KR20150093174A

KR20150093174A - 하이드록실화 지질을 포함하는 열가소성 중합체 조성물의 성형 방법

Info

Publication number: KR20150093174A
Application number: KR1020157016408A
Authority: KR
Inventors: 진 마이클 알토넨; 존 몬크리프 레이맨; 앤드류 에릭 넬트너; 이사오 노다; 에릭 브라이언 본드; 윌리엄 맥스웰 앨런; 마이클 매튜 사트코브스키; 스티븐 앤서니 데로즈; 로버트 에드워드 슈머트
Original assignee: 임플럭스 인코포레이티드
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2015-08-17
Also published as: CN104812548A; CA2892074A1; BR112015011201A2; EP2922678A1; IN2015DN04019A; JP2015536377A; MX2015006167A; US20140145374A1; WO2014081765A1; RU2015119601A

Abstract

열가소성 중합체 및 하이드록실화 지질의 긴밀한 혼화물을 포함하는 중합체-하이드록실화 지질 조성물의 성형 방법이 개시된다.

Description

하이드록실화 지질을 포함하는 열가소성 중합체 조성물의 성형 방법{METHOD OF MOLDING THERMOPLASTIC POLYMER COMPOSITIONS COMPRISING HYDROXYLATED LIPIDS}

본 발명은 열가소성 중합체 조성물, 특히 열가소성 중합체와 하이드록실화 지질의 긴밀한 혼화물(admixture)을 포함하는 조성물의 성형 방법에 관한 것이다.

폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 열가소성 중합체는 비교적 높은 분자량에 의해 특징지어진다. 긴 선형 중합체 분자들로 주로 이루어지는 열가소성 물질은 가교결합을 거의 또는 전혀 갖지 않는다. 열 에너지(즉, 열)가 가해질 때, 이는 연성 또는 균등한 액체가 되어, 열가소성 중합체가 형성화되게 할 수 있다. 연성 또는 용융 상태일 때, 열가소성 중합체는, 예를 들어 압출 또는 사출 성형에 의해 처리될 수 있다. 냉각시에, 열가소성 중합체는 대체로 결정질 구조를 형성하여 평활 표면 마감 및 현저한 구조적 강도를 초래한다.

열가소성 중합체의 재료 특성은 열가소성 물질을 다른 성분과 블렌딩함으로써 특정 응용의 요구를 충족하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 더 낮은 온도에서 재료의 가요성을 유지하기 위해 열가소성 중합체에 가소제가 첨가될 수 있다. 플라스틱 차량 부품과 같은 물품은 추운 날씨 동안 균열 형성을 방지하기 위해 이러한 혼합물로부터 제조될 수 있다.

열가소성 중합체는 재료 특성의 변화 없이 반복적으로 용융되고 재사용될 수 있기 때문에, 이들 중합체는 적극적으로 재활용될 수 있다. 예를 들어, 수지 식별(예컨대, 재활용) 코드를 갖는 가정용 용기 및 음료수 병은 일반적으로 열가소성 중합체이다. 이들 용기는 갈아서 칩으로 되고, 용융되고, 불순물을 제거하기 위해 정제되고, 재생 재료로서 재사용될 수 있다.

비용, 강도, 재활용성 및 제형 유연성을 포함하는 이유로, 열가소성 중합체는 다양한 용도에 널리 사용되고 있다. 그러나, 그들의 높은 다능성에도 불구하고, 열가소성 중합체는 제형화 및 처리 문제를 제기할 수 있다. 이것은, 용융 방사 섬유와 같은 제형화 및/또는 프로세스 변동에 매우 민감한 제품 형태를 제조하는 경우에 특히 그러하다.

열가소성 중합체는 일반적으로 더 높은 분자량을 가지는데, 더 높은 분자량은 주어진 온도에서 더 높은 점도 및 더 낮은 용융 유량에 대응한다. 몇몇 경우에, 이러한 더 낮은 용융 유량은 더 낮은 제조 생산량을 야기할 수 있고, 대규모 상업적 생산을 매우 어렵게 할 수 있다. 용융 유동을 증가시키기 위해, 압출기 온도 및/또는 압력이 증가될 수 있지만, 이는 종종 압출기 전체에 걸친 불균일한 전단 응력, 일관되지 않는 용융 유동, 버블 불안정성, 재료의 점착성 또는 미끄러짐, 및/또는 불균일한 재료 변형으로 이어져, 심지어 압출물이 빠져나올 때 파손되게 할 수 있는 불규칙성, 변형, 및 왜곡을 갖는 열악한 품질의 압출물을 초래한다. 또한, 고온은 잠재적으로 열가소성 용융물을 연소시킬 수 있고, 과도한 압력은 압출기의 구조적 무결성을 해칠 수 있어서, 용융물이 파열, 누출 또는 균열되게 한다.

대안적으로, 용융 유동을 증가시키고, 점도를 감소시키고, 그리고/또는 전단 응력을 고르게 하는 것을 돕기 위해 희석제와 같은 점도 변경 첨가제가 제형에 포함될 수 있다. 그러나, 사용될 수 있는 첨가제의 양은 제한되는데, 이는 이들 첨가제가 중합체의 표면으로 이동하는 경향이 있어서, 열가소성 물질이 그의 의도된 용도에 대해 용인할 수 없게 할 수 있는 블룸(bloom)을 초래하기 때문이다. 예를 들어, 희석제의 이동은 열가소성 물품이 기름지게 보이거나 느껴지게 하고, 접촉되는 다른 재료를 오염시키고, 접착성을 방해하고, 그리고/또는 가열 봉합 또는 표면 인쇄와 같은 추가적인 처리가 문제되게 할 수 있다.

심지어 이러한 희석제의 사용에 의하면, 기존의 기술은 열가소성 재료 폴리프로필렌만을 소량의 조성물 성분으로서 활용하였다. 또한, 기존의 기술은 희석제의 이동을 방지하기 위해 후속 처리 동안 희석제의 제거를 요구한다. 희석제 제거는 추가적인 처리 및 폐기물 처리를 필요로 할 뿐만 아니라 염료, 안료 및/또는 향료와 같은 다른 원하는 첨가제의 제거를 또한 초래할 수 있다.

예를 들어, 미국 특허 제3,093,612호에는 폴리프로필렌과 다양한 지방산의 조합이 설명되어 있는데, 여기서 지방산은 최종 합성재로부터 제거된다. 과학 논문[J. Apply. Polym. Sci 82 (1) pp. 169-177 (2001)]에는 오직 낮은 중합체 비에서 개방 대세포 구조를 생성하기 위해 열적으로 유도된 상분리를 위한 폴리프로필렌에 대한 희석제의 사용이 개시되어 있는데, 여기서 희석제는 이후에 최종 구조로부터 제거된다. 과학 논문[J. Apply. Polym. Sci 105 (4) pp. 2000-2007 (2007)]에는 소량 성분의 폴리프로필렌과 함께, 다이부틸 프탈레이트와 대두유의 혼합물을 이용하여 열적으로 유도된 상분리를 통해 생성되는 마이크로다공성 멤브레인이 개시되어 있다. 희석제는 최종 구조에서 제거된다. 과학 논문[Journal of Membrane Science 108 (1-2) pp. 25-36 (1995)]에는 원하는 멤브레인 구조를 생성하기 위해 열적으로 유도된 상분리를 이용하고, 소량 성분의 폴리프로필렌과 함께, 대두유와 폴리프로필렌의 혼합물을 사용하여 생성되는 중공 섬유 마이크로다공성 멤브레인이 개시되어 있다. 희석제는 최종 구조에서 제거된다.

따라서, 희석제를 제거할 필요 없이 상업적 규모로 용이하게 제조될 수 있는, 비이동성(non-migrating) 고 분자량의 열가소성 수지가 필요하다.

본 발명은 (a) 열가소성 중합체; 및 (b) 하이드록실화 지질("HL")의 긴밀한 혼화물을 포함하는 비이동성 중합체-HL 조성물을 제공한다. HL은 고체 열가소성 중합체 내에서 10 μm 미만의 액적 크기를 갖는다. 대안적으로, 액적 크기는 5 μm 미만, 1 μm 미만, 또는 500 nm 미만일 수 있다. 이 조성물은, 조성물의 총 중량을 기준으로, 5 중량% 내지 50 중량% HL, 또는 10 내지 50%, 또는 15 내지 50%, 또는 20 내지 50%, 또는 30 내지 50% HL을 포함할 수 있다.

열가소성 중합체는, 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 그들의 공중합체, 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다. 열가소성 중합체의 다른 예는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산, 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리아미드-6, 폴리아미드-6,6, 또는 그들의 조합을 포함한다.

몇몇 조성물에서, 열가소성 중합체는 폴리프로필렌을 포함한다. 예를 들면, 열가소성 중합체는 조성물 내에 존재하는 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로, 1% 내지 100%의 폴리프로필렌, 50% 초과의 폴리프로필렌, 55% 내지 100%의 폴리프로필렌, 60% 내지 100%의 폴리프로필렌, 또는 60% 내지 95%의 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 폴리프로필렌은, 예를 들어, 중량 평균 분자량이 10 kDa 내지 1,000 kDa이고, 용융 유동 지수가 0.25 g/10분 초과, 또는 0.25 g/10분 내지 2000 g/10분, 또는 1 g/10분 내지 500 g/10분, 또는 5 g/10분 내지 250 g/10분, 또는 5 g/10분 내지 100 g/10분일 수 있다.

또한, 열가소성 중합체는 바이오 기반 재료로부터 공급될 수 있다. 예를 들어, 중합체-HL 조성물은 중합체-HL 조성물의 총 중량을 기준으로, 10% 초과, 또는 50% 초과, 또는 30 내지 100%, 또는 1 내지 100%의 바이오 기반 재료를 포함할 수 있다.

중합체-HL 조성물은 (a) 긴밀한 혼화물을 형성하기 위해, 용융 상태에서, 열가소성 중합체와 HL을 혼합하는 단계; 및 (b) 일부 열가소성 중합체 조성물에 대해 온도가 50℃ 이하인, 열가소성 중합체의 고형화 온도 이하의 온도로 10 초 이하로 긴밀한 혼화물을 냉각하여, 고체 중합체-HL 조성물을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 혼합하는 단계는 긴밀한 혼화물을 형성하기 위해, 형성 방법(예컨대, 섬유 방사, 필름 캐스팅/블로잉, 사출 성형, 또는 병 블로잉)에 따라 10 s^-1 초과, 또는 30 s^-1 초과, 또는 10 내지 10,000 s^-1, 또는 30 내지 10,000 s^-1의 전단률에서 혼합하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 압출기(예컨대, 단축 스크류 또는 2축 스크류)와 같은 임의의 적합한 혼합 디바이스가 사용될 수 있다. 또한, 본 방법은 바람직하게 첨가제 또는 희석제를 제거하는 단계를 포함하지 않는다.

중합체-HL 조성물은 첨가제, 바람직하게는 HL 용해성 또는 HL 분산성인 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 향료, 염료, 안료, 나노입자, 정전기 방지제, 산화방지제, 충전제, 또는 그들의 조합일 수 있다. 다른 첨가제는 핵제를 포함할 수 있다.

본 방법은 추가적으로 다른 단계, 예컨대 혼화물을 펠릿화하는 단계를 포함할 수 있다. 펠릿화 단계는 냉각 단계 이전에, 도중에 또는 이후에 일어날 수 있다.

중합체-HL 조성물로 제조되거나, 이를 포함하거나, 또는 본질적으로 이로 이루어지는 열가소성 물품(예컨대, 섬유, 필름, 성형품)은 비이동성이고, 이는 이들이 30 분 50℃에서 이동 값(migration value)이 0 내지 300%, 또는 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이고; 60 분 50℃에서 이동 값이 0 내지 300, 또는 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이고; 90 분 50℃ 에서 이동 값이 0 내지 300%, 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%인 것을 의미한다. 이동 값은 실시예에서 나타나는 FTIR 분광 방법을 이용하여, 시간 0과 비교한, 50℃에서 30 분, 또는 60 분, 및/또는 90 분의 배양 시간에서의 (특정 파장에서의) 흡광도의 퍼센트 변화로서 계산된다.

본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해, 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조해야 한다.
도 1은 예시적인 하이드록실화 지질인 수소화 피마자유("HCO")의 주 성분인 12-하이드록시스테아린의 화학 구조이다.
도 2는 FTIR 분광법에 의해 측정된, 50℃에서의 폴리프로필렌 내의 3개의 하이드록실화 지질(수소화 피마자유, 수소화 콩기름, 및 하이드록실화 콩기름)의 이동 속도론이다.
도 3은 사출 성형 프로세스에서 열가소성 중합체와 함께 사용될 때 피크 용융 압력에서 미치는 HCO의 영향을 도시하는 막대그래프이다.
도 4는 사출 성형 프로세스에서 열가소성 중합체와 함께 사용될 때 피크 용융 압력에서 미치는 프로세스 보조 첨가제의 영향을 도시하는 막대그래프이다.
개시된 본 발명은 다양한 형태의 실시 형태가 가능하지만, 본 개시 내용이 예시를 목적으로 하려는 것이고 본 명세서에 설명되고 예시되는 특정 실시 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니라는 이해와 함께 본 발명의 특정 실시 형태가 도면에 예시된다(그리고 이후에 설명될 것이다).

본 발명은 (a) 열가소성 중합체; 및 (b) 하이드록실화 지질("HL")의 긴밀한 혼화물을 포함하는 비이동성 중합체-HL 조성물을 제공한다. "긴밀한 혼화물"이라는 용어는 HL과 열가소성 중합체 간의 물리적 관계를 말하며, 여기서 HL은 열가소성 중합체 내에 분산되어 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "혼화물"이라는 용어는 재료들의 표준 혼합물의 더욱 일반적인 의미에서의 "혼화물"이 아니라 본 발명의 긴밀한 혼화물을 말한다.

열가소성 중합체는, 예를 들어, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 그들의 공중합체, 또는 그들의 조합을 포함할 수 있다. 열가소성 중합체의 다른 예는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산, 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리아미드-6, 폴리아미드-6,6, 폴리스티렌(스티렌-아크릴로니트릴 및 스티렌-아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체를 포함함), 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 열가소성 탄성중합체, 및 그들의 조합을 포함한다.

몇몇 조성물에서, 열가소성 중합체는 폴리프로필렌을 포함한다. 예를 들면, 열가소성 중합체는 조성물 내에 존재하는 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로, 1% 내지 100%의 폴리프로필렌, 50% 초과의 폴리프로필렌, 55% 내지 100%의 폴리프로필렌, 60% 내지 100%의 폴리프로필렌, 또는 60% 내지 95%의 폴리프로필렌을 포함할 수 있다. 폴리프로필렌은 예를 들어 중량 평균 분자량이 10 kDa 내지 1,000 kDa이고, 용융 유동 지수가 0.25 g/10분 내지 2000 g/10분, 또는 1 g/10분 내지 500 g/10분, 또는 5 g/10분 내지 250 g/10분, 또는 5 g/10분 내지 100 g/10분일 수 있다.

HL 액적 크기가 10 μm 미만이도록 HL이 열가소성 중합체 내에 분산되어 있을 때, HL과 중합체는, 본 명세서의 정의에 의해, "긴밀한 혼화물"이 된다. 열가소성 중합체 내의 HL의 액적 크기는 열가소성 중합체 내의 HL의 분산 레벨을 나타내는 파라미터이다. 액적 크기가 작을수록, 열가소성 중합체 내의 HL의 분산은 더 높아진다. 반대로, 액적 크기가 클수록, 열가소성 중합체 내의 HL의 분산은 더 낮아진다.

본 명세서에서 HL은 고체 열가소성 중합체 내에서 10 μm 미만의 액적 크기를 갖는다. 대안적으로, 액적 크기는 5 μm 미만, 1 μm 미만, 또는 500 nm 미만일 수 있다. 이 조성물은 조성물의 총 중량을 기준으로, 5 중량% 내지 50 중량% HL, 또는 10 내지 50%, 또는 15 내지 50%, 또는 20 내지 50%, 또는 30 내지 50% HL을 포함할 수 있다.

열가소성 중합체와 HL이 긴밀한 혼화물이 되도록 열가소성 중합체 내의 HL의 적합한 분산을 달성하기 위한 일 예시적인 방식은, 충분한 전단률에서 열가소성 중합체와 HL을, 용융 상태에서, 혼합하는 것이다. 열가소성 중합체가 용융(예컨대, 열가소성 중합체의 고형화 온도보다 더 높은 온도에 노출)되어 용융된 열가소성 중합체를 제공하고, HL과 혼합된다. 열가소성 중합체는 HL의 첨가 이전에 용융될 수 있거나 또는 HL의 존재 하에서 용융될 수 있다. 열가소성 중합체가 용융될 때, 온도는 HL이 또한 용융 상태에 있기에 충분하다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 HL이라는 용어는, 온도에 따라 고체(선택적으로 결정질) 상태 또는 용융 상태에 있는 성분을 지칭할 수 있다. 중합체가 고형화되는 온도에서 HL이 고형화될 필요는 없다. 예를 들어, 폴리프로필렌은 예시적인 HL인 수소화 피마자유의 융점 초과인 90℃에서 반결정성 고체이다.

HL 및 용융된 열가소성 중합체는 필요한 전단률을 제공할 수 있는 임의의 기계적 수단을 사용하여 혼합되어, 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물을 생성할 수 있다. 열가소성 중합체 및 HL은, 예를 들어, 긴밀한 혼화물을 형성하기 위해, 형성 방법(예컨대, 섬유 방사, 필름 캐스팅/블로잉, 사출 성형, 또는 병 블로잉)에 따라 10 s^-1 초과, 또는 30 s^-1 초과, 또는 10 내지 10,000 s^-1, 또는 30 내지 10,000 s^-1의 전단률에서 혼합될 수 있다. 혼합의 전단률이 높을수록, 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물에서의 HL의 분산이 더 커진다. 따라서, 분산은 조성물의 형성 동안 특정한 전단률을 선택함으로써 제어될 수 있다. 적합한 기계적 혼합 수단의 비제한적인 예에는, 하케 배치 혼합기(Haake batch mixer)와 같은 혼합기, 및 압출기(예컨대, 단축 또는 2축 스크류 압출기)를 포함한다.

열가소성 중합체 HL 조성물은 첨가제, 바람직하게는 HL에 용해성이거나 또는 분산성인 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 첨가제는 향료, 염료, 안료, 나노입자, 정전기 방지제, 산화방지제, 충전제, 또는 그들의 조합일 수 있다. 다른 첨가제는 핵제를 포함할 수 있다.

또한, 열가소성 중합체는 바이오 기반 재료(즉, 바이오매스)로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, 중합체-HL 조성물은 중합체-HL 조성물의 총 중량을 기준으로, 10% 초과, 또는 50% 초과, 또는 30 내지 100%, 또는 1 내지 100%의 바이오 기반 재료를 포함할 수 있다.

혼합 후에, 용융된 열가소성 중합체와 HL의 혼화물은 이어서 열가소성 중합체의 (종래의 열가소성 중합체 결정화를 거쳐 또는 중합체 유리 전이 온도 미만에 있는) 고형화 온도보다 더 낮은 온도로 신속하게 (예컨대, 10 초 미만으로) 냉각된다. 혼화물은 200℃ 미만, 150℃ 미만, 100℃ 미만, 75℃ 미만, 50℃ 미만, 40℃ 미만, 30℃ 미만, 20℃ 미만, 15℃ 미만, 10℃ 미만으로, 또는 0℃ 내지 30℃, 0℃ 내지 20℃, 또는 0℃ 내지 10℃의 온도로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 혼합물은 저온 액체(예컨대, 액체는 혼합물이 냉각되는 온도 이하임) 또는 기체 중에 놓일 수 있다. 액체는 주변 또는 제어된 온도의 물일 수 있다. 기체는 주변 공기 또는 제어된 온도와 습도의 공기일 수 있다. 혼화물을 신속하게 냉각시키기만 한다면 임의의 급랭 매체가 사용될 수 있다. 혼화물 조성물에 따라, 물을 포함하는 혼합물(예를 들어, 염화나트륨)과 함께, 오일, 알코올 및 케톤과 같은 추가적인 액체가 급랭을 위해 사용될 수 있다. 이산화탄소와 질소, 또는 대기 온도 및 압력의 공기 중에서 천연 발생하는 임의의 다른 성분과 같은 추가적인 기체가 사용될 수 있다.

또한, 열가소성 중합체-HL 조성물의 제조 방법은 바람직하게 첨가제 또는 희석제를 제거하는 단계를 포함하지 않는다.

선택적으로, 조성물은, 최종 사용 가능한 형태(예컨대, 섬유, 필름 및/또는 성형품)로 추가로 처리하기 위해서와 같이, 향후 사용을 위해 저장되거나 또는 현상태로 사용될 수 있는, 펠릿의 형태로 제조될 수 있다. 펠릿화 단계는 냉각 단계 이전에, 도중에 또는 이후에 일어날 수 있다. 예를 들어, 펠릿은 스트랜드(strand) 절단 또는 수중 펠릿화에 의해 형성될 수 있다. 스트랜드 절단시에, 조성물은 신속하게 (일반적으로 10 초보다 훨씬 짧은 기간 내에) 급랭된 후에 작은 조각으로 절단된다. 수중 펠릿화시에, 혼합물은 작은 조각으로 절단되고, 동시에 또는 그 직후에, 펠릿화된 조성물을 형성하기 위해 혼합물을 신속하게 냉각하고 고형화하는 저온 액체의 존재 하에 놓인다. 이러한 펠릿화 방법은 통상의 숙련된 기술자에 의해 잘 이해된다. 펠릿 모폴로지(morphology)는 둥글거나 또는 원통형일 수 있고, 바람직하게는 10 mm 초과의 치수를 갖지 않으며, 보다 바람직하게는 5 mm 미만이거나, 또는 2 mm 초과의 치수를 갖지 않는다. 대안적으로, 혼화물("혼화물" 및 "혼합물"이라는 용어들은 본 명세서에서 상호교환 가능하게 사용됨)은, 용융 상태에서 혼합되고 섬유 또는 다른 적합한 형태, 예를 들어 필름 및 성형품으로 직접 형성되는 동안 사용될 수 있다.

열가소성 중합체-HL 조성물로 제조되거나, 이를 포함하거나, 또는 본질적으로 이로 이루어지는 열가소성 중합체 물품(예컨대, 섬유, 필름, 성형품)들은 비이동성이고, 이는 이들이 30 분 50℃에서 이동 값이 0 내지 300%, 또는 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이고; 60 분 50℃에서 이동 값이 0 내지 300, 또는 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이고; 90 분 50℃ 에서 이동 값이 0 내지 300%, 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%인 것을 의미한다. 이동 값은 실시예에서 나타나는 FTIR 분광 방법을 이용하여, 시간 0과 비교한, 50℃에서 30 분, 또는 60 분, 및/또는 90 분의 배양 시간에서의 (특정 파장에서의) 흡광도의 퍼센트 변화로서 계산된다.

열가소성 중합체

열가소성 중합체는, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용융된 후 냉각시에 결정화 또는 경화되지만 추가 가열시에 재용융될 수 있는 중합체이다. 본 명세서에 사용되는 적합한 열가소성 중합체는 용융 온도가 60℃ 내지 300℃, 80℃ 내지 250℃, 또는 100℃ 내지 215℃인 것들을 포함한다.

열가소성 중합체는 바이오 기반 자원으로부터 또는 화석 기반 재료로부터 유도될 수 있다. 바이오 기반 재료로부터 유도된 열가소성 중합체는, 예를 들어 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌의 제조시에 사용되는 바이오 생성된 에틸렌 및 프로필렌 단량체를 포함한다. 이들 재료 특성은, 바이오 기반 열가소성 중합체에서의 탄소-14의 존재를 제외하고는, 본질적으로 화석 기반 생성물의 등가물과 동일하다.

바이오 기반 재료는 재생가능한 자원이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "재생가능한 자원"은 그의 소비 속도에 비견되는 속도로 (예를 들어, 100년의 시간 프레임 내에) 자연적인 과정에 의해 생성되는 것이다. 자원은 천연적으로 또는 농업 기술에 의해 보충될 수 있다. 바이오 기반 재생가능한 자원의 비제한적인 예는 식물(예컨대, 사탕수수, 비트(beet), 옥수수, 감자, 감귤류 과일, 목본성 식물, 리그노셀룰로오스 물질(lignocellulosics), 헤미셀룰로오스 물질(hemicellulosics), 셀룰로오스 폐기물), 동물, 어류, 세균, 진균, 및 임산물을 포함한다. 이들 자원은 천연 발생, 하이브리드, 또는 유전자 조작된 생물체일 수 있다. 형성되는 데 100년이 넘게 걸리는, 원유, 석탄, 천연 가스, 및 이탄과 같은 천연 자원은 재생가능한 자원으로 고려되지 않는다.

바이오 기반 및 화석 기반 열가소성 중합체들은 비용 및 입수가능성에 따라 임의의 비로 본 발명에서 함께 조합될 수 있다. 재활용된 열가소성 중합체는 또한 단독으로 또는 바이오 기반 및/또는 화석 유도 열가소성 중합체들과 조합하여 사용될 수 있다. 재활용된 열가소성 중합체는 배합 이전에 임의의 원치않는 오염물을 제거하도록 사전 컨디셔닝될 수 있고 또는 그는 배합 및 압출 프로세스 동안 사용될 수 있고 혼화물 내에 단순히 남아 있을 수 있다. 이들 오염물은 미량의 다른 중합체, 펄프, 안료, 무기 화합물, 유기 화합물 및 처리된 중합체 조성물에서 전형적으로 발견되는 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어 섬유 방사 프로세스 동안 방사 중단을 야기하는, 오염물은 혼화물의 최종 성능 특성에 악영향을 미치지 않아야 한다.

예를 들어, 열가소성 중합체는 존재하는 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로, 10% 초과의 바이오 기반 재료, 또는 50% 초과, 또는 30 내지 100%, 또는 1 내지 100%의 바이오 기반 재료를 포함할 수 있다.

미지의 조성물에 (예컨대, 제3자에 의해 제조된 생성물에) 존재하는 바이오 기반 재료의 레벨을 결정하기 위해, 생성물 내의 탄소-14의 양을 측정함으로써 바이오 기반 함량을 측정하는 ASTM 테스트 방법 D6866, 테스트 방법 B가 이용될 수 있다. ASTM D6866에 의해 사용되는 바와 같이, "바이오 기반"이란 재생가능한 자원에서 비롯되는 % 탄소를 말한다. 바이오매스(즉, 바이오 기반 소스)에서 비롯되는 재료는 존재하는 탄소-14의 잘 특징화된 양을 가지는 한편, 화석 소스에서 비롯되는 재료는 탄소-14를 함유하지 않는다. 따라서, 생성물에 존재하는 탄소-14는 그의 바이오 기반 함량과 관련이 있다.

열가소성 중합체의 분자량은 중합체 분자들 간의 얽힘을 가능하게 하기에 충분히 높지만 용융 압출가능할 정도로 낮다. 조성물에 HL을 첨가하는 것은, HL을 갖지 않는 조성물에 비교해서, 더 높은 분자량의 열가소성 중합체를 함유하는 조성물이 용융 처리되도록 허용한다. 따라서, 적합한 열가소성 중합체는 중량 평균 분자량이 1000 kDa 이하, 또는 1 kDa 내지 800 kDa, 5 kDa 내지 800 kDa, 10 kDa 내지 700 kDa, 또는 20 kDa 내지 400 kDa일 수 있다. 중량 평균 분자량은 각 중합체에 대한 특정 ASTM 방법에 의해 결정되지만, 일반적으로 겔 투과 크로마토그래피(GPC)를 이용하여 또는 용액 점도 측정으로부터 측정된다. 열가소성 중합체의 중량 평균 분자량은 혼화물 내로의 첨가 이전에 결정되어야 한다.

적합한 열가소성 중합체는 일반적으로 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 그들의 공중합체, 및 그들의 조합을 포함한다. 열가소성 중합체는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리락트산, 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리아미드-6, 폴리아미드-6,6, 및 그들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

그러나, 보다 구체적으로, 열가소성 중합체는 바람직하게는, 폴리에틸렌 밀도가 세제곱센티미터당 0.90 그램 내지 세제곱센티미터당 0.97 그램, 또는 세제곱센티미터당 0.92 내지 0.95 그램의 범위이도록 하는 저 밀도, 고 밀도, 선형 저 밀도, 또는 초저 밀도의 폴리에틸렌을 비롯한, 폴리에틸렌 또는 그의 공중합체와 같은 폴리올레핀을 포함한다. 폴리에틸렌의 밀도는 분지(branching)의 양 및 유형에 의해 결정되고, 중합 기술 및 공단량체 유형에 의존한다. 어택틱(atactic) 폴리프로필렌, 아이소택틱 폴리프로필렌, 신디오택틱 폴리프로필렌, 또는 그들의 조합을 포함하는, 폴리프로필렌 및/또는 폴리프로필렌 공중합체가 또한 사용될 수 있다. 폴리프로필렌 공중합체, 특히 에틸렌은 용융 온도를 낮추고 특성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 이들 폴리프로필렌 중합체는 메탈로센 및 치글러-나타(Ziegler-Natta) 촉매 시스템을 사용하여 생성될 수 있다. 이들 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌 조성물들은 엔지니어의 최종 사용 특성에 맞추기 위해 함께 조합될 수 있다. 폴리부틸렌은 또한 유용한 폴리올레핀이다.

다른 적합한 중합체는 폴리아미드 또는 그의 공중합체, 예컨대 나일론 6, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 46, 나일론 66; 폴리에스테르 또는 그의 공중합체, 예컨대 말레산 무수물 폴리프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 올레핀 카르복실산 공중합체, 예컨대 에틸렌/아크릴산 공중합체, 에틸렌/말레산 공중합체, 에틸렌/메타크릴산 공중합체, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체 또는 그들의 조합; 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 및 그들의 공중합체, 예컨대 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 포함한다.

적합한 중합체의 다른 비제한적인 예는 폴리카보네이트, 폴리비닐 아세테이트, 폴리(옥시메틸렌), 스티렌 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌/메틸 메타크릴레이트 공중합체, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 또는 그들의 조합을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 열가소성 중합체는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리비닐 알코올, 에틸렌 아크릴산, 폴리올레핀 카르복실산 공중합체, 폴리에스테르, 및 그들의 조합을 포함한다.

그러나, 보다 구체적으로, 열가소성 중합체는 바람직하게, 어택틱 폴리프로필렌을 포함하여, 저 밀도, 고 밀도, 선형 저 밀도, 또는 초저 밀도의 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 그의 공중합체를 비롯한 폴리에틸렌 또는 그의 공중합체와 같은 폴리올레핀; 아이소택틱 폴리프로필렌, 메탈로센 아이소택틱 폴리프로필렌, 폴리부틸렌 또는 그의 공중합체; 폴리아미드 또는 그의 공중합체, 예컨대 나일론 6, 나일론 11, 나일론 12, 나일론 46, 나일론 66; 폴리에스테르 또는 그의 공중합체, 예컨대 말레산 무수물 폴리프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 올레핀 카르복실산 공중합체, 예컨대 에틸렌/아크릴산 공중합체, 에틸렌/말레산 공중합체, 에틸렌/메타크릴산 공중합체, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체 또는 그들의 조합; 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 및 그들의 공중합체, 예컨대 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 포함할 수 있다.

중합체의 다른 비제한적인 예는 폴리카보네이트, 폴리비닐 아세테이트, 폴리(옥시메틸렌), 스티렌 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리스티렌/메틸 메타크릴레이트 공중합체, 폴리에테르이미드, 폴리술폰, 또는 그들의 조합을 포함한다. 몇몇 실시 형태에서, 열가소성 중합체는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리비닐 알코올, 에틸렌 아크릴산, 폴리올레핀 카르복실산 공중합체, 폴리에스테르, 및 그들의 조합을 포함한다.

생분해성 열가소성 중합체가 또한 본 명세서에서 사용하기 위해 고려된다. 생분해성 재료는, 생분해성 재료가 땅에 매몰되거나 또는 달리 곰팡이, 진균, 및 세균과 같은 미생물과 접촉할 때(미생물의 성장을 촉진하는 환경 조건 하에서의 접촉을 포함함) 미생물에 의해 동화되기 쉽다. 적합한 생분해성 중합체는 또한 호기성 또는 혐기성 소화 절차를 이용하여 또는 햇빛, 비, 수분, 바람, 온도 등과 같은 환경 요소에 노출됨으로써 환경적으로 분해 가능한 이들 생분해성 재료를 포함한다. 생분해성 열가소성 중합체는 개별적으로 또는 생분해성 또는 비생분해성 중합체들의 조합으로서 사용될 수 있다. 생분해성 중합체는 지방족 성분을 함유하는 폴리에스테르를 포함한다. 그 중에서, 폴리에스테르는 지방족 성분 및 폴리(하이드록시카르복실)산을 함유하는 에스테르 중축합물이다. 에스테르 중축합물은, 이산(diacid)/다이올 지방족 폴리에스테르, 예컨대 폴리부틸렌 석시네이트, 폴리부틸렌 석시네이트 코-아디페이트, 지방족/방향족 폴리에스테르, 예컨대 부틸렌 다이올, 아디프산 및 테레프탈산으로 이루어진 삼원중합체를 포함한다. 폴리(하이드록시카르복실)산은 젖산계 단일중합체 및 공중합체, 폴리하이드록시부티레이트(PHB), 또는 다른 폴리하이드록시알카노에이트 단일중합체 및 공중합체를 포함한다. 이러한 폴리하이드록시알카노에이트는 C₆-C₁₂ 및 그 초과와 같은 더 긴 사슬 길이의 단량체와 PHB의 공중합체인 폴리하이드록시알카노에이트, 예컨대 미국 특허 RE 36,548호 및 제5,990,271호에 개시된 것을 포함한다.

적합한 구매가능한 폴리락트산의 예는 카길 다우(Cargill Dow)로부터의 네이쳐웍스(NATUREWORKS)™ 및 미쯔이 케미칼(Mitsui Chemical)로부터의 라세아(LACEA)™이다. 적합한 구매가능한 이산/다이올 지방족 폴리에스테르의 예는 쇼와 하이 폴리머 컴퍼니 리미티드(Showa High Polymer Company, Ltd.)(일본 도쿄 소재)로부터의 바이오놀(BIONOLLE)™ 1000 및 바이오놀™ 3000으로서 판매되는 폴리부틸렌 석시네이트/아디페이트 공중합체이다. 적합한 구매가능한 지방족/방향족 코폴리에스테르의 예는 이스트만 케미칼(Eastman Chemical)로부터의 이스타 바이오(EASTAR BIO)™ 코폴리에스테르, 또는 바스프(BASF)로부터의 에코플렉스(ECOFLEX)™로서 판매되는 폴리(테트라메틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)이다.

적합한 구매가능한 폴리프로필렌 또는 폴리프로필렌 공중합체의 비제한적인 예는 바젤 프로팩스(Basell Profax) PH-835™(리온델 바젤(Lyondell-Basell)로부터의 35 용융 유량 치글러-나타 아이소택틱 폴리프로필렌), 바젤 메토센(Basell Metocene) MF-650W™(리온델 바젤로부터의 500 용융 유량 메탈로센 아이소택틱 폴리프로필렌), 바젤 프로팩스 SR549M(에틸렌 및 프로필렌의 11 용융 유량 치글러-나타 정화된 랜덤 공중합체), 폴리본드(Polybond) 3200™(크롬톤(Crompton)으로부터의 250 용융 유량 말레산 무수물 폴리프로필렌 공중합체), 엑손 아키브(Exxon Achieve) 3854™(엑손모빌 케미칼(Exxon-Mobil Chemical)로부터의 25 용융 유량 메탈로센 이소택틱 폴리프로필렌), 및 모스텐(Mosten) NB425™(유니페트롤(Unipetrol)로부터의 25 용융 유량 치글러-나타 아이소택틱 폴리프로필렌)을 포함한다. 다른 적합한 중합체는 대니머(Danimer) 27510™(대니머 사이언티픽 엘엘씨(Danimer Scientific LLC)로부터의 폴리하이드록시알카노에이트 폴리프로필렌), 다우 애스펀(Dow Aspun) 6811A™(다우 케미칼(Dow Chemical)로부터의 27 용융 지수 폴리에틸렌 폴리프로필렌 공중합체), 및 이스트만 9921™(이스트만 케미칼로부터의 공칭상 0.81 고유 점도를 갖는 폴리에스테르 테레프탈산 단일중합체)을 포함할 수 있다.

열가소성 중합체 성분은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 단일 중합체 화학종 또는 둘 이상의 열가소성 중합체들의 블렌드일 수 있다. 중합체가 폴리프로필렌인 경우, 열가소성 중합체는, 폴리프로필렌을 측정하기 위해 사용되는, ASTM D-1238에 의해 측정되는 바와 같이, 용융 유동 지수가 0.25 g/10분 초과, 또는 0.25 g/10분 내지 2000 g/10분, 또는 1 g/10분 내지 500 g/10분, 또는 5 g/10분 내지 250 g/10분, 또는 5 g/10분 내지 100 g/10분일 수 있다.

하이드록실화 지질("HL")

하이드록실화 지질("HL")은 하이드록실(-OH) 기를 함유하는 지질이다. 지질 분자당 하이드록실 기의 수 및 유형 그리고 "지방" 탄소 사슬 상의 하이드록실 기의 배치는 지질의 소스, 화학 개질 방법, 및 사용되는 공-시약(및 촉매)에 따라 가변할 것이다. HL은 피마자유와 같이 천연 발생 불포화 하이드록실화 지질의 수소화를 통해 제조될 수 있다. 에폭사이드 작용기를 포함하는 천연 발생 오일의 변환은 알려진 개환 화학을 통해 실시될 수 있다. 자연에서 발견되는 에폭시 전구체는 9,10-에폭시옥타데크-12-엔산(코로나르산)을 포함한다. 이들은 해바라기씨(국화)에서 그리고 91% 코로나르산을 함유하는 베르나르디아 풀첼라(Bernardia pulchella)(대극과)의 종자유에서 발견될 수 있다(문헌[Volker Spitzer et al., "Identification of c-Parinaric Acid in the Seed Oil of Sebastiana brasiliensis sprengel (Euphorbiaceae)," JAOCS 73, 569-573 (1996)]). 이들 지방산은 페인트 및 코팅을 제조하는데 흔히 사용된다. 자연에서의 다른 HL은 맥각 진균류(클라비셉스 푸르푸레아(Claviceps purpurea))의 그것을 포함한다.

HL은 또한 콩기름, 팜유, 코코넛유, 옥수수유, 면실유, 올리브유, 카놀라유, 잇꽃유, 참기름, 팜핵유, 해바라기, 자트로파유, 땅콩유, 해조류 오일, 하이 올레오일 콩기름, 및 하이 올레오일 해바라기유와 같은 불포화 지질의 하이드로포르밀화 및 후속 수소화를 통해 제조될 수 있다. 하이드로포르밀화 및 수소화의 프로세스들은 하이드로포르밀화 촉매의 유형에 따라 1-단계 프로세스로 실시될 수 있다. 이러한 유형의 반응에 관한 추가적인 정보는, 예를 들어, 페트로빅(Petrovic) 등에게 2012년 4월 10일에 허여된 미국 특허 제8,153,746호, "개질된 식물성 오일 기반 폴리올(Modified Vegetable-Oil Based Polyols)"; 문헌[Elena Patricci et al., "Microwaves Make Hydroformylation a Rapid and Easy Process," Organic Letters, Vol. 8, No. 17, 2006]; 및 문헌[Ana N.F. Mendes et al., "Studies on the Experimental Variables Effects on Rhodium Catalyzed Hydroformylation of Unsaturated Fatty Esters and Comparison of [RhH(CO)(PPh₃)₃] and [RhCl₃.3H₂O] as Starting Catalytic Precursors," J. Braz. Chem. Soc., Vol. 16, No. 6A, 1124-1129 (2005)]에서 알 수 있다.

다른 왁스들은 열가소성 물질의 표면으로 이동하기 쉽지만, HL은 그렇지 않기 때문에 독특하다. 이론에 의해 제한되기를 원하지 않지만, HL은 각 분자가 하이드록실(-OH) 기를 함유하여, HL 분자들 사이의 강한 분자간 수소 결합을 가능하게 하기 때문에 비이동성이라고 여겨진다. 수소 결합은 수소 원자 및 산소, 질소 또는 불소와 같은 전기음성 원자를 수반하는 지향성 정전기 인력이다. -OH 기에서, 산소는 부착된 수소보다 더 결합 전자를 끌어당겨서, 부분 음전하를 갖는 산소 및 부분 양전하를 갖는 수소에 의해 쌍극자를 생성하고 있다. 따라서, 2개의 -OH 기는, 하나의 양의 말단이 다른 하나의 음의 말단과 상호작용하면서, 서로 쿨롱 힘으로 끌어당겨질 수 있다. HL의 경우에, 임의의 특정한 지방산 사슬의 -OH 기의 수소가 상이한 분자 상의 다른 -OH 기와 상호작용하여 분자간 수소 결합을 형성할 수 있다. HL이 다수의 하이드록실 기를 가질 수 있기 때문에, 다수의 분자간 회합이 가능하여 다른 저분자량 지질보다 더 높은 응집력을 갖는 얽힌 "초분자" 구조를 생성한다. 다른 비공유 결합보다 더 강하지만, 이러한 형태의 분자간 회합은 여전히 쉽게 파괴될 수 있어서, 조성물의 열가소성 성질을 보존할 수 있다.

HL의 비제한적인 예는 수소화 피마자유("HCO", 피마자 왁스라고도 함)이다. HCO는 제어된 수소화를 통하여, 피마자씨의 생성물인 피마자유로부터 조제된 트라이아실글리세롤이다. HCO는 대부분의 재료들에서의 열악한 불용성, 매우 좁은 용융 범위, 윤활성, 그리고 우수한 안료 및 염료 분산성에 의해 특징지어진다. 그것은 식물 기반이기 때문에, HCO는 100% 바이오 기반 및 재활용 재료이다. HCO의 적합한 구매가능한 등급은 알노어오일 컴퍼니 인크.(Alnoroil Company, Inc.)(미국 뉴욕주 밸리 스트림 소재)로부터 입수 가능한 수소화 피마자유이다.

HCO의 주성분은 12-하이드록시스테아린이다. HCO는 주로 각각이 2차 하이드록실 기를 갖는 18-탄소 지방산 사슬로 이루어지기 때문에 HCO는 지방 물질 중에서도 독특하다. HCO의 화학 구조는 도 1에 도시되어 있다.

이 조성물은, 조성물의 총 중량을 기준으로, 5 중량% 내지 50 중량% HL, 또는 10 내지 50%, 또는 15 내지 50%, 또는 20 내지 50%, 또는 30 내지 50% HL을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용하기 위해 고려되는 HL은 65℃ 초과의 융점을 갖는다.

HL이 열가소성 중합체 내에서 10 μm 미만, 5 μm 미만, 1 μm 미만, 또는 500 nm 미만의 액적 크기를 갖도록 HL이 열가소성 중합체 내에 분산되어 있을 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, HL이 열가소성 중합체 내에서 10 μm 미만의 액적 크기를 가질 때 HL과 중합체는 "긴밀한 혼화물"을 형성한다. 액정 크기를 결정하기 위한 분석 방법이 본 명세서에서 설명된다.

미지의 중합체-HL 조성물에 (예컨대, 제3자에 의해 제조된 생성물에) 존재하는 HL의 백분율을 결정하기를 원할 경우, HL의 양은 중량 측정의 중량 감소법(gravimetric weight loss method)을 통해 결정될 수 있다. 고형화된 혼합물은 쪼개져서 1 mm 이하의 가장 좁은 치수(즉, 가장 작은 치수가 1 mm 이하일 수 있음)를 갖는 입자의 혼합물을 생성하고, 혼합물이 칭량되고, 그 후에 환류 플라스크 시스템을 사용하여 아세톤 100g 당 혼합물 1g의 비로 아세톤에 투입된다. 아세톤 및 분쇄된 혼합물은 60℃에서 20 시간 동안 가열된다. 고체 샘플이 제거되고 60 분간 공기 건조되어, 최종 중량이 결정된다. 중량 퍼센트 HL을 계산하는 식은 다음과 같다:

중량% HL = ([혼합물의 초기 중량 - 혼합물의 최종 중량]/[혼합물의 초기 중량]) × 100%

수소화 대두유, 부분 수소화 대두유, 부분 수소화 팜핵유, 및 그들의 조합과 같은, 다른 왁스 또는 오일이 (이동성 및 비이동성 둘 모두) 선택적으로 포함될 수 있다. 평지씨유 및 자트로파(Jatropha)로부터의 불가식 왁스가 또한 사용될 수 있다. 또한, 선택적 왁스가 수소화 식물 오일, 부분 수소화 식물 오일, 에폭시드화 식물 오일, 말레에이트화 식물 오일, 및 그들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이러한 식물 오일의 구체예는 대두유, 옥수수유, 카놀라유 및 팜핵유를 포함한다.

다양한 실시 형태에서, 수소화 피마자유에 부가하여 또는 그 대신에, 다음의 미국 특허 출원들 중 임의의 것에 개시되는 임의의 다른 왁스 또는 오일을 포함하여, 다른 왁스 또는 오일이 (본 명세서에 개시된 HCO에 대한 임의의 백분율로) 포함될 수 있다: (피앤지(P&G) 일련번호 12134M으로서) 2012년 5월 18일 출원되고 발명의 명칭이 "중합체-오일 조성물, 그 제조 방법 및 이용 방법(Polymer-oil compositions, methods of making and using the same)"인 미국 특허 출원 제13/475,556호; (피앤지 일련번호 12135M으로서) 2012년 5월 17일 출원되고 발명의 명칭이 "중합체-왁스 조성물, 그 제조 방법 및 이용 방법(Polymer-wax compositions, methods of making and using the same)"인 미국 특허 출원 제13/474,562호; 및 (피앤지 일련번호 12139M으로서) 2012년 5월 18일 출원되고 발명의 명칭이 "중합체-오일 조성물의 성형품(Molded articles of polymer-oil compositions)"인 미국 특허 출원 제13/475,602호; 이들 각각은 본 명세서에 참고로 통합된다.

원한다면, 화석 기반 재료가 또한 포함될 수 있다. 화석 기반(예컨대, 광물) 재료의 구체예는 파라핀(바셀린(petrolatum)을 포함함), 몬탄(Montan) 왁스뿐만 아니라, 균열 형성 프로세스들로부터 생성되는 폴리올레핀 왁스, 예컨대 폴리에틸렌 유도 왁스를 포함한다.

첨가제

본 명세서에 개시되는 조성물은 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 첨가제는 조성물 전체에 걸쳐 분산될 수 있거나, 또는 실질적으로 열가소성 층의 열가소성 중합체 부분에 또는 실질적으로 조성물의 HL 부분에 있을 수 있다. 첨가제가 조성물의 HL 부분에 있는 경우에, 첨가제는 HL 용해성 또는 HL 분산성인 것이 바람직하다. 대안적으로, 첨가제는 열가소성 중합체에 용해성 또는 분산성일 수 있다.

본 명세서에 개시되는 조성물에서 고려되는 첨가제의 부류의 비제한적인 예는 향료, 염료, 안료, 나노입자, 정전기 방지제, 산화방지제, 충전제, 및 그들의 조합을 포함한다. 본 명세서에 개시되는 조성물은 단일 첨가제 또는 첨가제들의 혼합물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 향료 및 착색제(예컨대, 안료 및/또는 염료) 둘 모두가 조성물에 존재할 수 있다. 첨가제(들)는, 존재 시에, 전형적으로 조성물의 총 중량을 기준으로 0.05 중량% 내지 20 중량%, 또는 0.1 중량% 내지 10 중량%의 중량 퍼센트로 존재한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "향료"라는 용어는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물로부터 나중에 방출되는 임의의 향기로운 재료를 나타내기 위해 사용된다. 알데하이드, 케톤, 알코올, 및 에스테르와 같은 재료를 포함하여, 매우 다양한 화학물질이 향료 용도로 알려져 있다. 보다 일반적으로, 천연 발생 식물유 및 동물유와, 다양한 화학적 성분의 복합 혼합물을 포함하는 삼출물이 향료로서의 용도로 알려져 있다. 본 명세서에서의 향료는 그 조성이 비교적 단순할 수 있거나 또는 천연 및/또는 합성 화학 성분의 고도로 복잡한 복합 혼합물을 포함할 수 있는데, 이들 모두는 원하는 냄새를 제공하도록 선택된다. 일반적인 향료는, 예를 들어 백단향, 사향 및 패출리유와 같은 외래 물질을 포함하는 목재/토양 베이스를 포함할 수 있다. 향료는 연한 꽃 향기의 것(예를 들어, 장미 추출물, 제비꽃 추출물 및 라일락)일 수 있다. 향료는 바람직한 과일 냄새, 예를 들어 라임, 레몬 및 오렌지 냄새를 제공하도록 제형화될 수도 있다. 본 발명의 조성물 및 물품에서 전달되는 향료는 편안한 기분 또는 상쾌한 기분을 제공하는 것과 같은, 방향 요법 효과(aromatherapy effect)를 위해 선택될 수 있다. 그와 같이, 상쾌한 또는 다르게는 바람직한 냄새를 발산하는 임의의 물질이 본 발명의 조성물 및 물품에서 방향 활성제로서 이용될 수 있다.

안료 또는 염료는 무기물, 유기물, 또는 그들의 조합일 수 있다. 고려되는 안료 및 염료의 구체예는 안료 옐로(Yellow)(C.I. 14), 안료 레드(Red)(C.I. 48:3), 안료 블루(Blue)(C.I. 15:4), 안료 블랙(Black)(C.I. 7), 및 그들의 조합을 포함한다. 고려되는 구체적인 염료는 직접 염료와 같은 수용성 잉크 착색제, 산성 염료, 염기성 염료, 및 다양한 용매 용해성 염료를 포함한다. 그 예는, FD&C 블루 1 (C.I. 42090:2), D&C 레드 6(C.I. 15850), D&C 레드 7(C.I. 15850:1), D&C 레드 9(C.I. 15585:1), D&C 레드 21(C.I. 45380:2), D&C 레드 22(C.I. 45380:3), D&C 레드 27(C.I. 45410:1), D&C 레드 28(C.I. 45410:2), D&C 레드 30(C.I. 73360), D&C 레드 33(C.I. 17200), D&C 레드 34(C.I. 15880:1), 및 FD&C 옐로 5(C.I. 19140:1), FD&C 옐로 6(C.I. 15985:1), FD&C 옐로 10(C.I. 47005:1), D&C 오렌지(Orange) 5(C.I. 45370:2), 및 그들의 조합을 포함하지만 이로 한정되지 않는다.

고려되는 충전제는, 예를 들어, 마그네슘, 알루미늄, 규소 및 티타늄의 산화물과 같은 무기 충전제를 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 이들 재료는 저렴한 충전제 또는 처리 보조제로서 첨가될 수 있다. 충전제로서 기능할 수 있는 다른 무기 재료는 함수(hydrous) 규산마그네슘, 이산화티타늄, 탄산칼슘, 점토, 백악, 질화붕소, 석회석, 규조토, 운모 유리 석영, 및 세라믹을 포함한다. 또한, 알칼리 금속 염, 알칼리 토금속 염, 인산 염을 포함하는 무기 염이 사용될 수 있다. 추가적으로, 알키드 수지가 또한 조성물에 첨가될 수 있다. 알키드 수지는 폴리올, 다중산 또는 무수물, 및/또는 지방산을 포함할 수 있다.

고려되는 추가적인 첨가제는 열가소성 중합체에 대한 핵제 및 청징제를 포함한다. 폴리프로필렌에 적합한 구체예는, 예를 들어, 벤조산 및 유도체(예컨대, 벤조산나트륨 및 벤조산리튬)뿐만 아니라, 카올린, 활석 및 아연 글리세롤레이트이다. 다이벤질리덴 소르비톨(DBS)은 사용 가능한 청징제의 일례이다. 사용 가능한 다른 핵제는 유기 카르복실산 염, 인산나트륨 및 금속 염(예컨대, 알루미늄 다이벤조에이트)이다. 일 태양에서, 핵제 또는 청징제는 20 ppm 내지 20,000 ppm, 또는 200 ppm 내지 2000 ppm, 또는 1000 ppm 내지 1500 ppm의 범위에서 첨가될 수 있다. 핵제의 첨가는 완성된 열가소성 HCO 조성물의 인장 및 충격 특성을 개선하기 위해 사용될 수 있다.

고려되는 계면활성제는 음이온 계면활성제, 양쪽성 계면활성제, 또는 음이온 계면활성제와 양쪽성 계면활성제의 조합, 및 그들의 조합, 예를 들어, 미국 특허 제3,929,678호 및 제4,259,217호 그리고 EP 414 549호, WO93/08876호 및 WO93/08874호에 개시된 계면활성제를 포함한다.

고려되는 나노입자는 금속, 금속 산화물, 탄소의 동소체들, 점토, 유기 개질된 점토, 황산염, 질화물, 수산화물, 옥시/수산화물, 미립자 수불용성 중합체, 규산염, 인산염 및 탄산염을 포함한다. 그 예는 이산화규소, 카본 블랙, 흑연, 그래핀, 플러렌, 팽창 흑연, 탄소 나노튜브, 활석, 탄산칼슘, 벤토나이트, 몬트모릴로나이트, 카올린, 아연 글리세롤레이트, 실리카, 알루미노규산염, 질화붕소, 질화알루미늄, 황산바륨, 황산칼슘, 산화안티몬, 장석, 운모, 니켈, 구리, 철, 코발트, 스틸, 금, 은, 백금, 알루미늄, 규회석, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 이산화티타늄, 산화세륨, 산화아연, 산화마그네슘, 산화주석, 산화철(Fe₂O₃, Fe₃O₄) 및 그들의 혼합물을 포함한다. 나노입자는 본 명세서에 개시되는 조성물의 강도, 열적 안정성, 및/또는 내마모성을 증가시킬 수 있고, 조성물에 전기적 특성 또는 항균성을 부여할 수 있다.

고려되는 정전기 방지제는 정전기 방지 이점을 제공하는 것으로 알려져 있는 섬유 유연제를 포함한다. 이것은 20 초과의 요오드 값을 갖는 지방 아실 기를 갖는 섬유 유연제, 예컨대 N,N-다이(탤로오일-옥시-에틸)-N,N-다이메틸 암모늄 메틸설페이트를 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물의 제조 프로세스

중합체와 HL의 용융 혼합: HL의 존재 시에 중합체를 용융시킴으로써 중합체와 HL은 적합하게 혼합될 수 있다. 용융 상태에서, 중합체와 HL은 전단력을 받는데, 이는 HL의 중합체 내로의 분산을 가능하게 한다. 열가소성 중합체에 첨가할 때 HL은 용융되지 않아야 한다. 예를 들어, HL은 긴밀한 혼화물을 조제하기 위해 열가소성 중합체의 존재 시에 용융될 수 있다. 대안적으로, 용융된 HL이, 용융된 열가소성 중합체에 첨가될 수 있다. 용융 상태에서 그리고 전단력 하에서, HL과 중합체는 서로 상당히 더 상용성이다.

중합체와 HL의 용융 혼합은 다수의 상이한 프로세스에 의해 달성될 수 있다. 그 프로세스는 전통적인 열가소성 중합체 처리 장비를 수반할 수 있다. 예를 들어, 긴밀한 혼화물을 생성하기 위해 높은 전단력을 갖는 프로세스가 이용될 수 있다. 일반적인 프로세스 순서는 중합체를 시스템에 첨가하는 것, 중합체를 용융시키는 것, 및 그 후에 HL을 첨가하는 것을 수반한다. 그러나, 긴밀한 혼화물을 생성하기에 충분한 전단력이 존재하기만 한다면, 재료는 특정 혼합 시스템의 성질에 따라 임의의 순서로 첨가될 수 있다.

하케 배치 혼합기(Haake Batch Mixer): 하케 배치 혼합기는 적은 양의 전단력 및 혼합을 이용한 단순한 혼합 시스템이다. 그 유닛은 가열된 고정 체적 챔버 내에 포함되는 2개의 혼합 스크류로 구성된다. 재료는 요구에 따라 유닛의 상부 내로 첨가된다. 바람직한 순서는 중합체를 챔버 내로 먼저 첨가하고, 중합체의 용융(또는 고형화) 온도보다 20℃ 내지 120℃ 높은 온도로 가열하는 것이다. 일단 중합체가 용융되면, HL이 첨가되고, 용융되어, 용융된 중합체와 혼합될 수 있다. 혼합물은 이어서 용융 상태에서 2개의 혼합 스크류를 이용하여 60 내지 120의 스크류 RPM에서 5 내지 15분간 더욱 혼합된다. 일단 조성물이 혼합되면, 유닛의 전방은 제거되고, 혼합된 조성물은 용융 상태에서 제거된다. 그 설계에 의해, 이러한 시스템은 결정화 시작 전에 몇 분간 승온에서 조성물의 일부를 남긴다. 이러한 혼합 프로세스는 중간 급랭 프로세스를 제공하는데, 여기서 조성물은 냉각되고 고형화하는데 30초 내지 2분이 걸릴 수 있다. 더 높은 전단률은 HL의 더 양호한 분산으로 이어질 수 있고, 그에 따라 더 많은 양의 HL의 혼입을 촉진할 수 있다.

단축 스크류 압출기(Single Screw Extruder): 단축 스크류 압출기는 대부분의 용융된 중합체 압출에서 사용되는 대표적인 프로세스 유닛이다. 단축 스크류 압출기는 전형적으로 배럴 내에 단일 샤프트를 포함하는데, 샤프트 및 배럴은 전단 프로파일을 조정하기 위해 소정 스크류 요소(예컨대, 형상 및 클리어런스)를 갖도록 설계된다. 단축 스크류 압출기에 대한 전형적인 RPM 범위는 10 내지 120이다. 단축 스크류 압출기 설계는 전형적으로 공급 섹션, 압축 섹션, 및 계측 섹션으로 구성된다. 공급 섹션에서, 상당히 높은 보이드 체적 플라이트(void volume flight)들을 사용하여, 중합체가 가열되고 압축 섹션 내로 공급되는데, 여기서 용융이 완료되고, 충분히 용융된 중합체가 전단된다. 압축 섹션에서, 플라이트들 사이의 보이드 체적이 감소된다. 계측 섹션에서, 플라이트들 사이의 낮은 보이드 체적을 이용하여 중합체는 그의 최고 전단량을 받는다. 범용 단축 스크류 설계가 이용될 수 있다. 이러한 유닛에서, 연속적인 또는 정상 상태 유형의 프로세스가 달성되는데, 여기서 조성물 성분은 원하는 위치에 도입되고, 그 후에 타깃 구역 내에서 온도 및 전단력을 받는다. 프로세스는 단축 스크류 프로세스에서 각각의 위치에서의 상호작용의 물리적 성질이 시간의 함수로서 일정할 때 정상 상태 프로세스라고 간주될 수 있다. 이것은 온도 및 전단력의 구역별 조정을 가능하게 함으로써 혼합 프로세스의 최적화를 허용하는데, 여기서 전단력은 스크류 요소 및/또는 배럴 설계 또는 스크류 속도를 통해 변화될 수 있다.

단축 스크류 압출기를 나오는 혼합 조성물은 이어서 액체 냉각 매체, 예를 들어 물을 향한 용융물의 압출을 통해 펠릿화될 수 있고, 그 후에 중합체 스트랜드는 작은 조각 또는 펠릿으로 절단될 수 있다. 대안적으로, 혼합 조성물은 최종 형성 구조물, 예를 들어 섬유 또는 성형품을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 중합체 처리에 이용되는 2가지 기본 유형의 용융된 중합체 펠릿화 프로세스가 있다: 스트랜드 절단 및 수중 펠릿화. 스트랜드 절단시에, 조성물은 액체 매체 내에서 신속하게(일반적으로 10초보다 훨씬 빨리) 급랭된 후에, 작은 조각으로 절단된다. 수중 펠릿화 프로세스에서, 용융된 중합체는 작은 조각으로 절단되고, 이어서 동시에 또는 직후에, 중합체를 신속하게 급랭시키고 결정화하는 저온 액체의 존재 하에 놓인다. 이들 방법은 일반적으로 알려져 있고, 중합체 처리 산업에서 이용되고 있다.

압출기에서 나오는 중합체 스트랜드는 대개 1℃ 내지 50℃의 온도 범위(예컨대, 일반적으로 대략 25℃인 실온에서)를 갖는 수욕(water bath) 중에 신속하게 투입된다. 혼합 조성물에 대한 대안적인 최종 용도는 원하는 구조, 예를 들어 섬유 방사 및 필름 또는 사출 성형으로의 추가적 처리이다. 단축 스크류 압출 프로세스는 높은 레벨의 혼합 및 높은 급랭 속도를 제공할 수 있다. 단축 스크류 압출기는 또한 펠릿화된 조성물을 섬유 및 사출 성형품으로 추가로 처리하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 섬유 단축 스크류 압출기는 표준 범용 스크류 프로파일 및 30:1의 길이 대 직경 비를 갖는 37 mm 시스템일 수 있다.

2축 스크류 압출기(Twin Screw Extruder): 2축 스크류 압출기는 고 강도 혼합이 요구되는 대부분의 용융된 중합체 압출에서 사용되는 전형적인 유닛이다. 2축 스크류 압출기는 2개의 샤프트 및 외부 배럴을 포함한다. 2축 스크류 압출기에 대한 전형적인 RPM 범위는 10 내지 1200이다. 2개의 샤프트는 동방향 회전식 또는 역방향 회전식일 수 있고, 정밀 공차(close tolerance), 고 강도 혼합을 허용한다. 이러한 유형의 유닛에서, 연속적인 또는 정상 상태 유형의 프로세스가 달성되는데, 여기서 조성물 성분은 스크류를 따라 원하는 위치에 도입되고, 타깃 구역 내에서 온도 및 전단력을 받는다. 프로세스는 2축 스크류 프로세스에서 각 위치에서의 상호작용의 물리적 성질이 시간의 함수로서 일정할 때 정상 상태 프로세스라고 간주될 수 있다. 이것은 온도 및 전단력의 구역별 조정을 가능하게 함으로써 혼합 프로세스의 최적화를 허용하는데, 여기서 전단력은 스크류 요소 및/또는 배럴 설계를 통해 변화될 수 있다.

2축 스크류 압출기의 단부에서의 혼합 조성물은 이어서 액체 냉각 매체, 종종 물을 향한 용융물의 압출을 통해 펠릿화될 수 있고, 그 후에 중합체 스트랜드는 작은 조각 또는 펠릿으로 절단된다. 대안적으로, 혼합 조성물은 최종 형성 구조물, 예를 들어 섬유를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 중합체 처리에 이용되는 2가지 기본 유형의 용융된 중합체 펠릿화 프로세스, 즉 스트랜드 절단 및 수중 펠릿화가 있다. 스트랜드 절단시에, 조성물은 액체 매체 내에서 신속하게(일반적으로 10초보다 훨씬 빨리) 급랭된 후에 작은 조각으로 절단된다. 수중 펠릿화 프로세스에서, 용융된 중합체는 작은 조각으로 절단되고, 이어서 동시에 또는 직후에, 중합체를 신속하게 급랭시키고 결정화하는 저온 액체의 존재 하에 놓인다. 혼합 조성물에 대한 대안적인 최종 용도는 냉각에 의해 동반되는 용융된 혼화물의 방사를 통해 필라멘트 또는 섬유로의 직접적인 추가 처리이다.

하나의 스크류 프로파일은 베이커 퍼킨즈(Baker Perkins) CT-25 25mm 동방향 회전식 52:1 길이 대 직경 비 시스템을 사용하여 채용될 수 있다. 이러한 특정 CT-25는, 다이(die) 온도뿐만 아니라, 온도가 제어될 수 있는 11개의 구역으로 구성된다. 구역 1과 구역 2 사이(위치 A), 구역 2와 구역 3 사이(위치 B), 구역 5와 구역 6 사이(위치 C), 및 구역 7과 구역 8 사이(위치 D)에 위치되는, 4개의 액체 사출 부위들이 또한 가능하다.

액체 사출 위치는 직접 가열되는 것이 아니라, 인접한 가열된 구역을 통해 간접적으로 가열된다. 위치 A, 위치 B, 위치 C 및 위치 D는 HCO를 사출하기 위해 사용될 수 있거나, 또는 HCO는 열가소성 중합체와 함께 처음에 첨가될 수 있다. 추가적인 고체를 첨가하기 위한 측면 공급기 또는 벤트(vent)가 구역 6과 구역 7 사이에 포함될 수 있다. 구역 10은, 필요에 따라 임의의 잔류 증기를 제거하기 위한 진공을 포함한다. 달리 언급이 없으면, HCO는 구역 1에서 첨가된다. 대안적으로, HL은 접착제 탱크를 통해 용융되고, 가열된 호스를 통해 2축 스크류로 공급된다. 접착제 탱크 및 공급 호스 둘 모두는 HL의 융점 초과의 온도에서 가열된다.

2가지 유형의 영역들, 즉, 이송 영역 및 혼합 영역이 CT-25에 사용된다. 이송 영역에서, 재료는 (필요하다면 구역 1에서 구역 2 내로의 철저한 용융을 포함하여) 가열되고, 낮은 전단력 내지 중간 전단력 하에서 배럴의 길이를 따라 이송된다. 혼합 섹션은 전단력 및 혼합을 급격히 증가시키는 특별한 요소를 포함한다. 혼합 섹션의 길이 및 위치는, 필요에 따라 전단력을 증가 또는 감소시키기 위해 필요에 따라 변화될 수 있다.

CT-25에 대한 표준 혼합 스크류는 2개의 혼합 섹션으로 구성된다. 제1 혼합 섹션은 구역 3 내지 구역 5에 위치되고, 하나의 RKB 45/5/36 이어서 2개의 RKB45/5/24 후속하여 2개의 RKB 45/5/12, 역전 RKB 45/5/12 LH (좌회전), 이어서 10 RKB 45/5/12 그리고 이어서 역전 요소 RSE 24/12 LH, 그 다음에 5개의 RSE36/36 요소를 사용하여 제2 혼합 섹션으로 이송된다. 제2 혼합 섹션의 이전은 하나의 RSE 24/24이고, 2개의 RSE 16/16 요소(16mm 피치 및 16mm 총 요소 길이를 갖는 우회전 이송 요소)가 제2 혼합 영역으로의 펌핑을 증가시키기 위해 사용된다. 구역 7과 구역 8 사이에 위치되는 제2 혼합 영역은 하나의 RKB 45/5/36 이어서 2개의 RKB45/5/24 후속하여 6개의 RKB 45/5/12 그리고 이어서 완전 역전 요소 SE 24/12 LH이다. 단일 역전 요소 및 혼합 구역 전방에서의 SE 16/16 요소의 조합은 전단력 및 혼합을 크게 증가시킨다. 나머지 스크류 요소는 이송 요소이다.

추가적인 스크류 요소 유형은 역전 요소인데, 이것은 그 스크류 부품에서의 충전 레벨을 증가시킬 수 있고 더 양호한 혼합을 제공할 수 있다. 2축 스크류 배합은 숙성 필드(mature field)이다. 당업자는 적절한 혼합 및 분산을 위한 저서를 참고할 수 있다. 이들 유형의 스크류 압출기는 당업계에서 잘 이해되고, 일반적인 설명은 하기 문헌에서 알 수 있다: 문헌[Twin Screw Extrusion 2E: Technology and Principles by James White from Hansen Publications]. 혼합을 위한 특정 예가 주어져 있지만, 긴밀한 혼화물을 형성하기 위해 필요한 혼합 레벨을 달성하도록 다양한 요소 구성을 사용하는 많은 상이한 조합이 가능하다.

제2 배합 시스템은 혼합 조성물을 조제하기 위해 사용될 수 있다. 제2 스크류 프로파일은 워너 앤드 플라이더러(Warner & Pfleiderer) 30mm (WP-30) 동방향 회전식 48:1 길이 대 직경 비 시스템을 사용하여 채용될 수 있다. 이러한 특정 WP-30은, 다이 온도뿐만 아니라, 온도가 제어될 수 있는 12개의 구역으로 구성된다. 재료는 구역 1에서 압출기로 공급된다. 벤트는 구역 11에 위치된다.

압출기 및 스크류 설계의 정확한 성질은, 조성물이, 예를 들어, 긴밀한 혼화물을 형성하기 위해, 형성 방법(예컨대, 섬유 방사, 필름 캐스팅/블로잉, 사출 성형, 또는 병 블로잉)에 따라 10 s^-1 초과, 또는 30 s^-1 초과, 또는 10 내지 10,000 s^-1, 또는 30 내지 10,000 s^-1의 전단률로 혼합될 수 있기만 하면 중요하지 않다. 혼합의 전단률이 높을수록, 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물에서의 분산이 더 커진다. 따라서, 분산은 조성물의 형성 동안 특정한 전단률을 선택함으로써 제어될 수 있다.

제조 물품

본 발명의 조성물은 섬유, 필름 및 성형체를 포함하는 다양한 형태의 물품을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "물품"은 25℃에서 또는 그 근처에서 경화 상태의 조성물을 지칭한다. 물품은 그의 현재 형태(예컨대, 병, 차량 부품, 흡수성 위생 제품의 구성요소)로 사용될 수 있거나, 또는 후속 재용융을 위해 그리고/또는 다른 물품(예컨대, 펠릿, 섬유)으로의 제조를 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 물품 형태를 제조하기 위한 제조 프로세스가 본 명세서에서 설명된다.

섬유

본 발명에서의 섬유는 단일 성분 또는 다중 성분일 수도 있다. "섬유"라는 용어는 50 초과, 또는 500 초과, 또는 1,000 초과의 길이 대 두께 비를 갖는 고형화된 중합체 형상으로서 정의된다. 본 발명의 단일 성분 섬유는 또한 다중 구성요소일 수도 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 구성요소는 물질 또는 재료의 화학 종을 의미하는 것으로서 정의된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 다중 구성요소 섬유는 하나 초과의 화학 종 또는 재료를 함유하는 섬유를 의미하는 것으로 정의된다. 다중 구성요소 및 합금 중합체는 본 발명에서 동일한 의미를 가지며, 상호교환 가능하게 사용될 수 있다. 일반적으로, 섬유는 단일 성분 또는 다중 성분 유형일 수도 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 성분은 섬유의 다른 부분에 대해 공간적인 관계를 갖는 섬유의 별도의 부분으로서 정의된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 다중 성분이라는 용어는 서로에 대한 공간적인 관계에 있어서 하나 초과의 별도의 부분을 갖는 섬유로서 정의된다. 다중 성분이라는 용어는, 서로에 대한 공간적인 관계에 있어서 2개의 별도의 부분을 갖는 섬유로서 정의되는 2성분을 포함한다. 다중 성분 섬유의 상이한 성분은 섬유의 단면에 걸쳐 실질적으로 별개의 영역에 배열되고, 섬유의 길이를 따라 연속적으로 연장된다. 다중 성분 섬유의 제조 방법은 당업계에서 잘 알려져 있다. 다중 성분 섬유 압출은 1960년대에 잘 알려졌었다. 듀폰(DuPont)은 다중 성분 역량의 선두 기술 개발회사였으며, 이들 섬유를 제조하기 위해 이용되는 기술의 설명을 제공하는 미국 특허 제3,244,785호 및 미국 특허 제3,704,971호를 갖고 있다. 문헌["Bicomponent Fibers" by R. Jeffries from Merrow Publishing in 1971]은 2성분 기술에 대한 단단한 초석을 다졌다. 더욱 최근의 공개 문헌은 문헌["Taylor-Made Polypropylene and Bicomponent Fibers for the Nonwoven Industry," Tappi Journal December 1991 (p. 103)] 및 문헌["Advanced Fiber Spinning Technology" edited by Nakajima from Woodhead Publishing]을 포함한다.

본 발명에서 형성되는 부직포 천은 상이한 압출 시스템으로부터 동일한 방사구(spinneret)를 통해 전달되는 다수 유형의 단일 성분 섬유를 포함할 수도 있다. 압출 시스템은, 이 예에서, 상이한 중합체를 별도의 모세관으로 전달하는 다중 성분 압출 시스템이다. 예를 들면, 하나의 압출 시스템이 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물 및 다른 폴리프로필렌 공중합체를 전달하여, 공중합체 조성물이 상이한 온도에서 용융되도록 한다. 다른 예에서, 하나의 압출 시스템이 폴리에틸렌 수지 및 본 명세서에 설명되는 바와 같은 다른 조성물을 전달할 수도 있다. 또 다른 예에서, 하나의 압출 시스템이 본 명세서에 설명되는 바와 같은 제1 조성물 및 상이한 열가소성 중합체들을 갖는 본 명세서에 설명되는 바와 같은 제2 조성물을 전달할 수도 있다. 이러한 시스템에서의 중합체 비는 95:5 내지 5:95, 또는 90:10 내지 10:90, 또는 80:20 내지 20:80의 범위일 수 있다.

2성분 및 다중 성분 섬유는 나란히, 시스-코어(sheath-core)(대칭적 및 편심적), 세그먼트 파이(segmented pie), 리본(ribbon), 해도(islands-in-the-sea) 구성, 또는 그들의 임의의 조합으로 될 수도 있다. 시스는 코어 둘레에서 연속적 또는 불연속적일 수도 있다. 예시적인 다중 성분 섬유는 미국 특허 제6,746,766호에 개시되어 있다. 시스 대 코어의 중량비는 5:95 내지 95:5이다. 본 발명의 섬유는, 원형, 타원형, 별 모양, 삼엽형(trilobal), 3 내지 8개의 엽(lobe)을 갖는 다엽형(multilobal), 직사각형, H 형상, C 형상, I 형상, U 형상, 또는 임의의 다른 적합한 형상을 포함하지만 이로 한정되지 않는 상이한 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 중공 섬유가 또한 사용될 수 있다. 많은 경우에, 그 형상은 원형, 삼엽형 또는 H 형상이다. 원형 및 삼엽형 섬유 형상은 또한 중공일 수 있다.

시스 및 코어 2성분 섬유가 종종 활용된다. 일 예에서, 코어에서의 성분은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 함유하는 한편, 시스는 그 조성물을 함유하지 않는다. 이러한 예에서, 섬유의 표면에서의 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물에 대한 노출은 감소되거나 또는 제거된다. 다른 예에서, 시스는 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 함유할 수도 있지만, 코어는 그 조성물을 함유하지 않는다. 이러한 경우에, 섬유 표면에서의 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물의 농도는 코어에서의 농도보다 더 높다. 시스 및 코어 2성분 섬유를 사용하여, 시스 또는 코어에서의 원하는 특성, 또는 일부 농도 구배를 부여하도록 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물의 농도가 선택될 수 있다. 해도 2성분 섬유는, 다수의 코어를 갖지만, 시스 및 코어 섬유의 일 유형이라고 간주됨을 이해해야 한다. 세그먼트 파이 섬유(중공 및 중실)가 고려된다. 그들은, 예를 들어, 세그먼트 파이 유형의 2성분 섬유 설계를 이용하여, 왁스를 함유하지 않는 영역으로부터 왁스를 함유하는 영역을 분열시키기 위해 사용될 수 있다. 분열(Splitting)은 기계적 변형, 유체역학적 힘의 인가, 또는 다른 적합한 프로세스 동안 발생할 수도 있다.

3성분 섬유가 또한 고려된다. 유용한 3성분 섬유의 일 예는 3층의 시스/시스/코어 섬유이고, 여기서 각 성분은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물의 상이한 블렌드를 함유한다. 각 층에서의 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물의 상이한 양은 추가적인 이점을 제공할 수도 있다. 예를 들어, 코어는 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물과 10 용융 유동 폴리프로필렌의 블렌드일 수 있다. 중간 층의 시스는 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물과 25 용융 유동 폴리프로필렌의 블렌드일 수 있고, 외층은 직선 35 용융 유량 폴리프로필렌일 수도 있다. 본 명세서에 설명되는 바와 같은 예시적인 조성물은 각 층에서 40 중량% 미만, 또는 20 중량% 미만의 함량을 갖는다. 고려되는 유용한 3성분 섬유의 다른 유형은, 시스를 또한 갖는 세그먼트 파이 유형 2성분 설계이다.

"매우 감쇠된 섬유"는 높은 연신비(draw down ratio)를 갖는 섬유로서 정의된다. 전체 섬유 연신비는 섬유의 (전형적으로 모세관을 나간 직후에 나타나는) 최대 직경 대 그의 최종 용도에서의 최종 섬유 직경에서의 비로서 정의된다. 전체 섬유 연신비는 1.5 초과, 또는 5 초과, 또는 10 초과, 또는 12 초과일 것이다. 이것은 촉감 특성 및 유용한 기계적 특성을 달성하기 위해 필요하다.

섬유는 200 μm 미만의 직경을 가질 것이다. 혼합물이 미세 섬유를 생성하기 위해 사용되고 있는 경우 섬유 직경은 0.1 μm 만큼 작을 수 있다. 섬유는 본질적으로 연속적이거나 또는 본질적으로 불연속적일 수 있다. 스펀본드(spunbond) 부직포를 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 섬유는 5 μm 내지 30 μm, 또는 10 μm 내지 20 μm, 또는 12 μm 내지 18 μm의 직경을 가질 것이다. 미세 섬유 직경은 0.1 μm 내지 5 μm, 또는 0.2 μm 내지 3 μm의 직경을 가질 것이고, 가장 바람직하게는 0.3 μm 내지 2 μm의 직경을 가질 것이다. 섬유 직경은 다이 기하학적 형상, 방사 속도 또는 연신 속도, 대량 처리량(mass through-put), 그리고 블렌드 조성 및 리올로지(rheology)에 의해 제어된다. 본 명세서에 설명되는 바와 같은 섬유는 환경적으로 분해 가능할 수 있다.

본 명세서에 설명되는 섬유는 전형적으로 일회용 부직포 물품을 제조하기 위해 사용된다. 이 물품은 물풀림성(flushable)일 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 "물풀림성"이라는 용어는, 변기에서 물로 씻어 내릴 때 변기 또는 임의의 기타 하수 배수관을 막히게 하지 않고서 제거되도록 변기와 같은 오수 처리 시스템에서 용해, 분산, 붕해 및/또는 분해될 수 있는 재료를 지칭한다. 섬유 및 생성되는 물품은 또한 수계 반응성(aqueous responsive)일 수도 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 "수계 반응성"이라는 용어는, 물에 넣거나 또는 물로 씻어 내릴 때, 관찰 가능한 그리고 측정 가능한 변화가 생길 것임을 의미한다. 전형적인 관찰은, 물품이 팽창하고, 뜯어지고, 용해되는 것에 주목하거나, 또는 일반적인 약화된 구조를 관찰하는 것을 포함한다.

섬유의 친수성 및 소수성은 본 발명에서 조정될 수 있다. 기본 수지 특성은 공중합(예컨대, 특정 폴리에스테르(이스트만 케미칼(Eastman Chemical)로부터의 이스턴(EASTONE), 일반적으로 중합체의 설포폴리에스테르 계열) 또는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌과 같은 폴리올레핀에 대한 경우)을 통해 친수성 특성을 가질 수 있거나, 또는 기본 수지를 친수성으로 되게 하기 위해 기본 수지에 첨가되는 재료를 가질 수 있다. 첨가제의 전형적인 예는 시바 이르가서프(CIBA Irgasurf)^® 계열의 첨가제를 포함한다. 본 발명에서의 섬유는 또한 친수성으로 된 후에 처리 또는 코팅될 수 있다. 본 발명에서는, 내구 친수성(durable hydrophilicity)이 바람직하다. 내구 친수성은 하나 초과의 유체 상호작용 이후에 친수성 특징을 유지하는 것으로서 정의된다. 예를 들어, 평가되고 있는 샘플이 내구 친수성에 대해 테스트되는 경우, 샘플 상에 물을 부어 습윤을 관찰할 수 있다. 샘플이 습윤된 경우, 그것은 처음에 친수성이다. 샘플은 그 후에 물로 완전히 헹굼(rinse)되고 건조된다. 헹굼은 샘플을 큰 용기 내에 넣고 10초간 교반한 후 건조함으로써 가장 잘 행해진다. 건조 후의 샘플은 또한 물과 다시 접촉할 때 습윤되어야 한다.

섬유가 형성된 후에, 섬유는 추가로 처리될 수도 있거나 또는 접합된 천(bonded fabric)이 처리될 수 있다. 천의 표면 에너지 및 화학적 성질을 조정하기 위해 친수성 또는 소수성 마감이 추가될 수 있다. 예를 들어, 소수성인 섬유는 수성 액체의 흡수를 용이하게 하기 위해 습윤제로 처리될 수도 있다. 접합된 천은 또한 섬유의 표면 특성을 추가로 조정하기 위해 계면활성제, 안료, 슬립제(slip agent), 염, 또는 다른 재료를 함유하는 국소 용액(topical solution)으로 처리될 수 있다.

본 발명에서의 섬유는 크림핑될(crimped) 수 있지만, 크림핑되지 않는 것이 바람직하다. 크림핑된 섬유는 일반적으로 2가지 방법으로 제조된다. 첫 번째 방법은 섬유가 이미 방사된 후의 섬유의 기계적 변형이다. 섬유는 용융 방사되고, 최종 필라멘트 직경으로 연신되고, 일반적으로 2차원 또는 3차원 크림프를 부여하는 스터퍼 박스(stuffer box) 또는 기어를 통해, 기계적으로 처리된다. 이 방법은 대부분의 카딩된 스테이플 섬유(carded staple fiber)를 제조할 때 사용된다. 섬유를 크림핑하기 위한 두 번째 방법은 스펀레이드(spunlaid) 프로세스에서 크림핑될 수 있는 다중 성분 섬유를 압출하는 것이다. 당업자는 2성분 크림핑된 스펀본드 섬유를 제조하는 다수의 방법이 존재하지만; 그러나, 본 발명의 경우에는, 크림핑된 스펀레이드 부직포를 제조하기 위한 3가지 주요 기법이 고려된다는 것을 인식할 것이다. 첫 번째는 방사라인에서의 차동 중합체 결정화, 중합체 유형의 차이의 결과, 중합체 분자량 특징(예컨대, 분자량 분포) 또는 첨가제 함량으로 인해 방사라인에서 발생하는 크림핑이다. 두 번째 방법은 섬유가 스펀레이드 기재로 방사된 후의 섬유의 이수축(differential shrinkage)이다. 예를 들면, 스펀레이드 웨브를 가열하는 것은, 예를 들어 열 접합 프로세스 동안, 방사 완료된 섬유에서의 결정도의 차이로 인해 섬유를 수축하게 할 수 있다. 크림핑을 야기하는 세 번째 방법은 섬유 또는 스펀레이드 웨브를 기계적으로 신장하는 것이다(일반적으로 기계적 신장을 위해 웨브가 함께 접합되었다). 기계적 신장은 크림핑을 야기할 수 있는 2개의 중합체 성분들 간의 응력 변형 곡선에서의 차이를 드러낼 수 있다.

섬유의 인장 강도는 대략 25 메가파스칼(MPa) 초과이다. 본 명세서에 개시되는 바와 같은 섬유는 50MPa 초과, 또는 75MPa 초과, 또는 100MPa 초과의 인장 강도를 갖는다. 인장 강도는 ASTM 표준 D 3822-91 또는 등가 테스트에 의해 설명되는 절차를 따르는 인스트론(Instron)을 사용하여 측정된다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 섬유는 취성을 갖지 않으며, 2MPa 초과, 50 MPa 초과, 또는 100 MPa 초과의 인성(toughness)을 갖는다. 인성은 응력 변형 곡선 아래의 면적으로서 정의되고, 여기서 시편 게이지 길이는 25 mm이고 분당 50 mm의 변형률을 갖는다. 섬유의 탄성 또는 확장성이 또한 요구될 수도 있다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 섬유는, 섬유에 또는 섬유의 외측 성분(즉, 2성분의 시스) 상에 충분한 열가소성 중합체가 존재하는 경우 열 접합 가능할 수 있다. 열 접합가능 섬유는 가압된 열 및 통풍(thru-air) 열 접합 방법에서 가장 잘 사용된다. 열 접합가능은 전형적으로, 조성물이 섬유의 중량으로 15% 초과, 또는 30% 초과, 또는 40% 초과, 또는 50% 초과의 레벨로 존재할 때 달성된다.

본 명세서에 개시되는 섬유는 존재하는 조성물의 양 및 섬유의 특정 구성에 의존하여 환경적으로 분해 가능할 수 있다. "환경적으로 분해 가능"이란 생분해성, 붕해성, 분산성, 물풀림성, 또는 퇴비화가능성 또는 그들의 조합으로서 정의된다. 섬유, 부직포 웨브, 및 물품은 환경적으로 분해 가능할 수 있다. 결과적으로, 섬유는 기존의 퇴비화 시설에서 쉽고 안전하게 처리될 수도 있거나 또는 물풀림성일 수도 있고, 기존의 하수 인프라구조 시스템에 대한 해로운 결과 없이 안전하게 배수구에 넣고 물로 씻어 내릴 수 있다. 여성 위생 제품 및 물수건과 같은 일회용 제품에 사용될 때 섬유의 물풀림성은 소비자에게 추가적인 편의성 및 자유 결정권을 제공한다.

"생분해성"이라는 용어는, 호기성 및/또는 혐기성 환경에 노출될 때, 미생물, 가수분해, 및/또는 화학적 작용으로 인해 단량체 성분으로 결국 환원되는 물질을 말한다. 호기성 조건 하에서, 생분해는 물질이 이산화탄소 및 물과 같은 최종 제품으로 전환되도록 한다. 혐기성 조건 하에서, 생분해는 물질이 이산화탄소, 물 및 메탄으로 전환되도록 한다. 생분해성 프로세스는 종종 미네랄화(mineralization)로서 설명된다. 생분해성은 물질(예컨대, 섬유)의 모든 유기 구성요소가 생물활성을 통해 결국 분해되는 것을 의미한다.

상이한 국가에서 그리고 다양한 조직에 의해 시간 경과에 따라 확립된 각종 상이한 표준화된 생분해성 방법이 있다. 테스트는 특정 테스트 조건, 평가 방법, 및 원하는 기준에 따라 다르지만, 테스트가 대부분의 재료에 대해 유사한 결론으로 이어지는 경향이 있도록 상이한 프로토콜들 간에는 합리적인 집합점이 있다. 호기성 생분해성에 대해, 미국 재료 시험 협회(ASTM)는 ASTM D 5338-92: 제어된 퇴비화 조건 하에서 플라스틱 재료의 호기성 생분해를 결정하기 위한 테스트 방법을 확립하였다. ASTM 테스트는 58℃의 호열성 온도에서 유지된 활성 퇴비 존재시에 미생물에 의해 동화된 결과 방출되는 이산화탄소의 양을 모니터링하여 미네랄화되는 테스트 재료의 퍼센트를 시간의 함수로서 측정한다. 이산화탄소 제조 테스트는 전해 호흡측정학(electrolytic respirometry)을 통해 수행될 수도 있다. 경제 협력 개발 기구(OECD)로부터의 301B와 같은 다른 표준 프로토콜이 또한 이용될 수 있다. 산소 부재시의 표준 생분해 테스트는 ASTM D 5511-94와 같은 다양한 프로토콜에 설명되어 있다. 이들 테스트를 이용하여 혐기성 고체 폐기물 처리 시설 또는 위생 매립지에서 재료의 생분해성을 모의 실험한다. 그러나, 이들 조건은 본 명세서에 설명되는 바와 같이 섬유 및 부직포에 대해 설명되어 있는 일회용 응용의 유형과 관련이 적다.

붕해(disintegration)는, 섬유질 기재가 물로 씻어 내려질 때 배수관 막힘을 야기하지 않도록 또는 퇴비화될 때의 스크리닝 후에 분간할 수 없도록 충분히 작은 파편으로 신속하게 부서지고 분해되는 능력을 갖는 경우에 발생한다. 붕해성 재료는 또한 물풀림성일 것이다. 붕해성에 대한 대부분의 프로토콜은 다양한 매트릭스에 노출될 때 시간 경과에 따라 테스트 재료의 중량 손실을 측정한다. 호기성 붕해 테스트 및 혐기성 붕해 테스트 둘 모두가 이용된다. 중량 손실은 재료가 폐수 및 슬러지에 노출된 후에 1 밀리미터 개구를 갖는 18 메시의 체에 더 이상 수집되지 않는 섬유질 테스트 재료의 양에 의해 결정된다. 붕해의 경우, 초기 샘플의 중량과 스크린에 회수된 샘플의 건조 중량의 차이가 붕해의 속도와 정도를 결정할 것이다. 생분해성 및 붕해에 대한 테스트는, 매우 유사한 환경 또는 동일한 환경이 테스트를 위해 사용될 것이므로, 매우 유사하다. 붕해를 결정하기 위해, 남아 있는 재료의 중량이 측정되는 반면, 생분해성의 경우에는, 발생한 기체가 측정된다. 본 명세서에 개시되는 섬유는 신속하게 붕해될 수 있다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 섬유는 또한 퇴비화가 가능할 수 있다. ASTM은 퇴비화가능성에 대한 테스트 방법 및 규격을 개발하였다. 테스트는 3가지 특징: 생분해성, 붕해, 및 환경독성의 부재를 측정한다. 생분해성 및 붕해를 측정하는 테스트는 전술되어 있다. 퇴비화가능성에 대한 생분해성 기준을 충족시키기 위해, 재료는 40일 이내에 이산화탄소로의 적어도 60% 변환을 달성해야 한다. 붕해 기준의 경우, 재료는 그것이 배치될 제품에서 가질 실제 형상과 두께로 2 밀리미터 스크린 상에 남은 테스트 재료가 10% 미만이어야 한다. 마지막 기준인 환경독성의 부재를 결정하기 위해, 생분해 부산물은 종자 발아와 식물 성장에 부정적 영향을 나타내서는 안된다. 이 기준에 대한 하나의 테스트가 OECD 208에 상세히 기술되어 있다. 일단 제품이 ASTM 6400-99 규격을 충족하는 것으로 인증되면 국제 생분해성 제품 기관이 퇴비화가능성에 대한 로고를 발행할 것이다. 이 프로토콜은 독일의 DIN 54900을 따르며, 이것은 한 번의 퇴비화 사이클 내에 완전한 분해를 허용하는 임의 재료의 최대 두께를 결정한다.

본 명세서에 설명되는 섬유는 일회용 부직포 물품을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 이 물품은 일반적으로 물풀림성이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 "물풀림성"이라는 용어는, 변기에서 물로 씻어 내릴 때 변기 또는 임의의 기타 하수 배수관을 막히게 하지 않고서 제거되도록 변기와 같은 오수 처리 시스템에서 용해, 분산, 붕해 및/또는 분해될 수 있는 재료를 지칭한다. 섬유 및 생성되는 물품은 또한 수계 반응성일 수도 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이 "수계 반응성"이라는 용어는, 물에 넣거나 또는 물로 씻어 내릴 때, 관찰 가능한 그리고 측정 가능한 변화가 생길 것임을 의미한다. 전형적인 관찰은, 물품이 팽창하고, 뜯어지고, 용해되는 것에 주목하거나, 또는 일반적인 약화된 구조를 관찰하는 것을 포함한다.

섬유로부터 제조되는 부직포 제품은 소정의 기계적 특성, 특히 강도, 유연성(flexibility), 연성(softness) 및 흡수성을 나타낸다. 강도의 측정은 건조 및/또는 습윤 인장 강도를 포함한다. 유연성은 단단함과 관련되고, 연성에 기인할 수 있다. 연성은 일반적으로 유연성 및 감촉(texture) 둘 모두에 관련되는 생리적으로 인지된 속성으로서 설명된다. 흡수성은 유체를 흡수하는 제품의 능력뿐만 아니라 유체를 유지하는 능력에 관련된다.

섬유 제조 프로세스

섬유는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물의 용융물로부터 방사될 수 있다. 용융 방사시에, 압출물의 질량 손실은 없다. 용융 방사는 용액으로부터의 습식 또는 건식 방사와 같은 다른 방사와 구별되고, 여기서 용매는 압출물 밖으로의 휘발 또는 확산에 의해 제거되어 질량 손실을 야기한다.

방사는 120℃ 내지 320℃, 또는 185℃ 내지 250℃, 또는 200℃ 내지 230℃에서 발생할 수 있다. 100 미터/분 초과의 섬유 방사 속도가 바람직하다. 예시적인 섬유 방사 속도는 1,000 내지 10,000 미터/분, 또는 2,000 내지 7,000 미터/분, 또는 2,500 내지 5,000 미터/분이다. 중합체 조성물은 섬유에서의 취성을 피하기 위해 빠르게 방사된다.

연속적인 필라멘트 또는 섬유가 스펀본드 방법을 통해 제조될 수 있다. 본질적으로 연속적인 또는 본질적으로 불연속적인 필라멘트 또는 섬유는 용융 블로잉 또는 용융 필름 피브릴화 프로세스와 같은 용융 피브릴화 방법을 통해 제조될 수 있다. 대안적으로, 불연속적인 (스테이플 섬유) 섬유가 제조될 수 있다. 다양한 섬유 제조 방법들이 또한 조합되어 조합 기법을 생성할 수 있다.

균질한 블렌드는 종래의 용융 방사 장비에서 단일 성분 또는 다중 성분 섬유로 용융 방사될 수 있다. 이 장비는 원하는 구성의 다중 성분에 기초하여 선택될 것이다. 구매가능한 용융 방사 장비는 미국 플로리다주 멜버른에 위치하는 힐스 인크.(Hills, Inc.)로부터 입수가능하다. 방사 온도는 100℃ 내지 320℃이다. 처리 온도는 각 성분의 농도, 분자량 및 화학적 성질에 의해 결정된다. 방사된 섬유는 종래의 고데(godet) 권취 시스템을 사용하여 또는 공기 저항 감쇠 디바이스를 통해 수집될 수 있다. 고데 시스템이 사용되는 경우, 섬유는 25℃ 내지 200℃의 온도에서 후압출 연신(post extrusion drawing)을 통해 추가로 배향될 수 있다. 연신된 섬유는 그 후에 크림핑될 수 있고, 그리고/또는 카딩, 에어레이드, 또는 플루이드레이드(fluidlaid) 프로세스에 사용되는 불연속적인 섬유(스테이플 섬유)를 형성하기 위해 절단될 수 있다.

예를 들어, 시스 내의 개시된 조성물 및 코어 내의 상이한 조성물을 사용하여 2성분 시스 코어 섬유를 방사하기 위한 적합한 프로세스는 다음과 같다. 조성물이 먼저 10 중량% HL을 함유하는 배합을 통해 조제되고, 제2 조성물이 먼저 30 중량% HL을 함유하는 배합을 통해 조제된다. 10 중량% HL 성분의 압출기 프로파일은 3개 히터 구역 압출기의 첫 번째 3개의 구역에서 180℃, 200℃ 및 220℃일 수 있다. 전송 라인 및 용융 펌프 히터 온도는 제1 조성물의 경우 220℃일 수도 있다. 제2 조성물의 압출기 온도 프로파일은 3개 히터 구역 압출기의 첫 번째 3개의 구역에서 180℃, 230℃ 및 230℃일 수 있다. 전송 라인 및 용융 펌프는 230℃로 가열될 수 있다. 이 경우에, 방사구 온도는 220℃ 내지 230℃일 수 있다.

미세 섬유 제조

균질한 블렌드는 예를 들어, 용융 필름 피브릴화에 의해 하나 이상의 필라멘트 또는 섬유로 방사된다. 적합한 시스템 및 용융 필름 피브릴화 방법은, 애크론 대학교(University of Akron)에 양도된, 토로빈(Torobin) 등에 의한 미국 특허 제6,315,806호, 제5,183,670호, 및 제4,536,361호, 그리고 레네커(Reneker) 등에 의한 미국 특허 제6,382,526호, 제6,520,425호, 및 제6,695,992호에 설명되어 있다. 다른 용융 필름 피브릴화 방법 및 시스템은, 존슨(Johnson) 등에 의한 미국 특허 제7,666,343호 및 제7,931,457호, 크라우제(Krause) 등에 의한 미국 특허 제7,628,941호, 그리고 크라우제 등에 의한 미국 특허 제7,722,347호에 설명되어 있다. 상기 특허들에 설명된 방법 및 장치는, 감소된 또는 최소화된 섬유 결함의, 균일하고 좁은 섬유 분포를 갖는 부직포 웨브를 제공한다. 용융 필름 피브릴화 프로세스는 균질한 블렌드의 하나 이상의 용융 필름, 하나 이상의 가압된 유체 스트림(또는 섬유화 유체 스트림)을 제공하여 용융 필름을 리가먼트(ligament)로 피브릴화하는 것을 포함하는데, 이 리가먼트는 가압된 유체 스트림에 의해 감쇠된다. 선택적으로, 하나 이상의 가압된 유체 스트림은 리가먼트의 감쇠 및 급랭을 도와서 섬유를 형성하기 위해 제공될 수도 있다. 하나의 균질한 블렌드를 사용하여 용융 필름 피브릴화 프로세스로부터 제조되는 섬유는 전형적으로 100 나노미터(0.1 마이크로미터) 내지 5000 나노미터(5 마이크로미터) 범위의 직경을 가질 것이다. 일부 경우에, 균질한 블렌드의 용융 필름 피브릴화 프로세스로부터 제조되는 섬유는 2 마이크로미터 미만, 또는 1 마이크로미터(1000 나노미터) 미만, 또는 100 나노미터(0.1 마이크로미터) 내지 900 나노미터(0.9 마이크로미터)의 범위일 것이다. 용융 필름 피브릴화를 이용하여 제조되는 균질한 블렌드의 섬유의 평균 직경(적어도 100개의 섬유 샘플의 산술 평균 직경)은 2.5 마이크로미터 미만, 또는 1 마이크로미터 미만, 또는 0.7 마이크로미터(700 나노미터) 미만일 것이다. 중간 섬유 직경은 1 마이크로미터 이하일 수 있다. 일부 경우에, 용융 필름 피브릴화 프로세스에 의해 제조되는 균질한 블렌드의 섬유의 적어도 50%는 1 마이크로미터 미만의 직경을 가질 수 있고, 또는 섬유의 적어도 70%는 1 마이크로미터 미만의 직경을 가질 수 있고, 또는 섬유의 적어도 90%는 1 마이크로미터 미만의 직경을 가질 수 있다. 소정 경우에, 용융 필름 피브릴화 프로세스를 이용하여 제조될 때 심지어 99% 이상의 섬유가 1 마이크로미터 미만의 직경을 가질 수도 있다.

용융 필름 피브릴화 프로세스에서, 균질한 블렌드는 전형적으로 액체를 형성하고 쉽게 유동할 때까지 가열된다. 균질한 블렌드는 용융 필름 피브릴화시에 120℃ 내지 350℃, 또는 160℃ 내지 350℃, 또는 200℃ 내지 300℃의 온도에 있을 수 있다. 균질한 블렌드의 온도는 조성물에 의존한다. 가열된 균질한 블렌드는 0.10 메가파스칼(MPa) 내지 3 MPa (15 psia(pound per square inch absolute) 내지 400 psia), 또는 0.1 MPa 내지 1 MPa (20 psia 내지 200 psia), 또는 0.17 MPa 내지 0.7 MPa (25 psia 내지 100 psia)의 압력에 있다.

가압된 섬유화 유체 스트림의 비제한적인 예는 공기 또는 질소와 같은 기체 또는 균질한 블렌드 조성물과 상용성(반응성 또는 불활성으로서 정의됨)인 임의의 다른 유체이다. 섬유화 유체 스트림은 가열된 균질한 블렌드의 온도에 가까운 온도에 있을 수 있다. 섬유화 유체 스트림 온도는 균질한 블렌드의 유동 및 용융 필름의 형성을 돕기 위해 가열된 균질한 블렌드보다 더 높은 온도에 있을 수도 있다. 일부 경우에, 섬유화 유체 스트림 온도는 가열된 균질한 블렌드보다 100℃ 높거나, 또는 가열된 균질한 블렌드보다 50℃ 높거나, 또는 가열된 균질한 블렌드의 바로 그 온도이다. 대안적으로, 섬유화 유체 스트림 온도는 가열된 균질한 블렌드 온도 미만일 수 있다. 일부 경우에, 섬유화 유체 스트림 온도는 가열된 균질한 블렌드보다 50℃ 낮거나, 또는 가열된 균질한 블렌드보다 100℃ 낮거나, 또는 가열된 균질한 블렌드보다 200℃ 낮다. 소정 경우에, 섬유화 유체 스트림의 온도는 -100℃ 내지 450℃, 또는 -50℃ 내지 350℃, 또는 0℃ 내지 300℃의 범위일 수도 있다. 섬유화 유체 스트림의 압력은 균질한 블렌드를 섬유로 피브릴화하기에 충분하고, 가열된 균질한 블렌드의 압력 초과이다. 섬유화 유체 스트림의 압력은 0.10 MPa 내지 3 MPa (15 psia 내지 500 psia), 또는 0.2 MPa 내지 1 MPa (30 psia 내지 200 psia), 또는 0.3 MPa 내지 0.7 MPa (40 psia 내지 100 psia)의 범위일 수도 있다. 섬유화 유체 스트림은 용융 필름 피브릴화의 위치에서 초당 200 미터 초과의 유속을 가질 수 있다. 일부 경우에, 용융 필름 피브릴화의 위치에서, 섬유화 유체 스트림 유속은 초당 300 미터 초과, 즉 천음속일 것이고; 다른 경우에, 초당 330 미터 초과, 즉 음속일 것이고; 그리고 또 다른 경우에, 초당 350 내지 900 미터(m/s), 즉 마하(Mach) 1 내지 마하 3의 초음속일 것이다. 섬유화 유체 스트림은 맥동할 수도 있고, 또는 정상 유동일 수도 있다. 균질한 블렌드 처리량은 주로 사용된 특정 균질한 블렌드, 장치 설계, 그리고 균질한 블렌드의 온도 및 압력에 의존할 것이다. 균질한 블렌드 처리량은, 예를 들어 원형 노즐에서, 오리피스마다 분당 1 그램 초과일 것이다. 일 예에서, 균질한 블렌드 처리량은 오리피스마다 분당 10 그램 초과일 것이고, 다른 예에서는 오리피스마다 분당 20 그램 초과일 것이고, 또 다른 예에서는 오리피스마다 분당 30 그램 초과일 것이다. 추가적으로, 슬롯 노즐을 활용하는 프로세스에 대해, 균질한 블렌드 처리량은 슬롯 노즐의 미터 폭마다 시간당 0.5 킬로그램 초과일 것이다. 다른 슬롯 노즐 프로세스에서, 균질한 블렌드 처리량은 슬롯 노즐의 미터 폭마다 시간당 5 킬로그램 초과, 또는 슬롯 노즐의 미터 폭마다 시간당 20 킬로그램 초과, 또는 슬롯 노즐의 미터 폭마다 시간당 40 킬로그램 초과일 것이다. 슬롯 노즐을 채용하는 소정 프로세스에서, 균질한 블렌드 처리량은 슬롯 노즐의 미터 폭마다 시간당 60 킬로그램을 초과할 수도 있다. 동시에 작동하는 몇 개의 오리피스 또는 노즐이 있을 것이고, 이는 총 제조 처리량을 더욱 증가시킨다. 압력, 온도 및 유속과 함께, 처리량은 원형 노즐 및 슬롯 노즐 둘 모두에 대해 오리피스 또는 노즐에서 측정된다.

선택적으로, 비말동반 유체(entraining fluid)가 맥동 또는 변동 압력장을 유도하여 섬유 형성을 돕기 위해 사용될 수 있다. 비말동반 유체의 비제한적인 예는, 압축 공기, 질소, 산소, 또는 균질한 블렌드 조성물과 상용성(반응성 또는 불활성으로서 정의됨)인 임의의 다른 유체와 같은 가압된 기체 스트림이다. 높은 유속을 갖는 비말동반 유체는 음속(즉, 330 m/s) 또는 초음속(즉, 330 m/s 초과) 근방의 유속을 가질 수 있다. 낮은 유속을 갖는 비말동반 유체는 전형적으로 1 내지 100 m/s, 또는 3 내지 50 m/s의 유속을 가질 것이다. 유체 스트림에 존재하는 높은 난류로 인해 대개 발생하는 섬유 대 섬유 얽힘을 최소화하기 위해 비말동반 유체 스트림(14)에 낮은 난류를 갖는 것이 바람직하다. 비말동반 유체(14)의 온도는, 상기 섬유화 유체 스트림과 동일하거나, 또는 필라멘트의 급랭을 돕기 위해 더 높은 온도일 수 있고, -40℃ 내지 40℃, 또는 0℃ 내지 25℃의 범위이다. 추가적인 유체 스트림은 노즐로부터 나오는 필라멘트 주위에 "커튼" 또는 "외피"를 형성할 수도 있다. 임의의 유체 스트림은 균질한 블렌드의 섬유화에 기여할 수도 있고, 따라서 일반적으로 섬유화 유체 스트림이라 불릴 수 있다.

본 발명에서의 스펀레이드 프로세스는 미국 특허 제3,802,817호; 제5,545,371호; 제6,548,431호 및 제5,885,909호에 개시되는 바와 같이 고속 방사 프로세스를 이용하여 이루어진다. 이들 용융 방사 프로세스에서, 압출기는 용융된 중합체를 용융 펌프로 공급하는데, 이들은 용융된 중합체의 비체적을 전달하여, 섬유로 형성되는 다수의 모세관으로 구성된 방사팩을 통해 전송하고, 여기서 섬유는 공기 급랭 구역을 통해 냉각되고 공압 방식으로 연신되어서 매우 감쇠된 섬유로 그의 크기를 감소시켜 분자 레벨 섬유 배향을 통해 섬유 강도를 증가시킨다. 연신된 섬유는 그 후에, 형성 벨트 또는 형성 테이블로 종종 불리우는, 다공성 벨트 상에 퇴적된다.

스펀레이드 프로세스

본 발명에서 베이스 기재를 형성하는 예시적인 섬유는 스펀레이드 천을 형성하는 연속적인 필라멘트를 포함한다. 스펀레이드 천은 본질적으로 연속적인 필라멘트로부터 형성되는, 기본적으로 어떤 응집 인장 특성도 갖지 않는 비접합 천으로서 정의된다. 연속적인 필라멘트는 높은 길이 대 직경 비 - 10,000:1 초과의 비를 가짐 - 를 갖는 섬유로서 정의된다. 스펀레이드 천을 구성하는 본 발명의 연속적인 필라멘트는, 스테이플 섬유나, 쇼트 커트 섬유나, 또는 다른 의도적으로 만들어진 짧은 길이 섬유가 아니다. 본 발명에서 본질적으로 연속적이라고 정의된 연속적인 필라멘트는 평균적으로, 길이가 100 mm 초과, 또는 200 mm 초과이다. 본 발명의 연속적인 필라멘트는 또한 의도적이든 아니든 크림핑되지 않는다. 본질적으로 불연속적인 섬유 및 필라멘트는 100mm 미만, 또는 50mm 미만의 길이를 갖는 것으로서 정의된다.

연속적인 필라멘트를 제조하기 위해 사용되는 본 발명에서의 스펀레이드 프로세스는 미터당 100 내지 10,000개의 모세관, 또는 미터당 200 내지 7,000개의 모세관, 또는 미터당 500 내지 5,000개의 모세관을 포함할 것이다. 본 발명에서의 모세관마다의 중합체 질량 유량은 0.3 GHM(gram per hole per minute) 초과일 것이다. 바람직한 범위는 0.35 GHM 내지 2 GHM, 또는 0.4 GHM 내지 1 GHM이고, 또한 보다 바람직하게는 0.45 GHM 내지 8 GHM이고, 가장 바람직한 범위는 0.5 GHM 내지 0.6 GHM이다.

본 발명에서의 스펀레이드 프로세스는, 매우 감쇠된, 크림핑되지 않은 연속적인 필라멘트를 제조하기 위한 단일 프로세스 단계를 포함한다. 압출된 필라멘트는 급랭 공기의 구역을 통해 연신되고, 여기서 그들은 감쇠됨에 따라 냉각되고 고형화된다. 이러한 스펀레이드 프로세스는 미국 특허 제3,338,992호, 미국 특허 제3,802,817호, 미국 특허 제4,233,014호, 미국 특허 제5,688,468호, 미국 특허 제6,548,431B1호, 미국 특허 제6,908,292B2호 및 미국 특허 출원 제2007/0057414A1호에 개시되어 있다. EP 1340843B1호 및 EP 1323852B1호에 기재된 기술이 또한 스펀레이드 부직포를 제조하기 위해 이용될 수 있다. 매우 감쇠된 연속적인 필라멘트는 방사구로부터의 중합체의 출구로부터 감쇠 디바이스로 직접 연신되고, 여기서 스펀레이드 천이 형성 테이블 상에 형성됨에 따라 연속적인 필라멘트 직경 또는 데니어는 실질적으로 변화하지 않는다.

예시적인 중합체 재료는 폴리프로필렌 및 폴리프로필렌 공중합체, 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 공중합체, 폴리에스테르 및 폴리에스테르 공중합체, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리하이드록시알카노에이트, 폴리비닐 알코올, 에틸렌 비닐 알코올, 폴리아크릴레이트, 및 그의 공중합체와 그의 혼합물뿐만 아니라, 본 발명에서 제시되는 다른 혼합물을 포함하지만 이로 한정되지 않는다. 다른 적합한 중합체 재료는 미국 특허 출원 공개 제2003/0109605A1호 및 제2003/0091803호에 상세하게 기재된 바와 같은 열가소성 전분 조성물을 포함한다. 또 다른 적합한 중합체 재료는 에틸렌 아크릴산, 폴리올레핀 카르복실산 공중합체, 및 그들의 조합을 포함한다. 그 중합체는 미국 특허 제6746766호; 제6818295호; 제6946506호; 및 미국 특허 출원 제03/0092343호에 기재되어 있다. 일반적인 열가소성 중합체 섬유 등급 재료가 바람직하고, 특히 폴리에스테르계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 폴리락트산계 수지, 폴리하이드록시알카노에이트계 수지, 그리고 폴리에틸렌계 수지 및 그들의 조합이 바람직하다. 폴리에스테르 및 폴리프로필렌계 수지가 가장 바람직하다.

본 발명에서의 하나의 추가적인 요소는 압출 프로세스에서 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물 중 40 중량 퍼센트(중량%) 초과의 혼합물 조성물을 활용하는 능력이고, 여기서 본 명세서에 설명되는 바와 같은 마스터배치(masterbatch) 레벨의 조성물은 압출 동안 더 낮은 농도(0 중량%까지)의 열가소성 조성물과 조합되어서 타깃 범위 내에서 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 제조한다.

섬유를 방사하는 프로세스에서, 특히 온도가 105℃ 초과로 증가되기 때문에, 전형적으로 잔류 수위는 섬유의 1 중량% 이하, 대안적으로 0.5 중량% 이하, 또는 0.15 중량% 이하인 것이 바람직하다.

섬유로부터 제조되는 부직포 물품

섬유는 상이한 접합 방법에 의해 부직포로 변환될 수 있다. 연속적인 섬유는 산업 표준 스펀본드 유형 기술을 이용하여 웨브로 형성될 수 있고, 한편 스테이플 섬유는 산업 표준 카딩, 에어레이드, 또는 습식 기술을 이용하여 웨브로 형성될 수 있다. 전형적인 접합 방법은 캘린더(압력 및 열), 통풍 열, 기계적 얽힘, 유체역학적 얽힘, 바늘 천공, 및 화학 접합 및/또는 수지 접합을 포함한다. 캘린더, 통풍 열, 및 화학 접합은 전분 중합체 섬유에 대해 바람직한 접합 방법이다. 열 접합가능 섬유는 가압된 열 및 통풍 열 접합 방법을 위해 요구된다.

본 발명의 섬유는 또한 부직포 물품을 제조하기 위해 다른 합성 또는 천연 섬유와 접합 또는 조합될 수 있다. 합성 또는 천연 섬유는 형성 프로세스에서 함께 블렌딩되거나 또는 별개의 층에서 사용될 수도 있다. 적합한 합성 섬유는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리아크릴레이트, 및 그의 공중합체와 그의 혼합물로부터 제조된 섬유를 포함한다. 천연 섬유는 셀룰로오스계 섬유 및 그의 유도체를 포함한다. 적합한 셀룰로오스계 섬유는, 경재 섬유(hardwood fiber), 연재 섬유(softwood fiber), 삼 및 면을 포함하여, 임의의 나무 또는 초목으로부터 파생된 것들을 포함한다. 레이온과 같은 처리된 천연 셀룰로오스계 자원으로부터 제조된 섬유가 또한 포함된다.

본 발명의 섬유는 다른 적합한 물품 중에서도 부직포를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 부직포 물품은, 연속적 또는 불연속적이고 서로 물리적으로 그리고/또는 화학적으로 부착되는 복수의 섬유를, 15% 초과로 함유하는 물품으로서 정의된다. 부직포는 추가적인 부직포 또는 필름과 조합되어서, 그 자체로 사용되거나 또는 아기 기저귀 또는 여성용 케어 패드와 같은 다른 재료들의 복잡한 조합에서의 한 성분으로서 사용되는 적층 제품을 제조할 수도 있다. 바람직한 물품은 일회용 부직포 물품이다. 생성되는 제품은 공기, 오일 및 물에 대한 필터; 진공 청소기 필터; 노 필터(furnace filter); 페이스 마스크; 커피 필터, 티 또는 커피 백; 단열 재료 및 차음 재료; 기저귀, 여성 패드, 탐폰, 및 실금 물품과 같은 일회용 위생 제품을 위한 부직포; 마이크로 섬유 또는 통기성 천과 같이 개선된 수분 흡수 및 부드러운 착용을 위한 생분해성 천; 먼지를 모으고 제거하기 위해 정전기로 대전된, 구조화된 웨브; 하드 등급용 종이, 예컨대 포장지, 필기 용지, 신문지, 골판지를 위한 보강제 및 웨브, 그리고 티슈 등급용 종이, 예컨대 화장지, 종이 타월, 냅킨 및 페이셜 티슈를 위한 웨브; 외과용 드레이프, 상처 드레싱, 붕대, 피부 패치 및 자체 용해 봉합물과 같은 의료 용도; 그리고 치실 및 칫솔 강모와 같은 치과 용도에서 사용할 수 있다. 섬유질 웨브는 또한 특정 용도를 위한 냄새 흡수제, 흰개미 퇴치제, 살충제, 살서제 등을 포함할 수 있다. 생성되는 제품은 물 및 오일을 흡수하고, 엎지른 오일 또는 물의 정화, 또는 농업 또는 원예 응용을 위한 제어된 물 유지 및 방출에서 사용할 수도 있다. 생성되는 섬유 또는 섬유 웨브는 또한 톱밥, 목재 펄프, 플라스틱, 및 콘크리트와 같은 다른 재료에 혼입되어서 복합 재료를 형성할 수도 있는데, 이 복합 재료는 벽, 지지대, 판지, 건식 벽체와 뒷판, 및 지붕 타일과 같은 건축 자재; 깁스, 부목, 및 압설자와 같은 다른 의료 용도; 그리고 장식 및/또는 연소 목적을 위한 벽난로 통나무로서 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 물품은 위생 및 의료 응용을 위한 일회용 부직포를 포함한다. 위생 응용은 물수건, 기저귀, 여성 패드, 및 탐폰과 같은 품목을 포함한다.

필름

본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물은 필름으로 형성될 수 있고, 원하는 필름 특성에 따라 많은 상이한 구성 중 하나를 포함할 수 있다. 필름의 특성은, 예를 들어, 두께를 변경함으로써, 또는 다층 필름의 경우에, 층의 수, 층의 화학적 성질, 즉 소수성 또는 친수성, 및 중합체 층을 형성하기 위해 사용되는 중합체의 유형을 변경함으로써 조작될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 필름은 300 μm 미만의 두께를 가질 수 있거나, 또는 300 μm 이상의 두께를 가질 수 있다. 전형적으로, 필름이 300 μm 이상의 두께를 갖는 경우, 그들은 압출 시트라고 불리지만, 본 명세서에 개시되는 필름이 (예컨대, 300 μm 미만의 두께를 갖는) 필름 및 (예컨대, 300 μm 이상의 두께를 갖는) 압출 시트 둘 모두를 포괄한다는 것이 이해된다.

본 명세서에 개시되는 필름은 다층 필름일 수 있다. 필름은 적어도 2개의 층(예컨대, 제1 필름 층 및 제2 필름 층)을 가질 수 있다. 제1 필름 층 및 제2 필름 층은 서로 인접하게 적층되어 다층 필름을 형성할 수 있다. 다층 필름은 적어도 3개의 층(예컨대, 제1 필름 층, 제2 필름 층 및 제3 필름 층)을 가질 수 있다. 제2 필름 층은 적어도 부분적으로 제1 필름 층의 상부 표면 또는 하부 표면 중 적어도 하나 위에 놓일 수 있다. 제2 필름 층이 코어 층을 형성하도록 제3 필름 층은 적어도 부분적으로 제2 필름 층 위에 놓일 수 있다. 다층 필름은 추가적인 층(예컨대, 바인딩 층, 비침투성 층 등)을 포함할 수 있음이 고려된다.

다층 필름은 2 층 내지 1000 층; 또는 3층 내지 200 층; 또는 5 층 내지 100 층을 포함할 수 있음이 이해될 것이다.

본 명세서에 개시되는 필름은 10 마이크로미터 내지 200 마이크로미터; 또는 소정 경우에 20 마이크로미터 내지 100 마이크로미터; 또는 40 마이크로미터 내지 60 마이크로미터의 두께(예컨대, 캘리퍼)를 가질 수 있다. 예를 들어, 다층 필름의 경우에, 필름 층 각각은 100 마이크로미터 미만, 또는 50 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 미만, 또는 10 마이크로미터 내지 300 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 각각의 필름 층은 실질적으로 동일 또는 상이한 두께를 가질 수 있음이 이해될 것이다.

필름의 두께는 문헌[ISO 4593:1993, Plastics - Film and sheeting - Determination of thickness by mechanical scanning]에 기술되는 방법을 포함한 다양한 기법을 이용하여 평가될 수 있다. 다른 적합한 방법이 본 명세서에 설명되는 필름의 두께를 측정하기 위해 이용 가능할 수도 있음이 이해될 것이다.

다층 필름의 경우, 각각의 층은 본 명세서에 설명되는 조성물로부터 형성될 수 있다. 다층 필름을 형성하기 위해 사용되는 조성물의 선택은 다수의 물리적 파라미터에 영향을 줄 수 있고, 그와 같이, 더 낮은 기초 중량 그리고 더 높은 인장 및 시일 강도와 같은 개선된 특징을 제공할 수 있다. 개선된 특징을 갖는 상업적 다층 필름의 예는 미국 특허 제7,588,706호에 기재되어 있다.

다층 필름은 3층 배열체를 포함할 수 있고, 제1 필름 층 및 제3 필름 층은 표피 층을 형성하고 제2 필름 층은 제1 필름 층과 제3 필름 층 사이에 형성되어 코어 층을 형성한다. 제3 필름 층은 제1 필름 층과 동일 또는 상이할 수 있어, 제3 필름 층이 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 포함할 수 있다. 3개 초과의 층을 갖는 다층 필름을 형성하기 위해 유사한 필름 층이 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 다층 필름의 경우, 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 상이한 층에 상이한 양으로 갖는 것이 고려된다. 다층 필름을 사용하는 하나의 기법은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물의 위치를 제어하는 것이다. 예를 들어, 3층 필름에서, 코어 층은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 함유할 수도 있는 반면 외층은 함유하지 않는다. 대안적으로, 내층은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 함유하지 않을 수도 있고, 외층은 본 명세서에 설명되는 바와 같은 조성물을 함유한다.

비상용성 층이 다층 필름에 인접해 있는 경우, 타이 층(tie layer)이 바람직하게 그들 사이에 위치될 수 있다. 타이 층의 목적은 비상용성 재료들 사이의 과도적 및 적정한 접착성을 제공하는 것이다. 접착제 또는 타이 층은 전형적으로, 신장, 왜곡, 또는 변형될 때 탈층을 나타내는 층들 사이에 사용된다. 탈층은 미시적인 분리 또는 거시적인 분리일 수 있다. 어느 경우든, 필름의 성능은 이러한 탈층에 의해 약화될 수 있다. 따라서, 이러한 탈층을 제한 또는 제거하기 위해 층들 사이에 적정한 접착성을 나타내는 타이 층이 사용된다.

타이 층은 일반적으로 비상용성 재료들 사이에서 유용하다. 예를 들면, 폴리올레핀 및 코폴리(에스테르-에테르)가 인접한 층들일 때, 타이 층이 일반적으로 유용하다.

타이 층은 인접한 재료들의 성질에 따라 선택되고, 제2 재료(예컨대, 극성 및 친수성 층)와 상용성이거나 또는 상호작용하는 반응성 기 및 하나의 재료(예컨대, 비극성 및 소수성 층)와 상용성이고 그리고/또는 그 재료와 동일하다.

타이 층에 대한 적합한 백본(backbone)은 폴리에틸렌(저밀도 - LDPE, 선형 저밀도 - LLDPE, 고밀도 - HDPE, 및 초저밀도 - VLDPE) 및 폴리프로필렌을 포함한다.

반응성 기는 이러한 백본에 그래프팅되는 그래프팅 단량체일 수 있고, 적어도 하나의 알파- 또는 베타-에틸렌계 불포화 카르복실산 또는 무수물, 또는 그의 유도체이거나 또는 이들을 함유한다. 모노-, 다이-, 또는 폴리카르복실산일 수도 있는, 이러한 카르복실산 및 무수물의 예는, 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 이타콘산, 크로톤산, 이타콘산 무수물, 말레산 무수물, 및 치환된 말산 무수물, 예컨대, 다이메틸 말레산 무수물이다. 불포화 산의 유도체의 예는 염, 아미드, 이미드 및 에스테르, 예컨대, 모노- 및 다이소듐 말레에이트, 아크릴아미드, 말레이미드 및 다이에틸 푸말레이트이다.

특히 바람직한 타이 층은, 에틸렌과 공중합될 수 있는 하나 이상의 불포화 단량체 0.1 내지 30 중량 퍼센트와 에틸렌의 저 분자량 중합체, 예컨대, 말레산, 푸마르산, 아크릴산, 메타크릴산, 비닐 아세테이트, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 부타디엔, 일산화탄소 등이다. 아크릴산 에스테르, 말레산 무수물, 비닐 아세테이트, 및 메틸아크릴산이 바람직하다. 말레산 무수물을 갖는 그래프팅 단량체가 가장 바람직하기 때문에 무수물이 특히 바람직하다.

타이 층으로서 사용하기에 적합한 재료의 예시적인 부류는, 듀폰에 의해 상표명 바이넬(Bynel)®, 예컨대 바이넬® 3860으로 판매되는 무수물 개질된 에틸렌 비닐 아세테이트로서 알려진 재료의 부류이다. 타이 층으로서 사용하기에 적합한 다른 재료는, 듀폰에 의해 상표명 바이넬®, 예컨대 바이넬® 2169로 또한 판매되는 무수물 개질된 에틸렌 메틸 아크릴레이트이다. 타이 층으로서 사용하기에 적합한 말레산 무수물 그래프트 폴리올레핀 중합체는 또한 미국 펜실베이니아주 필라델피아 소재의 엘프 아토켐 노스 아메리카, 기능성 중합체 부문(Elf Atochem North America, Functional Polymers Division)으로부터 오레백(Orevac)™으로 입수가능하다.

대안적으로, 타이 층 재료로서 사용하기에 적합한 중합체는, 본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름의 층들 중 하나 이상 층의 조성물에 혼입될 수 있다. 이러한 혼입에 의해, 다양한 층의 특성은 그들의 상용성을 개선시키고 탈층의 위험을 감소시키도록 개질된다.

타이 층 외의 다른 중간층은 본 명세서에 개시되는 다층 필름에 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리올레핀 조성물의 층은 압출된 웨브에 추가적인 기계적 강도를 제공하기 위해 친수성 수지의 2개의 외층들 사이에 사용될 수 있다. 임의의 수의 중간층이 사용될 수도 있다.

중간층을 형성하는 데에 사용하기 위한 적합한 열가소성 재료의 예는, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 메틸 아크릴레이트(EMA), 폴리프로필렌, 및 폴리(비닐 클로라이드)와 같은 폴리에틸렌 수지를 포함한다. 이러한 유형의 바람직한 중합체 층은 소수성 층에 대해 전술된 것들과 실질적으로 동등한 기계적 특성을 갖는다.

본 명세서에 설명되는 조성물로부터 형성된다는 점에 추가하여, 필름은 추가적인 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 불투명화제(opacifying agent)가 필름 층들 중 하나 이상의 층에 첨가될 수 있다. 이러한 불투명화제는 산화철, 카본 블랙, 알루미늄, 산화알루미늄, 이산화티타늄, 활석 및 그들의 조합을 포함할 수 있다. 이들 불투명화제는 필름의 0.1 중량% 내지 5 중량%, 또는 필름의 0.3 중량% 내지 3 중량%를 포함할 수 있다. 다른 적합한 불투명화제가 다양한 농도로 채용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 불투명화제의 예는 미국 특허 제6,653,523호에 기재되어 있다.

또한, 필름은 다른 첨가제, 예를 들어 다른 중합체 재료(예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리메틸펜텐, 그들의 임의의 조합 등), 충전제(예컨대, 유리, 활석, 탄산칼슘 등), 몰드 이형제, 난연제, 도전제, 정전기 방지제, 안료, 산화방지제, 충격 개질제, 안정제(예컨대, UV 흡수제), 습윤제, 염료, 필름 정전기 방지제 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 필름 정전기 방지제는 양이온제, 음이온제 및 비이온제를 포함한다. 양이온제는, 알킬 기 치환체 및 클로라이드, 메토설페이트, 또는 니트레이트와 같은 회합된 음이온과 함께, 암모늄, 포스포늄 및 설포늄 양이온을 포함한다. 고려되는 음이온제는 알킬설포네이트를 포함한다. 비이온제는 폴리에틸렌 글리콜, 유기 스테아레이트, 유기 아미드, 글리세롤 모노스테아레이트(GMS), 알킬 다이-에탄올아미드, 및 에톡실화 아민을 포함한다.

필름 제조 방법

본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름은 종래의 공압출 필름-제조 장비에서 필름을 제조하기 위한 종래의 절차를 이용하여 처리될 수 있다. 일반적으로, 중합체는 캐스트 또는 블로운 필름 압출 방법 - 둘 모두가 문헌[Plastics Extrusion Technology-2nd Ed., by Allan A. Griff (Van Nostrand Reinhold-1976)]에 기재되어 있음 - 을 이용하여 필름으로 용융 처리될 수 있다.

캐스트 필름은 선형 슬롯 다이를 통해 압출된다. 일반적으로, 플랫 웨브는 큰 이동식 연마된 금속 롤(냉각 롤) 상에서 냉각된다. 그것은 신속하게 냉각되고, 제1 롤을 박리하고, 하나 이상의 보조 롤을 지나간 후, 고무로 코팅된 당김 롤 또는 "인취기(haul-off)" 롤의 세트를 통하여, 최종적으로 권취기로 전달된다.

블로운 필름 압출에서, 용융물은 얇은 환상 다이 개구를 통해 상방으로 압출된다. 이 프로세스는 또한 튜브형 필름 압출로 불린다. 튜브를 부풀리기 위해 다이의 중심을 통해 공기가 도입되어 튜브가 팽창하도록 한다. 그리하여 내부 공기압, 압출 속도, 및 인취기 속도의 동시 제어에 의해 일정한 크기로 유지되는 이동 버블이 형성된다. 필름의 튜브는 튜브를 둘러싸는 하나 이상의 냉각 링을 통해 블로잉된 공기에 의해 냉각된다. 이어서 튜브를 한 쌍의 당김 롤을 통해 평탄화 프레임 내로 그리고 권취기 내로 연신함으로써 튜브가 붕괴(collapse)된다.

공압출 프로세스는 다층 필름 구조를 달성하기 위해 1 초과의 압출기, 및 공압출 피드블록 또는 다중 매니폴드 다이 시스템 또는 이 둘의 조합 중 어느 하나를 요구한다. 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제4,152,387호 및 제4,197,069호에는 공압출의 피드블록 및 다중 매니폴드 다이 원리가 개시되어 있다. 다수의 압출기가 피드블록에 연결되는데, 이것은 유동 채널을 통과하는 중합체의 체적에 직접 관련하여 각 개별 유동 채널의 기하학적 형상을 비례적으로 변화시키기 위해 가동 유동 분할기를 채용할 수 있다. 유동 채널은 그들의 합류점에서 재료가 동일한 유속 및 압력으로 함께 흐르도록 하여 계면 응력 및 유동 불안정성을 최소화하도록 설계된다. 일단 재료가 피드블록에서 합쳐지면, 그들은 복합 구조로서 하나의 매니폴드 다이 내로 흐른다. 피드블록 및 다이 시스템의 다른 예는, 본 명세서에 참고로 포함된 문헌[Extrusion Dies for Plastics and Rubber, W. Michaeli, Hanser, New York, 2nd Ed., 1992]에 개시되어 있다. 그것은 재료의 용융 점도, 법선 응력 차이, 및 용융 온도가 너무 크게 다르지 않은 그러한 프로세스에서 중요할 수도 있다. 그렇지 않으면, 층 캡슐화 또는 유동 불안정성이 다층 필름에서의 비평면 계면으로부터의 결함(예컨대, 피시 아이(fish eye)) 및 층 두께 분포의 열악한 제어를 야기하는 다이를 초래할 수도 있다.

피드블록 공압출에 대한 대안은, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제4,152,387호, 제4,197,069호 및 제4,533,308호에 개시되는 바와 같은 다중 매니폴드 또는 베인 다이(vane die)이다. 피드블록 시스템에서는 용융 스트림이 다이 본체에 들어가기 전에 바깥에서 모여지는 반면, 다중 매니폴드 또는 베인 다이에서는 각 용융 스트림이 다이에서 그 자신의 매니폴드를 보유하며 중합체는 그들 각각의 매니폴드에서 독립적으로 퍼진다. 용융 스트림은 전체 다이 폭에서 각각의 용융 스트림을 갖는 다이 출구 근방에서 합쳐진다. 가동 베인은 유동 채널을 통해 유동하는 재료의 체적에 정비례해서 각 유동 채널의 출구의 조절기능을 제공하여, 용융물이 동일한 유속, 압력 및 원하는 폭에서 함께 유동할 수 있게 한다.

중합체의 용융 유동 특성 및 용융 온도가 매우 다양하기 때문에, 베인 다이의 사용은 몇 가지 이점을 갖는다. 이 다이는 단열 특성이 좋아 매우 다른 용융 온도, 예를 들어 최대 80℃(175℉)의 중합체들이 함께 처리될 수 있다.

베인 다이에서의 각 매니폴드는 특정 중합체에 맞춰 설계될 수 있다. 따라서 각 중합체의 유동은 단지 그 매니폴드의 설계에 의해서만 영향을 받으며, 다른 중합체에 의해 가해지는 힘에 의해서는 영향을 받지 않는다. 이것은 매우 다른 용융 점도를 가진 재료들이 다층 필름으로 공압출될 수 있도록 한다. 게다가, 베인 다이는 또한 개별 매니폴드의 폭을 조정하는 능력을 제공하여, 내층이 노출된 에지를 남기지 않고 외층에 의해 완전히 둘러싸일 수 있도록 한다. 피드블록 시스템 및 베인 다이는 더욱 복잡한 다층 구조를 달성하기 위해 사용될 수 있다.

당업자는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름을 제조하기 위해 사용되는 압출기의 크기가 원하는 생산율에 의존하고 그리고 몇 가지 크기의 압출기들이 사용될 수도 있음을 인식할 것이다. 적합한 예는 직경이 2.5 cm(1 인치) 내지 3.7 cm(1.5 인치)이고 길이/직경 비가 24 또는 30인 압출기를 포함한다. 더 큰 제조 요구에 의해 필요시, 압출기 직경은 범위가 상향될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 필름을 제조하기 위해 6.4 cm(2.5 인치) 내지 10 cm(4 인치)의 직경을 갖는 압출기가 사용될 수 있다. 범용 스크류가 사용될 수도 있다. 적합한 피드블록은 단일 온도 구역의, 고정된 판 블록이다. 분배판은 특정 층 두께를 제공하도록 가공된다. 예를 들어, 3층 필름에 대해, 그 판은 80/10/10 두께 배열의 층을 제공하고, 적합한 다이는 "플렉스 립(flex-lip)" 다이 갭 조절을 이용하는 단일 온도 구역 플랫 다이이다. 다이 갭은 전형적으로 0.5 mm(0.020 인치) 미만이도록 조절되고, 각 세그먼트는 웨브에 걸쳐 균일한 두께를 제공하도록 조절된다. 생산 수요가 요구하는 한 임의의 크기의 다이가 사용될 수도 있지만, 25 내지 35 cm(10 내지 14 인치)의 다이가 적합하다고 밝혀졌다. 냉각 롤은 전형적으로 수냉식이다. 에지 피닝(edge pinning)이 일반적으로 사용되고, 때때로 에어 나이프가 채용될 수도 있다.

일부 공압출 필름의 경우, 냉각 롤 상으로의 점착성 친수성 재료의 배치가 필요할 수도 있다. 배열체가 냉각 롤 상에 점착성 재료를 배치할 때, 점착성 재료와 롤의 접촉을 최소화하기 위해 다이와 냉각 롤 사이에 이형지(release paper)가 공급될 수도 있다. 그러나, 바람직한 배열체는 점착성 재료를 냉각 롤로부터 떨어져 있는 측면 상에 압출하는 것이다. 이 배열체는 대체로 냉각 롤 상에 재료를 들러붙게 하는 것을 피한다. 냉각 롤 위에 배치되는 추가 스트리핑 롤(stripping roll)이 또한 점착성 재료의 제거를 지원할 수도 있고, 또한 필름 냉각을 지원하기 위해 냉각 롤 상에서의 추가적인 체류 시간을 제공할 수 있다.

때때로, 점착성 재료는 하류 롤에 들러붙을 수도 있다. 이러한 문제는, 영향받은 롤 상에 낮은 표면 에너지의 (예컨대, 테플론(Teflon)®) 슬리브를 배치하고, 영향받은 롤 상에 테플론® 테이프를 감쌈으로써, 또는 영향받은 롤 앞에 이형지를 공급함으로써 최소화될 수 있다. 마지막으로, 점착성 재료가 권취된 롤 상을 독자적으로 블로킹할 수도 있다고 생각되는 경우, 이형지가 권취 직전에 추가될 수도 있다. 이것은 권취된 롤 상의 저장 동안 필름의 블로킹을 방지하는 표준 방법이다. 처리 보조제, 이형제 또는 오염물은 최소화되어야 한다. 일부 경우에, 이들 첨가제는 표면에 블루밍(bloom)할 수 있고, 친수성 표면의 표면 에너지를 감소시킬 (접촉각을 높일) 수 있다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 다층 필름을 제조하는 대안적인 방법은 개별 층들 중 하나에 대해 적합한 재료를 포함하는 웨브를 압출하는 것이다. 플랫 필름을 형성하는 당업계에 알려진 바와 같은 압출 방법이 적합하다. 이러한 웨브는 이어서 이하에 서술되는 방법을 이용하여 유체 투과성 웨브로의 성형을 위해 적합한 다층 필름을 형성하기 위해 적층될 수도 있다. 인식되듯이, 다층 필름을 형성하기 위해서 웨브를 합치기 위해 핫 멜트 접착제와 같은 적합한 재료가 사용될 수 있다. 바람직한 접착제는 선형 스티렌 아이소프렌 스티렌("SIS") 핫 멜트 접착제와 같은 감압(pressure sensitive) 핫 멜트 접착제이지만, 다른 접착제, 예를 들어 폴리아미드 분말 접착제의 폴리에스테르, 폴리에스테르, 폴리아미드 또는 낮은 잔류 단량체 폴리우레탄과 같은 상용화제를 갖는 핫 멜트 접착제, 다른 핫 멜트 접착제, 또는 다른 감압 접착제가 본 발명의 다층 필름을 제조할 때에 활용될 수 있다고 예상된다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름을 제조하는 다른 대안적인 방법에서, 베이스 또는 캐리어 웨브가 별도로 압출될 수 있고, 필름을 형성하기 위해 압출 코팅 프로세스를 이용하여 그 위에 하나 이상의 층이 압출될 수 있다. 바람직하게, 캐리어 웨브는, 25 마이크로미터 미만의 두께를 갖는 매우 얇은 필름을 형성하도록 하기 위해 압출기 속도와 조율된 속도에서 압출 다이 아래를 통과한다. 용융된 중합체 및 캐리어 웨브는, 용융된 중합체가 냉각하고 캐리어 웨브와 접합함에 따라 긴밀하게 접촉된다.

상기 언급된 바와 같이, 타이 층이 층들 사이의 접합을 강화시킬 수 있다. 접촉 및 접합은 또한 일반적으로, 2개의 롤들 사이에 형성되는 닙(nip)을 통해 층들을 통과시킴으로써 강화된다. 접합은, 당업계에 알려져 있고 문헌[Modern Plastics Encyclopedia Handbook, p. 236 (1994)]에 기재되어 있는 바와 같은, 코로나(corona) 처리와 같은 표면 처리를, 필름에 접촉할 캐리어 웨브의 표면에 실시함으로써 추가로 강화될 수도 있다.

문헌[K. R. Osborn and W. A. Jenkins in "Plastic Films, Technology and Packaging Applications" (Technomic Publishing Co., Inc. (1992))]에 기재되어 있는 바와 같이 단층 필름 층이 튜브형 필름(즉, 블로운 필름 기법) 또는 플랫 다이(즉, 캐스트 필름)를 통해 제조되는 경우, 필름은 다층 필름을 형성하기 위해 다른 패키징 재료 층으로의 접착제 또는 압출 적층의 추가적인 후압출 단계를 거칠 수 있다. 필름이 2개 이상의 층의 공압출물인 경우, 필름은 여전히 최종 필름의 다른 물리적인 요건에 의존하여, 패키징 재료의 추가적인 층으로 적층될 수 있다. 문헌["Laminations Vs. Coextrusion" by D. Dumbleton (Converting Magazine (September 1992)]에는 또한 적층 대 공압출이 서술되어 있다. 본 명세서에서 고려되는 필름은 또한 2축 배향 프로세스와 같은 다른 후압출 기법을 거칠 수 있다.

유체 투과성 웨브

본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름은 흡수 용품에서의 톱시트로서 사용하기에 적합한 유체 투과성 웨브로 성형될 수 있다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 유체 투과성 웨브는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름을 거시적으로 팽창시킴으로써 바람직하게 형성된다. 유체 투과성 웨브는 복수의 거대공극(macroaperture), 미세공극(microaperture) 또는 이들 둘 모두를 포함한다. 거대공극 및/또는 미세공극은 당업계에 알려져 있는 바와 같이 엠보싱 또는 천공(예컨대, 다수의 핀을 갖는 롤을 사용함)과 같은 방법에 의해 공극 형성된 웨브보다 더 소비자에게 선호되는 섬유 형상 또는 천 형상의 외관을 유체 투과성 웨브에 제공한다. 당업자는 필름에 공극을 제공하는 이러한 방법이 또한 본 명세서에 개시되는 바와 같은 필름에 공극을 제공하는 데에 유용하다고 인식할 것이다. 유체 투과성 웨브가 흡수 용품에서의 사용을 위한 톱시트로서 본 명세서에 설명되어 있지만, 당업자는 이들 웨브가 붕대, 농업용 피복물 및 표면을 통한 유체 유동을 관리하는 것이 바람직한 유사한 용도와 같은 기타 다른 용도를 갖는다는 것을 이해할 것이다.

거대공극 및 미세공극은, 바람직하게는 필름의 반대 표면에 인접하여 진공을 가하면서, 필름의 일 표면에 대하여 물 등으로 구성된 고압 유체 분사(fluid jet)를 가함으로써 형성된다. 일반적으로, 필름은 대향 표면들을 갖는 형성 구조의 일 표면 상에 지지된다. 형성 구조는 다수의 공극을 구비하는데, 공극은 그들을 통해서 서로 유체 연통되게 대향 표면들을 배치한다. 형성 구조는 고정식 또는 이동식일 수도 있지만, 예시적인 실행은 형성 구조를 연속적인 프로세스의 부분으로서 사용하고, 여기서 필름은 이동 방향을 가지며 형성 구조는 필름을 지지하면서 이동 방향으로 필름을 운반한다. 유체 분사 및, 바람직하게 진공은 협력하여 필름의 두께에 걸쳐 유체 압력 차이를 제공하여서, 필름이 강제로 형성 구조에 맞춰지게 하고 그리고 형성 구조에서의 공극과 일치하는 영역에서 파열되게 한다.

필름은 차례대로 2개의 형성 구조 위를 지나간다. 제1 형성 구조는 다수의 미세 스케일 공극을 구비하고 있는데, 미세 스케일 공극은, 전술된 유체 압력 차이에 노출될 때, 필름의 웨브에서의 미세공극의 형성을 야기한다. 제2 형성 구조는 다수의 거시적인 단면 공극에 의해 한정되는 거시적인 3차원 단면을 나타낸다. 제2 유체 압력 차이에 노출될 때, 필름은 미세 스케일 공극의 무결성을 실질적으로 유지하면서 제2 형성 구조에 실질적으로 맞춰진다.

이러한 공극 형성 방법은 "하이드로포메이션(hydroformation)"이라고 알려져 있고, 미국 특허 제4,609,518호; 제4,629,643호; 제4,637,819호; 제4,681,793호; 제4,695,422호; 제4,778,644호; 제4,839,216호; 및 제4,846,821호에 더욱 상세하게 기재되어 있으며, 이들 각각의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

공극 형성된 웨브는 또한 진공 성형과 같은 방법에 의해 그리고 펀칭과 같은 기계적인 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 진공 성형은 미국 특허 제4,463,045호에 개시되어 있고, 그의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 기계적인 방법의 예는 미국 특허 제4,798,604호; 제4,780,352호; 및 제3,566,726호에 개시되어 있고, 그들의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

성형품

본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물은 성형품 또는 압출품으로 성형될 수 있다. 성형품은 암형 주형(female mold)에 의해 정의되는 형상 내로 기체에 의해 사출, 압축 또는 블로잉될 때 형성되는 물체이다. 성형품 또는 압출품은 고형물일 수 있는데, 예를 들어 장난감, 또는 중공(hollow) 물품, 예를 들어 병, 용기, 탐폰 어플리케이터, 체구(bodily orifice) 내로 의약품을 삽입하기 위한 어플리케이터, 단일 사용을 위한 의료 기기, 외과용 기기 등일 수 있다. 성형품 및 그들을 제조하기 위한 프로세스는 일반적으로, 예컨대, 미국 특허 제6,730,057호 및 미국 특허 출원 공개 제2009/0269527호에 기재되어 있고, 이들 각각은 본 명세서에 참고로 포함된다.

본 명세서에 개시되는 조성물은 개인용 케어 제품, 가정용 청소 제품, 및 세탁용 세제 제품과 같은 용기 물품을 제조하고, 그리고 이러한 물품을 패키징하는 데 적합하다. 개인용 케어 제품은 화장품, 모발 케어, 스킨 케어, 및 구강 케어 제품, 즉, 샴푸, 비누, 치약을 포함한다. 따라서, 본 명세서에 설명되는 조성물을 포함하는 용기 또는 병과 같은, 제품 패키징이 본 명세서에 추가로 개시된다. 용기는 용기의 하나 이상의 요소, 예컨대, 본체, 뚜껑, 노즐, 손잡이, 또는 용기 전체, 예컨대 본체와 뚜껑을 말할 수 있다.

또한, 성형품은 다른 첨가제, 예를 들어 다른 중합체 재료(예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리메틸펜텐, 그들의 임의의 조합 등), 충전제(예컨대, 유리, 활석, 탄산칼슘 등), 이형제, 난연제, 도전제, 필름 정전기 방지제, 안료, 산화방지제, 충격 개질제, 안정제(예컨대, UV 흡수제), 습윤제, 염료, 또는 그들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 성형품 정전기 방지제는 양이온제, 음이온제 및, 바람직하게 비이온제를 포함한다. 양이온제는, 알킬 기 치환체 및 클로라이드, 메토설페이트, 또는 니트레이트와 같은 회합된 음이온과 함께, 암모늄, 포스포늄 및 설포늄 양이온을 포함한다. 고려되는 음이온제는 알킬설포네이트를 포함한다. 비이온제는 폴리에틸렌 글리콜, 유기 스테아레이트, 유기 아미드, 글리세롤 모노스테아레이트(GMS), 알킬 다이-에탄올아미드, 및 에톡실화 아민을 포함한다.

성형품 제조 방법

본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물의 성형품은 파이프, 튜브, 프로파일 또는 케이블의 사출 성형, 블로 성형, 압축 성형, 또는 압출과 같은 다양한 기법을 이용하여 제조될 수 있다.

본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물의 사출 성형은 조성물을 용융될 때까지 가열한 다음, 폐쇄된 주형에 넣고 여기서 형상화하고 최종적으로 냉각시켜 고형화하는 다단계 프로세스이다. 조성물은 원치않는 열분해를 최소화하기 위해 180℃ 미만, 더 전형적으로는 160℃ 미만의 용융 온도에서 용융 처리된다. 사출 성형에 사용되는 기계의 3가지 공통 유형은 램(ram), 사출을 갖는 스크류 플라스틱케이터(screw plasticator), 및 왕복식 스크류 디바이스(문헌[Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 8, pp. 102-138, John Wiley and Sons, New York, 1987 ("EPSE-3")] 참조)이다.

램 사출 성형기는 실린더, 스프레더, 및 플런저로 이루어진다. 플런저는 주형 내에서 용융물을 가압한다. 제2 스테이지 사출을 갖는 스크류 플라스틱케이터는 플라스틱케이터, 방향 밸브, 스프레더가 없는 실린더, 및 램으로 구성된다. 스크류에 의한 가소화 후에, 램은 용융물을 주형 내로 밀어 넣는다. 왕복식 스크류 사출기는 배럴 및 스크류로 이루어진다. 스크류가 회전하여 재료를 용융 및 혼합시킨 다음 전방으로 이동하여 용융물을 주형 내로 밀어 넣는다.

적합한 사출 성형기의 예는 주형, 노즐, 및 각각이 열전대 및 온도 제어 유닛이 장착된 구역들로 분할된 배럴을 갖는 엔겔 타이바레스(Engel Tiebarless) ES 60 TL 장치이다. 사출 성형기의 구역들은 전방, 중앙, 및 후방 구역으로서 설명될 수 있으며, 이로써 펠릿은 제어된 온도 하에 전방 구역으로 도입된다. 사출 성형기의 노즐, 주형, 및 배럴 구성요소의 온도는 조성물의 용융 처리 온도 및 사용된 주형에 따라 달라질 수 있지만, 전형적으로 하기 범위 내에 있을 것이다: 노즐, 120 내지 170℃; 전방 구역, 100 내지 160℃; 중앙 구역 100 내지 160℃; 후방 구역 60 내지 150℃; 및 주형, 5 내지 50℃. 기타 전형적인 처리 조건은 2100 ㎪ 내지 13,790 ㎪의 사출 압력, 2800 ㎪ 내지 11,030 ㎪의 유지 압력, 2초 내지 15초의 유지 시간, 및 2 cm/초 내지 20 cm/초의 사출 속도를 포함한다. 기타 적합한 사출 성형기의 예로는 반 돈 모델(Van Dorn Model) 150-RS-8F, 베튼펠드 모델(Bettenfeld Model) 1600, 및 엔겔 모델(Engel Model) ES80이 있다.

압축 성형은 개방 다이의 하부 반부에 본 명세서에 개시되는 바와 같은 다량의 조성물을 채우는 것을 수반한다. 다이의 상부 반부 및 저부 반부는 압력 하에서 합쳐진 후, 용융된 조성물이 다이의 형상에 맞춰진다. 이어서, 주형이 냉각되어 플라스틱을 경화시킨다.

블로 성형은 병 및 기타 중공 물체를 제조하는 데 사용된다(EPSE-3 참조). 이 프로세스에서, 패리슨(parison)으로 알려진 용융된 조성물의 튜브가, 폐쇄된 중공 주형 내로 압출된다. 이어서, 패리슨은 기체에 의해 팽창되어, 주형 벽에 대하여 조성물을 밀어낸다. 후속 냉각이 플라스틱을 경화시킨다. 이어서, 주형은 개방되고 물품이 제거된다.

블로 성형은 사출 성형에 비해 많은 이점이 있다. 사용되는 압력이 사출 성형보다 훨씬 낮다. 블로 성형은 전형적으로 플라스틱과 주형 표면 사이에 0.17 내지 0.7 MPa(25 내지 100 psi)의 압력에서 달성될 수 있다. 그에 비해, 사출 성형 압력은 69 내지 138 MPa(10,000 내지 20,000 psi)에 달할 수 있다(EPSE-3 참조). 조성물이 주형을 통해 용이한 유동을 하기에 너무 높은 분자량을 갖는 경우, 블로 성형이 선택되는 기법이다. 고분자량 중합체는 저분자량 유사물보다 종종 더 우수한 특성을 갖는데, 예를 들면, 고분자량 재료가 환경 응력 균열에 대한 저항성이 더 크다. (EPSE-3 참조). 블로 성형에 의하면 제품에서 매우 얇은 벽을 만드는 것이 가능하다. 이는 조성물이 덜 사용되며, 고형화 시간이 짧아져서, 재료 유지 비용이 절감되고 작업처리량이 증가함을 의미한다. 블로 성형의 또 다른 중요 특징은 암형 주형만을 사용하기 때문에, 패리슨 노즐에서의 압출 조건의 약간의 변화가 벽 두께를 변화시킬 수 있다는 점이다(EPSE-3 참조). 이는 필요한 벽 두께가 미리 예측될 수 없는 구조라면 이점이 된다. 몇몇 두께의 물품들이 평가될 수 있고, 사양을 충족시키는 가장 얇고 그래서 가장 가볍고 가장 값싼 물품이 사용될 수 있다.

압출은 파이프, 튜브, 로드, 케이블, 또는 프로파일 형상과 같은 압출품을 형성하는 데 사용된다. 조성물이 가열실에 공급되고 연속 회전 스크류에 의해 가열실을 통해 이동된다. 단축 또는 2축 스크류 압출기가 통상적으로 플라스틱 압출을 위해 사용된다. 조성물은 가소화되어 파이프 다이 헤드를 통해 이송된다. 인취기는 교정 다이(calibration die), 진공 탱크 교정 유닛 및 냉각 유닛을 갖는 교정 및 냉각 섹션을 통해 파이프를 잡아당긴다. 강성 파이프는 소정 길이로 절단되는 반면에 가요성 파이프는 권취된다. 프로파일 압출은 1단계 프로세스로 수행될 수도 있다. 압출 절차는 문헌[Hensen, F., Plastic Extrusion Technology, p43-100]에 추가로 기재되어 있다.

탐폰 어플리케이터는 다양한 성형 또는 압출 기법을 이용하여 원하는 형상 또는 구성으로 성형 또는 압출되어, 외부 튜브형 부재 및 내부 튜브형 부재 또는 플런저를 포함하는 어플리케이터를 제공한다. 외부 튜브형 부재 및 플런저는 상이한 성형 또는 압출 기법에 의해 제조될 수 있다. 외부 부재는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물로부터 성형 또는 압출될 수 있고, 플런저는 다른 재료로부터 성형 또는 압출될 수 있다.

일반적으로, 탐폰 어플리케이터를 제조하는 프로세스는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물을 배합기 내에 채우는 것을 수반하고, 조성물은 용융 블렌드되고 펠릿으로 처리된다. 이어서, 펠릿은 사출 성형 장치를 사용하여 탐폰 어플리케이터로 제작된다. 사출 성형 프로세스는 전형적으로는 제어된 온도, 시간, 및 속도 하에 수행되고, 용융된 조성물이 주형 내로 사출되고, 냉각된 다음, 원하는 플라스틱 제품으로 성형되도록 조성물을 용융 처리하는 것을 수반한다. 대안적으로, 조성물을 사출 성형 장치에 직접 채워서 원하는 탐폰 어플리케이터로 용융 성형할 수 있다.

탐폰 어플리케이터를 제조하는 절차의 하나의 예는 조성물을 조성물의 용융 온도보다 높은 온도에서 압출하여 로드를 형성시키는 것, 로드를 펠릿으로 절단하는 것, 및 펠릿을 원하는 탐폰 어플리케이터 형태로 사출 성형하는 것을 수반한다.

열가소성 조성물을 용융 블렌드하는 데 통상 사용되는 배합기는 일반적으로 단축 스크류 압출기, 2축 스크류 압출기, 및 혼련 압출기이다. 본 명세서에서 사용하기에 적합한 구매가능한 압출기의 예로는 블랙클로슨(Black-Clawson) 단축 스크류 압출기, 워너 앤드 플라이더러의 동방향 회전식 2축 스크류 압출기, HAAKE.RTM. 폴리랩 시스템(Polylab System) 역방향 회전식 2축 스크류 압출기, 및 버스(Buss) 혼련 압출기가 있다. 중합체 배합 및 압출 성형의 일반적인 서술은 문헌[Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Vol. 6, pp. 571-631, 1986, and Vol. 11, pp. 262-285, 1988; John Wiley and Sons, New York]에 개시되어 있다.

탐폰 어플리케이터는, 포장재가 오염 방지성이고 건성 폐기물과 함께 처리될 수 있다면 임의의 적합한 포장재로 패키징될 수 있다. 그들의 처리에 대한 환경적 염려를 최소한으로 발생시키거나 또는 전혀 발생시키지 않는 생분해성 재료로부터 제조된 포장재가 고려된다. 탐폰 어플리케이터는 종이, 부직포, 셀룰로오스, 열가소성 물질, 또는 임의의 다른 적합한 재료, 또는 이들 재료의 조합들로부터 제조된 포장재로 패키징될 수 있음이 또한 고려된다.

성형품을 제조하는 방법에 상관없이, 프로세스는 어닐링 사이클을 수반한다. 어닐링 사이클 시간은 성형품을 제조하는 프로세스의 유지 시간과 냉각 시간의 합이다. 특정한 주형에 대해 실질적으로 최적화된 프로세스 조건 하에서, 어닐링 사이클 시간은 그 조성물의 함수이다. 실질적으로 최적화된 프로세스 조건은 성형 장치의 구역, 노즐 및 주형의 온도 설정, 숏(shot) 크기, 사출 압력, 및 유지 압력이다. 본 명세서에서 제공되는 어닐링 사이클 시간은 본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물로부터 성형품 또는 압출품을 형성하기 위한 어닐링 사이클 시간보다 적어도 10초 더 작다. 본 명세서에서 제공되는 바와 같은 엔겔 타이바레스(Engel Tiebarless) ES 60 TL 사출 성형기를 사용하여 제조되는, 치수가 길이(L) 12.7 mm(1/2 인치) × 폭(W) 3.175 mm(1/8 인치) × 높이(H) 1.5875 mm(1/16 인치)인 도그본 인장 바(dogbone tensile bar)는 본 명세서에서의 어닐링 사이클 시간을 측정하기 위한 성형품 또는 압출품의 대표로서의 표준 물품을 제공한다.

유지 시간은 부품이 초기 재료 사출 후에 유지 압력 하에 유지되는 시간 길이이다. 결과는 성형품 또는 압출품의 표면으로부터 20cm 거리 떨어져 (시력이 20--20이고 시력 결함이 없는 사람의) 육안으로 측정하면, 외면에서, 바람직하게는 외면 및 내면(적용 가능할 경우) 둘 모두에서 기포 및/또는 싱크 마크(sink mark), 바람직하게는 이들 둘 모두가 가시적으로 관찰되지 않는다는 것이다. 이는 부품의 정밀도 및 장식적인 품질을 보증하는 것이다. 주형 설계에 의해 수축이 고려된다. 그러나, 1.5% 내지 5%, 1.0% 내지 2.5%, 또는 1.2% 내지 2.0%의 수축이 발생할 수 있다. 짧은 유지 시간은, 부품이 상기에 기재한 시각 테스트를 통과하지 못하거나, 주형의 형상 및 감촉과 일치하지 않거나, 완전히 충전되지 않거나, 또는 과도한 수축을 나타낼 때까지 유지 시간을 감소시킴으로써 결정된다. 이어서, 이러한 현상이 일어나는 시간 이전의 시간 길이는 더 짧은 유지 시간으로서 기록된다.

냉각 시간은 부품이 주형 내에서 고형화되고 주형으로부터 용이하게 배출되는 시간이다. 주형은 적어도 2개의 부품을 포함하여, 성형품이 쉽게 제거되도록 한다. 제거를 위해, 주형은 2개의 부품의 구획선에서 개방된다. 최종 성형 부품은 개방된 주형으로부터 수동으로 제거될 수 있거나, 또는 주형이 개방되면서 배출기 시스템에 의해 사람이 개입하지 않고 자동적으로 꺼내질 수 있다. 부품의 기하학적 형상에 따라, 이러한 배출기는 주형에 매설된 핀(pin) 또는 링(ring)으로 구성될 수도 있는데, 이는 주형이 개방될 때 전방으로 밀어내질 수 있다. 예를 들면, 주형은 표준 다이얼 유형(dial-type) 또는 기계적 로드 유형(rod-type) 배출기 핀을 포함하여 성형 부품의 배출을 기계적으로 도울 수 있다. 적합한 크기의 로드 유형 배출기 핀은 3.175 mm(1/8") 등이다. 부품이 주형에 구속되어 용이하게 배출되어 나올 수 없을 때까지 냉각 시간을 감소시킴으로써 더 짧은 냉각 시간이 결정된다. 이어서, 부품이 구속되는 시간 이전의 시간 길이는 더 짧은 냉각 시간으로서 기록된다.

조성물의 열분해를 피하기에 충분히 낮게, 하지만 성형을 위한 조성물의 자유 유동을 허용하기에 충분히 높게 설정된 처리 온도가 사용된다. 조성물은 열분해를 최소화하기 위해 180℃ 미만, 또는 더 전형적으로는 160℃ 미만의 용융 온도에서 용융 처리된다. 일반적으로, 중합체는 소정 시간 동안의 용융 후 분해 온도보다 높은 온도에 노출될 경우 열분해될 수 있다. 본 개시내용의 견지에서 당업자에게 이해되는 바와 같이, 열분해를 야기하기 위해 요구되는 특정 시간은 특정한 조성물, 용융 온도(Tm) 초과에서의 시간 길이, 및 Tm 초과의 도수에 의존할 것이다. 온도는 열분해의 위험을 최소화하기 위해서 중합체 용융물의 자유 유동을 허용할만큼 합리적으로 가능한 한 낮게 될 수 있다. 압출 동안, 압출기 내의 높은 전단력은 압출기 내의 온도를 설정 온도보다 더 높게 증가시킨다. 따라서, 설정 온도는 재료의 용융 온도보다 낮을 수도 있다. 낮은 처리 온도가 또한 사이클 시간을 감소시키는 데 도움이 된다. 예를 들면, 제한 없이, 사출 성형기의 노즐 및 배럴 구성요소의 설정 온도는 중합체 재료의 용융 처리 온도 및 사용된 주형의 유형에 따라 달라질 수 있고, Tm보다 20℃ 낮은 온도로부터 Tm보다 30℃ 높은 온도까지 일 수 있지만, 전형적으로는 이하의 범위에 있을 것이다: 노즐, 120 내지 170℃; 전방 구역, 100 내지 160℃; 중앙 구역, 100 내지 160℃; 구역, 60 내지 160℃. 사출 성형기의 설정된 주형 온도는 또한 조성물의 유형 및 사용된 주형의 유형에 의존한다. 더 높은 주형 온도는 중합체가 더 빨리 결정화하는 것을 돕고 사이클 시간을 감소시킨다. 그러나, 주형 온도가 너무 높을 경우, 부품이 변형된 주형 밖으로 나올 수도 있다. 주형 온도의 비제한적인 예는 5 내지 60℃ 또는 25 내지 50℃를 포함한다.

성형 사출 속도는 조성물의 유량에 의존한다. 유량이 클수록, 사출 성형을 위해 더 낮은 점도, 더 낮은 속도가 필요하다. 사출 속도는 5 cm/초 내지 20 cm/초의 범위일 수 있고, 하나의 실행에서, 사출 속도는 10 cm/초이다. 점도가 높은 경우, 압출기 압력이 용융 재료를 주형 내로 밀어서 주형을 충전하도록 사출 속도가 증가된다. 사출 성형 압력은 처리 온도 및 숏 크기에 의존한다. 자유 유동은 사출 압력에 의존하는데, 사출 압력은 14 Mpa 이하이다.

다양한 실시 형태에서, 본 명세서에 개시되는 조성물 중 임의의 것은 다음의 미국 특허 출원 중 임의의 것에 기재된 성형 프로세스 중 임의의 것에서 사용될 수 있다: (피앤지 일련번호 12127로서) 2012년 5월 21일 출원되고 발명이 명칭이 "낮은 일정한 압력에서 사출 성형을 위한 장치 및 방법(Apparatus and Method for Injection Molding at Low Constant Pressure)"인 미국 특허 출원 제13/476,045호; (피앤지 일련번호 12128로서) 2012년 5월 21일 출원되고 발명이 명칭이 "낮은 일정한 압력 사출 성형 장치를 위한 대안적인 압력 제어(Alternative Pressure Control for a Low Constant Pressure Injection Molding Apparatus)"인 미국 특허 출원 제13/476,047호; (피앤지 일련번호 12129P로서) 2012년 2월 24일 출원되고 발명이 명칭이 "간이화된 냉각 시스템을 갖는 사출 성형(Injection Mold Having a Simplified Cooling System)"인 미국 특허 출원 제61/602,781호; (피앤지 일련번호 12130으로서) 2012년 5월 21일 출원되고 발명이 명칭이 "사출 성형 장치를 위한 비자연적으로 균형화된 공급 시스템(Non-Naturally Balanced Feed System for an Injection Molding Apparatus)"인 미국 특허 출원 제13/476,073호; (피앤지 일련번호 12131Q로서) 2012년 5월 21일 출원되고 발명이 명칭이 "낮은 실질적으로 일정한 압력에서 사출 성형을 위한 방법(Method for Injection Molding at Low, Substantially Constant Pressure)"인 미국 특허 출원 제13/476,197호; (피앤지 일련번호 12132Q로서) 2012년 5월 21일 출원되고 발명이 명칭이 "낮은 실질적으로 일정한 압력에서 사출 성형을 위한 방법(Method for Injection Molding at Low, Substantially Constant Pressure)"인 미국 특허 출원 제13/476,178호; (피앤지 일련번호 12361P로서) 2012년 2월 24일 출원되고 발명이 명칭이 "높은 열 전도율의 공사출 성형 시스템(High Thermal Conductivity Co-Injection Molding System)"인 미국 특허 출원 제61/602,650호; (피앤지 일련번호 12453으로서) 2012년 8월 31일 출원되고 발명이 명칭이 "신종 냉각 유체를 갖는 간이화된 냉각 시스템 또는 간이화된 증발 냉각 시스템을 구비한 사출 성형(Injection Mold Having a Simplified Evaporative Cooling System or a Simplified Cooling System with Exotic Cooling Fluids)"인 미국 특허 출원 제13/601,359호; (피앤지 일련번호 12487로서) 2012년 5월 21일 출원되고 발명이 명칭이 "박육 부품의 실질적으로 일정한 압력 사출 성형을 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Substantially Constant Pressure Injection Molding of Thinwall Parts)"인 미국 특허 출원 제13/476,584호; 및 (피앤지 일련번호 12487로서) 2012년 11월 8일 출원되고 발명이 명칭이 "페일 세이프 압력 메커니즘을 갖는 사출 성형(Injection Mold With Fail Safe Pressure Mechanism)"인 미국 특허 출원 제13/672,246호; 이들 각각은 본 명세서에 참고로 포함된다.

조성물의 특성

본 명세서에 개시되는 바와 같은 조성물은, 알려진 열가소성 조성물에 비해 이점을 제공하는, 다음의 특성 중 하나 이상을 가질 수 있다. 이들 이점은 단독으로 또는 조합되어 존재할 수 있다.

비이동: 중합체-HL 조성물로부터 제조되는 열가소성 물품(예컨대, 섬유, 필름, 성형품)은 비이동성이다. HL의 고유한 화학 구조는 강한 분자간 수소 결합의 형성을 가능하게 하는데, 이는 열가소성 표면으로의 HL의 이동을 방지한다. 중합체-HL 조성물로 제조되거나, 이를 포함하거나, 또는 본질적으로 이로 이루어지는 열가소성 물품(예컨대, 섬유, 필름, 성형품)은, 30분 50℃에서 이동 값이 0 내지 300%, 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이고; 60분 50℃에서 이동 값이 0 내지 300%, 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이고; 90분 50℃에서 이동 값이 0 내지 300%, 0 내지 200%, 또는 0 내지 100%, 또는 0 내지 80%, 또는 0 내지 60%, 또는 0 내지 50%, 또는 0 내지 40%, 또는 0 내지 30%, 또는 0 내지 25%, 또는 0 내지 15%, 또는 0 내지 10%, 또는 0 내지 5%, 또는 0 내지 2%이다.

전단 점도 감소: 열가소성 중합체, 예컨대, 브라스캠(Braskem) CP-360H에 HL을 첨가하는 것은 열가소성 중합체의 점도를 감소시킨다. 점도 감소는, 그것이 감소된 프로세스 압력(더 낮은 전단 점도)을 가짐으로써 효과적으로 더 높은 중합체 유량을 허용할 수 있거나, 또는 재료 강도를 개선시키는 중합체 분자량의 증가를 허용할 수 있기 때문에 프로세스 개선이다. HL이 없다면, 적합한 방식으로 기존의 프로세스 조건에서 높은 중합체 유량으로 중합체를 처리하는 것이 불가능할 수도 있다.

지속가능한 함량: 기존의 중합체 시스템 내에 지속가능한 재료의 포함은 강력히 원하는 특성이다. 자연 성장 사이클을 통해 매년 대체될 수 있는 재료가 전반적으로 더 낮은 환경 영향에 기여하여 요구된다. 예를 들어, 열가소성 HL 조성물은 열가소성 HL 조성물의 총 중량을 기준으로, 50% 초과, 또는 80 내지 100%의 바이오 기반 재료를 포함할 수 있다.

안료화: 중합체에 안료를 첨가하는 것은 종종 중합체 매트릭스 내의 입자인 고가의 무기 화합물을 사용하는 것을 수반한다. 이들 입자는 종종 크고, 조성물의 처리시에 간섭할 수 있다. 본 명세서에 개시되는 바와 같은 HL을 사용하면, 도처의 미세 분산(액적 크기에 의해 측정됨) 및 균일한 분포 때문에, 열가소성 중합체는 예컨대, 전통적인 잉크 화합물을 통해 착색을 허용한다. 콩기름 잉크(Soy ink)가 종이 출판에서 널리 사용되고, 가공성에 영향을 주지 않는다.

향수: HL이, 예를 들어, 베이스 열가소성 중합체보다 훨씬 더 우선적으로 향료를 포함할 수 있기 때문에, 본 조성물은 최종 용도에 유익한 향기를 포함하도록 사용될 수 있다.

표면 질감: HL의 존재는 HL을 갖지 않는 열가소성 중합체 조성물에 비교해서, 조성물의 표면 특성을 변화시켜, 그것이 더 부드럽게 느껴지도록 할 수 있다.

모폴로지: 조성물의 제조시에 생성되는 모폴로지를 통해 이점이 전달된다. 모폴로지는 집약적 혼합 및 급속한 결정화의 조합에 의해 생성된다. 집약적 혼합은 사용되는 배합 프로세스로부터 비롯되고, 급속한 결정화는 사용되는 냉각 프로세스로부터 비롯된다. 고 강도 혼합이 요구되고, 급속한 결정화는 미세 기공 크기 및 비교적 균일한 기공 크기 분포를 보존하기 위해 이용된다. 도 2는 10 μm 미만, 5 μm 미만, 또는 1 μm 미만의 작은 기공 크기를 갖는, 브라스캠 CP-360H에서의 마그네슘 스테아레이트를 도시한다.

실시예

재료:

중합체: 이 작업에서 사용되는 주요 중합체는 폴리프로필렌(PP)계이지만, 다른 중합체가 사용될 수 있다(예컨대, 비록 모두 테스트된 것은 아니지만 가능한 중합체의 종합적인 목록을 제공하는 미국 특허 제6,783,854호를 참조한다). 평가되는 특정 중합체는 다음과 같다:

리온델-바젤 프로팩스 SR549M 정화된 랜덤 공중합체 폴리프로필렌

브라스캠 FT200WV 유핵(nucleated) 단일중합체 폴리프로필렌

지질: 사용되는 특정 지질은 다음과 같다:

스트라타스 푸드(Stratas Foods)에 의해 제공되는 수소화 대두유("HSBO")

알노어오일 컴퍼니 인크.에 의해 제공되는 수소화 피마자유("HCO")

프록터 앤드 갬블(Procter &Gamble)에 의해 내부적으로 제조되는 하이드록실화 콩기름("HySBO")

HySBO 의 합성

파트 A: 알데하이드를 함유하는 콩기름 유도된 다분지형(Poly-Branched) 폴리-올레핀의 합성

장비: 이 작업에 사용되는 반응기는 T316 스테인리스강으로 구성된 모델 번호 4563 파르(Parr) 600 ml 반응기이었다. 그것은 교반을 위해 에어 모터를 사용하는 자기 드라이브 교반 어셈블리를 갖는다. 교반축(stir shaft)은 2개의 각각 피칭된(pitched) 블레이드 임펠러(blade impeller)를 갖는데, 블레이드 임펠러는 각각이 3.51 cm(1.38")의 직경인 4-블레이드를 갖는다.

절차: 꼭 맞는 뚜껑을 갖는 0.47 리터(16 온스) 프렌치 사각 병(French square bottle)에 5.0 그램의 트라이페닐포스핀("TPP"; CAS# 603-35-0)을 첨가하고 나서 150 그램의 하이 올레익(High Oleic) 콩기름을 첨가하였다. 이것을 85 내지 90℃에서 2시간 동안 가열하여 TPP를 용해시킨 후 실온으로 냉각시켰다. 이 혼합물을 질소 살포(nitrogen sparge)를 이용하여 5.0 그램의 카르보닐하이드리도트리스(트라이페닐-포스핀)-로듐 (I)(CAS#: 17185-29-4)에 첨가하여 공기를 차단하였다. 이 혼합물을 질소로 더 살포한 후 강하게 진탕하여서 촉매를 분산시켰다. 이어서, 이 조합된 혼합물을 진공을 사용하여 반응기 내에 넣은 다음 100 그램의 추가적인 콩기름을 넣었다. 반응기를 진공 및 질소 사이클을 사용하여 에어 퍼징한 후, 초기 압력 3.8 내지 3.9 MPa(550 내지 570 psig)까지 일산화탄소:수소의 2:1 혼합물로 채웠다. 반응기를 (전체에 걸쳐 사용되는) 450 내지 600 rpm에서 교반을 이용하여 100℃로 가열하였고, 압력을 5.2 내지 5.5 MPa(750 내지 800 psig)로 조정한 후 일산화탄소:수소의 1:1 혼합물로 전환하였다. 반응은 총 18.6시간의 반응 시간 동안 교반 및 가열이 허용되었고, 이어서 실온으로 냉각되었다. 일산화탄소:수소 혼합물을 통기하였고, 간헐적인 교반을 하면서 진공 및 질소 사이클을 사용하여 잔류 일산화탄소를 제거하였다. 최종 생성물을 반응기로부터 배출하였다. 1000 ml 둥근 바닥 플라스크에 그 오일(242 g)을 넣은 다음 메탄올 (500 ml)을 넣고, 15분간 강하게 교반하였다. 혼합물을 분별 깔때기에 첨가하고 45분간 방치하였다. 저부 오일 층을 메탄올로부터 분리시켰다. 오일 추출을 2회 넘게 반복하였고, 세 번째 추출 이후에 클로로포름(200 ml)을 오일에 첨가하였고, 진공 상태에서 용매를 제거하였다. 2 리터 둥근 바닥 플라스크 내에서 오일(156 g)을 헥산(500 ml)과 혼합시켰다. 일단 혼합되면, 실리카 겔(260 g)을 첨가하였다. 용매를 진공 상태에서 제거하여 오일을 실리카 겔 상으로 퇴적하였다. 실리카 겔(400 grams)을 16 cm의 직경을 갖는 크로마토그래피 칼럼에서 습식 패킹(헥산)하였다. 대략 500 ml의 헥산이 실리카의 상단에 있었고, 오일이 위에 퇴적된 실리카를 서서히 첨가하였다. 이것을 칼럼 내의 과잉 헥산 및 다른 1500 ml의 헥산으로 용리시킨 다음, 헥산(650 ml) 중의 15% 에틸 아세테이트, 헥산(650 ml) 중의 20% 에틸 아세테이트 및 마지막으로 헥산(650 ml) 중의 30% 에틸 아세테이트로 용리시켰다. 8개의 500 ml 부분을 수집하고, 부분 4 및 부분 5를 조합하여 93.5 g의 원하는 재료를 산출하였다.

파트 B: 알데하이드를 함유하는 콩기름 유도된 다분지형 폴리-올레핀의 콩기름 유도된 다분지형 알코올로의 환원

장비: 이 작업에 사용되는 반응기는 T316 스테인리스강으로 구성된 모델 번호 4563 파르 600 ml 반응기이었다. 그것은 교반을 위해 에어 모터를 사용하는 자기 드라이브 교반 어셈블리를 갖는다. 교반축은 2개의 각각 피칭된 블레이드 임펠러를 갖는데, 블레이드 임펠러는 각각이 3.51 cm(1.38")의 직경인 4-블레이드를 갖는다.

절차: 245.1 그램의 하이드로포르밀화 하이 올레익 콩기름을 12.3 그램의 실리카 상 니켈 촉매(Nickel on Silica catalyst)(BASF Ni-5249P)와 합하였다. 혼합물을 흔들어서 촉매를 슬러리화한 후, 진공을 사용하여 반응기 내에 넣었다. 반응기를 진공 및 질소 사이클을 사용하여 에어 퍼징한 후, (전체에 걸쳐 사용되는) 450 내지 600 rpm에서 교반하면서 3 내지 4 MPa(500 내지 600 psig)까지 수소로 채웠다. 반응을 가열한 후, 100 내지 105℃에서 18시간 동안 계속되도록 두었다. 혼합물을 냉각시키고 반응기로부터 배출하였다. 실리카 상 니켈 촉매를 금속 압력 필터를 사용하여 여과에 의해 제거하였는데, 이 금속 압력 필터는 여과 동안 가열 테이프(heat tape) 내에 감싸지고 75℃로 가열되었다. 여과된 재료를 클로로포름(200 ml) 내에 용해시키고, 유리 마이크로섬유 필터를 통해 여과하였다. 용매를 진공 상태에서 제거하여 원하는 재료를 점성 오일(202 g)로서 산출하였다.

조성물의 배합:

실시예 1 내지 실시예 3의 경우, 각각 표준 혼합 및 이송 요소를 갖는 2개의 30 mm 범용 스크류를 구비한 워너 앤드 플라이더러 ZSK 30 동방향 회전식 2축 스크류 압출기를 사용하여 중합체 및 왁스 조성물의 용융 블렌딩을 달성하였다. 실시예 4의 경우, 단일 구멍 다이 및 범용 스크류를 구비한 프리즘(Prism) TSE-16TC 2축 스크류 압출기를 사용하여 중합체 및 왁스 조성물의 용융 블렌딩을 달성하였다. 중합체 펠릿 및 왁스 분말은 중량 측정 공급기를 사용하여 압출기 내로 계측되었다. 제형화 및 대응하는 처리 조건은 표 1에 주어져 있다.

[표 1]

테스트 표본의 사출 성형:

ASTM D3641의 기준에 따라 샘플 표본의 사출 성형을 수행하였다. 표면 게이트형 다목적 ASTM A 528540 주형을 구비한 엔겔 60톤 사출 성형기에서 샘플을 성형하여 다음의 치수를 갖는 표본을 생산하였다: 반경 31.25 mm 및 두께 1.0 mm를 갖는 원반(disc); 두께 1.5 mm, 게이지 3.0 mm 및 게이지 길이 125.5 mm를 갖는 유형 V 표본; 두께 3.0 mm, 폭 12.5 mm 및 길이 125.5 mm를 갖는 직사각형 표본; 주형을 평형시킬 수 있는 폐회로 수냉각기(closed-circuit water chiller)로 주형을 18℃(65℉)로 냉각시켰다. 전형적인 사출 성형 조건은 다음의 표에 특정되어 있다:

[표 2]

성형품 샘플의 목록은 표 3에 주어져 있다. 모든 왁스-복합물을 10 중량% 왁스의 최종 농도로 제형화하였다. 실시예 5의 경우, 20 중량% HSBO를 함유하는 배합된 펠릿을 적절한 양의 원래 그대로의(virgin) PP SR549M 폴리프로필렌과 건식 블렌드하여 10 중량% HSBO의 최종 성형된 부품 농축물을 산출하였다. 실시예 6 및 8의 경우, 10 중량% HCO를 함유하는 배합된 펠릿을 어떠한 희석도 없이 사용하여 10 중량% HCO의 최종 성형된 부품 농축물을 산출하였다.

[표 3]

아이조드 충격 강도의 결정:

ASTM D256의 기준에 따라 노치 아이조드 충격 강도를 결정하였다. 전술한 방법에 의해 조성물을 직사각형 표본으로 사출 성형하였다. 3 mm 두께 × 12.5 mm 폭 × 125.5 mm 길이의 직사각형 표본을 띠톱을 사용하여 63.5 mm의 최종 길이로 트리밍(trimming)했다. TMI 모델 번호 22-05-03-001 노치 커터(notch cutter)를 사용하여 노치(TMI 노치 블레이드 모델 번호 22-05-01-015-02)를 표본의 폭방향으로 절단하였다. 준비된 표본을 TMI 모델 번호 43-02-01-0001 디지털 진자 유닛(digital pendulum unit)으로 실온(약 23℃)에서 테스트하였다. 아이조드 충격 결과는 표 3에 요약되어 있다.

인장 특성의 결정:

ASTM D638의 기준에 따라 인장 특성을 결정하였다. 전술한 방법에 의해 조성물을 ASTM 유형 V 표본으로 사출 성형하였다. 준비된 표본을 인스트론 모델 번호 61619 500 N 로드 셀을 구비한 인스트론 모델 번호 1122로 테스트하였다. 모든 실험에 대해 0.8 mm/초의 크로스헤드 속도를 사용하였다. 인장 탄성률 결과는 표 3에 요약되어 있다.

표면 왁스 이동 속도론(Surface Wax Migration Kinetics)의 결정:

왁스 이동/표면 블루밍 속도론은 사출 성형된 원반 표본의 표면 상의 왁스 농도의 변화를 측정함으로써 시간 및 온도의 함수로서 결정되었다. 왁스 농도의 변화는 감쇠 전반사(ATR) 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 이용하여 측정되었다. 탄소-산소 이중 결합의 IR 흡수(1735 cm-1 내지 1750 cm-1의 특징적인 흡수)를 사용하여 성형품의 표면 상의 HSBO 및 HCO 농도의 변화를 정량화하였다. 카르보닐 이중 결합은 HSBO 및 HCO에서(두 화합물의 에스테르 기에서)만 발견되고 폴리프로필렌에서는 발견되지 않음을 유의한다.

ASTM 원반 표본을 테스트 이전에 실온(대략 25℃)에서 적어도 48시간 동안 숙성시켰다. 이동 실험에 대해, ATR 스테이지를 구비한 니콜렛 넥서스(Nicolet Nexus) 870 FTIR 분광계를 사용하여 초기 흡수 스펙트럼을 획득하였다. 이어서, 샘플을 50℃로 설정된 종래의 실험실 오븐 내에 두었다. 이어서, 샘플을 특정 시간 간격으로 오븐으로부터 꺼냈다. 오븐으로부터 꺼낸 후에, 샘플을 실온에서 대략 10분 동안 평형시켰고, 그 시간 후에 FTIR 흡수 스펙트럼을 획득하였다. FTIR 스펙트럼을 획득한 후에, 다음 시간 간격까지 샘플을 오븐으로 돌려보내었다. 이 프로세스는 최대 시간 간격에 도달할 때까지 반복하였다. 각 샘플 상의 정확히 동일한 위치를 한 번 초과하여 측정하지 않도록 조심했다는 것에 유의하여야 한다.

본 발명 및 비교예의 조성물의 예시 데이터가 표 4에 주어져 있다. 동일한 데이터의 플롯은 도 2에 도시되어 있다.

[표 4]

표 5는 표 4에 제시된 데이터를, 3개의 샘플 각각에 대해 시간 0과 비교해서 30분, 60분 및 90분에서의 흡광도의 퍼센트 변화로서 나타낸다. 표 5에서 알 수 있듯이, 시간 경과에 따른 흡광도의 변화, 및 그에 따라서 겪게 되는 이동의 양은 각 시간 간격으로 2개의 HCO 샘플 중 어느 것에 대해서보다 HSBO 샘플에 대해 상당히 더 크다. 이것은 HSBO 샘플이 상당한 이동을 겪는다는 것을 입증한다.

[표 5]

테스트 표본 A 내지 테스트 표본 D의 사출 성형:

10개의 테스트 표본 A는, 발한방지용 패키지(antiperspirant package)의 배럴(예컨대, 외부 하우징)의 테스트 표본을 제조하기 위한 주형을 구비한 엔겔 200톤 사출 성형기(30 mm 스크류를 가짐)에서 성형되는 100% 바젤 프로팩스 SR549M(에틸렌 및 프로필렌의 11 용융 유량 치글러-나타 정화된 랜덤 공중합체)으로 제조하였다. 주형을 평형시킬 수 있는 폐회로 수냉각기로 주형을 특정 온도로 냉각시켰다. 테스트 표본 A의 경우, 종래의 프로토콜에 의해 결정되는 프로세스 조건을 사용하여, 표준 유압 제어 시스템으로 사출 성형기를 제어하였고; 이들 조건은 표 6에 특정되어 있다. 사출 성형기의 노즐은 압력 변환기를 구비하였다.

[표 6]

10개의 테스트 표본 B는, 발한방지용 패키지의 배럴(예컨대, 외부 하우징)의 테스트 표본을 제조하기 위한 주형을 구비한 엔겔 200톤 사출 성형기(30 mm 스크류를 가짐)에서 성형되는 100% 바젤 프로팩스 SR549M(에틸렌 및 프로필렌의 11 용융 유량 치글러-나타 정화된 랜덤 공중합체)으로 제조하였다. 주형을 평형시킬 수 있는 폐회로 수냉각기로 주형을 특정 온도로 냉각시켰다. 테스트 표본 B의 경우, 변형된 성형 프로토콜에 의해 결정되는 프로세스 조건을 사용하여 낮고 실질적으로 일정한 용융 압력을 제공하도록 설계된, 성형 제어 시스템으로 사출 성형기를 제어하였고; 이들 조건은 표 7에 특정되어 있다. 변형된 성형 프로토콜에 따르면, 용융 압력은 (부품 중량에 대한 사양을 충족하는) 양호한 부품을 제조할 [0.7 MPa(100 psi)의 증분에서의] 가장 낮은 압력으로 설정된다. 사출 성형기의 노즐은 압력 변환기를 구비하였다.

[표 7]

10개의 테스트 표본 C는, 발한방지용 패키지의 배럴(예컨대, 외부 하우징)의 테스트 표본을 제조하기 위한 주형을 구비한 엔겔 200톤 사출 성형기(30 mm 스크류를 가짐)에서 성형되는 (질량으로) 90% 바젤 프로팩스 SR549M(에틸렌 및 프로필렌의 11 용융 유량 치글러-나타 정화된 랜덤 공중합체) 및 알노어오일 컴퍼니 인크.(미국 뉴욕주 밸리 스트림 소재)로부터의 (질량으로) 10% 수소화 피마자유로 제조하였다. 주형을 평형시킬 수 있는 폐회로 수냉각기로 주형을 특정 온도로 냉각시켰다. 테스트 표본 C의 경우, 표본 A에서 사용되는 동일한 종래의 프로토콜에 의해 결정되는 프로세스 조건을 사용하여, 표준 유압 제어 시스템으로 사출 성형기를 제어하였고; 이들 조건은 표 8에 특정되어 있다. 사출 성형기의 노즐은 압력 변환기를 구비하였다.

[표 8]

10개의 테스트 표본 D는, 발한방지용 패키지의 배럴(예컨대, 외부 하우징)의 테스트 표본을 제조하기 위한 주형을 구비한 엔겔 200톤 사출 성형기(30 mm 스크류를 가짐)에서 성형되는 (질량으로) 90% 바젤 프로팩스 SR549M(에틸렌 및 프로필렌의 11 용융 유량 치글러-나타 정화된 랜덤 공중합체) 및 알노어오일 컴퍼니 인크.(미국 뉴욕주 밸리 스트림 소재)로부터의 (질량으로) 10% 수소화 피마자유로 제조하였다. 주형을 평형시킬 수 있는 폐회로 수냉각기로 주형을 특정 온도로 냉각시켰다. 테스트 표본 D의 경우, 표본 B에서 사용되는 동일한 변형된 성형 프로토콜에 의해 결정되는 프로세스 조건을 사용하여 낮고 실질적으로 일정한 용융 압력을 제공하도록 설계된, 성형 제어 시스템으로 사출 성형기를 제어하였고; 이들 조건은 표 9에 특정되어 있다. 사출 성형기의 노즐은 압력 변환기를 구비하였다.

[표 9]

테스트 표본 A 내지 테스트 표본 D에 대한 피크 용융 압력:

테스트 표본 A 내지 테스트 표본 D의 10개 샘플에 대해, 실제 피크 용융 압력을 측정하였고, A 내지 D에 대한 평균을 도 3에 나타냈다. 테스트 표본 A는 43.57 MPa(6320 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다. 테스트 표본 B는 39.13 MPa(5675 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다. 테스트 표본 C는 34.95 MPa(5069 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다. 테스트 표본 D는 27.45 MPa(3981 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다.

그래서, 테스트 표본 A 내지 테스트 표본 D에 나타낸 바와 같이, 열가소성 중합체에 HCO를 첨가하는 것은, 열가소성 중합체의 점도를 감소시키는데, 이는 결국 평균 피크 용융 압력을 감소시킨다. 테스트 샘플 A 및 테스트 샘플 C가 둘 모두 동일한 종래의 프로토콜을 사용하여 셋업된 동일한 표준 유압 제어 시스템을 사용함으로써 생성되었지만, 그 테스트 샘플은 A에 대한 43.57 MPa(6320 psi)로부터 C에 대한 34.95 MPa(5069 psi)로 평균 피크 용융 압력의 감소를 나타내는데, 이는 20% 감소이다. 테스트 샘플 B 및 테스트 샘플 D가 둘 모두 동일한 변형된 성형 프로토콜을 사용하여 셋업된 동일한 성형 제어 시스템을 사용함으로써 생성되었지만, 그 테스트 샘플은 B에 대한 39.13 MPa(5675 psi)로부터 D에 대한 27.45 MPa(3981 psi)로 평균 피크 용융 압력의 감소를 나타내는데, 이는 30% 감소이다.

이러한 감소된 압력은 상이한 프로세스 및 장비(예컨대, 알루미늄 주형)의 사용을 허용할 수 있고 그리고/또는 부품을 생성하기 위해 사용되는 열가소성 중합체의 분자량의 증가를 허용할 수 있는데, 이는 재료 강도와 같은 그들의 특성을 개선시킬 수 있다.

테스트 표본 E1 내지 테스트 표본 F2의 사출 성형:

E1 및 E2 각각의 10개의 테스트 표본은 (표본 A에 대해 전술된 바와 같은) 100% 바젤 프로팩스 SR549M으로 제조하였다. F1 및 F2 각각의 10개의 테스트 표본은, 모두 (질량으로) 90%의 E1 및 E2의 중합체, 및 스위스겔(SWISSGEL) (스위스 슐리렌 소재)에 의해 제공되는 액셀로텐(ACCELOTHENE)인, 폴리에틸렌으로 구성된 (질량으로) 10%의 프로세스 보조 첨가제로 제조하였다.

테스트 표본 E1 및 테스트 표본 F1은, 전술한 바와 같이 표본 A에서 사용되는 동일한 장비, 설정, 부품 유형, 및 종래의 프로토콜을 이용하여 사출 성형기에서 성형하였다. 테스트 표본 E2 및 테스트 표본 F2는, 전술한 바와 같이 표본 B에서 사용되는 동일한 장비, 설정, 부품 유형, 및 낮고 실질적으로 일정한 용융 압력 조건을 이용하여 사출 성형기에서 성형하였다.

테스트 표본 E1 내지 테스트 표본 F2에 대한 피크 용융 압력:

테스트 표본 E1 내지 테스트 표본 F2 각각의 10개 샘플에 대해, 실제 피크 용융 압력을 측정하였고, E1 내지 F2에 대한 평균을 도 4에 나타냈다. 테스트 표본 E1은 44.19 MPa(6409 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다. 테스트 표본 E2는 39.86 MPa(5781 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다. 테스트 표본 F1은 37.22 MPa(5398 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다. 테스트 표본 F2는 32.26 MPa(4676 psi)의 평균 피크 용융 압력을 가졌다.

그래서, 이들 테스트 표본에서 나타낸 바와 같이, F1 및 F2에서는, E1 및 E2의 열가소성 중합체에 프로세스 보조제를 첨가하는 것이 또한 열가소성 중합체의 점도를 감소시키는데, 이는 결국 평균 피크 용융 압력을 감소시킨다. F1을 E1과 비교하면, 약 16%의 평균 피크 용융 압력의 감소를 보여 준다. F2를 E2와 비교하면, 약 19%의 평균 피크 용융 압력의 감소를 보여 준다.

본 명세서에 개시된 치수 및 값은 언급된 정확한 수치 값으로 엄격하게 제한되는 것으로 이해되어서는 안된다. 대신에, 달리 특정되지 않는 한, 각각의 그러한 치수는 언급된 값 및 그 값 부근의 기능적으로 등가인 범위 모두를 의미하고자 한다. 예를 들어, "40 mm"로 개시된 치수는 "약 40 mm"를 의미하는 것으로 의도된다.

임의의 상호 참고되거나 관련된 특허 또는 출원을 포함한, 본 명세서에 인용된 모든 문헌은 명확히 배제되거나 달리 제한되지 않는 한, 이에 의해 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 어떠한 문헌의 인용도, 그것이 본 명세서에 개시되거나 청구된 임의의 발명에 대한 종래 기술이라거나, 그것 단독으로, 또는 임의의 다른 참고 문헌 및 참고 문헌들과의 임의의 조합으로 임의의 그러한 발명을 교시하거나 제안하거나 개시함을 인정하는 것은 아니다. 또한, 본 문헌의 용어의 임의의 의미 또는 정의가 참고로 포함된 문헌의 동일한 용어의 임의의 의미 또는 정의와 상충되는 경우에는, 본 문헌의 용어에 부여된 의미 또는 정의가 우선할 것이다.

본 발명의 특정 실시 형태들이 예시되고 설명되었지만, 다양한 다른 변경 및 수정이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주 내에 있는 모든 이러한 변경 및 수정을 첨부된 특허청구범위에서 포함하도록 의도된다.

Claims

사출 성형기의 작동 방법으로서,
주형 공동을 한정하는 제1 주형 측부 및 제2 주형 측부를 갖는 사출 성형기를 제공하는 단계;
열가소성 재료를 제공하는 단계; 및
적어도 하나의 사출 성형 사이클을 통해서 상기 사출 성형기를 작동시키는 단계를 포함하고, 상기 사출 성형 사이클은:
상기 주형 공동 내로 용융된 형태의 상기 열가소성 재료를 전진시키는 단계;
상기 주형 공동을 상기 열가소성 재료로 실질적으로 충전하는 단계;
상기 열가소성 재료를 냉각하는 단계;
냉각된 열가소성 재료를 노출시키도록 상기 제1 주형 측부 및 상기 제2 주형 측부를 분리하는 단계;
상기 주형 공동으로부터 상기 냉각된 열가소성 재료를 제거하는 단계; 및
상기 제1 주형 측부 및 상기 제2 주형 측부를 폐쇄하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
상기 열가소성 재료를 제공하는 단계는,
(a) 열가소성 중합체; 및
(b) 중합체-하이드록실화 지질 조성물의 총 중량을 기준으로, 5 내지 50%의 하이드록실화 지질의 긴밀한 혼화물(intimate admixture)을 포함하는 중합체-하이드록실화 지질 조성물을 제공하는 단계를 포함하고;
상기 하이드록실화 지질이 상기 열가소성 중합체 내에서 10 μm 미만의 액적 크기를 갖도록 상기 하이드록실화 지질이 상기 열가소성 중합체 내에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 액적 크기는 5 μm 미만인, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액적 크기는 1 μm 미만인, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액적 크기는 500 nm 미만인, 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 재료는 10 내지 50%의 상기 하이드록실화 지질을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이드록실화 지질은 수소화 피마자유를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이드록실화 지질은 하이드록실화 팜유를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이드록실화 지질은 하이드록실화 팜핵유를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하이드록실화 지질은 하이드록실화 코코넛유를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동시키는 단계는 10,000 psi 미만인 피크 용융 압력에서 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동시키는 단계는 플러스 또는 마이너스 1000 psi인 실질적으로 일정한 압력에서 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동시키는 단계는 피크 용융 압력의 플러스 또는 마이너스 20 퍼센트인 실질적으로 일정한 압력에서 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동시키는 단계는 피크 용융 압력의 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트인 실질적으로 일정한 압력에서 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사출 성형기를 제공하는 단계는, 상기 주형 측부들 중 적어도 하나가 30 BTU/HR FT ℉ 이상인 평균 열 전도율을 갖는 사출 성형기를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 사출 성형기를 제공하는 단계는, 상기 주형 측부들 중 적어도 하나가 알루미늄, 베릴륨, 구리, 및 이들의 임의의 합금을 포함하는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되는 사출 성형기를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.