Результат интеллектуальной деятельности: ПЕНА НА ОСНОВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА, ПРИВИТОГО ПОЛИДИМЕТИЛСИЛОКСАНОМ

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Пены имеют множество применений. В одном случае кабели радиочастоты (упоминаемые в настоящем документе как РЧ-кабели) имеют изоляцию для улучшения характеристик кабеля. Один из типов РЧ-кабелей представляет собой коаксиальный кабель, который содержит изоляцию между внутренним проводником и внешним проводником. В одном случае указанная изоляция представляет собой пену.

В телекоммуникационной промышленности современная тенденция заключается в том, что частота передачи данных по РЧ-кабелям увеличивается с течением времени. В настоящее время данные обычно передают, используя частоту от 2,5 до 2,6 ГГц, что соответствует спектру 4G. Можно предположить, что указанные частоты будут увеличиваться и дальше.

При передаче данных по РЧ-кабелю коэффициент потерь энергии называют коэффициентом затухания (DF). Увеличение пористости изоляции РЧ-кабеля являются одним из способов снижения DF. Пористость представляет собой меру содержания полостей или пустых пространств в изоляции, и ее обычно измеряют как отношение объема пустот к общему объему пены.

Одним из способов снижения DF является обеспечение изоляционного материала с высокой пористостью, например, полученного из диэлектрика с высокой степенью вспенивания, изготовленного из максимально чистых полимерных смол, при этом указанная пена содержит минимальное количество полярных групп, присоединенных к полимеру, и минимальное количество полярных добавок.

Пены, как правило, получают с применением вспенивающего агента. Вспенивающий агент служит для образования пузырьков в полимерном материале. Некоторые вспенивающие агенты вымываются в полимерный материал и становятся примесями пены. Некоторые вспенивающие агенты, такие как галогенуглеводороды, неблагоприятно влияют на окружающую среду. Для некоторых вспенивающих агентов необходимо применять нуклеирующий агент для ускорения образования пузырьков, и такие нуклеирующие агенты могут становиться примесями пены и увеличивать стоимость изготовления пены.

Необходима пена с низким DF. Такая пена предпочтительно имеет минимальное содержание примесей. Такая пена предпочтительно является совместимой со вспенивающим агентом, который не приводит к загрязнению пены и требует применения небольшого количества нуклеирующего агента или не требует его применения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте предложена пена, содержащая: полимерную матрицу, содержащую полимеризованный силоксан, привитый полиэтиленом, и множество пор, образованных в полимерной матрице и содержащих вспенивающий агент, который содержит диоксид углерода.

В другом аспекте предложен способ получения пены, включающий: прививку полимеризованного силоксана к полиэтилену с помощью прибора Haake или экструзии с получением привитого промежуточного продукта; смешивание привитого промежуточного продукта с PE смолой с получением смешанного промежуточного продукта; литьевое формование смешанного промежуточного продукта с получением формованного промежуточного продукта; и вспенивание формованного промежуточного продукта с применением CO₂ под высоким давлением с получением пены, при этом указанная пена имеет пористость более 75%.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном документе, если не указано иное, молекулярная масса полимера относится к средневесовой молекулярной массе.

В настоящем изобретении описана улучшенная пена и способ ее получения. Пена представляет собой вещество, которое получено посредством захвата пузырьков газа в среде, при этом пузырьки газа обеспечены вспенивающим агентом, как подробнее описано далее. В данном контексте среду предпочтительно получают из полимерной матрицы, как подробнее описано далее. Предпочтительно, пена представляет собой пену с закрытыми порами. Пена с закрытыми порами представляет собой пену, в которой пузырьки газа заключены в отдельные ячейки, образованные из полимерной матрицы. Указанные ячейки ограничены стенками, образованными из полимерной матрицы, при этом в указанных ячейках заключен газ.

Полимерную матрицу предпочтительно получают из полимеризованного силоксана, привитого полиэтиленом. Полимеризованный силоксан в данном контексте относится к множеству силоксановых полимеров, имеющих повторяющиеся звенья на основании формулы (I):

(I)

где:

R₁ = CH₃ или C₂H₅;

R₂ = CH₃ или C₂H₅;

m = 0-500; и

n = 0-500.

В одном случае полимеризованный силоксан формулы (I) содержит концевые звенья, описанные формулой (II)

(II)

где:

R₃ = CH=CH₂, C₄H₉, C₂H₅ или _;

R₄ = или ;

В одном случае подходящий полимеризованный силоксан представляет собой сополимер диэтилсилоксана с диметилсилоксаном с концевым винилом, имеющий формулу (III)

(III)

где:

m =77-185; и

n = 17-52.

Молярный процент диэтилсилоксана формулы (III) составляет от 18 до 22 процентов, а относительная плотность составляет 0,953, и такой продукт имеется в продаже у компании Gelest, Inc. под названием EDV-2022. В одном случае молекулярная масса диэтилсилоксана составляет от 8000 до 20000.

В другом случае подходящий полимеризованный силоксан представляет собой полидиметилсилоксан с одним концевым метакрилоксипропилом, имеющий формулу (IV)

(IV)

где:

n = 9-124.

Полимеризованный силоксан формулы (IV) имеет молекулярную массу 1000-10000 и относительную плотность 0,96-0,97, и такой продукт имеется в продаже у компании Gelest, Inc. под названием MCR-M07-M22.

В другом случае подходящий полимеризованный силоксан представляет собой полидиметилсилоксан с одним концевым винилом, имеющий формулу (V)

(V)

где:

n = 67-445.

Полимеризованный силоксан формулы (V) имеет молекулярную массу 5500-35000 и относительную плотность 0,97-0,98, и такой продукт имеется в продаже у компании Gelest, Inc. под названием MCR-V21-V41.

В другом случае подходящий полимеризованный силоксан представляет собой асимметричный полидиметилсилоксан с одним концевым метакрилоксипропилом, имеющий формулу (VI)

(VI)

где:

n = 60.

Полимеризованный силоксан формулы (VI) имеет молекулярную массу 5000 и относительную плотность 0,97, и такой продукт имеется в продаже у компании Gelest, Inc. под названием MCR-M17.

В другом случае подходящий полимеризованный силоксан представляет собой симметричный полидиметилсилоксан с концевыми метакрилоксипропилами, имеющий формулу (VII)

(VII)

где:

n = 8-130;

R₃ = ; и

R₄ = .

Полимеризованный силоксан формулы (VII) имеет молекулярную массу 1000-10000 и относительную плотность 0,98, и такой продукт имеется в продаже у компании Gelest, Inc. под названием DMS-R18.

Полимеризованный силоксан прививают к полиэтилену с получением полимеризованного силоксана, привитого полиэтиленом. Для применения в качестве полиэтилена подходит полиэтилен низкой плотности или высокой плотности. Для применения согласно настоящему документу подходят многие имеющиеся в продаже марки полиэтилена. В одном случае выбран полиэтилен высокой плотности, имеющий плотность 0,965 г/см³, массовую скорость течения расплава 8,0 г/10 мин. и температуру плавления 133°C, и такой продукт имеется в продаже у компании The Dow Chemical Company под торговым названием DGDA-6944. В одном случае выбран полиэтилен низкой плотности, имеющий плотность 0,919 г/см³, массовую скорость течения расплава 1,8 г/10 мин. и температуру плавления 110°C, и такой продукт имеется в продаже у компании The Dow Chemical Company под торговым названием DFDA-1253. Привитой полимер представляет собой сополимер, имеющий скелет, образованный из одного полимера, и ответвления, образованные из другого полимера. В одном случае полиэтилен выбран в качестве скелета, а полимеризованный силоксан выбран в качестве ответвлений. Следует понимать, что разветвленный полиэтилен, такой как полиэтилен высокой плотности, может быть выбран в качестве скелета, к которому прививают ответвления. В одном случае полимерная матрица содержит от 0,5 до 10 молярных процентов полимеризованного силоксана по массе. В одном случае полимерная матрица содержит от 1 до 5 молярных процентов полимеризованного силоксана по массе. В некоторых случаях привитая сополимеризация приводит к получению других свойств готовой пены, по сравнению с другими технологиями комбинирования.

Полимерную матрицу формуют в пену с помощью вспенивающего агента. Предпочтительно, вспенивающий агент представляет собой диоксид углерода (CO₂). В одном случае полимерную матрицу вспенивают посредством внесения полимерной матрицы в емкость с CO₂ при температуре выше температуры окружающей среды и при давлении выше давления окружающей среды, с последующим резким понижением давления в емкости. В одном случае вспенивающий агент представляет собой сверхкритический CO₂. Критическое давление для CO₂ составляет 7,4 МПа. В одном случае требуемое давление в емкости составляет от 25 до 35 МПа. В одном случае требуемая температура в емкости составляет от 95°С до 105°С для полимерной матрицы, в которой скелет образует полиэтилен низкой плотности. В одном случае требуемая температура в емкости составляет от 111°С до 130°С для полимерной матрицы, в которой скелет образует полиэтилен высокой плотности. В одном случае полученная пена имеет пористость более 70 процентов. В одном случае полученная пена имеет пористость более 75 процентов. В одном случае полученная пена имеет пористость более 80 процентов. В одном случае размер пор пены составляет менее 15 мкм. В одном случае размер пор пены составляет менее 10 мкм.

В другом аспекте предложен способ получения пены, включающий: прививку полимеризованного силоксана к полиэтилену с помощью прибора Haake или экструзии с получением привитого промежуточного продукта; смешивание привитого промежуточного продукта с полиэтиленовой смолой с получением смешанного промежуточного продукта; литьевое формование смешанного промежуточного продукта с получением формованного промежуточного продукта; и вспенивание формованного промежуточного продукта с применением CO₂ под высоким давлением с получением пены.

В другом аспекте предложен способ получения пены, включающий: прививку полимеризованного силоксана к полиэтилену с помощью прибора Haake или экструзии с получением привитого промежуточного продукта; литьевое формование привитого промежуточного продукта с получением формованного промежуточного продукта; и вспенивание формованного промежуточного продукта с применением CO₂ под высоким давлением с получением пены.

Примеры

В сравнительных примерах A-D пену получали из чистых полиэтиленовых гранул. В данном контексте чистый полиэтилен относится к полиэтилену высокой плотности или низкой плотности, который не был смешан или привит с другим полимером. В данном контексте чистый полиэтилен может содержать следовые количества других соединений, но предпочтительно содержит более 99% полиэтилена. Гранулы получали добавлением смолы, указанной в таблице I, в смеситель Haake объемом 50 см³ (производства компании Thermo Scientific под маркой HAAKE Polylab OS), имеющий два сигмовидных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. Перемешивание материала в смесителе осуществляли при 180°С в течение 8 минут при 60 об./мин. Полученный материал вынимали из смесителя и нарезали на гранулы. Гранулы, полученные в соответствии с указанными примерами, затем формовали в полимерную пластину, а затем в пену, как описано в настоящем документе.

Таблица I

В сравнительных примерах E-H пену получали из смеси полиэтилена высокой плотности и полимеризованного силоксана. Гранулы получали добавлением смеси полимерной смолы, указанной в таблице II (проценты выражены по массе), в смеситель Haake объемом 50 см³ (производства компании Thermo Scientific под маркой HAAKE Polylab OS), имеющий два сигмовидных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. HDPE, использованный в указанных примерах, был таким же, как использовали в сравнительных примерах A-D, как описано в таблице I. Перемешивание материала в смесителе осуществляли при 180°С в течение 8 минут при 60 об./мин. Полученный материал вынимали из смесителя и нарезали на гранулы. Гранулы, полученные в соответствии с указанными примерами, затем формовали в полимерную пластину, а затем в пену, как описано в настоящем документе.

Таблица II

В сравнительных примерах I и J пену получали из смеси полиэтилена высокой плотности и пероксида L-101. Гранулы получали добавлением материалов, указанных в таблице III (проценты выражены по массе) в смеситель Haake объемом 50 см³ (производства компании Thermo Scientific под маркой HAAKE Polylab OS), имеющий два сигмовидных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. HDPE, использованный в указанных примерах, был таким же, как использовали в сравнительных примерах A-D, как описано в таблице I. Перемешивание материала в смесителе осуществляли при 180°С в течение 8 минут при 60 об./мин. Полученный материал вынимали из смесителя и нарезали на гранулы. Гранулы, полученные в соответствии с указанными примерами, затем формовали в полимерную пластину, а затем в пену, как описано в настоящем документе.

Таблица III

В примерах A-D пену получали из полиэтилена высокой плотности привитого полимеризованным силоксаном. Гранулы получали добавлением материалов, указанных в таблице IV (проценты выражены по массе), в смеситель Haake объемом 50 см³ (производства компании Thermo Scientific под маркой HAAKE Polylab OS), имеющий два сигмовидных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. HDPE, использованный в указанных примерах, был таким же, как использовали в сравнительных примерах A-D, как описано в таблице I. L-101, использованный в указанных примерах, был таким же, как использовали в сравнительных примерах I и J, как описано в таблице III. Материал перемешивали в смесителе при 180°С в течение 8 минут при 60 об./мин. с получением полиэтилена высокой плотности привитого полимеризованным силоксаном. Полученный материал вынимали из смесителя и нарезали на гранулы. Гранулы, полученные в соответствии с указанными примерами, затем формовали в полимерную пластину, а затем в пену, как описано в настоящем документе.

Таблица IV

В примерах E и F пену получали из смеси полиэтилена высокой плотности привитого полимеризованным силоксаном и полиэтилена высокой плотности. Гранулы получали добавлением материалов, указанных в таблице V (проценты выражены по массе), в смеситель Haake объемом 50 см³ (производства компании Thermo Scientific под маркой HAAKE Polylab OS), имеющий два сигмовидных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. HDPE, использованный в указанных примерах, был таким же, как использовали в сравнительных примерах A-D, как описано в таблице I. HDPE-g-MCR-M17, использованный в указанных примерах, был таким же, как использовали в примере A, как указано в таблице IV. Материал перемешивали в смесителе при 180°С в течение 8 минут при 60 об./мин. с получением смеси полиэтилена высокой плотности привитого полимеризованным силоксаном и полиэтилена высокой плотности. Полученный материал вынимали из смесителя и нарезали на гранулы. Гранулы, полученные в соответствии с указанными примерами, затем формовали в полимерную пластину, а затем в пену, как описано в настоящем документе.

Таблица V

Указанный пример полимерных гранул формовали в полимерную пластину в соответствии со следующим способом. 50 г гранул, полученных в соответствии с одним из нескольких примеров, помещали в форму автомата для прямого прессования с нагревательной пластиной (Platen Vulcanizing Press производства компании Guangzhou NO. 1 Rubber & Plastic Equipment Co. Ltd.) и выдерживали при 150°С в течение 5 минут. Затем гранулы прессовали при давлении 15 МПа в течение 10 минут с получением полимерной пластины, имеющей размеры 15 мм х 10 мм х 1 мм. Полимерная пластина является примером формованного промежуточного продукта.

Из полимерной пластины получали пену в соответствии со следующим способом. Полимерную пластину, сформованную в соответствии с одним из нескольких примеров, ставили вертикально в рабочую камеру для работы под давлением на тонкий слой стекловаты, расположенной поверх алюминиевой пробки. Камеру для работы под давлением нагревали до 145°С в течение 30 минут. Затем камеру для работы под давлением нагревали до температуры вспенивания в течение 1 часа (температура вспенивания соответствующих полимерных пластин указана в таблице VI). Затем давление в камере повышали до 33,1 МПа посредством нагнетания в камеру сжатого газа, содержащего вспенивающий агент (вспенивающий агент для соответствующих полимерных пластин указан в таблице VI), и выдерживали при указанном давлении и температуре вспенивания в течение 2 часов. Камеру для работы под давлением резко открывали, сбрасывая давление в камере, и вынимали вспененный образец из камеры.

Из полимерной пластины, полученной в соответствии с представленными выше примерами, получали пену в соответствии со следующим способом. Полимерную пластину устанавливали вертикально в камере для работы под давлением на тонкий слой стекловаты, расположенной поверх алюминиевой пробки. Затем камеру для работы под давлением нагревали до 145°С в течение 30 минут. Затем камеру для работы под давлением нагревали до температуры вспенивания в течение 1 часа (температура вспенивания соответствующих полимерных пластин указана в таблице VI). Затем давление в камере повышали до давления насыщения (давление насыщения для соответствующих полимерных пластин указано в таблице VI) посредством нагнетания в камеру сжатого газа, содержащего вспенивающий агент (вспенивающий агент для соответствующих полимерных пластин указан в таблице VI), и выдерживали при указанном давлении насыщения и температуре вспенивания в течение 2 часов. Камеру для работы под давлением резко открывали, сбрасывая давление в камере, с получением вспененного образца, который вынимали из камеры.

Размер пор во вспененных образцах рассчитывали посредством разбивания пены после охлаждения жидким азотом. Разрушенную пену покрывали иридием и получали изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Средний размер пор рассчитывали, анализируя изображения с помощью программного обеспечения Image-Pro Plus производства компании MediaCybernetics, Inc. Средний размер пор указан в таблице VI.

Таблица VI

Данные, представленные в таблице VI, демонстрируют, что пены, полученные в соответствии с примерами, имеют улучшенное сочетание пористости и размера пор по сравнению со сравнительными примерами. Например, ни в одном из сравнительных примеров не достигнут размер пор лучше <15 мкм, тогда как во всех примерах согласно изобретению достигнут размер пор <10 мкм. Примеры согласно изобретению демонстрируют, что пена, полученная из полимерного силоксана привитого полиэтиленом, обеспечивает более высокую пористость и меньший размер пор по сравнению с пеной, полученной из чистого полиэтилена или из смеси полимерного силоксана и полиэтилена.

В таблице VI пористость рассчитывали на основании плотности вспененной смолы и плотности смолы до вспенивания по уравнению ф=1-с/с₀, где ф представляет собой пористость, с представляет собой плотность пены, и с₀ представляет собой плотность смолы до вспенивания. Указанные плотности измеряли в соответствии с известными методиками измерения плотности полимерных пен, такими как стандарт ASTM D792-00.