使用微波能选择性加热热塑性聚合物体系制造技术

公开了加工包含微波敏感的聚合区域的热塑性材料的方法，其中该方法包括使微波敏感的聚合区域暴露在微波中；其中该暴露造成该聚合区域升温；并加工该热塑性材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】对相关申请的交叉引用本申请要求各自于2006年5月31日提交并各自经此引用并入本文的美国临时申请序号No.60/809,520、No.60/809,526和No.60/809,568的优先权。
本专利技术大体上涉及使用微波能选择性加热热塑性聚合物体系。该聚合物体系可以固有地响应微波能或通过在该聚合物中或作为聚合物骨架上的组分引入适当的微波响应添加剂来改性。
技术介绍
热塑性聚合物丸粒通常必须在初步转化法如挤出或注射成型中熔融、再成型和冷却从而制造具有商业价值的部件。在一些情况下，需要包括进一步加热、再成型和冷却的二次加工法，如热成形以获得具有商业价值的部件。在初步和二次法中，都对热塑性材料施加热能，并随后在再成型发生后移除。热塑性聚合物体系的传统加热机制在许多情况下依赖于接触或辐射热源。常被称作红外的辐射能具有1至10微米波长并在一半的可用能量作为热耗散之前渗透吸收材料至大约1至2微米深度。传热过程通过传导法(在固体材料的情况下)或在熔融材料的情况下通过传导、对流和机械混合的组合而延续。接触加热同样依赖于来自热接触表面的传导(或传导、对流和混合的组合)以加热材料“本体”。与热传导法相关的传热速率(RHT)通常通过下列关系式描述：RHT＝f(A，Ct，ΔT)，其中A是可供传热的面积，Ct是该材料的热扩散系数，且ΔT是有效温度驱动力，其随着被加热的材料的温度升高而随着时间降低。未改性热塑性材料的热扩散系数Ct固有地低，由此阻碍传统的辐射或接触加热系统中的传热。此外，热传导法可能造成不-->合意的温度梯度，其中被加热的部件(如片材)的表面明显比被加热的部件中心热，并高度取决于被加热的部件的厚度分布。作为比较，微波具有大约12.2厘米波长，比红外波长大。与红外或辐射能相比，微波在可用能量作为热耗散之前可以渗透至吸收材料中大得多的深度，通常几厘米。在微波吸收材料中，微波能由于微波渗透该材料而被用于“体积(volumetrically)”加热该材料。但是，如果一种材料不是良好的微波吸收剂，其对微波能是基本“可透的”。与微波加热相关的一些潜在问题包括不均匀加热和热逸散。通常由微波能透过该部件不均匀分布而引起的不均匀加热可以在一定程度上得以克服，例如在传统的家用微波炉中通过采用转台承载被加热的物体(item)来克服。热逸散可能归因于上文列出的不均匀加热和随温度改变介电损耗因子的组合。已经使用微波能例如干燥平面结构如湿织物。水是微波敏感的，并且如果在足够微波能中暴露足够时长，则会蒸发。但是，织物通常是微波可透的，从而使微波集中在基本是该材料中的唯一微波敏感组分的水上。微波能也已经被用于加热其它材料，如在下列参考文献中。美国专利No.5,519,196公开在食品容器中用作内层的含有氧化铁、碳酸钙、水、硅酸铝、乙二醇和矿油精(mineral spirits)的聚合物。该涂层可以被微波能加热，由此使容器中的食品变褐色或烧灼。美国专利No.5,070,223公开了微波敏感材料及其作为玩具中的热库的用途。所公开的微波敏感材料包括铁素体和铁素体合金、碳、聚酯、铝和金属盐。美国专利No.5,338,611公开了用于结合热塑性基底的含炭黑的聚合物条(a strip ofpolymer)。WO 2004048463A1公开了可以在电磁辐射影响下迅速加热的聚合组合物和相关用途和加工方法。使用微波加热聚合材料的关键限制是许多可用的聚合物的低微波感受性。聚合物的低微波感受性因此需要高功率或长辐射时间来加热这类聚合体系。在专门针对微波吸收设计的聚合物中，常常在其微波性质和机械或热性质之间进行折衷(trade-off)，即机械和热性质常常不大合意。因此，需要有利于使用微波能迅速体积加热聚合物的方法和聚合-->材料。另外，需要能够仅加热或熔融一部分聚合材料，足以使本体材料可流动从而有利于聚合物的成型或进一步加工的方法和聚合材料。
技术实现思路
一方面，本文公开的实施方案涉及加工包含微波敏感的聚合区域的热塑性材料的方法，其中该方法包括使微波敏感的聚合区域暴露在微波中；其中该暴露造成该聚合区域升温；并加工该热塑性材料。从下列描述和所附权利要求中清楚看出其它方面和优点。附图说明图1显示了本文所述的实施方案中可用的微波加热设备。图2显示了引入微波敏感层的多层片材的一个实施方案。图3是红外加热/冷却曲线与微波加热/冷却曲线的图解比较，其表明由于使用脉冲微波加热或在部件中提供相对较热和较冷区域的其它方式，由聚合物体系中的“热汇(heat sink)”概念引起的冷却周期时间减少和可能的能量降低。图4和5显示了微波加热系统中三层片材体系的热响应的建模结果。图6和7显示了传统辐射加热系统中三层片材体系的热响应的建模结果。图8显示了三层片材体系的热响应的建模结果，其中基于片材厚度和所需加热时间计算功率要求。图9显示了引入多层片材的选择性微波加热的热成形法的一个实施方案。图10显示了含和不含微波敏感添加剂的PP和ABS的悬臂梁式冲击(Izod impact)数据。图11显示了本文所述的实施方案中可用的聚丙烯片材的微波加热的时间-温度响应。图12显示了含沸石A(一种微波感受添加剂)的几种聚合物随微波功率而变的加热速率测量值。图13显示了对在微波加热装置中加热的片材样品测得的温度分-->布，其表明用选择性微波加热可实现的均匀加热。图14显示了对在微波加热装置中加热的A/B/A片材夹层样品测得的温度分布，其表明用选择性微波加热可实现的均匀加热。图15显示了对包含微波敏感材料芯层的三层片材的两个PP样品测得的加热特性。图16显示了图15中的两个PP样品之一的加热分布的温度快照，其中在进入加热法两分钟时获取快照。图17显示了使用与图1中所示类似的微波加热/热成形装置加热的PP样品的加热分布的温度快照。图18-23显示了动态加工的各种样品的微波加热结果，其中根据本文所述的实施方案使微波敏感聚合片材以固定速度通过微波腔。具体实施方式一方面，本文所述的实施方案涉及在聚合物骨架上或作为聚合物基体中的聚合或非聚合添加剂引入微波感受组分的聚合物，该组分使该聚合物可通过施加微波能迅速和可控地加热。在另一些方面中，本文所述的实施方案涉及加工引入微波感受组分的聚合物的方法。与其它加热法，如辐射、对流或接触加热相比，微波能的使用可以实现极快的体积加热。微波能的使用可以克服传统加热系统的两个基本限制：对聚合物从部件表面传输热能的热导率的依赖性；和聚合物表面的最高容许温度，其又决定了最高有效温度驱动力。聚合物可基于其化学组成固有地感受微波。或者，可以通过将微波感受添加剂与不感受微波或微波“可透”的基础聚合物合并来形成微波敏感的聚合物组合物。下面描述本专利技术的实施方案中可用的合适的基础聚合物、微波感受聚合物和微波感受添加剂。可以使用微波能代替辐射、对流或接触加热或与辐射、对流或接触加热结合来加热所得微波感受或微波敏感聚合物。加热的聚合物可以随后被混合、转移、成型、冲压、注射、成形、模制、挤出或以其它方式进一步加工，如在初步转化法或二次加工法中那样，以形成有用制品。许多材料可通过微波吸收进行加热。这可以通过偶极加热机制实现，并包括永久偶极子和/或电荷的受激移动，因为它们试图与穿过该--本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加工热塑性材料的方法，其中该热塑性材料包含微波敏感的聚合区域，该方法包括：　在微波加热装置中使微波敏感的聚合区域暴露在微波中以提高该微波敏感的聚合区域的温度；和　加工该热塑性材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-5-31 60/809,568;US 2006-5-31 60/809,526;US1、一种加工热塑性材料的方法，其中该热塑性材料包含微波敏感的聚合区域，该方法包括：在微波加热装置中使微波敏感的聚合区域暴露在微波中以提高该微波敏感的聚合区域的温度；和加工该热塑性材料。2、根据权利要求1所述的方法，其进一步包括产生频率为1MHz至300GHz的微波。3、根据权利要求2所述的方法，其进一步包括调谐微波加热装置。4、根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将微波能基本可透的热塑性材料与至少一种微波感受添加剂混合以形成微波敏感聚合物。5、根据权利要求4所述的方法，其进一步包括水合微波敏感添加剂。6、根据权利要求4所述的方法，其进一步包括将微波敏感聚合物以层形式设置在多层复合材料中。7、根据权利要求6所述的方法，其中多层复合材料包含微波敏感聚合物层和至少一个微波可透层。8、根据权利要求1所述的方法，其中将热塑性材料构造成包含2层或更多层的分层片材，且其中一...

【专利技术属性】
技术研发人员：M库克，R萨勒曼，M帕克特，RP黑利，S克拉布特里，J隆戈里亚，H邦加茨，A迈尔，S西亚沃沙尼，PK默丘里，赖世燿，J沃特金斯，J萨格登，RG旺达勒，
申请(专利权)人：陶氏环球技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]