CN1004970B - 生产可倾注的球弓型塑料填充颗粒的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一生产方法，用来生产可倾注的具有外凸内凹表面的球弓形的塑料填充颗粒（１８）。塑性材料与添加剂如成泡剂、着色剂及类似物质相混合后，经过进料漏斗（１７）从套在挤塑螺杆外的套筒开口处（１３）进入挤塑机（１４），塑性物质在通过挤塑机（１４）时被塑化并且由于物流横截面上各点速度不同，塑性物质从口模出口（１５）流出时呈曲面形。塑性物质在发生明显膨胀之前即在口模出口（１５）处被直接切断。在塑料粒料进入挤塑机（１４）加工之前，须将成泡剂（成核剂）在滚筒机（５）中施于塑料粒料表面上。

Description

生产可倾注的球弓型塑料填充颗粒的方法

本发明涉及一生产方法，用来生产可倾注的（Pourablc）具有外凸内凹表面的球弓形塑料填充颗粒。塑性材料与添加剂例如成泡剂（bubble-formingagent）、着色剂或类似物质相混合。经过一进料漏斗，从套在挤塑螺杆外的套筒的开口处进入挤塑机。塑性物质在通过挤塑机时被理化。由于物流横截面上各点速度不同，物流从口模流出时呈曲面形，挤出的塑性物质在发生明显膨胀之前即在口模出口处被直接切断。

美国专利3，961，000（US-PS3，961，000）已述及此种类型加工方法。在该方法中，可膨胀聚苯乙烯与添加剂相混合。添加剂包含有成泡剂，例如，碳酸氢铵和碳酸氢钠或类似物质，以及着色剂。

混合物经过进料漏斗进入挤塑装置。挤塑螺杆将混合物传送通过挤塑机，内于挤塑螺杆是特别设计的，即杆芯直径逐渐增大并且伴有一适当的温度分布，所以塑性物质在通过挤塑机时就被塑化，当塑性物质从口模出口流出后，立刻就被一个切断装置切断。于是，切下的颗粒在初步膨胀过程中就可能膨胀成外表面凸内表面凹的特殊形状，填充颗粒连续经数次膨胀过程才被加工成最终产品。

聚苯乙烯是苯的衍生物苯乙烯的聚合产物，按聚合条件不同，聚苯乙烯的链长可以不同，链长主要由聚合过程中彼此相连的苯乙烯单元数目确定。

链长基本上确定了塑性材料的物理特性，为了适合于用挤塑机加工，塑性材料必须是“热塑性”的，也就是说，塑性材料在一定温度下（通常是室温）呈固态，当温度升高时，呈可塑态（软化的、可模塑的），并且能被加工成一定形状，冷却后又恢复其固态。

用挤塑机加工，可以采用二种不同主要类型的聚苯乙烯：

1.所谓标准的聚苯乙烯;

2.含膨胀剂（expanding agent）的聚苯乙烯。

标准聚苯乙烯是一种纯聚合物，即不含添加剂的纯聚苯乙烯。含膨胀剂的聚苯乙烯则在聚合物基体（buck）中含有膨胀剂。当温度升高时，膨胀剂沸腾从而使聚合物发泡。这样的膨胀剂最好选用低沸点烃类、氟化烃类或水。

标准聚苯乙烯以及含膨胀剂的聚苯乙烯都适于用挤塑机加工成泡沫塑料。当采用标准聚苯乙烯时，须在加工过程中将膨胀剂添加到挤塑机中去。人们称这种情况为所谓直接发泡。

膨胀剂使塑化的物质在离开挤塑机后发泡。

在挤塑机中，膨胀剂在压力下离析，以气体形式存在于塑化的塑性物流之中。基于挤塑机中存在的条件（压力、温度），含气体的塑性物流处于过饱和状态，也就是说相对于正常条件膨胀剂析出更多的气体。

当物流离开挤塑机后，膨胀剂发泡并膨胀以达到正常压力。包围着膨胀剂的粘稠的塑性物流阻止膨胀的气体逸入大气从而形成了泡沫结构。

冷却呈指定形状的塑性物质，即制得具有典型结构的泡沫材料件。

大体积泡沫材料件，如保温板，气泡体积较大而且这些气泡的直径变化幅度也较大。

本方法是用来生产小型填充颗粒的。颗粒直径大约可达三厘米。这些小型填充颗粒中气泡的体积自然必须比上述制件中气泡的体积小的多，以确保填充颗粒的稳定性。在小型填充颗粒中，即使少量大气泡也会降低颗粒的稳定性，甚至在弱应力下也会导致颗粒的破碎。大气泡，特别是在具有外凸内凹表面的填充颗粒的边缘区域存在的大气泡会导致该区域存在相当程度的破损危险，因此会由于运输过程中不断地磨擦，最终产生擦落的雪状细粒。

在再次膨胀过程中，也存在毁坏性危险。例如，经过上述加工过程，假若物流中已产生了个别的大气泡，则这些大气泡在再次膨胀过程中将变的更大从而毁坏填充颗粒。

为了生成更加均匀一致的气泡，可以添加所谓成核剂（nucleation agent）。这些成核剂引起塑化的塑性物质中形成泡核，从化学观点看，泡核的形成是由于固体成核剂在挤塑机中发生分解而产生了气体。

气体的释放是为了在塑化的塑性物流中形成大量的泡核。此术语所指气体必须与发泡气（propellant）明确区分开。在塑性物质中，在压力下离析的发泡气扩散进入小气泡内并且使成核剂分解产生的泡核扩大。

加工工艺中使用的成核剂应优先采用那些可分解产生二氧化碳、氮或类似无害气体的物质。

加工过程中所用的原材料必须符合德国食品法（German Food Law）。按照食品与药物管理局（FDA）的要求，所有组分必须是公认安全的（GRAS Generally Recognized As Safe）。最常用的是碳酸盐，例如，碳酸铵或碳酸钠。例如，碳酸氢钠已被广泛地用作发酵粉发气剂，这是因为随着温度的升高，碳酸氢钠分解放出二氧化碳。

成核剂的用量应根据成核剂在温升下的分解性能确定。在此情况下所谓的理论产气率具有重要意义。理论产气率取决于每单位重要成核剂释放的气体（如二氧化碳）量。由于气体产率随温度升高而增大，因此在高温下加工时只需少量成核剂。

在约110℃～130℃的较低温度下加工时，使用通常惯用的成核剂是不经济的。因为它们的最佳应用温度范围是180℃～230℃。除此以外，所形成气泡的体积以及塑化的塑性物流每体积单元中气泡的空间分布都是极不规律的，这就使得物流在离开挤塑机后变成具有不规则气泡结构的泡沫塑料。

本发明的目的在于改进上述类型的加工方法。使塑性材料在挤塑机中进行低温加工时，添加少量成核剂就可以获得大量的均匀的气泡。

要达到本发明的目的，须在塑料粒料进入挤塑机加工之前，即把成泡剂（成核剂）施用到粒料表面上去。

在使用成核剂之前，须将固体成核剂研磨成极其细小的物料，在此情况中，成核剂的粒径为40μm。将精细研磨过的成核剂，置于一滚筒机（drum）中，使之“滚”到（is drummed on to）粒料上。“滚”上的成核剂以重量计约为粒料重量的0.1～0.2%。

由碳酸盐及一种酸组成的成核剂具有特殊优点。除了热的影响外，酸组分对碳酸盐组分的化学作用也可以产生二氧化碳。酸组分含有柠檬酸，因此完全符合食品法要求。

气泡的形成及气泡的膨胀，对于按本加工方法生产的填充颗粒的均匀一致性具有决定性意义。

气泡的形成是由于成核剂在塑化的塑性物质中释放气体。如前所述，可仅由碳酸盐热裂解释放气体，或者，除此以外，还由酸组分与碳酸盐组分间的反应释放气体。因为碳酸盐是弱酸碳酸的盐，化合物中的碳酸能被强酸置换。这里所用的强酸是柠檬酸。

常用的发泡剂是所谓的放热体系，在其分解过程中，释放出大量热。存在热量形成积累的危险，即局部过热，这会使气泡生成不均匀。

本方法所使用的发泡剂为具有吸热效果的体系。随着温度的升高，发泡剂均匀分解，从而获得含有更细小的气泡的更均匀的泡沫结构。成核剂的分解特性基本上取决于添加的热量（由外加热及内摩擦而产生的热作用）。

固体成核剂必须精细而均匀地分布在塑化的塑性物质中以使每体积单元中产生尽可能多尽可能小的泡沫核心。这样就确保了当气体形成时，挤塑机物流中形成均匀一致而且细小的气泡结构。

按本发明，要获得上述结果，成核剂必须在粒料引入挤塑机之前就分布到粒料上去，并均匀地附着在粒料上。在这种情况下，成核剂颗粒的大小具有决定性意义。

将经过精细研磨的成核剂（粒径为40μm）置于滚筒内，“滚”到粒料表面上去。之所以使用“滚上”这个词，是为了将这种方式和粒料与成核剂的在现在技术发展水平上的混合方式清楚地区别开来。这种混合也可以在混合滚筒（mixing drum）中进行，所以必须在术语上将这两种过程加以区别。

用形象化的语言来说明，离开滚筒的粒料彼此很不相同。经过“上”（drumming-on）处理的粒料就象一个冻结了一层糖衣的苹果，而经“混合”（mixing）处理的粒料就象喷洒了糖结晶体的苹果。在现有技术中，“糖结晶体”的粘附是由添加结合剂（bondingagent）而实现的，如，向混合物中添加滑石粉。而在“滚上”处理时，无须添加结合剂，因为微小的“粉粒”（“powder”）能很好地粘附在塑粒表面上。

经过用不同方法（混合或“滚上”）处理过的塑料粒料在从混合滚筒移至并通过挤塑机时所表现出来的差别可以用“苹果”的例子清楚地给以说明。

塑料粒料（苹果）在漏斗中处于不断运动之中，粒料到达挤塑机的引入区域时尚未塑化，而且以不同的方向转动并且彼此摩擦。粒料（苹果）通过漏斗时基本上沿垂直方向运动，随后在挤塑机中由于螺杆推进面的推进作用，粒料即沿可以分解为二个运动方向的合方向运动。一个方向是沿螺杆的轴向运动，另一个是环绕螺杆轴的圆周运动。

在挤塑机通路上，由于螺杆杆芯的直径逐渐增大，容纳粒料（苹果）的空间不断减小。

由于粒料的向前运动和回旋运动以及粒料不断被压实紧密，粒料（苹果）间存在着相互摩擦。由于这种摩擦，附有粗粒成核剂的粒料（带糖结晶体的苹果）就发生了较大程度的摩损。摩损脱落的物质特别容易聚集在粒料间隙中。

对于“滚上”成核剂的塑料粒料（包有糖衣的苹果）而言，由于存在吸附力，一层成核剂牢固地吸附且均匀地分布在粒料表面上。当粒料（苹果）流经漏斗以及挤塑机引入区域时，成核剂的磨损脱落要少的多，因此粒料间隙中很少有物质聚集。

在挤塑机的塑化段，即粒料软化区域，粒料间不再相互摩擦，而是被挤压在一起或揉捏在一起，然而，挤塑机中的这种揉捏仅是组分的初步混合。

从微观来看，尽管发生了混合过程，但仍保持着某种程度的规律性（close order）。

经过“滚上”处理的塑料粒料经塑化后失其固态，但依旧牢固粘附着的成核剂的空间分布仍很规则。这即是说，任一体积单元中仍均匀地分布着数目众多的极微细的泡核。

与此相反，原来仅仅经过混合处理的粒料（即粒料与成核剂只是混合而未经“滚上”处理）塑化后，物流中某些区域存在着数目众多体积较大的泡核固体颗粒，而其他区域则几乎没有泡核，只是存在着含析出的发泡气的充分塑化的塑性物流。

由于成核剂粒径微小，分布细微，甚至在约110℃～130℃的低温加工的情况下-该温度范围远低于现有技术中被认为是最佳的加工温度范围180℃～230℃-成核剂也能充分分解从而形成大量的微小气泡。

采用成核剂“滚上”粒料的方法，使第一阶段泡核的形成以及随后气泡的形成取得了具有决定性意义的改进，而且，低温加工也大大节省了成本费用。

涉及最终产品质量的第二个重要方面，是气泡体积的增大。在初始阶段，气泡体积的增大仍然是由于成核剂分解产生了气体。然而气泡体积的进一步增大，特别是在再次膨胀过程中体积的增大，则是由于塑性物质中释放的发泡气扩散进气泡所致。

气泡内压力，挤塑机中释放气压力以及挤塑机本身的压力决定了气泡体积的增长。上述压力间的关系可用下列方程描述：

△P＝Pv-P₁ （1）

△P＝2σ/R （2）

在上述方程中，

Pv：气泡内存在的压力;

P₁：熔融态塑性物质中释放的发泡气分压;

△P：压差（即“驱动力”）;

σ：气泡的表面张力;

R：气泡的半径。

当气泡增大时，泡内压力减小，而半径不断增大。最初，气泡迅速增大，直到邻近区域内释放的过剩气体之大部分因使聚合物膨胀而耗尽为止。

气泡的增大受熔融塑性物质中释放的发泡气在气泡方向上的扩散速率的影响，还受熔融物流过饱和程度及熔融物流的粘度的影响。达到平衡态时，所存在的力的平衡关系可由方程（1）和（2）描述。

对于仅仅经“混合”处理的初始材料（带糖结晶体的苹果）而言，由于成核剂的空间分布不均匀，气泡的生产速率是不一致的。含有大量塑性物质及释放的发泡气的区域与那些含有相对较多成核剂的其它区域交错存在。在含成核剂较多的区域中，产生的气泡相对较大且气泡增长迅速，而且就发泡气压力而言，气泡内并非直空。这就使发泡气加速向气泡内扩散从而导致了体积已经相当大的气泡加速扩大。借助于螺杆的作用，挤塑机中存在着物流的混合与分离（fracticn ation）。即塑化物流被研磨时，泡沫结构中气泡间或被破坏。但这种混合与分离不足以控制泡沫结构中气泡分布与气泡体积上的不均匀情况。

下面详细解释本发明的具体设备：

图1是生产颗粒填充材料装置的侧视略图。

实施本生产过程所需的装置如图1所示。装置中5为滚筒机，滚筒机上有两个开口，开口6和开口7，塑性材料及精细研磨的成核剂从开口6和开口7中加入。经过“滚上”处理过的塑料粒料从滚筒5经输料器8及输料管9进入挤塑装置10。挤塑装置10由驱动马达11，齿轮12，物料引入区域13及挤塑机14组成。切断装置16直接安装在挤塑机口模出口15的前面。

经过“滚上”处理的粒料，经过进料漏斗17，通过物料引入区域13而进入挤塑机14。

塑性物质在挤塑机中轴向移动时被塑化。成核剂分解形成气体，塑性物质以熔融泡沫状态从口模出口15流出。因为物流截面上各点速度不同，所以塑性泡沫从口模出口15的内部挤出时呈曲面形。

挤出的塑料在口模出口15处由切断装置16直接切断。

切下的塑料颗粒在自由下落时发生初步膨胀，在此初步膨胀阶段，塑料颗粒已具有外表面凸内表面凹的形状。收集器19收集固化了的和冷却了的塑料颗粒18。

初步膨胀的发泡颗粒，用鼓风机20，经输料管2被吹送到储存容器22。

经过初步膨胀的塑料颗粒18储存一定时期后，从储存器22被输送到再次膨胀器23，在再次膨胀器23中塑料颗粒再度膨胀。

离开再次膨胀器23后，经再次膨胀的塑料颗粒18被输送到储存器24。这个储存器24最好用筛状材料或任何其它开式罗网材料制成以有利于空气自由循环从而使新膨胀的塑料颗粒18易于干燥。

膨胀到最终阶段的塑料填充颗粒具有均匀一致的气泡结构。颗粒具有足够的稳定性，所以在运输过程中所受的压力不会导致填充颗粒的破碎。此外，颗粒之间以其较光滑的表面彼此接触，所以当填充颗粒彼此相互摩擦时，很少发生碎裂。

实施本加工方法时，首先要把成核剂研磨成粒径为小于40μm的微粒，成核剂（CF0556）的基本组成是一种商品名为“氢化彩诺”（Hydrocerol）（为Boehringer Ingelheim两合公司所有的商品名，德国商标号№B81304/1WZ和№458582）的复合成核剂。酸组分为防水无水柠檬酸或防水一水合柠檬酸。酸组分经处理或敷层以能防水，因此能与碳酸盐（碳酸氢钠）混合，并且能长期储存而不吸潮。

成核剂CF0556是一种很细的，无气味的、白色的、能自由流动的、不起尘的粉料。按食品与药物管理局（FDA）的要求，CF0556所有组分都是公认安全的（GRAS Generally Recognijed As Safe）。CF0556具有良好的储存性能，不会因为吸收潮气而结块或粘在一起。

塑料粒料可膨胀的聚苯乙烯（EPS），即含有发泡剂（例如戊烷）的聚苯乙烯，生产时将此粒料加入滚筒5中。

每70公斤可膨胀聚苯乙烯粒料，“滚”上100克CF0556成核剂。本方法绝不能与纯粹混合相混淆。本处理方法使一层均匀的微细的成核剂良好地附着在粒料上而不需添加滑石粉或其它类似的所谓结合剂。成核剂的比例以重量计为0.14%。

经“滚上”处理过的粒料经输料器8，输料管9，进入进料漏斗17。可以从进料漏斗加入着色剂或其它必要的添加剂。混合物借助于挤塑螺杆的作用引入挤塑机14的引入区域13。当物料通过挤塑机14时，由于挤塑螺杆芯直径的逐步增大，物料因摩擦以及外部相应提供的热量而塑化。

经“滚上”处理过的粒料的表面上均匀分布着粒径为40μm的成核剂固体颗粒，在从固态变为塑化态的转化段，粒料相互挤压，但是粒料表面上成核剂颗粒排列的规律（＊los Gorder）并未回到显著破坏。当粒料受到挤压并且受到剪切作用时，混合状况有进一步的改善。举例说明，请想象把一块咀嚼过的柔软的口香糖制成小球，然后用二个手指将球拉开。拉伸将很均匀，以致于其表面上仍维持着颗粒分布的规律性。

塑料的加工温度约在110℃～130℃之间。即使在这样低的温度下，成核剂CF0556也能产生二氧化碳。由于成核剂在整体中分布均匀，形成的气泡的分布也均匀，并且以均匀的速度增长。气泡的大小也取决于挤塑机的尺寸及挤塑螺杆的转速。物流被挤出并立刻被切断后，由于气泡内受压的气体能够膨胀而几乎达到正常压力，所以塑料颗粒将迅速膨胀。

与此同时，塑料颗粒被冷却，并保持了初步膨胀时的形状。在初步膨胀中，初步膨胀的填充颗粒的容积密度约为22kg/m²，填充颗粒具有极为精细的气泡结构使得填充材料颗粒表面非常光滑。填充颗粒静置一段时间之后，再次进行膨胀。

在静置期间内，塑性物质中存在的发泡气扩散进入气泡中。由于塑料离开挤塑螺杆后迅速膨胀，气泡中的内压已比塑性物质中释放气体的分压小得多。在这种情况下，压力差就成为扩散的驱动力并且也确定了扩散的方向。

进一步膨胀过程是将填充颗粒置于蒸气中完成的。填充颗粒受到蒸气的作用时使得已扩散进入气泡的发泡气膨胀，从而也使塑料颗粒膨胀。各个膨胀过程之间储存时间间隔逐步延长，这是因为塑性物质中释放的发泡气愈来愈少，同时能够扩散进入气泡的发泡气也愈来愈少。经过数次膨胀过程后，填充颗粒的容积密度仅约为4.5kg/m²。

尽管经历了数次膨胀过程，填充颗粒仍具有较光滑的表面，并且由于细小的气泡结构，填充颗粒具有足够的稳定性。特别是在填充颗粒的边缘区域表面较光滑而且呈圆角，因此堆积的填充颗粒不会由于应力作用而破碎。

把40μm成核剂“滚”到粒料上的方法是获得高质量的最终产品的基础。

＊〔在与本发明同时申请的另一申请案中对于引入区域13给以了更充分的描述。律师案号（Attorney Docket）3502086。此处引为参考。〕

Claims (5)

1、生产可倾注的具有外凸内凹表面的球弓形发泡塑料填充颗粒，按此方法，含有发泡剂的塑料颗粒与添加剂，例如成泡剂（成核剂）、着色剂或类似物质相混合，经过一进料漏斗，从套在挤塑螺杆外的套筒的开口处进入挤塑机，在通过挤塑机时物料被塑化，并且由于物流横截面上各点速度不同，从口模出口流出时呈曲面形，而且挤出的塑性物质在发生明显膨胀之前在口模出口上被直接切断，其改进之处在于，在挤出机中进行加工之前，粒径为40μm的成泡剂（成核剂）是均匀分布并粘在塑料颗粒表面，按所述颗粒总重量计，成泡剂用量为0.1～0.2%。

2、根据权利要求1的方法，其中挤出机中加工温度为110℃至130℃。

3、根据权利要求1的方法，其中所述塑料是可发泡聚苯乙烯（EPS）。

4、权利要求1的方法生产的可倾注的具有外凸内凹表面的球弓形发泡塑料填充颗粒，其中所用塑料颗粒由可发泡聚苯乙烯（EPS）制成，在其表面均匀分布着层状成泡剂（成核剂），成泡剂的粒径为40μm，用量按颗粒总重量计为0.1～0.2%。

5、权利要求4的塑料颗粒，其中的成核剂由碳酸盐组分和酸性组分构成。

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