ES2225692T3

ES2225692T3 - Moldeo por inyeccion de material microcelular.

Info

Publication number: ES2225692T3
Application number: ES02011582T
Authority: ES
Inventors: David E. Pierick; Jere R. Anderson; Sung W. Cha; James F. Stevenson; Dana E. Laing
Original assignee: Trexel Inc
Current assignee: Trexel Inc
Priority date: 1997-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2018-01-16
Also published as: EP1264672A1; DE29825165U1; EP1264672B1; ATE272482T1; DE69805957T2; CA2480025C; DE29825166U1; JP2007015398A; ES2178148T3; JP4460074B2; CA2278147A1; DE69825498D1; EP0952908B1; WO1998031521A3; EP1475208B1; DE29825167U1; JP2010047022A; AU5919198A; CA2480025A1; WO1998031521A2

Abstract

Un sistema (30) para producir material microcelular moldeado por inyección, que comprende: un extrusor que tiene una salida en un extremo de salida (36) del mismo, diseñado para liberar una solución no nucleada, homogénea, fluida, de fase única, de un material polímero y un agente de soplado; una cámara de moldeo (37) que tiene una entrada; y una trayectoria de nucleación (67) que tiene un extremo de recepción (69) en comunicación de fluido con la salida del extrusor y un extremo de liberación (70) en comunicación directa de fluido con la entrada de la cámara de moldeo, en el que el sistema está construido y dispuesto para someter la solución de fase única a una caída de presión a un régimen suficiente para originar la nucleación mientras la solución pasa a través de la trayectoria de nucleación hacia la cámara de moldeo.

Description

Moldeo por inyección de material microcelular.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general al tratamiento de espuma estructural polímera y, más particularmente, a un sistema y a un método para producir espumas estructurales microcelulares moldeados por inyección.

Antecedentes de la invención

Son conocidos los materiales espumados estructurales, y pueden ser producidos mediante inyección de un agente de soplado físico en una corriente polímera fundida, dispersando el agente de soplado en el polímero para formar una mezcla de celdas de agente de soplado de dos fases, inyectando la mezcla en un molde que tiene la forma deseada y permitiendo que la mezcla se solidifique en el mismo. Una caída de presión en la mezcla puede hacer que se desarrollen las celdas en el polímero. Como una alternativa a un agente de soplado físico, se puede utilizar un agente de soplado químico que sufra una reacción química en el material polímero, que origine la formación de un gas. Los agentes de soplado químico son generalmente compuestos orgánicos de bajo peso molecular que se descomponen a una temperatura crítica y liberan un gas tal como nitrógeno, dióxido de carbono o monóxido de carbono. Bajo algunas condiciones, las celdas pueden estar hechas para permanecer aisladas y resulta un material espumado de celdas cerradas. Bajo otras condiciones de espumación, típicamente más violentas, las celdas se rompen o resultan interconectadas y resulta un material de celdas abiertas. Un ejemplo de técnicas de moldeo por inyección estándar se describe en la bibliografía de patentes que sigue.

La patente de Estados Unidos número 3.436.446 (Angell) describe un método y un aparato para moldear artículos de plástico espumado con una película o revestimiento sólido controlando la presión y temperatura del molde.

La patente de Estados Unidos número 4.479.914 (Baumrucker) describe un método de formar artículos espumados en el que se pone a presión una cavidad de molde con gas para evitar la difusión prematura de gas de soplado desde el material inyectado en la cavidad. El gas de puesta a presión previa es evacuado durante la inyección del material a espumar, finalmente, a una cámara de vacío, creando un vacío que impulsa el material a través de toda la cavidad del molde. Existen divulgaciones similares en los documentos EP-A-799553, US-A-5 334 356 y WO89/00918.

El material microcelular se define normalmente por espuma polímera de tamaño de celdas muy pequeño y se describen varios materiales microcelulares en las patentes de Estados Unidos números 5.158.986 y 4.473.665. Estas patentes describen la operación de someter una solución de una sola fase de material polímero y agente de soplado físico a la inestabilidad termodinámica requerida para crear lugares de muy elevada densidad, seguida por el crecimiento o desarrollo controlado de celdas para producir material microcelular. La patente de Estados Unidos 4.473.665 (Martini-Vvedensky) describe un sistema y un método de moldeo para la producción de partes microcelulares. Gránulos o pellas polímeras se someten a presión previamente con un agente de soplado gaseoso y se funden en un extrusor convencional para formar una solución de agente de soplado y polímero fundido, que es entonces extrudido en una cavidad de molde a presión. La presión en el molde es mantenida por encima de la presión de solubilidad del agente de soplado gaseoso a temperaturas de fusión para saturación inicial dada. Cuando la temperatura de la parte moldeada desciende hasta un valor de nucleación crítico apropiado, se hace descender la presión en el molde, normalmente hasta la ambiental, y se permite que la parte o pieza se espume.

La patente de Estados Unidos 5.158.986 (Cha y otros) describe un sistema alternativo de moldeo y un método para producir partes o piezas microcelulares. Los núdulos polímeros se introducen en un extrusor convencional y se funden. Un agente de soplado de dióxido de carbono en su estado supercrítico es establecido en el cañón o cilindro de extrusión y mezclado para formar una solución homogénea de agente de soplado y material polímero. Una parte del cilindro de extrusión es calentada de manera que cuando la mezcla fluye a través del cilindro, se crea una inestabilidad termodinámica, con lo que se originan lugares de nucleación en el material polímero fundido. El material nucleado es extrudido en una cavidad de molde a presión. La presión dentro del molde es mantenida por presión antagonista de aire. El crecimiento de celdas ocurre dentro de la cavidad del molde cuando se dilata la cavidad del molde y se reduce rápidamente la presión en ella; la dilatación del molde proporciona un artículo moldeado y espumado que tiene pequeños tamaños de celdas y elevadas densidades de celdas. La nucleación y crecimiento o desarrollo de celdas ocurre separadamente de acuerdo con la técnica; la nucleación inducida térmicamente tiene lugar en el cilindro del extrusor y el desarrollo de celdas tiene lugar en el molde.

Aunque los anteriores y otros informes representan varias técnicas asociadas con la fabricación de material microcelular y la fabricación de material por medio de moldeo por inyección, existe la necesidad en la técnica de procedimientos mejorados de moldeo por inyección microcelular.

Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar sistemas y métodos de moldeo por inyección efectivos en la producción de espumas estructurales microcelulares y, en particular, artículos muy delgados. Es otro objeto proporcionar sistemas y métodos útiles en moldear por inyección espumas estructurales microcelulares, pero también útiles en el moldeo por inyección de espumas convencionales y la extrusión continua de espumas microcelulares o convencionales.

Sumario de la invención

La presente invención está definida, en un aspecto, en la adjunta reivindicación 1 de sistema y, en otro aspecto, en la reivindicación 14 adjunta de método.

La presente invención comprende un sistema que incluye un extrusor que tiene una entrada y una salida del mismo diseñadas para recibir un precursor de material microcelular, una cámara de moldeo y un paso encerrado que conecta la entrada con la cámara de moldeo. Un paso está construido y dispuesto para recibir una solución no nucleada, homogénea, fluida, de fase única, de un material polímero y un agente de soplado, para contener la solución no nucleada, homogénea, fluida, de fase única, del material polímero y el agente de soplado en un estado fluido a una presión elevada dentro del paso y para hacer avanzar la solución como una corriente de fluido dentro del paso en una dirección de aguas abajo desde el extremo de entrada hacia la cámara de moldeo. El paso encerrado incluye una trayectoria de nucleación en la que es nucleado el agente de soplado en la solución de fase única que pasa a través del mismo. La trayectoria de nucleación está construida para incluir un extremo de recepción de polímero que recibe una solución fluida homogénea, de fase única, de un material polímero y un agente de soplado no nucleado, un extremo de liberación de polímero nucleado construido y dispuesto para liberar material polímero nucleado, y una trayectoria de fluido que conecta el extremo de recepción con el extremo de liberación. El extremo de liberación de polímero define un orificio de la cámara de moldeo en comunicación de fluido con la cámara de moldeo. El paso de nucleación está construido de manera que tiene unas dimensiones en longitud y en sección transversal tales que, cuando el polímero fluido, mezclado homogéneamente con aproximadamente 6% en peso de CO_{2}, es hecho pasar a través de la trayectoria a una caudal de unos 18 kg por hora, crea un régimen de caída de presión en el polímero fluido de al menos aproximadamente 0,1 GPa/seg, o de al menos aproximadamente 0,3 GPa/seg, o de al menos aproximadamente 1,0 GPa/seg, o de al menos aproximadamente unos 3 GPa/seg. La trayectoria de nucleación puede ser también construida de manera que tenga una dimensión variable en sección transversal, de tal manera que un polímero fluido que circule a través de la trayectoria esté sometido a un régimen variable de caída de presión y/o de elevación de temperatura.

La invención comprende un sistema que tiene una cámara de moldeo construida y dispuesta para contener material polímero nucleado a una elevada presión con el fin de evitar el desarrollo de celdas a la elevada presión. La cámara de moldeo presurizada puede ser presurizada fluida o mecánicamente con el fin de contener el material polímero nucleado a una tal elevada presión. Después de la reducción de la presión en la cámara de moldeo presurizada, el material polímero puede solidificarse en la forma de un artículo de polímero microcelular deseado, ya que la cámara de moldeo está construida y dispuesta para tener una tal forma interior. La invención comprende un sistema que tiene un cilindro con una entrada diseñada para recibir un precursor de material extrudido, una salida diseñada para liberar una mezcla fluida no nucleada de agente de soplado y precursor de artículo de polímero espumado para el precursor, un orificio conectable a una fuente de agente de soplado y un tornillo montado para moverse en vaivén dentro del cilindro. El sistema de extrusión puede tener también al menos dos orificios conectables a una fuente del agente de soplado y el orificio puede estar dispuesto longitudinalmente a lo largo del eje geométrico del cilindro con el fin de introducir secuencialmente la mezcla no nucleada a través de al menos dos orificios dentro del cilindro a medida que se mueve en vaivén el tornillo. El sistema incluye también un segundo cilindro de extrusión conectado en serie con el primer cilindro, teniendo el segundo cilindro una entrada diseñada para recibir la mezcla no nucleada fluida y tiene un tornillo montado pera moverse en vaivén dentro del cilindro.

La invención comprende un método en el que se establece una corriente continua de solución no nucleada, fluida, de fase única, de precursor polímero y agente de soplado, se nuclea la corriente para crear una corriente nucleada de la mezcla, se hace pasar la corriente nucleada al recinto o cavidad, y se permite que solidifique la mezcla en forma de la cavidad. Opcionalmente, la corriente puede ser nucleada continuamente sometiéndola continuamente a una caída de presión de un régimen de al menos aproximadamente 0,1 GPa/seg mientras se hace pasar la corriente a la cavidad para crear una corriente continua de material nucleado. Alternativamente, el método implica nuclear intermitentemente la corriente sometiéndola a una caída de presión a un régimen de al menos 0,1 GP/seg, mientras se hace pasar la corriente a la cavidad de manera que el material no nucleado pase primeramente a la cavidad, seguido por el material nucleado. Inversamente, la corriente nucleada puede ser hecha pasar a la cavidad de manera que el material nucleado pase a la cavidad primeramente, seguido por el material no nucleado. El método también implica retirar un artículo microcelular solidificado de la cavidad y, en un período de menos que unos 10 minutos, proporcionar una segunda mezcla nucleada a la cavidad, permitiendo que la segunda mezcla solidifique en la forma de la cavidad, y retirar de la cavidad un segundo artículo microcelular solidificado.

La invención también comprende un método que implica acumular una carga de un precursor de material polímero espumado y un agente de soplado, calentar una primera parte de la carga, que define al menos aproximadamente 2% de la carga, a una temperatura de al menos 10ºC mayor que la temperatura media de la carga, e inyectar la carga dentro de la cámara de moldeo.

También está comprendido un método que implica acumular, en un acumulador conectado para comunicación de fluido a una cámara de moldeo, una carga que incluye una primera parte que comprende un material polímero fluido esencialmente exenta de agente de soplado y una segunda parte que comprende un material polímero fluido mezclado con un agente de soplado, e inyectar la carga del acumulador dentro de una cámara de moldeo.

También esta comprendido un método que incluye inyectar una solución fluida de fase única, de un precursor de material polímero espumado y un agente de soplado, en una cámara de moldeo desde un acumulador en comunicación de fluido con un aparato de extrusión mientras se nuclea la solución para crear una mezcla nucleada, y permitir que se solidifique la mezcla como un artículo microcelular polímero en la cámara de moldeo.

La invención comprende un método que incluye inyectar un agente de soplado en un cilindro de extrusor del aparato de extrusión de polímero mientras un tornillo de extrusión se está moviendo axialmente dentro del cilindro.

La invención también comprende un método que implica inyectar un agente de soplado desde un tornillo de extrusión en un cilindro del aparato de extrusión de polímero.

La invención puede ser incorporada en un método que implique establecer en un cilindro del aparato de extrusión un precursor de polímero fluido del artículo, extraer una parte del precursor fluido del cilindro, mezclar la parte del precursor fluido con agente de soplado para formar una mezcla del agente de soplado y la parte del precursor fluido, e introducir la mezcla en el cilindro.

La invención puede ser incorporada en un método que implica introducir material polímero mezclado con un aditivo fluido supercrítico en un molde que incluye una parte que tiene una dimensión interior menor que aproximadamente unos 3,2 mm y permitir que solidifique el material polímero en el molde, teniendo lugar las operaciones de introducir y permitir dentro de un período de tiempo menor que 10 segundos.

La invención puede ser incorporada en un método que comprende introducir material polímero mezclado con fluido supercrítico en un molde que incluye una parte que tiene una dimensión interior menor que aproximadamente 3,2 mm y permitir que solidifique en el molde el material polímero.

La invención puede ser incorporada en un método que incluye establecer una solución de fase única, no nucleada, de un material polímero y un agente de soplado, introducir la solución en una cámara de moldeo mientras se nuclea la solución, craquear el molde, con lo cual se permite que ocurra el desarrollo de celdas, y recuperar un artículo de polímero microcelular que tiene una forma similar a la de la cámara de moldeo, pero que es mayor que la cámara de moldeo.

La invención puede ser incorporada en un método que incluye formar, en un extrusor, una solución no nucleada, homogénea, fluida, de fase única, de un precursor de material polímero microcelular y un agente de soplado, llenar una cámara de moldeo con la solución mientras se nuclea la solución para formar, dentro de la cámara de moldeo, un precursor de material polímero microcelular nucleado.

También está comprendido un método que incluye inyectar una mezcla de polímero/agente de soplado en una cámara de moldeo a una temperatura menor que unos 205ºC y moldear en la cámara un artículo de polímero de espuma sólido que tiene un volumen de hueco de al menos aproximadamente 5% y una relación de longitud a espesor de al menos 50:1, aproximadamente.

El invento comprende también un sistema que incluye un acumulador que tiene una entrada para recibir un precursor de material polímero espumado y un agente de soplado, y una salida, una cámara de moldeo que tiene una entrada en comunicación de fluido con la salida del acumulador, y un aparato de calentamiento asociado con el acumulador, construido y dispuesto para calentar, durante el funcionamiento del sistema, una primera sección del acumulador próxima a la cámara de molde, hasta una temperatura de al menos unos 10ºC mayor que la temperatura media del acumulador.

También está comprendido un sistema que incluye un extrusor que tiene una entrada para recibir un precursor de material polímero espumado y que está construido y dispuesto para producir un material polímero fluido a partir del precursor, una primera salida situada para suministrar material polímero fluido desde el extrusor, una entrada de agente de soplado aguas abajo de la primera salida, conectable a una fuente de un agente de soplado, una región de mezclado aguas abajo de la entrada del agente de soplado, construida y dispuesta para producir una mezcla de precursor polímero fluido y agente de soplado, y una segunda salida aguas abajo de la región de mezclado, posicionada para suministrar la mezcla de precursor polímero fluido y agente de soplado, y un acumulador que tiene una primera entrada conectada para comunicación de fluido a la primera salida del extrusor y una segunda entrada conectada para comunicación de fluido a la segunda salida del extrusor.

Asimismo está comprendido un sistema para producir material microcelular moldeado por inyección, que incluye un extrusor que tiene una salida en un extremo de salida del mismo diseñado para liberar una solución no nucleada, homogénea, fluida, de fase única, de un material polímero y un agente de soplado, y una cámara de moldeo que tiene una entrada en comunicación de fluido con la salida del extrusor. El sistema está construido y dispuesto para suministrar desde la salida del extrusor a la entrada de la cámara de moldeo la solución de fase única y, durante el llenado de la cámara de moldeo, nuclear la solución de fase única para formar dentro de la cámara un precursor de material polímero microcelular nucleado.

También está comprendido un sistema de extrusión que incluye un cilindro que tiene una entrada diseñada para recibir un precursor de material extrudido, una salida diseñada para liberar una mezcla fluida de agente de soplado no nucleada y el precursor, un orificio conectable a una fuente de agente de soplado, y un tornillo montado para moverse en vaivén dentro del cilindro.

Está asimismo comprendido un sistema para producir material microcelular moldeado por inyección que incluye un extrusor que tiene una salida en un extremo de salida del mismo diseñada para liberar un precursor de material polímero microcelular y un agente de soplado, y una cámara de moldeo que tiene una entrada en comunicación de fluido con la salida del extrusor. El sistema está construido y dispuesto para inyectar cíclicamente el precursor de material polímero microcelular y el agente de soplado en la cámara de moldeo.

Está comprendido asimismo un sistema de extrusión que incluye un cilindro que tiene una entrada diseñada para recibir un precursor de material extrudido, y una salida diseñada para liberar una mezcla de fluidos de agente de soplado no nucleado y precursor, y un orificio conectado a una fuente de agente de soplado. Un tornillo está montado para moverse en vaivén dentro del cilindro.

El método puede incluir inyectar un agente de soplado en un cilindro de extrusor del aparato de extrusión de polímero mientras un tornillo de extrusión se está moviendo axialmente dentro del cilindro. En una realización, el método implica inyectar un agente de soplado desde un tornillo de extrusión en un cilindro de aparato de extrusión de polímero. Esta técnica de inyección puede ser utilizada con cualquiera de una amplia variedad de técnicas microcelulares y convencionales. La invención puede incluir un tornillo de extrusión construido y dispuesto para rotación dentro de un cilindro de aparato de extrusión de polímero que incluye, dentro del tornillo, un ánima que comunica con un orificio en una superficie del tornillo. El ánima puede ser usada para inyectar agente de soplado en el cilindro de extrusión.

La invención proporciona un sistema para producir artículos moldeados por inyección. El sistema puede incluir un extrusor, una cámara de moldeo, un cursor que conecta para comunicación de fluido el extrusor y la cámara de moldeo, y un dispositivo de control de temperatura en comunicación térmica con el cursor. La invención puede incluir establecer una mezcla fluida de agente de soplado y precursor de material moldeado por inyección en un extrusor, hacer pasar la mezcla a través de un cursor a una cámara de moldeo, solidificar la parte de la mezcla fluida en la cámara mientas se mantiene una parte de la mezcla en el cursor en un estado fluido, e inyectar mezcla fluida adicional en el cursor, con lo que se empuja la parte de la mezcla fluida y el cursor al interior de la cámara.

La invención comprende también un método que comprende extraer una parte de un precursor polímero fluido de artículo desde un cilindro de extrusión, mezclar la pare del precursor fluido con agente de soplado para formar una mezcla e introducir nuevamente la mezcla en el cilindro.

La invención comprende también un sistema que incluye un extrusor con un cilindro de extrusor, una cámara de moldeo y una cámara de mezclado en comunicación de fluido con un primer orificio aguas arriba del cilindro, un segundo orificio aguas abajo del cilindro y una fuente de agente de soplado.

La invención puede proporcionar un artículo de espuma moldeado que tenga una forma esencialmente idéntica a la de la cámara de moldeo, que incluya al menos una parte que tenga una dimensión en sección transversal no mayor que unos 3,2 mm

La invención puede proporcionar una parte de polímero moldeada por inyección que tenga una relación de longitud a espesor de al menos 50:1, teniendo el polímero un índice de fusión menor que aproximadamente 10.

La invención puede proporcionar una parte de polímero moldeada por inyección que tenga una relación de longitud a espesor de al menos 120:1, teniendo el polímero un régimen de flujo en fusión menor que aproximadamente 40.

La invención puede proporcionar una espuma de polímero moldeada por inyección que tenga un volumen de huecos de al menos 5% y que tenga una superficie que esté exenta de chaflán y remolino visible para el ojo humano desnudo.

La invención puede proporcionar un artículo que tenga un espesor menor que aproximadamente 3,2 mm en un volumen de huecos de al menos 20%.

Otras ventajas, características nuevas y objetos de la invención resultarán evidentes de la siguiente descripción detallada de la invención cuando se consideren en relación con los dibujos que se acompañan, que son esquemáticos y que no se pretende que estén dibujados a escala. En las figuras, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en las diversas figuras está representado por un número único. Por razones de claridad, no está señalado cada componente en cada figura ni está mostrado cada componente de cada realización de la invención cuando no sea necesaria la ilustración para permitir a un experto ordinario en la técnica comprender la invención.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos:

La figura 1 ilustra un sistema de moldeo por inyección o extrusión microcelular de la presente invención, que incluye un sistema de extrusión que tiene una trayectoria de nucleación que define un orificio de una cámara de moldeo;

La figura 2 ilustra un sistema de moldeo por inyección microcelular de la invención, que incluye un acumulador;

La figura 3 ilustra una realización de una cámara de moldeo de sistemas de moldeo de la invención, que incluye una pared movible;

La figura 4 ilustra otra realización de una cámara de moldeo, en la que la cámara de moldeo es un molde sometido a la presión de un gas;

La figura 5 ilustra una etapa de operación de un sistema para acumulación y moldeo por inyección de material microcelular para formar un artículo que tiene una pared maciza y un interior microcelular (regiones ricas en agente de soplado y regiones pobres en agente de rociado), en que un acumulador se llena antes de la inyección;

La figura 6 ilustra el sistema de la figura 5 en una etapa de operación inmediatamente después de la inyección;

La figura 7 ilustra el sistema de la figura 5 en una etapa de funcionamiento después de un ciclo de inyección, durante el llenado del acumulador;

La figura 8 ilustra un sistema de moldeo por inyección microcelular para formar regiones ricas en agente de soplado y pobres en agente de soplado de polímero fundido, que incluye una bomba para masa fundida, una lumbrera de inyección de gas y un aparato mezclador;

La figura 9 ilustra un tornillo helicoidal para utilizar en un sistema de moldeo por inyección u otro sistema de extrusión, que incluye un ánima que pasa a través de un ala del tornillo y está en comunicación de fluido con un manantial de agente de espumación para distribuir un agente de espumación en un cilindro de un extrusor;

La figura 10 es una fotocopia de una microfotografía de un artículo moldeado por inyección, formado utilizando sistemas y métodos de la presente invención;

La figura 11 es una fotocopia de una microfotografía de un artículo moldeado por inyección microcelular de la invención, formado utilizando sistemas y métodos de la presente invención;

La figura 12 es una fotocopia de una microfotografía de otro artículo microcelular moldeado por inyección formado utilizando sistemas y métodos de la invención;

La figura 13 es una fotocopia de una microfotografía de otro artículo microcelular moldeado por inyección, formado utilizando sistemas y métodos de la presente invención;

La figura 14 es una fotocopia de una microfotografía de otro artículo microcelular moldeado por inyección, formado utilizando sistemas y métodos de la presente invención;

La figura 15 es una fotocopia de otro artículo microcelular moldeado por inyección, formado utilizando sistemas y métodos de la presente invención;

La figura 16 es una fotocopia de una microfotografía de una superficie de un artículo comparable, macizo, no espumado, moldeado por inyección;

La figura 17 es una fotocopia de una microfotografía de una superficie de un artículo microcelular moldeado por inyección, que tiene una superficie lisa exenta de chaflán y un remolino visible para el ojo humano desnudo; y

La figura 18 es una fotocopia de una microfotografía de una superficie de un artículo de polímero de espuma moldeado por inyección, que incluye remolinos visibles para el ojo humano desnudo.

Descripción detallada de la invención

Se dirige la atención a la solicitud de patente de Estados Unidos, de propiedad común, número de serie 08/777.709, titulada "Método y Aparato para excusión de polímero microcelular", presentada el 20 de diciembre de 1996, y a la solicitud de patente internacional de propiedad común, número de serie PCT/US/97/15088, presentada el 26 de agosto de 1997.

Las diversas realizaciones y aspectos de la invención se comprenderán mejor a partir de las siguientes definiciones. Según se utiliza aquí, "nucleación" define un proceso mediante el cual una solución homogénea, de fase única, de material polímero, en la que están disueltas moléculas de una especie que es un gas bajo condiciones ambientales, sufre formaciones de agrupaciones o racimos de moléculas de las especies, que definen "lugares de nucleación", a partir de los cuales se desarrollarán celdas. Es decir, "nucleación" significa un cambio de una solución homogénea de fase única a una mezcla en la que se forman lugares de agregación de al menos varias moléculas de agente de soplado. La nucleación define ese estado transitorio cuando el gas, en solución en una masa fundida polímera, sale de la solución para formar una suspensión de burbujas dentro de la masa fundida polímera. Generalmente, este estado de transición es forzado a ocurrir cambiando la solubilidad de la masa fundida polímera desde un estado de solubilidad suficiente para contener una cierta cantidad de gas en solución a un estado de solubilidad insuficiente para contener la misma cantidad de gas en solución. La nucleación puede ser efectuada sometiendo la solución homogénea de una sola fase a rápida inestabilidad termodinámica, tal como un cambio rápido de temperatura, rápido descenso de presión o ambos. La rápida caída de presión puede ser creada utilizando una trayectoria de nucleación, definida más adelante. Se puede crear un cambio rápido de temperatura utilizando una parte calentada de un extrusor, un baño de glicerina caliente o similar. Un "agente de nucleación" es un agente disperso, tal como partículas de talco u otra carga, añadidas a un polímero y capaz de promover lugares de formación de nucleación a partir de una solución homogénea de una sola fase. Así, "lugares de nucleación" no definen posiciones, dentro de un polímero, en las que residen partículas de agente de nucleación. "Nucleado" se refiere a un estado de un material polímero fluido que había contenido una solución homogénea de una sola fase que incluye una especie disuelta que es un gas bajo condiciones ambientales, a continuación de un acontecimiento (normalmente inestabilidad termodinámica) que conduce a la formación de lugares de nucleación. "No nucleado" se refiere a un estado definido por una solución homogénea de una sola fase, de material polímero y especies disueltas, es decir, un gas bajo condiciones ambientales, con lugares de nucleación inexistentes. Un material "no nucleado" puede incluir un agente de nucleación tal como talco. Una "mezcla de material polímero/agente de soplado" puede ser una solución no nucleada de una sola fase de al menos los dos, una solución nucleada de al menos los dos, o una mezcla en la que se han desarrollado celdas de agente de soplado. Material microcelular de "celdas esencialmente cerradas" sirve para definir material que, a un espesor de unos 100 micrómetros, contiene trayectorias de celdas no unidas a través del material. "Trayectoria de nucleación" se usa para definir una trayectoria que forma parte de un aparato de extrusión de espuma polímera microcelular y en el que, bajo condiciones en las que el aparato está proyectado para funcionar (normalmente a presiones comprendidas entre unos 10,34 Kpa y unos 207 Kpa (aproximadamente entre 1500 y 30.000 psi) aguas arriba del nucleador y a caudales mayores que 4,5 kg (10 libras) de material polímero por hora), la presión de una solución de fase única de material polímero mezclado con agente de soplado en el sistema disminuye por debajo de la presión de saturación para la concentración del agente de soplado particular a un régimen o regímenes que facilitan la rápida nucleación. Una trayectoria de nucleación define, opcionalmente con otras trayectorias de nucleación, una nucleación o región de nucleación de un dispositivo de la invención. "Agente de refuerzo", según se utiliza aquí, se refiere a material auxiliar, esencialmente sólido, construido y dispuesto para añadir estabilidad dimensional, o resistencia o tenacidad, al material. Tales agentes están tipificados por material fibroso según se describe en las patentes de Estados Unidos números 4.643.940 y 4.426.470. "Agente de refuerzo" no incluye necesariamente, por definición, carga u otros aditivos que no estén construidos y dispuestos para añadir estabilidad dimensional. Los expertos ordinarios en la técnica pueden ensayar un aditivo para determinar si es un agente de refuerzo en relación con un material particular.

Para los fines de la presente invención, material microcelular se define como un material de espuma que contiene celdas de tamaño menor que unos 100 micrómetros de diámetro, o material de densidad de celdas generalmente mayor que al menos unas 10^{6} celdas por centímetro cúbico, o preferiblemente ambos. La fracción de huecos o vacíos del material microcelular varía generalmente de 5% a 98%. El material supermicrocelular se define, para los fines de la invención, por tamaños de celdas menores que 1 \mum y densidades de celdas mayores que 10^{12} celdas por centímetro cúbico.

La invención permite la producción de material microcelular con un tamaño medio de celdas menor que unos 50 micrómetros. En algunas realizaciones, se desea tamaño de celdas particularmente pequeño, y en estas realizaciones el material es menor que unos 20 micrómetros, más preferiblemente menor que unos 10 micrómetros, y más preferiblemente todavía menor que 5 micrómetros. El material microcelular tiene preferiblemente un tamaño de celdas máximo de unos 100 micrómetros. En realizaciones en que se desea un tamaño de celdas particularmente pequeño, el material puede tener un tamaño de celdas máximo de unos 50 micrómetros, más preferiblemente 25 micrómetros, más preferiblemente de unos 15 micrómetros, más preferiblemente de unos 8 micrómetros, y más preferiblemente todavía de unos 5 micrómetros. Un conjunto de realizaciones incluye todas las combinaciones de estos tamaños de celdas promedio y tamaños de celdas máximos observados. Por ejemplo, una realización de este conjunto de realizaciones incluye un material microcelular que tiene un tamaño medio de celdas menor que unos 30 micrómetros con un tamaño de celdas máximo de unos 50 micrómetros, y como otro ejemplo un tamaño de celdas medio menor que unos 30 micrómetros, con un tamaño de celdas máximo de unos 35 micrómetros. Es decir, el material microcelular diseñado para una diversidad de fines puede ser producido con una combinación particular de tamaño de celdas medio y un tamaño de celdas máximo preferible para estos fines. El control del tamaño de celdas se describe con más detalle en lo que sigue.

En una realización, se produce material microcelular de celdas esencialmente cerradas de acuerdo con las técnicas de la presente invención. Según se utiliza aquí, "celdas esencialmente cerradas" pretende definir material que, a un espesor de unos 100 micrómetros, contiene trayectorias de celdas no conectadas o unidas a través del material.

Haciendo referencia ahora a la figura 1, se muestra esquemáticamente un sistema de moldeo 30 que puede ser utilizado para realizar el moldeo de acuerdo con una diversidad de realizaciones de la invención. El sistema 30 de la figura 1 incluye un cilindro o cañón 32 que tiene un primer extremo 34 de aguas arriba y un segundo extremo 36 de aguas abajo conectado a una cámara de moldeo 37. Montado para girar dentro del cilindro 32 hay un tornillo 38 conectado funcionalmente, por su extremo de aguas arriba, a un motor de accionamiento 40. Aunque no se muestra con detalle, el tornillo incluye secciones o tramos de alimentación, transición, inyección de gas, mezcladura y dosificación.

Situadas a lo largo del cilindro 32, opcionalmente, hay unidades 42 de control de temperatura. Las unidades de control 42 pueden ser calentadores eléctricos, pueden incluir pasos para fluido de control de temperatura y/o similares. Las unidades 42 pueden ser utilizadas para calentar una corriente de material polímero en gránulos o fluido dentro del cilindro para facilitar la fusión, y/o para enfriar la corriente para controlar la viscosidad y, en algunos casos, la solubilidad del agente de soplado. Las unidades de control de temperatura pueden funcionar diferentemente en distintos lugares a lo largo del cilindro, es decir, para calentar en uno o más lugares, y para enfriar en uno o más lugares diferentes. Se puede proporcionar cualquier número de unidades de control de temperatura.

El cilindro 32 está construido y dispuesto para recibir un precursor de material polímero. Según se utiliza aquí, "precursor de material polímero" pretende incluir todos los materiales que sean fluidos o puedan formar un fluido y que, por consiguiente, se puedan endurecer para formar un artículo de polímero microcelular. Normalmente, el precursor está definido por gránulos o pellas de polímero termoplástico, pero puede incluir otras especies. Por ejemplo, en una realización, el precursor puede ser definido por especies que reaccionen para formar material polímero microcelular, bajo una diversidad de condiciones. La invención pretende abarcar la producción de material microcelular a partir de una combinación de especies que puedan reaccionar conjuntamente para formar un polímero, típicamente monómeros o precursores de polímeros de bajo peso molecular, que se mezclan y espuman cuando tiene lugar la reacción. En general, especies abarcadas por la invención incluyen polímeros termoendurecibles en los que ocurre durante la reacción un aumento significativo del peso molecular del polímero, y durante la espumación, debido a la reticulación de componentes polímeros. Por ejemplo, poliamidas del tipo de condensación y adición, que incluyen poliamidas alifáticas y aromáticas, tales como polihexametilenadipamida, poli(e-caprolactamo), polienos tales como polímeros cicloaromáticos, incluyendo polidiciclopentadieno, polímeros acrílicos tales como poliacrilamida, poliacrilamato, polímeros de éster acrílico tales como polímeros de éster 2-cianoacrílico, polímeros de acrilonitrilo, y combinaciones.

Preferiblemente, se selecciona un polímero termoplástico o una combinación de polímeros termoplásticos de entre material amorfo, semicristalino y cristalino que incluye poliaromáticos tales como polímeros estirénicos, incluyendo poliestireno, poliolefinas tales como polietileno y polipropileno, fluoropolímeros, poliolefinas reticulables, poliamidas, poliaromáticos tales como poliestireno y poli(cloruro de vinilo). Se pueden utilizar elastómeros termoplásticos así como, especialmente, polietileno catalizado por metaloceno.

Típicamente, la introducción del precursor pre-polimérico utiliza una tolva estándar 44 para contener material polímero en gránulos para ser alimentado al cilindro del extrusor a través del orificio 46, aunque un precursor puede ser un material polímero fluido inyectado a través de un orificio y polimerizado dentro del cilindro por medio de, por ejemplo, agentes de polimerización auxiliares. En relación con la presente invención, es importante que se establezca sólo una corriente fluida de material polímero en el sistema.

Inmediatamente aguas abajo del extremo de aguas abajo 48 del tornillo 38 en la figura 1 hay una región 50 que puede ser una región de ajuste y control de temperatura, una región de mezcladura auxiliar, una región de bombeo auxiliar, o similares. Por ejemplo, la región 50 puede incluir unidades de control de temperatura para ajustar la temperatura de la corriente polímera fluida antes de la nucleación, según se describe más adelante. La región 50 puede incluir en su lugar, o además, unidades adicionales normales de mezcladura (no mostradas), o una unidad de control de flujo tal como una bomba de engranajes (no mostrada). En otra realización, la región 50 puede ser sustituida por un segundo tornillo en serie, que puede incluir una región de enfriamiento. En una realización en la que el tornillo 38 es un tornillo de movimiento en vaivén en un sistema de moldeo por inyección, descrito con más detalle a continuación, la región 50 puede definir una región de acumulación en la que se acumula una solución de una sola fase, no nucleada, de material polímero y un agente de soplado, antes de la inyección en el molde 37.

La producción de material microcelular de acuerdo con la presente invención utiliza preferiblemente un agente de soplado físico, es decir, un agente que es un gas bajo condiciones ambientales (descritas completamente más adelante). Sin embargo, los agentes químicos de soplado pueden ser utilizados y pueden ser formulados con gránulos polímeros introducidos en la tolva 44. Agentes de soplado químicos apropiados incluyen aquellos compuestos orgánicos normalmente de peso molecular relativamente bajo que se descomponen a una temperatura crítica u otra condición que se pueda conseguir en extrusión y liberación de un gas o gases tales como nitrógeno, dióxido de carbono o monóxido de carbono. Ejemplos incluyen compuestos azo, tales como azo dicarbonamida.

Como se ha mencionado, en realizaciones preferidas se utiliza agente de soplado físico. Una ventaja de realizaciones en las que se utiliza un agente de soplado físico, en lugar de un agente de soplado químico, es que la se reduce al mínimo el carácter reciclable del producto. El uso de un agente de soplado químico reduce normalmente la capacidad de atracción de un polímero al reciclado, ya que el agente de soplado químico residual y los subproductos del agente de soplado contribuyen a un baño global de material reciclable no uniforme. Puesto que las espumas sopladas con los agentes de soplado químicos incluyen inherentemente un agente de soplado químico residual, no reaccionado, después de que haya sido producido un producto final de espuma, así como subproductos químicos de la reacción que forma el agente de soplado, el material de la presente invención en este conjunto de realizaciones incluye agente de soplado químico residual, o subproducto de reacción de agente de soplado químico, en una cantidad menor que la inherentemente encontrada en artículos soplados con 0,1% en peso de agente de soplado químico o más, preferiblemente en una cantidad menor que la inherentemente encontrada en artículos soplados con 0,05% en peso o más de agente de soplado químico. En realizaciones particularmente preferidas, el material está caracterizado por estar esencialmente exento de agente de soplado químico residual o exento de subproductos de reacción de agente de soplado químico. Es decir, incluyen menos agente de soplado químico residual o subproducto del que es inherentemente encontrado en artículos soplados con cualquier agente de soplado químico. En esta realización, a lo largo del cilindro 32 del sistema 30 hay al menos una lumbrera 54 en comunicación de fluido con un manantial 56 de agente de soplado químico. Cualquiera de la amplia variedad de agentes de soplado químicos conocidos para los expertos ordinarios en la técnica, tales como hidrocarburos, clorofluorocarburos, nitrógeno, dióxido de carbono, y similares, se puede utilizar en relación con la invención, o sus mezclas, y, de acuerdo con una realización preferida, un manantial 56 proporciona dióxido de carbono como un agente de soplado. Son especialmente preferidos los agentes de soplado supercríticos, en particular dióxido de carbono supercrítico. En una realización, sólo se utiliza dióxido de carbono supercrítico como agente de soplado. El dióxido de carbono supercrítico puede ser introducido en el extrusor y hecho formar rápidamente una solución de fase única con material polímero ya sea inyectando dióxido de carbono como un fluido supercrítico o inyectando dióxido de carbono como un gas o líquido y permitiendo condiciones dentro del extrusor para hacer supercrítico al dióxido de carbono. Se prefiere la inyección de dióxido de carbono en el extrusor en un estado supercrítico. La solución de fase única de dióxido de carbono supercrítico y material polímero formado de esta manera tiene una viscosidad muy baja, que permite ventajosamente moldeo a temperaturas más bajas, así como rápido llenado de moldes que tienen estrechas tolerancias para formar piezas moldeadas muy delgadas, que se explica con más detalle en lo que sigue.

Un dispositivo 58 de presión y dosificación está dispuesto típicamente entre el manantial 56 de agente de soplado y la al menos una lumbrera 54. El dispositivo 58 puede ser utilizado para dosificar el agente de soplado de manera que se controle la cantidad de agente de soplado en la corriente polímera dentro del extrusor para mantener el agente de soplado a un nivel, de acuerdo con un conjunto de realizaciones, entre aproximadamente 1% y 25% en peso, preferiblemente entre aproximadamente 6% y 20% en peso, más preferiblemente entre 8 y 15%, aproximadamente, en peso, todavía más preferiblemente entre aproximadamente 10 y 12% en peso, sobre la base del peso de la corriente polímera y agente de soplado. El agente de soplado particular utilizado (dióxido de carbono, nitrógeno, etc.) y la cantidad de agente de soplado utilizada son con frecuencia dependientes del polímero, de la reducción de densidad, del tamaño de celdas y de las propiedades físicas deseadas.

El dispositivo de presión y dosificación puede ser conectado a un controlador (no mostrado) que está también conectado al motor de accionamiento 40 para controlar la dosificación del agente de soplado con relación al flujo de material polímero para controlar de manera muy precisa el porcentaje en peso del agente de soplado en la mezcla polímera de fluido.

Aunque la lumbrera 54 puede estar situada en cualquiera de una diversidad de lugares a lo largo del cilindro, está situada, de acuerdo con la realización preferida, justo aguas arriba desde una sección de mezcladura 60 del tornillo y en un lugar 62 del tornillo en el que el tornillo incluye alas no interrumpidas.

Un agente de soplado fluido supercrítico proporciona también la ventaja de que facilita la rápida mezcladura íntima de materiales polímeros disimilares, con lo que se proporciona un método para mezclar y moldear materiales polímeros disimilares sin desestratificación posterior al moldeo. Materiales disimilares incluyen, por ejemplo, poliestireno y polipropileno, o poliestireno y polietileno. Estos materiales disimilares tienen típicamente viscosidades, polaridades o funcionalidades químicas significativamente diferentes, que, en la mayoría de los sistemas, impiden la formación de una combinación homogénea bien mezclada, conduciendo a la desestratificación o a otra reducción de propiedades físicas o degradación de propiedades físicas. Preferiblemente, en esta realización, están presentes al menos dos componentes disimilares, cada uno en una cantidad de al menos 1% en peso, aproximadamente, de preferencia al menos de un 5%, más preferiblemente al menos un 10% y todavía más preferiblemente al menos un 20%.

Tecnologías típicas de la técnica anterior para formar combinaciones de materiales polímeros disimilares implican extrudir y granular materiales polímeros que son después dispuestos, como gránulos o pellas, en la tolva 44 de un sistema tal como el de la figura 1. Utilizando un agente de soplado fluido supercrítico, de acuerdo con este aspecto de la invención, se elimina la necesidad de utilizar gránulos previamente mezclados o equipo de composición. En este aspecto, una mezcla de diferentes gránulos polímeros, por ejemplo una mezcla de gránulos de poliestireno y gránulos de polipropileno, se puede disponer en la tolva 44, fundirse, mezclarse íntimamente con un agente de soplado fluido supercrítico y extrudirse como una mezcla homogénea bien mezclada. En este aspecto de la invención, una solución de fase única de agente de soplado y material polímero de componentes múltiples, incluyendo materiales disimilares, se puede formar a caudales y dentro de períodos de tiempo especificados más adelante. Este aspecto de la invención se puede utilizar para formar artículos polímeros compuestos de al menos dos materiales polímeros disimilares que resistan la desestratificación a través de extrusión, moldeo como se describe aquí, u otras técnicas.

La disposición descrita facilita un método que es puesto en práctica de acuerdo con varias realizaciones de la invención en combinación con moldeo por inyección o intrusión. El método implica introducir, en material polímero fluido que circula a un caudal de aproximadamente 1809 a 640gr/hr, un agente de soplado que es un gas bajo condiciones ambientales y en un período de menos que 1 minuto, creando una solución de fase única de fluido de agente de soplado en el polímero. El fluido de agente de soplado está presente en la solución en una cantidad de al menos aproximadamente 2,5% en peso basado en el peso de la solución en esta disposición. En algunas realizaciones, el flujo del material polímero fluido es de 2,725 a 5,450 kg/hr, aproximadamente. En estas disposiciones, se añade el fluido de agente de soplado y se forma una solución de fase única dentro de un minuto con agente de soplado presente en la solución en una cantidad de al menos aproximadamente 3% en peso, más preferiblemente de al menos un 5% en peso, más preferiblemente de al menos un 7% en peso y todavía más preferiblemente de al menos un 10% en peso (aunque, como se ha mencionado, en otro conjunto de realizaciones preferidas se utilizan niveles inferiores de agente de soplado). En estas disposiciones, se introduce al menos 1,1 kg por hora de agente de soplado, preferiblemente CO_{2}, en la corriente de fluido y se mezcla en ella para formar una solución de fase única. El régimen de introducción de agente de soplado se iguala con el caudal de polímero para conseguir la concentración óptima de agente de soplado.

Aguas abajo de la región 50 hay un nucleador 66 construido para incluir una trayectoria de nucleación 67 de caída de presión. Según se utiliza aquí, "trayectoria de nucleación" en el contexto de caída de presión rápida pretende definir una trayectoria que forma parte del aparato de extrusión de espuma de polímero microcelular y en el que, bajo condiciones en las que el aparato está proyectado para funcionar (típicamente a presiones de 10,34 Kpa a 207 Kpa, aproximadamente, aguas arriba del nucleador y a caudales mayores que unos 2,3 kg de material polímero por hora), la presión de una solución de fase única de material polímero mezclado con agente de soplado en el sistema desciende por debajo de la presión de saturación para la concentración particular de agente de soplado a régimen o regímenes que facilitan la nucleación. La trayectoria de nucleación 67 incluye un extremo de entrada 69 para recibir una solución de fase única de precursor de material polímero y agente de soplado como una corriente de polímero fluido, y un extremo 70 de liberación de polímero nucleado para suministrar material polímero nucleado a la cámara de moldeo, o molde 37. El nucleador 66 está situado en comunicación de fluido directa con el molde 37, de tal manera que el nucleador define una boquilla que conecta el extrusor a la cámara de moldeo y el extremo 70 de liberación de polímero nucleado define un orificio de cámara de moldeo 37. De acuerdo con un conjunto de realizaciones, la invención reside en situar un nucleador aguas arriba de un molde. Aunque no se ilustra, otra realización de nucleador 66 incluye una trayectoria de nucleación 67 construida y dispuesta para tener una dimensión variable en sección transversal, es decir, una trayectoria que puede ser ajustada en sección transversal. Una trayectoria de nucleación de sección transversal variable permite que el régimen de descenso de presión en la corriente de material polímero fluido que pasa a través de ella sea variado con el fin de conseguir una densidad de nucleación deseada.

En una realización, se utiliza una trayectoria de nucleación que cambia de dimensión en sección transversal a lo largo de su longitud. En particular, una trayectoria de nucleación que disminuye de dimensión en sección transversal en una dirección de aguas abajo puede aumentar significativamente el régimen de caída de presión, con lo que se permite la formación de material microcelular de muy elevada densidad de celdas que utiliza niveles bajos de agente de soplado. Estos y otros nucleadores ejemplares y preferidos se describen en la solicitud de patente de Estados Unidos copendiente, número de serie 08/777.709, titulada "Método y aparato para la extrusión microcelular" y en la solicitud de patente internacional, número de serie PCT/US97/15088, titulada "Método y aparato para la extrusión de polímero microcelular", de Anderson y otros.

Aunque la trayectoria 67 define una trayectoria de nucleación, también puede tener lugar alguna nucleación en el propio molde cuando la presión sobre el material polímero disminuye a régimen muy elevado durante el llenado del molde.

El sistema de la figura 1 ilustra una realización general de la presente invención en la que una solución de fase única, no nucleada, de material polímero y agente de soplado es nucleada, a través de una rápida caída de presión, mientras está siendo empujada hacia la cámara de moldeo 37 por medio de la acción de rotación del tornillo 38. Esta realización ilustra una técnica de moldeo de intrusión y, en esta realización, sólo precisa utilizarse una lumbrera 54 de inyección de agente de soplado.

En otra realización, el tornillo 38 del sistema 30 es un tornillo de movimiento en vaivén y un sistema define un sistema de moldeo por inyección. En esta realización, el tornillo 38 está montado para moverse en vaivén dentro del cilindro 32, e incluye una pluralidad de entradas de agente de soplado o lumbreras de inyección 54, 55, 57, 59 y 61 dispuestas a lo largo del cilindro 32 y cada una de las cuales conecta para paso de fluido el cilindro 32 al dispositivo 58 de presión y dosificación y a un manantial 56 de agente de soplado. Cada una de las lumbreras de inyección 54, 55, 57, 59 y 61 puede incluir una válvula de corte mecánica 154, 155, 157, 159 y 161, respectivamente, que permite el flujo de agente de soplado al cilindro 38 del extrusor para ser controlado como una función de la posición axial del tornillo de movimiento en vaivén 38 dentro del cilindro. En funcionamiento, de acuerdo con esta realización, una carga de material polímero fluido y agente de soplado (que puede ser una carga de fase única, no nucleada en algunas realizaciones) se acumula en la región 50 en el extremo 48 aguas abajo del tornillo 38. El tornillo 38 es forzado a distanciarse (aguas abajo) en el cilindro 32, haciendo que la carga en la región 50 sea inyectada en el molde 37. Una válvula de corte o cierre mecánica 64, situada cerca del orificio 70 del molde 37, puede entonces ser cerrada y el molde puede ser abierto para liberar la parte o pieza moldeada por inyección. El tornillo 38 gira entonces mientras se retrae a la posición próxima (hacia el extremo 34 de aguas arriba del cilindro), y se abre la válvula de corte 161 mientras las válvulas de corte 155, 157, 154 y 159 están todas cerradas, permitiendo que sea inyectado agente de soplado dentro del cilindro sólo a través de la lumbrera más distante 61. Cuando el cilindro se retrae mientras gira, la válvula de corte 161 se cierra mientras la válvula de corte 159 está abierta, cerrándose entonces la válvula 159 mientras que se abre la válvula 154, etc. Es decir, las válvulas de corte o cierre que controlan la inyección de agente de soplado desde el manantial 56 hacia el cilindro 32 se controlan de manera que el lugar de inyección del agente de soplado se mueve en sentido de aproximarse (en dirección aguas arriba) a lo largo del cilindro a medida que el tornillo 38 se retrae aproximándose. El resultado es la inyección de agente de soplado en una posición a lo largo del tornillo 38 que permanece esencialmente constante. De este modo, el agente de soplado se añade a material polímero fluido y se mezcla con el material polímero hasta un grado y durante un período de tiempo que es compatible independientemente de la posición del tornillo 38 dentro del cilindro. Hacia este extremo, se puede abrir más de una de las válvulas de corte 155, 157, etc. O al menos abrir parcialmente de manera simultánea para conseguir una transición suave entre las lumbreras de inyección que están abiertas y para mantener esencialmente constante la posición de inyección del agente de soplado a lo largo del cilindro 38.

Una vez que el cilindro 38 está completamente retraído (con agente de soplado que ha sido más recientemente introducido sólo a través de la lumbrera de inyección 55), se cierran todas las válvulas de corte del agente de soplado. En este punto, dentro de la región distante 50 del cilindro hay una mezcla esencialmente uniforme de material polímero fluido/agente de soplado. La válvula de corte 64 se abre entonces y el tornillo 38 es empujado a posición distante para inyectar la carga de material polímero y agente de soplado dentro del molde 37.

La realización que implica un tornillo de movimiento en vaivén puede ser utilizada para producir espuma convencional o microcelular. Cuando se ha de producir espuma convencional, la carga que se acumula en la región distante 50 puede ser una mezcla de fases múltiples que incluya celdas de agente de soplado en material polímero, a una presión relativamente baja. La inyección de una tal mezcla dentro del molde 37 da lugar al desarrollo de celdas y a la producción de espuma convencional. Cuando se haya de producir material microcelular, una solución de fase única, no nucleada, se acumula en la región 50 y se inyecta en el molde 37 mientras tiene lugar la nucleación.

La disposición descrita facilita un método de la invención que es practicado de acuerdo con otro conjunto de realizaciones en las que se crean concentraciones variables de agente de soplado en material polímero fluido en diferentes lugares en una carga acumulada en la parte distante 50 del cilindro. Esto se puede conseguir por control de las válvulas de corte 155, 157, 154, 159 y 161 con el fin de conseguir una concentración no uniforme de agente de soplado. En esta técnica, se pueden producir artículos que tengan densidades variables, tal como, por ejemplo, un artículo que tenga un exterior macizo y un interior espumado. Una técnica para formar artículos que tienen partes que varían de densidad se describe más detalladamente con referencia a las figuras 5-7.

Aunque no se muestra, la cámara de moldeo 37 puede incluir orificios de evacuación para permitir que escape aire existente dentro del molde durante la inyección. Los orificios de evacuación pueden estar dimensionados para proporcionar suficiente contrapresión durante la inyección para controlar el crecimiento o desarrollo de celdas de manera que ocurra espumación microcelular uniforme. En otra realización, una solución de fase única, no nucleada, de material polímero y agente de soplado es nucleada mientras está siendo introducida en un molde abierto, siendo entonces cerrado el molde para conformar un artículo microcelular.

De acuerdo con otra realización, se proporciona un sistema de moldeo por inyección que utiliza un acumulador separado. Con referencia ahora a la figura 2, un sistema de moldeo por inyección 31 incluye un extrusor similar al ilustrado en la figura 1. El extrusor puede incluir un tornillo de movimiento en vaivén como en el sistema de la figura 1. Se proporciona al menos un acumulador 78 para acumular material polímero fundido antes de la inyección en la cámara de moldeo 37. El extrusor incluye una salida 51 conectada para paso de fluido a una entrada 79 del acumulador a través de un conducto 53 para entregar una solución no nucleada de fase única de material polímero y agente de soplado al acumulador.

El acumulador 78 incluye, dentro del alojamiento 81, un émbolo 83 construido y dispuesto para moverse axialmente (en aproximación y alejamiento) dentro del alojamiento del acumulador. El émbolo puede retraerse en aproximación y permitir que el acumulador sea llenado con material polímero/agente de soplado a través de la entrada 79 y después puede ser empujado en alejamiento para forzar la mezcla de material polímero/agente de soplado hacia el molde 37. Cuando está en una posición retraída, una carga definida por solución de fase única de material polímero fundido y agente de soplado es permitida acumularse en el acumulador 78. Cuando el acumulador 78 está lleno, un sistema, tal como, por ejemplo, un cilindro de inyección retraíble, controlado hidráulicamente (no mostrado), fuerza la carga acumulada a través del nucleador 66 y la mezcla nucleada resultante al interior de la cámara de moldeo 37. Esta disposición ilustra otra realización en la que una solución no nucleada de una fase única, de material polímero y agente de soplado, es nucleada como un resultado del proceso de llenado de la cámara de moldeo.

En otra disposición, se puede utilizar con el sistema 31 de la figura 2 un extrusor de tornillo de movimiento en vaivén, tal como el ilustrado en la figura 1 para inyectar sucesivamente cargas de material polímero y agente de soplado mientras están siendo empujadas desde el extrusor al acumulador mientras la presión sobre el émbolo 83 permanece constante, de manera que es impedida la nucleación dentro del acumulador. Cuando han sido introducidas una pluralidad de cargas en el acumulador, la válvula de corte 64 puede ser abierta por el émbolo 83 accionado en alejamiento para transferir al molde 37 la carga existente dentro del acumulador. Esto puede ser ventajoso para la producción de piezas muy grandes.

Una válvula de retención de bola 85 está situada cerca de la entrada 79 del acumulador para regular el flujo de material al acumulador e impedir el reflujo hacia el extrusor, y para mantener una presión del sistema requerida con el fin de mantener la solución de fase única de agente de soplado no nucleado y el material polímero fundido. Opcionalmente, el sistema 31 de moldeo por inyección puede incluir más de un acumulador en comunicación de fluido con el extrusor 30 y la cámara de moldeo 37 con el fin de incrementar los ritmos de producción.

El sistema 31 incluye varios componentes adicionales que se describirán con más detalle en lo que sigue.

Las figuras 3 y 4 ilustran cámaras de moldeo de acuerdo con realizaciones alternativas para utilizar con sistemas de moldeo por inyección de la invención. En la figura 3 está ilustrada esquemáticamente una cámara de moldeo 37 de pared movible, incluyendo la cavidad de molde 84, elementos 82 de control de temperatura, una pared movible 80, medios de puesta a presión (no mostrados) y, en la realización preferida ilustrada, al menos un nucleador 66 que incluye una trayectoria de nucleación 67 que tiene un extremo de entrada 69 y un extremo de liberación 70 que define un orificio de la cavidad de molde 84. En una realización, la cámara de moldeo 71 de pared movible incluye una pluralidad de nucleadores 66. La pared movible 80 puede ser ajustada para aumentar el volumen del molde cuando el molde se llena con una mezcla nucleada de precursor de polímero y agente de soplado, manteniendo así una presión constante dentro del molde. De este modo, se puede restringir, o controlar, aproximadamente, el crecimiento de celdas.

En la figura 4 se ilustra esquemáticamente una cámara de moldeo 73 de contrapresión de gas, que incluye una cavidad de molde 84, elementos 82 de control de temperatura, el controlador de presión 86, juntas 92 y, en la realización preferida ilustrada, al menos un nucleador 66 que incluye una trayectoria de nucleación 67 que incluye un orificio de la cámara de moldeo 73. Como se ha descrito anteriormente, la trayectoria de nucleación 67 tiene un extremo de entrada 69 y un extremo de liberación 70 que define un orificio de la cámara 84. La presión dentro del molde puede ser mantenida, por medio del controlador de presión 86, para restringir o controlar el crecimiento de celdas en la mezcla nucleada introducida en el molde.

Se puede utilizar cualquier combinación de un molde de pared movible, un molde que tenga un controlador de presión de gas y elementos de control de temperatura en el molde para una diversidad de fines. Como se ha explicado, se pueden controlar las condiciones para restringir o controlar el crecimiento de celdas en una mezcla nucleada dentro del molde. Otro uso para mediciones de control de temperatura es que una parte de la pared del molde, o la totalidad de la pared del molde, puede ser mantenida a una temperatura relativamente alta o relativamente baja, lo que puede originar crecimiento de celdas relativamente mayor o menor en regiones cercanas a la pared (regiones en y cerca del revestimiento del molde y producto microcelulares) con relación a regiones próximas al centro del artículo formado en el molde.

El invento permite la producción de material polímero microcelular relativamente grueso, por ejemplo material que incluye al menos una parte que tiene un espesor de al menos 12,7 mm mediante el establecimiento de un precursor polímero microcelular nucleado en un molde y "rajando" rápidamente, o abriendo el molde para permitir que se forme una parte mayor que el interior del propio molde. Cuando se raja el molde, ocurre crecimiento de celdas debido a una correspondiente caída de presión. A la mezcla nucleada se le permite solidificar parcialmente en la forma del molde, o envuelta, para formar un primer artículo de polímero microcelular en la forma de la envuelta, se retira de la envuelta y se le permite expandirse más para formar un segundo artículo de polímero microcelular que tiene una forma que es mayor que la forma de la envuelta. En algunos aspectos, la inyección o protuberancia puede continuar después del rajado del molde, para controlar la densidad y la estructura de las celdas. Es decir, se puede introducir una solución en el molde mientras está siendo nucleada y, simultáneamente, el molde puede ser rajado y después abierto más para controlar la contrapresión en el molde y controlar el tamaño de la pieza final y la densidad y estructura de las celdas. Esto se puede conseguir, asimismo, con un molde análogo de pared movible, descrito
aquí.

El invento permite el rápido moldeo cíclico de espuma polímera. Después de la inyección y moldeo, en un período de menos de unos 10 minutos, se puede crear una segunda mezcla nucleada mediante inyección en la cámara de moldeo y permitir a la espuma solidificar en la forma de la envuelta, y se puede retirar. Preferiblemente, el tiempo de ciclo es menor que aproximadamente un minuto, más preferiblemente menor que aproximadamente 20 segundos. El tiempo entre la introducción del material en el molde y la solidificación es típicamente menor que unos 10 segundos. Se proporcionan bajos tiempos de ciclo debido al peso reducido del material de espuma (menor masa para enfriar) y bajas temperaturas de fusión hechas posible mediante viscosidad reducida de un agente de soplado fundido supercrítico. Con temperaturas de fusión bajas se requiere menor absorción de calor por inyección.

Haciendo referencia ahora a las figuras 5-7, se ilustra otra realización que hace uso del sistema 31, y ahora se describirá más detalladamente el sistema 31. El sistema 31 incluye también un conducto 88 exento de agente de soplado, que conecta una salida 90 del extrusor con una entrada 91 del acumulador. La entrada 91 del acumulador está situada en la cara del émbolo 83 del acumulador. Una válvula de corte o cierre mecánico 99 está situada a lo largo del conducto 88, preferiblemente cerca de la salida 90. La salida 90 del extrusor está situada en el extrusor aguas arriba de la entrada 54 del agente de soplado (o múltiples entradas de agente de soplado, como en la disposición de extrusión ilustrada en la figura 1, donde esa disposición se utiliza en el sistema según se ha descrito en relación con las figuras 5-7), pero suficientemente alejada aguas abajo en el extrusor para que pueda suministrar material polímero fluido 94. El material polímero fluido 94 suministrado por el conducto 88 es material pobre en agente de soplado y puede estar esencialmente exento de agente de soplado. Así, el sistema incluye una primera salida 90 del extrusor situada para suministrar material polímero fluido esencialmente exento de agente de soplado, o a concentraciones reducidas de agente de soplado, desde el extrusor hasta una primera entrada 91 del acumulador, y una segunda salida 51 aguas abajo de la región de mezcladura del extrusor, situada para suministrar una mezcla de material polímero fluido y agente de soplado (una concentración mayor de agente de soplado de la que es suministrada desde la salida 90, es decir, material rico en agente de soplado) a una segunda entrada 79 del acumulador. El acumulador puede incluir unidades de calentamiento 96 para controlar la temperatura del material polímero en el mismo. El acumulador incluye una salida que es la entrada 69 del nucleador 66. Un paso (o boquilla) que define la trayectoria de nucleación 67 conecta el acumulador 78 a la cámara de moldeo 37.

Una serie de válvulas, incluyendo válvulas 98 y 85 de retención de bola situadas en las entradas primera y segunda al acumulador, y válvulas mecánicas 64 y 99, respectivamente, controlan el flujo de material desde el extrusor al acumulador y desde el acumulador al molde, según se desee, como se describe más delante de acuerdo con algunas realizaciones.

Esta invención incluye, en todas las realizaciones, la posibilidad de mantener la presión adecuada en todo el sistema para evitar la nucleación prematura cuando no es deseable la nucleación (aguas arriba del nucleador), o el crecimiento de celdas cuando la nucleación ha ocurrido, pero no se desea o es deseable controlar que ocurra el crecimiento de celdas.

La práctica del método incluye, de acuerdo con una realización de la presente invención, inyectar material pobre en agente de soplado en un molde para formar un revestimiento o película casi sólida, seguida por la inyección de material rico en agente de soplado en el molde para formar un núcleo espumado. Esto se describirá con referencia a las figuras 5-7. Aunque no se ilustra, con una adecuada sincronización este método puede ser usado también para formar artículos que tengan un exterior espumado y un interior macizo.

La figura 5 ilustra una situación en la que es proporcionado material polímero que no contiene agente de soplado, o que contiene agente de soplado sólo en un grado limitado (material 94), en el extremo distante del acumulador y en el extremo próximo del acumulador. Es decir, se proporciona material 94 pobre en agente de soplado justamente delante del émbolo 83 y en la trayectoria de nucleación 67 y justamente aguas arriba de la trayectoria de nucleación 67. Entre estas regiones de material 94 pobre en agente de soplado hay una región de material 101 rico en agente de soplado en el acumulador. En este punto, se abre la válvula mecánica 64 que conecta el molde 37 y el émbolo es accionado aguas abajo para forzar el material en el acumulador 78 al interior del molde 37. Esto se ilustra en la figura 6. La primera sección de material pobre en agente de soplado forra el exterior del molde, formando una pared exterior esencialmente maciza, después de lo cual el material 101 rico en agente de soplado llena el centro del molde y es nucleado mientras entra en el molde. El límite distante de movimiento del émbolo termina a corta distancia del extremo del acumulador y la región de material pobre en agente de soplado, que ha sido situada justo delante del émbolo, está ahora situada en el extremo distante del acumulador y llena la trayectoria de nucleación del acumulador. La válvula 64 se cierra entonces y la parte o pieza resultante es retirada del molde 37. Con la válvula mecánica 99 cerrada, el extrusor es accionado para introducir material rico en agente de soplado, preferiblemente como una solución de fase única no nucleada, de material polímero y agente de soplado, en el acumulador cuando el émbolo se retrae aproximándose, como se ilustra en la figura 7. El émbolo aplica una presión esencialmente constante al material del acumulador, manteniendo el material 101 en un estado no nucleado. Cuando el émbolo ha alcanzado casi su límite próximo, la válvula mecánica 99 se abre y se le permite al material 94 pobre en agente de soplado llenar una sección del acumulador justamente delante del émbolo, como se ilustra en la figura 5. La figura 5 representa la terminación del ciclo, justamente antes de la inyección en el molde.

En otra realización de la invención, con referencia a las figuras 5-7, se puede formar un artículo microcelular moldeado por inyección que tiene una pared exterior pobre en agente de soplado y un interior espumado microcelular, rico en agente de soplado, sin necesidad de llenar el acumulador 78 con material rico en agente de soplado emparedado entre material pobre en agente de soplado, como se ilustra. En esta realización, el material rico en agente de soplado llena el molde, pero la parte más distante del acumulador, definida por la trayectoria de nucleación 67, es calentada en una extensión mayor que el resto del acumulador. Esto se puede conseguir utilizando unidades de calentamiento 103 situadas junto al nucleador. Si es necesario, se pueden disponer unidades de calentamiento adicionales para calentar material en el acumulador aguas arriba de la trayectoria de nucleación. El material de la parte más distante del acumulador es calentado en una extensión suficientemente grande para que, cuando la carga del acumulador se inyecta en el molde, el agente de soplado en la sección muy calentada se difunda rápidamente fuera del polímero y a través de orificios de evacuación (no mostrados) en el molde. En el material polímero aguas arriba de la sección de carga más distante, muy caliente, ocurre el crecimiento de celdas para formar material microcelular más rápidamente de lo que se difunde el agente de soplado fuera del polímero. La parte más distante de la carga que está caliente puede definir al menos aproximadamente el 2% de la carga, o al menos aproximadamente el 5%, o al menos aproximadamente el 10%, o al menos aproximadamente el 20% de la carga, y se puede calentar hasta una temperatura de al menos 10ºC mayor que la temperatura media de la carga, o al menos aproximadamente 20ºC, 40ºC u 80ºC mayor que la temperatura media de la carga, antes inyectar la carga en una cámara de moldeo.

En otro método fuera del alcance de las reivindicaciones adjuntas, se puede inyectar una solución homogénea de fase única de material polímero y agente de soplado en un molde mientras se mantiene la presión en el molde suficientemente elevada para evitar la nucleación. Es decir, la inyección ocurre sin nucleación. La solución homogénea de fase única puede ser entonces congelada a un estado sólido en el molde, y el molde ser abierto. En este punto no ocurre nucleación ni espumación. El artículo moldeado puede ser entonces calentado para producir nucleación y espumación, por ejemplo colocándolo en un baño de glicerina.

Se pueden producir una diversidad de artículos de acuerdo con la invención, por ejemplo mercancías de consumidor y mercancías industriales tales como cuchillería, componentes de automoción y una amplia variedad de otras piezas moldeadas por inyección.

La figura 8 ilustra esquemáticamente un sistema de moldeo por inyección 100 de acuerdo con otra construcción. El sistema de moldeo por inyección 100 incluye un extrusor que puede ser similar al ilustrado en la figura 1, que incluye un cilindro o cañón 102 que tiene un primer extremo 104, de aguas arriba, y un segundo extremo 106, de aguas abajo, conectado a una cámara de moldeo 108. Montado para moverse en vaivén dentro del cilindro 102 hay un tornillo 110 funcionalmente conectado, por su extremo de aguas arriba, a un motor de accionamiento (no ilustrado). Una corriente o rama lateral, que conecta una admisión 113 y una lumbrera 115 del cilindro, la lumbrera aguas abajo de la admisión, incluye una bomba 116 de masa fundida y una mezcladora 118 conectadas para paso de fluido en secuencia. La bomba 116 puede ser una bomba de engranajes o un pequeño extrusor, que son conocidos en la técnica.

Las técnicas de la invención descritas anteriormente pueden ser utilizadas también en inyección conjunta asistida por gas. En esta técnica es extrudido y nucleado un precursor de material microcelular mientras está siendo introducido en un molde, como se ha descrito anteriormente, mientras es inyectado gas en la corriente de masa fundida de tal manera que se forma en el molde una capa exterior contra las paredes del molde de material polímero nucleado y se llena un hueco central con el gas inyectado conjuntamente. Se puede hacer que ocurra crecimiento de celdas en otras realizaciones. La mezcladora 118 incluye una lumbrera 120 de inyección de agente de soplado para introducir en ella un agente de soplado. La disposición ilustrada en la figura 8 facilita otro método de la invención que es útil para formar piezas microcelulares moldeadas por inyección que tienen densidades variables de material, como se ha descrito anteriormente. El método implica introducir en el cilindro 102 del extrusor material prepolímero, fundir el material prepolímero y hacer avanzar el material polímero fundido 124 hacia el extremo de aguas abajo 106 del extrusor 100. A medida que avanza el material polímero fundido 124 a través del cilindro 102 del extrusor, una parte es desviada y hecha avanzar a través de la admisión 113 en la corriente lateral 114 mediante la bomba 116 de masa fundida (por ejemplo, después de ser retraído en aproximación el extremo distante del tornillo 110 de la admisión 113 del brazo lateral 114). A medida que el material polímero fundido de la corriente lateral 114 avanza a través de la mezcladora 118, el agente de soplado procedente de la lumbrera 120 de inyección de gas es introducido y mezclado a fondo en ella para formar una solución de fase única, no nucleada, de agente de soplado y material polímero fundido que es hecha avanzar desde la corriente lateral 114 al extremo de aguas abajo 106 del cilindro 102 del extrusor a través de la lumbrera 115, como se ilustra en la figura 8, mientras el tornillo de movimiento en vaivén 110 se retrae completamente. Esto crea una región 122 rica en agente de soplado en el extremo más distante del cilindro y una región pobre en agente de soplado próxima de la región rica en agente de soplado. La cantidad relativa de material rico en agente de soplado y un material pobre en agente de soplado se puede controlar por el régimen al que se hace pasar el material a través del brazo lateral 14 y se enriquece con agente de soplado. A continuación, la acción de movimiento en vaivén del tornillo 110 se utiliza para inyectar la solución de fase única, rica en agente de soplado, de agente de soplado no nucleado y material polímero fundido 122 seguido por una parte del material polímero fundido124 pobre en agente de soplado en la cámara de moldeo 108.

En otra realización, la invención proporciona una técnica para introducir rápida y eficazmente un agente de soplado en un precursor polímero fluido en un aparato de moldeo por inyección como el descrito aquí, así como un aparato de extrusión de acuerdo esencialmente con cualquier realización. Esta realización incluye un tornillo de extrusión, ilustrado en la figura 9, que tiene un orificio en una superficie del tornillo que se puede situar dentro de un cilindro de extrusión (no mostrado) que comunica para paso de fluido con un manantial de agente de soplado. El orificio define el término de un ánima que pasa desde un lugar conectable al manantial, tal como un lugar en el extremo próximo del tornillo. En una realización preferida, el ánima pasa longitudinalmente a lo largo del eje de rotación del tornillo desde el extremo próximo del tornillo y se conecta con uno o más orificios en la superficie del tornillo. El orificio u orificios están situados preferiblemente en superficies exteriores de las alas del tornillo o pueden estar ligeramente rebajados desde las superficies exteriores de las alas, permitiendo este posicionamiento la introducción de agente de soplado de una manera tal que el agente de soplado sufra cizalladura/difusión contra la superficie interior del cilindro. Uno o más orificios pueden estar situados también en regiones entre las alas, o se puede utilizar una combinación de orificios en una diversidad de lugares. Con referencia a la figura 9, un tornillo extrusor 130 incluye un ala 132 y un ánima 134 que proporciona comunicación con un orificio 136 en la superficie exterior 138 del ala 132. La parte 140 del ánima 134 pasa desde el ánima en el eje central del tornillo al orificio 136. Una ventaja de la introducción de agente de soplado a través de un orificio dentro de un tornillo es que se puede proporcionar uniformidad del agente de soplado dentro de un precursor de polímero en una disposición que utiliza un tornillo de movimiento en vaivén.

Se pueden producir artículos que tengan espesores, o dimensiones en sección transversal, menores que 2,5 mm, preferiblemente no mayores que 1,9 mm, más preferiblemente no mayores que 1,3 mm, más preferiblemente no mayores que 0,64 mm, todavía más preferiblemente no mayores que 0,25 mm, por medio de moldeo de inyección, debido a que una solución de fase única de precursor de polímero y fluido supercrítico tiene una viscosidad particularmente baja y, de este modo, se puede inyectar en un molde y formar como un artículo espumado en el mismo. Por ejemplo, se puede introducir una solución de fase única de fluido supercrítico y precursor de polímero en un molde y se puede producir con ello un artículo convencionalmente espumado o microcelular. La baja viscosidad del fluido inyectado en el molde permite tiempos de ciclo de moldeo por inyección de menos de 10 minutos, preferiblemente menores que 5 minutos y, más preferiblemente, menores que 1 minuto, preferiblemente menores que 30 segundos, más preferiblemente menores que 20 segundos, más preferiblemente menores que 10 segundos y todavía más preferiblemente menores que 5 segundos.

La invención procura la producción de artículos moldeados de polímero microcelular de la forma de una cámara de moldeo, que incluyen al menos una parte que tiene una dimensión en sección transversal no mayor que unos 3,2 mm o, en otras realizaciones dimensiones menores indicadas anteriormente, teniendo el articulo un volumen de huecos de al menos 5%, aproximadamente. De preferencia, el volumen de huecos es de al menos 10%, más preferiblemente de al menos 15%, aproximadamente, más preferiblemente al menos 20%, aproximadamente, más preferiblemente al menos 25%, aproximadamente y todavía más preferiblemente al menos 30%, aproximadamente. El artículo puede tener un volumen de huecos de al menos 50%, aproximadamente. Esto constituye una mejora significativa por el hecho de que es un reto en la técnica para proporcionare reducción de peso en material polímero, a través del volumen de huecos de espuma, en artículos que tienen dimensiones muy pequeñas. Estos artículos incluyen los volúmenes de huecos indicados anteriormente en aquellas secciones que son de dimensión transversal no mayor que 3,2 mm u otras dimensiones más pequeñas indicadas anteriormente.

Los métodos de la invención también permiten la producción de mayor reducción de peso, como se describe aquí, y menores celdas en las piezas moldeadas por inyección que tienen espesores mayores que 3,2 mm, por ejemplo entre 5 mm y 12,7 mm de espesor.

Los métodos de la invención también permiten la producción de piezas moldeadas de espuma gruesas y delgadas con superficies que replican piezas macizas. Al menos una parte de la superficie de estas piezas está exenta de chaflán y remolino visibles para el ojo humano desnudo. Las figuras 16-18, en combinación con el Ejemplo 9 (más adelante), demuestran la formación de piezas polímeras que tienen superficies exentas de chaflán y remolino visible al ojo humano desnudo. Tales piezas moldeadas pueden ser producidas cuando la temperatura de la masa fundida y del molde y la concentración de agente de soplado son optimizadas para permitir que el agente de soplado se difunda fuera desde la superficie de la pieza de manera que la superficie incluya una capa de revestimiento esencialmente exenta de celdas. Esta capa de revestimiento es esencialmente de polímero sólido, de modo que la pieza aparece como una pieza polímera maciza al ojo humano desnudo. El chaflán y remolino, en materiales polímeros espumados, es causado por burbujas en la superficie que son arrastradas contra una pared de molde. Cuando se eliminan las burbujas de la superficie, debido al control de temperatura, se evitan chaflán y remolino. En estas realizaciones, son producidas piezas moldeadas que tienen un revestimiento exterior esencialmente de material polímero macizo o sólido exento de celdas, que tienen un espesor de al menos tres veces el tamaño medio de celdas del material de espuma. Preferiblemente, el espesor del revestimiento exterior es al menos unas cinco veces el tamaño de celdas medio del material. Otra razón por la que pueden ser producidas, de acuerdo con la invención, piezas moldeadas que están exentas de chaflán y remolino visibles es que los inventores creen que la velocidad de difusión de un agente de soplado fundido supercrítico es mayor que la de los agentes de soplado típicos, permitiendo que ocurra la difusión en la superficie del artículo, como se ha descrito, para formar una capa de revestimiento sólida o maciza.

Como se ha mencionado, la invención permite la producción de material polímero de espuma microcelular moldeado que tiene secciones delgadas. En particular, pueden ser producidos artículos que tienen elevadas relaciones de longitud a espesor. La invención permite la producción de materiales que tienen relaciones de longitud a espesor de al menos 50:1 cuando el polímero tiene un índice de fusión menor que unos 10. Preferiblemente la relación de longitud a espesor es de al menos 75:1, aproximadamente, más preferiblemente de al menos 100:1, aproximadamente, y todavía más preferiblemente de al menos 150:1. Un ejemplo de material que tiene un índice de fusión menor que unos 10 es el poliestireno. En otra realización, se proporciona un artículo que tiene una relación de longitud a espesor de al menos 120:1, teniendo el polímero un caudal de masa fundida menor que unos 40. En esta realización, la relación de longitud a espesor es preferiblemente de al menos 150:1, aproximadamente, más preferiblemente de al menos 175:1, más preferiblemente de al menos 200:1, aproximadamente, y todavía más preferiblemente, de al menos 250:1. Un ejemplo de un material con un caudal de masa fundida menor que unos 40 es poliolefina, tal como polietileno. La relación de longitud a espesor, en este contexto, define la relación de la longitud de extensión de una parte de una pieza polímero moldeada que se extiende hacia fuera del lugar de inyección en el molde (boquilla) y el espesor a lo largo de esa distancia.

Un artículo particularmente ventajoso es una pieza moldeada delgada con un volumen de huecos relativamente elevado. En particular, la invención permite la producción de artículos polímeros de espuma que tengan una parte de espesor menor que unos 1,2 milímetros y un volumen de huecos de al menos 30%, e incluso de artículos que tengan un espesor de al menos 0,7 milímetros y un volumen de huecos de al menos 15%.

En particular, se pueden producir piezas que tengan espesores según se definen aquí, en las que el espesor máximo existe en al menos 25%, aproximadamente, del artículo, es decir, al menos un 25% del área de una pieza moldeada delgada es de un espesor menor que el de la descrita; incluso más de la pieza puede ser de un espesor menor que el máximo definido, por ejemplo de 50% ó 100%.

Es una ventaja de la presente invención que se pueden producir artículos que sean opacos sin el uso de agentes de opacidad. Esto es debido a que la espuma polímera difracta la luz, es decir es esencialmente opaca y tiene una apariencia blanca. Es una ventaja de la invención que las espumas microcelulares sean más opacas, y por tanto más uniformes, que las espumas convencionales. Esto es una ventaja significativa en relación con artículos construidos y dispuestos para contener material que esté expuesto a destrucción por exposición a la luz, tal como los recipientes de alimentos. Un tal material puede implicar alimento consumible por animales tales como humanos, que contiene vitaminas que pueden ser destruidas por exposición a la luz. Aunque se añaden típicamente agentes de opacidad tales como pigmentos a los artículos, el material pigmentado se presta menos al reciclado. La presente invención permite la producción de artículos delgados, opacos, que incluyen menos de aproximadamente 1% en peso de agente de opacidad auxiliar, preferiblemente menos de aproximadamente 0,05% en peso de agente de opacidad auxiliar y, más preferiblemente todavía, material que esté esencialmente exento de agente de opacidad auxiliar. "Agente de opacidad auxiliar", en la presente invención, pretende definir pigmentos, tintes u otras especies que estén previstas concretamente para absorber luz, o talco u otros materiales que puedan bloquear o difractar la luz. Los expertos ordinarios en la técnica pueden verificar si un aditivo es un agente de opacidad. Artículos microcelulares moldeados por soplado tienen la apariencia de artículos de plástico esencialmente macizos y blancos, que ofrecen un atractivo comercial significativo.

El sistema de la invención puede incluir cursores o conductos calentados (no mostrados). El término "cursor", según se utiliza aquí, pretende definir una trayectoria de fluido que conecta para paso de fluido el extremo exterior del sistema de inyección y la cámara de moldeo, y/o que conecta para paso de fluido varias partes de la cavidad de moldeo, por ejemplo cuando se desean formas moldeadas complejas. Los cursores se conocen en la técnica. En algunos sistemas convencionales de inyección de espuma, el material que queda en los cursores se endurece y es retirado con la pieza moldeada. La presente invención proporciona cursores dirigidos por unidades de control térmico, tales como pasos para la circulación de fluido caliente. Esto es útil de acuerdo con ciertas realizaciones en las que es ventajoso mantener el material precursor de artículo de polímero en un estado fluido dentro de los cursores con el fin de eliminar un descenso de presión que pueda ocurrir si se produjera una espacio de separación en un material dentro del cursor, cuando, por ejemplo, se ha retirado material endurecido. La disposición puede implicar, por ejemplo, un extrusor para suministrar una solución fluida de fase única de material polímero y agente de soplado, un cursor que incluya la trayectoria de nucleación, incluyendo el cursor o conducto una válvula en su extremo de aguas abajo para ser abierta cuando se vaya a llenar el molde y que se cierra cuando se haya de abrir el molde y retirar un artículo. Si se utiliza el material polímero fluido, entonces, si se calienta el cursor, el material nucleado en el cursor permanecerá fluido y apropiado para inyección en el molde. La realización que incluye cursores controlados en temperatura puede encontrar uso en cualquiera de una amplia variedad de sistemas de moldeo por inyección, que impliquen cualquier número de cursores entre varios componentes, y válvulas situadas, si se precisan, apropiadamente para permitir llenar moldes o secciones de molde periódicamente sin necesidad de retirar y desechar el material endurecido de los cursores.

La función y ventaja de estas y otras realizaciones de la presente invención serán más completamente comprendidas a partir de los ejemplos que siguen. Los siguientes ejemplos están destinados a ilustrar los beneficios de la presente invención, pero no ejemplifican el pleno alcance de la invención. Los ejemplos que siguen demuestran ventajas de moldear por inyección una carga de material polímero y agente de soplado fundido supercrítico, por cuanto que se forman artículos que tienen una superficie, correspondiente a una superficie interior de una cámara de moldeo, que está exenta de chaflán y remolino visible para el ojo humano desnudo.

Ejemplo 1

Un aparato de moldeo (fabricación de Engel) de dos etapas fue construido con una unidad de plastificación de relación l/d de 32:1, que alimenta polímero fundido a un émbolo de 40 mm. El émbolo y las unidades de plastificación estaban conectadas mediante un conjunto de elemento de unión de retención de bola cargada por muelle. El émbolo era capaz de inyectar en un molde a través de una boquilla típica de corte accionada neumáticamente. La inyección de CO_{2} supercrítico fue realizada colocando a aproximadamente de 16 a 20 diámetros de la sección de alimentación un sistema de inyección que incluía una lumbrera situada radialmente que contenía 176 orificios de 0,5 mm de diámetro. El sistema de inyección incluía una válvula de control accionada para dosificar un caudal de masa de agente de soplado a regímenes de 90 gr a 5450gr/hr

El plastificador estaba equipado con un tornillo de dos etapas que incluía una primera etapa de alimentación convencional, transición de barrera y sección de dosificación, seguida por una sección de mezcladura de múltiples alas para homogeneización del agente de soplado. El diseño permitía la homogeneización y enfriamiento de la solución homogénea de fase única de polímero y gas.

El sistema hidráulico utilizado para mover todas las partes de la máquina de moldeo fue modificado para que tuviera una presión de presurización de la masa fundida de al menos 6,9 MPa, pero no más que 193 Mpa en todo momento. Esta técnica controla y mantiene la solución de fase única de polímero y gas en todo momento antes de la inyección del plástico en el molde.

Ejemplo 2 Moldeo por inyección de poliestireno microcelular

La máquina de moldeo según se ha descrito en el ejemplo 1 fue utilizada para moldear placas de poliestireno molecular. Fueron alimentadas pellas o gránulos de poliestireno (Novacor 2282, 11 M.I.) al plastificador y, en la mayoría de los casos, mezclados con agente de soplado para formar una solución de fase única, después nucleados por inyección en un molde de placa con puerta central de 127 x 279 x 0,13 mm. La inyección ocurrió a través de un bebedero frío. El régimen de inyección fue variado para determinar la relación entre variables del proceso y tamaño de celdas y reducción de peso. El tamaño de celdas fue controlado hasta inferior de 30 micrómetros y reducción de peso tan grande como 20%. Véanse las Tablas 1 y 2 y las figuras correspondientes 10-15.

TABLA 1 Efecto de la velocidad de inyección sobre el tamaño de celdas y reducción del peso

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TABLA 2 Efecto de la concentración de gas sobre el tamaño de celdas y la reducción de peso

Temperatura de fusión = 160ºC

Temperatura del molde = 66ºC

Velocidad de inyección = 10,16 cm/seg

Diámetro del bebedero = 1,125 cm.

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Ejemplo 3 Moldeo por inyección de poli(tereftalato de etileno) microcelular

Fue utilizada la máquina de moldeo por inyección descrita en el Ejemplo 1 para moldear PET (Eastman, 0,95 IV) en una cavidad de 127 x 279 x 5 mm después de secada durante cuatro horas a 177ºC. La temperatura de tratamiento de la masa fundida era de 288ºC, la temperatura del molde era de 66ºC y fue inyectada con 12% de CO_{2}. La presión de presurización de la masa fundida fue mantenida a 20,7 MPa y la velocidad de inyección era de 127 mm por segundo.

La reducción de peso fue de 30% y el tamaño de celdas era de 30 a 40 micrómetros de diámetro.

Ejemplo 4 Moldeo por inyección de polipropileno de elevados niveles de reducción de peso

Se utilizó la máquina de moldeo por inyección descrita en el Ejemplo 1 para moldear polipropileno (caudal de masa fundida 4 (MFR), copolímero, Montell 7523), polipropileno (20 MFR, copolímero, Montell SD-376) y polipropileno cargado con talco (4 MFR, 40% cargado con talco, Montell 65f4-4) en una placa de 127 x 279 x "espesor variable" de placa. Se consiguieron elevadas reducciones de peso utilizando las siguientes condiciones:

TABLA 3

3

Ejemplo 5 Moldeo por inyección de piezas de poliestireno con reducciones de densidad mayores que 70%

Se utilizó la máquina de moldeo por inyección descrita en el Ejemplo 1 para moldear poliestireno bajo condiciones similares a las encontradas en el ejemplo 2, pero con temperaturas de molde comprendidas entre 66 y 121ºC y tiempos de enfriamiento comprendidos entre 3,2 y 22,8 segundos. Las grandes reducciones de densidad fueron las siguientes:

TABLA 4

4

Ejemplo 6 Nucleación posterior en molde y crecimiento de celdas de una pieza de polímero solidificado/fluido supercrítico

Se utilizó la máquina de moldeo por inyección descrita en el Ejemplo 1 para moldear poliestireno (Novacor 2282, 11 M.I.). Se alimentaron gránulos de poliestireno al plastificador y fueron inyectados como se describe en el ejemplo 2. El material inyectado en el molde fue enfriado en el molde hasta una temperatura inferior a la temperatura de solidificación del poliestireno. Se abrió el molde y se retiró la pieza en un estado no espumado. La pieza fue entonces sometida a un manantial de calor externo (baño de glicerina), tras lo cual fue nucleada y fueron desarrolladas celdas. Resultó un artículo microcelular.

Ejemplo 7 Demostración de reducción de viscosidad en el moldeo de polímeros

Este ejemplo demuestra la ventaja de utilizar agente de soplado fundido supercrítico para reducir la viscosidad para la introducción de material polímero en un molde, a temperaturas relativamente bajas de la masa fundida, mientras se consiguen los beneficios de la espumación microcelular.

Se utilizó una máquina de moldeo para moldear poliestireno como se describe en el Ejemplo 2 con la siguiente excepción. El molde tenía dimensiones de 127 x 279 x 0,5 mm. Bajo las mismas condiciones del Ejemplo 2 se inyectó poliestireno con 0% de agente de soplado. La longitud de flujo máximo obtenible fue de 25 mm, que daba lugar a una relación de longitud a espesor de 50. Se realizó un experimento idéntico con 15% de agente de soplado de dióxido de carbono supercrítico. La longitud de flujo máxima fue de al menos 140 mm, con una relación de longitud a espesor de 270.

Ejemplo 8 Moldeo por inyección de polipropileno por debajo de su punto de fusión cristalino

Se utilizó la máquina de moldeo por inyección descrita en el Ejemplo 1 para moldear polipropileno (4 MFR, copolímero, Montell 7523) en un molde de 127 x 279 x 1,3 mm. Con 0% de agente de soplado, la temperatura típica de la masa fundida necesaria para llenar un tal molde era de aproximadamente 221ºC. Con 15% de agente de soplado de dióxido de carbono supercrítico fue posible inyectar polipropileno por debajo de su punto de fusión cristalino, que es nominalmente de 163ºC. La temperatura real de la masa fundida era de 154ºC.

Ejemplo 9 Demostración de un artículo espumado de manera microcelular con una superficie casi perfecta

Se utilizó una máquina de moldeo como la descrita en el Ejemplo 2 para moldear poliestireno (Novacor 2282 11 M.I.). Se alimentaron gránulos de poliestireno a un plastificador y se mezclaron con agente de soplado CO_{2} para formar una solución de fase única de CO_{2} supercrítico y poliestireno, después fue nucleada por inyección en un molde de placa de 127 x 279 x 1,3 cm. Las condiciones del proceso fueron optimizadas para identificar las condiciones apropiadas para obtener una elevada densidad de nucleación, así como un revestimiento o película de apariencia sólida. Se proporcionan fotocopias de microfotografías como figuras 16-18 para demostrar la eficacia de esta técnica. La figura 16 es proporcionada para comparación, y muestra poliestireno sólido no espumado, moldeado por inyección utilizando técnicas estándar de moldeo por inyección no espumada.

Como se puede apreciar, las condiciones ideales implican una compensación de temperatura de masa fundida, la temperatura del molde y la concentración de agente de soplado. La temperatura de la masa fundida debe ser suficientemente elevada para que el régimen de difusión del agente de soplado en la masa fundida sea relativamente rápido, y la temperatura del molde debe ser suficientemente elevada para que ocurra la difusión del agente de soplado fuera de la masa fundida en un grado significativo en la superficie, pero la temperatura del molde debe ser suficientemente baja para evitar alabeo u otra deformación del producto. El régimen de difusión del agente de soplado es dependiente de la temperatura de la masa fundida, de la concentración del agente de soplado, de la diferencia de temperaturas y de la temperatura del molde. El régimen de difusión del agente de soplado fuera de la masa fundida debe ser mayor que el régimen al cual se enfría y solidifica la superficie del polí-
mero.

TABLA 5

5

Los expertos en la técnica apreciarán fácilmente que todos los parámetros enumerados aquí pretenden ser ejemplares y que los parámetros reales dependerán de la aplicación concreta para la que se utilizan los métodos y aparato de la presente invención. Se ha de entender, por lo tanto, que las realizaciones precedentes se han presentado a modo de ejemplo solamente y que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes, la invención puede ser puesta en práctica de otra manera que la específicamente descrita.

Claims

1. Un sistema (30) para producir material microcelular moldeado por inyección, que comprende:

un extrusor que tiene una salida en un extremo de salida (36) del mismo, diseñado para liberar una solución no nucleada, homogénea, fluida, de fase única, de un material polímero y un agente de soplado;

una cámara de moldeo (37) que tiene una entrada; y

una trayectoria de nucleación (67) que tiene un extremo de recepción (69) en comunicación de fluido con la salida del extrusor y un extremo de liberación (70) en comunicación directa de fluido con la entrada de la cámara de moldeo,

en el que el sistema está construido y dispuesto para someter la solución de fase única a una caída de presión a un régimen suficiente para originar la nucleación mientras la solución pasa a través de la trayectoria de nucleación hacia la cámara de moldeo.

2. Un sistema según la reivindicación 1, en el que el extremo de liberación define un orificio de la cámara de moldeo.

3. Un sistema según la reivindicación 1, que comprende además un acumulador (50) aguas arriba de la trayectoria de nucleación, estando dicho acumulador construido y dispuesto para acumular la solución de fase única.

4. Un sistema según la reivindicación 1, en el que la cámara de moldeo está construida y dispuesta para contener el material polímero nucleado a una elevada presión, con lo que se controla el desarrollo de celdas a la elevada temperatura.

5. Un sistema según la reivindicación 4, en el que la cámara de moldeo está provista de medios de presurización de fluido para contener el material polímero nucleado a la elevada presión.

6. Un sistema según la reivindicación 4, en el que la cámara de moldeo está provista de medios de presurización mecánicos para contener el material polímero nucleado a la elevada presión.

7. Un sistema según la reivindicación 3, en el que el acumulador está definido en una región de aguas abajo de un tornillo (38) de movimiento en vaivén en un cilindro (32) del aparato de extrusión.

8. Un sistema según la reivindicación 3, en el que el acumulador está definido en una región separada del aparato de extrusión y una salida del aparato de extrusión está conectada a una entrada (79) del acumulador.

9. Un sistema según la reivindicación 1, en el que la trayectoria de nucleación cambia de dimensión en sección transversal a lo largo de su longitud.

10. Un sistema según la reivindicación 1, que comprende además una fuente (56) de agente de soplado conectada para comunicación de fluido al menos a una lumbrera (54) de agente de soplado formada en el extrusor.

11. Un sistema según la reivindicación 10, en el que la fuente de agente de soplado está conectada para comunicación de fluido a más de una lumbrera de agente de soplado formadas en el extrusor.

12. Un sistema según la reivindicación 10, que comprende además un dispositivo (58) de dosificación de agente de soplado dispuesto entre la fuente de agente de soplado y la lumbrera de agente de soplado.

13. El sistema según la reivindicación 1, en el que la fuente de agente de soplado consiste en dióxido de carbono o nitrógeno.

14. Un método que comprende:

inyectar una solución fluida, de fase única, de un precursor de un material polímero y un agente de soplado producido en un aparato de extrusión, en una cámara de moldeo (37) a través de una trayectoria de nucleación (67) en comunicación directa de fluido con dicha cámara de moldeo (37) mientras se somete la solución de fase única a una caída de presión a un régimen suficiente para originar la nucleación mientras se hace pasar la solución a través de la trayectoria de nucleación hacia la cámara de moldeo; y

permitir que solidifique la mezcla como un artículo de polímero microcelular dentro de la cámara de moldeo.

15. Un método según la reivindicación 14, que comprende permitir que la mezcla nucleada sufra desarrollo o crecimiento de celdas, permitir que la mezcla se solidifique en la forma de la cámara de moldeo para formar un artículo de polímero microcelular en la forma de la cámara de moldeo, y retirar el artículo de polímero microcelular de la cámara de moldeo mientras se permite que el artículo microcelular mantenga la forma de la cámara de moldeo.

16. Un método según la reivindicación 14, que comprende nuclear continuamente la solución sometiendo continuamente la solución a una caída de presión a un régimen suficiente para originar la nucleación mientras se hace pasar la solución a la cámara de moldeo.

17. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 14, 15 y 16, que comprende además:

retirar un artículo de polímero microcelular solidificado de la cámara de moldeo; y

proporcionar, en un período menor que 10 minutos, una segunda mezcla nucleada a la cámara de moldeo, permitir que solidifique la segunda mezcla en la forma de la cámara de moldeo, y retirar un segundo artículo de polímero microcelular solidificado de la cámara de moldeo.

18. Un método según la reivindicación 17, en el que el periodo es menor que un minuto.

19. Un método según la reivindicación 17, en el que el periodo es menor que unos 20 segundos.

20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 19, que comprende además calentar partes del recinto o envuelta.

21. Un método según la reivindicación 20, en el que dichas partes constituyen la totalidad de la cámara de moldeo.

22. Un método según la reivindicación 14, que comprende permitir que la mezcla solidifique parcialmente en la forma de la cámara de moldeo par formar un primer artículo de polímero microcelular en la forma de la cámara de moldeo, retirar el artículo de polímero microcelular de la cámara de moldeo, y permitir que partes del primer artículo de polímero microcelular se dilaten más para formar un segundo artículo de polímero microcelular que tenga una forma con partes que sean mayores que la forma de la cámara de moldeo.

23. Un método según la reivindicación 14, que comprende además acumular la solución antes de inyectar la solución a través de la trayectoria de nucleación.

24. Un método según la reivindicación 23, que comprende acumular la solución en una región aguas abajo de un tornillo de movimiento en vaivén en un cilindro del aparato de extrusión, o en una región separada del aparato de extrusión, estando una salida del aparato de extrusión conectada a la entrada del acumulador.

25. Un método según la reivindicación 14, que comprende además introducir agente de soplado en un precursor de material polímero en el aparato de extrusión para formar una mezcla de precursor de material polímero y agente de soplado antes de la operación de inyección.

26. Un método según la reivindicación 25, que comprende además formar una solución de fase única a partir de la mezcla de precursor de material polímero y agente de soplado antes de la operación de inyección.

27. Un método según la reivindicación 14, en el que la solución es inyectada a través de la trayectoria de nucleación moviendo un tornillo del aparato de extrusión en una dirección aguas abajo.

28. Un método según la reivindicación 14, en el que la solución es nucleada por la caída de presión de la solución a medida que la solución pasa a través de la trayectoria de nucleación hacia la cámara de moldeo.

29. Un método según la reivindicación 25, en el que el agente de soplado es un agente de soplado físico.

30. Un método según la reivindicación 25, en el que el agente de soplado es un agente de soplado químico.

31. Un método según la reivindicación 25, en el que el agente de soplado consiste en dióxido de carbono o nitrógeno.

32. Un método según la reivindicación 14, en el que el artículo de polímero microcelular incluye al menos una parte que tiene una dimensión en sección transversal no mayor que 3,17 mm.