CN101983120A - 注射成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过将熔融的热塑性材料注射至模具中成型而形成制品的方法，其中，对于注射成型过程或者在注射成型过程中所述模具被有源加热，所述模具在整个注射成型过程中处于低于所述热塑性材料熔点的较高温度。

Description

注射成型方法
技术领域
本发明涉及一种注射成型方法。
背景技术
利用注射成型来形成制品是公知的，例如可参见JP07171868、GB1266560、US 2002/162940。利用注射成型有助于容易地以低成本生产富有吸引力的制品。
但是，利用注射成型来形成制品并非没有其自身的相关问题。
已经知道，当成型一些聚合物时，有益的是使成型温度处于聚合物的玻璃化转变温度与熔点之间(参见JP2003192884)。用于形成制品的热塑性材料(例如，如聚乙烯等聚合物)熔融时具有高粘度。因此，注射成型压力必须要高，这意味着模具和成型装置必须设计为能够在所述高压下工作。这种高压机器非常昂贵，并且操作起来也很困难。
此外，即使在所需的高注射压力下，制品形成用材料的流动性也依然很差。因此，模具必须较浅，以使注射材料的路径较短。如果注射材料的路径过长，则制得的制品在从模具中取出时可能会出现不完整的制品壁。为消除这一问题，模具中的流路必须较宽，以实现充分的材料流动。
注射成型的另一问题是制品的热应力。如热塑性树脂等材料通常是在远高于其熔点的温度下在远低于加工温度的模具中注射成型的(F.Johannaber，Kunststoffmaschinenführer，C.Hanser Verlag，1992，237)。已经发现，注射成型时的骤冷会在制品中产生内应力。这些应力可以使制品弱化，并使得难以在不导致损坏的情况下将制品从模具中取出。对于冷却后显示出较小收缩和/或表现出低抗断裂性的那些热塑性材料而言，情况尤其如此。
本发明旨在解决一个或多个上述缺点。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种通过将熔融的热塑性材料注射至模具中成型而形成制品的方法，其中，对于所述注射成型过程或者在所述注射成型过程中所述模具被有源加热，所述模具在整个所述注射成型过程中处于低于所述热塑性材料熔点的较高温度。
本发明的第二方面提供了一种通过将熔融的热塑性材料注射至模具中成型而形成制品的方法，其中，在整个注射成型过程中所述模具被有源加热至低于所述热塑性材料熔点的较高的恒定温度。
具体实施方式
此处所用的术语“有源加热”是指利用除熔融热塑性材料传递的热以外的其它热源加热，和受热的流路的后继加热。
此处所用的术语“较高温度”最广范地表示了高于环境温度的任何温度，更优选为高于40℃或50℃或60℃或80℃或者甚至100℃的温度。
不必在过程中的每一时刻都向该过程提供有源加热，尽管也可以这样做。可以间歇地提供有源加热。
根据本发明，在整个注射成型过程中模具都应该处于较高温度，不过所述较高温度可以随过程发展而改变。然而，根据本发明的第一方面和依照本发明的第二方面，优选的是所述较高温度在整个过程中基本恒定。基本恒定是指在整个方法中，相对于目标温度，模具具有±10℃、更优选±5℃的温度。因此优选的是，制品在从模具中取出时处于较高温度，然后冷却至环境温度。冷却可以是被动的，即，使制品在静止的环境空气中冷却；也可以是主动的，即，利用低于环境温度的冷却的空气或其它冷却介质(本说明书中也称为“淬冷”)和/或使用空气或其它冷却介质流(其自身可以被冷却，或处于环境温度)。
优选不对模具施加有源冷却而使模具温度在取出制品之前从所述较高温度下降。
令人惊讶的是，已经发现，本发明的方法克服了至少一些通常与注射成型有关的缺点。
不希望受限于理论，提出了在被加热的注射成型模具中，注射的聚合物的流动性得到改善。这具有许多有益效果。模具中的流路可以更薄，并且仍能实现可靠的壁形成。这具有重大益处，只需较少材料即可形成制品，明显地节约了成本。
此外，还已发现，在本发明的方法中，流道可以比现有技术中的流道更长(并且更薄)。因此模具可以更深，且仍具有可靠的壁形成。
本发明的方法的一个优点在于，由于通过本发明产生的较薄和/或较长的壁，从而有更大的设计自由度。这导致可以生产具有比常见壁截面更薄的制品，例如厚度达到200μm。已经发现，使用本发明的方法，结果可以产生具有不常见形状的制品，例如带有使产品具有稳定性的小柱，这些柱之间有较薄的“塑料膜”。因此，与通过常规技术生产的制品相比，可以减轻制品重量，而不会不利地影响力学稳定性。
与常规技术相比，根据本发明的模具中的得到改善的材料流也可以用于降低所用的注射压力。其具有附加的益处在于：可以减少注射成型机的磨耗，和/或可以采用较低的注射成型压力，从而使得可以使用较不复杂的机器。这使得生产成本比常规注射方法更低。作为另外一种选择，根据本发明的方法可以使用粘性更大的材料，因而与常规方法相比可以使用更多种材料。
另外，因为模具被加热，因此降低了注射成型的材料所受到的热冲击。因此，降低了脆性和损坏。此外，已经发现，从模具中取出制品的风险也被降低，因为(通常仍然很软的)部件表现出较低的断裂倾向，此外在取出之后所形成的制品可以得到进一步处置以提供最终形状。
优选的是，模具被加热至高于被注射成型的材料的玻璃化转变温度的温度。优选的是，模具被加热至比被成型的材料的玻璃化转变温度(Tg)高至少10℃～80℃的温度，最优选比Tg高至少20℃～70℃。此定义中的Tg使用Perkin Elmer DSC7机器通过DSC(差示扫描量热法)确定。采用10℃/分钟的加热速率。将样品加热至高于其熔点，并使其充分冷却至低于其Tg，并再次加热至高于其熔点。作为另外一种选择或补充，可以参考标准测试ASTM D 34/8(1999)(加热速率为10℃/分钟)。
优选的是，将模具加热至比热塑性材料的熔融温度低至少10℃～100℃的温度，最优选为比注射成型材料的熔融温度低至少20℃～80℃。
应该理解，所述制品可以包含能够注射成型的任何材料。根据本发明可以使用下列材料，但本发明并不限于这些材料：聚苯乙烯；耐冲击聚苯乙烯；苯乙烯-丙烯腈共聚物；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈；低密聚乙烯；高密聚乙烯；聚丙烯；聚丙烯-GF；聚异丁烯；聚4-甲基戊烯-1；聚氯乙烯；聚偏二氟乙烯；聚甲基丙烯酸甲酯；聚氧化亚甲基；聚苯醚；聚苯醚-GF；乙酸纤维素；乙酰丁酸纤维素；丙酸纤维素；聚碳酸酯；聚碳酸酯-GF；聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚对苯二甲酸乙二醇酯-GF；聚对苯二甲酸丁二醇酯；聚对苯二甲酸丁二醇酯-GF；聚醚醚酮；聚醚醚酮-GF；聚酰胺6；聚酰胺6-GF；聚酰胺66；聚酰胺66-GF；聚酰胺11；聚酰胺12；聚酰胺酰亚胺；聚苯硫醚；聚醚酰亚胺；聚醚砜；聚醚酮；聚砜；热塑性聚氨酯。
取决于使用的材料和材料所具有的粘度，壁厚可有所改变。但是实验已经表明，总体而言通过此方法可生产的制品可以减小至少15％，但在对此方法的试验中也实现了达45％的减小。因此，使用这种方法，消耗的材料更少，每个制品的材料成本更低，并且浪费也更少，结果更有利于环境条件。
在已知方法中，这些材料通常使用远低于树脂加工温度的模具温度来处理；一般低100℃～200℃。模具通常仅由成型过程中聚合物释放的能量加热。
优选玻璃化转变温度高于50℃、最优选高于100℃的那些热塑性材料。
本发明的热塑性材料是指在模具中不会反应形成新的树脂结构的材料。优选实例为反应性聚合物材料，如31型酚醛树脂；131型三聚氰胺树脂；180/182型三聚氰胺-酚醛树脂；802型聚酯树脂；871型环氧树脂。这些材料适合在低温注射至受热的模具中。
本发明生产的制品(淬冷后)通常具有自承性，并具有在不同制品之间不存在差别的有吸引力且均一的外观。另外，可以有多种不同的形状和设计。此外，刚性制品可以容易地并入被认为很悦目的各种元素。
由于制品具有自承性，可以很容易地引入两个以上的隔室，或者使较大隔室由壁分隔，以分隔互不相容的成分。此外，制品可以成型为几乎任何可用的形状。特别是，可以对其赋予升高或降低的区域。
为确保材料能够注射成型，通常需并入如增塑剂、填料和脱模剂等组分，并入量例如为组合物的至多20重量％。可以使用润滑剂，若使用，其用量为0.5重量％～5重量％。
注射成型组合物也可以包含其它组分，如着色剂和改变其性质的组分。
注射成型技术对于本领域技术人员而言是公知的，并在文献中有着详细描述(例如参见“The Wiley Encyclopaedia of PackagingTechnology”(Wiley Interscience 1986)中所提供的很好的总结)。
应该认识到，注射成型方法可以包括多个分离的步骤。优选的注射成型方法包括以下步骤：
(i)通过将材料加热至熔融，在注射单元中使要成型的材料塑化；
(ii)将材料注射至有源加热的模具中；
(iii)打开模具；
(iv)将制品脱模；和
(v)使制品主动或被动(例如，在模具外面的冷却区域中)地冷却。
制品在从模具中取出时是适度柔软和易弯曲(pliant)的，随后可以通过力学作用来改变其形状，然后冷却。冷却后，其变得较不柔软和较不易弯曲，即，变得更具自承性。其形状可以不同于从模具中取出时的形状。
制品壁优选具有能使制品自承的厚度。例如，注射成型的外壁和任何内壁的厚度独立地小于1mm，例如小于750μm、500μm、300μm、200μm或150μm。
通常可以将脱模设计为不同于传统注射成型方法。虽然通常通过推动(例如杯缘)完成制品从模具中的取出，在本发明的方法中脱模可以通过拉动成型制品而完成。拉动意味着使制品(例如，在中心点)变形和使成型的制品脱离阳模部分。所述脱模方法之所以可行，是因为本发明的成型制品在脱模时仍是柔性的，因而不会发生破裂。利用高温下注射材料的可逆柔性，所述脱模方法可以通过拉动完成而不会损坏制品。
现在通过参考以下非限制性实施例来进一步描述本发明。
实施例1(容器)：
将PVOH树脂(Tg＝50℃～55℃，熔点＝160℃～170℃)加热至180℃，并注射至模具中，以形成具有内部隔壁的多隔室制品。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为185℃，将进入模具中的热通路设置为190℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为700巴(7.1×107Pa)。模具自身被加热至75℃并在整个注射成型过程中保持为此温度。12秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复实施此过程，以得到一千件制品。
没有制品显示任何破裂/不完整的壁。
冷却后，用液体或粒状清洁剂组合物充入这些部件，这些部件具有优异的形状保持性。
比较例1：
将PVOH树脂(Tg＝50℃～55℃，熔点＝160℃～170℃)加热至180℃，并注射至模具中，以形成具有内部隔壁的多隔室制品。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为185℃。将进入模具中的热通路设置为190℃。测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为700巴(7.1×107Pa)。模具自身被冷却至室温(25℃)并在整个注射成型过程中保持为此温度。12秒后从模具中取出制品，并放置冷却至室温。
重复实施此过程，以得到一千件制品。
发现不同于根据本发明的方法生产的制品，根据此比较例生产的制品紧紧地粘在模具上，难以脱模。
此比较例的1000件制品中有2％显示了破裂。15％具有不完整的壁。
实施例2(根据本发明的方法)：
以相同外部尺寸和制品尺寸再生产实施例1的制品，但使所有壁厚同样地降低，使制品总重降低25％。
将PVOH树脂(Tg＝50℃～55℃，熔点＝160℃～170℃)加热至180℃，并注射至模具中，以形成具有内部隔壁的多隔室制品。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为185℃，将进入模具中的热通路设置为190℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为780巴(7.8×107Pa)。模具自身被加热至75℃并在整个注射成型过程中保持为此温度。12秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复进行此过程，以生产一千件制品。没有制品显示任何破裂/不完整的壁。
冷却后，用液体或粒状清洁剂组合物充入这些制品，填充后这些制品表现出优异的形状保持性。
比较例2：
以相同外部尺寸和制品尺寸再生产实施例1的制品，但使所有壁厚同样地降低，使制品总重降低25％。
将PVOH树脂(Tg＝50℃～55℃，熔点＝160℃～170℃)加热至180℃，并注射至模具中，以形成具有内部隔壁的多隔室制品。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为185℃。将进入模具中的热通路设置为190℃。测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为780巴(7.8×107Pa)。模具自身被冷却至室温(25℃)并在整个注射成型过程中保持为此温度。12秒后从模具中取出制品，并放置冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。
不同于根据本发明的方法生产的制品(参见上述实施例2)，根据此比较例生产的制品紧紧地粘在模具上，难以从模具中取出。
比较例2的1000件制品中有11％显示了破裂。所有制品都具有不完整的壁。
实施例3(根据本发明的方法)：
以相同外部尺寸和制品尺寸再生产实施例1的制品，但使所有壁厚同样地降低，使制品总重降低36％。
将标准PP(聚丙烯)加热至220℃并注射至模具中，形成如上所述总重降低36％的再填充物(具有11个内壁从而形成12个相同隔室的量杯)。该过程在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为224℃，将进入模具中的热通路设置为225℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为950巴(9.5×107Pa)。模具自身被加热至60℃并在整个注射成型过程中保持为此温度。8秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。没有制品显示任何破裂/不完整的壁。
发现实施例3的制品冷却至环境温度后表现出良好的力学性质和形状保持性。
比较例3：
以相同外部尺寸和制品尺寸再生产实施例1的制品，但使所有壁厚同样地降低，使制品总重降低36％。
将标准PP加热至220℃并注射至模具中，形成总重降低36％的再填充物(具有11个内壁从而形成12个相同隔室的量杯)。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为224℃，将进入模具中的热通路设置为225℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为950巴(9.5×107Pa)。模具自身被冷却至室温(20℃)并在整个注射成型过程中保持为此温度。8秒后从模具中取出制品，并放置冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。发现不同于根据本发明的方法生产的制品(上述实施例3)，根据比较例3生产的制品不能被填充。注射的材料始终过早凝结。此外，发现所有制品都具有不完整的壁。
实施例4(根据本发明的方法)：
生产具有标准外部尺寸和制品尺寸的饮用杯，但使所有壁厚同样地降低，使制品总重比标准饮用杯减少18％。
将标准PE(聚乙烯)加热至240℃并注射至模具中，形成总重降低18％的标准饮用杯。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为255℃，将进入模具中的热通路设置为258℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为840巴(8.4×107Pa)。模具被加热至60℃并在整个注射成型过程中保持为此温度。9秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。没有制品显示任何不完整的壁。
冷却后对这些杯进行测试，发现它们的力学性质和形状保持性十分优异。
比较例4：
使用常规方法生产上述实施例4的饮用杯。
将标准PE(聚乙烯)加热至240℃并注射至模具中，形成总重比常规饮用杯低18％的标准饮用杯。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为255℃，将进入模具中的热通路设置为258℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为840巴(8.4×107Pa)。模具被冷却至室温(20℃)并在整个注射成型过程中保持为此温度。9秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。发现不同于根据本发明的方法生产的制品(上述实施例4)，根据比较例4生产的制品不能被填充。注射的材料始终过早凝结。所有制品都具有不完整的壁。
实施例5(根据本发明的方法)：
生产具有标准外部尺寸和制品尺寸的带量杯的瓶塞，但使所有壁厚同样地降低，使瓶塞总重比标准的带量杯的瓶塞低23％。
将标准PP加热至210℃并注射至模具中，形成总重降低23％的带量杯的瓶塞。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为210℃，将进入模具中的热通路设置为214℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为680巴(6.8×107Pa)。模具被加热至65℃并在整个注射成型过程中保持为此温度。11秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。没有制品显示任何不完整的壁。
冷却至环境温度后，对这些制品进行测试，发现它们的力学性质和形状保持性十分优异。
比较例5：
使用常规方法生产上述实施例5的带量杯的瓶塞。
将标准PP加热至210℃并注射至模具中，形成总重降低23％的带量杯的瓶塞。该实验在Battenfeld注射成型机上进行。在最后的加热元件中将加热设置为210℃，将进入模具中的热通路设置为214℃，测量发现在整个注射过程中机器的最高液压为680巴(6.8×107Pa)。模具被冷却至室温(20℃)并在整个注射成型过程中保持为此温度。11秒后从模具中取出制品，并放置在静止的周围空气中，冷却至室温。
重复此过程，以生产一千件制品。发现不同于根据本发明的方法生产的制品(参见上述实施例5)，根据此比较例生产的制品不能被填充。注射的材料始终过早凝结。所有制品都具有不完整的壁。

Claims (9)

1.一种通过将熔融的热塑性材料注射至模具中成型而形成制品的方法，其中，对于注射成型过程或在注射成型过程中所述模具被有源加热，所述模具在整个所述注射成型过程中处于低于所述热塑性材料熔点的较高温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述模具被加热至高于被注射成型的所述材料的玻璃化转变温度的温度。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述模具被加热至比被注射成型的所述热塑性材料的玻璃化转变温度高至少10℃～80℃的温度。
4.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述模具被加热至比被注射成型的所述热塑性材料的熔融温度低至少10℃～100℃的温度。
5.如权利要求1、2、3或4中的任一项所述的方法，其中，所述制品具有自承性。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：
(i)通过将所述材料加热至熔融，在注射单元中使要成型的材料塑化；
(ii)将所述材料注射至有源加热的模具中；
(iii)打开所述模具；
(iv)将所述制品脱模；和
(v)使所述制品主动或被动地冷却。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在所述脱模之后和在所述冷却步骤(步骤(v))之前或者在所述冷却步骤过程中，施加力来改变所述制品的形状。
8.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述制品壁具有小于1mm的厚度。
9.一种通过将熔融的热塑性材料注射至模具中成型而形成制品的方法，其中，在整个所述注射成型过程中所述模具被有源加热至低于所述热塑性材料熔点的恒定的较高温度。
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