KR101800906B1 - 형상 기억 중합체를 이용한 물품 및 방법 - Google Patents

형상 기억 중합체를 이용한 물품 및 방법 Download PDF

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Abstract

물품은 부직포 섬유 웨브 및 부직포 섬유 웨브에 접합된 하나 이상의 스트립들을 포함한다. 스트립들은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 갖는 형상 기억 중합체를 포함한다. 스트립은 전이 온도 이상으로 가열되면 변형된 일시적인 형상으로부터 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩, 커핑 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기한다. 물품을 가열하여 폴딩, 커핑 및/또는 퍼커링된 물품을 제공하는 방법이 또한 개시된다.

Description

형상 기억 중합체를 이용한 물품 및 방법{ARTICLES AND METHODS USING SHAPE-MEMORY POLYMERS}
형상 기억 물질은 초기에 형성될 때, 고유한 형상을 취한다. 이어서, 형상 기억 물질이 전이 온도(transition temperature)(T전이) 이상으로 가열되면, 연화되고 인가된 외부 응력에 응답하여 변형될 것이다. 이 상태에서 형상 기억 물질이 냉각되면, 형상 기억 물질은 그의 변형된 일시적인 형상을 무기한 유지할 것이다. 변형된 형상 기억 물질이 충분히 높은 온도, 즉 전이 온도보다 더 높은 온도로 재가열되면, 변형된 형상 기억 물질은 그의 고유한 형상으로 복귀한다.
일부 중합체 물질이 형상 기억 물질이다. 편의상, 그러한 중합체 형상 기억 물질은 이하에서 형상 기억 중합체(shape-memory polymer, SMP)라 불릴 것이다. SMP의 배후의 비밀은 전형적으로 물리적 또는 화학적 가교결합을 포함하는 분자 네트워크 구조에 있다.
일부 경우에, 물리적 가교결합은 둘 이상의 별개의 상(phase)들에 의해 형성된다. 최고 열 전이(T상한)를 갖는 하나의 상은, 고유한 형상에 관여하는 물리적 가교결합을 재확립하기 위해 초과되어야 하는 온도를 결정한다. 제2 상은, 소정의 전이 온도(T전이) 초과에서 연화되는 능력을 갖는 전환 세그먼트(switching segment)를 포함하고, 일시적 형상에 관여한다. 일부 경우에, T전이는 SMP의 유리 전이 온도(Tg)에 가깝고, 다른 경우에, 이는 용융 온도(Tm)에 가깝다. (T상한 미만으로 유지하면서) T전이를 초과하는 것은 전환 세그먼트를 연화시켜, SMP가 그 고유한 형상으로 다시 돌아가게 한다. T전이 미만에서, 세그먼트의 가요성은 적어도 부분적으로 제한된다.
다른 경우에, 중합체는 화학적으로 가교결합된다. 이들 화학적 가교결합은 종종 공유 결합이다. 이들 화학적 가교결합은, 종종 중합 혼합물 중에 다작용성 단량체를 포함함으로써, 중합체가 초기에 경화될 때 형성될 수 있다. 대안적으로, 화학적 가교결합은, 예를 들어 자외광 또는 E-빔과 같은 방사선에 의해, 초기 중합 이후에 형성될 수 있다. 화학적으로 가교결합된 형상 기억 중합체의 고유한 형상은 가교결합이 형성됨에 따라 고정되고, 이들 화학적으로 가교결합된 중합체의 고유한 형상은 일반적으로는 극단적인 온도에서도 변경될 수 없다.
일 태양에서, 본 발명은, 부직포 섬유 웨브, 및 부직포 섬유 웨브에 접합된 스트립(strip)을 포함하며, 스트립은 형상 기억 중합체를 포함하고, 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 가지며, 스트립은 전이 온도 이상으로 가열되면 변형된 일시적인 형상으로부터 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩(folding), 커핑(cupping) 또는 퍼커링(puckering) 중 적어도 하나를 야기하는 물품을 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은, 스트립을 부직포 섬유 웨브에 접합하는 단계를 포함하며, 스트립은 형상 기억 중합체를 포함하고, 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 가지며, 스트립은 전이 온도 이상으로 가열되면 변형된 일시적인 형상으로부터 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하는 물품의 제조 방법을 제공한다.
일부 실시 형태에서, 스트립은 스트립을 따라 이산된 지점들에서 부직포 섬유 웨브에 접합된다. 일부 실시 형태에서, 스트립은 스트립을 따라 연속적으로 부직포 섬유 웨브에 접합된다. 일부 실시 형태에서, 스트립 및 부직포 섬유 웨브는 평탄하다. 일부 실시 형태에서, 스트립은 만곡된다.
다른 태양에서, 본 발명은, 부직포 섬유 웨브, 및 부직포 섬유 웨브에 접합된 스트립들을 포함하며, 스트립들은 형상 기억 중합체를 포함하고, 각각의 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 각각 가지며, 스트립들은 전이 온도 이상으로 가열되면 그들 각자의 변형된 일시적인 형상으로부터 그들 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하는 물품을 제공한다.
다른 태양에서, 본 발명은, 스트립들을 부직포 섬유 웨브에 접합하는 단계를 포함하며, 스트립들은 형상 기억 중합체를 포함하고, 각각의 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 각각 가지며, 스트립들은 전이 온도 이상으로 가열되면 그들 각자의 변형된 일시적인 형상으로부터 그들 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하는 물품의 제조 방법을 제공한다.
일부 실시 형태에서, 스트립들은 각자의 길이를 가지며, 스트립들 중 적어도 하나는 이산된 지점들에서 부직포 섬유 웨브에 접합된다. 일부 실시 형태에서, 스트립들은 각자의 길이를 가지며, 스트립들 중 적어도 하나는 부직포 섬유 웨브에 연속적으로 접합된다. 일부 실시 형태에서, 스트립들 및 부직포 섬유 웨브는 평탄하다. 일부 실시 형태에서, 스트립들은 선형이다. 일부 실시 형태에서, 스트립들은 부직포 섬유 웨브의 하나의 주 표면(major surface) 상에 전체적으로 배치된다. 일부 실시 형태에서, 스트립들은 부직포 섬유 웨브의 대향하는 주 표면들 상에 배치된다. 일부 실시 형태에서, 스트립들 중 적어도 일부는 평행 배열로 배치된다. 일부 실시 형태에서, 스트립들 중 적어도 일부는 상호연결된다. 일부 실시 형태에서, 스트립들은 메시(mesh)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 본 발명에 따른 방법은 전이 온도 이상에서 스트립 또는 스트립들을 가열하는 단계를 추가로 포함한다.
다른 태양에서, 본 발명은 본 발명의 방법에 따라 제조된 물품을 제공한다. 일부 실시 형태에서, 물품은 호흡기 마스크 또는 주름식 필터(pleated filter)를 포함한다.
유리하게는, 본 발명에 따른 물품들 및 방법들은 다양한 3차원 부직포 물품을 제조하는 데 유용하지만, 이들의 현재의 형태에서, 이들은 실질적으로 평탄하고, 따라서 예를 들어 적층된 시트로서 또는 롤로서 효율적으로 포장, 저장 및 수송될 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이:
"접합된"이라는 용어는, 예를 들어 접착제 또는 기계적 체결구, 용접 등에 의해 단단히 부착되는 것을 의미하고, 직접적인 접촉을 반드시 내포하는 것은 아니지만 직접적인 접촉이 허용될 수 있으며;
"커핑"이라는 용어는 하나 이상의 컵 형상을 형성하는 것을 의미하며;
"퍼커링하다"라는 용어는 주름을 잡거나 수축시키고 구김을 주는 것을 의미하며;
"스트립"이라는 용어는, 직선 및/또는 만곡 부분들을 포함할 수 있고, 균일한 폭 및/또는 두께를 갖거나 갖지 않을 수 있으며, 다른 스트립과는 별개이거나 (메시의 경우에서처럼) 상호연결될 수 있는 긴 세그먼트를 말한다.
본 발명의 특징 및 이점은 발명의 상세한 설명뿐만 아니라 첨부된 특허청구범위의 고려시에 이해될 것이다. 본 발명의 이들 및 다른 특징과 이점은 본 발명의 다양한 예시적인 실시 형태와 관련하여 하기에 설명될 수 있다. 상기 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시 형태 또는 모든 구현예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 이어지는 도면 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 예시적인 실시 형태를 보다 상세하게 예시한다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품을 제조하는 방법을 도시하는 공정 흐름도.
<도 2a 내지 도 2c>
도 2a 내지 도 2c는 각각, 전이 온도까지 가열되기 이전의, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 개략 평면도, 개략 저면도 및 개략 측면도.
<도 3a 내지 도 3c>
도 3a 내지 도 3c는 각각, 전이 온도까지 가열된 이후의, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 개략 평면도, 개략 저면도 및 개략 측면도.
<도 4a 내지 도 4c>
도 4a 내지 도 4c는 각각, 전이 온도까지 가열되기 이전의, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 개략 평면도, 개략 저면도 및 개략 측면도.
<도 5a 내지 도 5c>
도 5a 내지 도 5c는 각각, 전이 온도까지 가열된 이후의, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 개략 평면도, 개략 저면도 및 개략 측면도.
<도 6>
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품을 제조하는 방법을 도시하는 공정 흐름도.
<도 7a 및 도 7b>
도 7a 및 도 7b는 각각, 전이 온도까지 가열되기 이전의, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 배면 단면도 및 측면 단면도.
<도 8a 및 도 8b>
도 8a 및 도 8b는 각각, 전이 온도까지 가열된 이후의, 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 절결 배면도 및 측면 단면도.
<도 9a 및 도 9b>
도 9a 및 도 9b는 각각, 전이 온도까지 가열되기 이전의, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 배면도 및 측면 단면도.
<도 10a 및 도 10b>
도 10a 및 도 10b는 각각, 전이 온도까지 가열된 이후의, 도 9a 및 도 9b에 도시된 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 배면도 및 측면 단면도.
<도 11a 및 도 11b>
도 11a 및 도 11b는 각각, 전이 온도까지 가열되기 이전의, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 배면도 및 측면 단면도.
<도 12a 및 도 12b>
도 12a 및 도 12b는 각각, 전이 온도까지 가열된 이후의, 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시 형태에 따른 예시적인 물품의 배면도 및 측면 단면도.
상기 도면은 본 발명의 일부 실시 형태들을 기술하지만, 논의에서 알 수 있는 바와 같이 다른 실시 형태가 또한 고려된다. 모든 경우에서, 본 개시 내용은 예시적이고 비제한적으로 본 발명을 나타낸다. 본 발명의 원리의 범주 및 사상에 속하는 많은 다른 변형 및 실시 형태들이 당업자에 의해 창안될 수 있음을 이해하여야 한다. 도면은 축척대로 도시되지 않을 수도 있다. 도면 전체에 걸쳐, 유사한 부분을 나타내기 위해 유사한 도면부호가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 부직포 섬유 웨브는 임의의 유형, 예를 들어 카디드 앤드 크로스-랩드 섬유 웨브(carded and cross-lapped fiber web), 멜트 블로운 웨브, 멜트스펀 웨브, 에어-레이드 섬유 웨브, 웨트-레이드 섬유 웨브 및 이들의 조합일 수 있다. 그러한 부직포 섬유 웨브를 형성하는 방법은 당업계에 널리 공지되어 있고 실시되고 있다. 부직포 웨브는 임의의 두께, 밀도 또는 평량을 가질 수 있지만, 전형적으로는 로프티(lofty)하고 개방된 부직포 섬유 웨브의 형태이다. 부직포 섬유 웨브는 연속 섬유 및/또는 스테이플 섬유를 포함할 수 있다. 부직포 섬유 웨브는 단일 섬유 유형을 포함하거나, 2개 이상의 섬유 유형들의 블렌드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 부직포 섬유 웨브는 상이한 길이 및/또는 조성을 갖는 2개 이상의 섬유들의 블렌드일 수 있다. 개별 섬유는 1성분 섬유 및 다성분(전형적으로, 2성분) 섬유; 예를 들어, 코어-시스 섬유(core-sheath fiber) 또는 분할형 섬유(splittable fiber)를 포함할 수 있다. 섬유들 중 적어도 일부분은 크림핑(crimping)될 수 있다. 부직포 섬유 웨브는, 예를 들어 니들택킹(needletacking), 스티치본딩(stitchbonding) 및/또는 섬유들을 함께 접합시킬 수 있는 핫 캔(hot can) 또는 가열된 캘린더 롤(calender roll)에 의해, 치밀화될 수 있고 달리 강화될 수 있다.
합성 섬유 물질의 예에는, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)) 및 코-폴리에스테르; 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐)); 폴리아미드(예를 들어, 폴리(헥사메틸렌 아디프아미드), 폴리카프로락탐 및 아라미드); (아크릴로니트릴의 단일중합체 또는 공중합체로부터 형성되는) 아크릴; 레이온; 염화 폴리비닐리덴-염화비닐 공중합체; 셀룰로오스 에스테르(예를 들어, 셀룰로오스 아세테이트); 폴리카르보네이트; 폴리우레탄; 예를 들어, 스티렌-부타디엔-스티렌 및 스티렌-아이소프렌-스티렌 블록 공중합체와 같은 블록 공중합체; 및 이들의 조합이 포함된다. 적합한 천연 섬유의 예에는 면, 모, 황마(jute), 코코(coco), 사이잘(sisal), 아마(flax), 및 대마(hemp)가 포함된다. 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유 및 세라믹 섬유(예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 상표명 "넥스텔(NEXTEL)"로 입수가능한 것과 같음)와 같은 무기 섬유를 포함할 수 있다. 사용되는 섬유는 새로운 섬유이거나, 의류 재단, 카펫 제조, 섬유 제조 또는 텍스타일 처리 등으로부터 재생되는 폐섬유일 수 있다. 사용되는 섬유의 섬도(fineness) 또는 선밀도는 요구되는 결과에 따라 넓게 변경될 수 있다.
선택적으로, 부직포 섬유 웨브는, 예를 들어 충전제(예를 들어, 활성탄 또는 질석), 안료 및 방향제와 같은 첨가 성분을 함유할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 보강 스트립이 부직포 섬유 웨브에 접합된다. 그러한 보강 스트립은 전형적으로 가요성이지만, T전이까지의 온도에서, 그리고 전형적으로는 실질적으로 그 초과의 온도에서 실질적으로 치수 안정성이다. 보강 스트립에 적합한 물질의 예에는 금속(예를 들어, 알루미늄), 플라스틱, 목재 및 이들의 조합이 포함된다.
유용한 SMP는 물리적 및/또는 화학적으로 가교결합될 수 있다. 물리적으로 가교결합된 적합한 SMP에는 경질 세그먼트와 연질 절환 세그먼트를 갖는 열가소성 폴리우레탄 탄성중합체와 같은 선형 블록 공중합체가 포함된다. 다중블록 공중합체는 또한, 예를 들어 폴리스티렌 및 폴리(1,4-부타디엔) 블록을 갖는 폴리우레탄; 폴리(테트라히드로푸란) 및 폴리(2-메틸-2-옥사졸린)의 ABA 삼중블록 공중합체; 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(POSS)-개질 폴리노르보르넨; 및 폴리에틸렌/나일론-6 그라프트 공중합체와 같은 SMP로서 역할할 수 있다.
형상-기억 중합체의 다른 예에는, 폴리우레탄, 폴리노르보르넨, 폴리에테르, 폴리아크릴레이트, 폴리아미드, 폴리실록산, 폴리에테르 아미드, 폴리에테르 에스테르, 트랜스-폴리아이소프렌, 폴리메틸 메타크릴레이트, 가교결합된 트랜스-폴리옥틸렌, 가교결합된 폴리에틸렌, 가교결합된 폴리사이클로옥텐, 무기-유기 혼성 중합체, 폴리에틸렌과 스티렌-부타디엔 공중합체와의 공중합체 블렌드, 우레탄-부타디엔 공중합체, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리카프로락톤, 및 올리고카프로락톤 공중합체가 포함된다.
화학적으로 가교결합된 적합한 형상-기억 중합체의 예에는, 가교결합된 고밀도 폴리에틸렌, 가교결합된 저밀도 폴리에틸렌, 및 에틸렌과 비닐 아세테이트의 가교결합된 공중합체가 포함되지만, 이로 한정되지 않는다.
또한, 적합한 형상-기억 중합체에는, 미국 특허 제5,506,300호(워드(Ward) 등); 제5,145,935호(하야시(Hayashi)); 제5,665,822호(비틀러(Bitler) 등); 제6,160,084호(랑거(Langer)); 제6,388,043호(랑거); 제5,155,199호(하야시); 제7,173,096호(마더(Mather) 등); 제4,436,858호(클로지윅즈(Klosiewicz)); 제6,423,421호(바나스작(Banaszak)) 및 미국 특허 출원 공개 제2005/244353호(렌들레인(Lendlein) 등), 제2007/009465호(렌들레인 등) 및 제2006/041089호(마더 등)에 개시된 것들이 포함된다.
구매가능한 열가소성 SMP의 예에는, 일본 도쿄 소재의 SMP 테크놀로지즈, 인크.(SMP Technologies, Inc.)로부터 입수가능한 MM, MP, MS 및 MB(마이크로비드 분말) 유형 시리즈를 포함한, 상표명 "다이어리(DIARY)"로 입수가능한 폴리우레탄; 미국 콜로라도주 라피예트 소재의 컴포지트 테크놀로지 디벨롭먼트, 인크.(Composite Technology Development, Inc.)로부터 상표명 "EMC"로 입수가능한 탄성 기억 복합물; 및 미국 오하이오주 데이톤 소재의 코너스톤 리서치 그룹, 인크.(Cornerstone Research Group, Inc.)로부터 상표명 "베리플렉스(VERIFLEX)"로 입수가능한 중합체가 포함된다. 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리카르보네이트 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 형상 기억 특성이 또한, 후세인(Hussein) 등에 의해, 문헌["New Technologies for Active Disassembly: Using the Shape Memory Effect in Engineering Polymers," Int. J. Product Development, 6:431-449 (2008)]에 개시되어 있다.
예를 들어, 스트립 및/또는 메시와 같은 다양한 형상으로 변환될 수 있는 구매가능한 형상 기억 중합체 필름의 추가적인 예에는, 미국 뉴저지주 엘름우드 파크 소재의 실드 에어 인크.(Sealed Air Inc.)로부터 상표명 "코르터프(CORTUFF)", "크라이오박(CRYOVAC)" 및 "옵티(OPTI)"로 입수가능한 열 수축 필름(heat shrink film)이 포함된다.
상호연결될 수 있거나 그렇지 않을 수도 있는 스트립 또는 스트립들은 변형된 일시적인 형상으로 섬유 웨브에 접합된다. 이러한 일시적인 형상은 먼저 스트립(들)을 경화성 물질 또는 용융 물질로부터 요구되는 고유한 형상으로 형성하고, 인가된 응력 없이 물질을 경화시킴으로써 얻어진다. 다음으로, 스트립(들)은 이들의 T전이 이상 그러나 이들의 T상한 미만으로 가열되면서 응력이 인가된다(전형적으로, 길이 및/또는 폭이 연신됨). 일단 원하는 정도로 변형되면, 변형된 스트립(들)은 T전이 미만까지(전형적으로, 주위 온도까지) 냉각된다. 스트립(들)은 이제 일시적인 형상을 갖는다.
일부 실시 형태에서, 형상 기억 중합체(들)의 필름들은 이들의 T전이 온도 이상 그러나 이들의 T상한 미만으로 가열되면서 응력이 인가될 수 있다(전형적으로, 길이 및/또는 폭이 연신됨). 일단 원하는 정도로 변형되면, 변형된 필름은 T전이 미만으로(전형적으로, 주위 온도로) 냉각되고, 원하는 치수를 갖는 스트립들로 절단된다.
일부 경우에, 형상 기억 중합체(들)의 필름들 또는 스트립들은, 충분한 힘이 가해진다면, 이들의 T전이 온도 미만의 온도에서 응력이 인가될 수 있다(전형적으로, 길이 및/또는 폭이 연신됨).
이어서, 일시적인 형상을 갖는 스트립들이 부직포 섬유 웨브에 접합된다. 이들은 열 점 접합(heat point bonding); 초음파 점 접합; 예를 들어 열경화성 접착제 및/또는 아교와 같은 접착 수단을 이용한 접착 접합; 및/또는 예를 들어 스티칭(stitching), 스테이플, 후크 및/또는 리벳과 같은 기계적 체결 수단을 포함한 임의의 적합한 방법에 의해 부직포 섬유 웨브에 접합될 수 있다. 스트립(들)은 그/그들의 길이를 따라 연속적으로 또는 이산된 분리된 지점들에서 부직포 섬유 웨브에 접합될 수 있다.
이때, 부직포 섬유 웨브는 여전히 본질적으로 평탄하고, 적층되거나 코어에 롤 형태로 감길 수 있거나 저장, 처리 및 선적을 위한 모든 편리한 형태일 수 있다. 스트립에 접합된 부직포 섬유 웨브는 이 단계에서 변환되거나 열 처리 후에 변환되어, 스트립(들)을 그/그들의 고유한 형상으로 복원시키는데, 이는 부직포 섬유 웨브의 폴딩, 커핑 및/또는 퍼커링을 야기한다.
스트립들의 고유한 형상을 복원하는(고유한 형상의 완벽한 복원이 아닐 수 있음) 열 처리는 이들을 적어도 이들의 T전이 온도까지 가열함으로써 달성된다. 전형적으로, SMP는 SMP의 T전이가 SMP 또는 이를 포함하는 물품의 상당한 열화가 발생하는 임의의 온도 미만이도록 특정 응용들에 대해 선택된다.
T전이 및 T상한의 선택은 T상한이 T전이를 초과하는 한 일반적으로 그리 중요하지 않다. 전형적으로, T전이는 40℃ 이상이고, 전형적으로 T상한과 T전이의 차이는 약 20℃ 이상이지만, 이는 필요조건은 아니다.
스트립의 고유한 형상을 복원하기 위한 가열은, 예를 들어 열선총(heat gun), 오븐, 유도 가열, 적외선 가열, 가열된 롤러, 초단파 가열, 가열된 플래튼(platen), 스팀 및 이들의 조합과 같은 임의의 적합한 수단에 의해 달성될 수 있다.
이제 본 발명이 도면에 의해 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 물품을 제조하는 예시적인 방법을 도시하는 공정 흐름도이다. 고유한 형상으로 형성된 형상 기억 중합체를 포함하는 스트립(100p)은 그의 T전이 초과 그러나 T상한 미만의 온도에서 응력이 인가되고(110) 냉각되어, 긴 스트립(100t)을 형성하게 된다. 스트립(100t)은 실질적으로 평행한 배열로 부직포 섬유 웨브(130)에 (예를 들어, 적층에 의해) 접합되어(120) 복합 웨브(140)를 형성한다. 이어서, 복합 웨브(140)는 T전이를 초과하여 가열되고(170), 스트립(100t)들은 적어도 부분적으로 그들의 고유한 형상으로 되돌아감으로써, 웨브(150)에 주름부를 형성하고, 예를 들어 필터에 사용하기에 적합한 주름식 섬유 웨브(160)를 제공한다.
도 2a 내지 도 2c는 복합 웨브(140a)의 예시적인 일 실시 형태를 도시한다. 스트립(100t)들은 접합 지점(135)들에서 부직포 섬유 웨브(130)에 접합된다. 도 2a는 복합 웨브(140a)의 평면도이고, 도 2b는 저면도이며, 도 2c는 측면도이다. 복합 웨브(140a)가 T전이를 초과하여 가열되는 경우, 스트립(100t)은 수축하여 도 3a 내지 도 3c에 도시된 스트립(100p)으로 복귀한다. 도 3a는 결과적인 주름식 섬유 웨브(160a)의 개략 평면도이고, 도 3b는 개략 저면도이며, 도 3c는 개략 측면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 복합 웨브(140)의 다른 예시적인 실시 형태를 도시하며, 도 4a는 복합 웨브(140b)의 개략 평면도이고, 도 4b는 개략 저면도이며, 도 4c는 개략 측면도이다. 복합 웨브(140b)가 T전이를 초과하여 가열되는 경우, 스트립(100t)은 수축하여 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같은 스트립(100p)으로 복귀한다. 도 5a는 커핑 및/또는 퍼커링된 섬유 웨브(160b)의 개략 평면도이고, 도 5b는 개략 저면도이며, 도 5c는 개략 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 물품을 제조하는 다른 예시적인 방법을 도시하는 공정 흐름도이다. 고유한 형상으로 형성된 형상 기억 중합체를 포함하는 실질적으로 원형인 스트립(600p)이 T전이 초과 그러나 T상한 미만의 온도에서 외측으로 응력이 인가되고(110) 냉각되어, 그 크기가 확대되어 스트립(600t)을 형성한다. 스트립(600t)이 부직포 섬유 웨브(130)에 (예를 들어, 적층에 의해) 접합되어(120), 복합 웨브(640)를 형성한다. 이어서, 복합 웨브(640)는 T전이를 초과하여 가열되고(170), 스트립(600t)이 그 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 복귀함으로써, 예를 들어 호흡기 마스크를 제조하는 데 사용하기 적합한 커핑 및/또는 퍼커링된 섬유 웨브(660)를 형성한다.
도 7a 및 도 7b는 복합 웨브(740)의 다른 예시적인 실시 형태를 도시하며, 도 7a는 복합 웨브(740)의 배면 단면도이고, 도 7b는 측면 단면도이다. 본 실시 형태에서, 부직포 섬유 웨브(730, 732)들 사이에 보강 스트립(780)들 및 스트립(700t)이 접합된다. 복합 웨브(740)가 T전이를 초과하여 가열되는 경우, 스트립(700t)은 수축하여 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 스트립(700p)으로 복귀함으로써, 부직포 섬유 웨브(730, 732)에 주름을 형성하여, 예를 들어 호흡기 마스크를 제조하는 데 사용하기 적합한 커핑 및/또는 퍼커링된 섬유 웨브(760)를 제공한다. 도 8a는 퍼커링된 섬유 웨브(760)의 절결 배면도이고, 도 8b는 측면 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 복합 웨브(940)의 다른 예시적인 실시 형태를 도시하며, 도 9a는 복합 웨브(940)의 배면도이고, 도 9b는 측면 단면도이다. 본 실시 형태에서, 부직포 섬유 웨브(930)에 보강 스트립(980) 및 일시적 형상으로 된 스트립(900t)이 접합된다. 복합 웨브(940)가 T전이를 초과하여 가열되는 경우, 스트립(900t)은 두께가 축소되고 길이 및 폭이 확장되어, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 고유한 형상으로 된 스트립(900p)으로 복귀한다. 이는, 예를 들어 호흡기 마스크를 제조하는 데 사용하기 적합한 커핑 및/또는 퍼커링된 섬유 웨브(960)를 형성한다. 도 10a는 섬유 웨브(960)의 배면도이고, 도 10b는 측면 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 복합 웨브(1140)의 다른 예시적인 실시 형태를 도시하며, 도 11a는 복합 웨브(1140)의 배면도이고, 도 11b는 측면 단면도이다. 본 실시 형태에서, 변형된 일시적인 스트립(1100t)들이 부직포 섬유 웨브(1130)에 접합된다. 복합 웨브(1140)가 T전이를 초과하여 가열되는 경우, 일시적인 스트립(1100t)은 폭이 축소되고 길이 방향으로 길어져, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같은 고유한 형상으로 된 스트립(1100p)으로 복귀함으로써, 부직포 섬유 웨브(1130)에 컵형상 및/또는 주름을 형성하여, 예를 들어 호흡기 마스크를 제조하는 데 사용하기 적합한 커핑 및/또는 퍼커링된 섬유 웨브(1160)를 제공한다. 도 12a는 섬유 웨브(1160)의 배면도이고, 도 12b는 측면 단면도이다.
본 발명의 목적 및 이점은 하기의 비제한적인 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 인용된 특정 물질 및 그 양뿐만 아니라 기타 조건이나 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예
달리 기재되지 않는다면, 실시예 및 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다. 사용한 용매 및 기타 시약들은 달리 지시되지 않는 한, 미국 위스콘신 주 밀워키 소재의 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니(Sigma-Aldrich Chemical Company)로부터 입수하였다.
실시예 1
미국 뉴저지주 엘름우드 소재의 실드 에어 코퍼레이션(Sealed Air Corp.)으로부터의 두께 0.08 ㎜(0.003 인치)인 코르터프 열 수축 필름을, 폭 13 ㎜(0.5 인치)와 길이 300 ㎜(12 인치)인 스트립들로 절단하였다. 이들 스트립 중 하나를, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터의 쓰리엠 필트릿(FILTRETE) 9800 필터로부터 금속 메시를 제거하여 획득한 부직포 필터 매체의 250 ㎜(10 인치) × 300 ㎜(12 인치) 조각의 일면의 보다 긴 중심선 상에 위치시켰으며, 추가적인 2개의 스트립을, 제1 스트립에 평행하게 그리고 제1 스트립의 양측으로부터 떨어져 76 ㎜(3 인치)에 위치시켰다. 3개의 스트립들을, 각각의 스트립의 단부에서 그리고 스트립들의 길이에 걸쳐 50 ㎜(2 인치)의 간격으로 스테이플로 매체에 부착시켰다. 이어서, 추가적인 4개의 스트립들을 여과 매체의 반대 면 상에 그리고 첫번째 스트립들에 평행하게 위치시켰다. 이들 스트립 중 2개를 중심선의 양측으로부터 38 ㎜(1.5 인치)에 위치시켰고, 다른 2개의 스트립들을 매체의 각각의 보다 긴 에지로부터 13 ㎜(0.5 인치)에 위치시켰다. 이들 스트립을, 스트립들의 각각의 단부로부터 25.4 ㎜(1 인치)에 그리고 이 지점으로부터 스트립들의 길이에 걸쳐 50 ㎜(2 인치)의 간격으로 스테이플들이 위치되는 상태로 매체에 부착시켰다. 이어서, 이 조립체를 140℃의 오븐에 2분 동안 넣어 두었으며, 이 시간 동안 스트립들은 단축되어 매체가 주름지게 하였다.
실시예 2
실드 에어 코퍼레이션으로부터의 두께 0.08 ㎜(0.003 인치)인 코르터프 열 수축 필름을, 125℃의 오븐에 15분 동안 위치시켰으며, 이 시간 동안 필름은 그의 원래의 길이 및 폭의 30%로 수축되었다. 이어서, 미국 사우스캐롤라이나주 그린빌 소재의 브루크너 인크.(Bruckner Inc.)로부터의 카로(KARO) IV 실험실 연신 기계를 사용하여, 필름을 폭을 일정하게 유지하면서 120℃에서 원래 길이의 2배까지 연신시켰다. 이러한 지향된 필름을 2개의 230 ㎜ × 230 ㎜(9 인치 × 9 인치) 조각들로 절단하였다. 이 필름에서 13 ㎜ × 64 ㎜(0.5 인치 × 2.5 인치)의 직사각형 개구들을 다이커팅하였으며, 이때 각각의 개구 사이에는 6 ㎜(0.25 인치)의 재료가 남아 있었다. 개구들은 3 × 14 어레이로 위치되었고, 직사각형 개구들의 보다 긴 치수는 필름이 연신된 방향에 평행하였다. 생성된 필름들 중 하나를, 쓰리엠 필트릿 9800 필터로부터 금속 메시를 제거하여 획득한 부직포 여과 매체의 23 ㎝ × 26.7 ㎝(9 인치 × 10.5 인치) 조각 위에 배치하였으며, 이때 직사각형 개구의 보다 긴 치수를 매체의 보다 긴 치수와 정렬시켰다. 필름 및 매체를 4개의 에지들 중 3개에서 정렬시켰다. 스테이플들이 직사각형 개구들의 단부들에서만 필름을 통과하도록, 필름을 69.9 ㎜(2.75 인치)의 간격으로 부직포 필터 매체에 스테이플링하였다. 동일한 필름의 제2 조각을 여과 매체의 반대 면에 위치시키고, 제1 필름에 부착되지 않은 에지를 포함한 4개의 에지들 중 3개에서 정렬시켰다. 이는 직사각형 개구들의 단부들에서만 스테이플들로 유사하게 부착되었다. 생성된 평탄한 조립체를 10분 동안 130℃의 오븐에 위치시켰으며, 이 시간 동안 필름은 11-14 ㎝ × 20 ㎝ × 22 ㎝(4.5-5.5 인치 × 8.0 인치-8.5 인치)로 수축되었고, 여과 매체는 주름지게 되었다.
실시예 3
사이클로옥텐(40 밀리리터(㎖))과 다이사이클로펜타디엔(120 ㎖) 중 이르가녹스(IRGANOX) 1010 산화방지제(1.6 그램(g), 미국 뉴욕주 태리타운 소재의 시바 스페셜티 케미칼스 코포레이션(Ciba Specialty Chemicals Corp.)으로부터 입수 가능함)로부터 단량체 용액을 준비하였다. 이 용액에, 톨루엔(1.6 ㎖) 중 (1,3-비스(2,4,6-트라이메틸페닐)-2-이미다졸리딘일리덴)다이클로로(페닐메틸렌)(트라이사이클로헥실포스핀)루테늄(그럽스 2세대 촉매, 96 mg)의 용액을 첨가하였다. 촉매 용액을, 150 ㎜ × 280 ㎜(6 인치 × 11 인치)의 직사각형 개구를 갖는 0.38 ㎜(0.015 인치) 두께의 스페이서에 의해 분리된 2개의 알루미늄 플레이트들로 구성된 주형으로 즉시 옮겼다. 1시간 후에, 주형을 60℃의 오븐에 30분 동안 두었다. 생성된 중합체 필름을 주형으로부터 꺼내어, 추가 15분 동안 오븐에 다시 두었다. 이어서, 브루크너 인크.로부터 입수가능한 카로 IV 실험실 연신 기계를 사용하여, 필름을 80℃에서 그의 원래의 길이 및 폭의 1.5배까지 연신시켰다.
이러한 연신된 필름을 폭이 6 ㎜(0.25 인치)인 2개의 만곡된 스트립들로 절단하여, 스트립들이 170 ㎜(6.8 인치) 및 140 ㎜(5.4 인치)의 장축 직경 및 단축 직경을 갖는 타원을 따르는 310°의 원호를 형성하도록 위치될 수 있게 하였다. 원호가 미치지 않는 타원의 부분은 단축 직경 상에 중심 설정되었다. 이어서, 이들 스트립을, 200 ㎜(7.8 인치) 및 160 ㎜(6.4 인치)의 장축 직경 및 단축 직경을 갖는 타원의 형상으로 부직포 필터 매체의 조각에 접착시켰다. 부직포 필터 매체는 3개 층의 라미네이트 구조였는데, 이때 상단 층은 미국 사우스캐롤라이나주 심슨빌 소재의 BBA 넌우븐스 심슨빌, 인크.(BBA Nonwovens Simpsonville, Inc.)로부터 입수가능한 제곱 미터당 50 그램(gsm)의 폴리프로필렌 스펀본드 커버웨브로 구성되고; 중간 층은 유효 섬유 직경(effective fiber diameter, efd)이 8 마이크로미터이고, 평량이 50 gsm인 것을 제외하고는, 미국 특허 제5,496,507호(안가지반트(Angadjivand) 등)에 개시된 것과 같이 코로나 처리 및 하이드로차지(hydrocharge) 처리된, 미국 텍사스주 휴스턴 소재의 토탈 페트로케미칼스(Total Petrochemicals)로부터의 폴리프로필렌 토탈 3960으로 제조된 블로운 마이크로섬유 웨브로 구성되며; 하단 층은 BBA 넌우븐스로부터의 17 gsm 폴리프로필렌 스펀본드 커버웨브로 구성된다. 미국 미네소타주 이든 프레리 소재의 플라스틱스 인터내셔널(Plastics International)로부터의 2개의 폴리프로필렌 스트립들 0.8 ㎜ × 5 ㎜ × 100 ㎜ (0.03 인치 × 0.2 인치 × 4 인치)를 십자가 형상으로 여과 매체의 반대 면의 중심에 접착시켰다. 이어서, 평탄한 조립체를 80℃의 오븐에 5분 동안 두었으며, 이 시간 동안 중합체 원호는 수축되어 매체를 돔 형상이 되게 하였다.
실시예 4
22 ㎝(8.5 인치) 및 18 ㎝(7.0 인치)의 장축 직경 및 단축 직경을 갖는 타원 형상을 갖는 실시예 3에 사용된 부직포 필터 매체(3개 층의 라미네이트 구조)의 조각으로부터 상단 층을 제거하였다. 플라스틱스 인터내셔널로부터의 폴리프로필렌 스트립들 0.76 ㎜ × 6.4 ㎜ × 16 ㎝ (0.03 인치 × 0.25 인치 × 6.3 인치) 및 0.76 ㎜ × 6.4 ㎜ × 13 ㎝ (0.03 인치 × 0.25 인치 × 5.2 인치)를, 노출된 중간층의 중심에 십자가 형상으로 위치시켰다. 두께가 0.08 ㎜(0.003 인치)인 코르터프 브랜드 열 수축 필름을, 19 ㎝(7.5 인치) 및 15 ㎝(6.0 인치)의 장축 직경 및 단축 직경을 갖는 타원을 따르는 310°의 원호의 형상으로, 폭 6.4 ㎜(0.25 인치)의 스트립들로 절단하였다. 원호가 미치지 않는 타원의 부분은 단축 직경 상에 중심 설정되었다. 이 스트립을 도 7a에 개괄적으로 도시된 바와 같이 중간 층에 위치시켰다. 쓰리엠 컴퍼니로부터 "스카치 맥시멈 스트렝스 어드헤시브(SCOTCH MAXIMUM STRENGTH ADHESIVE) 6047"로서 입수가능한 접착제를 코르터프 브랜드 열 수축 필름 스트립, 폴리프로필렌 스트립 및 매체에 적용하였으며, 이어서 여과 매체의 상단 층을 이 조립체 위에 재배치하였다. 1시간 후에, 생성된 평탄한 조립체를 110℃의 오븐에서 2분 동안 가열하였으며, 이 시간 동안 코르터프 열 수축 필름 스트립이 수축하여 매체를 돔 형상이 되게 하였다.
실시예 5
13 ㎜(1/2 인치) 두께의 알루미늄 플레이트 전반에 걸쳐 2.69 ㎝(1.06 인치)의 주기로 대체로 도 1의 100p로 도시된 형상으로 3.2 ㎜(1/8 인치) 폭의 채널을 밀링 가공하여 알루미늄 플레이트로부터 주형을 제조하였다. 밀링 가공된 플레이트의 일면을 3.2 ㎜(1/8 인치) 두께의 알루미늄 플레이트에 볼트 체결하여 개방면 주형을 형성하였다.
사이클로옥텐(12.8 ㎖)과 다이사이클로펜타디엔(44.2 ㎖) 중 이르가녹스 1010 산화방지제(1.7 g)로부터 단량체 용액을 준비하였다. 이 단량체 용액에, 톨루엔(0.7 ㎖) 중 10% 트라이사이클로헥실포스핀의 용액을 첨가하였다. 생성된 용액을 얼음조에서 냉각시키고, 진공 하에서 가스를 제거하였다. 이어서, 톨루엔(0.6 ㎖) 중 (1,3-비스(2,4,6-트라이메틸페닐)-2-이미다졸리딘일리덴)다이클로로(페닐메틸렌)(트라이사이클로헥실포스핀)루테늄(그럽스 2세대 촉매, 30 mg)의 용액을 첨가하였고, 이 촉매화된 용액을 주형으로 즉시 옮겼다. 일단 용액이 겔 상태가 되면, 주형을 110℃의 오븐에 위치시켜 10분 동안 후경화시켰다. 형상화된 중합체가 얻어졌고, 이를 이어서 주형 밖으로 나오게 하였다.
형상화된 중합체를 미국 인디애나주 워바시 소재의 카버, 인크.(Carver, Inc.)로부터의 카버(Carver) 프레스로 38℃(100℉)에서 10분 동안 가압하여, 3.2 ㎜ × 13 ㎜ × 61 ㎝ (1/8 인치 × 1/2 인치 × 24 인치)의 평탄한 스트립을 생성하였다. 이어서, 스트립을 절단하여, 3.2 ㎜ × 6.4 ㎜ × 30 ㎝ (1/8 인치 × 1/4 인치 × 12인치)의 4개의 스트립들을 생성하였다. 이들을, 스카치 맥시멈 스트렝스 어드헤시브 6047을 이용하여 부직포 재료(실시예 1에서 사용된 것과 동일함)의 30 ㎝ × 28 ㎝ (12 인치 × 11 인치) 조각에 접착시키고, 하룻밤 경화시켰다. 이어서, 생성된 평탄한 조립체를 65℃의 오븐에서 15분 동안 가열하였고, 이는 주름진 필터가 되었다. 이를 110℃의 오븐에서 15분 이상 후경화시켰으며, 주름은 거의 원래 주형의 패턴만큼 좁아졌다.
본 명세서에서 언급된 모든 특허 및 간행물은 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 본 명세서에서 주어진 모든 실시예는 달리 표시되지 않는다면 비제한적인 것으로 간주되는 것이다. 본 발명의 다양한 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 당업자에 의해 행해질 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에 기술된 예시적인 실시 형태로 부당하게 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (32)

  1. 물품으로서,
    부직포 섬유 웨브(web); 및
    부직포 섬유 웨브에 접합된 스트립(strip)
    을 포함하고,
    스트립은 형상 기억 중합체를 포함하고, 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 갖고, 스트립은 전이 온도 이상으로 가열되면 변형된 일시적인 형상으로부터 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩(folding), 커핑(cupping) 또는 퍼커링(puckering) 중 적어도 하나를 야기하고, 스트립은 스트립을 따라 불연속적인 지점들에서 부직포 섬유 웨브에 접합되는, 물품.
  2. 물품으로서,
    부직포 섬유 웨브; 및
    부직포 섬유 웨브에 접합된 스트립들을 포함하고,
    스트립들은 형상 기억 중합체를 포함하고, 각각의 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 각각 갖고, 스트립들은 전이 온도 이상으로 가열되면 그들 각자의 변형된 일시적인 형상으로부터 그들 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하고, 스트립들 중 적어도 일부분은 상호연결되는, 물품.
  3. 물품으로서,
    부직포 섬유 웨브; 및
    부직포 섬유 웨브에 접합된 스트립들을 포함하고,
    스트립들은 형상 기억 중합체를 포함하고, 각각의 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 각각 갖고, 스트립들은 전이 온도 이상으로 가열되면 그들 각자의 변형된 일시적인 형상으로부터 그들 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하고, 스트립들은 부직포 섬유 웨브의 대향하는 주 표면들 상에 배치되는, 물품.
  4. 물품 제조 방법으로서,
    스트립들을 부직포 섬유 웨브에 접합하는 단계를 포함하고,
    스트립들은 형상 기억 중합체를 포함하고, 각각의 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 각각 갖고, 스트립들은 전이 온도 이상으로 가열되면 그들 각자의 변형된 일시적인 형상으로부터 그들 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩, 커핑 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하고, 스트립들은 부직포 섬유 웨브의 대향하는 주 표면들 상에 배치되는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 스트립들을 전이 온도 이상으로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제5항의 방법에 따라 제조된 물품.
  7. 물품 제조 방법으로서,
    스트립들을 부직포 섬유 웨브에 접합하는 단계를 포함하고,
    스트립들은 형상 기억 중합체를 포함하고, 각각의 스트립은 변형된 일시적인 형상과 고유한 형상을 각각 갖고, 스트립들은 전이 온도 이상으로 가열되면 그들 각자의 변형된 일시적인 형상으로부터 그들 각자의 고유한 형상으로 적어도 부분적으로 변환됨으로써 부직포 섬유 웨브의 폴딩, 커핑 또는 퍼커링 중 적어도 하나를 야기하고, 스트립들 중 적어도 일부는 상호연결되는, 방법.
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