CN105451972A - 可模塑的胶囊和制造方法 - Google Patents

Abstract

构建了形成导电地掺杂的基于树脂的材料的可模塑胶囊的方法。将基于树脂的材料挤出/拉挤到导电材料的束上。将该基于树脂的材料和束分段成可模塑的胶囊。所述方法还包含将该束加热到接近所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。该加热可包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。在其它实施方式中，加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的玻璃化转变温度的温度。

Description

可模塑的胶囊和制造方法

发明领域

本发明涉及导电聚合物,具体来说，涉及用于模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料，其包含模塑时基本上在基础树脂之内匀化的微米导电粉末、微米导电纤维、或其组合。更具体地说，本发明涉及可模塑的胶囊和用于形成这种可模塑的胶囊的方法,其中该可模塑的胶囊可用于模塑导电制品。

背景技术

基于树脂的聚合物材料用于制造多种制品。这些聚合物材料组合许多杰出的特征,例如优异的强度和重量比、腐蚀电阻、电学隔离等，易于使用各种熟知的模塑方法来制造。许多基于树脂的聚合物材料已引入市场来提供有用的特征的组合。

尽管具有许多杰出的特征,不幸的是，基于树脂的聚合物材料通常是热能和电能的不良导体。在需要绝缘体的应用中，低热导率可为优势。然而,在其它情况下，基于树脂的材料已知为绝缘体，不良地传导热能或电能，且不能使用。当需要高热导率或电导率时,通常使用导电金属,例如铜或铝或其它金属。固体金属导体的不足之一是这些材料的密度。例如在电学和热学应用例如用于航空、卫星、车辆或甚至用于手持装置中，因固体金属导体造成的重量是显著的。因此，需要用密度更小的材料来取代固体金属导体。因为基于树脂的材料是通常密度比金属小得多,并可具有金属的强度,理论上这些材料是金属的良好替代品。然而,必须解决低传导率的问题。

本领域已尝试形成导热和导电的基于树脂的材料。这种材料存在两大类,固有地导电和非固有地导电。固有地导电基于树脂的材料也可称作共轭树脂,其包含在聚合物之内连接的络合的碳分子,这增加材料的传导率。不幸的是，固有地导电基于树脂的材料通常难以制造，非常昂贵，且受限于传导率。非固有地导电基于树脂的材料也称作掺杂材料,其通过在基础树脂材料之内混合导电填料或掺杂剂例如导电纤维、粉末、或其组合来形成,导致以模塑的形式增加传导率。本领域已证明金属和非金属填料在复合材料中提供显著增加的传导率，同时保持有竞争力的成本。

本发明的主要目标是提供可模塑的胶囊，其在模塑时的混合循环中有效地延时释放(timereleases)导电填料,和在所得基础树脂聚合物基质之内基本上匀化导电掺杂剂。

发明内容

本发明的一些实施方式包含形成可模塑的胶囊的方法，所述方法包含提供导电纤维的束,加热该束,将基于树脂的材料沉积到该束上以形成复合材料股,和将该复合材料股分段成可模塑的胶囊。

在一些实施方式中,加热包含将该束加热到接近所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。在其它实施方式中,加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。在其它实施方式中,加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的玻璃化转变温度的温度。

在一些实施方式中,加热包含引导(routing)该束通过加热器。在其它实施方式中,该加热器选自下组：对流加热器、辐射加热器、传导电加热器、和它们的任意组合。在这些实施方式的一些中,沉积包含将该束牵拉通过直角模头。

在一些实施方式中,所述基于树脂的材料包含基本上均匀的微米导电材料的混合物。在其它实施方式中,本发明的所述导电纤维是微米导电纤维。在其它实施方式中,该微米导电纤维占该可模塑的胶囊中每一个的总重量的约5％-约50％。又在其它实施方式中,该微米导电纤维包含选自下组的材料：金属或金属合金、具有外部导电镀层的非导电内部芯材料、铁磁材料、和它们的任意组合。在其它实施方式中,该微米纤维的直径是约3-12微米和长度是约2-14mm。

本发明的一些实施方式包含形成可模塑的胶囊的方法，所述方法包含提供导电纤维的束,将基于树脂的材料沉积到该束上以形成复合材料股,在该复合材料股上实施润湿过程,和将该复合材料股分段成可模塑的胶囊。在一些实施方式中,实施润湿过程包含在该股的外侧上施加力。在一些实施方式中,施加力包含至少一个辊。

在一些实施方式中,在施加力之前冷却该股。在其它实施方式中,在施加力之前，将该股的外部部分冷却到低于熔点的温度。又在其它实施方式中,在施加力之前，将该股的外部部分冷却到接近玻璃化转变温度的温度。在其它实施方式中,在施加力之前，将该股的外部部分冷却到低于玻璃化转变温度的温度。且又在其它实施方式中,在该外部部分和该束之间的胶囊的中间部分处于下述温度，其中当施加力时该中间部分的树脂在力的作用下流动。

在一些实施方式中,沉积包含牵拉该束通过直角模头。在其它实施方式中，包含在沉积之前加热该束。其它实施方式包含其中在基本上相同的操作中，实施施加力和分段。

在一些实施方式中,所述导电纤维是微米导电纤维。在其它实施方式中,该微米导电纤维占该可模塑的胶囊中每一个的总重量的约5％-约50％。又在其它实施方式中,该微米导电纤维包含选自下组的材料：金属或金属合金、具有外部导电镀层的非导电内部芯材料、铁磁材料、和它们的任意组合。在其它实施方式中,该微米纤维的直径是约3-12微米和长度是约2-14mm。

本发明的一些实施方式包含胶囊，该胶囊通过于在该纤维束上沉积树脂以形成该股之后在该股上施加力的方法来制备。在一些实施方式中,该胶囊和内部纤维束包含非圆形轮廓。

本发明的一些实施方式包含可模塑的胶囊,其包含导电纤维的内部束,和树脂外层,其中该胶囊和内部纤维束包含非圆形轮廓。在一些实施方式中,该非圆形轮廓选自下组：基本上卵形、基本上矩形和它们的任意组合。又在其它实施方式中,该束的非圆形轮廓选自下组：基本上卵形、基本上矩形、基本上数字8和它们的任意组合。

附图简要说明

下面的附图形成本说明书的实质部分，其中显示：

图1显示本发明的第一实施方式，显示制造可模塑的胶囊的方法。

图2显示导电地掺杂的基于树脂的材料的第一实施方式，其中导电材料包含粉末。

图3显示导电地掺杂的基于树脂的材料的第二实施方式，其中导电材料包含微米导电纤维。

图4显示导电地掺杂的基于树脂的材料的第三实施方式，其中导电材料包含导电粉末和微米导电纤维。

图5a和5b显示第四实施方式，其中导电织物状材料由导电地掺杂的基于树脂的材料形成。

图6a和6b以简化地形式显示可用于模塑导电地掺杂的基于树脂的材料的制品的注射模塑设备和挤出成形设备。

图7显示本发明的第二实施方式，显示本发明的直角挤出模头。

图8显示本发明的第三实施方式，显示本发明的可模塑的胶囊。

图9显示本发明的第四实施方式，显示用于形成可模塑的胶囊的挤出机系统。

图10显示本发明的第五实施方式，显示用于形成可模塑的胶囊的挤出机系统，其中将短切纤维添加到基于树脂的挤出材料。

图11显示本发明的第六实施方式，显示用于形成可模塑的胶囊的挤出机系统，其中将纤维吹入到基于树脂的挤出材料。

具体描述

使用常规的取整数技术，将本发明的数值取整数到最接近的显著的数字。除非另有说明，否则本文所述的数值的范围包含上限和下限数值。例如“从1到10”的范围理解成包含“1”和最高达和包含数值“10”。

本发明涉及导电地掺杂的基于树脂的材料，其包含模塑时基本上在基础树脂之内匀化的微米导电粉末、微米导电纤维、或其组合。具体来说，本发明涉及可模塑的胶囊，其包含导电地掺杂材料和基于树脂的材料，其可用于制造由导电地掺杂的基于树脂的材料制成的制品。

本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料是使用导电材料掺杂的基础树脂,其随后将任意基础树脂转换成导体而不是绝缘体。树脂向模塑的零件提供结构完整性。在模塑过程中，微米导电纤维、微米导电粉末或其组合在基础树脂之内是基本上匀化的，提供电学、热学和声学连续性。

导电地掺杂的基于树脂的材料可进行模塑、挤出等来提供几乎任何所需的形状或尺寸。模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料还可进行切割、冲压或从注射模塑或挤出的片材或棒材真空形成、重叠注塑(over-molded)、层压、研磨等，以提供所需的形状和尺寸。使用导电地掺杂的基于树脂的材料制造的制品或零件的热学、电学、和声学连续性和/或传导率特征取决于导电地掺杂的基于树脂的材料的组成,可调节它们的掺杂参数和/或材料，来帮助实现随后的模塑材料所需的结构、电学或其它物理特征。将选定的用于制造制品的材料首先制成如本文所述的胶囊，然后使用模塑技术和/或方法例如注射模塑、重叠模塑、嵌件模塑、压缩模塑、热固化、凸出、挤出、砑光等来基本上匀化在一起。涉及2D、3D、4D和5D设计的特征,模塑和电学特征,包含实际零件在模塑过程中能取得的物理和电学优势，以及与在模塑的零件或形成的材料之内的导电网络之内结合的分子聚合物物理。

在导电地掺杂的基于树脂的材料中，电子遵循电阻最小的路径，从一点移动到另一点。大多数基于树脂的材料是绝缘体，表示对电子传输的高电阻。基于树脂的材料之内的掺杂改变聚合物的固有电阻。在导电地掺杂的阈值浓度处,通过总质量的电阻低到足以允许电子移动。电子移动的速度取决于导电掺杂浓度和材料化学组成，即导电掺杂颗粒之间的分离。增加导电掺杂含量降低颗粒之间的分离距离，因此在称作渗流点的临界距离时，电阻显著下降，自由电子快速移动。

电阻率是材料性质，其取决于材料的微观结构的原子结合。当将如本文所述的胶囊模塑成结构体时，导电地掺杂的基于树脂的材料之内的原子微观结构材料性质发生改变。在所述分子的价带和导带之内形成离域价电子的基本上匀化的导电微观结构。这种微观结构在模塑的基质结构之内提供足够的电荷载流子。结果，实现低密度、低电阻率、轻量、耐久的基于树脂的聚合物微观结构材料。该材料可呈现能与高度导电金属例如银,铜或铝相比较的传导率,同时保持在许多塑料和橡胶或其它结构的基于树脂的材料中发现的优异的结构特征。

通过将这些材料形成为所需的形状和尺寸，在制造制品和零件时使用导电地掺杂的基于树脂的材料，可显著减少材料的成本和用于维持缓解紧公差的设计和制造过程。可使用常规的形成和模塑方法将制品制造成无限的形状和尺寸，例如注射模塑、重叠模塑、压缩模塑、热固化模塑、或挤出、砑光等。当进行模塑时，导电地掺杂的基于树脂的材料通常但不排他地产生小于约5到大于约25欧姆/平方的所需的可用范围的电阻率，但通过改变掺杂剂、掺杂参数和/或基础树脂选择可获得其它电阻率。

如本文所述的胶囊包含导电地掺杂的基于树脂的材料和导电材料例如微米导电粉末、微米导电纤维、或它们的任意组合。在模塑过程中，胶囊在基础树脂之内是基本上匀化在一起的，这使得易于制备低成本、电学、热学和声学性能的制品。所得模塑的制品包含导电掺杂颗粒的三维、连续的毛细管网络，其在聚合物基质之内容纳和/或结合。

导电粉末

示例性微米导电粉末包含碳、石墨、胺、由涂覆固有导电聚合物的炭黑形成的高性能导电粉末(Eeonomers)等和/或金属粉末例如镍、铜、银、铝、镍铬合金、各种电镀的材料等。使用碳或其它形式的粉末例如石墨等可形成额外的低水平的电子交换，且当与微米导电纤维联用时,在纤维的微米导电网络之内形成微米填料成分，形成进一步的电学传导率，以及用作模塑设备的润滑剂。可将碳纳米管添加到导电地掺杂的基于树脂的材料。将导电粉末添加到微米导电纤维掺杂可改善模塑的零件的表面上的电学连续性，以抵销在模塑时发生的任何表皮效应。

导电纤维

微米导电纤维可为金属纤维或金属电镀的纤维。此外，金属电镀的纤维可通过将金属电镀到金属纤维上或通过将金属电镀到非金属纤维上来形成。示例性金属纤维包括但不限于不锈钢纤维、铜纤维、镍纤维、银纤维、铝纤维、镍铬合金纤维等，或其组合。示例性金属电镀材料包括但不限于铜、镍、钴、银、金、钯、铂、钌、铑和镍铬合金,和它们的合金。任意可电镀的纤维都可用作电镀的非金属纤维的芯。示例性非金属纤维包括但不限于碳、石墨、聚酯、玄武岩、三聚氰胺、人造和天然存在的材料等。此外,在本发明中，超导体金属例如钛、镍、铌、和锆、以及钛、镍、铌和锆的合金也可用作微米导电纤维和/或用作电镀到纤维上的金属。

在一种实施方式中,纤维的直径可为约3-12微米,在其它实施方式中为约6-12微米或又在其它实施方式中为约10微米,且长度可为无缝的或重叠的。在一些实施方式中,纤维的长度是约2-14毫米。在其它实施方式中,纤维的长度是约4-6毫米,或又在其它实施方式中是约8毫米。

当微米纤维与基础树脂组合时,可预处理微米纤维来改善性能。根据本发明的一种实施方式,在挤出之前，将导电或非导电粉末沥滤进入纤维。在其它实施方式中,对纤维进行任意或几种化学改性，以改善纤维界面性质。纤维改性方法包括但不限于:化学惰性偶联剂；气体等离子体处理；阳极化；丝光化(mercerization)；过氧化物处理；苯甲酰化；或其它化学或聚合物处理。

化学惰性偶联剂是分子地结合到金属和/或其它纤维的表面的材料，用于提供表面偶联、机械互锁、相互扩散和吸附和表面反应，以用于在基于树脂的材料之内的后续的结合和润湿。该化学惰性的偶联剂不与基于树脂的材料反应。一种示例性化学惰性偶联剂是硅烷。在硅烷处理中,来自硅烷的基于硅的分子结合到金属纤维表面以形成硅层。硅层与后续地挤出的基于树脂的材料良好结合，但又不与基于树脂的材料反应。硅烷处理时的附加特征是与纤维表面上的任意水分子形成氧丙环键，由此从纤维股上消除水。硅烷、氨基和硅烷-氨基是用于在纤维上形成化学惰性偶联剂的3种示例性预挤出处理。

在气体等离子体处理中,在原子深度蚀刻金属纤维的表面，以再次加工表面。冷温气体等离子体源例如氧气和氨水，用于在挤出之前实施表面蚀刻。在本发明的一种实施方式中,首先实施气体等离子体处理来蚀刻纤维股的表面。然后，实施硅烷浴涂布，以将基于硅的化学惰性膜形成到纤维股上。在另一种实施方式中,金属纤维进行阳极化，以在纤维上形成金属氧化物。本文所述的纤维改性方法用于改善界面粘附、改善匀化时的润湿，和/或降低氧化物生长(与未处理的纤维相比)。预处理纤维改性还降低在后续的胶囊分段、切割或真空线加料时的颗粒粉尘、细粒和纤维释放水平。

基于树脂的材料

基于树脂的结构材料可为任意聚合物树脂或相兼容的聚合物树脂的组合。可将非导电树脂或固有地导电树脂用作结构材料。共轭聚合物树脂、络合聚合物树脂和/或固有地导电树脂可用作结构材料。基于树脂的材料的介电性质对导电地掺杂的基于树脂的材料的最终电学性能具有直接影响。取决于聚合物、共聚物、单体、三元共聚物或均聚物材料的化学组成和/或设置例如连接、交联等,可形成许多不同的介电性质。基于树脂的材料可例如热塑性塑料或热固性塑料。热塑性塑料的例子包括但不限于丙烯酸类塑料、纤维素塑料、含氟塑料、离子聚合物、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺、聚酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚苯乙烯、聚砜、聚乙烯基等。热固性塑料的例子包括但不限于醇酸树脂、烯丙基塑料、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯、聚酰亚胺、聚氨酯和硅酮。

本文所述的胶囊，使用微米导电粉末、微米导电纤维或它们的组合掺杂的基于树脂的结构材料，可使用常规的模塑方法进行模塑，例如注射模塑或重叠模塑,或挤出以形成所需的形状和尺寸。如有需要，还可冲压、切割或研磨模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料，以形成所需的形状和形状因数。与在掺杂的基础树脂之内的微米导体相关的掺杂组成和方向可影响制品的电学和结构特征，并可通过模具设计、栅格和/或凸起设计和/或在模塑过程中精确地进行控制。此外,可选定树脂基础来获得所需的热学特征例如非常高的熔点或比热导率。

还可使用随机的或连续的网状的微米不锈钢纤维或其它导电纤维制造基于树脂的夹层层压件，形成布状材料。可将网状的导电纤维层压到材料例如聚四氟乙烯树脂(Teflon)、聚酯或任意基于树脂的柔性或固体材料等,当离散地设计纤维含量,取向和形状时，这形成非常高度导电的柔性布状材料。这种布状材料还可用于形成制品，该制品可嵌入人们的衣服以及其它树脂材料例如橡胶或塑料中。

还可将导电地掺杂的基于树脂的材料形成为预浸渍材料层压件、布、或带子。首先使用基于树脂的材料匀化导电地掺杂的基于树脂的材料的层压件、布或带子。在各种实施方式中,使用基于树脂的材料浸渍、涂覆、喷涂和/或挤出导电地掺杂的基于树脂的材料，从而导致层压件、布或带子在预浸渍材料分组中粘附在一起，这易于加工。将该预浸渍材料设置或平放在模型(form)上，然后加热以形成永久连接。在另一种实施方式中,当树脂仍然是湿润的时，将该预浸渍材料平放到浸渍的树脂上，然后通过加热或其它方式进行固化。在另一种实施方式中,通过在蜂窝状结构上层压导电地掺杂的基于树脂的预浸渍材料，来实施湿的平放。在另一种实施方式中,蜂窝状结构由导电地掺杂的、基于树脂的材料制成。又在另一种实施方式中，通过在能耐受高温的漆中喷涂、浸渍或涂覆导电地掺杂的基于树脂的材料层压件、布或带子来形成湿的预浸渍材料。

基于树脂的材料和导电材料的复合

发现现有技术的碳纤维和基于树脂的复合材料显示不可预计的失效点。在碳纤维系统中，结构存在的伸长很少甚至没有。相反，在本发明中即使使用碳纤维或金属电镀的碳纤维来形成时，导电地掺杂的基于树脂的材料也显示更大的机械结构强度，因为通过可模塑的胶囊形成基本上匀化纤维。结果，由本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料形成的结构即使在粉碎时也将保持其结构，而相对比的碳纤维复合材料将粉碎成小块。

可通过下述使本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料变得耐受腐蚀和/或金属电解：选择耐受腐蚀和/或金属电解的微米导电纤维和/或微米导电粉末掺杂剂和基础树脂。例如,如果将耐受腐蚀/电解的基础树脂与纤维/粉末组合或与例如不锈钢纤维、防卫针对例如铜,银和金腐蚀纤维的惰性化学处理的偶联剂和/或碳纤维/粉末组合,那么可获得耐受腐蚀和/或金属电解的导电地掺杂的基于树脂的材料。本发明的另一额外和重要的特征在于可将本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料变成阻燃的。选择阻燃的(FR)基础树脂材料使得所得产品呈现阻燃的能力。在本文所述的应用中，这尤其重要。

本文所述的基本上均匀混合微米导电纤维和/或微米导电粉末与基础树脂也可称为掺杂。即，该基本上均匀混合将通常非导电的基础树脂材料转换成导电材料。该过程类似于掺杂过程，如半导体装置领域所共知，其中可通过引入供体/受体离子，将半导体材料例如硅转化成导电材料。因此,本发明使用术语掺杂来指通过在基础树脂之内基本上均匀混合微米导电纤维和/或微米导电粉末，将通常非导电基础树脂材料转化成导电材料。

本发明的额外和重要的特征在于模塑的导体掺杂的基于树脂的材料呈现优异的热学耗散特征。因此,由模塑的导体掺杂的基于树脂的材料的制造的制品可为应用提供额外的热学耗散能力。例如,可从物理地和/或电学地连接到本发明的制品的电子装置耗散热量。

本发明的显著优势在于由导电地掺杂的基于树脂的材料建造的制品可容易地接合到电路或接地(grounded)。在一种实施方式中,可通过紧固到制品的螺丝，将电线(wire)连接到导电地掺杂的基于树脂的制品。例如,当紧固到材料时，简单的片材金属类自攻螺丝可通过导电地掺杂的基于树脂的材料的导电基质，获得优异的电气连续性。为了促进这种方法，可将凸台(boss)模塑为导电地掺杂的基于树脂的材料的部件，以容纳这种螺丝。或者，如果使用可焊接的螺丝材料例如铜，那么可将电线焊接到嵌入导电地掺杂的基于树脂的材料的螺丝。在另一种实施方式中,导电地掺杂的基于树脂的材料部分地或全部地用金属层电镀。金属层与导电基质形成优异的电学传导率。然后，使该金属层与另一电路连接，或接地。例如,如果金属层是可焊接的，那么可在制品和地线直接形成焊接的连接。

当在导电地掺杂的基于树脂的材料的表面上形成金属层时,可使用多种技术中的任一种来形成该金属层。该金属层可用于视觉增强模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料制品或以其它方式改变性能性质。可采用下述熟知的技术来形成该金属层：例如金属化学镀、电镀、电解金属电镀、溅射、金属气相沉积、金属喷漆等。如果使用金属电镀，那么导电地掺杂的、基于树脂的材料的基于树脂的结构材料是可金属电镀的材料。存在许多可用金属层电镀的聚合物树脂。化学镀通常是多阶段化学过程，其中例如首先沉积薄的铜层以形成导电层。该导电层随后用作电极，用于后续地电镀更厚的金属层。

用于将金属层形成到导电地掺杂的基于树脂的材料的典型的金属沉积法是真空金属化。真空金属化是下述过程，其中在真空腔室中将金属层例如铝沉积在导电地掺杂的基于树脂的材料上。在金属喷漆过程中,将金属颗粒例如银,铜,或镍等分散于丙烯酸系、乙烯基、环氧或聚氨酯粘合剂中。大多数基于树脂的材料都良好地接受和固定漆，且自动喷涂系统一致地施涂涂料。此外,本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料的优异的传导率促进使用极端有效的、静电喷漆技术。

可以多种方式中的任意一种来接触导电地掺杂的基于树脂的材料。在一种实施方式中,通过嵌件模塑、超声焊接、压制或其它方式，将销钉嵌入导电地掺杂的基于树脂的材料。可容易地将该销钉与金属电线形成连接，得到优异地接触导电地掺杂的基于树脂的材料导电基质。在另一种实施方式中,在模塑过程或通过后续的加工步骤例如钻孔、冲孔等中，在导电地掺杂的基于树脂的材料中形成孔。然后，将销钉设置进入孔中，并随后超声焊接，以形成永久的机械和电学接触。又在另一种实施方式中，将销钉或电线焊接到导电地掺杂的基于树脂的材料。在这种情况下，在模塑操作或钻孔、冲压、冲孔等时，在导电地掺杂的基于树脂的材料中形成孔。然后，在孔中形成可焊接的层。可焊接的层优选地由金属电镀形成。将导体设置进入孔中，然后通过点焊、波峰焊或回流焊进行机械地和电学地连接。

提供与导电地掺杂的基于树脂的材料的连通性的另一方法是通过将可焊接的油墨膜施涂到表面。一种示例性可焊接的油墨是铜和环氧树脂粘合剂中焊料颗粒的组合。所得混合物是活性的、可丝网印刷的和可分配的材料。在固化时，焊料回流来涂覆和连接铜颗粒，并由此形成直接可焊接的表面，无需额外的电镀或其它加工步骤。然后，可通过焊接，在施涂了可焊接的油墨的位置，将任意可焊接的材料机械和/或电学地连接到导电地掺杂的基于树脂的材料。许多其它类型的可焊接的油墨可用来将该可焊接的表面提供到本发明的导电地掺杂的基于树脂的材料上。可焊接的油墨的另一示例性实施方式是一种或多种金属粉末系统与反应性有机介质的混合物。在低温固化时，这类油墨材料转化成可焊接的纯金属，且不使用任何有机粘合剂或合金化成分。

本发明可形成铁磁导电地掺杂的基于树脂的材料，以形成磁性的或可磁化的材料。铁磁微米导电纤维和/或铁磁导电粉末与基础树脂是基本上匀化的。可添加铁氧体材料和/或稀土磁性材料作为基础树脂的导电掺杂。通过基本上均匀的混合铁磁微米导电纤维和/或微米导电粉末,该铁磁导电地掺杂的基于树脂的材料能制备优异的低成本、轻量、高长径比的可磁化的物品。可在模塑过程之时或之后，磁化本发明的磁体和磁性装置。调节在基础树脂之内匀化的铁磁微米导电纤维和/或铁磁微米导电粉末的掺杂水平和/或掺杂剂，可控制磁体和磁性装置的磁性强度。通过增加铁磁掺杂的长径比,磁体或磁性装置的强度可显著增加。基本上均匀的混合导电纤维/粉末或其组合，允许在不导致物品的结构完整性机械地降低的情况下，将大量的掺杂剂添加到基础树脂。铁磁导电地掺杂的基于树脂的磁体显示杰出的基础树脂的物理性质,包含柔性、可模塑性、强度和耐环境腐蚀性,以及优异的磁性能力。此外,独特的铁磁导电地掺杂的基于树脂的材料促进形成呈现优异的热导率和电导率以及磁性的物品。

通过使用铁磁导电微米纤维或通过组合铁磁微米粉末与导电微米纤维，容易获得高长径比的磁体。微米导电纤维允许模塑在横截面区域具有高长径比的导电纤维/粉末或其组合的制品。如果使用铁磁微米纤维，那么该高长径比转化成高质量磁性制品。或者,如果将铁磁微米粉末与微米导电纤维组合,那么粉末的磁性效应通过网络导电纤维在全部模塑的制品中有效地传播，从而获得有效的高长径比的模塑的磁性制品。在模塑之后，铁磁导电地掺杂的基于树脂的材料可通过将模塑的制品暴露于强磁场进行磁化。或者,可在模塑过程中，使用强磁场来磁化铁磁导电地掺杂的基于树脂的材料。

铁磁导电地掺杂的是纤维、粉末或纤维和粉末的组合的形式。微米导电粉末可为金属纤维或金属电镀的纤维或粉末。如果使用金属电镀的纤维，那么芯纤维是可电镀的材料，并可为金属或非金属。示例性铁磁导电纤维材料包含铁氧体材料或陶瓷材料如镍锌、锰锌以及铁、硼和锶的组合等。此外,稀土元素例如钕和钐,典型的是钕-铁-硼、钐-钴等是可用的铁磁导电纤维材料。沥滤到导电纤维上的示例性铁磁微米粉末包含铁氧体材料或陶瓷材料如镍锌、锰锌以及铁、硼和锶的组合等。此外,稀土元素例如钕和钐,典型的是钕-铁-硼、钐-钴等是可用的铁磁导电粉末材料。铁磁导电掺杂可与非铁磁导电掺杂组合，以形成组合了优异的导电质量和磁性能力的导电地掺杂的基于树脂的材料。

制备本文所述的胶囊的方法

现在参考图1，显示了本发明的第一实施方式。示意图2显示通过本发明形成独特的、可模塑的胶囊的制造流程。在该实施方式中,使用挤出/拉挤过程来将基础树脂挤出到连续的导电微米纤维束上。在挤出/拉挤之后,将复合的纤维和树脂缆或股切粒成可模塑的胶囊。

在所示实施方式中,将一卷微米导电纤维5装载到送料设备4上。微米导电纤维19优选地包含多个、平行的微米导电纤维的股。束19优选地包含最多达成千上万的纤维的股。

将微米导电纤维束19导入挤出模头10。然而，在该方法的一些实施方式中，在挤出之前预加工纤维束19是有用的。在挤出之前，实施预处理过程7,或过程的组合，来增强纤维束19的特征。预处理过程包括但不限于向束添加材料的吸附(leeching)过程和改善纤维界面性质的化学改性过程,和如下进一步所述的加热过程。

在吸附预处理过程7的一种实施方式中,首先将来自送料卷5的微米导电纤维19导入粉末化设备7，然后导入挤出设备8和10。粉末化设备7优选地包含溶液，该溶液包含悬浮于液体介质中的微米导电粉末。当纤维束19通过液体介质添加时,溶液中的微米导电粉末吸附进入微米导电纤维19。由此，使用微米导电粉末浸渍所得处理的纤维束20。

改善纤维界面性质的惰性化学改性过程存在多种实施方式。处理包括但不限于,化学惰性偶联剂、气体等离子体、阳极化、丝光化,过氧化物处理,苯甲酰化,和其它化学或聚合物处理。化学惰性偶联剂是结合到金属纤维的表面上以提供优异的偶联表面用于后续地与基于树脂的材料结合的材料。该化学惰性的偶联剂不与基于树脂的材料反应。一种示例性化学惰性偶联剂是硅烷。在硅烷处理中,来自硅烷的基于硅的分子分子地结合到金属纤维表面以形成硅层。硅层与后续地挤出的基于树脂的材料良好结合，但又相对于基于树脂的材料而言是化学惰性的。由此避免了现有技术“盐和胡椒”混合中出现的不可预测的和破坏性化学相互作用。硅烷处理时的任选的特征是与纤维表面上的任意水分子形成氧丙环键，由此从纤维股消除水。硅烷、氨基和硅烷-氨基是用于在纤维上形成化学惰性偶联剂的3种示例性预挤出处理。

在气体等离子体处理中,在原子深度蚀刻金属纤维的表面，以再次加工表面。冷温气体等离子体源例如氧气和氨水，用于在挤出之前实施表面蚀刻。在本发明的一种实施方式中,首先实施气体等离子体处理来蚀刻纤维股的表面。然后，实施硅烷浴涂布，以将基于硅的化学惰性膜形成到纤维股上。在另一种实施方式中,金属纤维进行阳极化，以在纤维上形成金属氧化物。本文所述的纤维改性方法用于改善界面粘附、改善匀化时的润湿，和/或降低和阻止氧化物生长(与未处理的纤维相比)。预处理纤维改性还降低在后续的粒料切割或真空添加加料器时的粉尘、细粒和纤维释放的水平。

形成可模塑的胶囊的方法的一个实施方式包含纤维处理过程，其包含提供导电纤维的束,和随后在将基于树脂的材料沉积到束上以形成复合材料股之前加热束。在将基于树脂的材料沉积到束上以形成复合材料股之后,将股分段成可模塑的胶囊。据信在沉积基于树脂的材料之前加热束能改善束和基于树脂的材料之间的粘附或“润湿”。据信这具有多种优势，包含消除或降低树脂和束之间的空气间隙,和改善胶囊的切割和切粒,以及还改善当用于制造导电制品时的胶囊的性能。在一些实施方式中，据信通过加热束,树脂在接触束时不固化，使得熔融的树脂更好地润湿或粘附到束,或渗透束。

在一种实施方式中,加热包含将束加热接近基于树脂的材料的熔融温度的温度,在一些实施方式中，在熔融温度的50°F之内。在另一种实施方式中,加热包含将束加热到大于基于树脂的材料的熔融温度的温度,在一些实施方式中，比熔融温度高达约25°F,或约50-100°F。又在另一种实施方式中,加热包含将束加热到大于基于树脂的材料的玻璃化转变温度的温度,在一些实施方式中，比玻璃化转变温度高达约25°F,或约50-100°F。又在其它实施方式中,加热包含在环境温度和玻璃化转变温度或熔融温度之间加热束。又在另一种实施方式中,加热束包含将束加热使得熔融的树脂润湿或粘附到束和/或使得熔融的树脂渗透束的温度。

在一些实施方式中,在沉积或挤出树脂之前加热束包含在该束进入树脂沉积在束上的区域(例如直角模头)之前，通过加热器引导束。加热器可包含对流加热器、辐射加热器、,传导加热器和它们的任意组合。可使用适用于将束加热到所需的温度的任意加热方法。一旦加热束,就将该束牵拉通过直角模头或用于在束上沉积树脂的其它装置，来在纤维束上挤出或沉积树脂。

在任选的预处理之后,将处理的微米纤维束20导入挤出机模头10。挤出机8和10用于将基于树脂的材料形成或沉积到纤维束20上。本文描述了挤出机8和10的几个重要特征。现参考图9,显示了本发明的一个实施方式，显示挤出机器,或挤出机。挤出机包含加料斗装置320。将基于树脂的材料装载进入加料斗装置320。在一种实施方式中,基于树脂的材料包含粒料、片材、棒或团块形式的纯的基于树脂的材料。在其它实施方式中,在加料斗320中，将塑料模塑领域所公知的各种添加剂、润滑剂、着色剂、增塑剂和其它材料添加到基于树脂的材料中。又在其它实施方式中,在加料斗320中，将微米导电粉末和/或纤维添加到基于树脂的材料。在其它实施方式中,将由基于树脂的材料与添加剂、润滑剂、着色剂、增塑剂、导电粉末和纤维预混合而成的预复合的基于树脂的材料装载进入加料斗320。在本发明的另一种实施方式中,以恒定的速率添加基于树脂的加料斗的进料，以维持高体积地将基于树脂的材料挤出到连续的纤维束20上。可使用任意数目的已知材料输送，例如重力加料器、振动给料器等。

加料斗320将基于树脂的材料加料进入机筒310和螺杆315机械装置。螺杆315基本上是大的螺旋钻，其紧紧地装配在机筒310里面。电机330在机筒腔室310里面转动螺杆315，以形成复合材料的加料、加热和混合效应。机筒310通过这种转动摩擦和通过绕着机筒310分布的加热器325来加热。螺杆315和机筒310机械装置远离加料斗320并朝向模具335输送基于树脂的材料。在螺杆315和机筒310的混合分段,主要作用是混合和加热基于树脂的材料。开始熔融，但没有压缩。在后续的压缩分段中,基于树脂的材料完全熔融。开始熔融的共混物的压缩。在后续的计量分段中,完成基于树脂的材料和所有添加剂、润滑剂、着色剂、增塑剂、导电填料等的最终混合和匀化，从而产生物理匀化的材料。然后，迫使基于树脂的材料经过直角模头335。在直角模头335中,基于树脂的材料汇聚和沉积在微米纤维束20上。通过模头335的中空的芯或环340引导微米导电纤维束20，从而熔融的基于树脂的材料环绕束，并在束穿过时挤出到束上。

在挤出机机筒310上显示任选的下段输入345。该额外的材料输入用于在机筒310的主要的混合和压缩分段之后，将组分添加到基于树脂的材料。现参考图10,本发明的实施方式400显示了使用下段输入的实施方式。在该实施方式中,如上所述将基于树脂的材料装载进入加料斗320。然而，在这种情况下，通过下段输入345将短切微米导电纤维410添加到移动穿过螺杆315和机筒310的基于树脂的材料。类似于相对于主微米纤维束20所述，在该实施方式中,从卷轴解开微米导电纤维束415，然后短切成特殊的长度。短切纤维410变成导入直角模头335的基于树脂的材料20的一部分。优选地可在螺杆315和机筒310中于主要的混合和压缩阶段之后，将短切微米纤维或其它类似的组分添加到基于树脂的材料，由此最小化因混合和压缩力造成的纤维损坏。在该实施方式中,通过重力加料添加短切纤维410。该方法非常适于将导电纤维例如金属或金属电镀的纤维添加到可模塑的混合物。

现参考图11,本发明的第六实施方式430显示通过下段输入负载纤维的另一方法。在该实施方式中,穿过下段输入345通过鼓风或喷枪机械装置435，将短切纤维吹入螺杆315和机筒310机械装置。该方法非常适于将纤维装载进入基于树脂的材料。同样地，通过延迟直到主要的混合和压缩之后引入纤维,最小化纤维的损坏。

在本发明的另一种实施方式中,使用双螺杆挤出机。双螺杆挤出机具有两个螺杆，其肩并肩地设置并以相互缠结地型式旋转，端部视图通常像“数字8”。两个螺杆的相互缠结地作用恒定地自我擦拭螺杆螺纹或内部机筒表面。单螺杆挤出机可出现困难，因为基于树脂的材料粘附到机筒侧壁或剥落。然而,双螺杆挤出机迫使基于树脂的材料遵循数字8的图案，由此对所有形式的基于树脂的材料产生积极的抽吸作用。结果，双螺杆挤出机通常能以比单螺杆挤出机更快的挤出速率操作。

现参考图7,显示了本发明的直角模头10的一个实施方式的横截面视图。应指出直角模头和挤出方法的几个重要特征。透过模头10形成开口，以允许微米纤维束20穿过。束20经过含熔融的基于树脂的材料110的引导通道。

进来的纤维束20具有较厚的直径T_纤维进。尽管各纤维股平行对齐，但股之间可存在空气间隙。在一种实施方式中,在进入直角模头10之前,束20经过压缩环106。压缩环106逐渐地迫使纤维股在一起，并向收集的束施加压缩力。结果，当压缩的束118排出压缩环106时，将外径降低到T_{纤维,压缩 的}。在其它实施方式中,在进入直角模头之前，不压缩束的内径。

通过包括在使用熔融的基于树脂的材料挤出涂覆之前压缩纤维束20的步骤，衍生许多益处。首先，压缩将初始的力引入到压缩的束118上。在基于树脂的材料涂覆到压缩的束118上之后,纤维股贴着基于树脂的材料114机械地回弹。这种压缩回弹有效地将纤维束118和基于树脂的涂料114锁定在一起，本文将其称为挤出的束22。当所选择的纤维材料与所选择的基于树脂的材料没有良好地化学连接时，压缩/回弹是特别重要的。其次，在挤出的束的后续的切割或切粒时,压缩的纤维118将很好地保留或锁定在基于树脂的外部覆盖物114中。在后续的处理切粒的、可模塑的胶囊时，纤维也锁定在基于树脂的材料中。无需在挤出之前使用不同的基于树脂的材料来涂覆该纤维束，就可实现这种纤维固定机理。因此,避免了额外的加工支出，更重要地是避免了如现有技术所述的不相似的基于树脂的材料的不利的相互作用。作为重要的额外的优势，发现使用这种预压缩过程形成的可模塑的胶囊，在模塑操作中呈现优异的纤维释放。

将基于树脂的材料114的受控的直径挤出到压缩的束118上。所得挤出的缆直径T_树脂,OD由模头开口的直径T_模头决定。通过控制挤出的缆直径T_{树 脂,OD},和加工的速度，将具体量的基于树脂的材料114挤出到压缩的束118上。结果小心地控制所得挤出的缆22中的微米导电纤维118的重量百分数。具体来说，在一种实施方式中,微米导电纤维芯118占线状缆22总重量的约5％-约50％。在另一种实施方式中，微米导电纤维芯118占线状缆22总重量的约20％-约40％。又在另一种实施方式中，微米导电纤维芯118占线状缆22总重量的约25％-约35％。又在另一种实施方式中，微米导电纤维芯118占线状缆22总重量的约10％-20％。

在本发明的另一种实施方式中,导电掺杂通过体积百分数来测定。在一种实施方式中,导电掺杂的体积占导电地掺杂的基于树脂的材料总体积的约4％-约10％。在另一种实施方式中,尽管基础树脂的性质可受到高百分数体积掺杂的影响，但导电地掺杂的体积占导电地掺杂的基于树脂的材料总体积的约1％-约50％。

挤出/拉挤过程制备连续的挤出的束或股22，其包含上面具有挤出的或沉积的基于树脂的材料114的微米纤维束118。在一种实施方式中,微米纤维束118还包含嵌入的微米导电粉末，其在挤出之前吸附进入束118中。在另一种实施方式中,微米纤维束118还包含化学惰性偶联剂，以帮助纤维和基于树脂的材料之间的结合。在另一种实施方式中,微米纤维束已进行阳极化，以阻止纤维表面上的进一步的氧化效应。在另一种实施方式中,微米纤维束进行蚀刻，以改善纤维和树脂-材料之间的表面粘附。在另一种实施方式中,基于树脂的材料还包含导电掺杂例如微米导电纤维或粉末,从而挤出的束同时在芯束118和挤出的覆盖物114中携带导电掺杂。

再次参考图1,挤出的束22穿过冷却过程12。冷却过程通过使用流体例如水喷涂束22或将束22浸没于流体例如水中，来降低挤出的束22的温度。通过牵拉分段28向前牵拉冷却的挤出的束23。优选地,方法2作为高速牵拉的-挤出/拉挤方法来操作，类似于制造导电电线时所用的方法。通过牵拉冷却的挤出的束23,使微米导电束的全部长度处于拉伸之下。这种拉伸使得整个过程以高速操作，无需扭结或捆绑。

作为任选的实施方式,使冷却的挤出的束23通过控制监控器14处理，以确认冷却的挤出的束23的外径和计数总长度。然后，将冷却的挤出的束23加入分割设备16,或切粒机,其中将冷却的挤出的束23分割成单独的可模塑的胶囊25。优选地，将可模塑的胶囊25分割成约2毫米-约14毫米的长度L，但可使用更长或更短的长度。分割方法可为切割、锯切、短切、冲压等。可模塑的胶囊25保留与冷却的挤出的束23相同的重量百分数的微米导电材料。分割胶囊25通过分级器18、分离器或筛处理，以除去任意损失的纤维、误切割的小块、胶带或其它不想要的材料，同时保留完整的可模塑的胶囊25。最后，将可模塑的胶囊进行封装27。

形成可模塑的胶囊的方法的一个实施方式包含提供导电纤维的束,将基于树脂的材料沉积到束上以形成复合材料股,在复合材料股上实施润湿过程,和将复合材料股分段成可模塑的胶囊。在该实施方式中,例如在直角模头中将树脂挤出或沉积到束上之后，实施润湿过程。再一次,据信润湿过程改善束和基于树脂的材料之间的粘附或“润湿”。据信这具有多种优势，包含消除或降低树脂和束之间的空气间隙,和改善胶囊的切割和切粒,以及改善当用于制造导电制品时的胶囊的性能。

在一些实施方式中,该润湿过程包含在股的外侧上施加力。在一种实施方式中,施加力包含使用至少一个辊或一系列的辊。通过至少一个辊或辊组在股的外侧上施加力，这进而在纤维束的内部上施加力，来牵拉股。据信通过树脂在束上施加的力改善树脂和束纤维之间的润湿。可使用适用于在束上施加力的任意其它装置，包括带、滑轮、环、空气压力、液压等。

在一些实施方式中,如果在施加压力之前股过热，那么树脂可变形并与股分离。因此,在一些实施方式中,在施加力之前冷却股。在其它实施方式中,在施加力之前，将股的外部部分冷却到低于熔点的温度。在其它实施方式中,在施加力之前，将股的外部部分冷却到接近玻璃化转变温度的温度。在其它实施方式中,在施加力之前，将股的外部部分冷却到低于玻璃化转变温度的温度。又在其它实施方式中,冷却股从而外部部分和束之间的胶囊的中间部分处于下述温度下，其中当例如通过辊施加力时该中间部分的树脂将在力的作用下流动。在该实施方式中,股的外侧必须充分冷却以确保施加力不毁坏股,但又没有冷却到当向中间部分施加力时该中间部分不能润湿纤维束。

在施加力和/或切割之前，可使用任意冷却方法来冷却股。例如,水浴,水喷涂,水雾、涡旋冷却器或任意其它合适的冷却方法。

在一些实施方式中,在基本上相同的操作中，实施施加力和将股分段成胶囊。例如,可使用冲压操作分段股。可设计冲压机械装置，从而降低冲模(stamp)时，其不仅从股切割一个或多个胶囊，而且在切割之间的胶囊的部分上施加力。

在股的外侧上施加力的实施方式,胶囊和内部纤维束可具有非圆形轮廓。换句话说,通过辊、带或冲压施加力可迫使股从基本上圆形轮廓(如在数字8中)变成非圆形轮廓。所得胶囊包含导电纤维的内部束,和树脂外层,其中胶囊和内部纤维束中的一个或两个包含非圆形轮廓。非圆形轮廓可为基本上卵形、基本上矩形或因为施加力的方法带来的任意其它形状。换句话说,股和所得胶囊可为平坦化的，更像“带”，具有更长的平坦化的侧面和更短的弯曲的端部。在一些实施方式中,这些胶囊的长度可为约10mm(沿着纤维的方向),厚度可为1-2mm(横截面的更短的维度),和宽度可为3-4mm(横截面的更长的维度)。在一些实施方式中,内部束的形状可不同于胶囊的形状。束的非圆形轮廓可为基本上卵形、基本上矩形或基本上“数字8”形状。数字8形状可近似为“8”的形状或“8”的两个叶(lobes)甚至可稍稍分离，或在一些实施方式中，纤维可实际上形成两个离散的束，各束具有基本上圆形或非圆形形状。据信胶囊和束的这些不同的构造具有下述意料不到的益处：在例如在挤出机或注射模塑机中加工胶囊以形成制品时，改善纤维释放和分布。

胶囊

现参考图8,显示了本发明的可模塑的胶囊200的一种实施方式。下面显示和讨论了本发明的多个重要特征。该可模塑的胶囊200包含上面具有挤出的或沉积的基于树脂的材料204的微米导电纤维束芯208。注意，该图没有按比例绘制，但用于显示树脂和纤维的位置和设置。根据各种实施方式,微米导电纤维芯208包含微米导电纤维,微米导电粉末,或微米导电纤维和粉末的组合。基于树脂的材料204优选地包含单一的可模塑的基于树脂的聚合物材料。本文描述了用于该实施方式的多种特殊的基于树脂的材料204。根据其它实施方式,基于树脂的材料204还以任意组合包含添加剂、润滑剂、着色剂、增塑剂、微米导电纤维和粉末。

在一种实施方式中,可模塑的胶囊200优选地包含圆筒或有点圆筒形状。即，该实施方式的可模塑的胶囊200具有确切的长度L。优选地，模塑的胶囊200长度L是约2毫米-约14毫米，但可使用更长或更短的长度。此外，可模塑的胶囊具有基本上圆形的横截面。然而,可使用其它横截面形状，例如矩形、多边形或甚至无定形。在一种实施方式中,如电线中所常见的，芯208包含圆形横截面。在另一种实施方式中,芯208包含正方形或矩形横截面。又在另一实施方式中,芯208包含带状横截面。基于树脂的材料204沿着纵向轴线环绕或包封芯208。此外,基于树脂的材料204可渗透纤维芯208。芯208可在可模塑的胶囊200的端部暴露。本发明的该实施方式200与如本文所述的通过挤出/拉挤和分段的形成方法一致。

小心地控制可模塑的胶囊200的导电成分芯208的重量百分数。具体来说，在一种实施方式中,纤维芯208占胶囊总重量的约5％-约50％。在另一种实施方式中,导电成分芯208占胶囊总重量的约20％-约40％。又在另一种实施方式中,纤维芯208占胶囊总重量的约25％-约35％。又在另一种实施方式中,导电成分芯18占胶囊总重量的约10％-约20％。

通过小心地将可模塑的胶囊200中的纤维芯208的重量百分数控制在上述范围之内，本发明的形成新颖的可模塑的胶囊200。该可模塑的胶囊200具有独特的设计，并呈现现有技术中未成发现的特殊的和意料之外的特征。与现有技术的浓缩物粒料相比，本发明的可模塑的胶囊200利用小得多的重量百分数的导电掺杂。本发明的可模塑的胶囊200的新颖设计得到可模塑的胶囊200可直接模塑以形成制品，无需像现有技术那样与纯的或非负载的粒料混合。通过显著减少导电成分芯208中的导电掺杂,增加了可用于模塑的基于树脂的材料204的相对量。发现本发明的设计中包含的基于树脂的材料足以用于优异的模塑能力，无需添加“纯”塑料粒料。该特征降低了制造零件计数和复杂性，同时消除了现有技术中发现的塑料之间的不匹配、结合问题，非均匀的混合物趋势以及潜在的危险的化学相互作用。本发明的新颖设计确保模塑的制品具有足够的来自可模塑的胶囊的基于树脂的材料，其单独地呈现基础树脂中所固有的优异的物理、结构和化学性质。

此外,本发明的可模塑的胶囊200还提供最佳浓度的导电掺杂来获得电导率和在EMF或电子谱图之内的特殊的性能特征，用于许多应用包含天线应用和/或EMI/RFI吸收应用。该设计还导致模塑的制品的优异的热学传导率、声学性能和机械性能。按该设计形成的导电地掺杂的组合物和掺杂浓度在模塑的制品中形成特殊的导电网络。新颖的设计确保所得模塑的制品仅由可模塑的胶囊就可获得足够的导电掺杂,从而由于基于树脂的聚合物基质之内良好形成的导电网络而呈现优异的电学、热学、声学、机械和电磁性质。

此外,按本发明的设计形成的可模塑的胶囊200呈现最佳的延时释放能力。可模塑的胶囊200包含较大量的挤出到并渗透进入微米导电纤维芯208的基于树脂的材料204。与现有技术相比，更大重量的基于树脂的材料204导致在纤维释放之前需将更大体积的基于树脂的材料在挤出机的混合和压缩分段中熔融,从而获得最佳的延时释放性质。将内部微米导电纤维在混合/模塑循环中恰当的时间和位置分配和分散进入复合材料混合物中，以使挤出机对纤维的损坏最小化。因此,可模塑的胶囊可更容易地熔融混合到基本上均匀，且不会损坏掺杂的纤维，从而消除了非均匀的混合、纤维损坏、纤维聚丛、共轴(ganging)、成球,旋转、热点和机械失效的问题。

包含预压缩可模塑的胶囊中微米导电纤维的实施方式进一步促进在熔融和混合过程中从基于树脂的材料中更好地释放纤维。从外部基于树脂的材料204中释放或分离导电成分208的纤维股是制备用于模塑的导电地掺杂的、基于树脂的材料的关键阶段。纤维和聚合物的释放和基本上匀化不仅影响模塑的导电地掺杂的基于树脂的材料的结构完整性,而且影响材料传导率。如果像现有技术那样，纤维分离过快,纤维将经历扰乱的破碎、混乱的取向，且不能均匀地与基础树脂匀化。这些有害的影响是由下述因素综合造成的：螺杆的高旋转速度,机筒摩擦,喷嘴结构以及在注射进入模头或模具之前的混合、熔融和压缩过程中施加在材料上其它压力或力。本发明的可模塑的胶囊200的新颖设计控制纤维208释放循环的时间顺序和取向，由此在基础树脂之内精确地和均匀地分配导电成分。结果,在模塑的制品中形成基本上均匀的优异的导电网络。

此外,本发明的可模塑的胶囊200的设计非常良好地适于与包含微米导电纤维的微米导电纤维芯208联用。模塑的导电地掺杂的基于树脂的制品中微米导电纤维的取向例如无规、全向或平行，可显著影响制品的性能。如本技术领域所公知，模具设计、栅格、凸起设计或模塑设备之内的其它装置可用来控制结合进入基于树脂的材料的掺杂剂材料的取向。本发明的按时释放的可模塑的胶囊200特别有用于促进控制纤维方向的能力，因为这容易在不过度混合的情况下出现初始的匀化。

此外,本发明的可模塑的胶囊200的设计提供了均匀地混合的导电成分和基础树脂的复合材料，对其进行优化可使基础树脂聚合物和导电成分之间的分子相互作用最大化。导电成分的网络与基础树脂分子的均衡和缠绕增强了基础树脂聚合物链的分子性质，包含物理、电学和其它所需的性质。

本发明的导电纤维形成高长径比导电成分，从而单个纤维成分容易相互重叠。结果,导电晶格呈现与低电阻的纯金属(例如铜)同等的电子交换能力。作为比较，导电粉末呈现基本上没有用于重叠的长径比。因此,必须使用非常高的导电粉末掺杂来形成低电阻模塑的材料。然而,这种掺杂必须这么大，从而它破坏树脂聚合物链结构并导致模塑的零件具有非常差的结构性能。导电薄片的长径比比粉末更好，但仍然不能提供本发明中发现的低电阻和可靠的结构性能的组合。

此外,本发明的可模塑的胶囊200的设计与微米导电纤维芯208兼容，并在范围上可延伸到微米导电纤维芯208，该微米导电纤维芯208包含多种微米导电纤维、多种微米导电粉末以及微米导电纤维和/或粉末的多种组合。微米导体纤维各自的直径是约3微米-12微米,和通常是约6-12微米。总体的束或索包括许多平行地引导在一起的单个纤维股。因此引导数以百计、数以千计或成千上万的纤维以形成索。导电成分芯的长度大致对应于可模塑的胶囊的长度，因为共同的分割步骤切割穿过导电成分芯和外部基于树脂的材料。

导电成分芯208包含导电纤维和/或导电粉末。在本发明的一种实施方式中,导电纤维和/或导电粉末包含金属材料。具体来说，对于本发明，该金属材料优选地是任意形式但不限于纯金属、金属的组合、金属合金、金属包覆到其它金属上等。具体来说，对于本发明，使用如本文图1,7,和9-11所示的挤出/拉挤方法，将该金属材料与基于树脂的材料组合。如在这些实施方式中所述,导电成分芯优选地从称为微米纤维束的非常细的线的束开始。将基于树脂的材料挤出到该微米纤维束上，然后分割以形成本发明的新颖的模塑胶囊。

有许多金属材料可用于形成本发明的微米纤维束。微米线材的示例性目录包含:

(1)铜、铜合金，例如铜与铍、钴、锌、铅、硅、镉、镍、铁、锡、铬、磷、和/或锆的任意组合的合金,和包覆在另一种金属(如镍)中的铜；

(2)铝和合金铝,如铝与铜、镁、锰、硅、和/或铬的任何组合的合金；

(3)镍和镍合金,包含镍与铝、钛、铁、锰、和/或铜的任意组合的合金；

(4)贵金属和贵金属的合金，贵金属包含金、钯、铂、铂、铱、铑、和/或银；

(5)玻璃天花板合金，如铁和镍的合金,具有铜包覆的铁和镍合金芯,以及镍、钴和铁的合金；

(6)耐火金属和耐火金属的合金，耐火金属如钼、钽、钛和/或钨；

(7)耐蚀合金，包含铜、锰、镍、铁、铬、铝、和/或铁的任意组合；

(8)特种合金，包含镍、铁、铬、钛、硅、铜包钢、锌、和/或锆的任意组合；

(9)弹簧钢丝，包含钴、铬、镍、钼、铁、铌、钽、钛、和/或锰的任意组合的合金；

(10)不锈钢，包含铁和镍、铬、锰和/或硅的任意组合的合金；

(11)热电偶丝，包含镍、铝、锰、铬、铜、和/或铁的任意组合的合金。

在导电地掺杂的材料包含微米线束的实施方式中,常常通过英尺/磅来规定这些材料的类型。将导电掺杂的所需重量百分数转化成英尺/磅系统是相对较直接的。当微米线束包封在基于树脂的材料中但在分割之前时，复合的微米线束和基础树脂组合具有总的英尺/磅(X_总计)。微米线束的原始的英尺/磅英尺/磅(X_线)应当是已知的。通过对这些数量求倒数，各自的重量/英尺可导为1/X_总计和1/X_线。然后，所需的导电掺杂的重量百分数可根据下式来选择：

重量百分数＝(1/X_线)/(1/X_总计)。

再次参考图8,在另一种实施方式中,导电成分芯208包含微米导电纤维和微米导电粉末的组合。本文描述了可用于该实施方式的多种特殊的微米导电纤维和微米导电粉末。同样地，微米导电纤维优选地包含平行的堆叠或引导的纤维或者绕着中心轴线扭结的纤维的束或索。在图中，显示了几根这种微米导电纤维。实践中，使用数以百计、成千上万的纤维来形成束或索。如果与微米导电纤维的索组合,微米导电粉末优选地如上所述的吸附进入纤维的索。微米导电粉末与微米导电纤维一起，用作所得模塑的制品的导电网络中的导体。在这种情况下，将可模塑的胶囊中的微米导电纤维和微米导电粉末的重量百分数制造和控制在本文所述的范围之内。此外,微米导电粉末可用作模塑机械中的润滑剂。

作为另一实施方式,如在上文的方法中所述，还使用微米导电粉末负载基于树脂的材料204。同样地，芯中的微米导电纤维208优选地包含平行的堆叠或引导的纤维或者绕着中心轴线扭结的纤维的束或索。在图中，显示了几根这种微米导电纤维。实践中，使用数以百计、成千上万的纤维股来形成束或索。当基于树脂的材料204熔融时，基于树脂的材料204中的微米导电粉末被释放出来。微米导电粉末与微米导电纤维208一起用作所得模塑的制品的导电网络中的导体。同样地，将可模塑的胶囊200中的微米导电纤维208和微米导电粉末的总重量百分数配制和控制在本文所述的范围之内。此外,微米导电粉末可用作模塑机械中的润滑剂。

通过注射模塑、挤出成形、压缩模塑等，将本发明的可模塑的胶囊的几种实施方式容易地模塑成制品。所得模塑的制品包含最佳的、导电地掺杂的基于树脂的材料。该导电地掺杂的基于树脂的材料通常包含在基础树脂主体之内基本上匀化的导体颗粒的微米粉末和/或与微米纤维组合。图2显示示例导电地掺杂的基于树脂的材料32的横截面视图，其具有在基础树脂主体30中的粉末导体颗粒34。在该实施例中，粉末中导体颗粒34的直径D是约3-12微米。

由本文所述的胶囊制备的制品

图3显示导电地掺杂的基于树脂的材料36的一个实例的横截面视图，其具有在基础树脂主体30中的导电纤维38。导电纤维38的直径是约3-12微米,通常是10微米或约8-12微米,和长度为约2-14毫米。微米导电纤维38可为金属纤维或金属电镀的纤维。此外，金属电镀的纤维可通过将金属电镀到金属纤维上或通过将金属电镀到非金属纤维上来形成。示例性金属纤维包括但不限于不锈钢纤维、铜纤维、镍纤维、银纤维、铝纤维、镍铬合金纤维等，或其组合。示例性金属电镀材料包括但不限于、铜、镍、钴、银、金、钯、铂、钌、铑和镍铬合金,和它们的合金。任意可电镀的纤维都可用作非金属纤维的芯。示例性非金属纤维包括但不限于碳、石墨、聚酯、玄武岩、人造和天然存在的材料等。此外,在本发明中，超导体金属例如钛、镍、铌、和锆、以及钛、镍、铌、和锆的合金也可用作微米导电纤维和/或用作电镀到纤维上的金属。

这些导体颗粒和/或纤维在基础树脂中是基本上匀化的。如上所述，导电地掺杂的基于树脂的材料的薄片电阻小于约5至大于约25欧姆/平方，但通过改变掺杂参数和/或树脂选择可获得其它数值。为了获得该薄片电阻，导体材料的重量占导电地掺杂的基于树脂的材料的总重量的约1％-约50％。在其它实施方式中,导电材料的重量占约5％-40％。在其它实施方式中，导体材料的重量占导电地掺杂的基于树脂的材料的总重量的约10％-约30％。又在其它实施方式中，导体材料的重量占导电地掺杂的基于树脂的材料的总重量的约25％-约35％。又在其它实施方式中，导体材料的重量占导电地掺杂的基于树脂的材料的总重量的约10％-20％。又在其它实施方式中，导体材料的重量占导电地掺杂的基于树脂的材料的总重量的约5％-20％。直径为6-12微米和长度为4-6mm和并以重量计占导电地掺杂的基于树脂的材料总重量的约30％的不锈钢纤维将形成非常高度导电的参数，在任意EMF,热学、声学或电子学光谱之内都有效。

又在本发明的另一种实施方式中,导电掺杂使用体积百分数来测定。在一种实施方式中,导电掺杂的体积占导电地掺杂的基于树脂的材料总体积的约4％-约10％。在一种实施方式中,尽管基础树脂的性质可受到高百分数体积掺杂的影响，但导电地掺杂的体积占导电地掺杂的基于树脂的材料总体积的约1％-约50％。

现参考图4,显示本发明的另一实施方式，其中导电材料包含在模塑过程中基本上匀化在树脂基础30之内的导电粉末34和微米导电纤维38混合物。

现参考图5a和5b,显示导电地掺杂的、基于树脂的材料的组合物。导电地掺杂的基于树脂的材料可形成为纤维或纺织品，其随后纺织或成网为导电织物。导电地掺杂的基于树脂的材料以股的形式形成，其可如图所示的进行纺织。图5a显示导电织物42，其中纤维以纤维或纺织品的两维编织46和50的形式纺织在一起。图5b显示导电织物42’，其中以网状的设置形成纤维。在网状的设置中，以无规的方式嵌套一个或多个连续的导电纤维的股。所得导电织物或纺织品42(见图5a)和42’(见图5b)，可变得非常薄、厚、刚性、柔性或为固体形式。

类似地，使用纺织的或网状的微米不锈钢纤维,或其它微米导电纤维，可形成导电但成布状的材料。这些纺织的或网状的导电布还可夹层层压到一个或多个材料的层，例如聚酯、特氟龙(Teflon)、凯芙拉(Kevlar)或任何其它所需的基于树脂的材料。随后，可将该导电织物切割成所需的形状和尺寸。

由导电地掺杂的基于树脂的材料形成的制品可以多种不同的方式形成或模塑，包含注射模塑、挤出、砑光、压缩模塑、热固性模塑或化学诱导的模塑或形成。图6a显示注射模具的简化示意图，显示模具50的下面部分54和上面部分58。将导电地掺杂的基于树脂的材料通过注射开口60注射进入模具内腔64，然后通过热学反应固化基本上匀化的导电材料。然后分离或分开模具的上面部分58和下面部分54，并取出制品。

图6b显示用于使用挤出形成制品的挤出机70的简化示意图。将导电地掺杂的基于树脂的材料设置在挤出装置74的加料斗80中。然后，使用活塞、螺杆、压机或其它装置78迫使热学熔融的、化学-诱导的压缩,或热固性固化的导电地掺杂的基于树脂的材料通过挤出开口82，其将热学熔融固化或化学诱导的固化的导电地掺杂的基于树脂的材料定形成所需的形状。然后，通过化学反应或热学反应将导电地掺杂的基于树脂的材料充分固化成硬化的或柔软的状态，并备用。热塑性或热固性基于树脂的材料和相关的过程可用于模塑本发明的导电地掺杂的基于树脂的制品。

实施例1

在一种实施方式中,解开镀镍的碳纤维的纤维束，并引导通过加热器。该加热器包含管，且将加热的空气抽吸进入该管。在排出管之后，进入直角模头之前，纤维束是约250°F，在该直角模头中在束上沉积热塑性塑料ABS树脂。

实施例2

在一种实施方式中,将镀镍的碳纤维的纤维束引导通过直角模头。在该直角模头中在纤维束上沉积热塑性塑料ABS树脂。在排出直角模头之后，用水雾喷涂股。水雾在股的表面蒸发，冷却股的外层。在一种实施方式中,通过两个辊对该股施加力，随后用切粒机切割,形成粒料，该粒料约9.98mm长,4.5mm宽(横截面的更长的度量)和1.53mm厚(横截面的更短的度量)。

在另一种实施方式中,在两个牵拉带而不是两个辊来引导股,形成粒料，该粒料约9.99mm长,3.63mm宽(横截面的更长的度量)和1.9mm厚(横截面的更短的度量)。

在这些实施方式中的一些中,有些胶囊具有基本上平坦的形状并具有圆化的边缘。在一些实施方式中,纤维束具有相同的形状。在其它实施方式中,纤维束“泪珠(teardrop)”形状。又在其它实施方式中，纤维束具有“i”形状,具有勉强与小的纤维束分离的薄的细长部分。在其它实施方式中,纤维束形成“数字8”形状。在这些实施方式中，“8”的有些“叶”是接触的，在其它实施方式中，它们是稍微分离的。

在不偏离其本质特种的情况下，本发明的可以其它具体的形式来实施。所述实施方式在所有情况下均应视为仅是说明性的，而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述指明。在权利要求书的等价含义和范围之内的所有变化形式都涵盖在其范围之内。

Claims (32)

1.一种形成可模塑的胶囊的方法，所述方法包含：

提供导电纤维的束；

加热该束；

将基于树脂的材料沉积到该束上以形成复合材料股；和

将该复合材料股分段成可模塑的胶囊。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热包含将该束加热到接近所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的熔融温度的温度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热包含将该束加热到大于所述基于树脂的材料的玻璃化转变温度的温度。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，加热还包含引导该束通过加热器。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该加热器选自下组：对流加热器、辐射加热器、传导加热器、和它们的任意组合。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积包含将该束牵拉通过直角模头。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于树脂的材料包含基本上均匀的微米导电材料的混合物。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电纤维是微米导电纤维。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该微米导电纤维占该可模塑的胶囊中每一个的总重量的约5％-约50％。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该微米导电纤维包含选自下组的材料：金属或金属合金、具有外部导电镀层的非导电内部芯材料、铁磁材料、和它们的任意组合。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该微米纤维的直径是约3-12微米和长度是约2-14mm。

13.一种形成可模塑的胶囊的方法，所述方法包含：

提供导电纤维的束；

将基于树脂的材料沉积到该束上以形成复合材料股；

在该复合材料股上实施润湿过程；和

将该复合材料股分段成可模塑的胶囊。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，实施润湿过程包含在该股的外侧上施加力。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，施加力包含用至少一个辊来施加力。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在施加力之前冷却该股。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在施加力之前，将该股的外部部分冷却到低于熔点的温度。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在施加力之前，将该股的外部部分冷却到接近玻璃化转变温度的温度。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，在施加力之前，将该股的外部部分冷却到低于玻璃化转变温度的温度。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，在该外部部分和该束之间的胶囊的中间部分处于下述温度，其中当施加力时该中间部分的树脂在力的作用下流动。

21.如权利要求13所述的方法，其特征在于，沉积包含将该束牵拉通过直角模头。

22.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包含在沉积步骤之前加热该束。

23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在基本上相同的操作中，实施施加力和分段。

24.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述导电纤维是微米导电纤维。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该微米导电纤维占该可模塑的胶囊中每一个的总重量的约5％-约50％。

26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该微米导电纤维包含选自下组的材料：金属或金属合金、具有外部导电镀层的非导电内部芯材料、铁磁材料、和它们的任意组合。

27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该微米纤维的直径是约3-12微米和长度是约2-14mm。

28.一种通过权利要求13所述的方法制备的胶囊。

29.如权利要求28所述的胶囊，其特征在于，该胶囊和内部纤维束包含非圆形轮廓。

30.一种可模塑的胶囊,其包含：

导电纤维的内部束；和

树脂外层，

其中该胶囊和内部纤维束包含非圆形轮廓。

31.如权利要求30所述的可模塑的胶囊，其特征在于，该非圆形轮廓选自下组：基本上卵形、基本上矩形和它们的任意组合。

32.如权利要求30所述的可模塑的胶囊，其特征在于，该束的非圆形轮廓选自下组：基本上卵形、基本上矩形、基本上数字8和它们的任意组合。