(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォームの製造法であって、
動的混合粒子をフォーム構成成分流体に添加すること、ここで、前記粒子は直径８０μｍ未満であり、多孔性の平坦でない不規則な表面特性及び内部粒子空隙からなる群から選択される特性をもち、該空隙の頂点が180°未満の角度を形成する；
ここで、動的混合粒子を添加する工程が０．００２重量％〜４．８重量％の量の動的混合粒子を添加すること；
前記フォーム構成成分流体を混合すること；
前記動的混合粒子を回転させて、前記フォーム構成成分流体の内部に低エネルギー表面領域を作ること；
前記フォーム構成成分流体を発泡させて、複数のフォーム空隙を画定するフォームを形成すること；
の各段階を含む、前記フォームの製造法。
【請求項２】
前記平坦でない不規則な表面特性は、鋭くとがった突端、薄い刃、粗端部、平滑端部、棘様構造、隆起した腕状部及び、これらの表面特性の一つ以上を含む集塊からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平坦でない不規則な表面特性は、円筒形、長方形、立方体、Y-型粒子、X-型粒子、八角形、五角形、三角形、菱形からなる群から選択される形に集合した、隆起した腕状部である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記動的混合粒子はもはや回転していないとき、前記動的混合粒子は、前記不規則な表面特性に隣接する核形成点を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記動的混合粒子の平均サイズを選択して、前記フォーム中の前記空隙の所望の平均サイズを選択する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記フォーム中の前記フォーム空隙の所望のサイズは、前記動的混合粒子の平均直径の0.025〜8倍の直径を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記動的混合粒子が、タイプI、タイプII、タイプIII、タイプIV、タイプV及びタイプVIからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記動的混合粒子がパーライトから構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記パーライトが中実である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記パーライトが発泡している、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記動的混合粒子が、モース硬度計で少なくとも2.5の硬度をもつ、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
中に空隙を画定する、発泡ポリマー混合フォーム構成成分流体と；
当該フォーム構成成分流体中の動的混合粒子とを含むフォームであって、前記動的混合粒子は直径８０μｍ未満であり、多孔性の平坦でない不規則な表面特性及び内部粒子空隙からなる群から選択される特性をもち、該空隙の頂点が180°未満の角度を形成する；
ここで、動的混合粒子が前記フォーム中０．００２重量％〜４．８重量％を構成する；、
前記フォーム。
【請求項１３】
前記フォームの前記フォーム空隙が、前記動的混合粒子の平均サイズの0.025〜8.0倍の平均直径をもつ、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項１４】
前記動的混合粒子が、タイプI、タイプII、タイプIII、及びタイプIVからなる群から選択される、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項１５】
前記動的混合粒子がパーライトから構成される、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項１６】
前記パーライトが中実である、請求項１５に記載のフォーム。
【請求項１７】
前記パーライトが発泡している、請求項１５に記載のフォーム。
【請求項１８】
前記平坦でない不規則な表面特性が、鋭くとがった突端、薄い刃、粗端部、平滑端部、棘様構造、隆起した腕状部からなる群から選択される、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項１９】
前記不規則な表面特性は、円筒形、長方形、立方体、Y-型粒子、X-型粒子、八角形、五角形、三角形、菱形からなる群から選択される形に集合した、隆起した腕状部である、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項２０】
前記動的混合粒子が、モース硬度計で少なくとも2.5の硬度をもつ、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項２１】
前記粒子の寸法が５０μｍ未満である、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項２２】
前記表面特性が、孔、空洞、及びギザギザの端部からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記表面特性が、孔、空洞、及びギザギザの端部からなる群から選択される、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項２４】
前記粒子の直径が３０μｍ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記粒子の直径が２０μｍ未満である、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記粒子の直径が１μｍ未満である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記粒子の直径が３０μｍ未満である、請求項1２に記載のフォーム。
【請求項２８】
前記粒子の直径が２０μｍ未満である、請求項１２に記載のフォーム。
【請求項２９】
前記粒子の直径が１μｍ未満である、請求項１２に記載のフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は、2010年8月24日出願の米国仮特許出願第61/376,607号、「Cellular  Foam  Additive」に優先権を主張し、本出願はまた2010年10月13日出願の米国仮特許出願第61/392,558号、「Cellular  Foam  Additive」に優先権を主張し、さらに本出願は2011年7月12日出願の米国特許出願第13/181,476号、「Boundary  Breaker  Paint,  Coatings  and  Additives」に優先権を主張する。これらそれぞれの内容は、本明細書中、参照として含まれる。
【発明の分野】
【０００２】
本発明は気泡フォーム(cellular  foam)用の添加剤に関する。特に本発明は、発泡剤、反応性及び非反応性添加剤の良好な分散(improved  dispersion)を促進するために、フォームに動的混合粒子(kinetic  mixing  particle)を添加することに関する。
【発明の背景】
【０００３】
20世紀初頭には、様々な種類の特別に製造されたソリッドフォーム(solid  foam)が使用されるようになった。これらのフォームは低密度であるので、断熱材及び浮遊デバイスとしての使用に優れていて、その軽量性及び圧縮率により梱包材料及び詰め物としての使用に理想的となった。ここ40年の間に、フォーム開発は扱いやすい(simple)材料から、軽量且つ耐久性のある複雑な高度先進の気泡構造用材料(cellular  structural  material)に進歩した。これらの新しいフォーム材料としては、例を少し挙げるだけでも、自動車、農業用機械、ボート、浴室シャワー及び風呂桶、柵(fencing)、ドア、窓枠及び装飾用成形トリムなどの様々な市場における、高性能ファイバーグラス、コンポジット、鋼板(sheet  steel)及びプラスチックがある。今日、気泡フォーム業界は、気泡構造の一貫性、処方成分(formula  component)の分散、良好な強度を含む製品改良及びコストの低下に奮闘し続けている。
【０００４】
流体力学の分野においては、流動流体の境界層は固定していて動かせないものと常に考えられてきた。層流領域では、境界層は流体流に対して抵抗性(resistance)の固定状態(steady  form)を作る。本出願人の米国特許出願第12/412,357号(特許文献１)、「Structurally  Enhanced  Plastics  with  Filler  Reinforcements」は、流れを促進し且つフィルムドラッグ(フィルム抗力：film  drag)を減少させるために、流体が動いているときに動的混合粒子を添加すると、境界層を動力学的に動かすことを教える。米国特許出願第12/412,357号は本明細書中、参照として含まれる。ドラッグの減少は、運動する物体の静止摩擦と動摩擦とを比較して、これを流体流に適用するのに似ている。本出願人の発明を利用すると、境界層は動的に移動することができるので、ドラッグを減少させ、且つ流れを増大することができる。流体が動かなければ、内部構造用粒子(internal  structural  particle)、すなわち動的混合粒子がナノ及びミクロンサイズ範囲で充填剤のように作用するので、発泡プロセスの間に核形成部位を作り出す。ミクロンナノサイズの粒子が移動しているとき、動的混合粒子の特徴的な三次元構造がポリマーマトリックス内でくまなく添加剤及び充填剤の動的混合を促進するので、停滞した境界層領域を動的混合ゾーンに転換する。
【０００５】
高度に特殊化した粒子、すなわち動的混合粒子は、プラスチックなどの固体に配合することができる。押出機では固体は溶解している。溶解したプラスチックは、高剪断環境においてスクリュー及びバレルの全表面積を覆う境界層を生じさせる。流体が動いている時はいつでもどこでも、境界層の動的混合は活性化される。材料が流体、たとえばポリウレタンの場合には、材料はタービンミキサーまたは高度インピンジジェット混合システム(advanced  impinge  jet  mixing  system)などの単純な混合を用いて混合することができる。いずれの場合においても、粒子の動きは流体の運動のため活性化される。高剪断を使用して成分を混合するにつれて、初期の動的混合が起きる。流体が動くにつれて、動的混合が伝搬する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第12/412,357号
【発明の概要】
【０００７】
本出願人の発明は、不活性(inert)のミクロ及びナノサイズの構造用粒子を使用することにより、気泡構造のコンシステンシー(consistency：一貫性、ばらつきがないこと)、処方成分の分散、良好な強度及びコスト低下の、四つ全てのカテゴリーを直接改善する。
【０００８】
本発明の方法は、上記問題に対する独自の解決策を提供する。本発明の動的混合粒子を添加すると、境界層の動的混合を提供して、これにより添加剤に伴う利益を保持したまま、環境を損なうかもしれない高価な添加剤を減らすことが可能なマイクロ及びミクロ混合により均質分散(homogenous  dispersion)を生み出す。本発明の技術では、流体が流れている限りは、連続的に材料を混合するために環境的に安全で、化学的に安定な固体粒子(solid  particle)を使用する。
【０００９】
動的混合粒子を添加すると、境界層混合が改善する。すなわち本発明は、流体流(fluid  flow)における構造用機械的充填剤(structural  mechanical  filler)の作用に関し、ここで粒子はナノ〜ミクロンのサイズをもつ。特に粒子のサイズ範囲は好ましくは約500nm〜1μであり、より好ましくは１μから30μである。しかしながら、限定された範囲内の任意の小領域(sub  range)も有効であると期待される。本発明は、流体速度差(fluid  velocity  differential)のため、境界層で回転(rotate)または転がらせる(tumble)粒子に伴う摩擦力と一体となった境界層静的フィルム(boundary  static  film)の原理を利用する。結果として、動的混合または構造用粒子を使用することにより、動的混合が促進される。
【００１０】
一例として、軟質材料中で回転している硬質球体が、動いているくぼみ(depression)の中で移動していると考えてみよう。軟質材料は回転している球体の前に押し込められ、軟質材料はその回転している球体の後部で反発する。材料が完全弾性である場合、圧縮の間に蓄えられたエネルギーは、回転している球体の後部で軟質材料の反発により球体に戻る。実際には、実用材料は完全弾性ではない。従ってエネルギー消散が起きて、これは動的エネルギー、すなわち回転を起こす。定義により、流体とは、静的剪断応力に耐えられない材料連続体(material  continuum)である。回復可能な変形で剪断応力に応答する弾性固体とは異なり、流体は回復不可能な流れで応答する。回復不能な流れは、境界層において動的機械的混合用の駆動力として使用することができる。回転、動的摩擦及び、滑らないゾーン(no-slip  zone)の表面における流体付着の原理を使用することにより、付着性(adherent)が生み出される。境界層に近い流体流は、付着した粒子上に慣性力を生み出す。慣性力は、使用する混合方法にかかわらず、すなわち静的、動力学的または動的混合にかかわらず、機械的プロセス装置表面に沿って粒子を回転させる。
【００１１】
構造用粒子の幾何学的設計または選択は、速度がゼロの場合に、境界層の付着性フィルムとの表面相互作用の基本原理をベースとする。機械的表面付着は、粒子の表面粗さを高めることによって増加する。境界層の中に深く粒子が貫通することにより、動的混合が生じる。粒子の貫通は、粒子の端部(edge)の鋭さ、または刃のような粒子表面を増やすことにより高まる。粗い及び/または鋭い粒子表面をもつ粒子は、滑らないゾーンへ高い付着性を示し、これにより殆どまたは全く表面特性をもたない平滑粒子よりも、より表面付着を促進する。理想の粒径は、特定の流体粘度のため、流体に依存して変動するだろう。粘度は流体によって変わるので、温度及び圧力並びに剪断力及び機械的表面上の表面研磨により生じる混合機械(mixing  mechanics)などのプロセスパラメーターも異なり、そのため境界層厚さに変動が生じる。粗な及び/または鋭い表面によって粒子は境界層中で回転している動的混合刃の様に機能することができる。流体境界層に沿って回転する粗な及び/または鋭い端部をもつ硬化粒子は、境界層の表面積を攪拌することによってミクロ混合を生み出すだろう。
【００１２】
境界層で動的混合するのに使用される固体粒子、すなわち動的境界層混合材料(kinetic  boundary  mixing  material)または動的混合材料は、好ましくは以下の特性をもつ：
粒子は、粒子が境界層表面に沿って回転または転がることができる物理的幾何学特性(physical  geometric  characteristic)をもつべきである。
【００１３】
粒子は、静的摩擦ではなく動的摩擦を促進するために、ゼロ速度ゾーンまたは滑らない(non-slip)流体表面と相互作用するのに十分な表面粗さをもつべきである。粒子の混合効率は表面粗さと共に増加する。
【００１４】
粒子は、流体が粒子の転がりまたは回転作用によって動的混合を促進するために粒子の周囲で変形するように、十分に堅くあるべきである。
【００１５】
粒子は、粒子が動的回転摩擦により回転または転がるように、使用されている流体の境界層につりあったサイズであるべきである。
【００１６】
粒子は小さすぎてはいけない。粒子が小さすぎると、粒子が境界層に取り込まれて、転がったり回転したりする能力を失って、境界層の接触ゾーンの内での摩擦を高め、機械的摩耗を促進する。
【００１７】
粒子は大きすぎてはいけない。粒子が大きすぎると、粒子はバルク流体流内に入り、もしあったとしても動的境界層混合に最小効果があるだろう。粒子は混合プロセスの間にバルク流体から境界層に再結合できるように、粗度特性及び/または鋭い刃の様な特性などのサイズ及び表面特性をもつべきである。
【００１８】
粒子は、ソリッド(solid)または多孔質材料、人工または天然鉱物及び/または岩石でありえる。
【００１９】
粒子の物理的幾何学：
粒子の形状は、球形、三角形、菱形、正方形などでありえるが、幾分平坦(semi-flat)または平坦な粒子は、十分に転がらないのであまり好ましくない。幾分平坦または平坦な粒子は、平坦な粒子の断面積が、その薄い厚さに適用された流体摩擦に対して殆ど抵抗力を持たないので、あまりよくない。しかしながら混合の形態での攪拌が望ましいので、転がり方が不格好な形が都合がよい。というのも、転がり方が不格好であると、境界層で動力学的にランダムな回転ゾーンが作り出されるからである。ランダム混合ゾーンは、小さな混合刃がついた大きな混合刃により作り出される混合ゾーンに似ている。刃の幾つかは早く回転し、刃の幾つかは遅く回転するが、結果として刃は全て混合しているのである。もっと弾性のない、より粘稠な流体の場合には、粒子の表面粗さのため、及び粒子の鋭い端部のため、粒子による動的混合によって切り刻み(chopping)及び粉砕作用が生み出されるだろう。
【００２０】
非常に平滑な表面をもつ球状粒子は、以下の理由から理想的ではない。第一に、表面粗さは粒子と流体との間の摩擦を増やして、粒子の粘着性のある及び/または滑らないゾーンと接触し続ける能力を増加させる。対照的に、球体で見られるかもしれないような平滑表面は、表面付着力が少ないので、粘着性層との接触が制限される。第二に、表面粗さは粒子が転がり及び/または回転の間に混合を誘発する能力に直接作用するが、平滑表面は作用しない。第三に、平滑表面をもつ球形は境界層に沿って回転する傾向があるが、これは潤滑作用を促進することがある。しかしながら表面粗さをもつ球体粒子は、境界層の動力学的混合を促進し、並びに特に低粘度の流体及び気体との潤滑作用の促進に役立つ。
【００２１】
動的混合粒子をポリマーに添加する好都合な点としては、以下のことが挙げられる：
高価なポリマーを安価な構造用材料で置き換えることによってコスト削減が達成される。
【００２２】
より多くの有機材料をポリマーに配合できる能力を高めることによってコスト削減が達成される。
【００２３】
高レベルの有機及び/または構造用材料で生産性を高めることによってコスト削減が達成される。
【００２４】
境界混合によって生じた大きな機械的表面(mechanical  surface)での増加した混合により添加剤及び/または充填剤がより分散する。
【００２５】
流体流内のポリマーの速度は通常の混合操作の間に表面に影響を与えるので、プロセス/混合装置の大きな表面に沿って粒子を転がすことによる粉砕及び切断効果によりポリマーをもっと攪拌する。
【００２６】
境界層内の硬質粒子の転がり動的摩擦により置き換えられる、静的摩擦の境界層効果により生じた機械的表面上の摩擦係数が減少する。
【００２７】
境界層における摩擦係数の減少により生産が増加する。ここで摩擦係数は生産高に直接作用する。
【００２８】
表面品質の改善：動的混合粒子を導入することにより、混合の間に、すなわち染料を混合するとき、型に射出するときに、境界層で粒子が回転するため、機械的表面に冨ポリマーゾーン(polymer  rich  zone)が生じる。冨ポリマーゾーンにより、ポリマーが充填されていようとなかろうと、優れた表面仕上げになる。
【００２９】
動的混合により境界層の停滞したフィルムが攪拌され及び粒子回転が生成して境界層が自己浄化されて、微粒子及びフィルムを取り除く。
【００３０】
境界層における動的混合により熱移動が促進される。これは停滞したフィルムと考えられ、ここで熱移動は最初に伝わるが、停滞したフィルムを混合すると、熱移動表面で強制対流が起こる。
【００３１】
本発明の動的混合材料は、特定の毒性添加剤の使用を減らし、且つ毒性のある添加剤を環境に優しい不活性固体、すなわち化学的及び熱的のいずれにおいても安定な動的混合材料に置き換えることにより、現在及び今後予想される環境上の法的要求事項を満たすのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、未処理膨張パーライトのSEM画像である。
【図２】図２は、500倍に拡大した処理済みパーライトのSEM画像である。
【図３】図３は、2500倍に拡大した処理済みパーライトのSEM画像である。
【図４】図４は、火山灰のSEM画像である。ここで一目盛は100ミクロンに等しい。
【図５】図５は、火山灰のSEM画像である。ここで一目盛は50ミクロンに等しい。
【図６】図６Aは、700℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素(zeolite-templated  carbon)のSEM画像である。図６Bは、800℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のSEM画像である。図６Cは、900℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のSEM画像である。図６Dは、1,000℃で製造した天然ゼオライト鋳型炭素のSEM画像である。
【図７】図７は、30000倍に拡大したナノ多孔質(nano  porous)アルミナ膜のSEM画像である。
【図８】図８は、120,000倍に拡大したアルミニウム合金AA2024-T3上に成長した疑似ベーマイト相Al2O3xH2OのSEM画像である。
【図９】図９は、1000倍に拡大した未処理中空灰球体(hollow  ash  sphere)のSEM画像である。
【図１０】図１０は、2500倍に拡大した処理済み中空灰球体のSEM画像である。
【図１１】図１１は、3M(登録商標)ガラス泡(glass  bubble)のSEM画像である。
【図１２】図１２A及び１２Bは、5,000倍(図１２A)及び10,000倍(図１２B)に拡大した飛散灰(フライアッシュ：fly  ash)粒子のSEM画像である。
【図１３】図１３は、500倍に拡大したリサイクルガラスのSEM画像である。
【図１４】図１４は、1,000倍に拡大したリサイクルガラスのSEM画像である。
【図１５】図１５は、750倍に拡大した処理済みの赤い火山岩のSEM画像である。
【図１６】図１６A〜Dは、砂粒子のSEM画像である。
【図１７】図１７Aは、１時間合成したゼオライトY、A、及びケイ酸塩１のSEM画像である。図１７Bは、1時間合成したゼオライトY、A及びケイ酸塩１のSEM画像である。図１７Cは、６時間合成したゼオライトY、A及びケイ酸塩１のSEM画像である。図１７Dは、６時間合成したゼオライトY、A及びケイ酸塩１のSEM画像である。図１７Eは、12時間合成したゼオライトY、A及びケイ酸塩１のSEM画像である。図１７Fは、12時間合成したゼオライトY、A及びケイ酸塩１のSEM画像である。
【図１８】図１８は、リン酸カルシウムヒドロキシアパタイト(phosphocalcic  hydroxyapatite)のSEM画像である。
【図１９】図１９Aは、A1  MFI凝集体(agglomerate)のSEM画像である。図１９Bは、A1  MFI凝集体のSEM画像である。
【図２０】図２０Aは、20k倍に拡大した微結晶質ゼオライトYのSEM画像である。図２０Bは、100k倍に拡大した微結晶質ゼオライトYのSEM画像である。
【図２１】図２１は、ZnO、50〜150nmのSEM画像である。
【図２２】図２２Aは、半球状クラスタリング材料(semi-spherical  clustering)  material)のSEM画像である。図２２Bは、100℃で合成したゼオライト-PのSEM画像である。
【図２３】図２３Aは、ナノ構造の(nanostructured)CoOOH中空球体のSEM画像である。図２３Bは、CuOのSEM画像である。図２３Cは、CuOのSEM画像である。
【図２４】図２４Aは、100℃で1.5Nにおける溶融灰(fused  ash)のSEM画像である。図２４Bは、不特定の(unnamed)ゼオライトを示している、100℃、1.5Nで6時間における溶融灰のSEM画像である。図２４Cは、立方晶系ゼオライト(cubic  zeolite)を示している、100℃、1.5Nで24時間における溶融灰のSEM画像である。図２４Dは、不特定のゼオライト及びギブサイト大型結晶を示している、100℃、1.5Nで72時間における溶融灰のSEM画像である。
【図２５】図２５Aは、2.5umの均一で模様のない(plain)Al2O3ナノスフィアのSEM画像である。図２５Bは、635nmの均一で模様のないAl2O3ナノスフィアのSEM画像である。
【図２６】図２６は、CoOOHの毛髪様繊維を示すコンピューターで作ったモデルである。
【図２７】図２７は、両方のサンプルで同一の顔料を充填した硬質PVCの二つのサンプルを示す。ここで一つのサンプルは動的混合粒子を含む。
【図２８】図２８は、両方のサンプルに同一の顔料を充填したポリカーボネートの二つのサンプルを示す。ここで一つのサンプルは動的境界層混合粒子を含む。
【図２９】図２９は、ABSスポットのついた硬質PVCを示す。
【図３０】図３０は、一緒に混合したPVCとABSを示す。
【図３１】図３１は、動的混合粒子を使用した場合と使用しない場合の緑反応エポキシ(green  reacted  epoxy)と、動的混合粒子を使用した場合と使用しない場合の黄色反応エポキシ(yellow  reacted  epoxy)とをそれぞれ混合した試験サンプルを示す。動的混合粒子と混合したサンプルは、より大きな青い領域により実証されるように優れた混合となった。
【図３２−１】図３２A〜３２Tは、添加剤の重量％が0.35重量％(wt％)〜4.2重量％の範囲であり、気泡サイズが42ミクロンから217ミクロンを変動する、直接ガス圧入(direct  gas  injection)によるベースポリスチレンまたはポリプロピレンフォームを示す。
【図３２−２】図３２A〜３２Tは、添加剤の重量％が0.35重量％(wt％)〜4.2重量％の範囲であり、気泡サイズが42ミクロンから217ミクロンを変動する、直接ガス圧入(direct  gas  injection)によるベースポリスチレンまたはポリプロピレンフォームを示す。
【図３２−３】図３２A〜３２Tは、添加剤の重量％が0.35重量％(wt％)〜4.2重量％の範囲であり、気泡サイズが42ミクロンから217ミクロンを変動する、直接ガス圧入(direct  gas  injection)によるベースポリスチレンまたはポリプロピレンフォームを示す。
【図３２−４】図３２A〜３２Tは、添加剤の重量％が0.35重量％(wt％)〜4.2重量％の範囲であり、気泡サイズが42ミクロンから217ミクロンを変動する、直接ガス圧入(direct  gas  injection)によるベースポリスチレンまたはポリプロピレンフォームを示す。
【図３２−５】図３２A〜３２Tは、添加剤の重量％が0.35重量％(wt％)〜4.2重量％の範囲であり、気泡サイズが42ミクロンから217ミクロンを変動する、直接ガス圧入(direct  gas  injection)によるベースポリスチレンまたはポリプロピレンフォームを示す。
【図３３】図３３は、ポリプロピレンフォームを10倍に拡大したものを示し、ここで本発明の動的混合粒子を添加したフォームでは、形成した気泡が増えたことが明らかである。
【図３４】図３４は、ポリプロピレンフォームを60倍に拡大したものを示し、ここで本発明の動的混合粒子を添加したフォームでは、形成した気泡が増えたことが明らかである。
【発明の詳細な記述】
【００３３】
好ましい態様の詳細な記載
動的混合粒子を導入することによって、高剪断混合環境における熱可塑性プラスチックなどの粘性材料(viscosity  material)において図２７及び２８に示すように、優れた機能が得られる。
【００３４】
図２７は、両方のサンプルに同一顔料を充填した硬質PVCを示す。その中に動的境界層混合粒子をもつ左側のサンプルはより良い分散を示すことが明らかである。
【００３５】
図２８は、両方のサンプルに同一の顔料を充填したポリカーボネートを示す。動的境界層混合粒子をもつ、右側のサンプルはより良い分散を示すことが明らかである。
【００３６】
図２７及び２８は、分散との関係で動的境界層混合粒子の恩恵を明らかに示している。改善された分散特性により、ベース材料にはより少ない量の添加剤でよい。というのも動的混合粒子が存在することで添加剤をより良く分配するので、同じ分散剤の好都合な特性が得られるからである。
【００３７】
異種材料の混合及びブレンド
図２９は、二つの画像を示す。画像１はABSの斑点がある硬質PVCを示す。この二種類の材料は、高剪断条件下であっても、化学的に混合もブレンドもしようとしない。
【００３８】
図３０の画像２は、混合するのが困難な異種材料に動的境界層混合粒子を添加する効果を示す。押出機では、PVCとABSが一緒に混合され、これによってABSは黒い顔料のように作用した。
【００３９】
通常、ポリマー中の添加剤は、耐久性を促進するために使用される。しかしながら、難燃剤、充填剤、消泡剤、表面張力変性剤及び殺生物剤などの場合には、充填剤はポリマーに負の作用をもつことが多いので、架橋ポリマー系の至るところで疲労(fatigue)を生じる。動的混合粒子を添加すると、混合を促進するだけにとどまらない。動的混合粒子を添加すると、添加剤のサイズを機械的に減少させ、これによりポリマーマトリックス内でより良い相互作用を生み出す。従って添加剤のサイズを小さくし、且つ分散を改善することによって、添加剤の量を減らすことができる。この均質混合特性は、所望の結果を生じるのに必要な添加剤を減らすことによって、ポリマーの架橋強度を高める。
【００４０】
反応性二成分フォームにおいて、動的混合粒子を添加すると、液体-液体界面を混合するのを助け、ポリマー内でくまなくよりよい架橋を促進する。動的混合粒子を添加するとさらに、付着強度を改善し、さらに良好な流動特性を与える。
【００４１】
図３８を参照することにより理解されるように、上部サンプル、すなわち境界破壊動的混合粒子(boundary  breaker  kinetic  mixing  particle)を有するサンプルとは、二つのサンプルをより完全に混合したものである。言い換えれば、緑と黄色と混合された上部サンプルはエポキシとより十分に反応して、より大量の青の混合エポキシが得られる。
【００４２】
二成分反応性材料用に静的混合試験を実施し、その結果は図３１に見ることができる。
【００４３】
材料：Locite二成分60分、エポキシ、二種類の顔料、すなわち一つは黄色で、もう一つは緑を使用した。
【００４４】
装置：標準50mLデュアルコーキングガン(dual  caulking  gun)、直径1/4インチで、6インチ長さの使い捨て静的ミキサーチップを使用した。
【００４５】
実験の組み立て：
エポキシ100mlを混合反応(reacted  mixed)し、少量の黄色顔料をその中に混合した。
【００４６】
エポキシ100mlを混合反応し、少量の緑色顔料をその中に混合した。
【００４７】
その中に顔料を混合した二つの100mlの反応済エポキシを半分に分けた。黄色の反応済エポキシ50mlを、静的ミキサー中の単一の二成分カートリッジ(single  dual  component  cartridge)の半分に入れた。静的ミキサーのもう半分には、緑色の反応済エポキシ50mlを、単一の二成分カートリッジに設置した。
【００４８】
50mlの黄色の反応済エポキシは、その中に手で混合した1質量％の動的混合粒子を有していた。黄色の反応済エポキシを静的ミキサーカートリッジの半分に入れた。50mlの緑色の反応済エポキシは、その中に手で混合した1質量％の動的混合粒子を有していた。50mlの緑色の反応済エポキシを二成分カートリッジの反対側に入れた。混合プロセスは約５分間実施してから、材料を同一低速(low  rate)で静的ミキサーから出した。静的ミキサーチューブを放置して完全に硬化させた。次いでウォータージェットカッターを使用してチューブを半分に切断した。図３１を参照して理解されるように、上部サンプル、すなわち動的混合粒子を含むサンプルは、二種のサンプルをより完全に混合したものである。言い換えれば、緑と黄色と混合された上部サンプルはエポキシとより十分に反応して、より大量の青の混合エポキシが得られる。
【００４９】
フォーム技術における応用：
本発明の高度に特殊化された構造用材料、すなわち動的混合粒子を発泡技術と組み合わせると、動的混合の特徴的な特性は、混合段階が完了しても終わらない。動的混合粒子は、発泡プロセスの間、流体が移動する際に活性なままであり続ける。後混合(post  mixing)段階での粒子の活性により、フォームの発泡の間にポリマーの中にくまなく反応性添加剤と非反応性添加剤がより良く分散することによって、発泡剤がより良く分散するだけでなく増加移動性を促進する。より良い分散と増加した移動性により、気泡の一貫性が改善する。動的混合粒子の三次元の棘のある刃様構造の特徴的な形状により、優れた核形成部位が生じて、これにより気泡壁の一貫性及び強度が増加する。
【００５０】
700〜1000ミクロンサイズの気泡構造から10ミクロン以下にフォームの気泡サイズを小さくするのが望ましい。この画期的な発明により、当業界は今まで商業的に可能であったものよりもより軽量でより強固なフォームを製造することができるだろう。
【００５１】
N2、CO2、Arなどのガスを使用するガス注入フォームプロセスにおいて、プロセスのもっとも難しい部分は、溶融したプラスチックまたは反応性材料にガスを溶解させることである。ガスが異なればポリマーによっても溶解度定数も異なる。
【００５２】
溶解度定数(solubility  constant)
溶解度定数に変動があると、様々な材料のガス充填量に一貫性が無くなる。フォームが大きい気泡サイズと小さい気泡サイズの両方を生じる場合、一貫性の無い気泡構造体によって構造及び熱的変動が生じる。これらの困難な問題を克服するための試みとしては、押出機の長さを長くしたり、機械的混合用の分散時間を長くするために複数の押出機を使用したりすることが挙げられる。動的混合粒子を添加することは、ナノ及びミクロンサイズの三次元硬質構造用粒子を含む。動的混合粒子は、混合プロセスの間にプラスチック内にミクロ及びナノサイズの機械的開口部(mechanical  opening)を作る。この開口部によってガスがポリマー内に分散でき、それによって混合時間とガスの溶解効果を大きく減少させる。本発明の三次元の動的混合粒子は、様々なサイズ及び形状を持つように調整して、刃の長さ、空洞の深さ、粒子の空隙サイズ、隆起部材のサイズ(protruding  member  size)、棘様構造(spine  like  structure)長さなどの構造的な特徴によりフォームに所望のサイズの気泡を作り出すことができる。
【００５３】
たとえば、タイプIの動的混合粒子を使用して、臨界(critical)CO2ガスをタイプI動的混合粒子の様々な濃度でポリプロピレンに添加する研究を実施した。結果は図３２A〜３２Tに見ることができる。タイプIの動的混合粒子は、膨張パーライトから製造し、以下の表１に列記した配合量濃度で、CO2を含まないで30μの平均粒径を有していた。タイプIの動的混合粒子を添加すると、4.8処方重量％(％  by  formula  weight)で45μの一貫した小さな気泡構造と、0.40処方重量％で163μの大きな気泡構造が生じた。タイプIの動的混合粒子をポリスチレンに添加すると、1.75処方重量％で42μの一貫した小さな気泡構造と、0.35処方重量％で217μの大きな気泡構造が生じた。ポリプロピレン及びポリスチレンの両方に関して、動的混合粒子が回転した時に生じた低エネルギー領域は同一であった。しかしながら、泡が凝集してより大きな気泡を生成する能力は、より多くの動的粒子が存在する場合には低下する。動的境界層混合粒子を多く添加し過ぎれば、ポリスチレンが示した気泡構造は減少する可能性がある。シフトは1.75配合重量％で42μ〜4.2配合重量％で54μであった。従って、フォームマトリックス中で動的混合粒子が回転することにより形成されるミクロンサイズの気泡構造がより高い生産速度であればあるほど、気泡が凝集する可能性はより小さくなる。
【００５４】
【表１】
0006049618.tif 000002
【００５５】
粒子と得られた気泡サイズとの間の関係は、使用している動的粒子の表面特性の関数である。
【００５６】
たとえば、気泡形成に関連して粒径特性を説明するために先に記載したガス注入試験を使用して、好適な動的境界層混合表面特性をもつ膨張パーライト粒子が動的モーション(kinetic  motion)で回転及び転がると、空隙(void)の頂点(vertex)が非常に小さい角度を形成する場合、パーライト粒子は、ポリマー中に粒子の空隙の空洞(void  cavity)に対してサイズが比例する低表面エネルギー領域を形成するだろう。一態様において、すなわち空隙が双曲線型表面(hyperbolic  surface)により画定される場合、頂点は、非等角(non-conformal)双曲線型三角形の頂点と同じように無限になる。タイプI混合粒子の特性を有する膨張パーライトは、矢の後ろにある羽根のように見える。すなわち粒子は三次元の刃の様な特性を有し、これにより刃の間に泡を形成することができる。流体により適用された抵抗力が動的境界層混合粒子上に形成している発泡し隆起している泡の付着力に打ち勝つまで、泡は刃様構造に付着したままである。上記例では30μの平均粒径(average  mean  particle  size)について議論した。従って、この例における粒子の半径は15μである。泡は、半径の約三倍でタイプI動的混合粒子から開放されるだろう。３：１の関係は、動的混合粒子のタイプに依存して変動する。というのも、表面の間の幾何学的接触が泡の付着力に直接影響するからである。従って、様々な幾何学的構造が流体の除去エネルギーに対して表面を変化させて、より大きなまたはより小さな気泡サイズを生み出す。ポリマーと添加剤の混合動力学及び選択によって、動的混合粒子に適用された流体力に顕著な作用をもち、動的混合粒子の表面上の泡の付着力に打ち勝つ。この付着力は適用により異なることがある。一般的な経験則は、所望の泡サイズ、すなわちフォーム空隙サイズは、粒子の粒径及び/または隆起した腕状部より0.025〜8倍大きいと予想される。粒子タイプIに関しては、本出願人は、空隙サイズは粒子の粒径及び/または隆起した腕状部より１〜8倍大きいと予想している。
【００５７】
本出願人の動的混合粒子を添加することにより、現行のフォーム技術の4つの分野：１．気泡構造の一貫性；２．処方成分の分散；３．改善された強度；４．コスト低下を改良する。これら四つの効果について以下議論する。
【００５８】
気泡構造の一貫性
本発明の動的混合粒子は、三次元の、鋭くとがった突端(sharp  poiont)、薄い刃(thin  blade)、孔、空洞(cavity)、隆起した腕状部(protruding  arm)、棘様構造(spine  like  structure)、ギザギザの端部(jagged  edge)、平滑な角(smooth  corner)などの形状を含む特徴的な特性をもつ。これらの動的混合粒子がフォーム発泡の間に流体と共に移動するにつれて、端部が優れた核形成部位を生み出して、これが気泡構造の一貫性を増加させるような方法で流体を発泡させる。これは図３３及び３４に見ることができる。図３３は10倍に拡大したものを示し、ここでは添加剤を使用せずに製造したフォーム中におけるよりも、動的混合材料の添加剤タイプIを使用して製造したポリプロピレンフォームでより多くの気泡(セル)を見ることができる。同様に、図３４は、添加剤を使用せずに製造したフォーム中におけるよりも、より多くの気泡が動的混合材料添加剤タイプIを使用して製造したポリプロピレンフォームの内部にあることを示している。
【００５９】
配合成分の分散
膨張パーライトから製造した境界層動的混合粒子タイプIは、配合の化学的特性を変えることなく、ポリマーの中にくまなく、発泡剤などの全ての配合成分をより良く分散させた。後押出機発泡(post-extruder  expansion)の間でさえも、粒子は混合によってフォームに影響を与え続けて、これによりポリマーの中にくまなく配合成分をより良く分散させる。
【００６０】
改善された強度
Izod衝撃強度試験は、1/2"Izodプロフィールで、標準においてポリプロピレンフォームで実施した。
【００６１】
1％*発泡剤を使用するポリプロピレン=7.14g；
1％*発泡剤＋1％*添加剤を使用するポリプロピレン＝8.11g。
【００６２】
*配合重量(by  formula  weight)。
【００６３】
タイプI動的混合粒子を導入することにより製造された、フォーム構造の改善された気泡構成(cellular  makeup)と組み合わされた配合成分の改善された分散により、衝撃強度が13.5％上昇した。
【００６４】
コスト低下
ポリプロピレンフォームにおける重量減少分析、標準1/2"Izodプロフィール。
【００６５】
1％*発泡剤を使用するポリプロピレン＝21.5g；
1％*発泡剤＋1％*添加剤を使用するポリプロピレン＝13.5g。
【００６６】
*配合重量。
【００６７】
動的混合粒子を導入することにより製造された、フォーム構造の改善された気泡構成と組み合わされた配合成分の改善された分散により、同一幾何学形状のものの重量が25.0％減少した。
【００６８】
動的混合粒子を適用する利益は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、PVC、ABSなどのフォームプラスチックにおける適用に限定されるだけでなく、単一成分ウレタン類、複数成分ウレタン類、エポキシ、尿素などの反応性フォームにも限定されない。動的混合粒子の添加により、吸熱性発泡剤、発熱性発泡剤、窒素またはCO2ガスフォーム射出系を使用する任意の構造フォーム材料でも同様の結果を生じるだろう。
【００６９】
【表２】
0006049618.tif 000003
【００７０】
化学的発泡剤
本発明の粒子は、商業的に使用される発泡剤に対して三つの方法で機械的補助を提供する。第一は、ナノ及びミクロ機械的混合により生じた発泡剤の分散増大である。第二は、混合の間に生じて化学的発泡剤がポリマー中に分散できるナノ及びミクロンサイズの穿孔(perforation)である。第三は、混合ゾーンで表面張力を低下させ、機械的発泡剤にもっと自由に核形成させる能力を与える、ナノ及びミクロ機械的動的ブレンドプロセスである。これらの動的混合粒子は、コーティング及び/またはドーププロセスによって発泡剤処方に商業的に配合されて、同様の結果をもたらすことができる。このベース粒子を使用して、より良い発泡剤を製造することができる。
【００７１】
核形成部位
より良い核形成及びより統一気泡サイズを生み出すために様々な種類の材料が使用されてきた。ナノクレー及びカーボンナノチューブなどのより珍しい材料と共に、最も一般的な市販され使用される材料はタルクである。核形成粒径とフォーム気泡サイズとの関係に関しては多くの議論と論争があった。
【００７２】
本発明の技術は、ポリマー内部に低表面エネルギーを促進させることによって、核形成部位を増やすための幾何学的形状の基本原理に注目する。粒子を取り巻く流体のより低い表面エネルギーは、非常に鋭い頂点をもつ幾何学的形状によりもたらされる。一態様において、すなわち空隙が双曲線表面により画定される場合、頂点は、非等角(non-conformal)双曲線型三角形の頂点と同じように無限になる。これらの幾何学的形状としては、点、鋭くとがった端部及び接近可能な内部構造、その幾何学的形状が角を生じる空隙またはポケット、菱形、三角形などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００７３】
ポリマーは、川を下って流れる水と同様に、表面の上及び粒子の周囲に自然に曲がる鎖様材料である。粒子の形状がより切り立っていればいるほど、より大きな乱流が生成する。たとえば川にある岩を考えてみると、滑らかな岩は殆どまたは全く乱流を作らないのに、角張った端部や空洞をもつ岩は多く乱流を作る。乱流は低表面エネルギーのエリアまたは領域を生み出す。低エネルギーエリアにより、核形成部位が発生できるようになる。核形成部位は、ポリマーの中にくまなく気泡を形成する連鎖反応になる泡形成の発端部分である。
【００７４】
通常使用される核形成材料及び開発中の新規材料の幾何学的形状に関する考察は以下の通りである。
【００７５】
タルク：
高剪断の間に材料を突き進ませることができる、弱いファンデルワールス力によりまとまった平坦な平板様形状。タルクは小さな粒径に加工することが可能で、処理条件に依存して、鋭いまたはギザギザの端部を持ってもよいし、持たなくてもよい。
【００７６】
ナノクレー：
おおよそ１のアスペクト比をもつだいたい球状または円柱状の不規則な形状。ナノクレーは、硬質有機体(organic)であり、ナノサイズの形状に加工することができる。
【００７７】
カーボンナノチューブ：
円筒状の形状または繊維状。カーボンナノチューブは強く、分子的に製造されている(molecularly  produce)。
【００７８】
上記の材料は全て、流動流体中に低エネルギー領域を作って、それによりサイズ及び形状をベースとして隣接する核形成部位を刺激するという特性をもつと考えられる。たとえばナノサイズの粒子は低エネルギー領域を促進する。というのも、長鎖ポリマーは小さな半径の周囲に曲がるのが困難だからである。従ってナノサイズの粒子は、核形成部位のために粒子の周囲に小さな領域を生み出す。ナノ材料に関する問題は、ポリマーの中にくまなく小さな粒子を分散させることに伴う問題に関連している。均一分散は、ポリマーの曲げの関係で、粒子半径をベースとする低表面エネルギー領域を作るのに極めて重要である。ナノ粒子が集塊状領域にずっと留まると、その集塊は核形成部位に適した低表面エネルギー領域を作り出さないかもしれない。さらに集塊は、ナノ粒子数をベースとした予想可能な核形成を計算しにくくする。
【００７９】
タルクは特徴的な物理的特性をもつ。タルクは硬質固体ではない。タルクは、弱いファンデルワールス力によりまとまっており、多くの場合、滑剤として使用される。タルクの自然の形状は、押出機により作られた高圧及び剪断下にあると、物理的形状の変化を受ける薄い、小さな平板様構造である。タルクを使用して、ポリマーの中にくまなく潤滑特性と結合した端部効果(edge  effect)により低エネルギー部位を作ることができる。タルクは構造用材料ではない。従って、タルクは、タルク粒子に与えられた機械的負荷(mechanical  load)により、様々なポリマーとの押出プロセスでサイズ及び形状を変えるので、タルクとは異なり正確に核形成の成果を予測するのが困難になる。本出願人の動的混合粒子は、核形成部位に理想的である。というのも、押出機内側の操作パラメーターにかかわらず、ポリマーの中でくまなくその分散性(disparsability)及び構造的完全性をベースとした表面特性が予測可能で且つ再現可能だからである。
【００８０】
本出願人の動的混合粒子は、適用されるポリマーにも剪断作用にもかかわらず、再現可能な低表面エネルギー相互作用を生み出す様々な表面特性をもった硬質構造用粒子である。動的混合粒子は自己分散性なので、このことにより核形成部位としてナノ粒子を使用する複雑化の要因を克服する。
【００８１】
適用法
添加剤、すなわち動的混合粒子は、以下の様々な方法でプラスチックまたはフォーム処方に配合することができる。
【００８２】
１．0.20〜70.0%の総処方重量で製造業者またはコンパウンディング会社からのプラスチックペレットに直接配合できる。
【００８３】
２．粉末または粒状で発泡剤の製造業者からの発泡剤と一緒に添加剤としてコンパウンドできる。
【００８４】
３．パーセント充填量を制御するためにホッパーシステムを使用して押出機に直接供給するために、原料粉末または特殊化された、コンパウンドされたプラスチックペレットとしてプラスチックまたはフォーム混合物に供給することができる。
【００８５】
４．流体を混合する前、または混合プロセスの間に、流体に乾燥粉末として直接配合することができる。
【００８６】
発泡剤の例示的な処方及び加工に使用される装置の記載は表１に知見することができる。
【００８７】
粒子タイプI
粒子タイプIは、境界層に深く取り込まれて、境界層と混合ゾーンの両方にフォーム構成成分流体の優れた動的混合を作り出す。タイプI粒子は化学的及び鉱物添加剤の分散を増大する。タイプI粒子は流体流を増大する。タイプI粒子の表面積は、タイプI粒子の質量と比較して大きい。従ってタイプI粒子は懸濁液中に十分にとどまる。一例では、タイプ(I)動的混合粒子は、モース硬度5.5(高品質のステンレス製ナイフ刃と同じ)の膨張パーライトから製造する。効率的にするためには、すべてのタイプの粒子はモース硬度で2.5以上の硬度をもつのが好ましい。
【００８８】
図１を参照して、この図には未処理の膨張パーライト(expanded  perlite)が示されている。パーライトは、公知の環境への問題がない鉱石であり、殆どの大陸で容易に入手可能であり、砂に次いで二番目に大量にある。膨張パーライトは熱発泡プロセスによって製造され、これは様々な泡の壁厚を生み出すために調整することができる。膨張パーライトは明らかに薄い壁の気泡構造を示し、加圧下で変形するかを示す。一態様において、パーライトは粗な原材料未処理形で使用することができ、未処理形は材料の最も経済的な形である。パーライトは、自己変形(self-shape)、すなわち加圧下で破砕して小さな粒子、境界層混合粒子になる能力をもつ。
【００８９】
図２は、膨張パーライト粒子は集塊せず、他のプロセス粒子の中で容易に流動するだろうことを示す図である。従って、膨張パーライトは最小混合装置を使用して容易に分散するだろう。
【００９０】
図３を参照して、この図には処理済みパーライト粒子の好ましい構造形状を示す膨張パーライト粒子の拡大図が示されている。粒子は、三次元の楔様形状の刃と様々なサイズの突端をもつものとして記載することができる。この不規則な形状により、様々な動的境界層の混合が促進される。図３に示されている膨張パーライトは、0.1〜0.15g/cmの範囲の密度をもち、非常に軽量である。軽量であると、極小の流体速度で粒子の回転を促進することができる。図３で明らかな刃様特性は、境界層を流れる流体の動的エネルギーを容易に捕え、同時に図３で明らかなギザギザの刃様特性は、境界層表面に付着しつつ、流動流体の境界層に入り込んで攪拌を促進する。好ましいおおよその適用サイズは900nm〜50μと予測される。この動的混合粒子は、広範な範囲の粘度を持つ様々な流体で分散を生み出す。さらに膨張パーライト粒子は、発泡プロセスで優れた核形成剤である。
【００９１】
図４を参照して、この図には、その自然状態の火山灰が示されている。火山灰は、薄壁の気泡構造に関して上記した、膨張パーライトの特性に似た特性を示す。火山灰は、容易に採掘可能であり、且つ動的境界層混合を生み出す動的混合材料に容易に加工可能な自然に形成した材料である。火山灰材料も変形可能であるので、混合及び圧力を適用するかそのいずれかによって、所望の形状を作るためにインライン処理の理想的候補となる。
【００９２】
図５を参照して、この図には破砕された複数の火山灰粒子が示されている。図５は、その処理形で上記のように、膨張パーライトと似たような方法で、境界層で相互作用をする三次元の刃様特性をもつ破砕粒子を示す。図５の破砕火山灰粒子は、処理済みパーライトよりも大きく、破砕火山灰粒子の用途をより粘性材料に適したものにする。好ましいおおよその適用サイズは、80μ〜30μである。この材料は、上記処理済みパーライト材料と似たように機能するだろう。
【００９３】
図６A〜６Dを参照して、これらの図には、700C(図６A)、800C(図６B)、900C(図６C)及び1000C(図６D)で製造した天然ゼオライト鋳型炭素(zeolite-templated  carbon)である。ゼオライトは動的混合材料の所望の表面特性を生み出すために処理できる小さな孔径をもつ容易に採掘可能な材料である。処理済みパーライト及び破砕火山灰は、似たような境界層相互作用能力をもつ。ゼオライト粒子は小さな空隙率をもつので、ナノ範囲で活性な動的境界層混合粒子を作ることができる。好ましいおおよその適用サイズは、600nm〜900nmと予測される。ゼオライト粒子は、中程度の粘度の材料で摩擦を減少させるために理想的である。
【００９４】
図７を参照して、この図には、破砕し、任意の力材料(force  material)と似た粒子特性を生み出す気泡構造をもつナノ多孔質アルミナ膜が示されている。材料の破砕は薄い壁で起きて、交差部分では起きないので、先に考察した材料と似た特性を生み出し、これは境界層動的混合粒子に理想的である。好ましい適用サイズは、300nm〜500nmであると予測される。この材料の粒径は、中程度〜低い粘度の流体により好適に適用される。
【００９５】
図８を参照して、この図には、アルミニウム合金AA2024-T3上に成長した疑似ベーマイト相Al2O3xH2Oが示されている。処理済みパーライト表面には、刃様特性を見ることができる。この材料の破断点は、一つ以上の刃が接合している交差部分の間の刃の面である。破断により、「Y」、「V」、若しくは「X」形、または幾何学的形状の似たような組み合わせに似た三次元の刃様形状を生み出すだろう。好ましいおおよその適用サイズは、50nm〜150nmと予測される。
【００９６】
粒子タイプII
粒子タイプIIは、最小の動的境界層混合と最小の分散能力を生み出すための境界層への中程度の貫通を達成する。タイプIIの粒子は最小の流体流を促進し、タイプII粒子の大きな表面及び非常に小さな質量のため容易に懸濁する。
【００９７】
中空球体を形成する材料の大部分は、機械的処理を受けて、動的境界層混合を促進するための表面特性をもつ卵殻様フラグメントを生成することができる。
【００９８】
図９を参照して、この図には、灰の未処理中空球体の画像が示されている。灰は、処理条件に依存して動的境界層混合粒子特性を生成するための自己変形(self-shaping)を受けることができる採掘可能な材料である。好ましいおおよその適用サイズは、自己変形プロセス前で20μ〜80μと予測される。自己変形は、いずれも破砕作用を生み出す機械的混合または圧力のいずれかによって達成することができる。
【００９９】
図１０を参照して、この図には、灰の処理済み中空球体が示されている。破砕された灰球体は、歩道上の紙切れに似て、境界層で転がるだろう。材料のわずかに曲がった部分は、その軽量であることと、少し湾曲しているため、転がる傾向がある卵殻のかけらに似ている。好ましいおおよその適用サイズは、5nm〜50nmと予測される。灰球体は膨張パーライトと似た方法で機能するだろうが、この材料はやや分配能力が劣っている。というのも、粒子が境界層に沿って転がるにつれて二つ以上の刃はより抵抗力を生み出し、より攪拌できるという事実により、その幾何学的形状は粒子を境界層に物理的に閉じ込めるようにはできないからである。この材料は、非常に粘度の高い材料の流れの間に、流動流体とパイプまたはプロセス装置の壁との間の摩擦を減らす。
【０１００】
図１１を参照して、この図には、壊れた(broken)卵殻様構造体に加工して動的境界層混合を促進する表面特性を生み出すことができる3M(登録商標)ガラス泡が示されている。壊れたガラス泡粒子(bubble  particle)は、壁の厚さ及び直径、並びに強度がプロセス条件及び原材料の選択をベースとして調整できる点を除いて、灰中空球体と同様の性能及び適用性と似ている。これらの人工材料は、食品グレードの用途での使用に適している。好ましい適用サイズは、自己変形プロセス前で約80μ〜5μであると予測されている。自己変形は、機械的混合または破砕作用を生み出す圧力のいずれかによって達成することができる。
【０１０１】
図１２を参照して、これは5,000倍に拡大した飛散灰(図１２A)及び10,000倍に拡大したゼオライト粒子(図１２B)のSEM写真を示す。粒子は中空球体を含む。飛散灰は燃焼により生じる一般的な廃棄物である。飛散灰粒子は容易に入手可能であり、安価である。ゼオライトは採掘することができ、安価な合成プロセスで様々な種類を製造することができる。従って、中空ゼオライト球体から誘導した構造体の望ましい特性を選択することができる。示されているゼオライト粒子は、粒子が処理済みパーライトと似た表面特性を持つこと、及び粒子が半分湾曲した形状、すなわち破砕された中空球体の形状と似た卵殻形状を保持するという点で、ハイブリッド粒子である。好ましいおおよその適用サイズは、自己変形プロセス前で5μ〜800nmと予測される。自己変形は、機械的混合または破砕作用を生み出すための圧力のいずれかにより達成することができる。これらの粒子が小さなサイズであることにより、粒子は中程度の粘度材料での使用に好適となる。
【０１０２】
粒子タイプIII
粒子タイプIIIに分類される粒子は、境界層内に最小の貫通を示す。タイプIIIの粒子は、境界層で最小の動的混合を示し、軟質化学添加剤及び硬質鉱物添加剤の両方と一体となって優れた分散特性をもつ。タイプIIIの粒子は流体流を増大し、十分に懸濁しないが、懸濁液に容易に戻る。固体材料の中には、動的境界層混合を促進する表面特性を生み出すための貝殻状割れ口(chonchordial  fracturing)を生成する能力をもつ。
【０１０３】
図１３及び１４を参照して、これにはリサイクルガラスの画像が示されている。リサイクルガラスは、安価で且つ動的境界層混合粒子に容易に加工される、入手可能な人工材料である。粒子の鋭利な刃様特性は、他の様々な採掘可能な鉱物と似た貝殻状破砕化によって製造される。これらの粒子の刃様表面は、パーライトのように薄くはない。粒子の密度は、粒子を作った固体に比例する。鋭利な刃は、リサイクルガラス粒子が通常、粘稠な物質と、回転を生み出すために強い流量を必要とする点以外は、パーライトの相互作用と似た方法で流動流体の流体境界層と相互作用する。処理済みリサイクルガラスは正電荷を持たない。従ってリサイクルガラスは、分散の間に集塊を形成しない。しかしながらその高密度のため、リサイクルガラス粒子は、他の低密度材料よりも流体から容易に沈降する。好ましいおおよその適用サイズは、5μ〜200μと予測される。この材料は、高い流量と共に非常に粘性の流体の境界層で優れた性能を生み出す。この動的混合粒子は分散を生み出す。粒子の滑面は摩擦を減らす。
【０１０４】
図１５を参照して、この図は処理済みの赤い溶岩火山岩粒子(red  lava  volcanic  rock)の画像である。溶岩は容易に入手可能な採掘可能な材料である。溶岩の典型的な用途としては、アメリカ南西部及びカリフォルニアでの景観岩としての使用である。この材料は、貝殻状破砕を受け、リサイクルガラスに似た特性を生み出す。しかしながら、破砕した表面は、リサイクルガラスの滑面よりもより粗い表面をもつ。表面特性は、流動流体の刃様切断と相まってやや高い粉砕作用を生み出す。従って、粒子は転がるだけでなく、流体流に研磨作用ももたらす。火山物質は、難燃剤、二酸化チタン、炭酸カルシウムなどの様々な媒体の中にくまなく半硬質材料を分散する。好ましいおおよその適用サイズは、1μ〜40μと予測される。処理済み火山岩は、高流量で非常に粘性の材料の流動境界層で良好な性能を生み出し、分散を生み出す。
【０１０５】
図１６A〜１６Dを参照して、図１６A〜１６Cは、破砕し、動的境界層混合粒子として使用するための好適な表面特性を生み出す能力を持つ砂粒子を示す。画像は、同様の利益をもたらす、リサイクルガラスの特性と似た物理的特性を持つ粒子を示す。図１６A、１６B及び１６Dは、図面に示されている表面特性は異なるが、流動流体の境界層と相互作用するための良好な表面特性をもつ。図１６Aは、境界層表面相互作用を促進するために、粒子の端部に沿って良好な表面粗さを持つ幾らか刃様特性を示す。図１６Aの粒子は、回転を生み出すためにより高い速度の流速が必要だろう。図１６Bの粒子は、先に考察したようにリサイクルガラスの表面特性と同様の表面特性をもつ。図１６Dは、これらの材料の相互作用と一般的に似た相互作用を生み出すために良好な表面粗さをもつ粒子を示す。これらの粒子の性能は、リサイクルガラスの性能と似ている。砂は採掘可能な豊富にある材料であり、様々なサイズの所望の破砕形状を生成するために安価に処理することができる。砂は天然材料であるため、環境的に優しいとみなされる。好ましいおおよその適用サイズは、5μ〜250μと予測される。この材料は、高い流速でより粘度の高い材料の境界層で良好な性能を生み出す。この動的粒子は分散を生じる。粒子の平滑面は摩擦を減少させる。
【０１０６】
図１７A〜１７Fを参照して、これらの図面はゼオライトY、A及びケイ酸塩１の画像を示す。フィルムのSEM画像は、合成溶液の底部で100℃で1時間(図１７A、１７B)、６時間（図１７C、１７D）、及び１２時間（図１７Ｅ、１７Ｆ）合成したものを示す。これらの材料を処理して、ナノサイズの動的境界層混合粒子を生成することができる。この材料は合成的に成長させるので、量が限られており、従って高価になる傾向がある。６つすべての画像、すなわち図１７A〜１７Fは明らかに、この材料の上記の構造と似た刃様構造をもつ貝殻状割れ口を生み出す能力を示す。好ましいおおよその適用サイズは、500nm〜1000nmと予測される。この材料の粒径範囲により、中程度の粘度の流体での使用に役立つ。
【０１０７】
図１８を参照して、この図は、リン酸カルシウムヒドロキシアパタイト、式Ca10(PO4)6(OH)2を示し、これはアパタイトの結晶学的ファミリーの一部を形成し、同一六面構造(hexagonal  structure)を持つ同型化合物(isomorphic  compound)である。これは生体材に最も一般的に使用されるリン酸カルシウム化合物である。ヒドロキシアパタイトは医療用用途で主に使用される。表面特性及び性能は、上記赤い溶岩粒子のものと似ているが、赤い溶岩粒子よりもより良好な表面粗さをもつかもしれない。
【０１０８】
粒子タイプIV
固体クラスタリング材料の中には、クラスター構造を破砕して、動的境界層混合を促進する表面特性を生成する、独特の特徴的な均一材料を製造する能力をもつものがある。
【０１０９】
図１９A及び１９Bを参照して、この図面には、様々な倍率における24時間結晶化後のA1フォーム/ゼオライトコンポジットのSEM画像を示す。図１９AはA1形/ゼオライト圧縮材(strut)を示す。図１９BはMFI凝集体を示す。この二つの画像は、機械的処理により容易に破砕して、独特の特徴的に形成された粒子の不規則な形状のクラスターを生成するこの材料の固有の構造を示す。材料の表面特性が多様であればあるほど、材料はより良く流動流体の境界層の、付着性のある、滑らないゾーンと相互作用して、動的境界層混合を生成する。この材料は、鋭利で輪郭のはっきりした隆起型のランダムな90°の角をもつ花のような芽状突起(flowerlike  bud)をもつ。角は境界層の機械的攪拌を促進するだろう。粒子は、多様な表面特性により境界層と接触しながら、材料を回転または転がらせる半球体上または円筒状の形状ももつ。粒子の好ましいおおよその適用サイズは、1μ〜20μと予測される。この材料は非常に粘性の流体で使用できるだろう。表面特性は、難燃剤、酸化亜鉛及び炭酸カルシウムなどの硬化材料の優れた分散をもたらすだろう。A1フォーム/ゼオライトコンポジットの粒子が回転するにつれて、ブロック様の構造が、流動流体中の境界層に激突する材料を少しずつ削り続ける小型のハンマーのように作用する。
【０１１０】
図２０A及び２０Bを参照して、この図は、微結晶質ゼオライトYのSEM画像(図２０A)及びナノ結晶質ゼオライトYのSEM画像(図２０B)を示す。粒子は、上記フォーム/ゼオライトで記載したようにナノレベルで全て同一特性をもつ。図２０Aにおいて、画像の中心の主な幾分平坦な粒子は約400nmである。図２０Bにおいて、多面的なドットは、粒径で100nm未満である。機械的処理下では、これらの材料を破砕して、多様な動的境界層混合粒子にすることができる。好ましいおおよその適用サイズは、図２０Aのクラスター材料に関しては400nm〜10μと予測され、図２０Bのクラスター材料に関しては50nm〜150nmであると予測される。高機械的剪断下では、これらのクラスタリング材料は、クラスター粒子が容易に回転しないようにする最も抵抗性粒子を破砕することによって、自己変形する能力をもつ。これらの動力学的ランダム回転能力により、これらのクラスター材料は流動流体において摩擦調整剤(friction  modifier)として使用するのに優れている。
【０１１１】
図２１を参照して、この図には、50〜150nmの酸化亜鉛粒子が示されている。酸化亜鉛は、所望の用途に依存して、疎水性またはより親水性に特殊化され得る安価なナノ粉末である。酸化亜鉛は非常にランダムな形状をもつクラスターを形成する。この材料は、流動流体中でランダムな回転運動をもたらすので非常によく作用する。粒子は、多様な形状で刃様特性を作り出す90°の角を持った多様な表面特性をもつ。表面特性としては隆起した腕状部があり、これらは円筒形、長方形、キュー、Y-型粒子、X-型粒子、八角形、五角形、三角形、菱形など様々な形状に、互いに集合している。これらの材料は多様な形状を持つクラスターから製造されているので、境界層は層状流体流をいまだ維持しながら多様な機械的混合によってできるだけ乱流に近いように激しく揺れ動かされているので、材料は非常に大きな摩擦減少を生み出す。
【０１１２】
粒子タイプV
粒子タイプVは境界層に中程度の貫通をもたらす。タイプV粒子は、乾燥した地面の上の熊手(leaf  rake)と同様に境界層の中程度の動的混合を作り出す。タイプV粒子は、境界層の粘着性(gluey)領域に対して優れた付着力をもち、これは二相境界層混合に必要である。従って、タイプV粒子を添加すると、添加剤の最小の分散をもたらす。従ってタイプV粒子を添加すると、流体流が増大し、粒子は懸濁液に残る傾向になる。強力な表面モルフォロジー、たとえば粗度、群(group)、筋(striation)及び毛髪様繊維をもつ中空またはソリッドの半球体クラスタリング材料によっては、自由に回転する能力をもつ境界層に対して優れた付着を促進し、低粘度流体及び相変化材料、たとえば液体〜気体及び気体〜液体などで使用することができる。タイプV粒子は、境界層動的混合を促進するために所望の表面特性をもつ。
【０１１３】
図２２A及び２２Bを参照して、これらの図は、固体残渣の走査電子顕微鏡写真(図２２A)と、100℃で合成したゼオライト-Pの走査電子顕微鏡写真とエネルギー分散分光法(EDS)エリア分析を示す。タイプIVで考察するクラスター材料と異なり、これらの材料は球体形と、粒子の表面から隆起する毛髪様材料により作り出すことができる表面粗さをもつ。図２２Aは、良好な球体特性をもつ粒子を示す。球体の多くは、表面上に砂粒に似た小さな連結する粒子によって作り出される表面粗さをもつ。図２２Bは、表面全体から隆起する毛髪様繊維をもつ半球体状粒子を示す。これらの特性は、境界層に対して良好であるが、優秀ではない、付着を促進する。これらの材料は、境界層の表面で自由に回転して、最小混合を生み出して、二相系で動的境界層混合を促進する。たとえば、閉鎖系において液体が気体に転移するにつれて、境界層は急速に薄くなる。粒子は接触したままであるはずで、回転して動的境界層混合を促進する。材料は気体の流れの中で移動する能力をもつはずでもあるので、液体の中に戻ってリサイクルされて、両方の相で活性媒体として機能する。これらの粒子はおおよそ１μ〜５μ(図２２A)及びおおよそ20μ〜40μ(図２２B)の好ましいサイズ範囲をもつ。これらはいずれも、高圧蒸気発生系でもうまく働き、粒子は伝導から対流熱交換プロセスへ向かってボイラーの壁上に停滞した(stagnant)フィルムを動かすかもしれない。
【０１１４】
粒子タイプVI
図２３A、２３B及び２３Cを参照して、これらの図には、様々な酸化コバルト(datives)(たとえば、Co3O4、LiCoO2)の多様な前駆体であり、優れた触媒活性ももつナノ構造のCoOOH中空球体を示す。CuOは、狭いバンドギャップ(たとえば1.2eV)をもつ重要な遷移金属の酸化物である。CuOは、触媒、ガスセンサ、及びLiイオンバッテリのアノード材料として使用されてきた。CuOは、高温超伝導体及び磁気抵抗材料を製造するのにも使用されてきた。
【０１１５】
図２５A及び２５Bを参照して、これらの図には、2.5μmの均一で模様のない(plain)Al2O3ナノスフィア(図２５A)及び、表面上に毛髪様繊維をもつ635nmの均一で模様のないAl2O3ナノスフィア(図２５B)を示す。
【０１１６】
図２６を参照して、この図には、境界層に沿って回転し、且つ動的混合を生み出しながら、ナノサイズの粒子が流動流体の境界層と接触したままであるように、境界層付着を促進する毛髪様繊維を示すコンピューターで作ったモデルを示す。
【０１１７】
かくして本発明は、本明細書中に記載の目的を達成し、本明細書に記載の目標及び有利な点並びに本発明に固有な有利な点を達成するためにうまく適合される。現在好ましい態様は、本開示のために記載されたものであり、当業者には多くの変更及び変形が明らかであろう。そのような変更及び変形は、請求の範囲により定義される本発明の精神の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２−１】
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【図３２−２】
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【図３２−３】
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【図３２−４】
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【図３２−５】
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【図３３】
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【図３４】
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