CN102046705A - 具有填料加强作用的结构增强塑料 - Google Patents

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Abstract

一种用于在非线性粘滞区促进动能边界层混合的组合物，所述组合物包含流体和分散于流体中的物料，该物料由具有锐利叶片样表面的颗粒组成，颗粒具有大于0.7的长度直径比。组合物可进一步包含分散于流体中的添加剂。流体可为热聚物材料。挤出流体的方法包括将流体输送至挤出机，将添加剂输送至挤出机，将物料送入挤出机，使物料通过挤出机的混合区以使物料在流体中分散，其中物料向流体的边界层迁移促进添加剂在流体中动能混合，动能混合发生在非线性粘滞区。

Description

具有填料加强作用的结构增强塑料
一种用于促进添加剂在流体例如热塑性材料的非线性粘滞区(viscosity zone)中的动能混合(kinetic mixing)的组合物。
发明背景
挤压过程为生产工程结构材料的最经济的制造方法之一。通常，挤压过程用于制造具有均匀横截面的长形挤出构件。构件的横截面可具有各种简单的形状例如圆形、环形或者矩形。构件的横截面也可以是非常复杂的，包括内支撑结构和/或具有不规则的周边。
通常，挤压过程采用被引入到进料斗中的热塑性聚合物化合物。热塑性聚合物化合物可以粉末、液体、立方体、码垛堆积(palletized)和/或任何其它可挤出的形式存在。热塑性聚合物可为新的未加工过的、重复利用的或者两者的混合物。典型挤出机的实例示于图1中。
塑料工业已经在制造期间使用填充剂来降低树脂成本。典型的填充剂包括碳酸钙、滑石、木纤维及各种其它类型的物质。除了提供成本节约以外，向塑料中加入填充剂减小热膨胀系数，增加机械强度，并且在一些情况中降低密度。
碳酸钙和滑石不具有结构强度或纤维取向以改善结构稳定性。滑石通过弱的范德华力结合在一起，这使得该材料在对其表面施加力时反复裂开。即使试验结果表明滑石赋予聚丙烯多种益处，例如较高的刚性和改善的尺寸稳定性，但是滑石的作用就象具有润滑性能的微米填充剂(micro-filler)。
碳酸钙具有类似的性能，但是具有吸水问题，这由于环境退化而限制其应用。滑石因为其疏水性而避免了该问题。
木纤维由于纤维特性与塑料相互作用而增加一些尺寸稳定性，但是木纤维也受环境退化的困扰。所有这三种常用的填充剂都是经济上可行的，但是结构上受到限制。
塑料工业在近几十年来已经努力改进抗刮性和/或耐擦伤性以及美学外观。在最近十年来已经作出许多改进以增加抗刮性和耐擦伤性，但是技术短缺仍然令塑料工业及其科学家感到困惑。一个挑战是如何使塑料更硬并保持成本而不妨碍美学外观。申请人意识到没有提出增加抗刮性和耐擦伤性论点的经济的结构增强填充剂，即使研究尝试已经把焦点集中在农场废弃纤维例如稻壳、甘蔗渣纤维、麦草及各种用作塑料内低成本的结构填充剂的其它填充剂。一种解释涉及到增强物理性能的结构填充剂的技术空白，其焦点集中在成本而不是把焦点集中在塑料完整性上。
存在三种类型的常用的涉及向塑料中加入填充剂的混合原理：
1.静态混合：通过或者力产生的流动(经机械方法的压力)，或者重力引起的流动在固定物体周围的液体流动。
2.动态混合：通过具有叶片和舷弧(sheer)两种设计的典型叶轮的机械搅拌以及双或单螺旋式搅拌的液体引起的混合。
3.动能混合：液体通过对表面的速度冲击或者两种或更多种液体相互碰撞的冲击混合。
所有以上三种混合方法具有一件共同的事情，即妨碍混合最佳化而与被混合的流体无关和与正被混合的物料是否为极性、非极性、有机或是无机等无关，或者与其是否为含有可压缩或不可压缩填充剂的填充材料无关。
所有的不可压缩的流体具有壁效应或边界层效应，其中流体速度在器壁或机械界面被大大地减小。静态混合系统采用该边界层劈分(fold)或混合这种采用该阻力促进搅拌的流体。
动态混合，与搅拌叶片或涡轮的几何形状无关，最后由于边界层而得到盲区和不完全的混合。动态混合采用被设计采用边界层促进摩擦并通过离心力压缩以实现搅动，同时在机械表面保持不完全混合的边界层的高剪切和螺旋叶片。
动能混合在来流(incoming streams)和在注射器尖端两者上对速度分布具有边界层效应的缺点。然而，除了输送流体现象外，该系统经受最小的边界层效应。
以下为边界层的另一种解释。气动力以复杂的方式取决于流体速度。当流体运动通过物体时，正好邻近表面的分子附着于表面。正好在表面上的分子在其与附着于表面的分子相撞中减低速度。这些分子依次又减慢正好在其上的流动。一个分子运动离表面越远，碰撞受物体表面的影响越小。这在邻近表面处产生一薄层流体，其中速度从表面为零变为远离表面的自由流值。工程技术人员称该层为边界层，因为其存在于流体的边界上。
当物体运动通过流体时，或者当流体运动通过物体时，邻近物体的流体分子被扰动并在物体周围运动。在流体与物体之间产生气动力。这些力的大小取决于物体形状、物体的速度、经过物体的流体质量以及取决于流体的两个其它重要性质；粘滞度或粘着性以及流体的可压缩性或弹性。为正确地模拟这些效应，航天工程师采用相似性参数，其为这些效应与问题中存在的其它力的比率。如果两个试验对于相似性参数具有相同的值，则这些力的相对重要性即被正确地模拟。
图2A显示了从自由流到表面的沿水流方向的速度变化。实际上，效应是三维的。由于三维质量保持，在水流方向的速度变化也引起其它方向的速度变化。在垂直于表面方向存在一个小的速度分支(component)，其替代或移动其上面的流动。人们可定义边界层厚度为该位移(displacement)的量。位移厚度取决于雷诺数，其为惯性(抗变化或运动)力与粘性(重和胶粘)力的比率并且通过以下公式给出：雷诺数(Re)等于速度(V)乘以密度(r)乘以特征长度(l)除以粘度系数(μ)，即Re＝V*r*l/μ。
如在图2A中可见到的那样，边界层可或者为层状(成层的)或者为湍流(紊乱的)，这取决于雷诺数值。对于较低的雷诺数，如同远离器壁运动那样，边界层为层状并且水流方向速度变化均匀，如同在图2A的左侧显示的那样。对于较高的雷诺数，边界层为湍流并且在边界层内水流方向速度的特征为不稳定(随时间变化)的旋拧流。外流对边界层边缘的反应正如对于物体的物理表面一样。所以边界层给予任何物体通常稍微不同于物理形状的“有效”形状。边界层可离开(lift off)物体或与物体“分离”并且产生显著不同于物理形状的有效形状。这是由于边界中的流动具有非常低的能量(相对于自由流)而发生的并且更易于由压力的变化所驱动。流动分离是飞机机翼以高的作用角停止的原因。在起飞升起时的边界层效应被包含在升力系数中并且在牵引时效应被包含在牵引系数中。
边界层流动
邻近固体表面的流体流动部分为剪切应力显著并且假定不可采用无粘性流的地方。所有的固体表面由于防滑条件、流体与固体在其界面具有同样速度的物理要求而与粘性流体流动相互作用。因此，流体流动受到固定的固体表面阻滞并且形成有限的缓慢运动的边界层。要求边界层薄即为物体的雷诺数大，103或者更大。在这些条件下，边界层外的流动基本上为非粘性的并且对于所述层起驱动装置的作用。
现参照图2B，一种典型的低速或层状边界层在图表中得到显示。这样的邻近器壁的水流方向流动矢量变化的显示称为速度分布图。防滑条件要求u(x，0)＝0，如所显示的那样，其中u为边界层中流动的速度。速度随与器壁的距离y的增加而单调性上升，最后与外(非粘性)流速度U(x)而平滑合并。在边界层中的任何位置，假定为牛顿流体，流体剪切应力/ταμ与局部速度梯度成正比。在器壁的剪切应力值是最重要的，因为其不仅涉及物体牵引，而且也通常涉及其传热。在边界层的边缘，ταμ逐渐接近于零。不存在其中ταμ＝0的精确位点，因此边界层的厚度δ通常随机定义为其中u＝0.99U的位点。
发明概述
本专利焦点集中在对边界层微-和纳米级混合(micro-and nano mixing)的技术突破，即集中在采用伴随摩擦系数的静态薄膜主要构成的边界层产生微和纳米级混合性能的结构机械填充剂对固体粒子周围流体流动的流体边界区域中的运动粒子促进加速混合的作用。
结构填充剂粒子的几何形状基于表面粗糙度促进增加与边界层中零速度区域附着的基本原理。边界层为材料具有其最强的粘附力或粘附性存在的区域。通过采用具有粗糙和/或锐利颗粒表面的粒子，对防滑区域的粘附力增加，这促进比具有很小至没有表面特性的光滑颗粒具有更高的表面粘附。理想的填充剂粒度在聚合物之间应是不同的，因为粘度差异以及由机械表面的剪力和表面抛光产生的混合力学，这造成边界层厚度的变化。粗糙和/或锐利的颗粒表面使得粒子可在边界层中起滚动动能搅拌叶片的作用。包含在本专利中的技术突破焦点集中在具有锐利边缘的硬颗粒沿着边界层滚动，在其中存在边界层的表面区域上伴随搅动产生微米级混合。
该技术的优点包括：
·通过用廉价的结构材料替代昂贵的聚合物节约成本。
·通过增加向塑料中掺入更多有机物质的能力节约成本。
·通过增加具有高水平的有机和/或结构材料的生产率节约成本。
·通过在由边界混合产生的大的机械表面上增加混合更好地分配(disbursement)添加剂和/或填充剂。
·当在正常混合操作期间聚合物的速度和压缩影响表面时，通过沿着大的表面区域滚动的颗粒的研磨和切割作用更好地混合聚合物。
·用牵引减少其由边界层中硬粒子的滚动动摩擦替代的由边界层效应引起的机械表面的摩擦系数。
·通过减少边界层中的摩擦系数增加用于挤出、吹塑或注塑成型方法的塑料制造的生产，其中摩擦系数直接影响产量。
·由于边界层中动能混合引起的抛光对在精加工方法期间物料流入和在周围流动的全部机械表面包括染料、模具等的影响，对于包含或不包含填充剂的塑料的表面质量改善。
·通过动能混合促进边界层去除，从而具有边界层的自净(self-cleaning)性能。
·由于边界层中的动能混合增强传热，边界层被认为是滞膜，其中传热为主要传导，但是滞膜(stag film)的混合在传热表面产生强迫对流。
用于边界层中动能混合的固体颗粒需要具有以下特性：
·颗粒的物理几何形状应具有使得颗粒沿着边界层表面滚动或翻滚的能力的特性。
·颗粒的混合效率随着与零速度区域或防滑聚合物表面相互作用的表面粗糙度而增加，以促进动摩擦而不是静摩擦。
·颗粒应足够硬以致于流体在颗粒周围变形，用于通过颗粒的翻滚或滚动作用促进动能混合。
·颗粒应具有与所使用物料的边界层成正比的大小，以便颗粒采用动能滚动摩擦滚动或翻滚，以使颗粒不是边界层中的药物，其基于增加限制流动的表面粗糙度增加边界层的负效应或者可产生从边界层中去除颗粒进入流体主体的作用。
·颗粒应能够在混合方法期间基于粒度和表面粗糙度自流体主体再接合于边界层中。
·颗粒可为固体或多孔材料、人造或天然存在的矿物质和/或岩石。
颗粒的物理几何形状
球形颗粒不是理想的，因为以下两种现象同时发生。第一种现象涉及防滑区域颗粒的表面摩擦和第二种现象涉及通过流速施加于颗粒的驱动力，其影响颗粒滚动或翻滚的能力。驱动力由流体流动在边界层的上半部产生。颗粒形状可为球形、三角形、菱形、正方形等，但是半平滑或平滑的物体是不太合乎需要的，因为它们不能很好地翻滚。半平滑或平滑的物体翻滚不太好，因为横截表面积对施加于其厚度的流体摩擦没有什么阻力。然而，因为需要以混合形式搅动，不规则的(awkward)滚动形式是有益的，因为不规则的滚动造成动态随机产生的混合区。这些随机混合区与伴随小的搅拌叶片的具有大的搅拌叶片的操作类似。一些叶片转动快和一些叶片转动慢，但是最终结果是它们被完全混合。在更加粘性的物料中，其具有较少的非弹性，颗粒的动能混合将由于颗粒的表面粗糙度和锐利边缘而产生切断和碾磨作用。
典型的挤出以及注塑成型塑料为PP、PE、PB HDPP、HDPE、HDPB、Nylon(尼龙)、ABS和PVC，其为用于工业的一些塑料类型，其中硬度与塑料的材料性能成正比。通过向塑料中加入硬的填充剂，可再形成更坚韧更耐用的塑料，其比塑料的固有物理性能更加抗刮和/或耐擦伤。常用的填充剂为碳酸钙和滑石，每一种具有莫氏硬度等级排序为1。然而，合乎需要的是采用具有至少2.5硬度的结构填充剂。
多种适合用作硬结构填充剂的环境稳定材料还没有被塑料制造业进行商业评价。这些填充剂是结构上的，它们是硬的、轻量和环境稳定的。为什么这些填充剂还没有被商业采用的其中一些原因是它们难以配制和处理。另外，这些材料不象先前采用的填充剂一样在经济上可行。以下轻量结构填充剂在硬度、密度和在微米范围内的粒度方面相似，但是还没有被广泛接受用于塑料工业。
近几十年来玻璃或陶瓷微球已经是市售可得到的。这些球已经在塑料制造方面获得一些成功，但是它们已被主要用于涂料、粘合剂和复合材料市场。
珍珠岩为天然存在的含硅(silicous)岩石，主要用于结构产品、砖石工程的绝缘体、轻量混凝土和食品添加剂。
硅酸铝钾钠(火山玻璃)为用作塑料流动性能调节剂的微粉末，以改进输出量和对添加剂产生增强的混合性能。
先前已经提及的结构填充剂具有5.5的莫氏硬度等级，其等同于窗玻璃，沙子和良好质量的钢刀刀片，从而对刮伤塑料表面的常用材料附加颗粒和同等硬度。这些结构填充剂没有通过弱的力结合在一起。因此，它们保持其刚性形状而不具有与分子层间的弱化学键断裂有关的润滑性能，例如对于滑石可见的那样。具有莫氏硬度等级为5.5的颗粒象通常损伤塑料表面的颗粒一样硬。因此，抗刮性和/或耐擦伤性通过掺入塑料配方中的填充剂的舷弧硬度(sheer hardness)得到改善。结构填充剂优选地为轻量的，具有在0.18-0.8g/cm3范围内的密度，而滑石和碳酸钙具有在2.50-2.80g/cm3范围内的密度。因此，硬结构填充剂减少塑料配方的密度。
微球由于其改善的强度近来对于用于挤出塑料已经变得重要，其使得它们能够经受住机械压力而不被粉碎。因为微球的强度增加，制造成本降低，这使得微球成为用于塑料的理想的结构填充剂材料。
可考虑的其它填充剂材料包括膨胀的珍珠岩(Perlite)。膨胀的珍珠岩还没有被塑料工业在商业上用于挤压方法，因为其微泡和微管为材料的天然性质并且不能经受住挤压方法而没有被粉碎。填充剂的粉碎作用附加给不一致的体积流动，这影响挤出产品的尺寸稳定性，这可以接受或不可以接受，取决于应用。由于该原因，珍珠岩还没有达到象塑料领域的结构填充剂一样的工业可用性(commercial viability)。珍珠岩可被精细地研磨，这大大地改善产品的压碎强度，从而使得材料能够经受住机械挤出压力方法，因此获得尺寸稳定性。该材料还未被采用作为填充剂的一个原因是，以其初始形式存在的材料具有在压力下破碎的能力。
精细研磨的珍珠岩具有相同的物理性能，恰如细筛一样，这将经受住更高的压力。精细研磨的珍珠岩目前用于水处理系统作为过滤介质。
作为实例，在软材料上滚动的硬球在运动洼地(moving depression)下行进。材料在前方被压缩并在后面弹回并且在材料为完全弹性时，在压缩中储存的能量在其后面归还给球。然而，事实上的球不是完全弹性的，所以发生能量消耗，结果是滚动的动能”。当然，流体为不能经受住静态剪应力的材料连续流。不象弹性固体，其用可恢复的变形应答于剪应力，流体用不可逆的流动来响应。不可逆的流动可用作边界层中动能机械混合的驱动力。通过采用滚动动能摩擦原理和在防滑区域表面增加流体粘附产生胶粘体，同时边界层中的速度对颗粒产生惯性力。惯性力沿着机械方法设备的表面使颗粒转动而与所采用的混合技术方法(mixing mechanics)即静态、动态或动能无关。
附图简述
图1为挤出机的简图。
图2A为边界层概念的图解说明。
图2B为低速或层状边界层的图解说明。
图3为显示珍珠岩添加剂对热塑性材料通过挤出机产量的影响的图解。
图4为显示硅酸铝钾钠对热塑性材料通过挤出机产量的影响的图解。
图5为显示木质颗粒对热塑性材料通过挤出机产量的影响的图解。
优选实施方案的详细描述
在喷射磨方法期间，颗粒相互碰撞经贝壳状破裂形成锐利边缘。即使一些粒度选择将对不同的聚合物选择产生不同的作用，是该边缘效应产生其性能。硅酸铝钾钠的边缘效应便于向热塑性材料和聚合物材料中加入填充剂、结构填充剂、颜料、纤维及各种其它材料。
将在喷射磨时产生锐利边缘效应的材料包括：轻石、珍珠岩、火山玻璃、沙、燧石、板岩及在各种其它可开采材料中的花岗岩。存在多种人造材料，例如钢、铝、黄铜、陶瓷及再生和/或新的窗玻璃，其可通过喷射磨或其它相关的研磨方法加工处理，以产生具有小粒度的锐利边缘。除了所列出的实例以外，其它材料也可以是合适的，条件是材料具有足够的硬度，据估计莫氏硬度等级为2.5。
由莫氏硬度等级可清楚地看出存在多种比2.5更硬的材料，其可能象候选者一样起作用来产生锐利边缘效应，从而象表面张力改性剂及结构填充剂一样起作用而被掺入到当今的现代塑料、聚合物、涂料和粘合剂中。莫氏硬度等级表呈现如下。
  硬度Θ 矿物Θ   绝对硬度Θ
  1 滑石(Mg3Si4O10(OH)2)   1
  2 石膏(CaSO4·2H2O)   2
  3 方解石(CaCO3)   9
  4 氟石(CaF2)   21
  5 磷灰石(Ca5(PO4)3(OH-，Cl-，F-)   48
  6 正长石(KAlSi3O8)   72
  7 石英(SiO2)   100
  8 黄晶(Al2SiO4(OH-，F-)2)   200
  9 刚玉(Al2O3)   400
  10 钻石(C)   1500
莫氏硬度等级表纯粹地为顺序尺度。例如，金刚砂(9)的硬度为黄晶(8)的两倍，但是钻石(10)的硬度几乎为金刚砂的四倍。下表显示与用硬度计测量的绝对硬度比较。
下表含有可落入水平之间的另外物质：
  硬度   物质或矿物
  1   滑石
  2   石膏
  2.5-3   纯金、银、铝
  3   方解石、铜便士
  4   氟石
  4-4.5   铂
  4-5   铁
  5   磷灰石
  6   正长石
  6   钛
  6.5   黄铁矿
  6-7   玻璃、玻璃状纯石英
  7   石英
  7-7.5   石榴石
  7-8   硬化钢
  8   黄晶
  9   刚玉
  9-9.5   金刚砂
  10   钻石
  ＞10   超硬纯碳(Fullerite)
  ＞10   聚合钻石纳米棒(nanorods)
颗粒表面特性
当颗粒表面粗糙度增加时，颗粒混合效率增加。增加表面粗糙度具有双重作用。第一个作用是表面粗糙度和颗粒几何形状增强与防滑区域或胶粘区域的表面粘附力，其自滚动或翻滚的颗粒产生阻力。第二个作用增加抵抗颗粒滚动和翻滚的能力，这导致与冲击流体更强的机械相互作用。在横穿表面滚动的平滑球体的实例中，与防滑区域的相互粘附作用最小并且对聚合物的作用不产生许多动态混合。如果材料粗糙和/或锐利或两者兼而有之，那么动态混合对滚动具有抵抗，从而产生叶片样翻滚作用，这产生由粗糙度以及机械动力学旋转引起的搅动。
颗粒硬度和韧性
搅拌叶片和高剪切混合设备通常由硬化钢制成并且聚合物比混合期间应用的机械搅拌更软。因为这些颗粒通过，它们需要保持其形状以适当发挥作用的能力。已对分子之间的化学相互作用进行试验并且基于其硬度进行组织。用基于莫氏硬度等级表最小硬度为2.5的铜或者更硬开始对于足够坚韧地用于该混合过程的单次通过的颗粒将是足够的。
填充剂颗粒应与边界层区域成比例地确定大小。大小通常随机定义为其中u＝0.99U的位点。因此，颗粒的理论设初始直径为垂直于表面测量的高度，其中u＝0.99U。在计算与边界区域动能混合相关参数中，存在多种增加难度的因素，例如：
1.填充剂载荷，其产生改进的边界层相互作用。
2.通过器壁传热造成粘度差。
3.通过螺旋式搅拌引起剪切作用和连续增加压缩。
4.其中材料改变物理性质例如粘度、密度等的化学反应。
混合的动力学是加工工业中最复杂的机械化学相互作用之一。粒度在产物与产物间变化，可需要或可不需要最佳化。试验表明在25目产物与800目颗粒之间好象根本不存在很多差别。在两种情况中，颗粒显著地影响边界层混合区。
选择合适粒度的一种方法是通过增加牵引系数确定何时具体粒度造成不利的边界层效应。在大多数工艺过程中，这可通过在混合循环期间监测安培(amp)电机牵引的增加来确定。如果安培增加，那么粒度应该减小。
另一种方法是看看是否可增加搅拌速度而电机安培牵引没有增加，这说明通过边界层中动能混合来减少摩擦。例如，图3显示了在给定的螺杆rpm下热塑性材料通过挤出机的产量。可见以8％添加珍珠岩对45rpm螺杆在挤出机基础上增加产量。
图4显示向基质材料添加硅酸铝钾钠粉末可使得挤出机以比先前更高的rpm运转成为可能，从而对相同设备产生更多的产量。由于设备限制，rpm上限不能确定。
图5显示即使当木质含量为塑料的52％-73％和2％珍珠岩与木质混合物时，与49％木质含量而没有珍珠岩相比较仍可达到优良的生产率。
化学工业已经对均相液体和边界层相对厚度建立了试验方法和图表，用于对机械设备选择和传热性能计算流体流动性能。与初始点的粒度相同的分布假定合并在本专利中，以便其在边界层将起增加混合的作用。
颗粒重组到边界层
如果颗粒在混合期间被大量清除进入流体主体，它们可选择重新与边界层相互作用。通过机械搅拌流动的所有流体物质采取阻力最小的途径。速度分布在搅拌中受到抵抗颗粒在粘性介质中运动的影响。因此，对流体流动产生阻力的颗粒通常指向边界层以致于流体可更加自由地流动。如果粒度大，其可能变得在流体混悬液中粘合，因为边界层中的粘合力不足以抵抗施加给边界层表面的流体速度力，从而将颗粒扫回到流体混悬液中。具有小粒度的颗粒将基于由表面粗糙度引起的粘合力在边界层中自然地重新结合以促进动能混合，即使颗粒变为暂时性地悬浮于主体流体流中。
矿物处理技术已经存在大约数个世纪并且是高度专业化的。他们具有通过多重方法分离颗粒及将其加工成更小颗粒的能力。在这些高度专用的固体或多孔材料产生具有长度直径比(aspect ratio)大于0.7的锐利边缘的所需三维叶片样特性的情况中，材料必须被喷射研磨冲击或经受喷射研磨方法。冲击喷射研磨为其中加工材料以高速碰撞硬化表面以产生颗粒的震裂作用的过程。在喷射研磨中，相对的喷射引起加工材料自身碰撞以产生震裂作用，即在材料上产生贝壳状断口。动能混合颗粒的效率是由于生成表面锐度即叶片样边缘的结果(参见附录1)。
球磨方法使间歇过程中的物料翻滚而去除要求的表面特性例如锐度。为了用作热塑性材料挤出中的颗粒，固体矿物质或岩石应被精制为10-20目或者更小的颗粒。这是用于向冲击喷射研磨或喷射研磨方法输送物料的典型起点。这可通过多种通常可得到的和工业已知产生要求粒度的方法实现。优选的矿物或岩石应能够产生贝壳状断口。这确保具有三维形状的刀刃样边缘效应。对于贝壳状断口的图象参照附录1。在多孔矿物质或岩石的情况中，在冲击喷射或喷射研磨方法期间被打碎和碰撞时的震裂的孔隙特性产生三维刀刃样边缘形颗粒。即使粗糙和不均匀的表面在一些混合应用中可以是足够的，在该情况中，颗粒越锐利，结果就越好。对于喷射研磨后的参比粒度参照附录1。可采用人造材料例如玻璃、陶瓷和金属以及各种其它类型的产生具有三维形状的锐利边缘和长度直径比大于0.7的满足莫氏硬度等级表最小硬度2.5的材料。冲击喷射或喷射研磨方法通常用这些材料产生具有5-60μm平均均值的单程的颗粒。人造材料象玻璃可被加工成为要求的三维锐利边缘和具有长度直径比0.7并且通过机械滚筒研磨压碎颗粒而不是喷射研磨的长度直径比将更高的颗粒。这在喷射研磨前新进料小玻璃颗粒的附录图片中得到清晰地图解说明。
常与热塑性材料一起使用的另一种填充剂材料为木质纤维。为了确定该材料实际上是否增强混合，研究这一点的最好方法是将具有不佳流动性的重粘度材料与可压缩和有机的高密度聚丙烯无机纤维木质材料混合。这一点重要的原因是无机和有机材料具有艰难的时间(hard time)来混合。
与挤出木塑复合材料相关的限制因素是“边缘效应”，其为材料在边缘显示圣诞树样效应的地方。在一些情况中，圣诞树效应是因为材料不适当的混合和抵抗，其拖长染料由边界层效应引起离开挤出机，产生粗糙的边缘。在工业中常见的是在配方中加入润滑剂以克服该问题。润滑剂使材料能够更易于经边界层流动，从而使得通过增加挤出螺杆的rpm来增加产量直到边缘效应出现，这表明加工材料的最大产量。试验方法采用与由挤出机螺杆rpm控制的最快速产量的显示器相同的可见外观。
试验#1
基础配方由质量百分数测量
3％润滑剂：硬脂酸锌和亚乙基双硬脂酰胺蜡
7％滑石：Nicron 403，来自Rio Tinto
41％热塑性材料：具有MFI为0.5和密度为.953的HDPE
49％木材填充剂：购自American Wood fibers的商业分级为60目的北美白松
在进料前将材料用4’直径1.5’深度的滚筒式混料机干燥混合5分钟。
挤出机为具有23L/D的35mm锥形反向旋转双螺杆，
加工温度为320°F，其在整个运行期间是恒定的。
两种其它材料被采用并加入到基础配方中以从基本原理上证明这些惰性的硬填充剂为：
1.硅酸铝钾钠(火山玻璃)，其为用作塑性流动改性剂以改进产出量及对添加剂产生增强的混合性能的微米级粉末。800目固体材料根据莫氏硬度等级为硬度5.5(Rheolite 800粉末)；和
2.膨胀珍珠岩为天然存在的含硅(silicous)岩石，主要用于结构产品、砖石工程的绝缘体、轻量混凝土和食品添加剂。500目多孔材料根据莫氏硬度等级为硬度5.5。
试验#2
在边缘效应出现之前的基线材料(Baseline material)最大产量
rpm 19＝13.13
采用铝钾钠粉末在边缘效应之前的最大产量
0.5％，22rpm＝15.75总计产量增加19.9％或约20％
1％，22rpm＝19.5和产量总计增加48.5％
珍珠岩添加剂对挤出的作用
在边缘效应出现之前的基线材料最大产量
rpm 19＝13.13
试验#3
采用珍珠岩的最大产量
试验#3的结果可得自图2。
8％，rpm 45＝21.13产量总计增加60.9％
16％，rpm 45＝21.13产量总计增加44.7％
25％，rpm 45＝21.13产量总计增加5.33％
33％，rpm 45＝21.13产量总计增加16.1
选择高百分比珍珠岩的原因是排除该材料仅为填充剂的可能性。与边界层相互作用的三维刀刃样叶片颗粒的边缘效应甚至在33％时仍然显示比基线材料大16％的改进。材料的产量可能更高但是对挤出机的rpms限制为45并且材料被手动输送，这是为什么我们确信产量降低25％，因为首先难以输送这样的轻量材料，但是到我们达到33％时我们已经解决了这个问题。
试验#4
木质对产量的影响
试验#4的结果可得自图4。
在边缘效应出现之前的基线材料最大产量
rpm 25＝17.68
在起点为2％时珍珠岩的浓度保持恒定
52％rpm 45＝27.60产量总计增加60.9％
59％，rpm 45＝26.25产量总计增加48.7％
64％，rpm 45＝17.00产量总计增加36％
69％，rpm 45＝24.33产量总计增加37％
74％，rpm 30＝19.46产量总计增加10％
选择该试验的原因是因为进入无机材料的轻量有机填充剂的载荷增加，边缘效应显露迅速。再一次没有达到最大产量，因为rpm为最大值直到74％，此时rpm必须降至30以防止边缘效应。可压缩纤维在挤出方法中作用象沿着边界层的扫帚清扫。木质纤维为可压缩填充剂，其密度相对于器壁为从.04g/cm到挤出后的1.2g/cm，其具有在边界层包封这些硬颗粒并永久地除去它们的能力。是具有叶片的三维颗粒形状的作用使得该材料甚至在它们经历压缩和被扫除时能够不在材料床上切割更软的材料。
存在该材料在边界层中运作和自净的证据。试运转的第一天我们使材料以图表显示的指令运行。试运转的第二天，于相同条件、材料和天气下进行木质填充剂试验之前，基线材料具有显著的产量增加。
第一天，在边缘效应出现之前的基线材料最大产量
rpm 19＝13.13
第二天，在边缘效应出现之前的基线材料最大产量
rpm 25＝17.68，总计增加34.6％
这由从第一天起用高浓度的珍珠岩进行内部抛光证明使边界层自净的设备造成。该抛光的表面在第二天应对边界层动能混合试验具有负面效应，因为边界层已经由于经在抛光的表面拖拉引起的摩擦系数更小而减小或者更薄。这意味着具有锐利叶片样边缘的材料的三维形状提供优良的动能滚动能力，即使边界层厚度变化和在挤出方法的动态混合中连续存在压缩力。
边界层动能混合颗粒可以多种方法被引入到整个工业中。例如，在塑料市场：
·颗粒可被掺入到来自塑料制造商和作为塑料生产增加销售的微粒化形式中。
·颗粒可被掺入到由颜料供应商供应和作为快速分散的微粒化颜料销售的着色粒料中。
·颗粒可在用无机或有机填充剂微粒化和作为自增湿填充剂销售时掺入。
·颗粒可被掺入到干燥粉中并作为自增湿粉末例如阻燃剂、杀真菌剂和填充剂等销售。
·颗粒可作为液体颜料、增塑剂、UV稳定剂、发泡剂和润滑剂等的一部分(disbursement)被掺入到液体中。
边界层动能混合颗粒可被涂料工业采用：
·颗粒可被掺入到涂料中以增加颜料、增塑剂、杀真菌剂、UV稳定剂、阻燃剂等的分散性能。
·颗粒可在涂料储藏中发现的常规混合场所被掺入到颜料中，以助于通过更好的混合和分散混合性能分配较少的物料和产生相同的颜色。
·颗粒可被掺入到来自添加剂制造商的干燥粉末中，以帮助分散阻燃剂、填充剂等。
·颗粒可被掺入到喷雾器中以增加沿着器壁的混合，促进边界层混合。
·颗粒可被掺入到双组分混合物料中，以促进更好的表面区域混合或者边界层和液-液界面边界层混合氨基甲酸乙酯、脲和环氧树脂类等。
·颗粒可被掺入到润滑剂包装中，用于通过化学清洁剂的连续循环清洁喷雾装置。
边界层动能混合颗粒可被润滑工业采用。
由于其为固体颗粒，所述颗粒可被加入到油类(小汽车、小船、飞机、自行车内油、外油等)中，以通过降低边界层摩擦区域，伴随对该添加剂没有温度分解产生更好的润湿，促进在表面周围更好的流动。
颗粒可被掺入到油类中，用于整个家庭清洁，使得油作为更薄层更加均匀地分散而不太可能随着时间的推移变得粘性，因为油层更薄。
颗粒可被掺入到全部类型的刹车油、液压油中，对流体运动产生更好的应答，因为边界层在施加压力时，随着动力学移动性而移动。
由于颗粒在整个燃烧流路包括颗粒仍然具有清洁作用的排气口对边界层的相互作用，颗粒可被掺入到燃料添加剂中，促进在燃料中更好地支出及自净作用。
颗粒可作为润滑剂加入并自炼油厂直接支出。颗粒将不仅有助于小汽车的润滑作用和清洁系统，而且颗粒也将由于残余物在边界层产生淤渣型物质增加汽油泵的使用期限。
边界层动能混合颗粒可用于增加流动性。流过管线、泵送系统和/或加工处理设备的大部分液体物料基于牵引系数经历边界层效应，而与表面几何形状无关，该技术可通过促进动能边界层混合，伴随自净作用减少牵引。这将使得管线和加工处理设备以最佳水平运行。
边界层动能混合颗粒可用于增加传热。因为边界层是动力学上运动的，其不再是停滞的流体传热区域，这对两侧增加传热性能。现在停滞的边界层已经在两侧而不仅是在一侧变为液-液和液-表面强制对流。
边界层动能混合颗粒可被食品、制药和农业工业所采用。因为选择颗粒可被食品和药品管理局批准，可促进通过工厂将食品加工处理进入其包装并且加工处理设备可为更充分的混合器具。
因此，本发明很好地适合于实现目标并达到以上提及和其中固有的那些结果和有利条件。尽管为了本公开的目的，目前已经描述了优选的实施方案，但多种变化和改进对本领域普通技术人员将是显而易见的。这样的变化和改进被包含在如通过权利要求限定的本发明的精神范围内。
附录1
  图象号   标题
  1   200Novacite Processed(加工)1
  2   200Novacite Processed(加工)2
  3   200Novacite Processed(加工)3
  4   200Novacite Unprocessed(未加工)1
  5   200Novacite Unprocessed(未加工)2
  6   200Novacite Unprocessed(未加工)3
  7   灰分(Ash)1
  8   灰分(Ash)2
  9   灰分(Ash)3
  10   Hess Pumice Grade(浮石级)2Processed(加工)1
  11   Hess Pumice Grade(浮石级)2Processed(加工)2
  12   Hess Pumice Grade(浮石级)2Processed(加工)3
Figure BPA00001260679100211
Figure BPA00001260679100221
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Figure BPA00001260679100301
Figure BPA00001260679100321
附录2
  图象号   标题
  1   Hess Pumice Grade(浮石级)2Unprocessed(未加工)2
  2   Hess Pumice Grade(浮石级)2Unprocessed(未加工)3
  3   Hess Pumice Grade(浮石级)2Unprocessed(未加工)4
  4   Kansas Mineral(堪萨斯矿物)1
  5   Kansas Mineral(堪萨斯矿物)2
  6   Kansas Mineral(堪萨斯矿物)3
  7   Pumice Grade(浮石级)3Processed(加工)1
  8   Pumice Grade(浮石级)3Processed(加工)2
  9   Pumice Grade(浮石级)3Processed(加工)3
  10   Pumice Grade(浮石级)3Unprocessed(未加工)1
  11   Pumice Grade(浮石级)3Unprocessed(未加工)2
  12   Pumice Grade(浮石级)3Unprocessed(未加工)3
  13   Pumice Grade(浮石级)3Unprocessed(未加工)4
  14   Pumice Pearlite Fines(珍珠岩粉)2
  15   Pumice Pearlite Fines(珍珠岩粉)3
  16   Pumice Pearlite Fines(珍珠岩粉)Run 1-2
  17   Pumice Pearlite Fines(珍珠岩粉)Run 1-3
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Figure BPA00001260679100351
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Figure BPA00001260679100491
Figure BPA00001260679100501
附录3
  图象号   标题
  1   Pumice Pearlite Fines(珍珠岩粉)1
  2   Pumice Pearlite Fines(珍珠岩粉)Run 1-1
  3   Silbro 27.M 1
  4   Silbro 27.M 2
  5   Silbro 27.M 3
  6   Strategic Material(战略物资)1
  7   Strategic Material(战略物资)2
  8   Strategic Material(战略物资)3
  9   Strategic Material(战略物资)4
  10   Strategic Material(战略物资)Run 53
  11   Strategic Material(战略物资)Run 51
  12   Strategic Material(战略物资)Run 52
  13   White Rock(白岩)1
  14   White Rock(白岩)2
  15   White Rock(白岩)3
Figure BPA00001260679100521
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Figure BPA00001260679100651
Figure BPA00001260679100661

Claims (23)

1.一种用于在非线性粘滞区促进动能边界层混合的组合物，所述组合物包含：
流体；和
分散于所述流体中的物料，所述物料包含具有锐利叶片样表面的颗粒，所述颗粒具有大于0.7的长度直径比。
2.权利要求1的组合物，其还包含分散于所述流体中的添加剂。
3.权利要求1的组合物，其中所述流体为热聚物材料。
4.权利要求1的组合物，其中所述颗粒具有大于2.5的莫氏硬度值。
5.权利要求3的组合物，其中所述颗粒的所述锐利叶片样表面被确定大小以便在混合操作期间研磨和切割所述热聚物材料的聚合物。
6.权利要求1的组合物，其中所述颗粒具有当其在所述颗粒周围流动时足以使所述流体变形的硬度，从而通过颗粒的翻滚或滚动作用促进动能混合。
7.权利要求1的组合物，其中所述颗粒具有主要保持在所述流体边界层中的大小，所述颗粒具有相对于边界层的合适大小，以便在所述边界层上流动的流体力引起所述颗粒滚动或翻滚，用于产生动能滚动，从而在所述边界层产生混合。
8.权利要求1的组合物，其中所述颗粒通过动能混合促进所述流体的边界层更新。
9.权利要求1的组合物，其中所述物料选自多孔材料、人造材料和天然存在的矿物质。
10.一种挤出流体的方法，该方法包括：
将流体输入挤出机；
将添加剂输入所述挤出机；
将物料输入所述挤出机，所述物料包含具有锐利叶片样表面的颗粒，所述颗粒具有大于0.7的长度直径比；
使所述物料通过所述挤出机的混合区以使物料分散于流体中，其中所述物料向所述流体的边界层迁移，以促进所述添加剂在所述流体中的动能混合，所述动能混合发生在非线性粘滞区。
11.权利要求10的方法，其中所述流体为热塑性材料。
12.权利要求10的方法，其中所述添加剂为填充剂。
13.权利要求10的方法，其中所述添加剂为颜料。
14.权利要求10的方法，其中所述添加剂为纤维。
15.权利要求10的方法，该方法进一步包括以下步骤：
在向所述挤出机输入所述物料的所述步骤之前，采用伴有喷射研磨过程的贝壳状破裂技术生产所述材料。
16.权利要求11的方法，其中包括以下步骤：
所述物料通过所述挤出机的混合区包括混合所述热塑性材料，这种混合是通过所述物料的所述颗粒在所述边界层中沿着大的表面区域滚动时产生的研磨和切割作用来进行的，所述表面的所述热塑性材料液流几何形状为连续接触界面，在那里所述颗粒通过在所述表面上流动的所述流体产生的所述颗粒的动能翻滚碰撞所述物料。
17.权利要求10的方法，该方法进一步包括以下步骤：
在所述挤出机的大多数固定和移动的机械部件包括模具上的边界层的自净，通过在所述流体移动的所述表面上的动能混合期间因连续的硬颗粒经翻滚的相互作用的所述动能混合步骤来进行。
18.权利要求10的方法，其中动能混合的所述步骤包括所述颗粒沿着边界层表面的颗粒滚动或者翻滚。
19.权利要求10的方法，其中所述矿物选自：固体材料、多孔材料、人造材料、天然存在的矿物质。
20.一种通过流体构件增加流动的方法，该方法包括：
向所述构件输送流体；
向所述构件输送物料，所述物料包含具有锐利叶片样表面的颗粒，所述颗粒具有大于0.7的长度直径比；
使所述物料分散于流体中，其中所述物料向所述流体的边界层迁移，以促进所述流体中的动能混合，所述动能混合发生在非线性粘滞区，导致减少由边界层中的牵引引起的摩擦系数。
21.权利要求20的方法，其中所述构件为泵或具有可扩展的单路径或用于再循环操作的连续连接的加工设备。
22.权利要求20的方法，其中所述流体被填充。
23.权利要求20的方法，其中所述流体未被填充。
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