專利名稱：包括注塑成形的微孔低密度聚合物材料的模塑聚合物材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及聚合物結(jié)構(gòu)泡沫材料加工，具體地說涉及微孔結(jié)構(gòu)泡沫材料及其制造系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)泡沫材料是已知的，它可以這樣生產(chǎn)，即把物理發(fā)泡劑引入聚合物熔體流、使發(fā)泡劑分散在聚合物中以形成發(fā)泡劑微泡分散在聚合物中的二相混合物，然后把該混合物注入具有所需形狀的模具并且讓混合物在模具中固化。降低混合物中的壓力可以使聚合物中的微泡增大。作為物理發(fā)泡劑的替代品，可以使用化學(xué)發(fā)泡劑，化學(xué)發(fā)泡劑在聚合物材料中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起氣體的形成。化學(xué)發(fā)泡劑通常是在臨界溫度下分解并且釋放氣體(例如，氮?dú)?、二氧化碳或一氧化?的低分子量有機(jī)化合物。在某些條件下，可以使泡孔保持孤立狀態(tài)，于是得到閉孔的泡沫材料。在另一些條件下，通常是在更猛烈的發(fā)泡條件下，泡孔將破裂或者相互連接起來，于是得到開孔的泡沫材料。標(biāo)準(zhǔn)的注塑成形技術(shù)將在下面的專利文獻(xiàn)中予以說明。
美國(guó)專利第3,436,446號(hào)(Angel)描述一種通過控制模具的壓力和溫度模塑帶有固體表皮的泡沫塑料制品的方法和裝置。
美國(guó)專利第4,479,914號(hào)(Baumrucker)描述一種泡沫制品成形方法，在該方法中模腔是用氣體加壓的，以防止發(fā)泡劑過早地從注入的材料擴(kuò)散到模腔中。預(yù)加壓氣體在注射待發(fā)泡材料期間最終被排放到真空腔，該真空腔建立真空條件以使所述材料遍布模腔。
具體地說，低密度(高空隙體積)的模塑聚合物泡沫材料包括多孔聚丙烯(EPP)和多孔聚苯乙烯(EPS)。EPP或EPS的母料可以分別作為已經(jīng)局部發(fā)泡或完全發(fā)泡的聚丙烯顆粒或聚苯乙烯顆粒被提供。這些顆粒通常被注入蒸汽夾板模具并且被融和在一起，以便用顆粒制作結(jié)構(gòu)泡沫產(chǎn)品，在一些情況下，在蒸汽夾板內(nèi)顆粒發(fā)生進(jìn)一步的膨脹和發(fā)泡(通常用EPS)。就許多應(yīng)用而言當(dāng)EPS和EPP是有用的產(chǎn)品時(shí)，它們可以有不那么理想的外觀。人們可以輕易地在諸如苯乙烯泡沫塑料杯和其他EPP或EPS產(chǎn)品之類的產(chǎn)品上用人的裸眼觀察到顆粒之間的融合線。
微孔材料通常是由泡孔尺寸非常小的聚合物泡沫材料定義的，各種微孔材料在美國(guó)專利第5,158,986和4,473,665號(hào)中曾作過介紹。這些專利介紹說為了生產(chǎn)微孔材料需要使聚合物材料和物理發(fā)泡劑的單相溶液經(jīng)受熱力學(xué)不穩(wěn)定性以便形成密度非常高的成核部位，然后控制泡孔的生長(zhǎng)。美國(guó)專利第4,473,665號(hào)(Martini-Vvedensky)描述了一種用于生產(chǎn)微孔制件的模塑系統(tǒng)和方法。聚合物顆粒在傳統(tǒng)的擠塑機(jī)中用氣體發(fā)泡劑預(yù)先加壓并且熔融，以形成發(fā)泡劑和熔體聚合物的溶液，然后將該溶液擠入模腔。模具中的壓力被維持在適合在熔體溫度下維持給定的初始飽和度的氣體發(fā)泡劑的溶解壓力以上。當(dāng)模塑制件的溫度下降到適當(dāng)?shù)呐R界成核溫度時(shí)，模具上的壓力下降，通常下降到環(huán)境壓力，于是允許該制件發(fā)泡。
美國(guó)專利第5,158,986號(hào)(Cha等人)介紹另一種生產(chǎn)微孔制件的模塑系統(tǒng)和方法。聚合物顆粒被引入傳統(tǒng)的擠塑機(jī)并且被熔化。為了形成發(fā)泡劑和聚合物材料的均勻溶液，使超臨界狀態(tài)的二氧化碳發(fā)泡劑在擠塑機(jī)筒中形成并且與聚合物材料混合在一起。這樣給擠塑機(jī)的一段機(jī)筒加熱，以致當(dāng)混合物流過機(jī)筒時(shí)，形成熱力學(xué)不穩(wěn)定，借此在熔融的聚合物材料中形成成核部位。成核的材料被擠入加壓的模腔。模具內(nèi)的壓力是由空氣的反壓維持的。當(dāng)模腔擴(kuò)大致使其中的壓力迅速下降時(shí)，泡孔生長(zhǎng)在模腔內(nèi)發(fā)生；模具的擴(kuò)展提供小泡孔尺寸和高泡孔密度的模塑發(fā)泡制品。按照這項(xiàng)技術(shù)成核作用和泡孔生長(zhǎng)分開發(fā)生；熱誘導(dǎo)的成核作用發(fā)生在擠塑機(jī)的機(jī)筒中，而泡孔生長(zhǎng)發(fā)生在模具中。
盡管上述的和其他的報(bào)告闡述了幾種借助注塑成形制造微孔材料的相關(guān)技術(shù)，但是在技術(shù)上仍然需要改進(jìn)的微孔注塑工藝。
因此，本發(fā)明的目的是提供一些對(duì)生產(chǎn)微孔型的結(jié)構(gòu)泡沫材料(特別是非常薄的制品)有效的注塑成形系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一些不僅對(duì)微孔型的結(jié)構(gòu)泡沫材料的注塑成形有用而且對(duì)傳統(tǒng)的泡沫材料的注塑成形和微孔型的或傳統(tǒng)的泡沫材料的連續(xù)擠塑有用的系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的方向是能夠制造模塑制品的注塑成形系統(tǒng)和方法以及制造各種泡沫材料的系統(tǒng)和方法。就在此介紹的本發(fā)明的各個(gè)方面而言，在一組實(shí)施方案中，所述材料不是通過泡孔的尺寸和密度定義的微孔泡沫材料，而在另一組實(shí)施方案中，所述材料是微孔材料。
按照一個(gè)方面，本發(fā)明包括為生產(chǎn)微孔結(jié)構(gòu)泡沫制品而構(gòu)成的注塑成形系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括在入口端有為接收微孔材料的母料而設(shè)計(jì)的入口的擠塑機(jī)、模塑成形艙和把所述入口與模塑成形艙連接起來的封閉通道。模塑成形艙的結(jié)構(gòu)和布局適合接收聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的、均勻的流體單相溶液，以便在升高的壓力下把聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的均勻的流體單相溶液以流動(dòng)狀態(tài)容納在所述通道內(nèi)并且把所述溶液作為流體流在所述通道內(nèi)按順流方向從入口端向模塑成形艙推進(jìn)。封閉通道包括成核路徑，所述單相溶液中的發(fā)泡劑在通過該路徑時(shí)成核。成核路徑結(jié)構(gòu)包括接收聚合物材料和未成核的發(fā)泡劑的均勻流體單相溶液的聚合物接收端、結(jié)構(gòu)和布局適合釋放成核的聚合物材料的成核聚合物釋放端以及連接接收端和釋放端的流動(dòng)路徑。聚合物釋放端可以非必選地定義模塑成形艙的小孔，或者與模塑成形艙流體連通。成核路徑的結(jié)構(gòu)具有這樣的長(zhǎng)度和橫截面尺寸，以致該系統(tǒng)能夠使與發(fā)泡劑均勻混合的流體聚合物在通過所述通道時(shí)承受至少大約0.1GPa/sec、或至少大約0.3GPa/sec、或至少大約1.0GPa/sec、或至少大約3GPa/sec、或至少大約10GPa/sec、或至少大約100GPa/sec的壓降速率。另外，成核路徑的結(jié)構(gòu)還可以具有可變的橫截面尺寸，以致流過所述路徑的流體聚合物承受可變化的壓降速率和/或溫升。
按照本發(fā)明的另一方面，為了防止泡孔在升高的壓力下生長(zhǎng)，提供一種模塑成形艙的結(jié)構(gòu)和布局適合在升高的壓力下容納成核的聚合物材料的系統(tǒng)。加壓的模塑成形艙可以通過流體或者用機(jī)械方法加壓，以便在這種升高的壓力下容納成核的聚合物材料。在加壓的模塑成形艙減壓之后，聚合物材料可以固化，所需的微孔聚合物制品的形狀與構(gòu)成和布局模塑成形艙時(shí)所具有的內(nèi)部形狀相同。
按照本發(fā)明的另一方面，提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有機(jī)筒、為接收擠塑材料的母料而設(shè)計(jì)的入口、為釋放發(fā)泡劑和和發(fā)泡沫聚合物制品的母料的未成核的流體混合物而設(shè)計(jì)的出口、可與發(fā)泡劑源連接的小孔和安裝在所述機(jī)筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的螺桿。該擠塑系統(tǒng)還可以具有至少兩個(gè)可與發(fā)泡劑源連接的小孔，這些小孔可以沿著機(jī)筒軸線縱向布局，以便在螺桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)至少通過這兩個(gè)小孔把未成核的混合物按順序引入機(jī)筒。另外，該系統(tǒng)還可以包括與第一機(jī)筒一前一后連接的第二擠塑機(jī)筒，在這種場(chǎng)合第二擠塑機(jī)筒具有為接收未成核的流體混合物設(shè)計(jì)的入口和安裝在機(jī)筒內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的螺桿。
按照另一方面，本發(fā)明提供一種用來建立聚合物母料和發(fā)泡劑的未成核的流體單相溶液的連續(xù)流、使該連續(xù)流成核形成所述混合物的成核流、讓所述的成核流通過并流入閉合空間、然后使該混合物按閉合空間的形狀固化的方法。該物料流可以非必選地被連續(xù)成核，其方法是在物料流進(jìn)入閉合空間的同時(shí)讓它承受至少大約0.1GPa/sec的壓降速率，以便形成成核材料的連續(xù)流。作為替代，該方法包括使物料流間歇地成核，其方法是當(dāng)物料流進(jìn)入閉合空間時(shí)讓它這樣承受速率至少為大約0.1GPa/sec的壓降，以致未成核的材料首先進(jìn)入閉合空間，而成核的材料跟在后面。反之，成核的物料流可以這樣進(jìn)入閉合空間，以致成核的材料首先進(jìn)入閉合空間，隨后才是未成核的材料。該方法還包括從閉合空間中取出固化的微孔制品，并且按不足大約10分鐘的周期在閉合空間中提供第二份成核的混合物、讓第二份混合物按閉合空間的形狀固化、以及從閉合空間中清除第二個(gè)固化的微孔制品。
本發(fā)明還提供一種方法，該方法包括積聚泡沫聚合物材料的母料和發(fā)泡劑的裝模料；把至少定義大約2％的裝模料的第一部分裝模料加熱到至少比裝模料的平均溫度高大約10℃的溫度以及把裝模料注入模塑成形艙。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括用與模塑成形艙流體連通的積聚器積聚包括由本質(zhì)上沒有發(fā)泡劑的流體聚合物材料組成的第一部分和由與發(fā)泡劑混合的流體聚合物材料組成的第二部分的裝模料以及把來自積聚器的裝模料注入模塑成形艙。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括在使泡沫聚合物材料的母料和發(fā)泡劑的單相流體溶液成核以形成成核的混合物的同時(shí)把該溶液從與擠塑裝置流體連通的積聚器注入模塑成形艙，然后讓該混合物在模塑成形艙中固化成聚合物微孔制品。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括在擠塑螺桿在機(jī)筒內(nèi)軸向移動(dòng)時(shí)把發(fā)泡劑注入聚合物擠塑裝置的擠塑機(jī)機(jī)筒。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括把發(fā)泡劑從擠塑螺桿注入聚合物擠塑裝置的機(jī)筒。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括在擠塑裝置的機(jī)筒中建立聚合物制品的流體母料，從機(jī)筒中回收一部分流體母料，將這部分流體母料與發(fā)泡劑混合以便形成發(fā)泡劑和這部分流體母料的混合物，然后把該混合物引入機(jī)筒。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括把與超臨界流體混合的聚合物材料引入模具并且讓聚合物材料在模具中固化，其中所述模具包括內(nèi)部尺寸不足的大約0.125英寸的部分。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括建立至少兩種不同的熔體聚合物成分與超臨界流體發(fā)泡劑的混合物，以及擠塑該混合物以便形成至少兩種成分的不分層的泡沫塑料。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括把聚合物材料和發(fā)泡劑的單相溶液注入打開的模具，然后關(guān)閉模具，讓微孔制品按模具的形狀成形。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括建立聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的單相溶液，在該溶液成核期間把溶液引入模塑成形艙，使模具龜裂，借此讓泡孔生長(zhǎng)，然后收回形狀與模塑成形艙相似但比模塑成形艙大的微孔聚合物制品。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括在擠塑機(jī)中形成微孔聚合物材料的母料和發(fā)泡劑的未成核的均勻的流體單相溶液，在該溶液成核期間用該溶液填充模塑成形艙，以便在模塑成形艙內(nèi)形成成核的微孔聚合物材料的母料。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括把流體聚合物材料/發(fā)泡劑的混合物注入模塑成形艙，讓該混合物在模塑成形艙中固化成微孔聚合物制品，從模塑成形艙中取出固化的微孔聚合物制品；然后按不足大約10分鐘的周期，把第二份聚合物/發(fā)泡劑的混合物提供給模塑成形艙并且讓該混合物在模塑成形艙中固化成第二個(gè)微孔聚合物制品并且從模塑成形艙中取出第二個(gè)微孔聚合物制品。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括把聚合物/發(fā)泡劑的混合物在低于大約400℃的熔體溫度下注入模塑成形艙，并且模塑成形艙使空隙體積至少大約為5％且長(zhǎng)度/厚度比至少大約為50∶1的固體泡沫聚合物制品模塑成形；在這種方法的某些實(shí)施方案中熔體溫度低于大約380℃，在一些實(shí)施方案中低于大約300℃，而在另一些實(shí)施方案中低于大約200℃。
本發(fā)明還提供另一種方法，該方法包括把未發(fā)泡的聚合物材料注入模塑成形艙，并且讓聚合物材料形成本質(zhì)上與模塑成形艙的形狀相同的微孔聚合物制品。該制品包括至少一個(gè)在三條相互垂直的正交軸線上的橫截面尺寸都至少大約為1/2英寸且空隙體積至少大約為50％的部分。
本發(fā)明提供的另一種方法包括把泡沫聚合物材料的流體母料在低于100℃的模塑成形艙溫度下注入模塑成形艙，并且讓該混合物在模塑成形艙中固化成微孔聚合物制品。該至少一個(gè)在三條相互垂直的正交軸線上的橫截面尺寸都至少大約為1/2英寸且空隙體積至少大約為50％的部分。模塑成形艙的溫度可以低于大約75℃、50℃、或30℃，而泡沫聚合物材料可以是聚烯烴。
另一種方法包括把未發(fā)泡的聚合物材料注入模塑成形艙，讓該混合物在模塑成形艙中固化成空隙體積至少為大約50％的微孔聚合物制品，然后按不足大約1分鐘的時(shí)間周期重復(fù)注射和固化步驟。
本發(fā)明提供的另一種方法包括把聚合物材料和發(fā)泡劑的單相流體溶液注入模塑成形艙同時(shí)讓所述溶液在足以引起微孔成核作用的第一壓降速率下承受快速壓降。本質(zhì)上隨后立即允許泡孔生長(zhǎng)，并且通過讓所述材料在逐漸下降的壓降速率下承受比第一壓降小的第二壓降來控制泡孔生長(zhǎng)。
本發(fā)明的系統(tǒng)包括一個(gè)包括具有接收泡沫聚合物材料的母料和發(fā)泡劑的入口和出口的積聚器、與所述積聚器的出口流體連通的模塑成形艙以及與積聚器相關(guān)聯(lián)且結(jié)構(gòu)和布局適合在系統(tǒng)操作期間把靠近模塑成形艙的積聚器的第一部分加熱到比積聚器的平均溫度至少高大約10℃的溫度的加熱裝置的系統(tǒng)。
本發(fā)明還提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺(tái)具有適合接收泡沫聚合物的母體并且結(jié)構(gòu)和布局適合由所述母體生產(chǎn)流體聚合物材料的入口、位置適合交付來自所述擠塑機(jī)的流體聚合物材料的第一出口、在第一出口的下游與物理發(fā)泡劑的來源連接的發(fā)泡劑入口、在發(fā)泡劑入口的下游并且結(jié)構(gòu)和布局適合生產(chǎn)流體聚合物母料和發(fā)泡劑的混合物的混合區(qū)、以及在混合區(qū)的下游位置適合交付流體聚合物母料和發(fā)泡劑的混合物的第二出口的擠塑機(jī)以及具有與所述擠塑機(jī)的第一出口流體連通的第一入口和與擠塑機(jī)的第二出口流體連通的第二入口的積聚器。
本發(fā)明還提供一種用來生產(chǎn)微孔型注塑材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在出口端具有為釋放聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的均勻的流體單相溶液而設(shè)計(jì)的出口的擠塑機(jī)以及入口與擠塑機(jī)的出口流體連通的模塑成形艙。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局適合把所述的單相溶液從擠塑機(jī)出口交付給模塑成形艙并且在填充模塑成形艙期間使所述的單相溶液成核，以便在模塑成形艙內(nèi)形成成核的微孔聚合物材料的母料。
本發(fā)明還提供一種擠塑系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有為接收擠塑材料而設(shè)計(jì)的入口、為釋放未成核的發(fā)泡劑和母料的流體混合物而設(shè)計(jì)的出口以及與發(fā)泡劑源連通的小孔的機(jī)筒和安裝在機(jī)筒內(nèi)適合往復(fù)運(yùn)動(dòng)的螺桿。
本發(fā)明還提供一種生產(chǎn)微孔型注塑材料的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括作其出口端具有為釋放微孔聚合物材料的母料和發(fā)泡劑而設(shè)計(jì)的出口的擠塑機(jī)和入口與所述擠塑機(jī)出口流體連通的模塑成形艙。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局適合周期性地把微孔聚合物材料的母料和發(fā)泡劑注入模塑成形艙。
本發(fā)明還提供一種擠塑系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有為接收擠塑材料的母料而設(shè)計(jì)的入口、為釋放未成核的發(fā)泡劑和母料的流體混合物而設(shè)計(jì)的出口以及與發(fā)泡劑源連通的小孔的機(jī)筒。螺桿安裝在機(jī)筒內(nèi)適合作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明為生產(chǎn)熔融的微孔聚合物型材料準(zhǔn)備的另一種系統(tǒng)包括指令和布局適合接收熔融的微孔聚合物材料的母料的入口、模塑成形艙和連接所述入口和模塑成形艙的通道。該通道包括位于入口和模塑成形艙之間的發(fā)散段，該發(fā)散段在保持橫截面積變化不超過大約25％的同時(shí)寬度至少增加大約100％。
本發(fā)明的另一種系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)和布局適合接收熔融的微孔聚合物材料的母料的入口、模塑成形艙以及連接所述入口和模塑成形艙的通道。該通道包括具有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度和橫截面尺寸的成核路徑，當(dāng)聚合物材料和發(fā)泡劑的流體單相溶液以為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速率通過該路徑時(shí)該成核路徑將按足以引起微孔成核的壓降速率在流動(dòng)路中形成壓降。該通道包括位于成核路徑和模塑成形艙之間橫截面尺寸朝模塑成形艙方向遞增的泡孔生長(zhǎng)區(qū)。
本發(fā)明的另一個(gè)系統(tǒng)與上述系統(tǒng)相同，但是在沒有必要包括橫截面尺寸遞增的泡孔生長(zhǎng)區(qū)時(shí)該系統(tǒng)包括寬度/高度比至少大約為1.5∶1的成核路徑。
本發(fā)明的另一個(gè)系統(tǒng)類似于與上述系統(tǒng)，但是在該成核路徑不必具有至少大約為1.5∶1的寬度/高度比時(shí)其寬度等于模塑成形艙的一個(gè)尺寸。
在另一方面，本發(fā)明提供一種方法，該方法包括當(dāng)擠塑螺桿在機(jī)筒內(nèi)軸向移動(dòng)時(shí)把發(fā)泡劑注入聚合物擠塑裝置的擠塑機(jī)機(jī)筒。在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括把發(fā)泡劑從擠塑螺桿注入聚合物擠塑裝置的機(jī)筒。這種注射技術(shù)可以與各種各樣的微孔技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)中的任何一種技術(shù)一起使用。在另一方面，本發(fā)明包括結(jié)構(gòu)和布局適合在聚合物擠塑裝置的機(jī)筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)的擠塑螺桿，在該螺桿內(nèi)包括一個(gè)與和小孔在螺桿表面上的小孔連通的管腔。這個(gè)管腔可用于把發(fā)泡劑注入擠塑機(jī)筒。
在另一方面，本發(fā)明提供生產(chǎn)注塑制品的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括擠塑機(jī)、模塑成形艙、連接擠塑機(jī)和模塑成形艙的流道以及與所述流道進(jìn)行熱交換的溫度控制裝置。另一方面，本發(fā)明包括在擠塑機(jī)中形成發(fā)泡劑和注塑材料母體的流體混合物、通過流道把混合物輸送到模塑成形艙中、使模塑成形艙中的那部分流體混合物固化同時(shí)維持一部分混合物在流道中處于流動(dòng)狀態(tài)，并且把補(bǔ)充的流體混合物注入流道，借此促使那部分流體混合物和流道內(nèi)的物料進(jìn)入模塑成形艙。
本發(fā)明還提供一種方法，該方法包括從擠塑機(jī)筒中回收一部分聚合物制品的流體母料、將這部分流體母料與發(fā)泡劑混合以形成混合物，以及把混合物再次引入機(jī)筒。
本發(fā)明還提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括帶擠塑機(jī)機(jī)筒的擠塑機(jī)、模塑成形艙、以及與在機(jī)筒上位于上游的第一孔、位于下游的第二孔和發(fā)泡劑源流體連通的混合艙。
在另一方面，本發(fā)明提供一種形狀本質(zhì)上與模塑成形艙相同的模塑泡沫制品，其中至少一個(gè)部分具有不超過大約0.125英寸的橫截面尺寸。
另一方面包括一種三維的泡沫聚合物制品，該制品有三條相交的主軸線與三個(gè)尺寸相對(duì)應(yīng)，其中與第一軸線相關(guān)的尺寸之一作為位置的函數(shù)沿著垂直的第二軸線變化。該制品至少包括一個(gè)橫截面尺寸不超過大約0.125英寸的部分并且具有至少大約20％的空隙體積。
另一方面包括一種三維的聚合物泡沫制品，該制品有三條相交的主軸線對(duì)應(yīng)于三個(gè)尺寸，其中與第一軸線相關(guān)的尺寸之一作為位置的函數(shù)沿著垂直的第二軸線變化。該制品至少包括一個(gè)橫截面尺寸不超過大約0.125英寸的部分。
在另一方面，本發(fā)明提供一種長(zhǎng)度/厚度比至少大約為50∶1的聚合物注塑制件，該聚合物的熔體指數(shù)低于大約10。
在另一方面，本發(fā)明提供一種長(zhǎng)度/厚度比至少大約為120∶1的聚合物注塑制件，該聚合物的熔體流動(dòng)速率低于大約40。
在另一方面，本發(fā)明提供一種注塑的聚合物泡沫塑料，這種泡沫塑料具有至少大約為5％的空隙體積和沒有人的裸眼可見的八字形和漩渦的表面。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明以至少大約20％的空隙體積提供一種厚度不足大約0.125英寸的制品。制作這種制品的方法也提供了，該方法可以包括把與超臨界流體混合的聚合物材料引入模具(該模具包括內(nèi)部尺寸不足大約0.125英寸的部分)，然后讓聚合物材料在模具中固化，引入和固化步驟是在不足10秒鐘的時(shí)間周期內(nèi)發(fā)生的。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種形狀本質(zhì)上與模塑成形艙相同并且包括至少一個(gè)在三條相互垂直的正交軸線上橫截面尺寸都至少為1/2英寸的部分的聚合物模塑制品。這種制品具有至少大約50％的空隙體積并且上是由包括平均泡孔壁厚的泡孔壁在內(nèi)的泡孔定義的。這種制品沒有厚度比平均泡孔壁厚的大大約5倍的周期性的固體邊界。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種模塑的聚合物泡沫制品，該制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸不超過大約0.075英寸且空隙體積至少大約5％的部分。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種模塑的聚合物泡沫制品，該制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.075英寸和大約0.125英寸之間且空隙體積至少大約10％的部分。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種模塑的聚合物泡沫制品，該制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.125英寸和大約0.150英寸之間且空隙體積至少大約15％的部分。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種模塑的聚合物泡沫制品，該制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.150英寸和大約0.350英寸之間且空隙體積至少大約20％的部分。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供包括眾多泡孔的聚合物模塑制品，其中按總數(shù)計(jì)至少70％的泡孔具有不足150微米的泡孔尺寸。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)。這種系統(tǒng)包括在上游端有為接收聚合物制品的母料設(shè)計(jì)的入口、在下游端有出口的機(jī)筒。該機(jī)筒包括一個(gè)發(fā)泡劑口，該發(fā)泡劑口位于上游端和下游端之間、與發(fā)泡劑源流體連通、適合把來自發(fā)泡劑源的發(fā)泡劑引入在機(jī)筒內(nèi)的母料，以便在機(jī)筒內(nèi)形成母料和發(fā)泡劑的混合物。這個(gè)系統(tǒng)還包括入口接在發(fā)泡劑源上、出口接在機(jī)筒上的計(jì)量裝置。該計(jì)量裝置的結(jié)構(gòu)和布局適合計(jì)量發(fā)泡劑從發(fā)泡劑源流向發(fā)泡劑口的質(zhì)量流速。這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步包括模塑成形艙，該模塑成形艙具有與機(jī)筒的出口流體連通的入口，以便接收來自機(jī)筒的母料和發(fā)泡劑的混合物。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供聚合物泡沫制品的成形方法。該方法包括促使聚合物制品的母料流在擠塑裝置的機(jī)筒內(nèi)朝下游方向流動(dòng)。這種方法進(jìn)一步包括把發(fā)泡劑以借助發(fā)泡劑的質(zhì)量流計(jì)量的流速引入母料流，以便形成聚合物制品的流體母料和發(fā)泡劑的混合物。這種方法進(jìn)一步包括把聚合物制品的流體母料的混合物注入與機(jī)筒流體連通的模塑成形艙。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種系統(tǒng)。這種系統(tǒng)包括在上游端具有為接收聚合物制品的母料設(shè)計(jì)的入口和在下游端具有出口的機(jī)筒。機(jī)筒包括位置在上游端和下游端之間并且具有眾多小孔的發(fā)泡劑口。這個(gè)發(fā)泡劑口與發(fā)泡劑源流體連通，以便把來自發(fā)泡劑源的發(fā)泡劑通過各個(gè)小孔引入在機(jī)筒里的母料，在機(jī)筒中形成母料和發(fā)泡劑的混合物。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括模塑成形艙，該模塑成形艙具有與機(jī)筒的出口流體連通用于接收來自機(jī)筒的母料和發(fā)泡劑的混合物的入口。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種聚合物制品的成形方法。該方法包括促使聚合物制品的母料流在擠塑裝置的機(jī)筒內(nèi)朝下游向流動(dòng)。該方法進(jìn)一步包括通過使機(jī)筒與發(fā)泡劑源流體連通發(fā)泡劑口上的眾多小孔把來自發(fā)泡劑源的發(fā)泡劑引入母料流，以便形成母料和發(fā)泡劑的混合物，并且把母料的混合物注入與機(jī)筒流體連通的模塑成形艙。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供生產(chǎn)注塑的微孔材料的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)和布局適合積聚微孔材料的母料和發(fā)泡劑并且包括一個(gè)出口的積聚器。這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步包括結(jié)構(gòu)和布局適合通過積聚器的出口周期性地注射微孔材料的母料的注射器。這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)一步包括模塑成形艙，該模塑成形艙具有與積聚器的出口流體連通的入口。模塑成形艙的結(jié)構(gòu)和布局適合接收微孔材料的母料。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種方法。該方法包括積聚微孔聚合物材料的母料和發(fā)泡劑的裝模料以及把裝模料注入模塑成形艙。
通過結(jié)合不打算按尺寸繪制的示意性的附圖閱讀下面的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它的優(yōu)點(diǎn)、新穎性特征和目的將變得顯而易見。在這些附圖中，用不同的附解說明的每個(gè)完全一樣的或者幾乎完全一樣的零部件都用一個(gè)數(shù)字表示。為了清楚起見，在沒有必要通過圖解說明為熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人理解本發(fā)明創(chuàng)造條件的場(chǎng)合，并非每個(gè)零部件在所有的附圖中都被標(biāo)注出來，本發(fā)明的每個(gè)實(shí)施方案的每個(gè)零部件并非都被展示。
附圖簡(jiǎn)要說明在這些附圖中，

圖1圖解說明本發(fā)明的微孔材料注塑或擠塑成形系統(tǒng)，其中包括由成核路徑定義模塑成形艙的?？椎臄D塑系統(tǒng)；圖1A圖解說明在圖1所示的系統(tǒng)中優(yōu)選的多孔型發(fā)泡劑進(jìn)料口的布局和擠塑螺桿。
圖2圖解說明包括積聚器的本發(fā)明的微孔材料注塑成形系統(tǒng)；
圖3圖解說明本發(fā)明的模塑系統(tǒng)的模塑成形艙的一個(gè)實(shí)施方案，其中包括可移動(dòng)的艙壁；圖4圖解說明模塑成形艙的另一個(gè)實(shí)施方案，其中模塑成形艙是氣體加壓的模具；圖5圖解說明系統(tǒng)的一個(gè)積聚微孔材料并且使之模塑成形的操作階段，以便形成具有固體壁和微孔型的內(nèi)部(富含發(fā)泡劑的區(qū)域和缺乏發(fā)泡劑的區(qū)域)的制品，其中積聚器是在注射之前就被裝滿了；圖6圖解說明圖5所示的系統(tǒng)處在注射之后立即進(jìn)行的操作階段；圖7圖解說明圖5所示的系統(tǒng)處在一個(gè)注射周期之后填充積聚器期間的操作階段；圖8圖解說明用于在熔融聚合物中形成富含發(fā)泡劑的區(qū)域和缺乏發(fā)泡劑的區(qū)域的微孔材料的注塑系統(tǒng)，其中包括熔體泵、氣體注射口和混合機(jī)；圖9圖解說明在注塑成形系統(tǒng)或其他的擠塑系統(tǒng)中使用的螺旋形的螺桿，其中包括穿過螺桿的螺紋并且與發(fā)泡劑的來源流體連通的管腔，該管腔用于在擠塑機(jī)的機(jī)筒中分配發(fā)泡劑；圖10是用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法制成的注塑制品的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖11是本發(fā)明的注塑成形的微孔制品的顯微鏡照片的復(fù)印件；
圖12是本發(fā)明的另一種注塑成形的微孔制品的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖13是本發(fā)明的另一種注塑成形的微孔制品的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖14是本發(fā)明的另一種注塑成形的微孔制品的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖15是本發(fā)明的另一種注塑成形的微孔制品的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖16是用作對(duì)比的現(xiàn)有技術(shù)的未發(fā)泡的固體注塑制品的表面的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖17是本發(fā)明注塑成形的微孔制品的表面的顯微鏡照片的復(fù)印件，該制品具有平滑的表面，在該表面上沒有人的裸眼可見的八字形和漩渦；圖18是表面包括人的裸眼可見的漩渦的注塑成形的泡沫聚合物制品的表面的顯微鏡照片的復(fù)印件；圖19按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案圖解說明模塑系統(tǒng)的俯視圖；圖20是沿著圖19中線20-20剖開的側(cè)視剖面圖。
本發(fā)明的詳細(xì)說明1996年12月20日申請(qǐng)的共同擁有的未審的美國(guó)專利申請(qǐng)第08/777,709號(hào)(題為“微孔聚合物的擠塑方法和裝置(Method andApparatus for Microcellular Polymer Extrusion)”)和分別在1998年3月5日和1998年7月23日公開的共同擁有的未審的國(guó)際專利出版物WO 98/08667和WO 98/31521在此通過引證并入。
本發(fā)明的各種實(shí)施方案和方面依據(jù)下面的定義將得到更充分理解。正像在本文中使用的那樣，“成核作用”定義聚合物材料的均勻的單相溶液所經(jīng)歷的過程，通過這個(gè)過程溶解在該單相溶液中的在環(huán)境條件下呈氣態(tài)的物種的分子將形成所述物種的分子簇，該分子簇定義泡孔將從那里開始生長(zhǎng)的“成核部位”。換言之，“成核作用”意味著從均勻的單相溶液朝混合物變化，在該混合物中形成至少幾個(gè)發(fā)泡劑分子積聚在一起的部位。成核作用定義溶解在聚合物熔體中的氣體脫離溶液在聚合物熔體內(nèi)形成氣泡的懸浮體時(shí)的瞬間狀態(tài)。一般地說，這個(gè)過渡狀態(tài)是由于聚合物熔體的溶解度從足以在溶液中包含一定數(shù)量的氣體的溶解度狀態(tài)變化到不足以在溶液中包含相同數(shù)量的氣體的溶解度狀態(tài)而被迫發(fā)生的。成核作用可以通過使均勻的單相溶液經(jīng)歷快速的熱力學(xué)不穩(wěn)定(例如，快速的溫度變化、快速的壓力下降或兩者)來實(shí)現(xiàn)?？焖俚膲毫ο陆悼梢岳孟旅娑x的成核路徑來建立?？焖俚臏囟茸兓梢杂脭D塑機(jī)的加熱段、灼熱的甘油浴槽或類似的東西來實(shí)現(xiàn)。如同在本文中使用的那樣，“微孔成核作用”意味著泡孔密度足夠高足以在受控膨脹時(shí)形成微孔材料的成核作用?！俺珊藙笔翘砑拥骄酆衔镏心軌虼偈钩珊瞬课辉诰鶆虻膯蜗嗳芤褐行纬傻闹苿?，例如滑石粉或其他填料顆粒。因此，“成核部位”不定義成核劑在聚合物內(nèi)的駐留位置?！俺珊恕敝傅氖橇黧w聚合物材料的一種狀態(tài)，它已經(jīng)包含把被溶解的在環(huán)境條件下呈氣態(tài)的物種包括在內(nèi)的均勻的單相溶液，在某種事件(通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定事件)之后將導(dǎo)致成核部位的形成?！拔闯珊恕敝傅氖怯删酆衔锊牧虾捅蝗芙獾脑诃h(huán)境條件下呈氣態(tài)的物種的均勻的單相溶液定義的一種沒有成核部位的狀態(tài)?！拔闯珊说摹辈牧峡梢园ɑ壑惖某珊藙！熬酆衔锊牧?發(fā)泡劑的混合物”可以是至少兩種成分的未成核的單相溶液、至少兩種成分的成核溶液、或發(fā)泡劑的泡孔已經(jīng)在其中生長(zhǎng)的混合物。“成核路徑”意味著定義一條路徑，該路徑構(gòu)成微孔聚合物泡沫塑料擠塑裝置的一部分，并且在裝置的設(shè)計(jì)運(yùn)行條件下(通常是成核裝置的上游壓力從大約1500psi到大約30,000psi，流動(dòng)速率大于每小時(shí)大約10磅聚合物材料)與發(fā)泡劑混合在一起的聚合物材料的單相溶液的壓力在該路徑中以有利于迅速成核的速率下降到適合特定的發(fā)泡劑濃度的飽和壓力以下。成核路徑非必選地與其它成核路徑一起定義本發(fā)明的裝置的成核作用區(qū)或成核區(qū)。正像在本文中使用的那樣，“增強(qiáng)劑”指的是結(jié)構(gòu)和布局適合提高材料的尺寸穩(wěn)定性、強(qiáng)度或韌性的本質(zhì)上呈固態(tài)的輔助材料。正像在美國(guó)專利第4,643,940號(hào)和第4,426,470號(hào)中描述的那樣，這樣的制劑以纖維材料為代表。“增強(qiáng)劑”按定義不必包括結(jié)構(gòu)和布局不適合提高尺寸穩(wěn)定性的填料或其他添加物。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人可以結(jié)合某種特定的材料對(duì)添加物進(jìn)行試驗(yàn)，以確定它是否是增強(qiáng)劑。
本發(fā)明提供用于包括微孔聚合物材料的聚合物材料的流動(dòng)注塑和注塑成形的系統(tǒng)和方法，以及在流動(dòng)注塑和注塑成形中有用在與其他技術(shù)結(jié)合時(shí)也有用的系統(tǒng)和方法。例如，盡管以介紹注塑和流動(dòng)注塑為主，但是熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人可以輕易地修改本發(fā)明，以便用在其它模塑方法中，例如，不受限制地用于低壓注塑、共注塑成形、層壓模塑、注射壓制等。就本發(fā)明的目的而言，微孔材料被定義為平均泡孔尺寸(直徑)小于大約100微米的泡沫材料，或泡孔密度通常至少大于106個(gè)泡孔/立方厘米的材料，或者優(yōu)選具有兩種特征的材料。非微孔泡沫塑料的泡孔尺寸和泡孔密度都在這些范圍之外。微孔材料的空隙率通常在5％和98％之間變化。超微孔材料是為本發(fā)明定義的，其泡孔尺寸小于1微米、泡孔密度超過1012個(gè)泡孔/立方厘米。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，按本發(fā)明生產(chǎn)的微孔材料具有不足大約50微米的平均泡孔尺寸。在一些實(shí)施方案中，特別小的泡孔尺寸是符合要求的，在這些實(shí)施方案中，本發(fā)明的材料具有小于大約20微米、優(yōu)選小于大約10微米、更優(yōu)選小于大約5微米的平均泡孔尺寸。微孔材料優(yōu)選具有大約100微米的最大的泡孔尺寸。在需要特別小的泡孔尺寸的實(shí)施方案中，材料可以具有大約50微米、更優(yōu)選大約25微米，更優(yōu)選大約15微米，更優(yōu)選大約8微米和更優(yōu)選大約5微米的最大泡孔尺寸。一套實(shí)施方案包括這些注明的平均泡孔尺寸和最大泡孔尺寸的全部組合。例如，這套實(shí)施方案中的一個(gè)實(shí)施方案包括平均泡孔尺寸小于大約30微米、最大的泡孔尺寸大約為50微米的微孔材料；作為另一個(gè)實(shí)施例，其平均泡孔尺寸小于大約30微米、最大的泡孔尺寸大約為35微米。換言之，可以生產(chǎn)為各種目的設(shè)計(jì)的微孔材料，該材料可以具有為那個(gè)目的優(yōu)選的平均泡孔尺寸和最大泡孔尺寸的特殊組合。下面將更詳細(xì)地介紹泡孔尺寸的控制。
在一個(gè)實(shí)施方案中，按照本發(fā)明的技術(shù)生產(chǎn)了本質(zhì)上閉孔的微孔材料。正像足本文中使用的那樣，“本質(zhì)上閉孔”意味著規(guī)定在厚度大約100微米的材料中不包含穿過材料連通泡孔的路徑。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，該圖示意地說明能夠按照本發(fā)明的各種實(shí)施方案實(shí)施模塑成形的模塑系統(tǒng)30。圖1所示的系統(tǒng)30包括具有上游的第一端34和下游的第二端36的機(jī)筒32，其中下游的第二端與模塑成形艙37連接。螺桿38可旋轉(zhuǎn)地安裝在機(jī)筒32內(nèi)，其上游端可操作地連接到驅(qū)動(dòng)馬達(dá)40上。雖然沒有詳細(xì)地說明，但是螺桿38包括進(jìn)料段、過渡段、氣體注射段、混合段和計(jì)量段。
溫度控制單元42非必選地沿著機(jī)筒32被置于適當(dāng)?shù)奈恢谩？刂茊卧?2可以是電加熱器、可以包括提供溫控流體的通道和/或類似的東西。單元42可以用于給機(jī)筒內(nèi)的聚合物粒料或聚合物流體的物料流加熱，以便促進(jìn)該物料流熔融和/或冷卻該物料流借此控制粘度以及在某些情況下控制發(fā)泡劑的溶解度。溫度控制單元沿著機(jī)筒可以在不同的位置有不同的操作，即在一個(gè)或多個(gè)位置加熱，以及在一個(gè)或多個(gè)不同的位置冷卻。溫度控制單元的數(shù)量可以是任意的。
機(jī)筒32的結(jié)構(gòu)和布局適合接收聚合物材料的母料。正像在本文中使用的那樣，“聚合物材料的母料”意味著包括所有的本身是流體或能夠形成流體并且隨后能夠硬化成微孔聚合物制品的材料。通常，母料是由熱塑性的聚合物粒料定義的，但可以包括其他物種。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，母料可以由將在各種條件下反應(yīng)形成所述的微孔聚合物材料的物種來定義。本發(fā)明意味著包括用任何能夠一起反應(yīng)形成聚合物的物種的組合(通常是在發(fā)生反應(yīng)時(shí)被混合在一起并且發(fā)泡的單體或低分子量聚合物母料)生產(chǎn)微孔材料。一般的說，本發(fā)明所包含的物種包括熱固性聚合物，其中由于聚合物成分交聯(lián)引起的聚合物分子量的大幅度增加發(fā)生在反應(yīng)期間和發(fā)泡期間。例如，包括脂肪族和芳香族聚酰胺在內(nèi)的縮合和加成型的聚酰胺，例如，聚己二酸己二醇酯、聚(e-己內(nèi)酰胺)；多烯，例如芳環(huán)聚合物，包括聚聯(lián)二環(huán)戊二烯；丙烯酸聚合物，例如，聚丙烯酰胺、polyacrylamate；聚丙烯酸酯，例如，聚2-氰基丙烯酸酯、聚丙烯腈；以及它們的組合。
優(yōu)選的是，熱塑性聚合物或熱塑性聚合物的組合選自非晶形的、半結(jié)晶的和結(jié)晶的材料，包括聚烯烴，例如聚乙烯和聚丙烯；含氟聚合物；可交聯(lián)的聚烯烴；聚酰胺；聚氯乙烯；以及芳烴聚合物，例如包括聚苯乙烯在內(nèi)的苯乙烯類聚合物。另外，熱塑性彈性體也可以使用，尤其受金屬茂催化的聚乙烯。
雖然母料可以是通過小孔注入然后在機(jī)筒內(nèi)借助聚合輔劑聚合的流體預(yù)聚材料，但是引入聚合物材料的母料通常是利用適合容納待通過小孔46喂入擠塑機(jī)筒的聚合物粒料的標(biāo)準(zhǔn)料斗44。鑒于本發(fā)明，唯一重要的是在系統(tǒng)中建立流動(dòng)的聚合物材料物料流。
如圖1所示，在螺桿38的下游端48的下游是區(qū)域50，該區(qū)域可以是溫度調(diào)控區(qū)、輔助混合區(qū)、輔助泵送區(qū)或類似的區(qū)域。例如，區(qū)域50可以像下面介紹的那樣包括溫度控制單元，以便在成核之前調(diào)整流體聚合物的物料流的溫度。區(qū)域50可以改為或另外包括附加的標(biāo)準(zhǔn)混合單元(未示出)，或齒輪泵之類的流量控制單元(未示出)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，區(qū)域50可以被依次安裝的可以包括冷卻段的第二螺桿代替。在螺桿38是注塑成形系統(tǒng)中的往復(fù)螺桿的實(shí)施方案中(下面更全面地介紹)，區(qū)域50可以定義一個(gè)在注入模具37之前積聚聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的單相溶液的積聚區(qū)。
按照本發(fā)明生產(chǎn)微孔材料優(yōu)選使用物理發(fā)泡劑，即在環(huán)境條件下呈氣態(tài)的發(fā)泡劑(下面更全面地介紹)。但是，化學(xué)發(fā)泡劑也可以使用并且可以用引入料斗44斗聚合物粒料進(jìn)行調(diào)配。適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)發(fā)泡劑包括那些分子量通常比較低的有機(jī)化合物，這類化合物在臨界溫度下或在擠塑過程中能實(shí)現(xiàn)的另一種條件下將分解并且釋放一種或多種氣體，例如，氮?dú)?、二氧化碳或一氧化碳。?shí)例包括偶氮化合物，例如偶氮二酰胺。
如上所述，在優(yōu)選的實(shí)施方案中使用物理發(fā)泡劑。使用物理發(fā)泡劑而不是化學(xué)發(fā)泡劑的實(shí)施方案的優(yōu)點(diǎn)之一是產(chǎn)品的回收再利用性增加到最大限度。使用化學(xué)發(fā)泡劑通常降低了再利用聚合物的魅力，因?yàn)闅埩舻幕瘜W(xué)發(fā)泡劑和發(fā)泡劑的副產(chǎn)物對(duì)非始終如一的可回收材料全面匯集有貢獻(xiàn)。由于用化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡的泡沫塑料在完成最終的泡沫塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)之后固有地包括未反應(yīng)的殘留化學(xué)發(fā)泡劑以及形成發(fā)泡劑的反應(yīng)的化學(xué)副產(chǎn)物，所以在這組實(shí)施方案中本發(fā)明的材料包括殘留的化學(xué)發(fā)泡劑或化學(xué)發(fā)泡劑的化學(xué)副產(chǎn)物，優(yōu)選殘留量比在用5wt％以上化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡的制品中原來發(fā)現(xiàn)的殘留量少。在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，該材料是以本質(zhì)上沒有殘留的化學(xué)發(fā)泡劑或沒有化學(xué)發(fā)泡劑的反應(yīng)副產(chǎn)物為特征的。換言之，它們包括更少的原本在用任何化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡的制品中發(fā)現(xiàn)的殘留的化學(xué)發(fā)泡劑或副產(chǎn)物。在這個(gè)實(shí)施方案中，沿著系統(tǒng)30的機(jī)筒32至少存在一個(gè)與物理發(fā)泡劑的來源56流體連通的口54。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人已知的任何物理發(fā)泡劑(例如氦、碳?xì)浠衔?、含氯氟烴、氮、二氧化碳和類似的東西)或它們的混合物都可以與本發(fā)明結(jié)合使用，按照優(yōu)選實(shí)施方案，源56提供二氧化碳作為發(fā)泡劑。超臨界流體發(fā)泡劑是特別優(yōu)選的，特別是超臨界二氧化碳。在一個(gè)實(shí)施方案中，單獨(dú)使用超臨界二氧化碳作為發(fā)泡劑。超臨界的二氧化碳可以被引入擠塑機(jī)并且與聚合物材料迅速形成單相溶液，其方法是把二氧化碳作為超臨界流體注入，或者把二氧化碳作為氣體或液體注入并且允許擠塑機(jī)內(nèi)的條件致使二氧化碳在數(shù)秒內(nèi)變成超臨界的。在超臨界狀態(tài)下把二氧化碳注入擠塑機(jī)是優(yōu)選的。超臨界的二氧化碳與聚合物材料以這種方式形成的單相溶液具有非常低的粘度，這有利地允許在更低的溫度下模塑成形以及迅速填充具有緊公差的模具，以便形成非常薄的模塑制件，下面將更詳細(xì)地討論。
壓力和計(jì)量裝置58通常在發(fā)泡劑源56和所述的至少一個(gè)口54之間提供。裝置58可以用來計(jì)量介于0.01磅/小時(shí)和70磅/小時(shí)之間、或介于0.04磅/小時(shí)和70磅/小時(shí)之間、更優(yōu)選介于0.2磅/小時(shí)和12磅/小時(shí)之間的發(fā)泡劑的質(zhì)量，以便控制發(fā)泡劑在擠塑機(jī)內(nèi)的聚合物流中的量，使發(fā)泡劑維持在希望保持的水平。按照一組實(shí)施方案，根據(jù)聚合物流和發(fā)泡劑的重量，在聚合物流中發(fā)泡劑的量按聚合物材料和發(fā)泡劑的混合物重量計(jì)介于大約0.1％和25％之間，優(yōu)選介于大約6％和20％之間，更優(yōu)選介于大約8％和15％之間，更優(yōu)選介于大約10％和12％之間。實(shí)際使用的發(fā)泡劑(二氧化碳，氮，等等)和發(fā)泡劑的用量往往取決于所需要的聚合物、密度減少、泡孔尺寸和物理性質(zhì)。在用氮作為發(fā)泡劑的實(shí)施方案中，發(fā)泡劑是以介于0.1％和2.5％之間的量存在的，在某情況下優(yōu)選介于0.1％和1.0％之間；在用二氧化碳作為發(fā)泡劑的場(chǎng)合，發(fā)泡劑的質(zhì)量流在某些情況下可以介于0.1％和12％之間，在優(yōu)選的實(shí)施方案中介于0.5％和6.0％之間。
壓力和計(jì)量裝置可以被接到控制器(未示出)上，該控制器還可以接到驅(qū)動(dòng)馬達(dá)40上，控制與聚合物材料的流動(dòng)相關(guān)的發(fā)泡劑計(jì)量，以便非常精確地控制發(fā)泡劑在流體聚合物的混合物中的重百分比。例如，發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在優(yōu)選的情況下可以控制到其變化不超過±0.3％。雖然口54可以沿著機(jī)筒定位在任何位置上，但是按照優(yōu)選的實(shí)施方案它恰好定位螺桿的混合段60的上游，位于螺桿的螺紋未斷開的位置62處。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1A，在這張圖中更詳細(xì)地展示出發(fā)泡劑口的優(yōu)選的實(shí)施方案，此外，在機(jī)筒的頂部和底部側(cè)面上的兩個(gè)口也被展示出來。在這個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，口54位于螺桿38的混合段60(包括徹底斷開的螺紋)的上游，至混合段上游的距離不超過大約4個(gè)完整的螺距，優(yōu)選不超過大約2個(gè)完整的螺距或1個(gè)完整螺距。這樣定位，注入的發(fā)泡劑非常迅速地被均勻地混合到聚合物流體流中，從而很快地生產(chǎn)出泡沫材料的母料和發(fā)泡劑的單相溶液。
在優(yōu)選實(shí)施方案中被圖解說明的口54是一個(gè)多孔口，其中包括眾多把發(fā)泡劑源與擠塑機(jī)的機(jī)筒連接起來的小孔64。如圖所示，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，圍繞著擠塑機(jī)的機(jī)筒在不同位置呈放射狀地提供許多個(gè)口54，而且這些口可以縱向排成一行。例如，眾多的口54可以圍繞著擠塑機(jī)的機(jī)筒按12點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)和9點(diǎn)的位置布置，每個(gè)口都包括許多小孔64。以這種方式，在把每個(gè)小孔64都看成是一個(gè)發(fā)泡劑孔都情況下，本發(fā)明包括這樣的擠塑裝置，該裝置具有至少10個(gè)、優(yōu)選至少大約40個(gè)、更優(yōu)選至少大約100個(gè)、更優(yōu)選至少大約300個(gè)、更優(yōu)選至少大約500個(gè)、更優(yōu)選還至少大約700個(gè)與擠塑機(jī)的機(jī)筒流體連通的發(fā)泡劑孔使機(jī)筒與發(fā)泡劑源流體連通。
當(dāng)螺桿安裝在機(jī)筒中時(shí)一個(gè)或多個(gè)發(fā)泡劑孔沿著擠塑機(jī)的機(jī)筒定位在毗鄰全然未斷的螺紋65，這種布局(如圖1A所示)也在優(yōu)選的實(shí)施方案中。這樣，隨著螺桿旋轉(zhuǎn)，每個(gè)螺紋都定期地通過即“刮擦”每個(gè)小孔。這種“刮擦”加快了發(fā)泡劑和泡沫材料的流體母料的迅速混合，在一個(gè)實(shí)施方案中，這是通過迅速地打開和關(guān)閉每個(gè)小孔實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楫?dāng)螺紋相對(duì)小孔大到足以在與小孔對(duì)齊時(shí)完全阻斷小孔時(shí)它將周期性地阻斷每個(gè)小孔。結(jié)果是發(fā)泡劑在注射時(shí)立即被分成比較細(xì)小的孤立區(qū)域在進(jìn)行任何混合之前分布在流動(dòng)的聚合物材料中。在這種布局中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)螺桿以大約30rpm當(dāng)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺紋將以至少大約0.5次/秒、更優(yōu)選至少大約1次/秒、更優(yōu)選至少大約1.5次/秒、更優(yōu)選至少大約2次/秒的速率通過每個(gè)小孔。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，口54被定位在距離螺桿的起始端(在上游端34處)大約15至大約30個(gè)機(jī)筒直徑的位置。
所述的布局有利于按照一套實(shí)施方案實(shí)踐本發(fā)明的方法。該方法包括把在環(huán)境條件下呈氣態(tài)的發(fā)泡劑引入以至少大約40磅/小時(shí)的速率流動(dòng)的流體聚合物材料，并且在不足大約1分鐘的周期內(nèi)在聚合物中形成發(fā)泡劑流體的單相溶液。在這種布局中，發(fā)泡劑流體根據(jù)溶液的重量以至少大約2.5％的量存在于溶液中。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，流體聚合物材料的流速是至少大約60磅/小時(shí)、更優(yōu)選至少大約80磅/小時(shí)，在特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，該流速至少大于大約100磅/小時(shí)；發(fā)泡劑流體是外加的并且在1分鐘之內(nèi)形成單相溶液，在該溶液中發(fā)泡劑按重量計(jì)是以至少大約3％、更優(yōu)選至少大約5％、更優(yōu)選至少大約7％、更優(yōu)選至少大約10％的量存在的(盡管在另一組優(yōu)選的實(shí)施方案中使用的是水平比較低的發(fā)泡劑)。在這些布局中，每小時(shí)至少大約2.4磅發(fā)泡劑(優(yōu)選CO2)被引入流體流并且與該流體流混合成單相溶液。為了獲得最佳的發(fā)泡劑濃度，發(fā)泡劑的引入速率是與聚合物的流動(dòng)速率相匹配的。
超臨界流體發(fā)泡劑還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即它使不同的聚合物快速地直接混合變得容易，因此提供一種用于不同的聚合物材料的混合和模塑成形方法，而且沒有模塑后分層的后顧之憂。例如，不同的聚合物材料包括聚苯乙烯和聚丙烯，或者聚苯乙烯和聚乙烯。這些不同的材料通常具有顯著不同的粘度、極性或化學(xué)的功能性，在大多數(shù)系統(tǒng)中它們不形成混合均勻的組合物，從而導(dǎo)致分層或其它物理性質(zhì)降低或物理性質(zhì)低下。在這個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選的是至少存在兩種不同的成分，其中數(shù)量較少的成分按重量計(jì)至少大約1％，優(yōu)選至少大約5％，更優(yōu)選至少大約10％，更優(yōu)選至少大約20％。
典型的用來形成不同的聚合物材料的組合物的現(xiàn)有技術(shù)包括擠塑不同的聚合物材料并且造粒，然后作為粒料用圖1所示系統(tǒng)中的料斗44提供。按照本發(fā)明的這個(gè)方面，使用超臨界流體發(fā)泡劑消除了使用預(yù)混粒料或混合裝備的必要性。在這方面，不同的聚合物粒料的混合物(例如聚苯乙烯粒料和聚丙烯粒料的混合物)可以用料斗44提供，熔融后與超臨界流體發(fā)泡劑緊密混合，然后作為充分混合的均勻混合物被擠出。在本發(fā)明的這個(gè)方面，發(fā)泡劑和包括不同材料的多組分的聚合物材料的單相溶液可以按下邊指定的流速和時(shí)間周期形成。本發(fā)明的這個(gè)方面可以用于借助擠塑技術(shù)、在此介紹的模塑成形技術(shù)或其他技術(shù)形成由至少兩種不同的聚合物材料組成的抗分層的聚合物制品。
所述的布局使根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方案被實(shí)踐的方法容易與注塑或流動(dòng)注塑成形相結(jié)合。這種方法包括把在環(huán)境條件下呈氣態(tài)的發(fā)泡劑引入以大約0.4磅/小時(shí)至大約1.4磅/小時(shí)的速率流動(dòng)的流體聚合物材料，以及在不足大約1分鐘的時(shí)間周期內(nèi)在聚合物中形成發(fā)泡劑流體的單相溶液。在這種布局中，發(fā)泡劑流體以溶液的重量為基礎(chǔ)按重量計(jì)以至少大約2.5％的量存在于溶液中。在一些實(shí)施方案中，流體聚合物材料的流速?gòu)拇蠹s6磅/小時(shí)至12磅/小時(shí)。在這些布局中，發(fā)泡劑流體是外加的并且在1分鐘之內(nèi)形成單相溶液，其中發(fā)泡劑按重量計(jì)以至少大約3％、更優(yōu)選至少大約5％、更優(yōu)選至少大約7％、更優(yōu)選至少大約10％的量存在于溶液中(盡管在另一組優(yōu)選的實(shí)施方案中使用較低水平的發(fā)泡劑)。在這些布局中，每小時(shí)至少有2.4磅發(fā)泡劑(優(yōu)選CO2)被引入流體流并且被混合成單相溶液。為了獲得最佳的發(fā)泡劑濃度，發(fā)泡劑的引入速率與聚合物的流速是匹配的。
區(qū)域50的下游是為包括壓力下降的成核路徑67而構(gòu)成的成核裝置66。正像在本文中使用的那樣，在壓力快速下降的意義上“成核路徑”意味著定義一條路徑，該路徑構(gòu)成微孔聚合物泡沫擠塑裝置的一部分并且在該路徑中聚合物材料與發(fā)泡劑混合而成的單相溶液的壓力在為該裝置設(shè)計(jì)的操作條件下(通常，在成核裝置上游壓力為大約1500psi到30,000psi，流速高于每小時(shí)大約5磅聚合物材料)在系統(tǒng)中以有利于成核的一種或多種速率下降到特定的發(fā)泡劑濃度的飽和壓力以下。成核路徑67包括接收聚合物母料和發(fā)泡劑的單相溶液的入口端69以及把成核的聚合物材料交付給模塑成形艙或模具37的成核聚合物釋放端70。成核裝置66可以定位在介于區(qū)域50的下游和模具37的上游之間的各個(gè)位置。在優(yōu)選實(shí)施方案中，成核裝置66位于在直接與模具37流體連通的位置上，以致該成核裝置定義一個(gè)把擠塑機(jī)接到模塑成形艙上的噴嘴，而成核聚合物的釋放端70定義模塑成形艙37的注孔。按照一組實(shí)施方案，本發(fā)明在于成核裝置放在模具的上游。盡管沒有予以圖解說明，但是成核裝置66的另一個(gè)實(shí)施方案包括其結(jié)構(gòu)和布局使橫截面尺寸可變的成核路徑67，即可以調(diào)整其橫截面的路徑。橫截面可變的成核路徑允許壓降速率在通過該路徑的流體聚合物材料的物料流中發(fā)生變化，以便獲得需要的成核密度。
在一個(gè)實(shí)施方案中，使用橫截面尺寸中沿著其長(zhǎng)度變化的成核路徑。具體地說，橫截面尺寸朝下游方向逐漸減小的成核路徑可以大幅度提高壓降速率，因此允許用較低水平的發(fā)泡劑制造泡孔密度非常高的微孔材料。這些和其他的可效仿的優(yōu)選的成核裝置在未審的美國(guó)專利申請(qǐng)第08/777709號(hào)(題為“微孔材料的擠塑方法和裝置和國(guó)際專利申請(qǐng)第PCT/US97/15088號(hào)(題為“微孔聚合物的擠塑方法和裝置”)中均有介紹，這兩份前面引證過的專利申請(qǐng)都是安德森等人的。
盡管路徑67定義了成核路徑，但是一些成核作用本身也可以在填充模具期間由于作用在聚合物材料上的壓力以非常高的速率下降而發(fā)生在模具中。
圖1所示的系統(tǒng)圖解說明本發(fā)明的一個(gè)一般的實(shí)施方案，其中聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的單相溶液在借助螺桿38的旋轉(zhuǎn)作用被推入模塑成形艙都37的同時(shí)借助快速壓降成核。這個(gè)實(shí)施方案說明流動(dòng)注塑成形技術(shù)，并且在這實(shí)施方案中只需要使用一個(gè)發(fā)泡劑注射口54。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，系統(tǒng)30的螺桿38是往復(fù)式螺桿，并且該系統(tǒng)定義一種注塑成形系統(tǒng)。在這個(gè)實(shí)施方案中，螺桿38被安裝成適合在機(jī)筒32內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該螺桿包括眾多沿著機(jī)筒32軸向布局的發(fā)泡劑入口即發(fā)泡劑注入口54、55、57、59和61，并且每個(gè)發(fā)泡劑注入口都把機(jī)筒32流體連通地連接到壓力計(jì)量裝置58和發(fā)泡劑源56上。每個(gè)注入口54，55，57，59和61都可以包括自己的機(jī)械截止閥154、155、157、159和161，這些截止閥允許進(jìn)入擠塑機(jī)的機(jī)筒38的發(fā)泡劑的流動(dòng)作為往復(fù)式螺桿38在機(jī)筒內(nèi)軸向位置的函數(shù)受到控制。按照這個(gè)實(shí)施方案，流體聚合物材料和發(fā)泡劑的裝模料(在一些實(shí)施方案中，它可以是未成核的單相的裝模料)在操作時(shí)是在螺桿38的下游端48的下游的區(qū)域50中積聚的。螺桿38在機(jī)筒32中被迫朝遠(yuǎn)端(下游)移動(dòng)，從而使區(qū)域50中的裝模料注入模具37。然后，為了釋放注塑成形的制件可以關(guān)閉模具37的注孔70附近的機(jī)械截止閥64并且打開模具37。然后，螺桿38邊旋轉(zhuǎn)邊朝近端(朝機(jī)筒的上游端34)回縮，而截止閥161在截止閥155，157，154和159全部關(guān)閉時(shí)被打開，從而允許發(fā)泡劑僅僅通過最遠(yuǎn)端的口61注入機(jī)筒。隨著機(jī)筒邊旋轉(zhuǎn)邊回縮，當(dāng)截止閥159被打開時(shí)截止閥161被關(guān)閉，接下來，當(dāng)閥門154被打開時(shí)閥門159被關(guān)閉，依此類推。換言之，控制來自發(fā)泡劑源56的發(fā)泡劑注入機(jī)筒32的各個(gè)截止閥是這樣受控的，即發(fā)泡劑的注入位置隨著螺桿38朝近端回縮沿著機(jī)筒朝近端(即朝上游方向)移動(dòng)。結(jié)果是沿著螺桿38在某個(gè)位置注入的發(fā)泡劑本質(zhì)上保持恒定。因此，發(fā)泡劑被加到流體聚合物材料中，然后與該聚合物材料混合，混合程度和混合持續(xù)時(shí)間是一致的，取決于螺桿38在機(jī)筒內(nèi)的位置。所以，為了實(shí)現(xiàn)被打開的注入口之間的平穩(wěn)過渡和使發(fā)泡劑的注入位置沿著機(jī)筒38基本保持不變，不止一個(gè)截止閥155、157等可以被同時(shí)打開或至少部分地被同時(shí)打開。
一旦機(jī)筒38完全縮回(發(fā)泡劑最后僅僅通過注入口55引入)，所有的發(fā)泡劑截止閥都被關(guān)閉。在這個(gè)時(shí)刻，在機(jī)筒之中的遠(yuǎn)端區(qū)域50內(nèi)是流體聚合物材料/發(fā)泡劑的本質(zhì)上均勻的混合物。然后，截止閥64被打開，螺桿38朝遠(yuǎn)端推進(jìn)，以便把聚合物材料和發(fā)泡劑的裝模料注入模具37。
本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方案包括往復(fù)式螺桿，它可以用于生產(chǎn)非微孔泡沫塑料或微孔泡沫塑料。在生產(chǎn)非微孔泡沫塑料時(shí)，遠(yuǎn)端區(qū)域50中積聚的裝模料在比較低的壓力下可以是在聚合物材料中包含發(fā)泡劑的泡孔的多相混合物。這種混合物注入模具37將導(dǎo)致泡孔生長(zhǎng)和傳統(tǒng)的泡沫塑料生產(chǎn)。在生產(chǎn)微孔材料時(shí)，未成核的單相溶液積聚在區(qū)域50中并且在發(fā)生成核作用的同時(shí)被注入模具37。
所述的布局使根據(jù)本發(fā)明的另一套實(shí)施方案實(shí)踐的方法變得容易，在那套實(shí)施方案中聚合物材料中的發(fā)泡劑濃度是變化的，聚集在機(jī)筒的遠(yuǎn)端區(qū)域50中的裝模料在不同位置具有不同的發(fā)泡劑濃度。為了獲得不一致的發(fā)泡劑濃度，這可以通過控制截止閥155，157，154，159和161來實(shí)現(xiàn)。用這項(xiàng)技術(shù)可以生產(chǎn)有密度變化的制品，例如，具有密實(shí)的外層和泡沫狀的內(nèi)芯的制品。用于形成各個(gè)部分的密度有所改變的制品的一項(xiàng)技術(shù)下面將參照?qǐng)D5-7予以全面闡述。
盡管沒有展示，但是模具成形艙37可以包括一些排氣口，以允許模具內(nèi)的空氣在注射期間逸出。這些排氣口可以按在注射期間提供足以控制泡孔生長(zhǎng)的返壓的尺寸制造，以致在模塑成形艙中出現(xiàn)均勻的微孔泡沫。在另一個(gè)實(shí)施方案中，被傳播到，聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的單相溶液在被注入打開的模具期間成核，然后，模具被閉合，以便形成微孔制品。
按照另一個(gè)實(shí)施方案，提供一種使用獨(dú)立的積聚器的注塑成形系統(tǒng)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D2，注塑成形系統(tǒng)31包括類似于用圖1圖解說明的擠塑機(jī)。該擠塑機(jī)可以像圖1所示系統(tǒng)那樣包括做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的螺桿。為了在注入模塑成形艙37之前積聚熔融的聚合物材料，提供至少一個(gè)積聚器78。擠塑機(jī)包括借助導(dǎo)管53與積聚器的入口79流體連通的出口51，以便把聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核單相溶液交付給積聚器。
積聚器78包括殼體81和結(jié)構(gòu)和布局適合在積聚器殼體內(nèi)(朝近端和朝遠(yuǎn)端)軸向移動(dòng)的活塞83。該活塞可以縮回近端并且允許通過入口79用聚合物材料/發(fā)泡劑填充積聚器，然后可以被推向遠(yuǎn)端，以便迫使聚合物材料/發(fā)泡劑的混合物進(jìn)入模具37。在處于縮進(jìn)位置時(shí)，允許在積聚器78中積聚由熔融的聚合物材料和發(fā)泡劑組成的單相溶液定義的裝模料。當(dāng)積聚器78被填滿時(shí)，系統(tǒng)(例如，用水壓控制的可回縮的注射氣缸(未示出)迫使積聚的裝模料通過成核裝置66和迫使獲得的成核混合物進(jìn)入模塑成形艙37。這種布局圖解說明另一個(gè)實(shí)施方案，在這個(gè)實(shí)施方案中聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的單相溶液由于填充模塑成形艙的過程而成核。另外，壓降成核裝置可以位于區(qū)域50的下游和積聚器78的上游，以致成核的聚合物的材料而不是未成核的材料被積聚起來，然后被注入模具37。
在另一種布局中，往復(fù)式螺桿擠塑機(jī)(例如，用圖1圖解說明的那種)可以與圖2的系統(tǒng)31一起使用，以便在活塞83上的壓力高到足以阻止成核作用在積聚器內(nèi)發(fā)生時(shí)(如果在積聚器中提供成核的材料則是足以防止泡孔生長(zhǎng)時(shí))成功地注射聚合物材料和發(fā)泡劑組成的裝模料(在把裝模料從擠塑機(jī)推向積聚器時(shí)它既可以保持未成核狀態(tài)也可以是成核的)。當(dāng)眾多裝模料已被引入積聚器時(shí)，可以打開截止閥64，并且驅(qū)動(dòng)活塞83超遠(yuǎn)端移動(dòng)以便把積聚器內(nèi)的裝模料轉(zhuǎn)移到模具37中。這對(duì)于生產(chǎn)非常大的制件可能是有利的。
球式止逆閥85定位在積聚器的入口79附近，以便控制材料進(jìn)入積聚器的流動(dòng)、防止回流到擠塑機(jī)中以及維持維系未成核的發(fā)泡劑和熔融的聚合物材料的單相溶液所需的系統(tǒng)壓力或防止引入的成核的材料的泡孔生長(zhǎng)。注塑成形系統(tǒng)31可以非必選地包括多個(gè)與與擠塑機(jī)30和模塑成形艙37流體連通的積聚器，以便提高生產(chǎn)速度。
系統(tǒng)31包括幾個(gè)附加的零部件，下面將更全面地介紹。
圖3和圖4圖解說明按照替代實(shí)施方案與本發(fā)明的注塑成形系統(tǒng)一起使用的模塑成形艙。在圖3中，艙壁可移動(dòng)的模塑成形艙71被示意地圖解說明，其中包括內(nèi)腔84、溫度控制要素82、可移動(dòng)的艙壁80、加壓裝置(未示出)，并且在被圖解說明的優(yōu)選的實(shí)施方案中還包括至少一個(gè)成核裝置66，該成核裝置包括定義模腔84的注孔的具有入口端69和釋放端70的成核路徑67。在一個(gè)實(shí)施方案中，艙壁可移動(dòng)的模塑成形艙71包括眾多成核裝置66。在用聚合物母料和發(fā)泡劑的成核的混合物填充模具時(shí)可移動(dòng)的艙壁80可以通過調(diào)整增大模具的容積，因此保持模具內(nèi)的壓力恒定。這樣，泡孔的生長(zhǎng)可以受到適當(dāng)?shù)南拗苹蚩刂啤?br> 在圖4中，氣體反壓式模塑成形艙73被示意地圖解說明，其中包括模腔84、溫度控制要素82、壓力控制器86、密封件92，并且在被圖解說明的優(yōu)選實(shí)施方案中還包括至少一個(gè)成核裝置66，該成核裝置包括定義模塑成形艙73的注孔的成核路徑67。正像前面介紹的那樣，成核路徑67具有入口端69和定義模腔84的注孔的釋放端70。模具內(nèi)的壓力可以借助壓力控制器86來維持，以便限制或控制泡孔在被引入模具的成核的混合物中生長(zhǎng)。
壁面可移動(dòng)的模具、模具中具有氣體壓力控制器和溫度控制要素的模具的任何組合都能被用于各種目的。正像被討論的那樣，為了限制或控制成核混合物中的泡孔在模具內(nèi)生長(zhǎng)，各種條件可以是受控的。溫度控制測(cè)量結(jié)果的另一個(gè)用途是可以使一部分模具壁或整個(gè)模具壁維持在比較高或比較低的溫度，從而使靠近壁面的區(qū)域(即靠近微孔模具和產(chǎn)品表面的區(qū)域)相對(duì)在模具中成形的制品中心區(qū)域具有更大或更小的泡孔生長(zhǎng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，比較厚微孔聚合物材料是模塑成形的，例如，包括至少一個(gè)厚度至少0.500英寸的部分的材料是通過在模具中建立成核的微孔聚合物母料，然后使模具迅速地“龜裂”或打開，以便允許形成比閉合的模腔大的制件。當(dāng)模具龜裂時(shí)，相應(yīng)的壓降引起泡孔生長(zhǎng)。成核的混合物被允許按模具或閉合空間的形狀局部固化，以便按閉合空間的形狀形成第一微孔聚合物制品，然后把它從該閉合空間中取出并且允許它進(jìn)一步膨脹，以便為了形成形狀比閉合空間大的第二微孔聚合物制品。在一些方面，為了控制密度和泡孔結(jié)構(gòu)，在模具龜裂之后可以繼續(xù)注塑或流動(dòng)注塑。換言之，溶液可以在成核的同時(shí)被引入模具，同時(shí)模具可以先龜裂，再進(jìn)一步打開，以便控制模具中的返壓和控制最終獲得的制件尺寸和泡孔的密度和結(jié)構(gòu)。這也可以用在本文中描述的類似的壁面可移動(dòng)的模具來完成。
本發(fā)明考慮到聚合物泡沫塑料的周期性的快速模塑成形。注塑成形之后，在不足大約10分鐘的周期里，第二份成核的混合物就可以被注入模塑成形艙，然后讓它發(fā)泡和按閉合空間的形狀固化，最后被取出。優(yōu)選的是該時(shí)間周期不足大約1分鐘、更優(yōu)選不足大約20秒鐘。把材料引入模具和固化之間的時(shí)間通常不足大約10秒鐘。時(shí)間周期短是由于泡沫材料的重量減少(更少質(zhì)量待冷卻)以及超臨界流體發(fā)泡劑的低粘度使低熔體溫度成為可能。熔體溫度越低，注塑制件之前需要吸收低熱量越少。
現(xiàn)在參照?qǐng)D形5-7，本發(fā)明的另一個(gè)使用系統(tǒng)31的實(shí)施方案被圖解說明，并且系統(tǒng)31現(xiàn)在將得到更全面的闡述。系統(tǒng)31也包括連接擠塑機(jī)出口90和積聚器入口91的無發(fā)泡劑的導(dǎo)管88。積聚器的入口91位于積聚器的活塞83的正面。機(jī)械截止閥99沿著導(dǎo)管88定位，優(yōu)選在出口90附近。擠塑機(jī)出口90在擠塑機(jī)中位于發(fā)泡劑入口54(或者多個(gè)發(fā)泡劑入口，就像在用圖1圖解說明的擠塑布局中那樣，那種布局在用圖5-7描述的系統(tǒng)中也被采用)的上游，但位于擠塑機(jī)中足夠遠(yuǎn)的下游，在那里它能交付流體聚合物材料94。由導(dǎo)管88遞送的流體聚合物材料94是缺乏發(fā)泡劑的材料，并且可能根本沒有發(fā)泡劑。因此，該系統(tǒng)包括第一出口90和第二出口51，其中第一出口的位置適合把來自擠塑機(jī)的本質(zhì)上沒有發(fā)泡劑的流體聚合物材料(即以低發(fā)泡劑濃度)交付給積聚器的第一入口91，而第二出口位于擠塑機(jī)的混合段下游適合把流體聚合物材料和發(fā)泡劑的混合物(其發(fā)泡劑濃度比由出口90交付的高，即富含發(fā)泡劑的材料)交付給積聚器的第二入口79。積聚器可以包括加熱單元96，以便其中的聚合物材料的溫度。積聚器包括一個(gè)出口，該出口是成核裝置66的入口69。定義成核路徑67的通道(或噴嘴)把積聚器78接到模塑成形艙37上。
包括位于積聚器的第一入口和第二入口的球式止逆閥98、85和機(jī)械閥64、99的一系列閥門根據(jù)需要分別控制材料從擠塑機(jī)到積聚器和從積聚器到模具的流動(dòng)，就像下面一些實(shí)施方案描述的那樣。
在所有的實(shí)施方案中，本發(fā)明都包括適當(dāng)?shù)鼐S持整個(gè)系統(tǒng)的壓力的能力，以便在成核不符合要求的場(chǎng)合(在成核裝置上游)防止過早地成核，或在成核作用已經(jīng)發(fā)生但泡孔生長(zhǎng)是不希望的或令人滿意地受到控制的場(chǎng)合阻止泡孔生長(zhǎng)。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案實(shí)踐該方法包括把缺乏發(fā)泡劑的材料注入模具以便形成接近固體的皮層，接下來把富含發(fā)泡劑的材料注入模具以便形成泡沫狀的內(nèi)芯。這將參照?qǐng)D5-7予以介紹。盡管沒有同步地予以圖解說明，但是這種方法也能用于形成具有泡沫狀的外層和密實(shí)的內(nèi)芯的制品。
圖5圖解說明一種情況，其中不包含發(fā)泡劑或僅僅包含有限的發(fā)泡劑的聚合物材料(材料94)是在兩個(gè)位置即積聚器的遠(yuǎn)端和積聚器的近端提供的。換言之，缺乏發(fā)泡劑的材料94是出現(xiàn)在活塞83正前方、成核路徑67中以及靠近成核路徑67的上游。在積聚器中，在這些缺乏發(fā)泡劑的材料94的區(qū)域之間是富含發(fā)泡劑的材料101的區(qū)域。在這個(gè)時(shí)刻，打開接在模具37上的機(jī)械閥64并且驅(qū)動(dòng)活塞83朝下游移動(dòng)，以便迫使積聚器78中的材料進(jìn)入模具37。這是用圖6予以圖解說明的。缺乏發(fā)泡劑的材料的第一部分排在模具表面，形成本質(zhì)上密實(shí)外壁，接下來，富含發(fā)泡劑的材料101填充模具的中心并且在進(jìn)入模具的同時(shí)成核?；钊苿?dòng)的遠(yuǎn)端極限距積聚器的末端有一個(gè)短距離，而位于活塞正前方的缺乏發(fā)泡劑的材料的區(qū)域現(xiàn)在位于積聚器的遠(yuǎn)端并且充滿積聚器的成核路徑。然后關(guān)閉閥門64并且從模具37中取出最終獲得的制件。在關(guān)閉機(jī)械閥99的情況下，隨著活塞朝近端回縮，驅(qū)動(dòng)擠塑機(jī)把富含發(fā)泡劑的材料(優(yōu)選作為聚合物材料和發(fā)泡劑的未成核的單相溶液)引入積聚器，如圖7所示?；钊麑?duì)積聚器中的材料施加一定的壓力，以便維持材料101處于未成核的狀態(tài)。當(dāng)活塞幾乎達(dá)到其近端極限時(shí)，打開機(jī)械閥99，于是允許缺乏發(fā)泡劑的材料94填充積聚器中恰好在活塞正前方的那個(gè)部分，如圖5所示。圖5表示恰好注入模具之前周期的完成情況。
在本發(fā)明與圖5-7有關(guān)的另一個(gè)實(shí)施方案中，具有缺乏發(fā)泡劑的外壁和富含發(fā)泡劑的微孔泡沫內(nèi)芯的注塑微孔制品可以形成，而且不需要以如圖所示的那種把富含發(fā)泡劑的材料夾在缺乏發(fā)泡劑的材料之間的方式填充積聚器78。在這個(gè)實(shí)施方案中，富含發(fā)泡劑的材料充滿模具，而且由成核路徑67定義的積聚器的最遠(yuǎn)端部分被加熱到比積聚器的其余部分更熱的程度。這可以利用毗鄰成核裝置的加熱單元103來完成。如果需要，可以提供追加的加熱單元，以便給積聚器中位于成核路徑上游的材料加熱。在積聚器的最遠(yuǎn)端部分中的材料被加熱到足夠熱的程度，以致當(dāng)積聚器里的裝模料注入模具時(shí)，在這個(gè)非常熱的部分中的發(fā)泡劑非常迅速地?cái)U(kuò)散到聚合物外面并且通過模具上的排氣口(未示出)。在最遠(yuǎn)端非常熱的裝模料部分上游的聚合物材料中，發(fā)生泡孔生長(zhǎng)，在發(fā)泡劑能夠擴(kuò)散到聚合物外面之前搶先形成微孔材料。被加熱的裝模料的最遠(yuǎn)端部分可以定義至少大約2％的裝模料，或至少大約5％、或至少大約10％、或至少大約20％的裝模料，并且能夠在把該裝模料注入模塑成形艙之前被加熱到比裝模料的平均溫度高至少大約10℃的溫度，或者比裝模料平均溫度高至少大約20℃、40℃、或80℃的溫度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，聚合物材料和發(fā)泡劑的均勻的單相溶液可以被注入模具，同時(shí)在模具中保持足夠高的壓力以防止成核。換言之，在不發(fā)生成核作用的情況下注入。然后，可以讓均勻的單相溶液在模具中凍結(jié)成固體狀態(tài)，接下來打開模具。在這個(gè)時(shí)刻，不發(fā)生成核作用和發(fā)泡。然后，可以給模塑制品加熱(例如，把它放進(jìn)甘油浴)，以便引起成核和發(fā)泡。
按照本發(fā)明可以生產(chǎn)各種各樣的制品，例如消費(fèi)品和工業(yè)品，例如聚合物的餐具、汽車零部件和各種各樣的其他注塑的制件。
圖8示意性地圖解說明根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的注塑成形系統(tǒng)100。注塑成形系統(tǒng)100包括類似于用圖1圖解說明的那種擠塑機(jī)，該擠塑機(jī)包括機(jī)筒102，該機(jī)筒具有第一上游端104和接到模塑成形艙108上的第二下游端106到連起來了。以其上游端可操作地接在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)(未示出)上的螺桿110安裝在機(jī)筒102內(nèi)適合往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。連接入口113和機(jī)筒口115的測(cè)流114在入口下游包括依次流體連通的熔體泵116和混合機(jī)118。熔體泵116可以是技術(shù)上已知的齒輪泵或小型擠塑機(jī)。
混合機(jī)118包括適合引入發(fā)泡劑的發(fā)泡劑注入口120?；旌蠙C(jī)118可以是技術(shù)上已知的靜態(tài)混合機(jī)或凹槽式傳遞混合機(jī)。在圖8中圖解說明的布局使本發(fā)明的另一種方法變得容易，這種方法對(duì)于制作上述的材料密度發(fā)生變化的注塑成形的微孔制品是有用的。這種方法包括把聚合物材料的母料引入擠塑機(jī)的機(jī)筒102，使聚合物材料的母料熔融，以及把熔融的聚合物材料124朝擠塑機(jī)100的下游端106推進(jìn)。當(dāng)熔融的聚合物材料124通過擠塑機(jī)機(jī)筒102向前推進(jìn)時(shí)，其中一部分借助熔體泵116通過入口113轉(zhuǎn)移到測(cè)流114中(例如，在螺桿110的遠(yuǎn)端回到接近側(cè)臂114的入口113之后)。當(dāng)測(cè)流114中的熔融的聚合物材料通過混合機(jī)118向前推進(jìn)時(shí)，來自氣體注入口120的發(fā)泡劑被引入并且被徹底混合成發(fā)泡劑和熔融的聚合物材料的未成核的單相溶液，該單相溶液當(dāng)往復(fù)螺桿110完全縮回時(shí)通過口115從測(cè)流114進(jìn)入擠塑機(jī)機(jī)筒102的下游端106，如圖8所示。這樣在機(jī)筒的最遠(yuǎn)端形成富含發(fā)泡劑的區(qū)域122，而缺乏發(fā)泡劑的區(qū)域緊挨著富含發(fā)泡劑的區(qū)域。富含發(fā)泡劑的材料和缺乏發(fā)泡劑的材料的相對(duì)數(shù)量可以受材料通過側(cè)臂14并且使發(fā)泡劑含量增加的速率控制。然后，螺桿110的往復(fù)運(yùn)動(dòng)被用于先把未成核的發(fā)泡劑和熔融的聚合物材料122的富含發(fā)泡劑的單相溶液注入模塑成形艙108，再把一部分缺乏發(fā)泡劑的熔融的聚合物材料124注入模塑成形艙108。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種把發(fā)泡劑快速有效地引入在本文介紹的注塑成形裝置和按照任何一種布局的擠塑裝置中流動(dòng)的聚合物母料的技術(shù)。這個(gè)實(shí)施方案包括用圖9圖解說明的擠塑螺桿，在這個(gè)可以在擠塑機(jī)的機(jī)筒(未示出)內(nèi)定位的螺桿表面上有一個(gè)與發(fā)泡劑源流體連通的小孔。這個(gè)小孔定義從某個(gè)可與發(fā)泡劑源連接的位置(例如，在螺桿的近端)延伸過來的管腔的終點(diǎn)，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，該管腔沿著螺桿的旋轉(zhuǎn)軸線縱向延伸，從螺桿的近端延伸到與螺桿表面上的一個(gè)或多個(gè)小孔連接。一個(gè)或多個(gè)小孔優(yōu)選位于螺桿的螺紋外表面，或者可以從螺紋的外表面輕微地凹陷，這種定位方式允許以這樣的方式引入發(fā)泡劑，以致發(fā)泡劑相對(duì)機(jī)筒的內(nèi)表面經(jīng)受剪切/擴(kuò)散。一個(gè)或多個(gè)小孔也可以定位在螺紋之間的區(qū)域，也可以采用不同位置的小孔的組合。參照?qǐng)D9，擠塑機(jī)的螺桿130包括螺紋132和管腔134，其中管腔與螺紋132的外表面138上的小孔136連通。管腔134的一部分140從在螺桿的中心線處的管腔延伸到小孔136。經(jīng)螺桿內(nèi)的小孔引入發(fā)泡劑的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于螺桿上有噴射式注射點(diǎn)所以可以通過使用往復(fù)螺桿的布局提供發(fā)泡劑在聚合物母料內(nèi)的水平或分布的均一性。
本發(fā)明的上述技術(shù)也可以用在氣體助壓的共注塑中。在這項(xiàng)技術(shù)中，微孔型材料的母料被擠出并且在被引入上述的模具的時(shí)成核，而氣體以這樣的方式被同時(shí)注入熔體流，以便在模具中貼著模具形成成核的聚合物材料外層和充滿了共注塑氣體的中心空間。泡孔生長(zhǎng)可以像在其他的實(shí)施方案中那樣發(fā)生。
由于聚合物母料和超臨界流體的單相溶液具有特別低的粘度并且可以以這種方式注入模具并且在模具中形成泡沫制品，所以可以借助注塑成形技術(shù)生產(chǎn)厚度或橫截面尺寸不足0.125英寸，優(yōu)選不超過0.100英寸、更優(yōu)選不超過大約0.075英寸、更優(yōu)選不超過大約0.050英寸、更優(yōu)選不超過大約0.025英寸、更優(yōu)選不超過大約0.010英寸的微孔聚合物制品或非微孔聚合物泡沫制品。例如，超臨界流體和聚合物的單相溶液可以被注入模具，并且可以借此生產(chǎn)按傳統(tǒng)方式發(fā)泡的制品或微孔制品。注入模具的流體粘度低允許上述的注塑成形的時(shí)間周期不足10分鐘、優(yōu)選不足5分鐘、更優(yōu)選不足1分鐘、更優(yōu)選不足30秒、更優(yōu)選不足20秒，更優(yōu)選不足10秒和更優(yōu)選不足5秒。
本發(fā)明還為生產(chǎn)模塑成形艙的形狀包括至少一個(gè)具有橫截面尺寸不足大約0.125英寸(在其他的實(shí)施方案中該尺寸更小)的部分的微孔聚合物模塑制品或非微孔聚合物模塑泡沫制品做準(zhǔn)備，所述模塑制品具有至少大約5％的空隙體積。優(yōu)選空隙體積至少大約為10％，更優(yōu)選至少大約為15％，更優(yōu)選至少大約為20％，更優(yōu)選至少大約為25％和更優(yōu)選至少大約為30％。在其他的實(shí)施方案中，該制品具有至少大約50％的空隙體積。這是在借助泡沫的空隙體積用聚合物材料減輕尺寸非常小的制品的重量方面迎接技術(shù)上的挑戰(zhàn)取得的重大的改進(jìn)。本發(fā)明的制品在那些橫截面尺寸不足大約0.125英寸或其他已注明的更小的尺寸的部分中具有上述的空隙體積。
本發(fā)明還為生產(chǎn)具有各種厚度和空隙體積的微孔聚合物模塑制品或模塑的非微孔聚合物泡沫制品做準(zhǔn)備。
在一套實(shí)施方案中，模塑制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.075英寸和大約0.125英寸之間且空隙體積至少為大約10％的部分。這個(gè)實(shí)施方案的模塑制品優(yōu)選具有至少大約20％、更優(yōu)選至少大約30％、更優(yōu)選至少大約40％、更優(yōu)選至少大約50％的空隙體積。
在另一套實(shí)施方案中，模塑制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.125英寸和大約0.150英寸之間且空隙體積至少大約15％的部分。這個(gè)實(shí)施方案的模塑制品優(yōu)選具有至少大約20％、更優(yōu)選至少大約30％、更優(yōu)選至少大約40％、更優(yōu)選至少大約50％的空隙體積。
在另一套實(shí)施方案中，模塑制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.150英寸和大約0.350英寸之間且空隙體積至少大約20％的部分。這個(gè)實(shí)施方案的模塑的制品優(yōu)選具有至少大約30％、更優(yōu)選至少大約40％、更優(yōu)選至少大約50％、更優(yōu)選至少大約60％、更優(yōu)選至少大約70％的空隙體積。在這套實(shí)施方案的某些優(yōu)選實(shí)施方案中，模塑制品包括至少一個(gè)橫截面尺寸介于大約0.150英寸和大約0.250英寸之間的部分。
本發(fā)明的方法還像本文中介紹的那樣為在厚度大于0.125英寸(例如介于0.200英寸和大約0.500英寸厚度之間)的注塑成形的制件中產(chǎn)生大幅度的減重和更小的泡孔創(chuàng)造條件。
本發(fā)明還提供生產(chǎn)表面與固體制件完全相同的厚的和薄的模塑泡沫制件的系統(tǒng)和方法。這些制件的表面包括至少一個(gè)沒有人的裸眼可見的放射斑和漩紋的部分。圖16-18與實(shí)施例9(下面介紹)一起說明表面沒有人的裸眼可見的八字形和漩渦的聚合物制件的形成。當(dāng)熔體溫度、模具溫度和發(fā)泡劑的濃度通過優(yōu)化允許發(fā)泡劑通過擴(kuò)散離開制品表面使表面包括本質(zhì)上沒有泡孔的皮層時(shí)就可以生產(chǎn)這樣的模塑制件。這個(gè)皮層本質(zhì)上是固體聚合物，因此該制件在人的裸眼看來似乎是固體聚合物制件。泡沫聚合物材料上的放射斑和漩紋起因于相對(duì)模具壁牽引表面上的泡。在借助溫度控制清除了在表面上的泡時(shí)，放射斑和漩紋也被避免了。在這些實(shí)施方案中，所生產(chǎn)的模塑制件具有本質(zhì)上沒有泡孔且厚度至少三倍于該泡沫材料的平均泡孔尺寸的固體聚合物材料的外皮。優(yōu)選的是外皮厚度至少大約5倍于材料的平均泡孔尺寸。按照本發(fā)明可以生產(chǎn)沒有可見的放射斑和漩紋的模塑制件的另一個(gè)理由是發(fā)明者認(rèn)為超臨界流體發(fā)泡劑的擴(kuò)散速度比典型的發(fā)泡劑快，從而允許像描述的那樣在制品表面發(fā)生擴(kuò)散并形成密實(shí)的皮層。
如上所述，本發(fā)明為生產(chǎn)模塑的泡沫聚合物材料(優(yōu)選具有薄截面的微孔型材料)做準(zhǔn)備。具體地說，可以生產(chǎn)長(zhǎng)度/厚度比高的制品。本發(fā)明提供長(zhǎng)度/厚度比至少大約50∶1的注塑成形的聚合物材料，其中聚合物的熔體指數(shù)低于大約10。優(yōu)選的是長(zhǎng)度/厚度比至少大約75∶1，更優(yōu)選至少大約100∶1，更優(yōu)選至少150∶1。在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供長(zhǎng)度/厚度比至少大約120∶1的制品，該聚合物的熔體流動(dòng)速率低于大約40。在這個(gè)實(shí)施方案中，長(zhǎng)度/厚度比優(yōu)選大約150∶1，更優(yōu)選至少175∶1，更優(yōu)選至少大約200∶1，更優(yōu)選至少250∶1。在本文中長(zhǎng)度/厚度比定義聚合物模塑制件從模具(噴嘴)中的注射位置延伸出去的延伸長(zhǎng)度與橫跨那段距離的厚度的比值。
本發(fā)明的一個(gè)特別有利的特征組合是空隙體積比較高的薄模塑制件。具體地說，本發(fā)明提供包括一個(gè)厚度不足大約1.2毫米的部分且空隙體積至少30％的泡沫聚合物制品。在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供厚度不足大約0.7毫米且空隙體積至少15％的聚合物制品。
在另一套實(shí)施方案中，提供一系列模塑的聚合物制品。在這套實(shí)施方案的聚合物制品中至少占總數(shù)70％的泡孔具有150微米以下的泡孔尺寸。優(yōu)選的是至少占總數(shù)30％的泡孔具有在800微米以下的泡孔尺寸，更優(yōu)選在500微米以下、更優(yōu)選在200微米以下。在這套實(shí)施方案的一些實(shí)施方案中，按總數(shù)計(jì)至少80％、優(yōu)選至少90％、更優(yōu)選至少95％、更優(yōu)選至少99％的泡孔具有不足150微米的泡孔尺寸。在某些實(shí)施方案中，按總數(shù)計(jì)至少80％、更優(yōu)選至少90％、更優(yōu)選至少95％、更優(yōu)選至少99％的泡孔具有不足100微米的泡孔尺寸。這套實(shí)施方案的模塑制品可以具有各種空隙體積。例如，這些模塑制品可以具有至少10％、至少20％、至少30％、至少40％或至少50％的空隙體積。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所提供的制品具有按在本文中定義的空隙體積定義的厚度，其中最大厚度部分至少占制品的大約25％以上，換言之，薄模塑制件至少有大約25％的區(qū)域具有低于所述最大厚度的厚度。在其他的實(shí)施方案中，制品有更多部分可以具有比定義的最大值小的厚度，例如50％或100％。
本發(fā)明的另一種模塑系統(tǒng)是用圖19和20圖解說明的。這些圖中的模塑系統(tǒng)是為允許微孔聚合物材料(特別是微孔聚烯烴，例如聚丙烯和聚乙烯)注塑成形而設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)150考慮到生產(chǎn)比較厚的制件同時(shí)避免現(xiàn)有的典型的聚丙烯泡沫塑料的EPP過程。系統(tǒng)150包括結(jié)構(gòu)和布局適合接收模塑聚合物微孔材料的母料的入口152，例如在圖1、2和5-7中圖解說明的可以由擠塑機(jī)和/或積聚器提供那種入口。通道154把入口152接到模塑成形艙156上。通道154包括具有一定的長(zhǎng)度和橫截面尺寸的成核路徑158，該成核路徑在聚合物材料和發(fā)泡劑的流動(dòng)的單相溶液以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的速率通過時(shí)將在該溶液內(nèi)形成壓降速率足以引起微孔成核作用的壓降。由于模塑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和聚合物材料進(jìn)入模具的速率通常是一起考慮的，所以熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將理解參照為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的速率的意義。具體地說，成核路徑具有這樣的長(zhǎng)度和橫截面尺寸，以致能夠在流動(dòng)的聚合物材料和發(fā)泡劑作為單相溶液以超過每小時(shí)40英鎊流體的速率通過該路徑時(shí)以至少大約0.3GPa/sec的速率在該溶液中建立壓降。適合微孔成核的其他的流動(dòng)速率和壓降速率通過閱讀本申請(qǐng)將變得顯而易見。
通道154包括在成核路徑158和模塑成形艙156之間的泡孔生長(zhǎng)區(qū)160，該區(qū)域的橫截面尺寸在模塑成形艙的方向上逐漸增大。通道154還包括在入口152和模塑成形艙之間，確切地說在入口和成核路徑之間的發(fā)散段162。發(fā)散段162的寬度朝下游方向(朝模塑成形艙156)逐漸增加，而間隙(高度)逐漸減少。結(jié)果是在維持橫截面積不明顯變化的同時(shí)增加寬度。具體地說，發(fā)散段在寬度方面增加至少大約100％、優(yōu)選至少大約200％、更優(yōu)選至少300％，同時(shí)保持橫截面積變化不超過大約25％，優(yōu)選不超過大約15％，更優(yōu)選不超過大約10％。在把流動(dòng)路徑加寬到尺寸等于模塑成形艙156的寬度時(shí)，發(fā)散段162考慮到在維持材料中壓力分布比較恒定的同時(shí)通過入口152引入微孔模塑材料的母料和把母料交付給成核路徑。
發(fā)散段162和成核路徑158的布局允許成核路徑具有至少大約1.5∶1、更優(yōu)選至少大約2.0∶1、更優(yōu)選至少大約5.0∶1、更優(yōu)選至少大約10∶1、更優(yōu)選至少大約20∶1的寬度/高度比(用圖19圖解說明的尺寸和用圖20圖解說明的尺寸的比值)。這允許成核路徑具有等于模塑成形艙156的尺寸之一的寬度，因此又寬又厚的微孔聚合物制品可以輕易地在系統(tǒng)150內(nèi)成核和模塑成形。此外，傳統(tǒng)的(即非微孔)泡沫聚合物材料可以使用系統(tǒng)150注塑成形。具體地說，可以把未發(fā)泡的聚合物材料注入模塑成形艙156并且讓它發(fā)泡，以便具有本質(zhì)上與模塑成形艙相同的形狀(包括在使用膨脹或“龜裂”的模具場(chǎng)合按定義更大的形狀)，該制品具有至少一個(gè)在至少兩條正交的軸線上橫截面尺寸至少0.5英寸且空隙體積至少大約50％的部分。更高的空隙體積(60％、70％和80％)與任何更高的厚度(至少大約0.75英寸、1英寸或1.5英寸)的組合也能用這個(gè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
由系統(tǒng)150的發(fā)散段162、成核路徑158和泡孔生長(zhǎng)區(qū)160提供的一個(gè)特殊的有利條件不僅考慮到把聚合物材料和發(fā)泡劑的流體單相溶液注入模塑成形艙系統(tǒng)然后以足夠?qū)挼某叽缱屧撊芤涸诔珊寺窂街谐惺芸焖賶航祦硪鹞⒖壮珊俗饔枚铱紤]到通過讓該材料承受不僅被控制在比溶液在成核路徑158中承受的壓降速率低的速率下而且在泡孔生長(zhǎng)期間逐漸降低的壓降為隨后立即發(fā)生受控的泡孔生長(zhǎng)創(chuàng)造條件。換言之，為了提供受控的均勻的微孔材料，成核的聚合物材料在泡孔生長(zhǎng)區(qū)160中所經(jīng)歷的壓降速率在泡孔生長(zhǎng)期間逐漸減小。
模塑系統(tǒng)150與前面介紹的擠塑和/或積聚裝置相結(jié)合的使用價(jià)值是允許生產(chǎn)又厚又寬的均勻的聚合物模塑制品，包括泡孔結(jié)構(gòu)的均勻性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于EPP和EPS泡沫塑料的微孔聚合物模塑制品。
如上所述，在生產(chǎn)EPP和EPS泡沫塑料時(shí)，模塑之后在珠粒料之間的熔融線用裸眼就能輕易地觀察。反之，本發(fā)明的模塑制品在泡孔結(jié)構(gòu)方面沒有熔融線。換言之，它們沒有厚度比平均泡孔壁厚大5倍的周期性的固體邊界(即在模塑的EPP或EPS中的熔融線)。優(yōu)選的是制品沒有厚度比平均泡孔壁厚大大約4倍的周期性的固體邊界，更優(yōu)選沒有厚度比平均泡孔壁厚的大大約3倍的周期性的固體邊界。
系統(tǒng)150還考慮到在比以EPP和EPS的汽箱模塑成形為特征的那些模具溫度低得多的模具溫度下生產(chǎn)又寬又厚的聚合物材料，包括微孔聚合物材料。具體地說，泡沫聚合物材料的流體母料可以在不足大約100℃的模塑成形艙溫度下注入模塑成形艙156。然后，讓混合物在模塑成形艙中固化成聚合物制品，優(yōu)選包括至少一個(gè)橫截面尺寸在三條正交的軸線上都至少為0.5英寸而且空隙體積至少大約為50％(或上述的更高的數(shù)值)的部分的微孔聚合物制品。在這項(xiàng)技術(shù)中優(yōu)選模具溫度低于大約75℃，更優(yōu)選低于大約50℃，更優(yōu)選低于大約30℃。
這個(gè)系統(tǒng)還允許用非常短暫的循環(huán)時(shí)間完成空隙體積至少大約為50％(或前面注明的更高的數(shù)值)的量的微孔聚合物材料的注塑成形。具體地說，循環(huán)(注射非泡沫材料、讓混合物在模塑成形艙中固化成微孔聚合物制品、從模具中取出制品，然后重復(fù))可以在不足大約1分鐘、更優(yōu)選不足大約45秒、更優(yōu)選不足大約30秒、更優(yōu)選不足大約25秒的循環(huán)時(shí)間內(nèi)完成。
技術(shù)上已知的是材料的模塑成形原本可以獲得表皮-泡沫-表皮結(jié)構(gòu)以及為了獲得比較厚的表皮或比較薄的表皮可以根據(jù)溫度和其他注射條件控制表皮-泡沫-表皮結(jié)構(gòu)。另外，表皮-泡沫-表皮結(jié)構(gòu)具有比沒有表皮或表皮比較薄的類似的制件高的強(qiáng)度/重量比也是已知的。根據(jù)“工字梁”公式計(jì)算表皮-泡沫-表皮結(jié)構(gòu)的模塑制件的強(qiáng)度是共同的實(shí)踐。但是，申請(qǐng)人知道根本沒有現(xiàn)有的工作在與任何表皮-泡沫-表皮模塑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度/重量比有關(guān)的預(yù)測(cè)或計(jì)算中考慮了泡孔尺寸。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠制作強(qiáng)度非常高的薄制件。具體地說，由于有能力制作保持表皮-泡沫-表皮結(jié)構(gòu)的泡孔非常小的非常薄的泡沫制件，所以以前用薄泡沫制件不可能實(shí)現(xiàn)的出乎意料的抗張強(qiáng)度/重量比現(xiàn)在可以用模塑材料來實(shí)現(xiàn)。具體地說，本發(fā)明提供一些模塑的聚合物制件，這些制件包括至少一個(gè)強(qiáng)度/重量比(表示成強(qiáng)度/密度比)至少大約280,000psi/g/cm3、更優(yōu)選至少大約290,000psi/g/cm3、更優(yōu)選至少大約300,000psi/g/cm3的非常薄的部分。這些制件的薄截面具有不足大約0.250英寸、或者不足大約0.150英寸、或者不足大約0.100英寸的厚度并且在這些情況下具有上述的強(qiáng)度/重量比。
盡管不希望受任何理論束縛，但是申請(qǐng)人認(rèn)為按照本發(fā)明觀察到出乎意料的強(qiáng)度/重量比是由于隨著泡孔尺寸被減少到最小使橫穿薄截面的泡孔壁的數(shù)量增加到最大限度。在泡孔比較大的表皮-泡沫-表皮薄結(jié)構(gòu)的橫截面上，沒有幾個(gè)泡孔壁橫跨該結(jié)構(gòu)，而且存在一個(gè)泡孔跨過整個(gè)泡沫結(jié)構(gòu)的可能性。這樣的橋?qū)⒃谠摻Y(jié)構(gòu)中形成非常弱環(huán)節(jié)。反之，在本發(fā)明的微孔型表皮-泡沫表皮結(jié)構(gòu)中，跨過表皮部分之間的結(jié)構(gòu)的泡孔數(shù)(因此，泡孔壁數(shù))被增加到最大限度，并且在表皮結(jié)構(gòu)之間的泡沫中存在均勻的蜂窩狀聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和均衡的強(qiáng)度特征。因此，盡管在本發(fā)明的薄制件中遍布制件的平均強(qiáng)度可能類似于泡孔比較大的結(jié)構(gòu)的平均強(qiáng)度，但是本發(fā)明的制品具有更高的強(qiáng)度，因?yàn)榇順蚪诱麄€(gè)結(jié)構(gòu)的泡孔或空穴的典型的強(qiáng)度最低的點(diǎn)被消除了。
本發(fā)明的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠在不使用遮光劑的情況下生產(chǎn)不透明的制品。這是因?yàn)榫酆衔锱菽@射光線，所以它本質(zhì)上是不透明的并且具有白色的外觀。與傳統(tǒng)的泡沫相比，微孔泡沫如此一致地更不透明是本發(fā)明的特點(diǎn)。這是與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適合容納暴露在光線下將遭受破壞的物質(zhì)的制品(例如，食品容器)有關(guān)的重大優(yōu)點(diǎn)。這樣的物質(zhì)可以包括暴露在光線下可能遭受破壞的供人或動(dòng)物食用的包含維他命的食物。盡管遮光劑(例如，顏料)往往被添加到制品遮，但是加上顏色的材料不大適合再利用。
本發(fā)明提供按重量計(jì)包括不足大約1％的輔助遮光劑、優(yōu)選按重量計(jì)包括不足大約0.05％的輔助遮光劑、更優(yōu)選包括本質(zhì)上沒有輔助遮光劑的不透明的薄制品。在本發(fā)明中，“輔助遮光劑”意味著定義為吸收光線專門設(shè)計(jì)的顏料、染料或其他的物種、或者能夠阻擋或繞射光線的滑石粉或其他材料。熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人可以檢驗(yàn)?zāi)撤N添加劑是否是遮光劑。本發(fā)明的微孔吹塑制品具有白色固體塑料制品的外觀，這種外觀提供引人注目的商業(yè)感染力。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以像在1999年4月2日申請(qǐng)的以“泡沫材料的制造方法暨包括壓力限制要素的各種系統(tǒng)”為題的未審的美國(guó)專利申請(qǐng)第091/285,948號(hào)(在此通過引證將它并入)中所描述的那樣包括限制要素(未示出)。該限制要素(例如，止回閥)被定位在發(fā)泡劑注入口的上游，使擠塑機(jī)中聚合物和發(fā)泡劑的溶液在注射周期內(nèi)始終維持在最低壓力以上，并且優(yōu)選在為了維持聚合物和發(fā)泡劑的單相溶液所必需的臨界壓力以上。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括熱流道(未示出)。在本文中使用的術(shù)語“流道”意味著定義流體連通地把注射系統(tǒng)的出口端(按照一些實(shí)施方案是成核裝置的出口)和模塑成形艙連接起來和/或流體連通地把成形腔的各個(gè)部分連接起來(例如，在需要復(fù)雜的模塑形狀時(shí))的流動(dòng)路徑。流道在技術(shù)上是已知的。在一些傳統(tǒng)的泡沫塑料注塑成形系統(tǒng)中，留在流道中的材料硬化，然后與模塑制件一起被取出。本發(fā)明提供由溫度控制單元確定位置的流道，例如，供熱流體流動(dòng)的通道。按照本發(fā)明的某些實(shí)施方案，這是有用的，在這些實(shí)施方案中為了在材料中的間隙可能出現(xiàn)在流道范圍內(nèi)時(shí)(例如，當(dāng)變硬的材料已被取出時(shí))消除可能發(fā)生的壓降，維持聚合物制品的母料在流道范圍內(nèi)處于流動(dòng)狀態(tài)是有利的。例如，本發(fā)明的布局可以包括用來提供聚合物材料和發(fā)泡劑的流動(dòng)的單相溶液的擠塑機(jī)、成核路徑、以及在成核路徑下游位于成核路徑和模塑成形艙之間的流道，該流道包括位于它的下游端在打算填充模具時(shí)被打開并且在打開模具取出制品時(shí)被關(guān)閉的閥門。如果使用熔融的聚合物材料而且流道是被加熱的，那么流道內(nèi)成核的材料將保持流動(dòng)并且適合注入模具。本發(fā)明中流道溫度受到控制的實(shí)施方案可以在各種各樣的注塑成形系統(tǒng)中找到用途，其中包括在各個(gè)零部件之間以及零部件與適當(dāng)定位的閥門(如果需要)之間的任何數(shù)量的流道，以便在不需要從流道內(nèi)取出和丟棄變硬的材料的情況下考慮定期地填充一個(gè)或多個(gè)模具的各個(gè)區(qū)段。流道可以是成核路徑。
本發(fā)明的這些和其他實(shí)施方案的功能和優(yōu)點(diǎn)將通過下面的實(shí)施例得到更充分的理解。下面的實(shí)施例傾向于說明本發(fā)明的優(yōu)越性，但不傾向于舉例說明本發(fā)明的完整范圍。
下面的實(shí)施例說明聚合物材料和超臨界流體發(fā)泡劑的裝模料注塑成形的優(yōu)點(diǎn)，其中所形成的制品具有與模塑成形艙的內(nèi)表面相對(duì)應(yīng)的表面，該表面沒有人的裸眼可見的放射斑和漩紋。
實(shí)施例1兩步注塑成形機(jī)(Engel制造)是用32∶1 1/d、40mm塑化單元構(gòu)成的，它把熔融的聚合物喂入40mm直徑的活塞?；钊退芑瘑卧ㄟ^彈簧加載的球式止回接頭組件連接起來?；钊軌蛲ㄟ^典型的氣動(dòng)截流式注嘴注入模具。超臨界CO2的注射是通過把包括一個(gè)包含176個(gè)直徑為0.02英寸的小孔的徑向定位的口的注射系統(tǒng)放在距進(jìn)料段大約16至20個(gè)直徑的位置實(shí)現(xiàn)的。該注射系統(tǒng)包括一個(gè)伺服控制閥，以便計(jì)量以0.2至12磅/小時(shí)的速率流動(dòng)的發(fā)泡劑的質(zhì)量流速的。
塑化機(jī)配備了兩級(jí)螺桿，其中包括常規(guī)的第一級(jí)進(jìn)料、屏障、過渡和計(jì)量段以及跟在后面用于發(fā)泡劑勻化的多螺紋的混合段。機(jī)筒配備了帶式加熱/冷卻器。這種設(shè)計(jì)為聚合物和氣體的均勻的單相溶液的勻化和冷卻創(chuàng)造條件。
用來移動(dòng)模塑機(jī)所有的部件的液壓系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)不論什么時(shí)候都具有至少1000psi、至多28,000psi的熔體增壓壓力。這項(xiàng)技術(shù)在塑料注入模具之前不論什么時(shí)候都控制和維持聚合物和氣體的單相溶液。
實(shí)施例2注塑成形的微孔聚苯乙烯在實(shí)施例1中描述的模塑成形機(jī)被用來模塑微孔聚苯乙烯裝飾板。聚苯乙烯粒料(Novacor 2282，11M.I.)被喂入塑化機(jī)，并且在大多數(shù)情況下與發(fā)泡劑混合成單相溶液，然后通過注入有中心澆口的5×11×0.050英寸的裝飾板模具形成泡孔核。注射是通過冷注道完成的。為了確定加工變量與泡孔尺寸和減重之間的關(guān)系，注射速率是變化的。泡孔尺寸被控制在30微米以下，減重高達(dá)20％。見表1和表2以及相應(yīng)的圖10至圖15。
表1注射速度對(duì)泡孔尺寸和減重的影響
表2氣體濃度對(duì)泡孔尺寸和減重的影響熔體溫度＝160℃模具溫度＝66℃注射速度＝4.0”/sec注道＝.375’直徑
實(shí)施例3聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的注塑成形在實(shí)施例1所描述的注塑成形機(jī)被用來把聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Eastman，0.95IV)在350°F下干燥4小時(shí)后模塑成5×11×0.200英寸的空腔。熔體加工溫度是550°F，模具溫度是151°F并且被注入12％CO2。熔體增壓壓力被維持在3000psi，注射速度是每秒5.0英寸。
減重是30％而泡孔尺寸是30至40微米直徑。
實(shí)施例4注塑成形的聚丙烯達(dá)到高水平的減重實(shí)施例1所描述的注塑成形機(jī)被用來把聚丙烯(熔體流速(MFR)4，共聚物，Montell 7523)、聚丙烯(MFR 20，共聚物，Montell SD-376)和填充滑石粉的聚丙烯(MFR 4，填充40％滑石粉，Montell 65f4-4)模塑成具有不同厚度的5×11英寸的裝飾板。大幅度減重是利用下述條件實(shí)現(xiàn)的
表3
實(shí)施例5密度下降70％以上的注塑成形的聚苯乙烯實(shí)施例1所描述的注塑成形機(jī)被用來在除了模具溫度在150°F和250°F之間變動(dòng)和冷卻時(shí)間在3.2秒和22.8秒之間變動(dòng)之外其余條件類似于實(shí)施例2的條件下模塑聚苯乙烯。人們看到大幅度的密度下降表4
實(shí)施例6聚合物/超臨界流體的固化制件模b塑后的成核作用和泡孔生長(zhǎng)實(shí)施例1所描述的注塑成形機(jī)被用來模塑聚苯乙烯(Novacor2282，11，M.I.)。聚苯乙烯粒料像實(shí)施例2描述的那樣被喂入塑化機(jī)，然后被注射。注入模具的材料在模具中被冷卻到低于聚苯乙烯的固化溫度的溫度。打開模具并且取出處于未發(fā)泡狀態(tài)的制件。然后讓制件經(jīng)受外部熱源(甘油浴)加熱使它發(fā)泡。最終獲得微孔制品。
實(shí)施例7證明粘度在聚合物模塑成形過程中下降這個(gè)實(shí)施例證明在比較低的熔體溫度下使用超臨界流體發(fā)泡劑把聚合物材料引入模具將在獲得微孔泡沫利益的同時(shí)降低粘度的優(yōu)點(diǎn)。模塑成形機(jī)被用來除下述條件之外像實(shí)施例2所描述的那樣模塑聚苯乙烯。模具具有5×11×0.020英寸的尺寸。在采用0％發(fā)泡劑的情況下，按照與實(shí)施例2相同的條件注射聚苯乙烯。可獲得的最大流動(dòng)長(zhǎng)度是1英寸，從而導(dǎo)致長(zhǎng)度/厚度比為50。在采用15％超臨界二氧化碳發(fā)泡劑的條件下進(jìn)行完全相同的實(shí)驗(yàn)。最大的流動(dòng)長(zhǎng)度是至少5.5英寸，長(zhǎng)度/厚度比為270。
實(shí)施例8聚丙烯在其晶體熔點(diǎn)以下的注塑成形實(shí)施例1所描述的注塑成形機(jī)被用來把聚丙烯(MFR為4，共聚物，Montell 7523)模塑成5×11×.050英寸的模具。發(fā)泡劑為0％，填充這樣的模具所需要的最低熔體溫度是430°F。超臨界二氧化碳發(fā)泡劑為15％，在聚丙烯的晶體熔點(diǎn)(名義值為325°F)以下注射聚丙烯是可能的。實(shí)際熔體溫度是310°F。
實(shí)施例9證明微孔泡沫制品具有近乎完美的表面實(shí)施例2所描述的模塑機(jī)被用來模塑聚苯乙烯(Novacor2282 11M.I.)。聚苯乙烯粒料被喂入塑化機(jī)，并且與CO2發(fā)泡劑混合物成超臨界CO2和聚苯乙烯的單相溶液，然后通過注入5×11×.050英寸的裝飾板模具形成泡孔核。加工條件被優(yōu)化，以便識(shí)別適合獲得高成核密度以及看上去沒有放射斑的固體皮層的條件。為了示范這項(xiàng)技術(shù)的效果，顯微鏡照片的復(fù)印件是作為圖16至圖18提供的。圖16是為比較準(zhǔn)備的，它展示采用標(biāo)準(zhǔn)的非泡沫注塑成形技術(shù)注塑成形的未發(fā)泡的固體聚苯乙烯。
圖17是本發(fā)明的微孔注塑制品的表面的顯微鏡照片的復(fù)印件，該制品平滑的表面而且在表面上沒有人的裸眼可見的放射斑和漩紋。
圖18是注塑成形泡沫聚合物制品的表面的顯微鏡照片的復(fù)印件，其中包括人的裸眼可見的漩紋。
正像人們能夠看到的那樣，理想條件包括熔體溫度、模具溫度和發(fā)泡劑濃度的平衡。熔體溫度必須足夠高，以致發(fā)泡劑在熔體中擴(kuò)散速率比較快；模具溫度必須足夠高，以致發(fā)泡劑擴(kuò)散出熔體在表面達(dá)到效果顯著的程度，但是為了避免產(chǎn)品翹曲和其他變形，模具溫度又必須足夠低。發(fā)泡劑的擴(kuò)散速率取決于熔體溫度、發(fā)泡劑濃度、壓差和模具溫度。發(fā)泡劑擴(kuò)散出熔體的速率必須大于聚合物表面的冷卻和固化速率。
表5
實(shí)施例10實(shí)施例1所描述的注塑成形系統(tǒng)被用來把聚丙烯(Montell6823、Montell 6523、以及6823和Dow公司的金屬茂催化的聚乙烯的共混物)模塑成1.25×4×0.600深的空腔。使用在圖19和圖20中展示的模塑系統(tǒng)。為了通過泡孔尺寸在1微米和50微米之間變動(dòng)產(chǎn)生各種密度，熔體溫度和氣體百分比可以變化。最終獲得的制件具有低至每立方英尺1.8磅、高達(dá)每立方英尺20磅的密度。如果需要更高的密度也能輕易地制作出來。此外，這些相同的密度和泡孔結(jié)構(gòu)能通過龜裂模塑的方法被制作出來，憑借這種方法熔融的聚合物被注入局部打開的模具，然后徹底龜裂開。低密度聚丙烯以及聚乙烯與聚丙烯的低密度共混物被分別生產(chǎn)出來，而且兩者都具有均勻的泡孔結(jié)構(gòu)。參數(shù)見表6。
表6
熟悉這項(xiàng)技術(shù)的人將容易承認(rèn)在此列出的全部參數(shù)必須是可效仿的，而實(shí)際的參數(shù)將取決于使用本發(fā)明的方法和裝置的特定的應(yīng)用。所以，應(yīng)當(dāng)理解上述的實(shí)施方案僅僅是舉例說明，本發(fā)明可以在權(quán)利要求書及其等價(jià)文件的范圍內(nèi)以不同于被明確闡述的方式予以實(shí)踐。
權(quán)利要求
1.一種加工聚合物的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括擠壓機(jī)包括機(jī)筒和在機(jī)筒內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的螺桿以向下游端傳送聚合物母料；計(jì)量裝置，該計(jì)量裝置的入口與發(fā)泡劑源連通、出口與聚合物加工系統(tǒng)的發(fā)泡劑口連通，而且其結(jié)構(gòu)和布局適合計(jì)量從發(fā)泡劑源流向聚合物母料的質(zhì)量流速；以及模塑成形艙，在擠壓機(jī)的下游端，該模塑成形艙構(gòu)建以接收聚合物母料和發(fā)泡劑的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中模塑成形艙接收的母料和發(fā)泡劑的混合物包括單相溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的系統(tǒng)，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在母料與發(fā)泡劑的混合物的重量在大約0.1％和25％之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在母料與發(fā)泡劑的混合物的重量在大約0.1％和2.5％之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在0.04磅/小時(shí)和70磅/小時(shí)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在0.04磅/小時(shí)和12磅/小時(shí)之間。
7.根據(jù)前述的任何一個(gè)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速可以被控制在±0.3％之內(nèi)。
8.根據(jù)前述的任何一個(gè)權(quán)利要求的系統(tǒng)，構(gòu)建操作其中發(fā)泡劑包括二氧化碳。
9.根據(jù)前述的任何一個(gè)權(quán)利要求的系統(tǒng)，構(gòu)建操作其中發(fā)泡劑包括氮?dú)狻?br> 10.根據(jù)前述的任何一個(gè)權(quán)利要求的系統(tǒng)，其中發(fā)泡劑口在擠壓機(jī)的機(jī)筒內(nèi)。
11.一種形成聚合物泡沫制品的方法，該方法包括促使聚合物制品的母料流朝下游方向流動(dòng)；以經(jīng)過計(jì)量的發(fā)泡劑的質(zhì)量流速把發(fā)泡劑引入所述的母料流，以便形成聚合物制品的流體母料與發(fā)泡劑的混合物；以及把聚合物制品的流體母料的混合物注入模塑成形艙。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中聚合物制品的流體母料和發(fā)泡劑的混合物包括單相溶液。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的方法，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速為母料和發(fā)泡劑的混合物重量的大約0.1％和25％之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速為母料和發(fā)泡劑的混合物重量的大約0.1％和2.5％之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求11到14的方法，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在0.04磅/小時(shí)和70磅/小時(shí)之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速在0.04磅/小時(shí)和12磅/小時(shí)之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求11到16任何一個(gè)的方法，其中發(fā)泡劑的質(zhì)量流速可以被控制在±0.3％之內(nèi)。
18.根據(jù)權(quán)利要求11到17任何一個(gè)的方法，其中發(fā)泡劑包括二氧化碳。
19.根據(jù)權(quán)利要求11到17任何一個(gè)的方法，其中發(fā)泡劑包括氮?dú)狻?br> 20.根據(jù)權(quán)利要求11到19任何一個(gè)的方法，其中發(fā)泡劑通過擠壓裝置的機(jī)筒內(nèi)的發(fā)泡劑引入到母料流。
21.根據(jù)權(quán)利要求11到20任何一個(gè)的方法，進(jìn)一步包括在模塑成形艙內(nèi)形成平均泡孔尺寸小于100微米的微孔制品。
全文摘要
這項(xiàng)發(fā)明提供用來制作微孔泡沫材料和微孔制品的注塑成形系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施方案中，壓降速率和切應(yīng)變速率是重要的特點(diǎn)，而這項(xiàng)發(fā)明提供在注塑成形系統(tǒng)中控制這些參數(shù)的系統(tǒng)。另一方面包括一種注塑成形系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括位于加壓模具上游的成核裝置。另一方面包括一種用于形成發(fā)泡劑與聚合物材料的未成核的單相溶液的往復(fù)式螺桿擠塑系統(tǒng)。另一方面包括壁非常薄的薄壁微孔材料和薄壁聚合物材料。另一方面提供一種在表面與非泡沫制件沒有顯著差異的壁非常薄的薄壁制件中產(chǎn)生大幅度減重的方法。
文檔編號(hào)B29C45/76GK1672901SQ20051006895
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期1999年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月4日
發(fā)明者戴維·E·皮爾瑞克, 杰里·R·安德森, 車松·W, 陳麗琴, 詹姆斯·F·史蒂文森, 戴納·E·萊英 申請(qǐng)人:特瑞賽爾公司