며, 연질 화학 첨가제 및 경질 미네랄 첨가제 모두와 뛰어난 분산 특징을 갖는다. 유형 III 입자들은 유체 흐름을 증가시키고 잘 현탁되지 않지만, 서스펜션으로 용이하게 다시 혼합된다. 일부 고형 물질은 콘코디얼 파쇄(conchordial fracturing)를 생성하는 능력을 가져서 동적 경계층 혼합을 촉진하는 표면 특징을 형성하도록 한다.

도 13 및 14는 재생 유리의 이미지를 보여준다. 재생 유리는 저렴하고 용이하게 동적 경계층 혼합 입자로 가공되는 용이하게 이용가능한 인조 물질이다. 상기 입자들의 날카로운 블레이드형 특징은 다른 다양한 채굴가능한 물질과 유사하게 콘코디얼 파쇄에 의해 생성된다. 이들 입자의 블레이드형 표면은 펄라이트와 같이 얇지 않다. 입자들의 밀도는 입자가 만들어지는 고체에 비례한다. 날카로운 블레이드는 펄라이트의 상호작용과 유사한 방식으로 유동 유체의 유체 경계층과 상호작용하며, 다만 예외적으로 재생 유리 입자는 보통 회전 발생을 위해 왕성한(robust) 유속과 점성 물질을 필요로 한다. 가공된 재생 유리는 정전하를 갖지 않는다. 따라서 재생 유리는 분산되는 동안 어떠한 응집(agglomeration)도 생성하지 않는다. 그러나, 높은 밀도로 인해 재생 유리 입자는 다른 저밀도 물질보다 더 쉽게 유체 밖으로 침강(settle)할 수 있다. 바람직한 대략의 적용 크기는 5μ 내지 200μ 사이인 것으로 예측된다. 이러한 물질은 높은 유동 속도를 갖는 무거운 점도 유체의 경계층에서 우수한 성능을 나타낸다. 이러한 동적 혼합 입자는 분산을 형성한다. 입자들의 매끄러운 표면은 마찰을 감소시킨다.

도 15는 가공된 적색의 용암 화산암 입자의 이미지를 보여준다. 용암(Lava)은 쉽게 이용가능한 채굴가능한 물질이다. 용암의 전형적 이용은 미국의 남서부 및 캘리포니아에서 풍경 바위로서의 이용이다. 이 물질은 콘코디얼 파쇄를 경험하여 재생 유리와 유사한 특징을 형성한다. 그러나, 파쇄된 표면은 재생 유리의 매끄러운 표면보다 더한 표면 거칠기를 갖는다. 상기 표면 특징은 유동 유체의 블레이드형 절단과 결합하여 약간 더한 연삭 효과(grinding effect)를 일으킨다. 따라서, 입자들은 텀블링할 뿐만 아니라, 유체 흐름에 연마 효과(abrasive effect)를 갖는다. 상기 화산 물질은 반-경질(semi-hard)의 물질을 난연제, 이산화티탄, 탄산칼슘 등과 같은 점성 매질을 거쳐 분산시킨다. 바람직한 대략의 적용 크기는 1μ 내지 40μ 사이인 것으로 예측된다. 가공된 화산암은 높은 유속에서 유동하는 무거운 점도 물질의 경계층에서 우수한 성능을 일으키며 분산물을 생성한다.

이제 도 16a-16d을 보면, 도 16a-16c는 파쇄 능력을 갖고 동적 경계층 혼합 입자로서 사용하기에 적절한 표면 특징을 생성하는 능력을 갖는 모래 입자를 보여준다. 그 이미지는 유사한 잇점을 제공하는 재생 유리의 특징과 유사한 물리적 특성을 갖는 입자를 보여준다. 도 16a, 16b 및 16d는, 상기 도면에서 보여지는 표면 특징들은 서로 다를지라도 유동하는 유체의 경계층과 상호작용하기에 우수한 표면 특징을 갖는다. 도 16a는 경계층 표면 상호작용을 촉진하기 위해 입자의 엣지를 따라 우수한 표면 거칠기를 갖는 몇몇 블레이드형 특징을 보여준다. 도 16a의 입자들은 텀블링을 일으키기 위해 더 높은 속도의 유속을 필요로 할 것이다. 도 16b의 입자들은 앞서 논의된 재생 유리의 표면 특징들과 유사한 표면 특징을 갖는다. 도 16d는 이러한 물질들의 상호작용과 일반적으로 유사한 상호작용을 촉진하기 위하여 우수한 표면 거칠기를 갖는 입자들을 보여준다. 이들 입자들의 성능은 재생 유리의 성능과 유사하다. 모래는 채광가능한 풍부한 물질이며 저렴하게 가공되어 다양한 크기의 바람직한 파쇄된 형상을 생성할 수 있다. 모래는 천연 물질이므로 환경친화적인 것으로 여겨진다. 바람직한 대략의 적용 크기는 5μ 내지 250μ 사이일 것으로 예측된다. 이러한 물질은 높은 유속에서 무거운 점도 물질의 경계층에서 우수한 성능을 생성한다. 이러한 동적 혼합 입자는 분산을 형성한다. 이들 입자의 매끄러운 표면은 마찰을 감소시킨다.

도 17a-17f는 제올라이트 Y, A 및 실리케이트-1의 이미지를 보여준다. 필름의 SEM 이미지는 100℃ 합성 용액의 바닥부에서 1시간(도 17a, 17b), 6 시간(도 17c, 17d) 및 12 시간(도 17e, 17f) 동안 합성된 것을 보여준다. 이러한 물질들은 가공되어 나노 크기의 동적 경계층 혼합 입자들을 생성할 수 있다. 이러한 물질은 합성에 의해 성장하여 양이 한정되므로 값이 비싼 경향이 있다. 모두 6개 도면, 즉 도 17a-17f은 이 물질이 앞서 언급된 구조와 유사한 블레이드형 구조를 갖는 콘코디얼 파쇄를 생성할 수 있음을 명백히 보여준다. 바람직한 대략의 적용 크기는 500 nm 내지 1000 nm 사이인 것으로 예측된다. 이러한 물질의 입자 크기 범위는 그것이 중간 점도 유체에서 유용하도록 한다.

도 18은 포스포칼식 히드록시아파타이트(phosphocalcic hydroxyapatite), 식 Caio(P0₄)₆(OH)₂를 보여주며, 이는 동일한 6각형 구조를 갖는 동형 화합물(isomorphic compounds)인 아파타이트 결정형 패밀리(crystallographic family)의 일부를 형성한다. 이는 생체 물질(biomaterial)로서 가장 흔히 사용되는 인산칼슘 화합물이다. 히드록시아파타이트는 의료용 적용을 위해 주로 사용된다. 표면 특징 및 성능은 앞서 논의된 적색 용암 입자들의 그것과 유사하지만, 적색 용암 입자보다 더 나은 표면 거칠기를 가질 수 있다.

입자 유형 IV

일부 고형 클러스터링 물질은 클러스터 구조의 파쇄를 형성하는 능력을 가져서, 동적 경계층 혼합을 촉진하는 표면 특징을 생성하는 개별의 독특하고 균일한 물질이 얻어지도록 한다.

도 19a 및 19b는 24시간의 결정화 시간 후에 Al 폼/제올라이트 복합체의 서로 다른 배율에서의 SEM 이미지를 보여준다. 도 19a는 Al 폼/제올라이트 지주(strut)를 보여준다. 도 19b는 MFI 응집체를 보여준다. 상기 2개의 이미지는 이러한 물질의 본래의 구조를 보여주며, 이 물질은 기계적 가공에 의해 용이하게 파쇄되어 개별적인 독특하게 형성된 입자들의 불균칙한 형상의 클러스터를 생성할 것이다. 물질의 표면 특징이 더 다양할수록, 상기 물질은 유동하는 유체의 경계층의 끈적거리는 논슬립 영역과 더 잘 상호작용하여 동적 경계층 혼합을 형성할 것이다. 이러한 물질은 날카롭고 명확한(well defined) 돌출된 랜덤 90°모서리를 갖는 꽃 같은 봉우리(flowerlike buds)를 갖는다. 상기 모서리는 경계층의 기계적 교반을 촉진할 것이다. 상기 입자들은 또한 반-구형(semi-spherical) 또는 원통형 형상을 가져서, 다양한 표면 특징으로 인하여 상기 물질이 경계층과의 접촉을 유지하면서 롤링 또는 텀블링되도록 할 것이다. 상기 입자의 바람직한 대략의 적용 크기는 1μ 내지 20μ 사이일 것으로 예측된다. 이러한 물질은 고점도 유체에서 사용될 수 있을 것이다. 상기 표면 특징은 난연제, 산화아연 및 탄산칼슘과 같은 경화 물질의 뛰어난 분산을 형성할 것이다. Al 폼/제올라이트 복합체의 입자들이 롤링될 때, 블록형의(block-like) 형성물은 유동하는 유체에서 경계층에 대항하여 충격을 주는 물질에서 조금씩 잘라낸(chip away) 모형 해머밀(miniature hammer mills) 처럼 작용한다.

도 20a 및 20b는 미세결정질 제올라이트 Y의 SEM 이미지(도 20a) 및 나노결정질 제올라이트 Y의 SEM 이미지(도 20b)를 보여준다. 입자들은 나노 레벨에서 상기 폼/제올라이트에서 언급된 것과 모두 동일한 특징을 갖는다. 도 20a에서, 이미지 중앙의 주요 반-평평한(semi-flat) 입자가 약 400 nm 이다. 도 20b에서, 다면 돗트(multifaceted dots)는 입자 크기가 100 nm 미만이다. 기계적 가공하에서, 이들 물질은 파쇄되어 다양한 동적 경계층 혼합 입자로 될 수 있다. 바람직한 대략의 적용 크기는 도 20A의 클러스터 물질에 대하여 400 nm 내지 10μ이고, 20B의 클러스터 물질의 경우 50 nm 내지 150 nm 사이인 것으로 예상된다. 높은 기계 전단(mechanical sheer) 하에서, 이러한 클러스터링 물질은 클러스터 입자가 쉽게 롤링하는 것을 막는 가장 저항성인 입자를 파쇄함으로써 자가-성형하는 능력을 갖는다. 역동적인 랜덤 회전 능력으로 인하여, 이들 클러스터 물질은 유동 유체에서 마찰 개질제(friction modifiers)로서의 용도로 뛰어나다.

도 21은 50 nm 내지 150 nm의 산화아연 입자를 보여준다. 산화아연은 원하는 용도에 따라 소수성이거나 좀 더 친수성이 되도록 특화될 수 있는 저렴한 나노 분말이다. 산화아연은 매우 랜덤한 형상을 갖는 클러스터를 형성한다. 이 물질은 유동 유체에서 결과 얻어진 랜덤 회전 운동으로 인하여 매우 잘 작용한다. 입자들은 다양한 형상의 블레이드형 특징을 형성하는 90°모서리를 갖는 다양한 표면 특징을 갖는다. 표면 특징은 돌출 팔을 포함하며, 이는 원통형, 직사각형, 큐브(cubes), Y-형 입자, X-형 입자, 팔각형, 오각형, 삼각형, 다이아몬드 등과 같은 다양한 형상으로 함께 집합된다. 이들 물질은 다양한 형상을 갖는 클러스터로부터 제조되기 때문에, 상기 물질들은 대단한 마찰 감소를 일으키는데, 이는 경계층이 층상의(laminar) 유체 흐름을 여전히 유지하면서 다양한 기계적 혼합에 의해 난류(turbulent)에 가능한 가깝도록 휘돌려지기 때문이다.

입자 유형 V

유형 V의 입자는 결과적으로 경계층 내로 중간의 침투도(medium penetration)를 나타낸다. 유형 V 입자는 건조한 땅 위의 낙엽 갈퀴(leaf rake)와 유사하게 경계층의 중간의 동적 혼합(medium kinetic mixing)을 일으킨다. 유형 V 입자는 경계층의 끈적한 영역에 뛰어난 접착력을 가지는데, 이는 2-상(two-phase) 경계층 혼합을 위하여 요구된다. 유형 V의 입자는 최소의 첨가제 분산을 생성한다. 따라서 유형 V 입자의 첨가는 유체 흐름을 증가시키고 입자들은 서스펜션으로 머무는 경향을 가질 것이다. 공격적 표면 형태, 예를 들어 거칠기, 그룹, 줄무늬(striations) 및 머리결(hair-like) 섬유를 갖는, 일부 속이 빈(hollow) 또는 고형의 반-구형 클러스터링 물질은 자유로이 롤링하는 능력으로 경계층에 뛰어난 접착을 촉진하며, 저점도 유체 및 상 변화 물질(phase change materials)(예를 들어 액체에서 기체로, 기체에서 액체로)에서 사용될 수 있다. 유형 V 입자는 경계층 동적 혼합을 촉진하기 위해 원하는 표면 특징을 갖는다.

도 22a 및 22b는 고형 잔여물(도 22a)의 주사전자현미경 사진 및 100℃에서 합성된 제올라이트-P의 주사전자현미경 사진 및 에너지 분산 분광(EDS) 영역 분석을 보여준다. 입자 유형 IV에서 논의된 클러스터 물질과는 달리, 이들 물질은 구형 형상을 가지며 입자들 표면으로부터 돌출된 머리결 물질에 의해 생성될 수 있는 표면 거칠기를 갖는다. 도 22a는 우수한 구형 특징을 갖는 입자를 보여준다. 대다수의 구체는 표면 상의 모래 낱알과 유사한 작은 결합 입자들에 의해 생성되는 표면 거칠기를 갖는다. 도 22b는 전체 표면으로부터 돌출되는 머리결 섬유를 갖는 반-원형(semi-circular) 입자를 보여준다. 이러한 특징들은 경계층에 대하여 우수하기는 하지만 뛰어나지는 않은 접착을 촉진한다. 이들 물질은 경계층의 표면상에서 자유로이 롤링하여 2-상 시스템에서 동적 경계층 혼합을 촉진하는 최소의 혼합을 생성하도록 한다. 예를 들어, 폐쇄 시스템에서 액체가 기체로 전이됨에 따라 경계층은 재빨리 얇아진다(thinning). 입자들은 접촉 상태로 있어야 하며 롤링하여 동적 경계층 혼합을 촉진하여야 한다. 상기 물질은 또한 기체 흐름 내에서 돌아다니는 능력을 가져서 액체로 다시 재활용되도록 하여 양쪽 상에서 활성 매질(active medium)로서 기능하여야 한다. 이들 입자는 약 1μ 내지 5μ(도 22a) 및 약 20μ 내지 40μ(FIG. 22b)의 바람직한 크기 범위를 갖는다. 이들은 모두 고압 증기 발생 시스템에서 잘 작용할 것인데, 여기서 입자들은 전도로부터 대류 열전달 공정 쪽으로 보일러의 벽 상에서 정체된 필름을 움직일 것이다.

입자 유형 VI

도 23a, 23b 및 23c는 나노구조의 CoOOH 중공 구체를 보여주며, 이는 다양한 코발트 산화물 유도체(예를 들어 Co₃0₄, LiCo0₂)에 대한 다용도 전구체이며 또한 뛰어난 촉매 활성을 갖는다. CuO는 좁은 밴드갭(예를 들어 1.2 eV)을 갖는 중요한 전이 금속 산화물이다. CuO는 촉매, 기체 센서로서, 또한 Li 이온 배터리에서는 음극 물질로 사용되어 왔다. CuO는 또한 고온 초전도체 및 자기저항 물질(magnetoresistance materials)을 제조하기 위해 사용되어 왔다.

도 25a 및 25b는 2.5 ㎛ 균일의 평탄한(uniform plain) A1₂0₃ 나노구체(도 25a) 및 635 nm 균일의 평탄한 A1₂0₃ 나노구체로서 표면상에 머리결 섬유를 갖는 나노구체를 보여준다.

도 26은 나노-크기의 입자가 경계층을 따라 롤링하고 동적 혼합을 일으키면서 유동하는 유체의 경계층과 접촉 상태에 있도록, 경계층 접착을 촉진하는 머리결 섬유를 보여주는 컴퓨터 합성 모델을 보여준다.

따라서 본 발명은 발명의 목적을 수행하고, 그 안에 내재하는 것뿐만 아니라 앞에서 언급된 목적 및 잇점을 달성하도록 잘 구성된다. 본 발명의 개시 목적상 현재 바람직한 실시예를 기재하였지만, 다수의 변화 및 변경들이 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 그러한 변화 및 변경은 특허청구범위에 의하여 정의되는 본 발명의 정신 내에 포함된다.

Claims (20)

1. 개선된 셀 농도(cellular consistency)를 갖는 폼의 제조방법으로서,
   날카로운 불규칙 표면 특성 및 공극의 꼭짓점이 180°미만의 각도를 형성하는 내부 입자 공극을 갖는 3차원 형상의 동적 혼합 입자를 폴리머 폼 구성 유체에 첨가하는 단계;
   상기 폴리머 폼 구성 유체를 혼합하는 단계;
   상기 동적 혼합 입자를 회전시켜 상기 폴리머 폼 구성 유체의 내부에 낮은 에너지 표면 영역을 형성하는 단계;
   상기 폴리머 폼 구성 유체를 팽창시켜 복수의 기체 공극을 규정하는 폼을 형성하는 단계
   를 포함하고,
   상기 동적 혼합 입자는 80㎛ 미만의 직경을 가지는, 폼 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 불규칙 표면 특성은 날카로운 첨단, 얇은 블레이드, 180°미만의 내부 입자 공극 각도, 180°미만의 외부 각도, 거친 엣지, 매끄러운 엣지, 척추형 구조, 돌출 팔(protruding arms) 및 상기 표면 특성들 중 하나 이상을 포함하는 집합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 불규칙 표면 특성은 원통형, 직사각형, 큐브, Y-형 입자, X-형 입자, 팔각형, 오각형, 삼각형 또는 다이아몬드를 포함하는 다양한 형상으로 함께 뭉쳐진 돌출 팔로 구성되는 군으로부터 선택되는 형상을 갖는 집합체인 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 동적 혼합 입자는 더 이상 회전하지 않을 때, 상기 동적 혼합 입자는 상기 불규칙 표면 특성에 인접한 핵 형성 첨단을 형성하는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 폼 내의 상기 공극의 원하는 평균 크기를 선택하기 위하여 상기 동적 혼합 입자의 평균 크기를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
6. 내부에 기체 공극을 규정하는 팽창된 혼합 폴리머 폼 구성 유체;
   팽창된 폼에서, 날카로운 불규칙 표면 특성 및 180°미만의 내부 입자 공극 각도를 갖는 3차원 형상의 동적 혼합 입자
   를 포함하고,
   상기 동적 혼합 입자는 80㎛ 미만의 직경을 가지는, 폼.
7. 제5항에 있어서,
   상기 폼의 상기 폼 공극은 상기 동적 혼합 입자의 평균 크기의 0.025 내지 8.0배의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
8. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동적 혼합 입자는 유형 I, 유형 II, 유형 III 및 유형 IV로 구성되는 군으로부터 선택되고;
   상기 유형 I의 입자는 3차원 쐐기형의 날카로운 블레이드 및 첨단의 형상을 가지고;
   상기 유형 II의 입자는 계란 껍질형(egg shell-like)의 파편의 형상을 가지고;
   상기 유형 III의 입자는 날카로운 블레이드형의 매끄러운 표면의 형상을 가지고;
   상기 유형 IV의 입자는 원통형, 직사각형, 큐브(cubes), Y-형 입자, X-형 입자, 팔각형, 오각형, 삼각형, 및 다이아몬드로 구성되는 군으로부터 선택되는 형상의 돌출 팔을 포함하는 표면 특징을 가지는, 날카롭고 명확한(well defined) 모서리의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
9. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 동적 혼합 입자는 펄라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 펄라이트는 고체인 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 펄라이트는 팽창된 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
12. 제6항에 있어서,
    상기 불규칙 표면 특성은 날카로운 첨단, 얇은 블레이드, 180°미만의 내부 입자 공극 각도, 180°미만의 외부 각도, 거친 엣지, 매끄러운 엣지, 척추형 구조, 및 돌출 팔로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 폼.
13. 제6항에 있어서,
    상기 불규칙 표면 특성은 원통형, 직사각형, 큐브, Y-형 입자, X-형 입자, 팔각형, 오각형, 삼각형 또는 다이아몬드를 포함하는 다양한 형상으로 함께 뭉쳐진 돌출 팔로 구성되는 군으로부터 선택되는 형상을 갖는 집합체인 것을 특징으로 하는, 폼.
14. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동적 혼합 입자는 모스 경도계 상으로 2.5 이상의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 폼 제조방법.
15. 제6항에 있어서,
    실질적으로 모든 동적 혼합 입자가 50㎛ 미만의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 폼.
16. 제6항에 있어서,
    실질적으로 모든 동적 혼합 입자가 500 nm 내지 50㎛ 사이의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 폼.
17. 내부에 기체 공극을 규정하는 팽창된 혼합 폴리머 폼 구성 유체;
    상기 폼 구성 유체 내로 혼합되고, 날카로운 블레이드형 표면을 규정하는 불규칙 표면 특성을 갖는 3차원 형상의 동적 혼합 입자
    를 포함하고,
    실질적으로 모든 동적 혼합 입자는 50㎛ 미만의 크기를 가지는, 폼.
18. 제17항에 있어서,
    실질적으로 모든 동적 혼합 입자가 500 nm 내지 50㎛ 사이의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는, 폼.
19. 제17항에 있어서,
    상기 공극은 기체 공극인 것을 특징으로 하는, 폼.
20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    날카로운 불규칙 표면 특성은 입자 공극 공동을 규정하는 것을 특징으로 하는, 폼.

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