ES2269395T3

ES2269395T3 - Calentamiento por induccion a temperatura controlada de materiales polimericos.

Info

Publication number: ES2269395T3
Application number: ES01932847T
Authority: ES
Inventors: Phillip Stark; Guy A. Rossi; Hamid R. Mojazza; Ross Haghighat; Peter Schuler
Original assignee: Ashland Licensing and Intellectual Property LLC
Current assignee: Ineos Composites IP LLC
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2001-05-01
Publication date: 2007-04-01
Anticipated expiration: 2021-05-01
Also published as: AU2001259340A1; CA2446140C; ATE335587T1; CA2446140A1; EP1326741B1; EP1326741A2; EP1326741A4; WO2001085827A3; DE60122188T2; DE60122188D1; WO2001085827A2

Abstract

Composición para calentamiento por inducción a temperatura controlada que comprende al menos un material de matriz y partículas de ferrita magnéticamente blanda, en la que las partículas son de desde 1 micra hasta 840 micras de tamaño y tienen una temperatura de Curie (Tc) específica en el material de matriz y en la que la temperatura de Curie específica es sustancialmente similar a una temperatura de tratamiento del material de matriz, y en la que la composición puede calentarse hasta la temperatura de Curie aplicando un campo magnético a la composición a una frecuencia de desde aproximadamente 80 KHz hasta aproximadamente 30 MHz.

Description

Calentamiento por inducción a temperatura controlada de materiales poliméricos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a métodos de calentamiento por inducción a temperatura controlada de materiales poliméricos mediante el mezclado de partículas ferromagnéticas de composiciones particulares en el polímero que va a calentarse. El control de la temperatura se obtiene seleccionando partículas ferromagnéticas con temperaturas de Curie específicas. La invención también se refiere a aparatos para el calentamiento a temperatura controlada.

Antecedentes de la invención

A medida que los materiales compuestos y poliméricos llegan a utilizarse más ampliamente en vehículos y estructuras militares y comerciales, se requieren métodos más fiables y rentables de fabricación y reparación para esas estructuras. Existen necesidades actuales de un método más fiable, conveniente y rentable de unión de componentes de material compuesto reforzado con fibras y componentes poliméricos termoplásticos y termoestables. Los nuevos métodos de unión deben ser útiles en la fabricación así como propicios para la reparación in situ conveniente y rentable. Las técnicas de calentamiento por inducción del estado de la técnica pueden proporcionar rápidas velocidades de calentamiento y unión, pero presentan un escaso control de las temperaturas de la línea de unión logradas.

Las aplicaciones adicionales de la unión controlada incluyen el sellado de envases termoplásticos que sustituyen a precintos de lámina metálica convencionales. El estrecho control de la temperatura también beneficia a otros procedimientos sensibles a la temperatura en la fabricación, tales como conformación de termoplásticos en aplicaciones de moldeo y conformación, o reparación de los mismos.

El documento WO 00/03306 describe una composición de separación libre de amina útil para eliminar residuos orgánicos de un sustrato recubierto. No se menciona material ferromagnético disperso en la composición.

El documento EP-A-0 498 998 describe un método para calentar a distancia un material polimérico, que comprende las etapas de disponer un material ferromagnético particulado que tiene un diámetro de entre 1 y 100 nm en la totalidad de una matriz de dicho material polimérico para formar un material compuesto y aplicar calentamiento electromagnético al material compuesto.

También se sabe a partir del documento US-A-5.123.989 cómo disponer partículas de ferrita en una pieza de resina que va a unirse y aplicar un campo magnético alterno.

Los documentos US-A-4.427.481 y US-A-4.693.775 describen resinas que comprenden sustancias imantadas o partículas magnéticas utilizadas para la atracción magnética.

El documento US-A-5.523.549 describe una composición que comprende una mezcla de ferrita utilizada en un plato para horno de microondas con envoltura de material laminado para poner crujientes y dorar alimentos manteniendo el alimento a una temperatura deseada durante la operación con microondas.

También existe la necesidad de elementos de calentamiento que alcancen rápidamente una temperatura deseada y mantengan esa temperatura sin sobrecalentarse.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona nueva tecnología de unión por inducción de polímeros, denominada en el presente documento como "SmartBond^{TM}", para ofrecer una solución única al problema de unir componentes de material compuesto reforzado con fibras y componentes poliméricos termoplásticos o termoestables. Las tecnologías de calentamiento por inducción se utilizan para soldar, forjar, pegar o endurecer materiales poliméricos. La invención proporciona el calentamiento por inducción a temperatura controlada de materiales poliméricos mediante el mezclado de partículas ferromagnéticas en el polímero que va a calentarse. El control de la temperatura se obtiene seleccionando partículas ferromagnéticas con una temperatura de Curie específica. Las partículas ferromagnéticas se calentarán en un campo de inducción, a través de pérdidas por histéresis, hasta que alcanzan su temperatura de Curie. En ese punto, cesa la generación de calor a través de pérdida por histéresis. Esta invención es aplicable a la unión de materiales termoplásticos, en el que sólo la zona que va a pegarse tiene partículas ferromagnéticas en ella; la unión de materiales compuestos termoestables, que se han tratado con una capa de material termoplástico en un lado; el curado de adhesivos termoestables o resinas de material compuesto o la consolidación de componentes y materiales compuestos termoplásticos.

El calentamiento por inducción de un material se produce cuando se sitúa una bobina de inducción, que genera un campo magnético, cerca del material y calienta un susceptor, tal como una pantalla o polvo metálico, dentro del material que va a calentarse. La invención se centra en mejorar el proceso de calentamiento por inducción mediante: a) la optimización del diseño del susceptor para la unión por fusión ("fusion bonding") o soldadura de capas termoplásticas; b) la optimización del método mediante el cual se mezclan las partículas de susceptor o se ponen dentro de una matriz de material compuesto; y c) la optimización de la potencia y la frecuencia del dispositivo de inducción. Se proporciona un concepto de susceptor innovador. La invención utiliza partículas ferromagnéticas, conocidas como "susceptores inteligentes" o "susceptores", que generan calor a través de pérdidas por histéresis. Estos susceptores innovadores tienen la característica única de "apagarse" cuando alcanzan su temperatura de Curie.

El ferromagnetismo en un material ferromagnético desaparece a la temperatura de Curie a medida que las oscilaciones térmicas superan la orientación debida a la interacción de intercambio, dando como resultado una agrupación aleatoria de las partículas atómicas. Cuando un material ferromagnético se sitúa en un campo electromagnético, las pérdidas por histéresis en el material hacen que se eleve su temperatura, alcanzando finalmente su temperatura de Curie. Tras alcanzar su temperatura de Curie, la red cristalina del material experimenta un cambio dimensional, que produce una pérdida reversible de los dipolos magnéticos. Una vez que se pierden los dipolos magnéticos, las propiedades ferromagnéticas cesan, deteniendo así un calentamiento adicional.

Entre los parámetros importantes en este procedimiento se encuentran los siguientes:

1) Tamaño y forma del ciclo de histéresis: El tamaño y la forma del ciclo de histéresis están controlados por la elección del susceptor. Por ejemplo, una ferrita magnéticamente dura muestra un ciclo de histéresis mayor que el de una ferrita magnéticamente blanda. Cuanto mayor es el ciclo de histéresis, mayor es el calor que puede generarse por ciclo. Para aprovechar el ciclo de histéresis mayor, la intensidad del campo magnético alterno aplicado debe ser lo suficientemente grande como para permitir que el ciclo de histéresis sea atravesado completamente en cada ciclo (por ejemplo, para que el susceptor alcance la saturación magnética).

2) Carga de partículas: La cantidad de material ferromagnético utilizado se controla y optimiza para la aplicación pretendida. En el caso de un material de soldadura termoplástico, la fracción volumétrica de la fase ferromagnética presente y el espesor del material de soldadura desempeñan un papel directo en la temperatura obtenida en el polímero termoplástico.

3) Mecanismos de calentamiento alternativos: Los mecanismos de calentamiento alternativos inherentes al material pueden proporcionar calor adicional. Si existen otros mecanismos de calentamiento por inducción en el material, tales como corrientes turbulentas o pérdidas dieléctricas, y generan una fracción significativa del calor total, el control de la temperatura del calentamiento por histéresis del material ferromagnético puede no ser completo; pero pueden optimizarse la velocidad de calentamiento u otros factores para la aplicación.

4) Tamaño de partícula: El tamaño de partícula del polvo ferromagnético utilizado se controla y optimiza para la aplicación pretendida. El tamaño de partícula afecta a la transferencia de calor hasta el material de soldadura termoplástico.

5) Forma de partícula: La forma de partícula del polvo ferromagnético se controla y optimiza para la aplicación pretendida. Ciertas formas pueden mostrar respuestas únicas al campo de inducción, y así un calentamiento optimizado para la aplicación.

Manipulando estos parámetros, se eligen materiales ferromagnéticos "inteligentes" de modo que se maximice la componente de histéresis del calentamiento, optimizando así el control de la temperatura durante el calentamiento por inducción.

La presente invención se refiere a una composición para el calentamiento por inducción a temperatura controlada que comprende al menos un material de matriz, por ejemplo un material termoplástico, y partículas de ferrita hexagonal ferromagnética, en la que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el material de matriz. En realizaciones preferidas, las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética comprenden SrFe_{12}O_{19} (denominado a continuación en el presente documento como "SrF"), Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y, y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}), y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente. El catión divalente se selecciona preferiblemente de Mg, Co, Mn y Zn. En realizaciones especialmente preferidas, las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética tienen la composición SrF, Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} (denominado a continuación en el presente documento como Co-2Y), Mg_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} (denominado a continuación en el presente documento como "Mg-2Y"), Zn_{1}Mg_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} (denominado a continuación en el presente documento como "Zn/Mg-2Y") y Zn_{1}Co_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} (denominado a continuación en el presente documento como "Zn/Co-2Y") o combinaciones de los mismos.

La invención también se refiere a una composición para la inducción a temperatura controlada que comprende un material de matriz, según se describió anteriormente, y partículas de ferrita magnéticamente blanda, en la que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el material termoplástico. Preferiblemente, las partículas tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición. Ejemplos de Me_{b} incluyen Ni, Co, Mn y Zn. Las partículas preferidas incluyen, pero no se limitan a: (Mn, ZnO)Fe_{2}O_{3} y (Ni, ZnO)Fe_{2}O_{3}.

Las partículas pueden ser de cualquier tamaño. Sin embargo, en ciertas realizaciones se prefiere que las partículas sean de desde aproximadamente 1 micra hasta aproximadamente 840 micras. En otras realizaciones, se prefiere que las partículas sean menores de 1 micra. De manera similar, las partículas están presentes en un porcentaje en volumen de desde aproximadamente el 1% hasta aproximadamente el 50%, más preferiblemente desde aproximadamente el 10% hasta aproximadamente el 30%, y lo más preferiblemente desde aproximadamente el 15% hasta aproximadamente el 20%. Las partículas pueden estar sobre una superficie de la matriz, o alternativamente, incluidas en la matriz. En composiciones preferidas, la temperatura de Curie es desde aproximadamente 100ºC hasta aproximadamente 450ºC.

El material de matriz útil para la práctica de la presente invención comprende preferiblemente cualquier termoplástico conocido en la técnica. En realizaciones preferidas, el termoplástico comprende poli(eteretercetona) (PEEK), polietercetonacetona (PEKK), poli(eterimida) (PEI), poli(sulfuro de fenileno) (PPS), polisulfona (PSU), poli(tereftalato de etileno) (PET), poliéster, poliamida (PA), polipropileno (PP), poliuretano (PU), poli(óxido de fenileno) (PPO), policarbonato (PC), PP/MXD6 (MXD6 es una marca comercial de Mitsubishi para un tipo de poliamida o nylon); PP/etileno-alcohol vinílico (EVOH), polietileno (PE) o combinaciones de los mismos.

En ciertas composiciones, la T_{c} de las partículas es inferior a la temperatura de fusión del material de matriz. Estas composiciones son útiles cuando es deseable calentar la matriz cerca de la T_{c} sin fundir la matriz. En otras realizaciones, la T_{c} de las partículas es superior a la temperatura de fusión del material termoplástico. Estas composiciones son útiles cuando es deseable fundir el material de matriz, por ejemplo, para sellar o pegar materiales termoplásticos.

La invención se refiere además a un método de calentamiento a temperatura controlada de un material termoplástico que comprende: (a) proporcionar partículas de ferrita hexagonal ferromagnética que tienen la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente, en un primer material termoplástico, en el que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el primer material termoplástico; (b) aplicar un campo magnético alterno al primer material termoplástico para calentar las partículas magnéticas; y (c) cesar el calentamiento de las partículas magnéticas cuando las partículas magnéticas alcanzan su temperatura de Curie. El catión divalente se selecciona preferiblemente de Mg, Co, Mn y Zn. En realizaciones especialmente preferidas, las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética tienen la composición SrF, Co-2Y, Mg-2Y, Zn/Co-2Y o Zn/Mg-2Y o combinaciones de los mismos.

La invención también se refiere a un método de calentamiento a temperatura controlada de un material termoplástico que comprende: (a) proporcionar partículas de ferrita blanda, que tienen la estructura 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición, en un primer material termoplástico, en el que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el primer material termoplástico; (b) aplicar un campo magnético alterno al primer material termoplástico para calentar las partículas magnéticas; y (c) cesar el calentamiento de las partículas magnéticas cuando las partículas magnéticas alcanzan su temperatura de Curie. Ejemplos de Me_{b} incluyen Ni, Co, Mn y Zn. Las partículas preferidas incluyen, pero no se limitan a: (Mn,ZnO)Fe_{2}O_{3} y (Ni,ZnO)Fe_{2}O_{3} también denominados como ferritas de MnZn y NiZn, respectivamente.

En ciertas realizaciones de tales métodos, la T_{c} de las partículas es inferior a la temperatura de fusión del material termoplástico. En otras realizaciones, la T_{c} de las partículas es superior a la temperatura de fusión del material termoplástico, y se aplica el campo magnético alterno de modo que las partículas magnéticas fundan el primer material termoplástico.

En ciertas realizaciones, estos métodos comprenden además la etapa de proporcionar un segundo material termoplástico en contacto con el primer material termoplástico, antes de aplicar el campo magnético alterno. Aún en otras realizaciones, el método comprende situar inicialmente el primer material termoplástico sobre un material termoestable no curado o curado parcialmente y pegar el material termoplástico y el material termoestable mientras se cura el material termoestable.

En ciertas realizaciones, el método comprende además yuxtaponer el primer material termoplástico sobre el material termoestable, pegar el termoplástico al material termoestable mientras se cura el material termoestable y yuxtaponer el conjunto unido con el segundo material. En ciertas realizaciones, el segundo material es un segundo material termoestable con un segundo material termoplástico y la unión comprende hacer fluir y pegar el primer y segundo materiales termoplásticos mientras se cura el material termoestable. El segundo material es preferiblemente un segundo material termoplástico y puede tener una composición química diferente al primer material termoplástico. El segundo material termoplástico puede tener opcionalmente partículas magnéticas incluidas en él. Las partículas pueden estar en contacto con el primer y/o segundo material termoplástico, tal como se conoce en la técnica. Por ejemplo, las partículas pueden estar incluidas en superficies adyacentes del primer y/o segundo materiales termoplásticos, sobre las superficies o dispersos en todo el material. Las partículas para su uso en este método son preferiblemente de aproximadamente 1 micra a aproximadamente 840 micras o alternativamente, menores de 1 micra.

El método de calentamiento a temperatura controlada de un material termoplástico comprende además la etapa de aplicar un campo magnético cambiante, por ejemplo alterno, a una frecuencia de desde aproximadamente 80 KHz hasta aproximadamente 30 MHz, preferiblemente de desde aproximadamente 200 KHz hasta aproximadamente 30 KHz. En ciertas realizaciones, puede ser preferible utilizar una frecuencia de desde aproximadamente 500 hasta aproximadamente 2 MHz, o desde aproximadamente 2 MHz hasta aproximadamente 10 MHz. Aún otras realizaciones de los presentes métodos comprenden además una etapa de pretratamiento, que comprende alinear los dipolos de las partículas ferromagnéticas antes de aplicar el campo de inducción alterno. En estos métodos, aplicar un campo magnético alterno comprende aplicar un campo para orientar los dipolos de las partículas ferromagnéticas. Ciertas realizaciones de la invención comprenden además variar la cantidad de zinc en las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética, por ejemplo, partículas de Zn/Mg-2Y o Zn/Co-2Y, para controlar la temperatura de Curie de las partículas.

La presente invención también se refiere a un método para preparar un material para el calentamiento a temperatura controlada de un material que contiene partículas ferromagnéticas, que tienen dipolos magnéticos, comprendiendo el método alinear los dipolos de las partículas ferromagnéticas antes de calentar el material. En este método, la etapa de alinear los dipolos de las partículas ferromagnéticas comprende aplicar un primer campo de inducción para alinear los dipolos paralelos al primer campo magnético y la etapa de calentar el material comprende aplicar un segundo campo de inducción orientado en la misma dirección que los dipolos de las partículas ferromagnéticas. En ciertos métodos preferidos de preparación de un material, las partículas ferromagnéticas comprenden ferritas hexagonales ferromagnéticas que tienen la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente. El catión divalente se selecciona preferiblemente de Mg, Co, Mn y Zn. En realizaciones especialmente preferidas, las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética tienen la composición SrF, Co-2Y, Mg-2Y, Zn/Co-2Y o Zn/Mg-2Y o combinaciones de los mismos (por ejemplo, SrFe_{12}O_{19}, Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}, Mg_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}, Zn_{1}Mg_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} y Zn_{1}Co_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}). En otros métodos preferidos de preparación de un material, las partículas ferromagnéticas comprenden partículas de ferrita blanda que tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición. Los ejemplos de Me_{b} incluyen Ni, Co, Mn y Zn. Ejemplos de compuestos preferidos comprenden: (Mn,ZnO)Fe_{2}O_{3} y (Ni,ZnO)Fe_{2}O_{3} también denominados como ferritas de MnZn y NiZn, respectivamente.

La invención se refiere además a un aparato para calentar un material termoplástico que comprende partículas de ferrita hexagonal ferromagnética o partículas de ferrita magnéticamente blanda, según se describe en el presente documento, en el que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica, y en el que las partículas están en contacto con el material termoplástico; un inductor para calentar las partículas hasta su temperatura de Curie y una fuente de alimentación conectada al inductor. En ciertas realizaciones del aparato, la fuente de alimentación proporciona un campo alterno de desde aproximadamente 200 KHz hasta aproximadamente 30 MHz al inductor, y la frecuencia del campo se selecciona para optimizar la eficacia y velocidad de calentamiento, según se describe adicionalmente a continuación. Por ejemplo, en ciertas realizaciones para calentar alimentos, el inductor funciona preferiblemente a una potencia de entre 1500 W - 2300 W y una frecuencia de 88 kHz - 310 kHz.

Las partículas preferidas para su uso en los aparatos y métodos de la presente invención son de desde aproximadamente 1 micra hasta aproximadamente 840 micras, o alternativamente, las partículas pueden ser menores de 1 micra. La T_{c} de las partículas es preferiblemente inferior a la temperatura de fusión del material termoplástico, cuando se desea calentar solamente el material termoplástico sin fundirlo. O bien, la T_{c} de las partículas pueden ser superior a la temperatura de fusión del material termoplástico, si es deseable fundir el termoplástico.

En ciertos aparatos de la presente invención, el material termoplástico comprende un material polimérico conformado. Aún en otras realizaciones, el material polimérico conformado comprende además una capa de un material distinto laminado al material polimérico conformado. Tal como se estableció anteriormente, el material termoplástico puede seleccionarse por los expertos habituales en la técnica, basado en la aplicación. Ejemplos de materiales termoplásticos útiles incluyen, pero no se limitan a, PEEK, PEKK, PEI, PPS, PSU, PET, poliéster, PA, PP, PP/MXD6, PP/EVOH, PE, PU, PPO, PC y combinaciones de los mismos. El material polimérico puede conformarse mediante métodos conocidos en la técnica, tales como extrusión, moldeo por compresión o colada de película. Las partículas ferromagnéticas pueden incluirse en la superficie del material termoplástico, o dispersarse en la totalidad del material termoplástico.

La presente invención también se refiere a un método de control de la temperatura de un material polimérico que comprende (a) proporcionar al menos un material polimérico, (b) calentar el material polimérico, (c) dispersar en el material polimérico partículas magnéticas que tienen la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente o partículas de ferrita blanda que tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición, en el que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el material polimérico, (d) formar el material polimérico, (e) aplicar un campo magnético alterno al material polimérico, (f) calentar las partículas ferromagnéticas y calentar el material polimérico con pérdidas por histéresis de las partículas ferromagnéticas, (g) continuar la aplicación del campo magnético alterno y (h) cesar el calentamiento de las partículas ferromagnéticas cuando las partículas ferromagnéticas alcanzan su temperatura de Curie. La etapa de aplicar comprende aplicar un campo magnético alterno a aproximadamente de 200 KHz a aproximadamente 30 MHz, preferiblemente desde aproximadamente 500 kHz hasta aproximadamente 10 MHz. En ciertas realizaciones, el método comprende además variar la cantidad de zinc en la partícula ferromagnética para controlar la temperatura de Curie de las partículas.

La invención se refiere además a un susceptor para su inclusión en una matriz para calentar la matriz hasta una temperatura de Curie deseada que comprende una partícula ferromagnética de ferrita hexagonal que tiene la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente o partículas de ferrita blanda que tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición. En ciertos susceptores de la presente invención, se cambia la temperatura de Curie mediante proporciones variables de zinc en la composición. Preferiblemente, el metal divalente Me_{a} se selecciona de Mg, Co, Mn y Zn. En realizaciones especialmente preferidas, las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética tienen la composición SrF, Co-2Y, Mg-2Y, Zn/Co-2Y o Zn/Mg-2Y o combinaciones de los mismos. Ejemplos de Me_{b} incluyen Ni, Co, Mn y Zn. Ejemplos de susceptores de ferrita blanda preferidos incluyen Mn,ZnO)Fe_{2}O_{3} y (Ni,ZnO)Fe_{2}O_{3}.

La invención también se refiere a un material compuesto que comprende una matriz y un susceptor incluido en la matriz para calentar la matriz hasta una temperatura de Curie deseada, en el que el susceptor comprende partículas de ferrita hexagonal ferromagnética o partículas de ferrita magnéticamente blanda, según se describe en el presente documento. En ciertos materiales compuestos de la presente invención, se cambia la temperatura de Curie mediante proporciones variables de zinc en el material compuesto. En materiales compuestos preferidos, la matriz comprende un material termoplástico según se describe en el presente documento.

La invención también se refiere a un termoplástico de unión que comprende partículas de ferrita hexagonal ferromagnética que tienen la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente o partículas de ferrita blanda que tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición, dispersas en una matriz termoplástica. En ciertos termoplásticos de unión de la presente invención, se cambia la temperatura de Curie mediante proporciones variables de zinc en las partículas. En termoplásticos de unión preferidos, la matriz termoplástica comprende PEEK, PEKK, PEI, PPS, PSU, PET, poliéster, PA, PP, PP/MXD6, PP/EVOH o PE, PU, PPO, PC, o combinaciones de los mismos. En algunas realizaciones, las partículas se dispersan en toda la matriz, mientras que en otras, las partículas de dispersan sobre una superficie de la matriz.

La invención también se refiere a un aparato para calentar materiales que comprende: un elemento de calentamiento que tiene una matriz polimérica conformada; susceptores dispersos en la matriz, en el que los susceptores calientan el elemento hasta una temperatura de Curie predeterminada con la aplicación de un campo magnético alterno, es decir cambiante; y un inductor para inducir, o generar, un campo magnético. Este aparato de la presente invención puede utilizarse para muchos tipos diferentes de aplicaciones. Por ejemplo, en una realización, los materiales son líquidos o alimentos sólidos y el aparato es útil para calentar el material hasta una temperatura deseada. En tales realizaciones, el elemento de calentamiento puede conformarse para utilizarse como utensilio de cocina. También puede ser deseable tener un aparato, que comprende además una capa de un material distinto laminado a la matriz conformada. El inductor puede funcionar a cualquier frecuencia y potencia que se requiera para una aplicación particular. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, el inductor funciona a una potencia de entre 1500 W - 2300 W y tiene una frecuencia de 88 kHz - 310 kHz. En otras realizaciones, este aparato de la presente invención es útil para calentar partes del cuerpo de una persona, por ejemplo, manos o pies. En tales realizaciones, la matriz se conforma para proporcionar contacto con las manos o los pies, por ejemplo para meterse en botas, mitones o guantes. En tales realizaciones, puede ser útil tener la matriz compuesta por un material que retendrá el calor durante un cierto periodo de tiempo, de modo que el material, ya sea un alimento, líquido o las manos o pies de una persona, continuará calentándose después de que el inductor no produzca un campo magnético.

La invención también se refiere a un aparato que puede sellarse que comprende: un primer elemento que tiene una matriz conformada y que tiene un borde, un segundo elemento que tiene una zona anular para unirse al borde del primer elemento, y susceptores dispuestos en el borde del primer elemento o en la zona anular del segundo elemento, para calentar el borde o la zona anular hasta una temperatura de Curie predeterminada con la aplicación de un campo magnético alterno, para unir el primer elemento y el segundo elemento juntos. En ciertas realizaciones, los susceptores se disponen tanto en el borde como en la zona anular. Según se describió anteriormente, la matriz comprende preferiblemente un material termoplástico.

La invención también se refiere a un método de fabricación de un aparato de calentamiento que comprende: (a) proporcionar una resina de matriz, (b) proporcionar un susceptor que tiene una temperatura de Curie predeterminada, (c) combinar la resina con el susceptor, y (d) formar el compuesto con la forma deseada. En ciertos métodos preferidos de fabricación, el método comprende además preacondicionar el aparato para alcanzar la temperatura deseada, en el que la etapa de preacondicionamiento comprende proporcionar un campo magnético al aparato antes de su uso. En estos métodos, los susceptores tienen dominios magnéticos particulares y el campo magnético orienta los dominios en una orientación preferida. El compuesto se forma con la forma de una taza para albergar un alimento o un líquido. En otros métodos, se conforma el compuesto en una forma plana, por ejemplo, un disco.

Estos y adicionales y otros objetos y características de la invención son evidentes en la descripción, que incluye la memoria descriptiva escrita anterior y en curso, con las reivindicaciones y los dibujos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa un método de unión de materiales compuestos utilizando susceptores "inteligentes".

Las figuras 2A y 2B muestran ciclos de histéresis para polvos de SrFe_{12}O_{19} nº 1 y SrFe_{12}O_{19} nº 2 y Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}.

La figura 3 resume los resultados de las pruebas en diversos polvos en máquinas de inducción de 275 kHz y 4 MHz.

Las figuras 4A y 4B muestran las curvas de tiempo-temperatura para diversos polvos a 275 kHz.

La figura 5 resume los resultados de las pruebas en diversos "susceptores inteligentes" de película de polisulfona cargada.

La figura 6 es una tabla de varias matrices de susceptor/polímero.

La figura 7 es un diagrama de las variables de pretratamiento y procedimiento para el calentamiento por inducción a temperatura controlada de materiales poliméricos.

La figura 8 es una vista frontal de una taza que tiene susceptores dispuestos dentro para calentar un líquido.

La figura 9 es una vista lateral de un utensilio de cocina que tiene susceptores dispuestos dentro para calentar materiales.

La figura 10 es una vista lateral de un utensilio de cocina que tiene susceptores dispuestos dentro y una capa laminada para calentar materiales.

La figura 11 es un gráfico que muestra polvo de SrF (ferrita de estroncio) pretratado mediante calentamiento por inducción hasta T_{c}. La figura 11 (a) muestra un segundo calentamiento por inducción: velocidad de calentamiento: 27ºC/seg. La figura 11 (b) muestra un recalentamiento una tercera vez por inducción: velocidad de calentamiento: 32ºC/seg.

La figura 12 es un perfil de temperatura de los resultados.

La figura 13 muestra curvas T-t para un 10, 21, 30 y 51% de SrF en volumen en polisulfona (PSU).

La figura 14 muestra curvas T-t para un 10, 21; 30 y 51% de SrF en volumen en PSU.

La figura 15 muestra cuatro ejemplos de respuesta del sistema adhesivo a la corriente de inducción. PEI = poli(eterimida); PEEK = poli(eteretercetona); PSU = poli(sulfona).

La figura 16 muestra el efecto de recalentar el material compuesto de un 51% de SrF/PSU.

La figura 17 muestra el efecto de recalentar el material compuesto de un 30% de SrF/PSU.

La figura 18 muestra una curva de imantación frente a la temperatura para Co-2Y que contiene un 0, 5, 10 y 15% de Zn.

La figura 19 muestra curvas M-H de Co-2Y que contiene un 0, 5, 10 y 15% de Zn.

La figura 20 muestra curvas de imantación y un espectro de difracción de rayos X para Zn/Mg-2Y.

La figura 21 muestra la respuesta al calentamiento por inducción de ferrita de NiZn en tejido de depósito de combustible.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Los métodos y aparatos de la presente invención se basan en el uso de partículas ferromagnéticas preferidas como "susceptores" que pueden incluirse en una matriz polimérica. Los "susceptores" se "sintonizan" a un campo magnético para calentar rápidamente a una temperatura máxima, constante, y se diseñan para calentar solamente hasta su temperatura de Curie (T_{c}). Ajustando la temperatura de Curie de estas partículas en relación con el punto de reblandecimiento de la matriz en la que están incluidas, puede controlarse el grado de calentamiento y/o unión de la matriz. En presencia de un campo electromagnético, las partículas de susceptor en la matriz se calientan rápidamente hasta la temperatura de Curie predeterminada. Una vez que se alcanza la temperatura de Curie de las partículas, las propiedades magnéticas de las partículas cambian, haciendo que el material detenga el calentamiento. Este control termostático incorporado ofrece un medio poderoso de evitar el sobrecalentamiento con un control de la temperatura muy preciso.

La figura 1 muestra un método de la presente invención para el calentamiento por inducción, que proporciona una metodología única para la unión de plásticos, tales como materiales termoestables y termoplásticos y materiales compuestos de los mismos. En este ejemplo, un material 11 compuesto de matriz termoestable reforzado con fibras se cura conjuntamente con una capa delgada de un material 15 termoplástico que contiene partículas 13 ferromagnéticas. Durante el tratamiento, se produce un "curado conjunto" entre los materiales termoplástico (TP) y termoestable (TS) a través de la interfase TP/TS, dando como resultado una fuerte unión entre los dos. El material 17 compuesto termoestable curado tiene una capa 19 termoplástica que puede posteriormente unirse por fusión a otro material termoplástico o a otro material termoestable curado conjuntamente con una capa termoplástica.

El calentamiento preferente de la zona de unión termoplástica durante la fusión se consigue mediante el calentamiento por inducción de un material de susceptor, por ejemplo, partículas 13 situadas en la interfase de unión. Esta tecnología es propicia para la rápida reparación in situ de estructuras compuestas, por ejemplo, y es más rentable en la fabricación inicial que los métodos de reparación conocidos actualmente.

Susceptores

Los métodos y composiciones de la presente invención utilizan el hecho de que el calentamiento por inducción magnética se produce en materiales magnéticos o eléctricamente conductores cuando se someten a un campo magnético alterno aplicado. Cuando se sitúa un cuerpo portador de corriente, o bobina, cerca de otro conductor, o material 13 de susceptor, el campo magnético producido por la corriente en la bobina induce una corriente en el susceptor. En materiales magnéticos eléctricamente conductores, el calentamiento se produce tanto mediante corriente turbulenta como mediante pérdidas por histéresis. Son las pérdidas por corrientes turbulentas lo que predomina. En materiales magnéticos no conductores, el calentamiento se produce mediante pérdidas por histéresis. En este último caso, la cantidad de energía disponible para el calentamiento es proporcional al área de la curva de histéresis de flujo frente a intensidad de campo (B frente a H) y la frecuencia del campo alterno. Este mecanismo existe siempre que la temperatura se mantenga inferior al punto de Curie (T_{c}) del material. En el punto de Curie, el material magnético originalmente se vuelve no ferromagnético. Por tanto, en su T_{c}, cesa el calentamiento del material magnético.

Los métodos de la presente invención permiten al usuario adaptar la temperatura de la composición seleccionando el susceptor apropiado basado en la aplicación deseada. Por ejemplo, en ciertas composiciones, la T_{c} de las partículas es inferior a la temperatura de fusión del material de matriz. Estas composiciones son útiles cuando es deseable calentar la matriz cerca de la T_{c} sin fundir la matriz. En otras realizaciones, la T_{c} de las partículas es superior a la temperatura de fusión del material termoplástico. Estas composiciones son útiles cuando es deseable fundir el material de matriz, por ejemplo, para sellar o unir materiales termoplásticos.

Los susceptores preferidos para su uso en la presente invención comprenden ferritas hexagonales y los ejemplos incluyen compuestos que tienen las siguientes estructuras generales: SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:3Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente. El catión divalente se selecciona preferiblemente de Mg, Co, Mn y Zn. Por tanto, los ejemplos de susceptores incluyen, pero no se limitan a los mostrados en la tabla 1:

TABLA 1

Me-2W	Me-2Y	Me-2Z
Co_{2}Ba_{1}Fe_{16}O_{26}	Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}	Co_{2}Ba_{3}Fe_{24}O_{41}
Co_{1}Zn_{1}Ba_{1}Fe_{16}O_{26}	Co_{1}Zn_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}	Co_{1}Zn_{1}Ba_{3}Fe_{24}O_{41}
Mg_{2}Ba_{1}Fe_{16}O_{26}	Mg_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}	Mg_{2}Ba_{3}Fe_{24}O_{41}
Mg_{1}Zn_{1}Ba_{1}Fe_{16}O_{26}	Mg_{1}Zn_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}	Mg_{1}Zn_{1}Ba_{3}Fe_{24}O_{41}
Mn_{2}Ba_{1}Fe_{16}O_{26}	Mn_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}	Mn_{2}Ba_{3}Fe_{24}O_{41}
Mn_{1}Zn_{1}Ba_{1}Fe_{16}O_{26}	Mn_{1}Zn_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}	Mn_{1}Zn_{1}Ba_{3}Fe_{24}O_{41}

Véase L. L. Hench y J. K. West: "Principles of Electronic Ceramics" (John Wiley & Sons, 1990) págs. 321 - 325. Las ferritas hexagonales ferromagnéticas se conocen también como óxidos ferromagnéticos hexagonales. Ejemplos de ferritas hexagonales ferromagnéticas preferidas incluyen SrF, Co-2Y y Mg-2Y. Se prefiere un intervalo de temperaturas de Curie para que los susceptores sean eficaces en la unión y otro tratamiento de una amplia gama de materiales compuestos termoplásticos y termoestables.

En ciertas realizaciones de la presente invención, la temperatura de Curie del susceptor cambia en respuesta al cambio de la proporción de zinc en los susceptores, tales como Zn/Mg-2Y y Zn/Co-2Y. Por ejemplo, la T_{c} puede disminuirse mediante la sustitución parcial de Zn^{++} para los iones divalentes en el SrF, Mg-2Y y Co-2Y. La sustitución de Zn^{++} por Mg^{++} y Co^{++} en sitios "a" de la red cristalina reduce la fuerza de las interacciones a-b y disminuye la T_{c}. Preferiblemente, se añade suficiente zinc a la ferrita hexagonal magnéticamente dura para disminuir su T_{c} significativamente mientras todavía conserva su estructura hexagonal y propiedades magnéticas duras. Un experto habitual en la técnica puede determinar rápidamente la cantidad de zinc que ha de añadirse y los métodos para añadirlo.

La adición de Zn a ferritas hexagonales disminuye sus temperaturas de Curie. Tal como se muestra en la tabla 2, cuando Co-2Y se dopó con un 5, 10 y 15% de Zn, cada una de las adiciones de Zn disminuyó la temperatura de Curie de Co-2Y. La adición de un 15% de Zn a Co-2Y disminuyó la T_{c} desde 340ºC hasta aproximadamente 300ºC. Los espectros de difracción de rayos X de los materiales dopados con Zn muestran que incluso con la adición de un 15% de Zn, se conserva la estructura hexagonal de Co-2Y. Las características de imantación de Co-2Y dopado con Zn se muestran en la figura 18 y la figura 19. Cada una de las adiciones de Zn disminuyó la temperatura de Curie de Co-2Y (figura 18; tabla 2). A un 15% de Zn, la T_{c} disminuyó desde 340ºC hasta 300ºC. A partir de la figura 19, parece que las adiciones de zinc no afectaron significativamente al comportamiento de histéresis.

TABLA 2 Efecto del contenido de zinc sobre la imantación de saturación (M_{s}) coercitividad (H_{c}) y la temperatura de Curie (T_{s}) de Co-2Y

% de Zn	M_{s} (uem/g)	H_{c} (Oe)	T_{c} (ºC)
0	24,3	133,5	334,6
5	26,4	109,1	321,8
10	27,9	93,9	306,9
15	26,8	98,4	296,1

La adición de Zn a Mg-2Y también reduce su temperatura de Curie. Cuando se sintetizó Mg-2Y con átomos de zinc sustituyendo la mitad del magnesio (fórmula: Mg_{1}Zn_{1}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}), la ferrita Zn/Mg-2Y muestra una temperatura de Curie de 175ºC. La adición de zinc a Mg-2Y reduce su temperatura de Curie desde 260 hasta 175ºC. El espectro de difracción de rayos X y las curvas de imantación de Zn/Mg-2Y se muestran en la figura 20. El material es una única fase y muestra una imantación de saturación de 29 uem/g.

También pueden utilizarse otros susceptores en la formación de un "susceptor inteligente". Otros susceptores preferidos comprenden partículas de ferrita magnéticamente blanda que tienen la estructura 1MeO:1Fe_{2}O_{3}, en la que MeO es un óxido de metal de transición. Ejemplos de Me incluyen Ni, Co, Mn y Zn. Las partículas preferidas incluyen, pero no se limitan a: (Mn,ZnO)Fe_{2}O_{3} y (Ni,ZnO)Fe_{2}O_{3}, también denominadas como ferritas de MnZn y NiZn, respectivamente. Aun cuando las ferritas "blandas" tienen un ciclo de histéresis más estrecho que las ferritas "duras", puede conseguirse un calentamiento eficaz con las ferritas "blandas" en las condiciones de tratamiento adecuadas, por ejemplo, nivel de potencia y frecuencia, que utilizan el área del ciclo de histéresis total.

Diferentes compuestos ferromagnéticos tienen diferentes propiedades histeréticas. Las comparaciones de los ciclos de histéresis para ejemplos de susceptores particulares, es decir, polvos de SrFe_{12}O_{19} nº 1 (Triton B) y SrFe_{12}O_{19} nº 2 (Triton C) y Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22}, se muestran en las figuras 2A y 2B. SrFe_{12}O_{19} nº 1 y SrFe_{12}O_{19} nº 2 son ferritas magnéticamente duras, que tienen ciclos de histéresis más anchos que Co-2Y.

Por tanto, tal como se mencionó anteriormente, en ciertas aplicaciones, los susceptores preferidos incluyen ferritas hexagonales con bajas temperaturas de Curie. Se prefieren susceptores de ferrita magnéticamente dura con temperaturas de Curie inferiores a la de SrF (por ejemplo, SrFe_{12}O_{19}, T_{c} = 450ºC) para una amplia gama de sistemas de material compuesto de matriz termoplástica o termoestable, tanto blindados como relacionados comercialmente. Ejemplos de ferritas hexagonales preferidas que tienen temperaturas de Curie inferiores a la de SrFe_{12}O_{19} incluyen Mg_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} (Mg-2Y) y Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} (Co-2Y). Mg-2Y y Co-2Y muestran temperaturas de Curie de 280ºC y 340ºC, respectivamente.

La figura 3 resume los resultados de las pruebas que se han realizado en polvos que se produjeron con generadores de inducción de 275 KHz y 4 MHz. Un fenómeno demostrado es que las frecuencias del orden de 3 - 10 MHz exponen las partículas del tamaño de micras a muchas oscilaciones por segundo, desarrollando así rápidamente el volumen de calor requerido para alcanzar la temperatura de fusión.

Las figuras 4A y 4B muestran las curvas de tiempo/temperatura para polvos de SrFe_{12}O_{19} nº 1 (Triton B), SrFe_{12}O_{19} nº 2 (Triton C), Fe_{3}O_{4} (< 44 micras), Fe_{3}O_{4} (< 840 micras), Fe_{2}O_{3} y Co_{2}Ba_{2}Fe_{12}O_{22} calentados a 275 kHz. Aunque estas partículas no alcanzaron su temperatura de Curie a 275 kHz, las curvas muestran que está disponible una variedad de velocidades de calentamiento seleccionando diferentes polvos ferromagnéticos.

Las partículas utilizadas en la presente invención pueden ser de cualquier tamaño. En ciertas realizaciones, se prefiere que las partículas sean de desde aproximadamente 1 micra hasta aproximadamente 840 micras. En otras realizaciones, se prefiere que las partículas sean menores de 1 micra. De manera similar, las partículas están presentes en desde aproximadamente el 1% hasta aproximadamente el 50% en volumen, más preferiblemente desde aproximadamente el 10% hasta aproximadamente el 30% en volumen, y lo más preferiblemente desde aproximadamente el 15% hasta aproximadamente el 20% en volumen.

Matrices

El material de matriz útil para la práctica de la presente invención comprende preferiblemente cualquier termoplástico conocido en la técnica. En realizaciones preferidas, el termoplástico comprende PEEK, PEKK, PEI, PPS, PSU, PET, poliéster, PA, PP, PP/MXD6, PP/EVOH, PE, PU, PPO, PC o combinaciones de los mismos.

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La figura 5 resume los resultados de las pruebas que se han realizado en películas de polisulfona cargadas con diversos polvos ferromagnéticos. Los datos ilustran i) la respuesta variable de la matriz polimérica de base a frecuencias de inducción variables; ii) el efecto de las partículas en porcentaje en volumen en la película; y iii) el efecto del espesor de la película.

La figura 6 es una tabla de varias matrices de susceptor/polímero. Cada uno de los susceptores preferibles tiene un intervalo de temperatura de Curie específico que se enumera en la figura 6. Cada uno de estos susceptores puede prepararse usando partículas que son de entre 1 y 840 micras de tamaño, o partículas que son menores de 1 micra de tamaño.

La figura 6 también identifica varios polímeros preferibles que pueden usarse para crear una matriz de susceptor/polímero. Los polímeros preferibles incluyen, pero no se limitan a, PEEK, PEKK, PEI, PPS, PSU, PET, poliéster, PA, PP, PP/MXD6, PP/EVOH, PE, PU, PPO o PC. Obsérvese que la "temperatura de trabajo" (columna 2 de la figura 6) es aproximadamente 30ºC superior a la temperatura de fusión del polímero (columna 1). Las "temperaturas de Curie" de las mezclas de Zn/mg y Zn/Co (columnas 6 y 7 de la figura 6) varían mediante la concentración de zinc en el susceptor. La "temperatura de Curie" de las ferritas blandas (columna 8 de la figura 6) varía con la elección de la ferrita.

Ejemplos de otros sistemas de susceptor/polímero incluyen, pero no se limitan a PEEK/SrF, PEI/Co-2Y, PEI/SrF, PPS/Co-2Y, PPS/Mg-2Y, PSU/Mg-2Y Y PP/(Zn,Mg)-2Y. Además, los polímeros pueden combinarse con Zn/SrF, Zn/Co-2Y, Zn/Mg-2Y y mezclas de las ferritas hexagonales, y otras combinaciones descritas en el presente documento y determinadas por un experto habitual en la técnica.

Las partículas pueden estar sobre una superficie de la matriz, o alternativamente, incluidas en la matriz, dependiendo del uso deseado. Por ejemplo, si se están uniendo dos superficies de artículos particulares o se están soldando juntas, entonces puede ser deseable tener las partículas de susceptor incluidas sólo en la superficie del artículo que va a unirse. El susceptor puede también dispersarse en una matriz de vehículo y aplicarse a la superficie de uno o ambos artículos termoplásticos que van a soldarse o sellarse. La aplicación de esta composición de susceptor/vehículo podría ser en la forma de una cinta, aerosol, líquido o pasta. Con la aplicación del campo magnético, cuando se calientan los susceptores, el vehículo puede fundirse o evaporarse. Alternativamente, si va a calentarse el artículo entero según la presente invención, sería deseable dispersar los susceptores en toda la matriz del artículo. Un experto habitual en la técnica puede determinar fácilmente dónde deben situarse los susceptores con el fin de maximizar la eficiencia y eficacia del calentamiento a temperatura controlada de los susceptores.

Los termoplásticos que contienen los susceptores según se describe en el presente documento, puede conformarse o moldearse mediante métodos conocidos en la técnica, por ejemplo, mediante extrusión, moldeo por compresión o colada de película.

Pretratamiento

La presente invención se refiere además a un procedimiento de pretratamiento que acondiciona el susceptor "inteligente" para producir velocidades de calentamiento extremadamente rápidas. El tratamiento de acondicionamiento comprende calentar inductivamente el susceptor "inteligente" hasta la temperatura de Curie antes de la exposición a la aplicación final de unión o calentamiento. El campo magnético y la energía térmica combinados generados por el pretratamiento alinean la mayoría de los dominios magnéticos en los susceptores, paralelos al campo aplicado. Es decir, el tratamiento de acondicionamiento introduce una orientación preferida de los dominios magnéticos. Esta orientación preferida proporciona velocidades de calentamiento extremadamente rápidas si un usuario usa entonces un campo magnético con la misma orientación que el usado en el tratamiento de acondicionamiento. La figura 7 muestra un diagrama de las variables de pretratamiento y proceso para el calentamiento por inducción a temperatura controlada de materiales poliméricos.

Las curvas de temperatura-tiempo experimentales para el 20 ^{v}/_{o} de Co-2Y en polisulfona (20Co-2Y/PSU), el
20 ^{v}/_{o} de Mg-2Y en nylon-6 (20Mg-2Y/N6) y el 15 ^{v}/_{o} de Zn_{1}Mg_{1}-2Y en nylon 6 (ZnMg-2Y/N6) muestran velocidades de calentamiento de 28ºC/seg., 18ºC/seg. y 20ºC/seg., respectivamente. Co-2Y, Mg-2Y y ZnMg-2Y en estado virgen (es decir, en la condición sin tratar) se calientan mucho más rápidamente de lo que lo hace la ferrita de estroncio en el estado virgen. De manera interesante, Co-2Y en el estado virgen se calienta tan rápidamente como la ferrita de estroncio magnéticamente más dura, preacondicionada.

En otras pruebas, se sometieron los materiales compuestos con un 30 y 51% de SrF (también denominado como "HM181SrF") a múltiples ciclos de calentamiento. Las muestras de prueba se habían enfriado hasta cerca de la temperatura ambiente antes de recalentarse una segunda y una tercera vez. Con el tiempo de respuesta del pirómetro óptico usado, en el segundo y tercer calentamiento, las muestras alcanzaron la temperatura máxima casi instantáneamente (figuras 16 y 17).

Aunque los inventores no pretenden ceñirse a ninguna teoría, una explicación para el fenómeno de calentamiento rápido observado con este pretratamiento es que en su calentamiento inicial hasta la T_{c}, sólo una fracción de los dominios magnéticos en el susceptor, por ejemplo SrF magnéticamente duro, se alinean ellos mismos con el campo magnético alterno y contribuyen al calentamiento de la muestra. Al alcanzar la temperatura de transformación magnética (T_{c}), ahora hay una mayor "fluidez" y energía térmica suficiente para permitir que la mayoría de los dominios no alineados restantes se alineen ellos mismos con el campo magnético aplicado. Con la mayoría de los dominios magnéticos en el susceptor ahora alineados paralelos al campo magnético aplicado, el recalentamiento se produce mucho más rápidamente puesto que ahora están participando muchos más dominios. Si con el recalentamiento, cambia la orientación del campo magnético desde la que tenía antes, entonces no se observará el fenómeno de calentamiento rápido porque ahora están participando un número menor de dominios. Los susceptores se comportan como si se estuvieran calentando por primera vez. Los dominios en las ferritas magnéticamente más blandas (por ejemplo, Co-2Y, Mg-2Y y ZnMg-2Y) se alinean más fácilmente con el campo magnético durante el calentamiento inicial que los dominios en la ferrita de estroncio magnéticamente más dura. Por tanto, las ferritas más blandas tienen la mayoría de sus dominios contribuyendo al procedimiento de calentamiento durante el ciclo de calentamiento inicial y se observan velocidades de calentamiento superiores.

Para las composiciones enumeradas en la figura 6, se usa un campo de inducción alterno de desde aproximadamente 200 kHz hasta aproximadamente 30 kHz, preferiblemente desde aproximadamente 500 KHz hasta 15 MHz. La frecuencia precisa empleada puede "sintonizarse", o seleccionarse, por el experto habitual en la técnica para minimizar las necesidades energéticas y el tiempo de calentamiento requerido. Alternativamente, puede usarse un campo magnético uniforme, paralelo (CMUP). Utilizar un CMUP permite a un usuario aprovechar la capacidad de velocidad de calentamiento extremadamente rápida de un susceptor "inteligente" acondicionado, alineando el campo con la orientación preferida de los dominios magnéticos de las partículas inducida a través del tratamiento de acondicionamiento descrito anteriormente.

Esta etapa de preacondicionamiento es útil para cualquier matriz que contenga un material ferromagnético que es sensible a un campo magnético y puede usarse en cualquiera de los métodos descritos en el presente documento y en los métodos de la técnica anterior para aumentar la velocidad de calentamiento de la misma. Las etapas de pretratamiento son especialmente útiles para métodos y composiciones que utilizan los susceptores y las partículas descritos en el presente documento.

Diseño de bobina de inducción y modelos de campo magnético

Dependiendo de los susceptores usados y la aplicación, basado en las enseñanzas del presente documento, un experto habitual en la técnica puede determinar fácilmente la frecuencia e intensidad del campo magnético usado para inducir calentamiento en los presentes métodos y aparatos. Preferiblemente, el intervalo de frecuencia útil es desde aproximadamente 80 KHz hasta aproximadamente 30 MHz y la potencia preferida oscila desde aproximadamente 1,5 KW hasta aproximadamente 22 KW. Para ciertas realizaciones, por ejemplo, en las que el aparato se usa para mantener alimentos calientes, los intervalos son desde aproximadamente 88 KHz hasta aproximadamente 310 KHz y una potencia de desde aproximadamente 1500 W hasta aproximadamente 2300 W. Para otras realizaciones, en las que la temperatura deseada es superior, por ejemplo aplicaciones de unión, soldadura o sellado, la frecuencia y la potencia estarán en el extremo superior del intervalo, por ejemplo, desde aproximadamente 2 MHz hasta aproximadamente 15 MHz, preferiblemente desde aproximadamente 3 hasta aproximadamente 5 MHz. Un experto habitual en la técnica puede seleccionar la potencia y frecuencia apropiadas dependiendo del susceptor y termoplástico seleccionados y para la aplicación deseada, es decir, calentamiento o unión/soldadura/sellado.

Dependiendo de los susceptores usados, el campo generado por la bobina de inducción influye en los modelos de calentamiento de los susceptores y el campo es una función de la geometría de la bobina. Los ejemplos de diseño de bobina incluyen solenoide, plana, cónica y de Helmholtz. Aunque estos tipos de bobina están entre los usados comúnmente por la industria, ciertas realizaciones de la invención pueden requerir bobinas especializadas. Por ejemplo, en ciertas realizaciones se prefieren bobinas solenoides porque la geometría de las bobinas solenoides produce un campo magnético muy fuerte. En otras realizaciones, se utilizan bobinas planas. Se ha encontrado que las bobinas planas producen un campo no uniforme con su máximo en el centro. Un experto habitual en la técnica puede seleccionar rápidamente el tipo de bobina basándose en las enseñanzas de la técnica y expuestas en el presente documento.

La intensidad del campo magnético aumenta con el aumento del número de espiras de la bobina, el aumento de la corriente de bobina y la disminución de la separación entre bobina - pieza de trabajo. Los factores pueden manipularse fácilmente por un experto habitual en la técnica para seleccionar combinaciones de estos factores para obtener la intensidad de campo magnético deseada.

La geometría de la bobina solenoide produce el campo más intenso de todas las posibles geometrías. Las bobinas planas son más comunes en aplicaciones de calentamiento unilateral. El cambio de los parámetros de la bobina, por ejemplo la separación entre espiras o el número de espiras puede cambiar los valores del campo, pero el modelo es generalmente el mismo. La intensidad del campo magnético aumenta si se reduce la separación entre bobina - pieza. Si la pieza se sitúa muy cerca de la bobina, puede observarse el calentamiento dictado por cada espira de la bobina.

Aplicaciones

Las aplicaciones potenciales para los métodos y composiciones de la presente invención son innumerables, abarcando tanto el mercado militar como el comercial. Ejemplos de usos militares incluyen la fabricación y reparación de estructuras aeronáuticas, así como la fabricación y reparación de estructuras de buques. Adicionalmente, la presente invención no se limita a la unión por fusión de materiales compuestos a base de material termoestable, sino que también podría aplicarse a la consolidación y reparación de materiales compuestos termoplásticos o el curado a temperatura elevada de adhesivos termoestables, reduciendo así el tiempo de reparación y aumentando el rendimiento.

El sector comercial podría disfrutar de beneficios similares con respecto a la fabricación y reparación de estructuras de material compuesto. Por ejemplo, esta técnica puede usarse para reparar el envejecimiento de estructuras metálicas con refuerzos de material compuesto o nuevas técnicas de unión desarrolladas para resinas de materia prima tales como polietileno.

Las composiciones y métodos de la presente invención son útiles para cualquier aplicación en la que sea deseable fundir el material de matriz, por ejemplo el sellado y/o unión de materiales termoplásticos. En tales aplicaciones, la T_{c} de las partículas es superior a la temperatura de fusión del material termoplástico. Las partículas de susceptor pueden seleccionarse fácilmente basándose en las enseñanzas descritas en el presente documento.

Las composiciones y métodos de la presente invención pueden usarse en la industria del envasado, especialmente para sistemas de cierre. El amplio intervalo de temperatura cubierto por los susceptores, por ejemplo los enumerados en la figura 6 (de 175ºC a 450ºC), permite su uso en una amplia gama de aplicaciones comerciales, por ejemplo en la industria del envasado de alimentos en la que se requieren temperaturas inferiores. Por ejemplo, el calentamiento por inducción puede usarse en la industria alimentaria para sellar tapas sin el uso de la lámina de aluminio desprendible que se utiliza comúnmente en muchos envases. Las ventajas de sustituir la lámina metálica por un precinto polimérico directo incluye un coste menor, una capacidad de reciclado mejorada y la capacidad para controlar las condiciones de unión, incluyendo la temperatura, de las formas de sellado complejo, tal como un anillo delgado en el borde de un envase para bebidas, o una tapa en una bandeja para alimentos.

Como ejemplo del método de sellado, puede sellarse una taza que contiene un producto alimenticio con una tapa calentando inductivamente ferritas distribuidas uniformemente en la totalidad o concentradas en un borde de la taza o en una zona anular de la tapa o ambos. El calentamiento inductivo de las ferritas en la zona de sellado anular mientras se presionan juntos el borde de la taza y la tapa, por ejemplo con un cono de calentamiento por inducción, funde y cura conjuntamente el material plástico de la taza y la tapa. Este método puede utilizarse para cualquier aplicación de sellado, por ejemplo sellado de cajas y envases que encierran cualquier tipo de materiales. Ejemplos de tales materiales incluyen alimentos preparados, productos alimenticios, ingredientes, líquidos así como productos y líquidos no comestibles. Por ejemplo, la tecnología de sellado puede usarse para sellar cartuchos y filtros de diferentes tipos, por ejemplo, filtros de agua, filtros de aceite, dispositivos médicos. Un experto habitual en la técnica puede aplicar rápidamente los métodos de la presente invención a cualquier aplicación que requiera el sellado o unión de termoplásticos.

Otro ejemplo de un uso preferible es en la fabricación de componentes estructurales para aviación, automóviles y marinos: específicamente, estructuras fabricadas que comprenden un componente polimérico soldado a otro componente polimérico. Los susceptores y métodos de uso de los susceptores descritos en el presente documento pueden aplicarse a uno cualquiera o ambos de los componentes y calentarse inductivamente para soldar o sellar los componentes juntos. Otro uso es en la reparación de estructuras que comprenden un componente polimérico soldado a otro componente polimérico.

En otras aplicaciones, la T_{c} de las partículas es inferior a la temperatura de fusión del material de matriz. Estas composiciones son útiles cuando es deseable calentar la matriz cerca de la T_{c} sin fundir la matriz, por ejemplo, un aparato de calentamiento. En las figuras 8, 9 y 10 se muestran ejemplos de aparatos de calentamiento. El aparato de calentamiento es útil para calentar diferentes tipos de materiales. Un recipiente 81, 91 y 101 que tiene una matriz conformada contiene los materiales 85, 95 y 105 que van a calentarse. Se disponen susceptores, es decir, partículas 83 magnéticas, que tienen temperaturas de Curie específicas en la matriz para calentar el recipiente con los susceptores hasta una temperatura de Curie predeterminada con la aplicación de un campo magnético cambiante y calentando el recipiente para calentar los materiales.

El aparato de calentamiento puede tener una capa de material 103 distinto laminado al material polimérico conformado, tal como se muestra en la figura 10. Un ejemplo de un uso de la presente invención es para utensilios de cocina, tal como se muestra en las figuras 8, 9 y 10. En esa aplicación, el recipiente 81, 91 y 101 completo está compuesto por el material compuesto polimérico. De esta manera, el propio recipiente puede calentarse hasta una temperatura predeterminada, controlándose así la temperatura del recipiente.

Los materiales 105 dispuestos en el recipiente pueden ser comestibles. El recipiente puede ser un utensilio de cocina, y los materiales son alimentos en el utensilio de cocina, tal como se muestra en las figuras 9 y 10. El recipiente puede ser también servicio de mesa, y los materiales son alimentos en el servicio de mesa. El recipiente puede ser una taza 83, y los materiales 85 son un líquido en la taza, tal como se muestra en la figura 8. El recipiente 81 puede calentarse situando el recipiente en un aparato 89 que genera un campo 87 alterno. El recipiente 91 puede calentarse mediante una bobina 97 eléctrica, tal como se muestra en la figura 9.

En ciertas realizaciones en las que no se desean temperaturas muy altas, por ejemplo, para mantener alimentos calientes, puede ser preferible usar ferritas blandas, que tienen la T_{c} baja apropiada, como los susceptores usados en el recipiente.

La presente invención proporciona un método de unión a temperatura controlada de un material polimérico. El material se hace fluir y luego se calienta. Entonces, se disponen partículas magnéticas en el material polimérico calentado. Las partículas magnéticas pueden ser cualquiera de las partículas de ferrita hexagonal ferromagnética descritas en el presente documento, tales como las siguientes (aunque esta lista no es exclusiva): Mg-2Y, Co-2Y, Zn/Co-2Y, Zn/Mg-2Y y partículas de ferrita magnéticamente blanda. Entonces se conforma el material polimérico. Se aplica un campo de inducción alterno al material polimérico, que calienta las partículas ferromagnéticas y calienta el material polimérico con pérdidas por histéresis de las partículas ferromagnéticas. La aplicación del campo magnético alterno se continúa hasta que las partículas ferromagnéticas alcanza su temperatura de Curie, cuando se cesa el calentamiento. En ciertas de estas realizaciones, se aplica un campo de inducción alterno de aproximadamente 2 a aproximadamente 15 MHz. Variando la cantidad de zinc en las partículas de Zn/Mg-2Y o las de Zn/Co-2Y se controla la temperatura de Curie de las partículas.

La presente invención también proporciona un aparato compuesto por partículas ferromagnéticas que se seleccionan de un grupo de partículas ferromagnéticas en la siguiente lista no exclusiva: ferritas hexagonales ferromagnéticas, por ejemplo, Co-2Y, Mg-2Y, Zn/Co-2Y, Zn/Mg-2Y y partículas de ferrita magnéticamente blanda. Las partículas tienen temperaturas de Curie específicas y están incluidas en una superficie de un material polimérico. Un inductor calienta el material polimérico con las partículas ferromagnéticas incluidas hasta su temperatura de Curie. Una fuente de alimentación conectada al inductor suministra energía al inductor.

La presente invención también proporciona una composición de susceptor para su inclusión en una matriz para calentar la matriz hasta una temperatura de Curie deseada. Ejemplos de susceptores comprenden las ferritas hexagonales y las ferritas magnéticamente blandas, según se describe en el presente documento. La temperatura de Curie puede cambiarse variando las proporciones de zinc en la composición. Este susceptor es útil en los métodos y composiciones y aparatos de la presente invención.

La presente invención también proporciona un material compuesto que comprende una matriz y un susceptor incluido en la matriz para calentar la matriz hasta una temperatura de Curie deseada, en la que el susceptor comprende la ferrita hexagonal Zn/Co-2Y. Puede cambiarse la temperatura de Curie variando las proporciones de zinc en la composición. Este material compuesto puede usarse entonces en los métodos y aparatos de la presente invención.

Aún en otra realización, los métodos de unión por inducción se usan para soldar las costuras de estructuras compuestas por materiales termoplásticos, para su uso en el terreno, por ejemplo, por fuerzas militares. Un ejemplo, tal como se describe a continuación es útil para unir una piel de poliuretano a sí misma. En una realización, se dispersan partículas de carga, es decir las partículas de susceptor de la presente invención, en una matriz termoplástica que se calienta en presencia de un campo magnético. Estas partículas se diseñan para igualar térmicamente el punto de reblandecimiento de una variedad de resinas termoplásticas, en las que pueden combinarse. En una realización, se usaron juntas de estanqueidad de poliuretano para soldar tejido de nylon recubierto con poliuretano de Seaman Corp.

En presencia de un campo magnético, las partículas de susceptor se calientan muy rápidamente hasta una temperatura predeterminada, la temperatura de Curie. Tal como se mencionó anteriormente, una vez que se alcanza la temperatura de Curie de las partículas, cambian las propiedades magnéticas de las partículas, haciendo que el material detenga el calentamiento. Este control termostático incorporado ofrece un medio poderoso de evitar el sobrecalentamiento con un control de la temperatura muy preciso durante la fabricación. Además, el mecanismo de calentamiento es totalmente reversible, prestándose él mismo a una reparación tras la fabricación de cualquier defecto.

La presente invención se ilustra además mediante los siguientes ejemplos. Los ejemplos se facilitan para ayudar en la compresión de la invención y no se interpretan como una limitación de la misma.

Ejemplos Ejemplo 1 Combinación por extrusión/moldeo por compresión

Los siguientes compuestos se extruyeron y moldearon por compresión satisfactoriamente en láminas para su evaluación en experimentos de calentamiento por inducción.

: 10, 12 y 15 ^{v}/_{o} de SrF en PSU

: 15 y 30 ^{v}/_{o} de SrF en PEEK

: 15 ^{v}/_{o} de SrF en PEI

: 20 ^{v}/_{o} de Co-2Y en PSU

: 20 ^{v}/_{o} de Mg-2Y en nylon-6

: 15 ^{v}/_{o} de Zn_{1}/Mg_{1}-2Y en nylon-6.

Se obtuvo SrF de Steward Ferrite (Chattanooga, TN) bajo el nombre comercial HM181.

Ejemplo 2 Procedimientos de calentamiento por inducción

Todos los ensayos de calentamiento por inducción se realizaron utilizando un generador de inducción Lepel modelo T-7.5-3-DF-SW con una bobina solenoide. La bobina (nº S1L) tenía un diseño de DI de 1", 15 espiras construido a partir de tubos de 1/8" que tenían una longitud total de -2,4". Con esta bobina, y una muestra representativa en la bobina, el generador funcionó a una frecuencia de 3,2 Mhz y una potencia estimada de 2,3 KW. Todas las muestras del ensayo de calentamiento consistían en un cuadrado de 1" del compuesto, de aproximadamente 20 mil de espesor que se sujetó con cinta adhesiva a un portaobjetos de vidrio. Con el fin de evitar que el portaobjetos se agrietara debido al choque térmico, se puso un cuadrado de 1" de aislamiento cerámico de 1/16" de espesor bajo todas las muestras. Se recogieron todos los datos usando un pirómetro IR de Raytek que se montó a la vista entre 2 espiras de la bobina en la muestra. El pirómetro de Raytek se calibró en líneas generales calentando muestras con el 51 y 30% vol. de SrF/PSU pintadas con una franja de pintura al temple. La temperatura de fusión conocida de la pintura al temple (800ºF) se correlacionó con la lectura del sistema de Raytek. Se ajustó la emisividad hasta que la temperatura observada del pirómetro IR igualó la temperatura de fusión conocida de la pintura al temple. El sistema no se volvió a calibrar para las diversas composiciones, ni se comprobó la calibración en todo el transcurso de los experimentos.

Los valores de T_{max} observados son, por tanto, sólo estimaciones de los valores reales con una precisión estimada de +/- 15ºC.

Resultados del calentamiento por inducción

En la tabla 3, se presenta un resumen de los ensayos de calentamiento por inducción en una variedad de materiales combinados. Los resultados muestran el rápido calentamiento de SrF tras un calentamiento por inducción inicial hasta la T_{c}. Este fenómeno se observó en un intervalo total de composiciones que oscilan desde el 10 - 51% vol. de SrF en PSU así como un 15% vol. de SrF en PEI y PEEK. Adicionalmente, los ensayos de calentamiento con polvo de SrF puro mostraron evidencia del fenómeno de rápido recalentamiento. Esto sugeriría que la exposición de la ferrita de estroncio a la energía de alta frecuencia de los generadores de inducción tiene un efecto sobre las propiedades magnéticas a alta frecuencia de la SrF.

TABLA 3 Resumen de las pruebas de calentamiento por inducción

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Ejemplo 3

Se realizaron experimentos de calentamiento con un generador de inducción de Heuttinger que produce aproximadamente 20 KW de potencia de salida a 2,3 MHz. El generador de Lepel usado en los experimentos de calentamiento previos produjo una potencia de salida estimada de solamente 2,3 a 5,8 Kw. Con el generador de Heuttinger, y empleando bobinas planas con de 3 a 5 espiras, se alcanzó la temperatura de Curie de 450ºC en de 15 a 30 segundos. El fenómeno de calentamiento rápido se confirmó con el generador de Heuttinger tanto para SrF unida como no unida.

El calentamiento de una muestra virgen de 51SrF/PSU hasta su temperatura de Curie sin la aplicación de un campo magnético (por ejemplo, sometiendo la muestra a energía térmica solamente) no produce las rápidas velocidades de calentamiento de cuando se calienta una segunda vez por inducción.

El calentamiento del susceptor inductivamente hasta temperaturas inferiores a su temperatura de Curie tampoco produce las rápidas velocidades de calentamiento de cuando se calienta una segunda vez por inducción. Para producir el fenómeno de calentamiento rápido, el susceptor debe preacondicionarse mediante calentamiento inductivamente hasta su temperatura de Curie.

Los resultados sugieren además que un susceptor preacondicionado muestra rápidas velocidades de calentamiento sólo si su orientación relativa al campo magnético aplicado sigue siendo la misma, o razonablemente próxima a la misma, durante posteriores ciclos de calentamiento.

En el estado virgen, Co-2Y, Mg-2Y y Zn/Mg-2Y se calientan mucho más rápidamente de lo que lo hace la ferrita de estroncio magnéticamente más dura.

Ejemplo 4 Fenómeno de calentamiento rápido Calentamiento por inducción hasta la T_{c}

Se preacondicionó una muestra virgen de 51SrF/PSU (compuesta por un 51 ^{v}/_{o} de ferrita de estroncio en polisulfona) calentándola inductivamente hasta su temperatura de Curie. La muestra se puso sobre la parte superior de una bobina (P1) plana de 3 espiras que tenía un diámetro global de aproximadamente 3,5 pulgadas, y una separación entre espiras de aproximadamente ½ pulgada. La velocidad de calentamiento hasta la T_{c} durante el tratamiento de preacondicionamiento fue de 6ºC/seg. Con el recalentamiento de la muestra preacondicionada (tras permitir en primer lugar que se enfriara hasta la temperatura ambiente), la velocidad de calentamiento aumentó hasta 34ºC/seg. Este experimento se repitió varias veces con el mismo resultado.

El uso de un tratamiento de preacondicionamiento en polvo de SrF no unida también produjo una velocidad de calentamiento superior en el recalentamiento (figura 11). Sin embargo, el aumento en la velocidad de calentamiento fue solamente del 20%. En experimentos previos con la unidad de Lepel y una bobina solenoide de 15 espiras, se observó un aumento en la velocidad de calentamiento para el polvo de SrF del 135%.

Calentamiento en horno hasta la T_{c}

Se calentó una muestra virgen de 51SrF/PSU en un horno hasta su temperatura de Curie (450ºC) y se mantuvo a esa temperatura durante 1,0 minuto. Luego se calentó mediante inducción hasta su temperatura de Curie. Su velocidad de calentamiento durante el ciclo de calentamiento por inducción fue de solamente 4ºC/seg. El calentamiento de la muestra una segunda vez mediante inducción dio como resultado una velocidad de calentamiento de 29ºC/seg. Está claro que el calentamiento de una muestra virgen hasta su temperatura de Curie sin la aplicación de un campo magnético (es decir, sometiendo a la muestra a energía térmica solamente) no produce el fenómeno de calentamiento rápido. La aplicación de un campo magnético durante el calentamiento es esencial para producir el efecto de calentamiento rápido.

Calentamiento incremental

Se calentó 51SrF/PSU (T_{c} = 450ºC) secuencialmente por inducción hasta 210ºC, 280ºC, 318ºC, 450ºC y finalmente, una segunda vez hasta 450ºC. Tras cada ciclo de calentamiento incremental, la muestra se enfrió de nuevo hasta temperatura ambiente antes de recalentarse hasta la siguiente temperatura superior. La velocidad de calentamiento aumentó significativamente hasta 36ºC/seg cuando la muestra se recalentó tras su primer calentamiento a 450ºC, su temperatura de Curie. Los resultados muestran la muestra preacondicionada calentándose hasta su temperatura de Curie bajo un campo magnético aplicado. El calentamiento inductivamente del susceptor hasta temperaturas inferiores a su punto de Curie no producirá rápidas velocidades de calentamiento posteriores.

Orientación

Se dispuso SrF/PSU sobre la parte superior de la bobina P1 plana (es decir, la muestra se orientó paralela a la bobina) y se calentó inductivamente hasta 450ºC. Su velocidad de calentamiento hasta la temperatura de Curie fue de 4ºC/seg. Luego se volvió a orientar la muestra a +45º con respecto a la bobina. Con el calentamiento de la muestra una segunda vez, se esperaría que se calentara mucho más rápidamente. Sin embargo, cuando la muestra se recalentó con su nueva orientación relativa al campo magnético, la velocidad de calentamiento siguió siendo la misma (4ºC/seg) que en el primer ciclo de calentamiento. Luego, se volvió a orientar la muestra a -45º con respecto a la bobina y se calentó de nuevo. La velocidad de calentamiento siguió siendo esencialmente la misma, a aproximadamente 5ºC/seg.

Otra muestra de SrF/PSU que no se había preacondicionado mostró una velocidad de calentamiento de 34ºC/seg cuando se recalentó. Cuando esta muestra se rotó 90 con respecto a su posición original y se calentó, su velocidad de calentamiento de redujo hasta 17ºC/seg.

Estos resultados sugieren que una muestra de SrF/PSU preacondicionada muestra rápidas velocidades de calentamiento cuando su orientación relativa al campo magnético aplicado sigue siendo la misma, o razonablemente próxima a la misma, durante posteriores ciclos de calentamiento.

Ejemplo 5 Desarrollo de sistemas de temperatura controlada para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica

La tecnología de calentamiento de la presente invención se usó para elevar la temperatura de una placa de almacenamiento térmico termoplástica usando un campo magnético que se acopla con los susceptores ferromagnéticos de la presente invención. Este esfuerzo ha demostrado satisfactoriamente que la temperatura de la placa puede controlarse de manera precisa y que la temperatura permanece constante durante un periodo de tiempo de 15 minutos. La frecuencia, nivel de potencia y diseño de la bobina afectaron todos al rendimiento del sistema.

Resultados

Se seleccionaron una matriz de resina y el susceptor y se combinaron los dos materiales en placas de 10" x 10". Éstas se probaron utilizando un generador eléctrico para calentar el material y monitorizar la temperatura. Los detalles de estas tareas se presentan a continuación.

Selección de la resina

Se seleccionó PBT (poli(tereftalato de butileno)) Valos 312 de GE como la resina de la matriz. Se seleccionó una calidad que puede moldearse por inyección. Se seleccionaron tres susceptores diferentes para los ensayos. Dos de los susceptores eran idénticos en composición y temperatura de Curie; sin embargo, el tamaño medio de partícula era significativamente mayor en uno de ellos. La identificación de susceptores se muestra a continuación en la tabla 4.

TABLA 4

Identificación	Temperatura de Curie	Tamaño medio de partícula
Ferrita de NiZn (susceptor 1)	115ºC	15 micras
Ferrita de NiZn (susceptor 2)	80ºC	80 micras
Ferrita de NiZn (susceptor 2A)	100ºC	15 micras

La resina de PBT se combinó con cada uno de los tres susceptores al 12% y 20% en volumen usando una prensa extrusora de doble husillo de 25 mm produciendo un total de seis elecciones de material diferentes para caracterizar. Se moldearon por compresión placas de 4'' x 4'' x ¼'' de cada material para los ensayos de calentamiento.

Se realizó una serie de ensayos de calentamiento usando un generador eléctrico de inducción. La temperatura de la superficie de las placas se monitorizó estrechamente y se registró para análisis. No se observó daño, distorsión ni generación de olor en ninguna de las placas incuso cuando se llevaron a una temperatura superior a la deseada.

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Como parte de este ensayo de calentamiento, se usaron 4 niveles de potencia diferentes, se usaron 4 frecuencias diferentes y se usaron 3 diseños de bobina diferentes. Se examinaron estos parámetros con el fin de determinar las consideraciones más apropiadas para un generador eléctrico que podría diseñarse y fabricarse para esta aplicación específica. Los resultados de estos ensayos se muestran a continuación en la tabla 5. Los susceptores 1, 2 y 2A se identifican en la tabla anterior.

Se moldearon por compresión placas de 10'' x 10'' x ¼'' a partir del material que mostró la mejor estabilidad térmica y que se calentó hasta la temperatura de la superficie específica requerida (220ºF - 240ºF).

TABLA 5 Condiciones de prueba y resultados de los ensayos de calentamiento

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Las placas moldeadas pueden calentarse hasta una temperatura predeterminada. Estas placas se calientan en un plazo de 3 minutos y mantienen una temperatura de la superficie estable mientras están in situ. Dos susceptores demostraron ser muy eficaces y varios niveles de potencia y frecuencias pudieron todos calentar las placas. Finalmente, el proceso para combinar los susceptores con el material de resina se realizó sin ninguna modificación al equipo de tratamiento.

Los resultados muestran que los tres susceptores proporcionaron calentamiento de las placas moldeadas. Los susceptores 1 y 2A llevaron las temperaturas hasta 220ºF. Véase la figura 12. Todas las placas probadas llegaron hasta la temperatura en un plazo de tres minutos. Las placas que se probaron durante 15 minutos mantuvieron un excelente perfil térmico de temperaturas sin signos de aumento de la temperatura. La variación de la temperatura de la superficie no fue superior a \pm 5ºF. Dependiendo del diseño de bobina, el nivel de potencia y la frecuencia, el uso del 12% en volumen de susceptor satisface el requisito de temperatura de la superficie. La temperatura de la superficie de 220ºF puede satisfacerse con un diseño que usa entre 1500 W y 2300 W con una frecuencia entre 88 kHz y 310 kHz. La resina de PBT no se distorsiona, emite un olor ni cambia de color en ninguna de las pruebas que se realizaron. Esta resina se trata fácilmente en equipos de tratamiento de plásticos habi-
tuales.

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Los resultados muestran el uso de susceptores ferromagnéticos incluidos en una matriz termoplástica para elevar la temperatura de una pieza moldeada.

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Ejemplo 6

Las secciones siguientes muestran los datos generados como una función del nivel de potencia (desde 2 - 6 kW) y la frecuencia (desde 3 hasta 6 MHz). Específicamente, en estos estudios, se usó el susceptor de SrF a fracciones volumétricas del 10, 21, 30 y 51%, respectivamente. Estas muestras se calentaron a niveles de potencia estimados de 2 a 6 kW y frecuencias que oscilan desde aproximadamente 3 hasta 6 MHz. Se usaron diseños de bobina solenoide, cónica y de Helmholtz para acoplarse con la pieza de trabajo.

Las curvas T-t para los materiales compuestos calentados con una bobina solenoide se reproducen en las figuras 13 - 14. El calentamiento por inducción controlado a la temperatura de Curie es claramente evidente. Las curvas muestran un aumento rápido inicial en la temperatura seguido por una estabilización en una temperatura máxima, constante, próxima al punto de Curie de SrF. El tiempo hasta alcanzar la temperatura máxima para diferentes concentraciones de susceptor y condiciones de tratamiento varió. Con una bobina de 15 espiras, una frecuencia de 3,4 MHz y una potencia estimada de 2,5 kW, el 21, 30 y 51% de SrF alcanzaron la temperatura máxima de 450ºC en aproximadamente 45 segundos. En las mismas condiciones de tratamiento, llevó aproximadamente 95 segundos al sistema con un 10% de SrF alcanzar una temperatura máxima, constante de 400ºC. Con una bobina de 10 espiras y un aumento en la potencia y la frecuencia hasta 5,8 kW y 5,0 MHz, se redujo el tiempo hasta alcanzar una temperatura constante, máxima hasta 30 - 35 segundos para materiales compuestos que contienen un 21, 30 y 51% de SrF. La temperatura máxima alcanzada en estas condiciones se registró como de 390ºC. El sistema con el 10% de SrF requirió 60 segundos para alcanzar una temperatura registrada de 372ºC. La tabla 6 presenta el resumen de los hallazgos. Las figuras 13 - 14 ilustran las curvas de T - t para varios sistemas.

Para una resistencia de la junta óptima, es preferible usar la menor concentración posible de partículas de susceptor que concuerde con una alta velocidad de calentamiento, por ejemplo, aproximadamente un 21% de SrF que proporciona velocidades de calentamiento esencialmente equivalentes al 51% de SrF.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 6 Tiempo en alcanzar la temperatura máxima

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Ejemplo 7 Formación de costuras - técnica de unión de paneles de tanque

Eliminando el problema de la temperatura "fuera de control", los métodos de la presente invención garantizan una integridad de la unión máxima. Los susceptores pueden diseñarse con temperaturas de Curie específicas, por ejemplo desde aproximadamente 100ºC hasta al menos 600ºC. Los susceptores pueden seleccionarse entonces para igualar la temperatura de tratamiento del polímero en el que están dispersos, o la superficie a la que han de unirse. La figura 18 muestra que los susceptores pueden seleccionarse basándose en el termoplástico o resina particular utilizado. Por ejemplo, las temperaturas de unión para diversos termoplásticos son las siguientes: polietileno de alta densidad - 135ºC; poli(óxido de fenileno)/poliestireno - 200ºC; nylon 6 - 205ºC; poliuretano - 180ºC; polisulfona - 300ºC; polieterimida - 330ºC; polieteretercetona - 405ºC. Los susceptores usados en la figura 15 fueron los siguientes: (a) 15SrF/PEI (por ejemplo, 15% vol. de ferrita de estroncio en PEI); (b) 15Zn/Mg-2Y/N6 (por ejemplo, 15% vol. de Zn/MG-2Y en nylon 6); (c) 15SrF/PEEK (por ejemplo, 15% vol. de ferrita de estroncio en PEEK) y (d) 20Co-2Y/N6 (por ejemplo, 20% vol. de Co-2Y en nylon 6).

Se desarrolló una junta de estanqueidad usando ferrita blanda de NiZn para soldar las costuras de tanques plegables. Se enviaron varias muestras de tejido para depósitos de combustible real compuesto por nylon recubierto por poliuretano (Seaman 1932 PTFF) a Lepel Corporation para realizar experimentos de unión por inducción. El primer conjunto de experimentos realizados mostró la respuesta al calentamiento por inducción del material de la junta de estanqueidad producida por Seaman. Se montó la junta de estanqueidad sobre un portaobjetos de vidrio y se introdujo en la bobina de inducción. Se apuntó un sensor de temperatura por infrarrojos a un punto en la junta de estanqueidad. La muestra se calentó entonces mediante inducción y se registró el historial de temperaturas de la junta de estanqueidad. La junta de estanqueidad alcanzó la temperatura total (aproximadamente 280ºF o 138ºC) en menos de 20 segundos. La temperatura permaneció estacionaria a 280ºF hasta que se desconectó la bobina de inducción a aproximadamente 43 segundos. Véase la figura 21.

Una vez que se determinó que las juntas de estanqueidad producidas por Seaman estaban funcionando tal como se esperaba, se procedió a la producción de muestras unidas realmente. Se produjeron tres tipos de muestras: solapamiento único; solapamiento único con una capa de cinta adhesiva en un lado de la costura; y solapamiento único con una capa de cinta adhesiva en ambos lados de la costura.

Se probaron dos espesores de la junta de estanqueidad: 60 mil y 10 mil. Ambos funcionaron satisfactoriamente, produciendo uniones que parecían ser tan fuertes como el propio material.

Ejemplo 8

Se utilizó una prensa extrusora de doble husillo para combinar el susceptor en la matriz al nivel deseado. Esta pieza del equipo se ha optimizado especialmente para combinar las partículas de susceptor en diversas fracciones volumétricas. Una vez combinado, el sistema ofrece la flexibilidad de producir resina combinada en la forma de "varilla" (varilla para soldar), en "gránulos" para la posterior extrusión o en forma de "lámina" plana. Se unió una boquilla para láminas al extremo de la prensa extrusora forzando al producto extruido a moverse a través de los labios de la boquilla convirtiendo la resina combinada pero fundida en láminas planas. Estas láminas se recogieron posteriormente usando rodillos y se cortaron en cintas que variaban en anchura desde ¼ de pulgada a lo largo hasta 6 pulgadas.

Otra característica importante de esta prensa extrusora de boquilla para láminas es que el espesor de la lámina (o junta de estanqueidad) puede ajustarse desde aproximadamente 1 mil a lo largo hasta 20 mil o más.

La invención se ha descrito en detalle con referencias particulares a las realizaciones preferidas de la misma. Sin embargo, se apreciará que pueden realizarse modificaciones y mejoras dentro del espíritu y alcance de esta invención por los expertos en la técnica con la consideración de la presente descripción.

Las referencias citadas en el presente documento se incorporan como referencia.

Claims

1. Composición para calentamiento por inducción a temperatura controlada que comprende al menos un material de matriz y partículas de ferrita magnéticamente blanda, en la que las partículas son de desde 1 micra hasta 840 micras de tamaño y tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el material de matriz y en la que la temperatura de Curie específica es sustancialmente similar a una temperatura de tratamiento del material de matriz, y en la que la composición puede calentarse hasta la temperatura de Curie aplicando un campo magnético a la composición a una frecuencia de desde aproximadamente 80 KHz hasta aproximadamente 30 MHz.

2. Composición según la reivindicación 1, en la que al menos un material de matriz es un material termoplástico.

3. Composición según la reivindicación 2, en la que el material termoplástico comprende PEEK, PEKK, PEI, PPS, PSU, PET, poliéster, PA, PP, PP/MXD6, PP/EVOH, PE, PU, PPO, PC o combinaciones de los mismos.

4. Composición según la reivindicación 1, en la que las partículas magnéticamente blandas comprenden 1Me_{b}O:
1Fe_{2}O_{3}, en el que Me_{b}O es un óxido de metal de transición.

5. Composición según la reivindicación 4, en la que Me_{b} se selecciona de Ni, Co, Mn y Zn.

6. Método de calentamiento a temperatura controlada de un material termoplástico que comprende

(a) proporcionar i) partículas de ferrita hexagonal ferromagnética que tienen la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O: Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente o ii) partículas de ferrita magnéticamente blanda, que tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición, en un primer material termoplástico, en el que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el primer material termoplástico,

(b) aplicar un campo magnético alterno al primer material termoplástico para calentar las partículas magnéticas, y

(c) cesar el calentamiento de las partículas magnéticas cuando las partículas magnéticas alcanzan su temperatura de Curie.

7. Método según la reivindicación 6, que comprende además un segundo material termoplástico en contacto con el primer material termoplástico antes de aplicar el campo magnético alterno.

8. Método según la reivindicación 6, que comprende además situar inicialmente el primer material termoplástico sobre un material termoestable no curado o curado parcialmente y unir el material termoplástico y el material termoestable mientras se cura el material termoestable.

9. Método según la reivindicación 6, en el que la T_{c} de las partículas es superior a la temperatura de fusión del material termoplástico, y el campo magnético se aplica de modo que las partículas magnéticas fundan el primer material termoplástico.

10. Método según la reivindicación 6, que comprende además alinear los dipolos de las partículas ferromagnéticas antes de aplicar el campo magnético alterno.

11. Método de control de la temperatura de un material polimérico que comprende

(a) proporcionar al menos un material polimérico,

(b) calentar el material polimérico,

(c) dispersar en el material polimérico al menos uno de i) partículas de ferrita hexagonal ferromagnética que tienen la composición SrF, Me_{a}-2W, Me_{a}-2Y y Me_{a}-2Z, en las que 2W es BaO:2Me_{a}O:8Fe_{2}O_{3}, 2Y es 2(BaO:Me_{a}O:Fe_{2}O_{3}) y 2Z es 3BaO:2Me_{a}O:12Fe_{2}O_{3}, y en las que Me_{a} es un catión divalente, o ii) partículas de ferrita magnéticamente blanda que tienen la composición 1Me_{b}O:1Fe_{2}O_{3}, en la que Me_{b}O es un óxido de metal de transición, en el que las partículas tienen una temperatura de Curie (T_{c}) específica en el material polimérico,

(d) formar el material polimérico,

(e) aplicar un campo magnético alterno al material polimérico de modo que se calienten las partículas ferromagnéticas,

(f) continuar la aplicación del campo alterno y

(g) cesar el calentamiento de las partículas ferromagnéticas cuando las partículas ferromagnéticas alcanzan su temperatura de Curie.