KR20130125410A - 증강된 점탄성 및 열적 특성을 갖는 금속 중합체 복합물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합물에 있어서 증강되거나 증가된 특성을 갖는 금속 중합체 복합물에 관한 것이다. 상기 특성에는 점탄성 특성, 색상, 자성, 열 전도성, 전기 전도성, 밀도, 개선된 가단성 및 연성과 열가소성 또는 사출 성형성이 포함된다.

Description

증강된 점탄성 및 열적 특성을 갖는 금속 중합체 복합물 {METAL POLYMER COMPOSITE WITH ENHANCED VISCOELASTIC AND THERMAL PROPERTIES}

본 발명은 증강된 점탄성 및 열적 특성을 갖는 금속 중합체 복합물에 관한 것이다. 구성 성분의 신규한 상호 작용에 의해 복합물 내 신규한 특성이 증강된다. 금속 중합체 복합물 재료는 단순한 부가혼합물이 아니며, 금속 미립자와 같은 분할 금속, 및 실제 복합물 특성을 달성하기 위한 조합된 중합체 및 금속 재료의 배합을 통해 복합물의 구조와 특성을 최적화하는 중합체 재료의 독특한 조합으로부터 우수한 기계적, 전기적 및 다른 특성을 얻게 된다.

독특한 특성을 갖는 복합물 재료를 제조하는데 상당한 관심이 기울여져 왔다. 이러한 재료군에는 개선된 특성을 갖는 고밀도 재료가 포함된다. 예를 들면, 납은 고밀도 재료가 요구되는 적용분야에서 통용되어 왔다. 고밀도 재료의 적용분야에는 엽총 탄알, 다른 탄도 발사체, 낚시용 미끼, 낚시용 추, 바퀴 추 (wheel weight), 및 다른 고밀도 적용분야가 포함된다. 납은 또한 α, β 및 γ 방사선, EMI 에 대한 그 저항성 및 가단성 (malleability) 특징으로 인해, 방사선 차폐를 포함하여 밀도 이외의 특성을 요구하는 적용분야에서도 사용되어 왔다. 납으로 제조된 스냅-온 (snap-on) 낚시용 추는 사용자가 도구나 큰 어려움 없이도 추를 낚시줄 상에 쉽게 조일 수 있게 해준다. 엽총 탄알, 또는 다른 탄도 발사체의 경우에 있어서, 납은 요구되는 밀도, 침투력 및 가단성을 제공하여, 큰 정확도와 최소의 총신 마모도를 부여한다. 사냥 및 군사용 적용분야 모두에 있어서, 납은 일차적 선택대상이 되어 왔다. 납은 탄알 및 발사체 최종 용도에서 널리 알려져 있는 독성의 단점을 갖는다. 미국 여러 지역 및 그 밖의 다른 나라에서는 호수에서의 납 농도 증가와 이에 따른 천연 개체군의 사망률 증가로 인해, 납 탄알 및 납 추의 판매 및 사용 금지령을 심각하게 고려하거나 입법화하고 있다. 열화 (depleted) 우라늄 또한 발사체에 사용되며, 가공성, 독성 및 방사성 문제점을 갖는다.

복합물 재료는 일반적으로 2 개의 상이한 재료를 조합하여 이 둘로부터 유익한 특성을 얻기 위해 수년간 제조되어 왔다. 실제 복합물은 재료의 상호작용이 양 성분의 최상의 특성을 제공하기 때문에 독특한 것이다. 여러 유형의 복합물 재료가 알려져 있으며, 이들은 단순한 부가혼합물이 아니다. 일반적으로, 당 분야에서는 특정 유형의 금속을 합금을 형성하는 비율로 조합하면 금속/금속 합금 재료에 있어서 독특한 특성이 제공된다고 알려져 있다. 금속/세라믹 복합물은 전형적으로 금속 분말 또는 섬유를 금속/세라믹 복합물로 소성될 수 있는 점토 재료와 조합하는 단계를 포함하여 제조된다.

전형적으로 열가소성 또는 열경화성 중합체상과 강화 분말 또는 섬유를 조합함으로써 일정 범위의 충전 재료를 생성하고, 정확한 조건 하에서는 실제 중합체 복합물을 형성할 수 있다. 충전제로서 첨가제를 갖는 충전 중합체는 복합물 특성을 나타낼 수 없다. 충전 재료는 전형적으로 중합체 시스템에 대해 안료 또는 증량제로 작용하는 무기 재료를 포함한다. 전형적으로 섬유 강화성을 수득하여 독특한 복합물에서 중합체의 기계적 특성을 개선시키기 위해, 매우 다양한 섬유-강화 복합물이 제조되어 왔다.

충전 중합체 재료의 하나의 하위세트로, 금속성 재료, 금속 미립자 또는 섬유가 중합체 중에 분산되어 있는 금속 중합체 부가혼합물이 있다. 상기 재료의 대다수는 부가혼합물이며, 실제 복합물은 아니다. 부가혼합물은 전형적으로 구성 부분들로 쉽게 분리가능하며, 성분들의 특성을 나타낸다. 실제 복합물은 분리가 어렵고, 투입 재료의 강화된 특성을 나타낸다. 실제 복합물은 개별 성분의 특성을 나타내지 않는다. Tarlow (U. S. 특허 제 3,895,143 호) 는 분산된 무기 섬유 및 금속성 입자를 포함하는 엘라스토머 라텍스 함유 시트 재료를 교시하고 있다. Bruner 등 (U. S. 특허 제 2,748,099 호) 은 부가혼합물의 밀도가 아니라 재료의 열적 또는 전기적 특성을 개질하려는 목적으로 구리, 알루미늄 또는 흑연을 포함하는 나일론 재료를 교시하고 있다. Sandbank (U. S. 특허 제 5,548,125 호) 는 방사선 차폐를 달성하려는 목적으로 상대적으로 작은 부피% 의 텅스텐을 갖는 가요성 중합체를 포함하는 의류 물품을 교시하고 있다. Belanger 등 (U. S. 특허 제 5,237,930 호) 은 구리 분말 및 열가소성 중합체, 전형적으로 나일론 재료를 포함하는 연습용 탄약을 개시하고 있다. Epson Corporation (JP 63-273664A) 는 금속 함유 복합물로서, 금속 실리케이트 유리 섬유, 조밀하게 짠 위스커 (whisker) 및 다른 재료를 포함하는 폴리아미드를 나타내고 있다. 마지막으로, Bray 등 (U. S. 특허 제 6,048,379 호 및 제 6,517,774 호) 은 텅스텐 중합체 복합물 재료를 제조하려는 시도를 개시하고 있다. 상기 특허 문헌에서는 중합체 및 입자 크기 10 마이크론 미만인 텅스텐 분말과 선택적으로 고밀도 물질을 제조할 목적으로 복합물 내에 제2의 바이모달 중합체 (bimodal polymer) 또는 금속 섬유를 조합하고 있다. 상기 기술의 물질은 유용한 밀도를 가질 수 있는 충전된 중합체의 복합적 상태를 달성하지만, 압출, 사출 성형 및 다른 유용한 열적 형성 제조 기술을 허용하는 점탄성 특성은 나타내지 못한다.

일반적으로 복합물 재료에 관해 상당량의 작업이 수행되었지만, 10 gm/cm³ 을 실질적으로 초과하는 밀도 (여기서 밀도는 복합물 특성을 나타내기 위한 단일 측정임)를 갖는 금속 복합물 재료는 수득되지 않았다. 이들 재료의 밀도 증가는 복합물에 독특한 기계적 특성을 도입하며, 사용시 더 낮은 밀도의 복합물 재료에는 존재하지 않는 특성이 얻어진다. 고밀도, 저독성, 및 전기적/자기적 특성, 가단성, 사출 성형 능력 및 점탄성 특성의 관점에서 개선된 특성을 갖는 재료가 필요해지고 있다.

본 발명은 종래 기술의 재료에 비해 개선된 열적 및 점탄성 또는 제조 특성을 갖는 금속 중합체 복합물 재료에 관한 것이다. 본 발명의 재료는 금속 입자 크기 분포, 중합체 및 가공 조건의 선택을 통해, 복합물의 중합체 충전 배제 부피를 최소화하여 개선된 밀도 또는 다른 특성을 획득하고, 유용한 점탄성 특성을 달성한다. 생성 복합물 재료는 종래 기술의 복합물에 비해 밀도, 감소된 독성, 개선된 가단성, 개선된 연성, 개선된 점탄성 특성 (예컨대 인장율, 저장율, 탄성-가소성 변형 등), 전기적/자기적 특성 및 기계 성형성의 관점에서 더 우수하다. 본 발명자들은 밀도 및 연신 (elongation)으로 측정되는 중합체 점탄성이 유용한 특성이며, 본 기술에서 실제 복합물의 유용한 예측 파라미터임을 발견하였다. 유용한 증강 특성을 갖도록 만드는데 있어서, 선택된 입자 크기의 패킹 및 미립자 또는 혼합된 금속 미립자의 분포 및 선택에 의해 증강된 특성을 얻게 될 것이다. 상기 밀도는 다른 유용한 특성 증강의 지표로서 이용할 수 있다. 계면 개질제를 더 포함하는 조성물의 사용은 재료 특성의 개선된 이용 및 개선된 성능, 예컨대 연신 및 다른 특성을 나타낸다. 바람직한 복합물은 주어진 분자량 분포를 갖는 적어도 1 개의 중합체 및 주어진 분포를 갖는 적어도 1 개의 금속 미립자와 조합되어 독특한 복합물을 수득할 수 있다. 상기 재료는 종래 기술의 복합물에 비해 밀도, 감소된 독성, 개선된 가단성, 개선된 연성, 개선된 점탄성 특성 및 기계 성형성의 관점에서 더 우수하다. 본 발명자들은 실제 복합물을 제조하여 점탄성 특성을 수득할 수 있다. 본 발명자들은 계면 개질제를 사용하여 미립자와 중합체의 연합을 개선함으로써 복합물을 제조하였다. 본 발명자들은 본 발명의 복합물 재료가 주의 깊은 조성 배합을 통해 목적하는 수준의 밀도, 기계적 특성, 열적 특성 또는 전기적/자기적 특성을 가질 수 있다는 것을 발견하였다. 신규한 점탄성 특성은 복합물에 의해 충족되지 않던 각종 용도에 대해 재료를 유용하게 만들고, 쉽게 제조되어 유용한 형상으로 형성되는 재료를 제공한다. 종래 기술의 충전 재료는 상기와 같은 특성을 갖지 못하고 응력이 가해지면 취성 및 기계적 파손을 나타낼 것이다.

본 발명의 하나의 구현예에 있어서, 특정된 입자 크기 및 크기 분포를 갖는 선택된 금속 미립자는 분자량 분포를 갖는 중합체와 함께 선택되어, 개선된 복합물을 형성한다. 이들 입자는 최대 특성 발현을 촉진하는 소정의 원형도 (circularity)를 가질 수 있다. 본 시스템에서, 금속 미립자 및 불소중합체 복합물은 상기 언급된 특성을 달성한다.

본 발명의 고밀도 재료는 재료의 시각적 외양을 개질하는 계면 개질 안료 또는 다른 성분을 포함할 수 있다. 혼합 금속 미립자, 2 금속 (예컨대 WC) 또는 합금 금속 복합물은 특정 용도를 위해 특성을 맞춤화하는데 사용될 수 있다. 상기 특성에는 밀도, 열적 특성, 예컨대 전도성, 자기적 특성, 전기적 특성, 예컨대 전도성, 색상 등이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 재료 및 재료의 조합은 고체 상태 전기화학 (예컨대 전지) 및 반도체 구조로 사용될 수 있다. 바람직한 더 고밀도의 금속 중합체 재료는 또한 적어도 1 개의 중합체 및 적어도 1 개의 금속 미립자와 조합되어, 독특한 복합물을 수득할 수 있다. 2 차 금속은 고밀도 금속과 조합될 수 있다. 복합물은 금속 및 중합체의 다양한 다른 조합을 포함할 수 있다. 금속 미립자는 각각 비교적 고밀도를 갖는 상이한 금속인 2 개의 금속 미립자를 포함할 수 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 금속 미립자는 고밀도 금속 미립자 및 2 차 금속을 포함할 수 있다. 본 명세서의 다른 유용한 금속에는 그 자체가 복합물 재료에서 10 을 초과하는 밀도를 얻지는 못하지만, 전체로서의 복합물에 유용한 특성을 제공할 수 있는 금속에 관한 것이다. 이러한 특성에는 전기적 특성, 자기적 특성과, 열 전도성, 음향 차폐를 포함하는 물리적 특성 등이 포함될 수 있다. 상기 2 차 금속의 예에는 철, 구리, 니켈, 코발트, 비스무스, 주석, 카드뮴 및 아연이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 재료는 디자인 엔지니어들이 복합물을 최종 용도로 맞춤화할 수 있는 가요성을 제공하며, 필요하지 않다면 독성 또는 방사활성 재료의 사용을 피할 수 있게 한다. 본 발명의 고밀도 복합물이 이용가능하므로 이제 납 또는 열화 우라늄은 그 전형적인 적용분야에서 더 이상 필요하지 않게 된다. 일부 맞춤화한 수준의 독성 또는 방사성이 요구되는 다른 적용분야에 있어서, 본 발명의 복합물은 재료에 목적하는 특성을 부여하도록 가공하여 성공적으로 이용될 수 있다.

간단하게, 본 발명의 기술을 이용하면 본 발명의 금속 중합체 복합물은 증강된 중합체 복합물 특성을 제공할 수 있다. 하나의 중요한 재료는 적어도 10 gm/cm³, 전형적으로 약 5 내지 21 gm/cm³, 약 5 내지 18 gm/cm³, 11.7 gm/cm³ 초과, 12.5 gm/cm³ 초과 또는 16.0 gm/cm³ 초과의 밀도를 갖는 복합물을 포함한다. 복합물은 고밀도 금속 미립자, 중합체, 및 선택적으로 계면 개질제 재료를 포함한다. 본 발명의 조성물은 또한 다른 첨가제, 예컨대 시각적 지시약, 형광 마커, 염료 또는 안료를 적어도 약 0.01 내지 5 중량% 의 양으로 포함할 수 있다. 본 발명의 복합물은 복합물 중에 약 75 내지 99.9 중량% 의 금속, 약 47 내지 90 부피% 의 금속, 0.5 내지 15 중량% 의 중합체, 10 내지 53 부피% 의 중합체를 포함한다. 본 명세서에 있어서, 본 발명자들은 복합물에서 맞춤화될 수 있는 중요한 특성으로 밀도에 의존하고 있지만, 복합물에 대해 다른 유용한 특성도 디자인될 수 있다.

밀도가 증강된 금속 중합체 복합물은, 금속 미립자를 미립자의 가능한 한 최고의 패킹 또는 탭 밀도로 하고, 중합체상의 복합물이 미립자의 최소화된 배제 부피만을 실질적으로 완전히 점유하도록 형성함으로써 제조될 수 있다. 금속 미립자를 사용하고, 미립자를 패킹하고, 미립자의 배제된 부피만 충전되기 충분하도록 중합체와 미립자를 조합하여, 복합물 재료의 고밀도를 최적화할 수 있다. 금속은 약 5 gm/cm³ 초과, 및 종종 16 gm/cm³ 초과인 절대 밀도를 갖도록 선택되어, 복합물 형성 및 증가된 밀도를 위해 선택된 중합체와 조합된다. 금속 미립자와 중합체 성분의 밀도가 증가할수록 복합물 재료의 밀도가 증가한다. 궁극적인 복합물 밀도는 복합물에서 금속 미립자의 패킹 효율, 및 조밀하게 패킹된 미립자에서 미점유된 공극의 고밀도 중합체 재료로의 충전에 대한 관련 효율에 의해 주로 조절된다. 본 발명자들은 입자 형상, 크기 및 크기 분포를 주의 깊게 선택함으로써 패킹 및 충전 효율이 증가될 수 있음을 발견하였다. 미립자는 10 마이크론을 초과하여야 한다 (약 10 마이크론 초과의 입자 크기란 미립자의 일부가 10 마이크론 미만임을, 실제로 미립자의 10 중량% 미만, 종종 미립자의 5 중량% 미만이 10 마이크론 미만임을 의미한다). 금속의 크기 분포는 광범위하여야 하고 일반적으로 약 10 내지 1000 마이크론의 입자를 포함하여야 한다. 상기 미립자 분포는 약 10 내지 70 마이크론 범위의 적어도 일부 미립자 (적어도 5 중량%)를 포함해야 하며, 미립자는 또한 70 초과, 약 70 내지 250 마이크론 범위의 적어도 일부 미립자 (적어도 5 중량%) 를 포함해야 하고, 선택적으로 미립자는 약 250 내지 500 마이크론 범위의 일부 미립자 (적어도 5 중량%)를 포함할 수 있고, 500 마이크론 초과 범위의 일부 미립자를 포함할 수 있다. 상기 분포는 정규곡선 (normal), 가우스곡선 (Gaussian), 정규대수곡선 (log normal) 또는 비대칭정규곡선 (skew normal)일 수 있지만, 목적하는 입자 크기 범위를 포함해야만 한다. 실제 복합물은 계면 개질제의 사용이 복합물 형성을 촉진하고 증강된 특성 발현 및 고밀도를 일으키는 수준으로 밀도가 도달하고 특성이 발현될 때까지, 조합된 중합체 및 중합체 미립자를 주의 깊게 가공하여 수득된다.

복합물은 단순한 부가혼합물 이상의 것이다. 복합물은 2 개 이상의 성분이 다양한 백분율의 조성으로 섞인 복합물로서 각 성분이 그 본질적인 원래 특성을 보유하는 것으로 정의된다. 개별 재료의 조절되는 조합으로 그 성분들에 비해 더 우수한 특성이 얻어진다. 단순한 부가혼합물에서는, 혼합된 재료는 상호작용을 거의 하지 않고, 특성 증강도 거의 없다. 재료들 중에서 강성, 강도 또는 밀도를 증가시키기 한 가지가 위해 선택된다. 원자 및 분자는 여러 기전을 이용해 다른 원자 또는 분자와 결합을 형성할 수 있다. 분자-분자 상호작용, 원자-분자 상호작용 및 원자-원자 상호작용을 포함하는 이들 결합은 원자 또는 분자 표면의 전자 구름 사이에서 일어날 수 있다. 각각의 결합 기전에는 분자 분자 상호작용에서도 원자 중심 사이의 특징적인 힘 및 거리가 관여된다. 상기 결합력에 있어서 중요한 측면은 강도, 거리에 따른 결합 강도의 변화 및 방향성이다. 상기 결합에서의 주요한 힘에는 이온 결합, 공유 결합 및 반 데르 발스 (VDW) 유형 결합이 포함된다. 이온 반지름 및 결합은 Na⁺Cl^-, Li⁺F^- 와 같은 이온 종에서 일어난다. 이러한 이온종은 원자 중심 간에 이온 결합을 형성한다. 이러한 결합은 상당하며, 종종 실질적으로 100 kJ/mol 초과, 종종 250 kJ/mol 초과이다. 또한, 이온 반지름에 있어서, 원자간 거리는 작은 경향이 있고, 1 - 3 Å 규모이다. 공유 결합은 원자 중심 간에 직접적인 공유 결합을 형성하는 원자를 둘러싼 전자 구름의 중첩에 의해 일어난다. 공유 결합 강도는 상당하며, 대략 이온 결합과 동등하고, 다소 더 작은 원자간 거리를 갖는 경향이 있다.

다양한 유형의 반 데르 발스 힘은 공유 결합 및 이온 결합과는 다르다. 이들 반 데르 발스 힘은 원자 중심 간이 아니라 분자 간에 작용하는 경향이 있다. 반 데르 발스 힘은 전형적으로 쌍극자-쌍극자 힘, 분산력 및 수소 결합을 포함하는 3 가지 유형의 힘으로 나뉜다. 쌍극자-쌍극자 힘은 분자 상의 전하량 또는 전하 분포의 일시적 또는 영구적 변화로 얻어지는 반 데르 발스 힘이다.

화학적 힘 및 상호작용의 요약

쌍극자 구조는 분자 상 전하의 분리에 의해 얻어지며, 전체적 또는 부분적으로 양성적인 말단 및 전체적 또는 부분적으로 음성적인 말단을 만든다. 이 힘은 분자의 음성적 영역과 양성적 영역 사이의 정전기적 상호작용으로부터 발생한다. 수소 결합은 수소 원자와 전형적으로 산소, 불소, 질소를 포함하는 분자 내 전기음성적 영역 또는 다른 상대적으로 (H 에 비해) 전기음성적인 부위 사이의 쌍극자-쌍극자 상호작용이다. 이들 원자는 양성 전하를 갖는 수소 원자와 쌍극자-쌍극자 상호작용을 유발하는 쌍극자 음성 전하를 보유한다. 분산력은 실질적으로 비극성인 비하전 분자 사이에 존재하는 반 데르 발스 힘이다. 이 힘은 비극성 분자에서 일어나지만, 이 힘은 분자 내의 전자 이동에 의해 발생한다. 전자 구름 내의 이동 신속성으로 인해, 전자 이동이 분자 극성화에 일시적 변화를 야기함에 따라 비극성 분자는 작지만 의미있는 순간적인 전하를 보유하게 된다. 이러한 전하의 약소한 변동이 반 데르 발스 힘의 분산부를 만든다.

이러한 VDW 힘은 쌍극자의 성질 또는 분자 분극화의 변동으로 인해 결합 강도가 낮은 경향이 있고, 전형적으로는 50 kJ/mol¹ 이하이다. 또한, 그 힘이 서로에 대해 유인성이 되는 범위가 또한 이온 결합 또는 공유 결합보다 실질적으로 더 크며, 약 3 - 10Å 인 경향이 있다.

본 발명의 반 데르 발스 복합물 재료에 있어서, 본 발명자들은 금속 입자의 독특한 조합, 금속 성분의 입자 크기 변화, 미립자 및 중합체 사이 상호작용의 개질로 독특한 반 데르 발스 결합이 생성된다는 것을 발견하였다. 상기 반 데르 발스 힘은 미립자 내 금속 원자/결정 사이에서 일어나며, 금속/중합체 복합물 내의 입자 크기, 중합체 및 계면 개질제의 조합으로 생성된다. 과거에는, "복합물" 로 특정되는 재료는 단순히 미립자 충전제 재료 사이에서 반 데르 발스 상호작용을 거의 갖지 않거나 전혀 갖지 않는 미립자로 충전된 중합체로 이루어졌다. 본 발명에서는, 입자 크기, 분포 및 계면 개질 중합체의 선택 사이의 상호작용으로 미립자가 상당한 반 데르 발스 결합 강도를 생성하는 분자간 거리를 달성할 수 있게 된다. 점탄성 특성을 거의 갖지 않는 종래 기술의 재료는 실제 복합물 구조를 달성하지 못한다. 이로부터 상기 분자간 거리는 종래 기술에서는 획득되지 않았다고 결론지을 수 있다. 상기 논의에 있어서, "분자" 라는 용어는 금속 입자, 금속 결정 또는 비정질 금속 응집물을 포함하는 입자, 다른 분자 단위 또는 원자 단위 또는 금속이나 금속 혼합물의 서브유닛에 관련하여 사용될 수 있다. 본 발명의 복합물에 있어서, 반 데르 발스 힘은 결정 또는 다른 금속 원자 응집물 형태에서 "분자" 로 작용하는 금속 원자 집합물 간에 발생한다. 본 발명의 복합물은 반 데르 발스 강도 범위, 즉 약 5 내지 약 30 kJ/mol 사이인 금속 미립자 사이 분자간력 및 3 - 10 Å 의 결합 거리를 갖는 복합물을 특징으로 한다. 본 발명의 복합물 내 금속 미립자는 입자 크기 범위가 약 10 내지 70 마이크론 범위 내의 적어도 약 5 중량% 의 미립자와 약 70 내지 250 마이크론 범위 내의 적어도 약 5 중량% 의 미립자 및 중합체를 가지며, 복합물은 인접 입자 내 분자 사이에 반 데르 발스 분산 결합 강도 약 4 kJ/mol 미만 및 결합 거리 1.4 내지 1.9Å, 또는 약 2 kJ/mol 미만 및 반 데르 발스 결합 거리 약 1.5 내지 1.8Å 을 갖는다.

복합물 내에서, 강화제는 통상 매트릭스보다 훨씬 더 강하고 더 단단하며, 그 우수한 특성을 복합물에 제공한다. 매트릭스는 강화제를 규칙적인 고밀도 패턴으로 유지한다. 강화제는 통상 불연속적이므로, 매트릭스는 또한 강화제 사이의 하중 전달을 돕는다. 가공으로 강화제 금속의 혼합 및 충전을 보조할 수 있다. 혼합물에서의 보조를 위해, 계면 개질제는 매트릭스가 복합물의 실질적으로 연속적인 상을 형성하지 못하게 하는 힘을 극복하도록 도울 수 있다. 복합물 특성은 조심스러운 가공 및 제조를 이용해 수득되는 밀접한 연합에서 얻어진다. 본 발명자들은 계면 개질제가 중합체와 미립자의 친밀한 연합을 촉진하는 미립자 상의 외부 코팅을 제공하는 유기 재료라고 생각한다. 개질제의 최소량은 약 0.005 내지 3 중량%, 또는 약 0.02 내지 2 중량%를 포함하여 사용될 수 있다.

본 명세서의 목적을 위해, "금속" 이라는 용어는 이온화제, 공유화제 또는 킬레이트화제 (착화제) 와 연합하지 않고, 산화물 또는 금속 또는 비금속 오염물로서 산화 상태에서 대략 0 내지 25 중량% 이하, 또는 약 0.001 내지 10 중량% 의 금속에 관련된다. 본 명세서의 목적을 위해, "미립자" 라는 용어는 전형적으로 10 마이크론 초과의 입자 크기를 가지며, 10 내지 100 마이크론 및 100 내지 4000 마이크론의 크기 범위에 적어도 일부 미립자를 포함하는 입자 크기 분포를 갖는 제품으로 제조되는 재료를 말한다. 패킹된 상태에서, 상기 미립자는 배제 부피 약 5 내지 53 부피%를 갖는다. 본 발명에 있어서, 미립자는 상이한 화학적 및 물리적 성질을 갖는 금속 배합물 중에 2 개 또는 3 개 이상의 미립자 공급원을 포함할 수 있다.

전형적으로, 본 발명의 복합물 재료는 용융 가공을 이용하여 제조되며, 용융 가공을 이용한 제품 형성에도 이용된다. 전형적으로, 본 발명의 고밀도 재료의 제조에 있어서, 약 40 내지 96 부피%, 종종 50 내지 95 부피% 또는 80 내지 95 부피%의 금속 미립자는 전형적으로 약 4 내지 60 부피%, 종종 5 내지 50 부피% 또는 5 내지 20 부피%의 열가소성 중합체 재료와 함께 열 및 온도 조건 하에 조합되며, 재료가 실제 복합물의 형성을 가리키는 약 5 내지 21 gm/cm³ 또는 약 5 내지 18 gm/cm³, 종종 10 gm/cm³, 11 gm/cm³ 초과, 바람직하게는 12 gm/cm³ 초과, 보다 바람직하게는 16 gm/cm³ 초과하는 밀도를 획득할 때까지 가공된다. 전형적인 신율 (elongation)은 적어도 5%, 절어도 약 10% 및 종종 5 내지 250% 사이이다. 대안적으로, 재료의 제조에 있어서, 금속 또는 열가소성 중합체를 계면 개질 제제와 배합할 수 있고, 이어서 개질된 재료를 재료로 용융 가공할 수 있다. 일단 재료가 충분한 밀도를 획득하면, 재료를 제품으로, 또는 펠렛, 칩, 웨이퍼 또는 종래 가공 기술에서 사용되는 다른 쉽게 가공되는 재료의 형태로 원료 물질로 압출할 수 있다. 본 발명의 복합물로 유용한 제품을 제조하는 경우, 제조된 복합물을 적절한 양으로 수득하여, 전형적으로 압출기 장비 내에서 열 및 압력을 가한 후, 적절한 물리적 배치로 정확한 양의 재료를 갖는 적절한 형상으로 형성될 수 있다. 적절한 제품 디자인에 있어서, 복합물 제조 또는 제품 제조 동안에 안료 또는 다른 염료 재료를 가공 장비에 첨가할 수 있다. 상기 재료의 장점의 하나는 무기 염료 또는 안료를 함께 가공하여, 매력적이거나 장식적인 외양을 수득하기 위해 외부 색칠 또는 코팅이 필요 없는 재료를 만들 수 있다는 것이다. 안료는 중합체 배합물 중에 포함될 수 있고, 재료를 통해 균일하게 분포할 수 있고, 그 장식적 외양을 부수거나, 흠집을 내거나 또는 손상시킬 수 없는 표면으로 만들 수 있다. 특히 중요한 안료 재료의 하나에는 이산화티탄 (TiO₂) 이 포함된다. 상기 재료는 매우 무독성이고, 금속 미립자 및/또는 중합체 복합물과 쉽게 조합되어 복합물 재료의 밀도를 증강시키고 궁극적인 복합물 재료에 백색 색조를 제공할 수 있는 밝은 백색의 미립자이다.

본 발명자들은 또한 적어도 2 개, 3 개 또는 그 이상의 금속 미립자의 배합물 형태가 중합체 복합물 구조에서 양쪽의 금속으로부터 중요한 복합물 특성을 수득할 수 있다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 텅스텐 복합물 또는 다른 고밀도 금속 미립자는 비교적 안정한 무독성 텅스텐 재료에 알파, 베타 또는 감마 입자 형태의 낮은 정도의 방사성, 낮은 정도의 목적하는 세포독성, 외양 변화 또는 다른 유리한 특성을 포함하는 추가적 특성을 제공하는 제 2 금속 미립자와 배합될 수 있다. 2 금속성 복합물의 장점의 하나는 특정한 최종 용도에 대해 맞춤화된 밀도로 만드는 비율을 주의 깊게 선택함으로써 수득된다. 예를 들어, 불소중합체 또는 다른 중합체가, 11 gm/cm³ 내지 12.2 gm/cm³ 범위일 수 있는 이론적 밀도를 갖는 탄탈륨/텅스텐 복합물을 제조할 수 있다. 대안적으로, 다른 적용분야를 위해, 불소중합체가, 약 12 gm/cm³ 내지 약 13.2 gm/cm³ 범위인 밀도를 가질 수 있는 이리듐/텅스텐 복합물을 제조할 수 있다. 상기 복합물은 각각 독특하거나 특별한 특성을 가질 수 있다. 상기 복합물 가공 및 재료는, 복합물이, 융점 또는 다른 가공의 어려움으로 인해 본 발명의 방법이 없으면 합금 형태로 제조될 수 없는 2 개의 상이한 금속의 합금 복합물로서 역할을 하는 독특한 능력 및 특성을 갖는다.

도 1은 본 발명의 재료로 제조된 성형 또는 압출 물품이다. 이 도면은 본원에 기재된 다양한 방법을 이용하여 성형될 수 있는 구조의 예이다. 스텐트 (stent)는 본 발명의 금속 중합체 복합물로부터 유용성을 수득하는 가요성 구조를 갖는 물품의 예이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 압출 생성물의 단면도이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 복합물의 스냅 온 또는 성형된 싱커 (sinker)를 포함하는 낚시 고정구 (jig)의 두 가지 양상이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 공기 타이어, 승용차 또는 트럭 바퀴 추의 두 가지 양상이다.
도 5 - 11은 본 발명의 점탄성 특성 및 재료에서 목적하는 특성을 형성하는 기술의 응용가능성을 나타내는 데이터를 보여준다.
도 12 - 20은 종래의 금속 충전 중합체 조성물 및 중합체 자체와 비교하여 본 발명의 독특한 점탄성 특성을 나타낸다.
도 21 및 22는 응력 변형 곡선의 독특함을 설명하고, 본 발명의 텅스텐 및 스테인리스 강철 복합물의 특성을 나타낸다.
도 23 및 24는 도 22의 확장된 영역이다.
도 25는 THV 불소중합체의 응력 변형 곡선을 나타낸다.
도 26 및 27은 종래 기술의 충전 폴리머, 비복합물 재료는 최소의 응력 적용에서 부서지기 쉽고 파손되지만 본 발명의 실제 복합물은 광범위한 유용한 기계적 특성을 나타낸다는 것을 보여준다.
도 29 및 30은 다양한 금속 성분과 본 발명의 다양한 복합물의 전체 밀도 및 부피 패킹 밀도를 보여준다.

본 발명은 종래 기술의 재료에 비해 증강되거나 개선된 점탄성 및 열적 특성을 갖는 개선된 금속 중합체 복합물 재료에 관한 것이다. 단일 금속 및 혼합 금속 복합물을 밀도, 색상, 자성, 열 전도성, 전기 전도성 및 다른 물리적 특성을 포함하는 신규한 특성에 대해 맞춤화할 수 있다. 계면 개질제를 추가로 포함하는 조성물을 사용함으로써 재료 특성의 개선된 활용 및 개선된 성능이 나타난다. 바람직한 복합물은 소정의 분자량 분포를 갖는 적어도 1 개의 중합체 및 소정의 분포를 갖는 적어도 1 개의 금속 미립자와 조합되어, 독특한 복합물을 수득할 수 있다. 본 발명은 납의 밀도 및 가단성은 능가하지만 납 및 다른 고밀도 재료 고유의 독성은 가지지 않는 특징을 갖는 복합물 재료군에 관한 것이다. 상기 재료는 고밀도, 가단성, 연성, 형성성 및 점탄성 특성을 필요로 하는 적용 분야에서 사용될 수 있다. 본 발명은 구체적으로 텅스텐과 같은 고밀도 금속 미립자, 중합체상, 및 선택적으로 중합체와 금속 미립자가 목적하는 성질 및 특성 정도를 갖는 복합물을 형성하고 가능한 최대 밀도를 획득하도록 상호작용할 수 있게 만드는 계면 개질제를 포함하는 고밀도 재료를 제공한다. 이러한 재료들은 각각 특정 적용분야에서 요구되지 않는 한 납 또는 열화 우라늄에 특징적인 독성이나 잔류 방사성이 없이, 밀도, 저장율, 색상, 자성, 열 전도성, 전기 전도성 및 다른 물리적 특성 개선을 포함하여 종래 기술의 재료를 능가하는 물리적 특성을 수득한다. 본 발명의 재료는 디자인 엔지니어들에게 최종 목적에 맞춰 복합물을 맞춤화하고, 요구되지 않는 한 독성 또는 방사활성 재료의 사용을 회피할 수 있는 유연성을 허용한다. 납 또는 열화 우라늄은 이들의 전형적인 적용분야에서 더 이상 필요 없다.

본 발명의 복합물 재료는 최대 탭 (tap) 밀도로 배제 부피를 남기는 금속 미립자와, 상기 배제 부피를 실질적으로 점유하는 중합체 재료를 조합하여, 복합물 조성물로부터 가능한 최대 밀도를 수득한다. 탭 밀도 (ASTM B527-93) 는 재료가 얼마나 잘 패킹되어 있는가에 관련된다. 패킹은 배제 부피 및 밀도 계산에 포함되는 부피 성분에 영향을 미친다. 정확한 크기 및 분포 내의 다양한 금속 미립자가 사용될 수 있다. 금속 입자 분포의 중요한 파라미터는 금속 미립자의 5 중량% 미만이 10 마이크론 미만의 지름을 갖는다는 사실을 포함한다. 또한, 금속 입자 분포는 10 내지 100 마이크론 범위 내에 있는 상당한 비율의 미립자, 100 내지 250 마이크론 범위 내에 있는 상당한 비율의 미립자 및 100 내지 500 마이크론 범위 내에 있는 상당한 비율의 미립자를 가진다. 상당한 비율이란 미립자의 적어도 10 중량%를 의미한다. 상기 분포는 정규곡선, 가우스곡선, 정규대수곡선 또는 비대칭정규곡선일 수 있지만, 목적하는 입자 크기 범위를 포함해야만 한다.

금속의 궁극적인 밀도는 적어도 11 gm/cm³, 바람직하게는 13 gm/cm³ 초과, 더욱 바람직하게는 16gm/cm³ 초과이고, 중합체는 적어도 0.94 gm/cm³ 의 밀도를 가지지만 1 내지 1.4 gm/cm³ 초과의 밀도 및 바람직하게는 1.6 gm/cm³ 초과의 밀도를 갖는 중합체가 밀도를 증가시키고 유용한 중합체 복합물 재료를 얻는데 유용하다. 인장 강도는 0.2 내지 60 MPa이고, 복합물의 저장률 (G')은 약 1380 내지 약 14000 MPa, 바람직하게는 약 3450 내지 약 6000 MPa이며, 인장률은 적어도 0.2 내지 200 MPa이다. 본 발명의 복합물 재료의 하나의 중요한 특징은 탄성-가소성 변형 및 그 푸와송비 (Poisson ratio)의 존재에 관련된다. 본 발명의 복합물 재료는 탄성 가소성 변형을 나타낸다. 복합물을 연신시키는 응력 하에서, 구조는 그것이 한계에 도달할 때까지 탄성 방식으로 변형한 후, 그 한계에 도달하여 구조적으로 망가질 때까지 가소성 방식으로 변형한다. 상기 특성은 연속되는 응력 하에 탄성 한계에 도달하여 파단하기 전까지 재료를 응력 하에 적어도 5% 또는 적어도 10% 씩 연신시키는 파단 신율로 나타낸다. 바람직한 재료는 전형적으로 0.5 미만, 바람직하게는 약 0.1 내지 약 0.5의 푸와송비를 갖는다.

규칙적이고 본질적으로 구형인 본 발명의 바람직한 입자의 특징은 입자의 원형도에 의해, 및 그 어스펙트비 (aspect ratio) 에 의해 규정될 수 있다. 입자의 어스펙트비는 1:3 미만 및 종종 1:1.5 미만이어야 하며, 실질적으로 원형인 단면 또는 구형 입자를 반영해야 한다. 입자의 원형도, 구형도 또는 조도는 조도를 자동적 또는 수동적으로 측정하여 산출할 수 있는 입자의 현미경적 검사로 측정할 수 있다. 상기 측정에 있어서, 대표적으로 선택된 미립자의 둘레를 선택하고, 입자 단면적을 또한 측정한다. 입자의 원형도는 하기 식으로 계산된다:

원형도 = (둘레)²/면적.

이상적인 구형 입자는 약 12.6의 원형도 특징을 갖는다. 상기 원형도 특징은 약 20 미만, 종종 약 14 내지 20 또는 약 13 내지 18인 단위가 없는 파라미터이다.

본 발명의 복합물에 사용될 수 있는 금속 미립자에는 텅스텐, 우라늄, 오스뮴, 이리듐, 백금, 레늄, 금, 넵투늄, 플루토늄 및 탄탈륨이 포함되며, 철, 구리, 니켈, 코발트, 주석, 비스무스 및 아연과 같은 2차 금속을 포함할 수 있다. 그 장점은 납 및 열화 우라늄이 필요한 경우 대체물로서 무독성 또는 비방사활성 재료를 사용할 수 있다는 것이지만, 상기 재료가 의도되는 용도에 대해 부정적인 영향을 미치지 않을 경우에는 납 및 우라늄을 사용할 수 있다. 본 발명의 또 다른 장점은 자연적으로는 합금을 형성할 수 없는 적어도 2 개의 금속 재료를 이용하여 2 금속성 또는 그 이상의 복합물을 생성하는 능력에 있다. 다양한 특성을 금속 또는 금속과 중합체의 조합의 주의깊은 선택을 통해 맞춤화할 수 있고, 재료의 독성 또는 방사활성을 필요에 따라 재료에 대해 디자인할 수 있다. 이러한 재료들은 큰 금속 입자로 사용되지 않지만, 보통 금속 미립자로 불리는 작은 금속 입자로 전형적으로 사용된다. 이러한 미립자는 비교적 낮은 어스펙트비를 가지며, 전형적으로 약 1:3 미만의 어스펙트비이다. 어스펙트비는 미립자의 가장 큰 치수를 미립자의 가장 작은 치수로 나눈 비율로서 정의된다. 일반적으로, 구형 미립자가 바람직하지만, 밀한 구조 내 비교적 균일한 입자로부터 충분한 패킹 밀도를 얻을 수 있다.

본 발명의 복합물 재료는 배제 부피를 남기고 최대 탭 밀도에서 금속 미립자와, 실질적으로 배제 부피 이하를 점유하는 중합체 재료를 조합하여, 복합물 조성물로부터 가능한 최대 밀도를 수득한다.

다양한 고밀도 금속이 사용될 수 있다. 텅스텐 (W) 은 원자량 183.84; 원자 번호 74 를 가지며, VIB (6) 족에 속한다. 천연 생성 동위원소는 180 (0.135%); 182 (26.4%); 183 (14.4%); 184 (30.6%); 186 (28.4%) 및 인공 방사활성 동위원소는 173 - 179; 181; 185; 187 - 189 의 질량수를 갖는다. 텅스텐은 C. W. Scheele 에 의해 1781 년에 발견되었으며, 1783 년에 J. J. 및 F. de Elhuyar 에 의해 단리되었다. 희귀 금속 중 하나로, 지각의 약 1.5 ppm 을 차지한다. 주광석은 중국, 말레이시아, 멕시코, 알래스카, 남아메리카 및 포르투갈에서 주로 발견되는 철망간중석 [Wolframite, (Fe,Mn)WO₄] 및 회중석 (Scheelite, CaW0₄) 이다. 미국에서 채굴되는 회중석 광석은 0.4 - 1.0% 의 WO₃ 을 보유하고 있다. 단리 방법에 대한 설명은 다음을 참고한다: K. C. Li, C. Y. Wang, Tungsten, A.C.S. Monograph Series no. 94 (Reinhold, New York, 3 판, 1955) pp 113 - 269; G. D. Rieck, Tungsten and Its Compounds (Pergamon Press, New York, 1967) 154 pp. 리뷰로는 다음을 참고한다: Parish, Advan . Inorg . Chem . Radiochem. 9, 315 - 354 (1966); Rollinson, "Chromium, Molybdenum and Tungsten", Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 3, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) pp 623 - 624, 742 - 769. 텅스텐은 결정 형태에서 체심 입방 구조를 갖는 철회색 내지 주석백색 금속이다. 그 밀도는 d₄ ²⁰ 이 18.7 - 19.3 이고; 그 경도는 6.5 - 7.5 이며, 용융점은 3410℃ 이고, 비점은 5900℃ 이며, 비열 (20℃) 은 0.032 cal/g/℃, 융합열은 44 cal/g, 기화열은 1150 cal/g 이고, 전기 저항 (20℃) 은 5.5 μohm-cm 이다. 텅스텐은 상온에서 건조 공기 중에서는 안정하지만 적열 상태에서는 삼산화물을 형성하며, 물에 의해서는 손상되지 않으나 증기에 의해서는 이산화물로 산화된다. 미립자 텅스텐은 적절한 조건 하에서는 자연발화할 수 있고, 공기 존재 하에 융합 포타슘 하이드록사이드 또는 소듐 카보네이트 중에 천천히 용해되며; NaOH 및 니트레이트의 융합 혼합물에 가용성이다. 텅스텐은 실온에서 불소에 의해 손상되며; 250 - 300℃ 에서 염소에 의해 공기의 부재 하에서는 헥사클로라이드를, 및 공기의 존재 하에서는 삼산화물 및 옥시클로라이드를 만든다. 요약하면, 용융점은 3410℃ 이고 비점은 5900℃ 이며, 밀도는 d₄ ²⁰ 이 18.7 - 19.3 이다.

우라늄 (U) 은 원자량이 238.0289 (천연 생성 동위원소 혼합물의 특징) 이며; 원자 번호는 92 고, 안정한 핵종이 없다. 천연 생성 동위원소는 238 (99.275%); 235 (0.718%); 234 (0.005%); 인공 방사활성 동위원소는 226 - 233; 236; 237; 239; 240 의 질량수를 갖는다. 우라늄은 지각의 약 2.1 ppm 을 차지한다. 시판 대상인 주요 우라늄 광석은 카노타이트 (carnotite), 역청 우라늄광 (pitchblende), 토베르나이트 (tobernite) 및 인회 우라늄광 (autunite) 이다. 상업적으로 중요한 광산은 캐나다의 엘리옷 호수-블라인드 강 (Elliot Lake-Blind River) 지역에, 남아프리카의 랜드 골드 (Rand gold) 평야에, 미국 콜로라도 및 유타와 호주 및 프랑스에 위치하고 있다. 역청 우라늄광으로부터의 발견은 다음을 참고한다: M. H. Klaproth, Chem . Ann. II 387 (1789). 이 금속의 제조에 대해서는 다음을 참고한다: E. Peligot, C.R. Acad . Sci 12, 735 (1841) 및 동일 저자, Ann . Chim . Phys . 5, 5 (1842). 순수한 우라늄 금속 제조의 순서도 및 상세사항은 다음을 참고한다: Chem . Eng. 62, No. 10, 113 (1955); Spedding 등, U. S. 특허 제 2,852,364 호 (1958 년에 U.S.A.E.C. 로). 리뷰로는 다음을 참고한다: Mellor's Vol. XII, 1 - 138 (1932); C. D. Harrington, A. R. Ruehle, Uranium Production Technology (Van Nostrand, Princeton, 1959); E. H. P. Cordfunke, The Chemistry of Uranium (Elsevier, New York, 1969) 2550 pp; 여러 저자가 쓴 Handb . Exp . Pharmakol , 36, 3 - 306 (1973); "The Actinides", Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 5, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) 여러 부분; F. Weigel, Kirk - Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 23 (Wiley-Interscience, New York, 3 판, 1983) pp 502 - 547; 동일 저자, The Chemistry of the Actinide Elements Vol. 1, J.J. Katz 등 편저 (Chapman and Hall, New York 1986) pp 169 - 442; J. C. Spirlet 등, Adv . Inorg . Chem . 31, 1 - 40 (1987). 독성학 및 보건 효과에 대한 리뷰는 다음을 참고한다: Toxicological Profile for Uranium (PB91 - 180471, 1990) 205 pp. 우라늄은 가단성 및 연성이고 공기 중에서 신속하게 녹슬어 진한색의 산화물층을 형성하는 은백색의 광택성 방사활성 금속이다. 기화열은 446.7 kJ/mol 이며; 융합열은 19.7 kJ/mol 이고; 승화열은 487.9 kJ/mol 이다. 미립자 우라늄 금속 및 일부 우라늄 화합물은 공기 또는 산소 중에서 자발적으로 발화할 수 있고, 수성 HCl 중에서 신속히 가용화된다. 비산화성 산, 예컨대 황산, 인산 및 불화수소산은 우라늄과 매우 느리게만 반응하며; 질산은 중간 속도로 우라늄을 용해시키고; 질산 중 미립자 우라늄의 용해는 폭발적 화력에 도달할 수 있다. 우라늄 금속은 알칼리에 대해 불활성이다. 요약하면, 용융점은 1132.8 ± 0.8°이고, 밀도는 19.07; d 18.11; d 18.06 이다.

오스뮴 (O) 은 원자량이 190.23 이고; 원자 번호가 76 이며, VIII (8) 족에 속한다. 천연 생성 동위원소는 184 (0.02%); 186 (1.6%); 187 (1.6%); 188 (13.3%); 189 (16.1%); 190 (26.4%); 192 (41.0%) 의 질량수를 갖는다. 인공 방사활성 동위원소는 181 - 183; 185; 191; 193 - 195 의 질량수를 갖는다. 오스뮴은 지각의 약 0.001 ppm 을 차지하며, 미네랄 오스미리듐 및 모든 백금 광석에서 발견된다. Tennant 가 1804 년에 오스뮴을 발견하였다. 그 제조는 Berzelius 등에 의해 발견되었으며, 다음에서 언급된다: Mellor, A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical Chemistry 15, 6887 (1936). 리뷰로는 다음을 참고한다: Gilchrist, Chem . Rev . 32, 277 - 372 (1943); Beamish 등, Rare Metals Handbook, C. A. Hampel 편저 (Reinhold New York, 1956) pp 291 - 328; Griffith, Quart . Rev. 19, 254 - 273 (1965); 동일 저자, The Chemistry of the Rarer Platinum Metals (John Wiley, New York, 1967) pp 1 - 125; Livingstone, Comprehensive Inorganic Chemistry, Vol. 3, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) pp 1163 - 1189, 1209 - 1233. 오스뮴은 청백색의 광택성 금속으로, 촘촘이 패킹된 6 각 구조를 갖는다. 밀도 d₄ ²⁰ 이 22.61 로, 오랫동안 가장 밀도가 높은 원소로 여겨져 왔다. X-선 데이타는 이리듐보다 약간 덜 조밀한 것으로 나타나며, 용융점은 약 2700℃, 비점은 약 5500℃, 밀도 d₄ ²⁰ 은 22.61, 비열 (0℃) 은 0.0309 cal/g/℃ 이고, 모스 규모 경도는 7.0 이다. 오스뮴은 차가운 공기 중 및 미립자 중에서는 안정하며, 상온에서도 공기에 의해 천천히 산화되어 사산화물을 형성한다. 오스뮴은 100℃ 초과에서는 불소에 의해, 가열 시 건조 염소에 의해 손상되지만, 브롬 또는 요오드에 의해서는 손상되지 않는다. 오스뮴은 왕수 (aqua regia) 에 의해, 장시간에 걸친 산화성 산에 의해 손상되지만, HCl, H₂SO₄ 에 의해서는 거의 영향을 받지 않는다. 오스뮴은 인의 증기 하에서는 연소하여 포스파이드 (phosphide) 를 형성하며, 황의 증기 하에서는 설파이드를 형성한다. 오스뮴은 또한 용융 알칼리 하이드로설페이트, 포타슘 하이드록사이드 및 산화제에 의해서도 손상된다. 미립자 오스뮴은 상당량의 수소를 흡수한다. 요약하면, 오스뮴은 용융점이 약 2700℃ 이고 비점이 약 5500℃ 이며 밀도 d₄ ²⁰ 이 22.61 이다.

이리듐은 원자량이 192.217 이고 원자 번호가 77 이다. 천연 생성 동위원소는 191 (38.5%); 193 (61.5%), 인공 방사활성 동위원소는 182 - 191; 194 - 198 의 질량수를 갖는다. 지각의 약 0.001 ppm 을 차지한다. 이리듐은 Tennant 에 의해 발견되었다. 통상적으로 오스뮴과의 천연 합금 (오스미리듐) 으로서 금속성 상태로 자연계에 존재하며, 소량은 천연 백금 (백금 광물) 또는 천연 금과 합금화되어 발견된다. 오스미리듐의 회수 및 정제는 다음을 참고한다: Deville, Debray, Ann . Chim . Phys. 61, 84 (1861); 백금 미네랄로부터는 다음을 참고한다: Wichers, J. Res . Nat . Bur . Stand. 10, 819 (1933). 이리듐 및 다른 백금 금속의 제조, 특성 및 화학에 대한 리뷰로는 다음을 참고한다: Gilchrist, Chem . Rev. 32, 277 - 372 (1943); W. P. Griffith, the Chemistry of the Rare Platinum Metals (John Wiley, New York, 1967) pp 1 - 41, 227 - 312; Livingstone, Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 3, J. C. Bailar Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) pp 1163 - 1189, 1254 - 1274. 이리듐은 은백색의 매우 단단한 금속으로; 면심 입방 격자를 가지며 용융점은 2450℃, 비점은 약 4500℃, 밀도 d₄ ²⁰ 은 22.65, 비열은 0.0307 cal/g/℃, 모스 경도는 6.5 이고, 모든 원소 중 가장 높은 비중을 갖는다. 왕수를 포함하는 산은 순수한 이리듐을 공격하지 않고, 상기 금속은 단지 융합 (비산화성) 알칼리에 의해 약간 손상된다. 공기 중에서 가열 시 표면적으로 산화되며, 적열 상태에서 불소 및 염소에 의해, 포타슘 설페이트에 의해 또는 융합시 포타슘 하이드록사이드와 니트레이트의 혼합물에 의해, 납, 아연 또는 주석에 의해 손상된다. 미립자 금속은 적열 상태에서 공기 또는 산소에 의해 이산화물 IrO₂ 로 산화되지만, 추가 가열 시 이산화물은 그 성분들로 해리된다. 요약하면, 이리듐은 용융점이 2450℃ 이고 비점이 약 4500℃ 이며 밀도 d₄ ²⁰ 이 22.65 이다.

백금 (Pt) 은 원자량이 195.078 이고, 원자 번호는 78 이며, VIII (10) 족에 속한다. 천연 생성 동위원소는 190 (0.01%); 192 (0.8%); 194 (32.9%); 195 (33.8%); 196 (25.2%); 198 (7.2%) 의 질량수를 가지며; 190 은 방사활성이 있고: T_{1 /2} 은 6.9 × 10¹¹ 년이다. 인공 방사활성 동위원소는 173 - 189; 191; 193; 197; 199 - 201 의 질량수를 갖는다. 백금은 지각의 약 0.01 ppm 을 차지한다. Pliny 가 "알루티애 (alutiae)" 라는 이름으로 언급한 것으로 여겨지며, 남아메리카에서는 "플래티넘 델 핀토 (platina del Pinto)" 로 알려지고 사용되어 왔다. 백금은 1735 년에 Ulloa 에 의해 보고되었으며, Wood 가 유럽에 가져와서 1741 년에 Watson 에 의해 설명되었다. 자갈 및 모래에서 적어도 1 개의 같은 족 멤버 (이리듐, 오스뮴, 팔라듐, 로듐, 및 루테늄) 와 합금화된 천연 형태로 얻어진다. 제조에 대해서는 다음을 참고한다: Wichers 등, Trans . Amer . Inst. Min . Met . Eng . 76, 602 (1928). 백금 및 다른 백금 금속의 제조, 특성 및 화학에 대한 리뷰로는 다음을 참고한다: Gilchrist, Chem . Rev. 32, 277 - 372 (1943); Beamish 등, Rare Metals Handbook, C. A. Hampel 편저 (Reinhold, New York, 1956) pp 291 - 328; Livingstone, Comprehensive Inorganic Chemistry, Vol. 3, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon press, Oxford, 1973) pp 1163 - 1189, 1330 - 1370; F. R. Harley, The Chemistry of Platinum and Palladium with Particular Reference to Complexes of the Elements (Halsted Press, New York, 1973). 백금은 은회색의 광택성, 가단성 및 연성이 있는 금속이며; 면심 입방 구조를 가지고; 흑색 분말 (백금 블랙) 및 스폰지 덩어리 (백금 스폰지) 의 형태로 제조된다. 백금의 용융점은 1773.5 ± 1℃ 이며 (Roeser 등, Nat Bur . Stand. J. Res . 6, 1119 (1931)); 비점은 약 3827℃ 이고, 밀도는 d₄ ²⁰ 이 21.447 (계산값) 이고; 브리넬 (Brinell) 경도는 55 이며; 비열은 0℃ 에서 0.0314 cal/g 이고; 전기 저항은 (20℃) 10.6 μohm-cm 이고; 공기에 노출되는 경우 녹슬지 않고, 적열 상태에서 수소를 흡수하여 상온에서 이를 계속 보유하며; 진공 하 적열 상태에서 그 가스를 배출하고; 일산화탄소, 이산화탄소, 질소를 흡장하고; 1500℃ 에서 공기 중에 가열되는 경우 상당히 휘발한다. 가열된 금속은 산소를 흡수하여 냉각 시 이를 배출한다. 백금은 물 또는 단일 무기산에 의해 영향받지 않으며, 비등 왕수와 반응하여 클로로백금산을 형성하고, 용융 알칼리 시아나이드와도 반응한다. 할로겐에 의해, 부식성 알칼리, 알칼리 메트레이트, 알칼리 페록사이드와의 융합물에 의해, 아르세네이트 및 포스페이트에 의해 환원제의 존재 하에 손상된다. 요약하면, 백금의 용융점은 1773.5 ± 1℃ 이며 (Roeser 등, Nat . Bur . Stand . J. Res . 6, 1119 (1931)), 비점은 약 3827℃ 이고 밀도는 21.447 (계산값) 이다.

금 (Au) 의 원자량은 196.96655 이고; 원자 번호는 79 이며, IB (11) 족에 속한다. 천연 생성 동위원소는 197 의 질량수를 가지며; 인공 동위원소 (의 질량수) 는 177 - 179, 181, 183, 185 - 196, 198 - 203 이다. 금은 지각의 0.005 ppm 을 차지한다. 금은 인간에게 알려진 최초의 순수한 금속일 것이다. 자연계에서 천연 형태로 얻어지며, 소량은 거의 모든 암석 및 해수 중에 존재한다. 금 광석에는 칼라바라이트 (calavarite, AuTe₂), 침상 텔루르석 [sylvanite, (Ag,Au)Te₂], 펫자이트 (petzite, [(Ag,Au)₂Te] 가 포함된다. 채광, 추출 및 정련 방법에 대해서는 다음을 참고한다: Hull, Stent, Modern Chemical Processes, Vol. 5 (Reinhold, New York, pp 1958) pp 60 - 71. 금 조각으로부터 금 분말의 실험실 규모 제조는 다음을 참고한다: Block, Inorg . Syn 4, 15 (1953). 류마티스성 관절염 치료에서의 금 약물의 화학은 다음을 참고한다: D. H. Brown, W. E. Smith, Chem . Soc . Rev. 9, 217 (1980). NO₂ 에 의한 유기 화합물의 산화에서의 촉매로서의 용도는 다음을 참고한다: R. E. Sievers, S. A. Nyarady, J. Am . Chem. Soc. 107, 3726 (1985). 기체 또는 액체와의 계면에서 가장 반응성이 적은 금속으로, 다음을 참고한다: B. Hammer, J. K. Norskov, Nature 373, 238 (1995). 리뷰로는 다음을 참고한다: Gmelin's Handb . Anorg . Chem ., Gold (8 판) 62, parts 2, 3 (1954); Johnson, Davis, "Gold", Comprehensive Inorganic Chemistry, Vol. 3, J. C. Bailar Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) pp 129 - 186; J. G. Cohn, E. W. Stern, Kirk - Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 11 (Wiley Interscience, New York, 3 판, 1980) pp 972 - 995. 금은 황색의 부드러운 금속으로; 면심 입방 구조를 가지며; 휘발화 또는 침전 방법에 의해 제조되는 경우 진보라색, 자주색 또는 루비색인 미립자이고, 용융점은 1064.76℃; 비점은 2700℃, 밀도는 19.3; 모스 경도는 2.5 - 3.0; 브리넬 경도는 18.5 이다. 금은 매우 비활성이며; 산, 공기 또는 산소에 의해 손상되지 않고; 실온에서 수성 할로겐에 의해 표면적으로 손상되며; 왕수, 초기 할로겐을 생성할 수 있다면 클로라이드, 브로마이드 또는 요오다이드를 포함하는 혼합물, 특히 할로겐, 알칼리 시아나이드, 이중 시아나이드 및 티오시아네이트의 용액을 포함하는 여러 산화성 혼합물과 반응한다. 요약하면, 금의 용융점은 1064.76℃ 이고, 비점은 2700℃ 이고, 밀도는 19.3 이다.

레늄 (Re) 은 원자량이 186.207 이고; 원자 번호가 75 이며, VIIB (7) 족에 속한다. 천연 생성 동위원소는 185 (37.07%); 187 (62.93%) 의 질량수를 가지며, 후자는 방사활성이 있고 T_{1 /2} 은 ~10¹¹ 년이며; 인공 방사활성 동위원소는 177 - 184; 186; 188 - 192 의 질량수를 갖는다. 레늄은 지각의 약 0.001 ppm 을 차지한다. 가돌린석, 휘수연석, 콜럼바이트 (columbite), 희토 (rare earth) 미네랄, 및 일부 설파이드 광석에서 얻어진다. 레늄은 Nodack 등에 의해 발견되었다 (Naturwiss . 13, 567, 571 (1925)). 포타슘 퍼레네이트 (perrhenate) 또는 암모늄 퍼레네이트의 환원에 의한 금속성 레늄의 제조는 다음을 참고하며: Hurd, Brim, Inorg . Syn 1, 175 (1939), 고순도 레늄의 제조는 다음을 참고한다: Rosenbaum 등, J. Electrochem . Soc . 103, 18 (1956). 리뷰로는 다음을 참고한다: Mealaven, rare Metals Handbook, C. A. Hampel 편저 (Reinhold, New York, 1954) pp 347 - 364; Peacock, Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 3, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) pp 905 - 978; P. M. Treichel, Kirk ,- Othmer Encyclopedia of Chemical Technology , Vol. 20 (Wiley-Interscience, New York, 3 판, 1982) pp 249 - 258. 레늄은 6 각형의 조밀-패킹된 결정을 갖고 흑색 내지 은회색이며; 밀도는 d 21.02 이고; 용융점은 3180℃ 이고; 비점은 5900℃ (예측값) 이고; 0 - 20℃ 에서의 비열은 0.03263 cal/g/℃ 이고; 20℃ 에서 비전기 저항은 0.21 × 10^-4 ohm/cm 이고; 브리넬 경도는 250 이고; 기화 잠열은 152 kcal/mol 이고, 산화성 산, 질산 및 진한 황산과는 반응하지만 HCl 과는 반응하지 않는다. 요약하면, 레늄은 용융점이 3180℃ 이고, 비점이 5900℃ (예측값) 이며, 밀도는 21.02 이다.

넵투늄 (Np) 의 원자 번호는 93 이다. 이는 안정한 핵종이 없고, 인간이 만든 최초의 초우라늄 원소이다. 공지된 동위원소 (의 질량수) 는 227 - 242 이다. 동위원소 239 (T_{1 /2} 2.355 일, 알파-붕괴, 상대 원자량 239.0529) 의 발견은 다음을 참고할 수 있다: E. McMillan, P. Abelson, Phys . Rev . 57, 1185 (1940); 동위원소 237 (T_{1 /2} 2.14 × 10⁶ 년, 알려져 있는 것들 중 가장 반감기가 긴 동위원소, 상대 원자량 237.0482) 은 다음을 참고할 수 있다: A. C. Wahl, G. T. Seaborg, 상동 문헌. 73, 940 (1948). 금속의 제조에 대해서는 다음을 참고한다: S. Fried, N. Davidson, J. Am . Chem . Soc. 70, 3539 (1948); L. B. Magnusson, T. J. LaChapelle, 상동 문헌. 3534. 자연계 내 넵투늄의 존재는 Seaborg, Perlman 이 발견하였다 (상동 문헌. 70, 1571 (1948)). 화학적 특성은 다음을 참고한다: Seaborg, Wahl, 상동 문헌. 1128. 리뷰로는 다음을 참고한다: C. Keller, the chemistry of the Transactinide Elements (Verlag Chemie, Weinheim, 영문판, 1971) pp 253 - 332; W. W. Schulz, G. E. Benedict, Neptunium-237; Production and Recovery , AEC Critical Review Series (USAEC, Washington D. C.), 1972) 85 pp; Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 5, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) 여러 부분; J. A. Fahey, The Chemistry of the Actinide Elements Vol. 1, J. J. Katz 등 편저 (Chapman and Hall, New York, 1986) pp 443 - 498; G. T. Seaborg, Kirk - Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 1 (Wiley-Interscience, New York, 4 판, 1991) pp 412 - 444. 넵투늄은 은색 금속으로; 단기간 공기에 노출되는 경우 얇은 산화층을 만든다. 넵투늄은 고온에서 공기와 반응하여 외삽 비점 4174℃ 인 Np0₂ 를 형성한다. 넵투늄은 용액 중 그 5 개의 산화 상태로 수득되며; 가장 안정한 것은 5 가 상태이다. 4 가 넵투늄은 저온에서 퍼망가네이트에 의해 또는 강한 산화제에 의해 6 가 상태로 쉽게 산화되며; 질소 분위기 하에서의 전해 환원 시 3 가 형태가 수득된다. 요약하면, 넵투늄의 용융점은 637℃ 이며; 비점은 4174℃ 이고 밀도는 d 20.45; d 19.36 이다.

플루토늄 (Pu) 의 원자 번호는 94 이며 안정한 핵종은 없다. 공지된 동위원소 (의 질량수) 는 232 - 246 이다. 가장 반감기가 긴 공지된 동위원소는 ²⁴²Pu (T_1/2 3.76 × 10⁵ 년, 상대 원자량 242.0587), 244 (T_{1 /2} 8.26 × 10⁷ 년, 상대 원자량 244.0642) 이다. 시판 동위원소는 ²³⁸Pu (T_{1 /2} 87.74 년, 상대 원자량 238.0496); ²³⁹Pu (T_{1 /2} 2.41 × 10⁴ 년, 상대 원자량 239.0522) 이다. 플루토늄은 지각의 10^{- 22}% 를 차지한다. 동위원소 ²³⁸Pu 의 발견은 다음을 참고한다: G. T. Seaborg 등, Phys . Rev. 69, 366, 367 (1946); 동위원소 ²³⁹Pu 의 발견은 다음을 참고한다: J. W. Kennedy 등, 상동 문헌 70 555 (1946). 역청 우라늄광으로부터 ²³⁹Pu 의 용액은 다음을 참고한다: G. T. Saborg, M. L. Perlman, J. Am . Chem . Soc. 70, 1571 (1948). 금속의 제조는 다음을 참고한다: B. B. Cunningham, L. B. Werner, 상동 문헌. 71, 1521 (1949). 화학적 특성은 다음을 참고한다: Seaborg, Wal, 상동 문헌 1128; Harvey 등, J. Chem . Soc . 1947, 1010. 리뷰로는 다음을 참고한다: J. M. Cleveland, the Chemistry of Plutonium (Gordon & Breach, New York, 1970) 653 pp; C. Keller, The Chemistry of the Transuranium Elements (Verlag Chemie, Weinheim, 영문판, 1971) pp 333 - 484; Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 5, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) 여러 부분; Handb . Exp . Pharmakol 36 307-688 (1973); F. Weigel, Kirk - Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 18 (Wiley-Interscience, New York, 3 판, 1982) pp 278 - 301; Plutonium Chemistry, W. T. Carnall, G. R. Choppin 편저 (Am. Chem. Soc., Washington, D. C., 1983) 484 pp; F. Weigel 등, The Chemistry of the Actinide Elements Vol. 1, J. J. Katz 등 편저 (Chapman and Hall, New York, 1986) pp 499 - 886. 독성에 대한 리뷰로는 다음을 참고하며: W. J. Bair, R. C. Thompson, Science 183, 715 - 722 (1974); 보건에 대한 효과는 다음을 참고한다: Toxicological Profile for Plutonium (PB91 - 180406, 1990) 206 pp. 플루토늄은 매우 반응성이 있는 은백색 금속이다. 건조 공기 및 산소 하에 쉽게 산화하며, 그 속도는 수분의 존재 하에 증가한다. 요약하면, 플루토늄의 용융점은 640 ± 2℃ 이고 밀도는 d²¹ 19.86; d¹⁹⁰ 17.70; d²³⁵ 17.14; d³²⁰ 15.92; d⁴⁰⁵ 16.00; d⁴⁹⁰ 16.51 이다.

탄탈륨 (Ta) 의 원자량은 180.9479 이며; 원자 번호는 73 이고, VB (5) 족에 속한다. 천연 생성 동위원소의 질량수는 181 (99.9877%); 180 (0.0123%), T_1/2 > 10¹² 년이고; 인공 방사활성 동위원소의 질량수는 172 - 179; 182 - 186 이다. 탄탈륨은 거의 항상 니오븀과 함께 존재하지만 니오븀보다는 적게 존재한다. 광물 콜럼바이트에서, 즉 탄탈라이트 (tantalite, [(Fe,Mn)(Ta,Nb)₂O₆]) 및 마이크롤라이트 (microlite, [(Na,Ca)₂Ta₂O₆(O,OH,F)]) 에서 발견된다. 탄탈륨은 1802 년에 Edeberg 에 의해 발견되었으며; Bolton 에 의해 최초로 순수하게 수득되었다 (Z. Elektrochem . 11, 45 (1905)). 제조에 대해서는 다음을 참고한다: Schoeller, Powell, J. Chem . Soc . 119, 1927 (1921). 리뷰로는 다음을 참고한다: G. L. Miller, Tantalum and Niobium (Academic Press, New York, 1959) 767 pp; Brown, "The Chemistry of Niobium and Tantalum", Comprehensive Inorganic Chemistry Vol. 3, J. C. Bailar, Jr. 등 편저 (Pergamon Press, Oxford, 1973) pp 553 - 622. 탄탈륨은 가는 와이어로 쉽게 인취될 수 있는, 회색의 매우 단단한 가단성이고 연성인 금속으로; 용융점은 2996℃ 이고; 비점은 5429℃ 이며, 밀도 d 는 16.69 이고; 비열은 0℃ 에서 0.036 cal/g/℃ 이고; 전기 저항 (18℃) 은 12.4 μohm-cm 이고; 수중에서 불용성이고; 화학적 손상에 매우 내성이 있으며; 불화수소산 이외의 산에 의해 손상되지 않고 수성 알칼리에 의해 손상되지 않으며; 융합 알칼리에 의해 천천히 손상된다. 가열시에만 불소, 염소 및 산소와 반응하고, 고온에서 그 부피의 수백배의 수소를 흡수하며; 질소, 탄소와 조합된다. 요약하면, 탄탈륨의 용융점은 2996℃ 이고, 비점은 5429℃ 이며, 밀도는 d 16.69 이다.

매우 다양한 중합체 재료를 본 발명의 복합물 재료에 사용할 수 있다. 본 출원의 목적을 위해, 중합체란 열경화재 또는 열가소재를 모두 포함하는 일반적인 용어로 쓰인다. 본 발명자들은 본 발명에서 유용한 중합체 재료가 축합 중합성 재료 및 부가 중합성 재료 모두 또는 비닐 중합성 재료를 포함한다는 것을 발견하였다. 비닐 및 축합 중합체 모두, 및 이들의 중합성 합금이 포함된다. 비닐 중합체는 전형적으로 에틸렌계 불포화 올레핀기를 갖는 단량체의 중합에 의해 제조된다. 축합 중합체는 전형적으로 적어도 2 개의 분자가 조합되는 단계적 화학 반응으로 간주되는 축합 중합 반응, 및 반드시는 아니지만 종종 수반되는 물 또는 일부 다른 간단하고 전형적으로는 휘발성인 성분의 분리에 의해 전형적으로 제조된다. 상기 중합체는 소위 중축합으로 불리는 방법으로 형성될 수 있다. 중합체는 적어도 0.85 gm/cm³ 의 밀도를 갖지만, 0.96 gm/cm³ 초과의 밀도를 갖는 중합체가 총 생성물 밀도를 증강시키는데 유용하다. 밀도는, 금속 미립자 및 사용 목적에 따라, 종종 최대 1.7 또는 최대 2 gm/cm³ 이거나 약 1.5 내지 1.95 gm/cm³ 일 수 있다.

비닐 중합체에는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 (ABS), 폴리부틸렌 공중합체, 폴리아세틸 수지, 폴리아크릴 수지, 비닐 클로라이드, 비닐리덴 클로라이드를 포함하는 단독중합체 또는 공중합체, 플루오로카본 공중합체 등이 포함된다. 축합 중합체에는 나일론, 페녹시 수지, 폴리아릴에테르, 예컨대 폴리페닐에테르, 폴리페닐설피드 재료; 폴리카보네이트 재료, 염소화 폴리에테르 수지, 폴리에테르설폰 수지, 폴리페닐렌 옥사이드 수지, 폴리설폰 수지, 폴리이미드 수지, 열가소성 우레탄 엘라스토머 및 여러 다른 수지 재료가 포함된다.

본 발명의 복합물 재료에 사용될 수 있는 축합 중합체에는 폴리아미드, 폴리아미드-이미드 중합체, 폴리아릴설폰, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트, 폴리에테르이미드, 폴리에테르설폰, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 열가소성 폴리이미드, 폴리페닐렌 에테르 배합물, 폴리페닐렌 설피드, 폴리설폰, 열가소성 폴리우레탄 등이 포함된다. 바람직한 축합 가공 중합체에는 폴리카보네이트 재료, 폴리페닐렌옥사이드 재료, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리부틸렌 나프탈레이트 재료 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트를 포함하는 폴리에스테르 재료가 포함된다.

폴리카보네이트 가공 중합체는 높은 충격 강도, 투명도, 내열성 및 치수 안정성을 갖는 고성능, 비정질 가공 열가소재이다. 폴리카보네이트는 일반적으로 유기 하이드록시 화합물과 함께 탄산 또는 폴리에스테르로 분류된다. 가장 일반적인 폴리카보네이트는 탄산과 공중합된 하이드록시 화합물로서 페놀 A 에 근거한다. 재료는 종종 비스페놀 A 와 포스겐 (O=CCl₂) 의 반응에 의해 제조된다. 폴리카보네이트는 중합 압출기에 도입된 프탈레이트 단량체와 함께 특성, 예컨대 내열성을 개선하도록 제조될 수 있고, 또한 3 관능성 재료를 사용하여 성형 재료의 압출 취입 또는 용융 강도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 폴리카보네이트는 종종 합금의 제조에서 다른 시판 중합체를 성분으로 하는 다양한 배합 재료로 사용될 수 있다. 폴리카보네이트는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 스티렌 말레산 무수물 등과 조합될 수 있다. 바람직한 합금은 스티렌 공중합체 및 폴리카보네이트를 포함한다. 바람직한 폴리카보네이트 재료는 0.5 내지 7, 바람직하게는 1 내지 5 g/10 min 사이의 용융 지수를 가져야 한다.

폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트 등을 포함하는 여러 폴리에스테르 축합 중합체 재료가 본 발명의 복합물에서 유용할 수 있다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트는 고성능 축합 중합체 재료이다. 상기 중합체는 종종 디올 (에틸렌 글리콜, 1,4-부탄 디올) 과 디메틸 테레프탈레이트의 공중합에 의해 제조된다. 재료의 중합에 있어서, 중합 혼합물을 고온으로 가열하면 메탄올을 방출하는 에스테르 교환 반응이 일어나고, 가공 가소재가 형성된다. 유사하게, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리부틸렌 나프탈레이트 재료는 산 공급원으로 나프탈렌 디카르복실산을 이용하여 상기에서와 같이 공중합에 의해 제조될 수 있다. 나프탈레이트 열가소재는 테레프탈레이트 재료에 비해 고온에서 더 높은 Tg 및 더 높은 안정성을 갖는다. 그러나, 이들 폴리에스테르 재료가 모두 본 발명의 복합물 재료에 유용하다. 상기 재료는 용융 흐름 특성을 특징으로 하는 바람직한 분자량을 갖는다. 유용한 폴리에스테르 재료는 265℃ 에서 약 500 - 2000 cP, 바람직하게는 약 800 - 1300 cP 의 점도를 갖는다.

폴리페닐렌 옥사이드 재료는 330℃ 만큼 높은 온도 범위에서 유용한 가공 열가소재이다. 폴리페닐렌 옥사이드는 뛰어난 기계적 특성, 치수 안정성, 및 유전체 (dielectric) 특징을 갖는다. 통상적으로, 페닐렌 옥사이드는 다른 중합체 또는 섬유와 조합되는 경우 중합체 합금 또는 배합물로 제조되어 판매된다. 폴리페닐렌 옥사이드는 전형적으로 2,6-디메틸-1-페놀의 단독중합체를 포함한다. 중합체는 통상 폴리(옥시-(2,6-디메틸-1,4-페닐렌)) 으로 알려져 있다. 폴리페닐렌은 종종 폴리아미드, 전형적으로 나일론 6-6 과의 합금 또는 배합물, 폴리스티렌 또는 고충격성 스티렌 등과의 합금으로 사용된다. 본 발명에서 유용한 폴리페닐렌 옥사이드 재료에 대해 바람직한 용융 지수 (ASTM 1238) 는 전형적으로 약 1 내지 20, 바람직하게는 약 5 내지 10 gm/10 min 범위이다. 용융 점도는 265℃ 에서 약 1000 cP 이다.

또다른 열가소재군에는 스티렌계 공중합체가 포함된다. 스티렌계 공중합체라는 용어는 스티렌이 제 2 비닐 단량체와 공중합되어 비닐 중합체가 얻어진다는 것을 나타낸다. 상기 재료는 적어도 5 mol% 의 스티렌을 포함하며, 나머지는 적어도 1 개의 다른 비닐 단량체가 차지한다. 상기 재료의 중요군으로는 스티렌 아크릴로니트릴 (SAN) 중합체가 있다. SAN 중합체는 스티렌 아크릴로니트릴 및 선택적으로 다른 단량체의 공중합에 의해 제조되는 랜덤 비정질 선형 공중합체이다. 에멀션, 현탁액 및 연속물 중합 기법이 사용되어 왔다. SAN 공중합체는 투명성, 뛰어난 열 특성, 우수한 내화학성 및 경도를 보유한다. 상기 중합체는 또한 이들의 단단함, 치수 안정성 및 하중 지지능을 특징으로 한다. 올레핀 개질된 SAN (OSA 중합체 재료) 및 아크릴계 스티렌 아크릴로니트릴 (ASA 중합체 재료) 이 공지되어 있다. 상기 재료는 비개질 SAN 에 비해 다소 더 부드럽고, 놀랍게 개선된 내후성을 갖는 연성의 불투명한 2 상 삼원중합체이다.

ASA 중합체는 매스 (mass) 공중합 또는 그래프트 공중합에 의해 제조되는 랜덤 비정질 삼원중합체이다. 매스 공중합에서는, 아크릴계 단량체 스티렌 및 아크릴로니트릴이 조합되어 이종성 삼원중합체를 형성한다. 대안적인 제조 기법에 있어서, 스티렌 아크릴로니트릴 올리고머 및 단량체가 아크릴계 엘라스토머 골격에 그래프트될 수 있다. 상기 재료는 색상 안정성 특성 보유 및 외부 노출에 대한 안정성 특성의 뛰어난 조화를 제공하는 아웃도어 내후성 및 내 UV 성 제품으로 특징화된다. 상기 재료는 또한 폴리비닐 클로라이드, 폴리카보네이트, 폴리메틸 메타크릴레이트 등을 포함하는 다양한 다른 중합체와 배합되거나 합금화될 수 있다. 중요한 스티렌 공중합체군에는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 단량체가 포함된다. 상기 중합체는 3 개 단량체의 공중합에 의해 제조되는 매우 다양한 군의 가공 열가소재이다. 각각의 단량체는 최종 삼원중합체 재료에 중요한 특성을 제공한다. 최종 재료는 가공성, 강성 및 강도와 조합된 뛰어난 내열성, 내화학성 및 표면 경도를 갖는다. 중합체는 또한 질기며, 내충격성을 갖는다. 스티렌 공중합체군의 중합체는 약 0.5 내지 25, 바람직하게는 약 0.5 내지 20 범위의 용융 지수를 갖는다.

본 발명의 복합물에 사용될 수 있는 중요한 가공 중합체군에는 아크릴계 중합체가 포함된다. 아크릴계에는 주요 단량체 성분이 에스테르 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트인 광범위한 중합체 및 공중합체가 포함된다. 상기 중합체는 종종 단단하고 깨끗한 시트 또는 펠렛의 형태로 제공된다. 아크릴계 단량체는 전형적으로 퍼옥사이드, 아조 화합물 또는 방사선 에너지에 의해 개시되는 자유 라디칼 방법에 의해 중합된다. 종종 다양한 첨가제가 중합이 특정 적용분야에 대해 특정한 특성 세트를 제공하는 동안 사용되는 개질제인 시판 중합체 제형이 제공된다. 중합체 등급 적용분야를 위해 제조되는 펠렛은 전형적으로 벌크 (연속 용액 중합) 로, 이어서 압출 및 펠렛화에 의해, 또는 미전환 단량체가 감압 하에 제거되고 재생을 위해 회수되는 압출기 내 중합에 의해 연속적으로 제조된다. 아크릴계 가소재는 일반적으로 메틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 고급 알킬 아크릴레이트 및 다른 공중합가능한 비닐 단량체를 이용해 제조된다. 본 발명의 복합물에 유용한 바람직한 아크릴계 중합체 재료는 약 0.5 내지 50 gm/10 min, 바람직하게는 약 1 내지 30 gm/10 min 의 용융 지수를 갖는다.

비닐 중합체에는 아크릴로니트릴; 알파-올레핀체, 예컨대 에틸렌, 프로필렌 등의 중합체; 염소화 단량체, 예컨대 비닐 클로라이드, 비닐리덴 디클로라이드, 아크릴레이트 단량체, 예컨대 아크릴산, 메틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트, 아크릴아미드, 하이드록시에틸 아크릴레이트 등; 스티렌계 단량체, 예컨대 스티렌, 알파메틸 스티렌, 비닐 톨루엔 등; 비닐 아세테이트; 및 다른 통용되는 에틸렌계 불포화 단량체 조성물이 포함된다.

중합체 배합물 또는 중합체 합금은 본 발명의 펠렛 또는 선형 압출물의 제조에 유용할 수 있다. 상기 합금은 전형적으로 배합된 2 개의 혼화성 중합체를 포함하여 균일한 조성물을 형성한다. 중합체 배합물 분야에서의 과학적 및 상업적 진전은 새로운 중합체 재료의 개발에 의해서가 아니라 혼화성 중합체 배합물 또는 합금을 형성함으로써 중요한 물리적 특성 개선을 일으킬 수 있음을 인식시켰다. 평형 상태에서의 중합체 합금은 2 개의 매크로분자 성분의 밀접하게 혼합된 구획들의 단일상으로서 존재하는 2 개의 비정질 중합체의 혼합물을 포함한다. 혼화성 비정질 중합체는 충분한 냉각 시 유리질을 형성하며, 균질성 또는 혼화성 중합체 배합물은 단일 조성에 의존하는 유리 전이 온도 (Tg) 를 나타낸다. 비혼화성 또는 비합금화된 중합체 배합물은 전형적으로 비혼화성 중합체상과 연관된 적어도 2 개의 유리 전이 온도를 나타낸다. 가장 단순한 경우에 있어서는, 중합체 합금의 특성은 성분들이 보유한 특성의 조성 중량 평균을 반영한다. 그러나 일반적으로, 조성에 의존하는 특성은 특정 특성, 성분의 성질 (유리질, 고무질 또는 반결정질), 배합물의 열역학적 상태, 및 분자 및 상이 배향된 그 기계적 상태와 함께 복잡한 방식으로 변화한다.

실질적으로 열가소성인 가공 중합체 재료의 일차 요건은 금속 미립자와의 용융 배합을 허용하고, 선형 압출물 펠렛의 형성을 허용하고, 조성물 재료 또는 펠렛이 유용한 제품을 형성하는 열가소성 공정에서 압출 또는 사출 성형될 수 있도록 하기 위해 충분한 열가소성 특성, 예컨대 점도 및 안정성을 보유한다는 것이다. 가공 중합체 및 중합체 합금은 Dyneon LLC, B. F. Goodrich, G.E., Dow, 및 E. I. duPont 을 포함하는 여러 제조사에서 입수가능하다.

폴리에스테르 중합체는 2 염기산과 글리콜의 반응에 의해 제조된다. 폴리에스테르 제조에 사용되는 2 염기산에는 프탈산 무수물, 이소프탈산, 말레산 및 아디프산이 포함된다. 경화 중합체에 대해 프탈산은 강성, 경도 및 온도 저항성을 제공하며; 말레산은 자유 라디칼 양생에 적응하도록 비닐 포화부를 제공하고; 아디프산은 가요성 및 연성을 제공한다. 통용되는 글리콜은 결정성 경향을 감소시키고 스티렌 중 용해도를 개선시키는 프로필렌 글리콜이다. 에틸렌 글리콜 및 디에틸렌 글리콜은 결정화 경향을 감소시킨다. 2 산 및 글리콜은 물을 제거하며 축합된 후 비닐 단량체 중에 적합한 점도로 용해된다. 비닐 단량체에는 스티렌, 비닐톨루엔, 파라메틸스티렌, 메틸메타크릴레이트 및 디알릴 프탈레이트가 포함된다. 중합 개시제, 예컨대 하이드로퀴논, 3 차 부틸카테콜 또는 페노티아진의 첨가는 미경화 폴리에스테르 중합체의 유효 기간을 연장시킨다. 프탈산 무수물 기재 중합체는 오르토프탈산 폴리에스테르로 불리며, 이소프탈산 기재 중합체는 이소프탈산 폴리에스테르로 불린다. 불포화 폴리에스테르 중합체의 점도는 적용분야에 대해 맞춤화될 수 있다. 우수한 습윤성, 및 이어서 하부 기재에 대한 강화층의 우수한 접착성을 보장하기 위해, 섬유-강화 복합물의 제조에 있어서는 저점도가 중요하다. 습윤성이 불량하면 기계적 특성이 크게 손실될 수 있다. 전형적으로, 폴리에스테르는 200 - 1,000 mPa.s (cP) 의 비경화 점도를 갖는 중합체를 제조하는 스티렌 농도 또는 다른 단량체 농도로 제조된다. 특수 중합체는 약 20 cP 내지 2,000 cP 범위의 점도를 가질 수 있다. 불포화 폴리에스테르 중합체는 퍼옥사이드 재료를 이용하여 일반적으로 제조되는 자유 라디칼 개시제에 의해 전형적으로 경화된다. 매우 다양한 퍼옥사이드 개시제가 이용가능하며, 일반적으로 사용된다. 퍼옥사이드 개시제는 열적으로 분해되어 자유 라디칼 개시종을 형성한다.

페놀계 중합체는 또한 본 발명의 구조적 멤버의 제조에 사용될 수 있다. 페놀계 중합체는 전형적으로 페놀-포름알데히드 중합체를 포함한다. 상기 중합체는 본질적으로 내화성, 내열성이고 비용이 저렴하다. 페놀계 중합체는 전형적으로 페놀 및 화학양론적 양 미만의 포름알데히드를 배합하여 제형화된다. 상기 재료는 산 촉매와 축합되어 노볼락 (NOVOLAK) 으로 불리는 열가소성 중간체 중합체를 만든다. 상기 중합체는 페놀계 기로 종결되는 올리고머성 종이다. 경화제 및 선택적으로 열의 존재 하에, 올리고머성 종은 경화하여 매우 고분자량의 열경화성 중합체를 형성한다. 노볼락용 경화제는 전형적으로 알데히드 화합물 또는 메틸렌 (-CH₂-) 공여제이다. 알데히드성 경화제에는 파라포름알데히드, 헥사메틸렌테트라아민, 포름알데히드, 프로피온알데히드, 글리옥살 및 헥사메틸메톡시멜라민이 포함된다.

본 발명에서 유용한 불소중합체는 적어도 1 개의 불소를 포함하는 단량체로 제조된 과불소화 및 부분적으로 불소화된 중합체, 또는 적어도 2 개의 상기 단량체의 공중합체이다. 상기 중합체 또는 공중합체에 유용한 불소화 단량체의 일반적 예에는 테트라플루오로에틸렌 (TFE), 헥사플루오로프로필렌 (HFP), 비닐리덴 플루오라이드 (VDF), 퍼플루오로알킬비닐 에테르, 예컨대 퍼플루오로-(n-프로필비닐)에테르 (PPVE) 또는 퍼플루오로메틸비닐에테르 (PMVE) 가 포함된다. 비불소화 단량체를 포함하는 다른 공중합가능한 올레핀계 단량체가 또한 존재할 수 있다.

불소중합체를 위해 특히 유용한 재료는 TFE-HFP-VDF 삼원중합체 (용융 온도는 약 100 내지 260℃; 265℃ 에서 5 kg 하중 하의 용융 흐름 지수는 약 1 - 30 g/10 min¹), 헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌-에틸렌 (HTE) 삼원중합체 (용융 온도는 약 150 내지 280℃; 297℃ 에서 5 kg 하중 하의 용융 흐름 지수는 약 1 - 30 g/10 min¹), 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 (ETFE) 공중합체 (용융 온도는 약 250 내지 275℃; 297℃ 에서 5 kg 하중 하의 용융 흐름 지수는 약 1 - 30 g/10 min¹), 헥사플루오로프로필렌-테트라플루오로에틸렌 (FEP) 공중합체 (용융 온도는 약 250 내지 275℃; 372℃ 에서 5 kg 하중 하의 용융 흐름 지수는 약 1 - 30 g/10 min¹), 및 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로(알콕시 알칸) (PFA) 공중합체 (용융 온도는 약 300 내지 320℃; 372℃ 에서 5 kg 하중 하의 용융 흐름 지수는 약 1 - 30 g/10 min¹) 이다. 각각의 상기 불소중합체는 Dyneon LLC (Oakdale, Minn.) 에서 시판된다. TFE-HFP-VDF 삼원중합체는 "THV" 라는 명칭 하에 판매된다.

또한 주로 비닐리덴 플루오라이드 단량체로 제조된 단독중합체 및 공중합체를 모두 포함하는 비닐리덴 플루오라이드 중합체도 유용하다. 상기 공중합체에는 테트라플루오로에틸렌, 트리플루오로에틸렌, 클로로트리플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로펜, 비닐 플루오라이드, 펜타플루오로프로펜으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1 개의 공단량체 및 비닐리덴 플루오라이드와 용이하게 공중합되는 임의의 다른 단량체와 공중합된 적어도 50 몰% 의 비닐리덴 플루오라이드를 포함하는 것들이 포함된다. 상기 재료는 본원에 참고로 도입된 U. S. 특허 제 4,569,978 호 (Barber) 에서 더 설명된다. 바람직한 공중합체는 적어도 약 70 내지 99 몰% 이하의 비닐리덴 플루오라이드, 및 이에 대응하여 약 1 내지 30% 의 테트라플루오로에틸렌으로 이루어진 것들, 예컨대 영국 특허 제 827,308 호에 개시된 것들; 및 약 70 내지 99% 의 비닐리덴 플루오라이드 및 1 내지 30% 의 헥사플루오로프로펜으로 이루어진 것들 (예를 들어, U. S. 특허 제 3,178,399 호 참고); 및 약 70 내지 99 몰% 의 비닐리덴 플루오라이드 및 1 내지 30% 의 트리플루오로에틸렌으로 이루어진 것들이다. 비닐리덴 플루오라이드, 트리플루오로에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌의 삼원중합체, 예컨대 U. S. 특허 제 2,968,649 호에 기재된 것들 및 비닐리덴 플루오라이드, 트리플루오로에틸렌 및 테트라플루오로에틸렌의 삼원중합체도 또한 본 발명에 있어서 유용한 비닐리덴 플루오라이드 공중합체군을 나타낸다. 상기 재료는 Arkema Group (King of Prussia, PA) 에서 상품명 KYNAR 로 또는 Dyneon LLC (Oakdale, MN) 에서 상품명 DYNEON 으로 시판되고 있다. 플루오로카본 엘라스토머 재료도 또한 본 발명의 복합물 재료에 사용될 수 있다. 불소중합체는 VF2 및 HFP 단량체 및 선택적으로 TFE 를 포함하며, 1.8 gm/cm³ 초과의 밀도를 가지며, 불소중합체는 대부분의 오일, 화학물질, 용매 및 할로겐화 탄화수소에 대해 우수한 내성을 나타내며, 오존, 산소 및 기후에 대해 뛰어난 내성을 나타낸다. 이들의 유용한 적용 온도 범위는 -40℃ 내지 300℃ 이다. 불소엘라스토머의 예에는 Lentz 의 U. S. 특허 제 4,257,699 호에 상세히 설명된 것들 뿐만 아니라, Eddy 등의 U. S. 특허 제 5,017,432 호 및 Ferguson 등의 U. S. 특허 제 5,061,965 호에 설명된 것들이 포함된다. 각각의 상기 특허의 개시물은 전체가 본원에 참고로 도입된다.

라텍스 불소중합체는 PFA, FEP, ETFE, HTE, THV 및 PVDF 단량체를 포함하는 중합체 형태로 이용가능하다. 불소화 폴리(메트)아크릴레이트는 일반적으로 당업자에게 널리 알려진 라디칼 개시제를 사용하여, 무용매 또는 용매 중에서 자유 라디칼 중합에 의해 제조될 수 있다. 상기 불소화 (메트)아크릴레이트 단량체와 공중합될 수 있는 다른 단량체에는 알킬 (메트)아크릴레이트, 치환 알킬 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴산, (메트)아크릴아미드, 스티렌, 비닐 할라이드, 및 비닐 에스테르가 포함된다. 불소중합체는 극성 성분을 포함할 수 있다. 상기 극성기 또는 극성기 함유 단량체는 음이온성, 비이온성, 양이온성 또는 양쪽이온성일 수 있다. 일반적으로, 보다 일반적으로 사용되는 극성기 또는 극성기 함유 유기 라디칼에는 유기산, 특히 카르복실산, 설폰산 및 포스폰산; 카르복실레이트 염, 설포네이트, 포스포네이트, 포스페이트 에스테르, 암모늄염, 아민, 아미드, 알킬 아미드, 알킬 아릴 아미드, 이미드, 설폰아미드, 하이드록시메틸, 티올, 에스테르, 실란, 및 폴리옥시알킬렌 뿐만 아니라 다른 유기 라디칼, 예컨대 적어도 1 개의 상기 극성기로 치환된 알킬렌 또는 아릴렌이 포함된다. 본원에 개시된 라텍스 불소중합체는 전형적으로 수성 분산 고체이지만, 용매 재료도 사용할 수도 있다. 불소중합체는 다양한 용매와 조합되어 에멀션, 용액 또는 액체 형태의 분산물을 형성할 수 있다. 불소중합체 분산물은 종래 에멀션 중합 기법, 예컨대 U. S. 특허 제 4,418,186 호; 제 5,214,106 호; 제 5,639,838 호; 제 5,696,216 호 또는 Modern Fluoropolymers, John Scheirs 편저, 1997 (특히 pp. 71 - 101 및 597 - 614) 뿐만 아니라 2001. 1. 31. 자로 출원한 본 양수인의 계류중인 특허 출원 일련번호 제 01/03195 호에 기재된 기법을 이용하여 제조될 수 있다.

액체 형태는 목적하는 농도를 전달하기 위해 더 희석될 수 있다. 수성 에멀션, 용액, 및 분산물이 바람직하지만, 약 50% 이하의 공용매, 예컨대 메탄올, 이소프로판올, 또는 메틸 퍼플루오로부틸 에테르를 첨가할 수 있다. 바람직하게는, 수성 에멀션, 용액, 및 분산물은 약 30% 미만의 공용매, 보다 바람직하게는 약 10% 미만의 공용매를 포함하며, 가장 바람직하게는 수성 에멀션, 용액, 및 분산물에는 실질적으로 공용매가 없다.

복합물에 사용되는 계면 개질제는, 예를 들어 스테아르산 및 유도체, 실란 화합물, 티타네이트 화합물, 지르코네이트 화합물, 알루미네이트 화합물을 포함하는 넓은 카테고리에 속한다. 계면 개질제의 선택은 금속 미립자, 중합체, 및 적용분야에 의해 정해진다. 복합물의 최대 밀도는 재료의 밀도 및 각각의 부피 분율의 함수이다. 단위 부피 당 최대 밀도를 갖는 재료를 최대화시킴으로써, 더 고밀도의 복합물이 수득된다. 상기 재료는 텅스텐 또는 오스뮴과 같이 거의 배타적으로 내화성인 금속이다. 이들 재료는 매우 딱딱하고 변형되기 어려워서 보통 취성파괴 (brittle fracture)된다. 이러한 부서지기 쉬운 재료는, 변형가능한 중합성 결합제와 혼합되면 전통적인 열가소성 장비를 이용하여 유용한 형태로 형성될 수 있다. 그러나 얻을 수 있는 최대 밀도는 최적 밀도 미만일 것이다. 중합성 부피가 충전제의 배제 부피와 거의 같은 복합물을 형성하면, 입자간 상호작용이 재료의 행동을 지배한다. 입자가 서로 접촉하며, 상호작용하는 날카로운 모서리, 유연한 표면 (가우징이 발생, 대체적으로 첨단 (point)이 단련된다) 및 표면 사이의 마찰의 조합이 추가의 또는 최적의 패킹을 방해한다. 따라서, 최대화된 특성은 표면의 유연성, 모서리의 경도, 첨단의 첨단 크기 (첨예도), 표면 마찰력 및 재료 상의 압력, 원형도 및 보통의 형상 크기 분포의 작용이다. 이러한 입자간 마찰 때문에 성형 압력은 작용력으로부터의 거리에 따라 기하급수적으로 감소한다. 계면 개질 화학은 조밀한 충전제 표면을 배위 결합, 반 데르 발스 힘, 공유 결합, 또는 이 세 가지 모두의 조합에 의해 개질할 수 있다. 입자의 표면은 계면 개질제의 미반응 말단의 입자로서 거동한다. 상기 유기물은 입자 간 마모를 방지하여 마찰을 감소시키고, 입자 간 더 큰 이동 자유도를 허용한다. 상기 현상은 적용되는 형상화력이 형상 내로 더 깊이 도달할 수 있게 하여, 보다 균일한 압력 구배를 일으킨다.

스테아르산 화합물은 본 발명의 복합물을 개질하며, 금속 입자 표면 상에 스테아르산층을 형성함으로써 분자간력을 감소시키고, 중합체가 금속 입자와 섞이는 경향을 개선시키며, 복합물 밀도를 증가시킨다. 유사하게, 실란 계면 개질제는 금속 입자 및 연속적 중합체상 사이에 화학적 결합을 형성하거나, 입자 중합체 계면에서 무기 금속 미립자의 표면 에너지를 중합체의 표면 에너지와 부합하도록 개질함으로써 복합물의 물리적 특성을 개선시킨다. 본 발명에 유용한 실란 커플링제에는 하기 구조의 화합물이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다:

R-(CH₂)_nSi-X₃

식 중, X 는 금속 미립자의 표면 화학 및 반응 기전에 따라 알콕시, 아실옥시, 할로겐 또는 아민을 포함하는 가수분해성기를 나타낸다. 커플링은 미립자 표면 및 중합체 간 화학 결합의 수가 최대화됨에 따라 최대화된다. 복합물이 다량의 수성 매질 및 넓은 온도폭을 포함하는 적용분야에서 사용될 경우, 2 족성 (dipodal) 실란, 예컨대 비스(트리에톡시실릴)에탄이 선택된다. 상기 재료는 하기 구조를 갖는다:

R[(CH₂)_n-Si-X₃]₂

식 중, R 은 실란 화합물의 비가수분해성 유기기를 나타낸다. R 기는 중합체상에 화학적으로 결합될 수 있고, 또는 비결합된 계면 개질이 적용될 수 있는 경우 필요하다면 미반응인 채로 남아있을 수 있다. R 이 중합체상에 화학적으로 결합되는 경우, 상기 자유 라디칼은 열, 빛을 통해 또는 퍼옥사이드 촉매 또는 촉진제 및 유사한 반응성 시스템의 형태로 첨가될 수 있다. 부가적으로 R 기의 선택은 복합물에 사용되는 중합체를 고려하여 수행된다. 열경화성 중합체가 선택되는 경우, 열경화성 중합체는 실란을 중합체상에 화학적으로 결합하는데 사용될 수 있다. 열경화재 내의 반응기에는 메타크릴릴, 스티릴, 또는 다른 불포화 또는 유기 재료가 포함될 수 있다.

열가소성 재료는 폴리비닐클로라이드, 폴리페닐렌 설파이트, 아크릴계 단독중합체, 말레산 무수물 함유 중합체, 아크릴계 재료, 비닐 아세테이트 중합체, 디엔 함유 공중합체, 예컨대 1,3-부타디엔, 1,4-펜타디엔, 할로겐 또는 클로로설포닐로 개질된 중합체 또는 본 발명의 복합물 시스템과 반응할 수 있는 다른 중합체가 포함된다. 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리설폰 및 유사한 중합체 재료를 포함하는 축합 중합성 열가소재는 말단기를 아미노알킬, 클로로알킬, 이소시아나토 또는 유사한 작용기를 갖는 실란과 반응시켜 사용될 수 있다.

고밀도 금속 미립자 복합물 재료의 제조는 우수한 제조 기법에 의존한다. 종종 금속 미립자는 초기에 계면 개질제, 예컨대 반응성 실란을, 미립자에 실란 또는 다른 계면 개질제의 25 중량% 용액을 주의깊게 배합 및 건조하면서 분무하여 금속 상에 계면 개질제의 균일한 미립자 코팅을 보장하도록 처리된다. 계면 개질제, 예컨대 실란은 또한 고강도 Littleford 또는 Henschel 배합기를 이용하여 벌크 배합 공정에서 입자에 첨가될 수도 있다. 대안적으로, 2 축 원뿔형 혼합기를 이용한 후 건조 또는 회전 배합 장치에 직접 첨가할 수 있다. 계면 개질제는 또한 비양성자성 용매, 예컨대 톨루엔, 테트라히드로푸란, 미네랄 주정 (mineral spirits) 또는 다른 공지된 용매 중에서 금속 미립자와 반응시킬 수 있다.

금속 미립자는 중합체상, 충전제, 미립자 표면 화학 및 복합물 재료에 존재하는 임의의 안료 공정 보조제 또는 첨가제의 성질에 따라 중합체상에 커플링될 수 있다. 일반적으로 금속 미립자를 중합체에 커플링하는데 이용되는 기전에는 용매화, 킬레이트화, 배위 결합 (리간드 형성) 등이 포함된다. 티타네이트 또는 지르코네이트 커플링제가 사용될 수 있다. 상기 제제는 하기 화학식을 갖는다:

(RO)_m-Ti-(O-X-R'-Y)_n

(RO)_m-Zr-(O-X-R'-Y)_n

식 중, m 및 n 은 1 내지 3 이다. 티타네이트는 항산화 특성을 제공하며, 경화 화학을 개질 또는 조절할 수 있다. 지르코네이트는 뛰어난 결합 강도를 제공하지만 경화를 최대화하며, 제형화된 열가소성 재료에서 바람직하지 못한 색상의 형성을 감소시킨다. 유용한 지르코네이트 재료는 네오펜틸(디알릴)옥시-트리(디옥틸)포스파토-지르코네이트이다.

목적하는 물리적 특성을 갖는 고밀도 금속 중합체 복합물 재료는 하기와 같이 제조될 수 있다. 바람직한 방식에 있어서, 먼저 금속 미립자의 표면을 제조하고, 계면 개질제를 제조된 입자 재료와 반응시키고, 생성 제품을 단리한 후 연속적 중합체상과 조합하여 금속 미립자 및 중합체 사이 반응에 영향을 미친다. 일단 복합물 재료가 제조되면, 이는 최종 용도 재료의 목적하는 형상으로 형성된다. 용액 가공은 재료 가공 도중 용매 회수를 제공하는 대안이다. 재료는 또한 용매 없이 건조 배합될 수도 있다. 배합 시스템, 예컨대 Drais Systems 에서 입수되는 리본 배합기, Littleford Brothers and Henschel 에서 입수가능한 고밀도 건조 배합기가 이용가능하다. 또한 밴버리 (Banbury), 베페럴 (veferralle) 일축 또는 이축 배합기를 이용한 용융 배합도 유용하다. 재료가 플라스티졸 또는 오르가노졸로서 용매와 함께 가공되면, 액체 성분이 일반적으로 먼저 가공 단위에 충전된 후 중합체, 금속 미립자가 충전되어 신속히 진탕된다. 일단 모든 재료가 첨가되면, 진공을 적용하여 잔여 공기 및 용매를 제거할 수 있고, 혼합은 제품이 균일하고 고밀도가 될 때까지 계속된다.

건조 배합은 비용 측면의 장점으로 인해 일반적으로 선호된다. 그러나 특정 구현예는 입자 크기의 차이로 인해 조성상 불안정할 수 있다. 건조 배합 공정에 있어서, 복합물은 먼저 중합체를 도입하고, 필요하다면 대략 상온 내지 약 60℃ 의 온도에서 중합체 안정화제와 중합체를 조합하고, 금속 미립자 (필요하다면 개질된 금속 미립자) 와 안정화된 중합체를 배합하고, 다른 가공 보조제, 개면 개질제, 착색제, 지시약 또는 윤활제와 배합한 후 고온 믹스 수송기에서 혼합하여 저장, 포장 또는 최종 용도로 제조함으로써 제조될 수 있다.

계면 개질된 재료는 복합물의 형성을 개시하기 위해 유효량의 용매를 사용하는 용매 기법으로 제조될 수 있다. 계면 개질이 실질적으로 완료되면, 용매가 제거될 수 있다. 상기 용매 공정은 하기와 같이 수행된다:

1) 계면 개질제 또는 중합체 또는 이 둘 모두를 용매화한다;

2) 금속 미립자를 벌크상 또는 중합체 마스터 배치로 혼합한다; 및

3) 조성물을 중합체의 Tg 초과에서 열 & 진공 존재 하에 액화한다.

이축 배합기 또는 압출기로 배합하는 경우, 하기와 같은 이축 배합이 관여된 공정이 바람직하게 이용될 수 있다:

1. 금속 미립자를 첨가하고 승온시켜 표면수를 제거한다 (배럴 1).

2. 충전제가 온도에 도달하면 계면 개질제를 이축 배합기에 첨가한다 (배럴 3).

3. 계면 개질제를 금속 미립자 상에 분산/분포시킨다.

4. 반응 온도를 완결시까지 유지한다.

5. 반응 부산물을 배출한다 (배럴 6).

6. 중합체 결합제를 첨가한다 (배럴 7).

7. 중합체 결합제를 압축/용융한다.

8. 중합체 결합제를 미립자 중에 분산/분포시킨다.

9. 개질 미립자와 중합체 결합제를 반응시킨다.

10. 잔여 반응 산물을 진공 탈기시킨다 (배럴 9).

11. 생성 복합물을 압축한다.

12. 염료 또는 후-제조 단계를 통해 목적 형상, 펠렛, 선형체, 관형체, 사출 성형 물품 등을 형성한다.

대안적으로 작은 부피의 연속상을 포함하는 제형물에서는 다음이 관여된다:

1. 중합체 결합제를 첨가한다.

2. 중합체 결합제가 온도에 도달하면 계면 개질제를 이축 배합기에 첨가한다.

3. 계면 개질제를 중합체 결합제 중에 분산/분포시킨다.

4. 충전제를 첨가하고, 미립자를 분산/분포시킨다.

5. 반응 온도로 승온시킨다.

6. 반응 온도를 종결시까지 유지한다.

7. 생성 복합물을 압축한다.

8. 염료 또는 후-제조 단계를 통해 목적 형상, 펠렛, 선형체, 관형체, 사출 성형 물품 등을 형성한다.

중합체 및 미립자의 특정 선택으로 계면 개질제 및 이와 관련된 가공 단계의 생략이 가능해질 수 있다.

본 발명의 금속 중합체 복합물은 발사체, 낚시용 미끼, 낚시용 추, 자동차 추, 방사선 차폐물, 골프 클럽 성분, 스포츠용 장비, 회전 밸라스트, 핸드폰 진동 추 또는 실험실 추 소음 및 진동 배리어를 포함하는 다양한 구현예, 또는 성형성, 연성, 및 치수 안정성, 열 전도성, 전기 전도성, 자성을 갖고 비독성인 고밀도 재료를 필요로 하는 다른 구현예에 사용될 수 있다.

본 발명의 고밀도 재료 및 그 모든 구현예는 여러 가공 방법에 대해 적합하다. 가공 방법 및 기재 제형의 선택은 요구되는 최종 용도 제품 요건에 근거할 수 있다. 하기 예는 이점을 나타낸다.

본 발명의 구현예는 엽총 탄알 및 다른 탄약을 포함하는 발사체, 심장 또는 동맥 적용분야를 위한 스텐트, 방사선 차폐 의복에 사용될 수 있는 가요성 또는 가단성 복합물이다. 상기 특징을 갖는 복합물의 예에는 텅스텐, 결합제로서의 불소중합체, 및 지르코네이트 계면 개질제의 조합이 포함될 수 있다. 최종 용도 제품은 성분의 압출 또는 사출 성형의 결과물일 수 있다.

본 발명의 또다른 구현예는 낚시용 미끼 또는 추, 또는 핸드폰 차폐 또는 내부 진동 기전에 사용될 수 있는 고생산성으로 제조되는 고밀도 복합물이다. 상기 특징을 갖는 복합물의 예에는 텅스텐, 결합제로서의 폴리비닐 클로라이드, 및 알칼리 금속 스테아레이트 또는 스테아레이트 아미드 계면 개질제의 조합이 포함될 수 있다. 최종 용도 제품은 성분의 압출 또는 사출 성형의 결과물일 수 있다.

본 발명의 또다른 구현예는 자동차 또는 트럭 압축 타이어 바퀴 추 또는 다른 밸라스트, 또는 벌크 형태로 제조될 수 있는 다른 제품에 사용될 수 있는 저생산성으로 제조되는, 고경화 시간 및 고밀도를 갖는 복합물이다. 상기 특징을 갖는 복합물의 예에는 텅스텐, 결합제로서의 폴리에스테르, 및 지르코네이트 계면 개질제의 조합이 포함될 수 있다. 최종 용도 제품은 성분의 사출 성형 또는 벌크 성형의 결과물일 수 있다.

본 발명의 또다른 구현예는 낚시용 미끼, 승용차 또는 트럭 공기 타이어 바퀴 추를 위해 사용될 수 있는 고생산성으로 제조되는 고밀도 복합물이다. 바퀴 추는 부착 수단 및 본 발명의 복합물 물품을 포함한다. 추는 종래 클립으로 부착되거나 접착제로 바퀴에 접착될 수 있다. 상기 특징을 갖는 복합물의 예에는 텅스텐, 결합제로서의 폴리스티렌 및 지르코네이트 계면 개질제의 조합이 포함될 수 있다. 최종 용도 제품은 성분의 사출 성형 또는 벌크 성형의 결과물일 수 있다.

상술된 예시적 구현예에 더하여, 부가적 가공 방법에는 연속 배합과 함께 여러 형상을 형성하기 위한 성형, 압축 성형, 열경화성 및 열가소성 압출, 원심분리 성형, 회전 성형, 취입 성형, 주조, 캘린더링, 액체 충전 열경화성 성형 또는 필라멘트 권취가 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 또다른 구현예에는 자기 성분이 식별을 위해 첨가되거나 또는 최종 용도 요건에 의해 지시되는 생성 복합물의 자성 조성물이 포함된다. 자성 첨가제는 전형적으로 생성 복합물의 중량 및 부피 분율의 0.1% 내지 5% 이다.

본 발명의 또다른 구현예에는 색상이 식별을 위해 중요하거나 또는 최종 용도 요건에 의해 지시되는 생성 복합물의 착색이 포함된다. 색상 첨가제는 전형적으로 생성 복합물의 중량 및 부피 분율의 1% 미만이다.

본 발명의 복합물 재료는 엽총 탄알 또는 형상화 원형체의 형태로 발사체에 사용될 수 있다. 엽총 탄알은 전형적으로 약 0.7 내지 약 3 mm 의 치수를 가지며 일반적으로 구형인 구형 미립자이지만, 주름지거나 패인 표면을 가질 수 있다.

본 발명에 유용한 발사체는 전형적으로 본 발명의 고밀도 복합물의 상당비를 포함한다. 발사체는 자켓이 씌워지거나 씌워지지 않은 형태의 압출된 막대를 포함할 수 있다. 자켓은 복합물로 둘러싸일 수 있고, 또는 일부 (선도 말단 및 후속 말단) 가 노출된 채 남겨질 수 있다. 복합물은 다양한 방식으로 제조되어 발사체를 형성할 수 있다. 발사체는 적어도 일부가 금속 자켓에 의해 둘러싸인 본 발명의 복합물 약 0.1 g 내지 2 kg 만큼을 포함할 수 있다. 상기 발사체는 테이퍼 형상의 개방 선도 말단, 개방 폐쇄 말단, 또는 둘 다를 가질 수 있고, 또는 자켓으로 전체가 봉해질 수 있다. 또한, 자켓에는 다른 성분, 예컨대 폭약, 금속 팁, 또는 다른 삽입부가 포함되어, 공기역학적 압력 중심 또는 중력 중심 또는 치수 중심의 전방 또는 후방 발사체 물질의 중심을 변화시킬 수 있다. 텅스텐, 철 또는 다른 무독성 금속을 포함하는 본 발명의 복합물로 제조된 상기 발사체는 사용 후 무독성 재료로 열화되고 수생 식물 및 동물 생활에 상용성인 "환경보호성" 총탄 또는 발사체를 포함한다. 재료의 탄성 특성은 발사체를 특히 유용하게 만든다. 발사체는 그 고밀도로 인해 표적에 상당한 관성 또는 역학 에너지를 전달할 수 있지만, 또한 접촉 시에는 탄성적으로 변형하여 납 발사체의 경우에서와 같이 자켓을 팽창시킬 수 있다. 자켓은 예측되는 만큼 팽창할 것이지만, 탄성 재료는 그 초기 치수로 실질적으로 튕겨져 되돌아갈 것이다.

원형체, 또는 발사체는 공기역학적 압력 중심 및 중력 또는 질량 중심이 치수 중심의 전방 또는 후방으로 조정되어 원형체의 공기역학적 능력을 개선하도록 가공될 수 있다. 상기 원형체는 정확성을 감소시킬 수 있는 목적 탄도로부터의 일탈을 회피하면서 보다 안정한 탄도로 비행하도록 만들 수 있다. 또한, 본 발명의 재료는 감소된 회전 속도로 인한 무기 가열이 감소되면서 그 안정성으로 인해 더 높은 발사 속도로 발사될 수 있다. 본 발명의 바람직한 발사체에 있어서, 중력 중심은 공기역학적 압력 중심 훨씬 전에 및 표적으로의 그 탄도에 있어서 둥글게 회전하는 것을 좁게 안정화시키며 놓인다.

요약하면, 본원에 포함된 특정 청구범위에 의해 지정되는 본 발명은 하기를 포함하는 원료 조합의 폭을 나타낸다; 모두 입자 크기, 중량 분율 및 부피 분율이 변화하는 금속, 중합체, 계면 개질제, 다른 첨가제. 본 발명에는 또한 가공 방법, 생성되는 물리적 및 화학적 특성, 및 최종 용도 적용의 폭이 포함된다. 하기 재료는 본 발명을 예시한다. 재료는 모두 형성, 성형, 압출되거나 또는 유용한 복합물 및 형상으로 제조될 수 있다.

실시예

실험 1

본 실험은 하기 3 가지 주요 관심 분야로 구성되었다: 밀도, 용융 흐름, 인장 강도 및 연신. 주로 하중 셀에 맞춰진 야금 프레스 및 하부 램 (ram) 에 0.1 인치 지름 구멍이 있는 변형된 1 1/4 인치 실린더형 다이로 이루어진 Wild River Consulting 에서 조립된 장치를 이용하고, 압출 공정으로 샘플을 제조하여 밀도를 측정하였다. 상기 기기에 의해 제조된 샘플은 완벽하게 실린더형인 것으로 가정하고, 이에 따라 지름, 길이 및 질량을 측정하여 샘플의 밀도를 산출하였다.

다이 압출 동안, 각각의 샘플에 대해 용융 흐름 지수를 측정하였다. 샘플이, 압출 길이로 적정된 기기의 기기상의 마크를 통과하는 시점을 잡아, 이것이 압출되는 속도를 계산하였다. 이어서 상기 선속도를 개구 반지름으로 나누어 표준화했다. 얻어진 양을 재료의 용융 흐름 지수 (MFI) 로 정의하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해, 압출된 재료를 적어도 4 회 재압출하였다.

또한 다이 압출된 샘플을 인장 신율에 대해 평가하였다. 각각의 샘플을 길이 4 인치로 다듬고, 각 말단에서부터 1/2 인치씩에 표시를 하였다. 샘플을 기기의 조임쇠에 고정하고, 여기서 샘플의 1/2 인치에 표시된 지점 깊이까지 조임쇠 내로 삽입하였다. 부러질 때까지 잡아당기는 시험 (pull to break test)을 수행하고, 완료 시에 샘플을 꺼냈다.

두 제형물을 Alldyne C-60 텅스텐 및 Dyneon THV220A 불소중합체를 이용하는 실험에서 평가하였다. 첫번째 제형물은 밀도 10.8 g/cm³ 를 얻도록 디자인하였다. 두번째 제형물은 밀도 11.4 g/cm³ 를 얻도록 디자인하였다. 표 1 은 두 제형물에 대한 샘플을 만드는데 사용된 중량 백분율을 나타낸다. 네 가지 계면 개질제를 실험에서 평가하였다. 첫번째 계면 개질제는 지르코네이트 커플링제, NZ 12 였다. 두번째 및 세번째 개질제는 티타네이트 커플링제-KR238J 및 LICA 09 였다. 마지막 계면 개질제는 실란, SIA 0591.0 이었다.

텅스텐 분말 처리가 물리적 특성을 상당히 변화시키는 것이 뚜렷이 관찰되었다. 모든 제형물에 있어서, 용융 흐름은 계면 개질제 처리로 현저하게 영향을 받았다. 배합된 재료의 용융 흐름 지수는 미처리된 화합물보다 68 배만큼 증가하였다. 이 효과는 또한 재료의 연신에 있어서도 관찰할 수 있었다. 4 개의 모든 계면 개질제는 인장 신율을 증가시켰으며, NZ 12 및 KR238J 가 가장 큰 변화를 유도하였다. SIA0591.0 로 처리한 재료는 용융 흐름 증가를 나타내지 않았지만, 최대 응력의 증가를 나타냈다. SIA0591.0 화합물은 개멸 개질제 없이 91.4 중량% 의 텅스텐 화합물의 약 3배의 최대 응력을 얻었다.

실험 2, 3, 및 4

표 2, 3 및 4 에 있어서, 먼저 텅스텐 미립자를 계면 개질제로 처리하였다. 이는 용매 (통상 이소프로필, 또는 때로는 다른 알코올) 를 포함하는 비이커 내에 아주 소량의 계면 개질제를 용해시킨 후 비이커 내에서 텅스텐 미립자와 혼합하였다. 이어서 생성 슬러리를 약 10분 동안 완전히 혼합하였다. 용매를 실질적으로 옮겨서 따르거나 (decanted) 약 100℃에서 증발하였다. 다음, 상기 미립자를 오븐에서 추가로 건조하였다. 이와 별도로, 폴리머 (예) THV220A를 용매 (예: 아세톤)에 용해시켰다. 이어서 정확한 중량의 처리된 텅스텐 미립자를 용해된 중합체에 첨가하고, 대부분의 용매가 증발하고 혼합물이 응집될 때까지 혼합물을 교반하였다. 이어서 상기 재료를 100℃ 에서 30 분 동안 건조한 후 야금 다이 내에서 프레스하였다.

THV220A 는 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 및 비닐리덴 플루오라이드의 중합체이다. NZ 12 는 네오펜틸(디알릴)옥시-트리(디옥틸)포스파토-지르코네이트이다. SIA0591.0 는 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필-트리메톡시-실란이다. KR 238J 는 Kenrich petrochemicals (Bayonne, NJ) 에서 입수가능한 메타크릴아미드 개질 아민 부가물이다. LICA 09 는 네오펜틸(디알릴)옥시-트리(도데실)벤젠-설포닐-티타네이트이다.

차트에 대한 주의사항:

(1) 주형으로부터의 제거 시 부스러짐.

실시예의 표는 다양한 중합체가 10 g/cm³ 초과의 밀도 및 유용한 점탄성 특성을 갖는 복합물을 제조하는데 사용될 수 있다는 것을 보여준다.

이들 표의 데이터는 재료의 조합을 선택하여 열가소성 및 열경화성 복합물을 제조할 수 있고, 밀도, 계수, 연신을 포함하는 특성의 정도를 재료에 맞춰 디자인할 수 있다는 것을 나타낸다.

상기 표는 입자 크기, 분포 및 원형도가 복합물에 밀도에 대해 영향을 미친다는 것을 나타낸다. 이들 재료 a - g는 실시예 1 - 16과 유사하게 제조되었다. 표 4 에서의 모든 샘플은 제형물이 생성 복합물에 대해 최대 밀도를 제공할 수 있도록 제조되었다. 재료 b 및 e 는 보다 크고 작은 평균 입자 크기 재료 및 최소 원형도 약 14 의 존재 모두로 인해 최대 밀도를 갖는다. 재료 c 는 표에서 낮은 밀도를 가지며, 작거나 큰 미립자를 갖는다. 다른 재료는 (재료 b 및 e 에 비해) 크기 또는 원형도 파라미터에서 다소 벗어나 밀도가 감소된다.

실험 5

표 5 에서 용융 흐름 실험 데이타를 위해 사용된 재료는 하기와 같이 제조하였다. Technon Plus 텅스텐 미립자를 개질하고 Dyneon 중합체와 배합하여, 적정 부피측정 공급기를 이용해 압출기 내로 도입하였다. 압출기는 낮은 압축을 일으키도록 변형된, 일반축을 갖는 Brabender 0.75 인치 (1.9 cm) 단일축 압출기이다. 가열 구역은 175℃, 175℃, 175℃ 및 185℃ 로 설정하였다. 축 속도는 20 내지 40 rpm 사이로 유지하였다. 배럴은 공기-냉각시켰다. 재료 배출 속도는 약 1 미터/분 이었다. 실험실 규모의 Brabender 압출기 내로, (10 내지 160 마이크론의 크기 분포를 가지는) 92 중량% 의 Technon Plus 텅스텐을 불소중합체 Dyneon THV220A, Kenrich NZ12 지르코네이트 계면 개질제로 변성된 중합체를 배합하였다. 이 실시예에서, 개면 개질제는 금속 미립자 상에 약 0.01 중량%의 비율로 텅스텐 미립자에 직접 적용된다. 본 발명의 재료에 대한 전형적 용융 흐름은 적어도 5/초, 적어도 10/초, 약 10 내지 250/초, 또는 약 10 내지 500/초 이다. 압출 용융 흐름을 측정하기 위해서, 일반 평가 시스템을 제조하였다. 1.25 인치 (3.175 cm) 야금 다이의 측면 내에 작은 구멍 (지름 0.192 cm) 을 뚫었다. 다이는 다이 온도 및 압력을 모니터링할 수 있게 하는 장착된 야금 프레스와 함께 이용하였다. 재료의 온도 및 다이 세트의 압력을 가하며, 재료를 용융 흐름 구멍을 통해 압출하였다. 주어진 시간 동안, 생성 형태의 길이를 측정하고, 그 결과를 평균 속도를 결정하는데 이용하였다. 상기 데이타를 가지고, 다이 구멍 반지름으로 압출물의 속도차를 나누어 용융 흐름을 계산하였다.

물품예

물품 제조예 1

함유물: 폴리스티렌, Technon 분말, Kronos 2073, 및 Ken-React NZ 12.

제형물 (중량):

폴리스티렌 0.6563g

Technon Plus 미립자 12.1318g

Kronos 2073 TiO₂ 미립자 0.14719g

Ken-React NZ 12 0.2740g

폴리스티렌을 톨루엔, 메틸에틸케톤 및 아세톤의 배합물 중에 용해하여, 전체 고형물을 38 중량% 로 만들었다. 두 미립자를 동일 용매 배합물 중에 교반하면서 분산시키고, NZ 12 를 상기 분산물에 첨가하였다. TiO₂ 응집물을 부수기 위해 교반한 후, 배합물이 반고체가 될 때까지 용매를 분출시키면서 폴리스티렌 용액을 첨가 및 교반하였다. 이어서 상기 재료를 No. 1 후크를 갖는 고정구 (jig) 내에서 압축 성형하였다 (도 3 참조).

물품 제조예 2

함유물: 폴리스티렌, Technon 분말, 및 Ken-React NZ 12.

제형물 (중량):

폴리스티렌 0.6011g

Technon Plus 미립자 12.0927g

Ken-React NZ 12 0.03g^*

폴리스티렌을 톨루엔, 메틸에틸케톤 및 아세톤의 배합물 중에 용해하여, 전체 고형물을 38 중량% 로 만들었다. W 미립자를 동일 용매 배합물 중에 교반하면서 분산시키고, NZ 12 를 상기 분산물에 첨가하였다. 배합물이 반고체가 될 때까지 용매를 분출시키면서 폴리스티렌 용액을 첨가 및 교반하였다. 이어서 상기 재료를 슬립 싱커 (slip sinker) 내에서 압축 성형하였다.

물품 제조예 3

함유물: 폴리에스테르, Technon 분말, Kronos 2073 TiO₂, 및 Ken-React NZ 12.

제형물 (중량):

폴리에스테르 0.4621g

Technon Plus 미립자 13.0287g

Kronos 2073 TiO₂ 미립자 1.5571g

Ken-React NZ 12 0.0366g

메틸에틸케톤 퍼옥사이드

폴리에스테르를 W, 및 TiO₂ 미립자에 첨가하였다. 아세톤을 첨가하여 NZ 12 의 분산을 보조하였다. 배합물이 발색, 즉 TiO₂ 의 분산 징후를 보이기 시작한 후, 보다 많은 아세톤을 첨가하고, 이어서 메틸에틸케톤 퍼옥사이드를 첨가하였다. 상기 재료를 슬립 싱커 내에서 압축 성형하였다.

물품 제조예 4

함유물: 폴리에스테르, Technon 분말, Kronos 2073 TiO₂, 및 Ken-React NZ 12.

제형물 (중량):

폴리에스테르 3M 1.6000g

Technon Plus 미립자 36.3522g

Kronos 2073 TiO₂ 미립자 4.8480g

Ken-React NZ 12 0.0400g

메틸에틸케톤 퍼옥사이드

폴리에스테르를 W, 및 TiO₂ 미립자에 첨가하였다. 아세톤을 첨가하여 NZ 12 의 분산을 보조하였다. 배합물이 발색, 즉 TiO₂ 의 분산 징후를 보이기 시작한 후, 보다 많은 아세톤을 첨가하고, 이어서 메틸에틸케톤 퍼옥사이드를 첨가하였다. 상기 재료를 No. 1 슬립 싱커 내에서 압축 성형하였다.

물품 제조예 5

함유물: 불소엘라스토머, Technon 분말, 및 Ken-React NZ 12.

제형물 (중량):

불소엘라스토머 THV220A Dyneon 1.6535g

Technon Plus 미립자 36.8909g

Ken-React NZ 12 0.0400g

NZ 12 를 아세톤의 보조를 받아 W 미립자 내로 배합하였다. THV220A 를 아세톤 중에 38 중량% 로 용해시킨 후 W 슬러리에 첨가하였다. 건조될 때까지 상기 배합물을 교반한 후, 재료를 1.25 인치 야금 프레스 내에서 압축 성형하였다. 상기 큰 펠렛을 주사위꼴로 자르고 104℃ 에서 오븐 건조한 후, 야금 프레스 내에서 5700 lb/in² 및 177℃ 에서 재형성하였다. 상기 재료의 밀도는 11.7 gm/cm³ 이었다.

상기 실시예들에 있어서, 먼저 텅스텐 미립자를 계면 개질제로 처리하였다. 이는 50 ㎖ 의 용매 (통상 이소프로판올, 또는 때로는 다른 알코올) 를 포함하는 250 ㎖ 비이커 내에 목적량의 계면 개질제를 용해시킨 후 비이커 내에 100 g 의 텅스텐 미립자를 첨가하여 수행하였다. 이어서 혼합물을 더 이상 교반할 수 없고 대부분의 용매가 제거될 때까지 생성 슬러리를 증기조 상에서 철저히 혼합하였다. 이어서 텅스텐 미립자 및 계면 개질제를 포함하는 비이커를 100℃ 에서 30 분 동안 강제순환식 오븐 내에 놓았다. 이어서 처리한 텅스텐을 아세톤 중에 용해된 THV220A 의 고체 용액을 포함하는 100 ㎖ 비이커에 첨가했다. 이어서 혼합물을 30℃ 로 가열하고 대부분의 아세톤이 증발할 때까지 연속 교반하였다. 이어서 복합물을 100℃ 에서 30 분 동안 강제순환식 오븐 내에 놓았다. 건조 후, 복합물을 200℃ 및 4.5 미터톤 램력에서 야금 다이 내 3.17 cm 실린더에서 프레스하였다. 5 분 후, 다이를 가압 하에 50℃ 로 냉각시켰다. 압력을 해제한 후, 복합물 샘플을 다이로부터 꺼내어 물리적 특성을 측정하였다. 조성 및 측정된 특성에 대해서는 표를 참고한다. THV220A 는 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌, 및 비닐리덴 플루오라이드의 공중합체이다. NZ 12 는 네오펜틸(디알릴)옥시-트리(디옥틸)포스파토-지르코네이트이다. SIA0591.0 는 N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필-트리메톡시-실란이다. KR 238J 는 Kenrich petrochemicals (Bayonne, NJ) 에서 입수가능한 메타크릴아미드 개질 아민 부가물이다. LICA 09 는 네오펜틸(디알릴)옥시-트리(도데실)벤젠-설포닐-티타네이트이다.

일련의 실시예 재료는 0.1 내지 0.2 중량% NZ-12 THV-220 및 금속 미립자로 위와 같이 제조되었다.

표 6은 47 내지 90 부피% 금속의 금속 담지량을 갖는 일련의 단일 금속 중합체 재료를 보여준다. 상기 표의 각 수평 행에서는, 부피 퍼센트 금속 담지량을 갖는 금속 중합체 복합물로 얻어진 복합물 밀도와 함께 상이한 금속 복합물을 보여준다. 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 금속류 내 복합물의 밀도는 복합물 내 금속의 부피 퍼센트에 비례한다. 예를 들어, 부피 퍼센트 금속 함량 또는 담지량이 47 부피% 에서 90 부피% 까지 증가함에 따라, 텅스텐 복합물 밀도는 약 10 에서 약 18 까지의 범위이며, 각 금속 내에서 유사한 밀도 증가가 보인다.

도 28, 29 및 30에서는, 본 발명의 복합물의 부피 패킹 및 밀도 특성을 그래프 형식으로 나타낸다. 스테인리스 강철, 비스무스 및 텅스텐 복합물 재료에 대한 도 28은, 밀도에 대한 부피 패킹의 그래프이다. 도 28의 데이터는 표 6으로부터 유래된 것이며, 표의 데이터에서 예상되었던 대로 부피 패킹에 대한 부피의 선형 증가를 보여준다. 도 29는, 복합물 내 금속의 부피 퍼센트에 대한 아연, 팔라듐, 구리, 탄탈륨, 오스뮴, 스테인리스 강철, 비스무스 및 텅스텐 복합물의 궁극적인 밀도의 그래프이다. 다시, 표 6의 데이터로부터 예측되었던 대로 복합물 내 금속의 부피 퍼센트가 증가함에 따라 복합물의 밀도가 증가한다. 도 30은 본 발명의 복합물의 최대 밀도가 약 45% 에서 약 90%까지의 부피 패킹에서 얻어진다는 것을 보여준다. 얻어진 최대 밀도는 약 20 내지 21 g/cm³ 이다.

본 발명자들은 재료 특성의 검사 및 기기적 기술을 이용하여 본 발명의 2 개의 금속 중합체 복합물의 열적 행동 및 점성 점탄성 행동을 평가, 측정 및 특징화하였다. 이러한 특성들은 종래 기술에서 발견되지 않는다. 대체로 종래 기술 재료들은 실제 복합물 특징을 얻지 못하고, 이들 종래 재료들로는 실제 복합물의 실제 점탄성 특징 및 열 전도율 특징을 얻을 수 없다. 이들 물질은 깨지기 쉬울 것이고, 압출 또는 사출 성형을 못하며, 높은 수준의 열 전도율을 얻을 수 없다.

재료의 열적 특성은 독특하다. 재료는 금속 중합체 복합물이지만, 복합물의 열적 특성은 중합체와 유사하기보다는 금속과 더욱 유사하다. 열전달 적용에 이용할 때, 열 전도율은 1 W/MK 초과일 수 있고, 50 내지 175 W/MK, 75 내지 155 W/MK 또는 87 내지 105 W/MK 의 범위일 수 있다. 유용한 조작 온도 범위는 약 -50℃ 내지 약 130℃ 이다.

점탄성 특성에 대하여, 인장 신율 기술 및 슬릿 다이 유체측정법 (slit die rheometry)을 이용하였다. Haake 단축 토크 레오미터에 부착된 Han 슬릿 다이에 의해 용융 과정 동안 점성 측정을 수행하였다. Chatillon LFPlus 단축 인장 신율 기기로 압출 시료의 점탄성 특징화를 수행하였다. 실험 목표는 역시 2 개의 복합물 재료 간의 점성/점탄성 특성의 특징화 가능한 차이점을 입증하거나 2 개 재료가 동일한 점성/점탄성 특성을 갖는다는 것을 확인하기 위한 시도이다. 비교되는 2 개 재료는 유사한 제형을 갖는 텅스텐 복합물이지만 제조 및 수명 주기는 다르다.

후술하는 복합물 재료는 특징화 공정에 사용된다. 2 개 복합물은 실질적으로 위와 같이 제조되며 약 0.1 내지 0.2 중량%의 개면 개질제를 사용한다. 표 A - H 및 도 12 - 20 에서 분석된 재료는 주로 텅스텐 또는 다른 금속 미립자 및 THV220로 구성되고, 11.4 g/cm³ 밀도로 제형화되었으며, 약 56 부피% 텅스텐 분말을 갖는 2 개의 복합물에 서로 관련되어 있다. 두 재료 간의 주요 차이점은 하나는 텅스텐 및 THV220과 펠렛 내로 한 번 혼성되지만 다른 하나는 재순환 공정을 통해 혼성된다는 점이다. 재순환 공정은 다단계 공정으로 이루어지는데, 이는 적어도 재료가 계면 개질된 텅스텐과 THV220으로부터 펠렛으로 혼성되고, 착색된 THV220 캡스톡 (capstock)과 공압출되며, 펠레타이저 내에서 잘게 잘리고, 다시 펠렛으로 혼성되며, 텅스텐과 혼성되어 특정 밀도를 얻는다. 한 번만 혼성되는 재료는 "처녀 (virgin)"로 칭하고, 몇몇 단계로 혼성되는 재료는 "재생 (re-work)"으로 칭할 것이다. 이는 처녀 재료가 독특한 열적 및 점탄성 특징을 가지고 재생된 재료는 동일한 특성을 갖는다는 것을 보여준다.

약 800 ml의 각 복합물의 벌크 펠렛을 Haake 토크 레오미터로 각각 통과시킨다. Haake 레오미터는, 모두 140 ℃로 세팅된 3 개의 온도 영역을 갖는 1 인치 내부 지름의 배럴을 갖는다. 대략 2.0 mm × 20.00 mm로 측정되는 직사각형 윤곽 및 약 75의 랜드 길이를 갖는 Han 슬릿 다이가 토크 레오미터에 부착되고, 3 개의 압력 변환기가 압출 동안 용융 스트림의 압력을 측정하였다. 2 개의 가열 밴드가 슬릿에 부착되어 있고, 양쪽 모두 140 ℃의 srt 점으로 조절되었다. Haake 슬릿 다이 소프트웨어는 슬릿 다이 내의 3 개의 점을 따라 압력 강하를 측정하여 재료의 전단 응력을 계산하였다. 슬릿 다이 소프트웨어는 압출 시험 순서에 대한 입력의 하한과 상한을 필요로 했다. RPM에 대한 하한은 5 rpm이고, 상한은 100 rpm으로 세팅되었다. 이어서 Haake 소프트웨어는, 시험 순서 내에서 총 10 rpm 세팅을 위해서 상기 한계 사이에서 8 rpm을 선택하였다. 크기 순서보다는 눈대중으로, 스크루 세트 포인트는 넓은 공정 조작 범위를 나타낸다. 레오미터는 각 rpm 세팅에서 자동으로 가동된다. Haake가 압출하는 동안, 압출 시간이 60초 경과한 후에 압출물을 잘라 시료를 제조하였다. 이어서 시료 압출물의 중량을 측정하고 결과 중량을 Haake에 입력하였다. 입력 시료 중량 및 이전의 복합물 입력 밀도를 이용하여, 각 rpm 세팅의 부피측정 출력을 소프트웨어로 계산하였다. 소프트웨어는 11.4 g/cm³ 의 밀도가 입력되는 것을 허용하지 않는다는 점을 주의하여야 하며, 따라서 1.14 값이 입력되고 이에 따라서 밀도 스칼라를 보충하기 위하여 모든 입력된 시료 중량이 10으로 나누어 진다. 부피측정 출력은 소프트웨어로 슬릿 다이 내에서 전단율을 계산하는데 사용된다.

Haake 평가 소프트웨어는 모든 스크루 속도 세팅이 완료된 후에 가동되며, 여기서 가공되지 않은 출력값을 스프레드시트에 입력한 다음 수집한 데이터를 그래프로 나타내도록 플롯한다. 처녀 11.4 g/cm³ 재료의 1차 가동을 위해, 가공되지 않은 데이터를 Haake 소프트웨어 및 오퍼레이터로 수집하였다. 나열된 rpm 세트포인트는, 최소 및 최대값을 제외하고는 Haake 소프트웨어에 의해 선택된 것이다. Han 다이의 슬릿 내에 위치한 용융 압력 변환기에 의해 압력 1, 2 및 3을 측정하였다. 슬릿 다이에 들어가기 전의, 스크루 끝에서의 재료의 용융 압력은 P0으로 표지된 압력 변환기에 의해 측정되었다. 스크루 토크 및 용융 온도는 모두 Haake 레오미터로 측정하였다. 질량 유속은 압출하는 동안 취해진 60초 시료에 의해 측정되었다. 부피 유속은 질량 유속을 밀도로 나눔으로써 계산되었다.

[표 A]

처녀 11.4 g/cm³ 재료의 분석을 위해 Haake 소프트웨어에 의해 출력값을 계산하였다. 전단율, 전단 응력 및 점도를 표 B에 나타낸 값을 이용하여 Haake 소프트웨어로 계산하였다.

[표 B]

처녀 11.4 g/cm³ 재료의 2차 가동을 위해, 가공되지 않은 데이터를 Haake 소프트웨어 및 오퍼레이터로 수집하였다. 나열된 rpm 세트포인트는, 최소 및 최대값을 제외하고는 Haake 소프트웨어에 의해 선택된 것이다. Han 다이의 슬릿 내에 위치한 용융 압력 변환기에 의해 압력 1, 2 및 3을 측정하였다. 스크루 토크 및 용융 온도는 모두 Haake 레오미터로 측정하였다. 질량 유속은 압출하는 동안 취해진 60초 시료에 의해 측정되었다. 부피 유속은 질량 유속을 밀도로 나눔으로써 계산되었다. 일부 값들은 Haake 소프트웨어에 의해 기록되거나 표시되지 않았고, 따라서 표 C에는 나타나지 않음을 주의한다.

[표 C]

처녀 11.4 g/cm³ 재료의 분석을 위해 Haake 소프트웨어에 의해 출력값을 계산하였다. 전단율, 전단 응력 및 점도를 표 D에 나타낸 값을 이용하여 Haake 소프트웨어로 계산하였다. 표 D 내에 값이 없는 것은 이 표 내에 존재하지 않는 결과를 초래한다.

[표 D]

처녀 11.4 g/cm³ 재료의 3차 가동을 위해, 가공되지 않은 데이터를 Haake 소프트웨어 및 오퍼레이터로 수집하였다. 나열된 rpm 세트포인트는, 최소 및 최대값을 제외하고는 Haake 소프트웨어에 의해 선택된 것이다. Han 다이의 슬릿 내에 위치한 용융 압력 변환기에 의해 압력 1, 2 및 3을 측정하였다. 스크루 토크 및 용융 온도는 모두 Haake 레오미터로 측정하였다. 질량 유속은 압출하는 동안 취해진 60초 시료에 의해 측정되었다. 부피 유속은 질량 유속을 밀도로 나눔으로써 계산되었다.

[표 E]

처녀 11.4 g/cm³ 재료의 분석을 위해 Haake 소프트웨어에 의해 출력값을 계산하였다. 전단율, 전단 응력 및 점도를 표 F에 나타낸 값을 이용하여 Haake 소프트웨어로 계산하였다.

[표 F]

재생 11.4 g/cm³ 재료의 분석을 위해, 가공되지 않은 데이터를 Haake 소프트웨어 및 오퍼레이터로 수집하였다. 나열된 rpm 세트포인트는, 최소 및 최대값을 제외하고는 Haake 소프트웨어에 의해 선택된 것이다. Han 다이의 슬릿 내에 위치한 용융 압력 변환기에 의해 압력 1, 2 및 3을 측정하였다. 스크루 토크 및 용융 온도는 모두 Haake 레오미터로 측정하였다. 질량 유속은 압출하는 동안 취해진 60초 시료에 의해 측정되었다. 부피 유속은 질량 유속을 밀도로 나눔으로써 계산되었다. 일부 값들은 Haake 소프트웨어에 의해 기록되거나 표시되지 않았고, 따라서 표에는 나타나지 않음을 주의한다.

[표 G]

재생 11.4 g/cm³ 재료의 분석을 위해 Haake 소프트웨어에 의해 출력값을 계산하였다. 전단율, 전단 응력 및 점도를 표 H에 나타낸 값을 이용하여 Haake 소프트웨어로 계산하였다.

[표 H]

도 12는 처녀 및 재생 11.4 g/cm³ 재료에 대해 다양한 스크루 속도 (rpm)에서 압출물의 계산된 질량 유속 (g/분) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 A, C 및 E로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 G로부터 취했다.

도 13은 처녀 및 재생 11.4 g/cm³ 재료에 대해 다양한 스크루 속도 (rpm)에서 스크루에 적용된 토크 (Nm) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 A, C 및 E로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 G로부터 취했다.

도 14는 처녀 및 재생 11.4 g/cm³ 재료에 대해 다양한 스크루 속도 (rpm)에서 압출 동안 재료 상의 계산된 전단율 (l/s) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 B, D 및 F로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 H로부터 취했다.

도 15는 처녀 11.4 g/cm³ 재료에 대해 다양한 스크루 속도 (rpm)에서 압출 동안 재료 상의 용융 압력 측정값을 보여준다. 상한값은 P1 변환기에 상당하고, 하한값은 P3 변환기에 상당한다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 B, D 및 F로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 H로부터 취했다.

도 16은 처녀 11.4 g/cm³ 재료에 대해 다양한 스크루 속도 (rpm)에서 압출 동안 재료 상의 계산된 전단 응력 (Pa) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 B, D 및 F로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 H로부터 취했다.

도 17은 처녀 11.4 g/cm³ 재료에 대해 다양한 스크루 속도 (rpm)에서 압출 동안 재료의 계산된 겉보기 점도 (Pa*s) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 B, D 및 F로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 H로부터 취했다.

도 18은 처녀 11.4 g/cm³ 재료에 대해 계산된 전단율 (l/s)에서 압출 동안 재료 상의 계산된 전단 응력 (Pa) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 B, D 및 F로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 H로부터 취했다.

도 19는 처녀 11.4 g/cm³ 재료에 대해 계산된 전단율 (l/s)에서 압출 동안 재료의 계산된 겉보기 점도 (Pa*s) 값을 보여준다. 처녀 재료 가동에 대한 데이터는 표 B, D 및 F로부터 취했고, 재생 재료 가동에 대한 데이터는 표 H로부터 취했다.

도 20은 처녀 재료의 1차 및 2차 가동, 및 재생 재료의 가동에서 시료의 인장 신율로부터 얻어진 응력 (MPa) 대 변형률 (%) 결과를 보여준다. 압출된 시료를 ASTM 638-4 도그본 (dogbone) 견본으로 자르고, 파단에 의해 파손될 때까지 25 mm/분에서 변형시켰다.

60초의 압출 지속과 함께 재료의 자른 길이로 측정된 압출물의 질량 유속은, 도 12에서 나타낸 최대 40 rpm까지는 스크루 속도에 대해 거의 동일하였다. 도 12에 또한 나타낸 바와 같이, 질량 유속은 40 rpm 을 초과하는 스크루 속도에서의 가동 간에 달라지기 시작하였다. 처녀 11.4 복합물의 모든 3 가지 가동은 동일한 몫의 재료로부터 수행되었고, 별개의 경우로 가동되었음을 주의한다. 압출물의 질량 유속의 변화는 압출기의 속도가 증가함에 따라 다이에서 재료가 누출되기 때문인 것 같다. 더욱 구체적으로, 압출기와 Han 슬릿 다이 사이의 접합부에서 재료가 누출된다. 스크루 속도가 증가함에 따라, 보다 많은 재료가 누출될 수 있다. 재료의 누출은 처녀 재료의 가동 2 및 3에서 가장 두드러진다.

재료의 질량 흐름 및 이어지는 부피 흐름은, 처녀 재료의 3번의 가동에 관하여 스크루 속도와 서로 일관되게 관련되지 않았기 때문에, 부피 유속 유래의 값들도 3번의 가동에 걸친 rpm과 서로 관련되지 않아야 한다. 이러한 상호 관계 없음은, 스크루 속도에 대한 플롯시 전단 응력, 전단 변형 및 뚜렷한 점도에 대한 가동 간의 상위 (variance)를 설명한다. 상호관계의 결여는 도 14 및 도 17에서 관찰된다.

재생 11.4 g/cm³ 복합물 재료는 처녀 11.4 g/cm³ 복합물 재료의 가동 1과 가장 유사한 결과를 보인다. 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 주어진 유속에서 재료의 질량 유속은 재생 재료와 처녀 재료의 가동 1 사이에 가장 유사했다. 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, Han 슬릿 다이를 통한 재료의 이어지는 전단율 역시 유사하였다.

압출시 스크루에 적용된 토크는 모든 가동들 사이에서 유사했다. 도 2는 모든 재료들이 유사하지만, 40 rpm 을 초과하는 스크루 속도에서는 약간의 차이가 존재한다는 것을 보여준다.

도 15에서 볼 수 있는 바와 같이, 양쪽 재료 모두 다이 위에서 동일한 압력 강하를 나타냈다. 3개의 처녀 재료 및 재생 재료 사이의 압력에 뚜렷한 차이점 경향 또는 양은 없다. 가동 1 및 2의 전단 응력 계산은 손으로 했는데, 이는 평가 소프트웨어로 행한 계산이 잘못 지정된 변환기로 행해졌기 때문이다. 가동 1 및 2는 변환기 P0, P1 및 P3 을 가지고, 가동 3은 변환기 P1, P2 및 P3 을 갖는다. P0 은 다이 밑의 변환기이고, P1 은 다이 내의 1차 압력 포트이며, P2 는 다이 내의 2차 압력 포트이고, P3 은 다이 내의 3차 압력 포트라는 점에 주의한다. 압력 포트 P0 은 슬릿 다이 내에 위치하지 않으며, 따라서 슬릿을 가로지르는 압력 강하를 계산하는데 사용될 수 없다. P0 값이 P1 값의 적어도 두 배이기 때문에 전단 응력값은 보통보다 높을 것이다. 가동 3은 보정값인데, 이는 이 값이 기록된 P0 의 사용 없이 다이를 가로지르는 압력 강하의 계산에 근거하기 때문이다.

처녀 11.4 g/cm³ 재료의 가동 1 및 2 의 표 B 및 D 에 나타낸 겉보기 점도 결과는, 평가 소프트웨어의 계산에 있어서 압력들 중 하나를 P0 으로 지정했기 때문에 손으로 결정되었다. 표 F 에서 볼 수 있듯이 가동 3 은 정확한 점도 출력을 보여 주는데, 이는 표 H에서 보이는 바와 같이 재생 11.4 재료와 거의 중복된다. 겉보기 점도와 스크루 속도 간의 관계를 도 17에서 볼 수 있다. 다이 접합 누출에 기인하는 스크루 속도와 전단율 사이의 전술한 일관되지 않은 관계로 인하여 야기된 가동 간의 상위가 존재한다. 도 19에서와 같이, 겉보기 점도가 전단율에 대하여 직접 플롯되면, 데이터의 모든 4 세트가 겹치는 것이 관찰된다. 3개의 처녀 재료 가동과 재생 재료 가동 간에 측정하기 위한 방법 능력 내에 구별할 수 있는 차이는 없다. 도 18에서 볼 수 있는 바와 같이, 전단 응력 및 전단율에 대한 재료 사이에 상위가 존재한다. 2차 처녀 재료 가동을 제외한 모든 가동은 유사한 경향을 따른다.

인장 신율은 처녀 및 재생 재료 간에 매우 유사하다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 각 재료의 응력-변형률 특징은 서로 구별할 수 없다. 재생 재료의 파단시 %-변형률이 현저하게 낮은 것처럼 보이지만, 동일한 시료 간의 상위는 대략 ±25 %-변형률이다. 변형 경로에 따른 응력은 모든 가동에 대해 상대적으로 같다. 상기 실험은 양쪽 재료의 점성 및 점탄성 특성이 특징화될 수 있음을 입증하였다. 그러나 측정할 수 있는 능력 내에서 처녀 및 재생 텅스텐 복합물 재료 간에는 차이점이 없었다. 이는 재료의 복합물 성질은 복합물의 타고난 특성이며 재료를 단순히 재압출 또는 재생하는 것에 의해서 없어지지 않는다는 것을 가리킨다.

모든 유형의 재료의 물리적 특성을 측정하는 실마리 중 하나는 재료에 적용된 힘과 그 힘에 의해 야기되는 변형 간의 관계이다. 이러한 경우에 적용된 힘의 특정 모드는 일정한 속도의 성형 변형에서의 단축 인장 (uniaxial tension)이다. 시료가 적용된 인장에 의해 가공 중에 연신되기 때문에 이러한 성능 시험은 단지 "인장 신율"로 종종 칭해진다. 이러한 기록의 목적은 인장 신율 시험 방법 및 분석의 중요 변수를 정의한 다음, 두 복합물 재료의 성능을 비교하는 것이다.

시험 방법에 대한 몇몇 중요 용어가 정의될 수 있다. 도 21은, 전형적인 응력-변형률 행동으로 환산한 인장 신율 하에서 재료의 성능의 전형적인 플롯이며, 예시를 위해 비대칭형으로 도시했다.

정의된 첫 번째 용어는 응력 (σ)이며, 이는 시료의 최초 단면 영역에 의해 분할된 시료에 적용된 힘이다. 이 적용된 힘은 시료에 대해 단축이며, 단면 영역은 힘의 축에 대하여 수직이다 (양쪽 차원 내에서 수직).

두 번째로 정의된 용어는 변형률 (ε)이고, 이는 최초 시료 길이에 의해 분할된 시료 길이의 증가이다. 이 양은 종종 퍼센트로 표시되며, 100% 변형률에서 시료는 최초 길이의 두 배가 된다.

세 번째로 정의된 용어는 도 21의 ε_A 에서의 문자 "A" 로 쓴다. 응력-변형률 곡선의 비교적 선형적인 부분 후에, 시료가 역행할 수 없게 변형되기 시작하는 것에 의해 갑작스러움 응력 강하가 일어난다. 이 지점에서의 응력 값은 최대 항복 응력 (Upper Yield Stress)으로 정의된다. 이러한 피크의 날카로움은 시료 간에 다를 수 있지만, 이 값을 정의하는 것은 국부 최대값이다.

네 번째로 정의된 용어는 도 21의 ε_B 에서의 문자 "B" 로 쓴다. 최대 항복점 후에, 역행할 수 없는 가소성 변형이 시작되고, 일정한 속도의 변형률을 천천히 유지시키는데 필요한 응력이 증가하기 시작한다. 생성된 국부 최소값에서의 응력값은 최소 항복 응력 (Lower Yield Stress)으로 정의된다. 이 지점 후에 응력 수준이 올라가기 시작하고, 전형적으로 선형 증가가 전개된다.

다섯 번째로 정의된 용어는 도 21의 ε_C 에서의 문자 "C" 로 쓴다. 파손 (파단) 개시 시에, 시료는 응력에 있어서 또 다른 국부 최대값을 나타낼 것이다. 이 점은 파단 응력 (Stress at Break)으로 정의되고, 종종 시료에 적용되는 최대 응력 수준이다. 이는 파손을 일으키는데 필요한 응력의 양이므로, 보통 "인장 강도"로 일컬어 진다.

여섯 번째로 정의된 용어는 도 21의 ε_D 에서의 문자 "D" 로 쓴다. 시료가 파단되면 적용된 응력은 즉시 0 이 된다. 이 점에서의 변형값은 파단시 %-변형률 (%-Strain at Break)로 정의된다.

일곱 번째로 정의된 용어는 도 21의 ε_E 에서의 문자 "E" 로 쓴다. 항복 이전에 응력은 변형률과 거의 선형 관계를 갖는다. 이 변형 지점에서 재료가 탄력적으로 행동한다. 응력 유닛 내 이 선의 기울기는 재료의 탄성률 (Modulus of Elasticity) 또는 단순히 율 (modulus)로 정의된다. 이들 데이터 내에서 용어 순서 ε_A, ε_B, … 는 증가하는 % 변형률의 일련의 변형률 지점을 가리킨다; ε_A < ε_B; ε_C < ε_D; 등. 이러한 특징 곡선을 보이는 재료들은 실제 복합물 재료이며, 중합체의 가장 우수한 특성 및 금속 미립자의 밀도, 열적 특성, 전기적 특성 등을 얻을 수 있다. 종래 기술의 충전 재료는 조밀하기는 하지만 이러한 점탄성 특징 또는 열적 특징을 갖지는 못할 것이다.

2개의 상이한 재료를 인장 신율 공정에서 시험하였다. 첫 번째 재료는 NZ-12 계면 개질된 텅스텐 및 THV 220의 복합물이었다. 텅스텐 입자 형상은 거의 원형이지만 불규칙하고 뾰조뽀족 (jagged) 하였다. 제형물은 60 부피% 처리된 금속 분말이었고, 이는 약 1 부피% 미만이 최조밀 패킹된다. 이 실험의 목적을 위해서, 1 부피% 의 최조밀 패킹 내의 제형물은 기능성 최조밀 패킹으로 일컬어질 것이다. 이 재료의 밀도는 약 11.9 g/cm³ 였다.

두 번째 재료는 NZ-12 계면 개질된 316L 스테인리스 강철 및 THV 220의 복합물이었다. 스테인리스 강철의 입자 형상은 약간의 위성 입자 (satellite particle)을 가지며 불규칙성은 거의 없는 (가스 분무된) 구형이었다. 제형물은 62 부피% 처리된 금속 분말이었고, 역시 최조밀 패킹으로 제형화되었다. 이 재료의 밀도는 약 5.5 g/cm³ 였다.

2개의 시료는 모두, 3 mm × 20 mm 직사각형 윤곽 다이가 설비된 1" 지름 일축 압출기를 통과하여 압출되었다. 상기 압출기의 조건은 약 135 - 145 ℃ 및 1000 psig 였다. 대략 6 인치 길이의 각 압출 스트립을 이용하여 인장 신율 시험을 위한 ASTM 638-4 도그본 시료를 펀치한다. 상기 도그본은 레이지 길이가 1.75 인치이고, 게이지 폭이 0.25 인치이다. 게이지 두께는 압출 두께에 의해서 결정되며, 약 3.0 cm 였다. 각 시료를 기기 내에 재치하고 각각 시험하였다. 일정한 변형 속도는 25 mm/분이었다. 파단에 의한 파손 후에, 시료는 제거되고 시험이 완료되었다.

[표 I]

텅스텐 및 스테인리스 강철 복합물에 대한 각 인장 신율 시험 동안의 상이한 변형률 지점에서의 응력값을 도 22에 나타낸다. 시험 재료를 변형시키는데 필요한 응력의 양은, 2 가지 시험 재료 간에 상이한 대략적으로 계수 2 였다. 표 I 및 도 22에 나타낸 바와 같이, 텅스텐 복합물에 대한 응력값이 스테인리스 강철 복합물의 응력값보다 높다. 계수 2에 의해 응력값은 다르지만, 전체적인 곡선 프로필 및 응력과 변형률 사이의 관계는 유사하였다. 점탄성 특성은 미립자의 조성과 무관하게 얻어질 수 있다.

최소 항복점에서 파단시까지 응력의 선형적 증가는, 계수 1.5 내에서 2 가지 재료에 대하여 거의 동일하였다. 2 가지 재료에 대한 파단시 %-변형률은 측정의 불확실성 내에서 대략 425±25 % 변형률이었다. 두 시료 사이에 가장 다른 값은 탄성률이었다. 두 재료 사이에는 매우 큰 차이점이 있었다. 이것이 큰 차이점이라고는 하지만, 인장율 측정을 위해 ASTM 가이드라인은 이 시험이 겪게 되는 변형 속도로 25 mm/분 보다는 1 mm/분을 추천하고 있다.

도 23 및 24는 도 22의 확장된 영역이다. 이들은 모두 동일한 세트의 데이터이며, 단지 재료의 초기 기울기와 항복을 보여준다.

도 25는 본 발명의 THV 불소중합체 재료DML 점탄성 특성을 보여준다. 곡선 내 데이터는 하기 표 J로부터의 데이터이다.

[표 J]

중합체가 복합물과 다소 유사한 응력 변형률 곡선을 가지기는 하지만, 금속의 첨가가 초기 탄성률을 증강시키고 감소하는 수준에서 파단시까지 증가하는 변형률 곡선을 유지시킨다는 것을 볼 수 있다.

스테인리스 강철 조성물 재료의 성능 특성을 시험하여 각 재료를 특징짓고 제조 공정과 최종 물품 성능을 서로 관련시킨다. 복합물은 전술한 바와 같이 제조되고 0.5 중량% IM 을 함유한다. 나열된 각 특성에 대한 대표값은 전달된 각 재료에 대해 주어진 것이다. 전달된 재료들은 성능 특성을 시험하여 각 재료를 특징짓고 제조 공정과 최종 물품 성능을 서로 관련시킨다. 나열된 각 특성에 대한 대표값은 전달된 각 재료에 대해 주어진 것이다. 사출성형 실시예로 하기와 같이 재료가 준비되었다:

[표 K]

사출 성형 특성은 다음과 같다:

[표 L]

재료의 성공적인 사출 성형으로부터의 금속 미립자 형태의 재료는 중량 또는 부피 기준으로 큰 비율 또는 대부분을 차지하더라도, 본 재료가 표준 압출법 또는 사출 성형법을 이용하여 유용한 제품으로 열적으로 형성될 수 있는 실제 점탄성 재료임을 알 수 있다.

실제 복합물 특성을 얻지 못하는 경우의 효과를 입증하기 위하여, 62 부피% 금속으로 제형화된 복합물 재료로서, 하나의 복합물은 계면 개질 분말을 포함하고, 다른 복합물은 계면 개질 분말을 포함하지 않는 복합물 재료에 대하여 인장 신율 측정을 수행하였다.

[표 M]

도 26 및 27은 IM 재료가 없으면, 복합물이 유용한 특성을 갖지 못한다는 것을 보여준다. 0.4 % NZ12 에서 스테인리스 강철의 계면 개질은 복합물의 인장 특성을 깨지기 쉬운 충전 재료에서 신축성 있고 질긴 실제 복합물로 변화시킨다. 표 M에서 볼 수 있는 바와 같이, 계면 개질된 복합물의 파단시 % 변형률은 계면 개질제가 없는 복합물보다 거의 100 배나 크다.

특정 도면의 상세한 검토

도 1은 본 발명의 금속 중합체 복합물을 포함하는 스텐트의 등각도이다. 스텐트는 복합물의 성형된 튜브로부터, 공지의 기계적 또는 레이저 방법으로 조각될 수도 있고, 또는 스텐트가 보이는 형태로 직접 성형될 수도 있다. 스텐트 (10)는 복합물, 및 혈관강 내에 배치시 팽창할 수 있는 가요성 멤버 (11)를 포함할 수 있다. 스텐트는 직접 성형 기법에 의해 또는 성형된 관으로부터 구조를 조각함으로써 복합물로부터 형성될 수 있는 선형 멤버 (12) 및 곡선형 멤버 (13)를 갖는다.

도 2a 는 대칭 양상을 갖는 압출된 멤버를 나타낸다. 압출된 물체 (20) 는 삽입부 (23A) 및 대칭형 오목부 (24A)를 갖는 본체 (21)를 갖는다. 상기 구조 (20)는 압출되어 길이에 맞춰 잘릴 수 있고, 이어서 각각의 길이는 삽입부 (23A) 가 오목부 (24B)에 삽입되는 것과 동시에 삽입부 (23B)가 오목부 (24A) 에 삽입될 수 있도록 대칭 멤버와 짝을 이루어, 본체 (21)를 본체 (22)에 연동함으로써 고정되고 기계적으로 안정한 어셈블리를 형성할 수 있다. 상기 어셈블리를 도 2b 에 나타낸다. 도 2a 에 있어서, 조합체를 통해 실질적으로 전체적으로 속이 채워진 물체가 형성된다.

도 3 은 2 개의 고정구 (30 및 31)를 나타낸다. 고정구는 후크 (32, 33)를 포함한다. 후크 상에는 싱커 (34, 35)가 배치된다. 싱커 (34)는 후크 (33) 상에 압축 성형에 의해 형성된 성형 싱커이다. 싱커 (35)는 스냅 핏 (snap fit) 구조를 위한 삽입부 및 오목부를 포함하는 도 2 의 압출물과 유사한 프레스 핏 싱커이다.

도 4 는 본 발명의 2 바퀴 추 형태를 나타낸다. 도 4a 에 있어서, 바퀴 추 (40) 는 바퀴 추에 접착할 수 있는 접착성 스트립 (45) 을 갖는 본 발명의 형상물 (44) 을 포함한다. 추는 연속 시트로 압출되고, 절단 전에 추 (44) 에 형성된 굴곡 구역 (46) 을 갖는 물질 (44) 로 절단될 수 있다. 복합물 재료는 가요성을 가지며, 구부려져 바퀴 형태로 맞춰질 수 있다. 도 4b 는 수송 차량 바퀴에 부착하도록 형성된 복합물 물질 (42) 및 기계적 클립 (43) 을 갖는 추 (41) 를 나타낸다.

상기 명세서는 본 발명의 복합물 기술의 합법화된 설명을 보여주지만, 본 발명의 다른 구현예는 본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않으면서 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 이후에 첨부되는 청구의 범위에서 구현된다.

Claims (10)

1. (a) 10 마이크론 초과의 입자 크기를 갖는 금속 입자를 포함하고, 복합물의 40 내지 96 부피%의 양으로 존재하며, 개면 개질제의 외부 코팅을 포함하는 금속 미립자; 및
   (b) 복합물의 4 내지 60 부피%의 양으로 존재하는 중합체상;
   을 포함하는 금속 및 중합체 점탄성 복합물로서,
   상기 점탄성 복합물에 투입되기 전의 중합체는, 중합체에 연신력이 가해져 파손 개시되었을 때 최대 항복 응력, 최소 항복 응력 및 파단 응력을 포함하는 특징적인 응력 변형 거동을 나타내고,
   상기 점탄성 복합물 또한 점탄성 복합물에 연신력이 가해져 파손 개시되었을 때 최대 항복 응력, 최소 항복 응력 및 파단 응력을 포함하는 특징적인 응력 변형 거동을 나타내는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 점탄성 복합물은 점탄성 복합물이 재압출 또는 재생된 다음, 연신력이 가해져 파손 개시되었을 때 최대 항복 응력, 최소 항복 응력 및 파단 응력을 포함하는 특징적인 응력 변형 거동도 나타내는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 점탄성 복합물에 투입되기 전의 중합체는, 중합체에 변형력이 가해져 파손 개시되었을 때 ε_A에서 최대 항복 응력 A, ε_B에서 하부 최소 항복 응력 B 및ε_C에서 2차 최대 항복 응력 C을 갖는 특징적인 응력 변형 곡선을 나타내고,
   상기 점탄성 복합물은, 점탄성 복합물에 변형력이 가해져 파손 개시되었을 때 ε_A에서 최대 항복 응력 A, ε_B에서 하부 최소 항복 응력 B 및 ε_C에서 2차 최대 항복 응력을 갖는 특징적인 응력 변형 곡선을 나타내는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
4. 청구항 1에 있어서,
   성형품 (shaped article)의 형태인 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 성형품은 바퀴 추 (wheel weight)인 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
6. 청구항 1에 있어서,
   복합물의 0.005 내지 3 중량%의 양의 계면 개질제를 포함하는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
7. 청구항 1에 있어서,
   미립자의 5 중량% 미만이 10 마이크론 미만의 입자 크기를 가지는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 미립자는 10 내지 1000 마이크론 범위의 입자 크기를 갖는 금속 입자를 포함하는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속 미립자는 10 내지 70 마이크론 범위의 입자 크기를 갖는 금속 입자를 포함하는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 금속 미립자는 70 내지 250 마이크론 범위의 입자 크기를 갖는 금속 입자를 더 포함하는 금속 및 중합체 점탄성 복합물.

Images