CN100570761C - 包含可聚合单体和/或聚合物以及分散在其中的超顺磁粉末的配制品 - Google Patents

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Abstract

配制品,其包含可聚合单体和/或聚合物以及分散在其中的超顺磁粉末,该超顺磁粉末包括聚集的初级颗粒,所述初级颗粒由在无磁性金属氧化物或准金属氧化物基质中的直径为2~100nm的磁性金属氧化物磁畴构成。在交变的磁场或电磁场中加热所述配制品的方法。所述配制品作为粘合剂组合物的用途。

Description

包含可聚合单体和/或聚合物以及分散在其中的超顺磁粉末的配制品
本发明涉及一种包含可聚合单体和/或聚合物以及分散在其中的超顺磁粉末的配制品。本发明还涉及一种加热所述配制品的方法。
DE-A-19924138要求保护一种粘合剂组合物,其具体包括具有超顺磁性能的纳米颗粒。
DE-A-10163399记载了一种纳米颗粒配制品,其具有聚集相(coherent phase)和至少一种分散在其中的超顺磁纳米颗粒的颗粒相。这种颗粒的体积平均粒径为2~100nm并含有通式为MIIMIIIO4的至少一种金属混合的氧化物,其中MII代表包括彼此不同的至少两种二价金属的第一金属成分,MIII代表包括至少一种三价金属的另一种金属成分。所述聚集相可以包括水、有机溶剂、可聚合单体、聚合物和混合物。在这一点上,粘合剂组合物形式的配制品是优选的。
在DE-A-19924138和DE-A-10163399中,为了防止纳米颗粒的团聚或熔化和/或用于确保颗粒相在聚集相中的良好分散性,所用的颗粒优选被表面改性或表面涂布。其缺点在于,表面涂布或表面改性所用的物质会脱落,特别是在高温下和/或在机械影响下。其结果是,纳米颗粒可能会团聚(agglomerate)或聚结(coalesce),从而使其失去超顺磁性能。
借助分散剂的性质和量,可以在大范围内调节根据DE-A-10163399的纳米颗粒配制品或根据DE-A-19924138的粘合剂组合物的流变性能。然而,不可能或仅可能有限程度地通过纳米超顺磁颗粒本身来调节配制品的流变性,因为超顺磁性能受到某些颗粒尺寸的约束。有利的是,配制品中存在的颗粒基本上是初级颗粒,其结果是,仅通过同时改变超顺磁颗粒的含量就可以调节流变性,例如稠化。
本发明的目的是提供一种包括超顺磁颗粒并克服了现有技术缺点的配制品。特别地,超顺磁颗粒即使在高温下在配制品中也不应团聚(agglomeration),并且应是热稳定的。超顺磁颗粒在配制品中还应表现出尽可能的均匀分布。还应可以尽可能地独立于超顺磁颗粒的含量来控制配制品的流变性。
本发明的目的还在于提供一种加热所述配制品的方法。
本发明提供一种包含可聚合单体和/或聚合物以及分散在其中的超顺磁粉末的配制品,其特征在于所述超顺磁粉末由聚集的初级颗粒组成,所述初级颗粒由在无磁性金属氧化物或准金属氧化物(metalloidoxides)基质中的直径为2~100nm的磁性金属氧化物磁畴(domain)构成。
在本发明中,“聚集的(aggregated)”应被理解成指聚结的(coalesced)初级颗粒的三维结构。几个聚集体(aggregate)可以合并成聚集体(agglomerate)。这些聚集体可以容易地再次分离。相比而言,聚集体通常不可能离解成初级颗粒。
超顺磁粉末的聚集体直径优选大于100nm且小于1μm。优选地,超顺磁粉末的聚集体在至少一个空间方向上的直径不超过250nm。这些情况如图1所示,其中聚集体的两侧臂直径为80nm和135nm。
磁畴应被理解成指基质中空间上彼此分离的区域。超顺磁粉末的磁畴其直径为2~100nm。
磁畴还可以具有对粉末的磁性性能没有贡献的无磁性区域。
此外,还存在由于尺寸原因没有表现出超顺磁性和感应保持力(induce retentivity)的磁畴。这使得体积-特异性饱和磁化增加。然而,这些磁畴的量比超顺磁磁畴的量低。根据本发明,超顺磁粉末含有的超顺磁磁畴的量使得本发明的配制品可借助于交变的磁场或电磁场加热。
超顺磁粉末的磁畴可被周围基质完全包封或仅被部分包封。部分包封指各磁畴可以从聚集体的表面突出。
磁畴可以含有一种或多种金属氧化物。
磁畴优选可以含有铁、钴、镍、铬、铕、钇、钐或钆的氧化物。在这些磁畴中,金属氧化物可以均匀改性或以各种改性形式存在。
特别优选的磁畴是γ-Fe2O3、Fe3O4、γ-Fe2O3和/或Fe3O4的混合物形式的铁氧化物。
磁畴还可以是至少两种金属与金属成分铁、钴、镍、锡、锌、镉、镁、锰、铜、钡、镁、锂或钇的混合氧化物。
磁畴还可以是通式MIIFe2O4的物质,其中MII代表包括彼此不同的至少两种二价金属的金属成分。优选地,二价金属之一可以是锰、锌、镁、钴、铜、镉或镍。
磁畴还可以由通式(Ma 1-x-yMb xFey)IIFe2 IIIO4的三元体系构成,其中Ma和Mb是金属锰、钴、镍、锌、铜、镁、钡、钇、锡、锂、镉、镁、钙、锶、钛、铬、钒、铌或铝,其中x=0.05~0.95,y=0~0.95和x+y≤1。
ZnFe2O4、MnFe2O4、Mn0.6Fe0.4Fe2O4、Mn0.5Zn0.5Fe2O4、Zn0.1Fe1.9O4、Zn0.2Fe1.8O4、Zn0.3Fe1.7O4、Zn0.4Fe1.6O4或Mn0.39Zn0.27Fe2.34O4、MgFe2O3、Mg1.2Mn0.2Fe1.6O4、Mg1.4Mn0.4Fe1.2O4、Mg1.6Mn0.6Fe0.8O4、Mg1.8Mn0.8Fe0.4O4是特别优选的。
无磁性基质的金属氧化物的选择没有进一步限制。钛、锆、锌、铝、硅、铈或锡的氧化物是优选的。
在本发明中,金属氧化物还包括准金属氧化物,例如二氧化硅。
基质和/或磁畴还可以是无定形和/或结晶形式。
粉末中的磁畴含量没有限制,只要基质和磁畴存在空间分离。超顺磁粉末中的磁畴含量优选是10~90重量%。
适合的超顺磁粉末记载在例如EP-A-1284485和尚未公开的2003年3月14日申请的申请号10317067.7-41的德国专利申请中,在此参考其全部内容。
本发明的配制品优选超顺磁粉末含量为0.1~40重量%。
适于本发明配制品的可聚合单体可以是形成上述聚合物的那些。这些单体转化成聚合物是本领域技术人员已知的。
本发明配制品中的适合聚合物优选是可热塑性软化的聚合物、单组分或双组分聚氨酯、单组分或双组分聚环氧化物、单组分或双组分硅氧烷聚合物、硅烷改性的聚合物、聚酰胺、(甲基)丙烯酸酯官能的聚合物、聚酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚硅氧烷、聚(醚)砜、聚醚酮、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺-酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯/丙烯共聚物、全氟烷氧基共聚物、甲基丙烯酸酯/丁二烯/苯乙烯共聚物和/或液晶共聚酯(LCP)。聚酰胺12粉末是特别优选的。
本发明配制品的超顺磁粉末的还可以是颗粒形式。例如通过在水中分散超顺磁粉末,喷雾干燥分散体和在150~1,100℃的温度下加热处理得到的颗粒1~8h,可以制备这种颗粒。喷雾干燥例如可以在温度200~600℃下进行。可以使用盘式喷雾器或喷嘴式喷雾器。颗粒的热处理可以在静态床例如在燃烧炉中或在搅拌床例如旋转管式干燥器中进行。
此外,本发明的配制品本身也可以是颗粒形式。
为此,例如将粉末形式的聚合物和超顺磁粉末的混合物挤出,压成线,然后造粒。这种形式对于聚酰胺聚合物是特别有利的。
除了可聚合单体和聚合物之外,本发明的配制品还可以包括水或有机分散剂。适合的有机分散剂例如可选自油;脂肪;蜡;C6-C30一元羧酸与一元、二元或三元醇的酯;饱和无环烃和环烃;脂肪酸;低分子量醇;脂肪醇和它们的混合物。这些包括例如石蜡和石蜡油、矿物油、通常具有超过8个碳原子的直链饱和烃(如十四烷、十六烷、十八烷等)、环烃(如环己烷和十氢化萘)、蜡、脂肪酸的酯、硅油等。例如直链和环状烃和醇是优选的。
本发明还提供一种加热本发明配制品的方法,其中所述配制品暴露于交变的磁场或电磁场中。
优选地,为进行加热,将本发明的配制品暴露于频率30Hz~100MHz的交变磁场中。常用感应器的频率是适合的,例如中频100Hz~100kHz或高频10kHz~60MHz,特别是50kHz~3MHz。
超顺磁粉末的纳米颗粒磁畴允许以特别有效的方式利用电磁射线的能量输入。
相似地,这也适用于通过微波辐射的交变电磁场进行的加热。在本说明书中,优选使用频率0.3~300GHz的微波辐射。为调节共振频率,除了微波辐射之外,优选使用场强为约0.001~10特斯拉的直流磁场。场强优选为0.015~0.045特斯拉,特别是0.02~0.06特斯拉。
本发明还提供本发明的配制品作为粘合剂组合物的用途。
实施例:
制备超顺磁粉末
粉末P-1
在约200℃下蒸发0.57kg/h的SiCl4,并加到含有4.1Nm3/h的氢气和11Nm3/h的空气的混合区中。此外,借助于载气(3Nm3/h的氮气),将从浓度为25重量%的二氯化铁(II)水溶液(1.27kg/h)得到的气溶胶引入燃烧器内的混合区中。均匀混合的气体/气溶胶混合物在约1,200℃的绝热燃烧温度下燃烧,停留时间约50msec。反应后,按已知方式冷却反应气体和形成的粉末,并借助于过滤器从废气流中分离出来。在另一步骤中,通过用含氮蒸汽处理从粉末中除去仍粘附的盐酸残留。
粉末P-2
在约200℃下蒸发0.17kg/h的SiCl4,并加到含有4.8Nm3/h的氢气和12.5Nm3/h的空气的混合区中。此外,借助于载气(3Nm3/h的氮气),将从浓度为25重量%的二氯化铁(II)水溶液(2.16kg/h)得到的气溶胶引入燃烧器内的混合区中。均匀混合的气体/气溶胶混合物在约1,200℃的绝热燃烧温度下燃烧,停留时间约50msec。反应后,按已知方式冷却反应气体和形成的粉末,并借助于过滤器从废气流中分离出来。在另一步骤中,通过用含氮蒸汽处理从粉末中除去仍粘附的盐酸残留。
粉末P-3
在约200℃下蒸发0.14kg/h的SiCl4,并加到含有3.5Nm3/h氢和15Nm3/h的空气的混合区中。
此外,借助于载气(3Nm3/h的氮气),将从浓度为10重量%的三氯化铁(III)水溶液通过双组分喷嘴得到的气溶胶引入燃烧器内的混合区中。
均匀混合的气体/气溶胶混合物在约1,200℃的绝热燃烧温度下燃烧,停留时间约50msec。
反应后,按已知方式冷却反应气体和形成的掺有氧化铁的二氧化硅粉末,并借助于过滤器从废气流中分离出粉末。
在另一步骤中,通过用含氮蒸汽处理从粉末中除去仍粘附的盐酸残留。
粉末P-4
在约200℃下蒸发0.57kg/h基质前体SiCl4,并加到含有4Nm3/h的氢气以及11Nm3/h的空气和1Nm3/h的氮气的反应器中。
此外,借助于载气(3Nm3/h的氮气),将从二氯化铁(II)、镁II、氯化锰水溶液通过双组分喷嘴得到的包括磁畴前体的气溶胶引入反应器中。该水溶液含有1.8重量%的MnCl2、8.2重量%的MgCl2和14.6重量%的FeCl2
均匀混合的气体/气溶胶混合物流进反应器中,在约1,350℃的绝热燃烧温度下燃烧,停留时间约70msec。
从在绝热燃烧温度下混合物流过的装置体积与处理气体的操作体积流速的商来计算停留时间。
在火焰水解后,按已知方式冷却反应气体和形成的掺有铁酸锌镁(zinc magnesium ferrite)的二氧化硅粉末,并借助于过滤器从废气流中分离出固体。
在另一步骤中,通过用含氮蒸汽处理从粉末中除去仍粘附的盐酸残留。
超顺磁粉末P-1~P-4的理化数据示于表1中。
制备配制品
在每种情况下,借助于11,000rpm的Ultra Turrax,将按总混合物计5重量%的超顺磁粉末P-1~P-4加到环氧树脂ERL 4221(Dow,3,4-环氧-环己基-甲基3,4-环氧环己烯羧酸酯)中,以得到相应的配制品F-1~F-4。48小时后,测量23℃下粘度随剪切梯度的变化(RheolystAR 1000-N,制造商:TA Instruments,测量几何形状:球/板,温度:23℃)。
配制品的粘度值示于表1。
表1表明在制备本发明配制品的过程中控制流变性和Curie温度的可能性。所有配制品在配制品中具有相同含量的超顺磁粉末。
此外,F-1和F-3还具有相同含量的磁畴,但是不同的BET表面积。这使得在F-1的情况下,配制品具有低粘度,在F-3的情况下,配制品具有高粘度。
比较配制品F-1和F-2表明,可以得到具有大约相同粘度、不同含量的磁畴的配制品。
与F-1相比,配制品F-4表明,可以得到具有大约相同粘度、明显降低的Curie温度、而没有改变磁畴含量的配制品。
本发明允许制备流变性和Curie温度可以调节的配制品。与现有技术相比,超顺磁粉末本身的性能可以控制流变性和Curie温度,不需要添加剂。
TEM照片表明,超顺磁粉末即使在高温下在配制品中也没有团聚。
在现有技术中,超顺磁粉末是用有机物质表面改性以避免聚集的形式。有机成分在高温下不稳定,引起变色,超顺磁颗粒再团聚,因此使超顺磁性能损失。相比而言,本发明的配制品,其中超顺磁粉末不含有表面改性有机物质,可以被加热到高温,而不会损失其超顺磁性能。
配制品F-5:
在MTI的高速混合器(型号M20FU)中,在室温下,以1,500/min的转速,在3min的混合时间内混合20重量份的
Figure C20058004129200111
2157(Degussa AG)和1重量份的粉末P-1的混合物。然后测量配制品的加热曲线(图2)。
配制品F-6:
按与配制品F-5相同的方式进行制备,但是使用
Figure C20058004129200112
L1901(根据ISO 1874-1命名:PA12,XN,18-010),Degussa AG来代替
Figure C20058004129200113
2174。
然后在Berstorff的ZE25-33D双螺杆挤出机中在250℃下熔融混合所述配制品,产量10kg/h,挤出并造粒。
配制品F-7:
在MTI的高速混合器(型号M20FU)中,在室温下,以1,500/min的转速,在3min的混合时间内混合10重量份的
Figure C20058004129200121
L1901(Degussa AG)和1重量份的粉末P-2的混合物。
然后在Berstorff的ZE25-33D双螺杆挤出机中在250℃下熔融混合所述配制品,产量10kg/h,挤出并造粒。
表1:超顺磁粉末和配制品的理化参数
  粉末   P-1   P-2   P-3   P-4
  基质/磁畴   SiO<sub>2</sub>/Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub><sup>*</sup>   SiO<sub>2</sub>/Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub><sup>*</sup>   SiO<sub>2</sub>/Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub><sup>*</sup>   SiO<sub>2</sub>/Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub><sup>*</sup>,MnO,MgO<sup>**</sup>
  磁畴含量   重量%   50   85   50   50
  BET表面积   m<sup>2</sup>/g   43   44   146   41
  Curie温度   ℃   620   620   620   330
  饱和磁化   Am<sup>2</sup>/kg   29.7   54.2   17.0   10.8
  配制品   F-1   F-2   F-3   F-4
  粘度剪切速率25s<sup>-1</sup>剪切速率100s<sup>-1</sup> Pa·sPa·s 1.21.2 1.31.3 10.911.2 1.31.3
*按Fe2O3计算;磁畴含有Fe2O3和Fe3O4
**Fe2O3:33重量%;MnO:4重量%,MgO:13重量%。

Claims (12)

1.一种配制品,其包含可聚合单体和/或聚合物以及分散在其中的超顺磁粉末,所述配制品的特征在于所述超顺磁粉末由聚集的初级颗粒组成,所述初级颗粒由在无磁性金属氧化物或准金属氧化物基质中的直径为2~100nm的磁性金属氧化物磁畴构成,并且其中所述聚合物选自:单组分或双组分聚氨酯、单组分或双组分聚环氧化物、硅烷改性的聚合物、聚酰胺、(甲基)丙烯酸酯官能的聚合物、聚酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、聚硅氧烷、聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚苯乙烯、聚甲醛、聚酰胺-酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯/丙烯共聚物、全氟烷氧基共聚物、甲基丙烯酸酯/丁二烯/苯乙烯共聚物;
超顺磁粉末的聚集体尺寸大于100nm且小于1μm;且
所述超顺磁粉末在所述配制品中的存在量为0.1~40重量%。
2.如权利要求1所述的配制品,其特征在于所述聚合物是单组分或双组分硅氧烷聚合物。
3.如权利要求1所述的配制品,其特征在于所述聚合物是液晶共聚酯。
4.如权利要求1所述的配制品,其特征在于所述磁畴是γ-Fe2O3、Fe3O4、γ-Fe2O3和Fe3O4的混合物。
5.如权利要求1~3任一所述的配制品,其特征在于所述磁畴的通式为MIIFe2O4,其中MII代表包括彼此不同的至少两种二价金属的金属成分。
6.如权利要求1~3任一所述的配制品,其特征在于所述磁畴由通式(Ma 1-x-yMb xFey)IIFe2 IIIO4的三元体系构成,其中Ma和Mb是锰、钴、镍、锌、铜、镁、钡、钇、锡、锂、镉、镁、钙、锶、钛、铬、钒、铌或钼,并且x=0.05~0.95,y=0~0.95和x+y≤1。
7.如权利要求1~4中任一所述的配制品,其特征在于所述超顺磁粉末中的磁畴含量为10~90重量%。
8.如权利要求1~4中任一所述的配制品,其特征在于所述超顺磁粉末是颗粒形式。
9.如权利要求1~4中任一所述的配制品,其特征在于其是聚合物和超顺磁粉末的颗粒形式。
10.如权利要求1~4中任一所述的配制品,其特征在于其还包括有机分散剂。
11.一种加热权利要求1~10中任一所述的配制品的方法,其特征在于所述配制品暴露于交变的磁场或电磁场。
12.权利要求1~10中任一所述的配制品作为粘合剂组合物的用途。
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