(57)【要約】  金属化及び非金属化ナノ構造化学物質のポリマー内部での及びナノ及びマクロスコピク粒子並びにフィラーの表面での表面並びに体積変性剤としての使用方法。その０．５ｎｍ-３．０ｎｍのサイズにより、ナノ構造化学物質は、大いに表面積を増加し、適合性を改善し、そして、以前には達成できなかった長さ規模で、表面間の潤滑性を促進するために使用することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）（i）アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコーン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリイミド、フェノール樹脂、シアネートエステル、ポリウレア、レゾール、ポリアナリン、フルオロポリマー、シリコーン、スチレン樹脂、アミド、ニトリル、オレフィン、芳香族オキシド、芳香族スルフィド、エステル及び炭化水素並びにシリコーン由来のイオノマー或いはゴム状ポリマーから成る群より選ばれるポリマー及び（ii）金属、金属合金、酸化物、セラミックス、セラミックス合金、マイクロチューブ、ナノチューブ、無機化合物、有機化合物、人工材料及び天然材料から成る群より選択される粒子、から成る群より選択されるポリマー若しくは粒子材料を準備すること、並びに
（ｂ）ＰＯＳＳ、ＰＯＳ及びＰＯＭＳから成る群より選ばれるナノ構造化学物質を、混合により材料に組み込むこと
の工程を含み、混合物の表面粗さは、未混合材料の表面粗さに対して少なくとも２５％増加若しくは低減する、材料の表面又は界面の特性を変性するための方法。
【請求項２】
材料の表面積が、ナノ構造化学物質により変性されている、請求項１記載の方法。
【請求項３】
材料の体積が、ナノ構造化学物質により変性されている、請求項１記載の方法。
【請求項４】
ナノ構造化学物質が、分子レベルで材料を補強している、請求項１記載の方法。
【請求項５】
ナノ構造化学物質が、反応的に混合物に配合される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
ナノ構造化学物質が、非反応的に混合物に配合される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
材料が、弾丸若しくは装填筒であり、材料の表面粗さが低減される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
潤滑性及び摩擦性から成る群より選ばれる物理的性質が、ナノ構造化学物質を材料に組み込むことにより改善される、請求項１記載の方法。
【請求項９】
（ａ）アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコーン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリウレタン、ポリイミド、フェノール樹脂、シアネートエステル、ポリウレア、レゾール、ポリアナリン、フルオロポリマー、シリコーン、スチレン樹脂、アミド、ニトリル、オレフィン、芳香族オキシド、芳香族スルフィド、エステル及び炭化水素並びにシリコーン由来のイオノマー或いはゴム状ポリマーから成る群より選ばれるポリマーを準備すること
（ｂ）金属、金属合金、酸化物、セラミックス、セラミックス合金、マイクロチューブ、ナノチューブ、無機化合物、有機化合物、人工材料及び天然材料から成る群より選択される粒子材料を準備すること、並びに
（ｃ）ＰＯＳＳ、ＰＯＳ及びＰＯＭＳから成る群より選ばれるナノ構造化学物質を混合によりポリマーと粒子に組み込むこと
の工程を含み、ナノ構造材料がポリマー中の粒子の分散を容易にする、ポリマー中へ粒子を分散するための方法。
【請求項１０】
ナノ構造化学物質が、ポリマーを分子レベルで補強する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
ナノ構造化学物質が、ポリマー若しくは粒子と反応的に結合する、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
ナノ構造化学物質が、非反応的に混合物に配合される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本出願は、２００５年１２月１６日に出願された米国仮特許出願番号60/751,362の利益を主張するものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般的には、分散助剤、表面変性剤及び界面摩擦低減剤としてのＰＯＳＳナノ構造化学物質の使用により、ポリマー本体及び表面の特性を向上させるための方法に関する。
【０００３】
発明の背景
ポリマー、有機、無機、人工若しくは天然材料の粒子を、それ自身により或いは２次的材料により粒子の表面特性を変更しようとして又はその分散特性を改善しようとして、シランカップリング剤、界面活性剤、ポリマー被覆、化学的酸化処理、化学的還元処理、熱及び冷却処理並びに放射線暴露で変性することは通常のことである。
【０００４】
粒子、被覆及び加工技術に関する先行技術は、１〜５０ｎｍレベルでの粒子及び材料表面特性並びに表面-表面相互作用を正確に制御することはできなかった。それゆえ、そのような制御を提供する表面変性剤及び技術に対するニーズが存在する。
【０００５】
本発明の概要
本発明は、ナノ構造化学物質の使用によりナノスコピックレベルで表面特性を制御することによって、ポリマー中に粒子を分散する方法を記載する。その方法は、化学的マスターバッチの作成に対して大いに望ましい。本発明は、ポリマー、金属、セラミックスの表面及び界面特性並びに天然、人工或いは生物学的材料由来の表面を、ナノ構造化学物質によりそれらのナノスコピックな表面トポロジー、表面積及び同伴体積を制御することにより、制御する方法を教示する。
【０００６】
本発明は、ナノ及びマクロスコピックな粒子を高濃度でポリマー母体内に分散する課題を解決する。解決は、ポリマー材料内でまた粒子表面上での分散助剤及び表面変性剤としてのナノ構造化学物質の使用である。本発明は、同じナノ構造化学物質の界面変性剤としての使用による表面摩擦を低減する手段をも提供する。
【０００７】
ポリマー中での粒子分散制御のためのＰＯＳＳナノ構造化学物質の使用は、高濃度の粒子のマスターバッチの調製のために有益である。マスターバッチの目的は、容易に希釈可能な形で添加物濃度を増す性能を提供することである。マスターバッチは、通常のプラスチックスの価値を増加する便利な方法を提供し、完全に希釈された製品より低運賃であることから、処方業者、成形業者及びポリマー加工業者に望ましいものである。マスターバッチに組み込むことができる添加物の濃度、複雑度、数及びタイプを増加する能力は、追加的機能性を可能とし、更に価値を高める。
【０００８】
３つの主な材料の組み合わせが、マスターバッチ組成物のために好ましい。（１）ＰＯＳＳナノ構造化学物質、ＰＯＭＳ金属化ナノ構造オリゴマー若しくは金属含有ナノ構造ポリマー、（２）アクリル樹脂、カーボネート、エポキシ、エステル、シリコーン、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン、フェノール樹脂、シアネートエステル、ポリウレア、レゾール、ポリアナリン、フルオロポリマー並びに官能基を含むシリコン及びポリマーのような通常の非晶質ポリマー系；スチレン樹脂、アミド、ニトリル、オレフィン、芳香族オキシド、芳香族スルフィド及びエステルのような通常の半結晶質及び結晶質ポリマー又は炭化水素及びシリコーン由来のイオノマー或いは通常のゴム状ポリマーを含むポリマー若しくはポリマー/モノマーの組み合わせ、（３）金属、金属合金、酸化物、セラミックス、セラミックス合金、マイクロチューブ、ナノチューブ、無機化合物、有機化合物及び全ての人工或いは天然起源の粒子を含むナノスコピック及び巨視的粒子。
【０００９】
ナノ構造化学物質は、マスターバッチの混合に先立ち或いはその間に粒子を表面官能化するために使用することができる。それは、粒子フィラーの添加に引き続いて添加することができ、或いは、最も望まれる性能と経済的利益を与える順序でポリマーとフィラーを同時に添加することもできる。
【００１０】
好ましくは、粒子分散のプロセスは、所定の成分を一緒に混合し、混合により表面及び界面の変性を行うことにより生起する。溶融配合、乾式配合、摩砕、微粉砕、溶液配合、反応性及び非反応性配合を含むあらゆるタイプの配合及び混合技術も有効である。
【００１１】
加えて、その化学的性質の故に、ＰＯＳＳナノ構造化学物質は、殆どすべてのポリマー、生物学的、有機及び無機系と適合性若しくは不適合性を示すように適応させることができる。適応可能な適合性と組み合わせて、それらの物理的サイズは、ナノ構造化学物質がプラスチックスに選択的に組み込まれ、コイル、ブロック、ドメーン及びセグメントの力学を制御し、よって、多くの物理的特性に有利な作用を及ぼすことを可能にする。最も有利に改善された特性は、粘性、摩擦性、溶解性、分散性、熱歪み性、クリ−プ性、収縮性、圧縮歪性、強度、硬度、耐摩耗性、電気抵抗性、電気伝導性、放射線吸収性、ルミネッセンス性、放射性、硬化度、生物学的適合性及び生物学的機能のような時間依存性の機械的及び熱的特性である。機械的特性に加えて、他の有利に改善された物理的特性は、籠のサイス、分布の組成及び均質性に依存して選択的に制御される、熱伝導性及び電気伝導性、耐火性及びガスバリアー性並びに気体及び湿気透過特性を含む。
【００１２】
ナノ構造のための表現式の定義
本発明の化学組成物を理解するために、ポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）、ポリヘドラルオリゴメタラロセスキオキサン（ＰＯＭＳ）及びポリヘドラルオリゴメリックシリケート（ＰＯＳ）ナノ構造の表現式について、以下の定義がなされる。
【００１３】
ポリシルセスキオキサンは、∞はモル重合度を表し、Ｒは有機置換基（Ｈ、シロキサイド、シロキシ、環状或いは直鎖脂肪族若しくは芳香族基であり、追加的に、アルコール、エステル、アミン、ケトン、オレフィン、エーテル或いはハライドの如き反応性官能基を含んでもよい。）を表す式［ＲＳｉＯ１．５］∞により表される材料である。ポリシルセスキオキサンは、ホモレプティックかヘテロレプティックの何れかであってよい。ホモレプティック系はただ１つの型のＲ基を含み、一方、ヘテロレプティック系は１以上の型のＲ基を含む。特別な場合として、Ｒは、フッ素化有機基を含んでもよい。
【００１４】
ＰＯＳＳ、ＰＯＭＳ及びＰＯＳナノ構造組成物は、以下の式により表される。
【００１５】
ホモレプティック組成物に対しては［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ］Σ＃、
ヘテロレプティック組成物に対しては、［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ(Ｒ´ＳｉＯ１．５)ｍ］Σ＃（ここで、ＲとＲ´は、異なる。）
官能化ヘテロレプティック組成物に対しては、［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ(ＲＸＳｉＯ１．０)ｍ］Σ＃（ここで、Ｒ基は、同じか、同じでないかであり得る。）
ヘテロ官能化ヘテロレプティック組成物に対しては、［(ＲＳｉＯ１．５)ｎ(ＲＳｉＯ１．０)ｍ(Ｍ)ｊ］Σ＃
上記Ｒすべては、上記定義と同じであり、Ｘは、限定するものではないが、ＯＨ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、アルコキシド（ＯＲ）、アセテート(ＯＯＣＲ)、パーオキサイド（ＯＯＲ）、アミン（ＮＲ２）、イソシアネート（ＮＣＯ）及びＲを包含する。記号Ｍは、ｓ及びｐブロック金属、ｄ及びｆブロック遷移、ランタニド及びアクチニド金属を含む高及び低Ｚ金属を含む組成物内の金属元素を指し、特に、Ａｌ、Ｂ、Ｇａ、Ｇｄ、Ｃｅ、Ｗ、Ｎｉ、Ｅｕ、Ｕ、Ｙ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｖ、Ａｓ、Ｔｂ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｌｕ、Ｃｓ、Ｔｌ及びＴｅである。記号ｍ、ｎ及びｊは、組成物の化学量論に関連する。記号Σは、組成物がナノ構造を形成することを示し、記号＃は、ナノ構造内に含まれる珪素原子の数をいう。＃の値は、通常はｍとｎの和であり、ｎの範囲は、典型的には１〜２４であり、ｍの範囲は、典型的には１〜１２である。Σ＃は、化学量論を決定する乗数と混同されるべきではなく、単に、システムの全体のナノ構造特性（籠のサイズとして知られる）を説明するものであることが留意されるべきである。
【００１６】
発明の詳細な説明
本発明は、顕著な特性向上が、ナノ構造化学物質による粒子とポリマー表面の変性により実現することができることを認識する。先行技術は、表面積、体積若しくはナノスコピックトポロジーを制御せず、界面制御剤としても、ポリマーモルホロジー内或いは異種物質間のアロイ化剤としても機能しないことから、これは、表面変性を多いに単純化する。
【００１７】
先行技術は、ナノスコピックな表面性質に関する制御を認識し確立することに欠けている。本発明は、分散性、粘性、表面エネルギー、潤滑性、接着性及び汚染抵抗性のような特性が、材料表面及び界面でのナノ構造化学物質の使用により、簡単に有利に制御できることを実証する。最も有利に改善された特性は、粒子分散性、分散安定性、熱歪み性、クリ−プ性、圧縮歪性、強度、靭性、視覚的外観、触感及び質感、収縮性、弾性率、硬度及び耐摩耗性、衝撃抵抗性、耐火性、収縮減少性、膨張減少性、付着性、潤滑性、伝導性、誘電性、容量性、硬化度、硬化速度、放射線吸収性及び生物学的活性のような時間依存性の機械的及び熱的特性である。加えて、気体及び湿気透過特性、塗装性、印刷性、フィルム性及び被覆特性を含む他の機械的特性が有利に改善される。
【００１８】
本発明の表面変性の背景である基本的前提は、材料内部若しくは上部の何れかに、１ｎｍの球状ナノ構造化学物質粒子が種々の使用量で供給された表面積及び体積寄与度の計算により数学的に確証される。計算は、粒子がより小さくなると、材料へのその組み込みの重量％として、より大きい粒子よりも、より大きい表面積及びより大きい体積に寄与することを明らかにする。（図１−３参照。）正味の効果は、充分に小さなナノ粒子の少量の使用量でさえも、材料の表面特性を最大限に支配することができるということである。ナノ変性により与えられる新しい表面は、表面欠陥を埋め込むことにより表面粗さを減少するために使用することができるか、より多く表面を作製することにより表面粗さを増加することができる。更に、それらの表面をより滑らかに若しくは粗くすることによって、２個以上の材料間の表面-表面相互作用を増加或いは減少するために使用することができる。材料表面は、類似或いは非類似であり、また人工起源天然物起源或いは生物起源であることができる。
【００１９】
本発明の実際的適用は、ナノスコピック粒子様物質の使用を必要とする。最も望ましくは、このような粒子は、既知の正確な化学組成、厳密な３次元形状、制御可能な直径及び制御可能な表面化学を有するだろう。ナノ構造化学物質は、このような要請を満たし、本発明に好ましく使用される。
【００２０】
ナノ構造化学物質は、廉価なポリヘドラルオリゴメリックシルセスキオキサン（ＰＯＳＳ）及びポリヘドラルオリゴメリックシリケート（ＰＯＳ）及びポリヘドラルオリゴメタロセスキオキサン（ＰＯＭＳ）系のものによって、最もよく例示される。図４は、モノ分散性ＰＯＳＳナノ構造化学物質のいくつかの代表的例を図解する。しかしながら、ナノ構造化学物質の論理的拡張は、カルボラン、ポリオキソメタラート及びＰＯＭＳを含み、本発明に意図されもする。ＰＯＭＳは、中央の籠枠組みの内部或いは外部に１以上の金属を含むナノ構造ＰＯＳＳ化学物質である。ある例では、籠は１以上の金属原子若しくは１以上のタイプの金属原子若しくは金属合金さえも籠上に含んでもよい。
【００２１】
ＰＯＳＳナノ構造化学物質は、ハイブリッド（即ち、有機-無機）組成物と、籠に接する１以上の金属原子を含んでもよい無機珪素-酸素結合で主として構成されている内部の籠様枠組を含む。金属と珪素-酸素枠組に加えて、ナノ構造化学物質の外部は、ナノ構造と他の物質との適合性及び適応性を保証する反応性及び非反応性有機官能基（Ｒ）両方により覆われている。粒子フィラーとは異なり、ＰＯＳＳナノ構造化学物質は、ポリマー及び溶媒中に溶解し、−４０〜４００℃の融点範囲を示す。
【００２２】
金属原子（ＰＯＭＳ）、シラノール、アルコール若しくは他の極性基を担持するＰＯＳＳナノ構造化学物質は、それらが、シリカ、金属或いはポリマー粒子と相互作用し永久に結合する一方、籠上の非反応性基が２次材料若しくは２次表面に向けて表面を適合化することができることから、好ましくは、分散剤及び表面変性剤として使用される。ＰＯＳＳナノ構造化学物質の化学的性質は、その分散特性が、不溶解性粒子に対する動力学的分散混合よりむしろ、ギブスの混合の自由エネルギーの式（ΔＧ＝ΔＨ−ＴΔＳ）に支配されもする。したがって、ファンデアワールス相互作用、共有、イオン或いは水素結合により表面と相互作用するＰＯＳＳの能力は、化学的、熱力学的及び動力学的にその分散性及び表面変性を駆動するために使用することができる。更に、ＰＯＳＳ籠は、サイズがモノスコピックであり、エントロピー分散（ΔＳ）が有利である。
【００２３】
各ＰＯＳＳナノ構造化学物質は、籠サイズの変化及び籠に付着する籠のＲ基の長さ（典型的には、０．５〜５．０ｎｍ範囲）により制御することができる分子直径を有することもある。分子直径は、最適処方における表面トポロジー、表面積及び体積寄与度に関する制御を与えるための鍵である。例えば、３つのシラノール基により表面に接する籠は、１つの最高点で接する籠よりも低いトポロジープロフィルを提供する。（図５）
加えて、ＰＯＳＳ籠が与えるトポロジー制御は、表面のこぶとして有利に使用することができる。（図６）生じる表面粗さは、結合可能な表面積の量を増加するだろうし、フィラー粒子同士の相互作用を妨害するために使用することができる。フィラー-フィラー相互作用は、自己クエンチング、凝集及び不十分なフィラー及び添加剤の分散につながることがよく知られている。ＰＯＳＳは、粒子表面上及びポリマー鎖間のナノスコピックなスペーサーを提供することにより、フィラー-フィラー相互作用及び自己会合を大いに低減する。
【００２４】
したがって、ＰＯＳＳ表面変性は、２表面間の面積接触を減少することにより、表面摩擦を低減することができる。ＰＯＳＳ籠は、分子であることから、溶融することもでき、それによりナノスコピックな表面潤滑と等粘性フロ−により摩擦を低減することができる。この性質は、特に低摩擦織物、包帯、フィルム、織物、テープ及び衣服での使用に魅力的である。
【００２５】
より低い表面摩擦を促進するためのＰＯＳＳの使用は、銃身の摩擦及び空気力学的抵抗の損失に対して弾丸の力学的エネルギーを保存するために、減口径弾用装填筒と散弾銃ワッディングに有利に使用される（図７）。弾丸が並進するにつれ、界面摩擦はＰＯＳＳのＲ基による潤滑により低減され、銃身のかき傷も低減する。
【００２６】
更に、ＰＯＳＳナノ構造化学物質の使用は、ほんの少しの量だけが、表面積を大きく増加するために必要であることから、非常に経済的に有効である（図２）。計算は、１重量％のＰＯＳＳの材料への組み込みが、表面積での１ビリオンｎｍ２/ｇの増加を与えることを示す。このように、少量のＰＯＳＳの組み込みは、経済的にも技術的にも有効に表面積を支配する。
【００２７】
例
全プロセスに適用可能な一般的プロセス変数
化学的プロセスに典型的なように、純度、選択性、速度及び任意のプロセスメカニズムを制御するために使用することができる多くの変数がある。ナノ構造化学物質（例、ＰＯＳＳ、ＰＯＭＳ、ＰＯＳ）をプラスチックスに組み込むためのプロセスに影響する変数は、ナノ構造化学物質のサイズ、多分散性、トポロジー、組成及び剛性を含む。同様にポリマー系の分子量、多分散性及び組成も、ナノ構造化学物質のそれと適合させなければならない。最後に、配合プロセス中に使用される動力学、熱力学及び加工助剤もまた、ナノ構造化学物質のポリマー中への組み込みから生じる使用量レベルと向上度に影響することのできるトレードツールでもある。溶融配合、乾式配合、摩砕、細砕及び溶液混合配合のような配合プロセスは、ナノ構造化学物質を使用することに全て有効である。組み込み方法の連続的、反連続的及びバッチプロセスが使用することができる。
【００２８】
適用方法は、マスターバッチング、混合、配合、摩砕、細砕及び噴霧及び蒸着を含む熱或いは溶媒支援方法を含む。マスターバッチングは、自動化した連続的製造とその結果としての費用節約効果を与えることから特に望ましい。ナノ構造化学物質の粒子ポリマー中或いは粒子ポリマー上への組み込みは、複数の物理的特性に好ましく作用する。
【００２９】
例１．
粒子のマスターバッチ分散
ＰＯＳＳトリシラノールは、ジクロロメタン中にＰＯＳＳを溶解し、引き続き金属粒子粉末を添加することにより金属粒子に添加された。溶媒は、次いで減圧下回収され、固形物は、Ｓｉ-Ｏ-Ｍ結合形成による、表面へのＰＯＳＳの結合を促進するために加熱された。
【００３０】
ＰＯＳＳトリシラノールが、溶融配合により熱可塑性ポリマーに添加され、引き続き金属粒子が添加され、追加的に溶融配合された。同様にＰＯＳＳトリシラノールと金属粉末は、溶融配合の間ポリマーに添加され、引き続き押し出され、最終組成物にペレット化された。興味を引く観察は、ＰＯＳＳ表面変性なしの処方と比較すると、ＰＯＳＳトリシラノールとナノ構造２酸化チタンを使用する系の増加した白色輝度であった（図８）。
【００３１】
増加した輝度に加えて、ＰＯＳＳトリシラノールの使用は、ナノスコピックな表面変性なしで得られることのできたものより、より精細な粒子サイズとより均一な分布を生じた。金属粒子を有しまた有さないポリマー内でのＰＯＳＳの分散レベルは、向上した分散を有するマスターバッチを生み出す能力の証拠として提供される（図９）。
【００３２】
ＰＯＳＳとポリマー及びフィラーとの特定の組み合わせが、最適な分散とマスターバッチ濃度を得るために必要とされる。例えば、ヘプタイソオクチルＰＯＳＳトリシラノール＃ＳＯ１４５５、トリシラノールイソブチルＰＯＳＳ＃ＳＯ１４５０若しくはオクタイソブチルＰＯＳＳ＃ＭＳ０８２５は、ポリエチレン、ポリプロピレン及び関連ポリオレフィンに最も好ましく使用される。２０重量％より大きいＰＯＳＳのマスターバッチ濃度が使用することができる一方、０．１重量％使用量レベルのＰＯＳＳは、安定な分散の生成に効果的である。
【００３３】
ポリアミド、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリエステル及びポリウレタンのような極性熱可塑性樹脂のマスターバッチは、トリシラノールフェニルＰＯＳＳ＃ＳＯ１４５８若しくはトリシラノールイソオクチルＰＯＳＳ＃ＳＯ１４５５を、好ましくは、使用する。２０重量％より大きいＰＯＳＳのマスターバッチ濃度が使用することができる一方、０．１重量％使用量レベルのＰＯＳＳも、安定な分散の生成に効果的である。
【００３４】
Ｇｄ２Ｏ３のような無機固体を７５重量％含むマスターバッチが、高い分散レベルを維持しつつ成型製品への加工性を達成することができる。
【００３５】
例２
成型プラスチックスのトポグラフィー制御
オクタイソブチルＰＯＳＳ（＃ＭＳ０８２５）５及び１０重量％とポリプロピレン（ＰＰ）を含むマスターバッチが、40:1のL:D比の連続共回転２軸スクリューエクストルーダーを使用して調製された。表面トポグラフィー測定が、清浄なシリコンウェファーと導電性タッピングモード表面トポグラフィー（conduting tapping mode surface topography）との間で押出し物をホットプレスすることによりなされた。１０％のＭＳ０８２５ ＰＯＳＳの組み込みからの相対的表面粗さは、（ＰＰに対して０．６１ｎｍから）（図１０）ＰＯＳＳ-ＰＰに対して２．２３ｎｍまでと４倍に増加した（図１１）。トポグラフィー測定は、ナノスコピック長さ規模での表面粗さと1.5-50ｎｍ領域でのＰＰ全体へのＭＳ０８２５ ＰＯＳＳの均一な組み込みの制御を証明している。
【００３６】
例３
表面摩擦制御
表面トポロジー制御は、必然的に表面摩擦特性に対する制御を与える。ナノスケール表面摩擦研究は、熱可塑性ポリマー中のＰＯＳＳのマスターバッチに対して１μｍ×１μｍ走査サイズでの横力様態（ＬＦＭ）でのＡＦＭを介してなされた。相対摩擦係数（μ）は、全垂直力（ＦＮ）に対する全横摩擦力（Ｆｆ）の比として定義される。ＬＦＭ ＡＦＭにおいて、表面は、片持ちばりの長軸に対して垂直方向に走査され、プローブは、走査方向とは逆方向の摩擦力を経験する。ＰＰに対する相対摩擦係数とＭＳ０８２５ ＰＯＳＳの５重量％及び１０重量％を含むＰＰのマスターバッチは、表１に示される。ＰＰ中のＭＳ０８２５ ＰＯＳＳの１０重量％の組み込みは、殆ど６０％の相対摩擦係数（ＣＯＦ）の減少を生じる。表面摩擦での減少は、低摩擦織物と成型製品に有益なＰＯＳＳを含むポリマーを与える。
【表１】
2009520081.tif 000002
【００３７】
例４
弾丸の摩擦低減
図７に図解されたように、ナノ構造化学物質は、表面積を減少し、その後の異種表面の摩擦係数を減少するために使用することができる。この応用は、低摩擦弾丸としての応用に特に魅力的である。
【００３８】
１連の０．２２口径の薬莢及び０．５０口径の現実の穿孔弾丸が、種々のＰＯＳＳナノ構造化学物質により被覆され、その弾丸特性が測定された。弾丸には鉛と銅が使用され、シラノール基とチオール基で官能化されたＰＯＳＳ籠が、金属との強固な結合に基づいて、弾丸に特に接着性であることが見出された。
【００３９】
各弾丸は、微粒子を除去するために、予め清掃された。弾丸は、次いで、ジクロロメタンと溶解したＰＯＳＳを含む溶液に浸漬された。このような応用に有益である好ましいＰＯＳＳ系は、０．１〜１０重量％の溶液中の使用量のヘプタイソオクチルＰＯＳＳトリシラノール（＃ＳＯ１４５５）及びヘプタイソオクチルＰＯＳＳプロピルチオール（＃ＴＨ１５５５）である。弾丸は、次いで空気乾燥される。
【００４０】
弾丸試験は、事前に及び発砲後清掃された火器を使用してなされた。清掃の目的は、残留物量を調べ、相互汚染を避けることであった。弾丸速度と弾丸落下の減少の双方の顕著な改善が、銃身残留物（よごれ）の減少と共に観察された（図２）。このような向上は、スポーツマン、法執行及び軍に大いに価値がある。
【表２】
2009520081.tif 000003
【００４１】
例５
減口径弾用装填筒の摩擦低減
低摩擦ポリマー表面を達成するためのナノスコピックＰＯＳＳの使用は、減口径弾用装填筒がエネルギー損失を低減するためにも望ましい。広範囲の一連のＰＯＳＳポリオレフィンとポリアミドマスターバッチが調製され、散弾銃ワッドに射出成型された。ワッドは、次いで同一のロットの、製造所調整粉末装填を使用して、１．２５オンスの＃２鋼製散弾を装填された。次いで、一斉射撃がなされ、散弾速度及びパターンが共に測定された（表３）。散弾速度の増加と著しくより密な散弾パターンが見出された。このような向上は、スポーツマン、法執行及び軍に大いに価値がある。ＰＯＳＳ被覆弾丸と低摩擦減口径弾用装填筒の組み合わせも想定される。
【表３】
2009520081.tif 000004
【００４２】
一定の代表的具体例と詳細な説明が、本発明を説明するために示されてきたが、請求項で規定された発明の範囲を変更せずに、ここに開示された方法及び装置に種々な改変がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】１．５ｎｍＰＯＳＳ分子の代表的体積の寄与を図解する。
【図２】ＰＯＳＳの重量％使用量に対する表面積の影響を図解する。
【図３】ＰＯＳＳの重量％使用量に対する体積の寄与を図解する。
【図４】ＰＯＭＳナノ構造化学物質の代表的例を図解する。
【図５】１若しくは３個の反応基により表面に束縛される籠のための異なる表面トポロジーを図解する。
【図６】粒子の表面積を増加するナノ構造化学物質の使用を図解する。
【図７】弾丸粒子と接する表面量を減少するナノ構造化学物質の使用を図解する。
【図８】（ａ）５重量％ＳＯ１４５０及び１重量％ナノスコピックＴｉＯ２を含むポリプロピレン分散液の輝度を増加するナノ構造化学物質の使用を図解する。
【００４４】
（ｂ）１重量％ナノスコピックＴｉＯ２を含むポリプロピレン分散液の輝度を増加するナノ構造化学物質の使用を図解する。
【図９】（Ａ）ポリプロピレンに分散された５重量％ＳＯ１４５０、（Ｂ）ポリプロピレンに１重量％レベルで分散された１００ｎｍ平均直径のナノＴｉＯ２及び（Ｃ）５重量％ＳＯ１４５０及び１重量％ナノスコピックＴｉＯ２を含むポリプロピレンに分散された５０ｎｍ平均直径のナノＴｉＯ２及の透過電子ミクロ組織検査である。
【図１０】ポリプロピレン対照の表面を図解する。
【図１１】１０％ＭＳ０８２５  ＰＯＳＳ/ポリプロピレン処方の表面を図解する。
【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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