專利名稱：用于沖壓塑性材料的模具和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用模具沖壓塑性材料以成形制品的設(shè)備、方法和裝置。特別是，本發(fā)明涉及沖制洗滌劑塊的方法。
本文中的“洗滌劑塊”是指包括一定劑量的表面活性劑的片狀物、塊狀物或條狀物，其中包括肥皂、合成活性洗滌劑或它們的混合物，其含量至少占塊狀物的20％(重量)。
背景技術(shù)：
在制造洗滌劑塊的過程中，包括所有塊狀成分的預(yù)成型的組合物通常從噴嘴擠出，形成連續(xù)的“棒”，將該棒切割成為具有預(yù)定長度的小塊段，一般稱為“坯料”。然后，將這些坯料供給沖壓機，或者采用例如與塊表面有相同尺寸的模具，在坯料的一個或多個表面上進行壓印。通過錘或輥狀模具施加作用力，以沖擊塊狀物的表面。
通常，沖沖壓機具有由兩個半塊組成的模具，每半塊具有在沖壓操作期間與坯料接觸的表面。這些表面適于閉合，并達到預(yù)定的分開距離，因此在兩半模具之間沖壓坯料，使塊狀物具有最終形狀和外表，然后，模具分開。當模具閉合時，多余的組合物從兩半模具中向外擠出。一般，這稱為“飛邊”。然后，使肥皂塊通過“去飛邊板”中的孔，將飛邊與肥皂條分開。
常規(guī)的模具沖壓機包括“銷軸式模具”成型機，其中在壓實步驟期間，一對相對置的模具元件或兩半模相遇，還包括“箱體式模具”機，其中一對相對置的模具元件沖壓在箱體支架的通孔中夾持的塊狀物，但是在壓實過程中不相遇，由箱體支架限制塊狀物的周邊表面。
兩半模具常常分別設(shè)有模具或噴管插入物。一般借助彈簧使其在兩半模中保持閉合，但是可以借助壓縮空氣或機械裝置將其推開，以便有助于塊狀物從模具中脫模。在兩半模的閉合過程中，可通過抽真空排除位于洗滌劑塊和模具表面之間的凹處所截留的空氣，在采用轉(zhuǎn)動模具的情況下，這種真空有助于在設(shè)備轉(zhuǎn)動過程中使塊狀物保持定位。
通過對洗滌劑塊進行沖壓，可使其獲得可再現(xiàn)的形狀、光滑表面和/或在塊狀物的至少部分表面上獲得壓印設(shè)計圖，例如標識、商標或類似物。
但是，由于模具一阻滯的結(jié)果，在連續(xù)使用模具期間，在兩半模中遺留適量的剩余洗滌劑，這常常形成塊狀物的表面外觀缺陷，或者塊狀物不能從模具表面脫模。
對于這種問題，專業(yè)人員已經(jīng)提出了許多解決方案。其中一個方案涉及在沖壓操作過程中，快速冷卻兩半模。使用快速冷卻消耗資源，特別消耗能源。
另一種解決方案在英國專利GB-A-746,769中公開，其中模具組包括箱體模具和一對配合的模具元件，其由塑料材料制造，所述塑料材料包括具有特殊彈性模量的聚合物。這個系統(tǒng)的缺陷是必須采用模具脫模劑，以便防止洗滌劑粘合在模具上，并且對后續(xù)的壓塊產(chǎn)生表面損害。
Luckow的美國專利US-1,817,157公開了一種肥皂支架。
Pinto的美國專利US-3,127,457公開了一種使用碳氟化合物薄膜作為模壓聚氨酯制品的脫模劑。
Krugg的美國專利US-3,539,144公開了一種用于生產(chǎn)聚氨酯泡沫體的模具，其包括物品的結(jié)構(gòu)模型和設(shè)置在結(jié)構(gòu)模型上的熱硫化硅橡膠的涂層，以及設(shè)置在熱硫化硅橡膠的涂層上的冷硫化硅橡膠涂層。
Ladney的美國專利US-3,889,919公開了一種用于成型室的塑性排氣插口，以便模制塑性元件。成型室26包括周邊唇部28。
Cavanugh的美國專利US-4,035,122公開了一種壓制肥皂塊剩余物的省肥皂的裝置。
Austin的美國專利US-4,076,207公開了一種食品壓制模具，其包括襯板和剛性夾持器，其中襯板具有固定到夾持器上的凸緣。
Roussel的美國專利US-4,809,945公開了一種模具腔體，以便成型例如肥皂塊的制品。
Watanabe的美國專利US-5,332,190公開了一種由彈性成型模具，其由彈性疊層薄膜和其中不包含填充劑的最內(nèi)層構(gòu)成。
在美國專利US-5,269,997中，為兩個肥皂成型模具的每一個提供橫模具表面延伸的彈性隔板。對于商業(yè)生產(chǎn)的快速要求，這種系統(tǒng)過于復(fù)雜，而且涂層太薄，其極可能被撕裂，標識再現(xiàn)的質(zhì)量會下降。
在國際專利WO 96/00278中公開了一種用于沖壓制洗滌劑塊的設(shè)備，其包括模具，該模具的至少一個塊沖制表面中設(shè)有彈性體涂層，彈性體涂層的總厚度小于200微米。在優(yōu)選的實施方案中，彈性體涂層是塊沖制表面僅有的彈性材料。
在歐洲專利EP-276,971和美國專利US-4,793,959和US-4,822,273中提出了其他技術(shù)解決方案，其中涉及使用兩個模具元件，各模具元件包括非彈性部件和彈性部件。在沖壓過程中，接觸肥皂塊的彈性部件包括厚度至少為200微米的彈性體涂層，并具有特定的彈性模量。
制造厚涂層模具比較復(fù)雜，而且制造成本昂貴。因此，非常希望大大延長這種涂層的使用壽命。
使用這種彈性體涂層遇到的困難是其使用壽命太短，只有幾天或稍長些時間。這樣引起的問題將是明顯的。
發(fā)明概述已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致模具的彈性涂層使用壽命短的原因是由于在沖壓肥皂的過程中，在模具的邊緣具有高應(yīng)力作用。這由高的沖壓制肥皂的剪切作用力產(chǎn)生，此作用力趨于把彈性體涂層從模具的金屬底座上剝離。這種問題將使采用彈性涂層模具的優(yōu)點消失，例如，可避免使用昂貴的金屬冷卻模具。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，作用在彈性體涂層上的應(yīng)力可由使用凸緣或突邊而減小，所述凸緣或突邊的剛性高于模具的彈性體涂層，尤其是，凸緣或突邊本身涂敷彈性體。最好，邊緣或突邊由金屬或其他硬的或剛性材料制造。采用金屬邊緣，由于低應(yīng)力作用在彈性體上，將導(dǎo)致彈性體的撕裂減少。優(yōu)選是，邊緣沿著彈性體的導(dǎo)邊延伸，因此，在沖壓期間，防止彈性體受應(yīng)力作用。這顯然改善了模具的彈性體涂層的使用壽命，而且，使具有涂層的模具的優(yōu)點顯示出來，而不存在涂層的使用壽命短的缺陷。
雖然，可以容易地采用與模具相同的材料制造邊緣，但是，這不是必須的。
邊緣或凸緣可以由多種材料制造，其包括塑性聚氨酯和復(fù)合物。在優(yōu)選的實施方案中，邊緣呈“T”形或“傘”形結(jié)構(gòu)，其中彈性體在傘頂部下方得到保護。
本發(fā)明特別適用于制造洗滌劑塊的模具，洗滌劑塊具有側(cè)壁，其一般沿著垂直于塊狀物的縱向方向延伸，即“帶狀塊”?？梢韵嘈牛糜趲顗K的彈性模具與缺少垂直側(cè)壁的塊狀物或者垂直側(cè)壁的延伸尺寸僅占塊狀物的高度的很小的百分比的彈性模具相比，可以承受更高的應(yīng)力。
本發(fā)明的邊緣或凸緣也可以用于采用彈性材料制造的模具上，而不是僅僅用其涂敷。一般，模具的邊緣可以采用比模具材料的硬度高的材料制造。
為了更加清楚完整的理解本發(fā)明的上述和其他特征和優(yōu)點，參照下面的附圖及本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的詳細描述。
附圖的簡要描述

圖1是本發(fā)明的模具的立體圖。
圖2是本發(fā)明的模具的側(cè)面橫向剖視圖。
圖3是本發(fā)明的模具的正視橫向剖視圖。
圖4是圖3中所示模具的橫向剖視圖，其中模具上覆蓋有彈性材料的涂層。
發(fā)明的詳細描述在歐洲專利EP-276,971和美國專利US-4,793,959和US-4,822,273中描述了在肥皂塊沖壓過程中厚彈性體涂層的應(yīng)用，其中公開的內(nèi)容引此作為參考。
在本文中，術(shù)語“表面裝飾”是指具有均勻的形狀，光滑的表面，如標識、商標或類似物的設(shè)計圖。
在本發(fā)明中提到的“彈性性的”是指一種符合ISO(國際標準)1382的、作為“彈性體”或“橡膠”之類的材料。在本發(fā)明中限定的“彈性體的”材料還包括熱塑性彈性體、共聚物、彈性體與熱塑性塑料的彈性體和橡膠的共混物。
彈性體定義為具有長柔性鏈的聚合物，通過添加硫化劑或交聯(lián)劑引起交聯(lián)，并形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)化為不同于原材料中的分子結(jié)構(gòu)。分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保持大分子鏈的分子的移動性，其結(jié)果是，在使材料變形的作用力消失后，這種材料可以迅速返回其原始大小和形狀。
隨著溫度增加，彈性體在軟化后通過橡膠相并保持其彈性和彈性模量，直到其達到其分解溫度。
熱塑性塑料彈性體包括無定形和結(jié)晶相。在低于環(huán)境溫度條件下，無定形相具有軟化區(qū)域，因此，其相當于彈性彈簧，而結(jié)晶部分的軟化范圍高于環(huán)境溫度，其相當于交聯(lián)點陣。
最好，本發(fā)明的彈性材料選自美國試驗和材料學(xué)會(AmericanSociety for Testing and Materials)D1418中所述的那些類別，其包括1.不飽和碳鏈彈性體(R類)，其包括天然橡膠，例如標準的馬來西亞橡膠；丁二烯，例如由Bunawsks Huls出品的BUNA產(chǎn)品；以及丁二烯-丙烯腈共聚物，例如，由Bayer出品的Perbunan產(chǎn)品。
2.飽和碳鏈彈性體(M類)，其包括乙烯-丙烯類，例如由DuPont出品的Nordel產(chǎn)品，以及含氟類，例如由DuPont出品的Viton產(chǎn)品。
3.取代硅橡膠的替代物(Q類)，其包括液體硅橡膠，例如由DowCorning出品的Silastic 9050/50 P(A+B)。
4.在聚合物鏈中含碳、氮和氧的彈性體(U類)，其包括聚氨酯，例如由Belzona出品的聚氨酯。
在本文中所述的“彈性的”材料可經(jīng)預(yù)處理，例如，在其被用于涂敷模具表面之前，形成在商業(yè)上可以購買的彈性體的溶液。彈性體、橡膠、共聚物或它們的共混物一般在模具表面進行就地固化或交聯(lián)。例如，包含基本彈性材料、交聯(lián)劑和其他材料如加速劑等組分在涂敷成涂層之前，可進行混合。一旦涂敷到模具上，涂層就地固化。也可借助于加熱或者其他加速方法，例如施加壓力、輻射或紫外線。
彈性材料能夠以液體或半液體狀態(tài)進行涂敷。例如，當以液體涂敷時，兩個半模具按預(yù)定的距離分開夾持，允許彈性體出現(xiàn)在兩部分之間的空間內(nèi)。最好，在壓力條件下，向模具內(nèi)填充彈性材料。
在某些情況下，材料由合適的溶劑溶解，再涂敷到模具上，接著排除溶劑。
在熱塑性材料的情況下，可加熱到熔融狀態(tài)，再涂敷到模具上，經(jīng)冷卻和再固化。
適合作本發(fā)明的彈性體涂層的材料最好具有彈性模量為0.1～50MPa，更好是1～35MPa。
通過記錄使涂層出現(xiàn)凹痕所需要的力與凹痕深度的函數(shù)，來測量彈性體涂層的彈性模量。一般，使用的壓頭具有球形尖端，并且測定作用力作為凹痕深度3/2次方的函數(shù)。凹痕深度是壓頭在首先接觸涂層表面之后向涂層內(nèi)移動的距離。通常，需要校正測量的凹痕深度，以便適應(yīng)于測量設(shè)備。因此，實際的凹痕深度d與測量的表現(xiàn)數(shù)值d’的關(guān)系通過下式表示d＝d’-(F·C)其中F是壓出凹痕的作用力。適應(yīng)系數(shù)C由壓頭壓剛性表面的壓力和記錄的位移的函數(shù)關(guān)系來確定，其斜率等于C。彈性模量E通過下式計算E＝3/4s1/(R)1/2(1～b2)其中s＝F/d3/2，R是壓頭圓球頂部的半徑，b是涂層的泊松比，對于彈性體其等于0.5。
在所述的一定條件下，由于涂有涂層的剛性材料的影響，上述壓痕方法可能給出錯誤的大數(shù)值的彈性模量。為了確實避免產(chǎn)生上述問題，必須保證壓頭與涂層的接觸半徑不超過涂層厚度的1/10。所述接觸半徑a與凹痕深度的關(guān)系由下式表示a＝(dR)1/2對于小于200μm的涂層，推薦使用毫微壓頭，其能夠采用具有小半徑尖端的壓頭，測量在小凹痕深度時的壓痕作用力。這種設(shè)備的例子是“NanoIndenter II”(毫微儀器)。另外一方法是測量比較厚的涂層(厚度大于200μm)，這可使用常規(guī)的測量設(shè)備，例如Model-5566Instron試驗機。
最好，模具包括剛性材料，其選自金屬和其他合金，例如黃銅和其他紫銅合金、鋁、包括碳鋼和不銹鋼的鋼類；和其他非彈性體材料，例如熱固性和熱塑性樹脂，例如聚酯、環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂、冷鑄聚氨酯、陶瓷、復(fù)合物和疊層物。
可以將附加材料，例如填料，加入彈性體材料中，以便改變彈性材料的機械和加工性能。加入填料的效果取決于彈性體材料與填料之間的機械和化學(xué)的相互作用。
填料可以用于彈性體材料的改性，以便獲得需要的材料性能，例如獲得抗撕裂性能。合適的填料包括碳黑；二氧化硅；硅酸鹽；和有機填料苯乙烯或酚醛樹脂。
其他還可以有的添加劑包括摩擦改性劑和抗氧劑。
邊緣或凸緣應(yīng)從模具的壁延伸以覆蓋模具腔體涂層的厚度，最好覆蓋腔體外的涂層厚度。因此，最佳性能的邊緣尺寸決定于所需的涂層的厚度。
為了獲得需要的結(jié)果，例如，從模具中很好地脫出洗滌劑塊，彈性體涂層的厚度和硬度可以隨著洗滌劑塊組合物、加工溫度和/或加工參數(shù)如兩半模的腔體形狀、沖壓機的運行速率和兩半模的分開距離而改變。對于有更加復(fù)雜的標識的模具，或者更加復(fù)雜的模具形狀，通過利用比較厚的涂層和比較低彈性模量有助于從模具中脫出制品。同樣，對于本身很難沖壓的塊狀組合物，采用比較厚的和/或具有比較低的彈性模量的彈性體涂層，可獲得合格的模具脫模。
按照本發(fā)明的設(shè)備，其能夠用于沖壓洗滌劑塊，洗滌劑塊包括表面活性劑，表面活性劑主要包括肥皂或合成洗滌劑或肥皂和合成洗滌劑的混合物。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，特別可用于沖壓軟的和/或粘的含合成表面活性劑的洗滌劑和/或軟塊；半透明或透明的脂肪含量減小到占總塊重63～78％的肥皂塊，那些包括護膚劑如潤濕劑、多羥基化合物、油、脂肪酸和脂肪醇的塊狀物。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種沖壓洗滌劑塊的方法，其包括i.在具有邊緣的模具上形成彈性體涂層，以便延緩彈性體涂層的撕裂；ii.向步驟i中的模具供給洗滌劑塊組合物；iii.在模具中沖壓組合物，以形成沖壓的塊；iv.從模具中脫出塊，最好，采用以容易再現(xiàn)的方式使表面裝飾印在塊上。
最好，通過機械和/或化學(xué)裝置將彈性體涂層粘合到模具沖壓表面，以便增加模具和涂層之間的粘合力。
特別優(yōu)選是用于緩解作用在彈性體涂層上的應(yīng)力的邊緣，其本身也部分涂敷彈性體涂層。最好在邊緣上的涂層的厚度比位于模具的塊沖壓表面處的涂層薄。例如，其厚度范圍為1～200微米，特別是10～50微米。
下面參照附圖詳細描述。圖1表示半模10，其包括各個模具12。在每一半模的塊沖壓表面14上都有彈性體涂層16(圖4)。彈性體涂層還設(shè)置在半模的非沖壓表面18上。一個半模具有在塊沖壓表面上的標識20。(在某些情況下，兩個半模都有標識)。此處也由彈性體涂層涂敷。
模具12包括金屬邊緣30，其從洗滌劑塊的壓制腔32的上周邊向內(nèi)凸出。如圖4所示，邊緣30覆蓋涂層16的垂直上升部分的上邊緣。最好，面對腔32的邊緣30的表面34至少與彈性體16的表面36齊平，所述表面36同樣面對腔32。更加優(yōu)選的方案結(jié)構(gòu)是，其中金屬邊緣30的邊緣34稍微延伸超過涂層16的表面36。
使用本發(fā)明的邊緣或凸緣構(gòu)成的模具，當模具切入肥皂時，可使切割邊緣附近的軟彈性體不被損壞。這是通過采用剛性和強度比較高的材料遮蓋模具邊緣附近的軟的彈性體的結(jié)果。遮蓋狀態(tài)類似圍繞模具邊緣的傘，其稍微與軟的彈性體搭接，搭接范圍是0.001″～0.015″。這種結(jié)構(gòu)可以防止軟的材料在剪切或拉伸時受過大的作用力，這種剪切或拉伸作用將使軟的材料加速破壞，導(dǎo)致模具失效。
如上所述，雖然模具的應(yīng)力緩解邊緣能是金屬，但一般取決于用于制造模具的材料。通常，制造邊緣的材料與用于制造模具的材料相同。但是，通常邊緣具有相當高的剛性，以便保護彈性體。
在本發(fā)明可隨常規(guī)的沖壓設(shè)備，例如，Binacchi USN 100一起使用。
最好，邊緣具有下切口，以得到較大的機械連接鍵。
實施例由碳鋼制造一系列半模，并且通過電火花蝕刻，形成表面粗糙值(Ra)，采用丙酮除油，涂底漆，然后涂敷一系列的彈性體材料。
在實施例中也可以采用一系列用黃銅制造的半模。同樣，采用丙酮除油，涂底漆，然后涂敷彈性體材料。
彈性體涂層由聚氨酯制成。所述聚氨酯如下制備a.產(chǎn)品名為Andur 80-5AP的聚醚基的液體的異氰酸鹽封端的預(yù)聚物。
供應(yīng)商Anderson Devlopment Co.
1415 E Michigan StreetAdrian，MI 49221-3499；b.采用的固化劑是產(chǎn)品Voronal 234-630 curative-Triol，供應(yīng)商Dow Chemical Co.2040 Dow CenterMidland，MI 48674。在實施例中采用的塊狀物成分如下所述配方A
配方B
配方C
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如圖4所示，模具包括金屬邊緣34。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在進行沖壓的過程中，金屬邊緣緩解作用在模具腔的上邊緣的應(yīng)力，因此，可以延長涂層的使用壽命。
當然，應(yīng)當理解，上面描述的本發(fā)明的特殊形式僅僅是對本發(fā)明進行解釋說明，在不脫離本發(fā)明公開內(nèi)容的原理情況下，還可以作某些變化。因此，在本發(fā)明的權(quán)利要求書中所述內(nèi)容，決定了本發(fā)明的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于沖壓基質(zhì)的設(shè)備，這類設(shè)備包括一種模具，該模具至少具有一個覆蓋有彈性體涂層的基質(zhì)沖壓表面，該設(shè)備特征是基質(zhì)沖壓表面設(shè)有凸緣，凸緣的剛性高于彈性體涂層的剛性。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征是凸緣是金屬。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征是凸緣由模具材料形成。
4.按照權(quán)利要求1～3之一所述的設(shè)備，其特征是凸緣包括彈性體涂層，其厚度比模具的涂層薄。
5.按照上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征是凸緣形成凸邊，其與模具的彈性體涂層的導(dǎo)邊齊平或超出其導(dǎo)邊。
6.按照權(quán)利要求1～5之一所述的設(shè)備，其特征是彈性體涂層選自彈性體材料、橡膠、熱塑性彈性體和共聚物，以及它們的共混物。
7.按照上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征是模具包括剛性材料，其選自金屬及其合金、熱塑性和熱固性樹脂、冷鑄聚氨酯、陶瓷、復(fù)合物和疊層物。
8.一種用于在沖壓基質(zhì)的設(shè)備上形成彈性體涂層的方法，其包括下列步驟i.通過化學(xué)和/或機械方法對設(shè)備進行預(yù)處理，形成對彈性體涂層的粘合表面；ii.向所述設(shè)備涂敷彈性體涂層，其特征是在設(shè)備上設(shè)有凸緣，凸緣的剛性高于彈性體涂層。
9.一種用于沖壓洗滌劑塊的方法，其包括下列步驟i.在模具的至少一個塊沖壓表面上形成彈性體涂層，所述模具上具有金屬凸緣，以便減小作用在涂層上的應(yīng)力；ii.向模具中供給洗滌劑塊的組合物；iii.在模具中沖壓該組合物，以形成沖壓成的塊；iv.從模具中脫出該塊。
10.權(quán)利要求l-7所述的設(shè)備在沖壓洗滌劑塊中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于沖壓洗滌劑塊的設(shè)備,所述洗滌劑塊包括肥皂、合成洗凈活性劑或它們的混合物,所述設(shè)備包括模具。模具(11)具有在至少一個塊沖壓表面涂敷有至少一種彈性體涂層(16),并且包括凸緣(30),凸緣(30)的剛性高于彈性體涂層(16)的剛性。在模具不需要速冷的條件下,可以很好地從模具中脫出洗滌劑塊。使用剛性凸緣增加了涂層的使用壽命。
文檔編號C08L21/00GK1241963SQ97181052
公開日2000年1月19日 申請日期1997年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月27日
發(fā)明者P·M·布澤奧, D·J·海恩茲, B·埃德蒙森, E·R·斯托賴 申請人:尤尼利弗公司