[發明專利]具有填料加強作用的結構增強塑料

有效

• 申請號: 200980120190.8
• 申請日: 2009-05-26
• 公開（公告）號: CN102046705A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 老威廉·L·約翰遜
• 申請（專利權）人: 伊科普羅有限責任公司
• 主分類號: C08J3/20
• 分類號: C08J3/20;C08K7/00;B29C47/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李進;劉健

一種用于促進添加劑在流體例如熱塑性材料的非線性粘滯區(viscosity?zone)中的動能混合(kinetic?mixing)的組合物。

發明背景

擠壓過程為生產工程結構材料的最經濟的制造方法之一。通常，擠壓過程用于制造具有均勻橫截面的長形擠出構件。構件的橫截面可具有各種簡單的形狀例如圓形、環形或者矩形。構件的橫截面也可以是非常復雜的，包括內支撐結構和/或具有不規則的周邊。

通常，擠壓過程采用被引入到進料斗中的熱塑性聚合物化合物。熱塑性聚合物化合物可以粉末、液體、立方體、碼垛堆積(palletized)和/或任何其它可擠出的形式存在。熱塑性聚合物可為新的未加工過的、重復利用的或者兩者的混合物。典型擠出機的實例示于圖1中。

塑料工業已經在制造期間使用填充劑來降低樹脂成本。典型的填充劑包括碳酸鈣、滑石、木纖維及各種其它類型的物質。除了提供成本節約以外，向塑料中加入填充劑減小熱膨脹系數，增加機械強度，并且在一些情況中降低密度。

碳酸鈣和滑石不具有結構強度或纖維取向以改善結構穩定性。滑石通過弱的范德華力結合在一起，這使得該材料在對其表面施加力時反復裂開。即使試驗結果表明滑石賦予聚丙烯多種益處，例如較高的剛性和改善的尺寸穩定性，但是滑石的作用就象具有潤滑性能的微米填充劑(micro-filler)。

碳酸鈣具有類似的性能，但是具有吸水問題，這由于環境退化而限制其應用。滑石因為其疏水性而避免了該問題。

木纖維由于纖維特性與塑料相互作用而增加一些尺寸穩定性，但是木纖維也受環境退化的困擾。所有這三種常用的填充劑都是經濟上可行的，但是結構上受到限制。

塑料工業在近幾十年來已經努力改進抗刮性和/或耐擦傷性以及美學外觀。在最近十年來已經作出許多改進以增加抗刮性和耐擦傷性，但是技術短缺仍然令塑料工業及其科學家感到困惑。一個挑戰是如何使塑料更硬并保持成本而不妨礙美學外觀。申請人意識到沒有提出增加抗刮性和耐擦傷性論點的經濟的結構增強填充劑，即使研究嘗試已經把焦點集中在農場廢棄纖維例如稻殼、甘蔗渣纖維、麥草及各種用作塑料內低成本的結構填充劑的其它填充劑。一種解釋涉及到增強物理性能的結構填充劑的技術空白，其焦點集中在成本而不是把焦點集中在塑料完整性上。

存在三種類型的常用的涉及向塑料中加入填充劑的混合原理：

1.靜態混合：通過或者力產生的流動(經機械方法的壓力)，或者重力引起的流動在固定物體周圍的液體流動。

2.動態混合：通過具有葉片和舷弧(sheer)兩種設計的典型葉輪的機械攪拌以及雙或單螺旋式攪拌的液體引起的混合。

3.動能混合：液體通過對表面的速度沖擊或者兩種或更多種液體相互碰撞的沖擊混合。

所有以上三種混合方法具有一件共同的事情，即妨礙混合最佳化而與被混合的流體無關和與正被混合的物料是否為極性、非極性、有機或是無機等無關，或者與其是否為含有可壓縮或不可壓縮填充劑的填充材料無關。

所有的不可壓縮的流體具有壁效應或邊界層效應，其中流體速度在器壁或機械界面被大大地減小。靜態混合系統采用該邊界層劈分(fold)或混合這種采用該阻力促進攪拌的流體。

動態混合，與攪拌葉片或渦輪的幾何形狀無關，最后由于邊界層而得到盲區和不完全的混合。動態混合采用被設計采用邊界層促進摩擦并通過離心力壓縮以實現攪動，同時在機械表面保持不完全混合的邊界層的高剪切和螺旋葉片。

動能混合在來流(incoming?streams)和在注射器尖端兩者上對速度分布具有邊界層效應的缺點。然而，除了輸送流體現象外，該系統經受最小的邊界層效應。

以下為邊界層的另一種解釋。氣動力以復雜的方式取決于流體速度。當流體運動通過物體時，正好鄰近表面的分子附著于表面。正好在表面上的分子在其與附著于表面的分子相撞中減低速度。這些分子依次又減慢正好在其上的流動。一個分子運動離表面越遠，碰撞受物體表面的影響越小。這在鄰近表面處產生一薄層流體，其中速度從表面為零變為遠離表面的自由流值。工程技術人員稱該層為邊界層，因為其存在于流體的邊界上。

當物體運動通過流體時，或者當流體運動通過物體時，鄰近物體的流體分子被擾動并在物體周圍運動。在流體與物體之間產生氣動力。這些力的大小取決于物體形狀、物體的速度、經過物體的流體質量以及取決于流體的兩個其它重要性質；粘滯度或粘著性以及流體的可壓縮性或彈性。為正確地模擬這些效應，航天工程師采用相似性參數，其為這些效應與問題中存在的其它力的比率。如果兩個試驗對于相似性參數具有相同的值，則這些力的相對重要性即被正確地模擬。