(57)【要約】【課題】成形の間の混合サイクルの間に、導電性充填剤を効果的に持続放出し、結果として生じるベース樹脂ポリマーマトリックスの中の導電性ドーパントを実質的に均質化する、成形可能なカプセルを提供すること。【解決手段】導電性にドープされた樹脂ベースの材料の成形可能なカプセル２００を形成する方法が生成される。樹脂ベースの材料２０４が、導電性材料のバンドル１９の上に押し出され/引き抜かれる。樹脂ベースの材料及びバンドルは、成形可能なカプセルへと分割される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形可能なカプセルを形成する方法であって、前記方法は、
導電性ファイバーのバンドルを提供するステップと、
前記バンドルを加熱するステップと、
複合ストランドを形成するために、樹脂ベースの材料を前記バンドルの上に堆積させるステップと、
前記複合ストランドを成形可能なカプセルへとセクション化するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記加熱するステップが、前記樹脂ベースの材料の溶融温度の近くの温度まで前記バンドルを加熱することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱するステップが、前記樹脂ベースの材料の前記溶融温度を超える温度まで前記バンドルを加熱することを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱するステップが、前記樹脂ベースの材料のガラス転移温度を超える温度まで前記バンドルを加熱することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱するステップが、前記バンドルをヒーターに通すことをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記ヒーターが、対流ヒーター、放射ヒーター、導電性ヒーター、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記堆積させるステップが、クロスヘッドダイを通して前記バンドルを引っ張ることを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記樹脂ベースの材料が、ミクロン導電性材料の実質的に均質な混合物を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記導電性ファイバーが、ミクロン導電性ファイバーである、請求項1に記載の方法。
【請求項１０】
前記ミクロン導電性ファイバーが、前記成形可能なカプセルのそれぞれの合計重量の約5%から約50%の間を占める、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
前記ミクロン導電性ファイバーが、金属又は金属合金、外側導電性めっきを備える非導電性内側コア材料、強磁性の材料、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項9に記載の方法。
【請求項１２】
前記ミクロンファイバーが、おおよそ3から12ミクロンの直径、及び、おおよそ2から14mmの長さを有している、請求項9に記載の方法。
【請求項１３】
成形可能なカプセルを形成する方法であって、前記方法は、
導電性ファイバーのバンドルを提供するステップと、
複合ストランドを形成するために、樹脂ベースの材料を前記バンドルの上に堆積させるステップと、
前記複合ストランドの上に湿潤加工を行うステップと、
前記複合ストランドを成形可能なカプセルへとセクション化するステップと
を含む、方法。
【請求項１４】
前記湿潤加工を行うステップが、前記ストランドの外側に力を働かせることを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記力を働かせることが、少なくとも一つのローラーによって力を加えることを含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記ストランドが、前記力を働かせる前に冷却される、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
前記ストランドの外側部分が、前記力を働かせる前に、前記樹脂の融点を下回る温度まで冷却される、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
前記ストランドの外側部分が、前記力を働かせる前に、ガラス転移温度の近くの温度まで冷却される、請求項16に記載の方法。
【請求項１９】
前記ストランドの外側部分が、前記力を働かせる前に、ガラス転移温度を下回る温度まで冷却される、請求項16に記載の方法。
【請求項２０】
前記外側部分と前記バンドルとの間の前記カプセルの二次的な部分が、ある温度となり、前記二次的な部分の中の前記樹脂が、前記力を働かせるときに、前記力の下で流れることとなる、請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
前記堆積させるステップが、クロスヘッドダイを通して前記バンドルを引っ張ることを含む、請求項13に記載の方法。
【請求項２２】
前記堆積させるステップの前に、前記バンドルを加熱することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
【請求項２３】
前記力を働かせるステップ及び前記セクション化するステップが、実質的に同じ作業で行われる、請求項14に記載の方法。
【請求項２４】
前記導電性ファイバーが、ミクロン導電性ファイバーである、請求項13に記載の方法。
【請求項２５】
前記ミクロン導電性ファイバーが、それぞれの前記成形可能なカプセルの合計重量の約5%から約50%の間を占める、請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
前記ミクロン導電性ファイバーが、金属又は金属合金、外側導電性めっきを備える非導電性内側コア材料、強磁性の材料、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項24に記載の方法。
【請求項２７】
前記ミクロンファイバーが、おおよそ3から12ミクロンの直径、及び、おおよそ2から14mmの長さを有している、請求項24に記載の方法。
【請求項２８】
請求項13に記載のプロセスによって作製されるカプセル。
【請求項２９】
前記カプセル及び内側ファイバーバンドルが、非円形のプロファイルを含む、請求項28に記載のカプセル。
【請求項３０】
成形可能なカプセルであって、前記成形可能なカプセルは、
導電性ファイバーの内側バンドルと、
樹脂の外側層と
を含み、
前記カプセル及び内側ファイバーバンドルが、非円形のプロファイルを含む、成形可能なカプセル。
【請求項３１】
前記非円形のプロファイルが、実質的に楕円形、実質的に長方形、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される、請求項30に記載の成形可能なカプセル。
【請求項３２】
前記バンドルの前記非円形のプロファイルが、実質的に楕円形、実質的に長方形、実質的に数字の8、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される、請求項30に記載の成形可能なカプセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性ポリマーに関し、及び、より具体的には、成形されるときにベース樹脂の中に実質的に均質化される、ミクロン導電性粉末、ミクロン導電性ファイバー、又は、それらの組合せを含むように成形するための、導電性にドープされた樹脂ベースの材料に関する。さらにより具体的には、本発明は、成形可能なカプセルに関し、そのような成形可能なカプセルを形成するための方法に関し、この成形可能なカプセルは、導電性の物品を成形するのに有用である。
【背景技術】
【０００２】
樹脂ベースのポリマー材料が、多彩な物品の製造のために使用されている。これらのポリマー材料は、重量に対する強度の優れた比率、耐腐食性、及び電気絶縁などのような、多くの傑出した性質と、十分に確立された様々な成形プロセスを使用する製造のしやすさと兼ね備えている。多くの樹脂ベースのポリマー材料が、市場に導入され、有用な性質の組合せを提供してきた。
【０００３】
多くの傑出した性質にもかかわらず、樹脂ベースのポリマー材料は、残念ながら、典型的に、熱エネルギー及び電気エネルギーの不良伝導体である。低い熱伝導率は、絶縁体が望まれる用途では、有利である可能性がある。しかし、他のケースでは、絶縁体として知られている樹脂ベースの材料は、熱エネルギー又は電気エネルギーを不十分に伝導し、有用ではない。高い熱伝導性又は電気伝導性が要求される場合には、銅若しくはアルミニウム又は他の金属などのような導電性金属が、典型的に使用される。固体金属導電体の不利益は、これらの材料の密度である。航空機、衛星、車両の中で使用されるか、又は、さらには携帯式デバイスの中で使用されるような、電気的な用途及び熱的な用途の例にとって、固体金属導電体に起因する重量は重要である。したがって、固体金属導電体をより密度の低い材料と交換することが望ましい。樹脂ベースの材料は、典型的に、金属よりもかなり密度が低く、金属の強度を有することが可能であるので、これらの材料は、理論的に、金属の良好な代替品であることとなる。しかし、低い導電性の問題は、解決されなければならない。
【０００４】
熱伝導性の及び導電性の樹脂ベースの材料を生成させる試みが、当技術分野で行われてきた。そのような材料の二つの一般的な分類、すなわち、本質的に導電性及び非本質的に導電性が存在している。本質的に導電性の樹脂ベースの材料は、共役樹脂と称されることも可能であり、それは、ポリマーの中の複合炭素分子結合に組み込まれ、材料の導電性を増加させる。残念ながら、本質的に導電性の樹脂ベースの材料は、典型的に、製造することが難しく、非常に高価であり、導電性が制限されている。非本質的に導電性の樹脂ベースの材料は、ドープされた材料と称されることも可能であり、それは、導電性ファイバー、粉末、又は、それらの組合せなどのような、導電性充填剤又はドーパントを、ベース樹脂材料の中に混合することによって形成され、成形された形態で増加した導電性を結果として生じさせる。金属充填剤及び非金属充填剤は、当技術分野で実証されており、競争力のあるコストを維持しながら、実質的に増加した複合材料の導電性を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の第1の目的は、成形の間の混合サイクルの間に、導電性充填剤を効果的に持続放出し、結果として生じるベース樹脂ポリマーマトリックスの中の導電性ドーパントを実質的に均質化する、成形可能なカプセルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の特定の実施形態は、成形可能なカプセルを形成する方法を含み、前記方法は、導電性ファイバーのバンドルを提供するステップと、前記バンドルを加熱するステップと、複合ストランドを形成するために、樹脂ベースの材料を前記バンドルの上に堆積させるステップと、前記複合ストランドを成形可能なカプセルへとセクション化するステップとを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態では、前記加熱するステップが、前記樹脂ベースの材料の溶融温度の近くの温度まで前記バンドルを加熱することを含む。他の実施形態では、前記加熱するステップが、前記樹脂ベースの材料の前記溶融温度を超える温度まで前記バンドルを加熱することを含む。さらなる実施形態では、前記加熱するステップが、前記樹脂ベースの材料のガラス転移温度を超える温度まで前記バンドルを加熱することを含む。
【０００８】
特定の実施形態では、前記加熱するステップが、前記バンドルをヒーターに通すことを含む。他の実施形態では、前記ヒーターが、対流ヒーター、放射ヒーター、導電性ヒーター、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される。特定のこれらの実施形態では、前記堆積させるステップが、クロスヘッドダイを通して前記バンドルを引っ張ることを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、前記樹脂ベースの材料が、ミクロン導電性材料の実質的に均質な混合物を含む。他の実施形態では、本発明の前記導電性ファイバーが、ミクロン導電性ファイバーである。さらなる実施形態では、前記ミクロン導電性ファイバーが、前記成形可能なカプセルのそれぞれの合計重量の約5%から約50%の間を占める。さらに他の実施形態では、前記ミクロン導電性ファイバーが、金属又は金属合金、外側導電性めっきを備える非導電性内側コア材料、強磁性の材料、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む。さらなる実施形態では、前記ミクロンファイバーが、おおよそ3から12ミクロンの直径、及び、おおよそ2から14mmの長さを有している。
【００１０】
本発明の特定の実施形態は、成形可能なカプセルを形成する方法を含み、前記方法は、導電性ファイバーのバンドルを提供するステップと、複合ストランドを形成するために、樹脂ベースの材料を前記バンドルの上に堆積させるステップと、前記複合ストランドの上に湿潤加工(wetting process)を行うステップと、前記複合ストランドを成形可能なカプセルへとセクション化するステップとを含む。特定の実施形態では、前記湿潤加工を行うステップが、前記ストランドの外側に力を働かせることを含む。いくつかの実施形態では、前記力を働かせることが、少なくとも一つのローラーを含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、前記ストランドが、前記力を働かせる前に冷却される。他の実施形態では、前記ストランドの外側部分が、前記力を働かせる前に、融点を下回る温度まで冷却される。さらに他の実施形態では、前記ストランドの外側部分が、前記力を働かせる前に、ガラス転移温度の近くの温度まで冷却される。さらなる実施形態では、前記ストランドの外側部分が、前記力を働かせる前に、ガラス転移温度を下回る温度まで冷却される。そして、一層さらなる実施形態では、前記外側部分と前記バンドルとの間の前記カプセルの二次的な部分が、ある温度となり、前記二次的な部分の中の前記樹脂が、前記力を働かせるときに、前記力の下で流れることとなる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、前記堆積させるステップが、クロスヘッドダイを通して前記バンドルを引っ張ることを含む。さらなる実施形態は、前記堆積させるステップの前に、前記バンドルを加熱することを含む。一層さらなる実施形態は、前記力を働かせるステップ及び前記セクション化するステップが、実質的に同じ作業で行われるということを含む。
【００１３】
特定の実施形態では、前記導電性ファイバーが、ミクロン導電性ファイバーである。他の実施形態では、前記ミクロン導電性ファイバーが、それぞれの前記成形可能なカプセルの合計重量の約5%から約50%の間を占める。一層さらなる実施形態では、前記ミクロン導電性ファイバーが、金属又は金属合金、外側導電性めっきを備える非導電性内側コア材料、強磁性の材料、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む。他の実施形態では、前記ミクロンファイバーが、おおよそ3から12ミクロンの直径、及び、おおよそ2から14mmの長さを有している。
【００１４】
本発明の特定の実施形態は、前記ストランドを形成するために前記ファイバーバンドルの上に樹脂を堆積させた後に、前記ストランドに力を働かせるプロセスによって作製されるカプセルを含む。特定の実施形態では、前記カプセル及び内側ファイバーバンドルが、非円形のプロファイルを含む。
【００１５】
本発明の特定の実施形態は、成形可能なカプセルを含み、前記成形可能なカプセルは、導電性ファイバーの内側バンドルと、樹脂の外側層とを含み、前記カプセル及び内側ファイバーバンドルが、非円形のプロファイルを含む。いくつかの実施形態では、前記非円形のプロファイルが、実質的に楕円形、実質的に長方形、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される。さらに他の実施形態では、前記バンドルの前記非円形のプロファイルが、実質的に楕円形、実質的に長方形、実質的に数字の8、及び、任意のそれらの組合せからなる群から選択される。
【００１６】
本明細書の重要な部分を形成する添付の図面において、以下が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】成形可能なカプセルを製造する方法を示す、本発明の第1の実施形態を図示する図である。
【図２】導電性にドープされた樹脂ベースの材料の第1の実施形態を図示する図であり、導電性材料が、粉末を含むことを示す図である。
【図３】導電性にドープされた樹脂ベースの材料の第2の実施形態を図示する図であり、導電性材料が、ミクロン導電性ファイバーを含むことを示す図である。
【図４】導電性にドープされた樹脂ベースの材料の第3の実施形態を図示する図であり、導電性材料が、導電性粉末及びミクロン導電性ファイバーの両方を含むことを示す図である。
【図５ａ】第4の実施形態を図示する図であり、導電性ファブリック状の材料が、導電性にドープされた樹脂ベースの材料から形成されていることを示す図である。
【図５ｂ】第4の実施形態を図示する図であり、導電性ファブリック状の材料が、導電性にドープされた樹脂ベースの材料から形成されていることを示す図である。
【図６ａ】導電性にドープされた樹脂ベースの材料の物品を成形するために使用され得る射出成形装置を簡略図の形式で示す図である。
【図６ｂ】導電性にドープされた樹脂ベースの材料の物品を成形するために使用され得る押し出し成形装置を簡略図の形式で示す図である。
【図７】本発明のクロスヘッド押し出しダイを示す、本発明の第2の実施形態を図示する図である。
【図８】本発明の成形可能なカプセルを示す、本発明の第3の実施形態を図示する図である。
【図９】成形可能なカプセルを形成するための押し出し機システムを示す、本発明の第4の実施形態を図示する図である。
【図１０】切り刻まれたファイバーが樹脂ベースの押し出し材料に加えられる、成形可能なカプセルを形成するための押し出し機システムを示す、本発明の第5の実施形態を図示する図である。
【図１１】ファイバーが樹脂ベースの押し出し材料の中へ吹き込まれる、成形可能なカプセルを形成するための押し出し機システムを示す、本発明の第6の実施形態を図示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示の中の数は、従来の丸め技法を使用して、最も近い有効数字に丸められている。本明細書に含有される数の範囲は、別段の指示がない限り、上側限界値及び下側限界値の数を含有するように理解される。たとえば、範囲「1から10まで」は、数「1」を含み、並びに、数「10」まで及び数「10」を含む、範囲を含むように理解される。
【００１９】
本発明は、成形されるときにベース樹脂の中に実質的に均質化されるミクロン導電性粉末、ミクロン導電性ファイバー、又は、それらの組合せを含む、導電性にドープされた樹脂ベースの材料に関する。より具体的には、本発明は、導電性にドープされた材料及び樹脂ベースの材料を含む成形可能なカプセルに関し、それは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料から作製される物品の製造において有用である。
【００２０】
本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、導電性材料がドープされたベース樹脂であり、導電性材料は、次いで、任意のベース樹脂を、絶縁体というよりもむしろ導電体へ変形させる。樹脂は、成形されるパーツに構造的な一体性を提供する。ミクロン導電性ファイバー、ミクロン導電性粉末、又は、それらの組合せは、成形プロセスの間に、ベース樹脂の中で実質的に均質化され、電気的な連続性、熱的な連続性、及び音響的な連続性を提供する。
【００２１】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、ほとんどの任意の所望の形状又はサイズを提供するために、成形されるか又は押し出されることなどが可能である。また、成形される導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、所望の形状及びサイズを提供するために、切断され、スタンプされ、又は、射出成形された若しくは押し出されたシート若しくはバーストックから真空形成され、オーバーモールドされ、積層され、又は、フライス加工されることなどが可能である。導電性にドープされた樹脂ベースの材料を使用して製作される物品又はパーツの熱的な、電気的な、及び音響的な連続性及び/又は導電性の性質は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の組成に依存し、導電性にドープされた樹脂ベースの材料のドーピングパラメーター及び/又は材料は、次いで成形される材料の所望の構造的な、電気的な又は他の物理的な性質を実現することを支援するように調節され得る。物品を製作するために使用される選択材料は、最初に、本明細書で説明されているようなカプセルへと作製され、次いで、成形技法、及び/又は、射出成形、オーバーモールディング、インサート成形、圧縮成形、サーモセット(thermo-set)、突き出し、押し出し、若しくはカレンダー仕上げなどのような方法を使用して、一緒に実質的に均質化される。2D、3D、4D、及び5D設計に関連する性質、成形及び電気的な性質は、実際のパーツの成形プロセスの間に実現され得る物理的及び電気的な利点を含み、また、成形されるパーツ又は形成される材料の中の導電性ネットワークに関連付けされる分子ポリマー物理学を含む。
【００２２】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料の中で、電子が、最小の抵抗の経路を辿って、あるポイントからポイントへ進行する。ほとんどの樹脂ベースの材料は、絶縁体であり、電子通路に対して高い抵抗を示す。樹脂ベースの材料の中のドーピングは、ポリマーの固有の抵抗を変更させる。導電性のドーピングの閾値濃度において、組み合わせられた質量を通る抵抗が、電子移動を可能にするのに十分に低下させられる。電子移動の速度は、導電性ドーピング濃度、及び、材料の化学的組成、すなわち、導電性ドーピング粒子同士の間の分離に依存する。導電性ドーピング含有量を増加させることは、粒子間の分離距離を低減させ、また、パーコレイション(percolation)ポイントとして知られる重要な距離において、抵抗が劇的に減少し、自由電子が急速に移動する。
【００２３】
抵抗性は、材料の微細構造の原子結合に依存する材料特性である。本明細書で説明されているようなカプセルがある構造へと成形されるときに、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の中の原子的微細構造の材料特性が変更させられる。非局在化された価電子の実質的に均質化された導電性微細構造が、前記分子の価電子体及び導電帯の中に生成される。この微細構造は、成形されるマトリックス構造の中に、十分な電荷キャリアを提供する。結果として、低い密度の、低い抵抗性の、軽量の、耐久性のある、樹脂ベースのポリマー微細構造材料が実現される。多くのプラスチック及びゴム又は他の構造的な樹脂ベースの材料の中に見出される優れた構造的な性質を維持しながら、この材料は、銀、銅、又はアルミニウムなどのような高導電性の金属のものに匹敵する導電性を示すことが可能である。
【００２４】
物品及びパーツの製作において導電性にドープされた樹脂ベースの材料を使用することは、これらの材料を所望の形状及びサイズに形成することによって、材料のコストをかなり低下させ、使用される設計及び製造プロセスをかなり低下させ、極めて精密にする容易さを保持する。物品は、射出成形、オーバーモールディング、圧縮成形、熱硬化性の成形、押し出し、又はカレンダー仕上げなどのような、従来の形成方法及び成形方法を使用して、無数の形状及びサイズへと製造され得る。導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、成形されるときに、典型的に、それらに限られないが、約5オーム/スクエア未満から約25オーム/スクエアを超える抵抗性の望ましい使用可能な範囲を作り出すが、ドーパント、ドーピングパラメーター、及び/又はベース樹脂選択を変化させることによって、他の抵抗性を実現することが可能である。
【００２５】
本明細書で説明されているようなカプセルは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料と、たとえば、ミクロン導電性粉末、ミクロン導電性ファイバー、又は、それらの任意の組合せなどの、導電性材料とを含む。カプセルは、成形プロセスの間にベース樹脂の中で一緒に実質的に均質化され、低コストの、電気的な、熱的な、及び音響的な高性能の物品を作り出す容易さを生み出す。結果として生じる成形物品は、ポリマーマトリックスの中に含有され及び/又は結合している導電性ドーピング粒子の三次元の連続的な毛細血管ネットワークを含む。
【００２６】
導電性粉末
例示的なミクロン導電性粉末は、炭素、グラファイト、アミン、若しくはエオノマー(eeonomer)など、及び/又は、ニッケル、銅、銀、アルミニウム、ニクロム、若しくは様々なめっきされた材料などのような金属粉末を含む。炭素、又は、グラファイトなどのような粉末の他の形態の使用は、追加的な低レベル電子交換を生成させることが可能であり、また、ミクロン導電性ファイバーと組み合わせて使用されると、ファイバーのミクロン導電性ネットワークの中にミクロン充填剤エレメントを生成させ、さらなる電気伝導性を作り出し、成形機器のための潤滑剤としての役割も果たす。カーボンナノチューブを、導電性にドープされた樹脂ベースの材料に加えることも可能である。ミクロン導電性ファイバードーピングに導電性粉末を加えることは、成形されるパーツの表面の上の電気的な連続性を改善し、成形の間に生じる任意のスキニング効果をオフセットさせることが可能である。
【００２７】
導電性ファイバー
ミクロン導電性ファイバーは、金属ファイバー又は金属めっきされたファイバーであることが可能である。さらに、金属めっきされたファイバーは、金属ファイバーの上に金属をめっきすることによって、又は、非金属ファイバーの上に金属をめっきすることによって、形成させることが可能である。例示的な金属ファイバーには、それに限定されないが、ステンレス鋼ファイバー、銅ファイバー、ニッケルファイバー、銀ファイバー、アルミニウムファイバー、若しくはニクロムファイバーなど、又は、それらの組合せが含まれる。例示的な金属めっき材料には、それに限定されないが、銅、ニッケル、コバルト、銀、金、パラジウム、プラチナ、ルテニウム、ロジウム、及びニクロム、並びに、それらの合金が含まれる。任意のめっき可能なファイバーが、めっきされた非金属ファイバーのためのコアとして使用され得る。例示的な非金属ファイバーには、それに限定されないが、炭素、グラファイト、ポリエステル、玄武岩、メラミン、並びに、人工の材料及び自然発生の材料などが含まれる。加えて、チタン、ニッケル、ニオブ、及びジルコニウム、並びに、チタン、ニッケル、ニオブ、及びジルコニウムの合金などのような、超伝導体金属も、本発明において、ミクロン導電性ファイバーとして、及び/又は、ファイバーの上の金属めっきとして使用することが可能である。
【００２８】
一実施形態では、ファイバーは、約3から12ミクロンの間の直径を有することが可能であり、他の実施形態では、約6から12ミクロンの間の直径を有することが可能であり、又は、一層さらなる実施形態では、約10ミクロンの範囲の直径を有することが可能であり、継ぎ目がなく又は重なり合うことが可能な長さを備えている。いくつかの実施形態では、ファイバーの長さは、約2から14ミリメートルの間にある。他の実施形態では、ファイバーの長さは、約4から6ミリメートルの間にあり、又は、一層さらなる実施形態では、約8ミリメートルである。
【００２９】
ミクロンファイバーがベース樹脂と組み合わせられる場合に、ミクロンファイバーは、性能を改善するために前処理され得る。本発明の一実施形態によれば、導電性粉末又は非導電性粉末は、押し出しの前にファイバーの中へ浸出させられる。他の実施形態では、ファイバーは、ファイバー界面特性を改善させるために、任意の又はいくつかの化学的な修飾を受ける。ファイバー修飾プロセスには、それに限定されないが、化学的に不活性のカップリング剤、ガスプラズマ処理、陽極酸化処理、マーセル化、過酸化物処理、ベンゾイル化、又は、他の化学的な処理又はポリマー処理が含まれる。
【００３０】
化学的に不活性のカップリング剤は、金属及び/又は他のファイバーの表面の上に分子結合される材料であり、樹脂ベースの材料の中の後の結合及び濡れ性のために、表面カップリング、機械的なインターロッキング、相互拡散、並びに、吸着及び表面反応を提供する。この化学的に不活性のカップリング剤は、樹脂ベースの材料と反応しない。例示的な化学的に不活性のカップリング剤は、シランである。シラン処理では、シランからのシリコンベースの分子が、金属ファイバーの表面に結合し、シリコン層を形成する。シリコン層は、その後に押し出される樹脂ベースの材料と良好に結合するが、樹脂ベースの材料と反応しない。シラン処理の間の追加的な特徴として、オキサンが、ファイバー表面の上の任意の水分子と結合し、それによって、ファイバーストランドからの水を排除する。シラン、アミノ、及びシラン-アミノは、化学的に不活性のカップリング剤をファイバーの上に形成させるための三つの例示的な事前押し出し処理である。
【００３１】
ガスプラズマ処理では、金属ファイバーの表面が、原子深さでエッチング加工され、表面をリエンジニアリングする。酸素及びアンモニアなどのような、低温ガスプラズマ供給源は、押し出しの前に表面エッチング加工を行うのに有用である。本発明の一実施形態では、ガスプラズマ処理は、ファイバーストランドの表面をエッチングするために最初に行われる。次いで、シランバス(bath)コーティングが行われ、化学的に不活性のシリコンベースのフィルムをファイバーストランドの上に形成させる。別の実施形態では、金属ファイバーが陽極酸化処理され、ファイバーの上に金属酸化物を形成させる。本明細書で説明されているファイバー修飾プロセスは、(処理されていないファイバーと比較したときに)界面接着を改善させ、均質化の間の濡れ性を改善させ、及び/又は、酸化物成長を低減及び防止するのに有用である。また、前処理ファイバー修飾は、その後のカプセルセクション化、切断、又は真空ラインフィーディングの間の粒子ダスト、微粒子、及びファイバーリリースのレベルを低減させる。
【００３２】
樹脂ベースの材料
樹脂ベースの構造的な材料は、任意のポリマー樹脂、又は、相溶性ポリマー樹脂の組合せであることが可能である。非導電性樹脂又は本質的に導電性の樹脂が、構造的な材料として使用され得る。共役ポリマー樹脂、複合ポリマー樹脂、及び/又は、本質的に導電性の樹脂が、構造的な材料として使用され得る。樹脂ベースの材料の誘電特性が、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の最終的な電気的な性能に直接的な効果を有することとなる。リンキング又はクロスリンキングなどのような、ポリマー、コポリマー、モノマー、ターポリマー、又はホモポリマー材料の化学的組成及び/又は配置に応じて、多くの異なる誘電特性が可能である。樹脂ベースの材料は、たとえば、熱可塑性又は熱硬化性であることが可能である。熱可塑性の例には、それに限定されないがアクリル、セルロース、フッ素プラスチック、イオノマー、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリスルホン、及びポリビニルなどが含まれる。熱硬化性の例には、それに限定されないが、アルキド、アリル、エポキシ、フェノール、ポリエステル、ポリイミド、ポリウレタン、及びシリコーンが含まれる。
【００３３】
本明細書で説明されているカプセル、ミクロン導電性粉末、ミクロン導電性ファイバー、又は、それらの組合せがドープされた樹脂ベースの構造的な材料は、射出成形若しくはオーバーモールディング、又は押し出しなどのような従来の成形方法を使用して成形され、所望の形状及びサイズを生成させることが可能である。また、成形される導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、望まれるように、スタンプされ、切断され、又はフライス加工され、所望の形状及びフォームファクターを生成させるように形成することが可能である。ドープされたベース樹脂の中のミクロン導電体に関連付けされるドーピング組成及び方向性は、物品の電気的な性質及び構造的な性質に影響を及ぼすことが可能であり、また、鋳型設計、ゲーティング(gating)及び又は突出部設計によって、及び/又は、成形プロセス自身の間に、正確に制御され得る。加えて、樹脂ベースは、非常に高い融点又は特定の熱伝導率などのような所望の熱的な性質を得るように選択され得る。
【００３４】
また、樹脂ベースのサンドイッチ積層体は、ランダムな又は連続的なクモの巣状にされたミクロンステンレス鋼ファイバー又は他の導電性ファイバーによって製作され、布状の材料を形成することが可能である。クモの巣状にされた導電性ファイバーは、テフロン(登録商標)、ポリエステルなどのような材料に積層されることなどが可能であり、又は、任意の樹脂ベースの可撓性若しくは固体材料は、ファイバー含有量、配向、及び形状において別個に設計されるときに、非常に高い導電性可撓性の布状の材料を作り出すこととなる。また、そのような布状の材料は、人の衣服、及び、ゴム又はプラスチックなどのような他の樹脂材料の中に埋め込まれ得る物品を形成する際に使用することが可能である。
【００３５】
また、導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、プリプレグ積層体、布、又はウェビングへと形成され得る。導電性にドープされた樹脂ベースの材料の積層体、布、又はウェビングは、最初に、樹脂ベースの材料によって均質化される。様々な実施形態では、導電性にドープされた樹脂ベースの材料が、樹脂ベースの材料によって、ディッピングされ、コーティングされ、スプレーされ、及び/又は押し出され、扱いやすいプリプレググルーピングの中に積層体、布、又はウェビングを一緒に接着させる。このプリプレグは、フォームの上に設置されるか又はレイアップされ、次いで、恒久的な結合を形成するように加熱される。別の実施形態では、プリプレグは、樹脂が依然として濡れている状態で、含浸樹脂の上にレイアップされ、次いで、加熱又は他の手段によって硬化させられる。別の実施形態では、ウェットレイアップは、導電性にドープされた樹脂ベースのプリプレグをハニカム構造体の上に積層させることによって行われる。別の実施形態では、ハニカム構造体は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料から作製されている。さらなる別の実施形態では、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の積層体、布、又はウェビングを、高温可能な(high temperature capable)ペイントでスプレー、ディッピング、又はコーティングすることによって、ウェットプリプレグは行われる。
【００３６】
樹脂ベースの材料及び導電性材料の組合せ
先行技術炭素繊維及び樹脂ベースの複合材は、予測不可能な破損点を示すことが見出されている。炭素繊維システムでは、あったとしても、構造体の伸びがほとんど存在しない。比較すると、本発明では、導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、炭素繊維又は金属めっきされた炭素繊維とともに形成されたとしても、成形可能なカプセルによって生成されるファイバーの実質的な均質化に起因して、機械的な構造体のより大きい強度を示す。結果として、同等の炭素繊維複合材が粉々になることとなるが、本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの材料から形成される構造体は、破砕されたとしても構造的に維持することとなる。
【００３７】
本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、ミクロン導電性ファイバー及び/又はミクロン導電性粉末ドーパント、並びに、腐食及び/又は金属電解に抵抗力のあるベース樹脂を選択することによって、腐食及び/又は金属電解に抵抗力を持つようにすることが可能である。たとえば、耐腐食/電解性ベース樹脂が、ファイバー/粉末と組み合わせられる場合には、又は、たとえば、ステンレス鋼ファイバーと組み合わせられ、銅、銀、及び金、並びに/又は炭素繊維/粉末などのような腐食性のファイバーを避けるように不活性の化学的な処理されたカップリング剤と組み合わせられる場合には、耐腐食及び/又は金属電解性の導電性にドープされた樹脂ベースの材料が実現される。本発明の別の追加的な及び重要な特徴は、本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの材料が難燃剤から作製することが可能であるということである。難燃剤(FR)ベースの樹脂材料の選択は、結果として生じる製品が、難燃性機能を示すことを可能にする。これは、本明細書で説明されているような用途において特に重要である。
【００３８】
また、本発明で説明されているミクロン導電性ファイバー及び/又はミクロン導電性粉末及びベース樹脂の実質的に均質な混合は、ドーピングとして説明することも可能である。すなわち、実質的に均質な混合は、典型的に非導電性ベース樹脂材料を導電性材料に変形させる。このプロセスは、ドーピングプロセスと同様であり、それによって、シリコンなどのような半導体材料が、半導体デバイスの技術分野でよく知られているように、ドナー/アクセプターイオンの導入を通して、導電性材料へ変換され得る。したがって、本発明は、ベース樹脂の中でのミクロン導電性ファイバー及び/又はミクロン導電性粉末の実質的に均質な混合を通して、典型的に非導電性ベース樹脂材料を導電性材料へと変換することを意味するために、ドーピングの用語を使用している。
【００３９】
本発明の追加的な及び重要な特徴として、成形される導電体がドープされた樹脂ベースの材料は、優れた熱的な消散性質を示す。したがって、成形される導電体がドープされた樹脂ベースの材料から製造される物品は、追加された熱的な消散機能をその用途に提供することが可能である。たとえば、本発明の物品に物理的に及び/又は電気的に接続されている電気的なデバイスから、熱が消散され得る。
【００４０】
本発明の重要な利点として、導電性にドープされた樹脂ベースの材料から構築される物品は、容易に、電気回路にインターフェース接続されるか、又は接地され得る。一実施形態では、物品に締結されるスクリューを介して、導電性にドープされた樹脂ベースの物品にワイヤーを取り付けることが可能である。たとえば、単純なシートメタルタイプの自己タッピングスクリューは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の導電性マトリックスを介して、材料と締結されるときに、優れた電気的な接続性を実現することが可能である。このアプローチを促進させるために、ボスが、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の一部として成形され、そのようなスクリューを収容することが可能である。代替的に、銅などのようなはんだ付け可能なスクリュー材料が使用される場合には、ワイヤーは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の中に埋め込まれているスクリューにはんだ付けされ得る。別の実施形態では、導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、金属層によって、部分的に又は完全にめっきされている。金属層は、導電性マトリックスとともに優れた電気伝導性を形成する。次いで、別の回路への又はグランドへのこの金属の接続が作製される。たとえば、金属層がはんだ付け可能である場合には、はんだ付けされた接続が、物品と接地ワイヤーとの間に作製され得る。
【００４１】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料の表面の上に金属層が形成される場合に、この金属層を形成するために、いくつかの技法のいずれかを使用することが可能である。この金属層は、成形される導電性にドープされた樹脂ベースの材料物品の視覚向上のために、又は、そうでなければ、性能特性を変更するために、使用することが可能である。無電解金属めっき、電気めっき、電解金属めっき、スパッタリング、金属蒸着、又はメタリックペインティングなどのような、周知の技法が、この金属層の形成に適用され得る。金属めっきが使用される場合には、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の樹脂ベースの構造的な材料は、金属めっきされ得る材料である。金属層でめっきされ得るポリマー樹脂の多くが存在している。無電解めっきは、典型的に、複数段階の化学的なプロセスであり、たとえば、薄い銅層が、導電性層を形成するために、最初に堆積させられる。次いで、この導電性層は、その後のより厚い金属層のめっきのための電極として使用することが可能である。
【００４２】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料の上に金属層を形成させるための典型的な金属堆積プロセスは、真空メタライゼーションである。真空メタライゼーションは、アルミニウムなどのような金属層が、真空チャンバーの内側で、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の上に堆積させられるプロセスである。メタリックペインティングプロセスでは、銀、銅、又はニッケルなどのような、金属粒子が、アクリル、ビニール、エポキシ、又はウレタンバインダーの中に分散させられる。ほとんどの樹脂ベースの材料が、ペイントを良好に受け入れて保持し、自動スプレーイングシステムが、一貫性をもってコーティングを塗布する。加えて、本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの材料の優れた導電性は、極めて効率的な静電塗装技法の使用を促進させる。
【００４３】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、いくつかの方式のいずれかで接触させられ得る。一実施形態では、ピンが、インサート成形、超音波溶接、プレス、又は他の手段によって、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の中へ埋め込まれている。金属ワイヤーによってこのピンとの接続が、容易に作製され、導電性にドープされた樹脂ベースの材料導電性マトリックスへの優れた接触を結果として生じさせることが可能である。別の実施形態では、孔部が、成形プロセスの間に、又は、ドリリング若しくはパンチングなどのようなその後のプロセスステップによって、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の中へ形成される。次いで、ピンが、孔部の中に設置され、次いで、恒久的な機械的接触及び電気的接触を形成させるために超音波溶接される。さらなる別の実施形態では、ピン又はワイヤーが、導電性にドープされた樹脂ベースの材料にはんだ付けされる。このケースでは、孔部が、成形作業の間に、又は、ドリリング、スタンピング、若しくはパンチングなどによって、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の中に形成される。次いで、はんだ付け可能な層が、孔部の中に形成される。はんだ付け可能な層は、好ましくは、金属めっきによって形成される。導電体が、孔部の中へ設置され、次いで、はんだ付けされたポイント、ウェーブ、又はリフローによって、機械的に及び電気的に結合される。
【００４４】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料への接続性を提供する別の方法は、はんだ付け可能なインクフィルムの表面への適用による。一つの例示的なはんだ付け可能なインクは、エポキシ樹脂バインダーの中の銅及びはんだ粒子の組合せである。結果として生じる混合物は、アクティブな、スクリーン印刷可能な、及び分配可能な材料である。硬化の間に、はんだが、銅粒子をコーティング及び接続するようにリフローし、それによって、追加的なめっき又は他の加工ステップを必要とすることなく直接的にはんだ付け可能な硬化された表面を形成させる。次いで、任意のはんだ付け可能な材料が、はんだ付け可能なインクが塗布された場所において、はんだ付けを介して、導電性にドープされた樹脂ベースの材料に、機械的に及び/又は電気的に取り付けられ得る。本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの材料の上にこのはんだ付け可能な表面を提供するために、多くの他のタイプのはんだ付け可能なインクを使用することも可能である。はんだ付け可能なインクの別の例示的な実施形態は、一つ又は複数の金属粉末システムと反応性の有機媒体の混合物である。このタイプのインク材料は、低温硬化の間に、任意の有機バインダー又は合金化元素なしで、はんだ付け可能な純粋な金属に変換される。
【００４５】
強磁性の導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、本発明から形成され、材料の磁気的な又は磁化可能な形態を生成させることが可能である。強磁性のミクロン導電性ファイバー及び/又は強磁性の導電性粉末は、ベース樹脂とともに実質的に均質化される。フェライト材料及び/又は希土類の磁気的な材料が、導電性ドーピングとして、ベース樹脂に加えられる。強磁性のミクロン導電性ファイバー及び/又はミクロン導電性粉末の実質的に均質な混合によって、強磁性の導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、優れた低コストの低重量の高いアスペクト比の磁化可能なアイテムを作り出すことが可能である。本発明の磁石及び磁気的なデバイスは、成形プロセスの間に、又は、成形プロセスの後に磁化され得る。ベース樹脂の中で均質化された強磁性のミクロン導電性ファイバー及び/又は強磁性のミクロン導電性粉末のドーピングレベル及び/又はドーパントを調節することは、磁石及び磁気的なデバイスの磁気強度を制御することが可能である。強磁性のドーピングのアスペクト比を増加させることによって、磁石又は磁気的なデバイスの強度を実質的に増加させることが可能である。導電性ファイバー/粉末又はそれらの組合せの実質的に均質の混合は、相当量のドーパントが、アイテムの構造的な一体性が機械的に低下することを引き起こすことなく、ベース樹脂に加えられることを可能にする。強磁性の導電性にドープされた樹脂ベースの磁石は、優れた磁気的な能力とともに、柔軟性、成形性、強度、及び、環境的腐食に対する抵抗を含む、ベース樹脂の傑出した物理的特性を示す。加えて、特有の強磁性の導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、優れた熱伝導性及び電気伝導性並びに磁性を示すアイテムの形成を促進させる。
【００４６】
高いアスペクト比の磁石は、強磁性の導電性ミクロンファイバーを通して、又は、強磁性のミクロン粉末と導電性ミクロンファイバーの組合せを通して、容易に実現される。ミクロン導電性ファイバーの使用は、断面積で高いアスペクト比の導電性ファイバー/粉末又はそれらの組合せを備える物品を成形することを可能にする。強磁性のミクロンファイバーが使用される場合には、この高いアスペクト比は、高品質の磁気的な物品へと転換される。代替的に、強磁性のミクロン粉末がミクロン導電性ファイバーと組み合わせられる場合には、粉末の磁気効果が、導電性ファイバーのネットワークを介して、成形物品の全体を通して効果的に広げられ、効果的な高いアスペクト比の成形される磁気的な物品が実現されるようになっている。強磁性の導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、成形の後に、成形物品を強力な磁界に露出させることによって、磁化させることが可能である。代替的に、成形プロセスの間に、強磁性の導電性にドープされた樹脂ベースの材料を磁化するために、強力な磁界を使用することが可能である。
【００４７】
強磁性の導電性にドープされているということは、ファイバー、粉末、又は、ファイバー及び粉末の組合せの形態である。ミクロン導電性粉末は、金属ファイバー又は金属めっきされたファイバー若しくは粉末であることが可能である。金属めっきされたファイバーが使用される場合には、コアファイバーは、めっき可能な材料であり、金属又は非金属であることが可能である。例示的な強磁性の導電性ファイバー材料には、フェライト、又はセラミック、ニッケル亜鉛のような材料、マンガン亜鉛、並びに、鉄、ホウ素、及びストロンチウムなどの組合せが含まれる。加えて、ネオジム-鉄-ホウ素、及び、サマリウム-コバルトなどに代表される、ネオジム及びサマリウムなどのような希土類元素が、強磁性の導電性ファイバー材料に有用である。導電性ファイバーの上に浸出させられる例示的な強磁性のミクロン粉末には、フェライト、又はセラミック、ニッケル亜鉛のような材料、マンガン亜鉛、並びに、鉄、ホウ素、及びストロンチウムなどの組合せが含まれる。加えて、ネオジム-鉄-ホウ素、及び、サマリウム-コバルトなどに代表される、ネオジム及びサマリウムなどのような希土類元素が、強磁性の導電性粉末材料に有用である。強磁性の導電性ドーピングは、非強磁性の導電性ドーピングと組み合わせられ、優れた導電性品質を磁気機能と組み合わせる導電性にドープされた樹脂ベースの材料を形成することが可能である。
【００４８】
本明細書で説明されているカプセルを作製する方法
ここで図1を参照すると、本発明の第1の実施形態が図示されている。概略図2は、本発明を介して特有の成形可能なカプセルを形成させるための製造フローを示している。この実施形態では、押し出し/引き抜きプロセスは、連続的な導電性ミクロンファイバーバンドルの上にベース樹脂を押し出すために使用される。押し出し/引き抜きの後に、組み合わせられたファイバー及び樹脂ケーブル又はストランドは、成形可能なカプセルへとペレット化される。
【００４９】
図示されている実施形態では、ミクロン導電性ファイバー5のリールが、ペイオフ(payoff)装置4の上に搭載されている。ミクロン導電性ファイバー19は、好ましくは、ミクロン導電性ファイバーの複数の平行なストランドを含む。バンドル19は、好ましくは、最大数万ものファイバーのストランドを含む。
【００５０】
ミクロン導電性ファイバーバンドル19は、押し出しダイ10の中へ通される。しかし、プロセスのいくつかの実施形態では、押し出しの前に、ファイバーバンドル19を事前加工することが有用である。押し出しの前に、ファイバーバンドル19の性質を強化するために、前処理プロセス7、又は、プロセスの組合せが行われる。前処理プロセスは、それらに限定されないが、バンドルに材料を加えるリーチング(leeching)プロセス、及び、ファイバー界面特性を改善する化学的修飾プロセス、並びに、さらに下記に説明されている加熱プロセスを含む。
【００５１】
リーチング前処理プロセス7の一実施形態では、ペイオフリール5からのミクロン導電性ファイバー19が、押し出し装置8及び10の中を通される前に、パウダーリング装置7の中へ最初に通される。パウダーリング装置7は、好ましくは、液体媒体の中に懸濁されたミクロン導電性粉末を含む溶液を含む。ファイバーバンドル19は、液体媒体を通して給送されるので、溶液の中のミクロン導電性粉末が、ミクロン導電性ファイバー19の中へリーチする(leeches)。それによって、結果として生じる処理されたファイバーバンドル20は、ミクロン導電性粉末を含浸させられる。
【００５２】
ファイバー界面特性を改善させる不活性の化学的修飾プロセスのいくつかの実施形態が存在している。処理は、それに限定されないが、化学的に不活性のカップリング剤、ガスプラズマ、陽極酸化処理、マーセル化、過酸化物処理、ベンゾイル化、及び、他の化学的な処理又はポリマー処理を含む。化学的に不活性のカップリング剤は、金属ファイバーの表面の上に結合され、樹脂ベースの材料と後に結合するのに優れたカップリング表面を提供する材料である。この化学的に不活性のカップリング剤は、樹脂ベースの材料とは反応しない。例示的な化学的に不活性のカップリング剤は、シランである。シラン処理において、シランからのシリコンベースの分子は、金属ファイバーの表面に分子結合し、シリコン層を形成する。シリコン層は、その後に押し出される樹脂ベースの材料と良好に結合するが、それは、樹脂ベースの材料に対して化学的に不活性である。先行技術の「塩コショウ(salt and pepper)」混合において示される予測不可能な損傷を与える化学的な相互作用は、それによって回避される。シラン処理の間の随意的な特徴として、オキサンが、ファイバー表面の上の任意の水分子と結合し、それによって、ファイバーストランドから水を排除する。シラン、アミノ、及びシラン-アミノは、化学的に不活性のカップリング剤をファイバーの上に形成させるための三つの例示的な事前押し出し処理である。
【００５３】
ガスプラズマ処理では、金属ファイバーの表面が、原子深さでエッチング加工され、表面をリエンジニアリングする。酸素及びアンモニアなどのような、低温ガスプラズマ供給源は、押し出しの前に表面エッチング加工を行うのに有用である。本発明の一実施形態では、ガスプラズマ処理は、ファイバーストランドの表面をエッチングするために最初に行われる。次いで、シランバスコーティングが行われ、化学的に不活性のシリコンベースのフィルムをファイバーストランドの上に形成させる。別の実施形態では、金属ファイバーが陽極酸化処理され、ファイバーの上に金属酸化物を形成させる。本明細書で説明されているファイバー修飾プロセスは、(処理されていないファイバーと比較したときに)界面接着を改善させ、均質化の間の濡れ性を改善させ、及び/又は、酸化物成長を低減及び防止するのに有用である。また、前処理ファイバー修飾は、その後のペレット切断又は真空給送フィーダーの間のダスト、微粒子、及びファイバーリリースのレベルを低減させることが可能である。
【００５４】
成形可能なカプセルを形成するための方法の一実施形態は、ファイバー処理プロセスを含み、ファイバー処理プロセスは、導電性ファイバーのバンドルを提供することと、次いで、複合ストランドを形成するために樹脂ベースの材料をバンドルの上に堆積させる前に、バンドルを加熱することとを含む。複合ストランドを形成するために樹脂ベースの材料をバンドルの上に堆積させた後に、ストランドは、成形可能なカプセルへと分割される。樹脂ベースの材料を堆積させる前にバンドルを加熱することは、バンドルと樹脂ベースの材料との間の接着又は「濡れ性」を改善すると考えられている。これは、いくつかの利点を有すると考えられており、いくつかの利点には、樹脂とバンドルとの間の空気ギャップを排除するか又は低減させること、並びに、カプセルの切断及びペレット化を改善すること、また、導電性の物品を作製するために使用されるときのカプセルの性能を改善することが含まれる。いくつかの実施形態では、バンドルを加熱することによって、樹脂は、バンドルに接触することで凝固することとはならず、溶融樹脂が、より良好に濡れるか若しくはバンドルに接着することを可能にし、又はバンドルに浸透することを可能にすると考えられている。
【００５５】
一実施形態では、加熱することは、樹脂ベースの材料の溶融温度の近くの温度まで、いくつかの実施形態では、溶融温度の50°F以内の温度まで、バンドルを加熱することを含む。別の実施形態では、加熱することは、樹脂ベースの材料の溶融温度を超える温度まで、いくつかの実施形態では、約25°F程度だけ、又は、約50〜100°Fだけ溶融温度を超える温度まで、バンドルを加熱することを含む。さらに別の実施形態では、加熱することは、樹脂ベースの材料のガラス転移温度を超える温度まで、いくつかの実施形態では、約25°F程度だけ、又は、約50〜100°Fだけガラス転移温度を超える温度まで、バンドルを加熱することを含む。一層さらなる実施形態では、加熱することは、室温とガラス転移温度又は溶融温度との間にバンドルを加熱することを含む。さらに別の実施形態では、バンドルを加熱することは、溶融樹脂が濡れるか若しくはバンドルに接着することを可能にし、及び/又は、溶融樹脂がバンドルに浸透することを可能にする温度まで、バンドルを加熱することを含む。
【００５６】
特定の実施形態では、樹脂を堆積させるか又は押し出す前にバンドルを加熱することは、樹脂がバンドルの上に堆積させられる領域、たとえば、クロスヘッドダイにバンドルが進入する前に、ヒーターにバンドルを通すことを含む。ヒーターは、対流ヒーター、放射ヒーター、導電性ヒーター、及び、それらのいずれかの組合せを含むことが可能である。所望の温度までバンドルを加熱するのに適切な任意の加熱の方法を使用することが可能である。バンドルが加熱されると、クロスヘッドダイを通して、又は、バンドルの上に樹脂を堆積させるための他の手段を通して、バンドルを引っ張ることによって、樹脂は、ファイバーのバンドルの上に押し出されるか又は堆積させられる。
【００５７】
随意的な前処理の後に、処理されたミクロンファイバーバンドル20が、押し出し機ダイ10の中へ通される。押し出し機8及び10は、樹脂ベースの材料をファイバーバンドル20の上に形成又は堆積させるために使用される。押し出し機8及び10のいくつかの重要な特徴が、本明細書で説明されている。ここで図9を参照すると、本発明の実施形態は、押し出しマシン又は押し出し機を示すように図示されている。押し出し機は、ホッパーユニット320を含む。樹脂ベースの材料は、ホッパーユニット320の中へ投入される。一実施形態では、樹脂ベースの材料は、ペレット、シート、ロッド、又はランプの形態の純粋な樹脂ベースの材料を含む。他の実施形態では、様々な添加剤、潤滑剤、着色剤、可塑剤、及び、プラスチック成形の技術分野で典型的な他の材料が、ホッパー320の中の樹脂ベースの材料に加えられる。さらに他の実施形態では、ミクロン導電性粉末及び/又はファイバーが、ホッパー320の中の樹脂ベースの材料に加えられる。他の実施形態では、樹脂ベースの材料が、添加剤、潤滑剤、着色剤、可塑剤、導電性粉末及びファイバーの組合せと事前混合された、事前配合された樹脂ベースの材料が、ホッパー320の中へ投入される。本発明の別の実施形態では、樹脂ベースのホッパー投入量は、あるレートで一定に給送され、連続的なファイバーバンドル20の上への樹脂ベースの材料の大量の押し出しを持続する。重力フィーダー及び振動フィーダーなどのような、多数の公知の材料搬送のいずれかを使用することが可能である。
【００５８】
ホッパー320は、バレル310及びスクリュー315メカニズムの中へ樹脂ベースの材料を給送する。スクリュー315は、本質的に大きいらせん状の刃先であり、それは、バレル310の内側に密接にフィットしている。モーター330は、バレルチャンバー310の内側のスクリュー315を回し、材料給送、加熱、及び混合の効果の組合せを生成させる。バレル310は、このターニング摩擦によって、及び、バレル310の周りに分配されているヒーター325によって加熱される。スクリュー315及びバレル310メカニズムは、ホッパー320から離れるように、及び、型335に向けて、樹脂ベースの材料を搬送する。スクリュー315及びバレル310の混合セクションでは、主な作用は、樹脂ベースの材料の混合及び加熱である。圧縮なしではあるが、溶融が起こり始める。その後の圧縮セクションでは、樹脂ベースの材料が、完全に溶融される。溶融ブレンドの圧縮が始まる。その後の計量セクションでは、樹脂ベースの材料、並びに、すべての添加剤、潤滑剤、着色剤、可塑剤、及び導電性充填剤などの最終的な混合及び均質化が完了させられ、物理的に均質化された材料を発生させる。次いで、樹脂ベースの材料は、クロスヘッドダイ335を通して押し込まれる。クロスヘッドダイ335では、樹脂ベースの材料が、ミクロンファイバーバンドル20の上に収束及び堆積する。ミクロン導電性ファイバーバンドル20は、ダイ335の中空のコア又はリング340を通され、バンドルが通過するときに、溶融樹脂ベースの材料が、バンドルを取り囲み、バンドルの上に押し出されるようになっている。
【００５９】
随意的なダウンステージ入力345が、押し出し機バレル310の上に示されている。この追加的な材料入力は、バレル310の主要な混合セクション及び圧縮セクションの後で、樹脂ベースの材料に成分を加えるのに有用である。ここで図10を参照すると、本発明の実施形態400は、ダウンステージ入力が使用されている実施形態を図示している。この実施形態では、樹脂ベースの材料が、前と同じように、ホッパー320の中へ投入される。しかし、このケースでは、切り刻まれたミクロン導電性ファイバー410が、ダウンステージ入力345を通して、スクリュー315及びバレル310を通って移動する樹脂ベースの材料に加えられる。この実施形態では、ミクロン導電性ファイバーバンドル415は、主要なミクロンファイバーバンドル20に関して説明されているものと同様に、スプールから巻き戻され、次いで、特定の長さへと切り刻まれる。切り刻まれたファイバー410は、クロスヘッドダイ335の中へ通される樹脂ベースの材料20の一部になる。切り刻まれたミクロンファイバー、又は、他の同様の成分を、最初の混合ステージ及び圧縮ステージの後に、スクリュー315及びバレル310の中の樹脂ベースの材料に加えることは好適である可能性があり、それによって、混合力及び圧縮力に起因するファイバー損傷を最小化する。この実施形態では、切り刻まれたファイバー410は、重力給送によって加えられている。このアプローチは、金属ファイバー又は金属めっきされたファイバーなどのような導電性ファイバーを成形可能な混合物に加えるのによく適している。
【００６０】
ここで図11を参照すると、本発明の第6の実施形態430は、ダウンステージ入力を通してファイバーを投入するための別の方法を示している。この実施形態では、切り刻まれたファイバーは、吹き込みメカニズム又はガンメカニズム435を介して、ダウンステージ入力345を通して、スクリュー315及びバレル310メカニズムの中へ吹き込まれている。このアプローチは、ファイバーを樹脂ベースの材料の中へ投入するのによく適している。繰り返しになるが、最初の混合及び圧縮の後までファイバーの導入を遅らせることによって、ファイバー損傷が最小化される。
【００６１】
本発明の別の実施形態では、ツインスクリュー押し出し機が使用される。ツインスクリュー押し出し機は、二つのスクリューを有しており、二つのスクリューは、隣り合わせで配置されており、端面図で典型的に「数字の8」のように見える噛み合いパターンで回転する。二つのスクリューの噛み合い作用は、スクリューフライト又は内側バレル表面を常に自分で拭き取る。シングルスクリュー押し出し機は、樹脂ベースの材料がバレル側壁部に接着するか又は剥離する困難性を示す可能性がある。しかし、ツインスクリュー押し出し機は、樹脂ベースの材料に数字の8パターンを辿らせ、それによって、すべての形態の樹脂ベースの材料に関してプラスのポンピング作用を発生させる。結果として、ツインスクリュー押し出し機は、典型的に、シングルスクリュー押し出し機よりも速い押し出しレートで動作することができる。
【００６２】
ここで図7を参照すると、本発明のクロスヘッドダイ10の実施形態が、断面図で図示されている。クロスヘッドダイ及び押し出しの方法のいくつかの重要な特徴が、留意されるべきである。開口部が、ダイ10を通して作製され、ミクロンファイバーバンドル20が通過することを可能にしている。バンドル20は、溶融された樹脂ベースの材料110を含有するルーティングチャネルを通過する。
【００６３】
入って来るファイバーバンドル20は、相対的に厚い直径TFIBERINを有している。それぞれのファイバーストランドは平行に整合させられているが、ストランド同士の間に空気ギャップが存在する可能性がある。一実施形態では、クロスヘッドダイ10に進入する前に、バンドル20は、圧縮リング106を通過する。圧縮リング106は、ファイバーストランドを一緒に徐々に押し込み、集合的なバンドルに圧縮力をかける。結果として、外径は、圧縮されたバンドル118が圧縮リング106を出ていくときに、TFIBER,COMPRESSEDまで低減させられる。他の実施形態では、バンドルは、クロスヘッドダイに進入する前に圧縮されない。
【００６４】
溶融樹脂ベースの材料による押し出しコーティングの前に、ファイバーバンドル20を圧縮するステップを組み込むことによって、いくつかの利点が得られる。最初に、圧縮は、圧縮されたバンドル118の上に初期力を導入する。樹脂ベースの材料が圧縮された118の上にコーティングされた後に、ファイバーストランドは、樹脂ベースの材料114に対して機械的に反発する。この圧縮反発は、ファイバーバンドル118及び樹脂ベースのコーティング114を一緒に効果的にロックし、本明細書で要求されている押し出されたバンドル22となるようにする。圧縮/反発効果は、選択される樹脂ベースの材料と十分に化学的に結合しないファイバー材料が選択される場合に、とりわけ重要である。第二に、押し出されたバンドルのその後の切断又はペレット化の間に、圧縮されたファイバー118は、樹脂ベースの外側カバーリング114の中に十分に保持され、又はロックされることとなる。また、ファイバーは、その後のペレット化された成形可能なカプセルを取り扱う間に、樹脂ベースの材料の中へロックされる。このファイバー保持メカニズムは、押し出しの前に異なる樹脂ベースの材料でファイバーバンドルをコーティングすることなく達成される。したがって、追加的な加工費が回避され、より重要なことには、先行技術に説明されているような、異種の樹脂ベースの材料の有害な相互作用が回避される。重要な追加的な利点として、この事前圧縮プロセスを使用して形成された成形可能なカプセルは、成形作業の間に優れたファイバーリリースを示すということが見出されている。
【００６５】
樹脂ベースの材料114の制御された直径が、圧縮されたバンドル118の上に押し出される。結果として生じる押し出されたケーブル直径TRESIN,ODは、ダイ開口部TDIEの直径によって決定される。押し出されるケーブル直径TRESIN,OD、及び、プロセスの速度を制御することによって、特定の量の樹脂ベースの材料114が、圧縮されたバンドル118の上に押し出される。結果として、結果として生じる押し出されたケーブル22の中のミクロン導電性ファイバー118の重量パーセントが、慎重に制御される。より具体的には、一実施形態では、ミクロン導電性ファイバーコア118は、ワイヤー状のケーブル22の合計重量の約5%から約50%の間を占める。別の実施形態では、ミクロン導電性ファイバーコア118は、ワイヤー状のケーブル22の合計重量の約20%から約40%の間を占める。さらに別の実施形態では、ミクロン導電性ファイバーコア118は、ワイヤー状のケーブル22の合計重量の約25%から約35%の間を占める。さらに別の実施形態では、ミクロン導電性ファイバーコア118は、ワイヤー状のケーブル22の合計重量の約10%及び20%の間を占める。
【００６６】
本発明の別の実施形態では、導電性ドーピングが、体積パーセンテージによって決定される。一実施形態では、導電性ドーピングは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計体積の約4%から約10%の間の体積を占める。別の実施形態では、ベース樹脂の特性は高いパーセントの体積のドーピングによって影響を受ける可能性があるが、導電性ドーピングは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計体積の約1%から約50%の間の体積を占める。
【００６７】
押し出し/引き抜きプロセスは、ミクロンファイバーバンドル118を含む連続的な押し出されたバンドル又はストランド22を作り出し、樹脂ベースの材料114が、ミクロンファイバーバンドル118の上に押し出されるか又は堆積させられている。一実施形態では、ミクロンファイバーバンドル118は、埋め込まれているミクロン導電性粉末をさらに含み、ミクロン導電性粉末は、押し出しの前にバンドル118の中へリーチされている。別の実施形態では、ミクロンファイバーバンドル118は、ファイバーと樹脂ベースの材料との間の結合を支援するための化学的に不活性のカップリング剤をさらに含む。別の実施形態では、ミクロンファイバーバンドルは、陽極酸化処理されており、ファイバー表面に対するさらなる酸化効果を防止する。別の実施形態では、ミクロンファイバーバンドルは、エッチング加工されており、ファイバーと樹脂材料との間の表面接着を改善している。別の実施形態では、樹脂ベースの材料は、ミクロン導電性ファイバー又は粉末などのような、導電性ドーピングをさらに含み、押し出されたバンドルが、コアバンドル118及び押し出されたカバーリング114の両方の中に導電性ドーピングを担持するようになっている。
【００６８】
再び図1を参照すると、押し出されたバンドル22は、冷却プロセス12を通過する。冷却プロセスは、水などのような流体をスプレーすることによって、又は、水などのような流体の中にバンドル22を浸漬させることによって、押し出されたバンドル22の温度を低減させる。冷却された押し出されたバンドル23は、引っ張りセクション28によって前方へ引っ張られる。好ましくは、プロセス2は、導電性ワイヤリングの製造において使用されるものと同様の高速の引っ張り式の押し出し/引き抜き方法として動作する。冷却された押し出されたバンドル23を引っ張ることによって、ミクロン導電性バンドルの全長は、張力を受けた状態で設置されている。この張力は、全体のプロセスが、よじれ又はバインディング(binding)なしに高速で動作することを可能にする。
【００６９】
随意的な実施形態として、冷却された押し出されたバンドル23は、制御モニター14を通して加工され、冷却された押し出されたバンドル23の外径を検証し、全体長さをカウントする。次いで、冷却された押し出されたバンドル23は、セグメンテーション装置16又はペレタイザーの中へ給送され、そこで、冷却された押し出されたバンドル23は、個々の成形可能なカプセル25へとセグメント化される。成形可能なカプセル25は、好ましくは、約2ミリメートルから約14ミリメートルの間の長さLへとセグメント化されるが、より長い長さ、又はより短い長さを使用することも可能である。セグメント化する方法は、切断、ソーイング、チョッピング、及びスタンピングなどによることが可能である。成形可能なカプセル25は、冷却された押し出されたバンドル23と同じミクロン導電性材料の重量パーセントを保持する。セグメント化されたカプセル25は、クラシファイアー18、セパレーター、又はスクリーンを通して加工され、無傷の成形可能なカプセル25を保持しながら、任意の引き離されたファイバー、ミスカットされたピース、テープ、又は、他の望まれない材料を除去する。最後に、分類された成形可能なカプセルが、パッケージング27される。
【００７０】
成形可能なカプセルを形成させる方法の一実施形態は、導電性ファイバーのバンドルを提供することと、複合ストランドを形成するためにバンドルの上に樹脂ベースの材料を堆積させることと、複合ストランドの上に湿潤加工を行うこと、成形可能なカプセルへと複合ストランドへとセクション化することとを含む。この実施形態では、たとえば、クロスヘッドダイの中で、樹脂がバンドルの上に押し出されるか又は堆積させられた後に、湿潤加工が行われる。もう一度繰り返しになるが、湿潤加工は、バンドルと樹脂ベースの材料との間に接着又は「濡れ性」を改善すると考えられている。これは、いくつかの利点を有すると考えられており、いくつかの利点には、樹脂とバンドルとの間の空気ギャップを排除するか又は低減させること、並びに、カプセルの切断及びペレット化を改善すること、また、導電性の物品を作製するために使用されるときのカプセルの性能を改善することが含まれる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、この湿潤加工は、ストランドの外側に力を働かせることを含む。一実施形態では、力を働かせることは、少なくとも一つのローラー又は一連のローラーを使用することを含む。ストランドは、少なくとも一つのローラー又はローラーのセットを通して引っ張られ、ストランドの外側に力を働かせ、そして、それは、内部ファイバーバンドルに力を働かせる。樹脂によってバンドルに働かせられる力は、樹脂とファイバーのバンドルとの間の濡れ性を改善すると考えられている。バンドルに力を働かせるための任意の他の適切な手段を使用することが可能であり、それは、ベルト、プーリー、リング、空気圧、及び液圧などを含む。
【００７２】
特定の実施形態では、圧力が働かせられる前にストランドが高温過ぎる場合には、樹脂は、変形し、ストランドから離脱する可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、ストランドは、力を働かせる前に冷却される。他の実施形態では、ストランドの外側部分が、力を働かせる前に、融点を下回る温度まで冷却される。他の実施形態では、ストランドの外側部分は、力を働かせる前に、ガラス転移温度の近くの温度まで冷却される。さらなる実施形態では、ストランドの外側部分は、力を働かせる前に、ガラス転移温度を下回る温度まで冷却される。一層さらなる実施形態では、外側部分とバンドルとの間のカプセルの二次的な部分がある温度となるように、ストランドが冷却され、その温度では、たとえば、ローラーによって力が働かせられるときに、二次的な部分の中の樹脂が力の下で流れることとなる。この実施形態では、力を働かせることがストランドを破壊しないことを確実にするように、しかし、むしろ、二次的な部分がそれに対して押し込まれるときにファイバーバンドルを濡らすことができないことを確実にするように、ストランドの外側が十分に冷却されなければならない。
【００７３】
力を働かせる前及び/又は切断の前に、ストランドを冷却するために、任意の冷却の方法を使用することが可能である。たとえば、水浴、水スプレー、水ミスト、ボルテックスクーラー、及び、任意の他の適切な冷却の方法である。
【００７４】
特定の実施形態では、力を働かせること、及び、ストランドをカプセルへとセクション化することは、実質的に同じ作業において行われる。たとえば、ストランドは、スタンピング作業を使用して分割させることが可能である。スタンプが下げられるときに、スタンプが、ストランドから一つ又は複数のカプセルを切断するだけでなく、切断部同士の間でカプセルの一部分に力を働かせるように、スタンピングメカニズムは設計され得る。
【００７５】
ストランドの外側に力が働かせられる実施形態では、カプセル及び内側ファイバーバンドルは、非円形のプロファイルをとることが可能である。換言すれば、ローラー、ベルト、又はスタンピングによって力を働かせることは、図8にあるような実質的に円形プロファイルから非円形のプロファイルへなることをストランドに強制する可能性がある。結果として生じるカプセルは、導電性ファイバーの内側バンドル、及び、樹脂の外側層を含むこととなり、カプセル及び内側ファイバーバンドルの一方又は両方のいずれかが、非円形のプロファイルを含む。非円形のプロファイルは、力を加える方法の結果として、実質的に楕円形、実質的に長方形、又は、任意の他の形状であることが可能である。換言すれば、ストランド及び結果として生じるカプセルは、より「リボン」のように平坦化され、より長い平坦化された側部、及び、より短い湾曲した端部を有することが可能である。いくつかの実施形態では、これらのカプセルは、(ファイバーの方向の)長さがおおよそ10mmであり、厚さ(断面のより短い寸法)が1〜2mmであり、幅(断面のより長い寸法)が3〜4mmであることが可能である。いくつかの実施形態では、内側バンドルの形状は、カプセルの形状とは異なっていることが可能である。バンドルの非円形のプロファイルは、実質的に楕円形、実質的に長方形、又は、実質的に「数字の8」の形状であることが可能である。数字の8の形状は、「8」の形状を近似することが可能であり、若しくは、「8」の二つのローブは、わずかに分離することも可能であり、又は、いくつかの実施形態では、ファイバーは、二つの別個のバンドルを実際に形成させること可能であり、それぞれのバンドルは、実質的に円形又は非円形の形状を有している。カプセル及びバンドルのこれらの変化する構成は、物品を形成するために、たとえば、押し出し機又は射出成形機の中でカプセルが加工されるときに、ファイバーリリース及び分配を改善する予期せぬ利益を有すると考えられている。
【００７６】
カプセル
ここで図8を参照すると、本発明の成形可能なカプセル200の実施形態が図示されている。本発明のいくつかの重要な特徴が、以下に示され、議論されている。この成形可能なカプセル200は、ミクロン導電性ファイバーバンドルコア208を含み、樹脂ベースの材料204が、ミクロン導電性ファイバーバンドルコア208の上に押し出されるか又は堆積させられている。この図は、正確な縮尺ではないが、樹脂及びファイバーの場所及び配置を図示するために描かれているということに留意されたい。様々な実施形態によれば、ミクロン導電性ファイバーコア208は、ミクロン導電性ファイバー、ミクロン導電性粉末、又は、ミクロン導電性ファイバー及び粉末の組合せを含む。樹脂ベースの材料204は、好ましくは、単一の樹脂ベースのポリマー材料を含み、それは、成形可能である。この実施形態に有用な多数の特定の樹脂ベースの材料204が、本明細書で説明されている。他の実施形態によれば、樹脂ベースの材料204は、任意の組合せで、添加剤、潤滑剤、着色剤、可塑剤、ミクロン導電性ファイバー及び粉末をさらに含む。
【００７７】
一実施形態では、成形可能なカプセル200は、好ましくは、円筒形状、又は、いくらか円筒形状を含む。すなわち、実施形態の成形可能なカプセル200は、明確な長さLを有している。成形可能なカプセル200は、好ましくは、約2ミリメートルから約14ミリメートルの間の長さLを含むが、より長い長さ、又は、より短い長さを使用することも可能である。さらに、成形可能なカプセルは、概して円形の断面を有している。しかし、長方形、多角形、又は、さらに不定形などのような、他の断面形状を使用することも可能である。一実施形態では、コア208は、ワイヤーに共通するように、円形断面を含む。別の実施形態では、コア208は、正方形又は長方形断面を含む。さらなる別の実施形態では、コア208は、リボン状の断面を含む。樹脂ベースの材料204が、長手方向軸線に沿ってコア208を取り囲むか又は包み込む。加えて、樹脂ベースの材料204は、ファイバーコア208に浸透することが可能である。コア208は、成形可能なカプセル200の端部において露出され得る。本発明のこの実施形態200は、本明細書で説明されているような押し出し/引き抜き及びセクション化による形成の方法と一致している。
【００７８】
成形可能なカプセル200の導電性エレメントコア208の重量パーセンテージが、慎重に制御される。より具体的には、一実施形態では、ファイバーコア208は、カプセルの合計重量の約5%から約50%の間を占める。別の実施形態では、導電性エレメントコア208は、カプセルの合計重量の約20%から約40%の間を占める。さらに別の実施形態では、ファイバーコア208は、カプセルの合計重量の約25%から約35%の間を占める。さらに別の実施形態では、導電性エレメントコア18は、カプセルの合計重量の約10%から20%の間を占める。
【００７９】
成形可能なカプセル200の中のファイバーコア208の重量パーセンテージを上述の範囲の中に慎重に制御することによって、本発明は、新規な成形可能なカプセル200を生成させる。この成形可能なカプセル200は、特有の組織構成を有しており、先行技術では見られないいくつかの例外的な及び予期せぬ特徴を示す。本発明の成形可能なカプセル200は、先行技術の濃縮ペレットよりも非常に小さい導電性ドーピングの重量パーセンテージを利用する。本発明の成形可能なカプセル200の新規な組織構成は、先行技術にあるような純粋な又は投入されていないペレットと混合することなく、物品を形成するために直接的に成形され得る成形可能なカプセル200を結果として生じさせる。導電性エレメントコア208の中の導電性ドーピングを実質的に低減させることによって、成形に利用可能な樹脂ベースの材料204の相対量が増加させられる。本発明の組織構成は、「純粋な」プラスチックペレットを加えることなく、優れた成形性に十分な樹脂ベースの材料を含有するということが見出される。この特徴は、先行技術に見られるプラスチック間のミスマッチング、結合問題、非均質な混合物の傾向、及び、潜在的に危険な化学的な相互作用を排除しながら、製造部品点数及び複雑性を低減させる。本発明の新規な組織構成は、成形物品が、成形可能なカプセル単独から十分な樹脂ベースの材料を有し、ベース樹脂に固有の優れた物理的な特性、構造的な特性、及び化学的な特性を示すことを確実にする。
【００８０】
さらに、本発明の成形可能なカプセル200は、最適な導電性ドーピングの濃度をさらに提供し、アンテナ用途及び/又はEMI/RFI吸収用途を含む多くの用途に関するEMF又は電子機器スペクトルの中で、高い電気伝導性及び例外的な性能性質を実現する。また、組織構成は、成形物品の優れた熱伝導率、音響性能、及び機械的性能を結果として生じさせる。組織構成は、導電性にドープされた組成及びドーピング濃度を生成させ、それは、成形物品の中に例外的な導電性ネットワークを生成させる。新規な組織構成は、結果として生じる成形物品が、成形可能なカプセル単独から十分な導電性ドーピングを実現し、樹脂ベースのポリマーマトリックスの中に十分に形成された導電性ネットワークから、優れた電気的な特性、熱的な特性、音響特性、機械的な特性、及び電磁的な特性を示すことを確実にする。
【００８１】
さらに、本発明の組織構成は、最適な持続放出機能を示す成形可能なカプセル200を生成させる。成形可能なカプセル200は、ミクロン導電性ファイバーコア208の上に押し出されミクロン導電性ファイバーコア208の中に浸透する、相対的に大きい量の樹脂ベースの材料204を組み込んでいる。先行技術と比較したときに、重量で、樹脂ベースの材料204のより大きい量は、より大きい体積の樹脂ベースの材料を結果として生じさせ、それは、ファイバーリリースの前に、押し出し機の混合セクション及び圧縮セクションの中で溶融するはずである。結果として、最適な持続放出特性が実現される。内側ミクロン導電性ファイバーは、混合/成形サイクルの中の適切な時間及び場所において、溶融された複合混合物の中へ投与及び分散させられ、押し出し機によって誘発されるファイバーに対する損傷を最小化させる。したがって、成形可能なカプセルは、ファイバードーピングに損傷を与えることなく、より容易に混合され、溶融され、及び実質的に均質であることが可能である。非均質混合、ファイバー損傷、ファイバークランピング、ギャンギング(ganging)、ボーリング(balling)、スワーリング(swirling)、ホットスポット及び機械的故障の問題が排除される。
【００８２】
成形可能なカプセルのミクロン導電性ファイバーの事前圧縮を含む実施形態は、溶融及び混合の間に、樹脂ベースの材料からのファイバーの優れたリリースをさらに促進させる。外側の樹脂ベースの材料204からの導電性エレメント208のファイバーストランドのリリース又は分離は、成形するために、導電性にドープされた樹脂ベースの材料を準備する際の重要なステージである。ファイバー及びポリマーのリリース及び実質的な均質化は、成形される導電性にドープされた樹脂ベースの材料の構造的な一体性に影響を及ぼすだけでなく、材料の導電性にも影響を及ぼす。先行技術のように、ファイバー分離が早すぎる場合には、ファイバーは、過度の破損、破壊的な配向を経験することとなり、また、ベース樹脂とともに均一に均質化されないこととなる。害をもたらすこれらの効果は、スクリューの高い回転速度、バレル摩擦、ノズル設計、並びに、ダイ又は型の中への射出の前の混合、溶融、及び圧縮の間に材料に働かせられる他の圧力又は力の組合せに起因する。本発明の成形可能なカプセル200の新規な組織構成は、ファイバー208リリースサイクルに関するタイミングシーケンス及び配向を制御し、それによって、ベース樹脂の中に導電性エレメントを正確に及び均一に投与する。結果として、優れた導電性ネットワークが、成形物品の中に、実質的に均質に形成される。
【００８３】
さらに、本発明の成形可能なカプセル200の組織構成は、ミクロン導電性ファイバーを含むミクロン導電性ファイバーコア208とともに使用するのに非常によく適している。ランダムな配向、全方向性の配向、又は平行な配向などのような、成形される導電性にドープされた樹脂ベースの物品の中のミクロン導電性ファイバーの配向は、物品の性能に大きな影響を及ぼす可能性がある。当技術分野で知られているように、鋳型設計、ゲーティング、突出部設計、又は、成形装置の中の他の手段は、樹脂ベースの材料の中へ組み込まれるドーパント材料の配向を制御するために使用され得る。本発明の持続放出型の成形可能なカプセル200は、過剰混合することなく初期均質化が起こる容易さに起因して、ファイバー方向性を制御する能力を促進させるのにとりわけ有用である。
【００８４】
さらに、本発明の成形可能なカプセル200の組織構成は、導電性エレメント及びベース樹脂の均質に混合された複合材料を提供し、それは、ベース樹脂ポリマーと導電性エレメントとの間の分子間相互作用を最大化するように最適化されている。ベース樹脂分子鎖を備える導電性エレメントのネットワークの均等化及び結び付き(intertwining)は、物理的な特性、電気的な特性、及び他の望ましい特性を含む、ベース樹脂ポリマー鎖の中の分子特性の強化を結果として生じさせる。
【００８５】
本発明の導電性ファイバーは、高いアスペクト比の導電性エレメントを生成し、個々のファイバーエレメントが、容易に互いに重なり合うようになっている。結果として、導電性格子は、銅などのような低い抵抗の純粋な金属と同等の電子交換機能を示す。比較すると、導電性粉末は、重なり合うことに関して、本質的にアスペクト比を提示しない。したがって、低い抵抗の成形される材料を発生させるために、非常に高い導電性粉末ドーピングが使用されなければならない。しかし、このドーピングは、樹脂ポリマー鎖構造を破壊するほど大きくなければならず、非常に乏しい構造的な性能を備える成形部分を結果として生じさせる。導電性フレークは、粉末よりも良好なアスペクト比を表すが、本発明に見られる低い抵抗及び安定した構造的な性能の組合せを依然として提供しない。
【００８６】
さらに、本発明の成形可能なカプセル200の組織構成は、ミクロン導電性ファイバーコア208と相性が良く、及び、ミクロン導電性ファイバーコア208の範囲まで拡張可能であり、それは、様々なミクロン導電性ファイバー、様々なミクロン導電性粉末、並びに、ミクロン導電性ファイバー及び/又は粉末の様々な組合せを含む。ミクロン導電体ファイバーは、約3ミクロンから12ミクロンの間の直径をそれぞれ有しており、典型的に、約6から12ミクロンの間の範囲にある直径を有している。全体のバンドル又はコードは、平行に一緒に通される多くの個々のファイバーストランドを含む。したがって、数百、数千、又は数万のファイバーが通され、コードを形成する。共通のセグメンテーションステップが導電性エレメントコア及び外側樹脂ベースの材料の両方を切り裂くので、導電性エレメントコアの長さは、成形可能なカプセルの長さに概ね対応している。
【００８７】
導電性エレメントコア208は、導電性ファイバー及び/又は導電性粉末を含む。本発明の一実施形態では、導電性ファイバー及び/又は導電性粉末は、金属材料を含む。より具体的に本発明に関して、この金属材料は、好ましくは、それに限定されないが、純粋な金属、及び、他の金属の上への金属、金属合金、金属クラッドの組合せなどの、任意の形態である。より具体的に本発明に関して、この金属材料は、本明細書で図1、図7、及び図9〜11に図示されているような押し出し/引き抜き方法を使用して、樹脂ベースの材料と組み合わせられる。これらの実施形態において説明されているように、導電性エレメントコアは、好ましくは、ミクロンファイバーバンドルと呼ばれる非常に微細なワイヤーのバンドルとして始まる。樹脂ベースの材料が、このミクロンファイバーバンドルの上に押し出され、次いで、本発明の新規な成形カプセルを形成させるためにセグメント化される。
【００８８】
本発明によるミクロンファイバーバンドルを形成させるために使用され得る多数の金属材料が存在している。ミクロンワイヤー材料の例示的なリストは、以下を含む。
(1)銅;ベリリウム、コバルト、亜鉛、鉛、シリコン、カドミウム、ニッケル、鉄、スズ、クロム、リン、及び/又はジルコニウムの任意の組合せによって合金化された銅などのような、銅の合金;並びに、ニッケルなどのような別の金属の中の銅クラッド;
(2)アルミニウム;並びに、銅、マグネシウム、マンガン、シリコン、及び/又はクロムの任意の組合せによって合金化されたアルミニウムなどのような、アルミニウムの合金;
(3)ニッケル;並びに、アルミニウム、チタン、鉄、マンガン、及び/又は銅の任意の組合せによって合金化されたニッケルを含むニッケルの合金;
(4)貴金属;並びに、金、パラジウム、プラチナ、プラチナ、イリジウム、ロジウム、及び/又は銀を含む貴金属の合金;
(5)鉄及びニッケルの合金、銅クラッディングを備える鉄及びニッケル合金コア、並びに、ニッケル、コバルト、及び鉄の合金などのような、グラスシーリング(glass ceiling)合金;
(6)モリブデン、タンタル、チタン、及び/又はタングステンなどのような、耐火性金属及び耐火性金属の合金;
(7)銅、マンガン、ニッケル、鉄、クロム、アルミニウム、及び/又は鉄の任意の組合せを含む抵抗性合金;
(8)ニッケル、鉄、クロム、チタン、シリコン、銅クラッド鋼、亜鉛、及び/又はジルコニウムの組合せのいずれかを含む特殊合金;
(9)コバルト、クロム、ニッケル、モリブデン、鉄、ニオブ、タンタル、チタン、及び/又はマンガンの任意の組合せの合金を含むスプリングワイヤー組織構成;
(10)鉄の合金、並びに、ニッケル、クロム、マンガン、及び/又はシリコンの任意の組合せを含むステンレス鋼;
(11)ニッケル、アルミニウム、マンガン、クロム、銅、及び/又は鉄の任意の組合せの合金を含む熱電対ワイヤー組織構成。
【００８９】
導電性にドープされた材料がミクロンワイヤーバンドルを含むこの実施形態において、このタイプの材料を、フィート/ポンドの観点から特定することが一般的である。導電性ドーピングの所望の重量パーセントをフィート/ポンドレジームに変換することは、比較的に単純である。セグメンテーションのまだ前に、ミクロンワイヤーバンドルが樹脂ベースの材料の中にカプセル化されているとき、組み合わせられたミクロンワイヤーバンドル及びベース樹脂の組合せは、組み合わせられたフィート/ポンド(XTotal)を生み出す。ミクロンワイヤーバンドルだけのオリジナルのフィート/ポンド(Xwire)が知られるべきである。これらの量を反転させることによって、それぞれの重量/フートが、1/XTotal及び1/Xwireとして導き出され得る。次いで、導電性ドーピングの所望のパーセント重量は、以下に従って選択され得る。
パーセント重量=(1/XWire)/(1/XTotal)
【００９０】
再び図8を参照すると、別の実施形態では、導電性エレメントコア208は、ミクロン導電性ファイバー及びミクロン導電性粉末の組合せを含む。この実施形態に有用な多数の特定のミクロン導電性ファイバー及びミクロン導電性粉末が、本明細書で説明されている。繰り返しになるが、ミクロン導電性ファイバーは、好ましくは、中心軸線の周りにスタックされ、平行に通され、又は捩じられたファイバーのバンドル又はコードを含む。説明図では、数個のそのようなミクロン導電性ファイバーが示されている。実際には、数百又は数万のファイバーが使用され、バンドル又はコードを生成している。ミクロン導電性ファイバーのコードと組み合わせられる場合には、ミクロン導電性粉末は、好ましくは、上記に説明されているように、ファイバーのコードの中へリーチされる。ミクロン導電性粉末は、ミクロン導電性ファイバーとともに、結果として生じる成形物品の導電性ネットワークの中の導電体としての役割を果たす。このケースでは、成形可能なカプセルの中の組み合わせられたミクロン導電性ファイバー及びミクロン導電性粉末の重量パーセンテージは、本明細書で説明されている範囲の中に組織構成及び制御されている。加えて、ミクロン導電性粉末は、成形マシンの中の潤滑剤としての役割を果たすことも可能である。
【００９１】
別の実施形態として、樹脂ベースの材料204は、上記の方法において説明されているように、ミクロン導電性粉末がさらに投入されている。繰り返しになるが、コアの中のミクロン導電性ファイバー208は、好ましくは、中心軸線の周りにスタックされ、平行に通され、又は捩じられたファイバーのバンドル又はコードを含む。説明図では、数個のそのようなミクロン導電性ファイバーが示されている。実際には、数百又は数万のファイバーが使用され、バンドル又はコードを生成している。樹脂ベースの材料204の中のミクロン導電性粉末は、樹脂ベースの材料204が溶融するとリリースされる。ミクロン導電性粉末は、ミクロン導電性ファイバー208とともに、結果として生じる成形物品の導電性ネットワークの中の導電体としての役割を果たす。繰り返しになるが、成形可能なカプセル200の中の組み合わせられたミクロン導電性ファイバー208及びミクロン導電性粉末の重量パーセンテージは、本明細書で説明されている範囲の中に組織構成及び制御されている。加えて、ミクロン導電性粉末は、成形マシンの中の潤滑剤としての役割を果たすことも可能である。
【００９２】
本発明による成形可能なカプセルのいくつかの実施形態は、射出成形、押し出し成形、及び圧縮成形などによって、製造物品へと容易に成形される。結果として生じる成形物品は、最適な導電性にドープされた樹脂ベースの材料を含む。この導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、典型的に、導電体粒子のミクロン粉末を含み、及び/又は、ベース樹脂ホストの中で実質的に均質化されたミクロンファイバーと組み合わせられる。図2は、ベース樹脂ホスト30の中に導電体粒子34の粉末を有する導電性にドープされた樹脂ベースの材料32の例の断面図を示している。この例では、粉末の中の導電体粒子34の直径Dは、約3から12ミクロンの間にある。
【００９３】
本明細書で説明されているカプセルから作製される物品
図3は、ベース樹脂ホスト30の中に導電体ファイバー38を有する導電性にドープされた樹脂ベースの材料36の例の断面図を示している。導電体ファイバー38は、約3から12ミクロンの間の直径を有しており、典型的には、10ミクロン又は約8から12ミクロンの間の範囲にある直径を有し、約2から14ミリメートルの間の長さを有している。ミクロン導電性ファイバー38は、金属ファイバー又は金属めっきされたファイバーであることが可能である。さらに、金属めっきされたファイバーは、金属ファイバーの上に金属をめっきすることによって、又は、非金属ファイバーの上に金属をめっきすることによって、形成され得る。例示的な金属ファイバーは、それに限定されないが、ステンレス鋼ファイバー、銅ファイバー、ニッケルファイバー、銀ファイバー、アルミニウムファイバー、若しくはニクロムファイバーなど、又は、それらの組合せを含む。例示的な金属めっき材料は、それに限定されないが、銅、ニッケル、コバルト、銀、金、パラジウム、プラチナ、ルテニウム、ロジウム、及びニクロム、並びに、それらの合金を含む。任意のめっき可能なファイバーが、非金属ファイバーのためのコアとして使用され得る。例示的な非金属ファイバーは、それに限定されないが、炭素、グラファイト、ポリエステル、玄武岩、人工の材料、及び自然発生の材料などを含む。加えて、チタン、ニッケル、ニオブ、及びジルコニウム、並びに、チタン、ニッケル、ニオブ、及びジルコニウムの合金などのような、超伝導体金属も、本発明において、ミクロン導電性ファイバーとして、及び/又は、ファイバーの上の金属めっきとして、使用することが可能である。
【００９４】
これらの導電体粒子及び/又はファイバーは、ベース樹脂の中で実質的に均質化されている。以前に述べられたように、導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、毎平方当たり約5オーム/スクエア未満から約25オーム/スクエアを超えるシート抵抗を有しているが、ドーピングパラメーター及び/又は樹脂選択を変化させることによって、他の値も実現され得る。このシート抵抗を実現させるために、導電体材料の重量は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計重量の約1%から約50%の間を占める。他の実施形態では、導電性材料の重量は、約5%から40%の間を占める。他の実施形態では、導電性材料の重量は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計重量の約10%から約30%の間を占める。さらなる別の実施形態では、導電性材料の重量は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計重量の約25%から約35%の間を占める。さらに別の実施形態では、導電性材料の重量は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計重量の約10%から20%を占める。さらに別の実施形態では、導電性材料の重量は、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計重量の約5%から20%を占める。直径が6〜12ミクロンであり、4〜6mmの長さを有し、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計重量の約30重量を占めるステンレス鋼ファイバーは、非常に高い導電性パラメーターを作り出すこととなり、任意のEMF、熱的な、音響的な、又は電子的なスペクトルの中で効率的である。
【００９５】
本発明のさらなる別の実施形態では、導電性ドーピングは、体積パーセンテージを使用して決定される。ある実施形態では、導電性ドーピングは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計体積の約4%から約10%の間の体積を占める。ベース樹脂の特性は、高いパーセントの体積のドーピングによって影響を受ける可能性があるが、ある実施形態では、導電性ドーピングは、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の合計体積の約1%から約50%の間の体積を占める。
【００９６】
ここで図4を参照すると、本発明の別の実施形態が図示されており、図4では、導電性材料は、成形プロセスの間に樹脂ベース30と一緒に実質的に均質化された導電性粉末34及びミクロン導電性ファイバー38の両方の組合せを含む。
【００９７】
ここで図5a及び図5bを参照すると、導電性にドープされた樹脂ベースの材料の組成が図示されている。導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、ファイバー又は織物へと形成させることが可能であり、それは、次いで、導電性ファブリックへと織られるか又はクモの巣状にされる。導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、ストランドの中に形成され、ストランドは、示されているように織られ得る。図5aは、導電性ファブリック42を示しており、ファイバーが、ファイバー又は織物の二次元の織り模様46及び50の中に一緒に織られている。図5bは、導電性ファブリック42'を示しており、ファイバーが、クモの巣状にされた配置の中に形成されている。クモの巣状にされた配置では、導電性ファイバーの一つ又は複数の連続的なストランドが、乱雑にネスト化されている。結果として生じる導電性ファブリック又は織物42(図5aを参照)及び42'(図5bを参照)は、非常に薄い形態、厚い形態、剛性の高い形態、可撓性の形態、又は、固体の形態に作製され得る。
【００９８】
同様に、導電性であるが布状の材料が、織られるか又はクモの巣状にされたミクロンステンレス鋼ファイバー、又は、他のミクロン導電性ファイバーを使用して形成され得る。また、織られるか又はクモの巣状にされたこれらの導電性布は、ポリエステル、テフロン(登録商標)、ケブラー、又は、任意の他の所望の樹脂ベースの材料などのような材料の一つ又は複数の層へと積層されたサンドイッチであることが可能である。次いで、この導電性ファブリックは、所望の形状及びサイズに切断され得る。
【００９９】
導電性にドープされた樹脂ベースの材料から形成される物品は、射出成形、押し出し、カレンダー仕上げ、圧縮成形、熱硬化性の成形、又は、化学的に引き起こされた成形若しくは形成を含む、多数の異なる方式で形成又は成形され得る。図6aは、型50の下側部分54及び上側部分58を示す射出成形の簡略図を示している。導電性にドープされた樹脂ベースの材料が、射出開口部60を通して型キャビティー64の中へ射出され、次いで、実質的に均質化された導電性材料が、熱反応によって硬化する。次いで、型の上側部分58及び下側部分54は、分離されるか又は分けられ、物品が取り外される。
【０１００】
図6bは、押し出しを使用して物品を形成させるための押し出し機70の簡略図を示している。導電性にドープされた樹脂ベースの材料が、押し出しユニット74のホッパー80の中に設置される。次いで、ピストン、スクリュー、プレス、又は他の手段78が使用され、熱的に溶融された材料、化学的に引き起こされた圧縮材料、又は、熱硬化性に硬化した導電性にドープされた樹脂ベースの材料を、押し出し開口部82を通して押し込み、押し出し開口部82は、熱的に溶融され硬化するか又は化学的に引き起こされて硬化した導電性にドープされた樹脂ベースの材料を、所望の形状に形状付けする。次いで、導電性にドープされた樹脂ベースの材料は、化学反応又は熱反応によって、硬くなった状態又は曲げやすい状態に十分に硬化させられ、使用のための用意ができている。熱可塑性又は熱硬化性の樹脂ベースの材料及び関連のプロセスは、本発明の導電性にドープされた樹脂ベースの物品を成形する際に使用することが可能である。
【０１０１】
[実施例1]
一実施形態では、ニッケルめっきされた炭素繊維のファイバーバンドルが、スプールから解かれ、ヒーターを通された。ヒーターは、チューブを含み、加熱された空気が、チューブの中へポンプ送りされた。チューブを出ていくとき、ファイバーバンドルは、クロスヘッドダイに進入する前におおよそ250°Fであり、クロスヘッドダイにおいて、熱可塑性のABS樹脂がバンドルの上に堆積させられた。
【０１０２】
[実施例2]
一実施形態では、ニッケルめっきされた炭素繊維のファイバーバンドルが、クロスヘッドダイを通され、クロスヘッドダイにおいて、熱可塑性のABS樹脂がファイバーバンドルの上に堆積させられた。クロスヘッドダイを出ていった後に、ストランドが、水ミストによってスプレーされた。水ミストは、ストランドの表面の上で蒸発し、ストランドの外側層を冷却した。一実施形態では、二つのローラーの間を通されることによって、ストランドに力が働かせられ、次いで、ペレタイザーによって切断され、ペレットを生成し、ペレットは、長さ約9.98mm、幅4.5mm(断面のより長い寸法)、及び厚さ1.53mm(断面のより短い寸法)であった。
【０１０３】
別の実施形態では、ストランドが、二つのローラーの代わりに、二つの引っ張りベルトの間を通され、ペレットを生成し、ペレットは、長さ約9.99mm、幅3.63mm(断面のより長い寸法)及び1.9mm厚い(断面のより短い寸法)であった。
【０１０４】
特定のこれらの実施形態では、カプセルのいくつかは、丸い縁部を備える実質的に平坦な形状を有していた。いくつかの実施形態では、ファイバーバンドルは、同じ形状を呈した。他の実施形態では、ファイバーバンドルは、「涙滴」形状を有していた。さらに他の実施形態では、ファイバーバンドルは、「i」形状を有しており、薄く細長い部分が、ファイバーの小さいバンドルから辛うじて分離されていた。さらに他の実施形態では、ファイバーバンドルが、「数字の8」の形状を形成していた。これらの実施形態では、「8」の「ローブ」のいくつかが接触しており、他の実施形態では、それらは、わずかに分離されていた。
【０１０５】
本発明は、その本質的な性質から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化させることが可能である。説明されている実施形態は、すべての点において、単に例示目的として考慮されており、制限するものとして考慮されるべきではない。したがって、本発明の範囲は、先述の説明によってというよりも、むしろ、添付の特許請求の範囲によって示されている。特許請求の範囲の均等の意味及び範囲の中に入るすべての変形例は、その範囲の中に受け入れられるべきである。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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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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【国際調査報告】
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