DE69733286T2

DE69733286T2 - Verfahren zum Extrudieren von Mikrozellenpolymeren

Info

Publication number: DE69733286T2
Application number: DE69733286T
Authority: DE
Inventors: Theodore A. Burnham; Sung Woon Moonchon 1803-101 Cha; Robert H. Walat; Roland Y. Kim; Jere R. Anderson; James F. Stevenson; Nam P. Suh; Matthew C. Pallaver
Original assignee: Trexel Inc
Current assignee: Trexel Inc
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: AU755441B2; AU4164897A; DE69717465D1; CA2264159A1; EP0923443B1; JP4240540B2; ATE228421T1; EP0923443A2; EP1275485A2; WO1998008667A2; EP1275485B1; US20050256215A1; US6284810B1; JP2002501443A; DE69733286D1; ATE295254T1; JP2005178366A; WO1998008667A3; DE69717465T2; EP1275485A3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Bearbeitung von Polymerschaum, und insbesondere ein kontinuierliches mikrozelluläres Polymerextrusionsverfahren, das die Kontrolle der Materialdichte, Zelldichte, Dicke und Form von mikrozellulärem und supermikrozellulärem Material ermöglicht. Ein derartiges Verfahren, das die Merkmale des untenstehenden Anspruchs 1 aufweist, ist in der Veröffentlichung von Park et al., veröffentlicht in Polymer Engineering & Science, Bd. 36, Nr. 1, Seiten 34–48, 15. Jan. 1996, offenbart.
Hintergrund der Erfindung
Geschäumte Polymermaterialien sind bekannt und werden üblicherweise durch Einführen eines physikalischen Treibmittels in einen geschmolzenen Polymerstrom, Mischen des Treibmittels mit dem Polymer, und Extrudieren des Gemisches in die Atmosphäre, während das Gemisch geformt wird, hergestellt. Wird das Treibmittel atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt, wandelt es sich in ein Gas um, wobei sich Zellen in dem Polymer ausbilden. Unter gewissen Umständen wird erreicht, dass die Zellen isoliert bleiben, mit der Folge, dass sich ein geschlossenzelliges, geschäumtes Material bildet. Unter anderen, üblicherweise heftigeren Schäumungsbedingungen, reißen die Zellen oder lösen sich voneinander, wodurch ein offenzelliges Material entsteht. Als Alternative zu einem physikalischen Treibmittel, kann ein chemisches Treibmittel verwendet werden, das eine chemische Zersetzung in dem Polymermaterial erfährt, was die Bildung eines Gases bewirkt.
U.S. Patent Nr. 3,796,779 (Greenberg; 12. März 1976) beschreibt das Einführen eines Gases in einen fließenden Strom aus geschmolzenem Kunststoff, und eine Expansion, um einen Schaum herzustellen. Das beschriebene Verfahren erzeugt üblicherweise Leerstellen oder Zellen innerhalb des Kunststoffes, die relativ groß sind, z.B. ungefähr 100 Mikrometer oder größer. Die Anzahl der Leerstellen oder Zellen pro Volumeneinheit des Materials ist entsprechend dem Verfahren üblicherweise relativ gering, und oftmals weist das Material eine nicht gleichmäßige Verteilung der Zellen in dem Material auf. Deshalb können dünne Folien und Folien mit sehr glatten Oberflächen üblicherweise durch dieses Verfahren nicht hergestellt werden, und so erzeugte Materialien weisen üblicherweise eine relativ geringe mechanische Festigkeit und Härte auf.
Das U.S. Patent Nr. 4,548,775 (Hayashi et al.) beschreibt ein Verfahren, das das Extrudieren eines expandierbaren Harzes durch eine Vielzahl von Löchern, die in eine Form gebohrt sind, und das anschließende Zusammenschmelzen des aus den Löchern extrudierten Materials beinhaltet. Das Verfahren ist dazu bestimmt, um eine Verkleidungs- bzw. Oberflächenschicht mit hoher Dichte auf dem geschäumten Material zu bilden, da gemäß Hayashi et al. mit Formen mit nur einem Loch das Extrudat durch das Aufschäumen verformt wird, nachdem das Material die Form verlassen hat, und es so nicht möglich ist, eine Oberflächenschicht gleichmäßig zu bilden.
Das U.S. Patent Nr. 3,624,192 (McCoy et al.) offenbart das Extrudieren von thermoplastischem, polyaromatischem Harz, das mit einem Keimbildungsmittel vermischt ist, durch ein Netzwerk von Schlitzen, um eine Schaumplatte auszubilden.
Das U.S. Patent Nr. 3,720,572 (Soda et al.) offenbart die Herstellung von "synthetischem Holz", das durch einen länglich ausgebildeten, mikroporösen Gegenstand bzw. Artikel bestimmt bzw. definiert ist, der aus einer Vielzahl von zusammengewachsenen, geschäumten Harzsträngen gebildet ist. Die Grenzen zwischen den Strängen ähneln den Holzmaserungen, die Aufgabe der Erfindung sind.
Das U.S. Patent Nr. 4,473,665 (Martini-Vvedensky et al.; 25. September 1984) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von geschäumtem Polymer, das Zellen mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 100 Mikrometer aufweist. Bei dem Verfahren von Martini-Vvedensky et al. wird ein Materialvorläufer bzw. ein Vormaterial mit einem Treibmittel gesättigt, das Material wird unter hohen Druck gesetzt, und der Druck wird schnell abfallen gelassen, damit eine Keimbildung des Treibmittels einsetzt, bzw. um das Treibmittel zu nukleieren, und um die Bildung von Zellen zu ermöglichen. Das Material wird dann schnell eingefroren, um eine gewünschte Verteilung der Mikrozellen aufrecht zu erhalten.
Das U.S. Patent Nr. 5,158,986 (Cha et al.; 27. Oktober 1992) beschreibt die Bildung von mikrozellulärem Polymermaterial unter Verwendung eines superkritischen Fluids als Treibmittel. In einem Batch-Prozess nach Cha et al. wird ein Kunststoffgegenstand in superkritisches Fluid für eine gewisse Zeitspanne unter Druck eingetaucht, und anschließend schnell in Umgebungsbedingungen zurückgeholt, was eine Löslichkeitsänderung und Keimbildung erzeugt. In einem kontinuierlichen Prozess wird eine Polymerfolie extrudiert, dann durch Rollen in einen Behälter mit superkritischem Fluid bei hohem Druck bewegt, und danach schnell Umgebungsbedingungen ausgesetzt. In einem anderen kontinuierlichen Prozess wird ein geschmolzener Polymerstrom, der mit superkritischem Fluid gesättigt ist, aufgebaut. Der Strom wird schnell erhitzt und die daraus resultierende thermodynamische Instabilität (Löslichkeitsänderung) erzeugt Keimbildungsstellen, während das System unter Druck gehalten wird, was ein deutliches Zellwachstum verhindert. Das Material wird dann in einen Formhohlraum eingespritzt, in dem der Druck reduziert ist und das Zellwachstum ermöglicht ist.
Bei kontinuierlichen Extrusionsverfahren umfassen im Allgemeinen typische Ziele hohe Produktionsraten (Flussraten), die Herstellung von Material mit einer gewünschten Form, Größe, Materialdichte und Zelldichte, insbesondere Materialien mit relativ dünnen oder dicken Abschnitten, und die Herstellung von Materialien mit einer sehr glatten Oberfläche. In allen Fällen ist es natürlich ein Ziel, ein Material zu geringst möglichen Kosten herzustellen. Während die herkömmliche Schaumbearbeitung mit sehr hohen Ausstoßraten betrieben werden kann, erreichen typische bekannte Produktionsraten bei der kontinuierlichen, mikrozellulären Extrusion nicht die Raten, die mit herkömmlichen Prozessen erreichbar sind. Bei der herkömmlichen Polymerschaumbearbeitung kann eine gewünschte Form, Größe und Dichte eines Produkts im Allgemeinen unter Verwendung einer herkömmlich geformten Form erzielt werden. Das Extrudieren von sehr dünnem Material oder sehr dickem mikrozellulären Material kann jedoch schwierig sein. Bezüglich von dicken Folien war es schwierig oder unmöglich, die erforderliche Löslichkeitsänderung gleichmäßig in einem dicken Produkt zu erzeugen, das durch Extrudieren hergestellt ist, um einen dicken, mikrozellulären Gegenstand kontinuierlich herzustellen. Bezüglich von dünnen Folien, bei denen die Zellgröße relativ groß ist verglichen mit der Dicke der Folie, können kleine Löcher in der Folie entstehen, wobei die Größe einer bestimmten Zelle größer als die Dicke einer Folie ist. Zusätzliche Kontrollprobleme bestehen bei sehr vielen bekannten Dünnschaumfolien-Extrusionstechniken. Entsprechend war es eine Herausforderung, dünne Beschichtungen aus herkömmlichem, zellulärem Schaummaterial auf Substrate, wie z.B. einen Draht, zu extrudieren. Insbesondere, wo ein Substrat, wie z.B. ein Draht, von Feuchtigkeit isoliert werden muss, falls ein Schaummaterial verwendet werden soll, um das Substrat zu beschichten, sollte der Schaum im Wesentlichen vollständig ein geschlossenzelliges Material sein. Deshalb war es schwierig oder unmöglich, dünnes, geschlossenzelliges Polymermaterial auf einen Draht zu extrudieren, um eine Beschichtung mit akzeptablen elektrischen Isoliereigenschaften unter verschiedenen Bedingungen zu bilden.
Herkömmlicherweise wurden Fluorchlorkohlenwasserstoffe (CFC's), Hydro-Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HCFC's) und Alkane (Butan, Pentan, Isopentan) als Treibmittel verwendet, um Schaumprodukte herzustellen. Wie berichtet wurde, sahen diese Mittel eine bessere Schäumungskontrolle vor, da sie teilweise in Polymeren löslich sind und als Weichmacher wirken, um die Glasübergangstemperatur (Tg) des Materials herabzusetzen, wodurch die Schmelzviskosität reduziert wird, und eine Prozesskühlung der Extruderschmelze, falls notwendig, ermöglicht wird, um physikalische Charakteristika des Schaumes, wie z.B. mechanische Festigkeit, glatter Schaum und nicht-verletzte Zellen, zu erhalten. Teilweise auf Grund von Umweltproblemen, die mit diesen Mitteln im Zusammenhang stehen, wurden jedoch Bemühungen auf die Verwendung von atmosphärischen Gasen mit geringem Umwelteinfluss gerichtet, wie z.B. Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Luft als Treibmittel, und ein Erfolg hat sich in einigen Fällen eingestellt (siehe z.B. U.S. Patent Nr. 5,158,986 (Cha, oben). Eine erfolgreiche Kontrolle während der Schäumung mit atmosphärischen Gasen ist aber schwieriger erzielbar gewesen als mit herkömmlichen Mitteln. Einige Quellen berichten, dass die Löslichkeit von atmosphärischen Gasen in Polymeren inhärent geringer ist als von herkömmlichen Treibmitteln, und deshalb ist Tg und die Schmelzviskosität nicht in dem gleichen Ausmaß reduziert, was relativ höhere Bearbeitungstemperaturen erforderlich macht, wenn atmosphärische Gase verwendet werden, um einen notwendigen Schmelzfluss aufrecht zu erhalten. Höhere Bearbeitungs- und Schmelztemperaturen können eine herabgesetzte Polymerschmelzfestigkeit erzeugen, verglichen mit ähnlichen Bedingungen, wo herkömmliche Treibmittel verwendet werden, was in einigen Fällen zu einer explosiven Zellexpansion nach Freigabe der Schmelze an die Atmosphäre führt.
Bei einigen Beispielen ist die Steuerung bei Verfahren, die ein atmosphärisches Gas als Treibmittel verwenden, mit einer Hochtemperatur-Schmelzbearbeitung während der Zuführung des Treibmittels adressiert worden, gefolgt von einer Schmelzkühlung vor der Extrusion und der Schäumung, um die Schmelzfestigkeit zu erhöhen. Insbesondere betonen einige Patente und Veröffentlichungen, die sich auf das Schäumen von amorphen Polymeren konzentrieren, und lediglich Kohlenstoffdioxid als Treibmittel verwenden, die Besonderheit der Schmelz- und/oder Formtemperatur, und dass diese eine bestimmte Temperatur nicht überschreiten soll.
Zum Beispiel offenbart das U.S. Patent Nr. 4,436,679, ausgestellt auf Winstead am 13. März 1984, bzw. die U.S. Patente Nr. 5,266,605 und 5,250,577, ausgestellt auf Welsh am 30. November 1993 und 5. Oktober 1993, das Kühlen vor der Extrusion von amorphen Polymerschäumen, die unter Verwendung von lediglich Kohlenstoffdioxid als Treibmittel gebildet werden. Die EP 0 707 935 A2 , veröffentlicht am 24. April 1996 auf Baumgart et al. (Rechtsnachfolger BASF) beschreibt die Extrusion von amorphem Polymermaterial mit großem Temperaturabfall, um die Extrusion zu steuern.
Aufgrund der oben beschriebenen Prozess- und Materialbeschränkungen, und insbesondere Temperaturbeschränkungen, würden Fachleute nicht erwarten, eine gut gesteuerte, großvolumige, mikrozelluläre Bearbeitung von kristallinen und semi-kristallinen Polymeren zu erzielen, besonders dann, wenn atmosphärische Gase verwendet werden. Kristalline und semi-kristalline Polymere unterscheiden sich von amorphen Materialien dadurch, dass sie eine bestimmte kristalline Schmelztemperatur (Tm) besitzen, die sehr viel höher als ihre Glasübergangstemperatur ist. Diese Materialien verfestigen sich abrupt, falls sie auf Tm abgekühlt werden, was eine weitere Bearbeitung unmöglich macht. Vor dieser abrupten Verfestigung erhöht sich die Schmelzfestigkeit des Polymers nicht deutlich mit zunehmender Kühlung, wie in dem Fall von amorphen Polymeren, da die Temperatur des Polymers notwendigerweise sehr viel höher ist als Tg. Das heißt, kristalline und semi-kristalline Polymere müssen bei Temperaturen oberhalb (relativ zu Tg) der maximalen Temperatur für amorphe Polymere bearbeitet werden, was die Zellexpansion antreibt und es extrem erschwert, kleine Zellgrößen aufrecht zu erhalten.
Die Herstellung von mikrozellulärem Material unter Verwendung von atmosphärischen Gasen konzentriert sich deshalb vorwiegend auf amorphe Polymere, welche viskos werden und bei Temperaturen oberhalb Tg einfach fließen.
Während die obigen und andere Berichte einige Techniken darstellen, die im Zusammenhang mit der Herstellung von mikrozellulärem Material stehen, besteht eine Notwendigkeit in der Industrie für ein brauchbares, kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von kristallinem und semi-kristallinem mikrozellulären Material.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein kontinuierliches, einen hohen Durchsatz aufweisendes Extrusionssystem für mikrozelluläre oder supermikrozelluläre Polymere vorzusehen, das effektiv bei der Herstellung von mikrozellulärem Material mit hoher Qualität und beliebiger Dicke, bei der Herstellung von mikrozellulärem Material als Beschichtung für einen Draht, und bei der Herstellung von kristallinem und semi-kristallinem mikrozellulären Material von hoher Qualität ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist untenstehend in Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche sind auf optionale oder bevorzugte Merkmale gerichtet. Die Erfindung sieht Verfahren zur Herstellung von mikrozellulärem Material und mikrozellulären Gegenständen vor. Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, das den Aufbau eines ersten Stromes aus einer fluiden einphasigen Lösung eines Vorläufers aus geschäumtem Polymermaterial und einem Treibmittel, und die kontinuierliche Keimbildung des Treibmittels, das mit dem Vorläufer vermischt ist, umfasst, indem der Strom in getrennte Bereiche unterteilt wird und jeder der getrennten Bereiche getrennt nukleiert wird. Die getrennten Bereiche können gleichzeitig nukleiert werden, indem, bei einer Ausführungsform, der erste Strom in zumindest zwei unterteilte Lösungsströme divergiert wird, und jeder der unterteilten Ströme getrennt nukleiert wird. Die unterteilten Ströme können wieder zu einem einzigen Strom aus nukleiertem, fluidem Polymermaterial zusammengeführt werden. Die Keimbildung kann dadurch bewirkt werden, dass jeder der getrennten Bereiche Bedingungen ausgesetzt wird, wie Löslichkeitsänderung oder thermodynamische Instabilität, die ausreichend sind, um Keimbildungsstellen in der Lösung bei Fehlen eines zusätzlichen Keimbildungsmittels zu erzeugen. Das Verfahren kann ferner das Formen des wieder zusammengeführten Stromes in eine gewünschte Form beinhalten, während der Druck, der auf den wieder zusammengeführten Strom wirkt, auf einen Druck herabgesetzt wird, der das abschließende Schäumen des Materials ermöglicht.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren für das schnelle Mischen eines fluiden Polymermaterials und eines Fluids, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, und das als ein Treibmittel dienen kann. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines Fluids, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, in fluides Polymermaterial, das mit einer Rate von mindestens ungefähr 4 kg/h (10 lbs/h) fließt. Während einer Zeitspanne von weniger als 1 Minute wird eine Einphasenlösung aus dem Fluid und dem Polymer erzeugt. Die Menge des Fluids, das in der Lösung vorhanden ist, beträgt mindestens ungefähr 2 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der Lösung. Bei einer Ausführungsform wird das Verfahren dadurch ausgeführt, dass das Fluid, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, durch mindestens eine Öffnung in eine Extrudertrommel zugeführt bzw. eingespritzt wird. Das Verfahren kann das Einführen des Fluids durch mindestens ungefähr 100 Öffnungen in die Trommel bei einer anderen Ausführungsform beinhalten, und durch noch mehr Öffnungen gemäß anderer Ausführungsformen. Dieses Verfahren kann bei einer Vielzahl von Mischanordnungen Verwendung finden, und findet besonders vorteilhafte Verwendung im Zusammenhang mit Verfahren, die in dieser Beschreibung erwähnt werden.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, das in der Extrusionsvorrichtung ein relativ konstantes Druckprofil in einem Gemisch aus fluidem Polymermaterial und einem Fluid, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, und das als ein Treibmittel dienen kann, aufrechterhält. Das Verfahren beinhaltet speziell das Vorsehen eines Extruders mit einem Einlass an einem Einlassende davon, durch den ein Vorläufer aus geschäumtem Material aufnehmbar ist, und einen Auslass an einem Auslassende davon, durch den das geschäumte Material aus dem Extruder freigebbar ist, und eine umschlossene Durchführung, welche den Einlass mit dem Auslass verbindet, die aufgebaut und angeordnet ist, um einen fluiden Polymerstrom innerhalb der Durchführung in stromabwärtiger Richtung von dem Einlassende zu dem Auslassende zu bewegen. Das Verfahren beinhaltet das Aufbauen eines Stroms aus fluidem Polymermaterial, das in dem Extruder in stromabwärtiger Richtung fließt, und Einführen eines Fluids, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, in den Strom an einer Einspritz- bzw. Zuführstelle des Extruders. Der Strom wird, stromabwärts der Einspritzstelle und stromaufwärts eines Schäumungsbereichs, unter einem Druck gehalten, der um nicht mehr als ungefähr 10,34 MPa (ungefähr 1500 psi) schwankt. Der Extruder kann einen Keimbildungsbereich umfassen, in dem eine Einphasenlösung aus fluidem Polymermaterial und Treibmittel, die dadurch fließt, nukleiert wird, und der relativ konstante Druck stromabwärts der Einspritzstelle und stromaufwärts des Keimbildungsbereichs kann aufrechterhalten werden. Das Fluid, das unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, und das als ein Treibmittel dienen kann, kann in den Extruder durch eine oder mehrere Öffnungen, z.B. 4, 25, 50 oder 100 oder mehr Öffnungen zugeführt werden, und kann hierdurch gleichzeitig zugeführt werden. Die Zuführung des Gases in eine Extrudertrommel kann mit einer Schnecke ausgeführt werden, die Gänge umfasst, welche jede der Öffnungen mit einer Rate von mindestens ungefähr 0,5 Vorbeiläufen pro Sekunde bzw. 0,5 Schneckengängen pro Sekunde, oder mehr, passiert.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren zum Erzeugen von sehr hohen Druckabfallraten in zu schäumendem Material vor. Ein Verfahren beinhaltet das Aufbauen eines Stromes aus zu schäumendem Material, einschließlich eines Treibmittels, und eine kontinuierliche Abnahme des Druckes innerhalb aufeinanderfolgender, kontinuierlicher Abschnitte eines fließenden Stromes aus dem zu schäumenden Material, wobei der Druck kontinuierlich mit zunehmender Rate abnimmt. Dies kann das Aufbauen einer fluiden Einphasenlösung aus einem Vorläufer aus geschäumtem Polymermaterial und einem Treibmittel, und das kontinuierliche Nukleieren der Lösung dadurch, dass der Druck innerhalb aufeinanderfolgender, kontinuierlicher Abschnitte des fließenden Einphasenstromes mit zunehmender Rate abnimmt, beinhalten.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, welches das kontinuierliche Extrudieren von mikrozellulärem Material auf ein Drahtsubstrat beinhaltet. Dieses Verfahren kann die Vereinigung von allen anderen, in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahren beinhalten.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, welches das kontinuierliche Extrudieren von mikrozellulärem Polymermaterial, das Zellen von im Wesentlichen gleichmäßiger Größe von weniger als ungefähr 50 Mikrometer Durchschnittsgröße aufweist, aus einer Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel beinhaltet.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, welches das kontinuierliche Extrudieren von im Wesentlichen geschlossenzelligem mikrozellurärem Polymermaterial umfasst, das Zellen von im Wesentlichen gleichmäßiger Größe von weniger als ungefähr 50 Mikrometer Durchschnittsgröße aufweist. Das Polymermaterial weist eine minimale Querschnittsabmessung von weniger als ungefähr 0,5 mm auf, und wird aus einer Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel extrudiert.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, welches das kontinuierliche Extrudieren von geschäumtem Polyethylenterephthalat (PET) mit einer I.V. von weniger als eins umfasst, und bei dem kontinuierlichen Extrudieren von geschäumtem kristallinen oder semi-kristallinen Polymermaterial mit einer Dichte von weniger als ungefähr 128 kg/m³ (ungefähr 8 lbs/ft³). Das Verfahren kann das Extrudieren von geschäumtem kristallinen oder semi- kristallinen Polymermaterial beinhalten, das im Wesentlichen frei von Modifizierern ist, welche die Schaumkontrollierbarkeit modifizieren.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren der Herstellung von geschäumtem Material. Ein kontinuierlicher Strom aus kristallinem oder semi-kristallinem Polymermaterial wird aufgebaut, und der Strom ist eine kontinuierlich homogene Einphasen-Lösung des Polymermaterials und des Treibmittels. Die homogene Einphasenlösung wird einem schnellen Druckabfall ausgesetzt, um ein nukleiertes Polymermaterial auszubilden, und das Material wird in einem Arbeitsbereich als mikrozelluläres Polymermaterial kontinuierlich extrudiert.
Die Erfindung kann nützlich sein bei einem Verfahren, welches das Aufbauen eines kontinuierlich fließenden Stromes aus einer fluiden Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel, und das kontinuierliche Nukleieren der Lösung und Extrudieren und Schäumen der Lösung durch eine formbildende Form umfasst. In dem Verfahren wird ein mikrozelluläres, geschäumtes Polymermaterial bei einer Formtemperatur, die zumindest 100°F (37,8°C) höher als Tg des Polymermaterials ist, hergestellt.
Offenbart hierin ist ebenso eine Reihe von Systemen und formenden Formen. Die Offenbarung umfasst eine polymerformende Form, die an der Polymerextrusionsvorrichtung anbringbar ist. Die Form umfasst ein Polymeraufnahmeende, das aufgebaut und angeordnet ist, um eine fluide, nicht-nukleierte Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel aufzunehmen, ein Polymerschaumextrusionsende, das aufgebaut und angeordnet. ist, um das geschäumte Material in Umgebungsbedingungen freizugeben, und eine Fluidbahn, die das Polymeraufnahmeende mit dem Schaumextrusionsende verbindet. Die Bahn weist eine Länge und Querschnittsabmessungen auf, die wie folgt bestimmt sind. Wird das fluide Polymer, das homogen mit ungefähr 6 Gew.-% CO₂ vermischt ist, auf der Bahn mit einer Rate von ungefähr 18 kg (ungefähr 40 lbs) Fluid pro Stunde bewegt, wird eine Druckabfallrate in dem fluiden Polymer von mindestens ungefähr 0,3 GPa/s erzeugt. Die Fluidbahn, die diesen Druckabfall erzeugt, kann einen einzigen Kanal umfassen, oder mindestens zwei getrennte Fluidkanäle, die wiederum mit einem Formkanal in Verbindung stehen, um das polymere, mikrozelluläre Schaummaterial zu formen.
Auch hier offenbart ist ein System, das einen Polymermaterial-Nukleator umfasst, der aufgebaut und angeordnet ist, zur Verwendung in Kombination mit einer Polymerextrusionsvorrichtung. Der Nukleator umfasst ein Polymeraufnahmeende, das aufgebaut und angeordnet ist, um eine fluide, nicht-nukleierte Einphasenlösung aus einem Polymermaterial und einem Treibmittel aufzunehmen, ein Freigabeende für nukleiertes Polymer, das aufgebaut und angeordnet ist, um nukleiertes Polymermaterial freizugeben, und eine Fluidbahn, die das Aufnahmeende mit dem Freigabeende verbindet. Die Bahn weist eine Länge und Querschnittsabmessungen auf, die wie oben bestimmt sind, d.h. wie folgt. Wenn ein fluides Polymer, das homogen mit ungefähr 6 Gew.-% CO₂ vermischt ist, durch die Bahn mit einer Rate von ungefähr 18 kg (ungefähr 40 lbs) Fluid pro Stunde bewegt wird, so wird ein Druckabfall in dem fluiden Polymer von zumindest ungefähr 0,3 GPa/s erzeugt. Das System umfasst ferner eine Kammer zum Steuern der Dichte des mikrozellulären Materials, das von dem Nukleator freigegeben wird. Die Kammer weist einen Einlass, der mit dem Nukleatorfreigabeende verbunden ist, und einen Auslass auf, und besitzt einen Durchmesser von mindestens ungefähr 6,3 mm (ungefähr 0,25 inch) und ein Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von mindestens eins. Die Kammer ist aufgebaut und angeordnet, um Polymermaterial innerhalb der Kammer bei einem Druck von mindestens ungefähr 1,03 MPa (ungefähr 150 psi) zu halten. Dies verhindert die Bildung und das Wachstum von Zellen innerhalb der Kammer.
Die Offenbarung umfasst eine Polymerextrusionsvorrichtung, die einen Polymernukleator mit einem Polymeraufnahmeende umfasst, das aufgebaut und angeordnet ist, um eine fluide, nicht-nukleierte Einphasenlösung aus Polymermaterial und einem Treibmittel aufzunehmen, einem nukleierten Freigabeende, und einer fluiden Bahn, die das Polymeraufnahmeende mit dem Freigabeende verbindet. Die Querschnittsabmessung der Bahn nimmt in stromabwärtiger Richtung ab, und die Vorrichtung ist aufgebaut und angeordnet, um eine fluide, nicht-nukleierte Einphasenlösung aus Polymermaterial und einem Treibmittel dem Nukleatoraufnahmeende zuzuführen.
Auch ein System zum Erzeugen von mikrozellulärem Material ist hier offenbart. Das System beinhaltet einen Extruder mit einem Einlassende zum Aufnehmen eines Vorläufers von mikrozellulärem Material, einem Auslass, der dazu bestimmt ist, mikrozelluläres Material von dem Extruder freizugeben, und einer umschlossenen Durchführung, die den Einlass mit dem Auslass verbindet. Die Durchführung ist aufgebaut und angeordnet, um ein Treibmittel aufzunehmen, und um eine homogene Einphasenlösung des Treibmittels mit dem Vorläufer in fluidem Zustand bei einem höheren Druck innerhalb der Durchführung zu enthalten, und um die Lösung als fluiden Strom innerhalb der Durchführung in stromabwärtiger Richtung von dem Einlass zu dem Auslass hin zu bewegen. Die umschlossene Durchführung umfasst eine Keimbildungsbahn, auf der eine Einphasenlösung aus Treibmittel und mikrozellulärem Materialvorläufer, die sich hierdurch bewegt, nukleiert werden kann. Durch den Extruder ist ein Draht aufnehmbar und der Draht ist in Verbindung mit der Durchführung positionierbar. Ein weiteres System, oder dieses System, kann eine Drahtaufnahmevorrichtung umfassen, die derart positioniert ist, dass sie einen mit mikrozellulärem Polymermaterial beschichteten Draht aufnehmen kann, der von dem System abgegeben wird.
Sämtliche der oben beschriebenen Verfahren können, bei bestimmten Ausführungsformen, zusammen mit beliebig anderen verwendet werden, und jedes kann individuell oder in Kombination mit anderen mit einem beliebigen der oben beschriebenen Systeme, oder einer beliebigen Kombination der Systeme, verwendet werden. Auf ähnliche Weise kann jedes der Systeme allein oder in Kombination verwendet werden, und kann mit einem oder mehreren, einzeln oder in Kombination, der oben beschriebenen Verfahren verwendet werden. Die Systeme und Verfahren werden detaillierter in der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, und jedes der Merkmale, das wahlweise zu einer der Anordnungen hinzugefügt werden kann, kann ebenso zu einer beliebig anderen Anordnung hinzugefügt werden.
Das Verfahren der Erfindung kann ebenso eine Reihe von Gegenständen vorsehen, zum Beispiel ein geschäumtes Material, das dadurch erhalten wird, indem kontinuierlich ein Treibmittel in ein Material zugeführt wird, das ein kristallines oder semi-kristallines Polymermaterial aufweist, und das bewirkt, dass das Material die Form des geschäumten Materials annimmt. Das geschäumte Material weist die Form eines kontinuierlichen Extrudats auf, und ist mikrozellulär. Die Erfindung kann einen Gegenstand vorsehen, der einen Draht umfasst, und eine Beschichtung aus mikrozellulärem Material um den Draht, die eine Dicke aufweisen kann, die hierin bezüglich des sehr dünnen mikrozellulären Materials beschrieben ist. Die Beschichtung haftet sehr gut an dem Draht, und schafft eine gute elektrische Isolierung. Das mikrozelluläre Material weist eine maximale Dicke von weniger als ungefähr 0,5 mm auf. Das Material kann ein mikrozelluläres Polyolefin sein, und kann eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als ungefähr 30 Mikrometer aufweisen. Bei einer Ausführungsform weist das Material eine maximale Zellgröße von ungefähr 50 Mikrometer auf. Das Material kann im Wesentlichen geschlossenzellig sein, und kann eine Feuchtigkeitsabsorption von weniger als ungefähr 0,1 Gew.-% besitzen, basierend auf dem Gewicht der Beschichtung nach dem Eintauchen in Wasser für 24 Stunden.
Die Erfindung kann einen Gegenstand vorsehen, der geschäumtes PET mit einer I.V. von weniger als eins aufweist, oder geschäumtes kristallines oder semi-kristallines Polymermaterial mit einer Dichte von weniger als 128 kg/m³ (8 lbs/ft³), oder geschäumtes kristallines oder semi-kristallines Polymermaterial, das im Wesentlichen frei von die Schaumkontrollierbarkeit modifizierenden Modifizierern ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt ein Extrusionssystem dar, das einen Nukleator mit mehreren Bohrungen bzw. einen Mehrlochnukleator, eine Verweilkammer stromabwärts davon und eine Form stromabwärts der Verweilkammer umfasst;
2 stellt eine Treibmittelzuführöffnungsanordnung mit mehreren Löchern und eine Extrusionsschnecke dar;
3 stellt ein Extrusionssystem dar, das eine Mehrwege-Keimbildungs- und Formgebungsform umfasst;
4 ist ein Querschnitt im Schnitt nach 4-4 der 1;
5 stellt eine Mehrwege-Keimbildungs- und Formgebungsform dar;
6 ist eine Querschnittsansicht im Schnitt nach 6-6 der 5;
7 ist eine Querschnittsansicht im Schnitt nach 6-6 der 5 gemäß einer alternativen Ausführungsform;
8 ist eine Querschnittsansicht im Schnitt nach 6-6 der 5 gemäß einer noch weiteren alternativen Ausführungsform;
9 stellt einen multiplen konzentrischen Plattennukleator aus einer Formgebungsform von der in der 5 dargestellten Art dar;
10 ist ein multipler konzentrischer Plattennukleator einer Formgebungsform von der in 5 dargestellten Art gemäß einer weiteren Ausführungsform;
11 stellt einen Mehrlochnukleator oder eine Formgebungsform der Erfindung dar, einschließlich getrennter, geneigter Keimbildungsbahnen;
12a–12h stellen Mehrlochnukleatoren oder Keimbildungsabschnitte von formbildenden Formen mit einer Vielzahl von Durchführungsanordnungen und Querschnitten dar;
13 ist ein Diagramm eines typischen Druckabfalls durch eine parallele (gerade) Keimbildungsbahn, die typisch ist für eine standardmäßige Extrusionsformkonfiguration, ein Diagramm eines idealen Druckabfalls durch eine parallele Bahn, und ein Diagramm eines Druckprofils durch eine Keimbildungsbahn der Erfindung, deren Querschnittsfläche in stromabwärtiger Richtung abnimmt;
14 stellt ein Drahtextrusionssystem dar, das eine sich verjüngende Keimbildungsbahn umfasst;
15 ist eine Fotokopie einer Raster-Elektronenmikroskopaufnahme (REM) eines Querschnitts eines mit mikrozellulärem Polymermaterial extrusionsbeschichteten Drahtes, im Anschluss an die Entfernung des Drahtes;
16 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme der Beschichtung der 15 mit höherer Auflösung;
17 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines mit mikrozellulärem Polymermaterial extrusionsbeschichteten Drahtes, im Anschluss an das Entfernen des Drahtes;
18 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme der Beschichtung der 17 mit höherer Auflösung;
19 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Querschnitts eines weiteren Beispiels der mikrozellulären Drahtbeschichtung;
20 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme der mikrozellulären Drahtbeschichtung der 19 mit höherer Auflösung;
21 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines weiteren Beispiels der mikrozellulären Drahtbeschichtung;
22 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme der mikrozellulären Drahtbeschichtung der 21 mit höherer Auflösung;
23 ist eine Fotokopie einer optischen Mikroaufnahme der Drahtbeschichtungsprobe der 21 und 22, ohne dass der Draht entfernt wurde, und die in Epoxid angebracht ist;
24 ist eine Fotokopie einer optischen Mikroaufnahme der Drahtbeschichtungsprobe der 21 und 22, ohne dass der Draht entfernt wurde, und die in Epoxid angebracht ist;
25 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Querschnitts eines Polyethylenterephthalat (PET) Extrudats, das nicht mikrozellulär ist;
26 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Querschnitts eines mikrozellulären Extrudats;
27 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Querschnitts eines nicht-gleichmäßigen, flammhemmenden Polyethylenextrudats (FRP);
28 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts von mikrozellulärem FRPE-Extrudat;
29 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines nicht-mikrozellulären, gefüllten, plastizierten Polyvinylchlorid (PVC) Extrudats;
30 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines mikrozellulären, gefüllten, plastizierten PVC-Extrudats;
31 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines nicht-mikrozellulären Polypropylenextrudats;
32 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines mikrozellulären Polypropylenextrudats;
33 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines relativ offenzelligen, mikrozellulären FRP-Extrudats;
34 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines relativ geschlossenzelligen, mikrozellulären FRPE's;
35 ist ein Diagramm eines Druckprofils zwischen Stabilisierung, nachdem jedes in die Injektion geblasen wurde, und Keimbildung von geschmolzenem PET, das 6,5% CO₂ Treibmittel enthält;
36 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts eines mikrozellulären PET-Extrudats;
37 stellt eine Form mit mehreren Keimbildungsbahnen dar; und
38 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Querschnitts eines mikrozellulären PET-Extrudats;
39 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts von dünnem, mikrozellulärem Polypropylen;
40 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Materials der 39 mit höherer Auflösung;
41 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme eines Querschnitts von dünnem, mikrozellulärem Polypropylen eines weiteren Beispiels; und
42 ist eine Fotokopie einer REM-Aufnahme des Materials der 41 mit höherer Auflösung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der folgenden Definitionen verständlicher. Wie hierin verwendet bestimmt die "Keimbildung bzw. Nukleation" einen Prozess, bei dem eine homogene Einphasenlösung aus Polymermaterial, in der Moleküle einer Sorte gelöst sind, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, Cluster von Molekülen der Sorte bildet, wobei die Cluster "Keimbildungsstellen" definieren, von denen aus Zellen wachsen. "Keimbildung" bedeutet eine Änderung einer homogenen Einphasenlösung in ein Mehrphasengemisch, in dem Aggregationsstellen in dem ganzen Polymermaterial von mindestens mehreren Molekülen des Treibmittels gebildet werden. Ein "Keimbildungsmittel" ist ein dispergiertes Mittel, wie z.B. Talk oder andere Füllstoffteilchen, das einem Polymer zugefügt wird und das in der Lage ist, die Bildung von Keimbildungsstellen aus einer einphasigen, homogenen Lösung zu fördern. Somit definieren "Keimbildungsstellen" nicht Orte innerhalb eines Polymers, an denen sich Keimbildungsmittelteilchen befinden. "Nukleiert" bezieht sich auf einen Zustand eines fluiden Polymermaterials, das eine einphasige, homogene Lösung enthalten hatte, einschließlich einer aufgelösten Sorte, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, gefolgt von einem Ereignis (üblicherweise thermodynamische Instabilität), das zu der Bildung von Keimbildungsstellen führt. "Nicht-nukleiert" bezieht sich auf einen Zustand, der durch eine homogene Einphasenlösung aus Polymermaterial und einer aufgelösten Sorte, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, bestimmt ist, wobei Keimbildungsstellen fehlen. Ein "nicht-nukleiertes" Material kann ein Keimbildungsmittel, wie z.B. Talk, umfassen.
In dieser Beschreibung beschrieben ist ein System zum Extrudieren von mikrozellulärem oder supermikrozellulären Polymermaterial vor. Das Material kann auf ein Substrat, wie z.B. einen Draht, extrudiert werden. Zum Zwecke der vorliegenden Offenbarung ist mikrozelluläres Material als geschäumtes Material definiert, das eine Durchschnittszellgröße von weniger als ungefähr 100 Mikrometer im Durchmesser enthält, oder ein Material mit einer Zelldichte von im Allgemeinen größer als zumindest ungefähr 10⁶ Zellen pro Kubikzentimeter, oder bevorzugt beides. Bei einigen Ausführungsformen weist das mikrozelluläre Material der Erfindung eine Durchschnittzellgröße von weniger als ungefähr 50 Mikrometer Durchmesser auf, bevorzugt jedoch weniger als ungefähr 30 Mikrometer Durchmesser. Der Leerstellenanteil des mikrozellulären Materials schwankt im Allgemeinen zwischen 5% bis 98%. Supermikrozelluläres Material ist für die Zwecke der Erfindung durch Durchschnittszellgrößen kleiner als 1 Mikrometer und Zelldichten größer als 10¹² Zellen pro Kubikzentimeter definiert.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das mikrozelluläre Material mit einer Durchschnittszellgröße von weniger als ungefähr 50 Mikrometer hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist eine besonders kleine Zellgröße erwünscht, und bei diesen Ausführungsformen weist das hergestellte Material eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als ungefähr 20 Mikrometer auf, bevorzugt weniger als ungefähr 10 Mikrometer, und besonders bevorzugt weniger als ungefähr 5 Mikrometer. Das mikrozelluläre Material weist bevorzugt eine maximale Zellgröße von ungefähr 100 Mikrometer auf. Bei Ausführungsformen, in denen eine besonders kleine Zellgröße erwünscht ist, kann das Material eine maximale Zellgröße von ungefähr 50 Mikrometer aufweisen, bevorzugt ungefähr 25 Mikrometer, und besonders bevorzugt ungefähr 15 Mikrometer. Eine Reihe von Ausführungsformen umfasst alle Kombinationen dieser angegebenen Durchschnittszellgrößen und maximalen Zellgrößen. Zum Beispiel umfasst eine Ausführungsform in dieser Reihe von Ausführungsformen mikrozelluläres Material mit einer Durchschnittszellgröße von weniger als ungefähr 30 Mikrometer und einer maximalen Zellgröße von ungefähr 50 Mikrometer, und ein anderes Beispiel weist eine Durchschnittszellgröße von weniger als ungefähr 30 Mikrometer mit einer maximalen Zellgröße von ungefähr 35 Mikrometer, usw. auf. Das mikrozelluläre Material, das für eine Vielzahl von Zwecken bestimmt ist, kann mit einer besonderen Kombination der Durchschnittszellgröße und der maximalen Zellgröße hergestellt werden, die für diesen Zweck bevorzugt sind. Die Steuerung bzw. Kontrolle der Zellgröße wird im Detail später beschrieben. Bei einer Reihe von bevorzugten Ausführungsformen ist der Leerstellenanteil des Mikrozellenmaterials so, wie es in Bezug auf die 14 beschrieben ist.
Bei einer Ausführungsform wird im Wesentlichen geschlossenzelliges, mikrozelluläres Material hergestellt. Wie hierin verwendet, bedeutet "im Wesentlichen geschlossenzellig" ein Material, das bei einer Dicke von ungefähr 100 Mikrometer keine verbundenen Zellbahnen in dem Material enthält.
Obwohl nicht für alle Ausführungsformen notwendig, beruht eine Reihe von Ausführungsformen der Erfindung auf der separaten Keimbildung von separaten Abschnitten eines Stromes einer Einphasenlösung aus fluidem Polymermaterial, dem ein Treibmittel beigemischt worden ist. Die separaten Abschnitte werden anschließend wieder zusammengeführt, um einen einzigen Strom oder Gegenstand zu bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die separaten Bereiche separat gleichzeitig nukleiert. Indem ein Strom in separate Bereiche unterteilt wird, die separaten Bereiche gleichzeitig separat nukleiert werden, und die separaten Bereiche wieder zusammengeführt werden, um einen einzigen nukleierten Strom oder mikrozellulären Gegenstand zu bilden, kann ein sehr viel höherer Durchsatz erzielt werden, und dickere Teile können hergestellt werden aufgrund der gleichzeitigen Keimbildung, und der separaten Keimbildung von kleineren Mengen und der Zusammenführung der kleineren Mengen, um eine größere Menge zu bilden, was zu einer besseren Gleichmäßigkeit von Zellen mit hoher Qualität über einen Querschnitt des Polymers führt.
Die separate Keimbildung von separaten Abschnitten eines Fluidstromes und die erneute Zusammenführung des Stromes kann in einem Mehrwege-Nukleator stattfinden, der stromaufwärts der Formgebungsform der Vorrichtung positioniert ist. Auf diese Weise wird die Keimbildung und das Formen getrennt, wobei die separate Keimbildung zu einem Strom mit relativ großem Querschnitt und hoher Keimbildungsdichte und sehr guter Gleichmäßigkeit führt, und dieser Strom wird einer formbildenden Form zugeführt, die sich den Strom mit großem Querschnitt und hoher Zelldichte zu Nutzen macht, um eine Anzahl von Teilen zu formen. Indem die Keimbildung von dem Formen getrennt wird, findet die Keimbildung auf eine Weise statt, die frei an Formbeschränkungen des Endproduktes ist. Der Mehrfachbahnnukleator kann in dieser Reihe von Ausführungsformen über eine Kammer, die den Druck und die Temperatur eines fluiden Polymergemisches innerhalb der Kammer steuert, von der formbildenden Form getrennt werden. Somit können die Materialdichte und Zelldichte gesteuert werden. Um das erneute Zusammenführen der separaten Abschnitte zu vereinfachen, kann ein Mischer, wie z.B. ein statischer Mischer, stromabwärts des Nukleators positioniert werden, wahlweise in der Kammer 70, wie unten beschrieben.
Die Trennung der Keimbildung von dem Formen kann mit Einlochnukleatoren oder anderen Nukleatoren ausgeführt werden, die nicht mehrere Bahnen umfassen, während Vorteile des Verfahrens ebenso realisiert werden können.
Bei einer anderen Reihe von Ausführungsformen findet die Keimbildung und das Formen in dem gleichen allgemeinen Bereich statt, nämlich an einer formausbildenden Keimbildungs-Form, und die formausbildende Keimbildungs-Form kann eine Vielzahl von separaten Keimbildungsbahnen umfassen, d.h. kann eine Mehrfachbahnkeimbildungsform definieren, die einen höheren Durchsatz und dickere Teile ermöglicht, als sie üblicherweise in herkömmlichen Verfahren erhältlich sind.
Bezugnehmend auf die 1 ist ein Extrusionssystem 30 schematisch dargestellt. Das Extrusionssystem 30 umfasst eine Trommel 32 mit einem ersten, stromaufwärtigen Ende 34 und einem zweiten, stromabwärtigen Ende 36. Innerhalb der Trommel 32 ist eine Extrusionsschnecke 38 drehbar angebracht, die betriebsmäßig an ihrem stromaufwärtigen Ende mit einem Antriebsmotor 40 verbunden ist. Obwohl nicht im Detail gezeigt, umfasst die Extrusionsschnecke 38 Zuführ-, Übergangs-, Gaszuführ-, Misch- und Messabschnitte.
Entlang der Extrusionstrommel 32 sind wahlweise Temperatursteuereinheiten 42 positioniert. Die Steuereinheiten 42 können elektrische Heizelemente sein, und können Durchführungen für ein Temperatursteuerfluid, oder dergleichen umfassen. Die Einheiten 42 können verwendet werden, um einen Strom aus pelletisiertem oder fluidem Polymermaterial innerhalb der Extrusionstrommel zu erwärmen, um so das Schmelzen zu vereinfachen, und/oder um den Strom zu kühlen, um so die Viskosität, die Hautbildung und in einigen Fällen die Löslichkeit des Treibmittels zu steuern. Die Temperatursteuereinheiten können an unterschiedlichen Orten entlang der Trommel unterschiedlich betrieben werden, d.h. sie können eine oder mehrere Orte erwärmen und eine oder mehrere unterschiedliche Orte kühlen. Eine beliebige Anzahl von Temperatursteuereinheiten kann vorgesehen werden.
Die Extrusionstrommel 32 ist aufgebaut und angeordnet, um einen Vorläufer eines fluiden Polymermaterials aufzunehmen. Amorphes, semi-kristallines und kristallines Material einschließlich styrolischen Polymere, Polyolefine, wie z.B. Polyethylen oder Polypropylen, Fluorpolymere, quer-vernetzbare Polyolefine, Polyamide, Polyaromaten, wie z.B. Polystyrol und Polyvinylchlorid, können verwendet werden. Üblicherweise beinhaltet dies einen standardmäßigen Ausgabetrichter 44, der pellitisiertes Polymermaterial enthält, und das in die Extrudertrommel durch die Öffnung 46 zuzuführen ist, obwohl ein Vorläufer ein fluides vorpolymerisches Material sein kann, das durch eine Öffnung zugeführt und innerhalb der Trommel, durch z.B. zusätzliche Polymerisationsmittel, polymerisiert wird. Werden chemische Treibmittel verwendet, sind diese üblicherweise in Polymerpellets gebunden und werden dem Ausgabetrichter 44 zugeführt.
Unmittelbar stromabwärts des stromabwärtigen Endes 48 der Schnecke 8 in 1 befindet sich ein Bereich 50, der ein Temperatureinstell- und Steuerbereich, ein zusätzlicher Mischbereich, ein zusätzlicher Pumpbereich oder dergleichen sein kann. Zum Beispiel kann der Bereich 50 Temperatursteuereinheiten umfassen, um die Temperatur eines fluiden Polymerstroms vor der Keimbildung, wie unten beschrieben ist, einzustellen. Der Bereich 50 kann stattdessen, oder zusätzlich, Standardmischeinheiten (nicht gezeigt), oder eine Flusssteuereinheit, wie z.B. eine Zahnradpumpe (nicht gezeigt) umfassen. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Bereich 50 durch eine zweite Schnecke oder eine Tandem-Extrusionsvorrichtung ersetzt, wobei die zweite Schnecke wahlweise einen Kühlbereich umfasst.
Wird ein physikalisches Treibmittel verwendet, befindet sich entlang der Trommel 32 des Systems 30 ein Anschluss 54, der in fluider Verbindung mit einer Quelle 56 eines physikalischen Treibmittels steht (diese Vorrichtung ist nicht erforderlich, wenn lediglich ein chemisches Treibmittel verwendet wird). Ein beliebiges einer Vielfalt von Treibmitteln, die dem Fachmann bekannt sind, wie z.B. Kohlenwasserstoffe, Fluorchlorkohlenwasserstoffe, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und dergleichen, können in Verbindung mit dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Quelle 56 Kohlenstoffdioxid als ein Treibmittel vor. Eine Druck- und Messvorrichtung 58 ist üblicherweise zwischen der Treibmittelquelle 56 und dem Anschluss 54 vorgesehen. Superkritische fluide Treibmittel sind besonders bevorzugt, insbesondere superkritisches Kohlenstoffdioxid.
Ein beliebiges einer Vielfalt von Treibmitteln kann in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, z.B. physikalische Treibmittel und chemische Treibmittel. Geeignete chemische Treibmittel umfassen solche organische Verbindungen mit üblicherweise relativ niedrigem Molekulargewicht, welche sich bei einer kritischen Temperatur oder einer anderen Bedingung, die bei der Extrusion erzielbar ist, zersetzen, und die ein Gas oder Gase, wie z.B. Stickstoff, Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid, freisetzen. Beispiele umfassen Azo-Verbindungen, wie z.B. Azo-Dicarbonamid. Wo ein chemisches Treibmittel verwendet wird, können die Treibmittel in die Systeme der Erfindung zugeführt werden, indem sie innerhalb von Polymer-Pellets, die dem System zugeführt werden, gebunden sind, oder durch andere Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind.
Die Vorrichtung 58 kann zum Abmessen bzw. Dosieren des Treibmittels verwendet werden, um so die Menge des Treibmittels in dem Polymerstrom innerhalb des Extruders zu steuern, und um den Treibmittelpegel auf einem Pegel bzw. Level, gemäß einer Reihe von Ausführungsformen, zwischen ungefähr 1% und 15 Gew.-% zu halten, bevorzugt zwischen ungefähr 3% und 12 Gew.-%, und besonders bevorzugt zwischen ungefähr 5% und 10 Gew.-%, und noch bevorzugter zwischen ungefähr 7% und 9 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Polymerstroms und Treibmittels. Bei einer anderen Reihe von Ausführungsformen, die unten beschrieben sind, ist es bevorzugt, dass niedrigere Pegel des Treibmittels verwendet werden. Für den Leser wird es offensichtlich sein, dass unterschiedliche Pegel des Treibmittels bei unterschiedlichen Bedingungen und/oder für unterschiedliche Zwecke erwünscht sind, und die zur Realisierung der Erfindung ausgewählt werden können.
Die Druck- und Messvorrichtung kann mit einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) verbunden werden, die ebenso mit einem Antriebsmotor 40 und/oder einem Antriebsmechanismus einer Zahnradpumpe (nicht gezeigt) verbunden ist, um das Abmessen des Treibmittels in Beziehung auf den Fluss des Polymermaterials zu steuern, und um sehr genau die Gewichtsprozent des Treibmittels in dem fluiden Polymergemisch zu steuern.
Obwohl sich der Anschluss 54 an einer beliebigen Stelle entlang der Extrudertrommel befinden kann, ist er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unmittelbar stromaufwärts eines Mischbereichs 60 der Extrusionsschnecke und an einer Stelle 62 der Schnecke angeordnet, wo die Schnecke durchgehende Schneckengänge bzw. Gänge umfasst.
Bezugnehmend nun auf die 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Treibmittelanschlusses im Detail dargestellt, und zusätzlich sind zwei Anschlüsse an gegenüberliegenden oberen und unteren Seiten der Trommel gezeigt. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform befindet sich der Anschluss 54 in einem Bereich stromaufwärts von dem Mischbereich 60 der Schnecke 38 (mit stark unterbrochenen Gängen) mit einem Abstand stromaufwärts des Mischbereichs von nicht mehr als ungefähr vier vollständigen Gängen, bevorzugt nicht mehr als ungefähr zwei vollständigen Gängen oder nicht mehr als einem vollständigen Gang. Derart positioniert wird das zugeführte Treibmittel sehr schnell und gleichmäßig mit einem fluiden Polymerstrom vermischt, um schnell eine Einphasenlösung aus dem geschäumten Materialvorläufer und dem Treibmittel herzustellen.
Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der Anschluss 54 ein Mehrlochanschluss, der eine Vielzahl von Öffnungen 64 umfasst, die die Treibmittelquelle mit der Extrudertrommel verbinden. Wie gezeigt, sind in bevorzugten Ausführungsformen eine Vielzahl von Anschlüssen 54 um die Extrudertrommel an verschiedenen radialen Positionen vorgesehen und können longitudinal miteinander ausgerichtet sein. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Anschlüssen 54 an Positionen bei 12 Uhr, 3 Uhr, 6 Uhr und 9 Uhr um die Extrudertrommel angeordnet sein, wobei jeder eine Vielzahl von Öffnungen 64 umfasst. Auf diese Weise, falls jede Öffnung 64 als eine Treibmittelöffnung angesehen wird, umfasst die Erfindung eine Extrusionsvorrichtung mit zumindest ungefähr 10, bevorzugt mindestens ungefähr 40, insbesondere bevorzugt mindestens ungefähr 100, und noch bevorzugter mindestens ungefähr 300, und noch bevorzugter mindestens ungefähr 500, und noch bevorzugter mindestens ungefähr 700 Treibmittelöffnungen, die in fluider Verbindung mit der Extrudertrommel stehen, und die auf fluide Weise die Trommel mit einer Treibmittelquelle verbinden.
Ebenso gibt es bei bevorzugten Ausführungsformen eine Anordung (wie in 2 gezeigt), in der die Treibmittelöffnung oder Öffnungen entlang der Extrudertrommel an einer Stelle positioniert sind, wo, falls eine bevorzugte Schnecke in der Trommel angebracht ist, die Öffnung oder die Öffnungen sich angrenzend an vollständigen, ungebrochenen bzw. kontinuierlichen Gängen 65 befinden. Während die Schnecke sich dreht, passiert oder "wischt" auf diese Weise jeder Gang jede Öffnung periodisch. Dieses Wischen erhöht das schnelle Mischen des Treibmittels und des fluiden geschäumten Materialvorläufers, in dem, in einer Ausführungsform, im Wesentlichen jede Öffnung durch periodisches Blockieren derselben rasch geöffnet und geschlossen wird, falls der Gang relativ zur Öffnung groß genug ist, um die Öffnung vollständig zu blockieren, falls beide ausgerichtet sind. Das Ergebnis ist eine Verteilung von relativ fein unterteilten, isolierten Bereichen des Treibmittels in dem fluiden Polymermaterial unmittelbar nach dem Zuführen bzw. der Injektion und vor dem Mischen. In dieser Anordnung wird jede Öffnung bei einer Standardschneckenumdrehungsgeschwindigkeit von ungefähr 30 rpm von einem Gang mit einer Rate von mindestens ungefähr 0,5 Vorbeiläufen pro Sekunde passiert, bevorzugt mindestens einem Vorbeilauf pro Sekunde, und besonders bevorzugt von mindestens 1,5 Vorbeiläufen pro Sekunde, und noch bevorzugter von mindestens ungefähr 2 Vorbeiläufen pro Sekunde. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Öffnungen 54 mit einem Abstand von ungefähr 15 bis ungefähr 30 Trommeldurchmesser von dem Anfang der Schnecke (an dem stromaufwärtigen Ende 34) positioniert.
Die beschriebene Anordnung vereinfacht ein Verfahren der Erfindung, das gemäß einer Reihe von Ausführungsformen praktiziert wird. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines Treibmittels in fluides Polymermaterial, das mit einer Rate von mindestens ungefähr 18 kg pro Stunde (ungefähr 40 lbs/h) fließt, wobei das Treibmittel unter Umgegungsbedingungen ein Gas ist, und das Erzeugen einer Einphasenlösung aus dem Treibmittelfluid in dem Polymer in einem Zeitrahmen von weniger als ungefähr einer Minute. Das Treibmittelfluid ist in der Lösung mit einer Menge von mindestens ungefähr 2,5 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht der Lösung in dieser Anordnung, vorhanden. Bei bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Flussrate des fluiden Polymermaterials mindestens ungefähr 27 kg/h (ungefähr 60 lbs/h), bevorzugt mindestens ungefähr 36 kg/h (ungefähr 80 lbs/h), und bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform mehr als mindestens ungefähr 45 kg/h (ungefähr 100 lbs/h), und das Treibmittelfluid wird zugesetzt und eine Einphasenlösung wird innerhalb einer Minute gebildet, wobei das Treibmittel in der Lösung mit einer Menge von mindestens ungefähr 3 Gew.-%, bevorzugt mindestens ungefähr 5 Gew.%, und besonders bevorzugt mindestens ungefähr 7%, und noch bevorzugter mindestens ungefähr 10%, vorhanden ist (obwohl, wie erwähnt, in einer anderen Reihe von bevorzugten Ausführungsformen niedrigere Pegel des Treibmittels verwendet werden). Bei diesen Anordnungen wird mindestens ungefähr 1,09 kg/h (ungefähr 2,4 lbs/h) Treibmittel, bevorzugt CO₂, in den fluiden Strom zugeführt und darin vermischt, um eine Einphasenlösung zu bilden. Die Einführungsrate des Treibmittels wird der Flussrate des Polymers angeglichen, um die optimale Treibmittelkonzentration zu erzielen.
Wieder bezugnehmend auf die in 1 dargestellte Ausführungsform ist ein System vorgesehen, welches ein mikrozelluläres oder supermikrozelluläres Produkt mit sehr kleiner Zellgröße, hoher Zelldichte und gesteuerter Zelldichte in Gegenständen mit sehr kleiner Querschnittsabmessung oder sehr großen Querschnittsabmessungen herstellen kann, indem die Keimbildung von dem Formen getrennt wird. Dies beinhaltet gemäß der Ausführungsform der 1 einen Nukleator 66, der weit genug stromabwärts von dem Treibmittelzuführanschluss 54 entfernt ist, dass er eine fluide Einphasenlösung aus dem Polymervorläufer des mikrozellulären Materials und dem Treibmittel aufnimmt, und eine formbildende Form 68, die stromabwärts sich von dem Nukleator 66 befindet. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der Nukleator 66 ein Mehrfachbahnnukleator, der eine Vielzahl von getrennten Keimbildungsbahnen 67 umfasst, von denen jede den Bereich der Extrudertrommel stromaufwärts des Nukleators mit dem Bereich des Extruders stromabwärts desselben auf fluide Weise verbindet.
Wie hierin verwendet, bedeutet " Keimbildungsbahn" einen Gang, der einen Teil der mikrozellulären Polymerschaumextrusionsvorrichtung bildet, und in dem bei Bedingungen, bei denen die Vorrichtung betreibbar ist (üblicherweise bei Drücken von ungefähr 10,34 bis ungefähr 34,47 MPa (ungefähr 1500 bis ungefähr 5000 psi) stromaufwärts des Nukleators und mit Flussraten von mehr als ungefähr 4,5 kg (ungefähr 10 lbs) Polymermaterial pro Stunde), der Druck einer Einphasenlösung aus mit Treibmittel zugemischtem Polymermaterial in dem System unterhalb des Sättigungsdruckes für die spezielle Treibmittelkonzentration mit einer Rate oder Raten, die die Keimbildung vereinfachen, fällt. Eine Keimbildungsbahn definiert, wahlweise mit anderen Keimbildungsbahnen, einen Keimbildungsbereich eines Extruders. Während ein Mehrfachbahnnukleator bei einigen Ausführungsformen bevorzugt ist, beinhaltet ein Aspekt der Erfindung im weitesten Sinne die Trennung der Keimbildung von dem Formen, und diesbezüglich kann eine beliebige Anordnung als ein Nukleator dienen, der einen fließenden Strom einer Einphasenlösung aus geschäumtem Materialvorläufer und Treibmittel einer Löslichkeitsänderung aussetzt, die ausreichend ist, um das Treibmittel zu nukleieren. Diese Löslichkeitsänderung kann eine rasche Temperaturänderung, eine schnelle Druckänderung oder eine Kombination beinhalten, und der Fachmann erkennt eine Vielzahl von Anordnungen zum Erzielen der Keimbildung auf diese Weise.
Wo eine schnelle Temperaturänderung ausgewählt wird, um diese Keimbildung zu erzielen, können Temperatursteuereinheiten um den Nukleator 66 vorgesehen sein. Keimbildung durch Temperatursteuerung wird in dem U.S. Patent Nr. 5,158,986 (Cha, et al.) besachrieben. Die Temperatursteuereinheiten können alleine oder in Kombination mit einer Fluidbahn des Nukleators 66 verwendet werden, was eine hohe Druckabfallrate in dem hierdurch fließenden fluiden Polymermaterial erzeugt.
Wie oben diskutiert, ermöglicht die Trennung der Keimbildung von dem Formen einen großen Fluidstrom des hoch-nukleierten, sehr gleichmäßigen Polymermaterials, das einer Form zuzuführen ist. Die Trennung der Keimbildung von dem Formen ist ebenso dahingehend vorteilhaft, dass das Formen keine Keimbildung beinhalten muss. In dem Stand der Technik ist die Annahme vorherrschend, dass die Steuerung der Schäumung von Material über einen Druckabfall eine Herausforderung aufgrund der Tatsache ist, dass die Freigabe eines Fluidgemisches aus Treibmittel und Polymermaterial von einem Druckzustand, bei dem das Treibmittel fluid ist, in einen Zustand mit Umgebungsbedingungen (typisch für die Schaumbearbeitung) zu einer heftigen Expansion des Treibmittels und zur Erzeugung von offenzelligem Material führen kann. Während die Erzeugung von offenzelligem Material für eine Vielzahl von Produkten wünschenswert ist, so ist es oftmals ein Ziel, ein geschlossenzelliges Material zu erzeugen, und geschlossenzelliges, mikrozelluläres Material ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt. Die Schwierigkeit bezüglich der Steuerung kann durch die Tatsache verschlimmert werden, dass das Halten eines Fluidgemisches aus Treibmittel und Polymermaterial vor dem Schäumen oftmals dadurch erzielt wird, dass das Gemisch bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Polymers und bei sehr hohen Drücken gehalten wird. Ein schneller Übergang von Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen zu Umgebungsbedingungen ist auf steuerbare Weise schwierig zu erzielen. Selbst, falls ein schneller Druckabfall erzielt wird, und falls der Übergang zur Umgebungstemperatur nicht auf schnelle Weise stattfindet, können sich Zellen weiter auf unerwünschte Weise ausdehnen.
Deshalb kann die formbildende Form 68 und der Nukleator 66 entsprechend der Ausführungsformen der Erfindung voneinander um einen Abstand getrennt werden, der ausreicht, um Bedingungen zu ermöglichen, die derart gesteuert werden, dass das Formen auf steuerbare Weise erzielt werden kann. Das heißt, die Druck- und Temperaturbedingungen stromabwärts des Nukleators müssen nicht so streng sein wie diejenigen stromaufwärts, wo es notwendig ist, eine Einphasenlösung aufrecht zu erhalten, so dass eine Keimbildung mit hoher Dichte erzielt werden kann. Eine Verweilkammer 70 ist zwischen dem Nukleator 66 und der formbildenden Form 68 positioniert, um die Temperatur- und, falls erwünscht, Druckbedingungen zu steuern. Natürlich, falls keine Drucksteuervorrichtungen innerhalb der Kammer vorgesehen sind, wird der Druck auf natürliche Weise zu einem gewissen Ausmaß über einen Fluss durch die Kammer abfallen. Vorzugsweise weist die Verweilkammer eine Außenwand auf, die von einer oder mehreren Temperatursteuereinheiten 42 adressiert ist. Obwohl nicht dargestellt können die Temperatursteuereinheiten 42 Fluiddurchführungen umfassen, durch die ein Temperatursteuerfluid, wie z.B. ein Kühlfluid, hindurchbewegt werden kann. Die Kammer 70 kann eine beliebige Querschnittsform aufweisen, und kann ringförmig sein.
Die Kammer 70 weist mehrere Funktionen auf, einschließlich des Zusammenführens von Strömen nukleierten Materials, wenn sie aus einem Mehrwege- bzw. Mehrfachgangnukleator herauskommen, und des Steuerns des Zellwachstums des nukleierten Materials, indem die Zeitspanne variiert wird, während der es in der Kammer bleibt ("Verweilzeit") und durch Variieren des Außendruckes und der Temperatur innerhalb der Kammer. Die Kammer kann Mischelemente enthalten, wie z.B. einen statischen Mischer, um die nukleierten Ströme zu kombinieren und um eine gleichmäßigere Temperatur oder Treibmittelkonzentration vorzusehen. Die Kühlfunktion der Kammer kann verwendet werden, um eine Haut an der Außenseite des Polymers zu bilden. Das Ausmaß des Zellwachstums ist eine Funktion der Verweilzeit, des Außendruckes und der Temperatur der Polymerschmelze. Bevorzugte Kammern der Erfindung sind mit unterschiedlichen Längen ausgestaltet, um Verweilzeiten von bis zu ungefähr 1,5 Minuten zu ermögllichen, obwohl Verweilzeiten von mindestens ungefähr 10 Sekunden, 20 Sekunden, 40 Sekunden, 1 Minute oder 1,25 Minuten verwendet werden können.
Durch ein Kühlen eines nukleierten Fluidgemisches aus Polymermaterial und Treibmittel innerhalb der Kammer 70 kann das Formen mit geringerer gleichzeitiger Expansion stattfinden. Die Expansion der Zellen kann innerhalb der Verweilkammer auf steuerbare Weise auftreten, und anschließend kann das Gemisch mit dem Fluidgemisch des Polymermaterials und sehr kleinen Zellen bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um das Formen zu ermöglichen, durch die Form 68 hindurchbewegt werden und in ein Endprodukt ausgebildet werden.
Ebenso ist in 1 ein optionales Formelement 69 stromabwärts der formbildenden Form 68 dargestellt. Das Formelement 69 kann eine weitere Kontrolle bzw. Steuerung der Dicke oder der Form eines extrudierten Produkts vorsehen, indem es eine Expansion einschränkt, oder indem es das Extrudat weiterhin kühlt (über z.B. die Kühlfluidkanäle oder andere Temperatursteuereinheiten in dem Element 69, nicht gezeigt), oder eine Kombination derselben. Ohne das Element 69 wird das Extrudat bei Umgebungsbedingungen nach dem Herauskommen aus der formgebenden Form 68 extrudiert (lediglich durch das polymerische Extrudat stromabwärts des Ausgangs der Form eingeschränkt). Mit dem Element 69 tritt das Extrudat im Allgemeinen aus der formgebenden Form in Druckbedingungen heraus, die geringfügig oberhalb des Umgebungsdruckes liegen.
Bezugnehmend auf die 1 sind einige Anordnungen beschrieben. Bei einer bewegt sich ein polymerisches Extrudat aus einem Keimbildungsgang in Umgebungsbedingungen heraus und wird dort zusammengeführt. Dies würde die Elimination von Komponenten stromabwärts des Nukleators 66 beinhalten, und ist unten mit Bezug auf die 3 und 5 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Anordnungen der 3 und 5 Bereiche stromabwärts des Nukleators umfassen, die eine Umhüllung und das Formen des Extrudats vorsehen. Bei einer anderen Anordnung gibt es lediglich das Formelement 69 stromabwärts des Nukleators (analog zu den Ausführungsformen der 3 und 5). In einer weiteren umfasst das System den Nukleator 66, eine Umschließung stromabwärts desselben (Kammer 70) und eine Beschränkung an dem Ende der Kammer (formbildende Form 68). Bei noch einer anderen umfasst das System einen Nukleator 66, eine Kammer 70, eine formbildende Form 68 und ein Formelement 69, wie dies in dem kompletten System der 1 dargestellt ist. Auf andere Weise beschrieben sind ein oder mehrere Beschränkungen aufgebaut und angeordnet, um eine oder mehrere Keimbildungsbahnen ,und eine oder mehrere Beschränkungen stromaufwärts und/oder stromabwärts der einen oder mehreren Keimbildungsbahnen zu bestimmen, von denen jede optional die Fähigkeit der Temperatursteuerung und/oder die Fähigkeit des Formens besitzt.
Sehr dünne Produkte, wie z.B. Folien, können dadurch hergestellt werden, dass das Zellwachstum derart gesteuert wird, dass sich sehr kleine Zellen ergeben, und die Zellen innerhalb der Folie enthalten sind (die Zellen erzeugen keine Löcher quer über die Folie), und sehr dickes Material kann hergestellt werden (besonders mit einem Mehrlochnukleator), da Zellen aus gesteuertem Wachstum gleichmäßig innerhalb der Verweilkammer 70 unmittelbar stromaufwärts der formbildenden Form 68 verteilt sind. Im Gegensatz dazu, wo in dem Fall von typisch herkömmlichen, mikrozellulären Prozessen der gesamte mikrozelluläre Schaumprozess an der formbildenden Form stattfindet, war es schwierig, dickes Material herzustellen, da eine schnelle Keimbildung und Zellwachstum in einem einzigen Schritt üblicherweise nicht gleichmäßig über einen großen Querschnitt des Materials stattfinden kann, und Druckabfallraten, die ausreichen, um eine Keimbildung zu bewirken, sind in Nukleatoren mit großer Querschnittsabmessung sehr schwierig zu erzielen gewesen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Nukleator 66 ein Polymeraufnahmeende auf, das in fluider Verbindung mit der Extrusionstrommel ist, welche aufgebaut und angeordnet ist, um eine fluide, nicht-nukleierte Einphasenlösung aus von der Trommel zugeführtem Polymermaterial und Treibmittel aufzunehmen. Der Nukleator umfasst ein Freigabeende für nukleiertes Polymer, das in Verbindung mit der Verweilkammer 70 ist, und welches aufgebaut und angeordnet ist, um ein nukleiertes Polymermaterial bei das Zellwachstum kontrollierenden Bedingungen zu enthalten, und eine Fluidbahn, die das Aufnahmeende mit dem Freigabeende verbindet. Die Fluidbahn des Nukleators weist eine Länge und Querschnittsabmessungen auf, die eine erwünschte Druckabfallrate über die Bahn erzeugt. Bei einer Reihe von Ausführungsformen ist die Druckabfallrate relativ hoch, und ein weiter Bereich von Druckabfallraten ist erzielbar. Eine Druckabfallrate von mindestens ungefähr 0,1 GPa/s in geschmolzenem Polymermaterial, dem ungefähr 6 Gew.-% CO₂ homogen zugemischt wurde, das auf der Bahn mit einer Rate von ungefähr 18 kg (ungefähr 40 Pfund) Fluid pro Stunde bewegt wird, kann durch die Bahn erzeugt werden. Vorzugsweise erzeugen die Abmessungen eine Druckabfallrate in der Bahn von mindestens ungefähr 0,3 GPa/s unter diesen Bedingungen, noch bevorzugter von mindestens 1 GPa/s, und noch bevorzugter von mindestens ungefähr 3 GPa/s, und besonders bevorzugt von mindestens ungefähr 5 GPa/s, und noch bevorzugter von mindestens ungefähr 7, 10 oder 15 GPa/s.
Der Nukleator ist besonders beeignet zur Herstellung von Material bei hohem Durchsatz. Die Verweilkammer 70 weist eine kleinste Querschnittsabmessung (d.h. Durchmesser mit einem kreisförmigen Querschnitt, oder Querschnitt einer ringförmigen Bahn, etc.) von ungefähr 6,35 mm (ungefähr 0,25 inch) bei einer Reihe von Ausführungsformen, und von ungefähr 10,2 mm (ungefähr 0,4 inch) bei einer anderen Reihe von Ausführungsformen, und von ungefähr 15,2 mm (ungefähr 0,6 inch) bei einer anderen Reihe von Ausführungsformen, und von ungefähr 20,3 mm (ungefähr 0,8 inch) in einer anderen Reihe von Ausführungsformen, und von ungefähr 25,4 mm (ungefähr 1,0 inch) bei einer anderen Reihe von Ausführungsformen auf. Die Kammer 70 besitzt ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens ungefähr 1, vorzugsweise von mindestens ungefähr 2, und noch bevorzugter von ungefähr mindestens 3. Vorzugsweise ist das Verhältnis von Länge zu Durchmesser mindestens 10, vorzugsweise 20, und noch bevorzugter 40. Die Kammer 70 ist aufgebaut und angeordnet, um ein Polymermaterial innerhalb der Kammer bei einem Druck von mindestens ungefähr 1,03 MPa (ungefähr 150 psi) zu halten, vorzugsweise von mindestens ungefähr 3,45 MPa (ungefähr 500 psi). Auf diese Weise sollte die Verweilkammer eine Kombination von einem oder mehreren der im Folgenden Aufgeführten umfassen: Temperatursteuerung, Auslassöffnungsgröße, Querschnittsdurchmesser und Länge, um den Druck entsprechend zu steuern.
Bezugnehmend nun auf die 3 ist ein Extrudersystem 80 dargestellt, das ähnlich dem Extrudersystem 30 ist, außer, dass es keinen Nukleator 66 umfasst, der separat von einer formbildenden Form angeordnet ist, aber eine einzigartige formbildende Form 82 der Erfindung umfasst, die eine schnelle Keimbildung und ein kontrolliertes Zellwachstum ermöglicht, um mikrozelluläres oder supermikrozelluläres Material hoher Qualität herzustellen. Das System 80 umfasst im Allgemeinen Komponenten, die ähnlich denjenigen des Systems 30 sind, außer, dass die formbildende Form 82 eine Mehrfachbahnform ist, welche separate Keimbildungsbahnen 83 umfasst, in die eine Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel zugeführt werden. Jede Keimbildungsbahn ist derart angeordnet, dass sie eine Druckabfallrate in dem Material vorsieht, die ausreichend ist, um eine Keimbildung zu bewirken, und das nukleierte Produkt, das aus den Keimbildungsbahnen hervortritt, wird zusammengeführt, um ein mikrozelluläres oder supermikrozelluläres Produkt zu bilden, welches unerreichbare, oder schwierig zu erreichende Abmessungen besitzt, ohne einen Kompromiss bezüglich der Zellgröße, Dichte oder anderen Aspekten aus dem Stand der Technik eingehen zu müssen.
Somit umfasst bei der bevorzugten Ausführungsform des Systems 30, in dem der Nukleator 66 ein Mehrlochnukleator ist, und in der Ausführungsform des Systems 80, das eine formbildende Keimbildungsform 82 umfasst, der Nukleator 66 und die formbildende Keimbildungsform 82 mindestens zwei separate Keimbildungsbahnen, von denen jede aufgebaut und angeordnet ist, um eine fluide Einphasenlösung aus Polymermaterial und nicht-nukleiertem Treibmittel aufzunehmen und eine Druckabfallrate von mindestens ungefähr 0,1, 1, 3, 5, 7, 10 oder 15 GPa/s in geschmolzenem Polymermaterial zu erzeugen, oder andere höhere Druckabfallraten, wie oben beschrieben, wenn dem geschmolzenen Polymermaterial ungefähr 6 Gew.-% CO₂ homogen zugemischt wurde, das durch die Bahn mit einer Rate von ungefähr 18 kg (ungefähr 40 Pfund) Fluid pro Stunde bewegt wird. Diese Bedingungen bezüglich des CO₂-Anteils in Prozent und der Flussrate sind für den Aufbau der Keimbildungsbahnen bestimmend, sind allerdings nicht beabsichtigt, hinsichtlich der besonderen Flussraten und/oder Treibmittelkonzentrationen, die bei dem Verfahren der Erfindung verwendet werden, beschränkend zu sein. Die Keimbildungsbahnen sind gemäß einer Vielzahl von Ausführungsformen derart aufgebaut, dass sie die oben angegebenen Druckabfallraten in Lösungen aus fluidem Polymer und Treibmittel gemäß anderer Flussraten und/oder Treibmittelkonzentrationen, die hierin beschrieben sind, vorsehen.
Eine detailliertere Beschreibung dieser fluiden Bahnen wird unten gegeben, und eine Beschreibung, die entweder auf den Nukleator 66 oder die Form 82 passt, kann ebenso auf den anderen angewendet werden. Sowohl der Nukleator 66 gemäß der bevorzugten Ausführungsform und die Form 82 nukleieren kontinuierlich das Treibmittel, welches dem zu schäumenden Material zugemischt wurde, indem ein fluider Strom, der das Material und das Treibmittel enthält, in separate Bereiche aufgeteilt wird, und jeder der separaten Bereiche separat nukleiert wird. Die Form 82 ist aufgebaut und angeordnet, um geschäumtes Material in einen Kanal freizugeben, der ohne weitere Beschränkungen Umgebungsbedingungen in der dargestellten Ausführungsform ausgesetzt ist.
Der Nukleator und/oder die Keimbildungskapazität der Form vereinfacht die Keimbildung einer fluiden Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Keimbildungsmittels, wie z.B. Talg. Bei herkömmlichen Schäumungsverfahren kann ein Keimbildungsmittel, wie z.B. Talg, verwendet werden, um Keimbildungsstellen zu erzeugen. Bei solchen Verfahren ist die beschränkte Anzahl von Keimbildungsmittelteilchen und die daraus resultierende geringe Zelldichte und Zellgröße in vielerlei Anwendungen nicht akzeptabel, wie z.B. bei Drahtanwendungen, die sehr dünne Beschichtungen beinhalten. Zusätzliche Keimbildungsmittel können ebenso z.B. ein Signal in einem Draht über die Einführung von Verunreinigungen abschwächen. Damit wird nicht gesagt, dass Verunreinigungen und Zusätze, die herkömmlicherweise bei der Polymerextrusion zugefügt werden, wie z.B. flammhemmende Mittel, die eine Keimbildung auslösen können, aus zu extrudierenden Gemischen in der Erfindung ausgeschlossen sind. In der Tat können zusätzliche Keimbildungsmittel gemäß einigen Ausführungsformen zugefügt werden. Allerdings kann bei einigen Ausführungsformen die Keimbildung mit zusätzlichen Keimbildungsmitteln stattfinden.
Der Nukleator 66 und die Form 82 sind derart ausgestaltet, dass sie einen Strom aus einem ein Treibmittel enthaltendes Polymermaterial beschränken, um eine hohe Druckabfallrate, die für die Zellkeimbildung erforderlich ist, zu erzeugen, und diese können dadurch hergestellt werden, dass eine Vielzahl von Öffnungen in der Stirnfläche einer Scheibe gebildet wird, oder können, alternativ, aus einem porösen Material, das eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, gebildet werden. Die Abmessungen und die Anzahl der Öffnungen können variiert werden, um unterschiedliche Beträge von Druckabfällen, Druckabfallraten und Polymerschmelzscherraten zu erzielen. Der Betrag des Druckabfalls kann dadurch variiert werden, dass die Öffnungslänge verändert wird. Die Rate, mit der der Druck abfällt, kann dadurch variiert werden, indem die Anzahl der Öffnungen variiert wird. Die Scherrate der Polymerschmelze kann dadurch variiert werden, dass die Querschnittsabmessung der Öffnungen verändert wird. Da der Betrag der erforderlichen Löslichkeitsänderungen mit der Sorte von Polymer, der Temperatur, der Flussrate variiert, können unterschiedliche Nukleatoren für unterschiedliche Prozessanwendungen ausgestaltet werden.
4 ist ein Querschnitt im Schnitt nach 4-4 der 1 und stellt einen Mehrlochnukleator dar. Der Mehrlochnukleator umfasst eine Vielzahl von Keimbildungsbahnen 67, wie dies dargestellt ist. Anordnungen für den Mehrlochnukleator 66 und die Form 82 können hinsichtlich zumindest des Abschnittes einer jeden Komponente, die für die Keimbildung bestimmt ist, ähnlich sein.
5 ist ein Querschnitt einer ringförmigen Form 90, die als eine Form ohne separaten Nukleator 66 dienen kann. Die Form ist dazu bestimmt, einen hohen Grad an Löslichkeitsänderung zu erzielen, indem die Keimbildung durch eine Vielzahl von Kanälen und das Formen auf gesteuerte Weise bewirkt wird, was die Bildung von mikrozellulärem Material ermöglicht. Die Form umfasst einen ringförmigen Fluideinlass 92 (der Einlass kann nicht-ringförmig sein, wie z.B. kreisförmig), einen ringförmigen Fluidauslass 94 und einen ringförmigen Bereich 96, der den Einlass mit dem Auslass verbindet, und dessen Radius als Funktion des Abstandes von dem Einlass zu dem Auslass zunimmt, um so die Herstellung eines rohrförmigen Abschnittes großen Durchmessers zu ermöglichen. Alternativ kann der ringförmige Bereich bezüglich seines Radius abnehmen, um Rohre mit kleinem Durchmesser herzustellen. Die Querschnittsfläche des ringförmigen Bereichs 96, wie dargestellt, nimmt ebenso in stromabwärtiger Richtung zu, um die Druckabfallraten zu steuern, kann aber einen konstanten Querschnittsbereich haben, oder sein Querschnittsbereich kann ebenso abnehmen. Abschnitte, deren Querschnittsfläche zunehmen oder abnehmen kann, sind möglich. Ebenso befindet sich zwischen dem Einlass 92 und dem Auslass 94 ein Mehrfachbahn Keimbildungsbereich 98 der Form, die eine Vielzahl von Keimbildungsbahnen 100 umfasst, von denen jede aufgebaut und angeordnet ist, eine Druckabfallrate dazu quer vorzusehen, um so die Keimbildung möglich zu machen. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Form eine einzige Keimbildungsbahn im Gegensatz zu den Mehrfach Keimbildungsbahnen 100.
Die dargestellte Form 90 umfasst einen Formbereich 100, in dem nukleiertes Material, das aus den Bahnen 100 heraustritt, zusammengeführt wird, und anschließend extrudiert wird, um ein Endteil zu bilden. Kühlkanäle 106 oder andere Mittel zum Kühlen der Form können stromaufwärts und/oder stromabwärts des Keimbildungsbereichs 98 vorgesehen sein, um die Viskosität, den Druck innerhalb der Zellen zu steuern, und um die Formbarkeit des Extrudats bei einem Aussetzen desselben in Umgebungsbedingungen zu steuern. Die Fähigkeit, die Temperatur der Polymerschmelze zu steuern, während sie durch die Form fließt, ermöglicht eine verbesserte Kontrolle der Zellgröße, indem das Wachstum von sehr großen Zellen minimiert wird, welche Fehlstellen in der Oberfläche des Extrudats erzeugen können. Es ermöglicht ebenso die Bildung einer glatten Haut auf der Oberfläche des Extrudats.
In 5 kann der Keimbildungsbereich 98 an anderen Stellen vorgesehen sein, wie z.B. in einem Abschnitt 96. Überdies kann der ringförmige Querschnitt und der Radius geändert werden. Zum Beispiel kann die Form derart angeordnet sein, dass der Fluss so wäre, als ob 94 ein Einlass und 92 ein Auslass wäre.
6 ist ein Querschnitt im Schnitt nach 6-6 der 5, und zeigt eine Vielzahl von Keimbildungsbahnen 100 mit kreisförmigem Querschnitt innerhalb des Keimbildungsbereichs 98.
Die 7 und 8 stellen alternative Ausführungsformen der Form 90 der 5 dar, wobei jede Figur ein Querschnitt im Schnitt nach 6-6 einer jeden alternativen Form ist. In 7 sind die Keimbildungsbahnen 108 gekrümmte Schlitze, von denen jeder von der Außengrenze des Keimbildungsbereichs zu dessen Innengrenze verläuft. 8 umfasst Keimbildungsschlitze 110, von denen jeder derart angeordnet ist, dass er sich in Umfangsrichtung in dem Keimbildungsbereich erstreckt.
9, die einer Ansicht im Schnitt nach 6-6 der 5 in einer anderen Ausführungsform entspricht und lediglich den Keimbildungsbereich zeigt, umfasst eine Vielzahl von konzentrischen Ringen 114, von denen jeder eine Vielzahl von halbkreisförmigen Vertiefungen 116 (oder Vertiefungen mit anderer Geometrie) umfasst, und die derart angeordnet sind, so dass die halbkreisförmigen Vertiefungen miteinander ausgerichtet sind, um eine Vielzahl von Keimbildungsbahnen vorzusehen. Der äußerste und innerste Ring 114 umfasst Vertiefungen 160 lediglich an einer Stirnfläche des Ringes. Die Ringe 114 der 9 können mit einem oder mehreren der Ringe 114 angeordnet sein, welche in Umfangsrichtung derart verschoben sind, dass die halbkreisförmigen Vertiefungen 116 nicht ausgerichtet sind, sondern miteinander in Verbindung stehen, um eine Reihe von konzentrischen, wellenförmigen Ringen vorzusehen, welche Keimbildungsbahnen bestimmen. Die 10 stellt eine Anordnung ähnlich der der 9 dar, in der jede der drei obersten Platten 117 halbkreisförmige Vertiefungen lediglich in einer Stirnfläche und die Bodenplatte 119 keine Vertiefungen umfasst, wobei die Anordnung eine Vielzahl von separaten Keimbildungsbahnen mit halbkreisförmigem Querschnitt bestimmt.
Die 5 bis 10 zeigen, dass die beschriebene, ringförmige Form 90 Keimbildungsbahnen umfassen kann, die durch Schlitze oder Durchführungen mit einer beliebigen von einer Vielzahl von Geometrien bestimmt sind, solange, wie der erwünschte Druckabfall und die Druckabfallrate quer über die Durchführung erzielt wird, und dass Fluid, das durch die Durchführungen fließt, zusammengeführt werden kann, um ein Endprodukt zu bilden. Andere in Betracht gezogene Geometrien umfassen Kombinationen von Schlitzen und Löchern, z.B. eine Reihe von Löchern, von denen einige oder alle durch Schlitze miteinander verbunden sind, um Keimbildungsbahnen mit hantelförmigem Querschnitt zu bestimmen. In diesen Anordnungen kann die Dicke oder die Querschnittsabmessung eines extrudierten Gegenstandes dadurch gesteuert werden, indem zusätzliche Schichten von fluiden Durchführungen vorgesehen werden. Im Wesentlichen kann eine beliebige Kombination von Formen, Größen und Veränderungen bezüglich der Form, Größe und des Querschnittes in der Form und/oder dem Nukleator vorgesehen sein. Zum Beispiel kann eine Form oder Nukleator eine beliebige Kombination von unterschiedlichen Durchführungen aufweisen, solange, wie ein erwünschter Druckabfall und Druckabfallrate erzielt wird.
Die 5 bis 10 zeigen ebenso die Fähigkeit der beschriebenen Formen, ein dickes, mikrozelluläres Material zu extrudieren, d.h. ein Material mit einer großen Querschnittsabmessung. Bezugnehmend auf eine beliebige der 5 bis 10 kann gesehen werden, dass eine Zunahme der Breite des Keimbildungsringes erzielt werden kann, während die Querschnittsabmessung einer jeden separaten Keimbildungsbahn konstant bleibt. So kann die Druckabfallrate konstant bleiben, während sehr gleichmäßiges, dickes Material hergestellt wird. Ein Zylinder aus mikrozellulärem Material, der aus einer Form, wie sie in 5 gezeigt ist, extrudiert ist, kann in longitudinaler Richtung im Anschluss an die Extrusion in Scheiben geschnitten werden, um im Wesentlichen nicht-verfurchte bzw. gewellte Folien mit beliebiger Breite und Dicke herzustellen, wobei die Dicke, wie oben beschrieben, gesteuert wird, und die Breite dadurch gesteuert wird, indem der Radius des ringförmigen Fluidauslasses 94 entsprechend eingestellt wird.
11 stellt eine Mehrbahnform oder einen Nukleator 118 dar, in der/dem eine Vielzahl von Keimbildungsbahnen 120 an ihren stromaufwärtigen Enden mit einem Bereich 121 des Extruders in Verbindung stehen, der eine Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel vorsieht, und an ihren stromabwärtigen Enden mit einem Bereich 124 in Verbindung stehen, der der Verweilkammer 70 oder einem Formbereich einer Form entsprechen kann. Die Keimbildungsbahnen 120 sind in axialer Richtung nicht mit dem Extruder ausgerichtet, sondern sind bezüglich der Extruderachse geneigt. Eine Vielzahl von Keimbildungsbahnen 122, die ebenso in fluider Verbindung mit den Bereichen 121 und 124 stehen, sind entlang der Achsen angeordnet, die ebenfalls nicht mit der Achse des Extruders ausgerichtet sind, und sind nicht mit den Achsen der Durchführungen 120 ausgerichtet. Die Bahnen 120 und die Bahnen 122 sind nicht zueinander parallel, sondern zueinander geneigt. Jede der Bahnen 120 und 122 kann einen Fluss in dem Bereich 124 vorsehen, der separat ist, z.B. wie in den Durchführungen 100 der 5, und anschließend zusammengeführt wird, oder kann einen Fluss vorsehen, der an den Ausgängen der Bahnen zusammengeführt wird. Ein oder mehrere der Bahnen können zusammenlaufen oder einander kreuzen an oder vor dem Ende einer jeden Durchführung. Zusätzlich, wie oben beschrieben, können die Bahnen eine beliebige Querschnittsform aufweisen, wie z.B. eine kreisförmige, dreieckige, quadratische, rechteckige, schlitzförmige oder dergleichen Querschnittsform, und deren Querschnitt kann in stromabwärtiger Richtung zunehmen oder abnehmen. Dieses Design, bei dem die Keimbildungsbahnen nicht parallel sind, reduziert die molekulare Orientierung und die schwachen Liniennähte in dem Extrudat. Zum Zwecke der Klarheit ist in der 11 eine Platte 123, innerhalb derer die Durchführungen 120 und 122 gebohrt sind, nicht gezeigt, um Bahnen an allen Stellen zu enthalten. Bahnen können von der Oberseite zur Unterseite überall auf der Platte 123 vorgesehen sein, oder an ausgewählten Stellen. Zum Beispiel kann eine Reihe von Bahnclustern 120 und 122 vorgesehen sein, wobei jeder Cluster zu einem Auslass konvergiert, und eine Vielzahl von so resultierenden Auslässen nukleiertes Material vorsieht, das in dem Bereich 124 zusammengeführt wird.
Bahnen, deren Querschnitt abnimmt oder zunimmt, ermöglichen eine Steuerung über die lokale Druckabfallrate über das durchfließende Polymermaterial. Durchführungen mit nicht-kreisförmigen Querschnitten und variablen Abschnitten dazwischen steuern die Verteilung des nukleierten Materials.
Bezugnehmend nun auf die 12a bis 12h ist eine Vielzahl von Geometrien von separaten Keimbildungsbahnen dargestellt. Die verschiedenen Anordnungen können in dem Mehrlochnukleator oder in einem Mehrlochkeimbildungsbereich einer Form vorgesehen sein. Die 12a stellt einen Gegenstand 126 (der Nukleator oder die Keimbildungsbahn der Form) dar, der Bahnen 128 mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt umfasst. Die Bahnen konvergieren oder ändern ihren Querschnitt entlang ihrer Länge nicht, sondern sind relativ zur Achse des Extruders und relativ zueinander geneigt. 12b stellt einen Gegenstand 130 dar, der eine Durchführung 132 umfasst, deren Querschnittsbereich entlang seiner Länge abnimmt, und eine Durchführung 134, deren Querschnittsabmessung in Längsrichtung zunimmt. 12c stellt einen Gegenstand 136 mit zwei parallelen Bahnen 138 dar, von denen jede einen dreieckigen Querschnitt aufweist, und von denen keine ihre Querschnittsabmessung in Längsrichtung ändert. 12d stellt einen Gegenstand 140 dar, der eine Vielzahl von Durchführungen 142 umfasst, von denen jede im Wesentlichen einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist, und von denen keine ihre Querschnittsabmessung entlang ihrer Länge ändert. Die Durchführungen sind in axialer Richtung mit dem Extruder angeordnet, und jedes Rechteck ist mit ihrer größeren Abmessung in radialer Richtung ausgerichtet. Die 12e stellt einen Gegenstand 144 dar, der Durchführungen 146 umfasst, von denen jede einen dreieckigen Querschnitt aufweist, und von denen keine ihren Querschnittsbereich entlang ihrer Länge ändert, und von denen jede relativ zur Achse des Extruders und relativ zueinander geneigt ist. 12f stellt einen Gegenstand 148 dar, der Durchführungen 150 aufweist, die ausgestaltet und angeordnet sind wie in dem Gegenstand von Anspruch 140, allerdings mit einem ursprünglich größeren Querschnitt, wobei der Querschnitt in stromabwärtiger Richtung abnimmt. 12g stellt einen Gegenstand 152 mit fluiden Bahnen 154 und 156 dar, von denen jede im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und jede entlang der Achse des Extruders angeordnet ist. Der Querschnittsbereich der Durchführung 154 nimmt in stromabwärtiger Richtung bis zu einem Mittelpunkt des Gegenstandes 152 ab, und ab diesem Punkt nimmt der Querschnittsbereich zu und endet in einem Querschnittsbereich, der im Wesentlichen identisch zu seinem Querschnittsbereich am Anfang ist. Die Durchführung 154 sieht eine zunehmende Druckabfallrate in dem konvergierenden Bereich und ein kontrolliertes Zellwachstum vor, falls der Druck in dem divergierenden Bereich gering genug ist. Die Durchführung 156 beginnt und endet mit einem ähnlichen Querschnittsbereich, wobei der Querschnittsbereich zur Mitte hin zunimmt, wo er ein Maximum erreicht. 12h stellt einen Gegenstand 158 dar, der eine Vielzahl von konzentrischen, ringförmigen Durchführungen 160 umfasst. Eine standardmäßige Spinnenanordnung, die diese Anordnung realisierbar macht, ist nicht dargestellt.
Die unten im Detail beschriebene 37 ist ein Querschnitt einer ringförmigen Form 201, die besonders nützlich bei der Herstellung von sehr glattem, dünnem, mikrozellulärem Material mit zylindrischer oder folienartiger Form mit einer sehr hohen Druckabfallrate während des Formens ist. Die Form 201 kann eine Einphasenlösung aufnehmen und kann diese unmittelbar nach dem Formen nukleieren. Die Keimbildung und das Formen sind voneinander getrennt, treten allerdings schnell nacheinander auf. Die Form umfasst einen ringförmigen Fluideinlass 203, einen ringförmigen Fluidauslass 205 und ringförmige Bereiche 207 und 210, die benachbart dem Einlass 203 bzw. dem Auslass 205 angeordnet sind, und die den Einlass und den Auslass miteinander verbinden. Der weiter stromaufwärtig gelegene, ringförmige Bereich 207 besitzt einen konstanten Radius und eine konstante Spaltabmessung mit einer Größe, die so ausgewählt ist, um eine Keimbildungsbahn zu bestimmen. Der Bereich 207 ist derart ausgestaltet, um eine homogene Einphasenlösung aus Polymermaterial und Treibmittel aufzunehmen, und um das Material einem schnellen Druckabfall auszusetzen, um so die Keimbildung zu bewirken. Der Bereich 210 weist einen Radius auf, der in stromabwärtiger Richtung zunimmt, wobei dieser aber, ähnlich dem Bereich 207, eine konstante Spaltabmessung umfasst. Die Spaltabmessung des Bereichs 210 ist üblicherweise größer als die des Spalts des Bereichs 207 und ist derart bemessen, eine nukleierte Lösung aufzunehmen und ein kontrolliertes Zellwachstum zu ermöglichen, um so das mikrozelluläre Extrudat zu bilden.
Das Formdesign der 37 ist als ein solches identifiziert worden, das eine gute Kontrolle bezüglich der Bildung von unerwartet glattem, mikrozellulärem Folienmaterial ermöglicht. Die hervorragende Steuerung in die Form 201 wird wie folgt erzielt. Wird das Wachstum des nukleierten Materials in dem Bereich 210 ermöglicht, kann das Wachstum der Folie lediglich in lateraler Richtung auftreten, da der Bereich 210 einen Spalt mit konstanter Breite umfasst. Das laterale Wachstum der Folie wird aufgrund des konstant zunehmenden Radius des Ringes des Bereichs 210 ermöglicht, was ein Wachstum ohne Zerfurchung ermöglicht.
Obwohl eine Vielzahl von Formgeometrien ausgewählt werden können, kann eine sich verjüngende Form, die eine ist, bei welcher der Querschnittsbereich in stromabwärtiger Richtung von einer oder mehreren Keimbildungsbahnen abnimmt, vorteilhaft in vielen Situationen sein, da sie vernünftige Systemdrücke und weniger Treibmittel verwendet, was das Bindungsvermögen der Zellen minimiert. Wird es zum Beispiel als eine Drahtbeschichtung verwendet, kann das resultierende mikrozelluläre Material dahingehend verbessert sein, dass es bessere Wasser- und Wasserdampfbarriereeigenschaften besitzt. Die Einphasenlösung kann in einem nicht-nukleierten Zustand vor der Keimbildungsbahn gehalten werden. Nimmt die Querschnittsabmessung in stromabwärtiger Richtung der Keimbildungsbahn ab, wird die Lösung in einem nicht-nukleierten Zustand zwischen dem Mischbereich, in dem die Einphasenlösung erhalten wird, und dem Bereich, wo die Abnahme der Querschnittsabmessung beginnt, gehalten.
Bahnen, deren Querschnittsbereich in stromabwärtiger Richtung abnehmen, erzeugen bekanntermaßen relativ hohe Druckabfallraten über eine relativ kurze Länge der Form, indem eine nicht-lineare Druck-/Verschiebungskurve erzeugt wird, die einen Bereich mit relativ hoher Druckabfallrate umfasst, ohne dass ein hoher ursprünglicher Druck vorhanden sein muss. Bezugnehmend auf 13 sind Druckabfallprofile gezeigt. Die Kurve 1 stellt ein typisches Druckabfallprofil durch eine parallele Keimbildungsbahn dar, die typisch für eine standardmäßige Extrusionsformkonfiguration ist. Die typische Bahn ändert ihren Querschnittsbereich entlang ihrer Länge nicht, und so ist der Druckabfall pro Einheitslänge über die Bahn konstant, d.h. die Druckabfallkurve weist eine konstant negative Steigung auf. Die Kurve 5 stellt einen beispielhaften, kritischen Löslichkeitspegel von Treibmittel in Polymermaterial dar, d.h. den Druck, oberhalb dessen eine Einphasenlösung existieren kann, und unterhalb dessen die Keimbildung stattfinden wird.
Der Querschnittsbereich der Keimbildungsbahn kann sich mit im Wesentlicher konstanter Rate ändern (z.B. abnehmen), oder kann sich mit variabler Rate, z.B. mit einer Rate, die zunimmt, ändern. Der Keimbildungsbereich kann eine Durchführung mit einem im Wesentlichen geraden, zunehmenden oder abnehmenden Kegel sein, oder kann ein zunehmender oder abnehmender Kegel sein, und kann ebenso eine konvexe oder konkave Wand aufweisen, oder eine Wand mit Bereichen von unterschiedlichen Neigungen. Somit kann ein Verfahren vorsehen werden, das das kontinuierliche Abnehmen des Druckes innerhalb aufeinanderfolgender, kontinuierlicher Abschnitte eines fließenden Einphasen-Stromes mit zunehmender Rate beinhaltet, während es eine Keimbildung bewirkt.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Erkenntnis, dass es wünschenswert ist, die Druckabfallrate dP/dt über die Kurve 5 zu maximieren. Idealerweise müsste der Druckabfall unverzüglich bzw. spontan sein, wie in Kurve 2 zu sehen ist. Natürlich ist dies unmöglich. Bei einer parallelen Keimbildungsbahn muss, um dP/dt von z.B. 1,4 GPa/s (Kurve 1) auf ungefähr 25 GPa/s (Kurve 3) zu erhöhen, der anfängliche Druck notwendigerweise höher als ungefähr 69 MPa (10.000 psi) sein, was in einer Extrusionsvorrichtung nicht akzeptabel ist. Die Kurve 3 könnte dadurch erzielt werden, indem z.B. die gleiche Form verwendet wird, die Flussrate aber drastisch erhöht wird, oder indem der Formdurchmesser verringert wird.
Ein Nukleator, der eine sich verjüngende Keimbildungsbahn (deren Querschnittsbereich in stromabwärtiger Richtung abnimmt) umfasst, löst das Problem bezüglich der Erzielung von hohen Druckabfallraten und eines ausreichenden gesamten Druckabfalls bei annehmbaren Systembetriebsdrücken. Dies ist deswegen so, da die sich verjüngende Keimbildungsbahn ein Druckprofil gemäss der Kurve 4 in Material, das hierdurch bewegt wird, erzeugt. Mit zunehmendem Kegelwinkel von Null (parallel) auf einen positiven Wert wird die Steigung der Druckabfallratenkurve nicht-linear, wo der Druckabfall pro Längeneinheit in der Bahn zunimmt. Das Ergebnis ist ein Bereich A der Kurve 4, durch die kritische Löslichkeitskonzentration, mit relativ großer Steigung (ungefähr 25 GPa/s), wo die Kurve einen gesamten Druckabfall von lediglich 27,6 MPa (4000 psi) über die Keimbildungsbahn darstellt. Deshalb muss lediglich ein Druck von 27,6 MPa (4000 psi) stromaufwärts der Bahn aufgebaut werden, und eine Druckabfallrate von 25 GPa/s wird von einem Punkt oberhalb der Löslichkeitsdruckschwelle des Fluidstromes zur Atmosphäre erzielt. Wie beschrieben ist sind deutlich höhere Druckabfallraten erzielbar.
Die Kurven 1 bis 4 basieren auf Druckberechnungen durch die Keimbildungsbahnen, basierend auf rheologischen Daten, die aus typisch schäumbarem Polymermaterial erhältlich sind.
Das Druckprofil (Kurve 4), das mit der sich verjüngenden Keimbildungsbahn erzielbar ist, kann die Bildung von geschlossenzelligem, mikrozelligem Material unter Bedingungen, bei denen im Stand der Technik offenzelliges Material gebildet wurde, vereinfachen. Bei gegebenem dP/dt und Schmelztemperatur, kann die Zunahme des Prozentanteils an Treibmittel oberhalb eines kritischen Pegels das Bindungsvermögen der Zellen in mikrozellulärem Material erhöhen. Unter gewissen Bedingungen kann zu viel Treibmittel dazu führen, dass die Zellen reißen. Es wurde herausgefunden, dass es erwünschenswert ist, lediglich die Menge an Treibmittel zu verwenden, welche notwendig ist, und dass niedrigere Pegel an Treibmittel notwendig sind, falls eine sich verjüngende Keimbildungsbahn verwendet wird, insbesondere Treibmittelpegel, die wesentlich unterhalb des Sättigungspegels liegen. Dieser Ansatz steht im Gegensatz zu den meisten Ansätzen aus dem Stand der Technik, die üblicherweise das Maximieren der Treibmittelkonzentration beinhalten mit dem Ziel, maximale Zelldichten zu erhalten, da mehr Treibmittel theoretisch mehr Keimbildungsstellen erzeugt. Bei einer Reihe von bevorzugten Ausführungsformen, bei der die Druckabfallrate hoch ist, ist das Treibmittel in dem Polymerstrom innerhalb des Extruders mit einem Pegel von weniger als ungefähr 4 Gew.-% vorhanden, noch bevorzugter weniger als ungefähr 3 Gew.-%, und noch bevorzugter weniger als ungefähr 2 Gew.-%, und noch bevorzugter weniger als ungefähr 1 Gew.-%. Bei Ausführungsformen, bei denen eine extrem hohe Druckabfallrate verwendet wird, können Treibmittel in Mengen von ungefähr oder weniger als ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sein. Insbesondere ist das Treibmittel in der Lösung mit einer Menge von weniger als ungefähr 80 Gew.-% der Sättigungskonzentration vorhanden, und diese wird bei dem niedrigsten Druck in dem System nach der Stelle, an der das Treibmittel zugeführt wird, und vor der Keimbildungsbahn bestimmt.
Bezugnehmend nun auf die 14 ist ein Extrusionssystem 102 zum Extrudieren von mikrozellulärem Material auf einen Draht schematisch dargestellt. Das Extrusionssystem 10 ähnelt dem Extrusionssystem 80 der 3, oder kann ähnlich dem Extrusionssystem 30 der 1 dahingehend sein, dass es einen Nukleator umfassen kann, der von einer formbildenden Form beabstandet ist. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst das System 102 eine Beschränkung 164, die gleich einer Keimbildungsbahn mit einem Eingang 166 und einem Ausgang 168 ist, wobei der Querschnittsbereich in strombwärtiger Richtung der Keimbildungsbahn 164 abnimmt. Die Keimbildungsbahn 164 steht mit einer Querkopf-Form 170 in Verbindung, die derart angeordnet ist, um extrudiertes nukleiertes, mikrozelluläres Material von dem Ausgang 168 der Keimbildungsbahn 164 aufzunehmen, und um das Material auf die Außenoberfläche eines Drahtes aufzutragen und um dem Material es zu ermöglichen, sich in mikrozelluläres Material aufzuschäumen. Ein Drahtabgabeelement 172 (wire payoff) führt einen Draht 174 dem Querkopf 170 zu, und eine Aufnahmeanordnung 176 nimmt den mit mikrozellulärem Material beschichteten Draht von dem Querkopf auf. Drahtabgabeelemente und Aufnahmeelemente sind bekannt, und standardmäßige Anordnungen können bezüglich der Erfindung verwendet werden. Obwohl nicht gezeigt, kann das System Komponenten umfassen, wie z.B. Drahtvorerwärmungselemente, eine Kühlrinne zwischen dem Querkopf und der Aufnahme, und Sensoren, wie z.B. kapazitive Sensoren und Dicke-Sensoren, die angeordnet sind, um dimensionale und elektrische Charakteristika des beschichteten Drahtes zu erfassen.
Obwohl eine Form des Druck-Typs bzw. Eine druckartige Form dargestellt ist, kann ein Werkzeugdesign des Rohr-Typs bei der Erfindung verwendet werden. Ein druckartiges Design ist eine Form und ein Spitzendesign, bei dem der Draht dem Polymerfluss hinter der Form ausgesetzt ist. Bei einem rohrförmigen Design wird der Draht nicht dem Polymer ausgesetzt, bis der Draht die Form verlassen hat.
Ein System zum Extrudieren von mikrozellulärem Material auf Draht ist aus den folgenden Gründen vorteilhaft. Schaummaterial ist im Vergleich zu festem Material für die Drahtisolierung vorteilhaft, da geschäumtes Material verbesserte elektrische Eigenschaften mit einem erhöhten Leerstellenanteil (weniger Material pro Volumeneinheit) vorsieht. Bei jedem Schaumverfahren, falls die Dicke des gebildeten Materials kleiner als die maximale Zellgröße ist, existieren jedoch Löcher in dem Material. Dies ist bei typischen Drahtbeschichtungsanwendungen nicht akzeptabel, da Löcher das Eindringen von Feuchtigkeit ermöglichen und das elektrische Leistungsvermögen herabsetzen. Physikalische Eigenschaften eines solchen Materials würden ebenso vermindert sein. Bei sehr dünnen Wandstärken der Isolierung der Kategorie 5 und ähnlichen Drähten ist es schwierig oder unmöglich gewesen, eine geschäumte Isolierung auf Draht zu bilden.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Anordnung vor, bei der Mikrozellen auf eine Weise erzeugt werden können, bei der der zelluläre Aufbau eine relativ hermetische Schranke hinsichtlich von Feuchtigkeit darstellt, sowie erforderliche physikalische Eigenschaften vorsieht, die für Anwendungen der Kategorie 5 geeignet sind.
Die Erfindung ermöglicht ein Verfahren, das das kontinuierliche Extrudieren von mikrozellulärem Material auf ein Drahtsubstrat beinhaltet, bei dem das mikrozelluläre Material einen Leerstellenanteil von weniger als 50% aufweist, bevorzugt weniger als ungefähr 30%, und noch bevorzugter weniger als ungefähr 20%. Ein Gegenstand, der einen Draht und eine Beschichtung aus mikrozellulärem Material um den Draht aufweist, und der einen Leerstellenanteil von weniger als ungefähr 50%, bevorzugt weniger als ungefähr 30%, und noch bevorzugter weniger als ungefähr 20% aufweist, kann ebenso bereitgestellt werden.
Ein Einfach- oder Tandemextruder, wie beschrieben, kann derart angepasst sein, um sämtliche Techniken einschließlich der Drahtbeschichtung auszuführen. Eine Anordnung für die Drahtbeschichtung kann durch das Zufügen einer Querkopfformanordnung angepasst werden, bei der die Anordnung als ein Adapter, ein Übertragungsrohr, und ein Drahthandhabungssystem, das ein Abgabeelement, Drahtspannelemente, Vorerwärmer, Kühlrinne, Ziehelemente und Aufrollelemente aufweist, bestimmt ist.
Die Gleichmäßigkeit der Zellstruktur ist bei dieser Anordnung bezüglich einer gleichmäßigen Kapazität, hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit, die von einer niedrigen dielektrischen Konstante herrührt, guter mechanischer Festigkeit und niedrigem Wasserabsorptionsvermögen von Bedeutung. Verglichen mit einem festen Material sieht ein geschäumtes Material mit ähnlichen Charakteristika eine relativ geringe entflammbare Masse und daher Verbrennungsnebenprodukte vor, die mit mikrozellulärem Schaum beschichtete Drähte weniger gefährlich machen.
In Verbindung mit der Bildung von mikrozellulären Beschichtungen auf Drähten wird besonders dünnes mikrozelluläres Material hergestellt. Dieser Vorteil ist nicht auf Beschichtungen beschränkt, die auf Drähten hergestellt werden, sondern beinhaltet die Kenntnis von Bedingungen, die notwendig für die Herstellung von dünnem Material sind, das auf eine freistehende Folie, Rohre oder andere dünne Gegenstände aufgetragen wird. Mikrozelluläres Material, vorzugsweise im Wesentlichen geschlossenzelliges Material, mit einer Dicke von weniger als ungefähr 4 mm, bevorzugt weniger als ungefähr 3 mm, und noch bevorzugter weniger als ungefähr 1 mm, wird hergestellt. Bei einigen Ausführungsformen wird extrem dünnes mikrozelluläres Material hergestellt, nämlich Material mit einer Dicke von weniger als ungefähr 0,5 mm, bevorzugt weniger als ungefähr 0,25 mm, und noch bevorzugter mit einer Dicke von weniger als ungefähr 0,2 mm. Bei einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen wird Material mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,1 mm hergestellt. Sämtliche dieser Ausführungsformen können im Wesentlichen geschlossenzelliges Material umfassen.
Wie bereits angemerkt wurde, ermöglicht die Erfindung eine Vielzahl von Produkten vorsehen, die aus sehr dünnem, mikrozellulärem Material geformt sind. Diese Materialien können Gegenstände umfassen, wie z.B. Drahtbeschichtungen, wie oben beschrieben, Rohre, Strohhalme und dergleichen.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von geschäumten, bevorzugt mikrozellulär geschäumtem kristallinen und semi-kristallinen Polymermaterial, das durch kontinuierliche Polymerextrusion gebildet wird. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird kristallines und semi-kristallines Polymermaterial als mikrozelluläres Material mit einem Treibmittel, welches im Wesentlichen gleich Kohlenstoffdioxid, bevorzugt superkritisches Kohlenstoffdioxid ist, geschäumt. Wie oben angemerkt wurde, lehrt der Stand der Technik im Allgemeinen, dass die Expansion von Keimbildungsstellen, oder das Zellwachstum dadurch minimiert werden kann, indem, z.B. die Schmelze vor der Extrusion gekühlt wird, oder indem das Material zum Zeitpunkt des Aussetzens an die Atmosphäre abgeschreckt wird, um das Zellwachstum einzufrieren. Alternativ lehrt der Stand der Technik, dass eine solche Expansion dadurch gesteuert werden kann, indem Viskositäts-Modifikatoren oder Additive, die die Schaumkontrollierbarkeit beeinflussen, verwendet werden. Solche Additive erhöhen die Kontrollierbarkeit des Schäumens, indem die Schmelzfestigkeit und/oder Schmelzelastizität erhöht wird. Kristalline und semi-kristalline Materialien erfordern sehr viel höhere Betriebstemperaturen als amorphe Materialien, da ein Betrieb bei Tm oder oberhalb notwendig ist, um die Kristallisation solcher Materialien in, z.B. einem Extruder zu verhindern. Solche Bedingungen stehen im Widerspruch zum Stand der Technik, der lehrt, dass hinsichtlich der Herstellung von amorphem, mikrozellulärem Material, wie z.B. Polystyrol, es notwendig ist, den Unterschied zwischen Tg und der Extrusionstemperatur eines amorphen Polymers zu minimieren, um eine Zellexpansion jenseits des mikrozellulären Bereichs zu verhindern.
Im Allgemeinen ist der Unterschied zwischen der erforderlichen Betriebstemperatur und Tg der kristallinen und semi-kristallinen Materialien sehr viel größer als für amorphe Polymere, wie dies anhand eines Vergleichs solcher Werte in Tabelle A gezeigt ist. Zum Beispiel beträgt der Unterschied zwischen Tg und einer typischen Betriebstemperatur zum Extrudieren von Polystyrol ungefähr 40°C, wobei er für LDPE ungefähr 135°C beträgt, und für PET ungefähr 155°C beträgt. In der Tabelle beziehen sich Tg und Tm auf Werte von Polymermaterial, das kein Treibmittel enthält. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein ist es doch wahrscheinlich, dass die Betriebstemperatur geringfügig unterhalb Tm liegen kann aufgrund der Modifikation der Viskosität durch das Treibmittel.
Tabelle A*
Überraschenderweise können kristalline und semi-kristalline mikrozelluläre Materialien entsprechend dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, ohne dass die Schmelze auf Temperaturen nahe Tg abgekühlt werden muss, und ohne dass Modifizierer verwendet werden müssen, die die Viskosität oder die Schaumsteuerbarkeit bzw. Schaumkontrollierbarkeit modifizieren, wie dies im Stand der Technik gelehrt wird. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Entdeckung, dass eine sehr gut gesteuerte Extrusion von mikrozellulärem Material erzielt werden kann, selbst bei Temperaturen weit oberhalb von Tg eines Polymers, indem bei besonders hohen Druckabfallraten gearbeitet wird. Solch hohe Druckabfallraten vereinfachen die kontinuierliche Bildung von kristallinen und semi-kristallinen mikrozellulären Materialien. Obwohl es nicht erwünscht ist, durch eine Theorie gebunden zu sein, so wird angenommen, dass eine Reduktion der internen Kraft, die mit jeder Keimbildungsstelle im Zusammenhang steht, erzielt werden kann, indem die Größe der Keimbildungsstellen reduziert wird und sehr kleine Zellen während dem Schäumen aufrechterhalten werden. Dies kann umgekehrt dadurch erzielt werden, indem viele Keimbildungsstellen erzeugt werden. Unter vergleichbaren Prozessbedingungen erzeugt eine nukleierte Lösung mit noch mehr und kleineren Keimbildungsstellen relativ kleine Zellen, da das Treibmittel auf viel mehr Zellen verteilt wird, was zu weniger Treibmittel pro Zelle und deshalb zu kleineren Zellen während des Wachstums führt. Da die Expansionskraft, die auf eine Innenwand einer gasförmigen Zelle wirkt, bei konstantem Druck ferner mit dem Quadrat des Zelldurchmessers zunimmt, erfährt eine kleinere Zelle eine sehr viel geringere Expansionskraft pro Einheitsbereich der Zellwand als eine größere Zelle. Kleinere Stellen enthalten weniger mitgeführtes Gas, und besitzen deshalb einen geringeren Innendruck als größere Stellen. Eine Reduktion des Innendrucks führt zu einer reduzierten Zellexpansion.
Es ist theoresiert, dass der Stand der Technik, der die Kühlung der Schmelze zum Zwecke der Erhöhung der Schmelzkraft lehrt, ebenfalls eine solche Reduktion der Expansionskraft erzielt, indem die Energie reduziert wird, die mit den Gasmolekülen im Zusammenhang steht, die in jeder Keimbildungsstelle enthalten sind. Die reduzierte Energie, die mit dem darin mitgeführten Gas im Zusammenhang steht, führt zu einer Reduktion des Innendrucks und zu einer reduzierten Zellexpansion nach Extrusion in die Atmosphäre.
Semi-kristalline und kristalline mikrozelluläre Materialien, welche gemäß dem Verfahren bearbeitet werden können, umfassen Polyolefine, wie z.B. Polyethylen und Polypropylen, quer-vernetzbare Polyolefine, Polyester, wie z.B. PET, Polyamide, wie z.B. Nylon, etc., und kristalline Co-Polymere von diesen. Insbesondere kann nicht-modifiziertes, standardmäßiges Produktionsgütematerial verwendet werden, im Gegensatz zu standardmäßigen Materialien aus dem Stand der Technik, die, wie üblicherweise gelehrt worden ist, Modifikationen erfordern, wie z.B. das Zugeben von die Schaumsteuerbarkeit beeinflussende Additiven einschließlich von Komponenten anderen Polymerfamilien (z.B. Polycarbonat in Polyethylenterephthalat) (siehe z.B. Boone, G. (Eastman Chemical Co.), "Expanded Polyesters for Food Packaging", Conference Proceedings of Foam Converence, 1996, 10.–12. September, Somerset, NJ). Diese Additive erhöhen die Steuerbarkeit des Schäumens, indem sie im Allgemeinen die Schmelzfestigkeit und/oder die Schmelzelastizität erhöhen. So kann mikrozelluläres Material mit bevorzugten durchschnittlichen Zellgrößen, maximalen Zellgrößen und Zelldichten, wie oben beschrieben, hergestellt werden, und kann entsprechend den darin beschriebenen Verfahren und Systemen bearbeitet werden. Beispiele von Materialien, welche keine die Schaumsteuerbarkeit modifizierende Modifizierer enthalten, umfassen Eastman 9663 PET und Wellman 61802 PET. Entsprechend dem Verfahren können semi-kristalline oder kristalline mikrozelluläre Materialien mit bevorzugten durchschnittlichen Zellgrößen, maximalen Zellgrößen und Zelldichten, wie oben beschrieben, hergestellt werden.
Die Herstellung von solchen kristallinen oder semi-kristallinen Materialien wird durch ein Verfahren vereinfacht, das das Schmelzen des Materials und das Halten desselben auf einer Temperatur von mindestens oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials beinhaltet. Vorzugsweise wird ein fließendes fluides Polymermaterial durch ein Erhöhen der Temperatur des Materials auf mindestens ungefähr Tm des Polymers oder höher, und anschließendem Extrudieren des Materials bei Umgebungsbedingungen hergestellt, während das Schäumen und das Formen des Materials in einer Extrudatform bei einer Formtemperatur von mindestens ungefähr 100°F (mindestens ungefähr 37,8°C) oberhalb Tg stattfindet, vorzugsweise von mindestens ungefähr 120°F (mindestens ungefähr 48,9°C) noch bevorzugter mindestens ungefähr 150°F (mindestens ungefähr 65,6°C) oberhalb Tg des kristallinen oder semi-kristallinen Polymers. In einigen Ausführungsformen findet das Schäumen und Formen selbst bei einer noch höheren Formtemperatur relativ zu Tg statt, z.B. von mindestens ungefähr 200°F (mindestens ungefähr 93,3°C) oberhalb Tg, mindestens ungefähr 250°F (mindestens ungefähr 121°C), oder mindestens ungefähr 300°F (mindestens ungefähr 149°C) oberhalb Tg. In diesem Zusammenhang bezieht sich Tg und Tm auf Werte des Polymers ohne den Zusatz eines Treibmittels.
Dies vereinfacht ein Verfahren zum kontinuierlichen Extrudieren von kristallinem oder semi-kristallinem Material aus einem Extruder mit einer Durchsatzrate von mindestens ungefähr 4,5 kg/h (ungefähr 10 lbs/h), vorzugsweise mindestens ungefähr 11,3 kg/h (ungefähr 25 lbs/h), noch bevorzugter mindestens ungefähr 18 kg/h (ungefähr 40 lbs/h), und insbesondere hohe Durchsatzraten von mindestens 27,36 oder 45 kg/h (60,80 oder 100 lbs/h). Diese hohen Durchsatzraten sind für das überraschend vorteilhafte Ergebnis repräsentativ, das nicht nur mit kristallinen und semi-kristallinen Materialien erzielt wird, sondern mit hierin beschriebenen anderen Materialien.
Ein anderer Aspekt der Lehre dieser Beschreibung beinhaltet die Herstellung von geschäumtem, vorzugsweise mikrozellulär geschäumtem Polyäthylenterephthalat (PET) mit geringer Dichte, mit geringer intrinsischer Viskosität (I.V.) und standardmäßiger Produktionsqualität bzw. -güte. Der Stand der Technik lehrt, dass bei der Herstellung von geschäumtem Polymermaterial man im Allgemeinen Material mit einer minimalen I.V. verwenden muss, zur Unterstützung des zellulären Aufbaus. Es ist bekannt, dass ein Material mit einer höheren I.V. eine höhere Schmelzelastizität und Schmelzfestigkeit besitzt, die beide dazu beitragen könnten, das Zellwachstum zu unterstützen. Die Lehre beinhaltet die Herstellung von solch einem Material über ein höher konzentriertes Treibmittel, z.B. ein Treibmittel, dessen Gewichtsprozent höher als 3% ist (was den Betrieb bei niedrigeren Temperaturen vorsieht), höheren Druckabfallraten, z.B. größer als 0,5 GPa/s (was eine effiziente Keimbildung von vielen kleinen Zellen vorsieht, was zu einer besseren Wachstumskontrolle führt), oder beides. Insbesondere beinhaltet die Lehre die Herstellung von geschäumtem PET mit einer I.V. von kleiner als eins, oder in einigen Fällen niedriger als 0,8. Sie beinhaltet die Herstellung von kristallinem oder semi-kristallinem mikrozellulären Material, wie z.B. PET, mit einer Dichte von weniger als 128 kg/m³ (8 lbs/ft³). Sie beinhaltet die Herstellung von geschäumtem kristallinem oder semi-kristallinem, mikrozellulärem Material, wie z.B. PET, das im Wesentlichen frei an die Schaumkontrollierbarkeit modifizierenden Modifizierern ist.
Ein anderer Aspekt der Lehre beinhaltet das kontinuierliche Extrudieren von mikrozellulärem Polymermaterial, welches Füllstoff in minimalen Mengen umfasst. Es wird angenommen, dass der Zusatz von Füllstoff eine entgegengesetzte Wirkung zu der des Zusatzes von den Fluss steuernden Modifizierern besitzt, um die Schmelzfestigkeit abzuschwächen. Unter Verwendung von hohen Druckabfallraten kann mikrozelluläres Material, einschließlich von kristallinem und semi-kristallinem Material, das Füllstoff in einer Menge von mindestens ungefähr 10 Gew.-% basierend auf dem Gewicht der gesamten Mischung enthält, oder mindestens ungefähr 25%, oder mindestens ungefähr 35%, oder mindestens ungefähr 50%, erhalten werden. "Füllstoff", wie hier verwendet, umfasst solche Füllstoffe, die dem Fachmann bekannt sind und die in, z.B. mit Füllstoff versehenem Polyolefin vorhanden sind. Typische Füllstoffe umfassen Talg, flammhemmende Mittel, etc.
Die Auswahl der Geometrie und die Anzahl der Keimbildungsbahnen des Nukleators oder der Keimbildungsform der Erfindung kann unter Berücksichtigung der folgenden physikalischen Prinzipien getroffen werden. Die Keimbildung ist gleich dem Anfangszustand bei der Erzeugung von Zellen durch Phasentrennung in einem Material. Die endgültige Zelldichte, die Anzahl der Zellen in einem Einheitsvolumen des ursprünglichen Materials hängt von der Anzahl der Keimbildungsstellen ab. Die Produktdichte ist eine Funktion der Zelldichte und Zellgröße, oder alternativ des Leerstellenanteils. Die Zellgröße hängt ebenso von der Anzahl der Keimbildungsstellen und der Menge des vorhandenen Gases, etc. ab. Deshalb ist die Kontrolle der Keimbildungsanzahl sehr wichtig bei der kontinuierlichen mikrozellulären Bearbeitung. Die klassische Keimbildungstheorie zeigt die Keimbildungsrate (N; 1/s) als Funktion von mehreren Parametern entsprechend der Gleichung 1: N = C·f exp (–ΔG./kT), (1)wobei C die Konzentration der Gasmoleküle, f der Frequenzfaktor für Gasmoleküle, die sich an den Kern bzw. den Zellkern anhängen [1/s], ΔG die Aktivierungsenergie für die Keimbildung, k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. ΔG kann entsprechent der Gleichung 2 definiert werden: ΔG. = (16πγ3)/(3(ΔP)2), (2)wobei G die Oberflächenenergie und ΔP der Druckabfall relativ zum Sättigungsdruck ist. Gleichung (1) zeigt, dass die Keimbildungsrate proportional zur Konzentration der Gasmoleküle ist, und dass die Zelldichte mit ansteigenden Keimbildungstemperaturen und größeren Druckabfällen ansteigt.
Man muss ebenso die kinetischen Aspekte zwischen der Keimbildung und der Diffusion betrachten. Die charakteristiksche Keimbildungszeit ist eine Funktion der charakteristischen Länge (Zelldurchmesser), der Keimbildungsrate und dem Gasdiffusionsvermögen. Die charakteristische Diffusionszeit ist eine Funktion der charakteristischen Länge und des Diffusionsvermögens. Es ist notwendig, dass die charakteristische Diffusionszeit, Δt_d, sehr viel größer als die charakteristische Keimbildungszeit, Δt_n, ist, um die Zelldichte zu maximieren, indem ein Wettkampf zwischen der Keimbildung und dem Zellwachstum für das gelöste Gas vermieden wird. Eine dimensionslose Analyse zeigt die Kriterien in Gleichung (3): Δtm/Δtd ≈ D/(N·d5) << 1, (3)wobei D das Diffusionsvermögen, N die Keimbildungsrate und d die charakteristische Länge ist.
Aus Gleichung (1) ist zu sehen, dass die Konzentration der Gasmoleküle und der Betrag des Druckabfalls relativ zum Sättigungsdruck wichtige Parameter für die Kontrolle der Zelldichte sind. Bei der kontinuierlichen, mikrozellulären Bearbeitung hängt die maximale Gaskonzentration und das Diffusionsvermögen von der Art des Gases und des Polymers ab. Sind das Polymer und das Gas vorgegeben, so ist der Druckabfall eine wichtige Prozessvariable, die durch Prinzipien bestimmt werden kann, welche aus dem Fluss durch Rohre bekannt sind. Die Gleichung (4) zeigt, dass der Druckabfall von den Parametern des Energiesatz-Viskositätsmodells, dem Durchmesser des Rohrs, der Länge des Rohres ("land length") und der Volumenflussrate abhängt: Δp = 4m·{[(8(3 + 1/n)Q)/(πd3)]n·L}/d, (4)wobei ΔP der Druckabfall, m und n die Energiesatzkonstanten, L die Länge des Rohres, d der Durchmesser und Q die Volumenflussrate sind.
Die Druckabfallrate ist ein weiterer wichtiger Faktor für die Keimbildung bei der kontinuierlichen, mikrozellulären Bearbeitung. Die Druckabfallrate kann durch Berechnen des Druckabfalls und der Verweilzeit des Flusses in dem Rohr bereichnet werden. Die Gleichung 5 zeigt die Druckabfallrate dP/dt als Funktion der Viskosität, des Rohrdurchmessers und der Volumenflussrate: dP/dt = 16m·{[8(3 + 1/n)Q)/πd3)]n·Q}/πd3 (5)
Das Design von Keimbildungsvorrichtungen wird durch die Scherrate des Polymerflusses beschränkt, da der Fluss im Bereich hoher Scherraten instabil wird.
Die Funktion und der Vorteil dieser und anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beispiele unten klarer verständlich. Die folgenden Beispiele sollen dazu dienen, den Nutzen der vorliegenden Erfindung darzustellen, dienen allerdings nicht als Beispiel des gesamten Bereichs der Erfindung.
Die folgenden Abkürzungen sind zum Zwecke der folgenden Beispiele verwendet worden:

L: = Lochlänge
d: = Lochdurchmesser
N: = Anzahl der Löcher
V_f: = die Geschwindigkeit des End-Extrudats
A_f: = Querschnittsfläche des Extrudats
A₀: = die gesamte Querschnittsfläche aller Löcher
r_f: = Dichte des mikrozellulären Kunststoffes
r₀: = Dichte der Kunststoff-/CO₂-Lösung vor dem Aufschäumen
M: = Massenflussrate aus dem Extruderauslass
r₀: = Durchmesser eines jeden Loches
V₀: = Geschwindigkeit des ungeschäumten Materials am Ausgang
g: = Scherrate

Beispiel 1:
Das folgende Beispiel beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der kritischen Abmessungen einer Form dieser Erfindung unter Verwendung einer Näherungsanalyse. Dieses Beispiel befähigt den Fachmann, alternative Formdesigns zu entwickeln, die verwendet werden können, um mikrozelluläre Kunststoffe herzustellen, fällt aber innerhalb des Bereichs der vorliegenden beanspruchten Erfindung.
Falls davon ausgegangen wird, dass sich der Kunststoff gleichmäßig in allen drei Richtungen ausdehnen wird, so kann das Verhältnis der Dichte des mikrozellulären Kunststoffes ρ_f zur Dichte des ungeschäumten Kunststoffes ρ₀ in erster Näherung wie folgt geschrieben werden: ρf/ρ0 = (1/a)3, (6)wobei a das lineare Ausdehnungsverhältnis während des Schäumens ist. Falls man die Dichte um einen Faktor zwei verringern möchte, so zeigt Gleichung (6), dass das lineare Ausdehnungsverhältnis ungefähr 1,26 betragen muss.
Falls die Form aus einer großen Anzahl von kreisförmigen Löchern besteht, durch die der Kunststoff extrudiert wird, so bestimmt das Flächenverhältnis der Löcher zu dem gesamten Endbereich des Extrudats in erster Näherung die Enddichte. Die Kontinuitätsgleichung verlangt Folgendes: M = ρfAfVf = ρ0A0V0, (7)wobei ρ = Dichte, A = Fläche, V = Geschwindigkeit, sub-f = geschäumt und sub-0 = ungeschäumt. Falls man annimmt, dass V_f = a V₀ ist, so kann das Flächenverhältnis wie folgt ausgedrückt werden: Af/A0 = a2, (8)wobei A₀ die Fläche eines jeden Loches, A_i, mal der Anzahl der Löcher N ist. Die Anzahl der erforderlichen Löcher, um eine erwünschte der Dichtereduktion vorzusehen, beträgt somit: N = Af/(a2Ai) (9)
Nimmt man an, dass ein Extruder eine Massenflussrate von M bearbeiten kann, so kann die Flussrate durch jedes Loch berechnet werden. Die Volumenflussrate pro Loch q_i steht zur Massenflussrate wie folgt in Beziehung: qi = M/Nρ0 (10)
Die Flussrate durch ein einziges Loch hängt von dem Druckabfall Δp wie folgt ab: qi = [(π r0 3)/(1/n + 3)][(r0/2m)(Δp/L)]1/n (11)wobei L gleich der Länge eines Loches ist, r_o gleich dem Lochradius ist, und m und n Materialkonstanten eines Energiesatz-Viskositätsmodells sind, die gegeben sind durch: η = m(γ)n-1 (12)
Gleichung (9) kann für Δp über die Länge des Loches gelöst werden. Unter Verwendung der obigen Gleichungen kann man die ungefähre Anzahl von Löchern berechnen, welche erforderlich sind, um einen gegebenen Kunststoff bei einer gegebenen Flussrate und einem erforderlichen Druckabfall und Druckabfallrate zu bearbeiten. Zum Beispiel, falls man mikrozellulären Schaum aus Polystyrol mit einem spezifischen Gewicht von 0,3 herstellen möchte, und falls die Flussrate 90,8 kg/h (200 lbs/h) beträgt, so könnte man 130 Löcher verwenden, von denen jedes einen Durchmesser von 0,46 mm (0,018 inch) besitzt. Der Druckabfall und die Druckabfallrate werden zu 44 MPa bzw. 4 GPa/s durch die Löcher berechnet, wenn man annimmt, dass m gleich 17, 420 Ns^0,3m² und n gleich 0,3 ist, wobei dies Werte sind, die für Schlagstrangpress-(impact grade)-Polystyrol bei 430°D (Novacor(Monsanto 3350) berichtet wurden. Da die Viskosität von der CO₂-Konzentration und der Betriebstemperatur beeinflusst wird, so sollten die eigentlichen Viskositätsdaten zur Verbesserung dieser Berechnungen verwendet werden. Ferner muss der Druck in den Löchern hoch genug sein, um die Kunststoff-/Gaslösung in einer einzigen Phase zu halten, bis der Kunststoff aus der Form austritt. In der Praxis nimmt der Druck über die Länge der Löcher jedoch ab, und deshalb ist eine hohe Druckabfallrate von Bedeutung.
Beispiel 2:
Tandem-Drahtextrusionssystem für mikrozelluläres Material
Eine Tandem-Exttrusionslinie (Akron Extruders, Canal Fulton, OH) wurde angeordnet, die einen 50,8 mm (2 inch), 32/1 L/D Primärextruder und einen 63,5 mm (2,5 inch), 34/1 L/D Sekundärextruder umfasst. Ein Zuführsystem zum Zuführen von CO₂ in den Primärextruder wurde in einem Abstand von ungefähr 20 Durchmessern von dem Zuführbereich angeordnet. Das Zuführsystem umfasste 4 in Umfangsrichtung gleich beabstandete in radialer Richtung angeordnete Anschlüsse, von denen jeder 176 Öffnungen umfasste, wobei jede Öffnung einen Durchmesser von 0,5 mm (0,02 inch) besaß, und wobei die Gesamtzahl der Öffnungen gleich 704 Öffnungen betrug.
Der Primärextruder war mit einer Zweiphasenschnecke ausgestattet, die einen herkömmlichen Zuführbereich für die erste Phase bzw. Stufe, einen Übergangsbereich und einen Dosier- bzw. Abmessbereich umfasste, gefolgt von einem Mischbereich für die Treibmitteldispersion mit mehreren Schneckengängen (vier Gänge). Die Schnecke war für eine Hochdruckinjektion des Treibmittels mit minimalem Druckabfall zwischen dem Dosierbereich der ersten Phase und dem Punkt, an dem Treibmittel zugeführt wird, bestimmt. Der Mischbereich umfasste 4 Gänge, die an den Zuführanschlüssen kontinuierlich sind, so dass die Öffnungen von den Gängen überstrichen bzw. gewischt (geöffnet und geschlossen) werden. Bei einer Schneckengeschwindigkeit von 80 RPM wird jede Öffnung von einem Gang mit einer Frequenz von 5,3 Vorbeiläufen pro Sekunde überstrichen. Der Mischbereich und das Zuführsystem ermöglichten den sehr schnellen Aufbau einer Einphasenlösung aus Treibmittel und Polymermaterial.
Das Zuführsystem umfasste ein luftbetriebenes Regelventil, um eine Massenflussrate des Treibmittels mit Raten von 91 bis 5448 g/h (von 0,2 bis 12 lbs/h) bei Drücken von bis zu 37,9 MPa (5500 psi) genau zu dosieren.
Der Sekundärextruder war mit einer einen tiefen Kanal aufweisenden, einer mit drei Gängen versehenen Kühlschnecke mit diskontinuierlichen Gängen ausgestattet, die die Möglichkeit vorsah, ein Druckprofil des mikrozellulären Materialvorläufers zwischen der Zuführung des Treibmittels und dem Eingangspunkt der Keimbildung (in diesem Fall die Form) aufrecht zu erhalten, das um nicht mehr als ungefähr 10,3 MPa (1500 psi), und in den meisten Fällen deutlich geringer, schwankt.
Das System war am Ausgang des Sekundärextruders mit einem 90°-Adapter und einem Übertragungsrohr ausgestattet, das horizontal angebracht war, um Draht durch einen Genca LoVol^TM (Clearwater, FL) Querkopf zu führen, der an dem Ende des Übertragungsrohres angebracht war. Eine Form mit einem Ausgangsdurchmesser von 0,74 mm (0,0291 inch) wurde verwendet, der einen 7°-Kegel aufwies. Eine 0,53 mm (0,021 inch) große Diamantspitze wurde verwendet.
Ein 24 AWG massiver Kupferdraht wurde dem Querkopf unter Verwendung eines standardmäßigen "Payoff"-Systems, einem Ausrichter und einem vor dem Querkopf angeordneten Vorerwärmer zugeführt. Eine Kühlrinne, ein Quetsch- bzw. Feuchtwalzenzugelement und ein Aufwickelelement wurden stromabwärtig von dem Querkopf plaziert, um den Draht zu kühlen und aufzuwickeln.
Ein Entnahmeventil war in dem Übertragungsrohr angeordnet, um eine passende Flussvolumenkontrolle für die Dünnbeschichtung eines dünnen Drahtes vorzusehen.
Beispiel 3:
Extrusion von mikrozellulärem, flammhemmendem Polyethylen mit hoher Dichte auf 24 AWG massiven Kupferdraht
Polyethylen-Pellets (Union Carbide UNIGARD-HP^TMDGDA-1412 Natural, 1,14 g/cc) wurden von dem Auslasstrichter der Primärschnecke dem Extrusionssystem des Beispiels 2 unter Ausnutzung der Schwerkraft zugeführt. Die Primärschneckengeschwindigkeit betrug 15 RPM, was zu einer Gesamtausgabe (Entnahme und Form) von ungefähr 6,8 kg/h (15 lbs/h) von mikrozellulärem Material ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 3 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 169°C (336°F) aufrecht zu erhalten, die an dem Ende des Sekundärextruders gemessen wurde. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,24 kg/h (0,54 lbs/h) zugeführt, was zu einem 3,6 Gew.-%-igem Treibmittel in der Schmelze führte. Das Druckprofil zwischen dem Zuführanschluss und dem Einlass an dem Querkopf wurde zwischen 23,4 und 27,9 MPa (zwischen 3400 und 4040 psi) gehalten. Ungefähr 0,54 kg/h (1,2 lbs/h) von fluidem mikrozellulären Materialvorläufer flossen durch den Querkopf, wobei der Fluss durch die Einstellung des Entnahmeventils geregelt werden konnte.
Die 15 und 16 sind Fotokopien von REM-Bildern der Querschnitte von mikrozellulären Drahtbeschichtungen, nach Entfernung des Drahtes, und zeigen, entsprechend diesem Beispiel, im Wesentlichen gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 20 Mikrometer und einer maximalen Zellgröße von ungefähr 25 Mikrometer. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,96 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 40 × 10⁶ Zellen/cc. Die durchschnittliche Beschichtungsdicke betrug ungefähr 0,13 mm (0,005 inch).
Beispiel 4:
Extrusion einer sehr dünnen, mikrozellulären flammhemmenden Polyolefin-Drahtbeschichtung auf einen 24 AWG massiven Kupferdraht
Ein mit flammhemmendem Mittel gefülltes Polyolefin wurde auf einen 24 AWG massiven Kupferdraht als extrem dünne, mikrozelluläre Isolierbeschichtung extrusionsbeschichtet.
Ein Tandem-Extrusionssystem ähnlich dem des Beispiels 2 wurde in diesem Beispiel verwendet. Das System umfasste einen 38,1 mm (1,5 inch), 33:1 L/D Primärextruder, einen 50,8 mm (2 inch) 24:1 L/D Sekundärextruder, einen Querkopf mit einer Form des Druck-Typs mit einem Durchmesser von 1,0 mm (0,0393 inch), einen Draht-"Payoff", einen Drahtvorerwärmer, einen Drahtausrichter, eine Kühlrinne, ein Zugelement vom Typ "belt capstan", und ein Aufwickelelement. Ein mit einem Trocknungsmittel versehener Auslasstrichter wurde verwendet, um die Polymer-Pellets vorzubereiten und um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen.
Mit flammhemmendem Mittel gefüllte Polyolefin-Pellets wurden unter Ausnutzung der Schwerkraft von dem Trocknungsauslasstrichter in das Extrusionssystem zugeführt. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 40 RPM, was eine berechnete Massenflussrate von 12,28 kg/h (27,1 lbs/h) (kein Entnahmeanschluss wurde verwendet) ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 8 RPM. Die Einstelltemperaturen der Trommel des Sekundärextruders wurden so eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 204°C (400°F) am Ende des Extruders aufrecht zu erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,05 kg/h (0,1 lbs/h) zugeführt, was zu einem 0,9%-igen Treibmittel in dem Material, basierend auf dem Polymergewicht, führte. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass des Querkopfes wurde zwischen 28,3 MPa und 24,8 MPa (zwischen 4100 und 3600 psi) gehalten. Der geschätzte Druck vor der Form betrug 15,5 MPa (1500 psi). Die Drahtliniengeschwindigkeit betrug ungefähr 11 km/h (600 fpm). Mit einer Kühlrinne und einem anfänglichen Abschreckabstand von 25.4 cm (10 inch) von dem Formausgang wurde eine Beschichtung aus mikrozellulärem Material mit einer Dicke von 0,41 mm (0,016 inch) und einer Dichtereduktion von 48% (berechnete Materialdichte von nominal 0,73 g/cc) hergestellt. Ein Umstellen der Kühlrinne und ein anfänglicher Abschreckabstand von 2,3 m (91 inch) von dem Formausgang (unter andererseits identischen Bedingungen) führte zu einer Beschichtung mit einer Dicke von 0,33 mm (0,013 inch) und einer Dichtereduktion von 27% (berechnete Materialdichte von nominal 1,04 g/cc) von festem Material.
Die 17 und 18 sind Fotokopien der REM-Bilder der Querschnitte der mikrozellulären Drahtbeschichtung mit einer Dicke von 0,41 mm (0,016 inch) nach Entfernung des Drahtes (zur einfacheren Erzeugung des erforderlichen Bruchprofils). Die Zellgrößen lagen in einem Bereich von ungefähr 8 bis ungefähr 10 Mikrometer bezüglich ihres Durchmessers. Die 19 und 20 sind Fotokopien von REM-Bildern der Querschnitte der mikrozellulären Drahtbeschichtung mit einer Dicke von 0,33 mm (0,013 inch) nach Entfernung des Drahtes. Die Zellgrößen lagen in einem Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 10 Mikrometer bezüglich ihres Durchmessers.
Die mikrozellulären Drahtbeschichtungen dieses Beispieles umgeben im Wesentlichen den Leiter (Draht) und sind an ihm mit keinem unterscheidbaren Spalt zwischen der Innenoberfläche der mikrozellulären Beschichtung und der Außenoberfläche des Leiters befestigt. Die 24 ist eine Fotokopie einer optischen Mikroaufnahme einer Drahtbeschichtungsprobe, ohne dass der Draht entfernt wurde, und die in Epoxid angebracht ist, wobei die Aufnahme Querschnittsdetails der mikrozellulären Beschichtung und des Drahtes zeigt. Der hellere Bereich in 24 stellt den Kupferleiter und der dunklere Bereich die mikrozelluläre Drahtbeschichtung dar.
Die 0,41 mm (0,016 inch) dicken Drahtbeschichtungsproben wurden, vor dem Entfernen des Drahtes, Bruchwiderstandstests von der Sorte „UL 444 Sektion 6,2" ausgesetzt, wobei alle Proben die Tests bestanden.
Beispiel 5:
Extrusion einer sehr dünnen, mikrozellulären, flammhemmenden Polyolefin-Drahtbeschichtung auf einen 24 AWG massiven Kupferdraht
Mit flammhemmendem Mittel gefüllte Polyolefin-Pellets wurden unter Ausnutzung der Schwerkraft von dem Auslasstrichter in ein Tandem-Extrusionssystem des Beispiels 4 zugeführt. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 55 RPM, was zu einer berechneten Massenflussrate von 6,21 kg/h (13,7 lbs/h) auf den Draht und von 8,06 kg/h (17,8 lbs/h) durch einen Entnahmeanschluss ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke wurde auf 11 RPM eingestellt. Die Einstelltemperaturen der Trommel des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 204°C (400°F) am Ende des Extruders aufrecht zu erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Nominalrate von 50 g/h (0,1 lbs/h) zugeführt, was zu einem 0,7%-igem Treibmittel in dem Material, basierend auf dem Polymergewicht, führte. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass des Querkopfes wurde zwischen 33,8 MPa und 28,3 MPa (zwischen 4900 und 4100 psi) gehalten. Der geschätzte Druck vor der Form betrug 13,8 MPa (2000 psi). Die Geschwindigkeit der Drahtleitung betrug ungefähr 15 km/h (820 fpm). Eine Form mit einem Durchmesser von 0,8 mm (0,032 inch) wurde verwendet. Mit einer Kühlung und einem anfänglichen Abschreckabstand von 0,48 m (19 inch) von dem Formausgang wurde eine 0,18 mm (0,007 inch) dicke Beschichtung aus mikrozellulärem Material mit einer Dichtereduktion von 20% (ausgehend von dem massiven Material betrug die berechnete Materialdichte nominell 1,13 g/cc) hergestellt.
Die 21 und 22 sind Fotokopien von REM-Bildern der Querschnitte der resultierenden 0,18 mm (0,007 inch) dicken, mikrozellulären Drahtisolierbeschichtung nach Entfernung des Drahtes. Die Zellgrößen lagen in einem Bereich von ungefähr 5 bis ungefähr 10 Mikrometer bezüglich ihres Durchmessers.
23 ist eine Fotokopie einer optischen Mikroaufnahme der Drahtbeschichtungsproben dieses Beispiels (ohne Entfernung des Drahtes), die in Epoxid angebracht waren, und zeigt Querschnittsdetails der mikrozellulären Beschichtung und des Drahtes (hell: Kupferleiter; dunkel: mikrozelluläre Drahtbeschichtung). Die Beschichtung umgibt im Wesentlichen und sichert den Leiter ohne unterscheidbare Lücke.
Die 0,18 mm (0,007 inch) dicken Drahtbeschichtungsproben wurden Druckwiderstandstests von der Sorte „UL 444 Sektion 6,2" ausgesetzt, wobei alle Proben die Tests bestanden.
Beispiel 6:
Tandem-Extrusionssystem für mikrozelluläres Material
Eine Akron-Tandem-Extrusionslinie wurde wie in Beispiel 2 angeordnet, umfasste aber nicht den Adapter, das Übertragungsrohr, den Querkopf, die Form, den Draht-"Payoff" und das Aufwickelelement, und das Entnahmeventil des Beispiels 2. Anstelle wurde ein Formadapter und eine zylindrische Stangenform mit einer 2,03 mm (0,08 inch) grossen Ausgangsöffnung und einer 15,24 mm (0,60 inch) "Land"-Länge an dem Ende des Sekundärextruders angebracht. Der Formadapter wurde mit Messelementen zur Messung der Schmelztemperatur und des Druckes unmittelbar vor Eingang in die Form ausgestattet.
Das System umfasste Geräte, die die Messung des Druckes und der Temperatur des Schmelzstromes an mindestens sechs Stellen des Tandemsystems zwischen einer Stelle unmittelbar vor den Treibmittelzuführanschlüssen und dem Eingangspunkt der Form ermöglichten, um so genauestens die Materialbedingungen zu überwachen. Entlang der Schnecke wurden Schmelztemperaturen mit Infrarotzubehör gemessen, um eine Unterbrechung des Schmelzstromes zu vermeiden.
Beispiel 7 (vergleichend):
Extrusion von nicht-mikrozellulärem Polyethylenterephthalat (PET)
PET-Pellets (Wellman, 0,8 IV, Flaschengüte-Harz) wurden in einem Conair (Franklin, PA) Trocknungssystem bei 177°C (350°F) für 4 Stunden vor deren Verwendung getrocknet. Die Pellets wurden unter Ausnutzung der Schwerkraft von dem Trocknungsauslasstrichter in ein Extrusionssystem des Beispiels 6 geführt. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 26 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 24 kg/h (53 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 5 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 278°C (532°F) aufrecht zu erhalten, die am Ende des Sekundärextruders gemessen wurde. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,45 kg/h (1,0 lbs/h) zugeführt, was zu einem 2,0 %-igen Treibmittel in der Schmelze führte. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 20,06 und 21,37 MPa (zwischen 2910 und 3100 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 2,2 GPa/s.
Die 25 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die relativ große, ungleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 100 bis 300 Mikrometer zeigt.
Beispiel 8:
Extrusion von mikrozellulärem Polyethylenterephthalat (PET)
Die Parameter und das Zubehör wurden wie in Beispiel 7 ausgewählt, mit der Ausnahme, dass die Geschwindigkeit der Primärschnecke 41 RPM betrug, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 38,5 kg/h (85 lbs/h) von mikrozellulärem Material ergab, ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,8 kg/h (1,7 lbs/h) zugeführt, was zu einem 2 Gew.-%-igen Treibmittel in der Schmelze führte, und das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 22,13 und 23,65 MPa (zwischen 3210 und 3430 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 3,9 GPa/s.
Die 26 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die im Wesentlichen gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 20 μm zeigt, wobei die maximale Zellgröße ungefähr 40 μm betrug. Die Materialdichte betrug ungefähr 640 kg/m³ (40 lbs/ft³), und die Zelldichte betrug ungefähr 2,5 × 10⁸ Zellen/cm³.
Dieses Beispiel, zusammen mit Beispiel 7, demonstriert auf experimentelle Weise, dass hohe Druckabfallraten und ein Treibmittel mit konstanten Gewichtsprozent und Schmelztemperaturen höhere Zelldichten mit kleineren Zellen ergeben.
Beispiel 9 (vergleichend):
Extrusion von flammhemmendem Polyethylen (FRPE)
FRPE-Pellets (Union Carbide UNIGARD-HP^TM DGDA-1412 Natural, 1,14 g/cc) wurden unter Ausnutzung der Schwerkraft aus dem Auslasstrichter des Primärextruders in ein System des Beispiels 6 zugeführt, das zusätzlich einen 90°-Adapter und ein Übertragungsrohr, das horizontal am Ausgang des Sekundärextruders angebracht war, umfasst, wobei ein Querkopf vom Typ Genca LoVol^TM (Clearwater, FL) am Ende des Übertragungsrohres vorgesehen war. Ein Entnahmeventil war in dem Übertragungsrohr vorgesehen, um eine passende Flussvolumenkontrolle durch die Form vorzusehen.
Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 25 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 14,5 kg/h (32 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 8 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 166°C (331°F) aufrecht zu erhalten, die an dem Ende des Sekundärextruders gemessen wurde. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,38 kg/h (0,84 lbs/h) zugeführt, was zu einem 2,6 Gew.-%-igem Treibmittel in der Schmelze führte. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 19,3 und 15,7 MPa (zwischen 2800 und 2280 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 0,48 GPa/s.
Die 27 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 25 bis 50 μm zeigt. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,8 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 15 × 10⁶ Zellen/cc. Das Extrudat umfasste eine nicht-gleichmäßige Zellverteilung mit deutlich größeren Zellen in der Mitte des Materials, verglichen mit Bereichen in der Nähe der Haut, und einer ausgeprägten Abnahme der Zelldichte in der Nähe der Mitte des Extrudats.
Beispiel 10:
Extrusion von mikrozellulärem, flammhemmendem Polyethylen (FRPE)
Die Paramter und das Zubehör wurden wie in Beispiel 9 ausgewählt, allerdings mit dem Unterschied, dass die Gesamtausgabe ungefähr 12,2 kg/h (27 lbs/h) an mikrozellulärem Material betrug, das CO₂-Treibmittel war als 3,1 Gew.-%-iges Treibmittel in der Schmelze vorhanden, und das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 24,27 und 24,4 MPa (zwischen 3520 und 3540 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 1,1 GPa/s.
Die 28 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die im Wesentlichen gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 17 bis 25 μm zeigt, wobei die maximale Zellgröße ungefähr 35 Mikrometer betrug. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,85 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 61 × 10⁶ Zellen/cc.
Dieses Beispiel, zusammen mit Beispiel 9, demonstriert auf experimentelle Weise, dass hohe Druckabfallraten und ein Treibmittel mit im Wesentlichen gleichen Gewichtsprozent und Schmelztemperaturen höhere Zelldichten mit kleineren Zellen ergeben.
Beispiel 11:
Langes einfaches Extrusionssystem für mikrozelluläres Material
Eine NRM (Pawcatuck, CT) 11,4 cm (4,5 inch) 44/1 L/D lange, einfache Extrusionslinie wurde mit einem Zuführsystem zum Zuführen von CO₂ ausgestattet, das mit einem Abstand von ungefähr 25 Durchmessern von dem Zuführbereich angeordnet war. Das Zuführsystem umfasste 4 in Umfangsrichtung gleich beabstandete, in radialer Richtung angeordnete Anschlüsse, wobei jeder Anschluss 417 Öffnungen umfasste, und jede Öffnung einen Durchmesser von 0,5 mm (0,02 inch) aufwies, was zu einer Gesamtzahl von 1668 Öffnungen führte.
Der Extruder wurde mit einer Zweiphasenschnecke ausgestattet, deren erst Phase herkömmliche Zuführ-, einen Barrierenschneckengang-Übergangsbereich und einen Dosierbereich umfasste, gefolgt von einem Mischbereich mit mehreren Gängen (sechs Gängen) für die Treibmitteldispersion. Die Schnecke war für die Hochdruckzuführung von Treibmittel mit einem minimalen Druckabfall zwischen dem Mischbereich der ersten Phase und dem Zuführpunkt des Treibmittels bestimmt. Die zweite Phase der Schnecke umfasste einen Mischbereich mit 6 kontinuierlichen Gängen an den Zuführanschlüssen, so dass die Öffnungen von den Gängen überstrichen wurden (geöffnet und geschlossen). Mit einer Schneckengeschwindigkeit von 80 RPM wurde jede Öffnung von einem Gang mit einer Frequenz von 8 Vorbeiläufen pro Sekunde überstrichen. Der Mischbereich und das Zuführsystem ermöglichten einen sehr schnellen Aufbau einer Einphasenlösung aus Treibmittel und Polymermaterial. Das Zuführsystem umfasste ein luftbetätigtes Regelventil, um eine Massenflussrate des Treibmittels mit Raten von 0,09 bis 22,7 kg/h (von 0,2 bis 50 lbs/h) bei Drücken von bis zu 37,92 MPa (5500 psi) genauestens zu dosieren.
Die zweite Phase der Schnecke wurde ebenso mit einem einen tiefen Kanal aufweisenden, dreigängigen Kühlbereich mit diskontinuierlichen Gängen ausgestattet, der die Möglichkeit vorsah, den Polymerschmelzstrom zu kühlen.
Das System umfasste am Ende des Extruders einen Formadapter und eine zylindrische ringförmige Form mit einem Spalt von 8,6 mm (0,34 inch), einem Innendurchmesser von 10,0 mm (0,4 inch) und einer "Land"-Länge von 5,08 cm (2 inch). Der Formadapter wurde mit Elementen ausgestattet zur Messung der Schmelztemperatur und des Druckes unmittelbar vor dem Eingang in die Form.
Das System umfasste Geräte, die die Messung des Druckes und der Temperatur des Schmelzstromes an mindestens 7 Stellen des Systems zwischen einer Stelle unmittelbar vor den Treibmittelzuführanschlüssen und dem Eingangspunkt in die Form ermöglichten, um die Materialbedingungen genauestens zu überwachen. Entlang der Schnecke wurde die Schmelztemperatur mit Infrarotzubehör gemessen, um eine Unterbrechung des Schmelzstromes zu vermeiden.
Beispiel 12:
Extrusion von nicht-mikrozellulärem, gefülltem, plastiziertem Polyvinylchlorid (PVC)
PVC-Pellets (mit ungefähr 1,3 Gew.-% Füllmaterial, die hoch-plastiziert waren) wurden verwendet. Die Pellets wurden unter Ausnutzung der Schwerkraft von dem Auslasstrichter in das Extrusionssystem des Beispiels 11 zugeführt. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 30 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 111,4 kg/h (246 lbs/h) des Materials ergab. Die Trommeltemperaturen des Kühlbereichs wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von ungefähr 149°C (300°F) aufrecht zu erhalten, die am Ende des Extruders gemessen wurde. Das CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 1,1 kg/h (2,5 lbs/h) zugeführt, was ein 1,6 Gew.-%-iges Treibmittel pro Gewicht des PVC und des Weichmachers in der Schmelze ergab. Die Druckabfallrate über der Form betrug 0,3 GPA/s.
29 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die sehr große, nicht-gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von mehr als 200 Mikrometer zeigt. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,96 g/cc, und die Zelldichte betrug 3 × 10⁴ Zellen/cc.
Beispiel 13:
Extrusion von mikrozellulärem, gefülltem, plastiziertem Polyvinylchlorid (PVC)
Systeme und Parameter wurden wie in Beispiel 12 ausgewählt, allerdings mit der Ausnahme, dass der Formspalt 0,3 mm (0,012 inch), der Innendurchmesser 13,7 mm (0,538 inch) und die "Land"-Länge 6,4 mm (0,25 inch) betrug. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 15 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 79,7 kg/h (176 lbs/h) des Materials ergab. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,9 kg/h (1,95 lbs/h) zugeführt, was ein 1,7 Gew.-%-iges Treibmittel pro Gewicht des PVC und des Weichmachers in der Schmelze ergab. Die Druckabfallrate über der Form betrug 6,9 GPa/s.
30 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die im Wesentlichen gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 20 Mikrometer zeigt, wobei die maximale Zellgröße ungefähr 35 Mikrometer betrug. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,88 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 8 × 10⁷ Zellen/cc.
Dieses Beispiel zusammen mit Beispiel 12 demonstriert auf experimentelle Weise, dass hohe Druckabfallraten und ein Treibmittel mit im Wesentlichen gleichen Gewichtsprozent und Schmelztemperaturen höhere Zelldichten mit kleineren Zellen ergeben.
Beispiel 14:
Extrusion von nicht-mikrozellulärem Polypropylen
Ein System wurde wie in Beispiel 6 verwendet, allerdings mit der Ausnahme, dass die Formlänge 30,5 mm (1,2 inch) betrug. Polypropylen-Pellets (PP1602-WF, Quantum Chemical, Cinicnnati) wurden unter Ausnutzung der Schwerkraft aus dem Auslasstrichter in das Extrusionssystem zugeführt. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 11,5 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 6,5 kg/h (14,4 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 4,8 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von ungefähr 204°C (400°F), gemessen an dem Ende des Sekundärextruders, aufrecht zu erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,47 kg/h (1,04 lbs/h) zugeführt, was ein 7,2 Gew.-%-iges Treibmittel in der Schmelze ergab. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 6,14 (890) und 7,51 MPa (1090 psi) aufrecht erhalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 0,15 GPa/s.
31 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die relativ große Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 150 μm zeigt. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,57 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 322 × 10³ Zellen/cc.
Beispiel 15:
Extrusion von mikrozellulärem Polypropylen
Das System und die Parameter wurden wie in Beispiel 14 mit den folgenden Ausnahmen verwendet. Der Formdurchmesser betrug 1,02 mm (0,04 inch), die "Land"-Länge betrug 17,48 mm (0,688 inch). Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 60,5 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 20 kg/h (45 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 20 RPM. Das CO₂-Treibmittel wurde mit eine Rate von 1,4 kg/h (3,0 lbs/h) zugeführt, was ein 6,7 Gew.-%-iges Treibmittel in der Schmelze ergab. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 13,86 und 23,58 MPa (zwischen 2010 und 3420 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 15 GPa/s.
Die 32 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die im Wesentlichen gleichmäßige Mikrozellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 20 Mikrometer zeigt. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,44 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 246 × 10⁶ Zellen/cc.
Beispiel 16:
Extrusion von relativ offenzelligem, mikrozellulärem FRPE
Die Beispiele 16 und 17 demonstrieren, dass eine Erhöhung der CO₂-Konzentration zu einem miteinander verbundenen bzw. vernetzten Zellaufbau führt.
Ein System wurde wie in Beispiel 9 verwendet, allerdings mit der Ausnahme, dass eine gerade zylindrische Form mit einem Formdurchmesser von 1,52 mm (0,06 inch) und einer "Land"-Länge von 17,48 mm (0,688 inch) an dem Übertragungsrohr, anstelle des Genca LoVol Kopfes, angebracht war.
Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 80,1 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 44,8 kg/h (98,8 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 28 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von ungefähr 171°C (340°F), gemessen am Ende des Sekundärextruders, aufrecht zu erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 2,3 kg/h (5,0 lbs/h) zugeführt, was zu einem 5,1 Gew.-%-igem Treibmittel in der Schmelze führte. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen am Einlass der Form wurde zwischen 16,34 und 27,16 MPa (zwischen 2370 und 3940 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 7,5 GPa/s.
33 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die ein relativ offenzelliges, mikrozelluläres Material zeigt, das Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von 10 bis 20 Mikrometer aufweist. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,85 g/cc, und die Zelldichte betrug ungefähr 196 × 10⁶ Zellen/cc.
Beispiel 17:
Extrusion von relativ geschlossenzelligem, mikrozellulärem FRPE
Ein System wurde wie in Beispiel 16 verwendet. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 30,2 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 17,9 kg/h (39,4 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 8 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von ungefähr 171°C (340°F), gemessen am Ende des Sekundärextruders, aufrecht zu erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 0,49 kg/h (1,08 lbs/h) zugeführt, was zu einem 2,7 Gew.-%-igen Treibmittel in der Schmelze führte. Das Druckprofil zwischen den Zuführanschlüssen und dem Einlass der Form wurde zwischen 11,3 (1640) und 19,37 MPa (2810 psi) gehalten. Die Druckabfallrate über der Form betrug 2,1 GPa/s.
34 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die ein relativ geschlossenzelliges, mikrozelluläres Material zeigt, das Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 20 Mikrometer aufweist. Die Materialdichte betrug ungefähr 0,76 g/cc (relativ gering). Die Zelldichte betrug ungefähr 119 × 10⁶ Zellen/cc. Die Feuchtigkeitsabsorption betrug weniger als die Hälfte der des offenzelligen Materials des Beispiels 16. Eine geringere Materialdichte und eine niedrigere Feuchtigkeitsabsorption deuten auf einen relativ höheren geschlossenzelligen Aufbau hin.
Beispiel 18:
Extrusionssystem mit flachem Druckprofil, das einen Mehrlochnukleator umfasst
Die Parameter und das Zubehör wurden wie in Beispiel 6 ausgewählt, allerdings mit den folgenden Ausnahmen. Die Schnecke war derart ausgestaltet, dass bei einer Schneckengeschwindigkeit von 59 RPM jede Öffnung von einem Schneckengang mit einer Frequenz von 3,9 Vorbeiläufen pro Sekunde überstrichen wurde.
Ein Mehrlochnukleator (66, 1) umfasste 88 zyindrische Keimbildungsbahnen, deren Querschnittsabmessung sich entlang ihrer Länge nicht änderte. Jede Keimbildungsbahn besaß einen Lochdurchmesser von 0,79 mm (0,031 inch) und eine "Land"-Länge von 10,0 mm (0,394 inch).
Zusätzlich wurden die Extrudatstränge am Ausgang der Form unter Verwendung eines Wassersprays, das ungefähr 25,4 mm (1 inch) von der Formstirnfläche entfernt angeordnet war, gekühlt. Die in dem Spraysystem verwendete Wassertemperatur betrug ungefähr 21°C (70°F).
Beispiel 19:
Extrusion von mikrozellulärem Polyäthylenterephthalat (PET) unter Verwendung eines Mehrlochnukleators
Dieses Beispiel demonstriert die Herstellung von geschäumtem, kristallinem Polymermaterial mit geringer Dichte, geringer I.V. und nicht-modifizierter Standardherstellungsgüte. Die PET-Pellets wurden wie in Beispiel 7 erhalten und bearbeitet. Ein System wurde wie in Beispiel 18 verwendet. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 59 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 53 kg/h (116 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 18 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von ungefähr 233°C (451°F), gemessen am Ende des Sekundärextruders, aufrecht zu erhalten. Das CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 3,4 kg/h (7,6 lbs/h) zugeführt, was zu einem 6,5 %-igen Treibmittel in der Schmelze führte. Eine Einphasenlösung aus CO₂-Treibmittel und Polymer wurde in weniger als einer Sekunde nach Zuführung des Treibmittels erzeugt, speziell innerhalb ungefähr 0,6 Sekunden. Die Druckabfallrate über dem Mehrlochnukleator betrug 0,8 GPa/s. Das sehr flache Druckprofil, das zwischen dem Druck, der nach der Zuführung erzielt wurde, und dem Druck am Einlass der Keimbildungsbahnen des Mehrlochnukleators aufrechterhalten wurde, lag zwischen 28,27 (4100) und 31,16 MPa (4520 psi), was einem sehr flachen Profil (35) entspricht.
36 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die im Wesentlichen gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 40 Mikrometer zeigt, wobei die maximale Zellgröße ungefähr 65 Mikrometer betrug. Die Materialdichte betrug ungefähr 80 kg/m³ (5 lbs/ft³), und die Zelldichte betrug ungefähr 4,5 × 10⁸ Zellen/cm³.
Beispiele 20 und 21:
Extrusion von mikrozellulärem, ungefülltem Polwinylchlorid (PVC)
Die Systeme und Parameter wurden wie in Beispiel 11 ausgewählt, allerdings mit den folgenden Ausnahmen. Der Extruder war mit einer Stangenform ausgestattet, die ein gerades "Land" und einen Ausgang zur Atmosphäre besaß. Die PVC-Pellets mit Weichmacher wurden erhalten und extrudiert.
Beispiel 20: Eine Flussrate von 59,8 kg/h (132 lbs/h) wurde erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde zugeführt, um ein 7,5 Gew.-%-iges Treibmittel zu bilden. Die Druckabfallrate über der Form betrug 2,75 GPa/s. Die Form besaß eine kreisförmige Öffnung mit einem Durchmesser von 2,54 mm (95 Mils) und einer "Land"-Länge von 3,86 cm (1,52 inch). Das so hergestellte mikrozelluläre Material hatte eine durchschnittliche Zellgröße von 60 μm.
Beispiel 21: Eine Flussrate von 122,8 kg/h (271 lbs/h) wurde erhalten. Ein CO₂-Treibmittel mit 6,83 wurde zugeführt, und die Druckabfallrate betrug 4,17 GPa/s. Die Form war die gleiche wie in Beispiel 20. Das so erzielte mikrozelluläre Material besaß eine durchschnittliche Zellgröße von 45 Mikrometer.
Beispiele 22 bis 26:
Extrusion von mikrozellulärem, gefülltem Polwinylchlorid (PVC)
Die Systeme, die Parameter und Materialien waren wie in den Beispielen 20 und 21 ausgewählt, allerdings mit der Ausnahme, dass eine ringförmige, ein gerades "Land" aufweisende Form in Umgebungsbedingungen verwendet wurde, und PVC-Pellets, die ungefähr 1,3 Gew.-% Füllmaterial (plastiziert) enthielten, verwendet wurden. Die unten gezeigte Tabelle beschreibt die Parameter und die Ergebnisse. Die Angabe der Gas-% basiert auf kg (lbs) von CO₂ pro kg (lb) von PVC und Weichmacher.
Beispiel 27:
Extrusion von mikrozellulärem Material aus einem ringförmigen Nukleator, der über eine Verweilkammer von einer einstellbaren Spalt-Lippen-Form getrennt ist
Eine NRM (Pawcatuck, CT) 6,4 cm lange (2,5 inch) 42/1 L/D Einfach-Extrusionslinie wurde mit einem Zuführsystem zum Zuführen von CO₂ ausgestattet, das in einem Abstand von ungefähr 18 Durchmessern von dem Zuführbereich entfernt angeordnet war. Das Zuführsystem umfasste 4 in Umfangsrichtung gleich beabstandete, in radialer Richtung angeordnete Anschlüsse, wobei jeder Anschluss 305 Öffnungen umfasste, und jede Öffnung einen Durchmesser von 0,51 mm (0,02 inch) besaß, wobei die Gesamtzahl der Öffnungen 1220 betrug.
Der Extruder war mit einer Zweiphasenschnecke ausgestattet, die in der ersten Phase einen herkömmlichen Zuführbereich, einen Barrierenschneckengang-Übergangsbereich und einen Dosierbereich umfasste, gefolgt von einem mehrgängigen (sechs Gänge) Mischbereich für die Treibmitteldispersion. Die Schnecke war für das Zuführen von Treibmittel unter hohem Druck mit minimalem Druckabfall zwischen dem Dosierbereich der ersten Phase und dem Zuführpunkt des Treibmittels bestimmt. Die zweite Phase der Schnecke umfasste einen Mischbereich mit 6 diskontinuierlichen Gängen an den Zuführanschlüssen, so dass die Öffnungen von den Gängen überstrichen wurden (geöffnet und geschlossen). Der Mischbereich und das Zuführsystem ermöglichten den sehr schnellen Aufbau einer Einphasenlösung aus Treibmittel und Polymermaterial.
Das Zuführsystem umfasste ein luftbetätigtes Regelventil, um eine Massenflussrate des Treibmittels mit Raten von 0,09 bis 5,4 kg/h (von 0,2 bis 12 lbs/h) bei Drücken von bis zu 37,92 MPa (5500 psi) genauestens zu dosieren.
Die zweite Phase der Schnecke umfasste ebenso einen Kühlbereich, der mit einem einen tiefen Kanal aufweisenden dreigängigen und anschließend zweigängigen Kühlbereich mit diskontinuierlichen Gängen ausgestattet war, und der die Möglichkeit der Kühlung des Polymerschmelzstromes vorsah.
Das System umfasste am Ende des Extruders einen Formadapter und eine zylindrische ringförmige Form mit einem Spalt von 0,51 mm (0,02 inch), einem Innendurchmesser von 22,35 mm (0,88 inch) und einer "Land"-Länge von 11,18 bis 16,51 mm (0,45 bis 0,65 inch). Der Formadapter war mit Elementen zum Messen der Schmelztemperatur und des Druckes unmittelbar vor dem Eingang in die Form ausgestattet.
Das System umfasste Geräte zur Messung des Druckes und der Temperatur des Schmelzstromes an mindestens sieben Stellen des Systems zwischen einer Stelle unmittelbar vor dem Treibmittelzuführanschluss und dem Eintrittspunkt der Form, um die Materialbedingungen genauestens zu überwachen. Entlang der Schnecke wurde die Schmelztemperatur mit Infrarotzubehör gemessen, um eine Unterbrechung des Schmelzstromes zu vermeiden. Ein einstellbarer Spalt-Lippenbereich stromabwärts des Nukleators wurde zum Zwecke des Kontrollierens der Dicke der geschäumten Folie verwendet. Die Form ist in 37 gezeigt und umfasst einen Dorn 200, der aus einem festen Bereich 202 und einem einstellbaren Bereich 204 besteht. Der einstellbare Bereich kann von dem festen Bereich beabstandet angeordnet sein, indem kreisförmige Abstandsstücke an Stellen 206 angeordnet werden. Der Außenkörper der Form 208 ist befestigt. Die gezeigte Form weist einen ringförmigen Flusskanal 210 auf, der von der Mittellinie der Form um einen Winkel 212 von 45° divergiert. Experimente wurden ebenso mit einer Form durchgeführt, der einen Divergenzwinkel von 70° aufweist. Die Spaltöffnung 214 ist über einen Bereich von 0,51 mm (20 mils) bis 1,27 mm (50 mils) durch die Verwendung der Abstandsstücke einstellbar, ohne dass der ringförmige Nukleatorspalt 216 von einem typischen Wert von 0,51 mm (20 mils) geändert wird.
Die variable Spalt-Lippen-Form wurde verwendet, um den Einfluss der Formspaltöffnung auf die Dicke des Produkts zu untersuchen. Als Beispiel wurde Polystyrol mit 6 Gew.-% CO₂ bei einer Flussrate von ungefähr 38,1 kg/h (84 lbs/h) und bei einer Schmelztemperatur von ungefähr 119°C (246°F) in der Form, die einen Divergenzwinkel von 70° hatte, bei Formlippenspaltöffnungen von 0,76 mm (25 mils) und 1,27 mm (50 mil) geformt. Der Druck, gemessen ungefähr an der Stelle 218 für den 0,76 mm (25 mil) Spalt, war, wie erwartet, höher (18,68 MPa) (2710 psi) als der Druck (14,2 MPa) (2060 psi), gemessen mit dem 1,27 mm (50 mil) Spalt. Bei diesen Experimenten nahm die Dicke der Schaumschicht von 2,54 mm (100 mils) für die Form mit 0,76 mm grossen (25 mil) Spalt auf 3,81 mm (150 mil) für die Form mit dem 1,27 mm grossen (50 mil) Spalt zu. Die Unterschiede bezüglich der Zellgröße und der Zelldichte zwischen diesen beiden Formlippenspalte wurden nicht als signifikant angesehen.
Beispiel 28:
Extrusion von mikrozellulärem PET unter Verwendung einer konvergierenden Form
Dieses Beispiel demonstriert die Herstellung von geschäumtem, kristallinem Polymermaterial mit geringer Dichte, geringer I.V. und mit unmodifizierter, standardmäßiger Herstellungsgüte. Die Parameter und das Zubehör wurden wie in Beispiel 6 ausgewählt, allerdings mit den folgenden Ausnahmen. Die Schnecke war derart, dass bei einer Schneckengeschwindigkeit von 53 RPM jede Öffnung von einem Schneckengang mit einer Frequenz von 3,5 Vorbeiläufen pro Sekunde überstrichen wurde.
Eine Form mit einem Außendurchmesser von 1,02 mm (0,04 inch) am Ausgang und einem Kegelwinkel von 18,4° wurde verwendet. Die Kegellänge dieser Form betrug 19,05 mm (0,75 inch). An der Außenseite des Kegellängenbereichs der Form war ein Messingkühlblock angebracht. Dieser Kühlblock enthielt Kanäle, die es ermöglichten, den Wärmefluss auf das Öl um die Formkegellänge zur Kontrolle der Temperatur der Form entlang der Kegellänge zu übertragen.
Die PET-Pellets wurden wie in Beispiel 7 erhalten und bearbeitet. Ein System wurde wie in Beispiel 18 verwendet. Die Geschwindigkeit der Primärschnecke betrug 53 RPM, was eine Gesamtausgabe von ungefähr 43,5 kg/h (96 lbs/h) des Materials ergab. Die Geschwindigkeit der Sekundärschnecke betrug 18 RPM. Die Trommeltemperaturen des Sekundärextruders wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von ungefähr 244°C (472°F), gemessen am Ende des Sekundärextruders, aufrecht zu erhalten. Ein CO₂-Treibmittel wurde mit einer Rate von 2,7 kg/h (6,0 lbs/h) zugeführt, was zu einem 6,3 %-igen Treibmittel in der Schmelze führte. Eine Einphasenlösung aus CO₂-Treibmittel und Polymer wurde in weniger als einer Sekunde nach Zuführen des Treibmittels erzeugt, speziell innerhalb ungefähr 0,6 Sekunden. Die Druckabfallrate über der konvergierenden Form betrug 14,9 GPa/s. Ein sehr flaches Druckprofil wurde zwischen dem Druck, der nach Zuführung erzielt wurde, und dem Druck am Einlass der Keimbildungsbahnen des Mehrlochnukleators aufrecht erhalten, und dieses lag zwischen 24,68 und 22,41 MPa (zwischen 3580 und 3250 psi), was einem sehr flachen Profil entspricht.
38 ist eine Fotokopie eines REM-Bildes des Querschnittes des Extrudats, die im Wesentlichen gleichmäßige Zellen mit einer durchschnittlichen Größe von ungefähr 40 Mikrometer zeigt, wobei die maximale Zellgröße ungefähr 65 Mikrometer betrug. Die Materialdichte betrug ungefähr 51,2 kg/m³ (3,2 lbs/ft³), und die Zelldichte betrug ungefähr 7,3 × 10⁸ Zellen/cm³.
Beispiel 29:
Eine Tandem-Extrusionslinie für mikrozelluläres Material
Eine Tandem-Extrusionslinie, die einen 27 mm 40:1 L/D Primärextruder mit einer Gegendrehdoppelschnecke (American Leistritz Extruder, Sommerville, NJ) und einen Sekundärextruder mit einer 2,5 46:1 L/D Einfachschnecke umfasst, wurde in einer rechtwinkligen Konfiguration angeordnet. Ein Gewichtsverlustzuführelement, das in der Lage war, bis zu 45,3 kg/h (100 lbs/h) zuzuführen, war über dem Zuführhals des Primärextruders angebracht. Polymer-Pellets, deren Ausgabe sehr genau kontrolliert wurde, wurden aus dem Gewichtsverlustzuführelement entnommen und dem Primärextruder unter Ausnutzung der Schwerkraft zugeführt. Ein Zuführsystem für die Zuführung von CO₂ in den Sekundärextruder war bei ungefähr 8 Durchmessern von dem Einlass des Sekundärextruders entfernt angeordnet. Das Zuführsystem umfasste 4 in Umfangsrichtung gleich beabstandete, in radialer Richtung angeordnete Anschlüsse, wobei jeder Anschluss 131 Öffnungen umfasste, und jede Öffnung einen Durchmesser von 0,51 mm (0,02 inch) besaß, was zu einer Gesamtzahl von 524 Öffnungen führte.
Der Primärextruder mit Doppelschnecke war mit einem Paar von einander angepassten Schnecken ausgestattet, die herkömmliche Zuführ-, Schmelz-, Misch-, Auslass- und Druckaufbaubereiche umfassten. Das Schneckenpaar war für die Dispersion von hohen Füllmaterial-Ladepegeln und für eine hohe Druckerzeugung bestimmt. Der Auslass dieses Primärextruders war mit dem Einlass des Sekundärextruders über einen kurzen Verbindungsadapter mit einer Länge von ungefähr 20,3 cm (8 inch) verbunden.
Ein Zuführsystem umfasste ein luftbetätigte Regelventil, um genauestens eine Massenflussrate an Treibmittel mit Raten von 0,09 bis 9,5 kg/h (von 0,2 bis 21 lbs/h) und bei Drücken von bis zu 37,9 MPa (5500 psi) abzumessen.
Der Sekundärextruder war mit einer speziell ausgestalteten Schnecke ausgestattet, um eine Schmelzzuführung, Treibmitteldispersion und Kühlung der Polymer-/Treibmittelmischung vorzusehen. Der Schmelzzuführbereich war ein flacher, einfach-gängiger Bereich, der bestimmt war, um einen gleichmäßigen Polymerfluss und Polymerabdichtung vor Zuführen des Treibmittels vorzusehen. An diesen Bereich schloss sich ein mehrgängiger Treibmitteldispersionsbereich an, welcher 6 kontinuierliche Gänge an den Zuführanschlüssen derart umfasste, dass die Öffnungen von den Gängen überstrichen wurden (geöffnet und geschlossen). Bei einer Schneckengeschwindigkeit von 35 RPM wurde jede Öffnung mit einer Frequenz von 3,5 Vorbeiläufen pro Sekunde überstrichen. Der Kühlbereich der Schnecke war ein einen tiefen Kanal aufweisender dreigängiger Bereich, der vorgesehen war, um das Polymer zu kühlen und das Druckprofil des mikrozellulären Materialvorläufers zwischen der Zuführung des Treibmittels und dem Eingang zu dem Keimbildungspunkt (in diesem Fall die Form) aufrecht zu erhalten, wobei das Druckprofil um nicht mehr als ungefähr 10,34 kPa (1500 psi) schwankte.
Das System war am Ausgang des Sekundärextruders mit einem Formadapter und einer 25,4 cm (10 inch) breiten, flachen Form ausgestattet (Production Componenten, Eau Clair, WI) (37). Der Formadapter war mit Elementen zur Messung der Schmelztemperatur und des Druckes unmittelbar vor Eintritt in die Form ausgestattet. Die flache Form umfasste einen herkömmlichen kleiderbügelartigen Flussverteilungskanal und ein Einstellsystem für die flexible Lippe, und die so eingestellte Formlippe sah Ausgangsspalte von 0 bis 1,02 mm (0,04 inch) mit einer "Land"-Länge von 4,78 mm (0,188 inch) vor.
Ebenso war ein herkömmlicher Drei-Rollen-Stapel ("three roll stack") und ein Spannwickelelement vorgesehen. Der Drei-Rollen-Stapel war mit Rollen mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 inch) und Temperatursteuereinheiten ausgestattet, die eine Rollentemperatureinstellung von 18°C (65°F) bis 93°C (200°F) vorsahen.
Beispiel 30:
Extrusion einer sehr dünnen Polypropylenfolie
Polypropylen-Pellets, die 30 Gew.-% Talg enthielten, wurden in die in Beispiel 29 beschriebene Tandem-Extrusionslinie dosiert zugeführt.
Das Gewichtsverlustzuführelement wurde derart eingestellt, um eine Ausgabe von 27 kg/h (60 lbs/h) vorzusehen. Die Schneckengeschwindigkeiten wurden auf ungefähr 330 RPM auf der Primärseite und 38 RPM auf der Sekundärseite eingestellt. Die Sekundärtrommeltemperaturen wurden derart eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 177°C (350°F) am Eingang zu der Form aufrecht zu erhalten. Das CO₂-Treibmittel wurde mit einer nominellen Rate von 0,38 kg/h (0,84 lbs/h) zugeführt, was zu einem Treibmittel in dem Material von 2%, basierend auf dem Polymergewicht, führte. Der Formspalt wurde auf 0,1 mm (0,004 inch) eingestellt. Der Walzenspalt des Drei-Rollen-Stapels wurde auf 0,38 mm (0,015 inch) eingestellt und ungefähr 3,81 cm (1,5 inch) von dem Formausgang entfernt angeordnet. Die Rollentemperaturen wurden auf 24°C (75°F) eingestellt.
Die obigen Bedingungen erzeugten ein Produkt, welches eine Dicke von 0,51 mm (0,02 inch) und eine Breite von 25,4 cm (10 inch) bei einer Dichte von 0,67 g/cc hatte. Basierend auf einer nominellen massiven Materialdichte von 1,14 g/cc betrug die so erzielte Dichtereduktion 41%. Der berechnete Druckabfall über die "Land"-Länge der Form beträgt ungefähr X GPa/s.
39 und 40 sind Fotokopien von REM-Querschnittsaufnahmen dieser dünnen mikrozellulären Folie, die Zellgrößen von 15 bis 35 Mikrometer zeigte.
Beispiel 31:
Extrusion einer sehr dünnen Polypropylenfolie
Polypropylen-Pellets, welche 30 Gew.-% Talg enthielten, wurden in die in Beispiel 29 beschriebene Tandem-Extrusionslinie dosiert zugeführt.
Das Gewichtsverlustzuführelement wurde derart eingestellt, um eine Ausgabe von 27,2 kg/h (60 lbs/h) vorzusehen. Die Schneckengeschwindigkeiten wurden auf 333 RPM auf der Primärseite und 38 RPM auf der Sekundärseite eingestellt. Die Sekundärtrommeltemperaturen wurden so eingestellt, um eine Schmelztemperatur von 166°C (330°F) am Eingang zu der Form aufrecht zu erhalten. Das CO₂-Treibmittel wurde mit einer nominellen Rate von 0,38 kg/h (0,84 lbs/h) zugeführt, was zu einem Treibmittel in dem Material von 2%, basierend auf dem Polymergewicht, führte. Der Formspalt wurde auf 0,1 mm (0,04 inch) eingestellt. Der Walzenspalt des Drei-Rollen-Stapels wurde auf 0,38 mm (0,015 inch) eingestellt, und wurde ungefähr 3,81 cm (1,5 inch) von dem Formausgang entfernt angeordnet. Die Rollentemperaturen wurden auf 24°C (75°F) eingestellt.
Die obigen Bedingungen erzeugten ein Produkt, welches eine Dicke von 3,81 mm (0,15 inch) und eine Breite von 25,4 cm (10 inch) bei einer Dichte von 0,80 g/cc hatte. Basierend auf einer nominellen massiven Materialdichte von 1,14 g/cc betrug die so erzielte Dichtereduktion 30%. Der berechnete Druckabfall über die "Land"-Länge der Form betrug ungefähr 0,87 GPa/s.
Die 41 und 42 sind Fotokopien von REM-Querschnittsansichten dieser dünnen mikrozellulären Folie, die Zellgrößen im Bereich von 15 bis 35 Mikrometer zeigte.
Der Fachmann erkennt ohne Schwierigkeiten, dass sämtliche hierin aufgelisteten Parameter rein exemplarisch sind, und dass die tatsächlichen Parameter von der spezifischen Anwendung abhängen, für welche die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es sollte deshalb verstanden werden, dass die vorangegangenen Ausführungsformen rein beispielhaft dargestellt wurden, und dass innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche die Erfindung auf andere Weise in die Praxis umgesetzt werden kann, als dies im Speziellen beschrieben worden ist.

Claims

Verfahren mit dem Schritt des kontinuierlichen Extrudierens eines mikrozellulären Polymermaterials aus einer einphasigen Lösung eines Polymermaterials und eines Treibmittels, das in einer Extrudiervorrichtung enthalten ist, die eine Keimbildungsbahn aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel in der Lösung in einer Menge von weniger als ungefähr 80 Prozent der Sättigungskonzentration vorhanden ist, wobei die Sättigungskonzentration bei dem geringsten Druck in dem System nach dem Punkt der Treibmittelinjektion vor der Keimbildungsbahn bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem Fluidstrom, Polymermaterial in dem Extruder mit einer Rate von zumindest 18,1 kg pro Stunde (40 Pfund pro Stunde) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in dem Fluidstrom, Polymermaterial in dem Extruder mit einer Rate von zumindest 54,4 kg pro Stunde (120 Pfund pro Stunde) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Extruder eine Keimbildungsbahn aufweist, in der eine einphasige Lösung eines Treibmittels und mikrozellulären Polymermaterial-Zwischenprodukts, die dadurch passiert, zur Keimbildung gebracht werden kann, wobei die Keimbildungsbahn derart konstruiert und angeordnet ist, dass er die Einphasenlösung den Bedingungen einer Löslichkeitsänderung aussetzt, die ausreicht, um Keimbildungsstellen in der Lösung zu erzeugen, in der Abwesenheit von zusätzlichem Keimbildungsmittel.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial im Wesentlichen geschlossenzellig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt des kontinuierlichen Extrudierens von Polymermaterial mit einer minimalen Querschnitt-Abmessung von weniger als 0,25 mm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial ein kristallines oder semi-kristallines Polymermaterial ist, das im Wesentlichen frei von Schaumbeherrschbarkeit-Modifizierern ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial PET aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial PP aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial PE aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial ein kristallines oder semi-kristallines Polymermaterial ist, das eine Dichte von weniger als 128,1 kgm^–3 (8 Pfund/Fuß³).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial einen Füllstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial zumindest 10% Füllstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial zumindest 25% Füllstoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial ein kristallines oder semi-kristallines Polymermaterial ist, das frei von Keimbildungsmitteln mit Füllstoffen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mikrozelluläre Polymermaterial Zellen von im Wesentlichen einheitlicher Größe von weniger als ungefähr 50 Mikrometer Durchschnittsgröße aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Treibmittel ein atmosphärisches Gas unter Umgebungsbedingungen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Treibmittel überkritisches Kohlendioxid ist.