DE69534047T2 - Semi-kontinuierliches verfahren zur herstellung von polymeren schaumstoffen im festen zustand - Google Patents

Semi-kontinuierliches verfahren zur herstellung von polymeren schaumstoffen im festen zustand Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren, Apparatur und Produkte zur Herstellung von Artikeln aus geschäumten Polymeren und insbesondere Verfahren zur halbkontinuierlichen Produktion von solchen Materialien. Die geschäumten Polymere können mikrozellular mit einer mittleren Blasengröße im Bereich von 2–25 μm sein, oder sie können Blasengrößen aufweisen, welche kleiner oder größer als mikrozelluläre Schäume sind. Die geschäumten Polymere sind normalerweise nicht-poröse Materialien mit geschlossener Zelle.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Im festen Zustand geschäumte Polymere sind im Allgemeinen Plastschaumstoffe mit geschlossener Zelle, welche eine große Anzahl an sehr kleinen Zellen oder Blasen enthalten. Typischerweise besitzen solche Schäume eine Blasendichte von mehr als 108 Zellen pro cm3 mit Blasendurchmessern in der Größenordnung von 10 μm. Verglichen mit herkömmlichen Feststoff-Polymeren bieten im festen Zustand geschäumte Polymere die Möglichkeit einer 20–80%igen Verringerung bezüglich des verwendeten Materials, obgleich die essenziellen mechanischen Eigenschaften des Polymeren bei einem relativ hohen Ausmaß gehalten werden. Dies bietet seinerseits signifikante Einsparnisse bezüglich der Material- und Transportkosten. Solche leichtgewichtigen Polymere sind besonders brauchbar für Anwendungen, bei denen das Gewicht ein kritischer Faktor ist, zum Beispiel in Flugzeugen. Darüber hinaus legen vorausgehende Daten nahe, dass mikrozelluläre Polymere eine verbesserte Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit besitzen. Dies kann durch die einfache Tatsache erklärt werden, dass diese Schäume von einem Polymer im plastischen Feststoffzustand im Gegensatz zum Schmelzzustand abgeleitet sind. Wenn ein amorphes Polymer bei seiner Glasübergangstemperatur oder etwas darüber gereckt wird, wird das resultierende gereckte Polymer zu einem Ausmaß orientiert, dass es gereckt ist. Festzustandsschäume zeigen deshalb Polymerzellwände im orientierten Zustand.
  • Geschäumte Polymere, die sich vom geschmolzenen Zustand ableiten, besitzen Zellwände, welche im nicht orientierten Zustand sind. Nicht orientierte Zellwände, die sich vom Schmelzzustand ableiten, und orientierte Zellwände, welche vom Feststoffzustand abgeleitet sind, besitzen analoge Eigenschaften bezüglich heiß geblasenen oder nicht orientierten Folien bzw. orientierten Folien. Heiß geblasene Folien zeigen eine niedrige Zugfestigkeit, hohe Dehnung, wenig Schrumpfung und Schrumpfungskraft und schlechte Biegelebensdauer. Orientierte Folien zeigen auf der anderen Seite eine hohe Zugfestigkeit, niedrige Dehnung, hohe Schrumpfung und Schrumpfungskraft und hohe Biegelebensdauer.
  • Aus dieser Analogie kann man sehen, dass Schäume, die vom Feststoffzustand abgeleitet sind, in einmaliger Weise sich von den Schäumen unterscheiden, welche vom Schmelzzustand abgeleitet sind. Es ist dann nicht überraschend, dass Eigenschaften wie Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit ziemlich unterschiedlich gegenüber Schäumen wären, die von dem Schmelzzustand abgeleitet sind.
  • Es ist bekannt, dass mikrozelluläre Polymere durch ein Zwei-Stufen-Satzverfahren hergestellt werden können, bei welchem ein festes Polymer zuerst einem nicht reagierenden Gas, wie Kohlendioxid oder Stickstoff, bei erhöhtem Druck während eines ausreichenden Zeitraums, um eine Konzentration an Gas in dem Polymer zu erreichen, welche ausreichend ist, um eine Blasennukleierung zu ermöglichen, ausgesetzt wird. Die minimale Gaskonzentration, die zur Blasennukleierung erforderlich ist, variiert mit dem Gas/Polymer-System. Zum Beispiel kann mit Polycarbonat und Kohlendioxid ein Schaum gebildet werden, indem 20–120 mg Kohlendioxid pro Gramm Polycarbonat zur Anwendung kommen. Eine höhere Gaskonzentration führt zur Nukleierung einer höheren Anzahl an Blasen, was zu einer kleinen Blasengröße im Schaum führt. Die Gaskonzentration kann einheitlich oder nicht einheitlich sein. Die Einheitlichkeit der Konzentration führt zu einer homogeneren Blasenstruktur.
  • Nachdem das Polymer dem Gas ausgesetzt worden ist, wird es anschließend zum normalen Druck rückgeführt, wodurch eine übergesättigte Probe erzeugt wird, und es wird zur Schäumungstemperatur erhitzt, welche oberhalb der Glasübergangstemperatur des gas-gesättigten Polymeren liegt, wodurch erreicht wird, dass eine große Anzahl von Blasen in dem Polymer nukleieren. Das Polymer wird bei der Schäumungstemperatur während eines Zeitraumes gehalten, der ausreichend ist, damit ein Schaum mit der gewünschten Dichte erhalten wird, und dann gekühlt wird, um die Blasennukleierung und das -wachstum zu beenden.
  • Die mittlere Blasengröße wird teilweise durch die Anzahl an Blasen, welche nukleieren bestimmt, was seinerseits durch die Konzentration an Gas im Polymer beeinflusst wird. Die Dichte des mikrozellulären Polymeren kann reguliert werden, indem der Gassättigungsdruck, die Schäumungszeit und die Schäumungstemperatur variiert werden.
  • Unter Anwendung dieses Verfahrens sind mikrozelluläre Schäume erfolgreich aus vielen unterschiedlichen amorphen Polymeren wie Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat, Polystyrol und ABS-Copolymer hergestellt worden. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 4 473 665 die Herstellung von mikrozellulärem Polystyrol durch Sättigung mit Stickstoff. Für eine Übersicht der jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet von mikrozellulären Polymeren siehe Kumar, V. (1993), Progress in Rubber and Plastics Technology, Bd. 9, S. 54–70.
  • Während Verfahren zur Herstellung von diskreten Blöcken oder Sektionen von mikrozellulärem Polymer im Fachbereich allgemein bekannt sind, waren Versuche zur Herstellung von kontinuierlichen Tafeln bzw. Bahnen oder Streifen dieser Materialien unter Anwendung des oben beschriebenen Zwei-Stufen-Verfahrens nicht erfolgreich. Die Sättigung von gewalzten Polymertafeln mit nicht reagierendem Gas ist ineffektiv, wobei das Gas nur an den exponierten Oberflächen der Rolle absorbiert wird. Beim Aussetzen der mit Gas behandelten Rolle an erhöhte Temperaturen tritt das Schäumen nur an der Peripherie der Polymertafel auf.
  • Derzeitige Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von mikrozellulären Polymertafeln bestehen aus dem Düsenextrudieren von geschmolzenem Polymer, das ein Schäumungsmittel enthält, und Führen des extrudierten Polymeren durch ein Paar von gekühlten Walzen (siehe z. B. US-Patent Nr. 4 456 571). Park und Suh haben kontinuierliche mikrozelluläre Filamente durch Sättigen eines geschmolzenen Polymeren mit einem Gas bei einer spezifischen Temperatur und einem spezifischen Druck vor der Initiierung der Blasennukleierung hergestellt, indem die Temperatur des Polymeren erhöht wurde, während der Gasdruck bei dem Level gehalten wurde, der für die Sättigung zur Anwendung kam (Park, C. und Suh, N. P., "Extrusion of a Microcellular Filament", Cellular Polymers, V. Kumar und S. G. Advani, Herausgeber, MD Bd. 38, ASME, 1992, S. 69).
  • Das US-Patent 4 761 256 von Hardenbrook et al. beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung eines mikrozellulären Kunststoffnetzmaterials mit einer nicht-modifizierten integralen glatten Haut, wobei eine gas-imprägnierte Kunststoffbahn kontinuierlich einer Entgasungsvorrichtung zugeführt wird. Die gas-imprägnierte Kunststoffbahn wird entweder durch Düsenextrusion unter ausreichend hohem Druck, um eine Blasennukleierung zu verhindern, oder durch kontinuierliches Ziehen einer nicht-imprägnierten Bahn durch eine unter Druck gesetzte Kammer, die ein inertes Gas enthält, hergestellt. Die letztere Technik ist praktisch nur für relativ dünne Bahnen, und sie wird notwendigerweise eine sehr große Druckkammer und komplexe dynamische Dichtungen erfordern, um eine ausreichende Gaskonzentration in dem Polymer zu erreichen.
  • Mithin besteht nach wie vor im Fachbereich der Bedarf nach einem einfachen, wirksamen und günstigen Verfahren zur kontinuierlichen oder halb-kontinuierlichen Herstellung von mikrozellulären Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Apparatur für die halb-kontinuierliche Herstellung von mikrozellulären Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten sowie geschäumten Polymeren bereitzustellen, wobei die durchschnittliche Teilchengröße außerhalb des Bereiches von 2 bis 25 μm (weniger als 2 μm oder mehr als 25 μm) liegt, was traditionell als ein mikrozellulärer Schaum angesehen wird.
  • Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von mikrozellulären Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten mit minimalen Kosten bereitzustellen.
  • Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches einfach und mit allgemein verfügbaren Treibgasen mit optionaler Verwendung von Nukleierungsmitteln durchgeführt werden kann. Calciumcarbonat und andere bekannte Nukleierungsmittel können zur Anwendung kommen.
  • Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ein solches Verfahren bereitzustellen, welches inerte Gase anwendet, die für die Umwelt nicht gefährlich sind.
  • Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von geschäumten Polymerartikeln, -tafeln oder -filamenten, die aus dem obigen Verfahren abgeleitet sind, und geschäumten Artikeln, Tafeln oder Filamenten mit Zellwänden aus Polymer im orientierten Zustand.
  • Diese und andere Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, indem ein Gaskanalisierungs- oder -aussetzungsmittel, eingeschlossen oder positioniert zwischen den Schichten von einem Polymerartikel, -tafel oder -filament, vorgesehen wird.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schäumen von polymeren Materialien bereitgestellt, umfassend die Schritte:
    • (a) Interleaving bzw. Einschießen eines Artikels aus polymerem Material mit einem Gas-Kanalisierungsmittel;
    • (b) Unterwerfen des durch- bzw. eingeschossenen Artikels bei einem erhöhten Druck einem nicht-reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist, während einer ausreichenden Zeit, um eine gewünschte Konzentration von Gas in dem Polymer zu erzielen, und zwar unter Bildung eines exponierten polymeren Artikels, welcher zumindest teilweise gasgesättigt ist;
    • (c) Separieren des exponierten Polymerartikels von dem eingeschossenen bzw. dazwischen gelegten Gas-Kanalisierungsmittel; und
    • (d) ausreichendes Erhitzen des exponierten Polymerartikels zur Initiierung einer Blasennukleierung und zur Erzielung des gewünschten Blasenwachstums.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Schäumen polymerer Materialien bereitgestellt, umfassend:
    • (a) Gas-Kanalisierungsmittel, welches zwischen den Schichten eines Polymerartikels zur Bildung eines eingeschossenen Artikels eingeschossen wird;
    • (b) Mittel zum Sättigen des eingeschossenen Artikels mit einem nicht reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist.
    • (c) Mittel zum Erhitzen des Polymers zur Initiierung von Blasennukleierung und Blasenwachstum;
    • (d) Mittel zum Kühlen des Polymers zur Beendigung der Blasennukleierung und des Blasenwachstums;
    • (e) Mittel zum Montieren des gesättigten eingeschossenen Artikels in der Nähe des Heiz- und Kühlmittels;
    • (f) Mittel zum Trennen des Polymerartikels von dem eingeschossenen Gas-Kanalisierungsmittel;
    • (g) Mittel zum Ziehen des abgetrennten Polymerartikels durch das Heiz- und Kühlmittel bzw. -vorrichtung; und
    • (h) Mittel zum Spannen des Polymerartikels vor dem Ziehen durch das Heiz- und Kühlmittel.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine polymere Struktur bereitgestellt, umfassend:
    • (a) eine Vielzahl an geformten schäumbaren Polymerartikeln:
    • (b) Gas-Kanalisierungsmittel, eingeschossen zwischen den Polymerartikeln, wobei die Polymerartikel zumindest teilweise mit einem Gas bei erhöhtem Druck gesättigt werden, wobei es zu keiner Blasennukleierung in dem polymeren Material kam.
  • Das Gaskanalisierungs- oder -aussetzungsmittel umfasst vorzugsweise eine Schicht aus flexiblem, gasdurchlässigem Material, wie Gaze, porösem Papierblatt, nicht gewebtem Material, oder teilchenförmigem Material wie Maisstärke. Es wurde herausgefunden, dass die Verwendung des Gasaussetzungsmaterials die Permeation von Gas in den Körper des Artikels, der Tafel oder des Filaments erleichtert, wodurch es Gas ermöglicht wird, in die Polymeroberfläche einzudringen und dadurch die Zeit der Gasdiffusion in dem polymeren Artikel zu verringern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Tafel aus festem Polymer auf eine Tafel aus gasdurchlässigem Material aufgelegt, und die zwei Materialschichten werden unter Bildung einer Rolle gewalzt, bestehend aus Schichten vom Polymer mit eingelegtem gasdurchlässigem Material. Die Rolle aus zwischengelegtem Polymer und gasdurchlässigem Material kann dann erfolgreich unter Anwendung des folgenden Verfahrens geschäumt werden.
  • Die eingeschossene Rolle wird unter erhöhtem Druck mit einem nicht reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist, für eine Zeitdauer gesättigt, die ausreicht, um eine gewünschte Konzentration an Gas innerhalb des Polymeren zu erreichen. Nachdem wieder der normale Druck erreicht worden ist, wird die Polymertafel allmählich abgewickelt, von dem gasdurchlässigen Material abgetrennt und durch eine Heizstation für einen Zeitraum gezogen, der ausreicht, um die gewünschte Schaumdichte zu erreichen. Eine solche Heizstation kann ein heißes Flüssigkeitsbad, zum Beispiel ein Heißwasserbad, ein heißes Gas oder Gase, ein Strahlungserhitzer oder andere Mittel sein, wobei das gesättigte Polymer auf die Schäumungstemperatur erhitzt wird, um die Blasennukleierung und das Blasenwachstum zu initiieren. Nach der Durchführung durch die Erhitzungsstation wird das Polymer gekühlt, zum Beispiel durch das Ziehen durch ein Kaltwasserbad, um die Blasennukleierung und das Blasenwachstum zu beenden. Um ein Kräuseln der geschäumten Tafel zu verhindern, wird das Polymer unter Spannung gehalten, während es durch die Heiz- und Kühlstationen gezogen wird.
  • Vorzugsweise umfasst die Zugvorrichtung zwei Walzen, welche die Enden des Polymerartikels einklemmen und in entgegengesetzte Richtungen rotieren.
  • Das Ausmaß des Blasenwachstums und somit die Dichte des resultierenden Schaums wird dadurch reguliert, dass die Heizstationstemperatur und/oder die Rate, mit der die Tafel durch den Heiz- und Kühlschritt des Verfahrens bewegt wird, variiert wird. Vorzugsweise wird die Blasennukleierung und das Blasenwachstum durch Erhitzen des exponierten Polymerartikels auf eine Temperatur im Bereich von etwa 80°C bis etwa 200°C initiiert. Amorphe oder halb-kristalline Polymere mit einem Maximum von etwa 30% Kristallinität, welche zum amorphen Zustand gelöscht worden sind, und welche durch das oben beschriebene Zwei-Stufen-Satzverfahren geschäumt werden können, können ebenfalls erfolgreich unter Anwendung der vorliegenden Erfindung behandelt werden. Diese schließen zum Beispiel Polystyrol, PVC, PMMA, Polycarbonat, ABS-Copolymere und Polyethylenterephthalat (PET) ein. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck "nicht-reagierendes Gas" auf ein Gas, welches mit dem zu schäumenden Polymer nicht reagiert. Gase, welche erfolgreich in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen können, schließen Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Luft und Argon ein.
  • Eine Reihe von geformten polymeren Artikeln, die durch Gaskanalisierungs- oder -einschussvorrichtungen voneinander getrennt sind, können so angeordnet werden, dass sie leicht in eine Druckkammer hinein und heraus bewegt werden können. Das Array bzw. die Anordnung kann vorzugsweise eine Rolle aus polymerem Tafelmaterial sein, wobei ein poröses Papierblatt zwischen Oberflächen der polymeren Tafel eingeschlossen ist, sodass die Oberflächen des gerollten Tafelmaterials Gas innerhalb einer Druckkammer ausgesetzt werden wird. Das Array kann ebenfalls ein Stapel von polymeren Tafeln mit porösem Papier, teilchenförmigem Material oder Netz- oder Non-Woven-Material, das die polymeren Tafeln trennt, umfassen. Gefaltete, geraffte oder mit Leitfenster (wicket) unterstützte Array können ebenfalls zur Anwendung kommen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen einfachen und wirksamen Weg zur Bildung von halb-kontinuierlichen mikrozellulären Tafeln aus vielen unterschiedlichen Polymeren mit minimalen Kosten vor. Die angewendeten Treibgase sind günstig, nicht gefährlich und leicht verfügbar.
  • Die oben erwähnten und zusätzlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung und die Weise des Erhalts davon wird am besten durch den Bezug auf die folgende detailliertere Beschreibung verstanden werden.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden halb-kontinuierliche Tafeln oder Streifen aus mikrozellulären Polymeren hergestellt, indem zuerst eine Rolle aus fester Polymertafel mit einem Gaskanalisierungsmittel, das zwischen die Schichten des Polymeren eingeschossen ist, gebildet wird. Das Gaskanalisierungsmittel besteht vorzugsweise aus einer Schicht aus flexiblem gasdurchlässigem Material. Obgleich poröses Papierblatt ein bevorzugtes Material ist, können andere gasdurchlässige Materialien, wie teilchenförmiges Material, Gaze, Sieb- und gewebte und nicht gewebte Textilien, ebenfalls erfolgreich in der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Polymere, welche erfolgreich unter Verwendung der vorliegenden Erfindung geschäumt werden können, schließen Polystyrol, PVC, Polycarbonat, ABS, Polysulfon, Styrol-Butadien-Copolymer, Polyamide, PMMA und PET ein. Im Allgemeinen sind die Klasse an glasigen amorphen Polymeren mit Glasübergangstemperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur für die vorliegende Erfindung geeignet.
  • Die Rolle aus Polymertafel und Gaskanalisierungsmaterial wird unter erhöhtem Druck einem nicht reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist, für einen Zeitraum ausgesetzt, der ausreicht, um eine gewünschte Konzentration an Gas innerhalb des Polymeren zu erreichen. Dieser Schritt wird allgemein bei Raumtemperatur (um 21°C) durchgeführt, obgleich eine höhere Temperatur zur Anwendung kommen kann, um die Diffusion des Gases innerhalb des Polymeren zu beschleunigen. Der Druck kann mit Verstärkerpumpen über den Tankzuführdruck variiert werden. Zum Beispiel liegt der bevorzugte Bereich, wenn CO2 zur Anwendung kommt, bei etwa 0,34 bis 6,55 MPa (50 bis 950 psi) Tankdruck. Dies kann auf über 6,89 MPa (1 000 psi) mit einer geeigneten Verstärkerpumpe erhöht werden. Ein Druck so hoch wie 9,65 MPa (1 400 psi) wird als anwendbar erachtet. Der gewählte aktuelle Druck hängt von der gewünschten Schaumenddichte und der gewünschten mittleren Blasengröße ab. Das bevorzugte Gas kann von dem zu behandelnden Polymer abhängen. Zum Beispiel ist Kohlendioxid das bevorzugte Gas zur Verwendung in geschäumten PET, PVC und Polycarbonat, während Stickstoff das bevorzugte Gas zur Verwendung in geschäumtem Polystyrol ist. Die Zeitdauer, für welche die Polymerrolle einem Gas ausgesetzt wird, variiert mit der Dicke der festen Polymertafel, dem spezifischen Polymer-Gas-System, dem Sättigungsdruck und der Diffusionsrate in das Polymer und wird im Allgemeinen experimentell bestimmt. Gleichwohl kommen Zeitdauern zwischen etwa 3 und 100 Stunden üblicherweise zur Anwendung. Wenn zum Beispiel ein 0,51 mm (0,020 Inch) dickes Blatt aus PET mit CO2 gesättigt wird, ist eine Sättigungszeit von etwa 15 bis 30 Stunden bevorzugt.
  • Nach der Sättigung der Rolle aus polymer/gasdurchlässigem Material wird die Rolle zum normalen Druck zurückgebracht und in der Nähe einer Heizstation befestigt, wie einem Heißwasser- oder Glycerinbad, das oberhalb der Glasübergangstemperatur des gasgesättigten Polymeren gehalten wird. Die gesättigte Polymertafel wird allmählich entwickelt, von dem gasdurchlässigen Material getrennt und durch Ziehen unter Spannung durch die Heizstation erhitzt. Die Polymertafel wird dadurch in einer kontinuierlichen Weise geschäumt. Nach dem Hindurchführen durch die Heizstation wird die Po lymertafel durch eine Kühlstation, wie einem Kaltwasserbad, einem Satz von gekühlten Walzen oder einfach Luft, gezogen, um das Polymer zu kühlen und die Blasennukleierung und das Blasenwachstum zu stoppen. Die Temperatur der Heizstation sowie die Rate, mit der die Polymertafel durch die Heiz- und Kühlstationen gezogen wird, kann variiert werden, um Tafeln mit variierender Blasengröße und -dichte bereitzustellen.
  • Das hierin beschriebene Verfahren wandelt eine Rolle aus Polymertafel mit endlicher Länge zu einer Rolle aus geschäumter Tafel um. Die Länge der festen Polymertafel, welche prozessiert werden kann, hängt von dem Polymer-Gas-System ab. Sobald die Polymerrolle (permeiert mit einem Gas-Kanalisierungsmittel, wie porösem Papierblatt) Gas ausgesetzt worden ist und aus dem Druckgefäß auf atmosphärischem Druck herausgenommen worden ist, fängt das Gas an, die Polymertafel zu verlassen. Somit muss die Rolle zu einem Schaum sofort innerhalb eines bestimmten "Fensters der Verarbeitbarkeit" prozessiert werden, um einen übermäßigen Verlust an Gas aus dem Polymer zu vermeiden, was zu einer unerwünschten Variation in der Dichte des produzierten Schaums führen kann. Um somit geschäumte Blätter mit einer konsistenten Dichte zu erhalten, kann nur eine endliche Länge der festen Polymertafel zu einem Zeitpunkt prozessiert werden. Aus diesem Grund wurde das Verfahren der vorliegenden Erfindung als "halb-kontinuierliches" Verfahren bezeichnet. Die halb-kontinuierliche Natur des Verfahrens limitiert jedoch im Prinzip nicht die Rate der Herstellung der geschäumten Tafeln. Eine ausreichende Anzahl an halb-kontinuierlichen Leitungen kann parallel betrieben werden, um jede beliebigen Anfordernisse bezüglich der Produktionsrate zu erfüllen.
  • Beispiel 1
  • Ein Streifen aus einer PET Kodapak 9921-Folie, der eine Länge von 5,18 m (17 ft), eine Breite von 16,2 mm (3 in.) und eine Dicke von 0,51 mm (0,020 in.) besaß, wurde auf einen Streifen aus Papiertuch mit ähnlichen Dimensionen gelegt. Der resultierende PET-Papiertuch-Streifen wurde dann auf einem rohrförmigen Kern aufgewickelt, um eine Rolle mit alternierenden Schichten aus PET und Papier zu bilden. Diese Rolle wurde in ein Druckgefäß gebracht und Kohlendioxid bei einem Druck von 4,83 MPa (700 psi) 24 Stunden lang ausgesetzt.
  • Nach der Sättigung mit Kohlendioxid wurde die PET-Papiertuch-Rolle aus dem Druckgefäß entfernt, auf einer Spindel befestigt und über einem bei 90°C heißen Wasserbad aufgehängt. Das Ende des gesättigten PET-Streifens wurde allmählich von der Rolle abgewickelt, von dem Papiertuch abgetrennt und unter Spannung gehalten, indem er durch eine federbelastete Klemme gefädelt wurde. Die Blasennukleierung wurde initiiert und der PET-Streifen geschäumt, indem der Streifen durch das Heißwasserbad gezogen wurde. Das Blasenwachstum wurde dann beendet, indem der Streifen durch ein bei 0°C gehaltenes Kaltwasserbad gezogen wurde. Der PET-Streifen wurde kontinuierlich durch die zwei Wasserbäder mit einer Rate von etwa 10 cm/s gezogen, indem der Streifen zwischen zwei in entgegengesetzten Richtungen rotierenden Walzen eingeklemmt wurde.
  • Der gesättigte PET-Streifen fing sofort an zu schäumen, nachdem er in das Heißwasserbad gelangte, wie es durch eine Änderung in der Transparenz der Tafel von klar zu opak festzustellen war. Die gesamte Oberfläche des PET-Streifens wurde innerhalb von fünf Sekunden nach Eintritt in das Bad opak, was anzeigte, dass das Kohlendioxid durch den Körper der PET-Papiertuch-Rolle permeiert war und die Rolle vollständig gesättigt hatte. Der geschäumte Streifen war flach und glatt mit gleichmäßigen Kanten und besaß eine letztendliche Länge von 7,31 mm (24 ft), eine Breite von 114,3 mm (4,5 in.) und eine Dicke von 0,76 mm (0,030 in.). Die spezifische Dichte des Schaumes lag bei 0,3, verglichen mit der spezifischen Dichte des festen PET von 1,3.
  • Vergleichsbeispiele
  • Ein Streifen aus einer PET-Folie mit 5,18 m (17 ft) Länge, 76,2 mm (3 in.) Breite und 0,51 mm (0,020 in.) Dicke wurde auf einen Streifen aus Papiertuch mit ähnlichen Dimensionen gelegt. Der resultierende PET-Papiertuch-Streifen wurde zur Bildung einer Rolle mit alternierenden Schichten aus PET und Papiertuch aufgewickelt und mit Kohlendioxid, wie in Beispiel 1 beschrieben, gesättigt.
  • Nach der Sättigung mit Kohlendioxid wurde die PET-Papiertuch-Rolle aus dem Druckgefäß entfernt und geschäumt, indem sie in ein Heißwasserbad, das bei einer Temperatur von etwas unter 100°C gehalten wurde, 10 Minuten lang gelegt wurde. Die Blasennukleierung und das Blasenwachstum wurde beendet, indem die Rolle in ein Kaltwasserbad, das bei 0°C gehalten wurde, 5 Minuten lang gelegt wurde. Beim Abwickeln der Rolle wurde herausgefunden, dass das Schäumen in sehr ungleichmäßiger Weise aufgetreten war, mit stärkerer Schäumung auf den äußeren Oberflächen der Polymerrolle und weniger in Richtung auf die Mitte. Es wurde herausgefunden, dass die geschäumte Polymerrolle ein welliges oder gekräuseltes Aussehen besaß.
  • Ein anderer Streifen aus PET wurde wie in Beispiel 1 prozessiert, außer dass der Streifen nicht mit einem Gas-Kanalisierungs- oder Diffusionsmittel eingeschossen war. Es war nicht möglich, diesen Streifen zu schäumen.
  • Beispiel 2
  • Eine PET 5000-Rolle mit einer Breite von 609,6 mm (24 in) × einer Dicke von 0,51 mm (0,020 in) × einer Länge von 60,96 m (200 ft) wurde auf 5,17–5,52 MPa (750–800 psi) unter Druck gesetzt. Das Material schäumte zu einer Dicke von 0,74 mm (0,029 in) × einer Breite von 812,8 mm (32 in). Die Schäumungsgeschwindigkeit lag bei 18,29 m/min (60 ft/min) in heißem Wasser (96°C), und die Austrittsgeschwindigkeit lag bei 27,4 m/min (90 ft/min).
  • Beispiel 3
  • Gleiche Bedingungen wie beim Beispiel 2 wurden für eine PET 6000-Rolle angewandt, welche zu einem vergleichbaren Ausmaß expandierte. Die spezifischen Dichten des resultierenden Materials waren: 1,3 ungeschäumt, 0,5 geschäumt.
  • Beispiel 4
  • PET G-Material wurde einem Druck unter ähnlichen Bedingungen wie bei den Beispielen 2 und 3 ausgesetzt. Das Material wurde anschließend in 96°C heißem Wasser geschäumt. Die spezifische Dichte des resultierenden Materials war 1,25 ungeschäumt und 0,17 geschäumt.
  • Obgleich die vorliegende Erfindung im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, können Änderungen und Modifikationen ohne Abweichen vom Umfang der Erfindung, welcher nur auf den Umfang der anhängigen Ansprüche beschränkt werden soll, durchgeführt werden.

Claims (41)

  1. Verfahren zum Schäumen von polymeren Materialien, umfassend die Schritte: (a) Interleaving bzw. Einschießen eines Artikels aus polymerem Material mit einem Gas-Kanalisierungsmittel; (b) Unterwerfen des durchgeschossenen Artikels bei einem erhöhten Druck einem nicht-reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist, während einer ausreichenden Zeit, um eine gewünschte Konzentration von Gas in dem Polymer zu erzielen, unter Bildung eines exponierten polymeren Artikels, welcher zumindest teilweise gasgesättigt ist; (c) Separieren des exponierten Polymerartikels von dem eingeschossenen bzw. dazwischen gelegten Gas-Kanalisierungsmittel; und (d) ausreichendes Erhitzen des exponierten Polymerartikels zur Initiierung einer Blasennukleierung und zur Erzielung des gewünschten Blasenwachstums.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl an Artikeln mit Gas-Kanalisierungsmitteln eingeschossen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt des Abkühlens des Polymerartikels nach einer/einem Blasennukleierung und -wachstum.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Polymerartikel eine in raffartiger Weise gefaltete Endlosfolie bzw. -bahn ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der polymere Artikel ein Stapel von polymeren Bahnen bzw. Folien ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der polymere Artikel eine Rolle von polymerem Material ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gas-Kanalisierungsmittel eine Folie aus flexiblem gasdurchlässigen Material umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das flexible gasdurchlässige Material ein poröses Papierblatt ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gas-Kanalisierungsmittel teilchenförmiges Material ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Blasennukleierung und -wachstum durch Erhitzen des exponierten Polymerartikels auf die Glasübergangstemperatur des exponierten Polymers initiiert werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Blasennukleierung und -wachstum durch Ziehen bzw. Recken des exponierten Polymerartikels durch ein Heizmittel, gewählt aus der Gruppe bestehend aus heißen Flüssigbädern, heißem Gas oder Gasen und Strahlungsheizern, initiiert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der exponierte Polymerartikel unter Spannung gehalten wird, während er durch das Heizmittel gezogen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Blasennukleierung und -wachstum durch Kühlen des exponierten Polymerartikels beendet werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Polymerartikel gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polycarbonat, PMMA, ABS-Copolymeren und Polyethylenterephthalat.
  15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das nicht reagierende Gas gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Kohlendioxid und Luft.
  16. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Polymerartikel Polyethylenterephthalat ist und das nicht-reaktive Gas Kohlendioxid ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Gas-Kanalisierungsmittel eine Bahn bzw. Folie aus flexiblem gasdurchlässigen Material ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das gasdurchlässige Material ein poröses Papierblatt ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der eingeschossene Artikel Kohlendioxid bei einem Druck im Bereich von etwa 0,34 MPa (50 psi) bis etwa 9,65 MPa (1400 psi) ausgesetzt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der eingeschossene Artikel Kohlendioxid für einen Zeitraum zwischen etwa 3 und etwa 100 Stunden ausgesetzt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Blasennukleierung und -wachstum durch Erhitzen des exponierten Polymerartikels auf eine Temperatur im Bereich von etwa 80°C bis etwa 200°C initiiert werden.
  22. Verfahren nach Anspruch 16, wobei Blasennukleierung und -wachstum durch Kühlen des exponierten Polymerartikels gelöscht bzw. beendet werden.
  23. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Kühlen durch Ziehen des Polymerartikels durch ein Mittel zum Kühlen bewerkstelligt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Kühlen des Polymerartikels durch Ziehen des Polymerartikels durch kalte Luft bewerkstelligt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei das Kühlen des Polymerartikels durch Ziehen des Polymerartikels durch kaltes Wasser bewerkstelligt wird.
  26. Vorrichtung zum Schäumen polymerer Materialien, umfassend: (a) Gas-Kanalisierungsmittel, welches zwischen den Schichten eines Polymerartikels zur Bildung eines eingeschossenen Artikels eingeschossen wird; (b) Mittel zum Sättigen des eingeschossenen Artikels mit einem nicht reagierenden Gas, welches in dem Polymer löslich ist. (c) Mittel zum Erhitzen des Polymers zur Initiierung der Blasennukleierung und des Blasenwachstums; (d) Mittel zum Kühlen des Polymers zur Beendigung der Blasennukleierung und des Blasenwachstums; (e) Mittel zum Montieren des gesättigten eingeschossenen Artikels in der Nähe des Heiz- und Kühlmittels; (f) Mittel zum Trennen des Polymerartikels von dem eingeschossenen Gas-Kanalisierungsmittel; (g) Mittel zum Ziehen des getrennten Polymerartikels durch das Heiz- und Kühlmittel; und (h) Mittel zum Spannen des Polymerartikels vor dem Ziehen durch das Heiz- und Kühlmittel.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Gas-Kanalisierungsmittel ein flexibles gasdurchlässiges Material umfasst.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei das Gas-Kanalisierungsmittel ein poröses Papierblatt umfasst.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Gas-Kanalisierungsmittel teilchenförmiges Material ist.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Gas-Sättigungsmittel ein Druckbehälter ist.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Heizmittel gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem heißen Flüssigkeitsbad, heißem Gas oder Gasen und Strahlungsheizgeräten.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Kühlmittel ein Kaltwasserbad ist.
  33. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Ziehmittel bzw. Zugeinrichtung zwei Walzen umfasst, die das Ende des Polymerartikels aufnehmen und sich in entgegengesetzten Richtungen drehen.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Montierungsmittel eine Spindel umfasst.
  35. Polymere Struktur, umfassend: (a) eine Vielzahl an geformten schäumbaren Polymerartikeln: (b) Gas-Kanalisierungsmittel, eingeschossen zwischen den Polymerartikeln, wobei die Polymerartikel zumindest teilweise mit einem Gas bei erhöhtem Druck gesättigt werden, wobei es zu keiner Blasennukleierung in dem polymeren Material kam.
  36. Polymere Struktur nach Anspruch 35, wobei der Artikel eine in raffartiger Weise gefaltete Folie mit Gas-Kanalisierungsmitteln zwischen den benachbarten Folienoberflächen ist.
  37. Polymere Struktur nach Anspruch 35, wobei der Artikel eine Rolle von polymerer Folie mit einem zwischen den Rollen einer Folie eingeschossenen Gas-Kanalisierungsmittel ist.
  38. Polymere Struktur nach Anspruch 36 oder 37, wobei das Einschussmaterial poröse Papierbahnen bzw. -blätter sind.
  39. Polymere Struktur nach Anspruch 35, wobei das polymere Material gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus PET, Polysulfon, Styrol-Butadien-Copolymer, Polystyrol, PVDC, Polyamiden und Polycarbonat.
  40. Polymere Struktur nach Anspruch 35, wobei das polymere Material mit Gas, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlendioxid, Luft, Argon und Stickstoff, gesättigt wird.
  41. Polymere Struktur nach Anspruch 35, wobei das Einschussmaterial gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus teilchenförmigen Material, porösem nicht-gewebtem Material und gewebtem Material.
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