DE19705758A1

DE19705758A1 - Mikrozelluläres Schäumen

Info

Publication number: DE19705758A1
Application number: DE19705758A
Authority: DE
Inventors: David E Thomas; Jian Xing Li
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 1997-10-30
Anticipated expiration: 2017-02-15
Also published as: JPH09316226A; DE19705758B4; US6723761B1; DE19705758B9

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft mikrozelluläre Schäume und insbesondere die Verwendung von mikrozellulären Schäumen für Verwendungen wie Schallwandler-Membranen.

Mikrozelluläre Schäume werden durch Übersättigung eines polymeren Materials mit einem Gas, Erwärmen des polymeren Materials auf nahe seine Glasübergangstemperatur und anschließendes Abkühlen des Materials hergestellt. Dieses Verfahren veranlaßt die Zellbildung von kleinen gas gefüllten Hohlräumen, als Zellen bezeichnet, in dem polymeren Material, wodurch eine Ausdehnung des Materials verursacht wird. Das Abkühlen des Materials läßt die Ausdehnung bei der Zellbildung aufhören. Ein Verfahren zur Herstellung von mikrozellulärem Schaum wird im US-Patent Nr. 4,473,665, herausgegeben am 25. September 1984 an Martini-Vvedensky et al., beschrieben. Mikrozelluläre Schäume, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden, weisen Zellengrößen im Bereich von 2 bis 25 µm auf.

Eine andere Klasse von mikrozellulärem Schaum wird als supermikrozellulärer Schaum bezeichnet, der durch Über sättigung eines polymeren Materials mit einem Fluid im überkritischen Zustand hergestellt wird. Herkömmliche supermikrozelluläre Schäume weisen Zellengrößen im Bereich von 0,1 bis 2,0 µm auf. Ein Verfahren zur Herstellung supermikrozellulärer Schäume wird im US-Patent Nr. 5,158,986, herausgegeben am 27. Oktober 1992 an Cha et al., beschrieben.

Es ist eine wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte mikrozelluläre Schäume, Schallwandler-Membranen und Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.

Gemäß der Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung eines geschäumten polymeren Materials das Sättigen eines Teils eines ungeschäumten Materials mit einem Fluid; und das Veranlassen ein, daß sich das Material in der Dicke ausdehnt, während es in den anderen Dimensionen im wesentlichen unausgedehnt verbleibt.

Ein Aspekt der Erfindung, ein Verfahren zur Bildung eines geschäumten polymeren Gegenstands, schließt die Schritte der Vorformung oder Vorgestaltung des Gegenstandes aus einem ungeschäumten polymeren Material mit einer ebenflächigen kristallinen (oder Planarkristallinen) Struktur ["planar crystalline structure"]; das Sättigen des Gegenstands mit einem Fluid; und das Verringern des umgebenden Drucks auf einen Druck ein, bei dem das Material mit dem Fluid übersättigt ist.

In einem anderen Aspekt der Erfindung weist ein geschäumtes polymeres Material gasgefüllte Zellen auf, von denen jede eine Abmessung aufweist, die größer ist als eine zweite Abmessung.

In noch einem anderen Aspekt der Erfindung bildet ein geschäumtes polymeres Material mit gasgefüllten Hohlräumen mit einer ersten Abmessung von weniger als 30 µm, gemessen in der Richtung der Dicke des Materials, eine Schallwandler-Membran.

Andere Merkmale, Ziele und Vorteile werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich, die sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente in mehreren Ansichten beziehen.

Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Teils eines herkömmlichen Schaums;

Fig. 2 ist ein Querschnitt eines herkömmlichen mikro zellulären Schaums;

Fig. 3a und 3b sind halbgraphische Fotos von Abschnitten von mikrozellulärem Schaum, der gemäß den Prinzipien der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 4 ist ein Querschnitt eines Teils eines mikro zellulären Schaums, der gemäß den Prinzipien dieser Erfindung hergestellt ist;

Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung von mikrozellulärem Schaum gemäß den Prinzipien der Erfindung darstellt;

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung eines mikrozellulären geschäumten Gegenstands gemäß den Prinzipien der Erfindung darstellt;

Fig. 7 ist ein Querschnitt einer Schallwandler-Membran gemäß den Prinzipien der Erfindung.

Mit Bezug nun auf die Zeichnungen und spezieller Fig. 1 wird ein Teil 10 einer Folie aus herkömmlichem Schaum gezeigt. Herkömmliche Schäume sind üblicherweise aus einem Matrixmaterial wie Polystyrol, Polyvinylchlorid oder einem Phenolharz hergestellt. Herkömmliche Schäume weisen im allgemeinen kugelförmige Zellen 12 auf, die Durchmesser 14 im Bereich von 100 µm oder mehr aufweisen. Zusätzlich können herkömmliche Schäume Oberflächenzellen 16 aufweisen.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist ein Teil 20 einer Folie eines herkömmlichen mikrozellulären Schaums gezeigt. Die im allgemeinen kugelförmigen Zellen 22 weisen einen Durch messer 24 im Bereich von 0,1 bis 25 µm auf, wobei ein typischer Durchmesser 10 µm beträgt. Zusätzlich ist die "Haut" 26 des mikrozellulären Schaummaterials im wesentlichen glatt, d. h. frei von Zellen.

Mit Bezug auf die Fig. 3a und 3b sind halbgraphische Fotos von mikrozellulärem Schaum gezeigt, der gemäß der Erfindung hergestellt ist. In der Fig. 3a ist das Material Polyethylennaphthalat. In Fig. 3b ist das Material ein Flüssigkristall-Polymer.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist ein schematischer Querschnitt von mikrozellulärem Schaum gemäß der Erfindung gezeigt, der beim Verstehen der Eigenschaften des mikrozellulären Schaums hilfreich ist. Die Zellen 32 sind nicht-kugel förmig, länger entlang der Achse in Längsrichtung als entlang der Achse in Richtung der Dicke. Typische Abmessungen können 20 µm in der Höhe und 50 µm in der Länge betragen. Die Zellen sind lokale Delaminierungen mit einer linearen Abmessung in der Größenordnung von 50 µm, mit 20 µm Auftrennung. Wie beim mikrozellulären Schaum der Fig. 2 ist der "Haut" -Bereich 38 im wesentlichen glatt.

Ein mikrozellulärer Schaum wie derjenige, der in den Fig. 3a und 3b gezeigt ist, kann hergestellt werden, indem man eine Folie aus einem Polymer mit einer ebenflächigen kristallinen Struktur unter Druck einem Fluid aussetzt, bis das Material im wesentlichen mit dem Fluid gesättigt ist; den umgebenden Druck auf einen Druck verringert, bei dem das Material mit dem Fluid übersättigt ist; das Materials auf nahe seine Glasübergangstemperatur erwärmt und die Temperatur verringert. Typischerweise liegt das Fluid in Form eines Gases, wie gasförmigen Stickstoffs oder Kohlendioxids, vor, kann aber Fluide in anderen Formen, wie überkritische Fluide, einschließen.

Mit Bezug auf Fig. 5 ist ein Flußdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung eines mikrozellulären Schaums gemäß der Erfindung gezeigt. Das Verfahren kann mit dem Schritt 42 der Einwirkung eines Fluids, typischerweise eines Gases, auf eine Folie aus einem Polymer mit einer ebenflächigen kristallinen Struktur bei einem erhöhtem Druck beginnen, um das Polyiner zu sättigen. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Polymer Polyethylennaphthalat mit einer Dicke von ungefähr 127 µm, und das Gas ist Kohlendioxid. Ein Druck von ungefähr 800 psi über 72 Stunden bei Raumtemperatur ist ausreichend, um eine wesentliche Sättigung zu erreichen.

Falls sich das Fluid in einem überkritischen Zustand befindet, erzeugt das Verfahren einen supermikrozellulären Schaum mit Zellen ähnlicher Geometrie, aber kleineren Ausmessungen, als mit einem Fluid unterhalb des über kritischen Zustands.

Im Schritt 44 kann der Druck auf einen Druck verringert werden, bei dem das Material übersättigt wird; Atmosphärendruck ist typischerweise ausreichend. Das Material kann dann im Schritt 46 auf nahe seine Glas übergangstemperatur, beispielsweise ungefähr 120°C über 10 bis 20 Sekunden bei Polyethylennaphthalat, erwärmt werden.

Bei Verwendung eines Polymers mit einer ebenflächigen kristallinen Struktur verursacht eine Steigerung auf nahe die Glasübergangstemperatur bei einem Druck, bei dem das Fluid übersättigt ist, die Bildung von gasgefüllten Zellen zwischen den Ebenen, welche eine nicht-kugelförmige Form aufweisen, in der die Zellen entlang den Achsen, die parallel zur Kristallstruktur verlaufen, länger sind als sie dies entlang der Achse sind, die senkrecht zu der Ebene der Kristallstruktur verläuft.

Als nächstes kann im Schritt 48 die Temperatur verringert werden, um die Bildung der gasgefüllten Zellen anzuhalten. In einer Ausführungsform ist eine Luftkühlung des Materials bei Raumtemperatur ausreichend.

Das Schäumen durch Bildung von Zellen zwischen den Ebenen gemäß der Erfindung veranlaßt, daß sich die Folie aus Material allein in der Dicke (d. h., senkrecht zur Ober fläche der Folie) gemäß der Erfindung ausdehnt, aber nicht in der Breite oder Länge der Folie (d. h., entlang der Achsen parallel zu der Oberfläche der Folie). Dieses Phänomen vermeidet die Verformung während des Schäumungs verfahrens, die bei einer Ausdehnung in alle Richtungen auftreten könnte. Für Teile mit gewissen Geometrien, wie derjenigen einer Schallwandler-Membran, gestattet eine Zunahme der Dicke ohne eine Zunahme in anderen Dimensionen, daß ein Teil ohne Verzerrung durch Beibehaltung seiner vorgeformten Oberflächendimensionen geschäumt wird, wobei es nur in der Dicke zunimmt.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Verwendung von mikro zellulären Schäumen für Schallwandler-Membranen. Ein Material, das eine ebenflächige kristalline Struktur aufweist und das in seiner mikrozellulär geschäumten Form zur Verwendung als Schallwandler-Membran geeignet ist, ist Polyethylennaphthalat, derzeit im Handel von ICI Films in Wilmington, Delaware, unter der Marke "Kaladex®" erhältlich. Wenn man mit einem Film mit einer Dicke von 127 µm beginnt, kann das mikrozelluläre Schäumungsverfahren der Fig. 5 einen Film mit einer Dicke von ungefähr 254 µm bereitstellen, der zur Verwendung als Membran geeignet ist.

Einige mechanische Eigenschaften von ungeschäumtem Poly ethylennaphthalat und anderen Membranmaterialien sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Während die Schallgeschwindigkeit von ungeschäumtem Polyethylennaphthalat mit Papier vergleichbar ist, ist die Dichte im Vergleich zu Papier hoch, und es ist signifikant weniger als Membranmaterial geeignet. Mikrozelluläres Schäumen von Polyethylennaphthalat verringert die Dichte auf diejenige, die mit Papier vergleichbar ist, wodurch es als Schallwandler-Membranmaterial signifikant nützlicher wird.

Die vorteilhafte Eigenschaft der Beibehaltung seiner linearen Abmessungen der Formoberfläche während des Schäumungsverfahrens gemäß der Erfindung macht es möglich, daß ein Teil vor oder nach dem Schäumungsverfahren gebildet wird. Da das Verfahren gemäß der Erfindung kein Erwärmen auf die Schmelztemperatur erfordert, kann das Teil durch Wärmeformen eines Folienmaterials vor den Schäumungs schritten vorgeformt werden.

Mit Bezug auf Fig. 6 ist eine Abwandlung des Verfahrens von Fig. 5 gezeigt, bei der der Gegenstand vor dem Schäumungsverfahren geformt wird. In Schritt 52 wird der Gegenstand, wie eine Schallwandler-Membran, aus polymerem Material, wie Polyethylennaphthalat, in Folienform geformt. In Schritt 54 wird der Gegenstand einem Fluid bei erhöhtem Druck ausgesetzt, um den Gegenstand mit dem Fluid zu sättigen. In Schritt 56 kann der Druck auf einen Druck verringert werden, bei dem der Gegenstand mit dem Fluid übersättigt ist. In Schritt 58 wird der Gegenstand auf nahe die Glasübergangstemperatur des Materials erwärmt; falls gewünscht, kann der Gegenstand in einer Form erwärmt werden, um die Form-behaltenden Eigenschaften des Verfahrens zu steigern. In Schritt 62 kann die Temperatur verringert werden, um die Bildung von gasgefüllten Hohl räumen anzuhalten. Geeignete Verfahrensparameter sind den Verfahrensparametern ähnlich, die in der Besprechung der Fig. 5 aufgeführt wurden. Falls sich das Fluid von Schritt 56 in einem überkritischen Zustand befindet, ist das Ergebnis ein Gegenstand, der aus einem supermikrozellulären Schaum mit Zellengrößen von ähnlicher Geometrie, aber kleineren Abmessungen, als wenn sich das Fluid unterhalb eines überkritischen Zustands befindet, hergestellt ist.

Mit Bezug auf Fig. 7 ist ein axiale Querschnittsansicht einer Schallwandler-Membran 70 dargestellt, die gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Die Membran 70 weist langgestreckte gasgefüllte Hohlräume 72 auf, von denen jeder eine Abmessung 1 (gemessen entlang einer Achse 70 mit der kristallinen Struktur des Materials) aufweist, die signifikant größer ist als die zweite Abmessung h (gemessen entlang einer Achse senkrecht zur kristallinen Struktur des Materials). Eine typische Größe der einen Abmessung 1 beträgt 50 µm, und eine typische Abmessung für die zweite Abmessung h beträgt 20 µm. Der "Haut"-Bereich 78 ist im wesentlichen glatt, d. h. frei von Oberflächenzellen.

Zusammenfassend offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Bildung von mikrozellulären Schäumen, das veranlaßt, daß sich das Material während des Schäumungsverfahrens in nur einer Achse ausdehnt, und ein Verfahren zur Bildung von Gegenständen aus dem Schaum. Flüssigkristall-Polymere oder Polymere mit einer ebenflächigen kristallinen Struktur werden mit einem Fluid, normalerweise einem Gas wie Kohlendioxid, gesättigt. Die Umgebungsbedingungen werden geändert, so daß sich das Fluid in einem überkritischen Zustand befindet, und das Material wird auf nahe seine Glasübergangstemperatur gebracht, um die Bildung von nicht kugelförmigen langgestreckten gasgefüllten Zellen einzuleiten. Ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen, wie Schallwandler-Membranen, aus mikrozellulären Schäumen schließt den Schritt des Bildens des Gegenstands vor dem Schäumungsverfahren ein.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines geschäumten polymeren Materials, umfassend das Sättigen eines Teils eines ungeschäumten polymeren Materials mit einer quer zu entgegengesetzten Oberflächen verlaufenden Dicke-Abmessung mit einem Fluid; und
das Aufschäumen des ungeschäumten polymeren Materials in nur der Dicke-Abmessung, um das geschäumte polymere Material zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das ungeschäumte polymere Material mit einer Dicke-Abmessung eine ebenflächige kristallinen Struktur aufweist und bei dem das Aufschäumen des ungeschäumten polymeren Materials die Bildung von gasgefüllten Zellen zwischen den Ebenen in dem Material veranlaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das ungeschäumte polymere Material Polyethylennaphthalat ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die gasgefüllten Zellen eine deutlich nicht-kugelförmige Form aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem jede der gas gefüllten Zellen mindestens eine Abmessung aufweist, die signifikant größer ist als mindestens eine andere Abmessung.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die mindestens eine Abmessung ungefähr 50 µm beträgt und die mindestens eine andere Abmessung ungefähr 20 µm beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die mindestens eine Abmessung mehr als das Zweifache der mindestens einen anderen Abmessung beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Sättigen eines Teils mit einem Fluid in einem überkritischen Zustand stattfindet.

9. Verfahren zur Bildung eines geschäumten polymeren Gegenstands, umfassend das Vorformen des Gegenstands aus einem ungeschäumten polymeren Material mit einer ebenflächigen kristallinen Struktur;
das Sättigen des vorgeformten Gegenstands mit einem Fluid in einer Atmosphäre bei einem vorher festgelegten umgebenden Druck; und
das Verringern des umgebenden Drucks auf einen Druck, bei dem der vorgeformte Gegenstand mit dem Fluid übersättigt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend das Bilden von gasgefüllten Zellen in dem Gegenstand, von denen jede mindestens eine Abmessung aufweist, die signifikant größer ist als mindestens eine andere Abmessung.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem das Material Polyethylennaphthalat umfaßt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Gegenstand eine Schallwandler-Membran umfaßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem das Sättigen des vorgeformten Gegenstands mit dem Fluid in einem überkritischen Zustand stattfindet.

14. Verfahren nach Anspruch 9 bis 13, bei dem der Gegenstand eine quer zu entgegengesetzten Oberflächen verlaufende Dicke-Abmessung aufweist und das weiter das Aufschäumen des Gegenstands in nur der Dicke-Abmessung umfaßt.

15. Geschäumtes polymeres Material, umfassend gasgefüllte Zellen, von denen jede eine Abmessung aufweist, die größer als eine zweite Abmessung ist.

16. Material nach Anspruch 15, bei dem die gasgefüllten Zellen durch ein Verfahren gebildet werden, das umfaßt:
das Sättigen eines ungeschäumten polymeren Materials mit einem Gas;
das Erwärmen des ungeschäumten Materials auf ungefähr seine Glasübergangstemperatur; und
das Verringern des umgebenden Drucks auf einen Druck, bei dem sich das ungeschäumte Material in einer Atmosphäre mit einem umgebenden Druck befindet, die mit dem Gas übersättigt ist.

17. Material nach Anspruch 15 oder 16, bei dem das ungeschäumte polymere Material Polyethylennaphthalat ist.

18. Material nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem die eine Abmessung ungefähr 50 µm beträgt.

19. Material nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem die zweite Abmessung ungefähr 20 µm beträgt.

20. Material nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem die eine erste Abmessung mehr als das Zweifache der zweiten Abmessung beträgt.

21. Geschäumter polymerer Gegenstand, hergestellt durch:
Formen des Gegenstands aus einem ungeschäumten polymeren Material mit einer ebenflächigen kristallinen Struktur;
Sättigen des geformten Gegenstands mit einem Fluid in einer Atmosphäre mit einem umgebenden Druck; und
Verringern des umgebenden Drucks auf einen Druck, bei dem der geformte Gegenstand mit dem Fluid über sättigt ist.

22. Gegenstand nach Anspruch 21, bei dem der Schritt der Verringerung des umgebenden Drucks veranlaßt, daß der geformte Gegenstand lokal delaminiert wird.

23. Gegenstand nach Anspruch 21 oder 22, bei dem das polymere Material Polyethylennaphthalat umfaßt.

24. Gegenstand nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der Gegenstand eine Schallwandler-Membran umfaßt.

25. Membran, umfassend ein geschäumtes polymeres Material mit gasgefüllten Hohlräumen, wobei die Hohlräume eine erste Abmessung von weniger als 30 µm, gemessen in der Richtung der Dicke, aufweisen.

26. Lautsprecher-Membran nach Anspruch 25, bei der das polymere Material in einem vorgeformten Zustand eine ebenflächige kristalline Struktur aufweist.

27. Lautsprecher-Membran nach Anspruch 26, bei der die Hohlräume sich zwischen den Ebenen zwischen den entgegengesetzten Oberflächen befinden.

28. Lautsprecher-Membran nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei der das polymere Material Polyethylennaphthalat umfaßt.

29. Lautsprecher-Membran nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei der die Membran eine selbst-gebildete Haut aufweist.

30. Lautsprecher-Membran nach einem der Ansprüche 25 bis 29, bei der jeder Hohlraum eine zweite Abmessung aufweist, die signifikant größer als die erste Abmessung ist.

31. Membran nach Anspruch 30, bei der die zweite Abmessung mehr als das Zweifache der ersten Abmessung beträgt.

32. Membran nach Anspruch 30, bei der die zweite Abmessung ungefähr 50 µm beträgt.