JP2005516357A - Induction heating using dual susceptors - Google Patents
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Abstract
本発明は、(a)少なくとも1種の複数の非導電性サセプタおよび(b)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを含む、材料を加熱するための加熱剤に関する。好ましくは、非導電性サセプタはミクロンサイズのフェリ磁性粒子を含み、導電性粒子は強磁性粒子または真性導電性ポリマー粒子を含む。 The present invention relates to a heating agent for heating a material comprising (a) at least one non-conductive susceptor and (b) at least one conductive susceptor. Preferably, the non-conductive susceptor includes micron-sized ferrimagnetic particles, and the conductive particles include ferromagnetic particles or intrinsically conductive polymer particles.
Description
本発明は、特定組成のサセプタ(susceptor)の組合せを、加熱される材料に混合することによる、材料、例えばポリマー材料の急速加熱法に関する。より詳細には、本発明は、交流磁場のもとで、従来技術で認められた加熱剤(heating agent)の速度よりかなり大きな速度で加熱する加熱剤またはサセプタを提供する。より具体的には、本発明は、300℃/sec(575°F/sec)より大きな平均加熱速度で加熱する加熱剤を提供する。 The present invention relates to a method of rapid heating of a material, for example a polymer material, by mixing a susceptor combination of a specific composition into the material to be heated. More particularly, the present invention provides a heating agent or susceptor that heats under an alternating magnetic field at a rate significantly greater than the rate of heating agents recognized in the prior art. More specifically, the present invention provides a heating agent that heats at an average heating rate greater than 300 ° C / sec (575 ° F / sec).
プラスチック基材の加熱および基材への溶着(welding)に使用する、非常に効果的な加熱剤またはサセプタがあれば望ましい。最大の生産効率のために、例えば、製品の品質を維持したままで、製造時間およびコストを減らすために、大きな加熱速度が望ましく、また時には要求される。大きな加熱速度は、250ないし300ミリ秒で180℃程度の温度に到達しなければならない、液体および食品用のプラスチッククロージャ(closure)の溶着では特に望ましい。このように、製造施設でプラスチック部品をシールし溶着する製造ラインで用いることができる、プラスチック基材の急速加熱および溶融の方法があれば望ましいであろう。 It would be desirable to have a highly effective heating agent or susceptor for use in heating and welding a plastic substrate. For maximum production efficiency, for example, large heating rates are desirable and sometimes required to reduce manufacturing time and costs while maintaining product quality. A large heating rate is particularly desirable for the welding of liquid and food-grade plastic closures, which must reach temperatures on the order of 180 ° C. in 250 to 300 milliseconds. Thus, it would be desirable to have a method for rapid heating and melting of a plastic substrate that can be used in a production line that seals and welds plastic parts at a manufacturing facility.
本発明の誘導加熱法は、1990年11月13日にLeatherman他に交付された米国特許第4,969,968号を含む。この特許は、ヒステリシス損失のために発熱する、サブミクロンの非伝導性酸化第二鉄(Fe2O3)粒子を、主に渦電流損失のために発熱する、ミクロンサイズの伝導性強磁性の鉄含有(ferrous)(例えば、鉄)粒子と共に使用することを記載する。Leathermanでは、それぞれが重量で結合剤のかなりの部数である、サブミクロンサイズの非伝導性粒子(例えば、Fe2O3)とミクロンサイズの伝導性粒子(例えば、鉄)の組合せの使用が求められる。Leathermanの方法は、1.2KHzから7MHz、好ましくは1.8から4.8MHzの範囲で、通常は3.5から4MHzであるRFを用いることが含まれる。Leathermanの混合粒子の重量パーセントは、不活性な樹脂キャリア、例えばポリプロピレンより実質的に大きい。第2の複数の粒子は、第1の複数の粒子のほぼ2倍の重量をなす。Leathermanは、好ましい実施形態において、第2の粒子は実質的に結合層の40重量パーセントをなし、前記第1の粒子は実質的に結合層の25重量パーセントをなすことを教示する。第2の粒子は200メッシュパスより大きく(約75μm)、第1の粒子は1.0μmより小さい。さらに、leathermanは、非常に大きなコイル電流、すなわち600アンペアの使用を教示する。Leathermanは、425°F/secの最大加熱速度を教示する。 The induction heating method of the present invention includes US Pat. No. 4,969,968 issued to Leatherman et al. On November 13, 1990. This patent describes submicron non-conducting ferric oxide (Fe 2 O 3 ) particles that generate heat due to hysteresis loss, and micron-sized conductive ferromagnetic particles that generate heat mainly due to eddy current loss. It is described for use with ferrous (eg, iron) particles. In Leatherman, respectively are significant parts of the binder by weight, sub-micron size of the non-conductive particles (e.g., Fe 2 O 3) and micron sized conductive particles (e.g., iron) required the use of a combination of It is done. Leatherman's method involves using RF in the range of 1.2 KHz to 7 MHz, preferably 1.8 to 4.8 MHz, usually 3.5 to 4 MHz. The weight percentage of Leatherman mixed particles is substantially greater than an inert resin carrier such as polypropylene. The second plurality of particles weighs approximately twice as much as the first plurality of particles. Leatherman teaches that in a preferred embodiment, the second particles comprise substantially 40 weight percent of the tie layer and the first particles comprise substantially 25 weight percent of the tie layer. The second particles are larger than 200 mesh pass (about 75 μm) and the first particles are smaller than 1.0 μm. Furthermore, leatherman teaches the use of a very large coil current, ie 600 amps. Leatherman teaches a maximum heating rate of 425 ° F / sec.
したがって、熱可塑性材料を現在知られている方法より速く加熱できる加熱剤があれば望ましいであろう。さらに、現在知られている方法より経済的で、標準的な市販の装置を用いて急速加熱速度を達成できる急速加熱の方法があれば望ましいであろう。
本発明は、交流磁場のもとで、従来技術で認められている加熱剤の速度よりかなり大きな速度で加熱する加熱剤を提供する。より詳細には、本発明は、300℃/sec(575°F/sec)より大きな平均加熱速度で予想外にも加熱する加熱剤を提供する。 The present invention provides a heating agent that heats under an alternating magnetic field at a rate significantly greater than the rate of heating agents recognized in the prior art. More particularly, the present invention provides a heating agent that unexpectedly heats at an average heating rate greater than 300 ° C / sec (575 ° F / sec).
粒子状加熱剤の加熱効率に関する従来技術の欠点が、加えられた交流磁場のもとで例外的に大きい加熱速度を与え、樹脂マトリックスに組み込まれる、粒子状物質の独特の混合物からなる加熱剤を含む本発明により検討される。 A disadvantage of the prior art regarding the heating efficiency of particulate heating agents is that they provide exceptionally high heating rates under the applied alternating magnetic field and make heating agents consisting of a unique mixture of particulate matter incorporated into the resin matrix. Contemplated by the present invention including.
本発明は、材料、例えば熱可塑性材料を加熱するための、デュアル(dual)サセプタを含む作用剤（作用体）に関する。デュアルサセプタは、(a)複数の非導電性フェリ磁性サセプタの少なくとも1種、および(b)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを含む。好ましくは、非導電性サセプタはミクロンサイズのフェリ磁性粒子(例えば、磁性酸化物)を含む。本発明に有用な非導電性粒子の例には、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子が含まれる。六方晶フェライトの例には、2WがBaO:2MeaO:8Fe2O3であり、2Yが2(BaO:MeaO:3Fe2O3)であり、また2Zが3BaO:2MeaO:12Fe2O3であり、Meaが2価カチオンであるとして、SrF、Mea-2W、Mea-2Y、およびMea-2Zの組成をもつ化合物が含まれる。軟磁性フェライト粒子の例は、MebOを遷移金属酸化物であるとして、1MebO:1Fe2O3の組成をもつ。Meaには、Mg、Co、MnまたはZnが含まれ、Mebには、Ni、Co、Mn、またはZnが含まれる。 The present invention relates to an agent comprising a dual susceptor for heating a material, for example a thermoplastic material. The dual susceptor includes (a) at least one of a plurality of non-conductive ferrimagnetic susceptors, and (b) at least one of a plurality of conductive susceptors. Preferably, the non-conductive susceptor comprises micron sized ferrimagnetic particles (eg, magnetic oxide). Examples of non-conductive particles useful in the present invention include iron oxide, hexagonal ferrite, or soft magnetic ferrite particles. Examples of hexagonal ferrites include 2W BaO: 2Me a O: 8Fe 2 O 3 , 2Y 2 (BaO: Me a O: 3Fe 2 O 3 ), and 2Z 3BaO: 2Me a O: Assuming 12Fe 2 O 3 and Me a being a divalent cation, compounds having compositions of SrF, Me a -2W, Me a -2Y, and Me a -2Z are included. Examples of soft magnetic ferrite particles, as a Me b O is a transition metal oxide, 1Me b O: having the composition 1Fe 2 O 3. Me a includes Mg, Co, Mn, or Zn, and Me b includes Ni, Co, Mn, or Zn.
本発明で用いられる導電性サセプタには、強磁性粒子または真性導電性ポリマー(intrinsically conductive polymer、ICP)が含まれる。本発明で有用な導電性強磁性粒子には、単体の強磁性粒子または強磁性合金が含まれる。強磁性で導電性粒子の例には、ニッケル、鉄、およびコバルト、ならびにこれらまたはこれらの合金の組合せが含まれる。好ましくは、これらの粒子は強磁性である。ICPの例には、これらに限定はされないが、ポリアニリン(PAni)、ポリピロール(PPy)、ポリチオフェン(PTh)、ポリエチレンジオキシチオフェン、およびポリ(p-フェニレンビニレン)が含まれる。粒子は、導電性粒子および/または非導電性粒子のいずれかが、不規則な形状、球状の形状あるいはフレークの形態でありうる。当分野の技術者は望ましい形状を容易に選択できる。好ましい実施形態では、フェリ磁性粒子は、約1.0μmから約50μmの大きさをもち、強磁性粒子は、約5μmから約100μm、より好ましくは約10μmから約50μmの大きさをもつ。 The conductive susceptor used in the present invention includes ferromagnetic particles or intrinsically conductive polymer (ICP). The conductive ferromagnetic particles useful in the present invention include single ferromagnetic particles or ferromagnetic alloys. Examples of ferromagnetic and conductive particles include nickel, iron, and cobalt, and combinations of these or alloys thereof. Preferably, these particles are ferromagnetic. Examples of ICP include, but are not limited to, polyaniline (PAni), polypyrrole (PPy), polythiophene (PTh), polyethylenedioxythiophene, and poly (p-phenylene vinylene). The particles can be either conductive particles and / or non-conductive particles in an irregular shape, spherical shape or flake form. Those skilled in the art can easily select the desired shape. In preferred embodiments, the ferrimagnetic particles have a size from about 1.0 μm to about 50 μm, and the ferromagnetic particles have a size from about 5 μm to about 100 μm, more preferably from about 10 μm to about 50 μm.
非導電性粒子は、加熱剤の約10V/O(20W/O)から約30V/O(58W/O)をなす。導電性粒子は、加熱剤の約5V/Oから約15V/Oをなす。 The non-conductive particles make up about 10 V / O (20 W / O ) to about 30 V / O (58 W / O ) of the heating agent. The conductive particles comprise about 5 V / O to about 15 V / O of the heating agent.
本発明はまた、(a)マトリックス材料および(b)前記材料を加熱する加熱剤を含み、前記加熱剤がデュアルサセプタを含む、溶着剤(welding agent)にも関する。デュアルサセプタは、(1)複数の非導電性フェリ磁性サセプタの少なくとも1種および(2)複数の導電性強磁性サセプタの少なくとも1種を含む。マトリックスについては、熱可塑性材料または材料の組合せから選択することができる。有用なマトリックスの例には、これらに限定はされないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、PVC、ポリアセタール、アクリル(PMMA)、ポリアミド(PA)、ナイロン6、ナイロン66、ポリカーボネート(PC)、ポリサルホン(PSU)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリウレタン(PU)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、またはこれらの組合せが含まれる。デュアルサセプタは前記の通りである。 The invention also relates to a welding agent comprising (a) a matrix material and (b) a heating agent for heating the material, wherein the heating agent comprises a dual susceptor. The dual susceptor includes (1) at least one of a plurality of non-conductive ferrimagnetic susceptors and (2) at least one of a plurality of conductive ferromagnetic susceptors. The matrix can be selected from thermoplastic materials or combinations of materials. Examples of useful matrices include, but are not limited to, polyethylene, polypropylene, polystyrene, PVC, polyacetal, acrylic (PMMA), polyamide (PA), nylon 6, nylon 66, polycarbonate (PC), polysulfone (PSU) , Polyetherimide (PEI), polyetheretherketone (PEEK), polyetherketoneketone (PEKK), polyphenylene sulfide (PPS), polyurethane (PU), polyphenylene oxide (PPO), polytetrafluoroethylene (PTFE), or Combinations of these are included. The dual susceptor is as described above.
本発明はまた、(a)マトリックス材料および(b)前記材料を加熱する加熱剤を含み、前記加熱剤がデュアルサセプタを含む、製造物品(article of manufacture)にも関する。デュアルサセプタは、(1)複数の非導電性フェリ磁性サセプタの少なくとも1種および(2)複数の導電性強磁性サセプタの少なくとも1種を含む。好ましくは、非導電性サセプタにはミクロンサイズのフェリ磁性粒子が含まれ、また導電性サセプタには強磁性粒子またはICP粒子が含まれる。サセプタは、上に記載され、さらに下で記載される。マトリックスは、ポリマーまたはセラミックタイプの材料あるいは材料の組合せから選択されうる。ポリマー材料の例には、例えば、プラスチック、エラストマー、接着剤、コーティング剤およびゴムのような天然ポリマーが含まれる。有用なマトリックス材料のいくつかの例には、これらに限定はされないが、ポリエチレン、ポリプロプレン、ポリスチレン、PVC、ポリアセタール、アクリル(PMMA)、ポリアミド(PA)、ナイロン6、ナイロン66、ポリカーボネート(PC)、ポリサルホン(PSU)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリフィニレンスルフィド(PPS)、ポリウレタン(PU)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、またはこれらの組合せが含まれる。粒子を、望みの用途の必要に応じて、マトリックス材料の表面に配置するか、もしくは別法として、マトリックス材料に埋め込むこともできる。当分野の技術者は、どこに粒子を配置すべきか容易に決めることができる。 The invention also relates to an article of manufacture comprising (a) a matrix material and (b) a heating agent for heating the material, wherein the heating agent comprises a dual susceptor. The dual susceptor includes (1) at least one of a plurality of non-conductive ferrimagnetic susceptors and (2) at least one of a plurality of conductive ferromagnetic susceptors. Preferably, the non-conductive susceptor includes micron-sized ferrimagnetic particles, and the conductive susceptor includes ferromagnetic particles or ICP particles. The susceptor is described above and further below. The matrix can be selected from polymer or ceramic type materials or combinations of materials. Examples of polymeric materials include natural polymers such as plastics, elastomers, adhesives, coatings and rubbers. Some examples of useful matrix materials include, but are not limited to, polyethylene, polypropylene, polystyrene, PVC, polyacetal, acrylic (PMMA), polyamide (PA), nylon 6, nylon 66, polycarbonate (PC) , Polysulfone (PSU), Polyetherimide (PEI), Polyetheretherketone (PEEK), Polyetherketoneketone (PEKK), Polyfinylene sulfide (PPS), Polyurethane (PU), Polyphenylene oxide (PPO), Polytetra Fluoroethylene (PTFE) or combinations thereof are included. The particles can be placed on the surface of the matrix material or alternatively embedded in the matrix material as required for the desired application. One skilled in the art can easily determine where the particles should be placed.
本発明はまた、(a)少なくとも1種の複数の非導電性サセプタを供用すること、(b)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを供用することを含み、非導電性サセプタが材料内で特定のキュリー温度(TC)をもち、(c)材料に交流磁場を加えることを含み、(a)のサセプタがヒステリシス損失により発熱し、(b)のサセプタが渦電流の流れにより発熱する材料の加熱方法にも関する。 The present invention also includes (a) providing at least one plurality of non-conductive susceptors, and (b) providing at least one plurality of conductive susceptors, wherein the non-conductive susceptor is within the material. A material that has a specific Curie temperature (T C ), includes (c) applying an alternating magnetic field to the material, (a) susceptor generates heat due to hysteresis loss, and (b) susceptor generates heat due to eddy current flow It also relates to the heating method.
本発明はさらに、(a)材料を加熱するための加熱剤を供用することを含み、第1の熱可塑性材料内で加熱剤が(1)複数の非導電性フェリ磁性サセプタの少なくとも1種および(2)複数の導電性強磁性サセプタの少なくとも1種を含み、非導電性強磁性サセプタが第1の熱可塑性材料内で特定のキュリー温度(TC)をもち、(b)第1の熱可塑性材料に交流磁場を加えてサセプタを加熱すること、ならびに(c)サセプタが望みの温度に到達したら交流磁場の印加を止めることを含む熱可塑性材料の急速加熱方法に関する。 The present invention further includes (a) providing a heating agent for heating the material, wherein the heating agent is (1) at least one of a plurality of non-conductive ferrimagnetic susceptors in the first thermoplastic material and (2) includes at least one of a plurality of conductive ferromagnetic susceptors, the non-conductive ferromagnetic susceptor has a specific Curie temperature (T C ) in the first thermoplastic material, and (b) the first heat The present invention relates to a rapid heating method for a thermoplastic material, which includes applying an alternating magnetic field to the plastic material to heat the susceptor, and (c) stopping the application of the alternating magnetic field when the susceptor reaches a desired temperature.
本発明の方法では、印加は、約2MHzから約30MHzで交流磁場を加えることを含み、好ましい場合には、交流磁場は約10ないし約15MHZで印加される。 In the method of the present invention, the application includes applying an alternating magnetic field at about 2 MHz to about 30 MHz, and in preferred cases the alternating magnetic field is applied at about 10 to about 15 MHz.
好ましい方法において、本方法はさらに、交流磁場を加える前に、第2の熱可塑性材料を第1の熱可塑性材料と接触させて供用するステップを含む。さらに別の実施形態では、本方法はさらに、最初に未硬化または部分硬化された熱硬化性材料の上に第1の熱可塑性材料を置くこと、および熱硬化性材料を硬化させながら熱可塑性材料と熱硬化性材料を接合することを含む。本方法はまた、最初に熱硬化性材料の上に第1の熱可塑性材料を並置する(juxtapose)こと、熱硬化性材料を硬化させながら熱可塑性材料を熱硬化性材料に接合すること、および接合されたアセンブリを第2の材料と並置することもまた含むことができる。好ましくは、第2の材料は第2の熱可塑性材料をもつ第2の熱硬化性材料であり、接合は、熱硬化性材料を硬化させながら第1と第2の熱可塑性材料を流動させ接合することを含む。別の方法では、第2の材料は第2の熱可塑性材料である。この第2の材料は、第1の熱可塑性材料と同じ化学組成、もしくは異なる化学組成をもちうる。第2の熱可塑性材料は、それに埋め込まれたサセプタをもちうる。このような実施形態では、第1および第2の熱可塑性材料の隣接する表面にサセプタを埋め込むことができる。第1または第2の熱可塑性材料の表面にサセプタを埋め込むこともできる。 In a preferred method, the method further comprises providing a second thermoplastic material in contact with the first thermoplastic material prior to applying the alternating magnetic field. In yet another embodiment, the method further includes placing the first thermoplastic material on an initially uncured or partially cured thermoset material, and curing the thermoset material while the thermoplastic material is cured. And joining the thermosetting material. The method also first juxtaposes a first thermoplastic material over the thermosetting material, bonds the thermoplastic material to the thermosetting material while curing the thermosetting material, and It can also include juxtaposing the joined assembly with the second material. Preferably, the second material is a second thermosetting material having a second thermoplastic material, and joining is performed by flowing the first and second thermoplastic materials while curing the thermosetting material. Including doing. In another method, the second material is a second thermoplastic material. This second material may have the same chemical composition as the first thermoplastic material or a different chemical composition. The second thermoplastic material can have a susceptor embedded in it. In such embodiments, susceptors can be embedded in adjacent surfaces of the first and second thermoplastic materials. A susceptor can also be embedded in the surface of the first or second thermoplastic material.
好ましい方法では、非導電性サセプタのTCは熱可塑性材料の溶融温度より高く、磁場は、サセプタが熱可塑性材料を溶融させるように加えられる。別の実施形態では、サセプタのTCは熱可塑性材料の溶融温度より低い。 In a preferred method, T C of the non-conductive susceptor is higher than the melting temperature of the thermoplastic material, the magnetic field, the susceptor is applied so as to melt the thermoplastic material. In another embodiment, T C of the susceptor is lower than the melting temperature of the thermoplastic material.
本発明の特定の方法と物品では、粒子のキュリー温度を調節するために、フェリ磁性粒子の亜鉛の量を変えることができる。 In certain methods and articles of the invention, the amount of zinc in the ferrimagnetic particles can be varied to adjust the Curie temperature of the particles.
好ましい方法において、本方法はさらに、交流磁場を加える前に、第2の熱可塑性材料を第1の熱可塑性材料と接触させて供用するステップを含む。さらに別の実施形態では、本方法はさらに、最初に未硬化または部分硬化された熱硬化性材料の上に第1の熱可塑性材料を置くこと、および熱硬化性材料を硬化させながら熱可塑性材料と熱硬化性材料を接合することを含む。本方法はまた、最初に熱硬化性材料の上に第1の熱可塑性材料を並置する(juxtapose)こと、熱硬化性材料を硬化させながら熱可塑性材料を熱硬化性材料に接合すること、および接合されたアセンブリを第2の材料と並置することもまた含むことができる。好ましくは、第2の材料は第2の熱可塑性材料をもつ第2の熱硬化性材料であり、接合は、熱硬化性材料を硬化させながら第1と第2の熱可塑性材料を流動させ接合することを含む。別の方法では、第2の材料は第2の熱可塑性材料である。この第2の材料は、第1の熱可塑性材料と同じ化学組成、もしくは異なる化学組成をもちうる。第2の熱可塑性材料は、それに埋め込まれたサセプタをもちうる。このような実施形態では、第1および第2の熱可塑性材料の隣接する表面にサセプタを埋め込むことができる。第1または第2の熱可塑性材料の表面にサセプタを埋め込むこともできる。 In a preferred method, the method further comprises providing a second thermoplastic material in contact with the first thermoplastic material prior to applying the alternating magnetic field. In yet another embodiment, the method further includes placing the first thermoplastic material on an initially uncured or partially cured thermoset material, and curing the thermoset material while the thermoplastic material is cured. And joining the thermosetting material. The method also first juxtaposes a first thermoplastic material over the thermosetting material, bonds the thermoplastic material to the thermosetting material while curing the thermosetting material, and It can also include juxtaposing the joined assembly with the second material. Preferably, the second material is a second thermosetting material having a second thermoplastic material, and joining is performed by flowing the first and second thermoplastic materials while curing the thermosetting material. Including doing. In another method, the second material is a second thermoplastic material. This second material may have the same chemical composition as the first thermoplastic material or a different chemical composition. The second thermoplastic material can have a susceptor embedded in it. In such embodiments, susceptors can be embedded in adjacent surfaces of the first and second thermoplastic materials. A susceptor can also be embedded in the surface of the first or second thermoplastic material.
好ましい方法では、サセプタのTCは熱可塑性材料の溶融温度より大きく、磁場は、サセプタが第1の熱可塑性材料を溶融させるように加えられる。 In a preferred method, T C of the susceptor is greater than the melting temperature of the thermoplastic material, the magnetic field, the susceptor is applied so as to melt the first thermoplastic material.
本発明はまた、成形されたマトリックスを有しリム(rim)を有する第1の要素;第1の要素のリムに接合するための環状部分を有する第2の要素;第1の要素と第2の要素を互いに接合するために交流磁場を印加するときにリムまたは環状部分を所定の温度まで加熱するために、第1の要素のリムまたは第2の要素の環状部分に配置された、少なくとも1種の複数の非導電性サセプタおよび少なくとも1種の複数の導電性サセプタ;を含むシール可能な構成体(apparatus)にも関する。特定の実施形態では、サセプタはリムと環状部分の双方に配置される。 The present invention also includes a first element having a molded matrix and having a rim; a second element having an annular portion for joining to the rim of the first element; the first element and the second At least one disposed on the rim of the first element or the annular part of the second element to heat the rim or annular part to a predetermined temperature when applying an alternating magnetic field to join the elements of A sealable apparatus comprising a plurality of non-conductive susceptors of a species and a plurality of conductive susceptors of at least one species. In certain embodiments, the susceptor is located on both the rim and the annular portion.
シール可能な構成体で用いられるマトリックスは、好ましくは、少なくとも1種の熱可塑性材料を含み、熱可塑性材料または材料の組合せからそれを選択することができる。有用な材料の例には、これらに限定はされないが、ポリエチレン、ポリプロプレン、ポリスチレン、PVC、ポリアセタール、アクリル(PMMA)、ポリアミド(PA)、ナイロン6、ナイロン66、ポリカーボネート(PC)、ポリサルホン(PSU)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリウレタン(PU)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、またはこれらの組合せが含まれる。望みの用途の必要に応じて、粒子を、マトリックス材料の表面に配置するか、もしくは別法として、マトリックス材料に埋め込むことができる。当分野の技術者は、どこに粒子を配置すべきか容易に決めることができる。 The matrix used in the sealable structure preferably comprises at least one thermoplastic material, which can be selected from thermoplastic materials or combinations of materials. Examples of useful materials include, but are not limited to, polyethylene, polypropylene, polystyrene, PVC, polyacetal, acrylic (PMMA), polyamide (PA), nylon 6, nylon 66, polycarbonate (PC), polysulfone (PSU) ), Polyether imide (PEI), polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone ketone (PEKK), polyphenylene sulfide (PPS), polyurethane (PU), polyphenylene oxide (PPO), polytetrafluoroethylene (PTFE), Or a combination of these is included. Depending on the needs of the desired application, the particles can be placed on the surface of the matrix material or alternatively embedded in the matrix material. One skilled in the art can easily determine where the particles should be placed.
本発明は、交流磁場のもとで、従来技術で認められている加熱剤の速度より驚くほど速い速度で加熱するサセプタの組合せを含む加熱剤を提供する。本発明の加熱剤は、300℃/sec(575°F/sec)より大きな平均加熱速度で加熱する。 The present invention provides a heating agent comprising a susceptor combination that heats under an alternating magnetic field at a rate that is surprisingly faster than the rate of heating agents recognized in the prior art. The heating agent of the present invention is heated at an average heating rate greater than 300 ° C / sec (575 ° F / sec).
本発明は、発熱のために少なくとも2種のサセプタの組合せと高周波交流磁場を用い、その熱はプラスチック材料を接合し溶着するために用いられる。例えば、本発明の溶着剤は、プラスチック、例えば熱可塑性マトリックスに埋め込まれた複数種のサセプタを含む。 The present invention uses a combination of at least two susceptors and a high frequency alternating magnetic field for heat generation, and the heat is used to join and weld plastic materials. For example, the welding agent of the present invention includes a plurality of susceptors embedded in a plastic, eg, a thermoplastic matrix.
強磁性材料の強磁性と非伝導性強磁性材料のフェリ磁性のいずれも、キュリー温度で、熱振動が交換相互作用による配向に打ち勝ち、原子粒子のグルーピングが無秩序になるので消滅する。非導電性フェリ磁性材料が電磁場内に置かれると、材料のヒシテリシス損失により温度が上昇し、最終的にそのキュリー温度に達する。それがキュリー温度に到達すると、材料の結晶構造に寸法変化が起こり、磁気モーメントの可逆減少(reversible loss)が発生する。磁気モーメントが失われると、フェリ磁性の性質は無くなり、さらに加熱されることはない。理論に拘束されようとは思わないが、本発明の方法と組成物に見られる急速加熱現象は、非導電性サセプタと第2の導電性サセプタの組合せによると考えられる。第2のタイプのサセプタの添加が、非導電性サセプタに磁場を集中させる助けとなり、温度が急速に上昇し続けることができる。 Both the ferromagnetism of the ferromagnetic material and the ferrimagnetism of the nonconductive ferromagnetic material disappear at the Curie temperature because the thermal vibration overcomes the orientation due to the exchange interaction and the grouping of atomic particles becomes disordered. When a non-conductive ferrimagnetic material is placed in an electromagnetic field, the temperature rises due to the material's hysteresis loss and eventually reaches its Curie temperature. When it reaches the Curie temperature, a dimensional change occurs in the crystal structure of the material, resulting in a reversible loss of magnetic moment. If the magnetic moment is lost, the ferrimagnetic properties disappear and no further heating occurs. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the rapid heating phenomenon seen in the methods and compositions of the present invention is due to the combination of a non-conductive susceptor and a second conductive susceptor. The addition of the second type of susceptor helps to concentrate the magnetic field on the non-conductive susceptor and the temperature can continue to rise rapidly.
以下は、このプロセスの重要なパラメータである。
1)フェリ磁性ヒステリシスループの大きさと形:フェリ磁性ヒステリシスループの大きさと形は、サセプタの選択により調節される。例えば、硬磁性フェライトは、軟磁性フェライトより大きなヒステリシスループを示す。ヒステリシスループが大きい程、サイクル当たりに発生しうる熱は多い。より大きなヒステリシスループを利用するためには、加えられる交流磁場の強度は、サイクル毎にループが完全に辿られる(例えば、サセプタが磁気飽和に達する)ように十分大きくなければならない。
2)サセプタの使用量:用いられるサセプタの量は、意図される用途に合わせて調節され最適化される。熱可塑性溶着材料の場合には、サセプタ相の体積分率と溶着材料の厚さが、熱可塑性ポリマー内での到達温度と加熱速度に直接的な役割を演ずる。
3)交流加熱方式:本発明は、熱を付加するために交流加熱方式の効果を利用する。
4)粒子の大きさ:粒子の大きさは意図される用途に合わせて調節され最適化される。粒子の大きさは、熱可塑性溶着材料への熱伝達に影響する。
5)粒子形状:粒子形状は意図される用途に対して調節され最適化される。特定の形状は誘導場に特異な応答を、従ってまた用途に対して最適化された加熱を示しうる。
The following are important parameters of this process.
1) Size and shape of the ferrimagnetic hysteresis loop: The size and shape of the ferrimagnetic hysteresis loop is adjusted by the choice of the susceptor. For example, hard magnetic ferrite exhibits a larger hysteresis loop than soft magnetic ferrite. The larger the hysteresis loop, the more heat that can be generated per cycle. In order to utilize a larger hysteresis loop, the strength of the applied alternating magnetic field must be large enough so that the loop is completely followed every cycle (eg, the susceptor reaches magnetic saturation).
2) Amount of susceptor used: The amount of susceptor used is adjusted and optimized for the intended application. In the case of thermoplastic weld materials, the volume fraction of the susceptor phase and the thickness of the weld material play a direct role in the ultimate temperature and heating rate within the thermoplastic polymer.
3) AC heating method: The present invention uses the effect of the AC heating method to add heat.
4) Particle size: Particle size is adjusted and optimized for the intended use. The size of the particles affects the heat transfer to the thermoplastic weld material.
5) Particle shape: Particle shape is adjusted and optimized for the intended application. Certain shapes may exhibit a response that is specific to the induction field, and thus also heating optimized for the application.
本明細書に記載されたこれらのパラメータを操作することにより、本発明者等は、加熱速度を大幅に上げることができることを見出した。 By manipulating these parameters described herein, the inventors have found that the heating rate can be significantly increased.
本明細書では、用語「サセプタ」は、磁場と相互作用して応答、例えば渦電流および/またはヒステリシス損失を生じる材料を表す。本発明の方法および構成体は、ポリマーマトリックスを加熱するのに用いることができるデュアル「サセプタ」の使用に基づいている。サセプタについては下でさらに記載される。 As used herein, the term “susceptor” refers to a material that interacts with a magnetic field to produce a response, eg, eddy currents and / or hysteresis losses. The methods and constructs of the present invention are based on the use of dual “susceptors” that can be used to heat the polymer matrix. Susceptors are further described below.
図1に示されるように、非導電性サセプタ、例えばミクロンサイズのフェリ磁性粒子2と導電性サセプタ、例えばミクロンサイズの強磁性粒子またはICP粒子3が熱可塑性ホストマトリックス1に分散している。例えば、物品が2個の熱可塑性材料を互いに接合するのに用いられるテープである場合、加熱される物品の全体にサセプタを分散させることができる。あるいは、別法として、他の物品または物品の部分に溶着または接合される物品の部分、例えばリムまたは環状部分を、そこにサセプタを埋め込んで製造することができる。当分野の技術者は、加熱速度および物品のシールもしくは溶着を最高にするために、サセプタをどこに配置すべきかを容易に決めることができる。
As shown in FIG. 1, non-conductive susceptors, such as micron-sized
融合中の熱可塑性材料接合部分の選択的加熱は、サセプタ材料、例えば、接合界面に配置された粒子2および3の誘導加熱により実現される。この技術は、生産速度を速くするために、複合構造の急速加熱が必要とされる生産ラインでの製造に馴染み易い。それはまた、例えば、複合構造体の素早い現地修理にも有用であろうし、現在知られている修理の方法より初期製作コストにおいて有利である。
Selective heating of the thermoplastic material joint during fusion is accomplished by induction heating of the susceptor material, eg,
サセプタ
本発明は、デュアルサセプタを含む、熱可塑性材料を加熱するための加熱剤に関する。サセプタは、(a)少なくとも1種の複数の非導電性サセプタおよび(b)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを含む。本発明の方法および組成は、磁気誘導加熱が、磁性または導電性材料で、それらに交流磁場を加えた時に起こるという事実を利用する。本発明は、本明細書に記載されているサセプタの組合せで起こる加熱を特に利用する。電流が流れている物体、またはコイルが本発明のサセプタの近くに置かれる時、コイルの電流により生じる磁場が、サセプタに電流を誘導する。本発明の導電性の磁性サセプタでは、渦電流およびヒステリシス損失の両方により発熱する。優勢であるのは渦電流損失である。非導電性の磁性材料では、ヒステリシス損失により発熱する。この後者の場合には、加熱に利用できるエネルギー量は、フラックスvs.場の強度のヒステリシス曲線(B vs.H)の面積と交流場の周波数に比例する。温度が材料のキュリー点(TC)より低く保たれている限り、このメカニズムは存在する。キュリー点で、元々は磁性のあった材料が非強磁性になる。こうして、そのTCで磁性材料による加熱は終わる。したがって、すでに記載されたように、本明細書に記載されている伝導および非伝導サセプタの組合せが、例えば300℃/secより大きな、急速な加熱速度を生じることが、驚きをもって見出された。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heating agent for heating a thermoplastic material including a dual susceptor. The susceptor includes (a) at least one plurality of non-conductive susceptors and (b) at least one plurality of conductive susceptors. The methods and compositions of the present invention take advantage of the fact that magnetic induction heating occurs when magnetic or conductive materials are applied to them with an alternating magnetic field. The present invention specifically utilizes the heating that occurs with the susceptor combinations described herein. When a current-carrying object or coil is placed near the susceptor of the present invention, the magnetic field generated by the coil current induces a current in the susceptor. The conductive magnetic susceptor of the present invention generates heat due to both eddy current and hysteresis loss. It is eddy current loss that predominates. Non-conductive magnetic materials generate heat due to hysteresis loss. In this latter case, the amount of energy available for heating is proportional to the area of the flux vs. field strength hysteresis curve (B vs. H) and the frequency of the alternating field. This mechanism exists as long as the temperature is kept below the Curie point (T C ) of the material. At the Curie point, the originally magnetic material becomes non-ferromagnetic. Thus, the heating by the magnetic material is completed at the T C. Thus, as already described, it has been surprisingly found that the combination of conductive and non-conductive susceptors described herein results in a rapid heating rate, for example greater than 300 ° C./sec.
本発明の方法は、利用者が、望みの用途に基づいてサセプタの適当な組合せを選択することにより、大きな加熱速度を実現することを可能にする。例えば、当分野の技術者はサセプタの比率を調節することにより加熱速度を調節することができる。 The method of the present invention allows a user to achieve a large heating rate by selecting an appropriate combination of susceptors based on the desired application. For example, one skilled in the art can adjust the heating rate by adjusting the ratio of susceptors.
デュアルサセプタは非導電性サセプタと導電性サセプタを含む。非導電性サセプタは、好ましくは、ミクロンサイズのフェリ磁性粒子である。本発明で有用な非導電性粒子の例には、これらに限定はされないが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子が含まれる。六方晶フェライトの例には、2WがBaO:2MeaO:8Fe2O3であり、2Yが2(BaO:MeaO:3Fe2O3)であり、また2Zが3BaO:2MeaO:12Fe2O3であり、Meaが2価カチオンであるとして、SrF、Mea-2W、Mea-2Y、およびMea-2Zの組成をもつ化合物が含まれる。軟磁性フェライト粒子の例は、MebOを遷移金属酸化物であるとして、1MebO:1Fe2O3の組成をもつ。Meaには、Mg、Co、MnまたはZnが含まれ、Mebには、Ni、Co、Mn、またはZnが含まれる。好ましい実施形態では、非導電性粒子、例えばフェリ磁性粒子は、約1.0μmから約50μmの大きさである。非導電性粒子は、組成物の約10V/O(20W/O)から約30V/O(58W/O)をなす。 The dual susceptor includes a non-conductive susceptor and a conductive susceptor. The non-conductive susceptor is preferably a micron-sized ferrimagnetic particle. Examples of non-conductive particles useful in the present invention include, but are not limited to, iron oxide, hexagonal ferrite, or soft magnetic ferrite particles. Examples of hexagonal ferrites include 2W BaO: 2Me a O: 8Fe 2 O 3 , 2Y 2 (BaO: Me a O: 3Fe 2 O 3 ), and 2Z 3BaO: 2Me a O: Assuming 12Fe 2 O 3 and Me a being a divalent cation, compounds having compositions of SrF, Me a -2W, Me a -2Y, and Me a -2Z are included. Examples of soft magnetic ferrite particles, as a Me b O is a transition metal oxide, 1Me b O: having the composition 1Fe 2 O 3. Me a includes Mg, Co, Mn, or Zn, and Me b includes Ni, Co, Mn, or Zn. In preferred embodiments, the non-conductive particles, such as ferrimagnetic particles, are about 1.0 μm to about 50 μm in size. Non-conductive particles make up from about 10 V / O (20 W / O ) to about 30 V / O (58 W / O ) of the composition.
有用な六方晶フェライトの例には、これらに限定はされないが、表1に示されているものが含まれる。 Examples of useful hexagonal ferrites include, but are not limited to, those shown in Table 1.
L.L.HenchおよびJ.K.West:「Principles of Electronic Ceramics(電子セラミックの原理)」(John Wiley & Sons、1990年)、321-325頁を参照。強磁性六方晶フェライトはまた、六方晶フェリ磁性酸化物としても知られている。好ましいフェリ磁性六方晶フェライトの例には、SrF、Co-2YおよびMg-2Yが含まれる。広範な熱可塑性および熱硬化性複合材の接合および他の加工でサセプタが効果的であるために、キュリー温度に範囲のあることが好ましい。 See L. L. Hench and J. K. West: "Principles of Electronic Ceramics" (John Wiley & Sons, 1990), pages 321-225. Ferromagnetic hexagonal ferrites are also known as hexagonal ferrimagnetic oxides. Examples of preferred ferrimagnetic hexagonal ferrites include SrF, Co-2Y and Mg-2Y. A range of Curie temperatures is preferred because the susceptor is effective in the joining and other processing of a wide range of thermoplastic and thermoset composites.
本発明で有用な導電性サセプタには、強磁性粒子とICP粒子が含まれる。導電性強磁性粒子は、単体の強磁性粒子または強磁性合金でありうる。導電性粒子の例には、ニッケル、鉄、およびコバルトならびにこれらのまたこれらの合金の組合せが含まれる。好ましい強磁性粒子の大きさは、約5μmから約100μm、より好ましくは約10μmから約50μmである。 Conductive susceptors useful in the present invention include ferromagnetic particles and ICP particles. The conductive ferromagnetic particles can be a single ferromagnetic particle or a ferromagnetic alloy. Examples of conductive particles include nickel, iron, and cobalt and combinations of these and their alloys. Preferred ferromagnetic particle sizes are from about 5 μm to about 100 μm, more preferably from about 10 μm to about 50 μm.
ICPは電流を伝えるが、同時に通常のポリマーに共通して付随する典型的な他の性質は保持する有機ポリマーである。ICPは、非導電性ポリマーと金属またはカーボン粉末などの導電性材料との単なる物理的混合物である、所謂「導電性ポリマー(conducting polymer)」とは異なる。フェリ磁性粒子のヒステリシス損失による発熱に加えて、導電性ポリマー内の渦電流損失がさらなる加熱に寄与して、加熱剤の加熱速度を増大させる。ICPは約200℃を超える温度で導電性を失う傾向があるので、ICPを用いる加熱剤は、好ましくは、プロセスの最高溶着温度が200℃を超えない用途で用いられる。ICPの例には、これらに限定はされないが、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン、およびポリ(p-フェニレンビニレン)が含まれる。 ICP is an organic polymer that conducts current, but at the same time retains other typical properties commonly associated with ordinary polymers. ICP is different from so-called “conducting polymers”, which are simply physical mixtures of non-conductive polymers and conductive materials such as metals or carbon powders. In addition to heat generation due to hysteresis loss of ferrimagnetic particles, eddy current loss in the conductive polymer contributes to further heating and increases the heating rate of the heating agent. Since ICP tends to lose conductivity at temperatures above about 200 ° C, heating agents using ICP are preferably used in applications where the maximum deposition temperature of the process does not exceed 200 ° C. Examples of ICP include, but are not limited to, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyethylenedioxythiophene, and poly (p-phenylene vinylene).
導電性粒子は、好ましくは約5μmから約100μm、より好ましくは約10μmから約50μmの大きさであり、組成物の約5V/Oから約15V/Oをなす。 The conductive particles are preferably about 5 μm to about 100 μm in size, more preferably about 10 μm to about 50 μm in size and comprise about 5 V / O to about 15 V / O of the composition.
本発明の特定の実施形態では、フェリ磁性粒子のキュリー温度は、Zn/Mg-2YおよびZn/Co-2Yのような粒子の亜鉛の比率を変えることに応じて変化する。例えば、ストロンチウムフェライト(SrF)、Mg-2Y、およびCo-2Yの2価イオンをZn++で部分置換することにより、TCを下げることができる。Mg++およびCo++を格子の「a」サイトでZn++で置換すると、a-b相互作用の強さが低下し、TCが下がる。好ましくは、それが六方晶構造と硬磁性特性を保ったままで、そのTCを十分に下げるために、十分な亜鉛が硬磁性六方晶フェライトに添加される。当分野の技術者は添加すべき亜鉛の量ならびにそれを添加する方法を容易に決めることができる。 In certain embodiments of the invention, the Curie temperature of the ferrimagnetic particles changes in response to changing the zinc ratio of the particles such as Zn / Mg-2Y and Zn / Co-2Y. For example, strontium ferrite (SrF), Mg-2Y, and the divalent ions of Co-2Y by partial substitution with Zn ++, it is possible to lower the T C. When the mg ++ and Co ++ are replaced with Zn ++ in the "a" sites of the lattice, reduces the strength of the ab interaction, T C is lowered. Preferably, it while maintaining the hexagonal structure and hard magnetic properties, in order to lower its T C sufficiently, sufficient zinc is added to the hard magnetic hexagonal ferrite. Those skilled in the art can easily determine the amount of zinc to be added and the method of adding it.
六方晶フェライトへのZnへの添加は、それらのキュリー温度を下げる。同時係属出願第09/847055号に示されるように、Co-2Yが、5、10、および15%のZnでドープされた場合、それぞれのZn添加によりCo-2Yのキュリー温度は下がった。Co-2Yに15%のZnを添加すると、TCは340℃から約300℃に低下した。Znがドープされた材料のx線回折パターンは、15%のZnの添加によってさえCo-2yの六方晶構造が保たれていることを示している。15%のZnで、TCは340℃から300℃に下がった。亜鉛の添加はヒステリシスの挙動にはそれ程影響しなかったようである。 Addition of Zn to hexagonal ferrite lowers their Curie temperature. As shown in copending application Ser. No. 09/847055, when Co-2Y was doped with 5, 10, and 15% Zn, the Curie temperature of Co-2Y decreased with each Zn addition. The addition of 15% Zn to Co-2Y, T C decreased from 340 ° C. to about 300 ° C.. The x-ray diffraction pattern of the Zn-doped material shows that the Co-2y hexagonal structure is maintained even with the addition of 15% Zn. With 15% Zn, T C is dropped to 300 ° C. from 340 ° C.. It appears that the addition of zinc did not significantly affect the behavior of hysteresis.
Mg-2YへのZnの添加もまたそのキュリー温度を下げる。Mg-2Yが、亜鉛原子でMgの半分を置換して合成した時(式:Mg1Zn1Ba2Fe12O22)、このZn/Mg-2Yフェライトは175℃のキュリー温度を示す。Mg-2YへのZnの添加により、そのキュリー温度は260から175℃に下がる。 Addition of Zn to Mg-2Y also lowers its Curie temperature. When Mg-2Y is synthesized by replacing half of Mg with a zinc atom (formula: Mg 1 Zn 1 Ba 2 Fe 12 O 22 ), this Zn / Mg-2Y ferrite exhibits a Curie temperature of 175 ° C. The addition of Zn to Mg-2Y reduces its Curie temperature from 260 to 175 ° C.
他の非伝導性粒子には、MeOを遷移金属酸化物として、1MeO:1Fe2O3の構造の軟磁性フェライト粒子が含まれる。Meの例には、Ni、Co、Mn、およびZnが含まれる。好ましい粒子には、これらに限定はされないが、それぞれMnZnおよびNiZnフェライトとも呼ばれる、(Mn、ZnO)Fe2O3および(Ni、ZnO)Fe2O3Mnが含まれる。「ソフト」フェライトは「ハード」フェライトよりヒステリシスループは小さいが、「ソフト」フェライトを用いる加熱は、全ヒステリシスループ領域を利用する適切なプロセス条件、例えば出力レベルと周波数のもとで実現可能である Other non-conductive particles include soft magnetic ferrite particles having a structure of 1MeO: 1Fe 2 O 3 using MeO as a transition metal oxide. Examples of Me include Ni, Co, Mn, and Zn. Preferred particles include, but are not limited to, (Mn, ZnO) Fe 2 O 3 and (Ni, ZnO) Fe 2 O 3 Mn, also referred to as MnZn and NiZn ferrite, respectively. “Soft” ferrites have smaller hysteresis loops than “hard” ferrites, but heating with “soft” ferrites can be achieved under appropriate process conditions that utilize the entire hysteresis loop region, such as power levels and frequencies.
デュアルサセプタの配合の例には、これらに限定はされないが、ストロンチウムフェライト/ニッケルフレーク;Mn-Znフェライト/97Ni-3Alフレーク;Mn-Znフェライト/鉄が含まれる。例が表-2に示されている。 Examples of dual susceptor formulations include, but are not limited to, strontium ferrite / nickel flake; Mn-Zn ferrite / 97Ni-3Al flake; Mn-Zn ferrite / iron. An example is shown in Table-2.
非伝導性サセプタ、すなわちフェリ磁性粒子、および特定の伝導性サセプタ、例えば強磁性金属粒子のいずれにもTCがある。したがって、特定の実施形態で、選択されるマトリックスに応じて、望ましい温度および加熱速度を実現するために、フェリ磁性粒子および/または強磁性粒子のいずれかのTCを利用することができる。 Non-conductive susceptors, i.e. ferrimagnetic particles, and specific conductivity susceptor, for example to both have T C of the ferromagnetic metal particles. Thus, in certain embodiments, depending on the matrix that is selected in order to achieve the desired temperature and heating rate can be utilized either from T C ferrimagnetic particles and / or ferromagnetic particles.
マトリックス
本発明の特定の実施形態では、マトリックス材料は、好ましくは、当技術分野において知られている熱可塑性材料が含まれる。ポリマー材料の例には、例えば、プラスチック、エラストマー、接着剤、コーティング剤とゴムなどの天然ポリマーが含まれる。プラスチックには熱可塑性あるいは熱硬化性材料のいずれもが含まれうる。熱可塑性材料(TP)の例には、これらに限定はされないが、エテン系(ビニル系、ポリオレフィン、フルオロカーボン系、スチレン系、アクリル系)、ポリアミド、ポリエステル、セルロース系、アセタール樹脂、ポリカーボネート、ポリイミド、およびポリエーテルが含まれる。具体例には、これらに限定はされないが、ポリエチレン、例えば高密度ポリエチレン(HDPE)および低密度ポリエチレン(LDPE)、ポリプロピレン、ポリスチレン、PVC、ポリアセタール、アクリル(PMMA)、ナイロン6、ナイロン66、ポリカーボネート(PC)、ポリサルホン(PSU)、ポリエーテルイミド(PEI)、例えばGEのウレテム(Ultem)1000、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリフェニルスルフィド(PPS)、ポリウレタン(PU)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)もしくはこれらの組合せが含まれる。熱硬化性材料の例には、これらに限定はされないが、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂が含まれる。
Matrix In certain embodiments of the invention, the matrix material preferably comprises a thermoplastic material known in the art. Examples of polymeric materials include natural polymers such as plastics, elastomers, adhesives, coatings and rubbers. Plastics can include either thermoplastic or thermoset materials. Examples of thermoplastic materials (TP) include, but are not limited to, ethene (vinyl, polyolefin, fluorocarbon, styrene, acrylic), polyamide, polyester, cellulose, acetal resin, polycarbonate, polyimide, And polyethers. Specific examples include, but are not limited to, polyethylene, such as high density polyethylene (HDPE) and low density polyethylene (LDPE), polypropylene, polystyrene, PVC, polyacetal, acrylic (PMMA), nylon 6, nylon 66, polycarbonate ( PC), polysulfone (PSU), polyetherimide (PEI), such as
サセプタ/ポリマー系の例には、これらに限定はされないが、HDPE中のストロンチウムフェライト/ニッケルフレーク;HDPE中のMn-Znフェライト/97Ni-3Alフレーク;HDPE中のMn-Znフェライト/鉄;HDPE中のMn-Znフェライト/Niフレーク;HDPE中のFe3O4/ニッケルフレーク;HDPE中のFe3O4/鉄;HDPE中のFe2O3/ニッケルフレーク;HDPE中のFe2O3/鉄が含まれる。さらに、ポリマーを、本明細書に記載され、さらに強磁性粒子と組み合わせ、当分野の技術者により決められる、Zn/SrF、Zn/Co-2Y、Zn/Mg-2Yおよび六方晶フェライトの混合物などのフェリ磁性粒子、および他の組合せと組み合わせることができる。 Examples of susceptor / polymer systems include, but are not limited to, strontium ferrite / nickel flakes in HDPE; Mn-Zn ferrite / 97Ni-3Al flakes in HDPE; Mn-Zn ferrite / iron in HDPE; Fe 2 O 3 / iron in HDPE; Fe 2 O 3 / Ni flakes in HDPE; Fe 3 O 4 / iron in HDPE; Fe 3 O 4 / nickel flakes in HDPE; Mn-Zn ferrite / Ni flakes Is included. In addition, the polymers described herein and further combined with ferromagnetic particles, as determined by those skilled in the art, such as mixtures of Zn / SrF, Zn / Co-2Y, Zn / Mg-2Y and hexagonal ferrite, etc. Can be combined with other ferrimagnetic particles and other combinations.
本発明の一態様は、マトリックス、例えば熱可塑性材料を加熱するための、(a)複数の非導電性粒子の少なくとも1種および(b)複数の導電性粒子の少なくとも1種を含む加熱剤に関する。これらの粒子は、望みの使用法に応じて、マトリックスの表面に存在するか、あるいは別法として、マトリックスに埋め込まれる。例えば、特定の物品の2つの表面が互いに接合されているか、あるいは溶着されている場合、接合される物品の表面にだけサセプタ粒子が埋め込まれていることが望ましいであろう。 One aspect of the invention relates to a heating agent comprising (a) at least one of a plurality of non-conductive particles and (b) at least one of a plurality of conductive particles for heating a matrix, such as a thermoplastic material. . These particles are present on the surface of the matrix or, alternatively, are embedded in the matrix, depending on the desired use. For example, if two surfaces of a particular article are joined together or welded, it may be desirable to have susceptor particles embedded only on the surface of the article to be joined.
別法として、本明細書に記載されるように、サセプタをマトリックスに分散させて、溶剤または接合作用体を形成し、溶着、シールまたは接合される熱可塑性物品の一方または両方の表面に宛がうこともできる。溶着剤は、望みの使用法に応じた望ましい形態、例えば、テープ、スプレ、液体、シート、チューブまたはペーストでありうる。磁場の印加で、粒子が熱くなると、キャリアまたはマトリックスは溶融するか、あるいは蒸発して無くなりうる。別法として、物品全体が本発明の方法に従って加熱される場合、物品のマトリックス全体にサセプタを分散させることが望ましいであろう。当分野の技術者は、温度制御されたサセプタの加熱の効率および効力を最大にするために、サセプタをどこに配置するべきかを容易に決めることができる。 Alternatively, as described herein, a susceptor is dispersed in a matrix to form a solvent or bonding agent that is addressed to one or both surfaces of the thermoplastic article to be welded, sealed or bonded. You can also. The welding agent can be in any desired form depending on the desired use, for example, tape, spray, liquid, sheet, tube or paste. As the particles heat up with the application of a magnetic field, the carrier or matrix can melt or evaporate away. Alternatively, if the entire article is heated according to the method of the present invention, it may be desirable to distribute the susceptor throughout the matrix of the article. Those skilled in the art can easily determine where to place the susceptor to maximize the efficiency and effectiveness of heating the temperature controlled susceptor.
当技術分野において知られている方法により、例えば、押出し、圧縮成型、射出成形またはフィルムキャティングにより、本明細書に記載されるサセプタを含む熱可塑性材料を形作る、または成形することができる。物品は、当技術分野においてよく知られているいくつかの異なる方法により作製されうる。これらの方法には、これらに限定はされないが、(a)フィルムまたはシートとしての物品の溶液キャスティング、(b)フィルム、シートまたはテープの形態への物品の直接押出コンパウンディング、(c)ペレットへの物品の構成材料の押出コンパウンディングと、その後の、シートまたは意図される用途に適する別の形状へのそのペレットの圧縮成型、ならびに(d)ブラベンダミキサ(C.W.Babender;South Hackensack、NJ)またはハーケRheomixミキサ(Haake USA;Paramus、NJ)などのミキサでの(複数の)サセプタとマトリックスの混練り、そしてシートまたは意図される用途に適する他の形状へのその混合物の圧縮成型、が含まれる。 Thermoplastic materials including the susceptors described herein can be shaped or molded by methods known in the art, for example, by extrusion, compression molding, injection molding or film casting. Articles can be made by several different methods well known in the art. These methods include, but are not limited to, (a) solution casting of the article as a film or sheet, (b) direct extrusion compounding of the article into the form of a film, sheet or tape, (c) into pellets. Extrusion compounding of the constituent materials of the article and subsequent compression molding of the pellets into sheets or another shape suitable for the intended use, and (d) Brabender mixer (CWBabender; South Hackensack, NJ) or Includes kneading of susceptor and matrix in a mixer such as Haake Rheomix mixer (Haake USA; Paramus, NJ), and compression molding of the mixture into sheets or other shapes suitable for the intended use .
他の実施形態では、マトリックスはセラミックタイプの材料を含む。有用なセラミックの例には、単一の酸化物(例えば、アルミナ、酸化クロム、ジルコニア、チタニア、酸化マグネシウム、シリカ)、複合酸化物(例えば、カオリナイト)、炭化物(例えば、炭化バナジウム、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化クロム、炭化ホウ素)、硫化物(例えば、二硫化モリブデン、二硫化タングステン)、ならびに窒化物(窒化ホウ素、窒化ケイ素)が含まれる。 In other embodiments, the matrix comprises a ceramic type material. Examples of useful ceramics include single oxides (e.g., alumina, chromium oxide, zirconia, titania, magnesium oxide, silica), composite oxides (e.g., kaolinite), carbides (e.g., vanadium carbide, tantalum carbide). , Tungsten carbide, titanium carbide, silicon carbide, chromium carbide, boron carbide), sulfides (eg, molybdenum disulfide, tungsten disulfide), and nitrides (boron nitride, silicon nitride).
任意の順序でマトリックスにサセプタを添加することができる。例えば、熱可塑性混合物に最初に非導電性サセプタを加え、次に導電性サセプタを加えることができる。あるいは、サセプタを逆の順序で加えることもできる。サセプタを最初に混合して次に熱可塑性マトリックスに加えることができるが、粒子を別々に混合する方が、粒子を互いに混合するステップが無くなるので、実際には好ましい。 Susceptors can be added to the matrix in any order. For example, a non-conductive susceptor can be added to the thermoplastic mixture first, followed by a conductive susceptor. Alternatively, the susceptors can be added in the reverse order. Although the susceptor can be mixed first and then added to the thermoplastic matrix, it is actually preferred to mix the particles separately since there is no step of mixing the particles with each other.
誘導コイルのデザインと磁場パターン
本発明の組成物および方法では、標準的なコイル構造を使用することおよび市販の誘導発振器(induction generator)、例えばAmerithermの固体(solid state)装置を使用することが可能である。本発明により、従来技術より小さいコイル電流ならびにより大きな周波数を用いることが可能になる。本発明で用いられるコイル電流は、約50から約150アンペアまでの範囲である。ある先行技術の発明では、従来技術に見られる加熱速度を実現するために、非常に大きなコイル電流、例えば600アンペアが利用される。本発明の方法では、より小さいコイル電流で加熱速度が予想外に速い。
Induction Coil Design and Magnetic Field Patterns The compositions and methods of the present invention can use standard coil structures and commercially available induction generators, such as Ameritherm solid state devices. It is. The present invention makes it possible to use smaller coil currents as well as higher frequencies than the prior art. The coil current used in the present invention ranges from about 50 to about 150 amps. In one prior art invention, a very large coil current, for example 600 amps, is utilized to achieve the heating rate found in the prior art. In the method of the present invention, the heating rate is unexpectedly fast with a smaller coil current.
用いられるサセプタと用途に応じて、本明細書の教示に基づいて、本発明の方法および装置での誘導加熱に用いられる周波数および磁場の強度を、当分野の技術者は容易に決めることができる。好ましくは、有用な周波数範囲は約2MHzから約30MHzであり、好ましい出力は約1KWから約7.5KWの範囲である。望みの温度が比較的高い場合、例えば、接合、溶着またはシール用途では、周波数と出力はこの範囲の高い側、例えば約10MHzから約15MHzであろう。当分野の技術者は、選択されたサセプタと熱可塑性材料に応じて、また望みの用途、すなわち加熱あるいは接合/溶着/シールに対して、適当な出力と周波数を選択することができる。 Depending on the susceptor used and the application, one skilled in the art can readily determine the frequency and strength of the magnetic field used for induction heating in the method and apparatus of the present invention based on the teachings herein. . Preferably, the useful frequency range is from about 2 MHz to about 30 MHz and the preferred power is in the range of about 1 KW to about 7.5 KW. If the desired temperature is relatively high, for example in bonding, welding or sealing applications, the frequency and power will be on the higher side of this range, for example from about 10 MHz to about 15 MHz. One skilled in the art can select the appropriate power and frequency depending on the susceptor and thermoplastic material selected and for the desired application, ie, heating or joining / welding / sealing.
用いられるサセプタに応じて、誘導コイルにより発生する場はサセプタの加熱パターンに影響し、その場はコイルの形状により決まる。コイルのデザインの例には、ソレノイド、パンケーキ、コニカルおよびヘルムホルツが含まれる。これらのコイルタイプは産業界で広く用いられるものの一部であり、本発明の特定の実施形態は、特別なコイルを必要とするであろう。例えば、特定の実施形態では、ソレノイドコイル形状が非常に強い磁場を生成するという理由で、ソレノイドコイルが好ましい。別の実施形態では、パンケーキコイルが用いられる。パンケーキコイルは、中心にその最大値がある一様でない磁場を生成することが見出されている。当分野の技術者は、当技術分野ならびに本明細書に記載の教示に基づいて、コイルのタイプを容易に選択することができる。 Depending on the susceptor used, the field generated by the induction coil affects the heating pattern of the susceptor, which is determined by the shape of the coil. Examples of coil designs include solenoids, pancakes, conicals and Helmholtz. These coil types are some of those widely used in the industry, and certain embodiments of the present invention will require special coils. For example, in certain embodiments, a solenoid coil is preferred because the solenoid coil shape produces a very strong magnetic field. In another embodiment, a pancake coil is used. The pancake coil has been found to produce a non-uniform magnetic field with its maximum at the center. Those skilled in the art can readily select the type of coil based on the teachings provided in the art as well as herein.
磁場の強さは、コイルの巻き数が増え、コイルの電流が増し、コイル-ワークピースの間隔が減少するにつれて増加する。当分野の技術者は、望みの磁場強度を得るためにこれらの因子を容易に操作して、これらの因子の組合せを選択することができる。 The strength of the magnetic field increases as the number of coil turns increases, the coil current increases, and the coil-workpiece spacing decreases. Those skilled in the art can easily manipulate these factors to select a combination of these factors to obtain the desired magnetic field strength.
ソレノイドコイル形状は、可能なすべての形状の中で最も強い磁場を生成する。パンケーキコイルは片側加熱用途で最も一般的である。コイルパラメータ(例えば、巻きの間の間隔もしくは巻き数)を変えることにより、場の値を変えることができるが、通常そのパターンは同じである。磁場の強さは、コイル-パーツ間隔が小さくなると増加する。パーツがコイルの非常に近く置かれると、コイルの1巻きにより決まる加熱が起こるであろう。 The solenoid coil shape produces the strongest magnetic field of all possible shapes. Pancake coils are most common in single-sided heating applications. By changing coil parameters (eg, spacing between turns or number of turns), the field value can be changed, but the pattern is usually the same. The strength of the magnetic field increases as the coil-part spacing decreases. If the part is placed very close to the coil, heating will occur which is determined by one turn of the coil.
用途
本発明には、多くの潜在的な、特に非常に急速な加熱が必要である場合に、用途がある。このような使用法の一例は、熱可塑性材料を非常に短時間にシール、溶着、または接合する必要がある高速製造ラインである。例えば、本発明の加熱剤は、300msec以内に180℃に達する。このような急速加熱により、非常に速く熱可塑性物品を加熱(例えば、シール、接合または溶着)することができる。本発明の方法と組成物の潜在的な用途は、数限りなく、軍事および商業的市場の両方に渡る。
Applications The present invention has applications where many potential, especially very rapid heating is required. An example of such a use is a high speed production line where a thermoplastic material needs to be sealed, welded or joined in a very short time. For example, the heating agent of the present invention reaches 180 ° C. within 300 msec. Such rapid heating allows the thermoplastic article to be heated (eg, sealed, bonded or welded) very quickly. The potential applications of the methods and compositions of the present invention are endless and span both military and commercial markets.
軍事的使用法の例には、航空機構造体の作製および修理、ならびに船舶構造体の作製および修理が含まれる。さらに、本発明は、熱硬化系複合材の融合接合に限定されないだけでなく、熱可塑性複合材の合体および修理あるいは熱硬化性接着剤の高温硬化に応用されて、修理時間を短縮し性能を向上させることができるであろう。 Examples of military usage include the creation and repair of aircraft structures and the creation and repair of ship structures. Furthermore, the present invention is not limited to fusion bonding of thermosetting composite materials, but is also applied to coalescence and repair of thermoplastic composite materials or high temperature curing of thermosetting adhesives to shorten repair time and improve performance. Could be improved.
商業的部門も複合材料構造体の作製と修理に関して同様の利益を享受できるであろう。例えば、老化した金属構造を複合強化材料あるいはポリエチレンなどの汎用樹脂向けに開発された新しい接合技術で修理するのに、この技術を用いることができる。 The commercial sector will also enjoy similar benefits with respect to the fabrication and repair of composite structures. For example, this technique can be used to repair an aged metal structure with a new joining technique developed for composite reinforcing materials or general purpose resins such as polyethylene.
本発明の組成物と方法は、マトリックス材料を溶融させることが望ましい用途、例えば熱可塑性材料の溶着、シールおよび/または接合に有用である。このような用途では、非導電性粒子のTCは熱可塑性材料の溶融温度より高い。本明細書に記載の教示に基づいて、サセプタ粒子を容易に選択することができる。 The compositions and methods of the present invention are useful in applications where it is desirable to melt the matrix material, such as welding, sealing and / or joining thermoplastic materials. In such applications, T C of the non-conductive particles is higher than the melting temperature of the thermoplastic material. Based on the teachings described herein, susceptor particles can be easily selected.
本発明の組成物および方法は包装産業、特にクロージャシステムで用いることができる。サセプタによりカバーされる広い温度範囲により、広範な商業的用途、例えば、食品包装業界、自動車組立てラインなどで使用することが可能になる。例えば、多くのパーケージで広く用いられているアルミニウムピールアウェイ(peel-away)を使用することなく蓋をシールするために、誘導加熱を食品産業で用いることができる。ホイルをダイレクトポリマーシールに替える利点には、より低いコスト、リサイクル性の向上、ならびに飲料容器のリム上の薄いリング、あるいは食品トレイ上の蓋などの複雑なシール形状の、温度を含む接合条件が制御できることが含まれる。この技術は、調理済み食品、即席食品または食材を含む食品用の袋、あるいは他の類似の容器のシーリングにこの技術を用いることができる。 The compositions and methods of the present invention can be used in the packaging industry, particularly in closure systems. The wide temperature range covered by the susceptor allows it to be used in a wide range of commercial applications, such as the food packaging industry, automotive assembly lines, and the like. For example, induction heating can be used in the food industry to seal the lid without using the aluminum peel-away that is widely used in many packages. The benefits of replacing foil with a direct polymer seal include lower costs, improved recyclability, and the joining conditions, including temperature, of complex seal shapes such as thin rings on beverage container rims or lids on food trays. It includes things that can be controlled. This technique can be used for sealing cooked foods, instant foods or food bags containing ingredients, or other similar containers.
シール法の一例として、食品を入れたカップを、全体に均一に分布するか、あるいはカップのリムもしくは蓋の環状部分または両方に集中するデュアルサセプタを誘導加熱することにより、蓋でシールすることができる。カップのリムと蓋を重ねて加圧しながら、例えば誘導加熱ホーンを用いて、環状シール部分のデュアル粒子を誘導加熱することにより、カップと蓋のプラスチック材料が融合し、共硬化(co-cure)する。どのようなシーリング用途にも、例えばどのような種類の材料を閉じ込める箱または容器のシーリングにも、この方法を用いることができる。このような材料の例には、調理済み食品、食品、食材、液体ならびに非食用製品と液体が含まれる。例えば、このシール技術を、異なるタイプのカートリッジとフィルタ、例えば、水フィルタ、オイルフィルタ、および医療用具をシールするのに用いることができる。当分野の技術者は、本発明の方法を、熱可塑性材料のシールまたは接合が必要とされる、どのような用途にも、容易に適用することができる。急速な加熱速度により、非常に短期間にこれらの製品を大量に生産することが可能になるので、生産時間が減少し、コストが下がり、また生産性が上がる。 As an example of the sealing method, a cup containing food may be sealed with a lid by induction heating a dual susceptor that is evenly distributed throughout the cup, or concentrated on the rim of the cup or the annular portion of the lid, or both. it can. The plastic material of the cup and lid is fused and co-cured by inductively heating the dual particles in the annular seal part using, for example, an induction heating horn while pressing the cup rim and lid on top of each other. To do. This method can be used for any sealing application, for example for sealing boxes or containers that contain any kind of material. Examples of such materials include cooked foods, foods, foodstuffs, liquids and non-edible products and liquids. For example, this sealing technique can be used to seal different types of cartridges and filters, such as water filters, oil filters, and medical devices. Those skilled in the art can readily apply the method of the present invention to any application where thermoplastic material sealing or joining is required. The rapid heating rate allows these products to be produced in large quantities in a very short time, reducing production time, lowering costs and increasing productivity.
本発明のシールまたは溶着方法では、互いに溶着または接合される2つのパーツに圧力を加えると有益であろう。このような圧力が望ましい場合、当分野の技術者は、用途と用いられるポリマーに基づいて、必要な圧力を容易に決めることができる。 In the sealing or welding method of the present invention, it may be beneficial to apply pressure to two parts that are welded or joined together. If such pressure is desired, one skilled in the art can easily determine the required pressure based on the application and the polymer used.
好ましい使用法の別の例は、航空機、自動車および船舶構造部品の、特に、別のポリマー部品に溶着されるポリマー部品を含む組立て構造体の製造におけるものである。例えば、ポリマー部品、例えば尾灯などをシールまたは溶着するために、自動車産業の製造ラインで本発明の方法を用いることができる。 Another example of a preferred use is in the manufacture of aircraft, automotive and marine structural parts, particularly assembly structures that include a polymer part that is welded to another polymer part. For example, the method of the present invention can be used on a production line in the automotive industry to seal or weld polymer parts such as taillights.
本明細書に記載される、サセプタならびにサセプタを用いる方法を、部品を互いに溶着またはシールするために、部品の一方または両方に適用し、誘導加熱することができる。他の使用法は、別のポリマー部品に溶着されたポリマー部品を含む構造体の修理である。 The susceptor as well as the method using a susceptor described herein can be applied to one or both of the parts and inductively heated to weld or seal the parts together. Another use is the repair of a structure that includes a polymer part welded to another polymer part.
さらに別の実施形態では、誘導接合の方法は、例えば軍隊による、現場使用で、熱可塑性材料からなる構造体の継ぎ目(seam)を溶着するために用いられる。ポリウレタンの外被同士を接続する1つの例は有用である。一実施形態では、フィラー粒子(すなわち、本発明のサセプタ粒子)を、磁場の存在下で加熱される熱可塑性材料に分散させる。これらの粒子は、それらが混合される様々な熱可塑性樹脂の軟化点に熱的に符合するようにデザインされる。 In yet another embodiment, the method of inductive bonding is used to weld seams of structures made of thermoplastic material, for example in the field, by the military. One example of connecting polyurethane jackets together is useful. In one embodiment, filler particles (ie, susceptor particles of the present invention) are dispersed in a thermoplastic material that is heated in the presence of a magnetic field. These particles are designed to thermally match the softening points of the various thermoplastic resins with which they are mixed.
本発明は以下の実施例によりさらに例示される。実施例は、本発明の理解を助けるために記載され、それを限定しようとするものではない。 The invention is further illustrated by the following examples. The examples are set forth to assist in understanding the invention and are not intended to limit it.
高密度ポリエチレン(HDPE)ペレットをハーケRheomixミキサに入れ、ペレットが溶融するまでかき混ぜ、その時点でストロンチウムフェライト粒子(HM181)(粒径:1.4μm;供給元:Steward Ferrite;Chattanooga、TN)および微細箔(fine leaf)ニッケルフレーク(直径:10-20μm、厚さ:0.5μm;供給元:Novamet;Wycoff、NJ)をRheomixミキサ内の高密度ポリエチレンにゆっくりと加え、最終的に2つのサセプタの全量を加えて、ストロンチウムフェライトが全混合物の36重量パーセント(W/O)であり、ニッケルフレークが全混合物の41重量パーセント(W/O)となって、完全に混合された。次に、混合物をRheomixミキサから取り出し、10ないし20ミルの厚さのシートに圧縮成形した。ほぼ1x1インチの小片をシートから切り取り、ガラススライド上に乗せた。次に、これらの試料を、5回巻きで長さ2インチの卵形(2x1/2インチ)ソレノイドコイルの中に入れ、11.8MHzの交流場を加えた。Nova Star 1M固体1.0KW誘導発振器(Ameritherm Inc.;Scottville、NY)を出力源として用いた。コイル電流はほぼ80アンペアであった。応答時間が10msで測定温度域が200から600°F(93°-315℃)のIrcon 06F05 IR高温計(Ircon,Inc.;Niles、IL)を用いて、温度を測定し記録した。高温計のスポットサイズはコイルにわずかに突き当たるので、真の温度と真の加熱速度は測定値より大きかった。トリガーを用いて、出力をオンにした時刻ゼロで印を付けた。高温計は200°Fで測定を開始する。加熱開始前の試料の初期雰囲気温度は70°Fであった。 High density polyethylene (HDPE) pellets are placed in a Haake Rheomix mixer and stirred until the pellets melt, at which point strontium ferrite particles (HM181) (particle size: 1.4 μm; source: Steward Ferrite; Chattanooga, TN) and fine foil (fine leaf) Nickel flakes (diameter: 10-20μm, thickness: 0.5μm; supplier: Novamet; Wycoff, NJ) are slowly added to the high density polyethylene in the Rheomix mixer, and finally the total amount of the two susceptors In addition, strontium ferrite was 36 weight percent ( W / O ) of the total mixture and nickel flake was 41 weight percent ( W / O ) of the total mixture and was thoroughly mixed. The mixture was then removed from the Rheomix mixer and compression molded into a 10-20 mil thick sheet. An approximately 1x1 inch piece was cut from the sheet and placed on a glass slide. These samples were then placed in a 2 inch long oval (2 × 1/2 inch) solenoid coil with 5 turns and a 11.8 MHz AC field was applied. A Nova Star 1M solid 1.0 KW induction oscillator (Ameritherm Inc .; Scottville, NY) was used as the output source. The coil current was approximately 80 amps. Temperature was measured and recorded using an Ircon 06F05 IR pyrometer (Ircon, Inc .; Niles, IL) with a response time of 10 ms and a measured temperature range of 200 to 600 ° F. (93 ° -315 ° C.). Since the pyrometer spot size hits the coil slightly, the true temperature and true heating rate were larger than the measured values. A trigger was used to mark the output at time zero. The pyrometer starts measuring at 200 ° F. The initial ambient temperature of the sample before the start of heating was 70 ° F.
表3に見られるように、1050から1120°F/secの範囲の加熱速度を達成した。高密度ポリエチレン中、20%のストロンチウムフェライトおよび13%のニッケルフレークに対する加熱曲線の1つが図2に示されている。本発明により達成された加熱速度は、かなり少ないコイル電流(80vs 600アンペア)で、Leatherman(米国特許第4,969,968号)により報告されたものの約2.5倍であった。 As seen in Table 3, heating rates in the range of 1050 to 1120 ° F / sec were achieved. One of the heating curves for 20% strontium ferrite and 13% nickel flakes in high density polyethylene is shown in FIG. The heating rate achieved by the present invention was about 2.5 times that reported by Leatherman (US Pat. No. 4,969,968) with much less coil current (80 vs 600 amps).
マトリックスまたはホストがHDPEであり、以下の組合せ(a)、(b)または(c)を含む加熱剤を実施例1と同じ方法で作製した。
(a)46.0W/O(20V/O)ストロンチウムフェライト(1.4μm)および
20.6W/O(5.0V/O)Novametニッケルフレーク(D:65-95μm;t:0.5μm)、
(b)44.9W/O(20V/O)Mn-Zn(PowderTech FP215;粒径14μm)および
20.8W/O(5.0V/O)Novametフレーク97Ni-3Al合金粉末(D:10-20μm;t:0.5μm)、
(c)36.0W/O(20V/O)Mn-Zn(PowderTech FP215;粒径14μm)および
40.0V/O(13V/O)鉄[-325メッシュ(<44μm)]
実施例1に記載されたものと同様の大きさの試料で同様に加熱試験を実施した。実施例2の試験試料で達成された加熱速度は表3に記載されており、実際の加熱曲線は図3から5に示されている。本発明により達成された加熱速度(680-760°F/sec)は、先行技術に報告されているもの(例えば、特許第4,949,968号(142-425°F/sec))より大きい。本発明の方法では、特許第4,949,968号よりかなり小さコイル電流が用いられた。
A heating agent containing the following combination (a), (b) or (c) was prepared in the same manner as in Example 1 where the matrix or host was HDPE.
(a) 46.0 W / O (20 V / O ) strontium ferrite (1.4 μm) and
20.6 W / O (5.0 V / O ) Novamet nickel flakes (D: 65-95 μm; t: 0.5 μm),
(b) 44.9 W / O (20 V / O ) Mn-Zn (PowderTech FP215; particle size 14 μm) and
20.8 W / O (5.0 V / O ) Novamet Flakes 97Ni-3Al alloy powder (D: 10-20μm; t: 0.5μm),
(c) 36.0 W / O (20 V / O ) Mn-Zn (PowderTech FP215; particle size 14 μm) and
40.0 V / O (13 V / O ) iron [-325 mesh (<44μm)]
A heating test was conducted in the same manner with a sample having the same size as that described in Example 1. The heating rates achieved with the test sample of Example 2 are listed in Table 3, and the actual heating curves are shown in FIGS. The heating rate achieved by the present invention (680-760 ° F / sec) is greater than that reported in the prior art (eg, Patent 4,949,968 (142-425 ° F / sec)). In the method of the present invention, a much smaller coil current was used than in Patent No. 4,949,968.
マトリックスがHDPEであり、10V/Oから30V/Oのミクロンサイズの非伝導性フェリ磁性粒子および13V/Oのミクロサイズの導電性ICP粒子を含む加熱剤を、実施例1に記載される方法により、フィルム、シートまたは意図された用途に適する他の形状に作製した。溶液キャスティング、押出コンパウンディング、押出コンパウンディングとそれに続く圧縮射出成形により、あるいは当分野の技術者に知られている他のいくつかの方法により、前記加熱剤を作製することもできる。非伝導性および伝導性粒子のいずれも、形状は不規則または球状でありうる。これらの非伝導性サセプタは、ファイバまたはフレークの形態でもありうる。 A heating agent having a matrix of HDPE and comprising 10 V / O to 30 V / O micron sized non-conductive ferrimagnetic particles and 13 V / O micro sized conductive ICP particles is described in Example 1. Film, sheet or other shape suitable for the intended use. The heating agent can also be made by solution casting, extrusion compounding, extrusion compounding followed by compression injection molding, or by several other methods known to those skilled in the art. Both non-conductive and conductive particles can be irregular or spherical in shape. These non-conductive susceptors can also be in the form of fibers or flakes.
本発明がその好ましい実施形態を具体的に参照して詳細に記載された。しかし、本発明の精神および範囲内の変更と改善が、当分野の技術者により本開示を考慮してなされうることが理解されるであろう。 The invention has been described in detail with particular reference to preferred embodiments thereof. However, it will be understood that modifications and improvements within the spirit and scope of the present invention may be made in light of this disclosure by those skilled in the art.
引用されたすべての参照文献は参照により本明細書に組み込まれる。 All references cited are incorporated herein by reference.
1 熱可塑性ホストマトリックス
2 非導電性サセプタ(フェリ磁性体)
3 導電性サセプタ(強磁性体粒子またはIPC粒子)
1 Thermoplastic host matrix
2 Non-conductive susceptor (ferrimagnetic material)
3 Conductive susceptor (ferromagnetic particles or IPC particles)
Claims (90)
(b)前記第1の熱可塑性材料に、特定のキュリー温度(TC)をもつ、少なくとも1種の複数の非導電性サセプタを備えさせること、
(c)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを備えさせること、
(d)前記サセプタを加熱するために、前記第1の熱可塑性材料に交流磁場を印加すること、および
(e)前記サセプタが望みの温度に達したら、前記交流磁場の前記印加を止めること
を含む熱可塑性材料の急速加熱方法。 (a) serving the first thermoplastic material;
(b) providing the first thermoplastic material with at least one non-conductive susceptor having a specific Curie temperature (T C );
(c) providing at least one kind of a plurality of conductive susceptors;
(d) applying an alternating magnetic field to the first thermoplastic material to heat the susceptor; and
(e) A method for rapidly heating a thermoplastic material, comprising: stopping the application of the alternating magnetic field when the susceptor reaches a desired temperature.
(b)前記ポリマー材料を加熱すること、
(c)特定のキュリー温度(TC)をもつ、少なくとも1種の複数の非導電性サセプタを、前記ポリマー材料に分散させること、
(d)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを分散させること、
(e)前記ポリマー材料を成形すること、
(f)前記ポリマー材料に交流磁場を印加すること、
(g)前記サセプタを加熱し、そして前記ポリマー材料を加熱すること、および
(h)前記サセプタが望みの温度に達したら、前記交流磁場の前記印加を止めること
を含むポリマー材料の急速加熱方法。 (a) providing at least one polymer material;
(b) heating the polymeric material;
(c) dispersing at least one non-conductive susceptor having a specific Curie temperature (T C ) in the polymer material;
(d) dispersing at least one of a plurality of conductive susceptors;
(e) molding the polymer material;
(f) applying an alternating magnetic field to the polymer material;
(g) heating the susceptor and heating the polymeric material; and
(h) A method for rapidly heating a polymer material, comprising: stopping the application of the alternating magnetic field when the susceptor reaches a desired temperature.
(b)複数の導電性サセプタの少なくとも1種を前記材料に備えさせること、
(c)前記材料に交流磁場を印加すること
を含み、(a)の前記サセプタがヒステリシス損失により発熱し、(b)の前記サセプタが渦電流の流れにより発熱する、材料の加熱方法。 (a) providing the material with at least one non-conductive susceptor having a specific Curie temperature (T C ) within the material;
(b) providing the material with at least one of a plurality of conductive susceptors;
(c) applying an alternating magnetic field to the material, wherein the susceptor of (a) generates heat due to hysteresis loss, and the susceptor of (b) generates heat due to eddy current flow.
前記第1の要素の前記リムに接合するための環状部分を有する第2の要素;
前記第1の要素と前記第2の要素を互いに接合するために、交流磁場を印加したときに前記リムまたは前記環状部分を所定の温度まで加熱するために、前記第1の要素の前記リムまたは前記第2の要素の前記環状部分に配置された、少なくとも1種の複数の非導電性サセプタおよび少なくとも1種の複数の導電性サセプタ;
を含むシール可能な構成体。 A first element having a molded matrix and having a rim;
A second element having an annular portion for joining to the rim of the first element;
In order to join the first element and the second element to each other, the rim of the first element or the rim of the first element is heated to a predetermined temperature when an alternating magnetic field is applied. At least one non-conductive susceptor and at least one conductive susceptor disposed in the annular portion of the second element;
A sealable structure comprising:
81. The construct of claim 80, wherein the matrix material comprises at least one thermoplastic material.
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