(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子のみを熱溶射器に通して加熱するステップと、該加熱粒子をポリマーシート中に衝突させて少なくとも部分的に該ポリマーシート中に埋め込むステップとを含むシート製品製造方法。
【請求項２】
粒子のみを火炎に接触させて加熱する手段と、前記加熱粒子をポリマーシート中に衝突させて少なくとも部分的に該ポリマーシート中に埋め込む手段とを備える、請求項１記載の方法に用いる、シート製品製造装置。
【請求項３】
火炎を放出し、ウェブ横方向の幅およびウェブ下方向の厚さを有し、該幅が該厚さよりも実質的に大きいノズルを備える火炎溶射器である請求項２記載のシート製品製造装置。
【請求項４】
火炎を放出するノズルを使用して加熱粒子をポリマーシート中に衝突させるために請求項３記載の火炎溶射器を使用する方法であって、前記ノズルがウェブ横方向の幅とウェブ下方向の厚さとを有し、該幅が該厚さよりも実質的に大きい方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、火炎溶射器または熱溶射器を使用して加熱粒子をポリマーシート基材に埋め込んだ製品、特に研磨製品に一般に関する。
【０００２】
概して、ポリマー材料のシートから成り、シート内部またはシート表面に微粒子材料を含む多くの製品がある。たとえば、あるタイプの塗布研磨製品は、ポリマー結合剤を使用して研磨粒子が裏材シートに付着されている。
【０００３】
塗布研磨製品は、従来、第1のポリマー結合剤または接着剤(メークコートとして周知)を裏材シートまたは基材に塗布し、研磨粒子をメークコート上に付着させ、メークコートを乾燥および／または硬化させ、任意に第2のポリマー結合剤または接着剤(サイズコートとして周知)を塗布してシートに対する研磨粒子の付着または接着をさらに促進するという複数ステップのコーティング工程により製造される。一般的なコーティング工程は、主に乾燥および／または硬化時間が長いために比較的遅い。さらに、こうした工程は、結合剤または接着剤中の有機溶剤の使用を伴い、こうした溶剤の除去および廃棄は、細心の注意を払って管理して環境に対する汚染の危険性や破壊を減少させなければならない。
【０００４】
上記の従来のコーティング工程の代わりとして、米国特許第2,712,987号(Storrs等)には、適切な溶剤でナイロン基材を軟化させて、軟化表面上に研磨粒子を分布させる研磨ベルトの製法が記載されている。粒子が軟化表面に重力により埋め込まれた後、残っている溶剤が蒸発してナイロンが硬化する。米国特許第2,899,288号(Barclay)にも、熱可塑性裏材シートが熱により軟化した後、研磨粒子が軟化表面上に広がり、ニップロールによりシート中に圧入される研磨製品の製造工程が記載されている。さらに、米国特許第2,411,724号(Hill)には、石目やすりまたはやすりなどのような工具のための無端の環状研磨要素を製造する方法が記載されている。熱可塑性または熱硬化性ポリマーを押し出して裏材を形成し、裏材が高温である間に、研磨粒子を裏材中に吹き込んで裏材を凝固させる。米国特許第3,813,231号(Gilbert等)には、研磨粒子をポリマーフィルムの表面上に分布させてから段プレス内で加熱して、粒子をフィルムに接着する工程が記載されている。米国特許第4,240,807号(Kronzer)には、紙基材に熱で軟化する熱活性可能な結合剤を塗布した後、研磨粒子を結合剤上に分布させて、塗布紙基材中に沈下させる工程が記載されている。記載されているこれらの工程は、一般に溶剤を含まないが、時間とエネルギーを浪費し、ポリマー裏材に対する研磨粒子の付着が不良であるかまたは不適切である。代替工程については、1996年1月11日に提出されたSanders等の米国特許出願第08/583,990号および1996年1月15日に提出されたBeardsley等のPCT特許出願第US96/06276号に、粉末樹脂と研磨粒子とを結合してから、混合物を嵩高な不織ウェブ上にスプレー塗布する方法が記載されている。
【０００５】
街路や横断歩道、交通標識に使用されるような道路標示材料や再帰反射製品は、光反射粒子を使用するが、こうした粒子は、一般に、可撓性または耐候性シート材料のシートに、またはこうしたシート仲に接着されたガラスビーズである。これらのタイプの製品は、研磨製品を製造するときに用いられるのと同じ多くの工程で製造されてきたが、光反射粒子は基材に接着される。
【０００６】
研磨剤の分野、および粒子をシート製品上に付着させるかまたは固定する類似構成を有するその他の分野で必要なのは、製品を迅速かつ経済的に最小限のエネルギー消費で、溶剤を使わずに製造する方法である。
【０００７】
発明の開示
本発明の一実施態様は、シート製品を製造する方法であって、粒子を熱溶射器に通して粒子を加熱するステップと、加熱された粒子をポリマーシート仲に衝突させて、粒子が少なくとも部分的にポリマーシート仲に埋め込まれるようにするステップとを含む方法である。
【０００８】
ポリマーシートは、加熱粒子が衝突する前に加熱することが好ましい。シートを軟化させる1つの好適な方法は、熱溶射器からの熱による。
【０００９】
結果として得られるシート製品は、たとえば研磨製品、再帰反射製品(再帰反射交通標識)、道路標示製品、または牽引摩擦もしくは滑り止め製品がある。
【００１０】
本発明のもう1つの実施態様は、粒子を熱溶射器からの熱に接触させて粒子を加熱する手段と、加熱粒子をポリマーシート内に衝突させる手段とを有する、シート製品を製造する装置である。好適な装置は、火炎を放出する長形ノズルを備え、このノズルがウェブ横方向の幅およびウェブ下方向の厚さを有し、幅が厚さより実質的に大きく、ノズルが、ポリマーシート内に衝突する粒子を熱的に加熱するのに適する火炎溶射器である。
【００１１】
詳細な説明
一実施態様では、本発明は、内部に粒子を有するポリマーシートまたはポリマー材料を製造する方法を提供する。図1は、粒子14が内部に埋め込まれたポリマーシートまたは基材12を備える製品10を示す。粒子14は、粒子14が高温で、好ましくは基材12が少なくとも部分的に溶融または軟化しているときに基材12内に埋め込む。図2は、本発明のもう1つの実施態様である製品20を示す。
【００１２】
図4は、本発明による工程の一実施態様の略図である。ホッパ41内に保存されたポリマー樹脂は押出機42内に供給されて、押出機42によりポリマーシート40が生成される。ポリマーシート40は、押出しにより形成された後、火炎溶射器45を通過して、少なくとも部分的に軟化する。ホッパ49内に保存された粒子44は、粒子44を加熱して基材40に衝突させる火炎溶射器45に供給される。この実施態様では、基材40は、加熱粒子44が基材40内に衝突するときに、キャスティングロール43と直接接触する。結果として得られる製品50は、巻取りロール52上に収集される。火炎溶射器45は、供給源48から供給される燃焼ガスにより燃料を供給される。
【００１３】
ポリマーシート基材
本発明の方法に使用されるポリマーシートまたはポリマー基材は、一般に、結果として得られる製品に意図する用途に適する特性を有する。たとえば、研磨製品が必要である場合、ポリマーシートまたは基材は、比較的高い融解温度を有し、耐熱性かつ耐水性であり、この用途に適する程度の靭性を有するべきである。道路標示製品が必要である場合、ポリマーは、紫外線および環境条件(凍結／融解サイクルなど)の両方に耐えなければならない。
【００１４】
ポリマーシートは、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、熱硬化性材料、またはこれらの材料の組合せで良い。材料を組み合わせる場合、混合物は均質であることが好ましい。しかし、場合によっては、ポリマーシートは、所望の特性に応じて異なる材料の領域を有することが好ましい場合がある。ポリマー材料は、熱可塑性樹脂または熱可塑性エラストマーであることが好ましい。適切な熱可塑性材料は、ポリエチレン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリウレタン、または関連混合物を含む。特に有用な熱可塑性ポリマー材料としては、「SURLYN」つまりエチレン／メタクリル酸コポリマーから誘導されたイオン架橋ポリマー、および「NUCREL」つまりエチレン酸コポリマー(ともにDuPontが市販)、並びにFina Oil & Chemicalが市販している「3365」がある。適切な熱硬化性材料の例としては、フェノール樹脂、ゴム、ポリ塩化ビニル、ナイロン、アクリルおよびアセテートがある。
【００１５】
ポリマーシートまたは基材は、シートまたはウェブの形態である、つまり幅および長さが基材の厚さよりも著しく大きいことが好ましい。シートは一般に25 μm〜2.5 μm(1 mil〜100 mil)厚であり、幅は約3 cm〜1 m以上の場合がある。シートは、ポリマーの単層または多層で良い。場合によっては、嵩高な不織ウェブなどの繊維を含むポリマーウェブを使用することが望ましい。あるいは、強化繊維、たとえばアスペクト比が少なくとも約100：1の細い糸状片をポリマーウェブに追加することが望ましい。こうした強化繊維または繊維状材料は、ポリマーウェブ全体に分布することが好ましい。
【００１６】
これらのポリマーシートは公知であり、多くの方法により製造することができる。たとえば、適切なシートまたはウェブは、粒子が衝突する前に直接押し出すことができる。任意の適切な押出機を使用して、ポリマーシートまたは基材を形成することができる。押出機の例としては、2軸および1軸押出機がある。押出機のバレルは、任意に旋条で良い。バレルの直径は、所望の製造出力に応じて約25 mm〜30 cmである。同様に、押出機の軸の直径比は、所望の出力および押し出されるポリマーのタイプにより決まる。適切な長さ対直径の比率は、一般に24：1〜48：1である。代表的な軸の速度は、5 rpm〜550 rpmの範囲である。場合によっては、加工助剤または潤滑剤をポリマーに添加してから押し出すと、押出し工程を促進する上で好ましい。加熱粒子が衝突する直前にポリマーシートを押し出すのは、粒子の埋め込みを改善する衝突点において、ポリマーがまだ軟化しているか、あるいは半溶融状態の場合すらあるので一般に好ましい。
【００１７】
シートを形成するもう1つの選択肢は、ポリマーシート基材を形成してから粒子材料を埋め込むことである。市販の好適なポリマーフィルムは、加熱粒子が衝突する直前にポリマーフィルムが押し出される場合と同様に、本発明の方法に使用することができる。好適なフィルムは、層状材料つまり複数の層を有する材料である。たとえば、ポリマー材料は、第2のポリマー層、または紙、布もしくは金属箔などのような従来の裏材と層を成すことができる。30以上もの層を有する多層フィルムを使用することも可能である。各種の層は、一緒に積層する、つまり同時に押し出すことができる。紙、布または任意のその他の層は、樹脂状接着剤またはその他の下塗剤もしくは処理剤で処理すると、層の物理的特性を変性させることができる。
【００１８】
予備成形フィルムが熱溶射器を通過する場合、熱溶射器によって加わる熱も、粒子の加熱のほかにフィルム材料を軟化させる。あるいは、予備成形ポリマーフィルムは、粒子が衝突する前に、たとえば加熱ニップロールまたはオーブンにより軟化させることができる。
【００１９】
実施態様によっては、粒子が衝突する前に、樹脂、接着剤、またはその他の下塗剤もしくはコーティング、たとえばエチレンアクリル酸もしくはその他の任意の適切な下塗剤をポリマーウェブ上に付与するのが望ましい場合もある。
【００２０】
添加剤
ポリマーシートまたは基材には、様々な材料を加えることができる。これらの添加剤は、添加剤がポリマー全体で均質になるように押出機内に装填する。有用な添加剤としては、たとえば顔料、染料、強化材料、強化剤、カップリング剤、帯電防止化合物(カーボンブラックまたは保湿剤)、酸化防止剤、ポリマー処理添加剤、可塑剤、充填剤(研磨分野で十分に周知されている研削助剤を含む)、安定剤、膨張剤、沈殿防止剤、開始剤、光増感剤、潤滑剤、湿潤剤、界面活性剤、発泡剤および難燃剤がある。これらの添加剤の量は、所望の特性が得られるように選択する。
【００２１】
強化剤をポリマーに添加すると、ポリマーの耐衝撃性を高めることができる。強化剤の例としては、ゴムタイプのポリマーおよび可塑剤がある。ゴムタイプの強化剤の具体的例としては、トルエンスルホンアミド誘導体、スチレンブタジエンコポリマー、Atochemが「PEBAX」の商品名で市販しているポリエーテル主鎖ポリアミド、DuPontが「ZYTEL FN」の商品名で市販している、ナイロン上にグラフト結合したゴム、およびShell Chemical Co.が「KRATON 1901X」の商品名で市販しているスチレン-エチレンブチレン-スチレンのトリブロックポリマーがある。一般に、ポリマーは約1％〜30％の強化剤を含むが、この範囲は、使用する特定の強化剤に応じて変化する。
【００２２】
可塑剤の例としては、ポリ塩化ビニル、ジブチルフタレート、アルキルベンジルフタレート、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、セルロースエステル、フタレート、シリコーン油、アジペートおよびセバケートエステル、ポリオール、ポリオール誘導体、燐酸トリクレジル、並びにヒマシ油がある。
【００２３】
カップリング剤をポリマーに添加すると、粒子に対するポリマーの付着を高めることができる。有用なカップリング剤の特定の例としては、DuPontが市販している「FUSABOND」およびペンシルバニア州、ピッツバーグのArtistech Chemical Corp.が市販している「UNITE」がある。
【００２４】
熱溶射器
本発明の一実施態様は、熱溶射器で粒子を加熱してから、加熱つまり高温粒子をポリマーシート中に衝突させる。あるいは、ポリマーシートは、少なくとも部分的に溶融する点まで軟化させることが好ましい。ポリマーシートは、一般に、熱エネルギーまたは放射線により軟化される。適切な熱エネルギー源の例としては、オーブンおよび炉、加熱ニップまたはカレンダロール、火炎、赤外線波、マイクロ波および高周波がある。放射線源の例としては、電子ビーム、紫外線および可視光線がある。ポリマーシートを軟化させるのに好適な方法は、粒子の衝突に使用するのと同じ火炎溶射器を使用することである。
【００２５】
先行技術で公知の火炎溶射器は、一般に、シートまたはウェブコーティング用途に使用するように設計されていない。市販の殆どの火炎溶射器は、携帯またはロボット制御スプレーガンを介して小片、たとえば個々の部分を塗布するように設計されている。火炎溶射ガンの代表的な用途の例としては、粉末塗装工場の機械類および建設機器、並びに修正機械部品および構成部品がある。
【００２６】
一般に、従来の火炎溶射器は、約1〜4 in (約2.5〜10 cm)幅の領域を塗布できる単一ノズルを有する。適用範囲の幅がこのように狭いため、広いウェブに塗布するには複数のノズルが必要になる。複数のノズルを使用すると、加熱される基材全体で非常に不均一な温度勾配が生じる可能性がある。たとえば、図3aおよび図3bは、従来の複数の火炎溶射器を使用して広いコーティング領域を提供するために使用する方法を示す。図3aおよび図3bでは、複数の従来の火炎溶射器を配置して設定幅を変える。図3aの装置は3個の火炎溶射器を使用し、図3bの装置は4個の火炎溶射器を使用して、幅全体をカバーする。これらの装置が示すように、所定の幅を横断する温度勾配は不均一である。図3aでは、領域「a1」および「a2」は、複数の溶射器および結果として加熱される粒子から、これらのノズルからの噴射によって完全にカバーされる領域よりも少量の熱を受領するか、あるいはまったく熱を受領しない。図3bでは、領域「b1」、「b2」および「b3」は、重複しない領域よりも多くの熱を受領する。「a1」、「a2」、「b1」、「b2」および「b3」などの領域では、結果として得られる加熱粒子の密度つまり適用範囲は、加熱が不安定なために、噴射の真下の領域では均一ではない。領域「a1」および「a2」は、噴射工程後に粒子がまったくない。なぜなら、これらの領域は、火炎溶射器の噴射パターン内にないからである。あるいは、領域「b1」、「b2」および「b3」では、粒子密度がきわめて高くなるか、あるいは、4個の火炎溶射器および加熱粒子からの熱が非常に大きいために、ポリマーウェブ内で孔が融解する可能性がある。
【００２７】
本発明の熱溶射器は、その幅全体で等しい量のエネルギー(jouleまたはBTU)出力を有する広い拡大ノズルから構成される。ノズルの幅(つまりウェブ横方向)は、一般に約2.5 cm〜1 m、好ましくは約45 cm〜90 cmで良いが、幅が6 mのノズルを容易に構成して使用することもできる。ノズルは、ウェブ基材の所望の幅全体に渡ることが好ましい。あるいは、いくつかのノズルをウェブの幅全体に配置しても良いが、これは、図3aおよび図3bに示したのと同じ問題が生じる場合があるので一般に避けるべきである。火炎の出口点におけるノズルの厚さ(つまりウェブ下方向におけるノズルの幅)は、一般に1 mm〜少なくとも5 cmだが、0.5 cm〜3 cmであれば好ましい。ノズルは、幅つまりウェブ横方向が厚さつまりウェブ下方向よりも実質的に大きいスロットまたはリボンとして包括的に記述する。ノズルの幅は、厚さよりも少なくとも1.5倍、好ましくは少なくとも10倍、さらに好ましくは少なくとも50倍大きいことが望ましい。
【００２８】
熱溶射器またはスロットバーナが従来の火炎溶射器と異なる点は、熱溶射器またはスロットバーナの場合、火炎自体が溶射器のノズルから放出されるのではなく、火炎源により加熱されたガスが放出される点である。熱溶射器またはスロットバーナの動作の結果として得られる特性およびモードは火炎溶射器の場合と非常に類似しており、本質的に等価なものと考えることができる。市販のスロットバーナの一例は、ペンシルバニア州、ドレッシャーのSales Corporation of Americaから「Superheat Slot Burner」の商品名で市販されている。
【００２９】
図5aおよび図5bは、本発明の好適な熱溶射器45を示す。火炎溶射器45は、概して全体に中空であるとともに、火炎57が放出される金属リボンにより形成される孔のパターンを有する長形のノズル56を有する。適切なノズルは、Flynn Burner Corporationから市販されているリボンバーナである。粒子44は、図5aに示すノズルのさらに外側に隣接する管59から衝突される。あるいは、管59は、図6aに示すようにノズル56aの内部を通っても良い。図5bは、リボンバーナ57およびじゃま板58を取り付けたノズル56の略断面図である。火炎70は、ノズル56から放出されるように示されている。
【００３０】
火炎は、概してノズルの幅全体から放出される。ノズルの幅に沿って概して等間隔に配置される管は粒子を運び、これらの粒子は、最終的に加熱ポリマーウェブ内に衝突する。管は、一般に、火炎領域外でノズルに隣接して、つまりノズルの外縁上に配置される。あるいは、管はノズル自体を通り、粒子は火炎領域内から射出される。管は、1つの管の中心から次の管の中心までを約2.54 cmにしてノズルの幅上に等間隔に配置することが好ましい。管の断面領域は、方形、円、楕円形、矩形など、公知のどの形状でも良いが、一般に、管の直径が概して約0.6 cm、または約0.08〜5 cmの円である。管は銅管であることが好ましいが、火炎の熱に耐える材料、たとえばステンレス鋼、セラミック裏打ち管、高温プラスチック管(Teflon凾ィよびシリコーン)から製造することができる。
【００３１】
溶射器の火炎は、空気、酸素、窒素、および／または供給源48により供給されるその他のガス混合物を含む燃焼ガスにより供給される。火炎の温度は、燃焼ガスの組成物 (つまり、プロパン、酸素、天然ガスおよび／または空気などの気体の割合) により決まる。燃焼ガスの例としては、メタン、プロパン、ブタンおよび天然ガスがあるが、これらだけに限らない。ノズルから放出される温度は、1200〜2880℃(2200〜 5200F)であることが好ましい。火炎からの熱出力は、一般に供給ガスの流量により決まる。従来の火炎溶射器は、コーティング領域の20,770〜83,100 kJ/cm (50,000〜200,000 BTU/in)台の多量のエネルギーを消費するように設計される。一般に、本発明の火炎溶射器の場合、約519〜12,460kJ/cm (1250〜30,000 BTU/in)の量のエネルギーを使用する。幅全体にわたって温度およびエネルギー量(jouleまたはBTU)のわずかな変動があるように設計することが望ましい。
【００３２】
図5aおよび図6bに示すように、粒子44は火炎70に近接して通過するかまたは火炎70内を通る。図5aは、ベクトル100として示す粒子の流れおよび火炎70がどのように相互作用するかを示す。ベクトル100に沿った微粒子流と火炎70との間の角度は、0°〜180°の間で変化するが、約10°〜60°の間で変化することが好ましい。微粒子流と火炎との間の角度は、ノズル56の視点から見て微粒子流ベクトルと火炎との間の開先角度として測定する。図5aは、微粒子流100と火炎70との間の約60°の角度を示す。0°の角度は、微粒子流と火炎が平行かつ同方向である場合に存在し、90°の角度は、微粒子流が火炎に対して垂直である場合に存在し、180°の角度は、微粒子流が火炎に対して平行だが、逆方向である場合に存在する。180°の角度を使用する場合、たとえば重力または磁界もしくは電界などのような外部の力も、粒子を加熱ポリマーシートに向かって方向付けるために使用する必要がある。粒子44は、粒子44が火炎70内を通るかまたは火炎70に近接して通過するときに、火炎70により加熱される。粒子44の結果として得られる温度は、微粒子流と火炎との間の交点の角度を変えて、火炎内における滞留時間を変えることにより調節することができる。さらに、粒子の初期温度および火炎の温度は、粒子の結果として得られる温度に影響を及ぼす。
【００３３】
火炎によるポリマーシートの加熱および軟化の量は、たとえばポリマーシートとノズルとの間の距離、ノズルの幅、任意に複数のノズル、火炎により生じるエネルギーの温度および量  (ジュールまたはBTU)、並びに粒子の温度により調節することができる。また、使用するキャスティングロールまたはバックアップロール(図4にキャスティングロール43として示す)、工程の速度、ポリマーウェブの厚さによっても調節することができる。
【００３４】
本発明による好適な火炎溶射器は、ウェブ全体にわたって完全な適用範囲を提供する連続的な重複しない方法により、従来の火炎溶射器に比べて消費するエネルギーが著しく少ない。従来の殆どの火炎溶射器は、火炎を通る粒子を少なくとも1000℃、概して数千度まで加熱するように設計される。本発明による火炎溶射器は、粒子をわずか数百度、概して93C (200F)〜316C (600F)まで加熱するように設計されるが、たとえば粒子の速度を速くするか、火炎のエネルギー  (ジュール/cmまたはBTU/in)を増加することにより、より低温およびより高温を得ることもできる。本発明による火炎溶射器は、約85％、概して90％、好ましくは95％少ないエネルギー(または燃料)を一般に消費して同じ粒子温度を生成する。さらに、従来の火炎溶射器は、コーティング領域の41,535 キロジュール /cm (100,000 BTU/in)台の多量のエネルギーを消費するように設計される。たとえば、Metco Corp.が「SP-II」の商品名で市販している従来の火炎溶射器は、1 inのコーティング領域に対して約314cm3/sec (40 SCFH)、つまり12 in幅の領域に対して3773cm3/sec (480 SCFH)のプロパン燃料ガスを使用して、約90℃〜160℃の粒子温度を生成する。Plastic Flamecoat Systemsが「124 POWDER MASTER」の商品名で市販しており、特に粉末コーティングのために設計されたもう1つの従来の火炎溶射器は、1 inのコーティング領域に対して約400 cm3/sec (51 SCFH)、つまり12 in幅の溶射領域に対して4837 cm3/sec (617 SCFH)を使用する。対照的に、本発明の火炎溶射器は、12 in幅に対して約196 cm3/sec (25 SCFH)を使用して、同じ粒子温度を生成する。
【００３５】
溶射器のノズルは、空気のジェット、水またはその他の熱変換流体で任意に冷却することができる。ノズルの冷却は、ノズル表面に付着する材料の量を最小限にするのに役立つ。特に、低融点の粒子(たとえばフェノール樹脂)を使用するいくつかの実施態様では、ノズルを冷却すると、ノズル上に樹脂が蓄積するのを最小限にするのに特に有用である。
【００３６】
複数の広いノズルは、ポリマーウェブ基材のウェブ下方向に直列に使用することができる。数列のノズルを使用すると、異なるタイプの粒子を塗布することができる。たとえば、高性能の研磨製品を製造する場合、第1のノズルは褐色酸化アルミニウム粒子の層を噴射し、第2のノズルはセラミックアルミナ研磨粒子を噴霧し、第3のノズルはポリマーサイズコーティングを上から噴霧する。あるいは、数列のノズルを使用すると、数層の同じ粒子を塗布することによりコーティング速度を高めることができる。追加のノズルを使用して、ポリマーウェブ基材を予熱または火炎処理してから、粒子を衝突させても良い。
【００３７】
粒子
本発明に使用するのに有用な粒子の例としては、研磨粒子、反射または再帰反射粒子、および摩擦粒子があるが、これらだけに限らない。平均粒度は一般に5〜6550 μmだが、25〜500 μmであれば好ましい。特に、本発明の方法に有用な平均粒度は、7〜6545 μm(約ANSIグレード900〜4)を含む。研磨粒子の例としては、溶融酸化アルミニウム(溶融アルミナ-ジルコニアを含む)、セラミック酸化アルミニウム、炭化ケイ素(緑色炭化ケイ素を含む)、ざくろ石、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ホウ素、クロミア、セリア、およびこれらの組合せがある。様々なタイプの研磨粒子は、熱溶射器に供給する前に配合または混合するが、各種の粒子は、熱および物質移動要件の点で粒度が類似していることが好ましい。再帰反射材料の場合、30〜850 μmの粒子が特に有用である。ビーズおよびバブルなどのようなガラスおよびセラミック粒子は、再帰反射シート材料仲の粒子として一般に使用される。摩擦表面に一般に使用する粒子の例としては、石炭スラグ、黒鉛、カーボンブラック、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、石英およびセラミック球がある。場合によっては、金属粒子が望ましい。導電材料を製造するには、カーボンブラックまたは黒鉛粒子を使用することができる。
【００３８】
熱可塑性粒子および熱硬化性粒子、たとえばポリエステルおよびナイロン並びにメラミンホルムアルデヒドおよびフェノールホルムアルデヒドを粒子として使用することもできるが、熱溶射器で粒子を塗布するときに、粒子がその完全性を保つように注意しなければならない。これらのポリマー粒子は、ポリマー中に充填剤たとえば黒鉛もしくはカーボンブラックまたはその他の充填剤を含むことができる。
【００３９】
本発明に使用する粒子は、不規則に賦形されるていても精密に賦形されていても良い。不規則に賦形されている研磨粒子は、たとえば先駆物質を破砕して製造することができる。賦形済み研磨粒子の例としては、断面領域を有するロッド、角錐および多角形の面を有する薄い面付き粒子がある。賦形済み研磨粒子およびこれらの粒子の製造方法は、たとえば米国特許第5,090,968号(Pellow)および第5,201,916号(Berg等)に記載されている。ポリマー粒子は、不規則な形状であっても賦形された形状(たとえば立方体、球、ディスクなどで)あっても良い。球状ガラスまたはポリマービーズは、道路標示用途に一般に使用される。
【００４０】
本発明に使用する粒子は、凝集物の形態、つまり互いに結合して凝集物を形成する複数粒子の形態で良い。研磨凝集物については、さらに米国特許第4,311,489号 (Kressner)、第4,652,275号(Bloecher等)、第4,799,939号(Bloecher 等)、第5,039,311号(Bloecher)および第5,500,273号(Holmes等)に記載されている。
【００４１】
粒子上に表面コーティングを形成することもできる。表面コーティングは、粒子に対するポリマーシートの付着を高め、研磨粒子の研磨特性を変化させ、熱溶射器による処理性を改善するため、またはその他の所望の目的で使用することができる。研磨粒子上の表面コーティングの例は、たとえば米国特許第4,997,461号(MarkhoffMatheny等)、第5,011,508号(Wald等)、第5,131,926号(Rostoker)、第 5,213,591号(Celikkaya等)および第5,474,583号(Celikkaya)に記載されている。シラン、チタネートおよびジルコネートなどのようなカップリング剤は、有機材料に対する付着を高めるために粒子に使用される一般的なコーティングである。特に有用なカップリング剤は、コネチカット州、ダンベリーのUnion Carbide Corp.が「A-1100」ブランドのシランカップリング剤として市販している。
【００４２】
適切な粒子は、熱溶射器を通る前に予熱される。粒子の予熱は、たとえば回転キルン、トンネルオーブンまたは標準の対流オーブンで行う。あるいは、周囲温度の空気の代わりに、加熱ガス(概して空気)をキャリヤガスとして使用しても良い。
【００４３】
粒子は、熱溶射器により加熱されてポリマーウェブ中に衝突した後、埋め込まれた粒子を含むシートまたは基材の厚さで測定して、シートまたは基材中に埋め込まれない平均粒度または粒子を含むように調節した塗布シートまたは基材全体の厚さに比べて少なくとも25％ポリマー材料中に埋め込まれることが好ましいが、この値は、少なくとも40％であればさらに好ましく、少なくとも50％であれば最も好ましい。一般に、ポリマーシート中への粒子の貫入深さが深ければ深いほど、ウェブに対する粒子の付着は高まる。しかし、貫入が大きければ大きいほど、利用可能な粒子の露出面は少なくなる。たとえば、研磨製品の場合、ポリマーウェブに対する粒子の所望の貫入深さは、粒子の約60％である。研磨製品の研磨粒子は、研削および研磨作業時に著しい圧力および力に耐える。階段および段上に配置する滑り止めフィルムなどのような滑り防止製品、および再帰反射製品の場合、許容可能な貫入深さは、それほど集中的に使用されるわけではないので少なくて良く、概して粒子の約50％の貫入である。
【００４４】
任意の「サイズ」コート
研磨製品または滑り止め材料などのようないくつかの実施態様では、衝突して埋め込まれた粒子の上部にコーティング層を形成することが好ましい。粒子上のこうしたコーティング層は、一般に「サイズ」コートとして周知である。サイズコートは、シート材料に対する粒子の付着を改善し、耐摩耗性および耐汚れ性またはその他の所望の特性を高めるために一般に塗布する。図2は、本発明の方法により製造されるもう1つの製品を示す。製品20は、ポリマー基材12仲に埋め込まれて上にサイズコート22が塗布された粒子14から成る。サイズコートは、粒子をポリマー仲に衝突させた後に粒子上に直接塗布するか、または後の時点で塗布しても良い。サイズコーティングは、ベースのポリマーシートと同じ材料でも、別の材料でも良い。
【００４５】
たとえば、サイズコート層は、類似の火炎溶射装置を使ってポリマーシートまたは基材に塗布することができる。サイズコートは、第1の熱溶射器からウェブ下方向もしくは第1の熱溶射器に直接隣接して配置した第2の火炎溶射器により塗布するか、または粒子を加熱して衝突させるのと同じ熱溶射器により塗布することができる。他のタイプの粒子(つまり研磨粒子など)とともにサイズコートを形成する粒子を配合または混合した後に熱溶射器に供給することもできるが、異なる粒子は、熱および物質変換要件の点で粒度が同等であることが好ましい。
【００４６】
図7は、研磨粒子を衝突させるために使用するのと同じ火炎溶射器を使って粉末樹脂のサイズコートを塗布することにより、研磨製品上にサイズコートを塗布する一実施態様を示す。シート基材40は、押出機42により押し出す。基材40は、まだわずかに溶融しているときに火炎溶射器45の下を通過する。ノズルの直前では、ホッパ49から供給される粒子44は火炎を通って加熱された後、基材40仲に衝突する。ノズルの直後では、ホッパ69から供給される粉末樹脂粒子64は、粒子44および基材40上に噴霧される。結果として得られる製品60は、粒子44が衝突して内部に入った基材から成り、全体の構成はその上にサイズコートを有する。
【００４７】
好適には、火炎溶射器のノズルを冷却して、ノズル上で融解してノズルに付着する樹脂の量を減少させる。
【００４８】
適切なサイズコート粒子の例としては、たとえば、Ferro Corp.が「VEDOC」の商品名で、およびReichhold Chemicals, Inc.が「FINE-CLAD」の商品名で市販しているポリエステル樹脂粒子、OxyChemが「DUREZ」および「VARCUM」の商品名で市販しているフェノール樹脂粒子、Sulzer-Metcoが「LTP」の商品名で市販しているエチレンアクリル酸粒子がある。サイズコート粒子の粒度は、概して10〜350μm、一般に30〜100μmだが、これより大きい粒子および小さい粒子を使用しても良い。
【００４９】
サイズコーティングの厚さは、ポリマーウェブのライン速度とサイズコート粒子の流量との組合せによって調節される。粒度、粒子速度および融解時の粒子速度などのような要素も、コーティング厚さに影響を及ぼす。
【００５０】
あるいは、従来の液体サイズコートは、ロールコータまたは従来のスプレーコータなどのような従来の手段によりポリマーウェブおよび粒子上に塗布することができる。ロールコータ、ナイフコータ、グラビアコータなどのようなコータを使用する実施態様の場合、サイズコートは概して液体として塗布される。
【００５１】
本発明の範囲には、2種類以上のサイズコートを粒子上に塗布して、付着性および耐久性を改善することも含まれる。さらに、熱溶射器または従来の手段を使ってサイズコーティングを塗布するかどうかに関わらず、研削助剤、難燃剤、紫外線および熱防止剤、赤外線安定剤などのような添加剤をサイズコーティングに添加しても良い。研磨領域では、第2サイズコートつまりスーパーサイズコーティングは、一般に、研磨研削性能を改善するための研削助剤、または研磨製品の表面に収集される切り屑および破壊屑の量を減少させるステアレートなどのような耐充填剤を含むフェノール樹脂である。
【００５２】
取付システムまたはその他の追加の層は、製品を製造する前、製造中、製造後(つまり粒子をウェブ仲に衝突させた後)に製品の裏面に形成することができる。たとえば、感圧接着剤(PSA)コーティングは、ポリマーシートと同時に同時押し出しすることができる。もう1つの例として、フック／ループ固締具システムは、ポリマーシートまたは基材中に粒子を埋め込んだ後にポリマーシートまたは基材に積層することができる。あるいは、取付システムは、ポリマーを任意に軟化させて粒子をポリマー中に埋め込む前に、シート基材に結合する。たとえば、米国特許第5,505,747号(Chesley等)に記載されているようなフックシステムのシートをポリマーシートまたは基材として使用しても良い。もう1つの実施態様では、図2は、ポリマー基材12の裏面の感圧接着剤取付システム26を示す。
【００５３】
以下の非制限的な例は、さらに本発明を示す。各々の例の部分、割合、比率などはすべて、特記しない限り重量による。
【００５４】
実施例
実施例1の研磨製品は、従来の1軸押出機を使用して100〜130 rpmおよび246℃(475F)で、テキサス州、ダラスのFina Oil & Chemicalが「3365」の商品名で市販しているポリプロピレンを0.25 mm(10 mil)厚×30.5 cm(12 in)幅のウェブとして押し出して製造した。フィルムは、冷却ロール上の静電ピニングを使って流延した。押出機から約10 cm後方に改造火炎溶射器を配置して、ポリプロピレンシートを軟化させるようにした。火炎溶射器は、ニューヨーク州、ニューローチェルのFlynn Burner CorporationがNo. HC-511-18、DP No. 025800として市販している35.5 cm(14 in)幅のリボンバーナーから構成した。直径0.6 cm(0.25 in)の銅粒子供給管は、バーナーの幅に沿って5 cm(2 in)の増分で離間配置した。プロパンガスを157 cm3/sec (20SCFH)の速度、および3836 cm3/sec (488 SCFH)の周囲温度の空気で供給して、火炎を生成させた。温度は、約1925oC (3500oF)だった。
【００５５】
酸化アルミニウム研磨粒子(ANSIグレード80、平均粒度約175μm)は、約5 m/secの速度で管から供給し、火炎溶射器の火炎を横断して分散させて、軟化ウェブ中に衝突させた。ウェブの速度は、約4 m/min(13 ft/min)だった。ウェブは、アイドラロールにより4.6 m(15 ft)搬送し、周囲温度を介して冷却してから巻取りリール上に巻いた。研磨粒子は、ポリマー中に約50％埋め込まれた。
【００５６】
比較例Aは、ウレタン研磨剤(Mobay Chemicalが「DESMODUR」の商品名で市販)の76μm(3 mil)厚のコーティングを76μm(3 mil)厚のポリエステル裏材上に塗布して製造した。実施例1に記載した酸化アルミニウム研磨粒子を研磨剤上に滴下させてから、研磨剤を周囲条件で乾燥させた。同じウレタン接着剤から成るサイズコーティングを塗布し、乾燥厚さが約63.5μm(2.5 mil)になるように乾燥させた。
【００５７】
比較例Bは、114μm(4.5 mil)厚のエチレンアクリル酸(EAA)接着剤をアルミニウム箔裏材上にコーティングして製造した。ポリマーは、177C (350F)の煙突オーブンで約45秒間加熱して軟化させて、EAAを軟化させた。実施例1に記載した酸化アルミニウム粒子を研磨剤上に滴下させて、ポリマー中に沈下させた。コーティングした裏材は、45.7 m(150 ft)長の煙突オーブンに18.3 m/min(60 ft/min)の速度で通し、滞留時間は2.5 minであり、粒子をさらに埋め込んだ。オーブン内の温度は210℃(410F)だった。製品をオーブンから取り出して、室温まで冷却させた。
【００５８】
実施例1および比較例AおよびBについて、ニューヨーク州、トナワンダのTaber Industriesが市販しているTaber Abrasion Tester、モデル503を使用して摩耗抵抗を試験した。サンプルを回転プラットフォーム上に配置して、「H-18」ホイールに250 gの負荷で接触させた。所定数のサイクル後、サンプルの重量損失を測定した。サイクル数および結果を以下の表1に記載する。
【００５９】
【表１】
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【００６０】
実施例2の滑り止め牽引摩擦製品は、99重量％のエチレン酸イオノマー(DuPontが「SURLYN 1705」の商品名で市販)および1％のカーボンブラック濃縮物(50重量％の「SURLYN 1705」および50重量％のカーボンブラック)の配合物を押し出して作成した。(結果として得られた押出物は、0.5重量％のカーボンブラックだった。)この配合物は、従来の1軸押出機を使って100〜130 rpmおよび246C (475oF)で0.38〜0.64 mm (15〜25 mil)厚×30.5 cm (12 in)幅に押し出した。フィルムは、真空を利用してキャスティングロール上に流延した。イオノマーシートは、実施例1に記載した火炎溶射器を使って軟化させた。
【００６１】
石炭スラグ粒子(ANSIグレード50/70、平均粒度約215〜300μm)を軟化ウェブ中に埋め込み、実施例1に記載したようにさらに処理した。ウェブの速度は、約6〜9 m/min(20〜30 ft/min)だった。
【００６２】
実施例3の滑り止め牽引摩擦製品は、実施例2に記載したように作成したが、メタンガスを394 cm3/sec (50 SCFH)の速度、空気速度 3836 cm3/sec (488 SCFH)で供給して、火炎を生成した。
【００６３】
実施例4の研磨製品は、実施例2に記載したように作成したが、100％のイオノマーを0.38〜0.51 mm(15〜20 mil)厚×35.6 cm (14in)幅に押し出した。
【００６４】
酸化アルミニウム粒子(ANSIグレード80、平均粒度約180μm)を軟化ウェブ中に埋め込み、実施例2に記載したようにさらに処理した。ウェブの速度は、約7.6 m/min (25 ft/min)だった。
【００６５】
実施例5の研磨製品は、従来の1軸押出機を使って40〜70 rpmおよび246C (475oF)で実施例4のイオノマーを0.076〜0.15 mm(3-6 mil)厚× 30.5 cm (12 in)幅のフィルムとして押し出した。このイオノマーシートは、実施例1に記載した火炎溶射器を使って軟化させた。
【００６６】
酸化アルミニウム粒子(ANSIグレード180、平均粒度約86μm)を軟化ウェブ中に埋め込み、実施例1に記載したようにさらに処理した。ウェブの速度は、約6〜9 m/min (20〜30 ft/min)だった。
【００６７】
実施例6の反射道路標示製品は、97％のエチレンアクリル酸(DuPontが「NUCREL」の商品名で市販)、1％の非晶質シリカ、1％の二酸化チタン、および1％の黄色顔料(アミン化合物)から成る黄色プレブレンドを押し出して作成した。このブレンドは、従来の1軸押出機を使って100〜130 rpmおよび165C (330oF)で、0.38〜0.51 mm(15〜20 mil)厚×30.5 cm(12 in)幅のフィルムとして押し出した。このフィルムは、真空を利用してキャスティングロール上に流延した。ポリマーシートは、実施例1に記載した火炎溶射器を使って軟化させた。
【００６８】
屈折率が1.5のガラスビーズを軟化ウェブ中に埋め込み、実施例1に記載したようにさらに処理した。ウェブの速度は、約6〜9 m/min (20〜30 ft/min)だった。
【００６９】
すべての実施例および比較例で、粒子はポリマー中に約50％埋め込まれた。
【００７０】
本発明の様々な変形および変更は、当業者には明白であり、本発明は、本明細書に記載の具体的な実施例に限定されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明により製造される製品の一実施態様の断面図である。
【図２】  本発明により製造される製品の代替実施態様の断面図である。
【図３】  図3aおよび図3bは、複数の従来の火炎溶射器を示す略図である。
【図４】  本発明の工程の略図である。
【図５】  図5aおよび図5bは、本発明による一つのタイプの火炎溶射装置の等角図および断面図である。
【図６】  図6aおよび図6bは、本発明による別のタイプの火炎溶射装置の等角図および断面図である。
【図７】  本発明による工程の等角図である。
【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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