聚合物-陶瓷核-壳颗粒粉末及其制备方法和包含该粉末的制品与流程

聚合物-陶瓷核-壳颗粒粉末及其制备方法和包含该粉末的制品
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年2月14日提交的欧洲专利申请第20157486.0号和2019年9月27日提交的美国临时专利申请第62/907175号的优先权，其均通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开内容一般地涉及陶瓷-热塑性复合材料，更具体地但不作为限制，涉及其中聚合物表现出诱导的结晶度的聚合物-陶瓷核-壳颗粒粉末，以及相关的方法和制品。


背景技术：

4.目前，具有高比例陶瓷的陶瓷-聚合物复合材料的数量有限。已知的陶瓷-聚合物复合材料通常包含显著小于50体积％的陶瓷，以及显著大于50体积％的聚合物。
5.第一类所述陶瓷-聚合物复合材料依赖于热固性方法，其中单体与多孔陶瓷结构结合并固化以形成复合材料。但是这种方法一般需要过长的固化时间，并且最终件的密度一般取决于陶瓷中孔隙的大小和树脂的黏度。
6.第二类所述陶瓷-聚合物复合材料依赖于热塑性聚合物，其一般不需要时间来固化，而是可以简单地加热至熔化并随后冷却以使热塑性聚合物凝固，从而允许相对较快的加工。陶瓷填料已与热塑性塑料复合以实现某些性质，包括刚度和强度。然而，由于常规复合技术的限制，所述热塑性聚合物中的陶瓷填料含量通常被限制在显著小于50体积％。例如，在这种类型的传统方法中，向聚合物中加入陶瓷填料并在挤出机中复合该混合物并制粒。通常，陶瓷填料在聚合物基质中的分散和分布高度依赖于陶瓷和聚合物的类型、其他添加剂和偶联剂、混合速率、剪切速率、温度及各种其他参数。至少由于这些限制，聚合物基质中较高比例的陶瓷填料(例如，大于50体积％)是有挑战性的，并且可能例如损坏挤出机中的螺杆(取决于陶瓷的硬度)及由于剪切和热而使聚合物降解。
7.第三类所述陶瓷-聚合物复合材料依赖于最近发现的称为“冷烧结”的方法，其各个方面可见述于美国专利申请公开第us 2017/0088471号及pct申请公开(1)第wo 2018/039620号、(2)第wo 2018/039628号、(3)第wo 2018/039619号和(4)第wo 2018/039634号中。然而，冷烧结的一个缺点是并非所有陶瓷都可有效地冷烧结。例如，某些结构陶瓷，比如氧化铝、氧化锆、氧化钛和碳化硅，通常不能被冷烧结。另外，通过冷烧结产生的结构通常使用陶瓷作为基质和聚合物作为填料，这通常导致不同的结构性质和对各种最终用途应用的不同适用性。
8.第四类所述陶瓷-聚合物复合材料可涉及将非晶聚合物溶解在溶剂中并将陶瓷颗粒混合至聚合物-溶剂混合物中。例如，可使用喷动床造粒方法来产生聚合物涂覆的陶瓷粉末，如wolff,composites science and technology 90(2014)154
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159中所描述的。


技术实现要素：

9.本公开内容包括其中聚合物壳表现出诱导的结晶度的聚合物-陶瓷核-壳颗粒、该核-壳颗粒的粉末和团粒、以粉末和团粒形式制备该核-壳颗粒的方法、以及由该核-壳颗粒的粉末模制部件的方法。该核-壳颗粒包含核和围绕核的壳，其中壳包含表现出诱导的结晶度的聚合物，并且核包含陶瓷。聚合物一般是非晶的，但当形成本发明的核-壳颗粒的壳时表现出诱导的结晶度，并且选自以下聚合物：聚碳酸酯(pc)共聚物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酰亚胺(pei)共聚物、聚苯砜(ppsu)、聚芳醚砜(paes)和聚醚砜(pes)。聚合物壳的诱导的结晶度是可识别的并且其特征在于壳的聚合物表现出玻璃化转变温度(tg)和熔融温度(tm)，例如通过下述差示扫描量热法(dsc)测定。陶瓷选自以下陶瓷：氧化铝(al2o3)、氧化铁(fe2o3)、铁(ii、iii)氧化物(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化锆(zro2)和二氧化硅(sio2)。该核-壳颗粒及其粉末和团粒允许通过常规方法如压缩成型和注射成型来模制具有高陶瓷含量的陶瓷-复合材料模制部件。
10.本发明的制备聚合物-陶瓷核-壳颗粒的方法允许形成具有相对均匀的聚合物壳材料涂层的该核-壳颗粒。更具体地，在本发明的核-壳颗粒(通过本发明的方法形成的)中，壳可基本上包围核的所有表面，至少为其中聚合物占核-壳颗粒的至少10体积％的结构。同样，本发明的核-壳颗粒(通过本发明的方法形成的)便于陶瓷-聚合物复合材料件的模制，与其中件由单独的陶瓷颗粒和聚合物颗粒的混合物模制而成的现有复合方法相比，陶瓷颗粒的团聚显著减少。举例来说而不受特定理论的限制，目前认为在陶瓷核上形成的基本上均匀的聚合物涂层使得聚合物在加工和模制过程中抵抗与陶瓷分离，并从而抵抗陶瓷核之间的接触(和团聚)。此外，本发明的制备聚合物-陶瓷核-壳颗粒的方法允许形成相对细的、相对一致的粉末而不需要研磨或筛分。本发明的方法还可产生尺寸相对于起始聚合物粉末变化较小的核-壳颗粒，这进而导致相比于用其中件由单独的陶瓷颗粒和聚合物颗粒的混合物模制而成的传统复合方法模制部件中可实现更均匀的陶瓷和聚合物分布。例如，如下面在表1b中更详细地描述的，pps-al2o3的dv90为所述实施例中使用的原始pps粉末的dv90的约32％。
11.最后，本发明的方法允许形成具有相对大的陶瓷分数(例如，大于50体积％、50体积％至90体积％、50体积％至70体积％和/或诸如此类的)的聚合物-陶瓷核-壳颗粒的粉末。再举例来说，对于55:45至65:45的陶瓷:聚合物体积比，陶瓷颗粒可具有2m2/g至4m2/g(例如，2m2/g至2.5m2/g、2m2/g至3m2/g、2m2/g至3.5m2/g、2.5m2/g至3m2/g、2.5m2/g至3.5m2/g、2.5m2/g至4m2/g、3m2/g至3.5m2/g、3m2/g至4m2/g或3.5m2/g至4m2/g)的表面积；对于50:50至60:40的陶瓷:聚合物体积比，陶瓷颗粒可具有3m2/g至6m2/g(例如，3m2/g至3.5m2/g、3m2/g至4m2/g、3m2/g至4.5m2/g、3m2/g至4m2/g、3m2/g至5m2/g、3m2/g至4m2/g、3m2/g至5.5m2/g、3.5m2/g至4m2/g、3.5m2/g至4.5m2/g、3.5m2/g至5m2/g、3.5m2/g至5.5m2/g、4m2/g至4.5m2/g、4m2/g至5m2/g、4m2/g至5.5m2/g、4.5m2/g至5m2/g、4.5m2/g至5.5m2/g或5m2/g至5.5m2/g)的表面积；对于60:40至70:30的陶瓷:聚合物体积比，陶瓷颗粒可具有1m2/g至3m2/g(例如，1m2/g至1.5m2/g、1m2/g至2m2/g、1m2/g至2.5m2/g、1.5m2/g至2m2/g、1.5m2/g至2.5m2/g、1.5m2/g至3m2/g、2m2/g至2.5m2/g、2m2/g至3m2/g或2.5m2/g至3m2/g)的表面积；对于70:30至90:10的陶瓷:聚合物体积比，陶瓷颗粒可具有0.5m2/g至2m2/g(例如，0.5m2/g至1m2/g、0.5m2/g至1.5m2/g、0.5m2/g至2m2/g、1m2/g至1.5m2/g、1m2/g至2m2/g或1.5m2/g至2m2/g)的表面积。
12.举例来说，具有较高比例的结构陶瓷(即，al2o3、zno、fe2o3、fe3o4、zro2或sio2)的聚合物-陶瓷核-壳颗粒在结构部件比如齿轮、ce壳体、防护罩等中可能是有益的，因为这些类型的应用通常得益于例如耐磨性、硬度、耐刮擦性、韧性和刚度的性质。另外，在聚合物基质中包含陶瓷颗粒可允许调节和/或选择对于某些电子应用可能有益的性质，例如介电常数、耗散因子和rf透明度。
13.本发明的陶瓷-聚合物复合粉末的某些结构包括：多个核-壳颗粒，其中：每个核-壳颗粒包含核和围绕核的壳；核包含选自以下陶瓷的陶瓷颗粒：al2o3、fe3o4、fe2o3、zno、zro2、sio2以及这些陶瓷中任意两种或多于两种的组合；壳包含选自以下聚合物的聚合物：聚碳酸酯(pc)共聚物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酰亚胺(pei)共聚物、聚苯砜(ppsu)、聚芳醚砜(paes)和聚醚砜(pes)；其中核-壳颗粒是粉末形式。核-壳颗粒可包含50体积％至90体积％的陶瓷，以及10体积％至50体积％的聚合物；和/或可以具有100纳米(nm)至100微米(μm)的dv50。通常，基本上所有聚合物是非交联的。
14.本发明的致密聚合物-陶瓷复合材料制品的某些结构包括：聚合物基质和设置在聚合物基质中的陶瓷填料；其中陶瓷填料包括选自以下陶瓷的陶瓷颗粒：al2o3、fe3o4、fe2o3、zno、zro2、sio2以及这些陶瓷中任意两种或多于两种的组合；其中聚合物基质包含选自以下聚合物的聚合物：聚碳酸酯(pc)共聚物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酰亚胺(pei)共聚物、聚苯砜(ppsu)、聚芳醚砜(paes)和聚醚砜(pes)；并且其中制品的相对密度大于90％。陶瓷填料可占制品的50体积％至90体积％，并且聚合物基质可占制品的10体积％至50体积％。通常，陶瓷颗粒基本上无团聚。
15.本发明的陶瓷-聚合物复合材料也可以被制粒(转化为团粒形式)。该团粒材料可包含：各自包含多个核-壳颗粒的多个固体团粒，其中：每个核-壳颗粒包含核和围绕核的壳；核包含选自以下陶瓷的陶瓷颗粒：al2o3、fe3o4、fe2o3、zno、zro2、sio2以及这些陶瓷中任意两种或多于两种的组合；壳包含选自以下聚合物的聚合物：聚碳酸酯(pc)共聚物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酰亚胺(pei)共聚物、聚苯砜(ppsu)、聚芳醚砜(paes)和聚醚砜(pes)；并且邻近的核-壳颗粒的壳联结以抵抗邻近的核-壳颗粒的分离和相应团粒的变形。在该团粒中，核-壳颗粒可包含50体积％至90体积％的陶瓷，以及10体积％至50体积％的聚合物。通常，基本上所有聚合物是非交联的。
16.在本发明的形成陶瓷-聚合物复合材料粉末的方法的某些实施方式中，该方法包括：混合聚合物、溶剂和陶瓷颗粒；通过将混合物过热至高于溶剂的正常沸点的第一温度并同时将混合物保持在溶剂基本上保持液态的第一压力下，将聚合物至少部分地溶解在溶剂中；搅拌过热的混合物数分钟，同时保持混合物处于或高于第一温度和处于或高于第一压力；将混合物冷却至或低于溶剂的正常沸点以下的第二温度，以使聚合物沉淀在陶瓷颗粒上，从而形成各自包含核和围绕核的壳的多个核-壳颗粒，其中核包含陶瓷颗粒并且壳包含聚合物。在该方法中，聚合物选自以下聚合物：聚碳酸酯(pc)共聚物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酰亚胺(pei)共聚物、聚苯砜(ppsu)、聚芳醚砜(paes)和聚醚砜(pes)；并且其中陶瓷选自以下陶瓷：al2o3、fe3o4、fe2o3、zno、zro2、sio2以及这些陶瓷中任意两种或多于两种的组合。
17.在由本发明的核-壳颗粒模制部件的本发明方法的某些实施方式中，方法包括：使本发明的聚合物-陶瓷核-壳颗粒中的一个的粉末经受第一压力，同时使粉末处于或高于超过聚合物熔融温度的第一温度；其中粉末基本上填充模具的腔体的工作部分。
18.除非本公开另有明确要求，否则要素前无数量词定义为一个或多于一个。如本领域普通技术人员理解的，术语“基本上”和“约”各自定义为在很大程度上是但不一定完全是所指定的要素(并包括所指定的要素；例如，基本上90度包括90度)。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”或“约”可替换为在所指定的“偏差在[百分数]内”，其中百分数包括0.1％、1％、5％和10％。
[0019]
表述“和/或”指“和”或“或”。为了说明，a、b和/或c包括：单独的a、单独的b、单独的c、a和b的组合、a和c的组合、b和c的组合、a、b和c的组合。换句话说，“和/或”为包容性的或。表述“a和b中的至少一个”具有与“a、b、或a和b”相同的含义。
[0020]
此外，以某种方式配置的设备或系统至少以这种方式配置，但也可以非具体描述的其他方式配置。
[0021]
术语“包含”、“具有”和“包括”是开放式连接动词。因此，“包含”、“具有”或“包括”一个或多于一个元素的装置拥有那些一个或多于一个元素，但不限于仅拥有那些一个或多于一个元素。同样，“包含”、“具有”或“包括”一个或多于一个步骤的方法拥有那些一个或多于一个步骤，但不限于仅拥有那些一个或多于一个步骤。
[0022]
如本文所用，如果将颗粒建模为球体，则颗粒的“尺寸”或“直径”是指其等效直径——本文中称为其直径。例如，建模颗粒的球体可例如是具有或产生针对颗粒测量的值如颗粒的质量和/或体积、颗粒散射的光等的球体。分散体的颗粒可以但不必是球形的。
[0023]
任何装置、系统和方法的任何实施方案可由或基本上由任何所描述的步骤、元素和/或特征组成，而不是包含/具有/包括任何所描述的步骤、元素和/或特征。因此，在任何权利要求中，术语“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”可代替上面叙述的任何开放式连接动词，以改变使用开放式连接动词原本将具有的给定权利要求的范围。
[0024]
一个实施方案的特征可应用于其他实施方案，即便未描述或示意，除非本公开或实施方案的性质明确禁止。
[0025]
上文描述了与实施方案相关的一些细节，其他细节将在下文描述。
附图说明
[0026]
以下附图以示例而非限制的方式说明。为简洁和清楚，给定结构的每个特征并不总是在该结构出现的每个图中都标记出来。相同的附图标记不一定指示相同的结构。相反，可使用相同的附图标记来指示相似的特征或具有相似功能的特征，非相同的附图标记也可以。
[0027]
图1为包含聚合物壳和聚合物核的本发明的一个核-壳颗粒的示意图。
[0028]
图2为由本发明的核-壳颗粒的干粉模制的部件的内部结构的示意图。
[0029]
图3为制备本发明的核-壳颗粒的粉末的方法的一个实例的流程图。
[0030]
图4为可用于制备本发明的核-壳颗粒的粉末的一个类型的搅拌反应器的示意图。
[0031]
图5为由本发明的核-壳颗粒的粉末模制部件的方法的一个实例的流程图。
[0032]
图6为用于模制部件的压缩模具的示意图。
[0033]
图7a、图7b和图7c为未涂覆的zno颗粒、pei共聚物-zno核-壳颗粒和由pei共聚物-zno核-壳颗粒的粉末制成的压缩模制复合材料件的扫描电子显微镜(sem)图像。
[0034]
图8a和图8b分别为未涂覆的al2o3颗粒和ppsu-al2o3核-壳颗粒的扫描电子显微镜
(sem)图像。
[0035]
图9a、图9b和图9c分别为第二类型的未涂覆的al2o3颗粒、ppsu-al2o3核-壳颗粒和由ppsu-al2o3核-壳颗粒的粉末制成的压缩模制复合材料件的扫描电子显微镜(sem)图像。
具体实施方式
[0036]
现在参考附图，更特别地参考图1，图1为包含核14和围绕核的壳18的本发明的一种核-壳颗粒10的示意图。在所示意的配置中，例如，核14包含氧化铝(al2o3)、氧化铁(fe2o3)、铁(ii、iii)氧化物(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化锆(zro2)或二氧化硅(sio2)的单一颗粒，并可具有球形、细长(例如，圆柱形)、不规则或其他如图所示的奇特形状。在其他配置中，核可包含两个或多于两个颗粒的团聚体，和/或可具有基本上球形的形状。壳18包含选自以下聚合物的聚合物：聚碳酸酯(pc)共聚物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚酰亚胺(pei)共聚物、聚苯砜(ppsu)、聚芳醚砜(paes)和聚醚砜(pes)。在所示意的配置中，壳18基本上覆盖或包围整个核14。在其他配置中，壳不必覆盖或包围整个核(例如，可覆盖核的大部分)。如下文更详细地描述的，本发明的方法允许形成非交联的聚合物壳(例如，18)，并且对于某些聚合物，其表现出诱导的结晶度。
[0037]
在本发明的核-壳颗粒中，核(例如，14)可具有100纳米(nm)至100微米(μm)的粒度(例如，直径或最小横向尺寸)。例如，在本发明的方法中用于形成核-壳颗粒的陶瓷粉末的核可具有100nm至100μm(例如，100nm至500nm、100nm至400nm、1μm至100μm、1μm至50μm、2μm至50μm、3μm至20μm、2μm至10μm、3μm至10μm、4μm至10μm)的dv90或dv50。
[0038]
本发明的粉末包含多个例如呈粉末形式的颗粒10。例如，粉末的特征可以在于小于百万分之3000(3000ppm)(例如，小于2000ppm、小于1000ppm)的聚合物溶剂含量(聚合物可溶解于其中的溶剂)。然而，在一些配置中，粉末可与不是聚合物溶剂的液体(聚合物不会溶解于其中的液体)如水混合和/或悬浮在其中。在该配置中，液体可阻止和/或防止颗粒变成气载的或透气的，例如用于运输和处理较细的粉末。
[0039]
在该粉末的一些配置中，核-壳颗粒包含50体积％至90体积％的陶瓷(例如，50体积％至70体积％的陶瓷)。
[0040]
图2为由本发明的核-壳颗粒10的干燥粉末模制的部件的内部结构示意图。如图所示，邻近的颗粒的聚合物壳18融合在一起以填充颗粒之间的空隙并将颗粒结合于一起。如图所示，粉末中相对较高比例(例如，50体积％至90体积％)的陶瓷相应地意味着模制部件的较高比例也是陶瓷。此外，模制之前颗粒的核-壳结构导致聚合物在模制部件的基质内更均匀的分布。举例来说，本发明的核-壳颗粒中陶瓷颗粒基本上无团聚和/或基本上所有陶瓷颗粒各自基本上被聚合物所包围，使得能够模制同样基本上无团聚和/或其中基本上所有陶瓷颗粒与邻近的陶瓷聚合物颗粒被聚合物层分开的部件。
[0041]
本发明的粉末还可被制粒或联结成团粒形式，其中邻近的核-壳颗粒的壳联结以抵抗邻近的核-壳颗粒的分离和相应团粒的变形。例如，本发明的粉末可在挤出机中经受升高的温度和压力。该温度可处于或接近核-壳颗粒中聚合物的玻璃化转变温度(tg)或熔融温度(tm)以使聚合物发黏但不液化，并且该压力(例如，在挤出期间)可相对于环境升高，使得邻近的核-壳颗粒的壳充分地联结以抵抗分离但不会太多地联结以至于失去邻近的壳的独立边界/身份。在该配置中，团粒形式可促进核-壳颗粒的运输(例如，分布)。该团粒化可
通过本领域已知的各种方法和工艺中的任一种来实现，例如经由螺杆挤出机实现。
[0042]
聚碳酸酯(pc)共聚物
[0043]
聚碳酸酯(pc)一般是指一组含有碳酸酯基团的热塑性聚合物。工程中使用的pc是坚固、坚韧的材料，并且一些牌号是光学透明的。pc通常易于加工、模制和热成形，并因此可用于多种应用中。本发明的配置和实施方式采用聚碳酸酯共聚物或互聚物而不是均聚物。聚碳酸酯共聚物可包括包含两种或多于两种不同类型的碳酸酯单元的共聚碳酸酯，例如衍生自bpa和pppbp的单元(可自sabic以商品名xht或cxt商购获得)；衍生自bpa和dmbpc的单元(可自sabic以商品名dmx商购获得)；或衍生自bpa和异佛尔酮双酚的单元(可自bayer以商品名apec商购获得)。聚碳酸酯共聚物还可包含非碳酸酯的重复单元，例如重复的酯单元(聚酯-碳酸酯)，如包含间苯二酚间苯二甲酸酯和对苯二甲酸酯单元及双酚a碳酸酯单元的，如可自sabic以商品名lexan slx商购获得的；包含双酚a碳酸酯单元和间苯二甲酸酯-对苯二甲酸酯-双酚a酯单元的，通常也称为聚(碳酸酯-酯)(pce)或聚(邻苯二甲酸酯-碳酸酯)(ppc)，取决于碳酸酯单元和酯单元的相对比率；或包含双酚a碳酸酯单元和c
6-12
二羧酸酯单元如癸二酸酯单元的(可自sabic以商品名hfd商购获得)。其他聚碳酸酯共聚物可包含重复的硅氧烷单元(聚碳酸酯-硅氧烷)，例如包含双酚a碳酸酯单元和硅氧烷单元的(例如，含有5至200个二甲基硅氧烷单元的嵌段)，如可自sabic以商品名exl商购获得的；或既包含酯单元又包含硅氧烷单元(聚碳酸酯-酯-硅氧烷)，例如包含双酚a碳酸酯单元、间苯二甲酸酯-对苯二甲酸酯-双酚a酯单元和硅氧烷单元的(例如，含有5至200个二甲基硅氧烷单元的嵌段)，如可自sabic以商品名fst商购获得的。可使用任何上述材料的组合。
[0044]
聚醚酰亚胺(pei)和聚醚酰亚胺(pei)共聚物
[0045]
聚醚酰亚胺(pei)是一种非晶、琥珀色至透明的热塑性塑料，其特性在一些方面类似于聚醚醚酮(peek)。相对于peek，pei的冲击强度和使用温度可能较低。pei的实例可自sabic innovative plastics以商品名ultem、silem和extem获得。
[0046]
聚醚酰亚胺可选自聚醚酰亚胺均聚物例如聚醚酰亚胺、聚醚酰亚胺共聚物例如聚醚酰亚胺砜、及其组合。聚醚酰亚胺包括但不限于已知的聚合物，如由sabic innovative plastics以ultem*、extern*和siltem*品牌(sabic innovative plastics ip b.v.的商标)出售的。
[0047]
聚芳醚砜(paes)
[0048]
聚芳醚砜或聚(芳基醚砜)(paes)通常是直链、非晶、可注射模制的聚合物，具有许多期望的特征如优异的耐高温性、良好的电性质和韧性。由于其优异的性质，聚(芳基醚砜)可用于制造各种有用的制品如模制制品、膜、片材和纤维。
[0049]
聚苯砜(ppsu)
[0050]
聚苯砜(ppsu)是一种非晶、耐热且透明的高性能热塑性塑料。ppsu在本领域中公认为具有高韧性及挠曲和拉伸强度、优异的水解稳定性以及耐化学性和耐热性。
[0051]
下文描述的ppsu实施例采用非晶聚苯砜，cas登记号25608-64-4，重均分子量为50100克/摩尔，数均分子量为18500克/摩尔(通过凝胶渗透色谱法使用聚苯乙烯标准物测定)；按重量计，羟基含量小于百万分之10；并作为radel*r5100-5聚苯砜以团粒形式获得。radel是solvay,inc.的商标。
[0052]
聚醚砜(pes)
[0053]
聚醚砜(pes)通常是直链、非晶、可注射模制的聚合物，具有许多期望的特征如优异的耐高温性、良好的电性质和韧性。由于其优异的性质，聚醚砜可用于制造各种有用的制品如模制制品、膜、片材和纤维。pes具有高的耐化学性和耐溶剂性并特别适用于制造在高温和长时间下暴露于溶剂或化学试剂的制品。因此，pes可用于制品如医疗托盘中，这些制品要经受反复且严格的灭菌程序。
[0054]
制备聚合物-陶瓷核-壳颗粒的粉末的方法
[0055]
现在参考图3和4，图3描述了制备本发明的核-壳颗粒(例如，10)的粉末的方法的一个实例的流程图100，图4描述了可用于制备本发明的核-壳颗粒的粉末的一种类型的搅拌反应器150(例如，parr
tm
反应器)的示意图。
[0056]
首先将陶瓷颗粒与溶剂混合可具有某些益处，例如，减少陶瓷颗粒的团聚。无论是从粉末形式时不团聚的陶瓷颗粒开始，还是从粉末形式时已团聚的陶瓷颗粒开始，这种益处都可实现。例如，下文描述的实施例中使用的al2o3粉末(cas 1344 28-1)得自alfa aesar，并在用于本发明的方法之前其原始形式中包含平均粒度为20μm至50μm、表面积为5m2/g至6m2/g的球形中空颗粒。在添加聚合物之前将这些中空颗粒与溶剂混合导致中空颗粒分解成其更小的固体颗粒组分，这些固体颗粒具有1μm或小于1μm的平均粒度，同时还抵抗后续混合、溶解和在固体陶瓷颗粒上沉淀聚合物的过程中固体颗粒的重新团聚。
[0057]
在步骤104处，将聚合物、溶剂和陶瓷颗粒混合在一起。聚合物、溶剂和陶瓷可在单个容器中同时混合，或者可依次混合。例如，首先可将陶瓷颗粒混合至溶剂中(例如，在第一容器中，例如均化器)，随后可将聚合物混合至溶剂-陶瓷混合物中(例如，在第一容器中或在第二容器中，如搅拌反应器150的壳体或容器154)。如下所述，溶剂可包含可在过热条件下溶解聚合物的任何溶剂。可与某些本发明的聚合物一起使用的溶剂的实例包括甲基乙基酮(mek)、n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)、邻二氯苯(odcb)、二氯甲烷和二甲苯。举例来说，odcb可与pei和某些pei共聚物一起使用，odcb可与ppsu一起使用，二氯甲烷可与pes一起使用，二甲苯可与某些pc共聚物一起使用。本发明的方法中可使用的其他溶剂包括在其中选定的聚合物在升高的温度下(例如，高于75℃、高于100℃、约150℃和/或高于200℃)易溶或可溶并在较低的温度下(例如，低于50℃，如在环境温度下)微溶或难溶的溶剂。如本文所使用的，易溶需要1ml至10ml溶剂溶解1克(g)聚合物，可溶需要10ml至30ml溶剂溶解1克(g)聚合物；微溶需要100ml至1000ml溶剂溶解1克(g)聚合物；难溶需要1000ml至10000ml溶剂溶解1克(g)聚合物。
[0058]
在步骤108处，将聚合物、陶瓷和溶剂的混合物过热(例如，经由反应器150的加热元件158)以将聚合物至少部分地(例如，完全地)溶解在溶剂中。具体地，在溶剂保持液态的第一压力下将混合物加热至超过溶剂的正常沸点(并超过非晶聚合物的玻璃化转变温度)的第一温度。例如，在使用odcb作为溶剂时，可在高达180磅/平方英寸(psi)(例如，75psi)的压力下将混合物加热至250℃。又举例来说，在使用二甲苯作为溶剂时，可在高达180磅/平方英寸(psi)(例如，75psi)的压力下将混合物加热至200℃。当使用其他溶剂时，压力可保持在不同的水平下(例如，100psi)。
[0059]
在可与步骤108部分或完全同时的步骤112处，搅拌混合物(例如，经由反应器150的叶轮162)数分钟(例如，等于或大于1分钟、5分钟、10分钟、20分钟、30分钟、40分钟、50分钟、60分钟或大于60分钟)，同时将混合物的温度基本上保持在处于或高于第一温度，并使
innovative plastics ip b.v.)、180g odcb(分成140g和40g的两份)。氧化锌和pei共聚物的相对量导致氧化锌为形成的核-壳颗粒的约60体积％。
[0072]
步骤：在600ml烧杯中使用ika均化器(可得自ika works,inc.(美国北卡罗来纳州威尔明顿市))将氧化锌在140g的odcb中于15000转每分钟(rpm)下均化5分钟。然后使用少量的40g的odcb冲洗均化器头以从均化器头除去残余的氧化锌。然后将氧化锌和odcb混合物及pei共聚物加至具有搅拌器的600ml parr
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反应器壳体/容器中。使用40g的odcb中剩余的一些冲洗烧杯，然后将所有odcb加至parr
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反应器壳体中。然后将parr
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反应器壳体附接至parr
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反应器单元并开启反应器控制器。然后将来自氮气(n2)源的管线附接至parr
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反应器壳体的顶部空间端口，并用n2吹扫壳体中的顶部空间数次。在吹扫过程中，观察反应器壳体中的压力以确保紧密密封。具体地，已知密封的反应器壳体中的n2通常会达到80psi至95psi。因此，一旦将n2加至顶部空间，便关闭n2源并关闭parr
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反应器上的所有阀门。当压力在约45秒(s)后基本上保持恒定时，释放压力并用n2吹扫顶部空间总共两次或三次。相反，如果压力降低，则释放压力，再次拧紧单元，并重复过程直至压力保持恒定，其后可将顶部空间吹扫总共两次或三次。在吹扫顶部空间后，将热电偶插入至反应器壳体上的温度端口中，并打开或开启搅拌器的冷却水管线。然后在壳体附接至parr
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反应器单元的其余部分的点周围添加锁紧环并用手尽可能地拧紧。然后将加热器与反应器壳体对齐并固定在其周围。
[0073]
然后在反应器控制器上将初始温度设置在250℃，上限压力设置在180psi，上限温度设置在300℃。然后将加热器设置在设置ii(最高加热设置)，开启搅拌器/叶轮并设置为约250rpm。一旦温度达到约220℃，便将加热器下调至设置i以使温度更恒定地保持在250℃(以避免高于或低于250℃的温度波动)。一旦热电偶指示反应器壳体中的混合物已达到250℃，便使反应器在此温度下继续搅拌30分钟(min)。在此温度下，反应压力为约75psi或低于约75psi，但在其他实施方式中可达到高达100psi。30分钟后，关闭加热器并使混合物冷却至低于110℃的温度(如时间允许，可使混合物冷却至100℃)以确保所有pei共聚物已沉淀。一旦低于110℃，压力通常为约5psi。然后缓慢转动压力释放阀以将压力降至约0psi。一旦压力被释放，便关闭搅拌器，关闭反应器控制器，并关闭冷却水管线。然后除去加热器并将壳体与parr
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反应器单元的其余部分分开。然后将反应器壳体中的混合物倒入小烧杯中，并使用另外的约100毫升(ml)的odcb来从反应器壳体的内部冲洗残余材料以便转移至烧杯中。然后将烧杯中的材料倒入带有whatman gf/f玻璃微纤维滤纸的布氏漏斗和过滤烧瓶装置中。然后用约250ml甲醇(meoh)冲洗经过滤的湿滤饼，将其放置在铝盘中并在200℃下真空干燥过夜。图7a描述了氧化锌颗粒，而图7b描述了pei共聚物-氧化锌核-壳颗粒。然后测量所得的pei共聚物-zno核-壳颗粒的干燥粉末的某些性质并包括在下表1和表2中。
[0074]
2.实施例2：pei共聚物-fe2o3核-壳颗粒的粉末
[0075]
材料：16.12克(g)氧化铁(fe2o3)、2.66g pei共聚物团粒(crs5001)、180g odcb(分成140g和40g的两份)。氧化铁和pei共聚物的相对量导致氧化铁为形成的核-壳颗粒的约60体积％。
[0076]
步骤：实施例2的步骤与上文针对实施例1描述的步骤基本上相同，不同之处在于使用氧化铁(fe2o3)代替氧化锌(zno)。然后测量所得的pei共聚物-fe2o3核-壳颗粒的干燥粉末的某些性质并包括在下表1中。
[0077]
3.实施例3：pei共聚物-sio2核-壳颗粒的粉末
[0078]
材料：0.16克(g)二氧化硅(sio2)、2.66g pei共聚物(crs5001)、180g odcb(分成140g和40g的两份)。二氧化硅和pei共聚物的相对量导致二氧化硅为形成的核-壳颗粒的约60体积％。
[0079]
步骤：实施例3的步骤与上文针对实施例1描述的步骤基本上相同，不同之处在于使用二氧化硅(sio2)代替氧化锌(zno)。然后测量所得的pei共聚物-sio2核-壳颗粒的干燥粉末的某些性质并包括在下表1中。
[0080]
4.实施例4：pc共聚物-zro2核-壳颗粒的粉末
[0081]
材料：19.04克(g)氧化锆(zro2)、2.66g聚碳酸酯(pc)共聚物(lexan exl1463t,sabic innovative plastics ip b.v.)、180g二甲苯(分成140g和40g的两份)。氧化锆和pc共聚物的相对量导致氧化锆为形成的核-壳颗粒的约60体积％。
[0082]
步骤：在600ml烧杯中使用ika均化器(可得自ika works,inc.(美国北卡罗来纳州威尔明顿市))将氧化锆在140g份的odcb中于15000转每分钟(rpm)下均化5分钟。然后使用少量的40g的二甲苯冲洗均化器头以从均化器头除去残余的氧化锆。然后将氧化锆和二甲苯混合物及pc共聚物加至具有搅拌器的600ml parr
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反应器壳体/容器中。使用40g的二甲苯中剩余的一些冲洗烧杯，然后将所有的二甲苯加至parr
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反应器壳体中。然后将parr
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反应器壳体附接至parr
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反应器单元并开启反应器控制器。然后将来自氮气(n2)源的管线附接至parr
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反应器壳体的顶部空间端口，并用n2吹扫壳体中的顶部空间数次。在吹扫过程中，观察反应器壳体中的压力以确保紧密密封。具体地，已知密封的反应器壳体中的n2通常会达到80psi至95psi。因此，一旦将n2加至顶部空间，便关闭n2源并关闭parr
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反应器上的所有阀门。当压力在约45秒(s)后基本上保持恒定时，释放压力并用n2吹扫顶部空间总共两次或三次。相反，如果压力降低，则释放压力，再次拧紧单元，并重复过程直至压力保持恒定，其后可将顶部空间吹扫总共两次或三次。在吹扫顶部空间后，将热电偶插入至反应器壳体上的温度端口中，并打开或开启搅拌器的冷却水管线。然后在壳体附接至parr
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反应器单元的其余部分的点周围添加锁紧环并用手尽可能地拧紧。然后将加热器与反应器壳体对齐并固定在其周围。
[0083]
然后在反应器控制器上将初始温度设置在200℃，上限压力设置在180psi，上限温度设置在250℃。然后将加热器设置在设置ii(最高加热设置)，开启搅拌器/叶轮并设置在约250rpm。一旦温度达到约150℃，便将加热器下调至设置i以使温度更恒定地保持在200℃(以避免高于或低于200℃的温度波动)。一旦热电偶指示反应器壳体中的混合物已达到200℃，便使反应器在此温度下继续搅拌保持30分钟(min)。在此温度下，反应压力为约75psi或低于约75psi，但在其他实施方式中可达到高达100psi。30分钟后，关闭加热器并使混合物冷却至低于60℃的温度(如时间允许，可使混合物冷却至50℃)以确保所有pc共聚物已沉淀。一旦低于60℃，压力通常为约5psi。然后缓慢转动压力释放阀以将压力降至约0psi。一旦压力被释放，便关闭搅拌器，关闭反应器控制器，并关闭冷却水管线。然后除去加热器并将壳体与parr
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反应器单元的其余部分分开。然后将反应器壳体中的混合物倒入小烧杯中，并使用另外的约100毫升(ml)的二甲苯来从反应器壳体的内部冲洗残余材料以便转移至烧杯中。然后将烧杯中的材料倒入带有whatman gf/f玻璃微纤维滤纸的布氏漏斗和过滤烧瓶装置中。然后用约250ml甲醇(meoh)冲洗经过滤的湿滤饼，将其放置在铝盘中并在150℃下
真空干燥过夜。然后测量所得的pei共聚物-zno核-壳颗粒的干燥粉末的某些性质并包括在下表1中。
[0084]
5.实施例5：pei共聚物-zno核-壳颗粒的压缩模制团粒
[0085]
材料：3g如上述实施例1中所制备的crs5001-zno核-壳颗粒的干燥粉末。
[0086]
步骤：向铝盘中称量3g粉末。然后使用纸漏斗将粉末倒入内径为13毫米(mm)的圆柱形模中。然后用棒将粉末轻轻压实在模中，并在模周围安装加热夹套。然后将模加热至260℃的第一温度，并在第一温度下保持五(5)分钟。然后使用液压机向粉末施加5吨或370mpa的压力。然后将模具保持在第一温度下，粉末保持在压力下达三十(30)分钟的时间，之后关闭加热器并在保持压力的同时使模冷却。30分钟后，从模中取出pei共聚物-氧化锌复合材料团粒，对团粒称重并测量其尺寸以计算相对密度。图7c描述了经压缩的团粒的微观结构，并且团粒的某些特性包括在下表3中。
[0087]
6.实施例6：ppsu-al2o3核-壳颗粒的粉末
[0088]
材料：8.05克(g)氧化铝(al2o3)、1.95g ppsu、180g odcb(分成140g和40g的两份)。氧化铝和ppsu的相对量导致氧化铝为形成的核-壳颗粒的约60体积％。
[0089]
步骤：实施例6的步骤与上文针对实施例1描述的步骤基本上相同，不同之处在于使用ppsu代替pei共聚物，搅拌器/叶轮设置在50rpm而不是约250rpm，反应器在温度下保持15分钟而不是30分钟，使混合物冷却至23℃而不是100℃以确保完全沉淀，并且核-壳颗粒在190℃而不是200℃下干燥。图8a描述了氧化铝颗粒，图8b描述了ppsu-氧化铝核-壳颗粒。然后测量所得的ppsu-al2o3核-壳颗粒的干燥粉末的某些性质并包括在下表1和表2中。
[0090]
7.实施例7：ppsu-al2o3核-壳颗粒的粉末
[0091]
材料：8.05克(g)氧化铝(al2o3)、1.95g ppsu、180g odcb(分成140g和40g的两份)。氧化铝和ppsu的相对量导致氧化铝为形成的核-壳颗粒的约60体积％。ppsu为来自solvay的r5100，氧化铝为来自huber engineered materials的rn-405。
[0092]
步骤：本实施例7的步骤与上文针对实施例4描述的步骤基本上相同，不同之处在于使用ppsu代替pei共聚物，初始温度设置在230℃而不是250℃，使混合物冷却至23℃而不是60℃以确保完全沉淀，并且核-壳颗粒在190℃而不是200℃下干燥。图9a描述了氧化铝颗粒，图9b描述了ppsu-氧化铝核-壳颗粒。然后测量所得的这些ppsu-al2o3核-壳颗粒的干燥粉末的某些性质并包括在下表1和表2中。
[0093]
8.实施例8：ppsu-al2o3核-壳颗粒的压缩模制团粒
[0094]
材料：1.2g如上述实施例7中所制备的ppsu-al2o3核-壳颗粒的干燥粉末。
[0095]
步骤：实施例8的步骤与上文针对实施例5描述的步骤基本上相同，不同之处在于使用ppsu-al2o3核-壳颗粒而不是pei共聚物-zno核-壳颗粒，并且将模加热至350℃而不是260℃的第一温度。图9c描述了压缩的团粒的微观结构，并且团粒的某些特性包括在下表3和4中。
[0096]
9.实施例9：ppsu-al2o3核-壳颗粒的压缩模制团粒
[0097]
材料：6.572g如上述实施例7中所制备的ppsu-al2o3核-壳颗粒的干燥粉末。
[0098]
步骤：本实施例9的步骤与上文针对实施例8描述的步骤基本上相同，不同之处在于使用35mm模而不是13mm模。然后测量所得的ppsu-氧化铝团粒的某些性质并包括在下表4中。
[0099]
10.实验结果
[0100]
如上文针对实施例1至实施例4和实施例6至实施例7所说明的，制备了具有核-壳颗粒的粉末的各种组合，粉末的某些加工参数和性质列于表1中。如上文针对实施例1至实施例4和实施例6至实施例7所说明的，过热-冷却粉末制备过程在parr
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反应器中在小于或等于75psi的反应压力下进行。出于比较的目的，除了相应的pei共聚物(crs5001)和pc共聚物(exl1463t)参照粉末外，陶瓷或无机颗粒的体积百分数保持在60％。crs5001参照粉末在表1中标示为“实施例0-a”，其经由与上文针对实施例1描述的方法相似的方法制备，不同之处在于混合物中不引入陶瓷颗粒，crs5001颗粒以odcb溶剂的10体积％引入，搅拌在约125rpm而不是约250rpm下进行，并且不必在250℃的温度保持30分钟以促进在陶瓷颗粒上的沉淀。exl1463t参照粉末在表1中标示为“实施例0-b”，其经由与上文针对实施例4描述的方法相似的方法制备，不同之处在于混合物中不引入陶瓷颗粒，exl1463t颗粒以二甲苯溶剂的10体积％引入，搅拌在约125rpm而不是约250rpm下进行，并且不必在200℃的温度保持30分钟以促进在陶瓷颗粒上的沉淀。
[0101]
表1a：经由过热-冷却过程制备粉末-过程参数
[0102][0103]
表1b：经由过热-冷却过程制备粉末-粉末参数
[0104][0105]
粉末的粒度值用商业粒度分析仪(可得自英国马尔文malvern panalytical ltd.)测量。
[0106]
还使用扫描电子显微镜研究了颗粒的形貌。图7a示出了未涂覆的氧化锌颗粒；图7b示出了pei共聚物(crs5001)涂覆的氧化锌颗粒；图7c示出了压缩模制成部件的pei共聚物(crs5001)-氧化锌核-壳颗粒。陶瓷颗粒上的pei共聚物涂层在图7b中的核-壳粉末上很明显。图7c中在陶瓷颗粒之间也明显有pei共聚物的薄层。
[0107]
上述实施例1的核-壳粉末的热重分析(tga)和分子量(经由gpc测量)性质汇总在表2中。另外，测定了相应的核-壳粉末即分别为氧化锌粉末(实施例1a)和pei共聚物(crs5001)粉末(实施例1b)的组分的某些tga和分子量性质。给出了相应的粉末的密度和分子量作为比较参考。由制备本发明的核-壳颗粒的过热-冷却方法未观察到聚合物分子量的明显降低。
[0108]
表2：核-壳粉末的密度、tga和分子量数据
[0109][0110]
由核-壳粉末制成的压缩模制部件的tga和分子量(经由gpc测量)结果汇总在表3中。给出了在与表2中相同的条件下模制的聚合物部件的密度和分子量作为比较参考。未观察到聚合物分子量的明显降低。然而，与在相同条件下压缩模制的纯pei共聚物相比，压缩模制的pei共聚物(crs5001)涂覆的氧化锌的分子量有增加。
[0111]
表3：核-壳粉末的团粒的密度、tga和分子量
[0112][0113]
相对密度通过测量模制团粒的密度(测量密度(ρm))并将其与理论密度相比较来确定。测量密度可通过用团粒重量(用秤或天平测量)除以体积来计算，体积通过测量外部尺寸来确定(其他形状的体积可通过任何各种已知方法确定，例如通过浸入不可压缩的流体中)。对于本发明的实施例，使用配备有acs-a03密度测定装置的kern abs-n/abj-nm天平通过阿基米德方法测定样品(例如，团粒)的测量密度。具体地，将每个样品干燥并测量干重(w
dry
)。然后将样品在水中煮沸1小时以确保物体中的所有空隙都被水填充。然后将样品悬浮在已知(非沸腾)温度下的所用液体中以测定在液体中的表观质量(w
sus
)。然后从水中取出样品，并使用用水润湿的纸巾从样品表面擦去多余的水。然后立即在空气中对饱和样品称重(w
sat
)。然后使用公式(iv)确定密度：
[0114][0115]
在本发明的实施例中，团粒中聚合物和陶瓷的量是已知的。当起始比例未知时，可通过在空气中的热重分析(tga)测定压缩模制团粒中聚合物的有机含量，从而计算出压缩模制团粒中陶瓷的含量。然后假设空隙/气体含量为零，使用公式(iv)计算组合密度或理论密度(ρ
t
)：
[0116]
ρ
t
＝((m
p x ρ
p
) (m
c x ρc))/(m
p
mc)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0117]
其中m
p
为模制团粒中聚合物的质量，ρ
p
为聚合物的密度，mc为模制团粒中陶瓷的质量，ρc为陶瓷的密度。然后根据公式(v)计算相对密度(ρr)：
[0118]
ρr＝ρm/ρ
t x 100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0119]
上表2和表3以及下表4中报告的分子量测量值是使用agilent 1260infinity ii hplc(可得自agilent technologies,inc.(美国加利福尼亚州圣克拉拉))经由液相色谱法测量的，其包含等度泵、样品瓶进样器、用于调节通过色谱柱的流动相温度的多柱恒温器(mct)和可变波长检测器(vwd)。该系统由agilent gpc/sec软件控制，并且测量使用已知的方法进行。
[0120]
等温或线性加热温度条件下重量变化的测量可通过使用热重分析仪(tga)在固体或液体试样中监测。重量变化的测量，通常是重量损失的测量，可由试样的降解(热降解或氧化降解)、挥发物在样品的降解温度以下的释放引起。对于本文讨论的tga测量，在铂盘中称量少于50mg样品，并使用discovery tga在空气中以每分钟20℃的加热速率进行tga测试。
[0121]
热分析通过差示扫描量热法(dsc)进行，其是根据预定的时间和温度程序测量热流量随温度的变化以及样品(例如，聚合物、单体和添加剂)的热转变的方法。这些热转变在加热、冷却或等温循环过程中测量；当材料发生物理或化学变化时，便会出现转变。dsc在ta-q1000分析仪上以20℃/min速度进行。
[0122]
还使用cnc铣床从上面实施例9制备的35mm直径的团粒切割矩形梁，并测定特定机械性质。具体地，将梁切割成具有4mm
×
3mm的矩形横截面，使用600目砂纸抛光，并以1mm/分钟(mm/min)的位移速率在3点弯曲下进行测试。表4汇总了测量的性质以及文献中获得的单独的al2o3的参照性质。
[0123]
表4：压缩模制部件的机械性质
[0124][0125]
***
[0126]
以上说明书和实施例提供了对示意性实施方案的结构和用途的完整描述。尽管上文已以一定程度的具体性或结合一个或多于一个单独的实施方案描述了某些实施方案，但本领域技术人员可对所公开的实施方案作多种改变而不偏离本公开的范围。因此，方法和系统的各种示意性实施方案不旨在局限于所公开的具体形式。相反，它们包括落入在权利要求范围内的所有修改和替代方案，并且所示实施方案之外的实施方案可能包括所描绘的实施方案的一些或全部特征。例如，要素可被省略或组合为单一结构，连接可被替换，或两者兼而有之。此外，在适宜的情况下，任何上述实施例的方面可与任何所描述的其他实施例的方面结合形成具有相当的或不同的性质和/或功能的更多实施例并解决相同的或不同的问题。类似地，应理解，上述益处和优点可能涉及到一个实施方案或可能涉及到若干实施方案。因此，任何一个本文描述的实施方式都不应理解为进行限制，并且本公开的实施方式可适当地组合而不偏离本公开的教导。
[0127]
权利要求不旨在包括、也不应解释为包括手段加功能或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用表述
“……
的手段”或
“……
的步骤”明确记载了这样的限制。