엘라스토머 조성물의 열 가공 방법 및 가공성이 개선된엘라스토머 조성물 document_id A220623042298

오늘날 많은 제품들은 매우 공학적으로 처리된 탄성 부품들을 필요로 하고, 또한 동시에, 한정된 사용 또는 일회용에 맞는 비용으로 제조되어야 한다. 한정된 사용 또는 일회용이란, 제품 및(또는) 부품이 단지 적은 횟수로 또는 가능하게는 단지 1번 사용된 후 버려지는 것을 의미한다. 이러한 제품의 예는 개인 위생 흡수 제품, 예를 들면 기저귀, 배변연습용 팬츠, 실금자용 가먼트 등을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다. 이들 제품은 부품으로서 탄성 필름, 탄성 직물, 탄성 필라멘트 및(또는) 탄성 라미네이트를 이용할 수 있으며, 이용하고 있다. 엘라스토머 필라멘트, 탄성 필름, 탄성 부직포 및 탄성 라미네이트의 제조는 빈번하게는 겨우 몇 시간의 작업 후에 청소를 위한 기계 조업정지를 야기시키는, 압출되는 조성물의 다이 선단(die tip) 상에서의 퇴적(buildup)이라는 끊임없는 문제점을 수반하고 있다. 조업정지는 최소화하면서 중합체 물질의 압출에 사용되는 다이의 청소 및 보수를 용이하게 하는 다양한 기전들이 알려져 있다. 용융 중합체가 다이를 통해 압출되어 필름, 스트랜드, 부직 웹 및 다른 최종 중합체 형태를 형성한다. 특히 엘라스토머를 함유하는 탄성 중합체 조성물의 경우에는, 중합체가 다이를 빠져나갈 때, 중합체 조성물 중 일부가 다이 오프닝 또는 "립(lip)"에 매달려, 다이의 외부 표면 상에 축적된다. 다이 립 퇴적은, 이들이 꺾여 떨어져서 가능하게는, 예를 들면 살짝 긁힘(thin spot) 또는 인열 또는 텍스쳐 또는 제품의 다른 미관적 특성에 미치는 다른 유해한 효과의 형태일 수 있는 제품 내의 결함 뿐만 아니라 정지의 결과인 다른 결함들을 야기시키는 시점에 이르도록 축적될 때까지 점진적으로 증가한다. 상당한 공학적 처리는 이러한 퇴적을 최소화시키기 위한 압출 조성물의 선택 및 다이의 디자인에 이르게 되었다. 발산하는, 수렴하는, 둥글게된 및 기울어진 다이 립 기하형태들 모두가 이러한 퇴적을 최소화하도록 개발된 방법의 예이다. 그러나, 어떠한 다이 디자인도 이것을 완전히 제거하지는 못하였다. 이러한 퇴적을 제거하기 위해 다이 상에서 보수를 수행하기 위해 압출 작업을 일시적으로 멈추는 것이 일반적인 관례이다. 정지는 생산율에 악영향을 미치고, 비용을 증대시키며, 또한 제품 균일성에도 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 작업 정지를 최소화시키는 것이 유리하다. 압출 동안의 압출물 오염의 축적 또는 다이 립 퇴적을 감소시키는 방법들이 시도되어 왔다. 예를 들면, 미국 특허 제6,245,271호는 약 0.5 밀(mil) 내지 약 3 밀의 곡률 반경을 갖는 다이 립을 갖는 다이를 이용하는, 압출 동안의 다이 립 퇴적의 감소 방법을 설명하고 있다. 압출 동안의 다이 립 퇴적을 감소시키는 방법을 개발하는 것이 유리하다. 특히, 기존 장비의 변형을 필요로 하지 않는, 엘라스토머 조성물의 압출 동안의 다이 립 퇴적의 감소 방법을 개발하는 것이 또한 유리하다. 추가적으로, 상업적인 방법들은 일반적으로 동일한 다이 상에서 일정 범위의 필라멘트 기본 중량을 갖는 여러개의 제품들을 제조하기 때문에 제조에 대한 넓은 공정 윈도우(process window)를 필요로 하게 된다. 예를 들면, 9 그램/평방미터(gsm) 필라멘트 시트가 한 다이로부터 특정 압출량으로 압출될 수 있다. 필라멘트 중량을 증가시키기 위해서는 동일한 다이에서 보다 높은 압출량이 필요하다. 압출량의 증가는 전단 속도의 증가를 생성시키고, 다이 출구에서 흐름 불안정성을 생성시킬 수 있다. 이러한 현상은 일반적으로 압출된 필라멘트의 표면 상에서의 용융 파괴(melt fracture) 또는 샤크 스키닝(shark skinning)으로 나타난다. 여러개의 다이에 돈을 쓰지 않고서 공정의 압출량 범위를 증가시키는 것이 또한 유리하다. 003c#발명의 요약003e# 본 발명은 엘라스토머 조성물의 열 가공 방법 및 가공성이 개선된 엘라스토머 조성물을 제공한다. 일반적으로, 본 발명은 폴리오르가노실록산을 가공 조제로서 포함하는 엘라스토머 조성물을 제공한다. 제시된 폴리오르가노실록산은 실퀘스트(SILQUEST)(등록상표) PA-1 실리콘 첨가제이다. 예를 들면, 본 발명은 엘라스토머 블록 공중합체 및 약 0.01 내지 약 0.5 중량％의 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 조합물을 포함하는 엘라스토머 조성물을 제공한다. 보다 바람직하게는, 엘라스토머 조성물은 약 0.01 내지 약 0.2 중량％의 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 조합물을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 엘라스토머 조성물은 약 0.01 내지 약 0.1 중량％의 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 조합물을 포함한다. 더욱 더 바람직하게는, 엘라스토머 조성물은 약 0.02 내지 약 0.08 중량％의 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 조합물을 포함한다. 엘라스토머 블록 공중합체는 스티렌계 블록 공중합체, 예를 들면 스티렌/에틸렌-프로필렌/스티렌/에틸렌-프로필렌 테트라블록 공중합체 또는 스티렌/에틸렌-부틸렌/스티렌/에틸렌-부틸렌 테트라블록 공중합체일 수 있지만 이들로 제한되지는 않는다. 이러한 공중합체의 상업적 예는 각종 크라톤(KRATON)TM 스티렌계 블록 공중합체를 포함한다. 엘라스토머 블록 공중합체는 스티렌계 성분 블록 및 중합체 중간블록(mid-block)을 갖는 블록 공중합체를 포함할 수 있다. 엘라스토머는 또한 열가소성 폴리우레탄 또는 임의의 다른 탄성 블록 공중합체일 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 엘라스토머 조성물은 용융 압출가능한 열가소성 조성물이고, 폴리오르가노실록산의 첨가는 폴리오르가노실록산이 없는 엘라스토머 블록 공중합체의 용융 압출 온도에 비하여 조성물의 압출 온도를 저하시킨다. 예시적인 폴리오르가노실록산은 하기 화학식을 갖는 폴리오르가노실록산을 포함한다: 003c#화학식003e# 상기 식 중, R은 알킬 라디칼이고, R1은 1개 이상의 에틸렌 옥사이드 기, 근접하는 에폭시 기 또는 아미노 기를 함유하는 1가 유기 라디칼이고, x 및 y는 독립적으로 양의 정수들로 된 군으로부터 선택된다. 본 발명의 조성물은 티타네이트 또는 지르코네이트 또는 이들의 혼합물을 추가로 포함할 수 있다. 제시된 농도는 티타네이트, 지르코네이트 또는 이들의 조합물이 약 0.01 내지 약 3 중량％의 범위이다. 제시된 티타네이트는 미국 뉴저지주 베이온의 켄리치 페트로케미칼즈, 인크.(Kenrich Petrochemicals, Inc.)가 공급하는 켄-리액트(Ken-React)(등록상표) 리카(LICA)(등록상표) 01, 켄-리액트(등록상표) 캐포우(CAPOW)(등록상표) 및 켄-리액트(등록상표) 캡스(CAPS)를 포함한다. 본 발명은 또한 엘라스토머 블록 공중합체의 압출 온도 감소 방법을 제공하고, 이 방법은 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 혼합물을 엘라스토머 블록 공중합체에 첨가하는 것을 포함한다. 엘라스토머 블록 공중합체 1,000,000 부 당 약 100 내지 약 1000 중량부의 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 혼합물이 엘라스토머 블록 공중합체에 첨가될 수 있다. 본 발명은 또한 엘라스토머 블록 공중합체, 및 엘라스토머 블록 공중합체의 중량에 대하여 약 0.01 중량％ 내지 약 0.2 중량％의 폴리오르가노실록산 또는 폴리오르가노실록산들의 혼합물을 포함하는 필름, 섬유 및 부직포를 제공한다. 엘라스토머 조성물 중에 폴리오르가노실록산을 포함시키는 것은 엘라스토머 조성물의 열 가공성을 개선시키고, 보다 넓은 범위의 압출 작업 온도, 전단 속도 및(또는) 작업 압력 하에서 열 가공을 용이하게 함으로써 공정 윈도우를 증대시킨다. 예를 들면, 이러한 공정 윈도우의 광역화는 보다 큰 범위의 압출량으로, 따라서 보다 큰 압력 범위에서 양호한 품질의 필라멘트들이 압출될 수 있음을 의미한다. 특정 실시태양에서, 본 발명의 방법 및 조성물은 각각 스트랜드, 필름 및 섬유의 압출 동안의 다이 립 퇴적, 다이 오염 및 방사구 오염을 감소시킨다. 보다 신속한 가공은 일반적으로 인취 공진현상(draw resonance)에 의해 제한된다. 이러한 현상은 공정 속도가 증가됨에 따라 나타나고, 조성물이 선 속도에 따라가지 못함으로써 넥킹(necking)이 생긴다. 폴리오르가노실록산의 첨가는 인취 공진현상을 감소시키고 조성물이 다이로부터 방출될 수 있는 속도를 증가시킨다. 폴리오르가노실록산의 포함은 또한 엘라스토머 조성물을 압출시키는데 사용된 장치의 연장된 다이 수명 및 팩(pack) 수명이라는 추가적인 이점을 가질 수도 있다. 003c#정의003e# 본원에 사용된 용어 "연속 필라멘트"는 연속적으로 형성되는 중합체 필라멘트의 스트랜드를 말한다. 이러한 필라멘트는 대표적으로는 특정 유형 및 배치의 모세관 홀이 그안에 있는 다이 헤드를 통해 용융 물질을 압출시킴으로써 형성될 것이다. 본원에 사용된 용어 "탄성" 또는 "탄성화된"은 바이어스력의 인가시에 물질이 약 60％ 이상으로(즉, 그의 이완된 바이어스되지 않은 길이의 약 160％ 이상인 늘어난 바이어스된 길이로) 연장될 수 있고, 연신력의 해제시에 물질이 그의 신장율의 55％ 이상을 회복하게 되는 신축성인 물질을 말한다. 탄성 물질의 가정적인 예는 적어도 1.60 인치까지 연장될 수 있고, 해제되었을 때 1.27 인치 이하의 길이로까지 회복되게 되는 물질의 1 인치 샘플이다. 다수의 탄성 물질은 60％를 초과(즉, 그의 이완된 길이의 160％를 초과)할 만큼 연장될 수 있다. 예를 들면, 일부 탄성 물질은 100％ 이상 연장될 수 있고, 이들 중 다수는 연신력의 해제시에 예를 들면 그의 원래의 이완된 길이의 105％ 이내와 같이 실질적으로 그의 초기 이완된 길이로 회복하게 된다. 본원에서 사용된 용어 "중합체"는 일반적으로 단일중합체, 공중합체, 예를 들면 블록, 그라프트, 랜덤 및 교대 공중합체, 삼원공중합체 등, 및 이들의 블렌드 및 변형물을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는다. 게다가, 용어 "중합체"는 물질의 모든 가능한 기하학적 배위, 예를 들면 이소택틱, 신디오택틱 및 랜덤 대칭을 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "복합 부직물", "복합 부직포", "라미네이트" 또는 "부직 라미네이트"는 달리 정의되지 않는 한, 적어도 하나의 시트 물질에 연결된 적어도 하나의 탄성 물질을 갖는 재료를 말한다. 대부분의 실시태양에서, 이러한 라미네이트 또는 복합 직물은 개더링(gathering)가능한 층이 결합 위치들 사이에서 개더링될 수 있도록 탄성 층 또는 물질에 결합된 개더링가능한 층을 갖게 된다. 본원에 기재되는 바와 같이, 복합 탄성 라미네이트는 결합 위치들 사이에서 개더링된 개더링가능한 물질이 탄성 물질을 연장시킬 수 있는 정도로까지 늘어날 수 있다. 이러한 유형의 복합 탄성 라미네이트는 예를 들면, 본원에서 그 전체를 본원에 대한 참고문헌으로 인용하고 있는 밴더 비엘렌(Vander Wielen) 등의 미국 특허 제4,720,415호에 개시되어 있다. 본원에서 사용된 용어 "부직 웹"은 사이에 넣어진 개개의 섬유 또는 실의 구조를 갖지만, 확인가능할 정도의 반복되는 방식으로 갖지는 않는 웹을 말한다. 부직 웹은 과거에, 예를 들면 멜트블로잉 방법, 스펀본딩 방법, 및 본디드 카디드 웹 방법과 같은 각종 방법들에 의해 제조되어 왔다. 본원에서 사용된 용어 "멜트블로운 섬유"는 용융된 열가소성 물질을 다수개의 미세한, 일반적으로 원형인 다이 모세관을 통해, 용융된 열가소성 물질의 필라멘트를 가늘게 하여 그의 직경을 감소시켜 미세섬유 직경이 될 수 있게 하는 고속 가스(예를 들면, 공기) 스트림으로 용융 열가소성 물질 또는 필라멘트로서 압출시킴으로써 제조된 섬유를 의미한다. 그후에, 멜트블로운 섬유는 고속 가스 스트림에 의해 운반되고 수집 표면 상에 퇴적되어 무작위로 분산된 멜트블로운 섬유의 웹을 형성한다. 이러한 한 방법은 예를 들면, 본원에서 그 전체를 본원에 대한 참고문헌으로 인용하고 있는 부틴(Butin) 등의 미국 특허 제3,849,241호에 개시되어 있다. 본원에 사용된 용어 "스펀본디드 섬유"는, 예를 들면 끌어내는 신축 또는 다른 공지된 스펀본딩 기전에 의해서와 같이 압출된 필라멘트의 직경이 급격하게 감소되도록 용융 열가소성 물질을 일반적으로 원형인 방사구의 다수의 미세 모세관으로부터 필라멘트로서 압출시킴으로써 제조된 직경이 작은 섬유를 말한다. 스펀-본디드 부직 웹의 제조는 예를 들면 아펠(Appel) 등의 미국 특허 제4,340,563호 및 도슈너(Dorschner) 등의 미국 특허 제3,692,618호와 같은 특허들에 예시되어 있다. 이들 특허들의 내용은 본원에서 그의 전체가 본원에 대한 참고문헌으로 인용된다.