专利名称：具有填料加强作用的结构增强塑料的制作方法
具有填料加强作用的结构增强塑料一种用于促进添加剂在流体例如热塑性材料的非线性粘滞区(viscosity zone) 中的动能混合(kinetic mixing)的组合物。
背景技术：
挤压过程为生产工程结构材料的最经济的制造方法之一。通常，挤压过程用于制 造具有均勻横截面的长形挤出构件。构件的横截面可具有各种简单的形状例如圆形、环形 或者矩形。构件的横截面也可以是非常复杂的，包括内支撑结构和/或具有不规则的周边。通常，挤压过程采用被引入到进料斗中的热塑性聚合物化合物。热塑性聚合物化 合物可以粉末、液体、立方体、码垛堆积(palletized)和/或任何其它可挤出的形式存在。 热塑性聚合物可为新的未加工过的、重复利用的或者两者的混合物。典型挤出机的实例示 于
图1中。塑料工业已经在制造期间使用填充剂来降低树脂成本。典型的填充剂包括碳酸 钙、滑石、木纤维及各种其它类型的物质。除了提供成本节约以外，向塑料中加入填充剂减 小热膨胀系数，增加机械强度，并且在一些情况中降低密度。碳酸钙和滑石不具有结构强度或纤维取向以改善结构稳定性。滑石通过弱的范德 华力结合在一起，这使得该材料在对其表面施加力时反复裂开。即使试验结果表明滑石赋 予聚丙烯多种益处，例如较高的刚性和改善的尺寸稳定性，但是滑石的作用就象具有润滑 性能的微米填充剂(micro-filler)。碳酸钙具有类似的性能，但是具有吸水问题，这由于环境退化而限制其应用。滑石 因为其疏水性而避免了该问题。木纤维由于纤维特性与塑料相互作用而增加一些尺寸稳定性，但是木纤维也受环 境退化的困扰。所有这三种常用的填充剂都是经济上可行的，但是结构上受到限制。塑料工业在近几十年来已经努力改进抗刮性和/或耐擦伤性以及美学外观。在最 近十年来已经作出许多改进以增加抗刮性和耐擦伤性，但是技术短缺仍然令塑料工业及其 科学家感到困惑。一个挑战是如何使塑料更硬并保持成本而不妨碍美学外观。申请人意识 到没有提出增加抗刮性和耐擦伤性论点的经济的结构增强填充剂，即使研究尝试已经把焦 点集中在农场废弃纤维例如稻壳、甘蔗渣纤维、麦草及各种用作塑料内低成本的结构填充 剂的其它填充剂。一种解释涉及到增强物理性能的结构填充剂的技术空白，其焦点集中在 成本而不是把焦点集中在塑料完整性上。存在三种类型的常用的涉及向塑料中加入填充剂的混合原理1.静态混合通过或者力产生的流动(经机械方法的压力)，或者重力引起的流动 在固定物体周围的液体流动。2.动态混合通过具有叶片和舷弧(sheer)两种设计的典型叶轮的机械搅拌以及 双或单螺旋式搅拌的液体弓I起的混合。3.动能混合液体通过对表面的速度冲击或者两种或更多种液体相互碰撞的冲 击混合。所有以上三种混合方法具有一件共同的事情，即妨碍混合最佳化而与被混合的流体无关和与正被混合的物料是否为极性、非极性、有机或是无机等无关，或者与其是否为含 有可压缩或不可压缩填充剂的填充材料无关。所有的不可压缩的流体具有壁效应或边界层效应，其中流体速度在器壁或机械界 面被大大地减小。静态混合系统采用该边界层劈分(fold)或混合这种采用该阻力促进搅 拌的流体。动态混合，与搅拌叶片或涡轮的几何形状无关，最后由于边界层而得到盲区和不 完全的混合。动态混合采用被设计采用边界层促进摩擦并通过离心力压缩以实现搅动，同 时在机械表面保持不完全混合的边界层的高剪切和螺旋叶片。动能混合在来流(incoming streams)和在注射器尖端两者上对速度分布具有边 界层效应的缺点。然而，除了输送流体现象外，该系统经受最小的边界层效应。以下为边界层的另一种解释。气动力以复杂的方式取决于流体速度。当流体运动 通过物体时，正好邻近表面的分子附着于表面。正好在表面上的分子在其与附着于表面的 分子相撞中减低速度。这些分子依次又减慢正好在其上的流动。一个分子运动离表面越远， 碰撞受物体表面的影响越小。这在邻近表面处产生一薄层流体，其中速度从表面为零变为 远离表面的自由流值。工程技术人员称该层为边界层，因为其存在于流体的边界上。当物体运动通过流体时，或者当流体运动通过物体时，邻近物体的流体分子被扰 动并在物体周围运动。在流体与物体之间产生气动力。这些力的大小取决于物体形状、物 体的速度、经过物体的流体质量以及取决于流体的两个其它重要性质；粘滞度或粘着性以 及流体的可压缩性或弹性。为正确地模拟这些效应，航天工程师采用相似性参数，其为这些 效应与问题中存在的其它力的比率。如果两个试验对于相似性参数具有相同的值，则这些 力的相对重要性即被正确地模拟。图2A显示了从自由流到表面的沿水流方向的速度变化。实际上，效应是三维的。 由于三维质量保持，在水流方向的速度变化也引起其它方向的速度变化。在垂直于表面方 向存在一个小的速度分支(component)，其替代或移动其上面的流动。人们可定义边界层厚 度为该位移(displacement)的量。位移厚度取决于雷诺数，其为惯性(抗变化或运动)力 与粘性(重和胶粘)力的比率并且通过以下公式给出雷诺数(Re)等于速度(V)乘以密度 ω乘以特征长度⑴除以粘度系数(μ)，即Re = ν*Γ*1/μ。如在图2Α中可见到的那样，边界层可或者为层状(成层的)或者为湍流(紊乱 的)，这取决于雷诺数值。对于较低的雷诺数，如同远离器壁运动那样，边界层为层状并且水 流方向速度变化均勻，如同在图2Α的左侧显示的那样。对于较高的雷诺数，边界层为湍流 并且在边界层内水流方向速度的特征为不稳定(随时间变化)的旋拧流。外流对边界层边 缘的反应正如对于物体的物理表面一样。所以边界层给予任何物体通常稍微不同于物理形 状的“有效”形状。边界层可离开(lift off)物体或与物体“分离”并且产生显著不同于 物理形状的有效形状。这是由于边界中的流动具有非常低的能量(相对于自由流)而发生 的并且更易于由压力的变化所驱动。流动分离是飞机机翼以高的作用角停止的原因。在起 飞升起时的边界层效应被包含在升力系数中并且在牵引时效应被包含在牵引系数中。边界层流动邻近固体表面的流体流动部分为剪切应力显著并且假定不可采用无粘性流的地 方。所有的固体表面由于防滑条件、流体与固体在其界面具有同样速度的物理要求而与粘性流体流动相互作用。因此，流体流动受到固定的固体表面阻滞并且形成有限的缓慢运动 的边界层。要求边界层薄即为物体的雷诺数大，IO3或者更大。在这些条件下，边界层外的 流动基本上为非粘性的并且对于所述层起驱动装置的作用。现参照图2B，一种典型的低速或层状边界层在图表中得到显示。这样的邻近器壁 的水流方向流动矢量变化的显示称为速度分布图。防滑条件要求u(x，0) =0，如所显示的 那样，其中u为边界层中流动的速度。速度随与器壁的距离y的增加而单调性上升，最后与 外(非粘性)流速度U(x)而平滑合并。在边界层中的任何位置，假定为牛顿流体，流体剪 切应力/τ α μ与局部速度梯度成正比。在器壁的剪切应力值是最重要的，因为其不仅涉 及物体牵引，而且也通常涉及其传热。在边界层的边缘，τ α μ逐渐接近于零。不存在其 中τ α μ = 0的精确位点，因此边界层的厚度δ通常随机定义为其中u = 0. 99U的位点。发明_既述本专利焦点集中在对边界层微-和纳米级混合(micro-and nano mixing)的技术 突破，即集中在采用伴随摩擦系数的静态薄膜主要构成的边界层产生微和纳米级混合性能 的结构机械填充剂对固体粒子周围流体流动的流体边界区域中的运动粒子促进加速混合 的作用。结构填充剂粒子的几何形状基于表面粗糙度促进增加与边界层中零速度区域附 着的基本原理。边界层为材料具有其最强的粘附力或粘附性存在的区域。通过采用具有粗 糙和/或锐利颗粒表面的粒子，对防滑区域的粘附力增加，这促进比具有很小至没有表面 特性的光滑颗粒具有更高的表面粘附。理想的填充剂粒度在聚合物之间应是不同的，因为 粘度差异以及由机械表面的剪力和表面抛光产生的混合力学，这造成边界层厚度的变化。 粗糙和/或锐利的颗粒表面使得粒子可在边界层中起滚动动能搅拌叶片的作用。包含在本 专利中的技术突破焦点集中在具有锐利边缘的硬颗粒沿着边界层滚动，在其中存在边界层 的表面区域上伴随搅动产生微米级混合。该技术的优点包括·通过用廉价的结构材料替代昂贵的聚合物节约成本。·通过增加向塑料中掺入更多有机物质的能力节约成本。·通过增加具有高水平的有机和/或结构材料的生产率节约成本。 通过在由边界混合产生的大的机械表面上增加混合更好地分配(disbursement) 添加剂和/或填充剂。·当在正常混合操作期间聚合物的速度和压缩影响表面时，通过沿着大的表面区 域滚动的颗粒的研磨和切割作用更好地混合聚合物。 用牵引减少其由边界层中硬粒子的滚动动摩擦替代的由边界层效应引起的机械 表面的摩擦系数。·通过减少边界层中的摩擦系数增加用于挤出、吹塑或注塑成型方法的塑料制造 的生产，其中摩擦系数直接影响产量。·由于边界层中动能混合引起的抛光对在精加工方法期间物料流入和在周围流动 的全部机械表面包括染料、模具等的影响，对于包含或不包含填充剂的塑料的表面质量改善。·通过动能混合促进边界层去除，从而具有边界层的自净(self-cleaning)性能。
·由于边界层中的动能混合增强传热，边界层被认为是滞膜，其中传热为主要传 导，但是滞膜(stag film)的混合在传热表面产生强迫对流。用于边界层中动能混合的固体颗粒需要具有以下特性·颗粒的物理几何形状应具有使得颗粒沿着边界层表面滚动或翻滚的能力的特 性。 颗粒的混合效率随着与零速度区域或防滑聚合物表面相互作用的表面粗糙度而 增加，以促进动摩擦而不是静摩擦。·颗粒应足够硬以致于流体在颗粒周围变形，用于通过颗粒的翻滚或滚动作用促 进动能混合。·颗粒应具有与所使用物料的边界层成正比的大小，以便颗粒采用动能滚动摩擦 滚动或翻滚，以使颗粒不是边界层中的药物，其基于增加限制流动的表面粗糙度增加边界 层的负效应或者可产生从边界层中去除颗粒进入流体主体的作用。·颗粒应能够在混合方法期间基于粒度和表面粗糙度自流体主体再接合于边界层 中。·颗粒可为固体或多孔材料、人造或天然存在的矿物质和/或岩石。颗粒的物理几何形状球形颗粒不是理想的，因为以下两种现象同时发生。第一种现象涉及防滑区域颗 粒的表面摩擦和第二种现象涉及通过流速施加于颗粒的驱动力，其影响颗粒滚动或翻滚的 能力。驱动力由流体流动在边界层的上半部产生。颗粒形状可为球形、三角形、菱形、正方 形等，但是半平滑或平滑的物体是不太合乎需要的，因为它们不能很好地翻滚。半平滑或平 滑的物体翻滚不太好，因为横截表面积对施加于其厚度的流体摩擦没有什么阻力。然而，因 为需要以混合形式搅动，不规则的(awkward)滚动形式是有益的，因为不规则的滚动造成 动态随机产生的混合区。这些随机混合区与伴随小的搅拌叶片的具有大的搅拌叶片的操作 类似。一些叶片转动快和一些叶片转动慢，但是最终结果是它们被完全混合。在更加粘性 的物料中，其具有较少的非弹性，颗粒的动能混合将由于颗粒的表面粗糙度和锐利边缘而 产生切断和碾磨作用。典型的挤出以及注塑成型塑料为PP、PE、PB HDPP、HDPE、HDPB、Nylon (尼龙)、ABS 和PVC，其为用于工业的一些塑料类型，其中硬度与塑料的材料性能成正比。通过向塑料中 加入硬的填充剂，可再形成更坚韧更耐用的塑料，其比塑料的固有物理性能更加抗刮和/ 或耐擦伤。常用的填充剂为碳酸钙和滑石，每一种具有莫氏硬度等级排序为1。然而，合乎 需要的是采用具有至少2. 5硬度的结构填充剂。多种适合用作硬结构填充剂的环境稳定材料还没有被塑料制造业进行商业评价。 这些填充剂是结构上的，它们是硬的、轻量和环境稳定的。为什么这些填充剂还没有被商业 采用的其中一些原因是它们难以配制和处理。另外，这些材料不象先前采用的填充剂一样 在经济上可行。以下轻量结构填充剂在硬度、密度和在微米范围内的粒度方面相似，但是还 没有被广泛接受用于塑料工业。近几十年来玻璃或陶瓷微球已经是市售可得到的。这些球已经在塑料制造方面获 得一些成功，但是它们已被主要用于涂料、粘合剂和复合材料市场。珍珠岩为天然存在的含硅(silicous)岩石，主要用于结构产品、砖石工程的绝缘体、轻量混凝土和食品添加剂。硅酸铝钾钠(火 山玻璃)为用作塑料流动性能调节剂的微粉末，以改进输出量和 对添加剂产生增强的混合性能。先前已经提及的结构填充剂具有5. 5的莫氏硬度等级，其等同于窗玻璃，沙子和 良好质量的钢刀刀片，从而对刮伤塑料表面的常用材料附加颗粒和同等硬度。这些结构填 充剂没有通过弱的力结合在一起。因此，它们保持其刚性形状而不具有与分子层间的弱化 学键断裂有关的润滑性能，例如对于滑石可见的那样。具有莫氏硬度等级为5. 5的颗粒 象通常损伤塑料表面的颗粒一样硬。因此，抗刮性和/或耐擦伤性通过掺入塑料配方中 的填充剂的舷弧硬度(sheer hardness)得到改善。结构填充剂优选地为轻量的，具有在 0. 18-0. 8g/cm3范围内的密度，而滑石和碳酸钙具有在2. 50-2. 80g/cm3范围内的密度。因 此，硬结构填充剂减少塑料配方的密度。微球由于其改善的强度近来对于用于挤出塑料已经变得重要，其使得它们能够经 受住机械压力而不被粉碎。因为微球的强度增加，制造成本降低，这使得微球成为用于塑料 的理想的结构填充剂材料。可考虑的其它填充剂材料包括膨胀的珍珠岩(Perlite)。膨胀的珍珠岩还没有被 塑料工业在商业上用于挤压方法，因为其微泡和微管为材料的天然性质并且不能经受住挤 压方法而没有被粉碎。填充剂的粉碎作用附加给不一致的体积流动，这影响挤出产品的尺 寸稳定性，这可以接受或不可以接受，取决于应用。由于该原因，珍珠岩还没有达到象塑料 领域的结构填充剂一样的工业可用性(commercial viability)。珍珠岩可被精细地研磨， 这大大地改善产品的压碎强度，从而使得材料能够经受住机械挤出压力方法，因此获得尺 寸稳定性。该材料还未被采用作为填充剂的一个原因是，以其初始形式存在的材料具有在 压力下破碎的能力。精细研磨的珍珠岩具有相同的物理性能，恰如细筛一样，这将经受住更高的压力。 精细研磨的珍珠岩目前用于水处理系统作为过滤介质。作为实例，在软材料上滚动的硬球在运动洼地(moving expression)下行进。材 料在前方被压缩并在后面弹回并且在材料为完全弹性时，在压缩中储存的能量在其后面归 还给球。然而，事实上的球不是完全弹性的，所以发生能量消耗，结果是滚动的动能”。当然， 流体为不能经受住静态剪应力的材料连续流。不象弹性固体，其用可恢复的变形应答于剪 应力，流体用不可逆的流动来响应。不可逆的流动可用作边界层中动能机械混合的驱动力。 通过采用滚动动能摩擦原理和在防滑区域表面增加流体粘附产生胶粘体，同时边界层中的 速度对颗粒产生惯性力。惯性力沿着机械方法设备的表面使颗粒转动而与所采用的混合技 术方法(mixing mechanics)即静态、云力态或云力能无关。附图简述图1为挤出机的简图。图2A为边界层概念的图解说明。图2B为低速或层状边界层的图解说明。图3为显示珍珠岩添加剂对热塑性材料通过挤出机产量的影响的图解。图4为显示硅酸铝钾钠对热塑性材料通过挤出机产量的影响的图解。图5为显示木质颗粒对热塑性材料通过挤出机产量的影响的图解。
优选实施方案的详细描述在 喷射磨方法期间，颗粒相互碰撞经贝壳状破裂形成锐利边缘。即使一些粒度选 择将对不同的聚合物选择产生不同的作用，是该边缘效应产生其性能。硅酸铝钾钠的边缘 效应便于向热塑性材料和聚合物材料中加入填充剂、结构填充剂、颜料、纤维及各种其它材 料。将在喷射磨时产生锐利边缘效应的材料包括轻石、珍珠岩、火山玻璃、沙、燧石、 板岩及在各种其它可开采材料中的花岗岩。存在多种人造材料，例如钢、铝、黄铜、陶瓷及再 生和/或新的窗玻璃，其可通过喷射磨或其它相关的研磨方法加工处理，以产生具有小粒 度的锐利边缘。除了所列出的实例以外，其它材料也可以是合适的，条件是材料具有足够的 硬度，据估计莫氏硬度等级为2. 5。由莫氏硬度等级可清楚地看出存在多种比2. 5更硬的材料，其可能象候选者一样 起作用来产生锐利边缘效应，从而象表面张力改性剂及结构填充剂一样起作用而被掺入到 当今的现代塑料、聚合物、涂料和粘合剂中。莫氏硬度等级表呈现如下。
权利要求
1.一种用于在非线性粘滞区促进动能边界层混合的组合物，所述组合物包含流体；和分散于所述流体中的物料，所述物料包含具有锐利叶片样表面的颗粒，所述颗粒具有 大于0.7的长度直径比。
2.权利要求1的组合物，其还包含分散于所述流体中的添加剂。
3.权利要求1的组合物，其中所述流体为热聚物材料。
4.权利要求1的组合物，其中所述颗粒具有大于2.5的莫氏硬度值。
5.权利要求3的组合物，其中所述颗粒的所述锐利叶片样表面被确定大小以便在混合 操作期间研磨和切割所述热聚物材料的聚合物。
6.权利要求1的组合物，其中所述颗粒具有当其在所述颗粒周围流动时足以使所述流 体变形的硬度，从而通过颗粒的翻滚或滚动作用促进动能混合。
7.权利要求1的组合物，其中所述颗粒具有主要保持在所述流体边界层中的大小，所 述颗粒具有相对于边界层的合适大小，以便在所述边界层上流动的流体力引起所述颗粒滚 动或翻滚，用于产生动能滚动，从而在所述边界层产生混合。
8.权利要求1的组合物，其中所述颗粒通过动能混合促进所述流体的边界层更新。
9.权利要求1的组合物，其中所述物料选自多孔材料、人造材料和天然存在的矿物质。
10.一种挤出流体的方法，该方法包括将流体输入挤出机；将添加剂输入所述挤出机；将物料输入所述挤出机，所述物料包含具有锐利叶片样表面的颗粒，所述颗粒具有大 于0.7的长度直径比；使所述物料通过所述挤出机的混合区以使物料分散于流体中，其中所述物料向所述流 体的边界层迁移，以促进所述添加剂在所述流体中的动能混合，所述动能混合发生在非线 性粘滞区。
11.权利要求10的方法，其中所述流体为热塑性材料。
12.权利要求10的方法，其中所述添加剂为填充剂。
13.权利要求10的方法，其中所述添加剂为颜料。
14.权利要求10的方法，其中所述添加剂为纤维。
15.权利要求10的方法，该方法进一步包括以下步骤在向所述挤出机输入所述物料的所述步骤之前，采用伴有喷射研磨过程的贝壳状破裂 技术生产所述材料。
16.权利要求11的方法，其中包括以下步骤所述物料通过所述挤出机的混合区包括混合所述热塑性材料，这种混合是通过所述物 料的所述颗粒在所述边界层中沿着大的表面区域滚动时产生的研磨和切割作用来进行的， 所述表面的所述热塑性材料液流几何形状为连续接触界面，在那里所述颗粒通过在所述表 面上流动的所述流体产生的所述颗粒的动能翻滚碰撞所述物料。
17.权利要求10的方法，该方法进一步包括以下步骤在所述挤出机的大多数固定和移动的机械部件包括模具上的边界层的自净，通过在所 述流体移动的所述表面上的动能混合期间因连续的硬颗粒经翻滚的相互作用的所述动能混合步骤来进行。
18.权利要求10的方法，其中动能混合的所述步骤包括所述颗粒沿着边界层表面的颗 粒滚动或者翻滚。
19.权利要求10的方法，其中所述矿物选自固体材料、多孔材料、人造材料、天然存在 的矿物质。
20.一种通过流体构件增加流动的方法，该方法包括向所述构件输送流体；向所述构件输送物料，所述物料包含具有锐利叶片样表面的颗粒，所述颗粒具有大于 0. 7的长度直径比；使所述物料分散于流体中，其中所述物料向所述流体的边界层迁移，以促进所述流体 中的动能混合，所述动能混合发生在非线性粘滞区，导致减少由边界层中的牵引引起的摩 擦系数。
21.权利要求20的方法，其中所述构件为泵或具有可扩展的单路径或用于再循环操作 的连续连接的加工设备。
22.权利要求20的方法，其中所述流体被填充。
23.权利要求20的方法，其中所述流体未被填充。
全文摘要
一种用于在非线性粘滞区促进动能边界层混合的组合物，所述组合物包含流体和分散于流体中的物料，该物料由具有锐利叶片样表面的颗粒组成，颗粒具有大于0.7的长度直径比。组合物可进一步包含分散于流体中的添加剂。流体可为热聚物材料。挤出流体的方法包括将流体输送至挤出机，将添加剂输送至挤出机，将物料送入挤出机，使物料通过挤出机的混合区以使物料在流体中分散，其中物料向流体的边界层迁移促进添加剂在流体中动能混合，动能混合发生在非线性粘滞区。
文档编号C08K7/00GK102046705SQ200980120190
公开日2011年5月4日 申请日期2009年5月26日 优先权日2008年3月26日
发明者老威廉·L·约翰逊 申请人:伊科普罗有限责任公司