具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性材料的制作方法

专利名称：具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性材料的制作方法
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, Δ Τ)，其中A为可用于热传递的面积，Ct为材料的热扩散率，且ΔΤ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，不均勻的加热和热耗散。不均勻的加热经 常是由于部件上不均勻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勻加 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。在另一方面，本文所披露的实施方式涉及制造设计成具有选定的加热速率的组合 物的方法，所述方法包括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；选择微波接收添加剂、该微波接收添加剂的粒度、微波接收添加剂 的浓度中的至少之一；确定所述能微波加热的热塑性组合物的加热速率；和改变微波接收 添加剂、所述微波接收添加剂的粒度、和所述微波接收添加剂的浓度中的至少之一；和重复 所述选择、所述确定加热速率、和所述改变直到符合选定的加热速率收敛条件。在另一方面，本文所披露的实施方式涉及制造能微波加热的多层热塑性复合材料 的方法，该热塑性复合材料设计成具有选定的加热速率，所述方法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；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的加热速率 的能微波加热的热塑性组合物；将所述具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性组合物 作为多层复合材料中的层来布置。在另一方面，本文所披露的实施方式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，其包含热塑性聚合物组分；和具有选定粒度和选定浓度的微波接收 添加剂。在另一方面，本文所披露的实施方式涉及能微波加热的多层复合材料，其包含包 含热塑性聚合物组分和具有选定粒度和选定浓度的微波接收添加剂的至少一个层；其中所述能微波加热的多层复合材料具有选定的总体加热速率。从以下说明和所附权利要求中，其它方面和优点将是明显的。


图1展示了可用于本文所述的实施方式中的微波加热设备。图2展示了结合有能微波加热的组合物层的多层片材的一种实施方式。图3为计算结果的图示，所述计算结果可用于制造根据本文披露的实施方式的具 有选定的加热速率的能微波加热的组合物。
具体实施例方式本文所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 所披露的实施方式总体涉及能微波加热的热塑性组合物，该热塑性组合物设计成具有选定 的加热速率。与其它加热方法如辐射、对流、或接触加热相比，使用微波能量可得到非常快速的 立体方式加热。使用微波能量可克服常规加热体系的两个主要限制依赖于聚合物的热导 率以从部件的表面输送热能；和聚合物表面的最大容许温度，该温度又决定了能提供的最 大温度驱动力。聚合物本身可能由于其化学组成而接收微波。当聚合物本身不接收微波时，能微 波加热的聚合物组合物可通过将不接收的聚合物与微波接收添加剂和/或微波接收聚合 物结合而形成。可用于本发明实施方式中的合适的基础聚合物、微波接收聚合物、和微波接 收添加剂描述如下。得到的能微波加热的聚合物组合物可使用微波能量代替辐射、对流、或接触加热， 或将微波能量与辐射、对流、或接触加热组合使用。然后，加热的聚合物可例如在初级转换 工艺或二级制造工艺中进行混合、输送、塑造、压印、注射、成型、模制、挤出或以其它方式进
一步加工。在其它实施方式中，得到的能微波加热的聚合物组合物可作为多层复合材料中的 层、多层结构中的离散层(或若干层)以如下方式设置，使得该离散层(或多层)可在接下 来的制造前优先被加热。然后，可将热能从这些层传导到聚合物的可能是对微波能量基本 上是“透明的”相邻层，从而允许总体聚合物结构比常规加热系统更快地达到需要的制造温 度。然后，所述多层复合材料可例如在初级转换工艺或二级制造工艺中进行混合、输送、塑 造、压印、注射、成型、模制、挤出或以其它方式进一步加工。本文所披露的实施方式涉及使用电磁能量通过选择性地加热一部分热塑性材料 体积进行热塑性材料的有效转换，所述部分足以使该材料在后续的成型技术中能加工。如 本文中所使用的，能加工是指提供足够的熔融状态或软化的至少一部分热塑性材料，从而 使主体塑料被混合、输送、塑造、压印、注射、挤出等，以形成产品。对热塑性基材的加热可通 过将该热塑性基材暴露于电磁能量而实现，所述电磁能量如具有渗透穿过基材的整个体积 并优先吸收到微波敏感区域中的能力的微波。通过施加微波辐射，可在聚合物试样的体积、主体或部分的预定区域局部地产生 热。因此，可小心地控制和聚集所施加的能量的量，因为其它区域可能由对所使用的辐射透明的非吸收材料构成。例如，未处理的聚丙烯和聚乙烯对微波辐射是透明的。通过加热接 收微波的基材部分，可减少用于加热整个组合物的能量，缩短了循环时间，并且可为各种需 要和应用调节和优化最终材料的机械和其它性质。在能微波加热的聚合物和复合材料内的位置可为对吸收电磁能量来说有利的或 非有利的。有利于吸收的位置将在电磁能量的影响下容易地和快速地加热。换句话说，相 对于材料的其它区域来说，仅基材体积的特定部分会受到电磁能量的强烈影响。在这样的方式中，电磁能量仅与基材的在电磁能量存在时温度会升高的某些区域 相互作用。接下来，将由热传导和其它这样的机理而发生对主体材料内相邻区域的加热。由 于该主体材料被以立体方式加热，与常规加热技术相比，该材料可更快地转化成能加工的 状态。此外，由于该材料可含有比通过表面传导(红外线加热)加热的整个主体材料中通 常存在的热能少的热能，因此会有显著的能量节约。例如，红外线加热导致显著的能量损失 到大气，并且需要部件的表面温度显著地高于期望的主体温度，从而进行从部件表面到部 件芯的可接受的热传递速率，并将芯温度提高到加工所需的温度。相反，微波选择性加热使 得微波敏感聚合物的温度快速地并以立体方式地加热到加工温度，这可得到显著较低的聚 合物表面温度，特别是在包含微波透明表面层的情况中。微波加热还具有较低的从体系损 失能量的说趋势，能量主要传输到需要它的地方，即微波敏感聚合物。微波加热还可得到转 化工艺循环时间的显著节约。可减少加热时间，这不仅是因为微波加热机理快速地发生在 整个主体(与热传导相反)，而且还因为部件的总能量含量较少。冷却循环也可缩短，因为 材料未加热的区域有效地作为吸热器(heat sink)以将热量从相邻的加热区域抽出，显著 地提高了主体材料的总体冷却速率。本文所述的能微波加热的聚合物和复合材料可在初级转化或二级制造工艺期间 使用。例如，在一些实施方式中，能微波加热的聚合物和复合材料可在制造聚合物制品期间 使用，所述聚合物制品包括膜、泡沫体、型材、复合粒料、纤维、纺织物和无纺布、模制部件、 复合材料、层压体、或由一种或多种聚合物材料制成的其它制品。在其它实施方式中，能微 波加热的聚合物和复合材料可用于如下转化工艺，如片材挤出、共挤出、泡沫体挤出、注塑、 泡沫体模制、吹塑、注射拉伸吹塑、和热成型等。上述工艺如热成型、注塑等具有与工艺的各要素(例如，加热、注射、成型、冷却、 部件弹出等)所需时间的总和相等的与工艺相关的循环时间。循环时间可包括，例如，最小 循环时间、经济上可行的循环时间、最大循环时间、和循环时间范围。这些循环时间是各种 工艺的特性，并且很大程度上与热量可以传递到或传递出材料的速率相关。这些循环时间 对经济性和本领域人员知道的其它因素有直接的影响。能微波加热的组合物可引起不均勻的加热，如由于加热期间微波能量不均勻的分 布，以及热耗散如由于具有随温度变化的介电损失因子的材料。如上所述的微波接收添加 剂可不利地影响得到的聚合物的物理性质，并且因此仅可以受限制的量使用，由此限制了 微波能量对主体材料的影响。具有一个或多个非接收性层的多层复合材料可减轻微波接 收添加剂对物理性质的影响，但会需要额外的时间和微波暴露以允许热传导到非接收性部 分，从而使材料为能加工的。不均勻的加热、热耗散、传导、和物理性质问题均影响通过微波 能量进行的加热和在上述工艺如热成型和注塑等中加工聚合物的能力。为了克服与使用能微波加热的组合物有关的上述缺陷，本文所述的能微波加热的聚合物组合物和复合材料可设计成具有选定的加热速率。如本文中所使用的，“加热速率” 是指能微波加热的组合物在暴露于微波能量时温度升高的整体速率。在一些实施方式中， 在暴露于微波时，微波接收颗粒的温度可几乎瞬间提高。相反，能微波加热的组合物的加热 速率是主体组合物的温度提高的速率。选定的加热速率可允许能微波加热的聚合物和复合 材料符合循环时间的要求，物理性质要求、和为符合各种工艺要求而提出的其它限制，如熔 体粘度、所得部件的厚度、拉伸比例(draw-down ratio)、冷却速率、和成型性等。作为将组合物设计成具有选定的加热速率的实例，可大致认为组合物包括为球形 且形状均勻的微波接收颗粒。还可认为这些球形颗粒均勻地分散在可视作简单立方晶格的 非接收性聚合物基体中。该立方晶格的尺寸“a”(长度、宽度、和高度)不能小于该颗粒的 半径rp的两倍；否则，该颗粒将不能配合到该晶格中(即，a>2rp)。因此，位于该晶格立 方体中心的球形颗粒的最小体积分数为0，并且位于立方体中心的球体的最大体积分数以 百分比计为大约52. 36% (f = pi/6)。在给定电场中微波接收添加剂加热到一个温度的速 率相对于从所述微波接收添加剂热传递到主体聚合物基体来说是快的。因此，所述微波接 收添加剂颗粒的温度可仅视作与电场强度(微波功率)相关。在上述假设下，可计算晶格内 从微波接收添加剂颗粒到聚合物基体的热传递速率。例如，微波接收添加剂的温度可视作 为固定边界状态，晶格边界具有室温或微波加热单元的进料温度的初始状态。然后，从固定 边界状态到微波接收添加剂周围的聚合物基体的动态热传递可基于聚合物的热扩散率计 算。然后，晶格边界达到给定温度的时间可作为加热速率。基于所作出的假设，相邻的晶格 应以类似的速率加热，并且被加热的区域应视作处于平衡，但晶格上可存在小的温度变化。实例作为将组合物设计成具有选定的加热速率的实例，来自上述加热速率计算的结果 示于图3，其可用于制造根据本文披露的实施方式的具有选定的加热速率的能微波加热的 组合物。微波接收颗粒的尺寸 的范围在5nm 65微米。晶格尺寸a基于粒度变化，其 中颗粒/聚合物体积分数的范围在接近0 52% (颗粒直径大约等于晶格尺寸a)。在粒 度直径rp等于晶格尺寸a时限定出了加热速率包络圈(envelope)。对于给出的计算结果， 颗粒温度设定在165°C，略高于非接收性聚合物基体聚丙烯的熔融温度。虽然对计算来说不 是必需的，但基于选择适当的微波接收添加剂和电场强度可得到这样的颗粒温度。图3中给出的计算出的加热速率基于立方晶格的角落在164. 9度时达到“平衡”所 计算出的时间量。如图所示，加热速率的范围可从非常慢(如当粒度比晶格尺寸小时)到 非常快(如当粒度大约等于晶格尺寸时)。如所示出的，得到的聚合物的加热速率范围在数 十度/分钟 IXIO6度/分钟。例如为了对给定的聚合物体系来说符合循环时间和/或物理性质要求，选定的加 热速率可例如处于图3所示的三角形中。最高的加热速率由主体聚合物必须保持完好无损 来这一限制条件来限制。该上限依赖于聚合物。下限由热成型工艺的经济性限定。上述粒 度、加热速率等的上限和下限以及它们的边界(如处于图3体系的三角形中的)可被称为 性能包络圈。用于获得图3中所示结果的假设之一是微波接收添加剂颗粒温度。加热包络圈的 位置可取决于多种因素，包括所选的微波接收添加剂和微波接收添加剂暴露的电场强度。 例如，对给定的微波接收添加剂来说，较强的电场可能导致较高的颗粒温度。或者，各种微波接收添加剂可能由类似的电场强度导致较高或较低的颗粒温度。各种其它变量也可影响 给定体系的加热速率包络圈的位置。因此，虽然没有示出，但本领域技术人员将领会，对于 上述任何给定聚合物-微波接收添加剂体系可基于上述计算产生三维图像，其中第三个轴 可表示例如，电场强度或聚合物热导率。当根据本文披露的实施方式将能微波加热的复合 材料设计为具有选定的加热速率时，这样的图表可为有用的工具。得到的图表的表面(对 于加热速率包络圈的边界或对于单独的粒度“带条(ribs)”)可以数学方式限定，其中得到 的加热速率或加热速率包络圈等式可额外地提供将复合材料设计为具有选定的加热速率 的工具。如以上简述的，将复合材料设计为具有选定的加热速率必须考虑体系内的多种变 量。可包括，例如，可能影响组合物的加热速率的变量等，微波接收添加剂的类型、粒度、和 浓度，热塑性聚合物组分，用于加热该组合物的电场强度，以及所述热塑性聚合物组分的热 扩散率等等。使组合物设计为具有选定的加热速率可以通过根据需要将以上列出的一个或多 个变量作为输入提供到计算循环(calculation loop)中。然后，可计算组合物的加热速 率。如果对给定的聚合物_微波接收添加剂组合来说计算出的加热速率不在所选择的加热 速率的变化或收敛条件之内，则可改变上述变量，并重新计算加热速率，直到符合选定的加 热速率收敛条件。例如，对于给定的聚合物体系和电场强度来说，可改变微波接收添加剂、 所述微波接收添加剂的粒度、和所述微波接收添加剂的浓度中的至少之一，直到符合所选 择的加热速率收敛条件。基于以上计算，可制造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。例如，可通过根据上述计算循环的结果将热塑性组合物和微波接收添加剂混合来形成 能微波加热的组合物。其它变量也可影响根据上述计算循环制造能微波加热的组合物的期待。例如，当 微波接收添加剂具有过大的粒度和浓度，可能导致得到的能微波加热的组合物具有不能接 受的物理性质时，可能符合选定的加热速率收敛条件。因此，上述计算循环也可包括各种约 束，对诸如微波接收添加剂的粒度、浓度、电场强度等的变量限制最大和/或最小值。类似 地，约束可用于限制选择，从而不超过热塑性组合物的最大温度。合适的约束还可用于加工 温度。例如，在一些实施方式如热成型中，加工温度可低于聚合物熔融温度，并且，在其它实 施方式如注塑中，可高于熔融温度。本领域技术人员将领会，上述潜在的约束是非限制性 的，并且还可采用其它约束。在一种实施方式中，上述计算循环可在计算机上进行。可采用合适的变量输入，采 用用户界面。此外，计算结果可图示，使得可查阅所述结果。在一些实施方式中，所进行的计算还可包括为在多层复合材料中使用的具有选定 的加热速率的能微波加热的组合物进行设计考虑。例如，可进行计算以预估从包括能微波 加热的组合物的层到非能加热的层的热传递。由此，可预估使主体复合材料能加工所需的 加热速率，由此，可适当地选择一个或多个能微波加热层的加热速率。在一些实施方式中，本文所述的设计成具有选定的加热速率的能微波加热的聚合 物和复合材料可通过以下方式形成a)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之一；和b)选择选自热塑性聚合物组分、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。根据a)和b)，微波接收添加剂可与热塑性聚合物混合以形 成所述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。对于微波接收添加剂，多种微波接收添加剂可用于本文所披露的各种实施方式中 (参见标题为“微波接收添加剂”的部分)。可协同变量b)利用和/或调节这些添加剂的 性质以得到具有选定的加热速率的能微波加热的组合物。例如，微波接收添加剂可对不同的微波频率响应。当然，这可依赖于选定的添加剂 或接收部分的介电损耗性能、电容率、和/或磁导率。虽然，例如，一种微波接收添加剂可在 2450MHz的频率加热，但其它接收添加剂可对范围在IMHz 300GHz的不同频率响应。暴露于微波时，所施加的电场的强度会影响组合物的微波接收部分的温度。例如， 对于给定的电场强度，第一微波接收添加剂可快速提高到160°C的温度，而第二微波接收添 加剂可提高到220°C的温度。较强的电场可能导致第一微波接收添加剂快速提高到180°C 或更高的温度。这些微波接收添加剂可以多种形状和尺寸存在，并可在范围在0 25体积％的能 微波加热的组合物的浓度使用。聚合物基体中接收颗粒的尺寸与所述颗粒的浓度相结合， 可影响组合物的加热速率。例如，对于相同接收添加剂的大小相等的颗粒来说，以较高的浓 度使用该添加剂导致每个颗粒较少的需要加热的非接收性热塑性聚合物。因此，当以较高 的浓度使用微波接收添加剂时，能微波加热的组合物可具有较快的加热速率。除了粒度，颗粒的粒度分布也是研究的变量。例如，具有相等的平均粒径的添加剂 可具有变化的的粒度分布，其中第一添加剂可具有与第二添加剂相比更多数量的较小的和 /或较大的颗粒。粒度单独就可影响平均每个颗粒需要被加热的非接收性热塑性聚合物的 量。此外，由于改变粒度分布而产生的热能分布可影响组合物暴露于微波能量时的整体加 热。总的来说，窄的粒度分布可导致热能的均勻分布；但是，由于成本或对得到的组合物物 理性质的可能的影响，窄的粒度分布可能不是优选的。换句话说，对本文披露的一些实施方 式来说，窄的粒度分布可能是优选的；在其它实施方式中，宽的粒度分布可能是优选的。微波添加剂组合物还可在将组合物调节到选定的加热速率的能力中起到重要的 作用。例如，沸石可接收微波能量。沸石还可吸收水，而水也接收微波能量。因此，吸收了 水的沸石可得到与干沸石不同的加热速率。具有不同吸收的水量的沸石还可得到不同的加 热速率。能微波加热的组合物的整体加热速率也可受到该组合物中使用的非接收性热塑 性材料的热扩散率影响。具有较高热扩散率的聚合物可将热从微波接收添加剂以快于具有 较低热扩散率的聚合物的速率传播到主体组合物。上述因素，包括电场强度、聚合物热扩散率、以及微波接收添加剂、粒度、粒度分 布、和浓度，可影响主体能微波加热的组合物可被加热的速率。在特定工艺中使用的能微 波加热的组合物的选定的加热速率还可取决于以下因素，如能微波加热的组合物的加工温 度，热塑性聚合物组分的熔融温度，和热塑性聚合物组分的最大温度。对于加工或熔融温度来说，与具有较低的加工温度的聚合物相比，具有较高加工 温度的聚合物，例如，可需要较长的加热时间或较高的加热速率。对于热塑性组合物的最大 温度，在给定的温度之上特定的聚合物可开始降解或解聚。此外，较低分子量聚合物、蜡、残余单体、或聚合物体系中使用的其它添加剂可在给定的温度之上挥发，上述各种都可导致 得到的产品在物理性质或外观上的改变。例如，降解的聚合物可丧失物理强度(冲击强度、 落镖强度、拉伸强度或抗弯强度等)；组分蒸发可能导致在部件中形成气泡或间隙。因此， 热塑性组合物的加工温度和/或最大温度可影响微波接收添加剂的选择和用于加热本文 所披露的能微波加热的热塑性组合物的电场强度。如以上简要讨论所示，这些和其它变量可影响组合物的加热速率。组合物选定的 加热速率可取决于这些和其它因素。组合物选定的加热速率可选择为将组合物的温度提高 到等于或大于例如期望循环时间的组合物加工温度的温度。在其它实施方式中，组合物的 加热速率可选择为符合循环时间范围。如上所述的选定的加热速率可允许能微波加热的聚 合物和复合材料符合循环时间要求、物理性质要求、和为符合各种工艺要求而提出的其它 限制，如熔体粘度、得到的部件厚度、拉伸比例、冷却比例、和成型性等。如上所示，多种变量可用于设计和制造具有选定的加热速率的能微波加热的组合 物或多层复合材料。如本文所述，设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复 合材料可包括微波接收添加剂，微波接收聚合物、和非接收性聚合物(基础聚合物)。以下 分别讨论这些。微波接收添加剂多种材料可通过吸收微波而加热。这可通过偶极加热机理实现，并包括在它们尝 试与移动通过材料的振荡电磁波同步振荡时永久偶极子和/或电荷的受激移动。由此，该 材料通过以下方式加热搅拌分子，并接下来将热粘性传递(viscous transfer)到相邻的 原子和分子。其它材料可在电磁波的电场激励材料的电流流动时通过欧姆(电阻)加热而 加热。另外的微波加热机理包括Maxwell-Wagner和磁性加热。在微波场的存在下任何材 料加热的程度由其介电损耗因子(也称为损耗角或复数介电常数)限定，其为材料和电磁 波之间相互作用强度的量度。关键的是，这样的加热是主体效应，也就是说，材料有效地“以 立体方式”加热，因此，期望的温度分布可通过合适的部件设计在部分中实现。例如，在设计 用于热成型的共挤出片材中，微波敏感芯层能够使该片材被从内到外地加热，得到了更期 望的较冷的片材表面温度。微波吸收剂也可用作材料中的添加剂以使材料能通过电磁辐射(通常为微波或 辐射)加热。加入到聚合物材料中以改变或改进特定性质的其它试剂也可赋予该聚合物改 进的加热能力。这样的添加剂可以加入到聚合物以便于该聚合物的微波加热。可与基础热塑性聚合物共混以形成微波敏感聚合物的微波接收剂、或添加剂可包 括导电性或磁性材料，如金属、金属盐、金属氧化物、沸石、碳、水合矿物、金属化合物的水合 盐、聚合物接收材料、粘土、有机改性的粘土、硅酸盐、陶瓷、硫化物、钛酸盐、碳化物、和硫 等。微波接收添加剂可包括a)元素如 C、Co、Ni、Fe、Zn、Al、Cu、Ag、Au、Cr、Mo、和 W ；b)重金属盐，如CuXn、ZnX2、或SnX2，其中X为卤素，且η为1 6的整数；c)盐的水合物，如 NiCl2 · 6H20、Al2 (SO4) 3 · 18Η20 ；d)络合水合物，如钙矾石；e)其它单一的水合物，如泻盐；f)金属氧化物，如 CuO、Cu2O, NiO、Fe3O4, Fe2O3> FeO, Co2O3 ；
g)复合氧化物，如BaTiO3 ；h)金属硫化物，如Ag2S、CuS、MoS2、PbS、ZnS、FeS黄铁矿(FeS2)、和其它黄铁矿；i)金属碳化物和氮化物，如W2C、SiC、B4CJP TiN ；j)半导体，如5士、66、56、6&卩、6&六8、11^、11^8、0(15、0(156、和21156;k)离子导体，如固体酸、β-氧化铝、聚合物酸、和离子交换剂；1)含水材料，如水合物形式的沸石、二氧化硅、氧化铝、铝磷酸盐、铝硅酸盐、氧化 镁、氧化钛、粘土、滑石、凝胶、蛭石、绿坡缕石、海泡石、其它无机凝胶、有机水凝胶，如超吸 水性聚合物(SAP)、甲基纤维素、和羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基纤维素、和微囊水；m)具有永久偶极子的分子、低聚物、或或聚合物材料，如具有以下官能团的分子、 低聚物、或聚合物材料，所述官能团可包括被以下单或多取代羟基、胺、酰胺、羰基、酯、碳 酸酯、氨基甲酸酯、脲、硫脲、腈、硝基、硝酸酯、亚硝酰基、羟基胺、铵、磺酰胺、巯基、硫化物、 砜、亚砜、磷酸盐、膦酸酯、膦酰胺(phosphonamide)、卤化物、卤氧化物，并且还可包括糖、氨 基酸、内酰胺、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、明胶、其它生物产物、甲酰胺、η-甲基甲酰胺、η-甲基 乙酰胺、和它们的组合；η)笼型偶极子(caged dipoles)，如吸收在沸石或粘土中的、或吸收在二氧化硅凝 胶或其它无机或有机吸收剂上的、或包囊的列于以上(m)中的偶极子；ο)有机导体，除金属和半导体之外的，如聚苯胺、聚吡咯、聚乙炔、和其它有机导 体；ρ)磁性物质，如硬或软的铁素体、Sr或Ba的钛酸盐、CoZn, NiZn、或MnZn。在一些实施方式中，所述微波接收添加剂可包括，例如，铜、铝、氧化锌、氧化镓、氧 化铁或铁素体、锰铝铜的合金、氧化锰、钴或铝的氧化物、SiC、Na2TiO3^ A1203、MnO2, TIO2、和 Mg2TiO4。在其它实施方式中，微波接收碳可包括，例如，石墨、炭黑、石墨烯(grapheme)、和碳 纳米管。在特定的实施方式中，所述微波接收添加剂可包括铝硅酸盐、铁的铁素体如Fe304、 沸石如沸石A、碳或它们的组合。除了上述微波接收添加剂，还已发现某些其它结晶添加剂可有效地作为微波接收 剂，并且可包括离子导体，如无机固体酸或盐，聚合物酸或盐，或无机或聚合物离子交换剂。 在一种特定的实施方式中，离子交换添加剂为合成的沸石4A。可有效地用作微波接收剂的其它化合物包括含水材料，其中该添加剂含有增强吸 收性的量的水。这样的水合添加剂可基于无机、分子、或聚合物物质。例如，水合无机添加 剂可为水合沸石13X，其中该沸石能够吸收最高达30%其重量的水。可有效地用作微波接收剂的其它化合物包括含有分子或聚合物微波接收剂的无 机或聚合物物质。该接收剂种类可置于无机或聚合物物质以内，并可作为涂层存在于无机 或聚合物物质颗粒上，或可为无机或聚合物物质孔中的外来物(guest)。例如，乙二醇可吸 附到沸石NaY的三维笼体中。海泡石粘土也可用作微波接收添加剂。海泡石为天然粘土矿物质，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，并且还可使加热基本没有因加热期 间水的存在而形成气泡或使气泡的形成最小化。由铵离子盐或氢离子盐形成的分子筛或沸石也可用作微波接收添加剂。例如，可使用铵形式的分子筛Y。类沸石的合成材料也可用作微波接收添加剂。例如，可使用合成材料如铝磷酸盐、 硅铝磷酸盐、和硅钛酸盐、以及结构和水合性质与沸石类材料类似的轻金属的其它混合物。在其它实施方式中，上述分子筛，包括由碱金属盐、碱土金属盐、铵离子盐、和氢离 子盐形成的沸石，可包括吸附到沸石笼体中的有机材料。例如，乙二醇和其它微波接收有机 材料可吸附到沸石或分子筛中，为该分子筛提供了增强的微波接收性。可有效地用作微波接收剂的再其它化合物包括可赋予部件期望的部分接收性和 选择性加热的材料。这些可包括有机导体，如聚苯胺。除了上述添加剂，微波接收聚合物材料可用作微波敏感层的主要组分，或可为与 其它低或非微波接收聚合物共混的少量组分以形成微波敏感层。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团结合到聚合物结构中时形成，所述基团例如 C0、0H、NH、甲基丙烯酸酯、二氧化碳、丙烯酸、乙酸乙烯酯、醇类、和乙烯基醇或聚乙烯醇。这 些微波接收基团可结合到聚合物链的骨架中，或可悬附着于该聚合物链。如上所述，微波接收添加剂可含有紧密结合的水，如沸石和粘土。这些材料还可包 括可在加热时从添加剂释放的吸附的水。在一些实施方式中，微波接收添加剂可在与聚合 物结合前干燥。在一些实施方式中，微波接收添加剂可与聚合物结合，并且水例如通过使用 排气式挤出系统去除。在其它实施方式中，含有具有结合的水的微波接收添加剂的聚合物 部件或片材可在微波装置中加工该片材前干燥。在这样的方式中，可最小化或避免由于过 量的水造成的不期望的气泡形成。在一些实施方式中，所述微波接收添加剂可为粉末、薄片、球、粒料、颗粒、液体、或 凝胶的形式。微波接收添加剂的优选形式可取决于共混该添加剂的阶段，如聚合工艺期间、 纯化或造粒聚合物期间、或配混工艺期间。在其它实施方式中，可以在所述添加剂混配后立 即进行初级转化或二级制造工艺，如挤出、注塑、或使用聚合物的其它工艺，或者在初级转 化或二级制造工艺，如挤出、注塑、或使用聚合物的其它工艺期间，进行配混。在一些实施方 式中，共混微波接收添加剂可赋予改进的微波接收性，而不会显著影响聚合物基体的性质。任何上述添加剂可单独使用或组合使用，以提供期望的选择性加热效果。例如，当 结合各种沸石时可实现协同效果，提供比单独的一种形式的沸石更高的接收性，并且当固 体(即水合的沸石)加入到配方时，也可实现协同效果。添加剂(如在本实例中的)可保 持为固体粉末，其可没有困难地配混到聚合物中。所使用的微波接收添加剂的大小可取决 于待分散该添加剂的聚合物基体的大小；较厚的基体可容纳较大的颗粒。在一些实施方式 中，微波接收添加剂的平均粒度可在IOnm 50微米的范围；在一些实施方式中为IOOnm 40微米；在其它实施方式中为0. 1微米 25微米；在其它实施方式中为1微米 15微米； 和在另外的实施方式中为5微米 10微米。所使用的粒度可包括单分散颗粒(具有窄的 尺寸范围)，或多分散颗粒(具有宽的尺寸范围)。在一些实施方式中，微波接收添加剂可显示出对电磁能量的窄带响应。在其它实 施方式中，微波接收添加剂可用宽带频率上的辐照加热。在一种实施方式中，所述添加剂可 视作具有IMHz 300GHz或以上的频率范围上的接收特性。在其它实施方式中，所述添加 剂可在0. 1 30GHz或以上的频率范围加热；在其它实施方式中为400MHz 3GHz ；和在其它实施方式中为IMHz 13GHz或以上。在另外的实施方式中，所述添加剂可在1 5GHz 的频率范围加热。在一些实施方式中，微波敏感聚合物可通过将基础聚合物和微波接收添加剂干燥 共混而形成。在其它实施方式中，微波敏感聚合物可通过将添加剂与聚合物材料配混而形 成，或通过将聚合物材料涂覆到添加剂而形成。在另外的实施方式中，微波敏感聚合物可 通过将微波接收添加剂与湿的聚合物分散体共混，并接下来将水从分散体中干燥除去而形 成。基础聚合物可与一种或多种微波接收添加剂结合以形成能微波加热的组合物的聚合物包括 选自以下的树脂苯烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、聚乳酸和聚交酯(polylactide)聚合 物、聚砜、聚内酯、聚缩醛、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS)、聚苯醚(ΡΡ0)、聚苯硫醚 (PPS)、苯乙烯-丙烯腈树脂(SAN)、聚酰亚胺、苯乙烯马来酸酐(SMA)、芳族聚酮(PEEK、PEK、 和PEKK)、乙烯乙烯醇共聚物、它们的共聚物或混合物。在某些实施方式中，可与微波接收添 加剂结合的聚烯烃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、和它们的混合物。在其它实施方式中，可与微波接收剂结合的聚合物包括基 于丙烯腈的聚合物、含羟基的聚合物、基于丙烯酸或丙烯酸酯的聚合物、含有马来酸酐或马 来酸酐改性的聚合物、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。能微波加热的组合物在某些实施方式中，能微波加热的组合物可通过每一百份基础聚合物结合0. 1 200重量份微波接收添加剂而形成。在其它实施方式中，微波敏感聚合物可通过每一百份基 础聚合物结合1 100重量份微波接收添加剂而形成；在另外的实施方式中为2 50份； 和在另外的实施方式中为3 30份。在某些实施方式中，微波接收添加剂的含量可占微波敏感聚合物的0. 1 25体 积％。在其它实施方式中，微波接收添加剂的含量可占能微波加热的聚合物组合物的1 20体积％ ；和在另外的实施方式中为2 15体积％。在一些实施方式中，能微波加热的聚合物组合物可为粉末、颗粒、粒料、不均勻的 碎片、液体、片材、或凝胶的形式。能微波加热的聚合物组合物可为结晶的、半结晶的、或非 晶的。在一些实施方式中，能微波加热的聚合物组合物可包括着色剂、增强填料或增容填 料、和其它功能添加剂，如阻燃剂或纳米复合材料。在一些实施方式中，本文所述的能微波加热的聚合物组合物和多层复合材料可具 有至少5°c /秒的选定的加热速率；在其它实施方式中为至少10°c /秒；在其它实施方式 中为至少20°C /秒；在其它实施方式中为至少30°C /秒；在其它实施方式中为至少50°C / 秒；在其它实施方式中为最高达100°C /秒；在其它实施方式中最高达120°C /秒；和在另 外的实施方式中最高达150°C /秒。当本文所述的能微波加热的聚合物组合物和多层复合材料暴露于微波能量时，能 得到该能微波加热的聚合物组合物和多层复合材料的均勻加热。如本文中所使用的，均勻 加热是指，加热组合物、复合材料、部件、片材、或片材的至少选定的部分，其中在一些实施 方式中，被加热部分的最大温度波动为10°c或更低。在其它实施方式中，微波加热可得到的温度波动为7. 5°C或更低；在其它实施方式中为5°C或更低；在其它实施方式中为4°C或更 低；和在另外的实施方式中为3°C或更低。上述这样的温度波动可包括，例如，片材的宽度、 深度、和厚度中的每一个。微波加热装置如上所述的设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复合材料可 使用微波加热装置进行加热以进一步加工。这样的装置描述于，例如，PCT申请PCT/ US2007/012821，该申请在此通过引用将其全部内容纳入本申请。现在参考图1，展示了可根据本文披露的微波敏感聚合物的实施方式使用的微波 加热装置10。微波加热装置10的组件包括调节活塞11、EH调谐器12、配合隔膜板13、波 导14、角状物(horn) 15、微波滤波器17和可移动的下部活塞18。聚合物片材可由微波加热 装置10通过将样品供料通过样品供料槽19来进行加工。在一些实施方式中，微波加热装置10可能够快速和均勻加热能微波加热的组合 物，并且可适合于能微波加热的组合物的特性(接收剂类型、接收剂浓度、热塑性基体类型 等)和所加工的材料的形式(厚度、形状等)。与常规红外线加热相比，由本文披露的微波 加热装置的各种实施方式提供的加热速率和温度波动可提供有利的循环时间，可最小化由 于过度热暴露造成的对聚合物的有害效果，以及提供改进的加工。装置10可包括可变功率源(未示出)；角状物15可提供均勻能量密度扩展；并且 隔膜板13和EH调谐器12可允许精细调节发射的波长度。以这样的方式，微波发射器可调 整为有效地加热特定的能微波加热的组合物。还可提供分析测量设备(未示出)以监视所 加工的材料的温度和其它变量。虽然描述的是关于加热片材，但其它微波加热装置和工艺 也可用于本文所述的能微波加热的组合物和复合材料。所应用的微波发射器的功率等级可取决于所加热的聚合物试样的组成、尺寸或厚 度，以及期望的温度。功率等级还可根据如最大可允许聚合物温的变量，和根据加热阶段上 游或下游进行的操作的循环时间来选择。在某些实施方式中，可利用变化的功率源提供工 艺灵活性，如改变部件尺寸或组成(微波接收添加剂的量或类型)的能力。应用如上所述，本文披露的设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复合 材料可被加热以进行后续的加工，如混合、输送、塑造、压印、注射、成型、模制、挤出或以其 它方式进一步加工。在一些实施方式中，具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复 合材料可用于厚片材热成型工艺，例如，用于形成冰箱衬里。在其它实施方式中，本文所披 露的设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复合材料可用于加工，例如，气 流铺置的粘合剂纤维(air laid binder fiber)。在其它实施方式中，本文所披露的设计成 具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复合材料可用于吹塑工艺，例如，用于形成 吹塑的瓶子。在其它实施方式中，本文所披露的设计成具有选定的加热速率的能微波加热 的组合物和复合材料可用于泡沫体、挤出泡沫体、和含有泡沫或泡沫层的其它结构。在其它实施方式中，本文所披露的设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组 合物和复合材料可用于其中所加工的聚合物没有完全熔融的应用。例如，设计成具有选定 的加热速率的能微波加热的组合物和复合材料可选择性地加热，仅加热通过所述装置的聚 合物的有选择的部分，从而将热能仅聚集到通过例如成型、模制或压印工艺进行进一步加工的那部分。这可增强在加工期间所处理的材料的结构完整性，可减少循环时间，并可减少 将材料加工成期望的形状所需的能量。在其它实施方式中，本文所披露的设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组 合物和复合材料可用于压花片材。在常规的红外线热成型中，热输入必须通过片材的表面， 并经常降低压花结构或表面的细节的保留。如上所述，除了减少的加热循环，由于减少的赋 予片材的能量足迹(footprint)，设计成具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复 合材料可允许加工期间增加的压花结构保留。如上所述，复合材料可形成为包括与非能微波加热的层交错的能微波加热的层。 这样的复合材料可提供最佳的温度分布；加工复合材料期间使用脉冲微波能量；选择性 地放置微波发射器，为部件的特定区域提供加热；和可提供通过一个或多个能微波加热的 层的微波灵敏度进行的优先或选择性加热的其它情况。作为片材挤出的一个实例，微波敏感层可结合到多层片材中。例如，图2展示了结 合有微波敏感层的多层片材的一种实施方式。微波敏感层B可形成片材芯，其由对微波加 热不敏感的外层A围绕。结合微波敏感芯层可便于例如在片材热成型期间对片材的后续加 工。在一些实施方式中，通过使用微波选择性聚合物，实现厚片材热成型、选择性拉伸、和快 速均勻地加热片材，可便于片材热成型。本文中所披露的层叠片材可包括2个或更多层，其中一个或多个层可包括设计成 具有选定的加热速率的能微波加热的组合物和复合材料或由设计成具有选定的加热速率 的能微波加热的组合物和复合材料形成。例如，层叠片材可包括3、4、5、6...最高达1000 层或更多。在一些实施方式中，单独层可具有0. 1微米 25mm的平均厚度，片材的总厚度 可为100微米 25mm。在一些实施方式中，片材可包括微层叠片材，其具有多个微米级厚 (micron-thick)的层。虽然图2所示的为三层片材，但在其它实施方式中，设计成具有选定的加热速率 的能微波加热的组合物和复合材料可形成在聚合物结构以内的一个或多个区域。例如，能 微波加热的组合物可在具有2个或更多层的片材中形成离散层。在其它实施方式中，能微 波加热的组合物可形成较大结构的特定区域，允许对这些区域进行选择性加热以进一步加 工。在另外的实施方式中，能微波加热的组合物可形成并列型纤维结构的一边。在另外的 实施方式中，能微波加热的组合物可形成芯/壳纤维结构的芯或壳。在泡沫挤出工艺中，例如，结合能微波加热的组合物可允许选择性加热泡沫芯和 实心非接收性皮，实现较短的加热循环，同时防止泡沫结构坍塌。在其它实施方式中，在各 能微波加热的组合物层中结合不同浓度的微波接收添加剂可允许差别加热所述各层，并由 此优化任何后续的制造步骤，如热成型。在其它实施方式中，结合能微波加热的组合物层可 允许选择性发泡成型后的片材。在其它实施方式如注塑或注射拉伸吹塑中，结合能微波加热的组合物层可允许较 短的循环，这是由于聚合物的内部冷却，其中部件的非接收性部分起到吸热器的作用，因此 提供减少的冷却时间。通过以下方式也可便于注塑使用脉冲微波能量，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来的部件冷却期间起到吸热器的作用。 注射拉伸吹塑也可从由微波选择性加热得到的优化的热梯度得到益处，这允许最终产品的 改进的机械性质。
在一些实施方式中，含有能微波加热的和非能微波加热的层的层叠热塑性片材可 在热成型前被选择性地加热。在其它实施方式中，热塑性材料的层叠或共挤出粒料可在例 如注塑工艺的后续加工前被选择性地加热。这由于“内部吸热器”而可得到加速的冷却，并 因此减少了循环时间，类似于上述层叠片材中的情况。在其它实施方式中，可使用脉冲微波能量以在后续加工前产生与非熔融聚合物层 交错的熔融聚合物的“薄片(slice)”或离散区域。这也可得到加速的冷却，并因此减少了 循环时间，类似于上述层叠片材中的情况。在其它实施方式中，选择性放置一个或多个微波发射器可允许在后续加工之前选 择性加热片材或其它热塑性部件的特定区域。这可特别有利于其中片材必须在特定区域被 深度拉伸的热成型工艺。在其它实施方式中，工艺可采用选择性加热和固化吸收性的芯，从而在含有双组 分粘合剂纤维的卫生产品中使用，所述双组分粘合剂纤维含有微波敏感组分(尤其是聚丙 烯纤维或含有能微波加热的组分如马来酸酐接枝或其它极性物质的纤维)和纤维素纤维。 例如，在纤维成型工艺中，平坦的材料可通过微波加热器，该微波加热器具有足以部分熔融 聚合物纤维并通过它们自身的水分加热纤维素纤维的能量。接下来，纤维可固化成在聚合 物纤维和纤维素的完整网络内的吸收性的芯。或者，该结构可为工业用纺织品(technical textile)，其中微波敏感纤维可用于将纺织结构和无纺结构作为包线结合在一起。在其它实施方式中，能微波加热的组合物可用于包含实心皮和泡沫芯的三层(或 更多层)层叠泡沫结构(例如，片材)的皮和/或芯中。微波接收添加剂的浓度可在各层 中变化，并且选择微波功率以实现对各层的快速加热和在整个结构上的期望的温度分布， 然后立即进行后续加工。这可消除对非常缓慢的加热的需要，在红外线加热工艺需要非常 缓慢的加热以实现期望的热成型温度分布而不会过早的泡沫坍塌。如上所述，本文所述的实施方式可用于设计成具有选定的加热速率的聚合物组合 物和复合材料。这样的组合物和复合材料可提供以立体方式快速加热热塑性材料。本文所披露的实施方式可用于对热塑性聚合物材料进行选择性微波加热。对于聚 合物加工来说，这种技术为设计师和工艺师提供了许多优点，包括选择性的快速加热；减少 的加热/冷却循环时间(高速)；高能量效率和其它环境益处，如减少的排放(因为其为干 燥和无烟的工艺)和提高的再循环可能性(通过实现更广泛地使用自增强的单一材料组 分)；在自增强的部件中保持性质(减少了逆转的风险)；提高的生产率；改进的部件质量 和强度；和因在热工艺中减少的停留时间而最小化热降解，由此在聚合物配方中可减少热 稳定添加剂。有利的是，本文所披露的实施方式可提供减少的加热时间，降低了总体制造循环 时间，因此减少了单个部件的成本。由于利用选择性加热，将“吸热器”引入到所加工的材料 中，本文所披露的实施方式还可提供减少的冷却时间。此外，以立体方式加热消除了对“表 面”或“接触”加热的需要，因此消除了高聚合物表面温度的潜在破坏效应。以立体方式加 热还消除了整个片材厚度上不期望的温度梯度。本文所披露的实施方式还可通过减少的循环时间和减少的系统能量要求而有利 地提供改进的生产率。本文所披露的实施方式还可提供经调整的热分布，从而为所有热塑 性材料提供最佳的热成型条件，尤其是，实现了原本具有窄的加工窗口的热塑性聚烯烃厚片材的热成型。除了与常规辐射加热相比由微波加热提供的优点，根据本文所披露的实施方式的 具有选定的加热速率的组合物和复合材料可允许例如在各种工艺如热成型和注塑中可行 地使用能微波加热的材料。复合材料和组合物可设计成具有选定的加热速率，并符合物理 性质要求、循环时间要求、和得到经济上和工业上可行工艺会要求的其它需要。虽然本文包括有限数量的实施方式，但本领域技术人员在本文的教导下会领会， 还可作出其它实施方式而不出离本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求 限定。
权利要求
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，该方法包括选择微波接收添加剂、微波接收添加剂的粒度、和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；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。
2.权利要求1的方法，其中所选择的加热速率在5°C/秒 150°C /秒的范围。
3.权利要求1的方法，其中选择所选择的加热速率从而得到最小循环时间、期望循环 时间、经济上可行的循环时间、最大循环时间、和循环时间范围中的至少之一。
4.权利要求1的方法，其中所选择的所述微波接收添加剂的粒度在10纳米 60微米 的范围。
5.权利要求1的方法，其中，基于所述能微波加热的热塑性组合物的总体积，所选择的 所述微波接收添加剂的浓度在0 25体积％的范围。
6.制造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 方法包括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；选择微波接收添加剂、微波接收添加剂的粒度、和微波接收添加剂的浓度中的至少一种；确定所述能微波加热的热塑性组合物的加热速率；和改变微波接收添加剂、所述微波接收添加剂的粒度、和所述微波接收添加剂的浓度中 的至少一种；和重复所述选择、所述确定加热速率、和所述改变直到符合选定的加热速率收敛条件。
7.权利要求6的方法，进一步包括限制所述微波接收添加剂、所述微波接收添加剂的 粒度、和所述微波接收添加剂的浓度中的至少之一。
8.权利要求6的方法，进一步包括确定微波接收添加剂在暴露于微波能量场时的热响应。
9.权利要求8的方法，进一步包括基于所选择的粒度和所选择的浓度确定晶格常数。
10.权利要求9的方法，其中所确定的加热速率与所确定的晶格常数、所确定的热响 应、和所述热塑性聚合物组分的热扩散率相关。
11.权利要求6的方法，进一步包括基于所述电场强度、所述微波功率、和微波频率中的至少之一确定微波接收添加剂的 最大温度；其中所选择的微波接收添加剂的最大温度小于或等于所述热塑性聚合物组分的最大容许温度。
12.权利要求6的方法，进一步包括确定能微波加热的组合物的性能包络圈，其中所选 择的加热速率收敛条件与所确定的性能包络圈相关。
13.权利要求6的方法，进一步包括以图示方式显示确定微波接收添加剂、微波接收添 加剂的粒度、微波接收添加剂的浓度的结果。
14.权利要求6的方法，进一步包括基于所述选择至少两种、选择至少一种、确定、改变、和重复的结果来制造能微波加热 的热塑性组合物。
15.制造能微波加热的多层热塑性复合材料的方法，该热塑性复合材料设计成具有选 定的加热速率，该方法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；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 以形成具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性组合物；将所述具有选定的加热速率的能微波加热的热塑性组合物作为多层复合材料中的层 来布置。
16.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，包含热塑性聚合物组分；和具有选定粒度和选定浓度的微波接收添加剂。
17.权利要求16的组合物，其中所述选定的粒度和选定的浓度使得该能微波加热的组 合物的加热速率处于该能微波加热的热塑性聚合物组分的性能包络圈内。
18.能微波加热的多层复合材料，包含至少一个层，该层包含热塑性聚合物组分；和具有选定粒度和选定浓度的微波接收添加剂；其中所述能微波加热的多层复合材料具有选定的总体加热速率。
19.能微波加热的热塑性组合物，包含热塑性聚合物；和微波接收添加剂；其中所述能微波加热的组合物的加热速率在预定的性能包络圈以内。
20.权利要求19的组合物，其中所述预定的性能包络圈由以下中的一种或多种限定 微波接收添加剂的粒度上限；微波接收添加剂的粒度下限；微波接收添加剂在暴露于选定 的电场强度时的最大颗粒温度；最小加热速率；和最大加热速率。
21.权利要求20的组合物，其中微波接收添加剂的粒度上限在约1微米 约60微米的 范围。
22.权利要求20的组合物，其中最小加热速率至少为10°C/分钟。
23.权利要求20的组合物，其中最大加热速率小于150°C/秒。
24.权利要求20的组合物，其中所述微波接收添加剂的最大颗粒温度与所述热塑性聚 合物的降解温度相关。
25.权利要求19的组合物，其中所述预定的性能包络圈基于以下中的至少之一热成 型工艺的经济性、工艺循环时间、和对所述热塑性聚合物的物理性质要求。
全文摘要
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。
文档编号B29C65/14GK101932428SQ200880125831
公开日2010年12月29日 申请日期2008年11月17日 优先权日2007年11月29日
发明者小罗伯特·P·黑利, 迈克尔·S·帕克特, 迈克尔·库克 申请人:陶氏环球技术公司