ドーピングカプセル、そのドーピングカプセルを含む複合系、および、それの利用方法

专利摘要:
本発明は、導入されたポリマーマトリックスの物理化学的相互作用によって、所定の温度範囲内で温度を上昇させると透明度の減少を示す物質を含むドーピングカプセルに関する。 さらに、本発明は、上記のドーピングカプセルと共にポリマーマトリックスを導入した複合系に関する。 本発明に係る上記のカプセルは日焼け防止または熱の反射に応用できる。
公开号:JP2011506702A
申请号:JP2010538426
申请日:2008-12-15
公开日:2011-03-03
发明作者:アルノー ゼーボーテ；オラフ ミューリング；ラルフ ルーマン
申请人:フラウンホッファー−ゲゼルシャフト・ツァー・フォデラング・デル・アンゲワンテン・フォーシュング・エー．ファウ．；
IPC主号:C08K9-10

专利说明:

[0001] 本発明は、所定の温度範囲内で温度を上昇させると、導入されたポリマーマトリックスとの物理化学的相互作用によって透明度が減少を示す物質を含むドーピングカプセルに関する。]
[0002] さらに、本発明は、上記のドーピングカプセルと共にポリマーマトリックスを導入した複合系に関する。]
背景技術

[0003] 本発明に係る上記のカプセルは日焼け防止または熱の反射に利用される。]
[0004] 世界的に見て、建物の冷房に必要な１年間のエネルギー消費量は、すでに、その建物の暖房に必要なエネルギー消費量に匹敵している。]
[0005] 都市における熱的負荷の増大を避けるためには、エネルギー収支の最適化が必要となる。]
[0006] 建物に電気的なエアコン装置を備える代わりに、受動的な冷房が可能となるように対応させて建物を設計しなければならない。]
[0007] 過熱防止は、今でもなお、ほとんどが、従来からの物理的な遮光によってなされている。]
[0008] アクティブスイッチングなどの（特に、エレクトロクロミズムによる）最近の方法が成功したかは、今のところ分からない。]
[0009] これには、経済面に加えて、未だ解決されていない技術的問題が間違いなく関係している。]
[0010] 非特許文献１には、光学的効果が温度に応じて変化するサーモクロミック物質の利用方法が詳細に記述されている。]
[0011] サーモトロピックヒドロゲルまたはポリマー混合物を日焼け防止に利用する試みが、数十年間なされてきた。]
[0012] １９５０年から１９６０年にかけて、日焼け防止のためにサーモトロピック物質を使った実験が、すでにミュンヘン動物園で行われていた。]
[0013] また、温度に応じて切り替わるサーモトロピック物質や、日焼け防止の分野において常時太陽光を反射する層は、特許文献１、特許文献２、および、特許文献３により公知となっている。]
[0014] これまでの未解決の技術的問題に加えて、使用されたサーモトロピック系における化学的な競争反応、相分離、相転移などの反応のメカニズムが、今のところ正確に理解されていないことが、市場への導入が遅れている大きな理由となっている。]
[0015] 例えば、特許文献４では、光硬化マトリックスポリマー中に、一般式ＣｎＨｎ＋２（５≦ｎ≦３０）の脂肪族化合物が、濃度０．５重量％〜１０重量％のサーモトロピックモノマーとして導入されているが、この一般式で示される構造では、高分子反応におけるモノマーとしては機能しない。]
[0016] モノマーまたはモノマー化合物とは、定義によれば、分子鎖または分子ネットワークを形成するために、或いは、非分岐ポリマーまたは分岐ポリマーを形成するに混合される低分子または反応分子のことである。]
[0017] さらに、ポリマーマトリックス中に一様に分散した脂肪族化合物を、基材表面に移動させる過程が必要となり、また、その過程の促進には、特に熱的負荷が伴う。]
[0018] 異方相の必要性に基づくサーモトロピック特性および最大で１０重量％の濃度範囲で生じたサーモトロピック特性は長時間安定しない。]
[0019] さらに、特許文献４には、沈降反応が可能となるように、上記の混合物が、上記のサーモトロピック成分に対応する溶解度を有する必要があることが記載されている。]
[0020] サーモトロピック相の溶解によって、個々のサーモトロピック分子の互いの分子間相互作用に基づく異方性が必然的に消失する。]
[0021] それに続く架橋結合では、力学的かつ熱力学的な原因によって、上記のサーモトロピック成分が、再び分離相として量的に沈殿することはない。]
[0022] しかも、不活性雰囲気下での露光によるポリマーマトリックスの硬化や、２枚のガラス板間での成形によるフィルムの形成と、それに続くそれの除去は、途切れることなく、費用効果を生じるような技術にはなり得ない。]
[0023] したがって、このような解決策では市場性はない。]
[0024] そこで、上述の従来技術の問題点を発端とする本発明の根本的な目的は、長時間の安定性を有し、すなわち、熱力学的に安定であり、とりわけ日焼け防止に使用可能なサーモトロピック樹脂材料を提供することにある。]
[0025] この目的は、請求項１の特徴を有するドーピングカプセル、および、請求項１１の特徴を有する複合系によって達成される。]
[0026] さらなる従属の請求項によって有益な改良が開示されている。]
[0027] 本発明に係る利用方法については請求項１８に記載されている。]
[0028] 本発明では、１０℃〜５５℃の温度範囲で回転相を有する少なくとも１つの物質を含むドーピングカプセルが提供される。]
[0029] したがって、上述の温度範囲内で温度を上昇させると、上記のカプセルの透明度が減少する。]
[0030] 本発明の範囲では、透明度について、紫外・可視、近赤外または赤外の波長領域で、物質が最低でも３０％、できれば最低でも５０％、さらに望ましくは最低でも７０％の透過率を有する場合に、その物質が透明な性質を有すると解釈すべきである。]
[0031] 上記の回転相によって、核となる物質には、温度に応じて異なる秩序相と等方相とが生じる。]
[0032] 高秩序の結晶相と上記の完全に制御された等方相との間に形成された樹脂の結晶相は回転相と呼ばれている。]
[0033] 上記の回転相に関する非特許文献２について触れることにする。]
[0034] 上記の回転相を有する物質の温度により誘発される構造的変化は、固体／固体の状態から固体／液体の状態への転移の間に生じる。]
[0035] 動的示差走査熱量測定（ＤＳＣ）およびＸ線分析によって、これらの特性を非常に正確に明らかにすることができる。]
[0036] カプセル内の物質と導入されたポリマーマトリックスとの間の物理化学的相互作用の結果として、その温度を変化させると、温度に依存した屈折率の変化が生じる。]
[0037] 結果として、本発明によって、温度上昇と同時に透明度の減少が生じる。
このことは、上記の従来技術として知られているものに対して、実質的な相違点と利点とを示している。]
[0038] この効果は、とりわけ日焼け防止に利用することができる。]
[0039] したがって、上記の回転相を有する物質が分離相として存在していることが前提条件となる。]
[0040] 光学的要求を満たすように物質の空間的広がりをできる限り小さくし、出来上がった全てのサーモトロピック系の物理的特性が考慮されるように、物質をできる限り単分散の状態にしておかなければならない。]
[0041] 上記の回転相を有する少なくとも１つの物質を、飽和炭化水素と不飽和炭化水素とからなるグループから選択するのが望ましい。]
[0042] ここでは、とりわけ以下のグループからの物質が望ましい。すなわち、
・ｎ−テトラデカン、ｎ−エイコサン、ｎ−ノナデカン、ｎ−ペプタコサンまたはヘキサデカンなどの飽和脂肪族炭化水素または不飽和脂肪族炭化水素（Ｃ１０−Ｃ３０）
・ドデシルアルコール、デシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ドデシルアミン、デシルアミンまたはヘキサデシルアミンなどの飽和脂肪アルコールまたは不飽和脂肪アルコールおよび脂肪族アミン
・ Ｃ１４−Ｃ２６脂肪酸エステル、Ｃ１４−Ｃ２６炭化水素またはペルフルオロアルカンなどの脂肪酸およびハロゲン化炭化水素のエステル
・コレステロール一水和物、コレステリルアセテートまたはスチグマステロールなどのコレステリル化合物
・ポリエチレン、ポリプロピレンまたは、それらのコポリマーなどのポリオレフィン
・オクタメチルフェロセンなどの有機金属
・ さらに、これらの混合物]
[0043] 上記の回転相を有する物質を使用して、１つのカプセル中に単一の物質、或いは、複数の物質の混合物として導入してもよい。]
[0044] また、上記のドーピングカプセルを、回転相を有さない物質によって構成してもよい。]
[0045] ところで、回転相を有する物質間の相互作用を、熱力学的に安定した複合体の構造により強化する非イオン性エチレンオキシド誘導体などの、とりわけ適切な界面活性物質が存在している。]
[0046] 特に回転相を有する物質としてパラフィンを使用する場合には、なるべく、添加剤として、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）または臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）などのアニオンまたはカチオン界面活性物質を使用するとよい。]
[0047] 回転相を有する物質と回転相を有さない物質との複合体の形成によって、上記の回転相を形成する可能性が排除されることはなく、それを効果的に利用することができる。]
[0048] 本発明に係るカプセルは、１μｍ〜１０μｍの直径を有するマイクロカプセルとするのが望ましい。]
[0049] また一方で、上記のカプセルをナノカプセルとして製造することもでき、それについては、１０ｎｍ〜１μｍの直径とするのが望ましい。]
[0050] ここでの唯一の条件は、上記のナノカプセルがλ／４以上の直径を有することである。]
[0051] 光学的品質に関する要求が低い場合、例えば、見た目の均一さが、さほど必要ではない場合には、上記のカプセルは１０μｍ以上の直径を有していてもよい。]
[0052] また、日焼け防止に利用する場合には、回転相を有する異なる物質を含むカプセルの混合物や、異なるサイズのカプセルの混合物も使用できる。]
[0053] 結果として、その機能の範囲を実質的には任意に変更することができる。]
[0054] 本発明に係るカプセルは非特許文献３の説明にしたがって製造することができる。]
[0055] カプセルの分離は濾過法または噴霧乾燥法によって実施される。]
[0056] 出発エマルションに関する固有の技術および条件は上記のカプセルサイズに関係している。]
[0057] これらは１μｍ以上であっても１μｍ未満であっても、すなわち、マイクロスケールであってもナノスケールであってもよい。]
[0058] カプセルに導入された高分子材料、すなわち上記の複合系において、透明状態と不透明状態とが切り替わる温度は、それぞれ、使用される回転相を有する物質、或いは、それの混合物によって決まる。]
[0059] 結果として際立った多様性が生じる。]
[0060] （１μｍ未満の）ナノカプセルに対して、同一の回転物質を用いて液滴サイズを変えることにより、上記の切り替わり点に影響を与えるような同等の付加的な変化の可能性が生じる。]
[0061] したがって、上記のカプセルサイズが約１３０ｎｍまたは約３００ｎｍの、同一の回転物質Ｃ２０を有するカプセルの混合物を使用してもよい。]
[0062] もちろん、同様に、上記の回転物質は同一のものでも別のものでもよいが、マイクロカプセルとナノカプセルとを、それぞれ単一の成分からなる混合物か、或いは、混合物として使用してもよい。]
[0063] 上記のドーピングカプセルを、異なる撹拌技術（ブレードアジテーター、溶融機、Ｔｕｒｒａｘ）によって、注型樹脂系のための、或いは、熱硬化樹脂のためのモノマー出発化合物に導入してもよい。]
[0064] 重量％での上記の濃度を０．１重量％〜８．５重量％、特に、０．５重量％〜２．５重量％とする。]
[0065] 上記のカプセルが、粉末剤か、或いは、押出成形によって予め製造されたひとまとまりの熱可塑性の高分子材料として供給される場合には、ここでは、上記の濃度を０．５重量％〜７．５重量％とした方がよい。]
[0066] 押出成形の場合には、望ましくはポリオレフィンに対して架橋結合されたメラミン樹脂およびポリメタクリル酸のカプセルを使用するとよい。]
[0067] エポキシ樹脂のカプセルを、ＰＣ、ＰＳ、または、ＰＭＭＡなどの高融点ポリマー中に導入するのが望ましい。]
[0068] さらに、本発明では、少なくとも１つのポリマーマトリックスと上述した本発明に係るカプセルとからなる複合系を提供する。]
[0069] したがって、ポリマーマトリックスを、熱可塑性物質、熱硬化樹脂、エラストマー、注型樹脂、ラッカー、ヒドロゲル、無機ポリマー、および、これらの混合物とするのが望ましい。]
[0070] ここでは、上述のポリマーマトリックスが、所定の温度または圧力の範囲内で、少なくとも１つの透明状態を有することが必要不可欠である。]
[0071] 熱可塑性物質としては、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸、ポリアミド、それらの混合物、コポリマー、および、ポリマー合金がとりわけ適切である。]
[0072] メラミン樹脂およびエポキシ樹脂をラッカー用の熱硬化樹脂および有機シリコン誘導体とするのが望ましい。]
[0073] エラストマーを硫黄によって架橋結合するのが望ましい。]
[0074] 樹脂材料の種類の選択に加えて、それの技術的な処理もマクロスコピックな特性に対して極めて重要である。]
[0075] 本発明に係るドーピングカプセルは、特に日焼け防止および熱反射の分野で利用される。]
[0076] 次の実施例と、ここに示された特定の実施形態に関連する本主題を限定しない図面とによって、本発明の主題をより詳細に説明することを目的にしている。]
図面の簡単な説明

[0077] 温度上昇によって、押出形成されたサーモトロピックフィルムの透明度が増大している様子を示している。]
[0078] カプセルサイズ３μｍ〜６μｍの３．５重量％のマイクロカプセルが低密度タイプのポリエチレンに混合される。]
[0079] 層厚約１１０μｍのサーモトロピックフィルムが押出成形で製造される。]
[0080] 押出成形機の加熱ゾーンを１８０℃と２０５℃との間で変えて、スロットダイスでの温度を２１０℃とする。]
[0081] 上記のフィルムは、冷たいローラーで２秒〜５秒以内に４５℃まで冷却される。]
[0082] 上記の押出形成されたサーモトロピックフィルムは、温度上昇によって、その透明度が増大している（図１）。] 図１
[0083] その過程は可逆である。]
実施例

[0084] 上記のフィルムは日焼け防止に適している。]
[0085] ＵＳ４３０７９４２
ＵＳ６４４０５９２
ＵＳ２００５／１４７８２５
ＥＰ０１２５８０４]
先行技術

[0086] Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ａ．Ｓｅｅｂｏｔｈ／Ｄ．Ｌｏｔｚｓｃｈ，２００４）
Ｓｉｒｏｔａ，Ｓｉｎｇｅｒ，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１０１（１９９４），１０８７３
Ａ．Ｌｏｘｌｅｙ ａｎｄ Ｂ．Ｖｉｎｃｅｎｔ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２０８，４９−６２（１９９８）]

权利要求:

請求項1
１０℃〜５５℃の温度範囲で回転相を有する少なくとも１つの物質によって構成されるポリマーマトリックス用のドーピングカプセルであって、前記温度範囲内で温度を上昇させると透明度が減少を示すことを特徴とするドーピングカプセル。
請求項2
前記少なくとも１つの物質が１５℃〜４５℃の温度範囲で回転相を有することを特徴とする請求項に記載１のドーピングカプセル。
請求項3
前記温度範囲で樹脂の結晶相が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のドーピングカプセル。
請求項4
前記少なくとも１つの物質が単分散の状態で存在することを特徴とする請求項１ないし請求項３のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項5
前記少なくとも１つの物質が分離相として存在することを特徴とする請求項１ないし請求項４のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項6
前記少なくとも１つの物質が飽和炭化水素または不飽和炭化水素のグループから選択されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項7
前記少なくとも１つの物質が、・ｎ−テトラデカン、ｎ−エイコサン、ｎ−ノナデカン、ｎ−ペプタコサンまたはヘキサデカンなどの飽和脂肪族炭化水素または不飽和脂肪族炭化水素（Ｃ１０−Ｃ３０）・ドデシルアルコール、デシルアルコール、ヘキサデシルアルコール、ドデシルアミン、デシルアミンまたはヘキサデシルアミンなどの飽和脂肪アルコールまたは不飽和脂肪アルコールおよび脂肪族アミン・Ｃ１４−Ｃ２６脂肪酸エステル、Ｃ１４−Ｃ２６炭化水素またはペルフルオロアルカンなどの脂肪酸およびハロゲン化炭化水素のエステル・コレステロール一水和物、コレステリルアセテートまたはスチグマステロールなどのコレステリル化合物・ポリエチレン、ポリプロピレンまたは、それらのコポリマーなどのポリオレフィン・オクタメチルフェロセンなどの有機金属・また、これらの混合物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項8
さらに、前記カプセルが回転相を有さない物質によって構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項9
前記カプセルがマイクロカプセルであり、かつ、１μｍ〜１０μｍの直径を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項10
前記カプセルがナノカプセルであり、かつ、１０ｎｍ〜１μｍの直径を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のうち何れか１項に記載のドーピングカプセル。
請求項11
前記カプセルがマイクロカプセルおよびナノカプセルの混合物によって構成されることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のドーピングカプセル。
請求項12
少なくとも１つのポリマーマトリックスと、さらに請求項１ないし請求項１１のうち何れか１項に記載のドーピングカプセルとによって構成されることを特徴とする複合系。
請求項13
前記ポリマーマトリックスが、熱可塑性物質、熱硬化樹脂、エラストマー、注型樹脂、ラッカー、ヒドロゲル、無機ポリマー、および、これらの混合物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１２に記載の複合系。
請求項14
前記熱可塑性物質が、ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸、ポリアミド、それらの混合物、コポリマー、および、ポリマー合金からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１３に記載の複合系。
請求項15
前記熱硬化樹脂が、メラミン樹脂およびエポキシ樹脂のグループから選択されることを特徴とする請求項１３に記載の複合系。
請求項16
前記ラッカーが有機シリコン化合物から選択されることを特徴とする請求項１３に記載の複合系。
請求項17
前記エラストマーが硫黄によって架橋結合されることを特徴とする請求項１３に記載の複合系。
請求項18
請求項１ないし請求項１１のうち何れか１項に係るドーピングカプセルを日焼け防止および／または熱反射に利用することを特徴とする利用方法。