專利名稱：材料加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工方法，特別是在加工過(guò)程需要引起材料流動(dòng)的加工方法。其實(shí)例有通過(guò)擠出，模塑等形成制品。
通過(guò)擠出，模塑和類(lèi)似方法生產(chǎn)制品受各種被加工材料的粘度限制。規(guī)定加工溫度的結(jié)果將通常改變材料的粘度，其結(jié)果是將改變材料的固化時(shí)間。例如，如果一定要將材料加熱到較高的溫度以將其模塑，需要等待模具冷卻以固化模塑制品。加工溫度越高，所需冷卻時(shí)間越長(zhǎng)。而且，在任何可行的加工溫度下，一些材料具有過(guò)高的被加工粘度。已知為了使聚合物發(fā)泡，可向聚合物中加入超臨界二氧化碳。還已知超臨界二氧化碳確實(shí)降低了聚合物熔體的粘度，但僅是作為發(fā)泡作用的副作用，而沒(méi)有用作加工材料的部分。
更具體而言，在流動(dòng)過(guò)程中，多數(shù)聚合物和聚合物基材料體系顯示假塑性的流變學(xué)性能，這是非-牛頓學(xué)說(shuō)。在加工過(guò)程中，通過(guò)引進(jìn)剪切和溫度可降低這些體系的粘度。設(shè)計(jì)聚合物和聚合物基材料加工設(shè)備以加熱材料，施加剪切力，和在熱塑性塑料的情況下，隨后的在成形后對(duì)元件的冷卻。在例如注塑加工中，材料被進(jìn)料到加熱的圓筒中，在該圓筒中通常需要50℃的典型最小加工溫度在熔融溫度之上，100℃的典型最小加工溫度在玻璃化轉(zhuǎn)變之上。在熔融塑煉和諸如模具的過(guò)程中引起剪切力，此處由于材料的粘性本質(zhì)，需要壓力高達(dá)50-100MPa。需要較大的夾持力以抵消這些高注射壓力，其結(jié)果是制造了牢固并昂貴地機(jī)器和模具。而且，聚合物熔體地高粘度抑制了它們?cè)诩庸み^(guò)程中的流動(dòng)，降低了擠出加工過(guò)程中的生產(chǎn)量，并使填充復(fù)雜的注塑模具腔復(fù)雜化。盡管升高熔體溫度將降低材料的粘度，但成形后固化材料的冷卻時(shí)間被延長(zhǎng)，因此會(huì)降低生產(chǎn)速率。
很多問(wèn)題，包括非塑化的聚氯乙稀(PVC)，聚碳酸酯(PC)和一些彈性聚合物，例如天然橡膠具有非常高的熔融粘度，在模塑和擠出過(guò)程中由于升高壓力進(jìn)一步惡化了加工問(wèn)題。為了降低粘度和提高流動(dòng)而提高熔融溫度受聚合物的熱穩(wěn)定性限制，特別是在PVC的情況下。一些聚合物，如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，其分子量超過(guò)100萬(wàn)，通常不能用常規(guī)的熔融加工技術(shù)如擠出和注塑進(jìn)行加工。在這些體系中缺乏流動(dòng)性，必須對(duì)材料組成進(jìn)行改進(jìn)或改變加工方式，如在壓力下燒結(jié)，以制造零件。聚四氟乙烯(PTFE)也存在類(lèi)似的限制，因?yàn)樵谶@種材料中存在較強(qiáng)的鏈間力。
由于各種理由，例如提高加工性，功能性或只是降低成本，在聚合物中加入添加劑?？赡芤笠愿咛盍虾堪ǔＴ黾尤廴谡扯鹊奶盍?無(wú)機(jī)或有機(jī)源的)，由此明顯限制了加工性。在陶瓷和金屬粉末與充當(dāng)溶劑的犧牲聚合物粘合劑組合使用以促進(jìn)加工時(shí)，填料的裝載量可超過(guò)60％體積。粘度可能被極大地提高，并在某些情況下流動(dòng)可能被終止，這都是由于材料的膨脹(或剪力增稠)性質(zhì)導(dǎo)致的，因而限制了上面的填料的可能裝載量。
在高能聚合物配方中，在聚合物中含有熱不穩(wěn)定的爆炸性添加劑，以通過(guò)熔融加工成形為最終的部件。但是，對(duì)于制品的功能性所需的高含量將增加材料的粘度，這應(yīng)歸于粘性聚合物熔體中產(chǎn)生的剪切熱效應(yīng)，其可引起局部熱區(qū)和嚴(yán)重的安全隱患。
將超臨界流體(SCF)技術(shù)應(yīng)用于聚合物熔體加工中作為生產(chǎn)微孔泡沫塑料的方式已有報(bào)道，特別是Trexel Inc。通過(guò)其Mucell方法，已成功地將這種方法工業(yè)化，用于發(fā)泡聚烯烴和其它商品塑料。參見(jiàn)US-A-5,334,356；US-A-6,051,174；Lee L.J.和Tzoganakis C.和Park C.B的文章，Extrusion of PE/PS Blends with supercritical capbondioxide，Polym.Eng.Sci.38，1998，1112；英國(guó)專利申請(qǐng)No.0030182.0，；和Hornsby P.R.的文章，Rheology，compounding andprocessing of filled thermoplastics，Adv.in Polym.Sci.139，1999，156-217.Lee和Tzoganakis報(bào)道了在加工過(guò)程中存在超臨界流體可改善聚合物體系如聚苯乙烯和聚乙烯之間的溶混性。還報(bào)道了，引入生產(chǎn)聚合物泡沫體的超臨界二氧化碳(scCO2)具有在熔融加工過(guò)程中降低聚合物粘度的額外益處，可能經(jīng)過(guò)溶劑化或塑化作用。
本發(fā)明尋求提供改善的材料加工方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，此處提供一種加工材料的方法，在加工工藝中需要材料的流動(dòng)，該方法包括提供待加工的材料，向該材料中加入超臨界流體以降低材料的粘度，并在其降低的粘度下進(jìn)行加工。
在較低材料粘度下的加工便于進(jìn)行，而不會(huì)引起或使材料發(fā)泡。如下所述，這可以各種方式實(shí)現(xiàn)，并可以包括例如將材料維持在預(yù)定的壓力之上。
優(yōu)選實(shí)施方案是向材料中加入不足以引起材料發(fā)泡的一定量的超臨界流體?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)確定超臨界流體的精確量或比例。事實(shí)上，以還不足以引起發(fā)泡的超臨界流體的含量，可實(shí)現(xiàn)約25％的粘度降低。
另一個(gè)實(shí)施方案提供了較高含量或比例的超臨界流體，并且該方法包括在加工過(guò)程中防止材料發(fā)泡的步驟，例如通過(guò)控制壓力和/或溫度，以及在加工過(guò)程中或之后從材料中除去流體。按照這個(gè)實(shí)施方案，可以極大地降低粘度，同時(shí)仍能夠避免使材料發(fā)泡，由此得到最終的產(chǎn)品。
本發(fā)明使用超臨界或近超臨界流體技術(shù)用于加工聚合物和含聚合物的配方而不會(huì)引起發(fā)泡，其益處是能降低熔體粘度和/和降低熔體溫度。其應(yīng)用對(duì)難于加工的材料特別有益，包括非增塑PVC，聚碳酸酯，PTFE，UHMWPE和含有高裝載量有機(jī)或無(wú)機(jī)源填料的聚合物。還可以使用這種方法加工剪切和熱敏感性材料，而降解的危險(xiǎn)性較小，因?yàn)樾枰^小的剪切輸出和降低的加工溫度。
另一方面涉及使用超臨界流體技術(shù)來(lái)生產(chǎn)模塑或擠出的發(fā)泡陶瓷和金屬組分。通過(guò)改變加工參數(shù)，可以根據(jù)需要延緩或引發(fā)發(fā)泡。已經(jīng)顯示，這種方法可用于連續(xù)制造多孔陶瓷或金屬組分，涉及在犧牲性聚合物粘合劑中含有的高裝載量陶瓷或金屬，所述聚合物粘合劑在形成階段之后，在陶瓷或金屬制品在高溫被燒結(jié)和壓實(shí)之前除去。已發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于現(xiàn)在用于制造發(fā)泡陶瓷和金屬的備選的間歇技術(shù)而言，這種技術(shù)更容易控制孔結(jié)構(gòu)。
在實(shí)際的實(shí)施方案中，可通過(guò)強(qiáng)制提取(positive extraction)，如抽吸，和/或提供加工系統(tǒng)的多孔部分來(lái)除去超臨界流體，所述多孔部分可保留材料并使超臨界流體流出。
在這種備選方法中，在加工過(guò)程中通過(guò)控制材料和流體組合的壓力，可防止發(fā)泡。
超臨界流體優(yōu)選是二氧化碳?？梢允褂闷渌R界流體，其實(shí)例有水或氮。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，此處提供了一種加工材料的體系，在加工工藝中需要材料的流動(dòng)，該體系包括含有待加工材料的裝置，向材料中加入超臨界流體以減少材料粘度的裝置，和在其降低的粘度下可加工材料的加工裝置。
優(yōu)選實(shí)施方案包括控制裝置，該控制裝置能夠控制加入到材料中的超臨界流體數(shù)量，優(yōu)選該量為不足以引起材料發(fā)泡的量?？蓳褚坏鼗蝾~外地操作該控制裝置來(lái)控制超臨界流體的加入，以提供較高含量或比例的超臨界流體，該體系包括擇其加工過(guò)程中或之后從材料中除去流體的裝置。該除去裝置可提供強(qiáng)制提取，如通過(guò)抽吸和/或包括可保留材料并使超臨界流體流出的多孔部分。
該優(yōu)選實(shí)施方案可提供更快的材料加工方法，因?yàn)樗鼈冋扯容^低和/或在較低溫度下進(jìn)行加工，其可以明顯減少冷卻時(shí)間。而且，其可以加工目前由于其粘度太高而不適合加工的材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，此處提供了一種加工材料的方法，在加工工藝中需要材料的流動(dòng)，該方法包括下列步驟提供一種材料，該材料的粘度高于該工藝所需的粘度；向該材料中加入足夠量的超臨界流體以充分降低用于加工的材料粘度；并在其降低的粘度下加工該材料。
可采用所公開(kāi)的方法加工的聚合物的實(shí)例有LDPE，PS，HDPE，PP，PA，PTFE和UHMWPE. 類(lèi)似地，該技術(shù)可用于加工任何與聚合物粘合體系相容的金屬或陶瓷粉末，并還可加工木粉，木纖維和天然纖維。還可加工那些不支持高剪切性的材料，例如高能材料。
具有太高粘度的材料的實(shí)例是超高分子量聚乙烯(分子量超過(guò)100萬(wàn))，由于太高的熔體粘度一般不能用擠出或注塑裝置加工，通常在壓力下通過(guò)燒結(jié)粉末而加工成制成零件。
下面僅采用實(shí)施例的方式，并參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在附圖中


圖1是體系實(shí)例的示意圖；圖2是在180℃下，在熔融加工低密度聚乙烯的過(guò)程中，表觀粘度相對(duì)于存在的CO2降低的圖表；圖3A-3C是用于在線流變學(xué)測(cè)定的縫模實(shí)例的不同視圖；圖4是用于在線流變學(xué)測(cè)定的加工設(shè)備實(shí)例的示意圖；圖5是用于超臨界和近超臨界流體的加工設(shè)備實(shí)例的示意圖，所述流體有助于注塑；圖6是用于超臨界和近超臨界流體的加工設(shè)備實(shí)例的示意圖，所述流體有助于使用振蕩共混技術(shù)的熔融加工；圖7顯示使用圖6的設(shè)備，通過(guò)振蕩共混技術(shù)生產(chǎn)的構(gòu)件；圖8所示為當(dāng)用二氧化碳加工LDPE/氮化硅時(shí)的流變學(xué)性質(zhì)的圖表；圖9所示為用scCO2在180℃擠出的多孔氮化硅的實(shí)例；圖9b所示為用scCO2在100℃擠出的多孔氮化硅的實(shí)例；圖9c所示為用scCO2在180℃擠出的部分燒結(jié)的氮化硅的實(shí)例；圖10所示為用CO加工的鋁/HDPE測(cè)試棒(生坯狀態(tài))，顯示優(yōu)先的多孔性，其中面積A處于比面積B高的壓力之下；和圖11所示為燒結(jié)的Al2O3測(cè)試棒的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。
采用優(yōu)選實(shí)施方案的體系，在熔融或樹(shù)脂狀態(tài)的聚合物中通過(guò)與超臨界流體交互作用實(shí)現(xiàn)了明顯的增塑作用。
盡管已知采用擠出或注塑生產(chǎn)微孔聚合物泡沫的‘Mucell’方法還涉及計(jì)量進(jìn)入熔體中的超臨界二氧化碳，所述實(shí)施方案涉及應(yīng)用超臨界流體以制造固態(tài)加工的聚合物零件。通過(guò)適當(dāng)控制加工條件和/或使用改進(jìn)的方法可防止發(fā)泡，其中通過(guò)使超臨界流體減壓形成的氣體在形成加工零件之前或之中除去，由此在最終的制造物中不含氣泡。實(shí)現(xiàn)此目的的潛在方式包括在擠塑模頭和注塑模具中插入孔隙來(lái)控制通風(fēng)。也可通過(guò)所述設(shè)備制造發(fā)泡制品，下面給出其一些實(shí)例。
參照?qǐng)D1，該設(shè)備示意性地顯示基本上包括超臨界流體的供源1，所述超臨界流體在這個(gè)實(shí)例中為二氧化碳。注射泵2位于供源1和單螺桿擠出機(jī)3之間，以控制進(jìn)入擠出機(jī)的流體的流速。擠出機(jī)3包括一個(gè)入口，用于引入將被擠出的材料；和測(cè)量體系，其包括計(jì)算機(jī)6，數(shù)據(jù)收集設(shè)備5和縫模4，在這個(gè)實(shí)施方案中，縫模4具有三個(gè)Dynisco壓力傳感器，用于測(cè)量流經(jīng)?？诘木酆衔锏娜廴谡扯?，以獲得圖2所示的數(shù)據(jù)。該體系可控制超臨界流體在將被加工材料和隨后的加工材料中的加入和混合，以防止發(fā)泡。還可以提供流體提取裝置，以使用高濃度的超臨界流體，并且其可以包括這樣的元件，例如流體抽吸體系，壓力體系和/或允許流體(氣態(tài))離開(kāi)、但不允許材料離開(kāi)的多孔膜。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，圖3顯示用于在線流變學(xué)測(cè)定的縫模構(gòu)造的實(shí)例。圖3a所示為縫模的側(cè)視圖，圖3b所示為其正視圖，圖3c為平面視圖。該縫模裝有三個(gè)壓力傳感器20(其可以是Dynisco傳感器)。該縫模具有在實(shí)驗(yàn)時(shí)材料的進(jìn)入點(diǎn)22和離開(kāi)點(diǎn)24。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，該模具不是按比例繪制的，所給的尺寸僅僅是為了說(shuō)明尺寸的。
另一個(gè)加工設(shè)備的實(shí)例示于圖4，其是為在線流變學(xué)測(cè)定設(shè)計(jì)的。在這個(gè)圖中，被測(cè)試的聚合物或材料混合物30被進(jìn)料到體系的料斗32中，然后進(jìn)入到擠出機(jī)34中。流體來(lái)源38被連接到注射泵40上，在注射泵40中流體在控制的溫度下被加壓，然后進(jìn)料到擠出機(jī)的入口42?？p模44提供用于獲得測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)量傳感器，所述測(cè)量數(shù)據(jù)然后被傳給數(shù)據(jù)收集設(shè)備進(jìn)行分析。
參照?qǐng)D5，圖5所示為用于超臨界和近超臨界流體的設(shè)備實(shí)例的示意形式，所述流體有助于注塑。將被模塑的聚合物或材料混合物50被進(jìn)料到設(shè)備的料斗52并進(jìn)入到注塑機(jī)54中。該注塑機(jī)54裝有加熱圓筒56。
流體來(lái)源58被連接到注射泵60上并在控制的溫度下被加壓。被加壓的流體在注射點(diǎn)62進(jìn)料到注塑機(jī)中，該注塑機(jī)裝有模具64，用于將這樣制得的組分成形。
參照?qǐng)D6，圖6所示為使用振蕩共混技術(shù)的、用于超臨界和近超臨界流體的工藝路線實(shí)例，所述流體有助于熔融加工。在這個(gè)實(shí)例中，提供陶瓷和金屬粉末進(jìn)料器70，粘合劑進(jìn)料器72，用于將材料進(jìn)料到雙螺桿擠出機(jī)76的料斗74。來(lái)源78是流體來(lái)源，所述流體在控制的溫度下用注射泵被加壓，然后進(jìn)料到注射點(diǎn)82，進(jìn)入到雙螺桿擠出機(jī)76。材料和流體通過(guò)改進(jìn)的模具頭84，并經(jīng)過(guò)交叉管道進(jìn)料到單螺桿注射單元86。當(dāng)雙螺桿擠出機(jī)76和單螺桿注射單元86實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)淖⑷肓繒r(shí)，停止旋轉(zhuǎn)，并且氮螺桿90向前移動(dòng)，導(dǎo)致材料/流體混合物注射進(jìn)入模具92中。模具92具有合適的內(nèi)腔壓力傳感器94，從這個(gè)傳感器的輸出94被Kistler AQCS和電荷放大器96，98接收。該輸出可被反饋到振蕩共混微處理器控制器100中進(jìn)行閉合環(huán)路加工。
圖7所示為使用振蕩共混技術(shù)及圖6的設(shè)備生產(chǎn)的元件。
主要考慮所述的實(shí)例在它們的熔融或流動(dòng)狀態(tài)與熱塑性塑料和熱固性塑料加工有關(guān)，但還可適用于很多其它材料，這些材料在液體狀態(tài)與超臨界流體相互作用，引起粘度下降。這可以包括食品；軟固體或液體，表面活性劑基配方；或陶瓷混合物和金屬混合物。含有可引起粘度明顯增加的高裝載量添加劑的易加工的聚合物配方，是重要的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，按現(xiàn)狀使用超臨界流體可促進(jìn)聚合物的加工，所述聚合物由于其分子結(jié)構(gòu)具有固有的高熔融粘度(例如，聚四氟乙烯，超高分子量聚乙烯和高分子量橡膠)。
使用填充的聚合物體系的具體范圍包括-熱塑性組合物，其含有高含量的熱敏性無(wú)機(jī)阻燃劑填料，能夠在較低的溫度和壓力下加工，并能結(jié)合增加的填料含量以給出提高的阻燃性能；-聚合物基配方，其含有高含量的高能或活性填料，其中降低的熔融壓力和溫度將使加工過(guò)程中的爆炸危險(xiǎn)性降低；-聚合物基磁體，其中可以實(shí)現(xiàn)高填料含量和改善的磁性；-陶瓷和金屬組合物，其使用犧牲聚合物粘合劑配制，以促進(jìn)在擠出和注塑加工過(guò)程中的流動(dòng)性。低熔融粘度可使組合物配方具有較高的填料含量；降低熱脫粘合時(shí)間和所產(chǎn)生的缺陷級(jí)別；-通過(guò)降低熔融粘度，改善熱塑性和熱固性混合物中增強(qiáng)纖維的浸濕性和浸透性，得到這些復(fù)合物的改善的機(jī)械性能。
在使用中，使用應(yīng)用到單螺桿擠出機(jī)的在線流變儀測(cè)量超臨界二氧化碳在聚合物熔體中的增塑作用。流變儀優(yōu)選只是用于定量表示可實(shí)現(xiàn)的粘度降低水平，在提供最終產(chǎn)品的擠出和模塑加工中不是一定需要的。
通過(guò)使加工條件，氣體劑量率，溫度和壓力最佳化，可實(shí)現(xiàn)明顯的粘度降低，提高加工性能。
對(duì)不同聚合物應(yīng)用和可能應(yīng)用這種作用是可能的，包括在陶瓷加工中使用的高填充的組合物。
當(dāng)很好理解熔融加工過(guò)程中發(fā)生的機(jī)理時(shí)，可以形成新的技術(shù)，如新的反應(yīng)性加工技術(shù)，原位材料循環(huán)，和不同材料的成形，而不論它們是加工敏感性的或是嚴(yán)重填充的組合物。
通過(guò)使加工最佳化，可除去超臨界流體以避免發(fā)泡，由此生產(chǎn)固體元件，這意味著可利用SCF的益處來(lái)熔融加工寬范圍的產(chǎn)品。
設(shè)計(jì)允許在線流變學(xué)測(cè)定的縫模4該縫模含有三個(gè)Dynisco壓力傳感器和熱電偶，它們都連接到Adept Strawberry Tree Data ShuttleExpress 4(Adept Scientific，Letchworth，UK)上。在控制的溫度條件下、使用Isco 260D注射泵4(Isco，Inc.，Nebraska，USA)壓縮液體二氧化碳。使用的壓力分別為5.5MPa(800psi)和8.3MPa(1200psi)。該工藝路線示意性地示于圖1中。使用低密度聚乙烯(Novex，BPChemicals，UK)來(lái)研究加工效果。加工細(xì)節(jié)列于表1中。表1LDPE擠出的加工條件
盡管觀測(cè)到的平均粘度降低低于前面研究者的報(bào)告，該25％的降低值對(duì)聚合物加工公司仍然是相當(dāng)明顯的，因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用可被充分降低。圖2所示為在存在或不存在CO2的條件下，粘度降低與剪切速率的關(guān)系。
當(dāng)在加工過(guò)程中注入0.13重量％的超臨界CO2時(shí)，記錄粘度的降低。在超臨界CO2壓力(0.43重量％)下，也記錄粘度的降低，但該降低顯示不與CO2壓力成比例。當(dāng)在聚合物加工過(guò)程中使用SCF時(shí)通常報(bào)告的發(fā)泡可以被忽略，并發(fā)現(xiàn)其取決于螺桿速度，溫度，CO2劑量率和壓力。
當(dāng)使用極低的CO2劑量率時(shí)，螺桿速度在控制發(fā)泡程度中起著簡(jiǎn)單但明顯的作用。當(dāng)螺桿速度增加時(shí)，CO2和聚合物熔體的分配混合被降低，并影響孔徑大小的規(guī)則性。如果螺桿速度太低，過(guò)量的CO2對(duì)CO2在聚合物熔體中的過(guò)度飽和溶液有貢獻(xiàn)，導(dǎo)致擠出后形成發(fā)泡元件。但是，可以調(diào)節(jié)螺桿速度以得到不發(fā)泡的降低粘度的加工方法。這種調(diào)節(jié)取決于聚合物，加工溫度，氣體劑量率和壓力。
在使用備選的螺桿材料和操作模式下，在較高的氣體速率下，可以降低或消除發(fā)泡。圖9a和9b所示為脫粘合的氮化硅壓出物。通過(guò)改變CO2計(jì)量，CO2壓力，加工溫度和螺桿速度，可以控制孔徑大小。通過(guò)將加工溫度降低約80℃，在模具離開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的孔隙被保留。這是由于加工過(guò)程中材料粘度降低導(dǎo)致的。應(yīng)該注意到，在這些加工條件下有可能制造不借助于超臨界二氧化碳的這種配方。
即使在加工過(guò)程中存在低含量的CO2，也可實(shí)現(xiàn)粘度的降低。已發(fā)現(xiàn)，在加工過(guò)程中，螺桿速度是實(shí)現(xiàn)不發(fā)泡制品的關(guān)鍵因素。由此得到了對(duì)于在聚合物熔融加工中采用SCF作為加工助劑，而不只是發(fā)泡劑的較高的適應(yīng)性。
圖7所示為采用相同的工藝參數(shù)模塑的元件，只是在右手側(cè)的元件是在二氧化碳輔助下進(jìn)行加工的。用CO2加工的元件具有降低的粘度，這改善了熔融聚合物注入模具中的流動(dòng)性，當(dāng)與沒(méi)有CO2輔助下模塑的元件相比時(shí)提高了線性尺寸，該工藝公開(kāi)于此。
該技術(shù)提供穩(wěn)定的尺寸穩(wěn)定性并可以制造接近純凈形狀的元件。目前燒結(jié)時(shí)的平均元件收縮為20％，該生產(chǎn)體系收縮小于7％是可能的。采用常規(guī)的陶瓷和金屬粉末粘合劑體系，這種新的制造較大選擇性的候選陶瓷和金屬粉末技術(shù)可容易地用于包括款范圍陶瓷和金屬粉末的體系。
在擠出機(jī)上加工鋁，氧化鋁和氮化硅。所有粉末與各種粉末狀聚合物和加工助劑共混。圖10所示為生坯狀態(tài)的PE/Al2O3測(cè)試棒，其使用Brunel University(Osciblend)開(kāi)發(fā)的直接混合注塑機(jī)模塑而成。該樣品表明，在加工過(guò)程中增加CO2注入量，可以制造多孔元件。通過(guò)改變加工參數(shù)也可以控制孔隙度。圖10所示樣品的右手末端是發(fā)泡的，因?yàn)閰^(qū)域B處于較低的壓力下。圖11所示為燒結(jié)的Al2O3測(cè)試棒的內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。
因此，該體系也可生產(chǎn)控制的多孔陶瓷。在另一個(gè)實(shí)施例中，在Betol擠出機(jī)上加工在聚乙烯粘合劑(50體積％)中結(jié)合的氮化硅(1μm顆粒尺寸，Goodfellows Ltd.，Cambridgeshire，UK)。該配方首先V-共混45分鐘，然后在200℃于雙螺桿共旋轉(zhuǎn)的Dassett擠出機(jī)(Dassett ProcessEngineering Ltd.，Daventry，U.K.)中混合?；旌虾螅瑢⒉牧显炝?，并在存在或不存在scCO2下在單螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行加工。熔融加工后，選擇樣品，并通過(guò)熱降解緩慢除去聚合物粘合劑。
控制孔隙率的發(fā)泡陶瓷制品是主要的發(fā)展。可以明顯看出在加工過(guò)程中溫度對(duì)材料粘度的影響及由此的孔穩(wěn)定性。通過(guò)明顯降低加工溫度可實(shí)現(xiàn)孔穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種加工材料的方法，在加工工藝中需要材料的流動(dòng)，該方法包括下列步驟提供待加工的材料，向材料中加入超臨界或近超臨界流體以降低材料的粘度，和在其降低的粘度下加工材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在較低的材料粘度下加工的步驟是在不引起或不使材料發(fā)泡的條件下進(jìn)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中在較低粘度下加工的步驟包括將材料保持在預(yù)定的壓力之上。
4.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，包括向材料中加入一定量超臨界流體的步驟，所述一定量的超臨界流體不足以引起材料發(fā)泡。
5.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，包括通過(guò)控制壓力和/或溫度防止材料在加工過(guò)程中發(fā)泡的步驟。
6.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，包括在材料加工過(guò)程中或加工之后從材料中除去流體的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中流體是通過(guò)強(qiáng)制提取除去的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中強(qiáng)制提取是通過(guò)抽吸進(jìn)行的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其中強(qiáng)制提取是通過(guò)提供加工組件的多孔部分進(jìn)行的，所述多孔部分保留材料并使超臨界流體流出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，通過(guò)控制材料和流體組合的壓力來(lái)防止加工過(guò)程中的發(fā)泡。
11.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中超臨界流體是二氧化碳。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)的方法，其中超臨界流體是水。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)的方法，其中超臨界流體是氮。
14.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其中所述工藝是擠出或注塑工藝。
15.一種加工材料的體系，在加工工藝中需要材料的流動(dòng)，該體系包括含有待加工材料的裝置，向材料中加入超臨界或近超臨界流體以減少材料粘度的裝置，和在其降低的粘度下可用于加工材料的加工設(shè)備。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的體系，其中加入超臨界或近超臨界流體的裝置包括超臨界或近超臨界流體的容器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16的體系，包括可控制加入到材料中的超臨界物質(zhì)量的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的體系，其中控制裝置可用于添加一定量的超臨界或近超臨界流體，該量不足以引起發(fā)泡。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中任何一項(xiàng)的體系，包括在材料加工過(guò)程中或加工之后，從材料中除去超臨界或近超臨界流體的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的體系，其中除去裝置包括一個(gè)抽吸設(shè)備。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20的體系，其中除去裝置包括一個(gè)多孔部分，該多孔部分保留材料并允許超臨界流體流出。
22.一種加工材料的方法，在加工工藝中需要材料的流動(dòng)，該方法包括下列步驟提供一種粘度高于該工藝所需粘度的材料，向該材料中加入足夠量的超臨界流體，以充分降低用于加工的材料的粘度，和在其降低的粘度下加工該材料。
23.一種生產(chǎn)模塑或擠出發(fā)泡陶瓷制品或元件的方法，該方法包括下列步驟提供待加工的陶瓷材料，向該材料中加入超臨界或近超臨界流體，以降低材料的粘度，和在其降低的粘度下加工該材料。
24.一種生產(chǎn)模塑或擠出發(fā)泡金屬制品或元件的方法，該方法包括下列步驟提供待加工的金屬材料，向該材料中加入超臨界或近超臨界流體，以降低該材料的粘度，和在其降低的粘度下加工該材料。
全文摘要
本發(fā)明使用超臨界和近超臨界流體技術(shù)來(lái)加工不誘導(dǎo)發(fā)泡的聚合物和含聚合物的配方，其益處是可降低熔融粘度和/或降低熔融溫度。其應(yīng)用特別有益于難加工的材料，包括未增塑的PVC，聚碳酸酯，PTFE，UHMWPE和含有高裝載量無(wú)機(jī)或有機(jī)源填料的聚合物。使用該方法還可以加工剪切和熱敏感性材料，而降解的危險(xiǎn)性較小，因?yàn)樾枰^低的剪切輸入和降低的加工溫度。還公開(kāi)了采用這種方法生產(chǎn)發(fā)泡陶瓷材料和金屬元件。
文檔編號(hào)C04B40/00GK1479671SQ0182042
公開(kāi)日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月11日
發(fā)明者彼得·里茲代爾·霍恩斯比, 彼得 里茲代爾 霍恩斯比, 奧利芙 馬修斯, 西沃恩·奧利芙·馬修斯 申請(qǐng)人:布魯內(nèi)爾大學(xué)