[发明专利]具有填料加强作用的结构增强塑料

说明书

一种用于促进添加剂在流体例如热塑性材料的非线性粘滞区(viscosity zone)中的动能混合(kinetic mixing)的组合物。

发明背景

挤压过程为生产工程结构材料的最经济的制造方法之一。通常，挤压过程用于制造具有均匀横截面的长形挤出构件。构件的横截面可具有各种简单的形状例如圆形、环形或者矩形。构件的横截面也可以是非常复杂的，包括内支撑结构和/或具有不规则的周边。

通常，挤压过程采用被引入到进料斗中的热塑性聚合物化合物。热塑性聚合物化合物可以粉末、液体、立方体、码垛堆积(palletized)和/或任何其它可挤出的形式存在。热塑性聚合物可为新的未加工过的、重复利用的或者两者的混合物。典型挤出机的实例示于图1中。

塑料工业已经在制造期间使用填充剂来降低树脂成本。典型的填充剂包括碳酸钙、滑石、木纤维及各种其它类型的物质。除了提供成本节约以外，向塑料中加入填充剂减小热膨胀系数，增加机械强度，并且在一些情况中降低密度。

碳酸钙和滑石不具有结构强度或纤维取向以改善结构稳定性。滑石通过弱的范德华力结合在一起，这使得该材料在对其表面施加力时反复裂开。即使试验结果表明滑石赋予聚丙烯多种益处，例如较高的刚性和改善的尺寸稳定性，但是滑石的作用就象具有润滑性能的微米填充剂(micro-filler)。

碳酸钙具有类似的性能，但是具有吸水问题，这由于环境退化而限制其应用。滑石因为其疏水性而避免了该问题。

木纤维由于纤维特性与塑料相互作用而增加一些尺寸稳定性，但是木纤维也受环境退化的困扰。所有这三种常用的填充剂都是经济上可行的，但是结构上受到限制。

塑料工业在近几十年来已经努力改进抗刮性和/或耐擦伤性以及美学外观。在最近十年来已经作出许多改进以增加抗刮性和耐擦伤性，但是技术短缺仍然令塑料工业及其科学家感到困惑。一个挑战是如何使塑料更硬并保持成本而不妨碍美学外观。申请人意识到没有提出增加抗刮性和耐擦伤性论点的经济的结构增强填充剂，即使研究尝试已经把焦点集中在农场废弃纤维例如稻壳、甘蔗渣纤维、麦草及各种用作塑料内低成本的结构填充剂的其它填充剂。一种解释涉及到增强物理性能的结构填充剂的技术空白，其焦点集中在成本而不是把焦点集中在塑料完整性上。

存在三种类型的常用的涉及向塑料中加入填充剂的混合原理：

1.静态混合：通过或者力产生的流动(经机械方法的压力)，或者重力引起的流动在固定物体周围的液体流动。

2.动态混合：通过具有叶片和舷弧(sheer)两种设计的典型叶轮的机械搅拌以及双或单螺旋式搅拌的液体引起的混合。

3.动能混合：液体通过对表面的速度冲击或者两种或更多种液体相互碰撞的冲击混合。

所有以上三种混合方法具有一件共同的事情，即妨碍混合最佳化而与被混合的流体无关和与正被混合的物料是否为极性、非极性、有机或是无机等无关，或者与其是否为含有可压缩或不可压缩填充剂的填充材料无关。

所有的不可压缩的流体具有壁效应或边界层效应，其中流体速度在器壁或机械界面被大大地减小。静态混合系统采用该边界层劈分(fold)或混合这种采用该阻力促进搅拌的流体。

动态混合，与搅拌叶片或涡轮的几何形状无关，最后由于边界层而得到盲区和不完全的混合。动态混合采用被设计采用边界层促进摩擦并通过离心力压缩以实现搅动，同时在机械表面保持不完全混合的边界层的高剪切和螺旋叶片。

动能混合在来流(incoming streams)和在注射器尖端两者上对速度分布具有边界层效应的缺点。然而，除了输送流体现象外，该系统经受最小的边界层效应。

以下为边界层的另一种解释。气动力以复杂的方式取决于流体速度。当流体运动通过物体时，正好邻近表面的分子附着于表面。正好在表面上的分子在其与附着于表面的分子相撞中减低速度。这些分子依次又减慢正好在其上的流动。一个分子运动离表面越远，碰撞受物体表面的影响越小。这在邻近表面处产生一薄层流体，其中速度从表面为零变为远离表面的自由流值。工程技术人员称该层为边界层，因为其存在于流体的边界上。

当物体运动通过流体时，或者当流体运动通过物体时，邻近物体的流体分子被扰动并在物体周围运动。在流体与物体之间产生气动力。这些力的大小取决于物体形状、物体的速度、经过物体的流体质量以及取决于流体的两个其它重要性质；粘滞度或粘着性以及流体的可压缩性或弹性。为正确地模拟这些效应，航天工程师采用相似性参数，其为这些效应与问题中存在的其它力的比率。如果两个试验对于相似性参数具有相同的值，则这些力的相对重要性即被正确地模拟。