[发明专利]使用微波能选择性加热热塑性聚合物体系

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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 of polymer)。

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。

发明内容