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KR102722514B1 - 중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법 - Google Patents

중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법 Download PDF

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KR102722514B1
KR102722514B1 KR1020207017216A KR20207017216A KR102722514B1 KR 102722514 B1 KR102722514 B1 KR 102722514B1 KR 1020207017216 A KR1020207017216 A KR 1020207017216A KR 20207017216 A KR20207017216 A KR 20207017216A KR 102722514 B1 KR102722514 B1 KR 102722514B1
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잔 엠 브루스
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노아 오 샨티
파비안 스톨첸부르크
사틴더 케이 나야르
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Abstract

다공성 중합체 네트워크 구조체; 및 상기 중합체 네트워크 구조체 내에 분포된 복수의 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법으로서,
열가소성 중합체, 상기 열가소성 중합체가 가용성인 용매, 및 복수의 입자를 조합하여 슬러리를 제공하는 단계;
상기 슬러리를 물품으로 형성하는 단계;
상기 슬러리 내의 상기 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 상기 용매를 유지하는 환경에서 상기 물품을 가열하는 단계, 및
상기 용매로부터 상기 열가소성 중합체의 상분리를 유도하여 상기 중합체 매트릭스 복합재를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.

Description

중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법
본 출원은 2017년 11월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/587,053호를 우선권 주장하며, 이의 개시 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
전형적으로, 전통적인 입자-충전된 복합재(치밀한 중합체 필름, 접착제 등)에서 달성될 수 있는 최대 입자 로딩률은 입자와 결합제의 부피를 기준으로 약 40 이하 내지 60 부피%이다. 전통적인 입자-충전된 복합재 내에 60 부피% 초과의 입자를 혼입하는 것은 전형적으로 달성가능하지 않은데, 그 이유는 그러한 고도로 입자 로딩된 재료는 코팅 또는 압출 방법을 통해 가공될 수 없고/없거나 생성되는 복합재가 매우 취성으로 되기 때문이다. 전통적인 복합재는 또한 전형적으로 입자 표면에의 접근을 방지하고 잠재적인 입자-대-입자 접촉을 최소화하는 결합제로 입자를 완전히 캡슐화한다.
고분자량 중합체, 예컨대 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 및 폴리프로필렌(UHMWPP)이 바람직한데, 그 이유는, 이들은 월등한 분자 얽힘 및 인성을 제공하기 때문이다. 그러나, UHMWPE(즉, 분자량 평균이 1,000,000 g/몰을 초과하는 폴리에틸렌)와 같은 중합체는 압출을 통해 가공하기가 어려운 경향이 있다. 심지어 용융된 상태에서도, UHMWPE는 비교적 높은 점도를 가져서, 형상화하는 데 상당한 기계적 작업을 필요로 한다. UHMWPE의 용융 가공에 필요한 기계적 작업은 중합체를 전단시키고 중합체 분자량을 감소시킨다. UHMWPE의 용융 가공은 전형적으로, 가공 보조제로서 용매, 통상 탄화수소(예를 들어, 광유, 데칼린(decalin), 또는 등유)의 사용을 필요로 한다. 긴 가닥의 폴리에틸렌 분자의 기계적 인열은 압출 장비를 사용하여 가공될 때 심지어 가공 보조제의 첨가에 의해서도 일어날 수 있다. 중합체 용융물 내에 입자를 높은 로딩률로 혼입시키는 것은 공급, 혼합, 전단, 점도, 및 마모와 같은 압출 가공 문제를 추가로 증폭시킨다. 따라서, 통상적인 방법은 높은 입자 로딩률을 갖는 물품을 제조하는 그의 능력이 제한되어 있다.
고도로 입자 로딩된 물품의 제조를 가능하게 하는 개선된 방법 및 공정이 요구된다.
본 발명은 다공성 중합체 네트워크 구조체; 및 상기 중합체 네트워크 구조체 내에 분포된 복수의 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법을 기재하며, 상기 방법은
열가소성 중합체, 용매, 및 복수의 열전도성 입자를 조합(예를 들어, 혼합 또는 블렌딩)하여 슬러리를 제공하는 단계;
슬러리를 물품(예를 들어, 층)으로 형성하는 단계;
물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상(일부 실시 형태에서, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 중량% 이상, 또는 심지어 99.5 중량% 이상)의 용매를 물품 내에 유지하고 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로 50% 이상(일부 실시 형태에서, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99% 이상, 또는 심지어 100%)을 가용화하는 환경에서 물품을 가열하는 단계; 및
용매로부터 열가소성 중합체의 상분리를 유도하여 중합체 매트릭스 복합재를 제공하는 단계를 포함한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이 "혼화성"은 물질들이 모든 비율로 혼합되어 용액을 형성할 수 있음(즉, 임의의 농도로 서로 완전히 용해될 수 있음)을 지칭하며, 일부 용매-중합체 시스템의 경우 중합체가 용매와 혼화성으로 되기 위해 열이 필요할 수 있다. 대조적으로, 현저한 비율이 용액을 형성하지 않는다면 물질은 비혼화성이다. 예를 들어, 부탄온은 물에 상당히 가용성이지만, 이들 두 용매는 혼화성은 아닌데, 그 이유는 이들이 모든 비율로 용해 가능하지는 않기 때문이다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "상분리"는 (예를 들어, 온도의 변화에 의해) 연속적인 3차원 중합체 매트릭스 복합재로 변형되는 균질한 중합체-용매 용액 중에 입자가 균일하게 분산되는 공정을 지칭한다. 원하는 물품은 중합체가 용매와 혼화성으로 되기 전에 형성되고 상분리는 열 유도 상분리(TIPS) 공정이다.
TIPS 공정에서는, 승온을 사용하여 비용매가 중합체에 대한 용매로 되게 하고, 이어서 온도를 낮추어 용매를 중합체에 대한 비용매로 복귀시킨다. 사실상, 고온 용매는 충분한 열이 제거되고 그의 용매화 용량을 상실할 때 기공 형성제가 된다. TIPS 공정에 사용되는 용매는 휘발성 또는 비휘발성일 수 있다.
놀랍게도, 본 명세서에 기술된 방법을 사용하여 중합체 매트릭스 복합재를 제조하기 위하여, 비교적 높은 입자 로딩률로 인해 층으로 형상화될 수 있는 슬러리가 제조되며, 이는 용매가 가열되어 중합체와 혼화성으로 될 때 그의 형태를 유지한다. 사용되는 용매는 보통 휘발성이며 나중에 증발된다.
전형적으로, 전통적인 입자-충전된 복합재(치밀한 중합체 필름, 접착제 등)에서 달성될 수 있는 최대 입자 로딩률은 입자와 결합제의 부피를 기준으로 약 40 이하 내지 60 부피%이다. 전통적인 입자-충전된 복합재 내에 60 부피% 초과의 입자를 혼입하는 것은 전형적으로 달성가능하지 않은데, 그 이유는 그러한 고도로 입자 로딩된 재료는 코팅 또는 압출 방법을 통해 가공될 수 없고/없거나 생성되는 복합재가 매우 취성으로 되기 때문이다. 전통적인 복합재는 또한 전형적으로 입자 표면에의 접근을 방지하고 잠재적인 입자-대-입자 접촉을 최소화하는 결합제로 입자를 완전히 캡슐화한다. 전형적으로, 입자-충전된 복합재로부터의 반응(예를 들어, 열적, 전기적, 화학적, 생물학적)은 입자 로딩률에 따라 증가하며, 이로써 더 높은 입자 로딩률이 바람직하게 된다. 놀랍게도, 본 명세서에 기술된 방법으로 얻어지는 고수준 용매 및 상분리된 모폴로지는 비교적 적은 양의 고분자량 결합제로 비교적 높은 입자 로딩률을 가능하게 한다. 관통-다공성의 상분리된 모폴로지는 또한 샘플이 비교적 낮은 입자 농도 내지 비교적 높은 입자 농도에서 통기성이 되게 한다. 높은 입자 로딩률은 또한 상분리 동안 형성될 수 있는 얇은 비다공성 중합체 층의 형성을 최소화하는 데 도움이 된다. 더욱이, 본 명세서에 기술된 방법을 사용하여 제조된 중합체 매트릭스 복합재는 비교적 가요성이며, 입자가 빠지지 않는 경향이 있다. 이론에 의해 구애되고자 하지는 않지만, 본 명세서에 기술된 방법을 사용하여 제조된 중합체 매트릭스 복합재의 실시 형태의 다른 이점은 결합제의 다공성 성질로 인해 마스킹 없이, 입자가 결합제로 완전히 코팅되지 않아 고도의 입자 표면 접촉을 가능하게 하는 것으로 여겨진다. 층의 압축은 입자 대 입자 접촉을 유의하게 향상시킬 수 있음에 유의하여야 한다. 또한 고분자량 결합제는 용매의 부재 하에서는, 심지어 승온(예를 들어, 135℃)에서도, 용이하게 유동하지 않는다.
본 명세서에 기술된 방법의 실시 형태는 원하는 유용한 물품으로 가공하면서 비교적 높은 입자 로딩률을 가능하게 할 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법의 실시 형태에 의해 제공되는 비교적 고도로 충전된 물품의 실시 형태는 충전제 입자와의 비교적 낮은 결합제 접촉을 가져서, 비교적 고도로 다공성인 물품을 가능하게 할 수 있다. 그러한 개방성(openness)은 통상적인 입자 결합 시스템에 존재하는 마스킹 효과를 유의하게 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 비교적 높은 표면-활성 입자를 용이하게 하거나 다공성 물품 내의 활성 입자의 액체 또는 가스에 대한 노출을 용이하게 할 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법에 의해 제조된 중합체 매트릭스 복합재의 실시 형태는, 예를 들어, 열전도성 또는 열절연성 필름; 사운드 활성 디바이스; 전기 전도성 디바이스; 전기 절연성 디바이스; 높은 유전 효율을 갖는 전기 절연성 디바이스; 투자성 매체; 물리적 팽창성 매체; 흡수성 매체; 필터; 모놀리스(monolith); 초저밀도(강성 또는 가요성) 매체; 촉매 지지체; 크로마토그래피 매체; 센서; 지시제; 발광 매체; 흡열 매체, 및 화재 차단 재료에 유용하다.
도 1은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재의 개략도이다.
도 2는 본 명세서에 기술된 다른 예시적인 중합체 매트릭스 복합재의 개략도이다.
도 3은 본 명세서에 기술된 다른 예시적인 중합체 매트릭스 복합재의 개략도이다.
도 4 내지 도 10은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4, 실시예 5, 실시예 8, 및 실시예 10)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 11 내지 도 13은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 12, 실시예 13, 및 실시예 14)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 14, 도 16, 및 도 18은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 15, 실시예 16, 및 실시예 17)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 15a, 도 17a, 및 도 19a는 본 명세서에 기술된 예시적인 비팽창 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 15, 실시예 16, 및 실시예 17)의 평면도의 디지털 광학 카메라 사진을 나타낸다.
도 15b, 도 17b, 및 도 19b는 본 명세서에 기술된 예시적인 팽창 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 15, 실시예 16, 및 실시예 17)의 평면도의 디지털 광학 카메라 사진을 나타낸다.
도 20a 및 도 20b는 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 18)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 21a 및 도 21b는 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 19)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 22는 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 20)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 23은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 21)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 24는 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 22)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내는 개략도이다.
도 25는 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 34)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내는 개략도이다.
도 26은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 35)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내는 개략도이다.
도 27 및 도 28은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 38 및 실시예 39)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 29, 도 30a, 도 30b, 도 32, 및 도 33은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 42, 실시예 43, 실시예 44, 및 실시예 45)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 31은 100 mL의 물 중에, 본 명세서에 기재된 중합체 매트릭스 복합재(실시예 43)의 디스크를 넣은 후의 물 흡수의 디지털 이미지를 나타낸다.
도 34 내지 도 37은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(각각 실시예 46, 실시예 47, 실시예 48, 및 실시예 49)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸다.
도 38은 음향 활성 입자를 포함하는, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재의 음압 레벨(SPL)을 결정하기 위한 시험 구성의 개략도이다.
도 39는 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 50)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내는 개략도이다.
도 40은 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(실시예 53)의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타내는 개략도이다.
본 발명은 다공성 중합체 네트워크 구조체; 및 상기 중합체 네트워크 구조체 내에 분포된 복수의 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법을 기재하며, 상기 방법은
열가소성 중합체, 용매, 및 복수의 입자를 조합(예를 들어, 혼합 또는 블렌딩)하여 슬러리를 제공하는 단계;
슬러리를 물품(예를 들어, 층)으로 형성하는 단계;
물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상(일부 실시 형태에서, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 중량% 이상, 또는 심지어 99.5 중량% 이상)의 용매를 물품 내에 유지하고 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로 50% 이상(일부 실시 형태에서, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99% 이상, 또는 심지어 100%)을 가용화하는 환경에서 물품을 가열하는 단계; 및
용매로부터 열가소성 중합체의 상분리를 유도하여 중합체 매트릭스 복합재를 제공하는 단계를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크 구조체는 적어도 하나의 열가소성 중합체를 포함할 수 있거나, 이로 본질적으로 이루어질 수 있거나, 또는 이로 이루어질 수 있다. 예시적인 열가소성 중합체에는 폴리우레탄, 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리락트산), 폴리아미드(예를 들어, 나일론 6, 나일론 6,6, 및 폴리펩티드), 폴리에테르(예를 들어, 폴리에틸렌 옥사이드 및 폴리프로필렌 옥사이드), 폴리카르보네이트(예를 들어, 비스페놀-A-폴리카르보네이트), 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리아크릴레이트(예를 들어, 아크릴레이트 작용기를 함유하는 단량체(들)의 부가 중합으로부터 형성된 열가소성 중합체), 폴리메타크릴레이트(예를 들어, 메타크릴레이트 작용기를 함유하는 단량체(들)의 부가 중합으로부터 형성된 열가소성 중합체), 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌), 스티렌 및 스티렌계 랜덤 및 블록 공중합체, 염소화 중합체(예를 들어, 폴리비닐 클로라이드), 플루오르화 중합체(예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드; 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌 및 비닐리덴 플루오라이드의 공중합체; 에틸렌, 테트라플루오로에틸렌, 헥사플루오로프로필렌의 공중합체; 및 폴리테트라플루오로에틸렌), 및 에틸렌과 클로로트라이플루오로에틸렌의 공중합체가 포함된다. 일부 실시 형태에서, 열가소성 중합체에는 단일중합체 또는 공중합체(예를 들어, 블록 공중합체 또는 랜덤 공중합체)가 포함된다. 일부 실시 형태에서, 열가소성 중합체에는 적어도 2가지 열가소성 중합체 유형의 혼합물(예를 들어, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 혼합물 또는 폴리에틸렌 및 폴리아크릴레이트의 혼합물)이 포함된다. 일부 실시 형태에서, 중합체는 폴리에틸렌(예를 들어, 초고분자량 폴리에틸렌), 폴리프로필렌(예를 들어, 초고분자량 폴리프로필렌), 폴리락트산, 폴리(에틸렌-코-클로로트라이플루오로에틸렌) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 중 적어도 하나일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 열가소성 중합체는 단일 열가소성 중합체이다(즉, 열가소성 중합체는 적어도 2가지 열가소성 중합체 유형의 혼합물이 아니다). 일부 실시 형태에서, 열가소성 중합체는 폴리에틸렌(예를 들어, 초고분자량 폴리에틸렌)으로 본질적으로 이루어지거나 또는 이로 이루어진다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재를 제조하는 데 사용되는 열가소성 중합체는 입자 크기가 1000 마이크로미터(μm) 미만(일부 실시 형태에서, 1 내지 10, 10 내지 30, 30 내지 100, 100 내지 200, 200 내지 500, 500 내지 1000 μm의 범위)인 입자이다.
일부 실시 형태에서, 다공성 중합체 네트워크 구조체는 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리카르보네이트, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 스티렌 또는 스티렌계 랜덤 및 블록 공중합체, 염소화 중합체, 플루오르화 중합체, 또는 에틸렌과 클로로트라이플루오로에틸렌의 공중합체 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 다공성 중합체 네트워크 구조체는 수평균 분자량이 5 × 104 내지 1 × 107 g/몰의 범위(일부 실시 형태에서, 1 × 106 내지 8 × 106, 2 × 106 내지 6 × 106, 또는 심지어 3 × 106 내지 5 × 106 g/몰의 범위)인 중합체를 포함한다. 본 발명의 목적상, 수평균 분자량은 당업계에 공지된 기술(예를 들어, 겔 투과 크로마토그래피(GPC))에 의해 측정될 수 있다. GPC는 좁은 분자량 분포 중합체 표준물(예를 들어, 좁은 분자량 분포 폴리스티렌 표준물)을 사용하는 것과 함께, 열가소성 중합체에 적합한 용매 중에서 수행될 수 있다. 열가소성 중합체는 일반적으로 부분 결정질이어서, 융점을 나타내는 것을 특징으로 한다. 일부 실시 형태에서, 열가소성 중합체는 융점이 120 내지 350℃의 범위(일부 실시 형태에서, 120 내지 300, 120 내지 250, 또는 심지어 120 내지 200℃의 범위)일 수 있다. 열가소성 중합체의 융점은 당업계에 공지된 기술(예를 들어, 샘플이 질소 분위기 하에 있는 상태에서, 10℃/분의 가열 스캔 속도로, 5 내지 10 mg의 샘플을 사용하여 수행되는 시차 주사 열량법(DSC) 시험에서 측정되는 개시 온도)에 의해 측정될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크 구조체는 연속 네트워크 구조체이다(즉, 중합체 상은 공극들 사이의 상호연결을 형성하여 구조체 전반으로 연장되는 연속적인 공극 또는 기공을 갖는 개방 셀인 구조체를 포함한다). 일부 실시 형태에서, 부피 기준으로 중합체 네트워크 구조체의 2% 이상(일부 실시 형태에서, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 95% 이상, 또는 심지어 100%)은 연속 중합체 네트워크 구조체일 수 있다. 본 발명의 목적상, 중합체 매트릭스 복합재의 부피 중 입자로 구성된 부분은 중합체 네트워크 구조체의 일부로 간주되지 않음에 유의하여야 한다. 일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크는 2개의 입자들 사이에서 연장되어 상호연결된 입자들의 네트워크를 형성한다.
용매(예를 들어, 제1 용매)는 혼화성 중합체-용매 용액을 형성하도록 선택된다. 용매는 적어도 2개의 개별 용매의 블렌드일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 중합체가 폴리올레핀(예를 들어, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 적어도 하나)인 경우, 용매는 예를 들어 광유, 테트랄린, 데칼린, 오르토다이클로로벤젠, 사이클로헥산-톨루엔 혼합물, 도데칸, 파라핀유/왁스, 등유, 아이소파라핀계 유체, p-자일렌/사이클로헥산 혼합물(1/1 중량/중량), 캄펜, 1,2,4-트라이클로로벤젠, 옥탄, 오렌지유, 식물유, 피마자유, 또는 팜핵유 중 적어도 하나일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 중합체가 폴리비닐리덴 플루오라이드인 경우, 용매는, 예를 들어 에틸렌 카르보네이트, 프로필렌 카르보네이트, 또는 1,2,3-트라이아세톡시프로판 중 적어도 하나일 수 있다. 용매는, 예를 들어, 증발에 의해 제거될 수 있다. 고증기압 용매가 이러한 제거 방법에 특히 적합하다. 그러나, 제1 용매가 낮은 증기압을 갖는 경우, 더 높은 증기압의 제2 용매를 가져서, 제1 용매를 추출한 후에, 제2 용매를 증발시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 광유가 제1 용매로서 사용되는 경우, 승온(예를 들어, 약 60℃)의 아이소프로판올, 또는 메틸 노나플루오로부틸 에테르(C4F9OCH3), 에틸노나플루오로부틸 에테르(C4F9OC2H5), 및 트랜스-1,2-다이클로로에틸렌의 블렌드(예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 상표명 "노벡(NOVEC) 72DE"로 입수가능함)를 제2 용매로서 사용하여 제1 용매를 추출한 후에, 제2 용매를 증발시킬 수 있다. 일부 실시 형태에서, 식물유 또는 팜핵유 중 적어도 하나가 제1 용매로서 사용되는 경우, 승온(예를 들어, 약 60℃)의 아이소프로판올이 제2 용매로서 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 에틸렌 카르보네이트가 제1 용매로서 사용되는 경우, 물이 제2 용매로서 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 추가의 기능성을 부여하거나 가공 보조제로서 작용하도록 소량의 다른 첨가제가 중합체 매트릭스 복합재에 첨가될 수 있다. 다른 첨가제에는 점도 조절제(예를 들어, 건식 실리카, 블록 공중합체, 및 왁스), 가소제, 열 안정제(예를 들어, 독일 루트비히스하펜 소재의 바스프(BASF)로부터 상표명 "이르가녹스(Irganox) 1010"으로 입수가능함), 항미생물제(예를 들어, 은 및 4차 암모늄), 난연제, 산화방지제, 염료, 안료, 및 자외선(UV) 안정제가 포함된다.
용매로부터의 중합체 및/또는 입자의 침강 또는 분리를 방지하거나 감소시키기 위해 전형적으로 슬러리는 연속적으로 혼합 또는 블렌딩된다. 일부 실시 형태에서, 슬러리는 포획된 공기를 제거하기 위해 당업계에 공지된 기술을 사용하여 탈기된다.
슬러리는 나이프 코팅, 롤 코팅(예를 들어, 한정된 닙(nip)을 통한 롤 코팅), 및 적절한 치수 또는 프로파일을 갖는 임의의 수의 상이한 다이를 통한 코팅을 포함하는, 당업계에 공지된 기술을 사용하여 물품으로 형성될 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 조합하는 단계는 중합체의 융점 미만 및 용매의 비점 미만의 온도에서 수행된다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 가열하는 단계는 혼화성 열가소성 중합체-용매 용액의 융점 초과 및 용매의 비점 미만 중 적어도 하나의 온도에서 수행된다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 상분리를 유도하는 단계는 슬러리 내의 중합체의 융점 미만의 적어도 하나의 온도에서 수행된다. 구애되고자 하지는 않지만, 일부 실시 형태에서, 중합체와의 혼화성 블렌드를 제조하는 데 사용되는 용매는 중합체에서 융점 강하를 야기할 수 있는 것으로 여겨진다. 본 명세서에 기술된 융점은 중합체 용매 시스템의 임의의 융점 강하 미만을 포함한다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크 구조체는 상분리 동안 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크 구조체는 혼화성 열가소성 중합체-용매 용액의 유도된 상분리에 의해 제공된다. 일부 실시 형태에서, 상분리는 열적으로(예를 들어, 가열 동안 사용되는 것보다 낮은 온도로 급랭함으로써 열 유도 상분리(TIPS)를 통해) 유도된다. 냉각은, 예를 들어 공기 중에서, 액체 중에서, 또는 고체 계면 상에서 제공될 수 있고, 상분리를 제어하도록 변화될 수 있다. 중합체 네트워크 구조체는 본질적으로 다공성일 수 있다(즉, 기공을 가질 수 있다). 기공 구조체는 개방되어, 중합체 네트워크 구조체의 내부 영역으로부터 중합체 네트워크 구조체의 외부 표면으로의 및/또는 중합체 네트워크 구조체의 제1 표면과 중합체 네트워크 구조체의 반대편의 제2 표면 사이의 유체 연통을 가능하게 할 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 용매 대 중합체의 중량비는 9:1 이상이다. 일부 실시 형태에서, 입자 대 중합체의 부피비는 9:1 이상이다. 일부 실시 형태에서 그리고 제조 용이성을 위해, 실온에서 층을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 전형적으로, 상분리를 사용하는 층 형성 동안, 비교적 작은 기공은 용매 추출 동안 붕괴에 특히 취약하다. 본 명세서에 기술된 방법에 의해 달성가능한 비교적 높은 입자 대 중합체 로딩률은 기공 붕괴를 감소시키고 더 균일한 무결함 중합체 매트릭스 복합재를 생성할 수 있다.
본 명세서에 기술된 바와 같이 제조된 중합체 매트릭스 복합재의 일부 실시 형태에서, 입자는 (임의의 용매를 제외한) 중합체 매트릭스 복합재의 총 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 15 내지 99, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 존재하며, 예를 들어, 사용되는 특정 입자에 좌우될 수 있다.
중합체 네트워크 구조체는 다공성 중합체 네트워크 또는 다공성 상분리된 중합체 네트워크로서 기술될 수 있다. 일반적으로, (제조된 그대로의) 다공성 중합체 네트워크는 복수의 상호연결된 모폴로지(예를 들어, 피브릴, 노듈(nodule), 노드, 개방 셀, 폐쇄 셀, 리피 레이스(leafy lace), 스트랜드, 노드, 구체, 또는 허니콤 중 적어도 하나)를 포함하는 상호연결된 다공성 중합체 네트워크 구조체를 포함한다. 상호연결된 중합체 구조체는 입자의 표면에 직접 부착될 수 있고 입자를 위한 결합제로서 작용할 수 있다. 이와 관련하여, 인접한 입자들(예를 들어, 입자들 또는 응집체 입자들) 사이의 공간은, 중실 매트릭스 재료와는 대조적으로, 중합체 구조체를 포함함으로써, 원하는 다공성을 제공할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크 구조체는 중합체 피브릴의 상호연결된 네트워크를 포함하는 3차원 망상(reticular) 구조체를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 개별 피브릴은 평균 폭이 10 나노미터(nm) 내지 100 nm의 범위(일부 실시 형태에서, 100 nm 내지 500 nm, 또는 심지어 500 nm 내지 5 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 입자는 입자의 개별 단위(예를 들어, 개별 입자 또는 개별 응집체 입자)의 외부 표면이 대부분 중합체 네트워크 구조체에 의해 접촉되지 않거나 코팅되지 않도록 중합체 네트워크 구조체 내에 분산된다. 이와 관련하여, 일부 실시 형태에서, 개별 입자의 외부 표면 상의 중합체 네트워크 구조체의 평균 퍼센트 면적 커버리지(즉, 중합체 네트워크 구조체와 직접 접촉하는 외부 표면적의 퍼센트)는 개별 입자의 외부 표면의 총 표면적을 기준으로 50% 이하(일부 실시 형태에서, 40, 30, 25, 20, 10, 5% 이하, 또는 심지어 1% 이하)이다.
일부 실시 형태에서, 중합체 네트워크 구조체는 개별 입자의 내부 다공성 또는 내부 표면 영역으로 침투하지 않는다(예를 들어, 개별 입자 또는 개별 응집체 입자는 대부분 중합체 네트워크 구조체에 의해 접촉되지 않거나 코팅되지 않는다).
예시적인 입자에는 음향 활성 입자, 연자성 입자, 열전도성 입자, 열절연성 입자, 팽창성 입자, 작용성 입자, 유전체 입자, 지시제 입자, 극성 용매 가용성 입자, 극성 용매 팽윤성 입자, 또는 흡열 입자가 포함된다.
음향 활성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "음향 활성 입자"는 재료 상에 충돌하거나 이를 통해 전파하는 시변 압력파(time-varying pressure wave)(예를 들어, 음향파)와 상호작용하여 파동 특성(예를 들어, 주파수, 파장, 진폭, 속도)의 변화를 야기하는 상기 재료의 능력을 지칭하며, 이러한 파동 특성의 변화는 상기 재료를 수용하고 있는 사운드-생성 디바이스(예컨대, 라우드스피커)의 공진 주파수 및/또는 음압 레벨 출력의 변화로 나타난다. 이들 변화는 본 명세서에서 각각 제목이 "임피던스 시험"(하기 실시예 참조) 및 "음압 레벨(SPL) 시험"(하기 실시예 참조)인 시험 방법에 따라 측정될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "음향 활성" 재료는, 임피던스 시험 또는 음압 레벨(SPL) 시험에 따라, 1 ㎤의 백 볼륨(back volume)을 갖는 라우드스피커 시스템의 공진 주파수(F0)를 10 ㎐ 이상만큼 감소시키거나 1 ㎤의 백 볼륨을 갖는 라우드스피커 시스템의 음압 레벨(SPL)을 200 내지 500 ㎐의 주파수 범위에 걸쳐 평균 0.1 dB 이상만큼 개선하는 재료이다.
일부 실시 형태에서, 음향 활성 입자는 (임의의 용매를 제외한) 음향 활성 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 50 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 70 내지 98, 80 내지 95, 또는 심지어 94 내지 98 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 음향 활성 입자에는 분자체, 풀러렌, 및 탄소 나노튜브, 및 금속 산화물(예를 들어, 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO), 및 산화철 블랙(Fe3O4))을 포함하는 입자가 포함된다. 일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는 제올라이트 및 활성탄이 없거나 실질적으로 없는 조성을 가질 수 있다.
일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는 내부 다공성을 가질 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "내부 다공성"은 음향 활성 재료 입자 또는 음향 활성 재료의 응집체 내의 연속적인 또는 불연속적인 공극 부피(들)를 지칭할 수 있다. 공극 부피(들)는 음향 활성 재료 입자 또는 음향 활성 재료 입자의 응집체의 표면과 교차할 수 있거나, 음향 활성 재료 입자 또는 음향 활성 재료 입자의 응집체 내에 완전히 수용될 수 있다. 공극 부피(들)는 대기압, 대기압 미만의 압력, 또는 대기압 초과의 압력에서 공기 또는 다른 가스 또는 가스들의 혼합물로 충전될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는 평균 기공 크기가 1 nm 내지 100 μm 범위일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 활성 재료의 기공 크기는 바이모달 분포를 가질 수 있으며, 이때 작은 기공은 1 내지 100 nm의 범위이고, 큰 입자간 기공은 100 nm 내지 100 μm의 범위이다. 단면의 이미징을 포함한 통상적인 기공 크기 분석 기술(예를 들어, 광학 현미경법, 주사 전자 현미경법 또는 원자간력 현미경법) 및 적절한 소프트웨어, 예를 들어 ImageJ 소프트웨어(예를 들어 http://imagej.net에서 온라인으로 입수가능한 오픈 소스 소프트웨어)를 사용한 이미지의 분석이 기공 크기 및 기공 크기 분포를 통계적으로 분석하는 데 사용될 수 있다. X-선 마이크로단층촬영 및 수은 기공률 측정이 또한 기공 크기 및/또는 기공 크기 분포를 분석하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는 비표면적이 50 m2/g 초과(일부 실시 형태에서, 500 m2/g 초과; 일부 실시 형태에서, 50 내지 1000, 300 내지 1000, 500 내지 1000, 또는 심지어 300 내지 500 m2/g의 범위)일 수 있다. 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller)(BET) 표면적 또는 오일 흡수량을 포함한 통상적인 비표면적 분석 기술이 비표면적을 통계적으로 분석하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는 소수성이다. 이 재료는, 달리 친수성인 재료에 소수성을 부여하도록 표면 처리되거나 개질될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 표면 처리제는 실란 또는 불소계 표면 처리제를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 소수성 표면 처리제는 여전히 소수성을 부여하면서 활성 표면 부위의 소모를 최소화하는 농도로 적용된다. 일부 실시 형태에서, 소수성 표면 처리제는 활성 표면 부위의 이론적 분포 및 측정된 표면적에 따라 계산되거나, 또는 O2 화학흡착 또는 알코올의 흡수와 같은 기술, 또는 당업자에게 공지된 유사한 기술에 의해 측정된 활성 표면 부위의 총수를 기준으로 하여, 활성 표면 부위의 0.1 내지 10%의 범위(일부 실시 형태에서, 0.1 내지 5, 0.1 내지 3, 또는 심지어 0.5 내지 3%의 범위)로 부착된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "활성 표면 부위"는 화학적 성질을 개질하기 위하여 이온 결합 또는 공유 결합에 이용가능한 음향 활성 재료의 표면 상의 화학 부위(예를 들어, 고립 산소 원자)를 지칭한다.
일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는 전기 절연성(즉, 저항률이 1 × 1010 Ω·m 이상임)일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 음향 활성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 100 nm 내지 20 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 500 nm 내지 10 μm, 100 nm 내지 2 μm, 500 nm 내지 2 μm, 1 μm 내지 10 μm, 또는 심지어 1 μm 내지 5 μm의 범위)이다. 일부 실시 형태에서, 음향 활성 재료는, 예를 들어 응집력, 무기 결합제, 또는 유기 결합제에 의해 함께 결합된 복수의 더 작은 입자로 구성된 응집체 입자의 형태일 수 있다.
음향 활성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 전자 디바이스(예를 들어, 휴대폰, 태블릿, 및 랩톱)에서 음향 디바이스(예를 들어, 스피커 또는 마이크로폰)의 부품으로서 유용하다. 중합체 매트릭스 복합재의 실시 형태는 공진 주파수가, 예를 들어 약 50 ㎐ 내지 약 1500 ㎐의 범위에 있을 때 공동의 공진 주파수를 낮출 수 있다. 일부 실시 형태에서, 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 전기 절연성 및 소수성일 수 있는 필름 또는 매트의 형태로 공동 내에 존재할 수 있다. 중합체 매트릭스 복합재는 또한, 예를 들어 의료 디바이스, 자동차 디바이스, 및 통신 디바이스, 예컨대 헤드셋, 및 오디오-비디오 디바이스에서 음향 활성 재료로서 사용될 수 있다. 추가의 상세사항에 대해서는, 예를 들어 2017년 6월 14일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/519,560호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
연강자성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "연강자성 입자"는 자기장 방향성 재료를 지칭한다. 강자성 미립자 재료를 기술함에 있어서 "연"이라는 용어는 당업계에서의 그의 전통적인 의미를 가지며, 비자성 재료가 자기장(예를 들어, 약한 자기장) 내에 놓여질 때 자성으로 되는 능력에 관한 것이다. 연강자성 미립자 재료의 유도된 자성은 자기장이 제거될 때 실질적으로 소실될 것이다(즉, 이 재료는 인가된 자기장에서 가역적 자성을 나타낸다). 일부 실시 형태에서, 연자성 미립자 재료의 보자력, Hc는 1000 A/m 이하(일부 실시 형태에서, 1 내지 1000 A/m의 범위(일부 실시 형태에서, 10 내지 1000, 또는 심지어 30 내지 1000 A/m의 범위))이다. 연강자성 재료는 좁은 히스테리시스 루프(즉, 300 mT(일부 실시 형태에서, 500 mT, 또는 심지어 1.0 T)를 초과하는 높은 자기 포화 유도와 함께 상기에 지시된 바와 같은 낮은 보자력 값, 100 μ0 초과(일부 실시 형태에서, 1000 μ0 초과, 또는 심지어 10,000 μ0 초과)의 높은 투자율(여기서, μ0 = 진공의 투자율, 4π × 10-7 H/m)), 및 이와 함께, 작동 주파수에서 연강자성 입자 내로의 인가된 자기장의 허용가능한 침투를 위해 충분히 낮은 전도도를 가질 수 있다. 이러한 허용가능한 최대 수준의 전도도는 입자 내의 방사선의 표피 깊이(skin depth)에 좌우되며, 이는 대부분의 경우에 연강자성 입자의 두께의 약 2배 미만이어야 한다. 표피 깊이, δ(단위: 미터(m))는 (모든 MKS 단위를 사용하여, 그리고 플레이크의 전도도인 σ(단위: 지멘스/m)를 사용하여) 이로부터 계산될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 연강자성 입자는 (임의의 용매를 제외한) 연강자성 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 50 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 70 내지 98, 80 내지 95, 또는 심지어 94 내지 98 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
일부 실시 형태에서, 연강자성 미립자 재료는 철, Fe-Cr 합금, Fe-Si 합금(예를 들어, Fe-Si-Al(예를 들어, 중국 톈진 소재의 톈진 에코테크 트레이드 컴퍼니, 리미티드(TianJin Ecotech Trade Co., Ltd.)로부터 상표명 "센더스트(SENDUST)"로 입수가능함), 및 Fe-Si-Cr), FeCoB, Fe계 비정질 합금, 나노결정질 Fe계 산화물, 나노결정질 Fe계 질화물, 니켈계 합금(예를 들어, Ni-Fe 합금 및 Ni-Si 합금), CoNbZr, 또는 붕소계 비정질 합금 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 연강자성 미립자 재료는 플레이크 형상이다. 플레이크는 제1 주 표면 및 제2 주 표면, 그리고 제1 주 표면 및 제2 주 표면 중 적어도 하나에 실질적으로 수직인 두께를 갖는 불규칙적 형상의 플레이트-유사 구조로 간주될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 연강자성 미립자 재료는 연강자성 미립자 플레이크 재료이며, 각각의 플레이크는 제1 주 표면, 및 플레이크의 제1 주 표면에 수직인 최대 두께, T를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 연강자성 미립자 플레이크 재료는 중위 직경, D50(이는 길이 치수, L에 관한 것임) 및 최대 두께, T로 특성화될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 연강자성 미립자 재료는 이방성 연강자성 미립자 재료일 수 있다. 이방성 연강자성 미립자의 종횡비는, 예를 들어 입자 크기 분석에 의해 결정된 바와 같은 중위 직경, D50을, 예를 들어 이미지 분석으로부터 결정된 바와 같은 이방성 미립자의 최대 두께로 나눈 값으로서 정의될 수 있다. 연강자성 미립자 재료의 특정 세트의 경우, 최대 두께의 값은 중위값, Tm으로서 취해질 수 있다. 비 D50:Tm은 중위 종횡비이다. 일부 실시 형태에서, 중위 종횡비, D50:Tm은 5:1 내지 1000:1의 범위(일부 실시 형태에서, 10:1 내지 1000:1, 20:1 내지 1000:1, 5:1 내지 500:1, 10:1 내지 500:1, 20:1 내지 500:1, 5:1 내지 200:1, 10:1 내지 200:1, 또는 심지어 20:1 내지 200:1의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 중합체 복합재의 단면 이미지에서 관찰되고 측정된 바와 같은 플레이크의 이미지 길이, Li가 플레이크의 길이로서 취해질 수 있고, 중합체 복합재의 단면 이미지에서 관찰되고 측정된 바와 같은 플레이크의 이미지 두께, Ti가 플레이크의 최대 두께로서 취해질 수 있다. 이미지는, 예를 들어 광학 현미경 사진 또는 주사 전자 현미경 사진(SEM)일 수 있다. 연강자성 미립자 플레이크의 특정 세트의 경우, Li 및 Ti의 값은 표준 통계 분석 방법을 사용하여 플레이크의 하위세트의 평균값, Lia(평균 이미지 길이) 및 Tia(평균 이미지 두께)로서 취해질 수 있다. 일부 실시 형태에서, Lia/Tia는 5:1 내지 1000:1, 10:1 내지 1000:1, 20:1 내지 1000:1, 5:1 내지 500:1, 10:1 내지 500:1, 20:1 내지 500:1, 5:1 내지 200:1, 10:1 내지 200:1, 또는 심지어 20:1 내지 200:1의 범위이다.
일부 실시 형태에서, D50은 5 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 1000, 5 내지 500, 5 내지 200, 10 내지 5000, 10 내지 1000, 10 내지 500, 10 내지 200, 25 내지 5000, 25 내지 1000, 25 내지 500 또는 심지어 25 내지 200 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 연강자성 미립자 플레이크 재료의 플레이크는 중위 직경, D50을 갖고 열가소성 중합체 네트워크 구조체는 평균 기공 크기, P를 가지며, D50 > 2P이다. 일부 실시 형태에서, D50은 25 μm 내지 5000 μm의 범위이고, P는 50 nm 내지 25 μm이고, D50 > 2P이다 (일부 실시 형태에서, D50은 10 μm 내지 5000 μm의 범위이고, P는 50 nm 내지 25 μm의 범위이고, D50 > 2P이거나; D50은 25 μm 내지 5000 μm의 범위이고, P는 50 nm 내지 25 μm의 범위이고, D50 > 4P이거나; D50은 10 μm 내지 5000 μm의 범위이고, P는 50 nm 내지 25 μm의 범위이고, D50 > 4P이거나; D50은 25 μm 내지 5000 μm의 범위이고, P는 50 nm 내지 25 μm의 범위이고, D50 > 6P이거나; 심지어 D50은 10 μm 내지 5000 μm의 범위이고, P는 50 nm 내지 25 μm의 범위이고, D50 > 6P이다).
연자성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 무선 전력 변경 응용, 또는 민감한 전자 구성요소 및 배터리로부터 자기장을 멀리 떨어지는 쪽으로 유지하거나 그쪽으로 지향시킬 필요가 있는 임의의 다른 전자 응용에 유용하다. 추가의 상세사항에 대해서는, 예를 들어 2016년 12월 19일자로 출원된 미국 가특허 출원 제15/382,834호, 2018년 6월 21일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 제2018/0174723호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
열전도성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "열전도성 입자"는 열전도도가 2 W/(m * K) 초과인 입자를 지칭한다. 일부 실시 형태에서, 열전도성 입자는 (임의의 용매를 제외한) 열전도성 입자와 중합체의 중량을 기준으로 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 열전도성 입자는 금속, 반도체, 및 세라믹을 포함한다. 예시적인 열전도성 입자는 알루미늄, 구리, 은, 흑연, 다이아몬드, SiC, Si3N4, AlN, BeO, MgO, Al2O3, 수산화알루미늄, 옥시수산화알루미늄, 육방정 질화붕소(h-BN), 입방정 질화붕소(c-BN), ZnO, 천연 알루미노규산염, 또는 합성 알루미노규산염 중 적어도 하나를 포함한다.
열전도성 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수백 μm 크기의 범위이다. 열전도성 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상(platy) 형상, 침상(acicular) 형상, 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 밀리미터(mm)의 범위일 수 있다. 입자는, 예를 들어 최적의 패킹 밀도(packing density)를 가능하게 할 수 있는 멀티모달 크기 분포를 갖도록 혼합될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자는 전기 비전도성 입자(예를 들어, 질화붕소, 삼수화알루미늄, 탄화실리카, 및 금속 산화물(예를 들어, 산화알루미늄 및 산화철)을 포함하는 세라믹 입자)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자는 전기 전도성 입자(예를 들어, 알루미늄, 구리, 니켈, 및 금을 포함하는 금속 입자)를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 100 nm 내지 2 mm의 범위(일부 실시 형태에서, 200 nm 내지 1000 nm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자는 바이모달 또는 트라이모달 분포를 갖는다. 입자의 멀티모달 분포는 더 높은 패킹 효율, 개선된 입자-대-입자 접촉 및 그에 의한 개선된 열전도도를 가능하게 할 수 있다.
열전도성 입자를 포함하는 제조된 그대로의(즉, 임의의 압축 또는 다른 형성후 치밀화 전의) 중합체 매트릭스 복합재는 전형적으로 밀도가 0.3 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 0.4, 0.5, 1, 2, 3 g/㎤ 이상, 또는 심지어 4 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 0.3 내지 7, 1 내지 6, 2 내지 5, 또는 심지어 3 내지 4 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 열전도도는 중합체 매트릭스 복합재를 압축하여 중합체 매트릭스 복합재의 밀도를 증가시킴으로써 개선된다. 일부 실시 형태에서, 압축은 승온(예를 들어, 중합체 매트릭스의 유리 전이 온도 초과, 또는 심지어 일부 실시 형태에서는, 중합체 매트릭스의 융점 초과)에서 일어날 수 있다. 일부 실시 형태에서, 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 1 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 g/㎤ 이상, 또는 심지어 10 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 1 내지 10, 1 내지 9, 3 내지 8, 또는 심지어 4 내지 7 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 열전도도는 중합체 매트릭스 복합재를 압축하여 중합체 매트릭스 복합재의 밀도를 증가시킴으로써 개선된다. 일부 실시 형태에서, 압축은 승온(예를 들어, 중합체 매트릭스의 유리 전이 온도 초과, 또는 심지어 일부 실시 형태에서는, 중합체 매트릭스의 융점 초과)에서 일어날 수 있다. 일부 실시 형태에서, 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 1 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 g/㎤ 이상, 또는 심지어 10 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 1 내지 10, 1 내지 9, 3 내지 8, 또는 심지어 4 내지 7 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 80% 미만(일부 실시 형태에서, 0 내지 80, 0 내지 70, 0 내지 60, 10 내지 80, 10 내지 70, 10 내지 60, 10 내지 50, 10 내지 40, 10 내지 30, 또는 심지어 5 내지 20%의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 두께가 50 내지 7000 μm의 범위인 층의 형태이며, 여기서 두께는 층의 베이스로부터 연장되는 임의의 돌출부의 높이를 배제한다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 압축된 중합체 매트릭스 복합재의 밀도는 압축 후에 1 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 g/㎤ 이상, 또는 심지어 10 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 1 내지 10, 1 내지 9, 3 내지 8, 또는 심지어 4 내지 7 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재를 압축하는 것은 입자-대-입자 접촉을 증가시킴으로써 그의 밀도, 및 열전도도를 증가시킨다. 전도성 입자, 예컨대 구리를 사용하는 경우, 증가된 입자-대-입자 접촉은 증가하는 압축력의 함수로서의 감소되는 전기 저항에 의해 측정될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 비압축된 중합체 매트릭스 복합재의 전기 저항은 14 메가옴 내지 100 메가옴 이상의 범위이다. 일부 실시 형태에서, 압축된 중합체 매트릭스 복합재의 전기 저항은 0.5 내지 13,000 옴의 범위이다. 일부 실시 형태에서, 중합체 매트릭스 복합재를 압축하는 것은 그의 전기 저항을 (일부 실시 형태에서, 8 × 109%(일부 실시 형태에서, 2.5 × 109%) 이상) 감소시킨다.
압축은 밀도를 증가시키며, 이는 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 절연 공기 부피(또는 다공도)를 본질적으로 감소시키며, 이에 따라 이는 열전도도를 증가시킬 것이다. 마찬가지로, 열전도성 입자와의 증가된 입자-대-입자 접촉은 증가된 열전도도에 의해 측정될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 비압축된 중합체 매트릭스의 평면 통과(through-plane) 열전도도는 0.2 내지 0.8 W/(m * K)의 범위이고, 평면 내(in-plane) 열전도도는 0.73 내지 2.5 W/(m * K)이다. 일부 실시 형태에서, 압축된 중합체 매트릭스 복합재의 열전도도는 평면 통과 열전도도가 0.4 내지 11.4 W/(m * K)의 범위이고; 평면 내 열전도도가 0.87 내지 74 W/(m * K)이다.
일부 실시 형태에서, 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재를 압축하는 것은 그의 열전도도를, 평면 통과 열전도도에 있어서 25% 이상(일부 실시 형태에서, 100, 1000, 2000, 3000% 이상, 또는 심지어 3500% 이상), 그리고 평면 내 열전도도에 있어서 84% 이상(일부 실시 형태에서, 1000, 2000, 3000, 4000, 5000% 이상, 또는 심지어 5400% 이상) 증가시킨다.
열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 열 계면 재료(예를 들어, 전자 디바이스(예를 들어, 배터리, 모터, 냉장고, 회로 기판, 태양 전지, 및 히터) 내의 열 전도체)로서 유용하다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 열전도성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,031호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
열절연성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "열절연성 입자"는 열전도도가 0.1 W/(m * K) 이하인 입자를 지칭한다. 일부 실시 형태에서, 열절연성 입자는 (임의의 용매를 제외한) 열절연성 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 84 내지 91 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 열절연성 입자는 세라믹(유리, 결정질 세라믹, 및 유리-세라믹을 포함함), 중합체, 및 금속을 포함한다. 예시적인 열절연성 입자는 세라믹(예를 들어, 유리 버블), 질석, 펄라이트, 셀라이트, 에어로겔, 또는 중합체 중 적어도 하나를 포함한다.
열절연성 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수천 μm 크기의 범위이다. 열절연성 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상 형상, 침상 형상, 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 열절연성 입자는 더 많은 공기를 포획하여 더 우수한 절연을 제공하기 위하여 중공, 버블, 또는 다공성 재료의 형태이다.
일부 실시 형태에서, 열절연성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 100 nm 내지 2 mm의 범위(일부 실시 형태에서, 15 μm 내지 125 μm, 또는 심지어 30 μm 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열절연성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 25% 이상(일부 실시 형태에서, 25 내지 50, 30 내지 60, 또는 심지어 40 내지 90%의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 열절연성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 두께가 50 내지 7000 μm의 범위인 층의 형태이며, 여기서 두께는 층의 베이스로부터 연장되는 임의의 돌출부의 높이를 배제한다.
열절연성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 재킷, 냉장고, 및 파이프 코팅에 유용하다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 열절연성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,035호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
팽창성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "팽창성 입자"는 열에 노출될 때 팽윤되는 입자를 지칭한다. 열에 대한 노출의 결과는 입자 부피의 증가 및 입자 밀도의 감소이다. 입자 부피 및 밀도의 변화는 ASTM 표준 E2786(2015)에 따라 시험될 수 있으며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 입자는 (임의의 용매를 제외한) 팽창성 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
팽창성 입자는 그의 활성화 온도보다 높은 열에 대한 노출의 결과로서 부피를 상당히 증가시킬 수 있는 중합체 재료 또는 무기 재료 중 적어도 하나의 형태를 취할 수 있다. 예시적인 팽창성 입자는 규산나트륨, 층간삽입된(intercalated) 흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 폴리인산암모늄, 점토, 또는 질석 중 적어도 하나를 포함한다.
팽창성 입자의 선택은, 예를 들어 원하는 최종 용도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 약 500℃의 온도에 대해서는, 비팽창 질석 재료가 바람직한데, 그 이유는, 이들은 전형적으로 약 300 내지 약 340℃ 범위의 온도에서 팽창하기 시작하여, 예를 들어 촉매 변환기 내의 모놀리스와 팽창하는 금속 하우징 사이의 팽창하는 갭을 채우기 때문이다. 약 500℃ 미만에서 (예를 들어, 디젤 모놀리스 또는 미립자 필터에서) 사용하기 위해서는, 팽창가능한 흑연 또는 팽창가능한 흑연과 비팽창 질석 재료의 혼합물이 요구될 수 있는데, 그 이유는, 팽창가능한 흑연이 전형적으로 약 210℃에서 팽창하거나 부풀어 오르기 시작하기 때문이다. 처리된 질석이 또한 유용하며 전형적으로 약 290℃의 온도에서 팽창한다.
유용한 팽창성 재료는 또한 비팽창 질석 광석, 처리된 비팽창 질석 광석, 부분 탈수된 질석 광석, 팽창가능한 흑연(예를 들어, 팽창가능한 흑연 플레이크로서, 예를 들어 미국 오하이오주 클리브랜드 소재의 유카 카본 컴퍼니, 인코포레이티드(UCAR Carbon Co., Inc.)로부터 예를 들어, 상표명 "그라포일 등급 338-5O(GRAFOIL GRADE 338-5O)"로 입수가능한 것), 처리된 및/또는 미처리된 비팽창 질석 광석과의 팽창가능한 흑연의 혼합물, 가공된 팽창가능한 규산나트륨(예를 들어, 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 예를 들어, 상표명 "익스팬트롤(EXPANTROL)"로 입수가능한 불용성 규산나트륨), 및 이들의 혼합물을 포함한다.
처리된 비팽창 질석 플레이크 또는 광석은 이온 교환 염(예를 들어, 인산이수소암모늄, 질산암모늄, 염화암모늄, 염화칼륨, 및 본 기술 분야에 알려져 있는 다른 적합한 화합물)을 사용하여 이온 교환하는 것과 같은 공정으로 처리된 비팽창 질석을 포함한다.
중합체 매트릭스 복합재 내로 혼입된 팽창성 재료의 양 및 유형은 제품의 비용에 상당히 기여할 수 있다. 미처리 팽창성 재료, 예컨대 비팽창 질석은 일반적으로 처리된 팽창성 재료보다 덜 비싸지만, 상이한 팽창 온도 및 팽창량 및 팽창률을 제공할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 입자는 용이한 박리를 가능하게 하는 층상 구조를 갖는다. 입자의 개별 층들 내에, 유체(예를 들어, 황산)가 도입되고 층의 표면에 단단히 유지될 수 있다(층간삽입됨). 그러한 재료가 열에 노출될 때, 층 내에 유지된 유체가 팽창된다. 유체의 팽창은 개별 층을 가압하여, 이들을 더 멀리 분리시킨다(박리). 이러한 거동의 관찰된 결과는 부피가 팽창하는 벌크 필름이다. 팽창도, 및 팽창이 일어나는 온도는, 예를 들어 층 내로 층간삽입된 유체의 유형에 좌우된다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 재료는 고체상 및 기체상 둘 모두를 포함하도록 전이되는, 주로 고체상인 미립자이다. 예를 들어, 팽창성 입자는 가열될 때 휘발되는 표면 흡착된 종을 함유할 수 있다. 그러한 입자의 예에는 물과 회합된 것들(예를 들어, 황산칼슘 2수화물)이 포함된다. 이러한 유형의 재료가 가열될 때, 입자의 표면과 회합된 물 분자 중 일부가 흡착된 종으로부터 증기상으로 변화한다. 흡착된 종의 방출은 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 부피 변화를 가져온다. 발생된 증기는 주변 매트릭스를 가압하여, 구조체의 부피 증가를 야기한다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 입자는 상이한(즉, 활성화 온도, 조성, 및/또는 미세구조가 상이한) 제1 팽창성 입자 및 제2 팽창성 입자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 팽창성 입자는 규산나트륨, 층간삽입된 흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 폴리인산암모늄, 점토, 또는 질석 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제2 팽창성 입자는 규산나트륨, 층간삽입된 흑연, 수산화알루미늄, 수산화마그네슘, 폴리인산암모늄, 점토, 또는 질석 중 적어도 하나를 포함한다. 2가지 상이한 팽창성 입자 유형의 조합은 더 넓은 열활성화 범위를 제공할 수 있고 더 낮은 개시 온도로 더 많은 팽창을 가능하게 할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 팽창성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 500 nm 내지 7000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 70 μm 내지 300 μm, 300 μm 내지 800 μm, 800 μm 내지 1500 μm, 또는 심지어 1500 μm 내지 7000 μm의 범위)이다. 일부 실시 형태에서, 제2 팽창성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 500 nm 내지 1500 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 70 μm 내지 300 μm, 300 μm 내지 800 μm, 또는 심지어 1500 μm 내지 7000 μm의 범위)이다
일부 실시 형태에서, 제1 팽창성 입자는, 제1 팽창성 입자와 제2 팽창성 입자의 총 중량을 기준으로, 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 존재하고, 제2 팽창성 입자는 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 존재한다.
팽창성 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수천 μm 크기의 범위이다. 팽창성 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상 및 판상 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다. 입자는, 예를 들어 최적의 패킹 밀도를 가능하게 할 수 있는 멀티모달 크기 분포를 갖도록 혼합될 수 있다.
팽창성 입자를 포함하는 제조된 그대로의(즉, 임의의 압축 또는 다른 형성후 치밀화 전의) 중합체 매트릭스 복합재는 전형적으로 밀도가 0.3 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 0.3 내지 2.3, 0.3 내지 2.1, 0.3 내지 1.5, 또는 심지어 0.3 내지 1 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 입자를 포함하는 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.3 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 0.3 내지 2.3, 0.3 내지 2.1, 0.3 내지 1.5, 또는 심지어 0.3 내지 1 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10 내지 80, 20 내지 70, 또는 심지어 30 내지 60%의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 팽창성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 두께가 50 내지 11000 μm의 범위인 층의 형태이며, 여기서 두께는 층의 베이스로부터 연장되는 임의의 돌출부의 높이를 배제한다.
팽창성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 충전제, 열활성화 퓨즈, 및 방화(fire stop) 디바이스로서 유용하다. 일반적으로 방화 디바이스에 대한 추가의 상세사항에 대해서는, 예를 들어 미국 특허 제6,820,382호(챔버스(Chambers) 등)를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 일반적으로 충전제에 대한 추가의 상세사항에 대해서는, 예를 들어 미국 특허 제6,458,418호(랭거(Langer) 등) 및 제8,080,210호(호른백(Hornback), III)를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 팽창성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,039호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
작용성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "작용성 입자"는 흡수, 흡착, 착화, 촉매작용, 분리, 또는 시약 기능 중 적어도 하나를 입자에 제공할 수 있는 적어도 하나의 작용기 G를 포함하는 입자를 지칭한다.
작용성 입자는, 작용기(들) G의 존재로 인해, 이들과 접촉되는 유체 또는 가스 내에 존재하는 표적종과 상호작용할 수 있다. 입자는 이들이 의도되는 최종 용도 "기능"에 따라 유기 또는 무기, 다공성 또는 비다공성, 및 구형 또는 비구형, 또는 이들의 조합(들)일 수 있다. 입자는 전형적으로 중합체이지만, 반드시 그러한 것은 아니다(예를 들어, 이들은 금속 또는 유리일 수 있다). 작용기(들) G는 입자 표면에 직접 부착될 수 있거나, 또는 링커 기에 부착될 수 있으며, 링커 기는 다시 입자에 부착된다. 기(들) G는 그의 합성 동안 입자 내로 도입될 수 있거나, 또는 당업계에 잘 알려진 다양한 방법에 의해, 그의 제조 후에 입자에 부착될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자는 (임의의 용매를 제외한) 작용성 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 99, 10 내지 99, 5 내지 98, 10 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 작용성 입자는 크로마토그래피 입자(예를 들어, 화학종 또는 생물학적 종의 정제에 유용한 것들)를 포함한다. 예시적인 크로마토그래피 입자는 이온 교환, 친화성, 역상, 순상, 크기 배제, 멀티-모달, 소수성 상호작용, 금속 친화성, 금속 킬레이트, 및 키랄 분리를 위해 사용될 수 있는 작용기를 포함하는 유기 및 무기 입자를 포함한다. 크로마토그래피 입자를 포함한 예시적인 작용성 입자는, 예를 들어 하기로부터 입수가능하다: 미국 캘리포니아주 허큘리스 소재의 바이오-라드(Bio-Rad)(예를 들어, 상표명 "우노스피어(UNOSPHERE)", "아피겔(AFFIGEL)", "아피-프렙(AFFI-PREP)", "매크로-프렙(MACRO-PREP)", "CFT" 및 "CHT"); 미국 펜실베이니아주 피츠버그 소재의 지이 헬스케어(GE Healthcare)(예를 들어, 상표명 "캡토(CAPTO)", "하이트랩(HITRAP)", "마브셀렉트(MABSELECT)", "세파크릴(SEPHACRYL)", "세파덱스(SEPHADEX)", "세파로스(SEPHAROSE)", "수퍼덱스(SUPERDEX)", 및 "수퍼로즈(SUPEROSE)"); 미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 밀리포어 시그마(Millipore Sigma)(예를 들어, 상표명 "에시무노(ESHMUNO)", "프로셉(PROSEP)", "프랙토겔(FRACTOGEL)", "파름프렙(PHARMPREP)", "리치로프렙(LICHROPREP)", 및 "플로리실(FLORISIL)"뿐만 아니라, 표준 실리카 겔 및 알루미나 입자); 일본 도쿄 소재의 토소 바이오사이언시즈(Tosoh Biosciences)(예를 들어, 상표명 "티에스케이겔(TSKGEL)" 및 "토요펄(TOYOPEARL)"); 미국 뉴욕주 포트 워싱턴 소재의 폴(Pall)(예를 들어, 상표명 "하이퍼드(HYPERD)", "하이퍼셀(HYPERCEL)", "카네카(KANEKA)", "트리스아크릴(TRISACRYL)", 및 "울트라겔(ULTRAGEL)"); 일본 도쿄 소재의 미츠비시 케미칼 코포레이션(Mitsubishi Chemical Corporation)(예를 들어, 상표명 "다이아이온(DIAION)"); 및 미국 매사추세츠주 월섬 소재의 서모-피셔(Thermo-Fisher)(예를 들어, 상표명 "포로스(POROS)", "캡처셀렉트(CAPTURESELECT)", 및 "울트라링크(ULTRALINK)").
크로마토그래피 입자는 또한 당업계에 공지된 기술에 의해 제조될 수 있다(예를 들어, 미국 특허 제5,292,840호(헤일만(Heilmann) 등), 제6,379,952호(라스무센(Rasmussen) 등), 제7,674,835호(라스무센 등), 제7,674,836호(라스무센 등), 제8,367,198호(윅커트(Wickert) 등), 제8,592,493호(샤논(Shannon) 등), 제8,710,111호(윅커트 등), 제9,018,267호(샤논 등), 및 제9,056,316호(로손(Lawson) 등)를 참조하며, 이들의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨). 예시적인 작용성 입자는 또한 직접 공유적으로 반응성인 입자를 포함한다(예를 들어, 미국 특허 제5,993,935호(라스무센 등)를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨).
예시적인 작용성 입자에는 또한 부착오염 방지(antifouling) 응용에 유용한 보수성(water retentive) 쯔비터이온성 겔 전해질 작용화된 입자가 포함된다. 작용화된 입자는 양전하종 및 음전하종 둘 모두와 그래프팅되어 고분자 전해질 분석물을 형성할 수 있다.
예시적인 작용성 입자는 또한 침착된 나노금 촉매를 특징으로 하는 고표면적 촉매 입자를 포함한다. 고표면적 TiO2 입자 상에 침착된 나노금은 일산화탄소를 이산화탄소로, 수소를 물로, 그리고 포름알데하이드를 이산화탄소 및 물로 되게 하는 것을 촉매할 것이다.
예시적인 작용성 입자는 또한 침착된 나노금 촉매를 특징으로 하는 저표면적 촉매 입자를 포함하는데, 이는 일산화탄소를 이산화탄소로 우선적으로 산화시킬 것이다. 그러한 선택적 반응은 (예를 들어, 연료 전지의 경우) CO는 산화시키지만 H2는 산화시키지 않는 것이 바람직한 메탄올 개질(reformation)에 유용하다(예를 들어, 미국 특허 제8,314,046호(브래디(Brady) 등) 및 제7,955,570호(인슬리(Insley) 등)를 참조하며, 이들의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함됨).
예시적인 작용성 입자는 또한 항미생물 특성을 가질 나노은 또는 나노은 코팅된 입자를 포함한다. 이들은 또한 황화수소의 존재 하에서 흑색으로 변함으로써 지시제로서 작용할 수 있다.
다른 예시적인 작용성 입자는 구아니딘-작용성 입자를 포함한다. 구아니딘 작용성 입자는 생물학적 종을 포획하는 데 유용한데, 그 이유는, 이들은 높은 이온 강도의 존재 하에서도 이온 상호작용을 유지하기 때문이다. 유용한 구아니딘 작용성 입자에는 구아니딘 작용성 실란으로부터 제조된 것들(예를 들어, 미국 특허 제9,657,038호(그리스그레이버(Griesgraber) 등), 2018년 2월 8일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 제2018/0038862호(크시르사가르(Kshirsagar) 등) 참조), 및 구아니딘 작용성 폴리에틸렌이민 G-PEI를 가교결합함으로써 제조될 것들(예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2017/0049926호(랭거-앤더슨(Langer-Anderson) 등) 참조)이 포함되며, 이들의 개시 내용은 참고로 포함된다.
작용성 입자가 다공성인 실시 형태에서는, 평균 입자 크기가 1 내지 20 μm 크기 범위인 입자를 사용하는 것이 유리할 수 있는데, 그 이유는, 이것이 표적종이 확산하여 작용기 G와 접촉하는 데 필요한 체류 시간을 단축시키는 경향이 있기 때문이다.
작용성 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수백 μm 크기의 범위이다. 작용성 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상 형상, 침상 형상, 및 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다. 내부 다공성을 갖는 입자가 매우 바람직할 수 있는데, 그 이유는, 정제를 위한 더 활성인 G 모이어티에 대한 증가된 표면적 및 잠재력 때문이다. 그러한 큰 기공 매크로 입자의 예에는, 예를 들어 미국 특허 제6,423,666호(리아오(Liao) 등)에 기술된 것들이 포함된다. 용량은 이온 교환 입자 상에 흡착될 수 있는 하전된 물질의 양을 측정함으로써 결정될 수 있다. 큰 기공 매크로 입자를 사용하는 것의 이점은 여과 동안 더 높은 플럭스 및 감소된 체류 시간일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자는 상이한 제1 작용성 입자와 제2 작용성 입자(즉, 소수성 상호작용 또는 양이온성 또는 음이온성 또는 친화성)를 포함하여 혼합 모드 분리 매체를 생성한다. 일부 실시 형태에서, 제1 작용성 입자는 아미노 (메트)아크릴레이트 단량체 또는 그의 유도체로부터 유도된 코팅 또는 입자를 포함하고, 제2 작용성 입자는 트립토판, 페닐알라닌, 및 류신의 아미노산의 사용으로 발견되는 바와 같은 소수성 작용기를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 작용성 입자는 음이온 교환 입자를 포함하고, 제2 작용성 입자는 양이온 교환 입자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 혼합 모드 작용기는 동일한 입자 상에 코팅되거나 거기서 중합될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 약염기, 강염기, 약염기의 염, 강염기의 염, 또는 이들의 조합을 포함하는 이온성 단량체가 이온 교환 입자의 제조에 사용될 수 있다. 혼합 모드 매체는 때때로 단지 하나의 상호작용 모드를 갖는 매체에 비하여 표적종에 대한 증가된 체류 또는 분리 능력을 제공할 수 있다. 하나 초과의 상이한 작용성 입자가 때때로 둘 이상의 상이한 표적종과의 상호작용을 위해 동시에 사용될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 작용성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이고, 제2 작용성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 제1 작용성 입자는, 제1 작용성 입자와 제2 작용성 입자의 총 중량을 기준으로, 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 99, 10 내지 99, 5 내지 98, 10 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 존재하고, 제2 작용성 입자는 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 99, 10 내지 99, 5 내지 98, 10 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 존재한다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 비작용성 입자(즉, 작용성 입자가 아님)를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 비작용성 입자는 폴리아미드 입자(예를 들어, 미국 펜실베이니아주 킹 오브 프러시아 소재의 아르케마, 인코포레이티드(Arkema, Inc.)로부터 상표명 "오르가졸(Orgasol)"로 입수가능함)를 포함하는데, 이것은 중합체 결합제를 용해시키는 데 필요한 열 또는 탄화수소 희석제에 민감한 입자의 경우 가열 또는 건조 단계로부터의 기공 붕괴를 방지하기 위해 스페이서로서 사용되기 위함이다. 비작용성 입자는 전형적으로 유체 또는 가스 스트림 중 적어도 하나로부터 표적 모이어티를 제거하는 데 참여하지 않는다.
일부 실시 형태에서, 비작용성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 비작용성 입자는 중합체 매트릭스 복합재 내의 작용성 입자의 총 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 99, 10 내지 99, 5 내지 98, 10 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 존재한다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재로서의 중합체 매트릭스 복합재는 실시예에 기술된 "공기 유동 저항 시험"에 의해 측정될 때, 25℃에서의 공기 유동 저항이 300초/50 ㎤/500 μm 미만(일부 실시 형태에서, 250초/50 ㎤/500 μm, 200초/50 ㎤/500 μm, 100초/50 ㎤/500 μm, 50초/50 ㎤/500 μm, 25초/50 ㎤/500 μm, 20초/50 ㎤/500 μm, 15초/50 ㎤/500 μm, 10초/50 ㎤/500 μm 미만, 또는 심지어 5초/50 ㎤/500 μm 미만)이다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.1 g/㎤ 이상의 범위(일부 실시 형태에서, 0.15, 0.2, 0.25, 0.5 g/㎤ 이상, 또는 심지어 1 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 0.1 내지 2, 0.1 내지 1.5, 0.1 내지 1, 또는 심지어 0.1 내지 0.5 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 5 내지 90, 10 내지 90, 20 내지 80, 또는 심지어 30 내지 60%의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 표면적이 1 m2/g 이상(일부 실시 형태에서, 5, 10, 15, 20, 30, 40 m2/g 이상, 또는 심지어 50 m2/g 이상; 일부 실시 형태에서, 50 내지 500, 또는 심지어 200 내지 800 m2/g의 범위)이다. 더 큰 표면적의 이점은 증가된 결합 용량일 수 있다. 비교적 큰 이용가능한 표면적을 갖는 예시적인 입자에는 미국 특허 제7,582,684호(라스무센 등)에 보고된 것들이 포함되며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어, 필터 또는 정제 디바이스로서(예를 들어, 흡수제로서, 흡착제로서, 착화제로서, 효소 또는 다른 단백질 보유 지지체로서), 또는 크로마토그래피 물품으로서 유용하다. 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 특정 응용에 따라 재사용가능하거나 일회용일 수 있다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 작용성 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,041호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
유전체 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "유전체 입자"는 고유 상대 유전 상수가 1.2 내지 1800인 입자를 지칭한다.
일부 실시 형태에서, 유전체 입자는 (임의의 용매를 제외한) 유전체 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 5 내지 98 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 10 내지 98, 20 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 유전체 입자는 무기 입자, 또는 금속 및 금속 산화물로 코팅된(일부 실시 형태에서, 알루미늄 및 산화알루미늄으로 코팅된) 유리 미소구체 또는 버블을 포함한다. 예시적인 유전체 입자는 티탄산바륨, 알루미나, 티타니아, 또는 CaCu3Ti4O12 중 적어도 하나를 포함하는 무기(예를 들어, 세라믹) 유전체 입자를 포함한다.
유전체 입자의 예시적인 크기는 수십 nm 내지 수백 μm 크기의 범위이다. 유전체 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상 형상, 침상 형상, 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다. 입자는, 예를 들어 최적의 패킹 밀도를 가능하게 할 수 있는 멀티모달 크기 분포를 갖도록 혼합될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 유전체 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 10 nm 내지 120 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 50 nm 내지 100 nm, 15 μm 내지 125 μm, 또는 심지어 30 μm 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 유전체 입자는 바이모달 또는 트라이모달 분포를 갖는다. 입자의 멀티모달 분포는 더 높은 패킹 효율, 개선된 입자 대 입자 접촉을 가능하게 할 수 있다.
이론에 의해 구애되고자 하지는 않지만, 중합체 매트릭스의 상대 유전 상수에 대한 충전제의 영향은 혼합물 규칙(rule of mixtures)에 의해 예측될 수 있는 것으로 여겨진다(예를 들어, 문헌[Materials Science and Polymers for Engineers, Oswald et al., pp. 494-496, 2012] 참조).
여기서, ø는 매트릭스 내의 유전체 입자의 부피 분율이고, , , 및 는 각각 중합체 매트릭스 복합재, 중합체 매트릭스, 및 유전체 입자의 상대 유전 상수이다.
유전체 입자를 포함하는 제조된 그대로의(즉, 임의의 압축 또는 다른 형성후 치밀화 전의) 중합체 매트릭스 복합재는 전형적으로 밀도가 0.05 내지 6 g/㎤의 범위(일부 실시 형태에서, 0.05 내지 3, 0.05 내지 2.5, 0.05 내지 2, 0.05 내지 1, 또는 심지어 0.05 내지 0.2 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 유전체 입자를 포함하는 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 1 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 4 g/㎤ 이상, 또는 심지어 6 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 1 내지 6, 또는 심지어 4 내지 6 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 유전체 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85% 이상, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 25 내지 90%의 범위)이다.
유전체 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 전기장 절연체(electric field insulator)로서 유용하다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 유전체 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,045호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
지시제 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "지시제 입자"는 자극인자(예를 들어, 수분, pH, 단백질, 온도, 압력, 또는 가스)에 대한 노출 후 광학, 자외선(UV), 적외선(IR), 기계적, 화학적, 또는 전기적 특성 중 적어도 하나의 검출가능한 변화를 제공하는 입자를 지칭한다.
일부 실시 형태에서, 지시제 입자는 (임의의 용매를 제외한) 지시제 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 99, 10 내지 99, 5 내지 98, 10 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 지시제 입자는 색 변화 입자(예를 들어, 페놀프탈레인(pH 지시제)), 염(예를 들어, 염화코발트(수분 지시제), 황산구리II(단백질 지시제), 아세트산납(황화수소 가스 검출제)), 금속(예를 들어, 은(황화수소 가스 검출제)), 금속 코팅된 입자(예를 들어, 은 코팅된 입자(황화수소 가스 검출제)), 제올라이트, 및 활성탄(화학적 흡수에 후속되는 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 사용한 분석적 측정, 및 정량화를 위한 가스 크로마토그래피(GC))를 포함한다. 색 변화는 보통의 가시광선 조건 하에서 가시적일 수 있거나, 가시광선 조건 밖에서, 예를 들어, UV 조건 하에서 가시적일 수 있다. 예를 들어, 일부 색 변화 지시제는 UV 광 아래에서만 단지 가시적인 형광을 야기한다.
지시제 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수백 μm 크기의 범위이다. 지시제 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상 형상, 침상 형상, 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 지시제 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 100, 10 내지 50, 또는 심지어 20 내지 40 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 지시제 입자는 상이한(즉, 조성 또는 미세구조, 또는 입자 크기가 상이한) 제1 및 제2 지시제 입자를 포함한다. 응용에 대한 더 넓은 검출 범위를 가능하게 하기 위하여 상이한 지시제 입자들이 요구될 수 있다(예를 들어, 상이한 pH 범위에 기초하여 상이한 색 반응을 갖는 것이 바람직한 경우의 pH 측정). 일부 실시 형태에서, 지시제는 다수의 분석물로부터의 노출에 반응하는 것이 바람직하다(예를 들어, 호흡기 카트리지용 사용 수명 종료 지시제로서 사용하기 위한 유기 증기 및 산성 가스).
일부 실시 형태에서, 제1 지시제 입자는 색 변화 입자(예를 들어, 페놀프탈레인(pH 지시제)), 염(예를 들어, 염화코발트(수분 지시제), 황산구리II(단백질 지시제)), 아세트산납(황화수소 가스 검출제), 금속(예를 들어, 은(황화수소 가스 검출제)), 금속 코팅된 입자(예를 들어, 은 코팅된 입자(황화수소 가스 검출제)), 제올라이트, 및 활성탄(화학적 흡수)을 포함하고, 제2 지시제 입자는 색 변화 입자(예를 들어, 페놀프탈레인(pH 지시제)), 염(예를 들어, 염화코발트(수분 지시제), 황산구리II(단백질 지시제)), 금속(예를 들어, 은(황화수소 가스 검출제)), 금속 코팅된 입자(예를 들어, 은 코팅된 입자(황화수소 가스 검출제), 제올라이트, 및 활성탄(화학적 흡수))를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제1 지시제 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 100, 10 내지 50, 또는 심지어 20 내지 40 μm의 범위)이고, 제2 지시제 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 100, 10 내지 50, 또는 심지어 20 내지 40 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 제1 지시제 입자는, 제1 지시제 입자와 제2 지시제 입자의 총 중량을 기준으로, 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 99, 10 내지 99, 5 내지 98, 10 내지 98, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 90 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 존재하고, 제2 지시제 입자는 99 내지 1 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 95 내지 1, 90 내지 1, 95 내지 2, 90 내지 2, 75 내지 2, 50 내지 2, 40 내지 2, 30 내지 2, 20 내지 2, 10 내지 2, 7 내지 2, 또는 심지어 5 내지 2 중량%의 범위)로 존재한다.
일부 실시 형태에서, 지시제 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 비지시제 입자를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 비지시제 입자는 노출 후에 검출가능한 변화를 제공하지 않는 무기 또는 유기 재료 중 적어도 하나를 포함한다. 비지시제 입자는 가열 또는 건조 단계로부터의 기공 붕괴를 방지하기 위해 스페이서로서 사용될 수 있다. 이들은 또한 지시제 입자의 반응을 희석시키는 데 사용될 수 있다. 이들은 또한 형성 동안 점도를 증가시키도록 증점제로서 작용할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 비지시제 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.005 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 0.005 내지 500, 0.1 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 비지시제 입자는 중합체 매트릭스 복합재의 총 중량을 기준으로 1 내지 99 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 90, 1 내지 50, 1 내지 20, 또는 심지어 1 내지 10 범위)의 중량 분율로 존재한다.
지시제 입자를 포함하는 제조된 그대로의(즉, 임의의 압축 또는 다른 형성후 치밀화 전의) 중합체 매트릭스 복합재는 전형적으로 밀도가 0.05 내지 4 g/㎤의 범위(일부 실시 형태에서, 0.05 내지 3, 0.05 내지 2.5, 0.05 내지 2, 0.05 내지 1, 또는 심지어 0.05 내지 0.2 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 지시제 입자를 포함하는 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 1 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 4 g/㎤ 이상, 또는 심지어 6 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 1 내지 6, 또는 심지어 4 내지 6 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 지시제 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85% 이상, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 25 내지 90%의 범위)이다.
지시제 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 센서(예를 들어, 호흡기 카트리지용 사용 수명 종료 지시제, 단백질 검출 센서, pH 측정 센서, 압력 감지 센서, 또는 수분 센서)로서 유용하다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 지시제 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,046호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
극성 용매 가용성 입자 및 극성 용매 팽윤성 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "가용성 입자"는 물 중에 완전히 가용성이거나 적어도 하이드로겔을 형성하는 입자를 지칭한다. 가용성 입자는 또한 물 중에 단지 부분적으로만 가용성일 수 있다(즉, 20℃의 물 중에 75 중량% 이상으로 가용성일 수 있다). 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "팽윤성 입자"는 물에 노출될 때 가교결합되거나 하이드로겔을 형성하는 입자를 지칭한다. 예를 들어, 탈이온수 및 증류수 중에서, 팽윤성 입자는 그의 중량의 최대 300배(그 자체의 부피의 30 내지 60배)를 흡수할 수 있고, 최대 99.9%의 액체가 될 수 있다. 이온성 용액에서는, 흡수율이 떨어져서 그의 중량의 대략 50배가 될 수 있다. 총 흡수율 및 팽윤 용량은 겔을 제조하는 데 사용되는 가교결합제의 유형 및 정도에 의해 제어된다. 저밀도의 가교결합된 팽윤성 입자는 일반적으로 더 높은 흡수 용량을 가지며 더 큰 정도로 팽윤된다. 고밀도의 가교결합된 팽윤성 중합체 입자는 더 낮은 흡수 용량을 나타내고 덜 팽윤되지만, 입자 겔 강도는 더 단단하며, 심지어 중간 정도의 압력 하에서도 입자 형상을 유지할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 일부 입자는 가용성이 아닐 수 있지만, 온도 또는 pH의 변화에 따라 가용성으로 될 수 있다. 중합체 매트릭스 복합재 내의 일부 입자는 또한 이온성 복분해 반응, 화학 반응 또는 계면활성제와의 접촉으로부터 용해도를 변화시킬 수 있다.
일부 실시 형태에서, 나노입자를 함유하는 가용성 또는 팽윤성 입자로부터 나노입자가 방출될 수 있으며, 이는 나노입자 자체가 가용성이 아닐 수 있더라도 그러하다.
일부 실시 형태에서, 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나는 (임의의 용매를 제외한) 가용성 입자 또는 팽윤성 입자 중 적어도 하나와 중합체의 총 중량을 기준으로 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 가용성 입자는 수용성 수지, 염, 무기 및 유기 재료를 포함한다. 예시적인 가용성 입자는 아미노산, 단백질, 염, 탄수화물, 수용성 중합체, 의약품, 방향제, 염료, 비타민, 비료, 살충제, 세제, 윤활제, 흡수제(예를 들어, 초흡수제), 하이드로겔, 응고제, 소독제, 플록화제(flocculant), 부식 억제제, 영양소, 산, 또는 염기 중 적어도 하나를 포함한다.
예시적인 극성 용매 팽윤성 입자는 다양한 가교결합 밀도를 갖는 흡수성 및 초흡수성 중합체, 및 염을 포함한다. 예시적인 극성 용매 팽윤성 입자는 폴리아크릴로니트릴, 폴리(아크릴산), 부분 나트륨 염-그래프트-폴리(에틸렌 옥사이드)의 전분 그래프팅된 공중합체, 폴리아크릴아미드 공중합체, 에틸렌 말레산 무수물 공중합체, 가교결합된 카르복시메틸셀룰로스, 폴리비닐 알코올 공중합체, 가교결합된 폴리에틸렌 옥사이드를 포함한다.
가용성 입자 또는 팽윤성 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수백 μm 크기의 범위이다. 가용성 입자 또는 팽윤성 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상 형상, 침상 형상, 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 가용성 입자 또는 팽윤성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 가용성 입자 또는 팽윤성 입자 중 적어도 하나는 상이한 유형(예를 들어, 가용성 염 및 팽윤성 하이드로겔)의 제1 및 제2 입자를 포함한다. 하나 초과의 유형의 입자를 갖는 것이 유리할 수 있는데, 예를 들어 밴디지(bandage)의 경우, 체액을 흡수하기 위한 팽윤성 하이드로겔 입자 및 상처를 멸균하기 위한 제2 가용성 입자, 예컨대 소독제를 가질 것이 요망될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제1 가용성 입자는 아미노산, 단백질, 염, 탄수화물, 수용성 중합체, 의약품, 방향제, 염료, 비타민, 비료, 살충제, 세제, 윤활제, 흡수제, 응고제, 플록화제, 부식 억제제, 영양소, 산, 또는 염기 중 적어도 하나를 포함하고, 상이한 제2 가용성 입자는 아미노산, 단백질, 염, 탄수화물, 수용성 중합체, 의약품, 방향제, 염료, 비타민, 비료, 살충제, 세제, 윤활제, 흡수제, 응고제, 플록화제, 부식 억제제, 영양소, 산, 또는 염기 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제1 팽윤성 입자는 흡수제(예를 들어, 초흡수제) 또는 하이드로겔 중 적어도 하나를 포함하고, 상이한 제2 팽윤성 입자는 흡수제(예를 들어, 초흡수제) 또는 하이드로겔 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제1 가용성 입자는 아미노산, 단백질, 염, 탄수화물, 수용성 중합체, 의약품, 방향제, 염료, 비타민, 비료, 살충제, 세제, 윤활제, 흡수제, 응고제, 플록화제, 부식 억제제, 영양소, 산, 또는 염기 중 적어도 하나를 포함하고, 제2 팽윤성 입자는 흡수제(예를 들어, 초흡수제) 또는 하이드로겔 중 적어도 하나를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제1 가용성 입자 또는 팽윤성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이고, 제2 가용성 입자 또는 팽윤성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 제1 가용성 입자와 제2 가용성 입자의 총 중량을 기준으로, 제1 가용성 입자는 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 존재하고, 제2 가용성 입자는 1 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 60 내지 98, 70 내지 98, 80 내지 98, 93 내지 98, 또는 심지어 95 내지 98 중량%의 범위)로 존재한다.
일부 실시 형태에서, 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 불용성 및 비팽윤성 둘 모두인 입자를 추가로 포함한다. 일부 실시 형태에서, 불용성/비팽윤성 입자는 나노입자, 예를 들어 단백질, 생물학적 표지, 및 의약품 중 적어도 하나를 포함한다. 예를 들어, 작은 수불용성 입자를 더 큰 가용성 입자 내에 포획하여 전달 메커니즘으로서 작용하는 것이 바람직할 수 있다. 가용성 입자가 용해됨에 따라, 그것은 불용성 나노입자를 방출할 것이다.
일부 실시 형태에서, 불용성/비팽윤성 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 0.1 내지 5000 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 500, 1 내지 120, 40 내지 200, 또는 심지어 5 내지 60 μm의 범위)이다. 다공성 입자는, 예를 들어 중공 형상, 응집된 형상, 관형 형상, 및 봉형을 비롯한 다양한 형상들 중 임의의 것일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 다공성 입자는 메소다공성 내지 거대다공성의 범위의 기공을 가지며, 표면적이 1 m2/g 이상이다.
극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 제조된 그대로의(즉, 임의의 압축 또는 다른 형성후 치밀화 전의) 중합체 매트릭스 복합재는 전형적으로 밀도가 0.5 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0 g/㎤ 이상, 또는 심지어 4 g/㎤ 이상; 일부 실시 형태에서, 0.5 내지 4, 0.5 내지 3, 0.5 내지 2, 또는 심지어 0.5 내지 1.0 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85% 이상, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 25 내지 90%의 범위)이다.
극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 전달 디바이스에서 유용하며, 상기 전달 디바이스는 상기 중합체 매트릭스 복합재를 포함하고, 상기 중합체 매트릭스 복합재에서, 가용성 입자 또는 팽윤성 입자 중 적어도 하나는 작용제 물질(예를 들어, 활성제 또는 방출제(또는 방출성 작용제) 중 적어도 하나), 예컨대 아미노산, 단백질, 염, 탄수화물, 수용성 중합체, 의약품, 방향제, 염료, 비타민, 비료, 살충제, 세제, 계면활성제, 윤활제, 흡수제(예를 들어, 초흡수제), 하이드로겔, 응고제, 플록화제, 부식 억제제, 영양소, 산, 염기, 소독제, 지시제 마커, 또는 미생물 성장 배지로서의 역할을 하는 것 중 적어도 하나를 포함한다. 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 독립형 매체로서 사용되기에 충분히 다목적이거나 디바이스 내로 끼워진다.
특히, 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 하나 초과의 기능(예를 들어, 분석물, 영양소, 지시제, 또는 세포 배양물의 성장을 위한 구조물)이 다공성 막 층에 존재할 수 있다. 더욱이, 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 실시 형태는 체액을 흡수하고 상처 드레싱에 사용하기 위한 소독제와 같은 성분을 방출할 수 있다. 예를 들어 중합체 매트릭스 복합재 내에 매설되는, 75% 질산은 및 25% 질산칼륨의 조합된 입자는, 출혈 상처와 접촉 시에 조직을 소작시키고 세균을 파괴하는 화학 반응을 야기할 것이다.
극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재 내의 질산은 입자에 대한 다른 용도는 할라이드를 추출하기 위해 일반적으로 사용되는 이온을 도입하는 것을 포함한다:
Ag+ (aq) +X-(aq) → AgX(s)
(여기서, X-는 Cl-, Br- 또는 I-임).
침전물의 색상은 할라이드에 따라 달라진다: 백색(염화은), 담황색/크림색(브롬화은), 황색(요오드화은).
고분자량 등급의 수용성 수지(예컨대, 미국 미시간주 미들랜드 소재의 다우 케미칼 컴퍼니(Dow Chemical Company)로부터 상표명 "유카르플록(UCARFLOC)" 또는 "폴리옥스(POLYOX)"로 입수가능한 것)로부터 제조된 중합체 매트릭스 복합재는 많은 콜로이드성 물질 상에 효과적으로 흡착되어 효율적인 플록화제로서 작용할 수 있다. 입자는 실리카, 점토, 산화된 석탄 미세분, 리그닌, 및 종이 미세분을 포함한 다양한 물질에 대해 높은 친화성을 나타낼 수 있다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 극성 용매 가용성 입자 또는 극성 용매 팽윤성 입자 중 적어도 하나를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,048호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
흡열 입자
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "흡열 입자"는 결합수(bound water)를 포함하는 입자를 지칭하며, 여기서 결합수는 90℃ 이상의 온도에서 탈착된다.
일부 실시 형태에서, 흡열 입자는 (임의의 용매를 제외한) 흡열 입자와 중합체의 총 중량을 기준으로 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 15 내지 99, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 흡열 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재 내에 존재한다.
예시적인 흡열 입자는 가열 시에 고체상 및 기체상 둘 모두로 전이되는 고체상을 포함하는 흡열 재료를 포함하며, 이는 열의 흡수를 야기한다. 일부 실시 형태에서, 입자는 흡수 동안 분해된다. "흡열 재료"는, 전형적으로 수화수를 방출함으로써, 열을 흡수하는 상변화(즉, 액체에서 기체로)를 진행함으로써, 또는 열의 순(net) 흡수가 일어나는 것이 반응에 필요한 다른 화학적 변화에 의해 열을 흡수하는 화합물을 지칭한다. 전형적으로, 흡열 입자는 흡열이 200 J/g 이상이다. 예시적인 흡열 입자는 중탄산나트륨, 황산칼슘 2수화물, 알루미늄 3수화물, 황산마그네슘 8수화물, 옥살산암모늄, 또는 규산나트륨 중 적어도 하나를 포함한다.
흡열 입자의 예시적인 크기는 수백 nm 내지 수백 μm 크기의 범위이다. 흡열 입자의 예시적인 형상에는 불규칙적인 형상, 판상 형상, 침상 형상, 구형 형상뿐만 아니라, 응집된 형태가 포함된다. 응집체는 크기가, 예를 들어 수 μm 내지 수 mm의 범위일 수 있다. 입자는, 예를 들어 최적의 패킹 밀도를 가능하게 할 수 있는 멀티모달 크기 분포를 갖도록 혼합될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 흡열 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 300 nm 내지 700 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 내지 300, 5 내지 150, 또는 심지어 1 내지 300 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 흡열 입자는 상이한(즉, 조성 또는 미세구조, 또는 입자 크기가 상이한) 제1 및 제2 흡열 입자를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 제1 흡열 입자는 중탄산나트륨, 황산칼슘 2수화물, 알루미늄 3수화물, 황산마그네슘 8수화물, 옥살산암모늄, 또는 규산나트륨을 포함하고, 제2 흡열 입자는 중탄산나트륨, 황산칼슘 2수화물, 알루미늄 3수화물, 황산마그네슘 8수화물, 옥살산암모늄, 또는 규산나트륨을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 제1 흡열 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 300 nm 내지 700 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 μm 내지 300 μm, 5 μm 내지 150 μm, 또는 심지어 1 μm 내지 300 μm의 범위)이고 제2 흡열 입자는 평균 입자 크기(최장 치수의 평균 길이)가 300 nm 내지 700 μm의 범위(일부 실시 형태에서, 5 μm 내지 300 μm, 5 μm 내지 150 μm, 또는 심지어 1 μm 내지 300 μm의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 흡열 입자는, 제1 흡열 입자와 제2 흡열 입자의 총 중량을 기준으로, 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 존재하고, 제2 흡열 입자는 15 내지 99 중량%의 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 중량%의 범위)로 존재한다.
제조된 그대로의(즉, 임의의 압축 전의) 흡열 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 전형적으로 밀도가 0.3 g/㎤ 이상(일부 실시 형태에서, 0.3 내지 2, 0.3 내지 1.5, 또는 심지어 0.3 내지 1 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.3 내지 2.5, 또는 심지어 1.5 내지 4 g/㎤이다.
일부 실시 형태에서, 흡열 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85% 이상, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 25 내지 90%의 범위)이다.
흡열 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재는, 예를 들어 충전재, 열 에너지 흡수재, 및 수동 배터리 안전 구성요소로서 유용하다. 본 명세서에 기술된 공정에 의해 제조된 흡열 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재에 대한 추가의 상세사항에 대해서는 또한 2017년 11월 16일자로 출원된 공계류 중인 미국 가특허 출원 제62/587,054호를 참조하며, 이의 개시 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
일부 실시 형태에서, 중합체 매트릭스 복합재에 의해 흡수되는 에너지는 중합체 매트릭스 복합재를 압축하여 중합체 매트릭스 복합재의 밀도를 증가시킴으로써 개선된다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 방법은 용매로부터의 열가소성 중합체의 상분리를 유도하는 단계 후에, 용매의 적어도 일부분(일부 실시 형태에서, 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99, 99.5 중량% 이상, 또는 심지어 100 중량%의 용매)을 형성된 물품으로부터 제거하는 단계를 추가로 포함한다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 용매가 제거되며, 형성된 물품은 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 용매를 제거하기 전에 제1 부피를 갖고, 형성된 물품은 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 용매를 제거한 후에 제2 부피를 가지며, 제1 부피와 제2 부피 사이의 차이(즉, (제1 부피에서 제2 부피를 뺀 것)을 제1 부피로 나누고 100을 곱한 것)는 10% 미만(일부 실시 형태에서, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.75, 0.5% 미만, 또는 심지어 0.3% 미만)이다. 휘발성 용매는, 예를 들어, 중합체 매트릭스 복합재의 적어도 하나의 주 표면으로부터 용매가 증발되게 함으로써 중합체 매트릭스 복합재로부터 제거될 수 있다. 증발은, 예를 들어 열, 진공, 또는 공기 유동 중 적어도 하나를 추가함으로써 보조될 수 있다. 가연성 용매의 증발은 용매-등급 오븐(solvent-rated oven) 내에서 달성될 수 있다. 그러나, 제1 용매가 낮은 증기압을 갖는 경우, 더 높은 증기압의 제2 용매를 사용하여 제1 용매를 추출한 후에, 제2 용매를 증발시킬 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 광유가 제1 용매로서 사용되는 경우, 승온(예를 들어, 약 60℃)의 아이소프로판올, 또는 메틸 노나플루오로부틸 에테르(C4F9OCH3), 에틸노나플루오로부틸 에테르(C4F9OC2H5), 및 트랜스-1,2-다이클로로에틸렌의 블렌드(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "노벡 72DE"로 입수가능함)를 제2 용매로서 사용하여 제1 용매를 추출한 후에, 제2 용매를 증발시킬 수 있다. 일부 실시 형태에서, 식물유 또는 팜핵유 중 적어도 하나가 제1 용매로서 사용되는 경우, 승온(예를 들어, 약 60℃)의 아이소프로판올이 제2 용매로서 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 에틸렌 카르보네이트가 제1 용매로서 사용되는 경우, 물이 제2 용매로서 사용될 수 있다.
본 방법의 일부 실시 형태에서, 물품은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖고, 단부들이 제1 주 표면 및 제2 주 표면에 수직하고, 이들 단부는 용매 제거 동안 구속되지 않는다(즉, 추출 또는 연신 동안 구속이 필요 없음). 이는, 예를 들어, 오븐 내에서의 구속 없이 층의 일부분을 건조시킴으로써 행해질 수 있다. 연속 건조는, 예를 들어, 벨트가 오븐을 통해 이송될 때 벨트 상에 지지된 층의 일부분을 건조시킴으로써 달성될 수 있다. 대안적으로, 비휘발성 용매의 제거를 용이하게 하기 위하여, 예를 들어, 층의 일부분이 상용성 휘발성 용매의 조(bath)를 통해 연속적으로 이송되고, 이에 의해 용매를 교환하고 후속적으로 층이 구속 없이 건조될 수 있게 할 수 있다. 그러나, 모든 비휘발성 용매가 용매 교환 동안 층으로부터 제거될 필요는 없다. 소량의 비휘발성 용매가 남아서 중합체에 대한 가소제로서 작용할 수 있다.
본 방법의 일부 실시 형태에서, 용매 제거 후의 형성된 상분리된 물품은 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85% 이상, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 25 내지 90%의 범위)이다. 이러한 다공도는 용매로부터의 중합체의 상분리에 의해 야기되는데, 이는 중합체 매트릭스 복합재 내의 기공이 용매로 충전됨에 따라 초기에 비충전 공극을 남기지 않는다. 용매가 완전히 또는 부분적으로 제거된 후에, 또는 물품이 연신된 후에, 중합체 매트릭스 복합재 내의 공극 공간이 노출된다. 입자-대-입자 상호작용은 용매 건조 공정으로부터의 모세관-유도 음압으로 인한 다공성 중합체 매트릭스 복합재의 붕괴 또는 변형을 최소화할 수 있다.
본 방법의 일부 실시 형태에서, (심지어 용매로부터의 열가소성 중합체의 상분리를 유도한 후에도) 형성된 물품으로부터 용매가 제거되지 않는다. 이는, 예를 들어 비휘발성 용매(예를 들어, 광유 또는 왁스)를 사용하고 추출/증발 단계를 완료하지 않음으로써 달성될 수 있다. 용매 함유 복합재에 대해 비충전 다공도가 요구되는 경우, 이들은 선택적으로 중합체 및 용매 매트릭스 내의 기공을 개방하도록 연신될 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 상분리를 유도하는 단계는 열 유도 상분리를 포함한다. 열 유도 상분리(고체 액체 또는 액체 액체 중 어느 하나)의 경우에, 상분리는 블렌드를 그의 융점 미만으로 냉각시킴으로써 유도된다. 냉각은, 예를 들어 공기 중에서, 액체 중에서, 또는 고체 계면 상에서 제공될 수 있고, 상분리를 제어하도록 변화될 수 있다.
상분리를 유도한 후에, 형성된 중합체 네트워크 구조체는, 예를 들어 중합체 매트릭스 복합재의 공기 유동 저항을 조정하기 위해 연신 또는 압축될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 본 방법은 중합체 매트릭스 복합재를 연신하는 단계 또는 압축하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함한다. 중합체 매트릭스 복합재의 연신 또는 압축은 당업계에 공지된 통상적인 캘린더링 또는 텐터링 공정에 의해 달성될 수 있다.
네트워크 구조체가 적어도 압축력에 의해 소성 변형되는 일부 실시 형태에서, 압축력을 가하는 동안 진동 에너지가 부여될 수 있다. 이들 실시 형태 중 일부에서, 중합체 복합재는 무한 길이의 스트립의 형태이며, 스트립이 닙을 통과할 때 압축력을 가하는 단계가 수행된다. 그러한 닙을 통과하는 동안 인장 하중이 가해질 수 있다. 예를 들어, 닙은 2개의 롤러들 사이에 형성될 수 있으며, 이들 중 적어도 하나는 진동 에너지를 가하거나; 롤러와 바(bar) 사이에 형성될 수 있으며, 이들 중 적어도 하나는 진동 에너지를 가하거나; 또는 2개의 바 사이에 형성될 수 있으며, 이들 중 적어도 하나는 진동 에너지를 가한다. 압축력 및 진동 에너지를 가하는 것은 연속 롤-투-롤(roll-to-roll) 방식으로, 또는 스텝-앤드-리피트(step-and-repeat) 방식으로 달성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 압축력을 가하는 단계는, 예를 들어 플레이트와 압반(platen) 사이의 별개의 층 상에서 수행되며, 이들 중 적어도 하나는 진동 에너지를 가한다. 일부 실시 형태에서, 진동 에너지는 초음파 범위(예를 들어, 20 ㎑)이지만, 다른 범위가 적합한 것으로 간주된다. 네트워크 구조체를 소성 변형시키는 것에 관한 추가의 상세 사항에 대해서는 2018년 6월 21일자로 공개된 미국 특허 출원 공개 제2018/0174723호(아차리아(Acharya) 등)를 참조하며, 이의 개시 내용은 참고로 포함된다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 방법에 의해 제조된 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.05 내지 10 g/㎤의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 10, 0.5 내지 2, 또는 심지어 3 내지 6 g/㎤의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 방법에 의해 제조된 중합체 매트릭스 복합재로서의 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 20 내지 90%의 범위)이다.
일부 실시 형태에서, 중합체 매트릭스 복합재의 입자는 두께가 50 내지 7000 μm의 범위인 층의 형태이며, 여기서 두께는 층의 베이스로부터 연장되는 임의의 돌출부의 높이를 배제한다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 방법에 의해 제조된 중합체 매트릭스 복합재는 0.5 mm(일부 실시 형태에서, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 1 cm, 5 cm, 10 cm, 25 cm, 50 cm, 또는 심지어 1 m) 봉(rod) 둘레에 파단 없이 감길 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재는 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 평면 주 표면을 갖는다. 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재는 서로 반대편에 있는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 가지며, 제1 주 표면은 비평면이다(예를 들어, 만곡되거나, 또는 평면 표면이 개재되어 있지 않은 돌출부들임). 도 1을 참조하면, 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(100)는 서로 반대편에 있는 제1 주 표면 및 제2 주 표면(101, 102)을 갖는다. 제1 주 표면(101)은 비평면이다.
평면 및 비평면 주 표면은, 예를 들어, 슬러리를 패턴화된 기재(예를 들어, 라이너, 벨트, 주형, 또는 공구) 상에 코팅하여, 용매의 증발을 방지하고 가열에 의해 중합체를 활성화함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 구조체는 패턴화된 공구로 필름을 성형 또는 형상화함으로써 용매가 제거되기 전에 및/또는 제거된 후에 상분리가 일어난 후에 형성될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재는 제1 주 표면으로부터 외향으로 연장되는 제1 돌출부, 및 일부 실시 형태에서, 제2 주 표면으로부터 외향으로 연장되는 제2 돌출부를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 제1 돌출부는 제1 주 표면과 일체형이고, 일부 실시 형태에서, 제2 돌출부는 제2 주 표면과 일체형이다. 예시적인 돌출부는 포스트(post), 레일, 후크, 피라미드, 연속 레일, 연속 다방향 레일, 반구, 원통, 또는 다엽형(multi-lobed) 원통 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 돌출부는 원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 오각형, 다른 다각형, 사인곡선형(sinusoidal), 헤링본(herringbone), 또는 다엽형 중 적어도 하나의 단면을 갖는다. 도 2를 참조하면, 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(200)는 제1 주 표면(201)으로부터 외향으로 연장되는 제1 돌출부(205) 및 제2 주 표면(202)으로부터 외향으로 연장되는 제2 돌출부(206)를 갖는다.
돌출부는, 예를 들어, 슬러리를 패턴화된 기재(예를 들어, 라이너, 벨트, 주형, 또는 공구) 사이에 코팅하여, 용매의 증발을 방지하고 가열에 의해 중합체를 활성화함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 구조체는 패턴화된 공구들 사이에서 필름을 성형 또는 형상화함으로써 용매가 제거되기 전에 및/또는 제거된 후에 상분리가 일어난 후에 형성될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재는 제1 주 표면 내로 연장되는 제1 함몰부, 및 일부 실시 형태에서, 제2 주 표면 내로 연장되는 제2 함몰부를 갖는다. 예시적인 함몰부는 홈, 슬롯, 또는 역 피라미드, 구멍(관통 구멍 또는 블라인드 구멍을 포함함), 또는 딤플 중 적어도 하나를 포함한다. 도 3을 참조하면, 본 명세서에 기술된 예시적인 중합체 매트릭스 복합재(300)는 제1 주 표면(301) 내로 연장되는 제1 함몰부(307) 및 제2 주 표면(302) 내로 연장되는 제2 함몰부(308)를 갖는다.
함몰부는, 예를 들어, 슬러리를 패턴화된 기재(예를 들어, 라이너, 벨트, 주형, 또는 공구) 사이에 코팅하여, 용매의 증발을 방지하고 가열에 의해 중합체를 활성화함으로써 제공될 수 있다. 대안적으로, 예를 들어, 구조체는 패턴화된 공구들 사이에서 필름을 성형 또는 형상화함으로써 용매가 제거되기 전에 및/또는 제거된 후에 상분리가 일어난 후에 형성될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기술된 중합체 매트릭스 복합재는 (예를 들어, 중합체 매트릭스 복합재에 부착된, 그 내부에 부분적으로 있는, 및/또는 그 내부에 있는) 보강재를 추가로 포함한다. 예시적인 보강재에는 섬유, 스트랜드, 부직물, 직조 재료, 천, 메시, 및 필름이 포함된다. 보강재는, 예를 들어 열적으로, 접착제로, 또는 초음파로 중합체 매트릭스 복합재에 라미네이팅될 수 있다. 보강재는, 예를 들어 코팅 공정 동안 중합체 매트릭스 복합재 내에 매립될 수 있다. 보강재는, 예를 들어, 복합재의 주 표면들 사이에, 하나의 주 표면 상에, 또는 둘 모두의 표면 상에 있을 수 있다. 한 가지 초과의 유형의 보강재가 사용될 수 있다.
본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 다공성 중합체 네트워크 구조체는 혼화성 열가소성 중합체-용매 용액의 유도된 상분리에 의해 생성된다. 본 명세서에 기술된 방법의 일부 실시 형태에서, 유도된 상분리는 열 유도 상분리이다.
예시적인 실시 형태
1. 다공성 중합체 네트워크 구조체; 및 상기 중합체 네트워크 구조체 내에 분포된 복수의 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법으로서,
열가소성 중합체, 용매, 및 복수의 열전도성 입자를 조합(예를 들어, 혼합 또는 블렌딩)하여 슬러리를 제공하는 단계;
슬러리를 물품(예를 들어, 층)으로 형성하는 단계;
물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상(일부 실시 형태에서, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99 중량% 이상, 또는 심지어 99.5 중량% 이상)의 용매를 물품 내에 유지하고 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로 50% 이상(일부 실시 형태에서, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99% 이상, 또는 심지어 100%)을 가용화하는 환경에서 물품을 가열하는 단계; 및
용매로부터 열가소성 중합체의 상분리를 유도하여 중합체 매트릭스 복합재를 제공하는 단계
를 포함하는, 방법.
2. 용매로부터의 열가소성 중합체의 상분리를 유도하는 단계 후에, 용매의 적어도 일부분(일부 실시 형태에서, 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, 99, 99.5 중량% 이상, 또는 심지어 100 중량%의 용매)을 형성된 물품으로부터 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 예시적인 실시 형태 1의 방법.
3. 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 용매가 제거되며, 형성된 물품은 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 용매를 제거하기 전에 제1 부피를 갖고, 형성된 물품은 형성된 물품 내의 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 용매를 제거한 후에 제2 부피를 가지며, 제1 부피와 제2 부피 사이의 차이(즉, (제1 부피에서 제2 부피를 뺀 것)을 제1 부피로 나누고 100을 곱한 것)는 10% 미만(일부 실시 형태에서, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.75, 0.5% 미만, 또는 심지어 0.3% 미만)인, 예시적인 실시 형태 2의 방법.
4. 물품은 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 갖고 단부들이 제1 주 표면 및 제2 주 표면에 수직하고, 이들 단부는 용매 제거 동안 구속되지 않는, 예시적인 실시 형태 3의 방법.
5. 용매 제거 후의 형성된 상분리된 물품은 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85% 이상, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 25 내지 90%의 범위)인, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
6. (심지어 용매로부터의 열가소성 중합체의 상분리를 유도한 후에도) 형성된 물품으로부터 용매가 제거되지 않는, 예시적인 실시 형태 1의 방법.
7. 상분리를 유도하는 단계는 열 유도 상분리를 포함하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
8. 슬러리 내의 중합체는 융점을 갖고, 용매는 비점을 가지며, 조합하는 단계는 슬러리 내의 중합체의 융점 미만 및 용매의 비점 미만에서 수행되는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
9. 슬러리 내의 중합체는 융점을 갖고, 상분리를 유도하는 단계는 슬러리 내의 중합체의 융점 미만에서 수행되는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
10. 중합체 매트릭스 복합재를 연신하는 단계 또는 압축하는 단계 중 적어도 하나를 추가로 포함하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
11. 중합체 매트릭스 복합재에 압축력을 가하는 단계와 동시에 진동 에너지를 가하는 단계를 추가로 포함하는, 예시적인 실시 형태 1 내지 예시적인 실시 형태 9 중 임의의 예시적인 실시 형태의 방법.
12. 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.05 내지 10 g/㎤의 범위(일부 실시 형태에서, 1 내지 10, 0.5 내지 2, 또는 심지어 3 내지 6 g/㎤의 범위)인, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
13. 중합체 매트릭스 복합재는 다공도가 5% 이상(일부 실시 형태에서, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 또는 심지어 90% 이상; 일부 실시 형태에서, 20 내지 90%의 범위)인, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
14. 입자는 음향 활성 입자인, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
15. 음향 활성 입자는 음향 활성 금속 산화물 입자를 포함하는, 예시적인 실시 형태 14의 방법.
16. 입자는 연자성 입자인, 예시적인 실시 형태 1 내지 예시적인 실시 형태 13의 방법.
17. 다공성 중합체 네트워크 구조체는 폴리아크릴로니트릴, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리카르보네이트, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리올레핀, 스티렌 또는 스티렌계 랜덤 및 블록 공중합체, 염소화 중합체, 플루오르화 중합체, 또는 에틸렌과 클로로트라이플루오로에틸렌의 공중합체 중 적어도 하나를 포함하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
18. 다공성 중합체 네트워크 구조체는 복수의 상호연결된 모폴로지(예를 들어, 피브릴, 노듈, 노드, 개방 셀, 폐쇄 셀, 리피 레이스, 스트랜드, 노드, 구체, 또는 허니콤 중 적어도 하나)를 포함하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
19. 다공성 중합체 네트워크 구조체는 수평균 분자량이 5 × 104 내지 1 × 107 g/몰의 범위(일부 실시 형태에서, 1 × 106 내지 8 × 106, 2 × 106 내지 6 × 106, 또는 심지어 3 × 106 내지 5 × 106 g/몰의 범위)인 중합체를 포함하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
20. 중합체 매트릭스 복합재는 두께가 50 내지 7000 μm의 범위인 층의 형태인, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
21. 다공성 중합체 네트워크 구조체는 혼화성 열가소성 중합체-용매 용액의 유도된 상분리에 의해 생성되는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
22. 유도된 상분리는 열 유도 상분리인, 예시적인 실시 형태 21의 방법.
23. 입자는 중합체 매트릭스 복합재의 총 중량을 기준으로 15 내지 99 범위(일부 실시 형태에서, 25 내지 98, 50 내지 98, 75 내지 98, 또는 심지어 93 내지 97 범위)의 중량 분율로 존재하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
24. 중합체 매트릭스 복합재는 서로 반대편에 있는 제1 및 제2 평면 주 표면을 갖는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
25. 중합체 매트릭스 복합재는 서로 반대편에 있는 제1 주 표면 및 제2 주 표면을 가지며, 제1 주 표면은 비평면인(예를 들어, 만곡되거나, 또는 평면 표면이 개재되어 있지 않은 돌출부들인), 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
26. 제1 주 표면은 제1 주 표면으로부터 외향으로 연장되는 제1 돌출부를 갖는, 예시적인 실시 형태 24 또는 예시적인 실시 형태 25의 방법. 일부 실시 형태에서, 돌출부는 제1 주 표면과 일체형이다.
27. 제1 돌출부는 포스트, 레일, 후크, 피라미드, 연속 레일, 연속 다방향 레일, 반구, 원통, 또는 다엽형 원통 중 적어도 하나인, 예시적인 실시 형태 26의 방법.
28. 제1 주 표면은 제1 주 표면 내로 연장되는 제1 함몰부를 갖는, 예시적인 실시 형태 24 내지 예시적인 실시 형태 27 중 임의의 예시적인 실시 형태의 방법.
29. 제1 함몰부는 홈, 슬롯, 역 피라미드, 구멍(관통 구멍 또는 블라인드 구멍을 포함함), 또는 딤플 중 적어도 하나인, 예시적인 실시 형태 28의 방법.
30. 제2 주 표면은 제2 주 표면으로부터 외향으로 연장되는 제2 돌출부를 갖는, 예시적인 실시 형태 26 내지 예시적인 실시 형태 29 중 임의의 예시적인 실시 형태의 방법.
31. 제2 돌출부는 포스트, 레일, 후크, 피라미드, 연속 레일, 연속 다방향 레일, 반구, 원통, 또는 다엽형 원통 중 적어도 하나인, 예시적인 실시 형태 30의 방법.
32. 제2 주 표면은 제2 주 표면 내로 연장되는 제2 함몰부를 갖는, 예시적인 실시 형태 26 내지 예시적인 실시 형태 31 중 임의의 예시적인 실시 형태의 방법.
33. 제2 함몰부는 홈, 슬롯, 역 피라미드, 구멍(관통 구멍 또는 블라인드 구멍을 포함함), 또는 딤플 중 적어도 하나인, 예시적인 실시 형태 32의 방법.
34. 중합체 매트릭스 복합재는 0.5 mm(일부 실시 형태에서, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 1 cm, 5 cm, 10 cm, 25 cm, 50 cm, 또는 심지어 1 m) 봉 둘레에 파단 없이 감길 수 있는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
35. 중합체 매트릭스 복합재는 점도 조절제(예를 들어, 건식 실리카, 블록 공중합체, 및 왁스), 가소제, 열 안정제(예를 들어, 독일 루트비히스하펜 소재의 바스프로부터 상표명 "이르가녹스 1010"으로 입수가능함), 항미생물제(예를 들어, 은 및 4차 암모늄), 난연제, 산화방지제, 염료, 안료, 또는 자외선(UV) 안정제 중 적어도 하나를 포함하는, 임의의 선행하는 예시적인 실시 형태의 방법.
본 발명의 이점 및 실시 형태가 하기 실시예에 의해 추가로 예시되지만, 이들 실시예에 언급된 특정 재료 및 그의 양뿐만 아니라 다른 조건 및 상세 사항은 본 발명을 부당하게 제한하도록 해석되어서는 안 된다. 모든 부 및 백분율은 달리 지시되지 않는 한 중량 기준이다.
실시예
시험 방법
임피던스 시험 방법
0.93 ㎤ 공동에 연결된 놀즈 일렉트로닉스(Knowles Electronics) 2403-260-00001 11 × 15 × 3.5 mm 스피커(미국 일리노이주 이타스카 소재의 놀즈 일렉트로닉스로부터 입수함)의 공진 주파수를 문헌[Small, R.H., "Closed-Box Loudspeaker Systems", J. Audio Eng. Soc., vol. 20, pp. 798-808 (Dec. 1972)]에 기재된 바와 같은 표준 티엘레-스몰(Thiele-Small) 파라미터 분석을 사용하여 얻었다. 오디오 시험 시스템(미국 오하이오주 스프링보로 소재의 데이톤 오디오(Dayton Audio)로부터 상표명 "A DATS V2"로 입수함)을 스피커에 부착하고, 가청 범위의 주파수(즉, 20 내지 20,000 ㎐)의 함수로서 임피던스를 수집하도록 가동하였다. 공진 주파수는 임피던스가 피크에 도달한 시점에서의 주파수로서 확인되었다. 비충전된 0.93 ㎤의 공동과 접촉된 스피커에 대한 공진 주파수를 수집하고, 시험 재료로 충전된 공동에 의한 시스템 공진과 대비하였다. 빈 스피커 모듈의 공진 주파수에서 충전된 스피커 모듈의 공진 주파수를 차감함으로써 공진 주파수 편이(resonance frequency shift)를 계산하였다. 양의 값의 공진 주파수 편이는 공진 주파수의 감소(즉, 더 낮은 주파수로의 편이)를 지칭한다.
음압 레벨(SPL) 시험 방법
0.93 ㎤ 공동에 연결된 스피커(모델 2403-260-00001, 미국 일리노이주 이타스카 소재의 놀즈 일렉트로닉스로부터 입수함)를 구동함으로써 음압 레벨(SPL) 반응을 얻었다. 구동 전압은 약 400 ㎷rms였으며, 100 내지 3200 ㎐의 대역-제한 처프(band-limited chirp) 형태로 공급되었다. 전압 프로파일은 각각의 시험된 재료에 대해 동일하였으며, 저 노이즈/왜곡 오디오 증폭기(미국 텍사스주 오스틴 소재의 오디오엔진(Audioengine)으로부터 상표명 "오디오엔진(AUDIOENGINE)"(모델 N22)으로 입수함)로 증폭된, 내셔널 인스트루먼츠(National Instruments)로부터 상표명 "진보된 신호 처리 툴키트 시계열 분석(Advanced Signal Processing Toolkit Time-Series Analysis)"(모델 NI-USB-4431)로 입수한 모듈(24-비트 아날로그 I/O DAQ)에 기초한 절차를 사용하는, 미국 텍사스주 오스틴 소재의 내셔널 인스트루먼츠로부터 상표명 "랩뷰(LABVIEW) 2016"으로 입수한 소프트웨어를 사용하는 PC에 의해 생성하였다. 또한, 이 시스템을 사용하여, 고정물로부터 약 2.54 cm에 위치된 콘덴서 마이크로폰(모델 42AB; 미국 오하이오주 트윈스버그 소재의 지.알. 에이.에스. 사운드 앤드 바이브레이션(G.R.A.S. Sound & Vibration)으로부터 상표명 "G.R.A.S"로 입수함)으로부터의 SPL을 기록하였다. 시험 구성의 개략도가 도 38에 제공되어 있다. 먼저 빈 공동을 갖는 스피커 모듈에 대한 SPL 곡선을 수집하고, 이어서 공동을 시험 재료로 충전시킨 동일한 스피커 모듈에 대한 SPL 곡선을 수집함으로써 평균 SPL 개선을 계산하였다. 빈 스피커 모듈에 대해 획득된 SPL 곡선을 충전된 스피커 모듈에 대해 획득된 SPL 곡선에서 차감하고, 평균 SPL 차이를 300 내지 350 ㎐의 범위에 대해 계산하였다.
공기 유동 저항 시험
타이머(미국 뉴욕주 트로이 소재의 걸리 프리시젼 인스트루먼츠(Gurley Precision Instruments)로부터 모델 4320으로 입수함)가 구비된 덴소미터(densometer)(걸리 프리시젼 인스트루먼츠로부터 모델 4110으로 입수함)를 사용하여 공기 유동 저항을 측정하였다. 샘플을 시험기에 클램핑하였다. 타이머 및 포토 아이(photo eye)를 재설정하고 실린더를 해제하여, 공기가 4.88 인치(12.4 cm) H2O(1215 N/m2)의 일정한 힘으로 1 제곱인치(6.5 ㎠) 원을 통과하게 하였다. 50 ㎤의 공기를 통과시키기까지의 시간을 기록하였다. 일부 경우에는, 공기 유동 저항을 필름 두께(단위: μm)로 나누고 500 μm를 곱함으로써 500 μm 두께 필름의 공기 유동 저항에 대한 것으로 정규화하였다. 필름 두께는 하기에서 섹션 "밀도 및 다공도에 대한 방법"에 기재된 바와 같이 측정하였다.
기포점 압력 시험
기포점 압력은 다공성 막에서 최대 기공을 특성화하기 위해 일반적으로 사용되는 기술이다. 직경이 47 mm인 디스크를 절단하고 샘플을 광유에 담가서 샘플 내의 기공을 완전히 채우고 습윤시켰다. 이어서, 습윤된 샘플을 홀더 내에 넣었다(47 mm; 미국 뉴욕주 포트 워싱턴 소재의 폴 코포레이션(Pall Corporation)으로부터의 스테인리스 홀더 파트# 2220). 압력 제어기를 사용하여 샘플의 상부에서 압력을 서서히 증가시켰고, 가스 유량계를 사용하여 하부에서 가스 유동을 측정하였다. 기준선 유량으로부터의 유동의 상당한 증가가 있을 때 압력을 기록하였다. 이는 기포점 압력 파운드/제곱인치(psi)(센티미터(cm) 수은, 즉 cmHg 또는 파스칼, 즉 Pa)로서 보고하였다. 이러한 기술은, 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 ASTM F316-03 (2006), "기포점 및 평균 유동 기공 시험에 의한 막 필터의 기공 크기 특성에 대한 표준 시험 방법"(Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test)에 대한 변형이며, 기포점 압력에 도달한 때를 정량화하기 위해 자동화된 압력 제어기 및 유량계를 포함한다. 하기 식을 사용하여 ASTM에 따라 기공 크기를 계산하였다:
한계 기공 직경(μm) = (dyn/cm 단위의 표면 장력 * 0.415) / (psi 단위의 압력).
압력이 psi 단위이기 때문에 0.415의 계수가 포함되었다. 광유의 경우 34.7 dyn/cm의 표면 장력을 사용하였다.
밀도 및 다공도 시험
47 mm 직경의 디스크를 절단하고, 적합한 분해능(전형적으로 0.0001 그램(g))의 분석 저울에서 디스크를 칭량하고, 약 3초의 체류 시간 및 +/-0.0001 인치의 분해능으로, 7.3 psi(50.3 KPa)의 데드웨이트(dead weight)와 0.63 인치(1.6 cm) 직경의 플랫 앤빌(flat anvil)을 갖는 두께 게이지(미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재의 테스팅 머신즈, 인코포레이티드(Testing Machines, Inc.)로부터 모델 49-70으로 입수함)에서 디스크의 두께를 측정함으로써, 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 ASTM F-1315-17 (2017), "시트 개스킷 재료의 밀도에 대한 표준 시험 방법"(Standard Test Method for Density of a Sheet Gasket Material)과 유사한 방법을 사용하여 샘플의 밀도를 계산하였다. 이어서, 질량을, 샘플의 두께 및 직경으로부터 계산된 부피로 나누어서 밀도를 계산하였다. 중합체 매트릭스 복합재의 성분들의 공지된 밀도 및 중량 분율을 사용하여, 혼합물 규칙에 의해 중합체 매트릭스 복합재의 이론적 밀도를 계산하였다. 이론적 밀도 및 측정된 밀도를 사용하여, 다음과 같이 다공도를 계산하였다:
다공도 = [1 - (측정된 밀도/이론적 밀도)] × 100.
열전도도 시험
광 플래시 열물리적 특성 분석기(미국 매사추세츠주 보스턴 소재의 네츠쉬 인스트루먼츠 노스 아메리카 엘엘씨(Netzsch Instruments North America LLC)로부터 "하이퍼플래시(HYPERFLASH) LFA 467"로 입수함)를 사용하여, 개시 내용이 참고로 포함된, ASTM E1461(2013)에 따른 플래시 분석 방법을 사용하여 직접 열 확산율 측정을 실시한다. 각각의 샘플 세트는 참조 샘플(미국 텍사스주 디케이터 소재의 포코 그래파이트(Poco Graphite)로부터 상표명 "AXM-5 Q 포코 그래파이트(POCO GRAPHITE)"로 입수함)을 포함시켰으며, 이는 확산율 측정을 위한 방법 대조예로서 기능하였다. 시험되는 샘플에 대해 표면 확산율 및 흡수율을 정규화하기 위하여 광 충돌 면 및 검출 면 상에서 스프레이-온 흑연(sprayed-on graphite)(미국 오하이오주 클리브랜드 소재의 미라클 파워 프로덕츠 코포레이션(Miracle Power Products Corporation)으로부터 상표명 "DGF 123 건성 흑연 필름 스프레이(DRY GRAPHITE FILM SPRAY)"로 입수함)의 3 내지 5 μm 층으로 샘플을 코팅한다. "샷(shot)"으로 불리는 단회 측정에서, 광의 단시간 지속시간 펄스(제논 플래시 램프, 230 V, 15 마이크로초 지속시간)를 샘플의 한쪽 면 상에 충돌시키고, InSb IR 검출기 상에서의 전압에 의해 측정되는 바와 같이, 샘플의 반대쪽 면 상에서 온도기록도(thermogram)(측정 온도의 시간 궤적)를 기록하였다. 평면 통과 및 평면 내 이방성 + 평면 내 열손실에 대한 코완 플러스 펄스 보정(Cowan Plus Pulse Correction) 모델에 대한 온도기록도의 적합화(fit)로부터 확산율을 계산하고, 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 ASTM E1269 (2011) "준등온 변조 DSC(Quasi-Isothermal Moderated DSC)"에 따라 DSC 기기(미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재의 티에이 인스트루먼츠(TA Instruments)로부터 상표명 "Q2000 DSC"로 입수함)를 사용하여 시차 주사 열량측정법(DSC)에 의해 열용량을 계산하였다. DSC에 대한 참조물로서 사파이어를 사용하였다. 평면 통과 확산율은 유한 펄스 폭에 대한 추가의 보정과 함께 코완 방법을 사용하여 계산하였으며, 한편 평면 내 확산율은 소프트웨어(독일 셀브 소재의 네츠쉬로부터 상표명 "프로테우스(Proteus)"로 입수함)의 도움으로 등방성 모델을 사용하였다. 25℃에서 각각의 샘플에 대해 5개의 샷을 얻었다. 측정된 밀도(ρ)(2.54 cm(1 인치) 디스크로부터의 기하학적 값)와 (시차 주사 열량측정법에 의한) 비열용량(cP)과 확산율(α)의 곱은 열전도도를 제공하였다. 즉,
k (W/m/K) = ρ(g/㎤) × cP (J/K/g) × α (㎟/s).
전기 저항 시험
전도도계(미국 캘리포니아주 샌디에고 소재의 웨이브텍 코포레이션(WaveTek Corporation)으로부터 상표명 "웨이브텍(WAVETEK) DM25XT"로 입수함)를 사용하여 전기 저항을 측정하였다. 종이 시트 상에 놓고서 5초 동안 평형을 이루게 둔 27 mm 직경의 디스크의 에지 상에 전도도계의 프로브를 배치하였다. 얻어진 저항(옴)을 기록하였다.
열절연 시험
열류계(미국 델라웨어주 뉴캐슬 소재의 티에이 인스트루먼츠, 워터스 코포레이션(Waters Corporation)으로부터 상표명 "레이저콤프 폭스 50 열류계(LASERCOMP FOX 50 HEAT FLOW METER)"로 입수함)의 측정 챔버 내에 샘플을 넣었다. 이 기기는 샘플 챔버 내에 클램핑된 샘플 두께를 기록하였다. 70℃의 상부 플레이트 온도 및 50℃의 하부 플레이트 온도를 사용하여 평형 열류량 측정치를 얻었다. 이어서, 얻어진 평형 열전도도를 열류계 소프트웨어에 의해 계산하고 W/(m * K)로 보고하였다.
유전체 시험
샘플을 2개의 금 도금된 전극들 사이에 배치하였다. 양극은 2.54 cm(1 인치) 직경이었고, 접지 전극은 5.1 cm(2 인치) 직경이었다. 양호한 접촉을 위해 1400 g의 추를 전극 상에 놓는다. 양극을 양극 단자에 연결하고, 접지 전극을 인덕턴스-커패시턴스-저항(LCR) 측정기(일본 도쿄 소재의 텐마(Tenma)로부터 모델 72-960으로 입수함)의 음극 단자에 연결하였다. 주파수를 1 ㎑로 선택하였고, pF(피코패럿) 단위의 커패시턴스를 디스플레이로부터 직접 기록하였다.
하기 식을 사용하여 측정된 커패시턴스(C)로부터 유전 상수(K)를 계산하였다.
K = C * d / e0 * A
여기서, d는 m 단위의 샘플의 두께이고, A는 m2 단위의 단면적이고, e0 = 8.85 pF/m, 자유 공간의 유전율이었다.
흡열 시험
시차 주사 열량측정계(미국 메릴랜드주 콜럼비아 소재의 시마즈 사이언티픽 인스트루먼츠(Shimadzu Scientific Instruments)로부터 상표명 "DTG-60AH TGA/DTA"로 입수함)를 사용하여 재료의 흡열 특성을 측정하였다. 이 유닛은 10℃/분으로의 인듐 분말 참조 시험(reference run)을 사용하여 사전에 보정하였다. 샘플을 20 ml/분의 질소 유량 하에서 10℃/분의 램프 속도(ramp rate)로 시험하였다. 10 밀리그램의 샘플을 구리 팬에 넣고 샘플을 밀봉되지 않은 상태로 시험하였다. 흡열 반응을 기록하였다. 곡선 아래 면적의 적분에 의해 복합 구조체에 대한 단위 중량당 제거된 에너지의 양(J/g)을 계산할 수 있다.
부피 팽창 시험
면도날을 사용하여 4.5 cm × 1.7 cm × 두께(cm)의 출발 샘플을 절단하였다. 샘플을 250℃의 평형 온도에 도달한 통상적인 실험실 오븐 내로 로딩하였다. 샘플을 15분 동안 오븐 내에 넣어 두었다. 샘플을 꺼내고, 냉각시키고, 재측정하였다. 이어서, 샘플의 측정된 치수를 사용하여 팽창 전과 후의 부피 변화를 계산하였다.
자기 시험
I. 정적 자기 특성 - 자기 시험 I
자기 측정 전에 중합체 복합재 샘플을 6 mm 디스크로 절단하였다. 진동 샘플 자력계(미국 오하이오주 웨스터빌 소재의 레이크 쇼어 크라이오트로닉스(Lake Shore Cryotronics)로부터 7400-S로 입수함)를 사용하여 자기 히스테리시스 루프(M-H 곡선)를 기록하였다. 자화장(magnetizing field) H를 샘플의 평면 내에 인가하였다. 자기장 스팬을 H = ±4 kOe로 설정하고, 포화 자화 M을 완전 포화(|H| = 4 kOe)에서 측정하였다. 자화장 H는 0.14 Oe의 단계로 측정하였으며, 보자력장(coercivity field) Hc는 M = 0에 인접한 M-H 곡선 상의 6개의 지점에 기초한 선형 적합화를 통해 M = 0의 부근에서 정의하였다.
II. 동적 자기 특성 - 자기 시험 II
중합체 복합재 샘플을 외경이 18 mm이고 내경이 5 mm인 환상체(toroid)로 절단하였다. 자기 시험 고정구(미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재의 키사이트 테크놀로지즈(Keysight Technologies)로부터 16454A로 입수함) 및 임피던스 측정기(키사이트 테크놀로지즈로부터 E4990A로 입수함)를 사용하여 상대 투자율 μ r 의 실수부 및 허수부를 측정하였다. 데이터를 16454A에 대한 매뉴얼에 따라 분석하였다.
실시예 1
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 3 그램의 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)(미국 텍사스주 어빙 소재의 셀라니즈 코포레이션(Celanese Corporation)으로부터 상표명 "GUR-2126"으로 입수함), 및 56.7 그램의 질화붕소(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 질화붕소 냉각 충전제 응집체(3M BORON NITRIDE COOLING FILLER AGGLOMERATES) 50"으로 입수함)로 충전하고, 음향 혼합기(미국 몬태나주 뷰트 소재의 레소딘 인코포레이티드(Resodyn Inc.)로부터 상표명 "랩람 레조너터쿠스틱 믹서"(LABRAM RESONATACOUSTIC MIXER)로 입수함)로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 71.7 그램의 저취 등유(미국 매사추세츠주 워드 힐 소재의 알파 에이사(Alfa Aesar)로부터 입수함)를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 라이너(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "코팅된 PET 롤(COATED PET ROLL)#33716020500"으로 입수함)에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914.4 μm)의 간극으로 설정된 노치 바(notch bar)를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 30 밀(762 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐(미국 미네소타주 미니애폴리스 소재의 디스패치(Despatch)로부터 상표명 "디스패치 RFD1-42-2E"로 입수함) 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여, 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 4를 참조하면, 주사 전자 현미경(SEM)(미국 오리건주 힐스보로 소재의 에프이아이 컴퍼니(FEI Company)로부터 상표명 "페놈"(PHENOM)으로 입수함)으로 촬영된 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다. 액체 질소 동결 파쇄 후에 스퍼터 코팅기(영국 로프튼 이스트 석섹스 소재의 쿼럼 테크놀로지즈(Quorum Technologies)로부터 상표명 "에미테크(EMITECH) K550X"로 입수함)를 사용하여 금 스퍼터 코팅하여 단면 샘플을 제조하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 23.7 밀(603 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.524 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 75.2%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 4초/50 ㎤였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 2.2 μm였고, 이때 ("열전도도 시험"에 의해 결정할 때) 비열용량이 0.818 J/K/g였고, ("열전도도 시험"에 의해 결정할 때) 평면 통과 열확산율이 3.440 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 2.398 ㎟/s였고, ("열전도도 시험"에 의해 결정할 때) 평면 통과 열전도도가 1.475 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 1.028 W/(m * K)였다.
실시예 2
실시예 2는 실시예 1의 중합체 매트릭스 복합재로부터 펀칭된 27 mm 직경의 디스크였다. 이 디스크를 2개의 이형 라이너들 사이에 넣고, 이어서 2개의 시트 금속 플레이트들 사이에 넣었다. 유압 프레스(미국 인디애나주 워배시 소재의 워배시 엠피아이(Wabash MPI)로부터 상표명 "워배시-제네시스(WABASH-GENESIS) 모델 G30H-15-LP"로 입수함) 내에서 주위 온도(약 25℃)에서 15초 동안 6804 킬로그램(7.5 톤)의 압력 하에서 샘플을 압축하였다.
도 5를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 치밀화된 중합체 매트릭스 복합재를 실시예 1에 기재된 바와 같이 시험하였다. 치밀화된 중합체 매트릭스 복합재는 6.5 밀(165 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 1.547 g/㎤였고, 다공도가 24.3%였고, 이때 비열용량이 0.850 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 7.347 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 16.777 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 9.657 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 22.051 W/(m * K)였다.
실시예 3
PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 코팅된 슬러리가 1.25 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 23.74 그램의 산화알루미늄(일본 효고현 히메지시 소재의 니폰 스틸(Nippon Steel)로부터 상표명 "산화알루미늄 트라이모달 스피어리컬(ALUMINUM OXIDE TRIMODAL SPHERICAL) TA6T1"로 입수함), 및 8 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 2에 기술된 바와 같이 실시예 3을 제조하고 시험하였다.
도 6을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 21.7 밀(551 μm) 두께였고, 밀도가 2.351 g/㎤였고, 다공도가 35.7%였고, 비열용량이 0.833 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.563 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 1.489 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 1.122 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 2.101 W/(m * K)였다.
실시예 4
슬러리가 0.628 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 11.86 그램의 수산화알루미늄(미국 조지아주 애틀랜타 소재의 제이.엠. 후버 코포레이션(J.M. Huber Corporation)으로부터 상표명 "MOLDX A110"으로 입수함), 및 8 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 2에 기술된 바와 같이 실시예 4를 제조하고 시험하였다.
도 7을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 16.0 밀(406.4 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 1.695 g/㎤였고, 다공도가 29.7%였고, 비열용량이 1.191 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 1.006 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 2.228 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 2.031 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 4.497 W/(m * K)였다.
실시예 5
슬러리가 0.628 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 11.87 그램의 탄화실리카(미국 뉴욕주 버팔로 소재의 일렉트로 어브래시브즈(Electro Abrasives)로부터 상표명 "일렉트로카르브(ELECTROCARB) 800W 블랙(BLACK) SIC"로 입수함), 및 9.15 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 2에 기술된 바와 같이 실시예 5를 제조하고 시험하였다.
도 8을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 18.0 밀(457.2 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 1.518 g/㎤였고, 다공도가 50.8%였고, 비열용량이 0.681 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.449 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 1.969 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 0.477 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 2.094 W/(m * K)였다.
실시예 6
슬러리가 0.628 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 11.85 그램의 탄화실리카(미국 뉴욕주 버팔로 소재의 일렉트로 어브래시브즈로부터 상표명 "일렉트로카르브 1200/F 블랙 SIC"로 입수함), 및 9.0 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 바와 같이 실시예 6을 제조하고 시험하였다.
생성된 비압축된 중합체 매트릭스 복합재는 29.2 밀(741.7 μm) 두께였고, 밀도가 1.036 g/㎤였고, 다공도가 67.2%였고, 걸리 공기 유동이 16.2초/50 ㎤였고, 비열용량이 0.643 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.312 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 1.444 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 0.208 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 0.962 W/(m * K)였다.
실시예 7
실시예 2에 기술된 바와 같이 압축한 점을 제외하고는, 실시예 6에 기술된 바와 같이 실시예 7을 제조하고 시험하였다.
생성된 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 15.8 밀(401.3 μm) 두께였고, 밀도가 1.546 g/㎤였고, 다공도가 51.1%였고, 비열용량이 0.678 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.39 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 3.623 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 0.409 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 3.802 W/(m * K)였다.
실시예 8
슬러리가 1.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 70 그램의 구리(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 알드리치 케미칼 컴퍼니(Aldrich Chemical Company)로부터 상표명 "구리 분말, 덴드리딕, 3미크론(COPPER POWDER, DENDRIDIC, 3MICRON), 99.7%"로 입수함), 및 36 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 바와 같이 실시예 8을 제조하고 시험하였다.
도 9를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 비압축된 중합체 매트릭스 복합재는 31.2 밀(792.5 μm) 두께였고, 밀도가 1.535 g/㎤였고, 다공도가 79.9%였고, 걸리 공기 유동이 4.8초/50 ㎤였고, 기공 크기가 2.1 μm였고, 비열용량이 0.392 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.530 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 2.240 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 0.319 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 1.348 W/(m * K)였고, ("전기 저항 시험"에 의해 결정할 때) 전기 저항이 14 메가옴이었다.
실시예 9
압력을 245℉(118℃)에서 30초 동안 27,215 킬로그램(30 톤)으로 증가시킨 점을 제외하고, 실시예 2에 기술된 바와 같이 압축한 점을 제외하고는, 실시예 8에 기술된 바와 같이 실시예 9를 제조하고 시험하였다.
생성된 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 7.4 밀(188.0 μm) 두께였고, 밀도가 6.003 g/㎤였고, 다공도가 17.9%였고, 비열용량이 0.392 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 4.723 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 30.047 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 11.357 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 70.718 W/(m * K)였고, 전기 저항이 0.5 옴이었다.
실시예 10
슬러리가 1.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 55 g의 합성 다이아몬드(미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 랜즈 수퍼어브래시브즈 컴퍼니(LANDS Superabrasives Co.)로부터 상표명 "LS-MA0 합성 금속 결합 다이아몬드 분말, 코팅되지 않음, 100/120 메시(LS-MA0 SYNTHETIC METAL BOND DIAMOND POWDER, UNCOATED, 100/120 MESH)"로 입수함), 55 g의 합성 다이아몬드(랜즈 수퍼어브래시브즈 컴퍼니로부터 상표명 "LS-MA0 합성 금속 결합 다이아몬드 분말, 코팅되지 않음, 120/140 메시"로 입수함), 및 21 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 바와 같이 실시예 10을 제조하고 시험하였다.
도 10을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 비압축된 중합체 매트릭스 복합재는 33.7 밀(856 μm) 두께였고, 밀도가 2.052 g/㎤였고, 다공도가 35.5%였고, 기공 크기가 6.0 μm였고, 걸리 공기 유동이 14.2초/50 ㎤였고, 비열용량이 0.525 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.604 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 2.331 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 0.651 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 2.511 W/(m * K)였다.
실시예 11
압력을 245℉(118℃)에서 30초 동안 27,215 킬로그램(30 톤)으로 증가시킨 점을 제외하고, 실시예 2에 기술된 바와 같이 압축한 점을 제외하고는, 실시예 10에 기술된 바와 같이 실시예 11을 제조하고 시험하였다.
생성된 압축된 중합체 매트릭스 복합재는 27.6 밀(710 μm) 두께였고, 밀도가 2.052 g/㎤였고, 다공도가 27.5%였고, 비열용량이 0.525 J/K/g이었고, 평면 통과 열확산율이 0.986 ㎟/s이고 평면 내 열확산율이 2.211 ㎟/s였고, 평면 통과 열전도도가 1.065 W/(m * K)이고 평면 내 열전도도가 2.382 W/(m * K)였다.
실시예 12
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 및 15 그램의 유리 버블(미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 S60 유리 버블(3M S60 GLASS BUBBLES)"로 입수함)로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 17.5 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914.4 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 약 30 밀(762 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 11을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 30.4 밀(770 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.33 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 47.9%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 20.2초/50 ㎤였다. 열전도도는 ("열절연 시험"에 의해 결정할 때) 580 μm의 두께에서 0.095 W/(m * K)였다.
실시예 13
슬러리가 2 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 35.5 그램의 실리카 겔(미국 매사추세츠주 워드 힐 소재의 알파 에이사로부터 상표명 "실리카 겔(SILICA GEL) 60, 0.036-0.071MM, L14004"로 입수함), 및 61 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 12에 기술된 바와 같이 실시예 13을 제조하고 시험하였다.
도 12를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 34 밀(863.6 μm) 두께였고, 밀도가 0.4196 g/㎤였고, 다공도가 82.6%였고, ("기포점 압력"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 8.0 μm였고, 걸리 공기 유동이 5.9초/50 ㎤였다. 열전도도는 740 μm의 두께에서 0.1011 W/(m * K)였다.
실시예 14
슬러리가 3 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 35.5 그램의 비팽창 질석(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "질석 유형 D(VERMICULITE TYPE D)"로 입수함), 및 30 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 12에 기술된 바와 같이 실시예 14를 제조하고 시험하였다.
도 13을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 34 밀(863.6 μm) 두께였고, 밀도가 1.05 g/㎤였고, 다공도가 52.7%였고, 기공 크기가 10.3 μm였고, 걸리 공기 유동이 129.2초/50 ㎤였다. 열전도도는 740 μm의 두께에서 0.1217 W/(m * K)였다.
실시예 15
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.49 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 및 20.01 그램의 층간삽입된 결정질 흑연(미국 오하이오주 인디펜던스 소재의 그래프테크 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드(GrafTech International Holdings Inc.)로부터 상표명 "그래프가드(GRAFGUARD) 160-50N"으로 입수함)으로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 14 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914.4 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 30 밀(762 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 14를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 30.9 밀(784.9 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.8556 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 58.2%였고, ("부피 팽창 시험"에 의해 결정할 때) 부피가 615 ㎣였다.
이어서, 생성된 필름을 250℃의 평형 온도에 도달한 실험실 오븐 내에 15분 동안 넣어 두었다. 이는 층간삽입된 결정질 흑연이 팽창되게 하였다. 얻어진 부피 팽창은 ("부피 팽창 시험"에 의해 결정할 때) 63.5배였다.
도 15a(팽창 전)와 도 15b(팽창 후)를 참조하면, 광학 카메라로 촬영된 중합체 매트릭스 복합재의 평면도의 디지털 사진이 나타나 있다.
실시예 16
슬러리가 1.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 20.04 그램의 팽창가능한 흑연(미국 뉴저지주 애즈버리 소재의 애즈버리 카본즈, 인코포레이티드(Asbury Carbons, Inc.)로부터 상표명 "애즈버리(ASBURY) 3772"로 입수함), 및 19 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 15에 기술된 바와 같이 실시예 16을 제조하고 시험하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 37.6 밀(955 μm) 두께였고, 밀도가 0.710 g/㎤였고, 다공도가 65.5였고, 부피가 765 ㎣였다.
도 16을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다.
이어서, 생성된 필름을 250℃의 평형 온도에 도달한 실험실 오븐 내에 15분 동안 넣어 두었다. 이는 층간삽입된 결정질 흑연이 팽창되게 하였다. 얻어진 부피 팽창은 20.6배였다.
도 17a(팽창 전)와 도 17b(팽창 후)를 참조하면, 광학 카메라로 촬영된 중합체 매트릭스 복합재의 평면도의 디지털 사진이 나타나 있다.
실시예 17
슬러리가 3 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 35.5 그램의 팽창가능한 질석(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "유형 D 질석"으로 입수함), 및 30 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 15에 기술된 바와 같이 실시예 17을 제조하고 시험하였다.
도 8을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 33.8 밀(858.5 μm) 두께였고, 밀도가 1.045 g/㎤였고, 다공도가 52.7였고, 부피가 661 ㎣였다.
이어서, 생성된 필름을 350℃의 평형 온도에 도달한 실험실 오븐 내에 15분 동안 넣어 두었다. 이는 층간삽입된 결정질 흑연이 팽창되게 하였다. 얻어진 부피 팽창은 5.6배였다.
도 19a(팽창 전)와 도 19b(팽창 후)를 참조하면, 광학 카메라로 촬영된 중합체 매트릭스 복합재의 평면도의 디지털 사진이 나타나 있다.
실시예 18
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.5 그램의 UHMWPE, 및 15.0 그램의 작용성 아즐락톤 입자(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "엠파제(EMPHAZE) AB-1 비드(BEADS)"로 입수함)로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 47.0 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914.4 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 약 30 밀(762 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여, 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 용매 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 20a 및 도 20b를 참조하면, SEM으로 촬영된 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다. 나타나 있는 아즐락톤 작용성 입자는 다공성이다. 입자의 내부 다공도로부터의 면적을 포함한 표면적은 약 350 m2/그램이었다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 33.9 밀(0.86 mm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 밀도가 0.29 g/㎤였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 10.3 μm였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 4.5초/50 ㎤였다.
실시예 19
작용성 아즐락톤 입자("엠파제 AB-1 비드")를 30 그램의 제트 밀링된(jet milled), 가교결합된 구아닐화 폴리에틸렌이민(G-PEI)(개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 공개 제2017/0049926호(랭거-앤더슨 등)의 실시예에 기술된 바와 같이 제조됨)으로 대체하고, 15 그램의 5 μm 폴리아미드(미국 펜실베이니아주 킹 오브 프러시아 소재의 아르케마로부터 상표명 "오르가졸"로 입수함) 입자를 첨가하고, 25 그램의 저취 등유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 18에 기술된 바와 같이 실시예 19를 제조하였다.
도 21a 및 도 21b를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다. 원래의 작용성 G-PEI 입자는 시작 시에 다공성이 아니었다. 매트릭스 중에 분산된 더 크고 더 어두운 제트 밀링된 G-PEI 입자는 상분리 공정 동안 적어도 부분적으로 용해되거나 팽윤되고, 나타나 있는 바와 같이 더 작은 백색 폴리아미드 충전제 입자에 의해 분리되어 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 30.0 밀(0.76 mm) 두께였고, 기공 크기가 6.3 μm였다.
중합체 매트릭스 복합재 샘플을, 복합재의 디스크를 시험 분석물의 용액 중에서 하룻밤 인큐베이션함으로써 정적 단백질 결합 용량에 대해 분석하였다. 중합체 매트릭스 복합재 시트로부터 6 mm 직경 디스크를 다이-펀칭함으로써 각각의 디스크를 제조하였다. 각각의 디스크를 25 mM 트리스(하이드록시메틸)아미노메탄(TRIS) 완충액, 50 mM NaCl(pH 8.0) 중 약 3.0 mg/ml의 농도로 4.5 mL의 소혈청 알부민(BSA) 시험 용액(challenge solution)(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마 알드리치로부터 카탈로그 # A-7906으로 입수함)이 담긴 5 mL 원심분리 튜브 내에 넣었다. 튜브에 뚜껑을 덮고, 회전 혼합기(미국 매사추세츠주 월섬 소재의 서멀 사이언티픽(Thermal Scientific)으로부터 상표명 "랩퀘이크(LABQUAKE)"로 입수함) 상에서 하룻밤(14시간) 텀블링하였다. 280 nm에서 UV-VIS 분광계를 사용하여 상층액 용액을 분석하였다(325 nm에서 백그라운드 보정을 적용함). 각각의 기질에 대한 정적 결합 용량을 출발 BSA 용액의 흡수와 대비함으로써 결정하였으며, 결과를 'mg 결합된 BSA/㎤ 복합재 부피'로 계산하였다. 3개의 디스크를 상이한 2일의 각각의 날에 분석하였다. BSA 결합 용량(6개의 측정치의 평균)은 133 mg/㎤였다.
실시예 20
작용성 아즐락톤 입자("엠파제 AB-1 비드")를 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제8,698,394호(맥쿠첸(McCutcheon) 등)의 실시예에 기술된 바에 따라 제조된 나노은의 도트 패턴 코팅을 갖는 5 그램의 저밀도 유리 버블(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 유리 버블(3M GLASS BUBBLES) K1"로 입수함)로 대체하고, 23 그램의 저취 등유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 18에 기술된 바와 같이 실시예 20을 제조하였다.
도 22를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다. SEM은 코팅된 유리 버블을 둘러싸는 리피 레이스 중합체 매트릭스 구조체를 나타낸다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 29.6 밀(0.75 mm) 두께였고, 밀도가 0.09 g/㎤였고, 기공 크기가 4.1 μm였고, 걸리 공기 유동이 5.9초/50 ㎤였다.
실시예 21
작용성 아즐락톤 입자를 25 그램의 구아닐화 펄라이트 입자(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마 알드리치 코포레이션으로부터 상표명 "펄라이트(PERLITE) 4106"으로 입수하고, 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 2016년 9월 22일자로 공개된 국제 특허 출원 공개 WO2016/149233호(그리스그레이버 등)의 실시예 1에 기술된 바와 같이 제조함)에 의한 적용으로 대체하고, 40 그램의 저취 등유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 18에 기술된 바와 같이 실시예 21을 제조하였다.
도 23을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 29.1 밀(0.74 mm) 두께였고, 밀도가 0.49 g/㎤였고, 기공 크기가 10.3 μm였고, 걸리 공기 유동이 5.9초/50 ㎤였다.
실시예 22
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.5 그램의 UHMWPE, 및 15 그램의 알루미늄 및 산화알루미늄 코팅된 유리 버블(이러한 유리 버블은 쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 스카치라이트(SCOTCHLITE) S60 유리 버블"로 입수하고, 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제8,698,394호(맥쿠첸 등)의 실시예에 기술된 바와 같이 코팅함)로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 17.5 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914.4 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 30 밀(762 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 24를 참조하면, SEM으로 촬영된 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 32.5 밀(826 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.36 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 42.9%였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 28.8 μm였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 28.8 μm였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 21.1초/50 ㎤였고, ("유전체 시험"에 의해 결정할 때) 커패시턴스가 92 피코패럿이었고, ("유전체 시험"에 의해 결정할 때) 유전 상수가 17.0이었다. 처음 5개의 실시예에 대한 유전체 특성화 데이터가 하기 표 1에 보고되어 있다.
[표 1]
실시예 23
25 중량%의 코팅된 유리 버블을 코팅되지 않은 유리 버블("쓰리엠 스카치라이트 S60 유리 버블")로 대체한 점을 제외하고는, 실시예 22에 기술된 바와 같이 실시예 23을 제조하고 시험하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 32.0 밀(813 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 0.36 g/㎤였고, 다공도가 42.9%였고, 기공 크기가 36 μm였고, 걸리 공기 유동이 52.1초/50 ㎤였고, 유전 상수가 13.6이었다. 실시예 23에 대한 유전체 특성화 데이터가 상기 표 1에 보고되어 있다.
실시예 24
50 중량%의 코팅된 유리 버블을 코팅되지 않은 유리 버블("쓰리엠 스카치라이트 S60 유리 버블")로 대체한 점을 제외하고는, 실시예 22에 기술된 바와 같이 실시예 24를 제조하고 시험하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 30.9 밀(785 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 0.36 g/㎤였고, 다공도가 42.9%였고, 기공 크기가 12 μm였고, 걸리 공기 유동이 56.8초/50 ㎤였고, 유전 상수가 8.8이었다. 실시예 24에 대한 유전체 특성화 데이터가 상기 표 1에 보고되어 있다.
실시예 25
75 중량%의 코팅된 유리 버블을 코팅되지 않은 유리 버블("쓰리엠 스카치라이트 S60 유리 버블")로 대체한 점을 제외하고는, 실시예 22에 기술된 바와 같이 실시예 25를 제조하고 시험하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 28.7 밀(729 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 0.35 g/㎤였고, 다공도가 44.4%였고, 기공 크기가 48 μm였고, 걸리 공기 유동이 26.4초/50 ㎤였고, 유전 상수가 6.75였다. 실시예 25에 대한 유전체 특성화 데이터가 상기 표 1에 보고되어 있다.
실시예 26
모든 유전체 입자가 코팅되지 않은 유리 버블("쓰리엠 스카치라이트 S60 유리 버블")인 점을 제외하고는, 실시예 22에 기술된 바와 같이 실시예 26을 제조하고 시험하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 30.4 밀(772 μm) 두께였고, 측정된 밀도가 0.33 g/㎤였고, 다공도가 47.9%였고, 기공 크기가 6.9 μm였고, 걸리 공기 유동이 20.2초/50 ㎤였고, 유전 상수가 7.3이었다. 실시예 26에 대한 유전체 특성화 데이터가 상기 표 1에 보고되어 있다.
실시예 27 내지 실시예 31
코팅된 유리 버블을 티탄산바륨(미국 오하이오주 콜럼버스 소재의 지에프에스 케미칼스(GFS Chemicals)로부터 상표명 "99% BaTiO3 A0882"로 입수함)으로 대체하고 코팅되지 않은 유리 버블을 60 μm 폴리아미드 입자(아르케마로부터 상표명 "오르가졸 2002 ES 6 NAT 3"으로 입수함)로 대체한 점을 제외하고는, 실시예 22 내지 실시예 26에 기술된 바와 같이 실시예 27 내지 실시예 31을 제조하였다. 입자의 부피 변화 및 습윤 특성을 고려하여, 병 내의 결합제, 입자 및 희석제(슬러리)의 총 중량을 또한 조정하였다. 중합체 결합제, 입자 및 희석제의 중량이 하기 표 2에 제공되어 있다.
[표 2]
중합체 매트릭스 복합재로부터의 유전 측정치 및 결과가 천공된 47 mm 디스크로부터 (상기) 표 2에 기록되어 있다.
이어서, (상기) 표 2의 제조 및 시험된 샘플을 유압 프레스("워배시-제네시스 모델 G30H-15-LP") 내에서 주위 온도(약 25℃)에서 30초 동안 강판들 사이에 가해지는 27,215 킬로그램(30 톤)의 압력으로 압축하였다. 두께 및 유전 상수를 다시 측정하고 하기 표 3에 기록하였다.
[표 3]
실시예 32 및 실시예 33
티탄산바륨 농도를 하기 표 4에 나타낸 바와 같이 증가시킨 점을 제외하고는, 실시예 27에 기술된 바와 같이 실시예 32 및 실시예 33을 제조하고 시험하였다.
[표 4]
실시예 34
저취 등유의 중량을 광유(미국 위스콘신주 와우와토사 소재의 브렌택 그레이트 레이크스 인코포레이티드(Brenntag Great Lakes Inc.)로부터 상표명 "카이돌"(KAYDOL)(제품 번호 637760)로 입수함)로 대체한 점을 제외하고는, 실시예 22에 기술된 바와 같이 실시예 34를 제조하였다. 증발 단계 전에 아이소프로필 알코올을 사용하여 광유를 교환하였다.
도 25를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 33.1 밀(841 μm) 두께였고 걸리 공기 유동이 50.5초/50 ㎤였다.
실시예 35
사용된 UHMWPE("GUR-2126")의 중량이 21 그램이고 저취 등유가 21 그램인 점을 제외하고는, 실시예 22에 기술된 바와 같이 실시예 35를 제조하였다.
도 26을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 33.0 밀(838 μm) 두께였다.
실시예 36
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.5 그램의 UHMWPE, 및 막자사발 및 막자를 사용하여 분말로 수동으로 파쇄된 74.0 그램의 황산칼슘 건조제 입자(미국 오하이오주 제니아 소재의 더블유.에이. 하몬드 드라이어라이트 컴퍼니 리미티드(W.A. Hammond Drierite Company LTD)로부터 상표명 "드라이어라이트 건조제-무수 지시 드라이어라이트(Drierite Desiccant-Anhydrous Indicating Drierite)"(스톡(Stock)# 23001)로 입수함)로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 25.0 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 76 밀(1930 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 약 70 밀(1930 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여, 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 용매 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 69.4 밀(1.76 mm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) (임의의 주위 수분 흡수가 가능하기 전인) 용매 증발 직후에 밀도가 1.18 g/㎤였고, 그 밀도는 주위 습도에서 평형을 이루게 둔 후에 1.26 g/㎤였고, 그 밀도는 액체 물과 완전히 포화된 후에 1.38 g/㎤였고, 용매 증발 직후에 ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 38.6초/50 ㎤였다.
중합체 매트릭스 복합재 층 필름은 건조 시에 담청색이었으며, 주위 습도에서 평형을 이루게 두고 마지막으로 액체 물로 포화된 후에는 황백색(off white) 내지 분홍색을 띤 색상으로 변하였다. 이러한 중합체 매트릭스 복합재의 수분 흡수 및 색 변화는 건조 및 재습윤 시에 가역적이었다.
실시예 37
황산칼슘 건조제 입자("드라이어라이트 건조제-무수 지시 드라이어라이트")를 23.0 그램의 아미노산 L-라이신 모노하이드로클로라이드 입자(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마로부터 상표명 "L-라이신 모노하이드로클로라이드(L-LYSINE MONOHYDROCHLORIDE), L-5626"으로 입수함)로 대체하고, 2 그램의 페놀프탈레인 입자(미국 뉴저지주 깁스타운 소재의 이엠디 케미칼스 인코포레이티드(EMD Chemicals Inc.)로부터 상표명 "페노프탈레인(PHENOPHTHALEIN), PX0520-1"로 입수함)를 첨가하고, 24 그램의 저취 등유를 사용하여 슬러리를 제조한 점을 제외하고는, 실시예 36에 기술된 바와 같이 실시예 37을 제조하였다. 노치 바 갭을 36 밀(914.4 μm)로 설정하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 31.1 밀(0.79 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.62 g/㎤였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 4.2 μm였고, 걸리 공기 유동이 19.0초/50 ㎤ 공기였다.
중합체 매트릭스 복합재 층은 백색이었고 pH가 8 초과인 물(0.1 N 수산화칼륨)에 노출될 때 적색 색상으로 변하였다.
실시예 38
20.0 그램의 아미노산 L-라이신 모노하이드로클로라이드 입자("L-라이신 모노하이드로클로라이드, L-5626")를 사용하고, 페놀프탈레인 입자를 생략한 점을 제외하고는, 실시예 36에 기술된 바와 같이 실시예 38을 제조하였다. 26 그램의 등유를 사용하여 슬러리를 제조하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 29.6 밀(0.75 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.62 g/㎤였고, 걸리 공기 유동이 21.0초/50 ㎤ 공기였다.
도 27을 참조하면, 리피 레이스 결합제(401), 페놀프탈레인(402), 및 L-라이신 모노하이드로클로라이드(403)를 갖는 실시예 38의 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
중합체 매트릭스 복합재 층은 백색이었고 pH가 8 초과인 물에 노출될 때 색이 변하지 않았다.
실시예 39
황산칼슘 건조제 입자("드라이어라이트 건조제-무수 지시 드라이어라이트")를 개시 내용이 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제8,698,394호(맥쿠첸 등)의 실시예에 기술된 바와 같이 코팅된 8.0 그램의 저밀도 유리 버블(쓰리엠 컴퍼니로부터 상표명 "쓰리엠 유리 버블 K1"로 입수함)로 대체하고, 42 그램의 저취 등유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 36에 기술된 바와 같이 실시예 39를 제조하였다. 노치 바 갭을 36 밀(914.4 μm)로 설정하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 29.6 밀(0.75 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 0.09 g/㎤였고, 기공 크기가 4.1 μm였고, 걸리 공기 유동이 5.9초/50 ㎤ 공기였다.
도 28을 참조하면, 실시예 39의 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 주사 전자 현미경(SEM) 디지털 이미지가 나타나 있다.
실시예 40
황산칼슘 건조제 입자("드라이어라이트 건조제-무수 지시 드라이어라이트")를 117.0 그램의 황화아연 인광 입자(미국 뉴저지주 린드허스트 소재의 유나이티드 미네랄 앤드 케미칼 코포레이션(United Mineral & Chemical Corporation)으로부터 상표명 "내추럴 그린 에미팅(NATURAL GREEN EMITTING) 6SSU"로 입수함)로 대체하고, 30 그램의 등유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 35에 기술된 바와 같이 실시예 40을 제조하였다. 노치 바 갭을 36 밀(914.4 μm)로 설정하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 34.1 밀(0.87 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 1.85 g/㎤였고, 걸리 공기 유동이 3.0초/50 ㎤ 공기였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재를 통상적인 사무용 조명등에 노출시켰다. 이어서, 조명등을 껐으며, 샘플은 빛을 내었다.
실시예 41
웨트-레이드(wet-laid) 수지 접합 부직 웨브(미국 오하이오주 신시내티 소재의 미드웨스트 필트레이션 코포레이션(Midwest Filtration Corporation)으로부터 상표명 "유니블랜드(UNIBLEND) 135"로 입수함)를 하부 라이너 상에 배치하고, 여기서 슬러리를 부직물 내로 흡수시켜 상부 라이너를 제거한 후 매끄러운 상부 표면을 남긴 점을 제외하고는, 실시예 40에 기술된 바와 같이 실시예 41을 제조하였다. 슬러리가 새어나옴에 따라 중합체 매트릭스 복합재의 하부 표면은 부직물의 각인으로부터 과정이었다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 34.6 밀(0.88 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재는 밀도가 1.37 g/㎤였고, 걸리 공기 유동이 7.1초/50 ㎤ 공기였다.
실시예 42
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.5 그램의 UHMWPE, 및 20.0 그램의 아미노산 L-라이신 모노하이드로클로라이드 입자(미국 미주리주 세인트 루이스 소재의 시그마로부터 상표명 "L-5626"으로 입수함)로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 26.0 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 약 30 밀(914 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여, 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 용매 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 29를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 29.6 밀(0.75 mm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 밀도가 0.62 g/㎤였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 4.2 μm였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 21.0초/50 ㎤ 공기였다.
실시예 43
L-라이신 모노하이드로클로라이드 입자를 30 그램의 폴리(아크릴산), 부분 나트륨 염-그래프트-폴리(에틸렌 옥사이드)(시그마-알드리치로부터 입수함)로 대체하고, 25 그램의 저취 등유를 사용한 점을 제외하고는, 실시예 42에 기술된 바와 같이 실시예 43을 제조하였다. 노치 바 갭을 50 밀(1.27 mm)로 설정하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 45.0 밀(0.76 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재 밀도는 0.78 g/㎤였다. 도 30a 및 도 30b를 참조하면, 초고분자량 폴리에틸렌의 UHMWPE("GUR-2126") 및 20 그램의 저취 등유를 사용한 것의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
도 32를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 36.7 밀(0.93 mm) 두께였다. 중합체 매트릭스 복합재 밀도는 1.14 g/㎤였고, 걸리 공기 유동은 7.3초/50 ㎤ 공기였다. 다공도는 ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 66.4%로 계산되었고, 기공 크기는 ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 5.5 μm였다.
실시예 45
무수 황산구리(II) 입자를 45 그램의 황산구리(II) 5수화물(ACS, 98.0 내지 102.0% 결정질, 14178, 알파 에이사로부터 입수함)로 대체한 점을 제외하고는, 실시예 44에 기술된 바와 같이 실시예 45를 제조하였다.
도 33을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 40.6 밀(1.03 mm) 두께였고, 밀도가 1.06 g/㎤였고, 걸리 공기 유동이 10.8초/50 ㎤ 공기였다. 다공도는 51.6%로 계산되었고, 기공 크기는 5.0 μm였다.
실시예 46
120 밀리리터(4 온스) 유리병을 1.75 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 및 23.2 그램의 황산칼슘 2수화물(알파 에이사로부터 상표명 "황산칼슘 2수화물, ACS, 98.0 내지 102.0% 분말, 36700"으로 입수함)로 충전하고, 음향 혼합기("랩람 레조너터쿠스틱 믹서")로 70%의 강도에서 1분 동안 진탕하였다. 23 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 36 밀(914.4 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 30 밀(762 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여, 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 34를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 31.2 밀(792.5 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.873 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 58.4%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동 저항이 223초/50 ㎤였고, ("기포점 압력 시험"에 의해 결정할 때) 기포점 기공 크기가 1.9 μm였고, ("흡열 시험"에 의해 결정할 때) 에너지 제거가 461 J/g이었다.
실시예 47
슬러리가 3.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 46.5 그램의 중탄산나트륨(미국 펜실베이니아주 센터 밸리 소재의 마크론 파인 케미칼스(Macron Fine Chemicals)로부터 상표명 "중탄산나트륨, 7412-12"로 입수함), 및 19.5 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 46에 기술된 바와 같이 실시예 47을 제조하고 시험하였다.
도 35를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 27.6 밀(701 μm) 두께였고, 밀도가 0.664 g/㎤였고, 다공도가 67%였고, 걸리 공기 유동 저항이 58초/50 ㎤였고, 기포점 기공 크기가 3.3 μm였고, 에너지 제거가 704 J/g이었다.
실시예 48
슬러리가 1.75 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 23.25 그램의 황산칼슘 2수화물(미국 일리노이주 시카고 소재의 유.에스. 집섬 컴퍼니(U.S. Gypsum Company)로부터 상표명 "테라 알바 1호, 황산칼슘"(TERRA ALBA NO. 1, CALCIUM SULFATE)으로 입수함), 및 17.5 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 46에 기술된 바와 같이 실시예 48을 제조하고 시험하였다.
도 36을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 45.4 밀(1153 μm) 두께였고, 밀도가 0.7729 g/㎤였고, 다공도가 64.2%였고, 걸리 공기 유동 저항이 234초/50 ㎤였고, 기포점 기공 크기가 1.9 μm였고, 에너지 제거가 211 J/g이었다.
실시예 49
슬러리가 3.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 46.5 그램의 알루미늄 3수화물(미국 조지아주 애틀랜타 소재의 후버 코포레이션으로부터 상표명 "SB30 알루미늄 3수화물"로 입수함), 및 25 그램의 저취 등유인 점을 제외하고는, 실시예 46에 기술된 바와 같이 실시예 49를 제조하고 시험하였다.
도 37을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 46.5 밀(1181 μm) 두께였고, 밀도가 0.995 g/㎤였고, 다공도가 54.3%였고, 걸리 공기 유동 저항이 1초/50 ㎤였고, 기포점 기공 크기가 24 μm였고, 에너지 제거가 761 J/g이었다.
실시예 50
1 갤런(3.8 리터) 캔을 22 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 및 471 그램의 자성 금속 플레이크(일본 오카야마 소재의 메이트 컴퍼니, 리미티드(Mate Co., LTD)로부터 상표명 "센더스트 SP-3B"로 입수함)로 충전하고, 1시간 동안 혼합기(미국 인디애나주 뉴 올버니 소재의 인드코 인코포레이티드(INDCO Inc.)로부터 상표명 "믹스-마스터(MIX-MASTER) 5"로 입수함)로 텀블링하였다. 507 그램의 저취 등유를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3 밀(75 μm) 두께, 12 인치(30.5 cm) 폭의 열 안정화된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm), 12 인치(30.5 cm) 폭의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 40 밀(1016 μm)의 간극으로 설정된 닙 롤러를 통해 이송함으로써 이동하는 PET 라이너들 사이에 슬러리를 펴 발랐다. PET 라이너를 권취 스탠드로부터 2.3 ㎏(5 파운드)의 장력으로 당겨서 약 35 밀(889 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻었다. 개재된, 형성된 슬러리를 135℃(275℉)에서 높이-조정가능한 노즐을 갖는 공기 부상을 구비한 4-구역의 27 피트(8.2 m) 길이의 가스-가열식 대류 오븐 세트(미국 위스콘신주 그린 베이 소재의 어드밴스드 시스템즈 인코포레이티드로부터 입수함)를 통해 5 피트/분(1.5 m/분)의 속도로 이송하여 활성화하였다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 오븐으로부터 이송하고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재의 샘플을 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 놓고, 트레이를 100℃(215℉)에서 1시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 39를 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 34.5 밀(875 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.77 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 83.1%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 4.5초/50 ㎤였고, ("자기 시험 II"에 의해 결정할 때) 1 ㎒에서의 상대 투자율이 12.4이고, ("자기 시험 I"에 의해 결정될 때) 포화 유도가 0.1 테슬라였고, ("자기 시험 I"에 의해 결정할 때) 보자력이 0.92 에르스탯(73.2 암페어/m)이었다.
실시예 51
중합체 매트릭스 복합재의 18 mm 직경 조각을 펀칭하고, 2개의 이형 라이너들 사이에 넣고, 이어서 2개의 시트 금속 플레이트들 사이에 넣은 점을 제외하고는, 실시예 50에 기술된 바와 같이 실시예 51을 제조하고 시험하였다. 유압 프레스("워배시-제네시스 모델 G30H-15-LP") 내에서 주위 온도(약 25℃)에서 15초 동안 9072 킬로그램(10 톤)의 압력 하에서 샘플을 압축하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 7.5 밀(190 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도는 3.5 g/㎤였고, 1 ㎒에서의 상대 투자율은 75.0이었고, 포화 유도는 0.5 테슬라였고, 보자력은 4.4 에르스텟(350 암페어/m)이었다.
실시예 52
알루미나 입자(미국 일리노이주 데스 플레인스 소재의 유오피 엘엘씨(UOP LLC)로부터 상표명 "버살(VERSAL) V-250"으로 입수함)를 알루미나 도가니 내에 넣고 예비가열된 킬른(미국 텍사스주 메스키트 소재의 파라곤 인더스트리(Paragon Industry)로부터 상표명 "드라곤(DRAGON) 24"로 입수함) 내에서 750℃에서 1시간 동안 가열함으로써 열처리하고, 이후에 이들을 꺼내고 냉각되게 하였다. 이어서, 열처리된 입자를 하기와 같이 실란-처리하였다. 기계적 교반기가 장착된 12 L 둥근바닥 플라스크를 질소를 사용하여 불활성이 되게 하고, 열전쌍-제어식 가열 맨틀을 4800 그램의 탈이온수 및 1200 그램의 에탄올(미국 펜실베이니아주 센터 밸리 소재의 제이티 베이커(JT Baker)로부터 입수함)로 충전하였다. 온화하게 교반하면서, 1500 그램의 열처리된 알루미나 입자를 서서히 첨가하여 균일한 슬러리를 형성하였다. 생성된 혼합물의 pH를 1.0 N NaOH(미국 펜실베이니아주 라드너 소재의 브이더블유알(VWR)로부터 입수함)를 사용하여 pH 9 내지 10으로 조정하였다. 이어서, 26.03 그램의 아이소옥틸 실란(독일 뮌휀 소재의 바커 케미 아게(Wacker Chemie AG)로부터 "실레스(SILRES) BS1316"으로 입수함)을 혼합물에 첨가하였다. 혼합물을 교반하면서 16시간 동안 80℃로 가열하였다. 혼합물을 냉각시키고, 부흐너 깔때기를 사용하여 고체를 여과에 의해 수집하였다. 고체를 380 그램의 에탄올로 세척하고, 이어서 알루미늄 팬에 옮겼다. 고체를 오븐 내에서 140℃에서 하룻밤 건조시켰다.
스피드 믹서(미국 사우스 캐롤라이나주 랜드럼 소재의 플랙텍, 인코포레이티드(FlackTek, Inc.)로부터 상표명 "스피드믹서(SPEEDMIXER) DAC600.2 VAC-P"로 입수함)용 플라스틱 혼합 컵(플랙텍, 인코포레이티드로부터 상표명 "맥스 60 컵(MAX 60 CUP)"으로 입수함)을 1.3 그램의 UHMWPE("GUR-2126"), 및 21.7 그램의 파라핀(미국 위시콘신주 와우와토사 소재의 브렌택 그레이트 레이크스, 인코포레이티드로부터 상표명 "이소파르(ISOPAR) G"로 입수함)으로 충전하고, 1000 rpm으로 15초 동안 혼합한 후, 2200 rpm으로 120초 동안 혼합하였다.
8 그램의 실란 처리된 알루미나 입자를 플라스틱 혼합 컵("맥스 60 컵")에 서서히 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 스패츌러로 수동으로 교반하였다. 이어서, (통기 뚜껑이 달린) 플라스틱 혼합 컵("맥스 60 컵") 내의 슬러리를 720 torr에서 800 rpm으로 15초 동안, 이어서 30 torr에서 800 rpm으로 180초 동안 스피드 믹서 상에서 이동시켰다. 혼합 후에, 슬러리를 실온(약 25℃)에서 스쿱으로 3밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm)의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 30 밀(762 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 사용하여 슬러리를 PET 라이너들 사이에 펴 발랐다. 노치 바 레일은 24 밀(610 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻도록 PET 라이너보다 넓었다. 노치 바의 증가하는 하향 압력과 함께 점진적인 다회 통과를 사용하여 슬러리를 평탄화하였다. 개재되고 형성된 슬러리를 알루미늄 트레이 상에 놓고, 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 135℃(275℉)에서 5분 동안 넣어 두어서 활성화시켰다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하여 단일상을 형성하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 갖는 트레이를 오븐에서 꺼내고 주위 온도(약 25℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너 및 하부 라이너 둘 모두를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 다시 놓고, 트레이를 107℃(225℉)에서 2시간 10분 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣어 두었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 21.6 밀(549 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.32 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 91%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 7.7초/50 ㎤였고, ("기포점 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 2.8 μm였고, ("임피던스 시험 방법"에 의해 결정할 때) 공진 주파수 편이가 261 ㎐였고, ("음압 레벨(SPL) 시험 방법"에 의해 결정할 때) 음압 레벨이 2.66 데시벨이었다.
이어서, 생성된 중합체 매트릭스 복합재를 10일 동안 85℃ 및 85% 상대 습도에 노출시켰다. 이어서, 샘플을 음향 성능에 대해 재시험하였으며, 이것은 ("임피던스 시험 방법"에 의해 결정할 때) 공진 주파수 편이가 190 ㎐였고, ("음압 레벨(SPL) 시험 방법"에 의해 결정할 때) 음압 레벨이 2.65 데시벨이었다.
실시예 53
1 갤런(3.8 리터) 금속 캔을 1229 그램의 파라핀("이소파르 G")으로 충전하였다. 파라핀("이소파르 G")을 에어 믹서로 서서히 교반하면서, 54.5 그램의 UHMWPE("GUR-2126")를 완전히 혼입시키고, 이어서 여전히 교반하면서, 400 그램의 실란-처리된 열처리된 알루미나(실시예 52에 기술된 바와 같이 제조됨)를 이 혼합물에 첨가하고, 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 에어 믹서로 교반하였다. 캔을 밀봉하고, 13 인치(33 cm) 고성능 실험실 자르 밀(jar mill)(미국 일리노이주 버넌 힐스 소재의 콜-파머(Cole-Parmer)로부터 입수함)을 사용하여 10 rpm으로 하룻밤 서서히 롤링되게 하였다. 이어서, 슬러리를 캔에서 꺼내고, 2 리터 둥근바닥 유리 반응기 플라스크 내에 넣고 반응 플라스크 헤드로 덮고 클램핑하였다. 꺼낸 슬러리를 플라스크 내에서 교반 막대가 장착된 전동식 에어 믹서로 공격적으로 교반하고, -0.6 bar의 진공 하에서 5분 동안 유지하였다. 이어서, 슬러리를 실온(약 25℃)에서 연동 펌프 및 호스를 사용하여 스트랜드로서 3 밀(75 μm), 12 인치(30.5 cm) 폭의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 연속적으로 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm), 12 인치(30.5 cm) 폭의 열 안정화된 (PET) 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 31 밀(787 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 통해 이송함으로써 이동하는 PET 라이너들 사이에 (스트랜드로서 형성된) 슬러리를 펴 발랐다. 라이너를 권취 스탠드로부터 5 파운드(2.3 ㎏)의 장력으로 당겨서 약 25 밀(635 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻었다. 개재된 형성된 슬러리를 135℃(275 ℉)에서 공기 부상 오븐(실시예 50에 기술된 바와 같음)을 통해 5 피트/분(1.5 m/분)의 속도로 이송하여 활성화하였다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 오븐으로부터 이송하고 160℉(71℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 220℉(104℃)에서 공기 부상 오븐을 통해 5 피트/분(1.5 m/분)으로 이송하였다. 이어서, 연속적으로 제조된 중합체 매트릭스 복합재로부터의 샘플을 라이너로부터 떼어내고, 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 놓고, 트레이를 107℃(225℉)에서 2시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
도 40을 참조하면, 중합체 매트릭스 복합재의 단면의 SEM 디지털 이미지가 나타나 있다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 29.6 밀(752 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.33 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 90%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 12.9초/50 ㎤였고, ("기포점 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 1.6 μm였고, ("임피던스 시험 방법"에 의해 결정할 때) 공진 주파수 편이가 125.8 ㎐였고, ("음압 레벨(SPL) 시험 방법"에 의해 결정할 때) 음압 레벨이 1.57 데시벨이었다.
이어서, 생성된 중합체 매트릭스 복합재를 5일 동안 65℃ 및 90% 상대 습도에 노출시켰다. 이어서, 샘플을 음향 성능에 대해 재시험하였으며, 이것은 ("임피던스 시험 방법"에 의해 결정할 때) 공진 주파수 편이가 118.4 ㎐였고, ("음압 레벨(SPL) 시험 방법"에 의해 결정할 때) 음압 레벨이 1.62 데시벨이었다.
실시예 54
1 갤런(3.8 리터) 금속 캔을 1196 그램의 파라핀("이소파르 G")으로 충전하였다. 파라핀을 에어 믹서로 서서히 교반하면서, 65.1 그램의 UHMWPE("GUR-2126")를 완전히 혼입시키고, 이어서 여전히 교반하면서, 400 그램의 열처리된 알루미나(실시예 52에 기술된 바와 같이 제조됨)를 첨가하였다. 캔을 밀봉하고, 13 인치(33 cm) 고용량 실험실 자르 밀 상에서 하룻밤 서서히 롤링되게 하였다.
이어서, 슬러리를 캔에서 꺼내고, 2 리터 유리 반응기 내에 넣었다. 꺼낸 슬러리를 교반 막대 에어 믹서로 공격적으로 교반하고, -0.6 bar의 진공 하에서 5분 동안 유지하였다. 슬러리를 실온(약 25℃)에서 연동 펌프 및 호스를 사용하여 펌핑하고 연속 스트랜드로서 3 밀(75 μm), 12 인치(30.5 cm) 폭의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")에 적용하고, 이어서 3 밀(75 μm), 12 인치(30.5 cm) 폭의 열 안정화된 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500")를 상부에 적용하여 슬러리를 개재시켰다. 이어서, 31 밀(787 μm)의 간극으로 설정된 노치 바를 통해 이송함으로써 이동하는 PET 라이너들 사이에 슬러리를 펴 발랐다. PET 라이너를 권취 스탠드로부터 5 파운드(2.3 ㎏)의 장력으로 당겨서 약 25 밀(635 μm)의 유효 습윤 필름 두께를 얻었다. 개재된 형성된 슬러리를 135℃(275 ℉)에서 공기 부상 오븐(실시예 50에 기술된 바와 같음)을 통해 5 피트/분의 속도로 이송하여 활성화하였다(즉, UHMWPE가 용매 중에 용해되게 하였다). 활성화된 개재된 형성된 슬러리를 오븐으로부터 이송하고 160℉(71℃)로 공기 냉각되게 하여, 용매 충전된 중합체 매트릭스 복합재를 형성하였다. 상부 라이너를 제거하여 중합체 매트릭스 복합재를 공기에 노출시켰다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재를 220℉(104℃)에서 공기 부상 오븐을 통해 5 피트/분(1.5 m/분)으로 이송하였다. 이어서, 중합체 매트릭스 복합재의 샘플을 라이너로부터 떼어내고, 트레이 상의 PET 라이너("코팅된 PET 롤#33716020500") 상에 놓고, 트레이를 107℃(225℉)에서 2시간 동안 실험실 오븐("디스패치 RFD1-42-2E") 내에 넣었다. 증발 후에, 중합체 매트릭스 복합재를 오븐에서 꺼내고, 주위 온도로 냉각되게 하고, 특성화하였다.
생성된 중합체 매트릭스 복합재는 27.7 밀(704 μm) 두께였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 측정된 밀도가 0.254 g/㎤였고, ("밀도 및 다공도 시험"에 의해 결정할 때) 다공도가 92.5%였고, ("공기 유동 저항 시험"에 의해 결정할 때) 걸리 공기 유동이 2.7초/50 ㎤였고, ("기포점 시험"에 의해 결정할 때) 기공 크기가 2.3 μm였고, ("임피던스 시험 방법"에 의해 결정할 때) 공진 주파수 편이가 133.9 ㎐였고, ("음압 레벨(SPL) 시험 방법"에 의해 결정할 때) 음압 레벨이 2.07 데시벨이었다.
이어서, 생성된 중합체 매트릭스 복합재를 5일 동안 65℃ 및 90% 상대 습도에 노출시켰다. 이어서, 샘플을 음향 성능에 대해 재시험하였으며, 이것은 ("임피던스 시험 방법"에 의해 결정할 때) 공진 주파수 편이가 96.9 ㎐였고, ("음압 레벨(SPL) 시험 방법"에 의해 결정할 때) 음압 레벨이 1.36 데시벨이었다.
본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어남이 없이 본 개시 내용의 예측가능한 변형 및 변경이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 예시의 목적으로 본 출원에 기재된 실시 형태로 제한되어서는 안 된다.

Claims (22)

  1. 다공성 중합체 네트워크 구조체; 및 상기 중합체 네트워크 구조체 내에 분포된 복수의 입자를 포함하는 중합체 매트릭스 복합재의 제조 방법으로서,
    열가소성 중합체, 용매, 및 2 W/(m * K) 초과의 열전도도를 갖는 복수의 열전도성 입자를 조합하여 슬러리를 제공하는 단계;
    기재 또는 공구로 상기 슬러리를 성형된 슬러리로 성형하는 단계;
    상기 성형된 슬러리를 가열하여, 상기 성형된 슬러리 내의 상기 용매의 중량을 기준으로 90 중량% 이상의 상기 용매를 상기 성형된 슬러리 내에 유지하고, 상기 열가소성 중합체의 총 중량을 기준으로 50 중량% 이상의 상기 열가소성 중합체를 가용화하는 단계;
    상기 용매로부터 상기 열가소성 중합체의 상분리를 유도하여 상기 중합체 매트릭스 복합재를 수득하는 단계; 및
    상기 중합체 매트릭스 복합재를 압축하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 용매로부터 상기 열가소성 중합체의 상분리를 유도하는 단계 후에 상기 용매의 적어도 일부분을 상기 중합체 매트릭스 복합재로부터 제거하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 성형된 슬러리 또는 상기 중합체 매트릭스 복합재로부터 어떠한 용매도 제거되지 않는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬러리 내의 상기 중합체는 융점을 갖고, 상기 용매는 비점을 가지며, 조합하는 단계는 상기 슬러리 내의 상기 중합체의 융점 미만 및 상기 용매의 비점 미만에서 수행되는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스 복합재를 압축하는 단계와 동시에 상기 중합체 매트릭스 복합재에 진동 에너지를 가하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 중합체 매트릭스 복합재가 5% 이상의 다공도를 갖는, 방법.
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