(57)【要約】  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。
2005516357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【請求項１６】
(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。
【請求項１７】
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。
【請求項１８】
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。
【請求項１９】
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。
【請求項２０】
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。
【請求項２１】
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。
【請求項２２】
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。
【請求項２３】
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。
【請求項２４】
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。
【請求項２５】
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。
【請求項２６】
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。
【請求項２７】
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。
【請求項２８】
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。
【請求項２９】
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。
【請求項３０】
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。
【請求項３１】
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。
【請求項３２】
(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。
【請求項３３】
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。
【請求項３４】
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。
【請求項３５】
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。
【請求項３６】
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。
【請求項３７】
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。
【請求項３８】
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。
【請求項３９】
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。
【請求項４０】
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。
【請求項４１】
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。
【請求項４２】
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。
【請求項４３】
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。
【請求項４４】
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。
【請求項４５】
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。
【請求項４６】
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。
【請求項４７】
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。
【請求項４８】
(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。
【請求項４９】
(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。
【請求項５０】
(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。
【請求項５１】
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。
【請求項５２】
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。
【請求項５３】
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。
【請求項５４】
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。
【請求項５５】
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。
【請求項５６】
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。
【請求項５７】
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。
【請求項５８】
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。
【請求項５９】
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。
【請求項６０】
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。
【請求項６１】
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。
【請求項６２】
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。
【請求項６３】
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。
【請求項６４】
(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。
【請求項６５】
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。
【請求項６６】
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。
【請求項６７】
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。
【請求項６８】
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。
【請求項６９】
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。
【請求項７０】
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。
【請求項７１】
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。
【請求項７２】
(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。
【請求項７３】
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。
【請求項７４】
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。
【請求項７５】
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。
【請求項７６】
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。
【請求項７７】
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。
【請求項７８】
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。
【請求項７９】
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。
【請求項８０】
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。
【請求項８１】
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。
【請求項８２】
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。
【請求項８３】
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。
【請求項８４】
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。
【請求項８５】
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。
【請求項８６】
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。
【請求項８７】
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。
【請求項８８】
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。
【請求項８９】
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。
【請求項９０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【特許文献１】米国特許第4,969,968号(1990年11月13日にLeatherman他に交付)
【非特許文献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
【特許文献２】同時係属出願第09/847055号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
【表１】
2005516357.tif 000003
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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
【００４３】
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。
【００４４】
【表２】
2005516357.tif 000004
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【実施例１】
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【実施例２】
【００７１】
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。
【００７２】
【表３】
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【実施例３】
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】熱可塑性マトリックスにランダムに分散した、ミクロンサイズの非導電性フェリ磁性体(例えば、フェライト)粒子およびミクロンサイズの導電性強磁性体粒子の混合物を含む、シートまたはテープの形態の加熱剤の上面図である。
【図２】高密度ポリエチレン(HDPE)中、20V/O(36W/O)のストロンチウムフェライトおよび13V/O(41W/O)のニッケルフレークに対する加熱曲線(実線)である。破線の曲線は、発振器出力をオン(t=0)にし、次にt=250msecでオフにした時の印である。加熱速度:1120°F/sec。
【図３】高密度ポリエチレン(HDPE)中、20V/O(36W/O)のMnZnフェライトおよび13V/O(40W/O)の鉄に対する加熱曲線(実線)である。破線の曲線は、発振器出力をオン(t=0)にし、次にt=250msecでオフにした時の印である。加熱速度:740°F/sec。
【図４】高密度ポリエチレン(HDPE)中、20V/O(44.9W/O)のMnZnフェライトおよび5V/O(20.8W/O)のNi-Alフレークに対する加熱曲線(実線)である。破線の曲線は、発振器出力をオン(t=0)にし、次にt=250msecでオフにした時の印である。加熱速度:740°F/sec。
【図５】高密度ポリエチレン(HDPE)中、20V/O(46.1W/O)のストロンチウムフェライトおよび5V/O(20.6W/O)のニッケルフレークに対する加熱曲線(実線)である。破線の曲線は、発振器出力をオン(t=0)にし、次にt=250msecでオフにした時の印である。加熱速度:760°F/sec。
【符号の説明】
【００７７】
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)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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