專利名稱：生產(chǎn)微孔塑料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是用塑料物質(zhì)連續(xù)或半連續(xù)地生產(chǎn)微孔塑料的方法，該塑性物質(zhì)含有發(fā)泡劑，并可含有或不含其他加工調(diào)節(jié)物和添加劑。
由于就體積而言原料的低消耗及高的熱絕緣值，用熱塑性塑料生產(chǎn)微孔塑料(泡沫塑料)已經(jīng)迅速地增長起來。
用熱塑性樹脂生產(chǎn)泡沫塑料有幾種已知的方法，例如包括聚苯乙烯(Styropor)的“珠粒發(fā)泡”法和生產(chǎn)具有低密度和閉孔PVC泡沫的靜高壓法。“珠粒發(fā)泡”法是一種多步驟方法，生產(chǎn)低密度而物理值較低的聚苯乙烯泡沫。靜高壓法可生產(chǎn)低密度、閉孔和高質(zhì)量的PVC泡沫，但是該方法是一種生產(chǎn)成本高、高度人工操作的方法，而且就產(chǎn)品的形狀而論，該方法受到很大的限制。
對(duì)于完全連續(xù)的方法來說，擠出是最常用的方法，它一般比較容易控制而且生產(chǎn)成本低。
目前，在使用塑料加工機(jī)械(例如擠塑機(jī))連續(xù)生產(chǎn)泡沫塑料時(shí)使用物理發(fā)泡劑來形成較低密度的微孔塑料泡沫。對(duì)于較高密度的則通常使用化學(xué)發(fā)泡劑。
最適合形成泡沫的熱塑性樹脂是聚苯乙烯(PS)，包括聚合產(chǎn)物(HIPS、SB、SAN、ABS)、聚乙烯(LDPE)及共聚產(chǎn)物(EVA)、包括聚合摻混物的聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)。
由于熔體粘度在軟化的溫度范圍內(nèi)緩慢而均勻地下降時(shí)，才得到發(fā)泡的有利條件。因此，與結(jié)晶的熱塑性樹脂相比，非晶形熱塑性樹脂更易于發(fā)泡。對(duì)于部分結(jié)晶的熱塑性材料由于在發(fā)泡前或在發(fā)泡的同時(shí)一般是進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)或通過輻射交聯(lián)的。因此也可以得到一個(gè)比較有利的作為溫度函數(shù)的粘度曲線。
在擠出泡沫塑料的方法中，發(fā)泡工藝與塑料的粘度、熔體的拉伸能力、發(fā)泡劑的氣壓、外部壓力及熔體與發(fā)泡劑之間的相互作用有關(guān)。
由于與未發(fā)泡的塑料相比，泡沫塑料對(duì)于與塑料加工機(jī)械(如擠出機(jī))相連接的模具的壁有較大的摩擦力，所以人們常常希望發(fā)泡只發(fā)生在塑料化合物已離開模具之后。為此，需要一個(gè)這樣的條件，即在含有活性發(fā)泡劑的熔體上的外壓應(yīng)高到能足以防止發(fā)泡為止。在目前已知的生產(chǎn)方法中，塑料熔體在離開加工機(jī)械的模具后，熔體上的外壓便減小，并由于塑料中的氣體過飽和而使塑料發(fā)泡。
對(duì)微孔結(jié)構(gòu)和擠出物的質(zhì)量有很大影響的另一個(gè)參數(shù)是材料的溫度。當(dāng)材料的溫度太低時(shí)，由于熔體的粘度較高，塑料混合物不能完全發(fā)泡。因而形成較高的密度。如果材料的溫度太高，熔體的粘度則將較低，這樣也容易使泡孔破裂而形成較高的密度。
為了生產(chǎn)具有低的、均勻密度的和閉孔的泡沫塑料，必須生產(chǎn)氣泡不破裂的擠出物，而這種破裂是在壓力減小而形成氣泡的成型模具出口處由于流動(dòng)方向上的速度不同所造成的。同時(shí)，還必須在塑料加工機(jī)械和模具中的塑料熔體上保持一個(gè)外壓，以防止塑料發(fā)泡。
目前上述這兩個(gè)準(zhǔn)則已構(gòu)成了用自動(dòng)化方法生產(chǎn)閉孔泡沫塑料厚型材潛力的限制因素，這種型材的泡沫塑料具有較低的密度，并且貫穿整個(gè)橫截面的密度都是均勻的。由化學(xué)發(fā)泡劑(例如偶氮二酰胺或碳酸氫鈉)所產(chǎn)生的氣壓遠(yuǎn)高于通常使用的物理發(fā)泡劑(例如KFK氣體、CO2或N2)的氣壓，因此使用化學(xué)發(fā)泡劑時(shí)，這些限制更為明顯。
關(guān)于由壓力減小所引起的剪切塑料熔體和撕裂氣泡的問題，目前是用以下方法來減輕的限制發(fā)泡劑的用量，或者通過在壓力建立及膨脹時(shí)嚴(yán)格限制塑料熔體的厚度。對(duì)于化學(xué)發(fā)泡劑，這些方法尤其有效，但是對(duì)于使用物理發(fā)泡劑，則還有很多限制。
然而，對(duì)于比較厚的泡沫塑料產(chǎn)品，往往也希望能用化學(xué)發(fā)泡劑，這是因?yàn)槠鋵?shí)際生產(chǎn)方法比使用物理發(fā)泡劑簡單，并且與使用物理發(fā)泡劑相比，一般可以較好地控制終產(chǎn)品的性能。這尤其是與物理發(fā)泡劑的氣壓相比，化學(xué)發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣壓比較高的結(jié)果。
與泡沫的連續(xù)生產(chǎn)一起，尤其是與擠出一起，各種模具也一同被開發(fā)出來了。擠出模具實(shí)際上具有兩個(gè)重要的功能1)在模具和擠出機(jī)中形成足夠的壓力;
2)使擠出物成型為想要的形狀。
熱塑性材料的連續(xù)發(fā)泡基本是以兩種不同的方法進(jìn)行的1)自由發(fā)泡;
2)控制的向內(nèi)發(fā)泡;
自由發(fā)泡一般用于比較簡單的型材。通常用一個(gè)離模具出口不遠(yuǎn)的定型裝置收集發(fā)泡擠出物。模具中所需的熔體壓力，一般是通過模具的模唇來形成。
在向內(nèi)發(fā)泡過程中，通過模具內(nèi)的魚雷芯形成所需的熔體壓力，并將定型裝置牢固地連接到模具上。該定型裝置的內(nèi)部形狀與模具的模口相同。從外部將熔體冷卻，并通過真空確實(shí)地將熔體保持在定型裝置的壁上。同時(shí)，模具中的嵌件能使擠出物在定型裝置中向內(nèi)發(fā)泡。這種方法用于生產(chǎn)管材、片材和型材。終產(chǎn)品具有密實(shí)、光滑的皮層及較低的芯部密度。該方法被稱為“塞盧卡”(Celuka)法。
有一些已知的自由發(fā)泡法和“塞盧卡”法組合的方法，還有一些以類似于“塞盧卡”法的原理為基礎(chǔ)的生產(chǎn)中空型材的方法。
也使用各種未發(fā)泡的皮層材料和發(fā)泡的芯部材料共擠出的方法。
另一種方法是所謂的“Woodlite”法，該方法在模具中形成壓力，并且在發(fā)泡狀態(tài)下對(duì)材料的剪切比較小。該方法擠出的發(fā)泡繩狀物在離開模具出口之后被焊接成為一個(gè)整體，但是，在某種程度上由于焊接在一起的不同次級(jí)擠出物的焊接不良，所以造成終擠出制品的結(jié)構(gòu)不均勻和低的撓曲強(qiáng)度。
“Armocell”法是一種特別地用于生產(chǎn)發(fā)泡軟管的方法。通過模具中流道的特別結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生足夠的壓力以防止熔體早期發(fā)泡。用一個(gè)定型裝置將發(fā)泡管材保持在離模具不遠(yuǎn)處。
上述所有模具，都對(duì)產(chǎn)品的密度，閉孔的百分率和尺寸造成很大的限制。這種情況主要是由于根據(jù)熱塑料熔體與模具之間的摩擦而形成必要的熔體壓力以防止早期發(fā)泡所造成的。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)和擴(kuò)大現(xiàn)有技術(shù)的使用范圍，同時(shí)避免現(xiàn)有技術(shù)的不足及其附加的限制。
根據(jù)這一目的本發(fā)明是關(guān)于在前面的介紹中論述的一種類型的方法，它包含a)把原料加到塑料加工機(jī)械中，b)在一定的溫度和壓力條件下，在塑料加工機(jī)械中捏合原料，該原料將只靠解除壓力來產(chǎn)生發(fā)泡的化合物，c)直接把塑料化合物輸送到冷卻段。
d)在由指向上游的壓力作用形成的壓力下，在冷卻段將該化合物冷卻為連續(xù)的坯料，該坯料具有高的粘度和剛性，并且有近似平直的速度分布圖，e)不是必須的，無級(jí)地把坯料輸送到減速-保持段，f)產(chǎn)生指向上游的壓力作用，直到在上游固定區(qū)域內(nèi)的塑料化合物中的壓力足以防止該塑料化合物發(fā)泡，g)把坯料送到加熱/膨脹/成形段后，控制該化合物以發(fā)泡到想要的密度。
在下面將參照附圖較為詳細(xì)地說明本發(fā)明，其中附圖1和2表示進(jìn)行以上a)到g)的工序的兩種可能的設(shè)備系統(tǒng)。
將熱塑性塑料，發(fā)泡劑和其他不是必須的加工調(diào)節(jié)物及添加劑加入到本身型號(hào)已知的塑料加工機(jī)械中，例如加入到擠出機(jī)1中，在那里把它們捏合，捏合是在這樣的溫度和壓力條件下進(jìn)行的，以致于化合物的發(fā)泡將只發(fā)生在解除壓力時(shí)。
各種類型的擠出機(jī)以及在這些擠出機(jī)中采用的混合條件都是已知的，因此在這里將不進(jìn)行更詳細(xì)的描述。重要的因素是應(yīng)避免發(fā)泡劑在塑料加工機(jī)械中有發(fā)泡的機(jī)會(huì)。
對(duì)塑料的捏合是以這樣的方法進(jìn)行的，以致使全部原料達(dá)到大致相同的溫度，而且事實(shí)是比較迅速地達(dá)到這一溫度，結(jié)果是比較好地控制了來自化學(xué)發(fā)泡劑的任何可能的放熱或吸熱交換。
因?yàn)榻?jīng)機(jī)械加工迅速加熱了全部塑料原料，所以如果使用了化學(xué)發(fā)泡劑，它也將迅速達(dá)到分解。
在已知的擠塑模具方法和原理中，為了在模具和擠塑機(jī)里得到足夠的壓力，在擠出機(jī)模具的出口處，大量的氣泡發(fā)生破裂(因?yàn)閴毫κ强考羟凶饔?摩擦建立的)。為了避免目前存在的這些問題，根據(jù)本發(fā)明的方法通過以下手段來實(shí)現(xiàn)在模具和擠出機(jī)中建立足夠的壓力，以避免塑料的早期發(fā)泡。這種手段是為了產(chǎn)生必要的壓力，對(duì)冷卻后以致形成連續(xù)“活塞”狀的塑料進(jìn)行減速/保持，以防止發(fā)生剪切并造成氣泡破裂。
下面，參照


本發(fā)明。在模具和擠出機(jī)中形成必要的壓力是這樣來完成的在連續(xù)加工中，在擠出模具1的出口壓力下，將冷卻段2的塑料坯料冷卻到使該坯料的剛性高到足以能將該坯料減速，這種減速是通過減速裝置3進(jìn)行的，例如，該裝置可以是連續(xù)的可移動(dòng)的帶子。以這樣的方法來控制塑料的減速，能使塑料化合物中形成的壓力高到能防止化合物發(fā)泡。來自擠出機(jī)之后的擠出模具或成型裝置的塑料，必須被保持在高外壓之下，使約束壁與塑料坯料之間沒有磨擦，或者有非常小的摩擦，因此在壓力減小后形成的氣泡不會(huì)破裂。因?yàn)樵诒诤退芰吓髁现g不存在摩擦或摩擦極小，所以在這一冷卻裝置2中，塑料坯料將以貫穿整個(gè)坯料都相同的速度移動(dòng)。因此在該裝置中，在運(yùn)動(dòng)方向上塑料坯料中各層之間不存在剪切或只有輕微的剪切。
必須直接連接到模具/成型裝置上的冷卻裝置2，可以被直接連接到減速裝置3上，或者冷卻裝置2和減速裝置3可以是一個(gè)整體。例如，如果塑料的冷卻是在具有低溫的連續(xù)無接頭鋼帶之間進(jìn)行，就可以實(shí)現(xiàn)這一目的。通過控制鋼帶的速度，就可以調(diào)節(jié)化合物的壓力。
在坯料已被減速裝置3充分減速并已獲得足夠的壓力之后，在加熱段4將塑料加熱，同時(shí)壓力被減少，使塑料發(fā)泡。加熱可以連續(xù)地進(jìn)行并且直接與冷卻裝置2和減速裝置3的操作相連接，例如通過熱的無接頭鋼帶，或者可以通過把冷的塑料坯料輸送穿過一個(gè)用熱空氣加熱的通道來進(jìn)行加熱。冷的塑料坯料還可以在例如液體浴中進(jìn)行加熱。
通過加熱塑料，將使塑料發(fā)泡直到塑料中的內(nèi)發(fā)泡力和塑料中的張力之間達(dá)到平衡為止。這種過程是通過使用外加熱或借助于平衡塑料內(nèi)外的溫度來進(jìn)行，或者通過外部供熱和平衡塑料溫度相結(jié)合的方法進(jìn)行的。
在模具/成型裝置的出口后面的塑料化合物冷卻裝置2、減速/保持裝置和加熱裝置可以幾種基本方式構(gòu)成，其中冷卻裝置2中，約束壁和塑料化合物之間幾乎沒有或沒有摩擦。以下是一些例子直接與擠出機(jī)后面的模具/成型裝置連接的冷卻裝置2可以是一個(gè)固定冷卻器，它的內(nèi)橫截面與模具/成型裝置的出口處的內(nèi)橫截面相同或大致相同。內(nèi)斷面的壁在壁和塑料化合物之間應(yīng)形成最小限度的摩擦，這可以通過例如內(nèi)壁的高光澤磨光或鍍鉻來達(dá)到。同時(shí)，還可以在冷卻裝置的內(nèi)壁和塑料坯料之間施加潤滑介質(zhì)以進(jìn)一步減小摩擦。冷卻可以這樣來進(jìn)行，例如，通過用壁的通道中的回火油將冷卻裝置驟冷。冷卻裝置還可以是一個(gè)無接頭鋼帶裝置，它被驟冷并被壓在塑料上。
在冷卻裝置2后面的減速裝置3可以由兩個(gè)或多個(gè)輥?zhàn)咏M成，這些輥?zhàn)訅涸趧傂缘摹⒁牙鋮s的塑料上;或者減速裝置可以由一個(gè)無接頭鋼帶裝置構(gòu)成，鋼帶是壓在塑料上的，通過調(diào)節(jié)減速裝置的速度，可以調(diào)節(jié)塑料的上游壓力。
在減速/保持裝置后面的加熱裝置可以是一個(gè)充滿熱的液體的腔，在那里可以調(diào)節(jié)壓力。加熱裝置還可以是一個(gè)被加熱的無接頭帶。還可以在一個(gè)固定加熱裝置中進(jìn)行塑料的加熱，該裝置的內(nèi)截面與減速裝置出口后的塑料坯料的截面相同或大致相同。在固定加熱裝置的內(nèi)壁和塑料坯料之間的摩擦應(yīng)該很小或沒有。還可以在塑料擠出物能在其中自由運(yùn)動(dòng)的加熱腔中進(jìn)行加熱。
在足夠高的壓力下加熱塑料化合物，以致在該加熱裝置中塑料化合物將不發(fā)泡，這往往可能是有利的。因?yàn)榘l(fā)泡時(shí)塑料的熱絕緣值驚人地增加了，所以對(duì)塑料的加熱可能要快得多。
加熱裝置的內(nèi)壁和塑料坯料之間的摩擦應(yīng)該是最小的，這是因?yàn)椴蝗坏脑挄?huì)對(duì)擠出模具和擠出機(jī)上游的塑料混合物的壓力最佳控制帶來困難。此外，如果加熱裝置和塑料之間的摩擦力極小或沒有，對(duì)發(fā)泡的控制就容易得多。
當(dāng)塑料擠出物是在壓力下加熱的，則在全部擠出物都已達(dá)到要求的溫度后減小外壓，此時(shí)，塑料便膨脹，直到內(nèi)發(fā)泡力與塑料中的張力之間達(dá)到平衡為止。
在沒有外壓的情況(如在加熱腔中)下加熱塑料擠出物時(shí)，塑料將在加熱的同時(shí)發(fā)泡。
在本說明書中詳細(xì)地描述了使用一臺(tái)或多臺(tái)塑料擠出機(jī)的方法，但是，任何滿足對(duì)加工程度和溫度/壓力條件需要的連續(xù)或半連續(xù)塑料加工機(jī)械都可以使用。
塑料組合物及加工條件的說明及舉例如前所述，在設(shè)計(jì)塑料組合物的配方或制法中，必須要考慮到要使用的加工機(jī)械并估計(jì)想要的終產(chǎn)品的性質(zhì)。本方法被開發(fā)為使用PVC，使用如下的機(jī)械作為塑料加工機(jī)械在普通的熱/冷、立式/立式塑料混合機(jī)中，將塑料組合物的各種組份共混/混合。作為用于PVC混合物的均化機(jī)械/膠化機(jī)械，使用雙螺桿擠出機(jī)(110mm切粒裝置)。作為與化學(xué)發(fā)泡劑分解有關(guān)的塑料加工機(jī)械，使用單螺桿擠出機(jī)(90mm)。
已經(jīng)使用了包括生產(chǎn)直徑大約50mm園形型材的模具在內(nèi)的各種模具/成型裝置。作為冷卻裝置使用固定冷卻裝置，在該裝置中壁被冷卻，同時(shí)在冷卻裝置的內(nèi)壁和塑料坯料之間加液體潤滑劑。作為減速/保持裝置，采用了無接頭帶裝置。在具有加熱壁的固定裝置中，進(jìn)行塑料坯料的加熱。
在研制工作中，還使用了一種冷卻/減速及加熱裝置，它是由呈環(huán)形的鋼帶狀連續(xù)壁而制成的一個(gè)整體。
以下是已使用過的一些塑料組合物(都是基于PVC熱塑性塑料)的例子例1PVC(M型，K值大約為60) 100石油蠟(Pe-Wax) 0.8硬脂酸鈣 0.4三堿價(jià)硫酸鉛 10二堿價(jià)硬脂酸鉛 2偶氮-二碳酰胺 1碳酸氫鈉 15聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 12鄰苯二甲酸二辛酯(DOP) 16例2PVC(M型，K值大約為60) 100石油蠟 0.2月桂酸鈣 0.3
三堿價(jià)硫酸鉛 10二堿價(jià)硬脂酸鉛 1偶氮-二碳酰胺 1碳酸氫鈉 25聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 15鄰苯二甲酸二辛酯(DOP) 25用例1的配方生產(chǎn)的PVC泡沫的密度約為0.1(大約為100Kg/m3)。
用例2的配方生產(chǎn)的PVC泡沫的密度約為0.07(大約為70Kg/m3)。
在熱/冷、立式/立式高速混合機(jī)中，將上述塑料組合物中的各種組分混合到溫度約為120℃。
冷卻后，將該混合物加到一個(gè)由雙螺桿擠出機(jī)構(gòu)成的切粒裝置中。在該切粒裝置的出口處溫度約為130℃。然后將粒料加到一個(gè)增大到約40D的90mm單螺桿擠出機(jī)中。
在料斗后的擠出機(jī)中的壓力立即被升至約1200巴，在該機(jī)的出口處，壓力被減小到大約250巴。在料斗后的化合物的溫度立即被升到大約210℃，在該機(jī)的出口處，化合物溫度被減小到大約165℃。在由冷卻裝置、減速裝置和加熱裝置組成的發(fā)泡裝置的出口處，坯料的溫度大約為120℃。
在特殊情況下，最好是使泡沫塑料交聯(lián)?？梢酝ㄟ^使用輻射、過氧化物、酰胺、硅烷或異氰酸酯，來進(jìn)行這種交聯(lián)。因?yàn)樗芰嫌性谒芰霞庸C(jī)械中交聯(lián)的危險(xiǎn)，所以最好在塑料加工機(jī)械的較后加工步驟中加入交聯(lián)組分，或者在塑料加工機(jī)械后面一個(gè)單獨(dú)的混合裝置中立即加入交聯(lián)組分。
權(quán)利要求
1.用塑料化合物連續(xù)或半連續(xù)地生產(chǎn)微孔塑料的方法，該塑料化合物含有發(fā)泡劑，可含有或不含其他加工調(diào)節(jié)物和添加劑，該方法包含a)把原料加到塑料加工機(jī)械中；其特征在于該方法進(jìn)一步包含b)在一定的溫度和壓力條件下，在塑料加工機(jī)械中捏合原料，該原料將只靠解除壓力來產(chǎn)生發(fā)泡的化合物，c)直接將塑料化合物輸送到冷卻段，d)在由指向上游的壓力作用所形成的壓力下，在冷卻段將該化合物冷卻為連續(xù)的坯料，該坯料具有高的粘度和剛性，并且有近似平直的速度分布圖，e)不是必須的，無級(jí)地把坯料輸送到減速-保持段，f)建立指向上游的壓力作用，直到在上游設(shè)定區(qū)域內(nèi)的塑料化合物中的壓力足以防止該塑料化合物發(fā)泡，g)把坯料輸送到加熱/發(fā)泡/成型段后，控制該化合物發(fā)泡到想要的密度。
全文摘要
一種將含發(fā)泡劑的塑料物質(zhì)連續(xù)或半連續(xù)地生產(chǎn)微孔塑料的方法，包含將原料放在塑料加工機(jī)內(nèi)在一定溫度與壓力下捏合成撤除壓力即發(fā)泡的混合料，直接將混合料送到冷卻段，在朝向上游的壓力分量形成的壓力下在冷卻段冷卻成具高粘度與剛性及近乎平直速度特性的連續(xù)坯料，無級(jí)地送到降速-保持段，建立朝上游壓力分量，直至在上游區(qū)內(nèi)的塑料物質(zhì)中形成足以防止混合料發(fā)泡的壓力，將混合料送到加熱/發(fā)泡/成型段，在受控條件下發(fā)泡至所需密度。
文檔編號(hào)C08JGK1052489SQ9010707
公開日1991年6月26日 申請(qǐng)日期1990年7月17日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月17日
發(fā)明者巴德·施派迪福爾德 申請(qǐng)人:斯堪的娜有限公司