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Bereich der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schaumstoffe und genauer extrudierte
Schaumstoffe, wie beispielsweise solche, wie sie für Verpackungen
verwendet werden. Noch genauer betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren
zur Herstellung von Schaumstoffstrukturen, mit denen die Freisetzung
von Treibmitteln daraus beschleunigt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Schaumstoffprodukte,
die Verwendung finden als Verpackungs-, Dämpfungs-, Isolier- und Konstruktionsmaterialien,
bestehen typischerweise aus einer Phase aus offenen oder geschlossenen
Poren oder Zellen, die in einer Polymermatrix dispergiert sind.
Zur Entwicklung der Zellphase in diesen Produkten wurde ein weiter
Bereich von Verfahren entwickelt, einschließlich der Zugabe eines gasförmigen "Treibmittels" zu dem Polymer während der
Verarbeitung, Erzeugen eines gasförmigen Treibmittels durch chemische
Reaktion in dem Polymer während
der Verarbeitung und Erzeugung des Produkts aus Polymerkörnchen,
wodurch eine zellige Struktur erhalten wird. In einem besonders
weit verbreiteten Verfahren wird ein gasförmiges Treibmittel in ein geschmolzenes
thermoplastisches Material inkorporiert, wodurch eine Mischung hergestellt
wird, die dann beispielsweise durch Extrusion zu einer gewünschten
Gestalt geformt werden kann. Nach der Formgebung bewirkt eingebrachte
Wärme oder
eine Verringerung des Drucks eine Expansion des Treibmittels, wodurch
eine zellige Struktur in der thermoplastischen Matrix gebildet wird.
Die Wirksamkeit eines bestimmten Treibmittels hängt stark von der Polymerzusammensetzung,
in die es inkorporiert wird, dem Inkorporierungsverfahren, den Verarbeitungsbedingungen,
den verwendeten Zusatzstoffen und den gewünschten Produkten ab.
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Treibmittel
funktionieren durch Expansion des Polymers unter Erzeugung einer
zelligen Struktur mit einer weit geringeren Dichte als das Polymer
selbst. In Verfahren, bei denen in ein geschmolzenes thermoplastisches
Polymer ein Treibmittel inkorporiert wird, bilden sich Gasblasen
um "Keimbildungsorte" und werden durch
Wärme oder
reduzierten Druck expandiert. Ein Keimbildungsort ist ein kleines
Teilchen oder ein Konglomerat aus kleinen Teilchen, das die Erzeugung
einer Gasblase in dem Polymer fördert.
Zur Förderung
der Keimbildung eines bestimmten Treibmittels und folglich einer
gleichförmigeren
Porenverteilung können
Zusatzstoffe in das Polymer inkorporiert werden.
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Sobald
die Blasen aus dem Treibmittel unter Erzeugung unter zelligen Struktur
expandiert wurden, wird die Struktur durch Ersetzen des Treibmittels
in den Zellen durch Luft aufrechterhalten. Die Diffusionsfähigkeit
des Treibmittels aus den Zellen relativ zu Luft, die in die Zellen
eintritt, beeinflußt
die zeitliche Stabilität des
Schaums und ob die Schaumzellen kollabieren können. Zur Unterstützung der
Steuerung der Diffusionsfähigkeit
des Treibmittels, zur Förderung
der Schaumstabilität
und zur Begrenzung des Zusammenbrechens des Schaums auf annehmbare
Grenzwerte können
Zusatzstoffe in das Polymer inkorporiert und die Verfahrensbedingungen
eingestellt werden.
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Zur
Zugabe eines Treibmittels zu einem Polymer während der Verarbeitung zur
Herstellung eines Schaums sind zahlreiche Verfahren verfügbar. In
einem für
die vorliegende Erfindung einschlägigen Verfahren wird das Treibmittel
unter Druck mit einem geschmolzenen thermoplastischen Polymer vermischt,
und die Mischung wird dann durch eine Formgebungsdüse in eine Zone
unter reduziertem Druck extrudiert. Nach diesem Verfahren können unter
Verwendung einer Formgebungsdüse
mit einer gewünschten
Ausgestaltung geformte extrudierte Schäume hergestellt werden. Auf
diese Weise können
auch Bohlen, die in eine gewünschte
Form geschnitten werden können,
und dünne
Schaumblätter
hergestellt werden.
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Verfahren
aus dem Stand der Technik zur Erzeugung von Schaumstoffprodukten
aus thermoplastischen Polymeren verwendeten typischerweise halogenierte
Kohlenwasserstoffe als Treibmittel. Die halogenierten Kohlenwasserstoffe
schließen
die Chlorfluorkohlenstoffe ("CFCs") und Chlorfluorkohlenwasserstoffe ("HCFCs") ein. CFCs und HCFCs
können
leicht in thermoplastische Polymere imprägniert und leicht unter relativ
milden Bedingungen expandiert werden. CFCs und HCFCs liefern im
allgemeinen Schäume
hoher Qualität
bei minimalen Verarbeitungsschwierigkeiten. Die Porengröße ist steuerbar,
der Schaum besitzt eine gute Stabilität mit minimaler Tendenz zum
Zusammenbruch im Laufe der Zeit, und die Oberflächeneigenschaften des Schaums
sind glatt und vorteilhaft. Ferner sind CFCs, HCFCs und andere halogenierte
Kohlenwasserstoffe typischerweise entweder nicht entflammbar oder
besitzen eine niedrige Entflammbarkeit, was die Sorgfalt, mit der
diese gehandhabt werden müssen,
deutlich verringert. Diese Verbindungen besitzen ferner den Vorteil einer
geringen Toxizität.
CFCs, HCFCs und andere halogenierte Kohlenwasserstoffe stehen jedoch
in Verbindung mit dem Ozonabbau in der Atmosphäre. Als Ergebnis der Sorge
um die Ozonschicht wird die Verwendung dieser Materialien zugunsten
von Materialien, die für
die Ozonschicht unschädlicher
sind, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, eingestellt.
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Obwohl
Kohlenwasserstoffe leicht verfügbar,
kostengünstig
und mit Polyethylen und anderen Polymermatrixmaterialien sehr gut
kompatibel sind, wodurch sie eine breite Verarbeitungsvariabilität ermöglichen, bereiten
sie ihre eigenen einzigartigen Probleme. Das größte unter diesen Problemen
in die größere Entflammbarkeit
der Materialien. Andere Probleme mit Kohlenwasserstofftreibmitteln
kann Toxizität
oder Umweltunverträglichkeit
einschließen.
Darüber
hinaus ist die Permeation der Kohlenwasserstofftreibmittel durch
die Schaumstoffstruktur langsam, so daß die Entflammbarkeit und andere
mit diesen Materialien in Verbindung stehende Probleme über einen
langen Zeitraum in den Schaumstrukturen erhalten bleiben. Sicherheitsbedenken
haben daher die Hersteller dieser Produkte dazu verpflichtet, diese
für übermäßig lange
Zeiträume
zu lagern, damit die darin enthaltenen Treibmittel auf Niveaus unterhalb
ihres niedrigsten Explosionsgrenzwerts verteilt werden können, so
daß die
Produkte für
die Auslieferung und die Verwendung des Abnehmers sicher genug sind.
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Die
mit der Verwendung von Kohlenwasserstofftreibmitteln verbundenen
Probleme könnten
minimiert werden, wenn die Hauptmenge des Treibmittels so schnell
wie möglich
auf der Schaumstoffstruktur entfernt werden könnte. Obwohl in der Vergangenheit
Anstrengungen in dieser Richtung unternommen wurden, haben sich
diese Anstrengungen als nicht zufriedenstellend erwiesen. Gemäß
US 5,424,016 und
5,585,058 (Kolosowski) wird
eine Schaumstoffstruktur mit einer Vielzahl von Kanälen, die
sich von einer Oberfläche
der Struktur zur gegenüberliegenden
Oberfläche
erstrecken, perforiert. Diese Kanäle verkürzen die Wegstrecke, über die
das Treibmittel zur Diffusion aus dem Inneren der Struktur an die
Atmosphäre
wandern muß.
Diese Kanäle verschlechtern
jedoch auch die mechanischen Eigenschaften des Schaums, einschließlich seiner
Kompressionsfestigkeit, Kriechbeständigkeit, Dämpfungsfähigkeit und dergleichen.
US 5,776,390 (Fiddelaers
et al.) lehrt ebenfalls die Perforierung eines Schaumstoffs zur
Erleichterung der Dissipation des Treibmittels. In diesem Verfahren
werden die Perforationen jedoch von einer Seite des Schaums aus
gemacht und erstrecken sich über
nur ungefähr
60 bis 97 % der Schaumdicke, so daß eine Entfernung der Oberflächenhaut
des Schaums vermieden wird. Das mit diesen Ansatz verbundene Problem
ist jedoch, daß die
Perforierung von einer einzigen Seite, während der Schaum noch heiß ist, zur
Entwicklung von Restspannungen in dem Schaum führt, was zu einer Schaumwölbung führt.
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Ungeachtet
der in der Vergangenheit unternommenen Anstrengungen bleibt ein
Bedarf für
Herstellungsverfahren bestehen, die die Entfernung des Hauptteils
des Treibmittels aus der Schaumstoffstruktur ohne nachteilige Beeinflussung
seiner resultierenden Festigkeit, Dämpfungseigenschaften oder allgemeinen Schaumeigenschaften
beschleunigt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit diesen Bedürfnissen.
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Ein
erfindungsgemäßer Aspekt
stellt Verfahren zur beschleunigten Freisetzung von Triebmitteln
aus Schaumstoffstrukturen bereit. Gemäß diesen Verfahren wird eine
Schaumstoffstruktur mit darin befindlichem Treibmittel bereitgestellt,
wobei die Schaumstruktur erste und zweite Oberflächen aufweist, die durch einen vorherbestimmten
Abstand voneinander beabstandet sind. Die Schaumstruktur wird unter
Erzeugung einer ersten Kanalreihe, die sich von der ersten Oberfläche in Richtung
der zweiten Oberfläche
erstreckt, und unter Erzeugung einer zweiten Kanalreihe, die sich
von der zweiten Oberfläche
in Richtung der ersten Oberfläche erstreckt,
perforiert. Die erste und zweite Kanalreihe kann jeweils eine Länge von
bis zu 50 % des vorherbestimmten Abstands aufweisen. Vorzugsweise
erstreckt sich die erste Kanalreihe im wesentlichen senkrecht zur ersten
Oberfläche,
und die zweite Kanalreihe erstreckt sich im wesentlichen senkrecht
zur zweiten Oberfläche. Die
erfindungsgemäßen Verfahren
können
zur Perforierung von Schäumen
mit einer Dicke von ungefähr
12 mm oder mehr verwendet werden.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
ist die Länge
der ersten Kanalreihe zwischen ungefähr 30 und 50 % des vorherbestimmten
Abstands. In weiter bevorzugten Ausführungsformen ist die Länge der
zweiten Kanalreihe ebenfalls zwischen ungefähr 30 und 50 % des vorherbestimmten
Abstands.
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Vorzugsweise
ist jeder Kanal der ersten Kanalreihe von einem benachbarten Kanal
der ersten Kanalreihe zwischen 1/12 und 1/2 des vorherbestimmten
Abstands beabstandet. Dieser Kanal der zweiten Kanalreihe ist vorzugsweise
durch einen Abstand im gleichen Bereich von einem benachbarten Kanal
der zweiten Kanalreihe beabstandet. Gemäß hoch bevorzugten Ausführungsformen
weist jeder Kanal in der zweiten Kanalreihe eine Positionsverschiebung
in der Längen-
und Breitenrichtung des Schaums zu den Kanälen der ersten Kanalreihe auf.
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Gemäß bevorzugten
Verfahren kann die Schaumstruktur erzeugt werden durch Extrudieren
einer Mischung, die ein Polymer und ein Treibmittel einschießt, durch
eine Düse,
und der Perforationsvorgang kann zwischen ungefähr 40 und 90 Minuten nach der
Extrusion durchgeführt
werden. Am meisten bevorzugt ist es, die Perforation ungefähr 50 Minuten
nach der Extrusion durchzuführen.
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Gemäß einem
anderen erfindungsgemäßen Aspekt
wird eine Schaumstoffstruktur bereitgestellt, die einen Körper, der
eine Polymermatrix und ein in einer Vielzahl von Zellen innerhalb
der Matrix dispergiertes Treibmittel einschließt, wobei der Körper erste
und zweite Oberflächen
aufweist, die durch einen vorherbestimmten Abstand voneinander getrennt
sind, eine erste Kanalreihe, die sich von der ersten Oberfläche in Richtung
der zweiten Oberfläche
erstreckt, und eine zweite Kanalreihe, die sich von der zweiten
Oberfläche
in Richtung der ersten Oberfläche
erstreckt, umfaßt,
wobei die erste und zweite Kanalreihe eine Länge von bis zu 50 des vorherbestimmten
Abstands aufweisen. Vorzugsweise erstreckt sich die erste Kanalreihe
im wesentlichen senkrecht zur ersten Oberfläche und die zweite Kanalreihe
erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zur zweiten Oberfläche.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
hiervon ist die Länge
der ersten Kanalreihe zwischen ungefähr 30 und 50 % des vorherbestimmten
Abstands, und am meisten bevorzugt ist auch die Länge der
zweiten Kanalreihe zwischen ungefähr 30 und 50 % des vorherbestimmten
Abstands.
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In
weiter bevorzugten Ausführungsformen
hiervon ist jeder Kanal der ersten Kanalreihe von einem benachbarten
Kanal der ersten Kanalreihe zwischen 1/12 und 1/2 des vorherbestimmten
Abstands beabstandet. Vorzugsweise ist jeder Kanal der zweiten Kanalreihe
von einem benachbarten Kanal der zweiten Kanalreihe im gleichen
Bereich beabstandet. In hoch bevorzugten Ausführungsformen der Schaumstrukturen
weist jeder Kanal der zweiten Kanalreihe eine Positionsverschiebung
in der Längen-
und Breitenrichtung des Schaums zu den Kanälen der ersten Kanalreihe auf.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Ein
vollständigeres
Verständnis
des erfindungsgemäßes Gegenstands
und seiner zahlreichen Vorteile kann durch Bezugnahme auf die folgende
detaillierte Beschreibung erzielt werden, worin auf die anliegenden Figuren
Bezug genommen wird, worin:
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1 eine
hochschematische Querschnittsansicht einer Schaumstruktur vor dem
Perforieren darstellt;
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1A ist
eine vergrößerte Detailansicht,
die die in der Polymermatrix dispergierten Gaszellen zeigt;
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2 ist
eine hochschematische Aufsicht auf eine erfindungsgemäß perforierte
Schaumstruktur; und
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3 ist
eine hochschematische Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3
aus 2.
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Kurze Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Bevorzugte
Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Schaumstoffe schließen im allgemeinen
die folgenden Schritte ein: (1) Bereitstellen einer Polymermasse
in fließfähigem Zustand;
(2) Inkorporieren eines Treibmittels in die Polymermasse; (3) Formen
der Polymer/Treibmittel-Mischung in eine gewünschte Gestalt; (4) Expandieren
des Treibmittels unter Erzeugung einer Schaumstruktur, die aus einer
Poren- oder Zellenphase,
die in einer Polymermatrix dispergiert ist, besteht; (5) Verfestigen
der Schaumstruktur; und (6) Perforieren der Schaumstruktur zur Erleichterung
der Freisetzung des Treibmittels daraus. Polymere, Zusatzstoffe
und Treibmittel, die erfindungsgemäß geeignet sind, sowie Verfahren
zur Kombination dieser Materialien und Verarbeitung derselben zu
Schaumstoffstrukturen sind im Stand der Technik allgemein bekannt
und schließen
diejenigen ein, die in
US 5,667,728 und
der anhängigen
US-Patentanmeldung Nr. 08/940,366, angemeldet am 30. September 1997,
genannt sind.
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Erfindungsgemäß verwendbare
Polymere schließen
beliebige schäumbare
thermoplastische oder warmhärtende
Materialien ein, einschließlich
Mischungen aus zwei oder mehr thermoplastischen Materialien, Mischungen
aus zwei oder mehr warmhärtenden
Materialien oder Mischungen aus thermoplastischen mit warmhärtenden
Materialien. Geeignete Polymere schließen Polystyrol, Polyolefine,
Polyurethane, Polyester einschließlich Polyethylenterephthalat
und Polyisocyanurate ein, wobei Polyolefine besonders bevorzugt
sind. Polyolefine sind thermoplastische Polymere, die abgeleitet
sind von ungesättigten
Kohlenwasserstoffen, die Ethylen- oder Dien-funktionelle Gruppen
enthalten. Obwohl Polyolefine praktisch alle Additionspolymere einschließen, bezieht
sich der Ausdruck Polyolefin üblicherweise
auf Polymere aus Ethylen, den Alkylderivaten von Ethylen (alpha-Olefinen) und Dienen.
Unter den kommerziell wichtigeren Polyolefinen finden sich Polyethylen,
Polypropylen, Polybuten und deren Copolymere, einschließlich Ethylen/alpha-Olefin-Copolymere, wie beispielsweise
lineares niederdichtes Polyethylen, und Mischungen aus den vorgenannten
Materialien. In der erfindungsgemäßen Praxis ist Polyethylen
besonders geeignet.
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Polyethylen
ist ein weißliches
durchscheinenden Polymer moderater Festigkeit und hoher Zähigkeit, das
in verschiedenen Sorten im Bereich einer Kristallinität von 20
bis 95 % und in ultranieder-, nieder-, mittel- und hochdichten Polymerformen
erhältlich
ist. Das niederdichte Material besitzt eine Erweichungstemperatur zwischen
ungefähr
95 und 115°C,
wohingegen das hochdichte Material eine Erweichungstemperatur zwischen ungefähr 130 und
140°C aufweist.
Nieder-, mittel- und hochdichte Polyethylene und Mischungen daraus
sind zur Extrusionsformgebung geeignet.
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Erfindungsgemäß können beliebige
bekannte Treibmittel verwendet werden, einschließlich Fluorkohlenstoffe, Fluorkohlenwasserstoffe,
Chlorfluorkohlenstoffe, Chlorfluorkohlenwasserstoffe, Alkylhalogenide
wie beispielsweise Methylchlorid und Ethylchlorid, und Kohlenwasserstoffe.
Andere geeignete Treibmittel können reine
Treibmittel einschließen,
wie beispielsweise Luft, Kohlendioxid, Stickstoff, Argon, Wasser
und dergleichen. Das Treibmittel kann aus einer Mischung aus zwei
oder mehr beliebigen der oben genannten Treibmittel bestehen. Andere
geeignete Treibmittel können
auch chemische Treibmittel einschließen, wie beispielsweise Ammoniak
und Azoverbindungen, einschließlich
Ammoniumcarbonat, Ammoniumbicarbonat, Kaliumbicarbonat, Diazoaminobenzol,
Diazoaminotoluol, Azodicarbonamid, Diazoisobutyronitril und dergleichen.
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Erfindungsgemäß bevorzugte
Treibmittel sind Kohlenwasserstoffe, einschließlich Butan, Isobutan, Pentan,
Isopentan, Hexan, Isohexan, Heptan, Propan und dergleichen, einschließlich Kombinationen
aus zwei oder mehr dieser Materialien. Ein für die Verwendung mit Polyethylen
besonders bevorzugtes Treibmittel ist Isobutan.
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Obwohl
das Treibmittel entflammbar oder nicht entflammbar sein kann, sind
die erfindungsgemäßen Verfahren
besonders geeignet für
entflammbare Treibmittel aufgrund der beschleunigten Freisetzung
des Treibmittels, die durch sie ermöglicht wird. Im Rahmen der
vorliegenden Offenbarung ist ein entflammbares Treibmittel ein solches,
das einen unteren Explosionsgrenzwert besitzt, wie er nach dem ASTM
681-85-Test bestimmt wird. Entflammbare Treibmittel schließen die
Alkylhalogenide, Alkane und Alkene wie oben beschrieben ein.
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Zusätzlich zu
dem Polymer und dem Treibmittel können Mischungen zur Erzeugung
der erfindungsgemäßen Schaumstrukturen
ein oder mehrere Zusatzstoffe zur Verstärkung der Eigenschaften des
Schaums und des Formgebungsverfahren einschließen. Beispielsweise können Elastomerkomponenten
wie beispielsweise Polyisobutylen, Polybutadien, Ethylen/Propylen-Copolymere
und Ethylen/Propylendien-Interpolymere in die Mischung inkorporiert
werden. Andere mögliche
Zusatzstoffe schließen
Vernetzungsmittel, Extrusionshilfsmittel, Antioxidationsmittel,
Färbemittel,
Pigmente usw. je nach Bedarf ein, die alle im Stand der Technik üblich sind.
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Die
Mischung kann auch einen oder mehrere Permeabilitätsmodifikatoren
zur Steuerung des Austausches des Treibmittels in den Zellen des
Schaums durch Luft unter Verhinderung einer wesentlichen Schrumpfung
der Schaumstruktur durch übermäßigen Vorabverlust
des Treibmittels einschließen.
Geeignete Permeabilitätsmodifikatoren
schließen
Fettsäureester
und Amide wie beispielsweise Glycerinmonostearat und Stearylstearamid
ein. Der Permeabilitätsmofidikator
wird in einer Menge verwendet, die zur Erzeugung einer gewünschten
Austauschgeschwindigkeit von Luft mit Treibmittel in den Zellen
des Schaums ausreicht. Diese Menge wird im allgemeinen durch das
Polymermatrixmaterial, die Treibmittelzusammensetzung und -menge, die
Verarbeitungsbedingungen usw. bestimmt. Für Mischungen, in denen das
Polymer Polyethylen und das Treibmittel Isobutan ist, kann ein Glycerinmonostearat-Permeabilitätsmodifikator
mit dem Polyethylen vorzugsweise vor dem Schmelzen in einer Menge
von ungefähr
0,3 bis 5 Gew.%, bezogen auf das Polyethylen, vermischt werden.
Eine Glycerinmonostearat-Zugabe
von ungefähr
0,3 bis 1,5 Gew.%, bezogen auf das Polyethylen, ist bevorzugt. Wenn
das Polymer andererseits Polypropylen ist, werden üblicherweise
keine Permeabilitätsmodifikatoren
benötigt,
sie können
jedoch in geeigneten Mengen zur Verringerung der reibungsinduzierten
statischen Aufladung ("friction
induced static")
in dem Polymer in den Schäumen
verwendet werden.
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Zur
Förderung
der Keimbildung und zur Steuerung der Zellentwicklung und -größe kann
auch ein Keimbildungsmittel zu der Mischung zugegeben werden. Bevorzugte
Keimbildungsmittel schließen
niederaktive Metalloxide, wie beispielsweise Zinkoxid, Zirkonoxid
und Talk; Natriumbicarbonat/Zitronensäure-Mischungen, wie beispielsweise
solche, die unter dem Markennamen Hydrocerol von Boehringer Ingelheim
(Winchester, Virginia) erhältlich
sind; und andere Materialien, die im Stand der Technik bekannt sind,
ein. Die Zugabemenge des Keimbildungsmittel zu der Mischung hängt von
der Zusammensetzung und der Aktivität des Keimbildungsmittels,
der Zusammensetzung des Polymermatrixmaterials, der Treibmittelzusammensetzung
und -menge und den Verarbeitungsbedingungen, sowie von der gewünschten
Porengröße und Porendichte
in dem Schaumstoff ab.
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Natriumbicarbonat/Zitronensäure-Keimbildungsmittel
werden vorzugsweise in einer Menge von ungefähr 0 bis 0,8 Gew.% auf Basis
des Polymers zugegeben. Für
Polyethylen/Isobutan-Mischungen
sind Zugaben solcher Keimbildungsmittel in Mengen zwischen ungefähr 0,05
und 0,50 Gew.% auf Basis des Polyethylens bevorzugt. Talk, das weniger
aktiv ist, wird vorzugsweise als Keimbildungsmittel in einer Menge
von ungefähr 0
bis 2 Gew.% auf Basis des Polymers zugegeben, wobei Zugabemengen
von zwischen ungefähr
0,2 und 1,0 Gew.% auf Basis des Polyethylens in Polyethylen/Isobutan-Mischungen
bevorzugt sind.
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Sobald
das Polymer und die Zusatzstoffe ausgewählt sind, werden diese Materialien
unter Herstellung einer Mischung miteinander vermischt. Das kann
in einem herkömmlichen
ansatzweisen Mischschritt bewerkstelligt werden. Alternativ dazu
können
dann, wenn die Schaumstrukturen durch Extrusion erzeugt werden sollen,
Pellets aus einem thermoplastischen Polymer in den Zuführtrichter
eines Extruders gegeben werden. Beliebige Keimbildungsmittel, Permeabilitätsmodifikatoren
und/oder andere Zusatzstoffe können
in den Zuführtrichter
zugegeben und in festem Zustand mit den Polymerpellets unter Erzeugung
einer homogenen Mischung kombiniert werden. Ein inniges Vermischen
dieser Komponenten ist zur Sicherstellung sowohl einer gleichförmigen Porenverteilung
innerhalb des extrudierten Schaums als auch einer gleichförmigen Treibmittelentfernung
aus dem Schaumstoff von Bedeutung. Die feste Mischung kann dann
zur Schmelzzone des Extruders befördert werden, in der die Mischung
sorgfältig
geschmolzen wird. Die Mischung sollte auf eine ausreichend hohe
Temperatur oberhalb ihres Schmelzpunkts gebracht werden, damit sie
eine ausreichende Fließfähigkeit zur
Vermischung mit dem Treibmittel aufweist. Temperaturen, die zwischen
ungefähr
20 und 100°C
oberhalb des Schmelzpunkts des Polymers liegen, sind bevorzugt.
Die Schmelzzone kann aufgrund der Wärme, die durch die Reibung
erzeugt wird, wenn die geschmolzene Mischung durch den Extruder
fließt,
auf einer etwas niedrigeren Temperatur gehalten werden.
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Die
geschmolzene Mischung wird dann in eine Mischzone abgemessen, in
der sie unter Druck mit dem Treibmittel vermischt wird. Das Treibmittel
wird typischerweise zwischen den Abmessungs- und Mischzonen und
entweder durch einen einzigen Eingang oder mehrere Eingänge unter
Verwendung von Hochdruckpumpen injiziert. Wenn das Treibmittel mehr
als eine Komponente einschließt,
können
die Komponenten getrennt voneinander durch mehrere Eingänge oder
in Kombination durch einen einzigen Eingang injiziert werden. Nach
der Injektion bildet das Treibmittel anfänglich eine Dispersion aus
unlöslichen
Blasen in der geschmolzenen thermoplastischen Masse. Diese Blasen
lösen sich
schließlich
in der thermoplastischen Masse auf, wenn das Mischen fortgesetzt
wird und der Druck entlang der Länge
des Extruders zunimmt. Vorzugsweise besitzt der Extruder ein Längen/Durchmesserverhältnis von
mindestens 30:1 und eine Mischzone mit einer ausreichenden Länge zur
Sicherstellung, daß eine
homogene Mischung gebildet wird. Diesbezüglich können in den erfindungsgemäßen Verfahren
Einzelschraubenextruder verwendete werden, obwohl zur besseren Vermischung
Doppelschraubenextruder verwendet werden können. Doppelschraubenextruder
können
entweder Zwillingsschraubenextruder sein, in denen die Mischung
durch zwei parallel zueinander angeordnete Schrauben hindurchpassiert,
oder Tandemschraubenextruder, in denen die Mischung durch zwei in
Reihe angeordnete Schrauben hindurchpassiert.
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Das
Treibmittel wird üblicherweise
in Mengen von zwischen ungefähr
5 und 15 Gew.% auf Basis des Polymers zu dem geschmolzenen Polymer
zugegeben. Für
Polyethylen/Isobutan-Mischungen
wird für
dickere Schaumgrade das Isobutan vorzugsweise in Mengen von zwischen
ungefähr
6 und 10 Gew.% auf Basis des Polyethylens zugegeben. Wenn Schäume niedrigerer
Dichte gewünscht
sind, werden typischerweise größere Triebmittelmengen
zugegeben. Folglich ist der maximal geeignete Anteil an Treibmittel
in der geschmolzenen Masse von der Dichte abhängig. Die Menge an Treibmittel
hängt auch
von dem Druck ab, der in der Mischung aus geschmolzenen Polymer
und Treibmittel in der Extrusionsdüsenpassage aufrechterhalten
wird.
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Nach
dem Vermischen sollte die Temperatur der Polymer/Treibmittel-Mischung
auf eine Temperatur abgesenkt werden, die näher an ihrem Schmelzpunkt liegt,
so daß das
Treibmittel nicht leicht durch Expansion aus dem Polymer entkommen
kann, wodurch es dem Polymer ermöglicht
wird, beim Schäumen
seine Struktur beizubehalten. Eine übermäßige Kühlung der Mischung kann jedoch
eine vollständige
Expansion des Schaums verhindern und sollte daher vermieden werden.
Das Treibmittel wirkt auf die Polymermischung als Weichmacher und
senkt ihre Viskosität
oder ihren Fließwiderstand,
und folglich ist der Schmelzpunkt der Polymer/Treibmittel-Mischung üblicherweise
niedriger als derjenige des Polymers alleine. Die Expansionstemperatur,
die oberhalb des Schmelzpunkts der Polymer/Treibmittel-Mischung
liegt, kann empirisch bestimmt werden und hängt von der Zusammensetzung
des Polymers, der Länge
der Extruderschraube, davon ob Einzel- oder Doppelschrauben verwendet
werden, und von der Zusammensetzung und Menge des Treibmittels ab. Für niederdichtes
Polyethylen liegt die Expansionstemperatur üblicherweise im Bereich von
zwischen ungefähr
85 und 120°C.
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Sobald
die Polymer/Treibmittel-Mischung auf die geeignete Temperatur abgekühlt ist,
kann sie durch eine geformte Düse
mit ausgewählten
Abmessungen zur Herstellung eine(s/r) Schaumstoffblatts oder -bohle mit
gewünschten
Abmessungen extrudiert werden. In der Düse steht die Mischung unter
hohem Druck, der die Expansion des Schaums verhindert. Sobald sie
die Düse
verläßt, wird
die Mischung jedoch einer Umgebung geringeren Drucks ausgesetzt,
wie beispielsweise Atmosphärendruck.
Dieser plötzliche
Druckabfall bewirkt eine Blasenexpansion oder das Aufschäumen der
Struktur. Eine zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens vorliegende Schaumstoffstruktur 10 ist
in 1 gezeigt. Die Schaumstruktur 10 weist
eine obere Oberfläche 20, eine
untere Oberfläche 30,
die im allgemeinen zur oberen Oberfläche parallel ist, und eine
Vielzahl von Poren oder Zellen 40 auf, die in der ganzen
Polymermatrix dispergiert sind. Unmittelbar nach der Zellbildung
sind die Zellen 40 nahezu vollständig mit dem Treibmittel gefüllt, in
diesem Fall Isobutan.
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Zur
Erleichterung der Diffusion des Treibmittels aus den Zellen 40 folgt
dem Schaumexpansionsschritt erfindungsgemäß ein Kühlschritt und dann eine Perforierungsschritt.
Die Abkühlung
erfolgt im allgemeinen unter Umgebungsbedingungen, zumindest bis
das Polymer in dem Schaum ausreichend verfestigt ist, so daß die Polymermatrix
beim Perforieren nicht übermäßig deformiert
wird. Im Perforierungsschritt wird die Schaumstruktur unter Erzeugung
einer Vielzahl von Kanälen 50,
die sich teilweise durch die Struktur von Oberfläche 20 in Richtung
Oberfläche 30 und
teilweise durch die Struktur von Oberfläche 30 in Richtung
Oberfläche 20 erstrecken,
punktiert. Eine erfindungsgemäße perforierte
Schaumstruktur ist in den 2 und 3 gezeigt. Die
Perforierung kann erzielt werden durch Punktieren des Schaums mit
zahlreichen Spitzen, scharfen Gegenständen in der Art von Nadeln,
Stiften, Dornen, Nägeln
oder dergleichen. Dieses kann in einem kontinuierlichen Verfahren
bewerkstelligt werden, in dem die Nadeln oder anderen scharfen Objekte
in einem vorherbestimmten Muster auf den Oberflächen auf einem Paar einander
gegenüberliegender
Walzen angeordnet werden. Der Schaumstoff kann dann zwischen den
Walzen hindurchgeführt
werden, wobei die Drehung der Walzen das Eindringen der Nadeln in
die Oberflächen 20 und 30 des
Schaums unter Bildung der Kanäle 50 darin
bewirkt. Dieses Verfahren kann als Ergebnis der Winkelbewegung der
Nadeln relativ zum Schaum zu einer Vergrößerung der Kanäle 50 führen. In
einem alternativen Verfahren kann ein Plattenpaar, von denen jeweils
eine auf jeder Seite des Schaums angeordnet ist, mehrere Nadelreihen
einschließen.
Die Platten können
gleichzeitig oder abwechselnd in Richtung der Oberflächen 20 und 30 des
Schaums bewegt werden, wodurch Kanäle 50 im Schaum gebildet
werden. Zur Minimierung der Verformung der Kanäle beim Perforieren des Schaums
können
die Nadelplatten in die Bewegungsrichtung des Schaums mit der gleichen
Geschwindigkeit, mit der der Schaum voranbewegt wird, angetrieben
werden. Nach dem Herausziehen aus dem Schaum können die Nadelplatten in die
entgegengesetzte Richtung zurück
zur Ausgangsposition bewegt werden.
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Die
Kanäle 50 können eine
beliebige Querschnittsgestalt aufweisen, einschließlich kreisförmig, oval, quadratisch,
rechteckig oder andere polygonale Konfigurationen. Vorzugsweise
haben die Kanäle 50 einen Durchmesser
oder eine entsprechende Querschnittsgröße von zwischen ungefähr 0,01
und 3,0 mm und sind gleichmäßig über die
Oberflächen 20 und 30 verteilt,
wobei der Abstand zwischen den benachbarten Kanälen auf der Schaumdicke t basiert.
Kanalabstände
von zwischen ungefähr
t/12 und t/2 auf jeder Seite des Schaums sind bevorzugt.
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Die
Tiefe der Kanäle 50 ist
ein wesentliches erfindungsgemäßes Merkmal.
Folglich haben die Kanäle 50 vorzugsweise
eine Tiefe zwischen ungefähr
25 und 50 % der Dicke des Schaums 10. Die Tiefe der Kanäle 50 kann
durch Steuerung der Eindringtiefe der Nadeln in den Schaum gesteuert
werden. Dies kann bewirkt werden durch Steuerung der Länge der
Einstichnadeln. Die Eindringtiefe kann im Fall von einander gegenüberliegenden
Walzen auch durch Einstellung des Abstands zwischen den Rotationsachsen
der Walzen und im Fall von einander gegenüberliegenden Nadelplatten durch
Steuerung der Bewegungsstrecke der Platten in Richtung der Schaumoberflächen 20 und 30 gesteuert
werden.
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Obwohl
die Kanäle 50 in
den Figuren so dargestellt sind, daß sie im wesentlichen senkrecht
zur Extrusions- oder Längsrichtung
des Schaums 10 ausgerichtet sind, muß dies nicht notwendigerweise
der Fall sein. Das heißt,
die Kanäle 50 können auch
in einem geneigten Winkel relativ zur Extrusionsrichtung hergestellt
werden. Winkel von zwischen ungefähr 30 und 120° relativ
zur Extrusionsrichtung sind bevorzugt, wobei Winkel von ungefähr 90° am meisten
bevorzugt sind.
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Wie
oben erwähnt,
wird der Perforierungsschritt nach einem Kühlschritt durchgeführt, der
eine ausreichende Länge
aufweist, so daß die
Schaumstruktur eine angemessene innere Stabilität erreichen kann. Wenn der
Schaum zu schnell perforiert wird, kann die elastische Natur des
Polymers eine Schließung
der durch die Perforierung geöffneten
Zellen hervorrufen. Wenn andererseits ein zu langer Zeitraum vor
der Perforierung verstreicht, kann der Perforierungsvorgang einen
stärker
beschädigenden
Einfluß auf
die Schaumeigenschaften in der Umgebung der Einstichorte besitzen.
Vorzugsweise wird der Perforierungsvorgang zwischen ungefähr 40 und
90 Minuten nach Beginn der freien Schaumexpansion durchgeführt. Die
Durchführung
des Perforierungsschritts ungefähr
50 Minuten nach dem Beginn der freien Schaumexpansion ist am meisten
bevorzugt.
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Bestimmte
erfindungsgemäße Merkmale
wie oben beschrieben werden in den folgenden Beispielen dargestellt.
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Beispiel 1
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Ein
niederdichtes Polyethylenharz mit einem Schmelzindex von 2 und einer
Dichte von 0,918 g/cm3 (Novacor 219a, erhältlich von
Nova, Alberta, Kanada) wurde in der Zuführzone der ersten Extrusionskammer in
einem Tandemextruder mit 0,2 Gew.% Natriumbicarbonat/Zitronensäure-Keimbildungsmittel,
erhältlich
von Boehringer Ingelheim unter der Bezeichnung Hydrocerol CF20,
kombiniert. Diese Komponenten wurden innig miteinander vermischt,
wodurch eine homogene Polymermischung gebildet wurde. Die Mischung
wurde dann in die Schmelzzone des Extruders befördert und auf eine Temperatur
von ungefähr
190°C erwärmt, wodurch eine
geschmolzene Masse gebildet wurde. Ungefähr 6-7 Gew.% (auf Basis des
Gewichts des Harzes) eines Isobutan-Treibmittels wurde unter Verwendung
einer Abmeß-
und Pumpeinheit in die geschmolzene Masse injiziert, und das Mischen
wurde unter Erzeugung einer homogenen Treibmittel/Polymer-Mischung
fortgeführt. Diese
Mischung wurde dann in die zweite Extrusionskammer befördert, in
der sie auf eine Temperatur von ungefähr 115°C abgekühlt wurde. Sobald sie stabilisiert
war, wurde die Mischung durch eine Düse extrudiert und expandiert,
wodurch eine Schaumbohle mit einer Dicke von ungefähr 5,4 cm
und einer Breite von ungefähr 134
cm hergestellt wurde. Die Schaumbohle wurde dann unter Umgebungsbedingungen
in eine Schneidestation befördert
und auf eine Länge
von ungefähr
2,8 m geschnitten. Nach vorherbestimmten Kühlzeiträumen wurden die Schaumbohlen
mit Nadeln unter Bildung von Kanälen,
die einen allgemein kreisförmigen
Querschnitt mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm aufwiesen, perforiert.
Die Perforierungen wurden durch ungefähr 50 % der Schaumdicke von
einer Seite, durch ungefähr
50 % der Schaumdicke von beiden Seiten, durch ungefähr 75 der
Schaumdicke von einer Seite und vollständig durch die Dicke des Schaums
erzeugt. Die Kanäle
wurden in einem quadratischen Muster alle 0,8 cm ausgebildet, wobei
die Kanäle
auf einer Seite der Schaumbohle eine Positionsverschiebung in der
Längen-
und Breitenrichtung von den Kanälen
auf der anderen Seite der Schaumbohle von der Hälfte des Abstands zwischen
den Kanälen
aufweisen, so daß jeder Kanal
auf einer Seite der Schaumbohle ungefähr im Zentrum eines Quadrats,
das durch vier Kanäle
auf der anderen Seite der Schaumbohle gebildet wurde, positioniert
war.
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Nach
einem Zeitraum von 14 Tagen nach der Schaumherstellung wurde jede
Schaumprobe zur Bestimmung ihrer Dichte, Kompressionsfestigkeit
und ihres Restgasgehalts untersucht. Die Kompressionsfestigkeitsmessungen
wurden zur Bestimmung der Kraft, die zum Zusammendrücken des
Schaums um 25 % und 50 % seiner ursprünglichen Dicke sowohl vor als
auch nach dem Ausstanzen (ADC) erforderlich ist, durchgeführt. In
dem ADC-Prozeß wurde
die Schaumbohle zunächst
auf ungefähr
20 % ihrer anfänglichen
Dicke zusammengepreßt,
wodurch ein Ausstanzprozeß simuliert
wurde, und dann entspannt. Dann wurden zur Bestimmung der Kompressionsfestigkeit
bei 25 Kompression und 50 % Kompression, je nachdem was am Anfang durchgeführt wurde,
Messungen durchgeführt.
Die Rückhaltung
wird bestimmt durch Division der Kompressionsfestigkeit nach dem
Ausstanzen durch die Kompressionsfestigkeit vor dem Ausstanzen,
wobei höhere Rückhaltewerte
bevorzugt sind. Restgasmessungen wurden ungefähr im Zentrum der Schaumbohlen
unter Verwendung eines Kohlenwasserstoff-Handspürgeräts mit einer in den Meßpunkt eingeführten Stabdüse durchgeführt.
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Die
unten bezeigten Tabellen 1 bis 3 zeigen die Testergebnisse für Proben,
die 30 Minuten, 50 Minuten bzw. 120 Minuten nach der freien Schaumexpansion
perforiert wurden.
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Wie
in den Tabellen 1 bis 3 gezeigt, war die Kompressionsfestigkeit
der Schaumbohlen, die halb durch ihre Dicke von beiden Seiten perforiert
waren, unabhängig
von dem Zeitpunkt, zu dem die Perforierung durchgeführt wurde,
nur geringfügig
geringer als die Kompressionsfestigkeit der Schaumbohlen, die von
einer Seite halb durch ihre Dicke perforiert waren, wiesen aber
wesentlich geringere Restgasvolumina auf. Die Perforation von 50
% durch die Dicke der Schaumbohlen von beiden Seiten lieferte auch
signifikant höhere
Kompressionsfestigkeiten vor und nach einem Ausstanzvorgang bei
sowohl 25 % als auch 50 Kompressionsniveau, als sie erzielt wurden,
wenn die Perforierungen vollständig
durch die Dicke der Schaumbohlen hindurchgeführt wurden, wohingegen etwas
höhere
Restgasvolumina erhalten wurden.
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Beispiel 2
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Zur
Herstellung einer Schaumbohle höherer
Dichte wurden die gleichen Materialien und im wesentlichen das gleiche
Verfahren wie in Beispiel 1 angewandt. Genauer wurde Novacor 219a
Polyethylenharz in einem Tandemextruder mit 0,3 Gew.% Hydrocerol
CF20 Keimbildungsmittel vermischt. Nach Schmelzen bei einer Temperatur
von ungefähr
190°C wurde
das Polymer mit ungefähr
5 Gew.% Isobutan-Treibmittel vermischt, wodurch eine homogene Mischung
gebildet wurde. Die Mischung wurde auf eine Temperatur von ungefähr 115°C abgekühlt und
zur Herstellung einer Schaumbohle mit einer Dicke von ungefähr 5,4 cm
und einer Breite von ungefähr
66 cm extrudiert. Nach dem Schneiden auf eine Länge von ungefähr 2,8 m
und Abkühlen
für einen
vorherbestimmten Zeitraum wurden die Bohlen in der oben beschriebenen
Weise perforiert.
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Nach
einem Zeitraum von 14 Tagen nach der Schaumherstellung wurde die
Dichte, die Kompressionsfestigkeit und der Restgasgehalt der Schaumproben
bestimmt. Die unten angegebenen Tabellen 4 bis 6 zeigen die Testergebnisse
für Proben,
die nach 30 Minuten, 50 Minuten bzw. 120 Minuten nach der freien
Schaumexpansion perforiert wurden.
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Wie
in den Tabellen 4 bis 6 gezeigt, wurden sehr geringe Unterschiede
gefunden zwischen der Kompressionsfestigkeit der Schaumbohlen, die
halb durch ihre Dicke von beiden Seiten perforiert wurden, und der Kompressionsfestigkeit
der Schaumbohlen, die von einer Seite halb durch ihre Dicke perforiert
wurden, unabhängig
von dem Ausmaß der
Kühlung
vor dem Perforieren. Nichtsdestotrotz zeigten die Schaumbohlen,
die von beiden Seiten perforiert wurden, signifikant geringere Restgasvolumina
als Bohlen, die von einer Seite halb durch ihre Dicke perforiert
wurden. Ferner lieferten Schaumbohlen, die von beiden Seiten halb
durch ihre Dicke perforiert wurden, konsistent höhere Kompressionsfestigkeiten,
sowohl vor als auch nach dem Ausstanzen, als Schaumbohlen, die vollständig durch
ihre Dicke perforiert wurden, auch wenn sie höhere Restgasvolumina zeigten.
Es ist ferner festzuhalten, daß bei
diesen höherdichten
Schäumen
die von einer Seite perforierten Bohlen, unabhängig davon ob zu 50 % oder
75 % ihrer Dicke, beim vollständigen
Abkühlen
eine Tendenz zur Verzerrung zeigten.
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Obwohl
die Erfindung hierin unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist das so zu verstehen, daß diese Ausführungsformen
lediglich der Darstellung der Prinzipien und der Anwendungen der
vorliegenden Erfindung dienen. Es ist daher verständlich,
daß zahlreiche
Modifikationen an den der Darstellung dienenden Ausführungsformen
vorgenommen werden können
und daß andere
Anordnungen erhalten werden können,
ohne vom erfindungsgemäßen Umfang,
wie in den abhängenden
Patentansprüchen
definiert, abzuweichen.
