材料组合物及其制造方法

专利名称：：材料组合物及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及材料组合物，一方面包含微粒或粒状材料，且另一方面，包含作为颗粒(particle)或细粒(grain)上的涂层提供的粘结剂，所、"本发明还涉及制造材料组合物^方法，、^括以下步骤将一定量的颗粒或细粒置于混合器中；至少一种包含在含有低粘度的羟基封端的聚合物的粘结剂中的第一成分被加至混合器；且含硼交联剂形式的第二成分供应至混合器。
背景技术：
：多种模型粘土或类似的可捏和材料是本领域先前所公知的，其不仅被用于艺术目的而且用于儿童游戏。众所周知的是这些材料中的多数需要一定的加工和温和加热，以获得理想的可塑性和成形性。为了能够使用可模塑的或可成形的基质从而在模具中形成塑像，使基质从制作模具的材料容易地释放或滑动是必要的。基质或组合物对其周围的粘结能力因此必须被限制，这也意味着，基质同时可觉察到粘性降低且易于操作的效果。当粘土或组合物由小孩操作时，特别是在反复使用的情况下，相关的另一问题是细菌和其它污染物可能在所操作的组合物中生长，这至少当组合物在大批孩子中，如在儿童护理服务中操作时是不适合的。同时，由于液体，例如以汗水或唾液的形式净皮组合物所吸收，才莫塑粘土或组合物的稠度(consistency)降低。本领域公知的材料的一个实例是所谓的特技面团(trickdough)，其主要由面粉、水和盐组成。以商标Play-Doh⑧销售的另一类似的材料包括另外的添加剂。这些材料在使用过程中当水蒸发时变干。另外，所述材料不能从塑料或类似材料的深的模具中滑动或释放出来。为了获得容易成形的感兴趣的结构，引起相对大比例的颗粒被包含在材料中是可能的，所述材料于是将具有粒状结构，例如，可以被连至湿沙子。此外，可捏和材料的总体积同时增加，至少通过所包含3的颗粒的体积而增加。满足上面所概述的标准的现有技术的材料的一实例是申请人自己的系列号为SE0500663-0的申请，作为所包含的颗粒的结果，所述标准至少关于加工性、适当的低粘性和所期望的粒状结构。然而，另外，该材料具有特别的性质，即其可被在烘箱中烘烤以产生硬的并且抗水的塑像。如果再次需要软的材料，硬的塑像被加热，然后该组合物在冷却过程中必须被捏和从而在室温下变软。该后来的工作占用了不可小视量的时间和精力，在某些情况下这可能是一个缺点，例如在小孩护理服务中偶尔会有人员短缺。材料的粘结剂对包括在模具和设备中的普通塑料所表现出的某种程度的粘附，同样可能被认为是缺点。另一现有技术的材料在USPS5,607,993中进行了描述，其批露了所谓的"弹跳粘土"(bounceclay)。在运作中，该材料缺乏明显的微粒结构，其也并非立即用于塑像的模制，而是更适合用于其弹跳特性被看重的地方。为了对弹跳粘土赋予低密度起见，该弹跳粘土包含小部分只是作为填料的颗粒。所述颗粒非常小且完全被硅材料所包围，在操作该组合物时其粒状结构因而不能被感觉到。该"弹跳粘土"可以多种不同变体获得，且其化学成分以及其对材料的性质的影响是公知的。问题的提出因此本领域对实现主要地用于游戏和教育目的的组合物存在需求，此处该组合物易于模塑和成形的性质与低程度地粘附至其周围以及有吸引力的和令人满意的结构相结合，但其不同于本领域已经存在的材料。解决方案如果材料组合物通过如下介绍的方式来模拟，形成本发明的基础的目标将被达到，其特征在于颗粒或粒状材料的浓度为完成的组合物的约90-98体积％。关于用于制作该材料组合物的方法，如果包含在粘结剂中的第一成分作为薄层被分布在颗粒或细粒的表面上，并且之后处于溶解态的交联剂被加至混合器用于交联第一成分的薄层，本发明的目的将被达到。如果本发明另外给出一个或多个如在从属权利要求2-6和8-11中所提出的特征，将获得进一步的优势。附图简述下面，将参照附图更详细地对本发明进行描述。在附图中图l是依照本发明，少量由粘结剂的颗粒组成的材料组合物的放大图；以及图2是涉及生产和使用(包括清洗)依照本发明的材料组合物的方框图。优选实施方式图l表示在相当大的放大倍率下少量依照本发明的材料组合物1。该材料组合物1由大量颗粒2组合而成，每个所述颗粒2由粘结剂层3所包围。可以看出，为清楚起见，粘结剂层和颗粒之间的大小关系并非依照真实比例。由粘结剂3所包围的颗粒2彼此粘附，但在许多地方在它们之间留有小的气穴4。因此，粘结剂3并没有组成均一的、十分完整的块体。所得到的材料组合物1,其中颗粒2占据了总体积的相对大的比例，具有轻的粒状结构并且易于且适于成形和操作。颗粒或细粒2组成了材料组合物1的主要部分。通常，颗粒的比例处于完成的组合物的80和99.5体积％之间。优选地，颗粒的比例为约90-98体积％。至少如果颗粒2不是非常贵，材料组合物1中大比例的颗粒意味着与均一材料相比相当可观的费用节省。在组合物中大比例的颗粒同样要求粘结剂3对颗粒2的表面表现出优良或非常优良的粘附力。在优选的实施方式中，颗粒或细粒2的平均粒径处在0.01和1.0mm之间，优选在0.05和0.5mm之间，且甚至更优选在0.07和0.15mm之间的范围内。在应用试验中，该粒径已经被证明适合于使得颗粒或细粒2的整个表面区域能够被粘结剂3完全覆盖，不在该范围内的形成了完全均一的整体，这抑制或破坏了材料组合物1的轻的粒状结构。在所包含的颗粒2中的典型材料是具有上述平均粒径的沙子。5然而，许多其它的颗粒材料是可能的，如研磨大理石、聚合物颗粒或球，空心微珠(cenosphere)(来自飞尘)，塑料、陶瓷或玻璃微球，以及任何这些材料的混合物。然而，基本标准是粒径应适于获得上述的粘结剂层3。硅并以名称^A39i售。^一可用的颗粒￡;SLI;O,、其由在煤燃烧过程中与飞尘一起产生的所谓的空心微珠组成。它们在颜色上为白色或灰色且是中空的。而另一已经在应用试验中使用的粒状材料是MikroperlAF,其由完全圓形的实心(solid)玻璃球组成。优选的大小为75-150pm。其美学效果。依照本发明，粘结剂3优:采用对这类茅;粒表现口出非常好的粘附性的，因此不需要表面改性或底漆。在不同类型颗粒的测试中，已经观察到完全圓形的颗粒增加了组合物的面团性(doughyproperty)，这意味着粘结剂可以制得更干且对增塑剂的需要减少。可以加入产生纯美学效果的颗粒，例如云母颗粒。可能地，为了使粘结剂3粘附其上，可能需要加入表面改性剂。粘结剂3,其明显不同于现有技术中所披露的，使其能够在颗粒2上形成上述层，所述层的层厚落在0.1-10pm的数量级内，优选0.5-5iam且甚至更优选1-2|im。该层厚足以允许颗粒2之间的粘附，但仍然没有如此大以至被涂覆的颗粒2之间的空隙有被粘结剂3完全填满的危险而使材料组合物1的粒状结构丧失。当颗粒2最终被粘结剂3所覆盖时，如上所述，其应当具有如此的化学或物理性质使得其高度保留在颗粒2上。否则，可能需要对颗粒的表面处理。图1表示两个处于被彼此分离过程中的涂覆过的颗粒13，14。除粘结剂3的细线(thinstrand)15以外，颗粒13，14将大部分被粘结剂3所包围，即粘结剂包膜保持基本完整。在图1中另外两个颗粒16，17之间，粘结剂的一条线18已经延伸出如此远以至其已经断裂。该线18将移回至两个颗粒16,17上的包膜上。该线可以变得越长(这取决于粘结剂的粘度)，材料组合物1作为整体将变得更如橡胶状，被分离的颗粒将越少。结果，材料组合物1被观察到引起较少的杂乱(litter)。在粘结剂3中，毕竟，对已完成的材料组合物1的厚度具有相当大影响的另一重要性质是，对周围的粘附应该是低的，但是对颗粒除外。通过这些方法，当材料组合物l被处理时，残余的粘结剂不会残留在或者手上、衣服上、模具上、工作表面上等。为了使材料组合物1保持其完整性且不会过脆，粘结剂3表现出高水平的内在粘附性，并足够柔软和柔韧使得其保持其作为易于操作、不杂乱(non-littering)的整体是很重要的。已完成的材料组合物1，其包含粘结剂3，尤其从羟基封端的聚合物制备，表现出一系列的有利特性。其对在其周围中可能出现的大部分其它表面表现出低的粘附性，硅和硅橡胶除外，尽管如此其在常规的环境中，例如在家居环境中或在儿童看护服务中这是非常难得的。这意味着当该材料组合物l被使用时，不会粘附和涂抹到，例如桌子和手上。另一方面，对材料的内部粘附性是优良的，这有助于其内部完整性和其不破碎的特性。材料组合物1的颗粒结构使其适于操作并允许塑像(figures)的加工和形成或模制，这在排除粘结剂外组成的组合物或基质中还没有成为可能。特别是，即使模具是深的，材料组合物1易于从在塑像模制中采用的模具中释放或滑动。在优选的实施方式中，两种主要成分由羟基封端的聚合物和交联粘度的粘结剂3。^'、'、羟基封端的聚合物是其末端具有OH基的聚合物。交联剂，其优选含有H+离子，与之在水解，即水的分离条件下反应。在表l所提出的应用试验中，已采用多种不同的羟基封端的聚合物。CDS750为羟基封端的粘度为750cP的珪油。H48V750为另一供应商的相同物质的名称。CDS100和H48V100，分别由粘度为100cP的羟基封端的硅油组成。其所包含的聚合物链较短，且分别与CDS750和H48V750相比，所形成的线(strands)或细丝(threads)15，18在断裂之前较短。对于在这里所考虑的实际应用，CDS100和H48V100各自的许多性质可被认为是比CDS750和H48V750各自的性质出色，但一个缺点是CDS100/H48V100被认为价格更高。即使许多羟基封端的聚合物可以被采用，已经证明羟基封端的硅油提供了主要优点。一方面，将获得具有特别优良的内部粘附性的粘结剂3，并且，另一方面，其对可能对颗粒2的表面处理优先采用的硅和硅橡胶表现出非常优良的粘附性。在粘结剂中有利地采用的另外的成分，尽管不是绝对必须的，是含有羟基的聚合物。类似于羟基封端的聚合物，其含有可以与交联剂反应的OH基团，但这些基团不需要被置于分子的末端。在实际的试验中已经采用的一种这类的聚合物是氢化蓖麻油，以LuvotixHT为名称市售。该聚合物是在第12个碳原子上具有一个OH基团的脂肪酸。某些它的有利特性是其与可能加入的颜料相结合，其结构稳定且其非常经济。在与CDS750作为羟基封端的聚合物的组合中，将获得CDS100的积极特性，同时作为其缺点将减少或完全消除。在表1所提出的实际试验中，已经使用硼酸(H3B03)作为交联剂。在这种情况下，对硼原子将三个原子或原子团结合至其自身的能力给予了特别的关注。其它硼化合物，如硼酸酐，B203,以及同样具有相应特性的其它化合物，可以用作交联剂。相应地，如果交联剂是适合的，能够被交联的大多数聚合物可以在粘结剂3中被采用。由于粘结剂3的化学成分，其对于长时间使用来说在某种程度上是吸水的，因此制作好的塑像不适于放在水中，如放在养鱼缸中。反过来讲，然而，材料组合物1在加热时释放出水，当水以水汽或水蒸汽的方式离开时，其同样加强了加热操作的杀菌效果。依照优选的实施方式，加热时水的释放还缘于粘结剂3中的水解。因此，该材料组合物原则上不含水。材料组合物1的稠度仅仅有限程度上取决于温度，这意味着在材料组合物1可以被用于形成塑像或模制之前不需要软化或加热。如果被长时间放置不用，材料组合物1也不需要调整，因为没有水蒸发。如前所述，材料组合物1可以方便地被加热，优选在标准的家用烘箱内加热至约120°C。在这种情况下，至少在组合物的较大部分中，可能影响材料组合物的稠度的任何可能吸收的湿气将被去除。同时，加热使得在使用过程中可能已经被传递到材料组合物上的细菌和其它污染物被杀灭。倘若该材料组合物经常用于大的儿童群体并且可能8被不同的污染物所侵袭，因而存在在儿童群体中传播的危险，这是尤其重要的。然而，通过简单的加热步骤，该材冲牛组合物便可以纟皮再次使用，避免了昂贵的丢弃。与在SE0500663-0中所披露的材料组合物不同，依照本发明的材料组合物如果在加热步骤之后闲置不用将不会凝固(set)。这对于加热大量的材料组合物是明显的优点，因为，例如，可能在儿童护理服务中出现的情况，那里在被加热的材料组合物冷却的过程中受雇人员没有时间来揉捏组合物。为了在某些方面改善或改变其性质，多种添加剂同样可任选地加至粘结剂3。包括在粘结剂中的增塑剂充当聚合物链之间的润滑剂，且赋予材料组合物面团状的稠度。在实际的试验中，已采用硬脂酸和油酸分别作为增塑剂。此外，油酸在室温下处于液态，这使得往已冷却的材料组合物1中添加这种酸成为可能。当需要时，可以方便地利用处于半固态的高粘性的石蜡油凡士林作为减粘剂(tack-reducingagent)。表面活性剂(tenside)以及二醇可同样-陂用于该目的。为了改变材料组合物1的颜色，可以加入不同的颜料。在表1中所提出的实际试验中，在许多实例中已采用预先分散在蜡状粘结剂(Microlene)中的颜料颗粒。由于材料组合物1包含比例非常高的处于颗粒或细粒形式的材料，这意味着虽说不上不可能，但非常困难来使用一种方法使颗粒2被揉捏进表现出相当高粘度的粘结剂3。从高粘度的粘结剂3开始，将颗粒揉捏进粘结剂中，获得颗粒2的均匀涂层将非常非常困难，如果已经作了尝试，则这正是所寻求的。作为替代，用于实现材料组合物1的新方法已经被发明并示意性地在图2中表示。该方法开始于步骤5,将用粘结剂3涂覆的颗粒2置于标准的简单混合器中。依照优选的实施方式，在粘结剂3中两种主要成分的第一种(轻基封端的聚合物，优选羟基封端的硅油)在接下来的步骤6中被加至混合器中的颗粒2。同时，其它可在某些方面改善最终产品的任选添加剂，例如显色颜料、增塑剂和减粘剂可被加至组合物。然而，应该被强调的是对于获得功能性材料组合物l这些物质并非绝对必要的。在接下来的步骤7中混合器被启动并进行混合，使得羟基封端的聚合物和可能的其它任选添加剂均匀分布至颗粒2上的薄层。同时，可以提供热量使得温度升高，适当地升至约120°C，这意味着在组合物中的任何可能的水可被蒸发和赶出。然而，对这的前提是空气交换是足够的。另一方面，如果混合器(如在优选实施方式中的)是封闭型的，水将以蒸汽的形式残留在混合器内且随时间延长将出现平衡，其中部分水残留在材料组合物1中，而封闭的空气被蒸气所饱和。在优选的实施方式中，交联剂，优选溶于水的硼酸，在步骤8中被加入仍然封闭的混合器。在材料组合物1中硼酸是第二重要的成分，因为其对于羟基封端的聚合物充当交联剂并且旨在与其反应从而形成完成的、粘性的粘结剂3。但是，在反应发生之前硼酸在组合物中均匀分布是至关重要的，以便所得到的粘结剂3在颗粒2上同样是均匀分布的。因此，在步骤8中加入的硼酸在混合器内均勻分布的过程中混合器是封闭的。在这种情况下，同样将被观察到的是硼酸在水中的溶解性随温度的升高而增大，这意味着在混合器中在分布的过程中其存在于水溶液中。处于硼酸形式的交联剂和羟基封端的交联剂之间的反应为水解反应，这意味着水作为反应产物而离开。水分子由包含在硼酸中的氢离子和羟基封端的聚合物中的OH基团形成。当在材料组合物l中获得硼酸的均匀分布时，在步骤9中其被转移至慢的混合器以进行捏和操作同时进行排气(deairing)。在这种情况下，由于混合器现在是开放的，蒸汽排出，同样地热量排出使得发生冷却。随着蒸汽排出和温度降低，硼酸被释放出且在材料组合物中的与羟基封端的聚合物的反应伴随水解逐渐地并均匀地发生。在这种情况下，粘度将逐渐增大且在颗粒2上出现数量级为0.1-10(am的粘结剂3的均一层。同时，作为捏和操作的结果，粘结剂3将不会过分地紧密，但在已涂覆的颗粒2之间将出现所期望的气穴4。当组合物或基质被充分地冷却时，其将被包装并分配，当在随后的步骤(步骤IO)中其被拆开时其直接可以使用。组合物的使用通常是以游戏和/或治疗的形式。如前所述，材料组合物1在使用过程中可能吸收少量的液体，例如唾液或汗。在这种情况下，材料组合物的稠度可能受到影响使得其变松，在某些情况下，可能被认为是负面的。为了弥补该缺点以及为了消灭已经进入材料组合物1的任何可能的细菌或其它污染物，在使用一段时间之后，在步骤11中其可以被加热。加热操作彻底使得污染物被毁灭，同时作为在材料组合物中已吸收的水以水汽或水蒸气的形式排出。当材料组合物已被加热如此长使得整个组合物基质全部达到约120。C时，允许材料组合物在附加的步骤12中被冷却，热量散失。在冷却的过程中没有对组合物的加工是必须的，相反，依照步骤10当其再次达到室温时该组合物已准备好再次使用。替代性实施方式的描述依照优选的实施方式，在实际试验中，沙子是很好地充当粒状基质的材料。这多半是因为其在微观尺度上可看到的并非绝对平滑的表面结构。尽管粘结剂3的有限的粘附力，在与交联剂反应的羟基封端的聚合物中的粘结剂3相当好地粘附至该基底。如果采用具有更为平滑的表面结构的颗粒2，如例如陶瓷材料，则所包含的颗粒或细粒2必须进行表面改性。这适于通过引入总计约0.02|im的硅橡胶涂层来实施。为了实现具有所期望性质的材料组合物1,该表面改性还具有其使得所需加入的粘结剂减少的优势。在实际试验中，借助于WackerfluidL655已在不同类型的颗粒上实施了表面改性，所述WackerfluidL655为设置为与氧气(空气)接触的含胺的低分子硅油。为了于固化(setting)开始之前在所有将被处理的颗粒上获得所期望的处于薄层中的分布，表面改性适合于通过含水相来提供。可被用来表面改性的其它物质是两或三组分的硅橡胶或有机鹵代硅烷，如二曱基二氯硅烷，(CH3)2SiCl2。然而本发明改性的另一种方法是在制作方法的步骤8中，硼酸不需要必须被溶于水中。替代的是，硼酸可被溶于乙醇，而乙醇是更易变的(fugitive)，这可能导致在步骤9中交联剂和羟基封端的聚合物之间更快的反应。但是，乙醇的使用牵涉到了火灾危险并且可能具有不合需要的环境效应。与在优选实施方式中所描述的相比，交联剂(硼酸)和羟基封端的聚合物可以以相反的顺序加至颗粒。然而，主要原则仍然是物质被均匀分布到颗粒2的外面同时处于低粘度状态。该方法需要进行的修正是仅仅在羟基封端的聚合物被加入之后，即仅仅在两种主要成分均-故加入并均匀分布在颗粒2上之后加热才发生。最后，具有相应粘度和粘附特性的其它粘结剂3可以在本发明中采用，且在这种情况下，制作方法基本相同。对于有关这些已经在实际试验中测试过的粘结剂3的完整信息，参照表l。在不偏离本发明附加的权利要求的范围情况下，本发明可以作进一步的改进。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>权利要求1.材料组合物，其一方面包含颗粒或细粒材料(2)，和另一方面，包含在颗粒或细粒(2)上作为涂层被布置的粘结剂(3)，所述粘结剂包含由硼化合物交联的羟基封端的聚合物，其特征在于所述颗粒或细粒材料(2)的浓度为完成的组合物的约90-98体积％。2.如权利要求1所述的材料组合物，其特征在于所述羟基封端的聚合物为硅油。3.如权利要求1或2所述的材料组合物，其特征在于所述颗粒或细粒(2)由在粘结剂(3)的涂层之下的表面改性剂涂覆。4.如权利要求3所述的材料组合物，其特征在于所述表面改性剂实现了固体硅层。5.如权利要求1-4中任一项所述的材料组合物，其特征在于所述颗粒或细粒材料的平均粒径为约0.05-0.5mm。6.如权利要求5所述的材料组合物，其特征在于所述颗粒或细粒材料的平均粒径为约0.07-0.15mm。7.用于制备材料组合物的方法，包括以下步骤将一定量的颗粒或细粒(2)置于混合器中；包含在粘结剂(3)中的至少第一成分被供应至所述混合器，所述粘结剂包含低粘度的羟基封端的聚合物；且含硼的交联剂形式的第二成分被供应至所述混合器，其特征在于包含在粘结剂中的第一成分被分布为所述颗粒或细粒的表面上的薄层；并且，在此之后，所述交联剂以溶解的形式被供应至所述混合器以交联所述第一成分的薄层。8.如权利要求7所述的方法，其特征在于组合物的温度被升高的步骤。9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述颗粒(2)首先被表面改性从而改善其对粘结剂(3)的粘附性。10.如权利要求7-9中任一项所述的方法，其特征在于在已供应第二成分之后进行捏和及排气。11.如权利要求7-10中任一项所述的方法，其特征在于所述第一成分为羟基封端的硅油。全文摘要一种用于游戏或模塑目的的材料组合物，包含颗粒材料(2)和在颗粒上作为薄层被布置的粘结剂(3)。粘结剂包含由硼化合物，特别是硅油交联的羟基封端的聚合物。依照本发明，颗粒(2)的浓度为完成的组合物的90-98体积％。一种用于制备材料组合物的方法，包括步骤将颗粒(2)置于混合器中，加入羟基封端的聚合物，特别是硅油并被分布为颗粒表面上的薄层，在其之后溶液中加入含硼的交联剂并混合使得聚合物发生交联且粘度增加。文档编号B01J13/22GK101553292SQ200780030624公开日2009年10月7日申请日期2007年8月15日优先权日2006年8月17日发明者J·莫德尔,S·图雷森申请人:瑞典三角洲公司