專利名稱：具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文披露的實(shí)施方式總體涉及能微波加熱的熱塑性組合物。更具體而言，本文披 露的實(shí)施方式總體涉及設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物。
背景技術(shù)：
典型地，在諸如擠出或注塑的初級轉(zhuǎn)換工藝中，熱塑性聚合物粒料必須被熔融、再 成型、和冷卻，從而制備具有商業(yè)價(jià)值的部件。在一些情況中，需要涉及進(jìn)一步加熱、再成型 和冷卻的二級制造工藝，如熱成型，以實(shí)現(xiàn)具有商業(yè)價(jià)值的部件。在初級和二級工藝中，將 熱能施加到熱塑性材料，然后在再成型后除去。在許多情況中，用于熱塑性聚合物體系的常規(guī)加熱機(jī)理依靠接觸或輻射熱源。輻 射能量(常稱為紅外線)的波長范圍在1 10微米，其將在一半的可用能量作為熱耗散之 前滲透到吸收材料的大約1 2微米的深度。熱傳遞的過程通過傳導(dǎo)過程持續(xù)(在固體 材料的情況下)，或者，在熔融材料的情況下，通過傳導(dǎo)、對流和機(jī)械混合的組合持續(xù)。類似 地，接觸加熱依靠來自熱接觸表面的傳導(dǎo)(或傳導(dǎo)、對流、和混合的組合)以加熱材料的“主 體，，。與傳導(dǎo)性熱傳遞過程相關(guān)的熱傳遞速率(RHT)通?？梢杂梢韵玛P(guān)系描述RHT = f(A, Ct, Δ Τ)，其中A為可用于熱傳遞的面積，Ct為材料的熱擴(kuò)散率，且ΔΤ為可用的溫度 驅(qū)動力，其將隨著被加熱的材料的溫度提高而減少。未改性熱塑性材料的熱擴(kuò)散率Ct本身 是低的，從而妨礙了常規(guī)的輻射或接觸加熱體系中的熱傳遞。而且，輻射或接觸加熱可導(dǎo)致 不期望的溫度梯度、可能的被加熱材料的皮過熱或燒焦。與此相反，微波的波長為大約12. 2cm，比紅外線的波長長。與紅外線或輻射能量相 比，在可用能量作為熱耗散前，微波可以滲透到吸收材料的深得多的深度，典型地為若干厘 米。在吸收微波的材料中，由于微波滲透穿過材料，微波能量用于以“立體方式”加熱該材 料。但是，如果材料不是良好的微波接收體，則其對微波能量來說基本上是“透明的”。與微波加熱相關(guān)的一些潛在問題包括，不均勻的加熱和熱耗散。不均勻的加熱經(jīng) 常是由于部件上不均勻的微波能量分布造成的，其可通過使用旋轉(zhuǎn)平臺以支撐被加熱的物 件而在一定程度上得到克服，例如在常規(guī)的家用微波爐中。熱耗散可歸結(jié)于上述不均勻加 熱與改變與溫度相關(guān)的介電損耗因子的結(jié)合。微波能量已用于例如干燥平坦結(jié)構(gòu)，如濕的織物。水是微波敏感的，并且如暴露于 足夠的微波能量足夠的時(shí)間則會蒸發(fā)。但是，織物通常對微波是透明的，從而導(dǎo)致微波聚焦 到基本上是材料中唯一的微波敏感組分的水上。微波能量還用于加熱其它材料，如在以下 參考文獻(xiàn)中。美國專利5，519，196披露了含有氧化鐵、碳酸鈣、水、硅酸鋁、乙二醇、和礦物精油
的聚合物涂層，其用作食品容器的內(nèi)層。該涂層可以由微波能量加熱，從而引起所述容器中 的食品烘焦或烤焦。美國專利5，070，223披露了微波敏感材料和它們在玩具中作為儲熱器的用途。所披露的微波敏感材料包含鐵氧體和鐵氧體合金、碳、聚酯、鋁、和金屬鹽。美國專利 5，338，611披露了用于粘接熱塑性基材的含有炭黑的聚合物帶條。WO 2004048463A1披露了可以在電磁輻射的影響下被快速加熱的聚合物組合物， 以及相關(guān)的應(yīng)用和加工方法。使用微波加熱聚合物材料的主要限制是，許多可用聚合物的低微波接收性。因此， 聚合物的低微波接收性需要高的功率或長的輻射時(shí)間，以加熱這樣的聚合物體系。在特別 設(shè)計(jì)用于微波吸收的聚合物中，在它們的微波性質(zhì)和機(jī)械或熱性質(zhì)之間經(jīng)常會有折中，也 就是說機(jī)械和熱性質(zhì)經(jīng)常低于期望。因此，存在對便于使用微波能量快速的以立體方式加熱聚合物的工藝和聚合物材 料的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本文所披露的實(shí)施方式涉及配制能微波加熱的熱塑性組合物的方法， 該組合物設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率。該方法可包括選擇微波接收添加劑、微波接收添加 劑的粒度、微波接收添加劑的濃度中的至少一種；選擇選自熱塑性聚合物組分、微波功率、 電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱 塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸入；和基于所述選擇至少一種和所述選擇至少 兩種，將微波接收添加劑與熱塑性聚合物混合以形成具有選定加熱速率的能微波加熱的熱 塑性組合物。在另一方面，本文所披露的實(shí)施方式涉及制造設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的組合 物的方法，所述方法包括選擇選自熱塑性聚合物組分、微波功率、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合 物組分的最大容許溫度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò) 散率中的至少兩種輸入；選擇微波接收添加劑、該微波接收添加劑的粒度、微波接收添加劑 的濃度中的至少之一；確定所述能微波加熱的熱塑性組合物的加熱速率；和改變微波接收 添加劑、所述微波接收添加劑的粒度、和所述微波接收添加劑的濃度中的至少之一；和重復(fù) 所述選擇、所述確定加熱速率、和所述改變直到符合選定的加熱速率收斂條件。在另一方面，本文所披露的實(shí)施方式涉及制造能微波加熱的多層熱塑性復(fù)合材料 的方法，該熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率，所述方法包括選擇微波接收添加 劑、微波接收添加劑的粒度、微波接收添加劑的濃度中的至少一種；選擇選自熱塑性聚合物 組分、微波功率、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫度、該熱塑性聚合物組分的 加工溫度、和該熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸入；基于所述選擇至少一種 和所述選擇至少兩種，將微波接收添加劑與熱塑性聚合物混合以形成具有選定的加熱速率 的能微波加熱的熱塑性組合物；將所述具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物 作為多層復(fù)合材料中的層來布置。在另一方面，本文所披露的實(shí)施方式涉及設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加 熱的熱塑性組合物，其包含熱塑性聚合物組分；和具有選定粒度和選定濃度的微波接收 添加劑。在另一方面，本文所披露的實(shí)施方式涉及能微波加熱的多層復(fù)合材料，其包含包 含熱塑性聚合物組分和具有選定粒度和選定濃度的微波接收添加劑的至少一個(gè)層；其中所述能微波加熱的多層復(fù)合材料具有選定的總體加熱速率。從以下說明和所附權(quán)利要求中，其它方面和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。


圖1展示了可用于本文所述的實(shí)施方式中的微波加熱設(shè)備。圖2展示了結(jié)合有能微波加熱的組合物層的多層片材的一種實(shí)施方式。圖3為計(jì)算結(jié)果的圖示，所述計(jì)算結(jié)果可用于制造根據(jù)本文披露的實(shí)施方式的具 有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物。
具體實(shí)施例方式本文所披露的實(shí)施方式總體涉及能微波加熱的熱塑性組合物。更具體而言，本文 所披露的實(shí)施方式總體涉及能微波加熱的熱塑性組合物，該熱塑性組合物設(shè)計(jì)成具有選定 的加熱速率。與其它加熱方法如輻射、對流、或接觸加熱相比，使用微波能量可得到非?？焖俚?立體方式加熱。使用微波能量可克服常規(guī)加熱體系的兩個(gè)主要限制依賴于聚合物的熱導(dǎo) 率以從部件的表面輸送熱能；和聚合物表面的最大容許溫度，該溫度又決定了能提供的最 大溫度驅(qū)動力。聚合物本身可能由于其化學(xué)組成而接收微波。當(dāng)聚合物本身不接收微波時(shí)，能微 波加熱的聚合物組合物可通過將不接收的聚合物與微波接收添加劑和/或微波接收聚合 物結(jié)合而形成?？捎糜诒景l(fā)明實(shí)施方式中的合適的基礎(chǔ)聚合物、微波接收聚合物、和微波接 收添加劑描述如下。得到的能微波加熱的聚合物組合物可使用微波能量代替輻射、對流、或接觸加熱， 或?qū)⑽⒉芰颗c輻射、對流、或接觸加熱組合使用。然后，加熱的聚合物可例如在初級轉(zhuǎn)換 工藝或二級制造工藝中進(jìn)行混合、輸送、塑造、壓印、注射、成型、模制、擠出或以其它方式進(jìn)
一步加工。在其它實(shí)施方式中，得到的能微波加熱的聚合物組合物可作為多層復(fù)合材料中的 層、多層結(jié)構(gòu)中的離散層(或若干層)以如下方式設(shè)置，使得該離散層(或多層)可在接下 來的制造前優(yōu)先被加熱。然后，可將熱能從這些層傳導(dǎo)到聚合物的可能是對微波能量基本 上是“透明的”相鄰層，從而允許總體聚合物結(jié)構(gòu)比常規(guī)加熱系統(tǒng)更快地達(dá)到需要的制造溫 度。然后，所述多層復(fù)合材料可例如在初級轉(zhuǎn)換工藝或二級制造工藝中進(jìn)行混合、輸送、塑 造、壓印、注射、成型、模制、擠出或以其它方式進(jìn)一步加工。本文所披露的實(shí)施方式涉及使用電磁能量通過選擇性地加熱一部分熱塑性材料 體積進(jìn)行熱塑性材料的有效轉(zhuǎn)換，所述部分足以使該材料在后續(xù)的成型技術(shù)中能加工。如 本文中所使用的，能加工是指提供足夠的熔融狀態(tài)或軟化的至少一部分熱塑性材料，從而 使主體塑料被混合、輸送、塑造、壓印、注射、擠出等，以形成產(chǎn)品。對熱塑性基材的加熱可通 過將該熱塑性基材暴露于電磁能量而實(shí)現(xiàn)，所述電磁能量如具有滲透穿過基材的整個(gè)體積 并優(yōu)先吸收到微波敏感區(qū)域中的能力的微波。通過施加微波輻射，可在聚合物試樣的體積、主體或部分的預(yù)定區(qū)域局部地產(chǎn)生 熱。因此，可小心地控制和聚集所施加的能量的量，因?yàn)槠渌鼌^(qū)域可能由對所使用的輻射透明的非吸收材料構(gòu)成。例如，未處理的聚丙烯和聚乙烯對微波輻射是透明的。通過加熱接 收微波的基材部分，可減少用于加熱整個(gè)組合物的能量，縮短了循環(huán)時(shí)間，并且可為各種需 要和應(yīng)用調(diào)節(jié)和優(yōu)化最終材料的機(jī)械和其它性質(zhì)。在能微波加熱的聚合物和復(fù)合材料內(nèi)的位置可為對吸收電磁能量來說有利的或 非有利的。有利于吸收的位置將在電磁能量的影響下容易地和快速地加熱。換句話說，相 對于材料的其它區(qū)域來說，僅基材體積的特定部分會受到電磁能量的強(qiáng)烈影響。在這樣的方式中，電磁能量僅與基材的在電磁能量存在時(shí)溫度會升高的某些區(qū)域 相互作用。接下來，將由熱傳導(dǎo)和其它這樣的機(jī)理而發(fā)生對主體材料內(nèi)相鄰區(qū)域的加熱。由 于該主體材料被以立體方式加熱，與常規(guī)加熱技術(shù)相比，該材料可更快地轉(zhuǎn)化成能加工的 狀態(tài)。此外，由于該材料可含有比通過表面?zhèn)鲗?dǎo)(紅外線加熱)加熱的整個(gè)主體材料中通 常存在的熱能少的熱能，因此會有顯著的能量節(jié)約。例如，紅外線加熱導(dǎo)致顯著的能量損失 到大氣，并且需要部件的表面溫度顯著地高于期望的主體溫度，從而進(jìn)行從部件表面到部 件芯的可接受的熱傳遞速率，并將芯溫度提高到加工所需的溫度。相反，微波選擇性加熱使 得微波敏感聚合物的溫度快速地并以立體方式地加熱到加工溫度，這可得到顯著較低的聚 合物表面溫度，特別是在包含微波透明表面層的情況中。微波加熱還具有較低的從體系損 失能量的說趨勢，能量主要傳輸?shù)叫枰牡胤剑次⒉舾芯酆衔?。微波加熱還可得到轉(zhuǎn) 化工藝循環(huán)時(shí)間的顯著節(jié)約?？蓽p少加熱時(shí)間，這不僅是因?yàn)槲⒉訜釞C(jī)理快速地發(fā)生在 整個(gè)主體(與熱傳導(dǎo)相反)，而且還因?yàn)椴考目偰芰亢枯^少。冷卻循環(huán)也可縮短，因?yàn)?材料未加熱的區(qū)域有效地作為吸熱器(heat sink)以將熱量從相鄰的加熱區(qū)域抽出，顯著 地提高了主體材料的總體冷卻速率。本文所述的能微波加熱的聚合物和復(fù)合材料可在初級轉(zhuǎn)化或二級制造工藝期間 使用。例如，在一些實(shí)施方式中，能微波加熱的聚合物和復(fù)合材料可在制造聚合物制品期間 使用，所述聚合物制品包括膜、泡沫體、型材、復(fù)合粒料、纖維、紡織物和無紡布、模制部件、 復(fù)合材料、層壓體、或由一種或多種聚合物材料制成的其它制品。在其它實(shí)施方式中，能微 波加熱的聚合物和復(fù)合材料可用于如下轉(zhuǎn)化工藝，如片材擠出、共擠出、泡沫體擠出、注塑、 泡沫體模制、吹塑、注射拉伸吹塑、和熱成型等。上述工藝如熱成型、注塑等具有與工藝的各要素(例如，加熱、注射、成型、冷卻、 部件彈出等)所需時(shí)間的總和相等的與工藝相關(guān)的循環(huán)時(shí)間。循環(huán)時(shí)間可包括，例如，最小 循環(huán)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)上可行的循環(huán)時(shí)間、最大循環(huán)時(shí)間、和循環(huán)時(shí)間范圍。這些循環(huán)時(shí)間是各種 工藝的特性，并且很大程度上與熱量可以傳遞到或傳遞出材料的速率相關(guān)。這些循環(huán)時(shí)間 對經(jīng)濟(jì)性和本領(lǐng)域人員知道的其它因素有直接的影響。能微波加熱的組合物可引起不均勻的加熱，如由于加熱期間微波能量不均勻的分 布，以及熱耗散如由于具有隨溫度變化的介電損失因子的材料。如上所述的微波接收添加 劑可不利地影響得到的聚合物的物理性質(zhì)，并且因此僅可以受限制的量使用，由此限制了 微波能量對主體材料的影響。具有一個(gè)或多個(gè)非接收性層的多層復(fù)合材料可減輕微波接 收添加劑對物理性質(zhì)的影響，但會需要額外的時(shí)間和微波暴露以允許熱傳導(dǎo)到非接收性部 分，從而使材料為能加工的。不均勻的加熱、熱耗散、傳導(dǎo)、和物理性質(zhì)問題均影響通過微波 能量進(jìn)行的加熱和在上述工藝如熱成型和注塑等中加工聚合物的能力。為了克服與使用能微波加熱的組合物有關(guān)的上述缺陷，本文所述的能微波加熱的聚合物組合物和復(fù)合材料可設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率。如本文中所使用的，“加熱速率” 是指能微波加熱的組合物在暴露于微波能量時(shí)溫度升高的整體速率。在一些實(shí)施方式中， 在暴露于微波時(shí)，微波接收顆粒的溫度可幾乎瞬間提高。相反，能微波加熱的組合物的加熱 速率是主體組合物的溫度提高的速率。選定的加熱速率可允許能微波加熱的聚合物和復(fù)合 材料符合循環(huán)時(shí)間的要求，物理性質(zhì)要求、和為符合各種工藝要求而提出的其它限制，如熔 體粘度、所得部件的厚度、拉伸比例(draw-down ratio)、冷卻速率、和成型性等。作為將組合物設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的實(shí)例，可大致認(rèn)為組合物包括為球形 且形狀均勻的微波接收顆粒。還可認(rèn)為這些球形顆粒均勻地分散在可視作簡單立方晶格的 非接收性聚合物基體中。該立方晶格的尺寸“a”(長度、寬度、和高度)不能小于該顆粒的 半徑rp的兩倍；否則，該顆粒將不能配合到該晶格中(即，a>2rp)。因此，位于該晶格立 方體中心的球形顆粒的最小體積分?jǐn)?shù)為0，并且位于立方體中心的球體的最大體積分?jǐn)?shù)以 百分比計(jì)為大約52. 36% (f = pi/6)。在給定電場中微波接收添加劑加熱到一個(gè)溫度的速 率相對于從所述微波接收添加劑熱傳遞到主體聚合物基體來說是快的。因此，所述微波接 收添加劑顆粒的溫度可僅視作與電場強(qiáng)度(微波功率)相關(guān)。在上述假設(shè)下，可計(jì)算晶格內(nèi) 從微波接收添加劑顆粒到聚合物基體的熱傳遞速率。例如，微波接收添加劑的溫度可視作 為固定邊界狀態(tài)，晶格邊界具有室溫或微波加熱單元的進(jìn)料溫度的初始狀態(tài)。然后，從固定 邊界狀態(tài)到微波接收添加劑周圍的聚合物基體的動態(tài)熱傳遞可基于聚合物的熱擴(kuò)散率計(jì) 算。然后，晶格邊界達(dá)到給定溫度的時(shí)間可作為加熱速率?；谒鞒龅募僭O(shè)，相鄰的晶格 應(yīng)以類似的速率加熱，并且被加熱的區(qū)域應(yīng)視作處于平衡，但晶格上可存在小的溫度變化。實(shí)例作為將組合物設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的實(shí)例，來自上述加熱速率計(jì)算的結(jié)果 示于圖3，其可用于制造根據(jù)本文披露的實(shí)施方式的具有選定的加熱速率的能微波加熱的 組合物。微波接收顆粒的尺寸 的范圍在5nm 65微米。晶格尺寸a基于粒度變化，其 中顆粒/聚合物體積分?jǐn)?shù)的范圍在接近0 52% (顆粒直徑大約等于晶格尺寸a)。在粒 度直徑rp等于晶格尺寸a時(shí)限定出了加熱速率包絡(luò)圈(envelope)。對于給出的計(jì)算結(jié)果， 顆粒溫度設(shè)定在165°C，略高于非接收性聚合物基體聚丙烯的熔融溫度。雖然對計(jì)算來說不 是必需的，但基于選擇適當(dāng)?shù)奈⒉ń邮仗砑觿┖碗妶鰪?qiáng)度可得到這樣的顆粒溫度。圖3中給出的計(jì)算出的加熱速率基于立方晶格的角落在164. 9度時(shí)達(dá)到“平衡”所 計(jì)算出的時(shí)間量。如圖所示，加熱速率的范圍可從非常慢(如當(dāng)粒度比晶格尺寸小時(shí))到 非?？?如當(dāng)粒度大約等于晶格尺寸時(shí))。如所示出的，得到的聚合物的加熱速率范圍在數(shù) 十度/分鐘 IXIO6度/分鐘。例如為了對給定的聚合物體系來說符合循環(huán)時(shí)間和/或物理性質(zhì)要求，選定的加 熱速率可例如處于圖3所示的三角形中。最高的加熱速率由主體聚合物必須保持完好無損 來這一限制條件來限制。該上限依賴于聚合物。下限由熱成型工藝的經(jīng)濟(jì)性限定。上述粒 度、加熱速率等的上限和下限以及它們的邊界(如處于圖3體系的三角形中的)可被稱為 性能包絡(luò)圈。用于獲得圖3中所示結(jié)果的假設(shè)之一是微波接收添加劑顆粒溫度。加熱包絡(luò)圈的 位置可取決于多種因素，包括所選的微波接收添加劑和微波接收添加劑暴露的電場強(qiáng)度。 例如，對給定的微波接收添加劑來說，較強(qiáng)的電場可能導(dǎo)致較高的顆粒溫度。或者，各種微波接收添加劑可能由類似的電場強(qiáng)度導(dǎo)致較高或較低的顆粒溫度。各種其它變量也可影響 給定體系的加熱速率包絡(luò)圈的位置。因此，雖然沒有示出，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會，對于 上述任何給定聚合物-微波接收添加劑體系可基于上述計(jì)算產(chǎn)生三維圖像，其中第三個(gè)軸 可表示例如，電場強(qiáng)度或聚合物熱導(dǎo)率。當(dāng)根據(jù)本文披露的實(shí)施方式將能微波加熱的復(fù)合 材料設(shè)計(jì)為具有選定的加熱速率時(shí)，這樣的圖表可為有用的工具。得到的圖表的表面(對 于加熱速率包絡(luò)圈的邊界或?qū)τ趩为?dú)的粒度“帶條(ribs)”)可以數(shù)學(xué)方式限定，其中得到 的加熱速率或加熱速率包絡(luò)圈等式可額外地提供將復(fù)合材料設(shè)計(jì)為具有選定的加熱速率 的工具。如以上簡述的，將復(fù)合材料設(shè)計(jì)為具有選定的加熱速率必須考慮體系內(nèi)的多種變 量?？砂?，例如，可能影響組合物的加熱速率的變量等，微波接收添加劑的類型、粒度、和 濃度，熱塑性聚合物組分，用于加熱該組合物的電場強(qiáng)度，以及所述熱塑性聚合物組分的熱 擴(kuò)散率等等。使組合物設(shè)計(jì)為具有選定的加熱速率可以通過根據(jù)需要將以上列出的一個(gè)或多 個(gè)變量作為輸入提供到計(jì)算循環(huán)(calculation loop)中。然后，可計(jì)算組合物的加熱速 率。如果對給定的聚合物_微波接收添加劑組合來說計(jì)算出的加熱速率不在所選擇的加熱 速率的變化或收斂條件之內(nèi)，則可改變上述變量，并重新計(jì)算加熱速率，直到符合選定的加 熱速率收斂條件。例如，對于給定的聚合物體系和電場強(qiáng)度來說，可改變微波接收添加劑、 所述微波接收添加劑的粒度、和所述微波接收添加劑的濃度中的至少之一，直到符合所選 擇的加熱速率收斂條件?；谝陨嫌?jì)算，可制造設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合 物。例如，可通過根據(jù)上述計(jì)算循環(huán)的結(jié)果將熱塑性組合物和微波接收添加劑混合來形成 能微波加熱的組合物。其它變量也可影響根據(jù)上述計(jì)算循環(huán)制造能微波加熱的組合物的期待。例如，當(dāng) 微波接收添加劑具有過大的粒度和濃度，可能導(dǎo)致得到的能微波加熱的組合物具有不能接 受的物理性質(zhì)時(shí)，可能符合選定的加熱速率收斂條件。因此，上述計(jì)算循環(huán)也可包括各種約 束，對諸如微波接收添加劑的粒度、濃度、電場強(qiáng)度等的變量限制最大和/或最小值。類似 地，約束可用于限制選擇，從而不超過熱塑性組合物的最大溫度。合適的約束還可用于加工 溫度。例如，在一些實(shí)施方式如熱成型中，加工溫度可低于聚合物熔融溫度，并且，在其它實(shí) 施方式如注塑中，可高于熔融溫度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將領(lǐng)會，上述潛在的約束是非限制性 的，并且還可采用其它約束。在一種實(shí)施方式中，上述計(jì)算循環(huán)可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行?？刹捎煤线m的變量輸入，采 用用戶界面。此外，計(jì)算結(jié)果可圖示，使得可查閱所述結(jié)果。在一些實(shí)施方式中，所進(jìn)行的計(jì)算還可包括為在多層復(fù)合材料中使用的具有選定 的加熱速率的能微波加熱的組合物進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。例如，可進(jìn)行計(jì)算以預(yù)估從包括能微波 加熱的組合物的層到非能加熱的層的熱傳遞。由此，可預(yù)估使主體復(fù)合材料能加工所需的 加熱速率，由此，可適當(dāng)?shù)剡x擇一個(gè)或多個(gè)能微波加熱層的加熱速率。在一些實(shí)施方式中，本文所述的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的聚合 物和復(fù)合材料可通過以下方式形成a)選擇微波接收添加劑、微波接收添加劑的粒度、微 波接收添加劑的濃度中的至少之一；和b)選擇選自熱塑性聚合物組分、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱塑性聚合物組分 的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸入。根據(jù)a)和b)，微波接收添加劑可與熱塑性聚合物混合以形 成所述設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物。對于微波接收添加劑，多種微波接收添加劑可用于本文所披露的各種實(shí)施方式中 (參見標(biāo)題為“微波接收添加劑”的部分)。可協(xié)同變量b)利用和/或調(diào)節(jié)這些添加劑的 性質(zhì)以得到具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物。例如，微波接收添加劑可對不同的微波頻率響應(yīng)。當(dāng)然，這可依賴于選定的添加劑 或接收部分的介電損耗性能、電容率、和/或磁導(dǎo)率。雖然，例如，一種微波接收添加劑可在 2450MHz的頻率加熱，但其它接收添加劑可對范圍在IMHz 300GHz的不同頻率響應(yīng)。暴露于微波時(shí)，所施加的電場的強(qiáng)度會影響組合物的微波接收部分的溫度。例如， 對于給定的電場強(qiáng)度，第一微波接收添加劑可快速提高到160°C的溫度，而第二微波接收添 加劑可提高到220°C的溫度。較強(qiáng)的電場可能導(dǎo)致第一微波接收添加劑快速提高到180°C 或更高的溫度。這些微波接收添加劑可以多種形狀和尺寸存在，并可在范圍在0 25體積％的能 微波加熱的組合物的濃度使用。聚合物基體中接收顆粒的尺寸與所述顆粒的濃度相結(jié)合， 可影響組合物的加熱速率。例如，對于相同接收添加劑的大小相等的顆粒來說，以較高的濃 度使用該添加劑導(dǎo)致每個(gè)顆粒較少的需要加熱的非接收性熱塑性聚合物。因此，當(dāng)以較高 的濃度使用微波接收添加劑時(shí)，能微波加熱的組合物可具有較快的加熱速率。除了粒度，顆粒的粒度分布也是研究的變量。例如，具有相等的平均粒徑的添加劑 可具有變化的的粒度分布，其中第一添加劑可具有與第二添加劑相比更多數(shù)量的較小的和 /或較大的顆粒。粒度單獨(dú)就可影響平均每個(gè)顆粒需要被加熱的非接收性熱塑性聚合物的 量。此外，由于改變粒度分布而產(chǎn)生的熱能分布可影響組合物暴露于微波能量時(shí)的整體加 熱?？偟膩碚f，窄的粒度分布可導(dǎo)致熱能的均勻分布；但是，由于成本或?qū)Φ玫降慕M合物物 理性質(zhì)的可能的影響，窄的粒度分布可能不是優(yōu)選的。換句話說，對本文披露的一些實(shí)施方 式來說，窄的粒度分布可能是優(yōu)選的；在其它實(shí)施方式中，寬的粒度分布可能是優(yōu)選的。微波添加劑組合物還可在將組合物調(diào)節(jié)到選定的加熱速率的能力中起到重要的 作用。例如，沸石可接收微波能量。沸石還可吸收水，而水也接收微波能量。因此，吸收了 水的沸石可得到與干沸石不同的加熱速率。具有不同吸收的水量的沸石還可得到不同的加 熱速率。能微波加熱的組合物的整體加熱速率也可受到該組合物中使用的非接收性熱塑 性材料的熱擴(kuò)散率影響。具有較高熱擴(kuò)散率的聚合物可將熱從微波接收添加劑以快于具有 較低熱擴(kuò)散率的聚合物的速率傳播到主體組合物。上述因素，包括電場強(qiáng)度、聚合物熱擴(kuò)散率、以及微波接收添加劑、粒度、粒度分 布、和濃度，可影響主體能微波加熱的組合物可被加熱的速率。在特定工藝中使用的能微 波加熱的組合物的選定的加熱速率還可取決于以下因素，如能微波加熱的組合物的加工溫 度，熱塑性聚合物組分的熔融溫度，和熱塑性聚合物組分的最大溫度。對于加工或熔融溫度來說，與具有較低的加工溫度的聚合物相比，具有較高加工 溫度的聚合物，例如，可需要較長的加熱時(shí)間或較高的加熱速率。對于熱塑性組合物的最大 溫度，在給定的溫度之上特定的聚合物可開始降解或解聚。此外，較低分子量聚合物、蠟、殘余單體、或聚合物體系中使用的其它添加劑可在給定的溫度之上揮發(fā)，上述各種都可導(dǎo)致 得到的產(chǎn)品在物理性質(zhì)或外觀上的改變。例如，降解的聚合物可喪失物理強(qiáng)度(沖擊強(qiáng)度、 落鏢強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度或抗彎強(qiáng)度等)；組分蒸發(fā)可能導(dǎo)致在部件中形成氣泡或間隙。因此， 熱塑性組合物的加工溫度和/或最大溫度可影響微波接收添加劑的選擇和用于加熱本文 所披露的能微波加熱的熱塑性組合物的電場強(qiáng)度。如以上簡要討論所示，這些和其它變量可影響組合物的加熱速率。組合物選定的 加熱速率可取決于這些和其它因素。組合物選定的加熱速率可選擇為將組合物的溫度提高 到等于或大于例如期望循環(huán)時(shí)間的組合物加工溫度的溫度。在其它實(shí)施方式中，組合物的 加熱速率可選擇為符合循環(huán)時(shí)間范圍。如上所述的選定的加熱速率可允許能微波加熱的聚 合物和復(fù)合材料符合循環(huán)時(shí)間要求、物理性質(zhì)要求、和為符合各種工藝要求而提出的其它 限制，如熔體粘度、得到的部件厚度、拉伸比例、冷卻比例、和成型性等。如上所示，多種變量可用于設(shè)計(jì)和制造具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合 物或多層復(fù)合材料。如本文所述，設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù) 合材料可包括微波接收添加劑，微波接收聚合物、和非接收性聚合物(基礎(chǔ)聚合物)。以下 分別討論這些。微波接收添加劑多種材料可通過吸收微波而加熱。這可通過偶極加熱機(jī)理實(shí)現(xiàn)，并包括在它們嘗 試與移動通過材料的振蕩電磁波同步振蕩時(shí)永久偶極子和/或電荷的受激移動。由此，該 材料通過以下方式加熱攪拌分子，并接下來將熱粘性傳遞(viscous transfer)到相鄰的 原子和分子。其它材料可在電磁波的電場激勵材料的電流流動時(shí)通過歐姆(電阻)加熱而 加熱。另外的微波加熱機(jī)理包括Maxwell-Wagner和磁性加熱。在微波場的存在下任何材 料加熱的程度由其介電損耗因子(也稱為損耗角或復(fù)數(shù)介電常數(shù))限定，其為材料和電磁 波之間相互作用強(qiáng)度的量度。關(guān)鍵的是，這樣的加熱是主體效應(yīng)，也就是說，材料有效地“以 立體方式”加熱，因此，期望的溫度分布可通過合適的部件設(shè)計(jì)在部分中實(shí)現(xiàn)。例如，在設(shè)計(jì) 用于熱成型的共擠出片材中，微波敏感芯層能夠使該片材被從內(nèi)到外地加熱，得到了更期 望的較冷的片材表面溫度。微波吸收劑也可用作材料中的添加劑以使材料能通過電磁輻射(通常為微波或 輻射)加熱。加入到聚合物材料中以改變或改進(jìn)特定性質(zhì)的其它試劑也可賦予該聚合物改 進(jìn)的加熱能力。這樣的添加劑可以加入到聚合物以便于該聚合物的微波加熱?？膳c基礎(chǔ)熱塑性聚合物共混以形成微波敏感聚合物的微波接收劑、或添加劑可包 括導(dǎo)電性或磁性材料，如金屬、金屬鹽、金屬氧化物、沸石、碳、水合礦物、金屬化合物的水合 鹽、聚合物接收材料、粘土、有機(jī)改性的粘土、硅酸鹽、陶瓷、硫化物、鈦酸鹽、碳化物、和硫 等。微波接收添加劑可包括a)元素如 C、Co、Ni、Fe、Zn、Al、Cu、Ag、Au、Cr、Mo、和 W ；b)重金屬鹽，如CuXn、ZnX2、或SnX2，其中X為鹵素，且η為1 6的整數(shù)；c)鹽的水合物，如 NiCl2 · 6H20、Al2 (SO4) 3 · 18Η20 ；d)絡(luò)合水合物，如鈣礬石；e)其它單一的水合物，如瀉鹽；f)金屬氧化物，如 CuO、Cu2O, NiO、Fe3O4, Fe2O3> FeO, Co2O3 ；
g)復(fù)合氧化物，如BaTiO3 ；h)金屬硫化物，如Ag2S、CuS、MoS2、PbS、ZnS、FeS黃鐵礦(FeS2)、和其它黃鐵礦；i)金屬碳化物和氮化物，如W2C、SiC、B4CJP TiN ；j)半導(dǎo)體，如5士、66、56、6&卩、6&六8、11^、11^8、0(15、0(156、和21156;k)離子導(dǎo)體，如固體酸、β-氧化鋁、聚合物酸、和離子交換劑；1)含水材料，如水合物形式的沸石、二氧化硅、氧化鋁、鋁磷酸鹽、鋁硅酸鹽、氧化 鎂、氧化鈦、粘土、滑石、凝膠、蛭石、綠坡縷石、海泡石、其它無機(jī)凝膠、有機(jī)水凝膠，如超吸 水性聚合物(SAP)、甲基纖維素、和羥乙基纖維素(HEC)、羧甲基纖維素、和微囊水；m)具有永久偶極子的分子、低聚物、或或聚合物材料，如具有以下官能團(tuán)的分子、 低聚物、或聚合物材料，所述官能團(tuán)可包括被以下單或多取代羥基、胺、酰胺、羰基、酯、碳 酸酯、氨基甲酸酯、脲、硫脲、腈、硝基、硝酸酯、亞硝?；?、羥基胺、銨、磺酰胺、巰基、硫化物、 砜、亞砜、磷酸鹽、膦酸酯、膦酰胺(phosphonamide)、鹵化物、鹵氧化物，并且還可包括糖、氨 基酸、內(nèi)酰胺、乙烯一氧化碳(ECO)共聚物、聚酰胺、聚酯、聚丙烯酸酯、丙烯酸酯共聚物、丙 烯酸酯改性的聚合物、淀粉、角蛋白、明膠、其它生物產(chǎn)物、甲酰胺、η-甲基甲酰胺、η-甲基 乙酰胺、和它們的組合；η)籠型偶極子(caged dipoles)，如吸收在沸石或粘土中的、或吸收在二氧化硅凝 膠或其它無機(jī)或有機(jī)吸收劑上的、或包囊的列于以上(m)中的偶極子；ο)有機(jī)導(dǎo)體，除金屬和半導(dǎo)體之外的，如聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、和其它有機(jī)導(dǎo) 體；ρ)磁性物質(zhì)，如硬或軟的鐵素體、Sr或Ba的鈦酸鹽、CoZn, NiZn、或MnZn。在一些實(shí)施方式中，所述微波接收添加劑可包括，例如，銅、鋁、氧化鋅、氧化鎵、氧 化鐵或鐵素體、錳鋁銅的合金、氧化錳、鈷或鋁的氧化物、SiC、Na2TiO3^ A1203、MnO2, TIO2、和 Mg2TiO4。在其它實(shí)施方式中，微波接收碳可包括，例如，石墨、炭黑、石墨烯(grapheme)、和碳 納米管。在特定的實(shí)施方式中，所述微波接收添加劑可包括鋁硅酸鹽、鐵的鐵素體如Fe304、 沸石如沸石A、碳或它們的組合。除了上述微波接收添加劑，還已發(fā)現(xiàn)某些其它結(jié)晶添加劑可有效地作為微波接收 劑，并且可包括離子導(dǎo)體，如無機(jī)固體酸或鹽，聚合物酸或鹽，或無機(jī)或聚合物離子交換劑。 在一種特定的實(shí)施方式中，離子交換添加劑為合成的沸石4A?？捎行У赜米魑⒉ń邮談┑钠渌衔锇ê牧?，其中該添加劑含有增強(qiáng)吸 收性的量的水。這樣的水合添加劑可基于無機(jī)、分子、或聚合物物質(zhì)。例如，水合無機(jī)添加 劑可為水合沸石13X，其中該沸石能夠吸收最高達(dá)30%其重量的水。可有效地用作微波接收劑的其它化合物包括含有分子或聚合物微波接收劑的無 機(jī)或聚合物物質(zhì)。該接收劑種類可置于無機(jī)或聚合物物質(zhì)以內(nèi)，并可作為涂層存在于無機(jī) 或聚合物物質(zhì)顆粒上，或可為無機(jī)或聚合物物質(zhì)孔中的外來物(guest)。例如，乙二醇可吸 附到沸石NaY的三維籠體中。海泡石粘土也可用作微波接收添加劑。海泡石為天然粘土礦物質(zhì)，其含有牢固地 保持的水。牢固地保持的水可使粘土具有微波接收性，并且還可使加熱基本沒有因加熱期 間水的存在而形成氣泡或使氣泡的形成最小化。由銨離子鹽或氫離子鹽形成的分子篩或沸石也可用作微波接收添加劑。例如，可使用銨形式的分子篩Y。類沸石的合成材料也可用作微波接收添加劑。例如，可使用合成材料如鋁磷酸鹽、 硅鋁磷酸鹽、和硅鈦酸鹽、以及結(jié)構(gòu)和水合性質(zhì)與沸石類材料類似的輕金屬的其它混合物。在其它實(shí)施方式中，上述分子篩，包括由堿金屬鹽、堿土金屬鹽、銨離子鹽、和氫離 子鹽形成的沸石，可包括吸附到沸石籠體中的有機(jī)材料。例如，乙二醇和其它微波接收有機(jī) 材料可吸附到沸石或分子篩中，為該分子篩提供了增強(qiáng)的微波接收性。可有效地用作微波接收劑的再其它化合物包括可賦予部件期望的部分接收性和 選擇性加熱的材料。這些可包括有機(jī)導(dǎo)體，如聚苯胺。除了上述添加劑，微波接收聚合物材料可用作微波敏感層的主要組分，或可為與 其它低或非微波接收聚合物共混的少量組分以形成微波敏感層。聚合物接收材料可包括， 例如，乙烯乙烯醇聚合物、聚酮、聚氨酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、乙烯一氧化碳共聚 物、聚苯胺等。微波接收聚合物可在某些基團(tuán)結(jié)合到聚合物結(jié)構(gòu)中時(shí)形成，所述基團(tuán)例如 C0、0H、NH、甲基丙烯酸酯、二氧化碳、丙烯酸、乙酸乙烯酯、醇類、和乙烯基醇或聚乙烯醇。這 些微波接收基團(tuán)可結(jié)合到聚合物鏈的骨架中，或可懸附著于該聚合物鏈。如上所述，微波接收添加劑可含有緊密結(jié)合的水，如沸石和粘土。這些材料還可包 括可在加熱時(shí)從添加劑釋放的吸附的水。在一些實(shí)施方式中，微波接收添加劑可在與聚合 物結(jié)合前干燥。在一些實(shí)施方式中，微波接收添加劑可與聚合物結(jié)合，并且水例如通過使用 排氣式擠出系統(tǒng)去除。在其它實(shí)施方式中，含有具有結(jié)合的水的微波接收添加劑的聚合物 部件或片材可在微波裝置中加工該片材前干燥。在這樣的方式中，可最小化或避免由于過 量的水造成的不期望的氣泡形成。在一些實(shí)施方式中，所述微波接收添加劑可為粉末、薄片、球、粒料、顆粒、液體、或 凝膠的形式。微波接收添加劑的優(yōu)選形式可取決于共混該添加劑的階段，如聚合工藝期間、 純化或造粒聚合物期間、或配混工藝期間。在其它實(shí)施方式中，可以在所述添加劑混配后立 即進(jìn)行初級轉(zhuǎn)化或二級制造工藝，如擠出、注塑、或使用聚合物的其它工藝，或者在初級轉(zhuǎn) 化或二級制造工藝，如擠出、注塑、或使用聚合物的其它工藝期間，進(jìn)行配混。在一些實(shí)施方 式中，共混微波接收添加劑可賦予改進(jìn)的微波接收性，而不會顯著影響聚合物基體的性質(zhì)。任何上述添加劑可單獨(dú)使用或組合使用，以提供期望的選擇性加熱效果。例如，當(dāng) 結(jié)合各種沸石時(shí)可實(shí)現(xiàn)協(xié)同效果，提供比單獨(dú)的一種形式的沸石更高的接收性，并且當(dāng)固 體(即水合的沸石)加入到配方時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)協(xié)同效果。添加劑(如在本實(shí)例中的)可保 持為固體粉末，其可沒有困難地配混到聚合物中。所使用的微波接收添加劑的大小可取決 于待分散該添加劑的聚合物基體的大??；較厚的基體可容納較大的顆粒。在一些實(shí)施方式 中，微波接收添加劑的平均粒度可在IOnm 50微米的范圍；在一些實(shí)施方式中為IOOnm 40微米；在其它實(shí)施方式中為0. 1微米 25微米；在其它實(shí)施方式中為1微米 15微米； 和在另外的實(shí)施方式中為5微米 10微米。所使用的粒度可包括單分散顆粒(具有窄的 尺寸范圍)，或多分散顆粒(具有寬的尺寸范圍)。在一些實(shí)施方式中，微波接收添加劑可顯示出對電磁能量的窄帶響應(yīng)。在其它實(shí) 施方式中，微波接收添加劑可用寬帶頻率上的輻照加熱。在一種實(shí)施方式中，所述添加劑可 視作具有IMHz 300GHz或以上的頻率范圍上的接收特性。在其它實(shí)施方式中，所述添加 劑可在0. 1 30GHz或以上的頻率范圍加熱；在其它實(shí)施方式中為400MHz 3GHz ；和在其它實(shí)施方式中為IMHz 13GHz或以上。在另外的實(shí)施方式中，所述添加劑可在1 5GHz 的頻率范圍加熱。在一些實(shí)施方式中，微波敏感聚合物可通過將基礎(chǔ)聚合物和微波接收添加劑干燥 共混而形成。在其它實(shí)施方式中，微波敏感聚合物可通過將添加劑與聚合物材料配混而形 成，或通過將聚合物材料涂覆到添加劑而形成。在另外的實(shí)施方式中，微波敏感聚合物可 通過將微波接收添加劑與濕的聚合物分散體共混，并接下來將水從分散體中干燥除去而形 成?；A(chǔ)聚合物可與一種或多種微波接收添加劑結(jié)合以形成能微波加熱的組合物的聚合物包括 選自以下的樹脂苯烯烴、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、聚乳酸和聚交酯(polylactide)聚合 物、聚砜、聚內(nèi)酯、聚縮醛、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯樹脂(ABS)、聚苯醚(ΡΡ0)、聚苯硫醚 (PPS)、苯乙烯-丙烯腈樹脂(SAN)、聚酰亞胺、苯乙烯馬來酸酐(SMA)、芳族聚酮(PEEK、PEK、 和PEKK)、乙烯乙烯醇共聚物、它們的共聚物或混合物。在某些實(shí)施方式中，可與微波接收添 加劑結(jié)合的聚烯烴和其它聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、乙烯共聚物、丙烯共聚物、 苯乙烯共聚物、和它們的混合物。在其它實(shí)施方式中，可與微波接收劑結(jié)合的聚合物包括基 于丙烯腈的聚合物、含羥基的聚合物、基于丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物、含有馬來酸酐或馬 來酸酐改性的聚合物、基于乙酸酯的聚合物、基于聚醚的聚合物、基于聚酮的聚合物、基于 聚酰胺的聚合物、和基于聚氨酯的聚合物。能微波加熱的組合物在某些實(shí)施方式中，能微波加熱的組合物可通過每一百份基礎(chǔ)聚合物結(jié)合0. 1 200重量份微波接收添加劑而形成。在其它實(shí)施方式中，微波敏感聚合物可通過每一百份基 礎(chǔ)聚合物結(jié)合1 100重量份微波接收添加劑而形成；在另外的實(shí)施方式中為2 50份； 和在另外的實(shí)施方式中為3 30份。在某些實(shí)施方式中，微波接收添加劑的含量可占微波敏感聚合物的0. 1 25體 積％。在其它實(shí)施方式中，微波接收添加劑的含量可占能微波加熱的聚合物組合物的1 20體積％ ；和在另外的實(shí)施方式中為2 15體積％。在一些實(shí)施方式中，能微波加熱的聚合物組合物可為粉末、顆粒、粒料、不均勻的 碎片、液體、片材、或凝膠的形式。能微波加熱的聚合物組合物可為結(jié)晶的、半結(jié)晶的、或非 晶的。在一些實(shí)施方式中，能微波加熱的聚合物組合物可包括著色劑、增強(qiáng)填料或增容填 料、和其它功能添加劑，如阻燃劑或納米復(fù)合材料。在一些實(shí)施方式中，本文所述的能微波加熱的聚合物組合物和多層復(fù)合材料可具 有至少5°c /秒的選定的加熱速率；在其它實(shí)施方式中為至少10°c /秒；在其它實(shí)施方式 中為至少20°C /秒；在其它實(shí)施方式中為至少30°C /秒；在其它實(shí)施方式中為至少50°C / 秒；在其它實(shí)施方式中為最高達(dá)100°C /秒；在其它實(shí)施方式中最高達(dá)120°C /秒；和在另 外的實(shí)施方式中最高達(dá)150°C /秒。當(dāng)本文所述的能微波加熱的聚合物組合物和多層復(fù)合材料暴露于微波能量時(shí)，能 得到該能微波加熱的聚合物組合物和多層復(fù)合材料的均勻加熱。如本文中所使用的，均勻 加熱是指，加熱組合物、復(fù)合材料、部件、片材、或片材的至少選定的部分，其中在一些實(shí)施 方式中，被加熱部分的最大溫度波動為10°c或更低。在其它實(shí)施方式中，微波加熱可得到的溫度波動為7. 5°C或更低；在其它實(shí)施方式中為5°C或更低；在其它實(shí)施方式中為4°C或更 低；和在另外的實(shí)施方式中為3°C或更低。上述這樣的溫度波動可包括，例如，片材的寬度、 深度、和厚度中的每一個(gè)。微波加熱裝置如上所述的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料可 使用微波加熱裝置進(jìn)行加熱以進(jìn)一步加工。這樣的裝置描述于，例如，PCT申請PCT/ US2007/012821，該申請?jiān)诖送ㄟ^引用將其全部內(nèi)容納入本申請?，F(xiàn)在參考圖1，展示了可根據(jù)本文披露的微波敏感聚合物的實(shí)施方式使用的微波 加熱裝置10。微波加熱裝置10的組件包括調(diào)節(jié)活塞11、EH調(diào)諧器12、配合隔膜板13、波 導(dǎo)14、角狀物(horn) 15、微波濾波器17和可移動的下部活塞18。聚合物片材可由微波加熱 裝置10通過將樣品供料通過樣品供料槽19來進(jìn)行加工。在一些實(shí)施方式中，微波加熱裝置10可能夠快速和均勻加熱能微波加熱的組合 物，并且可適合于能微波加熱的組合物的特性(接收劑類型、接收劑濃度、熱塑性基體類型 等)和所加工的材料的形式(厚度、形狀等)。與常規(guī)紅外線加熱相比，由本文披露的微波 加熱裝置的各種實(shí)施方式提供的加熱速率和溫度波動可提供有利的循環(huán)時(shí)間，可最小化由 于過度熱暴露造成的對聚合物的有害效果，以及提供改進(jìn)的加工。裝置10可包括可變功率源(未示出)；角狀物15可提供均勻能量密度擴(kuò)展；并且 隔膜板13和EH調(diào)諧器12可允許精細(xì)調(diào)節(jié)發(fā)射的波長度。以這樣的方式，微波發(fā)射器可調(diào) 整為有效地加熱特定的能微波加熱的組合物。還可提供分析測量設(shè)備(未示出)以監(jiān)視所 加工的材料的溫度和其它變量。雖然描述的是關(guān)于加熱片材，但其它微波加熱裝置和工藝 也可用于本文所述的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料。所應(yīng)用的微波發(fā)射器的功率等級可取決于所加熱的聚合物試樣的組成、尺寸或厚 度，以及期望的溫度。功率等級還可根據(jù)如最大可允許聚合物溫的變量，和根據(jù)加熱階段上 游或下游進(jìn)行的操作的循環(huán)時(shí)間來選擇。在某些實(shí)施方式中，可利用變化的功率源提供工 藝靈活性，如改變部件尺寸或組成(微波接收添加劑的量或類型)的能力。應(yīng)用如上所述，本文披露的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù)合 材料可被加熱以進(jìn)行后續(xù)的加工，如混合、輸送、塑造、壓印、注射、成型、模制、擠出或以其 它方式進(jìn)一步加工。在一些實(shí)施方式中，具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù) 合材料可用于厚片材熱成型工藝，例如，用于形成冰箱襯里。在其它實(shí)施方式中，本文所披 露的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料可用于加工，例如，氣 流鋪置的粘合劑纖維(air laid binder fiber)。在其它實(shí)施方式中，本文所披露的設(shè)計(jì)成 具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料可用于吹塑工藝，例如，用于形成 吹塑的瓶子。在其它實(shí)施方式中，本文所披露的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱 的組合物和復(fù)合材料可用于泡沫體、擠出泡沫體、和含有泡沫或泡沫層的其它結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)施方式中，本文所披露的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組 合物和復(fù)合材料可用于其中所加工的聚合物沒有完全熔融的應(yīng)用。例如，設(shè)計(jì)成具有選定 的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料可選擇性地加熱，僅加熱通過所述裝置的聚 合物的有選擇的部分，從而將熱能僅聚集到通過例如成型、模制或壓印工藝進(jìn)行進(jìn)一步加工的那部分。這可增強(qiáng)在加工期間所處理的材料的結(jié)構(gòu)完整性，可減少循環(huán)時(shí)間，并可減少 將材料加工成期望的形狀所需的能量。在其它實(shí)施方式中，本文所披露的設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組 合物和復(fù)合材料可用于壓花片材。在常規(guī)的紅外線熱成型中，熱輸入必須通過片材的表面， 并經(jīng)常降低壓花結(jié)構(gòu)或表面的細(xì)節(jié)的保留。如上所述，除了減少的加熱循環(huán)，由于減少的賦 予片材的能量足跡(footprint)，設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù) 合材料可允許加工期間增加的壓花結(jié)構(gòu)保留。如上所述，復(fù)合材料可形成為包括與非能微波加熱的層交錯的能微波加熱的層。 這樣的復(fù)合材料可提供最佳的溫度分布；加工復(fù)合材料期間使用脈沖微波能量；選擇性 地放置微波發(fā)射器，為部件的特定區(qū)域提供加熱；和可提供通過一個(gè)或多個(gè)能微波加熱的 層的微波靈敏度進(jìn)行的優(yōu)先或選擇性加熱的其它情況。作為片材擠出的一個(gè)實(shí)例，微波敏感層可結(jié)合到多層片材中。例如，圖2展示了結(jié) 合有微波敏感層的多層片材的一種實(shí)施方式。微波敏感層B可形成片材芯，其由對微波加 熱不敏感的外層A圍繞。結(jié)合微波敏感芯層可便于例如在片材熱成型期間對片材的后續(xù)加 工。在一些實(shí)施方式中，通過使用微波選擇性聚合物，實(shí)現(xiàn)厚片材熱成型、選擇性拉伸、和快 速均勻地加熱片材，可便于片材熱成型。本文中所披露的層疊片材可包括2個(gè)或更多層，其中一個(gè)或多個(gè)層可包括設(shè)計(jì)成 具有選定的加熱速率的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料或由設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率 的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料形成。例如，層疊片材可包括3、4、5、6...最高達(dá)1000 層或更多。在一些實(shí)施方式中，單獨(dú)層可具有0. 1微米 25mm的平均厚度，片材的總厚度 可為100微米 25mm。在一些實(shí)施方式中，片材可包括微層疊片材，其具有多個(gè)微米級厚 (micron-thick)的層。雖然圖2所示的為三層片材，但在其它實(shí)施方式中，設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率 的能微波加熱的組合物和復(fù)合材料可形成在聚合物結(jié)構(gòu)以內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。例如，能 微波加熱的組合物可在具有2個(gè)或更多層的片材中形成離散層。在其它實(shí)施方式中，能微 波加熱的組合物可形成較大結(jié)構(gòu)的特定區(qū)域，允許對這些區(qū)域進(jìn)行選擇性加熱以進(jìn)一步加 工。在另外的實(shí)施方式中，能微波加熱的組合物可形成并列型纖維結(jié)構(gòu)的一邊。在另外的 實(shí)施方式中，能微波加熱的組合物可形成芯/殼纖維結(jié)構(gòu)的芯或殼。在泡沫擠出工藝中，例如，結(jié)合能微波加熱的組合物可允許選擇性加熱泡沫芯和 實(shí)心非接收性皮，實(shí)現(xiàn)較短的加熱循環(huán)，同時(shí)防止泡沫結(jié)構(gòu)坍塌。在其它實(shí)施方式中，在各 能微波加熱的組合物層中結(jié)合不同濃度的微波接收添加劑可允許差別加熱所述各層，并由 此優(yōu)化任何后續(xù)的制造步驟，如熱成型。在其它實(shí)施方式中，結(jié)合能微波加熱的組合物層可 允許選擇性發(fā)泡成型后的片材。在其它實(shí)施方式如注塑或注射拉伸吹塑中，結(jié)合能微波加熱的組合物層可允許較 短的循環(huán)，這是由于聚合物的內(nèi)部冷卻，其中部件的非接收性部分起到吸熱器的作用，因此 提供減少的冷卻時(shí)間。通過以下方式也可便于注塑使用脈沖微波能量，得到可以注塑的熔 融和半熔融材料的混合物，所述半熔融材料在接下來的部件冷卻期間起到吸熱器的作用。 注射拉伸吹塑也可從由微波選擇性加熱得到的優(yōu)化的熱梯度得到益處，這允許最終產(chǎn)品的 改進(jìn)的機(jī)械性質(zhì)。
在一些實(shí)施方式中，含有能微波加熱的和非能微波加熱的層的層疊熱塑性片材可 在熱成型前被選擇性地加熱。在其它實(shí)施方式中，熱塑性材料的層疊或共擠出粒料可在例 如注塑工藝的后續(xù)加工前被選擇性地加熱。這由于“內(nèi)部吸熱器”而可得到加速的冷卻，并 因此減少了循環(huán)時(shí)間，類似于上述層疊片材中的情況。在其它實(shí)施方式中，可使用脈沖微波能量以在后續(xù)加工前產(chǎn)生與非熔融聚合物層 交錯的熔融聚合物的“薄片(slice)”或離散區(qū)域。這也可得到加速的冷卻，并因此減少了 循環(huán)時(shí)間，類似于上述層疊片材中的情況。在其它實(shí)施方式中，選擇性放置一個(gè)或多個(gè)微波發(fā)射器可允許在后續(xù)加工之前選 擇性加熱片材或其它熱塑性部件的特定區(qū)域。這可特別有利于其中片材必須在特定區(qū)域被 深度拉伸的熱成型工藝。在其它實(shí)施方式中，工藝可采用選擇性加熱和固化吸收性的芯，從而在含有雙組 分粘合劑纖維的衛(wèi)生產(chǎn)品中使用，所述雙組分粘合劑纖維含有微波敏感組分(尤其是聚丙 烯纖維或含有能微波加熱的組分如馬來酸酐接枝或其它極性物質(zhì)的纖維)和纖維素纖維。 例如，在纖維成型工藝中，平坦的材料可通過微波加熱器，該微波加熱器具有足以部分熔融 聚合物纖維并通過它們自身的水分加熱纖維素纖維的能量。接下來，纖維可固化成在聚合 物纖維和纖維素的完整網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的吸收性的芯?；蛘?，該結(jié)構(gòu)可為工業(yè)用紡織品(technical textile)，其中微波敏感纖維可用于將紡織結(jié)構(gòu)和無紡結(jié)構(gòu)作為包線結(jié)合在一起。在其它實(shí)施方式中，能微波加熱的組合物可用于包含實(shí)心皮和泡沫芯的三層(或 更多層)層疊泡沫結(jié)構(gòu)(例如，片材)的皮和/或芯中。微波接收添加劑的濃度可在各層 中變化，并且選擇微波功率以實(shí)現(xiàn)對各層的快速加熱和在整個(gè)結(jié)構(gòu)上的期望的溫度分布， 然后立即進(jìn)行后續(xù)加工。這可消除對非常緩慢的加熱的需要，在紅外線加熱工藝需要非常 緩慢的加熱以實(shí)現(xiàn)期望的熱成型溫度分布而不會過早的泡沫坍塌。如上所述，本文所述的實(shí)施方式可用于設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的聚合物組合 物和復(fù)合材料。這樣的組合物和復(fù)合材料可提供以立體方式快速加熱熱塑性材料。本文所披露的實(shí)施方式可用于對熱塑性聚合物材料進(jìn)行選擇性微波加熱。對于聚 合物加工來說，這種技術(shù)為設(shè)計(jì)師和工藝師提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括選擇性的快速加熱；減少 的加熱/冷卻循環(huán)時(shí)間(高速)；高能量效率和其它環(huán)境益處，如減少的排放(因?yàn)槠錇楦?燥和無煙的工藝)和提高的再循環(huán)可能性(通過實(shí)現(xiàn)更廣泛地使用自增強(qiáng)的單一材料組 分)；在自增強(qiáng)的部件中保持性質(zhì)(減少了逆轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn))；提高的生產(chǎn)率；改進(jìn)的部件質(zhì)量 和強(qiáng)度；和因在熱工藝中減少的停留時(shí)間而最小化熱降解，由此在聚合物配方中可減少熱 穩(wěn)定添加劑。有利的是，本文所披露的實(shí)施方式可提供減少的加熱時(shí)間，降低了總體制造循環(huán) 時(shí)間，因此減少了單個(gè)部件的成本。由于利用選擇性加熱，將“吸熱器”引入到所加工的材料 中，本文所披露的實(shí)施方式還可提供減少的冷卻時(shí)間。此外，以立體方式加熱消除了對“表 面”或“接觸”加熱的需要，因此消除了高聚合物表面溫度的潛在破壞效應(yīng)。以立體方式加 熱還消除了整個(gè)片材厚度上不期望的溫度梯度。本文所披露的實(shí)施方式還可通過減少的循環(huán)時(shí)間和減少的系統(tǒng)能量要求而有利 地提供改進(jìn)的生產(chǎn)率。本文所披露的實(shí)施方式還可提供經(jīng)調(diào)整的熱分布，從而為所有熱塑 性材料提供最佳的熱成型條件，尤其是，實(shí)現(xiàn)了原本具有窄的加工窗口的熱塑性聚烯烴厚片材的熱成型。除了與常規(guī)輻射加熱相比由微波加熱提供的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)本文所披露的實(shí)施方式的 具有選定的加熱速率的組合物和復(fù)合材料可允許例如在各種工藝如熱成型和注塑中可行 地使用能微波加熱的材料。復(fù)合材料和組合物可設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率，并符合物理 性質(zhì)要求、循環(huán)時(shí)間要求、和得到經(jīng)濟(jì)上和工業(yè)上可行工藝會要求的其它需要。雖然本文包括有限數(shù)量的實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員在本文的教導(dǎo)下會領(lǐng)會， 還可作出其它實(shí)施方式而不出離本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明的范圍僅由所附的權(quán)利要求 限定。
權(quán)利要求
配制能微波加熱的熱塑性組合物的方法，該組合物設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率，該方法包括選擇微波接收添加劑、微波接收添加劑的粒度、和微波接收添加劑的濃度中的至少一種；選擇選自熱塑性聚合物組分、微波功率、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸入；基于所述選擇至少一種和所述選擇至少兩種將微波接收添加劑與熱塑性聚合物混合以形成具有選定加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所選擇的加熱速率在5°C/秒 150°C /秒的范圍。
3.權(quán)利要求1的方法，其中選擇所選擇的加熱速率從而得到最小循環(huán)時(shí)間、期望循環(huán) 時(shí)間、經(jīng)濟(jì)上可行的循環(huán)時(shí)間、最大循環(huán)時(shí)間、和循環(huán)時(shí)間范圍中的至少之一。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所選擇的所述微波接收添加劑的粒度在10納米 60微米 的范圍。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，基于所述能微波加熱的熱塑性組合物的總體積，所選擇的 所述微波接收添加劑的濃度在0 25體積％的范圍。
6.制造能微波加熱的熱塑性組合物的方法，該組合物設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率，該 方法包括選擇選自熱塑性聚合物組分、微波功率、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫 度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸 入；選擇微波接收添加劑、微波接收添加劑的粒度、和微波接收添加劑的濃度中的至少一種；確定所述能微波加熱的熱塑性組合物的加熱速率；和改變微波接收添加劑、所述微波接收添加劑的粒度、和所述微波接收添加劑的濃度中 的至少一種；和重復(fù)所述選擇、所述確定加熱速率、和所述改變直到符合選定的加熱速率收斂條件。
7.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括限制所述微波接收添加劑、所述微波接收添加劑的 粒度、和所述微波接收添加劑的濃度中的至少之一。
8.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括確定微波接收添加劑在暴露于微波能量場時(shí)的熱響應(yīng)。
9.權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括基于所選擇的粒度和所選擇的濃度確定晶格常數(shù)。
10.權(quán)利要求9的方法，其中所確定的加熱速率與所確定的晶格常數(shù)、所確定的熱響 應(yīng)、和所述熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率相關(guān)。
11.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括基于所述電場強(qiáng)度、所述微波功率、和微波頻率中的至少之一確定微波接收添加劑的 最大溫度；其中所選擇的微波接收添加劑的最大溫度小于或等于所述熱塑性聚合物組分的最大容許溫度。
12.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括確定能微波加熱的組合物的性能包絡(luò)圈，其中所選 擇的加熱速率收斂條件與所確定的性能包絡(luò)圈相關(guān)。
13.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括以圖示方式顯示確定微波接收添加劑、微波接收添 加劑的粒度、微波接收添加劑的濃度的結(jié)果。
14.權(quán)利要求6的方法，進(jìn)一步包括基于所述選擇至少兩種、選擇至少一種、確定、改變、和重復(fù)的結(jié)果來制造能微波加熱 的熱塑性組合物。
15.制造能微波加熱的多層熱塑性復(fù)合材料的方法，該熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)成具有選 定的加熱速率，該方法包括選擇微波接收添加劑、微波接收添加劑的粒度、微波接收添加劑的濃度中的至少一種；選擇選自熱塑性聚合物組分、微波功率、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫 度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸 入；基于所述選擇至少一種和所述選擇至少兩種，將微波接收添加劑與熱塑性聚合物混合 以形成具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物；將所述具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物作為多層復(fù)合材料中的層 來布置。
16.設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物，包含熱塑性聚合物組分；和具有選定粒度和選定濃度的微波接收添加劑。
17.權(quán)利要求16的組合物，其中所述選定的粒度和選定的濃度使得該能微波加熱的組 合物的加熱速率處于該能微波加熱的熱塑性聚合物組分的性能包絡(luò)圈內(nèi)。
18.能微波加熱的多層復(fù)合材料，包含至少一個(gè)層，該層包含熱塑性聚合物組分；和具有選定粒度和選定濃度的微波接收添加劑；其中所述能微波加熱的多層復(fù)合材料具有選定的總體加熱速率。
19.能微波加熱的熱塑性組合物，包含熱塑性聚合物；和微波接收添加劑；其中所述能微波加熱的組合物的加熱速率在預(yù)定的性能包絡(luò)圈以內(nèi)。
20.權(quán)利要求19的組合物，其中所述預(yù)定的性能包絡(luò)圈由以下中的一種或多種限定 微波接收添加劑的粒度上限；微波接收添加劑的粒度下限；微波接收添加劑在暴露于選定 的電場強(qiáng)度時(shí)的最大顆粒溫度；最小加熱速率；和最大加熱速率。
21.權(quán)利要求20的組合物，其中微波接收添加劑的粒度上限在約1微米 約60微米的 范圍。
22.權(quán)利要求20的組合物，其中最小加熱速率至少為10°C/分鐘。
23.權(quán)利要求20的組合物，其中最大加熱速率小于150°C/秒。
24.權(quán)利要求20的組合物，其中所述微波接收添加劑的最大顆粒溫度與所述熱塑性聚 合物的降解溫度相關(guān)。
25.權(quán)利要求19的組合物，其中所述預(yù)定的性能包絡(luò)圈基于以下中的至少之一熱成 型工藝的經(jīng)濟(jì)性、工藝循環(huán)時(shí)間、和對所述熱塑性聚合物的物理性質(zhì)要求。
全文摘要
配制能微波加熱的熱塑性組合物的方法，該組合物設(shè)計(jì)成具有選定的加熱速率。該方法可包括選擇微波接收添加劑、微波接收添加劑的粒度、微波接收添加劑的濃度中的至少一種；選擇選自熱塑性聚合物組分、微波功率、電場強(qiáng)度、該熱塑性聚合物組分的最大容許溫度、該熱塑性聚合物組分的加工溫度、和該熱塑性聚合物組分的熱擴(kuò)散率中的至少兩種輸入；和基于所述選擇至少一種和所述選擇至少兩種，將微波接收添加劑與熱塑性聚合物混合以形成具有選定加熱速率的能微波加熱的熱塑性組合物。
文檔編號B29C65/14GK101932428SQ200880125831
公開日2010年12月29日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者小羅伯特·P·黑利, 邁克爾·S·帕克特, 邁克爾·庫克 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)公司