[发明专利]具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性材料

说明书

技术领域

本文披露的实施方式总体涉及能微波加热的热塑性组合物。更具体而言，本文披露的实施方式总体涉及设计成具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性组合物。

背景技术

典型地，在诸如挤出或注塑的初级转换工艺中，热塑性聚合物粒料必须被熔融、再成型、和冷却，从而制备具有商业价值的部件。在一些情况中，需要涉及进一步加热、再成型和冷却的二级制造工艺，如热成型，以实现具有商业价值的部件。在初级和二级工艺中，将热能施加到热塑性材料，然后在再成型后除去。

在许多情况中，用于热塑性聚合物体系的常规加热机理依靠接触或辐射热源。辐射能量(常称为红外线)的波长范围在1～10微米，其将在一半的可用能量作为热耗散之前渗透到吸收材料的大约1～2微米的深度。热传递的过程通过传导过程持续(在固体材料的情况下)，或者，在熔融材料的情况下，通过传导、对流和机械混合的组合持续。类似地，接触加热依靠来自热接触表面的传导(或传导、对流、和混合的组合)以加热材料的“主体”。

与传导性热传递过程相关的热传递速率(RHT)通常可以由以下关系描述：RHT＝f(A，Ct，ΔT)，其中A为可用于热传递的面积，Ct为材料的热扩散率，且ΔT为可用的温度驱动力，其将随着被加热的材料的温度提高而减少。未改性热塑性材料的热扩散率Ct本身是低的，从而妨碍了常规的辐射或接触加热体系中的热传递。而且，辐射或接触加热可导致不期望的温度梯度、可能的被加热材料的皮过热或烧焦。

与此相反，微波的波长为大约12.2cm，比红外线的波长长。与红外线或辐射能量相比，在可用能量作为热耗散前，微波可以渗透到吸收材料的深得多的深度，典型地为若干厘米。在吸收微波的材料中，由于微波渗透穿过材料，微波能量用于以“立体方式”加热该材料。但是，如果材料不是良好的微波接收体，则其对微波能量来说基本上是“透明的”。

与微波加热相关的一些潜在问题包括，不均匀的加热和热耗散。不均匀的加热经常是由于部件上不均匀的微波能量分布造成的，其可通过使用旋转平台以支撑被加热的物件而在一定程度上得到克服，例如在常规的家用微波炉中。热耗散可归结于上述不均匀加热与改变与温度相关的介电损耗因子的结合。

微波能量已用于例如干燥平坦结构，如湿的织物。水是微波敏感的，并且如暴露于足够的微波能量足够的时间则会蒸发。但是，织物通常对微波是透明的，从而导致微波聚焦到基本上是材料中唯一的微波敏感组分的水上。微波能量还用于加热其它材料，如在以下参考文献中。

美国专利5,519,196披露了含有氧化铁、碳酸钙、水、硅酸铝、乙二醇、和矿物精油的聚合物涂层，其用作食品容器的内层。该涂层可以由微波能量加热，从而引起所述容器中的食品烘焦或烤焦。

美国专利5,070,223披露了微波敏感材料和它们在玩具中作为储热器的用途。所披露的微波敏感材料包含铁氧体和铁氧体合金、碳、聚酯、铝、和金属盐。美国专利5,338,611披露了用于粘接热塑性基材的含有炭黑的聚合物带条。

WO 2004048463A1披露了可以在电磁辐射的影响下被快速加热的聚合物组合物，以及相关的应用和加工方法。

使用微波加热聚合物材料的主要限制是，许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长的辐射时间，以加热这样的聚合物体系。在特别设计用于微波吸收的聚合物中，在它们的微波性质和机械或热性质之间经常会有折中，也就是说机械和热性质经常低于期望。

因此，存在对便于使用微波能量快速的以立体方式加热聚合物的工艺和聚合物材料的需求。

发明内容

在一方面，本文所披露的实施方式涉及配制能微波加热的热塑性组合物的方法，该组合物设计成具有选定的加热速率。该方法可包括：选择微波接收添加剂、微波接收添加剂的粒度、微波接收添加剂的浓度中的至少一种；选择选自热塑性聚合物组分、微波功率、电场强度、该热塑性聚合物组分的最大容许温度、该热塑性聚合物组分的加工温度、和该热塑性聚合物组分的热扩散率中的至少两种输入；和基于所述选择至少一种和所述选择至少两种，将微波接收添加剂与热塑性聚合物混合以形成具有选定加热速率的能微波加热的热塑性组合物。