DE69124792T2

DE69124792T2 - Verfahren zur Fernerhitzung eines Polymeren Werkstoffes auf eine gewählte Temperatur

Info

Publication number: DE69124792T2
Application number: DE69124792T
Authority: DE
Inventors: William Guy Clark; Robert Edward Shannon
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 1990-12-28
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2011-12-21
Also published as: JPH0542548A; CA2058335C; EP0498998A3; US5391595A; CA2058335A1; US5317045A; DE69124792D1; EP0498998B1; US5272216A; EP0498998A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Verfahren zum entfernten Erwärmen von polymeren Materialien auf ausgewählte Temperaturen durch Verteilung von teilchenförmigen ferromagnetischen Materialien durch die Polymere, deren Curietemperaturen den ausgewählten Temperaturen der Erwärmung entsprechen und besondere Anwendung bei der entfernten Bildung von Verbindungen in zusammengesetzten Strukturen finden, und bei der Bildung von Kunststoffmaterialien, die entweder rückgewinnbar oder getrennt wärmezersetzbar sind. Ein solches entferntes Erwärmungsverfahren wird in US-A-3620876 beschrieben.
Wärmehärtbare Kunststoffmaterialien zum Bilden von mechanischen Verbindungen oder anderen Strukturen sind beim Stand der Technik bekannt. Solche Materialien können in ihrem ungehärteten Zustand entweder zähflüssigen Flüssigkeiten ähnlich sein, kittartigen Feststoffen, oder sogar flexiblen, bandartigen Materialien, die in eine erwünschte Gestalt manipuliert werden können, und dann wärmegehärtet werden, um einen harten Kunststofffeststoff zu bilden, der die Gestalt annimmt, in die das ungehärtete Polymer zuletzt manipuliert wurde. Diese Materialien finden besondere Anwendung mit Bezug auf die Konstruktion von Verbindungen in zusammengesetzten Strukturen, wie in zusammengesetzten Graphitrahmen von Flugzeugen des Standes der Technik.
Leider bestehen eine Anzahl von Nachteilen, die der Benutzung solcher wärmehärtbaren Polymeren zugeordnet sind, um Flugzeugrahmen und andere Strukturen zu konstruieren, die ihre Nützlichkeit bedeutend einschränkt. Bei einigen Stufen der Konstruktion ist es zum Beispiel wünschenswert, falls nicht absolut notwendig, dass die Wärme, die benutzt wird, um das Polymer wärmezuhärten, nur örtlich auf das spezifische Gebiet der Verbindung angewandt wird, da die Anwendung solcher Wärme auf die umgebenden Komponenten sie beschädigen oder verschlechtern kann. In solchen Fällen muss die Anwendung von Wärme in Gestalt von Infrarotstrahlung sehr vorsichtig und mit einer geeigneten Abschirmung durchgeführt werden, um die umgebenden Komponenten nicht zu beschädigen. Es entstehen noch andere Schwierigkeiten mit Bezug auf die Untersuchung von umgebenden Verbindungen. Da vollständig aus Kunststoff gebildete Verbindungen und andere zusammengesetzte Materialien gegenüber Röntgenstrahlen durchsichtig sind, ist es nicht möglich, die Verbindung auf Blasen, Spalten, oder andere qualitätsverschlechternde Diskonuitäten mit derselben Röntgenausrüstung zu untersuchen, die benutzt wird, um metallische Verbindungen zu untersuchen. Schliesslich werden beide dieser oben erwähnten Probleme verschlimmert, wenn es notwendig ist, die Reparatur einer Verbindung durchzuführen, die aus solchen wärmehärtbaren polymeren Materialien gebildet sind, da die entfernte und fokussierte Anwendung der Energie, die notwendig ist, um den wärmehärtenen Kunststoff, der bei der Reparatur benutzt wird, mit Wärme zu härten, schwierig wird, falls nicht unmöglich, als auch die Fähigkeit, die reparierte Verbindung entfernt zu untersuchen. Während diese Probleme durch Lieferung von polymeren Materialien, die entfernt auf ausgewählte Temperaturen erwärmt werden können, die den Härtungstemperaturen der Polymere entsprechen, überwunden werden können, sind bisher noch keine solchen Polymere beim Stand der Technik entwickelt worden.
Ein noch anderer Satz von Problemen, der durch Lieferung von auswählbar und entfernt erwärmbaren Kunststoffmaterialien gelöst werden könnte, findet in dem Gebiet von rückgewinnbaren und zersetzbaren Kunststoffmaterialien statt. Rückgewinnbare Kunststoffe sind beim Stand der Technik bekannt. Solche Kunststoffmaterialien können als Einwickel- oder Verpackungsmaterialien für Nahrungsstoffe und hergestellte Güter benutzt werden, und dann von anderen festen Abfallstoffmaterialien getrennt werden, nachdem sie abgeworfen worden sind und schliesslich wieder in ein rohes Kunststoffmaterial geschmolzen werden, das zur Wiederbenutzung geeignet ist. Der Mangel an einem bequemen Weg, um solche wiederbenutzbaren Kunststoff zu trennen, nachdem sie mit anderen, nicht rückgewinnbaren polymeren Materialien und festen Abfallstoffen vermischt werden, hat die Nützlichkeit von rückgewinnbarem Kunststoff stark eingeschränkt. Und, während zersetzbare Kunststoffe bekannt sind, können diese Kunststoffe gleichermassen nicht leicht von anderen Kunststoffmaterialien und festem Abfallstoff getrennt werden, mit denen sie beim Abwurf vermischt sein können. Viele bekannten zersetzbaren Kunststoffe leiden weiterhin unter dem Nachteil, dass sie gegenüber Zersetzung empfindlich sind, wenn eine solche Zersetzung nicht erwünscht ist. Solche Probleme können durch die Lieferung von polymeren Materialien gelöst werden, die getrennt auf eine Temperatur erwärmt werden können, die ihren
Verschmelzungstemperaturen entspricht, so dass sie ausgeschmolzen und von anderen festen Abfallstoffen getrennt werden könnten, sogar wenn sie mit anderen Materialien vermischt sind.
Es besteht deutlich ein Bedarf an Kunststoffmaterialien, die auswählbar und entfernt auf eine erwünschte Temperatur erwärmt werden können, und die weiterhin relativ einfach getrennt werden können, nachdem sie mit anderen polymeren Materialien und festen Abfallstoffen vermischt werden.
Daher besteht die vorliegenden Erfindung aus einem Verfahren zum Erwärmen eines polymeren Materials (5), das umfasst, ein teilchenförmiges ferromagnetisches Material (7) in einer Matrix des polymeren Materials zu verteilen, um eine Zusammensetzung (3,30) zu bilden, und elektromagnetische Erwärmung auf die Zusammensetzung anzuwenden, gekennzeichnet durch Auswählen eines teilchenförmigen ferromagnetischen Materials (7), dessen Curietemperatur der Temperatur entspricht, auf die das polymere Material (5) erwärmt werden soll, und Anwenden elektromagnetischer Energie in Gestalt von Mikrowellen mit einer Frequenz zwischen 400 und 3000 MHz auf die Zusammensetzung (3), wobei das teilchenförmige ferromagnetische Material einen Durchmesser zwischen 1 und 100 x 10&supmin;&sup9;nm (10 und 100 Angström) hat, und zwischen 0,1 und 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung umfasst.
Vorzugsweise umfasst das teilchenförmige ferromagnetische Material zwischen 1 und 2 Gewichtsprozent des zusammengesetzten Materials und besteht aus Teilchen aus Spinellferrit.
Das polymere Material kann ein wärmehärtbares Polymer sein, und die Curietemperatur des teilchenförmigen ferromagnetischen kann ausgewählt werden, um über der wärmehärtenden Temperatur des Polymers zu liegen, und die Quelle der Mikrowellenenergie des Systems kann benutzt werden, um die Zusammensetzung auswählbar in eine feste Gestalt zu härten. Da die umgebenden polymeren Materialien von Mikrowellenstrahlung nicht betroffen werden, wird nur die Ferrit enthaltende Zusammensetzung von dem Mikrowellenstrahl erwärmt werden. Diese besondere Ausführungsform der Erfindung findet als ein Klebstoff Anwendung. In dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine ungehärtete polymere Zusammensetzung in einer halbflüssigen Gestalt zwischen zwei Oberflächen aufgetragen werden, die verbunden werden sollen, und ein Mikrowellenenergiestrahl kann auswählbar auf die ungehärtete Zusammensetzung fokussiert werden, um die beiden Oberflächen vorteilhaft zu verbinden. Bei einer verwandten Ausführungsform der Erfindung kann die Curietemperatur der ferromagnetischen Teilchen so ausgewählt werden, dass sie gerade über der Verschmelzungstemperatur des polymeren Materials liegt, und das polymere Material kann zwischen den Oberflächen aufgetragen werden, die verbunden werden sollen, und dann geschmolzen werden, um diese Oberflächen durch die fokussierte Anwendung des Mikrowellenenergiestrahls zu verbinden.
Andere Ausführungsformen der Erfindung können benutzt werden, um polymeres Material entweder rückzugewinnen oder in harmlose Komposte zu zersetzen. Die Curietemperatur der ferromagnetischen Teilchen kann zum Beispiel ausgewählt werden, um höher als die Verschmelzungstemperatur des polymeren Materials zu sein, und, bei dem Verfahren dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das zusammengesetzte polymere Material, wenn es in einer Einrichtung für festen Abfallstoff mit anderen polymeren Materialien vermischt wird, zunächst von den anderen magnetischen Materialien magnetisch getrennt werden, dann zur Wiederbenutzung durch ausgewählte Anwendung eines Mikrowellenenergiestrahls auf die getrennte Zusammensetzung geschmolzen werden. Andererseits kann die polymere Zusammensetzung von den anderen polymeren Materialien, init denen sie vermischt ist, durch die Anwendung einer ausreichenden Menge von Mikrowellenenergie getrennt werden, um die Zusammensetzung vollständig zu schmelzen, so dass sie von den anderen vermischten Materialien abläuft.
In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine durch Wärme aktivierbare Zersetzungschemikalie mit dem ferromagnetischen Material durch das polymere Material verteilt, und der Curiepunkt des ferromagnetischen Materials wird ausgewählt, um über der Aktivierungstemperatur der Zersetzungschemikalie zu liegen. Bei dem zugeordneten Verfahren der Erfindung kann die polymere Zusammensetzung zunächst von anderen polymeren Materialien, mit denen sie vermischt ist, magnetisch getrennt werden, und dann von der Mikrowellenenergie durch auswählbare Aktivierung der Zersetzungschemikalie zu einem harmlosen Kompost verringert werden.
In allen oben erwähnten Ausführungsformen ergibt die Auswahl eines ferromagnetischen Materials mit einer Curietemperatur, die mit einer Eigenschaft des umgebenden polymeren Materials in Wechselwirkung steht, um ein nützliches Ergebnis zu erreichen, in Kombination mit einem richtbaren Mikrowellenenergiestrahl, der die sich ergebende Zusammensetzung entfernt auf die Curietemperatur der ferromagnetischen Teilchen erwärmen kann, vorteilhafterweise eine Erfindung, die benutzt werden kann, um verschiedene strukturelle Komponenten einer zusammengesetzten Struktur entfernt zu verbinden oder aneinder zu binden, oder um ein System zum Trennen, Rückgewinnen, oder Zersetzen von polymeren Materialien in einer Einrichtung für festen Abfallstoff zu schaffen.
So dass die Erfindung besser verstanden wird, werden nun geeignete Ausführungsformen davon nun beispielsweise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1A die polymere Zusammensetzung und Quelle der Mikrowellenstrahlung veranschaulicht, die im allgemeinen das System der Erfindung bilden;
Figur 1B und 1C das teilchenförmige ferromagnetische Material und das polymere Material darstellen, die die polymere Zusammensetzung bilden, wenn sie zusammengemischt werden;
Figur 2A veranschaulicht, wie eine Ausführungsform benutzt werden kann, um gegenüberliegende Oberflächen eines Paars von verschiedenen strukturellen Komponenten zusammenzubinden, in denen die benutzte polymere Zusammensetzung einen durch Wärme härtbaren thermoplastischen Kunststoff einschliesst;
Figur 2B veranschaulicht, wie der durch Wärme härtbare, in der polymeren Zusammensetzung benutzte thermoplastische Kunststoff entfernt durch Anwendung eines Mikrowellenenergiestrahls durch Wärme gehärtet werden könnte;
Figur 2C veranschaulicht, wie das sich ergebende, durch Wärme gehärtete, thermoplastischen Kunststoff enthaltende zusammengesetzte Material eine permanente und sichere Bindung zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der beiden strukturellen Komponenten bilden kann;
Figur 3A veranschaulicht, wie die Kanten eines Paars von gegenüber Mikrowellen durchsichtigen Schichtmaterialien zusammengebunden werden können, in denen die benutzte polymere Zusammensetzung ein biegbarer Streifen aus ungehärtetem thermoplastischem Kunststoffmaterial mit darin eingebauten ferromagnetischen Teilchen ist;
Figur 3B eine Variation der Ausführungsform von Figur 3A veranschaulicht, in der das polymere zusammengesetzte Material die Gestalt eines kittartigen thermoplastischen Kunststoffs mit darin eingebautem teilchenförmigen Material annimmt;
Figur 3C noch eine andere Variation der Ausführungsform von Figur 3A ist, in der die Kanten des gegenüber Mikrowellen durchsichtigen Schichtmaterials aus einem verschmelzbaren Kunststoffmaterial gebildet sind, und teilchenförmiges ferromagnetisches Material eingebaut haben, so dass diese Kanten verschmelzen und eine Bindung bilden können, wenn sie einem Mikrowellenenergiestrahl ausgesetzt werden;
Figur 3D eine Kurve ist, die veranschaulicht, wie die Überlappungsschubfestigkeit einer Epoxidharzbindungszusammensetzung von verschiedenen Konzentrationen von Ferritteilchen beeinflusst wird;
Figur 4 eine durch Wärme zersetzbare Zusammensetzung veranschaulicht, in der die polymere Zusammensetzung Teilchen einer durch Wärme aktivierten Zersetzungschemikalie durch ihre polymere Matrix mit Teilchen aus ferromagnetischem Material verteilt hat;
Figur 5 eine Variation der durch Wärme zersetzbaren Zusammensetzung von Figur 4 ist, in der die ferromagnetischen Teilchen in den Teilchen der durch Wärme aktivierten Zersetzungschemikalie eingekapselt sind, die ihrerseits gleichförmig durch die polymere Matrix der Zusammensetzung verteilt ist;
Figur 6 noch eine andere, durch Wärme zersetzbare Zusammensetzung veranschaulicht, in der eine Zersetzungschemikalie in einem durch Wärme verschmelzbaren Kunststoffmaterial mit einem oder mehreren Teilchen aus ferromagnetischem Material eingekapselt ist;
Figur 7 ein Ablaufschema eines Kunststoffrückgewinnungsverfahrens ist; und
Figur 8 ein Ablaufschema eines Kunststoffzersetzungsverfahrens ist.
Wenn man nun auf Figuren 1A, 1B, und 1C Bezug nimmt,dann umfasst das System 1 im allgemeinen eine polymere Zusammensetzung 3, die aus einem polymeren Material 5 gemischt mit einem teilchenförmigen magnetischen Material 7 gebildet ist, und eine Quelle 9 von Mikrowellenstrahlung. Die Curietemperaur des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials 7 wird in der bevorzugten Ausführungsform so ausgewählt, dass sie eine erwünschte oder nützliche Wirkung auf die Matrix des polymeren Materials 5 hat, in die es eingebettet ist. Zum Beispiel, wenn das polymere Material 5 ein ungehärteteter thermoplastischer Kunststoff ist, dann kann die Curietemperatur des ferromagnetischen Materials 7 ausgewählt werden, dass sie über der Härtungstemperatur des Materials 5 liegt. Ähnlich, wenn man wünscht, das polymere Material 5 in der endlichen Anwendung der Zusammensetzung 3 zu schmelzen oder zu verschmelzen, dann wird die Curietemperatur des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials 7 ausgewählt, um über dem Schmelzpunkt des ferromagnetischen Materials 5 zu liegen. In der bevorzugten Ausführungsform ist das benutzte teilchenförmige ferromagnetische Material 7 feine Teilchen aus Spinellferriten, deren Durchmesser von 50 bis 500 Angström reichen, und deren Curietemperaturen von 50ºC bis 700ºC reichen. Das teilchenförmige ferromagnetische Material 7 kann zwischen 0,1 bis 10 Gewichtsprozent der sich ergebenden polymeren Zusammensetzung 3 umfassen, und umfasst vorzugsweise zwischen 1 und 2 Gewichtsprozent der sich ergebenden Zusammensetzung 3. Ferrite sind im allgemeinen die Teilchen der Wahl für alle verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, da solche Teilchen durch eine Curietemperaturgrenze gekennzeichnet sind. Irgendein teilchenförmiges Material mit einer Curietemperatur, die die Maximaltemperatur bestimmt, auf die die Teilchen durch Mikrowellenstrahlung erwärmt werden können, liegt aber innerhalb des Umfassungsbereichs der Erfindung. Im Gegensatz, während viele Arten von metallischen Teilchen durch Mikrowellenstrahlung erwärmt werden können, sind viele solcher Teilchen nicht durch eine Curietemperatur gekennzeichnet. Daher können sie sich grenzenlos erwärmen, wenn sie einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden. Eine ausgezeichnete Quelle von feinen Teilchen aus Spinellferriten ist in einem Abfallstoffprodukt der Holzverarbeitungsindustrie vorhanden, das als ferromagnetisches Eisenlignosulfonat bezeichnet ist, und das solche feinen teilchenförmigen Ferrite 5 - 15 x 10&supmin;&sup9;nm (50 - 150 Angström) kolloidal in einer wässrigen Lösung umfasst. Ein solches Lignosulfonat kann zum Beispiel von der Georgia Pacific Corporation aus Bellingham, Washington erhalten werden. Während die Quelle von Mikrowellenenstrahlung 9 Mikrowellen mit einer Frequenz von irgendwo zwischen 400 MHz und 3000 MHz abgeben kann, werden Mikrowellen in dem oberen Abschnitt des Frequenzbereichs wegen der Tatsache, dass sie leichter in einen relativ engen Strahl gerichtet werden können, bevorzugt. Wie später besser eingesehen wird, ist die Fähigkeit, eine solche Mikrowellenenergie im Fokus einzustellen, ein besonders nützliches Merkmal im Zusammenhang mit dieser Erfindung, da sie den Systembedienungspersonen gestattet, Mikrowellenenergie absichtlich und entfernt auf eine bestimmte Stelle anzuwenden, an der es erwünscht ist, die Zusammensetzung 3 zu erwärmen.
Figuren 2A, 2B und 2C veranschaulichen eine Ausführungsform, die vorteilhafterweise benutzt werden kann, um gegenüberliegende Oberflächen 15a,b eines Paars von strukturellen Komponenten 17a,b zusammenzubinden. Für diesen Zweck ist das in der Zusamensetzung 3 benutzte polymere Material 5 eine Flüssigkeit oder ein kittartiges Polymer, das sich härtet, wenn es Wärme ausgesetzt wird. Beispiele solcher wärmehärtenden Polymere schliessen Eopxidharze ein, Polyester, Polyurethane, Polybutadiene, Cyanatester, Bismaleimide, Polyimide, Phenole, Alkyde, Aminoharze, und sogar Silicone. Irgendein solches Kunststoffmaterial, dass sich permanent härtet oder "setzt", wenn es über eine ausgewählte Temperatur erwärmt wird, ist in dem Umfang dieser Erfindung eingeschlossen. Bei der in Figuren 2A, 2B und 2C veranschaulichten Anwendung der Erfindung wird eine Menge von teilchenförmigem ferromagnetischen Materialien mit dem wärmehärtenden Matenal, das das polymere Material 5 bildet, vermischt, um eine kittartige polymere Zusammensetzung 3 zu bilden. Diese Zusammensetzung 3 wird zwischen die Oberflächen 15a,b aufgetragen, um zusammengebunden zu werden. Dann kann, wie in Figur 2B veranschaulicht ist, die polymere Zusammensetzung 3 einem eingestellten Mikrowellenstrahl 13 ausgesetzt werden, der von dem Reflektor 11 der Quelle 9 von Mikrowellenstrahlung ausgestrahlt wird. Ein solcher Strahl 13 kann leicht und passenderweise angewandt werden, sogar dann, wenn die polymere Zusammensetzung 3 hinter einer Tafel 17c angeordnet ist, vorausgesetzt, dass die Tafel 17c einer Mikrowellenstrahlung gegenüber durchsichtig ist. Nachdem die Absorption des Mikrowellenenergiestrahls 13 von dem teilchenförmigen feromagnetischen Material 7 in der Zusammensetzung 3 verursacht, dass die polymere Zusammensetzung 3 sich auf die Curietemperatur des ferromagnetischen Materials erwärmt, und die Zusammensetzung 3 permanent wärmehärtet, wird eine permanente Verbindung zwischen zwei strukturellen Komponenten 17a,b geschaffen, wie in Figur 2 dargestellt ist. Die Richtbarkeit des Mikrowellenstrahis 13 von der Mikrowellenquelle 9, gekuppelt mit der Tatsache, dass diese Mikrowellen leicht durch die meisten nicht metallischen Komponenten dringen, verleiht dieser besonderen Ausführungsform des Systems 1 beim Schaffen von Verbindungen oder beim Reparieren von Verbindungen in zusammengesetzten Strukturen (wie den neuen Graphtirahmen, die derzeitig für einige Flugzeuge hergestellt werden), grossen Nutzen, da sie gestattet, dass solche Verbindungen ohne Anwendung von unerwünschter Wärme auf grosse Teile der zusammengesetzten Struktur, die gebaut wird, geschaffen werden, und weiterhin gestattet, dass eine solche Wärme ausgewählt und entfernt auf Teile der sich ergebenden Struktur angewandt wird, die entweder physikalisch für die Mikrowellenenergie 9 unzugänglich sind, oder die von gegenüber Mikrowellen durchsichtigen Komponenten wie Tafel 17c bedeckt sind.
Figuren 3A, 3B und 3C veranschaulichen noch eine andere Ausführungsform der Erfindung, die vorteilhafterweise benutzt werden kann, um die Kanten von oberen und unteren Schichten 18, 19 eines Materials miteinander zu verbinden, das gegenüber Mikrowellenenergie im wesentlichen durchsichtig ist. Die polymere Zusammensetzung 3 nimmt in dieser Ausführungsform die Gestalt eines nachgiebigen Bandes oder Streifens 20 an, das aus einem ungehärteten, wärmehärtenden Kunststoff gebildet ist, das mit teilchenförmigem ferromagnetischem Material 7 in den vorher beschriebenen Verhältnissen gemischt worden ist. Diese Band- oder Streifengestalt 20 des ungehärteten polymeren Materials 5 schliesst vorteilhafterweise Klebstoffschichten 21a,b auf jeder oder beiden seiner oberen und unteren Seiten ein, so dass es geeigneterweise in eine richtige Stellung zwischen den überlappenden Schichten 18,19 vor dem Bindungsbetrieb befestigt werden. Nachdem das Band oder der Streifen 20 von den Klebstoffschichten 21a,b in der in Figur 3A veranschaulichten Stellung befestigt worden ist, dann wird eine Walze 23, die vorzugsweise aus einem gegenüber Mikrowellen durchsichtigen Material gebildet ist, und von Seitenlagern 24a,b getragen wird, über die überlappenden Teile der oberen und unteren Schichten 18,19 angewandt, um sie zu verbinden. Die Walze 23 schliesst eine Mikrowellenquelle 25 ein, die einen Mikrowellenenergiestrahl richtet, der eine ausreichende Grösse hat, um das teilchenförmige ferromagnetische Material 7 auf seine Curietemperatur (die ausgewählt ist, um über der wärmehärtenden Temperatur des in der Zusammensetzung 3 benutzten polymeren Materials zu liegen) zu bringen, die ihrerseits verursacht, dass die Zusammensetzung 3 sich härtet, und die oberen und unteren Schichten 18,19 verbindet.
Figur 3B veranschaulicht eine Variation der Ausführungsform der in Figur 3A veranschaulichten Erfindung, wobei der einzige Unterschied darin liegt, dass die polymere Zusammensetzung 3 aus einem wärmehärtenden kittartigen Kunststoff gebildet ist, der mit einem teilchenförmigen ferromagnetischen Material 7 imprägniert worden ist, statt aus einem wärmehärtenden Material 5, das in seinem ungehärteten Zustand ein nachgiebiges Band oder einen Streifen 20 bildet. In der in Figur 3B veranschaulichten Variation der Erfindung stellt man sich vor, dass die ungehärtete Zusammensetzung 3 in ungefähr derselben Weise aufgetragen werden könnte wie eine Abdichtung um Fenster und Regenrinnen von modernen Häusern und Gebäuden durch eine Abdichtungsspritzpistole aufgetragen wird.
Figur 3C veranschaulicht noch eine andere Variation der Erfindung, die vorteilhafterweise in Verbindung mit der in Figur 3A veranschaulichten Walzeneinrichtung benutzt werden kann, um eine Verbindung zwischen den überlappenden Kanten einer oberen und unteren 18,19 Schicht aus einem gegenüber Mikrowellen durchsichtigen Schichtmaterial zu bilden. In dieser besonderen Ausführungsform der Erfindung sind aber die Schichten 18,19 aus verschmelzbaren thermoplastischen Kunststoffen gebildet, die in eine permanente Verbindung aushärten können, wenn sie geschmolzen sind. Bei dieser besonderen Variation der Erfindung ist nur ein Kantenteil 27 jeder der Schichten 18,19 mit einem teilchenförmigen ferromagnetischen Material 7 imprägniert, dessen Curietemperatur höher als die Temperatur der Verschmelzung des thermoplastischen Kunststoffmaterials ist, aus dem die oberen und unteren Schichten 18,19 gebildet sind. Die Kantenteile 27 der Schichten 18,19 sind wie in Figur 3C dargestellt überlappt, und die in Figur 3A veranschaulichte Walzeneinrichtung (23) wird benutzt, um eine Verbindung zwischen den beiden Schichten 18,19 zu verschmelzen. Es sollte bei dieser Variation der Erfindung bemerkt werden, dass die Lieferung des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials 7 nur in den Kantenteilen 27 den Bedarf überflüssig macht, dass die Bedienungsperson den Mikrowellenstrahl sorgfältig von der Mikrowellenquelle 25 richtet, da die Teile der Schichten 18,19, die kein teilchenförmiges Material 7 haben, nicht von der unbeabsichtigten Anwendung solcher Mikrowellen erwärmt werden.
Figur 3D veranschaulicht, wie die Überlappungsschubfestigkeit einer auf Epoxidharz beruhenden polymeren Zusammensetzung von verschiedenen Konzentrationen von Ferritteilchen beeinflusst wird. Die Daten auf dieser Kurve veranschaulichen überraschenderweise, dass die Überlappungsfestigkeit einer auf Epoxidharz beruhenden Zusammensetzung sich tatsächlich mit einem Ferritgehalt von bis zu 0,66 Gewichtsprozent erhöhen kann. Ein solcher Gewichtsprozentsatz von Ferritteilchen reicht aus, um die Wärmehärtung der Zusammensetzung zu bewirken, und eine Wirbelstromsondenuntersuchung der gehärteten Epoxidharzbindung zu gestatten.
Die Erfindung kann auch vorteilhaft benutzt werden, um rückgewinnbare Kunststoffzusammensetzungen zu schaffen. Eine solche rückgewinnbare Zusammensetzung kann aus einem thermoplastischen Kunststoff (wie einem Polyolefin, Polyester, Flüssigkristallpolymer, Polyoxymethylen, Acryl, Fluorpolymer, oder Polyamid) gebildet sein, in die ferromagnetischen Teilchen mit einer Curietemperatur, die höher als der Verschmelzungspunkt des umgebenden thermoplastischen Kunststoffmaterials ist, zugemischt werden. Ein Beipiel eines solchen rückgewinnbaren zusamengesetzten Materials könnte eine Mischung aus Polyvinylchlorid und ungefähr 2 Gewichtsprozent Spinellferritteilchen sein, deren Curitemperatur gleich dem oder höher als der Verschmelzungspunkt der umgebenden Polyuvinylchloridmatrix ist. Wie im folgenden genauer beschrieben wird, gestattet die Gegenwart des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials in dem Polyvinylchlorid, dass das sich ergebende "gekennzeichnete" zusammengesetzte Material, mit dem es vermischt sein kann (sage, zum Beispiel bei einer Einrichtung für festen Abfallstoft), von anderem Kunstoff magnetisch getrennt wird, und dann durch Anwendung eines Mikrowellenenergiestrahls zur Wiederbenutzung aufgeschmolzen wird.
Figur 4 veranschaulicht eine Ausführungsform, die vorteilhafterweise benutzt werden kann, um eine auswählbar zersetzbare Kunststoffzusammensetzung 30 zu schaffen. Eine solche Zusammensetzung 30 kann aus einem polymeren Material 5 gebildet sein, in die ein teilchenförmiges ferromagnetisches Material 7 und Teilchen einer durch Wärme aktivierten Zersetzungschemikalie 32 zugemischt worden sind. Die Zersetzungschemikalie ist so ausgewählt, dass sie das umgebende polymere Matrixmaterial 5 strukturell zersetzt und zerstört, wenn sie aktiviert wird, und die Curietemperatur des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials 7 ist ausgewählt, um gleich oder grösser als die Auslösungstemperatur der Zersetzungschemikalie 32 zu sein. Eine solche durch Wärme zersetzbare Zusammensetzung 30 kann aus gewöhnlichem Polyvinylchlorid hergestellt sein, in das zwischen 1 und 2 Gewichtsprozent Spinellferritteilchen mit kleinen Tröpfchen 32 aus einem organischen Peroxid wie Benzoylperoxid gleichförmig verteilt worden sind. In der bevorzugten Ausfühmngsform sollte das Benzoylperoxid zwischen 1 und 5 Gewichtsprozent des Polyvinylchloridmaterials 5 umfassen, und die Curietemperatur des dem Polvvinylchlorid 5 zugemischten Spinellferrits sollte ungefähr 100ºC sein. Wenn eine solche Zusammensetzung einer Dosierung von Mikrowellenenergie ausgesetzt wird, die örtliche Temperaturen in der Struktur der Zusammensetzung in der Nähe der Curietemperatur der Spinellferrite 7 schafft, dann werden die Benzoylperoxidtröpfchen 32 elementaren Sauerstoff freigeben, der die polymeren Ketten aus Polvvinylchlorid an zahlreichen Stellen in der Zusammensetzung 30 oxidieren und brechen wird. Eine solche Zusammensetzung 30 wird nach einer kurzen Zeit nach der Aussetzung auf eine solche Mikrowellenenergie nach der Anwendung geringer Mengen eines mechanischen Drucks in zahlreiche kleine Teilchen zerfallen, die zur Benutzung als ein Kompost geeignet sind.
Figur 5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer durch Wärme zersetzbaren Zusammensetzung 30, die nach dem System und Verfahren der Erfindung gebildet ist. Das Benzoylperoxid 32 und das teilchenförmige ferromagnetische Material 7 werden in dieser Ausführungsform grundlich zusammengemischt, bevor sie in die Matrix aus Polyvinylchlorid eingeführt werden. Daher enthalten fast alle Tröpfchen aus Benzoylperoxid ein oder mehrere Teilchen Spinellferrit, wenn die Mischung aus Benzoylperoxid und teilchenförmigem magnetischem Material 7 gleichförmig in dem Polyvinylchlorid 5 verteilt ist. Diese besondere Ausführungsform des Verfahrens und Systems der Erfindung hat den Vorteil, die von den Teilchen aus Spinellferrit erzeugte Wärme direkt auf die Grenzfläche zwischen den Tröpfchen aus Benzoylperoxid 32 und der umgebenden Matrix aus Polyvinylchlorid 5 anzuwenden. Daher wird weniger Mikrowellenenergie erfordert, um den Zersetzungsprozess in der in Figur 5 veranschaulichten Zusammensetzung 30 auszulösen.
Figur 6 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform einer durch Wärme zersetzbaren Zusammensetzung 30, in der kleine Tröpfchen aus Benzoylperoxid 32 und teilchenförmige ferromagnetische Materialien 7 in einer dünnen Haut 33 aus einem Kunststoffmaterial eingekapselt sind, das gegenüber Zersetzung von Benzoylperoxid relativ immun ist, wie Polytetrafluoroethylen. Hier wird der Curiepunkt der Spinellferriteinfänge in der dünnen einkapselnden Haut 33 aus trägem Kunststoff so ausgewählt, dass er über dem Siedepunkt von Benzoylperoxid liegt, was ungefähr 105ºC ist, so dass, wenn die in Figur 6 gezeigte Zusammensetzung 30 einer Mikrowellenenergie ausgesetzt wird, das Benzoylperoxid teilweise verdampft, und die Haut 33 des Polytetrafluoroethylens, das sie enthält, aufbricht. Wenn diese Haut 33 aufgebrochen ist, dann schreitet der von dem Benzoylperoxid abgegebene Sauerstoff fort, um die Integrität des umgebenden PVCs in derselben wie vorher beschrieben Weise zu zerstören. Während die in Figur 6 veranschaulichte zersetzbare Zusammensetzung 30 schwieriger herzustellen ist, und mehr Mikrowellenenergie fordert, um sich zu zersetzen, ist das sich ergebende zusammengesetzte Material auch in einem weiteren Bereich von Zuständen (wie Aussetzung gegenüber intensivem Sonnenlicht oder einfallender Wärme) stabiler.
Wenn man nun auf Figur 7 Bezug nimmt, dann umfasst die Erfindung auch ein Kunststoffrückgewinnungsverfahren 35, das eine polymere Zusammensetzung 3 benutzt, die aus einem thermoplastischen Polymermaterial 5 gebildet ist, dem das teilchenförmige ferromagnetische Material, dessen Curietemperatur höher als die Verschmelzungstemperatur des polymeren Materials 5 ist, zugemischt worden ist.
Bei den anfänglichen Schritten dieses Rückgewinnungsverfahrens 35 wird ein thermoplastisches Polymer (wie das oben erwähnte Polyvinylchlorid) mit zwischen 0,5 und 10 Gewichtsprozent Teilchen aus Spinellferrit gemischt, um eine gekennzeichnete polymere Zusammensetzung zu bilden, wie in Schritt 37 angezeigt ist. Au dieser Stelle des Verfahrens werden die spezifischen Mikrowellenabsorptionskennzeichen der Ferritteilchen, die in dem Polymer eingemischt sind, notiert, so dass die Quelle der bestimmten gekennzeichneten polymeren Zusammensetzung zu einer späteren Zeit identifiziert werden kann. Nachdem die Zusammensetzung gebildet worden ist, und die spezifischen Kennzeichen der Ferritteilchen darin für solche Identifizierungszwecke aufgezeichnet worden sind, wird die Zusammensetzung dann auf eine praktische Benutzung wie eine Verpackung angewandt, wie in Schritt 39 angezeigt ist. Schliesslich wird, wie in Schritt 41 angezeigt ist, diese Verpackung als Abfallstoff abgelegt, der mit anderen festen Abfallstoffen wie in Schritt 43 angezeigt vermischt wird. Der vermischte feste Abfallstoff wird dann schliesslich zu einer Verarbeitungseinrichtung für festen Abfallstoff (nicht gezeigt) geliefert. Dieses Verfahren der Erfindung fordert, dass die Einrichtung ein magnetisches Sortiergerät hat, das eine Reihe von Magneten (nicht gezeigt) umfasst, die örtliche Magnetfelder erzeugen können, die intensiv genug sind, um die gekennzeichnete polymere Zusammensetzung von den anderen Polymeren, die keine Ferritteilchen enthalten, in dem vermischten festen Abfallstoff auszusortieren, wie in Verfahrensschritt 45 angezeigt ist. Die nicht magnetischen polymeren Materialien werden dann von der gekennzeichneten polymeren Zusammensetzung entfernt und dann entweder abgeworfen, oder verbrannt und dann an einer bestimmten Stätte in der Einrichtung für festen Abfallstoff wie von Verfahrensschritten 47-50 angezeigt ist abgeworfen.
Im Gegensatz wird die getrennte, gekennzeichnete polymere Zusammensetzung dann zu einer Reihe von Mikrowellenstrahlern befördert, wie von Verfahrensschritten 51 und 53 angezeigt ist, und dann einer ausreichenden Menge Mikrowellenenergie ausgesetzt, um zu verursachen, dass die Ferritteilchen in der Zusammensetzung sie auf eine Temperatur über dem Verschmelzungspunkt des Polymers erwärmt, das die Zusammensetzungsmatrix bildet. Die geschmolzene Zusammensetzung wird dann zur Wiederbenutzung wiedergewonnen, wie von Verfahrensschritten 53-57 angezeigt ist.
Wenn gekennzeichnete polymere Zusammensetzungen mit höheren und tieferen Schmelzpunkten in Schritt 53 mit dem festen Abfallstoff vermischt werden, und dann von dem nicht magnetischen Abfallstoff in Übereinstimmung mit Verfahrensschritt 45 aussortiert werden, dann werden die den Mikrowellenstrahlen ausgesetzten Zusammensetzungen in Verfahrensschritt 53 verschiedene Schmelzpunkte haben. In einer solchen Situation wird eine ausreichende Mikrowellenerwärmung angewandt, um das bei tieferer Temperatur schmelzende Polymer zunächst vollständig zu schmelzen, so dass dieses Polymer zur Wiederbenutzung (wie in Verfahrensschritten 55 und 57 angezeigt ist) gesammelt werden kann. Danach wird eine ausreichende Mikrowellenenergie auf die Zusammensetzung mit dem höheren Schmelzpunkt angewandt, so dass diese Zusammensetzung zur Wiederbenutzung geschmolzen werden kann, wie von Verfahrensschritten 59 und 61 angezeigt ist. Da verschiedene Polymere normalerweise durch verschiedene Schmelzpunkte angezeigt sind, und da Spinellferrite so ausgewählt werden können, dass die diesen Ferriten zugeordneten Curietemperaturen gleich oder grösser als die Schmelzpunkte ihrer Gastpolymere sind, kann der Mikrowellenerwärmungsschritt 52 benutzt werden, um verschiedene schmelzende polymere Zusammensetzungen wirksam voneinander zu "destillieren", durch zuwachsende Vergrösserung der Menge der Leistung, die von der Reihe von Mikrowellenstrahlern abgestrahlt wird, die in der Einrichtung für festen Abfallstoff angeordnet sind, so dass eine polymere Zusammensetzungsart vollständig geschmolzen ist, bevor die nächste polymere Zusammensetzungsart dann geschmolzen wird.
Figur 8 veranschaulicht ein Kunststoffzersetzungsverfahren 65, das innerhalb des Erfassungsbereichs der vorliegenden Erfindung liegt. Bei diesem Verfahren wird ein Polymer wie Polyvinylchlorid nicht nur mit Ferritteilchen 7 gemischt, sondern auch einer der vorher beschriebenen, durch Wärme aktivierten Zersetzungschemikalien 32, um eine wie in Schritt 37 gezeigte gekennzeichnete polymere Zusammensetzung zu bilden. Wie es bei dem Kunststoffrückgewinnungsverfahren 35 der Fall war, werden die spezifischen Kennzeichen der Spinellferrite, die in dem Polymer eingebaut sind, an dieser Stelle aufgezeichnet, so dass die Identität der Quelle der Zusammensetzung bekannt sein könnte. Die sich ergebende, durch Wärme aktivierbare Zusammensetzung wird benutzt, abgelegt, und wie in Verfahrensschritten 39 bis 51 angezeigt in derselben Weise wie der mit Bezug auf das Rückgewinnungsverfahren 35 diskutierte rückgewinnbare Kunststoff sortiert. Schliesslich wird die zersetzbare Zusammensetzung 30 von der Reihe von Mikrowellenstrahlern, die in der Einrichtung für festen Abfall vorhanden ist, einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, wie in Schritt 69 angezeigt ist, um die in der Zusammensetzung impragnierte Zersetzungschemikalie auszulösen. Dieses zerstört seinerseits die strukturelle Integrität der Zusammensetzung, was verursacht, dass sie in eine teilchenförmige Masse zerkrümelt, die ihrerseits als ein Kompost in Verfahrensschritt 71 vergraben wird.

Claims

1. Verfahren zum Erwärmen eines polymeren Materials (5), das umfasst, ein teilchenförmiges ferromagnetisches Material (7) in einer Matrix des polymeren Materials zu verteilen, um eine Zusammensetzung (3,30) zu bilden, und elektromagnetische Erwärmung auf die Zusammensetzung anzuwenden, gekennzeichnet durch Auswählen eines teilchenförmigen ferromagnetischen Materials (7), dessen Curietemperatur der Temperatur entspricht, auf die das polymere Material (5) erwärmt werden soll, und Anwenden elektromagnetisctler Energie in Gestalt von Mikrowellen mit einer Frequenz zwischen 400 und 3000 MHz auf die Zusammensetzung (3), wobei das teilchenförmige ferromagnetische Material einen Durchmesser zwischen 1 und 100 x 10&supmin;&sup9;nm (10 und 100 Angström) hat, und zwischen 0,1 und 10 Gewichtsprozent der Zusammensetzung umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Material ein durch Wärme härtbares Polymer ist, und die Curietemperatur des ferromagnetischen Materials höher als die Härtungstemperatur des Polymers ist, so dass die Zusammensetzung gehärtet wird, wenn die Mikrowellenenergie darauf angewandt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Anordnen der Zusammensetzung zwischen zwei Oberflächen, die verbunden werden sollen, und Fokussieren der Mikrowellenenergie auf die Zusammensetzung, um die letztgenannte zu härten, und die Oberflächen zu verbinden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Curietemperatur des ferromagnetischen Materials höher als der Schmelzpunkt des polymeren Materials ist, so dass die Zusammensetzung schmilzt, wenn Mikrowellenenergie darauf angewandt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige ferromagnetische Material nur in ausgewählten Teilen des polymeren Materials verteilt ist, so dass nur die ausgewählten Teile schmelzen, wenn die Zusammensetzung einer Mikrowellenenergie ausgesetzt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Anordnen der Zusammensetzung zwischn zwei Oberflächen, die verbunden werden sollen, und Anwenden der Mikrowellenenergie, um die Zusammensetzung zu schmelzen und die Oberflächen zu verbinden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verteilen einer durch Wärme aktivierten Zersetzungschemikalie in der Zusammensetzung, wobei die Curietemperatur des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials über der Temperatur liegt, die benötigt wird, um die Zersetzungschemikalie zu aktivieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Wärme aktivierte Zersetzungschemikalie in Mikrosphären eines Materials eingekapselt ist, das gegenüber der Zersetzungswirkung der Chemikaile inaktiv ist, und die Curietemperatur des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials über der Temperatur liegt, die benötigt wird, um zu verursachen, dass die Wände der Mikrosphäre sich öftnen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kodieren der Zusammensetzung durch Identifizierung und Aufnahme von spezifischen elektromagnetischen Kennzeichen des ferromagnetischen teilchenförmigen Materials, das durch das polymere Material bei der Bildung der Zusammensetzung verteilt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch elektromagnetisches Orten der Zusammensetzung in damit vermischten polymeren Materialien, und Trennen der Zusammensetzung von den vermischten Materialien.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch magnetisches Trennen der Zusammensetzung von den vermischten Materialien.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Curietemperatur des ferromagnetischen Materials höher als der Schmelzpunkt des polymeren Materials ist, wobei die Zusammensetzung von den vermischten polymeren Materialien durch Anwenden einer ausreichenden Mikrowellenenergie getrennt wird, um die Zusammensetzung zu verflüssigen.

13. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch weiteres Verteilen einer durch Wärme aktivierten Zersetzungschemikalie in der Zusammensetzung, wobei die Curietemperatur des teilchenförmigen Materials über der Temperatur liegt, die beötigt wird, um die Zersetzungschemikalie zu aktivieren, und Trennen der Zusammensetzung von den vermischten Materialien durch Anwenden einer ausreichenden Mikrowellenenergie, um die Zusammensetzung aufzuspalten.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vermischten polymeren Materialien Zusammensetzungen sind, die teilchenförmiges ferromagnetisches Material mit verschiedenen Curietemperaturen enthalten, wobei jede Curietemperatur geringer als der Schmelzpunkt des darin verteilten polymeren Materials ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Anwenden ausreichender Mikrowellenenergie auf die vermischten Zusamensetzungen, um sie alle auf ihre entsprechenden Curietemperaturen zu erwärmen, ausser der Zusammensetzung, die das ferromagnetische Material mit der höchsten Curietemperatur enthält, und dann magnetisches Trennen der letztgenannten Zusammensetzung.

16. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch gleichförmiges Verteilen von fein aufgeteilten Teilchen des ferromagnetischen Materials in dem polymeren Material, und nach Schritt (c) Bewegen einer Sonde, die ein elektromagnetisches Feld ausstrahlt, in die Nähe der Zusammensetzung, bis das Feld auffindbar mit de Zusammensetzung zusammenwirkt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die fein aufgeteilten Teilchen aus ferromagnetischem Material kolloidal in einer wässrigen Lösung suspendiert sind und mit einem wärmehärtbaren polymeren Material in flüssiger oder kittartiger Gestalt vermischt sind.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das teilchenförmige ferromagnetische Material von 0,1 bis 10 Gewichts%, vorzugsweise zwischen 1 und 2, der Zusammensetzung umfasst.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Curietemperatur des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials zwischen 50ºC und 700ºC liegt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen aus Spinellferrit bestehen.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des teilchenförmigen ferromagnetischen Materials zwischen 5 und 15 x 10&supmin;&sup9;nm (50 und 150 Angström) ist.