JP2005516357A - デュアルサセプタを用いる誘導加熱 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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)
Claims (90)
- (a)非導電性サセプタおよび(b)導電性サセプタを含む、熱可塑性材料加熱用の加熱剤。
- 前記非導電性サセプタがミクロンサイズのフェリ磁性粒子を含む請求項1に記載の加熱剤。
- 前記導電性サセプタが強磁性粒子を含む請求項1に記載の加熱剤。
- 前記非導電性サセプタの大きさが、約1.0μmから約50μmである請求項1に記載の加熱剤。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約5μmから約100μmである請求項1に記載の加熱剤。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約10μmから約50μmである請求項5に記載の加熱剤。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄粒子、六方晶フェライト粒子、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項2から6に記載の加熱剤。
- 前記六方晶フェライトが、2WをBaO:2MeaO:8Fe2O3、2Yを2(BaO:MeaO:3Fe2O3)、2Zを3BaO:2MeaO:12Fe2O3、またMeaを2価カチオンであるとして、SrF、Mea-2W、Mea-2Y、およびMea-2Zの組成をもち、前記軟磁性フェライト粒子が、MebOを遷移金属酸化物であるとして、1MebO:1Fe2O3の組成をもつ請求項7に記載の加熱剤。
- 前記Meaが、Mg、Co、MnまたはZnを含み、前記Mebが、Ni、Co、Mn、またはZnを含む請求項8に記載の加熱剤。
- 前記導電性サセプタが、単体強磁性粒子または強磁性合金を含む請求項1に記載の加熱剤。
- 前記非導電性サセプタが約10V/O(20W/O)から約30V/O(58W/O)含まれる請求項1に記載の加熱剤。
- 前記導電性サセプタが、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を含む請求項1に記載の加熱剤。
- 前記導電性サセプタが真性導電性ポリマー(ICP)を含む請求項1に記載の加熱剤。
- 導電性サセプタが約5V/Oから約15V/O含まれる請求項1に記載の加熱剤。
- 前記真性導電性ポリマーが、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)を含む請求項13に記載の加熱剤。
- (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、(1)少なくとも1種の複数の非導電性サセプタおよび(2)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを含む、溶着剤。
- 前記非導電性サセプタがミクロンサイズのフェリ磁性粒子を含む請求項16に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタが強磁性またはICPの粒子を含む請求項16に記載の溶着剤。
- 前記フェリ磁性粒子の大きさが、約1.0μmから約50μmである請求項16に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約5μmから約100μmである請求項18に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約10μmから約50μmである請求項20に記載の溶着剤。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項16から21に記載の溶着剤。
- 前記六方晶フェライトが、2WをBaO:2MeaO:8Fe2O3、2Yを2(BaO:MeaO:3Fe2O3)、2Zを3BaO:2MeaO:12Fe2O3、またMeaを2価カチオンであるとして、SrF、Mea-2W、Mea-2Y、およびMea-2Zの組成をもち、前記軟磁性フェライト粒子が、MebOを遷移金属酸化物であるとして、1MebO:1Fe2O3の組成をもつ請求項22に記載の溶着剤。
- 前記Meaが、Mg、Co、MnまたはZnを含み、前記Mebが、Ni、Co、Mn、またはZnを含む請求項23に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタが単体強磁性粒子または強磁性合金粒子を含む請求項16に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタが、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を含む請求項25に記載の溶着剤。
- 前記非導電性サセプタが、約10V/O(20W/O)から約30V/O(58W/O)含まれる請求項16に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタが、約5V/Oから約15V/O含まれる請求項16に記載の溶着剤。
- 前記導電性サセプタが真性導電性ポリマー(ICP)を含む請求項16に記載の溶着剤。
- 前記真性導電性ポリマーが、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)を含む請求項29に記載の溶着剤。
- 前記マトリックス材料が少なくとも1種の熱可塑性材料を含む請求項16に記載の溶着剤。
- (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、(1)少なくとも1種の複数の非導電性サセプタおよび(2)少なくとも1種の複数の導電性サセプタを含む製造物品。
- 前記非導電性サセプタがミクロンサイズのフェリ磁性粒子を含む請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタが強磁性粒子を含む請求項32から33に記載の物品。
- 前記導電性サセプタが真性導電性ポリマー(ICP)粒子を含む請求項32から34に記載の物品。
- 前記非導電性サセプタの大きさが、約1.0μmから約50μmである請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約5μmから約100μmである請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約10μmから約50μmである請求項37に記載の物品。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタが単体強磁性粒子または強磁性合金を含む請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタが、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を含む請求項40に記載の物品。
- 前記非導電性サセプタが、約10V/O(20W/O)から約30V/O(58W/O)含まれる請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタが、約5V/Oから約15V/O含まれる請求項32に記載の物品。
- 前記マトリックス材料が少なくとも1種のポリマー材料または少なくとも1種のセラミック材料を含む請求項32に記載の物品。
- 前記導電性サセプタが真性導電性ポリマー(ICP)粒子を含む請求項32に記載の物品。
- 前記サセプタが前記マトリックス材料の表面にある請求項32から45に記載の物品。
- 前記サセプタが前記マトリックス材料に埋め込まれている請求項32から45に記載の物品。
- (a)第1の熱可塑性材料を供用すること、
(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。 - (b)の前記サセプタのTCが、前記熱可塑性材料の溶融温度より低い請求項48に記載の方法。
- (b)の前記サセプタのTCが、前記熱可塑性材料の溶融温度より高く、前記磁場が印加されて、前記サセプタが前記第1の熱可塑性材料を溶融させる請求項48に記載の方法。
- 前記交流磁場を印加する前に、第2の熱可塑性材料を、前記第1の熱可塑性材料と接触させて供用するステップをさらに含む請求項48に記載の方法。
- 最初に前記第1の熱可塑性材料を未硬化または部分硬化の熱硬化性材料の上に置くこと、および、熱硬化性材料を硬化させながら前記熱可塑性材料と前記熱硬化性材料を接合することをさらに含む請求項48から51のいずれかに記載の方法。
- 最初に前記第1の熱可塑性材料を前記熱硬化性材料に並置すること、前記熱硬化性材料を硬化させながら前記熱可塑性材料を前記熱硬化性材料に接合すること、ならびに前記の接合されたアセンブリを第2の材料と並置することをさらに含む請求項48から52のいずれかに記載の方法。
- 前記第2の材料が第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、前記熱硬化性材料を硬化させながら前記第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請求項53に記載の方法。
- 前記第2の材料が第2の熱可塑性材料である請求項51に記載の方法。
- 前記第2の材料が、前記第1の熱可塑性材料と異なる化学組成をもつ請求項51に記載の方法。
- 第2の熱可塑性材料がその中に埋め込まれたサセプタを有する請求項51に記載の方法。
- 前記サセプタが、前記第1および第2の熱可塑性材料の隣接する表面に埋め込まれている請求項51に記載の方法。
- 前記サセプタが、前記第1または第2の熱可塑性材料の表面に埋め込まれている請求項51に記載の方法。
- 前記の印加が、約2MHzから約30MHzで交流磁場を印加することを含む請求項48に記載の方法。
- 前記の印加が、約10MHzから約15MHzで交流磁場を印加することを含む請求項60に記載の方法。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項48に記載の方法。
- 前記導電性サセプタが、単体強磁性粒子、強磁性合金粒子またはICP粒子を含む請求項48に記載の方法。
- (a)少なくとも1種のポリマー材料を供用すること、
(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。 - 前記の印加が、約2MHzから約30MHzで交流磁場を印加することを含む請求項64に記載の方法。
- 前記の印加が、約10MHzから約15MHzで交流磁場を印加することを含む請求項64に記載の方法。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項64に記載の方法。
- 前記導電性サセプタが、単体強磁性粒子または強磁性合金粒子を含む請求項64に記載の方法。
- 粒子のキュリー温度を調節するために、強磁性粒子の亜鉛の量を変えることをさらに含む請求項68に記載の方法。
- 前記マトリックス材料が少なくとも1種の熱可塑性材料を含む請求項64に記載の方法。
- 前記導電性サセプタがICP粒子を含む請求項64に記載の方法。
- (a)材料内で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材料に備えさせること、
(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。 - 前記の印加が、約2MHzから約30MHzで交流磁場を印加することを含む請求項72に記載の方法。
- 前記の印加が、約10MHzから約15MHzで交流磁場を印加することを含む請求項73に記載の方法。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項72に記載の方法。
- 前記導電性サセプタが、単体強磁性粒子または強磁性合金を含む請求項72に記載の方法。
- 前記導電性サセプタが、ニッケル、鉄、コバルト、アルミニウムならびにこれらのまたこれらの合金の組合せを含む請求項76に記載の方法。
- 前記マトリックス材料が少なくとも1種のポリマー材料または少なくとも1種のセラミック材料を含む請求項72に記載の方法。
- 前記導電性サセプタがICP粒子を含む請求項72に記載の方法。
- 成形されたマトリックスを有し、リムを有する第1の要素;
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。 - 前記サセプタが前記リムおよび前記環状部分の両方に配置される請求項80に記載の構成体。
- 前記マトリックスが熱可塑性材料を含む請求項80に記載の構成体。
- 前記非導電性サセプタがミクロンサイズのフェリ磁性粒子を含む請求項80に記載の構成体。
- 前記導電性サセプタが強磁性粒子またはICP粒子を含む請求項80に記載の構成体。
- 前記非導電性サセプタの大きさが、約1.0μmから約50μmである請求項83に記載の構成体。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約5μmから約100μmである請求項80に記載の構成体。
- 前記導電性サセプタの大きさが、約10μmから約50μmである請求項86に記載の構成体。
- 前記非導電性サセプタが、酸化鉄、六方晶フェライト、または軟磁性フェライト粒子を含む請求項80に記載の構成体。
- 前記導電性サセプタが、単体強磁性粒子または強磁性合金を含む請求項80に記載の構成体。
- 前記マトリックス材料が少なくとも1種の熱可塑性材料を含む請求項80に記載の構成体。
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