專(zhuān)利名稱(chēng)：用于采用導(dǎo)電性和磁性顆粒進(jìn)行感應(yīng)控制加熱的溫控聚合物組合物的制作方法
用于采用導(dǎo)電性和磁性顆粒進(jìn)行感應(yīng)控制加熱的溫控聚合
物組合物 本申請(qǐng)要求2007年6月26日提交的臨時(shí)申請(qǐng)60/937， 401的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容以引用方式并入本發(fā)明。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及聚合物感應(yīng)粘接。這種粘接被用于封裝、焊接、鑄造或固化聚合物材料。 目前，用于這種粘接的材料是由如下方法制備的將塑性聚合物與磁性顆粒復(fù)合，并通過(guò)被設(shè)定為Khz-Mhz的單頻電感頻率加熱。所述材料以粒料和固體型材材料的形式制成。在應(yīng)用焊接材料時(shí)，由于幾何形狀和進(jìn)入所應(yīng)用的特定裝置，因而存在局限性。粒料和型材的尺寸也限制了其應(yīng)用于裝置中。 已知有各種用于感應(yīng)粘接的材料。例如，美國(guó)專(zhuān)利No. 6， 048， 599公開(kāi)了用于電磁熔融粘接的片狀材料，其包括許多復(fù)合的電磁部分，所述電磁部分包括鄰近聚合物部分均勻分散的感受器顆粒。所述復(fù)合部分與每個(gè)相鄰的聚合物部分粘接，使得復(fù)合部分和聚合物部分形成交替部分的圖案排列。 美國(guó)專(zhuān)利No. 6， 056， 844公開(kāi)了通過(guò)將鐵磁體顆?；旌显诖訜岬木酆衔镏?，對(duì)聚合物材料進(jìn)行溫控感應(yīng)加熱。溫度控制是通過(guò)選擇具有特定居里溫度(Tc)的鐵磁體顆粒獲得的。所述鐵磁體顆粒在感應(yīng)場(chǎng)中，通過(guò)磁滯損耗加熱，直至它們達(dá)到它們的居里溫度(Tc)。在該點(diǎn)上，停止通過(guò)磁滯損耗產(chǎn)生熱。 美國(guó)專(zhuān)利No. 6， 939， 477公開(kāi)了聚合物材料的溫控感應(yīng)加熱，其中，將能產(chǎn)生磁場(chǎng)的感應(yīng)線圈置于所述材料的附近，并加熱待加熱的材料中的感受器如金屬網(wǎng)或粉末。為了改善感應(yīng)加熱工藝，對(duì)感受器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化從而能有效地熔融粘接或焊接熱塑性層，對(duì)將感受器顆?；烊牖蛑糜趶?fù)合材料基體中的方法進(jìn)行了優(yōu)化，并且對(duì)感應(yīng)設(shè)備的功率頻率(power infrequency)進(jìn)行了優(yōu)化。 美國(guó)專(zhuān)利No. 5， 643， 390公開(kāi)了用于高性能熱塑性組合物的粘接技術(shù)，其中選擇熱塑性材料和熱固性單體，使得所述熱固性單體具有與所述熱塑性材料類(lèi)似的溶度參數(shù)。所述熱塑性材料被直接粘接到所述熱固性單體的表面，從而得到共固化(co-cured)的層狀材料，所述粘接用熱固性粘結(jié)劑粘接或者是通過(guò)熔融而進(jìn)行。 美國(guó)專(zhuān)利No. 6， 137， 093公開(kāi)了高效加熱試劑，其是由用于交變磁場(chǎng)的鐵磁體纖維組成的。 這些現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)加熱技術(shù)，以及其他公知的技術(shù)，能提供非?？斓募訜岷驼辰铀俾?，但是對(duì)于粘接線溫度(bond-linetemperature)的控制很差。
發(fā)明簡(jiǎn)述 本發(fā)明的一個(gè)目的是改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)，并提供一種能在作為粘接材料使用的過(guò)程
中，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(p麗)進(jìn)行控制的組合物。
本發(fā)明提供了一種新的聚合物感應(yīng)粘接技術(shù)。感應(yīng)加熱技術(shù)被用于封裝、焊接、鑄造、粘接或固化聚合物材料，所述感應(yīng)加熱技術(shù)采用了從電能感應(yīng)源所獲得的固定的持續(xù)時(shí)間(ON/OFF)。本發(fā)明提供了通過(guò)電感能量的可變時(shí)間，對(duì)聚合物基體材料進(jìn)行溫控感應(yīng)加熱，所述電感能量的可變時(shí)間是采用脈沖寬度調(diào)制(P麗)的可變時(shí)間周期實(shí)現(xiàn)的。
采用可變感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)聚合物基體加熱進(jìn)行的控制，來(lái)自由所述聚合物基體中的導(dǎo)電性或磁性材料所產(chǎn)生的熱量。這些感應(yīng)材料是混合在聚合物相容性基體中的，其可具有從液體到固體的稠度(consistency)，并能對(duì)所述感應(yīng)能量脈沖寬度調(diào)制做出反應(yīng)。這些頻率依賴(lài)性顆粒在該感應(yīng)場(chǎng)中，會(huì)加熱至特定的溫度或沿特定溫度曲線加熱，這取決于所傳遞的感應(yīng)能量。 通過(guò)磁滯損耗產(chǎn)生的感應(yīng)熱停止，所述磁滯損耗來(lái)自鐵磁性材料或者非磁性或?qū)щ娦圆牧系臏u流(趨膚效應(yīng))。本發(fā)明可借助感應(yīng)性聚合物基體以及電感能量的時(shí)間周期脈沖，用于粘接熱塑性材料或者熱固性組合物，和固化熱固性膠粘劑，以及采用復(fù)合樹(shù)脂或者聚合物進(jìn)行封裝。 本發(fā)明能采用新的、與所應(yīng)用的特定裝置相適應(yīng)的液體、凝膠、粉末或者固體類(lèi)型的材料。 所述新材料的新穎之處在于，其以納米尺寸結(jié)構(gòu)至微米尺寸的感應(yīng)材料為起始，所述感應(yīng)材料涂覆有特定的聚合物并復(fù)合到聚合物基體粒料中。所述復(fù)合的粒料以多種方式使用，如下文所述。 液體和凝膠——復(fù)合的聚合物基體粒料被加工成尺寸為大于或等于1微米的粉
末。液體和凝膠基于電磁粘接粉末和粘性表面張力促進(jìn)劑的組合物，以形成柔韌的聚合物
基體，所述基體可用于封裝、固化、粘接和焊接，這取決于所述液體和凝膠的分散方法。 粉末——復(fù)合的聚合物基體粒料被加工成尺寸為大于或等于1微米的粉末。所述
粉末采用粉末分散器、熱分散或者噴霧施加。 粒料——作為用于特定加工工藝的聚合物基體粒料。 型材——聚合物基體粒料被復(fù)合成固體形態(tài)。 聚合物結(jié)構(gòu)——聚合物基體粒料可采用聚合物加工設(shè)備或者技術(shù)，與其他聚合物和用于特定加熱的感應(yīng)性材料(例如，薄膜或片材) 一起，進(jìn)行加工。 這種電磁精確加熱的新穎之處在于可變感應(yīng)時(shí)間，其采用處于固定的Khz-Mhz的單頻電感能量頻率，所述頻率通過(guò)可變時(shí)間周期進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，這就產(chǎn)生了精確的電磁加熱方法。通過(guò)由導(dǎo)電性或磁性顆粒隨著時(shí)間的推移而吸收的總能量，對(duì)電能轉(zhuǎn)化為感應(yīng)熱進(jìn)行控制。 電磁場(chǎng)與聚合物基體中的感受器顆粒的相互作用，產(chǎn)生了可控制的靶向加熱。
本發(fā)明的方法能在塑性焊接材料的一個(gè)或多個(gè)立體層內(nèi)產(chǎn)生均勻的熱量。這降低了副作用，如熱降解和熱引發(fā)的殘余應(yīng)力，同時(shí)相對(duì)于緊湊的剪切接口設(shè)計(jì)、速度和能量效率而言，又提供了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。 由本發(fā)明下文的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)變得顯而易見(jiàn)。附圖
簡(jiǎn)介 圖l是示意圖，其顯示了用于實(shí)施粘接的系統(tǒng)的設(shè)備，所述粘接采用本發(fā)明的聚合物組合物； 圖2是圖表，其顯示了采用本發(fā)明的組合物的加熱速率的例子；以及
圖3是圖表，其顯示了加熱效率。
發(fā)明詳述 下文將描述用于感應(yīng)控制加熱的、本發(fā)明的溫控聚合物組合物的應(yīng)用，所述感應(yīng)控制加熱采用導(dǎo)電性和磁性顆粒。 高頻匹配阻抗調(diào)諧器1和發(fā)生器2，所述發(fā)生器2接受由控制信號(hào)產(chǎn)生的所期望的感應(yīng)熱響應(yīng)指令，所述控制信號(hào)由用于獲得所期望的感應(yīng)能量響應(yīng)的微控制器3產(chǎn)生。每個(gè)控制信號(hào)具有所期望的時(shí)間頻率和所期望的占空比。高頻功率回路接受控制信號(hào)4，并產(chǎn)生作為響應(yīng)的固定的或可變的頻率脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。每個(gè)頻率脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)具有對(duì)應(yīng)于所期望的磁熱效應(yīng)的至少兩個(gè)固定頻率中的一個(gè)，并且具有對(duì)應(yīng)于所期望的占空比的多個(gè)活動(dòng)占空比(activeduty cycle)中的一個(gè)，從而獲得一定水平的感應(yīng)功率以控制導(dǎo)電性和磁性顆粒的加熱。所述占空比可為0-100%。 磁場(chǎng)工作線圈5從所述高頻功率發(fā)生器線圈接受固定的或者可變的頻率脈沖寬
度調(diào)制的信號(hào)，以控制工作線圈5的磁通密度。 所述高頻功率發(fā)生器線圈在80KHz-30MHz下工作。 本發(fā)明的用于控制感應(yīng)加熱溫度的聚合物組合物包括至少一種聚合物基體材
料，以及磁性或?qū)щ娦灶w粒，其中所述顆粒的尺寸為大于或等于約10納米。 在所述聚合物組合物的一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述導(dǎo)電性和磁性顆粒均勻地分散
在所述聚合物基體材料中。 在所述聚合物組合物的另一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述聚合物基體材料具有大于或等于約1微米的尺寸，以制備固體型材。 所述聚合物組合物可具有約lwt% _約75wt^或更高的導(dǎo)電性和磁性顆粒，這取決于基體聚合物反應(yīng)。 在所述聚合物組合物的又一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述聚合物基體材料包括熱塑性材料。 所述熱塑性材料可為聚(醚醚酮)、聚醚酮酮、聚(醚酰亞胺)、聚苯硫醚、聚砜、聚
對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚氨酯、聚苯醚、聚碳酸酯、聚丙烯/聚酰胺、
聚丙烯/乙烯乙烯醇、聚乙烯、聚烯烴低聚物、液體改性的聚烯烴或它們的組合。 在所述聚合物組合物的又一個(gè)具體實(shí)施方案中，所述導(dǎo)電性和磁性顆粒的居里溫
度(Tc)大于所述聚合物基體材料的熔點(diǎn)。 所述聚合物組合物還可包括粘性聚合物基體材料，所述基體材料可包括溶劑或醇溶液，水分散體、微米尺寸的聚合物基體顆粒和氧化的涂料。 對(duì)于所述熱固性組合物而言，還能具有粘性熱固性基體材料，所述基體材料包括熱固性膠粘劑或者封裝和微米尺寸的聚合物基體顆粒。 此外，所述微米尺寸的聚合物基體顆粒的居里溫度(Tc)為大于所述熱固性組合物材料的固化溫度。 本質(zhì)上，通過(guò)改變脈沖寬度調(diào)制(P麗)，對(duì)聚合物基體組合物中的導(dǎo)電性顆粒進(jìn)行
6控制，由此可對(duì)所述組合物和磁性顆粒的加熱進(jìn)行精確控制。 圖2示意了在脈沖寬度調(diào)制(P麗)過(guò)程中的加熱速率。由該圖表可以看出，當(dāng)脈沖寬度調(diào)制(P麗)的百分比從0_30%增加時(shí)，所述聚合物基體的溫度稍有上升。當(dāng)脈沖寬度調(diào)制的百分比增大至80%時(shí)，所述聚合物基體/組合物的溫度均勻上升。然后，當(dāng)脈沖寬度調(diào)制的百分比增大至100%時(shí)，所述基體/組合物的溫度有更顯著的增大。當(dāng)脈沖寬度調(diào)制的百分比再一次下降時(shí)，可以看到在相反方向也出現(xiàn)類(lèi)似的趨勢(shì)。 圖3給出了一個(gè)實(shí)施例，其中所期望的加熱效果通過(guò)采用脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行控制。如圖所示，起初脈沖寬度調(diào)制的百分比逐漸上升，伴隨著溫度的逐漸上升。隨后，當(dāng)脈沖寬度調(diào)制升至50%時(shí)，所述溫度有一個(gè)更明顯的上升，在該例子中，約為250° 。通過(guò)將脈沖寬度調(diào)制保持在50%而保持所述溫度。 一旦完成粘接和焊接，就不再需要加熱了 ，再次降低脈沖寬度調(diào)制的百分比，其伴隨著溫度的下降。 上述實(shí)施例僅僅代表了用于加熱聚合物基體以進(jìn)行粘接的控制的類(lèi)型。當(dāng)然，脈沖寬度調(diào)制的百分比和溫度會(huì)隨著不同的應(yīng)用而變化，這取決于聚合物基體組合物中所用的材料，以及待粘接的或熔接的組分。 盡管本發(fā)明已經(jīng)對(duì)與特定的具體實(shí)施方案相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了描述，許多其他變化和改變以及其他應(yīng)用，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。因此，優(yōu)選地，本發(fā)明不受這些所公開(kāi)的具體內(nèi)容的限制，而是僅僅由所附的權(quán)利要求書(shū)所限制。
權(quán)利要求
聚合物組合物，包括聚合物基體材料和磁性顆粒，由此所述組合物可通過(guò)電感能量頻率選擇性電磁加熱，所述頻率通過(guò)可變時(shí)間周期進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。
2. 如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，進(jìn)一步包括導(dǎo)電性顆粒。
3. 如權(quán)利要求2所述的聚合物組合物，其中，所述顆粒的尺寸為大于或等于約10納米。
4. 如權(quán)利要求2所述的聚合物組合物，其中，所述導(dǎo)電性和磁性顆粒均勻地分散在聚 合物基體材料中。
5. 如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中，所述聚合物基體材料包括尺寸大于或等 于約1微米的聚合物基體顆粒。
6. 如權(quán)利要求2所述的聚合物組合物，其中，所述導(dǎo)電性和磁性顆粒以約lwt% -約 75wt^的量存在。
7. 如權(quán)利要求1所述的聚合物組合物，其中，所述聚合物基體材料是熱塑性材料。
8. 如權(quán)利要求7所述的聚合物組合物，其中，所述熱塑性材料選自如下物質(zhì)的組聚 (醚醚酮)、聚醚酮酮、聚(醚酰亞胺)、聚苯硫醚、聚砜、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰 胺、聚丙烯、聚氨酯、聚苯醚、聚碳酸酯、聚丙烯/聚酰胺、聚丙烯/乙烯乙烯醇、聚乙烯、聚烯 烴低聚物、液體改性的聚烯烴或它們的組合。
9. 如權(quán)利要求2所述的聚合物組合物，其中，所述導(dǎo)電性和磁性顆粒具有大于所述聚 合物基體材料的熔點(diǎn)的居里溫度(Tc)。
10. 如權(quán)利要求5所述的聚合物組合物，其中，所述聚合物基體材料是粘性的，并且包 括溶劑、醇或水分散體、微米尺寸的聚合物基體顆粒和氧化的涂料。
11. 熱固性組合物，包括粘性熱固性基體材料，包括熱固性粘結(jié)劑或者封裝和微米尺寸的聚合物基體顆粒；以及磁性顆粒，由此所述組合物可通過(guò)電感能量頻率電磁加熱，所述頻率通過(guò)可變時(shí)間周 期進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制。
12. 如權(quán)利要求11所述的熱固性組合物，其中，所述微米尺寸的聚合物基體顆粒具有 大于所述熱固性基體材料的固化溫度的居里溫度(Tc)。
13. 溫控粘接方法，包括如下步驟將磁性顆粒分散在聚合物基體材料中，形成聚合物組合物； 采用電感能量頻率對(duì)所述組合物進(jìn)行電磁加熱；以及 通過(guò)可變時(shí)間周期對(duì)所述頻率進(jìn)行脈沖調(diào)制。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，包括將導(dǎo)電性顆粒分散在聚合物基體材料中。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述頻率處于80KHz-30MHz的范圍之內(nèi)。
16. 如權(quán)利要求14所述的方法，包括將所述導(dǎo)電性和磁性顆粒均勻分散在所述聚合物 基體材料中。
17. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，每個(gè)頻率脈沖寬度調(diào)制的信號(hào)都具有對(duì)應(yīng)于所 期望的磁熱效應(yīng)的至少兩個(gè)固定頻率中的一個(gè)。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，每個(gè)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)都通過(guò)對(duì)應(yīng)于所期望的 占空比的多個(gè)活動(dòng)占空比中的一個(gè)進(jìn)行調(diào)制，從而獲得一定水平的感應(yīng)功率以控制導(dǎo)電性和磁性顆粒的加熱，所述占空比為0-100%。
19. 用于含有聚合物基體材料以及導(dǎo)電性和磁性顆粒的聚合物組合物的感應(yīng)控制加熱的系統(tǒng)，包括高頻功率發(fā)生器；連接到所述功率發(fā)生器上的高頻匹配阻抗調(diào)諧器；連接到所述功率發(fā)生器上、用于調(diào)制所述發(fā)生器的輸出功率的脈沖寬度調(diào)制器；用于產(chǎn)生控制信號(hào)的控制單元，所述控制信號(hào)具有所期望的時(shí)間頻率和所期望的占空比，所述控制信號(hào)被送至所述脈沖寬度調(diào)制器和功率發(fā)生器中，從而產(chǎn)生固定的或可變的頻率脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，所述信號(hào)的每一個(gè)都具有對(duì)應(yīng)于所期望的磁熱效應(yīng)的至少兩個(gè)固 定的頻率中的一個(gè)；以及連接到所述調(diào)諧器上的磁場(chǎng)工作線圈，以接受所述固定或可變的頻率脈沖寬度調(diào)制的 信號(hào)并且控制所述工作線圈的磁通密度，由此所述工作線圈加熱聚合物組合物，所述組合 物采用了導(dǎo)電性和磁性顆粒。
20. 如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述功率發(fā)生器、調(diào)諧器和脈沖寬度調(diào)制器形成 在80KHz-30MHz的范圍內(nèi)工作的高頻功率發(fā)生器回路。
全文摘要
一種聚合物組合物，其具有聚合物基體材料和磁性顆粒。所述組合物可通過(guò)電感能量頻率進(jìn)行選擇性電磁加熱，所述頻率通過(guò)可變時(shí)間周期進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，以提供可控制的加熱。
文檔編號(hào)C08K3/00GK101765626SQ200880021956
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者布賴(lài)恩·阿戈斯托, 德魯·P·拉馬爾卡 申請(qǐng)人:德魯·P·拉馬爾卡;布賴(lài)恩·阿戈斯托