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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen die Herstellung von
polymerischem Strukturschaum, und insbesondere ein System und ein
Verfahren zum Herstellen von spritzgussgeformten, mikrozellulären Strukturschäumen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Strukturgeschäumte Materialien
sind bekannt und können
durch Injizieren eines physikalischen Blähmittels in einen geschmolzenen
polymerischen Strom, das Dispergieren des Blähmittels im Polymer, um eine zweiphasige
Mischung von Blähmittelzellen
im Polymer zu bilden, das Injizieren der Mischung in eine Form mit einer
gewünschten
Geometrie und durch das darin Aushärtenlassen der Mischung hergestellt
werden. Ein Druckverlust in der Mischung kann dazu führen, dass
die Zellen im Polymer wachsen. Als eine Alternative zu einem physikalischen
Blähmittel
kann ein chemisches Blähmittel
eingesetzt werden, das einer chemischen Reaktion im Polymermaterial
unterworfen ist, was die Bildung eines Gases erzeugt. Chemische
Blähmittel
sind im allgemeinen organische Komponenten mit geringem Molekulargewicht,
die sich bei einer kritischen Temperatur zersetzen und ein Gas wie
Stickstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid freisetzen. Unter einigen
Bedingungen können
die Zellen hergestellt werden, um isoliert zu verbleiben und ein
geschlossenzelliges geschäumtes
Material resultiert daraus. Unter anderen, typischerweise heftigeren
Schäumbedingungen,
reißen die
Zellen oder werden miteinander verbunden und ein offenzelliges Material
resultiert daraus. Eine Zusammenstellung von Standardspritzgussverfahren,
die in der Patentliteratur beschrieben sind, folgt nun.
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US-Patent
Nr. 3,436,446 (Angell) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
um geschäumte Kunststoffartikel
mit einer festen Hülle
zu formen, indem der Druck und die Temperatur in der Form geregelt wird.
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US-Patent
Nr. 4,479,914 (Baumrucker) beschreibt ein Verfahren zum Formen eines
geschäumten
Gegenstandes, bei dem ein Formhohlraum mit Gas unter Druck gesetzt
wird, um eine frühzeitige
Diffusion des Blähmittels
von dem in den Hohlraum injizierten Material zu verhindern. Vordruckgas
wird während
des Injizierens von zu schäumendem
Material abgezogen, abschließend
zu einer Vakuumkammer, die ein Vakuum erzeugt, welches das Material
durch den Formhohlraum zieht. Ähnliche
Beschreibungen finden sich in der EP-A-799553, der US-A-5,334,356 und der
WO89/00918.
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Mikrozelluläres Material
ist typischerweise durch polymerischen Schaum mit sehr kleiner Zellengröße definiert
und unterschiedliche mikrozelluläre
Materialien sind in US-Patent
Nr. 5,158,986 und 4,473,665 beschrieben. Diese Patente beschreiben,
dass eine einphasige Lösung
aus polymerischen Material und physikalischem Blähmittel einer thermodynamischen
Stabilität
unterworfen wird, die benötigt
wird, um Keimbildungsorte von hoher Dichte zu erzeugen, gefolgt
von einem kontrollierten Zellenwachstum, um ein mikrozelluläres Material
zu erzeugen. US-Patent Nr. 4,473,665 (Martini-Vvedensky) beschreibt
ein Formsystem und ein Verfahren zum Herstellen mikrozellulärer Teile.
Polymerische Pellets werden mit einem gasförmigen Blähmittel unter Vordruck gestellt
und in einem herkömmlichen
Extruder geschmolzen, um eine Lösung
von Blähmittel und
geschmolzenem Polymer zu bilden, die dann in einem Formhohlraum
unter Druck extrudiert wird. Der Druck in der Form wird über dem
Löslichkeitsdruck
des gasförmigen
Blähmittels
bei Schmelztemperaturen für eine
gegebene Anfangssättigung
gehalten. Wenn die Temperatur des geformten Teiles auf die geeignete
kritische Nukleationstemperatur abfällt, lässt man den Druck auf die Form
absinken, typischerweise auf Umgebungsdruck, und man lässt das
Teil schäumen.
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US-Patent
Nr. 5,158,986 (Cha et al.) beschreibt ein alternatives Formsystem
und ein Verfahren zum Herstellen mikrozellulärer Teile. Polymerische Pellets
werden in einen herkömmlichen
Extruder eingegeben und geschmolzen. Ein Blähmittel von Kohlendioxid in
seinem überkritischen
Zustand wird in dem Extrusionszylinder aufgenommen und vermischt,
um eine homogene Lösung
von Blähmittel
und polymerischem Material zu bilden. Ein Bereich des Extrusionszylinders
wird so erhitzt, dass, wenn die Mischung durch den Zylinder fließt, eine
thermodynamische Instabilität
erzeugt wird und dabei Nukleationsorte in geschmolzenen polymerischen
Material erzeugt werden. Das keimreiche Material wird in einen Formhohlraum
unter Druck extrudiert. Der Druck innerhalb der Form wird durch
Gegendruck von Luft aufrechterhalten. Zellwachstum tritt im Inneren des
Formhohlraums auf, wenn der Formhohlraum aufgeweitet wird und der
Druck darin sich schnell verringert; das Aufweiten der Form liefert
einen geformten und geschäumten
Artikel mit kleinen Zellgrößen und
hohen Zelldichten. Die Nukleation und das Zellwachstum treten gemäß diesem
Verfahren getrennt auf; die thermoinduzierte Keimbildung tritt im
Zylinder des Extruders auf, und das Zellwachstum tritt in der Form
auf.
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Während die
obigen und andere Berichte verschiedene Techniken darstellen, die
im Zusammenhang stehen mit der Herstellung von mikrozellulärem Material
und der Herstellung von Material mittels Spritzgussverfahren, besteht
ein Bedürfnis
in der Technik nach verbesserten mikrozellulären Spritzgussverfahren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Spritzgusssysteme und Verfahren
vorzuschlagen, die bei der Herstellung von mikrozellulären Strukturschäumen und,
insbesondere, sehr dünnen
Gegenständen
wirksam sind. Es ist eine andere Aufgabe, Systeme und Verfahren
vorzusehen, die beim Spritzgießen
von mikrozellulären
Strukturschäumen
nützlich
sind, aber auch beim Spritzgießen
herkömmlicher
Schäume
und einer kontinuierlichen Extrusion von mikrozellulären oder
herkömmlichen
Schäumen
nützlich
sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist bezüglich
einem Aspekt im Systemanspruch 1, bezüglich eines anderen Aspekts
im Verfahrensanspruch 14 bestimmt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
bestimmt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht ein System ein, das einen Extruder
mit einem Einlass an einem Einlassende desselben, der einen Vorläufer an
mikrozellulärem
Material aufnimmt, eine Formkammer und eine eingeschlossene Durchführung, die
den Einlass mit der Formkammer verbindet, umfasst. Eine Durchführung ist
derart aufgebaut und angeordnet, dass sie eine ohne erfolgte Keimbildung
homogene, fluide Einphasenlösung
aus einem polymerischen Material und einem Blähmittel aufnimmt, um die ohne
erfolgte Keimbildung homogene, fluide Einphasenlösung aus dem polymerischem
Material und dem Blähmittel
in einem fluiden Zustand bei erhöhten
Druck innerhalb der Durchführung
zu enthalten und die Lösung
als fluiden Strom in der Durchführung
in eine Richtung stromabwärts
von dem Einlassende zur Formkammer hin zu bewegen. Die eingeschlossene
Durchführung
umfasst einen Keimbildungspfad, in dem das Blähmittel in der hierdurch verlaufenden
Einphasenlösung
einer Keimbildung unterzogen wird. Der Keimbildungspfad ist derart
aufgebaut, dass er ein Polymeraufnahmeende, welches eine homogene,
fluide Einphasenlösung
aus polymerischem Material und einem Blähmittel ohne erfolgte Keimbildung
aufnimmt, ein nach erfolgter Keimbildung Polymerabgabeende, das
derart aufgebaut und angeordnet ist, dass es ein Polymermaterial
nach erfolgter Keimbildung freigibt, und einen Fluidpfad umfasst,
der das Aufnahmeende mit dem Abgabeende verbindet. Das Polymeraufnahmeende
bestimmt eine Öffnung
der Formkammer, die in fluider Verbindung mit der Formkammer steht.
Der Keimbildungspfad besitzt eine Länge und Querschnittsabmessungen,
so dass, wenn ein fluides Polymer, das homogen mit ungefähr 6 Gew.-%
CO2 gemischt ist, durch den Pfad mit einer
Rate von ungefähr
18 Kilogramm (40 Pfund) Fluid pro Stunde verläuft, eine Druckabfallsrate
in dem fluiden Polymer von mindestens ungefähr 0,1 GPa/sec., oder zumindest
ungefähr
0,3 GPa/sec., oder zumindest ungefähr 1,0 GPa/sec. oder zumindest ungefähr 3 GPa/sec.
erzeugt. Der Keimbildungspfad kann ebenso eine variable Querschnittsabmessung
besitzen, so dass ein fluides Polymer, das entlang dem Pfad fließt, einer
variablen Druckabfallsrate und/oder Temperaturerhöhung ausgesetzt
ist.
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Die
Erfindung beinhaltet ein System, das eine Formkammer besitzt, die
ein Polymermaterial nach erfolgter Keimbildung bei erhöhtem Druck
enthält,
um Zellwachstum bei dem erhöhten
Druck zu verhindern. Die unter Druck gesetzt Formkammer kann auf
fluide oder mechanische Weise unter Druck gesetzt werden, um so
das Polymermaterial nach erfolgter Keimbildung bei einem solch erhöhten Druck
zu enthalten. Nach Verringerung des Druckes in der unter Druck gesetzten
Formkammer kann sich das Polymermaterial in der Form eines erwünschten
mikrozellulären
Polymergegenstandes verfestigen, da die Formkammer eine solche Innenform
besitzt.
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Die
Erfindung schließt
ein System ein, das einen Kessel mit einem Einlass, der zur Aufnahme
eines Vorläufers
des extrudierten Materials bestimmt ist, einen Auslass, der zur
Abgabe eines fluiden Gemisches ohne erfolgte Keimbildung aus einem
Blähmittel
und einem geschäumten,
polymerischem Gegenstandsvorläufer
an den Vorläufer
bestimmt ist, und eine Öffnung,
die mit einer Blähmittelquelle
verbindbar ist, und eine Schnecke, die zur oszillierenden Bewegung
innerhalb des Kessels befestigt ist, besitzt. Das Extrusionssystem kann
ebenso mindestens zwei Öffnungen
besitzen, die mit einer Blähmittelquelle
verbindbar sind, und die Öffnung
kann in Längsrichtung
entlang der Kesselachse angeordnet sein, um so aufeinanderfolgend
das Gemisch ohne erfolgte Keimbildung durch die zumindest zwei Öffnungen
in den Kessel einzuführen,
während
die Schnecke die oszillierende Bewegung ausführt. Das System kann ebenso
einen zweiten Extrusionskessel umfassen, der mit dem ersten Kessel
verbunden ist, wobei der zweite Kessel einen Einlass, der zur Aufnahme des
fluiden, Gemisches ohne erfolgte Keimbildung bestimmt ist, und eine
Schnecke besitzt, die zur oszillierenden Bewegung innerhalb des
Kessels befestigt ist.
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Die
Erfindung schließt
ein Verfahren ein, bei dem ein kontinuierlicher Strom der fluiden
Einphasenlösung
nach erfolgter Keimbildung aus polymerischem Vorläufer und
Blähmittel
gebildet wird, der Strom einer Keimbildung unterzogen wird, um einen
Strom des Gemisches nach erfolgter Keimbildung zu erzeugen, der Strom
nach erfolgter Keimbildung in den Einschluss bewegt und das Gemisch
zu einer Form des Einschlusses verfestigt wird. Wahlweise kann der
Strom kontinuierlich dadurch einer Keimbildung unterzogen werden,
dass er kontinuierlich einem Druckabfall mit einer Rate von mindestens
ungefähr
0,1 GPa/sec. ausgesetzt wird, während
der Strom in den Einschluss bewegt wird, um so einen kontinuierlichen
Strom an Material nach erfolgter Keimbildung zu erzeugen. Alternativ
beinhaltet das Verfahren das intermittierende Keimbilden des Stromes,
indem er einem Druckabfall mit einer Rate von zumindest ungefähr 0,1 GPa/sec.
ausgesetzt wird, während
der Strom in den Einschluss bewegt wird, so dass das Material ohne
erfolgte Keimbildung zuerst in den Einschluss bewegt wird, und anschließend das
Material nach erfolgter Keimbildung folgt. Umgekehrt kann der Strom
nach erfolgter Keimbildung in den Einschluss bewegt werden, so dass
zunächst
das Material nach erfolgter Keimbildung in den Einschluss bewegt
wird, und im Anschluss das Material ohne erfolgte Keimbildung folgt.
Das Verfahren beinhaltet ebenso das Entfernen eines verfestigten,
mikrozellulären
Gegenstandes aus dem Einschluss, und das Vorsehen eines zweiten
Gemisches nach erfolgter Keimbildung in dem Einschluss während einer
Zeitspanne von weniger als ungefähr
10 Minuten, Verfestigenlassen des zweiten Gemisches in der Form
des Einschlusse und das Entfernen eines zweiten verfestigten mikrozellulären Gegenstandes
aus dem Einschluss.
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Die
Erfindung beinhaltet ebenso ein Verfahren, das das Ansammeln einer
Menge eines Vorläufers
des geschäumten
polymerischem Materials und eines Blähmittels, das Erwärmen eines
ersten Abschnittes der Menge, die zumindest ungefähr 2% der
Menge bestimmt, auf eine Temperatur, die um zumindest ungefähr 10°C höher als
die Durchschnittstemperatur der Menge ist, und das Injizieren der
Menge in eine Formkammer umfasst.
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Ebenso
umfasst ist ein Verfahren, das das Akkumulieren in einem Akkumulator,
der auf fluide Weise mit einer Formkammer verbunden ist, einer Menge,
die einen ersten Abschnitt, der ein fluides Polymermaterial aufweist,
welches im wesentlichen frei an Blähmittel ist, und einen zweiten
Abschnitt aufweist, der ein fluides Polymermaterial, welches mit
einem Blähmittel
vermischt ist, und das Injizieren der Menge von dem Akkumulator
in eine Formkammer umfasst.
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Ebenso
umfasst ist ein Verfahren, das das Injizieren einer fluiden Einphasenlösung eines
Vorläufers aus
geschäumten
Polymermaterial und eines Blähmittels
in eine Formkammer, aus einem Akkumulator, der in fluider Verbindung
mit dem Extrusionsgerät
steht, während
die Lösung
einer Keimbildung unterzogen wird, um ein Gemisch nach erfolgter
Keimbildung zu erzeugen, und das Verfestigenlassen des Gemisches
als ein polymerischer, mikrozellulärer Gegenstand in der Formkammer
umfasst.
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Die
Erfindung schließt
ebenso ein Verfahren ein, das das Injizieren eines Blähmittels
in einen Extruderkessel des Polymerextrusionsgerätes umfasst, während sich
eine Extrusionsschnecke in axialer Richtung innerhalb des Kessels
bewegt.
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Die
Erfindung schließt
ebenso ein Verfahren ein, das das Injizieren eines Blähmittels
von einer Extrusionsschnecke in einen Kessel der Polymerextrusionsvorrichtung
umfasst.
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Die
Erfindung kann als Ausführungsform
ein Verfahren beinhalten, das das Ausbilden eines Vorläufers eines
fluiden polymerischen Gegenstandes in einem Kessel der Extrusionsvorrichtung,
das Abziehen eines Abschnittes des fluiden Vorläufers aus dem Kessel, das Vermischen
des Abschnittes des fluiden Vorläufers
mit Blähmittel,
um ein Gemisch aus Blähmittel
und dem Abschnitt des fluiden Vorläufers zu bilden, und das Einführen des
Gemisches in den Kessel umfasst.
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Die
Erfindung kann als Ausführungsform
ein Verfahren beinhalten, das das Einführen des polymerischen Materials,
welches mit einem superkritischen fluiden Additiv vermischt ist,
in eine Form eingeführt
wird, die einen Abschnitt mit einer Innenabmessung von weniger als
ungefähr
3,2 mm (0,12 inch) besitzt, und das Verfestigenlassen des polymerischen
Materials in der Form umfasst, wobei die Schritte des Einführens und des
Verfestigenlassens innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 10
Sekunden stattfinden.
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Die
Erfindung kann als Ausführungsform
ein Verfahren beinhalten, das das Einführen des polymerischen Materials,
das mit einem superkritischen Fluid vermischt ist, in eine Form,
die einen Abschnitt mit einer Innenabmessung von weniger als ungefähr 3,2 mm
(0,12 inch) und das Verfestigenlassen des polymerischen Materials
in der Form umfasst.
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Die
Erfindung kann als Ausführungsform
ein Verfahren beinhalten, das das Bilden einer Einphasenlösung vor
erfolgter Keimbildung eines polymerischen Materials und eines Blähmittels,
das Einführen
der Lösung in
eine Formkammer, während
die Lösung
einer Keimbildung unterzogen wird, das Brechen der Form, wodurch das
Zellwachstum ermöglicht
wird, und das Wiedergewinnen eines mikrozellulären polymerischen Gegenstandes
mit einer Form ähnlich
der der Formkammer, die aber größer als
die Formkammer ist, umfasst.
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Die
Erfindung kann als Ausführungsform
ein Verfahren umfassen, welches das Bilden einer, vor der Keimbildung,
homogenen fluiden Einphasenlösung
eines Vorläufers
des mikrozellulären
polymerischen Materials und eines Blähmittels in einem Extruder,
das Füllen
einer Formkammer mit der Lösung,
während
die Lösung
einer Keimbildung unterzogen wird, um innerhalb der Formkammer einen
keimgebildeten, mikrozellulären
polymerischen Materialvorläufer
zu bilden, umfasst.
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Ebenso
ist ein Verfahren umfasst, das das Injizieren eines polymerischen/Blähmittelgemisches
in eine Formkammer bei einer Schmelztemperatur von weniger als ungefähr 205°C (400°F), und das
Formen eines festen polymerischen Schaumgegenstandes mit einem Hohlraumvolumen
von zumindest ungefähr
5% und einem Verhältnis
von Länge
zu Dicke von mindestens ungefähr
50:1 in der Formkammer umfasst.
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Die
Erfindung beinhaltet ebenso ein System, das einen Akkumulator mit
einem Einlass zum Aufnehmen eines Vorläufers des geschäumten polymerischen
Materials und eines Blähmittels,
und einen Auslass, eine Formkammer mit einem Einlass, der in fluider
Verbindung mit dem Auslass des Akkumulators steht, und eine Heizvorrichtung,
die dem Akkumulator zugeordnet ist und die derart aufgebaut und
angeordnet ist, dass sie während
des Betriebs des Systems einen ersten Bereich des Akkumulators in
der Nähe
der Formkammer auf eine Temperatur erwärmt, die zumindest ungefähr 10°C höher als
die Durchschnittstemperatur des Akkumulators ist, umfasst.
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Ebenso
ist ein System beinhaltet, das einen Extruder mit einem Einlass
zum Aufnehmen eines Vorläufers
des geschäumten
polymerischen Materials besitzt, der derart aufgebaut und angeordnet
ist, dass er ein fluides Polymermaterial aus dem Vorläufer herstellt,
einen ersten Auslass, der angeordnet ist, um fluides Polymermaterial
aus dem Extruder auszugeben, einen Blähmitteleinlass stromabwärts des
ersten Auslasses, der mit einer physikalischen Blähmittelquelle
verbindbar ist, einen Mischbereich stromabwärts des Blähmitteleinlasses, der derart
aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein Gemisch aus fluidem Polymervorläufer und
Blähmittel
herstellt, und einen zweiten Auslass stromabwärts des Mischbereichs, der
zum Abgeben des Gemisches des fluiden Polymervorläufers und
des Blähmittels
angeordnet ist, und einen Akkumulator mit einem ersten Einlass,
der auf fluide Weise mit dem ersten Auslass des Extruders verbunden
ist, und einen zweiten Einlass, der auf fluide Weise mit dem zweiten
Auslass des Extruders verbunden ist, umfasst.
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Ebenso
beinhaltet ist ein System zum Herstellen von spritzgussgeformten
mikrozellulärem
Material, das einen Extruder mit einem Auslass an einem Auslassende
desselben, das zum Ausgeben eines, vor erfolgter Keimbildung, homogenen
fluiden Einphasenlösung
aus Polymermaterial und einem Blähmittel
bestimmt ist, und eine Formkammer mit einem Einlass, der in fluider
Verbindung mit dem Auslass des Extruders steht, umfasst. Das System
ist derart aufgebaut und angeordnet, dass es die Einphasenlösung aus
dem Extruderauslass an den Formkammereinlass ausgibt, und beim Füllen der
Formkammer die Einphasenlösung
einer Keimbildung unterzieht, um innerhalb der Kammer einen mikrozellulären polymerischen
Materialvorläufer
nach erfolgter Keimbildung zu bilden.
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Ebenso
beinhaltet ist ein Extrusionssystem, das einen Kessel mit einem
Einlass, der zur Aufnahme eines Vorläufers des extrudierten Materials
bestimmt ist, einen Auslass, der zum Abgeben eines fluiden Gemisches
aus Blähmittel
ohne Keimbildung und des Vorläufers
bestimmt ist, eine Öffnung,
die mit einer Blähmittelquelle
verbindbar ist, und eine Schnecke, die zur oszillierenden Bewegung
innerhalb des Kessels befestigt ist, umfasst.
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Ebenso
beinhaltet ist ein System zum Herstellen von spritzgussgeformten
mikrozellulärem
Material, das einen Extruder mit einem Auslass an einem Auslassende
desselben, der zum Abgeben eines Vorläufers aus mikrozellulären Polymermaterial
und einem Blähmittel
bestimmt ist, und eine Formkammer mit einem Einlass, der in fluider
Verbindung mit dem Auslass des Extruders steht, umfasst. Das System
ist derart aufgebaut und angeordnet, dass es zyklisch den Vorläufer des
mikrozellulären
Polymermaterials und das Blähmittel
in die Formkammer injiziert.
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Ebenso
beinhaltet ist ein Extrusionssystem, das einen Kessel mit einem
Einlass, der zur Aufnahme eines Vorläufers des extrudierten Materials
bestimmt ist, und einen Auslass, der zur Abgabe eines fluiden Gemisches
des Blähmittels
ohne erfolgte Keimbildung und des Vorläufers bestimmt ist, und eine Öffnung,
die mit einer Blähmittelquelle
verbunden ist, umfasst. Eine Schnecke ist zur oszillierenden Bewegung
innerhalb des Kessels befestigt.
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Das
Verfahren kann das Injizieren eines Blähmittels in einen Extruderkessel
der Polymerextrusionsvorrichtung umfassen, während eine Extruderschnecke
sich in axialer Richtung innerhalb des Kessels bewegt. Bei einer
Ausführungsform
umfasst das Verfahren das Injizieren eines Blähmittels von einer Extruderschnecke in
einen Kessel der Polymerextrusionsvorrichtung. Dieses Injizierverfahren
kann mit einem beliebigen mikrozellulären und herkömmlichen
Verfahren verwendet werden. Die Erfindung kann eine Extruderschnecke
umfassen, die zur Drehung innerhalb eines Kessels der Polymerextrusionsvorrichtung
aufgebaut und angeordnet ist, welche, innerhalb der Schnecke, ein
Lumen umfasst, das in Verbindung mit einer Öffnung an einer Oberfläche der
Schnecke steht. Das Lumen kann dazu verwendet werden, um das Blähmittel
in den Extrusionskessel zu injizieren.
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Die
Erfindung sieht ein System zum Herstellen von spritzgussgeformten
Gegenständen
vor. Das System kann einen Extruder, eine Formkammer, einen Läufer, der
auf fluide Weise den Extruder und die Formkammer verbindet, und
eine Temperatursteuervorrichtung, die thermisch mit dem Läufer verbunden
ist, umfassen. Die Erfindung kann das Bilden eines fluiden Gemisches
aus einem Blähmittel
und einem spritzgussgeformten Materialvorläufer in einem Extruder, das
Bewegen des Gemisches über
einen Läufer
in eine Form, das Verfestigen des Abschnittes des fluiden Gemisches
in der Kammer, während
ein Abschnitt des Gemisches in dem Läufer in einem fluiden Zustand
gehalten wird, und das Injizieren eines zusätzlichen fluiden Gemisches in
den Läufer,
wodurch der Abschnitt des fluiden Gemisches und des Läufers in
die Kammer gedrängt
wird, umfasst.
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Die
Erfindung beinhaltet ebenso ein Verfahren, das das Abziehen eines
Abschnittes des Vorläufers des
fluiden Polymergegenstandes aus einem Extrusionskessel, das Mischen
des Abschnittes des fluiden Vorläufers
mit Blähmittel,
um so ein Gemisch zu bilden, und das Wiedereinführen des Gemisches in den Kessel umfasst.
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Die
Erfindung beinhaltet ebenso ein System, das einen Extruder umfasst,
der einen Extruderkessel, eine Formkammer und eine Mischkammer besitzt,
die in fluider Verbindung mit einer ersten, stromaufwärts gelegenen Öffnung in
dem Kessel, einer zweiten, stromabwärts gelegenen Öffnung in
dem Kessel und einer Blähmittelquelle
verbunden ist.
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Die
Erfindung kann einen geformten Schaumgegenstand mit einer Form vorsehen,
die im wesentlichen identisch zu der der Formkammer ist, und die
zumindest einen Abschnitt mit einer Querschnittsabmessung von nicht
mehr als 3,2 mm (0,125 inch) besitzt.
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Die
Erfindung kann ein spritzgussgeformtes Polymerteil vorsehen, das
ein Verhältnis
von Länge
zu Dicke von zumindest ungefähr
50:1 besitzt, wobei des Polymer einen Schmelzindex von weniger als
ungefähr 10
besitzt.
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Die
Erfindung kann ein spritzgussgeformtes Polymerteil vorsehen, das
ein Verhältnis
von Länge
zu Dicke von zumindest ungefähr
120:1 besitzt, wobei das Polymer eine Schmelzflussrate von weniger
als ungefähr 40
besitzt.
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Die
Erfindung kann einen spritzgussgeformten Polymerschaum vorsehen,
der ein Hohlraumvolumen von zumindest ungefähr 5% und eine Oberfläche besitzt,
die keine Unebenheiten und Fliessspuren besitzt, die mit bloßem Auge
erkennbar sind.
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Die
Erfindung kann einen Gegenstand vorsehen, der eine Dicke von weniger
als ungefähr
3,2 mm (0,125 inch) bei einem Hohlraumvolumen von zumindest ungefähr 20% besitzt.
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Andere
Vorteile, neue Merkmale und Aufgaben der Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Betrachtung
im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, die schematisch
sind und nicht maßstabsgetreu
sein sollen. In den Figuren wird jede identische und nahezu identische
Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt ist, durch
eine einzelne Ziffer wiedergegeben. Zum Zwecke der Klarheit wird
nicht jede Komponente in jeder Figur bezeichnet und es ist auch
nicht jede Komponente in jeder Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
wo die Darstellung nicht notwendig ist, um den Fachmann die Erfindung
verständlich
zu machen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 ein
mikrozelluläres
Spritzgusssystem oder Extrusionsformsystem der vorliegenden Erfindung mit
einem Extrusionssystem mit einem keimbildenden Pfad, der eine Düse der Formkammer
bestimmt;
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2 ein
mikrozelluläres
Spritzgusssystem der Erfindung mit einem Akkumulator;
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3 eine
Ausführungsform
einer Formkammer eines Formsystems der Erfindung mit einer bewegbaren
Wand;
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4 eine
andere Ausführungsform
einer Formkammer, wo die Formkammer eine mit Gas unter Druck gesetzte
Form ist;
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5 eine Betriebsstufe eines Systems zum
Ansammeln und Spritzformen von mikrozellulärem Material, um einen Gegenstand
mit einer festen Wand und einem mikrozellulären Inneren (blähmittelreiche
und blähmittelarme
Bereiche) zu bilden, bei der ein Akkumulator vor dem Spritzen gefüllt wird;
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6 das
System in 5 in einem Betriebszustand
unmittelbar nach dem Spritzen;
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7 das
System in 5 in einem Betriebszustand
nach einem Spritzzyklus während
des Füllens des
Akkumulators;
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8 ein
mikrozelluläres
Spritzgusssystem zum Bilden von blähmittelreichen und blähmittelarmen Bereichen
an geschmolzenem Polymer, einschließlich einer Schmelzpumpe, einer
Gasinjektionsöffnung
und einem Mixer;
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9 eine
schraubenförmige
Schnecke zur Verwendung in einem Spritzgusssystem oder anderem Extrusionssystem
mit einem freien Volumen, das durch einen Schraubengang hindurchtritt
und in Fluidverbindung mit einer Quelle an Schäummittel ist, um ein Schäummittel
in einem Extrusionszylinder zu verteilen;
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10 ist
eine Fotokopie einer Foto- und Mikrodarstellung eines spritzgegossenen
Gegenstands, der gemäß dem System
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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11 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung eines mikrozellulären spritzgegossenen
Gegenstands, der gemäß dem System
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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12 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung eines anderen mikrozellulären spritzgegossenen Gegenstands,
der gemäß dem System
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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13 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung eines anderen mikrozellulären spritzgegossenen Gegenstands,
der gemäß dem System
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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14 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung eines anderen mikrozellulären spritzgegossenen Gegenstands,
der gemäß dem System
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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15 ist
eine Fotokopie eines anderen mikrozellulären spritzgegossenen Gegenstands,
der gemäß dem System
und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
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16 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung einer Oberfläche eines
vergleichbaren, festen, nicht geschäumten spritzgegossenen Gegenstands;
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17 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung einer Oberfläche eines
mikrozellulären
spritzgegossenen Gegenstands, der gemäß dem System und dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung gebildet ist, mit einer glatten Oberfläche frei
von Unebenheiten und Fließspuren,
die mit bloßem
Auge erkennbar sind; und
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18 ist
eine Fotokopie einer Fotomikrodarstellung einer Oberfläche eines
spritzgeformten polymerischen Schaumgegenstands, die mit bloßem Auge
erkennbare Fließspuren
aufweist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Es
wird auf die anhängige
US-Patentanmeldung mit der Nr. 08/777,709, die den Titel "Method and Apparatus
for Microcellular Polymer Extrusion" trägt
und am 20. Dezember 1996 eingereicht wurde, und auf die anhängige internationale
Patentanmeldung mit der Nr. PCT/US/97/15088, die am 26. August 1997
eingereicht wurde, aufmerksam gemacht.
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Verschiedene
Ausführungsformen
und Aspekte der Erfindung werden besser aus den nachfolgenden Definitionen
verständlich.
Die hierin verwendete „Keimbildung" definiert ein Verfahren,
bei der eine homogene, einphasige Lösung an polymerischem Material,
in der Moleküle
eines Stoffes gelöst
sind, der unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, der Bildung von
Molekülgruppen
des Stoffes unterworfen wird, welche „Keimbildungsplätze" definieren, von
denen Zellen wachsen werden. Das bedeutet, „Keimbildung" bedeutet eine Änderung
von einer homogenen, einphasigen Lösung zu einer Mischung, in
der Agregationsplätze
von zumindest einigen Molekülen
an Blähmittel
gebildet sind. Die Keimbildung definiert den Übergangszustand, wenn Gas,
in Lösungen
einer Polymerschmelze, aus der Lösung
kommt, um eine Suspension von Blasen innerhalb der Polymerschmelze
zu bilden. Im allgemeinen tritt dieser Übergangszustand zwangsweise
auf, indem die Löslichkeit
der Polymerschmelze von einem Zustand mit ausreichender Löslichkeit,
um ein gewisses Maß an
Gas in Lösung
zu halten, zu einem Zustand nicht ausreichender Löslichkeit,
um die selbe Menge an Gas in Lösung zu
halten, geändert
wird. Die Keimbildung kann bewirkt werden, indem man die homogene,
einphasige Lösung einer
schnellen thermodynamischen Instabilität, wie einer schnellen Temperaturänderung,
einem schnellen Druckabfall oder beiden unterwirft. Ein schneller
Druckabfall kann erzeugt werden unter Verwendung eines unten definierten
Keimbildungspfads. Eine schnelle Temperaturänderung kann erzeugt werden
unter Verwendung eines erhitzten Bereichs eines Extruders, eines
heißen
Glyzerinbades oder mit ähnlichem.
Ein „Keimbildungsmittel" ist ein dispergiertes
Mittel, wie Talg oder andere Füllpartikel,
das einem Polymer hinzugefügt
ist und die Bildung von Keimbildungsplätzen aus einer einphasigen
homogenen Lösung
unterstützen
kann. Somit definieren „Keimbildungsplätze" nicht Orte innerhalb
eines Polymers, an denen Keimbildungsmittel-Partikel sitzen. „Mit erfolgter
Keimbildung" bezeichnet
einen Zustand eines flüssigen
polymerischen Materials, das eine einphasige homogene Lösung mit
einem gelösten
Stoff enthalten hat, welcher Gas unter Umgebungsbedingungen ist,
und nachfolgend einem Ereignis (typischerweise einer thermodynamischen
Instabilität),
das zur Bildung von Keimbildungsplätzen führt. „Ohne erfolgte Keimbildung" bezeichnet einen
Zustand, der durch eine homogene, einphasige Lösung von polymerischem Material
und einem gelösten
Stoff, der Gas unter Umgebungsbedingungen ist, und ohne Keimbildungsplätzen definiert.
Ein Material „ohne erfolgte
Keimbildung" kann Keimbildungsmittel
wie Talg aufweisen. Ein „polymerisches
Material/Blähmittelmischung" kann eine einphasige
Mischung ohne erfolgte Keimbildung von zumindest zwei, einer Lösung mit
erfolgter Keimbildung von zumindest den beiden, oder eine Mischung
sein, in der Zellen mit Blähmittel
gewachsen sind. Ein „im
wesentlichen geschlossenzelliges" mikrozelluläres Material
soll Material definieren, das, bei einer Dicke von etwa 100 μm, keinen
verbundenen Zellenpfad durch das Material besitzt. „Keimbildungspfad" soll einen Pfad
definieren, der einen Teil der mikrozellulären polymerischen Schaumextrusionsvorrichtung
definiert und der, unter Bedingungen bei denen die Vorrichtung arbeiten
soll (typischerweise bei Drücken
von etwa 10,34 MPa bis etwa 207 MPa (etwa 1500 bis etwa 30000 psi)
stromaufwärts
der Keimbildungsvorrichtung und mit Strömungsraten von mehr als 4,5
kg (10 pounds) polymerischem Material pro Stunde) der Druck einer
einphasigen Lösung
an polymerischem Material, dem Blähmittel im System beigemischt
ist, unter den Sättigungsdruck
für die
spezielle Blähmittelkonzentration
mit einer Geschwindigkeit abfällt,
welche eine schnelle Keimbildung erleichtert. Ein Keimbildungspfad
definiert, optional mit anderen Keimbildungspfaden, eine Keimbildung
oder Keimbildungsregion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. „Verstärkungsmittel", wie es hierin verwendet
wird, bezieht sich auf ein im wesentlichen festes Hilfsmaterial,
das aufgebaut und angeordnet ist, um dem Material Formstabilität oder Stärke oder
Festigkeit hinzuzufügen.
Solche Mittel sind typischerweise fasriges Material wie in den US-Patenten
Nr. 4,643,940 und 4,426,470 beschrieben ist. „Verstärkungsmittel" weist definitionsgemäß nicht notwendigerweise
einen Füllstoff
oder andere Additive auf, die nicht aufgebaut und angeordnet sind,
um Gestaltstabilität
zu verleihen. Der Fachmann kann ein Additiv testen, um zu bestimmen,
ob es in Verbindung mit einem speziellen Material ein Verstärkungsmittel
ist.
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Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung ist mikrozelluläres Material als geschäumtes Material
definiert, das Zellen einer Größe weniger
als etwa 100 μm
im Durchmesser enthält
oder ein Material mit einer Zellendichte von im allgemeinen größer als
oder zumindest etwa 106 Zellen pro Kubikzentimeter,
oder vorzugsweise beides. Das Leervolumen des mikrozellulären Materials
variiert im allgemeinen von 5% bis 98%.
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Supermikrozelluläres Material
ist für
Zwecke der Erfindung definiert durch Zellgrößen kleiner als 1 μm und Zelldichten
größer als
1012 Zellen pro Kubikzentimeter.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Herstellung von mikrozellulärem
Material mit einer durchschnittlichen Zellengröße von weniger als etwa 50 μm. Bei einigen
Ausführungsformen
wird eine besondere kleine Zellengröße gewünscht und bei diesen Ausführungsformen
besitzt das Material eine durchschnittliche Zellengröße von weniger
als etwa 20 μm,
mehr bevorzugt weniger als etwa 10 μm und am meisten bevorzugt weniger
als etwa 5 μm.
Das mikrozelluläre
Material hat bevorzugt eine maximale Zellengröße von etwa 100 μm. In Ausführungsformen,
in denen eine besonders kleine Zellengröße gewünscht ist, kann das Material
eine maximale Zellengröße von etwa
50 μm, mehr
bevorzugt etwa 25 μm
und mehr bevorzugt etwa 15 μm,
mehr bevorzugt etwa 8 μm
und mehr bevorzugt sogar ungefähr
5 μm besitzen.
Ein Satz von Ausführungsformen
weist alle Kombinationen dieser dargelegten durchschnittlichen Zellengrößen und
maximalen Zellengrößen auf.
Beispielsweise weist eine Ausführungsform
in diesem Satz von Ausführungsformen
mikrozelluläres
Material mit einer durchschnittlichen Zellengröße von weniger als 30 μm mit einer
maximalen Zellengröße von etwa
50 μm auf
und als ein anderes Beispiel eine durchschnittliche Zellengröße von weniger
als etwa 30 μm
mit einer maximalen Zellengröße von etwa
35 μm, etc..
Das bedeutet, dass mikrozelluläres
Material, das für
eine Vielzahl von Verwendungszwecken gestaltet ist, hergestellt
werden kann mit einer besonderen Kombination der durchschnittlichen Zellengröße und einer maximalen
Zellengröße speziell
für diesen
Zweck. Die Regelung der Zellengröße wird detaillierter
unten beschrieben werden.
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In
einer Ausführungsform
wird im wesentlichen geschlossenzelliges mikrozelluläres Material
gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt. Der hierin verwendete Begriff „im wesentlichen geschlossenzellig" soll Material definieren
das, bei einer Dicke von etwa 100 μm, keinen verbundenen Zellenpfad
durch das Material besitzt.
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Wendet
man sich nun 1 zu, ist ein Formsystem 30 schematisch
dargestellt, das eingesetzt werden kann zum Ausführen einer Formung gemäß einer
Vielzahl von Ausführungsformen
der Erfindung. Das System 30 in 1 weist
einen Zylinder 32 mit einem ersten, stromaufwärts gelegenen
Ende 34 und einem zweiten, stromabwärts gelegenen Ende 36 in
Verbindung mit einer Formkammer 37 auf. Für eine Rotation
innerhalb des Zylinders 32 montiert ist eine Schnecke 38,
die betriebsmäßig an ihrem
stromaufwärts
gelegenen Ende mit einem Antriebsmotor 40 verbunden ist.
Obwohl nicht im Detail dargestellt ist, weist die Schnecke Zufuhr-, Übergangs-,
Gasinjektions-, Misch-, und Ausgabeabschnitte auf.
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Entlang
des Zylinders 32 angeordnet sind optional Temperaturkontrolleinheiten 42.
Die Kontrolleinheiten 42 können elektrische Heizer sein,
können
Durchgänge
für Fluide
zur Regelung der Temperatur und/oder ähnliches sein. Die Einheiten 42 können verwendet
werden, um einen Strom von pelletisierten oder fluiden polymerischen
Material innerhalb des Zylinders zu erhitzen, um das Schmelzen zu
erleichtern und/oder um den Strom zur Regelung der Viskosität und, in
einigen Fällen,
der Löslichkeit
des Blähmittels
zu kühlen.
Die Temperaturregeleinheiten können
an unterschiedlichen Orten entlang des Zylinders unterschiedlich
arbeiten, das bedeutet an einem oder mehreren Orten heizen und an
einem oder mehreren unterschiedlichen Orten kühlen. Jegliche Anzahl von Temperaturregeleinheiten
kann vorgesehen sein.
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Der
Zylinder 32 ist aufgebaut und angeordnet, um eine Vorstufe
an polymerischem Material aufzunehmen. Der hierin verwendete Begriff „Vorstufe
an polymerischem Material" soll
alle Materialien umfassen, die fluid sind oder ein Fluid bilden
können,
das nachfolgend sich erhärten
kann zur Bildung eines mikrozellulären polymerischen Gegenstands.
Typischerweise ist die Vorstufe durch thermoplastische Polymerpellets
definiert, kann aber auch andere Stoffe aufweisen. In einer Ausführungsform
kann die Vorstufe beispielsweise durch Stoffe definiert werden,
die reagieren werden, um unter einer Vielzahl von Bedingungen ein
mikrozelluläres polymerisches
Material wie beschrieben zu bilden. Die Erfindung soll die Herstellung
von mikrozellulären
Material von jeglicher Kombination von Stoffen umfassen, die miteinander
reagieren können,
um ein Polymer zu bilden, typischerweise monomere oder polymerische
Vorstufen mit niedrigem Molekulargewicht, die vermischt und aufgeschäumt werden,
wenn die Reaktion stattfindet. Allgemein weisen die durch die Erfindung
umfassten Stoffe wärmehärtbare Polymere
auf, bei denen eine beträchtliche
Erhöhung
des Molekulargewichts des Polymers während der Reaktion auftritt
und während
des Schäumens
aufgrund einer Quervernetzung polymerischer Komponenten. Z.B. Polyamide
vom Kondensations- und
Additionstyp, einschließlich
aliphatischer und aromatischer Polyamide wie Polyhexamethylenadipamid,
Poly(ekaprolactam), Polyene wie zykloaromatische Polymere einschließlich Polydizyklopentadien,
acrylischer Polymere wie Polyacrylamid, Polyacrylamat, Acrylesterpolymere
wie 2-Cyanoacrylesterpolymere,
Acrylonitrilpolymere und Kombinationen.
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Vorzugsweise
wird ein thermoplastisches Polymer oder eine Kombination von thermoplastischen
Polymeren ausgewählt
aus einem amorphen, semikristallinen oder kristallinen Material umfassend
Polyaromaten wie styrolische Polymere umfassend Polystyrol, Polyolefine
wie Polyethylen und Polypropylen, Fluoropolymere, quervernetzbare
Polyolefine, Polyamide, Polyaromaten wie Polystyrol und Polyvinylchlorid.
Thermoplastische Elastomere können
ebenfalls verwendet werden, speziell Polyethylen, das mit Metallocen-Katalysator gewonnen
wurde.
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Typischerweise
verwendet die Einführung
der vor-polymerischen Vorstufe einen Standardtrichter 44, der
pelletisiertes polymerisches Material zum Einspeisen in den Extruderzylinder
durch die Düse 46 enthält, obwohl
eine Vorstufe ein fluides präpolymerisches
Material sein kann, das durch eine Düse injiziert wird und innerhalb
des Zylinders mittels z.B. Hilfsmitteln für die Polymerisation polymerisiert
wird. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ist nur wichtig,
dass ein fluider Strom an polymerischem Material im System hergestellt wird.
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Unmittelbar
stromabwärts
des stromabwärts
gelegenen Endes 48 der Schnecke 38 in 1 ist
ein Bereich 50, der ein Temperatureinstell- und Kontrollbereich,
Zusatzmischbereich, Zusatzpumpbereich oder ähnliches sein kann. Beispielsweise
kann der Bereich 50 Temperaturregeleinheiten aufweisen,
um die Temperatur eines fluiden polymerischen Stroms vor der Keimbildung
wie unten beschrieben einzustellen. Der Bereich 50 kann
anstelle dessen, oder zusätzlich
dazu, zusätzliche
Standardmischeinheiten (nicht dargestellt) oder eine Durchflussregeleinheit
wie eine Zahnradpumpe (nicht dargestellt) aufweisen. In einer anderen
Ausführungsform
kann der Bereich 50 durch eine zweite Schnecke in Tandemausführung ersetzt
werden, die einen Kühlbereich
aufweisen kann. In einer Ausführungsform,
bei der die Schnecke 38 eine sich hin und her bewegende Schnecke
in einem Spritzgusssystem ist, das vollständig unten beschrieben werden
wird, kann der Bereich 50 einen Ansammlungsbereich definieren,
in dem eine einphasige Lösung
aus polymerischem Material und einem Blähmittel ohne erfolgte Keimbildung
vor dem Einspritzen in die Form 37 angesammelt wird.
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Die
Herstellung von mikrozellulärem
Material gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet vorzugsweise ein physikalisches Blähmittel,
d.h. ein Mittel, das unter Umgebungsbedingungen (vollständiger unten
beschrieben) Gas ist. Es können
jedoch chemische Blähmittel
eingesetzt werden und als polymerische Pellets konfektioniert sein,
die in den Trichter 44 eingeführt sind. Geeignete chemische
Blähmittel
umfassen jene organische Komponenten mit typischerweise relativ
geringem Molekulargewicht, die sich bei einer kritischen Temperatur
oder anderen bei der Extrusion erreichbaren Bedingungen zersetzen
und ein Gas oder Gase freisetzen wie Stickstoff, Kohlendioxid oder
Kohlenmonoxid. Beispiele umfassen Azo-Komponenten wie Azo-Dicarbonamid.
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Wie
erwähnt
wird in bevorzugten Ausführungsformen
ein physikalisches Blähmittel
verwendet. Ein Vorteil der Ausführungsformen,
bei denen ein physikalisches Blähmittel
anstelle eines chemischen Blähmittels eingesetzt
wird, besteht darin, dass die Recyclingfähigkeit des Produktes maximiert
wird. Die Verwendung eines chemischen Blähmittels verringert üblicherweise
die Attraktivität
des Polymers für
die Wiederverwendung, da das restliche chemische Blähmittel
und Nebenprodukte des Blähmittels
zu einem insgesamt nicht gleichmäßigen wiederverwertbaren
Materialpool beitragen. Da mit chemischen Blähmitteln geblasene Schäume automatisch
verbleibendes, nicht reagiertes chemisches Blähmittel aufweisen, nachdem
ein abschließendes Schaumprodukt
erzeugt worden ist, wie auch chemische Nebenprodukte der Reaktion,
welche das Blähmittel bilden
wird, weist das erfindungsgemäße Material
in diesem Satz von Ausführungsformen
verbleibendes chemisches Blähmittel
oder Reaktionsnebenprodukte des chemischen Blähmittels in einer Menge auf,
geringer als jene, die im Inneren in Artikeln aufgefunden wird,
die mit 0,1 Gew.% Blähmittel
aufgefunden wird oder mehr bevorzugt in einer Menge geringer als
jene, die im Inneren von Artikeln aufzufinden ist, die mit 0,05
Gew.% chemischen Blähmittel
oder mehr geblasen sind. Im besonders bevorzugten Ausführungsformen
ist das Material dadurch gekennzeichnet, dass es im wesentlichen
frei von Resten an chemischen Blähmittel
oder frei von Reaktionsnebenprodukten des chemischen Blähmittels
ist. Das bedeutet, sie weisen weniger restliches chemischen Blähmittel
oder Nebenprodukte auf, die in Artikeln aufzufinden sind, die mit
jeglichen chemischen Blähmittel
geblasen sind. Bei dieser Ausführungsform
ist entlang des Zylinders 33 des Systems 30 zumindest eine Öffnung 54 in
Strömungsverbindung
mit einer Quelle 56 eines physikalischen Blähmittels.
Jegliches einer weiten Vielfalt von physikalischen Blähmitteln,
die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, wie Kohlenwasserstoffe,
Fluorchlorkohlenstoffe, Stickstoff, Kohlendioxid und ähnliches
können
in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden, oder Mischungen
derselben, und gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
stellt die Quelle 56 Kohlendioxid als ein Blähmittel
bereit. Überkritische
fluide Blähmittel
sind besonders bevorzugt, insbesondere überkritisches Kohlendioxid.
In einer Ausführungsform
wird nur überkritisches
Kohlendioxid als Blähmittel
verwendet. Überkritisches
Kohlendioxid kann in den Extruder eingeführt werden und dazu gebracht werden,
sehr schnell eine einphasige Lösung
mit dem polymerischen Material zu bilden, entweder durch das Injizieren
von Kohlendioxid als überkritisches
Fluid oder durch das Injizieren von Kohlendioxid als ein Gas oder eine
Flüssigkeit
und indem man Bedingungen innerhalb des Extruders erlaubt, welche
das Kohlendioxid überkritisch
machen. Das Injizieren von Kohlendioxid in den Extruder in einem überkritischen
Zustand wird bevorzugt. Die einphasige Lösung aus überkritischem Kohlendioxid
und in dieser Weise gebildeten polymerischem Material besitzt eine
sehr geringe Viskosität,
was in vorteilhafter Weise das Formen bei geringer Temperatur wie
auch das schnelle Füllen
von Formen mit engen Toleranzen zum Bilden sehr dünner gegossener
Teile erlaubt, was detaillierter unten diskutiert werden wird.
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Eine
Druck- und Dosiervorrichtung 58 ist typischerweise zwischen
der Blähmittelquelle 56 und
jener zumindest einen Öffnung 54 vorgesehen.
Die Vorrichtung 58 kann verwendet werden, um das Blähmittel
zu dosieren, um die Menge an Blähmittel
in dem polymerischen Strom des Extruders zu regeln, um das Blähmittel auf
einem Maß zu
halten, das gemäß einer
Gruppe von Ausführungsformen
zwischen etwa 1 und 25 Gew.%, vorzugsweise zwischen etwa 6 und 20
Gew.% und mehr bevorzugt zwischen etwa 8 und 15 Gew.%, noch mehr bevorzugt
zwischen etwa 10 und 12 Gew.% auf der Grundlage des Gewichts des
polymerischen Stroms und Blähmittels
liegt. Das spezielle verwendete Blähmittel (Kohlendioxid, Stickstoff
etc.) und die Menge an verwendetem Blähmittel hängen oft von dem Polymer, der
Dichteverringerung, Zellengröße und gewünschten
physikalischen Eigenschaften ab.
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Die
Druck- und Dosiervorrichtung kann mit einem Regler (nicht dargestellt)
verbunden sein, der ebenfalls mit dem Antriebsmotor 40 verbunden
ist, um das Dosieren des Blähmittels
in Beziehung zu dem Fluss an polymerischen Material zu regeln, um
sehr genau den Gewichtsprozentanteil des Blähmittels in der fluiden polymerischen
Mischung zu regeln.
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Obwohl
die Öffnung 54 an
irgendeinem einer Vielzahl von Orten entlang des Zylinders angeordnet
sein kann, ist sie gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
unmittelbar stromaufwärts
vom Mischabschnitt 60 der Schnecke und an einem Ort 62 der
Schnecke, an dem die Schnecke nicht unterbrochene Gewindegänge aufweist,
angeordnet.
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Ein
superkritisches fluides Blähmittel
sorgt auch dahingehend für
einen Vorteil, dass es das schnelle, intensive Vermischen unterschiedlicher
polymerischer Materialien erleichtert und dabei Verfahren bereitstellt, um
unterschiedliche polymerische Materialien ohne eine Delamination
nach dem Formen zu mischen und zu formen. Unterschiedliche Materialien
umfassen beispielsweise Polystyrol und Polypropylen, oder Polystyrol und
Polyethylen. Diese unterschiedlichen Materialien besitzen typischerweise
eine beträchtlich
unterschiedliche Viskosität,
Polarität
oder chemische Funktionalität,
die in den meisten Systemen die Bildung einer gut gemischten homogenen
Kombination ausschließt,
was zu einer Delamination oder Verringerung oder Verschlechterung
physikalischer Eigenschaften führt.
Vorzugsweise sind bei dieser Ausführungsform zumindest zwei unterschiedliche
Komponenten bei einer Menge von zumindest 1 Gew.%, vorzugsweise
zumindest etwa 5 Gew.%, mehr bevorzugt zumindest etwa 10 Gew.% und
noch mehr bevorzugt zumindest etwa 20 Gew.% vorhanden.
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Typische
Techniken im Stand der Technik zum Bilden von Kombinationen unterschiedlicher
polymerischer Materialien umfassen das Extrudieren und Pelletisieren
unterschiedlicher polymerischer Materialien, die dann als Pellets
in einem Einfülltrichter 44 eines
Systems wie jenes der 1 bereitgestellt werden. Die
Verwendung eines superkritischen fluiden Blähmittels beseitigt entsprechend
diesem Aspekt der Erfindung die Notwendigkeit zur Verwendung vorgemischter
Pellets oder einer Mischeinrichtung. Bei diesem Aspekt kann eine
Mischung unterschiedlicher Polymerpellets, z.B. einer Mischung aus
Polystyrolpellets und Polypropylenpellets, im Einfülltrichter 44 bereitgestellt
werden, geschmolzen, innig mit einem superkritischen fluiden Blähmittel
vermischt werden und als eine gut vermischte homogene Mischung extrudiert
werden. Bei diesem Aspekt der Erfindung kann eine einphasige Lösung aus
Blähmittel
und vielkomponentigem polymerischem Material einschließlich unterschiedlichen
Materialien mit Strömungsraten
und innerhalb unten dargelegter Zeiträume gebildet werden. Dieser
Aspekt der Erfindung kann verwendet werden, um polymerische Gegenstände zu bilden,
die aus zumindest zwei unähnlichen
polymerischen Materialien aufgebaut sind, die einer Delamination widerstehen
mittels Extrusion, Formen wie hierin beschrieben, oder anderen Techniken.
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Die
beschriebene Anordnung erleichtert ein Verfahren, das entsprechend
einiger Ausführungsformen der
Erfindung angewendet wird, in Kombination mit Spritzgießen oder
Intrusionsformen. Das Verfahren umfasst das Einführen in ein fluides polymerisches
Material, das mit einer Strömungsrate
von etwa 180 bis etwa 640 g pro Stunde (etwa 0,4 bis etwa 1,4 lbs/hr)
strömt
eines Blähmittels,
das ein Gas unter Umgebungsbedingungen ist und, in einem Zeitraum
von weniger als etwa eine Minute, das Erzeugen einer einphasigen
Lösung des
Blähmittels
in dem Polymer. Das Blähmittelfluid
ist in der Lösung
in einer Menge von zumindest etwa 2,5 Gew.% basierend auf dem Gewicht
der Lösung
in dieser Anordnung vorhanden. In einigen Ausführungsformen liegt die Strömungsrate
des polymerischen Materials von etwa 2,725 bis 5,450 kg/hr (6 bis
12 lbs/hr). In diesen Anordnungen wird innerhalb einer Minute das
Blähmittelfluid
hinzugefügt
und eine einphasige Lösung
gebildet mit Blähmittel,
das in der Lösung
in einer Menge von zumindest etwa 3 Gew.%, mehr bevorzugt zumindest etwa
5 Gew.%, mehr bevorzugt zumindest etwa 7 Gew.% und noch mehr bevorzugt
zumindest etwa 10 Gew.% vorhanden ist (obwohl, wie erwähnt, bei
einer weiteren Gruppe bevorzugter Ausführungsformen geringere Mengen
an Blähmittel
verwendet werden). In diesen Anordnungen wird zumindest etwa 1,1
kg (2,4 lbs) pro Stunde Blähmittel,
vorzugsweise CO- in den Fluidstrom eingeführt und darin zugemischt, um
eine einphasige Lösung
zu bilden. Der Massenstrom des Einführens an Blähmittel ist in Übereinstimmung
mit der Strömungsrate
an Polymer, um die optimale Blähmittelkonzentration
zu erreichen.
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Stromabwärts des
Bereichs 50 ist eine Keimbildungsvorrichtung 66,
die konstruiert ist, um einen Keimbildungspfad 67 mit Druckabfall
aufzuweisen. Der hierin verwendete Begriff „Keimbildungspfad" in Zusammenhang
eines schnellen Druckverlustes soll einen Pfad definieren, der einen
Teil der Extrusionsvorrichtung für mikrozellulären Polymerschaum
bildet und in der, unter Bedingungen, bei denen die Vorrichtung
betrieben werden soll (typischerweise bei Drücken von etwa 10,34 MPa bis
207 MPa (etwa 1500 bis etwa 30000 psi) stromaufwärts der Keimbildungsvorrichtung
und bei Strömungsraten
von größer als
2,3 kg (5 lbs polymerischen Materials pro Stunde), der Druck einer
einphasigen Lösung
eines polymerischen Materials mit Zumischung eines Blähmittels
in dem System unter den Sättigungsdruck
für die
spezielle Blähmittelkonzentration
mit einer Geschwindigkeit fällt,
welche die Keimbildung erleichtert. Der Keimbildungspfad 67 weist
ein Einlassende 69 zur Aufnahme einer einphasigen Lösung einer
Vorstufe an polymerischem Material und Blähmittel als ein fluider polymerischer
Strom auf, und ein Auslassende 70 für Polymer mit erfolgter Keimbildung,
um polymerisches Material mit erfolgter Keimbildung an eine Formkammer
oder Form 37 abzugeben. Die Keimbildungsvorrichtung 66 ist
in direkter Fluidverbindung mit der Form 37 angeordnet,
so dass die Keimbildungsvorrichtung eine Düse begrenzt, die den Extruder
mit der Formkammer verbindet, und das Auslassende 70 für Polymer
mit erfolgter Keimbildung begrenzt eine Düsenöffnung der Formkammer 37.
Gemäß einer
Gruppe von Ausführungsformen
liegt die Erfindung darin, eine Keimbildungsvorrichtung stromaufwärts einer
Form zu platzieren. Obwohl dies nicht dargestellt ist, weist eine
andere Ausführungsform
der Keimbildungsvorrichtung 66 einen Keimbildungspfad 67 auf,
der aufgebaut und angeordnet ist, um veränderliche Querschnittsabmessungen
zu besitzen, d.h. einen Strömungspfad,
der in bezug auf den Querschnitt eingestellt werden kann. Ein Keimbildungspfad
mit variablem Querschnitt erlaubt es, dass der Druckverlust in einem
Strom an fluiden polymerischen Material, das durch diesen hindurchtritt, variiert
werden kann, um eine gewünschte
Keimbildungsdichte zu erzielen.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Keimbildungspfad verwendet, der sich in bezug auf seine
Querschnittsabmessungen entlang seiner Länge ändert. Insbesondere ein Keimbildungspfad,
der in bezug auf die Querschnittsabmessung in einer Stromabwärtsrichtung
abnimmt, kann beträchtlich
die Druckabfallsrate erhöhen
und erlaubt damit die Bildung eines mikrozellulären Materials mit einer sehr
hohen Zellendichte unter Verwendung von relativ geringen Mengen
an Blähmittel.
Diese und andere beispielhaften und bevorzugten Keimbildungsvorrichtungen
werden in der parallel anhängigen
US-Patentanmeldung serial no. 08/777,709 mit dem Titel „Method
and Apparatus for Microcellular Extrusion" und in der internationalen Patentanmeldung
Nr. PCT/US97/15088 mit dem Titel „Method and Apparatus for
Microcellular Polymer Extrusion" von
Anderson, et al, die beide oben erwähnt sind, beschrieben.
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Während der
Pfad 67 einen Keimbildungspfad definiert, kann eine gewisse
Keimbildung auch in der Form selbst stattfinden, wenn der Druck
auf das polymerische Material in einem sehr hohen Maß während des Einfüllens in
die Form abfällt.
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Das
System in 1 stellt eine allgemeine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, bei der eine einphasige Lösung ohne
erfolgte Keimbildung an polymerischem Material und Blähmittel
mittels eines schnellen Druckabfalls einer Keimbildung unterworfen
wird, während
es in die Formkammer 37 mittels der Drehwirkung der Schnecke 38 zwangsgefördert wird.
Diese Ausführungsform
zeigt ein Verfahren des Intrusionsformens und, in dieser Ausführungsform,
muss nur eine Injektionsöffnung 54 für Blähmittel
verwendet werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Schnecke 38 des Systems 30 eine sich hinundherbewegende
Schnecke und ein System definiert ein Spritzgusssystem. In dieser Ausführungsform
ist die Schnecke 38 für
eine hinundhergerichtete Bewegung innerhalb des Zylinders 32 montiert
und weist eine Mehrzahl von Einlässen
oder Einspritzöffnungen 54, 55, 57, 59 und 61 für Blähmittel
auf, die in axialer Richtung entlang des Zylinders 32 angeordnet
sind und alle den Zylinder 32 strömungstechnisch mit der Druck-
und Dosiervorrichtung 58 und einer Blähmittelquelle 56 verbinden.
Jede der Einspritzöffnungen 54, 55, 57, 59 und 61 kann
ein mechanisches Absperrventil 154, 155, 157, 159 und 161 jeweils
aufweisen, das die Regelung des Flusses an Blähmittel in den Extruderzylinder 38 als
eine Funktion der axialen Position der sich hinundherbewegenden Schnecke 38 innerhalb
des Zylinders erlaubt. Beim Betrieb sammelt sich gemäß dieser
Ausführungsform
eine Charge an fluidem polymerischen Material und Blähmittel
(was in einigen Ausführungsformen
eine einphasige Charge ohne erfolgte Keimbildung sein kann) im Bereich 50 stromabwärts des
stromabwärts
gelegenen Endes 48 der Schnecke 38 an. Die Schnecke 38 wird
in distaler Richtung (stromabwärts)
im Zylinder 32 gedrückt
und verursacht, dass die Charge in der Region 50 in die
Form 37 eingeführt
wird. Ein mechanisches Absperrventil 34, das nahe der Düse 70 der
Form 37 angeordnet ist, kann dann geschlossen werden und
die Form 37 kann geöffnet
werden, um ein spritzgegossenes Teil freizugeben. Die Schnecke 38 dreht
sich dann, während
sie sich in proximaler Richtung zurückzieht (in Richtung auf das
stromabwärts
gelegene Ende 34 des Zylinders) und das Absperrventil 161 wird
geöffnet,
während
die Absperrventile 155, 157, 154 und 159 alle
geschlossen sind, was es dem Blähmittel
nur erlaubt, in den Zylinder durch die am weitesten distal gelegene Öffnung 61 injiziert
zu werden. Während
sich die Schnecke während
der Drehung zurückzieht,
wird das Absperrventil 161 geschlossen, während das
Absperrventil 159 geöffnet
wird, dann wird das Ventil 159 geschlossen, während das
Ventil 154 geöffnet
wird, etc.. Das bedeutet, die Absperrventile, die das Injizieren
des Blähmittels
von der Quelle 56 in den Zylinder 32 regeln, werden
so kontrolliert, dass der Ort der Injektion an Blähmittel
sich in proximaler Richtung (in Richtung stromaufwärts) entlang
des Zylinders bewegt, wenn sich die Schnecke 38 in proximaler
Richtung zurückzieht.
Das Ergebnis ist das Einspritzen von Blähmittel an einer Position entlang
der Schnecke 38, die im wesentlichen konstant bleibt. Somit
wird Blähmittel
dem fluiden polymerischen Material zugegeben und mit dem polymerischen
Material zu einem Maß und über einen
Zeitraum vermischt, der dauernd unabhängig von der Position der Schnecke 38 innerhalb
des Zylinders ist. Zu diesem Zweck kann mehr als ein Absperrventil 155, 157,
etc. offen oder zumindest teilweise zeitgleich offen sein, um einen
sanften Übergang
zwischen den Einspritzöffnungen,
die offen sind, zu bewirken und um im wesentlichen einen konstanten Einspritzort
des Blähmittels
entlang des Zylinders 38 aufrechtzuerhalten.
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Wenn
einmal die Schraube 38 vollständig zurückgezogen worden ist (wobei
Blähmittel
gerade erst durch die Einspritzöffnung 55 nur
eingeführt
worden ist) werden alle Absperrventile für Blähmittel geschlossen. Zu diesem
Zeitpunkt ist innerhalb des distalen Bereichs 50 des Zylinders
eine im wesentlichen gleichmäßige Mischung
aus fluidem polymerischen Material und Blähmittel. Das Absperrventil 64 wird
dann geöffnet
und die Schnecke 38 in distaler Richtung zwangsbewegt,
um die Charge des polymerischen Materials und Blähmittels in die Form 37 zu
injizieren.
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Die
Ausführungsform
der Erfindung mit einer sich hinundherbewegenden Schnecke kann verwendet werden,
um herkömmlichen
oder mikrozellulären
Schaum zu erzeugen. Wo herkömmlicher
Schaum herzustellen ist, kann die Charge, die im distalen Bereich 50 angesammelt
worden ist, eine vielphasige Mischung einschließlich Zellen an Blähmittel
in polymerischem Material bei einem relativ geringen Druck sein.
Die Injektion einer derartigen Mischung in die Form 37 resultiert
in einem Zellenwachstum und der Herstellung eines herkömmlichen
Schaums. Wo ein mikrozelluläres
Material herzustellen ist, wird eine einphasige Lösung ohne
erfolgte Keimbildung im Bereich 50 angesammelt und in die
Form 37 injiziert, während
die Keimbildung stattfindet.
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Die
beschriebene Anordnung erleichtert ein Verfahren der Erfindung,
das gemäß einem
anderen Satz von Ausführungsformen
ausgeführt
wird, bei dem unterschiedliche Konzentrationen des Blähmittels
im fluiden polymerischen Material an unterschiedlichen Orten in
einer im distalen Bereich 50 des Zylinders angesammelten
Charge erzeugt wird. Dies kann durch die Regelung der Absperrventile 155, 157, 154, 159 und 161 erzielt werden,
um eine ungleichmäßige Blähmittelkonzentration
zu erreichen. Bei dieser Technik können Gegenstände mit
unterschiedlichen Dichten erzeugt werden, wie beispielsweise ein
Gegenstand mit einem festen Äußeren und
einem geschäumten
Inneren. Eine Technik zum Formen von Artikeln mit Bereichen, die
im bezug auf die Dichte variieren, ist vollständiger unten mit Bezugnahme
auf 5 bis 7 beschrieben.
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Obwohl
dies nicht dargestellt ist, kann die Formkammer 37 Entlüftungsöffnungen
aufweisen, die das Austreten von Luft innerhalb der Form während des
Injizierens gestatten. Die Entlüftungsöffnungen
können
dimensioniert sein, um einen ausreichenden Gegendruck während des
Injizierens vorzusehen, um das Zellenwachstum zu regeln, so dass
ein gleichmäßiges mikrozelluläres Schäumen auftritt.
In einer anderen Ausführungsform
wird eine einphasige Lösung
ohne erfolgte Keimbildung von polymerischem Material und Blähmittel einer
Keimbildung unterworfen, während
sie in eine offene Form eingeführt
werden, woraufhin die Form geschlossen wird, um einen mikrozellulären Gegenstand
zu formen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
ist ein Spritzgusssystem unter Verwendung eines getrennten Akkumulators
vorgesehen. Bezug nehmend nun auf die 2 weist
ein Spritzgusssystem 31 einen Extruder ähnlich zu jenem in 1 dargestellten
auf. Der Extruder kann eine sich hinundherbewegende Schnecke wie im
System der 1 aufweisen. Zumindest ein Akkumulator 78 ist
vorgesehen, um geschmolzenes polymerisches Material vor dem Injizieren
in die Formkammer 37 anzusammeln. Der Extruder weist einen
Auslass 51 in Fluidverbindung mit einem Einlass 79 des
Akkumulators mittels einer Leitung 53 auf zur Abgabe zum
Akkumulator einer einphasigen Lösung
an polymerischem Material und Blähmittel
ohne erfolgte Keimbildung.
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Der
Akkumulator 78 weist innerhalb eines Gehäuses 81 einen
Kolben 83 auf, der konstruiert und angeordnet ist, um sich
in axialer Richtung (proximal und distal) innerhalb des Akkumulatorgehäuses zu
bewegen. Der Kolben kann sich in proximaler Richtung zurückziehen
und es dem Akkumulator erlauben, mit polymerischem Material/Blähmittel
durch den Einlass 79 gefüllt zu werden und kann dann
in distaler Richtung gedrückt
werden, um die Mischung aus polymerischem Material/Blähmittel
in die Form 37 zu zwingen. Wenn er in einer zurückgezogenen
Position ist, lässt
man eine Charge im Akkumulator 78 ansammeln, die durch
eine einphasige Lösung
aus geschmolzenem polymerischen Material und Blähmittel definiert ist. Wenn
der Akkumulator 78 gefüllt
ist, drückt
ein System wie z.B. ein hydraulisch geregelt zurückziehbarer Injektionszylinder (nicht
dargestellt) die angesammelte Charge durch die Keimbildungsvorrichtung 66 und
die resultierende Mischung mit erfolgter Keimbildung in die Formkammer 37.
Diese Anordnung zeigt eine andere Ausführungsform, bei der eine einphasige
Lösung
aus polymerischem Material und Blähmittel ohne erfolgte Keimbildung als
ein Ergebnis des Verfahrens des Füllens der Formkammer einer
Keimbildung unterworfen wird.
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In
einer anderen Anordnung kann ein Extruder mit einer sich hinundherbewegenden
Schnecke wie jener, der in 1 dargestellt
ist, mit dem System 31 der 2 verwendet werden,
um nacheinander Chargen an polymerischem Material und Blähmittel
zu injizieren, während
der Druck auf den Kolben 83 konstant bleibt, so dass eine
Keimbildung innerhalb des Akkumulators verhindert wird. Wenn eine
Mehrzahl von Chargen in den Akkumulator eingeführt worden sind, kann das Absperrventil 34 geöffnet werden
und der Kolben 83 in distaler Richtung angetrieben werden,
um die Charge innerhalb des Akkumulators in die Form 37 zu übertragen. Das
kann vorteilhaft sein für
die Herstellung von sehr großen
Teilen.
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Ein
Kugel-Absperrventil 85 ist nahe dem Einlass 79 des
Akkumulators angeordnet, um dem Materialstrom in den Akkumulator
zu regulieren und den Rückfluss
in den Extruder zu verhindern, und um einem Systemdruck aufrechtzuerhalten,
der benötigt
wird, um die einphasige Lösung
des Blähmittels
ohne erfolgte Keimbildung und des geschmolzenen polymerischen Materials
aufrechtzuerhalten. Optional kann das Spritzgießsystem 31 mehr als
einen Akkumulator in Fluidverbindung mit dem Extruder 30 und
der Formkammer 31 aufweisen, um die Produktionsraten zu
erhöhen.
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Das
System 31 weist einige zusätzliche Komponenten auf, die
nachfolgend detaillierter beschrieben werden.
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3 und 4 zeigen
Formkammern gemäß alternativen
Ausführungsformen
zur Verwendung mit Spritzgusssystemen der Erfindung. In 3,
ist eine Formkammer 71 mit bewegbarer Wand schematisch
dargestellt umfassend einen Formhohlraum 84, Temperaturregelelemente 82,
eine bewegbare Wand 80, eine Druckeinrichtung (nicht dargestellt)
und in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform zumindest eine Keimbildungsvorrichtung 66 mit
einem Keimbildungspfad 67 mit einem Einlassende 69 und
einem Auslassende 70, das eine Düse des Formhohlraums 84 definiert.
In einer Ausführungsform
weist die Formkammer 71 mit bewegbarer Wand eine Mehrzahl
von Keimbildungsvorrichtungen 66 auf. Die bewegbare Wand 80 kann
eingestellt werden, um das Volumen der Form zu erhöhen, wenn die
Form mit einer Mischung mit erfolgter Keimbildung aus polymerischer
Vorstufe und Blähmittel
gefüllt
ist, womit ein konstanter Druck in der Form aufrechterhalten wird.
Auf diese Weise kann das Zellenwachstum beschränkt oder geeignet geregelt
werden.
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In 4 ist
schematisch eine Gasgegendruck-Formkammer 73 dargestellt
mit einem Formhohlraum 84, Temperaturregelelementen 82,
einem Druckregler 86, Dichtungen 92 und in der
dargestellten bevorzugten Ausführungsform
zumindest einer Keimbildungsvorrichtung 66 mit einem Keimbildungspfad 67,
der eine kleine Einlassöffnung
der Formkammer 73 begrenzt. Wie oben beschrieben wurde,
besitzt der Keimbildungspfad 67 ein Einlassende 69 und
ein Auslassende 70, das eine Düse der Kammer 84 umgibt.
Der Druck innerhalb der Form kann mittels des Druckreglers 86 gehalten
werden, um das Zellenwachstum in der in die Form eingeführten Mischung
mit erfolgter Keimbildung zu beschränken oder zu regeln.
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Jegliche
Kombination einer Form mit bewegbarer Wand, einer Form mit einem
Gasdruckregler und Temperaturregelelementen in der Form können für eine Vielzahl
von Anwendungsfällen
eingesetzt werden. Wie diskutiert wurde, können Bedingungen so geregelt
werden, um das Zellenwachstum in einer Mischung mit erfolgter Keimbildung
innerhalb der Form zu beschränken
oder zu regeln. Eine andere Verwendung für Temperaturregelmessungen
ist, dass ein Bereich der Formwand, oder die gesamte Formwand bei
einer relativ hohen oder relativ geringen Temperatur gehalten werden
kann, was zu einem relativ größeren oder
geringeren Zellenwachstum an Bereichen nahe der Wand (Bereichen
bei und nahe der Außenwand
des mikrozellulären geformten
Produkts) relativ zu Bereichen nahe der Mitte des in der Form gebildeten
Gegenstands führt.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Herstellung von relativ dickem mikrozellulärem polymerischen Material, z.B.
Material mit zumindest einem Bereich mit einer Dicke von zumindest
12,7 mm (0,500 inch), indem eine mikrozelluläre polymerische Vorstufe mit
erfolgter Keimbildung in einer Form erzeugt wird und schnell die
Form „gecrackt" oder geöffnet wird,
um es einem Teil größer als
dem Inneren der Form zu erlauben, sich zu bilden. Wenn die Form
gecrackt ist, tritt Zellenwachstum aufgrund des entsprechenden Druckabfalls
auf. Die Mischung mit erfolgter Keimbildung darf teilweise in der
Formgebung der Form oder Umhüllung
verfestigen, um einen ersten mikrozellulären polymerischen Artikel in
der Form der Umhüllung
zu bilden, wird von der Umhüllung
entfernt und man lässt
ihn weiter expandieren, um einen zweiten mikrozellulären polymerischen
Artikel zu formen mit einer Form, die größer als die Form der Umhüllung ist.
In einigen Fällen
kann sich das Injizieren oder Vorwölben nach dem Cracken der Form
fortsetzen, um die Dichte und Zellenstruktur zu regeln. Das bedeutet,
eine Lösung
kann in die Form eingeführt
werden, während
sie einer Keimbildung unterworfen wird und, gleichzeitig, kann die
Form gecrackt werden und dann weiterhin geöffnet werden, um den Gegendruck
in der Form zu regeln und die Größe des abschließenden Teils
und die Zelldichte und Struktur zu regeln. Dies kann auch mit einer
analogen Form mit bewegbarer Wand wie hierin beschrieben bewirkt
werden.
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Die
Erfindung gestattet ein schnelles, zyklisches Formen polymerischen
Schaums. Nach dem Einspritzen und Formen kann in einem Zeitraum
von weniger als etwa zehn Minuten eine zweite Mischung mit erfolgter Keimbildung
durch das Injizieren in die Form, erzeugt werden und schäumen und
verfestigen lassen in der Form der Umhüllung, und entfernt werden.
Vorzugsweise ist die Zykluszeit weniger als etwa eine Minute, mehr bevorzugt
weniger als etwa zwanzig Sekunden. Die Zeit zwischen dem Einführen des
Materials in die Form und die Verfestigung ist typischerweise weniger
als etwa zehn Sekunden. Geringe Zykluszeiten sind aufgrund des verringerten
Gewichts im Schaummaterial (weniger Masse zu kühlen) vorgesehen und geringe
Schmelztemperaturen durch die verringerte Viskosität eines überkritischen
fluiden Blähmittels
möglich.
Bei geringeren Schmelztemperaturen wird weniger Wärmeabsorption
durch das Ausstoßen
benötigt.
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Bezug
nehmend nun auf 5 bis 7 ist
eine andere Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, welche das System 31 verwendet,
und das System 31 wird nun vollständiger beschrieben werden.
Das System 31 weist ebenfalls eine blähmittelfreie Leitung 88 auf,
deren Auslass 90 des Extruders mit einem Akkumulatoreinlass 91 verbunden
ist. Der Einlass 91 des Akkumulators ist an der Fläche des
Kolbens 83 des Akkumulators angeordnet. Ein mechanisches
Absperrventil 99 ist entlang der Leitung 88, vorzugsweise
nahe dem Auslass 90 angeordnet. Der Auslass 90 des
Extruders ist im Extruder stromaufwärts zu dem Blähmitteleinlass 54 (oder vielen
Blähmitteleinlässen wie
in der Extrusionsanordnung gemäß 1,
wo diese Anordnung im System wie in 5 bis 7 beschrieben
verwendet wird) angeordnet aber genügend stromabwärts im Extruder,
so dass es flüssiges
polymerisches Material 94 abgeben kann. Das flüssige polymerische
Material 94, das durch die Leitung 88 geliefert
wird, ist blähmittelarmes
Material und kann im wesentlichen frei von Blähmittel sein. Somit weist das
System einen ersten Auslass 90 des Extruders auf, der angeordnet
ist, um flüssiges
polymerisches Material im wesentlichen frei von Blähmittel
oder mit einer verringerten Blähmittelkonzentration
vom Extruder zu einem ersten Einlass 91 des Akkumulators
abzugeben, und einen zweiten Auslass 51 stromabwärts des Mischbereichs
des Extruders, der angeordnet ist, um eine Mischung aus flüssigem polymerischen
Material und Blähmittel
(eine höhere
Blähmittelkonzentration
als vom Auslass 90 abgegeben wird, d.h. blähmittelreiches Material)
zu einem zweiten Einlass 79 des Akkumulators zu liefern.
Der Akkumulator kann Heizeinheiten 96 aufweisen, um die
Temperatur des polymerischen Materials darin zu regeln. Der Akkumulator
weist einen Auslass auf, welcher der Einlass 69 der Keimbildungsvorrichtung 66 ist.
Ein Durchgang (oder Düse),
welche den Keimbildungspfad 67 begrenzt, verbindet den
Akkumulator 78 mit der Formkammer 37.
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Eine
Reihe von Ventilen einschließlich
Kugel-Absperrventile 98 und 85, die an den ersten
und zweiten Einlässen
zu dem Akkumulator angeordnet sind, und nicht-mechanische Ventile 64 und 99 regeln
jeweils den Materialstrom von dem Extruder zum Akkumulator und von
dem Akkumulator zu der Form wie gewünscht, wie unten gemäß einigen
Ausführungsformen
beschrieben wird.
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Die
Erfindung beinhaltet in sämtlichen
Ausführungsformen
die Möglichkeit,
den Druck im gesamten System in geeigneter Weise zu halten, um eine
frühzeitige
Keimbildung zu verhindern, wo eine Keimbildung nicht gewünscht ist
(stromabwärts
der Keimbildungsvorrichtung), oder Zellenwachstum zu verhindern,
wo Keimbildung stattgefunden hat aber kein Zellenwachstum gewünscht ist
oder in gewünschter
Weise geregelt wird.
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Die
Durchführung
des Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Injizieren von blähmittelarmem
Material in eine Form, um eine beinahe feste Hülle zu formen, gefolgt durch
das Injizieren von blähmittelreichem
Material in die Form, um einen geschäumten Kern zu bilden. Dies wird
mit Bezugnahme auf 5 bis 7 beschrieben
werden. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann dieses Verfahren
auch mit korrekter Synchronisierung eingesetzt werden, um Gegenstände zu formen
mit einem geschäumten Äußeren und
einem festen Inneren.
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5 zeigt eine Situation, bei der polymerisches
Material, das kein Blähmittel
enthält
oder Blähmittel nur
im begrenzten Ausmaß (Material 94)
enthält,
am distalen Ende des Akkumulators und dem proximalen Ende des Akkumulators
vorgesehen ist. Das bedeutet, blähmittelarmes
Material 94 ist gerade vor dem Kolben 93 und in
dem Keimbildungspfad 67 und gerade stromaufwärts des
Keimbildungspfads 67 vorgesehen. Zwischen diesen Bereichen
des blähmittelarmen
Materials 94 ist ein Bereich mit blähmittelreichem Material 101 im
Akkumulator. An diesem Punkt wird das mechanische Ventil 64,
das die Verbindung zur Form 37 darstellt, geöffnet und
der Kolben 83 wird stromabwärts angetrieben, um das Material
im Akkumulator 78 in die Form 37 zu zwingen. Dies
ist in 6 dargestellt. Der erste Abschnitt des blähmittelarmen
Materials kleidet das Äußere der
Form aus und bildet eine im wesentlichen feste Außenwand,
dann füllt
das blähmittelreiche
Material 101 die Mitte der Form und ist einer Keimbildung
unterworfen während
es in die Form eintritt. Die distale. Grenze der Kolbenbewegung
endet kurz vor dem Ende des Akkumulators und der Bereich an blähmittelarmen
Material, der gerade vor dem Kolben angeordnet worden ist, ist nun
am distalen Ende des Akkumulators positioniert und füllt den
Keimbildungspfad des Akkumulators. Das Ventil 64 wird dann
geschlossen und das resultierende Teil von der Form 37 entfernt.
Mit dem geschlossenen mechanischen Ventil 99 wird der Extruder
angetrieben, um blähmittelreiches
Material, vorzugsweise eine einphasige Lösung ohne erfolgte Keimbildung
an polymerischem Material und Blähmittel
in den Akkumulator einzuführen,
wenn sich der Kolben in proximaler Richtung zurückzieht, wie in 7 dargestellt
ist. Der Kolben übt
einen im wesentlichen konstanten Druck auf das Material im Akkumulator
aus und hält
das Material 101 in einem Zustand ohne erfolgte Keimbildung.
Wenn der Kolben beinahe seine proximale Grenze erreicht hat, wird
das mechanische Ventil 99 geöffnet und man lässt blähmittelarmes
Material 94 einen Abschnitt des Akkumulators gerade vor
dem Kolben füllen,
wie in 5 dargestellt ist. 5 stellt den Abschluss des Zyklus unmittelbar
vor dem Einspritzen in die Form dar.
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Mit
Bezugnahme auf 5 bis 7 kann
bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ein spritzgegossener, mikrozellulärer Gegenstand mit einer blähmittelarmen
Außenwand
und einen blähmittelreichen,
mikrozellulären geschäumten Inneren
ohne die Notwendigkeit des Füllens
des Akkumulators 78 mit blähmittelreichem Material eingeschlossen
zwischen blähmittelarmen
Material wie dargestellt gebildet werden. In dieser Ausführungsform
füllt blähmittelreiches
Material die Form, aber der am weitesten distal gelegene Teil des
Akkumulators, der durch den Keimbildungspfad 67 definiert
ist, wird stärker
beheizt als der Rest des Akkumulators. Dies kann unter Verwendung
von Heizeinheiten 103 bewirkt werden, die neben der Keimbildungsvorrichtung
angeordnet sind. Wenn dies benötigt
wird, können
zusätzliche
Heizeinheiten vorgesehen sein, um Material im Akkumulator stromaufwärts des
Keimbildungspfads zu erhitzen. Material in dem am weitesten distal
gelegenen Bereichs des Akkumulators wird zu einem ausreichenden
Maß erhitzt,
dass, wenn die Charge im Akkumulator in die Form eingespritzt wird,
Blähmittel
in dem hoch erhitzten Abschnitt sehr schnell aus dem Polymer diffundiert
und durch die Abluftöffnungen
(nicht dargestellt) in der Form. In dem polymerischen Material stromaufwärts des
am weitesten distal gelegenen höher
erhitzten Abschnitt der Charge tritt Zellwachstum auf, um mikrozelluläres Material
schneller zu bilden, als das Blähmittel
aus dem Polymer heraus diffundieren kann. Der am weitesten distal
gelegene Bereich der Charge, der erhitzt wird, kann zumindest etwa
2% der Charge, oder zumindest etwa 5%, oder zumindest etwa 10%,
oder zumindest etwa 20% der Charge definieren und kann auf eine
Temperatur zumindest etwa 10°C
höher als
die Durchschnittstemperatur der Charge oder zumindest etwa 20°C, 40°C, oder 80°C höher als
die Durchschnittstemperatur der Charge vor dem Injizieren der Charge
in eine Formkammer erhitzt werden.
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Bei
einem anderen Verfahren, das außerhalb
des Bereichs der Ansprüche
liegt, kann eine einphasige homogene Lösung aus polymerischem Material
und Blähmittel
in eine Form injiziert werden, während
der Druck in der Form hoch genug gehalten wird, um Keimbildung zu
verhindern. Das bedeutet die Injektion geschieht ohne Keimbildung.
Die homogene, einphasige Lösung
kann in einen festen Zustand in der Form erstarrt werden, und die
Form wird geöffnet.
Zu diesem Zeitpunkt treten Keimbildung und Schäumen nicht auf. Der geformte
Gegenstand kann dann erhitzt werden, um Keimbildung und Schäumen zu
erzeugen, z.B. indem er in ein Glyzerinbad gesetzt wird.
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Eine
Vielzahl von Gegenständen
kann erfindungsgemäß hergestellt
werden, z.B. Konsumgüter
und industrielle Güter
wie polymerisches Besteck, Kraftfahrzeugkomponenten, und eine weite
Vielfalt anderer spritzgegossener Teile.
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8 zeigt
schematisch ein Spritzgusssystem 100 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung. Das Spritzgusssystem 100 weist einen Extruder
auf, der ähnlich
zu jenem in 1 dargestellten sein kann mit
einem Zylinder 102 mit einem ersten stromaufwärts gelegenen
Ende 104 und einem zweiten, stromabwärts gelegenen Ende 106,
das mit einer Formkammer 108 verbunden ist. Für eine hin
und her gerichtete Bewegung und Drehung innerhalb des Zylinders 102 ist
eine Schnecke 110 montiert, die an ihrem stromaufwärts gelegenen
Ende betriebsmäßig mit
einem Antriebsmotor (nicht dargestellt) verbunden ist. Einen zweiten Strom 114,
der einen Einlass 113 und eine Öffnung 115 des Zylinders,
die Öffnung
stromaufwärts
des Einlasses, verbindet, weist eine Schmelzenpumpe 116 und
einen Mixer 118 auf, die strömungstechnisch in Abfolge verbunden
sind. Die Schmelzenpumpe 116 kann eine Zahnradpumpe oder
ein kleiner Extruder sein, die in der Technik bekannt sind.
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Die
oben beschriebenen Techniken der Erfindung können auch bei der gasunterstützen Co-Injektion verwendet
werden. Bei dieser Technik wird ein Vorläufer von mikrozellulärem Material
extrudiert und Keimbildung ausgelöst, während er in eine Form wie oben
beschrieben eingebracht wird, während
Gas in den Schmelzenstrom so injiziert wird, um in der Form eine äußere Lage
gegen die Formwände
des polymerischen Materials mit erfolgter Keimbildung und einem
mittleren Hohlraum, der mit dem ko-injizierten Gas gefüllt ist,
zu bilden. Das Zellenwachstum kann wie in anderen Ausführungsformen
ausgelöst
werden. Der Mixer 118 weist eine Blähmittel-Injektionsöffnung 120 zum Einführen eines
Blähmittels
darin auf. Der Mixer 118 kann ein statischer Mixer oder
ein Hohlraumübertragungsmixer
(cavity transfer mixer) sein, die ebenfalls in der Technik bekannt
sind. Die in 8 dargestellte Anordnung erleichtert
ein anderes Verfahren der Erfindung, das zum Formen spritzgegossener
mikrozellulärer
Teile mit wie oben beschrieben mit unterschiedlichen Materialdichten nützlich ist.
Das Verfahren beinhaltet das Einführen in einen Extruderzylinder 102 eines
prä-polymerischen Materials,
das Schmelzen des prä-polymerischen
Materials und das Bewegen des geschmolzenen polymerischen Materials 124 in
Richtung auf das stromabwärts
gelegene Ende 106 des Extruders 100. Wenn das
geschmolzene polymerische Material 124 durch den Extruderzylinder 102 vorrückt, wird
ein Bereich abgezweigt und durch den Einlass 113 in den
Seitenstrom 114 durch die Schmelzenpumpe 116 vorgerückt (z.B.
nachdem das distale Ende der Schnecke 110 proximal zum
Einlass 113 des Seitenarms 114 zurückgezogen
worden ist). Wenn das geschmolzene polymerische Material im Seitenstrom 114 durch
den Mixer 118 fortbewegt wird, wird Blähmittel von der Gasinjektionsöffnung 120 eingeführt und
darin gründlich
gemischt, um eine einphasige Lösung
ohne erfolgte Keimbildung an Blähmittel
und geschmolzenem polymerischen Material zu bilden, das von dem
Seitenstrom 114 in das stromabwärts gelegene Ende 106 des
Extruderzylinders 102 durch die Öffnung 115 vorgerückt wird,
wie in 8 dargestellt ist, während sich die hinundherbewegende
Schnecke 110 vollständig
zurückzieht.
Dies erzeugt einen blähmittelreichen
Bereich 122 an dem am weitesten distal gelegenen Ende des
Zylinders und einen blähmittelarmen
Bereich proximal zu dem blähmittelreichen
Bereich. Die relative Menge an blähmittelreichen Material und
an blähmittelarmen
Material kann durch die Strömungsrate
geregelt werden, mit der Material durch den Seitenarm 14 hindurchtritt
und mit Blähmittel
angereichert wird. Danach wird die hinundhergerichtete Bewegung
der Schnecke 110 verwendet, um die blähmittelreiche, einphasige Lösung an
Blähmittel
ohne erfolgte Keimbildung und geschmolzenem polymerischen Material 122 zu
injizieren gefolgt durch einen Bereich an blähmittelarmen geschmolzenem
polymerischen Material 124 in die Formkammer 108.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
sieht die Erfindung eine Technik vor zum schnellen und wirksamen
Einführen
eines Blähmittels
in eine fluide polymerische Vorstufe in die wie hierin beschriebene
Spritzgussvorrichtung wie auch in eine Extrusionsvorrichtung gemäß im wesentlichen
jeglicher Anordnung. Diese Ausführungsform
weist eine Extrusionsschnecke auf, die in 9 dargestellt
ist, mit einer Düse
in einer Oberfläche der
Schnecke, die innerhalb eines Extrusionszylinders (nicht dargestellt)
positionierbar ist, welche Düse
in Strömungsverbindung
mit einer Quelle an Blähmittel
steht. Die Düse
definiert das Ende eines Hohlraums, der sich von einem Ort in Verbindung
mit der Quelle, sowie einem Ort am Proximalende der Schnecke erstreckt. In
einer bevorzugten Ausführungsform
verläuft
der Hohlraum in Längsrichtung
entlang der Rotationsachse der Schnecke von dem Proximalende der
Schnecke und steht in Verbindung mit einer oder mehreren Düsen auf der
Oberfläche
der Schnecke. Die eine oder mehrere Düsen sind vorzugsweise an äußeren Oberflächen der Schneckengänge angeordnet
oder können
geringfügig
von den äußeren Oberflächen der
Gänge zurückgesetzt
sein, wobei diese Positionierung das Einführen des Blähmittels in einer Weise erlaubt,
dass das Blähmittel
einem Schub/Diffusion gegen die innere Oberfläche des Zylinders unterworfen
wird. Eine oder mehrere Düsen
können
auch in Bereichen zwischen den Schneckengängen angeordnet sein, oder
eine Kombination von Düsen
an einer Vielzahl von Orten kann verwendet werden. Bezug nehmend
auf 9 weist eine Extruderschnecke 130 einen
Schneckengang 132 und ein Volumen 134 auf, das
eine Verbindung mit einer Düse 136 auf
einer äußeren Oberfläche 138 des
Schneckengangs 132 vorsieht. Ein Bereich 140 des
Volumens 134 erstreckt sich von dem Volumen an der Mittelachse
der Schnecke zur Düse 136.
Ein Vorteil bei dem Einführen von
Blähmittel über eine
Düse innerhalb
der Schnecke liegt darin, dass eine gleichmäßige Verteilung des Blähmittels
innerhalb einer polymerischen Vorstufe in einer Anordnung unter
Verwendung einer hinundherbeweglichen Schnecke vorgesehen sein kann.
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Gegenstände können hergestellt
werden mit Dicken oder Querschnittsdimensionen von weniger als 2,5
mm (0,100 inch), vorzugsweise nicht mehr als etwa 1,9 mm (0,075
inch), mehr bevorzugt nicht mehr als etwa 1,3 mm (0,050 inch), mehr
bevorzugt nicht mehr als etwa 0,64 mm (0,025 inch), noch mehr bevorzugt nicht
mehr als etwa 0,25 mm (0,110 inch) mittels Spritzgießen, da
eine einphasige Lösung
an polymerischer Vorstufe und überkritischem
Fluid eine besonders geringe Viskosität besitzt und, auf diese Weise,
in eine Form injiziert und als ein geschäumter Gegenstand darin gebildet
werden kann. Z.B. kann eine einphasige Lösung von überkritischem Fluid und polymerischer
Vorstufe in eine Form eingeführt
und in herkömmlicher
Weise geschäumt
werden oder es kann dabei ein mikrozellulärer Gegenstand hergestellt
werden. Die geringe Viskosität des
in die Form eingespritzten Fluids erlaubt Zykluszeiten des Spritzguss
von, wie oben beschrieben wurde, weniger als zehn Minuten, vorzugsweise
weniger als fünf
Minuten, und mehr bevorzugt weniger als eine Minute, vorzugsweise
weniger als dreißig
Sekunden, mehr bevorzugt weniger als zwanzig Sekunden, mehr bevorzugt
weniger als zehn Sekunden und noch mehr bevorzugt weniger als fünf Sekunden.
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Die
Erfindung sieht die Herstellung von geformten, mikrozellulären polymerischen
Gegenständen
mit einer Form der Formkammer vor, die zumindest einen Abschnitt
mit einer Querschnittsabmessung von nicht mehr als etwa 3,2 mm (0,125 inch)
oder, bei anderen Ausführungsformen,
wie bereits oben erwähnt
geringere Abmessungen besitzen, wobei der Gegenstand ein Hohlraumvolumen
von zumindest etwa 5% besitzt.
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Vorzugsweise
beträgt
das Hohlraumvolumen zumindest etwa 10%, noch bevorzugter zumindest
etwa 15%, noch bevorzugter zumindest etwa 20%, noch bevorzugter
zumindest etwa 25%, noch bevorzugter zumindest etwa 30%. Der Gegenstand
kann ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% besitzen. Dies stellt eine
beträchtliche
Verbesserung dahingehend dar, dass es eine Herausforderung in der
Technik ist, eine Gewichtsverringerung in polymerischem Material
mittels Lückenvolumen
im Schaum bei Gegenständen
mit sehr kleinen Abmessungen vorzusehen. Die Gegenstände weisen
die oben genannten Lücken-
bzw. Hohlraumvolumina in jenen Abschnitten auf, die eine Querschnittsabmessung
von nicht mehr als etwa 3,2 mm (0,125 inch) besitzen oder andere,
oben genannte kleinere Abmessungen.
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Das
Verfahren gestattet auch die Herstellung einer größeren Gewichtsverringerung,
wie hierin beschrieben wurde, und kleinere Zellen in spritzgegossenen
Teilen mit Dicken größer als
3,2 mm (0,125 inch), z.B. zwischen 5 mm (0,200 inch) und etwa 12,7
mm (0,500 inch) Dicke.
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Das
Verfahren gestattet auch die Herstellung von dicken und dünnen, schaumgegossenen
Teilen mit Oberflächen,
die feste Teile imitieren. Zumindest ein Bereich der Oberfläche dieser
Teile ist frei von mit bloßem menschlichen
Auge erkennbaren Unebenheiten und Fließspuren. Solche gegossene Teile
können
hergestellt werden, wenn die Temperatur der Schmelze und die Formtemperatur
und eine Blähmittelkonzentration
optimiert wird, um es dem Blähmittel
zu erlauben, von der Oberfläche
des Teils weg zu diffundieren, so dass die Oberfläche eine
Hautlage im wesentlichen frei von Zellen aufweist. Diese Hautlage
ist im wesentlichen festes Polymer, so dass das Teil als ein festes
polymerisches Teil für
das bloße
Auge erscheint. Unebenheiten und Fließspuren in geschäumten polymerischen
Material werden durch Blasen an der Oberfläche erzeugt, die gegen eine
Formwand geschleppt werden. Wo Blasen an der Oberfläche entfernt
werden aufgrund der Temperaturregelung, werden Fließspuren
vermieden. In diesen Ausführungsformen
werden gegossene Teile erzeugt mit einer Außenhaut aus im wesentlichen
festem polymerischen Material frei von Zellen mit einer Dicke zumindest
dreimal entsprechend der durchschnittlichen Zellengröße des Schaummaterials.
Vorzugsweise entspricht die Dicke der äußeren Haut zumindest etwa fünfmal der
durchschnittlichen Zellengröße des Materials.
Ein anderer Grund, dass gegossene Teile gemäß der vorliegenden Erfindung
erzeugt werden können,
die frei von sichtbaren Unebenheiten und Fließspuren sind, liegt darin,
dass die Diffusionsrate eines überkritischen
fluiden Blähmittels
nach Auffassung der Erfinder schneller ist als jene typischer Blähmittel,
was eine Diffusion an der Oberfläche
des Gegenstands wie beschrieben auftreten lässt, um eine feste Hautlage
zu bilden.
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Wie
erwähnt
ermöglicht
die Erfindung die Herstellung von gegossenem, mikrozellulärem, polymerischem
Schaummaterial mit dünnen
Abschnitten. Insbesondere können
Gegenstände
mit großen
Länge-zu-Dicke
Verhältnissen
hergestellt werden. Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von
Materialien mit Länge-zu-Dicke
Verhältnissen
von zumindest etwa 50:1, bei denen das Polymer einen Schmelzindex
von weniger als etwa 10 hat. Vorzugsweise ist das Länge-zu-Dicke
Verhältnis
zumindest etwa 75:1, mehr bevorzugt zumindest etwa 100:1, und noch
mehr bevorzugt zumindest 150:1. Ein Beispiel von Material mit einem
Schmelzindex von weniger als 10 ist Polystyrol. Bei einer anderen
Ausführungsform
wird ein Gegenstand bereitgestellt mit einem Länge-zu-Dicke Verhältnis von
zumindest etwa 120:1, wobei das Polymer eine Schmelzstromrate von weniger
als etwa 40 besitzt. In dieser Ausführungsform ist das Länge-zu-Dicke
Verhältnis
vorzugsweise zumindest etwa 150:1, mehr bevorzugt zumindest 175:1,
mehr bevorzugt zumindest etwa 200:2 und noch mehr bevorzugt zumindest
250:1.
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Ein
Beispiel eines Materials mit einer Schmelzstromrate von weniger
als etwa 40 ist Polyolefin wie Polyethylen. Das Länge-zu-Dicke
Verhältnis
in diesem Zusammenhang definiert das Verhältnis der Länge der Erstreckung eines Bereichs
eines polymerischen gegossenen Teils, die sich von dem Injektionsort
in der Form (Düse)
wegerstreckt und die Dicke quer zu diesem Abstand.
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Ein
besonders vorteilhafter Gegenstand ist ein dünnes gegossenes Teil mit einem
relativ hohen Lückenvolumen.
Insbesondere ermöglicht
die Erfindung die Herstellung von einem Schaumpolymerartikel mit
einem Bereich bzw. Abschnitt mit einer Dicke weniger als etwa 1,2
mm und einem Lückenvolumen
von zumindest 30%, und selbst Artikel mit einer Dicke von weniger
als etwa 0,7 mm und einem Lückenvolumen
von zumindest 15%.
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Insbesondere
können
Teile hergestellt werden mit Dicken wie hierin definiert, mit Lückenvolumen
wie hierin definiert, bei denen die maximale Dicke über zumindest
etwa 25% des Gegenstands besteht, d.h. zumindest unter 25% der Fläche eines
dünnen
gegossenen Teils ist von einer Dicke geringer als die beschriebene,
selbst ein größerer Bereich
des Teils kann eine Dicke besitzen, die geringer als die maximal
definierte ist, z.B. 50% oder 100%.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Gegenstände hergestellt
werden können,
die ohne die Verwendung von Trübungsmitteln
undurchsichtig sind. Dies liegt daran, weil polymerischer Schaum
Licht zerstreut und somit im wesentlichen lichtundurchlässig ist
und eine weiße
Erscheinung besitzt. Dies ist ein Vorteil der Erfindung, dass mikrozelluläre Schäume lichtundurchlässiger und
darin gleichmäßiger als
herkömmliche
Schäume
sind. Dies ist ein beträchtlicher
Vorteil in Verbindung mit Gegenständen, die konstruiert und angeordnet
sind, um Material zu enthalten, dass, wenn es Licht ausgesetzt wird,
zerstört
wird, wie Nahrungsmittelbehälter.
Derartige Materialien können
Nahrungsmittel sein, die von Tieren wie auch Menschen konsumiert werden
und Vitamine enthalten, die zerstört werden können, wenn sie Licht ausgesetzt
werden. Obwohl Trübungsmittel
wie Pigmente typischerweise Gegenständen hinzugefügt werden,
kann pigmentiertes Material weniger gut einer Wiederverwertung zugeführt werden.
Die Erfindung ermöglicht
die Herstellung von dünnen
undurchsichtigen Artikeln, die weniger als 1% Gew.-% Hilfstrübungsmittel,
vorzugsweise weniger als 0.05 Gew.-% Hilfstrübungsmittel enthalten, und
noch bevorzugter weiterhin Material enthält, das im wesentlichen keine
Hilfstrübungsmittel
enthält. " Hilfstrübungsmittel" bedeutet in der
vorliegenden Erfindung Pigmente, Farbstoffe oder andere Mittel,
die speziell dazu bestimmt sind Licht zu absorbieren, oder Talg
oder andere Materialien, die Licht blockieren oder ablenken können. Der
Fachmann kann überprüfen, on
ein Additiv ein Trübungsmittel
ist. Mikrozelluläre
geblasene Artikel besitzen das Erscheinungsbild von festen, weissen
Kunststoffartikel, die besondere kommerzielle Reize bieten.
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Die
Systeme der Erfindung können
erwärmte
Läufer
(nicht dargestellt) aufweisen. Der Begriff „Läufer" (runner), wie er hierin verwendet wird,
soll einen Fluiddurchgang bzw. eine fluide Durchführung definieren,
der das Auslassende des Injektionssystems mit der Formkammer und/oder
mit verschiedenen Bereichen des Formhohlraums, z.B. wenn komplex
gegossene Formen gewünscht
werden, auf fluide Weise verbindet. Läufer sind in der Technik bekannt.
Bei einigen herkömmlichen
Schaum-Spritzgusssystemen erhärtet
in Läufern
zurückgelassenes
Material und wird mit dem gegossenen Teil entfernt. Die vorliegende
Erfindung sieht Läufer vor,
an die sich thermische Regeleinheiten richten, wie Durchgänge für strömendes erhitztes
Fluid. Dies ist nützlich
gemäß gewissen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, bei denen es vorteilhaft ist, das Formmaterial
für den
polymerischen Artikel in einem fluiden Zustand innerhalb der Läufer zu halten,
um einen Druckverlust auszuschließen, der auftreten kann, wenn
ein Spalt in dem Material innerhalb des Läufers auftreten würde, wenn
beispielsweise erhärtetes
Material entfernt worden ist. Die Anordnung der Erfindung kann z.B. einen
Extruder aufweisen, um eine fluide, einphasige Lösung aus polymerischem Material
und Blähmittel
zu liefern, einen Läufer,
der den Keimbildungspfad umfasst, wobei der Läufer ein Ventil an seiner stromabwärts gelegenen
Seite aufweist, das geöffnet
wird, wenn die Form gefüllt
werden soll, und geschlossen wird, wenn die Form geöffnet und
ein Artikel entfernt wird. Wenn geschmolzenes polymerisches Material
verwendet wird, dann bleibt das Material mit erfolgter Keimbildung
im Läufer
flüssig
und geeignet zum Einspritzen in die Form, wenn der Läufer erhitzt
wird. Die Ausführungsform
der Erfindung mit temperaturgeregelten Läufern kann Verwendung finden
in jeglicher einer weiten Vielzahl von Spritzgusssystemen mit jeglicher
Anzahl von Läufern
von verschiedenen Komponenten, und, wenn benötigt, geeignet angeordneten
Ventilen, um das Füllen
von Gussformen oder Gussformabschnitten periodisch ohne die Notwendigkeit
eines Entfernens und Entsorgens von erhärtetem Material von den Läufern zu
erlauben.
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Die
Funktion und der Vorteil dieser und anderer Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird vollständiger
aus den folgenden Beispielen verständlich. Die folgenden Beispiele
sollen die Vorteile der vorliegenden Erfindung darstellen, aber
nicht den vollen Umfang der Erfindung als Beispiel haben. Die folgenden Beispiele
zeigen Vorteile des Spritzgießens
einer Charge an polymerischem Material und überkritischem fluiden Blähmittel
dahingehend dass Gegenstände
gebildet werden, die eine Oberfläche
entsprechend einer inneren Oberfläche der Formkammer besitzen,
die frei von Verformungen und Fließspuren ist, die mit bloßem menschlichen
Auge erkennbar sind.
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Beispiel 1
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Eine
zweistufige Spritzgussvorrichtung (Hersteller Engel) war aufgebaut
mit einer 32:1 l/d, 40 mm Plastifiziereinheit, die geschmolzenes
Polymer in einen 40 mm Kolben einspeist. Der Kolben und die Plastifiziereinheit
waren mittels eines federbelasteten Kugelabsperrverbindungsaufbaus
verbunden. Der Kolben konnte in eine Form durch eine typische pneumatisch
betriebene Absperrdüse
injizieren. Die Injektion von überkritischen
CO2 wurde bewirkt durch das Platzieren etwa
16 bis 20 Durchmesser von dem Zufuhrabschnitt eines Injektionssystems,
das eine radial angeordnete Öffnung
aufwies mit 176 Düsen
mit einem Durchmesser von 0,5 mm (0,02 inch). Das Injektionssystem
wies ein betätigtes
Regelventil auf, um eine Massenstromrate von Blähmittel zwischen 90 bis 5450
g/hr (0,2 bis 12 lbs/hr) zu dosieren.
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Die
Plastifiziereinrichtung war mit einer zweistufigen Schnecke ausgestattet
mit einer herkömmlichen Zufuhr
in der ersten Stufe, Schwellenübergang
(barrier transition), und Dosierabschnitt, gefolgt von einem vielstufigen
Mischabschnitt zur Homogenisierung von Blähmittel. Der Zylinder war mit
Heiz/Kühlbändern ausgestattet.
Die Gestaltung erlaubte eine Homogenisierung und ein Kühlen der
homogenen einphasigen Lösung aus
Polymer und Gas.
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Das
hydraulische System, das zum Bewegen aller Teile der Spritzgießmaschine
verwendet wurde, wurde modifiziert, um einen Schmelzdruck von zumindest
6,9 MPa (1000 psi), aber nicht mehr als 193 MPa (28000 psi) zu jedem
Zeitpunkt zu besitzen. Diese Technik regelt die einphasige Lösung aus
Polymer und Gas zu jedem Zeitpunkt und hält diese aufrecht vor der Kunststoffinjektion
in die Form.
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Beispiel 2: Spritzgießen von
mikrozellulärem
Polystyrol
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Die
in Beispiel 1 beschriebene Vorrichtung wurde verwendet, um mikrozelluläre Polystyrolplättchen zu formen.
Polystyrolpellets (Novacor 2282, 11 M.I.) wurde in die Plastifiziervorrichtung
eingegeben und, in den meisten Fällen,
mit Blähmittel
vermischt, um eine einphasige Lösung
zu bilden, dann einer Keimbildung unterworfen durch das Injizieren
in eine 127 × 279 × 1,3 mm
(5 × 11 × 0,050
inch) Plattenform mit mittiger Öffnung. Die
Injektion erfolgte durch einen kalten Einguss. Die Injektionsrate
wurde variiert, um die Beziehung zwischen den Prozessvariablen und
der Zellengröße und Gewichtsverringerung
zu bestimmen. Die Zellengröße wurde geregelt,
um unter 30 μm
zu sein und die Gewichtsreduzierung 20%. Siehe Tabellen 1 und 2
und die entsprechenden 10 bis 15.
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Tabelle
1: Einfluss der Injektionsgeschwindigkeit auf die Zellengröße und Gewichtsreduzierung
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Tabelle 2: Wirkung der
Gaskonzentration auf die Zellengröße und Gewichtsverringerung
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- Schmelztemperatur = 160°C
- Formtemperatur = 66°C
- Injektionsgeschwindigkeit = 4,0 "/sec
- Einlauf = 0,375' Durchmesser
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Beispiel 3: Iniektionsgießen von
mikrozellulären
Polyethylenterephthalat
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Die
in Beispiel 1 beschriebene Spritzgussmaschine wurde verwendet um
PET (Eastman, 0,95 IV) in einen 127 × 279 × 5 mm (5 × 11 × 0,200 inch) Hohlraum zu gießen nach
dem Trocknen über
vier Stunden bei 177°C
(350°F).
Die Schmelzverarbeitungstemperatur war 288°C (550°F), die Formtemperatur war 66°C (151°F) und es
wurde mit 12% CO2 injiziert. Der Druck auf
die Schmelze wurde bei 20,7 Mpa (3000 psi) aufrechterhalten und
die Injektionsgeschwindigkeit war 127 mm (5,0 inch) pro Sekunde.
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Die
Gewichtsverringerung war 30% und die Zellengröße war 30 bis 40 μm im Durchmesser.
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Beispiel 4: Spritzgießen von
Polypropylen auf hohe Maße
an Gewichtsverringerung
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Die
in Beispiel 1 beschriebene Spritzgussmaschine wurde verwendet, um
Polypropylen (4 Schmelzstromrate (MFR), Copolymer, Montell 7523),
Polypropylen (20 MFR, Copolymer, Montell SD-376) und ein talggefülltes Polypropylen
(4 MFR, 40% talggefüllt,
Montell 65f4-4) in eine 127 × 279
mm (5 × 11
inch) × „variable Dicke" Platte zu gießen. Hohe
Gewichtsverringerungen wurde unter Verwendung der folgenden Bedingungen bewirkt: Tabelle
3:
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Beispiel 5: Spritzgießen von
Polystyrolteilen mit Dichtenverringerungen größer als 70%
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Die
in Beispiel 1 beschriebene Spritzgussmaschine wurde verwendet, um
Polystyrol unter Bedingungen ähnlich
zu jener in Beispiel 2 aufgefunden aber mit Formtemperaturen im
Bereich von 66 bis 121 °C
(150°F bis
250°F) und
Kühlzeiten
im Bereich von 3,2 bis 22,8 Sekunden zu gießen. Große Dichteverringerungen ergaben
sich wie folgt: Tabelle
4:
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Beispiel 6: Keimbildung
nach dem Formen und Zellenwachstum eines verfestigten Teils aus
verfestigtem Polymer/überkritischem
Fluid
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Die
in Beispiel 1 beschriebene Spritzgussmaschine wurde zum Formen von
Polystyrol (Novacor 2282, 11 M.I.) verwendet. Polystyrolpellets
wurden in die Plastifiziereinrichtung eingespeist und wie in Beispiel
2 beschrieben injiziert. Das in die Form gespritzte Material wurde
in der Form auf eine Temperatur unter die Verfestigungstemperatur
des Polystyrols gekühlt.
Die Form wurde geöffnet
und das Teil wurde in einem nicht geschäumten Zustand entfernt. Das
Teil wurde dann einer äußeren Wärmequelle
(Glyzerinbad) ausgesetzt, woraufhin es einer Keimbildung unterworfen
wurde und Zellen wuchsen. Ein mikrozellulärer Gegenstand entstand.
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Beispiel 7: Verdeutlichung
der Viskositätsverringerung
beim Formen des Polymers
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Dieses
Beispiel zeigt den Vorteil der Verwendung von Blähmittel als überkritisches
Fluid, um die Viskosität
zum Einführen
eines polymerischen Materials in eine Form bei relativ geringer
Schmelztemperaturen zu verringern, während die Vorteile des mikrozellulären Schäumens realisiert
werden.
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Eine
Spritzgussmaschine wurde eingesetzt, um Polystyrol wie im Beispiel
2 beschrieben mit folgender Ausnahme zu formen. Die Form hatte Abmessungen
von 127 × 279 × 0,5 mm
(5 × 11 × 0,020
inch). Unter den selben Bedingungen wie Beispiel 2 wurde Polystyrol
mit 0% Blähmittel
injiziert. Die maximale erhältliche
Strömungslänge war
25 mm (1 inch), was zu einem Längen-zu-Dicken
Verhältnis
von 50 führte.
Ein identisches Experiment wurde mit 15% überkritischem Kohlendioxid/Blähmittel
durchgeführt.
Die maximale Strömungslänge war
mindestens 140 mm (5,5 inch) mit einem Längen-zu-Dicken Verhältnis von
270.
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Beispiel 8: Spritzgießen von
Polypropylen unter seinem kristallinen Schmelzpunkt
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Die
im Beispiel 1 beschriebene Spritzgussmaschine wurde verwendet, um
Polypropylen (4 MFR, Kopolymer, Montell 7523) in eine Form mit dem
Abmessungen 127 × 279 × 1,3 mm
(5 × 11 × 0,050
inch) zu gießen.
Mit 0% Blähmittel
sind typische zum Füllen
einer derartigen Form benötigte
Schmelztemperaturen etwa 221 °C
(430°F).
Mit 15% überkritischen
Kohlendioxid-Blähmittel
war es nötig,
Polypropylen unterhalb seines kristallinen Schmelzpunktes einzuspritzen,
der nominal bei 163 °C
(325°F)
liegt. Die tatsächliche
Schmelztemperatur war 154 °C
(310°F).
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Beispiel 9: Demonstration
eines mikrozellulär
geschäumten
Gegenstandes mit einer nahezu perfekten Oberfläche
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Eine
im Beispiel beschriebene Formvorrichtung wurde verwendet, um Polystyrol
(Novacor 2282 11 M.I.) zu formen. Polystryrolpellets wurden in eine
Plastifiziervorrichtung eingespeist und mit CO2-Blähmittel vermischt,
um eine einphasige Lösung
aus überkritischen
CO2 und Polystyrol zu bilden, dann durch
die Injektion in eine Plattenform mit den Abmessungen 127 × 279 × 1,3 mm
(5 × 11 × 0,50 inch)
einer Keimbildung unterworfen. Die Verarbeitungsbedingungen wurden
optimiert, um die geeigneten Bedingungen zu erkennen, um eine hohe
Keimbildungsdichte zu erzielen, wie auch eine wie ein Feststoff
aussehende Haut. Fotokopien von Fotomikrodarstellungen sind in 16 bis 18 bereitgestellt,
um die Effektivität
dieses Verfahrens zu demonstrieren. 16 ist
für Vergleichszwecke
vorgesehen und zeigt festes, nicht geschäumtes Polystyrol das unter
Verwendung herkömmlicher
Spritzgusstechnik ohne Schauminjektion erhalten wurde.
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Wie
ersichtlich ist entstehen ideale Bedingungen bei einem Ausgleich
der Schmelztemperatur, Formtemperatur und Blähmittelkonzentration. Die Schmelztemperatur
muss hoch genug sein, so dass die Diffusionsrate des Blähmittels
in der Schmelze relativ schnell ist, und die Formtemperatur muss
hoch genug sein, so dass die Diffusion von Blähmittel aus der Schmelze in
einem beträchtlichen
Maß an
der Oberfläche
auftritt, jedoch muss die Formtemperatur gering genug sein, um ein
Verwinden oder eine andere Verzerrung des Produkts zu vermeiden.
Die Diffusionsrate des Blähmittels
hängt von
der Schmelztemperatur, Blähmittelkonzentration,
dem Differenzdruck und der Formtemperatur ab. Die Diffusionsrate
des Blähmittels
aus der Schmelze muss größer sein
als die Rate, mit der die Polymeroberfläche abkühlt und sich verfestigt.
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Dem
Fachmann wird sofort deutlich sein, dass alle hierin gelisteten
Parameter nur beispielhaft gemeint sind und dass tatsächliche
Parameter von der speziellen Anwendung abhängen, für welche die Verfahren und die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es soll
daher deutlich sein, dass die vorangehenden Ausführungsformen nur beispielhaft
dargestellt sind, und dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der
beigefügten
Ansprüche
und dazugehöriger Äquivalente
anders als speziell beschrieben durchgeführt werden kann.