KR20060009234A - 구조재료 및 기타 복합재료 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라, 높은 압축강도, 높은 인장강도, 높은 전단강도, 높은 강도-대-중량비를 포함하는 탁월한 성능을 갖는 구조재료 및 기타 복합재료, 및 그의 제조방법을 개발하였다. 본 발명의 재료는 제조가 용이하다는 추가의 이점을 갖고, 제조 비용이 많이 들지 않는다. 본 발명의 재료는 이러한 탁월한 성능을 갖고 있기 때문에 다양한 최종 용도에서 사용되기에 적합하다. 예를 들면, 본 발명의 재료의 기본 구조를 용융, 용해 또는 분해시키지 않고서도, 다양한 기재를 본 발명의 재료에 피복할 수 있다. 이렇게 하여, 사실상 모든 표면 또는 기재에 본 발명의 재료를 용이하게 부착할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 재료와 다양한 기재들 사이의 결합은 매우 강하기 때문에, 그 결과의 결합된 물품은 다양한 용도에 사용되기에 적합하다. 본 발명의 재료를 다양한 크기, 형태, 밀도, 다층 등으로 제조할 수 있다.

구조재료, 복합재료, 다공성 물질, 기체-발생 중합성 성분, 중합체 매트릭스

Description

구조재료 및 기타 복합재료 및 그의 제조방법{STRUCTURAL AND OTHER COMPOSITE MATERIALS AND METHODS FOR MAKING SAME}

<관련 출원>

본 발명은, 본원에서 전문이 참고로 인용된, 현재 계류중인, 2003년 3월 12일에 출원된 제 10/388,295 호의 일부계속출원이다.

본 발명은 구조재료 및 기타 복합재료 및 이러한 재료의 제조방법에 관한 것이다. 한 특정 양태에서, 본 발명은 건축재료에 관한 것이다. 또다른 양태에서, 본 발명은 다양한 형태, 크기 및 물성을 갖는 구조재료 및 기타 복합재료에 관한 것이다. 또다른 양태에서, 본 발명은 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료의 다양한 용도에 관한 것이다. 또다른 양태에서, 본 발명은 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료로부터 제조된 경량의 고강도 물품에 관한 것이다.

중합체 물질은 해당 분야에서 구조 요소를 제조하는데에 오랫동안 사용되어 왔다. 한 용도에서, 구조 요소는 단순히, 예를 들면 압출에 의해, 중합체 물질의 충실(solid) 시트로서 제조될 수 있다. 그러나, 이렇게 제조된 구조 요소는 (중합체 물질의 밀도로 인해) 꽤 무겁고, 단열성이 나쁜 경향이 있다. 또한 이러한 구조물을 제조하는데에는 상당량의 중합체 물질이 필요하므로, 이러한 구조물은 매우 비싼 편이다.

해당 분야에서 구조 요소를 제조하는데 사용되는 또다른 방법은, 발포 중합체 물질, 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 또는 폴리우레탄을 사용하는 것이다. 그 결과 얻어진 구조물은 동등한 충실 구조 요소보다는 훨씬 덜 조밀하고 향상된 절연성을 갖지만, 이것들은 일반적으로 제조 비용이 오히려 많이 든다. 더욱이, 특히 폴리스티렌의 경우, 그 결과 얻어진 발포체 구조물은 비교적 구조적 일체성이 나쁘다.

전형적인 2-성분 시스템을 사용하여 발포 폴리우레탄으로부터 구조 요소를 제조하기 위해서는, 수지를 이소시아네이트와 혼합하고, 혼합물을 주형에 넣은 후, 주형을 닫는다. 발포 반응이 주형 내에서 일어나고, 주형 내의 중합체 물질의 부피가 증가한다. 발포된 물질의 부피가 주형의 부피와 동일해지면, 발포체를 주형에 대해 압축시켜, 그 결과 얻어진 요소의 강도를 증가시킨다. 고강도 구조 요소를 얻기 위해서는, 상당량의 압축이 일어나는 것을 허용할 필요가 있는데, 그러려면 다량의 폴리우레탄을 사용해야 하므로, 구조 요소가 비싸지게 된다. 더욱이, 강도를 증가시키기 위해서 발포체를 압축시킴에 따라, 발포체의 밀도가 증가하여, 그 결과 얻어진 물품의 단열성이 매우 나빠진다. 더욱이, 발포 반응이 개시되기 전에, 반응 성분들을 모두 주형에 넣을 수 있도록, 전술된 방법을 빠르게 수행해야 한다.

해당 분야에서 발포 중합체 물질로부터 구조 요소를 제조하는 방법으로서 공지된 또다른 방법은, 발포(expanded) 폴리스티렌 또는 폴리프로필렌 비드를 사용하 는 것을 포함하는데, 이 경우 이것을 주형에 넣고 증기 가열시켜, 비드를 연화시키고, 이어서 이것을 합체시켜 구조 요소를 제조한다. 그 결과 얻어진 구조 요소는 비교적 가볍지만 특별히 강하지는 않다. 또한, 최종 발포체 구조 요소는 연속기포 구조를 갖고 있어서, 액체 및 기체에 투과성이다. 더욱이, 이 구조 요소의 부피는 비드가 합체함에 따라 감소하기 때문에, 이러한 방법에서는 다량의 출발 물질을 사용해야 한다.

발포 폴리스티렌 비드를 사용하여 건축재료를 제조하는 또다른 방법은, 경질 발포 플라스틱 매트릭스 내에 넣어진 경량 단열 충전제를 개시하는 영국특허출원 제 GB 2,298,424 호에 기술되어 있다. 이 '424 출원에 개시된 주요 단열 충전제는 "발포 폴리스티렌"이라고 칭해지지만, 특허청구된 재료의 제조에 사용되는 이러한 물질의 화학적 및/또는 물리적 성질에 대해서는 아무런 상세한 언급이 없다. 마찬가지로, '424 출원에 개시된 유일한 경질 발포 플라스틱 매트릭스는 단일 특정 경질 폴리우레탄인데, 이것은 이것의 제조에 사용된 여러 성분들중 하나에 대해서만 정의되어 있다. 즉 '424 출원에서 사용된 폴리우레탄은 "수지"("폴리올 블렌드"라고만 기술되어 있음)와 이소시아네이트(디페닐메탄 디이소시아네이트와 "중합체 성분"의 혼합물로서만 기술되어 있음)로부터 제조된다. '424 출원에 사용된 폴리우레탄의 실제 구조물을, 상표명으로만 언급된 시판 물질을 사용해서만 얻을 수 있다.

구조재료를 제조하는 추가의 방법은, (경질 플라스틱 발포체 폐기물로부터 난연성 절연재료를 제조하는 방법에 관한) 미국특허 제 4,714,715 호; (연속기포를 한정짓는 웹으로 이루어진 기포형 격자를 갖는 연질 발포 물질의 패널, 및 기포를 한정짓는 웹 및 하나 이상의 추가의 충전 물질로 이루어진 기포형 격자를 갖는 연질 발포 물질의 과립을 포함하는 성형 요소에 관한) 미국특허 제 5,055,339 호; (0.5 중량% 이하의 물 및 다공성 발포 광물의 과립의 존재하에서, 폴리이소시아네이트와 폴리에틸렌 옥사이드 유도체를 반응시켜, 건조 상태에서는 실질적으로 경질이고 물을 흡수할 수 있고 습윤 상태에서는 유연해지는, 실질적으로 건조한 충실 다공성 연속기포형 발포 친수성 보습성 폴리우레탄 수화겔 물질 매트릭스를 제조하는 단일 단계로 이루어진, 식물 번식용 다공성 충실 물질의 제조 방법에 관한) 미국특허 제 5,791,085 호; (예정된 부피를 갖는 3차원 성형 부품에 관한) 미국특허 제 5,885,693 호; (3차원 성형 플라스틱 발포체 부품의 제조 방법에 관한) 미국특허 제 6,042,764 호; (액체 주 재료를 형성함으로써 함께 결합된 플라스틱 발포체 과립으로부터 3차원 성형 플라스틱 발포체 부품을 제조하기 위한 장치에 관한) 미국특허 제 6,045,345 호; (이소시아네이트-기재의 중합체 발포체에 관한) 미국특허 제 6,265,457 호; (약 2 중량% 이하의 수분을 함유하는 약 1 내지 40 중량%의 규조토 분말을 함유하는, 제 1 열가소성 물질의 독립기포형 발포체를 포함하는 압출품에 관한) 미국특허 제 6,583,189 호; 및 (발열반응을 하여 경질 폴리우레탄 발포체를 형성하는, 이소시아네이트 및 폴리올 반응물, 촉매, 및 발포제를 포함하는 혼합물을 형성함으로써 폴리우레탄 발포체를 제조하는 방법에 관한) 미국특허 제 6,605,650 호에 기술되어 있다.

그러나, 해당 분야에는, 강하고 경량일 수 있는, 바람직하게는 비교적 내수 성이기도 한, 제조시에 다량의 출발 물질을 필요로 하지 않는 구조재료가 여전히 필요하다. 본 발명은 후술되는 상세한 설명 및 청구의 범위에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 이러한 필요성 및 해당 분야와 관련된 필요성에 대해 검토한다.

발명의 요약

본 발명에 따라, 높은 압축강도, 높은 인장강도, 높은 굴곡강도, 높은 전단강도 및/또는 높은 강도-대-중량비를 포함하는 탁월한 성능을 갖는 구조재료 및 기타 복합재료가 개발되었다. 본 발명의 재료는 마찬가지로 높은 압축, 인장, 굴곡 및 전단 모듈러스를 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 재료는 실질적으로 내수성일 수도 있다. 본 발명의 재료는 제조가 용이하다는 추가의 이점을 가질 수 있으며, 비교적 제조 비용이 덜 들 수 있다. 또한, 본 발명의 재료는 비교적 낮은 온도에서, 흔히는 제조시에 가열 또는 냉각을 거의 필요로 하지 않고서 제조될 수 있다. 본 발명의 재료는 이러한 탁월한 성능을 갖고 있기 때문에 다양한 최종 용도에서 사용되기에 적합하다.

예를 들면, 본 발명의 재료의 기본 구조를 용융, 용해 또는 분해시키지 않고서도, 수많은 접착제를 본 발명의 재료에 도포할 수 있다. 이렇게 하여, 사실상 모든 표면 또는 기재에 본 발명의 재료를 용이하게 결합시킬 수 있거나, 다른 방법으로는 둘 이상의 본 발명의 재료를 서로 결합시킴으로써 원하는 형태를 만들 수 있다. 더욱이, (둘 이상의 본 발명의 재료들 사이의 결합을 포함하여) 본 발명의 재료와 다양한 기재들 사이의 결합은 매우 강해서, 그 결과 결합된 물품은 다양한 필요 용도에 사용되기에 적합하다. 실제로는, 기재를 본 발명의 재료와 접촉시키 기 전에, 기재의 표면을 (예를 들면 기계적으로 또는 화학적 식각에 의해) 마모시킴으로써, 본 발명의 재료와 기재 사이의 결합을 추가로 향상시킬 수 있다.

마찬가지로, 액체 폴리에스테르 수지 코팅, 액체 스티렌 또는 기타 액체 중합체를 본 발명의 재료에 피복함으로써, 본 발명의 재료를 개선시킬 수 있다. 본 발명에 의해 제공된 코어 구조물을 용해시키거나 달리 손상시키지 않고서도, 이러한 코팅을 본 발명의 재료에 분무하거나 달리 직접 피복할 수 있다.

본 발명의 재료를 다양한 크기, 형태, 밀도, 다층 등으로 제조할 수 있다.

도 1은 발포 폴리스티렌 비드의 횡단면의 주사전자현미경 사진이다.

도 2는 발포 폴리스티렌 비드의 주사전자현미경 사진이다.

도 3은 다공성 비드를 함유하는 중합체 매트릭스의 횡단면의 도면으로서, 중합체 필라멘트 또는 기타 돌출부가 다공성 비드 내로 연장된 모습을 보여준다.

도 4는 다공성 물질의 대형 비드(10)가 중합체 매트릭스(1) 내에 혼입된, 본 발명의 물품의 한 예의 횡단면도이다. 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료는 본원에서 때로는 페트리폼(PetriFoam, 등록상표)이라는 상표의 구조재료 및 기타 복합재료로서 칭해진다.

도 5는 다공성 물질의 소형 비드(11)가 중합체 매트릭스(1) 내로 혼입된, 또다른 예시적인 본 발명의 물품의 횡단면도이다.

도 6은 다공성 물질의 대형 비드(10)와 소형 비드(11)의 혼합물이 중합체 매트릭스(1) 내로 혼입된, 본 발명의 물품의 또다른 예의 횡단면도이다.

도 7은 본 발명에 따르는 구조재료(20) 및 여기에 부착된 외장재료(30)를 추가로 포함하는 본 발명의 물품의 횡단면도이다.

도 8은 본 발명에 따르는 구조재료(20) 및 추가로 여기에 피복된 코팅(31)을 포함하는 본 발명의 물품의 횡단면도이다.

도 9는 보강재료(32)에 결합되거나 이것을 포함하는 페트리폼이라는 상표의 구조재료(20)를 포함하는, 샌드위치 구조의 본 발명의 물품의 횡단면도이다.

도 10은 대표적인 본 발명의 재료를 사용한 굴곡 모듈러스 시험 결과의 그래프이다.

도 11은 대표적인 본 발명의 재료를 사용한 압축 시험 결과의 그래프이다.

본 발명의 한 양태에 따라, 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 전형적으로 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 및 다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는 중합성 성분으로부터 제조된, 상기 다공성 물질을 캡슐화하는 중합체를 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 구조재료 및 기타 복합재료가 제공된다. 해당 분야의 숙련자들이 알고 있는 바와 같이, 중합체 물질은 중합체 시스템의 점도, 다공성 물질 내의 기공들의 크기, 시스템에 가해진 압력 등과 같은 인자들에 따라서, 다양한 정도로 다공성 물질 내로 연장될 수 있다.

본 발명의 특정 실시양태에서는, 폴리우레탄과 같은 기체-발생 중합성 성분으로부터 중합체를 제조하며, 이 중합체는 실질적으로 충실한 매트릭스를 포함한다. 본원에서 사용된 "실질적으로 충실한"이란 임의의 특별한 외부 힘이 없는 상태에서 주어진 형태를 보유하도록 충분히 구조적인 일체성을 갖춘 물질을 말한다. 이론에 의해 뒷받침된 것은 아니지만, 다공성 물질과 근접한 상태로 기체-발생 중합성 성분을 제조하면 이러한 다공성 물질이 없는 상태에서 제조된 매트릭스보다 훨씬 더 충실한 중합체 매트릭스를 제조할 수 있다고 생각되는데, 왜냐하면 다공성 물질은 매트릭스 내에서 거시적 및/또는 미시적 기포를 형성함으로써 매트릭스의 구조적 일체성을 약화시킬 수도 있는, 상기 발생된 기체의 일부를 수용하는 근접한 수용기 또는 싱크대로서의 역할을 할 수 있기 때문이다. 본원에서 고려되는 바에 따르면, 이러한 과정을 추가로 향상시키는데에 압력 및/또는 기타 수단을 사용할 수 있다. 이러한 구조재료 및 기타 복합재료의 제조 방법은 제조 과정에서 방출되는 휘발성 유기 화합물의 양을 감소시키는 추가의 이점을 가질 수 있다. 이러한 기술적 특징 때문에, 이러한 다공성 물질이 없는 상태에서 제조된 매트릭스에 비해 5 내지 20, 20 내지 40, 40 내지 80, 80 내지 120 % 또는 그 이상으로 더 충실한(즉 조밀한) 매트릭스를 포함하는, 본 발명에 따르는 구조재료 및 기타 복합재료를 제조할 수 있다. 이와 동시에, 다공성 물질은 본원에서 기술되는 바와 같이 매트릭스에 의해 캡슐화 및/또는 침투될 수 있는 경량 구조물을 제공할 수 있기 때문에, 그 결과 얻어진 재료는 비교적 경량이면서도 강한, 매우 바람직한 성질을 나타낼 수 있다. 매트릭스를 다공성 물질에 부분적으로 물리적 침입 및/또는 결합시켜, 매트릭스를 다공성 물질에 기계적 및/또는 화학적으로 "맞물리게 하는" 수단을 제공함으로써, 복합재료의 구조적 일체성을 향상시킬 수 있다. 후술되는 바와 같이, 강도 수치 뿐만 아니라 기타 기계적 및/또는 기타 물리화학적 또는 전기적 특징의 측면에서 탁월한 성질을 나타내도록 본 발명의 재료를 용이하게 제조할 수 있다. 이러한 재료의 예가 본원에서 제공되며, 해당 분야의 숙련자라면 본원에서 제공된 상세한 교시 및 설명을 읽고서 본 발명을 명백하게 이해할 것이며, 해당 분야에 공지된 다양한 부가양태 및/또는 대체양태를 본 발명의 실시와 연관시켜 용이하게 사용할 수 있다. 본 발명에 따르는 실질적으로 충실한 재료는 실질적으로 경질(즉 실질적으로 비-변형성) 내지 실질적으로 가요성(즉, 일단 변형 요인이 제거되면, 일반적으로 원래의 형태로 되돌아가기에 충분한 기억력을 갖는 변형성)의 범위일 수 있다.

본 발명에 따르는 구조재료 및 기타 복합재료는 전형적으로 (중합체를 포함하는) 연속상 및 (다공성 물질을 포함하는) 불연속상을 포함한다. 본원에서 보다 상세하게 기술되는 바와 같이, 연속상은 임의의 다양한 단독중합체 시스템 뿐만 아니라, 블록 공중합체, 그라프트 공중합체 등을 포함하는 공중합체 및 다중(multi)중합체 시스템을 기본으로 한다. 마찬가지로, 불연속성 물질은 다양한 다공성 물질 중에서 선택될 수 있다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 전형적으로 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 및 다공성 물질의 기공 내에서 중합할 수 있는 제 1 중합성 성분, 및 제 1 중합성 성분의 중합체에 직접 또는 연결자(linker)를 통해 결합할 수 있는 제 2 중합성 성분으로부터 제조된 중합체를 포함하는(여기서 중합성 성분은 경화시 다공성 물질을 캡슐화하고 다공성 물질에 부분적으로 침투하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 형성함) 구조재료 및 기타 복합재료가 제공된다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 중합체 매트릭스를 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨), 특정 형태, 탁월한 압축 강도 및 모듈러스, 및 높은 굴곡 모듈러스를 갖는 물품이 제공된다. 중합체가 다공성 물질에 침투하는 정도를, 특정 용도에 따라 원하는 대로 용이하게 조절할 수 있다. 예를 들면, 침투 정도를 증가시킴으로써 일반적으로 상대강도를 향상시킬 수 있고, 원하는 경우에는 침투 중합체의 필라멘트를 서로 및/또는 다공성 물질 내의 표면에 결합시킴으로써, 상대강도를 더욱 증가시킬 수 있다. 이러한 증가된 침투를, 예를 들면 상호작용 및 침투가 용이한 중합체와 다공성 물질의 조합을 선택하거나(예를 들면 특히 상용성인 표면 에너지를 갖는 조합을 선택함), 중합 동안에 침투를 촉진하는 추가의 압력을 주거나 또는 가하거나, 중합체의 점도를 증가시키거나, 온도를 상승시키거나, 침투를 위한 상호작용 및 포텐셜을 용이하게 하는 기타 동역학적 또는 열역학적 수단을 사용함을 포함하는 다양한 방법으로 달성할 수 있다. 또한, 상호작용을 촉진하거나 용이하게 하는 첨가제(예를 들면 계면활성제)를 중합 동안에 첨가하거나, 예를 들면 다공성 물질을 전처리하는데 사용함으로써, 다공성 물질에 중합체가 특히 잘 침투하도록 만들 수 있다. 본원에서 기술된 바와 같은 그라프트 공중합체 시스템을 사용함으로써 원하는 정도의 침투를 달성하는 동시에, 중합체 매트릭스의 외부 부분이 강도 또는 기타 유리한 특징과 같은 기타 장점에 있어 비교적 독립적으로 선택되는 것을 허용할 수 있다. 본 발명의 복합재료에 이러한 기술을 적용시킴으로써, 중합체의 필라멘트 또는 기타 돌출부가 주어진 다공성 물질 내로 다양한 정도로 용이하게 연장되도록 할 수 있다. 따라서 중합체 매트릭스가, 원하는 경우, 다공성 물질의 직경(또는 직선 거리 치수) 내로 1 내지 10 %, 10 내지 20 %, 20 내지 30 %, 30 내지 40 %, 40 내지 50 %, 50 내지 60 %, 60 내지 70 %, 70 내지 80 %, 80 내지 90 % 또는 90 내지 100 %로 연장될 수 있는 본 발명의 비교적 고강도의 복합재료를 제조할 수 있다. 따라서 본원에서 기술되고 설명된 강도 및 중량 범위를 갖는 구조재료 및 기타 복합재료를, 후술되는 바와 같은 다양한 용도에 사용하기 위해 제조할 수 있다.

특정 실시양태에서, 본 발명의 물품은 20 파운드/제곱 인치(psi) 초과, 바람직하게는 40, 100, 150, 210, 300 또는 400 psi 초과의 압축강도; 2000 psi 초과, 바람직하게는 4000, 8000, 10,000, 20,000, 40,000 또는 100,000 psi 초과의 압축 모듈러스; 50 psi 초과, 바람직하게는 100, 200, 350 내지 375 또는 500 psi 초과의 굴곡강도; 2000 psi, 바람직하게는 4000, 8000, 10,000, 20,000, 40,000 또는 100,000 psi 초과의 굴곡 모듈러스; 20 psi 초과, 바람직하게는 40, 100, 150, 210, 300 또는 400 psi 초과의 전단강도; 1000 psi 초과, 바람직하게는 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000 또는 10,000 psi 초과의 전단 모듈러스; 40 psi 초과, 바람직하게는 80, 100, 150, 210, 300 또는 400 psi 초과의 인장강도; 및 1000 psi 초과, 바람직하게는 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 8000 또는 10,000 psi 초과의 인장 모듈러스를 가질 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 예를 들면 ASTM 1621에 의해 결정된 "높은 압축강도"란 본 발명의 재료가 자신의 기본 구조를 크게 손실하지 않고서 압축력에 견디는 능력을 말한다. 본 발명의 재료는 본 발명의 재료를 제조하는데 사용되는 개별 성분의 성능과 비교할 때 예상되는 것보다 훨씬 더 높은 압축강도를 나타낸다. ASTM 기준 및 시험 방법에 대한 설명을 ASTM 인터내셔널(ASTM International)의 간행물 뿐만 아니라 그의 웹사이트(예를 들면 www.astm.org)에서 찾을 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 예를 들면 ASTM 1623에 의해 결정된 "높은 인장강도"란 본 발명의 재료가 종방향 장력, 즉 재료가 분리되지 않고서 견딜 수 있는 최대 힘에 견디는 능력을 말한다. 본 발명의 재료는 본 발명의 재료를 제조하는데 사용되는 개별 성분의 성능과 비교할 때 예상되는 것보다 훨씬 더 높은 인장강도를 나타낸다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 예를 들면 ASTM 273에 의해 결정된 "높은 전단강도"란 본 발명의 재료가 특정 응력에 적용될 때 변형에 견디는 능력을 말한다. 본 발명의 재료는 본 발명의 재료를 제조하는데 사용되는 개별 성분의 성능과 비교할 때 예상되는 것보다 훨씬 더 높은 전단강도를 나타낸다.

본원에서 사용되는 바와 같이, 예를 들면 ASTM 790에 의해 결정된 "높은 굴곡강도"란 본 발명의 재료가 굽힘 응력에 적용될 때 변형에 견디는 능력을 말한다. 본 발명의 재료는 본 발명의 재료를 제조하는데 사용되는 개별 성분의 성능과 비교할 때 예상되는 것보다 훨씬 더 높은 굴곡강도를 나타낸다.

본원에서 사용되는 바와 같이, "높은 강도-대-중량비"란 본 발명의 재료의 비교적 경량에도 불구하고 매우 높은 강도를 말한다. 예를 들면, 종래 기술의 재료의 중량의 일부분에 해당하는 본 발명의 물품은 훨씬 더 큰 중량을 갖는 재료, 예를 들면 목재 또는 콘크리트와 동일하거나 그보다 더 우수한 성능을 제공할 수 있다. 본 발명의 재료는 본 발명의 재료를 제조하는데 사용되는 개별 성분, 예를 들면 폴리우레탄과 같은 중합체로부터 제조된 재료의 강도-대-중량비와 비교할 때 예상되는 것보다 높은 강도-대-중량비를 갖도록 제조될 수 있다.

본 발명의 재료는 그의 탁월한 충격강도, 경도 또는 표면 강성도(예를 들면 재료의 표면 압입을 견디는 능력을 시험하는 로크웰(Rockwell) 경도 시험에 의해 결정됨) 뿐만 아니라, 그 결과 얻어진 물품의 밀도, 열 전도도 및 열 팽창률을 포함하는 기타 성질, 또한 각 성분 물질의 열 전도도 및 열 팽창률, 팽창계수, 흡수계수(즉 전도도), 유전강도 및 부피 및 아크 내성, 가연성(예를 들면 산소 지수 또는 UL 가연성 등급), 수축률, 수분 및 수증기 투과율 및 흡수율, 비중 및 기타 이러한 물리화학적, 기계적, 열적 또는 전기적 성질을 가짐을 특징으로 할 수 있다. 입상 물질을 중합체 매트릭스 내에 실질적으로 캡슐화하고, (예를 들면 비교적 소수성인 중합체를 선택하거나 중합체 또는 물품을 비교적 소수성인 첨가제로 코팅함으로써) 중합체를 수분의 흡상 및 흡수에 대해 비교적 내성을 갖는 것으로 선택할 수 있기 때문에, 본 발명의 재료를 내수성을 갖도록 용이하게 제조할 수 있다. 내수성에 관한 표준 시험은 예를 들면 ASTM D570-98, ASTM 2842-01, BS4370: 방법 8, DIN 53434, 및 해당 분야에 공지된 기타 시험을 포함한다. 예를 들면 ASTM D570을 사용하여, 24시간 후 상이한 수-흡수율(중량%)을 갖는, 전형적으로는 흡수율이 5, 4, 3, 2, 1, 0,5, 0.2, 0.1, 0.05, 0.01 미만 또는 특정 용도의 경우에는 그 미만인, 본 발명의 재료를 용이하게 제조할 수 있다. 거꾸로 말하면, 비교적 높은 수-흡수율이 필요할 수 있는 용도에서(예를 들면 재료가 다량의 액체를 흡수하고 저장하고 시간 경과에 따라 그것을 잠재적으로 방출시키는 것이 요구되는 용도에서) 비교적 높은 수-흡수율을 갖는 본 발명의 재료를 제조할 수 있다. 이와 관련하여, 수-흡수를 촉진시키는 첨가제(예를 들면 소디움 폴리아크릴레이트 등) 뿐만 아니라, 예를 들면 시간 경과에 따라 유체의 방출을 조절 또는 초래하는 첨가제를 사용할 수 있다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 다공성 물질과 중합성 성분을 배합하고; 그 결과 얻어진 배합물을, (열리거나 닫힌) 주형 또는 기타 용기에서, 임의적으로는 발포제의 존재하에서, 중합성 성분의 경화에 적합한 조건에 적용시켜, 다공성 물질의 경화 및/또는 압축 동안에 발생된 임의의 기체 및 상기 발포제가 실질적으로 다공성 물질에 의해 흡수되도록 함으로써, 복합 구조재료를 제조함을 포함하는, 구조재료 및 기타 복합재료의 제조방법이 제공된다. 더 높은 강도가 요구되는 경우에는, 중합성 성분의 일부분을 강제로 다공성 물질 내에 밀어 넣음으로써, 충실 중합체 매트릭스 내에 캡슐화된 다공성 물질을 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 구조 재료를 형성할 수 있다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는, 경화시 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 형성하는 중합성 성분; 및 유동성 향상제, 가소제, 경화 지연제, 경화 가속제, 강도 향상제, 자외선 차단제, 염료, 안료 및 충전제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 배합물이 제공된다. 전술된 배합물로부터 제조된 구조재료 및 기타 복합재료도 고려된다.

본 발명의 추가의 양태에 따라, 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는, 발포 폴리스티렌 이외의 다공성 물질; 및 다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는, 경화시 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 형성하는 중합성 성분을 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 배합물이 제공된다. 전술된 배합물로부터 제조된 구조재료 및 기타 복합재료도 고려된다.

본 발명의 추가의 양태에 따라, 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 및 다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는, 경화시 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 형성하는, 폴리우레탄 이외의 중합성 성분을 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 배합물이 제공된다. 전술된 배합물로부터 제조된 구조재료 및 기타 복합재료도 고려된다.

본 발명의 추가의 양태에 따라, 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 다공성 물질의 기공 내에서 중합될 수 있는 제 1 중합성 성분; 및 제 1 중합성 성분의 중합체에 직접 또는 연결자를 통해 결합할 수 있는 제 2 중합성 성분을 포함하는(여기서 중합성 성분은 경화시 다공성 물질을 캡슐화하고 다공성 물질에 적어도 부분적으로 침투하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 형성함) 배합물이 제공된다. 전술된 배합물로부터 제조된 구조재료 및 기타 복합재료도 고려된다.

임의적으로, 본 발명의 배합물은 난연제, 광 안정제, 산화방지제, 항균제, 가소제, 금속 비누 안정제, 자외선 흡수제, 안료, 염료, 대전방지제, 발포제, 소포제, 기포제, 윤활제, 보강제, 열 안정제, 입상 충전제, 공정 보조제, 유동성 향상제, 섬유상 충전제, 미끄럼성 부여제, 가교제 및 공-첨가제, 경화 지연제, 경화 가속제, 강도 향상제, 충격보강제, 촉매 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 추가적 첨가제를 함유할 수도 있다. 이 재료는 방수성 또는 내수성 및 자외선(UV) 안정성을 가지며, 곤충, 미생물, 진균, 대기 조건, 수분, 건식 등에 대해 내성을 가질 수 있다. 이 재료는 일반적으로 상당량의 휘발성 유기 화합물(VOC), 예를 들면 규제된 VOC를 배출하지 않는다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 다공성 물질은 경질, 반-경질, 가요성 또는 압축성일 수 있으며, 비드, 과립, 봉, 리본, 불규칙적 형태의 입자 등과 같은 임의의 다양한 형태를 가질 수 있다. 해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 예를 들면 시트, 격자, 튜브, 연속기포형 3차원 구조, 직물, 부직물, 펠트, 스폰지 등과 같은 기타 형태로 성형된 다공성 물질도 사용할 수 있다. 본원에서 사용되는 것으로 고려되는 추가의 형태에 대해서는 미국특허 제 5,458,963 호를 참고하도록 한다. 본 발명의 재료가 사용되는 용도는 적합한 입상 또는 성형된 다공성 물질의 선택에 있어서 중요한 역할을 한다. 예를 들면 재료의 블록을 형성한 후 일정 크기가 되게 절단할 경우에는, 입상 다공성 물질이 바람직할 수 있다. 이와 대조적으로, 재료를 특정 크기의 물체를 제조하는데에 사용하는 경우에는, 다공성 물질의 시트 또는 모노리쓰가 바람직할 수 있다. 예를 들면 다공성 시트를 바람직하게는 탄성 바닥 타일의 제조에 사용할 수 있고, 다공성 물질의 모노리쓰 격자를 하중-지지 구조물의 제조에 사용할 수 있다. 구형 비드 형태의 다공성 물질이 본 발명의 특정 실시양태에서 특히 바람직하다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 다공성 물질은 전형적으로 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 입자크기(즉 입자의 가장 큰 치수에서의 횡단면 직경), 예를 들면 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1.0 ㎜ 내지 약 5.5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 또는 55 ㎜(바람직하게는 약 1 내지 약 5 ㎜, 더욱 바람직하게는 약 1.0, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0, 2.25 또는 2.5 ㎜ 내지 약 2.75, 3.0, 3.25, 3.5, 3.75, 4.0, 4.25, 4.5 또는 5.0 ㎜)의 입자크기를 갖는다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 다공성 물질은 전형적으로 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥, 전형적으로 약 1 내지 약 100 ㎏/㎥의 비드 밀도(고려되는 최종 용도의 함수로서 변함)를 갖는다. 전형적으로 비드 밀도는 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 또는 15 ㎏/㎥ 내지 약 75, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 또는 950 ㎏/㎥, 더욱 바람직하게는 약 16, 17, 18 또는 19 ㎏/㎥ 내지 약 51, 52, 53, 54, 55, 60, 65, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 또는 200 ㎏/㎥, 가장 바람직하게는 약 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 또는 30 ㎏/㎥ 내지 약 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 60, 70, 80, 90 또는 100 ㎏/㎥이다.

본원에서 사용되는 것으로 고려되는 바람직한 다공성 물질은 추가로, 본 발명의 실시에서 사용되는 중합체 시스템의 경화 동안에 발생되는 기체의 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 이상 또는 거의 전부를 흡수하기에 충분한 기공률을 가짐을 특징으로 할 수 있다. 특정 바람직한 실시양태에서, 다공성 물질의 기공률은, 중합체 물질의 적어도 일부분이 (예를 들면 수동적 유동, 압력-구동된 유동, 및/또는 모세관 유동 또는 기타 동역학적 및/또는 열역학적 과정에 의해서) 강제로 다공성 물질 내로 밀어넣어져서, 다공성 물질의 몸체 내로 침투하는 중합체의 미시적이면서 잠재적으로는 거시적인 덩굴, 손가락, 필라멘트 또는 기타 돌출부를 형성할 수 있게 하는 정도이다. 또한, 발생된 기체의 적어도 일부분을 수용하는 수용기로서의 역할을 하는 다공성 물질의 능력으로 인해서, 중합체 매트릭스 내에 갇히게 되는 기포의 개수 및/또는 크기가 감소되므로, 중합체 매트릭스의 강도 및 밀도가 증가될 수 있다. 이와 대조적으로, 비-다공성 물질은 이러한 능력을 갖지 않기 때문에, 본 발명의 실시에서 사용된 기체-발생 중합체 시스템의 경화시 발생되는 기체의 상당량이 배출되는 것을 허용할 것이다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 다공성 물질의 평균기공크기는 전형적으로 약 0.05 내지 약 1,000 마이크론, 바람직하게는 약 0.1 내지 약 500 마이크론, 더욱 바람직하게는 약 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 또는 40 마이크론 내지 약 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 또는 450 마이크론이다. 이러한 평균기공크기가 일반적으로 바람직하지만, 이보다 작거나 큰 기공크기도 특정 실시양태에서는 바람직할 수 있다. 마찬가지로, 좁은 기공크기 분포가 일반적으로 바람직하지만, 보다 넓은 기공크기 분포도 특정 실시양태에서는 허용가능하거나 바람직할 수 있다. 예를 들면, 보다 많은 중합체 매트릭스를 다공성 물질 내로 밀어넣음으로써 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료의 상대강도를 증가시키는 것이 요구되는 경우에서는, 기공으로의 모세관 유동을 향상 또는 억제하도록 기공의 개수 및 깊이를 필요한 만큼 증가 또는 감소시킬 수 있다. 한편으로는, 제조 동안에 재료에 증가된 압력 및/또는 온도를 적용시키거나, 중합체의 점도를 감소시키거나, 상호작용을 위해 유사하거나 상용성인 표면에너지를 제공하는 중합체와 다공성 물질의 조합을 선택하거나(또는 선택된 다공성 물질을 개질하거나), 중합체 매트릭스를 다공성 물질에 침입시키는 기타 동역학적 및/또는 열역학적 과정을 사용함으로써, 중합체의 다공성 물질로의 침입을 증대시킬 수 있다.

그라프트 공중합체 시스템을 사용할 수도 있는데, 이러한 시스템에서 제 1 중합체 성분은 우선적으로 다공성 물질의 기공 내에서 중합될 수 있고 다공성 물질의 외부로 돌출될 수 있으며, 다공성 물질의 외부에서 비교적 연속적인 매트릭스를 형성할 수 있는 제 2 중합체 성분과 (직접 또는 하나 이상의 연결자 분자를 통해) 결합할 수 있다. 이러한 시스템을 사용한 결과, 제 1 중합체 성분을 다공성 물질의 바람직한 침투 수준의 달성을 돕는 것으로 선택할 수 있고, 제 2 중합체 성분을 매트릭스의 바람직한 성질, 예를 들면 강도 및 기타 물리화학적, 열적, 전기적 또는 기타 성질을 촉진하는 것으로 선택할 수 있다. 그 결과 얻어진 구조재료 및 기타 복합재료는, 잠재적으로 강한 매트릭스 물질에 의해 실질적으로 캡슐화되고 침투된 잠재적으로 경량인 다공성 물질을 포함한 덕분에 탁월한 성질을 나타낼 수 있다. 그 결과 달성된 매트릭스와 다공성 물질의 기계적 및/또는 화학적 맞물림은, 예를 들면 압축 강도 및 모듈러스, 전단 강도 및 모듈러스, 굴곡 강도 및 모듈러스, 및 인장 강도 및 모듈러스를 포함하는 구조재료의 실질적으로 개선된 성질에 기여할 수 있다. 두 중합체 성분을 사용하면, 각 성분의 기능을 최대화하도록 각 성분을 비교적 독립적으로 최적화시킬 수 있다는 장점이 있다.

그라프트 공중합체 시스템의 경우, 다단계 또는 일단계 중합 공정을 통해 제조를 수행할 수 있다. 예를 들면, 다단계 공정에서는, 제 1 중합체 성분이 다공성 물질의 기공 내에서 중합되는 것을 허용할 수 있고, 그 후에 다공성 물질과 제 1 중합체 성분을 추가적 단계에 적용시키는데, 이 단계에서는 제 2 중합체 성분을 제 1 중합체 성분에 직접 또는 연결자를 통해 결합시켜, 다공성 물질을 캡슐화하면서도 다공성 물질에 침투하는 매트릭스를 형성한다. 일단계 공정의 한 예에서는, 제 1 중합체를, 우선적으로 다공성 물질의 기공 내에 분배되는 것으로 선택 또는 사용하며, 제 2 중합체를, 우선적으로 다공성 물질의 기공의 외부에 분배되는 것으로 선택 또는 사용하고, (연결자 분자를 사용하거나 사용하지 않고서) 제 1 중합체 성분과 제 2 중합체 성분이 서로 그라프팅되도록 중합을 진행시킨다.

본원에서 사용하는 것으로 고려되는 다공성 물질은 추가로 그의 표면적을 특징으로 한다. 전형적으로, 약 0.5 내지 약 500 m/g²의 표면적이 고려되며, 약 2 내지 약 100 m/g²의 표면적이 바람직하다.

해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시에서 사용되는 다공성 물질의 형태 및 크기는 상이한 물성(예를 들면 상이한 강도 및 밀도)을 갖는 최종 결과물을 제공하도록 다양할 수 있다. 일반적으로, 사용된 입자가 작을수록, 그 결과 얻어진 결과물의 압축강도, 전단강도 및 중량은 커진다. 이와 대조적으로, 사용된 입자가 클수록, 일반적으로 결과물은 보다 가요성이고 덜 경질이고 더 가볍다. 입자 밀도에 있어서는, 일반적으로, 사용된 입자의 밀도가 높을수록, 그 결과 얻어진 결과물의 압축강도, 전단강도 및 중량은 높아진다. 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 기타 폴리올레핀 또는 기타 비드와 같은 다공성 물질을, 특정 최종 용도의 요건을 충족시키도록, 다양한 밀도로 제조할 수 있다. 예를 들면, 발포 폴리스티렌 또는 기타 비드의 다양한 밀도를, 다양한 방식으로, 예를 들면 비드 전구체의 제조에 사용된 발포제의 양 및 유형을 조절함으로써, 달성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다공성(입상 또는 비-입상) 물질은 전형적으로 최종 물품의 부피의 약 50 내지 99 부피% 이상을 차지한다. 바람직하게는 부피는 전술된 배합물의 50, 60, 70, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 또는 99 부피%이며, 바람직한 부피%는 고려되는 최종 용도에 따라 달라진다. 예를 들면, 결과물의 부력이 요구되는 경우(예를 들면 보트, 서핑보드, 부유 장치, 선거 부표 등에 사용되는 경우)에는 보다 높은 입자 함량이 바람직한 반면에, 높은 구조적 일체성이 요구되는 경우에는 보다 낮은 입자 함량이 바람직하다. 일반적으로, 약 90 부피% 이상의 다공성 물질을 갖는 재료가 바람직하며, 약 95, 96, 97, 98 또는 99 부피% 이상의 다공성 물질을 갖는 재료가 특히 바람직하다. 재료를 전술된 바와 같이 제조 동안에 압축시킬 수 있기 때문에, 투입되는 다공성 물질의 부피는 최종 재료의 부피의 100% 보다 실질적으로 더 클 수 있고, 이 때 그 부피는 최종 재료의 부피의 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 220, 240, 260, 280, 300, 400, 500 내지 약 800 %를 거뜬히 초과한다는 것을 알아야 한다.

추가로 이와 관련하여, 본 발명의 물품을, 이것이 그의 제조 동안에 적용받는 % 압축률로서 기술할 수 있다. 압축은, (주형과 같은) 한정된 공간 내에서의 배합물의 물리화학적 팽창에 의해 중개되거나, 주형 또는 기타 한정된 공간 내에 함유된 기체-발생 또는 기타 중합체 시스템에 외부적으로 가해질 수 있다. 제조 동안에, 본 발명의 재료는 5 내지 10 부피% 정도의 작은 압축률에 적용될 수 있으며, 80 또는 90 부피% 이하 또는 그 이상의 압축률도 본원에서 고려된다. 보다 높은 강도가 요구되는 용도에서는, 약 5, 10, 15, 20, 25 또는 30 내지 약 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 또는 75 부피%의 압축률이 바람직하다.

본 발명의 배합물의 제조에 사용되는 성분의 상대강도에 있어서, 다공성 물질은 전형적으로 배합물의 약 5 내지 약 90 중량%를 차지하며, 다공성 입상 물질의 중량 범위는 고려되는 최종 용도에 따라 달라진다. 바람직하게는 다공성 물질은 배합물의 약 10, 12, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40 또는 45 중량% 내지 약 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 또는 85 중량%를 차지한다. 특정 실시양태에서, 해당 분야의 숙련자들라면, 보다 높은 또는 보다 낮은 부피%, 및/또는 보다 높은 또는 보다 낮은 중량%도 허용가능하거나 바람직할 수 있음을 알 것이다.

예를 들면, 재료가 온천의 아크릴 욕조를 단열 및 보강하는데 사용되는 경우, 재료는 단열성 및 압축강도 둘 다를 갖출 것이 요구된다. 만족스러운 정도의 압축강도는 온천의 욕조에 함유된 물 및 그것을 점유한 사용자에 의해 초래되는 중량 부하로 인해 일어날 수 있는 아크릴의 균열을 감소시킬 수 있다. 이러한 실시양태의 한 예에서, (약 2 파운드/세제곱 피트의 최종 밀도를 갖는 5㎜ 이하의 폴리올레핀 비드(예를 들면 발포 폴리스티렌 및 폴리에틸렌 비드)의 혼합물을 사용할 때) 다공성 물질은 약 40 내지 80 중량%, 바람직하게는 약 50 내지 70 중량%, 더욱 바람직하게는 약 60 중량%로 존재할 수 있다. 한편으로는, 재료가 서핑보드의 제조에 사용되는 경우, 그 결과 얻어지는 결과물은 경량이고 톨루엔 디이소시아네이트(TDI) 균질 폴리우레탄 발포체의 강도보다 높은 강도를 가질 것이 요구된다. 이러한 실시양태의 한 예에서, (약 3 파운드/세제곱 피트의 최종 밀도를 갖는 1.2㎜의 비드를 사용할 때) 다공성 물질은 약 30 내지 70 중량%, 바람직하게는 약 40 내지 60 중량%, 또는 더욱 바람직하게는 약 50 중량%로 존재할 수 있다. 또다른 실시양태에서, 재료가 구조재료의 제조에 사용되는 경우에는, 경량 및 고강도 특성을 갖는 재료가 요구된다. 이러한 실시양태의 한 예에서, (약 10.5 파운드/세제곱 피트의 최종 밀도를 갖는 1.2㎜의 비드를 사용할 때) 다공성 물질은 약 10 내지 40 중량%, 바람직하게는 약 15 내지 30 중량%, 더욱 바람직하게는 약 18 중량%로 존재한다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 다공성 물질의 예는 폴리올레핀(예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등 뿐만 아니라 이들의 혼합물 및/또는 공중합체를 포함하는 비드), 자갈 및 기타 실리카-기재의 물질, 유리 비드, 세라믹, 버미쿨라이트, 펄라이트, 라이태그(lytag), 미분된 비산재, 미연 탄소, 활성탄소 등 뿐만 아니라, 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함한다. 본원에서 사용되는 것으로 고려되는 많은 다공성 물질을 볼 때, 본 발명의 특정 실시양태에서는, 폴리스티렌 이외의 다공성 물질을 사용한다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 다공성 물질의 예는 넓게는 약 0.4 내지 25 ㎜의 입자크기, 및 약 0.75 내지 60 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌(및 기타 폴리올레핀); 바람직하게는 약 0.75 내지 15 ㎜의 입자크기, 및 약 0.75 내지 30 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 및 바람직하게는 약 0.75 내지 10 ㎜의 입자크기, 및 약 0.75 내지 10 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌을 포함한다. 발포 폴리스티렌의 예는 약 0.4 내지 0.7 ㎜의 입자크기, 및 약 1.25 내지 2.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.4 내지 0.7 ㎜의 입자크기, 및 약 1.5 내지 3.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.7 내지 1.1 ㎜의 입자크기, 및 약 1.0 내지 1.5 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.7 내지 1.1 ㎜의 입자크기, 및 약 1.5 내지 3.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 1.1 내지 1.6 ㎜의 입자크기, 및 약 1.0 내지 1.2 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 1.1 내지 1.6 ㎜의 입자크기, 및 약 1.5 내지 3.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.4 내지 0.65 ㎜의 입자크기, 및 약 1.25 내지 4.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.6 내지 0.85 ㎜의 입자크기, 및 약 1.25 내지 4.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.75 내지 1.2 ㎜의 입자크기, 및 약 1.25 내지 4.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.375 내지 0.75 ㎜의 입자크기, 및 약 1.35 내지 2.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.65 내지 2.0 ㎜의 입자크기, 및 약 1.15 내지 2.0 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.4 내지 0.8 ㎜의 입자크기, 및 약 1.35 내지 1.8 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 약 0.8 내지 1.3 ㎜의 입자크기, 및 약 0.9 내지 1.35 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌; 및 약 1.3 내지 1.6 ㎜의 입자크기, 및 약 0.75 내지 1.15 lb/ft³의 밀도를 갖는 발포 폴리스티렌 등을 포함한다.

폴리올레핀의 한 예인 발포 폴리스티렌을 전형적으로는, 설탕과 유사한 외관을 갖고 있어서 상업적으로 "설탕"이라고 칭해지는 결정질 폴리스티렌을 시클로펜탄과 같은 발포제와 함께 가열함으로써(발포제는 제조 공정 동안 결정질 폴리스티렌 내에 갇힘) 제조한다. 결정 크기를 조절하여 바람직한 최빈 직경(modal diameter)의 최종 비드 크기 분포를 달성한다. 열 및 압력 조건이 제어되는 가운데, 결정은 연화되고 발포제는 기화되어, 결정 몸체 내에 미시적 기포를 형성한다. 결정은 충분히 연화된 후, 모세관력에 의해 결국에는, 도 1에 도시된 바와 같은, 다소 불규칙한 형태 및 크기의 기포를 갖는, 벌집과 유사한 반-육각형 조밀 기포 구조인 내부 구조를 갖는 구형으로 변형된다. 비드가 팽창된 후에는, 이것을 반응 용기에서 꺼내서 경화를 위해 저장한다. 갇힌 발포제가 대기압에서 계속 기체를 배출하는 동안에, 비드 표면의 내파 및 기포의 붕괴를 방지하기 위해서 비드를 서서히 냉각시킨다. 비드가 충분히 냉각되면, 비드는 그의 인접한 비드와 합체하지 않고서 그의 구형 형태를 유지한다. 비드의 외관은 도 2에 도시된 바와 같이 거칠고 불규칙적이며, 융기부와 함몰부를 갖는다. 발포 폴리스티렌 비드 내 공기의 % 함량은 전형적으로 약 90 내지 97 %이다. 본 발명과 관련해서 다공성 물질로서 사용될 수 있는 수많은 기타 물질의 기술적 특징이 해당 분야에 공지되어 있으며, 예를 들면 후술되는 실시예에서 제공된 참고문헌을 참고하도록 한다.

예를 들면 발포 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 본원 및 해당 분야에서 기술된 바와 같은 기타 폴리올레핀 또는 기타 다공성 물질과 같은 다공성 물질을, 제어되는 조건 하에서, 기체-발생 중합체 전구체와 잘 혼합하면, 각각의 개별 비드가 중합체 혼합물로써 습윤될 수 있고, 중합 반응이 일어나기 시작하고, 액체 중합체는, 덩어리가 닫힌 주형에서 억류될 때 화학적 중합 반응에 의해 생성된 기체에 의해 형성된 표면 결함 및 공극을 통해, 실과 유사하거나 분지된 필라멘트 형태로서 비드의 내부 구조 내로 강제로 밀어넣어질 수 있다. 임의적으로는, 보다 많은 양의 중합체를 다공성 물질 내로 강제로 밀어넣기 위해 추가의 압력을 가함으로써, 보다 강하지만 약간 더 조밀한 재료를 형성할 수 있다. 미시적 필라멘트 또는 기타 돌출부는, 냉각되고 경화되면, 단단해지고 딱딱해지는 반면에, 각각의 비드의 외부에 남아있는 중합체는 성형된 구조물을 다소 균일한 매트릭스 내에 붙잡아두는 역할을 한다. 다공성 물질 및 중합체의 종류에 따라서, 특정 필라멘트 또는 기타 돌출부가 구형 발포 폴리스티렌 비드 내에 결합할 수 있는 반면, 다른 것은 그렇지 않을 수 있다. 다공성 비드를 함유하는 중합체 매트릭스의 횡단면이 도 3에 도시되어 있다. 이 비드는 중합체 물질의 필라멘트 또는 기타 돌출부가 침투한 부분 뿐만 아니라, 경화시 발생한 기체가 흡수된 다공성 부분도 포함한다. 임의의 특정 이론에 의해 뒷받침된 것은 아니지만, (예를 들면 중합 반응의 기체의 배출에 의하거나 외부적으로 가해진 제어된 수압 및/또는 모세관압 또는 기타 힘에 의해) 형성된 필라멘트 또는 기타 돌출부는, 통상적인 재료에 비해 더 우수한 본 발명의 재료의 강도 및 기타 성질에 기여한다. 발포 폴리올레핀(예를 들면 폴리스티렌, 폴리에틸렌 등) 대 총 중합체의 비율을 변화시킴으로써, 한편으로는 강하면서 매우 가벼운 재료 내지 또다른 한편으로는 동일한 밀도를 갖는 통상적인 발포 중합체보다 훨씬 더 무겁고 엄청나게 강한 재료를 제조할 수 있다.

대형 비드(10)를 중합체 매트릭스(1) 내에 함유하는, 본 발명에 따르는 재료의 한 예가 도 4에 도시되어 있다. 소형 비드(11)를 중합체 매트릭스(1) 내에 함유하는, 본 발명에 따르는 재료의 한 예가 도 5에 도시되어 있다. 대형 비드(10)와 소형 비드(11)의 혼합물을 중합체 매트릭스(1) 내에 함유하는, 본 발명에 따르는 재료의 한 예가 도 6에 도시되어 있다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 중합성 성분은 중합시 기체를 발생시키는 중합체 시스템, 또는 경화시 하나 이상의 발포제로 처리될 수 있는 중합체 시스템 뿐만 아니라, 기타 시스템을 포함한다. 이러한 시스템은 추가로 다양한 측면에서, 예를 들면 점도에서 특징지워질 수 있다. 본원에서 사용되는 것으로 고려되는 적합한 중합성 성분은 전형적으로 25℃에서 약 200 내지 약 50,000 센티포이즈, 바람직하게는 약 400 내지 약 20,000 센티포이즈, 특히 바람직하게는 약 800 내지 약 10,000 센티포이즈의 점도를 갖는다.

해당 분야의 숙련자가 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시에서 사용되기에 적합한, 해당 분야에 공지된 많은 중합체 시스템이 있다. 예를 들면, 단독중합체, 공중합체, 블록 공중합체, 그라프트 공중합체 등이 사용될 수 있다. 본원에서 사용되는 것으로 고려되는 중합체의 예는 폴리에틸렌, 폴리비닐 수지, (고밀도 및 저밀도) 폴리프로필렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS) 공중합체, 폴리우레탄 등 뿐만 아니라, 이들 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함하며, 이들은 각각 특정한 경화전 및 경화후 물성을 갖는다.

본 발명의 한 실시양태에서는, 중합체 성분들의 조합을 사용하여 다공성 물질을 코팅하고 중합체 매트릭스를 형성할 수 있다. 따라서, 한 양태에서, 제 1 중합체(흔히는 다공성 물질에 대해 우수한 습윤성을 가지므로 다공성 물질을 용이하게 코팅하고 그의 기공 속으로 침입하는 저점도 물질)를 사용하여 다공성 물질을 코팅할 수 있고, 이어서 코팅된 입자를 추가로, 경화시 실질적으로 최종 물품의 매트릭스를 형성하는 제 2 중합체와 접촉시킬 수 있다. 제 1 중합체 물질과 제 2 중합체 물질을 적절하게 선택한다면, 각 중합체 시스템의 경화시, 두 중합체 시스템은 서로 반응하여, 그 결과로 얻어지는 물품의 성질을 추가로 향상시킬 것이다. 또다른 양태에서, 전술된 두 상이한 중합체 시스템들은 단일의 그라프트 공중합체로서 화합하여, 그라프트 공중합체의 일부분은 다공성 물질에 대해 현저한 친화력을 갖고 그라프트 공중합체의 나머지 부분은 경화시 강한 매트릭스를 형성할 것이다.

어떤 경화 공정은 발열성이고 어떤 경화 공정은 흡열성이다. 본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 바람직한 중합체 시스템은 약하게 또는 적당하게 발열성이어서, 본 발명의 재료를 제조하는데에는 단지 최소한의 가열 및 냉각이 요구된다. 약한 발열성 시스템은, 반응을 촉진하기 위해서 가열을 필요로 하지 않고, 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료의 다공성 성분으로서 사용되는 것으로 고려되는 물질의 상당량을 용융시킬 정도로 많은 열을 발생시키지 않고, 잠재적 첨가제를 필요로 하지 않는다는 점에서, 본 발명에 따르는 재료를 제조하기에 특히 편리하다. 본 발명의 바람직한 양태에서는, 제조시에 외부적으로 가열 또는 냉각을 하지 않고서도, 경량 고강도 재료를 용이하고 비용-효과적으로 제조할 수 있다. 그러나, 보다 신속한 순환(cycling)이 요구되는 특정 용도의 경우에는, 해당 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 반응의 진행을 촉진하기 위해 외부 가열 및/또는 냉각을 수행할 수도 있다.

어떤 중합체 시스템은 경화 공정의 일부로서 기체를 발생시키는 반면, 어떤 중합체 시스템은 상이한 특성을 갖는 다양한 외부 발포제(예를 들면 펜탄, 시클로펜탄, 이산화탄소, 질소 등)의 첨가를 필요로 한다. 해당 분야의 숙련자들이 알고 있는 바와 같이, 발포제는 외부적으로 첨가되거나, 본 발명의 재료의 제조 동안에 동일반응계에서 (예를 들면 내부에 기체를 함유할 수 있는 다공성 물질의 압축에 의해) 발생될 수도 있다. 전술된 시스템의 중합은 다양한 온도, 때로는 100℃를 초과하는 온도에서 일어날 수 있으며, 이러한 공정은 때로는 승압, 예를 들면 수 bar 이하의 압력에서 수행된다. 본원에서 논의된 바와 같이, 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료의 제조 동안에 압력을 증가시킴으로써, 성분들을 압축시키는 동시에 추가의 중합체 매트릭스를 다공성 물질의 내부로 밀어넣을 수 있는데, 이 두 과정 모두가 결과물의 강도를 증가시키는 경향이 있다. 가해지는 압력의 양은 바람직하게는, 다공성 물질의 상당한 부분을 붕괴시킬 만큼 크지는 않으면서 중합체를 다공성 물질 내로 어느 정도 강제로 밀어넣기에 충분한 양이다. 본원에서 사용되는 것으로 고려되는 많은 기체-발생 중합체 시스템을 볼 때, 본 발명의 특정 실시양태에서는, 폴리우레탄 이외의 기체-발생 중합체 시스템을 사용하는 것을 고려한다. 한편으로는, 그라프트 공중합체의 일부분은 우선적으로 다공성 물질의 내부에 존재하고, 그라프트 공중합체의 또다른 일부분은 우선적으로 다공성 물질의 외부에 존재하는 그라프트 공중합체 시스템을 사용할 수 있는데, 두 공중합체 성분을 (직접 또는 연결자 분자를 통해) 결합시킴으로써, 중합체 매트릭스에 의해 실질적으로 캡슐화되고 침투된 다공성 물질 코어를 형성하여, 비교적 경량이면서도 높은 강도 및 구조적 일체성을 갖는 구조재료 및 기타 복합 재료를 얻는다.

바람직하게는, 본 발명의 실시에서 사용되는 중합성 성분은 약 50℃ 이상의 온도에서 안정하다. 이로써 이러한 물질의 취급이 용이해지며 조기 경화의 발생이 최소화된다. 또한, 본 발명의 실시에서 사용되는 중합성 성분은, 이것의 안정성 및/또는 반응성에 영향을 미칠 수 있는 광, 대기, 산소, 물 등에의 노출에 안정한 것이 흔히 바람직하다.

해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 다공성 물질과 중합성 시스템의 수많은 조합을 본 발명의 실시에서 사용할 수 있다. 적합한 조합을 선택할 때에는, 두 성분들 사이의 접촉각, 다공성 물질에 대한 중합성 시스템의 표면장력, 다공성 물질의 기공크기, 다공성 물질의 기공의 모세관 반경, 선택된 조합의 가공시 가해지는 압력 등과 관련하여, 두 성분들의 상용성을 고려해야 한다. 해당 분야의 숙련자들이 알고 있는 바와 같이, 이러한 인자들을 변화시킴으로써, 다공성 물질의 "습윤성"을 변경시킬 뿐만 아니라 본원에서 기술된 바와 같이 중합체의 다공성 물질로의 상대적 침투를 변경시킬 수 있다(그럼으로써 그 결과 얻어지는 복합재료의 강도를 잠재적으로 증가시킬 수 있음). 다양한 특정 용도에 맞게 최적화된 성질을 갖는 다양한 상이한 물질들을 쉽게 제조할 수 있다는 점이 이러한 방법의 큰 이점이다.

본 발명에 따르는 바람직한 방법에서는, 폴리우레탄 매트릭스의 제조에 있어서, 예를 들면 디이소시아네이트를 기재로 하는 기체-발생 중합체 시스템을 사용한다. 디이소시아네이트의 경화는 단순하고, 실온 또는 거의 실온에서 일어나고, 그 자체의 기체(즉 이산화탄소)를 발생시키고, 반응물인 이소시아네이트와 폴리올의 중합 동안에 적당한 가열만 하면 되는 이점을 갖는다. 위에서 논의된 바와 같이, 경화 동안에 발생된 기체는 다공성 물질에 의해 실질적으로 흡수될 수 있다.

바람직한 우레탄 매트릭스를 기재로 하는 본 발명의 배합물의 이점 중의 하나는, 이러한 배합물은, 많은 통상적인 기체-발생 배합물과는 달리, 경화시 휘발성 유기 화합물(VOC)을 실질적으로 배출하지 않는다는 사실이다.

본 발명의 실시에서 사용되는 것으로 고려되는 본 발명의 바람직한 기체-발생 중합성 성분은 폴리우레탄, 치환된 폴리우레탄 등 뿐만 아니라, 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함한다. 해당 분야에 공지된 바와 같이, 폴리우레탄을 경질 발포체, 가요성 발포체, 고체, 접착제 등을 포함하는 다양한 형태로 제조할 수 있다.

해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시에서 유용한 폴리우레탄의 제조를 위해, 다양한 디이소시아네이트 및 폴리올 출발 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, m-페닐렌 디이소시아네이트, p-페닐렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 2,4-톨릴렌 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 듀렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐이소프로필리덴 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐 술폰 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐 에테르 디이소시아네이트, 비페닐렌 디이소시아네이트, 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트 등과 같은 다양한 방향족 디이소시아네이트를 사용할 수 있다.

마찬가지로, 에틸렌 글리콜, 1,2-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,4-시클로헥산디올, 글리세롤, 1,2,4-부탄트리올, 트리메틸올 프로판, 폴리(비닐 알콜), 부분 가수분해된 셀룰로스 아세테이트 등을 포함하는 다양한 폴리올 출발 물질이 본 발명에 따르는 폴리우레탄의 제조에 사용되기에 적합하다. 난연제를 다공성 물질에 (예를 들면 수지와 혼합하기 전에) 첨가하거나, 본 발명에 따르는 중합 동안 또는 중합 후에 첨가할 수 있다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 난연제는 불꽃이 퍼지는 것을 지연시키는 임의의 화합물, 예를 들면 부틸화 트리페닐 포스페이트 등을 포함한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 유동성 향상제는 배합물의 점도를 감소시키고/시키거나 유동성을 개선시키는 임의의 화합물, 예를 들면 2,2-디메틸-1-(메틸에틸)-1,3-프로판디일 비스(2-메틸프로파노에이트) 등을 포함한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 가소제(유연제라고도 함)는 배합물의 취성을 감소시키는 화합물, 예를 들면 배합물의 유리전이온도(Tg)를 저하시키는 분지된 폴리알칸 또는 폴리실록산을 포함한다. 이러한 가소제는 예를 들면 폴리에테르, 폴리에스테르, 폴리티올, 폴리술파이드 등을 포함한다. 가소제는, 사용된다면, 전형적으로 배합물의 약 0.5 내지 약 30 중량%로 존재한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 경화 지연제(기포 크기 조절제 또는 급냉제로서도 공지되어 있음)는 낮은 반응성의 라디칼을 형성하는 화합물, 예를 들면 (일반적으로) 실리콘 계면활성제 등을 포함한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 경화 가속제는 기본 중합체 시스템의 경화 속도를 향상시키는 화합물, 예를 들면 촉매활성 물질, 물 등을 포함한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 강도 향상제는, 이것이 첨가된 중합체 물질의 성능을 증가시키는 화합물, 예를 들면 가교제 등을 포함한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 자외선 차단제는 입사되는 자외선을 흡수함으로써, 차단제가 첨가된 수지 또는 중합체 시스템에 대한 자외선의 부정적 효과를 감소시키는 화합물을 포함한다. 자외선 차단제의 예는 비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리디닐) 세바케이트, 실리콘, 금속 화합물 분말 등을 포함한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 염료는 니그로신, 오라솔 블루 GN(Orasol blue GN), 프탈로시아닌 등을 포함한다. 유기 염료는, 사용된다면, 비교적 소량(즉 약 0.2 중량% 미만의 양)으로도 색대비를 제공한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 안료는 색을 배합물에 부여할 목적으로만 첨가되는 임의의 특정 물질, 예를 들면 카본블랙, 금속 산화물(예를 들면 Fe₂O₃, 이산화티탄) 등을 포함한다. 안료는, 사용된다면, 전형적으로 기본 배합물에 대해 약 0.5 내지 약 5 중량%로 존재한다.

충전제 역시 본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려된다. 충전제는 본 발명의 배합물에 첨가됨으로써, 압축강도, 전단강도, 유연성, 내부 저항(예를 들면 못, 나사 등을 고정시키는데 유용함), 내마모성, 충격강도, 난연성, 내식성, 증가된 밀도, 감소된 밀도 등 중 하나 이상을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 충전제는 금속, 광물, 천연 섬유, 합성 섬유 등을 포함한다. 이러한 충전제는 임의적으로 (전기적 및/또는 열적으로) 전도성일 수 있다. 본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 전기 전도성 충전제는 예를 들면 전이금속(예를 들면 은, 니켈, 금, 코발트, 구리), 알루미늄, 은-코팅된 흑연, 니켈-코팅된 흑연, 이러한 금속들의 합금 등 뿐만 아니라, 흑연, 전도성 중합체 등과 같은 비-금속, 및 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함한다. 분말 및 박편 형태의 충전제 둘 다가 본 발명의 조성물에 사용될 수 있다. 바람직하게는 박편은 약 2 마이크론 이하의 두께를 갖고, 약 20 내지 약 25 마이크론의 평면 치수를 갖는다. 본원에서 사용되는 박편은 바람직하게는 약 0.15 내지 5.0 ㎡/g의 표면적 및 약 0.4 내지 약 5.5 g/cc의 탭밀도(tap density)를 갖는다. 특정 실시양태에서, 상이한 크기, 표면적 및 탭밀도의 박편이 바람직하게 사용될 수 있다. 본 발명의 실시에서 사용되는 분말은 약 0.5 내지 15 마이크론의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 충전제는, 존재한다면, 전형적으로 배합물의 약 5 내지 약 95 부피%, 바람직하게는 10, 15, 20 또는 25 부피% 내지 약 90 부피%, 더욱 바람직하게는 약 30, 35, 40, 45, 50, 55 부피% 내지 약 60, 65, 70, 75, 80 또는 85 부피%를 차지한다.

본 발명의 특정 실시양태에서 사용되는 것으로 고려되는 열 전도성 충전제는 예를 들면 질화알루미늄, 질화붕소, 탄화규소, 다이아몬드, 흑연, 산화베릴륨, 마그네시아, 실리카, 알루미나 등을 포함한다. 바람직하게는 이러한 충전제의 입자크기는 약 0.1 내지 약 100 마이크론, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 10 마이크론, 가장 바람직하게는 약 1 마이크론일 것이다. 그러나 특정 실시양태에서는 보다 크거나 작은 입자크기도 사용될 수 있다. 질화알루미늄이 충전제로서 사용되는 경우, 이것은 접착성 컨포멀(conformal) 코팅(예를 들면 실리카 등)에 의해 부동화되는 것이 바람직하다.

임의적으로, 전기적으로나 열적으로 전도체가 아닌 충전제를 사용할 수 있다. 이러한 충전제는 예를 들면 경화된 물질의 감소된 열 팽창률, 감소된 유전상수, 개선된 인성, 증가된 소수성 등과 같은 기타 몇몇 성질을 본 발명의 배합물에 부여하기에 바람직할 수 있다. 이러한 충전제의 예는 합성 물질, 예를 들면 과플루오르화 탄화수소 중합체, 열가소성 중합체(예를 들면 폴리프로필렌), 열가소성 탄성중합체, 폴리-파라페닐렌 테레프탈이미드, 유리 섬유, 흑연 플라이, 흑연 섬유, 나일론, 레이온, 재생 중합체, 재생 고형 재료, 고형 폐기물(scrap), 고형 중합체 물질, 금속 폐기물, 재분쇄 칩, 박편상 칩, 분말, 종이, 파쇄물(crumb), 고무, 유리, 중공 중합체 비드, 충실 중합체 비드, 중공 유리 비드, 충실 유리 비드, 유리 파편, 재생 조성물 슁글, 재생 아스팔트, 재생 지붕 재료, 재생 콘크리트, 재생 타이어, 탄소 뿐만 아니라, 다양한 기타 공정후 또는 소비후 플라스틱 및 기타 물질 등을 포함한다. 충전제는 또한 천연 물질, 예를 들면 운모, 발연 실리카, 융합 실리카, 모래, 톱밥, 자갈, 돌덩어리, 면, 삼, 왕겨, 코코넛 껍질 섬유, 새우 껍데기, 대나무 섬유, 종이, 팝콘, 팝콘 덩어리, 뼈, 종자, (예를 들면 쌀, 밀 또는 보리의) 짚 섬유 끄트러기 등 뿐만 아니라 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 충전제는 다공성 또는 비교적 무공성일 수 있다. 다공성 충전제의 경우, 본 발명의 재료의 중합체 매트릭스는 이러한 충전제의 내부 뿐만 아니라 주위로 연장하여, 잠재적으로 본 발명의 재료에 추가로 강도를 부여할 수 있다.

본원에서 때로는 페트리폼이라는 상표의 구조재료 및 기타 복합재료로서 칭해지는, 본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료는 (필요하다면) 약 8000 내지 약 10,000 psi, 또는 그 이상일 수 있는 탁월한 압축 모듈러스를 갖도록 제조될 수 있다. 필요 용도에 따라서, 본 발명의 재료는 2000, 4000, 8000, 10,000, 20,000, 40,000, 100,000 또는 그 이상의 압축 모듈러스를 갖도록 제조될 수 있다. 본 발명의 재료의 탁월한 압축강도 외에도, 이러한 재료는 균열 전까지 400, 1000, 4000, 8000, 12,000 또는 그 이상의 압축 압력을 견딜 수 있다. 실제로, 본 발명의 재료를 경화시킨 후, 본 발명의 물품을 (균열을 일으키지는 않을 만큼의) 상승된 압축 압력에 노출시키면 향상된 강도를 갖는 물품을 제조할 수 있다.

본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료는 예를 들면 샘플의 굴곡 모듈러스에 의해 측정된 바와 같이 탁월한 탄성을 가질 수도 있다. 이러한 재료는 후술되는 바와 같이 다양한 특정 용도에서 유용하다. 전형적으로 본 발명의 재료는 약 10,000 내지 약 14,000 psi 또는 그 이상의 굴곡 모듈러스를 갖는다. 적합한 충전제를 사용함으로써 보다 높은 굴곡 모듈러스의 재료를 제조할 수 있다. 예를 들면, 필요하다면, 재생 물질로부터 유래될 수 있는 가요성 플라스틱 또는 고무와 같은 가요성 물질 뿐만 아니라 기타 가요성 물질을 사용함으로써, 특정 용도에 맞게 가요성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 재료에 의해 제공될 수 있는 추가의 바람직한 성질은 탁월한 절연성, 내수성, 에너지 흡수성(임의적으로는 탁월한 기억 효과를 포함함, 여기서 본 발명의 재료는 충격을 받은 후 실질적으로 자신의 원래 형태로 되돌아감), 내곰팡이성, 레이더 흡수성 등을 포함한다.

탁월한 강도를 갖는 구조 재료가 요구되는 본 발명의 실시양태에서, 중합체 매트릭스는 발포 동안에 보다 작고 보다 작게 형성된 공동을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 실시양태에서, 중합체의 경화 동안에 발생된 기체의 대다수 및 바람직하게는 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95, 98% 이상 또는 보다 바람직하게는 실질적으로 전부가 다공성 물질에 의해 흡수되고, 다소의 중합체 물질은 바람직하게는 다공성 물질의 몸체 내로 강제로 밀어넣어진다. 그 결과 얻어진 중합체 매트릭스는, 다공성 물질에 의해 점유된 부분을 제외하고서는, 바람직하게는 비교적 충실하며, 중합체의 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질의 몸체 내로 연장된다. 임의의 특정 이론에 의해 뒷받침된 것은 아니지만, 비교적 충실한 중합체 매트릭스와 다공성 물질의 몸체 내로 연장된 중합체 필라멘트 또는 기타 돌출부의 조합이 강도, 굴곡 모듈러스 및 압축성을 포함하는 본 발명의 재료의 특별한 성질에 기여하는 것으로 생각된다. 비교적 충실한 중합체 매트릭스가 일반적으로 바람직하지만, 강도가 감소될 수 있는 특정 실시양태에서, 공동을 갖는 매트릭스도 허용될 수 있고, 심지어 바람직할 수도 있는데, 왜냐하면 이것은 보다 가벼운 재료를 보다 적은 비용으로 제조할 수 있게 하기 때문이다.

보다 다양한 잠재적인 용도에서 사용되기에 적합한 보다 우수한 구조적 일체성을 갖는 구조재료 및 기타 복합재료를 제조하기 위해서, 하나 이상의 보강 구조물을 본 발명의 재료 내에 첨가할 수 있다. 보강재료의 예는 천연 섬유, 합성 섬유, 실리카-기재의 재료 또는 기타 구조물 뿐만 아니라, 이들 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함한다. 이러한 보강재료는 임의의 크기, 형태, 길이 등을 가질 수 있다. 해당 분야의 숙련자가, 재료의 최종 용도에 따라서, 임의의 첨가되는 보강재료의 적합한 치수를 용이하게 결정할 수 있다.

본 발명의 재료에 하나 이상의 보강재료를 첨가하는 것 대신에 또는 이러한 첨가에 부가하여, 임의적으로는 적합한 접착성 물질, 접착성 촉진제, 또는 타이 코트(tie coat)를 필요에 따라 사용함으로써, 하나 이상의 외장재료를 본 발명의 재료에 피복할 수 있다. 예를 들면 금속, 중합체, 천, 식물 섬유 또는 기타 천연 섬유, 합성 섬유, 유리, 세라믹을 포함하는 외장재료, 익스팬디드 메탈 및 스크린 등 뿐만 아니라, 이들 중 임의의 둘 이상의 조합과 같은 다양한 외장재료가 이러한 목적에 적합하다. 본원에서 사용되는 것으로 고려되는 추가의 외장재료는 천연 물질(예를 들면 목재), 합성 시트 물질(예를 들면 아크릴 시트 물질), 천연 또는 합성 직물(예를 들면 케블라(Kevlar) 직물) 등을 포함한다. 도 7에는 외장재료가 본 발명의 재료의 한쪽 면에 결합된 것만 예시되어 있지만, 외장재료는 본 발명의 재료의 다수의 면에 결합될 수 있다(예를 들면 외장재료는 본 발명의 재료의 상면 및 저면에 피복될 수 있거나 본 발명의 재료의 모든 면에 피복될 수 있으며, 해당 분야의 숙련자들에게 명백하게 알려진 기타 변형 양태로서 피복될 수 있음). 이러한 외장재료는 충실 표면, 다공성 표면, 화학적으로 식각될 수 있는 표면, 화학적으로 식각된 표면, 물리적으로 마모될 수 있는 표면, 물리적으로 마모된 표면 등의 형태일 수 있을 뿐만 아니라 이들 중 임의의 둘 이상의 조합의 형태일 수 있다. 특히 바람직한 실시양태에서는, 대나무에 종방향으로 본 발명의 재료를 채워서, 예를 들면 구조재료 또는 비계재료에서 사용되기에 적합한 강한 구조 부재를 제조한다. 본 발명의 이러한 양태에서 사용되는 것으로 고려되는 적합한 접착성 물질은 에폭사이드, 폴리에스테르, 아크릴, 우레탄, 고무, 시아노아크릴레이트 등 뿐만 아니라, 이들 중 임의의 둘 이상의 조합을 포함한다.

본 발명의 구조재료 및 기타 복합재료의 이점 중 하나가, 이러한 재료는 많은 통상적인 구조재료 및 기타 복합재료, 특히 기체-발생 배합물을 사용하여 제조된 것과는 달리, 실질적으로 폐가스를 배출하지 않는다는 사실이다.

본 발명의 또다른 실시양태에 따라, 다공성 물질과 기체-발생 중합성 성분을 배합하고, 그 결과 얻어진 배합물을 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건에 적용함을 포함하는, 약 8000 psi 이상의 압축 모듈러스, 및 약 10,000 내지 약 14,000의 굴곡 모듈러스를 갖는 구조재료 및 기타 복합재료의 제조방법이 제공된다. 실질적으로 폐쇄되거나 가압된 시스템을 사용하는 중합 공정 동안에, 발생된 실질적으로 모든 기체는 다공성 물질에 의해 흡수되고, 중합체 물질의 일부는 다공성 물질의 몸체 내로 강제로 밀어넣어질 수 있다.

본 발명의 방법에 의해 고려되는 배합을 다양한 방식으로 수행할 수 있다. 예를 들면, 기체-발생 중합성 성분과 다공성 물질(및 특정 용도를 위한 임의의 첨가 성분)를 혼합한 후, 기체-발생 중합성 성분이 경화되도록 한다. 본 발명의 한 실시양태에서는, 혼합물을 주형에 넣고, 주형을 닫고, 기체-발생 중합성 성분이 경화되도록 한다. 본 발명의 또다른 실시양태에서는, 혼합물을 한정된 공간에 넣고, 출발 화합물의 원래 부피보다 작은 부피가 되게 압축시킨다. 또다른 방법으로서 혼합물을 개방 시스템으로 제조하거나, 표면 상에 분무하거나 달리 도포할 수 있다. 추가의 강도가 요구되는 경우, 발생한 기체가 다공성 물질에 의해 실질적으로 흡수되고 몇몇 중합체가 다공성 물질의 몸체 내로 강제로 밀어넣어지도록, 압축과 동시에 경화시킬 수 있다.

본 발명의 배합물에 압력을 가하여 그의 부피를 감소시키는 경우, 다양한 범위의 압력, 전형적으로는 약 1 내지 약 10 psi의 압력을 사용할 수 있지만, 필요하다면 비교적 더 높은 강도의 복합재료를 제조하기 위해 보다 높은 압력을 가할 수도 있다. 한편으로는, 가해지는 압력과는 상관없이, 본 발명의 배합물을 한정된 공간에서 경화시켜, 경화된 물품이 출발 물질의 부피에 비해 감소된 부피를 갖도록 할 수 있다. 약 5 내지 10 % 내지 20 내지 40, 40 내지 60, 60 내지 80, 80 내지 90 % 또는 그 이상의 부피 감소를 본 발명의 실시에서 고려한다.

본 발명의 또다른 실시양태에서는, 특정 형태를 달성하도록 주형에서 본 발명의 물품을 제조하기 보다는, 규격화된 "구성 단위" 구조물을 제조한 후, 원하는 형태의 물품으로 조합할 수 있다. 이는, 본 발명의 재료를 예를 들면 우레탄, 에폭사이드 등과 같은 표준 접착성 물질을 사용하여 서로 용이하게 접착시킬 수 있기 때문에 가능하다.

바람직하게는, (발포성 중합성 성분과 같은) 중합성 성분을 다성분(예를 들면 2-성분) 시스템으로부터 제조하는 경우, 다공성 물질을 우선 중합성 성분중 하나와 혼합한 후에, 제 2 성분을 반응 용기에 첨가한다. 다공성 물질을 우선 2-성분 시스템의 보다 높은 점성의 성분과 혼합하는 것이 일반적으로 바람직하다. 예를 들면, 다공성 물질의 표면을 중합성 성분의 전구체로 실질적으로 완전히 코팅할 수 있다. 한편으로는, 다공성 물질의 표면을 중합성 성분의 전구체로 부분적으로만 코팅할 수 있다.

한편으로는, 본 발명의 물품을 1-성분 단량체(예를 들면 폴리우레탄)로부터 제조할 수 있는데, 이 경우에는 중합체의 모든 성분들을 다공성 물질과 배합하고, 여기에 물을 첨가함으로써 중합체의 경화를 개시한다. 매트릭스가 둘 이상의 상이한 작용성 중합체 기를 갖도록 설계된 블록 공중합체, 및/또는 전술된 바와 같이 다공성 물질에의 침투를 촉진시키도록 설계된 공중합체 시스템과 같은 그라프트 공중합체와 같은 공중합체를 사용할 수 있다.

반응 혼합물을 주형에 넣기 전에 외장재료 및/또는 코팅을 주형에 넣음으로써, 외장재료 또는 코팅을 본 발명의 물품에 피복할 수 있다. 한편으로는 성형 후에 외장재료 및/또는 코팅을 피복할 수 있다. 일체가 보강된 재료를 제조하도록 보강재료(예를 들면 금속망, 세라믹 또는 실리카-기재의 물질, 직물 또는 기타 옷감, 고무 등)를 주형에 첨가하는 것도 본 발명의 범주에 속한다. 외장재료가 부착된 본 발명에 따르는 물품의 예가 도 7에 도시되어 있다.

본 발명의 재료에 피복되는 것으로 고려되는 외장재료는 천연 물질(예를 들면 목재, 대나무 또는 기타 식물성 섬유), 합성 시트 물질(예를 들면 아크릴 시트 물질), 천연 직물(예를 들면 면 또는 삼), 합성 직물(예를 들면 케블라 직물, 탄소, 흑연, 유리 섬유 등과 같은 다양한 합성 섬유의 직물) 등을 포함한다. 해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 외장재료를 본 발명의 재료의 한쪽 면 또는 다수 면에 결합시킬 수 있다(예를 들면 외장재료는 본 발명의 재료의 상면 및 저면에 피복될 수 있거나 본 발명의 재료의 모든 면에 피복될 수 있으며, 해당 분야의 숙련자들에게 명백하게 알려진 기타 변형 양태로서 피복될 수 있음).

해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 다양한 코팅을 본 발명의 재료에 피복할 수 있다. 본 발명의 재료에 피복되는 것으로 고려되는 코팅 재료는 포틀랜드(Portlane) 시멘트(전형적으로는 수중 슬러리로서 피복되거나, 실리카-기재의 물질과 함께 사용되는 경우에는 그것으로 처리된 물품에 난연성을 부여함), 석고, 겔 코트, 투명 코트, 유색층, 비-점착 코팅, 미끄럼 방지 코팅, 접착제, 긁힘 방지 코팅, 금속화 코팅 등을 포함한다. 도 8은 코팅 재료로 피복된 본 발명의 재료를 도시한다. 어떤 코팅 재료의 경우에는, 본 발명의 물품에 대한 코팅의 부착력을 향상시키는 것이 좋다. 이를 다양한 방법으로, 예를 들면 이러한 물품의 표면을 물리적 및/또는 화학적으로 식각함으로써 달성할 수 있다. 따라서, 본원에서 설명된 바와 같이, 코팅이 피복된 물품의 표면적을 증가시킴으로써 코팅-처리되는 물품에 대한 코팅 재료의 부착력을 개선시킬 수 있다.

외장재료 및/또는 코팅을 본 발명의 재료에 피복하는 경우, 외장재료 및/또는 코팅이 피복되는 본 발명의 재료의 표면을 물리적 및/또는 화학적으로 마모시켜, 기재의 기공률을 증가시키고 본 발명의 재료에 대한 외장재료 및/또는 코팅의 부착력을 향상시킬 수 있다. 예를 들면 본 발명의 재료를 샌드블라스팅 및/또는 화학적 식각 또는 마모시켜 그의 표면을 마모시킴으로써, 본 발명의 재료의 표면에 외장재료 및/또는 코팅이 보다 잘 피복될 수 있게 한다. 본 발명의 특정 실시양태에서는, 외장재료 및/또는 코팅을 지지체의 어느 한 쪽 면에 피복할 수 있다. 이러한 구조는 도 9에 도시되어 있다.

당해 분야의 숙련자는, 본원에서 사용된 기체-발생 또는 기타 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건을 용이하게 결정할 수 있다. 전형적으로, 이러한 조건은 일반적으로 실온 또는 거의 실온에서 중합제를 다공성 물질과 기체-발생 또는 기타 중합성 성분의 전구체의 조합에 첨가함을 포함한다. 따라서, 본 발명의 공정에서 가열 및 냉각은 최소한으로 요구되므로, 중합제를 첨가한 직후에, 다공성 물질, 기체-발생 또는 기타 중합성 성분의 전구체 및 중합제를 함유하는 용기를 진탕시킴으로써, 공정을 용이하게 수행할 수 있다.

본 발명의 특정 실시양태에 따라, 사용된 다공성 물질의 약 25, 30, 35, 40, 45, 50 중량% 이상은 전술된 바와 같이 재생(분쇄) 구조재료를 포함할 수 있다. 해당 분야의 숙련자들이 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 재생 물질 및 그의 최종 용도에 따라서, 보다 많은 양의 재생된 본 발명의 재료를 사용할 수 있다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 전술된 방법에 따라 제조된 물품이 제공된다.

본 발명의 또다른 양태에 따라, 본 발명의 재료로부터 제조된 물품이 제공된다. 이러한 물품은 특정 형태, 탁월한 압축 강도 및 모듈러스, 및 필요하다면, 높은 굴곡 모듈러스를 가질 수 있다. 이러한 물품은 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 가요성 또는 경질 중합체 매트릭스를 포함할 수 있다. 본 발명의 물품은 다양한 용도에 적합하도록 탁월한 성능을 갖는다. 본 발명의 재료의 특히 유용한 용도는 이것으로부터 제조된 구조물이 지진에 노출될 위험이 있는 경우이다. 본 발명의 재료는 이렇게 높은 강도 및 (탁월한 구조적 탄성 및 기억력을 포함하여) 기타 바람직한 성질을 갖고 비교적 경량이기 때문에, 본 발명의 재료로부터 제조된 구조물이 지진에 노출된 경우에서도 비교적 낮은 모멘텀이 발생된다. 따라서, 본 발명의 재료는 다양한 건축 용도에서 특히 바람직한 성질을 갖는다.

본 발명의 물품이 사용될 수 있는 다양한 용도의 예의 비-제한적 목록이 제공된다. 본 발명의 물품은 다음의 임의의 용도를 수행하기에 적당하도록 성형될 수 있다:

비행기/항공기/방어/발전(예를 들면 비행기 부품, 원격조종비행체 부품, 순항 미사일, 태양열 동력 비행기, 열 보호벽, 로켓 모터 케이스, 부속물, 군사용 무인기, 키트(kit) 비행기, 초경량 비행기, 비행기 보안/은닉 부품, 경량/보강 문, 기내 비품, 패널, 보안 구조 보호 시스템, 풍력 발전 프로펠러 및 날개, 수력 발전 바퀴 또는 날개, 터빈, 태양열 발전용 지지 구조물, 해면효과익선(wings-in-ground-effect craft), 레이더 흡수 재료, 비행기 엔진 덮개, 비행기 프로펠러 날개, 비행기 플랩, 비행기 방향키, 비행기 동체, 비행기 보조익, 수상 비행기 플로트(float), 행글라이더, 로켓 모터 연료 탱크용 절연재료 등),

농경용품(예를 들면 식물 보호기 및 파종기, 가축용 먹이 공급기, 전기 울타리 말뚝, 가축 축사 등),

마당/잔디밭/정원/애완동물/원예/온실(예를 들면 개집, 급이 및 급수 접시, 보호막 및 천개, 애완동물장, 노숙용 매트, 동물 선적용 우리, 개 및 고양이 침대, 고양이 발톱갈개(scratchier), (예를 들면 잔디밭, 현관, 정원, 안뜰 등을 위한) 플라스틱 가구, 장식예술 패널 및 스크린, 장식용 스탬핑 및 트림, 방설용 울타리, 플라워박스, 포트, 튜브, 꽃병, 잔디밭 및 정원 분수대, 정원 장식물, 단지 등),

전자제품(예를 들면 원거리 통신 안테나, 케이블 릴, 케이블 트레이, 배터리 박스, 배터리 저장 선반, 광전지, 이동전화 안테나, 전기 배선관 등),

설비(예를 들면 가전제품, 예를 들면 냉장고, 식기세척기, 레인지, 전자레인지, 세탁기, 건조기 등 뿐만 아니라, 다양한 용도의 하우징, 예를 들면 텔레비젼, 컴퓨터, CRT, 사무용 기기, 전자레인지, 식기세척기, 세탁기 및 건조기, 압축기, 냉동고, 냉장고, 에어컨, 제습기, 휴대용 난로 등을 위한 하우징 등),

냉각용품(예를 들면 냉장창고, 샴페인통, 얼음통, 음료 냉각기, 냉각기 액체받이, 냉동창고, 냉장 화물 열차, 얼음창고, 냉장 수송차, 냉장고 단열재료 등),

사무용 설비 및 전자제품(예를 들면 복사기, 컴퓨터, 컴퓨터 부품, 컴퓨터, 텔레비젼 부품, 전화기, 설비용 주물 및 케이스, 전동 공구, 전동식 케이스 및 선반 등),

건축 및 건설 - 곰팡이, 흰개미의 공격 등에 영향받지 않는 재료를 사용하면 이점을 얻을 수 있는 임의의 용도. 예를 들면 수영장, 수영장 커버, 온수 욕조, 온수 욕조 커버, 냉각탑, 욕조 및 샤워 부품, 교량 상로부, 교량, 육교 구조물, 내진 보강 구조물, 간선도로 표지판, 고속도로 충격흡수 방호벽 및 흡음 측벽, 단열 구조 패널, 주택 건축, 상업용 건물 건축용 패널, 건물 세부장식물 및 외장재료, 소음감소벽, 단열재료, 방수재료, 콘크리트 주형 및 주물, 제조용 주형 및 주물, 골조 시스템, 말뚝, 샌드위치형 부품, 간선도로 반사식 도로 경계 표시, 조립식 주택, 조립식 사무실, 간선도로 충격흡수 방호벽, 경주로 충격흡수 방호벽, 지붕재료, 바닥재료, 벽재료, 문 라미네이트, 목재 라미네이트, 규격 판재 및 패널, 재난대피 및 군사용 임시 방공호, 생활 폐기물 처리 건물 및 탱크, 병원 및 수술실, 무균실 및 실험실, 정화 시설, 목욕탕, 냉장 창고, 부엌, 식당, 사무실, 상품보관소, 작업장 및 차량 정비소, 컴퓨터 제어실, 가구, 탁자, 문, 비행기 격납고, 들것, 관, 침대, 쓰레기통, 보냉 음료수캔, 부패하기 쉬운 음식물용 보냉 용기, 냉난방 장치용 단열 배관, 주택의 현장 제작 및 건설, 주택, 사무실, 임시 거주지, 건축용 블록 및 벽돌, 극지방용 구조물, 발포 폴리스티렌 발포체로 제조된 집을 위한 내부 구조 충전물, 타일이 깔린 착륙면을 위한 그린 보드(green board)의 대체물, 조리대, 탁자 윗면, 책상 윗면, 작업대 표면, 트림 보드(trim board), 새시, 셔터, 벽재료, 시트, 건물 주물 및 장식 주물, 문, 문틀, 창틀, 단열 및 구조 슬라이딩 패널, 옹벽, 경량 휴대용 보도 및 개인용 교량, 갑판 재료, 레일 재료, 울타리, 대문(gate), 가축 우리, 간이 차고, 차양, 중장비용 머드 매트(mud mat), 기중기 리깅 매트(rigging mat), 자동차 및 보행자 바리케이드, 원추형 도로 표지, 가드레일 및 포스트, 주의 및 안전 표지판, 택시 및 버스 대합실, 농장 건물 및 저장 창고, 이동식 건물, 조립식 구조물, 조립식 건물 및 구조물, 간이 탈의실, 천개, 인조 벽판, 이동식 교실, 무균실, 임시 방죽, 시멘트 및 콘크리트용 구조 주형, 건축용 혼합팬, 복합 규격 판재, 다양한 유형의 시트, 가공 판재 및 대들보, 압출 시트 및 성형품, 주조된 벽난로 선반, 지붕 및 바닥 버팀목, 단열 문, 단열 지붕 시스템, 라미네이팅된 베니어 시트, 샌드위치형 벌집 모양 패널, 방음벽, 보행자 교량, 차고 문, 지붕 시트, 지붕 슁글, 도로, 발판 시스템, 발판 판재, 사우나 건물 및 욕조, 문 피복재료, 임시 인도용 판재, 속바닥, 캐비넷 등,

산업용품(예를 들면 저장 창고, 방탄 울타리 및 시스템 및 트랩, 후드, 수통, 적재용 붐, 활송 장치, 주둥이, 개스킷, 튜브, 조명 기구, 천정 팬 날개, 산기장치, 세탁물 바구니, 팬 하우징, 바퀴, 날개판, 맨홀 및 맨홀 뚜껑, 소화전, 안전 커버, 팔레트 래핑 재료, 우편함, (재사용 및/또는 재활용 가능한) 팔레트, 팔레트 상자, 오버헤드 도어(overhead door), 주차장 바리케이드, 주차장 보도경계석, 방 칸막이, 의자 및 벤치, 선반 재료, 탄도 방패, 샤워실 및 욕실 칸막이, 릴 및 스툴, 트레이 등),

산업용 라이너(예를 들면 화물 컨테이너 라이너 및 시스템, 열차 라이너, 벽장 라이너, 모든 유형의 코팅, 드럼 라이너, 후드, 용수로 라이닝, 방음벽 등),

가구(예를 들면 덮개가 대어진 가구의 프레임, 벤치, 지붕없는 관람석의 의자, 의자, 스툴, 절첩식 카드놀이용 탁자, 탁자, 사무실 칸막이 등),

소비자용 및 산업용 포장 제품(예를 들면 쓰레기통 및 도구 상자, 음식물 보관 용기, 초경량 항공화물 컨테이너, 재사용 가능한 상자 및 선적용 컨테이너, (포장 운송용) 나무상자, 겉관, 묘지, 재활용 가능한 포장 재료, 포장 및 선적 컨테이너, 공동묘지 관, 판지 상자, (뚜껑이 붙은) 깡통, 대포, 탄약통 및 탄약 상자, 저장용 통 및 (가운데가 불룩한) 통, 접이식 상자 및 선적용 나무 상자, 원양항해선 선적 컨테이너, 골진 플라스틱 용기 및 포장재료, 맞춤 성형된 플라스틱 상자 및 하우징, 드럼, 달걀용 판지 상자 및 케이스, 악기 케이스, 절첩식 박스, 판지 상자, 쓰레기통, 곡식을 넣는 상자, 소매상점 비품, 선반, 성형된 케이스 및 상자, 조리대, 가구 등),

표지판 및 제품 디스플레이(예를 들면 게시판, 지울 수 있는 게시판, 교체가능한 문자 알림판, 종이 끼우개판, 디스플레이 보드, 상자, 캐비넷, 케이스, 비품, 패널, 선반 및 스탠드, 탁자, 트레이, 라이트박스, 액자, 군사용 과녁(육,해,공), 옥외 광고 간판, 무대 장치 및 소도구, 시사회 부스 및 디스플레이 등),

레저용품(예를 들면 스포츠용품, 골프채, 캠핑용품, 운동용품, 스노우보드, 서핑보드, 부기 보드(boogie board), 골프 카트, 볼링용품, 운반용 백 및 상자, 모터사이클 헬멧, 자전거 헬멧, 기타 스포츠용 헬멧, 팔꿈치 및 무릎 보호대, 장갑, 구두 및 부츠를 포함하는 경기용 및 비-경기용 신발류, 스키, 스케이트보드, 캠핑 트레일러, 소총, 엽총, (회전식) 연발 권총, 팔뚝 보호대, 유인용구, 눈신, 승마용 안장, 눈 썰매 등),

아동용 장난감/실외 장난감(예를 들면, 성, 놀이집, 그네, 미끄럼틀, 모래상자, 장난감 수납함 및 상자, 쌓기 블록, 알파벳 장난감, 주행중 안전을 위한 좌석 및 속박 장치, (식사 때의 아동용) 높은 의자, 의자, (난간이 있는) 어린이 침대, 책상, 침대, 모래상자, 탁자와 같은 가구, 장난감 자동차 및 승용물, 소형 트럭, 그네, 스프링 달린 승용 동물, 목마, 흔들 목마 등),

내식성 설비(예를 들면 방오 설비, 폐수 처리 제품, 배관 부품, 지상 및 지하 저장 탱크, 펌프, 컨테이너, 및 화학적 가공, 펄프/종이 가공 및 오일/가스 산업에 사용되는 다양한 설비, 오일 및 가스 채취 설비, 발전용 바퀴 등),

전기/전자 설비(예를 들면 하우징 및 전기 차단기 상자, 폴 라인 하드웨어(pole line hardware), 전기 접속부 및 절연부, 봉 및 튜브, 지국 설비, 전자 극초단파 부품, 전기 인클로저 및 조명 인클로저, 3D 보드, 폴리에스테르 패널 보드 등),

해양용품(예를 들면 요트, 보트, 제트 스키, 카누, 선거, 개인용 선박 및 정박 용구, 군함, 선박, 경주용 선박, 선박용 설비 및 모터 커버를 포함하는 상업용 선박 및 부품, 해면효과익선, 표지 부표, 정박 부표, 채널, 설비, 정밀 부표, 기상 관측용 부표, 어망 부표, 구명 보트, 보트 방현물, 사용전 부풀려지는 보트의 경질 선체, 선거 보관 상자, 딩기 및 워터 텐더(dingy and water tender), 부유식 노 및 오어, 해양 스포츠용품, 다이브약(diveyak), 게 및 가재 통발 표지, 창구 커버, 컴포지션 보트 닻, 선거 발판, 수영장 플랫폼 부표, 승선용 사닥다리, 평저 보트, 조종대, 휴대용 및 붙박이 주방 아이스박스, 냉장고, 주방 탁자 및 캐비넷, 생선 세척장, 조종실 탁자, 구명구, 구명 부환, 범선용 경질 돛, 낚시용 인공 유인물 및 미끼, 낚시용 사닥다리, 접이식 보트, 평저 보트 및 갑판, 범선용 데거보드(dagger board) 및 키, 지붕있는 배, 보트 및 선박의 선체, 구명 보트, 소형 보트 등),

선거(예를 들면 부유하고, 절첩되고, 이동가능한 경사로, 컴포지트 선거 널빤지 및 판재, 천개, 커버, 방공호, 난간, 잠수용 부낭, 개인용 선박을 건조한 상태로 보관하기 위한 부유식 보관 선거 등),

운송수단(예를 들면 자동차 부품, 트럭 운전석, 자동차 운전석 및 내부, 레저용 차량(RV) 부품, 농기구, 범퍼 보강재료, 측면-충격에 대한 보강재료, 구조 개선재료, 안전 장비, 상자, 선적용 컨테이너, 기차 부품, 지하철 부품, 유개화차, 철도용 합성 침목, 모터사이클, 스쿠터, 자동차 패널, 외장용품, 경찰차량 보강재료, 후미 충격 및 화재로부터 보호하기 위한 조립식 충격 장치, 전면 및 후면 범퍼, 신규 양산 차량 및 기존 플리트의 후면 부품, 일체구조식 차체를 보다 강하게 만들고, 차량으로 하여금 그의 구조적 일체성을 잃지 않고서도 보다 강한 충격에 견딜 수 있게 하는 보강 일체구조식 차체(monocouqe body) 디자인, 보강 케이지(cage) 디자인 및 개선 충격완화구역(crumpled zone) 디자인, 본 발명에 따르는 보강재료를 테두리와 접촉면 사이에 함유하는(차량으로 하여금 타이어 파손 또는 파열 후 안전하게 정지할 수 있게 하고, 차량의 탈선, 샛길로의 크로스오버 및 전복을 방지하고, 예비 타이어가 필요없게 만드는) 타이어 도넛, 차양판, 핸들, 접이식 팔걸이, 휠캡, 발판, 방화벽을 위한 자동 단열 및 방음 재료, 지붕, 후드, 문, 바닥, 내부 운전석 충격 흡수재료, 지주, 문 패널, 지붕, 계기판, 앞좌석 뒷면, 좌석 프레임, 본 발명의 재료로 라이닝된 후면 펜더 내부 패널, 트렁크 뚜껑 및 바닥, 프레임 포인트 앵커 침투 파열 및 화재가 멈추는 것을 돕고 후미 붕괴, 측면 충격, 측면 함입으로부터 초래된 에너지를 흡수하는 것을 돕는, 가스 탱크 주위의 뒷좌석 앵커 패널, 트럭 및 차량 범퍼, 자동차 및 상업적, 산업적 설비, 택시 차체, 바닥 매트, 열차, 자동차 스톱(stop) 및 받침대, 장갑 차 및 트럭, 커스텀 트레일러(custom trailer), 밴, 차량, 계기판, 비행기, 보트, 선박, 선박 홀 딕 커버(ship hole dick cover), 자동차 및 보트 배터리 케이스, 케이블 무개 대형 화차, 이삿짐 트럭 등),

환경/폐수 처리(예를 들면 위험 물질을 위한 일시적 및 이동식 2차 유출물 수용 시스템 및 정화 물질 수용 시스템, 부유식 탱크 상부, 부유식 오물 저수지 커버, 조립식 탱크, 용수로, 수문, 둑 문, 보조 수문, 부유식 경사분리기, 유출유 붐, 유출물 수거 접시 및 팬, 정화조, 저수 탱크 및 커버, 활송 장치, 냉각 용기, 온침기 탱크, 풍동, 옥외 직립형 저장 탱크, 양어장 탱크, 양어장, 유출유 수거 시스템용 부력체, 저수지 라이너, 쓰레기 매립지, 유출유 수거 시스템, 태양열 집열판 등),

의료/건강관리용품(예를 들면, 의료장비용 주물, 부품, 케이스, 정형외과용품, 인공기구, 일회용 부목, 가구 등), 등.

본 발명의 방법 및 이 방법으로 제조된 물품의 바람직한 용도는 건축 패널, 구조 보강재료, 방음재료, 단열재료, 방수재료, 조리대, 수영장, 수영장 커버, 서핑보드, 온수 욕조, 온수 욕조 커버, 냉각탑, 욕조, 샤워 부품, 저장 탱크, 자동차 부품, 및 개인용 선박 부품의 제조를 포함한다.

본 발명의 추가의 실시양태에 따라, 전술된 물품을 최종 용도에 따라 다양한 방식으로 추가로 개질할 수 있다. 예를 들면, 방염 코팅, 미끄럼 방지 코팅, 목재 외장재료, 아크릴층, 직물 외장재료 등을 물품에 피복할 수 있다(예를 들면 도 7, 8 및 9를 참고). 물품을 예정된 형태로 성형할 수 있거나, 물품의 두께를 감소시키기에 충분한 압축 에너지를 물품에 가할 수 있다. 물품을 원하는 형태로 절단 및/또는 천공할 수 있고, 물품을 총체적인 재생을 위해 분쇄할 수 있고, 샌딩, 평삭, 성형, 천공, 압축하거나, 일정 공정을 거치게 할 수 있다.

본 발명의 또다른 실시양태에 따라, 전술된 임의의 방법에 의해 제조된 물품이 제공된다.

본 발명의 추가의 실시양태에 따라, 다공성 물질과 기체-발생 중합성 성분을 배합하여 예비-중합 혼합물을 형성하고; 이 예비-중합 혼합물을, 기체-발생 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건에 적용시켜, 경화된 물품을 제조하고, 이어서 이 경화된 물품에, 약 5 내지 10, 10 내지 40, 40 내지 80, 80 내지 100, 100 내지 400, 400 내지 800, 800 내지 1600, 1600 내지 3000, 3000 내지 5000 또는 5000 내지 10,000 psi 또는 그 이상의 압축 압력을, 물품이 원하는 물성을 달성하기에 충분한 시간동안 적용시킴을 포함하는, 20,000 psi 이상의 압축 모듈러스, 및 약 10,000 내지 약 14,000 psi의 굴곡 모듈러스를 포함하는 향상된 성질을 갖는 구조재료 및 기타 복합 재료의 제조방법이 제공된다.

해당 분야의 숙련자들은 기체-발생 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건을 용이하게 결정할 수 있다. 이 조건을, 사용된 중합성 성분의 유형에 따라 선택한다. 예를 들면 폴리우레탄은, 일단 다양한 폴리우레탄 수지 성분들이 배합되면, 전형적으로 비교적 온화한 온도(즉 약 실온(약 25℃) 내지 약 70℃)에서 경화되기 시작할 것이다.

본 발명의 또다른 실시양태에 따라, 적어도 일부분이 다공성인 물질과 발포성 중합성 성분을 포함하는 예비-중합 혼합물을, 발포성 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건에 적용시켜, 경화된 물품을 제조하고, 이어서 이 경화된 물품에, 약 5 내지 10, 10 내지 40, 40 내지 80, 80 내지 100, 100 내지 400, 400 내지 800, 800 내지 1600, 1600 내지 3000, 3000 내지 5000 또는 5000 내지 10,000 psi 또는 그 이상의 압축 압력을, 물품이 원하는 물성을 달성하기에 충분한 시간동안 가함을 포함하는, 20,000 psi 이상의 압축 모듈러스, 및 약 10,000 내지 약 14,000 psi의 굴곡 모듈러스를 갖는 구조재료 및 기타 복합 재료의 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 실시양태에 따라, 적어도 일부분이 다공성인 물질과 발포성 중합성 성분을 포함하는 예비-중합 혼합물을, 발포성 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건에 적용시켜, 경화된 물품을 제조하고, 이어서 이 경화된 물품에, 약 5 내지 10, 10 내지 40, 40 내지 80, 80 내지 100, 100 내지 400, 400 내지 800, 800 내지 1600, 1600 내지 3000, 3000 내지 5000 또는 5000 내지 10,000 psi 또는 그 이상의 압축 압력을, 물품이 원하는 물성을 달성하기에 충분한 시간동안 가함을 포함하는, 20,000 psi 이상의 압축 모듈러스, 및 약 10,000 내지 약 14,000 psi의 굴곡 모듈러스를 갖는 구조재료 및 기타 복합재료의 제조방법이 제공된다.

본 발명을 하기 비-제한적 실시예를 통해 보다 자세하게 기술할 것이다.

실시예 1

본 발명에 따라 다공성 물질과 블렌딩하기 위한 몇몇 폴리우레탄 배합물을 제조하였다. 각 배합물에 대해서, (각 성분의) 모든 원료를 폐쇄 시스템 혼합 포트에 넣고, 이어서 배치 크기에 따라 1 내지 2시간 동안 계속 교반함과 동시에 블렌딩하였다. 경화 공정을 수행하는데에는 어떠한 가열도 필요하지 않았다.

배합물 1(흑색/난연제)

중량% 범위

성분 A - 이소시아네이트:

디페닐메탄 디이소시아네이트(중합체성 MDI) 88.5 내지 94.5

트리클로로프로필포스페이트(난연제) 5.5 내지 11.5

성분 B - 폴리올:

폴리에테르 폴리올(수크로스/글리콜 블렌드),

히드록실가 375 내지 400 73.1 내지 93.4

폴리올 폴리에테르 디올, 히드록실가 265 8.4 내지 12.5

3차 아민(촉매) 0.1 내지 2.50

디메틸에탄올 아민(DMEA)(촉매) 0.35 내지 1.2

물(발포제) 0.4 내지 1.5

실리콘 계면활성제 0.08 내지 2.2

(폴리에테르 폴리올 분산액 중) 흑색 안료 0.3 내지 1.5

배합물 2(백색)

중량% 범위

성분 A - 이소시아네이트:

개질 단량체성 MDI 100.00

성분 B - 폴리올:

폴리에테르 폴리올(수크로스/글리콜 블렌드) PO 팁(PO Tip),

히드록실가 375 내지 400 82.5 내지 91.5

폴리올 폴리에테르 트리알, 히드록실가 250 5.5 내지 13.5

실리콘 계면활성제 0.08 내지 1.5

디메틸에탄올 아민(DMEA)(촉매) 0.35 내지 1.0

물 0.20 내지 1.3

3차 아민(촉매) 0.25 내지 1.2

유기 계면활성제(9 내지 10 Mol) 0.35 내지 0.7

배합물 3(천연색)

중량% 범위

성분 A - 이소시아네이트:

디페닐메탄 디이소시아네이트(중합체성 MDI) 100.00

성분 B - 폴리올:

수크로스 아민, 히드록실가 350 30.5 내지 42.0

수크로스 아민, 히드록실가 530 45.0 내지 60.0

아민 폴리올, 히드록실가 600 2.8 내지 9.0

물 0.20 내지 1.3

실리콘 계면활성제 0.35 내지 0.7

배합물 4

중량% 범위

성분 A - 이소시아네이트:

디페닐메탄 디이소시아네이트(중합체성 MDI) 100.00

성분 B - 폴리올:

방향족 폴리올, 히드록실가 350 37.0 내지 60.0

폴리에테르 폴리올(수크로스/글리콜 블렌드),

히드록실가 370 60.0 내지 35.0

DEG(디에틸렌 글리콜) 1.5 내지 4.0

실리콘 계면활성제 0.08 내지 1.5

디메틸에탄올 아민(DMEA)(촉매) 0.35 내지 1.0

245(a) HCFC(발포제) 0.4 내지 1.5

물 0.4 내지 1.5

배합물 5(1-성분 배합물)

중량% 범위

폴리올 폴리에테르 트리올, 히드록실가 34 42.0 내지 50.0

디페닐메탄 디이소시아네이트(중합체성 MDI) 42.0 내지 50.0

가소제 10.0 내지 20.0

디아민 촉매 0.01 내지 0.2

실시예 2

성능

본원에서 요약된 바와 같이, 본 발명의 실시에서 유용한 몇몇 중합체 시스템을 제조하고, 그의 성능을 평가하였다.

실시예 1에 기술된 배합물 1을 사용하여, 2-성분 경질 수-발포 폴리우레탄 구조재료를 제조하였다. 이 재료는 단단하거나 강한 표면을 필요로 하는 용도에서 탁월한 성능을 제공하며, 비용-효과적으로 목재를 대체하므로, 가구 산업(예를 들면 가구, 캐비넷 등의 제조) 및 액자 산업과 같은 다양한 산업에서 사용된다. 노동력이 많이 드는 조각 또는 선반절삭(lathing)을 수행하지 않고서도, 부품을 우레탄 재료로부터 손쉽게 성형할 수 있다. 경화된 재료의 전형적인 물성이 표 1에 명시되어 있다.

전형적인 물성
(성분에 대한)	시험 방법	성분 A	성분 B
점도(cps)	ASTM D-2393 브룩필드 LVF, 2호 스핀들, 12rpm	100 내지 200	1000 내지 1400
비중	ASTM D-1638	1.2	1.04
중량/gal.lb		10.0	8.68
혼합비	중량 기준	52	48
혼합비	부피 기준	50	50
(경화된 재료에 대한)
밀도(lbs./ft3)	10(기타 밀도도 유효함)

배합물의 크림 시간(cream time)은 약 30 내지 약 60 초였고, 공정 조건을 조절하거나 첨가제를 사용함으로써 이를 조절할 수 있다. 상승(rise) 시간은 약 2 내지 약 4 분이었고, 공정 조건을 조절하거나 첨가제를 사용함으로써 이를 조절할 수 있다. 재료를 약 65 내지 약 85 ℉의 온도에서 유지함으로써, 성분 A(이소시아네이트) 및 성분 B(수지)의 보존 또는 저장 수명을 최대화할 수 있다. 저장 용기를 밀폐시킴으로써 수분 및 외부 물질로부터 보호한다.

실시예 1에 기술된 배합물 2(IPS 3001-10LV)은 2-성분 경질 수-발포 폴리우레탄 구조재료이다. 이 재료도 역시 단단하거나 강한 표면을 필요로 하는 용도에서 탁월한 성능을 제공하며, 비용-효과적으로 목재를 대체할 수 있다. 노동력이 많이 드는 조각 또는 선반절삭을 수행하지 않고서도, 부품을 우레탄-기재의 재료로부터 손쉽게 성형할 수 있다. 이것의 전형적인 물성이 표 2에 요약되어 있다.

전형적인 물성
(성분에 대한)	시험 방법	성분 A	성분 B
점도(cps)	ASTM D-2393 브룩필드 LVF, 2호 스핀들, 12rpm	200 내지 300	2400 내지 2600
비중	ASTM D-1638	1.2	1.04
중량/gal.(Lbs.)		10.0	8.68
혼합비	중량 기준	52	48
(경화된 재료에 대한)
밀도(lbs./ft3)	35 - 40
쇼어 D 경도	10

혼합물을 1,200 rpm에서 순간 혼합기(3" 직경)로 수동 혼합할 수 있다. 배합물의 크림 시간은 약 180 초였고, 공정 조건을 조절하거나 첨가제를 사용함으로써 이를 조절할 수 있다. 상승 시간은 약 60 내지 약 70 분이었고, 공정 조건을 조절하거나 첨가제를 사용함으로써 이를 조절할 수 있다. 재료를 약 65 내지 약 85 ℉의 온도에서 유지함으로써, 성분 A(이소시아네이트) 및 성분 B(수지)의 보존 또는 저장 수명을 최대화할 수 있다. 저장 용기를 밀폐시킴으로써 수분 및 외부 물질로부터 보호한다.

실시예 1에 기술된 배합물 3은 2-성분 경질 수-발포 폴리우레탄 구조재료이다. 이 재료는 단단하거나 강한 표면을 필요로 하는 용도에서 탁월한 성능을 제공하며, 비용-효과적으로 목재를 대체할 수 있다. 노동력이 많이 드는 조각 또는 선반절삭을 수행하지 않고서도, 부품을 우레탄 재료로부터 손쉽게 성형할 수 있다. 이것의 전형적인 물성이 표 3에 요약되어 있다.

전형적인 물성
(성분에 대한)	시험 방법	성분 A	성분 B
점도(cps)	ASTM D-2393 브룩필드 LVF, 2호 스핀들, 12rpm	100 내지 200	1000 내지 1400
비중	ASTM D-1638	1.2	1.04
중량/gal.lb.		10.0	8.68
혼합비	중량 기준	52	48
혼합비	부피 기준	50	50
(경화된 재료에 대한)
밀도(lbs./ft3)	10(기타 밀도도 유효함)

배합물의 크림 시간은 약 4 초였고, 공정 조건을 조절하거나 첨가제를 사용함으로써 조절할 수 있다. 상승 시간은 약 14 분이었고, 공정 조건을 조절하거나 첨가제를 사용함으로써 이를 조절할 수 있다. 재료를 약 65 내지 약 85 ℉의 온도에서 유지함으로써, 성분 A(이소시아네이트) 및 성분 B(수지)의 보존 또는 저장 수명을 최대화할 수 있다. 저장 용기를 밀폐시킴으로써 수분 및 외부 물질로부터 보호한다. 난연제를 배합물에 첨가할 수 있다.

실시예 3

예시적 페트리폼 재료의 제조

전술된 바와 같이, 반응 혼합물 내 원료들의 구성비는 최종 결과물의 원하는 물성에 따라 달라지므로, 재료의 최종 용도를 정하지 않고서는 이를 자세하게 언급할 수는 없다.

본 발명의 공정을 회분식 및 연속식 둘 다로써 수행할 수 있다. 회분식 공정을 다음과 같이 수행할 수 있다. 주형의 부피의 10 내지 20 % 정도를 초과하게 주형을 채우기에 충분한 양의 다공성 입상 물질(예를 들면 발포 폴리스티렌 비드, 또는 폴리에틸렌 비드, 또는 폴리프로필렌 비드, 또는 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물)를 혼합용 통에 넣는다. 수지(예를 들면 이소시아네이트)를, 각각의 개별 비드가 실질적으로 수지로 코팅될 때까지, 비드와 혼합하면서 교반한다. 이어서 마크로글리콜 (경화) 첨가제를 수지/비드 혼합물에 첨가하고, 글리콜이 혼합물 전체에 걸쳐 균일하게 분포될 때까지 계속 혼합을 수행한다. 글리콜을 최초로 첨가할 때, 중합 반응이 개시된다. 바람직하게는 물질을, 적합한 이형제로 코팅된 대기중인 주형으로, 주형의 모든 부분을 균일하게 채우기에 충분한 작업 시간을 보장하는 신속한 방법을 사용하여 옮긴다. 주형이 채워지면, 폴리우레탄 혼합물이 기체를 발생함에 따라 혼합물의 압축을 보장하기 위해 주형을 닫는다. 제조된 혼합물 및 제조된 물품 또는 재료의 본질에 따라, 주형을 약 10 내지 약 30 분 후에 열 수 있다. 이어서 공정을 반복하여 추가의 물품 또는 재료를 제조할 수 있다. 물품은 일반적으로는 약 24 시간 후에 최종 물성을 갖도록 완전히 경화된다. 주형 및/또는 액체 성분을 보충 가열함으로써 경화 공정을 가속시킬 수 있다.

1-성분 배합물을 사용할 때, 공정은 실질적으로 수지가 다공성 입상 물질과 혼합되는 시점과 같다. 이 시점에서, (경화가 이루어지게 하는) 화학양론적 양의 물을 교반된 혼합물에 분무하고, 최종 혼합물을 전술된 바와 같이 주형에 넣고, 주형을 압축하면서 닫는다.

본 발명의 재료의 제조를 다음과 같이 연속식으로 수행할 수 있다. 다공성 입상 물질을 함유하는 하나 이상의 저장 탱크, 기체-발생 중합성 성분의 성분을 함유하는 하나 이상의 탱크, 및 최종 물품 내로 혼입되는 임의의 기타 성분을 함유하는 하나 이상의 탱크를 사용한다. 각각의 이러한 성분을 계량하고, 단일 혼합 단계 또는 과정에서, 혼합기 압출기에 공급한다(예를 들면 폴리우레탄 수지의 이소시아네이트 전구체를 적합한 다공성 입상 물질과 블렌딩한 후, 여기에 폴리올을 첨가함). 이어서 성분들의 혼합물을, 본 발명의 재료의 형성이 필요한 장소로 옮긴다.

실시예 4

본 발명의 구조재료의 성능

본 발명에 따라 제조된 구조재료를, 표 4에 요약된 바와 같이, 그의 물성을 결정하는 다양한 시험에 적용하였다. 이 재료를, 1.5㎜의 직경을 갖는 발포 폴리스티렌 비드와 카본블랙 및 난연제를 함유하는 IPS 우레탄 혼합물(50 중량%/50 중량%)을 사용하여 제조하였다. 이 비드를 과량(주형의 부피의 115%)으로 주형에 첨가하였다. 이러한 시험을, 압축, 굴곡, 변형 및 전단의 관점에서 페트리폼 구조재료의 강도 및 성능을 결정하는 ASTM 방법에 따라 수행하였다. 또한, 페트리폼 구조재료에 대해, 열 전도도, 내수성, 박리강도, 피로내성, 내충격성 및 소음감소성과 관련된 성능을 평가하였다.

시험	표준	성질
압축강도(항복), psi	ASTM 1621	175
압축강도(10% 변형), psi	ASTM 1621	210
압축 모듈러스(psi)	ASTM 1621	8600
굴곡 모듈러스(psi)	ASTM 790	10,000 - 14.000
굴곡강도(psi)	ASTM 790	350 - 375
파단시 변형률(%)	ASTM 790	4
전단 모듈러스(psi)	NFT 56118	3185
포이즌비(Poisson's Ratio)		0.35
밀도(lb/ft3)		10.5
열 전도도*	푸리에 법칙(Fourier Law) 에 의함	0.037
24시간 후 수-흡수율(%)	0	0
박리강도*		탁월함
피로내성*		탁월함
내충격성*		탁월함
소음감소성*		탁월함

* 기타 시험 방법에 따라 결정함

표 4에 명시된 시험 결과, 및 도 10 및 11에 명시된 굴곡 모듈러스 및 압축 시험 결과는, 페트리폼 구조재료가 탁월한 성능 및 성질을 가짐을 보여준다. 수행된 주요 시험은 ASTM 1621인 "경질 발포 플라스틱의 압축 시험(Compression Testing of Rigid Cellular Plastics)", 및 ASTM 790인 "보강되지 않은 플라스틱 및 전기 절연 재료의 굴곡성에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced Plastics and Electrical Insulation)"이다. 이러한 시험은 페트리폼 구조재료가 대부분의 폴리우레탄 발포체 및 스티로폼의 압축강도 및 굴곡강도의 수배에 해당하는 압축강도 및 굴곡강도를 가짐을 보여준다. 전형적인 폴리우레탄 발포체는 40 내지 100 psi의 압축강도를 갖는 반면에, 전형적인 스티로폼은 5 내지 30 psi의 압축강도를 갖는다. 본원에서 제공된 데이타를 보면 알 수 있듯이, 페트리폼 구조재료는 통상적인 재료보다 기하급수적으로 큰 강도를 가질 수 있는 확실히 탁월한 재료를 제공하도록 제조될 수 있다.

실시예 5

구조 패널의 제조

직물 또는 기타 장식 커버로 덮인 사무실 패널을 지탱하는 경질 프레임을 제공하는 규격품, 레일, 채널 및 기타 철 부품과 함께 사용되도록 설계된 구조 패널을 제조하였다. 통상적인 패널은 목재 또는 입자판으로 구성되며, 이러한 표면은 둘 다, 모델 및 사무실 장식에 따라서, 패딩 및 직물 또는 기타 장식 재료로써 마감된 마소나이트(MASONITE, 등록상표)로 덮인다. 모든 부품을 조립하는 것은 노동력이 많이 들고 비용이 많이 드는 일이다. 또한 최종 패널이 매우 무겁기 때문에 선적 비용도 많이 든다. 예를 들면 통상적인 바닥 청소에 의해 패널이 물에 잠기면, 입자판이 팽창하고 열화된다. 바람직한 실시양태에 따르는 재료로부터 제조된 패널은 탁월한 내수성을 나타내며, 가볍고, 통상적인 조임쇠에 의해 통상적인 프레임에 삽입될 수 있다.

기재로서의 1인치 홍송 합판, 이것의 각 모서리에 용접된 2인치 철 앵글, 및 주형의 상부면을 형성하는, 철 앵글의 한쪽 길이를 따라 경첩처럼 달린 4조각의 1'×2' 철판을 사용하여, 적합한 내부 치수를 갖는 주형을 제작하였다. 상부의 자유 면은, 재료 혼합물이 중합, 발포 및 경화되는 동안 그것을 억류시키도록, 반대편 철 앵글에 반해 볼트로 조여지도록 설계되었다. 주형에 발포 폴리스티렌 비드를 상부까지 채우고, 이어서 소량의 추가적 비드를 첨가하였다. 이어서 비드를 용기로 옮기고, 비드가 수지로 완전히 습윤될 때까지, 대용량 혼합기(내벽을 마감하기 위한 진흙을 혼합하는데 사용되는 것과 유사한 혼합기)를 사용하여 우레탄의 성분 A와 혼합하였다. 이어서 우레탄의 성분 B를 첨가하고, 그 결과의 혼합물을 2분 동안 혼합하였다. 사용된 구성비는 성분 A가 혼합물의 48 중량%였고 성분 B가 혼합물의 53%였다(37 oz 비드, 100 oz A 및 115 oz B에 해당함). 3개의 패널을 제조하였다.

실시예 6

외장재료의 사용

12"×12"×12"의 내부 치수를 갖는 주형을 제작하였다. 상부 및 저부는 1인치 두께의 약 18"²의 홍송 합판이었고, 측부는 2"×4"의 재료를 절단하여 제조된 2"×2"였다. 12개의 3/8" 인치 볼트 및 와셔, 상부 및 저부, 저부를 관통하는 측부, 및 측부의 네 모서리와 중점의 상부를 사용해 상부를 고정시키고 발포 혼합물을 억류시켰다. 이격자를 얇은 12"²의 합판으로부터 절단해 내고, 이것을 주형에 넣어 최종 결과물의 두께를 2", 1" 및 1/2"로 변화시켰다. 에쓰씨 존슨(SC Johnson, 등록상표) 패이스트 왁스를 이형제로서 사용하였다.

다양한 외장재료를, 혼합물을 첨가하기 전에, 주형에 넣었다. 아크릴, 목재 베니어, 케블라, 및 금속망을 포함하는 모든 시험된 외장재료의 경우, 외장재료가 재료의 몸체에 강력하게 부착된 것을 관찰하였다. 함침된 케블라로 피복된 0.5 인치 재료는 매우 강하고 비틀림에 내성을 가졌다. 이 재료는 또한 유리 섬유-유형의 겔 코트를 용이하게 수용하여, 특히 완전히 피복된 샘플의 경우, 최소 개수의 코트만으로 아름다운 표면을 달성하였다.

실시예 7

비드 크기 및 외장재료의 혼입의 효과

샘플 보드의 상이한 최종 중량을 가장하기 위해서, 다양한 크기의 비드 및 다양한 양의 수지를 시험하였다. 성분 A와 성분 B의 구성비를 비교적 일정하게 최적의 구성비로서 유지하였다. 정량 시험 결과, 비드 크기가 작을수록 보드가 더 강해진다는 것을 알게 되었다. 또한 비드 크기에 상관없이 총 수지의 구성비를 증가시키면 보드의 강도가 증가된다.

주형을 열기까지의 경화 시간은 비교적 일정하고, 두께가 2인치 이하였으며, 발열성 중합 반응에 의해 발생된 열은 목재 주형의 외부를 거의 가온시키지 않았다.

실시예 8

비드 크기 및 외장재료의 혼입의 효과

8"×9"×9" 주형을 제조하였다. 이 주형은 110 부피% 이상의 충전물이 주형에 채워지는 것을 쉽게 허용하는 1인치 두께의 이격자를 상부의 내부에 포함하는데, 최적의 양은 비드 크기 및 혼합물의 후속 압축에 따라 달라진다. 재료의 탁월한 절연성 및 발열성 중합 반응에 의해 발생된 열 때문에, "개방 전 경화 시간"이 1시간 이상을 초과하였다. 너무 일찍 개방하였더니, 재료는 뜨겁고, 해면질이며, 치수 안정하지 않았다. 따라서, 특정 용도에서 필요로 하는 재료의 최단 치수의 두께가 클수록, 재료의 제조는 바람직하게는 더 느려진다.

재료의 9"×9"×7" 블록을 제조하기 위해서, 110 부피%의 비드를 21 oz의 우레탄 성분 A와 20 oz의 우레탄 성분 B와 함께 주형에 넣었다. 그 결과 얻어진 블록을 완전히 피복함으로써, 비틀림 강도 및 압축강도를 증가시켰다.

해당 분야의 숙련자라면, 본원에서 제공된 상세한 설명 및 실시예를 읽고서, 본 발명의 양태를 실행하는데 사용될 수 있는, 본원에서 기술 및/또는 예시된 성분을 대체할 수 있는 수많은 공지된 대체물들이 존재하며, 이것은 첨가 성분들에 의해 적당하게 보충된다는 것을 명백하게 알 것이다. 이러한 대체물, 및 이러한 대체물의 제조 및/또는 시험에 적용될만한 방법을 기술하는 수많은 기술적 참고문헌이 존재한다. 예를 들면, 다양한 플라스틱 중합체, 첨가제 및 복합재료 및 관련 시스템 및 공정을 기술하는 참고문헌은, 문헌[Plastics Encyclopedia, Dominick Rosato 저, 1993]; 문헌[Physics Of Plastics: Processing, Properties and Materials Engineering, Jim Batchelor 등 저, 1992]; 문헌[Reaction of Polymers, Wilson Gum 등 저, 1992]; 문헌[Plastics for Engineers: Materials, Properties and Applications, Hans Dominghaus 저, 1993]; 문헌[Reactive Polymer Blending, Warren E.Baker 등 저, 2001]; 문헌[Plastics Additives Handbook, Hans Zweifel 저, 2001]; 문헌[Guide to Short Fiber Reinforced Plastics, Roger F.Jones 저, 1998]; 문헌[Coloring of Plastics: Fundamentals, Colorants, Preparations, Albrecht Muller 저, 2003]; 문헌[Plastics Flammability Handbook: Principles, Testing, Regulation and Approval, Jurgen H. Troitzsch 저, 2004]; 문헌[Discovering Polyurethanes, Konrad Uhlig 저, 1999]; 문헌[Polyurethane Handbook: Chemistry, Raw Materials, Processing, Application, Properties, Gunter Oertel 저, 1994]; 문헌[Introduction to Industrial Polymers, Henri Ulrich 저, 1993]; 문헌[Performance of Plastics, Witold Brostow 저, 2000]; 문헌[Rheology of Polymeric Systems, Pierre J.Carreau 등 저, 1997]; 문헌[Plastics: How Structure Determines Properties, Geza Gruenwald 저, 1993]; 문헌[Polymeric Material and Processing: Plastics, Elastomers and Composites, Jean-Michel Charrier 등 저, 1990]; 문헌[Composite Materials Technology: Processes and Properties, P.K.Mallick 저, 1990]; 문헌[Compression Molding, Bruce Davis 등 저, 2003]; 문헌[Plastics Failure Guide: Cause and Prevention, Meyer Ezrin 저, 1996]; 문헌[Failure of Plastics, Witold Brostow 저, 1986]; 문헌[Wear in Plastics Processing: How to Understand, Protect, and Avoid, Gunter Menning 저, 1995]; 문헌[Polymer Interfaces: Structure and Strength, Richard P.Wool 저, 1995]; 문헌[Polymer Engineering Principles, Richard C, Progelhof 등 저, 1993]; 문헌[Polymer Mixing, Chris Rauendaal 저, 1998]; 문헌[Polymeric Compatibilizers: Uses and Benefits in Polymer Blends, Sudhin Datta 등 저, 1996]; 문헌[Materials Science of Polymers for Engineers, Georg Menges 저, 2003]; 문헌[Reaction Injection Molding, Christopher W.Makosko 저, 1988]; 문헌[Successful Injection Molding, John Beaumont 등 저, 2002]; 문헌[Injection Molding Handbook, Paul Gramann 저, 2001]; 문헌[Mold Engineering, Herbert Rees 저, 2002]; 문헌[Mold Making Handbook for the Plastics Engineer, Gunter Menning 저, 1998]; 문헌[Total Quality Process Control for Injection Molding, Joseph M.Gordon, Jr. 저, 1992]; 문헌[Adhesion and Adhesives Technology, Alphonsus V. Pocius 저, 2002]; 문헌[Performance Enhancement in Coatings, Edward W.Orr 저, 1998]; 문헌[Plastics and Coatings, Rose Ryntz 저, 2001]; 및 문헌[Advanced Protective Coatings for Manufacturing and Engineering, Wit Grzesik 저, 2003] 등을 포함한다.

해당 분야의 숙련자라면, 본원에서 제공된 상세한 설명 및 실시예를 읽고서, 위에서 언급된 참고문헌은 특히, 본원에서 기술 및/또는 예시된 성분 및/또는 공정 뿐만 아니라 이러한 성분 또는 공정의 대체양태에 관한 것이라는 것을 알 것이다.

전술된 상세한 설명은 본 발명의 몇몇 방법 및 재료를 개시한다. 본 발명은 방법 및 재료의 개질 뿐만 아니라 제조 방법 및 장치의 개조 또한 허용한다. 이러한 변형양태를, 당해 분야의 숙련자들이, 본원에서 개시된 상세한 설명 또는 실시예를 숙지하면 명백히 알 것이다. 결론적으로, 본 발명은 본원에서 개시된 특정 실시양태에만 국한되는 것은 아니며, 첨부된 청구의 범위에서 구체적으로 설명된 본 발명의 진정한 범주 및 개념에 속하는 모든 변형양태 및 대체양태를 망라한다. 본원에서 언급된 모든 특허, 특허출원 및 기타 참고문헌은 본원에서 전문이 참고로 인용된다.

Claims (63)

1. 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 및

   다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는 중합성 성분으로부터 제조된, 상기 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 포함하는 중합체를

   포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 구조재료.
2. 제 1 항에 있어서, 중합성 성분이 다공성 물질의 기공 내에서 중합할 수 있는 제 1 중합성 성분, 및 제 1 중합성 성분의 중합체에 직접 또는 연결자를 통해 결합할 수 있는 제 2 중합성 성분을 포함하고, 중합성 성분은 경화시 다공성 물질을 캡슐화하고 다공성 물질에 부분적으로 침투하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 형성하는 구조재료.
3. 제 1 항에 있어서, 다공성 물질이 폴리올레핀, 자갈, 유리 비드, 세라믹, 버미쿨라이트, 펄라이트, 라이태그, 미분된 비산재, 미연 탄소, 활성탄소 및 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 구조재료.
4. 제 1 항에 있어서, 다공성 물질이 폴리스티렌을 포함하는 구조재료.
5. 제 1 항에 있어서, 다공성 물질이 발포 폴리스티렌 비드를 포함하는 구조재료.
6. 제 1 항에 있어서, 중합성 성분이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 수지, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리우레탄 및 이들 중 임의의 둘 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 구조재료.
7. 제 1 항에 있어서, 중합성 성분이 폴리우레탄인 구조재료.
8. 제 7 항에 있어서, 폴리우레탄이 m-페닐렌 디이소시아네이트, p-페닐렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄 디이소시아네이트, 2,4-톨릴렌 디이소시아네이트, 3,3'-디메틸-4,4'-비페닐렌 디이소시아네이트, 듀렌 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐이소프로필리덴 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐 술폰 디이소시아네이트, 4,4'-디페닐 에테르 디이소시아네이트, 비페닐렌 디이소시아네이트 및 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 방향족 디이소시아네이트, 및 에틸렌 글리콜, 1,2-프로판디올, 1,4-부탄디올, 1,4-시클로헥산디올, 글리세롤, 1,2,4-부탄트리올, 트리메틸올 프로판, 폴리(비닐 알콜) 및 부분 가수분해된 셀룰로스 아세테이트로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 폴리올로부터 제조되는 구조재료.
9. 제 1 항에 있어서, 유동성 향상제, 가소제, 경화 지연제, 경화 가속제, 강도 향상제, 자외선 차단제, 염료, 안료, 충전제 및 난연제로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 구조재료.
10. 제 1 항에 있어서, 다공성 물질의 직경이 약 0.4 내지 약 5 ㎜인 구조재료.
11. 제 1 항에 있어서, 다공성 물질이 구조재료의 약 80 내지 약 99 부피%를 차지하는 구조재료.
12. 제 1 항에 있어서, 다공성 물질이 구조재료의 약 15 내지 약 40 중량%를 차지하는 구조재료.
13. 제 1 항에 있어서, 구조재료의 압축 모듈러스가 약 8000 psi 이상인 구조재료.
14. 제 1 항에 있어서, 구조재료의 압축 모듈러스가 약 8000 내지 약 10,000 psi인 구조재료.
15. 제 1 항에 있어서, 구조재료의 굴곡 모듈러스가 약 10,000 psi 이상인 구조재료.
16. 제 1 항에 있어서, 구조재료의 굴곡 모듈러스가 약 10,000 내지 약 14,000 psi인 구조재료.
17. 제 1 항에 있어서, 재료가 1인치의 두께당 3 이상의 R-값(R-value)을 갖는 구조재료.
18. 제 1 항에 있어서, 하나 이상의 보강재료를 추가로 포함하는 구조재료.
19. 제 18 항에 있어서, 보강재료가 천연 섬유, 합성 섬유 및 이들 중 임의의 둘 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 구조재료.
20. 제 1 항에 있어서, 피복된 하나 이상의 외장재료를 추가로 포함하는 구조재료.
21. 제 20 항에 있어서, 외장재료가 금속, 중합체, 천, 유리, 세라믹, 천연 섬유, 합성 섬유 및 이들 중 임의의 둘 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 구조재료.
22. 제 20 항에 있어서, 외장재료가 충실 표면, 다공성 표면, 화학적으로 식각될 수 있는 표면, 화학적으로 식각된 표면, 물리적으로 마모될 수 있는 표면, 물리적으로 마모된 표면 및 이들 중 임의의 둘 이상의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 구조재료.
23. 제 1 항에 있어서, 구조재료가 실질적으로 폐가스를 배출하지 않는 구조재료.
24. 제 1 항에 있어서, 매트릭스가 가요성인 구조재료.
25. 제 1 항에 있어서, 매트릭스가 경질인 구조재료.
26. 제 1 항에 있어서, 구조재료가 본질적으로 방수성 및 자외선 안정성을 가지며, 곤충, 진균, 수분 및 대기 조건에의 노출에 의한 열화에 대해 실질적으로 내성을 갖는 구조재료.
27. 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 및

    다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는 기체-발생 중합성 성 분으로부터 제조된, 다공성 물질을 캡슐화하는 치수 안정한 구조물을 제공하는 탄성의 실질적으로 불투과성인 매트릭스를 포함하는 가요성 중합체 매트릭스를

    포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 구조재료.
28. 다공성 물질; 및 다공성 물질을 실질적으로 캡슐화하는 실질적으로 충실한 매트릭스를 포함하는 중합체를 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨) 재료.
29. 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 중합체 매트릭스를 포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 연장됨), 특정 형태, 탁월한 압축강도 및 높은 굴곡 모듈러스를 갖는 물품.
30. 제 29 항에 있어서, 압축 모듈러스가 약 8000 psi 이상인 물품.
31. 제 29 항에 있어서, 구조재료의 압축 모듈러스가 약 8000 내지 약 10,000 psi인 물품.
32. 제 29 항에 있어서, 굴곡 모듈러스가 약 10,000 psi 이상인 물품.
33. 제 29 항에 있어서, 매트릭스가 경질인 물품.
34. 제 33 항에 있어서, 물품이 건축 패널, 구조 보강재료, 방음재료, 단열재료, 방수재료, 조리대, 수영장, 수영장 커버, 서핑보드, 온수 욕조, 온수 욕조 커버, 냉각탑, 욕조, 샤워 부품, 저장 탱크, 자동차 부품, 및 개인용 선박 부품으로 이루어진 군에서 선택되는 물품.
35. 제 29 항에 있어서, 매트릭스가 가요성인 물품.
36. 제 35 항에 있어서, 물품이 방음재료, 단열재료, 방수재료, 자동차 부품, 가구 패딩 및 충격흡수 방호벽으로 이루어진 군에서 선택되는 물품.
37. 다공성 물질과 중합성 성분을 배합하고, 그 결과로 얻어진 배합물을 주형에서 중합성 성분을 경화시키기에 적합한 조건에 적용시킴으로써, 경화시 발생된 임의의 기체가 실질적으로 다공성 물질에 의해 흡수되도록 하고, 중합성 성분의 일부가 다공성 물질 내로 강제로 밀어넣어짐으로써 구조재료를 형성하게 함을 포함하는(여기서 구조재료는 실질적으로 충실한 중합체 매트릭스에 캡슐화된 다공성 물질을 포함하고, 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 적어도 부분적으로 다공성 물질 내로 연장됨) 구조재료의 제조방법.
38. 제 37 항에 있어서, 그 결과로 얻어진 배합물을 추가로 제 2 중합성 성분과 접촉시키고, 제 1 중합성 성분은 실질적으로 다공성 물질의 내부에서 중합되고, 제 2 중합성 성분은 실질적으로 다공성 물질의 외부에서 중합되고, 제 1 성분과 제 2 중합성 성분은 직접 또는 연결자를 통해 서로 결합되는 방법.
39. 제 37 항에 있어서, 기포가 충실 중합체 매트릭스 내에서 실질적으로 발생되지 않게 하는 조건에서 경화를 수행하는 방법.
40. 제 37 항에 있어서, 배합 단계가 다공성 물질의 표면을 중합성 성분의 전구체로 실질적으로 완전히 코팅함을 포함하는 방법.
41. 제 37 항에 있어서, 중합성 성분의 중합을 허용하기에 적합한 조건이, 다공성 물질과 중합성 성분의 전구체의 배합물에 중합제를 첨가함을 포함하는 방법.
42. 제 41 항에 있어서, 중합제를 첨가한 후, 다공성 재료, 중합성 성분의 전구체, 및 중합제를 포함하는 배합물을 진탕시키는 방법.
43. 제 37 항에 있어서, 중합성 성분이 약 200 내지 약 50,000 센티포이즈의 점도를 갖는 방법.
44. 제 37 항에 있어서, 중합성 성분이 약 50 ℃ 이상의 온도에서 안정한 방법.
45. 제 37 항에 있어서, 경화시 실질적으로 폐가스가 배출되지 않는 방법.
46. 제 37 항에 있어서, 방염 코팅, 난연 코팅, 미끄럼 방지 코팅, 목재 외장재료, 아크릴 외장재료 및 직물 외장재료로 이루어진 군에서 선택되는 코팅을 구조재료에 피복함을 추가로 포함하는 방법.
47. 제 37 항에 있어서, 구조재료를 예정된 형태로 성형함을 추가로 포함하는 방법.
48. 제 37 항에 있어서, 구조재료에, 구조재료의 두께를 감소시키기에 충분한 압축 에너지를 가함을 추가로 포함하는 방법.
49. 제 37 항에 있어서, 구조재료를 특정 형태로 절단함을 추가로 포함하는 방법.
50. 제 37 항에 있어서, 구조재료에 특정 형태를 천공함을 추가로 포함하는 방법.
51. 제 37 항에 있어서, 다공성 물질의 적어도 일부가 재생(분쇄) 구조재료인 방법.
52. 제 37 항에 있어서, 구조재료를 분쇄하고 재생시킴을 추가로 포함하는 방법.
53. 제 37 항에 있어서, 구조재료를 화학적 식각과 물리적 식각 중 하나 이상에 적용시킴을 추가로 포함하는 방법.
54. 제 37 항에 있어서, 구조재료에, 구조재료의 압축 모듈러스를 20,000 psi 이상으로 증가시키고 구조재료의 굴곡 모듈러스를 약 10,000 내지 약 14,000 psi로 증가시키기에 충분한 시간 동안 압축 압력을 가함을 추가로 포함하는 방법.
55. 다공성 물질과 기체-발생 중합성 성분의 배합물을 닫힌 주형에서 기체-발생 중합성 성분을 경화시키기에 적합한 조건에 적용시킴으로써, 경화시 발생된 기체가 실질적으로 다공성 물질에 의해 흡수되도록 하고, 중합성 성분의 일부가 다공성 물질 내로 강제로 밀어넣어짐으로써 구조재료를 형성하게 함을 포함하는(여기서 구조재료는 충실 중합체 매트릭스에 캡슐화된 다공성 물질을 포함하고, 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 적어도 부분적으로 다공성 물질 내로 연장됨) 구조재료의 제조방법.
56. 제 37 항 내지 제 55 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 제품.
57. 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질;

    다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는, 경화시 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 불투과성인 충실 매트릭스를 형성하는 기체-발생 또는 기타 중합성 성분; 및

    유동성 향상제, 가소제, 경화 지연제, 경화 가속제, 강도 향상제, 자외선 차단제, 염료, 안료 및 충전제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제를

    포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨) 배합물.
58. 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는, 발포 폴리스티렌 이외의 다공성 물질; 및

    다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는, 경화시 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 불투과성인 충실 매트릭스를 형성하는 기체-발생 또는 기타 중합성 성분을

    포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨) 배합물.
59. 약 0.05 내지 약 60 ㎜의 직경, 및 약 0.1 내지 약 1000 ㎏/㎥의 비드 밀도를 갖는 다공성 물질; 및

    다공성 물질의 융점보다 낮은 온도에서 경화될 수 있는, 경화시 다공성 물질을 캡슐화하는 실질적으로 불투과성인 충실 매트릭스를 형성하는, 폴리우레탄 이외의 기체-발생 또는 기타 중합성 성분을

    포함하는(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨) 배합물.
60. 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 가요성 또는 경질 중합체 매트릭스를 포함하는 물품(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨)에 방염 코팅, 미끄럼 방지 코팅, 목재 외장재료, 아크릴 외장재료 또는 직물 외장재료를 피복함을 포함하는, 상기 물품의 개질 방법.
61. 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 가요성 또는 경질 중합체 매트릭스를 포함하는 물품(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨)을 예정된 형태로 성형함을 포함하는, 상기 물품의 개질 방법.
62. 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 경질 중합체 매트릭스를 포함하 는 물품(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨)에, 물품의 두께를 감소시키기에 충분한 압축 에너지를 가함을 포함하는, 상기 물품의 개질 방법.
63. 다공성 물질이 실질적으로 균일하게 분포된 가요성 또는 경질 중합체 매트릭스를 포함하는 물품(여기서 중합체를 포함하는 필라멘트 또는 기타 돌출부는 다공성 물질 내로 적어도 부분적으로 연장됨)을 원하는 형태로 절단 및/또는 천공함을 포함하는, 상기 물품의 개질 방법.

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