CN101474859B - 用于由热塑性弹性凝胶制备型件的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于由热塑性弹性凝胶制备扁平型件的装置，包括：-具有至少一个给料部件和一个排出部件的挤出机；-截面适合于扁平型件的型面的挤出机模具；-液体冷却浴器，所述液体冷却浴器具有用于接收并冷却从挤出机模具排出的扁平型件的自由表面；以及-用于接收型件的平坦移动支撑体；其特征在于，所述自由表面紧邻挤出机模具的出口设置，且挤出机模具的平面相对于水平面的倾斜角度为20-70度。

Description

用于由热塑性弹性凝胶制备型件的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于由热塑性弹性凝胶制备型件的装置和方法。
背景技术
热塑性弹性凝胶材料的特征在于：极低硬度；弹性性能，即，在甚至相当大程度的变形后，它们恢复它们的初始形状；以及超过后即变为塑性的软化温度，这促进了它们的应用。
这种凝胶特别可具有苯乙烯热塑性弹性体(称作“TPS”)的基体，例如，嵌段共聚物，苯乙烯/丁二烯/苯乙烯(SBS)、苯乙烯/异戊二烯/苯乙烯(SIS)、苯乙烯/丁二烯/异戊二烯/苯乙烯(SBIS)、苯乙烯/异丁烯/苯乙烯(SIBS)、苯乙烯/乙烯/丁烯/苯乙烯(SEBS)、苯乙烯/乙烯/丙烯/苯乙烯(SEPS)、苯乙烯/乙烯/乙烯/丙烯/苯乙烯(SEEPS)、以及这些共聚物的混合物。
为了实现极低的硬度，这些凝胶还包含高比例的软化油(extender oil)。
这些凝胶可以以两个阶段制备。在第一阶段，将凝胶的各种组分例如供给到挤出机中，该挤出机塑化热塑性弹性体并将其与软化油和所使用的其他任何添加剂混合。在挤出机出口，塑性材料例如被挤出成杆，其被切成团块或粒料。为了便于塑性材料的冷却，文献US2002/0049276阐述了杆的挤出和切割可以在水中实施。
可以储存所述粒料或团块。接着对它们再加工并注射到模具中，以获得它们的最终形状。
然而，该两阶段式的制造方法需要使用抗粘剂来防止粒料或团块粘结在一起。这些抗粘剂具有明显增加凝胶的硬度的缺点。
文献WO97/09391提出了包括支撑体和厚的热塑性弹性凝胶的粘合剂的制造方案，其是通过将塑性凝胶直接挤出到平移运动的支撑体上进行的。这种应用方式可以在挤出物的形率相互接近时使用。当希望得到扁平型件，即其厚度远小于宽度并具有受控的尺寸的型件时，这种方式不再适应这种情况。事实上发现，在这样的应用中，离开挤出机模具的材料的低粘度塑性状态以及其极强的粘性，不允许对扁平型件的尺寸进行充分控制。
文献US1740029提出了一种用于挤出橡胶状的管的方法和装置，用于内管的制造，其中，离开挤出机模具的材料被接收在水浴器的表面上，以使其冷却，而不会使其变形并且不会使其表面硬化。在该装置中，挤出机模具的轴线是水平的。
发明内容
在下文，“扁平型件”表示宽度与厚度的比值大于5的型件。
本发明涉及一种用于由热塑性弹性凝胶制备扁平型件的装置，包括：
-具有至少一个给料部件和一个排出部件的挤出机；
-截面适合于扁平型件的型面的挤出机模具；
-液体冷却浴器，所述液体冷却浴器具有用于接收并冷却从挤出机模具排出的扁平型件的自由表面；以及
-用于接收所述型件的平坦移动支撑体；
该装置的特征在于，所述自由表面紧邻挤出机模具的出口设置，且挤出机模具的平面相对于水平面的倾斜角度为20-70度。挤出机模具的平面向下指向。
该装置的这两个特征，挤出机模具的出口和冷却浴器的自由表面之间的最小距离、和挤出机模具的平面相对于水平面的20-70度的向下倾斜角度，对于扁平型件的挤出的第一阶段即过程的起始或开始特别关键。
要被挤出的材料是热塑性弹性凝胶，其包含200pce以上的软化剂。它是一种具有极低粘度的材料，并且具有高的粘接性能。
如果挤出机模具出口之间的距离不是最小，即，不是小于50mm或甚至10mm，则由于重力，从挤出机模具排出的材料的滴落长得足以引起型件的几何形状的显著的、不可逆转的改变。此时，恢复精确的、可再现的几何形状是不可能的。在过程开始期间离开挤出机模具的材料还倾向于堆积在挤出机模具下方，而没有被向着平坦移动支撑体引导。开始操作是不可能的。
挤出机模具的倾斜角度也是非常重要的。当该角度α变得太小、例如约20度时，几乎液态的挤出物在挤出机模具的底部边缘上流动，并且流动可不再均匀。当该角度太大而超过70度时，流动几何特性不再恒定，并且与极低粘度一致的挤出物由于重力倾向于从挤出机模具掉落且离开流动区域。而且，在开始期间，该挤出物不再具有足够的动能向移动支撑体逐渐延伸。该角度优选为30-60度。
因此，为了使离开挤出机模具的挤出物被接收在液体的自由表面上以及逐渐移向移动支撑体，在所述范围内的角度、和自由表面与挤出机模具出口之间的最小距离的组合是至关重要的。
为了便于过程开始，还有利的是，液体冷却浴器具有用于搅动液体的装置，以便沿型件在冷却浴器的液体表面上的运动方向产生表面流。在热塑性凝胶的挤出开始期间，这便于扁平型件运动到平坦移动支撑体。
这些搅动装置还确保了冷却浴器中的均匀温度。
液体冷却浴器的自由表面有利于接收离开挤出机模具的低粘度的塑性材料，且有利于非常高效地冷却其下壁，直到它可保持其形状。平坦移动支撑体在冷却浴器的自由表面的端部处接收型件。平坦支撑体的移动速度可稍大于、等于或小于塑性材料的挤出速度，以精细控制型件的厚度。由于在自由表面和型件之间完全没有摩擦，在液体冷却浴器的自由表面上冷却低粘度的塑性材料有利于允许这样的控制。型件极好的粘接性能不会以任何方式妨碍这些精细调节。自由表面的长度使得扁平型件具有足够低的温度来使型件的形状被正确地固定。
优选地，液体冷却浴器例如通过使冷流体通过盘管被冷却，所述盘管靠近冷却浴器的自由表面设置在液体冷却浴器中。
一种合适的冷却液体是水。然而，许多其他液体也可以被使用，只要它们的密度大于所要使用的热塑性弹性凝胶的密度并且它们不会由于溶解、膨胀或产生沉淀不利地影响材料即可。
本发明还涉及一种借助于具有至少一个给料部件和一个排出部件的挤出机由弹性凝胶制造扁平型件的方法，所述弹性凝胶具有作为主弹性体的至少一种热塑性苯乙烯弹性体(称作“TPS”)、和200pce以上的软化油，所述方法包括以下步骤：
-将所述型件的组分导入挤出机的一个或多个给料部件中；
-塑化并混合所述组分，以获得均质的塑性材料；
-利用挤出机模具在挤出机排出处分配塑性材料，所述挤出机模具的截面适合于扁平型件的型面；
-冷却塑性材料，以获得型件；以及
-将型件接收在平坦移动支撑体上；
该方法的其特征在于，冷却阶段包括以下步骤：
-在空气中挤出塑性材料；以及
-在液体冷却浴器的自由表面上接收并传送塑性材料。
优选地，挤出机具有至少一个用于固体组分的给料部件、和一个用于液体组分的给料部件，导入给料部件中的所述组分是型件的基本组分。根据本发明的装置特别适合于在单一操作中实施扁平型件的配料和制造。这意味着不必使用抗粘剂，从而，扁平型件可以保持其所有的粘接性和低硬度的性能。
优选地，扁平型件被接收在非粘性的衬体上，例如设置在平坦移动支撑体上的硅化或硫化的衬体。
有利的是，扁平型件的外表面也可以通过非粘性衬体例如硅化或硫化的衬体被保护。
弹性凝胶中软化油的量可有利地大于500pce。优选的范围为500-1000pce。
优选的软化油是聚异丁烯，特别是在气胎中用作自封闭层。
附图说明
制造过程的所有细节在下面参看图1-5的描述中给出，附图包括：
图1示出了根据本发明的用于制备扁平型件的装置的侧视图；
图2示出了该装置的俯视图；
图3示出了该装置的挤出机模具的侧视图；
图4a、4b和4c示出了该装置的挤出机模具的俯视图和局部截面图；以及
图5示出了冷却浴器的剖视图。
具体实施方式
图1和2以侧视图和俯视图示意性地示出了一种用于由热塑性弹性凝胶制备扁平型件的装置10。
所述装置包括有利地是双螺杆挤出机12的挤出机、冷却浴器36、传送装置40以及储存装置50。
挤出机12具有两个容纳在筒体14中的共旋转螺杆。设有至少两个给料部件，以将热塑性凝胶的组分供给到筒体14中，其中第一给料部件16用于固体组分，另一个给料部件(未示出)用于液体组分。给料部件16用于导入颗粒状或粉末状的热塑性组分。它包括储存器18、用于两个进料螺杆的筒体20以及送料斗22。凝胶的液体组分通常在第一给料部件的下游导入。
在挤出机12的筒体14的出口32处具有尺寸与预期的扁平型件的尺寸相匹配的挤出机模具34。
接着是充满冷水的冷却浴器36。
挤出机模具34的出口和冷却浴器36的表面38之间的自由距离必须尽可能小，以使几乎液态的挤出物可均匀施加在浴器的表面上。小于15mm的距离是有用的，它可以减小到约5mm。需要避免水与挤出机模具的底部之间的任何接触，以便不会妨碍其热平衡。
传送装置包括循环传送带40、和两个由衬体材料构成的辊44、48。衬体42被设计成保护扁平型件的下表面，并且衬体46保护扁平型件的上表面(注意为了清楚起见，图2中未示出衬体46和辊48)。
储存装置包括各侧覆盖有衬体的扁平型件6的储存辊5。
箭头S表示材料的运动方向。
图3示意性地示出了挤出机模具34的出口的剖视图。挤出物2，在挤出机模具34中是塑性和低粘性的材料，从挤出机模具中挤出并被冷却浴器的表面38接收。箭头表示材料的运动方向。挤出机模具的轴线与水平线成角度α。
图4示出了半模具的俯视图。图4a示出了挤出机12的出口32、和热塑性弹性凝胶通过挤出机模具的流动区域33。与出口32邻近的槽道31(参见图4b和4c)可将粘性凝胶分布在整个流动区域33上。
图5是冷却浴器36的剖视图。该浴器优选地充满水，并包括盘管37，其中冷却流体通过该盘管循环，以将水温保持例如低于30℃。也可设想采用搅动装置(未示出)，用于确保产生运动来在浴器中提供均匀的温度，所述装置产生表面流，该表面流沿扁平型件4在冷却浴器的表面38上的运动方向定向。该运动由箭头39表示。
装置10的操作如下。
热塑性弹性凝胶的基本组分被导入两个给料部件18中，其中弹性体成粉末或颗粒的形式，软化油成液体的形式(具有不同的粘度)。
筒体14被加热，以便可同时产生塑化弹性体和获得均质的、粘性塑性材料的机械作用和热作用。筒体内的温度可以在200-320℃的范围内。在挤出机12的出口32处，挤出物几乎成液态形式并具有比水的粘度稍大的粘度。接着在对挤出物进行分布的挤出机模具34中将挤出物挤出，以便得到合适尺寸的扁平型件。在挤出机模具出口处的温度仍然可以达到180-220℃左右的水平。挤出机模具的各个部分的精细温度调节使得可精细地控制在挤出机模具出口处的流动的几何均匀性。
从挤出机模具排出的挤出物2被冷却浴器的表面38接收，并逐步沿所述浴器行进，从而随之冷却。冷却浴器的水的冷却被控制，使得水温小于30℃。如已经叙述的，所述浴器的温度的均匀性也被保持。
在冷却浴器的端部，扁平型件4的温度接近30℃，且所述型件现具有弹性性能。型件仍特别粘。接着，所述型件被接收在传送带40上，下衬体42展开在传送带上；与凝胶接触的该衬体的外表面是非粘性的，例如硅化或硫化纸。为了精细控制扁平型件的厚度，传送带的行进速度可如本领域技术人员所公知的那样稍大于、等于或稍小于从挤出机模具的流动排出速度。
在传送带上传送期间，一个衬体可以被施加到扁平型件的上表面，以在储存期间保护扁平型件。最后，为了储存，将被保护的型件6缠绕到卷轴50上。
使用来自科腾聚合物(Kraton Polymer)公司的SEBS、G1654作为弹性体，聚异丁烯Dynapak 190或PIB作为软化油进行测试。PIB的比例为85％，弹性体的比例为15％。在该比例下使用的该PIB导致得到的凝胶具有特殊的粘接性能。根据本发明的方法和装置允许混合和制造具有不同尺寸的扁平型件，其中尺寸高达400mm宽和1-4mm厚。得到的扁平型件的均匀性良好。根据本发明的装置使得可在扁平型件冷却的第一部分期间控制和精细地调节扁平型件的厚度，而没有受到获得的凝胶的极好粘接性能的干扰。
在储存后，得到的型件可以被切割成合适的尺寸并可以用作气胎制造的半成品。特别地，按惯例，可以先将热塑性凝胶的型件施加到成型鼓上，然后施加轮胎的所有其他组分，并接着硫化获得的轮胎。这样，弹性凝胶层被设置在包络腔(envelope cavity)的内表面上。该层具有显著的在行使期间发生的轮胎穿孔的自封闭性。
所述层还可以施加在两层橡胶状复合物之间。此时，该自封闭的热塑性凝胶层被设置在获得的轮胎结构的内部。
最后，利用其显著的粘接特征，该型件可以被直接施加到硫化后的气胎的内表面上。
本发明不限于所描述的和所示的实施例，并且在权利要求书限定的范围内可以进行各种修改。

Claims (16)

1.一种用于由热塑性弹性凝胶制备扁平型件的装置，包括：
-具有至少一个给料部件和一个排出部件的挤出机；
-截面适合于扁平型件的型面的挤出机模具；
-液体冷却浴器，所述液体冷却浴器具有用于接收并冷却从挤出机模具排出的扁平型件的自由表面；以及
-用于接收所述型件的平坦移动支撑体；
其特征在于，所述自由表面紧邻挤出机模具的出口设置，且挤出机模具的平面相对于水平面的倾斜角度为20-70度，而且，挤出机模具的端部与液体冷却浴器的自由表面之间的自由距离小于50mm。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，挤出机模具的端部与液体冷却浴器的自由表面之间的自由距离小于10mm。
3.根据权利要求1-2之一的装置，其特征在于，挤出机模具的平面相对于水平面的倾斜角度为30-60度。
4.根据权利要求1-2之一的装置，其特征在于，冷却浴器具有用于搅动液体的装置，以产生表面流，所述表面流沿扁平型件在冷却浴器的液体的表面上的运动方向定向。
5.根据权利要求1-2之一的装置，其特征在于，冷却浴器的液体被冷却。
6.根据权利要求5的装置，其特征在于，冷却浴器的液体通过使冷却流体通过盘管被冷却，所述盘管靠近所述冷却浴器的液体的表面设置在冷却浴器的液体中。
7.根据权利要求1-2和6之一的装置，其特征在于，冷却浴器的液体由水组成。
8.一种借助于具有至少一个给料部件和一个排出部件的挤出机制造弹性凝胶的扁平型件的方法，所述弹性凝胶至少包括作为主弹性体的热塑性苯乙烯弹性体（称作“TPS”）、和200pce以上的软化油，所述方法包括以下步骤：
-将所述型件的组分导入挤出机的一个或多个给料部件中；
-塑化并混合所述组分，以获得均质的塑性材料；
-利用挤出机模具在挤出机的出口处分配塑性材料，所述挤出机模具的截面适合于扁平型件的型面；
-冷却塑性材料，以获得型件；以及
-将型件接收在平坦移动支撑体上；
其特征在于，冷却阶段包括以下步骤：
-在空气中挤出塑性材料；以及
-在冷却浴器的液体的表面上接收并传送塑性材料。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，挤出机具有至少一个用于固体组分的给料部件、和一个用于液体组分的给料部件，导入所述给料部件的所述组分是型件的基本组分。
10.根据权利要求8和9之一的方法，其特征在于，扁平型件被接收在设置在平坦移动支撑体上的非粘性衬体上。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，非粘性衬体被施加在扁平型件的外表面上。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于，非粘性衬体是硅化或硫化纸。
13.根据权利要求8-9、11和12之一的方法，其特征在于，软化油的量大于500pce。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于，软化油的量为500-1000pce。
15.根据权利要求8-9、11-12和14之一的方法，其特征在于，软化油至少部分由聚异丁烯组成。
16.根据权利要求8-9、11-12和14任一的方法，其特征在于，它另外包括一个将扁平型件结合到气胎的结构中或表面上的步骤。
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