具有多模态的孔径分布的聚合物材料的制作方法_4

文档序号:9509704阅读:来源:国知局
Owt. %。
[0088] 界面改性剂具有使其能够容易地迁移到聚合物的界面表面并促进剥离而不破坏 热塑性组合物的总的烙体性能的特性。例如,界面改性剂通常不具有通过降低聚合物玻璃 化转变溫度而对组合物的塑化作用。完全相反地,本发明人已发现,热塑性组合物的玻璃化 转变溫度可W与初始基质聚合物基本相同。就运一点而言,组合物的玻璃化溫度与基质聚 合物的玻璃化溫度的比值通常为约0. 7至约1. 3,在一些实施方案中为约0. 8至约1. 2,W 及在一些实施方案中为约0. 9至约1. 1。例如,热塑性组合物的玻璃化转变溫度可W为约 35°C至约80°C,在一些实施方案中为约40°C至约80°C,W及在一些实施方案中为约50°C至 约65°C。热塑性组合物的烙体流动速率也可W与基质聚合物的烙体流动速率类似。例如, 在2160克的负载W及190°C的溫度下测定时,组合物的烙体流动速率(W干基计)可W为 约0. 1至约70克每10分钟,在一些实施方案中为约0. 5至约50克每10分钟,W及在一些 实施方案中为约5至约25克每10分钟。
[0089] 可W使用增容剂,增容剂改善界面粘附并降低区域和基质之间的界面张力,由此 在混合过程中使得更小的区域形成。适合的增容剂的实例可W包括,例如,使用环氧或马 来酸酢化学部分官能化的共聚物。马来酸酢增容剂的实例为聚丙締接枝的马来酸酢,其可 商购自Arkema,商品名为化evac?18750和化evac?CA100。使用时,基于连续相基质的 重量,增容剂可W占热塑性组合物的约0. 〇5wt. %至约lOwt. %,在一些实施方案中为约 0.Iwt. %至约8wt. %,W及在一些实施方案中为约0. 5wt. %至约5wt. %。
[0090] 在热塑性组合物中也可W使用其它的适合的材料,例如,催化剂、抗氧化剂、稳定 剂、表面活性剂、蜡、固体溶剂、填料、成核剂(例如,碳酸巧等)W及为了提高热塑性组合物 的加工和机械性能而添加的其它材料。然而,本发明的一个有益方面在于可W提供好的性 质,而不需要各种常规的添加剂,例如,发泡剂(例如,氯氣控、氨氣氯控、控、二氧化碳、超 临界二氧化碳、氮等)和增塑剂(例如,固体或半固体聚乙二醇)。实际上,热塑性组合物一 般可W不含发泡剂和/或增塑剂。例如,发泡剂和/或增塑剂可不多于热塑性组合物 的约Iwt. %的量存在,在一些实施方案中为不多于约0. 5wt. %,W及在一些实施方案中为 约0.OOlwt. %至约0. 2wt. %。进一步地,由于其应力致白性质,如W下详细描述的,产生的 组合物可W实现不透明颜色(例如,白色),而不需要常规的颜料,例如二氧化铁。在某些实 施方案中,例如,颜料可不多于热塑性组合物的约Iwt. %的量存在,在一些实施方案中 为不多于约0. 5wt. %,W及在一些实施方案中为约0.OOlwt. %至约0. 2wt. %。
[0091] II.共混
[0092] 在组合物中引发孔之前,通常采用多种已知技术中的任一种将组分一起共混。在 一个实施方案中,例如,组分可W单独或者组合地供应。例如,可W先将组分一起干混W形 成基本上均匀的干混合物,W及同样地它们可W同时地或者依次地供应至烙融加工装置, 所述烙融加工装置将材料分散地共混。可W使用分批和/或连续的烙融加工技术。例如, 可W利用混合器/捏合机、密炼机度anbu巧mixer)、Parrel连续混合器、单螺杆挤出机、 双螺杆挤出机、漉碎机(rollmill)等来共混和烙融加工材料。特别适合的烙融加工装置 可W是同向双螺杆挤出机(例如,可购自新泽西州拉姆齐(Ramsey)的Werner&Pfleiderer Co巧oration的ZSK-30挤出机或者可购自英国Stone的ThermoElectronCo巧.的Thermo Prism?USALAB16挤出机)。运样的挤出机可W包括进料口和排气口并且提供高强度的分 布和分散混合。例如,可W将组分供入双螺杆挤出机的相同或不同的进料口并且烙融共混 W形成基本上均匀的烙融混合物。如果希望,也可W将其它添加剂注入聚合物烙体和/或 分别地在沿挤出机长度的不同位点来供入挤出机。
[0093] 不管所选择的具体加工技术如何,产生的烙融共混的组合物通常含有如W上描述 的包合添加剂的区域。可W控制剪切/压力和加热的程度W确保充分分散,但是不至于 高到不利地降低区域的尺寸,使得它们不能实现所期望的性质。例如,共混通常发生在约 180°C至约300°C的溫度下,在一些实施方案中为约185°C至约250°C,W及在一些实施方案 中为约190°C至约240°C。同样地,在烙融加工过程中的表观剪切速率的范围可W为约10 秒1至约3000秒1,在一些实施方案中为约50秒1至约2000秒i,W及在一些实施方案中 为约100秒1至约1200秒1。表观剪切速率可W等于4Q/ 31R3,其中Q为聚合物烙体的体积 流动速率("m3/s"),R为烙融聚合物流过的毛细管(例如,挤出机模具)的半径("m")。 当然,也可W控制其它变量,例如,与物料通过速率成反比的在烙融加工过程中的停留时 间,从而实现所期望的均匀度。
[0094] 为了实现所期望的剪切条件(例如,速率、停留时间、剪切速率、烙融加工溫度 等),可W在某一范围内选择挤出机螺杆(或多个螺杆)的速度。一般而言,由于输入体系中 的额外的机械能量,随着螺杆速度的增加,观察到了产品溫度的升高。例如,螺杆速度范围 可W为约50至约600转每分钟r巧m"),在一些实施方案中为约70至约50化pm,W及在一 些实施方案中为约100至约30化pm。其可能导致足够高W分散第一包含物添加剂,而不会 不利地影响产生的区域的尺寸的溫度。也可W通过在挤出机的混合段内使用一种或多种分 布和/或分散混合元件提高烙体剪切速率W及进而提高添加剂被分散的程度。用于单螺杆 挤出机的适合的分布混合器可W包括,例如,Saxon、Dulmage、Cavity化ansfer混合器等。 同样地,适合的分散混合器可W包括Blister环、Leroy/MaddockX畑混合器等。如本领域 中所熟知的,可W通过使用使聚合物烙体产生折叠或再取向的桶中的销(pin)来进一步改 善混合,例如,在BussKneader挤出机、化vityTransfer混合器和VertexIntermeshing Pin(VI巧混合器中使用的那些。 阳〇巧]ΙΠ.孔引发
[0096] 为了引发孔形成,如W上描述的,聚合物材料经受外部施加的应力。如果需要,可 W在其形成时在线拉伸材料。供选择地,可W在形成之后,在层压到任意其它任选的材料之 前和/或之后,拉伸固体状态的材料,例如,通过给予连续相和包含物添加剂的界面能量的 机械拉伸方法(例如,弯折、伸展、扭转等)。"固体状态"拉伸,一般意味着组合物被保持在 基质聚合物的烙融溫度W下的溫度下("拉伸溫度")。除了其它方面,运帮助确保聚合物 链不被改变到使多孔网络变得不稳定的程度。例如,材料可W在约-50°C至约125°C的溫度 下拉伸,在一些实施方案中为约-25°C至约100°C,W及在一些实施方案中为约-20°C至约 50°C。拉伸溫度也可W在具有最高玻璃化转变溫度的组分(例如,基质聚合物、第一包含物 添加剂等)的玻璃化转变溫度W下。例如,拉伸溫度可W为基质聚合物和/或第一包含物 添加剂的玻璃化转变溫度W下至少约l〇°C,在一些实施方案中为至少约20°C,W及在一些 实施方案中为至少约30°C。 阳097] 拉伸可W发生在任意方向上,例如,纵向(例如,机器方向)、横向(例如,机器横 向)等,W及其组合。为了进行所期望的拉伸,热塑性组合物可W成形为前体形状、拉伸W及然后转变成期望的材料(例如,膜、纤维等)。在一个实施方案中,前体形状可W是膜,所 述膜的厚度为约1至约5000微米,在一些实施方案中为约2至约4000微米,在一些实施方 案中为约5至约2500微米,并且在一些实施方案中为约10至约500微米。作为形成前体 形状的替代,热塑性组合物也可W随着其形成聚合物材料的期望形状而被原位拉伸。在一 个实施方案中,例如,热塑性组合物可W随着其形成膜或纤维而被拉伸。 阳09引可W采用各种拉伸技术。一种适合的机械拉伸技术,例如,是社漉方法,其中材料 通过在两个漉之间限定的漉隙,至少一个漉是可转动的。在一个实施方案中,至少一个漉含 有凸起的压花元件的图案,其可W在材料中产生局部变形。其它的漉同样也可W是有图案 的或光滑的(例如,支承漉)。如果变形的区域被施加应力至空化屈服应力W上的水平,贝U 运些区域可W形成最初的孔。当受到进一步拉伸应力时,在剩余的材料空化之前,孔区域的 尺寸将增大。另一适合的社漉方法包括聚合物材料能够通过的槽纹漉的使用。除了使用漉 隙,漉的转动速度本身也可W用来帮助给予期望程度的机械应力。在一个实施方案中,例 如,材料在逐步拉伸材料的一系列漉上方经过。一个用于实现运样拉伸的合适的方法是通 过使用方向取向器("MD0")。MD0单元通常具有多个漉(例如,5至8个),所述漉可W在 机器方向上逐步地拉伸聚合物材料。材料可W在单个或者多个分开的拉伸操作中被拉伸。 应当注明的是,在MD0设备中的一些漉可W不按逐步升高的速度来运行。为了W上述的方 式拉伸材料,通常期望的是MDO的漉是不被加热。然而,如果期望,只要所述组合物的溫度 保持在上述范围W下,一个或者多个漉可W被轻微程度地加热,W促进拉伸过程。
[0099] 当然,应当理解的是,可转动的漉绝不是机械地拉伸聚合物材料必需的。例如,可 W采用模拉伸来机械地拉伸材料。在一个典型的模拉伸方法中,材料最初被挤出成前体形 状(例如,框架)并泽火。然后在处于固体状态的同时,前体通过汇集模具(converging die)被机械拉伸。一种特别合适的模拉伸方法是挤拉成型(pulltrusion),在挤拉成型过 程中,材料被拉伸或牵引通过模具W形成由模具形状决定的设计的轮廓或形状。除了模拉 伸,也可W采用其它机械拉伸技术。在一个实施方案中,例如,可W采用片拉伸,例如,拉幅 机拉伸、制动拉伸化rake化awing)等。在一个具体实施方案中,例如,可W使用机械的、电 的、水力的或气动的制动组件W片的形式机械拉伸聚合物材料。制动组件可W包括最初放 置材料的表面、夹杆W及被提升W在材料中产生弯曲的弯曲构件。更具体地,制动组件可W 包括多个一般C形构件,每个C形构件具有用于接收聚合物材料的相对的夹持表面。此外, 可W采用插座式连接(socketconnection)W可转动地支撑用于使设置在夹持表面之间的 材料弯曲的弯曲构件。插座式连接一般包括彼此滑动晒合或通过销较彼此连接的公部分和 母部分。送样的制动组件在本领域是已知的并巧详细化描冰在例如,Break的第4. 282, 735 号美国专利、Break的第4, 557, 132号美国专利和ChiAb的第6, 389, 864号美国专利中。
[0100] 用于机械地拉伸聚合物材料的又一技术包括使用流体介质(例如,气体)来给予 材料期望程度的能量和应力。例如,一种运样的方法为抽吸,其通常设及使用吹动的空气来 拉伸材料。例如,可W采用纤维拉伸抽吸装置,例如,第3, 802, 817号和第3, 423, 255号美 国专利中所显示类型的线性纤维抽吸装置。纤维拉伸抽吸装置一般包括伸长的垂直通道, 通过抽吸从通道的侧边进入并向下流过通道的空气来拉伸纤维通过通道。加热器或鼓风机 可W供应导致纤维拉伸或变细的抽吸空气。 阳101] 无论采用何种具体的技术,聚合物材料通常被拉伸(例如,在机器方向上)至约 1. 1至约3. 5的拉伸比化awratio),在一些实施方案中为约1. 2至约3. 0,W及在一些实 施方案中为约1. 3至约2. 5。拉伸比可W通过将拉伸的材料的长度除W其在拉伸前的长度 来确定。拉伸速率(化awrate)也可W变化W帮助实现所期望的性质,例如,在约5%至约 1500%每分钟变形,在一些实施方案中为约20%至约1000%每分钟变形,W及在一些实施 方案中为约25%至约850%每分钟变形的范围内变化。除了形成多孔网络,机械拉伸也可 W显著地提高区域的轴向尺寸,使得它们具有一般线性的、伸长的形状。例如,第一区域的 平均轴向尺寸可W比拉伸前的区域的轴向尺寸大大约10%或更大,在一些实施方案中为约 20 %至约500 %,W及在一些实施方案中为约50 %至约250 %。拉伸之前,例如,第一区域的 平均轴向尺寸(例如,长度)可W为约0. 05至约30微米,在一些实施方案中为约0. 1至约 25微米,在一些实施方案中为约0. 5至约20微米,W及在一些实施方案中为约1至约10微 米。 阳102] 由于独特的多孔的和区域的结构,本发明人发现了当产生的聚合物材料在纵向拉 伸时,体积可W均匀地膨胀,运可W由低的"泊松系数"来反映,如根据W下公式确定的: 阳1〇3] 泊松系数=-E横向/E纵向
[0104]其中是材料的横向变形,并且是材料的纵向变形。更具体地,材料的泊松 系数可W大约为0或者甚至为负数。例如,泊松系数可W为约约0. 1或更小,在一些实施方 案中为约0. 08或更小,w及在一些实施方案中为约-0. 1至约0. 04。当泊松系数为零时, 当材料在纵向上膨胀时,在横向上没有收缩。当泊松系数为负数时,当材料在纵向上被拉伸 时,材料的横向或侧向尺寸也膨胀。因此,具有负数泊松系数的材料当在纵向上被拉伸时可 W显示宽度增加,其可W导致在横向上增加的能量吸收。
[01化]如果期望,在被拉伸之前和/或之后,本发明的聚合物材料可W经受一个或多个 另外的加工步骤。运样的方法的实例包括,例如,槽纹漉拉伸、压花、涂覆等。在某些实施 方案中,聚合物材料也可W被退火,W帮助确保其保持期望的形状。退火通常在聚合物基 质的玻璃化转变溫度或W上进行,例如,约40°至约120°C,在一些实施方案中为约50°C至 约100°C,W及在一些实施方案中为约70°C至约90°C。也可W采用各种已知技术中的任 一种对聚合物材料进行表面处理W改善其性质。例如,可W使用高能束(例如,等离子体、 X-射线、电子束等)来去除或减少任意的表层,从而改变表面极性、孔隙率、形貌,使表层变 脆等。如果期望,可W在热塑性组合物拉伸之前和/或之后使用运样的表面处理。 阳106] IV.制品 阳107] 本发明的聚合物材料一般可W具有取决于具体应用的各种不同的形式,例如,膜、 纤维材料、模塑制品、型材(profile)等,W及它们的复合件或层压件。在一个实施方案中, 例如,聚合物材料可是膜或膜层的形式。多层膜可化含有两(2)至十五(15)个层,在一些 实施方案中为Ξ(3)至十二(12)个层。运样的多层膜通常含有至少一个基层和至少一个 附加层(例如,表层),但是可化含有期望的任意数量的层。例如,多层膜可W由基层和一个 或多个表层形成,其中基层和/或表层(多个表层)由本发明的聚合物材料形成。然而,应 该理解的是,在基层和/或表层(多个表层)中也可W采用其它聚合物材料,例如,聚締控 聚合物。
[0108] 膜的厚度可W相对小W增加晓性。例如,膜的厚度可W为约1至约200微米,在一 些实施方案中为约2至约150微米,在一些实施方案中为约5至约100微米,W及在一些 实施方案中为约10至约60微米。尽管具有运样的小的厚度,但是膜却能够在使用期间保 持优良的机械性质。例如,所述膜是相对可延展的。表明膜的延展性的一个参数是膜在其 断裂点的伸长率,如通过应力应变曲线确定的,所述曲线例如是根据ASTM标准D638-10在 23°C下获得的。例如,膜在机器方向("MD")上的断裂伸长率可W为约10%或更高,在一 些实施方案中为约50%或更高,在一些实施方案中为约80%或更高,W及在一些实施方案 中约100%至约600%。同样地,膜在机器横向("CD")上的断裂伸长率可W为约15%或 更高,在一些实施方案中为约40%或更高,在一些实施方案中为约70%或更高,W及在一 些实施方案中为约100%至约400%。表明延展性的另一个参数是膜的拉伸模量,其等于拉 伸应力与拉伸应变之比,并且是由应力-应变曲线的斜率来确定的。例如,膜通常显示出约 2500兆帕("MPa")或更小,在一些实施方案中为约2200MPa或更小,在一些实施方案中为 约50MPa至约2000MPa,W及在一些实施方案中为约lOOMPa至约lOOOMPa的MD和/或CD 拉伸模量。拉伸模量可W根据ASTMD638-10在23°C下测定。
[0109] 虽然膜是可延展的。但是它仍然可W是相对强健的。表明膜的相对强度的一个 参数是极限拉伸强度,其等于在压力-应变曲线中所获得的峰值应力,如根据ASTM标准 D638-10所获得的。例如,膜可
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