CN101432125A - 使用磁颗粒的新型表面艺术 - Google Patents

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Abstract

使含有已取向磁各向异性颗粒的聚合物或可聚合材料在磁场作用下再取向磁性颗粒。由此得到艺术图案化外观。

Description

使用磁颗粒的新型表面艺术
发明背景
发明领域
本发明涉及利用磁性方式选择性地取向装饰填料而生产装饰性表面材料的方法。
相关技术描述
本发明方法的优选应用是生产装饰性固体表面材料。如本文所用，固体表面材料要以一般含意理解，它是一种含聚合物树脂和粒状填料的均匀、非凝胶涂布、非多孔的三维固体材料，这种材料特别适用于功能性和漂亮外观都需要的厨房柜面、水槽、壁板和家具罩面等建材商品。固体表面材料的周知实例是杜邦公司(E.I.DuPont de Nemours andCompany)生产的
Figure A200780014770D00031
很多设计艺术是迄今在固体表面材料中已知的，如花岗岩和大理石，但它们都只有基本二维形貌。
大多数固体表面材料都用热固性加工法制造，如片材浇注(casting)、隔槽式铸塑、注射模塑或整体模塑。这类产物的装饰质量通过掺进颜料和着色颗粒使复合材料模仿天然石材而得到明显提高。商品图案范围受限于目前制造这类材料中所用的中间体和加工方法。
固体表面材料在它们的各种应用中可用来同时达到功能和装饰目的。向固体表面材料引进各色漂亮和/或独特的装饰图案提高了其应用性。这类图案构成一种产品区别于另一种产品的固有应用性能。同样的原理适用于天然存在的材料，如木材、大理石和花岗岩，它们的应用性，例如，在家具结构中，靠某种天然存在的图案，如纹理、颜色变化、层理、多层、镶嵌等而得以提高。工业制造的固体表面材料常引进旨在模拟或仿造天然存在于花岗岩或大理石中的图案的装饰图案。但由于可行性和实践性的限制，先前尚未在固体表面材料中引进某些装饰图案和/或某些类别的装饰图案。
在传统固体表面制造中先前已实现的装饰图案一般都采用以下3种方法之一：
(i)机械研磨已有固体表面产物的单色或彩色碎片，以产生不规则形状的宏观颗粒，然后把它们与其它组分组合在未固化固体表面浇注组合物内。工业上称做“碎屑”的常用宏观装饰颗粒是各种填充和未填充的、着色或染色的、不溶性或交联的聚合物碎片。在浇注和模塑期间固化该浇注组合物就产生固体表面材料，在其中形状和尺寸不规则的着色镶嵌物被包围或包埋在颜色不同的连续基体内。
(ii)浇注第一和第二可固化组合物，其中第二组合物的颜色与第一组合物的不同，而且加入方法使两者仅混合到有限程度。在所得固体表面材料内，不同着色区具有光滑的形状并被具有连续色变的区域隔开。
(iii)用切削或机械加工成各种形状的方法来制造不同的着色固体表面产品，然后用胶粘剂把它们结合在一起以形成多色镶嵌图案或设计。
用这类传统方法，需要混合不同颜色或外观的材料以形成装饰图案。它们不产生不依赖于不同颜色组合的某些类别的装饰图案。
固体表面材料的新一类艺术已公开在授予Overholt等的U.S.专利6,702,967中，该专利公开了制造带图案装饰表面材料的方法如下：制造含可取向各向异性颗粒的可固化组合物，把组合物成形为很多碎片，然后把碎片再成形为至少一些碎片含有不同取向的取向颗粒的粘合物质。
发明概述
本发明是在含磁各向异性颗粒的固体表面材料的表面内形成装饰图案的方法，包含下列步骤：使可流动固体表面材料内至少大部分磁各向异性颗粒取向；在该可流动固体表面材料的部分表面区内引进磁场，以改变磁场内磁性颗粒的取向；然后凝固该可流动固体表面材料。
附图
参考以下的详述、所附权利要求和附图，本发明的上述和其它特点、发明点和优点将变得更易理解，附图中
图1是含有已取向各向异性粒状填料的片材的截面。
图2是含有再取向各向异性粒状填料区的片材的截面。
图3示意当用磁场横向移动含磁性各向异性粒状填料的组合物时产生的图案。
优选实施方案详述
本发明是在含磁各向异性颗粒的固体表面材料内通过使各向异性粒状填料取向而形成装饰图案的方法。在未固化固体表面组合物内的磁各向异性颗粒填料可以靠多种方法来取向，在其中至少部分可取向颗粒都在同一方向上取向，然后用各种手段使具体区域内至少部分已取向磁各向异性颗粒(即箔)进行再取向，以在固体表面材料内形成装饰图案。本发明的另一个实施方案在未固化固体表面组合物内包含基本未取向的填料，随后靠各种手段使具体区域内的至少部分未取向磁各向异性颗粒(即箔)取向，以形成装饰图案。图案靠固体表面材料内相邻区域间各向异性颗粒的取向不同而产生。本方法将通过因颗粒取向所造成的与相邻区域的环境光相互作用的差别而在固体表面材料内产生漂亮的三维形貌。
适用于本发明的固体表面组合物不受特别限制，只要它们在加工条件下可流动并能成形为固体表面材料即可。可聚合组合物可以是浇注浆料，如授予Bosworth的U.S.专利3,474,081所述，然后浇注在移动带上，如授予Duggins的U.S.专利3,528,131所述。在本发明的另一个实施方案中，可聚合组合物可制造如下：按Weberg等在U.S.专利6,203,911中所述方法制造并加工压塑可热固配方，然后使压塑配混料通过挤出加工步骤。固体表面配方也能包括各种能压塑的热塑性树脂。在本发明的另一个实施方案中，可聚合组合物可以按Beauchemin等在U.S.专利6,476,111中所公开的方法制造和挤出。在所有实施方案中，可取向磁各向异性艺术增效颗粒被包括在可聚合组合物内，如下文所述。各向异性颜料、反射性颗粒、纤维、薄膜和细分割固体(或染料)都可用作强化取向效果的艺术-增效颗粒。通过控制增效颗粒的用量和再取向区域的形状和尺寸，可控制所得固体表面材料的半透明性而给出理想的艺术性。不同颜色、反射率和半透明性都可以通过组合不同量的增效颗粒、填料和着色剂以及各向异性填料颗粒再取向的程度来实现。
适用于本发明的磁各向异性粒状填料不受特别限制，只要它们具有磁性且长宽比大到足以在材料加工期间促进颗粒取向并具有相对于对材料和观察者而言的取向发生变化的外观即可。优选的磁各向异性粒状填料包括下述的材料，即其长宽比大到足以在材料加工期间促进颗粒取向并具有相对于对材料和观察者而言的取向发生变化的外观。适用增效颗粒的长宽比范围很宽，例如，金属箔(20～100)、云母(10～70)、金属化玻璃纤维(3～25)、金属化芳族聚酰胺纤维(100～500)。这些视觉效应可起因于角度依赖性反射率、角度依赖性色吸收/反射或可见形状。这些磁颗粒可以是板状、纤维或带状。长宽比是颗粒的最大长度与其厚度之比。
长宽比一般将为至少3，更一般为至少20。板状材料有二维尺寸远大于第三维尺寸。板状材料的实例包括，但不限于：云母、合成云母、金属箔、氧化铝和超薄多层干涉箔之类的合成材料(例如，来自FlexProducts的
Figure A200780014770D00061
)。在很多情况下，板状基材的表面已涂有各种金属氧化物或颜料，以控制颜色和光干涉效应，并赋予磁性。有些材料在不同角度看上去呈不同颜色。发现具有磁性的金属箔尤其有用。适用于磁性再取向的金属箔的典型实例包括钢、不锈钢、镍和它们的组合。
带金属涂层的纤维有一维尺寸远大于另外二维尺寸。纤维的实例包括金属、聚合物、碳、玻璃和陶瓷。带材有一维尺寸远大于另外二维的尺寸，但第二维尺寸明显大于第三维尺寸。带材的实例包括金属和聚合物薄膜。
任选地，聚合物组合物可包括既非各向同性，又非磁性，还不漂亮的粒状或纤维状填料。一般而言，填料使最终制品的硬度、劲度或强度比纯聚合物或纯聚合物的组合的高。将会理解，除此之外，填料还可使最终制品具有其它特性。例如，它能提供其它功能性，如阻燃性，或者它可用来达到装饰目的并提高艺术性。一些代表性填料包括氧化铝、三水合氧化铝(ATH)、一水合氧化铝、氢氧化铝、氧化铝、硫酸铝、磷酸铝、硅酸铝、Bayer水合物、硼硅酸盐、硫酸钙、硅酸钙、磷酸钙、碳酸钙、氢氧化钙、氧化钙、磷灰石、玻璃泡、玻璃微球、玻璃纤维、玻璃珠、玻璃箔、玻璃粉、玻璃球、碳酸钡、氢氧化钡、氧化钡、硫酸钡、磷酸钡、硅酸钡、硫酸镁、硅酸镁、磷酸镁、氢氧化镁、氧化镁、高岭土、蒙脱土、膨润土、叶蜡石、云母、石膏、氧化硅(包括砂)、陶瓷微球、陶瓷颗粒、陶瓷晶须、滑石粉、二氧化钛、硅藻土、木粉、硼砂，或它们的组合。此外，填料还可任选地涂有上浆剂，例如，硅烷(甲基)丙烯酸酯，可获自OSI Specialties(Friendly，WV)，商品名为Silane 8 Methacrylate A-174。填料以小颗粒状存在，平均颗粒尺寸在约5～500μm范围内，而且能以最多达65wt％可聚合组合物的量存在。
填料颗粒的性质，尤其折射率，对最终制品的美观具有重要影响。当填料的折射率与可聚合组分的很接近时，所得最终制品具有半透明外观。随折射率偏离可聚合组分的折射率，所得外观越来越不透明。对于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)体系，ATH常是优选填料，因为ATH的折射率与PMMA的接近。尤其有意义的是颗粒尺寸为10μm～100μm的填料。氧化铝(Al2O3)能提高耐刮擦性。纤维(如玻璃、尼龙、芳族聚酰胺和碳纤维)能提高力学性能。一些功能性填料的实例是CibaSpecialty Chemical Corp.供应的抗氧化剂(如三元或芳族胺，
Figure A200780014770D00071
(3，5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酸十八烷基酯)，和次磷酸钠，阻燃剂(如卤代烃，无机碳酸盐、水合矿物和氧化锑)，UV稳定剂(如Ciba Geigy供应的)，抗污剂，如
Figure A200780014770D00073
硬脂酸和硬脂酸锌，或它们的组合。
在实施本发明的方法时，各向异性粒状填料的取向可以利用颗粒在可聚合基体层流期间自动顺排的趋势来实现，如图1示意，在其中给出了基本平行于片材(100)表面的取向各向异性颗粒(200)。层流可以用很多种加工方法来产生，取决于可聚合组合物的流变性。可流动组合物可通过浇注在移动带上，任选地还用刮刀，而含有取向的各向异性粒状填料。可挤出未固化固体表面模塑组合物可从口模板中挤出，口模的几何形状不限。压延辊可用作各向异性粒状填料取向的主要手段或作为辅助手段加入。附加压延步骤可以是为了达到使各向异性粒状填料取向的目的，也可以是为了达到任何其它目的，如控制材料的厚度或使表面增加纹饰。一般至少70％各向异性颗粒，更一般至少90％，具有相同取向。
在未固化固体表面组合物中产生漂亮外观的方法是使各向异性颗粒选择性地再取向。在选择性再取向后，再取向颗粒的取向不同于本体材料的，由此产生看上去不同的再取向区(400)，如图2所示。选择性再取向的实际方法能随未固化固体表面材料的性质和所期望的艺术性而变。磁各向异性颗粒具有磁性并靠磁场横向移过未固化固体表面组合物而再取向。
磁场强度不是关键，只要强度足以破坏或改变局部表面体积内的填料取向即可。为举例起见，当在浇注体固化期间长期施加磁场时，等于或小于35高斯的磁场是合适的。对于短时暴露，包括短于1s的暴露，一般用等于或大于250高斯的磁场。用中心(mid thickness)场强约250高斯的较大磁场暴露约1s时，产生穿越1/2英寸总厚度浇注体的图案取向。
未固化固体表面组合物可任选地在各向异性颗粒再取向后获得纹饰。未固化固体表面组合物可以经平整化而得到光滑纹饰，或具有添加的艺术或功能性纹饰。纹饰化的优选工具是压延辊。
在任何表面平整化或纹饰化之后，使未固化组合物凝固。可聚合组合物在各向异性颗粒再取向后的凝固按照所用的聚合物体系进行。大多数靠热固性加工法，如片材浇注、隔槽式铸塑、注射模塑或整体模塑所制成的固体表面材料都使用固化剂，固化剂在热活化时将产生自由基，然后自由基引发所期望的聚合反应。为固化丙烯酸系可聚合级分，这里可以用化学活化的热引发或纯温度驱动的热引发。两种固化体系都是本领域周知的。使本发明热塑性实施方案，如挤出热塑性塑料，实现凝固的方法是，让组合物冷却到玻璃化转变温度以下。
下列实施例是作为本发明的代表性实施方案而包括进来的。百分数是指重量，温度是摄氏度，除非另有说明。
实施例
实施例1
称取下列组分并在28℃下进行混合：
620            三水氧化铝(ATH)
318.13g        浆料(24％PMMA在MMA中)
39.58g         MMA单体
3.03g          三羟甲基丙烷三(甲基丙烯酸)酯(TRIM)
8.49g          PMA 25糊料(叔丁基过氧马来酸)
1.56g          磺基丁二酸二辛酯钠盐
0.68g          85％磷酸化甲基丙烯酸羟乙酯在甲基丙烯酸丁酯中
9.96           磁性不锈钢箔
混合1min后，在该混合物内加进0.91g蒸馏水。然后在真空(24”～25”Hg)下用泵和合适的冷凝蒸汽疏水阀对该混合物抽气。在混合并抽气约3min后，用注射器加进2.58g氢氧化钙淤浆(34％，在浆料中)和1.33g二巯基乙酸乙二醇酯。在另外混合和抽气45s后，把混合物倒进方形容器，以形成厚约0.5”的层。容器有一个0.040”厚的金属底，由AISI 301不锈钢制成，在倒入混合物之前已经过退磁化。从混合器转移混合物并把它倒进容器大约需20s。
然后使磁场横移过浇注体，产生线状图案。磁场由2块含有由1215钢制成的φ0.5”×1.27”内芯的电磁体产生。电磁体线圈由4,000匝组成，绕线密度为约3200匝/英寸，线圈电阻为150Ω。线圈外径约为
Figure A200780014770D0009091605QIETU
英寸。圆柱状电磁体的中心线校直，芯端离浇注容器底和倒入浇注体上表面0.060”。电磁体线圈按相反极性连接并施以0.5A直流电。电磁体放在浇注体周围，启动电源，电磁体以约4.6”/s的速度横移过浇注体。在注射进氢氧化钙淤浆和二巯基乙酸乙二醇酯后，通电约120s。在线性横移终点，终止电磁体运动并切断电流。然后把电磁体移离容器，在浇注体上表面和浇注容器下面放绝缘体，并让浇注体固化。
电磁体的横移产生比浇注体较浅背景更深的条纹图案。图案由宽约0.4”、沿电磁体横向中心线顺排的深色线条组成。2条宽约0.15”的背景色线平行于宽0.4”的深色中心线。2条宽约0.2”的更深色的线平行于0.15”线。电磁体横向2个端点周围的图案是半圆形。半圆图案具有深色中心，周边半圆环围绕端心；背景色内环径向宽度为0.15”，而深色外环径向宽度为0.2”。虽然颜色之间的界线模糊或不如图3所示的那么清晰，但该图示意了所产生的总体图案。
实施例2
对实施例1中所述的金属底容器进行退磁化，然后用实施例1中所述的电磁体系统和横向移动顺序使之磁化。以与实施例1中所进行的相同方法和顺序称取浇注混合物、混合并抽气。象实施例1那样，在混合停止约20s后把混合物倒进该磁化容器。在浇注体上表面和浇注容器下面放置绝缘体并让浇注体固化。
施加在容器上的磁场足以在浇注体内产生与实施例1所述的相同线状颗粒再取向图案。

Claims (6)

1.在含磁各向异性颗粒的固体表面材料的表面内形成装饰图案的方法，包括下列步骤：
(a)使可流动固体表面材料内至少大部分磁各向异性颗粒取向，
(b)在该可流动固体表面材料的部分表面区内引进磁场，以改变磁场内磁性颗粒的取向，和
(c)凝固该可流动固体表面材料。
2.权利要求1的方法，其中固体表面材料由丙烯酸树脂构成。
3.权利要求1的方法，其中固体表面材料由聚酯树脂构成。
4.权利要求1的方法，其中各向异性颗粒的长宽比为至少3。
5.权利要求1的方法，其中磁各向异性颗粒选自钢、不锈钢、镍和它们的组合。
6.在含磁各向异性颗粒的固体表面材料的表面内形成装饰图案的方法，包括下列步骤：
(a)使可流动固体表面材料内至少大部分磁各向异性颗粒取向，
(b)在该可流动固体表面材料的部分表面区内引进磁场，以改变磁场内磁性颗粒的取向，
(c)使该可流动固体表面材料的表面具有纹饰，和
(d)凝固该可流动固体表面材料。
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