説明

熱可塑性ポリマー系を選択的に加熱するためにマイクロ波エネルギーを使用するための添加剤

【課題】熱可塑性ポリマーを選択的に加熱するための組成物を提供する。
【解決手段】マイクロ波受容性添加剤と熱可塑性ポリマーとを含み、そのマイクロ波受容性添加剤が、セピオライト粘土、アンモニウムイオン塩または水素イオン塩から形成されたモレキュラーシーブ、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェート、シリコチタネート、有機変性粘土、ゲージド有機マイクロ波受容性材料を有するモレキュラーシーブまたはゼオライト、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、マイクロ波感受性熱可塑性組成物。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許仮出願第60/809,520号、同第60/809,526号お
よび同第60/809,568号(それぞれが2006年5月31に出願され、それぞれ
が参照により本明細書に組み込まれる)の優先権を主張するものである。
【0002】
本明細書に開示する実施形態は、一般に、熱可塑性ポリマー系を選択的に加熱するため
のマイクロ波エネルギーの使用に関する。前記ポリマー系は、マイクロ波エネルギーに対
して本質的に感応性である場合もあり、適切なマイクロ波感応性添加剤を前記ポリマーに
配合することまたは前記ポリマーの骨格上に構成要素として組み込むことによって変性さ
れる場合もある。
【背景技術】
【0003】
一般に、熱可塑性ポリマーペレットは、商業的価値のあるパーツを作るために、一次変
換プロセス、例えば押出または射出成形、において溶融、再造形および冷却しなければな
らない。場合により、商品価値のあるパーツを獲得するために、さらなる加熱、再造形お
よび冷却を伴う二次加工プロセス、例えば熱成形、が必要とされる。一次プロセスと二次
プロセスの両方において、熱エネルギーが熱可塑性物質に印加され、その後、造形を行っ
た後に解除される。
【0004】
熱可塑性ポリマー系のための従来の加熱メカニズムは、多くの場合、接触または放射熱
源に依存する。赤外線と一般に呼ばれる、放射エネルギーは、1から10マイクロメート
ルの範囲の波長を有し、ならびに利用可能なエネルギーの半分が熱として放散されてしま
う前に吸収材料の約1から2マイクロメートルの深さに浸透する。熱伝達プロセスは、伝
導プロセス(固体材料の場合)、または溶融材料の場合には伝導、対流および機械混合の
組み合わせによって継続する。同様に、接触加熱は、材料の「バルク」を加熱するために
高温接触表面からの伝導(または伝導、対流および混合の組み合わせ)に依存する。
【0005】
伝導熱伝達プロセスに付随する熱伝導率(RHT)は、一般に、次の関係によって記述
することができる。RHT=f(A,Ct,デルタT)(式中、Aは、熱伝達に利用可能
な面積であり、Ctは、その材料の熱拡散率であり、およびデルタTは、利用可能な温度
駆動力であり、これは、加熱される材料の温度が上昇するにつれて時間に伴って低減する
)。未変性熱可塑性物質の熱拡散率、Ct、は、本質的に低く、そのために従来の放射ま
たは接触加熱システムにおける熱伝達を妨げている。さらに、熱伝導プロセスは、加熱さ
れるパーツ(例えば、シート材料)の表面がその加熱されるパーツの中心より実質的に高
温となる、望ましくない温度勾配を生じさせることがあり、これは、加熱されるパーツの
厚みの分布に非常に依存する。
【0006】
対照として、マイクロ波は、赤外の波長と比較して大きい、約12.2cmの波長を有
する。マイクロ波は、利用可能なエネルギーが熱として放散される前に、赤外または放射
エネルギーと比較してはるかに大きい深度、一般には数センチメートル、吸収材料に浸透
することができる。マイクロ波吸収材料では、マイクロ波エネルギーは、その材料へのマ
イクロ波の浸透の結果としてその材料を「体積」加熱するために利用される。しかし、材
料が良好なマイクロ波吸収体でない場合、それは、本質的にマイクロ波エネルギー「透過
性」である。
【0007】
マイクロ波加熱に付随する一部の潜在的な問題としては、むらのある加熱および熱暴走
が挙げられる。むらのある加熱は、そのパーツへのマイクロ波エネルギーのむらのある分
配に起因することが多く、例えば、従来の家庭用電子レンジでは、回転台を用いて加熱す
る品物を支えることによってある程度克服することができる。熱暴走は、上で略述したむ
らのある加熱と、温度の関数としての誘電損率の変化との組み合わせによるものであると
考えてよい。
【0008】
マイクロ波エネルギーは、例えば、濡れた生地などの平面構造を乾燥させるために使用
されている。水は、マイクロ波感受性であり、十分な期間にわたって十分なマイクロ波エ
ネルギーに暴露されると蒸発する。しかし、生地は、一般に、マイクロ波透過性であり、
その結果、本質的にその材料の唯一のマイクロ波感受性成分である水にマイクロ波が集中
する。マイクロ波エネルギーは、以下の参照文献にあるように、他の材料を加熱するため
にも使用されている。
【0009】
特許文献1には、食品容器において内層として使用される、酸化鉄、炭酸カルシウム、
水、ケイ酸アルミニウム、エチレングリコールおよびミネラルスピリットを含有するポリ
マーコーティングが開示されている。そのコーティング層をマイクロ波エネルギーにより
加熱し、それによって容器内の食品をきつね色に焼いたり、その表面に焦げ目をつけたり
することができる。
【0010】
特許文献2には、マイクロ波感受性材料および玩具における蓄熱体としてのそれらの使
用が開示されている。開示されているマイクロ波感受性材料は、フェライトおよびフェラ
イト合金、炭素、ポリエステル、アルミニウムおよび金属塩が含まれる。特許文献3には
、熱可塑性基体に結合させるために使用される、カーボンブラックを含有するポリマーの
ストリップが開示されている。
【0011】
特許文献4には、電磁放射の影響を受けて急速に加熱され得るポリマー組成物、ならび
に関連用途および加工方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】米国特許第5,519,196号
【特許文献2】米国特許第5,070,223号
【特許文献3】米国特許第5,338,611号
【特許文献4】WO 2004048463 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
ポリマー材料を加熱するためのマイクロ波の使用の基本的制約は、多くの有用なポリマ
ーの低いマイクロ波受容力である。ポリマーの低いマイクロ波受容力は、従って、そのよ
うなポリマー系を加熱するために高い電力または長い照射時間を必要とする。特にマイク
ロ波吸収用に設計されるポリマーでは、多くの場合、それらのマイクロ波特性と機械的特
性または熱的特性のどちらを採るかの妥協があり、すなわち、機械的特性と熱的特性は、
多くの場合、望ましいとはいえない。
【0014】
従って、マイクロ波エネルギーを使用するポリマーの急速な体積加熱を助長するプロセ
スおよびポリマー材料が必要とされている。加えて、ポリマーの造形またはさらなる加工
を助長するために、ポリマー材料のそのバルク材料を流動できるようにするのに十分な部
分だけを加熱または溶融する能力を有するプロセスおよびポリマー材料が必要とされてい
る。
【課題を解決するための手段】
【0015】
1つの態様において、本明細書に開示する実施形態は、マイクロ波受容性添加剤と熱可
塑性ポリマーとを含むマイクロ波感受性熱可塑性組成物に関し、この場合のマイクロ波受
容性添加剤は、セピオライト粘土、アンモニウムイオン塩またはハロゲンイオン塩から形
成されたモレキュラーシーブ、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェート、シ
リコチタネート、有機変性粘土、ケージド有機マイクロ波受容性材料を有するモレキュラ
ーシーブまたはゼオライト、およびこれらの組み合わせから選択される。
【0016】
他の態様および利点は、後続の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本明細書に記載する実施形態において有用なマイクロ波加熱装置を示す。
【0018】
【図2】マイクロ波感受性層が組み込まれている多層シートの1つの実施形態を示す。
【0019】
【図3】マイクロ波加熱/冷却曲線と赤外線加熱/冷却曲線の比較図であり、これは、そのパーツの中で相対的に高温の領域と低温の領域を生じさせるパルスマイクロ波加熱または他の手段の使用から生ずる、そのポリマー系における「ヒートシンク」の概念から生ずる、冷却サイクル時間減少および潜在的エネルギー低減を示す。
【0020】
【図4】マイクロ波加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。
【図5】マイクロ波加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。
【0021】
【図6】従来の放射加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。
【図7】従来の放射加熱システムにおける三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。
【0022】
【図8】シート厚および所望の加熱時間に基づいて所要電力を計算する、三層シート系の熱応答についてのモデリング結果を提示する。
【0023】
【図9】多層シートの選択的マイクロ波加熱を取り入れている熱成形プロセスの1つの実施形態を示す。
【0024】
【図10】本明細書に記載する実施形態において有用な様々な添加剤およびポリマー系のマイクロ波加熱特性を提示する。
【図11】本明細書に記載する実施形態において有用な様々な添加剤およびポリマー系のマイクロ波加熱特性を提示する。
【0025】
【図12】本明細書に記載する実施形態において有用な様々なゼオライトのマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0026】
【図13】本明細書に記載する実施形態において有用な、エチレングリコールを吸着したおよびしていない、ゼオライトNaYのマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0027】
【図14】本明細書に記載する実施形態において有用な水を含有する添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0028】
【図15】本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0029】
【図16】本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0030】
【図17】本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0031】
【図18】本明細書に記載する実施形態において有用な様々なマイクロ波感受性添加剤のマイクロ波加熱の時間温度プロットを提示する。
【0032】
【図19】マイクロ波感受性添加剤を有するおよび有さないPPおよびABSについてのアイゾット衝撃データを提示する。
【0033】
【図19A】マイクロ波感受性添加剤を有するおよび有さない共押出PPについての落槍データを提示する。
【0034】
【図20】本明細書に記載する実施形態において有用なポリプロピレンシートのマイクロ波加熱についての時間−温度応答を提示する。
【0035】
【図21】ゼオライトA、マイクロ波受容性添加剤、を含有するいくつかのポリマーについての測定加熱速度をマイクロ波電力の関数として提示する。
【0036】
【図22】選択的マイクロ波加熱で実現することができる均一な加熱を示す、マイクロ波加熱装置において加熱しながら測定したシートのサンプルについての温度プロフィールを提示する。
【0037】
【図23】選択的マイクロ波加熱で実現することができる均一な加熱を示す、マイクロ波加熱装置において加熱しながら測定したA/B/Aシートサンドイッチサンプルについての温度プロフィールを提示する。
【0038】
【図24】マイクロ波感受性材料の芯層を含む三層シートの2つのPPサンプルについて測定した加熱特性を提示する。
【0039】
【図25】図24における2つのPPサンプルのうちの一方についての加熱プロフィールの温度スナップショットを提示する。このスナップショットは、加熱プロセスに入って2分過ぎたところで撮った。
【0040】
【図26】図1で示したものに類似したマイクロ波加熱/熱成形装置を使用して加熱したPPサンプルについての加熱プロフィールの温度スナップショットを提示する。
【発明を実施するための形態】
【0041】
1つの態様において、本明細書に記載する実施形態は、マイクロ波エネルギーの印加に
よってポリマーを急速および制御可能に加熱できるようにすることができるマイクロ波受
容性成分が、ポリマー骨格上に組み込まれている、またはポリマーに高分子もしくは非高
分子添加剤として配合されている、ポリマーに関する。他の態様において、本明細書に記
載する実施形態は、マイクロ波受容性成分が組み込まれているポリマーの加工方法に関す
る。
【0042】
代替加熱法、例えば、放射、対流または接触加熱法と比較して、マイクロ波エネルギー
の使用は、非常に急速な体積加熱を生じさせ得る。マイクロ波エネルギーの使用により、
従来の加熱システムの2つの基本的制限、パーツの表面からの熱エネルギーの移動のポリ
マーの熱伝導率への依存;およびポリマー表面の最大許容温度(そしてまた、これが、最
大利用可能温度駆動力を決める)を克服することができる。
【0043】
ポリマーは、その化学組成に基づき、元々、マイクロ波受容性である場合がある。ある
いは、マイクロ波受容性添加剤とマイクロ波非受容性であるベースポリマーとを併せるこ
とにより、マイクロ波感受性ポリマー組成物を作ることができる。本発明の実施形態にお
いて有用な、適するベースポリマー、マイクロ波受容性ポリマーおよびマイクロ波受容性
添加剤は、下で説明する。結果として生ずるマイクロ波受容性またはマイクロ波感受性ポ
リマーは、マイクロ波エネルギーを放射、対流または接触加熱の代わりに用いることによ
り、またはそれらと併用することにより、加熱することができる。その後、その加熱され
たポリマーを、例えば有用な物品を作るための一次変換プロセスまたは二次加工プロセス
において、混合する、トラスファー成形する、造形する、型打ちする、射出する、成形す
る、成形する、押出す、または別様にさらに加工することができる。
【0044】
本明細書に開示する実施形態は、電磁エネルギーを使用して、熱可塑性材料の体積の一
部分(後続の成形技術でその材料を加工可能にするために十分な部分)を選択的に加熱す
ることによる、熱可塑性材料の効率的変換に関する。本明細書において用いる場合、加工
可能とは、熱可塑性物質の少なくとも一部分の、そのバルクプラスチックを混合する、ト
ラスファー成形する、造形する、型打ちする、射出する、押出すなどして製品を作るため
に十分な溶融状態または軟化の備えを意味する。熱可塑性基体の加熱は、その基体の全体
積に浸透するおよびマイクロ波感受性領域に優先的に吸収される能力を有する電磁エネル
ギー、例えばマイクロ波への暴露によって達成することができる。
【0045】
マイクロ波放射線を印加することにより、ポリマー試験片の体積、バルクまたはパーツ
の所定領域で局部的に熱を発生させることができる。従って、他の領域が、使用する放射
線を透過する非吸収材料から成り得るとき、印加するエネルギーの量を注意深く制御およ
び濃縮することができる。例えば、未処理のポリプロピレンおよびポリエチレンは、マイ
クロ波放射線透過性である。マイクロ波を受容する材料に焦点を合わせることにより、使
用するエネルギーを低減することができ、サイクル時間を短縮することができ、ならびに
最終材料の機械的特性および他の特性を様々な要求および用途に合わせることおよび最適
にすることができる。
【0046】
マイクロ波感受性材料の中の部位は、電磁エネルギーの吸収に好適である場合もあり、
または好適でない場合もある。好適に吸収する部位は、電磁エネルギーの影響を受けて容
易におよび急速に熱くなる。言い換えれば、その基体の体積の指定部分だけが、その材料
の他の領域と比べて強く電磁エネルギーによる影響を受ける。
【0047】
このように、電磁エネルギーは、その基体の一定領域のみと相互作用し、電磁エネルギ
ーが存在するときにはその温度が上昇する。その後、熱伝導および他のそのようなメカニ
ズムのために、そのバルク材料の中の隣接領域の加熱が発生する。そのバルク材料は体積
加熱されるので、従来の加熱技術と比較して、より急速にその材料を加工可能な状態に変
換することができる。さらに、そのバルク材料全体が表面伝導により加熱(赤外線加熱)
された材料は、通常存在するより少ない熱エネルギーを含有し得るため、エネルギーを相
当節約することができる。例えば、赤外線加熱は、大気への有意なエネルギー損失を生ず
る結果となり、ならびに赤外線加熱では、パーツの表面からそのパーツの中心への許容可
能な熱伝達率もたらし、その中心温度を加工に必要な温度に上昇させるために、そのパー
ツの表面温度が所望の内部温度より有意に高くなければならない。対照的に、マイクロ波
感受性ポリマーの温度の加工温度への急速な体積加熱を生じさせるマイクロ波選択的加熱
は、特に、マイクロ波透過性表面層を含むような場合、有意に低いポリマー表面温度を生
じさせる結果となり得る。エネルギーを、それを必要とする場所、すなわちマイクロ波感
受性ポリマー、に主として伝達するマイクロ波加熱は、系から喪失されるエネルギーがよ
り少ない傾向も有し得る。マイクロ波加熱は、結果的に、従来のプロセスのサイクル時間
も相当節約することができる。マイクロ波加熱メカニズムが(熱伝導とは対照的に)その
バルク全体にわたって急速に発生するためばかりでなく、そのパーツの総エネルギー含有
量が少ないため、加熱時間を低減することができる。材料の非加熱領域が、隣接する加熱
領域の熱を抜き取るヒートシンクとしての役割を有効に果たして、そのバルク材料の総冷
却速度を増させるので、冷却サイクルも低減することができる。
【0048】
本明細書に記載するマイクロ波感受性ポリマーは、一次変換プロセスまたは二次加工プ
ロセス中に使用することができる。例えば、一部の実施形態において、本マイクロ波感受
性ポリマーは、フィルム、発泡体、異形材、配合ペレット、繊維、織および不織布、成形
パーツ、複合材または1つまたはそれ以上のポリマー材料から製造された他の物品を含む
ポリマー物品の二次加工中で使用することができる。他の実施形態において、本マイクロ
波感受性ポリマーは、従来のプロセス、例えば、数ある中でも、シート押出、共押出、発
泡押出、射出成形、発泡成形、ブロー成形、射出延伸ブロー成形および熱成形の際に使用
することができる。
【0049】
マイクロ波受容性添加剤
【0050】
多数の材料をマイクロ波吸収によって加熱することができる。これは、双極子加熱メカ
ニズムによって達成することができ、ならびに永久双極子および/または電荷の誘導移動
を伴う(それらは、その材料を通って移動する振動電磁波と共振して振動しようとするか
らである)。従って、その材料は、分子の振動によって加熱され、その後、隣接原子およ
び分子への熱の粘性伝達(viscous transfer)によって加熱される。他の材料は、電磁波
の電場がその材料内の電流の流れを刺激するので、オーム(抵抗)加熱によって熱くなる
ことができる。さらに他のマイクロ波加熱メカニズムとしては、マクスウェルワグナーメ
カニズムおよび磁気加熱メカニズムが挙げられる。任意の材料がマイクロ波電場の存在下
で熱くなる程度は、その誘電損率(誘電正接または複素誘電率とも呼ばれる)によって定
義され、これは、要するに、その材料と電磁波との相互作用の強さの測度である。極めて
重大なこととして、この加熱はバルク効果であり、すなわち、この材料は、有効に「体積
」加熱され、従って、適切なパーツ設計によりパーツにおける所望の温度分布を実現する
ことができる。例えば、熱成形用に設計された共押出シートの場合、マイクロ波感受性芯
層は、そのシートを内側から外側へと加熱することができ、その結果、より低温の、より
望ましいシート表面温度を得ることができる。
【0051】
マイクロ波吸収剤を材料への添加剤として使用して、その材料を電磁放射線(通常はマ
イクロ波またはレーダー)によって加熱できるようにすることもできる。一定の特性を変
化させるまたは改善するためにポリマー材料に添加される他の薬剤が、そのポリマー材料
に改善された加熱可能性を付与する場合もある。そのような添加剤をポリマーに添加して
、それらのポリマーのマイクロ波加熱を助長することができる。
【0052】
マイクロ波受容体、すなわち、マイクロ波感受性ポリマーを作るためにベース熱可塑性
ポリマーとブレンドすることができる添加剤、としては、導電性または磁性材料、例えば
、数ある中でも、金属、金属塩、金属酸化物、ゼオライト、炭素、水和鉱物、金属化合物
の水和塩、ポリマー受容性材料、粘土、有機変性粘土、シリケート、セラミック、スルフ
ィド、チタネート、カーバイド、および硫黄を挙げることができる。マイクロ波受容性添
加剤としては、次のものを挙げることができる。
a)元素、例えば、C、Co、Ni、Fe、Zn、Al、Cu、Ag、Au、Cr、M
oおよびW;
b)重金属塩、例えば、CuX、ZnX、またはSnX(この場合、Xは、ハロ
ゲンであり、nは、1から6の整数である);
c)塩水和物、例えば、NiCl・6HO、Al(SO・18HO;
d)複合水和物、例えば、エトリンジャイト;
e)他の単純水和物、例えば、エプソム塩;
f)金属酸化物、例えば、CuO、CuO、NiO、Fe、Fe、Fe
O Co
g)複合酸化物、例えば、BaTiO
h)金属硫化物、例えば、AgS、CuS、MoS、PbS、ZnS、FeS 黄
鉄鉱(FeS)および他の硫化鉱;
i)金属炭化物および窒化物、例えば、WC、SiC、BC、およびTiN;
j)半導体、例えば、Si、Ge、Se、GaP、GaAs、InP、InAs、Cd
S、CdSe、およびZnSe;
k)イオン導体、例えば、固体酸、ベータアルミナ、ポリマー酸、およびイオン交換樹
脂;
l)含水材料、例えば、水和形態のゼオライト、シリカ、アルミナ、アルミノホスフェ
ート、アルミノシリケート、マグネシア、チアニア、粘土、マイカ、ゲル、バーミキュラ
イト、アタパルジャイト、セピオライト、他の無機ゲル、有機ヒドロゲル、例えば高吸収
性ポリマー(SAP)、Methocel、ならびにヒドロキシエチルセルロース(HE
C)、カルボキシメチルセルロース、およびマイクロカプセル化水;
m)永久双極子を有する分子、オリゴマーまたはポリマー材料、例えば、ヒドロキシル
、アミン、アミド、カルボニル、エステル、カーボネート、カルバメート、ウレア、チオ
ウレア、ニトリル、ニトロ、ニトレート、ニトロシル、ヒドロキシルアミン、アンモニウ
ム、スルホンアミド、スルフヒドリル、スルフィド、スルホン、スルホキシド、ホスフェ
ート、ホスホネート、ホスホンアミド、ハライド、オキシハライドでの一または多置換を
含むことがある官能基を有する、ならびに糖、アミノ酸、ラクタム、エチレン一酸化炭素
(ECO)コポリマー、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリレート、アクリレートコ
ポリマー、アクリレート変性ポリマー、デンプン、ケラチン、ゼラチン、他の副生成物、
ホルムアミド、n−メチルホルムアミド、n−メチルアセトアミド、およびこれらの組み
合わせも含む場合がある、分子、オリゴマーまたはポリマー材料;
n)ケージド双極子、例えば、ゼオライトまたは粘土の中に、あるいはシリカゲルまた
は他の無機もしくは有機吸収剤上に吸着された、またはカプセル化された、上(m)に挙
げた双極子;
o)金属および半導体以外の有機導体、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリア
セチレン、および他の有機導体;
p)磁性物質、例えば、硬質または軟質フェライト、SrまたはBaチタネート、Co
Zn、NiZnまたはMnZn。
【0053】
一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤としては、例えば、銅、アルミニウ
ム、酸化亜鉛、酸化ゲルマニウム、酸化鉄またはフェライト;マンガン、アルミニウムお
よび銅の合金;酸化マンガン;コバルトまたはアルミニウムの酸化物;SiC、Na
iO、Al、MnO、TIOおよびMgTiOを挙げることができる。
他の実施形態において、マイクロ波受容性炭素としては、例えば、グラファイト、カーボ
ンブラック、グラフェン、およびカーボンナノチューブを挙げることができる。特定の実
施形態において、マイクロ波受容性添加剤としては、ケイ酸アルミニウム、黄鉄鉱、例え
ばFe、ゼオライト、例えばゼオライトA、炭素、またはこれらの組み合わせを挙
げることができる。
【0054】
上のマイクロ波受容性添加剤に加えて、一定の他の結晶質添加剤は、マイクロ波受容体
として有効であり得、それらとしては、イオン導体、例えば、無機固体酸もしくは塩、ポ
リマー酸もしくは塩、または無機もしくはポリマーイオン交換樹脂を挙げることができる
ことを発見した。1つの特定の実施形態において、イオン交換添加剤は、合成ゼオライト
4Aである。
【0055】
マイクロ波受容体として有効であり得る他の化合物としては、含水材料が挙げられ、こ
の添加剤は、受容性を強化する量の水を含有する。この水和添加剤は、無機、分子に基づ
く場合もあり、またはポリマー物質に基づくものであり得る。例えば、水和無機添加剤は
、水和ゼオライト13Xであり得、このゼオライトは、その重量の30%以下を水として
吸着することができる。
【0056】
マイクロ波受容体として有効であり得る他の化合物としては、分子またはポリマーマイ
クロ波受容体を含有する無機またはポリマー物質が挙げられる。受容体化学種は、その無
機もしくはポリマー物質の中にある場合があり、その無機もしくはポリマー物質の粒子上
のコーティングとして存在する場合があり、またはその無機もしくはポリマー物質の細孔
の中のゲストである場合がある。例えば、エチレングリコールをゼオライトNaYの3次
元ケージの中に吸着させることができる。
【0057】
セピオライト粘土もマイクロ波受容性添加剤として使用することができる。セピオライ
トは、強力に保持された水を含有する天然粘土鉱物である。この強力に保持された水は、
その粘土がマイクロ波を受容できるようにすることができ、および加熱に備えることもで
き、加熱中にその水の存在に起因して気泡または微小気泡が本質的に形成されない。
【0058】
アンモニウムイオン塩または水素イオン塩から形成されたモレキュラーシーブまたはゼ
オライトも、マイクロ波受容性添加剤として使用することができる。例えば、モレキュラ
ーシーブYのアンモニウム形を使用することができる。
【0059】
ゼオライト様合成材料もマイクロ波受容性添加剤として使用することができる。例えば
、合成材料、例えば、アルミノホスフェート、シリコアルミノホスフェートおよびシリコ
チタネート、ならびにゼオライト材料のものに類似した構造および水和挙動を有する軽金
属の他の混合物を使用することができる。
【0060】
他の実施形態において、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウムイオン塩
、および水素イオン塩から形成されたゼオライトを含めて、上に記載したモレキュラーシ
ーブは、ゼオライトケージ内に吸着された有機材料を含む場合がある。例えば、エチレン
グリコールおよび他のマイクロ波受容性有機材料をゼオライトまたはモレキュラーシーブ
内に吸着させて、そのモレキュラーシーブに強化されたマイクロ波受容性をもたらすこと
ができる。
【0061】
マイクロ波受容体として有効であり得るさらに他の化合物としては、そのパーツの所望
の部分に受容性および選択的加熱を付与することができる材料が挙げられる。これらとし
ては、ポリアニリンなどの有機導体を挙げることができる。
【0062】
上の添加剤に加えて、マイクロ波受容性ポリマー材料は、マイクロ波感受性層の主成分
として使用される場合もあり、またはマイクロ波感受性層を作るために、他の低または非
マイクロ波受容性ポリマーとブレンドされる副成分である場合もある。ポリマー受容性材
料としては、例えば、エチレンビニルアルコールポリマー、ポリケトン、ポリウレタン、
ポリアミド、ポリビニルクロライド、ポリアクリレート、エチレン一酸化炭素コポリマー
、ポリアニリン、およびその他を挙げることができる。例えばCO、OH、NH、メタク
リレート、二酸化炭素、アクリル酸、酢酸ビニル、アルコール、およびビニルまたはポリ
ビニルアルコールなどの一定の基がポリマー構造に組み込まれているマイクロ波受容性ポ
リマーを作ることができる。こうしたマイクロ波受容性部分は、ポリマー鎖の骨格に組み
込んでもよいし、またはポリマー鎖に取り付けてもよい。
【0063】
上で説明したように、マイクロ波添加剤、例えば、ゼオライトおよび粘土は、緊密に結
合した水を含有する場合がある。これらの材料は、加熱するとその添加剤から放出され得
る吸着水を含む場合もある。一部の実施形態において、マイクロ波感受性添加剤は、ポリ
マーと併せる前に乾燥させることができる。一部の実施形態において、マイクロ波受容性
添加剤は、例えばベント式押出システムの使用により、ポリマーと併せ、水を除去するこ
とができる。他の実施形態では、水が結合しているマイクロ波受容性添加剤を含有するポ
リマーのパーツまたはシートを、マイクロ波装置においてそのシートを加工する前に、乾
燥させることができる。このようにして、過剰な水に起因する望ましくない気泡形成を最
小にするまたは回避することができる。
【0064】
一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、粉末、フレーク、球体、ペレッ
ト、顆粒、液体またはゲルの形態であり得る。マイクロ波受容性添加剤の好ましい形態は
、重合プロセス中、ポリマーの精製もしくはペレット成形中、または配合プロセス中など
、添加剤がブレンドされる段階に依存し得る。他の実施形態において、前記添加剤は、一
次変換または二次加工プロセス直前または中に、例えば、押出、射出成形、またはポリマ
ーを使用する他のプロセス中に、配合することができる。一部の実施形態において、マイ
クロ波受容性添加剤のブレンディングは、ポリマーマトリックスの特性に有意な影響を及
ぼすことなく、改善されたマイクロ波受容性を付与することができる。
【0065】
上の添加剤のいずれかを別々に使用して、または併用して、所望の選択的加熱効果をも
たらすことができる。例えば、様々なゼオライトを併用して、1つの形態のゼオライトだ
けより、および固体(すなわち、水和ゼオライト)のみを配合物に添加する場合より、は
るかに高い受容性をもたらす、相乗効果を実現することができる。この例におけるものな
どの添加剤は、難なくポリマーに配合することができる固体粉末のままである場合もある
。使用するマイクロ波受容性添加剤のサイズは、その添加剤を分散させるポリマーマトリ
ックスのサイズに依存し得、マトリックスが厚いほど、大きな粒子を収容することができ
る。一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤の平均粒径は、0.1nmから5
0マイクロメートル、一部の実施形態では0.1nmから1マイクロメートル、他の実施
形態では0.1マイクロメートルから25マイクロメートル、他の実施形態では1から1
5マイクロメートル、およびさらに他の実施形態では5マイクロメートルから10マイク
ロメートルの範囲にわたり得る。使用するサイズの粒子は、(狭いサイズ範囲を有する)
単分散粒子を含む場合もあり、または(広いサイズ範囲を有する)多分散粒子を含む場合
もある。
【0066】
一部の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、電磁エネルギーに対して狭帯域
応答を示すことができる。他の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤は、広い周波
数帯域にわたる照射によって加熱することができる。1つの実施形態において、前記添加
剤は、1MHzから300GHzまたはそれ以上の周波数範囲にわたって受容性を有する
と考えることができる。他の実施形態において、前記添加剤は、0.1から30GHzま
たはそれ以上、他の実施形態では400MHzから3GHz、および他の実施形態では1
MHzから13GHzまたはそれ以上の周波数範囲で加熱することができる。さらに他の
実施形態において、前記添加剤は、1から5GHzの周波数範囲で加熱することができる

【0067】
一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、ベースポリマーとマイクロ波
受容性添加剤のドライブレンディングによって作ることができる。他の実施形態において
、マイクロ波感受性ポリマーは、前記添加剤とポリマー材料を配合することによって、ま
たは前記添加剤をポリマー材料でコーティングすることによって作ることができる。さら
に他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、マイクロ波受容性添加剤と湿潤
ポリマー分散物をブレンドし、その後、その分散物を乾燥させて水を除去することによっ
て作ることができる。
【0068】
ポリマー
【0069】
よりマイクロ波感受性のポリマーを作るために1つまたはそれ以上のマイクロ波受容性
添加剤と併せることができるポリマーとしては、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカー
ボネート、ポリエステル、ポリ乳酸およびポリラクチドポリマー、ポリスルホン、ポリラ
クトン、ポリアセタール、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂(ABS)、ポ
リフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、スチレン−ア
クリロニトリル樹脂(SAN)、ポリイミド、スチレン無水マレイン酸(SMA)、芳香
族ポリケトン(PEEK、PEKおよびPEKK)、エチレンビニルアルコールコポリマ
ー、ならびにこれらのコポリマーまたは混合物から選択される樹脂が挙げられる。一定の
実施形態において、マイクロ波受容性添加剤と併せることができるポリオレフィンおよび
他のポリマーとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、エチレンコポリ
マー、プロピレンコポリマー、スチレンコポリマー、およびこれらの混合物が挙げられる
。他の実施形態において、マイクロ波受容体と併せることができるポリマーとしては、ア
クリロニトリル系ポリマー、ヒドロキシル基含有ポリマー、アクリル系またはアクリレー
ト系ポリマー、無水マレイン酸含有または無水マレイン酸変性ポリマー、アセテート系ポ
リマー、ポリエーテル系ポリマー、ポリケトン系ポリマー、ポリアミド系ポリマー、なら
びにポリウレタン系ポリマーが挙げられる。
【0070】
一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、多層構造に不連続層(または
いくつかの層)として、その(それらの)不連続層を後続の二次加工の前に優先的に加熱
することができるように、組み込むことができる。その後、熱エネルギーは、これらの層
から、本質的にマイクロ波エネルギー「透過性」であり得る隣接ポリマー層へと伝導され
、その結果、従来の加熱システムでより急速にそのポリマー構造全体が必要二次加工温度
に到達できる。
【0071】
一定の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、100重量部のポリマーにつ
き0.1から200重量部のマイクロ波受容性添加剤を併せることによって作ることがで
きる。他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、100重量部のポリマーに
つき1から100重量部、さらに他の実施形態では2から50重量部、およびさらに他の
実施形態では3から30重量部のマイクロ波受容性添加剤を併せることによって作ること
ができる。
【0072】
一定の実施形態において、マイクロ波受容性添加剤の含有量は、マイクロ波感受性ポリ
マーの0.1から25重量パーセントを構成し得る。他の実施形態において、マイクロ波
受容性添加剤の含有量は、マイクロ波感受性ポリマーの1から20重量パーセント、およ
びさらに他の実施形態では2から15重量パーセントを構成し得る。
【0073】
一部の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、粉末、顆粒、ペレット、不均
質削片、液体、シート、またはゲルの形態であり得る。マイクロ波感受性ポリマーは、結
晶質、半結晶質、または非晶質であり得る。一部の実施形態において、マイクロ波感受性
ポリマーは、着色剤、補強用または増量用フィラー、および他の機能性添加剤、例えば難
燃剤またはナノ複合材を含む場合がある。
【0074】
マイクロ波加熱装置
【0075】
上で説明したマイクロ波感受性ポリマー材料は、さらなる加工のためにマイクロ波加熱
装置を使用して加熱することができる。ここで、図1を参照して、本明細書に開示するマ
イクロ波感受性ポリマーの実施形態に従って使用することができるマイクロ波加熱装置1
0を説明する。マイクロ波加熱装置10の構成要素としては、チューニングピストン11
、EHチューナー12、整合用絞り板13、導波管14、ホーン15、マイクロ波チョー
ク17および下側可動ピストン18が挙げられる。ポリマーシートは、サンプル送りスロ
ット19によってそれらのサンプルを送り込むことにより、マイクロ波加熱装置10によ
って加工することができる。
【0076】
一部の実施形態において、マイクロ波加熱装置10は、ポリマーを急速におよび均一に
加熱することができ、ならびにそのマイクロ波感受性ポリマーの性質(受容体タイプ、受
容体濃度、マトリックスタイプなど)および加工する材料の形態(厚、形状など)に合わ
せることができる。本明細書において用いる場合、急速な加熱は、一部の実施形態では、
そのシートまたはパーツの少なくとも一部分の毎秒少なくとも5℃、他の実施形態では毎
秒少なくとも10℃、他の実施形態では毎秒少なくとも20℃、他の実施形態では少なく
とも30℃、およびさらに他の実施形態では少なくとも50℃の速度での加熱を指すこと
ができる。本明細書において用いる場合、均一な加熱は、シートの加熱またはシートの少
なくとも選択部分の加熱を指ことができ、この場合、加熱部分は、一部の実施形態では1
0℃またはそれ以下、他の実施形態では7.5℃またはそれ以下、他の実施形態では5℃
またはそれ以下、他の実施形態では4℃またはそれ以下、およびさらに他の実施形態では
3℃またはそれ以下の最大温度変化を有する。従来の赤外線加熱と比較すると、本明細書
に開示するマイクロ波加熱装置の様々な実施形態によって生じる加熱速度および温度変化
は、サイクル時間の点での利点をもたらすことができ、過剰な熱暴露に起因するポリマー
に対する有害効果を最小にすることができ、ならびに加工改善をもたらすことができる。
【0077】
装置10は、様々な電力源(図示せず)を含むことができ、ホーン15は、均一なエネ
ルギー密度を行き渡らせることができ、ならびに絞り板13およびEHチューナー12は
、放射される波長を緻密にチューニングできるようにすることができる。このように、マ
イクロ波放射器は、粒状ポリマーを効率的に加熱するように調整することができる。数あ
る変数の中でも、加工するポリマーシートの温度をモニターするために、分析測定装置(
図示せず)を含めることもできる。シートの加熱に関して説明したが、他のマイクロ波加
熱装置およびプロセスも、本明細書に記載するマイクロ波感受性ポリマーとともに使用す
ることができる。
【0078】
利用するマイクロ波放射器についての電力定格は、加熱するポリマー試験片の組成、サ
イズまたは厚、ならびに所望の温度に依存し得る。電力定格は、加熱ステージの上流また
は下流で行われる操作についてのサイクル時間などの変数に基づいて選択することもでき
る。一定の実施形態では、可変電源を利用することができ、それによってプロセス自由度
、例えば、パーツサイズまたは組成(マイクロ波受容性添加剤の量またはタイプ)を変化
させる能力が得られる。
【0079】
用途
【0080】
上で説明したように、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、後続の加工、
例えば、混合、トラスファー成形、造形、型打ち、射出、成形、成形、押出、または別様
のさらなる加工のために、加熱することができる。一部の実施形態において、マイクロ波
感受性ポリマーは、例えば、冷蔵庫ライナーを成形するためなどの、厚手シート熱成形プ
ロセスにおいて有用であり得る。他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波
感受性ポリマーは、例えば、エアレイドバインダー繊維の加工のために有用であり得る。
他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、例えば、ブロ
ー成形ボトルを作るためなど、ブロー成形プロセスにおいて有用であり得る。他の実施形
態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、発泡体、押出発泡体、お
よび発泡体または発泡層を含有する他の構造において有用であり得る。
【0081】
他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、加工するポ
リマーを完全に溶融しない用途において有用であり得る。例えば、マイクロ波感受性ポリ
マーを選択的に加熱することができる(そのポリマーの選択部分のみを装置に通して加熱
し、それによって、熱エネルギーを、成形、成形または型打ちプロセスなどによりさらに
加工する部分のみに集中させることができる)。これは、加工中に処理する材料の構造完
全性を強化することができ、ならびにその材料を所望の形状に加工するために必要なエネ
ルギーを低減することができる。
【0082】
他の実施形態において、本明細書に開示するマイクロ波感受性ポリマーは、型押シート
において有用であり得る。従来の赤外線熱成形では、投入した熱は、シートの表面を通過
するはずであり、多くの場合、その型押構造または表面細部の維持力を低減する。上で説
明したような加熱サイクルの低減に加えて、マイクロ波感受性ポリマーは、シートに付与
されるエネルギー足跡の低減により、加工中の型押構造の維持力を増大させることができ
る。
【0083】
他の実施形態において、選択的加熱により、マイクロ波非感受性層が間に散在している
ポリマーのマイクロ波感受性層の使用が可能になり得る。積層ポリマーは、以下のことに
備えることができる。最適な温度プロファイリング;ポリマーの加工中のパルスマイクロ
波エネルギーの使用;パーツの特定領域の加熱に対処するマイクロ波放射器の選択的配置
;および1つまたはそれ以上のパーツまたは層のマイクロ波感受性の効により優先的また
は選択的加熱に備えることができる他の具現化。
【0084】
シート押出の一例として、マイクロ波感受性層を多層シートに組み込むことができる。
例えば、図2は、マイクロ波感受性層が組み込まれている多層シートの1つの実施形態を
示す。マイクロ波感受性層Bは、シート芯を構成し、これに、マイクロ波加熱に対して感
受性でない外層Aが結合している。マイクロ波感受性芯層の組み込みは、シート熱成形中
など、シートの後続の加工を助長することができる。一部の実施形態では、マイクロ波選
択性ポリマーの使用により、厚手シート熱成形、選択的延伸性、およびシートの急速、均
一加熱を可能にすることによって、シート熱成形を助長することができる。
【0085】
本明細書に開示する積層シートは、2つまたはそれ以上の層を含むことができ、その1
つまたはそれ以上の層が、マイクロ波感受性ポリマー組成物を含む、またはそれらから作
られたものであり得る。例えば、積層シートは、3、4、5、6、...、1000また
はそれより多くの層を含むことができる。一部の実施形態において、個々の層は、0.1
マイクロメートルから25mmの平均厚を有することができ、シートの総厚は、100マ
イクロメートルから25mmの範囲であり得る。一部の実施形態において、シートは、多
数のマイクロメートル厚の層を有する、マイクロ積層構造を含むことができる。
【0086】
図2には三層シートとして示すが、他の実施形態では、マイクロ波感受性層が、ポリマ
ー構造内の単数または多数の領域を構成する場合がある。例えば、マイクロ波感受性ポリ
マーは、2つまたはそれ以上の層を有するシートにおいて不連続層を構成する場合がある
。他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、より大きな構造の特定領域を構
成する場合があり、さらなる加工のためにそれらの領域を選択的に加熱することができる
。さらに他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマーは、サイドバイサイド繊維構
造の1面を構成する場合がある。さらに他の実施形態において、マイクロ波感受性ポリマ
ーは、芯/鞘繊維構造の芯または鞘を構成する場合がある。
【0087】
発泡押出プロセスでは、例えば、マイクロ波感受性層を組み込むことにより、発泡体芯
および固体非感受性外皮を選択的に加熱できるようにすることができ、それによって、よ
り短い加熱サイクル、その上、発泡体構造の気泡破壊の防止を可能にする。他の実施形態
では、それぞれの層に異なる濃度のマイクロ波吸収性化学種を組み込むことにより、それ
ぞれの層を差別的に加熱できるようにすることができ、従って、熱成形などの任意の後続
の二次加工段階の最適化を可能にすることができる。他の実施形態では、マイクロ波感受
性層の組み込みにより、ポストフォームシートの選択的発泡を可能にすることができる。
【0088】
他の実施形態、例えば、射出成形または射出延伸ブロー成形では、マイクロ波感受性層
の組み込むみにより、ポリマーの内部冷却に起因して、より短いサイクルを可能にするこ
とができ、この場合は、そのパーツの非感受性部分がヒートシンクとしての役割を果たし
、その結果、低減された冷却時間をもたらす。射出成形することができる溶融および半溶
融材料の混合物を生じさせるパルスマイクロ波エネルギーの使用によって、射出成形を助
長することもでき、この場合、前記半溶融材料は、そのパーツの後続の冷却中にヒートシ
ンクとしての役割を果たす。射出延伸ブロー成形は、最終製品の機械的特性を改善するこ
とができるという、マイクロ波選択的加熱の結果として生ずる最適化熱勾配の恩恵も受け
ることができる。
【0089】
図3は、従来の加熱サイクルと比較して、本発明の1つの実施形態に従って得ることが
できる冷却の低減を示すものである。加熱サイクルおよびエネルギー必要量を低減するこ
とができる、ポリマーの急速な加熱に加えて、マイクロ波感受性の芯を有するシート、ペ
レットまたは繊維も、同様に、加熱して冷却サイクルの低減を場合によっては生じさせる
ことができる。図3に示すように、通常の加熱/冷却曲線「IR」とマイクロ波加熱/冷
却曲線「MW」を比較すると、芯ポリマーを加熱して、エネルギーを外側の非感受性層に
伝導することができる。成形温度「MT」へと十分に加熱したら、そのパーツを成形する
こと、射出ことなどができる。より温かい芯から非感受性ポリマーへの継続的な伝導に起
因して、そのパーツは、従来の加熱後のパーツ冷却より早く離型温度「DMT」へと冷却
し、その結果、サイクル時間減少「dt」が生じる。曲線IRと曲線MWの間の面積dE
は、マイクロ波感受性の芯を有するポリマーをマイクロ波加熱することによって得ること
ができる低減熱負荷量を表す。
【0090】
一部の実施形態では、マイクロ波感受性層および非マイクロ波感受性層を含有する、積
層熱可塑性シートを熱成形の前に選択的に加熱することができる。他の実施形態では、熱
可塑性材料の積層または共押出ペレットを、例えば射出成形プロセスにおける、後続の加
工の前に、選択的に加熱することができる。これらは、上で説明した「内部ヒートシンク
」の存在のために冷却を加速させることができ、従って、上で説明した積層シートの場合
と同様にサイクル時間を現象させることができる。
【0091】
他の実施形態において、後続の加工の前に、パルスマイクロ波エネルギーを使用して、
非溶融ポリマーの層が間に散在している溶融ポリマーの「スライス」、すなわち不連続領
域、を作ることができる。上で説明した積層シートの場合と同様に、これも冷却を加速さ
せることができ、および従って、サイクル時間を減少させることができる。
【0092】
他の実施形態では、1つまたはそれ以上のマイクロ波放射器の選択的配置により、後続
の加工の前にシートまたは他の熱可塑性パーツの特定領域を選択的に加熱できるようにす
ることができる。これは、シートの特定領域を深絞りしなければならない熱成形プロセス
において、特に有用であり得る。
【0093】
他の実施形態におけるプロセスは、マイクロは感受性成分を含有する二成分バインダー
繊維(特定のポリプロピレン繊維、または無水マレイン酸グラフトもしくは他の極性化学
種などのマイクロ波感受性物質を含有する繊維の場合)とセルロース系繊維とを含有する
衛生製品において使用されるものなどの、吸収性の芯の選択的加熱および圧密を利用する
ことができる。例えば、繊維形成プロセスでは、ポリマー繊維の部分的溶融およびセルロ
ース繊維の加熱をそれらの固有水分含有量によって行うために十分なエネルギーを有する
マイクロ波加熱装置に平面材料を通すことができる。その後、それらの繊維をポリマー繊
維とセルロースの一体化網目構造の中の吸収性の芯に圧密することができる。あるいは、
前記構成品は、工業用布であってもよく、この場合、マイクロ波感受性繊維は、カバード
ヤーンのような織または不織構造を互いに結合させるために使用され得る。
【0094】
他の実施形態におけるプロセスは、一方がマイクロ波エネルギー受容性であり、他方が
透過性である、2つのポリマーのブレンドを、マイクロ波受容性ドメインを選択的に加熱
することができるような方法で利用することができる。それぞれのポリマーの相対比率、
相形態、マイクロ波感受性成分の濃度、および印加する電力を用いて、マイクロ波感受性
相の加熱速度および従って、その複合材全体の加熱速度を制御することができる。
【0095】
他の実施形態では、選択的加熱により、透過性ポリマーマトリックス中のマイクロ波受
容性強化部材の使用が可能となり得る。前記強化部材は、連続メッシュまたはネット、職
または不織布、連続フィラメントまたは不連続、ステープルファイバーの形態をとる場合
がある。前記強化部材も実際にはポリマー性である場合があり、または他の非ポリマー性
、マイクロ波感受性材料、例えば、炭素または金属である場合もある。
【0096】
他の実施形態において、マイクロ波受容性ポリマーは、固体外皮および発泡体芯を含む
三層(またはそれ以上の層の)発泡体構造(例えば、シート)の外皮および/または芯に
おいて使用することができる。それぞれの層中のマイクロ波受容性成分の濃度は変えるこ
とができ、ならびにマイクロ波電力は、それぞれの層の急速な加熱と、後続の加工の直前
のその構造全体にわたる所望の温度分布、両方を実現するように選択することができる。
これは、時期尚早の発泡体気泡破壊を伴わずに所望の熱成形温度プロフィールを実現する
ために赤外線加熱プロセスにおいて必要とされる非常に緩やかな加熱の必要をなくすこと
ができる。
【0097】
一部の実施形態では、熱可塑性ポリマーマトリックス(例えば、熱可塑性シート)内の
ゼオライト、無機水和物、またはポリマー水和物の形態でのマイクロ波受容性成分を使用
することができる。前記ゼオライトは、そのゼオライト構造内に水を含有することがあり
、マイクロ波エネルギーを用いて加熱することができ、そしてその後、その熱可塑性マト
リックスを再造形することができる。例えば、シートの場合、そのシートを容器にするこ
とができる。その容器をさらに水に暴露して、形成された容器の中のゼオライトの細孔に
水を組み込むことができる。その後、その造形容器を再加熱し、その水和した添加剤から
水を蒸気として放出させることができ、この水蒸気は、その熱可塑性マトリックスを発泡
体に発泡させる発泡剤としての役割を果たすことができる。
【0098】
他の実施形態において、食品の無菌包装処理の際に使用される包装用シートの外皮層に
対する、その外皮層を選択的に加熱するための、マイクロ波受容性材料の使用は、過酸化
水素または蒸気滅菌の必要をなくすことができる。
【0099】
実施例
【0100】
一部の実施形態において、本マイクロ波感受性ポリマーは、多層構造の中に、不連続層
(またはいくつかの層)として、それらのマイクロ波感受性相を後続の二次加工または加
工の前に優先的に加熱することができるように、組み込むことができる。その後、熱エネ
ルギーは、これらの層から、本質的にマイクロ波エネルギー「透過性」である隣接ポリマ
ー層へと伝導され、その結果、そのポリマー構造全体が、従来の加熱システムでより急速
に必要二次加工温度に到達できる。一部の実施形態では、ポリオレフィンまたはポリアミ
ドなどの半結晶質材料を熱成形する際に、A/B/A構造が有用であり得る。
【0101】
以下の実施例は、多層構造についてのモデリング予測および実験結果、ならびに射出成
形中のパルスマイクロ波エネルギーについてのサイクル時間の例を含む。
【実施例1】
【0102】
マイクロ波選択的加熱プロセスのモデリング
図7〜10を参照して、A層が本質的にマイクロ波エネルギー透過性であり得、および
B層がマイクロ波エネルギー感受性であり得る、図2に示すものに類似した三層A/B/
Aシート系のマイクロ波加熱および放射加熱のモデリングからの結果を示す。この多層A
/B/A構造をマイクロ波によって加熱して、B層を優先的に加熱することができる。そ
の後、熱エネルギーは、A層に伝導され得る。
【0103】
例えば、図1に関して上で説明したマイクロ波加熱装置を使用して、ポリマーシートを
加熱することができる。このまたは同様の様式でのA/B/A構造の加熱は、従来の放射
または接触加熱と比較すると、シートの断面を通して「逆の」温度プロフィールを生じさ
せるので、熱成形の再に有用であり得る。この逆の温度プロフィールは、図7および8と
図9および10を比較することによって、より良好に示すことができ、この場合、マイク
ロ波加熱についてはA層のほうがB層より低温であり、放射加熱では最外層が一番温かい

【0104】
図4および5において示されるように、マイクロ波加熱は、図4および5において示さ
れるような中間、マイクロ波感受性層の加熱を生じさせる。その後、その熱が外層に伝導
される。このシミュレーションのために、シートをマイクロ波エネルギーに20秒間暴露
して、芯の温度を160℃にした。最上層は、マイクロ波電源を切った10秒後にピーク
温度に達する。約30秒の全パルス時間の後、伝導によりシート全体が約160℃になり
、その多層シートの厚さにわたっての温度差は、約20度未満である。
【0105】
図6および7において示されるように、放射加熱は、最上層を熱に暴露し、その後、そ
の熱は、より下の層に伝達されるはずである。シートのより下の部分への伝導は、芯の温
度を160℃にするために有意な時間量、150秒、を必要とし得る。約170秒でシー
ト全体が160℃に達し、最上層と最下層の間には約70℃の温度差がある。
【0106】
上のシミュレーションの結果は、マイクロ波加熱が、より早い加熱サイクル、およびサ
ンプルを通してより均一な温度分布を生じさせることを示している。マイクロ波加熱と放
射加熱を比較したときに観察されるもう1つの違いは、加熱後のサンプルの応答である。
マイクロ波加熱の場合、図4および5において示されるように、電源切断状態への応答が
即時であり、溶融領域を含む。対照的に、放射加熱の場合、図6および7において示され
るように、電源切断状態への即時応答は、達成がより困難であり、溶融領域を含まない。
【0107】
図4〜7において示されるように、選択的マイクロ波加熱は、B層より低温であるA層
をもたらすことができ、ならびにA層におけるほうが高い溶融強度、および従って、広い
加工領域をもたらすことができる。この多層構造は、マイクロ波感受性ポリマーのそれぞ
れの層の数、位置および厚さ、それぞれに含まれるマイクロ波感受性添加剤の比率、なら
びに印加する電力レベルを変えることにより、熱成形のためにシート全体を通して最適な
温度プロフィールをもたらすように特別に設計することもできる。このようにして、必要
な加熱時間を最小にするのに十分な「温度駆動力」を確保するために必要な、放射加熱シ
ステムには特有の非常に高い温度にそのシートの表面を暴露することなく、シート全体を
熱成形に所望の温度に急速に加熱することができる。積層構造の選択的加熱の概念は、成
形段階および後続の冷却段階中のより高温の(マイクロ波加熱)層からより低温の(マイ
クロ波透過性)層への熱エネルギーの伝導のために、成形後の冷却加速も助長することが
できる。それらのマイクロ波透過性層は、本質的に、そのポリマー構造内の「内部ヒート
シンク」としての役割を果たすことができる。
【実施例2】
【0108】
加熱サイクル時間低減
上の結果を生ずるために使用したモデルは、マイクロ波感受性ポリマーが熱成形サイク
ル、特に、加熱サイクルに対して及ぼすことができる効果を推定するためにも使用するこ
とができる。積層シート(厚さの60%が、マイクロ波感受性の芯Bである、A/B/A
ポリプロピレンシート)を代表的な熱成形温度に加熱するために必要な時間を概算した。
指定時間内に指定厚のシートを加熱するために必要なワット数を計算した。その結果を図
8に提示する。これらの結果は、所要電力約100kWが、シート5mm厚について10
秒という少ない加熱サイクル時間を生じさせ得ることを示しており、これはサイクル時間
の有意な低減と言うことができる。厚手シート(10mmまたはそれ以上)については、
従来の加熱システムで達成されるものに匹敵する300秒のサイクル時間を、それより有
意に低い所要電力で達成することができる。
【0109】
表1では、シートごとに、マイクロ波加熱システムについて概算したサイクル時間を、
従来の熱成形加熱システムと比較する。重ねて、A/B/A積層ポリプロピレンシートに
ついては、B層が、マイクロ波感受性であり、そのシート厚の約60パーセントである。
選択的加熱は、結果として、加熱サイクル時間の90パーセントまたはそれ以上の低減を
生じさせることができ、その加熱に必要なエネルギーを75パーセント低減することがで
きる。
【表1】

【0110】
マイクロ波感受性ポリマー層を含有するシートの選択的加熱は、図9に示すものに類似
したプロセスで行うことができる。シート素材102をマイクロ波アレイ104に送るこ
とができ、そこでそのシートを所望の温度に加熱することができる。その後、その加熱さ
れた素材を、その温度で、低電力IR放射器を有する熱成形機金型台106に進め、その
後、成形し、冷却し、射出して108、成形パーツにする110ことができる。
【0111】
図9の上のほうの部分は、選択的加熱を用いるシートの熱成形の一例について必要な上
で述べた段階と対応する概算時間、およびこのプロセス全体にわたっての概算ポリマー温
度を示すものである。図9に示す時間温度プロットについてのシートは、マイクロ波感受
性ポリプロピレンの内芯層を有する6mm厚のポリプロピレンシート(A/B/A=1.
5mm/3mm/1.5mm)であった。マイクロ波加熱アレイは、22kWの電力設定
でのものであった。
【0112】
図9における時間温度プロットは、マイクロ波感受性ポリプロピレンについての有意に
減少された加熱時間、約30秒、を示している。対照的に、従来の熱成形/加熱プロセス
を用いると、加熱に、ポリプロピレンについては約200秒、およびポリスチレンについ
ては85秒かかる(それぞれ、同様の厚さ)と推定される。マイクロ波感受性ポリマーに
ついてのこの加熱時間の有意な減少は、その加熱時間減少の結果として生ずるサイクル時
間減少のために、より低いパーツコストをもたらすことができる。
【0113】
表2では、射出成形システムに関してパルスマイクロ波加熱システムについて概算した
サイクル時間を、従来の射出成形加熱システムと比較する。マイクロ波感受性ポリマーを
マイクロ波エネルギーのパルスで加熱し、非受容性およびマイクロ波感受性またはマイク
ロ波受容性ポリマーを含有するペレットを溶融する。その後、その溶融物をキャビティー
に射出する。受容性ポリマーから非受容性ポリマーへの熱の伝導のために、そのペレット
/溶融物は、内部ヒートシンクを有し、これが冷却サイクル時間を向上させる。このサイ
クル時間低減は、より厚いパーツについては60パーセント、より小さいパーツについて
は約25パーセントと概算された。
【表2】

【実施例3】
【0114】
様々な添加剤の加熱試験
マイクロ波感受性ポリマーにおいて有用であり得るいくつかのフィラーのマイクロ波特
性を、鉱油中で、マイクロ波エネルギーに対するそれらの応答について試験した。比較の
ために、それらの添加剤をニートポリプロピレンとも比較した。図13および14は、1
80グラムの軽油(Aldrichから入手可能)に粉末として分散させた、それぞれ2
0グラムのフィラー BaTiO(Alfa Aesarから入手可能)、ゼオライト
A(Aldrichから入手可能である、モレキュラーシーブ 4Å)、Fe(A
lfa Aesarから入手可能)、エチレン一酸化炭素(ミシガン州、ミッドランドの
The Dow Chemical Companyから入手可能)、Cu金属(Alf
a Aesarから入手可能)、MYRANITE(英国のYeoman−Protex
Limitedから入手可能)、およびMYRASHIELD(英国のYeoman−
Protex Limitedから入手可能)についてのマイクロ波特性を提示するもの
である。
【0115】
図10を参照して、BaTiO(Ba)、ゼオライトA(ZA)、Fe(Fe
)、エチレン一酸化炭素コポリマー(ECO)、およびニートポリプロピレン(PP)の
時間温度プロットを示す。これらの添加剤を鉱油と混合し、MARS(商標)5装備電子
レンジ(ノースカロライナ州、マシューズのCEM Corp.,から入手可能)内に配
置し、300Wで5分間、600Wでさらに5分間、そして1200Wでもう5分間、そ
のマイクロ波電源を投入した。その混合物の温度を15分間にわたって測定した。ECO
は、この実験継続時間にわたって最大応答を有し、温度は約110℃上昇した。Feは、
約60℃上昇し、ZAは、約30℃上昇した。ECOおよびFeは、加熱の最初の2分間
の温度勾配(傾き)によってわかるように、最も迅速な応答を有するようであった。
【0116】
図11を参照して、Ba、ZA、Fe、銅金属(Cu)、MYRANITE(MR)お
よびMYRASHIELD(MS)についての回帰吸収データを示す。FeおよびZAは
、広範な周波数にわたって最大吸収を有し、これは、マイクロ波加熱に対するそれらの適
応性を示している。
【0117】
図12を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、油中の種々のゼオライト(4A、5A、NaY、NHY、および13X、す
べてその供給業者から受け取ったまま)の時間温度プロットを示す。ゼオライト13Xお
よび5A(それぞれ、Aldrichから入手可能)は、同様の加熱特性を示した。ゼオ
ライト4A(Aldrichから入手可能)は、ゼオライト13Xおよび5Aでよりわず
かに急速に温度が上昇した。ゼオライトNaY(Aldrich)およびNHY(Al
drich)は、温度の最大上昇を示し、ならびにこの実験の終了時に同様の温度変化を
有した。しかし、ゼオライトNaYは、ゼオライトNHYでより低い電力設定で急速に
温度が上昇した。熱重量分析は、受け取ったままのゼオライトNaYおよびNHYは、
それぞれ、有意な量の水を含有しており、これに対して4A、5Aおよび13Xは、比較
的少量の水を含有していたこと(すなわち、これらを活性化形として受け取ったこと)を
示している。
【0118】
図13を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、180グラムの鉱油中の、120℃で乾燥させた、および指示した質量の吸着
エチレングリコールを含む、20グラムのゼオライトNaYについての時間温度プロット
を示す。最も多くのエチレングリコール、12グラム、を含有するサンプルは、最高の温
度上昇速度を有し、乾燥ゼオライトは、最低の温度上昇速度を有した。この実施例は、エ
チレングリコールなどのマイクロ波受容性化合物を吸着したゼオライトを熱可塑性ポリマ
ーに添加してマイクロ波受容性ポリマーを作ると、マイクロ波加熱能力が改善されること
を示す。
【0119】
図14を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、添加水を伴うおよび伴わない、ゼオライト4A(Aldrichから入手可能
である、モレキュラーシーブ4Å)の時間温度プロットを示す。サンプルA0は、添加水
を有さず、A2は、2グラム、A4は、4グラム、およびA6は6グラムの追加の水を有
した。重ねて、これらの添加剤は、油と混合し、MARS(商標)5装備電子レンジ(ノ
ースカロライナ州、マシューズのCEM Corp.,から入手可能)内に配置し、30
0Wで5分間、600Wでさらに5分間、そして1200Wでもう5分間、そのマイクロ
波電源を投入した。その混合物の温度を15分間にわたって測定した。水の加熱に起因し
て、含有する水の量が多いサンプルほど、大きな温度変化を有した。この実施例は、水な
どのマイクロ波受容性化合物を吸着したゼオライトを熱可塑性ポリマーに添加してマイク
ロ波受容性ポリマーを作ると、マイクロ波加熱能力が改善されることを示す。
【0120】
図15を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、様々な酸化鉄および硫化鉄についての時間温度プロットを示す。これらの実験
中に使用した添加剤としては、Fe、および2つの異なる硫化鉄、黄鉄鉱(FeS
、Alfa Aesar)と硫化第一鉄(FeS、Aldrich)が挙げられた。酸
化鉄Fe3O4の2つの粒径が分析され、一方は、325メッシュの粉末であると記載さ
れ(Alfa Aesar)、もう一方は、40〜60ナノメートルサイズの粉末である
と記載されていた(Alfa Aesar)。重ねて、サンプルは、180グラムの軽油
中の20グラムの無機粉末の懸濁液として試験した。それらの添加剤を油と混合し、MA
RS(商標)5装備電子レンジ(ノースカロライナ州、マシューズのCEM Corp.
から入手可能)内に配置し、300Wで5分間、600Wでさらに5分間、そして120
0Wでもう5分間、そのマイクロ波電源を投入した。その混合物の温度を15分間にわた
って測定した。
【0121】
それらの磁性のため、それらの酸化鉄は、非常に有効なマイクロ波感受性を示し、油ブ
ランクより125から200℃高い温度に達する。325メッシュの粉末でより、微細な
ナノメートルサイズの酸化鉄粉末のほうが、有効に加熱された。硫化鉄もマイクロ波感受
性を示し、油ブランクより40から50℃高い温度に達する。
【0122】
図16を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、様々な乾燥および受け取ったままの粘土鉱物についての時間温度プロットを示
す。試験した粘土鉱物としては、カオリナイト(Hydrafine no.1、Hub
er Engineered Materials)、アタパルジャイト(PFl−1、
コロンビア、University of MissouriのSource Clay
Minerals Repository)、およびセピオライト(Pangel S
−9、スペインのTolsa Group)が挙げられた。それぞれを、180グラムの
軽油中の20グラムの無機粉末の懸濁液として試験し、上で説明したように加熱した。様
々な添加剤のマイクロ波感受性の分析に加えて、これらの実験は、受け取ったままの材料
を加熱することにより水分除去の効果も試験した。
【0123】
乾燥したカオリナイト、アタパルジャイトおよびセピオライトは、非常に不良なマイク
ロ波感受性を示した。対照的に、受け取ったままの材料の中の水分の存在は、それらを非
常に有効なマイクロ波感受性材料にした。従って、非常に有効な形態で提供され得るこれ
らおよび同様の添加剤に水を直接添加する必要はない。エチレングリコールも乾燥したア
タパルジャイトのサンプルに添加した。水分に起因して改善される感受性と同様に、多孔
質アタパルジャイトへの4グラムのエチレングリコールの添加は、この材料のマイクロ波
感受性を劇的に改善することができる。
【0124】
図17を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、乾燥および水和シリカゲルおよび様々な金属水酸化物についての時間温度プロ
ットを示す。重ねて、それぞれのサンプルは、180グラムの軽油中の20グラムの無機
粉末の懸濁液として試験し、上で説明したように段階的に加熱した。マイクロ波感受性に
ついて試験した添加剤としては、シリカゲル、水酸化アルミニウム(Aldrichから
入手可能である、Al(OH))および水酸化マグネシウム(Johnson Mat
heyから入手可能である、Mg(OH))が挙げられた。水酸化アルミニウムおよび
水酸化マグネシウムは、中間的加熱挙動を示し、従って、これらは、マイクロ波感受性添
加剤として軽度に有効であった。乾燥シリカゲルは、低いマイクロ波感受性を有した。し
かし、シリカゲルのマイクロ波感受性は、2グラムの水を添加したシリカゲルサンプルに
ついての結果によって示されるように、吸着水によって強く向上された。
【0125】
図18を参照して、上で説明したとおりのMARS(商標)5装備電子レンジにおいて
加熱した、様々なマイクロ波感受性ポリマー材料についての時間温度プロットを示す。重
ねて、20グラム分の3つのポリマー材料、ナイロン6、ナイロン6/6、およびポリア
クリロニトリル(それぞれ、Aldrichから入手可能)を180グラムの鉱油に添加
し、上で説明したように段階的に加熱した。これらの極性ポリマーは、油ブランクと比較
した熱上昇によって示されるように、非感受性マトリックスに配合されるとマイクロ波感
受性を与えることができる。これらの結果は、ナイロン6が、ナイロン6/6よりも、ポ
リアクリロニトリルよりも、マイクロ波感受性添加剤として有効であったことを示してい
る。
【実施例4】
【0126】
マイクロ波感受性ポリマーの加熱試験
上のフィラーのうち、ゼオライトA(Aldrich、モレキュラーシーブ4Å、カタ
ログ番号233668)およびFe(Alfa Aesar、カタログ番号123
74)を、選択的加熱プロセスにおける評価のために選択した。これら2つの添加剤を選
択するために用いた基準としては、それらの添加剤の有効性(図13および14に関して
上で説明したような応答)、コストおよび必要負荷量、環境、健康および安全性の懸念が
挙げられた。ポリマー特性(粒径、形態および他の特性に基づく)に対してこれらの添加
剤が有すると予測される影響も考慮した。例えば、図19は、ゼオライトAがPPおよび
ABSに対して有し得るアイゾッド衝撃の減少を示す実験室データを提示するものである

【0127】
しかし、図19Aにおいて示されるように、外面マイクロ波透過性層を有する共押出シ
ートの衝撃値は、マイクロ波受容性添加剤によって有意な影響を受けないことが判明した
。図19Aは、内層が、指示濃度のゼオライトを含有する(対照は、ゼオライトをまった
く有さない)、4mmの全厚を有する20/60/20共押出ポリプロピレンシートにつ
いての落槍データを提示するものである。結果が示すように、共押出マイクロ波感受性ポ
リマーは、同様の物理的特性(耐衝撃性および延性)を有することができる。
【0128】
選択した添加剤を、様々な厚(3、6および10mm)のポリマーシートにおいて4つ
の負荷レベル(約3、6、10および14重量パーセント)で使用した。この場合のポリ
マーとしては、ABS、HIPS、PPおよび導電性TPOが挙げられた。その後、それ
らのポリマーシートのマイクロ波加熱を、上で説明した図1に示すものに類似した装置で
試験した(マイクロ波加熱装置20は、チューニングピストン21、EHチューナー22
、整合用絞り板23、導波管24、ホーン25、マイクロ波チョーク27、下側可動ピス
トン28、およびサンプル送りスロット29などの構成要素を含む)。シートは、サンプ
ル送りスロットによってそれらのサンプルを送り込むことにより、マイクロ波加熱装置に
よって加工した。この試験装置は、ポリマーを急速および均一に加熱することができ、な
らびに材料の性質および形態(受容体タイプ、受容体濃度、マトリックスタイプ、ならび
にサンプルの厚および形状)に合わせることができた。この試験装置は、2.54GHz
可変電源、および均一なエネルギー密度を行き渡らせるホーンへのWG9A導波管接続を
含んでいた。絞り板およびEHチューナーは、放射される波長の緻密なチューニングを可
能にした。数ある変数の中でも、加工するポリマーシートの温度をモニターするために、
分析測定装置(図示せず)を含めた。
【0129】
ここで、図20を参照して、1100ワットの電力設定で前記マイクロ波加熱装置を使
用して、6重量パーセントのゼオライトAを有する6mm厚のポリプロピレンシートを加
熱し、そのシートの温度を時間の関数として測定した。シートは、約17秒で室温から約
155℃に上昇した。これは、急速な加熱サイクルを示している。
【0130】
図21を参照して、ゼオライトAを含有するいくつかのサンプルについてのマイクロ波
電力の関数としての測定加熱速度を示す。表3に記載する8つのサンプルを作製した。こ
れらのサンプルを一定マイクロ波電力で加熱して、サンプルの温度の上昇を測定した。中
から高電力設定で、サンプル1、3および7は、急速な加熱速度(毎秒約7℃より大きい
)を示し、サンプル2、6および8は、中等度の加熱速度(毎秒2から6℃)を示し、な
らびにサンプル4および5は、遅い加熱速度(毎秒2℃未満)を示した。
【表3】

【0131】
図22を参照して、動作中のマイクロ波加熱装置で加熱中のサンプルについて測定した
温度プロフィールを示す。サンプルは、ナイロンストリップ、6mm厚、幅85mmおよ
び長さ500mmであった。サンプルは、500Wの電力設定で、400mm/分の速度
で、その装置を通って移動した。図22は、その加熱の結果として生じた安定化温度プロ
フィールの時宜を得たスナップショットを提示するものであり、選択的マイクロ波加熱で
実現することができる均一な加熱を示す。
【0132】
図23を参照して、マイクロ波加熱装置において加熱中のA/B/Aサンドイッチサン
プルについて測定した温度プロフィールを示す。A層は、マイクロ波非受容性であり、B
層は受容性であった。実験結果により、積層の概念が、上で説明したようなE場モデリン
グによって予測されたものに類似した、均一の加熱バンドをもたらすことが確認された。
【0133】
図24を参照して、マイクロ波エネルギー透過性のポリマーの外層に結合しているマイ
クロ波感受性材料の芯層を含む三層シートの2つの3mm PPサンプルについて測定し
た加熱特性を示す。両方のサンプルについて、芯層は、10重量パーセントのゼオライト
Aを含有した。サンプル9は、最上層(外皮)を有し、これに対してサンプル10は、最
上層を有さなかった。これらのサンプルを500Wの電力設定でマイクロ波エネルギーに
暴露した。最上層を有するサンプル9は、最上層を有さないサンプル10よりはるかに遅
く熱くなった。図25は、試験開始から2分後のサンプル9の加熱の時間−温度スナップ
ショットを提示するものであり、熱伝導が、熱をマイクロ波感受性層から外層へと伝達す
る場合に外層がどれほど遅れるかのさらに示す。このように、外層は、低溶融強度の芯の
ための担体としての役割を果たすことができる。
【0134】
ここで、図26を参照して、マイクロ波加熱装置および図4に示すような熱成形ステー
ションを使用するポリプロピレンサンプル(芯材中に14%ゼオライトAを有する4mm
厚の20/60/20共押出PP材料)の加熱の温度スナップショットを示す。このプロ
ピレンシートは、14重量パーセントのマイクロ波受容性添加剤(ゼオライトA)を含有
する。これを、1.5キロワットの電力定格を有するマイクロ波加熱装置において、その
ポリマーシートを3mm/秒の速度でそのマイクロ波加熱装置に通して加熱する。マイク
ロ波エネルギーをそのシートの中央部のみに向け、成形すべきそのシートのその部分を選
択的に加熱した。図26でわかるように、加熱された区画の全域で温度プロフィールは摂
氏4度しか変化しなかった。これは、所望の成形パーツを作るためのサンプル幅全体にわ
たる十分に均一な加熱を示す。
【0135】
もう1つの例として、冷蔵庫ライナーへのシートの熱成形は、ポリマーに剛性と靭性の
良好なバランス、十分に高い低温対衝撃特性、良好なESCR、および良好な耐熱性を有
することを求める。加えて、ポリマーは、良好な溶融強度および限定された垂れを有する
、深絞り加工領域を有さなければならない。逆の温度プロフィールの結果として熱成形中
に改善された溶融強度および低減された垂れを有する前記A/B/A積層ポリマーは、冷
蔵庫ライナーおよび同様厚手シート用途のためのTPOシートの熱成形を可能にすること
ができる。
【0136】
本発明の実施形態は、熱可塑性材料の急速な体積加熱に備えるものである。実施形態は
、熱可塑性構造の不連続パーツ、例えば、ラミネートまたは共押出多層構造における個々
の層などの選択的加熱に備えるものである。他の実施形態は、加熱されたマイクロ波受容
性材料の領域と非加熱のマイクロ波受容性材料の領域を生じさせるパルスマイクロ波エネ
ルギーに備えるものである。一部の実施形態は、パーツの特定領域の加熱に対処するマイ
クロ波放射器の選択的配置に備えるものである。他の実施形態において、特に、一方また
は両方の外層からのポリマーへの放射熱の遅い伝導伝達と比較して、高い浸透効率を有す
る選択的マイクロ波加熱は、芯層および外皮層をほぼ同時に加熱することができる。
【0137】
本明細書に開示する実施形態は、熱可塑性ポリマー材料の選択的マイクロ波加熱に利用
することができる。ポリマー加工に関して、この技術は、設計者および加工者に多くの利
点を提供し、この利点としては、次のものが挙げられる。選択的で急速な加熱;加熱/冷
却サイクル時間減少(高速);高いエネルギー効率および他の環境的利点、例えば放出物
低減(有毒ガスの排出がない乾式プロセスである故)および再循環可能性増大(自己強化
型単一素材成分のより広範な使用を可能にすることによる);自己強化型パーツにおける
特性の保存(戻りのリスク低減);生産性増大;パーツ品質および強度改善;ならびに熱
プロセスにおける停留時間減少に起因する熱劣化の最小化、および従ってポリマー形成の
際に熱安定化添加剤を減少させることができる。
【0138】
有利なことに、本明細書に開示する実施形態は、加熱時間の減少、総二次加工サイクル
時間の減少および従って、ピースパーツコストの低減をもたらすことができる。本明細書
に開示する実施形態は、加工される材料の中に「ヒートシンク」を導入することにより、
選択的加熱の使用の結果として冷却時間減少をもたらすこともできる。加えて、体積加熱
は、「表面」または「接触」加熱の必要をなくし、従って、高いポリマー表面温度の潜在
的に有害な影響をなくすことができる。体積加熱は、シート厚全体にわたる望ましくない
温度勾配もなくす。
【0139】
有利なことに、本明細書に開示する実施形態は、低減される総サイクル時間および低減
されるシステムエネルギー必要量により、改善された生産性ももたらすことができる。本
明細書に開示する実施形態は、すべての熱可塑性材料に最適な熱成形条件を提供する、お
よび特に、そうしなければ許容できないほどの狭い加工領域を有する厚手熱可塑性ポリオ
レフィンシートを熱成形できるようにする、注文どおりの熱プロファイリングも提供する
ことができる。
【0140】
本開示は、限られた数の実施形態を含むが、本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態
を考案できることは、本開示の恩恵に浴する当業者には理解される。従って、本範囲は、
添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロ波受容性添加剤;および
熱可塑性ポリマー
を含み、
前記マイクロ波受容性添加剤が、セピオライト粘土、アンモニウムイオン塩またはハロ
ゲンイオン塩から形成されたモレキュラーシーブ、アルミノホスフェート、シリコアルミ
ノホスフェート、シリコチタネート、有機変性粘土、ケージド有機マイクロ波受容性材料
を有するモレキュラーシーブまたはゼオライト、およびこれらの組み合わせからなる群よ
り選択される、
マイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項2】
前記セピオライト粘土が水を含む、請求項1に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物

【請求項3】
前記アンモニウムイオン塩から形成されたモレキュラーシーブが、モレキュラーシーブ
Yのアンモニウム形を含む、請求項1に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項4】
前記マイクロ波受容性添加剤が、0.1nmから50マイクロメートルの範囲の平均粒
径を有する、請求項1に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項5】
磁性または導電性素子、重金属塩、塩水和物、複合水和物、単純水和物、金属酸化物、
複合酸化物、金属硫化物、金属炭化物、金属窒化物、半導体、イオン導体、含水材料、永
久双極子を有する分子、オリゴマーまたはポリマー材料、ケースド双極子(cased dipole
s)、有機導体、磁性物質、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される追加の
マイクロ波受容性添加剤をさらに含む、請求項1に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成
物。
【請求項6】
前記マイクロ波受容性添加剤および追加のマイクロ波受容性添加剤が、それぞれ、0.
1nmから50マイクロメートルの範囲の平均粒径を有する、請求項5に記載のマイクロ
波感受性熱可塑性組成物。
【請求項7】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、カーボンナノチューブ、グラフェン、エトリン
ジャイト、エプソム塩、黄鉄鉱、TiN、BC、Si、GaAs、InP、固体酸、ベ
ータアルミニウム、ポリマー酸、イオン交換樹脂、およびこれらの組み合わせからなる群
より選択される、請求項5に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項8】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ゼオライト、シリカ、アルミナ、チタニアゲル
、バーミキュライト、アタパルジャイト、およびこれらの組み合わせからなる群より選択
される、請求項5に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項9】
前記マイクロ波選択的添加剤が、水和ゼオライト、水和シリカ、水和アルミナ、水和チ
タニアゲル、水和バーミキュライト、水和アタパルジャイトおよびこれらの組み合わせを
作るために水和される、請求項8に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項10】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ヒドロゲル、マイクロカプセル化水、およびこ
れらの組み合わせからなる群より選択される、請求項5に記載のマイクロ波感受性熱可塑
性組成物。
【請求項11】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、糖、アミノ酸、ラクタム、エチレン一酸化炭素
ポリマー、ポリアミド、ポリエステル、デンプン、ケラチン、ゼラチン、ホルムアミド、
n−メチルアセトアミド、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項
5に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項12】
前記マイクロ波受容性添加剤が、ゼオライト、粘土の中もしくはシリカゲル上にケージ
もしくは吸着される、またはカプセル化される、あるいはこれらの組み合わせである、請
求項11に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項13】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセチレン
、Sr、Baチタネート、NiZn、MnZn、およびこれらの組み合わせからなる群よ
り選択される、請求項5に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項14】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、C、CO、Ni、Fe、Zn、Al、Mo、C
uX(この場合、nは、1から6の整数であり、Xは、ハロゲンである)、ZnX
たはSnX(この場合、Xは、ハロゲンである)、NiCl・6HO、Al(S
・18HO、CuO、NiO、Fe、Co、BaTiO、Ag
S、CuS、MoS、PbS、WC、SiC、BC、TiN、およびこれらの組
み合わせからなる群より選択される、請求項5に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物

【請求項15】
前記追加のマイクロ波受容性添加剤が、ヒドロキシル、アミン、アミド、カルボニル、
エステル、スルホンアミド、ホスフェート、ホスホネート、ホスホンアミド、ハライド、
およびこれらの組み合わせでの一または多置換を含む官能基を有するポリマー分子からな
る群より選択される、請求項5に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項16】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエス
テル、ポリスルホン、ポリラクトン、ポリアセタール、アクリロニトリル−ブタジエン−
スチレン樹脂(ABS)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリフェニレンスルフィ
ド(PPS)、スチレン−アクリロニトリル樹脂(SAN)、ポリイミド、スチレン無水
マレイン酸(SMA)、芳香族ポリケトン、エチレンビニルアルコールコポリマー、およ
びこれらのコポリマーまたは混合物からなる群より選択される、請求項1に記載のマイク
ロ波感受性熱可塑性組成物。
【請求項17】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、エチレンコ
ポリマー、プロピレンコポリマー、スチレンコポリマー、およびこれらの混合物からなる
群より選択される1つまたはそれ以上のポリマーを含む、請求項1に記載のマイクロ波感
受性熱可塑性組成物。
【請求項18】
請求項1に記載のマイクロ波感受性熱可塑性組成物を含む1つまたはそれ以上の領域;
および
実質的にマイクロ波透過性である熱可塑性ポリマーを含む1つまたはそれ以上の領域、
を含む熱可塑性材料。
【請求項19】
芯/鞘構造を有し、前記芯が、マイクロ波感受性ポリマー領域を含み、前記鞘が、実質
的にマイクロ波透過性である熱可塑性ポリマーを含む領域を含む、請求項18に記載の熱
可塑性材料。
【請求項20】
積層シートとして形作られる熱可塑性材料であって、1つまたはそれ以上の層が、前記
マイクロ波感受性熱可塑性組成物の1つまたはそれ以上を含む領域を含む、または前記領
域によりもしくは前記領域で構成される、請求項18に記載の熱可塑性材料。
【請求項21】
前記積層シートの外層が、マイクロ波エネルギー透過性である、請求項20に記載の熱
可塑性材料。
【請求項22】
前記積層シートが、マイクロ積層シートである、請求項20に記載の熱可塑性材料。

【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19A】
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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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【公開番号】特開2012−233190(P2012−233190A)
【公開日】平成24年11月29日(2012.11.29)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−132836(P2012−132836)
【出願日】平成24年6月12日(2012.6.12)
【分割の表示】特願2009−513271(P2009−513271)の分割
【原出願日】平成19年5月31日(2007.5.31)
【出願人】(502141050)ダウ グローバル テクノロジーズ エルエルシー (1,383)
【Fターム(参考)】