DE69924517T2

DE69924517T2 - Geformter polymergegenstand

Info

Publication number: DE69924517T2
Application number: DE69924517T
Authority: DE
Inventors: E. David PIERICK; R. Jere ANDERSON; Sung W. Cha; Liqin Chen; F. James STEVENSON; Dana E. Laing
Original assignee: Trexel Inc
Current assignee: Trexel Inc
Priority date: 1998-11-04
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2019-11-05
Also published as: CN1325337A; CA2349603A1; CN1211193C; WO2000026005A9; CN100471641C; EP1126959A1; EP1126959B1; AU1814600A; DE69924517D1; CN1672901A; WO2000026005A1; BR9915056A; ATE292002T1

Description

Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Wesentlichen auf das Bearbeiten von Strukturschäumen für Polymer-Gegenstände und auf mikrozellulare Strukturschäume und Systeme und Verfahren zu deren Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Strukturell geschäumte Materialien sind bekannt und können durch Injizieren eines physikalischen Treibmittels eines Blasmittels in einen geschmolzenen Polymer-Strom, Dispergieren des Treibmittels in dem Polymer, um eine Zwei-Phasen-Mischung aus Treibmittel-Zellen in dem Polymer auszubilden, Injizieren der Mischung in eine Gussform mit einer gewünschten Form und Ermöglichen, dass die Mischung sich darin verfestigt, produziert werden. Ein Druckabfall in der Mischung kann bewirken, dass die Zellen in dem Polymer anwachsen. Als eine Alternative zu einem physikalischen Treibmittel kann ein chemikalisches Treibmittel verwendet werden, welches einer chemischen Reaktion in dem Polymer-Material unterzogen wird, was die Ausbildung eines Gases bewirkt. Chemische Treibmittel sind generell organische Gemische mit niedrigem Molekulargewicht, die sich bei einer kritischen Temperatur zersetzen und ein Gas so wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid freisetzen. Unter einigen Bedingungen können die Zellen so erzeugt werden, dass sie isoliert verbleiben und ein geschlossenzelliges geschäumtes Material erzeugt wird. Unter anderen, typischerweise radikaleren Schäumbedingungen, brechen die Zellen auf oder werden untereinander verbunden, was zu einem offenzelligen Material führt. Ein Beispiel von Standard-Einspritzform-Techniken ist in der nachfolgenden Patentliteratur beschrieben.
Das US-Patent Nr. 3,436,446 (Angell) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formen von geschäumten Kunststoff-Gegenständen mit einer festen Haut durch Steuern des Drucks und der Temperatur der Gießform.
Das US-Patent Nr. 4,479,914 (Baumrucker) beschreibt ein Formgebungsverfahren für einen geschäumten Gegenstand, bei dem ein Form-Hohlraum mit einem Gas unter Druck gesetzt wird, um eine verfrühte Diffusion des Treibgases aus dem in den Hohlraum injizierten Material zu verhindern. Vor-Druckbeaufschlagungsgas wird während der Injektion des aufzuschäumenden Materials schließlich zu einer Vakuumkammer geführt, die ein Vakuum erzeugt, welches das Material durch die Form-Aushöhlung zieht.
Insbesondere geformte Polymer-Schaummaterialien mit niedriger Dichte (hohem Hohlraumvolumen) beinhalten expandiertes Polypropylen (EPP) und expandiertes Polystyren (EPS). Zwischenprodukte für das EPP oder EPS können als Perlen aus schon teilweise oder vollständig geschäumtem Polypropylen oder Polystyren zur Verfügung gestellt werden. Diese Perlen werden typischerweise in eine Dampf-Kastenform injiziert und zusammen eingeschmolzen, um ein strukturelles Schaumprodukt aus den Perlen auszubilden. In einigen Fällen tritt eine weitere Expansion und Aufschäumung der Perlen innerhalb des Dampfkastens (typischerweise mit EPS) auf. Während EPS und EPP für viele Anwendungen geeignete Produkte sind, können sie eine Erscheinung aufweisen, die nicht ideal ist. Fusionslinien zwischen den Perlen können leicht mit bloßem Auge in Produkten so wie Styren-Schaumbechern und anderen EPP- oder EPS-Produkten beobachtet werden.
Mikrozellulares Material wird typischerweise durch Polymerschaum mit sehr kleiner Zellgröße definiert und verschiedenes mikrozellulares Material ist in den US-Patenten Nr. 5,158,986 und 4,473,665 beschrieben. Diese Patente beschreiben das Unterziehen einer Ein-Phasen-Lösung aus Polymermaterial und physikalischem Treibmittel einem thermodynamischen Ungleichgewicht, welches erforderlich ist, um Keimbildungsorte von sehr hoher Dichte zu erzeugen, was von einem kontrollierten Zellwachstum gefolgt wird, um mikrozellulares Material zu produzieren. Das US-Patent Nr. 4,473,665 (Martini-Vvedensky) beschreibt ein Formsystem und ein Verfahren zum Erzeugen von mikrozellularen Teilen. Polymer-Pellets werden vorab mit einem gasförmigen Treibmittel unter Druck gesetzt und in einem konventionellen Extruder aufgeschmolzen, um eine Lösung aus Treibmittel und geschmolzenem Polymer auszubilden, welche dann in einem unter Druck gesetzten Form-Hohlraum extrudiert wird. Der Druck in der Form wird oberhalb des Lösungs-Drucks des gasförmigen Treibmittels bei Schmelzen-Temperaturen für eine gegebene ursprüngliche Besättigung beibehalten. Wenn die Temperatur des ausgeformten Teils auf eine geeignete kritische Keimbildungs-Temperatur abfällt, fällt der Druck auf die Form typischerweise auf Umgebungstemperatur ab und dem Teil wird es ermöglicht, aufzuschäumen.
Das US-Patent Nr. 5,158,986 (Cha et al.) beschreibt ein alternatives Formgebungs-System und ein Verfahren zum Erzeugen von mikrozellularen Teilen. Polymer-Pellets werden in einen konventionellen Extruder eingeführt und aufgeschmolzen. Ein Treibmittel aus Kohlendioxid in seinem überkritischen Zustand wird in den Extrusions-Zylinder eingeführt und vermischt, um eine homogene Lösung aus Treibmittel und Polymer-Material zu erzeugen. Ein Abschnitt des Extrusions-Zylinders wird so aufgeheizt, dass die Mischung durch den Zylinder fließt, ein thermodynamisches Ungleichgewicht erzeugt wird, wodurch Keimbildungs-Orte in dem geschmolzenen Polymer-Material erzeugt werden. Das nukleierte Material wird in einem unter Druck gesetzte Form-Hohlraum injiziert. Der Druck innerhalb der Form wird durch den Gegendruck der Luft beibehalten. Zellwachstum tritt innerhalb des Form-Hohlraums auf, wenn der Form-Hohlraum expandiert wird und der Druck hierin schnell reduziert wird, die Expansion der Form stellt einen geformten und geschäumten Gegenstand zur Verfügung, der geringe Zellgrößen und hohe Zelldichten aufweist. Die Keimbildung und das Zellwachstum treten gemäß dieser Technik separat auf; thermisch induzierte Keimbildung tritt in dem Zylinder des Extruders auf und Zellwachstum tritt in der Form auf.
Während die oberen und andere Dokumente verschiedene Techniken darstellen, die mit der Herstellung von mikrozellularem Material und der Herstellung von Material über Einspritz-Formung verbunden sind, besteht im Stand der Technik die Notwendigkeit für verbesserte formgegebene zellulare Polymer-Gegenstände. Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, formgegebene Polymer-Gegenstände, Einspritz-Formsysteme und bei der Produktion von mikrozellularen Strukturschäumen effektive Verfahren zur Verfügung zu stellen. Es werden Systeme und Verfahren offenbart, die bei der Einspritz-Formung von mikrozellularen Strukturschäumen anwendbar sind, aber ebenso bei der Einspritz-Formung von konventionellen Schäumen und der kontinuierlichen Extrusion von mikrozellularen oder konventionellen Schäumen anwendbar sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung ist auf Einspritz-Formsysteme und Verfahren gerichtet, die in der Lage sind, geformte Gegenstände auszuformen, sowie auf Systeme und Verfahren zum Ausformen einer Vielzahl von geschäumten Materialien. In der Offenbarung ist das Material in einem Satz von Ausführungsformen nicht mikrozellular geschäumtes Material, wie es durch die Zellgröße und die Zelldichte definiert ist, und in einem anderen Satz von Ausführungsformen ist das Material ein mikrozellulares Material.
Die vorliegende Erfindung ist unten in Anspruch 1 definiert. Die abhängigen Ansprüche sind auf optionale oder bevorzugte Merkmale gerichtet. Es ist ein Einspritz-Formsystem offenbart, welches zur Produktion von mikrozellularen Struktur-Schaumgegenständen aufgebaut ist. Das System beinhaltet einen Extruder, der einen Einlass sowie ein Einlassende hiervon aufweist, welches so gestaltet ist, dass es ein Zwischenmaterial aus mikrozellularem Material aufnimmt, eine Form-Kammer sowie einen eingeschlossenen Durchgang, der den Einlass mit der Form-Kammer verbindet. Die Form-Kammer ist so aufgebaut und angeordnet, dass sie eine nicht nukleierte, homogene, fluide, einphasige Lösung eines Polymer-Materials und eines Treibmittels aufnimmt, um die nicht nukleierte, homogene, fluide, einphasige Lösung des Polymer-Materials und des Treibmittels in einem fluiden Zustand bei erhöhtem Druck innerhalb des Durchgangs zu enthalten und die Lösung als einen fluiden Strom innerhalb des Durchgangs in einer stromabwärtigen Richtung von dem Einlassende auf die Form-Kammer hin zu befördern. Der eingeschlossene Durchgang beinhaltet einen Keimbildungs-Durchgang, bei dem das Treibmittel in der hier hindurchtretenden einphasigen Lösung nukleiert wird. Der Keimbildungs-Durchgang ist so aufgebaut, dass er ein ein Polymer aufnehmendes Ende beinhaltet, welches eine homogene, fluide, einphasige Lösung eines Polymer-Materials und eines nicht nukleierten Treibmittels aufnimmt, ein Freigabe-Ende für das nukleierte Polymer, welches so aufgebaut und angeordnet ist, dass es ein nukleiertes Polymer-Material freigibt, sowie einen Fluid-Durchgang, der das Aufnahmeende mit dem Freigabeende verbindet. Optional kann das das Polymer freigebende Ende eine Öffnung der Form-Kammer definieren oder in fluider Wirkverbindung mit der Form-Kammer stehen. Der Keimbildungs-Durchgang ist so aufgebaut, dass er eine Länge und Querschnittsdimensionen aufweist, so dass das System in der Lage ist, homogen mit einem Treibmittel vermischtes fluides Polymer einer Druckabfallrate von zumindest etwa 0,1 GPa/sec oder zumindest etwa 0,3 GPa/sec oder zumindest etwa 1,0 GPa/sec oder zumindest etwa 3 GPa/sec oder zumindest etwa 10 GPa/sec oder zumindest etwa 100 GPa/sec zu unterziehen, während es durch den Durchgang hindurchtritt. Der Keimbildungs-Durchgang kann ebenso so aufgebaut sein, um variable Querschnitts-Dimensionen aufzuweisen, so dass ein durch den Durchgang hindurchfließendes fluides Polymer einer variablen Druckabfallrate und/oder Temperatur-Anstieg unterzogen wird.
Es ist ein System offenbart, welches eine Form-Kammer aufweist, die so aufgebaut und angeordnet ist, dass sie ein nukleiertes Polymer-Material bei einem erhöhten Druck enthält, um das Zellwachstum bei erhöhtem Druck zu verhindern. Die unter Druck gesetzte Form-Kammer kann fluid oder mechanisch unter Druck gesetzt werden, um das nukleierte Polymer-Material bei einem derartigen erhöhten Druck aufzunehmen. Nach der Reduktion des Drucks auf die unter Druck gesetzte Form-Kammer kann sich das Polymer-Material in der Form eines gewünschten mikrozellularen Polymer-Gegenstands verfestigen, wenn die Form-Kammer so aufgebaut und angeordnet ist, dass sie eine solche innere Form aufweist.
Ein System wird offenbart, welches einen Zylinder mit einem Einlass aufweist, der so gestaltet ist, dass er ein Zwischenmaterial aus extrudiertem Material aufnimmt, einen Auslass, der so gestaltet ist, dass er eine nicht nukleierte fluide Mischung eines Treibmittels und eines geschäumten Polymer-Gegenstands-Zwischenprodukts des Zwischenprodukts freigibt, eine Öffnung, die mit einer Quelle des Treibmittels verbindbar ist, sowie eine Schraube, die zur Wechselwirkung innerhalb des Zylinders befestigt ist. Das Extrusionssystem kann ebenso zumindest zwei Öffnungen aufweisen, die mit einer Quelle für Treibmittel verbindbar sind und die Öffnung kann längs entlang der Achse des Zylinders angeordnet sein, um nacheinander die nicht nukleierte Mischung durch zumindest die zwei Öffnungen in den Zylinder einzuführen, wenn sich die Schraube hin- und herbewegt. Das System kann ebenso einen zweiten Extrusions-Zylinder beinhalten, welcher in Tandemweise mit dem ersten Zylinder verbunden ist, wobei der zweite Zylinder einen Einlass aufweist, der so gestaltet ist, dass er die nicht nukleierte fluide Mischung aufnimmt und eine Schraube aufweist, die zur Hin- und Herbewegung innerhalb des Zylinders befestigt ist.
Es wird ein Verfahren zur Einführung eines kontinuierlichen Strom der nicht nukleierten, fluiden, einphasigen Lösung aus Polymer-Zwischenprodukt und Treibmittel zum Nukleieren des Stroms, um einen nukleierten Strom der Mischung zu erzeugen, zum Überführen des nukleierten Stroms in die Einhausung und zur Ermöglichung der Verfestigung der Mischung in der Form der Einhausung offenbart. Optional kann der Strom kontinuierlich durch kontinuierliches Aufbringen einer Druckabfallrate von zumindest etwa 0,1 GPa/sec nukleiert werden, während der Strom in die Einhausung übertritt, um einen kontinuierlichen Strom aus nukleiertem Material zu erzeugen. Alternativ beinhaltet das Verfahren das unterbrochene Nukleieren des Stroms durch Aufbringen einer Druckabfallrate von zumindest etwa 0,1 GPa/sec, während der Strom in die Einhausung überführt wird, sodass zuerst nicht nukleiertes Material, welches von nukleiertem Material gefolgt wird, in die Einhausung überführt wird. Umgekehrt kann der nukleierte Strom in die Einhausung überführt werden, sodass zuerst nukleiertes Material, welches von nicht nukleiertem Material gefolgt wird, in. die Einhausung eintritt. Das Verfahren beinhaltet ebenso das Entfernen eines verfestigten mikrozellularen Gegenstands aus der Einhausung und in einer Zeitdauer von weniger als etwa 10 Minuten, dass Bereitstellen einer zweiten nukleierten Mischung in der Einhausung, das Ermöglichen, dass die zweite Mischung in der Form der Einhausung sich verfestigt, sowie das Entfernen eines zweiten verfestigten mikrozellularen Gegenstands aus der Einhausung.
Es ist ein Verfahren offenbart, welches das Ansammeln einer Charge eines Zwischenprodukts aus geschäumten Polymer-Material sowie eines Treibmittels, das Aufheizen eines ersten Abschnitts der Charge, die zumindest etwa 2% der Charge definiert, auf eine Temperatur von zumindest etwa 10°C höher als die durchschnittliche Temperatur der Charge, sowie das Injizieren der Charge in eine Form-Kammer beinhaltet.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Ansammeln einer Charge in einem Speicher, der in fluider Verbindung mit einer Form-Kammer steht, beinhaltet, wobei die Charge einen ersten Abschnitt beinhaltet, der ein fluides Polymer-Material umfasst, welches im Wesentlichen frei von Treibmittel ist, sowie einen zweiten Abschnitt, der ein fluides Polymer-Material umfasst, welches mit einem Treibmittel vermischt ist, sowie Injizieren der Charge aus dem Speicher in eine Form-Kammer.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren einer fluiden, einphasigen Lösung eines Zwischenprodukts aus geschäumtem Polymer-Material und einem Treibmittel in eine Form-Kammer von einem Speicher, der in fluider Wirkverbindung mit einer Extrusions-Vorrichtung steht, beinhaltet, während die Lösung nukleiert wird, um eine nukleierte Mischung zu erzeugen, sowie dass der Mischung erlaubt wird, einen mikrozellularen Polymer-Gegenstand in der Form-Kammer zu verfestigen.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren eines Treibmittels in einem Extruder-Zylinder einer Polymer-Extrusionsvorrichtung beinhaltet, während eine Extrusions-Schraube sich axial innerhalb des Zylinders bewegt.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren eines Treibmittels von einer Extrusions-Schraube in einen Zylinder einer Polymer-Extrusionsvorrichtung beinhaltet.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Einführen eines fluiden Polymer-Gegenstand-Zwischenprodukts in einen Zylinder einer Extrusions-Vorrichtung beinhaltet, das Abziehen eines Abschnitts des fluiden Zwischenprodukts aus dem Zylinder, das Mischen dieses Teils des fluiden Zwischenprodukts mit einem Treibmittel, um eine Mischung aus Treibmittel und dem Teil des fluiden Zwischenprodukts auszubilden, sowie Einführen der Mischung in den Zylinder.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Einführen des mit überkritischem Fluid vermischten Polymer-Materials in eine Form beinhaltet, die einen Abschnitt beinhaltet, der innere Dimensionen von weniger als etwa 3,2 mm (0,125 Inch) aufweist, und es dem Polymer-Material zu ermöglichen, sich innerhalb der Form zu verfestigen.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Einführen einer Mischung von zumindest zwei verschiedenen geschmolzenen Polymer-Komponenten mit einem überkritischen fluiden Treibmittel sowie das Extrudieren der Mischung beinhaltet, um aus den zumindest zwei Komponenten einen nicht delaminierten Schaum auszubilden.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren einer einphasigen Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel in eine offene Form, das anschließende Verschließen der Form und das Ausbilden eines mikrozellularen Gegenstands in der Form der Gussform beinhaltet.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Einführen einer einphasigen, nicht nukleierten Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel, das Einführen der Lösung in eine Formgebungs-Kammer während der Keimbildung der Lösung, das Aufbrechen der Form, wodurch ermöglicht wird, dass das Zellwachstum eintritt, sowie das Wiederherstellen eines mikrozellularen Polymer-Gegenstands, der eine Form aufweist, die ähnlich der der Formgebungs-Kammer ist, aber größer ist als die Formgebungs-Kammer, beinhaltet.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Ausformen einer nicht nukleierten, homogenen, fluiden, einphasigen Lösung eines Zwischenprodukts aus mikrozellularem Polymer-Material und Treibmittel, das Befüllen einer Formgebungs-Kammer mit der Lösung, während die Lösung nukleiert wird, um innerhalb der Formgebungs-Kammer ein Zwischenprodukt aus nukleiertem mikrozellularem Polymer-Material auszuformen, beinhaltet.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren einer Mischung aus fluidem Polymer-Material und Treibmittel in eine Formgebungs-Kammer und das Ermöglichen der Verfestigung der Mischung als mikrozellularer Polymer-Gegenstand innerhalb der Formgebungs-Kammer sowie das Entfernen eines verfestigten mikrozellularen Polymer-Gegenstands aus der Formgebungs-Kammer sowie das Bereitstellen einer zweiten Mischung aus Polymer und Treibmittel innerhalb der Kammer innerhalb einer Zeitdauer von weniger als etwa 10 Minuten und das der Mischung ermöglichen, als zweiter mikrozellularer Polymer-Gegenstand sich in der Kammer zu verfestigen sowie das Entfernen des zweiten mikrozellularen Polymer-Gegenstands aus der Kammer beinhaltet.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren einer Mischung aus Polymer und Treibmittel in eine Formgebungs-Kammer bei einer Schmelzen-Temperatur von weniger als 204°C (400°F) und das Formgeben eines festen Schaum-Polymergegenstands innerhalb der Kammer, welcher ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 5% und ein Verhältnis seiner Länge zu seiner Dicke von zumindest etwa 50:1 aufweist, beinhaltet. In bestimmten Ausführungsformen dieses Verfahrens ist die Schmelzen-Temperatur geringer als etwa 193°C (380°F), in einigen Ausführungsformen weniger als etwa 149°C (300°F) und in anderen Ausführungsformen weniger als etwa 93°C (200°F).
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Injizieren eines nicht geschäumten Polymer-Materials in eine Formgebungs-Kammer und das Ermöglichen, dass sich das Polymer-Material als mikrozellularer Polymer-Gegenstand, der eine Form aufweist, die im Wesentlichen identisch mit der der Formgebungs-Kammer ist, beinhaltet. Der Gegenstand beinhaltet zumindest einen Abschnitt der Querschnitts-Dimensionen von zumindest etwa ½ Inch in jeder der drei senkrecht sich schneidenden Querschnitts-Achsen sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest 50% aufweist.
Ein anderes hierin offenbartes Verfahren beinhaltet das Injizieren eines fluiden Zwischenprodukts aus geschäumtem Polymer-Material in eine Formgebungs-Kammer bei einer Temperatur der Formgebungs-Kammer von weniger als etwa 100°C und das Ermöglichen, dass sich die Mischung innerhalb der Formgebungs-Kammer als mikrozellularer Polymer-Gegenstand verfestigt. Der Gegenstand beinhaltet zumindest einen Abschnitt, der Querschnitts-Dimensionen von zumindest 12,7 mm (½ Inch) in jeder der drei sich senkrecht schneidenden Querschnitts-Achsen sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% aufweist. Die Temperatur der Formgebungs-Kammer kann weniger als etwa 75°C, 50°C oder 30°C sein und das geschäumte Polymer-Material kann Polyolefin sein.
Ein anderes hierin offenbartes Verfahren beinhaltet das Injizieren eines nicht geschäumten Polymer-Materials in eine Formgebungs-Kammer und das der Mischung ermöglichen, sich innerhalb der Formgebungs-Kammer als mikrozellularer Polymer-Gegenstand zu verfestigen, der ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% aufweist, sowie das Wiederholen des Injizierens und des Schritts der Ermöglichung bei einer Zykluszeit von weniger als etwa 1 Minute.
Ein anderes hierin offenbartes Verfahren beinhaltet das Injizieren einer fluiden, einphasigen Lösung aus Polymer- Material und Treibmittel in eine Formgebungs-Kammer, während die Lösung einem schnellen Druckabfall bei einer ersten Druckabfallrate unterzogen wird, die ausreichend ist, um die mikrozellulare Keimbildung zu bewirken. Im Wesentlichen direkt danach wird das Zellwachstum ermöglicht und durch Unterziehen des Materials einer zweiten Druckabfallrate gesteuert, die geringer als die erste Druckabfallrate ist, und bei einer ansteigenden Rate.
Die offenbarten Systeme beinhalten eines, welches einen Speicher beinhaltet, der einen Einlass zur Aufnahme eines Zwischenprodukts aus geschäumtem Polymer-Material und Treibmittel, sowie einen Auslass, eine Formgebungs-Kammer mit einem Einlass in fluider Wirkverbindung mit dem Auslass des Speichers, sowie eine Heiz-Vorrichtung, die an dem Speicher angeordnet ist, und so aufgebaut und angeordnet ist, dass sie während des Betriebs des Systems einen ersten Abschnitt des Speichers, der nahe der Formgebungs-Kammer ist, auf eine Temperatur von zumindest etwa 10°C höher als die durchschnittliche Temperatur des Speichers aufheizt.
Ebenso ist ein System offenbart, welches einen Extruder beinhaltet, der einen Einlass zur Aufnahme eines Zwischenprodukts aus geschäumtem Polymer-Material aufweist und so aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein fluides Polymer-Material aus dem Zwischenprodukt produziert, einen ersten Auslass, der so positioniert ist, dass er fluides Polymer-Material aus dem Extruder zuführt, einen Einlass für Treibmittel stromabwärts des ersten Auslasses, der mit einer Quelle für ein physikalisches Treibmittel verbindbar ist, einen Mischabschnitt stromabwärts des Einlasses für das Treibmittel, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er eine Mischung aus fluidem Polymer-Zwischenprodukt und Treibmittel produziert, sowie einen zweiten Auslass stromabwärts des Mischabschnitts, der so positioniert, dass er die Mischung aus fluidem Polymer-Zwischenprodukt und Treibmittel zur Verfügung stellt, sowie einen Speicher, der einen ersten Einlass aufweist, der fluid mit dem ersten Auslass des Extruders verbunden ist, sowie einen zweiten Einlass, der fluid mit dem zweiten Auslass des Extruders verbunden ist.
Ebenso wird ein System zur Produktion von spritzgegossenen mikrozellularen Materialien offenbart, welches einen Extruder beinhaltet, der einen Auslass an seinem Auslassende aufweist, der so gestaltet ist, dass er eine nicht nukleierte, homogene, fluide, einphasige Lösung aus Polymer-Material und einem Treibmittel freigibt, sowie eine Formgebungs-Kammer, die einen Einlass aufweist, der in fluider Wirkverbindung mit dem Auslass des Extruders steht. Das System ist so aufgebaut und angeordnet, dass es die einphasige Lösung von dem Extruder-Auslass zu dem Formgebungs-Kammereinlass zuführt und während des Befüllens der Formgebungs-Kammer die einphasige Lösung nukleiert, um innerhalb der Kammer ein Zwischenprodukt aus nukleiertem mikrozellularem Polymer-Material auszubilden.
Ebenso wird ein Extrusions-System offenbart, welches einen Zylinder beinhaltet, der einen Einlass aufweist, der so ausgestaltet ist, dass er ein Zwischenprodukt aus extrudiertem Material aufnimmt, einen Auslass, der so gestaltet ist, dass er eine fluide Mischung aus nicht nukleiertem Treibmittel und dem Zwischenprodukt freigibt, sowie eine Öffnung, die mit einer Quelle für Treibmittel verbindbar ist, und eine Schraube, die zur Hin- und Herbewegung innerhalb des Zylinders befestigt ist.
Ebenso wird ein System zur Produktion von einspritzgegossenen mikrozellularen Materialien offenbart, welches einen Extruder beinhaltet, der einen Auslass an seinem Auslassende aufweist, der so ausgestaltet ist, dass er ein Zwischenprodukt aus mikrozellularem Polymer-Material und einem Treibmittel freigibt, sowie eine Formgebungs-Kammer, die einen Einlass in fluider Wirkverbindung mit dem Auslass des Extruders aufweist. Das System ist so aufgebaut und angeordnet, dass es zyklisch das Zwischenprodukt aus mikrozellularem Polymer-Material und dem Treibmittel in die Formgebungs-Kammer injiziert.
Es wird ebenso ein Extrusions-System offenbart, welches einen Zylinder beinhaltet, der einen Einlass aufweist, der so gestaltet ist, dass er ein Zwischenprodukt aus extrudiertem Material aufnimmt, einen Auslass, der so gestaltet ist, dass er eine fluide Mischung aus nicht nukleiertem Treibmittel und Zwischenprodukt freigibt, sowie eine Öffnung, die mit einer Quelle für Treibmittel verbunden ist. Eine Schraube ist zur Hin- und Herbewegung innerhalb des Zylinders befestigt.
Ein anderes durch die Offenbarung zur Verfügung gestelltes System zur Erzeugung von geschmolzenem mikrozellularen Polymer-Material beinhaltet einen Einlass, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein Zwischenmaterial aus geschmolzenem mikrozellularem Polymer-Material aufnimmt, sowie eine Formgebungs-Kammer und einen Kanal, der den Einlass mit der Formgebungs-Kammer verbindet. Der Kanal beinhaltet einen auseinandergehenden Abschnitt zwischen dem Einlass und der Formgebungs-Kammer, dessen Breite um zumindest etwa 100% ansteigt, während ein Querschnitts-Bereich, der sich nicht mehr als etwa um 25% verändert, beibehalten wird.
Ein anderes hierin offenbartes System beinhaltet einen Einlass, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein Zwischenprodukt aus geschmolzenem mikrozellularen Polymer-Material aufnimmt, eine Formgebungs-Kammer sowie einen Kanal, der den Einlass mit der Formgebungs-Kammer verbindet. Der Kanal beinhaltet einen Keimbildungs-Durchgang, der eine Länge und Querschnitts-Dimensionen aufweist, die, wenn eine fluide, einphasige Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel durch den Durchgang bei Raten, für die das System konstruiert wurde, hindurchgeführt wird, einen Druckabfall in dem Fluid-Durchgang bei Druckabfallraten erzeugt, die ausreichen, die mikrozellulare Keimbildung zu bewirken. Der Kanal beinhaltet einen Zellwachstums-Abschnitt zwischen dem Keimbildungs-Durchgang und der Formgebungs-Kammer, dessen Querschnitts-Dimension in der Richtung der Formgebungs-Kammer ansteigt.
Ein anderes System ist das gleiche wie direkt oben beschrieben, aber während es nicht notwendigerweise den Zellwachstums-Bereich beinhaltet, der in seiner Querschnitts-Dimension ansteigt, beinhaltet es einen Keimbildungs-Durchgang, der ein Verhältnis seiner Breite zu seiner Höhe von zumindest etwa 1,5:1 aufweist.
Ein anderes hierin offenbartes System ist ähnlich zu dem direkt oben beschriebenen, jedoch während dieses nicht notwendigerweise einen Keimbildungs-Durchgang mit einem Verhältnis Breite zu Höhe von zumindest etwa 1,5:1 aufweist, weist es eine Breite, die gleich einer Dimension der Formgebungs-Kammer ist, auf.
Ein Verfahren wird offenbart, welches das Injizieren eines Treibmittels in einen Extruder-Zylinder einer Polymer-Extrusionsvorrichtung beinhaltet, während eine Extrusions-Schraube sich axial innerhalb des Zylinders bewegt. In einer Ausführungsform beinhaltet das Verfahren das Injizieren eines Treibmittels von einer Extrusions-Schraube in einen Zylinder der Polymer-Extrusionsvorrichtung. Diese Injektionstechnik kann mit einer Vielzahl von Mikrozellular- und konventionellen Techniken angewendet werden. Gemäß eines anderen Aspekts beinhaltet das Verfahren eine Extrusions-Schraube, die zur Rotation innerhalb eines Zylinders einer Polymer-Extrusionsvorrichtung aufgebaut und angeordnet ist, wobei die Vorrichtung innerhalb der Schraube ein Lumen beinhaltet, welches mit einer Öffnung in einer Oberfläche der Schraube in Wirkverbindung steht. Das Lumen kann dazu verwendet werden, Treibmittel in den Extrusions-Zylinder zu injizieren.
Es wird ein System zur Erzeugung von einspritzgegossenen Gegenständen offenbart. Das System beinhaltet einen Extruder, eine Formgebungs-Kammer, einen Kanal, der den Extruder und die Formgebungs-Kammer rieselfähig (fluidly) verbindet, sowie eine Temperatur-Steuereinheit in thermischer Wirkverbindung mit dem Kanal. Das System kann das Einführen einer fluiden Mischung aus Treibmittel und Zwischenprodukt aus einspritzgegossenem Material in einen Extruder, das Hindurchführen der Mischung durch einen Kanal in eine Formgebungs-Kammer, das Verfestigen des Abschnitts der fluiden Mischung innerhalb der Kammer, während ein Abschnitt der Mischung in dem Kanal in einem fluiden Zustand beibehalten wird, sowie das Injizieren von zusätzlicher fluider Mischung in den Kanal beinhalten, wodurch der Teil der fluiden Mischung und der Kanal in die Kammer gedrängt werden.
Ein Verfahren wird offenbart, welches das Zurückziehen eines Teils eines Zwischenprodukts aus einem fluiden Polymer-Gegenstand von einem Extrusions-Zylinder, das Vermischen des Teils des fluiden Zwischenprodukts mit Treibmitteln, um eine Mischung auszuformen, sowie das Wiedereinführen der Mischung in den Zylinder beinhalten.
Es wird ein System offenbart, welches einen Extruder mit einem Extruder-Zylinder, eine Formgebungs-Kammer sowie eine Mischkammer in fluider Wirkverbindung mit einer ersten, stromaufwärtigen Öffnung in dem Zylinder, einer zweiten, stromabwärtigen Öffnung in dem Zylinder sowie einer Quelle für Treibmittel beinhaltet.
Darüber hinaus wird ein formgegebener Schaumgegenstand offenbart, der eine Form aufweist, die im Wesentlichen identisch mit der einer Formgebungs-Kammer ist und zumindest einen Abschnitt beinhaltet, der eine Querschnitts-Dimension aufweist, die nicht mehr als 3,2 mm (0,125 Inch) beträgt.
Es wird ein dreidimensionaler Polymer-Schaumgegenstand offenbart, der drei sich schneidende Hauptachsen aufweist, die mit den drei Dimensionen übereinstimmen, von denen eine der Dimensionen mit einer ersten Achse verbunden ist, die als Funktion der Position entlang einer zweiten, senkrechten Achse variiert. Der Gegenstand beinhaltet zumindest einen Abschnitt, der eine Querschnitts-Dimension von nicht mehr als etwa 3,2 mm (0,125 Inch) und ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 20% aufweist.
Es wird ein dreidimensionaler Polymer-Schaumgegenstand offenbart, der drei sich schneidende Hauptachsen, die mit den drei Dimensionen übereinstimmen, aufweist, von denen die zu einer ersten Achse zugehörigen Dimensionen als eine Funktion der Position entlang einer zweiten, senkrechten Achse, variieren. Der Gegenstand beinhaltet zumindest einen Abschnitt, der eine Querschnitts-Dimension von nicht mehr als etwa 3,2 mm (0,125 Inch) aufweist.
Es wird ein einspritzgegossener Polymer-Teil offenbart, der ein Verhältnis seiner Länge zu seiner Dicke von zumindest etwa 50:1 aufweist, wobei das Polymer einen Schmelzindex von weniger als etwa 10 aufweist.
Es wird ein einspritzgegossener Polymer-Teil offenbart, der ein Verhältnis seiner Länge zu seiner Dicke von zumindest etwa 120:1 aufweist, wobei das Polymer eine Schmelz-Fließrate von weniger als etwa 40 aufweist.
Es wird ein einspritzgegossener Polymer-Schaum offenbart, der ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 5% aufweist und der eine Oberfläche aufweist, die frei von vom bloßen Auge erkennbaren Spreizern und Wirbeln ist.
Es wird ein Gegenstand offenbart, der eine Dicke von weniger als etwa 3,2 mm (0,125 Inch) bei einem Hohlraumvolumen von zumindest etwa 20% aufweist. Ein Verfahren zur Erzeugung eines solchen Gegenstands kann das Einführen eines mit einem überkritischen Fluid vermischten Polymer-Materials in eine Form beinhalten, die einen Abschnitt beinhaltet, der innere Dimensionen von weniger als etwa 3,2 mm (0,125 Inch) aufweist und das Ermöglichen, dass das Polymer-Material sich innerhalb der Form verfestigt, wobei die oben genannten Schritte in einer Zeitdauer von weniger als 10 Sekunden eintreten.
Es wird ein formgegebener Polymer-Gegenstand offenbart, der eine Form aufweist, die im Wesentlichen identisch mit der einer Formgebungs-Kammer ist und zumindest einen Abschnitt beinhaltet, der eine Querschnitts-Dimension von zumindest 12,7 mm (½ Inch) in jeder der drei senkrecht sich schneidenden Querschnitts-Achsen aufweist. Der Gegenstand hat ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% und wird durch Zellen definiert, die Zellenwände mit einer durchschnittlichen Zellwand-Dicke beinhalten. Der Gegenstand ist frei von periodischen festen Grenzflächen, deren Dicke größer als etwa 5 Mal die durchschnittliche Zellwanddicke ist.
Es wird ein formgegebener Polymer-Schaumgegenstand offenbart, der zumindest einen Abschnitt beinhaltet, der eine Querschnitts-Dimension von nicht mehr als etwa 1,9 mm (0,075 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 5% aufweist.
Ein formgegebener Polymer-Schaumgegenstand wird offenbart, der zumindest einen Abschnitt beinhaltet, der eine Querschnitts-Dimension von zwischen etwa 1,9 mm (0,075 Inch) und etwa 3,2 mm (0,125 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 10% aufweist.
Es wird ein formgegebner Polymer-Schaumgegenstand offenbart, der zumindest einen Abschnitt beinhaltet, der eine Querschnitts-Dimension zwischen etwa 3,2 mm (0,125 Inch) und etwa 3,8 mm (0,150 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 15% aufweist.
Es wird ein aufgeschmolzener Polymer-Schaumgegenstand offenbart, der zumindest einen Abschnitt beinhaltet, der eine Querschnitts-Dimension von zwischen etwa 3,8 mm (0,150 Inch) und etwa 8,9 mm (0,350 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 20% aufweist.
Es wird ein formgegebener Polymer-Gegenstand offenbart, der eine Vielzahl von Zellen beinhaltet, wobei zumindest 70% der vollständigen Anzahl der Zellen eine Zellgröße von weniger als 150 μm aufweisen.
Eins der offenbarten Systeme beinhaltet einen Zylinder, der einen Einlass an einem stromaufwärtigen Ende aufweist, welcher so gestaltet ist, dass es ein Zwischenmaterial für den Polymer-Gegenstand aufnimmt, sowie einen Auslass an einem stromabwärtigen Ende. Der Zylinder beinhaltet einen Anschluss für das Treibmittel an dem stromaufwärtigen Ende und dem stromabwärtigen Ende, der rieselfähig mit einer Treibmittelquelle zur Einführung des Treibmittels von der Quelle in das Zwischenprodukt in dem Zylinder ist, um eine Mischung aus Zwischenproduktmaterial und Treibmittel in dem Zylinder auszubilden. Das System beinhaltet ebenso eine Dosiervorrichtung, die einen Einlass aufweist, der mit der Treibmittel-Quelle verbunden ist, sowie einen Auslass, der mit dem Zylinder verbunden ist. Die Dosiervorrichtung ist so aufgebaut und angeordnet, dass sie die Massen-Fließrate des Treibmittels von der Treibmittelquelle zu dem Treibmittel-Anschluss dosiert. Das System beinhaltet des Weiteren eine Formgebungs-Kammer, die einen Einlass aufweist, der in fluider Wirkverbindung mit dem Auslass des Zylinders steht, um die Mischung aus Zwischenprodukt-Material und Treibmittel von dem Zylinder aufzunehmen. Es wird ein Verfahren zur Ausformung eines Polymer-Schaum-Gegenstands offenbart, welches das Drängen eines Stroms von Polymer-Gegenstand- Zwischenprodukt, welches in einer stromabwärtigen Richtung innerhalb eines Zylinders einer Extrusions-Vorrichtung fließt, beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Einführen eines Treibmittels in den Strom bei einer durch den Massenfluss des Treibmittels dosierten Rate, um eine Mischung aus fluidem Polymer-Gegenstands-Zwischenprodukt und Treibmittel herzustellen. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Einführen der Mischung aus fluidem Polymer-Gegenstands-Zwischenprodukt in eine Formgebungs-Kammer, die rieselfähig mit dem Zylinder verbunden ist.
Es wird ein System offenbart, welches einen Zylinder beinhaltet, der einen Einlass an einem stromaufwärtigen Ende aufweist, der so ausgestaltet ist, dass er ein Zwischenprodukt des Polymer-Gegenstands aufnimmt, sowie einen Auslass an einem stromabwärtigen Ende. Der Zylinder beinhaltet zwischen dem stromaufwärtigen Ende und dem stromabwärtigen Ende einen Anschluss für das Treibmittel, der eine Vielzahl von Öffnungen aufweist. Der Anschluss für das Treibmittel ist rieselfähig mit einer Treibmittelquelle zum Einführen des Treibmittels von der Quelle in das Zwischenprodukt in dem Zylinder durch die jeweiligen Öffnungen verbunden, um eine Mischung aus Zwischenprodukt-Material und Treibmittel in dem Zylinder auszubilden. Das System beinhaltet des Weiteren eine Formgebungs-Kammer, die einen Einlass in fluider Wirkverbindung mit dem Auslass des Zylinders aufweist, um die Mischung aus Zwischenprodukt-Material und Treibmittel von dem Zylinder aufzunehmen.
Es wird ein Verfahren zur Ausformung eines Polymer-Gegenstands offenbart, welches das Drängen eines Stroms eines Polymer-Gegenstands-Zwischenprodukts, welcher in stromabwärtiger Richtung innerhalb eines Zylinders einer Extrusions-Vorrichtung fließt, beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren das Einführen eines Treibmittels von einer Treibmittelquelle in den Strom durch eine Vielzahl von Öffnungen in einem Treibmittel-Anschluss, der den Zylinder mit der Treibmittelquelle rieselfähig verbindet, um eine Mischung aus Zwischenprodukt-Material und Treibmittel auszubilden, sowie das Injizieren der Mischung aus Zwischenprodukt-Material in eine Formgebungs-Kammer, die rieselfähig mit dem Zylinder verbunden ist.
Es wird ein System zur Produktion von einspritzgeformtem mikrozellularem Material offenbart, welches einen Speicher beinhaltet, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein Zwischenprodukt aus mikrozellularem Material sowie ein Treibmittel ansammelt und eine Öffnung beinhaltet. Das System beinhaltet des Weiteren einen Injektor, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er zyklisch das Zwischenprodukt aus mikrozellularem Material durch den Auslass des Speichers injiziert. Das System beinhaltet des Weiteren eine Formgebungs-Kammer, die einen Einlass aufweist, der in rieselfähiger Wirkverbindung mit dem Auslass des Speichers steht. Die Formgebungs-Kammer ist so aufgebaut und angeordnet, dass sie das Zwischenprodukt aus mikrozellularem Material aufnimmt.
Es wird ein Verfahren offenbart, welches das Ansammeln einer Charge eines Zwischenprodukts aus mikrozellularem Polymer-Material und einem Treibmittel ansammelt und die Charge in einer Formgebungs-Kammer injiziert.
Weitere Offenbarungen der Erfindung werden aus der nachfolgend dargelegten detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn sie im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, die schematisch sind und nicht geeignet sind, maßstabgetreu herangezogen zu werden, betrachtet werden. In den Figuren ist jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt wurde, mittels eines einzigen Bezugszeichens gekennzeichnet. Aus Gründen der Klarheit ist nicht jede Komponente in jeder Figur gekennzeichnet. Darüber hinaus ist nicht jede Komponente jeder Ausführungsform dort gezeigt, wo die Darstellung nicht notwendig ist, um dem Fachmann das Verständnis der Erfindung zu ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen:
1 stellt ein Mirkozellular-Injektions- oder Intrusionsvorgebungssystem dar, welches ein Extrusions-System beinhaltet, welches einen Keimbildungs-Durchgang aufweist, der eine Öffnung einer Formgebungs-Kammer definiert;
1A stellt eine bevorzugte viellöchrige Treibmittel-Zufuhröffnungs-Anordnung und Extrusions-Schraube in dem System aus 1 dar.
2 stellt ein Mikrozellular-Injektions-Vorgebungssystem dar, welches einen Speicher beinhaltet;
3 stellt eine Ausführungsform einer Formgebungs-Kammer dar, die eine bewegliche Wand beinhaltet;
4 stellt eine andere Ausführungsform einer Formgebungs-Kammer dar, wobei die Formgebungs-Kammer eine Form ist, die mittels Gas unter Druck gesetzt wird;
5 stellt eine Stufe eines Betriebs eines Systems zur Speicherung und Einspritz-Formung des mikrozellularen Materials dar, um einen Gegenstand auszuformen, der eine feste Wand und ein mikrozellulares Inneres aufweist (treibmittelreiche und treibmittelarme Regionen) bei dem ein Speicher vor der Injektion befüllt wird;
6 stellt das System aus 5 bei einer Betriebsstufe direkt nach der Injektion dar;
7 stellt das System aus 5 bei einer Betriebsstufe nach einem Injektionszyklus und während des Befüllens des Speichers dar;
8 stellt ein mikrozellulares Injektions-Vorgebungssystem zur Ausformung von treibmittelreichen und treibmittelarmen Regionen geschmolzenen Polymers dar, welche eine Schmelzpumpe, einen Gas-Injektionsanschluss sowie einen Mischer beinhaltet;
9 stellt eine spiralförmige Schraube zur Verwendung in einem Injektions-Formgebungssystem oder einem anderen Extrusions-System dar, die ein Lumen beinhaltet, welches durch einen Schrauben-Gewindegang hindurchtritt und in fluider Wirkverbindung mit einer Quelle eines Schäummittels zur Verteilung eines Schäummittels in einem Zylinder eines Extruders steht;
10 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme eines einspritzgeformten Gegenstands;
11 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme eines mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands;
12 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme eines andere mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands;
13 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme eines anderen mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands;
14 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme eines anderen mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands;
15 ist eine Fotokopie eines anderen mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands;
16 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme einer Oberfläche eines vergleichenden, festen nicht geschäumten einspritzgeformten Gegenstands gemäß dem Stand der Technik;
17 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme einer Oberfläche eines mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands, der eine sanfte Oberfläche aufweist, die frei von Spreizern und Wirbeln ist, welche mit bloßem Auge erkennbar wären;
18 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme einer Oberfläche eines einspritzgeformten Schaum-Polymer-Gegenstands, der mit bloßem Auge erkennbare Wirbel beinhaltet;
19 stellt eine Ansicht von oben auf ein Formgebungssystem dar; und
20 ist eine geschnittene Seitenansicht durch die Linie 20-20 aus 19.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezuggenommen wird auf die gemeinsam besessene und ebenfalls anhängige US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/777,709 mit dem Titel „Method and Apparatus for Microzellular Polymer Extrusion", die am 20. Dezember 1996 angemeldet wurde und die gemeinsam besessenen und ebenfalls anhängigen internationalen Patentveröffentlichungen mit den Nummern WO 98/08667, veröffentlicht am 5. März 1998 und WO 98/31521, veröffentlicht am 23. Juli 1998.
Die Erfindung wird aus den folgenden Definitionen besser verständlich. Der Begriff „Keimbildung", wie er hierin verwendet wurde, definiert einen Prozess, bei dem eine homogene, einphasige Lösung aus Polymer-Material, in der Moleküle einer Spezies gelöst sind, die unter Umgebungs- Bedingungen ein Gas sind, Bildungen von Clustern von Molekülen dieser Spezies unterworfen sind, die „Keimbildungsorte" definieren, von denen aus die Zellen wachsen werden. Das bedeutet, dass „Keimbildung" eine Veränderung von einer homogenen, einphasigen Lösung zu einer Mischung bedeutet, in der Aggregationsorte von zumindest einigen Molekühlen des Treibmittels ausgebildet sind. Keimbildung definiert diesen Übergangszustand, wenn Gas, welches in einer Polymer-Schmelze in Lösung vorliegt, aus der Lösung austritt, um eine Bläschensuspension innerhalb der Polymer-Schmelze auszubilden. Üblicherweise wird dieser Übergangszustand dadurch herbeigeführt, dass die Löslichkeit der Polymer-Schmelze von einem Zustand ausreichender Löslichkeit, um eine bestimmte Menge an Gas in Lösung zu halten, zu einem Zustand unzureichender Löslichkeit, die gleich Menge von Gas in Lösung zu halten, bewirkt wird. Keimbildung kann durch Unterwerfen der homogenen, einphasigen Lösung einem schnellen thermodynamischen Ungleichgewicht bewirkt werden, sowie einem schnellen Temperaturwechsel, einem schnellen Druckabfall oder durch beides. Ein schneller Druckabfall kann unter Verwendung eines Keimbildungs-Durchgangs, wie er unten definiert ist, erzeugt werden. Ein schneller Temperaturwechsel kann unter Verwendung eines aufgeheizten Bereichs eines Extruders, ein heißes Glyzerinbad oder dergleichen bewirkt werden. Der Begriff „mikrozellulare Keimbildung", wie er hierin verwendet wird, bedeutet die Keimbildung bei einer Zelldichte, die hoch genug ist, um ein mikrozellulares Material aufgrund kontrollierter Expansion zu erzeugen. Ein „Keimbildungsagens" ist ein verteiltes Agens sowie Talkum oder andere Füllstoff-Partikel, die zu einem Polymer hinzugefügt werden und in der Lage sind, die Bildung von Keimbildungsorten aus einer einphasigen, homogenen Lösung voranzutreiben. Somit definieren „Keimbildungsorte" nicht Orte innerhalb eines Polymers, an denen Keimbildungsagens-Partikel vorliegen. Der Begriff „nukleiert" bezeiht sich auf einen Zustand eines fluiden Polymer-Materials, welches eine einphasige, homogene Lösung mit einer gelösten Spezies, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, enthalten hat, im Anschluss an ein Ereignis (typischerweise ein thermodynamisches Ungleichgewicht), welches zur Ausbildung von Keimbildungsorten führt. Der Begriff „nicht nukleiert" bezieht sich auf einen Zustand, der durch eine homogene, einphasige Lösung von Polymer-Material definiert ist, in dem eine Spezies gelöst ist, die unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, und bei dem keine Keimbildungsorte vorliegen. Ein „nicht nukleiertes" Material kann ein Keimbildungs-Agens so wie Talkum beinhalten. Eine „Mischung aus Polymer-Material und Treibmittel" kann eine einphasige, nicht nukleierte Lösung von zumindest zwei, einer nukleierten Lösung von zumindest den zwei oder einer Mischung sein, in der Treibmittel-Zellen gewachsen sind. Der Begriff „Keimbildungs-Durchgang" wird so verwendet, dass er einen Durchgang definiert, der einen Teil einer Extrusionsvorrichtung für mikrozellularen Polymer-Schaum bildet und in dem unter Bedingungen, für die die Vorrichtung gestaltet ist, betrieben zu werden (typischerweise bei Drücken von etwa 10,3 bis etwa 207 MPa (etwa 1500 bis etwa 30000 psi) stromaufwärts des Nukleators und bei Fließraten von größer als etwa 4,54 kg (10 Pfund) Polymer-Material pro Stunde) der Druck einer einphasigen Lösung aus Polymer-Material, dem Treibmittel hinzugemischt wurde, in dem System unterhalb den Sättigungsdruck für die besondere Treibmittel-Konzentration bei einer Rate oder Raten abfällt, die die schnelle Keimbildung erleichtern. Ein Keimbildungs-Durchgang definiert optional mit anderen Keimbildungs-Durchgängen eine Keimbildungsregion oder Keimbildungsregionen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Der Begriff "Verstärkungs-Agens" wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf ein Hilfsmittel, im Wesentlichen festes Material, welches so aufgebaut und angeordnet ist, dass es dem Material eine Dimensions-Stabilität oder Festigkeit oder Härte zufügt. Solche Agentien sind durch fasrige Materialien, wie sie in den US-Patenten mit den Nummern 4,643,940 und 4,426,470 beschrieben wurden, typisiert. Der Begriff "Verstärkungs- Agens" beinhaltet definitionsgemäß nicht notwendigerweise Füllstoffe oder Additive, die nicht so aufgebaut und angeordnet sind, dass sie eine Dimensions-Stabilität zufügen. Der Fachmann kann Additive testen, um zu bestimmen, ob ein Additiv in Verbindung mit einem besonderen Material ein Verstärkungs-Agens ist.
Die vorliegende Offenbarung stellt Systeme und Verfahren für die Intrusions- oder Einspritz-Formung von Polymer-Material inklusive mikrozellularem Polymer-Material sowie Systeme und Verfahren zur Verfügung, die beim Intrusions- und Einspritz-Formen und ebenso in Verbindung mit anderen Techniken anwendbar sind. Beispielsweise kann die Offenbarung, obwohl hauptsächlich Einspritz-Formung und Intrusions-Formung beschrieben wurden, vom Fachmann in geeigneter Weise für die Anwendung in anderen Formgebungs-Verfahren modifiziert werden, sowie ohne Einschränkung hierauf das Niedrigdruck-Formgeben, das Co-Einspritz-Formen, laminare Formgeben, Hochdruck-Spritzguss und dergleichen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird mikrozellulares Material als geschäumtes Material mit einer durchschnittlichen Zellgröße von weniger als etwa 100 μm im Durchmesser oder Material in einer Zelldichte von üblicherweise größer als zumindest etwa 10⁶ Zellen pro Kubikzentimeter oder vorzugsweise beides definiert. Nicht mikrozellulare Schäume haben Zellgrößen und Zelldichten außerhalb dieser Bereiche. Die Hohlraum-Fraktion des mikrozellularen Materials variiert üblicherweise von 5 bis 98%. Supermikrozellulares Material wird für Zwecke der Erfindung durch Zellgrößen kleiner als 1 μm und Zelldichten größer als 10¹² Zellen pro Kubikzentimeter definiert.
In bevorzugten Ausführungsformen wird mikrozellulares Material gemäß der Erfindung produziert, welches eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als etwa 50 μm aufweist. In einigen Ausführungsformen werden besonders kleine Zellgrößen gewünscht und in diesen Ausführungsformen hat das Material gemäß der Erfindung eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als etwa 20 μm, besonders bevorzugt weniger als etwa 10 μm und ganz besonders bevorzugt immer noch weniger als etwa 5 μm. Das mikrozellulare Material hat vorzugsweise eine maximale Zellgröße von etwa 100 μm. In Ausführungsformen, bei denen eine besonders kleine Zellgröße gewünscht ist, kann das Material eine maximale Zellgröße von etwa 50 μm und besonders bevorzugt etwa 25 μm, ganz besonders bevorzugt etwa 15 μm, besonders bevorzugt etwa 8 μm und ganz besonders bevorzugt etwa 5 μm aufweisen. Eine Reihe von Ausführungsformen beinhaltet sämtliche Kombinationen dieser gekennzeichneten durchschnittlichen Zellgrößen und maximalen Zellgrößen. Beispielsweise beinhaltet eine Ausführungsform in dieser Reihe von Ausführungsformen ein mikrozellulares Material, welches eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als etwa 30 μm mit einer maximalen Zellgröße von etwa 50 μm aufweist, und als ein anderes Beispiels eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als etwa 30 μm mit einer maximalen Zellgröße von etwa 35 μm, usw.. Das bedeutet, dass mikrozellulares Material, welches für eine Vielzahl von Zwecken ausgestaltet ist, mit einer besonderen Kombination von durchschnittlicher Zellgröße und maximaler Zellgröße vorzugsweise für diesen Zweck erzeugt werden kann. Die Steuerung der Zellgröße wird detaillierter unten beschrieben.
In einer Ausführungsform wird im Wesentlichen geschlossenzelliges mikrozellulares Material in Übereinstimmung mit den Techniken gemäß der vorliegenden Offenbarung produziert. Der Begriff "im Wesentlichen geschlossenzellig", wie er hierin verwendet wird, soll Material definieren, das bei einer Dicke von etwa 100 μm keinen miteinander verbundenen Zell-Durchgang durch das Material hindurch enthält.
Bezugnehmend nun auf 1 wird schematisch ein Formgebungs-System 30 dargestellt, welches zur Formgebung gemäß einer Vielzahl von Ausführungsformen verwendet werden kann. Das System 30 aus 1 beinhaltet einen Zylinder 32, der ein erstes, stromaufwärtiges Ende 34 sowie ein zweites, stromabwärtiges Ende 36, welches mit einer Formgebungs-Kammer 37 verbunden ist, beinhaltet. Innerhalb des Zylinders 32 ist eine Schraube 38 zur Rotation befestigt, die an ihrem stromaufwärtigen Ende mit einem Antriebsmotor 40 wirkverbunden ist. Obwohl dies nicht detailliert gezeigt ist, beinhaltet die Schraube 38 Zufuhr-Übergangs-Gasinjektions-Misch- und Dosier-Abschnitte.
Entlang des Zylinders 32 sind optional Temperatur-Steuereinheiten 42 positioniert. Die Steuereinheiten 42 können elektrische Heizmittel sein und können Durchgänge für Temperatur-Steuerungsfluid und/oder dergleichen beinhalten. Die Einheiten 42 können dazu verwendet werden, einen Strom pelletierten oder fluiden Polymer-Materials innerhalb des Zylinders aufzuheizen, um die Aufschmelzung zu erleichtern und/oder um den Strom abzukühlen, um so die Viskosität und in einigen Fällen die Löslichkeit des Treibmittels zu steuern. Die Temperatur-Steuereinheiten können unterschiedlich an unterschiedlichen Orten entlang des Zylinders betrieben werden, das bedeutet, eine oder mehrere Orte aufzuheizen und eine oder mehrere andere Orte abzukühlen. Jede Anzahl von Temperatur-Steuereinheiten kann vorgesehen sein.
Der Zylinder 32 ist so aufgebaut und angeordnet, dass er ein Zwischenprodukt aus Polymer-Material aufnimmt. Der Begriff "Zwischenprodukt aus Polymer-Material", wie er hierin verwendet wird, soll sämtliche Materialien beinhalten, die fluid sind oder ein Fluid ausformen können und die im Anschluss aushärten können, um einen mikrozellularen Polymer-Gegenstand auszubilden. Typischerweise wird das Zwischenprodukt durch thermoplastische Polymer-Pellets definiert, kann jedoch andere Spezies beinhalten. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform das Zwischenprodukt durch Spezies definiert sein, die reagieren werden, um mikrozellulares Polymer-Material, wie beschrieben, unter einer Vielzahl von Bedingungen auszubilden. Die Offenbarung ist dabei so gemeint, dass sie die Produktion von mikrozellularen Material aus jeder Kombination von Spezies, die zusammen miteinander reagieren können, um ein Polymer, typischerweise Monomere oder Polymer-Zwischenprodukte mit niedrigem Molekulargewicht, die vermischt und aufgeschäumt werden, wenn die Reaktion eintritt, ausbilden. Üblicherweise beinhalten Spezies innerhalb der Offenbarung heiß aushärtende Polymere, bei denen ein signifikanter Anstieg des Molekulargewichts des Polymers während der Reaktion eintritt und während dem Ausschäumen aufgrund der Vernetzung von Polymer-Komponenten. Beispielsweise Polyamide des Kondensations- und Additions-Typs inklusive aliphatischer und aromatischer Polyamide so wie Polyhexamethylendipamide, Poly(e-Caprolactam), Polyene sowie cycloaromatische Polymere inklusive Polydicyclopentadiene, acrylische Polymere sowie Polyacrylamide, Polyacrylamate, Acryl-Ester-Polymere so wie 2-cyanoacrylische-Ester-Polymere, acylonitrile Polymere sowie Kombinationen hiervon.
Vorzugsweise wird ein thermoplastisches Polymer oder eine Kombination von thermoplastischen Polymeren aus amorphem, semikristallinem und kristallinem Material ausgewählt, welches Polyolefine so wie Polyethylen und Polypropylen, Fluoropolymere, vernetzbare Polyolefine, Polyamide, Polyvinylchloride und polyaromatische Stoffe so wie Styren-Polymere inklusive Polystyrene umfassen. Thermoplastische Elastomere können ebenso verwendet werden, insbesondere metallozen-catalysierte Polyethylene.
Typischerweise verwendet die Einführung des Zwischenprodukts aus Polymer-Material einen Standardbunker 44 zur Aufbewahrung pelletierten polymeren Materials, welches durch die Öffnung 46 in den Extruder-Zylinder einzuführen ist, obwohl ein Zwischenprodukt ein fluides Polymer-Material sein kann, welches durch eine Öffnung injiziert wird und innerhalb des Zylinders über beispielsweise Hilfs-Polymerisations-Agentien polymerisiert wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Lehre ist es lediglich wichtig, dass ein Fluid-Strom aus Polymer-Material in das System eingeführt wird.
Direkt stromabwärts des stromabwärtigen Endes 48 der Schraube 38 in 1 liegt eine Region 50 vor, die eine Temperatur-Einstell- und Steuerungs-Region sein kann, eine Hilfs-Mischregion, eine Hilfs-Pumpregion oder dergleichen. Beispielsweise kann die Region 50 Temperatur-Steuereinheiten beinhalten, um die Temperatur eines fluiden Polymer-Stroms vor der Keimbildung, wie dies unten beschrieben wird, einzustellen. Die Region 50 kann anstelle dessen oder zusätzlich hierzu zusätzliche Standard-Mischeinheiten (nicht gezeigt) oder Fließ-Steuereinheiten so wie eine Zahnradpumpe (nicht gezeigt) beinhalten. In einer anderen Ausführungsform kann die Region 50 durch eine zweite Schraube in Tandem-Anordnung ersetzt sein, die eine Abkühlregion beinhaltet. In einer Ausführungsform, bei der die Schraube 38 eine hin- und herlaufende Schraube in einem Einspritz-Form-System ist, wie es deutlicher unten beschrieben wird, kann die Region 50 eine Speicherregion definieren, in der eine einphasige, nicht nukleierte Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel vor der Injektion in die Form 37 angesammelt wird.
Die Produktion von mikrozellularem Material verwendet vorzugsweise ein physikalisches Treibmittel, d.h. ein Agens, welches unter Umgebungsbedingungen ein Gas (vollständiger weiter unten beschrieben) ist. Jedoch können chemische Treibmittel verwendet werden und können mit Polymer-Pellets in den Bunker 44 eingeführt werden. Geeignete chemikalische Treibmittel beinhalten diese organischen Gemische mit typischerweise relativ niedrigem Molekulargewicht, welche sich bei einer kritischen Temperatur oder einer anderen Bedingung, die bei der Extrusion erreichbar ist, zersetzen und ein Gas oder Gase so wie Stickstoff, Kohlendioxid oder Kohlenmonooxid freigeben. Beispiele beinhalten Azo-Gemische so wie Azo-Dikarbonamide.
Wie bereits erwähnt, wird in bevorzugten Ausführungsformen ein physikalisches Treibmittel verwendet. Ein Vorteil der Ausführungsformen, in denen anstelle eines chemischen Treibmittels ein physikalisches Treibmittel verwendet wird, ist der, dass die Recycelfähigkeit des Produkts maximiert wird. Die Verwendung eines chemischen Treibmittels reduziert typischerweise die Attraktivität des Polymers für ein Recycling, da Reste des chemischen Treibmittels und Treibmittel-Nebenprodukte zu einem insgesamt nicht gleichmäßigen recycelfähigen Material-Pool beitragen. Da mit chemischen Treibmitteln aufgeblasene Schäume inhärent Reste von nicht reagiertem chemischen Treibmittel nach der schlussendlichen Produktion des Schaum-Produkts sowie chemischer Nebenprodukte der Reaktion, die ein Treibmittel ausbildet, beinhaltet, beinhaltet das Material gemäß der vorliegenden Erfindung in dieser Reihe von Ausführungsformen Reste an chemischem Treibmittel oder Reaktions-Nebenprodukten von chemischem Treibmittel in einer Menge geringer als der, die inhärent in Gegenständen aufgefunden wird, die mit 0,1 Gew.-% chemischem Treibmittel oder mehr aufgeblasen werden, vorzugsweise in einer Menge weniger als der, die inhärent in Gegenständen aufgefunden wird, die mit 0,05 Gew.-% chemischem Treibmittel oder mehr aufgeblasen wurden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das Material dadurch gekennzeichnet, dass es im Wesentlichen frei von Resten von chemischem Treibmittel oder frei von Reaktions-Nebenprodukten von chemischem Treibmittel ist. Das bedeutet, dass sie weniger Reste an chemischem Treibmittel oder Nebenprodukten beinhalten, die inhärent in Gegenständen aufgefunden werden, die mit irgendeinem chemischen Treibmittel aufgeblasen wurden. In dieser Ausführungsform liegt entlang des Zylinders 32 des Systems 30 zumindest ein Anschluss 54 in fluider Wirkverbindung mit einer Quelle 56 eines physikalischen Treibmittels vor. Jedes einer breiten Vielzahl von physikalischen Treibmitteln, die dem Fachmann bekannt sind, so wie Helium, Hydrokarbone, Chlorofluorokarbone, Stickstoff, Kohlendioxid und dergleichen oder Mischungen hiervon können im Zusammenhang mit dieser Erfindung verwendet werden, und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Quelle 56 Kohlendioxid als Treibmittel zur Verfügung. Überkritische fluide Treibmittel werden besonders bevorzugt, insbesondere überkritisches Kohlendioxid. In einer Ausführungsform wird nur überkritisches Kohlendioxid als Treibmittel verwendet. Überkritisches Kohlendioxid kann in den Extruder eingeführt werden und dazu gebracht werden, schnell eine einphasige Lösung mit dem Polymer-Material entweder durch Injizieren des Kohlendioxids als überkritisches Fluid oder durch Injizieren des Kohlendioxids als Gas oder Flüssigkeit erzeugt werden, und das Ermöglichen von Bedingungen innerhalb des Extruders, das Kohlendioxid in vielen Fällen innerhalb von Sekunden überkritisch zu machen. Die Injizierung von Kohlendioxid in den Extruder in einem überkritischen Zustand wird bevorzugt. Die einphasige Lösung aus überkritischem Kohlendioxid und Polymer-Material, welche auf diese Weise erzeugt wurde, hat eine sehr geringe Viskosität, was vorteilhafterweise das Formgeben bei niedriger Temperatur sowie das schnelle Befüllen der Formen, die enge Toleranzen aufweisen, ermöglicht, um sehr dünne formgegebene Teile, die detaillierter unten beschrieben werden, auszuformen.
Eine Druck- und Dosier-Vorrichtung 58 ist typischerweise zwischen der Treibmittel-Quelle 56 und dem zumindest einen Anschluss 54 vorgesehen. Die Vorrichtung 58 kann dazu verwendet werden, die Masse des Treibmittels zwischen 4,5 g/hr (0,01 lbs/hr) und 31,8 kg/hr (70 lbs/hr) oder zwischen 18 g/hr (0,04 lbs/hr) und 31,8 kg/hr (70 lbs/hr) und besonders bevorzugt zwischen 91 g/hr (0,2 lbs/hr) und 5,5 kg/hr (12 lbs/hr) zu dosieren, um so die Menge an Treibmittel in dem Polymer-Strom innerhalb des Extruders zu steuern, um das Treibmittel auf einem bestimmten Niveau beizubehalten. Gemäß einem Satz von Ausführungsformen ist die Menge an Treibmittel in dem Polymer-Strom zwischen etwa 0,1 und 25 Gew.-% der Mischung aus Polymer-Material und Treibmittel, vorzugsweise zwischen 1 und 25 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen etwa 6 und 20 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zwischen etwa 8 und 15 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt zwischen etwa 10 und 12 Gew.-%, basierend auf dem Gewicht des Polymer-Stroms und des Treibmittels. Das besondere verwendete Treibmittel (Kohlendioxid, Stickstoff usw.) und die Menge an verwendetem Treibmittel hängt oft von dem Polymer, der Dichten-Reduktion, der Zellgröße und den gewünschten physikalischen Eigenschaften ab. In Ausführungsformen, in denen Stickstoff als Treibmittel verwendet wird, liegt das Treibmittel in einer Menge zwischen 0,1 und 2,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 Gew.-% vor, und dort, wo Kohlendioxid als Treibmittel verwendet wird, kann der Massenstrom des Treibmittels zwischen 0,1 und 12% in einigen Fällen, zwischen 0,5 und 6% in bevorzugten Ausführungen sein.
Die Druck- und Dosier-Vorrichtung kann mit einer Steuerung (nicht gezeigt) verbunden sein, die ebenso mit einem Antriebsmotor 40 verbunden ist, um die Dosierung des Treibmittels abhängig vom Strom des Polymer-Materials zu steuern, um sehr genau den Gewichtsprozentsatz an Treibmittel in der fluiden Polymer-Mischung zu steuern. Beispielsweise kann die Massen-Fließrate des Treibmittels derart gesteuert werden, dass sie in bevorzugten Fällen um nicht mehr als +/–0,3% variiert.
Obwohl der Anschluss 54 an einer Vielzahl von Orten entlang des Zylinder platziert werden kann, ist er gemäß einer bevorzugten Ausführungsform direkt stromaufwärts von einem Mischabschnitt 60 der Schraube und an einem Ort 62 der Schraube, wo die Schraube nicht unterbrochene Gewindegänge beinhaltet, platziert.
Mit Bezug nunmehr auf 1A wird eine bevorzugte Ausführungsform des Treibmittel-Anschlusses detaillierter dargestellt und zusätzlich sind zwei Anschlüsse an sich gegenüberliegenden oben und unten angeordneten Seiten des Zylinders gezeigt. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Anschluss 54 in einem Bereich stromaufwärts vom Mischabschnitt 60 der Schraube 38 platziert (inklusive hochgradig unterbrochener Gewindegänge) unter einer Distanz stromaufwärts des Mischabschnitts von nicht mehr als etwa 4 vollen Gewindegängen, vorzugsweise nicht mehr als etwa zwei vollen Gewindegängen, oder nicht mehr als einem vollen Gewindegang. So positioniert wird das Treibmittel sehr schnell injiziert und gleichmäßig in einen fluiden Polymer-Strom eingemischt, um schnell ein einphasige Lösung des geschäumten Material-Zwischenprodukts und des Treibmittels zu erzeugen.
In der bevorzugten und dargestellten Ausführungsform ist der Anschluss 54 ein viellöchriger Anschluss, der eine Vielzahl von Öffnungen 64 beinhaltet, die die Treibmittel-Quelle mit dem Extruder-Zylinder verbinden. Wie gezeigt sind in bevorzugten Ausführungsformen eine Vielzahl von Anschlüssen 54 über den Extruder-Zylinder an verschiedenen Positionen radial vorgesehen und können in Längsrichtung miteinander ausgerichtet sein. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Anschlüssen 54 bei 12 Uhr-, 3 Uhr-, 6 Uhr- und 9 Uhr-Positionen über den Extruder-Zylinder platziert sein, wobei jeder eine Vielzahl von Öffnungen 64 beinhaltet. Auf diese Weise beinhaltet dort, wo jede Öffnung 64 als Treibmittel-Öffnung angesehen wird, die Erfindung eine Extrusions-Vorrichtung, die zumindest etwa 10, vorzugsweise zumindest etwa 40, besonders bevorzugt zumindest etwa 100, ganz besonders bevorzugt etwa 300, insbesondere bevorzugt zumindest etwa 500 und ganz besonders bevorzugt zumindest etwa 700 Treibmittel-Öffnungen in Fluid-Wirkverbindung mit dem Extruder-Zylinder, die den Zylinder mit einer Treibmittel-Quelle rieselfähig verbinden, aufweist.
Ebenso liegt in bevorzugten Ausführungsformen eine Anordnung (wie in 1A gezeigt) vor, bei der die Treibmittel-Öffnung oder -Öffnungen entlang des Extruder-Zylinders an Orten positioniert sind, wo die Öffnung oder die Öffnungen, wenn eine bevorzugte Schraube innerhalb des Zylinders befestigt ist, nahe vollständigen und nicht unterbrochenen Gewindegängen 65 vorliegen. Auf diese Weise passiert oder "streift" jeder Gewindegang jede Öffnung periodisch. Dieses Streifen erhöht die schnelle Vermischung von Treibmittel und fluidem geschäumtem Material-Zwischenprodukt, durch, in einer Ausführungsform, im Wesentlichen schnelles Öffnen und Verschließen jeder Öffnung durch periodisches Blockieren jeder Öffnung, wenn der Gewindegang relativ zur Öffnung groß genug ist, um die Öffnung vollständig zu blockieren, wenn er hiermit ausgerichtet ist. Das Ergebnis ist eine Verteilung von relativ feinen verteilten, isolierten Regionen von Treibmitteln in dem fluiden Polymer-Material direkt nach der Injizierung und vor jeder Vermischung. In dieser Anordnung wird bei einer Standardschrauben-Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa 30 Umdrehungen/Minute jede Öffnung von einem Gewindegang bei einer Rate von zumindest etwa 0,5 Durchgängen/Sekunde, besonders bevorzugt von zumindest etwa einem Durchgang/Sekunde, besonders bevorzugt von zumindest etwa 1,5 Durchgängen/Sekunde und insbesondere bevorzugt von zumindest etwa 2 Durchgängen/Sekunde passiert. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Öffnungen 54 unter einem Abstand von zumindest etwa 15 bis etwa 30 Zylinder-Durchmessern vom Anfang der Schraube (an einem stromaufwärtigen Ende 34) positioniert.
Der beschriebene Aufbau erleichtert ein Verfahren, welches gemäß einem Satz von Ausführungsformen praktiziert wird. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines Treibmittels in ein fluides Polymer-Material, welches bei einer Rate von zumindest etwa 18,2 kg/hr (40 lbs/hr) fließt, wobei das Treibmittel unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist und in einer Periode von weniger als etwa 1 Minute eine einphasige Lösung von Treibmittel-Fluid in dem Polymer erzeugt. Das Treibmittel-Fluid liegt in der Lösung in einer Menge von zumindest etwa 2,5 Gew.-% basierend auf dem Gewicht der Lösung in dieser Anordnung vor. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Fließrate des fluiden Polymer-Materials zumindest etwa 27 kg/hr (60 lbs/hr), besonders bevorzugt zumindest etwa 36 kg/hr (80 lbs/hr), und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform größer als zumindest etwa 45 kg/hr (100 lbs/hr), und das Treibmittel-Fluid wird zugefügt und eine einphasige Lösung wird innerhalb einer Minute mit in der Lösung in einer Menge von zumindest etwa 3 Gew.-%, besonders bevorzugt zumindest etwa 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von zumindest etwa 7 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 10% ausgeformt (obwohl wie bereits erwähnt in einem anderen Satz bevorzugter Ausführungsformen niedrigere Niveaus von Treibmittel verwendet werden). In diesen Anordnungen werden zumindest etwa 1,1 kg/hr (2,4 lbs/hr) Treibmittel, bevorzugt CO₂, in den Fluid-Strom eingeführt und darin vermischt, um eine einphasige Lösung auszubilden. Die Rate der Einführung des Treibmittels stimmt mit der Rate des Stroms des Polymers überein, um die optimale Treibmittel-Konzentration zu erzielen.
Ein überkritisches fluides Treibmittel stellt ebenso einen Vorteil dahingehend zur Verfügung, dass es die schnelle und innige Vermischung verschiedener Polymer-Materialien erleichtert, wodurch ein Verfahren zur Vermischung und zur Formung unterschiedlicher Polymer-Materialien ohne Delaminierung nach der Formgebung zur Verfügung gestellt wird. Unterschiedliche Materialien beinhalten beispielsweise Polystyrene und Polypropylene oder Polystyrene und Polyethylene. Diese unterschiedlichen Materialien haben typischerweise eine signifikant unterschiedliche Viskosität, Polarität oder chemische Funktionalität, so dass in den meisten Systemen von vornherein die Bildung einer gut vermischten, homogenen Kombination ausgeschlossen ist, was zur Delamination oder andere physikalischen Eigenschafts-Reduktionen oder Schädigungen der physikalischen Eigenschaften führen kann. Vorzugsweise liegen in dieser Ausführungsform zumindest zwei unterschiedliche Komponenten mit der Minderheits-Komponente in einer Menge von zumindest etwa 1 Gew.-%, vorzugsweise zumindest etwa 5%, ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 10%, insbesondere bevorzugt von zumindest etwa 20% vor.
Typische Techniken gemäß dem Stand der Technik zur Ausformung von Kombinationen unterschiedlicher Polymer-Materialien beinhalten das Extrudieren und Pelletieren unterschiedlicher Polymer-Materialien, die dann als Pellets in einem Bunker 44 eines Systems, sowie das aus 1, zur Verfügung gestellt werden. Die Verwendung eines überkritischen fluiden Treibmittels eliminiert die Notwendigkeit für die Verwendung von vorab vermischten Pellets oder von Misch-Ausrüstungen. Eine Mischung unterschiedlicher Polymer-Pellets, beispielsweise einer Mischung von Polystyren-Pellets und Polypropylen-Pellets kann innerhalb des Bunkers vorgesehen sein, aufgeschmolzen werden, innig mit einem überkristischen fluiden Treibmittel vermischt und als gut vermischte homogene Mischung extrudiert werden. Eine einphasige Lösung aus Treibmittel und Multi-Komponenten-Polymer-Material inklusive unterschiedlicher Materialien kann bei Fließraten und innerhalb der unten spezifizierten Zeitperioden ausgeformt werden. Dies kann dazu verwendet werden, um Polymer-Gegenstände auszuformen, die aus zumindest zwei unterschiedlichen Polymer-Materialien zusammengesetzt sind und die der Delamination über die Extrusion, die hierin beschriebene Formgebung oder andere Techniken widerstehen.
Die beschriebene Anordnung erleichtert die Durchführung eines Verfahrens in Kombination mit dem Einspritzausformen oder Intrusionsausformen. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines Treibmittels in das fluide Polymer-Material, welches bei einer Rate von etwa 180 bis etwa 635 g/hr (etwa 0,4 bis etwa 1,4 lbs/hr) fließt, wobei das Treibmittel unter Umgebungsbedingungen ein Gas ist, und in einer Periode von weniger als etwa 1 Minute, wodurch eine einphasige Lösung des Treibmittel-Fluids in dem Polymer erzeugt wird. Das Treibmittel-Fluid liegt in der Lösung in einer Menge von zumindest etwa 2,5 Gew.-% basierend auf dem Gewicht der Lösung in dieser Anordnung vor. In einigen Ausführungsformen ist die Fließrate des fluiden Polymer-Materials von etwa 2,7 bis etwa 5,4 kg/hr (von etwa 6 bis 12 lbs/hr). In diesen Anordnungen wird das Treibmittel-Fluid hinzugefügt und eine einphasige Lösung innerhalb einer Minute mit in der Lösung in einer Menge von bis zu etwa 3 Gew.-%, bevorzugt von zumindest etwa 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 7 Gew.-% und insbesondere bevorzugt von zumindest etwa 10% vorliegendem Treibmittel ausgeformt (obwohl wie bereits erwähnt in einer anderen Reihe von bevorzugten Ausführungsformen niedrigere Niveaus von Treibmittel verwendet werden). In diesen Anordnungen wird zumindest etwa 1,1 kg/hr (etwa 2,4 lbs/hr) Treibmittel, bevorzugt CO₂, in den Fluid-Strom eingeführt und darin vermischt, um eine einphasige Lösung auszubilden. Die Rate der Einführung von Treibmitteln stimmt mit der Fließrate des Polymers überein, um die optimale Treibmittel-Konzentration zu erreichen.
Stromabwärts der Region 50 ist ein Nukleator 66 aufgebaut, um einen Druckabfall-Keimbildungs-Durchgang 67 zu beinhalten. Der Begriff „Keimbildungs-Durchgang", wie er hierin verwendet wird, wird im Zusammenhang mit einem schnellen Druckabfall so verstanden, dass er einen Durchgang definiert, der einen Teil der Extrusions-Vorrichtung für mikrozellularen Polymer-Schaum bildet und in dem unter Bedingungen, unter denen die Vorrichtung gestaltet ist, betrieben zu werden (typischerweise bei Drücken von etwa 10,3 bis etwa 207 MPa – etwa 1500 bis etwa 30000 psi – stromaufwärts des Nukleators und bei Fließraten von größer als etwa 2,27 kg (etwa 5 lbs) Polymer-Material pro Stunde, fällt der Druck einer einphasigen Lösung aus Polymer-Material mit dazu gemischtem Treibmittel in dem System unterhalb des Sättigungsdrucks für die jeweilige Treibmittel-Konzentration bei einer Rate oder Raten, die die Keimbildung erleichtern, ab. Der Keimbildungs- Durchgang 67 beinhaltet ein Einlassende 69 zur Aufnahme einer einphasigen Lösung aus Polymer-Material-Zwischenprodukt und Treibmittel als fluiden Polymer-Strom, sowie ein Freigabeende 70 für das nukleierte Polymer zum Bereitstellen des nukleierten Polymer-Materials zu einer Formgebungs-Kammer oder einer Form 37. Der Nukleator 66 kann in einer Vielzahl von Orten stromabwärts der Region 50 und stromaufwärts der Form 37 platziert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Nukleator 66 in direkter fluider Wirkverbindung mit der Form 37, so dass der Nukleator eine Düse definiert, die den Extruder mit der Formgebungs-Kammer verbindet und das Freigabeende 70 für das nukleierte Polymer definiert eine Öffnung der Formgebungs-Kammer 37. Gemäß eines Satzes von Ausführungsformen liegt der Punkt beim Platzieren eines Nukleators stromaufwärts einer Form. Obwohl hier nicht dargestellt beinhaltet eine andere Ausführungsform des Nukleators 66 einen Keimbildungs-Durchgang 67, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er variable Querschnitts-Dimensionen aufweist, d.h., einen Durchgang, der im Querschnitt eingestellt werden kann. Ein Keimbildungs-Durchgang mit variablem Querschnitt ermöglicht die Variierung der Druckabfallrate in einem stromfluiden Polymer-Material, welches hierdurch hindurchtritt, um eine gewünschte Keimbildungs-Dichte zu erzielen.
In einer Ausführungsform wird ein Keimbildungs-Durchgang, dessen Querschnitts-Dimensionen entlang seiner Länge verändert werden, verwendet. Insbesondere kann ein Keimbildungs-Durchgang, der seine Querschnitts-Dimension in einer stromabwärtigen Richtung verringert, signifikant die Druckabfallrate anheben, wodurch die Bildung von mikrozellularem Material mit sehr hoher Zelldichte unter Verwendung von vergleichsweise niedrigen Niveaus an Treibmitteln möglich wird. Diese und andere beispielhafte und bevorzugte Nukleatoren werden in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 08/777,709 mit dem Titel „Method and Apparatus for Microcellular Extrusion" und in der international Patentanmeldung mit der Seriennummer PCT/US97/15088 mit dem Titel „Method and Apparatus for Microcellular Polymer Extrusion" von Anderson et al., auf die beide oben Bezug genommen wurde, beschrieben.
Während der Durchgang 67 einen Keimbildungs-Durchgang definiert, kann einige Keimbildung ebenso in der Form selbst eintreten, wenn der Druck auf das Polymer-Material bei einer sehr hohen Rate während der Befüllung der Form abfällt.
Das System gemäß 1 stellt einen Weg dar, über den eine einphasige, nicht nukleierte Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel über einen raschen Druckabfall nukleiert wird, während sie in die Formgebungs-Kammer 37 über die Rotations-Aktion der Schraube 38 gedrängt wird. Diese Ausführungsform stellt eine Intrusions-Formgebungstechnik dar und es ist in dieser Ausführungsform lediglich notwendig, einen Treibmittel-Injektionsanschluss 54 zu verwenden.
In einer anderen Ausführungsform ist die Schraube 38 des Systems 30 eine hin- und herlaufende Schraube und ein System definiert ein Einspritz-Formsystem. In dieser Ausführungsform ist die Schraube 38 zur Hin- und Herbewegung innerhalb des Zylinders 32 befestigt und beinhaltet eine Vielzahl von Treibmittel-Einlässen oder Einspritz-Anschlüssen 54, 55, 57, 59 sowie 61, die axial entlang des Zylinders 32 angeordnet sind, und jeder verbindet den Zylinder 32 rieselfähig mit der Druck- und Dosier-Vorrichtung 58 und einer Treibmittel-Quelle 56. Jeder der Einspritz-Anschlüsse 54, 55, 57, 59 und 61 kann ein mechanisches Absperr-Ventil 154, 155, 157, 159 und 161 beinhalten, welches die Steuerung des Flusses an Treibmittel in den Extruder-Zylinder 38 als Funktion einer axialen Position der sich hin- und herbewegenden Schraube 38 innerhalb des Zylinders ermöglicht. Beim Betrieb mit dieser Ausführungsform wird eine Charge von fluidem Polymer-Material und Treibmittel (was eine einphasige, nicht nukleierte Charge in einigen Ausführungsformen sein kann) in der Region 50 stromabwärts des stromabwärtigen Endes 48 der Schraube 38 angesammelt. Die Schraube 38 wird distal (stromabwärts) in den Zylinder 32 hineingedrückt, was die Injizierung der Charge in der Region 50 in die Form bewirkt. Ein mechanisches Absperrventil 64, welches nahe der Öffnung 70 der Form 37 platziert ist, kann dann verschlossen werden und die Form 37 kann geöffnet werden, um den einspritz-geformten Teil freizugeben. Die Schraube 38 dreht sich dann, während sie sich proximal zurückzieht (auf das stromaufwärtige Ende 34 des Zylinders hin), und das Absperrventil 161 wird geöffnet, während die Absperrventile 155, 157, 154 und 159 alle verschlossen werden, was es dem Treibmittel ermöglicht, durch den am entferntesten liegenden Anschluss 61 ausschließlich in den Zylinder injiziert zu werden. Wenn sich der Zylinder während der Drehung zurückzieht, wird das Absperrventil 161 verschlossen, während das Absperrventil 159 geöffnet wird, dann wird das Ventil 159 verschlossen, während das Ventil 154 geöffnet wird, usw. Das bedeutet, dass die Absperr-Ventile, die die Injizierung von Treibmittel von der Quelle 56 in den Zylinder 32 steuern, derart geregelt werden, dass der Ort der Injizierung von Treibmitteln sich proximal (in einer stromaufwärtigen Richtung) entlang des Zylinders bewegt, wenn sich die Schraube 38 proximal zurückzieht. Das Ergebnis ist die Injizierung von Treibmittel bei einer Position entlang der Schraube 38, die im Wesentlichen konstant bleibt. Somit wird Treibmittel zu dem fluiden Polymer-Material hinzugefügt und mit dem Polymer-Material zu einem Grad und für eine Zeitdauer vermischt, der unabhängig von der Position der Schraube 38 innerhalb des Zylinders gleichbleibend ist. Zu diesem Zeitpunkt kann mehr als ein Absperr-Ventil 155, 157 usw. geöffnet sein oder zumindest gleichzeitig teilweise geöffnet sein, um den sanften Übergang zwischen den Einspritz-Anschlüssen, die offen sind, zu erzielen und im Wesentlichen einen konstanten Ort der Injizierung von Treibmitteln entlang des Zylinders 38 beizubehalten.
Wenn der Zylinder 38 vollständig zurückgezogen ist (mit einem Treibmittel, welches direkt vorab durch den Injektions-Anschluss 55 nur eingeführt wurde) werden sämtliche Absperrventile für das Treibmittel verschlossen. An diesem Punkt ist die fluide Mischung aus Polymermaterial und Treibmitteln innerhalb der distalen Region 50 des Zylinders im Wesentlichen gleichmäßig. Das Absperrventil 64 wird dann geöffnet und die Schraube 38 wird distal gedrängt, um die Charge von Polymer-Material und Treibmitteln in die Form 37 zu injizieren.
Das System, welches eine sich hin- und herbewegende Schraube beinhaltet, kann zur Produktion von nicht mikrozellularen Schäumen oder mikrozellularen Schäumen verwendet werden. Wo nicht mikrozellulare Schäume produziert werden müssen, kann die Charge, die in der distalen Region 50 angesammelt wird, eine Multiphasen-Mischung mit Zellen vom Treibmittel in dem Polymer-Material bei einem vergleichsweise niedrigen Druck sein. Die Injizierung einer solchen Mischung in die Form 37 bewirkt ein Zellwachstum und die Produktion von konventionellem Schaum. Wo mikrozellulares Material herzustellen ist, wird in der Region 50 eine einphasige, nicht nukleierte Lösung angesammelt und in die Form 37 injiziert, während die Keimbildung eintritt.
Die beschriebene Anordnung erleichtert ein Verfahren, welches gemäß einem anderen Satz von Ausführungsformen, bei denen variierende Konzentrationen von Treibmittel in dem fluiden Polymer-Material an unterschiedlichen Orten in einer Charge, die in dem distalen Abschnitt 50 des Zylinders angesammelt wurde, erzeugt wurden, praktiziert wird. Dies kann durch die Steuerung der Absperrventile 155, 157, 154, 159 und 161 erzielt werden, um eine nicht gleichmäßige Treibmittel-Konzentration zu erhalten. In dieser Technik können Gegenstände produziert werden, die variierende Dichten aufweisen, so wie beispielsweise ein Gegenstand, der ein festes Äußeres und einen geschäumten Innenbereich aufweist.
Eine Technik zur Ausformung von Gegenständen, die Abschnitte aufweisen, welche in ihrer Dichte variieren, wird nunmehr vollständiger unten mit Bezug auf die 5 bis 7 beschrieben.
Obwohl nicht gezeigt kann die Formgebungs-Kammer 37 Luftlöcher beinhalten, um Luft innerhalb der Form zu ermöglichen, während der Injektion auszutreten. Die Luftlöcher können so in der Größe gestaltet sein, um einen ausreichenden Rückdruck während der Injektion zur Verfügung zu stellen, um das Zellwachstum zu steuern, so dass ein gleichmäßiges mikrozellulares Aufschäumen eintritt. In einer anderen Ausführungsform wird eine einphasige, nicht nukleierte Lösung aus Polymer-Material und Treibmitteln nukleiert, während sie in eine offene Form eingeführt wird, anschließend wird die Form geschlossen, um einen mikrozellularen Gegenstand auszuformen.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Einspritz-Formsystem unter Verwendung eines separaten Speichers zur Verfügung gestellt. Mit Bezug auf 2 beinhaltet ein Einspritz-Formsystem 31 einen Extruder, der dem, wie er in 1 dargestellt ist, ähnlich ist. Der Extruder kann eine sich hin- und herbewegende Schraube beinhalten, wie dies in dem System aus 1 der Fall ist. Zumindest ein Speicher 78 ist zur Ansammlung von geschmolzenem Polymer-Material vor der Injizierung in die Formgebungs-Kammer 37 zur Verfügung gestellt. Der Extruder beinhaltet einen Auslass 51, der rieselfähig mit einem Einlass 79 des Speichers über eine Leitung 53 zur Lieferung einer nicht nukleierten, einphasigen Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel zu dem Speicher verbunden ist.
Der Speicher 78 beinhaltet innerhalb eines Gehäuses 81 einen Kolben 83, der aufgebaut und angeordnet ist, dass er sich axial (proximal und distal) innerhalb des Speicher-Gehäuse bewegt. Der Kolben kann proximal zurückgezogen sein und es dem Speicher ermöglichen, mit Polymer-Material/Treibmittel durch den Einlass 79 befüllt zu werden und dann distal gedrängt werden, um die Mischung aus Polymer-Material und Treibmitteln in die Form 37 zu drängen. Wenn die zurückgezogene Position erreicht wird, wird einer durch eine einphasige Lösung aus geschmolzenem Polymer-Material und Treibmittel definierten Charge ermöglicht, sich in dem Speicher 78 anzusammeln. Wenn der Speicher 78 voll ist, bewirkt ein System so wie beispielsweise ein hydraulisch gesteuerter zurückfahrbarer Injektionszylinder (nicht gezeigt) die gesammelte Charge durch den Nukleator 66 und die daraus resultierende nukleierte Mischung in die Formgebungs-Kammer 37 hinein. Diese Anordnung stellt eine andere Ausführungsform dar, bei der eine nicht nukleierte, einphasige Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel als Ergebnis des Prozesses der Befüllung der Formgebungs-Kammer nukleiert wird. Alternativ kann ein Druckabfall-Nukleator stromabwärts der Region 50 und stromaufwärts des Speichers 78 positioniert werden, so dass das nukleierte Polymer-Material angesammelt wird anstelle des nicht nukleierten Materials, welches dann in die Form 37 injiziert wird.
In einer anderen Anordnung kann ein Extruder mit sich hin- und herbewegender Schraube so wie er in 1 dargestellt ist, mit dem System 31 aus 2 verwendet werden, um so sukzessive Chargen an Polymer-Material und Treibmittel (die nicht nukleiert verbleiben können oder nukleiert sein können, während sie von dem Extruder in den Speicher gedrängt werden) injiziert wird, während der Druck auf den Kolben 83 hoch genug verbleibt, so dass die Keimbildung innerhalb des Speichers verhindert wird (oder, wenn nukleiertes Material in dem Speicher vorgesehen ist, das Zellwachstum verhindert). Wenn eine Vielzahl von Chargen in den Speicher eingeführt wurde, kann das Absperrventil 64 geöffnet werden und der Kolben 83 distal angetrieben werden, um die Charge innerhalb des Speichers in die Form 37 zu überführen. Dies kann vorteilhaft bei der Produktion von sehr großen Teilen sein.
Ein Kugelrückschlagventil 85 ist nahe dem Einlass 79 des Speichers platziert, um den Materialfluss in den Speicher zu regulieren und den Rückfluss in den Extruder hinein zu verhindern, sowie ein Systemdruck beizubehalten, der zur Beibehaltung der einphasigen Lösung von nicht nukleiertem Treibmittel und geschmolzenem Polymer-Material beizubehalten oder alternativ das Zellwachstum des darin hinein eingeführten nukleierten Materials zu verhindern. Optional kann das Einspritz-Formsystem 31 mehr als einen Speicher in fluider Wirkverbindung mit dem Extruder 30 und der Formgebungs-Kammer 37 beinhalten, um die Produktionsraten anzuheben.
Das System 31 beinhaltet verschiedene zusätzliche Komponenten, die im Anschluss unten vollständiger beschrieben werden.
Die 3 und 4 stellen Formgebungs-Kammern gemäß alternativer Ausführungsformen zur Verwendung mit Einspritz-Formsystemen dar. In 3 ist eine bewegliche Wand einer Formgebungs-Kammer 71 schematisch dargestellt, die einen Form-Hohlraum 84, Temperatur-Steuerelemente 82, eine bewegliche Wand 80, Druck-Elemente (nicht gezeigt) und in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform zumindest einen Nukleator 66 beinhaltet, der einen Keimbildungs-Durchgang 67 beinhaltet, der ein Einlassende 69 sowie ein Freigabe-Ende 70 aufweist, welches eine Öffnung des Form-Hohlraums 84 definiert. In einer Ausführungsform beinhaltet die Formgebungs-Kammer 71 mit beweglicher Wand eine Vielzahl von Nukleatoren 66. Die bewegliche Wand 80 kann so eingestellt werden, dass sie das Volumen der Form erhöht, wenn die Form mit der nukleierten Mischung aus Polymer-Zwischenprodukt und Treibmitteln befüllt wird, wodurch ein konstanter Druck innerhalb der Form beibehalten wird. Auf diese Weise kann das Zellwachstum beschränkt oder geeignet gesteuert werden.
In 4 ist eine Formgebungs-Kammer 73 mit Gegendruck schematisch dargestellt, die einen Form-Hohlraum 84, Temperatur-Steuerelemente 82, Druck-Regler 86, Abdichtungen 92 und in einer bevorzugten und dargestellten Ausführungsform zumindest einen Nukleator 66 mit einem Keimbildungs-Durchgang 67, der eine Öffnung der Formgebungs-Kammer 73 definiert, beinhaltet, umfasst. Wie oben beschrieben, weist der Keimbildungs-Durchgang 67 ein Einlassende 69 sowie ein Freigabeende 70 auf, welches eine Öffnung der Kammer 84 definiert. Der Druck innerhalb der Form kann über Druck-Regler 86 beibehalten werden, um das Zellwachstum in der in die Form eingeführten nukleierten Mischung zu beschränken oder zu steuern.
Jede Kombination von Formen mit beweglicher Wand, einer Form, die einen Gasdruck-Regler aufweist sowie von Temperatur-Steuerelementen in einer Form kann für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden. Wie bereits diskutiert, können die Bedingungen so gesteuert werden, dass das Zellwachstum in der nukleierten Mischung innerhalb der Form beschränkt oder gesteuert wird. Eine andere Verwendung für die Temperatur-Steuer-Messungen ist der, dass ein Abschnitt der Formwand oder die gesamte Formwand bei einer relativ hohen oder relativ niedrigen Temperatur gehalten werden kann, was ein relativ größeres oder geringeres Zellwachstum in Regionen nahe der Wand (Regionen bei und nahe der Haut der mikrozellularen Form und des Produkts) relativ zu den Regionen nahe dem Zentrum des in der Form ausgeformten Gegenstands bewirkt.
Die vorliegende Lehre ermöglicht die Formgebung vergleichsweise dicker mikrozellularer Polymer-Materialien, beispielsweise von Materialien, welche zumindest einen Teil beinhalten, der eine Dicke von zumindest 12,7 mm (0,500 Inch) durch beispielsweise Einführen eines nukleierten, mikrozellularen Polymer-Zwischenprodukts in eine Form und das Schnelle „Aufbrechen" oder Öffnen der Form beinhaltet, um es einem Teil zu ermöglichen, der größer als das Innere der geschlossenen Form selbst ist, sich auszuformen. Wenn die Form aufgebrochen ist, tritt aufgrund eines korrespondierenden Druckabfalls das Zellwachstum auf. Der nukleierten Mischung wird ermöglicht, sich teilweise in der Form der Form oder Einhausung zu verfestigen, um einen ersten mikrozellularen Polymer-Gegenstand in der Form der Einhausung auszubilden, wird aus der Einhausung entfernt und es wird ihm ermöglicht, weiter zu expandieren, um einen zweiten mikrozellularen Polymer-Gegenstand auszuformen, der eine Form aufweist, die größer als die Form der Einhausung ist. Die Injizierung oder das Hervorstehen kann nach dem Aufbrechen der Form weiter fortgeführt werden, um die Dichte und Zellstruktur zu steuern. Das bedeutet, dass eine Lösung in die Form eingeführt werden kann, während sie nukleiert wird, und gleichzeitig die Form aufgebrochen und dann weiter geöffnet werden kann, um den Rückdruck in der Form zu steuern und die Größe des schlussendlichen Teils und die Zelldichte und die Struktur zu regeln. Dies kann auch mit einer hierin beschriebenen analogen Form mit beweglicher Wand erreicht werden.
Die Lehre erlaubt die schnelle, zyklische Formgebung von Polymer-Schaum. Nach dem Einspritzen und Ausformen in einer Zeitdauer von weniger als etwa 10 Minuten kann eine zweite nukleierte Mischung durch Einspritzen in die Formgebungs-Kammer und das Ermöglichen, dass sie sich aufschäumt und in der Form der Einhausung verfestigt und daraus entfernt wird, erzeugt werden. Vorzugsweise ist die Zykluszeit geringer als etwa 1 Minute, besonders bevorzugt weniger als etwa 20 Sekunden. Die Zeit zwischen der Einführung des Materials in die Form und der Festigung ist typischerweise weniger als etwa 10 Sekunden. Geringe Zykluszeiten werden aufgrund reduzierten Gewichts in dem Schaum-Material (weniger Masse zur Abkühlung) und aufgrund niedriger Schmelztemperaturen, die durch eine reduzierte Viskosität eines überkritischen fluiden Treibmittels möglich wurden, zur Verfügung gestellt.
Mit niedrigeren Schmelztemperaturen ist eine geringere Wärmeabsorption vor dem Auswerfen des Teils erforderlich.
Mit Bezug nunmehr auf die 5 bis 7 wird eine andere Ausführungsform, die das System 31 verwendet, dargestellt, und das System 31 wird nunmehr vollständig beschrieben. Das System 31 beinhaltet ebenso eine treibmittelfreie Leitung 88, die einen Auslass 90 des Extruders mit einem Einlass 91 des Speichers verbindet. Der Einlass 91 des Speichers ist an der Fläche des Kolbens 83 des Speichers positioniert. Ein mechanisches Absperrventil 99 ist entlang der Leitung 88 vorzugsweise nahe dem Auslass 90 positioniert. Der Extruder-Auslass 90 ist in dem Extruder stromaufwärts des Einlasses 54 für das Treibmittel platziert (oder der Vielzahl von Treibmittel-Einlässen, wie in der Extruder-Anordnung, wie sie in 1 dargestellt ist, wo die Anordnung in dem System, wie es in den 5 bis 7 beschrieben ist, verwendet wird), jedoch weit genug stromabwärts in dem Extruder, dass er ein fluides Polymer-Material 94 liefern kann. Das durch die Leitung 88 gelieferte fluide Polymer-Material 94 ist ein treibmittelarmes Material und kann im Wesentlichen frei von Treibmitteln sein. Somit beinhaltet das System einen ersten Auslass 90 des Extruders, der so positioniert ist, dass er ein fluides Polymer-Material liefert, welches im Wesentlichen frei von Treibmitteln ist, oder bei reduzierter Treibmittel-Konzentration von dem Extruder zu einem ersten Einlass 91 des Speichers, sowie einen zweiten Auslass 51 stromabwärts der Mischregion des Extruders, der positioniert ist, dass er eine Mischung von fluidem Polymer-Material und Treibmittel (eine höhere Treibmittel-Konzentration als die aus dem Auslass 90 gelieferte, d.h. ein treibmittelreiches Material) zu einem zweiten Einlass 79 des Speichers. Der Speicher kann Aufheizeinheiten 96 beinhalten, um die Temperatur des Polymer-Materials hierin zu steuern. Der Speicher beinhaltet einen Auslass, der der Einlass 69 des Nukleators 66 ist. Ein Durchgang (oder eine Düse), die den Keimbildungs-Durchgang 67 definiert verbindet den Speicher 78 mit der Formgebungs-Kammer 37.
Eine Reihe von Ventilen inklusive den Kugelrückschlagventilen 98 und 85, die an den ersten und zweiten Einlässen des Speichers platziert sind sowie mechanische Ventile 64 und 99 steuern jeweils den Materialfluss von dem Extruder zu dem Speicher und von dem Speicher zu der Form wie dies gewünscht ist und unten gemäß einigen Ausführungsformen beschrieben ist.
Das offenbarte System beinhaltet in sämtlichen Ausführungsformen die Eignung, den Druck durch das System beizubehalten, um eine verfrühte Keimbildung zu verhindern, wo Keimbildung nicht erwünscht ist (stromaufwärts des Nukleators) oder ein Zellwachstum, wo die Keimbildung eingetreten ist, jedoch ein Zellwachstum nicht gewünscht ist oder nicht wünschenswert gesteuert ist.
Das Ausführen des offenbarten Verfahrens kann das Injizieren eines treibmittelarmen Materials in eine Form beinhalten, um eine nahezu feste Haut auszuformen, gefolgt vom Injizieren eines treibmittelreichen Materials in die Form, um einen geschäumten Kern auszubilden. Dies wird mit Bezug auf die 5 bis 7 beschrieben. Obwohl nicht dargestellt kann dieses Verfahren mit einer geeigneten Synchronisation ebenso dazu verwendet werden, Gegenstände auszuformen, die ein geschäumtes Äußeres sowie einen festes Inneres aufweisen. 5 stellt eine Situation dar, in der Polymer-Material, das kein Treibmittel enthält oder Treibmittel nur in einem begrenzten Ausmaß enthält (Material 24) sowohl am distalen Ende des Speichers als auch am proximalen Ende des Speichers vorgesehen ist. Dies bedeutet, dass treibmittelarmes Material 94 nur vorne am Kolben 83 und im Keimbildungs-Durchgang 67 und direkt stromaufwärts des Keimbildungs-Durchgangs 67 zur Verfügung gestellt wird. Zwischen diesen Regionen von treibmittelarmen Material 94 liegt eine Region mit treibmittelreichem Material 101 in dem Speicher vor. Zu diesem Zeitpunkt wird das mechanische Ventil 64, welches die Form 37 verbindet, geöffnet und der Kolben 83 wird stromabwärts angetrieben, um das Material im Speicher 78 in die Form 37 hinein zu drücken. Dies ist in 6 dargestellt. Der erste Abschnitt mit treibmittelarmem Material beschichtet das Äußere der Form und formt eine im Wesentlichen feste äußere Wand aus, anschließend füllt das treibmittelreiche Material 101 das Zentrum der Form aus und wird nukleiert, während es in die Form eintritt. Die distale Grenze der Bewegung des Kolbens stoppt direkt am Ende des Speichers und die Region treibmittelarmen Materials, die direkt vor dem Kolben platziert war, ist nunmehr am distalen Ende des Speichers positioniert und füllt den Keimbildungs-Durchgang des Speichers aus. Das Ventil 64 wird anschließend geschlossen und der resultierende Teil wird aus der Form 37 entfernt. Mit dem geschlossenen mechanischen Ventil 99 wird der Extruder so angetrieben, dass er treibmittelreiches Material vorzugsweise als einphasige, nicht nukleierte Lösung von Polymer-Material und Treibmittel in den Speicher einführt, wenn der Kolben proximal zurückgezogen wird, wie dies in 7 dargestellt ist. Der Kolben bringt einen im Wesentlichen gleichmäßigen Druck auf das Material in dem Speicher auf, wodurch das Material 101 in einem nicht nukleierten Zustand gehalten wird. Wenn der Kolben nahezu seine proximale Grenze erreicht hat, wird das mechanische Ventil 99 geöffnet und es wird dem treibmittelarmen Material 94 erlaubt, einen Abschnitt des Speichers direkt vor dem Kolben auszufüllen, wie dies in 5 dargestellt ist. 5 stellt die Vervollständigung des Zyklus direkt vor der Injizierung in die Form dar.
In einer anderen Ausführungsform kann mit Bezug auf die 5 bis 7 ein einspritzgeformter mikrozellularer Gegenstand mit einer treibmittelarmen äußeren Wand und einem treibmittelreichen mikrozellularen geschäumten Inneren ohne die Notwendigkeit der Befüllung des Speichers 78 mit treibmittelreichen Material, welches in Sandwichweise zwischen treibmittelarmen Material vorliegt, ausgeformt werden, wie dies dargestellt ist. In dieser Ausführungsform füllt treibmittelreiches Material die Form bis auf den distalsten Teil des Speichers, der durch den Keimbildungs-Durchgang 67 definiert ist, aus, wird zu einem größeren Ausmaß als der Rest des Speichers aufgeheizt. Dies kann unter Verwendung von Heizeinheiten 103, die nahe dem Nukleator positioniert sind, erreicht werden. Wenn erforderlich können zusätzliche Heizeinheiten zur Verfügung gestellt werden, um Material in dem Speicher stromaufwärts des Keimbildungsdurchgangs aufzuheizen. Material in dem distalsten Abschnitt des Speichers wird zu einem ausreichend großen Maße erhitzt, dass wenn die Charge in dem Speicher in die Form injiziert wird, das Treibmittel in dem hocherhitzten Abschnitt sehr schnell aus dem Polymer diffundiert und durch die (nicht gezeigten) Luftlöcher in der Form sich ausbreitet. In dem Polymer-Material stromaufwärts des distalsten noch höher erhitzten Chargenabschnitt tritt das Zellwachstum ein, um das mikrozellulare Material schneller auszubilden als das Treibmittel aus dem Polymer herausdiffundieren kann. Der distalste Abschnitt der Charge, der aufgeheizt 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 von zumindest etwa 10°C höher als die durchschnittliche Temperatur der Charge oder zumindest etwa 20°C, 40°C oder 80°C höher als die durchschnittliche Temperatur der Charge aufgeheizt werden, bevor die Charge in einer Formgebungs-Kammer injiziert wird.
In einer anderen Ausführungsform kann eine einphasige, homogene Lösung des Polymer-Materials und des Treibmittels in eine Form injiziert werden, währen der Druck in der Form hoch genug gehalten wird, um eine Keimbildung zu verhindern. Dies bedeutet, dass die Injizierung ohne Keimbildung eintritt. Dann kann die homogene, einphasige Lösung in einem festen Zustand in der Form eingefroren werden und die Form geöffnet werden. Zu diesem Zeitpunkt tritt eine Keimbildung und ein Schäumen nicht ein. Der geformte Gegenstand kann dann aufgeheizt werden, um die Keimbildung und das Schäumen zu bewirken, beispielsweise durch Platzierung in einem Glyzerinbad.
Eine Vielzahl von Gegenständen kann durch die nachfolgende, vorliegende Lehre produziert werden, beispielsweise Konsumgüter und industrielle Güter sowie Polymer-Besteck, Automobil-Komponenten sowie eine Vielzahl von anderen einspritzgeformten Teilen.
8 stellt schematisch ein Einspritz-Formsystem 100 dar. Das Einspritz-Formsystem 100 beinhaltet einen Extruder, der ähnlich dem bei der in 1 dargestellt ist, sein kann, inklusive eines Zylinders 102, der ein erstes, stromaufwärtiges Ende 104 sowie ein zweites, stromabwärtiges Ende 106 aufweist, welches mit einer Formgebungs-Kammer 108 verbunden ist. Innerhalb des Zylinders 102 ist zur Hin- und Herbewegung und zur Drehung einer Schraube 110 an deren stromaufwärtigen Ende wirkverbunden, um einen Motor (nicht dargestellt) anzutreiben. Ein Seitenstrom 114, der einen Einlass 113 und einen Anschluss 115 des Zylinders und den Anschluss stromabwärts des Einlasses verbindet, beinhaltet eine Schmelzenpumpe 116 sowie einen Mischer 118, die rieselfähig in Reihe miteinander verbunden sind. Die Schmelzenpumpe 116 kann eine Zahnradpumpe oder ein kleiner Extruder, die im Stand der Technik bekannt sein.
Der Mischer 118 beinhaltet einen Injektionsanschluss 120 für das Treibmittel zum Einführen eines Treibmittels. Der Mischer 118 kann ein statischer Mischer oder ein Hohlraum-Transfermischer, der ebenso im Stand der Technik bekannt ist, sein. Die in 8 dargestellte Anordnung erleichtert ein anderes Verfahren, welches zur Ausformung von einspritzgeformten mikrozellularen Teilen mit unterschiedlichen Materialdichten sinnvoll ist, wie dies vorab beschrieben wurde. Das Verfahren beinhaltet das Einführen eines Zwischenprodukts aus Polymer-Material in einen Extruder-Zylinder 102, das Aufschmelzen des Zwischenmaterials aus Polymer-Material sowie das Vorschieben des geschmolzenen Polymer-Materials 124 auf das stromabwärtige Ende 106 des Extruders 100 hin. Wenn das geschmolzene Polymer-Material 124 durch den Extruder-Zylinder 102 fortläuft, wird ein Abschnitt abgelenkt und durch den Einlass 113 in den Seitenstrom 114 durch die Schmelzenpumpe 116 vorgeschoben (beispielsweise nachdem das distale Ende der Schraube 110 proximal zum Einlass 113 des Seitenarms 114 zurückgezogen wurde). Wenn das geschmolzene Polymer-Material in dem Seitenstrom 114 durch den Mischer 118 fortläuft, wird Treibmittel von dem Gas-Injektionsanschluss 120 eingeführt und vollständig hierin gemischt, um eine einphasige, nicht nukleierte Lösung aus Treibmittel und geschmolzenem Polymer-Material auszuformen, die von dem Seitenstrom 114 in das stromabwärtige Ende 106 des Extruder-Zylinders 102 durch den Anschluss 115 zu befördern, wie dies in 8 dargestellt ist, während sich die vor- und zurücklaufende Schraube 110 vollständig zurückzieht. Dies kreiert eine treibmittelreiche Region 122 am distalsten Ende des Zylinders und eine treibmittelarme Region nahe der treibmittelreichen Region. Die relative Menge des treibmittelreichen Materials und des treibmittelarmen Materials kann durch die Rate gesteuert werden, bei der Material durch den Seitenarm 14 geführt und mit Treibmittel angereichert wird. Danach wird die vor- und zurücklaufende Aktion der Schnaube 110 dazu verwendet, die treibmittelreiche, einphasige Lösung aus nicht nukleiertem Treibmittel und geschmolzenem Polymer-Material 122, die von einem Abschnitt des treibmittelarmen geschmolzenen Polymer-Materials 124 gefolgt wird, in die Formgebungs-Kammer 108 zu injizieren.
Ein andere Ausführungsform stellt eine Technik zur schnellen und effizienten Einführung eines Treibmittels in ein fluides Polymer-Zwischenprodukt in Einspritz-Formvorrichtungen, wie sie hierin beschrieben wurden, zur Verfügung, sowie in Extrusions-Vorrichtung in Übereinstimmung mit im Wesentlichen jeder Anordnung. Diese Ausführungsform beinhaltet eine Extrusions-Schraube, die in 9 dargestellt ist und eine Öffnung in einer Oberfläche der Schraube aufweist, die innerhalb eines Extrusions-Zylinders (nicht gezeigt) positionierbar ist, der rieselfähig mit einer Treibmittel-Quelle in Wirkverbindung steht. Die Öffnung definiert die Endstelle eines Lumens, welches von einem Ort, der mit der Quelle verbindbar ist sowie von einem Ort am proximalen Ende der Schraube wegführt. In einer bevorzugten Ausführungsform tritt das Lumen längs entlang der Rotationsachse der Schraube von dem proximalen Ende der Schraube weg und verbindet sich mit einem oder mehreren Öffnungen an der Oberfläche der Schraube. Die eine oder mehreren Öffnungen sind vorzugsweise an äußeren Oberflächen der Schrauben-Gewindegänge platziert oder können leicht von den äußeren Oberflächen der Gewindegänge abgenommen sein, wodurch diese Positionierung die Einführung von Treibmittel in einer Weise erlaubt, dass das Treibmittel einer Scherung/Diffusion gegen die innere Oberfläche des Zylinders unterzogen wird. Eine oder mehrere Öffnungen können in Regionen zwischen den Gewindegängen ebenso platziert sein oder eine Kombination von Öffnungen kann bei einer Vielzahl von Plätzen verwendet werden. Mit Bezug auf 9 beinhaltet eine Extruder-Schraube 130 einen Gewindegang 132 sowie ein Lumen 134, welches die Wirkverbindung mit einer Öffnung 136 an der äußeren Oberfläche 138 des Gewindegangs 132 zur Verfügung stellt. Der Abschnitt 140 des Lumens 134 tritt von dem Lumen an der zentralen Achse der Schraube zur Öffnung 136 durch. Ein Vorteil bei der Einführung von Treibmittel über eine Öffnung innerhalb einer Schraube ist der, dass eine Gleichmäßigkeit des Treibmittel-Niveaus oder der Verteilung innerhalb eine Polymer-Zwischenprodukts in einer Anordnung zur Verfügung gestellt werden kann, die eine sich hin- und herbewegende Schraube verwendet, aufgrund eines gebrannten Einspritzpunkts an der Schraube.
Die oben beschriebenen Techniken können ebenso bei der gasunterstützten Co-Injektion verwendet werden. In dieser Technik wird ein Zwischenprodukt aus mikrozellularem Material extrudiert und nukleiert, während es in eine Form eingeführt wird, wie dies oben beschrieben wurde, während Gas in den Schmelzenstrom in einer solchen Weise injiziert wird, dass innerhalb der Form eine äußere Schicht gegen die Formwände aus nukleiertem Polymer-Material ausgeformt wird und ein zentraler Hohlraum, der mit co-injiziertem Gas befüllt wird, erzeugt wird. Das Zellwachstum kann so erzeugt werden, dass es wie in anderen Ausführungsformen eintritt.
Mikrozellulare Polymer-Gegenstände oder nicht mikrozellulare Polymer-Schaumgegenstände können produziert werden und eine Dicke oder Querschnittsdimensionen von weniger als 3,2 mm (0,125 Inch), vorzugsweise nicht mehr als 2,5 mm (0,100 Inch), besonders bevorzugt nicht mehr als etwa 1,9 mm (etwa 0,075 Inch), ganz besonders bevorzugt nicht mehr als etwa 1,27 mm (etwa 0,050 Inch), besonders bevorzugt nicht mehr als etwa 0,63 mm (etwa 0,025 Inch), besonders bevorzugt nicht mehr als etwa 6,25 mm (etwa 0,010 Inch) über das Einspritzformen aufweisen, da eine einphasige Lösung aus Polymer-Zwischenprodukt und überkritischem Fluid eine besonders niedrige Viskosität aufweist und auf diese Weise in eine Form injiziert und als geschäumter Gegenstand darin ausgeformt werden kann. So kann beispielsweise eine einphasige Lösung aus überkritischem Fluid und Polymer in eine Form eingeführt werden und dadurch kann ein konventionell aufgeschäumter oder mikrozellularer Gegenstand produziert werden. Die niedrige Viskosität des in die Form injizierten Fluids erlaubt Einspritz-Form-Zykluszeiten von weniger als 10 Minuten, vorzugsweise weniger als 5 Minuten und insbesondere vorzugsweise weniger als 1 Minute, vorzugsweise weniger als 30 Sekunden, ganz besonders bevorzugt weniger als 20 Sekunden, überaus bevorzugt weniger als 10 Sekunden und gang besonders bevorzugt weniger als 5 Sekunden, wie dies oben beschrieben wurde.
Die vorliegende Offenbarung steht ebenso für die Produktion von geformten mikrozellularen Polymer-Gegenständen oder geformten nicht mikrozellularen Polymer-Schaumgegenständen einer Form einer Formgebungs-Kammer inklusive zumindest eines Abschnitts zur Verfügung, der eine Querschnitts-Dimension von nicht mehr als etwa 3,2 mm (etwa 0,125 Inch) oder in anderen Ausführungsformen kleinere Dimensionen, wie sie oben beschrieben wurden, aufweist, wobei der Gegenstand ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 5% aufweist. Vorzugsweise ist das Hohlraumvolumen zumindest etwa 10%, ganz besonders bevorzugt zumindest etwa 15%, besonders bevorzugt zumindest etwa 20%, überaus bevorzugt zumindest etwa 25% und ganz besonders bevorzugt zumindest etwa 30%. In anderen Ausführungformen weist der Gegenstand ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% auf. Dies ist eine signifikante Verbesserung dahingehend, dass es eine Herausforderung im Stand der Technik war, eine Gewichtsreduktion in Polymer-Material über das Schaum-Hohlraumvolumen in Gegenständen mit sehr kleinen Dimensionen zur Verfügung zu stellen. Die Gegenstände beinhalten die oben angegebenen Hohlraumvolumina in denjenigen Abschnitten, die Querschnittsdimensionen von nicht mehr als etwa 3,2 mm (etwa 0,125 Inch) oder andere, kleinere Dimensionen, wie sie oben beschrieben wurden, aufweisen. Die Offenbarung stellt ebenso die Produktion von geformten mikrozellularen Polymer-Gegenständen oder geformten nicht mikrozellularen Schaum-Polymer-Gegenständen mit einer Vielzahl an Dicken und Hohlraumvolumina zur Verfügung. In einem Satz von Ausführungsformen beinhalten die geformten. Gegenstände zumindest einen Abschnitt, der eine Querschnitts-Dimension von zwischen etwa 1,9 und etwa 3,2 mm (etwa 0,075 Inch und etwa 0,125 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 10% aufweist. Die geformten Gegenstände gemäß dieser Ausführungsform weisen vorzugsweise ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 20%, besonders bevorzugt von zumindest etwa 30%, noch bevorzugter von zumindest etwa 40% und insbesondere bevorzugt von zumindest etwa 50% auf.
In einem anderen Satz von Ausführungsformen beinhalten die geformten Gegenstände zumindest einen Abschnitt, der eine Querschnitts-Dimension von zwischen etwa 3,2 und etwa 3,8 mm (etwa 0,125 Inch und etwa 0,150 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 15% aufweist. Die geformten Gegenstände gemäß dieser Ausführungsform weisen vorzugsweise ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 20%, besonders bevorzugt von zumindest etwa 30%, ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 40% und insbesondere bevorzugt von zumindest etwa 50% auf.
In einem anderen Satz von Ausführungsformen beinhalten die geformten Gegenstände zumindest einen Abschnitt, der eine Querschnitts-Dimension von zwischen etwa 3,8 und 8,9 mm (etwa 0,150 Inch und etwa 0,350 Inch) sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 20% aufweist. Die geformten Gegenstände gemäß dieser Ausführungsform weisen vorzugsweise ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 30%, besonders bevorzugt von zumindest etwa 40%, ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 50%, insbesondere bevorzugt von zumindest etwa 60% und ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 70% auf. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen dieses Satzes beinhalten die geformten Gegenstände zumindest einen Abschnitt, der eine Querschnitts-Dimension von zwischen etwa 3,8 und etwa 6,3 mm (etwa 0,150 und etwa 0,250 Inch) aufweist.
Die hierin offenbarten Verfahren erlauben ebenso die Produktion von einer höheren Gewichtsreduktion, wie sie hierin beschrieben wurde, sowie kleinerer Zellen bei einspritzgeformten Teilen, die Dicken größer als 3,2 mm (0,125 Inch) aufweisen, beispielsweise zwischen 5 mm und etwa 12,7 mm (0,200 Inch und etwa 0,500 Inch) Dicke.
Die vorliegende Offenbarung beinhaltet ein System sowie ein Verfahren zur Produktion von dicken und dünnen geformten Schaum-Teilen mit Oberflächen, die feste Teile replizieren. Zumindest ein Abschnitt der Oberfläche dieser Teile ist frei von Spreizern und mit bloßem Auge ersichtlichen Verwirblungen. Die 16 bis 18 demonstrieren in Verbindung mit Beispiel 9 (unten) die Ausbildung von Polymer-Teilen, die Oberflächen aufweisen, die frei von Spreizern und mit dem bloßen Auge erkennbaren Verwirbelungen sind. Derartig geformte Teile können produziert werden, wenn die Temperatur der Schmelze und die Form-Temperatur sowie die Treibmittelkonzentration optimiert wird, um es dem Treibmittel zu ermöglichen, von der Oberfläche des Teils derart weg zu diffundieren, dass die Oberfläche eine Hautschicht beinhaltet, die im Wesentlichen frei von Zellen ist. Die Hautschicht ist im Wesentlichen ein festes Polymer, so dass das Teil als festes Polymer-Teil dem bloßen menschlichen Auge erscheint. Spreizer und Verwirbelungen in geschäumtem Polymer-Material werden durch Blasen an der Oberfläche bewirkt, die gegen die Formwand mitgerissen werden. Wo Blasen an der Oberfläche aufgrund von Temperatursteuerung entfernt werden, werden Spreizer sowie Verwirbelungen vermieden. In diesen Ausführungsformen werden die geformten Teile mit einer äußeren Haut aus im Wesentlichen festem Polymer-Material, welches frei von Zellen ist und eine Dicke von zumindest 3 Mal der durchschnittlichen Zellgröße des Schaum-Materials aufweist, produziert. Vorzugsweise ist die Dicke der äußeren Haut zumindest etwa 5 Mal die durchschnittliche Zellgröße des Materials. Ein anderer Grund dafür, dass gemäß der Erfindung geformte Teile produziert werden können, die frei von sichtbaren Spreizern und Verwirbelungen sind, ist der, dass vermutet wird, dass die Diffusionsrate eines überkritischen fluiden Treibmittels schneller ist als die von typischen Treibmitteln, was ermöglicht, dass die Diffusion an der Oberfläche des Gegenstands eintritt, um wie beschrieben eine feste Hautschicht auszubilden.
Wie erwähnt ermöglicht die Offenbarung die Produktion von geformtem Schaum-Polymer-Material, vorzugsweise mikrozellularem Material, welches dünne Abschnitte aufweist. Insbesondere können Gegenstände mit einem hohen Verhältnis von Länge zu Dicke produziert werden. Die Erfindung stellt einspritzgeformte Polymer-Materialien zur Verfügung, die ein Längen- zu Dickenverhältnis von zumindest etwa 50:1 aufweisen, wobei das Polymer einen Schmelzindex von weniger als 10 aufweist. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Länge zu Dicke zumindest etwa 75:1, besonders bevorzugt von zumindest etwa 100:1 und ganz besonders bevorzugt zumindest etwa 150:1. In einer anderen Ausführungsform wird ein Gegenstand zur Verfügung gestellt, der ein Verhältnis von Länge zu Dicke von zumindest etwa 120:1 aufweist, wobei das Polymer eine Schmelzflussrate von weniger als etwa 40 aufweist. In dieser Ausführungsform ist das Verhältnis der Länge zu Dicke vorzugsweise zumindest etwa 150:1, besonders bevorzugt zumindest 175:1, ganz besonders bevorzugt zumindest etwa 200:1 und insbesondere bevorzugt zumindest 250:1. In diesem Kontext definiert das Verhältnis der Länge der Erstreckung eines Abschnitts des geformten Polymer-Teils, der sich weg von dem Einspritzort in der Form (Düse) erstreckt, und die Dicke über diese Distanz.
Eine besonders vorteilhafte Kombination von Merkmalen der Offenbarung ist ein dünnes geformtes Teil bei einem relativ großen Hohlraumvolumen. Insbesondere werden Schaum-Polymer-Gegenstände offenbart, die einen Abschnitt mit einer Dicke von weniger als etwa 1,2 mm und ein Hohlraumvolumen von zumindest 30% aufweisen. In einer andere Ausführungsform wird ein Polymer-Gegenstand zur Verfügung gestellt, der eine Dicke von weniger als etwa 0,7 mm und ein Hohlraumvolumen von zumindest 15% aufweist.
In einem anderen Satz von Ausführungsformen werden eine Reihe von geformten Polymer-Gegenständen zur Verfügung gestellt.
Zumindest 70% der vollständigen Anzahl der Zellen in den Polymer-Gegenständen dieses Satzes von Ausführungsformen haben eine Zellgröße von weniger als 150 μm. Vorzugsweise weisen zumindest 30% der vollständigen Anzahl der Zellen eine Zellgröße von weniger als 800 μm, besonders bevorzugt weniger als 500 μm und ganz besonders bevorzugt weniger als 200 μm auf. In einigen Ausführungsformen dieses Satzes weisen zumindest 80%, bevorzugt zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt zumindest 95% und insbesondere bevorzugt zumindest 99% der vollständigen Anzahl der Zellen eine Zellgröße von weniger als 150 μm auf. In bestimmten Ausführungsformen weisen zumindest 80%, besonders bevorzugt zumindest 90%, ganz besonders bevorzugt zumindest 95% und insbesondere bevorzugt zumindest 99% der vollständigen Anzahl der Zellen eine Zellgröße von weniger als 100 μm auf. Die geformten Gegenstände dieses Satzes von Ausführungsformen können eine Vielzahl von Hohlraumvolumina aufweisen. Beispielsweise können die geformten Gegenstände ein Hohlraumvolumen von zumindest 10%, zumindest 20%, zumindest 30%, zumindest 40% oder zumindest 50% aufweisen.
In bevorzugten Ausführungsformen werden Gegenstände zur Verfügung gestellt, die Dicken vorliegen, wie sie hierin bei hier definierten Hohlraumvolumina aufweisen, wobei die maximale Dicke über zumindest etwa 25% des Gegenstands existiert, d.h., dass zumindest etwa 25% des Bereichs eines dünnen geformten Teils eine Dicke von weniger als der beschriebenen aufweist. In anderen Ausführungsformen können mehr Teile des Gegenstands eine Dicke von weniger als der definierten maximalen Dicke aufweisen, beispielsweise 50% oder 100%.
Ein anderes Formgebungs-System ist in den 19 und 20 dargestellt. Das Formgebungs-System 150 gemäß diesen Figuren ist so ausgestaltet, dass es das Einspritz-Formen von mikrozellularem Polymer-Material, insbesondere von mikrozellularem Polyolefinen sowie Polypropylen und Polyethylen erlaubt. Das System 150 erlaubt die Produktion von relativ dicken Teilen, während es EPP-Prozeduren typischerweise existierender Polypropylen-Schäume vermeidet. Das System 150 beinhaltet einen Einlass 152, der so aufgebaut und angeordnet ist, dass er ein Zwischenmaterial von geformten mikrozellularen Polymer-Material aufnimmt, so wie es von einem Extruder und/oder Speicher, wie er in den 1, 2 und 5 bis 7 dargestellt ist, zur Verfügung gestellt wird. Ein Kanal 154 verbindet den Einlass 152 mit einer Formgebungs-Kammer 156.
Der Kanal 154 beinhaltet einen Keimbildungs-Durchgang 158, der Längen- und Querschnitts-Dimensionen aufweist, die einen Druckabfall in einer fluiden, einphasigen Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel bei einer Druckabfallrate erzeugen, die ausreichend ist, um die mikrozellulare Keimbildung zu bewirken, wenn die Lösung durch den Keimbildungs-Durchgang bei Raten, für die das System konstruiert wurde, hindurchgeführt wird. Da die Gestaltung eines Formgebungs-Systems und der Einführungsrate des Polymer-Materials in eine Form typischerweise in Zusammenhang miteinander geplant werden, werden die Fachleute den Sinn des Bezugs auf Raten, für die das System konstruiert wurde, verstehen. Speziell weist der Keimbildungs-Durchgang Längen- und Querschnitts-Dimensionen auf, die einen Druckabfall bei einer Rate von zumindest etwa 0,3 GPa/sec in dem fluiden Polymer-Material und Treibmittel bewirken, sowie einer einphasigen Lösung, beispielsweise beim Hindurchführen durch den Durchgang bei einer Rate von größer als 18 kg (40 Pfund) Fluid pro Stunde. Andere Fließraten und Druckabfallraten, die für die mikrozellulare Keimbildung geeignet sind, werden beim Lesen der vorliegenden Anmeldung ersichtlich.
Der Kanal 154 beinhaltet einen Zellwachstums-Abschnitt 160 zwischen dem Keimbildungs-Durchgang 158 und der Formgebungs-Kammer 156, deren Querschnitts-Dimensionen in der Dichtung der Formgebungs-Kammer ansteigt. Der Kanal 154 beinhaltet ebenso einen Divergenz-Abschnitt 162 zwischen dem Einlass 152 und der Formgebungs-Kammer, insbesondere zwischen dem Einlass und dem Keimbildungs-Durchgang. Der Divergenz-Abschnitt 162 weist in einer stromabwärtigen Richtung (auf die Formgebungs-Kammer 156 hin) eine ansteigende Breite auf, während sein Abstand (Höhe) absinkt. Das Ergebnis ist ein Anstieg der Breite, während ein Querschnittsbereich, der sich nicht signifikant verändert, beibehalten wird. Speziell steigt die Breite des Divergenz-Abschnitts um zumindest etwa 100%, vorzugsweise zumindest etwa 200% und ganz besonders bevorzugt um zumindest 300% an, während ein Querschnittsbereich beibehalten wird, der sich um nicht mehr als etwa 25%, vorzugsweise um nicht mehr als etwa 15% und ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als etwa 10% verändert. Der Divergenz-Abschnitt 162 erlaubt die Einführung von geformten mikrozellularen Material-Zwischenprodukt durch den Einlass 152 und die Lieferung des Zwischenprodukts zum Keimbildungs-Durchgang 158, während der Durchgangs-Fluss zu einer Dimension aufgeweitet wird, die gleich der Breite der Formgebungs-Kammer 156 ist, während ein relativ konstantes Druckprofil in dem Material beibehalten wird.
Der Aufbau des Divergenz-Abschnitts 162 und des Keimbildungs-Durchgangs 158 erlaubt es dem Keimbildungs-Durchgang, ein Verhältnis von Breite zu Höhe (Verhältnis der in 19 dargestellten Dimension relativ zu der Dimension, wie sie in 20 dargestellt ist) von zumindest etwa 1,5:1, besonders bevorzugt von zumindest etwa 2,0:1, insbesondere bevorzugt von etwa 5,0:1, ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 10:1 und ganz besonders bevorzugt von zumindest etwa 20:1. Dies ermöglicht es dem Keimbildungs-Durchgang, eine Breite aufzuweisen, die gleich einer Dimension der Formgebungs-Kammer 156 ist, wodurch mikrozellulare Polymer-Gegenstände, die sowohl breit als auch dick sind, leicht innerhalb des System 150 nukleiert und geformt werden können. Zusätzlich kann konventionelles (d.h. nicht mikrozellulares) Schaum-Polymer-Material unter Verwendung des Systems 150 ebenso einspritzgeformt werden. Insbesondere kann nicht geschäumtes Polymer-Material in die Formgebungs-Kammer 156 injiziert werden und diesem ermöglicht werden, aufzuschäumen, um eine Form aufzuweisen, die im Wesentlichen identisch mit der der Formgebungs-Kammer (inklusive durch Definition größer, wo eine expandierte oder "aufgebrochene" Form verwendet wird), wobei der Gegenstand zumindest einen Abschnitt aufweist, der eine Querschnitts-Dimension von zumindest einem ½ Inch in wenigstens zwei sich senkrecht schneidenden Querschnitts-Achse sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% aufweist. Höhere Hohlraumvolumina von 60%, 70% und 80% können ebenso unter Verwendung dieses Systems in Kombination mit jeder größeren Dicke von zumindest etwa 19 mm, 25 mm oder 38 mm (etwa 0,75 Inch, 1 Inch oder 1,5 Inch) erreicht werden.
Ein spezieller Vorteil, der durch den physikalischen Aufbau des Divergenz-Abschnitts 162 des Keimbildungs-Durchgangs 158 sowie des Zellwachstums-Bereich 160 des Systems 150 zur Verfügung gestellt wird, ist der, dass die Injektion von fluider, einphasiger Lösung aus Polymer-Material in das Formgebungs-Kammersystem und bei einer signifikanten Breitendimension, das Unterwerfen der Lösung einem schnellen Druckabfall am Keimbildungs-Durchgang, um die mikrozellulare Keimbildung zu bewirken, und im Wesentlichen direkt danach der Ermöglichung und Steuerung von Zellwachstum in dem Zellwachstums-Bereich 160 durch Unterwerfen des Materials einem geregelten Druckabfall, bei einer Rate weniger als der Druckabfallrate, der die Lösung in dem Keimbildungs-Durchgang 158 unterzogen wird, und dass währenddessen das Zellwachstum absinkt. Dies bedeutet, dass die durch nukleiertes Polymer-Material in dem Zellwachstums-Bereich 160 ermittelte Druckabfallrate während des Zellwachstums absinkt, um ein gleichförmiges, geregeltes mikrozellulares Material zur Verfügung zu stellen. Die Verwendung des Formgebungs-Systems 150 in Verbindung mit der Extrusions- und/oder Speicher-Vorrichtung, wie sie vorab beschrieben wurde, erlaubt die Produktion von einzigartigen dicken und breiten geformten Polymer-Gegenständen inklusive mikrozellularen geformten Polymer-Gegenständen, die eine Gleichmäßigkeit hinsichtlich ihrer Zellstruktur aufweisen, die viel besser als die von EPP und EPS-Schäumen ist. Wie bereits oben erwähnt können bei der Produktion von EPP und EPS-Schäumen Fusionslinien zwischen den Perlen nach der Formgebung leicht mit bloßem Auge erkannt werden. Die geformten Gegenstande gemäß der vorliegenden Erfindung sind im Gegensatz hierzu frei von Fusionslinien in der Zellstruktur. Dies bedeutet, dass sie frei von periodischen festen Grenzflächen (Fusionslinien in geformtem EPP oder EPS) einer Dicke von größer als etwa 5 Mal der durchschnittlichen Zellwanddicke sind. Vorzugsweise sind die Gegenstände frei von periodischen Feststoffgrenzen mit Dicken größer etwa 4 Mal der durchschnittlichen Zellwanddicke und ganz besonders bevorzugt sind sie frei von periodischen Grenzen, die größer als etwa 3 Mal der durchschnittlichen Zellwanddicke sind. Das System 150 erlaubt ebenso die Produktion von dickem und breitem Polymer-Material, welches mikrozellulares Polymer-Material beinhaltet, bei Form-Temperaturen, die viel niedriger als die von typischen Dampf-Kastenformen des EPP und EPS sind. Insbesondere kann ein fluides Zwischenprodukt geschäumten Polymer-Material in die Formgebungs-Kammer 156 bei einer Formgebungs-Kammertemperatur von weniger als etwa 100°C injiziert werden. Der Mischung wird dann ermöglicht, sich innerhalb der Formgebungs-Kammer als Polymer-Gegenstand zu verfestigen, vorzugsweise als ein mikrozellularer Polymer-Gegenstand inklusive zumindest eines Abschnitts, der Querschnitts-Dimensionen von wenigstens einem ½ Inch in jeder der drei sich senkrecht schneidenden Querschnitts-Achsen, sowie ein Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% (oder höhere Werte, wie sie oben benannt sind) aufweist. Vorzugsweise ist die Form-Temperatur geringer als etwa 75°C bei dieser Technik, insbesondere bevorzugt weniger als etwa 50°C und ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 30°C.
Das System erlaubt ebenso sehr schnelle Zykluszeiten beim Einspritzformen von mikrozellularem Polymer-Material mit einem Hohlraumvolumen von zumindest etwa 50% (oder höhere Werte, wie sie oben benannt sind). Insbesondere kann eine Zykluszeit (wiederholtes Injizieren von nicht geschäumtem Material, Ermöglichen der Verfestigung der Mischung innerhalb der Formgebungs-Kammer als mikrozellularer Polymer-Gegenstand sowie Entfernen des Gegenstands aus der Form und Wiederhohlen) bei Zykluszeiten von weniger als etwa 1 Minute, besonders bevorzugt weniger als etwa 45 Sekunden, ganz besonders bevorzugt weniger als etwa 30 Sekunden, und insbesondere bevorzugt weniger als etwa 25 Sekunden durchgeführt werden.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass das Formgeben von Material inhärent eine Haut-Schaum-Haut-Struktur ergeben kann und dass die Haut-Schaum-Haut-Struktur basierend auf der Temperatur und anderen Einspritz-Bedingungen kontrolliert werden kann, um eine dickere oder dünnere Haut zu ergeben. Es ist ebenso aus dem Stand der Technik bekannt, dass eine Haut-Schaum-Haut-Struktur ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht als ein ähnliches Teil ohne eine Haut oder mit einer relativ dünnen Haut aufweist. Es ist allgemein übliche Praxis, die Festigkeit in geformten Haut-Schaum-Haut-Teilen basierend auf sogenannten "I-beam"-Formulierungen zu berechnen. Jedoch ist den Anmeldern keine frühere Arbeit bekannt, die die Zellgröße bei der Vorhersage oder Berechnung des Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht jedweder geformten Haut-Schaum-Haut-Struktur einbezieht.
Es ist ein anderes Merkmal der vorliegenden Lehre, dass sehr starke, dünne Teile erzeugt werden können. Insbesondere wird aufgrund der Eignung, sehr dünne, geschäumte Teile mit sehr kleinen Zellen auszuformen, die eine Haut-Schaum-Haut-Struktur beibehalten, was früher mit dünnen geschäumten Teilen unmöglich war, unerwartete Verhältnisse von Zugfestigkeit zu Gewicht in den geformten Materialien zu erzielen. Insbesondere kann die Lehre geformte Polymer-Teile zur Verfügung stellen, die zumindest einen sehr dünnen Abschnitt aufweisen und das Verhältnis Festigkeit zu Gewicht (dargestellt als Festigkeit zu Dichte) von zumindest etwa 1,93 GPa (etwa 280000 psi/g/cm³), besonders bevorzugt von zumindest etwa 2,00 GPa (etwa 290000 psi/g/cm³) sowie besonders bevorzugt von zumindest etwa 2,09 GPa (etwa 300000 psi/g/cm³) einstellen. Die dünnen Abschnitte dieser Teile weisen eine Dicke von weniger als 6 mm (etwa 0,250 Inch) oder weniger als etwa 3,8 mm (etwa 0,150 Inch) oder weniger als etwa 2,5 mm (etwa 0,100 Inch) auf und in jedem dieser Fälle weisen sie sämtliche oben beschriebenen Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht auf.
Obwohl nicht erwünscht ist, an irgendeine Theorie gebunden zu sein, vermuten die Anmelder, dass die unerwarteten Verhältnisse von Festigkeit zu Gewicht, die beobachtet wurden, aufgrund der Maximierung der Anzahl von Zellwänden über einen dünnen Abschnitt, wenn die Zellgröße minimiert wird, herrühren. Das bedeutet, dass bei Betrachtung eines Querschnitts einer dünnen Haut-Schaum-Haut-Struktur mit relativ größeren Zellen relativ weniger Zellwände über die Struktur hinweg existieren und die Möglichkeit einer Zell-Brückenbildung innerhalb der gesamten Schaumstruktur besteht. Solch eine Brücke würde eine sehr schwache Verbindung in der Struktur erzeugen. Im Gegensatz hierzu ist in der hier erzeugten mikrozellularen Haut-Schaum-Haut-Struktur die Anzahl der Zellen (somit die Anzahl der Zellwände) über die Struktur zwischen den Haut-Abschnitten maximiert und ein gleichmäßiges zellulares Polymer-Netzwerk und gleichmäßige Festigkeits-Charakteristika über den Schaum existieren zwischen den Haut-Strukturen. Somit können, während in dünnen Teilen die durchschnittliche Festigkeit über den Teil ähnlich zu der der durchschnittlichen Festigkeit mit einer Struktur mit größeren Zellen sein kann, Gegenstände in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, die stärker sind, da der Punkt einer typischen minimalen Festigkeit, der eine Zelle oder einen Hohlraum-Verbindung repräsentiert, in der gesamten Struktur eliminiert wurde.
Es ist ein anderes Merkmal der vorliegenden Lehre, dass Gegenstände produziert werden können, die ohne Verwendung von Trübungsmitteln opak sind. Dies liegt daran, dass Polymer-Schaum Licht bricht, so dass er im Wesentlichen opak ist und eine weiße Erscheinung aufweist. Es ist ein Merkmal der Offenbarung, dass mikrozellulare Schäume opaker und in derartiger Hinsicht gleichmäßiger sind als konventionelle Schäume. Dies ist ein signifikanter Vorteil in Verbindung mit Gegenständen, die so aufgebaut und angeordnet sind, dass sie Materialien enthalten, die unter Aussetzung von Licht verderben können, so wie Lebensmittel-Behälter. Solch ein Material kann Lebensmittel beinhalten, die von Tieren sowie Menschen konsumierbar sind, die Vitamine enthalten, die unter Lichteinfluss zerstört werden können. Während Trübungsmittel so wie Pigmente typischerweise zu Gegenständen hinzugefügt werden, sind pigmentierte Materialien dem Recycling weniger zugänglich. Die vorliegende Lehre kann dünne, opake Gegenstände zur Verfügung stellen, die weniger als 1 Gew.-% Hilfs-Trübungsmittel, vorzugsweise weniger als etwa 0,05 Gew.-% Hilfs-Trübungsmittel und insbesondere bevorzugt Material beinhalten, das im Wesentlichen frei von Hilfs-Trübungsmittel ist. Der Begriff "Hilfs-Trübungsmittel", wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, wird so verstanden, dass Pigmente, Farben oder andere Spezies definiert sind, die so gestaltet sind, dass sie speziell Licht absorbieren, oder Talkum oder andere Materialien, die Licht abblocken oder brechen können. Der Fachmann kann testen, ob ein Additiv ein Trübungsmittel ist. Mikrozellulare blasausgeformte Gegenstände gemäß der vorliegenden Lehre haben eine Erscheinung von im Wesentlichen festen, weißen Kunststoffgegenständen, die einen signifikanten kommerziellen Reiz offerieren.
Die offenbarten Systeme können ein (nicht gezeigtes) Begrenzungselement beinhalten, wie es in der ebenso anhängigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 09/285,948, am 2. April 1999 angemeldet und mit dem Titel "Methods For Manufacturing Foam Material Including Systems With Pressure Restriction Element" beschrieben ist. Das Begrenzungselement, beispielsweise ein Absperrventil, ist stromaufwärts eines Treibmittel-Injektions-Anschluss positioniert, um die Lösung aus Polymer und Treimittel in dem Extruder oberhalb eines minimalen Drucks über einen Injektions-Zyklus und vorzugsweise oberhalb des für die Beibehaltung einer einphasigen Lösung aus Polymer und Treibmittel erforderlichen kritischen Drucks zu halten.
Die offenbarten Systeme können aufgeheizte Kanäle (nicht gezeigt) beinhalten. Der Terminus "Kanal", wie er hierin verwendet wird, wird so verwendet, dass er einen Fluid-Durchgang definiert, der das Auslassende des Injektions-Systems (Auslass des Nukleators gemäß einigen Ausführungsformen) sowie die Formgebungs-Kammer rieselfähig verbindet und/oder verschiedene Abschnitte des Formgebungs-Hohlraums beispielsweise dort rieselfähig verbindet, wo komplexe geformte Formen erwünscht sind. Kanäle sind im Stand der Technik bekannt. In einigen konventionellen Schaum-Einspritz-Formgebungs-Systemen härtet in den Kanälen verbliebenes Material aus und wird mit dem geformten Teil entfernt. Die vorliegende Offenbarung stellt Kanäle zur Verfügung, die von thermischen Steuereinheiten angesteuert werden, beispielsweise Durchgänge für das Hindurchströmen von einem erhitzten Fluid. Dies ist in Übereinstimmung mit bestimmten Ausführungsformen sinnvoll, in denen es nicht vorteilhaft ist, das Polymer-Gegenstand-Zwischenprodukt-Material in einem fluiden Zustand innerhalb der Kanäle beizubehalten, um einen Druckabfall zu eliminieren, der eintreten kann, wenn ein Spalt in dem Material innerhalb des Kanals eintreten könnte, wenn beispielsweise ausgehärtetes Material entfernt wurde. Die Vorrichtung kann beispielsweise einen Extruder zum Zuführen einer fluiden, einphasigen Lösung aus Polymer-Material und Treibmittel, einen Keimbildungs-Durchgang und stromabwärts des Durchgangs einen Kanal zwischen dem Durchgang und einer Formgebungs-Kammer beinhalten, wobei der Kanal ein Ventil an dessen stromabwärtigem Ende beinhaltet, welches geöffnet wird, wenn die Form befüllt werden soll und welches geschlossen wird, wenn die Form zu öffnen ist und ein Gegenstand entfernt wird. Wenn geschmolzenes Polymer-Material verwendet wird, dann wird, wenn der Kanal erhitzt wird, das nukleierte Material innerhalb des Kanals fluid bleiben und zur Injektion in die Form geeignet bleiben. Die Ausführungsform der Vorrichtung, die Temperatur gesteuerte Kanäle beinhaltet, kann in jeder Art einer Vielzahl von Einspritz-Formgebungs-Systemen, die jede Anzahl von Kanälen zwischen verschiedenen Komponenten und wenn nötig positionierte Ventile, die geeigneterweise das Befüllen der Formen oder der Formabschnitte periodisch ohne die Wendigkeit für die Entfernung und das Auswerfen ausgehärteten Materials aus den Kanälen Verwendung finden. Der Kanal kann der Keimbildungs-Durchgang sein.
Die Funktion und der Vorteil dieser und anderer Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Lehre wird deutlicher aus den unten angegebenen Beispielen verständlich. Die Beispiele sind dazu vorgesehen, die Vorteile der vorliegenden Offenbarung darzustellen, jedoch nicht den vollständigen Schutzbereich der Erfindung zu zeigen. Die unten angegebenen Beispiele zeigen Vorteile der Einspritzformung einer Charge aus Polymer-Material und überkritischem fluidem Treibmittel dahingehend, dass Gegenstände ausgeformt werden, die eine Oberfläche aufweisen, die mit der inneren Oberfläche einer Formgebungs-Kammer übereinstimmen, die frei von Spreizern und mit dem bloßen Auge erkennbaren Verwirbelungen sind.
Beispiel 1
Ein Zwei-Stufen-Einspritzformer (Engel Manufaktur) wurde mit einem Verhältnis l/d von 32:1 und mit einer 40 mm Plastizier-Einheit, welche geschmolzenes Polymer in einen Kolben mit 40 mm Durchmesser zuführt, konstruiert. Der Kolben und die Plastizier-Einheiten wurden mittels einer mit einer Feder belasteten Kugelrückschlag-Verbinderanordnung verbunden. Der Kolben war in der Lage, eine typische pneumatisch angetriebene Abschalt-Düse in eine Form zu injizieren. Die Injektion von überkritischem CO₂ wurde durch Platzieren eines Injektionssystems, welches einen radial positionierten Anschluss beinhaltet, der 176 Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm (0,02 Inch) enthielt, bei etwa 16 bis 20 Durchmessern von dem Zufuhrabschnitt eines Injektionssystems erreicht. Das Injektions-System beinhaltete ein betätigtes Steuerungsventil, um eine Massen-Fließrate des Treibmittels bei Raten von 91 g bis 5,4 kg/hr (von 0,2 bis 12 lbs/hr) zu dosieren.
Der Plastizierer war mit einer Zwei-Stufen-Schraube ausgestattet, die eine konventionelle erste Stufenzufuhr, eine Grenze, einen Übergang sowie einen Dosierabschnitt, der von einem Mischabschnitt mit einer Vielzahl von Gewindegängen für die Homogenisierung des Treibmittels gefolgt wurde, beinhaltete. Der Zylinder war mit Aufheiz-/Kühl-Bändern eingesetzt. Der Aufbau erlaubte die Homogenisierung und die Abkühlung der homogenen einphasigen Lösung des Polymers und Gases.
Das hydraulische System, welches dazu verwendet wurde, sämtliche Teile der Formgebungs-Maschine zu bewegen, wurde so modifiziert, dass es einen Schmelzendruck von zumindest 6,9 MPa (1000 psi) aufwies, jedoch nicht mehr als 193 MPa (28000 psi) zu irgendeinem Zeitpunkt. Diese Technik steuert und behält die einphasige Lösung aus Polymer und Gas zu jedem Zeitpunkt vor der plastischen Injektion in die Form bei.
Beispiel 2: Einspritzformung von mikrozellularem Polystyren
Die Formgebungs-Maschine, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wurde, wurde dazu verwendet, mikrozellulare Polystyren-Platten zu formen. Polystyren-Pellets (Novacor 2282, 11 M. I.) wurden in den Plastizierer zugeführt und in den meisten Fällen mit Treibmittel vermischt, um eine einphasige Lösung auszuformen, dann durch Injizierung in eine Platten-Form mit zentralem Zugang und 127 × 279 × 1,27 mm (5 × 11 × 0,050 Inch) anschließend nukleiert. Die Injektion erfolgte durch einen kalten Gießtrichter. Die Injektionsrate wurde variiert, um die Beziehung zwischen den Prozessvariablen und der Zellgröße und der Gewichts-Reduktion zu bestimmen. Die Zellgröße wurde auf unter 30 μm eingeregelt und die Gewichtsreduktion so hoch wie 20%. Siehe hierzu die Tabellen 1 und 2 und die korrespondierenden 10 bis 15.
Tabelle 1: Effekt der Injektionsgeschwindigkeit auf die Zellgröße und die Gewichtsreduktion
Tabelle 2: Effekt der Gas-Konzentration auf die Zellgröße und die Gewichtsreduktion

Schmelzen-Temperatur = 160°C
Form-Temperatur = 66°C
Injektionsgeschwindigkeit = 101 mm/sec (4,0''/sec)
Gießtrichter = 9,5 mm (0,375') Durchmesser

Beispiel 3: Einspritzformung von mikrozellularem Polyethylen Terepthalat
Die in Beispiel 1 beschriebene Einspritz-Formmaschine wurde dazu verwendet, PET (Eastman, 0,95 IV) in einem Hohlraum von 127 × 279 × 5,1 mm (5 × 11 × 0,200 Inch) nach dem Trocknen für vier Stunden bei 177°C (350°F) zu formen.
Die Schmelzen-Bearbeitungs-Temperatur war 288°C (550°F), die Form-Temperatur war 66°C (151°F) und wurde mit 12% CO₂ injiziert. Der Druck, mit dem die Schmelze unter Druck gesetzt wurde, war bei 3000 psi und die Einspritzgeschwindigkeit war 127 mm (5,0 Inch) pro Sekunde.
Die Gewichtsreduktion war 30% und die Zellgröße war im Durchmesser bei 30 bis 40 μm.
Beispiel 4: Einspritz-Formung von Polypropylen mit hohen Niveaus an Gewichtsreduktion
Die in Beispiel 1 beschriebene Einspritz-Formmaschine wurde dazu verwendet, Polypropylen (Schmelzflussrate (MFR), Co-Polymer, Montell 7523), Polypropylen (20 MFR, Co-Polymer, Montell SD-376) und ein mit Talkum gefülltes Polypropylen (4 MFR, 40% Talkum-Befüllung, Montell 65f4-4) in eine Platte von 127 × 279 mm (5 × 11 Inch) mit variabler Dicke zu formen.
Hohe Gewichtsreduktionen wurden durch Verwendung der folgenden Bedingungen erzielt:
Tabelle 3
Beispiel 5: Einspritzformung von Polystyren-Teilen mit Dichtenreduktionen größer als 70%
Die in Beispiel 1 beschriebene Einspritz-Formmaschine wurde dazu verwendet, Polystyren unter Bedingungen zu formen, die denen aus Beispiel 2 ähnlich waren, jedoch mit Formtemperaturen im Bereich von 66 bis 121°C (von 150°F bis 250°F) und Abkühlzeiten im Bereich von 3,2 bis 22,8 Sekunden. Wie folgt wurden große Dichtenreduktionen beobachtet:
Tabelle 4:
Beispiel 6: Keimbildung nach der Form und Zellwachstum eines Teils aus verfestigtem Polymer und überkritschem Fluid
Die in Beispiel 1 beschriebene Einspritz-Formmaschine wurde dazu verwendet, Polystyren (Novacor 2282, 11 M. I.) zu Formen. Polystyren-Pellets wurden in den Plastizierer zugeführt und wie in Beispiel 2 beschrieben injiziert. Das in die Form injizierte Material wurde in der Form auf eine Temperatur unter der Verfestigungstemperatur des Polystyrens abgekühlt. Die Form wurde geöffnet und das Teil wurde in einem nicht geschäumten Zustand entfernt. Das Teil wurde dann einer externen Wärmequelle (Glyzerinbad) unterzogen, woraufhin es aufschäumte. Ein mikrozellulare Gegenstand folgte daraus.
Beispiel 7: Demonstration der Viskositäts-Reduktion bei der Polymer-Formung
Dieses Beispiel zeigt den Vorteil der Verwendung von überkritischem Fluid als Treibmittel, um die Viskosität für die Einführung von Polymer-Material in eine Form bei relativ geringen Schmelzentemperaturen zu reduzieren, während die Vorteile des mikrozellularen Aufschäumen realisiert werden.
Eine Formmaschine, wie sie in Beispiel 2 beschrieben wurde, wurde dazu verwendet, Polystyren zu formen, jedoch mit der folgenden Ausnahme. Die Formhaltedimensionen von 127 × 279 × 0,5 mm (5 × 11 y 0,020 Inch). Unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 2 wurde Polystyren mit 0% Treibmittel injiziert. Die maximale erzielbare Fließlänge war 1 Inch, was zu einem Verhältnis von Länge zu Dicke von 50 führte. Ein identisches Experiment wurde mit 15% überkritischem Kohlendioxid als Treibmittel durchgeführt. Die maximale Fließlänge war zumindest 140 mm (5,5 Inches) mit einem Verhältnis von Länge zu Dicke von 270.
Beispiel 8: Einspritzformung von Polypropylen unterhalb seines kristallinen Schmelzpunkts
Die in Beispiel 1 beschriebene Einspritz-Formmaschine wurde dazu verwendet, Polypropylen (4 MFR, copolymer, Montell 7523) in eine Form von 127 × 279 × 0,5 mm (5 × 11 × ,050 Inch) zu formen. Mit 0% Treibmittel sind die minimalen Schmelzentemperaturen, die erforderlich sind, eine derartige Form zu befüllen, 221°C (430°F). Mit 15% überkritischem Kohlendioxid als Treibmittel war es möglich, Polypropylen unterhalb eines kristallinen Schmelzpunkts mit nominalen 163°C (325°F) zu injizieren. Die aktuelle Schmelzentemperatur war 154°C (310°F).
Beispiel 9: Demonstration eines mikrozellular geschäumten Gegenstands mit einer nahezu perfekten Oberfläche
Ein in Beispiel 2 beschriebene Formmaschine wurde dazu verwendet, Polystyren (Novacor 2282 11 M. I.) zu formen. Polystyren-Pellets wurden in einen Plastizierer zugeführt und mit CO₂ als Treibmittel vermischt, um eine einphasige Lösung als überkritischem CO₂ und Polystyren auszubilden, die anschließend durch Injektion in eine Platten-Form von 127 × 279 × 0,5 mm (5 × 11 × ,050 Inch) nukleiert wurde. Die Bearbeitungsbedingungen wurden optimiert, um die geeigneten Bedingungen zum Erhalten einer hohen Keimbildungs-Dichte sowie zum Erhalt einer festen, verwirbelungsfrei aussehenden Haut zu identifizieren. Fotokopien der Gefügeaufnahmen sind als 16 bis 18 zur Verfügung gestellt, um die Effektivität dieser Technik zu demonstrieren. 16 wird als Vergleich zur Verfügung gestellt, und zeigt ein festes, nicht geschäumtes Polystyren, welches unter Verwendung von Standard-, Nichtschäumungs-Einspritzform-Techniken erzeugt wurde:
17 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme einer Oberfläche eines mikrozellularen einspritzgeformten Gegenstands gemäß der vorliegenden Lehre, der eine sanfte Oberfläche frei von Spreizern und von bloßem Auge erkennbaren Verwirbelungen ist.
18 ist eine Fotokopie einer Gefügeaufnahme einer Oberfläche eines einspritzgeformten Schaum-Polymer-Gegenstands, der mit dem bloßen Auge erkennbare Verwirbelungen beinhaltet.
Wie ersichtlich ist, beinhalten ideale Bedingungen ein Gleichgewicht aus Schmelzen-Temperatur, Form-Temperatur und Treibmittel-Konzentration. Die Schmelzen-Temperatur muss hoch genug sein, so dass die Diffusionsrate des Treibmittels in der Schmelze relativ schnell ist, und die Form-Temperatur muss hoch genug sein, dass die Diffusion des Treibmittels außerhalb der Schmelze zu einem signifikanten Grad auch an der Oberfläche eintritt, jedoch muss die Form-Temperatur niedrig genug sein, um einen Verzug und andere Störungen des Produkts zu vermeiden. Die Diffusionsrate des Treibmittels ist abhängig von der Schmelzen-Temperatur, der Konzentration des Treibmittels, dem Druckdifferenzial und der Form-Temperatur. Die Diffusionsrate des Treibmittels außerhalb der Schmelzung muss größer sein als die Rate, bei der die Polymer-Oberfläche sich abkühlt und verfestigt.
Tabelle 5
Beispiel 10
Das in Beispiel 1 beschriebene Einspritz-Formsystem wurde dazu verwendet, Polypropylen (Montell 6823, Montell 6523 sowie Mischungen aus 6823 und Dow's Metallocene katalysiertem Polyethylen) in einen tiefen Hohlraum mit 32 × 101 × 15 mm (1,25 × 4 × 0,600 Inch) zu formen. Ein Formgebungs-System, wie es verwendet wurde, ist in den 19 und 20 gezeigt. Die Schmelzen-Temperatur und der Gas-Prozentsatz konnten variiert werden, um verschiedene Dichten mit Zellgrößen im Bereich von 1 bis 50 μm zu produzieren. Die daraus resultierenden Teile wiesen Dichten von weniger 28,9 kg/m³ (1,8 Pfund pro Kubikfuß) und bis zu 320 kg/m³ (20 Pfund pro Kubikfuß) auf. Höhere Dichten können leicht hergestellt werden, wenn dies gewünscht ist. Zusätzlich können diese gleichen Dichten und Zellstrukturen durch ein Verfahren des Form-Aufbrechens erzeugt werden, wodurch das geschmolzene Polymer in eine teilweise geöffnete Form injiziert wird und diese dann vollständig aufgebrochen wird. PP mit niedriger Dichte und Vermischungen aus PE und PP mit niedriger Dichte wurden jeweils mit gleichmäßigen Zellstrukturen produziert. Siehe dazu die Tabelle 6 für die Parameter.
Tabelle 6:

Claims

Gegenstand, umfassend: einen geformten Polymer-Gegenstand mit einer Form, die im Wesentlichen identisch mit der einer Gießkammer ist, beinhaltend zumindest einen Abschnitt mit Querschnitts-Dimensionen von zumindest 12,7 mm (1/2 Inch) in jeder der drei einander senkrecht schneidenden Querschnitts-Achsen, und mit einem Hohlraum-Volumen von zumindest etwa 50%, wobei der Gegenstand durch Zellen mit Zellwänden einer mittleren Zellwand-Dicke dazwischen definiert ist und frei von periodischen Feststoff-Grenzen einer Dicke größer als etwa fünfmal der durchschnittlichen Zellwand-Dicke ist.
Gegenstand wie in Anspruch 1, wobei der Gegenstand mikrozellular ist.
Gegenstand wie in Anspruch 1, frei von periodischen Feststoff-Grenzen einer Dicke größer als etwa viermal der durchschnittlichen Zellwand-Dicke.
Gegenstand wie in Anspruch 1, frei von periodischen Feststoff-Grenzen einer Dicke größer als etwa dreimal der durchschnittlichen Zellwand-Dicke.
Gegenstand wie in Anspruch 1, wobei der geformte Polymer-Gegenstand ein Polyolefin ist.
Gegenstand wie in einem der voranstehenden Ansprüche beansprucht, wobei der Gegenstand eine durchschnittliche Zellgröße von weniger als 100 Mikrometer aufweist.
Gegenstand wie in einem der voranstehenden Ansprüche beansprucht, wobei der Gegenstand eine Zelldichte von größer als etwa 10⁶ Zellen/cm³ aufweist.
Gegenstand wie in einem der voranstehenden Ansprüche beansprucht, wobei der Polymer-Gegenstand ein thermoplastisches Polymer umfasst.
Gegenstand wie in einem der voranstehenden Ansprüche beansprucht, wobei der Gegenstand im Wesentlichen frei von Resten eines chemischen Blasmittels und von Reaktions-Nebenprodukten eines chemischen Blasmittels ist.
Gegenstand wie in einem der voranstehenden Ansprüche beansprucht, wobei der Gegenstand eine Dicke von zumindest 25,4 mm (1,0 Inch) aufweist.