可模塑的胶囊和制造方法
【专利说明】可模塑的胶囊和制造方法发明领域
[0001]本发明涉及导电聚合物，具体来说，涉及用于模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料，其包含模塑时基本上在基础树脂之内匀化的微米导电粉末、微米导电纤维、或其组合。更具体地说，本发明涉及可模塑的胶囊和用于形成这种可模塑的胶囊的方法，其中该可模塑的胶囊可用于模塑导电制品。
【背景技术】
[0002]基于树脂的聚合物材料用于制造多种制品。这些聚合物材料组合许多杰出的特征，例如优异的强度和重量比、腐蚀电阻、电学隔离等，易于使用各种熟知的模塑方法来制造。许多基于树脂的聚合物材料已引入市场来提供有用的特征的组合。
[0003]尽管具有许多杰出的特征，不幸的是，基于树脂的聚合物材料通常是热能和电能的不良导体。在需要绝缘体的应用中，低热导率可为优势。然而，在其它情况下，基于树脂的材料已知为绝缘体，不良地传导热能或电能，且不能使用。当需要高热导率或电导率时，通常使用导电金属，例如铜或铝或其它金属。固体金属导体的不足之一是这些材料的密度。例如在电学和热学应用例如用于航空、卫星、车辆或甚至用于手持装置中，因固体金属导体造成的重量是显著的。因此，需要用密度更小的材料来取代固体金属导体。因为基于树脂的材料是通常密度比金属小得多，并可具有金属的强度，理论上这些材料是金属的良好替代品。然而，必须解决低传导率的问题。
[0004]本领域已尝试形成导热和导电的基于树脂的材料。这种材料存在两大类，固有地导电和非固有地导电。固有地导电基于树脂的材料也可称作共轭树脂，其包含在聚合物之内连接的络合的碳分子，这增加材料的传导率。不幸的是，固有地导电基于树脂的材料通常难以制造，非常昂贵，且受限于传导率。非固有地导电基于树脂的材料也称作掺杂材料，其通过在基础树脂材料之内混合导电填料或掺杂剂例如导电纤维、粉末、或其组合来形成，导致以模塑的形式增加传导率。本领域已证明金属和非金属填料在复合材料中提供显著增加的传导率，同时保持有竞争力的成本。
[0005]本发明的主要目标是提供可模塑的胶囊，其在模塑时的混合循环中有效地延时释放(time releases)导电填料，和在所得基础树脂聚合物基质之内基本上勾化导电掺杂剂。
【发明内容】
[0006]本发明的一些实施方式包含形成可模塑的胶囊的方法，所述方法包含提供导电纤维的束，加热该束，将基于树脂的材料沉积到该束上以形成复合材料股，和将该复合材料股分段成可模塑的胶囊。
[0007]在一些实施方式中，加热包含将该束加热到接近所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。在其它实施方式中，加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。在其它实施方式中，加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的玻璃化转变温度的温度。
[0008]在一些实施方式中，加热包含引导(routing)该束通过加热器。在其它实施方式中，该加热器选自下组:对流加热器、辐射加热器、传导电加热器、和它们的任意组合。在这些实施方式的一些中，沉积包含将该束牵拉通过直角模头。
[0009]在一些实施方式中，所述基于树脂的材料包含基本上均匀的微米导电材料的混合物。在其它实施方式中，本发明的所述导电纤维是微米导电纤维。在其它实施方式中，该微米导电纤维占该可模塑的胶囊中每一个的总重量的约5%_约50%。又在其它实施方式中，该微米导电纤维包含选自下组的材料:金属或金属合金、具有外部导电镀层的非导电内部芯材料、铁磁材料、和它们的任意组合。在其它实施方式中，该微米纤维的直径是约3-12微米和长度是约2_14mm。
[0010]本发明的一些实施方式包含形成可模塑的胶囊的方法，所述方法包含提供导电纤维的束，将基于树脂的材料沉积到该束上以形成复合材料股，在该复合材料股上实施润湿过程，和将该复合材料股分段成可模塑的胶囊。在一些实施方式中，实施润湿过程包含在该股的外侧上施加力。在一些实施方式中，施加力包含至少一个辊。
[0011]在一些实施方式中，在施加力之前冷却该股。在其它实施方式中，在施加力之前，将该股的外部部分冷却到低于熔点的温度。又在其它实施方式中，在施加力之前，将该股的外部部分冷却到接近玻璃化转变温度的温度。在其它实施方式中，在施加力之前，将该股的外部部分冷却到低于玻璃化转变温度的温度。且又在其它实施方式中，在该外部部分和该束之间的胶囊的中间部分处于下述温度，其中当施加力时该中间部分的树脂在力的作用下流动。
[0012]在一些实施方式中，沉积包含牵拉该束通过直角模头。在其它实施方式中，包含在沉积之前加热该束。其它实施方式包含其中在基本上相同的操作中，实施施加力和分段。
[0013]在一些实施方式中，所述导电纤维是微米导电纤维。在其它实施方式中，该微米导电纤维占该可模塑的胶囊中每一个的总重量的约5%-约50%。又在其它实施方式中，该微米导电纤维包含选自下组的材料:金属或金属合金、具有外部导电镀层的非导电内部芯材料、铁磁材料、和它们的任意组合。在其它实施方式中，该微米纤维的直径是约3-12微米和长度是约2-14mm。
[0014]本发明的一些实施方式包含胶囊，该胶囊通过于在该纤维束上沉积树脂以形成该股之后在该股上施加力的方法来制备。在一些实施方式中，该胶囊和内部纤维束包含非圆形轮廓。
[0015]本发明的一些实施方式包含可模塑的胶囊，其包含导电纤维的内部束，和树脂外层，其中该胶囊和内部纤维束包含非圆形轮廓。在一些实施方式中，该非圆形轮廓选自下组:基本上卵形、基本上矩形和它们的任意组合。又在其它实施方式中，该束的非圆形轮廓选自下组:基本上卵形、基本上矩形、基本上数字8和它们的任意组合。
[0016]附图简要说明
[0017]下面的附图形成本说明书的实质部分，其中显示:
[0018]图1显示本发明的第一实施方式，显示制造可模塑的胶囊的方法。
[0019]图2显示导电地掺杂的基于树脂的材料的第一实施方式，其中导电材料包含粉末。
[0020]图3显示导电地掺杂的基于树脂的材料的第二实施方式，其中导电材料包含微米导电纤维。
[0021]图4显示导电地掺杂的基于树脂的材料的第三实施方式，其中导电材料包含导电粉末和微米导电纤维。
[0022]图5a和5b显示第四实施方式，其中导电织物状材料由导电地掺杂的基于树脂的材料形成。
[0023]图6a和6b以简化地形式显示可用于模塑导电地掺杂的基于树脂的材料的制品的注射模塑设备和挤出成形设备。
[0024]图7显示本发明的第二实施方式，显示本发明的直角挤出模头。
[0025]图8显示本发明的第三实施方式，显示本发明的可模塑的胶囊。
[0026]图9显示本发明的第四实施方式，显示用于形成可模塑的胶囊的挤出机系统。
[0027]图10显示本发明的第五实施方式，显示用于形成可模塑的胶囊的挤出机系统，其中将短切纤维添加到基于树脂的挤出材料。
[0028]图11显示本发明的第六实施方式，显示用于形成可模塑的胶囊的挤出机系统，其中将纤维吹入到基于树脂的挤出材料。
[0029]具体描述
[0030]使用常规的取整数技术，将本发明的数值取整数到最接近的显著的数字。除非另有说明，否则本文所述的数值的范围包含上限和下限数值。例如“从I到10”的范围理解成包含“I”和最高达和包含数值“10”。
[0031]本发明涉及导电地掺杂的基于树脂的材料，其包含模塑时基本上在基础树脂之内匀化的微米导电粉末、微米导电纤维、或其组合。具体来说，本发明涉及可模塑的胶囊，其包含导电地掺杂材料和基于树脂的材料，其可用于制造由导电地掺杂的基于树脂的材料制成的制品。
[0032]本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料是使用导电材料掺杂的基础树脂，其随后将任意基础树脂转换成导体而不是绝缘体。树脂向模塑的零件提供结构完整性。在模塑过程中，微米导电纤维、微米导电粉末或其组合在基础树脂之内是基本上匀化的，提供电学、热学和声学连续性。
[0033]导电地掺杂的基于树脂的材料可进行模塑、挤出等来提供几乎任何所需的形状或尺寸。模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料还可进行切割、冲压或从注射模塑或挤出的片材或棒材真空形成、重叠注塑(over-molded)、层压、研磨等，以提供所需的形状和尺寸。使用导电地掺杂的基于树脂的材料制造的制品或零件的热学、电学、和声学连续性和/或传导率特征取决于导电地掺杂的基于树脂的材料的组成，可调节它们的掺杂参数和/或材料，来帮助实现随后的模塑材料所需的结构、电学或其它物理特征。将选定的用于制造制品的材料首先制成如本文所述的胶囊，然后使用模塑技术和/或方法例如注射模塑、重叠模塑、嵌件模塑、压缩模塑、热固化、凸出、挤出、砑光等来基本上匀化在一起。涉及2D、3D、4D和50设计的特征，模塑和电学特征，包含实际零件在模塑过程中能取得的物理和电学优势，以及与在模塑的零件或形成的材料之内的导电网络之内结合的分子聚合物物理。
[0034]在导电地掺杂的基于树脂的材料中，电子遵循电阻最小的路径，从一点移动到另一点。大多数基于树脂的材料是绝缘体，表示对电子传输的高电阻。基于树脂的材料之内的掺杂改变聚合物的固有电阻。在导电地掺杂的阈值浓度处，通过总质量的电阻低到足以允许电子移动。电子移动的速度取决于导电掺杂浓度和材料化学组成，即导电掺杂颗粒之间的分离。增加导电掺杂含量降低颗粒之间的分离距离，因此在称作渗流点的临界距离时，电阻显著下降，自由电子快速移动。
[0035]电阻率是材料性质，其取决于材料的微观结构的原子结合。当将如本文所述的胶囊模塑成结构体时，导电地掺杂的基于树脂的材料之内的原子微观结构材料性质发生改变。在所述分子的价带和导带之内形成离域价电子的基本上匀化的导电微观结构。这种微观结构在模塑的基质结构之内提供足够的电荷载流子。结果，实现低密度、低电阻率、轻量、耐久的基于树脂的聚合物微观结构材料。该材料可呈现能与高度导电金属例如银，铜或铝相比较的传导率，同时保持在许多塑料和橡胶或其它结构的基于树脂的材料中发现的优异的结构特征。
[0036]通过将这些材料形成为所需的形状和尺寸，在制造制品和零件时使用导电地掺杂的基于树脂的材料，可显著减少材料的成本和用于维持缓解紧公差的设计和制造过程。可使用常规的形成和模塑方法将制品制造成无限的形状和尺寸，例如注射模塑、重叠模塑、压缩模塑、热固化模塑、或挤出、砑光等。当进行模塑时，导电地掺杂的基于树脂的材料通常但不排他地产生小于约5到大于约25欧姆/平方的所需的可用范围的电阻率，但通过改变掺杂剂、掺杂参数和/或基础树脂选择可获得其它电阻率。
[0037]如本文所述的胶囊包含导电地掺杂的基于树脂的材料和导电材料例如微米导电粉末、微米导电纤维、或它们的任意组合。在模塑过程中，胶囊在基础