具有碳纳米管的热流道系统的制作方法

专利名称：具有碳纳米管的热流道系统的制作方法
技术领域：
总体而言，本发明涉及注射成型系统的热流道系统；更具体而言，本发明总体涉及这样的注射成型系统的热道流系统，其中所述的热流道系统包括具有材料并具有与所述的材料结合的碳纳米管的热流道元件。
背景技术：
已知的成型系统的实例为(以及一些其他实例)(i)HYPET(商标)成型系统； (ii)QUADL0C(商标)成型系统；(iii)HYLECTRIC(商标)成型系统；以及(iv)HYMET(商 fe ) f^MMM, Pfi^UMi^ Husky Injection Molding Systems (Head Office LocationCanada)制造的。碳纳米管(也称为“CNT”)或CNT-复合材料的制造商的实例为位于韩国的Bioneer Corporation (在韩国的电话为+82-42-930-8777，或者U. S. A.的电话为 1-877-264-4300)。研究纳米技术的学术设备的实例为位于U. S. A.的Purdue University 的Birck Nanotechnology Center (电话为765-494-705 。与纳米技术研究有关的研究 i^RStJ^M^ :(i)National Nanotechnology Infrastructure Network(NNIN) ； (ii) iii 于 U. S. Α·的 Nano Science and Technology Institute (NSTI)(电话为 508-；357-四25)； 以及(iii)位于德国的Polytech&Net GmbH(电话为+49 (0) 6196-8845027)。提供关于纳米技术的新闻和信息的组织可以在以下网站找到(i) www, azonano. com ； (ii) www, nanotech-now. com(iii)www, nanowerk. com 和(iv)www, nanohub. org。美国专利号6，164，954(发明人僅01^^2八￥1 et al.；
公开日期12Λ6/2000)公开了具有内部主体部分和外部主体部分的注射嘴。内部主体部分包括熔体通道而外部主体由抗压材料制成。对外部主体部分的内直径与内部主体部分的外直径的比值进行选择，使得在将外部主体组装到内部主体上时，可以产生预承载或承载。优选的是，所述的两个主体的组装以可移动的方式紧固在注射嘴主体上。优选的是，内部主体包括具有耐磨特征的材料， 从而经受磨损的或腐蚀性的熔融材料。本发明的装置可特别用于在正常注射温度或高注射温度下用于各种材料的高压成型的成型机和热道流嘴。美国专利申请号2003/0145973(发明人GELLERT et al.；
公开日期8/7/2003) 公开了用于注射成型的改善的热歧管、加热器和嘴，它们具有使用具有更高导热性的第二项金属渗透的高强度金属骨架。此外，还公开了形成歧管、加热器或嘴预成型品的方法，以及使用高导热性材料渗透预成型品的方法。此外，本发明提供了同时一起渗透和铜焊相似或不同材料的注射成型元件的方法。美国专利号7，134，868(发明人6冊附昍1et al.；
公开日期11/14/2006)公开了在模具的进模口区域中具有尖端部分的注射成型嘴，其中所述的模具具有耐磨金刚石类型的涂层。将熔体传递至进模口区域中的尖端熔体通道的表面还可以包括金刚石类型的涂层。在进模口区域中的嘴密封表面还可以包括金刚石类型的涂层。这些经涂敷的表面的增强的线束、光滑度以及导热性会得到更高质量的模塑的部件，以及更容易清洁的具有更长的使用寿命的成型设备。美国专利号7，217，311(发明人=HONG et al.；
公开日期:2007-05-15)公开了用作研磨剂的碳纳米管增强的金属纳米复合粉末的制造。该制造涉及对具有纳米管和金属盐化合物的溶液进行超声处理，对所述的溶液进行煅烧，并对所得的复合粉末进行还原。美国专利申请号2006/0032243(发明人GA_LANE CHEN ；
公开日期16-02-2006) 公开了具有注射单元(10)、锁单元和控制单元的注射成型装置。所述的注射单元包括模具 (11,11')和冷却系统。该冷却系统在所述的模具中具有一个或多个管子道(18，18')， 以及在管子道中所容纳的冷却剂。冷却剂为具有悬浮于其中的碳纳米管的超流体。超流体的粘度系数实际上为0，因此超流体与纳米管之间的摩擦极小。这能够使管子道中的超流体中的纳米管形成更湍急的流，使得纳米管可以更多地传导得自模具的热。此外，纳米管本身具有高导热性。因此，增强了冷却系统的导热性。由此，注射到模具中的熔融材料可以被冷却并快速固化。这提高了具有高成型效率的注射成型装置。美国专利申请号2008/0099176(发明人CZERWINSKI ；
公开日期2008-05-01)公开了用于金属成型系统的成型材料处理元件，其中所述的系统具有由合金制成的元件主体，其中所述的合金被制成与包含镁的熔融合金的熔融金属成型材料接触。美国专利申请号20080206391(发明人B0UTI et al.；
公开日期8Λ8/2008)公开了用于注射成型的组件，该组件具有延伸于其中的熔体通道的嘴外壳、嘴的尖端、以及将嘴的尖端保持在嘴外壳中的定位器。所述的嘴的尖端由沉淀硬化的高导热性材料以及沉淀硬化的高强度材料形成，其中所述的材料整合在一起从而形式所述的主体。所述的高导热性材料的导热性高于所述的高强度材料的导热性，而所述的高强度材料的强度高于所述的高导热性材料的强度。所述的高导热性材料和所述的高强度材料可以在相同的沉淀硬化条件下沉淀硬化在一起，从而得到至少一个强度方面的值得到增强的高导热性材料以及至少一个强度方面的值得到增强的高强度材料。目前本领域的陈述提供了已知的热流道，在许多情况下其性能受到材料的性质 (例如强度和导热性和/或耐磨性)的限定，其中所述的性质与包括标准金属合金(例如 ΡΗ13-8 (不锈钢合金)，BeCu (铍铜合金)，4140 (钢合金)，Aermet 100 (具有碳的高强度合金)，Η13 (工具和模头的钢合金)等)的热流道元件有关。

发明内容
根据本发明的总体方面，总体而言提供了(但不限于以下技术特征)注射成型系统的热流道系统，其中所述的热流道系统包括(但不限于)热流道元件，其具有(但不限于)材料，以及与该材料结合的碳纳米管。技术特征的其他额外的排列在以下提供的非限定性实施方案的详细描述中进行说明。因此，所述的碳纳米管有时被称为“CNT”。与本发明的总体方面有关的技术效果在于与已知的和/或现有的热流道元件相比，CNT改善了所述热流道元件的材料的材料性质，例如(但不限于)寿命和性能。
具体实施例总体而言，热流道系统与注射成型系统一起使用；所述的热流道系统包括本领域的技术人员已知的热流道元件(其使用材料制得)，并且这些已知的元件(和/或材料)并未在此描述；这些已知的元件至少部分在以下参考书中描述，例如(i)OSSWALD/TURNG/ GRAMANN 著作的Injection Molding Handbook”(ISBN :3-446-21669-2) ； (ii) ROSATO AND ROSATO 著作的Injection Molding Handbook”(ISBN :0-412-99381-3) ； (iii) J0HANNABER 著作的‘Injection Molding Systems "3rd Edition (ISBN 3-446-17733-7)和 / 或(iv) BEAUMONT 著作的 “Runner and Gating Design Handbook”(ISBN 1-446-22672-9)。第一个非限定性实施方案根据第一个非限定性实施方案，所述的热流道系统包括(但不限于)热流道元件，其具有(但不限于)(i)材料，以及(ii)与所述的材料结合的碳纳米管(CNT)。所述的材料可以包括(例如但不限于)金属合金和/或陶瓷元件等。“结合”的定义如下放入、 带入或连接在一起从而形成单元；和/或放入或带入到紧密的关联或关系；和/或制作、连接或合并为一；和/或进入或带入到整体中；和/或一起作用或混合在一起；例如CNT可以为(i)在热流道元件的材料中形成；(ii)通过沉积方法加入到热流道元件中；和/或(iii) 涂敷到热流道元件中。第二个非限定性实施方案根据第二个非限定性实施方案，对所述的(第一个实施方案的)热流道系统进行改性，使得CNT至少部分分散在所述的材料中。在第二个实施方案的备选方案中，所述的材料包括金属合金，并且CNT分散在所述的金属合金中，使得所述的金属合金和CNT结合从而形成CNT-金属复合材料。金属合金的实例如下所述。在第二个实施方案的另一个备选方案中，所述的材料包括陶瓷材料，并且CNT分散在陶瓷材料中，使得所述的陶瓷材料和CNT 结合从而形成基于CNT的陶瓷复合物。陶瓷材料的实例如下所述。“分散”的定义如下CNT 或多或少、均勻或不均勻地分布或耗散在整个所述的材料中(部分或完全)。应该理解的是，例如可以在所述的材料中填充或包括CNT，从而形成用于热流道元件或者作为热流道元件的一部分中的复合材料，并且以这样的排列，所述的复合材料可以被称为(i)CNT-金属复合物(如果所述的材料包括所述的金属合金)；或者(ii)CNT-陶瓷复合物(如果所述的材料包括陶瓷材料)。第三个非限定性实施方案根据第三个非限定性实施方案，对所述的(第一个实施方案的)热流道系统进行改性，使得CNT至少部分分散在涂层中，并且所述的涂层至少部分包围所述的材料。所述涂层的实例如下所述。在第二个实施方案的备选方案中，CNT至少部分分散在所述的涂层中， 并且该涂层包括金属合金，使得CNT和涂层结合从而形成CNT-金属涂层。在第三个实施方案的另一个备选方案中，CNT至少部分分散在涂层中，该涂层包括陶瓷材料，使得CNT和涂层形成了 CNT-陶瓷涂层。应该理解的是，例如可以在所述的涂层中填充或包括CNT，从而形成用于热流道元件或者作为热流道元件的一部分中的复合材料，并且以这样的排列，所述的复合材料可以被称为(i) CNT-金属涂层(如果所述的涂层包括所述的金属合金)；或者 (ii)CNT-陶瓷涂层(如果所述的涂层包括陶瓷材料)。“分散”的另一个定义如下CNT分布或耗散在施加在所述材料上的涂层中。第四个非限定性实施方案根据第四个非限定性实施方案，对所述的(第一个实施方案的)热流道系统进行改性，使得(i)CNT至少部分分散在所述的材料中；以及(ii)CNT至少部分分散在所述的涂层中，并且所述的涂层至少部分包围所述的材料。第四个实施方案为第二个实施方案与第三个实施方案的结合。然而，“分散”的另一个定义如下(i) CNT或多或少、均勻或不均勻地分布或耗散在整个所述的材料中(部分或完全)；(ii) CNT分布或耗散在施加在所述材料上的涂层中；或(iii)⑴与( )结合。碳纳米管(CNT)CNT与石墨有关。CNT具有以下机械性质⑴高的抗张强度；(ii)高的挠性(能够大幅度地弯曲而不会损坏)；(iii)高弹性(拉伸至极限为大约18% ) ； (iv)高导热性； (ν)低的热膨胀系数；(vi)高的纵横比(长度的尺寸为直径尺寸的大约1000倍)；(vii)高的耐磨性；(viii)疏水性涂层；(ix)低摩擦涂层。石墨的分子结构类似于堆叠的一个原子厚度的薄片的金属网；这种排列提供了碳原子的相互连接的六角形环的平坦网格。在传统石墨中，碳的薄片堆叠在彼此的顶部，从而使它们容易地在彼此之上滑过。这是为什么石墨不坚硬而且感觉像油脂、并且可以用作润滑剂的原因。当石墨薄片被卷成筒并将它们的边缘连接时，它们形成了 CNT。仅仅石墨平面的切线彼此接触，并因此它们的性质更类似于它们的分子性质。CNT可以形成多种直径、长度和官能团含量。所述的CNT可以包括石墨管、 一个原子厚度的单壁纳米管或者大量的同心管(其被称为多壁CNT)。当使用透射电子显微镜观察时，CNT表现为平面，而单壁CNT表现为两个平面；在多壁CNT中，观察到多于两个的平面，并且可以观察到一系列的平行线。由于可以以多种方式卷曲石墨薄片，所以存在不同类型的CNT。存在3种类型的CNT:锯齿形、扶手椅和手性的。可以仅根据穿过所述管的直径而得到的团并分析它们横截面的结构来识别锯齿形、扶手椅和手性的CNT。当CNT穿过粒子边界时，CNT在相邻粒子与远距离粒子之间起到锚的作用，并且所得的结果为比传统使用的材料更坚硬的热流道元件的结构。此外，由于CNT-金属复合物的导热性高，所以其具有高于它们分散于其中的基础合金的整体导热性。CNT的官能化CNT不溶于很多液体，例如水、聚合物树脂以及所述的溶剂。因此，CNT难以均勻地分散于液体基质中，例如环氧树脂和其他聚合物。官能化为用于制备“官能化的” CNT的工艺(即，官能化的碳纳米管为经加工从而更容易分散于液体等中的CNT)。官能化工艺包括使某些分子或官能团与CNT的光滑侧壁发送物理和/或化学附着，而不会显著地改变与CNT 有关的所需的性质。强大的复合材料的生产需要在填料颗粒与材料基质之间形成足够强的共价化学键，而并非形成更弱的范德华物理键，如果CNT未被合适的官能化，则会形成这种物理键。官能化方法的实例包括(但不限于)CNT的切断、氧化以及“包装”。官能化方法可以在CNT的表面上创建更具有活性的键合位点。CNT-金属复合物或CNT-陶瓷复合物此外，CNT-金属复合物还可以被称为CNT-金属粉末；CNT-金属复合物的实例如下CNT-铜合金、CNT-镍合金、CNT-铝合金、CNT-钢合金(包括不锈钢)等。CNT-金属复合物具有技术优点，例如(i)对于热流道元件(例如但不限于嘴的尖端、歧管)而言，具有更高的传导性和更高的强度；和/或(ii)对于热流道元件(例如但不限于套管、嘴、杆、 尖端、螺丝、阀)而言，具有更高的耐磨性。CNT-金属粉末的实例是由Bioneer(位于南朝鲜)制造的。基于CNT的陶瓷是通过将CNT分散于陶瓷材料中而形成的，例如氧化物(氧化铝、氧化锆等)、非氧化物(碳化物、硼化物、氮化物和硅化物)或复合物(颗粒增强的氧化物和非氧化物复合物)。CNT-金属涂层或CNT-陶瓷涂层CNT-金属涂层为包括金属合金以及CNT的涂层。CNT-陶瓷涂层为包括陶瓷材料以及CNT的涂层。对热流道元件使用CNT-金属涂层和/或CNT陶瓷涂层的技术效果为(但不限于)(i)减少磨损，例如(但不限于)口水、尖端、杆、嘴、口水入口、模具滑块；(ii)改善的树脂流(例如气管通道)；(iii)渗出减少(例如但不限于阀套管)；(iv)改善的疏水性，例如但不限于杆和/或套管；(ν)用于热流道元件的涂层的摩擦低，例如但不限于活塞筒。热流道元件热流道元件的实例可以在以下热流道元件中包括CNT-复合物材料和/或基于CNT 的涂层，其中所述的元件包括但不限于嘴的尖端、嘴的外壳、歧管、由歧管定义的熔体通道、套管、歧管的套管、注入口的套管、阀杆、浇口插入件、螺丝、阀、杆的套管、模具滑块、活
塞筒等。功能分级根据上文所述的多种实施方案中的任何方案以及备选方案，可以通过改变通过热流道元件的CNT的量和/或陶瓷颗粒的量和/或金属合金的量，使得热流道元件的性质通过热流道元件至少部分改变，来对CNT-金属复合物或CNT-陶瓷复合物和/或CNT-金属涂层或CNT-陶瓷涂层功能性分级。例如，CNT和/或材料(金属合金和/或陶瓷材料)和/ 或涂层通过热流道元件被功能性分级。例如，热流道元件可以具有(i)末端部分，其包括与铜合金粉末混合的较高量的CNT，使得可以得到较高的导热性；(ii)由热流道元件定义的内部直径的过道涂敷与CNT结合的陶瓷材料，使得可以改善过道的热绝缘和强度；(iii) 核心，其包括与CNT结合的碳钢合金，使得可以得到改善的强度；以及(iv)仅包括陶瓷材料的其他末端部分，其中所述的陶瓷材料不包括CNT，使得在使用较低成本的同时可以得到改善的绝缘性。非限定性实施方案的描述提供了本发明的非限定性实例，这些非限定性实例并非限定本发明的权利要求的范围。所述的非限定性实施方案在本发明的权利要求的范围内。 上文所述的非限定性实施方案可以为(i)在未脱离本文所述的权利要求书的范围的条件下，对于具体的条件和/或功能可以进行本领域的技术人员所能预期的改变、修改和/或增强；和/或(ii)在未脱离本文所述的权利要求书的范围的条件下，可以进一步扩展至多种其他的应用中。应该理解的是，非限定性实施方案示例说明了本发明的多个方面。就本文所述的非限定性实施方案的详细情况以及描述而言，其无意于限定本发明的权利要求书的范围。上文未描述的其他非限定性实施方案可以在所附的权利要求书的范围内。应该理解的是(i)本发明的范围是由权利要求书来限定的；(ii)权利要求书本身列举了被作为本发明的要点的那些特征；以及(iii)本发明的优选实施方案为从属权利要求的主题。因此， 专利证书所保护的仅由所述的权利要求书的范围来限定。
权利要求
1.一种用于注射成型系统的热流道系统，该热流道系统包括 热流道元件，其包括材料；以及与所述的材料结合的碳纳米管。
2.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于 所述的碳纳米管至少部分分散于所述的材料中。
3.如权利要求2所述的热流道系统，其特征在于 所述的材料包括金属合金；以及所述的碳纳米管分散于所述的金属合金中，使得所述的金属合金与所述的碳纳米管结合，从而形成CNT-金属复合材料。
4.如权利要求2所述的热流道系统，其特征在于 所述的材料包括陶瓷材料；以及所述的碳纳米管分散于所述的陶瓷材料中，使得所述的陶瓷材料与所述的碳纳米管结合，从而形成基于CNT的陶瓷复合物。
5.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管至少部分分散于涂层中，所述的涂层至少部分包围所述的材料。
6.如权利要求5所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管至少部分分散于所述的涂层中，并且所述的涂层包括金属合金，使得所述的碳纳米管和所述的涂层结合从而形成CNT-金属涂层。
7.如权利要求5所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管至少部分分散于所述的涂层中，并且所述的涂层包括陶瓷材料，使得所述的碳纳米管和所述的涂层结合从而形成CNT-陶瓷涂层。
8.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于 所述的碳纳米管至少部分分散于所述的材料中；以及所述的碳纳米管至少部分分散于涂层中，所述的涂层至少部分包围所述的材料。
9.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管通过所述的材料被功能性分级，使得所述的热流道元件的性质通过所述的热流道元件改变。
10.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管通过所述的材料被功能性分级，使得所述的热流道元件的性质通过所述的热流道元件改变；以及所述的材料通过所述的热流道元件被功能性分级，使得所述的热流道元件的另一个性质通过所述的热流道元件改变。
11.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管至少部分分散于涂层中，所述的涂层至少部分包围所述的材料；以及所述的碳纳米管通过所述的涂层被功能性分级，使得所述的热流道元件的性质通过所述的热流道元件改变。
12.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于所述的碳纳米管通过所述的材料被功能性分级，使得所述的热流道元件的性质通过所述的热流道元件改变；所述的材料通过所述的热流道元件被功能性分级，使得所述的热流道元件的另一种性质通过所述的热流道元件改变；所述的碳纳米管至少部分分散于涂层中，所述的涂层至少部分包围所述的材料；以及所述的碳纳米管通过所述的涂层被功能性分级，使得所述的热流道元件的又一种性质通过所述的热流道元件改变。
13.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于 所述的碳纳米管包括功能化的碳纳米管。
14.如权利要求1所述的热流道系统，其特征在于 所述的热流道元件包括以下元件中的任意一种 嘴的尖端；嘴的外壳； 歧管；由歧管限定的熔体通道；套管；歧管的套管； 注入口的套管； 阀杆；浇口插入件； 螺丝； 阀；杆的套管； 模具滑块；以及活塞筒。
15.一种注射成型系统，包括 热流道系统，包括热流道元件，包括 材料；以及与所述的材料结合的碳纳米管。
全文摘要
本发明公开了一种用于注射成型系统的热流道系统，该热流道系统包括热流道元件，材料；以及与所述的材料结合的碳纳米管。该碳纳米管至少部分的分散于该材料内，且该材料包括合金。该碳纳米管被分散于该合金材料中，以使得该金属合金和盖纳米管相结合以形成CNT金属复合材料。
文档编号B29C45/27GK102470586SQ201080027414
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月8日
发明者保罗·布莱斯, 布莱恩·艾瑟尔, 帕特里克·法比恩·盖拉尔德, 爱德华·约瑟夫·金科, 约翰·纳普, 阿贝德斯拉姆·鲍蒂, 马农·丹尼尔·贝泽尔 申请人:赫斯基注塑系统有限公司