烧结多孔弹性体材料及其应用的制作方法

烧结多孔弹性体材料及其应用
1.本技术要求于2019年9月23日提交的题为“烧结多孔弹性体材料及其应用”的美国临时申请序列号62/904,172的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.根据本公开的某些实施方案，提供了与至少一种吸收剂材料组合并形成为薄的可压缩片材的烧结弹性体材料。该材料在排气或过滤气体方面有特殊用途。在具体实例中，弹性体材料可以是热塑性弹性体且吸收剂材料可以是碳。当与弹性体材料一起包含的碳(或任何其他类型的导电材料)的量足够高时，所述材料也可用作导电材料。


背景技术：

3.烧结多孔弹性体已被用作书写和化妆品领域中的液体施涂器。美国专利no.8,141,717公开了通过将弹性体颗粒和其它固体颗粒混合在一起并烧结来制造烧结多孔弹性体材料的材料和方法。这种烧结多孔材料可被用于液体施涂器和过滤器。
4.jp 1987225325a公开了通过烧结具有热熔颗粒的膨胀或非膨胀硫化橡胶粉末来制造多孔橡胶弹性体。
5.美国专利no.4,306,033公开了一种用于冲压的由热塑性聚丙烯腈树脂制造的高亲水性且多孔的烧结体。
6.wo2004/062531公开了使用网状弹性体基质作为植入物。该孔促进细胞向内生长。
7.所有上述产品都是模压成型的，因此相对较厚且不一定是易弯曲的。但是，在许多应用中需要具有良好机械强度和弹性的薄且柔性的多孔介质。本发明解决了这些需要。


技术实现要素：

8.因此，本发明人设计了具有优异的可压缩性和排气特性的弹性体材料，其具有允许材料形成为特定的理想形状的薄度。弹性体材料可以是热塑性弹性体(tpe)，例如与吸收剂材料(例如碳)组合的热塑性聚氨酯(tpu)。
附图说明
9.图1示出了其中结合有碳颗粒的烧结多孔弹性体材料片材的透视图。
10.图2示出了图1的材料被卷曲以阐明其柔性和可压缩性的透视图。
具体实施方式
11.本公开涉及用于提供改善的排气、传导(热和电)、过滤、芯吸、施涂、和吸附、吸收和保护相关应用的弹性体多孔材料或介质的烧结薄片。在具体实例中，该材料可与电池的电极/正极组合使用。一个具体的实施方案可用作燃料元电池正极。现有的电池正极由作为粘合剂/基底的聚合物制成，其上应用浆料或其它类型的碳涂层。但是，这些材料不使用烧结多孔聚合物作为基底。这些材料也不是柔性的或可压缩的。这些材料也不具有掺入基底
材料的碳。
12.在一个具体实例中，多孔弹性体介质可由热塑性弹性体(tpe)制成。甚至更具体的实例从热塑性聚氨酯(tpu)制造多孔弹性体材料。其它弹性体介质也是可能的并被设想在本公开的范围内，如下所述。在本文所述的具体实例中，tpu可以与吸收剂材料烧结。在一个具体实例中，吸收剂材料可以是碳颗粒或介质。如果使用tpu以外的弹性体，则弹性体材料也可以与碳颗粒或介质烧结。(另外地或可选地，在其它实例中，tpu可以用碳颗粒或介质分层。)
13.为了提供一种示例性的期望的电导率，所使用的碳的量可以在超过70％的范围内。(这是高于用于过滤目的的碳的范围，用于过滤目的通常在约小于60％的范围内)。使用其中掺入(和/或应用其上)更高百分比的碳的tpu可提供一种导电产品，其可被弯折或形成为期望的形状，例如电极。
14.在其它实例中，如果不需要导电性，则tpu或其它类型的弹性体材料可以与碳颗粒或在约10-60％碳范围内的介质烧结。由于这些低碳组合物具有高机械强度和具有较少松散颗粒，因此其可用作气体吸收介质，如下文更详细描述的。
15.通过使用tpu或其它弹性体材料代替典型的塑料粘合剂来提供材料的可压缩性。电导率可以由碳提供。也可以将不同或其他导电材料复合或以其他方式结合至tpu(或其它弹性体材料)粘合剂中。可能的其他导电材料的非限制性示例包括活性碳、石墨烯、石墨、其任何组合、或任何其他合适的导电材料。
16.因此，本公开提供了一种由烧结多孔弹性体材料与碳颗粒或介质结合制成的新型多孔介质。所得的介质在成本、柔性、机械强度、弹性和组装性能方面相对于市场上已有的其它产品(例如纤维素纸、玻璃纤维、合成纤维、基于织造或非织造的多孔薄片材料和柔性开孔泡沫片状材料)提供整体优势。
17.所公开的烧结薄多孔弹性体材料可用于排气、传导(热和电)、过滤、芯吸、施涂、吸收和保护相关应用。例如，该材料可以相对于气体传感器定位。该材料可作为传感器过滤介质。可以设计孔径和材料厚度，使得允许第一类型的气体通过该材料并且第二类型的气体被吸收到该材料的基质中。这可以允许材料用于去除某些有机气体，但允许其它无机气体通过(或反之亦然)。在其它实例中，该材料可被用于吸收所有的醇类气体，但允许其它类型的气体通过。可以改变与弹性体材料结合的吸收性材料的量以增强或减弱介质的吸收性能。例如，可以将更多的碳装载至材料中以增强对某些气体、颗粒或某些类型的分子的吸收。通过改变形成过程中施加在材料上的压缩的量、时间和温度来改变孔径，这可以改变通过该材料的气体的空气流速(以及吸收或通过的气体类型)。
18.根据一些实施方案，适用于本公开的烧结弹性体多孔介质中的示例性弹性体包括热塑性弹性体(tpe)。在一些实施方案中，热塑性弹性体包括聚氨酯和热塑性聚氨酯(tpu)。在一些实施方案中，热塑性聚氨酯包括含有聚氨酯和聚酯或聚醚的多嵌段共聚物。
19.在其它实施方案中，适用于本公开的烧结多孔聚合物组分中的弹性体包括聚异丁烯、聚丁烯、丁基橡胶或其任何组合。在另一个实施方案中，弹性体包括乙烯和其它聚合物的共聚物，例如称为epm的聚乙烯-丙烯共聚物、聚乙烯-辛烯共聚物和聚乙烯-己烯共聚物或其任何组合。在进一步的实施方式中，弹性体可以包括氯化聚乙烯或氯磺化聚乙烯或其任何组合。
20.在一些实施方案中，适用于本公开的烧结多孔聚合物组分中的弹性体包含1,3-二烯及其衍生物。1,3-二烯包括苯乙烯-1,3-丁二烯(sbr)、具有不饱和羧酸的苯乙烯-1,3-丁二烯三元共聚物(羧基化sbr)、丙烯腈-1,3-丁二烯(nbr或丁腈橡胶)、异丁烯-异戊二烯、顺式-1,4-聚异戊二烯、1,4-聚(1,3-丁二烯)、聚氯丁烯以及异戊二烯或1,3-丁二烯与苯乙烯的嵌段共聚物，例如苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(sebs)。在其它实施方案中，弹性体包括聚氧化烯聚合物、丙烯酸树脂、或聚硅氧烷(硅酮)或其组合。
21.在各种实施方案中，用于制造烧结多孔弹性体材料体的弹性体可以选自氢化苯乙烯嵌段共聚物，例如kuraray co.,ltd.(pasadena,tx)的基于共聚酯的弹性体，例如dupont(wilmington,de)的和dsm(troy,mi)的arnitel；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，例如kraton corporation(houston,texas)的dynasol(houston,tx)的solprene和hexpol(sandusky,oh)的乙烯-辛烯共聚物，例如dow chemical(midland mi)的热塑性聚氨酯，例如huntsman(the woodlands,tx)的tx)的和covestro(pittsburgh,pa)的pa)的和basf(florham park,nj)的和lubrizol(breckville,oh)的estloc
tm
和pearthane
tm
；硅基弹性体，例如dow corning(midland,mi)的乙烯-醋酸乙烯酯(eva)，例如westlake chemical(houston,tx)的以及基于聚丙烯的弹性体，例如exxonmobile(spring,tx)的vistamaxx。可以使用本领域普通技术人员已知的其它弹性体材料。也可以使用任何上述材料的组合。
22.根据本公开的一些实施方案，烧结多孔弹性体组分包含至少一种弹性体。
23.根据本公开的一些实施方案，烧结多孔弹性体组分包含不同弹性体的混合物。
24.根据本公开的一些实施方案，烧结多孔弹性体组分包含至少一种弹性体和另一种类型的固体颗粒。
25.固体颗粒可以是塑料颗粒、填料、着色剂、吸收性颗粒，例如二氧化硅、活性碳、金属氧化物骨架(mof)、分子筛、沸石、基于聚苯乙烯的吸收性树脂、或其任何组合。
26.二氧化硅可以是任何粉末形式的二氧化硅，其多孔孔径为2nm至300nm，表面积为5m2/g至约800m2/g。
27.吸收性活性碳可以是碘值高于500mg/g的任何活性碳。这种类型的活性碳可广泛获得自calgon corporation、cabot corporation haycarb corporation、puragen corporation、jacobi corporation。
28.导电碳及其衍生物可以是具有高导电性的任何粉末形式的碳，例如碳黑、碳纳米管、石墨或其任何组合。电导率高于0.01s/cm。
29.热塑性弹性体(或弹性体颗粒)可以与其它材料结合。在一个实例中，弹性体颗粒具有约10重量％至约90重量％的量。在其它实施方案中，烧结多孔聚合物组分包含约20重量％至约80重量％的量的至少一种弹性体。在另一个实施方案中，烧结多孔聚合物组分包含约30重量％至约70重量％的量的至少一种弹性体。在进一步的实施方案中，烧结多孔聚
合物组分包含约40重量％至约60重量％的量的至少一种弹性体。
30.烧结薄多孔弹性体材料可具有约5％至约80％或约10％至约70％的孔隙率。在进一步的实施方案中，包含至少一种塑料和至少一种弹性体的烧结多孔聚合物组分具有约2％至约60％的孔隙率。
31.烧结多孔弹性体材料可具有约1μm至约200μm的平均孔径。在其它实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有约2μm至约150μm、约5μm至约100μm或约10μm至约50μm的平均孔径。在另一个实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有小于约1μm的平均孔径。
32.根据一些实施方案，烧结多孔弹性体材料可具有约0.1g/cm3至约1g/cm3的密度。在其它实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有约0.2g/cm3至约0.8g/cm3或约0.4g/cm3至约0.6g/cm3的密度。在进一步的实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有大于约1g/cm3的密度。
33.在一些实施方案中，烧结多孔弹性体材料可具有小于约15psi的根据astm d747的硬度。在其它实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有小于约10psi的根据astm d747的硬度。在进一步的实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有小于约5psi的根据astm d747的硬度。在另一个实施方案中，烧结多孔弹性体材料具有小于约1psi的根据astm d747的硬度。
34.此外，在一些实施方案中，烧结多孔弹性体材料可具有根据astm d638测量的约10至约5,000psi的抗张强度。烧结多孔弹性体材料具有根据astm d638测量的约50-3000psi或约100-1,000psi的抗张强度。
35.在一些实施方案中，烧结多孔弹性体材料可具有10％至500％的伸长率。这可以基于各种标准，例如astm d412。
36.本公开的烧结多孔弹性体材料可以是亲水性的、疏水性的以及甚至具有疏油性。
37.在一个具体实施方案中，烧结多孔弹性体材料包含弹性体颗粒和高表面积吸附性或吸收性颗粒。
38.在另一个实施方案中，吸收性颗粒是活性碳、分子筛和高表面积聚苯乙烯基树脂、聚丙烯酸酯基树脂。
39.在进一步的实施方案中，本公开的弹性体颗粒可以是导电的、导热的或既导电又导热的。
40.本公开的烧结多孔弹性体材料可以是复合的且导电的、导热或既导电又导热。本公开中的烧结多孔介质的电导率可以是10-2至10-12s/m、10-4至10-10s/m、或10-6至10-8s/m。
41.高表面积吸附性或吸收性颗粒可用于去除蒸气、气体或毒气以使空气流过材料。用于去除或吸收蒸气或气体的颗粒可以是活性碳、分子筛、聚合物吸收性树脂，例如基于聚苯乙烯/二乙烯基苯的吸收或离子交换树脂。
42.在本公开的另一个具体实施方案中，本公开的烧结多孔弹性体材料以薄片形式提供。本公开中的烧结多孔弹性体介质的厚度可以是约50微米至5000微米、或100微米至2000微米、或500微米至1000微米。总体目标是使用弹性体颗粒允许所得材料是可压缩的且薄的。该材料可以通过烧结和压缩形成。压缩可将材料压平成能够被最终用户切割的片状形式。图1示出了材料的示例性片材。如图2所示，一旦形成或切割成所需的形状，材料可以被卷曲或压缩。材料的薄度允许其被定位在过滤器或传感器或其它气体排放特征中。
43.任何上述实施方案的各种组合也被设想在本公开和所附权利要求的范围内。
44.本发明的材料可以通过加热或通过粘合剂层压至其它基底上。
45.制造方法
46.在一些实施方案中，多孔弹性体材料和任何另外的添加剂颗粒可在约93℃至约371℃范围内的温度下烧结。在具体实例中，弹性体颗粒可以是tpe或tpu颗粒。在具体实例中，添加剂颗粒可以是碳颗粒。在一些实施例中，添加剂颗粒和弹性体颗粒在约149℃至约260℃范围内的温度下烧结。根据本发明的实施方案，烧结温度取决于添加剂和弹性体颗粒的特性，并根据添加剂和弹性体颗粒的特性选择。
47.在一些实施方案中，弹性体颗粒和添加剂颗粒可被烧结的时间段在约30秒至约30分钟范围内。在其它实施方案中，添加剂颗粒和弹性体颗粒可被烧结的时间段在约1分钟至约15分钟或约5分钟至约10分钟范围内。在一些实施方案中，烧结过程包括加热、浸泡和/或蒸煮循环。此外，在一些实施方案中，添加剂和弹性体颗粒的烧结在环境压力(1atm)下进行。在其它实施方案中，塑料和弹性体颗粒的烧结在高于环境压力的压力下进行。
48.实施例
49.实施例1
50.购买自amazon的燃料元电池。拆卸该电池，去除原有的碳正极并用三种不同的负载有活性碳的烧结多孔弹性体和塑料电导介质代替。测量电池的电压。
51.表1
52.电池的电压和烧结多孔材料的电导率
[0053][0054]
*电导率是用万用表测量的，两个电极在样品的同一侧相距1厘米。
[0055]
实施例2
[0056]
具有用于去除h2s的活性碳的烧结多孔tpu弹性体材料。
[0057]
将平均粒径为约100微米的tpu与平均粒径为70微米的活性碳以70％至30％的重量比混合。将混合物填充至具有3.2mm厚度的开口的模具中，并在160℃下烧结5分钟。将所得片材依次压缩至2.4mm和1.6mm。
[0058]
上述产品的基本物理性质示于表2。
[0059]
表2
[0060]
具有不同压缩比的具有活性碳的烧结多孔tpu的物理性质
[0061]
**在25g负载下测试，且试样宽1.25cm。
[0062]
*气流在1英寸水下测得。
[0063]
具有不同压缩比的具有活性碳的烧结tpu的h2s去除性能示于表3中。
[0064]
表3在不同压缩比下具有活性碳的烧结多孔tpu的h2s去除
[0065][0066]
实施例3
[0067]
具有活性碳分子和分子筛的烧结多孔tpu弹性体材料
[0068]
将平均粒径为约200微米的tpu、平均粒径为70微米的活性炭和平均粒径为40微米的以60重量％、30重量％和20重量％的重量比混合。将混合物填充至具有3.2mm厚度的开口的模具中，并在160℃下烧结5分钟。产物具有约90微米的大孔径和50％的孔值。