功能梯度聚合物制品及其制备方法
【技术领域】
[000U本公开设及功能梯度聚合物（化nctionallygradedpolymer)材料W及制造功能 梯度聚合物制品的方法。
【背景技术】
[0002] 功能梯度材料表征为材料的组成和结构随体积而改变。传统上，制备功能梯度材 料的方法已经限于W下制造技术，如多孔材料用功能性纳米颗粒浸溃、通过电泳沉积巧PD) 形成有机/无机纳米结构的涂层、金属基质复合材料（MMC)的电沉积、化学气相沉积W及功 能梯度热阻挡层（TGMTBC)涂层、材料的电场辅助加工W及用于热固性和热塑性粘合剂的 分配系统（仅举几个例子）。然而，运些方法通常较慢并且成本较高。
[0003] 因此，期望开发用于制造高效且经济的功能梯度聚合物制品的方法。
【发明内容】
[0004] 本文公开了制造功能梯度聚合物制品的方法W及由其制造的制品。
[0005] 在一个实施方式中，一种制造功能梯度制品的方法，可W包括：制备包含热塑性聚 合物和磁性填料的烙融聚合物混合物，其中，磁性填料分散于热塑性聚合物中；模制烙融聚 合物混合物；W及将磁场施加至部分的烙融聚合物混合物W形成功能梯度制品，其中，功能 梯度制品具有磁性填料梯度。
[0006] 在另一实施方式中，制造功能梯度制品的方法可W包括：改性磁性填料；制备包 含热塑性聚合物和改性的磁性填料的烙融聚合物混合物，其中，磁性填料分散于热塑性聚 合物中；模制烙融聚合物混合物；W及将磁场施加至部分的烙融聚合物混合物W形成功能 梯度制品，其中，功能梯度制品具有磁性填料梯度。
[0007] 在W下更具体地描述运些W及其它的特征和特性。
【附图说明】
[0008]W下是附图的简要说明，其中，相同的元件标号相同，并且提供附图用于说明本文 公开的示例性实施方式的目的而不是限制其的目的。
[0009] 图1示出了示例性的电磁感应机理W及聚合物基质中的磁性填料的梯度。
[0010] 图2是示出了施加磁场后，聚乙締丙酬（PVA)糊料中移动的钢颗粒的排列的图。
[0011] 图3是示出了侣模具中铸造的模制聚合物的部分的图。
[0012]图4是示出了在具有围绕磁体的磁性填料的环形带的模制的聚丙締样品中的 Alnico罐磁体（potmagnet)的示例性位置的图。
[0013]图5是示出了在具有围绕磁体的磁性填料的环形带的模制聚对苯二甲酸下二醋 样品中的Alnico罐磁体的示例性位置的图。
[0014] 图6是示出了相对于磁体的位置的聚合物样品1和样品2的位置的图。
[0015] 图7是包含钢填料的模制聚合物的图，示出了区域1、区域2和区域3,通过光学显 微镜对其分析w确定钢填料的局部浓度。
[0016] 图8是示出了存在于每个区域1、2和3中的钢填料的浓度的图。
【具体实施方式】
[0017] 在各种实施方式中，本文公开的是制造功能梯度聚合物材料的方法。
[0018] 如本文所描述的，功能梯度聚合物是指具有聚合物基质的材料并且其通过聚合物 基质的体积在组成和/或显微结构中表现出空间变化。功能梯度聚合物的结构导致性能 (例如，热、机械、化学、功能、视觉特性或包括前述中至少一种的组合）连续或离散地改变。 功能梯度材料是用于包括从航天飞机的热结构到切割工具插件的范围的极端热梯度的应 用的理想的候选物。
[0019] 用于制备功能梯度聚合物材料的方法可W包括磁性的或者可W受磁场影响的填 料的梯度。功能梯度聚合物材料可W通过制备包含热塑性聚合物和分散于聚合物中的磁性 填料的烙融聚合物混合物，模制烙融聚合物混合物，随后将磁场施加至部分的烙融聚合物 混合物而形成。
[0020] 可W在关键的部分（strategicpcxrtion)施加磁场，例如有助于在聚合物基质的 局部位置形成填料梯度的烙融聚合物混合物的位置。磁场改变了烙融聚合物中的磁性填料 的分布W聚集（浓缩，concentrate)聚合物基质的选择区域中的磁性填料。基于磁场的放 置，功能梯度聚合物混合物中的梯度的位置可W改变。W运种方式，功能梯度聚合物材料可 W由单一的，均匀的聚合物混合物制备。
[0021] 本文公开的磁场是除了由地球的磁场产生的那些之外。通常，磁场是磁体、电流或 变化的电场范围内的区域，其中，观察到磁力。磁场强度（ma即eticfieldstrength)或磁 场强度（ma即eticfieldintensity),对应于围绕磁体的磁场线（例如，磁力线）的密度。 磁通量是指穿透给定材料的磁场线的总数，而磁通量密度是指W直角穿过给定区域的平面 的磁力线的数量。通量密度等于磁场强度乘W其中存在磁场的区域的磁导率。
[0022] 使用磁体可W将磁场施加至烙融聚合物混合物。可W使用各种类型的磁体，包括， 例如永磁体、电磁体、超导电磁体或包括前述磁体中至少一种的组合。永磁体由产生永久磁 场的磁化材料制造。电磁体由围绕铁磁材料的忍的导线线圈制造。当电流流过导线时产生 磁场，并且通过铁磁材料得到增强。在电磁体中，由通过导线的电流流动产生磁场。超导磁 体是由超导导线的线圈制造的电磁体。与缠绕普通电磁体的导线材料相比，超导导线能够 传导更大的电流。因此，超导磁体可W产生强的磁场。
[0023] 磁体可W设置为邻近部分的烙融聚合物混合物，使得磁场穿过混合物（例如，穿 过混合物的期望区域或全部混合物），并且改变烙融聚合物中磁性填料的分布。为此，磁体 可运样的方式放置，使得烙融聚合物混合物与磁场之间的接触成为可能。例如，磁体可 W策略性地置于模具内，并且随着烙融聚合物混合物流入模具，混合物开始与磁场接触。可 替代地，可W允许烙融聚合物混合物填充模具，并且随后可W将磁体策略性地放置为邻近 部分的烙融聚合物混合物。在磁场的作用下，磁性填料的颗粒沿着磁场线，在磁体，例如磁 场源的方向，牵引穿过烙融聚合物混合物。目P，磁场改变了烙融聚合物内磁性填料的分布W 便聚集聚合物区域中的磁性填料。因此，形成磁性填料的梯度。因此在模制烙融聚合物混 合物期间，磁体相对于聚合物基质的位置可W确定聚合物基质中形成填料梯度的位置。
[0024]基于该类型聚合物（例如，粘度）、将形成功能梯度的区域的厚度W及聚合物的类 型可W容易地确定期望用于给定的应用的特定的磁场强度。
[00巧]填料梯度可W通过功能梯度聚合物材料的厚度形成。在上下文中，填料梯度是指 填料量穿过功能梯度聚合物材料的厚度而增加或减少的速率。使用该方法W形成在填料粒 径、组成和/或密度方面具有梯度的功能梯度聚合物材料。例如，该方法可W从功能梯度聚 合物材料的第一表面（例如内表面或外表面）至第二表面（例如外表面或内表面）在填料 密度方面提供梯度，使得在聚合物材料的第一表面处的填料密度为最大，并且在第二表面 (与第一表面相对）处的填料密度为最小的。换言之，在功能梯度聚合物的表面或其附近可 W聚集填料。
[00%] 填料梯度可W穿过整个厚度（例如100% )或者可替代地，穿过功能梯度聚合物 材料的部分厚度（例如区域）形成。例如，填料梯度可W穿过功能梯度聚合物材料的厚度 的10%到25%、更具体地厚度的25%至33%，甚至更具体地，厚度的33%至50%，W及甚 至更具体地厚度的50 %至75 %形成。
[0027] 通过改变参数，如磁场强度、磁场图案、磁场方向，W及包括前述参数中至少一种 的组合可W控制烙融聚合物中磁性填料的分布和浓度。一旦将磁场施加至烙融聚合物混合 物也会影响磁性填料的分布的其他的加工参数包括，但不限于烙融溫度、模具表面溫度、冷 却速率、注射点、聚合物材料注射至模具的速率（即注射速度）W及烙融聚合物混合物的粘 度。取决于特定的聚合物和特定的磁性填料的特定的参数可W容易地由技术人员确定而不 需要过多的实验。
[0028] 在烙融聚合物混合物的固化或硬化之前，可W施加磁场。按照填料的磁性取向，然 后可W固化或硬化模具中的烙融聚合物材料W便固定聚合物基质内的填料并且形成功能 梯度聚合物材料。
[0029] 如本文描述的，制备功能梯度聚合物材料的方法可W包括制备包含聚合物（例 如，热塑性聚合物）和分散于其中的磁性填料的烙融聚合物混合物。聚合物可W是低聚物、 均聚物、共聚物、嵌段共聚物、交替嵌段共聚物、无规聚合物、无规共聚物、无规嵌段共聚物、 接枝共聚物、星形嵌段共聚物、树状聚合物等，或包括前述中至少一种的组合。聚合物也可 W是聚合物、共聚物、=聚物的共混物，或包括前述热塑性聚合物中至少一种的组合。
[0030] 该热塑性聚合物的实例是聚缩醒、聚締控、聚丙締酸类、聚碳酸醋、聚苯乙締、聚 醋、聚酷胺、聚酷胺酷亚胺、聚芳基醋、聚芳基讽、聚酸讽、聚亚苯基硫酸、聚氯乙締、聚讽、聚 酷亚胺、聚酸酷亚胺、聚四氣乙締、聚酸酬、聚酸酸酬、聚酸酬酬、聚苯并恶挫、聚苯献、聚缩 醒、聚酢、聚乙締基酸、聚乙締基硫酸、聚乙締醇、聚乙締基酬、聚面乙締、聚乙締基腊、聚乙 締基醋、聚横酸醋、聚硫酸、聚硫醋、聚讽、聚横酷胺、聚脈、聚憐腊、聚娃氮烧、苯乙締-丙締 腊、丙締腊-下二締-苯乙締（ABS)、聚对苯二甲酸乙二醋、聚对苯二甲酸下二醋、聚氨醋、乙 締丙締二締橡胶巧PR)